PDC鉆頭磨損監(jiān)測新方法研究

　　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(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計參數(shù)，該文先利用合適的PDC鉆速方程計算巖石抗壓強度，然后結(jié)合機械比能模型來求取鉆頭的磨損等級系數(shù)。
　　1 機械比能理論
　　1.1 機械比能理論概述
　　傳統(tǒng)的評價鉆井性能的方法是采用統(tǒng)計方法，根據(jù)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(nèi)外的調(diào)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]：
　?。?）
　　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(zhuǎn)速，r/min;TOB為扭矩，KN×m。
　　1.2 鉆頭扭矩的求取
　　在工程現(xiàn)場條件下，鉆頭扭矩無法像鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆速這些鉆井參數(shù)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?guī)r三種巖性）、水功率、轉(zhuǎn)速和鉆壓四項因素在室內(nèi)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(jù)對扭矩的精確的計算該文優(yōu)化出一種比較理想的機械比能模型[3]，即：
　?。?）
　　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）計算得出，而CCS將從鉆速方程中推導得出：
　　（5）
　　系數(shù)d可以通過錄井資料的米數(shù)據(jù)獲得，而利用該系數(shù)可以順利地計算出鉆頭磨損分級情況（Normalized即歸一化，單位無量綱），如下式：
　?。?<h<1）                  （6）
　　假設鉆頭完全磨損，鉆頭磨損分級系數(shù)是1，即方程兩邊等于0，所以A值必須等于1，因此上式可以簡寫成：
　?。?）
　　最后，該文通過大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)的統(tǒng)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(shù)。計算所得到的鉆頭磨損分級系數(shù)（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(zhuǎn)換是通過下面的公式（根據(jù)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(shù)統(tǒng)計情況和新方法計算的鉆頭磨損分級系數(shù)，我們可以列表將這些數(shù)據(jù)進行對比：
　　通過該方法計算所得數(shù)據(jù)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(jiān)測和預測。
　　5 結(jié)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(jiān)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(shù)。
　　這種方法通過計算巖石抗壓強度和實時的鉆頭磨損系數(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。