井下鉆井工具與巖層之間的相互作用的基于形狀建模制造技術

一種設計井下鉆井工具的方法可包括生成三維(3D)井下鉆井工具模型并且模擬所述鉆井工具模型與鉆孔底部的3D模型的接合。第一和第二切割元件的第一和第二切割區域可基于所述第一和第二切割元件的接合所述鉆孔底部的面積來確定，其中所述第一和第二切割區域分別具有第一和第二切割區域形狀。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應第一和第二切割區域形狀來計算。所述鉆井工具模型的鉆井效率可至少基于所述第一切割力和所述第二切割力進行建模并且所述鉆井工具模型的設計參數可基于所述鉆井工具模型的所述鉆井效率進行修改。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】井下鉆井工具與巖層之間的相互作用的基于形狀建模
本公開大體上涉及井下鉆井工具，并且更具體地涉及井下鉆井工具與巖層之間的相互作用的建模。專利技術背景各種類型的工具用來在地下地層中形成井筒以獲得位于地面下方的碳氫化合物諸如油和氣。此類工具的實例包括旋轉鉆頭、擴眼器、擴孔器和取心鉆頭。旋轉鉆頭包括但不限于固定銑刀鉆頭，諸如多晶金剛石復合片(PDC)鉆頭、刮刀鉆頭、基體鉆頭、巖石鉆頭和牙輪椎體鉆頭。固定銑刀鉆頭典型地包括多個刀片，每個刀片具有多個切割元件，諸如PDC鉆頭上的PDC切割元件。在典型的鉆井應用中，PDC鉆頭可用來鉆通各種等級或類型的地質構造。典型的地層大體上在地層的上部部分(例如，更小的鉆井深度)中可具有相對較低的抗壓強度，而在地層的下部部分(例如，更大的鉆井深度)中可具有相對較高的抗壓強度。因此，典型地，當深度愈發變大時，鉆井變得愈發困難。因此，用于優化鉆井效率的理想型鉆頭典型地根據地質構造的類型和鉆井深度來改變。已經用來對鉆井工具的效率進行建模的一個示例性模型被稱為單銑刀力模型。單銑刀力模型可計算作用于獨立的切割元件上的力并且合計這些力以便估計作用于鉆井工具上的總的力。附圖簡述為了更完全地理解本公開和其特征與優點，現結合附圖來參閱以下描述，附圖中：圖1示出鉆井系統的示例性實施方案的正視圖；圖2示出以常常用于建模或者設計固定銑刀鉆頭的方式向上定向的旋轉鉆頭的等距視圖；圖3A示出部分脫離的剖面繪圖和正面繪圖，其示出穿過第一井下地層鉆探井筒并且鉆探到相鄰的第二井下地層中的圖2的鉆頭；圖3B示出表示鉆頭的刀片的剖視圖的刀片輪廓；圖4A-4D示出沿著刀片設置的各種切割元件的切割區域；圖5A是鉆頭101的頂視圖，其示出可被設計和制造來提供改進的切割深度控制的鉆頭的面；圖5B示出圖5A的鉆頭的切割元件沿著鉆頭的鉆頭輪廓的位置；圖6A示出切割元件的鉆頭面輪廓的曲線圖；圖6B示出包括相關聯的鉆井力的示例性切割元件的剖視圖；圖7示出與地質構造相接合的示例性切割元件的剖視圖；圖8示出近似模型化的巖屑；圖9A示出分成一組示例性小片的三維巖屑；圖9B示出相關聯三維巖屑中包括的示例性二維巖屑長度；圖10示出由單個切割元件產生的巖屑的示例性邊界；圖11示出示例性的模型化和經測量鉆頭力數據；圖12示出包括相關聯的鉆井力的示例性切割元件的剖視圖；圖13A示出與地質構造接合的切割元件的輪廓；圖13B示出切割元件的切割區域；圖14A-B示出示例性的經測量鉆頭力數據；圖15A-C示出示例性的經測量和模型化鉆頭力數據；圖16A-C示出示例性的經測量和模型化鉆頭力數據；圖17示出示例性井下鉆井工具建模系統的框圖；并且圖18示出用于對鉆頭的切割元件與地質構造之間的相互作用進行建模并且基于所述相互作用制造井下鉆井工具的示例性方法的流程圖。具體實施方式公開了鉆頭模型以及相關系統和方法，其涉及對井下鉆井工具的鉆井效率進行建模。在鉆井模型中，特定切割元件與巖層相互作用并且切進巖層中的區可被稱為切割元件的切割區域。在廣泛的術語中，所公開鉆井工具模型的一個方面考慮到切割元件的相應面上的切割區域的形狀如何影響鉆頭對特定體積巖石進行鉆探所需的能量。通過考慮切割元件的切割區域的形狀，所公開模型能夠更準確地分析和/或預測井下鉆井工具的鉆井效率。存在切割區域的形狀可作為井下鉆井工具模型的考慮和因素的多種方法。因此，通過參考圖1至圖18最好地理解本公開的實施方案及其優點，各圖中相同編號用來指示相同和對應部分。圖1示出鉆井系統100的示例性實施方案的正視圖。鉆井系統100可包括井表面或井場106。諸如旋轉臺、鉆井液泵和鉆井液槽(未明確地示出)的各種類型的鉆井裝備可位于井表面或井場106。例如，井場106可包括鉆機102，所述鉆機102可具有與“陸地鉆機”相關聯的各種特性和特征。然而，并入有本公開的教導的井下鉆井工具可令人滿意地與位于海上平臺、鉆探船、半潛式裝置和鉆井駁船(未明確地示出)上的鉆井裝備一起使用。鉆井系統100還可包括與鉆頭101相關聯的鉆柱103，所述鉆頭101可用來形成廣泛多種井筒或者井眼，諸如大體垂直井筒114a或大體水平井筒114b或者其組合。各種定向鉆井技術和鉆柱103的井底鉆具組件(BHA)120的相關聯部件可用來形成水平井筒114b。例如，側向力可在鄰近開始位置113處施加給BHA120以便形成從大體垂直井筒114a延伸的大體水平井筒114b。術語“定向鉆井”可用來描述鉆探井筒或者井筒的部分，所述井筒或者井筒的部分以相對于垂直的一個或多個所需角度。所需角度可大于與垂直井筒相關聯的正常變化。定向鉆井還可描述為鉆探偏離垂直方向的井筒。術語“水平鉆井”可用來包括在與垂直方向大約九十度(90°)的方向上鉆探。BHA120可由配置來形成井筒114的廣泛多種部件形成。例如，BHA120的部件122a、122b和122c可包括但不限于：鉆頭(例如，鉆頭101)、取心鉆頭、鉆鋌、旋轉導向工具、定向鉆井工具、井下鉆井馬達、擴孔器、打孔器或者穩定器。BHA120中包括的部件122的數量和類型可取決于預期的井下鉆井條件和將由鉆柱103和旋轉鉆頭101形成的井筒的類型。BHA120還可包括各種類型的測井工具(未明確地示出)和與井筒的定向鉆井相關聯的其他井下工具。測井工具和/或定向鉆井工具的實例可包括但不限于：聲學、中子、伽馬射線、密度、光電、核磁共振、旋轉導向工具和/或任何其他可商購的井工具。進一步地，BHA120還可包括旋轉驅動器(未明確地示出)，所述旋轉驅動器連接到部件122a、122b和122c并且使鉆柱103的至少一部分與部件122a、122b和122c一起旋轉。井筒114可部分地由套管柱110限定，所述套管柱110可從井表面106延伸到所選擇的井下位置。如圖1所示，井筒114的不包括套管柱110的部分可被描述為“裸井”。各種類型的鉆井液可從井表面106通過鉆柱103泵送到附接的鉆頭101。鉆井液可被引導來從鉆柱103流到穿過旋轉鉆頭101的相應噴嘴(圖2中被描繪為噴嘴156)。鉆井液可通過部分地由鉆柱103的外徑112和井筒114a的內徑118限定的環108循環返回到井表面106。內徑118可被稱為井筒114a的“側壁”。環108也可由鉆柱103的外徑112和套管柱110的內徑111限定。裸井環116可被限定為側壁118和外徑112。鉆井系統100還可包括旋轉鉆頭(“鉆頭”)101。如圖2中進一步詳細論述的，鉆頭101可包括一個或多個刀片126，所述一個或多個刀片126可從鉆頭101的旋轉鉆頭體124的外部部分向外設置。刀片126可以是從旋轉鉆頭體124向外延伸的任何合適類型的突起。鉆頭101可在由方向箭頭105限定的方向上相對于鉆頭旋轉軸104旋轉。刀片126可包括從每個刀片126的外部部分向外設置的一個或多個切割元件128。刀片126還可包括被配置來控制切割元件128的切割深度的一個或多個切割深度控制器(未明確地示出)。刀片126還可包括設置在刀片126上的一個或多個保徑墊(未明確地示出)。鉆頭101可根據本公開的教導內容來設計和形成，并且可根據鉆頭101的特定應用而具有許多不同的設計、配置和/或尺寸。鉆頭101上的切割元件128和本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種設計井下鉆孔工具的方法，所述方法包括：生成包括多個刀片上的多個切割元件的三維(3D)井下鉆井工具模型；模擬所述3D井下鉆井工具模型與鉆孔底部的3D模型的接合；基于所述第一切割元件的接合所述鉆孔底部的面積確定第一切割元件的第一切割區域，所述第一切割區域具有第一切割區域形狀；基于所述第二切割元件的接合所述鉆孔底部的面積確定第二切割元件的第二切割區域，所述第二切割區域具有第二切割區域形狀；基于所述第一切割區域形狀計算出所述第一切割元件的第一切割力；基于所述第二切割區域形狀計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對所述3D井下鉆井工具模型的鉆井效率進行建模；以及基于所述3D井下鉆井工具模型的所述鉆井效率對所述3D井下鉆井工具模型的設計參數進行修改。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種設計井下鉆孔工具的方法，所述方法包括：生成包括多個刀片上的多個切割元件的三維(3D)井下鉆井工具模型；模擬所述3D井下鉆井工具模型與鉆孔底部的3D模型的接合；基于所述第一切割元件的接合所述鉆孔底部的面積確定第一切割元件的第一切割區域，所述第一切割區域具有第一切割區域形狀；基于所述第二切割元件的接合所述鉆孔底部的面積確定第二切割元件的第二切割區域，所述第二切割區域具有第二切割區域形狀；基于所述第一切割區域形狀計算出所述第一切割元件的第一切割力；基于所述第二切割區域形狀計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對所述3D井下鉆井工具模型的鉆井效率進行建模；以及基于所述3D井下鉆井工具模型的所述鉆井效率對所述3D井下鉆井工具模型的設計參數進行修改。2.如權利要求1所述的方法，其中修改所述3D井下鉆井工具模型的所述設計參數包括修改所述第一切割元件的所述第一切割區域形狀。3.如權利要求1所述的方法，其還包括：基于所述第三切割元件的接合所述鉆孔底部的面積確定第三切割元件的第三切割區域，所述第三切割區域具有第三切割區域形狀；以及基于所述第三切割區域形狀計算出所述第三切割元件的第三切割力。4.如權利要求1所述的方法，其還包括：確定與所述第一切割元件相關聯的所述第一切割區域的圓弧長度；確定與所述第二切割元件相關聯的所述第二切割區域的圓弧長度；基于所述第一切割區域的所述圓弧長度和所述第一切割區域的面積計算出所述第一切割區域的等效切割高度；以及基于所述第二切割區域的所述圓弧長度和所述第二切割區域的面積計算出所述第二切割區域的等效切割高度。5.如權利要求1所述的方法，其還包括基于所述第一切割力的所述計算結果和所述第二切割力的所述計算結果計算所述3D井下鉆井工具模型的組合的鉆井力。6.如權利要求1所述的方法，其還包括：識別與每個切割元件相關聯的多個小片中的每一個的位置；基于每個小片的所述位置和所述鉆孔底部的所述3D模型計算所述小片的切割深度；響應于與所述切割元件相關聯的所述多個小片中的至少一個的所述切割深度大于臨界切割深度來生成每個切割元件的3D巖屑模型，每個3D巖屑模型包括與每個小片相關聯的巖屑的二維(2D)模型；以及通過移除所述3D巖屑模型中的每一個來更新所述鉆孔底部的所述3D模型；其中所述3D井下鉆井工具模型的所述鉆井效率的所述建模進一步基于移除了所述3D巖屑模型中的每一個的所述鉆孔底部的經更新3D模型。7.如權利要求6所述的方法，其中對所述3D井下鉆井工具模型的所述鉆井效率進行建模包括計算所述3D井下鉆井工具模型的機械比能量。8.一種非暫態機器可讀介質，其包括存儲在其中的指令，所述指令可由一個或多個處理器執行來促進進行用于設計井下鉆井工具的方法，所述方法包括：生成包括多個刀片上的多個切割元件的三維(3D)井下鉆井工具模型；模擬所述3D井下鉆井工具模型與鉆孔底部的三維模型的接合；基于所述第一切割元件的接合所述鉆孔底部的面積確定第一切割元件的第一切割區域，所述第一切割區域具有第一切割區域形狀；基于所述第二切割元件的接合所述鉆孔底部的面積確定第二切割元件的第二切割區域，所述第二切割區域具有第二切割區域形狀；基于所述第一切割區域形狀計算出所述第一切割元件的第一切割力；基于所述第二切割區域形狀計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對所述3D井下鉆井工具模型的鉆井效率進行建模；以及基于所述3D井下鉆井工具模型的所述鉆井效率對所述3D井下鉆井工具模型的設計參數進行修改。9.如權利要求8所述的非暫態機器可讀介質，其中修改所述3D井下鉆井工具模型的所述設計參數包括修改所述第一切割元件的所述第一切割區域形狀。10.如權利要求8所述的非暫態機器可讀介質，其中所述方法還包括：基于所述第三切割元件的接合所述鉆孔底部的面積確定第三切割元件的第三切割區域，所述第三切割區域具有第三切割區域形狀；以及基于所述第三切割區域形狀計算出所述第三切割元件的第三切割力。11.如權利要求8所述的非暫態機器可讀介質，其中所述方法還包括：確定與所述第一切割元件相關聯的第一切割區域的圓弧長度；確定與所述第二切割元件相關聯的第二切割區域的圓弧長度；基于所述第一切割區域的所述圓弧長度和所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：G·C·格羅斯，陳世林，
申請(專利權)人：哈利伯頓能源服務公司，
類型：發明
國別省市：美國,US