钻探系统及用于对地下钻探操作中的振动进行预测的方法

钻探系统及用于对地下钻探操作中的振动进行预测的方法
【专利摘要】本发明涉及钻探系统及用于对地下钻探操作中的振动进行预测的方法。一种钻探系统和相关联的系统及用于对钻探操作的振动进行监测、控制、和预测的方法。振动信息可包括钻柱的轴向振动、横向振动或扭转振动。
【专利说明】钻探系统及用于对地下钻探操作中的振动进行预测的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于地下钻探的钻探系统，并且更具体地涉及一种用于对钻探操 作的振动进行监测、控制和预测的方法。

【背景技术】
[0002] 诸如燃气、油、或地热钻探之类的地下钻探通常涉及贯穿地底深处的地层进行钻 孔。这种钻孔通过将钻头连接至称之为"钻杆"的长管段以形成通常称之为"钻柱"的组件 来形成。钻柱从地表延伸至钻孔的底部。钻头旋转，使得钻头推进到土壤中，从而形成钻 孔。在旋转钻探中，通过在地表处旋转钻柱来旋转所述钻头。地表处的泵将高压钻探泥浆 泵送通过钻柱中的内部通道并通过钻头泵送出。钻探泥浆对钻头进行润滑，并冲洗来自钻 头的路径的岩肩。在一些情况中，流动的泥浆还为通常称之为"泥浆马达"的钻探马达提供 动力，该泥浆马达又转动该钻头。在任何情况下，钻探泥浆均通过在钻柱与钻孔的表面之间 形成的环形通道流回至地表。一般而言，当钻头钻入到地层中的钻入速度尽可能高，同时钻 探系统的振动尽可能低时，获得了最佳钻探。钻入速度（"ROP"）是多个变量的函数，所述 多个变量包括钻头的旋转速度和钻压（"WOB"）。钻探环境并且尤其是硬岩钻探会将相当 大的振动和冲击引入到钻柱中，这对于钻探性能具有负面影响。
[0003] 通过钻头的旋转、用于使钻头旋转的马达、钻探泥浆的泵送、钻柱中的不稳定等引 入了振动。振动会导致钻柱的多个部件的过早毁损、钻头的过早磨钝，或者会导致钻探系统 部件的严重毁损。钻柱振动包括轴向振动、横向振动和扭转振动。"轴向振动"指的是在沿 钻柱轴线的方向上的振动。"横向振动"指的是垂直于钻柱轴线的振动。横向振动通常由于 钻柱在弯曲状况下旋转而发生。横向振动的两个其它原因是"正向"和"反向"、或"反转" 涡动。"涡动"指的是钻头除了围绕其自身轴线旋转之外还环绕钻孔作圆周运动的情况。在 反向涡动中，钻头沿与钻头的旋转方向相反的方向作圆周运动。在地下钻探中同样值得关 注的"扭转振动"通常是称之为"粘滞滑动"的状况的结果。粘滞滑动在下列情况下发生， 钻头和钻柱的下部管段暂时停止旋转（即，卡住），同时钻柱的上部管段继续旋转，从而导 致钻柱"扭曲"，此后，粘滞元件"滑动"并再次旋转。通常，钻头将在它解除扭曲时过速。
[0004] 可将多种系统用于获得和处理与钻探操作相关的信息，这可有助于改进钻探效 率。已经研发了这样的系统，所述系统可从钻头附近的传感器接收信息并对所述信息进行 处理，且随后将所述信息传送至地表装置。其它系统可或者在钻探行程期间在井下确定或 者在地表处确定井底组件的振动。这种系统中的许多系统利用有限元技术和/或有限差分 技术来帮助分析包括振动信息在内的钻探数据。


【发明内容】

[0005] 本公开内容的实施方式包括具体表现在永久性的计算机可读介质上的方法、计算 机程序产品和用于对用于具有钻柱的钻探系统的振动信息进行预测的系统。所述钻柱包括 构造成在钻探操作期间在土壤地层中形成钻孔的钻头。无论是否经由计算机程序产品实施 或经由系统执行，所述方法都包括下列步骤：经由计算机处理器访问钻探系统部件信息，所 述钻探系统部件信息包括所述钻柱的一个或多个特性；和经由所述计算机处理器访问用于 所述钻探操作的预期操作信息，所述预期操作信息包括至少钻压（WOB)、所述钻头的旋转速 度、钻孔直径、和振动阻尼系数。附加步骤包括经由所述计算机处理器对用于所述钻柱的振 动信息进行预测，预测振动信息包括至少用于所述钻柱的轴向振动、横向振动、和扭转振动 中的每一个的幅度。对所述振动信息进行的预测基于根据用于所述钻探操作的所述预期操 作信息操作的所述钻柱的能量平衡和所述钻探系统部件信息进行。
[0006] 本公开内容的另一实施方式是一种钻探系统，所述钻探系统构造成在钻探操作期 间在土壤地层中形成钻孔。所述钻探系统可包括支承钻头的钻柱，所述钻头构造成限定所 述钻孔。所述钻探系统可包括至少一个计算装置，所述至少一个计算装置包括存储部分，所 述存储部分上存储有钻探系统部件信息，所述钻探系统部件信息包括所述钻柱的一个或多 个特性。所述存储部分还包括用于所述钻探操作的预期操作信息，所述预期操作信息包括 至少钻压（WOB)、所述钻头的旋转速度、钻孔直径、和振动阻尼系数。所述钻探系统还包括与 至少一个存储部分通信的计算机处理器，所述计算机处理器构造成对用于所述钻柱的振动 信息进行预测，预测振动信息包括至少用于所述钻柱的轴向振动、横向振动、和扭转振动中 的每一个的幅度。对所述振动信息进行的预测可基于根据用于所述钻探操作的所述预期操 作信息操作的所述钻柱的能量平衡和所述钻探系统部件信息进行。

【专利附图】

【附图说明】
[0007] 对于本申请的说明性实施方式的前述总结以及下列详细说明将在结合附图进行 阅读时得到最佳理解。出于说明本申请的目的，在视图中示出了说明性的实施方式。然而， 应该明白的是，本申请并不限于所示的精确结构和手段。在视图中：
[0008] 图1是根据本公开内容的实施方式的地下钻探系统的示意图；
[0009] 图2A是在图1中所示的钻探系统中使用的计算装置的框图；
[0010] 图2B是示出了图1中所示的钻探系统的一个或多个计算装置和钻探数据库的网 络的框图；
[0011] 图3A是示出了根据本公开内容的实施方式的操作图1中所示的钻探系统的方法 的框图；
[0012] 图3B是示出了根据本公开内容的实施方式的建立钻探系统模型的方法的框图；
[0013] 图4是示出了用于基于预测振动信息与测量振动信息之间的差异来修正钻探系 统模型的方法的框图；
[0014] 图5是示出了根据本公开内容的实施方式的用于修正钻探系统模型以减小预测 振动与测量振动之间的偏差的方法的框图；和
[0015] 图6是示出了用于操作图1中所示的钻探系统以便获得所需钻入速度并避免过度 振动的方法的框图；
[0016] 图7是根据本公开内容的示出了作为输入载荷的函数的幅度的钻探系统的能量 平衡的示例性计算机生成的显示；
[0017] 图8是用于根据本公开内容生成的示例性振动模式形状曲线的计算机生成的显 示；
[0018] 图9是用于根据本公开内容生成的示例性临界速度图的计算机生成的显示。

【具体实施方式】
[0019] 参照图1，钻探系统或钻探设备1构造成在钻探操作期间在土壤地层3中钻出钻孔 2。钻探系统1包括用于在土壤地层3中形成钻孔2的钻柱4、钻探数据系统12、以及至少 一个计算装置200。该计算装置200可群集（host)诸如软件应用之类的一个或多个钻探操 作应用，所述一个或多个钻探操作应用构造成执行多种用于监测钻探操作、控制钻探操作、 对与钻探操作相关的振动信息进行预测、和/或对与在钻探操作中使用的钻柱4相关的振 动信息进行预测的方法。该计算装置200与钻探数据系统12及一个或多个软件应用协作 以执行本文中所述的多种方法。尽管将钻孔2示出为竖向钻孔，但本文中所描述的系统和 方法可用于定向钻探操作，即，水平钻探。例如，钻柱4可构造成在土壤地层3中形成这样 的钻孔2,所述钻孔2沿着横向于与土壤地层3的地表11垂直的轴线的方向取向。
[0020] 继续参照图1，钻探系统或钻探设备1包括由地表11支承的钻塔9。该钻塔9支承 钻柱4。钻柱4具有顶端4a、底端4b、设置于钻柱4的顶端4a处的顶部接头（sub) 45、和设 置于钻柱4的底端4b处的井底组件6。井底组件6包括顶端6a和底端6b。钻头8联接至 井底组件6的底端6b。钻探系统1具有诸如顶部驱动器或旋转平台之类的原动机（prime mover)(未示出），其构造成旋转钻柱4以控制钻头8的旋转速度（PRM)和该钻头8上的扭 矩。钻柱4和钻头8的旋转由此限定钻孔2。按照惯例，泵10构造成将诸如钻探泥浆之类 的流体14向下泵送通过钻柱4中的内部通道。在于钻头8处离开之后，返回的钻探泥浆16 向上经过形成在土壤地层3中的钻孔2与钻柱4之间的环形通道流至地表11。诸如螺旋容 积式泵或"莫诺（Moineau)式"泵之类的泥浆马达40可以被结合到井底组件6中。泥浆马 达由通过泵且围绕在上述环形通道中的钻柱4周围的钻探泥浆14的流动来驱动。
[0021] 如在本文中所使用的钻探操作指的是限定钻孔2的一个或多个钻探行程。例如， 钻探操作可包括用于限定钻孔2的竖向段的第一钻探行程、用于限定钻孔2的弯曲段的第 二钻探行程、和用于限定钻孔2的水平段的第三钻探行程。多于三个的钻探行程是可能的。 对于困难的钻探操作而言，出于烃类抽提的目的，可完成多达10-15个钻探行程以限定钻 孔2。应该了解到的是，可将一个或多个井底组件用于每一个相应的钻探行程。如本文中所 描述的系统、方法、软件应用可用于执行下列方法，所述方法对钻探操作中的振动信息进行 监测、控制、和预测并对钻探操作中的特定钻探行程的振动信息进行监测、控制、和预测。
[0022] 在所示实施方式中，计算装置200可群集下列软件应用，所述软件应用构造成利 用钻探系统模型来对钻柱4的振动信息进行预测，如将在下文中进一步描述的那样。该振 动信息可包括钻柱4的轴向振动信息、横向振动信息和扭转振动信息，并且特别是钻柱4的 轴向振动、横向振动、和扭转振动中的每一个的模式形状和频率。应该了解到的是，振动模 式形状表示沿钻柱的相对位移。作为对于现有系统的改进，本文中所述的软件应用可基于 钻柱几何结构来对上述振动信息进行预测，基于预期钻探操作（例如，预期钻压、钻转速度 和流速）来对所施加的钻探载荷进行预测。在对振动信息进行预测时，软件应用对能量平 衡进行考虑以基于频率域型的有限元技术来确定振动烈度（severity)，如在下文中进一步 所描述的那样。与利用基于时间域的多种有限元技术的软件应用相比，基于钻探系统1的 能量平衡的软件应用获得了显著的处理时间改善。如下文中所讨论的那样，软件应用的基 于来自钻探操作的实时数据来修正预测振动信息的能力导致了钻探设备操作者或钻柱设 计者可对其作出回应的更为精确和准确的钻探操作信息。在钻探操作期间，本文中所述的 软件应用可用于对预期的钻探机能障碍（dysfunction)进行预测，例如部件磨损和由部件 替换所导致的可能的损失工时，并可进一步确定改良的钻探设定点以避免出现所述钻探机 能障碍。此外，软件应用可对钻柱4的振动信息进行预测，访问表示钻柱4的测量振动的数 据，并在预测振动信息与测量振动之间存在差异的情况下对该预测振动信息进行修正，如 将在下文中进一步详细说明的那样。
[0023] 参照图1，钻探系统1可包括多个传感器，所述多个传感器构造成在钻探操作期间 测量用于在本文中所述的方法中使用的钻探数据。钻探数据可包括预期操作参数，例如，用 于W0B、旋转速度（RPM)和钻头旋转速度（RPM)的预期操作参数。在所示实施方式中，钻柱 顶部接头45包括用于测量钻探数据的一个或多个传感器。例如，所述一个或多个传感器可 以是应变仪48,所述应变仪48测量顶部接头45上的轴向载荷（或起吊载荷）、弯曲载荷、 和扭转载荷。该顶部接头45传感器还包括三轴加速度计49,该三轴加速度计49对钻柱4 的顶端4a处的振动进行感测。
[0024] 继续参照图1，井底组件6可还包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器构 造成测量钻孔2中的钻探参数。此外，该井底组件6包括振动分析系统46,该振动分析系统 46构造成基于从钻孔中的传感器获得的与钻探操作有关的信息来确定各种振动参数。在下 文中将对振动分析模块进一步作出详细说明。井底组件传感器可呈应变仪、加速度计、压力 计及磁力仪的形式。例如，井底组件6可包括测量W0B的井下应变仪7。在名称为"用于测 量在钻井中操作的钻头上的重量和扭矩的设备"的美国专利No. 6, 547, 016描述了一种用于 利用井下应变仪测量W0B的系统，由此，将该专利的全部内容以参引的方式结合到本文中。 此外，应变仪7可构造成测量钻头扭矩（"T0B"）和钻头弯矩（"BOB"）及W0B。在替代实 施方式中，钻柱可包括接头（未标号），该接头结合了用于测量WOB、T0B和BOB的传感器。 这种接头可被称之为"WTB接头"。
[0025] 此外，井底组件传感器可还包括至少一个磁力仪42。该磁力仪构造成利用例如在 名称为"用于确定钻柱的角度取向的方法和系统"的美国专利No. 7, 681，663中的技术来测 量钻头8的瞬时旋转速度，该美国专利的全部内容以参引的方式结合到本文中。井底组件 传感器可还包括沿x、y和z轴（未示出）取向（通常范围为±250g)的加速度计44,所述 加速度计44构造成测量轴向振动和横向振动。尽管加速度计44被示出为设置在井底组件 6上，但是应该了解到的是，可将多个加速度计44安装于沿钻柱4的多个位置处，使得可对 沿该钻柱的多个位置处的轴向振动信息和横向振动信息进行测量。
[0026] 如上所述，井底组件6包括振动分析系统46。该振动分析系统46构造成从加速 度计44接收与钻柱4的轴向振动和横向振动相关的数据。基于从加速度计接收到的数据， 该振动分析系统46可确定钻柱4上的加速度计的位置处的轴向振动的测量幅度和模式形 状以及由于正向和反向涡动所导致的横向振动的测量幅度和模式形状。轴向振动的测量幅 度和频率以及横向振动的测量幅度和频率可被称之为测量振动信息。所述测量振动信息可 还被传送至地表11并且由钻探数据系统12和/或计算装置200进行处理。该振动分析系 统46可还从磁力仪42接收与钻柱在磁力仪42位置处的瞬时旋转速度相关的数据。该振 动分析系统46随后确定由于粘滞滑动所导致的扭转振动的幅度和频率。通过计算钻柱在 给定时间段内的最大瞬时旋转速度与最小瞬时旋转速度之间的差异来确定实际扭转振动 的测量频率和幅度。由此，测量振动信息可还指的是测量扭转振动。
[0027] 根据本公开内容，为了减少用于振动信息的数据传送，钻探数据可被分组成范围 和用于表示这些范围中的数据的简单值。例如，振动幅度可被报告成〇、1、2或3以分别表 示正常振动、高振动、强烈振动、或临界振动。一个用于报告频率的方法是将数字1至10赋 予例如振动频率的值，使得数值1表示处于〇至100Hz范围中的频率，数值2表示处于101 至200Hz范围中的频率等。振动模式可通过对数字1至3进行分配，使得例如数值1表示 轴向振动，2表示横向振动，并且3表示扭转振动来报告。如果仅将这种缩写的振动数据传 送至地表，则诸如与将反向涡动频率用于确定钻孔直径结合使用的傅里叶分析之类的至少 一些数据分析可在安装在井底组件6中的处理器中执行。{注意：当前，我们并未这样做， 但已经考虑在将来实施它}
[0028] 井底组件传感器可还包括至少第一压力传感器51和第二压力传感器52,所述第 一压力传感器51和所述第二压力传感器52测量流过钻孔2中的钻探系统部件的钻探泥浆 的压力。例如，第一压力传感器51和第二压力传感器52分别测量（沿钻孔向下）流经钻 柱4的钻探泥浆的压力和沿钻孔向上流经钻孔壁与钻柱4之间的环形间隙的钻探泥浆的压 力。差压被认为是沿钻孔向下流动的钻探泥浆与沿钻孔向上流动的钻探泥浆之间的压力 差。有时，差压可被认为是离开井底的压力与在井底的压力之间的差异，如在现有技术中所 知。压力信息可被传送至钻探数据采集系统12和/或计算装置200。在所示实施方式中， 第一压力传感器51和第二压力传感器52可被结合在振动分析系统46中。
[0029] 此外，钻探系统1可还包括设置在钻塔9上的一个或多个传感器。例如，钻探系统 可包括用于确定W0B的起吊载荷传感器30和用于感测钻柱4的钻柱旋转速度的附加传感 器32。起吊载荷传感器30例如通过利用应变仪测量绞车缆线（未标号）中的张力来测量 钻柱的悬挂重量。该缆线延伸通过三个支承件并且所述支承件将已知的横向位移施加在该 缆线上。应变仪测量由于缆线中的张力而导致的横向应变的大小，该横向应变的大小随后 用于计算轴向载荷和W0B。在另一实施方式中，可利用电子数据记录仪（EDR)来获得钻探数 据。该EDR可在地表处测量操作载荷。例如，EDR可利用传感器测量起吊载荷（地表处的 钻柱的张力载荷）、扭矩、压力、差压、旋转速度、流量。钻压（W0B)可通过起吊载荷、钻柱重 量、和载荷的从离开井底至井底的变化计算而得。可通过马达电流消耗来测量扭矩。流量 可基于泵冲程数和每冲程泵送的容积。差压是井底压力与离开井底的压力之间的差异。
[0030] 如将在下文中进一步详细说明的那样，该钻探数据系统12可以是与计算装置200 电子通信的计算装置。该钻探数据系统12构造成接收、处理、和存储从上述井下传感器获 得的多种钻探操作信息。因此，钻探数据系统12可包括多种用于在钻柱部件与钻探数据系 统12之间传送数据的系统和方法。例如，在有线管道实施方案中，来自井底组件传感器的 数据被传送至顶部接头45。来自顶部接头45传感器的数据以及来自有线管道系统中的井 底组件传感器的数据可利用无线遥测术而被传送至钻探数据系统12或计算装置200。一个 这种用于无线遥测术的方法公开在于2009年2月20日提交的名称为"来自旋转元件的同 步遥测术"的美国申请No. 12/389, 950中，该美国申请的全部内容以参引的方式被结合到本 文中。此外，钻探系统1可包括泥浆脉冲遥测系统。例如，泥浆脉冲装置5可被结合到井底 组件6中。该泥浆脉冲遥测系统将诸如来自振动分析系统46的振动信息之类的来自井下 装置的数据编码，并且利用脉冲装置5将编码脉冲传送至地表11。此外，钻探数据可利用诸 如声学传送或电磁传送之类的其它方式传送至地表。
[0031] 参照图2A，任何适用的计算装置200均可构造成群集软件应用，用于如在本文中 所述的对振动信息进行监测、控制和预测。将会明白的是，计算装置200可包括任何适当 的装置，所述任何适当的装置的示例包括台式计算装置、服务器计算装置、或便携式计算装 置，例如笔记本计算机、平板电脑或者智能手机。在图2A中所示的示例性构造中，计算装置 200包括处理部分202、存储部分204、输入/输出部分206、和用户界面（UI)部分208。所 强调的是，该计算装置200的框图描绘是示例性的且并非意在暗示特定的实施方案和/或 构造。处理部分202、存储部分204、输入/输出部分206和用户界面部分208可被联接在 一起以允许在其间进行通信。如应该了解到的那样，上述部件中的任一部件均可横越一个 或多个分离的装置和/或位置进行分布。例如，处理部分202、存储部分204、输入/输出部 分206和用户界面部分208中的任一个均可与钻探数据系统12电子通信，该钻探数据系统 12如上所述可以是与如本文中所述的计算装置200相似的计算装置。此外，处理部分202、 存储部分204、输入/输出部分206和用户界面部分208中的任一个可均能够从设置在钻柱 4上的振动分析系统46和/或一个或多个传感器接收钻探数据。
[0032] 在多个实施方式中，输入/输出部分106包括计算装置200的接收器、计算装置 200的传送器、或用于有线连接的电子连接器、或其组合。该输入/输出部分206能够接收 和/或提供与同诸如国际互联网之类的网络进行通信相关的信息。如应该了解到的那样， 传送和接收功能可还由位于计算装置200的外部的一个或多个装置提供。例如，输入/输 出部分206可与沿钻孔向下设置在井底组件6上的一个或多个传感器和/或数据采集系统 12电子通信。
[0033] 取决于处理器的确切构造和类型，存储部分204可以是易失性的（例如某些类型 的随机存取存储器（RAM))、非易失性的（例如只读存储器（ROM)、闪存等）、或者其组合。计 算装置200可包括附加存储器（例如，可移动存储器和/或固定存储器），所述附加存储器 包括但不限于磁带、闪存、智能卡、⑶-ROM、数字通用光盘（DVD)或其它光学存储器、卡型盒 式磁带机、磁带、磁盘存储器或其它磁存储装置、通用串行总线（USB)兼容存储器、或者可 用于存储信息并可由计算装置200存取的任何其它介质。
[0034] 计算装置200可包括用户界面部分208,该用户界面部分208可包括输入装置209 和/或显示器213 (输入装置210和显示器212未示出），该用户界面部分208使得用户能 够与计算装置200通信。用户界面208可包括输入装置，所述输入装置提供用于经由例如 按钮、软键盘、鼠标、声动控制器、触屏、计算装置200的运动、视觉线索（例如，在计算装置 200上的摄像机前移动手）等来控制计算装置200的能力。用户界面208可提供输出，所述 输出包括视觉信息，例如经由显示器213对于一个或多个钻探参数的多个操作范围的视觉 表示。其它输出可包括声频信息（例如，经由扬声器）、机械信息（例如，经由振动机构）、 或其组合。在多种构造中，用户界面208可包括显示器、触屏、键盘、鼠标、加速度计、运动检 测器、扬声器、麦克风、摄像机、或者其任一组合。用户界面208可还包括用于输入诸如指纹 信息、视网膜信息、声音信息、和/或面部特征信息之类的生物统计信息以便获得用于访问 计算装置200的具体生物统计信息的任何适用的装置。
[0035] 参照图2B，示出了示例性的且适用的通信体系结构，该通信体系结构可有助于监 测钻探系统1的钻探操作。这种示例性的体系结构可包括一个或多个计算装置200、210和 220,所述一个或多个计算装置中的每一个均可经由共用的通信网络240与数据库230和钻 探数据采集系统12电子通信。尽管被示意性地示出为与计算装置200分离开，但数据库 230也可以是计算装置200的存储部分104的部件。应该了解到的是，可设想出多种适用 的替代通信体系结构。当已将钻探控制和监测应用安装到诸如上述计算装置之类的计算装 置200上时，它可在诸如国际互联网之类的共用网络240上的其它计算装置之间传递信息。 对于当前构造，用户24可经由网络240将与一个或多个钻探参数有关的信息传送至井底组 件6的供应商的计算装置210,或者导致这种传送发生，或者作为选择经由网络240将所述 信息传递至另一第三方（例如，钻探系统所有者1)的计算装置220。第三方可经由显示器 查看如在本文中所述的用于一个或多个钻探参数的多个操作范围。
[0036] 图2B中所描绘的计算装置200和数据库230可由例如现场的钻探设备操作者、现 场所有者、钻探公司、和/或钻探系统部件的任何制造商或供应商、或诸如提供钻柱设计服 务的第三方之类的其它服务提供商完全或部分操作。如应该了解到的那样，上述每一方和 /或其它相关方可操作任何数量的相应的计算机并且可利用包括例如诸如国际互联网之类 的广域网（WAN)或局域网（LAN)的任何数量的网络内部地和外部地通信。数据库230可例 如用于存储与一个或多个钻探参数、来自前一钻探行程的多个操作范围、当前钻探行程相 关的数据、以及与用于钻柱部件的模型相关的数据。此外，应该了解到的是，如本文中所使 用的"访问"可包括重新获取存储在本地计算装置的存储部分中的信息，或经由网络将指令 发送至远程计算装置，以致使信息被传送至本地计算装置的存储部分用于本地访问。此外 或者作为选择，访问可包括访问存储在远程计算装置的存储部分中的信息。
[0037] 返回至图3A，根据所示实施方式，在步骤100中启动用于对用于钻探操作的钻探 数据和预测振动信息进行监测、控制的方法50。在步骤100中，用户可输入钻探部件数据。 例如，用户指定钻柱部件，例如井底组件或随钻测量（"MWD"）工具，以及适用于每一个这种 部件的振动极限。钻柱和/或井底组件数据可通过操作者输入或存储在数据库230中或计 算装置100的存储器中。井底组件数据可如上所述被软件应用访问。在步骤100中输入的 数据可包括：
[0038] (i)构成钻柱的钻杆管段的外径和内径，
[0039] (ii)稳定器的位置，
[0040] (iii)钻柱的长度，
[0041] (iv)钻柱的倾斜角度，
[0042] (V)使用弯曲接头的情况下的弯曲角度，
[0043] (vi)材料特性，特别是弹性模量、材料密度、扭转弹性模量、和泊松比，
[0044] (vii)用于振动阻尼的泥浆特性，特别是泥浆重量和粘度，
[0045] (viii)沿钻井的长度的钻孔直径，
[0046] (ix)方位角、建造速率和转向速率，
[0047] (x)稳定器和钻头的直径，和
[0048] (xi)与地层的诸如走向和倾角之类的特性相关的信息。
[0049] 在替代实施方式中，在步骤100期间，与钻柱部件相关的信息可还在每次添加钻 柱的新管段时或者在启动新的钻探行程时由操作者来更新。
[0050] 在步骤101中，用于钻探操作的预期操作信息可被输入在软件应用中并且按照需 要存储在钻探数据系统或计算装置1〇〇中。预期操作信息可在现场被导出或者可被根据钻 探计划来确定。预期操作信息包括（i)WOB、（ii)钻柱旋转速度、（iii)泥浆马达旋转速度、 (iv)钻孔的直径、和（v)任意阻尼系数。
[0051] 在步骤102中，软件应用对钻柱的振动信息进行预测。预测振动信息包括至少钻 柱4的轴向振动、横向振动、和扭转振动中的每一个的幅度。如将在下文中进一步详细说明 并且在图3B中所示的那样，对振动信息进行的预测基于根据用于钻探操作的预期操作信 息操作的钻柱的能量平衡方法和钻探系统部件信息进行。此外，预测振动信息可包括频率 和模式形状信息。在步骤102期间，软件应用可还启动用于在下文中所讨论的预测模型中 使用的一个或多个分析。特别地，软件应用可进行静态弯曲分析以确定井底组件6的弯曲 信息。所述弯曲信息包括计算出的井底组件挠度、沿井底组件的长度的侧向力、弯曲力矩、 和标称弯曲应力。软件应用还执行所谓的"预测分析"，其中，它利用弯曲分析信息来对钻柱 将进行钻探所沿的方向进行预测。
[0052] 在步骤104中，软件应用基于由振动分析系统46中的传感器测量的振动信息来计 算用于特定钻柱部件的振动示警界限。例如，如在下文中所讨论的那样，基于预测模式形 状，软件应用可确定在加速度计位置处的测量振动的何种量级会在关键钻柱部件的钻柱位 置处导致过度振动。
[0053] 在步骤106中，钻探操作继续进行或启动该钻探操作。例如，诸如步骤100至104 之类的一个或多个在先步骤可在钻探操作之前被启动，以有助于研宄出钻探计划并帮助设 计井底组件。
[0054] 在步骤108中，软件应用可从钻探设备地表传感器接收钻探数据。在步骤109中， 软件应用可从井下传感器接收钻探数据。应该了解到的是，钻探设备地表钻探数据和井下 钻探数据可被存储在钻探数据系统12和/或计算装置200中的计算机存储器中。通信系 统可将来自钻探设备地表传感器和井下传感器的钻探数据传送至钻探数据系统12。来自地 表传感器的钻探数据优选地被连续地传送至所述系统12。只要将井下钻探数据发送至地 表（优选地至少每数分钟），就将来自井下传感器的钻探数据传送至钻探数据系统12。软 件应用可随后存取钻探设备地表钻探数据和井下钻探数据。无论软件应用是否访问或接收 钻探数据，钻探数据均可在钻探操作期间被软件应用持续不断地使用。
[0055] 在步骤110中，钻探数据和钻探状态可被传送至远程计算装置，例如远程计算装 置210 (图2B)。并未位于组钻探设备现场的用户可例如通过登录到计算装置210中并经由 诸如国际互联网之类的通信网络240存取该钻探数据而下载和查看所述数据。在步骤112 中，软件应用确定输入到软件应用中的钻探参数中的任一个是否已经改变。如果钻探参数 已经改变，软件应用就因此更新钻探数据。此外，如果钻探参数尚未改变，则在方框114中， 可运行可选择的损失性能分析，所述可选择的损失性能分析例如与以参引的方式结合到本 文中的美国专利No. 8, 453, 764中公开的损失性能分析相似。过程控制可被转移并且图5 中所示的方法701可被启动，如将在下文中进一步详细说明的那样。
[0056] 转向图3B，图3B示出了一种用于对钻探系统的振动信息进行预测的方法70。应 该了解到的是，方法70的该方面可被在上述步骤100至102之前或者连同其一起执行。图 3B示出了可如何研发出并且在钻探操作中使用钻探系统模型。因此，方法70的每个步骤均 无需在钻探设备现场或在钻探操作期间执行，而是可在钻探操作之前进行。
[0057] 继续图3B，方法70在步骤260中通过利用有限元技术限定钻探系统模型而启动， 如在下文中进一步详细说明的那样。在步骤260中，所述方法可包括访问钻探系统部件数 据。所述钻探系统部件数据包括通常在有限元模型中使用的钻柱的一个或多个特性。钻柱 的所述一个或多个特性包括钻柱几何结构数据。钻柱几何结构数据包括构成钻柱的钻杆管 段的外径和内径、稳定器的位置、钻柱的长度、钻柱的倾斜角度、使用弯曲接头的情况下的 弯曲角度、稳定器和钻头的直径。钻柱几何结构数据还包括钻柱部件的材料特性，特别是弹 性模量、材料密度、扭转弹性模量、和泊松比，以及基于钻探泥浆特性的特性的振动阻尼系 数，所述钻探泥浆特性特别是泥浆重量和粘度。在步骤262中，软件应用可访问钻孔信息。 钻孔信息可包括沿钻孔的长度的钻孔直径、方位角、建造速率、转向速率、与地层的诸如走 向和倾角之类的特性相关的信息。
[0058] 继续图3B，在步骤266至272中，钻探系统模型的部件被进一步利用诸如ANSYS和 /或LISA之类的有限元系统进行处理。在步骤274至280中，执行静态弯曲分析和所谓的 预测分析。在步骤282中，基于在步骤274-280中确定的弯曲信息，软件应用确定在钻头处 的力是否平衡。在步骤282中，软件应用可确定钻头上的侧向力是否等于零。例如，如果钻 头上的力并未平衡，则所述模型表明与（所述模型中的）钻孔壁接触。如果所述力并不平 衡，则将过程控制转移至步骤284并且改变钻孔的曲率，并且再次运行步骤272至282,直到 在步骤282中获得平衡。
[0059] 在步骤286至294中，软件应用对钻柱的振动信息进行预测。在步骤286中，软件 应用启动振动分析操作。例如，软件应用启动振动模态分析。预测振动信息包括钻柱的轴 向振动、横向振动、和扭转振动的幅度。此外，研宄出用于轴向振动、横向振动、和扭转振动 的频率和模式形状。对振动信息进行的预测基于根据预期操作信息操作的钻柱的能量平衡 和钻探系统部件信息进行，如将在下文中进一步详细说明的那样。
[0060] 在步骤288中，软件应用可首先确定模型钻柱部件的钻探激振力。在步骤289中， 软件应用将确定的钻探激振力施加至该模型。例如，软件应用可基于钻柱的预期操作载荷 和频率将已知的激振载荷施加至钻柱。
[0061] 在步骤209中，软件应用应用能量平衡方法以确定沿钻柱的振动信息，特别是确 定沿钻柱的轴向振动、横向振动、和扭转振动的幅度。利用能量平衡方法，考虑到在钻探 操作期间由于钻探系统部件的振动而耗散的能量，预测振动信息基于对作为施加至钻柱的 一个或多个力的函数的供给至钻探操作的能量进行的分析。向钻探系统的所供给的能量 ES(J)可通过下列等式计算出：

【权利要求】
1. 一种用于对用于具有钻柱的钻探系统的振动信息进行预测的方法，所述钻柱包括构 造成在钻探操作期间在土壤地层中形成钻孔的钻头，所述方法由计算机执行并且包括下列 步骤： 经由计算机处理器访问钻探系统部件信息，所述钻探系统部件信息包括所述钻柱的一 个或多个特性； 经由所述计算机处理器访问用于所述钻探操作的预期操作信息，所述预期操作信息包 括至少钻压（WOB)、所述钻头的旋转速度、钻孔直径、和振动阻尼系数；以及 经由所述计算机处理器对用于所述钻柱的振动信息进行预测，预测振动信息包括至少 用于所述钻柱的轴向振动、横向振动、和扭转振动中的每一个的幅度，对所述振动信息进行 的预测基于根据用于所述钻探操作的所述预期操作信息操作的所述钻柱的能量平衡和所 述钻探系统部件信息进行。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，对振动信息进行预测的步骤包括确定用于所述 钻柱的所述横向振动、所述轴向振动、和所述扭转振动中的每一个的幅度，其中，供给至钻 探操作的能量与在所述钻探操作期间由于所述钻探系统部件的振动而耗散的能量相等。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，对振动信息进行预测的步骤限定模型，所述模型 是将所述能量平衡应用于所述钻柱的频域类型的有限元模型。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述预测振动信息包括用于轴向振动、横向振动 和扭转振动中的至少一个的模式形状。
5. 根据权利要求1所述的方法，还包括基于所述钻柱的所述预期操作信息和所述预测 振动信息确定用于所述钻柱的临界速度的步骤。
6. 根据权利要求6所述的方法，其中，确定所述钻柱的所述临界速度的步骤包括基于 钻压和旋转速度中的至少一个来确定所述临界速度。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述钻柱的所述一个或多个特性包括钻柱几何 结构、所述钻柱的材料特性、所述钻柱上的稳定器的位置和数量、所述钻柱的倾斜角度、和 钻头几何结构。
8. 根据权利要求1所述的方法，还包括经由通信系统接收所述钻探系统部件信息的步 骤。
9. 根据权利要求1所述的方法，还包括经由通信系统接收用于所述钻探操作的所述预 期操作信息的步骤。
10. -种钻探系统，所述钻探系统构造成在钻探操作期间在土壤地层中形成钻孔，所述 钻探系统包括： 支承钻头的钻柱，所述钻头构造成限定所述钻孔； 至少一个计算装置，所述至少一个计算装置包括存储部分，所述存储部分上存储有钻 探系统部件信息，所述钻探系统部件信息包括所述钻柱的一个或多个特性，所述存储部分 还包括用于所述钻探操作的预期操作信息，所述预期操作信息包括至少钻压（WOB)、所述钻 头的旋转速度、钻孔直径、和振动阻尼系数；以及 与所述存储部分通信的计算机处理器，所述计算机处理器构造成对用于所述钻柱的振 动信息进行预测，预测振动信息包括至少用于所述钻柱的轴向振动、横向振动、和扭转振动 中的每一个的幅度，其中，对所述振动信息进行的预测基于根据用于所述钻探操作的所述 预期操作信息操作的所述钻柱的能量平衡和所述钻探系统部件信息进行。
11. 根据权利要求10所述的钻探系统，其中，对振动信息进行的预测基于用于所述钻 柱的所述横向振动、所述轴向振动、和所述扭转振动中的每一个的幅度进行，其中，供给至 所述钻探操作的能量与在所述钻探操作期间由于作为施加至所述钻柱的一个或多个力的 函数的所述钻探系统部件的振动而耗散的能量相等。
12. 根据权利要求10所述的钻探系统，其中，所述预测振动信息通过将所述能量平衡 作为施加至所述钻柱的一个或多个力的函数应用于所述钻柱而基于频域类型的有限元模 型进行。
13. 根据权利要求10所述的钻探系统，其中，所述预测振动是用于沿所述钻柱的轴向 振动、横向振动和扭转振动中的至少一个的模式形状。
14. 根据权利要求10所述的钻探系统，其中，所述钻柱中的所述一个或多个特性包括 钻柱几何结构、所述钻柱的材料特性、所述钻柱上的稳定器的位置和数量、所述钻柱的倾斜 角度、和钻头几何结构。
【文档编号】E21B44/00GK104514539SQ201410498377
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】马克·埃尔斯沃思·瓦塞尔 申请人:Aps技术公司