[發(fā)明專利]用于最佳化和監(jiān)控地下鉆探的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201280048481.2
• 申請日: 2012-10-26
• 公開（公告）號: CN104246107A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬克·埃爾斯沃思·瓦塞爾
• 申請（專利權(quán)）人: APS技術(shù)公司
• 主分類號: E21B7/00
• 分類號: E21B7/00;E21B47/00
• 代理公司: 中原信達知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11219
• 代理人: 戚傳江;謝麗娜

相關(guān)申請的聲明

本申請要求2011年10月27日提交的美國臨時申請No.13/283,518的優(yōu)先權(quán)，該申請以其整體在此通過引用并入。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及地下鉆探，并且更具體地涉及用于最佳化和監(jiān)控這種鉆探操作的方法。

背景技術(shù)

在諸如氣、油、地?zé)徙@探的地下鉆探中，一般涉及鉆出深入地球的地層的井孔。這種井孔通過將鉆頭連接到稱為“鉆管”的長管段以便形成通常稱為“鉆柱”的組件而形成。鉆柱從地面延伸到井孔的底部。

旋轉(zhuǎn)鉆頭，使得鉆頭前進到地球中，由此形成井孔。在旋轉(zhuǎn)鉆探中，通過旋轉(zhuǎn)在地面上的鉆柱而使鉆頭旋轉(zhuǎn)。地面上的活塞操作的泵將稱為“鉆探泥漿”的高壓流體泵送通過鉆柱中的內(nèi)部通道并且從鉆頭中泵出。鉆探泥漿潤滑鉆頭，并且將巖屑從鉆頭的路徑?jīng)_走。在電機鉆探的情況下，流動的泥漿還對通常稱為“泥漿電機”的鉆探電機提供動力，不論鉆柱是否旋轉(zhuǎn)，其都使鉆頭轉(zhuǎn)動。泥漿電機裝接有轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子響應(yīng)于鉆探泥漿經(jīng)過其而產(chǎn)生扭矩。轉(zhuǎn)子被耦接到鉆頭使得扭矩被傳送至鉆頭，促使鉆頭旋轉(zhuǎn)。然后，鉆探泥漿通過在鉆柱與井孔的表面之間形成的環(huán)形通道而流到地面。

通常，在鉆探期間對各種工作參數(shù)進行測量。例如，地面設(shè)備感測鉆頭進入地層中的貫穿速率、鉆柱的轉(zhuǎn)速、吊鉤載荷、表面扭矩、和壓力。在地面處或在底孔組件中或在該兩處的傳感器測量軸向拉伸/壓縮載荷、扭矩和彎曲。然而，對將導(dǎo)致最佳鉆探的鉆探參數(shù)的值的選擇是困難的任務(wù)。例如，雖然減小施加到鉆頭的孔下力（通常稱為鉆壓（“WOB”））或鉆頭的轉(zhuǎn)速可以減小振動，并且因此延長鉆柱部件的壽命，但是它也可能減小貫穿速率（“ROP”）。一般地，當(dāng)鉆頭到地層中的貫穿速率盡可能高而振動盡可能低時，獲得最佳鉆探。ROP是包括鉆頭的轉(zhuǎn)速和WOB的若干變量的函數(shù)。

已經(jīng)研發(fā)了估計鉆通固定體積的巖石所消耗的能量--換言之，輸入到鉆探中的能量與依據(jù)ROP的鉆探的輸出的比率，這稱為比能--的技術(shù)。比能的一個量度是機械比能（“MSE”），其是鉆通固定體積的地層所需的機械能的量度，通過確定機械能使用速率與ROP的比率而獲得。最近，已經(jīng)研發(fā)了比能的另一個量度，稱為液壓機械比能（“HMSE”），以考慮在鉆探期間所消耗的液壓以及機械能。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)做出嘗試以通過支持在將導(dǎo)致低MSE值的條件下的操作利用比能尤其是MSE來最佳化鉆探性能。然而，取決于鉆探操作的特性，操作MSE的最小值并不一致地導(dǎo)致最大化鉆探性能。因此，對在持續(xù)基礎(chǔ)上最佳化鉆探性能和監(jiān)控鉆探性能以確定鉆探條件是否已經(jīng)改變、保證進一步最佳化的方法的持續(xù)需要因此存在。

發(fā)明內(nèi)容

在一個實施例中，本發(fā)明包含一種操作鉆柱鉆探到地球地層中以便使用鉆頭形成井孔的方法，該方法可以是計算機實施的，該方法包括如下步驟：（a）在多個不同的鉆探條件組下操作鉆柱，在此期間，通過對鉆頭施加扭矩以便使鉆頭旋轉(zhuǎn)并且對鉆頭施加鉆壓，鉆頭貫穿到地球地層中，其中，在優(yōu)選實施例中，每個鉆探條件包括鉆頭上的鉆壓和鉆頭旋轉(zhuǎn)的速度，鉆柱的操作在每個鉆探條件組下被執(zhí)行一時間段；（b）在每個鉆探條件組下執(zhí)行鉆探的每個時間段內(nèi)，以選定的次數(shù)對施加到鉆頭的扭矩和鉆頭貫穿到地球地層中的速率的組合進行確定；（c）對于每個鉆探條件組，從在步驟（b）中確定的扭矩和貫穿速度的每個組合，確定被輸入到鉆探中的能量與根據(jù)ROP并且優(yōu)選地比能并且最優(yōu)選地機械比能的輸出的比率的值；（d）對于每個鉆探條件組，諸如通過計算標(biāo)準(zhǔn)偏差來確定在步驟（c）中確定的比率的值的變化；（e）識別在步驟（d）中為其確定比率的變化的多個鉆探條件組中產(chǎn)生最小變化的鉆探條件組；以及（f）以在步驟（e）中識別的鉆探條件組操作鉆柱。

本發(fā)明還包含一種操作鉆柱鉆探到地球地層中以便使用鉆頭形成井孔的方法，該方法包括如下步驟：（a）在第一組鉆探條件下操作鉆柱，在此期間，通過對鉆頭施加扭矩以便使鉆頭旋轉(zhuǎn)并且對鉆頭施加鉆壓，鉆頭貫穿到地球地層中，其中，該第一組鉆探條件包括鉆壓和鉆頭旋轉(zhuǎn)的速度；（b）在第一組鉆探條件下操作時，以選定的次數(shù)對施加到鉆頭的扭矩和鉆頭貫穿到地球地層中的速率的組合進行確定；（c）從在步驟（b）中確定的扭矩和貫穿速率的每個組合，確定被輸入到鉆探中的能量與根據(jù)ROP并且優(yōu)選地比能的值并且最優(yōu)選地機械比能的值的鉆探輸出的比率；（d）確定在步驟（c）中確定的比率的值的變化；（e）確定在步驟（d）中確定的比率的值的標(biāo)準(zhǔn)偏差是否超過預(yù)定閾值；（f）如果在步驟（d）中確定的比率的值的變化超過預(yù)定閾值，則將第一組鉆探條件改變?yōu)榈诙M鉆探條件。

附圖說明