PDC鉆頭磨損監(jiān)測新方法研究
2014-12-30 23:10:27周波肖偉
科技創(chuàng)新導報 2014年31期
周波+肖偉
摘 要：該文通過結合機械比能理論和鉆速方程提出了一種新的鉆頭磨損監(jiān)測方法，該方法綜合考慮了機械比能模型和鉆速方程模型，能有效地確定鉆頭在井下的磨損狀況。該文通過中石化國際工程有限公司在阿爾及利亞打鉆的MKT-1井進行了鉆頭磨損分級的計算，計算結果與實測數據基本一致，證明該方法的科學性，對提高鉆井效率具有一定的指導意義。
關鍵詞：機械比能 ?鉆速方程 ?鉆頭磨損分級系數
中圖分類號：TE922101 ? ?文獻標識碼：A ?文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0012-02
以前預測鉆頭磨損的方法都是建立在賓漢鉆速方程基礎上，由于該方程只適合牙輪鉆頭鉆速規(guī)律，所以不適用于PDC鉆頭。綜合考慮各種鉆井因素和鉆頭設計參數，該文先利用合適的PDC鉆速方程計算巖石抗壓強度，然后結合機械比能模型來求取鉆頭的磨損等級系數。
1 機械比能理論
1.1 機械比能理論概述
傳統(tǒng)的評價鉆井性能的方法是采用統(tǒng)計方法，根據偏差進行分析，但此方法有地域局限性。在這種情況下，考慮建立具有普遍性，符合技術性能標準的物理模型，即機械比能模型（MSE，Mechanical Specific Energy）。通過對國內外的調研資料來看，R.Teale所提出的模型比較具有代表性，該模型如下[1]：
（1）
各式中：Es為機械比能，MPa;AB鉆頭面積，;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉速，r/min;TOB為扭矩，KN×m。
1.2 鉆頭扭矩的求取
在工程現(xiàn)場條件下，鉆頭扭矩無法像鉆壓、轉速、鉆速這些鉆井參數通過地面儀器進行測量，因此，準確求取鉆頭扭矩是比能理論關鍵所在。該文考慮巖石類型（選擇了砂巖、花崗巖和灰?guī)r三種巖性）、水功率、轉速和鉆壓四項因素在室內模擬實驗。建立鉆頭扭矩的多元線性回歸模型如下[2]：
·WOB·DB ? （2）
因此，根據對扭矩的精確的計算該文優(yōu)化出一種比較理想的機械比能模型[3]，即：
（3）
式中DB為鉆頭直徑，mm;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉速，r/min。
2 PDC鉆速方程的選取
該文中PDC鉆頭的鉆速方程由Motahari等人提出：
（4）
式中b為系數為CCS為巖石抗壓強度，MPa;a為PDC鉆頭的后粑角;θ為側傾角;Wf為鉆頭磨損函數。
3 利用MSE和CCS求取PDC鉆頭的磨損系數
MSE可以從式（3）計算得出，而CCS將從鉆速方程中推導得出：
（5）
系數d可以通過錄井資料的米數據獲得，而利用該系數可以順利地計算出鉆頭磨損分級情況（Normalized即歸一化，單位無量綱），如下式：
（0<h<1） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）
假設鉆頭完全磨損，鉆頭磨損分級系數是1，即方程兩邊等于0，所以A值必須等于1，因此上式可以簡寫成：
（7）
最后，該文通過大量的現(xiàn)場數據的統(tǒng)計得出B和h之間的關系，。綜合公式（7）可推到公式：
（8）
機械比能（MSE）考慮了鉆頭磨損的影響，通過反算三軸巖石抗壓強度（CCS）可以計算出實時的鉆頭磨損分級系數。計算所得到的鉆頭磨損分級系數（h）可以進一步推導得出實際情況下的鉆頭磨損分級情況，而這種轉換是通過下面的公式（根據IADC標準鉆頭磨損分級為8個等級）[3-5]：
（9）
4 MKT-1井的計算實例
該文對江蘇石油工程公司在阿爾及利亞（Bloc 438c）所鉆的MKT-1井進行了實例的應用計算，考慮到該井大部分井段都采用了PDC鉆頭，只有一開時采用的牙輪鉆頭，所以該方法基本適用于MKT-1井。綜合MKT-1井的鉆頭參數統(tǒng)計情況和新方法計算的鉆頭磨損分級系數，我們可以列表將這些數據進行對比：
通過該方法計算所得數據與鉆頭實際磨損情況基本吻合，所以該方法可以有效地對PDC鉆頭的磨損情況進行實時的監(jiān)測和預測。
5 結論
綜合考慮巖石抗壓強度和機械比能模型，提出一種對PDC鉆頭磨損進行實時監(jiān)測的新方法。
利用巖石抗壓強度而不是巖石的可鉆性，我們可以有效地計算鉆頭磨損等級系數。
這種方法通過計算巖石抗壓強度和實時的鉆頭磨損系數能有效地優(yōu)化鉆井性能，有利于鉆井作業(yè)，減少鉆井成本。
參考文獻
[1] R.Teal.The Concept of Specific Energy in Rock Drilling.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.1965（2）：57-63.
[2] 景寧，樊洪海，徐術國，等.基于比能理論的鉆頭工作狀態(tài)監(jiān)測方法研究[J].斷塊油氣田，2011：538-540.
[3] 樊洪海，馮廣慶，肖偉，等.基于機械比能理論的鉆頭磨損監(jiān)測新方法[J].石油鉆探技術，2012：21-25.
[4] Kshitij Mohan，F(xiàn)araaz Adil， Robello Samuel.Tracking Drilling Efficiency Using Hydro-Mechanical Specific Energy.SPE/IADC 119421，2009.
摘 要：該文通過結合機械比能理論和鉆速方程提出了一種新的鉆頭磨損監(jiān)測方法，該方法綜合考慮了機械比能模型和鉆速方程模型，能有效地確定鉆頭在井下的磨損狀況。該文通過中石化國際工程有限公司在阿爾及利亞打鉆的MKT-1井進行了鉆頭磨損分級的計算，計算結果與實測數據基本一致，證明該方法的科學性，對提高鉆井效率具有一定的指導意義。
關鍵詞：機械比能 ?鉆速方程 ?鉆頭磨損分級系數
中圖分類號：TE922101 ? ?文獻標識碼：A ?文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0012-02
以前預測鉆頭磨損的方法都是建立在賓漢鉆速方程基礎上，由于該方程只適合牙輪鉆頭鉆速規(guī)律，所以不適用于PDC鉆頭。綜合考慮各種鉆井因素和鉆頭設計參數，該文先利用合適的PDC鉆速方程計算巖石抗壓強度，然后結合機械比能模型來求取鉆頭的磨損等級系數。
1 機械比能理論
1.1 機械比能理論概述
傳統(tǒng)的評價鉆井性能的方法是采用統(tǒng)計方法，根據偏差進行分析，但此方法有地域局限性。在這種情況下，考慮建立具有普遍性，符合技術性能標準的物理模型，即機械比能模型（MSE，Mechanical Specific Energy）。通過對國內外的調研資料來看，R.Teale所提出的模型比較具有代表性，該模型如下[1]：
（1）
各式中：Es為機械比能，MPa;AB鉆頭面積，;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉速，r/min;TOB為扭矩，KN×m。
1.2 鉆頭扭矩的求取
在工程現(xiàn)場條件下，鉆頭扭矩無法像鉆壓、轉速、鉆速這些鉆井參數通過地面儀器進行測量，因此，準確求取鉆頭扭矩是比能理論關鍵所在。該文考慮巖石類型（選擇了砂巖、花崗巖和灰?guī)r三種巖性）、水功率、轉速和鉆壓四項因素在室內模擬實驗。建立鉆頭扭矩的多元線性回歸模型如下[2]：
·WOB·DB ? （2）
因此，根據對扭矩的精確的計算該文優(yōu)化出一種比較理想的機械比能模型[3]，即：
（3）
式中DB為鉆頭直徑，mm;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉速，r/min。
2 PDC鉆速方程的選取
該文中PDC鉆頭的鉆速方程由Motahari等人提出：
（4）
式中b為系數為CCS為巖石抗壓強度，MPa;a為PDC鉆頭的后粑角;θ為側傾角;Wf為鉆頭磨損函數。
3 利用MSE和CCS求取PDC鉆頭的磨損系數
MSE可以從式（3）計算得出，而CCS將從鉆速方程中推導得出：
（5）
系數d可以通過錄井資料的米數據獲得，而利用該系數可以順利地計算出鉆頭磨損分級情況（Normalized即歸一化，單位無量綱），如下式：
（0<h<1） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）
假設鉆頭完全磨損，鉆頭磨損分級系數是1，即方程兩邊等于0，所以A值必須等于1，因此上式可以簡寫成：
（7）
最后，該文通過大量的現(xiàn)場數據的統(tǒng)計得出B和h之間的關系，。綜合公式（7）可推到公式：
（8）
機械比能（MSE）考慮了鉆頭磨損的影響，通過反算三軸巖石抗壓強度（CCS）可以計算出實時的鉆頭磨損分級系數。計算所得到的鉆頭磨損分級系數（h）可以進一步推導得出實際情況下的鉆頭磨損分級情況，而這種轉換是通過下面的公式（根據IADC標準鉆頭磨損分級為8個等級）[3-5]：
（9）
4 MKT-1井的計算實例
該文對江蘇石油工程公司在阿爾及利亞（Bloc 438c）所鉆的MKT-1井進行了實例的應用計算，考慮到該井大部分井段都采用了PDC鉆頭，只有一開時采用的牙輪鉆頭，所以該方法基本適用于MKT-1井。綜合MKT-1井的鉆頭參數統(tǒng)計情況和新方法計算的鉆頭磨損分級系數，我們可以列表將這些數據進行對比：
通過該方法計算所得數據與鉆頭實際磨損情況基本吻合，所以該方法可以有效地對PDC鉆頭的磨損情況進行實時的監(jiān)測和預測。
5 結論
綜合考慮巖石抗壓強度和機械比能模型，提出一種對PDC鉆頭磨損進行實時監(jiān)測的新方法。
利用巖石抗壓強度而不是巖石的可鉆性，我們可以有效地計算鉆頭磨損等級系數。
這種方法通過計算巖石抗壓強度和實時的鉆頭磨損系數能有效地優(yōu)化鉆井性能，有利于鉆井作業(yè)，減少鉆井成本。
參考文獻
[1] R.Teal.The Concept of Specific Energy in Rock Drilling.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.1965（2）：57-63.
[2] 景寧，樊洪海，徐術國，等.基于比能理論的鉆頭工作狀態(tài)監(jiān)測方法研究[J].斷塊油氣田，2011：538-540.
[3] 樊洪海，馮廣慶，肖偉，等.基于機械比能理論的鉆頭磨損監(jiān)測新方法[J].石油鉆探技術，2012：21-25.
[4] Kshitij Mohan，F(xiàn)araaz Adil， Robello Samuel.Tracking Drilling Efficiency Using Hydro-Mechanical Specific Energy.SPE/IADC 119421，2009.
摘 要：該文通過結合機械比能理論和鉆速方程提出了一種新的鉆頭磨損監(jiān)測方法，該方法綜合考慮了機械比能模型和鉆速方程模型，能有效地確定鉆頭在井下的磨損狀況。該文通過中石化國際工程有限公司在阿爾及利亞打鉆的MKT-1井進行了鉆頭磨損分級的計算，計算結果與實測數據基本一致，證明該方法的科學性，對提高鉆井效率具有一定的指導意義。
關鍵詞：機械比能 ?鉆速方程 ?鉆頭磨損分級系數
中圖分類號：TE922101 ? ?文獻標識碼：A ?文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0012-02
以前預測鉆頭磨損的方法都是建立在賓漢鉆速方程基礎上，由于該方程只適合牙輪鉆頭鉆速規(guī)律，所以不適用于PDC鉆頭。綜合考慮各種鉆井因素和鉆頭設計參數，該文先利用合適的PDC鉆速方程計算巖石抗壓強度，然后結合機械比能模型來求取鉆頭的磨損等級系數。
1 機械比能理論
1.1 機械比能理論概述
傳統(tǒng)的評價鉆井性能的方法是采用統(tǒng)計方法，根據偏差進行分析，但此方法有地域局限性。在這種情況下，考慮建立具有普遍性，符合技術性能標準的物理模型，即機械比能模型（MSE，Mechanical Specific Energy）。通過對國內外的調研資料來看，R.Teale所提出的模型比較具有代表性，該模型如下[1]：
（1）
各式中：Es為機械比能，MPa;AB鉆頭面積，;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉速，r/min;TOB為扭矩，KN×m。
1.2 鉆頭扭矩的求取
在工程現(xiàn)場條件下，鉆頭扭矩無法像鉆壓、轉速、鉆速這些鉆井參數通過地面儀器進行測量，因此，準確求取鉆頭扭矩是比能理論關鍵所在。該文考慮巖石類型（選擇了砂巖、花崗巖和灰?guī)r三種巖性）、水功率、轉速和鉆壓四項因素在室內模擬實驗。建立鉆頭扭矩的多元線性回歸模型如下[2]：
·WOB·DB ? （2）
因此，根據對扭矩的精確的計算該文優(yōu)化出一種比較理想的機械比能模型[3]，即：
（3）
式中DB為鉆頭直徑，mm;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉速，r/min。
2 PDC鉆速方程的選取
該文中PDC鉆頭的鉆速方程由Motahari等人提出：
（4）
式中b為系數為CCS為巖石抗壓強度，MPa;a為PDC鉆頭的后粑角;θ為側傾角;Wf為鉆頭磨損函數。
3 利用MSE和CCS求取PDC鉆頭的磨損系數
MSE可以從式（3）計算得出，而CCS將從鉆速方程中推導得出：
（5）
系數d可以通過錄井資料的米數據獲得，而利用該系數可以順利地計算出鉆頭磨損分級情況（Normalized即歸一化，單位無量綱），如下式：
（0<h<1） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）
假設鉆頭完全磨損，鉆頭磨損分級系數是1，即方程兩邊等于0，所以A值必須等于1，因此上式可以簡寫成：
（7）
最后，該文通過大量的現(xiàn)場數據的統(tǒng)計得出B和h之間的關系，。綜合公式（7）可推到公式：
（8）
機械比能（MSE）考慮了鉆頭磨損的影響，通過反算三軸巖石抗壓強度（CCS）可以計算出實時的鉆頭磨損分級系數。計算所得到的鉆頭磨損分級系數（h）可以進一步推導得出實際情況下的鉆頭磨損分級情況，而這種轉換是通過下面的公式（根據IADC標準鉆頭磨損分級為8個等級）[3-5]：
（9）
4 MKT-1井的計算實例
該文對江蘇石油工程公司在阿爾及利亞（Bloc 438c）所鉆的MKT-1井進行了實例的應用計算，考慮到該井大部分井段都采用了PDC鉆頭，只有一開時采用的牙輪鉆頭，所以該方法基本適用于MKT-1井。綜合MKT-1井的鉆頭參數統(tǒng)計情況和新方法計算的鉆頭磨損分級系數，我們可以列表將這些數據進行對比：
通過該方法計算所得數據與鉆頭實際磨損情況基本吻合，所以該方法可以有效地對PDC鉆頭的磨損情況進行實時的監(jiān)測和預測。
5 結論
綜合考慮巖石抗壓強度和機械比能模型，提出一種對PDC鉆頭磨損進行實時監(jiān)測的新方法。
利用巖石抗壓強度而不是巖石的可鉆性，我們可以有效地計算鉆頭磨損等級系數。
這種方法通過計算巖石抗壓強度和實時的鉆頭磨損系數能有效地優(yōu)化鉆井性能，有利于鉆井作業(yè)，減少鉆井成本。
參考文獻
[1] R.Teal.The Concept of Specific Energy in Rock Drilling.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.1965（2）：57-63.
[2] 景寧，樊洪海，徐術國，等.基于比能理論的鉆頭工作狀態(tài)監(jiān)測方法研究[J].斷塊油氣田，2011：538-540.
[3] 樊洪海，馮廣慶，肖偉，等.基于機械比能理論的鉆頭磨損監(jiān)測新方法[J].石油鉆探技術，2012：21-25.
[4] Kshitij Mohan，F(xiàn)araaz Adil， Robello Samuel.Tracking Drilling Efficiency Using Hydro-Mechanical Specific Energy.SPE/IADC 119421，2009.
