CN106909759B - 一种页岩地层pdc钻头机械钻速预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法及装置，方法包括：测定页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、声波时差、单轴抗压强度和三轴抗压强度；根据测定的声波时差确定动态弹性模量和动态泊松比；根据三轴抗压强度确定在预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角；根据声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力‑内摩擦角‑声波时差模型；根据PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力‑内摩擦角‑声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型，预测页岩地层在不同钻进方向的PDC钻头机械钻速。本发明工程应用方便，对提高钻井作业效率，降低钻井周期具有重要意义。

Description

一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法及装置

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术，具体的讲是一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法及装置。

背景技术

岩石的机械钻速在油气田的勘探开发过程中，一直是钻井作业最为关心的重要指标，水文条件、地质条件以及作业参数等因素对其的影响十分复杂。较好地预测岩石机械钻速对降低建井成本、缩短建井周期、提高油气藏开发钻井水平和开发效益有着十分重要的意义。随着页岩油气开采的兴起，页岩的层理性特点对机械钻速的影响逐渐引起人们的重视，不同钻进方向下的机械钻速差异很大。因此，对页岩地层的机械钻速的准确预测显得尤为重要。

发明内容

为更加准确地预测页岩地层的PDC钻头机械钻速，本发明实施例提供一种页岩地层的PDC钻头机械钻速预测方法，包括：

测定页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、声波时差、单轴抗压强度和三轴抗压强度，所述声波时差包括横波时差和纵波时差；

根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比；

根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角；

根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型；

根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型；

根据被测页岩地层的测井资料、钻进方向、钻压以及PDC钻头机械钻速预测模型预测页岩地层在不同钻进方向的PDC钻头机械钻速。

本发明实施例中，所述根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比包括：

根据横波时差、纵波时差以及关系式(1)确定对应钻进方向的动态弹性模量；

根据横波时差、纵波时差以及关系式(2)确定对应钻进方向的动态泊松比；

其中，E_d为动态弹性模量；ν_d为动态泊松比；Δt_p为纵波声波时差；Δt_s为横波声波时差；ρ为从测井资料中确定的岩石密度。

本发明实施例中，所述根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角包括：

根据测定的三轴抗压强度数据利用莫尔-库伦准则，作出不同围压下的莫尔圆，确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角。

本发明实施例中，所述根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型包括：

对所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据作非线性回归，建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型，所述的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型为：

其中，为不同钻进方向下页岩的内摩擦角，S_w为不同钻进方向下页岩的粘聚力，Δt_p为不同钻进方向下页岩的纵波声波时差。

本发明实施例中，所述的根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型包括：

对所述页岩样本在预设钻进方向的单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角作回归分析，确定单轴抗压强度与动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角的函数关系为：

其中，A＝(1-v_d)E_d·sin²θ·cos²θ；

式中，UCS为页岩单轴抗压强度，S_w为页岩粘聚力，为页岩内摩擦角，θ为对应钻进方向的破裂角，E_d为动态弹性模量，v_d为动态泊松比，ε为对应钻进方向的纵波速度的相关系数；

对PDC钻头机械钻速、单轴抗压强度、钻进方向以及钻压作回归分析，确定PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的函数关系为：

其中，b＝2.86；c＝0.7；d＝-51；

ROP为PDC钻头机械钻速，W为钻压，UCS为岩石单轴抗压强度，为钻进方向；

根据所述单轴抗压强度与动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角的函数关系，PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的函数关系，建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型。

同时，本发明还提供一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测装置，包括：

数据接收模块，用于接收实验测定的页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、声波时差、单轴抗压强度和三轴抗压强度，所述声波时差包括横波时差和纵波时差；

动态参数确定模块，用于根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比；

力角确定模块，用于根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角；

声波时差模型建立模块，用于根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型；

PDC钻头机械钻速预测模型建立模块，用于根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型；

PDC钻头机械钻速预测模块，根据被测页岩地层的测井资料、钻进方向、钻压以及PDC钻头机械钻速预测模型预测页岩地层在不同钻进方向的PDC钻头机械钻速。

本发明实施例中，所述动态参数确定模块包括：

动态弹性模量确定单元，用于根据横波时差数据、纵波时差数据以及关系式(1)确定对应钻进方向的动态弹性模量；

动态泊松比确定单元，用于根据横波时差数据、纵波时差数据以及关系式(2)确定对应钻进方向的动态泊松比；

其中，E_d为动态弹性模量；ν_d为动态泊松比；Δt_p为纵波声波时差；Δt_s为横波声波时差；ρ为从测井资料中确定的岩石密度。

本发明实施例中，所述力角确定模块根据测定的三轴抗压强度数据确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角包括：根据测定的三轴抗压强度数据利用莫尔-库伦准则，作出不同围压下的莫尔圆，确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角。

本发明实施例中，所述声波时差模型建立模块根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型包括：

对所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据作非线性回归，建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型，所述的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型为：

其中，为不同钻进方向下页岩的内摩擦角，S_w为不同钻进方向下页岩的粘聚力，Δt_p为不同钻进方向下页岩的纵波声波时差。

本发明实施例中，所述的PDC钻头机械钻速预测模型建立模块包括：

单轴抗压强度函数关系确定单元，用于对所述的页岩样本在预设钻进方向的单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角作回归分析，确定单轴抗压强度与动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角的函数关系为：

其中，A＝(1-v_d)E_d·sin²θ·cos²θ；

式中，UCS为页岩单轴抗压强度，S_w为页岩粘聚力，为页岩内摩擦角，θ为对应钻进方向的破裂角，E_d为动态弹性模量，v_d为动态泊松比，ε为对应钻进方向的纵波速度的相关系数；

PDC钻头机械钻速函数关系确定单元，用于对PDC钻头机械钻速、单轴抗压强度、钻进方向以及钻压作回归分析，确定PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的函数关系为：

其中，b＝2.86；c＝0.7；d＝-51；

ROP为PDC钻头机械钻速，W为钻压，UCS为岩石单轴抗压强度，为钻进方向；

PDC钻头机械钻速模型建立单元，用于根据所述单轴抗压强度与动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角的函数关系，PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的函数关系，建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型。

本发明的有益技术效果在于：能够利用现场测井资料直接预测不同钻进方向下页岩地层的PDC钻头机械钻速。与传统方法相比，该发明应用方便，资料获取简单，减少了室内实验工作，提高了钻井作业效率。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

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为本发明提供的一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法的流程图；

图2为本发明实施例中岩心轴线与层理面法线之间的夹角关系即钻进方向示意图；

图3为本发明实施例中PDC钻头机械钻速预测模型的计算流程图。

具体实施方式

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。

如图1所示，本发明提供一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法，包括：

步骤S101，测定页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、声波时差、单轴抗压强度和三轴抗压强度，所述声波时差包括横波时差和纵波时差；

步骤S102，根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比；

步骤S103，根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角；

步骤S104，根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型；

步骤S105，根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型；

步骤S106，根据被测页岩地层的测井资料、钻进方向、钻压以及PDC钻头机械钻速预测模型预测页岩地层在不同钻进方向的PDC钻头机械钻速。

本发明能够利用现场测井资料直接预测不同钻进方向下页岩地层的PDC钻头机械钻速。与传统方法相比，该发明应用方便，资料获取简单，减少了室内实验工作，提高了钻井作业效率。下面结合具体的实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明实施例中，预测页岩地层不同钻进方向下PDC钻头机械钻速的方法，包括以下步骤：

步骤1，测定页岩在不同钻进方向下的PDC钻头机械钻速，具体方法如下：

(1)利用取心机从整块页岩上按不同的钻进方向取出直径为76.2mm、长度为50mm的柱状页岩样品，使用车床把页岩样品的两个端面车平，保持页岩样品表面不存在裂纹及损伤；

(2)将不同钻进方向下的页岩样品放入恒温箱内做烘烤处理；

(3)将处理后的不同钻进方向下的页岩样品依次放入岩石机械钻速测量系统，分别测量页岩样品的PDC钻头机械钻速。

其中，钻进方向与图2所示夹角的关系一致，垂直层理方向为0°，平行层理方向为90°。

步骤2，测定页岩在不同钻进方向下的声波时差，具体方法如下：

(1)利用取心机从整块页岩上按不同的钻进方向取出直径为25.4mm、长度为50mm的柱状页岩样品，各样品的钻进方向与步骤1中各样品的钻进方向一致，使用车床把页岩样品的两个端面车平，保持页岩样品表面不存在裂纹及损伤；

(2)将不同钻进方向下的页岩样品放入恒温箱内做烘烤处理；

(3)将处理后的不同钻进方向下的页岩样品依次放入声波测量系统，分别测量页岩样品的声波时差。

步骤3，根据声波时差与动态弹性模量、动态泊松比的关系公式计算页岩在对应钻进方向下的动态弹性模量与动态泊松比，具体方法如下：

将步骤2测得的不同钻进方向下的页岩声波时差数据代入公式：

式中，E_d为动态弹性模量，单位(GPa)；ν_d为动态泊松比，无因次；Δt_p为纵波声波时差，单位(μs/m)；Δt_s为横波声波时差，单位(μs/m)；ρ为岩石密度，单位(kg/m³)。

由式(1)-式(2)可计算得到对应钻进方向下页岩的动态弹性模量与动态泊松比。

步骤4，测定页岩在不同钻进方向下的单轴抗压强度与三轴抗压强度，具体方法如下：

(1)利用取心机从整块页岩上按不同的钻进方向取出直径为25.4mm、长度为50mm的柱状页岩样品，各样品的钻进方向与步骤1中各样品的钻进方向一致，使用车床把页岩样品的两个端面车平，保持页岩样品表面不存在裂纹及损伤；

(2)将不同钻进方向下的页岩样品放入恒温箱内做烘烤处理；

(3)将处理后的不同钻进方向下的页岩样品依次放入岩石抗压强度测量装置，分别测量页岩样品的三轴抗压强度和单轴抗压强度。

步骤5，根据莫尔-库伦准则计算页岩在对应钻进方向下的粘聚力与内摩擦角，具体方法如下：

根据步骤4中的三轴抗压强度实验，利用莫尔-库伦准则，作出不同围压下的莫尔圆，计算求得不同钻进方向下的页岩的粘聚力和内摩擦角。

步骤6，建立不同钻进方向下页岩的粘聚力、内摩擦角与声波时差的数学模型，具体方法如下：

对由步骤2中测得的不同钻进方向下页岩的声波时差和步骤5中计算得到的不同钻进方向下的页岩的粘聚力和内摩擦角作非线性回归，得到回归方程：

式中，为不同钻进方向下页岩的内摩擦角，单位(°)；S_w为不同钻进方向下页岩的粘聚力，单位(MPa)；Δt_p为不同钻进方向下页岩的纵波声波时差，单位(μs/m)。

本发明实施例中的上述数学模型仅作为预测方法的一种举例，本发明的技术方案不仅限于该表达式。因此该数学模型不应视为本发明的限制。

步骤7，根据步骤1、步骤3、步骤4和步骤5中得到的不同钻进方向下页岩的PDC钻头机械钻速、钻压、动态弹性模量、动态泊松比、单轴抗压强度、粘聚力、内摩擦角建立页岩地层不同钻进方向下的PDC钻头机械钻速预测模型，具体方法如下：

(1)建立不同钻进方向下页岩的单轴抗压强度与对应钻进方向下页岩的粘聚力、内摩擦角、动态弹性模量、动态泊松比的数学模型，根据实验数据回归得到：

其中，A＝(1-v_d)E_d·sin²θ·cos²θ；

式中，UCS为页岩单轴抗压强度，单位(MPa)；S_w为页岩粘聚力，单位(MPa)；为页岩内摩擦角，单位(°)；θ为对应钻进方向的破裂角，单位(°)；E_d为动态弹性模量，单位(GPa)；v_d为动态泊松比，无因次；ε为对应钻进方向的纵波速度的相关系数，无因次。

上述数学模型仅作为预测方法的一种举例，本方法不仅限于该表达式。因此该数学模型不应视为本发明的限制。

(2)建立不同钻进方向下页岩的PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的数学模型，根据实验数据回归得到：

其中，b＝2.86；c＝0.7；d＝-51。

式中，ROP为PDC钻头机械钻速，单位(mm/min)；W为钻压，单位(N)；UCS为岩石单轴抗压强度，单位(MPa)；为钻进方向，单位(°)。

上述数学模型仅作为预测方法的一种举例，本方法不仅限于该表达式。因此该数学模型不应视为本发明的限制。

(3)将步骤6与步骤3中的转换方程代入步骤7中的数学模型，则可以计算页岩地层不同钻进方向下的PDC钻头机械钻速，整理可得方程组：

其中，

A＝(1-v_d)E_d·sin²θ·cos²θ；

b＝2.86；c＝0.7；d＝-51。

按图3所示计算流程即可得到页岩地层不同钻进方向下的PDC钻头机械钻速。

步骤8，根据所述页岩地层的PDC钻头机械钻速预测模型，预测页岩地层在不同钻进方向下的PDC钻头机械钻速，具体方法如下：

根据钻井现场获得的页岩地层的测井资料，结合钻进方向和现场钻压，利用步骤7中建立的页岩PDC钻头机械钻速预测模型，即可按计算流程预测页岩地层不同钻进方向下的PDC钻头机械钻速。

同时，本发明还提供一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测装置，包括：

数据接收模块，用于接收实验测定的页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、声波时差、单轴抗压强度和三轴抗压强度，所述声波时差包括横波时差和纵波时差；

动态参数确定模块，用于根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比；

力角确定模块，用于根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角；

声波时差模型建立模块，用于根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型；

PDC钻头机械钻速预测模型建立模块，用于根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型；

PDC钻头机械钻速预测模块，根据被测页岩地层的测井资料、钻进方向、钻压以及PDC钻头机械钻速预测模型预测页岩地层在不同钻进方向的PDC钻头机械钻速。

本发明公开的装置解决问题的原理与上述方法的实现相似，不再赘述。

本发明能够利用现场测井资料直接预测不同钻进方向下页岩地层的PDC钻头机械钻速。与传统方法相比，该发明应用方便，资料获取简单，减少了室内实验工作，提高了钻井作业效率。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法，其特征在于，所述的方法包括：

测定页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、声波时差、单轴抗压强度和三轴抗压强度，所述声波时差包括横波声波时差和纵波声波时差；

根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比；

根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角；

根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型；

根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型；

根据被测页岩地层的测井资料、钻进方向、钻压以及PDC钻头机械钻速预测模型预测页岩地层在不同钻进方向的PDC钻头机械钻速。

2.如权利要求1所述的页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法，其特征在于，所述根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比包括：

根据横波声波时差、纵波声波时差以及关系式(1)确定对应钻进方向的动态弹性模量；

根据横波声波时差、纵波声波时差以及关系式(2)确定对应钻进方向的动态泊松比；

其中，E_d为动态弹性模量；ν_d为动态泊松比；Δt_p为纵波声波时差；Δt_s为横波声波时差；ρ为从测井资料中确定的岩石密度。

3.如权利要求1所述的页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法，其特征在于，所述根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角包括：

根据测定的三轴抗压强度数据利用莫尔-库伦准则，作出不同围压下的莫尔圆，确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角。

4.如权利要求2或3所述的页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法，其特征在于，所述根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型包括：

对所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据作非线性回归，建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型，所述的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型为：

其中，为不同钻进方向下页岩的内摩擦角，S_w为不同钻进方向下页岩的粘聚力，Δt_p为不同钻进方向下页岩的纵波声波时差。

5.如权利要求3所述的页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法，其特征在于，所述的根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型包括：

对所述页岩样本在预设钻进方向的单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角作回归分析，确定单轴抗压强度与动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角的函数关系为：

其中，A＝(1-v_d)E_d·sin²θ·cos²θ；

式中，UCS为页岩单轴抗压强度，S_w为页岩粘聚力，为页岩内摩擦角，θ为对应钻进方向的破裂角，E_d为动态弹性模量，v_d为动态泊松比，ε为对应钻进方向的纵波速度的相关系数；

对PDC钻头机械钻速、单轴抗压强度、钻进方向以及钻压作回归分析，确定PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的函数关系为：

其中，b＝2.86；c＝0.7；d＝-51；

ROP为PDC钻头机械钻速，W为钻压，UCS为岩石单轴抗压强度，为钻进方向；

根据所述单轴抗压强度与动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角的函数关系，PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的函数关系，建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型。

6.一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测装置，其特征在于，所述的装置包括：

数据接收模块，用于接收实验测定的页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、声波时差、单轴抗压强度和三轴抗压强度，所述声波时差包括横波声波时差和纵波声波时差；

动态参数确定模块，用于根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比；

力角确定模块，用于根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角；

声波时差模型建立模块，用于根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型；

PDC钻头机械钻速预测模型建立模块，用于根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型；

PDC钻头机械钻速预测模块，根据被测页岩地层的测井资料、钻进方向、钻压以及PDC钻头机械钻速预测模型预测页岩地层在不同钻进方向的PDC钻头机械钻速。

7.如权利要求6所述的页岩地层PDC钻头机械钻速预测装置，其特征在于，所述动态参数确定模块包括：

动态弹性模量确定单元，用于根据横波声波时差数据、纵波声波时差数据以及关系式(1)确定对应钻进方向的动态弹性模量；

动态泊松比确定单元，用于根据横波声波时差数据、纵波声波时差数据以及关系式(2)确定对应钻进方向的动态泊松比；

其中，E_d为动态弹性模量；ν_d为动态泊松比；Δt_p为纵波声波时差；Δt_s为横波声波时差；ρ为从测井资料中确定的岩石密度。

8.如权利要求6所述的页岩地层PDC钻头机械钻速预测装置，其特征在于，所述力角确定模块根据测定的三轴抗压强度数据确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角包括：

根据测定的三轴抗压强度数据利用莫尔-库伦准则，作出不同围压下的莫尔圆，确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角。

9.如权利要求7或8所述的页岩地层PDC钻头机械钻速预测装置，其特征在于，所述声波时差模型建立模块根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型包括：

对所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据作非线性回归，建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型，所述的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型为：

其中，为不同钻进方向下页岩的内摩擦角，S_w为不同钻进方向下页岩的粘聚力，Δt_p为不同钻进方向下页岩的纵波声波时差。

10.如权利要求8所述的页岩地层PDC钻头机械钻速预测装置，其特征在于，所述的PDC钻头机械钻速预测模型建立模块包括：

单轴抗压强度函数关系确定单元，用于对所述的页岩样本在预设钻进方向的单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角作回归分析，确定单轴抗压强度与动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角的函数关系为：

其中，A＝(1-v_d)E_d·sin²θ·cos²θ；

式中，UCS为页岩单轴抗压强度，S_w为页岩粘聚力，为页岩内摩擦角，θ为对应钻进方向的破裂角，E_d为动态弹性模量，v_d为动态泊松比，ε为对应钻进方向的纵波速度的相关系数；

PDC钻头机械钻速函数关系确定单元，用于对PDC钻头机械钻速、单轴抗压强度、钻进方向以及钻压作回归分析，确定PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的函数关系为：

其中，b＝2.86；c＝0.7；d＝-51；

ROP为PDC钻头机械钻速，W为钻压，UCS为岩石单轴抗压强度，为钻进方向；

PDC钻头机械钻速模型建立单元，用于根据所述单轴抗压强度与动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角的函数关系，PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的函数关系，建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型。