CN108733949A - 一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法，包括以下步骤：步骤一：根据钻井岩石切削过程中的塑性破碎和脆性破碎的力学模型，分别建立岩石塑性破碎和脆性破碎情况下机械比功计算模型；步骤二：利用岩石塑性破碎和脆性破碎情况下机械比功计算模型组合获得机械比功最终计算模型；步骤三：基于机械比功最终计算模型建立塑性耗能比计算模型；步骤四：通过切削试验获得塑性耗能比计算模型中的参数；步骤五：由塑性耗能比计算模型求解不同切削深度下的塑性耗能比大小；步骤六：通过对比不同切削参数下的塑性耗能比大小，优选最佳的切削参数；本方法可优选最佳切削参数，最终达到提高钻进效率、降低钻井成本的目的。

Description

一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井技术领域，特别涉及一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法。

背景技术

钻进效率低是造成油气钻探成本高的主要因素之一，如何提高钻进效率、降低钻探成本是油气钻采过程中长期面临的一个难点问题。现阶段，机械破岩仍是油气钻井的主要作业方式，PDC钻头作为机械破岩的最主要工具，其钻齿的切削破岩效率直接决定着钻进效率和钻探成本。如何找到钻齿的最佳破岩效率，指导优化钻头设计和优选钻进参数，对于钻进效率的提高以及钻探成本的降低有着至关重要的作用。

根据BP公司最近发布的2035年能源展望，预计2035年之前全球对石油天然气的需求是呈逐年增长的趋势。据统计在北美地区2014年钻井数量为56523口，2015年钻井数量为33075口，2016年钻井数量为16305口，相对应的勘探开发总费用分别为2173.92、1445.54、1169.95亿美元；中东地区2014年钻井数量为3285口，2015年钻井数量为3044口，2016年钻井数量为2938口，相对应的勘探开发总费用为496.01、489.23、476.60亿美元。中石油在2013年钻井13378口，2014年钻井12286口。由此可见，在全球范围内每年新增的钻井数量非常巨大，对应的勘探开发费用也十分庞大。由于石油钻井费用比例较大，一般占石油工业上游投资的40％左右，在世界范围内石油钻探费用占石油勘探开发总成本的55％-80％；因此，应提高钻进效率，降低钻探成本；加之近期国际油价持续低迷，截至2017年11月油价为60美元一桶，致使解决钻进效率低、成本高的问题变得更加迫切。

现有技术中，机械比功(MSE)是现阶段比较常用的一个指标用于评价破岩效率，其概念是破碎单位体积岩石所消耗的能量，利用机械比功可以得到临界切削深度，但是无法确定最佳切削深度，因此无法获得最佳的钻进参数，从而无法进一步提高钻进效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法，提出塑性耗能比的概念，建立了塑性耗能比的计算模型，为最佳切削参数的优选提供理论依据，达到提高钻进效率、降低钻井成本的目的。

为了达到上述的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法，该方法包括以下几个步骤：

步骤一：根据钻井岩石切削过程中的塑性破碎和脆性破碎的力学模型，分别建立岩石塑性破碎和脆性破碎情况下机械比功计算模型；

步骤二：利用岩石塑性破碎和脆性破碎情况下机械比功计算模型组合获得机械比功最终计算模型；

步骤三：基于机械比功最终计算模型建立塑性耗能比计算模型；

步骤四：通过切削试验获得塑性耗能比计算模型中的参数；

步骤五：由塑性耗能比计算模型求解不同切削深度下的塑性耗能比大小；

步骤六：通过对比不同切削参数下的塑性耗能比大小，优选最佳的切削参数。

进一步的是，所述塑性破碎情况下机械比功计算模型的计算公式为：

μ_bp＝ησ_c

式中：μ_bp为塑性破碎情况下机械比功；σ_c为岩石单轴抗压强度；η为几何因子与钻齿前倾角有关。

所述脆性破碎情况下机械比功计算模型的计算公式为：

式中：μ_bf为脆性破碎情况下机械比功；G_f为岩石的表面能；c₁侧向裂纹长度；c_m中间裂纹长度；σ_y为岩石屈服强度；K_b为与钻齿形状、材料参数(包括G_f、K_IC、H、E、c₁以及c_m，，其中，K_IC是岩石的断裂韧性，H为岩石硬度，E为岩石弹性模量)有关的参数；K_p为岩石塑性变形的耗能。

进一步的是，所述机械比功的最终计算模型的计算公式为：

式中：d_c为塑脆性破碎临界切削深度。

进一步的是，所述塑性耗能比的计算模型的计算公式为：

进一步的是，所述步骤四，具体包括以下步骤：

(4.1)针对钻进地层岩样进行岩石切削试验，除切削深度外，其它切削参数不变，获取切削深度d^-4/3和机械比功μ_b的多组对应数据；

(4.2)对多组对应数据进行拟合得到机械比功μ_b和切削深度d^-4/3的拟合关系式；

(4.3)通过对比所述拟合关系式与机械比功μ_b计算模型的公式，得出参数K_b和K_p的值；

进一步的是，所述步骤五中，根据步骤四得到的参数值代入塑性耗能比计算模型，计算不同切削深度下塑性耗能比的大小。

进一步的是，所述步骤六中，塑性耗能比越小，岩石破碎效率越高，反之，岩石破碎效率越低，从而对对应的切削参数进行优选。

通过对比不同切削参数下的塑性耗能比大小去确定最佳的切削参数，比如切削深度为1mm的时候，对应的塑性耗能比是0.6，说明钻齿做功的60％用于岩石产生塑形变形。当切削深度为2mm的时候，对应的塑性耗能比是0.4，这个就比1mm时候的塑性耗能比小，说明比较多的能量用于脆性破碎耗能，因此2mm就相比1mm的切削深度要合理一点。

本发明的理论推导如下：

众所周知，钻井过程中，钻齿切削破岩过程中，切削深度是影响岩石塑-脆性破碎转变的重要因素。Richard等(Determination of rock strength from cuttingtests.Master’s Thesis,university of Minnesota,1999)研究了岩石切削过程中岩石破碎形式转变的问题，他们把岩石破碎形式归结为两种：一种是塑性破碎，如图1所示，这种失效通常发生在切削深度比较小的情况下，切削深度一般小于1mm，主要现象为被破碎的岩屑在刀尖前面的不断堆积，钻齿对岩石所做的功主要消耗在岩石的塑性变形上；另一种是脆性破碎，如图2所示，切削深度为2.3mm，这种失效通常发生在切削深度比较大的情况下，主要表现为裂纹从刀尖开始沿着切削方向扩展，最终扩展至自由面而形成较大的切屑，此时钻齿对岩石所做的功主要消耗在塑性变形和裂纹扩展上面。塑性耗能由于不能形成宏观裂纹和大块岩屑，因此，如果塑性耗能在整个切削破岩过程中的比值越小，那么岩石的破碎效率就越高。

基于上述理论，首先，分别针对塑性破碎和脆性破碎建立机械比功的计算模型：

(1)塑性破碎的情况

a.当切削深度较小时，岩石发生塑性破碎，此时切削力的计算公式为：

F_c＝ησ_cA (1)

式中：σ_c为岩石单轴抗压强度，η为几何因子与钻齿前倾角有关，A为钻齿与岩石的接触面积。

b.求取钻齿对岩石所做的总功，其等于切削力F_c和切削行程Δl的乘积，计算公式为：

E_dp＝F_cΔl＝ησ_cAΔl (2)

c.求取钻齿与岩石相互摩擦消耗的能量，计算公式为：

E_dz＝μσ_fA_fΔl (3)

式中：μ为齿面与岩石的滑动摩擦系数；A_f＝wl，其中l是钻齿磨损的长度，w为钻齿的宽度；σ_f为钻齿与岩石的接触力，其中k₀为与接触力σ_f以及岩石硬度H有关的常数，E为岩石弹性模量。

d.计算岩石塑性破碎情况下的机械比功，计算公式为：

μ_bp＝E_d/V_d＝E_dp/V_d＝ησ_cAΔl/AΔl＝ησ_c (4)

式中：E_d为岩石塑性破碎情况下的总耗能，V_d为岩石塑性破碎体积。

(2)脆性破碎的情况

e.计算在切削深度比较大，岩石发生脆性破碎时，裂纹扩展形成自由面耗能大小的计算公式为：

E_bf＝A_sG_f＝(2πc₁+2c_m)G_fΔl (5)

式中：A_s为裂纹扩展形成的自由面区域大小，G_f为岩石的表面能，c₁侧向裂纹长度，c_m中间裂纹长度。

f.求取脆性破碎情况下岩石塑性变形耗能大小，计算公式为：

式中：σ_y为岩石屈服强度，V_p为脆性破碎情况下发生塑性破碎的岩石体积。

g.求取脆性破碎情况下的机械比功，计算公式为：

式中：E_b为岩石脆性破碎情况下的总耗能；V_b为岩石破碎体积。

其次，将式(4)和(6)组合，得到整个切削过程中机械比功(即机械比功最终计算模型)的计算公式为：

式中：K_b为与钻齿形状、材料参数(包括G_f、K_IC、H、E、c₁以及c_m，其中，K_IC是岩石的断裂韧性，H为岩石硬度，E为岩石弹性模量)有关的参数，K_p为岩石塑性变形的耗能，d_c为塑脆性破碎临界切削深度。

式(8)中，利用塑性耗能和总耗能相比，最终得到塑性耗能比的计算公式为：

式(4)中：

总耗能E_d是根据如下公式求取：

E_d＝E_dp+E_dz (10)

假设钻齿尖端无磨损，即l＝0，则有总耗能E_d＝E_dp；

岩石塑性切削体积V_d是根据如下公式求取：

V_d＝AΔl (11)

式(5)中：

裂纹扩展形成的自由面区域大小A_s是根据如下公式求取：

A_s＝(2πc₁+2c_m)Δl (12)

c₁为侧向裂纹的长度，其和表面能有关系；c_m为中间裂纹长度，两者之间的关系为：

其中：k₁—缩放系数。

式(6)中，脆性破碎情况下发生塑性破碎的岩石体积V_p是根据如下公式求取：

式(7)中：

总功E_b是根据如下公式求取：

破碎体积V_b是根据如下公式求取：

式(13)中：

侧向裂纹长度c₁与切削深度的关系为：

c₁∝d^4/3 (17)

中间裂纹长度c_m和钻齿法向力的关系为：c_m∝F_t ^2/3；

法向力和切削深度的关系为：F_t∝d²。

本发明的有益效果是：

本发明以机械比功作为参量建立了岩石塑脆性破碎临界切削深度的计算模型，并在此基础上提出了塑性耗能比的概念，即破碎单位体积岩石所耗总能量中塑性变形耗能所占比值，然后建立了塑性耗能比的计算模型。机械比功(MSE)是现阶段比较常用的一个指标用于评价破岩效率，其概念是破碎单位体积岩石所消耗的能量。塑性耗能比相对于机械比功更加精细，把机械比功细化为弹性耗能、塑性耗能、脆性耗能的总和。其中塑性耗能消耗于岩石的塑性变形，不会产生大块岩屑，因此塑性耗能越大岩石破碎效率越低。以塑性耗能比作为指标判断不同切削条件下的岩石破碎效率，相比于机械比功其可以更加科学和准确的确定最佳切削参数，如不同切削速度、前倾角等条件下的最佳切削深度，最终达到提高钻进效率、降低钻井费用的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1是切削深度为0.1mm时岩石发生塑性破碎的情况；

图2是切削深度为2.3mm时岩石发生脆性破碎的情况；

图3是岩石切削破岩试验得到的机械比功与切削深度d^-4/3的关系曲线图；

图4是岩石切削破岩试验得到的塑性耗能比与切削深度d^-4/3的关系曲线图；

图5是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例对本发明作进一步阐述，但并不是对本发明保护范围的限制。

一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法，该方法包括以下几个步骤：

步骤一：根据钻井岩石切削过程中的塑性破碎和脆性破碎的力学模型，分别建立岩石塑性破碎和脆性破碎情况下机械比功计算模型；

步骤二：利用岩石塑性破碎和脆性破碎情况下机械比功计算模型组合获得机械比功最终计算模型；

步骤三：基于机械比功最终计算模型建立塑性耗能比计算模型；

步骤四：通过切削试验获得塑性耗能比计算模型中的参数；

步骤五：由塑性耗能比计算模型求解不同切削深度下的塑性耗能比大小；

步骤六：通过对比不同切削参数下的塑性耗能比大小，优选最佳的切削参数。

进一步的是，所述塑性破碎情况下机械比功计算模型的计算公式为：

μ_bp＝ησ_c

式中：μ_bp为塑性破碎情况下机械比功；σ_c为岩石单轴抗压强度；η为几何因子与钻齿前倾角有关。

所述脆性破碎情况下机械比功计算模型的计算公式为：

式中：μ_bf为脆性破碎情况下机械比功；G_f为岩石的表面能；c₁侧向裂纹长度；c_m中间裂纹长度；σ_y为岩石屈服强度；K_b为与钻齿形状、材料参数(包括G_f、K_IC、H、E、c₁以及c_m，其中，K_IC是岩石的断裂韧性，H为岩石硬度，E为岩石弹性模量)有关的参数；K_p为岩石塑性变形的耗能。

优选的，所述机械比功的最终计算模型的计算公式为：

式中：d_c为塑脆性破碎临界切削深度。

优选的，所述塑性耗能比的计算模型的计算公式为：

优选的，所述步骤四，具体包括以下步骤：

(4.1)针对钻进地层岩样进行岩石切削试验，除切削深度外，其它切削参数不变，获取切削深度d^-4/3和机械比功μ_b的多组对应数据；

(4.2)对多组对应数据进行拟合得到机械比功μ_b和切削深度d^-4/3的拟合关系式；

(4.3)通过对比所述拟合关系式与机械比功μ_b计算模型的公式，得出参数K_b和K_p的值；

优选的，所述步骤五中，根据步骤四得到的参数值代入塑性耗能比计算模型，计算不同切削深度下塑性耗能比的大小。

优选的，所述步骤六中，塑性耗能比越小，岩石破碎效率越高，反之，岩石破碎效率越低，从而对对应的切削参数进行优选。

下面通过一个具体的例子来进一步说明。

在红砂岩的地层钻进时，针对红砂岩岩样进行岩石切削试验，除切削深度外其它切削参数不变，获取切削深度d^-4/3和机械比功μ_b的关系，确定塑性耗能比计算公式中的相关参数K_b和K_p的值。

具体如下：试验所使用的切削试验设备为线性岩石切削装置，对红砂岩进行不同切削深度下(0mm～1.3mm，间隔为0.1mm)的切削破岩试验，得到的数据分布如图3所示。通过对数据点进行拟合得到机械比功和切削深度d^-4/3的关系，如图3中所示，拟合公式为y＝1.71x+5.4；图中水平的线表示机械比功不随切削深度变化的情况，两条线的交点即为岩石在钻齿切削作用下塑-脆转变的临界点，其对应的切削深度为塑-脆性转变的临界切削深度d_c。通过对比所拟合的公式y＝1.71x+5.4和机械比功的计算模型μ_b＝K_bd^-4/3+K_P可以得出K_b＝1.71，K_p＝5.4。

然后，计算不同切削深度下的塑性耗能比大小，基于塑性耗能比的大小评价岩石破碎效率，最后得出最佳切削参数。具体如下：基于得出K_b＝1.71，K_p＝5.4，代入公式计算不同切削深度下塑性耗能比的大小，结果如图4所示。由图可知，切削深度较小时岩石发生塑性破碎，塑性耗能比为1，当切削深度达到临界切削深度d_c时，岩石发生塑性破碎向脆性破碎的转变，且随着切削深度的增大塑性耗能比增大。由此可见，临界切削深度d_c下岩石破碎时的塑性耗能比最小，岩石破碎效率最高，因此，临界切削深度d_c为最佳的切削深度。

机械比功可以得到临界切削深度d_c，但是无法确定最佳切削深度，因此提出了塑性耗能比的概念，通过这个概念来评价不同切削参数下塑性耗能的大小，来确定岩石的破碎效率，得出最佳切削参数。如果塑性耗能越大，说明破岩过程中岩石的破碎效率比较低，钻齿给岩石的能量都用在了岩石的塑性变形上面，而没有用于产生脆性裂纹。当塑性耗能较小时，也就是脆性耗能比较大，此时产生的脆性裂纹比较多，岩石的破碎效率就会比较高。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法，其特征在于，该方法包括以下几个步骤：

步骤一：根据钻井岩石切削过程中的塑性破碎和脆性破碎的力学模型，分别建立岩石塑性破碎和脆性破碎情况下机械比功计算模型；

步骤二：利用岩石塑性破碎和脆性破碎情况下机械比功计算模型组合获得机械比功最终计算模型；

步骤三：基于机械比功最终计算模型建立塑性耗能比计算模型；

步骤四：通过切削试验获得塑性耗能比计算模型中的参数；

步骤五：由塑性耗能比计算模型求解不同切削深度下的塑性耗能比大小；

步骤六：通过对比不同切削参数下的塑性耗能比大小，优选最佳的切削参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法，其特征在于：所述塑性破碎情况下机械比功计算模型的计算公式为：

μ_bp＝ησ_c

式中：μ_bp为塑性破碎情况下机械比功；σ_c为岩石单轴抗压强度；η为几何因子与钻齿前倾角有关。

所述脆性破碎情况下机械比功计算模型的计算公式为：

式中：μ_bf为脆性破碎情况下机械比功；G_f为岩石的表面能；c₁侧向裂纹长度；c_m中间裂纹长度；σ_y为岩石屈服强度；K_b为与钻齿形状、材料参数(包括G_f、K_IC、H、E、c₁以及c_m，其中，K_IC是岩石的断裂韧性，H为岩石硬度，E为岩石弹性模量)有关的参数；K_p为岩石塑性变形的耗能。

3.根据权利要求1所述的一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法，其特征在于：所述机械比功的最终计算模型的计算公式为：

式中：d_c为塑脆性破碎临界切削深度。

4.根据权利要求1所述的一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法，其特征在于：所述塑性耗能比的计算模型的计算公式为：

5.根据权利要求1所述的一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法，其特征在于：所述步骤四，具体包括以下步骤：

(4.1)针对钻进地层岩样进行岩石切削试验，除切削深度外，其它切削参数不变，获取切削深度d^-4/3和机械比功μ_b的多组对应数据；

(4.2)对多组对应数据进行拟合得到机械比功μ_b和切削深度d^-4/3的拟合关系式；

(4.3)通过对比所述拟合关系式与机械比功μ_b计算模型的公式，得出参数K_b和K_p的值。

6.根据权利要求5所述的一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法，其特征在于：所述步骤五中，根据步骤四得到的参数值代入塑性耗能比计算模型，计算不同切削深度下塑性耗能比的大小。

7.根据权利要求1所述的一种基于塑性耗能比的钻进参数优选方法，其特征在于：所述步骤六中，塑性耗能比越小，岩石破碎效率越高，反之，岩石破碎效率越低，从而对切削参数进行优选。