包括钻柱伸长和扭转的估计的钻井模型校准制造技术

本公开涉及钻井建模程序的实时校准且涉及管子伸长的估计以对倾角和方位角测量执行校正和管子扭转的估计以对工具面设置执行校正。具有多个传感器的测量工具沿着钻柱设置。在钻井过程期间连续地从传感器中的每一者进行测量以确定扭矩、弯矩和轴向力数据。此信息与机械扭矩‑阻力模型(基于可变形材料的标准机械学且基于井筒机械学)迭代地耦合以实时地或近实时地准确地估计钻柱的伸长和扭转并进而促进准确的井筒放置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开一般来说涉及用于钻探井筒以进行烃类生产的方法和设备。更具体地说，本公开涉及用于通过改进井筒和钻井操作(包括钻柱的伸长和扭转的估计)的数学建模的准确度来提供准确的井筒放置的方法和系统。专利技术背景为了获得烃类(诸如石油和天然气)，通常通过使附接在钻柱末端的钻头旋转来钻探井筒。现代钻井系统经常采用在钻柱末端具有井底钻具组件和钻头的钻柱。通过井底钻具组件的井下马达和/或通过使钻柱旋转来使钻头旋转。通过钻柱泵送加压的钻井流体以对井下马达供电，向钻头和其它组件提供润滑和冷却，并带走岩屑。钻井活动的大部分涉及定向钻井，例如，钻探偏斜的、分支和/或水平的井筒。在定向钻井中，通常沿着预定路径钻探井筒以便增加烃类生产。当井筒的钻探进行穿过各种地层时，井下操作条件可能改变，且操作者必须对这些改变做出反应且调整参数以维持预定钻井路径并优化钻井操作。钻井操作者通常调整地面控制的钻井参数，诸如钻压、通过钻柱的钻井流体流、钻柱旋转速度，和钻井流体的密度和/或粘度，以影响钻井操作。对于在未被开发的区域中钻探井筒，操作者通常具有地震勘探图，其提供沿着预先计划的井筒路径的地下地层的图像。如果将在同一地层中钻探多个井筒，操作者也具有从任何先前钻探的井筒绘制的信息。钻井操作经常根据沿着井筒的预期路径的地下条件的一个或多
个钻井或钻井前模型而进行。以下是各种模型可考虑的变量中的一些的非排它性列表：井筒性质，诸如井筒几何形状、温度和直径与井筒深度；摩擦，包括整个井筒的动态和静态摩擦因子；钻柱内外的流体的压力、速度、密度和流速；材料性质，诸如钻柱组件的强度和弹性模量；沿着钻柱的长度的内径和外径；地面处施加的扭矩和力；工具性质，诸如长度、外径、刚度、内径和工具中的通过钻柱运输的流量限制(如果有的话)；和最后钻柱和钻头的轴向和旋转速度。已开发基于计算机的模型以计算与钻柱或其它运输用具(诸如连续油管)相关联的许多量，诸如力、应力、扭矩、伸长等。一种此模型用以计算扭矩和阻力。扭矩和阻力是由钻柱与井筒的侧壁之间的接触导致的，且因而其与井筒阻力和钻柱粘着相关。扭矩-阻力建模可用以确定钻柱何时接近其可能破裂或屈曲的极限；钻井可在其井下端施加多少力(张力或压缩)；在地面处施加某一扭矩的情况下在井下端施加多少扭矩；地面与井下端之间的钻柱中有多少扭转；用于粘滑式移动的扭转和轴向动态频率；以及钻柱长度将因为例如轴向力、扭转、温度、压力和螺旋形屈曲而伸长或压缩的程度。可能需要知道钻柱长度的改变以准确地计算钻柱末端的深度或其可运输的工具的位置。类似地，知道钻柱中的扭转量可以是必要的以确保准确的工具面放置。出于这些理由，使用扭矩-阻力计算机建模程序进行的数学模拟提供拥有的数据，这不可通过简单地监测地面处的钻柱扭矩和大钩载荷而获得。附图简述下文中参看附图详细描述实施方案，其中：图1是根据实施方案的钻井系统的部分截面的立视图，其示出用于在地表中钻探井筒的钻柱和钻头以及设置在钻柱中以用于测量钻压、钻头扭矩和钻头弯曲(即，钻头处的弯矩)的测量工具；图2是图1的测量工具的立视图，其示出第一和第二位置传感器、力传感器和弯曲传感器；图3是图2的已向其施加递增扭矩之后的测量工具的透视图，其示出因为扭矩引发的扭转而导致的位置传感器之间的相对角度的改变；图4是图2的测量工具的简化透视图，其示出基于没有施加扭矩的基准状态的径向向量；图5是图3的测量工具的简化透视图，其示出来自施加的扭矩的所得径向向量；图6是根据实施方案的过程的流程图，其用于钻井建模程序的实时或近实时校准，进而允许更准确地估计图1的钻柱的扭转和伸长的程度；图7是图6的过程的较详细的流程图；图8是根据实施方案的说明用于图1的测量工具和钻井模型的数据结构的框图，钻井模型用于图7的过程；以及图9是说明用以确定图1的钻柱的曲率的计算基础的示意图，图1的钻柱可用于图7中描述的过程。具体实施方式可能需要使用在钻井期间获取的各种测量的性质作为模型的输入来在钻井时实时地或近实时地(取决于计算难度)运行钻井模拟模型，以便计算一个或多个值(诸如深度校正、WOB等)以用于正在进行的钻井操作。这些计算出的值接着连同所测量的性质对操作钻井系统的人可用。可将钻井建模的数据与实际的或所测量的数据或钻井前建模的数据进行比较以对地层和钻井操作提供有价值的洞察。举例来
说，可在钻井期间将所处理的井筒数据发送至地面，在地面对它进行处理以更新或重新校准现有模型，并根据更新的模型修改钻井控制程序。为了正确的井筒放置和油田开发，准确地测量钻头位置是重要的。而且，为了恰当的工具面设置，准确地测量钻柱中的扭转是必要的。如果这些测量不被考虑或另外不准确，那么计算出的真实垂直深度和所测量的深度的值很可能是错误的。图1示出本公开的定向钻井系统20。钻井系统20可包括陆地钻机22。然而，本公开的教导可结合海上平台、半潜式、钻井船和对于形成延伸穿过一个或多个地下地层的井筒是满意的任何其它钻井系统而使用。钻机22和相关联的控制系统50可定位得靠近井口24。钻机22可包括转台38、旋转驱动马达40和与井筒60内的钻柱32的旋转相关联的其它设备。环66形成在钻柱32的外部与井筒60的内径之间。对于一些应用，钻机22还可包括顶部驱动马达或顶部驱动单元42。防喷装置(未明确示出)和与钻探井筒相关联的其它设备也可提供在井口24处。钻柱32的下端可包括在远端携带旋转钻头93的井底钻具组件(BHA)90。钻井流体46可通过一个或多个泵48从储层30泵送通过导管34到钻柱32的延伸到井口24之外的上端。钻井流体46接着流动通过钻柱32的纵向内部，通过BHA 90，且从形成在旋转钻头93中的喷嘴离开。在井筒60的底端62，钻井流体46可与岩屑和靠近钻头93的其它井下流体和碎屑混合。钻井流体混合物接着向上流动通过环66来将岩屑和其它井下碎屑返回地面。导管36可使流体返回储层30，但可提供各种类型的筛子、过滤器和/或离心机(未明确示出)以在使钻井流体返回到坑30之前去除岩屑和其它井下碎屑。各种类型的管子、管道和/或导管可用以形成导管34和36。井底钻具组件90可包括各种接头、马达、稳定器、钻环、随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)工具，或本领域中已知的类似设备。这些工具可放置得靠近钻头93或另外部署在BHA 90中来在钻井操作期间测量与钻柱32相关联的某些井下操作性质，且可包括传感器以用于测量(例如)井下温度压力、方位角和倾角，并用于确定地层地质和地层流体状态，包括(例如)烃类和水的存在。钻压、钻头扭矩和钻头处的弯矩的测量可用以表征能量从地面的转移，识别施加至BHA 90和钻头93的实际钻井参数，并测量钻井操作的性能。在实施方案中，BHA 90包括具有多个传感器的井下测量工具100，传感器实时地或近实时地从井下工具位置递送信息，包括钻压、钻头扭矩和钻头处的弯矩值。这些随钻测量可有助于优化钻井参数以最大化性能，最小化浪费的能量转移和振动，并确保在钻井过程的所有方面期间评估BHA 90的全移动。在实施方案中，测量工具100是钻井井下优化套环工具，其可从本公开的记录的受让人购得。由测量工具100提供的测量数据和其它信息可使用常规井筒遥测技术从井筒60的底端6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于钻探井筒的方法，其包括：使用数学模型计算与沿着设置在所述井筒中的钻柱的位置相关联的参数的第一计算值，所述数学模型包括数学因子，所述第一计算值在所述数学因子具有初始量值时随至少所述数学因子而变；使用所述位置处的由所述钻柱携带的至少一个传感器来测量与所述参数相关的性质；使用所述测量的性质确定所述参数的测量值；基于所述第一计算值与所述测量值的比较将校正的量值指派给所述数学因子；以及接着使用具有拥有所述校正的量值的所述数学因子的所述数学模型计算与所述钻柱中的所述位置相关联的所述参数的第二计算值；其中所述第二计算值与所述第一计算值相比更接近所述测量值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于钻探井筒的方法，其包括：使用数学模型计算与沿着设置在所述井筒中的钻柱的位置相关联的参数的第一计算值，所述数学模型包括数学因子，所述第一计算值在所述数学因子具有初始量值时随至少所述数学因子而变；使用所述位置处的由所述钻柱携带的至少一个传感器来测量与所述参数相关的性质；使用所述测量的性质确定所述参数的测量值；基于所述第一计算值与所述测量值的比较将校正的量值指派给所述数学因子；以及接着使用具有拥有所述校正的量值的所述数学因子的所述数学模型计算与所述钻柱中的所述位置相关联的所述参数的第二计算值；其中所述第二计算值与所述第一计算值相比更接近所述测量值。2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：沿着所述钻柱将测量工具定位于所述位置，所述测量工具包括所述至少一个传感器。3.如权利要求2所述的方法，其中：所述测量工具包括至少第一和第二位置传感器、力传感器和弯曲传感器。4.如权利要求1所述的方法，其中：所述参数是由以下各项组成的群组中的一者：扭矩、扭转、轴向
\t力、位置、方位角、倾角和弯矩。5.如权利要求1所述的方法，其中：所述位置靠近所述钻柱的远端；所述参数是钻头扭矩；且所述数学因子是曲折因子。6.如权利要求5所述的方法，其进一步包括：测量所述至少一个传感器与第二传感器之间的因为在所述钻柱上施加递增扭矩而导致的角位置的改变，所述至少一个传感器与所述第二传感器分隔预定轴向距离；以及根据角位置的所述改变计算所述钻头扭矩。7.如权利要求1所述的方法，其中：所述位置靠近所述钻柱的远端；所述参数是钻压；且所述数学因子是摩擦因子。8.如权利要求1所述的方法，其中：所述位置靠近所述钻柱的远端；所述参数是钻头弯曲；且所述数学因子是屈曲极限因子。9.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：使用具有所述第二计算值的所述数学模型估计由所述钻柱的伸长和所述钻柱的扭转组成的群组中的至少一者。10.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：迭代地计算所述参数的计算值；迭代地确定所述参数的测量值；迭代地将所述计算值与所述测量值进行比较；以及迭代地调整所述数学因子。11.如权利要求1所述的方法，其中：所述数学模型是扭矩-阻力钻井模型。12.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：制定钻井计划；根据所述钻井计划钻探所述井筒的第一部分；基于所述第二计算值调整所述钻井计划；以及根据所述调整的钻井计划钻探所述井筒的第二部分。13.一种用于估计钻柱的状态的方法，其包括：使用数学模型计算第一时刻的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·塞缪尔，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US