CN110728076B - 井底岩石支撑维度的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种井底岩石支撑维度的计算方法，属于油气井钻井工具设计领域。该方法考虑井底岩石形貌的差别，从岩石本来的受力状况出发，区域岩石受到周围岩石的压力、下部岩石的支持力、上部岩石的覆盖力，区域岩石的受力状况与区域的体积、周围岩石体积相关，提出一种井底岩石支撑维度的计算方法，能够定量的描述井底不同形貌的岩石，为钻头的布齿设计提供依据，从而提高钻头的综合性能。

Description

井底岩石支撑维度的计算方法
技术领域
本发明涉及一种井底岩石支撑维度的计算方法，属于油气井钻井工具的设计学领域。
背景技术
PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片（简称PDC齿或切削齿）作为切削元件来剪切和破碎岩石。PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。
在油气钻井工程中，地层的地质条件往往很复杂，深部地层的泥页岩和泥质砂岩等在上覆地层压力以及高密度钻井液条件下，不仅密度和硬度增加，而且从常压下的脆性岩石向塑脆性岩石或塑性岩石转化，可钻性很差，加之深部井段的水力能量严重不足，不能有效发挥水力辅助破岩作用，钻进的速度相当低。钻头经常要穿越多种不同岩性的地层，这些地层不仅包括相对比较易钻的软岩层，而且包括可钻性较差的硬地层、高研磨性地层、塑性地层，软硬交错的互层、含砾等严重不均质地层，以及大倾角的高陡地层等。这些复杂的地层条件容易导致PDC钻头的异常失效,特别是钻头外锥和规径区域磨损特别严重，现有PDC钻头一般利用岩石的可钻性、岩石强度来指导钻头设计，现有钻头设计基本没有考虑岩石形貌对钻头破碎岩石难度的影响，如果需要考虑井底岩石形貌对钻头的影响，前提需要计算井底岩石的支撑维度。
发明内容
为了解决现有PDC钻头设计无法考虑井底岩石形貌对切削载荷带来的影响，提出井底岩石支撑维度的计算方法，为钻头的布齿设计提供依据，提高钻头的综合性能。
本发明通过下列技术方案来实现：
在井底岩石任取一个微小区域P，分析其受力状况得到，该区域受到周围岩石的压力、下部岩石的支持力、上部岩石的覆盖力，区域P的受力状况与区域P的体积、周围岩石N体积相关，用区域P在i方向的体积与周围岩石体积N在i方向体积比表示区域P在i方向的支撑维度分量Mi=VPi/VNi，将6个方向支撑维度分量叠加即为区域P的支撑维度,即：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
以凸起岩样为例，如图所示2，将岩样中凸起区域分离出来，建立坐标系,凸起区域半径为r,高度为z,如图3所示，再建一个半径为3r,高度为z的虚拟圆柱体来表示凸起区域的周围岩石N，由于周围岩石区域N会影响X、-X、Y、-Y四个方向的支撑维度分量，只看沿X方向的支撑维度分量，取虚拟圆柱体N的四分之一出来，即为区域OAB，这样与凸起区域相交于OCD，这样凸起区域沿X方向支撑维度分量为区域OCD的体积与区域OAB体积比，即Mx=VOCD/VOAB,同理可求得凸起区域沿-X、Y、-Y方向的支撑维度分量，在-Z方向一直存在支撑维度分量，其值为1，在Z方向没有上部岩石的覆盖力，所以没有支撑维度分量，最后将6个方向的支撑维度分量叠加求和，得到凸起区域的支撑维度。
作为优选，井底岩石支撑维度M的取值范围为：0<M≤6。
本发明的有益效果：
本发明所述井底岩石支撑维度的计算方法，对井底岩石的形貌特征做了定量的计算，为钻头切削力模型的修正提供基础，同时为钻头的布齿设计提供依据，从而提升钻头的综合性能。
附图说明
图1为区域P示意图；
图2为凸起岩样示意图；
图3为凸起区域支撑维度示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为微心钻头井底岩心柱与布齿图；
图6为微心钻头岩心柱支撑维度示意图；
图7为图6的俯视图；
图8为环槽式PDC钻头；
图9为环槽式PDC钻头环形岩脊与布齿图；
图10为环形岩脊示意图；
图11为环形岩脊顶部支撑维度示意图；
图12为环形岩脊根部支撑维度示意；
1-凸起岩样，12-凸起区域，21-岩心柱，31-环形岩脊，311-环形岩脊顶部，
312-环形岩脊根部。
具体实施方式：
下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做详细说明，
在井底岩石任取一个微小区域P，分析其受力状况得到，该区域受到周围岩石的压力、下部岩石的支持力、上部岩石的覆盖力，区域P的受力状况与区域P的体积、周围岩石N体积相关，用区域P在i方向的体积与周围岩石体积N在i方向体积比表示区域P在i方向的支撑维度分量Mi=VPi/VNi，将6个方向支撑维度分量叠加即为区域P的支撑维度,即：
Figure 851980DEST_PATH_IMAGE002
作为优选，井底岩石支撑维度M的取值范围为：0<M≤6。
当钻头为微心钻头时，在井底的岩石会形成一个岩心柱21，如图5所示，将岩柱柱单独取出来，建立坐标系，岩心柱半径为r,高度为z,如图6所示，建立半径为3r高度为z的虚拟圆柱体，取圆柱体的四分一区域出来，与岩心柱相交于OCD，如图7所示，岩心柱区域沿X方向支撑维度分量Mx=VOCD/VOAB=0.11，岩心柱沿-X、Y、-Y的支撑维度分量均为0.11，岩心柱沿-Z方向的支撑维度分量为1，这样岩心柱的支撑维度M=1.44。
当钻头为环槽式PDC钻头时，如图8所示，井底会形成凸起的环形岩脊31，如图9和图10所示，环形岩脊又分为环形岩脊顶部311和环形岩脊根部312，这两个区域的支撑维度明显不同，环形岩脊顶部区域的支撑维度如图11所示，环形岩脊的宽度为w,高度为z,同理建立半径为3w/2，高度为z的虚拟圆柱体，同样取圆柱体的四分一区域出来，与环形岩脊相交于OCD，岩脊顶部区域沿X方向的支撑维度分量Mx=VOCD/VOAB=0.07，同理沿-X支撑维度分量M-x=0.07，沿Y方向支撑维度分量My=VOCEFG/VOAN=0.77，同理沿-Y方向支撑维度分量M-Y=0.77，环形岩脊沿-Z方向的支撑维度分量为M-z=1, 这样环形岩脊顶部的支撑维度M=2.68。
环形岩脊根部支撑维度示意图如图12所示，环形岩脊根部区域可以分为平整岩样支撑维度和凸起环形岩脊对根部的支撑维度，平整岩样支撑维度为5，环形岩脊在Z方向支撑维度分量Mz=VCENG/V圆柱体=0.42，这样环形岩脊根部区域支撑维度M=5.42。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.井底岩石支撑维度的计算方法，其特征在于：在井底岩石任取一个微小区域P，分析其受力状况得到，该区域受到周围岩石的压力、下部岩石的支持力、上部岩石的覆盖力，区域P的受力状况与区域P的体积、周围岩石N体积相关，用区域P在i方向的体积与周围岩石体积N在i方向体积比表示区域P在i方向的支撑维度分量Mi=VPi/VNi，将6个方向支撑维度分量叠加即为区域P的支撑维度, MP=
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，建立坐标系XYZ，所述6个方向分别为X、-X、Y、-Y、Z、-Z 方向。
2.根据权利要求1所述井底岩石支撑维度的计算方法，其特征在于：井底岩石支撑维度M的取值范围为：0<M≤6。
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