用于優(yōu)化鉆壓的基于比率的模式切換的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]現代鉆井操作已成為技術和工程科學中的奇跡。工業(yè)為最大化盈利能力所作出的努力涉及從在鉆井過程期間主動地最小化鉆機和工作人員的“非生產時間”且最大化鉆進速度以致開發(fā)用于最大化儲層排水速率和生產速率的新方法。目前對鉆井隊而言常見的是沿選定用于最佳放置的預先計劃的或自適應選擇的鉆孔軌跡來操縱其鉆柱。
[0002]在工作人員可最大化鉆進速度(不會引起額外的非生產時間)的程度上，工作人員可更快地完成鉆孔且因此在給定預算內完成更多鉆孔。影響鉆進速度的主要因素之一(盡管決非唯一因素)是鉆壓。鉆壓是對鉆柱施加在鉆頭面上的力的大小的測量。所述鉆壓是以下項的函數:井底鉆具組件的配置(包含笨重的剛性鉆環(huán)的大小和數目)、鉆柱本身的重量和剛度、大鉤載荷(在鉆柱的上端上的舉升力)、鉆孔大小和軌跡以及包含摩擦力的多個動態(tài)因素。如下文進一步闡述，這些動態(tài)因素受鉆井模式的影響。
[0003]鉆進速度不是鉆壓的單調函數。存在一個“最有效點”，使鉆壓增加超過所述“最有效點”實際上會減小鉆進速度且最終導致過早磨損以及對鉆頭的損壞。類似地，鉆壓不是大鉤載荷的單調函數。當大鉤載荷減小時，鉆柱最初將其重量傳遞到井底鉆具組件，由此增加鉆壓。然而，當大鉤載荷進一步減小時，沿鉆柱的軸向載荷會導致鉆柱彎曲，從而增加鉆柱與壁之間的摩擦。此外，軸向載荷導致鉆柱屈曲且最終達到稱為“鎖定”的狀態(tài)，在所述狀態(tài)下，摩擦力阻止沿鉆孔的任何進一步前進。
[0004]此問題的復雜性引起用于優(yōu)化鉆進速度的多種方法和技術的開發(fā)。然而，這種復雜性在導向過程期間增大。具體而言，作為導向過程的一部分，工作人員通常需要在鉆井模式之間轉變。例如，當保持鉆頭的當前路線時，采用彎接頭導向技術的工作人員必須在“旋轉模式”下操作，在所述旋轉模式中鉆柱旋轉。為了偏離當前路線，工作人員轉變到“滑動模式”，在所述滑動模式中鉆柱的旋轉被停止。(由于存在井下馬達，鉆頭繼續(xù)旋轉。)通常需要在兩個模式之間經常來回轉變。遺憾的是，由于不同摩擦力和不同屈曲閾值，因此不同模式具有不同重量轉移特征。現有方法和技術似乎無法充分地慮及這些不同之處，因此工作人員必須在導向過程期間過度地限制其鉆進速度。
[0005]附圖簡述
[0006]因此，在附圖以及以下描述中公開了具有用于優(yōu)化鉆壓的基于比率模式的各種鉆井系統和方法。在附圖中:
[0007]圖1示出說明性鉆井系統。
[0008]圖2A至2B示出說明性鉆柱屈曲模式。
[0009]圖3是說明性鉆井方法的流程圖。
[0010]圖4是隨位置而變的正弦和螺旋屈曲模式比的圖表。
[0011 ]圖5是適合于執(zhí)行所述方法的說明性計算機的框圖。
[0012]然而應理解，在附圖以及【具體實施方式】中給定的特定實施方案不會限制本發(fā)明。相反，這些實施方案為普通技術人員理解與給定實施方案中的一者或多者一起涵蓋于所附權利要求書的范圍內的替代形式、等效物以及修改提供了基礎。
【具體實施方式】
[0013]某些公開的系統和方法實施方案針對現有鉆井模式采用鉆進速度優(yōu)化，并且在轉變到不同鉆井模式之后，基于先前鉆井模式的正弦屈曲比、螺旋屈曲比以及鉆壓值來確定對應鉆壓范圍。正弦屈曲比是用于在滑動模式中誘發(fā)正弦屈曲的最小鉆壓與用于在旋轉模式中誘發(fā)正弦屈曲的最小鉆壓的比率，并且螺旋屈曲比是用于在滑動模式中誘發(fā)螺旋屈曲的最小鉆壓與用于在旋轉模式中誘發(fā)螺旋屈曲的最小鉆壓的比率。所述比率是鉆柱長度的函數，因此隨鉆頭沿鉆孔的位置變化而變化。其它因素包含鉆柱的配置(重量、剛度、直徑、摩擦系數)、鉆孔大小以及鉆孔軌跡。
[0014]在開始鉆進速度的任何進一步優(yōu)化之前，當前鉆井模式的鉆壓被轉變成指定范圍(或等效地，當前鉆壓與先前鉆壓之間的比被轉變成正弦屈曲比與螺旋屈曲比之間的范圍)。以此方式，可根據需要重復地執(zhí)行滑動模式與旋轉模式之間的轉變且不會增加屈曲和鎖定風險以及在導向過程期間不會過度損害鉆進速度。
[0015]圖1示出說明性鉆井系統，所述鉆井系統具有帶有井架4的鉆井平臺2，所述鉆井平臺具有用于升起和降下鉆柱8的游動滑車6。當鉆柱8下降穿過井口 12時，頂部驅動器10支撐鉆柱且可選地使鉆柱旋轉。鉆頭14由井下馬達和/或鉆柱8的旋轉驅動。當鉆頭14旋轉時，鉆頭形成穿過各種地層的鉆孔16。栗18使鉆井流體20循環(huán)穿過進料管22，穿過鉆柱8的內部到達鉆頭14。流體流出鉆頭14中的孔口且向上流過鉆柱8周圍的環(huán)隙以將鉆肩傳送到地面，其中流體進行過濾和再循環(huán)。
[0016]鉆頭14僅是井底鉆具組件24的一件，井底鉆具組件包含井下馬達以及提供重量和剛度以協助鉆井過程的一個或多個“鉆環(huán)”(厚壁鋼管)。通常，這些鉆環(huán)中的一些鉆環(huán)包含內置測井儀，其用于收集例如位置、定向、鉆壓、鉆孔直徑等的各個鉆井參數的測量值。可根據工具面角(旋轉方向)、傾斜角(斜率)以及羅盤方向指定工具定向，所述工具面角、傾斜角以及羅盤方向中的每一者可從磁力計、測斜儀和/或加速計的測量值中獲得，盡管可替代地使用例如陀螺儀的其它傳感器類型。在一個具體實施方案中，所述工具包含三軸磁通門磁力計和三軸加速計。如現有技術中已知，這兩個傳感器系統的組合實現工具面角、傾斜角和羅盤方向的測量。所述定向測量可與陀螺儀測量或慣性測量組合以準確地追蹤工具位置。
[0017]遙測接頭也包含在井底鉆具組件24中，其保持與地面的通信鏈接。泥漿脈沖遙測技術是用于將工具測量值傳遞到地面接收器以及從地面接收命令的一種常見遙測技術，但是還可使用其它遙測技術。對于一些技術(例如，穿墻聲學信號傳遞)，鉆柱8包含用于檢測、放大以及重新傳輸信號的一個或多個中繼器30。在地面處，變換器28在機械形式與電形式之間轉換信號，從而使網絡接口模塊36能夠從遙測接頭中接收上行信號并且(至少在一些實施方案中)將下行信號傳輸到遙測接頭。數據處理系統50接收數字遙測信號、解調所述信號并且向用戶顯示工具數據或鉆井日志。軟件(圖1中表示為信息存儲媒體52)控制系統50的操作。用戶經由一個或多個輸入裝置54和一個或多個輸出裝置56與系統50以及其軟件52交互。在一些系統實施方案中，鉆孔者采用所述系統來作出地質導向決策并且將合適命令傳送到井底鉆具組件24。
[0018]基于數據處理系統的輸出，鉆孔者可按需要進一步調整游動滑車6的操作以調節(jié)大鉤載荷和鉆壓。一些先進的鉆塔配置使數據處理系統能夠自動地執(zhí)行此操作，以最大化易受到多種限制的鉆進速度。例如，可由數據處理系統50施加某些鉆壓限制以防止對鉆頭或鉆塔造成損壞、確保鉆肩從鉆孔中充分沖洗掉、在欠平衡鉆井中或在呈現井噴危險以及避免呈任何形式的鎖定(包含螺旋屈曲)的其它情況下保證充分的響應時間。
[0019]如先前所提及，鉆柱在增加的軸向載荷下經歷屈曲。圖2A示出通常稱為“正弦屈曲”的第一類型屈曲。假設水平鉆孔，如在端視圖中示出鉆柱202沿鉆孔的底側安置，但從俯視圖中可看到，鉆柱已呈現類似于正弦的波形。在此適度屈曲狀態(tài)下(出于說明性目的波周期性在圖中被放大)的摩擦力和力傳遞與直鉆柱的摩擦力和力傳遞沒有太大不同，因此這種初始屈曲狀態(tài)通常被視為可接受的操作條件。然而，隨著軸向載荷增加，波幅增加且周期減小，直到屈曲模式轉變到圖2B中所示的“螺旋”屈曲模式。與螺絲錐一樣，鉆柱204呈現螺旋形且向鉆孔壁施加大的力。摩擦力變成主要的，從而抑制到井底鉆具組件的任何力傳遞。已知此屈曲狀態(tài)效率很低、損壞鉆柱的風險升高且通常被視為不可接受的操作條件?？赏ǔＴ谶@兩個狀態(tài)之間的范圍中發(fā)現提供最大鉆壓的操作條件。
[0020]圖3示出采用基于比率的模式切換的說明性鉆井方法。所述鉆井方法可通過多種方式實施，包含在數據處理系統50中實施為軟件。開始于框302，系統監(jiān)控進行中的鉆井操作，從而收集指示(除了別的之外)鉆壓、大鉤載荷、扭矩、鉆柱的每分鐘轉速以及鉆孔軌跡的測量值。這些測量值的組合可用于獲得鉆柱的操作狀態(tài)并且估計閾值，所述閾值例如，可出現正弦屈曲的最小鉆壓以及可出現螺旋屈曲的最小鉆壓?？稍谖墨I中找到用于這些計算的模型。參見，例如，He和Kyllingstad的“用于彎曲井中的連續(xù)油管的螺旋屈曲和鎖定條件”，SPE鉆井與完井，第10至15頁，1995年3月。這些計算還可通過可商購軟件執(zhí)行，例如，可向Halliburton購買的決策空間井工程(DSWE)包。
[0021]在框304中，系統檢查例如從旋轉模式到滑動模式(或反之亦然)的鉆井模式的所需變化。在不存在轉變的情況下，在框306中系統估計和顯示最佳鉆壓值并且返回到框302。否則，如果開始從先前模式轉變到當前模式，則在框308中，系統發(fā)現針對當前鉆頭位置的正弦和螺旋屈曲比。正弦屈曲比是用于在滑動模式中誘發(fā)正弦屈曲的最小鉆壓與用于在旋轉模式中誘發(fā)正弦屈曲的最小鉆壓的比率，并且螺旋屈曲比是用于在滑動模式中誘發(fā)螺旋屈曲的最小鉆壓與用于在旋轉模式中誘發(fā)螺旋屈曲的最小鉆壓的比率。這些鉆壓值和比值取決于多個因素，包含每單位長度的鉆柱重量、鉆柱剛度以及鉆孔的局部軌跡。
[0022]暫時轉向圖4，說明性比率被示為鉆柱長度(以英尺為單位)的函數。曲線402示出正弦屈曲比，而曲線404示出螺旋屈曲比。正弦屈曲比從15，000英尺處的約0.154下降到約18,900英尺處的零。螺旋屈曲比從15,000英尺處的約0.21下降到20,000英尺處的約0.025。所述曲線并不是單調的，