CN106257463A - 一种钻头性能评价方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻头性能评价方法及系统，尤其适用于导向钻井，基于虚拟强度指数原理，考虑使用底部动力钻具的导向钻井驱动方式，建立了导向钻井方式下的钻头破岩效率计算方法，综合衡量钻头破岩效率和进尺，最大限度地降低钻井工况对钻头与地层匹配性的影响，修正了现有技术在钻头性能评价中的误差。本方案具有以下两方面的有益效果：1、对于钻头转速，考虑了定向滑动钻进和双驱复合钻进两种驱动方式的不同，能更合理地表征钻头工作特征；2、导向钻井条件下，按照驱动方式不同，将单只钻头进尺内的井段分段计算虚拟强度指数，使得单只钻头进尺内的总虚拟强度指数计算值更为精确。

Description

一种钻头性能评价方法及系统

技术领域

本发明涉及石油工程和采矿工程技术领域，特别涉及一种导向钻井中带底部动力钻具的钻头性能评价方法及系统。

背景技术

在钻井过程中，钻头是破碎岩石形成井眼的直接工具，钻头的工作性能直接影响钻井周期、钻井成本及钻井风险。准确的钻头工作性能评价对预测钻速、钻头选型和分析钻井事故都具有重要意义。

目前，国内外多采用机械比能或虚拟强度指数评价钻头工作效率。该方法排除了转盘钻井方式中由钻压、转速和水力造成的机械钻速变化对钻头破岩效率的干扰，还原了对钻头自身破岩能力的评价，评价结果较为客观。近年来随着钻井技术的飞速发展，越来越多的定向井、水平井需要由转盘配合底部动力钻具实施导向钻井。导向钻井的特点决定了定向滑动钻进与双驱复合钻进相结合的钻井方式已经逐渐取代了单一的转盘驱动钻井方式。

专利申请201110309745.2公开了一种钻井参数优化的方法和装置，其方法包括：获取实时的钻井参数；根据获取的所述钻井参数，实时的计算虚拟强度指数；根据所述虚拟强度指数，调整所述钻井参数降低虚拟强度指数；其中，所述钻井参数具体为：转盘转速、扭矩、钻压、机械钻速、泥浆泵排量、钻头压力降等钻井参数。

在实现上述发明方案的过程中，发现现有技术至少存在以下问题：

1、底部钻具组合带动力钻具时，双驱复合钻井方式与定向滑动钻井方式的钻压及转速等参数差距大，原有计算方法将钻头进尺内井段作为一个整体考虑，误差相对较大；

2、原有评价方法对机械钻速较为侧重，但遇到“高速低效”即机械钻速高进尺少的钻头，则不能准确反映其工作性能。钻头性能的好坏不仅表现在机械钻速的高低，还应包括进尺的长短。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种钻头性能评价方法，尤其适用于导向钻井，基于钻头虚拟强度指数原理，考虑使用底部动力钻具的导向钻井驱动方式，建立了导向钻井方式下的钻头破岩效率计算方法，综合衡量钻头破岩效率和进尺，最大限度地降低钻井工况对钻头与地层匹配性的影响，修正了现有技术在钻头性能评价中的误差。

本发明还提供了一种应用上述方法的钻头性能评价系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种钻头性能评价方法，包括以下步骤：

步骤1：将钻头进尺内井段按照驱动方式不同，进行分段描述，即：

$L=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i$ (公式1)

式中，L为钻头的总进尺，L_i为不同钻井驱动方式下的钻井井段，i＝1，…n；

步骤2：获取各段的钻井参数，所述钻井参数具体为：转盘转速、底部动力钻具输出转速、钻头扭矩、钻头有效钻压、机械钻速、泥浆泵排量和钻头压力降；

步骤3：分段计算钻头虚拟强度指数，包括：

步骤3.1：计算钻头转速：

N_i＝g_iN_si+N_Li (公式2)

式中，N_i为钻头转速，N_si为第i井段转盘转速，N_Li为第i井段底部动力钻具输出转速，g_i取值为0或1，其取值计算公式为：

(公式3)

步骤3.2：计算钻头虚拟强度指数：

${\mathrm{VSI}}_i=\frac{4{\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{\mathrm{\π}{D}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×\mathrm{\π}{D}_b^2}$ (公式4)

式中，VSI_i为虚拟强度指数；WOB_ei为钻头有效钻压；D_b为钻头直径；ΔP_bi为钻头压力降；Q_i为泥浆泵排量；η为能量降低系数；π为圆周率；T_i为钻头扭矩；ROP_i为机械钻速；

步骤4：计算钻头进尺内的虚拟强度指数：

$\mathrm{VSI}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VSI}}_i=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{4{\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{\mathrm{\π}{D}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×\mathrm{\π}{D}_b^2})$ (公式5)

步骤5：根据虚拟强度指数评价钻头性能，虚拟强度指数越大表明钻头破岩效率越低，钻头与地层的匹配性越差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头的破岩效率越高，与地层的匹配性越好。

优选的，在步骤5中将单只钻头的虚拟强度指数与预设值进行比较，如果该钻头的虚拟强度指数大于预设值，就表明钻头破岩效率较低，钻头与地层的匹配性差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率较高，与地层的匹配性较好。

优选的，分别计算多只钻头进尺内的虚拟强度指数，在步骤5中比较多只钻头的虚拟强度指数，其中虚拟强度指数越大表明钻头破岩效率越低，钻头与地层的匹配性越差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率越高，与地层的匹配性越好。

优选的，在步骤5中依据钻头的总进尺和步骤4计算的虚拟强度指数，计算钻头的性能评价指数，用E来表征，从而评价钻头性能，包括：

步骤5.1：依据钻头的总进尺和步骤4计算的虚拟强度指数，计算钻头的性能评价指数，计算公式为：

$E=\frac{L}{\mathrm{VSI}}=\frac{\mathrm{nL}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{4{\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{\mathrm{\π}{D}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×\mathrm{\π}{D}_b^2})}$ (公式6)

步骤5.2：根据钻头性能评价指数计算结果对钻头性能进行评价，所述钻头性能评价指数越高，表明钻头的综合性能越好，与地层的匹配性越好；反之，钻头与地层匹配性越差。

优选的，分别计算多只钻头的性能评价指数，在步骤5中比较多只钻头的性能评价指数，所述钻头性能评价指数越高，表明钻头的综合性能越好，与地层的匹配性越好；反之，钻头与地层匹配性越差。

一种钻头性能评价系统，包括：

分段描述模块，用于将钻头进尺内井段按照驱动方式不同进行分段描述；即： $L=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i$ (公式1)

式中，L为钻头的总进尺，L_i为不同钻井驱动方式下的钻井井段，i＝1，…n；

参数获取模块，用于获取各段的钻井参数，具体为：转盘转速、底部动力钻具输出转速、钻头扭矩、钻头有效钻压、机械钻速、泥浆泵排量和钻头压力降；

转速计算模块，用于根据各段的驱动方式、转盘转速和底部动力钻具输出转速计算各段的钻头转速，即：N_i＝g_iN_si+N_Li (公式2)

式中，N_i为钻头转速，N_si为第i井段转盘转速，N_Li为第i井段底部动力钻具输出转速，g_i取值为0或1，其取值计算公式为：

(公式3)

分段虚拟强度指数模块，用于根据各段的钻头转速和钻井参数计算各段的钻头虚拟强度指数，即：

${\mathrm{VSI}}_i=\frac{4{\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{\mathrm{\π}{D}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×\mathrm{\π}{D}_b^2}$ (公式4)

式中，VSI_i为虚拟强度指数；WOB_ei为钻头有效钻压；D_b为钻头直径；ΔP_bi为钻头压力降；Q_i为泥浆泵排量；η为能量降低系数；π为圆周率；T_i为钻头扭矩；ROP_i为机械钻速；

进尺虚拟强度指数模块，用于计算钻头进尺内的虚拟强度指数，即：

$\mathrm{VSI}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VSI}}_i=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{4{\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{\mathrm{\π}{D}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×\mathrm{\π}{D}_b^2})$ (公式5)

钻头性能评价模块，用于根据虚拟强度指数评价钻头性能；虚拟强度指数越大表明钻头破岩效率越低，钻头与地层的匹配性越差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率越高，与地层的匹配性越好。

优选的，所述钻头性能评价模块能够将单只钻头的虚拟强度指数与预设值进行比较，如果该钻头的虚拟强度指数大于预设值，就表明钻头破岩效率较低，钻头与地层的匹配性较差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率较高，与地层的匹配性较好。

优选的，所述钻头性能评价模块能够比较多只钻头的虚拟强度指数，其中虚拟强度指数越大表明钻头破岩效率越低，钻头与地层的匹配性越差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率越高，与地层的匹配性越好。

优选的，所述钻头性能评价模块用于依据钻头的总进尺和进尺虚拟强度指数模块计算的虚拟强度指数，计算钻头的性能评价指数，用E来表征，从而评价钻头性能，包括：

性能指数计算模块，用于依据钻头的总进尺和进尺虚拟强度指数模块计算的虚拟强度指数，计算钻头的性能评价指数，计算公式为：

$E=\frac{L}{\mathrm{VSI}}=\frac{\mathrm{nL}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{4{\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{\mathrm{\π}{D}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×\mathrm{\π}{D}_b^2})}$ (公式6)

性能指数评价模块，用于根据钻头性能评价指数计算结果对钻头性能进行评价，所述钻头性能评价指数越高，表明钻头的综合性能越好，与地层的匹配性越好；反之，钻头与地层匹配性越差。

优选的，性能指数评价模块能够比较多只钻头的性能评价指数，所述钻头性能评价指数越高，表明钻头的综合性能越好，与地层的匹配性越好；反之，钻头与地层匹配性越差。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的钻头性能评价方法，具有以下两方面的有益效果：

1、对于钻头转速，考虑了定向滑动钻进和双驱复合钻进两种驱动方式的不同，能更合理地表征钻头工作特征；

2、导向钻井条件下，按照驱动方式不同，将单只钻头进尺内的井段分段计算虚拟强度指数，使得单只钻头进尺内的总虚拟强度指数计算值更为精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的钻头性能评价方法的流程示意图；

图2A为带有底部动力钻具的钻井驱动方式，转盘静止-定向滑动钻进；

图2B为带有底部动力钻具的钻井驱动方式，转盘旋转-双驱复合钻进。

具体实施方式

本发明的核心在于公开了一种钻头性能评价方法，尤其适用于导向钻井，基于钻头虚拟强度指数原理，考虑使用底部动力钻具的导向钻井驱动方式，建立了导向钻井方式下的钻头破岩效率计算方法，综合衡量钻头破岩效率和进尺，最大限度地降低钻井工况对钻头与地层匹配性的影响，修正了现有技术在钻头性能评价中的误差。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的钻头性能评价方法，其核心改进点在于，包括以下步骤：

步骤1：将钻头进尺内井段按照驱动方式不同，进行分段描述，即：

$L=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i$ (公式1)

式中，L为单只钻头的总进尺，L_i为不同钻井驱动方式下的钻井井段，i＝1，…n；

步骤2：获取各段的钻井参数，所述钻井参数具体为：转盘转速、底部动力钻具输出转速、钻头扭矩、钻头有效钻压、机械钻速、泥浆泵排量和钻头压力降；

步骤3：分段计算钻头虚拟强度指数，包括：

步骤3.1：计算钻头转速：

N_i＝g_iN_si+N_Li (公式2)

式中，N_i为钻头转速，N_si为第i井段转盘转速，N_Li为第i井段底部动力钻具输出转速，g_i取值为0或1，其取值计算公式为：

(公式3)

步骤3.2：计算钻头虚拟强度指数：

${\mathrm{VSI}}_i=\frac{4{\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{\mathrm{\π}{D}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×\mathrm{\π}{D}_b^2}$ (公式4)

式中，VSI_i为虚拟强度指数；WOB_ei为钻头有效钻压；D_b为钻头直径；ΔP_bi为钻头压力降；Q_i为泥浆泵排量；η为能量降低系数；π为圆周率；T_i为钻头扭矩；ROP_i为机械钻速；

步骤4：计算单只钻头进尺内的虚拟强度指数：

$\mathrm{VSI}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VSI}}_i=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{4{\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{\mathrm{\π}{D}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×\mathrm{\π}{D}_b^2})$ (公式5)

步骤5：根据虚拟强度指数评价钻头性能，虚拟强度指数越大表明钻头破岩效率越低，钻头与地层的匹配性越差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率越高，与地层的匹配性越好。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的钻头性能评价方法，具有以下两方面的有益效果：

1、对于钻头转速，考虑了定向滑动钻进和双驱复合钻进两种驱动方式的不同，能更合理地表征钻头工作特征；

2、导向钻井条件下，按照驱动方式不同，将单只钻头进尺内的井段分段计算虚拟强度指数，使得单只钻头进尺内的总虚拟强度指数计算值更为精确。

本发明实施例提供的钻头性能评价方法，可以用于评价单只钻头的性能。即在步骤5中将单只钻头的虚拟强度指数与预设值进行比较，如果该钻头的虚拟强度指数大于预设值，就表明钻头破岩效率较低，钻头与地层的匹配性较差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率较高，与地层的匹配性较好。需要说明的是，上述的预设值为本领域技术人员根据实际情况确定的，在此并不做具体限定。进一步的，预设值为多个，形成不同的预设区间，比如及格区间、良好区间和优秀区间等等，通过判断单只钻头的虚拟强度指数落入哪个预设区间的范围之内，从而对钻头的性能做出更细致的评价。

本发明实施例提供的钻头性能评价方法，还可以用于比较多只钻头的性能。即分别计算多只钻头进尺内的虚拟强度指数，再在步骤5中比较多只钻头的虚拟强度指数，其中虚拟强度指数越大表明钻头破岩效率越低，钻头与地层的匹配性越差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率越高，与地层的匹配性越好。

通过上述方法，即仅根据步骤4中计算得到的虚拟强度指数就能够从一定程度上评价钻头性能。

为了进一步优化上述的技术方案，将钻头进尺的长短纳入钻头性能的评价标准里，即综合考虑钻头的虚拟强度指数和总进尺。

具体的，在步骤5中依据钻头的总进尺和步骤4计算的虚拟强度指数，计算钻头的性能评价指数，用E来表征，从而评价钻头性能，包括：

步骤5.1：依据单只钻头的总进尺和步骤4计算的虚拟强度指数，计算钻头的性能评价指数，计算公式为：

$E=\frac{L}{\mathrm{VSI}}=\frac{\mathrm{nL}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{4{\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{\mathrm{\π}{D}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×\mathrm{\π}{D}_b^2})}$ (公式6)

步骤5.2：根据钻头性能评价指数计算结果对钻头性能进行评价，所述钻头性能评价指数越高，表明钻头的综合性能越好，与地层的匹配性越好；反之，钻头与地层匹配性越差。

作为优选，本发明实施例提供的钻头性能评价方法，可以用于比较多只钻头的性能。即分别计算多只钻头的性能评价指数，在步骤5中比较多只钻头的性能评价指数，所述钻头性能评价指数越高，表明钻头的综合性能越好，与地层的匹配性越好；反之，钻头与地层匹配性越差。进一步的，还可以根据不同钻头性能评价指数的差值大小，判断不同钻头之间的性能差距大小。

下面结合图表和实施例对本发明进行详细的描述：

对某油田X区块二开Φ311.2mm井眼定向段所用的两种型号牙轮钻头性能进行评价。其中型号1钻头钻进井段为1350～1496m。型号2钻头钻进井段为1653～1730m。

[1]步骤1，按照驱动方式将两只钻头进尺内所钻井段分别进行划分。具体分段依据为：当地面锁死转盘，仅依靠井下动力钻具驱动钻头旋转时，为定向滑动钻进，如图2A所示；当地面转盘带动钻柱旋转配合井下动力钻具共同驱动钻头旋转时，即为双驱复合钻进，如图2B所示。分段结果见表1。

表1性能评价数据采集表

[2]步骤2，获取各段钻井参数，见表1。所述钻井参数具体为：转盘转速、底部动力钻具输出转速、钻头扭矩、钻头有效钻压、机械钻速、泥浆泵排量、钻头压力降。

转盘转速，是钻井作业时转盘带动钻柱旋转的速度；底部动力钻具输出转速是指底部动力钻具(螺杆、涡轮等)在水力能量作用下所输出的转速；钻头扭矩是钻头发生转动时作用在岩石上的力矩；钻头有效钻压是钻头作用于与其接触的岩石的力；机械钻速是指钻头在单位时间内的钻进进尺；钻井泵排量是指在钻井过程中向井眼里输送钻井液的排量；钻头压力降是钻井液流过钻头喷嘴以后压力降低的值。

[3]步骤3：依据驱动方式的不同，按照公式2和公式3计算钻头转速，并与步骤2中获取的钻井参数一起代入公式4计算各井段的虚拟强度指数，计算结果见表2。

表2虚拟强度指数计算表

[4]使用本发明提供的步骤4，按照公式5分别计算两只钻头进尺内的总虚拟强度指数，钻头型号1在1350m～1406m内虚拟强度指数为0.57MPa，钻头型号2在1343m～1420m内虚拟强度指数为0.71MPa。

仅依据步骤4计算的虚拟强度指数进行判别，可知钻头型号1的破岩效率优于钻头型号2。

[5]使用本发明提供的步骤5，按照公式6分别计算两种型号钻头的性能评价指数，计算结果为：钻头型号1的钻头性能评价指数E为97.81m/MPa，钻头型号2性能评价指数E为109.54m/MPa。

依据步骤5所述钻头性能评价指数越高，其钻头的综合性能越高。结合计算值，对两种型号钻头的综合性能进行判别：型号2钻头综合性能优于型号1钻头。对比步骤4判别结果可看出，依据步骤5所述钻头性能评价指数综合考虑破岩效率和进尺，可避免“高速低效”现象对钻头综合性能判别准确度的影响。

下面再结合对比例，对本发明的优点作进一步介绍：

同样以实施例中参数，按照专利申请201110309745.2中所述方法分别对两只钻头进行虚拟强度指数计算：

[1]步骤一：获取实时的钻井参数。其中，所述钻井参数具体为转盘转速、扭矩、钻压、机械钻速、泥浆泵排量、钻头压力降等钻井参数；表3为定向滑动钻进时所获取的钻井参数。

表3钻井参数采集表

[2]步骤二：根据获取的所述钻井参数，实时的计算虚拟强度指数。所述虚拟强度指数，具体包括：

$\mathrm{VSI}=\frac{4{\mathrm{WOB}}_e}{\mathrm{\π}{D}_b^2}+\frac{110T\×N}{\mathrm{ROP}\×d_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{b}Q}{\mathrm{\π}{d}_b^2\mathrm{ROP}}$

根据上述公式计算钻头型号1钻头的虚拟强度指数为0.0080MPa，钻头型号2的虚拟强度指数为0.0093MPa。

[3]步骤三：根据所述虚拟强度指数，调整所述钻井参数降低虚拟强度指数。

通过实施例和对比例对比分析可看出：

1、导向钻井中定向滑动钻进时转盘转速为0，对比专利中只考虑转盘转速，忽略了底部动力钻具转速，获取的钻头转速误差大。

2、对比专利中虚拟强度指数计算步骤未考虑驱动方式，而本专利步骤1至步骤3中，依据导向钻井驱动方式不同将钻头进尺内井段分段计算虚拟强度指数，步骤4再计算钻头总虚拟强度指数，计算更为精细。

3、对比专利最终目的是根据所述虚拟强度指数，调整所述钻井参数降低虚拟强度指数，但虚拟强度指数的基本原理是评价钻头破岩效率，改变钻井参数是不能够改变钻头的基本属性；而本发明的目标是基于虚拟强度指数原理，提供一种钻头性能评价方法，判别钻头的匹配性，以达到选取与地层最匹配的钻头型号。

综上所述，本发明提供的钻头性能评价方法考虑了导向钻井中带底部动力钻具的不同驱动方式，较之现有类似技术，在虚拟强度指数计算步骤方面更先进，计算结果更准确，本发明更适用于导向钻井。

本发明实施例还提供了一种钻头性能评价系统，其核心改进点在于，包括：

分段描述模块，用于将钻头进尺内井段按照驱动方式不同进行分段描述，即： $L=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i$ (公式1)

式中，L为钻头的总进尺，L_i为不同钻井驱动方式下的钻井井段，i＝1，…n；

参数获取模块，用于获取各段的钻井参数，具体为：转盘转速、底部动力钻具输出转速、钻头扭矩、钻头有效钻压、机械钻速、泥浆泵排量和钻头压力降；

转速计算模块，用于根据各段的驱动方式、转盘转速和底部动力钻具输出转速计算各段的钻头转速，即：

N_i＝g_iN_si+N_Li (公式2)

式中，N_i为钻头转速，N_si为第i井段转盘转速，N_Li为第i井段底部动力钻具输出转速，g_i取值为0或1，其取值计算公式为：

(公式3)

分段虚拟强度指数模块，用于根据各段的钻头转速和钻井参数计算各段的钻头虚拟强度指数，即：

${\mathrm{VSI}}_i=\frac{4{\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{\mathrm{\π}{D}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×\mathrm{\π}{D}_b^2}$ (公式4)

式中，VSI_i为虚拟强度指数；WOB_ei为钻头有效钻压；D_b为钻头直径；ΔP_bi为钻头压力降；Q_i为泥浆泵排量；η为能量降低系数；π为圆周率；T_i为钻头扭矩；ROP_i为机械钻速；

进尺虚拟强度指数模块，用于计算钻头进尺内的虚拟强度指数，即

$\mathrm{VSI}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VSI}}_i=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{4{\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{\mathrm{\π}{D}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×\mathrm{\π}{D}_b^2})$ (公式5)

钻头性能评价模块，用于根据虚拟强度指数评价钻头性能；虚拟强度指数越大表明钻头破岩效率越低，钻头与地层的匹配性越差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率越高，与地层的匹配性越好。

本发明实施例提供的钻头性能评价系统，可以用于评价单只钻头的性能。即所述钻头性能评价模块能够将单只钻头的虚拟强度指数与预设值进行比较，如果该钻头的虚拟强度指数大于预设值，就表明钻头破岩效率较低，钻头与地层的匹配性较差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率较高，与地层的匹配性较好。需要说明的是，上述的预设值为本领域技术人员根据实际情况确定的，在此并不做具体限定。进一步的，预设值为多个，形成不同的预设区间，比如及格区间、良好区间和优秀区间等等，通过判断单只钻头的虚拟强度指数落入哪个预设区间的范围之内，从而对钻头的性能做出更细致的评价。

本发明实施例提供的钻头性能评价系统，还可以用于比较多只钻头的性能，即所述钻头性能评价模块能够比较多只钻头的虚拟强度指数，其中虚拟强度指数越大表明钻头破岩效率越低，钻头与地层的匹配性越差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率越高，与地层的匹配性越好。

为了进一步优化上述的技术方案，将进尺的长短纳入钻头性能的评价标准里，即综合考虑钻头的虚拟强度指数和总进尺。

具体的，所述钻头性能评价模块用于依据钻头的总进尺和进尺虚拟强度指数模块计算的虚拟强度指数，计算钻头的性能评价指数，用E来表征，从而评价钻头性能，包括：

性能指数计算模块，用于依据钻头的总进尺和进尺虚拟强度指数模块计算的虚拟强度指数，计算钻头的性能评价指数，计算公式为：

$E=\frac{L}{\mathrm{VSI}}=\frac{\mathrm{nL}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{4{\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{\mathrm{\π}{D}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×\mathrm{\π}{D}_b^2})}$ (公式6)

性能指数评价模块，用于根据钻头性能评价指数计算结果对钻头性能进行评价，所述钻头性能评价指数越高，表明钻头的综合性能越好，与地层的匹配性越好；反之，钻头与地层匹配性越差。

作为优选，本发明实施例提供的钻头性能评价系统，可以用于比较多只钻头的性能。即性能指数评价模块能够比较多只钻头的性能评价指数，所述钻头性能评价指数越高，表明钻头的综合性能越好，与地层的匹配性越好；反之，钻头与地层匹配性越差。

综上所述，本发明实施例提供了一种钻头性能评价方法及系统，尤其适用于导向钻井，基于钻头虚拟强度指数原理，考虑使用底部动力钻具的导向钻井驱动方式，建立了导向钻井方式下的钻头破岩效率计算方法，综合衡量钻头破岩效率和进尺，最大限度地降低钻井工况对钻头与地层匹配性的影响，修正了现有技术在钻头性能评价中的误差。本方案具有以下两方面的有益效果：1、对于钻头转速，考虑了定向滑动钻进和双驱复合钻进两种驱动方式的不同，能更合理地表征钻头工作特征；2、导向钻井条件下，按照驱动方式不同，将单只钻头进尺内的井段分段计算虚拟强度指数，使得单只钻头进尺内的总虚拟强度指数计算值更为精确。

本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种钻头性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将钻头进尺内井段按照驱动方式不同，进行分段描述，即：

$L=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i$ (公式1)

式中，L为钻头的总进尺，L_i为不同钻井驱动方式下的钻井井段，i＝1，…n；

步骤2：获取各段的钻井参数，所述钻井参数具体为：转盘转速、底部动力钻具输出转速、钻头扭矩、钻头有效钻压、机械钻速、泥浆泵排量和钻头压力降；

步骤3：分段计算钻头虚拟强度指数，包括：

步骤3.1：计算钻头转速：

N_i＝g_iN_si+N_Li (公式2)

式中，N_i为钻头转速，N_si为第i井段转盘转速，N_Li为第i井段底部动力钻具输出转速，g_i取值为0或1，其取值计算公式为：

(公式3)

步骤3.2：计算钻头虚拟强度指数：

${\mathrm{VSI}}_i=\frac{{4\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{{\mathrm{\πD}}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×{\mathrm{\πD}}_b^2}$ (公式4)

式中，VSI_i为虚拟强度指数；WOB_ei为钻头有效钻压；D_b为钻头直径；ΔP_bi为钻头压力降；Q_i为泥浆泵排量；η为能量降低系数；π为圆周率；T_i为钻头扭矩；ROP_i为机械钻速；

步骤4：计算钻头进尺内的虚拟强度指数：

$\mathrm{VSI}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VSI}}_i=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{{4\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{{\mathrm{\πD}}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×{\mathrm{\πD}}_b^2})$ (公式5)

步骤5：根据虚拟强度指数评价钻头性能，虚拟强度指数越大表明钻头破岩效率越低，钻头与地层的匹配性越差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率越高，与地层的匹配性越好。

2.根据权利要求1所述的钻头性能评价方法，其特征在于，在步骤5中将单只钻头的虚拟强度指数与预设值进行比较，如果该钻头的虚拟强度指数大于预设值，就表明钻头破岩效率较低，钻头与地层的匹配性较差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率较高，与地层的匹配性较好。

3.根据权利要求1所述的钻头性能评价方法，其特征在于，分别计算多只钻头进尺内的虚拟强度指数，在步骤5中比较多只钻头的虚拟强度指数，其中虚拟强度指数越大表明钻头破岩效率越低，钻头与地层的匹配性越差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率越高，与地层的匹配性越好。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的钻头性能评价方法，其特征在于，在步骤5中依据钻头的总进尺和步骤4计算的虚拟强度指数，计算钻头的性能评价指数，用E来表征，从而评价钻头性能，包括：

步骤5.1：依据钻头的总进尺和步骤4计算的虚拟强度指数，计算钻头的性能评价指数，计算公式为：

$E=\frac{L}{\mathrm{VSI}}=\frac{\mathrm{nL}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{4{\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{{\mathrm{\πD}}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×{\mathrm{\πD}}_b^2})}$ (公式6)

步骤5.2：根据钻头性能评价指数计算结果对钻头性能进行评价，所述钻头性能评价指数越高，表明钻头的综合性能越好，与地层的匹配性越好；反之，钻头与地层匹配性越差。

5.根据权利要求4所述的钻头性能评价方法，其特征在于，分别计算多只钻头的性能评价指数，在步骤5中比较多只钻头的性能评价指数，所述钻头性能评价指数越高，表明钻头的综合性能越好，与地层的匹配性越好；反之，钻头与地层匹配性越差。

6.一种钻头性能评价系统，其特征在于，包括：

分段描述模块，用于将钻头进尺内井段按照驱动方式不同进行分段描述；即： $L=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i$ (公式1)

式中，L为钻头的总进尺，L_i为不同钻井驱动方式下的钻井井段，i＝1，…n；

参数获取模块，用于获取各段的钻井参数，具体为：转盘转速、底部动力钻具输出转速、钻头扭矩、钻头有效钻压、机械钻速、泥浆泵排量和钻头压力降；

转速计算模块，用于根据各段的驱动方式、转盘转速和底部动力钻具输出转速计算各段的钻头转速，即：N_i＝g_iN_si+N_Li (公式2)

式中，N_i为钻头转速，N_si为第i井段转盘转速，N_Li为第i井段底部动力钻具输出转速，g_i取值为0或1，其取值计算公式为：

(公式3)

分段虚拟强度指数模块，用于根据各段的钻头转速和钻井参数计算各段的钻头虚拟强度指数，即：

${\mathrm{VSI}}_i=\frac{{4\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{{\mathrm{\πD}}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×{\mathrm{\πD}}_b^2}$ (公式4)

式中，VSI_i为虚拟强度指数；WOB_ei为钻头有效钻压；D_b为钻头直径；ΔP_bi为钻头压力降；Q_i为泥浆泵排量；η为能量降低系数；π为圆周率；T_i为钻头扭矩；ROP_i为机械钻速；

进尺虚拟强度指数模块，用于计算钻头进尺内的虚拟强度指数，即：

$\mathrm{VSI}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VSI}}_i=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{{4\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{{\mathrm{\πD}}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×{\mathrm{\πD}}_b^2})$ (公式5)

钻头性能评价模块，用于根据虚拟强度指数评价钻头性能；虚拟强度指数越大表明钻头破岩效率越低，钻头与地层的匹配性越差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头的钻头破岩效率越高，与地层的匹配性越好。

7.根据权利要求6所述的钻头性能评价系统，其特征在于，所述钻头性能评价模块能够将单只钻头的虚拟强度指数与预设值进行比较，如果该钻头的虚拟强度指数大于预设值，就表明钻头破岩效率较低，钻头与地层的匹配性较差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率较高，与地层的匹配性较好。

8.根据权利要求6所述的钻头性能评价系统，其特征在于，所述钻头性能评价模块能够比较多只钻头的虚拟强度指数，其中虚拟强度指数越大表明钻头破岩效率越低，钻头与地层的匹配性越差，钻头选型不合理；反之，则表明钻头破岩效率越高，与地层的匹配性越好。

9.根据权利要求6-8任意一项所述的钻头性能评价系统，其特征在于，所述钻头性能评价模块用于依据钻头的总进尺和进尺虚拟强度指数模块计算的虚拟强度指数，计算钻头的性能评价指数，用E来表征，从而评价钻头性能，包括：

性能指数计算模块，用于依据钻头的总进尺和进尺虚拟强度指数模块计算的虚拟强度指数，计算钻头的性能评价指数，计算公式为：

$E=\frac{L}{\mathrm{VSI}}=\frac{\mathrm{nL}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{{4\mathrm{WOB}}_{\mathrm{ei}}}{{\mathrm{\πD}}_b^2}+\frac{480N_i{T}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×D_b^2}+\frac{4\mathrm{\η\Δ}{P}_{\mathrm{bi}}{Q}_i}{{\mathrm{ROP}}_i\×{\mathrm{\πD}}_b^2})}$ (公式6)

性能指数评价模块，用于根据钻头性能评价指数计算结果对钻头性能进行评价，所述钻头性能评价指数越高，表明钻头的综合性能越好，与地层的匹配性越好；反之，钻头与地层匹配性越差。

10.根据权利要求9所述的钻头性能评价系统，其特征在于，性能指数评价模块能够比较多只钻头的性能评价指数，所述钻头性能评价指数越高，表明钻头的综合性能越好，与地层的匹配性越好；反之，钻头与地层匹配性越差。