用于监测钻井系统的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及对用于石油及天然气勘探的钻井系统进行监测的系统和方法，具体涉 及实时估计井下钻具的寿命消耗以及寿命的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 在现代化石油及天然气勘探的复杂机电系统中使用到钻井系统。钻井系统包括地 上部件以及井下钻具。钻井组件是打破并穿过地下岩层的井下钻探工具。钻井组件包括钻 头和钻铤。它也可包括井下发动机、旋转导向系统、遥测发射器，以及随钻测量（MWD)仪器 和随钻测井（LWD)仪器。尽管MWD指的是在钻探继续的同时对钻井组件的运动和位置的测 量，并且LWD更侧重于对岩层特性的测量，但是它们二者在本公开中可以互换使用。
[0003] 在钻探过程中测量的岩层特性通常包括电阻率、密度、孔隙率、渗透性、声学特性、 核磁共振特性、流体或岩层的腐蚀特征，以及盐或盐水含量。所测量的钻井组件参数通常包 括速度、振动、弯曲力矩等。井下振动还可分类为：沿钻柱轴线的轴向振动（例如，钻头回 弹）；相对于钻柱轴线呈横向的横向振动（例如，涡动）；以及关于钻柱轴线呈旋转路径的 扭转振动（例如，粘滑）。MWD/LWD仪器还监测钻井操作参数，包括钻压（W0B)、钻井流体流 速、压力、温度、渗透率、方位角、工具面、钻头旋转等。
[0004] 作为MWD/LWD仪器的替代或补充，电缆测井可用于检查地层。通常，在将钻柱从钻 孔中移出之后，探测器被降落到感兴趣的区域底部并随后上拉。在向上行进中，探测器沿其 路径测量岩层特性。
[0005] 利用传感器来获取对MWD/LWD仪器和电缆测井法的测量。其他电子部件包括例如 是印刷电路板组件（PCBA)和晶体管的有源部件，或者例如是电阻和电容的无源部件。PCBA 的使用遍布于整个钻井组件。例如，PCBA可用于电源、温度传感器、压力传感器、电池等的 操作中。PCBA中的主存储器电路板、读取器电路板、发射器或接收器电路板以及加速器电路 板常用于井下环境。
[0006] PCBA可通过任何已知方法来连接于钻井组件的各个传感器上。在一些实施例中， 传感器可以集成在PCBA中，例如集成在主存储器电路板上。传感器可以是监控钻井过程中 的实时状态的测量传感器。在其他实施例中，传感器可以是预后传感器。预后传感器经受 比通常钻井操作还要更严苛的状态（例如，更高的温度或压力），因此它们在加速的速率上 难以胜任。预后传感器可用来估计另一部件的失效时间。
[0007] 除了监测PCBA状态以外，传感器可以安装在钻井组件中的其他任何合适的部件 上。例如，传感器可附接于钻头以监测钻头的运动或温度。传感器也可沿着钻孔来安装，从 而例如监测沿着该路径的钻井泥浆的压力或流速。传感器（例如，RFID)甚至可以装进钻 井系统的流体之中，并被分布到地层中。
[0008] 处理器通常是PCBA的一部分。处理器用于接收、存储或执行例如计算机编码的数 据或传感器信号。例如，处理器可耦接到提供可执行指令的程序模块上以及存储由处理器 执行的各种计算结果的记录介质上。传感器信号是处理器的输入。
[0009] 除了钻井组件以外，钻井系统还包括井下钻具，例如钻杆、套管以及将钻孔划分成 不同部分的封隔器。所述钻井系统还包括：地上组件或子系统、钻井泥浆循环系统（泥栗、 流量计等）、钻井平台和与其相关联的硬件（阀、歧管、发电机、栗等），以及对地上部分的其 他监测及控制系统。
[0010] 钻井系统中任何用于维修和维护的停机时间都是昂贵的。在更深井下及更难到达 位置中进行的现代化石油和天然气勘探进一步增加了失效率以及钻井操作的总成本。例 如，定向钻井系统面临相当苛刻的操作环境：井底温度超过200°C，15g_RMS(均方根）的 高度横向振动及轴向振动，以及在要求钻井分布高达15个/100英尺的同时压力超过了 250000PSI。因此，更加期望实现具有成本效益的维护策略，例如，更长的运转时间、更不频 繁的设备更换以及更少的更换部件库存。为了实现这些目标，需要更密切地监测井下钻具 的状态并更好地了解其所运行的环境。本公开提供了用于监测钻井系统的方法和装置，包 括用于预测井下钻具的衰退趋势和使用寿命的方法和装置。
【发明内容】
[0011] 本公开提供一种用于监测钻井系统的方法。该方法包括收集第一组传感器信号的 步骤。所述传感器信号来自遍布整个钻井系统的传感器，所述钻井系统包括具有机械和电 子部件的井下钻具。传感器信号反映井下钻具中的部件的一种或多种状态，例如温度、压力 和振动。该方法还包括基于所述第一组传感器信号利用函数主要分量分析（FPCA)来构建 模型的步骤。所述传感器信号用于确定模型参数。
[0012] 此外，在收集第二组传感器信号之后，利用第二组传感器信号通过调整模型参数 来更新模型。该模型用于估计钻井系统中的部件的一个或多个性能指标，这包括寿命消耗 和剩余使用寿命。因此，操作者可以得到对钻具的寿命消耗的实时估计。
[0013] 本公开还提供了一种用于监测井下钻具的系统。该系统包括钻井组件和针对该 钻井组件布置的多个传感器，其中所述传感器提供与该钻井组件相关联的传感器信号。该 系统还包括一个或多个具有处理器的计算机、通信耦合于处理器的非暂时性计算机可读介 质，以及实施在非暂时性计算机可读介质中的一组处理器可执行指令。所述指令配置为能 实现用于监测本文所述的井下钻具的方法。
[0014] 本公开内容还提供了一种钻井系统。该钻井系统包括井下钻具和针对该钻井组件 布置的多个传感器，其中所述多个传感器随着井下钻具穿越地层并产生能反映井下钻具的 一个或多个部件的状态的传感器信号。该钻井系统还包括配置为能实现用于监测本文所述 的井下钻具的方法的计算机。
【附图说明】
[0015] 通过结合附图来考虑下文详细描述，可容易理解本发明的教导。
[0016] 图1示出了在验证本公开的FPCA模型过程中使用的测试数据集合。
[0017] 图2示出了响应于所选主要分量的数目的解释方差分数（FVE)。
[0018] 图3示出了寿命消耗估计与实际寿命消耗的比较。
[0019] 图4示出了本公开的方法。
【具体实施方式】
[0020] 现在，对本公开的实施例进行详细参考，其中附图中示出这些实施例的示例。应 该指出，如果适当，则在附图中使用相似或相同的附图标记，并且它们表示相似或相同的元 件。
[0021] 附图对本公开实施例的描绘仅出于说明性目的。通过下文描述，在不脱离本公开 普遍性原理的情况下本领域的技术人员将更容易地想到可替换性实施例。
[0022] 根据本公开的一个方面，传感器遍布于整个钻井系统，该钻井系统包括井下钻具， 还包括钻井组件、钻杆、套管和封隔器。传感器可以附接到部件的表面上或放置在部件的主 体内部，所述部件例如钻头、钻柱、井下发动机、钻杆、钻铤、井下电池以及井下发电机。传感 器还应用于例如MWD/LWD仪器的电子部件中。
[0023] 根据本公开的另一方面，传感器测量井下钻具的一个或多个性能指标（例如，振 动、压力、温度、钻压（WOB)、RPM(每分钟转速）），并向计算机系统传输传感器信号以供存储 和分析。测量传感器信号报告井下部件的状态。预后传感器信号可能无法直接反映井下部 件的状态（例如，温度、振动），但可以关联于那种不直接与该传感器相关联的部件的状态。 例如，预后传感器可用于预测PCBA板的寿命。为此，可以首先在使传感器经受比PCBA所经 受的温度还要高（例如，高出20°C)的受控环境（例如，实验室）中采用相关性。预后传感 器会以比PCBA更快速地发生失效，从中可以获得加速因子。利用这种寿命相关性，使得在 井下环境中可使用预后传感器的状态来估计另一部件（例如，PCBA)的状态。
[0024] 根据本公开的又一方面，传感器安装在钻井系统的地上部件上。例如，在压力可控 钻井系统中，旋转控制装置（RCD)是子系