用于分析和设计井底钻具组件的方法
【专利说明】用于分析和设计井底钻具组件的方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年4月12日提交的美国临时申请第61/811507号的权益，其全 部内容通过参引方式纳入本文。
【背景技术】
[0003] 图1示出了传统的用于钻探地层的钻井系统的一个例子。所述钻井系统包括钻机 10,该钻机10用于转动下深至井眼14中的钻具组件12。钻具组件12包括钻柱16,和附接 至钻柱16的末端的井底钻具组件（BHA) 18。钻柱的"末端"是离钻机最远的一端。
[0004] 钻柱16包括通过钻杆接头16b端对端连接的许多节钻杆16a。钻柱16用于传送 钻井液（通过其中间空心），并用于将来自钻机10的转动动力传递到BHA18。在一些情况 下，钻柱16还包括附加的部件，例如接头、短节等。
[0005] BHA18包括至少一钻头20。BHA还可以包括连接于钻柱16和钻头20之间的附加 的部件。附加的BHA部件的例子包括钻铤、扶正器、随钻测量（MWD)工具、随钻测井（LWD) 工具、接头、扩径设备（例如，扩孔器和扩眼器）、震击器、加速度仪、推进器、井下马达和旋 转导向系统。
[0006] 通常，钻具组件12可以包括其它钻井部件与附件，例如诸如方钻杆旋塞、防喷器 和安全阀的专用阀。BHA18中的钻头20可以是适于钻探地层的任意类型的钻头。用于钻 探地层的两种通常类型的钻头是固定切削刃（或固定头）钻头与牙轮钻头。图2示出了固 定切削刃钻头的一个例子。图3示出了牙轮钻头的一个例子。
[0007] 参考图2,固定切削刃钻头（也称为刮刀钻头）21具有钻头本体22,其在一端24 具有螺纹连接并在另一端形成有切削头26。固定切削刃钻头21的切削头26包括绕钻头的 旋转轴线布置并从钻头本体22径向向外延伸的多个肋或刀体28。切削元件29嵌入凸起的 肋28中以随着钻头在井眼的底面上旋转切削地层。固定切削刃钻头的切削元件29包括多 晶金刚石复合片（roc)或者专门制造的金刚石切削刃。这些钻头也称为PDC钻头。
[0008] 参考图3,牙轮钻头30包括钻头本体32,其在一端34具有螺纹连接并具有从另一 端延伸的一个或多个腿。牙轮36安装于每条腿上，并能相对于钻头本体32旋转。在钻头 30的每个牙轮36上有在该牙轮36的表面上成排布置的多个切削元件38,其接触并切断该 钻头碰触到的地层。牙轮钻头30被设计为使得当钻头旋转时，牙轮钻头30的牙轮36在井 眼的底面（称为"井底"）上滚动，并且该切削元件38削刮并压碎其下面的地层。在一些情 况下，在牙轮钻头30上的切削元件38包括形成于牙轮36的表面上的铣成钢牙。在其它情 况下，切削元件38包括嵌入牙轮中的镶体。这些镶体是碳化钨镶体或多晶金刚石复合片。 在一些情况下，在切削元件和/或牙轮的表面上涂覆表面堆焊硬合金，以改善切削构件的 耐磨性。
[0009] 对于用于钻穿地层的钻头20,必须向钻头20施加充足的转矩和轴向力，以使钻头 20的切削元件随着钻头的旋转而切开和/或压碎地层。施加到钻头20上的轴向力被称作 "钻压"（W0B)。在钻机10处（通常由转盘或顶部驱动机构）施加到钻具组件12上来转动 该钻具组件12的转矩被称作"旋转扭矩"。转盘旋转所述钻具组件12的速度（以每分钟转 数（RPM)测量）被称作"转速"。此外，钻具组件被钻机10的悬挂机构（或大钩）支撑的一 部分重量通常被称作大钩载荷。
[0010] 在钻井过程中，实际W0B不是恒定的。施加到钻头上的力的一些波动可能是由于 钻头与具有更硬或更软部分的地层接触时，其不均衡的破裂引起的。然而，在大多数情况 下，W0B中大部分的波动可以归因于钻具组件的振动。钻具组件在长度上可以延伸大于一 英里，而在直径上小于一英尺。因此，这些组件沿其长度是相对柔性的，并且当由转盘旋转 地驱动时可能发生振动。钻具组件振动还可能源自钻头在钻井过程中的振动。对于钻具组 件可能有许多模式的振动。通常，钻具组件可能经历扭转、轴向和横向振动。尽管由于钻井 液的粘度、钻杆与井眼壁之间摩擦的摩擦力、钻探地层时被吸收的能量以及钻具组件与井 眼壁间的冲击可以致使部分振动衰减，但是这些来源的衰减通常并不足以完全抑制振动。
[0011] 在处理定向井时这些问题会变得更加显著。定向钻井涉及某些技术术语，将其提 出作为背景信息。"造斜率"是井斜角在标准化长度上的正变化（例如，3° /100英尺）。井 斜角的负变化应该是"降斜率"。
[0012] 大半径水平井的特征是造斜率在2至6° /100英尺，这分别产生3000至1000英 尺的半径。通常使用传统的定向钻井工具来钻探该轮廓，并已经钻探出了多达8000英尺的 横截面。
[0013] 中半径水平井具有6至35° /100英尺的造斜率，分别具有1000至160英尺的半 径，横截面多达8000英尺。已经使用专门的井下泥浆马达和传统的钻柱部件钻探了这些 井。已经设计了双弯头组件以多达35° /100英尺的速率造斜。通常使用传统的导向马达 组件来钻探该横截面。
[0014] 在实际中，如果井底钻具组件（BHA)不能始终旋转通过造斜段，则该井被分入中 半径井。在中半径井的上端，钻探最大造斜率受限于美国石油学会标准管材的弯曲和扭转 限制。更小的钻孔和更柔性的管材具有更高的可允许的最大狗腿严重度（DLS)。狗腿严重 度是测量井斜角变化量和/或钻孔方位角的，其通常被表示为每30米或每10米路线长度 的度数。
[0015]小半径水平井具有5至10° /3英尺的造斜率（1.5至3° /英尺），其分别等同于 40至20英尺的半径。横截面的长度在200至900英尺之间变化。使用专门的钻具和技术 来钻探小半径井。这种情况最常见的是作为从任意已有井的重入来钻探。
[0016]用于获得所需要的测量值来计算及绘制3D井眼轨迹的方法被称作定向测量。沿 着所述井眼轨迹在多个位置测量三个参数一一MD、井斜角和钻孔方向。MD是从地面位置 测量的、钻探到沿着井眼的任意位置的或钻探到总深度的孔的实际深度。井斜角是以度数 测量的、井眼或测量仪器轴线偏离真正垂线的角度。井斜角是0°表示真正竖直，井斜角是 90°表示水平。
[0017] 钻孔方向是以度数测量的、井眼或测量仪器轴线的水平分量与已知指北参考的角 度。该参考是真北、磁北或格网北，并按照惯例顺时针测量。钻孔方向以度数测量，并以方 位角（0至360° )或象限（NE，SE，SW，NW)形式表示。
【发明内容】
[0018]-方面，本发明公开了一种用于选择井底钻具组件的方法，包括选择钻井标准；对 具有至少一个钻头、测量传感器和扶正器的第一井底钻具组件执行动态仿真；输出预测所 述第一井底钻具组件的性能的结果，该结果表示测量传感器的测量质量。
[0019]另一方面，本发明公开了一种用于选择井底钻具组件的方法，包括对第一井底钻 具组件执行第一动态仿真；对所述第一井底钻具组件执行至少第二动态仿真，其中所述至 少第二动态仿真包括与所述第一动态仿真不同的约束；以及输出所述第一动态仿真及所述 第二动态仿真的结果，其中所述结果包括表示性能的至少一个输出，所述性能为沿井底钻 具组件的位置的函数。
[0020] 另一方面，本发明公开了一种用于选择井底钻具组件（BHA)的系统，包括：具有计 算处理器的计算装置，所述计算处理器执行指令以执行：对包括至少一个钻头、测量传感器 和扶正器的第一BHA执行第一仿真，所述第一仿真生成第一组性能数据，并且所述计算装 置包括运行于所述计算处理器上的图形用户界面，执行以下功能：输入所选择的钻井标准， 在所述图形用户界面上呈现来自所述第一仿真的所述第一组性能数据，并基于所述第一组 性能数据与所选择的钻井标准的比较来选择BHA。
[0021] 另一方面，一种非暂时性计算机可读介质，包括选择BHA的可执行指令，所述可执 行指令具有以下功能：使用图形用户界面输入选择的钻井标准，对包括至少一个钻头、测量 传感器和扶正器的第一井底钻具组件执行动态仿真，并且在所述图形用户界面上输出预测 所述第一井底钻具组件的性能的结果，该结果表示所述测量传感器的测量质量。
[0022] 另一方面，一种非暂时性计算机可读介质，包括选择BHA的可执行指令，所述可执 行指令具有以下功能：使用图形用户界面输入选择的钻井标准，对包括至少一个钻头的第 一井底钻具组件执行动态仿真，其中所述动态仿真包括动态输入，并且在所述图形用户界 面上输出预测所述第一井底钻具组件的性能的结果。
[0023]又一方面，一种非暂时性计算机可读介质，包括选择BHA的可执行指令，所述可执 行指令具有以下功能：对第一井底钻具组件执行动态仿真，对所述第一井底钻具组件执行 至少第二动态仿真，其中所述至少第二动态仿真包括与所述第一动态仿真不同的约束，并 且在所述图形用户界面上输出所述第一动态仿真及所述第二动态仿真的结果，其中所述结 果包括表示性能的至少一个输出，所述性能为沿井底钻具组件的位置的函数。
[0024]提供本
【发明内容】
是为了引入一系列概念，其在下面的详细描述中进一步描述。本
【发明内容】
不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于辅助限制所要求 保护的主题的范围。
[0025]从下面的描述和所附的权利要求，本发明的其它方面和优势将会变得明显。
【附图说明】
[0026] 图1示出了用于钻探地层的传统钻井系统。
[0027] 图2示出了传统的固定切削刃钻头。
[0028] 图3示出了传统的牙轮钻头。
[0029]图4示出了在本发明中使用的分析过程的一个实施例的概览。
[0030]图5示出了在本发明中所选择的实施例的仿真能力的概览。
[0031]图6A示出了根据本发明的实施例进行分析的一组示例性井底钻具组件套件。
[0032] 图6B-6E示出了图6A的一组井底钻具组件套件的信息。
[0033]图6F示出了在根据本发明的实施例的仿真中使用的钻头的实施例。
[0034] 图7示出了根据本发明的实施例所使用的仿真场景列表。
[0035]图8示出了在本发明的实施例中使用的仿真场景1的仿真条件。
[0036] 图8A-8M示出了根据本发明的实施例的仿真场景1的示例性输出。
[0037]图9示出了在本发明的实施例中使用的仿真场景2的仿真条件。
[0038] 图9A-9F示出了根据本发明的实施例的仿真场景2的示例性输出。
[0039]图10示出了在本发明的实施例中使用的仿真场景3的仿真条件。
[0040] 图10A-10B示出了根据本发明的实施例的仿真场景3的示例性输出。
[0041]图11示出了在本发明的实施例中使用的仿真场景4的仿真条件。
[0042] 图11A-11M示出了根据本发明的实施例的仿真场景4的示例性输出。
[0043] 图12示出了在本发明的实施例中使用的仿真场景5的仿真条件。
[0044] 图12A-12M示出了根据本发明的实施例的仿真场景5的示例性输出。
[0045]图13示出了在本发明的实施例中使用的仿真场景6的仿真条件。
[0046] 图13A-13M示出了根据本发明的实施例的仿真场景6的示例性输出。
[0047]图14示出了在本发明的实施例中使用的仿真场景7的仿真条件。
[0048] 图14A-14M示出了根据本发明的实施例的仿真场景7的示例性输出。
[0049]图15示出了在本发明的实施例中使用的仿真场景8的仿真条件。
[0050] 图15A-15G示出了根据本发明的实施例的仿真场景8的示例性输出。
[0051] 图16示出了与本发明的实施例共同使用的自动化过程。
[0052] 图17示出了根据本发明的实施例如何分配FEA节点。
[0053] 图18示出了根据本发明的实施例如何计算工具面角。
[0054]图19描绘了用其可以执行本发明的一个或多个实施例的系统。
【具体实施方式】
[0055] -方面，本发明提供一种用于针对预选标准分析不同的BHA的性能的系统和方 法。为了清楚起见，下面提供一些定义。
[0056] 由于本文使用的多数术语对本领域技术人员来说是清楚的，因此提出下面的定义 不过是用于辅助理解本发明。然而应该理解，除非明确定义，术语应该采用由本领域技术人 员当前所接受的意思进行解释。
[0057] 本文公开的实施例提供了在多种条件下模拟不同的BHA套件的表现的系统、方法 和系统、以及技术，以获得针对给定的钻井最优的BHA套件。尤其是，本文公开的一个或多 个实施例提供了直接将不同的BHA套件与选定的标准进行比较的方法和系统，以确定哪个 套件是更好的一个。在其它实施例中，BHA设计者可以推荐在BHA套件中使用的结构，以便 满足一个或多个标准。
[0058] 在一个或多个实施例中，选择（例如由BHA设计者，或钻井操作者）性能标准。所 述性能标准可以是例如选自所述BHA套件的稳定性、鲁棒性、测量质量以及可控性的一个 或多个。BHA套件可以被设计为满足一个或多个所述性能标准，或者可以在已有的BHA套件 之间，或在已有的、新的以及改进的BHA套件的组合之间进行比较。
[0059] 在选择一些BHA套件之后，仿真该BHA套件的钻井性能。作为该仿真的结果，生成 了一些预测的性能输出。在一个或多个实施例中，一些预测的性能输出由BHA设计者对照 一个或多个所选择的性能标准进行检查。在其它实施例中，来自该仿真的结果自动地汇集 到钻井性能报告中，其可以随后由BHA设计者检查。