[发明专利]基于钻柱-钻头-岩石-井筒系统全尺寸钻进模拟的钻井提速评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻井提速评价方法，尤其涉及一种基于钻柱-钻头-岩石-井筒系统全尺寸钻进模拟的钻井提速评价方法，利用计算机对钻井破岩过程进行实时模拟分析，通过分析机械钻速、井眼质量和下部钻具稳定性等参数对钻井提速做出评价。本发明可为现场钻井施工的钻井设计、钻具组合优化、钻井参数优化、钻头选型和钻井提速评价等提供参考。本发明可广泛应用于石油天然气和煤的勘探开发领域中。

背景技术

在石油天然气和煤勘探开发过程中，钻井费用占总勘探开发费用的50%~80%，然而随着油气资源勘探开发的不断深入、复杂钻井工艺的使用和井身结构及复杂情况越来越严重，井下事故的发生以及较低的机械钻速成为增加钻井成本的关键因素。怎样减小井下事故发生的概率和提高钻井的机械钻速来降低钻井成本一直是现场工程师们迫切想解决的难题，因此钻柱力学与钻井规律的研究一直都是热门的研究课题。

从现场实际钻井资料表明，采用合理的钻井设计、合理的钻具组合、恰当的钻井参数和合适的钻具不仅明显能减小下部钻具组合的振动进而减小钻井事故发生的概率，还能大幅度提高钻井的机械钻速，缩短钻井周期，节约钻井成本。

但是由于井下工况处于一个高温高压的复杂环境中，测量分析难度极大，同时由于整个钻井系统涉及钻柱、井壁、钻头和岩石之间互作用的随机性和非线性性，理论研究难度也非常大，因此目前鲜有理论研究和评价技术对钻井设计、钻具组合优化、钻井参数优化、钻头选型和钻井提速等提供支撑和参考。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于钻柱-钻头-岩石-井筒系统全尺寸钻进模拟的钻井提速评价方法来为现场进行钻井提速评价提供参考依据。本发明还能为现场工程师解决钻井设计、钻具组合优化、钻井参数优化和钻头选型等问题提供依据。

为了实现上述目的，本发明采用一下技术方案：一种基于钻柱-钻头-岩石-井筒系统全尺寸钻进模拟的钻井提速评价方法，首先建立基于钻柱-钻头-岩石-井筒系统全尺寸钻进模拟的有限元模型，然后采用显示积分算法对建立的有限元模型进行分析计算，最后依据所建立的评价准则对钻井提速做出评价。其特征在于，所述建立基于钻柱-钻头-岩石-井筒系统全尺寸钻进模拟的有限元模型包括以下步骤：

    步骤1、建立包括井壁、钻杆、钻铤、下部钻具组合、钻头及岩石的有限元仿真网格模型；

    步骤2、根据现场实际钻井不同的工况条件，定义所建立有限元模型中各钻具部件物理属性及岩石的破碎失效准则，并用根据Drucker-Prager模型定义岩石的本构关系；

    步骤3、分别建立钻具与井壁随机接触碰撞模型和钻头与岩石之间的互作用模型；

    步骤4、根据现场实际不同的钻井参数，定义所建有限元模型的边界条件。

所述模型中所建立的井壁、钻杆、钻铤、下部钻具组合、钻头和岩石的网格模型具体如下：采用壳单元对井壁和钻头进行离散，采用梁单元对钻杆、钻铤和下部钻具组合划分网格，采用正六面体实体单元对岩石进行离散。

所述井眼是根据现场实测数据建立包括井深、井斜角和方位角的三维全井井眼网格模型。

所述岩石的本构关系采用Drucker-Prager模型，岩石的破碎失效准则采用岩石的等效塑性应变判据。

所述钻具与井壁随机接触和钻头与岩石之间的互作用采用罚刚度法。

所述有限元模型中钻柱上端边界条件采用等效弹簧模型。

所述钻井提速评价指标包括钻井机械钻速、井眼质量和下部钻具稳定性。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：（1）本发明以钻头实时破岩作为钻柱下端边界条件，综合考虑了钻柱纵横扭耦合以及钻具与井壁随机接触，相比现有技术，本发明更能真实的模拟石油钻井工程中实时钻进破岩的过程，更准确的反映现场实际钻井工况条件，进而得到更合理的计算结果。（2）本发明可以通过数值仿真不仅可以模拟出在钻进过程中整个全井钻柱系统包括钻柱、下部钻具组合及钻头复杂的非线性的动力学特性，并且还能得到钻井的机械钻速，能够为钻井提速评价提供参考。（3）本发明由于通过计算机仿真模拟钻井工程中实时钻进破岩的过程，可以通过改变不同的钻井工况条件、钻井参数、钻具组合、钻头类型和岩层参数从而为现场实际钻井工程解决钻井设计、钻具组合优化、钻井参数优化及钻头选型等问题提供参考依据。本发明可广泛应用与石油天然气和煤的勘探开发领域中。

附图说明

图1是本发明基于钻柱-钻头-岩石-井筒系统全尺寸钻进模拟的钻井提速评价方法的总流程方框图。