一種用于鉆頭?巖石相互作用建模的方法包括選擇鉆頭模型的參數。所述參數包括在所述鉆頭模型中表示的刀具的幾何因子。所述方法還包括：將所述鉆頭模型動態地調整到移位位置；更新由所述鉆頭模型的所述移位位置形成的井筒模型的形狀；以及基于所述井筒模型的所述形狀和所述鉆頭模型的所述參數確定所述鉆頭模型上的局部力和初始力。所述方法還包括：基于所述鉆頭模型上的所述局部力和所述初始力通過處理器確定鉆頭矩陣的至少一個系數；以及將所述鉆頭矩陣存儲在存儲器中，其中所述鉆頭矩陣指示由所述鉆頭模型表示的鉆頭與地層基底之間的相互作用。

發明背景

技術領域

本文所述的示例性實施方案涉及鉆頭及其在油氣勘探和開采中的使用。更具體地，本文所公開的一個或多個實施方案涉及對具有所需轉向性以在鉆井操作中使用的聚晶金剛石復合片(PDC)鉆頭進行建模和操作的方法。

背景技術

各種類型的井下鉆井工具，包括但不限于旋轉式鉆頭、擴孔器、取心鉆頭以及其他井下工具，已被用于在相關聯井下地層中形成井筒。此類旋轉式鉆頭的實例包括但不限于與形成延伸穿過一個或多個井下地層的油氣井相關聯的固定刀具鉆頭、刮刀鉆頭、PDC鉆頭和胎體鉆頭。

在油氣開采和探勘中，井筒鉆井可在地下延伸若干千米。該過程耗時并涉及高操作成本，因此要求鉆井工具具有高可靠性和減少的井下時間。在當前油田應用中(例如，定向鉆井、大斜度鉆井、大位移井鉆井(extended reach)和水平鉆井)，井筒可包括多個部分或支腿，所述多個部分或支腿各自不僅豎直地延伸，而且彼此成一定角度延伸，或甚至相對于地表水平地延伸。最先進的鉆井配置由于鉆井延時(例如，鉆頭更換)或錯誤而面臨嚴峻考驗。許多鉆井操作可能會遭遇由于鉆井故障所致的鉆桿被卡、側鉆、鉆柱丟失或鉆頭斷裂。在鉆井操作中遭遇的其他事件可包括井筒的過度彎曲(“狗腿(dogleg)”)或井孔的過度保徑(over-gaged hole)，這增加了在井的鉆井液、泵送、下套管、固井和潛在堵塞方面的總成本。在鉆井期間希望避免的其他影響包括井軌跡的波狀剖面(例如，“鉆頭游動(drillwalk)”)，這導致扭矩和拖阻大大增加，從而可能損壞鉆柱。

附圖說明

以下附圖被包括以展示本文所述的示例性實施方案的某些方面，并且不應被視為排他性實施方案。如本領域的并且受益于本公開的技術人員將了解，所公開的主題能夠在形式和功能上存在相當多的修改、改變、組合以及等效物。

圖1示出根據一個或多個實施方案的由井下鉆井工具形成的井筒。

圖2A示出根據一些實施方案的包括刀具的鉆頭。

圖2B示出根據一些實施方案的鉆頭相對于井孔坐標系的移動。

圖3A示出根據一些實施方案的用于鉆頭的刀具的側視圖。

圖3B示出根據一些實施方案的用于鉆頭的刀具的前視圖。

圖3C示出根據一些實施方案的x-y-z坐標系，其中Z為鉆頭或井孔的軸線。

圖3D示出根據一些實施方案的徑向拖拽z(radial-drag-z)坐標系。

圖3E示出根據一些實施方案的包括后傾角的用于鉆頭的刀具的側視圖。

圖3F示出根據一些實施方案的包括側傾角的用于鉆頭的刀具的側視圖。

圖3G示出根據一些實施方案的包括成剖面角的刀具的鉆頭的剖面圖。

圖4A示出根據一些實施方案的包括刀具中的小切面(cutlet)的網格的透視圖。

圖4B示出根據一些實施方案的包括在兩個不同時間刀具中的小切面的動態網格。

圖4C示出根據一些實施方案的包括在兩個不同時間刀具中的小切面的動態網格。