[发明专利]适用复杂地层钻井的PDC钻头随机磨损侧力平衡布齿法

摘要

本发明涉及适用复杂地层钻井的PDC钻头随机磨损侧力平衡布齿法，属于油气钻井工具的动力学领域。该方法主要包括：抽样统计油田钻井现场钻头磨损高度；将磨损高度用概率分布形式表述；产生布齿参数；计算布齿参数对应无磨损和随机磨损状态下的侧向力；计算当量侧向力；构建当量侧向力与布齿参数间的近似模型；判断近似模型的精度是否符合要求；循环提升模型精度和结果输出等共14个步骤。本发明能够使PDC钻头在钻进复杂地层时，PDC钻头所受侧向力随着切削齿的随机磨损变化小，且维持在较小值附近，能够提升PDC钻头的钻进稳定性、减小起下钻次数、降低钻井成本、提高钻井效率。

主权项

1.适用复杂地层钻井的PDC钻头随机磨损侧力平衡布齿法，其特征在于，其方法步骤为：①抽样测量并统计待测油田钻井现场N个磨损PDC钻头上各切削齿的最终磨损高度Wd_ij，计算各切削齿磨损高度Wd_ij的均值μWd_j和方差σWd_j²；所述的μWd_j和方差σWd_j²的计算方法为②将钻头最终磨损高度Wd_ij进行三等分；一等分的磨损高度记为Wb_ij，二等分的磨损高度记为Wc_ij；磨损高度Wb_ij对应的均值为μWb_j，方差为σWb_j²；磨损高度Wc_ij对应的均值为μWc_j，方差为σWc_j²；其中，③将三种磨损高度的随机性用概率分布的形式表达，分别记为Wbij～X(μWbj，σWbj2)；Wcij～X(μWcj，σWcj2)；Wdij～X(μWdj，σWdj2)；④将切削齿的前倾角α、侧转角β、周向角γ作为PDC钻头侧向力平衡布齿的设计参数，在α、β、γ的变化区间内随机产生m组不同的布齿参数(αk，βk，γk)，所述的k＝1,2,3…,m；⑤计算m组布齿参数(αk，βk，γk)在PDC齿无磨损状况下PDC钻头钻进时所受的侧向力Fak；⑥采用随机抽样方法计算m组不同布齿参数(αk，βk，γk)在随机磨损状态为Wbij～X(μWbj，σWbj2)时对应的侧向力状态Fbk～Y(μFbk，σFbk2),和随机磨损状态为Wcij～X(μWcj，σWcj2)对应的侧向力状态Fck～Y(μFck，σFck2)，和随机磨损状态为Wdij～X(μWdj，σWdj2)对应的侧向力状态Fdk～Y(μFdk，σFdk2)；⑦按公式计算m组布齿参数(α_k，β_k，γ_k)对应的当量侧向力F_k；其中，w₁和w₂为权重系数，w₁和w₂均大于等于0，且w₁+w₂＝1；s₁和s₂为比例因子，为10的倍数；⑧采用代理模型技术构建当量侧向力Fk与布齿参数(αk，βk，γk)间的近似函数模型F’；⑨根据近似函数模型F’寻找最小的当量侧向力F’kmin以及对应的布齿参数(αkmin，βkmin，γkmin)；⑩将步骤⑤和⑥中的m组布齿参数替换为布齿参数(αkmin，βkmin，γkmin)，并按照步骤⑤和⑥和⑦计算布齿参数(αkmin，βkmin，γkmin)对应的当量侧向力Fkmin；按公式|F’_kmin‑F_kmin|/F_kmin计算近似函数模型F’在布齿参数(α_kmin，β_kmin，γ_kmin)处的局部误差E_kmin；判断E_kmin<ε是否成立，其中ε为0到1之间的实数，代表近似函数模型F’的误差上限值；如果E_kmin<ε不成立，将布齿参数(α_kmin，β_kmin，γ_kmin)和对应的当量侧向力F_kmin加入到步骤⑧的布齿参数(α_k，β_k，γ_k)及对应的当量侧向力F_k当中，并进行步骤⑧和后续步骤的运行；如果E_kmin<ε成立，则输出能够抵抗随机磨损的侧向力平衡PDC钻头的最终布齿参数(α_kmin，β_kmin，γ_kmin)和当量侧向力F_k。