本發明提供了一種鉆井節能提速導航優化方法，該優化方法對鉆井過程中采集的機械鉆速、鉆壓、鉆頭轉速數據進行實時處理，得到機械鉆速與鉆壓、鉆頭轉速之間的函數關系，同時考慮到鉆井參數調整受鉆機頂驅額定扭矩的限制、機械鉆速受到井眼清潔能力的影響以及鉆桿所能承受最大扭矩對鉆壓的影響，分別得到扭矩與鉆頭轉速的函數關系、鉆壓與鉆頭轉速的安全窗口，考慮到鉆頭能量利用率，最終給出鉆壓與鉆頭轉速的優化組合。本發明能夠降低能耗的同時，達到提高機械鉆速的效果。

1.一種鉆井節能提速導航優化方法，其特征在于，所述優化方法包括：
步驟一對鉆井過程中采集的機械鉆速、鉆壓、鉆頭轉速數據進行實時處理，借助切削深
度，得到所述機械鉆速與所述鉆壓、所述鉆頭轉速之間的函數關系，所述切削深度與所述機
械鉆速、所述鉆頭轉速之間的關系為：
$S^{*}=\frac{5\×ROP}{3\×RPM},$
其中：S^*為切削深度，單位為毫米，ROP機械鉆速，單位為米每小時；RPM為鉆頭轉速，單位
為轉每分鐘；
利用最小二乘法，得到所述切削深度與所述鉆壓之間的關系為：

其中：f(x_i)為實時切削深度，單位為毫米；f(x)為實時切削深度變量，單位為毫米；x_i為
實時鉆壓，單位為千牛；x為鉆壓自變量，單位為千牛；ω_i為常數；S^*(x)為切削深度與鉆壓函
數關系；為一組差值基函數；為實時鉆壓下對應的差值基函數值；c_j為利用最小
二乘法要辨識的系數；n為1；m為計數采樣點值；
的推算公式為：

其中：第一個差值基函數；第二個差值基函數；α₁為系數；
步驟二利用最小二乘法，對鉆井過程中采集的所述鉆壓、所述扭矩數據進行實時處理，
得到所述鉆壓與所述扭矩函數關系為：

其中：f(x_i)為實時鉆壓，單位為千牛；f(x)為實時鉆壓變量，單位為千牛；x_i為實時扭
矩，單位為千牛·米；x為扭矩自變量，單位為千牛·米；ω_i為常數；S^*(x)為鉆壓與扭矩函數
關系；為一組差值基函數；為實時鉆壓下對應的差值基函數值；c_j為利用最小
二乘法要辨識的系數；n為1；m為計數采樣點值；
的推算公式為：

其中：第一個差值基函數；第二個差值基函數；α₁為系數；
步驟三在鉆井過程中，鉆井參數調整受鉆機頂驅額定扭矩的限制，在所述鉆機頂驅額
定扭矩范圍內，利用拉格朗日插值方法，從而得出所述扭矩與所述鉆頭轉速的函數關系：
$P_3\left(x\right)=\underset{i=0}{\overset{3}{\Σ}}\left(\underset{j\≠i}{\overset{3}{\underset{j=0}{\Π}}}\frac{x-x_i}{x_i-x_j}\right)y_i,$
其中：x_i，x_j為鉆頭轉速差值點；x為鉆頭轉速自變量；y_i為扭矩插值點，單位為千牛·
米；P₃(x)為扭矩與鉆頭轉速函數關系；
步驟四整合步驟二中所述鉆壓與所述扭矩函數關系和步驟三中所述扭矩與所述鉆頭
轉速函數關系，即能得到所述鉆機頂驅額定扭矩限制下的所述鉆壓與所述鉆頭轉速的第一
安全窗口，所述鉆壓與所述鉆頭轉速函數關系表示如下：
WOB＝aRPM³+bRPM²+cRPM+d，
其中：WOB為鉆壓，單位為千牛；RPM為鉆頭轉速，單位為轉每分鐘；a,b,c,d為系數；
步驟五利用鉆桿所能承受最大扭矩對所述鉆壓的影響以及所述機械鉆速受到井眼清
潔能力的影響，結合步驟四，得到鉆井操作的所述鉆壓與所述鉆頭轉速的第二安全窗口；
其中，井眼清潔能力與機械鉆速的關系為：
$v_s=\frac{0.0707d_s{({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_d)}^{2/3}}{{\mathrm{\ρ}}_d^{1/3}{\mathrm{\μ}}_e^{1/3}},Q_a=\frac{\mathrm{\π}}{40}(d_h^2-d_p^2)v_a$
(1)
(2)
其中：v_s為巖屑在鉆井液中的下滑速度，單位為米每秒；d_s為巖屑直徑，單位為厘米；ρ_s,
ρ_d分別為巖屑和鉆井液密度，單位為克每立方厘米；μ_e為鉆井液有效粘度，單位為帕斯卡·
秒；Q_a為當前泥漿泵排量，單位為升每秒；d_h,d_p為井徑和鉆柱外徑，單位為厘米；v_a為鉆井液
在環空的平均上返速度，單位為米每秒；k_s為巖屑舉升效率；c_a為環空巖屑濃度，無量綱；ROP
為機械鉆速，單位為米每秒；
步驟六利用步驟一中所述機械鉆速與所述鉆壓、所述鉆頭轉速之間的函數關系，得到
所述鉆壓與所述鉆頭轉速平面內的機械鉆速等高線以及結合當前機械鉆速得到目標機械
鉆速；
步驟七考慮到鉆頭的能量利用率，將所述鉆頭的能量利用率反映到所述鉆壓與所述鉆
頭轉速平面內，得到機械比能等高線，結合步驟六中的所述目標機械鉆速，得到鉆頭效能優
化等高線，所述鉆頭效能優化等高線包括機械比能等高線與所述目標機械鉆速；
其中，所述機械比能與鉆頭轉速、機械鉆速、鉆壓的函數關系為：
$MSE=p\×(\frac{4\×WOB}{{\mathrm{\πd}}_B^2}+\frac{480\×RPM\×(c_{0}WOB+c_1)}{d_B^2\×ROP})$
其中：MSE為機械比能，單位為兆帕斯卡；WOB為鉆壓,單位為牛頓；RPM為鉆頭轉速，單位
為轉每分鐘；ROP為機械鉆速，單位為米每小時；p為能量利用率；d_B為鉆頭直徑，單位為毫
米；c₀,c₁為系數；
步驟八通過所述步驟七中所得的所述鉆頭效能優化等高線受到所述鉆壓與所述鉆頭
轉速的所述第二安全窗口的限制，在所述鉆壓與所述鉆頭轉速的所述第二安全窗口中，鉆
頭效能值最高的鉆壓與鉆頭轉速參數組合即為推薦組合。
2.如權利要求1所述的鉆井節能提速導航優化方法，其特征在于，所述步驟五中鉆桿承
受的最大扭矩由選擇的鉆桿決定，鉆桿所能承受最大扭矩對鉆壓的影響計算步驟為：
根據步驟二得到的所述鉆壓與所述扭矩的函數關系，將所述鉆桿所能承受最大扭矩代
入鉆壓與扭矩的函數關系中，得到對應的鉆壓。
3.如權利要求2所述的鉆井節能提速導航優化方法，其特征在于，機械鉆速受到井眼清
潔能力的影響計算步驟包括：
根據井眼清潔能力與機械鉆速的關系得到當前泥漿泵排量下的極限機械鉆速；
根據步驟一得到的所述機械鉆速與所述鉆壓、所述鉆頭轉速之間的函數關系，得到井
眼清潔能力影響下的所述鉆壓與所述鉆頭轉速關系。
4.如權利要求3所述的鉆井節能提速導航優化方法，其特征在于，根據井眼清潔能力與
機械鉆速的關系得到當前泥漿泵排量下的極限機械鉆速的步驟為：
利用公式計算鉆井液在環空的平均上返速度v_a；
利用公式計算巖屑在鉆井液中的下滑速度v_s；
當公式大于等于0.5時，井底巖屑能夠及時清除，根據公式
計算當前泥漿泵排量下，即當前井眼清潔能力下，所能達到
的極限機械鉆速；
當公式小于0.5時，泥漿泵排量處于不合理狀態，需要對所述泥漿泵排量進行
調整，以便及時清除鉆屑。
5.如權利要求4所述的鉆井節能提速導航優化方法，其特征在于，所述步驟六依據當前
機械鉆速，按照調節步長設定所述目標機械鉆速，
當所鉆地層為硬地層，機械鉆速變化范圍為1m/h-9m/h時，所述目標機械鉆速的調節步
長為1m/h；
當所鉆地層為軟地層，機械鉆速達到20m/h以上，則所述目標機械鉆速的調節步長可定
為10m/h。
6.如權利要求5所述的鉆井節能提速導航優化方法，其特征在于，當所鉆地層為極硬地
層時，機械鉆速變化范圍為1m/h-9m/h時，機械鉆速的所述調節步長為0.5m/h。
7.如權利要求3所述的鉆井節能提速導航優化方法，其特征在于，所述步驟七中的鉆頭
能量利用率選取0.35。