本发明专利技术提供了一种PDC钻头磨损状态随钻动态监测方法及系统，该方法利用设计的优化机械比能计算模型监测钻头钻进至各深度的机械比能，进而分析不同深度区段机械比能的偏离度，判断各区段机械比能的稳定性，识别发生磨损的区段，基于此综合PDC钻头磨损物理模型，针对性地定量计算特定层段PDC钻头磨损程度，进而为决策施工参数提供支持；采用本方法能够克服现有技术主观性强、难量化、适用性局限的问题，在提高适用性、降低计算的复杂性及施工成本的基础上，使钻头磨损预测更加精准，为现场工程师做出调整钻井参数、起钻更换钻头等决策提供可靠依据。靠依据。靠依据。
【技术实现步骤摘要】
一种PDC钻头磨损状态随钻动态监测方法及系统
[0001]本专利技术涉及石油天然气钻井施工优化
，尤其涉及一种PDC钻头磨损状态随钻动态监测方法及系统。
技术介绍
[0002]随着油田勘探开发领域正在由常规油气资源向低渗透、深层超深层、海洋深水、页岩油、页岩气等非常规油气资源拓展，面临着资源劣质化、勘探多元化、开发复杂化、环境恶劣化等挑战，钻井是油气资源发现、探明和开采的关键环节，随着钻遇地质环境越来越复杂、钻井条件越来越苛刻，亟需发展新一代变革性钻井技术以缩短钻井周期、降低钻井成本。PDC钻头以其钻速快、破岩效率高在石油天然气钻井领域发挥着重要作用，目前油气钻钻探中软至中硬地层中的工程，已经普遍使用了PDC钻头。据统计，70％以上的PDC钻头失效是由于切削齿损坏造成的，而切削齿的损坏形式又以磨损损坏为主，因此在钻井过程中实时掌握PDC钻头磨损程度，对于钻井施工的开展尤为重要。
[0003]目前PDC钻头的磨损判断技术主要包括以下几类：(1)经验法；(2)物理法；(3)数据法。经验法是由钻井工程师基于其熟悉个特定作业区工况常年累月的经验积累，给定钻井参数、地层特性、机械钻速等参数，进而结合专业知识人工对正钻井的钻头磨损程度进行合理的判断，这种方法缺乏可靠的理论指导，并且极度依赖作业区内经验丰富的工程师，只能得到大致合理的磨损判断。物理模型法是基于工程师对影响钻头磨损因素的认识，经过大量已钻井现场数据及实验室试验分析，得出这些影响因素与钻头磨损程度的关系，以某种数学表达式的形式体现出来。物理模型钻头磨损预测方法难以全面考虑影响钻头磨损的因素，建立的物理模型涉及的未知参数较多，且不同的作业区参数变化幅度较大，并且随着复杂油气藏的开发、钻井新工具和工艺的应用，物理模型的匹配性和适用性面临挑战。数据法通常利用在钻井平台井口及井底安装的各类传感器，收集随钻过程中钻头上的运行参数，通过数学算法对钻头磨损进行计算。数据法虽然一定程度上克服了物理物模型适应性低的弱点，但对设备软硬件要求较高，投入成本大，难以在现场推广普及。
[0004]公开于本专利技术
技术介绍
部分的信息仅仅旨在加深对本专利技术的一般
技术介绍
的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成己为本领域技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
[0005]为解决上述问题，本专利技术提供了一种PDC钻头磨损状态随钻动态监测方法，在一个实施例中，所述方法包括：
[0006]机械比能监测步骤，依据PDC钻头应用时的钻具组合特征和运行干预因素，决策PDC钻头对应的优化机械比能计算模型，实时获得表征待测钻头在不同工作深度动态破岩效率的机械比能；
[0007]磨损初步分析步骤、按照设定范围划分分析区段，针对每个分析区段基于所得机
械比能按照设定逻辑计算对应的机械比能偏离度，与设定偏离度标准值比对确定该分析区段内钻头机械比能的平稳程度；
[0008]磨损定量分析步骤、针对机械比能平稳程度符合设定条件的分析区段，选择性地引入PDC钻头预设的磨损物理预测模型计算钻头工作时的磨损状态数据；
[0009]钻井优化步骤、综合钻头机械比能的平稳程度和磨损状态数据决策匹配的施工调整方案。
[0010]优选地，作为本专利技术的改进，在机械比能监测步骤中，决策PDC钻头对应的优化机械比能计算模型的过程包括：
[0011]基于依据钻压、转速、扭矩、钻头尺寸、机械钻速和地层抗压强度多项钻井数据融合的基础机械比能模型，结合PDC钻头+螺杆钻具随钻组合的硬件特性，进一步引入螺杆钻速、螺杆扭矩、门限钻压和门限钻压多项影响因素，构建对应的优化机械比能计算模型。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，在机械比能监测步骤中，按照下式所述的优化机械比能计算模型计算钻头各工作深度的机械比能数据：
[0013][0014]式中，E为机械比能，Mpa；W为钻压，kN；T为地面扭矩，KN
·
m；N为地面转速，rpm；ROP为机械钻速，m/h；d
B
为钻头直径，mm；W
bs
为门限钻压，kN；T
bs
为门限扭矩，KN
·
m；K
N
为螺杆钻具钻速流量比，r/L；Q为总排量，L/s；T
m
为螺杆钻具最大输出扭矩，KN
·
m；Δp
m
为螺杆钻具进出口最大压降，Mpa；Δp
p
为钻具组合的进出口压力,Mpa。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，预先根据计算单位机械比能的时间、地质特性、井型以及施工工作深度决策匹配的分析区段范围并记录，在磨损初步分析步骤中直接根据施工需求调用实现划分。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，在磨损初步分析步骤中，钻头的机械比能偏离度通过下式计算：
[0017][0018]其中，i表示当前分析区段内第i个机械比能监测值，D表示该分析区段中机械比能监测值的总数量。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，在磨损定量分析步骤中，对于存在符合设定条件的机械比能平稳程度的分析区段，进一步分析其前后相邻区段的机械比能平稳程度，若与前一和/或后一区段的平稳程度差值处于设定范围内，再将该区段作为符合磨损条件的区段，继续进行后续磨损状态数据的运算，以排除突发性钻遇异常地质的情况。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，一个实施例中，磨损定量分析步骤中，按照下述的磨损物理预测模型定量计算磨损钻头的磨损状态数据：
[0021][0022]式中，ω为PDC钻头的无因次磨损速率；kN；A
f
为岩石研磨性指标，mg/cm3；P为切削
齿正压力，kN；V为切削速度，m/s；h为切削齿无因次磨损高度；a，b，d，k为与切削齿形状、地层特性相关的参数。
[0023]作为本专利技术的进一步改进，在钻井优化步骤中，对于机械比能平稳程度符合磨损条件的深度区段，若其磨损状态数据未达到设定阈值，则确定为轻度磨损，以保障钻井效果为目标调整施工参数后采用原钻头继续钻井；若其磨损状态数据大于等于设定阈值，则确定为重度磨损，更换钻头后再基于匹配的施工参数继续钻进。
[0024]基于上述任意一个或多个实施例中所述方法的其他方面，本专利技术还提供一种存储介质，该存储介质上存储有可实现如上述任意一个或多个实施例中所述方法的程序代码。
[0025]基于上述任意一个或多个实施例中所述方法的应用改进方面，本专利技术还提供一种PDC钻头磨损状态随钻动态监测系统，该系统执行如上述任意一个或多个实施例中所述方法。
[0026]与最接近的现有技术相比，本专利技术还具有如下有益效果：
[0027]本专利技术提供的一种PDC钻头磨损状态随钻动态监测方法，利用设计的优化机械比能计算模型监测钻头运行中各个深度的机械比能，进而分析不同深度区段机械比能的偏离度，判断各区段机械比能的稳定性，识别发生磨损的区段，基于此综合PDC钻头磨损物理模型易量化的特点，针对性的定量计本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种PDC钻头磨损状态随钻动态监测方法，其特征在于，所述方法包括：机械比能监测步骤，依据PDC钻头应用时的钻具组合特征和运行干预因素，决策PDC钻头对应的优化机械比能计算模型，实时获得表征待测钻头在不同工作深度动态破岩效率的机械比能；磨损初步分析步骤、按照设定范围划分分析区段，针对每个分析区段基于所得机械比能按照设定逻辑计算对应的机械比能偏离度，与设定偏离度标准值比对确定该分析区段内钻头机械比能的平稳程度；磨损定量分析步骤、针对机械比能平稳程度符合设定条件的分析区段，选择性地引入PDC钻头预设的磨损物理预测模型计算钻头工作时的磨损状态数据；钻井优化步骤、综合钻头机械比能的平稳程度和磨损状态数据决策匹配的施工调整方案。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在机械比能监测步骤中，决策PDC钻头对应的优化机械比能计算模型的过程包括：基于依据钻压、转速、扭矩、钻头尺寸、机械钻速和地层抗压强度多项钻井数据融合的基础机械比能模型，结合PDC钻头+螺杆钻具随钻组合的硬件特性，进一步引入螺杆钻速、螺杆扭矩、门限钻压和门限钻压多项影响因素，构建对应的优化机械比能计算模型。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在机械比能监测步骤中，按照下式所述的优化机械比能计算模型计算钻头各工作深度的机械比能数据：式中，E为机械比能，Mpa；W为钻压，kN；T为地面扭矩，KN
·
m；N为地面转速，rpm；ROP为机械钻速，m/h；d
B
为钻头直径，mm；W
bs
为门限钻压，kN；T
bs
为门限扭矩，KN
·
m；K
N
为螺杆钻具钻速流量比，r/L；Q为总排量，L/s；T
m
为螺杆钻具最大输出扭矩，KN
·
m；Δp
m
为螺杆...
【专利技术属性】
技术研发人员：王敏生，许博越，张洪宝，臧艳彬，王果，张洪宁，李莅临，张文平，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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