CN102900372B - 一种pdc钻头合理使用寿命预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种PDC钻头合理使用寿命预测方法及装置。所述方法包括：根据岩石研磨性、钻压和转速，建立PDC钻头寿命计算模型；根据机件的线性累积损伤理论和所述PDC钻头寿命计算模型，建立动载荷作用下的PDC钻头剩余新度预测模型；根据所述PDC钻头剩余新度预测模型，预测PDC钻头的合理使用寿命。本发明基于现场大量的PDC钻头实际使用资料，应用统计分析理论***研究了岩石内摩擦角、钻井操作参数对钻头寿命的影响，建立了PDC钻头寿命计算模型。并且根据机件的线性累积损伤理论，建立了综合考虑地层研磨性变化和钻井操作参数变化的PDC钻头剩余新度预测模型，从而为确定钻头合理起钻时间提供了依据。

Description

一种PDC钻头合理使用寿命预测方法及装置

技术领域

本发明涉及PDC钻头，具体地涉及一种PDC钻头合理使用寿命预测方法及装置，特别涉及一种利用线性累积损伤理论来预测动载荷作用下PDC钻头合理使用寿命的方法及装置。

背景技术

PDC钻头使用寿命预测是一项非常复杂的工作，传统的分析方法主要是凭经验依据钻头使用时间、钻时大小等来判断，由于钻头使用寿命受地层、钻头质量、钻井操作参数等诸多因素的影响，利用传统方法确定钻头使用时间往往造成钻头未使用到最佳状态就起钻，或者盲目使用引起井下钻头事故发生，造成人力、物力、时间的极大浪费，影响正常钻井生产。

具体地，如果在钻头变钝以前就提前起钻，则钻井成本就会因起下钻、更换钻头而增加；如果过分地延长钻头使用时间，就必然会降低钻井速度，从而使钻井成本也会因钻井速度变慢而增加；在极端情况下，还可能会出现因钻头严重损坏，而导致井下事故（如牙轮钻头掉压轮），从而因处理事故而使钻井成本增加。

因此，在钻井过程中，合理地预测钻头使用寿命，从而合理地确定起钻时间对减少钻井事故、安全钻井和优化钻井作业具有非常重要的意义，同样对于降低钻井成本，提高经济效益也具有重要意义。但现有技术中还缺少一种PDC钻头合理使用寿命预测方法。

发明内容

本发明提供一种PDC钻头合理使用寿命预测方法及装置，利用线性累积损伤理论来预测动载荷作用下PDC钻头合理使用寿命，从而为确定钻头合理起钻时间提供依据。

为达上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种PDC钻头合理使用寿命预测方法，所述方法包括：

根据岩石研磨性、钻压和转速，建立PDC钻头寿命计算模型；

根据机件的线性累积损伤理论和所述PDC钻头寿命计算模型，建立动载荷作用下的PDC钻头剩余新度预测模型；

根据所述PDC钻头剩余新度预测模型,预测PDC钻头的合理使用寿命。

为达上述目的，另一方面，本发明实施例提供了一种PDC钻头合理使用寿命预测装置，所述装置包括：

第一模型建立单元，用于根据岩石研磨性、钻压和转速，建立PDC钻头寿命计算模型；

第二模型建立单元，用于根据机件的线性累积损伤理论和所述PDC钻头寿命计算模型，建立动载荷作用下的PDC钻头剩余新度预测模型；

使用寿命预测单元，用于根据所述PDC钻头剩余新度预测模型，预测PDC钻头的合理使用寿命。

本发明实施例提供了上述技术方案的有益技术效果在于：

本发明基于现场大量的PDC钻头实际使用资料，应用统计分析理论***研究了岩石内摩擦角、钻井操作参数对钻头寿命的影响，建立了PDC钻头寿命计算模型。并且根据机件的线性累积损伤理论，建立了综合考虑地层研磨性变化和钻井操作参数变化的PDC钻头剩余新度预测模型，从而为确定钻头合理起钻时间提供了依据。

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使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的PDC钻头合理使用寿命预测方法的整体流程图；

图2为本发明实施例的钻头寿命与岩石内摩擦角关系图；

图3为本发明实施例的钻头寿命与钻压关系图；

图4为本发明实施例的钻头寿命与转速关系图；

图5为本发明实施例的参数反演流程图；

图6为本发明实施例的QP19L钻头剩余新度随钻预测结果；

图7为本发明实施例的PDC钻头合理使用寿命预测的整体功能框图；

图8为本发明实施例的PDC钻头合理使用寿命预测的具体功能框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明主要研究PDC钻头合理使用寿命预测方法。J.R.Sparr等人研究表明，岩石研磨性和岩石内摩擦角具有很好的相关性，用岩石内摩擦角可以很好地度量岩石研磨性。发明人在实现本发明中发现，岩石研磨性、钻井操作参数对钻头寿命有着重要影响。本发明实施例基于现场大量的PDC钻头实际使用资料，应用统计分析的理论***研究了岩石内摩擦角、钻井操作参数对PDC钻头寿命的影响规律，建立起静态载荷作用下PDC钻头寿命的计算模型。然后在此基础上，根据机件的线性累积损伤理论建立起综合考虑地层研磨性变化和钻井操作参数变化的动载荷作用下的PDC钻头剩余新度预测模型，用于预测PDC钻头合理使用寿命，从而为确定钻头合理起钻时间提供了依据。

图1为本发明实施例的PDC钻头合理使用寿命预测方法的整体流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤

110、根据岩石研磨性、钻压和转速，建立PDC钻头寿命计算模型；

120、根据机件的线性累积损伤理论和所述PDC钻头寿命计算模型，建立动载荷作用下的PDC钻头剩余新度预测模型；

130、根据所述PDC钻头剩余新度预测模型,预测PDC钻头的合理使用寿命。

具体实施例时，步骤110可以收集某种型号钻头所钻井段的录井、测井数据以及钻头的使用记录，应用统计分析理论建立静态载荷作用下PDC钻头寿命的计算模型：

T＝aΦ^bW^ce^dN

式中，T为钻头寿命，Φ为内摩擦角，W为钻压，N为转速，a为钻头寿命系数，与钻头型号有关；b、c、d为回归系数，与钻头型号有关；T为钻头寿命；Φ为岩石内摩擦角；W为钻压；N为转速。

以下对本发明实施例的上述方法进行更为详细的描述：

1、PDC钻头寿命计算模型

当钻头与所钻地层匹配且钻进参数选用合理时，钻头应该形成正常磨损。本发明实施例主要研究正常磨损条件下PDC钻头寿命计算方法和PDC钻头合理使用寿命预测方法。钻井实践表明，影响PDC钻头寿命的因素主要有地层岩性、钻头类型、钻进参数、钻井液性能以及水力参数等；在正常磨损条件下，地层研磨性和钻进操作参数是影响PDC钻头寿命的主要因素。因此，本发明实施例主要研究岩石研磨性、钻井操作参数对PDC钻头寿命的影响。

1.1、岩石研磨性对PDC钻头寿命影响的统计分析

研究岩石研磨性对PDC钻头寿命的影响，需选取同种型号钻头在相同操作参数下（钻压、转速相同，水力参数相同），在不同研磨性地层钻进时的数据进行统计分析。图2是从新疆、渤海、长庆、塔里木等油田收集整理得到的121/4”QP19M钻头的钻头寿命和岩石内摩擦角之间的关系图。

岩石研磨性用岩石内摩擦角来定量表达。现场描述PDC钻头的磨损状况，采用了多种记录方法，如新度，级别等，统计时，钻头寿命折算公式为（下钻时，钻头均为新钻头）：

$T=\frac{t}{H_f}=\frac{t}{1-N_f}---\left(1\right)$

式中：T为钻头寿命，h；t为钻头纯钻时间，h；H_f为钻头磨损程度；N_f为钻头剩余新度。对新钻头N_f＝100%；对完全报废钻头N_f＝0%。

从图2可以看出：随着岩石内摩擦角增大，钻头的寿命减少。对数据点进行回归，回归方程为：

T＝8×10⁶×Φ^-3.071    (2)

式中：Φ为内摩擦角，单位为度。其相关系数为0.9228。采用F检验法对式(2)进行回归显著性检验，得

给定显著性水平α＝0.05，查F分布表得，F_0.95(1,n-2)＝5.59。因为F＝40.16＞F_0.95(1,n-2)，故回归效果十分显著。

1.2、钻压、转速对PDC钻头寿命影响的统计分析

研究钻压、转速对PDC钻头寿命的影响，需选取同种型号钻头在其它相同操作参数下（对钻压：转速相同，水力参数相同；对转速：钻压相同，水力参数相同），在相同研磨性地层钻进时的数据进行统计分析。图3、图4分别是从新疆、渤海、长庆等油田收集整理得到的121/4”QP19M钻头的钻头寿命和钻压之间的关系图、钻头寿命和转速之间的关系图。在进行统计时，假如该型号钻头所钻井段的岩石内摩擦角在一定偏差范围内，可视为相同研磨性地层。

从图3可以看出：随着钻压增大，钻头寿命减少。对数据点进行回归，回归方程为：

T＝87691×W^-1.5917    (3)

式中：W为钻压，单位为kN。其相关系数为0.9492。采用F检验法对式(3)进行回归显著性检验，得

给定显著性水平α＝0.05，查F分布表得，F_0.95(1,n-2)＝6.61。因为F＝40.16＞F_0.95(1,n-2)，故回归效果十分显著。

从图4可以看出：随着转速增大，钻头寿命减少。对数据点进行回归，回归方程为：

T＝431.44×e^-0.0145N    (4)

式中：N为转速，单位为rpm。其相关系数为0.954。采用F检验法对式(4)进行回归显著性检验，得

给定显著性水平α＝0.05，查F分布表得，F_0.95(1,n-2)＝6.61。因为F＝50.627＞F_0.95(1,n-2)，故回归效果十分显著。

1.3、PDC钻头寿命计算模型

根据前述的统计分析，可得到下述结论：

(1)钻头寿命和地层研磨性的关系：T∝Φ^b；

(2)钻头寿命和钻压的关系：T∝W^c；

(3)钻头寿命和转速的关系：T∝e^dN；

将上述三式进行综合，可得到PDC钻头寿命计算模型为：

T＝aΦ^bW^ce^dN    (5)

式中：T为钻头寿命，Φ为内摩擦角，W为钻压，N为转速，a为钻头寿命系数，与钻头型号有关；b、c、d为回归系数，与钻头型号有关。

2、动载荷作用下PDC钻头合理使用寿命预测方法

若使用恒定不变的钻井参数在研磨性相同的同一地层钻进，可用上述模型预测钻头的合理使用寿命，确定钻头的合理起钻时间。但是，在实际钻井过程中，PDC钻头所钻井段长，由几百米甚至到几千米，要穿过多组不同地层，并且在全井段上所采取的钻进措施也常发生变化，因此，仅仅依靠上述PDC钻头寿命计算模型进行PDC钻头合理使用寿命预测是远远不够的，本节主要探讨动载荷作用下（地层研磨性变化、钻井操作参数变化），PDC钻头合理使用寿命预测方法。

2.1、线性累积损伤理论

损伤通常解释为受损伤物体的价值或用途减少了。损伤度用来衡量机件在变载荷作用下疲劳损伤的程度，尽管它还没有一个确切的定义，但是可以这样来理解：它是指在循环变应力作用下微观裂纹的不断扩展和深化，从而使机件的有效工作面积减少的程度，或者说使承载能力降低的程度。

线性累积损伤理论认为：机件在各个应力循环作用下的疲劳损伤是独立进行的，总损伤是各次载荷循环造成的损伤线性地累加而成，当累加的损伤达到某一数值时，机件就发生疲劳破坏。线性累积损伤理论中具有代表性且应用最广泛的理论是迈因纳（Miner）理论。Miner理论认为：机件受应力幅σ₁作用，重复N₁次破坏，则整个过程中材料所受的损伤线性地分配给每一个循环，也就是说每一次循环造成的损伤为

如果该应力幅作用的循环次数为n₁次，那么，该应力幅所造成的损伤

如果机件承受的应力幅还有σ₂,σ₃,…,σ_m，同样道理，各应力幅造成的损伤分别为 $D_{n_2}=\frac{n_2}{N_2},D_{n_3}=\frac{n_3}{N_3},\·\·\·,D_{n_m}=\frac{n_m}{N_m}.$ 根据线性累加规律，则总损伤为：

$D=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_i}{N_i}---\left(6\right)$

显然，当D＝1时，机件产生疲劳损坏，也即疲劳破坏的判据为：

$D=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_i}{N_i}=1---\left(7\right)$

若用时间来代替循环次数，则式(7)变为：

$D=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{t_i}{T_i}=1---\left(8\right)$

式中：T_i为机件在第i种载荷下预期的寿命；t_i为机件承受第i种载荷的时间。

Miner理论是一个线性疲劳累积损伤理论，它没有考虑载荷次序的影响，而实际上加载次序对疲劳寿命的影响很大，对此已有了大量的试验研究。对于两级或者很少几级加载的情况下，试验件破坏时的临界损伤值D_CR偏离1很大。对于随机载荷，试验件破坏时的临界损伤值D_CR在1附近，这也是目前工程上广泛采用Miner理论的原因。

2.2、PDC钻头剩余新度预测模型

假设钻头从井深H₁钻到井深H₂时，其剩余新度从F(H₁)降到F(H₂)。将该井段沿井深划分为l段，使得在每一段内钻头所承受的载荷（主要指岩石研磨性、作用在钻头上的钻压和转速）基本不变，近似认为钻头在每一段内受静载荷作用，各井段所对应的井深依次记为h₀,h₁,…,h_l，显然，h₀＝H₁，h_l＝H₂。当然这些分点不一定是等间距的，每段长度用Δh_i表示，即：

Δh_i＝h_i-h_i-1    i＝1,2,…,l    (9)

假设第i段的机械钻速为V_i，则各井段的钻进时间为：

$\mathrm{\Δ}{t}_i=\frac{{\mathrm{\Δh}}_i}{V_i},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,l---\left(10\right)$

PDC钻头磨损和机件损伤具有很好的相似性。根据线性累积损伤理论并用剩余新度定义钻头损伤，则式(8)可变为：

$F\left(H_1\right)-F\left(H_2\right)=F\left(h_0\right)-F\left(h_l\right)=\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\Δt}}_i}{T_i}$ $\left(11\right)$

$=\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\Δ}{h}_i}{V_i{T}_i}=\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_i-h_{i-1}}{V_{i}a{{\mathrm{\Φ}}_i}^b{W_i}^c{e}^{d{N}_i}}$

由式(11)可得PDC钻头在动载荷作用下其剩余新度预测模型为：

$F\left(H_2\right)=F\left(H_1\right)-\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_i-h_{i-1}}{V_{i}a{{\mathrm{\Φ}}_i}^b{W_i}^c{e}^{d{N}_i}}---\left(12\right)$

式中：F(H₂)为井深H₂处钻头剩余新度，无量纲；F(H₁)为井深H₁处钻头剩余新度，无量纲；V_i为第i段地层的机械钻速，m/h；h_i为第i段地层所对应的井深，m；Φ_i为第i段地层的内摩擦角，度；W_i为第i段地层所对应的钻压，kN，N_i为第i段地层所对应的转速，rpm；：a、b、c、d为模型系数，与钻头型号有关。

假设钻头开始钻进时为全新钻头，其剩余新度为F(H₁)＝1，则该钻头钻至井深H₂时，剩余新度为：

$F\left(H_2\right)=1-\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_i-h_{i-1}}{V_{i}a{{\mathrm{\Φ}}_i}^b{W_i}^c{e}^{d{N}_i}}---\left(13\right)$

在实际钻进过程中，我们可根据剩余新度来判断钻头的合理使用寿命，决定钻头的终结井深，从而确定钻头的合理起钻时间。

2.3、PDC钻头剩余新度预测模型中有关系数的提取方法

收集一种型号钻头所钻井段的录井、测井数据以及钻头使用记录，通过优化反演法来提取PDC钻头剩余新度预测模型中有关系数，其优化反演的目标函数为：

$E=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(S_o\stackrel{\→}{\left(X\right)}-S_c\stackrel{\→}{\left(X\right)})}^2---\left(14\right)$

式中：N为测点数量；S_o为第i个测点观测值；S_c为根据正演方程计算的第i个测点计算值；E为以测点观测值与测点计算值的差值为目标的目标函数；

为一组反演参数。

给定要反演参数的一组初值和误差要求，采用一定的优化算法，求目标函数的极小值，当其满足给定的迭代误差要求时，迭代终止，则所求得的反演参数为其真值。如图5所示，优化反演包括以下计算步骤：

（1）为待反演参数赋初值、设定迭代精度ε；

（2）设定误差目标函数E，如公式（14）；

（3）求取式（14）中目标函数E的值；

（4）判断目标函数E的值是否小于给定的迭代精度ε；如是，进入步骤（5），否则进入步骤（6）；

（5）如果E≤ε，则可以确定待反演的参数；

（6）如果E＞ε，则根据复合形法优化算法进行参数调整，以调整待反演参数值，然后重复步骤（3）、（4）。

对PDC钻头剩余新度预测模型中的有关系数进行反演，首先应该收集某种型号钻头所钻井段的录井、测井数据以及钻头使用记录，确定优化反演的具体目标函数为式(15)，待反演参数为a、b、c、d，本发明实施例应用复合形法优化算法进行反演。

$E=\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{[F_j\left(H_2\right)-F_j\left(H_1\right)+\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_{\mathrm{ij}}-h_{\mathrm{ij}-1}}{V_{\mathrm{ij}}a{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ij}}}^b{W_{\mathrm{ij}}}^c{e}^{d{N}_{\mathrm{ij}}}}]}^2---\left(15\right)$

式中：下标j表示第j只钻头的数据；p为收集的该型号钻头的样本个数；F_j(H₂)为第j只钻头在井深H₂处的剩余新度，无量纲；F_j(H₁)为第j只钻头在井深H₁处的剩余新度，无量纲；V_ij为第j只钻头在第i段地层的机械钻速，单位为m/h；h_ij为第j只钻头在第i段地层所对应的井深，单位为m；Φ_ij为第j只钻头在第i段地层的内摩擦角，单位为度；W_ij为第j只钻头在第i段地层所对应的钻压，单位为kN，N_ij为第j只钻头在第i段地层所对应的转速，单位为rpm；a、b、c、d为模型系数，与钻头型号有关。

2.4、应用实例

应用上述原理和反演方法对QP19L钻头数据资料进行了反演计算，得到其寿命方程的系数如下：a＝9.2937×10⁹，b＝-3.04063，c＝-1.24374，d＝-0.01867。根据本发明实施例所建立的PDC钻头剩余新度预测模型，我们对渤海油田某井使用该型号钻头的井段进行了钻头磨损预测，试验结果如图6所示（钻进过程中，内摩擦角由邻井资料处理得到的回归公式Φ＝0.0024×H+27.669计算得到。注：H为井深，m）。

从图6可知，该钻头所钻井段较长（进尺达1080m），在全井段上所采取的钻进措施有较大变化，所钻地层的研磨性也有较大变化。应用本文所建立的PDC钻头剩余新度预测模型预测该钻头在3160m时，剩余新度为54%，结果该钻头在3160m被取出时，其实际磨损等级为4，这与预测结果吻合较好。该应用实例表明：本发明实施例所建立的PDC钻头剩余新度预测模型是合理的。

本发明的上述方法实施例的优点在于：基于现场大量的PDC钻头实际使用资料，本发明应用统计分析理论***研究了岩石内摩擦角、钻井操作参数对钻头寿命的影响，建立了PDC钻头寿命计算模型。根据机件的线性累积损伤理论，建立了综合考虑地层研磨性变化和钻井操作参数变化的PDC钻头剩余新度预测模型，从而为确定钻头合理起钻时间提供了依据。

对应于上述方法实施例，本发明实施例还提供了一种PDC钻头合理使用寿命预测装置。图7为本发明实施例的PDC钻头合理使用寿命预测的整体功能框图。如图7所示，该装置200包括：

第一模型建立单元210，用于根据岩石研磨性、钻压和转速，建立PDC钻头寿命计算模型；

第二模型建立单元220，用于根据机件的线性累积损伤理论和所述PDC钻头寿命计算模型，建立动载荷作用下的PDC钻头剩余新度预测模型；

使用寿命预测单元230，用于根据所述PDC钻头剩余新度预测模型，预测PDC钻头的合理使用寿命。

图8为本发明实施例的PDC钻头合理使用寿命预测的具体功能框图。如图8所示，在一较佳实施例中，该第一模型建立单元210具体可以包括：

第一关系式建立模块212，用于建立PDC钻头寿命和岩石研磨性的第一关系式：T∝Φ^b；

第二关系式建立模块214，用于建立PDC钻头寿命和钻压的第二关系式：T∝W^c；

第三关系式建立模块216，用于建立PDC钻头寿命和转速的第三关系式：T∝e^dN；

PDC钻头寿命计算模型获取模块218，用于根据所述第一关系式、所述第二关系式和所述第三关系式，得到PDC钻头寿命计算模型：T＝aΦ^bW^ce^dN；其中，a为PDC钻头寿命系数，与PDC钻头型号有关，b、c、d为回归系数，与PDC钻头型号有关。

在一较佳实施例中，可选地，该第二模型建立单元220具体可以包括：

线性累积损伤理论对应关系式获取模块222，用于获得机件的线性累积损伤理论对应的关系式：

其中，T_i为机件在第i种载荷下预期的寿命，t_i为机件承受第i种载荷的时间；

剩余新度预测模型建立模块224，用于假设钻头从井深H₁钻到井深H₂时，其剩余新度从F(H₁)降到F(H₂)；将所钻的井段沿井深划分为l个子井段，所述钻头在每一子井段内受静载荷作用，各子井段所对应的井深依次记为h₀,h₁,…,h_l，并且h₀＝H₁，h_l＝H₂，各子井段的长度Δh_i对应的关系式为：Δh_i＝h_i-h_i-1    i＝1,2,…,l；假设第i段的机械钻速为V_i，则各子井段的钻进时间Δt_i对应的关系式为：

i＝1,2,…,l；根据所述机件的线性累积损伤理论对应的关系式、各子井段的长度Δh_i对应的关系式、各子井段的钻进时间Δt_i对应的关系式和所述PDC钻头寿命计算模型，得到PDC钻头在动载荷作用下的剩余新度预测模型：

$F\left(H_2\right)=F\left(H_1\right)-\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_i-h_{i-1}}{V_{i}a{{\mathrm{\Φ}}_i}^b{W_i}^c{e}^{d{N}_i}}$

其中：F(H₂)为井深H₂处钻头剩余新度，无量纲；F(H₁)为井深H₁处钻头剩余新度，无量纲；V_i为第i段地层的机械钻速，单位为m/h；h_i为第i段地层所对应的井深，单位为m；Φ_i为第i段地层的内摩擦角，单位为度；W_i为第i段地层所对应的钻压，单位为kN，N_i为第i段地层所对应的转速，单位为rpm；a、b、c、d为模型系数，与钻头型号有关。

进一步地，在一较佳实施例中，该装置200还可以包括：系数反演单元240，用于对所述PDC钻头剩余新度预测模型中有关系数的进行反演。

可选地，该系数反演单元240具体可以包括：

收集模块242，用于收集一种型号钻头所钻井段的录井、测井数据以及钻头使用记录；

目标函数确定模块，244用于为待反演参数赋初值和设定迭代精度ε；以及确定优化反演的具体目标函数，待反演参数为a、b、c、d；所述优化反演的具体目标函数为： $E=\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{[F_j\left(H_2\right)-F_j\left(H_1\right)+\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_{\mathrm{ij}}-h_{\mathrm{ij}-1}}{V_{\mathrm{ij}}a{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ij}}}^b{W_{\mathrm{ij}}}^c{e}^{d{N}_{\mathrm{ij}}}}]}^2;$ 式中：下标j表示第j只钻头的数据；p为收集的该型号钻头的个数；F_j(H₂)为第j只钻头在井深H₂处的剩余新度，无量纲；F_j(H₁)为第j只钻头在井深H₁处的剩余新度，无量纲；V_ij为第j只钻头在第i段地层的机械钻速，单位为m/h；h_ij为第j只钻头在第i段地层所对应的井深，单位为m；Φ_ij为第j只钻头在第i段地层的内摩擦角，单位为度；W_ij为第j只钻头在第i段地层所对应的钻压，单位为kN，N_ij为第j只钻头在第i段地层所对应的转速，单位为rpm；a、b、c、d为待反演参数；

反演模块246，用于求取所述具体目标函数E的值；如果求取的所述具体目标函数E的值大于给定的迭代精度ε，则应用复合形法优化算法对该种型号的PDC钻头剩余新度预测模型中各待定系数进行反演。

该装置的工作过程或原理请参阅前述的方法实施例，在此不再赘述。

本发明的上述装置实施例的优点在于：

基于现场大量的PDC钻头实际使用资料，本发明应用统计分析理论***研究了岩石内摩擦角、钻井操作参数对钻头寿命的影响，建立了PDC钻头寿命计算模型。根据机件的线性累积损伤理论，建立了综合考虑地层研磨性变化和钻井操作参数变化的PDC钻头剩余新度预测模型，从而为确定钻头合理起钻时间提供了依据。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，或者二者的结合来实施。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件模块或计算机软件产品可以存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。存储介质可以是随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种PDC钻头合理使用寿命预测方法，其特征在于，所述方法包括：

根据岩石研磨性、钻压和转速，建立PDC钻头寿命计算模型；

所述根据岩石研磨性、钻压和转速，建立PDC钻头寿命计算模型包括：

建立PDC钻头寿命和岩石研磨性的第一关系式：T∝Φ^b；

建立PDC钻头寿命和钻压的第二关系式：T∝W^c；

建立PDC钻头寿命和转速的第三关系式：T∝e^dN；

根据所述第一关系式、所述第二关系式和所述第三关系式，得到PDC钻头寿命计算模型：T=aΦ^bW^ce^dN；其中，T为钻头寿命，Φ为内摩擦角，W为钻压，N为转速，a为PDC钻头寿命系数，与PDC钻头型号有关，b、c、d为回归系数，与PDC钻头型号有关；

根据机件的线性累积损伤理论和所述PDC钻头寿命计算模型，建立动载荷作用下的PDC钻头剩余新度预测模型；

所述根据机件的线性累积损伤理论和所述PDC钻头寿命计算模型，建立动载荷作用下的PDC钻头剩余新度预测模型包括：

获得机件的线性累积损伤理论对应的关系式：

其中，T_i为机件在第i种载荷下预期的寿命，t_i为机件承受第i种载荷的时间；

假设钻头从井深H₁钻到井深H₂时，其剩余新度从F(H₁)降到F(H₂)；将所钻的井段沿井深划分为l个子井段，所述钻头在每一子井段内受静载荷作用，各子井段所对应的井深依次记为h₀,h₁,…,h_l，并且h₀=H₁，h_l=H₂，各子井段的长度Δh_i对应的关系式为：Δh_i=h_i-h_i-1i=1,2,…,l；假设第i段的机械钻速为V_i，则各子井段的钻进时间Δt_i对应的关系式为：

i=1,2,…,l；

根据所述机件的线性累积损伤理论对应的关系式、各子井段的长度Δh_i对应的关系式、各子井段的钻进时间Δt_i对应的关系式和所述PDC钻头寿命计算模型，得到PDC钻头在动载荷作用下的剩余新度预测模型：

$F\left(H_2\right)=F\left(H_1\right)-\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_i-h_{i-1}}{V_{i}a{{\mathrm{\Φ}}_i}^b{W}_i^c{e}^{d{N}_i}}$

其中：F(H₂)为井深H₂处钻头剩余新度，无量纲；F(H₁)为井深H₁处钻头剩余新度，无量纲；V_i为第i段地层的机械钻速，单位为m/h；h_i为第i段地层所对应的井深，单位为m；Φ_i为第i段地层的内摩擦角，单位为度；W_i为第i段地层所对应的钻压，单位为kN，N_i为第i段地层所对应的转速，单位为rpm；a、b、c、d为模型系数，与钻头型号有关；

对所述PDC钻头剩余新度预测模型中有关系数的进行反演；

包括：

收集一种型号钻头所钻井段的录井、测井数据以及钻头使用记录；

为待反演参数赋初值，以及设定迭代精度ε；

确定优化反演的具体目标函数，待反演参数为a、b、c、d；所述优化反演的具体目标函数为： $E=\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}[F_j\left(H_2\right)-F_j\left(H_1\right)+\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_{\mathrm{ij}}-h_{\mathrm{ij}-1}}{V_{\mathrm{ij}}a{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ij}}}^b{W}_{\mathrm{ij}}^c{e}^{d{N}_{\mathrm{ij}}}}{]}^2;$

式中：下标j表示第j只钻头的数据；p为收集的该型号钻头的个数；F_j(H₂)为第j只钻头在井深H₂处的剩余新度，无量纲；F_j(H₁)为第j只钻头在井深H₁处的剩余新度，无量纲；V_ij为第j只钻头在第i段地层的机械钻速，单位为m/h；h_ij为第j只钻头在第i段地层所对应的井深，单位为m；Φ_ij为第j只钻头在第i段地层的内摩擦角，单位为度；W_ij为第j只钻头在第i段地层所对应的钻压，单位为kN，Ni_j为第j只钻头在第i段地层所对应的转速，单位为rpm；a、b、c、d为待反演参数；

求取所述具体目标函数E的值，如果求取的所述具体目标函数E的值大于给定的迭代精度ε，则应用复合形法优化算法对该种型号的PDC钻头剩余新度预测模型中各待定系数进行反演；

根据所述PDC钻头剩余新度预测模型,预测PDC钻头的合理使用寿命。

2.一种PDC钻头合理使用寿命预测装置，其特征在于，所述装置包括：

第一模型建立单元，用于根据岩石研磨性、钻压和转速，建立PDC钻头寿命计算模型；

所述第一模型建立单元包括：

第一关系式建立模块，用于建立PDC钻头寿命和岩石研磨性的第一关系式：T∝Φ^b；

第二关系式建立模块，用于建立PDC钻头寿命和钻压的第二关系式：T∝W^c；

第三关系式建立模块，用于建立PDC钻头寿命和转速的第三关系式：T∝e^dN；

PDC钻头寿命计算模型获取模块，用于根据所述第一关系式、所述第二关系式和所述第三关系式，得到PDC钻头寿命计算模型：T=aΦ^bW^ce^dN；其中，T为钻头寿命，Φ为内摩擦角，W为钻压，N为转速，a为PDC钻头寿命系数，与PDC钻头型号有关，b、c、d为回归系数，与PDC钻头型号有关;

第二模型建立单元，用于根据机件的线性累积损伤理论和所述PDC钻头寿命计算模型，建立动载荷作用下的PDC钻头剩余新度预测模型；

所述第二模型建立单元包括：

线性累积损伤理论对应关系式获取模块，用于获得机件的线性累积损伤理论对应的关系式：

其中，T_i为机件在第i种载荷下预期的寿命，t_i为机件承受第i种载荷的时间；

剩余新度预测模型建立模块，用于假设钻头从井深H₁钻到井深H₂时，其剩余新度从F(H₁)降到F(H₂)；将所钻的井段沿井深划分为l个子井段，所述钻头在每一子井段内受静载荷作用，各子井段所对应的井深依次记为h₀,h₁,…,h_l，并且h₀=H₁，h_l=H₂，各子井段的长度Δh_i对应的关系式为：Δh_i=h_i-h_i-1i=1,2,…,l；假设第i段的机械钻速为V_i，则各子井段的钻进时间Δt_i对应的关系式为：

i=1,2,…,l；根据所述机件的线性累积损伤理论对应的关系式、各子井段的长度Δh_i对应的关系式、各子井段的钻进时间Δt_i对应的关系式和所述PDC钻头寿命计算模型，得到PDC钻头在动载荷作用下的剩余新度预测模型：

$F\left(H_2\right)=F\left(H_1\right)-\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_i-h_{i-1}}{V_{i}a{{\mathrm{\Φ}}_i}^b{W_i}^c{e}^{d{N}_i}}$

其中：F(H₂)为井深H₂处钻头剩余新度，无量纲；F(H₁)为井深H₁处钻头剩余新度，无量纲；V_i为第i段地层的机械钻速，单位为m/h；h_i为第i段地层所对应的井深，单位为m；Φ_i为第i段地层的内摩擦角，单位为度；W_i为第i段地层所对应的钻压，单位为kN，N_i为第i段地层所对应的转速，单位为rpm；C_t、a、b、c为模型系数，与钻头型号有关;

所述装置还包括系数反演单元，用于对所述PDC钻头剩余新度预测模型中有关系数的进行反演;

所述系数反演单元包括：

收集模块，用于收集一种型号钻头所钻井段的录井、测井数据以及钻头使用记录；

目标函数确定模块，用于为待反演参数赋初值和设定迭代精度ε；以及确定优化反演的具体目标函数，待反演参数为a、b、c、d；所述优化反演的具体目标函数为：

$E=\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}[F_j\left(H_2\right)-F_j\left(H_1\right)+\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_{\mathrm{ij}}-h_{\mathrm{ij}-1}}{V_{\mathrm{ij}}a{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ij}}}^b{W_{\mathrm{ij}}}^c{e}^{{\mathrm{dN}}_{\mathrm{ij}}}}{]}^2;$ 式中：下标j表示第j只钻头的数据；p为收集的该型号钻头的个数；F_j(H₂)为第j只钻头在井深H₂处的剩余新度，无量纲；F_j(H₁)为第j只钻头在井深H₁处的剩余新度，无量纲；V_ij为第j只钻头在第i段地层的机械钻速，单位为m/h；h_ij为第j只钻头在第i段地层所对应的井深，单位为m；Φ_ij为第j只钻头在第i段地层的内摩擦角，单位为度；W_ij为第j只钻头在第i段地层所对应的钻压，单位为kN，N_ij为第j只钻头在第i段地层所对应的转速，单位为rpm；a、b、c、d为待反演参数；

反演模块，用于求取所述具体目标函数E的值；如果求取的所述具体目标函数E的值大于给定的迭代精度ε，则应用复合形法优化算法对该种型号的PDC钻头剩余新度预测模型中各待定系数进行反演;

使用寿命预测单元，用于根据所述PDC钻头剩余新度预测模型，预测PDC钻头的合理使用寿命。

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