一种应用于空气锤钻井的机械比能计算方法和系统与流程
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。
技术实现要素：
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，ehammer表示空气锤经过钻头传递给井底岩石用于破岩的能量，ewob表示钻压能量，etorque表示钻头扭矩能量，vunit-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：
其中，
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钻井机械比能：
其中，db表示钻头直径，rop表示机械钻速，wob表示钻压，tb表示钻头扭矩，rpm表示转速。
优选地，在所述计算空气锤钻井机械比能步骤中，根据空气锤中活塞冲击钻头的过程满足动量守恒和能量守恒原理，得到钻头受到冲击后的向下运动速度与活塞冲击速度的关系，进而得到能量传递效率计算方程。
优选地，进一步，在所述计算空气锤钻井机械比能步骤中，利用下列方程计算能量传递效率：
当α>1且β≥0.5πα/(α-1)0.5时：
当α>1且β<0.5πα/(α-1)0.5时：
其中，ηtransmission表示能量传递效率，e表示自然底数，
另一方面，提供了一种应用于空气锤钻井的机械比能计算系统，该系统包括下列模块：建立空气锤钻井机械比能模型模块，其基于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模块，其分析空气锤做功过程，根据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模块，其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，在所述建立空气锤机械比能模型模块中，基于空气锤在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。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明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，进一步，可用于钻井设计阶段对全井进行井漏预测，进而优化设计，并提出应对风险的预案；在施工过程中，对钻前预测的风险进行自动实时修正并预警，能最大程度控制井漏的发生或在第一时间发现风险并采取有效处理措施，将损失降至最低。
本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本申请实施例的用于空气锤钻井的机械比能计算方法的步骤流程示意图。
图2为本申请实施例的空气锤机械装置示意图。
图3为本申请实施例的空气锤活塞冲击钻头过程的示意图。
图4为本申请实施例的用于空气锤钻井的机械比能计算系统的模块框图。
图5为本申请实施例的用于空气锤钻井机械比能的计算方法原理图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
为了更好的了解本发明的实施例，现对现有技术的缺点进行说明。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，具体涉及以下步骤：基于钻井基本参数，确定机械比能，并且根据机械比能自动调节钻探操作参数；根据机械比能理论，监控钻井工程；优化机械比能相关参数等应用。但在现有技术中，无法将空气锤钻井与机械比能模型结合起来，对空气锤钻井机械比能进行计算并准确评估。
为了解决上述问题，本发明实施例将机械比能模型与具有低钻压、低转速和扭矩平稳的特点空气锤钻井相结合，计算得到空气锤钻井机械比能计算公式，进而评估破岩效率，并且分析空气锤钻井效率和钻头工作情况，能够让钻井工作人员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。
图1为本申请实施例的用于空气锤钻井的机械比能计算方法的步骤流程示意图。如图1所示，包括建立空气锤钻井机械比能模型步骤s110，在该步骤中，先基于r.teale机械比能模型确定机械比能的表达式，再结合空气锤钻井破岩机理，建立空气锤钻井机械比能模型。
首先，本实施例中机械比能理论的物理意义为：破碎单位体积岩石所需的能量。采用r.teale机械比能模型作为本发明实施例的基础，r.teale机械比能利用表达式如下表示：
其中，mse表示机械比能，mpa；wob表示钻压，kn；db表示钻头直径，mm；rpm表示转速，r/min；tb表示钻头扭矩，kn·m；rop表示机械钻速，m/h。
具体地，上述机械比能理论考虑了钻压、转速、钻头直径、机械钻速、钻头扭矩等因素对钻头工作效率的影响，可以定量地反映出井下的钻井破岩效率。
需要说明的是，钻头扭矩只能通过室内微钻头实验或是旋转导向系统测量得到，一般钻井现场地面测得的都是转盘扭矩，而无法直接获取钻头扭矩。因此，为了获得钻头扭矩，特将钻头作简化处理，并引入钻头特定滑动摩擦系数μ，利用下列表达式计算钻头扭矩：
tb＝0.000333μ·wob·db(2)
其中，μ表示钻头特定滑动摩擦系数。需要说明的是，在本实施例中，μ的取值根据钻头类型不同而有所不同：三牙轮钻头取值为0.25，pdc钻头取值为0.5。
图2为本申请实施例的空气锤机械装置示意图，下面结合图2进一步说明该装置破碎岩石的过程，以确定空气锤钻井的破岩机理。
空气锤是将输入的持续性的高压气体能量转化为间歇性的脉冲力输出的一种机械装置，它主要由两大部分组成：冲击器(冲击器包括：配气装置、冲击活塞、上下接头、内外气缸和减震装置)和冲击钻头。
空气锤钻进是以钻头冲击破碎岩石取代了切削岩石，以动载冲击代替了静载研磨，以岩石的体积破碎代替了研磨剪切破碎。工作时活塞在高压气体的作用下做高频往复运动，不断地冲击钻头尾部。在冲击力的作用下，带动位于钻头底部的复合球齿冲击井底岩石，并压碎凿入一定深度，形成一道凹痕。活塞返回后钻头回转一定角度，之后活塞又开始向前运动，再次冲击钻头尾部，又形成一道新的凹痕。两凹痕之间的扇形岩块被由钎头上产生的水平分力剪碎。活塞不断地冲击钻头，并从钻头的中心孔连续释放高压空气，从而将岩屑携带出井底。
空气锤钻井的破岩方式主要是冲击回转，钻进过程中用压缩空气作为动力推动空气锤活塞对钻头和岩石产生动载碎岩，同时钻具低速回转，实现井底全面钻进。因此，空气锤钻井井下破碎岩石的能量主要来源于三个方面所做的功：空气锤冲击、钻压和扭矩。空气动力虽然对于井底携岩非常重要，但是对于破碎岩石的能量贡献却很小，因此在本实施例中忽略不计。
回到本实施例的步骤s110中，结合上述破岩机理，得到空气锤钻井机械比能模型，该模型的方程如下表达式所示：
其中，ehammer表示空气锤经过钻头传递给井底岩石用于破岩的能量，ewob表示钻压能量，etorque表示钻头扭矩能量，vunit-vol表示被钻头破碎岩石的单位体积。
需要说明的是，在本实施例中，钻压能量ewob与扭矩能量etorque的确定，能够通过实时获取钻压、转速、钻头直径、机械钻速、钻头扭矩等参数得到，进而得到r.teale机械比能模型计算式，如式(1)所示。因此，在上述空气锤钻井机械比能模型中，如何获取ehammer参数是本实施例计算空气锤机械比能的关键步骤。
接着，如图1所示，在步骤s120中，需要先对空气锤做功过程进行分析，再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的最终计算公式。
在本实施例中，由于空气锤钻井井底破岩的绝大部分能量都来自于空气锤的冲击做功。空气锤在每个冲程冲击钻头本体的过程中，一部分能量经过钻头传至井底岩石用于破岩，剩余的部分能量使得空气锤反弹回来。如果把空气锤视作一台气动引擎，则每分钟该引擎传递的能量利用如下表达式进行表示：
其中，powhammer表示空气锤冲击能量，powraw为活塞向下冲程的初始动能，ηtransmission为能量传递效率。
需要说明的是，powraw的大小取决于高压气体能量有多少转化为空气锤内活塞的动能，由于空气锤内腔体形状和井底岩石力学性质的不同，一部分应力波将被井底岩石吸收导致破岩，而剩余应力波返还给空气锤本体。活塞向下冲程的初始动能powraw利用如下表达式表示：
其中，
需要说明的是，基于上述得到的空气锤传递能量、r.teale机械比能模型以及空气锤钻井机械比能模型方程得到空气锤钻井机械比能的最终计算公式：
其中，需要说明的是，从式(6)中可以看出，能量传递效率是空气锤机械比能计算的重要指标。
最后，在本实施例的空气锤钻井机械比能计算步骤s130中，需要先计算所述能量传递效率参数，后将获得的所述能量传递效率参数代入上述空气锤机械比能计算公式中。
具体地，能量传递效率ηtransmission是空气锤设计中的一个重要指标，它代表传递给钻头的能量占初始活塞总动能的比例，其中，返还给活塞的剩余能量大小直接影响了活塞冲程的长短和冲程的时间间隔，返还回活塞的能量越多代表转换为钻头动能的部分越少，能量浪费越多，活塞效率越低。根据上述能量传递效率的定义可以得到如下表达式：
其中，et表示初始总能量；er表示通过钻头传递给岩石的能量；mb表示钻头重量，n；vbb表示钻头向下速度，m/s。
需要说明的是，从(7)式中可以看出，计算能量传递效率的关键是找出钻头向下速度vbb与活塞冲击速度vpa的关系。
图3为本申请实施例的空气锤活塞冲击钻头过程的示意图，下面结合图3所示，进一步说明钻头向下速度vbb与活塞冲击速度vpa的关系。空气锤腔内的活塞对钻头进行冲击，在冲击过程中，活塞在冲击前的初始动能一部分传递给了钻头，使之向下运动，另一部分返还给活塞，在该过程中，活塞和钻头均没有受到外力的作用，能量依靠冲击的内力(即活塞和钻头的相互作用力)进行传递，该冲击过程满足动量守恒原理和能量守恒原理。
具体地，根据动量守恒原理对上述冲击过程能够用下列表达式表达：
mpνpa＝mpνpb+mbνbb(8)
另外，针对空气锤内活塞冲击钻头的过程，根据能量守恒原理对该过程利用如下表达式表达：
其中，ep表示返还给活塞的剩余能量。进一步，由(8)、(9)式可以得到如下表达式：
在得到钻头向下速度与活塞冲击速度的关系后，根据(11)式即可得到步骤s130中能量传递效率这一关键参数。由此进行进一步推导，最终得到能量传递效率的计算方程：
当α>1且β≥0.5πα/(α-1)0.5时：
当α>1且β<0.5πα/(α-1)0.5时：
其中，e表示自然底数，
最后，将得到的能量传递效率参数代入上述(6)式中，即可计算出空气锤钻井的机械比能，进而分析空气锤钻井效率和钻头工作情况，并且能够让钻井工作人员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。
图4为本申请实施例的用于空气锤钻井的机械比能计算系统的模块框图，该系统包含以下三个模块：建立空气锤钻井机械比能模型模块41、推导空气锤钻井机械比能计算公式模块42和计算空气锤钻井机械比能模块43。
如图4所示，建立空气锤钻井机械比能模型模块41，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。该模块41包括两个单元：机械比能表达式确定单元411和空气锤钻井机械比能模型构建单元412。机械比能表达式确定单元411基于机械比能理论，采用r.teale机械比能模型，确定含有可获得的钻压、转速、钻头直径、机械钻速、钻头扭矩等参数的机械比能模型的表达式；空气锤钻井机械比能模型构建单元412基于上述机械比能表达式与空气锤钻井的破岩机理，构建空气锤钻井机械比能模型。
接着，对推导空气锤钻井机械比能计算公式模块42进行说明，该模块42首先要分析空气锤做功过程；而后，利用上述空气锤做功过程中的能量传递原理与空气锤钻井机械比能模型，得到含有能量传递效率参数的空气锤机械比能的最终计算公式。
在得到空气锤机械比能最终计算式后，参考图4对计算空气锤钻井机械比能模块43的模块组成及功能进行说明。该模块43需要计算能量传递效率这一关键参数，然后将计算得到的能量传递效率参数代入所述空气锤机械比能的最终计算式中。空气锤钻井机械比能计算模块43包含三个单元：能量传递效率推导单元431、能量传递效率计算单元432和空气锤机械比能获取单元433。能量传递效率推导单元431利用空气锤中活塞冲击钻头的过程满足动量守恒和能量守恒的原理，得到钻头受到冲击后的向下速度与活塞冲击速度的关系；能量传递效率计算单元432根据上述钻头向下速度与活塞冲击速度的关系，进一步推导出能量传递效率计算方程；空气锤机械比能获取单元433将上述计算得到的能量传递效率方程代入到上述含有能量传递效率参数的空气锤机械比能的最终计算公式中。
图5为本申请实施例的用于空气锤钻井机械比能的计算方法原理图，下面结合图5对空气锤机械比能计算方法的原理进行说明。如图5所示，在本实施例中先要构建含有可获得的钻压、转速、钻头直径、机械钻速、钻头扭矩等参数的r.teale机械比能模型mser.teale；然后，基于空气锤钻井以冲击回转为主要破岩方式，根据空气锤钻井破岩机理，分析出空气锤钻井井下破碎岩石的能量主要来源于空气锤冲击、钻压和扭矩这三个方面所做的功，从而构建空气锤钻井机械比能模型mse，如上式(3)式所示，该过程的方法如图1中步骤s110所示。
接着，求解空气锤钻井机械比能模型中的未知量：空气锤传递能量ehammer。在分析空气锤冲击做功过程中的能量传递原理后，可知空气锤在每个冲程冲击钻头本体的过程中，一部分能量经过钻头传至井底岩石用于破岩，剩余的部分能量使得空气锤反弹回来。根据上述过程得到空气锤传递能量ehammer，如上述(4)式所示，通过(5)式对空气传递能量进行进一步计算，最终，基于上述空气锤钻井机械比能模型得到含有能量传递效率ηtransmission参数的空气锤机械比能模型的最终计算公式，如(6)式所示，该过程按照图1中步骤s120的流程进行计算。
最后，计算能量传递效率参数，该过程按照上述图1中步骤s130所描述的流程及方法进行计算，利用空气锤中活塞冲击钻头的过程满足动量守恒原理(如(8)式所示)和能量守恒的原理(如(9)式所示)，得到钻头受到冲击后的向下速度与活塞冲击速度的关系，如(10)、(11)式所示，从而推导出能量传递效率的计算方程，参见(12)、(13)式，最终将计算得到的能量传递效率代入上述空气锤机械比能模型的最终计算公式中。
本发明所述系统有多种实施方案，可根据实际情况选择使用。下面的实施例具有广泛的应用，并且任何实施例的讨论仅仅意图是以实施例为示例，并且无意暗示本发明公开的范围限于该实施例。在yb***井钻井施工阶段，空气锤钻进井段为713～2210m，根据所使用空气锤的结构参数和地层特征，实时计算该井段的机械比能变化情况，发现在1250m处机械比能发生剧烈变化，建议调整空气锤工作参数，以便适应地层特征，达到钻井效率最大化。
本实施例基于机械比能理论，考虑了空气锤钻井的技术特点，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，引入了能量传递效率，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。
本发明可用于钻井设计阶段对全井进行井漏预测，进而优化设计，并提出应对风险的预案；在施工过程中，对钻前预测的风险进行自动实时修正并预警，能最大程度控制井漏的发生或在第一时间发现风险并采取有效处理措施，将损失降至最低。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
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