[发明专利]用于分析和设计井底钻具组件的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年4月12日提交的美国临时申请第61/811507号的权益，其全部内容通过参引方式纳入本文。

背景技术

图1示出了传统的用于钻探地层的钻井系统的一个例子。所述钻井系统包括钻机10，该钻机10用于转动下深至井眼14中的钻具组件12。钻具组件12包括钻柱16，和附接至钻柱16的末端的井底钻具组件(BHA)18。钻柱的“末端”是离钻机最远的一端。

钻柱16包括通过钻杆接头16b端对端连接的许多节钻杆16a。钻柱16用于传送钻井液(通过其中间空心)，并用于将来自钻机10的转动动力传递到BHA18。在一些情况下，钻柱16还包括附加的部件，例如接头、短节等。

BHA18包括至少一钻头20。BHA还可以包括连接于钻柱16和钻头20之间的附加的部件。附加的BHA部件的例子包括钻铤、扶正器、随钻测量(MWD)工具、随钻测井(LWD)工具、接头、扩径设备(例如，扩孔器和扩眼器)、震击器、加速度仪、推进器、井下马达和旋转导向系统。

通常，钻具组件12可以包括其它钻井部件与附件，例如诸如方钻杆旋塞、防喷器和安全阀的专用阀。BHA18中的钻头20可以是适于钻探地层的任意类型的钻头。用于钻探地层的两种通常类型的钻头是固定切削刃(或固定头)钻头与牙轮钻头。图2示出了固定切削刃钻头的一个例子。图3示出了牙轮钻头的一个例子。

参考图2，固定切削刃钻头(也称为刮刀钻头)21具有钻头本体22，其在一端24具有螺纹连接并在另一端形成有切削头26。固定切削刃钻头21的切削头26包括绕钻头的旋转轴线布置并从钻头本体22径向向外延伸的多个肋或刀体28。切削元件29嵌入凸起的肋28中以随着钻头在井眼的底面上旋转切削地层。固定切削刃钻头的切削元件29包括多晶金刚石复合片(PDC)或者专门制造的金刚石切削刃。这些钻头也称为PDC钻头。

参考图3，牙轮钻头30包括钻头本体32，其在一端34具有螺纹连接并具有从另一端延伸的一个或多个腿。牙轮36安装于每条腿上，并能相对于钻头本体32旋转。在钻头30的每个牙轮36上有在该牙轮36的表面上成排布置的多个切削元件38，其接触并切断该钻头碰触到的地层。牙轮钻头30被设计为使得当钻头旋转时，牙轮钻头30的牙轮36在井眼的底面(称为“井底”)上滚动，并且该切削元件38削刮并压碎其下面的地层。在一些情况下，在牙轮钻头30上的切削元件38包括形成于牙轮36的表面上的铣成钢牙。在其它情况下，切削元件38包括嵌入牙轮中的镶体。这些镶体是碳化钨镶体或多晶金刚石复合片。在一些情况下，在切削元件和/或牙轮的表面上涂覆表面堆焊硬合金，以改善切削构件的耐磨性。

对于用于钻穿地层的钻头20，必须向钻头20施加充足的转矩和轴向力，以使钻头20的切削元件随着钻头的旋转而切开和/或压碎地层。施加到钻头20上的轴向力被称作“钻压”(WOB)。在钻机10处(通常由转盘或顶部驱动机构)施加到钻具组件12上来转动该钻具组件12的转矩被称作“旋转扭矩”。转盘旋转所述钻具组件12的速度(以每分钟转数(RPM)测量)被称作“转速”。此外，钻具组件被钻机10的悬挂机构(或大钩)支撑的一部分重量通常被称作大钩载荷。

在钻井过程中，实际WOB不是恒定的。施加到钻头上的力的一些波动可能是由于钻头与具有更硬或更软部分的地层接触时，其不均衡的破裂引起的。然而，在大多数情况下，WOB中大部分的波动可以归因于钻具组件的振动。钻具组件在长度上可以延伸大于一英里，而在直径上小于一英尺。因此，这些组件沿其长度是相对柔性的，并且当由转盘旋转地驱动时可能发生振动。钻具组件振动还可能源自钻头在钻井过程中的振动。对于钻具组件可能有许多模式的振动。通常，钻具组件可能经历扭转、轴向和横向振动。尽管由于钻井液的粘度、钻杆与井眼壁之间摩擦的摩擦力、钻探地层时被吸收的能量以及钻具组件与井眼壁间的冲击可以致使部分振动衰减，但是这些来源的衰减通常并不足以完全抑制振动。

在处理定向井时这些问题会变得更加显著。定向钻井涉及某些技术术语，将其提出作为背景信息。“造斜率”是井斜角在标准化长度上的正变化(例如，3°/100英尺)。井斜角的负变化应该是“降斜率”。

大半径水平井的特征是造斜率在2至6°/100英尺，这分别产生3000至1000英尺的半径。通常使用传统的定向钻井工具来钻探该轮廓，并已经钻探出了多达8000英尺的横截面。