PDC钻头钻井参数优化模型与应用研究
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摘要
钻井参数的优化过程包括瞬时和平均钻速，钻进进尺，钻头在井底的旋转时间等参数。必须创建与钻井条件相适应的钻井参数优化数学模型。为了表示在这一领域的一些新的发展，我们针对上述问题进行了综合与深入的研究。
首先研究了常规参数优化理论基础，包括鲍格恩和扬格、麦德拉和欧哈瑞的无因次钻井参数优化模式；拉格朗日乘子法；用钻压释放法确定多元钻井模式有关参数的方法。
结合动力钻具和钻头参数优化配合的研究方向。较系统的研究了螺杆、涡轮钻具的理论和实际工作特性，优化匹配、钻进特性和使用时的注意事项等。通过对基础理论的研究，以钻速模式为目标函数，建立了牙轮、PDC钻头-动力钻具相配合时的最优钻压、转速、压降、水马力和钻速的参数优化数学模式，给出了参数优化方法。为了更好地反映现场实际情况，提出了利用MBP曲线确定最优参数的方法；以及一种利用迭代法累积计算最低钻井成本的数学模式。它既考虑了单只钻头、又考虑全井多只钻头的优化。结果表明：采用这种方法可使钻井成本节省25-40％以上；也是一种合理选择钻头类型，确定所需钻头数量的有效方法。
在收集大量的数据资料的基础上，结合大庆油田实际进行了单因素(如地层特性、钻压、转速、水功率、压差等)对钻速、成本的影响分析，钻头磨损规律的研究。获得了某些更符合现场实际的结论与认识。
The process of optimization of drilling parameters includes the instantaneous and average drilling rate, the rotary footage and the bit's rotary time in the bottom hole etc. So it is necessary to establish the mathematical model of optimization for drilling parameters, which agrees with the drilling conditions. To represent new developments in this realm, we have undertaken some synthetical and thorough researches to these questions.
Firstly, we studied the theoretical basis of optimization of the routine parameters, including Bodgem's, Younger's, Maldera's and Olhary's optimization patters with dimensionless drilling parameters, Lagrange's multiplication factor method and the method of using the release of WOB to determine the parameters concerned with multiple drilling patter.
Together with the direction of study of dynamic drilling tools combining optimization of the bit parameters, we systematically studied the theoretical and practical operating characters, the optimization matching, the rotary characters and the attended items at use of the screw and the turbodrill. Regarding the drilling rate patter as the objective function and by studying the basic theories, we have established the mathematical patter to optimize parameters of the optimal WOB, rotary speed, pressure drop, waterpower and the drilling rate, and given out the method to optimize parameters when the roller bit, PCD bit and the dynamic drilling tool were used together. To reflect the actuality on the spot betterly, we put forward the method of determining the optimal parameters by using the MBP curves and the mathematical patter of the minimum drilling cost by using the iterative method. It allows for the optimization of both single bit and multiple bits of all well. The result indicates that: by adopting this method, it could save over 25-40% of the drilling costs and it's a effective method to select the type of the bit and to determine the quantity of the bits needed reasonably.
On the basis of collecting multiple data and together with the actuality in Daqing-oilfield, we analyzed the effect of single factor on the drilling speed and cost, and studied the abrasive regulation of the bit. Then we obtained some conclusions and recognitions more suitable for actuality on the site.
首先研究了常规参数优化理论基础，包括鲍格恩和扬格、麦德拉和欧哈瑞的无因次钻井参数优化模式；拉格朗日乘子法；用钻压释放法确定多元钻井模式有关参数的方法。
结合动力钻具和钻头参数优化配合的研究方向。较系统的研究了螺杆、涡轮钻具的理论和实际工作特性，优化匹配、钻进特性和使用时的注意事项等。通过对基础理论的研究，以钻速模式为目标函数，建立了牙轮、PDC钻头-动力钻具相配合时的最优钻压、转速、压降、水马力和钻速的参数优化数学模式，给出了参数优化方法。为了更好地反映现场实际情况，提出了利用MBP曲线确定最优参数的方法；以及一种利用迭代法累积计算最低钻井成本的数学模式。它既考虑了单只钻头、又考虑全井多只钻头的优化。结果表明：采用这种方法可使钻井成本节省25-40％以上；也是一种合理选择钻头类型，确定所需钻头数量的有效方法。
在收集大量的数据资料的基础上，结合大庆油田实际进行了单因素(如地层特性、钻压、转速、水功率、压差等)对钻速、成本的影响分析，钻头磨损规律的研究。获得了某些更符合现场实际的结论与认识。
The process of optimization of drilling parameters includes the instantaneous and average drilling rate, the rotary footage and the bit's rotary time in the bottom hole etc. So it is necessary to establish the mathematical model of optimization for drilling parameters, which agrees with the drilling conditions. To represent new developments in this realm, we have undertaken some synthetical and thorough researches to these questions.
Firstly, we studied the theoretical basis of optimization of the routine parameters, including Bodgem's, Younger's, Maldera's and Olhary's optimization patters with dimensionless drilling parameters, Lagrange's multiplication factor method and the method of using the release of WOB to determine the parameters concerned with multiple drilling patter.
Together with the direction of study of dynamic drilling tools combining optimization of the bit parameters, we systematically studied the theoretical and practical operating characters, the optimization matching, the rotary characters and the attended items at use of the screw and the turbodrill. Regarding the drilling rate patter as the objective function and by studying the basic theories, we have established the mathematical patter to optimize parameters of the optimal WOB, rotary speed, pressure drop, waterpower and the drilling rate, and given out the method to optimize parameters when the roller bit, PCD bit and the dynamic drilling tool were used together. To reflect the actuality on the spot betterly, we put forward the method of determining the optimal parameters by using the MBP curves and the mathematical patter of the minimum drilling cost by using the iterative method. It allows for the optimization of both single bit and multiple bits of all well. The result indicates that: by adopting this method, it could save over 25-40% of the drilling costs and it's a effective method to select the type of the bit and to determine the quantity of the bits needed reasonably.
On the basis of collecting multiple data and together with the actuality in Daqing-oilfield, we analyzed the effect of single factor on the drilling speed and cost, and studied the abrasive regulation of the bit. Then we obtained some conclusions and recognitions more suitable for actuality on the site.
引文
[1]. G. Robello Samuel, Stefan Miska, "Optimization of Drilling Parameters with the Performance of Multilobe Positive displacement Motor(PDM)" SPE 47791, in Jakarta, Indonesia, 7-9 September 1998。
[2]. J. LI, R. TUDOR, L. GINZBURG, G. ROBELLO, H. XU, C. GRIGO "Evaluation and Prediction of the Peformance of Positive Displacement Motor (PDM)", 《加拿大石油技术杂志》，2001年5月。
[3]．郭学增编，《最优化钻井理论基础与计算》，石油工业出版社，1987年。
[4]．A．鲁宾斯基著，《钻井工程进展》第二册，石油工业出版社，1993年。
[5] 法国石油研究院编，王子源、苏勤、王译林译，《钻井数据手册》，地质出版社，1991年。
[6]. AdamT. BourgoyneJr.,keithK. Millheim, Martin E. chenevert, F.S. young Jr.《实用钻井工程》总公司情报研究所，1988年。
[7]．刘希圣主编，《钻井工艺原理》中册，石油工业出版社。
[8]．苏义脑著，《水平井井眼轨道控制》，石油工业出版社，2000年9月。
[9]．于洪金 赵俊平 艾池编著，《油气钻井工程经济》，石油工业出版社，2001年4月。
[10]．中国石油学会 石油大学编，《石油技术词典》，石油工业出版社，1996年。
[11] Cerkovnik. J "Design Application of Polycrystalline Diamond Compact Cutters in the Rock Mountains", Spe 10893.
[12] 张云连著，《’99钻井新技术》，石油大学出版社，1999年。
[13] 王明太著，《“八五”水平井钻井技术要览》，石油工业出版社，1998年。
[14] 刘延平著，《国内外钻井与采油工程新技术》，中国石化出版社，2002年。
[15] 王德新著，《完井与井下作业》，石油大学出版社，1999年。
[16] Robert A Gardes. Micro-annulus under-balanced drilling of multilateral wells Offshore, 1996, 5: 58-59
[17] 王志武著，《钻井工程》，石油工业出版社，1995年。
[18] 刘希圣著，《钻井工程理论与技术》，石油大学出版社，2000年。
[19] 王亚伟等编，《分支井钻井完井技术》，石油工业出版社，2000年。
[20] Yujin Luo Wellcontrol procedures developed for multilateral wells. Oil&Gas Journal, 1996, 4: 84-90
[21] 程松林等著，《分支水平井产能的研究》，石油学报，1995年，16(2)：49-52
[22] 胡博仲等编，《小井眼钻采技术，》，石油工业出版社，1997年。
[23] 李春楼译，《多底水平井完井系统的研制、测试和现场应用》国外钻井技术，1998年(3)：52-58
[24] 蔡庆俊，胡风涛译，《多侧向井完井技术日趋完善》，国外石油机械，1997年，(10)：15
-17
[25] 杜明德译．分支井完井方法的比较及应用．国外钻井技术，1998年，15(4)：56-60
[26] 谷新华，谷溢译，《钻分支水平井的一种新方法》，世界石油工业，1997年，4(3)：34-36
[27] 郭永宾，张建国译，崔红英校，《老井重钻和分支井完井》，世界石油科学，1996年，(5)：52-53
[28] 李介士等编译，《水平井钻井完井及增产措施》，石油工业出版社，1992年
[29] 李克向主编，钻井手册(甲方)，石油工业出版社，1990年
[30] 李汤，王卫红，苏彦春等编，《分支水平井产能的计算》，石油学报，1998年，(3)：89-92
[31] 刘大为等译，《现代固井技术》，辽宁科学技术出版社，1994年
[32] 刘善德等译，《钻井数据手册》，黑龙江科学技术出版社，1990年
[33] 《水平井和多底井开发油田的前景》，国外钻井技术，1992年，(3)：23-25
[34] 万仁溥，《现代完井工程》，石油工业出版社，1996年
[35] 王培良编译，《含硫气井的双分支井完井设计》，今日世界石油，1998年，(6)：21-24
[36] 王同良，《用多分支井钻井完井技术提高中东油井产能》，世界石油工业，1998年，10(5)：26-33
[37] Young, F.S.:Computerized drilling control, JPT, April 1969
[38] 吴林祥译，《乳胶水泥用于多底井注水泥》，国外钻井技术，1998年，(3)：43-45
[39] 许岱文译，朱德一校，《多分支钻井的过去、现在和将来》，国外钻井技术，1995年，(4)：13-17
[40] 许贷文译，朱德一校，《用新型电磁测斜——测距法钻平行水平双井》，国外钻井技术，1991年(3)：19-22
[41] 闫崇彬译，《在分支井中的连接处真正实现液压密封或控制的三种方法》，世界石油工业 1997年，9(4)：36-37
[42] 郑毅，黄伟和，鲜保安等编，《国外分支井技术发展综述》，石油钻探技术，1998年，4(25)：52-55
[43] Allen, J. H.: Detrmining parameters that affect rate of penetration, OGJ, Oct. 3, 1977
[44] G.V. Reklaitis: Engineering Optimization John Wiley &Sons, 1983
[45] Preston L. Mooren Drilling Pracices Manual The Petroleum Publishing Co. Tulsa, 1974
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