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技術(shù)文獻

PDC鉆頭磨損監(jiān)測新方法

發(fā)表時間:2018-12-14 10:30

    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(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)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]:
  (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?zé)o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(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(dǎo)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(shè)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(guān)系,。綜合公式(7)可推到公式:
 ?。?)
  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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yù)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。

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