井下鉆井工具與巖屑之間的相互作用的三維建模的制作方法
【專(zhuān)利摘要】根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案，公開(kāi)了一種建模井下鉆井工具的方法。所述方法可包括：識(shí)別與多個(gè)切削元件中的每一者相關(guān)聯(lián)的多個(gè)切片中的每一者的位置。所述方法可進(jìn)一步包括：基于所述切片的所述位置和井眼底部的三維模型來(lái)計(jì)算每一切片的切削深度。另外，所述方法可包括：響應(yīng)于大于臨界切削深度的至少一個(gè)切削深度產(chǎn)生用于每一切削元件的巖屑的三維模型，每一三維模型包括與每一切片相關(guān)聯(lián)的巖屑的二維模型。所述方法還可包括：通過(guò)移除巖屑的每一三維模型更新所述井眼底部的所述三維模型。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
井下鉆井工具與巖屑之間的相互作用的三維建模
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本公開(kāi)總體上涉及井下鉆井工具，并且更具體來(lái)說(shuō)涉及井下鉆井工具與巖肩之間 的相互作用的三維模型。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 各種類(lèi)型的井下鉆井工具，包括但不限于旋轉(zhuǎn)鉆頭、擴(kuò)孔器、取心鉆頭以及已用來(lái) 在相關(guān)聯(lián)的井下地層中形成井筒的其他井下工具。這類(lèi)旋轉(zhuǎn)鉆頭的實(shí)例包括但不限于，固 定刀具鉆頭、刮刀鉆頭、聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭以及與形成延伸通過(guò)一個(gè)或多個(gè)井下 地層的油氣井相關(guān)聯(lián)的基體鉆頭。例如PDC鉆頭的固定刀具鉆頭可包括各自包括多個(gè)切削 元件的多個(gè)刀片。
[0004] 在典型鉆井應(yīng)用中，PDC鉆頭可用來(lái)利用比非roc鉆頭長(zhǎng)的鉆頭壽命鉆穿各種級(jí)別 或類(lèi)型的地質(zhì)地層。典型地層可通常在地層的上部（例如，較淺鉆探深度）中具有相對(duì)低的 抗壓強(qiáng)度以及在地層的下部(例如，較深鉆探深度）中具有相對(duì)高的抗壓強(qiáng)度。因此，通常變 得越發(fā)難以在越來(lái)越深的深度處鉆井。同樣，用于在任何特定深度處鉆井的理想鉆頭通常 根據(jù)在那一深度處的地層抗壓強(qiáng)度來(lái)行使職能。因此，用于鉆井的理想鉆頭通常根據(jù)鉆孔 深度變化。
[0005] 已用來(lái)建模井下鉆井工具的效率的一個(gè)示例性模型被稱(chēng)為單一刀具力模型。單一 刀具力模型可計(jì)算作用于各別切削元件的力并合計(jì)那些力以估算作用于井下鉆井工具的 啟、。
[0006] 附圖簡(jiǎn)述
[0007] 為了更完全地理解本公開(kāi)和其特征與優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)結(jié)合附圖來(lái)參考以下描述，附圖中：
[0008] 圖1示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的鉆井系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案的立視圖；
[0009] 圖2示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的以通常用來(lái)建?；蛟O(shè)計(jì)固定刀具鉆頭的方 式向上定向的旋轉(zhuǎn)鉆頭的等距圖；
[0010]圖3A在分段中和在仰角中示出其中局部剖視的圖式，其示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí) 施方案的穿過(guò)第一井下地層并去往鄰近第二井下地層中鉆出井筒的圖2的鉆頭；
[0011]圖3B示出表示根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的鉆頭的刀片的截面視圖的刀片輪廓； [0012]圖4A-圖4D示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的沿刀片設(shè)置的各種切削元件的切削 區(qū)域；
[0013] 圖5A為鉆頭101的頂視圖，其示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的可被設(shè)計(jì)和制造 以提供改善的切削深度控制的鉆頭的面；
[0014] 圖5B示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的圖5A的鉆頭的切削元件的沿鉆頭的鉆頭 輪廓的位置；
[0015] 圖6A示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的切削元件的鉆頭面輪廓的曲線(xiàn)圖；
[0016] 圖6B示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的包括相關(guān)聯(lián)的鉆井力的示例性切削元件 的截面視圖；
[0017] 圖7示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的與地球物理學(xué)地層接合的示例性切削元件 的截面視圖；
[0018] 圖8示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的巖肩的建模近似；
[0019] 圖9A示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的被分成示例性切片群的三維巖肩；
[0020]圖9B示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的包括于相關(guān)聯(lián)的三維巖肩中的示例性二 維巖肩長(zhǎng)度；
[0021] 圖10示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的通過(guò)單一切削元件產(chǎn)生的巖肩的示例性 邊界；
[0022] 圖11示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的示例性建模和測(cè)量的鉆頭力數(shù)據(jù)；
[0023] 圖12示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的示例性井下鉆井工具建模系統(tǒng)的方框圖； 并且
[0024] 圖13示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的用于建模鉆頭與巖肩之間的相互作用的 示例性方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 本文公開(kāi)一種鉆頭模型和相關(guān)系統(tǒng)和方法，并涉及井下鉆井工具的建模鉆井效 率。在廣義的術(shù)語(yǔ)中，所公開(kāi)的鉆井工具模型的一個(gè)方面考慮到可在鉆井期間與在切削元 件的面前面的地層分離的巖肩。從地層分離特定體積巖石所需要的能量的量可與鉆頭的鉆 井效率相關(guān)。因此，通過(guò)考慮這些巖肩，所公開(kāi)模型能夠更精確地分析或預(yù)測(cè)井下鉆井工具 的鉆井效率。存在其中可考慮巖肩并將巖肩作為井下鉆井工具模型中的因素的許多方式。 因此，通過(guò)參考圖1至圖13最好地理解本公開(kāi)的實(shí)施方案和其優(yōu)點(diǎn)，各圖中相同編號(hào)用來(lái)指 示相同和對(duì)應(yīng)部分。
[0026] 圖1示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的鉆井系統(tǒng)100的示例性實(shí)施方案的立視圖。 鉆井系統(tǒng)1〇〇可包括井表面或井場(chǎng)106。各種類(lèi)型的鉆井裝備，例如旋轉(zhuǎn)臺(tái)、鉆井液栗和鉆井 液罐(未明確示出）可定位在井表面或井場(chǎng)106。例如，井場(chǎng)106可包括鉆機(jī)102，所述鉆機(jī)102 可具有與"陸地鉆機(jī)"相關(guān)聯(lián)的各種特性和特征。然而，并入有本公開(kāi)的教導(dǎo)的井下鉆井工 具可令人滿(mǎn)意地與鉆井裝備一起使用，所述鉆井裝備定位在海上平臺(tái)、鉆井船、半潛式裝置 和鉆井駁船(未明確示出）上。
[0027] 鉆井系統(tǒng)100還可包括與鉆頭101相關(guān)聯(lián)的鉆柱103,鉆柱103可用來(lái)形成多種井筒 或井眼，例如大體豎直的井筒114a或大體水平的井筒114b或其任何組合。各種定向鉆井技 術(shù)和鉆柱103的井底鉆具組件(BHAH20的相關(guān)聯(lián)部件可用來(lái)形成水平井筒114b。例如，側(cè)向 力可在鄰近造斜位置113處施加于BHA 120以形成從大體豎直的井筒114a延伸的大體水平 的井筒114b。術(shù)語(yǔ)"定向鉆井"可用來(lái)描述鉆出相對(duì)于豎直面以一個(gè)或多個(gè)所需角度延伸的 井筒或井筒的一部分。所需角度可大于與豎直井筒相關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)變化。定向鉆井還可被描 述為鉆出偏離豎直面的井筒。術(shù)語(yǔ)"水平鉆井"可用來(lái)包括在與豎直面成約九十度(90°)的 方向上鉆井。
[0028] BHA 120可由被配置來(lái)形成井筒114的多種部件形成。例如，BHA 120的部件122a、 122b和122c可包括但不限于鉆頭(例如，鉆頭101)，取心鉆頭、鉆鋌、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、定向鉆 井工具、井下鉆井馬達(dá)、擴(kuò)孔器、井眼擴(kuò)大器或穩(wěn)定器。被包括在BHA 120中的部件122的數(shù) 量和類(lèi)型可取決于所預(yù)測(cè)的井下鉆井條件和將由鉆柱103和旋轉(zhuǎn)鉆頭101形成的井筒的類(lèi) 型。BHA 120還可包括各種類(lèi)型的測(cè)井工具（未明確示出）和與井筒的定向鉆井相關(guān)聯(lián)的其 他井下工具。測(cè)井工具和/或定向鉆井工具的實(shí)例可包括但不限于聲學(xué)、中子、γ射線(xiàn)、密 度、光電、核磁共振、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和/或任何其他可商購(gòu)的井工具。此外，ΒΗΑ 120還可包括 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)(未明確示出），所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)連接至部件122a、122b和122c并與部件122a、122b和 122c-起旋轉(zhuǎn)鉆柱103的至少一部分。
[0029] 井筒114可部分地由套管柱110限定，所述套管柱110可從井表面106延伸至所選井 下位置。如在圖1中所示，井筒114的不包括套管柱110的部分可被描述為"裸井"。各種類(lèi)型 的鉆井液可通過(guò)鉆柱103至附接的鉆頭101從井表面106抽出。鉆井液可被引導(dǎo)來(lái)從鉆柱103 流至穿過(guò)旋轉(zhuǎn)鉆頭101的相應(yīng)噴嘴(在圖2中描繪為噴嘴156)。鉆井液可通過(guò)部分地由鉆柱 103的外徑112和井筒114a的內(nèi)徑118限定的環(huán)空108循環(huán)返回到井表面106。內(nèi)徑118可被稱(chēng) 為井筒114a的"側(cè)壁"。環(huán)空108也可由鉆柱103的外徑112和套管柱110的內(nèi)徑111限定。裸井 環(huán)空116可被限定為側(cè)壁118和外徑112。
[0030] 鉆井系統(tǒng)100還可包括旋轉(zhuǎn)鉆頭（"鉆頭"）101。在圖2中進(jìn)一步詳細(xì)討論的鉆頭101 可包括一個(gè)或多個(gè)刀片126,所述刀片126可從鉆頭101的旋轉(zhuǎn)鉆頭體124的外部部分向外設(shè) 置。刀片126可以是從旋轉(zhuǎn)鉆頭體124向外延伸的任何適合類(lèi)型的突出。鉆頭101可在由方向 箭頭105限定的方向上相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸104旋轉(zhuǎn)。刀片126可包括從每一刀片126的外部部 分向外設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)切削元件128。刀片126還可包括被配置來(lái)控制切削元件128的切 削深度的一個(gè)或多個(gè)切削深度控制器(未明確示出）。刀片126可進(jìn)一步包括設(shè)置在刀片126 上的一個(gè)或多個(gè)保徑墊(未明確示出）。鉆頭101可根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)來(lái)設(shè)計(jì)和形成，并可根 據(jù)鉆頭101的特定應(yīng)用而具有許多不同設(shè)計(jì)、配置和/或尺寸。
[0031] 切削元件128在鉆頭101和/或其他井下鉆井工具上的配置也可有助于鉆頭的鉆井 效率。切削元件128可根據(jù)兩個(gè)一般原理布局:單一布置(single-set)和分軌布置(track-set)。在單一布置配置中 ，鉆頭 101 上的切削元件 128 中 的每一者可具有相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸 104的唯一徑向位置。在分軌布置配置中，鉆頭101的切削元件128中的至少兩者可具有相對(duì) 于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸104的相同徑向位置。在一些實(shí)施方案中，分軌布置切削元件可定位在鉆頭的 不同刀片上。在其他實(shí)施方案中，分軌布置切削元件可定位在同一刀片上。具有布局在單一 布置配置中的切削元件的鉆頭可比具有分軌布置配置的鉆頭更有效率地鉆井，而具有布局 在分軌布置配置中的切削元件的鉆頭可比具有單一布置配置的鉆頭更穩(wěn)定。
[0032] 在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，可能有利的是，通過(guò)并入有井下鉆井工具與巖肩之 間的相互作用建模井下鉆井工具的鉆井效率，如在下文的進(jìn)一步細(xì)節(jié)中公開(kāi)的。例如，在鉆 井系統(tǒng)100的操作期間，當(dāng)鉆頭101接觸井筒114a的底部或水平井筒114b的末端時(shí)，刀片126 或切削元件128可機(jī)械刮削包圍井筒114的地層，致使巖石片與地層分離。在一些實(shí)施方案 中，鉆頭101可進(jìn)一步致使巖肩與刀片126或切削元件128前面的地層分離。從地層分離特定 體積巖石所需要的能量的量可與鉆頭的鉆井效率相關(guān)。在鉆進(jìn)不同類(lèi)型的地質(zhì)地層中的同 時(shí)，可能有利的是，優(yōu)化設(shè)計(jì)或建模井下鉆井工具的鉆井效率以便選擇最大化鉆井效率的 井下鉆井工具。如在下文的進(jìn)一步細(xì)節(jié)中所公開(kāi)的，在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，井下鉆井 工具模型（未明確示出）可用來(lái)從一組可利用的井下鉆井工具中挑選高效率井下鉆井工具 (例如，鉆頭、擴(kuò)孔器、開(kāi)孔器等）。在其他實(shí)施方案中，井下鉆井工具模型可被配置來(lái)選擇或 優(yōu)化鉆頭的設(shè)計(jì)以提高鉆井效率。
[0033] 因此，在一些實(shí)施方案中，鉆頭101可根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)來(lái)設(shè)計(jì)或制造，并可根據(jù) 鉆頭101的特定應(yīng)用而具有不同設(shè)計(jì)、配置和/或尺寸。在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，井下鉆 井工具模型可被配置來(lái)通過(guò)并入有井下鉆井工具與巖肩之間的相互作用來(lái)分析井下鉆井 工具的效率。在其他實(shí)施方案中，井下鉆井工具模型可被配置來(lái)基于包括與井下鉆井工具 相關(guān)聯(lián)的巖肩相互作用的井下鉆井工具模型而設(shè)計(jì)或選擇高效率井下鉆井工具。根據(jù)本公 開(kāi)設(shè)計(jì)的井下鉆井工具模型可改善井下鉆井工具的鉆井效率的預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。
[0034] 圖2示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的以通常用來(lái)建模或設(shè)計(jì)固定刀具鉆頭的方 式向上定向的旋轉(zhuǎn)鉆頭101的等距圖。鉆頭101可以是可操作來(lái)形成延伸穿過(guò)一個(gè)或多個(gè)井 下地層的井筒(例如，圖1所示井筒114)的各種類(lèi)型的旋轉(zhuǎn)鉆頭中的任何者，包括固定刀具 鉆頭、聚晶金剛石復(fù)合片(roc)鉆頭、刮刀鉆頭、基體鉆頭和/或鋼體鉆頭。鉆頭101可根據(jù)本 公開(kāi)的教導(dǎo)來(lái)設(shè)計(jì)和形成，并可根據(jù)鉆頭101的特定應(yīng)用而具有許多不同設(shè)計(jì)、配置和/或 尺寸。
[0035] 鉆頭101可包括一個(gè)或多個(gè)刀片126(例如，刀片126a-126g)，所述刀片126可從鉆 頭101的旋轉(zhuǎn)鉆頭體124的外部部分向外設(shè)置。刀片126可以是從旋轉(zhuǎn)鉆頭體124向外延伸的 任何適合類(lèi)型的突出。例如，刀片126的一部分可直接或間接耦接至鉆頭體124的外部部分， 而刀片126的另一部分可遠(yuǎn)離鉆頭體124的外部部分突出。根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)形成的刀片 126可具有多種配置，包括但不限于基本拱形、大體螺旋狀、盤(pán)旋狀、錐形、會(huì)聚式、發(fā)散式、 對(duì)稱(chēng)的和/或非對(duì)稱(chēng)的。在一些實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)刀片126可具有從鉆頭101的鄰近旋 轉(zhuǎn)軸104延伸的基本拱形配置。拱形配置可部分地由從鄰近鉆頭旋轉(zhuǎn)軸104延伸的大體凹陷 的、凹入成形的部分限定。拱形配置還可部分地由設(shè)置在每一刀片的凹陷的、凹入部分與外 部部分之間的大體凸出的、向外彎曲的部分限定，所述外部部分大體上與旋轉(zhuǎn)鉆頭的外徑 相對(duì)應(yīng)。
[0036]刀片126中的每一者可包括鄰近或朝向鉆頭旋轉(zhuǎn)軸104設(shè)置的第一末端以及鄰近 或朝向鉆頭101的外部部分設(shè)置(例如，大體遠(yuǎn)離鉆頭旋轉(zhuǎn)軸104并且朝向鉆頭101的井上部 分設(shè)置)的第二末端。術(shù)語(yǔ)"井上"和"井下"可用來(lái)描述鉆探系統(tǒng)100的各種部件相對(duì)于圖1 中所示井筒114的底部或末端的位置。例如，被描述為從第二部件井上的第一部件可比第二 部件更加遠(yuǎn)離井筒114的末端。類(lèi)似地，被描述為從第二部件井下的第一部件可定位成比第 二部件更加靠近井筒114的末端。
[0037]刀片126a_126g可包括圍繞鉆頭旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置的主刀片。例如，刀片126a、126c和 126e可以是主刀片或主要刀片，因?yàn)榈镀?26a、126c和126e中的每一者的相應(yīng)第一末端141 可緊密相鄰于鉆頭101的鉆頭旋轉(zhuǎn)軸104設(shè)置。在一些實(shí)施方案中，刀片126a-126g還可包括 設(shè)置在主刀片之間的至少一個(gè)輔助刀片。在所例示的實(shí)施方案中，鉆頭101上的刀片126b、 126d、126f和126g可以是輔助刀片或次要刀片，因?yàn)橄鄳?yīng)第一末端141可離相關(guān)聯(lián)的鉆頭旋 轉(zhuǎn)軸104-段距離地設(shè)置在鉆頭101的井下末端151上。主刀片和輔助刀片的數(shù)量和位置可 變化以使得鉆頭101包括更多或者更少的主刀片和輔助刀片。刀片126可相對(duì)于彼此和鉆頭 旋轉(zhuǎn)軸104對(duì)稱(chēng)地或非對(duì)稱(chēng)地設(shè)置，其中刀片126的設(shè)置可基于鉆井環(huán)境的井下鉆井條件。 在一些實(shí)施方案中，刀片126和鉆頭101可在由方向箭頭105限定的方向上圍繞旋轉(zhuǎn)軸104旋 轉(zhuǎn)。
[0038]刀片126中的每一者可具有位于鉆頭101的旋轉(zhuǎn)方向上的引導(dǎo)表面或前表面130以 及遠(yuǎn)離鉆頭101的旋轉(zhuǎn)方向與引導(dǎo)表面130相對(duì)定位的尾隨表面或背表面132。在一些實(shí)施 方案中，刀片126可沿鉆頭體124定位以使得它們具有相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸104的盤(pán)旋狀配置。在其 他實(shí)施方案中，刀片126可以大體平行的配置相對(duì)于彼此和鉆頭旋轉(zhuǎn)軸104沿鉆頭體124定 位。
[0039]刀片126可包括從每一刀片126的外部部分向外設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)切削元件128。 例如，切削元件128的一部分可直接或間接耦接至刀片126的外部部分，而切削元件128的另 一部分可遠(yuǎn)離刀片126的外部部分突出。通過(guò)實(shí)例的方式而非進(jìn)行限制，切削元件128可以 是適用于與多種鉆頭101-起使用的各種類(lèi)型的刀具、壓縮件、按鈕、插入件和保徑刀具。盡 管圖2示出刀片126上的兩行切削元件128,但根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)設(shè)計(jì)和制造的鉆頭可具有 一行切削元件或多于兩行的切削元件。
[0040]切削元件128可以是被配置來(lái)切進(jìn)地層中的任何適合的裝置，包括但不限于主切 削元件、備用切削元件、輔助切削元件或其任何組合。切削元件128可包括相應(yīng)襯底164,其 中一層硬切削材料(例如，切削臺(tái)162)設(shè)置在每一相應(yīng)襯底164的一端上。切削元件128的硬 層可提供可與井下地層的鄰近部分接合的切削表面以形成井筒114,如圖1所示。切削表面 與地層的接觸可形成與切削元件128中的每一者相關(guān)聯(lián)的切削區(qū)域，如相對(duì)于圖4A-圖4D進(jìn) 一步詳細(xì)描述的。切削表面的定位在切削區(qū)域內(nèi)的邊緣可被稱(chēng)為切削元件128的切削邊緣。 [0041]切削元件128的每一襯底164可具有各種配置，并可由與形成用于旋轉(zhuǎn)鉆頭的切削 元件相關(guān)聯(lián)的碳化鎢或其他適合材料形成。碳化鎢可包括但不限于碳化一鎢(WC)、碳化二 鎢(W 2C)、大結(jié)晶碳化鎢和凝結(jié)或燒結(jié)碳化鎢。襯底也可使用其他硬材料形成，所述硬材料 可包括各種金屬合金和水泥，例如金屬硼化物、金屬碳化物、金屬氧化物和金屬氮化物。對(duì) 于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，硬切削層可由與襯底實(shí)質(zhì)上相同的材料形成。在其他應(yīng)用中，硬切削層可 由與襯底不同的材料形成。用來(lái)形成硬切削層的材料的實(shí)例可包括多晶金剛石材料，包括 合成的多晶金剛石。刀片126可包括可被配置來(lái)接收切削元件128的凹部或鉆頭凹窩166。例 如，鉆頭凹窩166可以是位于刀片126上的凹形切口。
[0042]在一些實(shí)施方案中，刀片126還可包括被配置來(lái)控制切削元件128的切削深度的一 個(gè)或多個(gè)切削深度控制器(D0CC)(未明確示出KD0CC可包括沖擊制動(dòng)器、備用或第二層切 削元件和/或改性金剛石加強(qiáng)(MDR)。刀片126、切削元件128和D0CC(未明確示出）的外部部 分可形成鉆頭面的部分。
[0043]刀片126可進(jìn)一步包括設(shè)置在刀片126上的一個(gè)或多個(gè)保徑墊(未明確示出）。保徑 墊可以是設(shè)置在刀片126的外部部分上的保徑、保徑分段或保徑部分。保徑墊可接觸由鉆頭 101形成的井筒(例如，如圖1所示井筒114)的鄰近部分。刀片126的外部部分和/或相關(guān)聯(lián)的 保徑墊可以相對(duì)于大體豎直的井筒114a的鄰近部分的各種角度(例如，正、負(fù)和/或平行)設(shè) 置。保徑墊可包括一或多層的表面硬化材料。
[0044] 鉆頭101的井上端150可包括具有形成在其上的鉆桿螺紋155的柄部152。螺紋155 可用來(lái)使鉆頭101與BHA 120可釋放地接合，由此鉆頭101可相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸104旋轉(zhuǎn)。鉆 頭101的井下端151可包括具有設(shè)置在其間的相應(yīng)排肩槽或流體流動(dòng)路徑140的多個(gè)刀片 126a_l 26g。另外，鉆探液可連通至一個(gè)或多個(gè)噴嘴156。
[0045] 鉆頭操作可以根據(jù)鉆孔深度的每轉(zhuǎn)的切削深度來(lái)表示。每轉(zhuǎn)的切削深度，或"切削 深度"可通過(guò)機(jī)械鉆速(R0P)和每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)確定。R0P可表示在鉆頭101旋轉(zhuǎn)時(shí)移除的 地層量并可用ft/hr的單位表示。此外，RPM可表示鉆頭101的轉(zhuǎn)速。例如，用來(lái)鉆地層的鉆頭 101可以約120RPM旋轉(zhuǎn)。實(shí)際切削深度（△)可表示切削元件在鉆頭101旋轉(zhuǎn)期間切進(jìn)地層中 的深度的量度。因此，實(shí)際切削深度可使用以下方程式表示為實(shí)際ROP與RPM的函數(shù)：
[0046] Δ =R〇P/(5*RPM)。
[0047] 實(shí)際切削深度可具有in/rev的單位。
[0048]鉆頭101的機(jī)械鉆速(R0P)通常是鉆壓(W0B)與每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)兩者的函數(shù)。鉆柱 103可將重量施加于鉆頭101并還可圍繞旋轉(zhuǎn)軸104旋轉(zhuǎn)鉆頭101以形成井筒114(例如，井筒 114a或井筒114b)。對(duì)于一些應(yīng)用而言，井下馬達(dá)(未明確示出）可被提供為BHA 120的一部 分以便也旋轉(zhuǎn)鉆頭101。在一些實(shí)施方案中，鉆頭101的鉆井效率可取決于切削元件128或刀 片126的位置或配置。因此，井下鉆井工具模型可考慮到鉆頭101的切削元件128、刀片126或 其他部件的位置、定向和配置以便建模井下鉆井工具與地層的相互作用。
[0049] 圖3A在分段中和在仰角中示出其中局部剖視的圖式，其示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí) 施方案的穿過(guò)第一井下地層并去往鄰近第二井下地層中鉆出井筒的圖2的鉆頭101。刀片的 外部部分（未明確示出）和切削元件128可旋轉(zhuǎn)地突出到徑向平面上以便形成鉆頭面輪廓 200。在所示出的實(shí)施方案中，在與井下地層層面204相比較時(shí)，地層層面202可被描述為"較 松軟"或"硬度較小"。如在圖3A中所示，鉆頭101的與井下地層的鄰近部分接觸的外部部分 可被描述為"鉆頭面"。鉆頭101的鉆頭面輪廓200可包括各種區(qū)域或分段。由于鉆頭面輪廓 200的旋轉(zhuǎn)突出，鉆頭面輪廓200可圍繞鉆頭旋轉(zhuǎn)軸104基本對(duì)稱(chēng)，以使得旋轉(zhuǎn)軸104的一側(cè) 上的區(qū)域或分段可實(shí)質(zhì)上類(lèi)似于位于旋轉(zhuǎn)軸104的相對(duì)側(cè)上的區(qū)域或分段。
[0050] 例如，鉆頭面輪廓200可包括相對(duì)保徑區(qū)域206b定位的保徑區(qū)域206a、相對(duì)肩狀區(qū) 域208b定位的肩狀區(qū)域208a、相對(duì)鼻狀區(qū)域210b定位的鼻狀區(qū)域210a和相對(duì)椎體區(qū)域212b 定位的椎體區(qū)域212a。包括在每一區(qū)域中的切削元件128可被稱(chēng)為那個(gè)區(qū)域的切削元件。例 如，包括在保徑區(qū)域206中的切削元件128 8可被稱(chēng)為保徑切削元件，包括在肩狀區(qū)域208中 的切削元件128s可被稱(chēng)為肩狀切削元件，包括在鼻狀區(qū)域210中的切削元件128 n可被稱(chēng)為鼻 狀切削元件，并且包括在錐體區(qū)域212中的切削元件128?？杀环Q(chēng)為錐體切削元件。
[0051] 錐體區(qū)域212通?？梢允谴篌w凸出的并且可在鉆頭101的每一刀片(例如，如圖1所 示刀片126)的外部部分上相鄰于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸104并且從鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)軸104延伸出來(lái)形成。鼻狀 區(qū)域210可以是大體凸出的并且可在鉆頭101的每一刀片的外部部分上相鄰于每一錐體區(qū) 域212并且從每一錐體區(qū)域212延伸形成。肩狀區(qū)域208可在每一刀片126的外部部分上從相 應(yīng)鼻狀區(qū)域210延伸形成并且可鄰近于相應(yīng)保徑區(qū)域206終止。如圖3A所示，鉆頭面輪廓200 的面積可取決于與鉆頭面輪廓200的區(qū)域或分段相關(guān)聯(lián)的截面積而不取決于切削元件總 數(shù)、刀片總數(shù)或每個(gè)切削元件的切削面積。
[0052] 圖3B示出表示根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的鉆頭101的刀片126的截面視圖的刀 片輪廓300。刀片輪廓300包括椎體區(qū)域212、鼻狀區(qū)域210、肩狀區(qū)域208及保徑區(qū)域206,如 上文參考圖2描述的。椎體區(qū)域212、鼻狀區(qū)域210、肩狀區(qū)域208及保徑區(qū)域206可相對(duì)于旋 轉(zhuǎn)軸104和水平參考線(xiàn)301基于它們沿刀片126的位置，水平參考線(xiàn)301在垂直于旋轉(zhuǎn)軸104 的平面中指示與旋轉(zhuǎn)軸104的一段距離。圖3A與圖3B的比較示出圖3B的刀片輪廓300相對(duì)于 圖3A的鉆頭面輪廓200顛倒。
[0053]刀片輪廓300可包括內(nèi)區(qū)302和外區(qū)304。內(nèi)區(qū)302可從旋轉(zhuǎn)軸104向外延伸至鼻點(diǎn) 311。外區(qū)304可從鼻點(diǎn)311延伸至刀片126的末端。鼻點(diǎn)311可在刀片輪廓300上定位在鼻狀 區(qū)域210內(nèi)，鼻點(diǎn)311具有如通過(guò)鉆頭旋轉(zhuǎn)軸104(豎直軸)從參考線(xiàn)301(水平軸)測(cè)量的最大 高程。圖3B中的曲線(xiàn)圖上的對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)軸104的坐標(biāo)可被稱(chēng)為軸向坐標(biāo)或位置。圖3B中的曲 線(xiàn)圖上的對(duì)應(yīng)于參考線(xiàn)301的坐標(biāo)可被稱(chēng)為徑向坐標(biāo)或徑向位置，所述徑向坐標(biāo)或徑向位 置可指示在通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸104的徑向平面中從旋轉(zhuǎn)軸104正交延伸的距離。例如，在圖3B中，旋 轉(zhuǎn)軸104可沿z軸定位，并且參考線(xiàn)301可指示從旋轉(zhuǎn)軸104正交延伸至可被定義為ZR平面的 徑向平面上的點(diǎn)的距離(R)。
[0054]圖3A和圖3B僅用于例示性目的，并且可在不脫離本公開(kāi)范圍的情況下對(duì)圖3A和圖 3B的做出修改、添加或省略。例如，各種區(qū)域的相對(duì)于鉆頭面輪廓的實(shí)際位置可變化并且可 能不完全如所描繪的一樣。
[0055]圖4A-圖4D示出沿刀片400設(shè)置的各種切削元件402的切削邊緣406和切削區(qū)域 404,如通過(guò)井下鉆井工具模型所建模的。切削區(qū)域404的位置和尺寸（因此以及切削邊緣 406的位置和尺寸）可取決于以下因素，包括:鉆頭的R0P和RPM、切削元件402的尺寸和切削 元件402的沿刀片400的刀片輪廓的位置和定向，因此以及鉆頭的鉆頭面輪廓。
[0056]圖4A示出刀片400輪廓的曲線(xiàn)圖，其指示切削元件402a-402j的沿刀片400的徑向 和軸向位置。豎直軸（"Z"）描繪刀片400的沿鉆頭旋轉(zhuǎn)軸的軸向位置，并且水平軸（"R"）描繪 刀片400在通過(guò)鉆頭旋轉(zhuǎn)軸的徑向平面中的與鉆頭旋轉(zhuǎn)軸的徑向位置。刀片400可大體類(lèi)似 于相對(duì)于圖1-圖3描述的刀片126中的一者，并且切削元件402可大體類(lèi)似于相對(duì)于圖1-圖3 描述的切削元件128。在所示出的實(shí)施方案中，切削元件402a-402d可定位在刀片400的椎體 區(qū)域412內(nèi)，并且切削元件402e-402g可定位在刀片400的鼻狀區(qū)域410內(nèi)。另外，切削元件 402h-402i可定位在刀片400的肩狀區(qū)域408內(nèi)，并且切削元件402j可定位在刀片400的保徑 區(qū)域414內(nèi)。椎體區(qū)域412、鼻狀區(qū)域410、肩狀區(qū)域408和保徑區(qū)域414可分別大體類(lèi)似于相 對(duì)于圖3A和圖3B描述的椎體區(qū)域212、鼻狀區(qū)域210、肩狀區(qū)域208和保徑區(qū)域206。
[0057] 圖4A示出切削區(qū)域404a-404 j，其中每一切削區(qū)域404符合于相應(yīng)切削元件402。如 上所述，每一切削元件402可具有定位在切削區(qū)域404內(nèi)的切削邊緣(未明確示出）。從圖4A 可見(jiàn)，每一切削元件402的切削區(qū)域404可基于切削元件402在刀片400上的可與刀片400的 各種區(qū)域相關(guān)的軸向和徑向位置。
[0058]圖4B示出圖4A的切削元件402b的分解曲線(xiàn)圖以進(jìn)一步詳細(xì)描述與切削元件402b 相關(guān)聯(lián)的切削區(qū)域404b和切削邊緣406b。從圖4A可見(jiàn)，切削元件402b可定位在椎體區(qū)域412 中。切削區(qū)域404b可至少部分地基于切削元件402b，所述切削元件402b定位在椎體區(qū)域412 中并具有符合于椎體區(qū)域412的軸向和徑向位置。如上所述，切削邊緣406b可以是切削元件 40 2b的切削表面的定位在切削區(qū)域404b內(nèi)的邊緣。
[0059]圖4C示出圖4A的切削元件402f的分解曲線(xiàn)圖以進(jìn)一步詳細(xì)描述與切削元件402f 相關(guān)聯(lián)的切削區(qū)域404f和切削邊緣406f。從圖4A可見(jiàn)，切削元件402f可定位在鼻狀區(qū)域410 中。切削區(qū)域404f可至少部分地基于切削元件402f，所述切削元件402f定位在鼻狀區(qū)域410 中并具有符合于鼻狀區(qū)域410的軸向和徑向位置。
[0060]圖4D示出圖4A的切削元件402h的分解曲線(xiàn)圖以進(jìn)一步詳細(xì)描述與切削元件402h 相關(guān)聯(lián)的切削區(qū)域404h和切削邊緣406h。從圖4A可見(jiàn)，切削元件402h可定位在肩狀區(qū)域408 中。切削區(qū)域404h可部分基于切削元件402h，所述切削元件402h定位在肩狀區(qū)域408中并具 有符合于肩狀區(qū)域408的軸向和徑向位置。
[0061 ] 對(duì)圖4A的分析和圖4B-圖4D的比較顯示，切削元件402的切削區(qū)域404的位置可至 少部分地在切削元件402的相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸104的軸向和徑向位置上變化。因此，井下鉆井工 具模型可考慮到鉆頭的切削元件402的位置、定向和配置以便并入有井下鉆井工具與地層 的相互作用。
[0062]圖5A為鉆頭101的頂視圖，其示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的可被設(shè)計(jì)和制造 以提供改善的切削深度控制的鉆頭的面。圖5B示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的圖5A的鉆 頭的切削元件的沿鉆頭的鉆頭輪廓的位置；
[0063]為提供參考系，圖5A包括X軸和y軸，并且圖5B包括可與鉆頭101的旋轉(zhuǎn)軸104相關(guān) 聯(lián)的z軸和在xy平面中指示與鉆頭101中心的正交距離的徑向軸(R)。因此，對(duì)應(yīng)于z軸的坐 標(biāo)或位置可被稱(chēng)為鉆頭面輪廓的軸向坐標(biāo)或軸向位置。另外，可通過(guò)xy平面的大體垂直于z 軸的X和y坐標(biāo)描述沿鉆頭面的位置。從鉆頭101的中心(例如，旋轉(zhuǎn)軸104)至鉆頭面的xy平 面中一點(diǎn)的距離可指示所述點(diǎn)在鉆頭101的鉆頭面輪廓上的徑向坐標(biāo)或徑向位置。例如，可 通過(guò)以下方程式表達(dá)具有X坐標(biāo)X和y坐標(biāo)y的xy平面中的一點(diǎn)的徑向坐標(biāo)：r:
[0064] 疒 ?λ y \廣
[0065] 另外，xy平面中的一點(diǎn)可具有角坐標(biāo)，所述角坐標(biāo)可以是從鉆頭101中心(例如，旋 轉(zhuǎn)軸104)延伸至所述點(diǎn)的線(xiàn)與X軸之間的角度。例如，可通過(guò)以下方程式表達(dá)具有X坐標(biāo)X和 y坐標(biāo)y的xy平面中的一點(diǎn)的角坐標(biāo)(θ):
[0066] 0=arctan(y/x)
[0067] 作為另一實(shí)例，定位在切削元件128a的切削邊緣中的點(diǎn)5 04 (如在圖5 A和圖5B中描 繪的）可在xy平面中具有X坐標(biāo)(Χδ〇4)和y坐標(biāo)(Υδ〇4)，所述X坐標(biāo)和y坐標(biāo)可用來(lái)計(jì)算點(diǎn)504的 徑向坐標(biāo)(R5Q4)(例如，R5Q4可等于X5Q4的平方加 Y5Q4的平方的平方根）可因此指示點(diǎn)504 與旋轉(zhuǎn)軸104的正交距離。另外，點(diǎn)504可具有角坐標(biāo)（θ5〇 4)，角坐標(biāo)（θ5()4)可以是X軸與從旋 轉(zhuǎn)軸104延伸至點(diǎn)504的線(xiàn)之間的角度(例如， 95〇4可等于31'(^11(乂5()4/￥5()4))。此外，如在圖513 中所描繪的，點(diǎn)504可具有軸向坐標(biāo)(Z 5Q4)，軸向坐標(biāo)(Z5Q4)可表示沿Ζ軸的可對(duì)應(yīng)于點(diǎn)504的 位置。應(yīng)理解，坐標(biāo)僅用于例示性目的，并且任何其他適合的坐標(biāo)系或配置可用來(lái)提供點(diǎn)的 沿鉆頭101的鉆頭面和鉆頭面輪廓的參考系。另外，可使用任何適合的單位。例如，可在度數(shù) 或中或在弧度中表達(dá)角度位置。
[0068] 鉆頭101可包括具有沿鉆頭體124定位的多個(gè)刀片126的鉆頭體124。在所示出的實(shí) 施方案中，鉆頭101可包括刀片126a-126c，然而應(yīng)理解，在其他實(shí)施方案中，鉆頭101可包括 更多或更少的刀片126。刀片126可包括沿刀片126設(shè)置的外部切削元件128和內(nèi)部切削元件 129。例如，刀片126a可包括外部切削元件128a和內(nèi)部切削元件129a，刀片126b可包括外部 切削元件128b和內(nèi)部切削元件129b，并且刀片126c可包括外部切削元件128c和內(nèi)部切削元 件129c。
[0069] 當(dāng)鉆頭101旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削元件128和129可跟隨通過(guò)鉆頭101的徑向路徑508和510指 示的旋轉(zhuǎn)路徑。徑向路徑508和510可由徑向坐標(biāo)心與辦限定。心可指示從旋轉(zhuǎn)軸104至切削 元件129的中心（相對(duì)于鉆頭101的中心）的正交距離。辦可指示從旋轉(zhuǎn)軸104至切削元件128 的中心(相對(duì)于鉆頭101的中心）的正交距離。
[0070] 在不脫離本公開(kāi)范圍的情況下，可對(duì)圖5A和圖5B做出修改、添加或省略。例如，刀 片126和切削元件128的數(shù)量可根據(jù)鉆頭101的各種設(shè)計(jì)約束條件和考慮因素而變化。
[0071] 圖6A示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的切削元件600的鉆頭面輪廓的曲線(xiàn)圖。圖 6A中所用的坐標(biāo)系可大體類(lèi)似于相對(duì)于圖5A和圖5B描述的坐標(biāo)系統(tǒng)。因此，鉆頭的符合于 圖6A的旋轉(zhuǎn)軸可與笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)的z軸相關(guān)聯(lián)以限定相對(duì)于鉆頭的軸向位置。另外，坐標(biāo) 系統(tǒng)的xy平面可符合于鉆頭的鉆頭面的大體垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面。xy平面上的坐標(biāo)可用來(lái) 限定與圖6A的鉆頭相關(guān)聯(lián)的徑向坐標(biāo)和角坐標(biāo)。
[0072]圖6A示出切削元件600和切削元件600的切削區(qū)域602(和其相關(guān)聯(lián)的切削邊緣 603)的軸向和徑向坐標(biāo)。切削元件600的符合于切削區(qū)域602的切削邊緣603可根據(jù)具有徑 向和軸向位置的切片606a-606c劃分，如圖6A中所描繪的。每一切片可具有相關(guān)聯(lián)的切削深 度608a_608c。
[0073] 根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案，井下鉆井工具模型可用來(lái)建模鉆頭的效率。井下鉆 井工具模型可計(jì)算作用于每一切削元件的至少兩個(gè)力：拖曳力(Fd)和穿刺力(Fp)。圖6B示 出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的包括相關(guān)聯(lián)的鉆井力的示例性切削元件的截面視圖。如圖 6A和圖6B所示，穿刺力610可在鉆頭軸的方向上作用。如圖6B所示，拖曳力612可在切削面 614的方向上垂直于穿刺力610作用。拖曳力612和穿刺力610可取決于切削元件幾何形狀系 數(shù)(Kd)和(Kp)，所述幾何形狀系數(shù)可以是切削元件600的后傾角、側(cè)傾角與齒形角的函數(shù)。 此外，拖曳力612和穿刺力610可另外取決于切削區(qū)域602的巖石的抗壓強(qiáng)度(〇)和面積(Α)。 拖曳力612和穿刺力610可如通過(guò)以下方程式表達(dá)的來(lái)計(jì)算：
[0074] Fd = Kd*o*A
[0075] FP = KP*〇*A
[0076] 然而，在一些實(shí)施方案中，如果例如切削元件的切削面積、切削元件幾何形狀系數(shù) 或切削元件的位置處的巖石的抗壓強(qiáng)度在切削元件之間變化，那么可能需要更復(fù)雜的模 型。例如，井下鉆井工具模型可作為輸入(通常作為ASCII碼文件)接收對(duì)切削元件位置、切 片位置、傾角、地層抗壓強(qiáng)度、機(jī)械鉆速(R0P)、鉆壓(W0B)和/或每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)的描述。在 一些實(shí)施方案中，考慮每一切削元件600和切片606在三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置，井下鉆井工 具模型可使用集成方法以用于發(fā)展切削元件接合幾何形狀和井底圖案。一旦每一切片606 的接合已跨于鉆頭面確定，那么可計(jì)算和合計(jì)每一各別切削元件的拖曳力和穿刺力。可對(duì) 力的豎直分量進(jìn)行合計(jì)以估算W0B。拖曳力可乘以其相應(yīng)力矩臂以計(jì)算鉆頭扭矩(Τ0Β)。
[0077] 另外，可依據(jù)機(jī)械比能(Es)來(lái)評(píng)估鉆頭的鉆井效率的模型。具有較低機(jī)械比能的 鉆頭可被稱(chēng)為更有效的鉆頭。鉆頭的機(jī)械比能可通過(guò)以下方程式表示為W0B、Τ0Β、RPM和R0P 與井眼截面積(Abh)的函數(shù)：
[0078] Es=TOB/Abh+1 20*jt*RPM*T0B/ (Abh*R0P)
[0079] 因此，被配置來(lái)計(jì)算WOB和TOB的井下鉆井工具模型可使得能夠進(jìn)行機(jī)械比能的精 確建模且因此進(jìn)行鉆頭效率的精確建模。因此，根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)，可實(shí)行能夠建模機(jī)械比 能的井下鉆井工具模型。
[0080] 在不脫離本公開(kāi)范圍的情況下，可對(duì)圖6做出修改、添加或省略。盡管描述特定數(shù) 量的切片和切削深度，但應(yīng)理解，任何適當(dāng)?shù)臄?shù)量可用來(lái)配置分析切削元件或鉆頭的效率。
[0081] 圖7示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的與地球物理學(xué)地層702接合的示例性切削 元件704的截面視圖。當(dāng)例如上文參考圖1討論的鉆頭101的鉆頭圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，例如切 削元件704的切削元件可接觸例如地層702的地層。鉆頭101的旋轉(zhuǎn)可將力施加于切削元件 704,致使切削元件在方向710上側(cè)向跨于地層702移動(dòng)。方向710可置于大體垂直于鉆頭旋 轉(zhuǎn)軸的平面中。當(dāng)切削元件704通過(guò)在方向710上移動(dòng)與地層702接合時(shí)，區(qū)域712中的材料 可通過(guò)切削元件704的切削面706移除。
[0082]此外，切削元件704與地層702的接合還可在切削面706的前面移除材料。例如，切 削元件704與地層702的相互作用可致使巖肩708與地層702分離。巖肩708可通過(guò)裂紋軌跡 718劃定。裂紋軌跡718可沿切削面706的切削邊緣始于對(duì)應(yīng)于切片724的一點(diǎn)。裂紋軌跡718 可跟隨大體成拋物線(xiàn)的路徑至地層702的表面726,在碎片末端728處到達(dá)表面726。裂紋軌 跡718的形狀可基于多種因素。例如，裂紋軌跡718的形狀可取決于切削元件704的切削深 度、裂紋軌跡718從切削面706的初始角、圍限壓力、泥漿壓力、巖石切變強(qiáng)度(無(wú)論地層702 是否處于脆性或塑性模式），或地層702的任何其他適合的鉆井參數(shù)或性質(zhì)。
[0083] 如圖7中所描繪的，切片724可具有切削深度714(δ714)。與切削元件的切削區(qū)域相 關(guān)聯(lián)的例如切片606a-606c(如上文參考圖6所討論的）的每一切片可具有不同切削深度。因 此，與切削元件相關(guān)聯(lián)的每一切片可具有不同相關(guān)聯(lián)的裂紋軌跡，并且因此可與巖肩的不 同尺寸相關(guān)聯(lián)。
[0084] 因?yàn)樘囟ㄣ@頭可具有大量切削元件，其中所述切削元件各具有若干相關(guān)聯(lián)的切 片，所以建模每一巖肩的拋物線(xiàn)式裂紋軌跡可能是計(jì)算密集的。因此，在一些實(shí)施方案中， 裂紋軌跡可被建模為筆直線(xiàn)。圖8示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的巖肩808的建模近似。 盡管裂紋軌跡可具有大體成拋物線(xiàn)的形狀，但巖肩可被建模為具有三角形形狀，所述巖肩 例如，建模的巖肩808。例如，建模的巖肩808可具有相關(guān)聯(lián)的建模的巖肩邊界818。建模的巖 肩邊界818可以是切片824與巖肩末端828之間的筆直線(xiàn)。通過(guò)以這種方式建模巖肩，建模的 巖肩808的例子可以建模的切削深度814和建模的巖肩角度820為特征。建模的切削深度814 可以是在切片824與沿地層802的表面826延伸的線(xiàn)之間沿垂直于表面826的線(xiàn)的距離。建模 的巖肩角度820可以是在建模的裂紋軌跡818與表面826之間形成的角度。
[0085] 在給定的一組鉆井參數(shù)下，巖肩可具有相似的巖肩角度。因此，對(duì)于給定的一組鉆 井參數(shù)而言，例如圍限壓力、泥漿壓力、巖石切變強(qiáng)度、切削元件的切削深度或任何其他適 合的鉆井參數(shù)，每一巖肩可假定具有相同建模的巖肩角度?？赏ㄟ^(guò)在多種鉆井參數(shù)下操作 鉆頭和收集與測(cè)量巖肩從實(shí)驗(yàn)室測(cè)試或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試憑經(jīng)驗(yàn)確定建模的巖肩角度820(Φ)。例 如，可測(cè)量碎片長(zhǎng)度822(L)和碎片高度810(δ。）。在一些實(shí)施方案中，可基于相關(guān)聯(lián)的切片 的切削深度814(δ)、后傾角816(β)和建模的巖肩角度820(Φ)計(jì)算碎片高度810。因此，可通 過(guò)以下方程式表達(dá)建模的巖肩角度820(Φ):
[0086] i]) = arctan(5c/L)
[0087] 然而，巖肩可僅在切削深度814大于臨界切削深度時(shí)產(chǎn)生。臨界切削深度可取決于 圍限壓力、泥漿壓力、巖石切變強(qiáng)度或任何其他適合的鉆井參數(shù)或地層性質(zhì)。臨界切削深度 可在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中在數(shù)字上被建?；蛴^察。在一些實(shí)施方案中，可通過(guò)對(duì)所測(cè)量的 碎片高度的分配的分析確定臨界切削深度?？衫缤ㄟ^(guò)確定最小碎片高度、碎片高度的第 一四分位數(shù)、對(duì)應(yīng)于平均碎片高度以下的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差的碎片高度，或用于分析所測(cè)量的 碎片高度的分配的任何其他適合的方法來(lái)估算臨界切削深度。
[0088] 一旦已確定二維巖肩的性質(zhì)，例如建模的巖肩808(上文參考圖8所討論的），那么 可建模三維巖肩。當(dāng)切削元件與地層接合時(shí)，具有變化尺寸的三維巖肩可與切削元件的切 削邊緣前面的地層分離。巖肩尺寸的變化可與有關(guān)于切削元件的不同切片的切削深度的變 化相關(guān)。例如，與切削元件相關(guān)聯(lián)的每一切片可具有不同切削深度。因此，如參考圖7和圖8 描述的，切片可與具有變化尺寸的二維巖肩相關(guān)聯(lián)。根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案，三維巖肩 可被建模為與切削元件的切片相關(guān)聯(lián)的這些二維巖肩的集合體。因此，在一些實(shí)施方案中， 三維巖肩可由與切削元件的切片相關(guān)聯(lián)的鄰近二維巖肩群組成。
[0089]圖9A和圖9B示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的示例性建模的三維巖肩。圖9A示出 根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的被分成示例性切片群的三維巖肩。在一些實(shí)施方案中，與切 削元件的切削面積相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)或更多個(gè)切片可根據(jù)切削深度產(chǎn)生具有變化尺寸的巖肩。 例如，如圖9A所示的切削元件902可包括切削區(qū)域908。切削區(qū)域908可包括任何數(shù)量的切片 904a-904k。每一切片904a-904k可包括相關(guān)聯(lián)的切削深度（δ)。在一組特定的鉆井參數(shù)下， 可確定臨界切削深度910。因此，如果切片904a-904k的任何切削深度大于臨界切削深度 910,那么二維巖肩可在切削元件902在鉆井操作期間接觸地層時(shí)形成。在一些實(shí)施方案中， 與切片904a-904k相關(guān)聯(lián)的巖肩可被建模為二維巖肩，如先前結(jié)合圖7和圖8討論的。例如， 對(duì)于特定切削元件而言，如果與切片904a-904k相關(guān)聯(lián)的最大建模的切削深度小于臨界切 削深度910,那么沒(méi)有與切削元件902相關(guān)聯(lián)的二維巖肩可被建模。替代地，如果與特定切削 元件902相關(guān)聯(lián)的最大建模的切削深度大于臨界切削深度910,那么與每一特定切片904a-904k相關(guān)聯(lián)的巖肩可被建模。
[0090] 圖9B示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的相關(guān)聯(lián)的三維巖肩的示例性二維巖肩長(zhǎng) 度。如圖9A所示，示例性切片904a、904j和904k包括小于臨界切削深度910的相關(guān)聯(lián)的切削 深度。因此，切片904a、904i和904k不具有相關(guān)聯(lián)的建模的巖肩長(zhǎng)度。如在圖9A中進(jìn)一步示 出的，切片904b-904i包括大于臨界切削深度910的相關(guān)聯(lián)的切削深度。因此，與切片904b-904i相關(guān)聯(lián)的巖肩包括相關(guān)聯(lián)的建模的巖肩長(zhǎng)度906b-906i。建模的巖肩長(zhǎng)度906b-906i可 從切削元件902的切削面912大體垂直延伸。替代地，如果與特定切片904相關(guān)聯(lián)的建模的切 削深度大于臨界切削深度910,那么建模的巖肩長(zhǎng)度906b-906i(L x)可根據(jù)碎片高度(δχ)和 巖肩角度(Φ)被計(jì)算用于一組特定鉆井參數(shù)，如通過(guò)以下方程式表達(dá)的：
[0091] Lx=5x/tan(it)
[0092] 在與切片904b-904i相關(guān)聯(lián)的巖肩在從切削面912延伸時(shí)被建模之后，包圍鄰近二 維巖肩群的三維區(qū)域可被稱(chēng)為三維巖肩。與單個(gè)切削元件的切片相關(guān)聯(lián)的一組二維巖肩的 組合可被稱(chēng)為三維巖肩。
[0093] 在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，與鉆頭的切削元件相關(guān)聯(lián)的三維巖肩可并入井下鉆 井工具模型中。可在不用軸向穿入的情況下通過(guò)建模鉆頭的整轉(zhuǎn)產(chǎn)生初始井眼底部的模 型。隨后，在一些實(shí)施方案中，井眼底部可使用極坐標(biāo)系統(tǒng)被分成網(wǎng)格。在一些實(shí)施方案中， 可使用徑向方向上的恒定步長(zhǎng)(dr)和圓周方向上的恒定步長(zhǎng)(de)形成網(wǎng)格。每一格網(wǎng)點(diǎn)可 包括沿z軸測(cè)量的相關(guān)聯(lián)的地層高度，z軸可與鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)聯(lián)，例如圖5中所示z軸?？?通過(guò)在離散時(shí)間步長(zhǎng)中圍繞旋轉(zhuǎn)軸建模鉆頭的增加的旋轉(zhuǎn)來(lái)分析鉆頭與地層的相互作用。 在一些實(shí)施方案中，旋轉(zhuǎn)軸可以是鉆頭旋轉(zhuǎn)軸，例如參考圖1、圖2和圖3A討論的鉆頭旋轉(zhuǎn)軸 104。在其他實(shí)施方案中，鉆頭可圍繞任何其他適合的軸旋轉(zhuǎn)。例如，在每一增加的時(shí)間步長(zhǎng) 處，每一切削元件和相關(guān)聯(lián)的切片的位置可更新。如果切片的更新位置指示切片在時(shí)間步 長(zhǎng)期間切進(jìn)井眼底部中，那么相關(guān)聯(lián)的地層高度可根據(jù)切片的切削深度而更新。
[0094]圖10示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的通過(guò)單個(gè)切削元件產(chǎn)生的巖肩的示例性 邊界。在時(shí)間to處，井下鉆井工具模型可指示示例性切削元件1002tQ沿終點(diǎn)1004與1006之間 的弧定位。在時(shí)間"處，井下鉆井工具模型可進(jìn)一步指示示例性切削元件1002 tl沿終點(diǎn)1010 與1012之間的弧定位。在時(shí)間以處，切削元件1002^可被分成相關(guān)聯(lián)的切片1014a-1014d?，F(xiàn) 有井下鉆井工具模型可僅在以時(shí)間如和七處的切削元件1002的位置為邊界的區(qū)域中更新地 層高度。例如，現(xiàn)有井下鉆井工具模型可僅分析與在以終點(diǎn)1004、1006、1010和1012為邊界 的區(qū)域中的地層的鉆頭相互作用。然而，根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)，井下鉆井工具模型可通過(guò)例如 建模三維巖肩的產(chǎn)生或移除，通過(guò)進(jìn)一步分析與切削元件前面的地層的鉆頭相互作用而得 到補(bǔ)充。
[0095]例如，在一些實(shí)施方案中，在井下鉆井工具模型指示切削元件1002和相關(guān)聯(lián)的切 片1014a-1014d的位置之后，井下鉆井工具模型可建模三維巖肩1020的移除。根據(jù)與圖7、圖 8、圖9A和圖9B相關(guān)聯(lián)的討論，可通過(guò)分析與切片1014a-1014d相關(guān)聯(lián)的二維巖肩建模三維 巖肩1020的形狀。
[0096] 在一些實(shí)施方案中，對(duì)于每一切片1014a_1014d而言，井下鉆井工具模型可指示相 關(guān)聯(lián)的切削深度。此外，基于建模的鉆井參數(shù)，可確定臨界切削深度。因此，對(duì)于每一切片 1014a-1014d而言，如果相關(guān)聯(lián)的切削深度大于臨界切削深度，那么可建模二維巖肩。可基 于建模的鉆井參數(shù)來(lái)確定巖肩長(zhǎng)度l〇〇8a-1008d，所述建模的鉆井參數(shù)例如建模的巖肩角 度?？筛鶕?jù)結(jié)合例如圖9A和圖9B討論的技術(shù)來(lái)計(jì)算巖肩長(zhǎng)度1008a-l 008d。
[0097] 在一些實(shí)施方案中，井下鉆井工具模型可指示時(shí)間t處的切削方向1016。因此，巖 肩可被建模為在與切片l〇14a-1014d相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)處起始并沿巖肩長(zhǎng)度1008a-1008d大體 平行于切削方向1016延伸。在一些實(shí)施方案中，切片1014a-1014d的坐標(biāo)落在格網(wǎng)點(diǎn)之間， 并且井下鉆井工具模型可基于間隙刀具坐標(biāo)分析巖肩的特征。在相同或其他實(shí)施方案中， 切片1014a-1014d的坐標(biāo)可以是內(nèi)插的以對(duì)應(yīng)于格網(wǎng)點(diǎn)?？裳亟K點(diǎn)1010與1012之間的路徑 選擇碎片邊界1018,所述路徑包圍巖肩長(zhǎng)度1008a-1008d的末端。由碎片邊界1018和切削元 件1002 tl圈起的區(qū)域內(nèi)的每一格網(wǎng)點(diǎn)可基于建模的巖肩的位置和幾何形狀被指定新井眼底 部深度。例如，指定至與切片l〇14a-1014d相關(guān)聯(lián)的格網(wǎng)點(diǎn)的井眼底部的建模高度可通過(guò)相 關(guān)聯(lián)的切片的切削深度減小。此外，指定至沿碎片邊界1018定位的格網(wǎng)點(diǎn)的井眼底部的建 模高度可保持不變。另外，指定至沿巖肩長(zhǎng)度l〇〇8a-1008d的格網(wǎng)點(diǎn)的井眼底部的建模高度 可通過(guò)將裂紋軌跡建模為切片1014a-1014d與碎片邊界1018之間的筆直線(xiàn)以及沿巖肩長(zhǎng)度 1008a-1008d線(xiàn)性?xún)?nèi)插巖肩高度而減小。為將結(jié)合圖10討論的單個(gè)切削元件模型擴(kuò)充至整 個(gè)鉆頭模型，井下鉆井工具模型可重復(fù)對(duì)在每一時(shí)間步長(zhǎng)處的在鉆頭上的每一切削元件的 與圖10相關(guān)聯(lián)的分析。
[0098] 圖10僅用于例示性目的，并且可在不脫離本公開(kāi)范圍的情況下對(duì)圖10做出修改、 添加或省略。例如，盡管使用極坐標(biāo)系討論圖10，但應(yīng)理解，可使用任何適合的坐標(biāo)系統(tǒng)，例 如笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)或球面坐標(biāo)系統(tǒng)。
[0099] 包括對(duì)三維巖肩的分析的井下鉆井工具模型可用來(lái)分析鉆頭或鉆頭設(shè)計(jì)的機(jī)械 比能。在一些實(shí)施方案中，井下鉆井工具模型可用來(lái)計(jì)算與鉆頭相關(guān)聯(lián)的模擬鉆頭力。例如 井下鉆井工具模型可計(jì)算WOB、TOB或側(cè)向鉆頭力。圖11示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的 示例性建模和測(cè)量的鉆頭力數(shù)據(jù)。三個(gè)鉆頭在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過(guò)測(cè)驗(yàn)，并且WOB和TOB測(cè)量值得 以記錄。此外，三個(gè)鉆頭中的每一者使用兩個(gè)不同模型建模:包括三維鉆頭-巖肩相互作用 的井下鉆井工具模型和沒(méi)有三維鉆頭-巖肩相互作用的井下鉆井工具模型。圖11中的每一 曲線(xiàn)圖示出三個(gè)數(shù)據(jù)群，其中每一群與鉆頭(編號(hào)1-3)相關(guān)聯(lián)。與鉆頭相關(guān)聯(lián)的每一數(shù)據(jù)列 表示所測(cè)量或建模的鉆井參數(shù)，如由相關(guān)聯(lián)的圖例指示的。曲線(xiàn)圖1102和1104示出建模和 測(cè)量的WOB數(shù)據(jù)。在曲線(xiàn)圖1102和1104兩者中，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的鉆頭3為最有效鉆頭，而鉆頭1 為最不有效的。包括對(duì)三維巖肩的分析的井下鉆井工具模型示出鉆頭1、2與3之間的相同的 相對(duì)關(guān)系。然而，不具有對(duì)三維巖肩的分析的井下鉆井工具模型預(yù)測(cè)所有三個(gè)鉆頭將幾乎 同一地進(jìn)行。類(lèi)似地，曲線(xiàn)圖1106和1108示出建模和測(cè)量的TOB數(shù)據(jù)。在曲線(xiàn)圖1106和1108 兩者中，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的鉆頭3為最有效的鉆頭，而鉆頭1為最不有效的。包括對(duì)三維巖肩的分 析的井下鉆井工具模型示出鉆頭1、2與3之間的相同的相對(duì)關(guān)系。然而，不具有對(duì)三維巖肩 的分析的井下鉆井工具模型預(yù)測(cè)所有三個(gè)鉆頭將幾乎同一地進(jìn)行。因此，包括對(duì)三維巖肩 的分析的井下鉆井工具模型可用來(lái)分析和建模各種鉆頭或鉆頭設(shè)計(jì)的鉆井效率。
[0100] 圖12示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的示例性井下鉆井工具建模系統(tǒng)1200的方 框圖。井下鉆井工具建模系統(tǒng)1200可被配置來(lái)進(jìn)行鉆頭與巖肩之間的相互作用的三維建 模。在一些實(shí)施方案中，井下鉆井工具建模系統(tǒng)1200可包括井下鉆井工具建模模塊1202。井 下鉆井工具建模模塊1202可包括任何適合的部件。例如，在一些實(shí)施方案中，井下鉆井工具 建模模塊1202可包括處理器1204。處理器1204可包括例如微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處 理器(DSP)、特定用途集成電路(ASIC)或被配置來(lái)解譯和/或執(zhí)行程序指令和/或處理數(shù)據(jù) 的任何其他數(shù)字或模擬電路。在一些實(shí)施方案中，處理器1204可通信耦接至存儲(chǔ)器1206。處 理器1204可被配置來(lái)解譯和/或執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器1206中的程序指令和/或數(shù)據(jù)。程序指令 或數(shù)據(jù)可構(gòu)成軟件的一部分以實(shí)施鉆頭與巖肩之間的相互作用的三維建模，如本文所述。 存儲(chǔ)器1206可包括被配置來(lái)保持和/或容納一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器模塊的任何系統(tǒng)、裝置或設(shè) 備；例如，存儲(chǔ)器1206可包括只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、固態(tài)存儲(chǔ)器或以磁盤(pán)為基礎(chǔ)的 存儲(chǔ)器。每一存儲(chǔ)器模塊可包括被配置來(lái)將程序指令和/或數(shù)據(jù)保留一段時(shí)間的任何系統(tǒng)、 裝置或設(shè)備(例如，計(jì)算機(jī)可讀非暫態(tài)媒體）。
[0101] 井下鉆井工具建模系統(tǒng)1200可進(jìn)一步包括鉆頭設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)1208。鉆頭設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù) 1208可通信耦接至井下鉆井工具建模模塊1202并可響應(yīng)于井下鉆井工具建模模塊1202的 查詢(xún)或呼叫提供鉆頭設(shè)計(jì)1210a-1210c。鉆頭設(shè)計(jì)1210a-1210c可以任何適合的方式實(shí)行， 例如通過(guò)參數(shù)、函數(shù)、定義、指令、邏輯或代碼，并可存儲(chǔ)在例如數(shù)據(jù)庫(kù)、檔案、應(yīng)用編程接 口、庫(kù)、共享庫(kù)、記錄、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、服務(wù)、軟件即服務(wù)(software-as-servi ce)或任何其他適合 的機(jī)構(gòu)中。鉆頭設(shè)計(jì)1210a-1210c可指定鉆頭的部件的任何適合的配置，例如鉆頭101的部 件，如上文參考圖1、圖2或圖3A討論的。盡管鉆頭設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)1208被示出為包括三個(gè)鉆頭設(shè) 計(jì)，但鉆頭設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)1208可含有任何適合數(shù)量的鉆頭設(shè)計(jì)。
[0102] 井下鉆井工具建模系統(tǒng)1200可進(jìn)一步包括巖石性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)1212。巖石性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù) 1212可通信耦接至井下鉆井工具建模模塊1202并可響應(yīng)于井下鉆井工具建模模塊1202的 查詢(xún)或呼叫提供巖石性質(zhì)參數(shù)1214a-1214c。巖石性質(zhì)參數(shù)1214a-1214c可以任何適合的方 式實(shí)行，例如通過(guò)參數(shù)、函數(shù)、定義、指令、邏輯或代碼，并可存儲(chǔ)在例如數(shù)據(jù)庫(kù)、檔案、應(yīng)用 編程接口、庫(kù)、共享庫(kù)、記錄、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、服務(wù)、軟件即服務(wù)或任何其他適合的機(jī)構(gòu)中。巖石性 質(zhì)參數(shù)1214a-1214c可指定地球物理學(xué)地層的任何適合的性質(zhì)或參數(shù)，例如巖石切變強(qiáng)度、 巖石破碎模式、孔隙率、巖石強(qiáng)度或密度。巖石性質(zhì)參數(shù)1214a-1214c可進(jìn)一步包括指定巖 肩角度的參數(shù)，例如巖肩角度820(上文參考圖8討論的），該等參數(shù)與鉆井參數(shù)或地層性質(zhì) 的任何適合組合相關(guān)聯(lián)。盡管巖石性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)1212被示出為包括巖石性質(zhì)參數(shù)的三個(gè)例 子，但巖石性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)1212可含數(shù)量例子的巖石性質(zhì)參數(shù)。
[0103]在一些實(shí)施方案中，井下鉆井工具建模模塊1202可被配置來(lái)進(jìn)行鉆頭與巖肩之間 的相互作用的三維建模。例如，井下鉆井工具建模模塊1202可被配置來(lái)導(dǎo)入鉆頭設(shè)計(jì) 1210a-1210c的一個(gè)或多個(gè)例子和/或巖石性質(zhì)參數(shù)1214a-1214c的一個(gè)或多個(gè)例子。鉆頭 設(shè)計(jì)1210a-1210c和/或巖石性質(zhì)參數(shù)1214a-1214c可存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器1206中。井下鉆井工具 建模模塊1202可進(jìn)一步被配置來(lái)致使處理器1204執(zhí)行程序指令，所述程序指令可操作來(lái)進(jìn) 行鉆頭與巖肩之間的相互作用的三維建模。例如，處理器1204可在不用軸向穿入的情況下 基于鉆頭設(shè)計(jì)1210a-1210c通過(guò)建模表示在鉆頭設(shè)計(jì)1210a-1210c中的鉆頭的整轉(zhuǎn)產(chǎn)生初 始井眼底部的模型。
[0104]井下鉆井工具建模模塊1202可進(jìn)一步被配置來(lái)致使處理器1206確定一個(gè)或多個(gè) 切削元件在鉆頭的一個(gè)或多個(gè)刀片上的位置，所述切削元件例如圖1的切削元件128。井下 鉆井工具建模模塊1202還可被配置來(lái)識(shí)別與切削元件相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)切片的位置。例 如，井下鉆井工具建模模塊1202可通過(guò)識(shí)別徑向坐標(biāo)和角坐標(biāo)來(lái)識(shí)別極坐標(biāo)中的位置，所 述徑向坐標(biāo)和角坐標(biāo)例如圖5的徑向坐標(biāo)R5Q4或角坐標(biāo)0504。井下鉆井工具建模模塊1202可 進(jìn)一步被配置來(lái)基于切片位置和井眼底部的三維模型計(jì)算每一切片的切削深度，例如圖8 的切削深度814。另外，如果與切削元件相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)切片的切削深度大于臨界切削深 度(例如圖9的臨界切削深度910)，那么井下鉆井工具建模模塊1202可被配置來(lái)建模每一切 削元件的三維巖肩。例如，可計(jì)算與每一切片相關(guān)聯(lián)的巖肩的二維模型，所述巖肩例如建模 的巖肩808。在一些實(shí)施方案中，每一二維巖肩可包括巖肩角度(例如圖8的巖肩角度820)， 和巖肩長(zhǎng)度(例如圖9的巖肩長(zhǎng)度906a-906k)。在一些實(shí)施方案中，可基于巖石切變強(qiáng)度、鉆 井壓力、巖石破碎模式、孔隙率、巖石強(qiáng)度、密度或任何其他適合的鉆井參數(shù)或地層性質(zhì)來(lái) 確定單個(gè)巖肩角度。
[0105] 井下鉆井工具建模模塊1202可進(jìn)一步被配置來(lái)致使處理器通過(guò)移除三維巖肩模 型中的每一者更新井眼底部的三維模型。例如，井下鉆井工具建模模塊1202可被配置來(lái)確 定三維巖肩模型中的每一者的巖肩邊界，例如圖10的巖肩邊界1018。在一些實(shí)施方案中，巖 肩邊界可包括以切削元件的切削面與相關(guān)的巖肩（與切削元件的切片相關(guān)聯(lián)）的二維模型 的巖肩長(zhǎng)度為邊界的區(qū)域，例如圖10的區(qū)域1020。此外，井下鉆井工具建模模塊1202可被配 置來(lái)將更新的深度指定至用于每一巖肩邊界內(nèi)的每一坐標(biāo)網(wǎng)格點(diǎn)的建模的井眼底部，如先 前參考圖10討論的。
[0106] 在一些實(shí)施方案中，井下鉆井工具建模模塊1202可被配置來(lái)基于井眼底部的更新 的三維模型和切削元件的位置來(lái)計(jì)算作用于切削元件的力，例如圖11的曲線(xiàn)圖1102、1104、 1104和/或1108所示的力。另外，井下鉆井工具建模模塊1202可被配置來(lái)基于所計(jì)算的力估 算鉆頭的鉆井效率。此外，井下鉆井工具建模模塊1202可被配置來(lái)計(jì)算鉆頭或鉆頭設(shè)計(jì)的 機(jī)械比能。在一些實(shí)施方案中，井下鉆井工具建模模塊1202可被配置來(lái)計(jì)算多個(gè)例子鉆頭 設(shè)計(jì)1210a-1210c的鉆井效率，其中鉆頭設(shè)計(jì)1210a-1210c的每一例子基于一組特定的巖石 性質(zhì)參數(shù)1214a-1214c建模。在其他實(shí)施方案中，井下鉆井工具建模模塊1202可被配置來(lái)基 于巖石性質(zhì)參數(shù)1214a-1214c的各種不同例子來(lái)計(jì)算鉆頭設(shè)計(jì)1210a-1210c的特定例子的 鉆井效率。在其中井下鉆井工具建模模塊1202被配置來(lái)建模多于一個(gè)鉆頭設(shè)計(jì)-巖石性質(zhì) 組合的實(shí)施方案中，井下鉆井工具建模模塊1202可進(jìn)一步被配置來(lái)指示或選擇具有最高效 率的鉆頭設(shè)計(jì)。在其他實(shí)施方案中，井下鉆井工具建模模塊1202可被配置來(lái)通過(guò)建模的鉆 井效率排列或排序鉆頭設(shè)計(jì)。井下鉆井工具建模模塊1202可通信耦接至各種顯示器1216以 使得由井下鉆井工具建模模塊1202處理的信息(例如，鉆頭效率)可傳送至鉆井裝備的操作 者。
[0107] 在不脫離本公開(kāi)范圍的情況下，可對(duì)圖12做出修改、添加或省略。例如，圖12示出 井下鉆井工具建模系統(tǒng)1200的部件的特定配置。然而，可使用部件的任何適合配置。例如， 井下鉆井工具建模系統(tǒng)1200的部件可實(shí)行為物理或邏輯部件。此外，在一些實(shí)施方案中，與 井下鉆井工具建模系統(tǒng)1200的部件相關(guān)聯(lián)的功能可實(shí)行于專(zhuān)用電路或部件中。在其他實(shí)施 方案中，與井下鉆井工具建模系統(tǒng)1200的部件相關(guān)聯(lián)的功能可實(shí)行于可配置通用電路或部 件中。例如，可通過(guò)配置計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)行井下鉆井工具建模系統(tǒng)1200的部件。
[0108] 圖13示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的用于建模鉆頭與巖肩之間的相互作用的 示例性方法1300的流程圖。在所示出的實(shí)施方案中，鉆頭的切削結(jié)構(gòu)(包括所有切削元件的 至少位置和定向）可已經(jīng)在先前被設(shè)計(jì)。然而在其他實(shí)施方案中，方法1300可包括用于設(shè)計(jì) 鉆頭的切削結(jié)構(gòu)的步驟。
[0109] 方法1300的步驟可通過(guò)被配置來(lái)模擬和設(shè)計(jì)鉆井系統(tǒng)、設(shè)備和裝置的各種計(jì)算機(jī) 程序、模型或其任何組合進(jìn)行。例如，在一些實(shí)施方案中，方法1300的步驟可通過(guò)上文參考 圖12討論的井下鉆井工具建模系統(tǒng)1200進(jìn)行。程序和模型可包括存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀媒體上 并且可操作來(lái)在被執(zhí)行時(shí)進(jìn)行如下所述的步驟中的一者或多者的指令。計(jì)算機(jī)可讀媒體可 包括被配置來(lái)存儲(chǔ)和檢索程序或指令的任何系統(tǒng)、設(shè)備或裝置，例如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、光盤(pán)、閃 速存儲(chǔ)器或任何其他適合的裝置。程序與模型可被配置來(lái)引導(dǎo)處理器或其他適合的單元檢 索和執(zhí)行來(lái)自計(jì)算機(jī)可讀媒體的指令。共同地，用來(lái)模擬和設(shè)計(jì)鉆井系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序、模 型或系統(tǒng)可被稱(chēng)為"井下鉆井工具模型"。
[0110] 方法1300可開(kāi)始，并且在步驟1302處，井下鉆井工具模型可導(dǎo)入鉆頭的設(shè)計(jì)，例如 圖12的鉆頭設(shè)計(jì)1210a-121〇 C。在一些實(shí)施方案中，鉆頭的設(shè)計(jì)可包括刀片和切削元件的配 置的表示，所述刀片和切削元件例如在圖1和圖2中示出的那些。此外，鉆頭的設(shè)計(jì)可包括參 考鉆頭旋轉(zhuǎn)軸的切削元件的坐標(biāo)位置。坐標(biāo)位置可實(shí)行于極坐標(biāo)系統(tǒng)、笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)或 球面坐標(biāo)系統(tǒng)中。
[0111] 在步驟1304處，井下鉆井工具模型可將鉆頭與模擬井眼建模接合。例如，井下鉆井 工具模型可通過(guò)模擬鉆頭設(shè)計(jì)的整轉(zhuǎn)產(chǎn)生初始井眼底部模型，其中R0P等于零。隨后，井下 鉆井工具模型可建模非零R0P。井下鉆井工具模型可通過(guò)圍繞相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)軸建增地旋轉(zhuǎn) 模型鉆頭來(lái)建模接合地層的鉆頭。
[0112] 在步驟1306處，井下鉆井工具模型可識(shí)別切削元件的位置。例如，井下鉆井工具模 型可識(shí)別切削元件的坐標(biāo)位置，所述切削元件例如圖2的切削元件128。這種位置可包括與 旋轉(zhuǎn)軸的徑向距離，例如圖5的徑向坐標(biāo)R5Q4。位置可進(jìn)一步包括角坐標(biāo)，例如圖5的角坐標(biāo) 05O4〇
[0113] 在步驟1308處，井下鉆井工具模型可識(shí)別切片的位置。例如，切片可與沿切削元件 的切削邊緣的離散點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，所述切片例如圖6的切片606a-606c。此外，井下鉆井工具模型 可識(shí)別：切片的坐標(biāo)位置，包括與旋轉(zhuǎn)軸的徑向距離，例如圖5的徑向坐標(biāo)R 5Q4;以及角坐標(biāo)， 例如圖5的角坐標(biāo)Θ 504 〇
[0114] 在步驟1310處，井下鉆井工具模型可識(shí)別切片的切削深度。切削深度可包括地層 的表面與切削元件的切削邊緣之間的距離，所述切削深度例如圖8的建模的切削深度814。 切削深度可取決于鉆井參數(shù)，例如RPM、R0P、側(cè)限壓力、泥漿壓力或取決于地層參數(shù)，例如巖 石切變強(qiáng)度、巖石破碎模式或任何其他適合的鉆井參數(shù)或地層性質(zhì)。
[0115] 在步驟1312處，井下鉆井工具模型可計(jì)算切片的二維巖肩的尺寸。如果切削深度 小于臨界切削深度，例如與圖9的切片904a相關(guān)聯(lián)的切削深度，那么將不產(chǎn)生巖肩。如果切 削深度大于臨界切削深度，例如與圖9的切片904e相關(guān)聯(lián)的切削深度，那么將產(chǎn)生巖肩?？?根據(jù)切削深度和碎片角度確定巖肩的尺寸，所述碎片角度例如圖8的巖肩角度820。二維巖 肩可被建模為具有筆直裂紋軌跡，例如裂紋軌跡818,以簡(jiǎn)化建模計(jì)算。
[0116] 在步驟1314處，如果已計(jì)算與切削元件相關(guān)聯(lián)的每一切片中的巖肩，那么方法可 進(jìn)行至步驟1316。如果已計(jì)算比切片中的全部少的切片的巖肩，那么方法可返回至步驟 1308,并通過(guò)識(shí)別另一切片進(jìn)行。
[0117] 在步驟1316處，井下鉆井工具模型可從井眼底部模型移除三維巖肩。切削元件可 具有相關(guān)聯(lián)的切削方向，例如圖10的切削方向1016。井下鉆井工具模型可在平行于切削方 向時(shí)建模與切片相關(guān)聯(lián)的巖肩，所述切削方向例如圖10的巖肩長(zhǎng)度l〇〇8a-1008d。井下鉆井 工具模型可進(jìn)一步識(shí)別包圍切削元件切削面和巖肩長(zhǎng)度的巖肩邊界。此外，井下鉆井工具 模型可在巖肩邊界內(nèi)更新一組點(diǎn)的井眼底部深度。
[0118] 在步驟1318處，如果已移除每一切削元件的巖肩，那么方法可進(jìn)行至步驟1320。如 果已移除比所有切削元件少的切削元件的巖肩，那么方法可返回至步驟1306并通過(guò)識(shí)別另 一切削元件的位置繼續(xù)。
[0119] 在步驟1320處，井下鉆井工具模型可建模鉆頭力。在一些實(shí)施方案中，切削區(qū)域適 合于每一切削元件?？呻S后計(jì)算與每一切削元件相關(guān)聯(lián)的例如拖曳力612或穿刺力610(參 考圖6A和圖6B討論的）力。與切削元件相關(guān)聯(lián)的力可以是切削元件定向、巖石強(qiáng)度、切削區(qū) 域或任何其他適合的鉆井參數(shù)或地層性質(zhì)的函數(shù)。此外，可通過(guò)合計(jì)與切削元件相關(guān)聯(lián)的 力來(lái)計(jì)算鉆頭力。例如，Τ0Β或W0B可被估算用于不同組的鉆井參數(shù)。因此，圖11示出示例性 建模的鉆頭力數(shù)據(jù)。鉆井參數(shù)可包括不同R〇P、RPM、不同類(lèi)型的巖石地層、圍限壓力、泥漿壓 力或任何其他適合的鉆井參數(shù)。
[0120] 在步驟1322處，井下鉆井工具模型可估算鉆頭或鉆頭設(shè)計(jì)的鉆井效率。例如，井下 鉆井工具模型可計(jì)算鉆頭的機(jī)械比能。機(jī)械比能可取決于部件鉆頭力，例如在步驟1320中 建模的部件鉆頭力。此外，如圖11所示，可通過(guò)在相同或相似的條件下建模不同鉆頭或鉆頭 設(shè)計(jì)和檢查建模的鉆頭力的量級(jí)相對(duì)地估算效率。
[0121] 方法1300可重復(fù)用于建模一個(gè)或多個(gè)鉆頭或鉆頭設(shè)計(jì)的效率。因此，可評(píng)估和比 較多個(gè)鉆頭或鉆頭設(shè)計(jì)的鉆井效率。此外，方法1300可重復(fù)單一設(shè)計(jì)，所述設(shè)計(jì)迭代地改變 以便最大化鉆井效率。替代地，方法1300可用來(lái)在現(xiàn)有鉆頭設(shè)計(jì)或鉆頭間進(jìn)行選擇以選擇 用于一組特定的鉆井參數(shù)的更有效的鉆頭。一旦使用方法1300建模一個(gè)或多個(gè)鉆頭效率， 那么可根據(jù)所計(jì)算的設(shè)計(jì)約束條件來(lái)制造鉆頭以提供更有效的鉆頭。
[0122]在不脫離本公開(kāi)范圍的情況下，可對(duì)方法1300做出修改、添加或省略。盡管本公開(kāi) 已使用若干實(shí)施方案進(jìn)行描述，但可向本領(lǐng)域技術(shù)人員建議各種變化和修改。例如，盡管本 公開(kāi)描述切削元件相對(duì)于鉆頭的配置，但相同原理可用來(lái)建模根據(jù)本公開(kāi)的任何適合的鉆 井工具的效率。本公開(kāi)意圖涵蓋落入隨附權(quán)利要求書(shū)范圍的這類(lèi)變化和修改。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種建模井下鉆井工具的方法，所述方法包括： 確定多個(gè)切削元件在多個(gè)刀片上的位置； 識(shí)別與每一切削元件相關(guān)聯(lián)的多個(gè)切片中的每一者的位置； 基于所述切片的所述位置和井眼底部的三維模型來(lái)計(jì)算每一切片的切削深度； 響應(yīng)于大于臨界切削深度的與所述切削元件相關(guān)聯(lián)的所述多個(gè)切片中的至少一者的 所述切削深度，產(chǎn)生用于每一切削元件的三維巖肩模型，每一三維巖肩模型包括與每一切 片相關(guān)聯(lián)的巖肩的二維模型；以及 通過(guò)移除所述三維巖肩模型中的每一者更新所述井眼底部的所述三維模型。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中更新所述井眼底部的所述三維模型進(jìn)一步包括:確 定所述三維巖肩模型中的每一者的巖肩邊界，所述巖肩邊界包括以相關(guān)切削元件的切削面 與有關(guān)所述巖肩的所述二維模型的巖肩長(zhǎng)度為邊界的區(qū)域，其中所述巖肩與每一切片相關(guān) 聯(lián)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中更新所述井眼底部的所述三維模型進(jìn)一步包括:將 所述井眼底部的更新深度指定用于每一巖肩邊界內(nèi)的多個(gè)坐標(biāo)網(wǎng)格點(diǎn)中的每一者。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中巖肩的所述二維模型中的每一者包括單一巖肩角 度和巖肩長(zhǎng)度。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中基于巖石切變強(qiáng)度和鉆井壓力確定所述單一巖肩 角度。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括： 基于所述井眼底部的所述更新的三維模型和所述多個(gè)切削元件的所述位置來(lái)計(jì)算在 鉆井操作期間作用于所述多個(gè)切削元件中的每一者的力；以及 基于所述計(jì)算的力估算所述井下鉆井工具的鉆井效率。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中估算所述井下鉆井工具的所述鉆井效率包括:計(jì)算 所述井下鉆井工具的機(jī)械比能。8. -種包括存儲(chǔ)在其中的指令的非暫態(tài)機(jī)器可讀媒體，所述指令可通過(guò)一個(gè)或多個(gè)處 理器執(zhí)行以有助于進(jìn)行一種用于估算鉆井工具的所述效率的方法，所述方法包括： 確定多個(gè)切削元件在多個(gè)刀片上的位置； 識(shí)別與每一切削元件相關(guān)聯(lián)的多個(gè)切片中的每一者的位置； 基于所述切片的所述位置和井眼底部的三維模型來(lái)計(jì)算每一切片的切削深度； 響應(yīng)于大于臨界切削深度的與所述切削元件相關(guān)聯(lián)的所述多個(gè)切片中的至少一者的 所述切削深度，產(chǎn)生用于每一切削元件的三維巖肩模型，每一三維巖肩模型包括與每一切 片相關(guān)聯(lián)的巖肩的二維模型；以及 通過(guò)移除所述三維巖肩模型中的每一者更新所述井眼底部的所述三維模型。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的非暫態(tài)機(jī)器可讀媒體，其中更新所述井眼底部的所述三維模 型進(jìn)一步包括:確定所述三維巖肩模型中的每一者的巖肩邊界，所述巖肩邊界包括以相關(guān) 切削元件的切削面與有關(guān)所述巖肩的所述二維模型的巖肩長(zhǎng)度為邊界的區(qū)域，其中所述巖 肩與每一切片相關(guān)聯(lián)。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的非暫態(tài)機(jī)器可讀媒體，其中更新所述井眼底部的所述三維模 型進(jìn)一步包括:將所述井眼底部的更新深度指定用于每一巖肩邊界內(nèi)的多個(gè)坐標(biāo)網(wǎng)格點(diǎn)中 的每一者。11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的非暫態(tài)機(jī)器可讀媒體，其中巖肩的所述二維模型中的每一者 包括單一巖肩角度和巖肩長(zhǎng)度。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的非暫態(tài)機(jī)器可讀媒體，其中基于巖石切變強(qiáng)度和鉆井壓力 確定所述單一巖肩角度。13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的非暫態(tài)機(jī)器可讀媒體，其中所述方法進(jìn)一步包括： 基于所述井眼底部的所述更新的三維模型和所述多個(gè)切削元件的所述位置來(lái)計(jì)算在 鉆井操作期間作用于所述多個(gè)切削元件中的每一者的力；以及 基于所述計(jì)算的力估算所述井下鉆井工具的鉆井效率。14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的非暫態(tài)機(jī)器可讀媒體，其中估算所述井下鉆井工具的所述 鉆井效率包括:計(jì)算所述井下鉆井工具的機(jī)械比能。15. -種井下鉆井工具建模系統(tǒng)，其包括： 處理器； 存儲(chǔ)器，其通信耦接至所述處理器，其中計(jì)算機(jī)程序指令存儲(chǔ)在所述處理器中，所述指 令被配置來(lái)在通過(guò)所述處理器執(zhí)行時(shí)致使所述處理器來(lái)： 確定多個(gè)切削元件在多個(gè)刀片上的位置； 識(shí)別與每一切削元件相關(guān)聯(lián)的多個(gè)切片中的每一者的位置； 基于所述切片的所述位置和井眼底部的三維模型來(lái)計(jì)算每一切片的切削深度； 響應(yīng)于大于臨界切削深度的與所述切削元件相關(guān)聯(lián)的所述多個(gè)切片中的至少一者的 所述切削深度，產(chǎn)生用于每一切削元件的三維巖肩模型，每一三維巖肩模型包括與每一切 片相關(guān)聯(lián)的巖肩的二維模型；以及 通過(guò)移除所述三維巖肩模型中的每一者更新所述井眼底部的所述三維模型。16. 如權(quán)利要求15所述的井下鉆井工具建模系統(tǒng)，其中更新所述井眼底部的所述三維 模型進(jìn)一步包括:確定所述三維巖肩模型中的每一者的巖肩邊界，所述巖肩邊界包括以相 關(guān)切削元件的切削面與有關(guān)所述巖肩的所述二維模型的巖肩長(zhǎng)度為邊界的區(qū)域，其中所述 巖肩與每一切片相關(guān)聯(lián)。17. 如權(quán)利要求16所述的井下鉆井工具建模系統(tǒng)，其中更新所述井眼底部的所述三維 模型進(jìn)一步包括:將所述井眼底部的更新深度指定用于每一巖肩邊界內(nèi)的多個(gè)坐標(biāo)網(wǎng)格點(diǎn) 中的每一者。18. 如權(quán)利要求15所述的井下鉆井工具建模系統(tǒng)，其中巖肩的所述二維模型中的每一 者包括單一巖肩角度和巖肩長(zhǎng)度。19. 如權(quán)利要求15所述的井下鉆井工具建模系統(tǒng)，其中所述指令進(jìn)一步被配置來(lái)致使 所述處理器來(lái)： 基于所述井眼底部的所述更新的三維模型和所述多個(gè)切削元件的所述位置來(lái)計(jì)算在 鉆井操作期間作用于所述多個(gè)切削元件中的每一者的力；以及 基于所述計(jì)算的力估算所述井下鉆井工具的鉆井效率。20. 如權(quán)利要求19所述的井下鉆井工具建模系統(tǒng)，其中估算所述井下鉆井工具的所述 鉆井效率包括:計(jì)算所述井下鉆井工具的機(jī)械比能。21. -種鉆井系統(tǒng)，其包括： 鉆柱，其連接至井下鉆井工具：以及 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，其被配置來(lái)與所述井下鉆井工具一起旋轉(zhuǎn)所述鉆柱的至少一部分； 其中通過(guò)以下方法建模所述井下鉆井工具的效率： 確定多個(gè)切削元件在多個(gè)刀片上的位置； 識(shí)別與每一切削元件相關(guān)聯(lián)的多個(gè)切片中的每一者的位置； 基于所述切片的所述位置和井眼底部的三維模型來(lái)計(jì)算每一切片的切削深度； 響應(yīng)于大于臨界切削深度的與所述切削元件相關(guān)聯(lián)的所述多個(gè)切片中的至少一者的 所述切削深度，產(chǎn)生用于每一切削元件的三維巖肩模型，每一三維巖肩模型包括與每一切 片相關(guān)聯(lián)的巖肩的二維模型；以及 通過(guò)移除所述三維巖肩模型中的每一者更新所述井眼底部的所述三維模型。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的鉆井系統(tǒng)，其中更新所述井眼底部的所述三維模型進(jìn)一步 包括:確定所述三維巖肩模型中的每一者的巖肩邊界，所述巖肩邊界包括以相關(guān)切削元件 的切削面與有關(guān)所述巖肩的所述二維模型的巖肩長(zhǎng)度為邊界的區(qū)域，其中所述巖肩與每一 切片相關(guān)聯(lián)。23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的鉆井系統(tǒng)，其中更新所述井眼底部的所述三維模型進(jìn)一步 包括:將所述井眼底部的更新深度指定用于每一巖肩邊界內(nèi)的多個(gè)坐標(biāo)網(wǎng)格點(diǎn)中的每一 者。24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的鉆井系統(tǒng)，其中通過(guò)以下方法進(jìn)一步建模所述井下鉆井工 具的所述效率： 基于所述井眼底部的所述更新的三維模型和所述多個(gè)切削元件的所述位置來(lái)計(jì)算在 鉆井操作期間作用于所述多個(gè)切削元件中的每一者的力；以及 基于所述計(jì)算的力估算所述井下鉆井工具的鉆井效率。25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的鉆井系統(tǒng)，其中估算所述井下鉆井工具的所述鉆井效率包 括:計(jì)算所述井下鉆井工具的機(jī)械比能。
【文檔編號(hào)】E21B43/30GK106068365SQ201480076874
【公開(kāi)日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2014年4月7日 公開(kāi)號(hào)201480076874.3, CN 106068365 A, CN 106068365A, CN 201480076874, CN-A-106068365, CN106068365 A, CN106068365A, CN201480076874, CN201480076874.3, PCT/2014/33193, PCT/US/14/033193, PCT/US/14/33193, PCT/US/2014/033193, PCT/US/2014/33193, PCT/US14/033193, PCT/US14/33193, PCT/US14033193, PCT/US1433193, PCT/US2014/033193, PCT/US2014/33193, PCT/US2014033193, PCT/US201433193
【發(fā)明人】陳世林
【申請(qǐng)人】哈里伯頓能源服務(wù)公司