井下钻井工具与岩层之间的相互作用的基于形状建模制造技术

一种设计井下钻井工具的方法可包括生成三维(3D)井下钻井工具模型并且模拟所述钻井工具模型与钻孔底部的3D模型的接合。第一和第二切割元件的第一和第二切割区域可基于所述第一和第二切割元件的接合所述钻孔底部的面积来确定，其中所述第一和第二切割区域分别具有第一和第二切割区域形状。所述第一和第二切割元件的第一和第二切割力可基于所述相应第一和第二切割区域形状来计算。所述钻井工具模型的钻井效率可至少基于所述第一切割力和所述第二切割力进行建模并且所述钻井工具模型的设计参数可基于所述钻井工具模型的所述钻井效率进行修改。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】井下钻井工具与岩层之间的相互作用的基于形状建模
本公开大体上涉及井下钻井工具，并且更具体地涉及井下钻井工具与岩层之间的相互作用的建模。专利技术背景各种类型的工具用来在地下地层中形成井筒以获得位于地面下方的碳氢化合物诸如油和气。此类工具的实例包括旋转钻头、扩眼器、扩孔器和取心钻头。旋转钻头包括但不限于固定铣刀钻头，诸如多晶金刚石复合片(PDC)钻头、刮刀钻头、基体钻头、岩石钻头和牙轮椎体钻头。固定铣刀钻头典型地包括多个刀片，每个刀片具有多个切割元件，诸如PDC钻头上的PDC切割元件。在典型的钻井应用中，PDC钻头可用来钻通各种等级或类型的地质构造。典型的地层大体上在地层的上部部分(例如，更小的钻井深度)中可具有相对较低的抗压强度，而在地层的下部部分(例如，更大的钻井深度)中可具有相对较高的抗压强度。因此，典型地，当深度愈发变大时，钻井变得愈发困难。因此，用于优化钻井效率的理想型钻头典型地根据地质构造的类型和钻井深度来改变。已经用来对钻井工具的效率进行建模的一个示例性模型被称为单铣刀力模型。单铣刀力模型可计算作用于独立的切割元件上的力并且合计这些力以便估计作用于钻井工具上的总的力。附图简述为了更完全地理解本公开和其特征与优点，现结合附图来参阅以下描述，附图中：图1示出钻井系统的示例性实施方案的正视图；图2示出以常常用于建模或者设计固定铣刀钻头的方式向上定向的旋转钻头的等距视图；图3A示出部分脱离的剖面绘图和正面绘图，其示出穿过第一井下地层钻探井筒并且钻探到相邻的第二井下地层中的图2的钻头；图3B示出表示钻头的刀片的剖视图的刀片轮廓；图4A-4D示出沿着刀片设置的各种切割元件的切割区域；图5A是钻头101的顶视图，其示出可被设计和制造来提供改进的切割深度控制的钻头的面；图5B示出图5A的钻头的切割元件沿着钻头的钻头轮廓的位置；图6A示出切割元件的钻头面轮廓的曲线图；图6B示出包括相关联的钻井力的示例性切割元件的剖视图；图7示出与地质构造相接合的示例性切割元件的剖视图；图8示出近似模型化的岩屑；图9A示出分成一组示例性小片的三维岩屑；图9B示出相关联三维岩屑中包括的示例性二维岩屑长度；图10示出由单个切割元件产生的岩屑的示例性边界；图11示出示例性的模型化和经测量钻头力数据；图12示出包括相关联的钻井力的示例性切割元件的剖视图；图13A示出与地质构造接合的切割元件的轮廓；图13B示出切割元件的切割区域；图14A-B示出示例性的经测量钻头力数据；图15A-C示出示例性的经测量和模型化钻头力数据；图16A-C示出示例性的经测量和模型化钻头力数据；图17示出示例性井下钻井工具建模系统的框图；并且图18示出用于对钻头的切割元件与地质构造之间的相互作用进行建模并且基于所述相互作用制造井下钻井工具的示例性方法的流程图。具体实施方式公开了钻头模型以及相关系统和方法，其涉及对井下钻井工具的钻井效率进行建模。在钻井模型中，特定切割元件与岩层相互作用并且切进岩层中的区可被称为切割元件的切割区域。在广泛的术语中，所公开钻井工具模型的一个方面考虑到切割元件的相应面上的切割区域的形状如何影响钻头对特定体积岩石进行钻探所需的能量。通过考虑切割元件的切割区域的形状，所公开模型能够更准确地分析和/或预测井下钻井工具的钻井效率。存在切割区域的形状可作为井下钻井工具模型的考虑和因素的多种方法。因此，通过参考图1至图18最好地理解本公开的实施方案及其优点，各图中相同编号用来指示相同和对应部分。图1示出钻井系统100的示例性实施方案的正视图。钻井系统100可包括井表面或井场106。诸如旋转台、钻井液泵和钻井液槽(未明确地示出)的各种类型的钻井装备可位于井表面或井场106。例如，井场106可包括钻机102，所述钻机102可具有与“陆地钻机”相关联的各种特性和特征。然而，并入有本公开的教导的井下钻井工具可令人满意地与位于海上平台、钻探船、半潜式装置和钻井驳船(未明确地示出)上的钻井装备一起使用。钻井系统100还可包括与钻头101相关联的钻柱103，所述钻头101可用来形成广泛多种井筒或者井眼，诸如大体垂直井筒114a或大体水平井筒114b或者其组合。各种定向钻井技术和钻柱103的井底钻具组件(BHA)120的相关联部件可用来形成水平井筒114b。例如，侧向力可在邻近开始位置113处施加给BHA120以便形成从大体垂直井筒114a延伸的大体水平井筒114b。术语“定向钻井”可用来描述钻探井筒或者井筒的部分，所述井筒或者井筒的部分以相对于垂直的一个或多个所需角度。所需角度可大于与垂直井筒相关联的正常变化。定向钻井还可描述为钻探偏离垂直方向的井筒。术语“水平钻井”可用来包括在与垂直方向大约九十度(90°)的方向上钻探。BHA120可由配置来形成井筒114的广泛多种部件形成。例如，BHA120的部件122a、122b和122c可包括但不限于：钻头(例如，钻头101)、取心钻头、钻铤、旋转导向工具、定向钻井工具、井下钻井马达、扩孔器、打孔器或者稳定器。BHA120中包括的部件122的数量和类型可取决于预期的井下钻井条件和将由钻柱103和旋转钻头101形成的井筒的类型。BHA120还可包括各种类型的测井工具(未明确地示出)和与井筒的定向钻井相关联的其他井下工具。测井工具和/或定向钻井工具的实例可包括但不限于：声学、中子、伽马射线、密度、光电、核磁共振、旋转导向工具和/或任何其他可商购的井工具。进一步地，BHA120还可包括旋转驱动器(未明确地示出)，所述旋转驱动器连接到部件122a、122b和122c并且使钻柱103的至少一部分与部件122a、122b和122c一起旋转。井筒114可部分地由套管柱110限定，所述套管柱110可从井表面106延伸到所选择的井下位置。如图1所示，井筒114的不包括套管柱110的部分可被描述为“裸井”。各种类型的钻井液可从井表面106通过钻柱103泵送到附接的钻头101。钻井液可被引导来从钻柱103流到穿过旋转钻头101的相应喷嘴(图2中被描绘为喷嘴156)。钻井液可通过部分地由钻柱103的外径112和井筒114a的内径118限定的环108循环返回到井表面106。内径118可被称为井筒114a的“侧壁”。环108也可由钻柱103的外径112和套管柱110的内径111限定。裸井环116可被限定为侧壁118和外径112。钻井系统100还可包括旋转钻头(“钻头”)101。如图2中进一步详细论述的，钻头101可包括一个或多个刀片126，所述一个或多个刀片126可从钻头101的旋转钻头体124的外部部分向外设置。刀片126可以是从旋转钻头体124向外延伸的任何合适类型的突起。钻头101可在由方向箭头105限定的方向上相对于钻头旋转轴104旋转。刀片126可包括从每个刀片126的外部部分向外设置的一个或多个切割元件128。刀片126还可包括被配置来控制切割元件128的切割深度的一个或多个切割深度控制器(未明确地示出)。刀片126还可包括设置在刀片126上的一个或多个保径垫(未明确地示出)。钻头101可根据本公开的教导内容来设计和形成，并且可根据钻头101的特定应用而具有许多不同的设计、配置和/或尺寸。钻头101上的切割元件128和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设计井下钻孔工具的方法，所述方法包括：生成包括多个刀片上的多个切割元件的三维(3D)井下钻井工具模型；模拟所述3D井下钻井工具模型与钻孔底部的3D模型的接合；基于所述第一切割元件的接合所述钻孔底部的面积确定第一切割元件的第一切割区域，所述第一切割区域具有第一切割区域形状；基于所述第二切割元件的接合所述钻孔底部的面积确定第二切割元件的第二切割区域，所述第二切割区域具有第二切割区域形状；基于所述第一切割区域形状计算出所述第一切割元件的第一切割力；基于所述第二切割区域形状计算出所述第二切割元件的第二切割力；至少基于所述第一切割力和所述第二切割力对所述3D井下钻井工具模型的钻井效率进行建模；以及基于所述3D井下钻井工具模型的所述钻井效率对所述3D井下钻井工具模型的设计参数进行修改。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种设计井下钻孔工具的方法，所述方法包括：生成包括多个刀片上的多个切割元件的三维(3D)井下钻井工具模型；模拟所述3D井下钻井工具模型与钻孔底部的3D模型的接合；基于所述第一切割元件的接合所述钻孔底部的面积确定第一切割元件的第一切割区域，所述第一切割区域具有第一切割区域形状；基于所述第二切割元件的接合所述钻孔底部的面积确定第二切割元件的第二切割区域，所述第二切割区域具有第二切割区域形状；基于所述第一切割区域形状计算出所述第一切割元件的第一切割力；基于所述第二切割区域形状计算出所述第二切割元件的第二切割力；至少基于所述第一切割力和所述第二切割力对所述3D井下钻井工具模型的钻井效率进行建模；以及基于所述3D井下钻井工具模型的所述钻井效率对所述3D井下钻井工具模型的设计参数进行修改。2.如权利要求1所述的方法，其中修改所述3D井下钻井工具模型的所述设计参数包括修改所述第一切割元件的所述第一切割区域形状。3.如权利要求1所述的方法，其还包括：基于所述第三切割元件的接合所述钻孔底部的面积确定第三切割元件的第三切割区域，所述第三切割区域具有第三切割区域形状；以及基于所述第三切割区域形状计算出所述第三切割元件的第三切割力。4.如权利要求1所述的方法，其还包括：确定与所述第一切割元件相关联的所述第一切割区域的圆弧长度；确定与所述第二切割元件相关联的所述第二切割区域的圆弧长度；基于所述第一切割区域的所述圆弧长度和所述第一切割区域的面积计算出所述第一切割区域的等效切割高度；以及基于所述第二切割区域的所述圆弧长度和所述第二切割区域的面积计算出所述第二切割区域的等效切割高度。5.如权利要求1所述的方法，其还包括基于所述第一切割力的所述计算结果和所述第二切割力的所述计算结果计算所述3D井下钻井工具模型的组合的钻井力。6.如权利要求1所述的方法，其还包括：识别与每个切割元件相关联的多个小片中的每一个的位置；基于每个小片的所述位置和所述钻孔底部的所述3D模型计算所述小片的切割深度；响应于与所述切割元件相关联的所述多个小片中的至少一个的所述切割深度大于临界切割深度来生成每个切割元件的3D岩屑模型，每个3D岩屑模型包括与每个小片相关联的岩屑的二维(2D)模型；以及通过移除所述3D岩屑模型中的每一个来更新所述钻孔底部的所述3D模型；其中所述3D井下钻井工具模型的所述钻井效率的所述建模进一步基于移除了所述3D岩屑模型中的每一个的所述钻孔底部的经更新3D模型。7.如权利要求6所述的方法，其中对所述3D井下钻井工具模型的所述钻井效率进行建模包括计算所述3D井下钻井工具模型的机械比能量。8.一种非暂态机器可读介质，其包括存储在其中的指令，所述指令可由一个或多个处理器执行来促进进行用于设计井下钻井工具的方法，所述方法包括：生成包括多个刀片上的多个切割元件的三维(3D)井下钻井工具模型；模拟所述3D井下钻井工具模型与钻孔底部的三维模型的接合；基于所述第一切割元件的接合所述钻孔底部的面积确定第一切割元件的第一切割区域，所述第一切割区域具有第一切割区域形状；基于所述第二切割元件的接合所述钻孔底部的面积确定第二切割元件的第二切割区域，所述第二切割区域具有第二切割区域形状；基于所述第一切割区域形状计算出所述第一切割元件的第一切割力；基于所述第二切割区域形状计算出所述第二切割元件的第二切割力；至少基于所述第一切割力和所述第二切割力对所述3D井下钻井工具模型的钻井效率进行建模；以及基于所述3D井下钻井工具模型的所述钻井效率对所述3D井下钻井工具模型的设计参数进行修改。9.如权利要求8所述的非暂态机器可读介质，其中修改所述3D井下钻井工具模型的所述设计参数包括修改所述第一切割元件的所述第一切割区域形状。10.如权利要求8所述的非暂态机器可读介质，其中所述方法还包括：基于所述第三切割元件的接合所述钻孔底部的面积确定第三切割元件的第三切割区域，所述第三切割区域具有第三切割区域形状；以及基于所述第三切割区域形状计算出所述第三切割元件的第三切割力。11.如权利要求8所述的非暂态机器可读介质，其中所述方法还包括：确定与所述第一切割元件相关联的第一切割区域的圆弧长度；确定与所述第二切割元件相关联的第二切割区域的圆弧长度；基于所述第一切割区域的所述圆弧长度和所...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·C·格罗斯，陈世林，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国,US