集成钻井动力学系统及其操作方法技术方案

一种方法和设备，用于控制包括由钻杆柱承载的底部钻具组件的旋转在内的钻井操作。在一个实施例中，提供了一种集成、闭环钻探现场分析系统，用于获取和分析实时泥浆录井和底部钻具数据，并与至少一个可控操作参数的动力学临界值一起，显示一个或多个操作员可控参数的实时数值，从而使操作员能够实时地调整这些参数，以优化操作。通过将数据智能地组合为能够以信息形式显示的、有意义且可用的信息，得出集成信息。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体上涉及油气生产领域，更具体地，涉及油气井钻井设备。
技术介绍
钻井成本是确定油气投资的金融回报的重要因素。对于海上环境，尤为如此，在海上环境下，操作成本高昂，而且在井中易于发生钻井问题。尤其是，已经表明剧烈的震动对用于钻油气井的底部钻具设备有害。其中，横向震动(尤其是后向旋转)通常与钻杆柱疲劳故障(磨损、扭断)、过度钻头磨损和钻井时测量(“MWD”)工具故障有关。横向震动由一个主要原因引起——质量不平衡，有多种来源，尤其包括钻头形成相互作用、泥浆马达和钻杆柱质量不平衡。当其重心不与其旋转轴一致时，旋转体不平衡。由于这种弯曲或质量不平衡，在不平衡的钻杆柱旋转时，产生离心力。离心力的幅度尤其依赖于钻杆柱的质量、偏心度和旋转速度。通常，旋转速度越高，离心力越大。因此，通常的做法是在发生剧烈的横向震动时，降低旋转速度。但是，本领域普通技术人员将意识到如果降低旋转速度导致组件的谐振条件，则不可能减小震动。当任何一个激励机构的旋转频率与底部钻具组件(“BHA”)的自然或谐振频率(弯曲、轴向或扭转)匹配(通常被称为临界旋转速度或CRPM)时，谐振条件发生。在谐振条件下，BHA具有以连续增加的幅度横向震动的趋势，导致了剧烈的震动，并导致钻杆柱和MWD故障。本领域普通技术人员应当清楚的是，在钻井操作期间，识别和避免临界旋转速度是重要的。已经开发了大量基于有限元分析的计算机程序来预测钻杆柱的临界旋转速度。但是，由于输入数据和所规定的边界条件的不确定性，这些程序的预测精度通常是有限的。在钻井规划或在钻探平台上组装BHA时，通常运行传统的BHA动力学软件。然后，将一组要避免的预测临界CRPM提供给钻井人员。传统方法避免CRPM的共同操作困难在于(i)复杂的BHA建模和结果；(ii)由于不正确的输入数据而导致的不精确的建模和结果；以及(iii)未将建模结果与实时震动数据结合使用来优化钻井过程。也就是说，在现有技术中，并未以集成、闭环的方式来进行动力学分析，而只是在钻井规划阶段进行主要或全部的动力学分析，从而只有有限的机会来进行钻井操作的优化。
技术实现思路
考虑到前述和其他考虑，本专利技术涉及一种方法和设备，通过实时建模和底部钻具钻井时测量(“MWD”)数据的结合，提供BHA的精确建模。在这里，应当将描述“实时”解释为包括本质上立即发生的动作。例如，“实时数据获取”表示获取反映了操作参数的当前状态的数据。类似地，“实时数据处理”表示对获取数据的立即处理，与获取、存储数据，并稍后处理的情况相反。“实时数据处理”还区别于在实际处理之前预测数据，并随后结合处理的执行，使用对预测数据的分析的情况。作为相关概念，这里所使用的术语“动力学”应当表示其数值随时间发生变化的参数和其他变量。作为简单示例，底部钻具组件在钻井操作期间的旋转速度是动力学参数，因为在钻井操作期间，旋转速度由于多种原因而发生改变。根据本专利技术的一个方面，提出了一种系统，包括(1)实时BHA动力学应用程序；(2)MWD底部钻具震动传感器；以及(3)集成、闭环钻探现场信息系统。在一个实施例中，所述实时动力学应用程序用于预测临界旋转速度(CRPM)。在一个实施例中，动力学分析应用程序是基于有限元的程序，用于计算BHA的自然频率。在可选实施例中，动力学分析应用程序还可以采用半解析方法，用于预测上边界条件。根据本专利技术的另一方面，底部钻具震动传感器用于产生实时的底部钻具震动数据。在优选实施例中，将所述传感器设置在现有的MWD工具中，并包括三个相互正交的加速度计，用于测量加速度的三个轴X、Y和Z。X轴用于测量横向和径向加速度，Y轴用于测量横向和切向加速度，以及Z轴用于测量轴向加速度。利用三种不同的方法(平均、峰值和瞬时(突发))作为来自每个轴的传感器的信号的条件。平均测量表示在采样周期的平均加速度。峰值测量表示在采样周期发生的最高加速度，以及瞬时(突发)测量记录频率分析的高频数据。利用三种不同的加速度和测量，可以利用适当的算法检测底部钻具动力学的多种模式(例如，钻头和BHA旋转、钻头反弹和粘滑等)。然后，将对破坏性震动模式的指示传输到表面。将显示器用于指示震动强度，并给出修正该工具所能识别出的多种模式的底部钻具震动的建议。根据本专利技术的另一实施例，提出了一种集成、闭环钻探现场分析系统，用于获取泥浆录井和底部钻具数据、运行分析软件、并实时显示数据，从而使操作员能够实时地调整钻井系统的一个或多个操作参数，以优化操作。通过将数据智能地组合为能够以信息形式显示的、有意义且可用的信息，得出集成信息。附图说明通过在结合附图的同时、阅读以下对本专利技术典型实施例的详细描述，本专利技术的前述和其他特征和方面将得到更好的理解，其中图1是根据本专利技术一个实施例的集成、实时钻井动力学分析系统的功能框图；图2是与图1所示的集成钻井动力学分析系统结合使用的钻杆柱动力学传感器的示意图；图3是包括图1所示的钻井动力学分析系统的钻探现场信息系统的示意图；以及图4是利用本专利技术的系统、在钻井操作期间实时产生的钻井动力学数据显示屏幕的图示。具体实施例方式为了清楚起见，以下的公开并未描述实际实施方式的全部特征。应当清楚的是，在开发任何实际实施方式期间，以及在任何这种项目中，必须进行大量的工程和设计决策，以实现开发者的特定目的和子目的，而这些目的可能根据各个实施方式均有不同。此外，需要注意，针对所述环境给予适当工程和编程实践。应当清楚的是这种研发努力可能是复杂且耗时的，但仍然是本领域普通技术人员所采用的例行程序。参照图1，示出了根据本专利技术一个实施例的集成钻井动力学系统10的高级功能的方框图。如图1所示，本专利技术涉及与井、钻杆柱和底部钻具组件(BHA)的多种操作参数有关的多种操作数据的收集和分析。方框12表示获取多种钻杆柱数据，多数钻杆柱数据可能在整个操作的钻井规划阶段就已经知道了。图1中的方框14表示泥浆录井数据的获取，本领域普通技术人员将意识到其包括但并不局限于钻压数据、旋转速度(RPM)信息、泥浆比重数据等。方框14所表示的获取数据中的大多数是动态的，因为其在实际钻井操作期间不断地发生变化。在这些参数中，某些参数可以是被考虑为操作员可控的，因为传统的钻井设施将为钻井操作员提供用于在操作期间对其进行调整的装置。类似地，图1中的方框16表示获取钻井时测量(MWD)数据，例如，包括倾斜度、死弯严重度(DLS)、孔尺寸等。与方框14所表示的数据获取一样，方框16所表示的数据获取表示在钻井操作期间发生变化的操作参数。对于方框14的泥浆录井数据，可以由如商用Sperry-Sun DDSTM(钻井动力学传感器)等钻井传感器提供此实时底部钻具数据，尤其是包括震动数据。典型的DDS 20如图2所示。如本领域普通技术人员所熟悉的那样，优选地，DDS 20位于现有的MWD工具中，如伽马射线部分(Gamma ray sub)中。在一个实施例中，使用三个相互正交的加速度计来测量加速度的三个轴X、Y和Z。X轴用于测量横向和径向加速度，Y轴用于测量横向和切向加速度，以及Z轴用于测量轴向加速度。优选地，利用三种不同的方法(平均、峰值和瞬时(突发))作为来自每个轴的加速度计的信号的条件。平均测量表示在预定采样周期的平均加速度。峰值测量表示在预定采样周本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，用于控制包括由钻杆柱承载的底部钻具组件的旋转在内的钻井操作，所述方法包括：　（ａ）获得与所述底部钻具组件的至少一个动力学操作参数有关的实时传感器数据；（ｂ）对所述传感器数据进行实时分析，以计算所述底部钻具组件的操作 员可调整操作参数的至少一个动力学临界值；（ｃ）随时间的变化，与所述操作员可调整操作参数的所述至少一个动力学临界值的实时数值一起，向操作员显示所述操作员可调整操作参数的实时数值的显示。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫振纲陈，马克史密斯，斯科特拉皮埃尔，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]