專(zhuān)利名稱：利用pdc鉆頭於井眼軌跡預(yù)測(cè)與控制的方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)於多結(jié)晶人工鉆石鉆頭(簡(jiǎn)稱為PDC鉆頭)的。特別是，本發(fā)明涉及多結(jié)晶人工鉆石鉆頭的成形、制造、及其在鉆井工程的應(yīng)用。本發(fā)明并涉及用多結(jié)晶人工鉆石鉆頭鉆井時(shí)井眼軌跡的預(yù)測(cè)與控制的方法。
油氣工業(yè)在近十年來(lái)有急進(jìn)的技術(shù)改良，尤其在MWD(隨鉆測(cè)井)、定向及水平鉆井、各類(lèi)鉆井工具及設(shè)備，尤其是PDC鉆頭的改良、以及解析與偵測(cè)能力的推展?？偤系男Ч?，造成鉆井費(fèi)用的逐步降低，定向鉆井，尤其是高傾角、長(zhǎng)伸距、及水平鉆井，更受采用。以后也會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大使用。
在此同時(shí)，由於油氣公司的精簡(jiǎn)措施，更多油氣井將以“轉(zhuǎn)鑰”方式，以預(yù)定的標(biāo)價(jià)，全部交給服務(wù)公司處理。服務(wù)公司如果能改進(jìn)鉆井的速度與質(zhì)量，并且避免鉆井事故，可獲得巨大的利潤(rùn)。反之，如果因?yàn)殂@井技術(shù)不好而遇到鉆井事故及耽擱，將附巨大的賠償。僅僅一次嚴(yán)重的鉆井事故，如卡鉆，遺失鉆桿於井下，或封井，甚或需要旁側(cè)鉆井，將導(dǎo)致數(shù)十萬(wàn)，甚至數(shù)百萬(wàn)美元的損失。
此外，鉆井質(zhì)量不但影響鉆井作業(yè)而已。它對(duì)油氣井的整體經(jīng)濟(jì)效益并有下列的中、長(zhǎng)程的影響完井與修井、油藏的維護(hù)、油氣回收率、以及油氣田開(kāi)發(fā)的總經(jīng)濟(jì)效益。如果鉆井井眼有許多問(wèn)題，如“狗腿”彎曲、需鉸擴(kuò)井眼而導(dǎo)致井徑過(guò)大時(shí)會(huì)增加泥漿費(fèi)用，另外在下裝套管、水泥固井、完井時(shí)會(huì)增加許多問(wèn)題，甚至導(dǎo)致封井。反而言之，如果能鉆成更長(zhǎng)且平滑的水平井段，人們可大量提高油氣田回收的經(jīng)濟(jì)效益，也可導(dǎo)致薄油氣層之開(kāi)發(fā)可行性?？偠灾凶罴训漠a(chǎn)油氣井，必須鉆最優(yōu)化的井眼。
鉆井的優(yōu)化，莫過(guò)於使井眼軌跡平滑，兼且定向準(zhǔn)確。為達(dá)成此目的，除了用目前已有各種方法來(lái)控制井眼的傾角外，還必須有更好的方法來(lái)控制井眼的方位角。這點(diǎn)在水平井段內(nèi)特別重要。這樣可以減少井眼軌跡矯正的需要，大大減少鉆井事故的發(fā)生。
方位角漂移的現(xiàn)象，在用帶彎管馬達(dá)鉆井時(shí)，是不可避免的。這是因?yàn)閹澒荞R達(dá)導(dǎo)致極大的鉆頭側(cè)向力。一般的PDC鉆頭有無(wú)法避免且未定的固有漂移傾向，導(dǎo)致方位漂移，而需要不時(shí)矯正工具面，以扳回井眼方位。因而造成波浪形的井眼軌跡，大大地增加了因?yàn)殂@桿與井壁摩擦而產(chǎn)生的井眼阻力與扭矩。這是卡鉆的基本因素。
一般的產(chǎn)油層，是各向同性的。因此，在水平井段內(nèi)，如果使用“反漂移”P(pán)DC鉆頭，將有很良好的效果。這樣可免除因?yàn)榉轿黄贫枰木圮壽E矯正，取得真正準(zhǔn)確的方位角控制。
為達(dá)成此目的，必需先了解井底結(jié)構(gòu)與鉆頭整體系統(tǒng)在鉆井時(shí)偏移的原因。鉆井偏移包括傾角的偏移(造斜或減斜)與方位角的漂移。
迄今為止，仍無(wú)任何理論或模式來(lái)解釋PDC鉆頭漂移的原因。有關(guān)鉆井偏移的理論與模式有下列文獻(xiàn)Lubinski等人早在1953年API的Drilling&Prod.Pract.刊上有一文“Factors Affecting theAngle of Inclination and Doglegging in Rotary Bore Holes”，用力學(xué)原理來(lái)解釋傾角的變化。之后有諸文探討或者是井底結(jié)構(gòu)本身的側(cè)向力之產(chǎn)生，或者是鉆頭本身的各向異性之鉆削性能，或者是兩者一起討論。
到目前最完整的偏移理論與模式是由本發(fā)明人所創(chuàng)的一文“Prediction of Drilling Trajectory in Directional Wells Via a New Rock-Bit Interaction Model”，發(fā)表於1987年SPE年會(huì)，#16658，以及“General Formulation of Drillstring Under Large Deformationand Its Use in BHA Analysis”，發(fā)表於1986年SPE年會(huì)，#15562。前文綜合考慮了巖石與鉆頭同時(shí)是各向異性時(shí)鉆井偏移的三維交互作用。后文首次考慮到在大變形下井底結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。用此理論演算鉆頭側(cè)向力，可以沿用於中曲度的井眼軌跡(每百米增減斜十至三十度)，不像一般線性理論的演算，只適用於小曲度的井眼軌跡(每百米增減斜十度內(nèi))。
上述前文的綜合理論與模式受到美國(guó)1989年二月頒許的#4,804,051專(zhuān)利保護(hù)。此專(zhuān)利描述該綜合理論與模式的應(yīng)用，適合於預(yù)測(cè)與分析巖石與鉆頭皆為各向異性時(shí)的鉆井偏移。順用該理論與模式可預(yù)測(cè)鉆井軌跡，反用該理論與模式可分析鉆頭與巖石的各向異性指數(shù)，甚至可以演導(dǎo)出巖層的傾向表。
上述的綜合理論與模式仍有一些限制(1)鉆頭各向異性指數(shù)假設(shè)為純數(shù)值，而無(wú)法建立與PDC鉆頭切刀的分布與構(gòu)造的關(guān)系。(2)在各向同性巖層中，該模式不會(huì)導(dǎo)致常見(jiàn)的方位漂移，與事實(shí)不符。(3)巖石各向異性指數(shù)與鉆頭各向異性指數(shù)完全獨(dú)立。(4)該模式不能適用於巖層介面。當(dāng)鉆井在多層的軟、硬砂、頁(yè)巖層介面時(shí)，這是一大缺點(diǎn)。
現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)顯示PDC鉆頭大體是左向漂移的，也有一小部分是右向漂移的。但是現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)并未分別考慮巖層各向異性、巖層傾向、井底結(jié)構(gòu)、與井眼軌跡等的各種因素的影響。因此PDC鉆頭本身的漂移基因，迄今仍無(wú)答案。
有關(guān)控制鉆頭漂移的研究發(fā)展有一前例，是美國(guó)1992年3月給Keith等人的專(zhuān)利#5,099,929。該專(zhuān)利描述一不平衡的PDC鉆頭設(shè)計(jì)，目的是導(dǎo)致右漂移傾向。該鉆頭的切刀(Cutter)以特定不平衡的分布，造成一部分鉆頭表面有高密度切刀的分布，而另一部分有低密度切刀的分布。在造斜情況下當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由固定的切刀切入井孔下緣，因而造成右漂移傾向。不過(guò)該專(zhuān)利無(wú)法確定漂移的數(shù)值。
本發(fā)明目標(biāo)之一是確定PDC鉆頭偏移的性能。
本發(fā)明另一目標(biāo)是提出確定PDC鉆頭漂移值的方法。
本發(fā)明另一目標(biāo)是提出如何優(yōu)化地計(jì)劃井眼軌跡以最適合某一PDC鉆頭的漂移特性的方法。
本發(fā)明另一目標(biāo)是提出方法使用單一鉆頭完成全部鉆程(BitRun)而不需任何起下鉆及井跡矯正。
本發(fā)明又一目標(biāo)是利用PDC鉆頭鉆井的漂移特性來(lái)確定巖層的傾向。
本發(fā)明又一目標(biāo)是提出方法導(dǎo)致鉆井的總體費(fèi)用的大量減少，并助益水泥固井與完井。
本發(fā)明再一目標(biāo)是提出方法減低油氣田開(kāi)發(fā)的總體費(fèi)用，并促成目前勉強(qiáng)值得開(kāi)發(fā)的油氣田之開(kāi)發(fā)。
本發(fā)明的這些目標(biāo)與優(yōu)點(diǎn)，將由下面的詳細(xì)說(shuō)明與權(quán)利要求來(lái)解釋。
本發(fā)明是提倡一方法制造PDC鉆頭，使它有所需要的漂移傾向。此方法包括下列步驟(1)控制PDC鉆頭使其有一定的側(cè)向鉆削方向；(2)確定作用於鉆頭的總合側(cè)向力；(3)計(jì)算介於側(cè)向鉆削方向與總合側(cè)向力之間的漂移角；(4)改變PDC鉆頭的切刀分布與結(jié)構(gòu)以及鉆頭剖面曲線以改變此漂移角。
上述計(jì)算PDC鉆頭總合側(cè)向力的步驟，包括計(jì)算與側(cè)向鉆削方向平行的正側(cè)向力，以及因此而產(chǎn)生的切刀摩擦力。PDC鉆頭表面，分布了PDC的切刀。切刀分為兩群，一是孔規(guī)切刀(Gagecutters)、一是鉆面切刀(face Cutters)。但是為方便計(jì)算摩擦力，切刀分為內(nèi)向切刀及外向切刀。內(nèi)向切刀包括在鉆頭凹形剖面內(nèi)緣的切刀，外向切刀包括孔規(guī)切刀及鉆頭表面其它的切刀。外向切刀產(chǎn)生外向切刀總摩擦力，而內(nèi)向切刀產(chǎn)生內(nèi)向切刀總摩擦力。總合這兩個(gè)總摩擦力，即為鉆頭總摩擦力。鉆頭總摩擦力與正側(cè)向力的合力，就是鉆頭總側(cè)向力。鉆頭總側(cè)向力與側(cè)向鉆削方向之間的角度，即是鉆頭漂移角。
外向切刀總摩擦力越大，鉆頭左漂移的傾向也越大。同樣地，內(nèi)向切刀總摩擦力越大，鉆頭右漂移的傾向也越大。要達(dá)到“反漂移”的效果，則需使內(nèi)向切刀總摩擦力與外向切刀總摩擦力取得平衡，也就是說(shuō)，鉆頭剖面必需是凹形的。
在本發(fā)明中，為控制側(cè)向鉆削方向，可同時(shí)測(cè)量鉆頭的總側(cè)向力之?dāng)?shù)值。
為改變鉆頭的漂移角，可以用許多方法改變鉆頭的設(shè)計(jì)。要增加內(nèi)向切刀總摩擦力，可以增加凹形剖面的內(nèi)緣高度、或所有內(nèi)向切刀的切削強(qiáng)性(Cutting agressiveness)反之，要減少外向切刀總摩擦力，可以減少外向切刀的切削強(qiáng)性、或甚至用低摩擦襯片(Low Friction Pad)或圓形鉆石等來(lái)取代孔規(guī)切刀。
總體而言，本發(fā)明總合了單一切刀的切削反應(yīng)特性來(lái)探討PDC鉆頭的鉆削偏移特性，包括鉆頭的漂移本能。在鉆頭的垂直切面上計(jì)算或測(cè)量側(cè)向鉆削方向與總側(cè)向力，即可算出鉆頭的漂移角。人們只要反復(fù)地改變鉆頭剖面以及切刀的分布及結(jié)構(gòu)與切削強(qiáng)性，就可以制造成“反漂移”鉆頭。用反漂移鉆頭在各向同性巖層中、或者平行或者垂直于巖層的層面鉆井，就不會(huì)有任何鉆削漂移的現(xiàn)象。此外，如果確知鉆頭的漂移角，人們也可計(jì)劃最合適於該鉆頭的三維井跡。人們也可選擇有不同漂移角的各種鉆頭來(lái)完成某一特定的三維井跡的鉆井作業(yè)。
本發(fā)明的另一具體表現(xiàn)，是利用PDC鉆頭來(lái)控制井眼軌跡的方法。此方法包括(1)確定鉆頭的偏移特定，(2)測(cè)量或計(jì)算鉆頭所受的側(cè)向力與彎矩，(3)估計(jì)鉆頭在所受的側(cè)向力與彎矩下的偏移傾向，(4)依照此偏移傾向反應(yīng)變化鉆井參數(shù)，來(lái)控制鉆頭的鉆削方向。
上述確定鉆頭偏移傾向的步驟，包括確定鉆頭的傾斜偏移(造斜或減斜)與方位漂移，后者指鉆頭的“固有漂移角”。上述測(cè)量步驟，包括測(cè)量鉆頭的側(cè)向位移與歪斜角。上述估計(jì)鉆頭偏移傾向的步驟，包括在鉆頭至少完成一周轉(zhuǎn)以后的鉆削反應(yīng)。鉆頭所受的側(cè)向力與彎矩是由每一單位切刀的受力總合。鉆頭的“固有漂移角”是鉆頭的側(cè)向鉆削方向與鉆頭的總側(cè)向力之間的角。
圖1是定向井的縱向切面圖，說(shuō)明用於定向鉆井的典型井底組合，包括鉆頭與井底結(jié)構(gòu)。
圖2是垂直於鉆頭的切面圖，顯示鉆頭受力狀況。
圖3a是平底剖面鉆頭的側(cè)向切面圖。
圖3b是該鉆頭的垂直切面圖，顯示其受力狀況。
圖4a是凹形剖面鉆頭的側(cè)向切面圖。
圖4b是該鉆頭的垂直切面圖，顯示其受力狀況。
圖1顯示定向鉆井用的典型井底組合10。井底組合10包括PDC鉆頭12、井底結(jié)構(gòu)14、及鉆鋌15，套串於鉆柱18。鉆頭12用凹形剖面鉆頭顯示。本發(fā)明適用於各類(lèi)不同的PDC鉆頭，有不同的PDC切刀(Cutter)分布於其表面。鉆頭剖面可為凹、凸、或平底。鉆頭12本身可大體成圓筒形，但也可由諸多肋條合成所謂的“魚(yú)尾”(fish Tail)剖面。井底結(jié)構(gòu)14可包括帶彎管或不帶彎管馬達(dá)。鉆鋌15套串於鉆柱18。鉆鋌15可套裝滿孔或不滿孔的扶正器16。井底結(jié)構(gòu)14可用一般方法與鉆臺(tái)面的控制系統(tǒng)連接。井底結(jié)構(gòu)14與鉆頭12及鉆鋌15連結(jié)起來(lái)可以用來(lái)控制鉆井井孔20的軌跡。扶正器16或許可以用不同方法作調(diào)整。
本發(fā)明用單一切刀的切削與受力模式來(lái)建立整個(gè)鉆頭受力與周轉(zhuǎn)鉆削的關(guān)系。該單一切刀的切削與受力模式與反刀面角及側(cè)刀面角有關(guān)，也與切刀短軸與鉆頭相關(guān)的方位有關(guān)?？刂破芇DC鉆頭的制造漂移的定義，是鉆頭的側(cè)向鉆削方向與其作用於巖石的總側(cè)向力不平行。圖2顯示當(dāng)鉆頭指入紙面時(shí)在鉆頭垂直切面內(nèi)鉆頭受力的投影，鉆頭是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在造斜情況下，鉆頭對(duì)巖石的總側(cè)向力是Fs，但是鉆頭的側(cè)向鉆削方向是Ds。如果如圖2所示Ds指向Fs的左側(cè)，這代表左漂移鉆頭。反之如果Ds指向Fs的右側(cè)，則為右漂移鉆頭。至於反漂移鉆頭，則Ds與Fs是平行的。Ds與Fs之間的角度就是“漂移角”βw，取右漂移為正值。
PDC鉆頭漂移的原因，是因?yàn)樗衅鹱饔玫那械?，都?huì)有摩擦力的出現(xiàn)。圖3顯示當(dāng)鉆頭只有孔規(guī)切刀時(shí)的現(xiàn)象。假設(shè)我們控制鉆頭沿Ds側(cè)鉆，這需要加於鉆頭沿Ds方向的“正側(cè)向力”Fn。此時(shí)只有鉆頭側(cè)面上半部沿Y軸的切刀起作用。由於鉆頭順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，上述每個(gè)切刀就會(huì)有與其切削運(yùn)動(dòng)平行的摩擦力。這些散開(kāi)分布的切刀力可總合為“孔規(guī)或外向摩擦力”Ffg?？偤螰fg和Fn成為鉆頭對(duì)巖石的總側(cè)向力Fs。顯而易見(jiàn)，F(xiàn)s與Ds是不平行的。
所有的孔規(guī)或外向切刀都會(huì)產(chǎn)生此右向的總合摩擦力，簡(jiǎn)稱為“外向切刀摩擦力”Ffo。因此，如果PDC鉆頭的側(cè)鉆主要是依靠孔規(guī)切刀時(shí)，該鉆頭就會(huì)左漂移。
為抵制上述左漂移作用，必需用凹形剖面鉆頭。如圖4a所示，這時(shí)鉆頭就會(huì)有內(nèi)向切刀。如圖4b所示，在大於半徑Rh的外向切刀中，只有上半部切刀起作用，而導(dǎo)致“外向切刀摩擦力”Ffo。反之在小於半徑Rh的內(nèi)向切刀中，只有下半部切刀起作用，而導(dǎo)致“內(nèi)向切刀摩擦力”Ffi。Ffi的方向，正好與Ffo的向反。
如果鉆頭的“外向切刀摩擦力”較大，也即Ffi＜Ffo，該鉆頭會(huì)左漂移。反之，如果鉆頭的“內(nèi)向切刀摩擦力”較大，也即Ffi＞ffo，該鉆頭會(huì)右漂移。
只要能確切地控制Ffi及Ffo，就可以制造成反漂移鉆頭，使Ffi＝Ffo。
要修改PDC鉆頭由於孔規(guī)切刀所引起的左漂移傾向，有兩個(gè)方法可以使用一是減少外向切刀摩擦力、一是增加內(nèi)向切刀摩擦力。
要增加內(nèi)向切刀摩擦力，可以增加凹形剖面的內(nèi)緣高度、以及加強(qiáng)圖4a所示在半徑Rh內(nèi)的內(nèi)向切刀的切削強(qiáng)性。但是由于鉆頭水力流動(dòng)的需要，內(nèi)緣高度將受限制。因此，可同時(shí)減少外向(尤其是孔規(guī))切刀摩擦力。這可以減少外向切刀的切削強(qiáng)性，或甚至在鉆頭外緣加上底摩擦襯片，如圓形鉆石等來(lái)代替PDC切刀。反復(fù)總合上述諸法，即可制造成反漂移鉆頭，或有某特定漂移角的鉆頭。
用本發(fā)明設(shè)計(jì)制造的反漂移鉆頭，有兩項(xiàng)重要的應(yīng)用一為鉆出平滑的二維(特別是水平)井跡、一為可由鉆井漂移的現(xiàn)象來(lái)推算巖層的傾向。
當(dāng)巖層為各向同性或鉆削方向與巖層垂直時(shí)，如果鉆頭本身沒(méi)有漂移傾向，則鉆井不會(huì)漂移，因此可鉆出真正的二維井跡。一般的產(chǎn)油氣層是各向同性的。即使是各向異性，也因?yàn)樵谒骄蝺?nèi)鉆井沿著(平行於)層面，因此仍能保持不漂移的良好現(xiàn)象。這樣可以大大地延伸水平井段，提高油氣的回收率。
與上述相反地，如果用反漂移鉆頭鉆井而有漂移的現(xiàn)象，就可確定那是由於巖層各向異性所致。因此，可以由鉆井的漂移數(shù)據(jù)，來(lái)推算巖層的傾向。這樣可以在鉆井時(shí)繪出巖層傾向表。該表大有助於地質(zhì)繪圖、油藏區(qū)域結(jié)構(gòu)分析、以及測(cè)井資料的解釋。
運(yùn)用本發(fā)明的方法，可以制造出有特定的左、右、或反漂移的鉆頭。本發(fā)明所述單一切刀的切削模式，是指出要該切刀沿某一方向切削時(shí)的受力關(guān)系。這模式可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)校準(zhǔn)有關(guān)因素的影響如切刀的方位(傾角、反刀面角、與側(cè)刀面角)、切削深度、與巖石種類(lèi)。上述切刀總摩擦力是要維持鉆頭側(cè)向鉆削率所需的與側(cè)向鉆削垂直的側(cè)向力。人們可分別計(jì)算外向切刀總摩擦力與內(nèi)向切刀總摩擦力。總合這兩個(gè)切刀總摩擦力與和側(cè)向鉆削方向平行的正側(cè)向力而得到鉆頭總側(cè)向力，從而取得漂移角。此鉆頭總側(cè)向力也可由實(shí)驗(yàn)而直接測(cè)量。
用本發(fā)明的方法，可利用已確知的左或右漂移鉆頭來(lái)鉆井。這樣，在造斜時(shí)，可鉆出特定的左或右漂移傾向的定向井段。這方法適用於三維井段，如最優(yōu)化的井跡矯正，或防碰措施。這樣可更靈活地鉆出定向井，也更可從同一鉆井臺(tái)或工作站延伸其鉆采范圍，增加經(jīng)濟(jì)效益。
以下將特別描述鉆井軌跡的控制。鉆井軌跡的預(yù)測(cè)與控制本發(fā)明也關(guān)連到采用鉆井系統(tǒng)在鉆井時(shí)的井跡的預(yù)測(cè)與控制，包括增減斜與方位漂移。這方法需要利用上述PDC鉆頭的反應(yīng)特性，并結(jié)合鉆頭與井底結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。用此方法，可發(fā)展出精確的井跡預(yù)測(cè)與控制系統(tǒng)。
本發(fā)明利用單一切刀的切削反應(yīng)關(guān)系來(lái)引導(dǎo)整個(gè)PDC鉆頭的受力與周轉(zhuǎn)鉆削的關(guān)系模式。單一切刀的切削反應(yīng)關(guān)系是受反刀面角與側(cè)刀面角的影響。優(yōu)選的方法，是采用與切削滑動(dòng)方向垂直的兩個(gè)分力，包括與切刀軸大體平行的正受力，以及與此垂直的側(cè)向力。與切削滑動(dòng)方向平行的分力可以省略，而以摩擦系數(shù)μ取代。用此方法可引導(dǎo)出“鉆削剛度矩陣”，用五個(gè)獨(dú)立的周轉(zhuǎn)鉆削率參數(shù)，包括軸向鉆削率、兩個(gè)側(cè)向鉆削率、及兩個(gè)歪斜率來(lái)表達(dá)五個(gè)獨(dú)立的鉆臺(tái)受力參數(shù)，包括軸向力(WOB)、兩個(gè)側(cè)向力、及兩個(gè)彎矩。這矩陣可逆算成“鉆削反應(yīng)矩陣”。另一個(gè)方法，是將整個(gè)單一切刀的切削受力直接積分，而求得上述的矩陣。
為方便說(shuō)明，鉆臺(tái)坐標(biāo)訂為如下Z軸沿鉆臺(tái)軸向，指向井跡上方X，Y軸在垂直切面內(nèi)，X軸通過(guò)一參考點(diǎn)，如第一個(gè)切刀。下面的單一切刀的切削反應(yīng)關(guān)系是基於觀察資料結(jié)果，而加以線性化的f→c=-αA-•d→c;--(1)]]>式中負(fù)號(hào)表示受力與切削的反方向關(guān)系，α是標(biāo)量值，與切刀幾何以及巖石可鉆性有關(guān)， 代表切削向量，雙向量 代表切刀受力 的反應(yīng)系數(shù)，句點(diǎn)符號(hào)代表內(nèi)積分。
公式(1)本可用更泛的非線性關(guān)系，但是結(jié)果將成為更復(fù)雜的非線性鉆頭反應(yīng)關(guān)系。這在目前資料未全及了解不深入的階段是不必要的。
在上述模式的優(yōu)選方法中所指與切刀滑動(dòng)平行的分力 總是與切削率方向垂直。此滑動(dòng)分力是由摩擦系數(shù)而與“有效切刀”fcc相關(guān)連。該有效切刀力則為式(1)中其它兩個(gè)分力的合力。
此有效切刀力可再分解為與有效切削方向平行的正切刀力及與此垂直的側(cè)力。此測(cè)力的產(chǎn)生，是由於有側(cè)刀面角、或者切刀軸與有效切削方向不平行、或者是當(dāng)巖石是各向異性時(shí)以某種角度切入。
在單純情況下，可假設(shè)上述的側(cè)力不存在，以作為此模式的起點(diǎn)。那樣，式(1)可簡(jiǎn)化為f→c=-αd→c;--(2)]]>式(2)中的α綜合了切刀幾何、巖石特性及“有效切刀涵蓋面積”ac的影響。它可被假設(shè)為下列形態(tài)α＝(IHIDac)/(Iancpo)(3)式中IH是巖石可鉆性指數(shù)、ID是切刀鈍化指數(shù)、Ia是刀面角指數(shù)、nc是鉆頭一周轉(zhuǎn)內(nèi)經(jīng)過(guò)該點(diǎn)的“有效切刀數(shù)目”、Po是新切刀在標(biāo)準(zhǔn)狀況下(標(biāo)準(zhǔn)巖石、標(biāo)準(zhǔn)刀面角等)的“標(biāo)準(zhǔn)切削效率”。
式(2)(3)的理念，可由比較單一切刀鉆頭與在直徑兩端各有一切刀的鉆頭的鉆削效果來(lái)解釋。在受同一鉆頭軸向力下轉(zhuǎn)動(dòng)一周轉(zhuǎn)后，雙切刀鉆頭的鉆削率會(huì)加倍，但是每個(gè)切刀的受力會(huì)減半。因此，式(3)的“有效切刀涵蓋面積”ac與“有效切刀數(shù)目”nc都是需要的。
本模式第二部分，是由鉆頭的整體運(yùn)動(dòng)來(lái)決定每個(gè)切刀的運(yùn)動(dòng)。假設(shè)鉆頭以平穩(wěn)的似定常態(tài)旋轉(zhuǎn)一周期，它會(huì)有如下的運(yùn)動(dòng)(1)旋轉(zhuǎn)速ω，用來(lái)計(jì)算周期的時(shí)間，但不是鉆削率的參數(shù)；(2)鉆頭鉆削率向量D，可分為軸向鉆削率Dz與側(cè)向鉆削率Dx&Dy；(3)鉆頭歪斜率 可分為φx與φy，分別是繞著，X，Y軸的角度變化率。式(2)(3)的五項(xiàng)分量，構(gòu)成全部的“獨(dú)立鉆削函數(shù)組”。
由上述鉆頭整體運(yùn)動(dòng)，可如下決定任何切刀的運(yùn)動(dòng)d→c=-DZe→z+D→s+ΦX→r→--(4)]]>式中 是Z軸單位向量，D→s=Dxe→x+Dye→y]]>是側(cè)向鉆削率， 是切刀的坐標(biāo)向量。式中的切刀切削向量 需要消除在滑動(dòng)方向 的分量，從而得到“切刀有效切削向量” d→ce=-Dze→z+D→s+Φ→Xr→]]>-[(D→s+Φ→Xr→)•e→s]e→s--(5)]]>式(5)可用來(lái)計(jì)算任一切刀的有效切削向量，然后，式(3)可用來(lái)計(jì)算“有效切刀受力” 切刀的總受力是f→c=f→ce-μfcee→s---(6)]]>鉆頭的總受力，就是式(6)對(duì)鉆頭的積分F→b=Σf→c;M→b=Σr→cXf→c--(7)]]>式(7)總受力Fb可分為沿Z-軸的鉆頭軸向力Fa(WOB)，及兩個(gè)側(cè)向力Fx，F(xiàn)y。總彎矩 也可分為軸向的鉆頭扭力Tb(TOB)，及兩個(gè)彎矩 鉆頭受力反應(yīng)組的五個(gè)函數(shù)是軸向力、兩個(gè)側(cè)向力、及兩個(gè)彎矩。
以上鉆頭受力反應(yīng)，可以其“鉆削剛度矩陣”，與鉆頭鉆削率函數(shù)組相連如下FaFxFyMxMy=(KB)DaDxDyΦxΦy--(8)]]>上述式(8)可以逆算出“鉆削反應(yīng)矩陣”如下DaDxDyΦxΦy=(RB)FaFxFyMxMy--(9)]]>鉆頭的“鉆削剛度矩陣”與“鉆削反應(yīng)矩陣”是鉆頭在任何情況下的本性。在已知任何鉆頭受力情況下，它們可用來(lái)計(jì)算瞬間的鉆削率及歪斜率。反之，它們可用來(lái)推算維持某特定的鉆削率及歪斜率所需的鉆頭受力。這些關(guān)系，在任何鉆井軌跡預(yù)測(cè)與控制的系統(tǒng)或程式中是不可缺少的。
鉆頭總側(cè)向力是F→s=Fxe→x+FYe→Y--(10)]]>其總力及與X-軸的關(guān)系角為FS＝√(FX2+FY2)；ΘSf＝tan-1(FY/FX)(11)相同地，鉆頭側(cè)鉆率向量是D→s=Dxe→x+DYe→Y--(12)]]>其總值及與X-軸的關(guān)系角為DS＝√(DX2+DY2)；ΘSd＝tan-1(DY/DX)(13)鉆頭的偏移特性，可用以下兩個(gè)參數(shù)來(lái)表達(dá)一是“側(cè)鉆各向異性指數(shù)”Is，一是“固有漂移角”。側(cè)鉆各向異性指數(shù)Is是側(cè)向鉆削效率與軸向鉆削效率之比Is＝(Ds/Fs)/(Da/Fa)(14)固有漂移角βw定為βW＝ΘSf-ΘSd(15)Is的定義，與在固有漂移角為零時(shí)的鉆頭各向異性指數(shù)Ib相似。當(dāng)鉆頭為各向同性時(shí)，該比數(shù)為一。
固有漂移角βw為正直時(shí)代表當(dāng)造斜時(shí)鉆削方向會(huì)有右漂移的傾向，也就是會(huì)導(dǎo)致方位角的增加。這是PDC鉆頭的自然現(xiàn)象，但是到目前為止尚未被考慮到。需提醒的是，此固有漂移角與鉆頭軸向力大體無(wú)關(guān)。
需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)，上述的側(cè)鉆各向異性指數(shù)與固有漂移角不能直接用來(lái)計(jì)算鉆井軌跡的增減斜率及漂移率。這需要利用綜合它們與井底結(jié)構(gòu)反應(yīng)的計(jì)算程序。
此一PDC鉆頭的模式可用來(lái)改變鉆頭的剖面、所有切刀的分布與結(jié)構(gòu)、以及維規(guī)長(zhǎng)度(Gage length)來(lái)設(shè)計(jì)鉆頭，使其達(dá)到特定的偏移與漂移傾向。事實(shí)上人們也可設(shè)計(jì)成反漂移鉆頭，將其在各向同性巖層中或沿著與巖層垂直或平行的方向鉆削，就不會(huì)漂移。由於一般的產(chǎn)油氣層是砂巖或碳酸巖而為各向同性，這在鉆井界是有重大的價(jià)值。使用此反漂移鉆頭於水平井段，有下列的益處(1)平穩(wěn)而直的井孔，(2)井眼阻力與扭矩的減低，(3)水平井段可大大增長(zhǎng)，提高油氣回收效率，(4)減少鉆井事故，(5)可使隨鉆測(cè)井的井跡測(cè)量更為精確，甚至可免除采用再確認(rèn)的有線測(cè)井”。
當(dāng)鉆削入砂、頁(yè)巖系列的介面時(shí)，式(3)中的不同的巖石硬度指數(shù)IH將造成鉆頭的歪斜。本模式會(huì)預(yù)測(cè)出鉆頭的彎矩。
當(dāng)鉆削入各向異性巖層時(shí)，式(2)將與巖層傾斜方向有關(guān)。切刀總受力與切刀切削向量可沿垂直於層面的方向 以及平行於層面的方向 來(lái)分解。f→c=fCNe→N+fcpe→p=fe→f;]]>d→c=dcNe→N+dcpe→p=de→d;--(16)]]>當(dāng)巖層是各向異性時(shí)，其各向異性指數(shù)Ir為側(cè)向鉆削效率與軸向鉆削效率之比Ir=dcp/fcpdcN/fcN--(17)]]>假設(shè) 與 之間的角度為Θd=cos-1(e→d•e→N),]]>可導(dǎo)出下列關(guān)系來(lái)取代原式(2)f→c=-αIr[e→d+cosΘd(Ir-1)e→N]--(18)]]>如在各向同性巖層情況一樣，優(yōu)選的方法，是將公式(18)中與切刀滑動(dòng)平行的分力取消，以建立模式。
另一個(gè)方法，是直接將式(18)切刀受力模式直接積分以取得鉆頭的鉆削反應(yīng)模式，而無(wú)需作如上的分解。此時(shí)摩擦系數(shù)不明顯地出現(xiàn)，而含在式(1)中。
本發(fā)明的鉆井軌跡預(yù)測(cè)與控制方法與系統(tǒng)是用於由定向鉆井來(lái)探采油氣田。此系統(tǒng)包括一兼顧傾角偏移與方位角漂移現(xiàn)象的PDC鉆頭偏移與反應(yīng)模式，以及一可兼顧鉆頭側(cè)向位移與歪斜角、鉆頭側(cè)向力與彎矩的井底結(jié)構(gòu)分析程式。用反復(fù)運(yùn)算法。在鉆頭旋轉(zhuǎn)至少一周期后，估計(jì)出整個(gè)井底結(jié)構(gòu)與鉆頭系統(tǒng)的反應(yīng)特性。由此來(lái)控制鉆頭，以達(dá)到理想的鉆削軌跡。
此方法中，每單一切刀的鉆削運(yùn)動(dòng)是由鉆頭的整體鉆削運(yùn)動(dòng)在假設(shè)的定常態(tài)下經(jīng)過(guò)一周期后計(jì)算出的。切刀的切削運(yùn)動(dòng)又分解為滑動(dòng)分量及有效切削運(yùn)動(dòng)分量。垂直于切刀滑動(dòng)方向的有效切刀分力與切刀有效切削運(yùn)動(dòng)分量有關(guān)?；瑒?dòng)切刀分力由摩擦系數(shù)與有效切刀分力關(guān)連。上述諸關(guān)系可受切刀的刀面角的影響。這些關(guān)系也可由實(shí)驗(yàn)測(cè)量而校準(zhǔn)。有效切削運(yùn)動(dòng)或許與有效切刀分力成簡(jiǎn)單的比例，而這比例則與巖石的可鉆性有關(guān)。整個(gè)鉆頭的受力與彎矩是將所有切刀的受力積分於鉆頭，包括孔規(guī)部分。
本發(fā)明包括一方法，可將鉆頭的五個(gè)獨(dú)立的鉆削率參數(shù)由鉆頭的“鉆削剛度矩陣”轉(zhuǎn)換為五個(gè)獨(dú)立的鉆頭受力參數(shù)。反之，可將鉆頭的五個(gè)獨(dú)立的鉆頭受力參數(shù)由鉆頭的“鉆削反應(yīng)矩陣”轉(zhuǎn)換為五個(gè)獨(dú)立的鉆削率參數(shù)。
本發(fā)明提供方法，用來(lái)計(jì)算鉆頭的測(cè)鉆偏移傾向，以取得“測(cè)鉆各向異性指數(shù)”。此指數(shù)是測(cè)向鉆削效率與軸向鉆削效率之比。
本發(fā)明所描述的鉆頭偏移與反應(yīng)模式，可用於鉆入巖層介面。此時(shí)模式中的切刀切削反應(yīng)系數(shù)，會(huì)因不同巖層的可鉆性而變。本模式且可以延用於鉆入各向異性巖層。
人們可利用上述PDC鉆頭模式，建立一鉆井監(jiān)視軟件。此軟件包括井底結(jié)構(gòu)與鉆頭的分析程式。隨鉆測(cè)井的資料，不論是否包括鉆頭附近的受力與彎矩，也可套入軟件中。本發(fā)明包含一反復(fù)解釋方法，先用鉆頭附近的受力與彎矩資料以及鉆頭的偏移特性，來(lái)預(yù)測(cè)鉆削方向。然后再用井底結(jié)構(gòu)與鉆頭反應(yīng)的分析程式來(lái)延伸鉆井軌跡，并與隨鉆測(cè)井的井跡資料對(duì)比，以進(jìn)行反復(fù)修改，分析結(jié)果如與隨鉆井測(cè)井資料不同，就象征了巖層可鉆性的變化，標(biāo)示了鉆入巖層介面或各向異性巖層。
上述的揭示與描述只是對(duì)本發(fā)明的一般解釋與說(shuō)明。細(xì)節(jié)上可以變動(dòng)或修改。據(jù)此，應(yīng)該明確本發(fā)明不僅限于前面圖解與說(shuō)明的具體特點(diǎn)與構(gòu)造，而本發(fā)明的概念應(yīng)包括所附各項(xiàng)權(quán)利要求。專(zhuān)用術(shù)語(yǔ) 沿鉆頭軸心Z-軸的單位向量，向井上方為正 沿X-軸的單位向量，通過(guò)參考點(diǎn)，如一號(hào)切刀 沿Y-軸的單位向量，與 同在鉆頭垂直切面內(nèi) 鉆頭垂直切面內(nèi)沿徑向的單位向量，與X-軸成Θ角 沿圓周的單位向量，與切刀滑行方向平行 鉆頭剖面內(nèi)平行于剖面的單位向量 鉆頭剖面內(nèi)垂直于剖面的單位向量 垂直于巖層層面的單位向量 平行于巖層層面的單位向量 單一切刀一周期后的切削向量 單一切刀一周期后的受力向量 鉆頭一周期后的鉆削向量 鉆頭一周期后的受力向量Is 鉆頭側(cè)鉆各向異性指數(shù)βw鉆頭固有漂移角
權(quán)利要求
1.一個(gè)PDC鉆頭的成形方法；包括下列步驟強(qiáng)制鉆頭的側(cè)向鉆削向量，確定鉆頭作用于巖石的總側(cè)向力，計(jì)算上述兩向量之間的漂移角，修改鉆頭剖面或切刀的形狀與構(gòu)造，直到漂移角改變成所需的角度為止。
2.權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于確定鉆頭作用于巖石的總側(cè)向力的步驟；包括以下步驟確定鉆頭的正側(cè)向力，確定切刀總摩擦力，聯(lián)合上述切刀總摩擦力與鉆頭正側(cè)向力，以取得鉆頭的總側(cè)向力。
3.權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于所述確定的步驟將所有起作用的單一切刀的受力沿垂直于側(cè)鉆的方向總和，以確定切刀總摩擦力。
4.權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述確定鉆頭作用于巖石的總側(cè)向力的步驟；包括以下步驟計(jì)算由外向切刀引起的外向切刀摩擦力，計(jì)算由在凹形剖面內(nèi)的內(nèi)向切刀引起的內(nèi)向切刀摩擦力，拿內(nèi)向切刀摩擦力與外向切刀摩擦力來(lái)比較，以得知鉆頭的漂移傾向。
5.權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于所述確定鉆頭的正側(cè)向力，以及切刀總摩擦力的步驟直接測(cè)量鉆頭的正側(cè)向力及切刀總摩擦力。
6.權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述修改的步驟修改鉆頭剖面的形狀或切刀的分布與構(gòu)造，以改變內(nèi)向切刀摩擦力及外向切刀摩擦力。
7.權(quán)利要求6中所述的方法，其特征在于所述修改的步驟增加在鉆頭凹形剖面內(nèi)的內(nèi)向切刀摩擦力。
8.權(quán)利要求7中所述的方法，其特征在于所述增加的步驟增加在鉆頭凹形剖面的內(nèi)緣高度。
9.權(quán)利要求7中所述的方法，其特征在于所述增加的步驟增加在鉆頭凹形剖面內(nèi)的內(nèi)向切刀的切削強(qiáng)性。
10.權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述修改的步驟減少鉆頭的外向切刀摩擦力。
11.權(quán)利要求10中所述的方法，其特征在于所述減少的步驟減少鉆頭的外向切刀的切削強(qiáng)性。
12.權(quán)利要求10中所述的方法，其特征在于所述減少的步驟用低阻力襯片來(lái)取代外向切刀。
13.一個(gè)PDC鉆頭的成形方法；包括下列步驟確定外向切刀的外向切刀摩擦力，確定在鉆頭凹形剖面內(nèi)的內(nèi)向切刀的內(nèi)向切刀摩擦力，比較內(nèi)向切刀摩擦力與外向切刀摩擦力，以決定鉆頭的漂移傾向，修改鉆頭剖面或切刀的形狀與構(gòu)造，以改變鉆頭的漂移傾向。
14.權(quán)利要求13中所述的方法，其特征在于所述修改的步驟修改鉆頭剖面或切刀的形狀與構(gòu)造，使其外向切刀摩擦力大體等于內(nèi)向切刀摩擦力，而造成鉆頭的反漂移性能。
15.權(quán)利要求13中所述方法，其特征在于還包括下列的步驟計(jì)算鉆頭特有的漂移角。
全文摘要
PDC鉆頭形成的方法，包括下列步驟強(qiáng)制鉆頭的側(cè)鉆方向，確定鉆頭的側(cè)向總受力，計(jì)算側(cè)向總受力與側(cè)鉆方向間的漂移角，修改鉆頭剖面的形狀或切刀的分布與構(gòu)造，使鉆頭的漂移角等于所需的角度。確定鉆頭側(cè)向總受力的步驟包括確定鉆頭的正側(cè)向力，確定鉆頭的切刀總摩擦力，然后把兩者合成為側(cè)向總受力的步驟包括確定鉆頭的正側(cè)向力，確定鉆頭的切刀總摩擦力，然后把兩者合成為側(cè)向的方向之總和。
文檔編號(hào)E21B7/04GK1145444SQ9511686
公開(kāi)日1997年3月19日 申請(qǐng)日期1995年9月13日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月13日
發(fā)明者霍華山 申請(qǐng)人:霍華山