一种预测钻柱的粘吸卡钻风险的方法与流程

本发明属于石油钻井
技术领域：
，尤其涉及一种预测钻柱的粘吸卡钻风险的方法。
背景技术：
：钻井中由于井眼不可能完全垂直(尤其是随着定向井和水平井的大规模应用，这种情况更是普遍)，当井下钻具静止不动时，在井下压差的作用下，钻柱的一些部位会贴于井壁，与井壁泥饼粘合在一起，静止时间越长则钻具与泥饼的接触面积就越大，由此而产生的粘吸卡钻，又被称为粘附卡钻或压差卡钻。粘吸卡钻会给石油钻井带来很大危害，损失大量钻井时间甚至发生钻具断落等恶性事件。目前进行粘吸卡钻的预测方法包括神经网络法、决策树法、支持向量机法和贝叶斯网络法，这些方法的前提是要使用邻井曾经发生粘吸卡钻的历史案例样本进行预测模型的训练，这对于一个新的区块尚未钻井或历史井很少或历史钻井中尚未发生过类似故障的情况来说，该方法难以适用。即便具备邻井案例样本的情况下，样本量的大小也决定了该方法预测准确度，也就是说历史样本量小的情况下，其预测的准确度很低。另外，该方法所依赖的仅仅是工程参数，所反映的是卡钻“已经产生”的征兆，因此很难实现提前预测。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种预测钻柱的粘吸卡钻风险的方法，该方法准确度较高，能够实时预测全井段各处发生粘吸卡钻的风险级别，能最大程度控制卡钻的发生或在第一时间发现风险并采取有效处理措施，将损失降至最低。为了解决上述技术问题，本申请的实施例提供了一种预测钻柱的粘吸卡钻风险的方法，该方法包括：采集井眼轨迹数据，以获取井眼轨道每一位置处的坐标；根据每一位置处的坐标，确定地质参数和工程参数；利用每一位置处的地质参数 和工程参数，确定该位置处各影响因素对产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量；基于各影响因素对产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量，得到该位置处的粘吸卡钻风险系数。优选地，所述地质参数包括：岩石类型S和地层孔隙压力Pp；所述工程参数包括：井斜角α、钻杆内径dp、钻杆外径DP、井眼直径DH、当前的钻井液密度ρ、钻井液塑性粘度η、钻井液排量Q、钻头位置H和转盘转速Rt。优选地，所述影响因素对产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量至少包括钻柱静止时间模糊量ξT和钻具所受侧向力模糊量ξ△P。优选地，利用如下表达式计算钻具所受侧向力模糊量ξ△P：ξΔP=0.05ΔP,ΔP<201,ΔP≥20,]]>ΔP单位：MPa其中，使钻具紧贴井壁的侧向压差ΔP＝Pc-Pp+PG，Pc为每个深度h点的井眼环空液柱循环压力，Pc是基于参数Q、ρ、α、η、dp、DP计算得到；PG为计算井斜角不为0处的单位长度钻柱浮重在井壁法向的分量，PG=(7.8-ρ)(DP2-dp2)gDHsinαDP2,]]>其中，g＝10。优选地，利用如下表达式计算钻柱静止时间模糊量ξT：ξT=0.18T,T<301,T≥30,]]>T单位：min其中，钻柱静止时间T通过钻头位置H和转盘转速Rt的实时变化规律计算得到。优选地，所述影响因素对产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量还包括以下至少之一：井斜角模糊量ξα、钻具与井壁接触面积模糊量ξs、泥饼质量模糊量ξFL、钻井液负电场模糊量ξζ、钻井液塑性粘度模糊量ξη、泥饼摩阻系数模糊量ξKf。优选地，利用如下表达式分别确定井斜角模糊量ξα和钻具与井壁接触面积模糊量ξs：ξα＝sinα，α∈[0,π/2]；ξs＝DP/DH。优选地，利用隶属度函数，分别根据钻井液失水量FL、钻井液电位ζ、钻井液塑性粘度η和井液粘滞系数Kf的大小，确定泥饼质量模糊量ξFL、钻井液负电场模糊量ξζ、钻井液塑性粘度模糊量ξη、泥饼摩阻系数模糊量ξKf。优选地，基于各影响因素对产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量，利用几何平均算法或加权几何平均算法来确定该位置处的粘吸卡钻风险系数。优选地，还包括以下步骤：基于每一位置处的粘吸卡钻风险系数，绘制所述井眼轨道的粘吸卡钻风险曲线；以及在一位置处的粘吸卡钻风险系数大于等于设定门限时，进行报警。与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果。本发明实施例基于相关地质参数和钻井工程参数，对钻井过程中全井段进行卡钻风险预测，得到体现粘吸卡钻发生概率的量化风险值，在钻井施工过程中及时识别卡钻苗头，便于技术人员采取应对措施，从而最大限度避免粘吸卡钻的发生。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。附图说明附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。图1为本发明实施例的预测钻柱的粘吸卡钻风险的方法的流程示意图。图2为本发明一例子的预测钻柱的粘吸卡钻风险的方法的流程示意图。具体实施方式以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以 以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。本发明实施例提出一种预测钻柱的粘吸卡钻风险的方法，该方法基于相关地质参数和钻井工程参数，对钻井过程中全井段进行卡钻风险预测，得到体现粘吸卡钻发生概率的量化风险值，在钻井施工过程中及时识别卡钻苗头，采取应对措施，从而最大限度避免粘吸卡钻的发生。图1为本发明实施例的预测钻柱的粘吸卡钻风险的方法的流程示意图。下面参考图1来详细说明本方法的各个步骤。步骤S110，采集井眼轨迹数据，以获取井眼轨道每一位置处的坐标。具体地，采集当前裸眼段井眼轨迹数据。这些数据主要包括井深h、井斜角α、方位角一般，最好每隔较小间隔取一点，在本例中为每隔1米取1个点。在获取每个点的井眼轨迹数据之后，还依次将每个点的数据通过计算转换为笛卡尔坐标值X、Y、Z，最终得到一个坐标序列。具体通过执行以下步骤来转换笛卡尔坐标：首先，根据上述三个测量值(井深h、井斜角α、方位角)，利用最小曲率法或圆柱螺线法计算出垂深、南北位移和东西位移。然后以井口大地坐标值为基础将以上三个值换算成大地坐标值，最后将大地坐标值转换成笛卡尔坐标值。步骤S120，根据每一位置处的坐标，确定地质参数和工程参数。采集井眼轨迹上每个点的地质参数值，这些地质参数包括岩石类型S和地层孔隙压力Pp。获取井眼轨迹上每个点的工程参数值，这些工程参数至少包括：井斜角α、钻杆内径dp、钻杆外径DP、井眼直径(即钻头直径)DH、当前的钻井液密度ρ、钻井液塑性粘度η、钻井液排量Q、钻头位置H和转盘转速Rt。另外，对于后续计算粘吸卡钻风险系数时所涉及的模糊量，还可以采集钻井液失水量FL、钻井液电位ζ和井液粘滞系数Kf这些工程参数值。需要说明的是，上述钻井液密度ρ、钻井液排量Q和井斜角α等参数可通过传感器实时测量采集，以便进行实时的粘吸卡钻预测预警。步骤S130，利用每一位置处的地质参数和工程参数，确定该位置处各影响因素对产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量。影响因素对产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量至少包括：钻柱静止时间模糊量ξT和钻具所受侧向力模糊量ξ△P。在一个实施例中，可以利用如下表达式来计算钻具所受侧向力模糊量ξ△P：ξΔP=0.05ΔP,ΔP<201,ΔP≥20,]]>ΔP单位：MPa其中，使钻具紧贴井壁的侧向压差ΔP＝Pc-Pp+PG，Pc为每个深度h点的井眼环空液柱循环压力，Pc是基于参数Q、ρ、α、η、dp、DP计算得到的。PG为计算井斜角不为0处的单位长度钻柱浮重在井壁法向的分量，具体可以采用如下表达式来计算：PG=(7.8-ρ)(DP2-dp2)gDHsinαDP2,]]>其中，g＝10。而且，利用如下表达式计算钻柱静止时间模糊量ξT：ξT=0.18T,T<301,T≥30,]]>T单位：min其中，钻柱静止时间T通过钻头位置H和转盘转速Rt的实时变化规律计算得到，T＝当前时间减去最近一条H或Rt开始停止变化那条记录的时间(此二者，取时间晚者)。需要说明的是，上述两个模糊量是计算粘吸卡钻风险系数所必须的两个值，且各影响因素的隶属度可以根据实际情况进行调整，例如也可以将T与30附近的其他数据进行比较，例如29。当然为了提高粘吸卡钻风险预测的准确度，除了上述两个模糊量以外，影响因素对产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量还可以包括以下至少之一：井斜角模糊量ξα、钻具与井壁接触面积模糊量ξs、泥饼质量模糊量ξFL、钻井液负电场模糊量ξζ、钻井液塑性粘度模糊量ξη、泥饼摩阻系数模糊量ξKf。容易理解，ξT和ξΔP是必要量，其他因素越全面则预测结果越准确，在一个优选实施例中，影响因素对产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量可以包括上面8个模糊量。在计算上述模糊量时，利用如下表达式分别确定井斜角模糊量ξα和钻具与井壁接触面积模糊量ξs：ξα＝sinα，α∈[0,π/2]；ξs＝DP/DH。而且，利用隶属度函数，分别根据钻井液失水量FL、钻井液电位ζ、钻井液塑性粘度η和井液粘滞系数Kf的大小，确定泥饼质量模糊量ξFL、钻井液负电场模糊量ξζ、钻井液塑性粘度模糊量ξη、泥饼摩阻系数模糊量ξKf。步骤S140，基于各影响因素对产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量，得到该位置处的粘吸卡钻风险系数。具体地，基于各影响因素对产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量，利用几何平均算法或加权几何平均算法来确定该位置处的粘吸卡钻风险系数。另外，本实施例方法还可以包括步骤S150。在步骤S150中，基于每一位置处的粘吸卡钻风险系数，绘制所述井眼轨道的粘吸卡钻风险曲线，以及在一位置处的粘吸卡钻风险系数大于等于设定门限时，进行报警。具体地，根据计算得到的粘吸卡钻风险系数数组绘制不同井深的风险的曲线。另外，还可以利用地质参数值和工程参数值来绘制不同井深的地质参数曲线和工程参数曲线。一般，可设定[0,1]这一区间中任一个值作为报警门限，比如设定0.8，在实际应用时计算出的风险系数大于0.8时，则进行报警，例如以声音或者点灯方式来发出报警。通过上述步骤就能够在钻井施工过程中，实时预测全井段各处发生粘吸卡钻的风险级别，该方法准确度较高，能最大程度控制卡钻的发生或在第一时间发现风险并采取有效处理措施，将损失降至最低。图2为本发明一例子的预测钻柱的粘吸卡钻风险的方法的流程示意图。下面参考图2来详细说明本方法的各个步骤。步骤1，提取当前裸眼段井眼轨迹数据中每个点的坐标值，得到坐标数组T[N][3]。具体地，从当前开次钻进的第1点(即裸眼段第1点)开始，以井深1m为间隔，从实际井眼轨迹数据中提取每个点的坐标值(井深、北坐标、东坐标)，得到坐标数组T[N][3](假设一共有N个坐标点)。步骤2，设n＝0，开始执行步骤3～6进行第n点的粘吸卡钻风险预测。步骤3，给定第n点的岩石类型S、地层孔隙压力Pp、井斜角α、钻杆内径dp、钻杆外径DP、井眼直径DH；给定当前的钻井液密度ρ、钻井液失水量FL、钻井液电位ζ、钻井液塑性粘度η、钻井液粘滞系数Kf、钻井液排量Q、钻头位置H和转盘转速Rt。步骤S3'，按岩石类型S判别地层是否为渗透性地层。具体地，如果S＝砂岩或砂砾岩或煤层，则认为是渗透性地层，继续下面的步骤；否则，取Rn＝0，转至步骤7。另外，在一个实施例中，也可根据岩石的渗透率K来判别，例如若K>1mD，则认为是岩石类型S为渗透型地层。步骤4，利用SY/T6613-2005标准提供的算法(也可采用其他类似算法)，基于Q、ρ、α、η、dp、DP等参数计算出每个深度h点的井眼环空液柱循环压力Pc(计算时将钻铤统一近似为钻杆的尺寸来计算)，计算井斜角不为0处的单位长度钻柱浮重在井壁法向的分量PG，进而计算使钻具紧贴井壁的侧向压差ΔP＝Pc-Pp+PG。通过钻头位置H和转盘转速Rt系列值计算出钻柱静止时间T，T＝当前时间减去最近一条H或Rt开始停止变化那条记录的时间(此二者，取时间晚者)，即截至当前时间内，这两项参数持续无变化的时间长度，单位min。步骤5，依次确定各影响因素对产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量，这些模糊量的值域为(0,1]或[0,1]。这些模糊量包括井斜角模糊量ξα、钻具与井壁接触面积模糊量ξs、泥饼质量模糊量ξFL、钻井液负电场模糊量ξζ、钻柱静止时间模糊量ξT、钻具所受侧向力模糊量ξ△P、钻井液塑性粘度模糊量ξη、泥饼摩阻系数模糊量ξKf。这8个影响因素对于产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量的计算方法如下：(1)井斜角模糊量：ξα＝sinα，α∈[0,π/2]；(2)钻具与井壁接触面积模糊量：ξs＝DP/DH；(3)泥饼质量模糊量(用失水量评价)：ξFL=FL12,FL<121,FL≥12,]]>FL单位为ml；(4)钻井液负电场模糊量：ξζ=0,ζ>00.01,ζ=01,ζ<0;]]>(5)钻柱静止时间模糊量：ξT=0.18T,T<301,T≥30,]]>T单位为min；(6)钻具所受侧向力模糊量：ξΔP=0.05ΔP,ΔP<201,ΔP≥20,]]>ΔP单位为MPa；(7)钻井液塑性粘度模糊量：ξη=0.033η,η<301,η≥30,]]>η单位为mPa·s；(8)泥饼摩阻系数模糊量(用粘滞系数评价)：ξKf=10Kf,Kf<0.11,Kf≥0.1]]>(直井可以0.12分界)。需要说明的是，以上计算中未注明单位的一律采用国际单位制。而且，针对每个影响因素对于产生粘吸卡钻贡献大小的模糊量，根据实际情况每个影响因素的隶属度可以进行改变，此处不作限定。步骤6，根据以上模糊量，得到第n点的粘吸卡钻风险系数Rn，即计算这8个因素的耦合作用下产生压差卡钻的风险系数(根据情况也可对不同因素赋予不同权重，使用加权几何平均法计算)。步骤7，令R[n]＝Rn。步骤8，若n<N，则n＝n+1，返回执行步骤3～7；否则结束,R[n]即为全井段的风险值序列，值越大风险越高，1为最大值。本实施例设计了一种预测钻柱粘吸卡钻风险大小的方法，利用地层岩性、地层孔隙压力等地质参数，结合钻柱尺寸、井眼尺寸、钻井液性能等参数，以一定的时间间隔计算沿井眼轨迹上每个点的粘吸卡钻风险系数大小(该系数从0到1，值越大风险越高)，在随钻过程中对全井段任何位置进行粘吸卡钻风险的预测，实时识别卡钻风险并预警，能辅助施工技术人员控制钻井风险。示例在YB**井(该井为一口超深水平井)施工过程中，在井场的钻井工程师值班房内部署一台笔记本电脑，将MWD随钻测量仪和综合录井仪的数据外发接口与本机相连，获取实时处理轨迹数据和钻井工程参数，每一开次钻进之初人工输入一些数据(由仪器无法采集但本系统必须用的，如开钻时间、钻井液性能等等)，钻井工程师设定每30秒钟重新更新一次所有相关参数，以及全井段的粘吸卡钻的风险系数分布。该井钻至6937.75m准备起钻进行取芯作业，短起15立柱，此过程中有短时循环，当钻头位置在6909m附近时，计算出的6203m附近的风险系数升高明显且很快超过4，现场人员并未及时处理，后经多次计算更新该系数仍然居高不下，数分钟后准备继续起钻作业发现钻具已无法活动(包括上提、下放和旋转)，判定为粘吸卡钻，后立即通过加大力度活动钻具无效，现 场分别采用泡解卡剂、两次泡酸和清水循环等多种措施在最终解卡。虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属
技术领域：
内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例的各步骤，所述的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。当前第1页1 2 3