CN105443106A - 采用牙轮钻头进行钻井的控制方法以及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用牙轮钻头进行钻井的控制方法，(A)对牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速进行采样；(B)响应牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速计算牙轮钻头的钻井速度；(C)响应牙轮钻头的钻井速度计算规定钻井时间；(D)判断钻井时间是否达到规定钻井时间；(E)当钻井时间到达规定钻井时间时即发出终止牙轮钻头信号。在步骤(B)中还包括以下步骤：(B1)根据岩石力学得到单一牙齿侵入岩石的深度；(B2)根据单一牙齿侵入岩石切削的深度体积得到单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积；(B3)得到牙轮钻头的预测钻井速度。本发明采用以上方法以及系统，能够对钻井时间进行精确控制。

Description

采用牙轮钻头进行钻井的控制方法以及控制系统

技术领域

本发明涉及了一种油田钻探领域，尤其还涉及一种采用牙轮钻头进行钻井的控制方法以及控制系统。

背景技术

随着油气田勘探开发工作的不断深入，钻井时遇到的地层构造越来越复杂，钻井难度越来越大，钻井成本逐年提高，因此如何准确的确定钻井方案对于油气田开发而言极其重要。

牙轮钻头是钻井工具中常用的一种。图1是牙轮钻头的中一种，参照图1所示，牙轮钻头包括钻头体1、至少一个牙轮2，所述牙轮上设有牙齿3。钻头体1在旋转时，牙齿3具有冲击、压碎和剪切破碎地层岩石的作用，因而牙轮钻头广泛适用于从软到坚硬的多种地层。牙轮钻头按牙齿类型可分为铣齿(钢齿)牙轮钻头、镶齿(牙轮上镶装硬质合金齿)牙轮钻头；按牙轮数目可分为单牙轮钻头、三牙轮钻头和组装多牙轮钻头。

目前常用的钻速预测模型包括通用预测方法，深层递归钻速预测方法等，这些钻速预测方法较好的反映了地层参数与钻井速度的关系。但是这些方法是在地层可钻性的基础上通过分析机械参数和地层的水力参数建立起来的，并没有考虑到牙轮的自身特点，使得方程无法有效分析不同牙轮钻头类型、不同地层条件下的牙轮钻头的钻井速度的差别。

在现有技术中，由于无法准确预测钻井速度，也就无法确定钻井时间。在钻井时间无法确定的情况下就很难对钻井的终止点进行控制，如果钻井深度不够，那就无法实现石油开采，如果钻井深度过度，那么则会造成对牙轮钻头的浪费，影响牙轮钻头的使用寿命。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供了一种采用牙轮钻头进行钻井的控制方法，其能够对钻井时间进行精确控制，在保证钻井深度的基础上延长牙轮钻头的使用寿命。

本发明的具体技术方案是：

一种采用牙轮钻头进行钻井的控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(A)、对牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速进行采样；

(B)、响应所述牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速计算所述牙轮钻头的钻井速度；

(C)、响应所述牙轮钻头的钻井速度计算规定钻井时间；

(D)、判断钻井时间是否达到规定钻井时间；

(E)、当钻井时间到达规定钻井时间时即发出终止牙轮钻头信号。

优选地，在步骤(B)中还包括以下步骤：

(B1)、根据岩石力学得到单一牙齿侵入岩石的深度；

(B2)、根据单一牙齿侵入岩石切削的深度体积得到单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积；

(B3)、根据单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积、多齿之间的相互影响系数以及地层可钻性级值得到牙轮钻头的预测钻井速度。

优选地，控制方法还包括在步骤(B1)中，其中h为单一牙齿侵入岩石的深度，F为钻压，C为岩石的内聚力，θ为钻头牙齿尖角，为内摩擦角，为剪切破坏面与井底平面夹角。

优选地，F在钻井现场得到，C、θ、φ通过取出岩心后在实验室测量得到。

优选地，它包括在步骤(B2)中， 其中V为单一牙齿形成的破碎坑体积；X为破碎坑的半长；L为钻头牙齿嵌入坑的宽度。

优选地，它包括在步骤(B3)中，其中v为牙轮钻头的钻井速度，S为多齿之间的相互影响系数；E为地层可钻性级值，m为某一时刻牙轮钻头每一个牙齿与井底接触到的牙齿数，n为牙轮钻头的旋转速度。

优选地，S由实验室试验得出；E由岩石各种特性的综合得出；n通过安装在钻头或钻具上的传感器测算得出；m为3-5。

本发明公开了一种对上述采用牙轮钻头进行钻井的控制方法进行处理的控制系统，其特征在于，它包括：

用于对牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速进行采样的采样单元；

用于响应所述牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速计算所述牙轮钻头的钻井速度的第一计算单元；

用于响应所述牙轮钻头的钻井速度计算规定钻井时间的第二计算单元；

用于判断所述的钻井时间是否达到规定钻井时间的比较单元；

用于当所述的钻井时间到达规定钻井时间时即发出终止牙轮钻头信号的输出单元。

优选地，所述第一计算单元包括：

用于根据岩石力学得到单一牙齿侵入岩石的深度的第三计算单元；

用于根据单一牙齿侵入岩石切削的深度体积得到单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积的第四计算单元；

用于根据单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积、多齿之间的相互影响系数以及地层可钻性级值得到牙轮钻头的预测钻井速度的第五计算单元。

本发明采用以上方法以及系统，能够对钻井时间进行精确控制，在保证钻井深度的基础上延长牙轮钻头的使用寿命。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1显示了牙轮钻头的结构示意图。

图2显示了本发明中采用牙轮钻头进行钻井的控制方法的原理示意图。

图3显示了本发明中对牙轮钻头的钻井速度的原理示意图。

图4显示了本发明中单一牙齿侵入井底岩石的受力情况示意图。

图5显示了本发明中采用牙轮钻头进行钻井的控制系统的原理示意图。

图6显示了图5中第一计算单元的原理示意图。

以上附图的附图标记：1、钻头体；2、牙轮；3、牙齿；41、第一计算单元；42、第二计算单元；43、第三计算单元；44、第四计算单元；45、第五计算单元；46、采样单元；47、比较单元；48、输出单元。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

参照图2所示，本发明中采用牙轮钻头进行钻井的控制方法包括以下步骤：

(A)、对牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速进行采样；

(B)、响应所述牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速计算所述牙轮钻头的钻井速度；

(C)、响应所述牙轮钻头的钻井速度计算规定钻井时间；

(D)、判断所述的钻井时间是否达到规定钻井时间；

(E)、当所述的钻井时间到达规定钻井时间时即发出终止牙轮钻头信号。

在步骤(A)中，在现场对牙轮钻头的钻压进行采样，并在牙轮钻头上安置传感器以对牙轮钻头的转速进行采样。

参照图3所示，在步骤(B)中还包括以下步骤：

(B1)、根据岩石力学得到单一牙齿侵入岩石的深度；

(B2)、根据单一牙齿侵入岩石切削的深度体积得到单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积；

(B3)、根据单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积、多齿之间的相互影响系数以及地层可钻性级值得到牙轮钻头的钻井速度。

具体的，在步骤(B1)中：参照图4所示，单一牙齿侵入岩石的深度为h，根据岩石学通过钻压、岩石的内聚力、钻头牙齿尖角、内摩擦角以及剪切破坏面与井底平面夹角得到公式一：

…………………………………………(公式一)，

其中F为钻压，单位：N(牛)；C为岩石的内聚力，单位：N(牛)；θ为钻头牙齿尖角，单位：°(度)；为内摩擦角，单位：°(度)；为剪切破坏面与井底平面夹角，单位：°(度)。其中F在钻井现场得到的，C、θ、φ通过取出岩心后在实验室测量得到。

在步骤(B2)中，根据单一牙齿侵入岩石切削的深度体积得到单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积，得到单一牙齿形成的破碎坑体积V即公式二，

……………………………………………(公式二)，

……………………………………………………………(公式三)，

在公式二中，破碎坑的半长X由公式三得出并代入公式二，

其中X为破碎坑的半长，单位：mm(毫米)；L为钻头牙齿嵌入坑的宽度，单位：mm(毫米)，L可以实验室测量得到。

在步骤(B3)中，根据单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积、多齿之间的相互影响系数以及地层可钻性级值得到牙轮钻头的钻井速度v，其中：

$v=\frac{\mathrm{SmnV}}{9{\mathrm{\πd}}^2\mathrm{EF}}$ ……………………………………………………………(公式四)，

在公式四中，S、m、n分别代表了牙齿数、牙齿系数和转速，这三个参数需要相乘。πd²代表了牙轮钻头钻开井眼的面积，需要用破岩的体积除以面积得到。9E是经验数值，在计算过程中做为分母。

将公式一、公式二、公式三代入公式四得到公式五：

…………………………(公式五)，

其中S为多齿之间的相互影响系数，该值由试验得出，S是个实验室试验数，S的大致范围见下表1：

牙齿数	0-4	4-7	7-10	11-16	16-19
						S值	1.1-1.15	1.15-1.20	1.20-1.23	1.23-1.26	1.26-1.28

表1

E为地层可钻性级值。岩石的可钻性，是指钻进时岩石抵抗压力和破碎的能力；也表示进尺效率的高低。因此，岩石的可钻性是岩石各种特性的综合，是衡量岩石钻进难易程度的主要指标。一般用单位时间的进尺数来表示可钻性的高低。按照这个分级方法，常把岩石的可钻性，划分为十二个等级。地层可钻性是地层的本身属性，每一种地层、每一块岩石的可钻性只能是一个值。在本发明中地层可钻性值由地震电测资料算出来的，相对准确。

一级：松散土：松软疏散的---代表性岩石为：次生黄土、次生红土、松软不含碎石及角砾的砂土、硅藻土、不含植物根的泥炭质腐殖层。一级可钻性值一般为7.50m/h左右。

二级：较软松散岩，代表性岩石为：黄土层、红土层、松软的泥炭层、含10％-20％砾石、碎石的黏土质和砂土质、松软的高岭土类、含植物根的腐殖层。二级可钻性值为4.00m/h左右。

三级：软岩，代表性岩石为：强风化页岩、板岩、千枚岩和片岩，轻微胶结的砂层，含20％砾石、碎石的砂土，含20％礓结石的黄土层，石膏质土层，泥灰岩，滑石片岩、贝壳石灰岩、褐煤、烟煤。三级可钻性值为2.45m/h左右。

四级：稍软岩，代表性岩石为：页岩、砂质页岩、油页岩、炭质页岩、钙质页岩、砂页岩互层，较致密的泥灰岩、泥质砂岩。块状石灰岩、白云岩、强风化的橄榄岩、纯橄榄岩、蛇纹岩和磷灰岩、中等硬度煤层、岩盐、结晶石膏、高岭土层、火山泥灰岩、冻结的含水砂层。四级可钻性值为1.60m/h左右。

五级：稍硬岩，代表性岩石为：卵石、碎石及砾石层、崩级层、泥质板岩，绢云母绿泥石板岩、千枚岩和片岩、细粒结晶灰岩、大理石、较松软的砂岩、蛇纹岩、纯橄榄岩、风化的角闪石斑岩和粗面岩、硬烟煤、无烟煤、冻结的粗粒砂、砾层、冻土层。五级可钻性值为1.15m/h左右。

六级-七级：中硬岩，代表性岩石为：绿泥石、云母、绢云母板岩、千枚岩、片岩、轻微硅化的灰岩、方解石、绿帘石、钙质胶结的砾岩，长石砂岩、石英砂岩、石英粗面岩、角闪石斑岩。透辉石岩、辉长岩、冻结的砾石层。六级-七级可钻性值为0.82m/h左右。

石英、角闪石、云母、赤铁矿化板岩、千枚岩、片岩，微硅化的板岩、千枚岩、片岩、长石石英砂岩、石英二长岩，微片岩化的钠长石斑岩，粗面岩，角闪石斑岩，砾石、碎石层，微风化的粗粒花岗岩、正长岩、斑岩、辉长岩及其他火成岩，硅质灰岩，燧石灰岩等。六级-七级可钻性值为0.57m/h左右。

八级--九级:硬岩，代表性岩石为:硅化绢云母板岩、千枚岩、片岩、片麻岩、绿帘石岩，含石英的碳酸岩石，含石英重晶石岩石，含磁铁矿和赤铁矿的石英岩，钙质胶结的砾岩，玄武岩，辉绿岩，安山岩，辉石岩，石英安山斑岩，中粒结晶的钠长斑岩和角闪石斑岩，细粒硅质胶结的石英砂岩和长石砂岩，含大块燧石灰岩，轻微风化的花岗岩、花岗片麻岩、伟晶岩、闪长岩、辉长岩等。八级--九级可钻性值为0.38m/h左右。

高硅化的板岩、千枚岩、灰岩、砂岩；粗粒的花岗岩、花岗闪长岩、花岗片麻岩、正长岩、辉长岩、粗面岩；微风化的：石英粗面岩、伟晶花岗岩、灰岩、硅化的凝灰岩、角页岩化凝灰岩、细粒石英岩、石英质磷灰岩、伟晶岩八级--九级可钻性值为0.25m/h左右。

十级--十一级：坚硬岩，代表性岩石为：细粒的花岗岩，花岗闪长岩，花岗片麻岩，流纹岩，微晶花岗岩，石英粗面岩，石英钠长斑岩，坚硬的石英伟晶岩，燧石岩。十级--十一级可钻性值为0.15m/h左右。

刚玉岩，石英岩，碧玉岩，块状石英，最坚硬的铁质角页岩，碧玉质的硅化板岩，燧石岩。可钻性值为0.09m/h左右。

十二级：最坚硬岩，代表性岩石为：未风化极致密的石英岩、碧玉岩、角页岩、纯钠辉石刚玉岩，石英，燧石，碧玉。十二级可钻性值为0.045m/h左右。

m为某一时刻牙轮钻头每一个牙齿与井底接触到的牙齿数，单位：个。一般每个牙轮钻头有3个巴掌，一般每个牙轮钻头接触的牙齿数为约3-5只。

n为牙轮钻头的转速，单位：r/min(圈数/分)。该值是通过安装在钻头或钻具上的传感器测算得到的。

经过实践证明，当地层大于2000m时，牙轮钻头的自身特征对钻井速度的影响逐渐增加，到4000m以上的深井，牙轮钻头的形状的影响成为了钻井速度的关键因素之一。本发明的在对钻井速度预测中不仅考虑了地层的内聚力、内摩擦角、及岩石可钻性等地质因素，还充分考虑了牙轮钻头的牙齿形状、牙齿数量对地层的影响。因此本发明能够更精确预测钻井速度。

以大庆某深层油田，钻井深度达到4500m，该井采用江汉钻头厂的HJT617GH,该井岩石特征和钻头主要技术参数如下：S为0.93；E为5-10,平均7.41；m为14-16；n为40-80r/min；d为215.9mm；F为80KN；C为9.7MPa；为2.7°；θ为18°；为25°。

影响钻井速度的两个关键因素是钻头转速和钻压。因此需要用这两个参数进行分类对比。采用本发明中的方法与常用的方法进行如下对比。

1、钻头的速度变化与钻井速度的关系如下表2：

表2

2、牙轮钻头的钻压变化与钻井速度的关系

表3

综上所述，在深部地层钻速度预测中，本发明的方法的误差较小，预测较为准确。

在步骤(C)中，当获得牙轮钻头的钻井速度后，根据岩石的地层属性得到相应的规定钻井时间。岩石的地层属性包括该岩石的各个地层、每个地层的厚度等。将每个地层需要钻探的时间进行叠加即得到规定钻井时间。

在步骤(D)中，判断所述的钻井时间是否达到规定钻井时间。

在步骤(E)中，当所述的钻井时间到达规定钻井时间时即发出终止牙轮钻头信号。当钻井时间并未达到规定钻井时间时，不发出牙轮钻头信号以保持牙轮钻头正常工作。

本发明中的控制方法能够对钻井速度进行精确计算，因而能够精确估计钻井时间，并通过钻井时间对牙轮钻头进行精确控制，在石油开采顺利的情况下，既不会对牙轮钻头造成浪费，也不会影响牙轮钻头的寿命。

上述计算步骤可以通过计算机软件实现，而采样等操作可以通过诸如传感器等采样设备实现。

参照图5所示，本发明还公开了一种采用牙轮钻头进行钻井的控制方法的控制系统，其特征在于，它包括：

用于对牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速进行采样的采样单元46；

用于响应所述牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速计算所述牙轮钻头的钻井速度的第一计算单元41；

用于响应所述牙轮钻头的钻井速度计算规定钻井时间的第二计算单元42；

用于判断所述的钻井时间是否达到规定钻井时间的比较单元47；

用于当所述的钻井时间到达规定钻井时间时即发出终止牙轮钻头信号的输出单元48。

参照图6所示，其中，所述第一计算单元41包括：

用于根据岩石力学得到单一牙齿侵入岩石的深度的第三计算单元43；

用于根据单一牙齿侵入岩石切削的深度体积得到单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积的第四计算单元44；

用于根据单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积、多齿之间的相互影响系数以及地层可钻性级值得到牙轮钻头的预测钻井速度的第五计算单元45。

上述计算单元、比较单元、输出单元等可为计算机、处理器、单片机等具有数据处理功能的硬件或软件组成。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用牙轮钻头进行钻井的控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(A)、对牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速进行采样；

(B)、响应所述牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速计算所述牙轮钻头的钻井速度；

(C)、响应所述牙轮钻头的钻井速度计算规定钻井时间；

(D)、判断钻井时间是否达到规定钻井时间；

(E)、当钻井时间到达规定钻井时间时即发出终止牙轮钻头信号。

2.根据权利要求1所述的采用牙轮钻头进行钻井的控制方法，其特征在于，在步骤(B)中还包括以下步骤：

(B1)、根据岩石力学得到单一牙齿侵入岩石的深度；

(B2)、根据单一牙齿侵入岩石切削的深度体积得到单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积；

(B3)、根据单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积、多齿之间的相互影响系数以及地层可钻性级值得到牙轮钻头的预测钻井速度。

3.根据权利要求2所述的采用牙轮钻头进行钻井的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括在步骤(B1)中，其中h为单一牙齿侵入岩石的深度，F为钻压，C为岩石的内聚力，θ为钻头牙齿尖角，为内摩擦角，Ψ为剪切破坏面与井底平面夹角。

4.根据权利要求3所述的采用牙轮钻头进行钻井的控制方法，其特征在于：F在钻井现场得到，C、θ、φ通过取出岩心后在实验室测量得到。

5.根据权利要求4所述的采用牙轮钻头进行钻井的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括在步骤(B2)中，其中V为单一牙齿形成的破碎坑体积；X为破碎坑的半长；L为钻头牙齿嵌入坑的宽度。

6.根据权利要求5所述的采用牙轮钻头进行钻井的控制方法，其特征在于：它包括在步骤(B3)中，其中v为牙轮钻头的钻井速度，S为多齿之间的相互影响系数；E为地层可钻性级值，m为某一时刻牙轮钻头每一个牙齿与井底接触到的牙齿数，n为牙轮钻头的旋转速度。

7.根据权利要求6所述的采用牙轮钻头进行钻井的控制方法，其特征在于：S由实验室试验得出；E由岩石各种特性的综合得出；n通过安装在钻头或钻具上的传感器测算得出；m为3-5。

8.一种对如权利要求1至7之一的采用牙轮钻头进行钻井的控制方法进行处理的控制系统，其特征在于，它包括：

用于对牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速进行采样的采样单元；

用于响应所述牙轮钻头的钻压以及牙轮钻头的转速计算所述牙轮钻头的钻井速度的第一计算单元；

用于响应所述牙轮钻头的钻井速度计算规定钻井时间的第二计算单元；

用于判断钻井时间是否达到规定钻井时间的比较单元；

用于当钻井时间到达规定钻井时间时即发出终止牙轮钻头信号的输出单元。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于：所述第一计算单元包括：

用于根据岩石力学得到单一牙齿侵入岩石的深度的第三计算单元；

用于根据单一牙齿侵入岩石切削的深度体积得到单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积的第四计算单元；

用于根据单位时间内单一牙齿形成的破碎坑体积、多齿之间的相互影响系数以及地层可钻性级值得到牙轮钻头的预测钻井速度的第五计算单元。