PDC鉆頭磨損監測新方法研究

周波+肖偉

摘 要：該文通過結合機械比能理論和鉆速方程提出了一種新的鉆頭磨損監測方法，該方法綜合考慮了機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。該文通過中石化國際工程有限公司在阿爾及利亞打鉆的MKT-1井進行了鉆頭磨損分級的計算，計算結果與實測數據基本一致，證明該方法的科學性，對提高鉆井效率具有一定的指導意義。

關鍵詞：機械比能 ?鉆速方程 ?鉆頭磨損分級系數

中圖分類號：TE922101 ? ?文獻標識碼：A ?文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0012-02

以前預測鉆頭磨損的方法都是建立在賓漢鉆速方程基礎上，由于該方程只適合牙輪鉆頭鉆速規律，所以不適用于PDC鉆頭。綜合考慮各種鉆井因素和鉆頭設計參數，該文先利用合適的PDC鉆速方程計算巖石抗壓強度，然后結合機械比能模型來求取鉆頭的磨損等級系數。

1 機械比能理論

1.1 機械比能理論概述

傳統的評價鉆井性能的方法是采用統計方法，根據偏差進行分析，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，符合技術性能標準的物理模型，即機械比能模型（MSE，Mechanical Specific Energy）。通過對國內外的調研資料來看，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為機械比能，MPa;AB鉆頭面積，;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉速，r/min;TOB為扭矩，KN×m。

1.2 鉆頭扭矩的求取

在工程現場條件下，鉆頭扭矩無法像鉆壓、轉速、鉆速這些鉆井參數通過地面儀器進行測量，因此，準確求取鉆頭扭矩是比能理論關鍵所在。該文考慮巖石類型（選擇了砂巖、花崗巖和灰巖三種巖性）、水功率、轉速和鉆壓四項因素在室內模擬實驗。建立鉆頭扭矩的多元線性回歸模型如下[2]：

·WOB·DB ? （2）

因此，根據對扭矩的精確的計算該文優化出一種比較理想的機械比能模型[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為系數為CCS為巖石抗壓強度，MPa;a為PDC鉆頭的后粑角;θ為側傾角;Wf為鉆頭磨損函數。

3 利用MSE和CCS求取PDC鉆頭的磨損系數

MSE可以從式（3）計算得出，而CCS將從鉆速方程中推導得出：

（5）

系數d可以通過錄井資料的米數據獲得，而利用該系數可以順利地計算出鉆頭磨損分級情況（Normalized即歸一化，單位無量綱），如下式：

（0<h<1） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

假設鉆頭完全磨損，鉆頭磨損分級系數是1，即方程兩邊等于0，所以A值必須等于1，因此上式可以簡寫成：

（7）

最后，該文通過大量的現場數據的統計得出B和h之間的關系，。綜合公式（7）可推到公式：

（8）

機械比能（MSE）考慮了鉆頭磨損的影響，通過反算三軸巖石抗壓強度（CCS）可以計算出實時的鉆頭磨損分級系數。計算所得到的鉆頭磨損分級系數（h）可以進一步推導得出實際情況下的鉆頭磨損分級情況，而這種轉換是通過下面的公式（根據IADC標準鉆頭磨損分級為8個等級）[3-5]：

（9）

4 MKT-1井的計算實例

該文對江蘇石油工程公司在阿爾及利亞（Bloc 438c）所鉆的MKT-1井進行了實例的應用計算，考慮到該井大部分井段都采用了PDC鉆頭，只有一開時采用的牙輪鉆頭，所以該方法基本適用于MKT-1井。綜合MKT-1井的鉆頭參數統計情況和新方法計算的鉆頭磨損分級系數，我們可以列表將這些數據進行對比：

通過該方法計算所得數據與鉆頭實際磨損情況基本吻合，所以該方法可以有效地對PDC鉆頭的磨損情況進行實時的監測和預測。

5 結論

綜合考慮巖石抗壓強度和機械比能模型，提出一種對PDC鉆頭磨損進行實時監測的新方法。

利用巖石抗壓強度而不是巖石的可鉆性，我們可以有效地計算鉆頭磨損等級系數。

這種方法通過計算巖石抗壓強度和實時的鉆頭磨損系數能有效地優化鉆井性能，有利于鉆井作業，減少鉆井成本。

參考文獻

[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，徐術國，等.基于比能理論的鉆頭工作狀態監測方法研究[J].斷塊油氣田，2011：538-540.

[3] 樊洪海，馮廣慶，肖偉，等.基于機械比能理論的鉆頭磨損監測新方法[J].石油鉆探技術，2012：21-25.

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

摘 要：該文通過結合機械比能理論和鉆速方程提出了一種新的鉆頭磨損監測方法，該方法綜合考慮了機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。該文通過中石化國際工程有限公司在阿爾及利亞打鉆的MKT-1井進行了鉆頭磨損分級的計算，計算結果與實測數據基本一致，證明該方法的科學性，對提高鉆井效率具有一定的指導意義。

關鍵詞：機械比能 ?鉆速方程 ?鉆頭磨損分級系數

中圖分類號：TE922101 ? ?文獻標識碼：A ?文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0012-02

以前預測鉆頭磨損的方法都是建立在賓漢鉆速方程基礎上，由于該方程只適合牙輪鉆頭鉆速規律，所以不適用于PDC鉆頭。綜合考慮各種鉆井因素和鉆頭設計參數，該文先利用合適的PDC鉆速方程計算巖石抗壓強度，然后結合機械比能模型來求取鉆頭的磨損等級系數。

1 機械比能理論

1.1 機械比能理論概述

傳統的評價鉆井性能的方法是采用統計方法，根據偏差進行分析，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，符合技術性能標準的物理模型，即機械比能模型（MSE，Mechanical Specific Energy）。通過對國內外的調研資料來看，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為機械比能，MPa;AB鉆頭面積，;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉速，r/min;TOB為扭矩，KN×m。

1.2 鉆頭扭矩的求取

在工程現場條件下，鉆頭扭矩無法像鉆壓、轉速、鉆速這些鉆井參數通過地面儀器進行測量，因此，準確求取鉆頭扭矩是比能理論關鍵所在。該文考慮巖石類型（選擇了砂巖、花崗巖和灰巖三種巖性）、水功率、轉速和鉆壓四項因素在室內模擬實驗。建立鉆頭扭矩的多元線性回歸模型如下[2]：

·WOB·DB ? （2）

因此，根據對扭矩的精確的計算該文優化出一種比較理想的機械比能模型[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為系數為CCS為巖石抗壓強度，MPa;a為PDC鉆頭的后粑角;θ為側傾角;Wf為鉆頭磨損函數。

3 利用MSE和CCS求取PDC鉆頭的磨損系數

MSE可以從式（3）計算得出，而CCS將從鉆速方程中推導得出：

（5）

系數d可以通過錄井資料的米數據獲得，而利用該系數可以順利地計算出鉆頭磨損分級情況（Normalized即歸一化，單位無量綱），如下式：

（0<h<1） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

假設鉆頭完全磨損，鉆頭磨損分級系數是1，即方程兩邊等于0，所以A值必須等于1，因此上式可以簡寫成：

（7）

最后，該文通過大量的現場數據的統計得出B和h之間的關系，。綜合公式（7）可推到公式：

（8）

機械比能（MSE）考慮了鉆頭磨損的影響，通過反算三軸巖石抗壓強度（CCS）可以計算出實時的鉆頭磨損分級系數。計算所得到的鉆頭磨損分級系數（h）可以進一步推導得出實際情況下的鉆頭磨損分級情況，而這種轉換是通過下面的公式（根據IADC標準鉆頭磨損分級為8個等級）[3-5]：

（9）

4 MKT-1井的計算實例

該文對江蘇石油工程公司在阿爾及利亞（Bloc 438c）所鉆的MKT-1井進行了實例的應用計算，考慮到該井大部分井段都采用了PDC鉆頭，只有一開時采用的牙輪鉆頭，所以該方法基本適用于MKT-1井。綜合MKT-1井的鉆頭參數統計情況和新方法計算的鉆頭磨損分級系數，我們可以列表將這些數據進行對比：

通過該方法計算所得數據與鉆頭實際磨損情況基本吻合，所以該方法可以有效地對PDC鉆頭的磨損情況進行實時的監測和預測。

5 結論

綜合考慮巖石抗壓強度和機械比能模型，提出一種對PDC鉆頭磨損進行實時監測的新方法。

利用巖石抗壓強度而不是巖石的可鉆性，我們可以有效地計算鉆頭磨損等級系數。

這種方法通過計算巖石抗壓強度和實時的鉆頭磨損系數能有效地優化鉆井性能，有利于鉆井作業，減少鉆井成本。

參考文獻

[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，徐術國，等.基于比能理論的鉆頭工作狀態監測方法研究[J].斷塊油氣田，2011：538-540.

[3] 樊洪海，馮廣慶，肖偉，等.基于機械比能理論的鉆頭磨損監測新方法[J].石油鉆探技術，2012：21-25.

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

摘 要：該文通過結合機械比能理論和鉆速方程提出了一種新的鉆頭磨損監測方法，該方法綜合考慮了機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。該文通過中石化國際工程有限公司在阿爾及利亞打鉆的MKT-1井進行了鉆頭磨損分級的計算，計算結果與實測數據基本一致，證明該方法的科學性，對提高鉆井效率具有一定的指導意義。

關鍵詞：機械比能 ?鉆速方程 ?鉆頭磨損分級系數

中圖分類號：TE922101 ? ?文獻標識碼：A ?文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0012-02

以前預測鉆頭磨損的方法都是建立在賓漢鉆速方程基礎上，由于該方程只適合牙輪鉆頭鉆速規律，所以不適用于PDC鉆頭。綜合考慮各種鉆井因素和鉆頭設計參數，該文先利用合適的PDC鉆速方程計算巖石抗壓強度，然后結合機械比能模型來求取鉆頭的磨損等級系數。

1 機械比能理論

1.1 機械比能理論概述

傳統的評價鉆井性能的方法是采用統計方法，根據偏差進行分析，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，符合技術性能標準的物理模型，即機械比能模型（MSE，Mechanical Specific Energy）。通過對國內外的調研資料來看，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為機械比能，MPa;AB鉆頭面積，;WOB為鉆壓，KN;ROP為鉆速，m/h;RPM為轉速，r/min;TOB為扭矩，KN×m。

1.2 鉆頭扭矩的求取

在工程現場條件下，鉆頭扭矩無法像鉆壓、轉速、鉆速這些鉆井參數通過地面儀器進行測量，因此，準確求取鉆頭扭矩是比能理論關鍵所在。該文考慮巖石類型（選擇了砂巖、花崗巖和灰巖三種巖性）、水功率、轉速和鉆壓四項因素在室內模擬實驗。建立鉆頭扭矩的多元線性回歸模型如下[2]：

·WOB·DB ? （2）

因此，根據對扭矩的精確的計算該文優化出一種比較理想的機械比能模型[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為系數為CCS為巖石抗壓強度，MPa;a為PDC鉆頭的后粑角;θ為側傾角;Wf為鉆頭磨損函數。

3 利用MSE和CCS求取PDC鉆頭的磨損系數

MSE可以從式（3）計算得出，而CCS將從鉆速方程中推導得出：

（5）

系數d可以通過錄井資料的米數據獲得，而利用該系數可以順利地計算出鉆頭磨損分級情況（Normalized即歸一化，單位無量綱），如下式：

（0<h<1） ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

假設鉆頭完全磨損，鉆頭磨損分級系數是1，即方程兩邊等于0，所以A值必須等于1，因此上式可以簡寫成：

（7）

最后，該文通過大量的現場數據的統計得出B和h之間的關系，。綜合公式（7）可推到公式：

（8）

機械比能（MSE）考慮了鉆頭磨損的影響，通過反算三軸巖石抗壓強度（CCS）可以計算出實時的鉆頭磨損分級系數。計算所得到的鉆頭磨損分級系數（h）可以進一步推導得出實際情況下的鉆頭磨損分級情況，而這種轉換是通過下面的公式（根據IADC標準鉆頭磨損分級為8個等級）[3-5]：

（9）

4 MKT-1井的計算實例

該文對江蘇石油工程公司在阿爾及利亞（Bloc 438c）所鉆的MKT-1井進行了實例的應用計算，考慮到該井大部分井段都采用了PDC鉆頭，只有一開時采用的牙輪鉆頭，所以該方法基本適用于MKT-1井。綜合MKT-1井的鉆頭參數統計情況和新方法計算的鉆頭磨損分級系數，我們可以列表將這些數據進行對比：

通過該方法計算所得數據與鉆頭實際磨損情況基本吻合，所以該方法可以有效地對PDC鉆頭的磨損情況進行實時的監測和預測。

5 結論

綜合考慮巖石抗壓強度和機械比能模型，提出一種對PDC鉆頭磨損進行實時監測的新方法。

利用巖石抗壓強度而不是巖石的可鉆性，我們可以有效地計算鉆頭磨損等級系數。

這種方法通過計算巖石抗壓強度和實時的鉆頭磨損系數能有效地優化鉆井性能，有利于鉆井作業，減少鉆井成本。

參考文獻

[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，徐術國，等.基于比能理論的鉆頭工作狀態監測方法研究[J].斷塊油氣田，2011：538-540.

[3] 樊洪海，馮廣慶，肖偉，等.基于機械比能理論的鉆頭磨損監測新方法[J].石油鉆探技術，2012：21-25.

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