[发明专利]一种应用于空气锤钻井的机械比能计算方法和系统

说明书

本发明公开了一种应用于空气锤钻井的机械比能计算方法，该方法包括如下步骤：基于R.Teale机械比能模型与空气锤钻井破岩机理，建立空气锤钻井机械比能模型；分析空气锤做功过程，根据所述空气锤钻井机械比能模型，得到包含能量传递效率参数的空气锤机械比能计算公式；计算所述能量传递效率参数，将获得的所述能量传递效率参数代入所述空气锤机械比能计算公式中。本发明结合空气锤钻井工作原理，建立了空气锤钻井机械比能计算模型，用于分析空气锤钻井效率和钻头工作情况，能够实时评估空气锤钻井的工作效率，进而调整钻井参数，优化空气锤结构，达到优化钻井的目的。

技术领域

本发明涉及油气井钻井技术领域，具体地说，是涉及一种应用于空气锤钻井的机械比能计算方法，方便钻井工程现场技术人员在进行复杂井段空气锤钻井工作的实时评价，进而及时调整工作参数，最终达到钻井最优化。

背景技术

空气锤钻井是指用联接在钻头上的空气锤对钻具施加压力并同时回转，给予钻头以高频冲击能量，进行冲击回转的钻井方式。空气锤钻井具有低钻压、低转速和扭矩平稳的特点，可以显著提高钻速和有效控制井斜，并兼顾了气体钻井对储层伤害小的优点。因此，这种钻井方式在钻进高陡和硬质岩层的过程中得到了广泛使用。

机械比能是采用钻压、钻速、转速、钻头扭矩和钻头直径等参数计算得到的一项评估破岩效率的综合指标，代表钻头破碎单位体积岩石所做的功，可以作为量化评价钻井效率的关键依据。

在现有技术中，关于机械比能技术仅限于常规钻井的效率评估，目前还没有方法用于评价分析空气锤钻井效率和钻头工作情况，无法实时有效地调整钻井参数，优化空气锤结构，达到优化钻井的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种基于机械比能理论，结合空气锤钻井工作原理，建立空气锤钻井机械比能计算模型，并计算空气锤钻井机械比能的方法，通过该方法可以分析空气锤钻井效率和钻头工作情况，进而调整钻井参数，优化空气锤结构，达到优化钻井的目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于空气锤钻井的机械比能计算方法，该方法包括如下步骤：建立空气锤钻井机械比能模型步骤，基于R.Teale机械比能模型与空气锤钻井破岩机理，建立空气锤钻井机械比能模型；推导空气锤钻井机械比能计算公式步骤，分析空气锤做功过程，根据所述空气锤钻井机械比能模型，得到包含能量传递效率参数的空气锤机械比能计算公式；计算空气锤钻井机械比能步骤，计算所述能量传递效率参数，将获得的所述能量传递效率参数代入所述空气锤机械比能计算公式中。

优选地，在所述建立空气锤钻井机械比能模型步骤中，基于在空气锤钻井破碎岩石时的能量来自空气锤冲击、钻压和扭矩所做的功，建立空气锤钻井机械比能模型。

优选地，在所述建立空气锤钻井机械比能模型步骤中，进一步，所述空气锤钻井机械比能模型的方程如下列表达式所示：

其中，MES表示空气锤钻井机械比能，E_hammer表示空气锤经过钻头传递给井底岩石用于破岩的能量，E_WOB表示钻压能量，E_Torque表示钻头扭矩能量，V_unit-vol表示被钻头破碎岩石的单位体积。

优选地，在所述推导空气锤钻井机械比能计算公式步骤中，基于空气锤中的活塞在每个冲程冲击钻头本体的做功过程，得到空气锤经过钻头传递给井底岩石用于破岩的能量，其中，所述活塞在每个冲程冲击钻头本体的能量源于：所述活塞经过钻头传递至井底岩石用于破岩的能量和钻头返还给空气锤本体的能量。

优选地，进一步，在所述推导空气锤钻井机械比能计算公式步骤中，利用如下表达式计算空气锤经过钻头传递给井底岩石用于破岩的能量：