[發明專利]用于估算鉆井時井眼鉆進設備的井下速度和井下轉矩的方法和裝置、井眼鉆進設備和計算機程序產品

有效

• 申請號: 201780047640.X
• 申請日: 2017-05-30
• 公開（公告）號: CN109642455B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 安德烈·威爾特曼
• 申請（專利權）人: ENGIE電氣工程有限公司
• 主分類號: E21B44/00
• 分類號: E21B44/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 陳明

本發明公開了一種方法、裝置、井眼鉆進設備和計算機程序產品，用于在地層中鉆井眼的同時估算井眼鉆進設備的井下速度和井下轉矩中的至少一個。井眼設備包括旋轉驅動系統、鉆柱、包括鉆頭的底部鉆具組合、連接到旋轉驅動系統的頂端、和速度控制器，所述速度控制器被設置成用于通過控制頂端驅動轉矩來控制旋轉頂端驅動速度。基于井眼鉆進設備的雙端口譜域傳遞矩陣計算模型在計算機中執行所述方法(50)。在鉆進時，獲得旋轉頂端驅動速度和頂端驅動轉矩(54)，并且通過減小譜帶寬并對計算應用時間延遲項(53)來計算井眼鉆進設備的井下速度和井下轉矩(55)，從而獲得因果時域解。

技術領域

本公開一般涉及在地層中鉆井眼。更具體地，本公開涉及一種用于特別是在地層中鉆井眼時沿著井眼鉆進設備的鉆柱和鉆頭估算井下速度和井下轉矩中的至少一個的方法和裝置，以及配備有該方法和/或裝置的井眼鉆進設備，以及通過計算機或計算機系統執行該方法的計算機程序產品。

背景技術

術語井眼通常表示使用在其下端處具有鉆頭的鉆柱在地層中垂直、水平或偏斜地進行鉆進操作的結果。在其上端或頂端處，鉆柱由在地面或海面處的驅動系統驅動，所述驅動系統被稱為頂驅或旋轉臺。頂驅或旋轉臺由電動機或任何其他類型的驅動馬達驅動，從而為井眼中的鉆頭提供旋轉運動。

通常，鉆柱是由彼此通過螺紋連接的多個管件或管構成的結構。典型的鉆柱可具有數百米或數千米的長度。

鉆柱的下部被稱為底部鉆具組合，BHA，用于鉆井眼的切削工具(也被稱為鉆頭)連接在所述底部鉆具組合處。

鉆柱是中空的，使得鉆井液可以向下朝向底部鉆具組合被泵送并通過鉆頭中的噴嘴，以用于潤滑目的。鉆井液循環回到環空，即鉆柱的外圓周與井眼壁之間的空間，以將鉆屑從鉆頭輸送到地面。

井眼可以被鉆進以用于許多不同的目的，例如，包括提取水或其他液體(例如，油)或氣體(例如，天然氣和頁巖氣)，作為巖土工程調查的一部分，利用地熱能，環境現場評估，礦物勘探，溫度測量或作為安裝橋墩或地下設施的先導孔。

底部鉆具組合在扭轉方向上是剛性的，這是因為所述底部鉆具組合相對較短且厚壁。在使用中，底部鉆具組合由于壓縮力而受到側向偏轉。鉆柱由于其較長的長度以及相對較小的壁厚而具有細長且柔韌的結構。在鉆進期間，在井眼鉆進設備中，特別是在鉆柱中產生大量振動。在旋轉鉆柱和底部鉆具組合中，可能會發生扭轉、軸向或縱向和側向振動。

通常，軸向振動可能會導致跳鉆，這可能會損壞鉆頭刀具和軸承。側向振動可能是非常具有破壞性的，并且當底部鉆具組合撞擊井眼的井壁時可能產生大的沖擊。側向振動可能會使系統向后旋轉，從而產生高頻大幅度彎矩波動，從而導致高速率的部件和連接疲勞。組件中的不平衡可能會導致離心引起的鉆柱彎曲，這可能產生向前的旋轉并導致部件的單側磨損。扭轉振動尤其源自鉆柱沿井眼的振蕩，并且可能源自粘滑。鉆柱功能障礙可能會減少地面與鉆頭之間的能量傳遞，增加金屬疲勞，增加過早鉆頭磨損，降低進尺速度，并可能導致井眼損壞。

粘滑是由鉆頭和/或鉆柱的接觸地層表面的表面或井眼的內壁表面之間的摩擦力引起的現象。鉆頭和/或鉆柱的表面一方面以及地層和井眼的表面另一方面通過摩擦力的相應變化交替地可以彼此粘附或彼此滑動。

在實踐中，該摩擦力表現出非線性行為，并且在大多數情況下，摩擦可能變得很大，以使得鉆頭(即，底部鉆具組合)暫時變成完全靜止狀態 (這被稱為粘著模式)。在粘著模式期間，連續的旋轉驅動速度或驅動系統的運動使鉆柱扭曲。如果累積在鉆柱中的轉矩足夠大以克服靜摩擦，則底部鉆具組合再次開始旋轉(這被稱為滑動模式)。然而，這可能會導致鉆頭運動的角加速度的突然跳躍或逐步增加，尤其是鉆柱和底部鉆具組合遇到的動摩擦小于靜摩擦，并且可能導致鉆頭的過度磨損。粘著和滑動模式可以以規則周期性的方式相當快速地彼此跟隨。在粘滑鉆井過程中，進尺速度很低，鉆頭磨損得更快。

上述現象以這樣或那樣的方式對鉆井過程的性能產生負面影響，使得計劃的鉆井操作可能延遲多達幾天，例如當發生粘滑時，存在罰款的風險等。