鉆頭磨損監(jiān)測(cè)方法研究

徐　林，邵　春，褚志偉

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074）

鉆頭磨損監(jiān)測(cè)方法研究

徐林*，邵春，褚志偉

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074）

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外鉆、錄井軟件設(shè)備無(wú)法監(jiān)測(cè)鉆頭磨損狀況的現(xiàn)狀，對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外鉆頭磨損監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究，闡述其基本原理，指出其適用特點(diǎn)。最后，利用2口井的資料對(duì)主要方法進(jìn)行了應(yīng)用對(duì)比分析，由分析可知，Rashidi改進(jìn)模型、Liu模型監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，且對(duì)鉆頭扭矩?cái)?shù)據(jù)無(wú)依賴性，而現(xiàn)場(chǎng)很少配備鉆頭扭矩監(jiān)測(cè)儀，因此，Rashidi改進(jìn)模型、Liu模型適合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆頭磨損工況監(jiān)測(cè)。

鉆井工程；鉆頭磨損；監(jiān)測(cè)方法；實(shí)例分析

在鉆井工程中，鉆速是鉆井參數(shù)優(yōu)化的一個(gè)重要參數(shù)，適當(dāng)提高鉆速能夠縮短建井周期，節(jié)約建井成本［1］。鉆頭磨損是影響鉆速的主要因素之一，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭與地層的相互作用會(huì)導(dǎo)致鉆頭磨損，使得鉆速和鉆井效率降低。及時(shí)取出已磨損的鉆頭能夠有效提高機(jī)械鉆速，避免鉆頭事故，但過(guò)早取出未充分使用的鉆頭，會(huì)造成浪費(fèi)［2］。因此，實(shí)時(shí)掌握鉆頭磨損程度有助于現(xiàn)場(chǎng)工程師制定合理的鉆進(jìn)參數(shù)和起下鉆的決策。

目前，鉆井現(xiàn)場(chǎng)雖配備有很多先進(jìn)軟件和設(shè)備，如Landmark、DrillingOffice、綜合錄井儀等，其能夠較為準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)，但均沒(méi)有鉆頭磨損監(jiān)測(cè)功能，究其原因，由于鉆頭多樣性和井下工況復(fù)雜性，一種鉆頭磨損監(jiān)測(cè)模型很難滿足工程應(yīng)用的需求，缺乏對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)模型體系。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鉆頭磨損方面進(jìn)行了一些研究。特別是最近幾年，國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量較多，提出了多種監(jiān)測(cè)新方法，如基于機(jī)械比能的Rashidi模型［3～4］及其改進(jìn)模型［5］，基于PDC鉆頭單齒磨損分析的Liu模型［6］和Gouda模型［7］。而國(guó)內(nèi)近幾年相關(guān)研究偏少，同時(shí)也沒(méi)有鉆頭磨損監(jiān)測(cè)方法綜合性的研究。基于此，筆者調(diào)研國(guó)內(nèi)外鉆頭磨損監(jiān)測(cè)方法，分析各方法基本原理和應(yīng)用特性，并給出主要模型應(yīng)用實(shí)例分析，以期為國(guó)內(nèi)相關(guān)鉆、錄井軟件鉆頭磨損監(jiān)測(cè)功能的開發(fā)、改進(jìn)提供參考。

1　監(jiān)測(cè)方法原理

1.1機(jī)械比能法

（1）Rashidi模型。Rashidi模型［3～4］利用Young鉆速模型計(jì)算地層可鉆性，結(jié)合機(jī)械比能計(jì)算鉆頭磨損級(jí)數(shù)。

機(jī)械比能與地層可鉆性關(guān)系式：

歸一化處理（1/K1），其與鉆頭相對(duì)磨損量關(guān)系式為：

鉆頭磨損級(jí)數(shù)：

式中：MSE——機(jī)械比能，MPa；

k1——表示巖石可鉆性；

h——鉆頭相對(duì)磨損量；

ΔBG——鉆頭磨損級(jí)數(shù)；

K1、B——系數(shù)；

（2）Rashidi改進(jìn)模型。Rashidi改進(jìn)模型［5，8-10］在原模型的基礎(chǔ)上，利用圍壓下巖石抗壓強(qiáng)度CS代替地層可鉆性，結(jié)合機(jī)械比能計(jì)算鉆頭磨損級(jí)數(shù)。

機(jī)械比能與圍壓下巖石抗壓強(qiáng)度關(guān)系式：

同Rashidi模型，歸一化處理（1/K2），計(jì)算鉆頭磨損級(jí)數(shù)。

式中：CS——圍壓下巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；

K2——系數(shù)。

（3）機(jī)械比能基線法。Waughman提出機(jī)械比能基線法［11］，利用測(cè)井儀測(cè)量地層自然伽馬，確定地層類型，建立該地層條件下新鉆頭機(jī)械比能基線。通過(guò)比較實(shí)時(shí)錄井的機(jī)械比能與新鉆頭機(jī)械比能基準(zhǔn)值，評(píng)估當(dāng)前鉆頭的磨損程度。

1.2高德利模型

高德利教授提出視鉆頭效率模型［12］，根據(jù)視鉆頭效率計(jì)算鉆頭磨損級(jí)數(shù)。

視鉆頭效率：

鉆頭磨損級(jí)數(shù)：

式中：Ed——視鉆頭效率；

TD——無(wú)因次鉆頭扭矩；

RD——無(wú)因次鉆速；

t1、t2——系數(shù)。

1.3單齒磨損模型

（1）Liu模型。Liu［6］分析單齒磨損體積與地層參數(shù)、鉆進(jìn)參數(shù)的關(guān)系，提出一種PDC鉆頭磨損模型。

牙齒相對(duì)磨損量：

牙齒磨損級(jí)數(shù)：

式中：y——牙齒相對(duì)磨損量；

α0——石英相對(duì)含量；

X——鉆頭進(jìn)尺增量，m；

k2——系數(shù)；

下標(biāo)i——第i次錄入的參數(shù)；

V0——牙齒初始體積，mm3。

根據(jù)Liu模型，α0和CS可以利用伽馬測(cè)井計(jì)算。在已知鉆頭入井的初始磨損級(jí)數(shù)的情況下，通過(guò)迭代的方法能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算鉆頭磨損級(jí)數(shù)。

（2）Gouda模型。Gouda［7］根據(jù)鉆頭牙齒剪切破巖機(jī)理，建立PDC鉆頭牙齒高度方程評(píng)估鉆頭磨損程度。

牙齒高度方程：

由實(shí)時(shí)牙齒高度和牙齒初始高度計(jì)算鉆頭磨損級(jí)數(shù)：

式中：dc——牙齒高度，m；

dc0——牙齒初始高度，m；

γ——鉆頭扭矩修正系數(shù)；

r——牙齒半徑，mm；

Nc——牙齒數(shù)；

fa——單齒承受的鉆壓，kN；

TBitcal——計(jì)算的鉆頭扭矩，kN·m；

d——最內(nèi)層牙齒到鉆頭中心的距離，mm。

（3）詹俊峰模型。詹俊峰［13］分析鉆頭單齒破巖機(jī)理和力、能量平衡理論，提出利用鉆頭磨損狀態(tài)參數(shù)評(píng)估鉆頭磨損程度的方法。

鉆頭磨損狀態(tài)參數(shù)：

其中： D1=RDB/（WN）0D2=TR/（W2N）0Dr=TR/（W2N）

鉆頭磨損級(jí)數(shù)：

式中：ξ——磨損狀態(tài)參數(shù)；

μ——鉆頭與地層間的滑動(dòng)系數(shù)；

R——鉆速，m/h；

W——鉆壓，kN；

DB——鉆頭直徑，mm；

N——轉(zhuǎn)速，r/min；

T——扭矩，kN·m；

下標(biāo)0——鉆頭初始鉆進(jìn)參數(shù)。

1.4扭矩鉆時(shí)判別法

吳西順［2］根據(jù)扭矩和鉆時(shí)與鉆頭磨損的關(guān)系，提出扭矩和鉆時(shí)相對(duì)變化量安全區(qū)域法判斷鉆頭磨損狀態(tài)。以扭矩相對(duì)變化量ΔT/Tˉ為橫坐標(biāo)、鉆時(shí)相對(duì)變化量Δt/tˉ為縱坐標(biāo)組成平面坐標(biāo)系。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和綜合分析方法，確定鉆頭磨損的安全區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域，以判斷鉆頭磨損程度。

1.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

張輝和高德利［14］依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，建立了巖性識(shí)別和鉆頭磨損預(yù)測(cè)的雙重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)樣本對(duì)該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，其能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鉆頭磨損狀況。

2　監(jiān)測(cè)方法分析

對(duì)各方法適用的鉆頭類型和其特點(diǎn)進(jìn)行分析，具體內(nèi)容如表1所示。

3　應(yīng)用實(shí)例分析

應(yīng)用某區(qū)塊A井和B井進(jìn)行鉆頭磨損應(yīng)用分析。其中，A井選取分析井段為83～1675m，使用尺寸為?445mm的牙輪鉆頭，入井時(shí)磨損級(jí)數(shù)為0，最終磨損級(jí)數(shù)為2；B井選取分析井段為2018～2930m，使用尺寸為?311mm 的PDC鉆頭，入井時(shí)磨損級(jí)數(shù)為0，最終磨損等級(jí)為4。A井和B井的巖石抗壓強(qiáng)度、機(jī)械比能和鉆頭磨損曲線分別如圖1、圖2所示。

表1　鉆頭磨損監(jiān)測(cè)方法分析

圖1　A井83～1675m段抗壓強(qiáng)度、機(jī)械比能、鉆頭磨損等級(jí)曲線

圖2　B井2018～2930m段抗壓強(qiáng)度、機(jī)械比能、鉆頭磨損等級(jí)曲線

根據(jù)圖1，Rashidi改進(jìn)模型、高德利模型、詹俊峰模型鉆頭最終磨損級(jí)數(shù)分別為2.1、1.5和0.5，因此，Rashidi改進(jìn)模型監(jiān)測(cè)值與鉆頭磨損實(shí)測(cè)值2更接近，準(zhǔn)確性較高。分析3種模型監(jiān)測(cè)值的變化趨勢(shì)，Rashidi改進(jìn)模型監(jiān)測(cè)值隨鉆頭進(jìn)尺增加，高德利模型監(jiān)測(cè)值在1388m之前穩(wěn)定在1附近，這與鉆頭初始磨損級(jí)數(shù)為0不符，詹俊峰模型監(jiān)測(cè)值波動(dòng)較大，因此，Rashidi改進(jìn)模型監(jiān)測(cè)值變化趨勢(shì)比較符合鉆頭實(shí)際磨損規(guī)律。

根據(jù)圖2，Rashidi改進(jìn)模型、Liu模型、Gouda模型鉆頭最終磨損級(jí)數(shù)分別為3.8、3.6和6。因此，Rashidi改進(jìn)模型、Liu模型監(jiān)測(cè)值與鉆頭磨損實(shí)測(cè)值4更接近，準(zhǔn)確性較高。分析3種模型監(jiān)測(cè)值的變化趨勢(shì)，Rashidi改進(jìn)模型、Liu模型隨鉆頭進(jìn)尺增加，且兩者變化趨勢(shì)相吻合，而Gouda模型監(jiān)測(cè)值波動(dòng)較大，因此，Rashidi改進(jìn)模型、Liu模型監(jiān)測(cè)值變化趨勢(shì)比較符合鉆頭實(shí)際磨損規(guī)律。

綜合分析，由于現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有實(shí)測(cè)鉆頭扭矩，分析中用轉(zhuǎn)盤扭矩代替鉆頭扭矩計(jì)算，其與鉆頭真實(shí)扭矩存在一定偏差，高德利模型、詹俊峰模型和Gouda模型監(jiān)測(cè)效果不理想。而在無(wú)實(shí)測(cè)鉆頭扭矩的情況下，Rashidi改進(jìn)模型、Liu模型能夠較好地監(jiān)測(cè)鉆頭磨損狀況，準(zhǔn)確性較高，且Rashidi改進(jìn)模型對(duì)牙輪鉆頭和PDC鉆頭均能適用。

4　結(jié)論與建議

（1）對(duì)國(guó)內(nèi)外鉆頭磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究，將其歸為5類，并分析了各方法的適用特點(diǎn)。

（2）Rashidi改進(jìn)模型、Liu模型對(duì)鉆頭扭矩?cái)?shù)據(jù)無(wú)依賴性，且監(jiān)測(cè)精度較高，具有較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值；

（3）由于鉆頭多樣性和井下工況復(fù)雜性，建議使用多個(gè)模型綜合分析、預(yù)測(cè)鉆頭磨損狀況，以提高監(jiān)測(cè)精度。

［1］李廣，郭辛陽(yáng)，李娟.提高鉆速新技術(shù)研究進(jìn)展［J］.鉆采工藝，2010，33（6）：31-35.

［2］吳西順.判斷鉆頭磨損程度的新方法［J］.錄井技術(shù)，1999，10 （3）：29-33.

［3］Rashidi B，Hareland G，Nygaard R.Real-time Drill Bit Wear Prediction By Combining Rock Energy And Drilling Strength Concepts［R］.Spe 117109，2008.

［4］Rashidi B，Hareland G，Tahmeen M，Et Al.Real-time Bit Wear Optimization Using The Intelligent Drilling Advisory System［R］.Spe 136006，2010.

［5］Rashidi B，Hareland G.Wu Z.New Approach In Real-time Bit Wear Prediction［R］.Spe 136008，2010.

［6］Liu Z，Marland C，Li D，Et Al.An Analytical Model Coupled With Data Analytics to Estimate PDC Bit Wear［R］.Spe 169451，2014.

［7］Gouda G M，Maestrami-eni M，Abu Saif M A，Et Al.A Real Mathematical Model to Compute The PDC Cutter Wear Value to Terminate PDC Bit Run［R］.Spe 140151，2011.

［8］樊洪海，馮馬慶，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)，2012，40（3）：116-120.

［9］周波，肖偉.PDC鉆頭磨損監(jiān)測(cè)新方法研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2014，31：12轉(zhuǎn)14.

［10］陳緒躍，樊洪海，高德利，等.機(jī)械比能理論及其在鉆井工程中的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2015，38（1）：6-10.

［11］Waughman R J，Kenner J V，Moore R A.Real-time Specific Energy Monitoring Reveals Drilling Inefficiency and Enhances The Understanding Of When to Pull Worn PDC Bits［R］.SPE/IADC 74520，2002.

［12］高德利，張輝，王家祥.地層巖性與鉆頭工況的評(píng)估方法研究及其應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，1998，20（1）：8-11.

［13］詹俊峰，高德利，劉希圣.地層抗鉆強(qiáng)度與鉆頭磨損實(shí)用評(píng)估方法［J］.石油鉆采工藝，1997，19（6）：16-23.

［14］張輝，高德利.鉆井巖性實(shí)時(shí)識(shí)別方法研究［J］.石油鉆采工藝，2005，27（1）：13-15.

TE2

A

1004-5716（2016）09-0023-04

2015-10-21

2015-10-23

徐林（1990-），男（漢族），湖北咸寧人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)<武漢>資源學(xué)院石油工程系2014屆在讀碩士，研究方向：定向井工程。