定向钻井操作和模拟的监控和控制的制作方法
【专利说明】定向钻井操作和模拟的监控和控制
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2013年3月13日提交的美国申请序列号第13/799，147号的优先权，所述申请是2010年2月9日提交的美国申请序列号第12/442,637号的部分接续案，其根据2007年9月27日提交且在2008年4月3日以英文公开为WO 2008/039523 Al的国际申请PCT/US2007/020867号并根据35U.S.C.371处于提交的美国国家阶段，其根据35U.S.C.119(e)要求2006年9月27日提交的美国临时申请序列号第60/827，209号的权益，所述申请和公开全文以引用方式并入本文中。
技术领域
[0003]本申请一般涉及井下钻井。特定来说，本申请涉及定向钻井操作和模拟的监控和控制。
【背景技术】
[0004]定向钻井操作通常允许从井下储层大量采集碳氢化合物。
【附图说明】
[0005]可参考以下描述和图示实施方案的附图最好地理解本发明的这些实施方案。在附图中:
[0006]图1图示根据本发明的一些实施方案的用于钻井操作的系统。
[0007]图2图示根据本发明的一些实施方案的执行用于实施操作的软件的计算机。
[0008]图3图示根据本发明的一些实施方案的允许控制和监控定向钻井操作/模拟的图形用户界面(GUI)屏幕。
[0009]图4图示根据本发明的一些其它实施方案的允许控制和监控定向钻井操作/模拟的⑶I屏幕。
[0010]图5图示根据本发明的一些其它实施方案的允许控制和监控定向钻井操作/模拟的⑶I屏幕。
[0011]图6图示根据本发明的一些其它实施方案的允许控制和监控定向钻井操作/模拟的⑶I屏幕。
[0012]图7图示根据本发明的一些其它实施方案的允许控制和监控定向钻井操作/模拟的⑶I屏幕。
[0013]图8图示根据本发明的一些其它实施方案的允许控制和监控定向钻井操作/模拟的⑶I屏幕。
[0014]图9图示根据本发明的一些实施方案的针对定向钻井操作/模拟产生的报告。
[0015]图10-11图示根据本发明的一些实施方案的用于定向钻井操作/模拟的另一组报生口 ο
[0016]图12图示根据本发明的一些实施方案的钻井操作，其中钻井器不被接合且钻头在底部。
[0017]图13-14图示根据本发明的一些实施方案的扭矩相对于井下钻井马达或旋转导向工具的操作压力差的图表。
[0018]图15A-15C示出根据各个实施方案的手持式移动通信装置的实例，其可操作被结构化成监控和控制在钻井现场的钻井操作和关联功能及其模拟。
[0019]图16图示根据各个实施方案的使用手持式移动通信装置来监控和控制在钻井现场的钻井操作的例示性架构。
[0020]图17示出根据各个实施方案的使用手持式移动通信装置来监控和控制钻井操作的例示性方法的功能。
[0021]图18示出根据各个实施方案的可操作来监控和控制钻井操作的手持式移动通信装置的例示性部件。
【具体实施方式】
[0022]描述了用于监控和控制定向钻井操作/模拟的设备和系统。在以下描述中，阐述了许多特定细节。然而，应了解本发明的实施方案可在没有这些特定细节的情况下实行。在其它情况中，未详细示出熟知的电路、结构和技术以免困扰理解本描述。
[0023]本实施方案的描述被分成五个部分。第一部分描述了系统操作环境。第二部分描述了计算机操作环境。第三部分描述了定向钻井操作/模拟的图形和数字表示。第四部分描述了对井下部件的负荷监控。第五部分提供了一些常用注释。
[0024]实施方案允许监控和控制定向钻井操作和模拟。实施方案可包括从不同传感器(包括在地面和井下的传感器)接收和处理的数据的图形和数字输出。“旋转”钻井底部钻孔组件(BHA)、井下钻井马达、钻井涡轮或井下钻井工具(诸如，旋转导向工具)允许定向钻井。在油井的动态井下环境中的BHA、井下钻井马达、钻井涡轮或旋转导向工具的功能相对较复杂，因为在地面施加的操作参数(诸如，流速、钻压和钻柱旋转速度)与井下钻井操作的其它特性组合。这些其它特性包括地层特性(诸如岩石强度和地热温度)、并入BHA (诸如钻头)的额外工具的特性、钻井流体(诸如润滑剂)的特性等。
[0025]次优操作参数、过度操作参数的应用以及在井下马达操作期间在特定功能事件期间采取不适当行为是在定向钻井操作期间遇到的一些问题。
[0026]设计工程师、支持工程师、市场营销人员、维修和维护人员以及客户人员的各个成员可能永远不会出现在钻台上。钻台上的定向钻井员与地表数千英尺以下的功能BHA、井下钻井马达、钻井涡轮或旋转导向工具之间也可存在有效阻断。因此，这种人员不会精确了解到当马达/工具在井下发挥作用时，地面施加的操作参数和井下操作环境对钻井马达、钻井涡轮或旋转导向工具产生的效果。
[0027]使用一些实施方案，操作人员、设计工程师、支持工程师、市场营销人员、维修和维护人员以及客户都可能根据钻台施加的操作参数和其对马达/工具产生的所得负荷(其最终影响马达/工具的性能)而增加对BHA、井下钻井马达、钻井涡轮和旋转导向工具的了解。人员因各个准则而对BHA、井下钻井马达、钻井涡轮或旋转导向工具的更进一步了解将从设计阶段直至后续操作问题研宄和分析阶段受益。
[0028]实施方案将允许用户通过控制BHA、井下钻井马达、钻井涡轮或旋转导向工具操作而有效地训练模拟器，同时避免通常与井场和功率计测试操作相关联的成本和潜在安全训练问题。实施方案将促进更好地理解马达/工具输入与输出相对于井下操作环境特性且也相对于马达/工具效率、可靠性和寿命的平衡。
[0029]一些实施方案提供了用于监控定向钻井操作的图形用户界面(⑶I)。一些实施方案可用于实际钻井操作。替代地或此外，一些实施方案可用于模拟操作人员对于定向钻井的训练。来自地面和井下传感器的数据可被处理。井下操作的图形和数字表示可基于处理数据被提供。一些实施方案可图示用于定向钻井操作的BHA、井下钻井马达、钻井涡轮和旋转导向工具的性能。一些实施方案可图形化示出由井下马达、钻井涡轮或旋转导向工具的每分钟转数(RPM)和由其施加的扭矩、跨过马达、涡轮、工具的操作压力差等。钻柱内的马达、涡轮、工具的截面图可被图形化示出。这个图可示出与马达、涡轮和工具组合的钻柱的旋转。因此，钻井员可视觉上追踪钻井马达/旋转导向工具的旋转速度且视需要进行调整。以下描述和附图描述钻井马达的监控和控制。此描述还适于各种类型的旋转BHA、钻井涡轮和旋转导向工具。
[0030]图1图示根据本发明的一些实施方案的用于钻井操作的系统。图1图示定向钻井操作。钻井系统包括在地面12的钻机10，所述地面支撑钻柱14。在一些实施方案中，钻柱14是穿过工作平台16端对端连接的钻杆段的组件。在替代实施方案中，钻柱包括盘管而不是单个钻杆。钻头18耦接到钻柱14的下端，且钻头18通过钻井操作而穿过地层22和24产生钻孔20。钻柱14在其下端具有底部钻孔组件(BHA) 26，其包括钻头18、建立在井颈段32中的测井工具30、位于非磁性仪器接头34中的定向传感器、井下控制器40、遥测发射器42，且在一些实施方案中包括井下马达/旋转导向工具28。
[0031]钻井流体在地面通过管线38从矿井36抽吸到钻柱14中并且到钻头18。通过钻头18的面流出之后，钻井流体通过钻柱14与钻孔20之间的环形区域上升回到地面。在地面处，钻井流体被收集且返回到矿井36进行过滤。钻井流体用于润滑和冷却钻头18并且从钻孔20移除钻肩。
[0032]井下控制器40控制遥测发射器42的操作，并支配井下部件的操作。控制器处理从测井工具30和/或仪器接头34中的传感器接收的数据并且产生编码信号而通过遥测发射器42传输到地面。在一些实施方案中，遥测是钻柱14内泥浆脉冲的形式，且所述泥浆脉冲在地面处由泥浆脉冲接收器44检测到。可以等效地使用其它遥测系统(例如，沿钻柱的声学遥测、有线钻杆等)。除了井下传感器，系统可包括许多传感器，其在钻台地面用于监控不同操作(例如，钻柱的旋转速度，泥浆流速等)。
[0033]在一些实施方案中，来自井下和地面传感器的数据被处理用于显示(如下文进一步描述)。处理这种数据的处理器部件可位于井下和/或位于地面。举例来说，井下工具中的一个或多个处理器可处理井下数据。替代地或此外，在井场和/或远程位置的一个或多个处理器可处理所述数据。此外，处理的数据接着可以数字和图形地显示(如下文进一步描述)。
[0034]现描述可用于处理和/或显示数据的示例计算机系统。特定来说，图2图示根据本发明的一些实施方案的执行用于实施操作的软件的计算机。计算机系统200可表示系统200中的各个部件。举例来说，计算机系统200可表示井下工具的部分、井场本地计算机、井场远程计算机等。
[0035]如图2中图示，计算机系统200包括处理器202。计算机系统200还包括存储器单元230、处理器总线222和输入/输出控制器集线器(ICH) 224。处理器202、存储器单元230和ICH 224耦接到处理器总线222。处理器202可包括任何合适的处理器架构。计算机系统200可包括一个、两个、三个或三个以上处理器，其中任何一个可根据本发明的实施方案执行一组指令。
[0036]存储器单元230可以存储数据和/或指令，并且可包括任何合适的存储器，如动态随机存取存储器(DRAM)。计算机系统200还包括IDE驱动器208和/或其它合适的存储装置。根据本发明的一些实施方案，图形控制器204控制显示装置206上的信息的显示。
[0037]输入/输出控制器集线器(ICH) 224提供接口给I/O设备或用于计算机系统200的外围部件。ICH 224可包括任何合适的接口控制器来为处理器202、存储器单元230和/或与ICH 224通信的任何合适的装置或部件提供任何合适的通信链路。对于本发明的一个实施方案，ICH 224为每个接口提供合适的鉴定和缓冲。
[0038]对于本发明的一些实施方案，ICH 224提供接口给一个或多个合适的集成驱动电子器件(IDE)驱动器208(诸如硬盘驱动器(HDD)或光盘只读存储器(⑶-ROM)驱动器)，或通过一个或多个USB端口 210提供给合适的通用串行总线(USB)装置。对于一个实施方案，ICH 224还通过一个或多个火线端口 216提供接口给键盘212、鼠标214、⑶-ROM驱动器218、一个或多个合适的装置。对于本发明的一个实施方案，ICH 224还提供网络接口 220，计算机系统200可通过其与其它计算机和/或装置通信。
[0039]在一些实施方案中，计算机系统200包括机器可读介质，其存储具体实施本文描述的方法中的任何一种或全部的一组指令(例如软件)。另外，软件可完全或至少部分驻留在存储器单元230内和/或处理器202内。
[0040]定向钻井是基于定向钻井员做出的决定，其是钻台处的钻井员、井场(不是钻台上)的测井单元以及定向钻井员关于设备性能和功能的设想中的信息结果。由定向钻井员做出的决定对在地面应用到井下钻井工具的钻井操作具有直接关系。实施方案提供了钻台(本质安全的计算机上或净化钻井员的控制单元或“调谐箱”)、井场(数据测井单元或办公室)和远程(定向钻井供应商和/或石油公司的办公室或专用远程技术操作(RTO)中心)的综合定向钻井数据的实时表示。
[0041]定向钻井过程的重要部分是在施加到钻头的扭矩和RPM以及给予地层中的负荷使其局部故障并且移除地层方面钻头与地层的相互作用。另一重要部分是施加在钻头上的扭矩和RPM如何造成底部钻孔钻井组件工具中的反应性机械负荷，其影响了钻孔的轨迹。
[0042]保持钻头一致水平的扭矩和转速可实现并维持良好的地层穿透