包括钻柱伸长和扭转的估计的钻井模型校准的制作方法

包括钻柱伸长和扭转的估计的钻井模型校准的制作方法
【专利摘要】本公开涉及钻井建模程序的实时校准且涉及管子伸长的估计以对倾角和方位角测量执行校正和管子扭转的估计以对工具面设置执行校正。具有多个传感器的测量工具沿着钻柱设置。在钻井过程期间连续地从传感器中的每一者进行测量以确定扭矩、弯矩和轴向力数据。此信息与机械扭矩?阻力模型(基于可变形材料的标准机械学且基于井筒机械学)迭代地耦合以实时地或近实时地准确地估计钻柱的伸长和扭转并进而促进准确的井筒放置。
【专利说明】
包括钻柱伸长和扭转的估计的钻井模型校准
技术领域
[0001] 本公开一般来说涉及用于钻探井筒以进行烃类生产的方法和设备。更具体地说， 本公开涉及用于通过改进井筒和钻井操作(包括钻柱的伸长和扭转的估计）的数学建模的 准确度来提供准确的井筒放置的方法和系统。
[0002] 发明背景
[0003] 为了获得烃类(诸如石油和天然气），通常通过使附接在钻柱末端的钻头旋转来钻 探井筒。现代钻井系统经常采用在钻柱末端具有井底钻具组件和钻头的钻柱。通过井底钻 具组件的井下马达和/或通过使钻柱旋转来使钻头旋转。通过钻柱栗送加压的钻井流体以 对井下马达供电，向钻头和其它组件提供润滑和冷却，并带走岩肩。
[0004] 钻井活动的大部分涉及定向钻井，例如，钻探偏斜的、分支和/或水平的井筒。在定 向钻井中，通常沿着预定路径钻探井筒以便增加烃类生产。当井筒的钻探进行穿过各种地 层时，井下操作条件可能改变，且操作者必须对这些改变做出反应且调整参数以维持预定 钻井路径并优化钻井操作。钻井操作者通常调整地面控制的钻井参数，诸如钻压、通过钻柱 的钻井流体流、钻柱旋转速度，和钻井流体的密度和/或粘度，以影响钻井操作。对于在未被 开发的区域中钻探井筒，操作者通常具有地震勘探图，其提供沿着预先计划的井筒路径的 地下地层的图像。如果将在同一地层中钻探多个井筒，操作者也具有从任何先前钻探的井 筒绘制的信息。
[0005] 钻井操作经常根据沿着井筒的预期路径的地下条件的一个或多个钻井或钻井前 模型而进行。以下是各种模型可考虑的变量中的一些的非排它性列表:井筒性质，诸如井筒 几何形状、温度和直径与井筒深度;摩擦，包括整个井筒的动态和静态摩擦因子;钻柱内外 的流体的压力、速度、密度和流速;材料性质，诸如钻柱组件的强度和弹性模量;沿着钻柱的 长度的内径和外径;地面处施加的扭矩和力；工具性质，诸如长度、外径、刚度、内径和工具 中的通过钻柱运输的流量限制(如果有的话）；和最后钻柱和钻头的轴向和旋转速度。
[0006]已开发基于计算机的模型以计算与钻柱或其它运输用具(诸如连续油管)相关联 的许多量，诸如力、应力、扭矩、伸长等。一种此模型用以计算扭矩和阻力。扭矩和阻力是由 钻柱与井筒的侧壁之间的接触导致的，且因而其与井筒阻力和钻柱粘着相关。扭矩-阻力建 模可用以确定钻柱何时接近其可能破裂或屈曲的极限;钻井可在其井下端施加多少力(张 力或压缩）；在地面处施加某一扭矩的情况下在井下端施加多少扭矩;地面与井下端之间的 钻柱中有多少扭转；用于粘滑式移动的扭转和轴向动态频率；以及钻柱长度将因为例如轴 向力、扭转、温度、压力和螺旋形屈曲而伸长或压缩的程度。
[0007] 可能需要知道钻柱长度的改变以准确地计算钻柱末端的深度或其可运输的工具 的位置。类似地，知道钻柱中的扭转量可以是必要的以确保准确的工具面放置。出于这些理 由，使用扭矩-阻力计算机建模程序进行的数学模拟提供拥有的数据，这不可通过简单地监 测地面处的钻柱扭矩和大钩载荷而获得。
[0008] 附图简述
[0009] 下文中参看附图详细描述实施方案，其中：
[0010] 图1是根据实施方案的钻井系统的部分截面的立视图，其示出用于在地表中钻探 井筒的钻柱和钻头以及设置在钻柱中以用于测量钻压、钻头扭矩和钻头弯曲（即，钻头处的 弯矩)的测量工具；
[0011] 图2是图1的测量工具的立视图，其示出第一和第二位置传感器、力传感器和弯曲 传感器；
[0012] 图3是图2的已向其施加递增扭矩之后的测量工具的透视图，其示出因为扭矩引发 的扭转而导致的位置传感器之间的相对角度的改变；
[0013] 图4是图2的测量工具的简化透视图，其示出基于没有施加扭矩的基准状态的径向 向量；
[0014] 图5是图3的测量工具的简化透视图，其示出来自施加的扭矩的所得径向向量；
[0015] 图6是根据实施方案的过程的流程图，其用于钻井建模程序的实时或近实时校准， 进而允许更准确地估计图1的钻柱的扭转和伸长的程度；
[0016] 图7是图6的过程的较详细的流程图；
[0017] 图8是根据实施方案的说明用于图1的测量工具和钻井模型的数据结构的框图，钻 井模型用于图7的过程；以及
[00?8]图9是说明用以确定图1的钻柱的曲率的计算基础的不意图，图1的钻柱可用于图7 中描述的过程。
【具体实施方式】
[0019] 可能需要使用在钻井期间获取的各种测量的性质作为模型的输入来在钻井时实 时地或近实时地(取决于计算难度)运行钻井模拟模型，以便计算一个或多个值(诸如深度 校正、W0B等）以用于正在进行的钻井操作。这些计算出的值接着连同所测量的性质对操作 钻井系统的人可用。可将钻井建模的数据与实际的或所测量的数据或钻井前建模的数据进 行比较以对地层和钻井操作提供有价值的洞察。举例来说，可在钻井期间将所处理的井筒 数据发送至地面，在地面对它进行处理以更新或重新校准现有模型，并根据更新的模型修 改钻井控制程序。
[0020] 为了正确的井筒放置和油田开发，准确地测量钻头位置是重要的。而且，为了恰当 的工具面设置，准确地测量钻柱中的扭转是必要的。如果这些测量不被考虑或另外不准确， 那么计算出的真实垂直深度和所测量的深度的值很可能是错误的。
[0021] 图1示出本公开的定向钻井系统20。钻井系统20可包括陆地钻机22。然而，本公开 的教导可结合海上平台、半潜式、钻井船和对于形成延伸穿过一个或多个地下地层的井筒 是满意的任何其它钻井系统而使用。
[0022]钻机22和相关联的控制系统50可定位得靠近井口 24。钻机22可包括转台38、旋转 驱动马达40和与井筒60内的钻柱32的旋转相关联的其它设备。环66形成在钻柱32的外部与 井筒60的内径之间。对于一些应用，钻机22还可包括顶部驱动马达或顶部驱动单元42。防喷 装置(未明确示出）和与钻探井筒相关联的其它设备也可提供在井口 24处。
[0023]钻柱32的下端可包括在远端携带旋转钻头93的井底钻具组件(BHA)90。钻井流体 46可通过一个或多个栗48从储层30栗送通过导管34到钻柱32的延伸到井口 24之外的上端。 钻井流体46接着流动通过钻柱32的纵向内部，通过BHA 90，且从形成在旋转钻头93中的喷 嘴离开。在井筒60的底端62,钻井流体46可与岩肩和靠近钻头93的其它井下流体和碎肩混 合。钻井流体混合物接着向上流动通过环66来将岩肩和其它井下碎肩返回地面。导管36可 使流体返回储层30,但可提供各种类型的筛子、过滤器和/或离心机(未明确示出）以在使钻 井流体返回到坑30之前去除岩肩和其它井下碎肩。各种类型的管子、管道和/或导管可用以 形成导管34和36。
[0024]井底钻具组件90可包括各种接头、马达、稳定器、钻环、随钻测量(MWD)或随钻测井 (LWD)工具，或本领域中已知的类似设备。这些工具可放置得靠近钻头93或另外部署在BHA 90中来在钻井操作期间测量与钻柱32相关联的某些井下操作性质，且可包括传感器以用于 测量(例如)井下温度压力、方位角和倾角，并用于确定地层地质和地层流体状态，包括(例 如)烃类和水的存在。
[0025] 钻压、钻头扭矩和钻头处的弯矩的测量可用以表征能量从地面的转移，识别施加 至BHA 90和钻头93的实际钻井参数，并测量钻井操作的性能。在实施方案中，BHA 90包括具 有多个传感器的井下测量工具100,传感器实时地或近实时地从井下工具位置递送信息，包 括钻压、钻头扭矩和钻头处的弯矩值。这些随钻测量可有助于优化钻井参数以最大化性能， 最小化浪费的能量转移和振动，并确保在钻井过程的所有方面期间评估BHA 90的全移动。 在实施方案中，测量工具100是DrillDOC?钻井井下优化套环工具，其可从本公开的记录 的受让人购得。
[0026] 由测量工具100提供的测量数据和其它信息可使用常规井筒遥测技术从井筒60的 底端62传达通过钻柱32或环66内的流体并在地面处转换为电信号。此数据和信息可由控制 系统50监测和/或处理。举例来说，电导管或电线52可将电信号传达至输入装置54。从输入 装置54提供的测量数据可接着被引导至数据处理系统56。各种显示器58可作为控制系统50 的部分提供。对于一些应用，打印机59和相关联的打印输出59a也可用以监测钻柱32、井底 钻具组件90和相关联的旋转钻头93的性能。输出57可传达至与钻机22的操作相关联的各种 组件且也可传达至各种远程位置来监测钻井系统20的性能。在实施方案中，控制系统50使 用数学钻井模型300来模拟、预测、分析和/或控制钻井操作，如下文更详细地描述。
[0027] 尽管本公开说明单个测量工具100位于BHA 90中，但在一个实施方案中，测量工具 100可位于钻柱32中其它地方。另外，多个测量工具100可用于钻井系统20中位于(例如)沿 着钻柱32的多个点处。
[0028]图2示出测量工具100，其可呈包括在钻柱32 (图1)中的接头的形式，其中接头转移 旋转力，从而使接头经历递增扭矩T。测量工具100包括至少第一位置传感器102和第二位置 传感器202,诸如磁力计或陀螺仪，其提供关于其定向和位置的信息；一个或多个弯曲传感 器111，诸如加速度计，其提供关于测量工具100沿着x、y和z轴的弯曲的信息;和一个或多个 力传感器113,诸如应变计，其提供关于测量工具100转移的轴向力的信息。
[0029]第一位置传感器102和第二位置传感器202分隔距离L。在施加递增扭矩T之前，位 置传感器102、202最初可以初始角度或基准角度彼此偏移，如所示，或其可在方位角上对准 (未示出）。
[0030]图3示出已施加递增扭矩T之后的测量工具100。因为距离L相对较短，所以距离L在 扭矩存在的情况下通常保持基本上不变。然而，图3的位置传感器102、202已因为递增扭矩T 而经历绕着测量工具100的相对旋转移动。递增扭矩T是诸如可能存在于钻井操作中的所施 加的旋转力的结果。递增扭矩T使位置传感器102、202彼此进一步在角度上偏移。移动的方 向和量值将取决于递增扭矩Τ和如下文描述的其它因素而变化。
[0031]图4和图5是根据本实施方案的说明扭矩测量的几何形状的测量工具100的简化透 视图。图4说明处于没有递增扭矩的基准状态的测量工具100,且图5说明施加了递增扭矩Τ 的测量工具100。
[0032]参照图4和图5,可基于来自第一位置传感器102和第二位置传感器202的读数计算 递增扭矩Τ。位置传感器102、202同时测量对应于第一位置传感器102的第一径向向量和对 应于第二位置传感器202的第二径向向量的方向。更详细地说，每个位置传感器102、202提 供对其相对于测量工具100所面向的方向的指示。因此将径向向量定义为从测量工具100的 中心线106垂直地延伸至对应的位置传感器102、202。中心线106是用于所得向量104r、204r 的假象参照。中心线106无需为垂直的，甚至无需为直的。实际上，中心线106可以是水平的， 或其可以任何角度弯曲。
[0033] 当如图4所示没有递增扭矩施加至测量100时，基向量104b对应于传感器102,且基 向量204b对应于传感器202。在径向向量104b与204b之间定义的绕着中心线106的径向角表 示为<i>b。类似地，当如图5所示将递增扭矩T施加至测量工具100时，所得径向向量104r对应 于传感器102,且所得径向向量204r对应于传感器202。在径向向量104r与204r之间定义的 绕着中心线106的径向角表不为Φ Γ。
[0034] 所得向量104r、204r的方向可转化为方位角，其可表示地球的磁场在垂直于钻柱 轴线的平面上的投影定义的方向。方位角不必限于磁方位角，但可以是绕着井筒的指示位 置传感器102、202的最大灵敏度的方向的角度。
[0035] 导致递增扭矩T的力的施加使位置传感器102、202的定向改变。然而，递增扭矩T不 是传感器102、202的位置改变的唯一可能的原因。当测量工具100旋转时，甚至当不存在扭 矩时，即，当测量工具100自由地不受约束地旋转时，传感器102、202的方向也改变。因此，在 径向向量之间定义的径向角而不是径向向量本身用以确定递增扭矩T，进而消除由自由旋 转导致的方向改变引起的任何影响。
[0036] 使用以下方程式计算递增扭矩T，以下方程式考虑由递增扭矩T导致的位置传感器 102、202的位置从基准位置的改变：
[0037] T=((i>r-(i)b)GJ/L (方程式 1)
[0038] 其中因为施加的扭矩引起的传感器102、202之间的角度改变的改变由所得角度 ΦΓ与基准角度h之间的差表示，L表示位置传感器102、202之间的轴向距离，J是测量工具 100的在位置传感器102与202之间的部分的极惯性矩，且G是测量工具100的位于位置传感 器102与202之间的部分的刚性模量，其与测量工具100的材料组成相关。因为在测量工具 100内的长度L相对短，所以值L在施加递增扭矩T时保持基本上恒定。
[0039] 递增扭矩T可具有对于扭矩测量来说普遍的任何单位，诸如但不限于英寸镑。角度 Φτ、(Η可以弧度为单位。然而，可使用任何适当的角度单位。刚性模量G是可易于基于所使 用的材料确定的常数。刚性模量G可具有单位镑/平方英寸或任何其它合适的替代物。极惯 性矩J随测量工具100的截面形状而变。极惯性矩J可具有单位英寸 4或任何其它合适的替代 物。
[0040] 对于均匀的管状截面，极惯性矩J由以下式子给出：
[0041] J = Ji(d〇4-di4)/32 (方程式 2)
[0042] 其中d。是管的外径且cU是内径。然而，极惯性矩J也可易于针对可变管状截面(诸如 稳定器的截面)确定。本领域技术人员可确定多种形状的极惯性矩J，因为极惯性矩J可借助 众所周知的公式计算。
[0043]每个位置传感器102、202可具有一个或多个磁力计、陀螺仪或能够测量所得向量 104r、204r或基向量104b、204b的任何其它装置。因为磁力计在测量领域无效时失去准确 性，所以单个磁力计在(例如)将使感测领域被最小化的钻井方向上可能不会最佳地执行。 在这种情况下，多个装置可包括在每个位置传感器1〇2、202内。举例来说，每个位置传感器 102、202可包括磁力计、陀螺仪装置、重力装置或测量定向的任何其它类型的装置。这些测 量可基于磁场、重力或地球的自转轴而进行。此冗余可允许任何位置的定向读数。多个装置 还可用以交叉校验测量。
[0044]另外，位置传感器102、202可在使用或不使用从中心线106辐射的向量104b、104r、 204b、204r的情况下通过任何方法指示数量（Φι·- Φι〇。举例来说，位置传感器102、202可通 过声响测距、寻北陀螺仪、多个定向仪器或能够传达第一位置传感器102相对于第二位置传 感器202的位置的任何其它构件来指示相对位置。因为可在中心线106之外的任何点处测量 数量（Φτ-(H)，所以位置传感器102、202可在测量工具100的内表面上、外表面上或壁内。
[0045] 扭矩确定可基于单个测量的时间点，或其可使用在一段时间内进行的传感器测量 的平均值。实际上，在井下操作期间，可进行许多测量并对其求平均值或另外进行分析以找 到递增扭矩T。这些测量可反映恒定递增扭矩，或这些测量可反映改变的递增扭矩。本领域 技术人员将认识到，对于统计准确度所必须的测量数目可取决于实际情况而变化。
[0046] 每个位置传感器102、202、弯曲传感器111和力传感器113可将表示所测量的性质 的信号提供至位于测量工具100中的逻辑电路502或位于地球地面处的控制系统50,这又可 计算来自两个位置传感器102、202的递增扭矩T、来自弯曲传感器111的弯矩，和来自力传感 器113的轴向力。
[0047] 图6-般地说明根据实施方案的用于借助改进的钻井建模和钻柱伸长和扭转的估 计来钻探井筒的方法。在步骤250处，使用数学模型300计算与沿着设置在井筒60 (图1)中的 钻柱33的特定位置相关联的参数的第一计算值270。数学模型包括数学因子280。当数学因 子280具有原始初始量值282时，第一计算值270随至少数学因子280而变。至少一个传感器 290由在特定位置处或附近的钻柱32(图1)携带，且在步骤252处传感器290测量与参数相关 的性质。在步骤254处，使用所测量的性质确定所述参数的第一测量值274。在步骤256处，将 第一计算值270与第一测量值274进行比较，且在步骤258处基于第一计算值270与第一测量 值274的比较将数学因子280的量值校正为调整的量值284。接着重复过程。也就是说，如步 骤259所说明，使用数学模型300借助具有调整的或校正的量值284的数学因子280来计算与 钻柱32(图1)中的特定位置相关联的参数的第二计算值279。根据此方法，第二计算值279应 比第一计算值270更靠近第一测量值274。当随后的迭代进行时，计算值应接近与测量值的 收敛。
[0048] 图7说明根据实施方案的用于改进钻井建模并估计钻柱伸长和扭转的方法。图8说 明根据实施方案的数学钻井模型300和用于图7的方法中的测量工具100的数据结构。参照 图7和图8，在步骤200处，使用数学模型300执行钻井模拟。
[0049] 钻井模型300可以是扭矩-阻力模型，其可以是或可包括本领域中已知的现有扭 矩-阻力模型的方面。大多数其它所谓的改进的或更高级的变化所基于的基本模型称作软 杆模型。软杆模型将钻柱的整个长度看作足够软，使得不考虑钻柱的刚度。具体地说，软杆 模型假设钻柱与井筒连续接触且在其力均衡计算中忽略钻柱中的剪切力的存在。因为软杆 模型忽略钻柱刚度和井筒间隙的影响，所以其通常由对局部井筒弯曲的降低的灵敏度表 征，且因此可低估扭矩和阻力值。
[0050] 其它扭矩-阻力模型(诸如刚杆模型)将硬度校正并入至基本软杆模型中。一种技 术确定钻柱的递增部分的刚度且使用此信息连同井筒间隙和井筒轨迹来确定钻柱与井筒 的侧壁之间的接触位置。接着可在考虑作用于钻柱的那个递增部分上的所有显著运动力、 外力和内力的情况下计算这些确定位置处的接触力。刚度校正技术使此模型更紧密地预测 扭矩和阻力，特别是在BHA的刚度增大时，在井筒间隙减小时，和在井筒路径变得更弯曲时。 然而，这些模型需要关于井筒路径和摩擦因子的具体的和详细的信息，它们是难以确定的， 且为计算密集的。其它扭矩-阻力数学模型，包括使用有限元分析技术的模型也可以是合适 的。
[0051 ]数学模型300可包括静态或准静态操作数据310，诸如（例如）局部磁性质、详细记 录研究、钻井流体密度和BHA配置。数学模型300还可包括实时地或近实时地以高取样速率 产生并向模型300供应的操作数据320。实时数据320可包括时间/深度井筒几何数据信息、 钻柱旋转速度、地面测量的钻压，和井筒直径。更具体地说，数学模型300中所使用的变量可 包括而不限于:井筒性质，诸如井筒几何形状;温度;摩擦，包括整个井筒的动态和静态摩擦 因子;钻柱内外的流体的压力、速度、密度和流速;材料性质，诸如钻柱组件的强度和弹性模 量;沿着钻柱32(图1)的长度的内径和外径;地面处施加的扭矩和力；工具性质，诸如长度、 外径、刚度、内径和工具中的通过钻柱运输的流量限制(如果有的话）；和最后轴向和旋转钻 柱速度。
[0052]通过运行数学模型300执行钻井模拟的步骤200可包括沿着钻柱32计算弯矩的子 步骤202。在所使用的计算元件内，模型300包括影响弯矩的计算的屈曲极限因子332。
[0053]在沿着钻柱32的计算的弯矩中，特定计算的弯矩对应于测量工具100的位置。也就 是说，其最接近地表示"钻头弯曲"。将此特定计算的弯矩302与通过测量工具100确定的测 量的弯矩372进行比较，如下文中参照步骤232所描述。
[0054]在步骤200的子步骤204处，计算的弯矩可用以通过平衡在沿着钻柱的长度定义的 各节点处的力矩来对钻柱32的曲率建模。举例来说，图9说明两个梁部分，"前一"梁部分400 和"当前"梁部分402,其中中心"当前"节点η限定在两个梁部分的交叉处。前一梁部分400和 当前梁部分402的另一端分别限定"前一"节点η-1和"下一"节点η+1。前一梁部分400具有已 知长度Lw且经受已知平均轴向力Pw。同样地，当前梁部分402具有已知长度L n且经受已知 平均轴向力Pn。
[0055]单个节点解通过将梁部分400、402的远端保持为固定的并允许中心节点η在角度 θη和位移Dn上自由地移动来说明。也就是说，前一节点η-1保持为端部固定的，按已知角度 θη-ι定向，位移已知距离Dn-i，并经受内力矩Mo。下一节点η+1也保持为端部固定的，但按未知 角度θ η+ι定向，位移未知距离Dn+i，并经受内力矩Μ3。当前节点η不固定，按未知角度θ η定向，位 移未知距离Dn，并经受已知内力矩M2和M3、外力矩Ms和外力F s。当前节点η处的力矩平衡由以 下式子给出：
[0056] M〇 = FsLn-Κθη+Cn-爪+(1+(："-!)(0"-0"-d/Ln)(方程式 3)
[0057] 其中Ch是力矩转移的传递因子。
[0058]可在考虑梁部分400、402的梁刚度的情况下对此力矩平衡求解以针对当前节点η 确定角度θη和位移Dn。梁刚度1给出为：
[0059] KS = 4EI/L (方程式 4)
[0060] 其中E是弹性模量，I是梁截面的面积惯性矩，且L是梁部分的长度。
[0061]返回参照图7和图8,在子步骤206处同时计算施加在钻柱32(图1)上的总力与力矩 平衡。在用以计算总力的元件内，数学模型300包括影响总力的计算的摩擦因子336。
[0062]在子步骤204和206处，用于确定钻柱的曲率和总力两者的方程系可通过迭代求 解，直到获得计算的参数之间的收敛为止。
[0063]具有因此计算的总钻柱力，将计算的钻压值306与通过测量工具100确定的测量的 钻压值376进行比较，如下文中参照步骤236所描述。
[0064]步骤200的子步骤208表示计算整个钻柱32中的扭矩值。递增扭矩T可沿着钻柱32 的长度变化。这可例如在钻柱的一部分抵着地层摩擦或另外经历约束时发生，这可导致钻 柱32的一部分中的非常低的递增扭矩，同时使钻柱的另一部分经历非常高的递增扭矩。因 此，数学模型300可考虑真实井筒轨迹的最佳估计，这可由可通过在子步骤204中计算钻柱 曲率确定的倾角和方位角值与深度的集合来描述。
[0065] 在用以计算扭矩的元件内，数学模型300包括影响递增扭矩的计算的曲折因子 338〇
[0066] 在因此沿着钻柱32计算递增扭矩的情况下，特定计算的扭矩对应于测量工具100 的位置。也就是说，其更接近地表示"钻头扭矩"。将此特定计算的扭矩308与在钻头378处通 过测量工具1〇〇确定的测量的扭矩进行比较，如下文中参照步骤238所描述。
[0067]在可与步骤200的数学模型300的执行同时和独立于数学模型300的执行发生的步 骤220处，测量工具100测量钻头处的弯矩值372、钻压值376和钻头扭矩值378,如上文所描 述。将这些值提供至正执行数学模型300的控制系统50。
[0068]在步骤230处，数学模型300可使用测量的钻头弯曲值372、测量的钻压值376和钻 头扭矩值378实时地或近实时地校准以迭代地改进建模元素。具体地说，在子步骤232处，如 果计算的钻头弯曲值302与测量的钻头弯曲值372相差超过预定弯矩值，那么屈曲极限因子 332可调整以便使随后计算的钻头弯曲值与测量的钻头弯曲值372相等。在子步骤236处，如 果计算的钻压值306与测量的钻压值372相差超过预定重量值，那么摩擦因子336可调整以 便使随后计算的钻压值与测量的钻压值372相等。类似地，在子步骤238处，如果计算的钻头 扭矩值308与测量的钻头扭矩值378相差超过预定扭矩值，那么曲折因子338可调整以便使 随后计算的钻头扭矩值与测量的钻头扭矩值372相等。
[0069]用这种方式，校准数学模型，使得其在测量工具100处的参数的建模与那个位置的 实际测量的参数一致。尽管仅单个校验点沿着整个细长的钻柱32(图1)，但校准将理想地改 进沿着钻柱的整个长度的建模的准确度。校准还应在测量工具100失效的情况下改进数学 模型300的准确度，且其允许在甚至没有测量工具100的益处的情况下钻探随后的井筒时改 进钻井模型的假设和准确度。
[0070] 子步骤232、236和238可同时和彼此独立地发生，或其可按特定序列连续发生，使 得在进行其它比较和调整因子之前一个计算的值与其测量的对应值匹配。另外，尽管所描 述的方法和系统并入有所有三个子步骤232、236和238，但可在没有剩余子步骤的情况下使 用任何一个或两个子步骤来改进数学模型300的准确度。
[0071] 替代于在步骤232中比较钻头弯曲值，或除了其之外，可计算测量工具100本身的 曲率，且可计算跨越工具100的长度的方位角和倾角的改变。可将这些值与通过对应于测量 工具的数学模型300产生的曲率和定向数据进行比较，进而提供模型准确度的额外可靠度。 [0072]弯矩和曲率关系可给出为：
[0073]
(方程式S)
[0074] 其中Μ是钻头372处的测量的弯矩，κ是测量工具1〇〇的曲率，E是杨氏模量，且I是惯 性矩。曲率κ可具有单位(例如)度/100英尺或度/30米。
[0075] 可计算曲率κ，且可使用狗腿严重度关系来使其相等，以进而允许如下计算测量工 具1〇〇的长度上的总角度改变的计算。
[0076](方程式玢
[0077]其中δ表不
狗腿严里度，β是跨越测量工具100的狗腿的总角度改变，且L是测量工 具100的长度。
[0078] 具有因此计算的跨越测量工具100的总角度改变β，测量工具100的长度上的倾角 和方向的改变可通过以下关系来确定：
[0079] 0 = arccos(cos Δ esinansina+cosacosan)(方程式7)
[0080] 其中β是弯曲角度，a是测量工具1〇〇的上端处的以弧度为单位的倾角，<^是测量工 具100的下端处的倾角，且△ ε是测量工具1 〇〇的从上端到下端的方向（例如，方位角）的改 变。可将通过测量工具100产生的此倾角和方向数据直接与步骤204中建模的相关曲率数据 进行比较。
[0081] 返回参照步骤200,数学模型300的执行包括估计钻柱32(图1)的伸长或延长的子 步骤210。在实施方案中，子步骤210的执行直到数学模型300已在步骤230处完全校准之后 才发生，使得其影响测量工具100的参数的建模与那个位置的实际测量的参数一致。用这种 方式，在处理器带宽消耗在计算上之前，用以计算钻柱伸长的模型将最准确。然而，在替代 实施方案中，在子步骤210处独立于校准步骤230计算伸长，且简单地在步骤200的每个随后 的迭代期间更准确地对它进行重新计算。
[0082]总钻柱伸长或延长包括四个主要成分：因为轴向力导致的伸长，因为压力效应导 致的伸长(即，膨胀），因为屈曲导致的伸长，和因为温度改变导致的伸长，如下。
[0083] Δ Lf帐=Δ La+Δ LP+Δ Lb+Δ Lt (方程式8)
[0084] 其中Δ Lf帐是总伸长，Δ La是因为轴向力导致的伸长，ALP是因为压力导致的伸长， A Lb是因为屈曲导致的伸长，且ALt是因为温度改变导致的延长。
[0085] 因为轴向载荷导致的延长的计算是基于胡克定律，且由因为钻柱中的恒定载荷导 致的长度改变和因为轴向载荷的线性改变导致的长度改变组成。其由以下式子给出：
[0086]
(方程式9)
[0087] 其中Ft是作用于通过压力面积法确定的参考点处的真实的拉伸轴向力，AF是组 件长度L上的压力面积轴向力的改变，A是组件的截面积，且E是组件材料的杨氏模量。
[0088] 膨胀效应使钻柱因为从钻柱的内部到外部的差压而延长，这由以下方程式给出：
[0089]
(方程式m
[0090] 其中ALP是因为膨胀机构导致的长度改变，LP是钻柱组件元件的长度，R是组件外 径与内径的比，E是组件材料的杨氏模量，v是组件材料的泊松比，仏是钻柱组件内部的泥浆 密度，在钻柱组件的深度处的环中的泥浆密度，P s是钻柱侧上的表面压力，且Pa是环侧 上的表面压力。
[0091] 返回参照图1，在垂直井筒中，钻柱32自然地趋向于笔直地向下悬挂，而在偏斜井 筒中，钻柱自然地位于井筒的下侧。然而，因为钻柱32限制在井筒60内，所以在钻柱32上施 加足够高的压缩载荷(其可包括热载荷和压力载荷)可使钻柱32屈曲成两个状态中的一个。 在垂直井筒中，屈曲可使钻柱形成螺旋形，且在偏斜井筒中，屈曲可使钻柱采取侧向S形配 置。
[0092] 因为屈曲导致的伸长与屈曲应变相关。根据Lubinski屈曲模型，屈曲应变eb是每 单位长度的屈曲长度改变。因此，A Lb由以下公式给出：
[0093]
I方程式呈!)
[0094]其中ZQ和Ζ1由屈曲力Fb的分布定义。
[0095]屈曲应变由以下关系给出：
[0096] eb = -l/2(r0/)(方程式 12)
[0097] 其中r是钻柱的内径且θ'是钻柱的屈曲引发的螺旋角度相对于钻柱长度的改变速 率，以弧度/英尺为单位。
[0098] 对于侧向屈曲的情况，θ'曲线的实际形状可在数值上集成以获得如下方程式13的 关系，而对于螺旋形屈曲模式，屈曲应变eb由以下方程式14给出。
[0099] (方程式13)
[0100] 《方程式H)
[0101 ]其中E是杨氏模量，I是惯性矩，r是钻柱的内径，Fb是屈曲力，且FP是阈值Paslay屈 曲力，其取决于来自与井筒的接触点的置于钻柱上的载荷、钻柱的分布的浮重，和钻柱的倾 角、方位角和弯曲刚度，以及其它因素。
[0102]屈曲力Fb由以下式子给出：
[0103]
(方程式呀
[0104]其中Fb是以镑力为单位的屈曲力，Fa是以镑力为单位的轴向力，Pl是以psi为单位 的钻柱内部的压力，P。是以psi为单位的钻柱外部的压力，ri是钻柱的内径，且r。是钻柱的外 径。
[0105] 最后，热引发的伸长由以下方程式给出：
[0106] ALt = LaAt (方程式16)
[0107] 其中a是热膨胀系数，其定义为每单位温度上升的长度的微量增大，其单位是in/ in/F(其中钢的值是6.9xl0_6,铝的值是10.3xl0_6且钛的值是4.9xl0_ 6)，且At是以华氏度 为单位的平均温度改变。
[0108] 更准确地说，热引发的伸长可以积分形式给出：
[0109]
<方、程式 Π >
[0110] 其中ζ是所测量的深度且AL是所测量的计算间隔。
[0111] 返回参照图7和图8,步骤200,数学模型300的执行包括估计钻柱32(图1)的总扭转 的子步骤212。在实施方案中，子步骤212的执行直到数学模型300已在步骤230处完全校准 之后才发生，使得其影响测量工具100的参数的建模与那个位置的实际测量的参数一致。用 这种方式，在处理器带宽消耗在计算上之前，用以计算钻柱扭转的模型将最准确。然而，在 替代实施方案中，在子步骤212处独立于校准步骤230计算扭转，且简单地在步骤200的每个 随后的迭代期间更准确地对它进行重新计算。
[0112] 扭矩和扭转关系给出为：
[0113]
(方程式㈨
[0114] 其中Θ是以弧度为单位的扭转角度(其可大于231)，Τ是以英尺.镑力为单位的扭矩， J是极惯性矩(in.4)，且G是以psi为单位的刚性模量。刚性模量G又由以下式子给出：
[0115]
(方程式！9)
[0116] 其中E是以psi为单位的弹性模量且V是泊松比。
[0117] 对于具有多个段η的钻柱，总扭转角度可通过如下对所述段的递增扭转求和来确 定：
[0118] (方:程式 2§}
[0119] 如上文中所描述，测量工具100通过测量位置传感器102与202之间的角度并使用 方程式1计算扭矩来确定钻头处的扭矩值378。在子步骤230中，将来自数学模型300的计算 的钻头扭矩308与测量的钻头扭矩值378进行比较。然而，在一个实施方案中，除了比较扭矩 之外或替代于比较扭矩，可将位置传感器102与202之间的扭转（Φτ-ΦΟ与在子步骤212处 计算的对应于测量工具100的建模的扭转直接进行比较，且曲折因子338可相应地调整。 [0120]总之，已描述用于钻探井筒的方法，用于估计钻柱的状态的方法，和钻井系统。用 于钻探井筒的方法的实施方案一般来说可包括:使用数学模型计算与沿着设置在井筒中的 钻柱的位置相关联的参数的第一计算值，数学模型包括数学因子，第一计算值在数学因子 具有初始量值时随至少数学因子而变;通过所述位置处的由钻柱携带的至少一个传感器来 测量与所述参数相关的性质；使用测量的性质确定参数的测量值;基于第一计算值与测量 值的比较将校正的量值指派给数学因子；以及接着使用具有拥有校正的量值的数学因子的 数学模型计算与钻柱中的所述位置相关联的参数的第二计算值;其中第二计算值与第一计 算值相比更接近测量值。用于估计钻柱的状态的方法的实施方案一般来说可包括:使用数 学模型计算第一时刻的钻柱的远端点处的重量、扭矩和弯矩，数学模型包括摩擦因子、曲折 因子和屈曲极限因子;在远端点附近提供设置在钻柱中的测量工具;通过测量工具在第一 时刻时或附近测量远端点附近的重量、扭矩和弯矩;将测量的重量与计算的重量进行比较； 如果计算的重量与测量的重量相差预定重量值，那么调整摩擦因子;将测量的扭矩与计算 的扭矩进行比较;如果计算的扭矩与测量的扭矩相差预定扭矩值，那么调整曲折因子;将测 量的弯矩与计算的弯矩进行比较;如果计算的弯矩与测量的弯矩相差预定弯矩值，那么调 整屈曲极限因子；以及使用数学模型计算第二时刻的远端点处的重量、扭矩和弯矩，数学模 型具有由调整的摩擦因子、调整的曲折因子和调整的屈曲极限因子组成的群组中的至少一 者。钻井系统的实施方案一般来说可具有:钻柱，其在远端携带钻头;设备，其可操作以使钻 柱旋转和平移;测量工具，其沿着工具管柱设置且可操作以测量指示测量工具处的钻井参 数的测量值的性质；以及控制系统，其被布置用于执行数学钻井模型，模型可操作以迭代地 计算测量工具处的钻井参数的计算值且调整建模因子，使得计算值与测量值收敛。
[0121] 以上实施方案中的任一者可单独或彼此结合地包括以下元素或特性中的任一者： 沿着钻柱将测量工具定位于位置处;测量工具包括至少一个传感器;测量工具包括至少第 一和第二位置传感器、力传感器和弯曲传感器;参数是由扭矩、扭转、轴向力、位置、方位角、 倾角和弯矩组成的群组中的一者;所述位置在钻柱的远端附近;参数是钻头扭矩;数学因子 是曲折因子;测量至少一个传感器与第二传感器之间的因为在钻柱上施加递增扭矩而导致 的角位置的改变;至少一个传感器与第二传感器分隔预定轴向距离;根据角位置的改变计 算钻头扭矩;位置在钻柱远端附近;参数是钻压;数学因子是摩擦因子;参数是钻头弯曲；数 学因子是屈曲极限因子;使用具有第二计算值的数学模型估计由钻柱的伸长和钻柱的扭转 组成的群组中的至少一者;迭代地计算参数的计算值;迭代地确定参数的测量值;迭代地将 计算值与测量值进行比较;迭代地调整数学因子;数学模型是扭矩-阻力钻井模型；制定钻 井计划;根据钻井计划钻探井筒的第一部分;基于第二计算值调整钻井计划;根据调整的钻 井计划钻探井筒的第二部分;使用具有由调整的摩擦因子、调整的曲折因子和调整的屈曲 极限因子组成的群组中的至少一者的数学模型计算钻柱的延长;使用具有由调整的摩擦因 子、调整的曲折因子和调整的屈曲极限因子组成的群组中的至少一者的数学模型计算钻柱 的扭转；测量工具包括第一和第二位置传感器且被布置用来测量跨越测量工具的角度扭 转;钻井参数是钻头扭矩;建模因子是曲折因子;测量工具包括至少一个弯曲传感器且被布 置用来测量测量工具处的弯矩;钻井参数是钻头弯曲；建模因子是屈曲极限因子;测量工具 包括至少一个力传感器且被布置用来测量测量工具处的力;钻井参数是钻压;建模因子是 摩擦因子;测量工具能够经由井筒遥测系统与控制系统通信;且控制系统被布置用于实时 地执行数学钻井模型。
[0122] 本公开的摘要仅用于向美国专利及商标局和公众笼统地提供从粗略读数快速地 确定技术公开内容的本质和要点的途径，且其仅表示一个或多个实施方案。
[0123] 尽管已详细说明各种实施方案，但本公开不限于所示实施方案。本领域技术人员 可想到以上实施方案的修改和调整。这些修改和调整在本公开的精神和范围内。
【主权项】
1. 一种用于钻探井筒的方法，其包括： 使用数学模型计算与沿着设置在所述井筒中的钻柱的位置相关联的参数的第一计算 值，所述数学模型包括数学因子，所述第一计算值在所述数学因子具有初始量值时随至少 所述数学因子而变； 使用所述位置处的由所述钻柱携带的至少一个传感器来测量与所述参数相关的性质； 使用所述测量的性质确定所述参数的测量值； 基于所述第一计算值与所述测量值的比较将校正的量值指派给所述数学因子；以及接 着 使用具有拥有所述校正的量值的所述数学因子的所述数学模型计算与所述钻柱中的 所述位置相关联的所述参数的第二计算值;其中 所述第二计算值与所述第一计算值相比更接近所述测量值。2. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括： 沿着所述钻柱将测量工具定位于所述位置，所述测量工具包括所述至少一个传感器。3. 如权利要求2所述的方法，其中： 所述测量工具包括至少第一和第二位置传感器、力传感器和弯曲传感器。4. 如权利要求1所述的方法，其中： 所述参数是由以下各项组成的群组中的一者:扭矩、扭转、轴向力、位置、方位角、倾角 和弯矩。5. 如权利要求1所述的方法，其中： 所述位置靠近所述钻柱的远端； 所述参数是钻头扭矩;且 所述数学因子是曲折因子。6. 如权利要求5所述的方法，其进一步包括： 测量所述至少一个传感器与第二传感器之间的因为在所述钻柱上施加递增扭矩而导 致的角位置的改变，所述至少一个传感器与所述第二传感器分隔预定轴向距离；以及 根据角位置的所述改变计算所述钻头扭矩。7. 如权利要求1所述的方法，其中： 所述位置靠近所述钻柱的远端； 所述参数是钻压;且 所述数学因子是摩擦因子。8. 如权利要求1所述的方法，其中： 所述位置靠近所述钻柱的远端； 所述参数是钻头弯曲；且 所述数学因子是屈曲极限因子。9. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括： 使用具有所述第二计算值的所述数学模型估计由所述钻柱的伸长和所述钻柱的扭转 组成的群组中的至少一者。10. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括： 迭代地计算所述参数的计算值； 迭代地确定所述参数的测量值； 迭代地将所述计算值与所述测量值进行比较；以及 迭代地调整所述数学因子。11. 如权利要求1所述的方法，其中： 所述数学模型是扭矩-阻力钻井模型。12. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括： 制定钻井计划； 根据所述钻井计划钻探所述井筒的第一部分； 基于所述第二计算值调整所述钻井计划；以及 根据所述调整的钻井计划钻探所述井筒的第二部分。13. -种用于估计钻柱的状态的方法，其包括： 使用数学模型计算第一时刻的所述钻柱的远端点处的重量、扭矩和弯矩，所述数学模 型包括摩擦因子、曲折因子和屈曲极限因子； 在所述远端点附近提供设置在所述钻柱中的测量工具； 通过所述测量工具在所述第一时刻时或附近测量所述远端点附近的重量、扭矩和弯 矩； 将所述测量的重量与所述计算的重量进行比较； 如果所述计算的重量与所述测量的重量相差预定重量值，那么调整所述摩擦因子； 将所述测量的扭矩与所述计算的扭矩进行比较； 如果所述计算的扭矩与所述测量的扭矩相差预定扭矩值，那么调整所述曲折因子； 将所述测量的弯矩与所述计算的弯矩进行比较； 如果所述计算的弯矩与所述测量的弯矩相差预定弯矩值，那么调整所述屈曲极限因 子；以及 使用所述数学模型计算第二时刻的所述远端点处的重量、扭矩和弯矩，所述数学模型 具有由所述调整的摩擦因子、所述调整的曲折因子和所述调整的屈曲极限因子组成的群组 中的至少一者。14. 如权利要求13所述的方法，其进一步包括： 使用具有由所述调整的摩擦因子、所述调整的曲折因子和所述调整的屈曲极限因子组 成的所述群组中的至少一者的所述数学模型计算所述钻柱的延长。15. 如权利要求13所述的方法，其进一步包括： 使用具有由所述调整的摩擦因子、所述调整的曲折因子和所述调整的屈曲极限因子组 成的所述群组中的至少一者的所述数学模型计算所述钻柱的扭转。16. -种钻井系统，其包括 钻柱，其在远端携带钻头； 设备，其可操作以使所述钻柱旋转和平移； 测量工具，其沿着工具管柱设置且可操作以测量指示所述测量工具处的钻井参数的测 量值的性质；以及 控制系统，其被布置用于执行数学钻井模型，所述模型可操作以迭代地计算所述测量 工具处的所述钻井参数的计算值且调整建模因子，使得所述计算值与所述测量值收敛。17. 如权利要求16所述的钻井系统，其中： 所述测量工具包括第一和第二位置传感器且被布置用来测量跨越所述测量工具的角 度扭转； 所述钻井参数是钻头扭矩;且 所述建模因子是曲折因子。18. 如权利要求16所述的钻井系统，其中： 所述测量工具包括至少一个弯曲传感器且被布置用来测量所述测量工具处的弯矩； 所述钻井参数是钻头弯曲；且 所述建模因子是屈曲极限因子。19. 如权利要求16所述的钻井系统，其中： 所述测量工具包括至少一个力传感器且被布置用来测量所述测量工具处的力； 所述钻井参数是钻压;且 所述建模因子是摩擦因子。20. 如权利要求16所述的钻井系统，其中： 所述测量工具能够经由井筒遥测系统与所述控制系统通信。21. 如权利要求16所述的钻井系统，其中： 所述控制系统被布置用于实时地执行所述数学钻井模型。
【文档编号】E21B44/00GK105899757SQ201380080969
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2013年12月17日
【发明人】R·塞缪尔
【申请人】哈利伯顿能源服务公司