評估鑽井操作的清孔有效性的方法

2023-10-04 13:59:24

專利名稱：評估鑽井操作的清孔有效性的方法
技術領域：
本發明總體涉及在各種地下地層(諸如含烴地層)中鑽井的方法和系統。
背景技術：
從地下地層中獲得的烴往往用作能源、原料和消費產品。對可用烴資源枯竭的擔憂以及對所生產出的烴的總體質量下降的擔憂引起人們去開發對可用烴資源進行更有效開採、處理和/或使用的方法。在鑽井操作中，通常將各種監視和控制功能分配給鑽井人員。例如，鑽井人員可控 制或監視鑽井裝置(諸如旋轉驅動器或滑架驅動器)的位置、收集鑽井流體的樣本以及監視振動篩。作為另一個示例，鑽井人員根據實際情況調節鑽井系統(「搖動」鑽柱)，以便調節或校正鑽井速率、軌跡或穩定性。鑽工可使用操縱杆、手動開關或其他手動操作設備來控制鑽井參數，並使用計量儀、儀表、刻度盤、流體樣本、或聽得見的警報來監視鑽井狀況。對手動控制和監視的需要可能增加對地層進行鑽進的成本。另外，鑽工所進行的一些操作可基於來自鑽井系統的細小提示(諸如鑽柱的意外振動)。因為不同鑽井人員擁有不同的經驗、知識、技能和天賦，所以，依靠這樣的手動過程的鑽井性能從一個地層到另一個地層或者從一套鑽井裝備到另一套鑽井裝備不可能是可重複的。另外，一些鑽井操作(無論是手動的還是自動的)可能要求例如，當從旋轉鑽井模式變成滑動鑽井模式時，使鑽頭停止或拉離井底。在這樣的操作期間中止鑽井可降低總進展速率和鑽井效率。鑽井系統中的井底鑽具組合往往包括諸如隨鑽測量(MWD)工具的儀器。來自井下儀器的數據可用於監視和控制鑽井操作。提供、操作和維護這些井下測量工具可能顯著增加鑽井系統的成本。另外，由於必須將來自井下儀器的數據傳送到地面(諸如通過泥漿脈衝或周期性電磁傳輸)，井下儀器在鑽井過程中以周期性的間隔可能僅提供有限「快照」。例如，鑽工在來自MWD工具的更新之間可能不得不等待20秒鐘或更長時間。在更新之間的間隙期間，來自井下儀器的信息可能變得過時，失去其控制鑽井的價值。

發明內容
本文所述的實施例總體涉及在地下地層中自動鑽井的系統和方法。—種針對特定泥漿馬達評估馬達輸出轉矩與泥漿馬達兩端壓差之間的關係的評估方法包括在地層地表處向鑽柱施加轉矩，以使鑽柱以指定鑽柱轉速(rpm)在地層中旋轉；以指定流速將鑽井流體泵入泥漿馬達中；以指定壓差操作泥漿馬達以使鑽頭轉動，從而鑽入地層中；在以指定壓差持續操作泥漿馬達的同時，減小施加在鑽柱上的轉矩，從而將鑽柱的旋轉速度降低到目標鑽柱速度；在泥漿馬達處於指定壓差(因此鑽頭持續鑽井)的同時，測量使鑽柱保持目標鑽柱速度所需的在地層地表處的鑽柱轉矩；以及根據所測量的保持轉矩和指定壓差來模擬鑽頭轉矩與泥漿馬達兩端壓差之間的關係。一種評估用於在地下地層中形成開孔的鑽頭鑽壓的方法包括根據至少一種分析模型來評估鑽頭鑽壓與泥漿馬達兩端壓差之間的關係；測量泥漿馬達兩端壓差；使用地層地表處的鑽柱轉矩的至少一個測量結果來評估用於形成開孔的鑽頭轉矩與用於操作鑽頭的馬達的兩端壓差之間的關係；使用分析模型、鑽頭轉矩與馬達兩端壓差之間的評估關係、和鑽壓與鑽頭轉矩之間的評估關係來評估鑽頭鑽壓。一種評估用於在地下地層中形成開孔的鑽頭鑽壓的方法包括測量至少一個壓力以確定泥漿馬達兩端壓差；根據所測量的壓差確定馬達輸出轉矩；測量鑽柱轉矩；測量離開井底的旋轉轉矩；以及根據測量結果中的至少一個測量結果來確定產生由鑽壓引起的側向加載轉矩所需的鑽壓。一種評估用於在地下地層中形成開孔的系統中壓力的方法包括評估鑽頭在地層中的開孔內自由旋轉時的基準壓力；根據所評估的基準壓力來評估流體流過鑽頭的基準粘 度；評估隨著鑽頭被用於將開孔進一步鑽到地層中流體流過鑽頭的流速、密度和粘度；以及根據流體流過鑽頭的評估流速、密度和粘度來重新評估基準壓力。一種自動地將用於在地下地層中形成開孔的鑽頭放置在正在形成的開孔底面上的方法包括將鑽柱中的流速增加到目標流速；將進入鑽柱中的流體的流速控制成與從開孔流出的流體的流速基本相同；使流體壓力達到相對穩定狀態；以及使鑽頭以選定進展速率自動朝著開孔底面移動，直到所測量的壓差的一致增加表明鑽頭已處於開孔底面。一種自動地提升鑽頭離開地下地層中的開孔底面的方法包括設置開始提升鑽頭時馬達兩端壓差的預定水平；監視馬達兩端壓差；允許泥漿馬達兩端壓差降低到預定水平；以及在達到預定水平時，自動地提升鑽頭。一種自動地檢測為用於在地下地層中形成開孔的鑽頭提供旋轉的泥漿馬達的失速以及對該失速作出響應的方法包括指定在用於操作鑽頭的泥漿馬達上所允許的最大壓差；當所評估的壓差等於或高於指定最大壓差時，評估泥漿馬達的失速狀況；以及在評估失速狀況時，自動切斷流向泥漿馬達的流動。一種評估鑽井的清孔有效性的方法包括確定從井中移出的碎屑的質量，其中確定從井中移出的碎屑的質量包括測量進入井中的流體的總質量；測量離開井的流體的總質量；確定離開井的流體的總質量與進入井中的流體的總質量之間的差值；確定在井中挖出的巖石的質量；以及確定保留在井中的碎屑的質量，其中確定保留在井中的碎屑的質量包括確定所確定的在井中挖出的巖石的質量與所確定的從井中移出的碎屑的質量之間的差值。一種監視固體處理系統的性能的方法包括監視離開井的流體的密度和質量流速；監視返回到井中的流體的密度和質量流速；以及將離開井的流體的密度與返回到井中的流體的密度進行比較。一種控制用於滑動鑽井的井底鑽具組合的工具面方向的方法包括使工具面同步，其中使工具面同步包括確定對於至少一個時間點井下工具面的旋轉位置與地層地表處的旋轉位置之間的關係；使與井底鑽具組合聯接的鑽柱停止旋轉；控制地表處的鑽柱轉矩以便控制工具面的旋轉位置；以及開始滑動鑽井。一種控制用於在地下地層中形成開孔的鑽頭的鑽進方向的方法包括在旋轉鑽井期間改變鑽頭的速度，以使得鑽頭在旋轉循環的第一部分期間處於第一速度而在旋轉循環的第二部分期間處於第二速度，其中第一速度高於第二速度，以及其中在旋轉循環的第二部分中以第二速度操作使得鑽頭改變鑽進方向。一種推測用於在地下地層中形成開孔的鑽頭的鑽進方向的方法包括在沿著開孔的一個或多個選定點上評估鑽頭的深度；估計至少一個滑動鑽井部段的起點和終點處的方位；以及通過反向推測一個或多個之前所測量的深度來評估虛擬的測量深度。一種評估井眼、在井眼內操作的鑽井工具、或用於在地下地層中形成開孔的鑽頭的豎直深度的方法包括評估相對於井眼、鑽井工具或鑽頭的固定且已知的地點上的靜態井下壓力；評估流入井眼中的流體的密度；以及根據所評估的井下壓力和所評估的密度來評估鑽頭的豎直深度。一種使鑽頭轉向以便在地下地層中形成開孔的方法包括利用MWD工具進行至少 一次勘測；利用來自MWD工具的勘測數據來建立MWD傳感器的限定路徑；以及結合MWD工具 的路徑使用實時數據來推測鑽頭的方位和位置。一種使鑽頭轉向以便在地下地層中形成開孔的方法包括確定相對於井設計的距離；確定相對於井設計的角偏移量，其中相對於井設計的角偏移量是孔的傾角和方位角與其規劃值之間的差值，其中相對於井設計的至少一個距離和相對於井設計的至少一個角偏移量是根據最後一次勘測中孔的位置、推測的鑽頭當前地點的位置、和推測的鑽頭位置而實時確定的。一種在地下地層中鑽井期間在井下更新之間估計井底鑽具組合的工具面的方法包括對鑽柱進行編碼；以校準模式將鑽柱下入地層中，以便建立鑽柱在地層中扭轉的模型；在鑽井操作期間，測量地層地表處的鑽柱旋轉位置；以及根據地層地表處的鑽柱旋轉位置和鑽柱扭轉模型來估計井底鑽具組合的工具面。在各種實施例中，一種系統包括處理器和與該處理器聯接的存儲器，該存儲器被配置成存儲處理器可執行的程序指令，以便諸如使用上述方法來實現自動鑽井。在各種實施例中，一種計算機可讀存儲媒介包括計算機可執行的程序指令，以便諸如使用上述方法來實現自動鑽井。


參考附圖，藉助於如下詳細描述，本發明的優點對於本領域技術人員來說是顯而易見的，在附圖中圖I和IA示出了按照一個實施例用於自動地進行鑽井操作的帶有控制系統的鑽井系統的不意圖；圖IB示出了包括彎接頭的井底鑽具組合的一個實施例；圖2是示出控制系統的一個實施例的示意圖；圖3示出了按照一個實施例評估馬達輸出轉矩與泥漿馬達兩端壓差之間關係的方法的流程圖；圖4示出了在測試期間在地層地表處測量的鑽柱轉矩與時間的關係以便確定在從旋轉鑽井到滑動鑽井過渡時轉矩/壓差關係的一個實施例；圖5是按照一個實施例泥漿馬達輸出轉矩與馬達兩端壓差之間關係的圖線；
圖6示出了按照一個實施例使用壓差評估鑽頭鑽壓的方法的流程圖；圖7示出了使用多個測試點建立的關係的示例；圖8示出了評估鑽壓和壓差關係的方法的流程圖，該鑽壓包括使用地錶轉矩的測量結果來確定由鑽壓引起的側向加載轉矩；圖8A示出了旋轉鑽井的圖示，顯示出測量轉矩和計算轉矩與時間的關係；圖9示出了管中的壓差與粘度之間的關係；圖10示出了按照一個實施例檢測泥漿馬達的失速並從失速中恢復過來的方法的流程圖；圖11示出了確定清孔有效性的方法的流程圖；
圖12示出了按照一個實施例使用隨鑽測量數據使工具面同步；圖13示出了使鑽井系統從旋轉鑽井過渡到滑動鑽井的方法的流程圖；圖14是隨時間變化的圖線，示出了每隔一段時間利用地表調節在從旋轉鑽井到滑動鑽井的過渡中進行調整；圖15示出了按照一個實施例包括滑架移動的從旋轉鑽井到滑動鑽井過渡的方法的流程圖；圖16示出了在旋轉循環期間改變鑽柱的旋轉速度的一個鑽井實施例的方法的流程圖；圖17示出了按照一個實施例的多速度旋轉循環的圖表；圖18示出了鑽孔中的鑽柱，對於該鑽孔，可評估虛擬的連續勘測；圖18A描繪了示出在MWD勘測之間的滑動鑽井的示例的圖表；圖18B是在旋轉鑽井模式和滑動鑽井模式下鑽井的一個示例的原始勘測點的列表;圖18C是包括添加的虛擬勘測點的勘測點列表；圖19示出了按照一個實施例加入連接段分支(joint lateral)期間的壓力記錄的示例；圖20示出了密度與總豎直深度結果關係的示例；圖21示出了示出對鑽頭進行推測的方法的示圖；圖22是示出鑽孔規劃和根據該規劃鑽出一部分孔的一個實施例的圖表；圖23示出了生成轉向命令的方法的一個實施例；以及圖24示出了用於輸入調整設置點的用戶輸入屏幕的一個實施例。
具體實施例方式下述描述總體涉及在地層中鑽井的系統和方法。這樣的地層可被處理成生產烴產品、氫和其他產品。在信號(諸如磁、電磁、電壓、或其他電信號或磁信號)的語境下的「連續」或「連續地」包括連續信號和在選定時間段內重複脈衝化的信號。連續信號可以以規則間隔或不規則間隔進行發送或接收。「流體」可以是但不限於氣體、液體、乳液、漿狀物和/或具有與液體流動相似的流動特性的固體顆粒流。
「流體壓力」是由地層中的流體生成的壓力。「巖石靜壓」(有時稱為「巖石靜應力」)是地層中等於上覆巖體的單位面積重量的壓力。「流體靜壓」是流體柱施加在地層中的壓力。「地層」包括一個或多個含烴層、一個或多個非烴層、上覆巖層、和下伏巖層。「烴層」指的是地層中包含烴的層。烴層可能包括非烴物質和烴物質。「上覆巖層」和/或「下伏巖層」包括一種或多種不同類型的不能透過性物質。例如，上覆巖層和/或下伏巖層可包括巖石、頁巖、泥巖、和潮溼/緻密的碳酸鹽。「地層流體」指的是存在於地層中的流體，可包括熱解流體、合成氣體、流動的烴、和水(蒸汽)。地層流體可包括烴流體以及非烴流體。術語「流動的流體」指的是含烴地層中能夠由於地層的熱處理而流動的流體。「產出流體」指的是從地層中移出的流體。層的「厚度」指的是層的橫截面的厚度，其中橫截面與該層的面垂直。除非另有規定，「粘度」指的是在40° C下的運動學粘度。粘度如通過ASTM方法 D445確定。術語「井眼」指的是地層中通過鑽井或將管道插入地層中所形成的孔。井眼可能具有大致圓形的橫截面，或其他橫截面形狀。如本文所使用的，術語「井」和「開孔」在指地層中的開孔時，可與術語「井眼」互換使用。在一些實施例中，自動進行地層中的一些或所有鑽井操作。在某些實施例中，控制系統可經由直接測量和模型匹配來執行通常分配給鑽工的監視功能。在某些實施例中，控制系統可被編程成包括模仿來自鑽工的控制信號(例如，來自操縱杆和手動開關的控制輸入)的控制信號。在一些實施例中，由無人勘測系統和綜合轉向邏輯提供軌跡控制。圖I示出了按照一個實施例用於自動地進行鑽井操作的帶有控制系統的鑽井系統的示意圖。鑽井系統100設置在地層102上。鑽井系統100包括鑽井平臺104、泵108、鑽柱110、井底鑽具組合112和控制系統114。鑽柱110由一系列鑽杆116組成，隨著在地層102中鑽出井117，鑽杆依次加到鑽柱110中。鑽井平臺104包括滑架118、旋轉驅動系統120和鑽杆管理系統122。操作鑽井平臺104可鑽出井117以及將鑽柱110和井底鑽具組合112推進到地層104中。在鑽柱110的外部與井117的側面之間可形成環形開孔126。在井117中可設置套管124。如圖I所描繪的，套管124可設置在井117的整個長度上或設置在井117的一部分上。井底鑽具組合112包括鑽鋌130、泥漿馬達132、鑽頭134和隨鑽測量(MWD)工具136。鑽頭134可由泥漿馬達132驅動。泥漿馬達132可由流過泥漿馬達的鑽井流體驅動。鑽頭134的速度可近似地與泥漿馬達132兩端壓差成比例。如本文所使用的，「泥漿馬達兩端壓差」可以指流入泥漿馬達中的流體與從泥漿馬達流出的流體之間的壓差。鑽井流體在本文中可以指「泥漿」。在一些實施例中，將鑽頭134和/或泥漿馬達132安裝在井底鑽具組合112的彎接頭上。彎接頭可以使鑽頭定向成相對於井底鑽具組合112的方位和/或鑽柱110的端部成一角度(偏離軸線)。彎接頭可例如用於井的定向鑽進。圖IB示出了包括彎接頭的井底鑽具組合的一個實施例。沿鑽進方向可安放彎接頭133，該鑽進方向相對於井底鑽具組合和/或井眼的軸線方向成一角度。MWD工具136可包括用於測量鑽井系統100、井117和/或地層102中的特性的各個傳感器。可通過MWD工具測量的特性的示例包括天然Y射線、方位(傾角和方位角)、工具面、鑽孔壓力和溫度。MWD工具可通過泥漿脈衝、電磁遙測或任何其他數據傳輸形式(諸如聲學或帶電線的鑽杆)將數據傳輸到地表。在一些實施例中，MWD工具可以與井底鑽具組合和/或泥漿馬達間隔開。在一些實施例中，泵108使鑽井流體循環通過泥漿輸送管線137、鑽柱110的中心通道138、通過泥漿馬達132、通過鑽柱110的外部與井117的側壁之間的環形開孔126向上返回到地層地表(如圖IA所示)。泵108包括壓力傳感器150、吸入流量計152和返回流量計154。壓力傳感器150可用於測量鑽井系統100中流體的壓力。在一個實施例中，壓力傳感器150之一測量立管壓力。流量計152和154可測量流入鑽柱110中和從鑽柱110流出的流體的質量。鑽井系統的控制系統可包括計算機系統。一般說來，術語「計算機系統」可以指具有處理器的任何設備，該處理器執行來自存儲介質的指令。如本文所使用的，計算機系統可包括處理器、伺服器、微控制器、微型計算機、可編程邏輯控制器(PLC)、專用集成電路和其他可編程電路，這些術語在本文中可互換使用。 計算機系統通常包括諸如CPU的部件以及相關存儲介質。存儲介質可存儲電腦程式的程序指令。程序指令可由CPU執行。計算機系統可進一步地包括諸如監視器的顯示設備；諸如鍵盤的字母數字輸入設備；和諸如滑鼠或操縱杆的方向輸入設備。計算機系統可包括存儲介質，在該存儲介質上可存儲按照各個實施例的電腦程式。術語「存儲介質」旨在包括安裝介質、CD-ROM、諸如DRAM、SRAM、ED0 RAM,Rambus RAM等的計算機系統存儲器、或諸如磁介質(例如，硬碟驅動器或光存儲體)的永久性存儲器。存儲介質還可包括其他類型的存儲器或它們的組合。另外，存儲介質可位於執行程序的第一計算機中，或者可位於不同的第二計算機中，該第二計算機經由網絡與第一計算機連接。在後一種情況下，第二計算機可將程序指令提供給第一計算機以用於執行。計算機系統可採取各種形式，諸如個人計算機系統、大型計算機系統、工作站、網絡設備、網際網路設備、個人數字助理(「PDA」)、電視系統或其他設備。存儲介質可存儲軟體程序，或者可存儲可操作以執行用於處理保險索賠的方法的程序。一個或多個軟體程序可以以各種方式實現，包括但不限於基於過程技術、基於部件技術和/或面向對象技術等。例如，如果需要的話，軟體程序可使用JavaictiveX控制項、C++對象、JavaBeans、微軟基礎類(「MFC」)、基於瀏覽器應用程式(例如，Java小應用程式)、傳統程序、或其他技術或方法來實現。CPU(諸如執行代碼和來自存儲介質的數據的主機CPU)可包括創建和執行軟體程序或按照本文所述的實施例的程序的裝置。圖2是示出控制系統的一個實施例的示意圖。控制系統114可實現各種設備的控制、接收傳感器數據以及進行計算。在一個實施例中，控制系統的可編程邏輯控制器(「PLC」)實現如下子程序啟動；將鑽頭下降到井底；開始鑽井；監視鑽井；從旋轉鑽井開始滑動；保持工具面和滑動鑽井；從滑動開始旋轉鑽井；停止鑽井；以及將鑽柱升聞到結束位置。每個子程序都可基於用戶定義設置點和各種軟體例程的輸出進行控制。一旦形成鑽杆的每次連接，就可將控制交給控制系統的PLC。鑽井操作可包括旋轉鑽井、滑動鑽井和它們的組合。一般說來，旋轉鑽井可遵循相對直的路徑，而滑動鑽井可遵循相對彎曲的路徑。在一些實施例中，旋轉鑽井I旲式和滑動鑽井模式可結合使用以實現指定軌跡。可監視的各種參數包括泥漿馬達失速檢測和恢復、地表推力界限、泥漿流入/流出平衡、轉矩、鑽壓、立管壓力穩定性、頂部驅動器位置、鑽進速率和轉矩穩定性。PLC可對這些參數中的任一個或所有自動作出超範圍狀況響應。在某些實施例中，地層中的開孔只使用旋轉鑽井形成(沒有滑動鑽井)。控制鑽井參數來調節傾角。在某些實施例中，降斜(dropping)是通過提高泥楽;流速而降低鑽進速率來實現的，而增斜(build)是通過將降低每分鐘轉速(RPM)、降低流量和提高鑽進速率相組合來實現的。在某些實施例中，鑽井系統包括集成自動化鑽杆管理器。集成自動化的鑽杆管理器可允許鑽井系統自動鑽出所有部段。諸如鑽井流體、燃料和廢物清除的服務可被保留。PLC可自動控制這些參數中的一個或多個。 在一些實施例中，控制系統提供鑽井所需的一套工程計算。可以為例如勘測、規劃井、定向鑽井、轉矩和拖曳以及液壓提供工程模型。在一個實施例中，對從鑽機裝備傳感器、泥漿裝備傳感器和MWD接收的實時數據進行計算，並經由資料庫(諸如SQL伺服器資料庫)報告給控制系統。計算結果可用於在進行鑽井時監視和控制鑽機裝備。在一些實施例中，控制系統包括圖表用戶界面。圖表用戶界面可顯示各種鑽井參數以及允許輸入各種鑽井參數。圖表用戶界面屏幕可在程序正運行和接收數據時不斷地更新。顯示可包括諸如下述信息-井眼和鑽柱的當前深度、壓力和轉矩、和底部鑽具組合(BHA)性能分析，該性能分析提供鑽井滑動和旋轉間隔的定向性能總結；-最後勘測位置的位置、孔的當前端部、代表與孔的端部最接近點的規劃井的點、和最後推測的距規劃井距離的位置的總結。這些都可表示成勘測位置，從而顯示出每個位置處的深度、傾角、方位角和真正的豎直深度；以及-孔的端部與規劃井之間的距離和方向以及當前鑽井狀態和方向調整結果。在一些鑽井操作中，進行測試以校準儀器並且確定各種參數和特性之間的關係。例如，在鑽井操作開始時，可進行鑽井啟動測試以確定流速與壓力之間的關係等。但是，校準測試期間的狀況不可能精確反映出鑽井期間實際遇到的狀況。結果，來自一些常用校準測試的數據可能不足以有效地控制鑽井。而且，一些現有校準測試未提供足夠精確的信息以優化性能(諸如最佳鑽進速率或定向控制)或應付在鑽井期間可能引起的不利狀態(諸如泥漿馬達的失速)。在一些實施例中，針對特定泥漿馬達，評估馬達輸出轉矩與泥漿馬達兩端壓差之間的關係。所評估的關係可用於控制使用泥漿馬達的鑽井操作。圖3示出了按照一個實施例評估馬達輸出轉矩與泥漿馬達兩端壓差之間的關係。在步驟160中，在地層地表處向鑽柱施加轉矩，使鑽柱以指定鑽柱轉速(rpm)在地層中旋轉。在一些實施例中，可使鑽柱旋轉以特別地用於進行校準測試，以便如圖3所述地評估馬達輸出轉矩與壓差之間的關係。在其他實施例中，在開始校準的時候，鑽柱可能已經在旋轉，作為一部分地層的旋轉鑽井的一部分。在步驟162中，以指定流速將鑽井流體泵送到泥漿馬達中，以使鑽頭轉動而鑽入地層中。在步驟164中，以指定壓差(可與鑽井流體的流速成比例)操作泥漿馬達，以使鑽頭轉動而鑽入地層中。在步驟166中，在以指定壓差持續操作泥漿馬達的同時，減小所施加的鑽柱轉矩以將鑽柱轉速降低到零。轉矩的減小可通過降低鑽井系統的旋轉驅動器的速度來實現。在步驟168中，測量在地層地表處鑽柱上的保持轉矩。保持轉矩可以是在泥漿馬達處於指定壓差(因此鑽頭持續鑽井)時使鑽柱保持零鑽柱速度所需的轉矩。在步驟170中，基於所測量的保持轉矩和指定壓差建立鑽頭轉矩與泥漿馬達兩端壓差之間關係的模型。在某些實施例中，假設鑽頭的轉矩是由泥漿馬達壓差指示的值。圖4示出了在測試期間所測量的地層地表處的鑽柱轉矩與時間的關係以便確定在從旋轉鑽井到滑動鑽井過渡時轉矩/壓差關係的一個實施例。曲線176繪出了鑽柱轉矩與時間的關係。最初，旋轉驅動器可以使鑽柱轉動，以使得所測量的地層地表處轉矩處於 相對穩定水平(在本示例中，大約5，500ft-lb (英尺-磅)。在位置178處,使旋轉慢下來。隨著鑽柱慢下來，鑽柱轉矩下降。在位置180處，轉矩可達到相應穩定值(在本示例中，大約650 ft-lb)。地表處的轉矩將降低到等於泥漿馬達的輸出轉矩的轉矩。因此，在位置180處在地表處的轉矩的穩定轉矩讀數可接近泥漿馬達的轉矩。鑽頭轉矩與泥漿馬達兩端壓差的關係可以是線性關係。圖5是按照一個實施例泥漿馬達輸出轉矩與馬達兩端壓差之間的關係的圖線。曲線182示出了本示例中鑽頭轉矩與壓差之間的關係。在一些實施例中，使用兩點建立線性關係第一點是[轉矩=指定壓差時的保持轉矩，壓差=指定壓差]，以及第二點是[轉矩=0，壓差=0]。由於可以假設[轉矩=0，壓差=0]而無需進行測試，所以，線性關係可只用一個測試點(即，[轉矩=指定壓差時的保持轉矩，壓差=指定壓差])進行確定。為了進行比較，圖5包括了馬達標準曲線184。馬達標準曲線184代表製造商的馬達標準曲線，其可能通常看起來象對泥漿馬達進行測試而得出的曲線182的曲線。在一些實施例中，在測量保持轉矩之前使鑽柱解扭轉(unwind)。再次參照圖4，曲線186示出了在鑽柱解扭轉時井底鑽具組合的取向。該圖線示出了在地表處鑽柱RPM是零時轉矩與BHA工具面滾轉之間的關係。在鑽頭在井底鑽井的情況下，當鑽杆RPM被設置成零時，鑽柱所具有的轉矩使BHA向右旋轉，直到地表處的鑽柱轉矩與試圖使BHA朝著相反方向旋轉的來自馬達的反作用轉矩平衡。因此，在點188處，隨著旋轉鑽井的旋轉停止，鑽柱處於0°的右滾轉。隨著時間的流逝，鑽柱解扭轉，直到鑽柱在190處達到穩定水平(在本示例中，大約750°，2. I圈)。在BHA滾轉穩定時，地錶轉矩測量結果可以是馬達輸出轉矩的直接測量值。在一個示例中，解扭轉可能花費大約2. 5分鐘。在一些實施例中，周期性地重複測試以評估鑽頭轉矩與泥漿馬達兩端壓差之間的關係。該測試可例如用於隨著鑽井在地層中推進而檢查馬達性能。另外，可在發生滑動鑽井且地錶轉矩已經穩定的任何時刻進行測試。泥漿馬達兩端壓差可直接測量，或根據其他測量特性估計。在一些實施例中，根據立管壓力讀數估計泥漿馬達兩端壓差。可周期性地進行「歸零」以便使所獲得的「離開井底」立管壓力測量結果的誤差最小。在其他實施例中，泥漿馬達兩端壓差可通過計算離開井底的循環壓力並將其與實際立管壓力相比較來建立。在一些實施例中，作為一種診斷工具，監視多個鑽壓計算。在一個實施例中，自動監視這些值。例如，控制系統可監視狀況且評估(1)當前表面張力一離開井底表面張力；
(2)使用表面張力和離開井底摩擦係數的轉矩和曳力模型鑽壓(「W0B」)；(3)使用轉矩和離開井底摩擦係數的轉矩和曳力模型鑽壓；以及(4)鑽井啟動測試WOB與馬達壓差之間的關係。
在一些實施例中，控制系統可包括用於根據上述評估結果的不同子集來控制鑽井的邏輯。例如，如果滑動鑽井，則上面的方法I和3可能無效。如果在滑動鑽井期間，BHA掛起，則方法2也可能變成無效的(方法2可能例如讀數過大，因為並非所有重量都傳遞到鑽頭)。在一些實施例中，監視邏輯可能基於上面在給出的方法中的兩種或更多種之間的一種或多種比較。監視邏輯的一個示例是「如果在滑動鑽井期間，方法4與方法2相差大於(用戶設置點％)，則檢測到「掛起」。作為另一個示例，如果在旋轉鑽井期間，來自評估方法3的鑽壓比評估方法2大大於(用戶設置點％)，則自動化系統可報告檢測到「使鑽柱旋轉的轉矩過大」的狀況。在一些實施例中，可降低ROP或鑽柱RPM，直到鑽壓評估結果回到容許範圍內。在某些實施例中，在自動鑽井過程中使用機械特定能量(「MSE」)計算。在上述情況下，例如，「使鑽柱旋轉的轉矩過大」可登記成高MSE。在一個實施例中，使用泥漿馬達兩端壓差來評估用於在地下地層中形成開孔的鑽壓。圖6示出了按照一個實施例使用壓差來估計鑽壓。在步驟200中，建立用於形成開孔的鑽壓與用於操作鑽頭的馬達兩端壓差之間的關係。在某些實施例中，如上面結合圖4所述的，使用地層地表處的鑽柱轉矩的測量結果來建立該關係。在步驟202中，建立鑽壓與馬達壓差關係的模型。在一個實施例中，根據大鉤負載差方法來建立鑽壓模型。在另一個實施例中，鑽壓基於動態轉矩和曳力模型，例如，可使用鑽壓的由鑽頭引起的側向加載轉矩估計。在步驟204中，在鑽井操作期間，測量馬達兩端壓差。在步驟206中，使用在步驟202中建立的模型來估計鑽壓。在給定巖性下鑽井時，如上所述評估的鑽壓與馬達壓差(鑽頭轉矩)之間的關係可保持有效。在一些實施例中，針對在鑽井操作過程中所得到的多個壓差讀數來評估鑽壓。數據點可被曲線擬合以便根據所測量的壓差連續估計鑽壓。曲線擬合可限定出鑽壓與壓差之間的線性關係。在一個實施例中，在一次或多次鑽井啟動測試期間得到壓差讀數。圖7示出了使用多個測試點建立的關係的示例。點210可被曲線擬合以得出線性關係212。在一些實施例中，在鑽柱體處於鑽井套管內時進行鑽壓與壓差關係的測試。當鑽柱體處於鑽井套管內時，使用「大鉤負載差」方法或動態轉矩和曳力模型所測量的鑽壓可能相對精確，這是因為可以使裸眼摩擦係數的不確定性最小。在一個實施例中，當鑽柱第一次從套管中出來鑽到地層中時進行測試。在一些實施例中，在井的水平部段中確定鑽壓/壓差關係。在地層的鑽壓評估的一些實施例中，使用鑽柱處於地層中時所獲得的轉矩測量結果來估計與鑽壓增加相關聯的側向負載增量。例如，轉矩測量結果可用於使用轉矩和曳力模型來求解未知鑽壓。在一個實施例中，在每個連接段上，例如，每當作為鑽井啟動測試的一部分開始鑽井時，進行測量並評估鑽壓。在某些實施例中，假設摩擦係數是恆定的。
圖8示出了評估鑽壓關係，該評估鑽壓關係包括使用地錶轉矩和壓差的測量結果來確定由鑽壓引起的側向加載轉矩。在步驟214中，在鑽井時測量壓力以便確定泥漿馬達兩端壓差。該測量例如可以如上面結合圖3所述。在步驟216中，根據壓差來確定馬達輸出轉矩。在一些實施例中，假設鑽頭轉矩和馬達輸出轉矩是相同的。鑽頭轉矩的確定例如可以如上面結合圖3所述。在步驟218中，在鑽井期間可測量地表處的鑽柱轉矩。地表處的鑽柱轉矩可利用地層地表處的儀器直接測量。在步驟220中，測量離開井底旋轉轉矩。在一些實施例中，使用控制系統自動取樣離開井底旋轉轉矩。在步驟222中，根據轉矩測量結果和估計值來確定由鑽壓引起的側向負載。在一個實施例中，使用如下公式確定由鑽壓引起的轉矩增量由鑽壓引起的側向加載轉矩=地錶轉矩(在鑽井期間)_馬達輸出轉矩-離開井底 旋轉轉矩。在步驟224中，根據離開井底旋轉轉矩數據來確定離開井底摩擦係數。鑽壓和鑽頭轉矩兩者都可以為零。在步驟226中，確定引起由鑽壓引起的側向加載轉矩所需的鑽壓。鑽壓基於使用在步驟224中所確定的離開井底摩擦係數的轉矩和曳力模型。圖8A示出了旋轉鑽井的顯示出測量轉矩和計算轉矩與時間關係的圖。曲線231示出了立管壓力。曲線232示出了馬達轉矩。可根據壓差校準來確定馬達轉矩。曲線233示出了所測量的地錶轉矩。曲線234示出了由鑽壓引起的側向加載轉矩。由鑽壓引起的側向加載轉矩可如上面結合圖8所述地進行計算。曲線235示出了鑽柱轉矩。鑽柱轉矩可以是地錶轉矩與馬達轉矩之差。曲線236示出了離開井底的地錶轉矩。在一些實施例中，將泵馬達兩端的壓差用作主要控制變量來進行自動鑽井操作。在一些實施例中，如上面結合圖3所述的，使用地層地表處的鑽柱轉矩的測量結果來建立泵馬達兩端壓差與輸出馬達轉矩之間的關係。控制系統可自動監視諸如泥漿流速、鑽壓和地錶轉矩的狀況。在一個實施例中，只要滿足預定條件，自動控制系統就通過提高鑽柱向前運動到鑽孔中的速率來查找目標壓差。預定條件可以例如是不能超過的用戶定義設置點或範圍。設置點的示例包括鑽壓在最大鑽壓(用戶設置點)範圍內、地錶轉矩在最大轉矩(用戶設置點)範圍內、泥漿流速下降到在目標流速以下(用戶設置點)、轉矩不穩定性超過(用戶設置點)、流出速率與流入速率相差大於(用戶設置點)、檢測到失速、檢測到掛起、檢測到鑽井轉矩過大、立管壓力與所計算的循環壓力相差大於(用戶設置點)。在一個實施例中，目標壓差是250psi (磅每平方英寸)。在一個實施例中，定向鑽井包括通過提高泥漿流速降斜和通過降低RPM和/或流量增斜。在一些實施例中，調整旋轉鑽井參數來調節對分支的傾角調整軌跡控制(例如，無需求助於滑動鑽井)。在個實施例中，逐步地將PLC中的各個子程序連結在一起，以便能夠利用旋轉鑽井和滑動鑽井的組合來自主地鑽出所有連接段。在某些實施例中，在滑動鑽井之前，使鑽頭保持在井底以及使鑽頭低轉速鑽井，以使BHA工具面與表面位置同步。這可使PLC將BHA停在工具面目標上並在滑動模式下繼續鑽井，而無需停止鑽井或提升鑽頭離開井底。
在一些實施例中，實時運行轉矩、曳力、鑽柱扭轉和液壓模型。在以高鑽進速率(ROP)鑽井的同時，該模型可估計鑽柱中的扭轉以及生成連續的工具面估計結果以支持自主控制系統。在某些實施例中，該模型可在任何時候生成輸出扭轉值，並填補井下更新之間的空隙。可計算具有所需精度的液壓壓力以獲得馬達轉矩。例如，還可以出於機械特定能量(「MSE」)分析目的獲取鑽壓。在一些實施例中，可根據測試測量結果來確定摩擦係數。例如，可根據在地表處測量的馬達輸出和轉矩來建立摩擦係數。在輸入諸如RPM、R0P、地表旋轉轉矩、地表大鉤負載的鑽井參數的情況下，可計算鑽頭轉矩。通過將馬達轉矩值與所計算的鑽頭轉矩進行匹配，可確定裸眼摩擦係數(例如，通過迭代來確定轉矩匹配處的摩擦係數值)。在一些實施例中，例如，通過使用在鑽柱的離開井底運動期間自動測量的裸眼摩擦係數來獲取鑽壓、沿著鑽柱的轉矩以及鑽柱扭轉值。在某些實施例中，如果摩擦係數等於或低於指定最小值(諸如
O.2)，或者等於或高於指定最大值(比如O. 7)，則可停止鑽井，進行故障排除。一旦預定井下鑽壓和馬達轉矩是可用的，則可計算出、繪出和顯示出作為鑽壓的函數的轉矩。在某些實施例中，確定和顯示MSE曲線。使用諸如所計算的WOB的計算值可自動進行鑽井。在一些實施例中，摩擦係數可隨著進行鑽井而重新計算，並用於自動鑽井中。在一個實施例中，評估用於在地下地層中形成開孔的壓力的方法包括測量鑽頭在地層中的開孔中自由旋轉時的基準壓力。基於測量的基準壓力來評估流體流過鑽頭的基準粘度。隨著鑽頭進一步鑽到地層中，評估流體流過鑽頭的流速、密度和粘度。隨著鑽井操作繼續進行，可根據所評估的流體流過鑽頭的流速、密度和粘度來重新評估基準壓力。在一些實施例中，可根據壓差來確定粘度。在一個實施例中，科裡奧利流量計用於測量流入井中和從井中流出的流量和密度。在泥漿輸送管線的限定長度(可在鑽井系統的泵與鑽機之間)兩端測量壓差。圖9示出了管中的壓差與粘度之間的關係。圖9所示的示例是基於20米長的2英寸泥漿輸送管線的。曲線240基於400加侖/分鐘的流速。曲線242基於250加侖/分鐘的流速。使用壓差確定密度可省去對粘度計的需要。但是，在一些實施例中，粘度計可包括在鑽井系統中。在一個實施例中，自動地將鑽頭放置在地下地層的開孔的底面上。啟動泥漿泵，並且在預定時間之後，使流速升(以預定速率)到目標流速。監視和控制進入鑽柱的流體的流速以使其與從井中流出的流速相同(在用戶限定的設置點內)。使立管壓力達到相對穩定狀態。使鑽柱以預定RPM旋轉。使鑽頭以選定推進速率向開孔底面移動，直到所測量的壓差的一致增加表明鑽頭已處於開孔底面處。在一些實施例中，這對應於鑽頭深度=開孔深度(但是，儘管深度計算值不匹配，但開孔底面中的空腔或深度測量值的誤差可能使「底面」被檢測到)。可建立很多個設置點，並且在「將鑽頭降低到底面」的過程期間監視這些變量。在泥漿泵被接合之前可進行鑽柱旋轉，以便在泥漿重新開始流入環形空間中時降低壓力。如果進入鑽杆中的流體的流速不與從開孔中流出的流體的流速基本相同，則可使鑽頭後退離開開孔底面。在鑽井操作期間，一旦鑽井已前進到給定長度鑽杆的最大可用深度，則使用鑽機來完成鑽井，並準備加入另一長度的鑽杆。在一個實施例中，鑽杆被推進到地層中。停止鑽杆推進(例如，當達到該長度鑽杆的最大可用深度時)。使泥漿馬達兩端的壓差減小。在一些實施例中，使壓差減小到用戶設置點。一旦壓差已減小到規定水平，就可以提升鑽柱。轉矩和曳力模型可用來監視進行提升所需的作用力。在一個實施例中，作用力本身可被推測並且用作報警標誌(例如，如果超過用戶限定量)。在另一個實施例中，使用離開井底摩擦係數。例如，如果離開井底摩擦係數超過指定量(諸如>0. 5)，則可觸發「緊孔拉回」報警條件。一旦報警觸發，就可以開始減輕(mitigation)過程。在一個實施例中， 在鑽井期間評估裸眼摩擦係數。在某些實施例中，連續評估裸眼摩擦係數。例如，在實施例中，連續評估裸眼摩擦係數，以核實「正常」井眼條件作為完成選定任務的許可條件而存在。可將錯誤處理子程序定義成防止和減輕不良鑽孔狀況。泥漿馬達失速是常見事件。通常，馬達的動力部分包括轉子，該轉子通過鑽井流體流過該單元而被驅動旋轉。旋轉的速度由流體流速控制。動力部分是容積式系統，因此隨著旋轉阻力(制動轉矩)施加在轉子上(來自鑽頭)，保持固定流體流速所需的壓力增大。在各種條件下，可超過動力部分保持轉子旋轉的能力，使鑽頭停止轉動，即，失速。失速狀況有 時可能發生在一秒鐘之內。圖10示出了按照一個實施例檢測泥漿馬達的失速並從失速中恢復過來的方法的流程圖。在步驟260中，為鑽井操作設置最大壓差。在步驟261中可開始鑽井。在步驟262中，可評估壓差。如果所評估的壓差等於或高於指定最大壓差，則在步驟263中評估馬達的失速狀況。一旦檢測到失速，就在步驟264中自動切斷到泥漿馬達的流動(例如，通過斷開馬達的泵)。在一些實施例中，在步驟265中，自動停止與鑽頭聯接的鑽柱的旋轉。在一些實施例中，根據失速檢測，自動停止鑽杆移動(使鑽柱向前移動減小到零)。在步驟266中，在允許重新啟動馬達之前使壓差下降到低於指定最大壓差。在一些實施例中，釋放過大壓力或使過大壓力釋放掉。在步驟268中，可將鑽頭升高而離開井底部。在步驟270中，重新啟動馬達。在步驟272中，重新開始鑽井。在一個實施例中，在鑽井期間測量離開井底立管壓力。評估泥漿馬達最大壓差。當離開井底立管壓力與馬達最大壓差之和超過指定水平時，指出失速。在一個實施例中，利用鑽機立管壓力傳感器測量立管壓力。在鑽井期間，井中的碎屑的過度堆積可能不利地影響鑽井操作。在一個實施例中，鑽出的碎屑的質量平衡計量用來監視井的狀況。在一些實施例中，來自質量平衡計量的信息用於自動進行鑽井操作中。在一些實施例中，一種評估在地下地層中鑽井的清孔有效性的方法包括確定在井中挖出的巖石的質量。在一個實施例中，通過使用地層體密度的補測測井曲線(offsetlog)，即實時隨鑽測井(「LWD」)曲線可確定從井中挖出的碎屑的質量。孔的長度和直徑可用於提供體積，體密度測井曲線可提供密度估計。從井中移出的碎屑的質量可通過下述方式來確定測量進入井中的流體的總質量和離開井的流體的總質量，然後從離開井的流體的總質量中減去進入井中的流體的總質量。保留在井中的碎屑的質量可通過下述方式來估計所確定的從在井中挖出的巖石的質量減去所確定的從井中移出的碎屑的質量。在某些實施例中，可根據所確定的保留在井中的碎屑的質量來評估清孔有效性的定量測量。圖11示出了確定清孔有效性的方法的流程圖。部分流體損失可通過從平衡(reconciliation)中排除損失的流體質量而加以考慮。在一些實施例中，使用科裡奧利質量流量計來實現鑽井流體密度和流速的連續監視。在一個實施例中，將科裡奧利流量計設置在吸入管線和返回管線兩者上，以便實時地物理測量進入井中和離開井的流體的質量流量。科裡奧利流量計可提供流速、密度和溫度數據。在一個實施例中，密度計、流量計和粘度計串聯安裝(例如，安裝在置於在用泥漿罐與泥漿泵之間的滑板上)。在一個實施例中，粘度計是TT-100粘度計。密度計、流量計和粘度計可測量去往井中的流體。第二科裡奧利流量計安裝在流線(flowline)上以測量離開井的流體。在一些實施例中，將控制系統編程以提供自主鑽井和數據收集過程。該過程可包括監視鑽井性能的各個方面。控制系統的一部分可專用於處理鑽井流體數據。控制系統可使用鑽井流體數據手動輸入、傳感測量和/或數學計算來幫助建立實時確認鑽井性能的指示和趨勢。在一些實施例中，所收集的數據可用於確定清孔有效性。在一些實施例中，實時測量鑽井流體參數。實時測量還可提高數據的客觀性，以便 於對鑽井流體波動立即作出響應。在一些實施例中，在鑽井時實時測量密度、粘度和流速。對進入井中和從井中出來的泥漿流速和密度的實時控制和數據收集可實現精確的鑽井參數優化。控制系統例如可根據傳感器信號(有人介入或無人介入)自動作出反應和作出優化調節。在一些實施例中，鑽出碎屑的質量平衡計量用於提供清孔有效性的趨勢指示。在一個實施例中，用於清孔指標(HCI)的質量平衡計算通過下述方式來確定計算留在井中的碎屑的體積，並且作出所有碎屑沿著井的水平截面均勻分布的假設。碎屑層高度可被計算並轉換成碎屑所佔據的橫截面面積。HCI=鑽頭開孔面積/碎屑所佔據的面積井眼流體柱可以與地面系統無關。傳送到在用系統中的粉末產品或流體添加劑(如果存在任何這樣的產品或添加劑的話)可能與實時循環通過井的流體的質量平衡無關。因此，挖出的鑽出碎屑可以是流體柱的唯一 「添加劑」。鑽出碎屑是唯一添加劑的假設的一個例外是如果存在從地層中湧入的水。在一些實施例中，通過監視從串聯的粘度計中測量的流變性質的任何意外減小來確定水湧入。在其他實施例中，流入體積與流出體積的總量可以指示出流體湧入。可根據任何這樣的減小來說明有水湧入以調節HCI。在一個實施例中，科裡奧利流量計具有預置校準進度表。科裡奧利流量計可具有內置的高/低水平報警器，以便確認正在接收精確數據。在一個示例中，6"科裡奧利流量計具有兩根流管，每根具有3. 5" (88. 9_)的直徑。在一個實施例中，科裡奧利流量計將物質流控制到預置流速的±0. 5%的精度。自動監視清除有效性的應用可消除或降低對人工監視操作(諸如監視振動篩)的需要。例如，在振動篩處可不需要人員定期地測量粘度和泥漿重量。作為另一個示例，可能不需要泥漿工程師定期地獲取泥漿樣本。下面給出質量平衡監視的示例示例I一開始循環為了平衡，讀取和評估吸入計和流線計。(由於因離開的流體較熱流體而溫度可能稍有出入，因此可能稍輕。)
進/ 出流體2m3/minX 1040kg/m3=2080kg/min串聯的流體粘度計可在600、300、200、100、6和3rpm速率下測量讀數。在每個rpm速率上收集時間都可以是I秒鐘。6秒鐘將處理所有六個讀數。 可根據「查找」表進行溫度校正。示例2—開始鑽井生成的巖石的質量可以基於鑽進速率和鑽孔尺寸。可實時地用圖表表示所生成的巖石的計算質量。鑽孔尺寸@31ImmX R0P@ 100m/hr=挖出的碎屑 . 59mVhr (7. 59m3/hrX2600kg/m3) /60min=329kg/min2600kg/m3可以是碎屑密度的假設值一可替代的是，來自補償井的密度測井「查找」表可用於表徵每個地層的密度。查找表可設置成包括來自補償井的測徑測井數據，以提高精度。查找表可設置成包括來自補償井的衝走百分比與深度的關係。329kg/minX 5% 衝走=生成的巖石 345kg/min可用圖表將衝走百分比表示成一組分離的數據點。基於根據環形體積和流速計算出的清空環形空間中的泥漿所花費的時間(「井底清空」時間)，可計算滯後時間。可評估碎屑形狀、尺寸、流體滑移速度、水平與垂直鑽井。示例3—質量平衡計量去往井中的流體的總質量和離開井的流體的總質量。從離開井的流體的總質量中減去去往井中的流體的總質量。該差值可以表示從井中移出的鑽出碎屑的質量。進入流體2.OmVmin X 1040kg/m3=2080kg/min流出流體2.OmVminX 1180kg/m3=2360kg/min差值是280kg/min通過從挖出的巖石的實際質量中減去這個差值，獲得還沒有從井中移出的鑽出碎屑的理論質量的指示。因此，345kg/min- 280kg/min=留在井中的 65kg/min在一個實施例中，流體測量結果可用於設置控制系統中的許可性。例如，可根據在設定的容許量內從井中出來的流量是否等於去往井中的流量來設置許可性。在一些實施例中，利用科裡奧利計量系統來監視泥漿固體處理系統的性能。可計量從井的環形空間進入固體處理系統的漿狀物的密度和速率(質量流量)。在泥漿進入泥漿泵中以便沿井向下送回的點處，通過位於系統另一側的科裡奧利流量計可測量系統移出固體的效率。通過跟蹤泥漿的基本密度與沿井向下返回的泥漿的密度的關係來評估系統移出鑽出固體的能力。在一些實施例中，確定留在井中的固體。根據從井和鑽井流體兩者中移出的總巖石質量來確定總固體控制系統性能。總固體控制系統性能可提供有關多少碎屑留在井中的指示。在一個實施例中，繪出所生成的巖石的理論質量與巖石的測量質量之間關係的圖表。可在圖表用戶界面中向操作人員顯示該結果。在某些實施例中，建立最大固體閾值界限。可自動向鑽工顯示該界限，以便向鑽工提供井不夠清潔的可視化提示。可將該界限連結成被自動鑽井控制系統監視的設置點。如果系統確定井眼不夠清潔，則可在rpe和後聯合鑽井階段啟動減輕子程序，諸如降低鑽進速率、提高流速、增長循環時間和增大旋轉速度。在定向鑽井中遇到的一種挑戰是控制鑽頭或井底鑽具組合(「BHA」)工具面的取向。如本文所使用的，「BHA工具面」可以指鑽井組件的方向偏轉設備(諸如彎接頭)所指向的旋轉位置。在包括彎接頭的井底鑽具組合中，例如，BHA工具面總是定向成在鑽柱的端部處相對於鑽柱的方位偏離軸線。通常，當以旋轉鑽井模式鑽出井段時，BHA工具面隨著鑽柱旋轉而連續變化。這種工具面連續變化的總體結果可能是井底鑽井的方向大致是直的。但是，在滑動鑽井模式下，在滑動期間，BHA工具面的取向將決定鑽井的方向(因為BHA工具面在整個滑動過程中通常可能保持指向一個方向)，因此必須控制在可接受的容許量內。另夕卜，當從一個鑽井段變到另一個鑽井段或者從一種鑽井模式變到另一種鑽井模式時，重新設立BHA工具面可能需要操作人員的實質性介入和/或可能需要使鑽頭停止，這兩者都可能使進展速率變慢並且降低鑽井效率。控制BHA工具面方面的挑戰可能因鑽柱扭轉而複雜化。在鑽井期間，鑽頭和鑽柱經受各種轉矩負載。在典型的旋轉鑽井操作中，例如，操作諸如頂部驅動器或轉盤的旋轉驅動器，以便在地層地表處向鑽柱施加轉矩以使鑽柱旋轉，由於井底鑽具組合和鑽柱的下部部分與地層的側面和/或底部接觸，所以地層可能沿著與旋轉驅動器相反的方向(例如，如從上面看，逆時針)對鑽柱施加反作用抵抗轉矩。在地層內，鑽柱頂部和底部上的這些反作用轉矩使鑽柱扭擰，或「扭轉」。扭轉的幅度隨施加在鑽柱上的外部負載變化而動態地變 化。另外，鑽頭和鑽柱也可能遇到與鑽井操作有關的轉矩(諸如抵抗鑽頭在開孔中旋轉的轉矩)。在鑽頭的角取向用於控制鑽井方向(諸如在滑動鑽井期間)的鑽井系統中，鑽柱扭轉可能限制操作人員控制和監視鑽井過程的能力。一種測量工具面方向的方式是利用井下儀器(例如，井底鑽具組合上的MWD工具)。但是，與來自MWD工具的任何測量結果一樣，工具面測量結果不可能提供工具面的連續測量結果，而只是工具面的間斷的「快照」。此外，這些間斷讀數到達地表可花費時間。這樣，當鑽柱正在旋轉時，來自MWD工具的工具面的最近報告的旋轉位置可能滯後於工具面的實際旋轉位置。在一些實施例中，在地層地表處鑽柱的旋轉位置用於估計BAH工具面的旋轉位置。在一個實施例中，BHA的旋轉位置與在地層地表處使主軸旋轉的頂部驅動器的旋轉位置有關聯。例如，可確定在特定條件下，如果工具面朝上，則頂部驅動器的旋轉位置相對於給定基準在25°處。將BHA工具面的旋轉位置與地層地表處的旋轉位置相關聯的過程在本文中被稱為「同步」。在一些實施例中，同步包括動態地計算「頂側工具面」。給定時間的「頂側工具面」可以是工具面的估計旋轉位置，該工具面的估計旋轉位置通過與從MWD工具接收的有關BHA工具面的最近數據相結合而使用所測量的頂部驅動器的實際旋轉位置來確定。由於頂部驅動器的旋轉位置可連續獲得，所以頂側工具面可以是BHA工具面的連續指示。這種連續指示可填補來自MWD工具的間斷的井下更新的時間空隙，以便達到比單獨利用MWD工具面更好的對工具面的控制(因此對軌跡進行控制)。一旦同步，控制系統就可以使用頂側工具面使BHA工具面沿著希望的旋轉方向使鑽柱停止，例如，以便進行滑動鑽井。在一些實施例中，以指定RPM設置點和目標馬達壓差利用鑽柱進行工具面同步，而保持其他鑽井設置點和目標不變。
在一些實施例中，同步基於來自MWD工具的BHA工具面數據。從MWD工具接收重力工具面(「GTF」)值。同步可包括使BHA工具面與地層地表處的旋轉位置同步。在某些實施例中，當從MWD工具接收BHA工具面的數值時，頂側工具面用於推測BHA值將落入的地方。工具面的井下取樣與地表上的數據解碼之間的滯後時間可通過將滯後時間編程到PLC中或通過測量和計入基於RPM的偏移(例如，通過在該「偏移量」之前使頂側工具面停止)來計入。如上所述，一旦使工具面同步，可編程邏輯控制器就可使BHA工具面停止在希望的位置上，以便開始滑動鑽井。圖12示出了按照一個實施例使用MWD數據的工具面同步。在步驟300中，可以使地錶轉子減慢到工具面運轉的RPM。在步驟302中，可從MWD工具中讀取BHA工具面的讀數，直到已達到指定數量的樣本。在步驟304中，轉子位置上限和下限可確定為在BHA工具面設置點周圍。在一個實施例中，根據模型和/或最後工具面讀數的穩定平均值來計算希望的工具面設置點之間 的角偏移。希望的工具面設置點的上限和希望的工具面設置點的下限可根據希望的MWD工具面確定。頂側工具面(旋轉位置)可根據當前旋轉位置和所計算的角偏移進行計算。在步驟306中，對頂側工具面是否在設定的容許量內作出評估。如果頂側工具面未在設定的容許量內，則轉子可以以運轉RPM繼續轉動。可重新評估頂側工具面，直到頂側工具面落入設定的容許量內。當頂側工具面在設定的容許量之內時，在步驟308中，可通過進入中立位置而使鑽柱停止。在一些實施例中，將諸如上述的BHA工具面同步用在旋轉鑽井到滑動鑽井的過渡中。在其他實施例中，可將BHA工具面同步用在停止鑽井進程中。在某些實施例中，當鑽井系統被拉回到「停止」水平時使用工具面同步，以便每次都將MWD定位在相同旋轉位置上，這可以使與滾轉相關的方位角測量變化最小。在一些實施例中，以兩種模式進行鑽井操作旋轉鑽井和滑動鑽井。如上所述，旋轉鑽井可遵循相對直的路徑，而滑動鑽井可遵循相對彎曲的路徑。兩種模式可結合使用以實現希望的軌跡。在一些實施例中，在從一種鑽井模式到另一種鑽井模式(諸如從旋轉到滑動或者從滑動到旋轉)的自動控制過渡期間，可以使鑽頭保持在井底並旋轉著(全速或減速)。在一些實施例中，在從一段到另一段(如從一個滑動段到另一個滑動段)的自動控制過渡期間，可以使鑽頭保持在井底並旋轉著(全速或減速)。在過渡期間持續鑽井可提高鑽井效率和總進展速率。在一個實施例中，鑽機的滑架驅動器(諸如齒條和小齒輪驅動器)提供作用力以將馬達壓差保持在目標水平。在其他實施例中，在鑽機絞車使鑽柱下入井眼中時，井眼內的鑽井管狀物的重量提供該作用力。在一些實施例中，控制滑動鑽井操作包括動態調整BHA工具面。在一些實施例中，在從旋轉鑽井模式到滑動鑽井模式的過渡期間進行動態調整。例如，為了開始到滑動鑽井模式的過渡，可以使鑽柱的旋轉減慢到停止。隨著旋轉鑽井減慢到停止，可以使BHA工具面同步。一旦BHA工具面同步，使用地表旋轉間斷地上下調節保持轉矩以實現BHA工具面的改變，可調整BHA工具面(例如使用在地表處施加在鑽柱上的轉矩)以使BHA工具面在滑動鑽井期間保持在希望的旋轉位置上。在一些實施例中，通過使BHA工具面和「頂側工具面」同步來使得鑽井系統為滑動鑽井做好準備，以便當BHA工具面處於希望位置時使鑽柱旋轉停止。一旦BHA工具面停止在希望位置上，就可以使鑽柱解扭轉，以便將地錶轉矩減小到希望的保持轉矩。一旦鑽柱解扭轉，就可以在地層地表處利用旋轉驅動系統施加的保持轉矩來保持BHA工具面。圖13示出了鑽井系統從旋轉鑽井到滑動鑽井的過渡。在這個實施例中，該過渡包括動態調整BHA工具面。在步驟318中，使BHA工具面同步。在一個實施例中，該同步可如上面結合圖12所述。在一些實施例中，在同步期間或之後，使旋轉驅動器停止，以使得BHA工具面在希望的旋轉位置設置點的容許量內。在一些實施例中，在工具面同步期間，使操作鑽頭(可與TOB和/或WOB有關聯)的泥漿馬達兩端壓差升高和/或保持在滑動鑽井的目標設置點上。在其他實施例中，壓差可在除了用於滑動鑽井的目標壓差之外的水平上。在某些實施例中，根據BAH工具面控制泥漿馬達兩端壓差。在一個實施例中，如果BHA工具面在目標設置點的範圍內，則可將壓差設置成滑動鑽井壓差設置點。在一些實施例中，泥漿馬達兩端壓差可從降低的設置點(如滑動鑽井目標壓差的25%)開始，然後根據相對於BAH工具面目標的偏移量來使其增大(例如，以預定增量)。
在步驟320中，可以使旋轉驅動器停止，BHA工具面處於希望的設置點上。在步驟322中，可以使鑽柱解扭轉。該解扭轉可以與鑽井系統實際能力一樣快。在一些實施例中，該解扭轉可基於包括鑽柱扭轉的轉矩和曳力模型。在其他實施例中，該解扭轉可基於地錶轉矩。在一些實施例中，使鑽柱解扭轉到中立的保持轉矩。在其他實施例中，使鑽柱解扭轉到左滾轉保持轉矩。如本文所使用的，「左滾轉保持轉矩」可以等於如從壓差中減去用戶定義的BHA 「左滾轉保持轉矩」變量而計算出的鑽頭轉矩。例如，如果系統趨向於停止，而BHA工具面向右滾轉得太多，則左滾轉保持轉矩可能是合適的。對於從旋轉鑽井到滑動鑽井的初始過渡，如果正在保持左滾轉保持轉矩，則可監視BHA工具面滾轉。如果BHA工具面正在向右滾轉(向前)，則只要在地表上存在負轉矩，BHA工具面就會開始向後滾轉。負轉矩越大，BHA工具面應該停止和向後轉得越快。BHA工具面也可隨壓差變化而向後(「左」)或向前(「右」)旋轉。相對照地，如果BHA工具面正在左滾轉(向後)，則推測的BHA工具面一處於容許量內，就可以使旋轉驅動器旋轉到中性保持轉矩(鑽頭轉矩)。BHA工具面最初不可能是穩定的。如果BHA工具面長時間穩定，則可能觸發故障報
m
目ο在步驟324中，控制器可對穩定的BHA工具面進行監視。在步驟326中，如果BHA工具面在容許量之外，則可調節地表處的旋轉驅動器，以使BAH工具面回到容許量之內。在某些實施例中，保持轉矩大約等於如使用壓差關系所計算的泥漿馬達輸出轉矩。通過地表旋轉使地表保持轉矩增大/減小，以保持與泥漿馬達輸出等效的轉矩，除非需要井下工具面改變。在一個示例中，在測量200tflb的地錶轉矩增量之前，200ftlb的馬達輸出轉矩增加可能在地表處需要45°的向前旋轉。頂側工具面在調節保持轉矩期間可保持相同。在一個實施例中，控制系統在從旋轉鑽井到滑動鑽井的過渡期間自動降低目標壓差。一旦設置為滑動鑽井，控制系統就可自動恢復到原始目標壓差。BHA工具面的監視可基於來自井下儀器、地表儀器或它們的組合的測量結果。在一個實施例中，BHA工具面的監視基於井下MWD工具。在一個實施例中，監視Λ (delta) MWD工具面(「DTF」)速率。如果BHA工具面移動到容許量範圍之外，則可在步驟328中調節地錶轉子。對於給定鑽進速率，DTF對於給定右滾轉保持轉矩來說可能是相當穩定的。隨著BHA響應於左滾轉矩而滾轉，地錶轉矩將下降。隨著旋轉，可保持地錶轉矩以保持左滾轉保持轉矩和DTF速率。左滾轉保持轉矩是動態的(基於鑽頭轉矩)，因此，如果馬達轉矩因地層變化而增大，則PLC中的左滾轉保持轉矩目標可能需要地表順時針旋轉(這種地表順時針旋轉將抵抗BHA工具面左滾轉的趨勢)。BHA工具面一滾轉到容許量範圍內(基於推測最後測量的DTF向前與時間的關係)，就可以通過使地表處旋轉驅動器旋轉來使地錶轉矩返回到中性保持轉矩(其可以與如根據壓差計算出的鑽頭轉矩相同)。在步驟330中，可進行滑動鑽井。控制器可對穩定的BHA工具面進行監視，並且可調節旋轉驅動器以使BHA工具面保持在希望的旋轉位置上。如上所論述的，在一些實施例中，在從旋轉鑽井模式到滑動鑽井模式過渡的整個過程中鑽井可持續進行。在一些實施例中，一旦隨著地錶轉矩等於中性保持轉矩BHA工具面落在範圍中(基於DTF)，則可選地可以使鑽柱自動搖動、擺動或晃動以減小曳力。BHA工具面的微調可通過下述方式來實現在地表處旋轉所需增量，保持位置，和使地表處的轉矩自然地返回到保持轉矩。 表I是用於調整的用戶設置點的示例。
I實例設置 工具面同步RPM5
最大的初始滑動鑽井DiffP% 60 DiffP恢復速率I分鐘
工具面容許量+10
工具面容許量-10
LRTl500ftlb
LRT2750ftlb
LRT3IOOOftlb
WU500ftlb
RRT2750ftlb
RRT3IOOOftlb
權利要求
1.一種評估鑽井操作的清孔有效性的方法，所述方法包括 a)確定從井中移出的碎屑的質量，其中確定從井中移出的碎屑的質量包括 i)測量進入井中的流體的總質量； ii)測量離開井的流體的總質量；以及 iii)確定離開井的流體的總質量與進入井中的流體的總質量之間的差值； b)確定在井中挖出的巖石的質量；以及 c)確定保留在井中的碎屑的質量，其中確定保留在井中的碎屑的質量包括確定所確定的在井中挖出的巖石的質量與所確定的從井中移出的碎屑的質量之間的差值。
2.如權利要求I所述的方法，進一步包括根據清孔有效性的一種或多種評估來自動控制一種或多種鑽井操作，其中清孔有效性的一種或多種評估中的至少一種基於所確定的在井中挖出的巖石的質量與所確定的從井中移出的碎屑的質量之間的所確定的差值。
3.如權利要求I所述的方法，進一步包括根據所確定的保留在井中的碎屑的質量來評估清孔有效性的至少一個定量度量。
4.如權利要求I所述的方法，其中確定從井中挖出的巖石的質量包括生成補償測井記錄、隨鑽測井的測井記錄或地層體密度測井記錄中的至少一種。
5.如權利要求I所述的方法，進一步包括評估鑽井系統中的至少一種流體密度。
6.如權利要求I所述的方法，進一步包括確定鑽頭開孔橫截面面積與碎屑所佔據的橫截面面積之比。
7.如權利要求I所述的方法，進一步包括 監視鑽井系統的至少一個點中的流體的流變性質的減小；以及 根據流體的流變性質的至少一次減小來評估水湧入。
8.如權利要求I所述的方法，進一步包括評估井中的水湧入，並且調整清孔有效性的計入水湧入的定量度量。
9.如權利要求I所述的方法，其中，根據來自與鑽井系統聯接的一個或多個傳感器的數據來自動地作出至少優化評估。
全文摘要
一種評估鑽井操作的清孔有效性的方法，所述方法包括a)確定從井中移出的碎屑的質量，其中確定從井中移出的碎屑的質量包括i)測量進入井中的流體的總質量；ii)測量離開井的流體的總質量；以及iii)確定離開井的流體的總質量與進入井中的流體的總質量之間的差值；b)確定在井中挖出的巖石的質量；以及c)確定保留在井中的碎屑的質量，其中確定保留在井中的碎屑的質量包括確定所確定的在井中挖出的巖石的質量與所確定的從井中移出的碎屑的質量之間的差值。
文檔編號E21B7/06GK102943660SQ20121053160
公開日2013年2月27日 申請日期2011年4月11日 優先權日2010年4月12日
發明者D·A·埃德伯裡, J·V·格雷羅, D·C·麥克唐納德, J·B·諾曼, J·B·羅格斯, D·R·斯特昂 申請人:國際殼牌研究有限公司