PDC鉆頭磨損監(jiān)測(cè)新方法研究

周波+肖偉

摘 要：該文通過(guò)結(jié)合機(jī)械比能理論和鉆速方程提出了一種新的鉆頭磨損監(jiān)測(cè)方法，該方法綜合考慮了機(jī)械比能模型和鉆速方程模型，能有效地確定鉆頭在井下的磨損狀況。該文通過(guò)中石化國(guó)際工程有限公司在阿爾及利亞打鉆的MKT-1井進(jìn)行了鉆頭磨損分級(jí)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，證明該方法的科學(xué)性，對(duì)提高鉆井效率具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械比能 ?鉆速方程 ?鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TE922101 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（a）-0012-02

以前預(yù)測(cè)鉆頭磨損的方法都是建立在賓漢鉆速方程基礎(chǔ)上，由于該方程只適合牙輪鉆頭鉆速規(guī)律，所以不適用于PDC鉆頭。綜合考慮各種鉆井因素和鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)，該文先利用合適的PDC鉆速方程計(jì)算巖石抗壓強(qiáng)度，然后結(jié)合機(jī)械比能模型來(lái)求取鉆頭的磨損等級(jí)系數(shù)。

1 機(jī)械比能理論

1.1 機(jī)械比能理論概述

傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)鉆井性能的方法是采用統(tǒng)計(jì)方法，根據(jù)偏差進(jìn)行分析，但此方法有地域局限性。在這種情況下，考慮建立具有普遍性，符合技術(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)的物理模型，即機(jī)械比能模型（MSE，Mechanical Specific Energy）。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的調(diào)研資料來(lái)看，R.Teale所提出的模型比較具有代表性，該模型如下[1]：

（1）

各式中：Es為機(jī)械比能，MPa;AB鉆頭面積，;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉(zhuǎn)速，r/min;TOB為扭矩，KN×m。

1.2 鉆頭扭矩的求取

在工程現(xiàn)場(chǎng)條件下，鉆頭扭矩?zé)o法像鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆速這些鉆井參數(shù)通過(guò)地面儀器進(jìn)行測(cè)量，因此，準(zhǔn)確求取鉆頭扭矩是比能理論關(guān)鍵所在。該文考慮巖石類(lèi)型（選擇了砂巖、花崗巖和灰?guī)r三種巖性）、水功率、轉(zhuǎn)速和鉆壓四項(xiàng)因素在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)。建立鉆頭扭矩的多元線(xiàn)性回歸模型如下[2]：

·WOB·DB ? （2）

因此，根據(jù)對(duì)扭矩的精確的計(jì)算該文優(yōu)化出一種比較理想的機(jī)械比能模型[3]，即：

（3）

式中DB為鉆頭直徑，mm;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉(zhuǎn)速，r/min。

2 PDC鉆速方程的選取

該文中PDC鉆頭的鉆速方程由Motahari等人提出：

（4）

式中b為系數(shù)為CCS為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa;a為PDC鉆頭的后粑角;θ為側(cè)傾角;Wf為鉆頭磨損函數(shù)。

3 利用MSE和CCS求取PDC鉆頭的磨損系數(shù)

MSE可以從式（3）計(jì)算得出，而CCS將從鉆速方程中推導(dǎo)得出：

（5）

系數(shù)d可以通過(guò)錄井資料的米數(shù)據(jù)獲得，而利用該系數(shù)可以順利地計(jì)算出鉆頭磨損分級(jí)情況（Normalized即歸一化，單位無(wú)量綱），如下式：

（0<h<1） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

假設(shè)鉆頭完全磨損，鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)是1，即方程兩邊等于0，所以A值必須等于1，因此上式可以簡(jiǎn)寫(xiě)成：

（7）

最后，該文通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得出B和h之間的關(guān)系，。綜合公式（7）可推到公式：

（8）

機(jī)械比能（MSE）考慮了鉆頭磨損的影響，通過(guò)反算三軸巖石抗壓強(qiáng)度（CCS）可以計(jì)算出實(shí)時(shí)的鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)。計(jì)算所得到的鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)（h）可以進(jìn)一步推導(dǎo)得出實(shí)際情況下的鉆頭磨損分級(jí)情況，而這種轉(zhuǎn)換是通過(guò)下面的公式（根據(jù)IADC標(biāo)準(zhǔn)鉆頭磨損分級(jí)為8個(gè)等級(jí)）[3-5]：

（9）

4 MKT-1井的計(jì)算實(shí)例

該文對(duì)江蘇石油工程公司在阿爾及利亞（Bloc 438c）所鉆的MKT-1井進(jìn)行了實(shí)例的應(yīng)用計(jì)算，考慮到該井大部分井段都采用了PDC鉆頭，只有一開(kāi)時(shí)采用的牙輪鉆頭，所以該方法基本適用于MKT-1井。綜合MKT-1井的鉆頭參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況和新方法計(jì)算的鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)，我們可以列表將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比：

通過(guò)該方法計(jì)算所得數(shù)據(jù)與鉆頭實(shí)際磨損情況基本吻合，所以該方法可以有效地對(duì)PDC鉆頭的磨損情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。

5 結(jié)論

綜合考慮巖石抗壓強(qiáng)度和機(jī)械比能模型，提出一種對(duì)PDC鉆頭磨損進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的新方法。

利用巖石抗壓強(qiáng)度而不是巖石的可鉆性，我們可以有效地計(jì)算鉆頭磨損等級(jí)系數(shù)。

這種方法通過(guò)計(jì)算巖石抗壓強(qiáng)度和實(shí)時(shí)的鉆頭磨損系數(shù)能有效地優(yōu)化鉆井性能，有利于鉆井作業(yè)，減少鉆井成本。

參考文獻(xiàn)

[1] R.Teal.The Concept of Specific Energy in Rock Drilling.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.1965（2）：57-63.

[2] 景寧，樊洪海，徐術(shù)國(guó)，等.基于比能理論的鉆頭工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究[J].斷塊油氣田，2011：538-540.

[3] 樊洪海，馮廣慶，肖偉，等.基于機(jī)械比能理論的鉆頭磨損監(jiān)測(cè)新方法[J].石油鉆探技術(shù)，2012：21-25.

[4] Kshitij Mohan，F(xiàn)araaz Adil， Robello Samuel.Tracking Drilling Efficiency Using Hydro-Mechanical Specific Energy.SPE/IADC 119421，2009.

摘 要：該文通過(guò)結(jié)合機(jī)械比能理論和鉆速方程提出了一種新的鉆頭磨損監(jiān)測(cè)方法，該方法綜合考慮了機(jī)械比能模型和鉆速方程模型，能有效地確定鉆頭在井下的磨損狀況。該文通過(guò)中石化國(guó)際工程有限公司在阿爾及利亞打鉆的MKT-1井進(jìn)行了鉆頭磨損分級(jí)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，證明該方法的科學(xué)性，對(duì)提高鉆井效率具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械比能 ?鉆速方程 ?鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TE922101 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（a）-0012-02

以前預(yù)測(cè)鉆頭磨損的方法都是建立在賓漢鉆速方程基礎(chǔ)上，由于該方程只適合牙輪鉆頭鉆速規(guī)律，所以不適用于PDC鉆頭。綜合考慮各種鉆井因素和鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)，該文先利用合適的PDC鉆速方程計(jì)算巖石抗壓強(qiáng)度，然后結(jié)合機(jī)械比能模型來(lái)求取鉆頭的磨損等級(jí)系數(shù)。

1 機(jī)械比能理論

1.1 機(jī)械比能理論概述

傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)鉆井性能的方法是采用統(tǒng)計(jì)方法，根據(jù)偏差進(jìn)行分析，但此方法有地域局限性。在這種情況下，考慮建立具有普遍性，符合技術(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)的物理模型，即機(jī)械比能模型（MSE，Mechanical Specific Energy）。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的調(diào)研資料來(lái)看，R.Teale所提出的模型比較具有代表性，該模型如下[1]：

（1）

各式中：Es為機(jī)械比能，MPa;AB鉆頭面積，;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉(zhuǎn)速，r/min;TOB為扭矩，KN×m。

1.2 鉆頭扭矩的求取

在工程現(xiàn)場(chǎng)條件下，鉆頭扭矩?zé)o法像鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆速這些鉆井參數(shù)通過(guò)地面儀器進(jìn)行測(cè)量，因此，準(zhǔn)確求取鉆頭扭矩是比能理論關(guān)鍵所在。該文考慮巖石類(lèi)型（選擇了砂巖、花崗巖和灰?guī)r三種巖性）、水功率、轉(zhuǎn)速和鉆壓四項(xiàng)因素在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)。建立鉆頭扭矩的多元線(xiàn)性回歸模型如下[2]：

·WOB·DB ? （2）

因此，根據(jù)對(duì)扭矩的精確的計(jì)算該文優(yōu)化出一種比較理想的機(jī)械比能模型[3]，即：

（3）

式中DB為鉆頭直徑，mm;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉(zhuǎn)速，r/min。

2 PDC鉆速方程的選取

該文中PDC鉆頭的鉆速方程由Motahari等人提出：

（4）

式中b為系數(shù)為CCS為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa;a為PDC鉆頭的后粑角;θ為側(cè)傾角;Wf為鉆頭磨損函數(shù)。

3 利用MSE和CCS求取PDC鉆頭的磨損系數(shù)

MSE可以從式（3）計(jì)算得出，而CCS將從鉆速方程中推導(dǎo)得出：

（5）

系數(shù)d可以通過(guò)錄井資料的米數(shù)據(jù)獲得，而利用該系數(shù)可以順利地計(jì)算出鉆頭磨損分級(jí)情況（Normalized即歸一化，單位無(wú)量綱），如下式：

（0<h<1） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

假設(shè)鉆頭完全磨損，鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)是1，即方程兩邊等于0，所以A值必須等于1，因此上式可以簡(jiǎn)寫(xiě)成：

（7）

最后，該文通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得出B和h之間的關(guān)系，。綜合公式（7）可推到公式：

（8）

機(jī)械比能（MSE）考慮了鉆頭磨損的影響，通過(guò)反算三軸巖石抗壓強(qiáng)度（CCS）可以計(jì)算出實(shí)時(shí)的鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)。計(jì)算所得到的鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)（h）可以進(jìn)一步推導(dǎo)得出實(shí)際情況下的鉆頭磨損分級(jí)情況，而這種轉(zhuǎn)換是通過(guò)下面的公式（根據(jù)IADC標(biāo)準(zhǔn)鉆頭磨損分級(jí)為8個(gè)等級(jí)）[3-5]：

（9）

4 MKT-1井的計(jì)算實(shí)例

該文對(duì)江蘇石油工程公司在阿爾及利亞（Bloc 438c）所鉆的MKT-1井進(jìn)行了實(shí)例的應(yīng)用計(jì)算，考慮到該井大部分井段都采用了PDC鉆頭，只有一開(kāi)時(shí)采用的牙輪鉆頭，所以該方法基本適用于MKT-1井。綜合MKT-1井的鉆頭參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況和新方法計(jì)算的鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)，我們可以列表將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比：

通過(guò)該方法計(jì)算所得數(shù)據(jù)與鉆頭實(shí)際磨損情況基本吻合，所以該方法可以有效地對(duì)PDC鉆頭的磨損情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。

5 結(jié)論

綜合考慮巖石抗壓強(qiáng)度和機(jī)械比能模型，提出一種對(duì)PDC鉆頭磨損進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的新方法。

利用巖石抗壓強(qiáng)度而不是巖石的可鉆性，我們可以有效地計(jì)算鉆頭磨損等級(jí)系數(shù)。

這種方法通過(guò)計(jì)算巖石抗壓強(qiáng)度和實(shí)時(shí)的鉆頭磨損系數(shù)能有效地優(yōu)化鉆井性能，有利于鉆井作業(yè)，減少鉆井成本。

參考文獻(xiàn)

[1] R.Teal.The Concept of Specific Energy in Rock Drilling.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.1965（2）：57-63.

[2] 景寧，樊洪海，徐術(shù)國(guó)，等.基于比能理論的鉆頭工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究[J].斷塊油氣田，2011：538-540.

[3] 樊洪海，馮廣慶，肖偉，等.基于機(jī)械比能理論的鉆頭磨損監(jiān)測(cè)新方法[J].石油鉆探技術(shù)，2012：21-25.

[4] Kshitij Mohan，F(xiàn)araaz Adil， Robello Samuel.Tracking Drilling Efficiency Using Hydro-Mechanical Specific Energy.SPE/IADC 119421，2009.

摘 要：該文通過(guò)結(jié)合機(jī)械比能理論和鉆速方程提出了一種新的鉆頭磨損監(jiān)測(cè)方法，該方法綜合考慮了機(jī)械比能模型和鉆速方程模型，能有效地確定鉆頭在井下的磨損狀況。該文通過(guò)中石化國(guó)際工程有限公司在阿爾及利亞打鉆的MKT-1井進(jìn)行了鉆頭磨損分級(jí)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，證明該方法的科學(xué)性，對(duì)提高鉆井效率具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械比能 ?鉆速方程 ?鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TE922101 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（a）-0012-02

以前預(yù)測(cè)鉆頭磨損的方法都是建立在賓漢鉆速方程基礎(chǔ)上，由于該方程只適合牙輪鉆頭鉆速規(guī)律，所以不適用于PDC鉆頭。綜合考慮各種鉆井因素和鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)，該文先利用合適的PDC鉆速方程計(jì)算巖石抗壓強(qiáng)度，然后結(jié)合機(jī)械比能模型來(lái)求取鉆頭的磨損等級(jí)系數(shù)。

1 機(jī)械比能理論

1.1 機(jī)械比能理論概述

傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)鉆井性能的方法是采用統(tǒng)計(jì)方法，根據(jù)偏差進(jìn)行分析，但此方法有地域局限性。在這種情況下，考慮建立具有普遍性，符合技術(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)的物理模型，即機(jī)械比能模型（MSE，Mechanical Specific Energy）。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的調(diào)研資料來(lái)看，R.Teale所提出的模型比較具有代表性，該模型如下[1]：

（1）

各式中：Es為機(jī)械比能，MPa;AB鉆頭面積，;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉(zhuǎn)速，r/min;TOB為扭矩，KN×m。

1.2 鉆頭扭矩的求取

在工程現(xiàn)場(chǎng)條件下，鉆頭扭矩?zé)o法像鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆速這些鉆井參數(shù)通過(guò)地面儀器進(jìn)行測(cè)量，因此，準(zhǔn)確求取鉆頭扭矩是比能理論關(guān)鍵所在。該文考慮巖石類(lèi)型（選擇了砂巖、花崗巖和灰?guī)r三種巖性）、水功率、轉(zhuǎn)速和鉆壓四項(xiàng)因素在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)。建立鉆頭扭矩的多元線(xiàn)性回歸模型如下[2]：

·WOB·DB ? （2）

因此，根據(jù)對(duì)扭矩的精確的計(jì)算該文優(yōu)化出一種比較理想的機(jī)械比能模型[3]，即：

（3）

式中DB為鉆頭直徑，mm;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉(zhuǎn)速，r/min。

2 PDC鉆速方程的選取

該文中PDC鉆頭的鉆速方程由Motahari等人提出：

（4）

式中b為系數(shù)為CCS為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa;a為PDC鉆頭的后粑角;θ為側(cè)傾角;Wf為鉆頭磨損函數(shù)。

3 利用MSE和CCS求取PDC鉆頭的磨損系數(shù)

MSE可以從式（3）計(jì)算得出，而CCS將從鉆速方程中推導(dǎo)得出：

（5）

系數(shù)d可以通過(guò)錄井資料的米數(shù)據(jù)獲得，而利用該系數(shù)可以順利地計(jì)算出鉆頭磨損分級(jí)情況（Normalized即歸一化，單位無(wú)量綱），如下式：

（0<h<1） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

假設(shè)鉆頭完全磨損，鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)是1，即方程兩邊等于0，所以A值必須等于1，因此上式可以簡(jiǎn)寫(xiě)成：

（7）

最后，該文通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得出B和h之間的關(guān)系，。綜合公式（7）可推到公式：

（8）

機(jī)械比能（MSE）考慮了鉆頭磨損的影響，通過(guò)反算三軸巖石抗壓強(qiáng)度（CCS）可以計(jì)算出實(shí)時(shí)的鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)。計(jì)算所得到的鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)（h）可以進(jìn)一步推導(dǎo)得出實(shí)際情況下的鉆頭磨損分級(jí)情況，而這種轉(zhuǎn)換是通過(guò)下面的公式（根據(jù)IADC標(biāo)準(zhǔn)鉆頭磨損分級(jí)為8個(gè)等級(jí)）[3-5]：

（9）

4 MKT-1井的計(jì)算實(shí)例

該文對(duì)江蘇石油工程公司在阿爾及利亞（Bloc 438c）所鉆的MKT-1井進(jìn)行了實(shí)例的應(yīng)用計(jì)算，考慮到該井大部分井段都采用了PDC鉆頭，只有一開(kāi)時(shí)采用的牙輪鉆頭，所以該方法基本適用于MKT-1井。綜合MKT-1井的鉆頭參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況和新方法計(jì)算的鉆頭磨損分級(jí)系數(shù)，我們可以列表將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比：

通過(guò)該方法計(jì)算所得數(shù)據(jù)與鉆頭實(shí)際磨損情況基本吻合，所以該方法可以有效地對(duì)PDC鉆頭的磨損情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。

5 結(jié)論

綜合考慮巖石抗壓強(qiáng)度和機(jī)械比能模型，提出一種對(duì)PDC鉆頭磨損進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的新方法。

利用巖石抗壓強(qiáng)度而不是巖石的可鉆性，我們可以有效地計(jì)算鉆頭磨損等級(jí)系數(shù)。

這種方法通過(guò)計(jì)算巖石抗壓強(qiáng)度和實(shí)時(shí)的鉆頭磨損系數(shù)能有效地優(yōu)化鉆井性能，有利于鉆井作業(yè)，減少鉆井成本。

參考文獻(xiàn)

[1] R.Teal.The Concept of Specific Energy in Rock Drilling.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.1965（2）：57-63.

[2] 景寧，樊洪海，徐術(shù)國(guó)，等.基于比能理論的鉆頭工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究[J].斷塊油氣田，2011：538-540.

[3] 樊洪海，馮廣慶，肖偉，等.基于機(jī)械比能理論的鉆頭磨損監(jiān)測(cè)新方法[J].石油鉆探技術(shù)，2012：21-25.

[4] Kshitij Mohan，F(xiàn)araaz Adil， Robello Samuel.Tracking Drilling Efficiency Using Hydro-Mechanical Specific Energy.SPE/IADC 119421，2009.