一种基于岩石抗钻特性的PDC钻头结构参数确定方法及系统

本发明涉及石油天然气钻井工程，具体地说，涉及一种pdc钻头结构参数确定方法及系统。

背景技术：

1、pdc钻头具有机械钻速高、使用寿命长和适用地层范围广等特点，已广泛应用于石油天然气钻井工程。在深层、硬脆性、强研磨性地层以及多岩性互层地层中，pdc钻头的结构参数直接影响钻头的破岩效率、单只钻头进尺、切削齿损伤程度、泥包风险、钻进稳定性及井径保持能力。切削齿尺寸、切削齿齿形、刀翼数量、冠部特征和保径等级等结构参数选择不合理时，容易出现机械钻速降低、切削齿异常损坏、钻头泥包、井径扩大或钻头提前失效等问题。

2、中国发明专利申请公布cn107944169a公开了一种油气钻探用钻头的选型方法，该方法获取地层岩石力学参数并进行分层，根据各层段的钻头使用要求确定冠部剖面形状、刀翼、切削齿和后倾角等钻头结构参数，再将所确定的结构参数与库存钻头进行比较，以选择相匹配的钻头。该方法能够从岩石力学参数和地层分层角度指导钻头结构选型，但其主要采用分层判断、结构要求确定和库存钻头比选的方式，未具体公开利用历史钻头使用效果对多个岩石抗钻特性参数与多个钻头结构参数之间的定量映射关系进行标定。因此，当目标井钻进过程中获得更新后的层位、岩性或岩石抗钻特性参数时，难以及时形成针对目标井后续井段或下一趟钻的具体结构参数推荐结果。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于岩石抗钻特性的pdc钻头结构参数确定方法及系统，其主要目的在于解决现有pdc钻头选型方法中历史资料分散、地层条件与钻头结构参数对应关系不明确、异常工况对使用效果评价影响较大，以及只能确定钻头型号而难以直接确定具体结构参数以及确定结果难以随钻更新的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于岩石抗钻特性的pdc钻头结构参数确定方法及系统，包括：获取同一区块或相邻区块已有井的地质解释资料、岩石实验资料、钻井工况资料、pdc钻头结构资料及钻头使用效果资料；根据pdc钻头编号、钻头类型、入井时间、起出时间、入井深度和起出深度，确定单只pdc钻头对应的钻头使用场景；

3、根据层位顶界深度、层位底界深度和岩性界面深度，将所述钻头使用场景归属至相应层位和岩性，并将跨越不同层位或不同岩性的钻头使用场景切分为多个子使用场景；建立岩石抗钻特性参数表，并根据样品来源井号、取样深度、层位和岩性，将岩石可钻性级值、单轴抗压强度、内摩擦角、硬度和塑性系数附加至对应钻头使用场景或子使用场景；将钻头使用场景对应的层位、岩性、岩石抗钻特性参数、钻井工况参数、pdc钻头结构参数及钻头使用效果数据关联，构建历史钻头使用场景数据库；

4、对所述历史钻头使用场景数据库中的非正常钻进记录、异常工况记录和无效使用场景进行识别和剔除，并根据正常钻进进尺与总新增进尺的比例计算有效样本权重，得到有效历史钻头使用场景；按照层位和岩性对所述有效历史钻头使用场景进行分组，根据各有效历史钻头使用场景的有效钻进进尺、平均机械钻速、钻头磨损程度、切削齿损坏情况和单位进尺异常事件频率计算钻头使用效果评价值；按照切削齿尺寸、切削齿类型、刀翼数量、冠部特征和保径等级的组合，对同一层位、同一岩性下的有效历史钻头使用场景进行结构组合分类，并结合钻头使用效果评价值和有效样本权重，确定各层位、各岩性对应的最优pdc钻头结构组合，建立层位—岩性最优pdc钻头结构数据库；

5、将所述层位—岩性最优pdc钻头结构数据库中的各层位—岩性单元作为建模样本，对岩石抗钻特性参数进行标准化处理，筛选各项pdc钻头结构参数对应的岩石抗钻特性输入参数，并利用全部建模样本统一建立岩石抗钻特性参数与切削齿尺寸、切削齿类型、刀翼数量、冠部特征和保径等级之间的关系式；

6、在目标井钻进过程中，获取或更新目标井后续井段的层位、岩性及岩石抗钻特性参数，对所述岩石抗钻特性参数进行标准化处理并输入对应关系式，得到各项pdc钻头结构参数的连续预测值；

7、将所述连续预测值映射至预设的pdc钻头标准结构参数集合，输出用于目标井后续井段或下一趟钻的切削齿尺寸、切削齿类型、刀翼数量、冠部特征和保径等级确定结果。

8、可选地，所述获取同一区块或相邻区块已有井的地质解释资料、岩石实验资料、钻井工况资料、pdc钻头结构资料及钻头使用效果资料。所述地质解释资料包括测井解释成果、录井岩性剖面和地质分层资料，用于获取层位名称、层位顶界深度、层位底界深度、岩性名称和岩性界面深度；所述岩石实验资料来源于岩心、岩屑或岩样的室内实验结果，用于获取岩石可钻性级值、单轴抗压强度、内摩擦角、硬度和塑性系数；所述钻井工况资料来源于随钻录井数据、钻井日报或地面工程参数采集，用于获取井深、钻压、转速、扭矩、排量、立管压力、机械钻速、钻进时间和钻井液密度；所述pdc钻头结构资料来源于钻头使用记录、钻头说明书或钻头结构参数表，用于获取钻头直径、切削齿尺寸、切削齿类型、刀翼数量、冠部特征和保径等级；所述钻头使用效果资料来源于钻头起出检查记录、钻井日报、录井记录或井下复杂情况记录，用于获取单只钻头进尺、平均机械钻速、钻头磨损程度、切削齿损坏情况，以及非计划划眼、憋压、卡钻和严重泥包的发生记录。

9、可选地，所述根据地质解释资料将钻头使用场景归属至相应层位和岩性，包括：从地质分层资料、测井解释成果或录井解释成果中读取各层位的层位名称、层位顶界深度和层位底界深度，并读取各岩性段的岩性名称、岩性段顶界深度和岩性段底界深度；将钻头使用场景对应的入井深度至起出深度作为待匹配井段，分别与各层位对应的深度区间和各岩性段对应的深度区间进行比较；当所述待匹配井段的入井深度和起出深度均位于同一层位的层位顶界深度与层位底界深度之间时，将该钻头使用场景归属于所述层位；当所述待匹配井段的入井深度和起出深度均位于同一岩性段的岩性段顶界深度与岩性段底界深度之间时，将该钻头使用场景归属于所述岩性；当所述钻头使用场景跨越一个或多个层位界面、岩性变化界面时，汇总位于所述入井深度与起出深度之间的全部层位界面深度和岩性变化界面深度，并按照深度由小到大的顺序排列，以各界面深度作为切分点，将所述钻头使用场景切分为多个连续且互不重叠的子使用场景；

10、根据每一子使用场景的起始深度和终止深度，分别确定其对应的层位和岩性，并将所述子使用场景与原始钻头使用场景标识、层位名称、岩性名称、起始深度和终止深度关联存储。具体地，当钻头使用场景的深度区间为[din,dout，层位界面深度和岩性变化界面深度中位于该区间内部的界面深度依次为 d1,d2,…,dn，且满足：则将该钻头使用场景切分为：对应的多个子使用场景。对于位于层位界面或岩性变化界面处的采样记录，按照预设的深度区间左闭右开规则归入对应子使用场景，以避免同一采样记录被重复归属。

11、可选地，所述建立岩石抗钻特性参数表，并根据层位和岩性匹配关系将岩石抗钻特性参数附加至对应钻头使用场景，包括：收集同一区块或相邻区块已有井的岩心、岩屑或其他岩样室内实验结果，建立岩石抗钻特性参数表；所述岩石抗钻特性参数表至少包括样品编号、样品来源井号、取样深度或取样井段、层位、岩性、岩石可钻性级值、单轴抗压强度、内摩擦角、硬度、塑性系数、试验方法及数据来源。

12、对不同资料中的岩石抗钻特性参数进行单位和试验口径统一，其中，岩石可钻性级值为无量纲等级值，单轴抗压强度的单位统一为mpa，内摩擦角的单位统一为度，硬度和塑性系数按照对应岩石力学试验方法规定的量纲或无量纲形式记录；对于采用不同试验方法获得的同类参数，分别保存对应试验方法标识，优先采用试验方法一致的数据进行匹配。

13、根据样品来源井号和取样深度或取样井段，将岩石实验样品归属至对应层位和岩性；当岩石实验样品的层位和岩性分别与钻头使用场景或经层位、岩性切分后的子使用场景的层位和岩性一致时，将该岩石实验样品对应的岩石可钻性级值、单轴抗压强度、内摩擦角、硬度和塑性系数附加至对应钻头使用场景或子使用场景。

14、当同一井、同一层位和同一岩性对应多个岩石实验样品时，分别计算各项岩石抗钻特性参数的算术平均值，并将所述算术平均值作为该井对应层位—岩性单元的岩石抗钻特性参数代表值；第g个层位—岩性单元中第m 项岩石抗钻特性参数代表值按照下式计算：

15、

16、式中，xg,m为第g个层位—岩性单元中第m项岩石抗钻特性参数代表值，xg,k,m为第g个层位—岩性单元中第k个岩石实验样品的第m项岩石抗钻特性参数，ng为第g个层位—岩性单元中有效岩石实验样品的数量。

17、当已有井缺少同井、同层位和同岩性的岩石抗钻特性参数时，按照同一区块同层位同岩性邻井、相邻区块同层位同岩性邻井的顺序选取替代数据；当存在多个符合条件的邻井时，分别计算各邻井相应岩石抗钻特性参数的算术平均值，并将所得平均值附加至对应钻头使用场景，同时保存替代数据的来源井号和匹配方式。

18、当岩石抗钻特性参数表中缺少岩石可钻性级值、单轴抗压强度、内摩擦角、硬度和塑性系数中的任一项，且无法从符合条件的邻井资料中补充时，将对应参数标记为缺失值，并在后续历史钻头使用场景有效性判断过程中进行处理。

19、可选地，所述历史钻头使用场景数据库以单只pdc钻头使用场景或经层位、岩性切分后的子使用场景作为一条数据库记录，并为每条数据库记录设置使用场景标识；当所述数据库记录为经层位、岩性切分后的子使用场景时，同时保存其对应的原始钻头使用场景标识。每条数据库记录至少包括场景属性数据、地质属性数据、岩石抗钻特性数据、钻井工况数据、pdc钻头结构数据和钻头使用效果数据。

20、所述场景属性数据至少包括井号、钻头编号、钻头类型、入井时间、起出时间、入井深度、起出深度、使用场景标识及原始钻头使用场景标识；

21、所述地质属性数据至少包括层位名称、层位顶界深度、层位底界深度、岩性名称、岩性段顶界深度、岩性段底界深度及井眼尺寸；

22、所述岩石抗钻特性数据至少包括岩石可钻性级值、单轴抗压强度、内摩擦角、硬度和塑性系数；

23、所述钻井工况数据至少包括钻进时间、钻压、转速、扭矩、排量、立管压力、机械钻速和钻井液密度；

24、所述pdc钻头结构数据至少包括钻头直径、切削齿尺寸、切削齿类型、刀翼数量、冠部特征和保径等级；

25、所述钻头使用效果数据至少包括单只钻头总进尺、有效钻进进尺、正常钻进时间、平均机械钻速、钻头磨损程度、切削齿损坏数量、纳入检查的切削齿总数量，以及非计划划眼、憋压、卡钻和严重泥包的发生记录。 其中，所述钻头直径用于判断pdc钻头与设计井眼尺寸之间的适配关系，并作为历史钻头使用场景筛选的约束参数；所述切削齿尺寸、切削齿类型、刀翼数量、冠部特征和保径等级作为待确定的pdc钻头结构参数。

26、所述场景属性数据来源于钻头记录表和钻井日报；所述地质属性数据来源于地质分层资料、测井解释成果和录井岩性解释成果；所述岩石抗钻特性数据来源于岩心、岩屑或其他岩样的室内实验结果；所述钻井工况数据来源于随钻录井、地面工程参数采集或钻井日报；所述pdc钻头结构数据来源于钻头使用记录、钻头说明书、钻头设计图纸或钻头结构参数表；所述钻头使用效果数据来源于钻井日报、钻头起出检查记录、钻头磨损评价记录、录井事件记录及井下复杂情况记录。

27、可选地，所述对历史钻头使用场景数据库中的非正常钻进记录、异常工况记录和无效使用场景进行识别和剔除，并计算有效样本权重，包括：按照采样时间顺序计算相邻钻井工况记录之间的井深增量；当相邻钻井工况记录之间的井深增量小于或等于0，或者钻井日报、录井记录或作业状态记录显示对应时段处于停钻、起下钻、循环、接单根、换钻头或其他未形成新井眼进尺的作业状态时，将对应记录标记为非正常钻进记录。

28、当钻井日报、录井事件记录或井下复杂情况记录中出现非计划划眼、憋压、卡钻或严重泥包时，根据所述异常工况的发生时间、结束时间或对应深度范围，将异常工况持续期间的钻井工况记录标记为异常工况记录；当同一异常工况在连续多条记录中重复出现时，根据异常工况类型和时间连续性将其合并为一次异常工况事件，并保留各类异常工况的发生次数。

29、当钻头使用场景缺少层位、岩性、岩石可钻性级值、单轴抗压强度、内摩擦角、硬度、塑性系数、pdc钻头结构参数或钻头使用效果数据中的任一必需数据，且无法采用同一区块或相邻区块符合匹配条件的数据进行补充时，将该钻头使用场景判定为无效使用场景。

30、将所述非正常钻进记录和异常工况记录从平均机械钻速、平均钻压、平均转速、平均扭矩、平均排量和平均立管压力的计算数据中剔除，并根据保留的正常钻进记录计算对应钻头使用场景的正常钻进进尺和正常钻进时间；同时保留非计划划眼、憋压、卡钻和严重泥包的发生次数，作为钻进稳定性评价的基础数据。

31、第i个钻头使用场景的有效样本权重按照下式计算：

32、

33、式中，li为第i个钻头使用场景对应的总进尺数，单位为m，；

34、mi为第i个历史钻头使用场景的有效钻进进尺，单位为m，；

35、qi为第 i 个历史钻头使用场景的有效样本权重，无量纲，；

36、所述有效钻进进尺通过在形成 li的记录基础上，进一步剔除憋压、卡钻、钻压异常、扭矩异常、严重泥包及数据缺失等异常工况记录后，对剩余正常钻进记录中的正井深增量进行累计得到。当时，将第i个钻头使用场景保留为有效历史钻头使用场景；当时，将第i个钻头使用场景从综合确定得分计算中剔除0.6属于预设工程筛选阈值，不应表述为普遍物理常数；当时将场景标记为无效，不进行除法。。

37、可选地，所述钻头使用效果评价值由破岩效率评价值、耐磨性能评价值和钻进稳定性评价值综合得到。对于同一层位—岩性单元内的有效历史钻头使用场景，获取第i个有效历史钻头使用场景的有效钻进进尺mi、正常钻进时间 ti、钻头磨损程度ai、发生损坏的切削齿数量nd,i、纳入检查的切削齿总数量 nc,i，以及非计划划眼、憋压、卡钻和严重泥包的发生次数。

38、其中，所述有效钻进进尺mi由剔除非正常钻进记录和异常工况记录后剩余的正井深增量累加获得；所述平均机械钻速vi按照下式计算：

39、

40、式中，为第i个有效历史钻头使用场景的平均机械钻速，m/h，；

41、有效钻进进尺，m，；

42、ti为形成有效钻进进尺mi的正常钻进记录累计时间，h,。

43、该式属于机械钻速工程定义式，即单位正常钻进时间内形成的有效新增进尺。mi和ti必须来自同一批正常钻进记录，不能在进尺中剔除异常记录而在时间中保留相应异常时段。

44、对所述有效钻进进尺mi和平均机械钻速vi进行正向极差归一化处理，分别得到归一化有效钻进进尺 mi和归一化平均机械钻速 vi：

45、

46、

47、式中，mg,max和mg,min分别为第g个层位—岩性单元内有效钻进进尺的最大值和最小值,m；

48、vg,max和vg,min分别为第g个层位—岩性单元内平均机械钻速的最大值和最小值,m/h。

49、归一化数值越大，表示对应钻头使用场景的破岩效率越高。根据钻头起出检查记录或钻头磨损评价记录获取钻头磨损程度ai，并对所述钻头磨损程度进行反向归一化处理，得到归一化钻头磨损评价值ai：

50、

51、式中，ag,max和 ag,min分别为第g个层位—岩性单元内钻头磨损程度的最大值和最小值；

52、ai越大，表示钻头磨损程度越低。钻头磨损程度ai根据钻头起出检查记录、磨损评价记录或钻头照片，按照预设的0～8级统一分级规则确定，其中0级表示未见明显磨损，1～2级表示轻微磨损且切削齿基本完整，3～4级表示中等磨损并伴有部分切削齿磨平或局部损伤，5～6级表示严重磨损且多颗切削齿出现明显磨损或破损，7级表示切削结构严重损坏、钻头接近失效，8级表示钻头严重失效、无法继续正常使用；磨损等级数值越大，表示钻头磨损程度越严重。

53、根据钻头起出检查记录中的发生损坏的切削齿数量nd,i和纳入检查的切削齿总数量nc,i，按照下式计算切削齿损坏比例ci：

54、

55、式中，为第i个场景对应钻头的切削齿损坏比例，无量纲，；

56、为发生崩齿、严重磨损、局部破碎等损坏的切削齿数量，颗；

57、为纳入起出检查的切削齿总数，颗。

58、并对所述切削齿损坏比例进行反向极差归一化处理，得到归一化切削齿完整性评价值ci：

59、

60、式中，cg,max和 cg,min分别为第g个层位—岩性单元内切削齿损坏比例的最大值和最小值，无量纲；ci越大，表示切削齿完整性越好。

61、根据钻井日报、录井事件记录或井下复杂情况记录，统计第i个有效历史钻头使用场景中非计划划眼、憋压、卡钻和严重泥包的异常事件总数ni，并按照下式计算单位进尺异常事件频率fi：

62、

63、式中, mi为第i个有效历史钻头使用场景中剔除非正常钻进记录和异常工况记录后剩余的有效钻进进尺，m；

64、ni为该使用场景中非计划划眼、憋压、卡钻和严重泥包的异常事件总次数，次；

65、fi表示每100 m有效钻进进尺对应的异常事件发生次数，次/100 m。

66、对连续发生且属于同一异常工况的多条记录，根据异常类型、起止时间和起止井深合并为一个异常事件，以避免重复计数。当 mi>0 时，fi≥0；当 mi=0 时，不计算异常事件频率，并将该场景标记为无效场景。

67、对所述单位进尺异常事件频率进行反向极差归一化处理，得到钻进稳定性评价值es,i：

68、

69、式中，fg,max和 fg,min分别为第g个层位—岩性单元内单位进尺异常事件频率的最大值和最小值，次/100 m；es,i越大，表示对应钻头使用场景的钻进稳定性越好，无量纲。

70、当同一评价指标在对应层位—岩性单元内的最大值与最小值相等时，将该评价指标的归一化值统一设为1，或者不将该评价指标纳入该层位—岩性单元的权重计算。

71、可选地，采用熵权法根据各归一化评价指标在有效历史钻头使用场景数据库中的离散程度确定对应权重系数。对于任一评价指标组中的第r 个归一化评价指标 zi,r，按照下式计算指标占比：

72、

73、式中：为第i个场景在第j项指标中的特征比重，无量纲，；

74、zi,r为将归一化有效钻进进尺、归一化平均机械钻速、归一化钻头磨损评价值、归一化切削齿完整性评价值和钻进稳定性评价值作为五项基础评价指标，即、、、、。

75、按照下式计算第r个评价指标的信息熵：

76、

77、式中，第 r项评价指标的信息熵，无量纲；

78、为第i个历史钻头使用场景在第r项评价指标中的特征比重，无量纲；

79、n为当前层位—岩性可比组中的有效历史钻头使用场景数量，个；i=1,2,…,n；r=1,2,…,5。

80、按照下式计算第r个评价指标的差异系数：

81、

82、第 r 项评价指标的差异系数，无量纲；

83、按照下式计算第r个评价指标的权重系数：

84、

85、式中， s为当前评价指标组中的评价指标数量，zi,r,为第i个有效历史钻头使用场景中第r个归一化评价指标的取值；当 pi,r=0 时，令pi,rlnpi,r=0，且。

86、归一化有效钻进进尺和归一化平均机械钻速共同构成破岩效率评价指标。有效钻进进尺和平均机械钻速对应的组内权重 λ1和 λ2分别按照下式计算：

87、

88、

89、且：

90、

91、式中：λ1有效钻进进尺在破岩效率评价中的归一化权重，无量纲，0≤λ1≤1；

92、ω1有效钻进进尺指标的熵权，无量纲，0≤ω1≤1；

93、ω2平均机械钻速指标的熵权，无量纲，0≤ω2≤1；

94、λ2平均机械钻速在破岩效率评价中的归一化权重，无量纲，0≤λ2≤1；

95、第i个有效历史钻头使用场景的破岩效率评价值ee,i按照下式计算：

96、

97、归一化钻头磨损评价值和归一化切削齿完整性评价值共同构成耐磨性能评价指标。钻头磨损程度和切削齿完整性对应的组内权重μ1和μ2分别按照下式计算：

98、

99、

100、且：第i个有效历史钻头使用场景的耐磨性能评价值ew,i按照下式计算：

101、

102、式中：为钻头磨损等级指标对应的熵权，无量纲;

103、为切削齿完整性指标对应的熵权，无量纲;

104、为钻头磨损等级在耐磨性能评价中的局部权重，无量纲;

105、为切削齿完整性在耐磨性能评价中的局部权重，无量纲。

106、破岩效率评价值、耐磨性能评价值和钻进稳定性评价值对应的权重系数分别由五项基础评价指标的熵权合并得到，其中：、、且；第i个有效历史钻头使用场景的基础评价值si按照下式计算：

107、

108、将各维度评价值及对应权重代入并展开后，所述基础评价值si等价于五项基础评价指标的熵权加权和：

109、

110、式中：si第i个历史钻头使用场景的钻头使用效果评价值，无量纲；

111、ee,i破岩效率评价值，无量纲；

112、ew,i为耐磨性能评价值，无量纲；

113、es,i为钻进稳定性评价值，无量纲；

114、α为破岩效率维度的综合权重；

115、β为耐磨性能维度的综合权重；

116、γ为钻进稳定性维度的综合权重；

117、ω1～ω5为五项基础评价指标的熵权。

118、所述钻头使用场景的基础评价值si满足 0≤si≤1，其数值越大，表示对应pdc钻头的综合使用效果越好。

119、当同一评价指标在第g个层位—岩性单元内的最大值与最小值相等时，表明该评价指标不能区分该层位—岩性单元中的不同钻头使用场景，将该评价指标的归一化值统一设为1，其熵权计算结果为0；当某一基础评价指标的归一化值之和为0时，将该指标的指标比重统一设为1/ng；当五项基础评价指标的差异系数之和为0时，将五项基础评价指标的权重均设置为1/5。当第g个层位—岩性单元中的有效历史钻头使用场景数量小于2时，优先补充同一区块或相邻区块同层位、同岩性的有效历史钻头使用场景；补充后仍不足2个时，不对该层位—岩性单元执行熵权评价和最优结构。

120、考虑到不同历史钻头使用场景中异常工况记录所占比例不同，将基础评价值si与有效样本权重 qi相乘，得到第i个历史钻头使用场景的最终评价值ri:

121、

122、式中：ri为最终评价值表示对应pdc钻头结构在该层位—岩性场景下的综合使用效果，无量纲。

123、可选地，所述根据层位—岩性最优pdc钻头结构数据库建立岩石抗钻特性参数与pdc钻头结构参数之间的关系式，包括：将层位—岩性最优pdc钻头结构数据库中的每一个层位—岩性单元作为一个建模样本，并将不同层位和不同岩性对应的全部建模样本汇总，用于统一建立岩石抗钻特性参数与pdc钻头结构参数之间的关系式，各层位不分别建立独立关系式。设层位—岩性最优pdc钻头结构数据库中共有g个建模样本，第g个建模样本对应的岩石可钻性级值、单轴抗压强度、内摩擦角、硬度和塑性系数构成岩石抗钻特性参数向量：

124、

125、式中:xg为第g个层位—岩性单元的岩石抗钻特性参数向量； kd,g为第g个层位—岩性单元的岩石可钻性级值；σc,g为单轴抗压强度,mpa；φg为内摩擦角,°；hg为岩石硬度(归一化压入硬度数值越大表示岩石硬度越高)，无量纲；kp,g为塑性系数，无量纲量；g为建模样本编号；无量纲量。

126、将第g个层位—岩性单元对应的最优切削齿尺寸、最优切削齿类型、最优刀翼数量、最优冠部特征和最优保径等级构成pdc钻头结构参数向量：

127、

128、式中， dc,g为历史最优切削齿尺寸， mm；tc,g为历史最优切削齿类型编码；nb,g为历史最优刀翼数量；pc,g 为历史最优冠部特征编码；gg 为历史最优保径等级编码。

129、对各建模样本中的岩石抗钻特性参数分别进行标准化处理，第g个层位—岩性单元中第m项岩石抗钻特性参数的标准化值按照下式计算：

130、

131、式中，xg,m为第g个层位—岩性单元的第m项岩石抗钻特性参数，和 sm分别为所述第m项岩石抗钻特性参数在全部建模样本中的平均值和标准差， zg,m为对应的无量纲标准化值；

132、分别分析各项标准化岩石抗钻特性参数与切削齿尺寸、切削齿类型编码值、刀翼数量、冠部特征编码值和保径等级编码值之间的相关关系，并结合模型预测误差，从所述岩石抗钻特性参数中筛选各项pdc钻头结构参数对应的输入参数集合；

133、针对第r项pdc钻头结构参数，利用全部建模样本按照下式建立标准化岩石抗钻特性参数与pdc钻头结构参数连续预测值之间的关系式：

134、

135、式中，为第g个建模样本对应的第r项pdc钻头结构参数连续预测值，mr为针对第r项pdc钻头结构参数筛选得到的岩石抗钻特性参数集合， br,0为截距，br,m为对应的关系式系数，

136、所述截距和关系式系数由层位—岩性最优pdc钻头结构数据库中的建模样本通过多元线性回归拟合确定；

137、分别建立切削齿尺寸、切削齿类型、刀翼数量、冠部特征和保径等级对应的关系式。

138、可选地，所述标准化岩石抗钻特性参数与pdc钻头结构参数中关系式，五项标准化岩石参数分别为：

139、其中切削齿尺寸关系：

140、

141、式中：分别表示岩石可钻性级值、单轴抗压强度、内摩擦角、硬度和塑性系数的标准化值，无量纲；bd,0：回归截距，无量纲； bd,1-bd,4：回归系数由历史最优样本采用多元线性回归拟合得到, 无量纲。

142、计算得到计算值后，再映射至标准尺寸集合：

143、切削齿尺寸映射关系如下：

144、

145、切削齿类型关系式：

146、

147、再将计算值映射为切削齿类型类别：

148、

149、其中切削齿类型编码1为平面齿、2为复合齿、3为异形齿。

150、刀翼数量关系式：

151、

152、再将计算值映射为刀翼数量：

153、

154、冠部特征关系式：

155、

156、再将计算值映射为冠部特征：

157、

158、其中冠部特征编码1为平冠、2为短冠、3为中冠、4为长冠。

159、保径等级关系式：

160、

161、再将计算值映射为保径等级：

162、

163、其中保径等级编码1为普通保径、2为加强保径、3为超强保径。

164、可选地，所述根据目标井后续井段的岩石抗钻特性参数和已建立的pdc钻头结构参数关系式，确定目标井后续井段或下一趟钻所用pdc钻头的结构参数，包括：在目标井钻进过程中，根据随钻测井资料、录井资料、地质分层资料、地层对比结果以及同一区块或相邻区块邻井的岩石实验资料，获取或更新目标井后续井段的层位、岩性、岩石可钻性级值、单轴抗压强度、内摩擦角、硬度和塑性系数。

165、所述目标井后续井段为当前井底深度之后、尚未钻遇且需要进行pdc钻头结构参数确定的预定井段，包括当前井底深度至预测层位界面之间的井段、下一设计钻进井段或者下一趟钻计划钻进井段。所述随钻确定是根据钻进过程中获得或更新的地层和岩石抗钻特性信息，对目标井后续井段或下一趟钻所需pdc钻头结构参数进行更新，不表示对井下正在使用的pdc钻头结构进行实时改变。

166、当目标井后续井段具有本井岩心、岩屑或其他岩样的室内实验结果时，将抗钻特性参数按照带入所建立的标准化岩石抗钻特性参数与pdc钻头结构参数中关系式，按照映射关系输出最优几何结构对钻进过程指导。

167、可选地，所述确定系统包括历史最优数据库智能分析筛选模块、标准化的抗钻特性参数与钻头几何结构关系智能分析模块以及目标井随钻确定模块。所述历史最优数据库智能分析筛选模块用于根据同区块或邻区块历史井的地质解释资料、岩石实验资料、钻井工况资料、pdc钻头结构资料及钻头使用效果资料，筛选并确定各层位—岩性单元对应的最优pdc钻头结构参数，形成层位—岩性单元最优pdc钻头结构数据库。

168、所述标准化的抗钻特性参数与钻头几何结构关系智能分析模块包括标准化与参数筛选单元、回归建模单元和离散映射单元；

169、其中，所述标准化与参数筛选单元用于对岩石可钻性级值、单轴抗压强度、内摩擦角、硬度和塑性系数等岩石抗钻特性参数进行标准化处理，并筛选各项pdc钻头结构参数对应的输入参数集合；所述回归建模单元用于建立标准化岩石抗钻特性参数与各项pdc钻头结构参数连续预测值之间的回归关系式；

170、所述离散映射单元用于将所述连续预测值映射至预设标准结构参数集合，以获得符合工程选型要求的pdc钻头结构参数。所述目标井随钻确定模块包括参数获取单元、标准化处理单元、预测计算单元和结果输出单元；

171、其中，所述参数获取单元用于获取目标井当前钻进层位的岩石抗钻特性参数，所述标准化处理单元用于按照所述标准化与参数筛选单元确定的标准化规则对目标井岩石抗钻特性参数进行处理，所述预测计算单元用于将标准化后的目标井岩石抗钻特性参数输入所述回归关系式，并经所述离散映射单元映射后生成确定结果，所述结果输出单元用于输出确定的pdc钻头结构参数。