集成鉆井動力學系統及其操作方法技術方案

一種方法和設備，用于控制包括由鉆桿柱承載的底部鉆具組件的旋轉在內的鉆井操作。在一個實施例中，提供了一種集成、閉環鉆探現場分析系統，用于獲取和分析實時泥漿錄井和底部鉆具數據，并與至少一個可控操作參數的動力學臨界值一起，顯示一個或多個操作員可控參數的實時數值，從而使操作員能夠實時地調整這些參數，以優化操作。通過將數據智能地組合為能夠以信息形式顯示的、有意義且可用的信息，得出集成信息。（*該技術在2024年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術大體上涉及油氣生產領域，更具體地，涉及油氣井鉆井設備。
技術介紹
鉆井成本是確定油氣投資的金融回報的重要因素。對于海上環境，尤為如此，在海上環境下，操作成本高昂，而且在井中易于發生鉆井問題。尤其是，已經表明劇烈的震動對用于鉆油氣井的底部鉆具設備有害。其中，橫向震動(尤其是后向旋轉)通常與鉆桿柱疲勞故障(磨損、扭斷)、過度鉆頭磨損和鉆井時測量(“MWD”)工具故障有關。橫向震動由一個主要原因引起——質量不平衡，有多種來源，尤其包括鉆頭形成相互作用、泥漿馬達和鉆桿柱質量不平衡。當其重心不與其旋轉軸一致時，旋轉體不平衡。由于這種彎曲或質量不平衡，在不平衡的鉆桿柱旋轉時，產生離心力。離心力的幅度尤其依賴于鉆桿柱的質量、偏心度和旋轉速度。通常，旋轉速度越高，離心力越大。因此，通常的做法是在發生劇烈的橫向震動時，降低旋轉速度。但是，本領域普通技術人員將意識到如果降低旋轉速度導致組件的諧振條件，則不可能減小震動。當任何一個激勵機構的旋轉頻率與底部鉆具組件(“BHA”)的自然或諧振頻率(彎曲、軸向或扭轉)匹配(通常被稱為臨界旋轉速度或CRPM)時，諧振條件發生。在諧振條件下，BHA具有以連續增加的幅度橫向震動的趨勢，導致了劇烈的震動，并導致鉆桿柱和MWD故障。本領域普通技術人員應當清楚的是，在鉆井操作期間，識別和避免臨界旋轉速度是重要的。已經開發了大量基于有限元分析的計算機程序來預測鉆桿柱的臨界旋轉速度。但是，由于輸入數據和所規定的邊界條件的不確定性，這些程序的預測精度通常是有限的。在鉆井規劃或在鉆探平臺上組裝BHA時，通常運行傳統的BHA動力學軟件。然后，將一組要避免的預測臨界CRPM提供給鉆井人員。傳統方法避免CRPM的共同操作困難在于(i)復雜的BHA建模和結果；(ii)由于不正確的輸入數據而導致的不精確的建模和結果；以及(iii)未將建模結果與實時震動數據結合使用來優化鉆井過程。也就是說，在現有技術中，并未以集成、閉環的方式來進行動力學分析，而只是在鉆井規劃階段進行主要或全部的動力學分析，從而只有有限的機會來進行鉆井操作的優化。
技術實現思路
考慮到前述和其他考慮，本專利技術涉及一種方法和設備，通過實時建模和底部鉆具鉆井時測量(“MWD”)數據的結合，提供BHA的精確建模。在這里，應當將描述“實時”解釋為包括本質上立即發生的動作。例如，“實時數據獲取”表示獲取反映了操作參數的當前狀態的數據。類似地，“實時數據處理”表示對獲取數據的立即處理，與獲取、存儲數據，并稍后處理的情況相反。“實時數據處理”還區別于在實際處理之前預測數據，并隨后結合處理的執行，使用對預測數據的分析的情況。作為相關概念，這里所使用的術語“動力學”應當表示其數值隨時間發生變化的參數和其他變量。作為簡單示例，底部鉆具組件在鉆井操作期間的旋轉速度是動力學參數，因為在鉆井操作期間，旋轉速度由于多種原因而發生改變。根據本專利技術的一個方面，提出了一種系統，包括(1)實時BHA動力學應用程序；(2)MWD底部鉆具震動傳感器；以及(3)集成、閉環鉆探現場信息系統。在一個實施例中，所述實時動力學應用程序用于預測臨界旋轉速度(CRPM)。在一個實施例中，動力學分析應用程序是基于有限元的程序，用于計算BHA的自然頻率。在可選實施例中，動力學分析應用程序還可以采用半解析方法，用于預測上邊界條件。根據本專利技術的另一方面，底部鉆具震動傳感器用于產生實時的底部鉆具震動數據。在優選實施例中，將所述傳感器設置在現有的MWD工具中，并包括三個相互正交的加速度計，用于測量加速度的三個軸X、Y和Z。X軸用于測量橫向和徑向加速度，Y軸用于測量橫向和切向加速度，以及Z軸用于測量軸向加速度。利用三種不同的方法(平均、峰值和瞬時(突發))作為來自每個軸的傳感器的信號的條件。平均測量表示在采樣周期的平均加速度。峰值測量表示在采樣周期發生的最高加速度，以及瞬時(突發)測量記錄頻率分析的高頻數據。利用三種不同的加速度和測量，可以利用適當的算法檢測底部鉆具動力學的多種模式(例如，鉆頭和BHA旋轉、鉆頭反彈和粘滑等)。然后，將對破壞性震動模式的指示傳輸到表面。將顯示器用于指示震動強度，并給出修正該工具所能識別出的多種模式的底部鉆具震動的建議。根據本專利技術的另一實施例，提出了一種集成、閉環鉆探現場分析系統，用于獲取泥漿錄井和底部鉆具數據、運行分析軟件、并實時顯示數據，從而使操作員能夠實時地調整鉆井系統的一個或多個操作參數，以優化操作。通過將數據智能地組合為能夠以信息形式顯示的、有意義且可用的信息，得出集成信息。附圖說明通過在結合附圖的同時、閱讀以下對本專利技術典型實施例的詳細描述，本專利技術的前述和其他特征和方面將得到更好的理解，其中圖1是根據本專利技術一個實施例的集成、實時鉆井動力學分析系統的功能框圖；圖2是與圖1所示的集成鉆井動力學分析系統結合使用的鉆桿柱動力學傳感器的示意圖；圖3是包括圖1所示的鉆井動力學分析系統的鉆探現場信息系統的示意圖；以及圖4是利用本專利技術的系統、在鉆井操作期間實時產生的鉆井動力學數據顯示屏幕的圖示。具體實施例方式為了清楚起見，以下的公開并未描述實際實施方式的全部特征。應當清楚的是，在開發任何實際實施方式期間，以及在任何這種項目中，必須進行大量的工程和設計決策，以實現開發者的特定目的和子目的，而這些目的可能根據各個實施方式均有不同。此外，需要注意，針對所述環境給予適當工程和編程實踐。應當清楚的是這種研發努力可能是復雜且耗時的，但仍然是本領域普通技術人員所采用的例行程序。參照圖1，示出了根據本專利技術一個實施例的集成鉆井動力學系統10的高級功能的方框圖。如圖1所示，本專利技術涉及與井、鉆桿柱和底部鉆具組件(BHA)的多種操作參數有關的多種操作數據的收集和分析。方框12表示獲取多種鉆桿柱數據，多數鉆桿柱數據可能在整個操作的鉆井規劃階段就已經知道了。圖1中的方框14表示泥漿錄井數據的獲取，本領域普通技術人員將意識到其包括但并不局限于鉆壓數據、旋轉速度(RPM)信息、泥漿比重數據等。方框14所表示的獲取數據中的大多數是動態的，因為其在實際鉆井操作期間不斷地發生變化。在這些參數中，某些參數可以是被考慮為操作員可控的，因為傳統的鉆井設施將為鉆井操作員提供用于在操作期間對其進行調整的裝置。類似地，圖1中的方框16表示獲取鉆井時測量(MWD)數據，例如，包括傾斜度、死彎嚴重度(DLS)、孔尺寸等。與方框14所表示的數據獲取一樣，方框16所表示的數據獲取表示在鉆井操作期間發生變化的操作參數。對于方框14的泥漿錄井數據，可以由如商用Sperry-Sun DDSTM(鉆井動力學傳感器)等鉆井傳感器提供此實時底部鉆具數據，尤其是包括震動數據。典型的DDS 20如圖2所示。如本領域普通技術人員所熟悉的那樣，優選地，DDS 20位于現有的MWD工具中，如伽馬射線部分(Gamma ray sub)中。在一個實施例中，使用三個相互正交的加速度計來測量加速度的三個軸X、Y和Z。X軸用于測量橫向和徑向加速度，Y軸用于測量橫向和切向加速度，以及Z軸用于測量軸向加速度。優選地，利用三種不同的方法(平均、峰值和瞬時(突發))作為來自每個軸的加速度計的信號的條件。平均測量表示在預定采樣周期的平均加速度。峰值測量表示在預定采樣周本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種方法，用于控制包括由鉆桿柱承載的底部鉆具組件的旋轉在內的鉆井操作，所述方法包括：　（ａ）獲得與所述底部鉆具組件的至少一個動力學操作參數有關的實時傳感器數據；（ｂ）對所述傳感器數據進行實時分析，以計算所述底部鉆具組件的操作 員可調整操作參數的至少一個動力學臨界值；（ｃ）隨時間的變化，與所述操作員可調整操作參數的所述至少一個動力學臨界值的實時數值一起，向操作員顯示所述操作員可調整操作參數的實時數值的顯示。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：大衛振綱陳，馬克史密斯，斯科特拉皮埃爾，
申請(專利權)人：哈利伯頓能源服務公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]