一种钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法技术

本发明专利技术公开了一种钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法，首先基于实际应用场景获取评价钻头粘滑振动严重程度的必需参数；然后建立时间域内转盘的转速与时间关系图，以及钻头的转速与时间关系图，判断在规定时间范围内钻头的运动状态；当运动状态为粘滑时，明确转速与时间关系中的粘滞阶段和滑脱阶段；再分别计算粘滞阶段的严重程度和滑脱阶段的严重程度，进而计算得到粘滑振动严重程度的评价指标数值；根据计算得到的粘滑振动严重程度的评价指标数值结果评价粘滑振动的严重程度；在不同的钻井操作参数条件下，重复前述步骤，得到不同钻井操作参数条件下的粘滑振动严重程度评价指标数值；调整钻井策略，得到最佳的钻井操作参数。参数。参数。

【技术实现步骤摘要】
一种钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法


[0001]本专利技术涉及石油与天然气工程深井钻井钻柱动力学
，尤其是一种钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法。

技术介绍

[0002]在深井超深井的油气资源勘探开发过程中，常会出现由于钻井设备、地质条件和现场操作等原因导致的异常工况，例如钻井操作参数设置不当导致的粘滑振动，从而对转盘、钻杆、钻铤到钻头的钻柱系统造成不同程度的损伤，甚至导致钻井设备报废。如果不能有效评价钻柱系统的粘滑严重程度，即判断当前参数是否能够继续钻井，将会造成钻头磨损严重、设备过早报废、钻井效率低下，导致钻井成本与钻井周期的浪费，甚至影响到钻井设备的财产安全与现场人员的生命安全。
[0003]在专利EP2462315B1中公开了一种估计钻具组合的井下振动严重性的方法，能够在现场出现粘滑振动工况时为司钻提供指示，但是该方法中用来估计扭转严重性的模型仅仅单纯地考虑了井下钻头处的最大值和最小值之差与两倍地面转速的比值。在SPE 177950的会议论文中提出了一种粘滑严重度指标，该指标是用低通滤波过后的钻头最大转速与平均转速之差与地面平均转速的比值来表示，这与专利CN107229599B的专利技术专利公开的一种检测钻柱扭转振动的方法较为相似。在专利CN109322653B中提供了一种井下钻柱粘滑特征的地面快速评价方法和装置，其地面粘滑指数是利用预设时间间隔内地面转速的平均值乘以扭矩的最大值与最小值的差值，然后除以120倍的地面扭矩的平均值，求得的数值低于0.4时判断为粘滑，高于0.4时判断为涡动，并未给出正常工况以及如何判断异常工况的严重程度。在SPE 163420的会议论文中也提到了一项表征粘滑严重程度的指标TSE，该指标是用钻头最大转速与平均转速之差与钻头平均转速的比值来表示。在专利CN111379550A中提供了一种用于监测井下动态参数的系统，该专利中利用钻铤最大转速减去最小转速，然后除以钻铤的平均转速作为粘滑严重度的评价指标SS。上述六篇专利与论文中均没有将粘滑振动的粘滞阶段与滑脱阶段分别进行考虑，并且部分专利和论文也未考虑地面转速、钻头转速对钻柱系统粘滑严重度的影响，因此上述的评价指标均具有一定的局限性，无法从粘滑的两个阶段良好的表征振动的严重程度。
[0004]在专利WO2016081246A1中提出了一种用于减轻粘滑的系统和方法，利用地面控制单元实现对地面驱动单元扭矩值大小的调整控制，减少当前时间相较于上一时刻的粘滑振荡频率。在US9581008B2的专利中提出了一种用于衰减钻柱中的粘滑振动的方法和装置，该方法和装置依靠PI控制器实现钻井机构转速与频率的调整，避免钻柱系统在粘滑振动的频率附近产生大量的扭转能量，从而尽量减少钻柱的粘滑振动情况。这与专利号为CN106545327B的专利技术专利较为相似，该专利公开了一种智能司钻钻机控制系统，其控制系统旨在为地面钻机提供优化控制功能。在JP5571346B2的专利中，提出了一种粘滑检测装置及检测方法，该专利技术对具有调节阀或气体调节器的接触滑动部装置进行粘滑检测。专利号为CN109138973B的专利技术专利公开了一种诊断钻柱黏滑振动的观测方法，将电机驱动参数与
数学模型结合判断井下钻具组合的运动规律与钻柱扭矩大小。上述五项专利可以检测发现粘滑振动，或者通过调整钻井参数抑制粘滑振动，但是均无法实现深井钻井时钻柱系统的井下钻头处粘滑振动的评价。
[0005]综上所述，目前亟需一种钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法，从而判断钻头是否发生粘滑，然后量化表征粘滑振动的严重程度，推荐出与严重程度相匹配的钻井策略，保障钻井安全与钻井效率。

技术实现思路

[0006]针对现有的粘滑振动检测方法存在的上述不足，本专利技术提供一种钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法。
[0007]本专利技术提供的钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法，步骤如下：
[0008]S1、基于现场实钻、室内试验和计算机仿真的多种应用场景的不同实际情况，获取评价钻头粘滑振动严重程度的必需参数。必需参数包括：规定时间范围内的转盘转速平均值、粘滞阶段钻头转速最大值、粘滞阶段钻头转速最小值、滑脱阶段钻头转速最大值。
[0009]其中，在现场实钻的应用场景下，通过司钻控制平台和现场粘滑记录装置获取上述必需参数。在室内试验的应用场景下，通过输入电机处的转速传感器和钻头处的转速传感器获取上述必需参数。在计算机仿真的应用场景下，根据转盘、钻杆、钻铤和钻头的参数信息计算钻柱系统的结构参数，所述钻柱系统的结构参数包括转盘、钻杆、钻铤和钻头的转动惯量、扭转刚度和扭转阻尼，并用来推导钻柱系统的运动微分方程，获取上述必需参数。这三种应用场景方法的结果存在少量差异，但差异均处于可接受的误差范围内，因此，需要根据应用场景、实际需求和实施难度选择具体的方式。
[0010]S2、建立时间域内转盘的转速与时间关系图，以及钻头的转速与时间关系图，根据这两个关系图判断在规定时间范围内钻头的运动状态。所述运动状态包括稳定状态与粘滑状态。判断稳定状态与粘滑状态的方法包括：
[0011]钻头的稳定状态特征是，钻头的转速—时间关系表现为，初始一定时间内钻头转速大幅波动，然后钻头转速的波动幅度逐渐减小，最终钻头转速逐渐平稳并接近转盘转速。
[0012]钻头的粘滑状态特征是，钻头的转速—时间关系表现为，钻头的粘滞阶段与滑脱阶段往复交替出现，粘滞阶段以钻头转速幅值低、波动频率高和偶尔存在负值为特征，滑脱阶段以钻头转速幅值高于转盘转速为特征。
[0013]当运动状态为粘滑时，明确转速与时间关系中的粘滞阶段和滑脱阶段。
[0014]S3、分别计算粘滞阶段的严重程度和滑脱阶段的严重程度，将粘滞阶段和滑脱阶段叠加计算得到粘滑振动严重程度的评价指标数值。具体如下：
[0015]S31、计算粘滞阶段的严重程度，公式如下：
[0016][0017]式中，STI代表粘滞阶段的严重程度，RPM
bit
‑
stick
‑
max
代表粘滞阶段钻头转速的最大值，RPM
bit
‑
stick
‑
min
代表粘滞阶段钻头转速的最小值，RPM
sur
‑
avg
代表转盘转速的平均值；
[0018]S32、计算滑脱阶段的严重程度，公式如下：
[0019][0020]式中，SLI代表滑脱阶段的严重程度，RPM
bit
‑
slip
‑
max
代表滑脱阶段钻头转速的最大值，RPM
sur
‑
avg
代表转盘转速的平均值；
[0021]S33、将粘滞阶段的严重程度STI和滑脱阶段的严重程度SLI相加计算得到粘滑振动严重程度的评价指标数值SSVS。即
[0022][0023]S4、根据上一步骤计算得到的SSVS评价粘滑振动的严重程度；计算结果以1为界限，SSVS在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法，其特征在于，步骤如下：S1、获取评价钻头粘滑振动严重程度的必需参数；必需参数包括：规定时间范围内的转盘转速平均值、粘滞阶段钻头转速最大值、粘滞阶段钻头转速最小值、滑脱阶段钻头转速最大值；S2、建立时间域内转盘的转速与时间关系图，以及钻头的转速与时间关系图，根据这两个关系图判断在规定时间范围内钻头的运动状态；所述运动状态包括稳定状态与粘滑状态；当运动状态为粘滑时，明确转速与时间关系中的粘滞阶段和滑脱阶段；S3、分别计算粘滞阶段的严重程度和滑脱阶段的严重程度，将粘滞阶段和滑脱阶段叠加计算得到粘滑振动严重程度的评价指标数值SSVS；S4、根据上一步骤计算得到的SSVS评价粘滑振动的严重程度；计算结果以1为界限，SSVS在0～1之间代表钻头为稳定状态，大于1代表钻头发生了粘滑振动；评价指标数值越大，代表粘滑振动越严重；S5、在不同的钻井操作参数条件下，重复步骤S1
‑
S4，得到不同钻井操作参数条件下的粘滑振动严重程度评价指标数值SSVS；进而根据不同钻井操作参数条件下的SSVS与变化趋势，调整钻井策略，得到最佳的钻井操作参数。2.如权利要求1所述的钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过现场实钻、室内试验和计算机仿真三种方式之一获取评价钻头粘滑振动严重程度的必需参数。3.如权利要求1所述的钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法，其特征在于，所述步骤S2中，判断稳定状态与粘滑状态的方法如下：稳定状态：钻头的转速与时间关系表现为，初始时间段内钻头转速大幅波动，然后钻头转速的波动幅度逐渐减小，最终钻头转速逐渐平稳并接近转盘转速；粘滑状态：钻头的转速与时间关系表现为，钻头的粘滞阶段与滑脱阶段往复交替出现，粘滞阶段以钻头转速幅值低、波动频率高和偶尔存在负值为特征，滑脱阶段以钻头转速幅值高于转盘转速为特征。4.如权利要求1所述的钻头粘滑振动严重程度的评价...

【专利技术属性】
技术研发人员：石祥超，杨昕昊，焦烨，陈彦州，叶哲伟，于浩，陈帅，王兆巍，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：