[发明专利]井下钻井工具与岩层之间的相互作用的基于形状建模

说明书

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。

技术领域

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。

发明背景

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；