用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法，其包含：基于目标区域的地层岩性、岩石力学参数以及地层脆性指数，结合破岩所需机械能量门槛值的要求，优选破岩工具的类型及其参数；通过地层造斜指数以及研磨指数优选底部钻具组合，并根据研磨指数优化破岩工具的应用参数；依据地层软硬交错指数断定破岩工具的振动程度，以优选得到稳定工况类工具的类型以及安装位置；基于钻柱失稳条件以及目标区域的地层特征参数，明确钻井参数的敏感性以及钻井参数的范围；计算技术效益指数以评价当前的破岩效率，对破岩工具进行迭代优化。本发明专利技术通过定量分析，基于钻头稳态工况下提供充足的钻头破岩能量的原则，形成了高效协同破岩优化方法。协同破岩优化方法。协同破岩优化方法。

【技术实现步骤摘要】
用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法及装置


[0001]本专利技术涉及地质钻探及油气钻井
，具体地说，涉及一种用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法及装置。

技术介绍

[0002]在油气钻井与地质钻探领域，钻头是旋转钻井施工中必不可少的井下工具，目前牙轮钻头与PDC钻头是旋转钻井中最常使用的两种钻头，其中，PDC钻头所钻进尺约占90％。PDC钻头主要靠切削和剪切作用破碎岩石，自PDC钻头问世以来，破岩机理基本没有改变。
[0003]目前旋转钻井体系下，钻头破岩能量传递主要依靠钻杆串联起来的数千米的钻柱，而钻柱在传递扭矩的过程中，会发生较大的扭转弹性变形，相当一部分能量损耗在了钻柱的扭转变形中。PDC钻头钻遇坚硬地层、且破岩扭矩不足时，钻头会降低转速甚至停转，直至钻柱积聚足够的扭转应变能，为钻头提供足够的扭矩供应以剪切和破碎井底岩石。由于扭转应变能贮存在扭曲的钻柱中，钻头破岩后扭矩释放，钻柱会像松开的发条一样产生严重的扭转震荡，这种现象就称之为“粘滑”(俗称憋钻)。
[0004]现场实践表明，PDC钻头在钻井过程中不是连续均匀运转，而是时转时停，测量结果显示：平均每10秒发生1次粘滑现象，钻头转速有时高达500r/min。由PDC钻头的粘滑问题带来的危害：使传递到钻头的破岩动力大打折扣，能量传递效率不高；导致钻柱受力工况恶劣、疲劳寿命低；钻头切削齿工作面不稳定，影响PDC钻头的切削效果和破岩速度；容易造成切削齿崩裂，致使PDC钻头失效；高频交变的扭转震荡易使钻头与井下钻具松扣，诱发井下复杂与故障。
[0005]PDC切削齿设计与制造技术、钻头力平衡设计技术、切削深度控制技术等PDC钻头设计与生产工艺，提高破岩能量类工具(如动力钻具、冲击类提速工具)、稳定工况类工具(如水力增压器、切削深度随钻控制等工具)在降低钻头井下振动、提高钻头寿命等方面起到重要作用，目前复合钻井已经成为石油钻井最主要的钻井提速方式，在软-中硬地层中取得了很好的应用效果，但在硬地层等复杂地层中还存在应用效果不稳定、钻井速度相对较慢、钻头寿命短等问题。
[0006]切削深度是决定钻头破岩效率的关键因素，在一定范围内随着切削深度的增加，破岩方式逐渐由研磨向体积破碎转变，机械钻速随之提高，直至最优切削深度下钻头处于高效破岩状态。在坚硬地层中PDC钻头难以吃入地层，在软硬交错地层切削深度的大幅波动，会造成钻头破岩效率的急速降低，并诱发钻头振动和造成切削齿提前损坏。因此，在坚硬、软硬交错等复杂地层，PDC钻头的切削深度与破岩能量频繁波动，破岩参数难以合理匹配，井下振动普遍存在，钻头机械钻速慢、寿命短、进尺少的问题极大增加了钻井周期和钻井费用。
[0007]现有技术中，没有统一的高效破岩优化方法，是限制钻井提速技术优化、复杂地层中PDC钻头性能发挥和推广应用效果稳定性的重要原因，有必要建立科学、高效、协同的破岩方法，降低复杂地层钻井提速的试错成本。
[0008]因此，本专利技术提供了一种用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法及装置。

技术实现思路

[0009]为解决上述问题，本专利技术提供了一种用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法，所述方法包含以下步骤：
[0010]步骤一：基于目标区域的地层岩性、岩石力学参数以及地层脆性指数，结合破岩所需机械能量门槛值的要求，优选破岩工具的类型及其参数，其中，所述破岩工具包含钻头、稳定工况类工具以及提高破岩能量类工具；
[0011]步骤二：通过地层造斜指数以及研磨指数优选底部钻具组合，并根据所述研磨指数优化所述破岩工具的应用参数；
[0012]步骤三：依据地层软硬交错指数断定所述破岩工具的振动程度，以优选得到所述稳定工况类工具的类型以及安装位置；
[0013]步骤四：基于钻柱失稳条件以及目标区域的地层特征参数，明确包含机械参数与水力参数的钻井参数的敏感性以及钻井参数的范围；
[0014]步骤五：计算技术效益指数以评价当前的破岩效率，对所述破岩工具进行迭代优化。
[0015]根据本专利技术的一个实施例，所述破岩所需机械能量门槛值包含：门限钻压以及门限扭矩，通过以下公式表示所述门限钻压以及所述门限扭矩：
[0016]W
bs
＝k
c
S
cc
k
b
[0017]T
bs
＝k
cc
S
cc
k
b
D
b
[0018]其中，W
bs
表示所述门限钻压，N；T
bs
表示所述门限扭矩，N
·
m；S
cc
表示岩石有围压抗压强度，Pa；D
b
表示钻头直径，m；k
c
、k
cc
分别表示抗压强度对门限钻压和门限扭矩的影响系数；k
b
表示钻头尺寸影响系数。
[0019]根据本专利技术的一个实施例，所述提高破岩能量类工具包含：动力钻具以及冲击类工具，所述步骤一中具体包含以下步骤：
[0020]基于目标区域的所述地层岩性、所述岩石力学参数以及所述地层脆性指数结合不同钻头的历史应用效果，选定所述钻头的类型以及型号；
[0021]依据所述门限钻压以及所述门限扭矩，选定所述动力钻具的类型以及参数；
[0022]计算得到所述地层脆性指数，评价目标区域的地层脆塑性程度，选定所述冲击类工具的类型以及参数。
[0023]根据本专利技术的一个实施例，通过以下公式计算得到所述地层脆性指数：
[0024]I
b
＝0.5[(10-4
E-1)
÷
7-4(P
r-0.4)][0025]其中，I
b
表示所述地层脆性指数；E表示岩石的动态弹性模量，MPa；P
r
表示岩石的泊松比。
[0026]根据本专利技术的一个实施例，所述底部钻具组合包含：静力学防斜钻具组合、动力学防斜钻具组合以及主动防斜钻具组合，所述步骤二中具体包含以下步骤：
[0027]计算得到所述地层软硬交错指数，并结合地层倾角计算得到所述地层造斜指数；
[0028]基于所述地层造斜指数对目标区域的地层自然造斜特性进行评价，以优选所述底
部钻具组合。
[0029]根据本专利技术的一个实施例，所述破岩工具的应用参数包含：钻压、钻头转速以及所述动力钻具参数，所述步骤二中具体包含以下步骤：
[0030]基于所述地层造斜指数限定所述钻压的最大值；
[0031]基于所述研磨指数限定所述钻头转速的最大值；
[0032]基于所述研磨指数限定所述动力钻具参数中弯角的最大值。
[0033]根据本专利技术的一个实施例，通过以下公式计算得到所述地层造斜指数：
[0034][0035]其中，I
i
表示所述地层造斜指数；I
s
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：步骤一：基于目标区域的地层岩性、岩石力学参数以及地层脆性指数，结合破岩所需机械能量门槛值的要求，优选破岩工具的类型及其参数，其中，所述破岩工具包含钻头、稳定工况类工具以及提高破岩能量类工具；步骤二：通过地层造斜指数以及研磨指数优选底部钻具组合，并根据所述研磨指数优化所述破岩工具的应用参数；步骤三：依据地层软硬交错指数断定所述破岩工具的振动程度，以优选得到所述稳定工况类工具的类型以及安装位置；步骤四：基于钻柱失稳条件以及目标区域的地层特征参数，明确包含机械参数与水力参数的钻井参数的敏感性以及钻井参数的范围；步骤五：计算技术效益指数以评价当前的破岩效率，对所述破岩工具进行迭代优化。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述破岩所需机械能量门槛值包含：门限钻压以及门限扭矩，通过以下公式表示所述门限钻压以及所述门限扭矩：W
bs
＝k
c
S
cc
k
b
T
bs
＝k
cc
S
cc
k
b
D
b
其中，W
bs
表示所述门限钻压，N；T
bs
表示所述门限扭矩，N
·
m；S
cc
表示岩石有围压抗压强度，Pa；D
b
表示钻头直径，m；k
c
、k
cc
分别表示抗压强度对门限钻压和门限扭矩的影响系数；k
b
表示钻头尺寸影响系数。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提高破岩能量类工具包含：动力钻具以及冲击类工具，所述步骤一中具体包含以下步骤：基于目标区域的所述地层岩性、所述岩石力学参数以及所述地层脆性指数结合不同钻头的历史应用效果，选定所述钻头的类型以及型号；依据所述门限钻压以及所述门限扭矩，选定所述动力钻具的类型以及参数；计算得到所述地层脆性指数，评价目标区域的地层脆塑性程度，选定所述冲击类工具的类型以及参数。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算得到所述地层脆性指数：I
b
＝0.5[(10-4
E-1)
÷
7-4(P
r-0.4)]其中，I
b
表示所述地层脆性指数；E表示岩石的动态弹性模量，MPa；P
r
表示岩石的泊松比。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底部钻具组合包含：静力学防斜钻具组合、动力学防斜钻具组合以及主动防斜钻具组合，所述步骤二中具体包含以下步骤：计算得到所述地层软硬交错指数，并结合地层倾角计算得到所述地层造斜指数；基于所述地层造斜指数对目标区域的地层自然造斜特性进行评价，以优...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾义金，胡群爱，孙连忠，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：