确定钻头扭矩的方法及确定钻头工作效率的方法与流程

本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种确定钻头扭矩的方法和一种确定钻头工作效率的方法。

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。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种确定钻头扭矩的方法，所述方法包括：

步骤一、获取待分析钻头的钻头直径和当前钻压；

步骤二、根据所述钻头直径和钻压，结合预设钻头滑动摩擦系数确定当前钻头扭矩。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，计算所述钻头直径、当前钻压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当前钻头扭矩。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，根据如下表达式确定所述当前钻头扭矩：

其中，tb表示当前钻头扭矩，μ表示预设钻头滑动摩擦系数，wob表示当前钻压，db表示钻头直径。

根据本发明的一个实施例，所述预设钻头滑动摩擦系数是根据钻头类型确定的。

本发明还提供了一种确定钻头工作效率的方法，所述方法包括：

步骤一、利用如上任一项所述的钻头扭矩确定方法获取待分析钻头的当前钻头扭矩；

步骤二、根据所述当前钻头扭矩确定当前机械比能，根据所述当前机械比能确定待分析钻头的当前机械效率，并根据所述当前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，在所述步骤二中，获取待分析钻头的最小机械比能，并根据所述最小机械比能与所述当前机械比能的比值确定所述待分析钻头的当前机械效率。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式确定所述待分析钻头的当前机械效率：

其中，eff表示当前机械效率，msemin表示最小机械比能，mse表示当前机械比能。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，获取无侧限抗压强度，并将所述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，在所述步骤二中，获取有侧限抗压强度，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，确定有侧限抗压强度的步骤包括：

获取所述待分析钻头的循环泥浆压力和地层孔隙压力，并计算所述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有侧限抗压强度。

根据本发明的一个实施例，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-pp

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，pp表示地层孔隙压力。

本发明所提供的钻头扭矩确定方法对钻头扭矩进行了简化处理，这样也就能够实时、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方法基于机械比能理论，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确定钻头工作效率的方法的实现流程示意图；

图2是根据本发明一个实施例的钻头扭矩计算原理示意图；

图3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4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5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。

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；db表示钻头直径，单位为mm；rpm表示转速，单位为r/min；tb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db、机械钻速rop以及钻头扭矩tb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tb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，本发明提供了一种新的钻头扭矩确定方法以及基于该钻头扭矩确定方法来确定钻头工作效率的方法。其中，本发明所提供的钻头扭矩确定方法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。

图1示出了本实施例所提供的确定钻头工作效率的方法的实现流程示意图。

本实施例中，该方法首先需要确定待分析钻头的当前钻头扭矩。如图1所示，本实施例中，在确定待分析钻头的当前钻头扭矩时，首先会在步骤s101中获取待分析钻头的钻头直径和当前钻压，随后再在步骤s102中根据待分析钻头的钻头直径和当前钻压，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，该方法在步骤s102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2所示，该方法在步骤102中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2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，db表示钻头直径。

钻头单元面积上的作用力n为钻头径向方向所受到的力，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db、当前钻压wob以及预设钻头滑动摩擦系数μ后，该方法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tb。

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类型确定的。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。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。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，该方法还可以采用其他合理方式来根据钻头直径db、当前钻压wob和预设钻头滑动摩擦系数μ确定当前钻头扭矩tb，本发明不限于此。

如图1所示，本实施例中，在得到待分析钻头的当前钻头扭矩tb后，该方法也就可以在步骤s103中确定出待分析钻头的当前机械比能。例如，本实施例中，该方法可以基于表达式(1)来根据当前钻头扭矩tb确定出待分析钻头的当前机械比能mse。

在得到待分析钻头的当前机械比能mse后，该方法还会在步骤s104中根据待分析钻头的当前机械比能mse来确定待分析钻头的当前工作效率。具体地，本实施例中，该方法优选地会获取待分析钻头的最小机械比能msemin，并根据最小机械比能msemin与当前机械比能mse的比值确定待分析钻头的当前机械效率，随后再根据当前机械效率来确定待分析钻头的当前工作效率。

例如，该方法可以根据如下表达式来确定待分析钻头的当前机械效率：

其中，eff表示当前机械效率。

待分析钻头的当前机械比能mse的取值越小，其当前机械效率值eff的取值也就越大，而钻头的工作效率越高，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，该方法优选地会获取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msemin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，本实施例所提供的方法优选地会获取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msemin的取值。

具体地，如图3所示，本实施例中，在获取待分析钻头的有侧限抗压强度时，该方法优选地会在步骤s301中获取待分析钻头的循环泥浆压力ecd和地层孔隙压力pp，并在步骤s302中计算循环泥浆压力ecd与地层孔隙压力pp的的差值，从而得到压力差值数据。即存在：

dp＝ecd-pp(6)

其中，dp表示压力差值数据。

在得到压力差值数据dp后，该方法会在步骤s303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，该方法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。

当然，在本发明的其他实施例中，该方法还可以采用其他合理方式来确定待分析钻头的有侧限抗压强度ccs，本发明不限于此。

同时，在本发明的其他实施例中，该方法还可以采用其他合理方式来确定最小机械比能msemin，本发明同样不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，该方法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msemin的取值。

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确定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4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5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5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4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扭矩确定方法对钻头扭矩进行了简化处理，这样也就能够实时、连续的获得钻头扭矩数据，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方法基于前人提出的机械比能理论，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。