调整用于钻井钻头的钻探条件的方法

本发明涉及用于钻井钻头的钻探条件，特别是旋转速度和钻压，的调 整和最优化。如这里使用的那样，术语“钻井钻头”包括普通钻井钻头、 以及取心钻头。

在过去，这样的钻探条件的调整通常与其说是科学，倒不如说是技术 问题(或者甚至是推测)。

就本发明者所知，已经至少有几种对这种调整采用更科学的方法的偿 试。例如，美国专利No.5,449,047公开了一种钻探系统的“自动”控制。 基本方法是对于给定范围的岩石抗压强度，简单地用经验保持一个给定切 削深度(每转)。

E.M.Galle和H.B.Woods的“用于旋转牙轮钻头的最佳恒定压力和旋 转速度(Best Constant Weight and Rotary Speed for Rotary Rock Bits)”, API Drilling and Production Practice(API钻探和生产实践)，1963,48-73页, 描述了一种基于这样的假设而操作的方法：在任何给定钻探操作中，如果 钻压改变，则旋转速度将因而自动地改变(和/或反之亦然)，以致于在钻探 操作的整个过程中钻压与旋转速度的乘积将保持恒定。(本发明者已经发 现，尽管这些变量之一的变化可以导致另一个的相应变化，但两者乘积总 保持恒定的假设是无效的)。根据这种假设，该方法包括利用实验室试验找 到引起钻头失效的钻压和旋转速度的组合，并避免这些组合。另一篇技术 论文，H.Word和M.Fisbeck的“钻探参数和滑动轴承钻头(Drilling Parameters and the Journal Bearing Bit)”，提交在第34届石油机械工程 年会(34th Annual Petroleum Mechanical Engineering Conference)上， Tulsa,Oklahoma,1979，更新了上述论文，但没有改变基本假设和研究方 法。

以上方法都没有优化他们或许能优化的整个钻探操作。

本发明看来象是提供了一种更普遍有效的标准，用来至少避免严重的 钻头磨损，并且在本发明的最佳实施例中，还避免不能接受的加速的钻头 磨损速率，从而可以在钻头寿命与诸如钻进速度之类的其他参数之间实现 平衡。尽管最终调整的钻探条件最好是旋转速度和钻压，但上述标准既不 是这些参数本身的一个，也不是另一个，更不是两者，而是功率。通过使 用功率作为基本标准，能够以本发明的最佳方式，提供达到希望功率的旋 转速度和钻压组合的一种选择，然后使用用来在这个范围内优化的另外其 他标准。

在本发明的最基本形式中，测定了在由钻头钻探的间隔中地层的抗压 强度。分析具有与所述给定钻头相同尺寸和结构的临界钻头结构的磨损、 以及对于已磨损的该结构的相应钻探数据，并且该结构已经钻探了具有与 如此测定的结果基本相同的抗压强度的材料。由这种分析，确定用于各个 抗压强度的功率极限。在这个功率极限以上，不希望的钻头磨损可能发生。 在本发明非常基本的形式中，“不希望的”钻头磨损可以选择成严重的钻 头失效。然而，在更好的最佳实施例中，认为过度加速的磨损速率是不希 望的，并且通过使用功率极限来避免。

在任何情况下，这通过调整给定钻头操作的钻探条件来进行，以保持 希望的操作功率小于或等于功率极限。

如此分析的“临界结构”定义为这样的结构：在给定钻头设计中，该 结构很可能磨损最快且/或最先失效，从而这种结构是对钻头寿命的限制因 素。例如，在聚晶金刚石复合片(“PDC”)型刮刀钻头中，牙轮或多聚晶 金刚石复合片通常是临界结构。另一方面，在牙轮型钻头中，临界结构一 般是轴承或滑动结构。

在本发明的最佳实施例中，如此分析了多个这种结构、和其各自的钻 探数据。由这些分析，产生一种第一类型系列的关联成对的电信号。对于 相应的一种结构，每个这种对的两个信号分别对应于磨损速率和操作功 率。由第一类型系列的这些信号产生功率极限。分析多种临界结构和产生 这样一系列关联成对信号的优点在于，在确定其以上发生过分加速磨损(与 完全失效相对)的功率极限时有更高的确定度。因而，这些最佳实施例比简 单地避免严重磨损能做得更多，他们能相对于钻进速度之类的其他因素平 衡合理的磨损速率(并因而平衡钻头寿命)。

“对应”，如这里相对于信号或数值使用的那样，是指“函数相关的”， 并且应该理解，所述的函数可能是、但不一定是简单的等效关系。“准确 地对应”，如果相对于电信号使用，则意味着信号直接转化为所述该参数 的值。钻头部分的“磨损速率”可以定义为每单位时间的长度单位(从新部 分的外轮廓测量)、或每单位时间的(该部分的)材料体积。

调整的钻探条件最好是旋转速度和钻压。一般，最好固定一个安全系 数，即，保持功率水平稍低于功率极限，但大约尽可能合理地接近该极限。 因而，例如，“合理”包括上述安全系数的使用、以及根据要调整的钻探 条件对于各种实际极限的调整。列举更具体的例子来说明，一个给定钻机 可以具有一个对于旋转速度的极限，该极限不允许象理论希望的那样接近 功率极限，即使考虑到安全系数也是如此。同样，在不太深的孔中，施加 足够的钻压以象理论上可希望的那样接近功率极限操作可能在实际中是不 可能的。

本发明的最佳实施例进一步包括产生一种第二类型系列的关联成对电 信号，每对的各个信号对应于一个旋转速度值和一个钻压值，并且其中每 对的旋转速度和钻压值理论上产生一个对应于功率极限的功率。换句话 说，即使对于一种恒定的岩石强度和钻头的磨损状态，也有多个理论上能 产生在上述极限处的功率的、旋转速度和钻压的不同组合。最好以对应于 该第二系列中诸对信号的一对的旋转速度和钻压操作钻头。回想一下，“对 应”是指函数相关的，应该理解，这可能指钻头可以以稍小于准确对应诸 对信号一对的旋转速度和钻压功，由此包括一个安全系数，例如因为某些 钻头振动几乎总是存在的。

对于功率极限，还能够确定一个旋转速度极限，在该旋转速度极限以 上可能出现非常不利的钻头运动特性，如峰值轴向和侧向振动及钻头旋 转。因而，即使在该速度极限以上操作可以产生希望的功率，也最好在该 旋转速度极限以下操作钻头。同样，对于功率极限，还能够确定一个钻压 极限，在该钻压极限以上可能出现其他类型的特别不利的钻头运动特性， 如峰值扭转振动和所谓的“粘滑运动”，并且同样希望在低于该后一极限 的钻压下操作钻头。

在最佳实施例中，确定对于功率极限的一个临界旋转速度，该临界旋 转速度比上述的旋转速度极限低，在该临界旋转速度极限以上可能出现不 希望的钻头运动特性，如增大的轴向或侧向振动。同样对于功率极限，最 好确定一个低于上述钻压极限的临界钻压，在该临界钻压以上可能出现其 他类型的不希望钻头运动特性，如增大的扭转振动。显然，更好的是，以 小于或等于临界旋转速度的旋转速度、和以小于或等于临界钻压的钻压操 作钻头。

甚至更好的是，尽可能接近优化旋转速度和钻压组合、尽可能合理地 接近临界钻压操作。

而且，最好产生多个这样的第二系列信号，每个系列对应于不同程度 的钻头磨损，但对于相同的岩石强度。然后，最好通过模拟或监视钻头磨 损和使用这些其他的第二类型系列，增大钻压和随着钻头磨损相应改变旋 转速度。同样，经常预先考虑所述的钻头将钻过多个不同抗压强度的岩层。 在这种情形下，最好对于每个这样的抗压强度产生各自的这种第一和第二 类型系列的信号，监视钻头穿过岩层的进展情况，及按照对于钻头当前正 在钻探的岩层的抗压强度的各系列信号，定期改变钻头的操作。

通过如下详细描述、以及附图和权利要求书，将明白本发明的进一步 细节和实现它的方法、以及其各种特征、目的和优点。

图1是与计算机有关的钻探操作的图示说明，由这些钻探操作能产生 输入数据，并且本发明能用于这些钻探操作。

图2是曲线图，表明功率极限。

图3是曲线图，表明对于较软岩石的第二类型信号系列。

图4是类似于图3的曲线图，但对于较硬的岩石。

图5是总体说明在本发明中能使用的一种磨损模拟过程的曲线图。

图6是额定的功的关系的图示说明。

图7是曲线图，表明由于岩层磨蚀造成的功损失。

图1表明一个地岩层10。企图使一个给定钻井钻头18钻探岩层10的 一般对应于钻孔间隔20和22的一个间隔14，钻孔间隔20和22已经由与 钻头18具有相同尺寸和结构的钻头24和26钻探。

在钻头18甚至开始进入其各自孔(如图所示)之前，已经测定希望要由 钻头18钻探的岩层间隔的抗压强度。以先有技术中已知的方式，通过分析 来自附近孔间隔20和22的、用图表示在28和30处的钻探数据，如钻井 记录、排屑分析、和岩心分析，可以方便地做到这一点。对于描述的这一 部分，我们将假设一种非常简单的情形，其中测定表明在整个间隔14中有 恒定抗压强度。

其次，产生一个功率极限。参照图2，本发明者的研究已经表明，随 着功功率的增大，任何给定钻头的磨损速率趋于跟随一个可合理预见的模 式。曲线c1表示对于较软的岩石，即较低抗压强度的岩石，的这种模式。 可以看出，磨损速率基本上随功率增大到pL近似线性地增大。随着功率的 进一步增大，磨损速率开始更迅速地增大，更准确地说，按指数增大。这 些严重的磨损速率是由增大摩擦力、升高温度、和增大振动强度(冲击载荷) 造成的。最后，磨损速率到达一个端点eL，端点eL代表严重的钻头失效。 在实际现场钻探时的稳定状态条件下这种严重磨损发生在这一端点的功率 处，但在由于过度振动造成的高冲击载荷下，可能发生在较小的功率处， 即在pL与eL之间的某处。曲线c2是对于较高抗压强度岩石的类似曲线。 同样，磨损速率基本上随功率增大到点pH近似线性地增大(尽管以由曲线c2 的斜率指示的较大速率，之后磨损速率开始更迅速地增大，直到在点eH处 达到严重失效。

为了产生一个适当的功率极限，分析了与钻头18中具有相同类型的临 界结构。在本发明的稍差实施例中，例如，这种分析包括：在实验室中， 相对于与对岩层间隔14分析的具有基本相同抗压强度的材料，运转安装在 一个适当支撑上的单个聚晶金刚石复合片，逐渐增大操作功率，直到观察 到失效。然而，这种失效可能是不正常的，例如，是如此分析的具体牙轮 某一特性的作用，并且在任何情况下，只给出对于严重失效的功率值；如 在点eL或eH处。在本发明中，最好不仅避免这种严重失效，而且避免功在 产生由点pH与eH之间、和点pL与eL之间的曲线部分举例说明的指数增大 的磨损速率的功率水平。

因此，在最佳实施例中，分析了与钻头18中具有相同尺寸和结构的多 种临界结构、以及各钻探数据，这些结构已经钻探了与如此分析的具有基 本相同抗压强度的材料。这些结构的一些可以是独立钻头部分或分总成， 特别是如果钻头18是PDC刮刀类型的，其中临界结构是在实验室条件下 磨损和分析的牙轮。然而，有益的是，如果如此分析结构的至少一些包括 在现场钻探中磨损的完整钻头中。例如，这些可以包括来自孔20和22的 钻头24和26，可以分析钻头24和26以及其各钻探数据32和34。这些 后面的钻头和各钻探数据也可以为本发明的另外方面提供数据，这将在以 下描述。

在任何情况下，由来自如此分析的临界结构的数据，在计算机36中产 生和处理相应的电信号，以产生第一类型系列关联对的电信号。

在对这种第一类型系列关联对的电信号作详细说明之前，应注意，为 了图1的简单和清楚起见，仅表明了两种磨损钻头及其各孔和钻探数据。 然而，在最佳实施例中，第一类型系列的信号产生于大量的磨损钻头及其 各钻探数据。这些数据可能来自相同的岩层10或来自具有可比较的抗压强 度的岩层的其他现场和/或多个实验室试验。

在第一类型系列关联对的电信号中，每个这种对的两个信号分别对应 于对各磨损钻头的磨损速率和操作功率。

图2是这些信号之间关系的数学的、具体曲线图形表示。曲线c1表示 对于较低抗压强度岩石的第一类型的上述系列。通过处理对应于曲线c1的 该系列信号，计算机36有可能产生一个对应于一个功率极限，例如，对于 所述的低抗压强度在点pL处的功率值，的功率极限电信号，在该功率极限 以上可能发生过分磨损。

对于较高抗压强度同样产生第一类型的第二系列关联对信号，并且这 些信号之间的关系的曲线说明由曲线c2表示。同样，由这些信号，能产生 一个功率极限电信号，该信号对应于在临界点pH处的功率极限，在该处磨 损速率停止随功率增大线性地增大、而开始指数地增大。

按照本发明的最佳实施例，对于中等抗压强度产生包括关联对信号的 第一类型的另外系列。由每个这种系列的信号，产生对于各抗压强度的功 率极限信号。为了说明简单和清楚起见，这些其他系列没有图示表明在图2 中。可以看出，如果表明它们，则选为功率极限的pL和pH之类的点、和 所有连接曲线的功率极限点的连接将产生曲线c3，曲线c3对于希望范围内 的实际所有抗压强度给出功率极限。可以理解，能使计算机36进行这些各 种系列中信号的处理，以产生对应于曲线c3另一类型系列的信号。假定曲 线c1是对于希望范围内的最低抗压强度，而曲线c2是对于最高的，那么值 plim-min和plim-max代表对于所述钻头设计的可用功率范围的功率极限。注意 曲线c3在理论上还可以视为牙轮(或齿)冶金和金刚石质量的函数，但这些因 素就实际问题而论是可忽略的。

本发明的一个最基本方面包括调整钻探条件，在这些条件下操作给定 钻头18，以保持希望的操作功率水平小于或等于对于当前由该钻头钻探的 岩石而测定的抗压强度的功率极限。最好，功率极限选择为一个诸如pL之 类的点，在该点处磨损速率开始指数地增大。然而，在较差的实施例中， 它可以更高。因而，当钻探经过该范围内最软的岩石时，调整条件以保持 功率处于或低于功率plim-max。最好，保持功率小于功率极限，以提供一个 安全系数。然而，希望保持功率大约尽可能合理地接近功率极限。“尽可 能合理地接近”是指不仅考虑到上述的安全系数，而且也考虑到实际限制， 例如使用的钻探机的限制，如转矩极限、流量极限等。这种表示由“大约” 来修饰，因为本发明最佳形式的这个方面的构思是指包括可使用的变化， 其最大值可随例如操作时间损失或给定操作者对适当安全系数的估计而变 化。

尽可能合理地接近功率极限操作使正比于功率的钻进速度最大。一 般，除了在极端情况下，即其中开始钻探得如此之快，以致于产生的切屑 量使有效泥浆重量增大到可能超过对于岩层的破裂梯度的程度，希望使钻 进速度最大。

如此调整的钻探条件包括施加于钻头的条件，特别是旋转速度和钻 压。在钻探时通过已知装置能检测的钻头振动，可能引起由钻头传送到岩 层上的力在正在钻探或将要钻探的间隔的较小增量内变化。在这种情况 下，最好参照在这些波动中的峰值传送力，而不是比如说平均传送力，来 调整施加的条件。

按照本发明最佳形式的另一个方面，有多种旋转速度和钻压的组合， 其任何一种将导致对应于功率极限的功率。本发明包括优化选择的具体组 合的方法。

图3包括一条曲线c4，曲线c4代表对应于对于所述结构的一个新钻头 的第二类型系列中成对信号的值。以如下更充分描述的方式，由来自与钻 头18具有相同尺寸和结构的多个钻头的历史数据，产生对应于曲线c4的信 号系列，并且这些钻头已经钻探了与对间隔14分析的具有基本相同抗压强 度的岩层。一条象c4之类的曲线，可以通过由各个历史数据相对于钻压值 画出旋转速度值、且然后外推成一条连续曲线来产生。可以理解，熟悉本 专业的技术人员可以编程计算机36，以对分别对应于历史数据的旋转速度 和钻压值的关联对电信号，进行等效的操作，并且计算机36甚至能产生诸 如曲线c4之类的图形表示。历史数据用来产生输入到计算机36中的相应电 信号，然后计算机36进一步产生与来自原始输入的图案相一致的、足够的 另外这种成对信号，以提供第二类型系列关联对的钻压和旋转速度信号。 由该第二系列，能外推出确由计算机36产生的图形表示c4。

使曲线c4(和/或相应系列的信号)与历史钻探数据(或相应信号)相联 系，能够确定旋转速度值N为临界希望值的点pN-mar，即一个因为旋转速 度太高和/或相应钻压太低使不希望的钻头运动特性可能出现、特别是不可 避免的侧向和/或轴向振动开始增大的值。在旋转速度甚至更高的另一个点 pN-lim处，这些不希望的钻头运动特性，特别是轴向和/或侧向振动，出现峰 值，例如导致钻头旋转；因而不太希望靠近或高于pN-lim处的旋转速度操 作。在pN-lim处的钻压是需要缓冲这种振动的最小钻压，这里有时称作“阈 值”钻压。

同样，能够确定钻压w在一个临界希望值处的点pw-mar，高于该临界 希望值出现其他类不希望的钻头运动特性，特别是增大的扭转振动。在pw-lim 处这些不希望的运动峰值和“粘滑”(颠簸地而不是连续的钻头旋转)可能发 生，因而不太希望靠近或高于pw-lim处的钻压操作。

一般，尽管在曲线c4上的任何点都包括对应于对于所述的抗压强度和 对于一个新钻头的功率极限的旋转速度和钻压值，但清楚地希望在点pN-mar 与pw-mar之间的范围内操作。如图示的那样，曲线c4准确地对应于功率极 限。因此，为了包括上述的安全特征，甚至更好的是在点pN-mar或pw-mar 的小范围内操作。甚至更好的是，应该在对应于曲线c4上的一个点的值处 操作，在该点处钻压值w小于、但大约尽可能合理地接近于在pw-mar处的 钻压值。这是因为，旋转速度越高，可用于钻柱潜在振动的能量越多(刚好 和钻头本身的情况相反)。

考虑到图3涉及较软的岩石，将会看到，大约尽可能合理地接近pw-mar 在这种情况下实际上离pw-mar较远。这是因为，在非常软的岩石中，钻头将 达到切削的最大深度，其中钻头的切削结构以在点pdc处的钻压值完全嵌入 岩石中，该钻压值远低于在pw-mar处的钻压值。对于pdc和牙轮钻头，把超 过完全嵌入牙轮的另外重量施加到钻头上是不合理和无用的。对于孕镶金 刚石钻头，可以希望以稍大于pdc处的钻压操作。这部分地嵌入其中孕镶金 刚石的基体钻头体。因而基体与金刚石一起磨损，从而金刚石总是稍微从 基体中突出(一种有时叫做“自锐”的状态)。因此，最佳旋转速度和钻压值 将是在点pdc或靠近点pdc处的那些值。

由另外的历史钻探数据，对于所述类型的严重磨损的钻头，能产生第 二类型的另一系列关联信号，并且这些信号对应于曲线c5。也能产生对于 较小磨损程度的这种第二类型的中间系列，但为了说明简单和清楚起见在 图3中没有用曲线表明。在任何情况下，以先有技术中的熟知方式，能使 计算机36处理这些各种系列的信号，以便产生对应于曲线c6、c7、c8、 c9、和c10的第三类型的信号系列。曲线c6对应于pN-lim类型值，因为这些 值随磨损而变。曲线c7对应于pN-mar类型值，因为这些值随钻头磨损而变。 曲线c8对应于pdc类型值，因为这些值随钻头磨损而变。曲线c9对应于pw-mar 类型值，因为这些值随钻头磨损而变。及曲线c10对应于pw-lim类型值，因 为这些值随钻头磨损而变。因而，随着钻探进行，希望测量和/或模拟钻头 18的磨损，并且定期地增大钻压，并相应改变旋转速度，较好的是停留在 曲线c6与曲线c10之间范围内，更好的是停留在曲线c7与曲线c9之间，并 且最好是处于或靠近曲线c8。

图4类似于图3，但表示对于较硬(高抗压强度)岩石的系列信号。这里， 同样，表示两条分别对应于新的和严重磨损的钻头的第二类型系列信号的 曲线c11和c12。在这种硬岩石中，随后钻压的进一步增大将产生不希望的 扭转振动的点pw-mar具有比点pdc小的钻压值，并且因此也小于pw-lim。因 而，在硬岩石中，即使考虑到安全系数，也能够以在比对于软岩石的情形 更接近pw-mar的popt处出现的一对最佳值操作。对于不同的钻头磨损程度能 找到类似于popt的其他成对值。由对应于这些值的信号，能产生一系列成对 电信号，并且由计算机36外推相应的曲线c13。

如以前那样，“尽可能合理地接近”是指不仅考虑到安全系数，而且 考虑到实际的限制。例如，理论上最佳的一对旋转速度、钻压值，考虑到 具体的钻柱几何形状或孔的几何形状，可能产生应该避免的钻柱共振。

在其他较通常的例子中，岩石可能如此之硬，并且马达的转矩能力如 此之低，以致于钻机不能够施加足够的钻压，连在pN-lim处的阈值钻压值都 达不到。那么它不可能停留在pN-lim与pw-lim之间的范围内。那么要大约尽 可能合理接近这个范围地操作，例如，以比pN-lim处小的钻压和相应的高旋 转速度操作。

还应该考虑到，尽管诸如在图3和4中各条曲线上所示的那些值一般 是有效的，但在具体钻探操作中的异常条件，可能导致在理论上不应该出 现的旋转速度和钻压值下的不希望的钻头和/或钻柱运动。因而，希望提供 在先有技术中已知的装置，以实时(在钻探时)检测这种运动，并且当检测到 这种运动时采取适当的纠正措施，在仍在纠正条件的同时在尽可能接近最 佳值处保持。

考虑到以上一般概念，现在将描述一种处理信号的示范方法，以得到 对应于图3和4中曲线的类型的系列信号。

对于所述的岩石强度σ，使用历史经验磨损和功率数据，产生相应的电 信号，并且这些信号由计算机36处理，以对应于诸如c1或c2之类的极限 功率曲线，产生第一类型的一系列成对信号。

其次，由历史经验数据，例如来自孔20和22表示转矩和振动测量的 记录，可以确定极限转矩值。特别是确定一个在侧向和轴向振动为峰值处 的转矩值TN-lim，即一个对于所述的σ和磨损条件对应于pN-lim的值，及一 个在扭转振动为峰值(产生“粘滑”)处的转矩值Tw-lim，即一个对于所述的 σ和磨损条件对应于pw-lim的值。最好，同样确定对于所述的σ和磨损条件 分别对应于pN-mar和pw-mar的转矩值TN-mar和Tw-mar。

最好，对于所述的σ和磨损条件有多个转矩和振动数据。这些数据转换 成输入到计算机36中的相应电信号。这些信号由计算机36处理，以产生 对应于转矩值TN-lim、TN-mar、Tw-mar和Tw-lim的信号。

至少如果σ较低，即岩石较软，并且最好在任何情况下，也确定对应于 达到最大切削深度(即切削结构完全嵌入)时的转矩的一个转矩值Tdc。将会 看到，这个值和其相应的电信号也对应于pdc。

用来确定Tdc的数据能由实验室试验提供。可选择的是，在现场实际钻 探操作时，通过以固定旋转速度和最小钻压开始钻探、然后在监视转矩和 钻进速度的同时逐渐增大钻压，能确定Tdc。钻进速度将随钻压增大到它稳 定、或甚至下降的点。该点处的转矩就是Tdc。

对于上述转矩值的每一个，能够处理相应的电信号，以产生对应于相 应旋转速度和钻压值的信号，并因而在诸如图3和4中所示那些曲线中的 一条曲线上确定相应的点。

能确定一个值w，对应于所述的转矩T的钻压，并且产生一个相应信 号并输入到计算机36中。

可选择的是，在产生信号系列或系列族以对具体钻头提供完整送进导 向的场合，由现场数据定义一个随磨损而变的值μ可能是有益的： $\mu =\frac{T-T_0}{w-w_0}-----------------\left(1\right)$

其中T0=对于阈值钻压的转矩

w0=阈值钻压

然后计算机36处理T、T0、w0和μ信号，以进行求解该公式的电子 等效： $w=\frac{T-T_0}{\mu }+w_0------------\left(2\right)$ 以产生 一个对应于钻压的信号，该钻压对应于所说的转矩。

其次，计算机36进行求解该公式的电子等效：

N=Plim/(2πμ+dc)w60    (3)

或      $N=P_{\lim }/(2\pi +\frac{d_c}{\mu })T60-------------\left(3a\right)$

其中N=旋转速度

    Plim=如上述先前确定的功率极限

    dc=每转的钻进量(或“切削深度”) 其中希望使用轴向和扭转分量这两者(侧向分量可以忽略)。可选择的是，如 果希望只使用扭转分量，这些公式成为：

N=Plim/120πμw    (4)

或

N=Plim/120πT            (4a) 计算机通过处理对应于公式(3)、(3a)、(4)或(4a)中的变量和常数的信号做到 这一点。

我们现在有分别对应于钻压w和旋转速度N、对应于所述的转矩T的 信号，即对于由曲线c4、c5、c11和c12代表的第二类型系列的一个第一对 信号。例如，如果使用的转矩是TN-lim，则我们能确定点Plim。

通过对于相同的钻头磨损条件和岩石强度σ类似地处理附加转矩信 号，我们能产生对应于诸如c4之类的曲线的整个第二类型系列的对，包括 所有的参照点pN-lim、pN-mar、pdc、pw-mar和pw-lim。

然后，当用所述的尺寸、结构和磨损条件的钻头在具有所述的强度σ 的岩石中钻探时，在pN-lim与pw-lim之间的范围内，以对应于这种系列中一 对信号的一种旋转速度、钻压组合操作，除非在pw-lim处的w＞在pdc处的w， 而在这种情况下以在pN-lim与pdc之间的值操作。

较好的是，在给出较小范围的pN-mar与pw-mar或pN-mar与pdc之间操作。 更好的是，大约尽可能合理地接近具有较低钻压的pdc或pw-mar操作。如果 pdc具有较低的钻压，并且钻头是PDC或牙轮类型的，则依据希望的安全 系数，以pdc处的值或稍低于该值操作。然而，如果钻头是孕镶金刚石类型 的，则最好以pdc处的或稍高的值操作。

通过对于相同岩石强度σ、但不同磨损条件的信号的类似处理，能产生 第二类型的一族系列成对信号，这些信号能描述为一个曲线族或一个范 围，如在曲线c11与c12之间的范围。

然后能够产生对应于例如曲线c8和c13的第三类型系列。然后，通过监 视或模拟钻头的磨损，通过随钻头磨损增大施加的钻压w、和相应调整旋 转速度N能进行优化。

在稍差的实施例中，可以简单地选择例如尽可能合理地接近较小的Tdc 或Tw-mar的转矩Topt，然后按以上解释的那样处理，以得到相应的w和N。 对于不同的磨损条件重复这一过程，能够简单地产生一个例如对应于曲线 c13的第三类型系列。

然而，最好产生如图3和4中所示的范围，以便为假设的优化操作条 件的改进提供指南。例如，如果对于具体钻柱和孔的几何形状在popt处的操 作在钻柱中产生共振，那么操作者可以选择在pN-mar与pw-mar之间的另一组 条件。

熟悉本专业的技术人员将会理解，产生和处理数据以生成信号系列的 多种可选择方法是可能的，以上是示范性的。

如上所述，到目前，我们假定在整个间隔14上σ是恒定的。然而，在 实际钻探操作中，σ可以在由一个钻头钻探的间隔上变化。因而，不管对于 给定岩石强度用来产生第二和第三类型信号系列的方法如何，希望对于所 述钻头用来钻探的其他岩石强度重复以上过程。例如，对于一个给定钻头， 可以产生对于期望钻头将钻探的最软岩石的对应于图3中所示曲线的信号 系列、对于最硬岩石的对应于图4中所示曲线的其他信号系列、及对于中 等岩石强度的另外的这种系列。这就能给现场的操作者提供关于所述钻头 优化使用的更完整信息。

然后，例如，如果由钻头钻探的间隔试样包括不同岩石强度的岩层， 则能优化这些岩层每一层中的操作。举另外的例子来说明，如果试样基于 相邻的孔，但由于某种原因，MWD测量指示在所述孔中遇到的是不同强 度的岩石，则能相应地改变操作条件。

在更好的实施例中，能够实时模拟σ，因为它随深度的较小增大而变 化，如在同时申请的、本发明人的共同待决申请序号No.______，标题为 “分析岩石抗压强度的方法”中所解释的那样，该申请包含在这里以供参 考。

如前所述，为了更好地利用本发明，合理的是，实时模拟钻头在穿过 其钻探的间隔时的磨损、或者如果给定可用的技术，测量钻头的磨损或指 示磨损的某一参数，从而对于钻头的当前磨损状态，能把钻压和旋转速度 定期地调整到新的最佳值。

一些以前的美国专利，如No.3,058,532、No.2,560,328、 No.2,580,860、No.4,785,895、No.4,785,894、No.4,655,300、 No.3,853,184、No.3,363,702、和No.2,925,251，公开了意图实时直接检 测钻头磨损的各种技术。

授予Holbrook的现有美国专利No.5,305,836公开了一种用来实时模拟 钻头磨损的技术。

模拟钻头磨损的另一种方法如下：

参照图5，磨损模拟从测定与钻头18具有相同尺寸和结构的一个钻井 钻头，如24，的功开始。如图1中所示，至少部分用钻头24钻探一个井 眼或井孔部分20。更准确地说，钻头24将钻探启始点I与终点T之间的 孔20。在这个说明性的实施例中，启始点I是钻头24在孔20中首先开始 功处的点，而终点T是拔出钻头24处的点。然而，对于测定功本身来说， 点I和T可以是能识别的、在其之间钻头24已经钻探的、及在其之间能产 生下述必需数据的任意两点。

基本原理是通过利用熟知的关系测定功：

Ωb=FbD        (5)

其中：

Ωb=钻头功

Fb=钻头上的总力

D=钻探的距离

可以确定孔20在点I与T之间的间隔长度，并且记录为多个能在钻探 孔20时产生的钻井数据之一，如由线50所图示的那样。为了把它转换成 用来输入到计算机36中的、并由其处理的适当形式，这个长度，即点I与 T之间的距离，最好划分成多个较小的距离增量，例如每段半英尺。对于 这些增量距离值的每一个，产生一个相应的增量距离电信号，并且输入到 计算机36中，如由线52指示的那样。

为了确定功，还产生多个增量实际力电信号，每一个对应于在点I与T 之间距离的各增量内的钻头力。然而，因为直接确定总钻头力所固有的困 难，输入对于距离增量每一个的、对应于来自钻井数据50的其他参数的信 号，如在52处指示的那样。这些信号在理论上能够确定真正的总钻头力， 总钻头力包括施加的轴向力、扭转力、及任何施加的侧向力。然而，除非 故意施加侧向力(在该情况下它是已知的)，即除非稳定器不在底部孔总成 中，侧向力如此之小，以致于可以忽略不计。

在一个实施例中，用来产生增量实际力信号的钻井数据是：

-钻头上的压力(w)，例如磅；

-钻探流体的液压冲击力(Fi)，例如磅；

-旋转速度rpm(N)；

-转矩(T)，例如英尺·磅；

-钻进速度(R)，例如英尺/小时；及

-侧向力(F1)，如果施加的话，例如磅。

对于每个增量的这些数据分别转换成相应的信号并如在52处指示的那 样输入，编程或配置计算机36，通过进行求解如下公式的电子等效，处理 这些信号，以产生增量实际力信号：

Ωb=[(w+Fi)+120πNT/R+F1]D    (6)

在侧向力F1是可忽略的场合，该项、和相应的电信号略去。

意想不到的是，已经发现力的扭转分量最占优势和最重要，并且在本 发明较差的实施例中，可以单独使用这个力分量进行功分析，在该情况下 相应的公式成为：

Ωb=[120πNT/R]D               (7)

在可选择的实施例中，在产生增量实际力信号时，计算机36可以使用 该公式的电子等效：

Ωb=2πTD/dc                   (8)

其中d代表每转的切削深度，并且又由如下关系定义：

dc=R/60N                       (9)

编程或配置计算机36，然后处理增量实际力信号和各增量距离信号， 以产生一个对应于在点I与T之间钻探时由钻头24所做的总功的电信号， 如在块54处所指示的那样。这个信号可以以熟知的方式，容易地转换成由 计算机36输出的人可感知的数字值，如线56所指示的那样。

增量实际力信号和增量距离信号为产生总功54所进行的处理可以以几 种不同的方式进行。例如：

在一种形式中，计算机处理增量实际力信号和增量距离信号，以产生 对应于在启始点与终点之间由钻头施加的加权平均力的一个加权平均力电 信号。由“加权平均”所指的是，对应于一个或多个增量实际力信号的每 个力值都是由施加该力的距离增量的数目“加权”的。然后，计算机简单 地进行由点I与T之间的总距离乘以加权平均力的电子等效，以产生一个 对应于总功值的信号。

在另一种形式中，处理对于每个增量的各增量实际力信号和增量距离 信号，以产生一个相应的增量实际功电信号，此后累积这些增量实际功信 号，以产生一个对应于总功值的总功电信号。

在又一种形式中，由增量实际力信号和增量距离信号，计算机可以产 生一个力相对于距离的函数，然后进行积分该函数的电子等效。

处理信号的三种方式不仅产生一种总功信号等效，而且它们也是可选 择过程种类的示范，关于形成本发明各部分的其他过程，认为这些过程是 等效的，并在下面描述。

现在可以利用技术来确定何时钻头在钻探时过分地振动。如果确定在 点I与T之间至少一部分上已经发生这种情形，那么最好能适当地编程和 输入计算机36，以便对所述的增量产生对应的增量实际力信号，信号的每 一个对应于对于各增量的平均钻头力。这可以通过利用对于用来确定增量 实际力信号的变量的每一个的平均值来进行。

钻头的磨损与钻头所做的累积功有函数关系。除了确定钻头24在点I 与T之间钻探时做的功之外，还测量钻头24在钻探该间隔时的磨损。产生 一个相应的电信号，并且作为历史数据58、52的一部分输入到计算机中。 (因而，为此目的，点I应该是钻头24首先在孔20中开始功的点，而点T 应该是拔出钻头24处的点。)对于另外的孔22和60、及其各钻头26和62 也可以同样这样做。

图6是计算机36对于对应于这种数据的信号用电子方法所能做的功的 图形表示。图6表示钻头磨损相对于功一条曲线。使用上述数据，计算机 36能处理相应信号以便把各功和磨损信号相联系，并且对于孔20、22和 60的每一个及其各钻头进行在该曲线上确定一个点的电子等效。例如，点 24’可以代表对于钻头24相关的功和磨损，点26’可以代表对于钻头26相 关的功和磨损，及点62’可以代表对于钻头62相关的功和磨损。其他的点 p1、p2和p3代表对于没有表示在图5中的相同结构和尺寸的其他钻头的功 和磨损。

通过处理对应于这些点的信号，计算机36能产生一个由适当电信号定 义的函数，该函数当用图形表示时，具有一般为曲线c20形式的一条光滑曲 线的形式，将会理解，为了产生一条光滑且连续的曲线，该曲线可能不准 确地通过所有对应于具体经验数据的各个点。这种连续的“额定功关系” 可以是在其本身右侧的一个输出64，并且也能在磨损模拟中使用。

确定一个端点pmax是有益的，端点pmax代表在钻头不再实际有用之前 能耐受的最大钻头磨损，并且由额定功关系确定功的相应量。因而，点pmax 代表一个最大磨损最大功点，有时这里称作所述钻头类型的“功额定值”。 产生一个由曲线c20的镜像代表的关系，即曲线c22，也可能是有用的，曲 线c22由上述信号相对于所做的功画出了剩余的有用钻头寿命。

计算机中对应于曲线c20和c22代表的函数的电信号，当在64处输出 时，最好转换成可见形式，如图6中所示的曲线。

在另一种情况下如上述的那样，钻头振动可以引起钻头力在各个增量 中显著变化。在产生额定功关系时，最好在这种情况下产生一个对应于钻 头在每个这种增量上的最大的力的相应峰值力信号。如下面解释的那样， 也能确定一个对应于对于该增量的岩石强度的最大允许力的极限。对于任 何可能认为用于产生曲线c1的这种钻头，一个对应于峰值力信号的值应该 与该极限相比较，并且如果该值大于或等于该极限，则应该从产生额定功 关系信号的那些钻头中排除该相应钻头。这种比较当然能由计算机36利用 对应于上述极限的一个极限电信号，用电子方法来进行。

用来确定上述极限的原理是基于联系图2解释的功率极限。一旦这样 确定了对于适当岩石强度的极限功率，就可以简单地通过用钻进速度除该 功率外推对应的最大力极限。

要不然，可以把实际钻头功率与功率极限直接比较。

在又一种情况下，可以由计算机36用电子的方法进行该过程。

其他因素也能影响振动强度，并且在最佳实施例中也可以考虑这些其 它因素。这样的其他因素包括：钻柱几何形状和刚性、孔的几何形状、及 钻柱中中性点以下底部孔总成的质量。

除了对于变量的每一个(例如w)将使用该变量对于所述间隔的最大 值或峰值外(但对于R，应该使用最小值)，产生峰值力信号的方式可以与对 于其中没有振动问题的增量、产生增量实际力信号时的上述方式相同，即 使用公式(5)、(6)、或(7)+(8)的电子等效。

额定功关系66可以用来产生关于磨蚀度的信息，如在68处的指示的 那样。磨蚀度又能用来增强磨损模拟和/或调整功率极限。特别是，如果检 测磨蚀度，则对于正在钻探的间隔的那段应该降低功率极限。

至于对于磨蚀度本身，必须有另外的历史数据，更准确地说，是来自 一个已经钻探穿过“硬矿脉”74之类的磨蚀岩层的另外的井或孔72的、 和钻探了包括硬矿脉74的间隔的钻头76的磨蚀度数据70。

应该注意到，如这里使用的那样，岩层的一部分是“磨蚀性的”的陈 述是指，所述的岩石与页岩相比是相对磨蚀的，例如石英岩或沙岩。岩石 磨蚀度基本上是岩石表面轮廓和岩石强度的函数。轮廓系数不必与颗粒尺 寸有关，但与颗粒尖角度或“锐度”有关。

再回到图5，磨蚀度数据70包括作为数据50的来自井72的相同类型 数据78，即对于钻头76确定功、以及磨损测量80所必需的那些钻井数据。 此外，磨蚀度数据包括由钻头78钻探的磨蚀介质74的体积82。后者能通 过分析来自孔72的钻井记录以已知方式确定，如一般由黑框84所指示的 那样。

就本发明的其他方面而论，把数据转换成输入到计算机36中的相应电 信号，如在86处所指示的那样。计算机16通过处理信号来量化磨蚀度， 以进行求解如下公式的电子等效：

λ=(Ωrated-Ωb)/Vabr    (10)

其中：

λ=磨蚀度

Ωb=实际钻头功(对于钻头56的磨损量)

Ωrated=额定功(对于相同的磨损量)

Vabr=钻探的磨蚀介质的体积

例如，假定钻头在钻探了200立方英尺的磨蚀介质之后，已经做了1,000 吨-英里的功，并且以50％的磨损拔出。还假定对于该具体钻头的历史额定 功关系表示，在1,000吨-英里处磨损应该只有40％，而在1,200吨-英里的 功处磨损是50％，如图7中所示。换句话说，额外10％的磨蚀磨损对应于 另外200吨-英里的功。磨蚀度被量化为每钻探200立方英尺的磨蚀介质减 少200吨-英里的钻头寿命或1(吨*英里/立方英尺)。这种度量单位在量纲上 等效于实验室磨蚀度试验。由量化岩性分量部分的钻井记录能确定磨蚀介 质的体积百分比。通过用磨蚀分量的体积分数乘以钻探岩石的总体积，可 以确定钻探的磨蚀介质的体积。要不然，通过钻探时的测量技术，由来自 孔72的记录可以得到岩性数据，如由黑框84所示的那样。

当钻头18钻探孔14时，额定功关系66和，如果适当的话，磨蚀度68 能进一步用来间接地模拟钻头18的磨损。在图5所示的示范性实施例中， 由钻头18钻探的孔14的间隔从表面穿过且超过硬矿脉74延伸。

使用钻探时的测量技术、和其他可用技术，在对于井14的当前基础上 能产生在50处产生的数据类型，如在88处所指示的那样。因为这种数据 产生在当前基础上，所以它在这里称作“实时数据”。实时数据转换成输 入到计算机36中的相应电信号，如在90处所指示的那样。对于历史数据 使用相同的过程，即在54处所指示的过程，计算机能产生对于由钻头18 钻探的每个增量的增量实际力信号和相应的增量距离信号。而且，计算机 能处理对于钻头18的增量实际力信号和增量距离信号，以产生对于由钻头 18钻探的每个增量的各增量实际功电信号，并且定期累计这些增量实际功 信号。这又产生一个对应于当前已经由钻头18所做的功的当前功电信号。 然后，使用对应于额定功关系66的信号，计算机能定期地把当前功信号转 换成，代表所用钻头(即钻头18)上的磨损的当前磨损电信号。

即使不认为钻头68穿过硬矿脉54或其他磨蚀岩层钻探，也进行这些 基本步骤。最好，当当前磨损信号达到一个对应于一个值的预定极限时， 缩回钻头68，对于所述尺寸和结构的钻头该值在功额定值处、或在功额定 值以下。

因为井70在井52附近，并且因此断定钻头68正在穿过硬矿脉54钻 探是合乎逻辑的，所以处理在48处产生的磨蚀度信号，以调整在74处产 生的当前磨损信号，如在以上磨蚀度例子中所解释的那样。

再一次，监视所用钻头18的过分振动也可能是有益的。如果检测到这 种振动，则如上所述，对于其中经历这种过分振动的每个相应增量，应该 产生一个相应的峰值力信号。同样，也确定一个对应于对于这些增量每一 个的岩石强度的最大允许力的极限，并且产生一个相应的信号。计算机36 用电子学方法把每个这种峰值力信号与相应极限信号相比较，以分析超过 对应于当前磨损信号的可能磨损。能采取补救措施。例如，可以减小操作 功率水平，即钻压和/或旋转速度。

在任何情况下，当前磨损信号92最好以可见形式的某种类型输出，如 在94处所指示的那样。

以上例子表明了一个磨损实时模拟过程。应该懂得，使用类似的电子 处理方法可以预先产生一个预告磨损模型，但运算基于由钻头18钻探的岩 性与由钻头76已经钻探的岩性相同的假设。然后，为解决钻头磨损的上述 钻压和旋转速度调整可以基于这个预告模型。在较好的实施例中，可以提 供一个预先预告模型，但也进行实时磨损模拟，以确认和/或调整预先预告 模型、和对应的旋转速度和钻压调整。

对于熟悉本专业的技术人员来说，以上实施例的多种改进是不言自明 的。因而，本发明的范围打算仅由随后的权利要求书限定。