CN113944425A - 用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法，其包含：基于目标区域的地层岩性、岩石力学参数以及地层脆性指数，结合破岩所需机械能量门槛值的要求，优选破岩工具的类型及其参数；通过地层造斜指数以及研磨指数优选底部钻具组合，并根据研磨指数优化破岩工具的应用参数；依据地层软硬交错指数断定破岩工具的振动程度，以优选得到稳定工况类工具的类型以及安装位置；基于钻柱失稳条件以及目标区域的地层特征参数，明确钻井参数的敏感性以及钻井参数的范围；计算技术效益指数以评价当前的破岩效率，对破岩工具进行迭代优化。本发明通过定量分析，基于钻头稳态工况下提供充足的钻头破岩能量的原则，形成了高效协同破岩优化方法。

Description

用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法及装置

技术领域

本发明涉及地质钻探及油气钻井技术领域，具体地说，涉及一种用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法及装置。

背景技术

在油气钻井与地质钻探领域，钻头是旋转钻井施工中必不可少的井下工具，目前牙轮钻头与PDC钻头是旋转钻井中最常使用的两种钻头，其中，PDC钻头所钻进尺约占90％。PDC钻头主要靠切削和剪切作用破碎岩石，自PDC钻头问世以来，破岩机理基本没有改变。

目前旋转钻井体系下，钻头破岩能量传递主要依靠钻杆串联起来的数千米的钻柱，而钻柱在传递扭矩的过程中，会发生较大的扭转弹性变形，相当一部分能量损耗在了钻柱的扭转变形中。PDC钻头钻遇坚硬地层、且破岩扭矩不足时，钻头会降低转速甚至停转，直至钻柱积聚足够的扭转应变能，为钻头提供足够的扭矩供应以剪切和破碎井底岩石。由于扭转应变能贮存在扭曲的钻柱中，钻头破岩后扭矩释放，钻柱会像松开的发条一样产生严重的扭转震荡，这种现象就称之为“粘滑”(俗称憋钻)。

现场实践表明，PDC钻头在钻井过程中不是连续均匀运转，而是时转时停，测量结果显示：平均每10秒发生1次粘滑现象，钻头转速有时高达500r/min。由PDC钻头的粘滑问题带来的危害：使传递到钻头的破岩动力大打折扣，能量传递效率不高；导致钻柱受力工况恶劣、疲劳寿命低；钻头切削齿工作面不稳定，影响PDC钻头的切削效果和破岩速度；容易造成切削齿崩裂，致使PDC钻头失效；高频交变的扭转震荡易使钻头与井下钻具松扣，诱发井下复杂与故障。

PDC切削齿设计与制造技术、钻头力平衡设计技术、切削深度控制技术等PDC钻头设计与生产工艺，提高破岩能量类工具(如动力钻具、冲击类提速工具)、稳定工况类工具(如水力增压器、切削深度随钻控制等工具)在降低钻头井下振动、提高钻头寿命等方面起到重要作用，目前复合钻井已经成为石油钻井最主要的钻井提速方式，在软-中硬地层中取得了很好的应用效果，但在硬地层等复杂地层中还存在应用效果不稳定、钻井速度相对较慢、钻头寿命短等问题。

切削深度是决定钻头破岩效率的关键因素，在一定范围内随着切削深度的增加，破岩方式逐渐由研磨向体积破碎转变，机械钻速随之提高，直至最优切削深度下钻头处于高效破岩状态。在坚硬地层中PDC钻头难以吃入地层，在软硬交错地层切削深度的大幅波动，会造成钻头破岩效率的急速降低，并诱发钻头振动和造成切削齿提前损坏。因此，在坚硬、软硬交错等复杂地层，PDC钻头的切削深度与破岩能量频繁波动，破岩参数难以合理匹配，井下振动普遍存在，钻头机械钻速慢、寿命短、进尺少的问题极大增加了钻井周期和钻井费用。

现有技术中，没有统一的高效破岩优化方法，是限制钻井提速技术优化、复杂地层中PDC钻头性能发挥和推广应用效果稳定性的重要原因，有必要建立科学、高效、协同的破岩方法，降低复杂地层钻井提速的试错成本。

因此，本发明提供了一种用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法及装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法，所述方法包含以下步骤：

步骤一：基于目标区域的地层岩性、岩石力学参数以及地层脆性指数，结合破岩所需机械能量门槛值的要求，优选破岩工具的类型及其参数，其中，所述破岩工具包含钻头、稳定工况类工具以及提高破岩能量类工具；

步骤二：通过地层造斜指数以及研磨指数优选底部钻具组合，并根据所述研磨指数优化所述破岩工具的应用参数；

步骤三：依据地层软硬交错指数断定所述破岩工具的振动程度，以优选得到所述稳定工况类工具的类型以及安装位置；

步骤四：基于钻柱失稳条件以及目标区域的地层特征参数，明确包含机械参数与水力参数的钻井参数的敏感性以及钻井参数的范围；

步骤五：计算技术效益指数以评价当前的破岩效率，对所述破岩工具进行迭代优化。

根据本发明的一个实施例，所述破岩所需机械能量门槛值包含：门限钻压以及门限扭矩，通过以下公式表示所述门限钻压以及所述门限扭矩：

W_bs＝k_cS_cck_b

T_bs＝k_ccS_cck_bD_b

其中，W_bs表示所述门限钻压，N；T_bs表示所述门限扭矩，N·m；S_cc表示岩石有围压抗压强度，Pa；D_b表示钻头直径，m；k_c、k_cc分别表示抗压强度对门限钻压和门限扭矩的影响系数；k_b表示钻头尺寸影响系数。

根据本发明的一个实施例，所述提高破岩能量类工具包含：动力钻具以及冲击类工具，所述步骤一中具体包含以下步骤：

基于目标区域的所述地层岩性、所述岩石力学参数以及所述地层脆性指数结合不同钻头的历史应用效果，选定所述钻头的类型以及型号；

依据所述门限钻压以及所述门限扭矩，选定所述动力钻具的类型以及参数；

计算得到所述地层脆性指数，评价目标区域的地层脆塑性程度，选定所述冲击类工具的类型以及参数。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算得到所述地层脆性指数：

I_b＝0.5[(10^-4E-1)÷7-4(P_r-0.4)]

其中，I_b表示所述地层脆性指数；E表示岩石的动态弹性模量，MPa；P_r表示岩石的泊松比。

根据本发明的一个实施例，所述底部钻具组合包含：静力学防斜钻具组合、动力学防斜钻具组合以及主动防斜钻具组合，所述步骤二中具体包含以下步骤：

计算得到所述地层软硬交错指数，并结合地层倾角计算得到所述地层造斜指数；

基于所述地层造斜指数对目标区域的地层自然造斜特性进行评价，以优选所述底部钻具组合。

根据本发明的一个实施例，所述破岩工具的应用参数包含：钻压、钻头转速以及所述动力钻具参数，所述步骤二中具体包含以下步骤：

基于所述地层造斜指数限定所述钻压的最大值；

基于所述研磨指数限定所述钻头转速的最大值；

基于所述研磨指数限定所述动力钻具参数中弯角的最大值。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算得到所述地层造斜指数：

其中，I_i表示所述地层造斜指数；I_s表示所述地层软硬交错指数；γ表示地层倾角，rad。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算得到所述研磨指数：

I_a＝S_ccC_eq

其中，I_a表示所述研磨指数；S_cc表示岩石有围压抗压强度，Pa；C_eq表示当量石英含量，％。

根据本发明的一个实施例，所述步骤三中具体包含以下步骤：

基于所述软硬交错指数对所述破岩工具的不平稳运动情况进行评价，以优选得到所述稳定工况类工具的类型以及安装位置；

以钻柱的抗扭刚度以及水力能量利用效率的要求，选定钻杆和钻铤的外径以及壁厚；

以所述破岩工具的稳态运动为目标，对钻头以及底部钻具组合进行优化。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算得到所述地层软硬交错指数：

其中，I_s表示所述地层软硬交错指数；S_UCa、R_MS、D_SS分别表示预设地层范围内的单轴抗压强度的平均值、均方根以及峰-峰值之和，MPa。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算得到所述技术效益指数：

I_bi＝F_bR_op

其中，I_bi表示所述技术效益指数；F_b表示钻头进尺，m；R_op表示钻头机械钻速，m/h。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩装置，所述装置包含：

第一模块，基于目标区域的地层岩性、岩石力学参数以及地层脆性指数，结合破岩所需机械能量门槛值的要求，优选破岩工具的类型及其参数，其中，所述破岩工具包含钻头、稳定工况类工具以及提高破岩能量类工具；

第二模块，其用于通过地层造斜指数以及研磨指数优选底部钻具组合，并根据所述研磨指数优化所述破岩工具的应用参数；

第三模块，其用于依据地层软硬交错指数断定所述破岩工具的振动程度，以优选得到所述稳定工况类工具的类型以及安装位置；

第四模块，其用于基于钻柱失稳条件以及目标区域的地层特征参数，明确钻井参数的敏感性以及钻井参数的范围；

第五模块，其用于计算技术效益指数以评价当前的破岩效率，对所述破岩工具进行迭代优化。

本发明提供的用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法及装置通过定量分析，基于钻头稳态工况下提供充足的钻头破岩能量的原则，形成了一种高效协同破岩优化方法。通过多种手段的协同作用与钻井系统的整体优化，可实现复杂地层中钻头稳态工作和高效破岩，达到提高机械钻速与延长钻头寿命的目的；本发明根据不同的地层特征，快速地确定出与钻遇地层相适应的高效破岩方法，该方法不仅适用于硬地层、软硬交错等复杂地层及常规地层的钻井提速，也适用于水平井钻井提高定向钻井效率。

本发明的其它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

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法流程图；

图2显示了根据本发明的一个实施例的破岩能量与技术效益指数的变化曲线图；

图3显示了根据本发明的另一个实施例的用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法流程图；

图4显示了根据本发明的一个实施例的钻头稳态工作与增能协同破岩实现途径示意图；以及

图5显示了根据本发明的一个实施例的用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩装置结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

现有技术中，由于缺乏统一的硬地层、软硬交错地层的高效破岩方法，会造成提速瓶颈等问题，本申请提出一种适用于复杂地层，能够降低钻头恶性振动，能够保障钻头长寿命和提高机械钻速的高效协同破岩方法。

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法流程图。

如图1，在步骤S101中，基于目标区域的地层岩性、岩石力学参数以及地层脆性指数，结合破岩所需机械能量门槛值的要求，优选破岩工具的类型及其参数，其中，破岩工具包含钻头、稳定工况类工具以及提高破岩能量类工具。

在一个实施例中，破岩所需机械能量门槛值包含：门限钻压以及门限扭矩，通过以下公式表示门限钻压以及门限扭矩：

W_bs＝k_cS_cck_b

T_bs＝k_ccS_cck_bD_b

其中，W_bs表示门限钻压，N；T_bs表示门限扭矩，N·m；S_cc表示岩石有围压抗压强度，Pa；D_b表示钻头直径，m；k_c、k_cc分别表示抗压强度对门限钻压和门限扭矩的影响系数；k_b表示钻头尺寸影响系数。

具体来说，钻压与钻头扭矩是决定破岩能量的两个关键基本参数。旋转钻井模式下PDC钻头持续高效破岩的基础是同时满足钻压与扭矩的双重门槛条件。

在一个实施例中，提高破岩能量类工具包含：动力钻具以及冲击类工具。

进一步地，在步骤S101中具体包含以下步骤：

S1011、基于目标区域的地层岩性、岩石力学参数以及地层脆性指数结合不同钻头的历史应用效果，选定钻头的类型以及型号。

S1012、依据门限钻压以及门限扭矩，选定动力钻具的类型以及参数。

S1013、计算得到地层脆性指数，评价目标区域的地层脆塑性程度，选定冲击类工具的类型以及参数。

在一个实施例中，通过以下公式计算得到地层脆性指数：

I_b＝0.5[(10^-4E-1)÷7-4(P_r-0.4)]

其中，I_b表示地层脆性指数；E表示岩石的动态弹性模量，MPa；P_r表示岩石的泊松比。

如图1，在步骤S102中，通过地层造斜指数以及研磨指数优选底部钻具组合，并根据研磨指数优化破岩工具的应用参数。

在一个实施例中，底部钻具组合包含：静力学防斜钻具组合、动力学防斜钻具组合以及主动防斜钻具组合。

具体来说，底部钻具组合是由钻头、破岩工具、钻铤、稳定器组成的，是保证井眼质量和实现钻井提速的关键。钻井优化的主要对象就是底部钻具组合。

进一步地，在步骤S102中具体包含以下步骤：

S1021、计算得到地层软硬交错指数，并结合地层倾角计算得到地层造斜指数。

S1022、基于地层造斜指数对目标区域的地层自然造斜特性进行评价，以优选底部钻具组合。

在一个实施例中，破岩工具的应用参数包含：钻压、钻头转速以及动力钻具参数。

进一步地，在一个实施例中，基于地层造斜指数限定钻压的最大值。

进一步地，在一个实施例中，基于研磨指数限定钻头转速的最大值。

进一步地，在一个实施例中，基于研磨指数限定动力钻具参数中弯角的最大值。

在一个实施例中，通过以下公式计算得到地层造斜指数：

其中，I_i表示地层造斜指数；I_s表示地层软硬交错指数；γ表示地层倾角，rad。

在一个实施例中，通过以下公式计算得到研磨指数：

I_a＝S_ccC_eq

其中，I_a表示研磨指数；S_cc表示岩石有围压抗压强度，Pa；C_eq表示当量石英含量，％。进一步地，当量石英含量是以石英为标准矿物，将岩石中所有矿物的体积含量分别乘以相对石英的磨损系数并累加，如长石的相对磨损系数约为0.75。

如图1，在步骤S103中，依据地层软硬交错指数断定破岩工具的振动程度，以优选得到破岩工具中的稳定工况类工具的类型以及安装位置。

在一个实施例中，在步骤S103中具体包含以下步骤：

S1031、基于软硬交错指数对破岩工具的不平稳运动情况进行评价，以优选得到稳定工况类工具以及安装位置。

S1032、以钻柱的抗扭刚度以及水力能量利用效率的要求，选定钻杆和钻铤的外径以及壁厚。

S1033、以破岩工具的稳态运动为目标，对钻头以及底部钻具组合进行优化。

在一个实施例中，通过以下公式计算得到地层软硬交错指数：

其中，I_s表示地层软硬交错指数；S_UCa、R_MS、D_SS分别表示预设地层范围内的单轴抗压强度的平均值、均方根以及峰-峰值之和，MPa。

如图1，在步骤S104中，基于钻柱失稳条件以及目标区域的地层特征参数，明确包含机械参数与水力参数的钻井参数的敏感性以及钻井参数的范围。

具体来说，钻柱失稳条件包含：钻柱的屈曲、钻柱的共振。地层特征参数包含：岩石力学参数以及门限扭矩、门限钻压、地层脆性指数、地层造斜指数、研磨指数、地层软硬交错指数及其公式中涉及到的与地层相关的参数。钻井参数包含：机械参数(钻压、转速、扭矩、等)和水力参数(排量、压降、比水功率、射流冲击力、等)。

进一步地，钻压是造成钻柱屈曲的主要因素，钻压超过临界屈曲载荷钻柱会发生屈曲。本发明中基于避免螺旋屈曲为临界条件，用于限制钻压的最大值。转速是造成钻柱共振的主要因素，通过避开引起钻柱共振的转速区间，降低钻柱共振的发生概率。本发明通过研磨指数限制转速的最大值，通过门限钻压与门限扭矩限制钻压和扭矩的最低值，通过地层造斜指数和螺旋屈曲临界载荷限定钻压的最大值。目前已经形成了成熟的水力参数优化方法与流程，本发明不再赘述。

如图1，在步骤S105中，计算技术效益指数以评价当前的破岩效率，对破岩工具进行迭代优化。

在一个实施例中，通过以下公式计算得到技术效益指数：

I_bi＝F_bR_op

其中，I_bi表示技术效益指数；F_b表示钻头进尺，m；R_op表示钻头机械钻速，m/h。

在技术效益指数计算公式中，钻头机械钻速和钻头进尺是评价钻头高效破岩与否的两个关键因素，机械钻速越高、钻头进尺越大，破岩效率就越高。本发明中采用技术效益指数来评价钻头的破岩效率。

在钻井过程中，高效破岩的优化设计是一个复杂的系统工程。如图2所示，在段1：钻头吃入地层深度浅，钻头破岩能量供应不足，此时不但会造成低效钻井，而且会诱发钻头不平稳运动；钻头不平稳运动不但会造成钻头与井下钻具的先期损坏，而且会降低钻头破岩能量的利用率。

如图2，在段2的高效破岩段，当钻头破岩能量供应超过门槛值后，随着破岩能量和切削深度的增加，钻头的破岩效率会持续提高，直到达到该系统下的极限值或不稳定点。机械钻速过快造成的钻头泥包、环空岩屑浓度大等问题，以及钻具失稳产生的钻头振动等问题是产生不稳定点的重要原因，采用多种措施的协同优化，补齐钻井系统的短板，可进一步提高钻头破岩效率。

现有技术中，在软-中硬地层中，钻头高效破岩的关键是钻头既可以稳态工作，又可以获得充足的破岩能量；而复杂地层中钻头破岩的能量需求大，常规工艺技术难以保障破岩能量持续稳定的供应与钻头稳态运动的双重要求，从而造成低效钻井。

因此，本申请从决定钻头高效破岩的三个关键因素(高效的破岩方式、稳定充足的破岩能量供应和稳态的钻头运动)出发，对钻头提供充足的破岩能量，将不规律的钻头切削力波形转变为有规律的低振幅正弦波形，从而抑制钻头的不稳定运动，是钻头高效破岩的一种有效方法。

图3显示了根据本发明的另一个实施例的用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法流程图。

S1、综合地层岩性、岩石力学参数、地层软硬交错指数等特征参数，参考钻头使用的历史效果优选合适的钻头类型与型号。

具体来说，旋转钻井属于机械破岩方法，在此前提下破岩方式主要包括常规旋转钻井(能量由地面的转盘或顶驱提供)、复合钻井(能量由地面和井下共同提供)，其中复合钻井还可以分为转盘/顶驱+动力钻具、转盘/顶驱+冲击类工具/稳定工况类工具、转盘/顶驱+动力钻具+冲击类工具/稳定工况类工具等。

旋转钻井模式下，单位时间内钻头的机械破岩能量主要取决于钻压、钻头扭矩、转速及有规律的冲击能量。钻头单次破岩的机械能量最主要取决于钻压与钻头扭矩；钻头转速可以增加单位时间内的破岩次数和累计破岩能量；有规律的冲击能量可以增加单次破岩的钻压与钻头扭矩，也可以增加单位时间内的破岩次数和累计破岩能量。

S2、动力钻具的地层适应性强，依据破岩所需机械能量门槛值，优选动力钻具，动力钻具的制动最大工作扭矩至少应超过所钻井段钻头门限扭矩的最大值。

S3、根据地层脆性指数确定冲击类工具适用与否，若适用则根据破岩所需机械能量门槛值优选冲击类工具及其参数。

冲击破岩方式主要适用于脆性地层，在塑性地层中应用效果较差，甚至起相反的作用。选择合适的冲击类工具可以增加有规律的冲击能量，进一步增加单次破岩的钻压与钻头扭矩。

S4、判断选择的破岩工具是否能够提供大于破岩所需机械能量门槛值的能量，如果否，则需要降低破岩能量需求，跳转到步骤S1，重新选择破岩工具。通过破岩工具的迭代优化，可以降低钻压与钻头扭矩的门限条件(如选择牙轮-PDC混合钻头，安装圆锥形齿、斧式齿等非平面切削齿的PDC钻头)，还可以通过强化钻井液排量等进一步增强破岩能量)。

S5、钻头高效破岩的前提是钻头钻成符合井身质量要求的井眼，井斜是最常见的井身质量问题，根据地层造斜指数优选钻具组合，同时限定钻压等参数的最大值；根据研磨指数设定研磨性地层中钻头转速的最高值，还可以禁止某些技术的应用或优选其参数，如动力钻具弯角最大值的选择。

S6、根据地层软硬交错指数，判断井下钻具与钻头的振动程度，优选稳定工况类工具，优化安放位置，优选大尺寸钻杆和钻铤，提高钻柱的抗扭刚度与水力能量利用效率；通过钻柱与底部钻具组合优化设计为钻头稳态运动创造条件。

S7、通过地层特征参数与钻柱失稳条件，进一步明确钻井参数的敏感性与钻井参数的范围，在强化钻井参数或破岩能量的同时避开易引起钻柱共振的钻井参数区间。

S8、高效的破岩方式、稳定充足的钻头破岩能量供应和稳态的钻头运动是高效协同破岩技术的关键要素。根据图4所示的高效协同破岩的实现途径，进一步对钻井系统整体优化，形成高效协同破岩技术方案，并根据实钻情况进行技术方案的动态调整。

图4显示了根据本发明的一个实施例的钻头稳态工作与增能协同破岩实现途径示意图。

在稳定充足的钻头破岩能量供应方面，如图4，首先选择合适的钻头、动力钻具与辅助破岩工具等，实现了提高破岩能量供应以及降低扭矩传递距离，另外，使用低压耗钻井液、减摩降阻工具等实现了降低钻柱能量消耗。

在稳态的钻头运动方面，如图4，首先优选强稳定性钻头，提高钻柱抗扭刚度(增大钻铤与钻杆的外径或壁厚)，另外，使用软扭矩系统、减震稳扭等稳定工况类工具，优化钻井参数，降低了钻压与扭矩的波动。

在一个实施例中，某井火成岩与沉积岩交互地层具有软硬交错程度高、地层研磨性不强、脆性程度高、所需破岩能量大、地层自然造斜能力弱等特点，所需破岩能量大、钻头稳态工作难以保证是造成PDC钻头低效钻井的主要原因。

根据本发明的方法形成了高效协同破岩技术方案，主要措施包括优选了适于软硬交错地层高效钻进的406mm PDC钻头，优选了符合破岩能量门槛条件的大扭矩动力钻具，动力钻具的额定输出扭矩为34kN·m，与最大钻头门限扭矩38kN·m基本相当；采用了轴向与扭转复合冲击工具，降低钻头破岩门限条件，保证了充足的破岩能量；采用了轴向减震工具，抑制和降低振动冲击载荷。采用了286mm等大尺寸钻铤，提高了底部钻具组合的抗扭刚度与工作稳定性；在火成岩等硬地层采用较大的钻压和较低的钻头转速、在沉积岩等较弱地层中采用合适的钻压和较高的钻头转速，为PDC钻头的使用创造了良好的条件。

该井段较邻井机械钻速提高了近5倍，减少钻头使用数量8只，大幅缩减钻井周期超过75％，在高效破岩方面取得了显著的效果。

图5显示了根据本发明的一个实施例的用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩装置结构框图。

如图5所示，协同破岩装置500包含第一模块501、第二模块502、第三模块503、第四模块504以及第五模块505。

第一模块，基于目标区域的地层岩性、岩石力学参数以及地层脆性指数，结合破岩所需机械能量门槛值的要求，优选破岩工具的类型及其参数，其中，破岩工具包含钻头、稳定工况类工具以及提高破岩能量类工具。

第二模块，其用于通过地层造斜指数以及研磨指数优选底部钻具组合，并根据研磨指数优化破岩工具的应用参数。

第三模块，其用于依据地层软硬交错指数断定破岩工具的振动程度，以优选得到稳定工况类工具的类型以及安装位置。

第四模块，其用于基于钻柱失稳条件以及目标区域的地层特征参数，明确包含机械参数与水力参数的钻井参数的敏感性以及钻井参数的范围。

第五模块，其用于计算技术效益指数以评价当前的破岩效率，对破岩工具进行迭代优化。

综上，本发明提供的用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法及装置通过定量分析，基于钻头稳态工况下提供充足的钻头破岩能量的原则，形成了一种高效协同破岩优化方法。通过多种手段的协同作用与钻井系统的整体优化，可实现复杂地层中钻头稳态工作和高效破岩，达到提高机械钻速与延长钻头寿命的目的；本发明根据不同的地层特征，快速地确定出与钻遇地层相适应的高效破岩方法，该方法不仅适用于硬地层、软硬交错等复杂地层及常规地层的钻井提速，也适用于水平井钻井提高定向钻井效率。

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、处理步骤或材料，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。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

步骤一：基于目标区域的地层岩性、岩石力学参数以及地层脆性指数，结合破岩所需机械能量门槛值的要求，优选破岩工具的类型及其参数，其中，所述破岩工具包含钻头、稳定工况类工具以及提高破岩能量类工具；

步骤二：通过地层造斜指数以及研磨指数优选底部钻具组合，并根据所述研磨指数优化所述破岩工具的应用参数；

步骤三：依据地层软硬交错指数断定所述破岩工具的振动程度，以优选得到所述稳定工况类工具的类型以及安装位置；

步骤四：基于钻柱失稳条件以及目标区域的地层特征参数，明确包含机械参数与水力参数的钻井参数的敏感性以及钻井参数的范围；

步骤五：计算技术效益指数以评价当前的破岩效率，对所述破岩工具进行迭代优化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述破岩所需机械能量门槛值包含：门限钻压以及门限扭矩，通过以下公式表示所述门限钻压以及所述门限扭矩：

W_bs＝k_cS_cck_b

T_bs＝k_ccS_cck_bD_b

其中，W_bs表示所述门限钻压，N；T_bs表示所述门限扭矩，N·m；S_cc表示岩石有围压抗压强度，Pa；D_b表示钻头直径，m；k_c、k_cc分别表示抗压强度对门限钻压和门限扭矩的影响系数；k_b表示钻头尺寸影响系数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提高破岩能量类工具包含：动力钻具以及冲击类工具，所述步骤一中具体包含以下步骤：

基于目标区域的所述地层岩性、所述岩石力学参数以及所述地层脆性指数结合不同钻头的历史应用效果，选定所述钻头的类型以及型号；

依据所述门限钻压以及所述门限扭矩，选定所述动力钻具的类型以及参数；

计算得到所述地层脆性指数，评价目标区域的地层脆塑性程度，选定所述冲击类工具的类型以及参数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算得到所述地层脆性指数：

I_b＝0.5[(10^-4E-1)÷7-4(P_r-0.4)]

其中，I_b表示所述地层脆性指数；E表示岩石的动态弹性模量，MPa；P_r表示岩石的泊松比。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底部钻具组合包含：静力学防斜钻具组合、动力学防斜钻具组合以及主动防斜钻具组合，所述步骤二中具体包含以下步骤：

计算得到所述地层软硬交错指数，并结合地层倾角计算得到所述地层造斜指数；

基于所述地层造斜指数对目标区域的地层自然造斜特性进行评价，以优选所述底部钻具组合。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述破岩工具的应用参数包含：钻压、钻头转速以及所述动力钻具参数，所述步骤二中具体包含以下步骤：

基于所述地层造斜指数限定所述钻压的最大值；

基于所述研磨指数限定所述钻头转速的最大值；

基于所述研磨指数限定所述动力钻具参数中弯角的最大值。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算得到所述地层造斜指数：

其中，I_i表示所述地层造斜指数；I_s表示所述地层软硬交错指数；γ表示地层倾角，rad。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算得到所述研磨指数：

I_a＝S_ccC_eq

其中，I_a表示所述研磨指数；S_cc表示岩石有围压抗压强度，Pa；C_eq表示当量石英含量，％。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中具体包含以下步骤：

基于所述软硬交错指数对所述破岩工具的不平稳运动情况进行评价，以优选得到所述稳定工况类工具的类型以及安装位置；

以钻柱的抗扭刚度以及水力能量利用效率的要求，选定钻杆和钻铤的外径以及壁厚；

以所述破岩工具的稳态运动为目标，对钻头以及底部钻具组合进行优化。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算得到所述地层软硬交错指数：

其中，I_s表示所述地层软硬交错指数；S_UCa、R_MS、D_SS分别表示预设地层范围内的单轴抗压强度的平均值、均方根以及峰-峰值之和，MPa。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算得到所述技术效益指数：

I_bi＝F_bR_op

其中，I_bi表示所述技术效益指数；F_b表示钻头进尺，m；R_op表示钻头机械钻速，m/h。

12.一种用于复杂地层的钻头稳态工作与增能协同破岩装置，其特征在于，所述装置包含：

第一模块，基于目标区域的地层岩性、岩石力学参数以及地层脆性指数，结合破岩所需机械能量门槛值的要求，优选破岩工具的类型及其参数，其中，所述破岩工具包含钻头、稳定工况类工具以及提高破岩能量类工具；

第二模块，其用于通过地层造斜指数以及研磨指数优选底部钻具组合，并根据所述研磨指数优化所述破岩工具的应用参数；

第三模块，其用于依据地层软硬交错指数断定所述破岩工具的振动程度，以优选得到所述稳定工况类工具的类型以及安装位置；

第四模块，其用于基于钻柱失稳条件以及目标区域的地层特征参数，明确包含机械参数与水力参数的钻井参数的敏感性以及钻井参数的范围；

第五模块，其用于计算技术效益指数以评价当前的破岩效率，对所述破岩工具进行迭代优化。

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