[发明专利]用于采用作为有侧限抗压强度的函数的钻头特定滑动摩擦系数和机械效率预测穿透率的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请在此引入与本申请共同提交的William Malcolm Calhoun和Russell Thomas Ewy的标题为“Method for Estimating ConfinedCompressive Strength for Rock Formations Utilizing SkemptonTheory”的美国专利申请作为参考。

技术领域

本发明总体涉及在地层中钻井孔，更具体地涉及用于预测和优化井孔钻孔速率的方法，包括正确选择钻头和钻头性能评价。

背景技术

标准的操作规程是通过采用原木基底岩石强度分析和/或比能理论设计井并分析钻头性能。广泛采用的岩石强度的特性是无侧限抗压强度(UCS)，但存在一些问题，因为岩石承受钻头的表观强度通常不同于UCS。多年来一直采用比能(specific energy)理论进行钻头性能评价。然而对应用比能理论的一个争议是在基于比能的公式中采用的输入变量的合理值不确定或缺乏一致性。

本发明解决了提供输入变量合理值的需要，所述输入变量被用于采用比能理论预测钻头的穿透率和反作用转矩。

发明内容

本发明提供一种用于对穿过地层的岩石层钻井孔的钻头的穿透率(ROP)进行预测的方法。该方法采用基于比能原理的公式。对于钻头，确定有侧限抗压强度CCS与(1)钻头特定(bit-specific)滑动摩擦系数、(2)机械效率EFF_M、(3)在钻头上的重量WOB和(4)钻头每分钟转数N之间的关系。这些关系被确定在有侧限抗压强度CCS范围内并用于多种主要钻头类型。估计岩石区间的有侧限抗压强度CCS，采用钻头穿过所述岩石区间进行钻井孔。随后优选利用被钻孔的岩石区间的有侧限抗压强度CCS的估计值和作为唯一输入的钻头类型计算穿透率ROP和钻头转矩。备选地，可以利用通过另一同等适当的方法确定或规定为常数的一个或多个输入系数/参数以及用于通过另一方法未确定或规定为常数的系数/参数的有侧限抗压强度的估计值和作为唯一输入的钻头类型计算ROP和钻头转矩。

还可以为泥浆重量和钻头构造对滑动摩擦系数μ和机械效率EFF_M与估计的CCS值之间的关系所具有的影响确定修正因子。

本发明为特定类型的钻头建立了钻头特定滑动摩擦系数μ与机械效率EFF_M和优选的钻头上的重量WOB和每分钟转数N的关系，它们都作为表观岩石强度和钻孔环境(泥浆重量、当量循环密度(ECD)等)的函数，并随后根据被钻孔的岩石的表观强度采用这些关系预测合理的且现实的ROP和相关的钻头转矩。

附图说明

通过以下描述、附加权利要求以及附图将会更清楚地了解到本发明的这些和其它目的、特征以及优点，图中：

图1是在对通过地层中的岩石层进行钻孔的钻头的穿透率ROP进行预测的本发明优选实施方式中采用的流程步骤；

图2A和2B是用于确定计算图1中的ROP采用的输入变量的钻头特定关系的流程图，基于仿真测试或基于专家的知识确定所述关系；

图3是井孔以及在通过钻头进行岩石钻孔的过程中在切割区域的深度上施加在岩石上的有侧限流体压力的示意图；

图4是利用有侧限抗压强度CCS的计算值和采用有限元模型确定的CSS的值在切割深度区域施加在岩石上对比在不透岩石的孔的底部施加在径向位置的压差的曲线图；

图5是在牙轮镶装钻头在坚硬层上进行实际尺寸仿真测试过程中形成的曲线图；

图6是钻头特定滑动摩擦系数μ的曲线图，所述钻头特定滑动摩擦系数μ作为用于具有多于七个刃的PDC钻头的CCS的函数；

图7是最小和最大机械效率EFF_M的曲线图，它们作为用于具有多于七个刃的PDC钻头的CCS的函数；

图8是钻头上的重量WOB以及WOB因子(每英寸钻头直径上的磅)对比用于8.5”钢齿钻头型的CCS的曲线图；

图9是旋转钻孔速度N(RPM)对比用于牙轮钻头的CCS的曲线图；

图10是滑动摩擦系数μ的修正因子对比PDC钻头的泥浆重量的曲线图；

图11是机械效率EFF_M的修正因子对比PDC钻头的泥浆重量的曲线图；

图12是由PDC钻头的切割器尺寸决定的滑动摩擦系数μ的修正因子的曲线图；

图13是对第一井的钻头优化和选取的曲线图；

图14是对第二井的钻头优化和选取的曲线图；