基于比能理论的钻头工作状态监测方法
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脚 ＝ ＋ （） ６
提 出在岩 石 钻 进 中 比能 的 概念 Ｈ。 开挖 单 位 体 积做 ］即
的功 。 由钻 压和扭 矩破 碎单 位体 积 岩石 ． 得到 单位 时 间
破碎 单位 体积 岩石 所需 的机 械能 ， 械 比能定 义式 为 机
Ｅ＝ ４Ｗ ＯＢ ＋ ４ ０ Ｐ ． Ｏ ８ Ｍ Ｂ Ｒ Ｔ
下 ， Ｏ ＝ ・ ・ ｂ ＝１ Ｂ・ ＋ ２Ｒ Ｍ＋ ３ ｉ Ｅ （） ４
通 过提 高不稳 定点 ， 以提 高钻 井效 率 。 响不稳 可 影 定 点 的因素 主要 有钻头 泥 包 、 井底 泥 包 、 动 及钻 头 钝 振 化 。一般 来说 ， 些 因素 的影 响可 以减弱 ， 是不 可 能 这 但
有 可 能 造 成 环 空 阻 塞 。 响 钻 压 一 速 曲线 不 稳 定 点 位 影 钻
出 以下 结 论 ： ） 小 比 能 大致 等 于 岩 石 压 缩 强 度 ； ） １最 ２
没有 必要 将岩 石破 碎得 过 于细小 ， 当颗粒 尺寸 减少 ， 本
身 的 比能将显 著增 加 ，这种 影 响在零 推力 时 将导 致 比
扭 矩 是 比能 理 论 关 键 所 在 。 最 初 计 算 牙 轮 钻 头 扭 矩 的
金 齿牙 轮钻头 的 ３个试 钻实 验结 果 。钻速 与 钻压 呈线
性关系， 随着 钻压 增 加 。 速 达 到某 一 临界 点 ， 速不 钻 钻 再 与钻压 呈线 性关 系 ，该点 即是 最优 的钻 压 。称 为钻 速一 压关 系 的不 稳 定点 。 钻
公式 由 Ｗａｒｎ在 １ ８ ｒｅ ９ ４年提 出 ，钻头 扭矩 受 限因素 很
多， 比如钻 头 类 型 、 钻头 新 旧 、 井液 性 能 、 身结 构 、 钻 井 地层 岩性 、 钻井 参 数 （ 压 、 钻 转速等 ） 因素 均影 响扭 矩 等
的计 算 精度 ｌ。Ｗａｒｎ提 出扭 矩计算 模 型如下 所示 ： ５ ］ ｒｅ
２ １ 理 论 概 述 ．
通 过 以上实 验 ，可 以得 到钻 头扭 矩与 钻 头直径 和
传统钻井 性能评价 采用统 计方法 ， 根据偏差 进行分 析， 但有 地域 局 限性 。在这 种情 况下 ， 虑建 立具 有普 考 遍性 、 合技 术性 能标 准 的物理模 型 ， 符 即机 械 比能 模 型
（ Ｅ， ｃ ａ ｉ ｌ ｐｃｆ ｎ ｒｙ ］ １６ ＭＳ ｍｅｈ ｎｃ ｅｉｃｅ ｅｇ ） 。 ９ ４年 ＲＴ ａ ａｓ ｉ ｅｌ ｅ
钻 压近 似成 正 比 ． 工程 简化 公式 如下 ：
＝
００ ６ ７ Ｂ・ ． ＷＯ Ｄ ０ ０
（） ５
将 式 （） ５ 代人 式 （ ）则 机械 比能定 义式 可简 化为 １，
径 ，ｌ ｉｍ。 ｉ
比能值 应 为 常数 ， 随着 钻头 的磨 损 、 速 的下 降 ． 钻 比能
值缓 慢 上升 。
３ １ 钻 头 泥 包 ．
Ｔａ ｅｌ ｅ通过 对不 同岩石 、钻头 类 型 的大量 实验 ， 得
钻 头泥包 是指 钻头 表 面为泥 团所 包裹 ，钻 头牙 齿 受 泥包 影 响 “ 吃人 ” 地层 程 度 减小 ， 导致 其 无 法有 效 破 碎地 层 岩石 ， 钻速 变慢 ， 严重 时包 死钻 头 、 死水 眼 ， 堵 导 致 泵压 升 高 ， 至无 进 尺 ， 果 是在 起 下 钻 时发 生 ， 甚 如 还
完 全消 除 ， 只能在 较高 的钻 压 时延缓 它们 的干 扰 。
所 选岩性 的实验结 果 显示 ：转 速与钻 头 比水 功率 破 岩时 产生 的扭 矩之 和 ，仅相 当于钻 压 与钻 头直径 产
生 扭 矩 的 ０６ ％～ ． ％ ， ． ９ ２０ ３ 因此 可 以 忽 略 。
２ 机 械 比 能 理 论
第１ ８卷 第 ４期
景 宁 ， 基 于 比能 理 论 的钻 头 工 作 状 态 监 测 方 法 等．
通 过试钻 实 验 ， 整钻 井参 数 ， 到钻 头 破岩 的力 调 得 学 机理 ， 分析 影响 钻头 工作 状态 的 因素 。 １ 图 为镶 硬合
钻 速这 些参数 可 以通过 地 面测量 ，因此准 确求 取钻 头
＋／ Ｇ ２ 、
÷
吕
・
（ ２ ）
式 中 ： Ｇ ， ３ Ｃ ， Ｃ 分别 为钻 头工作 系数 ； 为 已钻 井深 ， ｍ。 Ｆｒ ｌ ａｒ ｌ 人在 实 验室 利用 模 拟实 验 。 ｅ ｙ等 考虑 岩石 类
剥 螺
型 （ 择砂 岩 、 岗 岩 和灰 岩 ３种 岩 性 ） 水 功 率 、 速 选 花 、 转
能 趋 于 无 穷 大 ； ） 能 不 能 作 为 单 一 、 确 的 数 字 出 ３比 准
现， 这是 由于钻 井 过 程 中 ， 动力 学 机 理 复杂 ， 关参 数 相 变化 范 围大 ， 以及 岩石 的非均 质性 等特 征 。 致 的平均 大 值 已足够 满足模 型 对于钻 井性 能 的准 确分 析 和判 断 。 ２２ 钻 头扭 矩 ＿ 在 工程 现 场条 件 下 ， 头 扭 矩无 法 像 钻压 、 速 、 钻 转
和钻 压 ４项 因素 ． 建立 钻头 扭矩 的多 元线性 回归 模型 ：
Ｔ Ｂ ｋ＋ １Ｗ Ｏ Ｄ ２ Ｐ ｋ・ ｂ Ｏ ＝ ｏｋ・ Ｂ・ ・ Ｍ＋ ３Ｅｉ Ｒ
图 １ 不 同转 速 下钻 速 与钻 压 关 系 曲线
ｋ ／ ｍ Ｗ ｃ 。
（） ３
式 中 ：ｏ ｋ， ｋ ， ，２ｋ 分别 为 回归 系数 ； 为 钻头 水 功率 ， ｋ 根 据 边 界 条 件 ， ＷＯ Ｏ Ｒ Ｍ＝ 、 Ｌ ０的条 件 在 Ｂ＝ 、 Ｐ Ｏ Ｅ ＝
—
３ 钻 头 工 作 状 态 监测
比能值 可在钻 进过 程 中监测 钻头 工作 状态 ，比能 值越 低 ， 钻头 的破 岩效 率越 高 。若 在 均质 岩层 中钻进 。
（） １
式 中 ： Ｂ 为 钻 压 ，Ｎ； Ｏ 为 钻 头 扭 矩 ，Ｎ・ Ｒ Ｍ ＷＯ ｋ ＴＢ ｋ ｍ； Ｐ 为 旋 转 速 度 ， ｍ ｎ ＲＯ 为 钻 进 速 度 ， ／ ； 为 井 底 直 ｒ ｉ； Ｐ ／ ｍｈ Ｄ
提 出在岩 石 钻 进 中 比能 的 概念 Ｈ。 开挖 单 位 体 积做 ］即
的功 。 由钻 压和扭 矩破 碎单 位体 积 岩石 ． 得到 单位 时 间
破碎 单位 体积 岩石 所需 的机 械能 ， 械 比能定 义式 为 机
Ｅ＝ ４Ｗ ＯＢ ＋ ４ ０ Ｐ ． Ｏ ８ Ｍ Ｂ Ｒ Ｔ
下 ， Ｏ ＝ ・ ・ ｂ ＝１ Ｂ・ ＋ ２Ｒ Ｍ＋ ３ ｉ Ｅ （） ４
通 过提 高不稳 定点 ， 以提 高钻 井效 率 。 响不稳 可 影 定 点 的因素 主要 有钻头 泥 包 、 井底 泥 包 、 动 及钻 头 钝 振 化 。一般 来说 ， 些 因素 的影 响可 以减弱 ， 是不 可 能 这 但
有 可 能 造 成 环 空 阻 塞 。 响 钻 压 一 速 曲线 不 稳 定 点 位 影 钻
出 以下 结 论 ： ） 小 比 能 大致 等 于 岩 石 压 缩 强 度 ； ） １最 ２
没有 必要 将岩 石破 碎得 过 于细小 ， 当颗粒 尺寸 减少 ， 本
身 的 比能将显 著增 加 ，这种 影 响在零 推力 时 将导 致 比
扭 矩 是 比能 理 论 关 键 所 在 。 最 初 计 算 牙 轮 钻 头 扭 矩 的
金 齿牙 轮钻头 的 ３个试 钻实 验结 果 。钻速 与 钻压 呈线
性关系， 随着 钻压 增 加 。 速 达 到某 一 临界 点 ， 速不 钻 钻 再 与钻压 呈线 性关 系 ，该点 即是 最优 的钻 压 。称 为钻 速一 压关 系 的不 稳 定点 。 钻
公式 由 Ｗａｒｎ在 １ ８ ｒｅ ９ ４年提 出 ，钻头 扭矩 受 限因素 很
多， 比如钻 头 类 型 、 钻头 新 旧 、 井液 性 能 、 身结 构 、 钻 井 地层 岩性 、 钻井 参 数 （ 压 、 钻 转速等 ） 因素 均影 响扭 矩 等
的计 算 精度 ｌ。Ｗａｒｎ提 出扭 矩计算 模 型如下 所示 ： ５ ］ ｒｅ
２ １ 理 论 概 述 ．
通 过 以上实 验 ，可 以得 到钻 头扭 矩与 钻 头直径 和
传统钻井 性能评价 采用统 计方法 ， 根据偏差 进行分 析， 但有 地域 局 限性 。在这 种情 况下 ， 虑建 立具 有普 考 遍性 、 合技 术性 能标 准 的物理模 型 ， 符 即机 械 比能 模 型
（ Ｅ， ｃ ａ ｉ ｌ ｐｃｆ ｎ ｒｙ ］ １６ ＭＳ ｍｅｈ ｎｃ ｅｉｃｅ ｅｇ ） 。 ９ ４年 ＲＴ ａ ａｓ ｉ ｅｌ ｅ
钻 压近 似成 正 比 ． 工程 简化 公式 如下 ：
＝
００ ６ ７ Ｂ・ ． ＷＯ Ｄ ０ ０
（） ５
将 式 （） ５ 代人 式 （ ）则 机械 比能定 义式 可简 化为 １，
径 ，ｌ ｉｍ。 ｉ
比能值 应 为 常数 ， 随着 钻头 的磨 损 、 速 的下 降 ． 钻 比能
值缓 慢 上升 。
３ １ 钻 头 泥 包 ．
Ｔａ ｅｌ ｅ通过 对不 同岩石 、钻头 类 型 的大量 实验 ， 得
钻 头泥包 是指 钻头 表 面为泥 团所 包裹 ，钻 头牙 齿 受 泥包 影 响 “ 吃人 ” 地层 程 度 减小 ， 导致 其 无 法有 效 破 碎地 层 岩石 ， 钻速 变慢 ， 严重 时包 死钻 头 、 死水 眼 ， 堵 导 致 泵压 升 高 ， 至无 进 尺 ， 果 是在 起 下 钻 时发 生 ， 甚 如 还
完 全消 除 ， 只能在 较高 的钻 压 时延缓 它们 的干 扰 。
所 选岩性 的实验结 果 显示 ：转 速与钻 头 比水 功率 破 岩时 产生 的扭 矩之 和 ，仅相 当于钻 压 与钻 头直径 产
生 扭 矩 的 ０６ ％～ ． ％ ， ． ９ ２０ ３ 因此 可 以 忽 略 。
２ 机 械 比 能 理 论
第１ ８卷 第 ４期
景 宁 ， 基 于 比能 理 论 的钻 头 工 作 状 态 监 测 方 法 等．
通 过试钻 实 验 ， 整钻 井参 数 ， 到钻 头 破岩 的力 调 得 学 机理 ， 分析 影响 钻头 工作 状态 的 因素 。 １ 图 为镶 硬合
钻 速这 些参数 可 以通过 地 面测量 ，因此准 确求 取钻 头
＋／ Ｇ ２ 、
÷
吕
・
（ ２ ）
式 中 ： Ｇ ， ３ Ｃ ， Ｃ 分别 为钻 头工作 系数 ； 为 已钻 井深 ， ｍ。 Ｆｒ ｌ ａｒ ｌ 人在 实 验室 利用 模 拟实 验 。 ｅ ｙ等 考虑 岩石 类
剥 螺
型 （ 择砂 岩 、 岗 岩 和灰 岩 ３种 岩 性 ） 水 功 率 、 速 选 花 、 转
能 趋 于 无 穷 大 ； ） 能 不 能 作 为 单 一 、 确 的 数 字 出 ３比 准
现， 这是 由于钻 井 过 程 中 ， 动力 学 机 理 复杂 ， 关参 数 相 变化 范 围大 ， 以及 岩石 的非均 质性 等特 征 。 致 的平均 大 值 已足够 满足模 型 对于钻 井性 能 的准 确分 析 和判 断 。 ２２ 钻 头扭 矩 ＿ 在 工程 现 场条 件 下 ， 头 扭 矩无 法 像 钻压 、 速 、 钻 转
和钻 压 ４项 因素 ． 建立 钻头 扭矩 的多 元线性 回归 模型 ：
Ｔ Ｂ ｋ＋ １Ｗ Ｏ Ｄ ２ Ｐ ｋ・ ｂ Ｏ ＝ ｏｋ・ Ｂ・ ・ Ｍ＋ ３Ｅｉ Ｒ
图 １ 不 同转 速 下钻 速 与钻 压 关 系 曲线
ｋ ／ ｍ Ｗ ｃ 。
（） ３
式 中 ：ｏ ｋ， ｋ ， ，２ｋ 分别 为 回归 系数 ； 为 钻头 水 功率 ， ｋ 根 据 边 界 条 件 ， ＷＯ Ｏ Ｒ Ｍ＝ 、 Ｌ ０的条 件 在 Ｂ＝ 、 Ｐ Ｏ Ｅ ＝
—
３ 钻 头 工 作 状 态 监测
比能值 可在钻 进过 程 中监测 钻头 工作 状态 ，比能 值越 低 ， 钻头 的破 岩效 率越 高 。若 在 均质 岩层 中钻进 。
（） １
式 中 ： Ｂ 为 钻 压 ，Ｎ； Ｏ 为 钻 头 扭 矩 ，Ｎ・ Ｒ Ｍ ＷＯ ｋ ＴＢ ｋ ｍ； Ｐ 为 旋 转 速 度 ， ｍ ｎ ＲＯ 为 钻 进 速 度 ， ／ ； 为 井 底 直 ｒ ｉ； Ｐ ／ ｍｈ Ｄ