CN104695937B - 钻井综合提速优化专家系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻井综合提速优化专家系统，包括：邻井数据获取单元，用于获取邻井完钻数据及邻井地质数据；随钻数据获取单元，用于获取当前钻井随钻实时数据；地质特性分析模块，连接于邻井数据获取单元及随钻数据获取单元，用于确定当前钻井的岩石抗压强度剖面及岩性剖面；钻头高效破岩基准线生成单元，连接于地质特性分析模块，用于得到高效破岩基准线；钻井效率评价模块，连接于随钻数据获取单元，用于计算破岩效率评价指数；钻井实时优化模块，连接于随钻数据获取单元、钻井效率评价模块及钻头高效破岩基准线生成单元，用于优化钻井效率。本发明能够突破以机械钻速作为性能评价的局限性，实现破岩效率的量化评价，达到提高钻速的目的。

Description

钻井综合提速优化专家系统

技术领域

本发明涉及钻井优化领域，特别是一种钻井综合提速优化专家系统。

背景技术

钻井工程是石油工业中一项为增储上产而开辟从地表到地下目的层的通道和采集所钻地层井下工况信息的入地工程，地层不确定性和井下工况隐蔽性使其成为一项高风险、高投入的多学科系统工程。正所谓“知己知彼，百战不殆”，“己”指的是自己的技术能力和装备能力，而“彼”指的是地层特性和井下的工况。要做到“知己”，需要根据钻探目标不断提升设备和技术水平；而要做到“知彼”，首要技术是基于随钻信息及完井信息的钻井效率的量化评价及钻井优化效果评价。

传统的钻井效率评价方法是将实钻数据与邻井的完钻数据进行统计平均值进行偏差分析，但这种方法仅仅能体现出井与井之间的相对效率评估，难以提出优化钻井效率的指导性措施，且具有地域限制，不具有实时性。另外一种方式试钻测试，即利用在给定地层、钻头、井下钻具组合和水力条件下所实现最大机械钻速确定相应的最优参数组合，但是在钻进过程中耗费大量时间和分析过程。上述效率评价方式都是以机械钻速作为可比性指标来评价破岩效率，存在很大的局限性。高效钻井的原则是单位进尺成本最低，亦即单纯的高钻速不代表“高效率钻井”，高效钻井还需考虑钻头进尺以及高钻速下可能引起的钻柱振动、井底泥包、钻头磨损钝化及井壁失稳等潜在风险，所以机械钻速不可能无限制增大，应该有一个合理的经济有效范围。如何确定这个范围，以及如何在缩短钻井周期的情况下拓展这个范围的上限，一直是亟需解决的难题。

发明内容

本发明提供的一种钻井综合提速优化专家系统，能够突破以机械钻速作为性能评价的局限性，实时计算钻头破岩效率，实现破岩效率的量化评价。

本发明实施例提供的一种钻井综合提速优化专家系统，其中，所述专家系统包括：

邻井数据获取单元，用于获取邻井完钻数据及邻井地质数据；

随钻数据获取单元，用于获取当前钻井随钻实时数据；

地质特性分析模块，连接于所述邻井数据获取单元及所述随钻数据获取单元，用于确定当前钻井的岩石抗压强度剖面及岩性剖面；

钻头高效破岩基准线生成单元，连接于所述地质特性分析模块，用于得到高效破岩基准线；

钻井效率评价模块，连接于所述随钻数据获取单元，用于计算破岩效率评价指数；

钻井实时优化模块，连接于所述随钻数据获取单元、所述钻井效率评价模块及所述钻头高效破岩基准线生成单元，用于优化钻井效率。

本发明的一实施例中，所述专家系统还包括钻头分析模块，连接于所述邻井数据获取单元，接收邻井完钻数据，用于为当前钻井提供优选钻头序列，预测当前钻井的机械钻速，并将预测的当前钻井机械钻速输出至所述钻井实时优化模块。

本发明的一实施例中，采用如下钻头经济效益指数法为当前钻井提供优选钻头序列，所述钻头经济效益指数法的模型为：

其中，F为钻头进尺，单位为米；V为机械钻速，单位为米每小时；C为钻头成本，单位元；a为系数；I_b为钻头效益指数，单位为立方米每小时.元。

本发明的一实施例中，预测当前钻井的机械钻速方法为：根据钻头在邻井使用时的机械钻速得到预测的当前钻井机械钻速。

本发明的一实施例中，所述高效破岩基准线为围压条件下岩石抗压强度，围压条件下所述岩石抗压强度的模型为：

其中，I_GR为泥质含量指数；GR，GR_min，GR_max为目的层、纯泥砂岩和纯泥岩层的自然伽玛值；V_sh为泥质含量，单位为％；GCUR为希尔奇指数；C_b为岩石体积压缩系数；Δt_p为纵波时差，单位为微秒每米；Δt_s为横波时差,单位为微秒每米；ρ为地层密度，克每立方厘米；E_d为杨氏模量，兆帕；S₀为粘聚力，兆帕；θ为内摩擦角，度；UCS为岩石单轴抗压强度，兆帕；P_ε为井底压差，兆帕；CCS为围压下岩石抗压强度，兆帕。

本发明的一实施例中，泥浆马达复合钻进条件下钻井效率评价模型为：

其中，EFF_Pdm为效率评价指数，兆帕；λ为钻头水动力系数，无量纲；F_j为喷嘴出口处的射流冲击力，牛顿；ΔP_b为钻头压力降，兆帕；d_B为钻头直径，毫米；A₀喷嘴出口总面积，立方毫米；Q为排量，升每秒；K_N为螺杆转速流量比，转每升；T_max为螺杆最大额定扭矩，牛顿.米；ΔP_max为螺杆最大额定压差，兆帕；ΔP_PDM为螺杆压力降，兆帕；WOB为钻压，牛顿；RPM_s为地表顶驱转速，转每分；ROP为机械钻速，米每小时；ρ_d为钻井液密度，克每立方米。

本发明一实施例中，空气锤钻进条件下破岩效率评价模型为：

其中，EFF_Ham为效率评价指数，兆帕；m_p为活塞质量，牛顿；m_b为钻头质量，牛顿；F为冲击频率，冲每分钟(s/min)；e为冲击补偿系数，无量纲；η_tr为能量传递系数，无量纲，取值[0,1]；WOB为钻压，牛顿；RPM_s为地表顶驱转速，转每分钟；ROP为机械钻速，米每小时；T为扭矩，牛.米；v_im为活塞冲击速度，米每秒。

本发明的一实施例中，钻井综合提速优化专家系统还包括钻头钝化分析单元，连接于所述钻井效率评价模块及所述钻井实时优化模块，用于判断钻头是否出现钝化。

本发明的一实施例中，所述钻井实时优化模块包括第一比较器，所述第一比较器接收随钻数据获取单元得到的实际钻速及当前钻井位置的预测的当前钻井机械钻速，当所述实际钻速小于所述预测的当前钻井机械钻速，则开启钻井实时优化模块的优化流程。

本发明的一实施例中，所述钻井实时优化模块还包括第二比较器及报警单元，所述报警单元连接于所述第二比较器，所述第二比较器接收当前钻井位置的破岩效率评价指数及当前钻井位置对应的高效破岩基准线上的岩石抗压强度，当所述当前钻井位置的破岩效率评价指数大于当前钻井位置对应高效破岩基准线上岩石抗压强度三倍时，则报警单元发出报警，开启钻井实时优化模块的优化流程。

本发明的一实施例中，所述随钻实时数据包括钻压、转速、钻速、扭矩及排量。

本发明的一实施例中，所述钻井实时优化模块的优化流程包括：

确定高效破岩基准线；

恒定当前转速，当前钻压按1吨幅值增加钻压至最大钻压；判断破岩效率评价指数变化趋势；当所述破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线时，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值所对应的钻压值为优选钻压，当所述破岩效率评价指数变化趋势不为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则所述当前钻压按1吨幅值降低钻压至最小钻压，判断破岩效率评价指数变化趋势，当破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的钻压为优选钻压；

恒定所述优选钻压，当前转速按5转每分钟幅值增加转速至最大转速；判断破岩效率评价指数变化趋势，当所述破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线时，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的转速为优选转速；当所述破岩效率评价指数变化趋势不为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则所述当前转速按5转每分钟幅值降低转速至最小转速，判断破岩效率评价指数变化趋势，若破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的转速值为优选转速；

恒定所述优选转速及所述优选钻压，当前排量按1升每秒的幅值增加排量至最大排量，判断破岩效率评价指数变化趋势，若破岩效率评价指数变化趋势为先靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值所对应的排量值为优选的排量；当所述破岩效率评价指数变化趋势不为逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则所述当前排量按1升每秒幅值降低排量至最小排量，判断破岩效率评价指数变化趋势，若破岩效率评价指数变化趋势为先靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的排量为优选排量。

本发明的一实施例中，所述优化流程在确定优选钻压、转速及排量后，还包括微调优选钻压过程：

恒定优选转速及优选排量，优选钻压先降低0.5吨幅值，然后以0.5吨幅值为间隔使降低后的优选钻压增加1.5吨幅值，判断破岩效率评价指数变化趋势，当所述破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的钻压为微调后的优选钻压；当所述破岩效率评价指数变化趋势为一直增大，则以优选钻压降低0.5吨幅值的钻压值为微调后的优选钻压。

钻井综合提速优化专家系统，将完井数据与实时数据有效融合，通过对邻井地质特征分析，确定该区块钻井过程中钻头高效破岩基准线。利用系统特定工况条件下钻头破岩效率评价算法，实时计算钻头破岩效率，实现钻头破岩效率的量化评价。同时，操作人员使用系统提供的优化流程，消除影响钻头破岩效率的瓶颈，最终为提速区块提供“量身定制”的钻井优化方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的钻井综合提速优化专家系统结构图；

图2为本发明一实施例的破岩效率优化流程图；

图3为本发明一实施例的破岩效率优化步骤S2进一步包括的优化流程图；

图4为本发明一实施例的破岩效率优化步骤S3进一步包括的优化流程图；

图5为本发明一实施例的破岩效率优化步骤S4进一步包括的优化流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术特点及效果更加明显，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，本发明也可有其他不同的具体实例来加以说明或实施，任何本领域技术人员在权利要求范围内做的等同变换均属于本发明的保护范畴。

如图1所示，图1为本发明一实施例的钻井综合提速优化专家系统结构图，其中，专家系统包括：邻井数据获取单元10、随钻数据获取单元20、地质特性分析模块30、钻头高效破岩基准线生成单元40、钻井效率评价模块50及钻井实时优化模块60。邻井数据获取单元用于获取邻井完钻数据及邻井地质数据；随钻数据获取单元用于获取当前钻井随钻实时数据；地质特性分析模块连接于所述邻井数据获取单元及随钻数据获取单元，用于确定当前钻井的岩石抗压强度剖面及岩性剖面；钻头高效破岩基准线生成单元，连接于所述地质特性分析模块，用于得到高效破岩基准线；钻井效率评价模块，连接于所述随钻数据获取单元，用于计算破岩效率评价指数；钻井实时优化模块，连接于所述随钻数据获取单元、所述钻井效率评价模块及所述钻头高效破岩基准线生成单元，用于优化钻井效率。

需要说明的是，在钻井过程中钻井工人需要实时的根据井口上返岩屑(由随钻数据获取单元得到)，并结合邻井地质数据(由邻井数据获取单元获得)，确定当前井岩性剖面以及岩石抗压强度剖面。

除此之外，本发明提供另一实施例的钻井综合提速专家系统还包括钻头分析模块，连接于所述邻井数据获取单元，接收邻井完钻数据，用于为当前钻井提供优选钻头序列，预测当前钻井的机械钻速，并将预测的当前机械钻速输出至所述钻井实时优化模块。

本实施例中，采用如下钻头经济效益指数法为当前钻井提供优选钻头序列，其中，钻头经济效益指数法数学模块为：

其中，F为钻头进尺，单位为m；V为机械钻速，单位为m/h；C为钻头成本，单位元；a为系数；I_b为钻头效益指数，单位为m²/h.元。

钻头分析是针对完钻后的钻头而言的，钻头分析模块除了接收邻井完钻数据外还接收人工录入的已知数据，如钻头成本等。因此可知每个完钻钻头的钻头进尺F、机械钻速V以及钻头成本C，采用上述钻头经济效益指数法数学模型计算每一个钻头的钻头效益指数I_b，钻头效益指数I_b越大，钻头使用效果越好，由钻头效益指数I_b从小到大建立优选钻头序列，为当前钻井选择钻头时提供参考。

本实施例中，预测当前钻井的机械钻速方法为：根据钻头在邻井使用时的机械钻速预估当前钻井机械钻速，邻井中使用的机械钻速可在钻井录井资料中获得，通常情况下，以邻井的机械钻速为当前钻井预测的机械钻速。

理想情况下，钻头输出的能量应该与岩石抗压强度相当，因而利用岩石抗压强度作为高效破岩的基准线，分析当前工况下钻头破岩效率。然而，在实际钻井过程中，岩石都处于一定的围压条件下，因此需要使用围压条件下岩石抗压强度作为高效破岩的基准线。地质特性分析模块确定的当前钻井的岩石抗压强度剖面及岩性剖面为确定破岩效率基准线提供计算依据。根据当前钻井的岩石抗压强度剖面及岩性剖面得到围压条件下岩石抗压强度的模型为：

CCS＝UCS+P_e+2P_e sinθ/(1-sinθ)，

θ＝20.5+15(1-V_sh)，

其中，I_GR为泥质含量指数；GR，GR_min，GR_max为目的层、纯泥砂岩和纯泥岩层的自然伽玛值(由岩性剖面得到)；V_sh为泥质含量，单位为％；GCUR为希尔奇指数；C_b为岩石体积压缩系数；Δt_p为纵波时差，单位为微秒每米(μs/m)；Δt_s为横波时差,单位为μs/m；ρ为地层密度，克每立方厘米(g/cm³)；E_d为杨氏模量，兆帕(MPa)；S₀为粘聚力，MPa；θ为内摩擦角，゜；UCS为岩石单轴抗压强度，MPa；P_ε为井底压差，MPa；CCS为围压下岩石抗压强度，MPa。

需要说明的是，岩石抗压强度剖面实质就是高效破岩基准线，高效破岩基准线生成单元将地质特性分析模块中的岩石抗压强度剖面用基准线形式体现。在岩石抗压强度模型的计算中需要知道所钻地层的纯泥砂岩和纯泥岩的自然伽马值，所钻地层的纯泥砂岩和纯泥岩的自然伽马值是由岩性剖面得到的。

上述岩石抗压强度模型得到的即为高效破岩基准线，高效破岩基准线为分析当前钻井钻头的破岩效率提供基准。钻头效率评价模块计算出的效率评价指数值越接近高效破岩基准线，当前工况下钻头的破岩效率就越高。

本发明提供的综合提速优化专家系统涉及到的工况为：泥浆马达复合钻井或空气锤钻井。下面针对这两种工况分别说明当前钻井破岩效率的量化评价模型。

1、泥浆马达复合钻进条件下破岩效率评价模型：

其中，EFF_Pdm为效率评价指数，MPa；λ为钻头水动力系数，无量纲；F_j为喷嘴出口处的射流冲击力，N；ΔP_b为钻头压力降，MPa；d_B为钻头直径，毫米(mm)；A₀喷嘴出口总面积，立方毫米(mm²)；Q为排量，升每秒(L/s)；K_N为螺杆转速流量比，r/l；T_max为螺杆最大额定扭矩，牛顿.米(N.m)；ΔP_max为螺杆最大额定压差，MPa；ΔP_PDM为螺杆压力降，MPa；WOB为钻压，N；RPM_s为地表顶驱转速，转每分(r/min)；ROP为机械钻速，米每小时(m/h)；ρ_d为钻井液密度，克每立方米(g/m³)。

2、空气锤钻进条件下破岩效率评价模块：

其中，EFF_Ham为效率评价指数，MPa；m_p为活塞质量，N；m_b为钻头质量，N；F为冲击频率，s/min；e为冲击补偿系数，无量纲；η_tr为能量传递系数，无量纲，取值[0,1]；WOB为钻压，N；RPM_s为地表顶驱转速，r/min；ROP为机械钻速，m/h；T为扭矩，N.m；v_im为活塞冲击速度，m/s。

值得注意的是，邻井数据获取单元采集的当前钻井随钻实时数据越充足可靠，越能保证特定工况下的破岩效率评价模型计算的效率评价指数越准确。其中，当前钻井随钻实时数据(也称为钻井-水力参数)包括采集的地面数据和井底动态数据，地面数据根据录井资料获得，包括岩性、钻压、扭矩、转速及排量等数据，井底动态数据通过井底动态传感器获得，包括钻头钻压、钻头转速及排量数据等。

本发明一实施例提供的钻井综合提速优化专家系统还包括钻头钝化分析单元，连接于所述钻井效率评价模块及所述钻井实时优化模块，用于判断钻头是否出现钝化。在钻头破碎相同地层的情况下，当所述效率评价指数有增大的趋势，且通过钻井实时优化模块优化后，得到的效率评价指数继续增大，则可判断钻头出现钝化。当钻头出现钝化情况，则需要起钻更换钻头，从而保证高效钻井。

本发明一实施例中，包括一个显示单元，用于显示当前钻井随钻实时数据，显示当前钻头破岩效率及其破岩效率评价指数变化曲线，从而实现监测随钻过程的钻井效率的目的。显示单元还显示邻井完钻数据、当前钻井随钻实时数据、岩石抗压强度剖面、岩性剖面及高效破岩基准线。除此之外，获得的随钻实时数据，计算的破岩效率评价指数等数据存储于存储器中。

钻进过程中的工程参数及水力参数优化是一个不断循环和不断改进的过程，本发明提供的钻井综合提速专家系统可以实现主动优化，并为被动优化提供数据依据。主动优化是根据岩性强度分析，主动挖掘潜在的提速潜力。被动优化是在钻井效率超过报警范围时，即当实时计算的EFF_Pdm值或EFF_Ham值超过专家系统设定的阀值后，系统就会发出报警。一般情况下，设定的阀值为EFF_Pdm值或EFF_Ham值超过3倍的当前岩石抗压强度。根据邻井获取的数据及随钻获取的数据，识别影响钻速的瓶颈因素。

操作人员可结合当前地层岩性、地面扭矩值、钻压值等综合判断破岩效率是否发生明显变化，当出现钻井低效时，操作人员可根据监测到的实时数据及计算到的破岩效率进一步分析造成破岩效率发生明显变化的可能原因，这些可能原因包括岩性变化、钻具振动、钻头磨损、钻头泥包、井底泥包、环空磨阻等。操作人员分析出可能的原因后，根据本发明钻井实时优化模块的优化流程对钻井参数进行修改，从而提高钻井效率。关于钻井实时优化模块的优化流程将在下面的实施例中进行详细叙述，此处不再说明。

详细的，本发明一实施例中，钻井实时优化模块包括第一比较器，第一比较器接收随钻数据获取单元得到的实际钻速及当前钻井位置的预测的当前钻井机械钻速，当实际钻速小于预测的当前钻井机械钻速，则开启钻井实时优化模块的优化流程。

进一步的，钻井实时优化模块还包括第二比较器及报警单元，报警单元连接于所述第二比较器，第二比较器接收当前钻井位置的破岩效率评价指数及其对应的高效破岩基准线上的岩石抗压强度，当当前钻井位置的破岩效率评价指数大于其对应高效破岩基准线上岩石抗压强度三倍时，则报警单元发出报警，开启钻井实时优化模块的优化流程。出现报警后，还包括一个井下工况识别的过程，判断影响钻井效率的原因，可能的原因包括：岩性变化、钻具振动、钻头情况及井底泥包等。工况识别后，现场工程师根据专家系统提供的优化方案选出最优的转速、钻压及排量。

下面将对钻井优化模块的优化流程进行详细说明，请参阅图2所示，图2为本发明一实施例的破岩效率优化流程图。

S1：首先确定高效破岩基准线。

S2：恒定当前转速RPM，调节钻压WOB，确定优选钻压值。

其中，请参阅图3，步骤S2进一步包括：

步骤S21，当前钻压WOB按1吨(t)幅值增加钻压至最大钻压WOB_max；

步骤S22，判断破岩效率评价指数变化趋势；

步骤S23，当破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线时，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值所对应的钻压值为优选钻压WOB_Δ；

步骤S24，当破岩效率评价指数变化趋势不为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线时，则当前钻压按1t幅值降低钻压至最小钻压WOB_min；

步骤S25，判断破岩效率评价指数变化趋势，如果破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的钻压为优选钻压WOB_Δ。

S3：恒定优选钻压WOB_Δ，调节转速RPM，确定优选转速值；

其中，请参阅图4，步骤S3进一步包括：

步骤S31，当前转速RPM按5转每分钟(rpm)幅值增加转速至最大转速RPM_max；

步骤S32，判断破岩效率评价指数变化趋势；

步骤S33，当破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线时，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的转速为优选转速RPM_Δ；

步骤S34，当破岩效率评价指数变化趋势不为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线时，则所述当前转速按5rpm幅值降低转速至最小转速RPM_min；

步骤S35，判断破岩效率评价指数变化趋势，如果破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的转速值为优选钻速RPM_Δ；

S4：恒定优选转速RPM_Δ，优选钻压WOB_Δ，调节当前排量Q，确定优选排量值；

其中，请参阅图5，步骤S4进一步包括：

步骤S41，当前排量Q按1升/秒(l/s)的幅值增加排量至最大排量Q_max；

步骤S42，判断破岩效率评价指数变化趋势；

步骤S43，若破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的排量优选的排量Q_Δ；

步骤S44，当所述破岩效率评价指数变化趋势不为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线时，则当前排量按11/s幅值降低排量至最小排量Q_min；

步骤S45，判断破岩效率评价指数变化趋势，如果破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的排量为优选排量Q_Δ。

其中，钻压、转速、排量的最大值及最小值由施工方的施工方案中获得。

可选的，确定完优选钻压WOB_Δ、转速RPM_Δ及排量Q_Δ后，还包括微调优选钻压过程：

恒定优选转速RPM_Δ及优选排量Q_Δ，优选钻压WOB_Δ先降低0.5t幅值得到WOB_Δ-0.5t，然后以0.5t幅值增加WOB_Δ-0.5t直至增加至WOB_Δ+1.5t幅值，判断破岩效率评价指数变化趋势，当破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的钻压为最优钻压；当所述破岩效率评价指数变化趋势为一直增大，则以降低0.5t幅值的钻压为优选钻压。

本实施例通过对钻压、转速及排量的调节，实时观察破岩效率的变化趋势，从而确定破岩效率最优的钻压、转速及排量组合，最终为提速区块提供“量身定制”的钻井优化方案，提高了钻井速度。

本发明提供的钻井综合提速优化专家系统，解决了传统做法中使用机械钻速作为性能指标来评价钻井性能，也突破了作速作为性能评价指标的局限性。本发明实现了对泥浆马达复合钻进条件下及空气锤钻进条件下的钻头破岩效率进行评价，根据邻井完钻数据及地质数据建立了破岩高效基准线，通过对破岩高效基准线及钻井效率分析，制定了钻井过程的优化流程，从而提高了破岩效率使钻井速度得到了大幅度提高。

以上所述仅用于说明本发明的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围应视权利要求范围为准。

Claims (12)

1.一种钻井综合提速优化专家系统，其特征在于，所述专家系统包括：

邻井数据获取单元，用于获取邻井完钻数据及邻井地质数据；

随钻数据获取单元，用于获取当前钻井随钻实时数据；

地质特性分析模块，连接于所述邻井数据获取单元及所述随钻数据获取单元，用于确定当前钻井的岩石抗压强度剖面及岩性剖面；

钻头高效破岩基准线生成单元，连接于所述地质特性分析模块，用于得到高效破岩基准线；

钻井效率评价模块，连接于所述随钻数据获取单元，用于计算破岩效率评价指数；

钻井实时优化模块，连接于所述随钻数据获取单元、所述钻井效率评价模块及所述钻头高效破岩基准线生成单元，用于优化钻井效率；

钻头分析模块，连接于所述邻井数据获取单元，接收邻井完钻数据，用于为当前钻井提供优选钻头序列，预测当前钻井的机械钻速，并将预测的当前钻井机械钻速输出至所述钻井实时优化模块。

2.如权利要求1所述的钻井综合提速优化专家系统，其特征在于，采用如下钻头经济效益指数法为当前钻井提供优选钻头序列，所述钻头经济效益指数法的模型为：

$I_b=\frac{F*V}{C^a},$

其中，F为钻头进尺，单位为米；V为机械钻速，单位为米每小时；C为钻头成本，单位元；a为系数；I_b为钻头效益指数，单位为平方米每小时·元。

3.如权利要求1所述的钻井综合提速优化专家系统，其特征在于，预测当前钻井的机械钻速方法为：根据钻头在邻井使用时的机械钻速得到预测的当前钻井机械钻速。

4.如权利要求1所述的钻井综合提速优化专家系统，其特征在于，所述高效破岩基准线为围压条件下岩石抗压强度，围压条件下所述岩石抗压强度的模型为：

CCS＝UCS+P_e+2P_e sinθ/(1-sinθ)，

θ＝20.5+15(1-V_sh)，

$C_b=\frac{3{\mathrm{\Δt}}_s^2\·{\mathrm{\Δt}}_p^2}{\mathrm{\ρ}(3{\mathrm{\Δt}}_s^2\·{\mathrm{\Δt}}_p^2)},V_{sh}=\frac{2^{GCUR\·I_{GR}}-1}{2^{GCUR}-1},I_{GR}=\frac{GR-{\mathrm{GR}}_{\min }}{{\mathrm{GR}}_{\max }-{\mathrm{GR}}_{\min }};$

其中，I_GR为泥质含量指数；GR，GR_min，GR_max为目的层、纯泥砂岩和纯泥岩层的自然伽玛值；V_sh为泥质含量，单位为％；GCUR为希尔奇指数；C_b为岩石体积压缩系数；△t_p为纵波时差，单位为微秒每米；△t_s为横波时差,单位为微秒每米；ρ为地层密度，克每立方厘米；E_d为杨氏模量，兆帕；S₀为粘聚力，兆帕；θ为内摩擦角，度；UCS为岩石单轴抗压强度，兆帕；P_e为井底压差，兆帕；CCS为围压下岩石抗压强度，兆帕。

5.如权利要求1所述的钻井综合提速优化专家系统，其特征在于，泥浆马达复合钻进条件下钻井效率评价模型为：

${\mathrm{EFF}}_{Pdm}=\frac{4(WOB-0.198{\mathrm{\λF}}_j)}{{\mathrm{\πd}}_B^2}+\frac{480({\mathrm{RPM}}_S+K_{N}Q)\left(\frac{T_{max}}{{\mathrm{\ΔP}}_{max}}{\mathrm{\ΔP}}_{PDM}\right)}{d_B^{2}ROP}+\frac{0.792{\mathrm{\λ\ΔP}}_{b}Q}{{\mathrm{\πd}}_B^{2}ROP}$

$\mathrm{\λ}=-4\×{10}^{-14}{d}_B^5+7\×{10}^{-11}{d}_B^4-5\×{10}^{-8}{d}_B^3+2\×{10}^{-5}{d}_B^2-0.0038d_B+0.3002$

$F_j=\frac{{\mathrm{\ρ}}_d{Q}^2}{10A_0}$

其中，EFF_Pdm为效率评价指数，兆帕；λ为钻头水动力系数，无量纲；F_j为喷嘴出口处的射流冲击力，牛顿；△P_b为钻头压力降，兆帕；d_B为钻头直径，毫米；A₀喷嘴出口总面积，平方毫米；Q为排量，升每秒；K_N为螺杆转速流量比，转每升；T_max为螺杆最大额定扭矩，牛顿·米；△P_max为螺杆最大额定压差，兆帕；△P_PDM为螺杆压力降，兆帕；WOB为钻压，牛顿；RPM_s为地表顶驱转速，转每分钟；ROP为机械钻速，米每小时；ρ_d为钻井液密度，克每立方米。

6.如权利要求1所述的钻井综合提速优化专家系统，其特征在于，空气锤钻进条件下破岩效率评价模型为：

${\mathrm{EFF}}_{Ham}=\frac{120m_p{v}_{im}^2{\mathrm{F\η}}_{tr}(1-e^2)}{{\mathrm{\πd}}_B^{2}ROP}+\frac{4WOB}{{\mathrm{\πd}}_B^2}+\frac{480\mathrm{\π}\·{\mathrm{RPM}}_s\·T}{{\mathrm{\πd}}_B^{2}ROP}$

$e=\frac{m_p-m_b}{m_p+m_b}$

其中，EFF_Ham为效率评价指数，兆帕；m_p为活塞质量，千克；m_b为钻头质量，千克；F为冲击频率，冲每分钟；e为冲击补偿系数，无量纲；η_tr为能量传递系数，无量纲，取值[0,1]；WOB为钻压，牛顿；RPM_s为地表顶驱转速，转每分钟；ROP为机械钻速，米每小时；T为扭矩，牛顿·米；v_im为活塞冲击速度，米每秒；d_B为钻头直径，毫米。

7.如权利要求5或6所述的钻井综合提速优化专家系统，其特征在于，钻井综合提速优化专家系统还包括钻头钝化分析单元，连接于所述钻井效率评价模块及所述钻井实时优化模块，用于判断钻头是否出现钝化。

8.如权利要求1所述的钻井综合提速优化专家系统，其特征在于，所述钻井实时优化模块包括第一比较器，所述第一比较器接收随钻数据获取单元得到的实际钻速及当前钻井位置的预测的当前钻井机械钻速，当所述实际钻速小于所述预测的当前钻井机械钻速，则开启钻井实时优化模块的优化流程。

9.如权利要求8所述的钻井综合提速优化专家系统，其特征在于，所述钻井实时优化模块还包括第二比较器及报警单元，所述报警单元连接于所述第二比较器，所述第二比较器接收当前钻井位置的破岩效率评价指数及当前钻井位置对应的高效破岩基准线上的岩石抗压强度，当所述当前钻井位置的破岩效率评价指数大于当前钻井位置对应高效破岩基准线上岩石抗压强度三倍时，则报警单元发出报警，开启钻井实时优化模块的优化流程。

10.如权利要求1所述的钻井综合提速优化专家系统，其特征在于，所述随钻实时数据包括钻压、转速、钻速、扭矩及排量。

11.如权利要求10所述的钻井综合提速优化专家系统，其特征在于，所述钻井实时优化模块的优化流程包括：

确定高效破岩基准线；

恒定当前转速，当前钻压按1吨幅值增加钻压至最大钻压；判断破岩效率评价指数变化趋势；当所述破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值所对应的钻压值为优选钻压，当所述破岩效率评价指数变化趋势不为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则当前钻压按1吨幅值降低钻压至最小钻压，判断破岩效率评价指数变化趋势，当破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的钻压为优选钻压；

恒定所述优选钻压，当前转速按5转每分钟幅值增加转速至最大转速；判断破岩效率评价指数变化趋势，当所述破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线时，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的转速为优选转速；当所述破岩效率评价指数变化趋势不为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则当前转速按5转每分钟幅值降低转速至最小转速，判断破岩效率评价指数变化趋势，若破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的转速值为优选转速；

恒定所述优选转速及所述优选钻压，当前排量按1升每秒的幅值增加排量至最大排量，判断破岩效率评价指数变化趋势，若破岩效率评价指数变化趋势为先靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值所对应的排量值为优选的排量；当所述破岩效率评价指数变化趋势不为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则所述当前排量按1升每秒幅值降低排量至最小排量，判断破岩效率评价指数变化趋势，若破岩效率评价指数变化趋势为先靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的排量为优选排量。

12.如权利要求11所述的钻井综合提速优化专家系统，其特征在于，所述优化流程在确定优选钻压、转速及排量后，还包括微调优选钻压过程：

恒定优选转速及优选排量，优选钻压先降低0.5吨幅值，然后以0.5吨幅值为间隔使降低后的优选钻压增加1.5吨幅值，判断破岩效率评价指数变化趋势，当所述破岩效率评价指数变化趋势为先逐渐靠近高效破岩基准线后逐渐远离高效破岩基准线，则与高效破岩基准线最接近的破岩效率评价指数值对应的钻压为微调后的优选钻压；当所述破岩效率评价指数变化趋势为一直增大，则以优选钻压降低0.5吨幅值的钻压值为微调后的优选钻压。