根据地面测量估计井下钻探振动指标的方法技术

本发明专利技术涉及一种估计钻具组合的井下振动严重性的方法。该方法包含：识别包含所选钻具组合参数的数据集；为钻具组合选择井下振动指标的参考水平；识别地面钻探参数和为所选井下振动指标的参考水平计算参考地面振动属性；确定自钻探操作中获取的至少一个地面测量结果或观测结果获得的地面参数振动属性，所确定的地面参数振动属性对应于识别的地面钻探参数；和通过相对识别的参考地面振动属性估算确定的地面参数振动属性来估计井下振动指标严重性指示。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开一般涉及钻探操作领域，具体涉及利用地面測量和在此处讲授的估计技术监视和优化钻探操作。更具体地，本公开涉及基于选择的地面操作參数的估算估计钻具组合底部(例如钻头处或接近钻头处)的有效振动属性的方法。
技术介绍
此部分介绍可能与本专利技术的某些实施例相关联的技术的各个方面，从而促进形成一个较好的框架来理解要求保护主题的各技术和应用中的一些技术和应用。据此，应当理解要从这个角度阅读背景部分陈述，而未必要将此背景部分陈述作为现有技术引入。钻具组合振动潜在地对钻进速度(ROP)具有显著影响是众所周知的，并且钻具组合振动代表着寻求降低钻探地下井的时间和成本所要诠释和化解的巨大挑战。在钻探期间钻具组合由干与ー个或更多个钻探參数相关的各种原因而发生振动。例如，旋转速度(RPM)、钻压(W0B)、泥浆粘度等，其中每个參数在钻探操作期间都可能影响给定钻具组合的振动趋势。測量深度(MD)、岩石属性、井孔条件以及钻具组合的结构也可能影响钻探振动。如这里所使用的，钻探參数包括钻探硬件(例如，钻具组合)和钻探操作两者的特性和/或特征。如这里所使用的，钻具组合是指钻探操作中使用的部件集合。可以共同或单独视为钻具组合的示例性部件包括岩石切割器件、钻头、铣刀、铰刀、井底组件、钻环、钻柱、耦接头、替代装置、稳定器、MWD工具、马达等。示例性的钻探设备系统可以包括顶部驱动器、钻探设备控制系统等，并且可能构成某些边界条件。振动的不理想钻具组合的设计部署以及在较高的井下振动条件下进行钻探操作可能导致钻进速度损失、钻具组合寿命缩短、跳闸(trip)次数増加、井下工具的故障率増加和非生产时间増加。理想的情形是，利用容易获得的数据并迅速估计钻具组合的振动趋势为钻探工程师和/或钻探设备操作人员提供有用而不过度复杂的工具。在可比的条件下钻探相似的地层，固定刀头通常比相应的牙轮钻头需要更多的转矩，尽管两种钻头都会遇到转矩问题。钻头转矩增加可能导致被称为“粘滑运动”的现象中钻头处不稳定旋转速度的増加，即使当地面RPM保持基本恒定吋。过多的粘滑运动会严重损害钻柱组合。牙轮钻头有时可能比相应的固定刀头更容易出现轴向振动问题。尽管轴向振动可以通过用固定刀头代替牙轮钻头得以减少，但是利用任何一种类型的钻头进行ー些钻探操作都可能继续经历轴向振动问题。如果轴向振动剧烈，轴向振动会严重损害固定刀头，因为PDC晶片会从其基底上敲掉。众所周知，对于旋转的三牙轮钻头而言轴向振动是存在问题的，因为传统的三叶井底模式在钻头产生轴向运动。存在ー些已知的用于测量和分析井下振动的复杂的数学方法和运算方法。然而，这些方法一般需要极其大量的数据、较强的计算能力以及使用与诠释的特殊技能。一般地，严重的轴向振动功能故障会表现为“钻头跳动”，这会导致振动循环的部分期间岩层和钻头切割表面之间的接触瞬间减少或甚至瞬间完全丧失。这种轴向振动会引起PDC刀具错位(dislocation)并且由于严重冲击地层三牙轮钻头可能受到损害。机能故障轴向运动会在钻具组合的其他位置出现。钻进组合中的其他切割元件也可能受到相似的影响。钻压(WOB)中的小振动会导致钻探无效率、导致ROP降低。例如，钻头的切割深度(DOC) 一般随着变化的WOB而改变，引起钻头转矩发生波动，从而引起扭转振动。产生的耦合扭转-轴向振动可能处于最具有破坏性的振动模式之中，因为之后这种极端运动可能导致产生横向振动。近来围绕着为获得鲁棒振动性能而优化井底组合(BHA)设计(W02008/097303)和 钻探參数以及利用实时机械比能(MSE)监控(美国2009/0250264)监瞀钻探效率而研发的实践已经显著地改进了钻探性能。MSE在识别例如钝钻头、至钻头的不理想重量转移和旋转导致的钻探无效率方面特别有用。这些机能故障倾向于降低ROP并增加由于产生的寄生转矩而消耗的机械功率，从而增加MSE。用于监瞀的实时MSE监控的可用性允许钻孔机采取修正行为。MSE分析的巨大优势之一是其不需要直接測量振动严重性的实时井下工具，直接测量振动严重性是昂贵的并且在挑战钻探环境中易于出现故障。不幸地，MSE分析并不提供关于转矩或轴向振动严重性的可靠信息。现场数据显示MSE不检测这些模式的间隔和MSE数据中不存在振动信号的其他情形。因此，理想的是，具有补充MSE的额外指标，其可以根据地面数据提供扭转和/或轴向严重性，从而避免为达到此目的部署井下工具的昂贵步骤。为了研究和/或建模这些更复杂的扭转和轴向振动已经做出很多的努力，在这里将对ー些进行描述以有助于图示通过本公开的技术取得的进步。DEA项目29是为了开发分析钻具组合振动的建模工具而发起的多方联合エ业计划。该项目集中于利用转移函数方法建模轴向振动和扭转振动来研发基于阻抗的、依赖频率的、质量-弾力-阻尼模型。这些转移函数描述在钻头处地面状态与输入条件的比率。轴向振动的边界条件由弹力、钻具组合顶部的阻尼器(表示钻探设备)和钻头处的“简单的”激励振荡(力或位移)构成。对于扭转振动，钻头被建模为具有阻尼的自由端(钻头和岩石之间无刚度)。这项工作也表明根据地面可以观测到诸如钻头跳动和粘滑运动的井下现象。尽管DEA项目29认识到井下现象可以从地面观测，但并未具体地试图对其进行量化。该努力的结果出版为麻省理工学院第三期报告 J. K. Vandiver 的 DEA 项目 29 “Coupled Axial, Bending and TorsionalVibration ofRotating Drill Strings，，和 1990年SPE 20447F. Clayer等人的“The Effectof Surface and Downhole Boundary Conditions on the Vibration of Drill strings，，。此外，美国专利5，852，235 (’ 235专利)和6，363，780 (’780专利)描述了计算固定于钻柱末端的钻头行为的方法和系统。在’235中，提出了ー种用于实时估计井底钻头的瞬间旋转速度的方法，其中考虑了在钻柱顶部进行的測量和简化的模型。在’ 780中，提出了ー种用于实时计算以下内容的方法“ Rf，是在钻柱表面的平均瞬间旋转速度除钩载WOH的主振荡频率的函数，Rwob是平均钻压WOBtl除表示钻压WOB的信号的标准偏差的函数，其中钻压WOB由钻柱的简化物理模型根据表示钩载WOH的信号測量结果估计，WOB0由钻柱重量和钩载WOH的平均值、与根据Rf值和Rwob值确定的钻头的任何危险纵向行为限定”。这些方法需要能够实时运行和可以接收测量子集作为输入并产生紧密匹配剰余测量的输出的“简化”模型。例如，在’ 235中简化模型可以接受地面RPM信号作为输入并计算井下RPM与地面转矩作为输出。然而，无法信任感兴趣的量的估计，例如井下RPM，除非获得计算的与测量的地面转矩之间的紧密匹配的情形出现。这一般要求连续调谐模型參数，因为在地面测量的转矩可能改变，不仅由于扭转振动而改变，还可能由于简化模型无法捕获的岩石地层的变化、钻头特性、钻孔模式等而改变。由于简化模型尝试匹配与相关振动模式相关联的动态和由于这种额外影响而导致的測量信号的总趋势，因此模型的调谐參数可能偏离实际表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.08.07 US 61/232,274;2009.08.07 US 61/232,275;1.一种估计井筒钻具组合的井下振动严重性的方法，所述方法包含步骤 a.识别包含所选钻具组合参数的数据集； b.为所述钻具组合选择井下振动指标的参考水平； c.识别地面钻探参数和为所选井下振动指标的参考水平计算参考地面振动属性； d.确定自钻探操作中获取的至少一个地面测量结果或观测结果获得的地面参数振动属性，所确定的地面参数振动属性对应于所识别的地面钻探参数(步骤C);和 e.通过相对所识别的参考地面振动属性(步骤c)估算所确定的地面参数振动属性(步骤d)来估计井下振动指标严重性指示。2.根据权利要求I所述的方法，其中所述钻具组合的井下振动指标严重性指标包含所述钻具组合的井下振动振幅。3.根据权利要求I所述的方法，其中所述钻具组合的井下振动指标严重性指标包含钻头脱离指标、ROP极限状态指标、钻头跳动柔量指标、钻头颤振指标、相对钻头颤振指标、粘滑运动趋势指标、钻头扭转攻击性指标、受迫扭转振动指标、相对受迫扭转振动指标、轴向应变能指标、扭转应变能指标及其组合中的至少一个。4.根据权利要求I所述的方法，包括额外的步骤(f)，其中来自地面测量结果的振动严重性估计的质量是通过比较以下数据获得的基于地面数据的估计和自参考井下振动指标严重性指示的井下测量获得的数据。5.根据权利要求4所述的方法，包括额外的步骤(g)，其中来自地面测量的振动严重性估计的质量用于校准模型参数，以获得测量的井下数据和预测的井下数据之间的最佳匹配。6.根据权利要求I所述的方法，包括额外的步骤(f)，其中来自一个或一个以上钻探层段的地面测量结果获得的振动严重性估计用于估算钻探性能和推荐对下一个层段的钻头设7.根据权利要求I所述的方法，包括额外的步骤(f)，其中调整至少一个钻探参数以将来自地面测量结果的至少一个振动严重性估计保持在期望值。8.根据权利要求I所述的方法，其中识别的数据集包含选择的钻具组合设计参数、井筒尺寸、测量深度(MD)、设计的钻探操作参数、井筒测量数据和井筒流体特性中的一个或更多。9.根据权利要求I所述的方法，其中所述井下振动指标的参考水平(步骤b)被选作井下钻具组合旋转速度、井下轴向速度、井下轴向加速度、井下轴向负荷、井下扭转力矩及其组合中的一个或更多个的函数。10.根据权利要求I所述的方法，其中振动涉及所述钻具组合的一个或更多部件的振动，并且包含扭转振动、轴向振动、横向振动及其组合中的一个或更多个。11.根据权利要求I所述的方法，其中选择所述井下振动指标的参考水平(步骤b)包含为所述钻具组合选择旋转速度暂时为零时的井下条件。12.根据权利要求I所述的方法，其中选择井下振动指标的参考水平(步骤b)包含选择钻压(WOB)参数暂时为零时的井下条件。13.根据权利要求I所述的方法，其中选择井下振动指标的参考水平(步骤b)包含选择不理想的井下条件。14.根据权利要求I所述的方法，其中识别所述地面钻探参数和计算参考地面振动属性(步骤c)包括计算地面指示转矩、地面指示钩荷、钻柱的地面指示旋转速度、地面指示钻头钻进速度、地面指示轴向加速度及其组合中的一个或更多个的参考值。15.根据权利要求I所述的方法，其中计算所述参考地面振动属性(步骤c)包括确定振动振幅、周期、主周期、标准偏差、统计度量、时间导数、转换速率、零交叉、傅里叶振幅、状态观测器估计、其他模式观测器估计、共振、交叉柔量及其组合中的一个或更多个。16.根据权利要求I所述的方法，其中确定所述地面参数振动属性(步骤d)包括确定地面转矩、地面钩荷、钻柱的地面旋转速度、地面测量的钻头钻进速度、地面测量的钻压、地面轴向加速度及其组合中的一个或更多个。17.根据权利要求I所述的方法，其中确定地面参数振动属性(步骤d)包括计算地面指示转矩、地面指示钩荷、钻柱的地面指示旋转速度、地面指示钻头钻进速度、地面指示轴向加速度及其组合中一个或更多个的参考值。18.根据权利要求I所述的方法，其中确定地面参数振动属性(步骤d)包含利用振动振幅、周期、主周期、标准偏差、统计度量、时间导数、转换速率、零交叉、傅里叶振幅、状态观测器估计、其他模式观测器估计、共振、交叉柔量及其组合中的一个或更多个。19.根据权利要求I所述的方法，其中在执行步骤d和e之前执行步骤a、b和C。20.根据权利要求I所述的方法，进一步包含响应估计的井下振动严重性指示调整一个或更多个钻探参数。21.根据权利要求I所述的方法，其中估计所述井下振动指标严重性指示(步骤e)进一步包含 确定以下比率中的一个或更多个比率选择的所述钻具组合的井下振动指标的参考水平(步骤b)与计算的参考地面振动属性(来自步骤c)之比；和 通过相对确定的比率中的一个或更多个估算确定的地面参数振动属性(步骤d)来估计所述井下振动指标严重性指示。22.根据权利要求I所述的方法，其中估计所述井下振动指标严重性指示(步骤e)进一步包含 计算参考地面振动属性(步骤c)包含为井下振动指标的参考水平计算地面参数相对时间的变化率； 自钻探操作中获得的至少一个测量结果或观测结果确定所述地面参数相对时间的变化率(步骤d);和 通过相对计算的所述地面参数的变化率的参考水平(步骤c)估算确定的地面参数变化率(步骤d)来估计井下振动指标严重性指示(步骤e)。23.根据权利要求I所述的方法，其中估计所述井下振动指标严重性指示(步骤e)进一步包含 计算参考地面振动属性(步骤c)包括确定所述钻具组合的振动的一个或更多个特征周期； 确定自钻探操作中获取的至少一个地面测量结果或观测结果获得的地面参数振动属性(步骤d)，包括确定来自一个或更多个地面参数的主导周期；和 通过估算确定的一个或更多个特征周期和计算的参考主导周期估计井下振动指标严重性指示。24.根据权利要求I所述的方法，进一步包含利用估计的井下振动严重性指示估计钻头处RPM波动严重性、钻压波动严重性、钻头跳动严重性、旋转严重性、横向振动严重性、机械比能及其组合中的至少一个。25.一种估计井筒钻具组合的井下振动严重性的方法，所述方法包含步骤 a.识别包含以下参数的数据集(i)针对包含钻头的所选钻具组合的参数，(ii)选择的井筒尺寸，和(iii)选择的测量深度(MD)； b.为井下转矩、井下钻压和井下钻头RPM、井下轴向加速度中的至少一个选择井下振动指标的参考值； c.识别包括地面转矩、地面钩荷、地面钻柱旋转速度和地面轴向加速度中至少一个的对应的所选地面钻探参数，以及为所选井下振动指标的参考值计算对应的参考地面属性值； d.确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·D·埃尔塔什，J·R·贝利，D·N·伯奇，L·王，P·E·帕斯图克，S·顺达拉拉曼，
申请(专利权)人：埃克森美孚上游研究公司，
类型：发明
国别省市：