CN104781494B - 检测钻探功能异常的方法 - Google Patents
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Abstract
用于在钻头穿透地下地层时检测井下钻头功能异常的方法和系统，包括：接收表征井筒钻探操作的多个钻探参数并且在钻探过程中的多个点中的每个点计算钻头攻击性(μ)，其中每个点对应于时间、深度或者这二者。在所述多个点中的每个点计算切割深度(DOC)、作为dμ/dt计算的钻头攻击性的时间导数或者这二者。创建所述多个点的二维数据表示，在一个维度中包括μ，并且在另一个维度中包括DOC、或者这二者。从所述二维数据表示提取数据特征并且通过比较所提取的数据特征与预定标准来识别井下钻头功能异常。
Description
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年11月13日提交的美国临时专利申请No.61/725,900的权益，其公开内容通过引用被合并于此。
技术领域
本技术一般涉及用于根据表面记录的钻探数据检测井下钻探功能异常的系统和方法。更具体地，本公开内容涉及可以在与烃相关的钻探操作中实现的系统和方法。
背景技术
诸如油和气等的烃的生产已经进行了许多年。为了生产这些烃，现场的一个或多个井被钻探到亚表层(subsurface)位置，这种亚表层位置一般被称为地下地层或盆地。从亚表层位置生产烃的过程通常涉及从概念选择阶段到生产阶段的各种开发阶段。所述开发阶段中的一个阶段涉及形成从表面到亚表层位置的流体管道的钻探操作。钻探操作可以涉及使用不同的装备，诸如液压系统、钻杆、钻头、泥浆马达等，这些装备被用来钻探到目标深度。
在利用基于水的泥浆钻探页岩时，钻头泥包(bit balling)被识别为无效钻头特性的主要原因。当钻探某些碳酸盐地层时，也会有问题。钻头泥包是钻屑之间内聚的结果，从而在钻头的开口槽区域中产生堵塞。基本上，钻头泥包有两个阶段：可逆和不可逆。可逆或初期的钻头泥包可以通过减少钻压(WOB)和离底(off-bottom)清洗钻头来缓解。不可逆的钻头泥包指可能需要起钻以清洗钻头的严重泥包。如果不采取缓解动作，则可逆钻头泥包可能仅需要大约10-15分钟就会变成不可逆的泥包。因此，及时检测可逆钻头泥包并立即采取缓解动作是至关重要的。这可以潜在地提供实质性的经济利益，包括节省起钻和减少钻探成本。
随着诸如页岩气田等的非常规资源的日益增加的开发，钻头泥包的检测和缓解扮演着日益重要的角色。因此，石油行业致力于开发用于检测钻头泥包和其它钻探功能异常的方法。评估泥包风险的一种方法是基于阳离子交换量(CEC)。钻头泥包的严重性与页岩的电化学特性相关，这可以由CEC表示(Journal of Canadian Petroleum Technology 45(6):26-30)。但是，这种方法依赖于钻探数据与CEC之间的经验关系，因此不能容易地从一个现场扩展到其它现场。而且，当不可逆钻头泥包在钻探操作中发生时，这种方法不提供不可逆钻头泥包的实时指示。
另一种方法是基于监视钻探机构的数据，诸如穿透速率(ROP)、机械比能量(MSE)、扭矩、钻压(WOB)等等。现场和实验室观察显示，当钻头泥包事件发生时：(1)扭矩下降；以及(2)ROP显著减小并且随后对于WOB、流速或旋转速度RPM(每分钟的转数)的变化不作响应(SPE 19926)。美国专利No.7,857,047和7,896,105示出了通过跟踪MSE检测严重钻头泥包的例子。
美国专利No.7,857,047公开了一种与烃的生产关联的方法。在一种实施例中，描述了一种方法，包括在现场钻井到亚表层位置，以提供烃到生产设施的流体流路径。在钻探操作过程中测量机械比能量(MSE)数据和其它数据。使用MSE和附加的钻探数据来确定至少一个限制因素的存在。获得并检查用于井的岩性数据，并且基于所述岩性数据识别主要的限制因素。调整钻探操作以缓解至少一个限制因素。
美国专利No.7,896,105公开了一种从亚表层地层钻探和生产烃的方法。在一种实施例中，描述了一种方法，包括在现场钻井到亚表层位置，以提供烃到生产设施的流体流路径。钻探是通过估计井的钻探速率并且确定所估计的钻探速率与实际钻探速率之间的差别来执行的。在钻井过程中获得机械比能量(MSE)数据和其它测得的数据。使用MSE数据和其它数据来确定限制钻探速率的多个限制因素之一。调整钻探操作以缓解其中的一个限制因素。重复所述操作，直到钻探操作已经到达亚表层地层。
MSE等于机械能量输入与被钻头除去的岩石体积之比。因此，MSE对岩石强度以及诸如底部钻机组合(BHA)涡动和粘滑等的其它钻探功能异常也是敏感的。但是，为了检测初期的钻头泥包，对钻头性能更敏感并且对岩石强度不太敏感的局部参数将是有用的。
数据采集技术的最近发展有助于基于所收集的数据监督钻探。许多处于钻机的表面数据采集系统可以提供通常具有1Hz的采样速率的相对高的精确度，或者有时候甚至更高具有10Hz的采样速率。通常可用的表面数据通道包括RPM、WOB、扭矩、ROP、MSE、流速、立管压力、孔深度、钻头深度，等等。此外，使用随钻测量(MWD)设备的井下钻探数据对钻头状态提供更直接的测量。MWD的采样速率可以比表面数据的采样速率高得多，通常从50Hz至高达4kHz，但是这种井下数据到表面的更新通常慢得多，通常以MWD通道更新之间几十秒。
因此，基于表面数据的检测仍然优于井下MWD工具。泥浆遥测的低数据传输速率是井下数据应用的瓶颈。除了数据速率问题之外，基于表面数据的检测是以更低成本实现的，因为MWD操作起来是昂贵的并且工具可能在井下丢失。通过降低成本和简化钻柱，表面测量可以大大有益于非常规资源(页岩气)的钻探。这些技术可以通过使用数据驱动的建议系统来实现。
基于数据驱动的建议系统的例子在国际专利申请公开No.WO/2011/016927和WO/2011/0216928中描述。这些申请公开了利用目标函数的系统和方法。用于控制钻探操作的方法和系统包括利用统计模型来识别至少一个与合并了两个或更多个钻探性能测量的目标函数有显著关联的可控钻探参数。至少部分地基于所述统计模型，为至少一个可控钻探参数生成操作推荐。选择操作推荐以优化目标函数。
发明内容
本文所述的实施例提供了一种在钻头穿透地下地层时检测井下钻头功能异常的方法，包括：接收表征井筒钻探操作的多个钻探参数并且在钻探过程中的多个点中的每个点计算钻头攻击性(μ)，其中每个点对应于时间、深度或者这二者。在所述多个点中的每个点计算切割深度(DOC)、作为dμ/dt计算的钻头攻击性的时间导数或者这二者。生成所述点的二维数据表示，在一个维度中包括μ并且在另一个维度中包括DOC、或者这二者。从所述二维数据表示提取数据特征。通过比较所提取的数据特征与预定标准来识别井下钻头功能异常。
另一种实施例提供了一种用于检测井下钻头功能异常的系统，包括：处理器以及包括计算机可读指令的存储介质。计算机可读指令配置为指示处理器获得表征井筒钻探操作的多个钻探参数并且在多个点中的每个点计算钻头攻击性(μ)，其中每个点对应于时间、深度或者这二者；在所述多个点中的每个点计算切割深度(DOC)。计算机可读指令还指示处理器生成所述多个点的二维数据表示，在一个维度中包括μ并且在另一个维度中包括DOC、或者这二者，并且从所述二维数据表示提取数据特征。计算机可读指令还包括指示处理器通过比较所提取的数据特征与预定标准来识别井下钻头功能异常并且传送所检测到的钻头功能异常的指令。
另一种实施例提供了一种自动确定离底钻柱扭矩的方法。所述方法包括：接收关于表征井筒钻探操作的多个钻探参数的数据，其中所述多个钻探参数包括表面扭矩、钻柱旋转速度(RPM，每分钟的转数)、钻压(WOB)、孔深度或钻头深度、或者其任意组合。如果钻头深度小于孔深度；RPM在目标范围内；以及WOB小于阈值，则表面扭矩被记录为离底钻柱扭矩数据点。离底钻柱扭矩是作为离多个离底钻柱扭矩数据点的深度的函数来计算的。
附图说明
通过参考以下具体描述和附图，本技术的优点可以得到更好的理解，其中：
图1是用于形成到地层104的井筒102的钻探操作100的图；
图2A和2B是示出在钻探操作100过程中钻头泥包发生的图；
图3是装备成用于检测井下钻头功能异常的钻机300的示意图；
图4是在钻头穿透地下地层时检测井下钻头功能异常的方法的过程流程图；
图5是用于对非机动钻探操作自动确定离底钻柱扭矩TQ0的方法500的过程流程图；
图6A和6B是说明从表面扭矩TQS自动提取离底扭矩TQ0的图；
图7是说明对于初期的钻头泥包事件钻头攻击性(μ)和其它钻探参数在时间域中的变化的图；
图8A和8B是说明对于粘滑事件和钻头磨损事件钻头攻击性(μ)和其它钻探参数在时间域中的变化的图；
图9A-9D是μ对DOC的诊断图，说明了正常钻探与钻头功能异常之间的差别；
图10是用于在相平面(μ对)内使用μ的诊断图的方法的框图；
图11A-11C是说明在μ对的诊断相平面上的严重粘滑事件的图；以及
图12A-12C是说明在μ对的诊断相平面上的低粘滑事件的图。
为了说明的简化和清晰，附图中所示的元件不一定是按比例绘制的。例如，为了清晰，一些元件的尺寸可以相对于其它元件被夸大。另外，在认为适当的时候，附图标记可以在附图之间重复，以指示对应的或类似的元件。
具体实施方式
在以下详细描述部分中，结合示例性实施例描述了本技术的具体实施例。但是，就以下特定于本技术的特定实施例的描述或对本技术的特定使用而言，这仅旨在用于示例性目的并且仅仅提供示例性实施例的描述。因而，本技术不限于以下所述的具体实施例，而是相反，这种技术包括落入到所附权利要求真实精神和范围内的所有替代、修改和等价物。
首先，并且为了方便引用，阐述了本申请中所使用的某些术语及它们在这种上下文中所使用的意思。就本文所使用的未在下面定义的术语而言，它应当被赋予相关领域技术人员赋予那个术语的最广泛定义，如在至少一个印刷公开物或公开专利中所反映的。另外，本技术不受以下所示的术语使用的限制，因为充当相同或相似目的的所有等价物、同义词、新开发以及术语或技术都被认为是在本权利要求的范围内。
“定向钻探”是井筒从它将自然采取的路径的有意偏离。换句话说，定向钻探是钻柱的转向，使得它在期望的方向行进。例如通过从主要钻孔形成偏离的分支钻孔，定向钻探可以被用于增加特定井的排出。定向钻探在海洋环境中也是有用的，其中单个离岸生产平台可以通过使用多个偏离的井到达几个含烃地下地层或储层，这些偏离的井可以从钻探平台向任何方向延伸。定向钻探还能够水平钻探通过储层，以形成水平井筒。如在本文中所使用的，“水平井筒”代表要在地下区域中完成的、基本上水平或者与垂直形成的角度在大约45°至大约135°范围内的井筒部分。水平井筒可以具有穿过储层的产油层(payzone)的井筒的较长部分，由此允许增加井的生产率。
“设施”是有形的一件物理装备，或者装备单元的组，烃流体通过它们或者从储层产生或者注入储层。在其最广泛的意义上，术语设施适用于可以沿储层与其输送出口之间的流路径存在的任何装备。设施可以包括生产井、注入井、油井管、井口装置、集油管线、歧管、泵、压缩机、分离器、表面流动管线以及输送出口。在一些情况下，术语“表面设施”用来区分除井之外的那些设施。
“地层”指地质地层、结构、构成或其它亚表层固体或所收集物质的主体或区段，所述主体或区段与例如可由地震技术映射的其他特征或其它地质地层相比是充分不同且连续的。地层可以是主导地位的一种类型的岩石的地质地层的主体或者是几种类型岩石的组合，或者是具有基本共同特征集合的地层的一部分。地层可以包含一个或多个含烃的地下地层。值得指出，术语地层、含烃地下地层、储层以及区间可以互换使用，但是一般而言可以用来表示逐渐变小的亚表层区域、区或体积。更具体地，地质地层一般可以是最大的亚表层区域，烃储层或地下地层一般可以是地质地层中的区域并且一般可以是含烃的区、地层、储层或者具有油、气、重油的区间，或者其任意组合。区间或生产区间一般可以指储层的子区域或部分。含烃区或生产地层可以通过低渗透性的区，诸如泥岩、页岩或类页岩的(高度紧密的)砂等，与其它含烃区分离。在一种或多种实施例中，除砂、粘土或其它多孔固体之外，含烃区还可以包括重油。
“烃生产”指与从井或其它开口提取烃关联的任何行为。烃生产通常指在井完成之后在井中或井上进行的任何行为。因而，烃生产或提取不仅包括主要烃提取而且包括次要的和第三位的生产技术，诸如为了增加驱动压力而注入气体或液体、调动烃或者通过例如化学或水力压裂井筒以促进增加的流而进行的处理、井维修、测井以及其它井和井筒处理。
“烃”一般被定义为主要由碳和氢原子构成的分子，诸如油和天然气等。烃还可以包括其它元素，诸如但不限于，卤素、金属元素、氮、氧和/或硫等。烃可以通过穿透含烃地层的井从含烃地下地层来生产。从含烃地下地层得到的烃可以包括但不限于，油母质、沥青、焦沥青、沥青质、油、天然气、或者其组合。烃可以位于地球内的矿物基质中或者与其相邻。基质可以包括但不限于，沉积岩、砂、沉积石英岩、碳酸盐、硅藻土和其它多孔介质。
“天然气”指各种成分的原始的或处理过的烃气体。原始的天然气主要由轻烃组成，诸如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷以及像苯的杂质，但也可以含有少量的非烃杂质，诸如氮、硫化氢、二氧化碳和微量的氦、羰基硫化物、各种硫醇或者水。处理过的天然气主要由甲烷和乙烷组成，但也可以含有小百分比的较重的烃，诸如丙烷、丁烷、和戊烷，以及小百分比的氮和二氧化碳。
“上伏层”(overburden)指覆盖在包含一个或多个含烃区(储层)的地层之上的亚表层地层。例如，上伏层可以包括岩石、页岩、泥岩或湿/致密碳酸盐(诸如无烃的不可渗透碳酸盐)。上伏层可以包括相对不可渗透的含烃层。在一些情况下，上伏层可以是可渗透的。
“渗透性”是地层发送流体穿过岩石的互连孔隙空间的能力。渗透性可以利用达西(Darcy)定律来测量：Q＝(kΔP A)/(μL)，其中Q＝流速(cm3/s)，ΔP＝跨具有长度L(cm)和横截面积A(cm2)的圆柱形的压力降(atm)，μ＝流体粘性(cp)，并且k＝渗透性(达西)。对渗透性的测量的通用单位是毫达西。对于地层或其部分来说，术语“相对可渗透”被定义为10毫达西或更大(例如，10或100毫达西)的平均渗透性。对于地层或其部分来说，术语“相对低渗透性”被定义为小于大约10毫达西的平均渗透性。不可渗透层通常具有小于大约0.1毫达西的渗透性。通过这些定义，页岩可以被认为是不可渗透的，例如，从大约0.1毫达西(100微达西)到低至0.00001毫达西(10纳达西)。
“压力”指作用在单位面积上的力。压力通常是以“磅每平方英寸”(psi)为单位提供的。“大气压力”指空气的局部压力。局部大气压力假定为是海平面的标准大气压力14.7psia。“绝对压力”(psia)指大气压力加表压(psig)之和。“表压”(psig)指由量表测出的压力，这只指示超过局部大气压力的压力(0psig的表压对应于14.7psia的绝对压力)。
如前面所提到的，“储层”或“烃储层”被定义为包括砂岩、石灰岩、白垩、煤和某些类型的页岩的产油区或生产区间(例如，含烃地下地层)。产油区的厚度可以从小于一英尺(0.3048m)到几百英尺(几百米)变化。储层地层的渗透性为生产提供了潜力。
“页岩”是可以在地层中见到的细粒度碎屑沉积岩，并且常常可以具有小于0.0625mm的平均颗粒尺寸。页岩通常包括层压和裂变粉砂岩和泥岩。这些物质可以由在细粒度岩石中见到的粘土、石英和其它矿物形成。页岩的非限制性示例包括位于北美的Barnett、Fayetteville和Woodford。因为其高粘土含量，所以页岩趋于从基于水的钻探泥浆中吸收水分，这导致膨胀和井筒故障。另外，来自页岩中钻探的钻屑会结块并堵塞钻头的钻井液通路，被称为“钻头泥包”，因为在收回到表面时，钻头被钻屑和钻井液的“球”覆盖。钻头泥包在基于水的流体中更常见，但是也会对非水性流体发生。
当关于物质的量或数量或它的具体特性使用时，“大量的”指足以提供所述物质或特性预期要提供的效果的量。在一些情况下，允许的确切偏离程度可依赖于具体的上下文。
“致密油”用来指具有相对低基质渗透性、孔隙度或者这二者的地层，其中存在着液体烃生产潜力。在这些地层中，液体烃生产还可以包括天然气凝析油。
“下伏层”指在包含一个或多个含烃区(例如烃储层)的地层之下或者在其更下的井下的亚表层地层。例如，下伏层可以包括岩石、页岩、泥岩或湿/致密碳酸盐，诸如无烃的不可渗透碳酸盐等。下伏层可以包括相对不可渗透的含烃层。在一些情况下，下伏层可以是可渗透的。下伏层可以是与含烃地层明显不同的地层，或者可以是在下伏层部分与含烃部分之间共享的公共地层中的选定部分。中间层也可以驻留在下伏层与含烃区之间。
概述
本文所描述的技术公开了用于根据在钻探操作过程中获得的表面数据检测诸如钻头泥包和粘滑等的钻探功能异常的经验方法和系统。如在本文所使用的，钻头泥包是钻头零件的堵塞，这会强迫操作停止，以允许从井中拉出钻头用于清洁或替换。如在本文所使用的，粘滑是钻头和钻柱的扭振，这是因为在位于表面的旋转驱动装备继续转动时钻头和钻柱瞬间减速或甚至停止而发生的。当钻头被释放时，其旋转速度可以超过表面旋转速度的两倍，因此，当位于表面的管子以几乎恒定的旋转速度旋转时，钻头以从低到高的旋转速度振荡。所述技术还可以被扩展为监视包括钻头磨损和变钝的其它钻头功能异常。所描述的技术在常规旋转钻探和利用井下马达的钻探中都可以使用。不需要使用钻柱模型的井下MWD工具和计算，因为本技术使用在表面测得的数据。所述方法可被用于利用离线数据进行钻探后的分析并且还可以用于在钻探操作过程中进行实时监视。
本文所描述的技术可以被用来例如使用钻探建议系统，根据表面数据对控制钻探参数做出推荐。建议系统可以使用主分量分析(PCA)方法来计算可控钻探参数与目标函数之间的相关性。这种目标函数可以是或者基于单变量的性能测量(MSE、ROP、切割深度(DOC)或者钻头摩擦系数μ“mu”)或者是这些性能变量和诸如振动测量等的其它性能变量的数学组合。这些方法中的一个元素与识别钻探条件的变化相关，在这个时候，所存储的数据可能需要刷新或者某个其它动作会是必要的。本发明提供了识别影响钻探过程的功能异常的发生和类型的一组技术。
在一种实施例中，创建二维(2D)数据表示，其中钻头攻击性μ在一个轴上，并且切割深度(DOC)或者对钻探功能异常敏感的另一钻探参数在另一个轴上。例如，利用诸如主分量分析(PCA)或其它特征值分析法等的技术对2D数据表示的分析可以被用来从窗口化数据中提取诊断特征。
当表面数据用于所述方法时，公开的技术允许从表面扭矩测量TQS自动提取离底扭矩TQ0，以便使所述方法能够在没有井下扭矩测量的情况下操作。提出回归方法来建立用于TQ0的经验模型，作为测得的深度的函数。
在各种实施例中，用于钻头攻击性(μ)的动态值在多个特定时间(t)中的每一个被计算。然后，可以例如利用2D数据表示在时间或深度域中监视钻头攻击性μ，以识别钻头功能异常。
在一些实施例中，钻头攻击性μ的时间导数或者另一诊断钻探参数可以被计算并用于诊断图的一个或多个轴。以这种方式绘制的这种数据的主分量分析或特征值分析也可以被计算，以确定这个图(有时候被称为相平面图)的特征。
图1是用于形成到地层104的井筒102的钻探操作100的图。钻探操作100是由附连到钻柱108的钻头106进行的。钻头106可以不通电，利用位于表面的钻柱108的旋转给钻探过程100提供动力。在一些实施例中，钻头106可以包括由穿过钻柱108的流体流提供动力的泥浆马达。外壳部分110一般在钻探之后沿井筒102安装，例如穿过上伏层112。
在表面114，钻机116被用来悬挂钻柱108和钻头106。钻机116上的装备118被用来旋转钻柱108、泵送流体穿过钻柱108，并且测量钻探参数，诸如钻压(WOB)、旋转速率(RPM)、压力、扭矩、钻头位置，等等。这关于图3被进一步讨论。各种钻探功能异常可在钻探过程中发生，这些功能异常影响钻探操作100的效率。例如，钻头或钻柱108沿井筒102在外壳部分110中或在裸眼井筒102中的束缚(binding)会导致粘滑行为。另外，钻头106会由于尾渣结块而出现一些堵塞或者钻头泥包，尤其是在存在水性钻井液的时候。这关于图2A和2B对钻头106的近距离视图120被进一步讨论。
图2A和2B是示出在钻探操作100过程中发生钻头泥包的图。相同标号的项如关于图1讨论的那样。图2A是正常钻探操作100的图。在这个操作过程中，新鲜的钻探泥浆202流过钻柱108到达钻头106，并且穿过钻头106中的喷嘴出来。当钻柱108旋转时，如由箭头204所指示的，钻头106剥蚀亚表层206，从而允许钻头106向前进入亚表层206，如由箭头208所指示的。来自钻探操作100的尾渣通过新鲜的钻探泥浆202从钻头106上冲掉，并且作为尾渣浆210沿着井筒102被向上带回。
但是，某些亚表层206会在被钻头106剥蚀之后易于结块。例如，由包括页岩的粘土构成的物质会形成结块，这会通过粘在齿状物212中或者主体214中的槽中而堵塞钻头106，这被称为钻头泥包。钻头泥包降低钻探操作100的效率，减慢或者甚至停止钻头106的正向前进，如由箭头216指示的。如果被及时检测到，则钻头泥包可以逆转，例如通过从钻孔102的底部抬起钻头106并且利用钻探泥浆202的流清洗钻头106。但是，如果钻头泥包没有被及时检测到，则它会形成不能逆转的永久堵塞。在这种情况下，钻柱108必须从钻孔102中拔出，使得钻头106可以被清洁或替换。因而，井下钻探功能异常的早期检测可以大大降低与钻井关联的成本。本文所描述的实施例使用表面仪器来在其变得有问题之前检测钻探功能异常。
图3是装备为用于检测井下钻头功能异常的钻机300的示意图。相同标号的项如关于图1和2描述的那样。可以理解，并没有示出钻机300的全部零件，所示出的零件也不是在它们在钻机300上的精确位置。另外，不同的零件可以代替所示出的一些零件使用。例如，如图3中所示，钻柱108被顶驱302旋转，但是Kelly驱动器和轮盘也可以代替顶驱302或者除顶驱302之外使用。顶驱302从动滑轮304通过钻绳306悬挂。定滑轮308与动滑轮304一起使用，以升高和降低顶驱302和附连的钻柱108。钻绳306被卷在绞车310上或从其放出，由马达(未示出)提供动力。钻探泥浆202或者其它钻井液，通过Kelly软管312泵送到顶驱302。
任何数量的传感器都可以在钻机300上使用，以在钻探操作过程中确定各种钻探参数。然后，钻探参数可以提供给计算系统314，该计算系统314利用所述参数实现本文所述的技术。这些传感器可以包括合并到定滑轮308的支撑物中的应变计316。应变计316可以对可以确定重量318的处理单元提供测量，这可以被用来确定钻压(WOB)。作为替代，可以测量死绳(deadline)中的张力。顶驱302或者轮盘，可以合并提供被处理单元用来确定扭矩320和旋转速度(RPM)322的信息的传感器。绞车310可以与测量已经被放出或卷入的钻绳306的量的传感器合并，这可以被处理单元用来确定到钻头106的距离324，这可以被用来提供对到钻孔102的底部的距离以及穿透速率(ROP)等等的测量。例如，在Kelly线312之前合并到钻探泥浆202的流中的传感器326可以向处理单元提供数据以确定提供给钻柱108的钻探泥浆202与钻柱108之外的井筒102中压力之间的压力差(ΔP)328。另外，钻探泥浆202上的传感器326可以提供被提供给钻柱108的钻探泥浆202的流速(Q)330。
计算系统314实现例如本文关于图4和5所述的方法。计算系统314可以是独立计算机、分布式控制系统(DCS)的一部分、可编程逻辑控制器(PLC)或者任何数量的其它系统。计算机系统314包括配置为执行在存储系统334中提供的机器可读指令的处理器332。处理器332可以是单核处理器、多核处理器、云计算系统中的虚拟处理器、专用集成电路(ASIC)、或者任何数量的其它单元。时钟336的功能可以被处理器用来收集带时间戳的数据集，这可以被用来确定随时间的推移的钻头功能异常。
存储系统334可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘驱动器、光驱、RAM驱动器、云计算配置中的虚拟驱动器、或者任何数量的其它存储系统。存储系统334可以保持被用来实现方法的代码和数据块，包括用于获得和存储钻探参数338的代码。钻探参数338可以被例如通过在多个时间点生成μ和DOC中的每个来生成μ对照DOC的二维数据表示340的代码块使用。类似地，可以确定μ对照或dμ/dt的诊断图，即μ的相平面，以及这种本质的其它图。二维(2D)数据表示340可以作为功能图打印出来，但是一般被用作计算系统314中的相关矩阵。虽然在本文中以二维数据表示被讨论，但是可以理解，这仅仅是基本表示，并且所述技术不限于2D数据表示340。附加的数据相关性(轴)可以添加到矩阵，以形成三维、四维或者任何更高的多维表示，用于诊断附加的功能异常。示例性3D显示是DOC对照μ对照的图。2D数据表示340可以被用来获得提取出的数据特征342，例如，利用可以实现计算以便确定平均均值、中值均值、标准偏差、峰-峰(或最小-最大)值、特征值、特征向量、主分量向量、支持向量机(SVM)、一阶或二阶数值时间导数、或神经网络或者其任意组合的代码块。所提取出的数据特征342可以与预定义标准344的数据库进行比较，其中预定义标准344指示某些钻头功能异常的存在，如关于图9进一步讨论的。
结果可以通过人机接口(HMI)346提供给用户，诸如钻探操作员或者工程师等。HMI346提供计算系统314与各种输入设备348和输出设备350之间的接口。输入设备348可以包括用来向计算系统314提供输入和配置数据的键盘和定点设备。输出设备350可以包括显示器、可听音发生器、电子邮件接口或者电话接口、或者其任意组合。因而，警报可以作为屏幕变化、音调、寻呼机信号、文本消息、电子邮件或者作为任何其它类型的通信传送给用户。
图4是在钻头穿透地下地层时检测井下钻头功能异常的方法400的过程流程图。该方法在方框402开始，其中计算系统，例如如关于图3所描述的，接收表征井筒钻探操作的多个测得的或计算的钻探参数。这些参数可以包括表面扭矩(TQS)、井下钻头扭矩(TQb)、钻压(WOB)、钻柱旋转速率(RPM)、穿透速率(ROP)、时间、孔深度、钻头深度或者切割深度(DOC)、或者其任意组合。表面扭矩(TQS)可以被用来根据关于图5所描述的方法计算井下钻头扭矩(TQb)。
在方框404，在为其收集数据的每个离散时间点计算钻头攻击性(μ)。钻头攻击性被钻头制造商用作钻头规格之一。钻头攻击性是无量纲的，这可以允许不同钻头和不同现场之间的交叉比较。这可以由方程1中所示的公式来计算。
方程1
在方程1中，TQb是由于钻头-地层相互作用而导致的井下钻头扭矩，并且d是钻头直径，例如孔的尺寸。表面扭矩TQS可以插入方程1中，以监视钻探过程中钻头的状态。但是，这过高估计μ，因为表面扭矩是钻头扭矩TQb与离底钻柱扭矩TQ0之和，其中TQ0是由于钻柱-地层相互作用而导致的。另外，表面扭矩对于利用泥浆马达的钻探是不合适的，因为相关扭矩是由泥浆马达自己提供的。值得指出，如果井下工具提供井下钻头扭矩和钻压的测量，则钻头摩擦μ可以容易地从这种数据中计算。
在方框406，在为其收集数据的每个离散时间点计算DOC。对于不使用井下马达的钻探操作，DOC可以计算为ROP与表面RPM之比。如果使用井下马达(或者泥浆马达)，则DOC可以计算为ROP与(RPM+KN*Q)之比，其中KN是泥浆马达速度与总流速Q之比。项KN是用于由制造商提供的泥浆马达的规格值。
在方框408，生成μ对照DOC的2D数据表示。由于其它参数也对钻头泥包和粘滑敏感，因此一个维度可以是μ，并且另一个可以是对钻探功能异常敏感的另一参数，诸如DOC、归一化的DOC(DOC除以钻头或刀具尺寸)、ROP和归一化的ROP(ROP除以井筒直径)、WOB、MSE、以及任意这些参数的数值时间导数。例如，低钻头攻击性μ和不稳定的DOC可以指示钻头泥包事件。
如前面所提到的，可以添加任何数量的其它维度，以帮助诊断井下功能异常，诸如添加时间或深度维度来跟踪μ随时间或深度的变化。另外，μ可以被用来监视其它井下功能异常。例如，μ的波动还可以指示粘滑的存在和严重性，因为表面扭矩(TQS)对扭振敏感。此外，μ的趋势对钻头变钝或磨损条件敏感。为了创建动态的2D数据表示，实时μ和DOC都在先入先出(FIFO)数据缓冲区中收集，以创建移动的窗口。对基于时间的数据，窗口长度可以是30秒至几分钟，或者对基于深度的数据窗口长度可以是几英尺。在一些应用中，更短或更长的时间窗口可以是适当的。
在方框410，从2D数据表示或时间窗口化数据或者这二者提取数据特征。对于2D数据表示，所提取的数据特征可以包括特征值、特征向量、经主分量分析(PCA)计算的主分量向量。其它提取的数据特征可以在支持向量机(SVM)或神经网络中使用。另外，所提取的特征可以包括来自诊断图的窗口化数据的中心。该数据中心可以通过平均均值或中值均值来计算。所提取的特征还可以包括用于μ和诸如DOC等的其他参数的标准偏差或峰-峰值。
对于时间窗口化数据，所提取的特征可以包括平均均值、中值均值、标准偏差、峰-峰(或最小-最大)值、或者其任意组合。例如，μ在时间域或深度域中的均值可以被提取。均值可以是窗口化数据的平均值或中值，或者是这二者。所提取的数据可以包括μ的标准偏差、峰-峰值(有时候被称为μ的最小-最大值)。也可以计算μ的长期均值。长期区间的定义可以依赖于钻探数据的类型、ROP和其它因素。例如，对基于时间的数据，长期区间可以定义为大约12至24小时，而对基于深度的数据是大约100英尺(大约33m)或500英尺(大约165m)。在一些应用中，更短或更长的区间长度会是适当的。均值可以是长期区间数据的平均值或中值。μ的长期均值可以被用来计算长期下降率。
在方框412，所提取的数据特征被用来识别井下功能异常，诸如钻头泥包或粘滑等。对从2D数据表示提取的模式的使用可以包括诸如数据中心位置的变化、主向量的位置和尺寸、噪声的变化等等之类的预定义标准。例如，如果数据中心变得低于选定的阈值，诸如大约0.5，或者突然降至低于μ值的阈值，诸如大约0.4，则可以识别出钻头泥包警报事件。作为另一个指示符，如果主向量变成沿着DOC轴，并且主值超过某个阈值，则这指示钻头泥包事件正在发生。另外，如果数据沿μ轴变得非常嘈杂，例如如果μ的标准偏差或峰-峰值超过某个阈值(诸如大约0.2)，则指示粘滑事件。
对于时间域中的数据，钻头泥包事件可以通过在时间域中、深度域中或者这二者中跟踪移动窗口化μ的均值来识别。可能需要滤波器，诸如低通滤波器、小波滤波器或中值滤波器等，从μ中除去不想要的噪声。通常，对于干净锋利的PDC钻头，μ的值在大约0.8至大约1.6的范围内；对于钝的PDC钻头，是大约0.2至0.5；对于金刚石浸渍钻头，是大约0.3至0.4；以及对于牙轮钻头，是大约0.15至0.25。如果μ的当前均值变得低于所选阈值，诸如例如对于PDC钻头的大约0.5，则可以识别出钻头泥包事件。作为替代，可以使用自比较方法。如果μ的当前均值下降选定的值，诸如大约0.4，或者例如有可能下降了2倍，则也可以识别出钻头泥包事件。
粘滑事件可以通过在时间域中跟踪μ的值的波动来检测。波动可以经标准偏差和/或峰-峰值来量化。如果μ的波动超过某个阈值，诸如例如对于PDC钻头的大约0.2，则可以识别出粘滑事件。除了μ对照DOC的诊断图之外，确定粘滑的另一种方法是评估μ对照或dμ/dt的相平面图，并且识别偏离诸如直径为0.5的圆等的圆形图案超过预定义标准的轨迹。
相空间是用于分析非线性振动和建模系统动态的有用工具。2D坐标系统的相空间被称为相平面，其中两个变量是原始信号及其一阶时间导数。在这种情况下，相图的草图可以给出关于系统动态的定性和定量信息。由于时间导数放大噪声，因此需要低通滤波器。
图10示出了算法图，其中S(t)是可以为μ或表面扭矩TQS的原始信号。使用无量纲参数μ的好处是它对WOB变化的影响被归一化并且还可以提供一般化的结果，以允许不同钻头与不同钻孔区间之间的比较。依赖于表面数据采集系统，采样速率fS可以是1Hz或10Hz。对此目的，较慢的采样速率将有可能是不足的。
低通滤波器被用来在取得时间导数之前从S(t)除去不想要的噪声。为了保存滤波后的信号s(t)的相位，使用线性相位滤波器–FIR(有限脉冲响应)滤波器。诸如小波滤波器等的其它滤波器也可以适于这种应用。
在取得时间导数并且在相平面内映射s(t)之后，被相图圈住的区域指示粘滑严重性。该区域随着粘滑严重性而增长并且当粘滑减小该区域收缩。区域参数被定义以便量化井下粘滑的估计。相平面的椭圆率也可以被用来诊断粘滑严重性。如果是圆形，则钻柱的扭转响应是简谐运动，并且“卡住时间”接近于零。随着椭圆率增大，卡住时间增加，并且扭转响应不再是简谐运动。
钻头变钝和磨损事件是通过在时间域、深度域或者这二者中跟踪μ的长期下降率来检测的。钻头磨损事件比钻头泥包事件更加缓慢地发展，因此μ的长期下降率可以是有效的指示。可能需要诸如低通滤波器、小波滤波器或中值滤波器等的滤波器，或者比较短期平均值(STA)与长期平均值(LTA)，以便从μ除去不想要的噪声，以识别噪声存在的显著变化。μ的下降值与钻头变钝或磨损的严重性相关联：μ的长期下降率越高，钻头磨损越严重。如果μ的长期下降率超过某个阈值，则识别出钻头变钝/磨损事件。钻头变钝事件是单调的和不可逆转的。对钻头变钝事件，μ的值将会随着时间推移慢慢减小并且对泥包采取校正动作时并不恢复。
在方框416，将钻探功能异常报告给诸如钻探操作员或工程师等的用户。通信可以作为显示器上的指示符、音频信号、页面、文本消息、电子邮件或任何数量的其它提醒而被执行。
对非马达钻探提取钻头扭矩TQb
图5是用于对非机动钻探操作自动确定离底钻柱扭矩TQ0的方法500的过程流程图。为了计算μ的准确值，需要井下钻头扭矩TQ0的准确值。已经有多种方法被用来获得TQ0。一种方法是作为从可以商业获得的扭矩或曳力模型测得的深度的函数来获得TQ0。通过调整摩擦系数μ直到实现某个最小拟合误差标准，离底钻柱扭矩可以拟合到多个离底钻柱扭矩数据点的函数，诸如多项式函数等。最小二乘法通常以这种方式被使用，但是也可以设计其它优化方法，诸如其中利用相邻区间上的数据来确定摩擦系数的分段方法。
但是，一些模型参数，诸如用于与井筒接触的管道的摩擦系数，需要从数据集确定。另一种方法是在进行连接之后手动记录离底扭矩。这种方法基于直接测量但是需要来自钻探工的额外努力。此外，手动记录会引入人工误差并且污染结果。本文所描述的实施例使用新的方法来获得非马达钻探应用的井下钻头扭矩TQb。
方法500在方框502开始，在那里接收表征钻探操作的参数。这些参数与关于图4的方框402所讨论的那些相同。
一般而言，井下钻头扭矩TQb，可以通过根据公式TQb＝TQs–TQ0从表面扭矩TQS中减去离底钻柱扭矩TQ0获得。但是，获得TQ0的准确值可能是有问题的。在一种实施例中，TQ0是通过测得的表面扭矩自动确定的，例如TQ0＝TQs，只有当满足若干离底旋转条件时这才成立。
这些条件集中在钻头深度、钻柱旋转速率(RPM)和钻压(WOB)。为了测量离底钻柱扭矩，钻柱必须从底部拉出。因而，在方框504，确定钻头深度是否小于孔深度。如果不，则过程流返回图4以计算诊断。
如果在方框504确定钻头离开底部，则过程流前进到方框506，以确定钻柱旋转速率是否在目标范围内。在一种实施例中，RPM的目标范围被确定为|RPM–RPM0|≤ΔRPM，其中ΔRPM是选定的容限带，并且RPM0是额定离底旋转RPM。如果ΔRPM太高，则钻柱会处于粘滑状况并且测得的扭矩值会波动，并且平均扭矩值会太高。容限带ΔRPM可以是大约10、大约5、大约2或者大约1。在另一种实施例中，RPM的目标范围被确定为RPM>RPMTH，其中RPMTH是RPM的阈值。RPM的该阈值可以是正常钻探RPM的某个百分比，诸如大约50％、大约60％、大约70％或者更高。如果RPM不在目标范围内，则过程流前进到方框508，以继续监视钻探操作，以便例如或者继续监视诊断或者确定TQ0。
如果在方框506，确定了RPM在目标范围内，则在方框510，确定WOB是否小于阈值WOBTH。这提供了钻头不与井筒底部接触的确认。理想的WOBTH应当是零，指示没有重量施加到钻头。但是，依赖于井的配置，在一些实施例中，WOBTH可以是大约100kg、大约250kg、大约500kg、大约1000kg或者更高。注意，WOB的零值通常是由钻探工在离底条件下设置的，因此WOB值可以依赖于WOB最近如何重新归零。WOB零值还可以随着井筒中由于浮力变化造成的流体密度变化而变化。井筒中的流体密度可因为几个原因而变化。如果WOB小于WOBTH，则在方框512收集TQ0被设置为等于TQS的数据点。如果不是，则过程流前进到方框508，以继续监视钻探。
在提取出TQ0数据点之后，在方框514，测得的深度的函数被校准以适配TQ0，并且该函数被用来计算钻头将穿透地层的TQ0。依赖于井的剖面，插值函数可以对垂直的孔是分段线性的并且对斜井区段是分段平方或指数的。分段线性函数的例子是其中一组数据点的均值TQ0在一个深度区间上保持恒定直到变化成另一组不同数据点的均值TQ0，然后在后续的深度区间保持恒定。在另一种变体中，钻柱扭矩和曳力模型可以被用来与一系列离底扭矩测量进行比较，其中对模型结果的回归拟合提供了对TQ0的基于物理学的估计。通过调整摩擦系数μ直到实现某个最小拟合误差标准，离底钻柱扭矩可以拟合到多个离底钻柱扭矩数据点的函数，诸如多项式函数。最小二乘法通常以这种方式被使用，但是也可以设计其它优化方法，诸如其中利用相邻区间上的数据来确定摩擦系统的分段方法。然后，预测函数可以被用来计算钻头将穿透地层时的TQ0。这在以下的例子中关于图6A和6B进一步讨论。
估计马达钻探的TQb
在马达钻探应用中，钻头扭矩更容易获得，因为我们不需要估计TQ0。可以利用方程2中的公式从泥浆马达的规格中计算TQb的值。
TQb＝TQmax*ΔP/ΔPmax 方程2
在方程2中，其中TQmax是泥浆马达的最大额定扭矩，ΔP是跨马达的压差(底部上的钻探压力和离开底部的循环压力之间的差值)，并且ΔPmax是泥浆马达的最大额定压差。
例子
对于9-7/8”的中等孔的钻探，本文所描述的技术利用之前在表面记录的现场数据进行了测试。所有表面通道以1Hz被采样。由于在钻柱中不存在泥浆马达，因此离底扭矩TQ0是利用关于图5所描述的方法500从表面扭矩TQS提取的。用于确定何时把TQS记录为TQ0的条件是RPM0＝50,ΔRPM＝10和WOBTH＝2klb(大约907kg)。
图6A和6B是说明从表面扭矩TQS自动提取离底扭矩TQ0的图。图6A是各种钻探参数对照时间轴602的轨迹。表面扭矩TQS沿图6A中扭矩图的y轴604表示。在提取出的每个数据点606，钻头已经从底部抬起并且RPM和WOB都在目标范围内，从而允许对TQ0的测量。
数据点606被用来生成图6B中所示的回归图。该回归图的x轴608代表离底扭矩TQ0，而y轴610代表例如以英尺为单位的深度。在这个例子中，线性回归612生成被用来从深度中预测TQ0的值的函数：TQ0＝0.0022797*D-15.0848。然后，这与表面扭矩一起用来生成TQb，即TQs-TQ0。
图7是说明对于初期的钻头泥包事件钻头攻击性(μ)和其它钻探参数在时间域中的变化的图。每个图中的x轴702代表时间。可以看到，对于大部分时间，μ稳定在大约1.0，对于干净锋利的PDC钻头，这降至大约0.8-1.6的μ的全面运作范围。可以看出，对于泥包事件，钻头攻击性在大约五分钟或更少时间内下降。
作为例子，在大约9:25704至9:28706的时间内，钻探工把WOB从大约12klb(大约5440kg)增加至30klb(大约13608kg)。但是，表面扭矩TQS不相应增加，而是稍微减小。钻头泥包的潜在风险在那个时候被识别出。钻头被抬离钻孔底部，钻柱以大约60RPM旋转大约2分钟，然后恢复钻探。结果，所有表面钻探参数都返回正常。
这些事实指示这是可逆的或者初期的钻头泥包事件并且立即的离底旋转是有效的缓解动作。表面扭矩子图上的线708指示自动提取的TQ0。计算出的参数DOC和μ分别在最后两个子图上示出。在大约9:26710，μ开始下降并且不对WOB的任何进一步增加作出响应。此外，DOC曲线变得不稳定。μ的值在大约9:27减小至低于0.4。在钻探工修复这种初期的钻头泥包状况后，μ返回到大约为1的正常值。
除钻头泥包检测之外，图7还示出监视μ可以检测井下粘滑。在大约9:22712，μ变得嘈杂并且指示粘滑事件的发生。在那个时间之后，μ的峰-峰值(或最小-最大范围)是大约0.3并且μ的标准偏差比正常值高大约0.22。粘滑的发生是通过在9:22开始的RPM的高频波动的出现来验证的。对于这个井段，粘滑阻尼设备安装在顶驱上。在检测到粘滑的发生之后，这种设备自动拧(tweak)表面RPM，从而明显地使RPM通道变得嘈杂，以减弱来自钻柱的扭振。
图8A和8B是说明对于粘滑事件和钻头磨损事件钻头攻击性(μ)和其它钻探参数在时间域中的变化的图。两组图都对照时间轴802。这些图展示监视μ可以识别粘滑事件和钻头磨损事件。对于这些例子，现场数据在表面从6-1/8”生产井段的钻探被记录，并且所有表面通道都以1Hz被采样。图8A示出了在该井段开始时在2011年9月9日记录的钻探数据。图8B显示在2011年9月16日记录的数据，这天是利用相同钻头完成该井段的日子。
μ值的高频波动的量值指示井下粘滑的严重性。图8A示出在14:20804发生并持续积累的粘滑事件。在大约一周之后的2011年9月16日，μ变得更加嘈杂，具有大约0.35的标准偏差，指示了粘滑事件恶化。
此外，μ值的趋势指示更长期的钻头变钝或磨损事件。可以看出，钻头磨损事件不剧烈并且可能要花数个小时使μ发生变化。例如，图8A上μ的日平均值是大约0.5，而一周后降至0.24，这几乎是初始值的一半并且指示钻头变钝。来自计算的指示与现场结果非常吻合。在钻头从孔中起钻之后，钻头的IADC(国际钻井承包商协会)分级被鉴定为2-5-BT-S-X-1-CT-TD，并且会发现一些破损的刀具。IADC分级的前两位分别指示关于内部和外部切割结构的变钝状况。数字是在0至8范围内的线性刻度，即0意味着没有刀具损失，并且没有磨损或破损的刀具，而8代表完全损失或损坏的刀具。
图9A-9D是μ对照DOC的诊断图，说明了正常钻探与钻头功能异常之间的差别。在每个图中，μ在y轴902上示出并且DOC在x轴904上示出。数据窗口长度设置在大约30秒。如图9A中所示，对处于良好状况的干净钻头，数据以几乎圆形方式聚集，数据集群906的中心在大约μ＝0.9和DOC＝0.26in。图9B指示可逆的钻头泥包事件的发生。数据沿DOC轴向外扩散，并且μ值的中心从大约0.9下降至大约0.2。此外，椭圆形908代表由PCA提取的特征值和特征向量的数据特征。当发生钻头泥包时，主向量变得与DOC轴平行。
其它状况可以从诊断图确定。在图9C中，如由椭圆形910指示的，数据沿μ轴的扩散指示粘滑事件的发生。另外，如图9D中所示，数据在μ轴902和DOC轴904上都从原始数据集群906到较低值的新数据集群912的显著偏移指示钻头磨损事件。在实践中，图不必创建，而是可以被用作自动识别状况的2D数据表示。在这种实施例中，图可以在检测到状况之后显示，以帮助用户理解状况和严重性。除μ对照DOC的诊断图之外或者代替之，可以使用其它图，诸如μ对照它的时间导数。这关于图10-12进一步讨论。
图10是用于在相平面(μ对照)内使用μ的诊断图的方法1000的框图。该方法在方框1002开始，其中信号输入S(t)通过低通滤波器，以除去高频信号分量，从而形成滤波后的信号s(t)。在方框1004，从滤波后的信号s(t)计算时间导数(t)。在方框1006，生成相空间图，例如，s(t)对照(t)。在方框1008，区域参数被用来识别钻头功能异常的存在，诸如粘滑等。
图11和12示出了利用现场钻探数据通过使用诊断相平面μ对照来检测粘滑的两个例子。表面扭矩信号以10Hz被采样。井下测量短节(sub)被安装在BHA中，以便以50Hz的较高采样频率记录井下振动数据。值得指出，井下RPM信号在这里仅仅被用来示出用于验证的实际井下粘滑，但不一定是本发明所必需的通道。
基于Kaiser窗口的FIR滤波器被用来从μ和井下RPM信号除去不想要的噪声。对于μ和井下RPM，截止频率分别设置在1Hz和2Hz。从图11C和12C，可以看到FIR滤波器有效地除去了不想要的噪声并且不引起任何相位延迟或变形。与图11和12关联的时间跨度是一分钟。图11A和12A上具有直径0.5的虚线圆是指示严重粘滑的临界条件的预定标准。
图11A-11C是说明μ对照的诊断相平面上严重粘滑事件的图。图11A是相图，其中x轴1102代表滤波后的μ的值，而y轴1104代表时间导数。在图11A中，相平面上的大相图指示严重粘滑。围起的区域超过了直径0.5的以虚线标记的预定义标准圆。
图11B是相图，其中x轴1106代表以RPM为单位的井下旋转速率的滤波后的值，而y轴1108代表RPM的时间导数，diff(RPM)。高椭圆率指示严重的井下粘滑。
图11C是说明在严重粘滑事件中钻头攻击性(μ)、钻头RPM及它们对应的时间导数的变化的图。在每个图中，未滤波的数据示为灰色线，而滤波后的数据示为实线。对滤波后和未滤波的RPM的时间导数看到的大变化验证了严重粘滑的存在。
图12A-12C是说明在μ对照的诊断相平面上低粘滑状况的图。相同标号的值如关于图11所描述的。在图12A中，相平面上的小相图指示低粘滑。粘滑的区域在直径0.5的以虚线标记的预定义标准圆内，指示了在这种情况下粘滑不是问题。另外，图12B中所示的低椭圆率指示井下粘滑的低值。这是通过对图12C中RPM和RPM的时间导数看到的低变化来验证的。
图11和12分别展示对于严重和低粘滑事件在相平面内根据所计算的钻头攻击性μ检测粘滑。粘滑估计很好地匹配了井下RPM测量中观察到的实际严重性。如图11A中所示，当严重的粘滑事件发生时，由相图标记的区域超出预定义的圆，并且其椭圆率也增加。另一方面，对于图12A中的低粘滑事件，相图区域在预定义的圆内收缩。
应当理解，前面仅仅是本发明具体实施例的详细描述，并且在不背离本发明范围的情况下，可以根据本公开内容对所公开的实施例进行各种改变、修改和替换。更确切地说，本发明的范围只由所附权利要求及其等价物来确定。
Claims (32)
1.一种在钻头穿透地下地层时检测井下钻头功能异常的方法，包括：
接收表征井筒钻探操作的多个钻探参数；
在钻探过程中的多个点中的每个点计算钻头攻击性(μ)，其中每个点对应于时间和深度中的至少一个；
在所述多个点中的每个点计算切割深度(DOC)和作为dμ/dt计算的钻头攻击性的时间导数
生成所述多个点的二维数据表示，在一个维度中包括μ并且在另一个维度中包括DOC和当中的至少一个；
从所述二维数据表示提取数据特征；以及
通过比较所提取的数据特征与预定标准来识别井下钻头功能异常。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述井下钻头功能异常包括钻头泥包事件。
3.如权利要求2所述的方法，包括在所述钻头泥包事件变得不可逆之前检测所述钻头泥包事件。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述井下钻头功能异常包括粘滑事件、钻头变钝事件、钻头磨损事件、或者其任意组合。
5.如权利要求1所述的方法，包括从正在进行的钻探操作接收所述多个钻探参数。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述钻探参数包括表面扭矩(TQs)、井下钻头扭矩(TQb)、钻压(WOB)、钻柱旋转速率(RPM)、穿透速率(ROP)、时间、孔深度、钻头深度或切割深度(DOC)、或者其任意组合。
7.如权利要求6所述的方法，包括把DOC计算为ROP与RPM之比。
8.如权利要求6所述的方法，包括把用于钻柱的TQb计算为TQs-TQ0的差值，其中TQs是钻探过程中的表面钻柱扭矩，而TQ0是所述钻柱离底旋转时的表面钻柱扭矩。
9.如权利要求6所述的方法，包括把μ计算为3＊TQb/(WOB*d)，其中d是钻头直径。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述钻探参数包括井下钻头扭矩(TQb)、流经泥浆马达的流体的压差(ΔP)、流速(Q)、旋转速率(RPM)、穿透速率(ROP)、时间、孔深度、钻头深度或切割深度(DOC)、或者其任意组合。
11.如权利要求10所述的方法，包括把DOC计算为ROP与(RPM+KN＊Q)之比，其中KN是泥浆马达速度与Q之比。
12.如权利要求10所述的方法，包括把TQb计算为TQb＝TQmax＊ΔP/ΔPmax，其中TQmax是所述泥浆马达的最大额定扭矩，并且ΔPmax是所述泥浆马达的最大额定压差。
13.如权利要求1所述的方法，包括生成数据表示，所述数据表示包括作为时间(t)的函数的μ、作为深度的函数的μ、μ对照另一钻探参数的交会图、或者其任意组合。
14.如权利要求1所述的方法，包括计算钻探参数，所述钻探参数包括：
归一化的切割深度(DOC)，计算为DOC除以钻头刀具尺寸；
归一化的穿透速率(ROP)，计算为ROP除以井筒直径(d)；
机械比能量(MSE)；或
其任意组合。
15.如权利要求1所述的方法，包括提取数据特征，所述数据特征包括平均均值、中值均值、标准偏差、峰-峰(最小-最大)值、内切面积、椭圆率的估计、特征值、特征向量、主分量向量、支持向量机(SVM)、或神经网络、或者其任意组合。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述预定标准是所述二维数据表示中指示所述井下钻头功能异常的存在、所述井下钻头功能异常的类型或者其组合的多个点的模式。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述预定标准包括μ的均值，并且其中如果所述均值低于阈值，则识别钻头泥包事件。
18.如权利要求1所述的方法，其中所述预定标准包括μ对照DOC的主分量向量。
19.如权利要求18所述的方法，包括当所述主分量向量与所述DOC轴对齐时识别钻头泥包事件。
20.如权利要求1所述的方法，包括计算所述多个点的中点，其中通过偏移到μ和DOC二者的较低值来识别钻头泥包事件。
21.如权利要求1所述的方法，包括当μ的波动大于选定的阈值时识别粘滑事件。
22.如权利要求1所述的方法，其中所述预定标准包括μ的相平面(μ对照)。
23.如权利要求22所述的方法，包括当所述相平面(μ对照)上围住的面积大于选定的阈值时识别粘滑事件。
24.如权利要求22所述的方法，包括当所述相平面(μ对照)的椭圆率大于选定的阈值时识别粘滑事件。
25.如权利要求1所述的方法，包括当μ降至低于选定的阈值时识别钻头磨损事件。
26.如权利要求25所述的方法，其中选定的阈值是从探边井的历史钻探数据或者从当前井段的早期部分或者这二者中获得的。
27.一种用于检测井下钻头功能异常的系统，包括：
处理器；
包括计算机可读指令的存储介质，其中所述计算机可读指令配置为指示处理器：
获得表征井筒钻探操作的多个钻探参数；
在多个点中的每个点计算钻头攻击性(μ)，其中每个点对应于时间和深度中的至少一个；
在所述多个点中的每个点计算切割深度(DOC)、作为dμ/dt计算的钻头攻击性的时间导数或者这二者；
生成所述多个点的二维数据表示，在一个维度中包括μ并且在另一个维度中包括DOC和当中的至少一个；
从所述二维数据表示提取数据特征；
通过比较所提取的数据特征与预定标准来识别井下钻头功能异常；以及
传送所检测到的钻头功能异常。
28.如权利要求27所述的系统，包括位于钻机上的传感器，其中所述存储介质包括配置为指示处理器从所述传感器获得所述多个钻探参数的计算机可读指令。
29.如权利要求28所述的系统，其中传感器包括扭矩传感器、配置为测量钻柱的重量的应变计、确定钻柱的旋转速率的传感器、泥浆流速传感器、压差传感器、或者配置为确定钻柱长度的传感器、或者其任意组合。
30.如权利要求28所述的系统，包括配置为提醒工作人员存在井下钻头功能异常的输出设备。
31.如权利要求30所述的系统，其中所述输出设备包括显示器、可听音发生器、电子邮件接口或者电话接口、或者其任意组合。
32.如权利要求28所述的系统，其中所述井下钻头功能异常包括钻头泥包事件、粘滑事件、钻头变钝事件或者钻头磨损事件、或者其任意组合。
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