检测钻探功能异常的方法
【专利说明】
[0001] 对相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2012年11月13日提交的美国临时专利申请No. 61/725, 900的权 益，其公开内容通过引用被合并于此。
技术领域
[0003] 本技术一般涉及用于根据表面记录的钻探数据检测井下钻探功能异常的系统和 方法。更具体地，本公开内容涉及可以在与烃相关的钻探操作中实现的系统和方法。
【背景技术】
[0004] 诸如油和气等的烃的生产已经进行了许多年。为了生产这些烃，现场的一个或多 个井被钻探到亚表层（subsurface)位置，这种亚表层位置一般被称为地下地层或盆地。从 亚表层位置生产烃的过程通常涉及从概念选择阶段到生产阶段的各种开发阶段。所述开发 阶段中的一个阶段涉及形成从表面到亚表层位置的流体管道的钻探操作。钻探操作可以涉 及使用不同的装备，诸如液压系统、钻杆、钻头、泥浆马达等，这些装备被用来钻探到目标深 度。
[0005] 在利用基于水的泥浆钻探页岩时，钻头泥包（bitballing)被识别为无效钻头特 性的主要原因。当钻探某些碳酸盐地层时，也会有问题。钻头泥包是钻肩之间内聚的结果， 从而在钻头的开口槽区域中产生堵塞。基本上，钻头泥包有两个阶段：可逆和不可逆。可逆 或初期的钻头泥包可以通过减少钻压（W0B)和离底（off-bottom)清洗钻头来缓解。不可 逆的钻头泥包指可能需要起钻以清洗钻头的严重泥包。如果不采取缓解动作，则可逆钻头 泥包可能仅需要大约10-15分钟就会变成不可逆的泥包。因此，及时检测可逆钻头泥包并 立即采取缓解动作是至关重要的。这可以潜在地提供实质性的经济利益，包括节省起钻和 减少钻探成本。
[0006] 随着诸如页岩气田等的非常规资源的日益增加的开发，钻头泥包的检测和缓解扮 演着日益重要的角色。因此，石油行业致力于开发用于检测钻头泥包和其它钻探功能异常 的方法。评估泥包风险的一种方法是基于阳离子交换量（CEC)。钻头泥包的严重性与页 岩的电化学特性相关，这可以由CEC表不（JournalofCanadianPetroleumTechnology 45(6) : 26-30)。但是，这种方法依赖于钻探数据与CEC之间的经验关系，因此不能容易地从 一个现场扩展到其它现场。而且，当不可逆钻头泥包在钻探操作中发生时，这种方法不提供 不可逆钻头泥包的实时指示。
[0007] 另一种方法是基于监视钻探机构的数据，诸如穿透速率（R0P)、机械比能量 (MSE)、扭矩、钻压（W0B)等等。现场和实验室观察显示，当钻头泥包事件发生时：（1)扭矩 下降；以及（2)R0P显著减小并且随后对于W0B、流速或旋转速度RPM(每分钟的转数）的变 化不作响应（SPE19926)。美国专利No. 7, 857, 047和7, 896, 105示出了通过跟踪MSE检测 严重钻头泥包的例子。
[0008] 美国专利No. 7, 857, 047公开了一种与烃的生产关联的方法。在一种实施例中，描 述了一种方法，包括在现场钻井到亚表层位置，以提供烃到生产设施的流体流路径。在钻探 操作过程中测量机械比能量（MSE)数据和其它数据。使用MSE和附加的钻探数据来确定至 少一个限制因素的存在。获得并检查用于井的岩性数据，并且基于所述岩性数据识别主要 的限制因素。调整钻探操作以缓解至少一个限制因素。
[0009] 美国专利No. 7, 896, 105公开了一种从亚表层地层钻探和生产烃的方法。在一种 实施例中，描述了一种方法，包括在现场钻井到亚表层位置，以提供烃到生产设施的流体流 路径。钻探是通过估计井的钻探速率并且确定所估计的钻探速率与实际钻探速率之间的差 别来执行的。在钻井过程中获得机械比能量（MSE)数据和其它测得的数据。使用MSE数据 和其它数据来确定限制钻探速率的多个限制因素之一。调整钻探操作以缓解其中的一个限 制因素。重复所述操作，直到钻探操作已经到达亚表层地层。
[0010] MSE等于机械能量输入与被钻头除去的岩石体积之比。因此，MSE对岩石强度以及 诸如底部钻机组合（BHA)涡动和粘滑等的其它钻探功能异常也是敏感的。但是，为了检测 初期的钻头泥包，对钻头性能更敏感并且对岩石强度不太敏感的局部参数将是有用的。
[0011] 数据采集技术的最近发展有助于基于所收集的数据监督钻探。许多处于钻机的表 面数据采集系统可以提供通常具有1HZ的采样速率的相对高的精确度，或者有时候甚至更 高具有10Hz的采样速率。通常可用的表面数据通道包括RPM、W0B、扭矩、R0P、MSE、流速、立 管压力、孔深度、钻头深度，等等。此外，使用随钻测量（MWD)设备的井下钻探数据对钻头状 态提供更直接的测量。MWD的采样速率可以比表面数据的采样速率高得多，通常从50Hz至 高达4kHz，但是这种井下数据到表面的更新通常慢得多，通常以MWD通道更新之间几十秒。
[0012] 因此，基于表面数据的检测仍然优于井下MWD工具。泥浆遥测的低数据传输速率 是井下数据应用的瓶颈。除了数据速率问题之外，基于表面数据的检测是以更低成本实现 的，因为MWD操作起来是昂贵的并且工具可能在井下丢失。通过降低成本和简化钻柱，表面 测量可以大大有益于非常规资源（页岩气）的钻探。这些技术可以通过使用数据驱动的建 议系统来实现。
[0013] 基于数据驱动的建议系统的例子在国际专利申请公开No.W0/2011/016927和 W0/2011/0216928中描述。这些申请公开了利用目标函数的系统和方法。用于控制钻探操 作的方法和系统包括利用统计模型来识别至少一个与合并了两个或更多个钻探性能测量 的目标函数有显著关联的可控钻探参数。至少部分地基于所述统计模型，为至少一个可控 钻探参数生成操作推荐。选择操作推荐以优化目标函数。
【发明内容】
[0014] 本文所述的实施例提供了一种在钻头穿透地下地层时检测井下钻头功能异常的 方法，包括：接收表征井筒钻探操作的多个钻探参数并且在钻探过程中的多个点中的每个 点计算钻头攻击性（y)，其中每个点对应于时间、深度或者这二者。在所述多个点中的每个 点计算切割深度0)〇C)、作为dy/dt计算的钻头攻击性的时间导数（或者这二者。生成 所述点的二维数据表示，在一个维度中包括y并且在另一个维度中包括D0C、|X或者这二 者。从所述二维数据表示提取数据特征。通过比较所提取的数据特征与预定标准来识别井 下钻头功能异常。
[0015] 另一种实施例提供了一种用于检测井下钻头功能异常的系统，包括：处理器以及 包括计算机可读指令的存储介质。计算机可读指令配置为指示处理器获得表征井筒钻探 操作的多个钻探参数并且在多个点中的每个点计算钻头攻击性（iO，其中每个点对应于时 间、深度或者这二者；在所述多个点中的每个点计算切割深度〇)〇c)。计算机可读指令还指 示处理器生成所述多个点的二维数据表示，在一个维度中包括y并且在另一个维度中包 括D〇c、[i.或者这二者，并且从所述二维数据表示提取数据特征。计算机可读指令还包括指 示处理器通过比较所提取的数据特征与预定标准来识别井下钻头功能异常并且传送所检 测到的钻头功能异常的指令。
[0016] 另一种实施例提供了一种自动确定离底钻柱扭矩的方法。所述方法包括：接收关 于表征井筒钻探操作的多个钻探参数的数据，其中所述多个钻探参数包括表面扭矩、钻柱 旋转速度（RPM，每分钟的转数）、钻压（W0B)、孔深度或钻头深度、或者其任意组合。如果钻 头深度小于孔深度；RPM在目标范围内；以及W0B小于阈值，则表面扭矩被记录为离底钻柱 扭矩数据点。离底钻柱扭矩是作为离多个离底钻柱扭矩数据点的深度的函数来计算的。
【附图说明】
[0017] 通过参考以下具体描述和附图，本技术的优点可以得到更好的理解，其中：
[0018] 图1是用于形成到地层104的井筒102的钻探操作100的图；
[0019] 图2A和2B是示出在钻探操作100过程中钻头泥包发生的图；
[0020] 图3是装备成用于检测井下钻头功能异常的钻机300的示意图；
[0021] 图4是在钻头穿透地下地层时检测井下钻头功能异常的方法的过程流程图；
[0022] 图5是用于对非机动钻探操作自动确定离底钻柱扭矩TQ。的方法500的过程流程 图；
[0023] 图6A和6B是说明从表面扭矩TQS自动提取离底扭矩TQ^的图；
[0024] 图7是说明对于初期的钻头泥包事件钻头攻击性（i〇和其它钻探参数在时间域 中的变化的图；
[0025] 图8A和8B是说明对于粘滑事件和钻头磨损事件钻头攻击性（i〇和其它钻探参 数在时间域中的变化的图；
[0026] 图9A-9D是y对D0C的诊断图，说明了正常钻探与钻头功能异常之间的差别； [0027]图10是用于在相平面（y对fi)内使用y的诊断图的方法的框图；
[0028] 图11A-11C是说明在y对[i的诊断相平面上的严重粘滑事件的图；以及
[0029] 图12A-12C是说明在y对"的诊断相平面上的低