[發明專利]自動地提升鉆頭離開地下地層中的開孔底面的方法

有效

• 申請號: 201210531758.9
• 申請日: 2011-04-11
• 公開（公告）號: CN102979501A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: D·A·埃德伯里;J·V·格雷羅;D·C·麥克唐納德;J·B·諾曼;J·B·羅格斯;D·R·斯特昂
• 申請（專利權）人: 國際殼牌研究有限公司
• 主分類號: E21B44/00
• 分類號: E21B44/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 高青

本申請是申請日為2011年4月11日、申請號為201180023526.6、發明名稱為“鉆井方法和系統”的發明專利申請的分案申請。

技術領域

本發明總體涉及在各種地下地層（諸如含烴地層）中鉆井的方法和系統。

背景技術

從地下地層中獲得的烴往往用作能源、原料和消費產品。對可用烴資源枯竭的擔憂以及對所生產出的烴的總體質量下降的擔憂引起人們去開發對可用烴資源進行更有效開采、處理和/或使用的方法。

在鉆井操作中，通常將各種監視和控制功能分配給鉆井人員。例如，鉆井人員可控制或監視鉆井裝置（諸如旋轉驅動器或滑架驅動器）的位置、收集鉆井流體的樣本以及監視振動篩。作為另一個示例，鉆井人員根據實際情況調節鉆井系統（“搖動”鉆柱），以便調節或校正鉆井速率、軌跡或穩定性。鉆工可使用操縱桿、手動開關或其他手動操作設備來控制鉆井參數，并使用計量儀、儀表、刻度盤、流體樣本、或聽得見的警報來監視鉆井狀況。對手動控制和監視的需要可能增加對地層進行鉆進的成本。另外，鉆工所進行的一些操作可基于來自鉆井系統的細小提示（諸如鉆柱的意外振動）。因為不同鉆井人員擁有不同的經驗、知識、技能和天賦，所以，依靠這樣的手動過程的鉆井性能從一個地層到另一個地層或者從一套鉆井裝備到另一套鉆井裝備不可能是可重復的。另外，一些鉆井操作（無論是手動的還是自動的）可能要求：例如，當從旋轉鉆井模式變成滑動鉆井模式時，使鉆頭停止或拉離井底。在這樣的操作期間中止鉆井可降低總進展速率和鉆井效率。

鉆井系統中的井底鉆具組合往往包括諸如隨鉆測量（MWD）工具的儀器。來自井下儀器的數據可用于監視和控制鉆井操作。提供、操作和維護這些井下測量工具可能顯著增加鉆井系統的成本。另外，由于必須將來自井下儀器的數據傳送到地面（諸如通過泥漿脈沖或周期性電磁傳輸），井下儀器在鉆井過程中以周期性的間隔可能僅提供有限“快照”。例如，鉆工在來自MWD工具的更新之間可能不得不等待20秒鐘或更長時間。在更新之間的間隙期間，來自井下儀器的信息可能變得過時，失去其控制鉆井的價值。

發明內容

本文所述的實施例總體涉及在地下地層中自動鉆井的系統和方法。

一種針對特定泥漿馬達評估馬達輸出轉矩與泥漿馬達兩端壓差之間的關系的評估方法包括：在地層地表處向鉆柱施加轉矩，以使鉆柱以指定鉆柱轉速（rpm）在地層中旋轉；以指定流速將鉆井流體泵入泥漿馬達中；以指定壓差操作泥漿馬達以使鉆頭轉動，從而鉆入地層中；在以指定壓差持續操作泥漿馬達的同時，減小施加在鉆柱上的轉矩，從而將鉆柱的旋轉速度降低到目標鉆柱速度；在泥漿馬達處于指定壓差（因此鉆頭持續鉆井）的同時，測量使鉆柱保持目標鉆柱速度所需的在地層地表處的鉆柱轉矩；以及根據所測量的保持轉矩和指定壓差來模擬鉆頭轉矩與泥漿馬達兩端壓差之間的關系。

一種評估用于在地下地層中形成開孔的鉆頭鉆壓的方法包括：根據至少一種分析模型來評估鉆頭鉆壓與泥漿馬達兩端壓差之間的關系；測量泥漿馬達兩端壓差；使用地層地表處的鉆柱轉矩的至少一個測量結果來評估用于形成開孔的鉆頭轉矩與用于操作鉆頭的馬達的兩端壓差之間的關系；使用分析模型、鉆頭轉矩與馬達兩端壓差之間的評估關系、和鉆壓與鉆頭轉矩之間的評估關系來評估鉆頭鉆壓。

一種評估用于在地下地層中形成開孔的鉆頭鉆壓的方法包括：測量至少一個壓力以確定泥漿馬達兩端壓差；根據所測量的壓差確定馬達輸出轉矩；測量鉆柱轉矩；測量離開井底的旋轉轉矩；以及根據測量結果中的至少一個測量結果來確定產生由鉆壓引起的側向加載轉矩所需的鉆壓。

一種評估用于在地下地層中形成開孔的系統中壓力的方法包括：評估鉆頭在地層中的開孔內自由旋轉時的基準壓力；根據所評估的基準壓力來評估流體流過鉆頭的基準粘度；評估隨著鉆頭被用于將開孔進一步鉆到地層中流體流過鉆頭的流速、密度和粘度；以及根據流體流過鉆頭的評估流速、密度和粘度來重新評估基準壓力。

一種自動地將用于在地下地層中形成開孔的鉆頭放置在正在形成的開孔底面上的方法包括：將鉆柱中的流速增加到目標流速；將進入鉆柱中的流體的流速控制成與從開孔流出的流體的流速基本相同；使流體壓力達到相對穩定狀態；以及使鉆頭以選定進展速率自動朝著開孔底面移動，直到所測量的壓差的一致增加表明鉆頭已處于開孔底面。

一種自動地提升鉆頭離開地下地層中的開孔底面的方法包括：設置開始提升鉆頭時馬達兩端壓差的預定水平；監視馬達兩端壓差；允許泥漿馬達兩端壓差降低到預定水平；以及在達到預定水平時，自動地提升鉆頭。