CN110781571A - 一种钻头工作效率评估系统 - Google Patents

Abstract

一种钻头工作效率评估系统，包括：钻井数据采集装置，用于采集钻井实时数据和钻井非实时数据；钻头扭矩确定装置，用于根据钻井实时数据中的钻压数据和钻井非实时数据中的钻头直径数据，结合预设钻头摩擦系数确定待分析钻头的钻头扭矩；工作效率评估装置，用于根据钻井实时数据、钻井非实时数据和钻头扭矩确定机械效率，并根据机械效率确定待分析钻头的工作效率。本系统通过对钻头扭矩进行了简化处理来实时、连续地获得钻头扭矩数据，从而为实时、连续地评估钻头工作效率奠定了基础，其能够使得钻头工作效率的评估结果更加准确、可靠。

Description

一种钻头工作效率评估系统

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种钻头工作效率评估系统。

背景技术

在钻井过程中，钻头的工作效率直接影响钻井周期、钻井成本及钻井风险。准确的钻头工作效率评估对预测钻速、钻头选型以及分析钻井事故都具有重要意义。

目前关于钻头工作效率的研究大都是基于邻井数据对比分析或机械比能理论。然而，由于同一地区相邻井所钻遇的地层性质可能不同，采用的钻井设备和钻井参数也不相同，因此依据邻井数据进行钻头工作效率评估具有很大的盲目性和不确定性。

机械比能是采用钻压、钻速、转速、钻头扭矩和钻头直径等参数计算得到的一项评估钻头效率的重要指标。但是对于大多数井来说，钻头扭矩数据难以得到或者是缺乏连续性，这也就导致机械比能无法计算或计算得到的数据不连续。并且，仅用机械比能来评估钻头效率具有片面性，实际工作中必须辅以其他数据进行综合分析。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了钻头工作效率评估系统，所述系统包括：

钻井数据采集装置，其用于采集钻井实时数据和钻井非实时数据；

钻头扭矩确定装置，其与所述钻井数据采集装置连接，用于根据所述钻井实时数据中的钻压数据和钻井非实时数据中的钻头直径数据，结合预设钻头摩擦系数确定待分析钻头的钻头扭矩；

工作效率评估装置，其与所述钻井数据采集装置和钻头扭矩确定装置连接，用于根据所述钻井实时数据、钻井非实时数据和钻头扭矩确定待分析钻头的机械效率，并根据所述机械效率确定所述待分析钻头的当前工作效率。

根据本发明的一个实施例，所述钻头扭矩确定装置配置为计算所述钻头直径、钻压数据以及预设钻头滑动摩擦系数的乘积，并根据该乘积确定所述钻头扭矩。

根据本发明的一个实施例，所述钻头扭矩确定装置配置为根据如下表达式确定所述钻头扭矩：

其中，T_b表示钻头扭矩，μ表示预设钻头滑动摩擦系数，WOB表示钻压，D_b表示钻头直径。

根据本发明的一个实施例，所述钻头扭矩确定装置配置为所述钻井非实时数据中的钻头类型数据确定所述预设钻头滑动摩擦系数。

根据本发明的一个实施例，所述工作效率评估装置包括：

实际机械比能确定模块，其与所述所述钻井数据采集装置和钻头扭矩确定装置连接，用于根据所述钻井实时数据、钻井非实时数据和钻头扭矩确定待分析钻头各个时刻的机械比能；

最小机械比能确定模块，其与所述钻井数据采集装置连接，用于根据所述钻井实时数据确定所述待分析钻头的最小机械比能；

工作效率评估模块，其与所述实际机械比能确定模块和最小机械比能确定模块连接，用于根据所述待分析钻头的各个时刻的机械比能和最小机械比能确定所述待分析钻头各个时刻的机械效率，并根据所述机械效率确定所述待分析钻头各个时刻的工作效率。

根据本发明的一个实施例，所述工作效率评估模块配置为根据所述最小机械比能与各个时刻的机械比能的比值确定所述待分析钻头各个时刻的机械效率。

根据本发明的一个实施例，所述最小机械比能确定模块配置为获取将得到的无侧限抗压强度确定为所述最小机械比能。

根据本发明的一个实施例，所述最小机械比能确定模块配置为根据所述钻井实时数据确定所述待分析钻头的有侧限抗压强度，并将所述有侧限抗压强度确定为所述最小机械比能。

根据本发明的一个实施例，所述最小机械比能确定模块配置为执行以下步骤来确定所述有侧限抗压强度：

计算所述钻井实时数据中循环泥浆压力与地层孔隙压力的差值，得到压力差值数据；

根据所述压力差值数据，结合无侧限抗压强度确定所述有侧限抗压强度。

根据本发明的一个实施例，所述最小机械比能确定模块配置为根据如下表达式确定所述有侧限抗压强度：

CCS＝UCS+DP+2DP·sin(FA/(1-sinFA))

DP＝ECD-P_p

其中，CCS表示有侧限抗压强度，UCS表示无侧限抗压强度，DP表示压力差值数据，FA表示岩石内摩擦角，ECD表示循环泥浆压力，P_p表示地层孔隙压力。

本发明所提供的钻头工作效率确定系统通过对钻头扭矩进行了简化处理来实时、连续地获得钻头扭矩数据，从而为实时、连续地评估钻头工作效率奠定了基础。

同时，本发明所提供的钻头工作效率确定系统基于机械比能理论，利用有侧限抗压强度来作为最小机械比能计算钻头钻进的机械效率，这样也就使得最终得到的机械效率更加准确以及可靠，进而使得钻头工作效率的评估结果更加准确、可靠。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的钻头工作效率评估系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的钻头工作效率评估方法的实现流程示意图；

图3是根据本发明一个实施例的钻头扭矩计算原理示意图；

图4是根据本发明一个实施例的工作效率确定装置的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的确定有侧限抗压强度的实现流程示意图；

图6是根据本发明一个实施例的地层岩石力学参数连续剖面示意图；

图7是根据本发明一个实施例的钻头工作效率评估参数示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

针对现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种新的钻头工作效率评估系统。该系统采用钻头扭矩简化处理方法，其能够连续地确定出不同时刻的钻头扭矩，进而使得钻头工作效率的评估结果更加准确、可靠。

图1示出了本实施例所提供的钻头工作效率评估系统的结构示意图，图2则示出了该钻头工作效率评估系统所使用的钻头工作效率评估方法的实现流程示意图，以下结合图1和图2来对本实施例所提供的评估系统作进一步的说明。

如图1所示，本实施例所提供的钻头工作效率评估系统包括：钻井数据采集装置101、钻头扭矩确定装置102以及工作效率评估装置103。其中，钻头数据采集装置101用于采集钻井实时数据和钻井非实时数据。具体地，本实施例中，上述钻井实时数据包括工程录井实时数据和测井实时数据，其中，工程录井实时数据包含诸如井的工程参数、水力参数和气测参数等数据，而测井实时数据则优选地来源于随钻测井LWD数据。钻井非实时数据则优选地包含诸如钻头类型、钻头直径以及相关结构参数等数据。

当然，在本发明的其他实施例中，钻井实时数据和钻井非实时数据既可以仅包含评估钻头工作效率过程所需要的部分必要的数据，也可以包含其他未列出的合理数据，本发明不限于此。

钻头扭矩确定装置102与钻井数据采集装置101连接，其能够根据钻井实时数据中的钻压数据和钻井非实时数据中的钻头直径数据，结合钻头摩擦系数来确定待分析钻头的钻头扭矩。

R.Teale通过对不同类型的岩石采用不同钻头进行大量实验，提出了机械比能理论，其物理意义为：破碎单位体积岩石所需的能量。在该理论中，机械比能的计算方式如下：

其中，MSE表示机械比能，单位为Mpa；WOB表示钻压，单位为kN；D_b表示钻头直径，单位为mm；RPM表示转速，单位为r/min；T_b表示钻头扭矩，单位为kN·m；ROP表示机械钻速，单位为m/h。

这种方法考虑了钻压WOB、转速RPM、钻头直径D_b、机械钻速ROP以及钻头扭矩T_b等因素对钻头工作效率的影响，可以定量地反映出钻头在施工过程中的具体性能。

然而，在现有方法中，钻头扭矩T_b只能通过室内微钻头实验或是旋转导向系统测量得到，一般钻井现场测得的都是转盘扭矩，而无法直接获取钻头扭矩，这很大程度上限制了该方法的使用。

为此，在本实施例中，钻头扭矩确定装置102采用钻头扭矩简化处理方法来连续地确定出不同时刻的钻头扭矩。

如图2所示，本实施例中，钻头数据采集装置101会在步骤S201中采集钻井实时数据和钻井非实时数据，而钻头扭矩确定装置102则会在步骤S202中根据钻井实时数据中的钻压数据和钻井非实时数据中的钻头直径数据，结合预设钻头滑动摩擦系数来确定出待分析钻头的当前钻头扭矩。

具体地，本实施例中，钻头扭矩确定装置102在步骤S202中优选地会计算钻头直径、当前钻压以及预设钻头滑动摩擦系数的乘积，进而根据该乘积确定来确定待分析钻头的当前钻头扭矩。

为了获得连续的钻头扭矩数据，本实施例中，如图3所示，钻头扭矩确定装置102将钻头进行了简化处理，并通过引入钻头滑动摩擦系数来确定简化后的钻头扭矩求解表达式。

参照图3可以看出，通过对钻头进行简化处理，钻头单元面积上的作用力可以根据如下表达式计算得到：

其中，N表示钻头单元面积上的作用力，WOB表示当前钻压，D_b表示钻头直径。

钻头单元面积上的作用力N为钻头轴向方向所受到的力，通过如下表达式可以将径向方向的作用力转换为周向方向上的摩擦力：

dF＝μdN (3)

其中，F表示摩擦力，μ表示预设钻头滑动摩擦系数。

而简化后的钻头扭矩求解表达式也就可以表示为：

其中，ρ表示钻头旋转径向的单位长度，θ表示钻头旋转的角度。

因此，本实施例中，在得到待分析钻头的钻头直径D_b、当前钻压WOB以及预设钻头滑动摩擦系数μ后，钻头扭矩确定装置102也就可以基于表达式(4)来确定出待分析钻头的当前钻头扭矩T_b。

本实施例中，预设钻头滑动摩擦系数μ为无量纲参数，其优选地是根据钻头非实时数据中的钻头类型数据确定的。例如，对于三牙轮钻头，其钻头滑动摩擦系数μ的取值优选地为0.25；而对于PDC钻头，其钻头滑动摩擦系数μ的取值优选地为0.5。需要指出的是，本发明并不对预设钻头滑动摩擦系数μ的具体确定方式以及确定过程进行限定。

同时，还需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，钻头扭矩确定装置102还可以采用其他合理方式来确定当前钻头扭矩T_b，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，钻头扭矩确定装置102还可以利用摩阻扭矩的软杆模型来进行全井的迭代机选，从而确定出待分析钻头的扭矩，并绘制随井深的实时曲线。

再次如图1和图2所示，本实施例中，工作效率评估装置103与钻井数据采集装置101和钻头扭矩确定装置102连接，其能够在步骤S203中根据钻井数据采集装置101所传输来的钻头实时数据、钻头非实时数据以及钻头扭矩确定装置102所确定出的待分析钻头的钻头扭矩来确定出该待分析钻头的机械效率，进而在步骤S204中根据机械效率数据对待分析钻头的工作效率进行评估。

图4示出了本实施例中工作效率评估装置103的结构示意图。

如图4所示，本实施例中，实际机械比能确定模块401与钻井数据采集装置101和钻头扭矩确定装置102连接，其能够根据所述钻井实时数据、钻井非实时数据和钻头扭矩确定待分析钻头的各个时刻的机械比能。例如，本实施例中，实际机械比能确定模块401可以基于表达式(1)来根据各个时刻的钻头扭矩T_b确定出待分析钻头各个时刻的机械比能MSE。

最小机械比能确定模块402与钻井数据采集装置101连接，其能够根据钻井数据采集装置101所传输来的钻井实时数据确定待分析钻头的最小机械比能MSE_min。而工作效率评估模块403则与实际机械比能确定模块401和最小机械比能确定模块402连接，其能够根据待分析钻头的各个时刻的机械比能MSE和最小机械比能MSE_min确定出待分析钻头各个时刻的机械效率，并根据该机械效率对待分析钻头各个时刻的工作效率进行评估。

例如，工作效率评估模块403可以根据如下表达式来确定待分析钻头的机械效率：

其中，EFF表示机械效率。

对于某一时刻，待分析钻头的机械比能MSE的取值越小，此时的机械效率值EFF的取值也就越大，而钻头的工作效率则会越高，因此机械效率可以作为评估钻头工作效率的一项重要指标。

本实施例中，最小机械比能确定模块402优选地会根据钻井实时数据确定出待分析钻头的岩石侧限抗压强度，并将岩石侧限抗压强度的取值确定为最小机械比能MSE_min的取值。

岩石侧限抗压强度来源于无机结合材料(如混凝土)的强度检测，根据所受围压的不同可分为两类。其中，无围压状态下称为无侧限抗压强度(UCS)，有围压状态下称为有侧限抗压强度(CCS)。通过与钻井工程实际情况对比，研究表明：无侧限抗压强度相当于单轴抗压强度，而有侧限抗压强度则相当于真实有岩石围压下的抗压强度。

目前，在钻头选择和钻井预测的计算和模拟过程中，多采用单轴抗压强度(即UCS)居多，这主要是因为真三轴岩石抗压实验比较复杂、成本很高，且很难得到准确的结果。

然而，钻井施工中的岩石是受压差影响的(即地层孔隙压力与井筒内压力的差值)，其抗压强度必然有所增加，所以直接采用单轴抗压强度(即UCS)来描述地层岩石的抗压强度是不准确的。

对此，本实施例中，最小机械比能确定模块402优选地会根据钻井实时数据确定出待分析钻头的有侧限抗压强度，并将有侧限抗压强度的取值确定为最小机械比能MSE_min的取值。

具体地，如图5所示，本实施例中，在获取待分析钻头的有侧限抗压强度时，最小机械比能确定模块402优选地会在步骤S501中获取待分析钻头的循环泥浆压力ECD和地层孔隙压力P_p，并在步骤S502中计算循环泥浆压力ECD与地层孔隙压力P_p的的差值，从而得到压力差值数据。即存在：

DP＝ECD-P_p (6)

其中，DP表示压力差值数据。

在得到压力差值数据DP后，最小机械比能确定模块402会在步骤S503中根据压力差值数据DP，结合无侧限抗压强度UCS来确定有侧限抗压强度CCS。具体地，本实施例中，最小机械比能确定模块402优选地根据如下表达式来确定待分析钻头的有侧限抗压强度CCS：

CCS＝UCS+DP+2DP·sin(FA/(1-sinFA)) (7)

其中，FA表示岩石内摩擦角。

本实施例中，最小机械比能确定模块402优选地基于获取到的随钻声波时差测井数据来反算纵向声波传播速度，进而根据压实理论简化计算得到无侧限抗压强度UCS。

当然，在本发明的其他实施例中，最小机械比能确定模块402还可以采用其他合理方式来确定待分析钻头的无侧限抗压强度UCS和/或有侧限抗压强度CCS，本发明不限于此。

同时，在本发明的其他实施例中，最小机械比能确定模块402还可以采用其他合理方式来确定最小机械比能MSE_min，本发明同样不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，最小机械比能确定模块402也可以获取无侧限抗压强度UCS，并将无侧限抗压强度UCS的取值作为最小机械比能MSE_min的取值。

本实施例中，可选地，工作效率确定装置103还可以根据实际需要来实施绘制钻扭扭矩、有侧限抗压强度、无侧限抗压强度、机械比能以及机械效率等参数随井深的实时曲线。

为了更加清楚的说明本实施例所提供的钻头扭矩确定方法以及应用该钻头扭矩确定方法的钻头工作效率评估方法的可靠性以及优点，发明人以YB**井进行了试验。

YB**井是一口预探直井，地质条件相当复杂，上部陆相地层属于高陡构造，井眼容易打斜，不利于钻进。YB**井所在地层的地层稳定性差，地层承压能力低，钻进过程中不易控制液柱压力去平衡地层压力。液柱压力过大容易造成地层漏失；而液柱压力过小则不利于井控工作，也容易引起井壁垮塌，造成粘卡、埋钻等事故。

YB**井的下部海相地层是高压高含硫区块，容易出现井眼掉块、井壁垮塌、钻具压差卡钻、硫化物腐蚀钻具，进而造成钻具的损失或断裂等问题，这给钻探施工带来极大的难度。

研究井段位于须家河组，岩性为粉砂岩和泥岩不等厚互层，井深在4355～4851m之间，采用HJT537GK三牙轮钻头钻进，钻头尺寸为Ф241.3mm，因此预设钻头滑动摩擦系数的取值配置为0.25。

首先根据测井数据可以得出岩石力学参数，如抗压强度、泊松比、弹性模量、地层密度等参数的取值，从而建立如图6所示的地层岩石力学参数连续剖面，以指导YB**井的钻头选型和钻头工作效率评估。

利用本实施例所提供的方法可以计算得到如图7所示的钻头工作效率评估参数(包括机械比能、机械效率)。钻井参数和钻头效率评估参数的实时监测不但可以反映出井下工况，而且可以实现对钻头工作状态的实时评估。

图7是须家河组的一段参数剖面，从图上可以看出：在井深为4383m时井下钻压和钻头扭矩同时为0，但是钻速很高，这说明此时井下正处于空钻状态；井深为4433m左右时，钻头扭矩和机械比能很高，钻压也达到一个高值，机械比能基本上是UCS的5～10倍，机械效率维持在10％～25％左右，钻速很低。

结合图6所示的的岩石力学参数剖面，该4433m深度附近的泥质含量很低，但是有侧限抗压强度很高。综合以上依据，说明此时钻头工作效率低，磨损情况严重，需要及时起钻并更换新的钻头，现场所提供的钻头图片也证明了结论的正确性。

从上述描述可以看出，本发明所提供的钻头工作效率评估系统通过对钻头扭矩进行了简化处理来实时、连续地获得钻头扭矩数据，从而为实时、连续地评估钻头工作效率奠定了基础。

同时，本发明所提供的钻头工作效率评估系统基于机械比能理论，利用有侧限抗压强度来作为最小机械比能计算钻头钻进的机械效率，这样也就使得最终得到的机械效率更加准确以及可靠，进而使得钻头工作效率的评估结果更加准确、可靠。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种钻头工作效率评估系统，其特征在于，所述系统包括：

钻井数据采集装置，其用于采集钻井实时数据和钻井非实时数据；

钻头扭矩确定装置，其与所述钻井数据采集装置连接，用于根据所述钻井实时数据中的钻压数据和钻井非实时数据中的钻头直径数据，结合预设钻头摩擦系数确定待分析钻头的钻头扭矩；

工作效率评估装置，其与所述钻井数据采集装置和钻头扭矩确定装置连接，用于根据所述钻井实时数据、钻井非实时数据和钻头扭矩确定待分析钻头的机械效率，并根据所述机械效率确定所述待分析钻头的工作效率。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述钻头扭矩确定装置配置为计算所述钻头直径、钻压数据以及预设钻头滑动摩擦系数的乘积，并根据该乘积确定所述钻头扭矩。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述钻头扭矩确定装置配置为根据如下表达式确定所述钻头扭矩：

其中，T_b表示钻头扭矩，μ表示预设钻头滑动摩擦系数，WOB表示钻压，D_b表示钻头直径。

4.如权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于，所述钻头扭矩确定装置配置为根据所述钻井非实时数据中的钻头类型数据确定所述预设钻头滑动摩擦系数。

5.如权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，所述工作效率评估装置包括：

实际机械比能确定模块，其与所述所述钻井数据采集装置和钻头扭矩确定装置连接，用于根据所述钻井实时数据、钻井非实时数据和钻头扭矩确定待分析钻头各个时刻的机械比能；

最小机械比能确定模块，其与所述钻井数据采集装置连接，用于根据所述钻井实时数据确定所述待分析钻头的最小机械比能；

工作效率评估模块，其与所述实际机械比能确定模块和最小机械比能确定模块连接，用于根据所述待分析钻头的各个时刻的机械比能和最小机械比能确定所述待分析钻头各个时刻的机械效率，并根据所述机械效率确定所述待分析钻头各个时刻的工作效率。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述工作效率评估模块配置为根据所述最小机械比能与各个时刻的机械比能的比值确定所述待分析钻头各个时刻的机械效率。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述最小机械比能确定模块配置为将获取到的无侧限抗压强度确定为所述最小机械比能。

8.如权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述最小机械比能确定模块配置为根据所述钻井实时数据确定所述待分析钻头的有侧限抗压强度，并将所述有侧限抗压强度确定为所述最小机械比能。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述最小机械比能确定模块配置为执行以下步骤来确定所述有侧限抗压强度：

计算所述钻井实时数据中循环泥浆压力与地层孔隙压力的差值，得到压力差值数据；

根据所述压力差值数据，结合无侧限抗压强度确定所述有侧限抗压强度。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述最小机械比能确定模块配置为根据如下表达式确定所述有侧限抗压强度：

CCS＝UCS+DP+2DP·sin(FA/(1-sinFA))

DP＝ECD-P_p

其中，CCS表示有侧限抗压强度，UCS表示无侧限抗压强度，DP表示压力差值数据，FA表示岩石内摩擦角，ECD表示循环泥浆压力，P_p表示地层孔隙压力。

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