CN105089620B - 卡钻的监测系统、方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种卡钻的监测系统、方法及装置，属于石油钻井工程技术领域。系统初始化，载入层次分析法模型；输入当前井眼的设计数据；根据设计数据和当前实时工况，使用有限元计算方法计算钻柱上各个点的摩阻和扭矩，并叠加计算出大勾载荷和转盘扭矩的预测值；将实时综合录井数据中的转盘扭矩和大勾载荷与预测值相比较，若超过预测值一定范围，则发出预警，并将异常差值归一化后传入卡钻类型分析模块；根据预先录入的卡钻分析模型及各底层元素的隶属度，计算各不同种类卡钻事故发生的概率大小，以判断卡钻事故的类型。本发明对复杂井钻井施工过程进行监测，将实时获取的大勾载荷、转盘扭矩与模型计算值进行对比，对卡钻事故的发生作出准确判断和预警。

Description

卡钻的监测系统、方法及装置

技术领域

本发明涉及石油钻井工程技术领域，具体而言，涉及一种卡钻的监测系统、方法及装置。

背景技术

卡钻事故是钻井施工过程中最常见的复杂之一，卡钻事故的处理经常导致几十甚至上百小时的非生产时间，若处理不当，还会发生钻具掉落甚至井眼报废等二次事故，造成不可估量的经济损失。而减少卡钻损失最有效的方式就是使用卡钻的预测及监测系统，及早发现卡钻的趋势和类别，并采取相应的措施降低卡钻的风险。

目前，国内钻井公司大都通过地层信息以及邻近的井位发生的卡钻事故对钻井方案(如井身结构，钻井液)进行优化，以尽量避免卡钻事故的发生，而在缺乏邻井资料的情况下，则缺乏有效的卡钻监测的系统和方法，只能通过不同工况下大勾载荷的异常来判断卡钻事故的发生，而当工程师通过上提下放过程中大勾载荷的数值确认卡钻事故的发生时，往往已经错过了采取应对措施的最好时间。

国内外石油工程领域的研究人员在钻柱力学方面已经做了较多的研究，计算摩阻扭矩的软杆模型已经被国外的某些公司和科研院校应用在了钻柱摩阻系数的反算及卡钻事故的早期监测方面，但这些系统的功能仅限于卡钻事故的早期监测，并没有对卡钻的类型进行分析预测，大大制约了该技术的应用，而国内尚缺乏可以对定向井、水平井等复杂井型进行卡钻早期监测和卡钻类型预测分析的系统。而一些基于单一分层模糊分析方法的钻井复杂分析系统，则缺乏有效的针对某一种事故的工程数学理论支持，仅仅依靠统计学理论和没有经过良好分类处理的钻井工程数据库，难以对卡钻事故作可靠的早期监测和分析。

中国专利授权公告号：CN101118420提供了一种“基于分层模糊系统的石油钻井工程事故预警系统”。包括以下步骤：1.建立石油钻井工程事故预警的模型数据库；2.建立石油钻井工程事故预警的输入变量；3.分析输入信号的特征信息；4.建立分层模糊系统的结构模型；5.对第三步中确定的输入变量进行区间映射和统一模型的分层模糊推理；6.确定石油钻井工程事故预警系统输出量；7、预警结果的自调整。

发明内容

本发明实施例提供了一种卡钻的监测系统、方法及装置，适用于复杂地层钻井、水平井、大位移井等易于发生卡钻事故的钻井作业。

一种卡钻的监测系统，包括：卡钻分析系统框架，数据支持模块，层次分析法卡钻风险分析模块，实时卡钻监测模块，钻具组合下入能力分析模块，卡点计算模块，震击器解卡参数计算模块，解卡剂注入计算模块，倒扣施工计算模块，倒划眼施工计算模块；

卡钻分析系统框架提供系统框架，搭建界面，协调各个模块之间的消息和数据传递；

数据支持模块将单井设计数据进行录入和保存，能自动保存和录入的数据包括：井身结构数据、井眼轨迹数据、钻具组合数据、其他数据，所有数据以二进制文件格式进行存储，并支持历史数据文件的分项读取；通过井场录井信息系统采集实时井深、扭矩信息，进行对象化和封装，以供其它模块使用；

层次分析法卡钻风险分析模块根据系统卡钻分析模型库中的卡钻分析模型，输入模型包含的基本底层元素隶属度，根据模型层次和元素间重要性的比较关系对当前钻井作业发生该种卡钻的风险进行评估；该模块内置6种卡钻模型：粘吸卡钻分析模型、坍塌卡钻分析模型、沙桥卡钻分析模型、缩径卡钻分析模型、泥包卡钻分析模型、干钻卡钻分析模型；

实时卡钻监测模块从数据支持模块中提取设计和实时数据(包括井身结构、钻具组合、井眼轨迹、泥浆密度、起钻/下钻/送钻速度、转盘转速)，使用有限元方法计算当前钻井工况下大勾载荷和转盘扭矩的预测值，并根据实时参数的变化不断修正；将提取的实时大勾载荷和转盘扭矩数据于预测值进行对比分析，若其值大于预测值和系统设定的报警范围之和，则系统发出卡钻危险报警；

钻具组合下入能力分析模块对数据支持模块中的输入提供的钻具组合结合井身结构和井眼轨迹进行摩阻力条件、轴向载荷条件、几何条件三方面的分析，若钻具组合设计不能满足任何一方面的要求，再下入过程中遇卡风险较大，则系统做出报警；

卡点计算模块根据现场的卡点测量方式(拉伸法或扭转法)和当前钻具组合参数(各段长度、截面大小、弹性模量)，计算并输出卡点的深度；

震击器解卡参数计算模块根据钻具组合数据(钻杆最大屈服强度)、震击器参数(震击器以上钻柱悬重、钻柱摩擦力、标定释放力)和当前泵压，计算启动震击器需要的大勾载荷；

解卡剂注入计算模块根据解卡剂注入量及钻井液注入量，计算解卡剂在环空中的准确位置；根据解卡剂需要停留的深度位置，计算需要的解卡剂注入量和钻井液注入量；钻柱内及环空体积系数根据已有井身结构和钻具组合自动计算；

倒扣施工计算模块从数据支持模块获取系统数据，通过有限元钻柱力学计算，输出要在相应位置倒开钻具所需要的配置的大钩悬重；

倒划眼施工计算模块在倒划眼施工时，根据转盘转速和大勾载荷，使用有限元方法计算钻柱受力，若钻柱受力接近极限，则发出报警，保证倒划眼施工安全进行，防止钻具失效的情况发生。

一种卡钻的监测方法，包括以下步骤：

a)系统初始化，载入层次分析法模型；

b)输入当前井眼的设计数据；

c)根据设计数据和当前实时工况，使用有限元计算方法计算钻柱上各个点的摩阻和扭矩，并叠加计算出大勾载荷和转盘扭矩的预测值；

d)将实时综合录井数据中的转盘扭矩和大勾载荷与预测值相比较，若超过预测值一定范围，则发出预警，并将异常差值归一化后传入卡钻类型分析模块；

e)根据预先录入的卡钻分析模型及各底层元素的隶属度，计算各不同种类卡钻事故发生的概率大小，以判断卡钻事故的类型，以0-1隶属度格式输出预测结果。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种卡钻的监测方法，包括：获取当前钻井的设计数据和当前工况；根据上述设计数据和上述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值，上述钻柱设置在上述当前钻井的井场中；获取上述钻柱的运行参数的实际值；判断上述实际值与上述预测值的差值是否超出预设范围；以及如果判断出上述实际值与上述预测值的上述差值超出上述预设范围，则执行第一告警。

进一步地，在执行第一告警的同时，上述监测方法还包括：将上述实际值与上述预测值的上述差值归一化，得到归一化的差值；将上述归一化的差值传入卡钻类型分析模块；通过上述卡钻类型分析模块分析上述归一化的差值，得到分析结果；以及根据上述分析结果确定与上述钻柱的运行参数的实际值相对应的卡钻事故的类型。

进一步地，根据上述设计数据和上述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值包括：根据上述设计数据且利用有限元算法计算在上述当前工况下上述钻柱的运行参数的预测值，其中，上述设计数据包括：井身结构参数、井眼轨迹参数，上述当前工况包括：钻具组合参数、泥浆密度、起钻/下钻/送钻速度和转盘转速，上述运行参数包括：大勾载荷和转盘扭矩。

进一步地，在获取当前钻井的设计数据和当前工况之后，上述监测方法还包括：根据上述井身结构参数和井眼轨迹参数判断上述钻具组合参数是否满足摩阻力条件、轴向载荷条件和几何条件中的任一条件；以及如果判断出上述钻具组合参数不满足上述摩阻力条件、上述轴向载荷条件和上述几何条件中的任一条件，则执行第二告警。

进一步地，获取上述钻柱的运行参数的实际值包括：获取上述钻柱的大勾载荷实际值和转盘扭矩的实际值，在获取上述钻柱的大勾载荷实际值和转盘扭矩的实际值之后，上述监测方法还包括：根据上述钻柱的上述大勾载荷实际值和上述转盘扭矩的实际值计算上述钻柱的受力大小值；判断计算得到的上述钻柱的受力大小值是否达到极限值；如果判断出计算得到的上述钻柱的受力大小值达到上述极限值，则执行第三告警。

进一步地，在根据上述设计数据和上述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值之后，上述监测方法还包括：检测上述当前工况是否已经发生变化；以及如果检测出上述当前工况是已经发生变化，则根据上述当前工况的变化情况修正上述钻柱的运行参数的预测值。

进一步地，在执行第一告警的同时，上述监测方法还包括：从上述当前工况中获取钻具组合参数，以及根据预设卡点测量方式确定与上述第一告警相对应的发生卡钻事故的卡点位置；和/或从上述当前工况中获取上述钻具组合参数、震击器参数和当前泵压参数，以及根据上述钻具组合参数、上述震击器参数和上述当前泵压参数确定启动震击器所需要的大勾载荷。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种卡钻的监测装置，包括：第一获取单元，用于获取当前钻井的设计数据和当前工况；第一确定单元，用于根据上述设计数据和上述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值，上述钻柱设置在上述当前钻井的井场中；第二获取单元，用于获取上述钻柱的运行参数的实际值；第一判断单元，用于判断上述实际值与上述预测值的差值是否超出预设范围；以及告警单元，用于在判断出上述实际值与上述预测值的上述差值超出上述预设范围时，执行第一告警。

进一步地，上述监测装置还包括：归一化单元，用于在执行第一告警的同时，将上述实际值与上述预测值的上述差值归一化，得到归一化的差值；传输单元，用于将上述归一化的差值传入卡钻类型分析模块；分析单元，用于通过上述卡钻类型分析模块分析上述归一化的差值，得到分析结果；以及第二确定单元，用于根据上述分析结果确定与上述钻柱的运行参数的实际值相对应的卡钻事故的类型。

进一步地，上述第一确定单元还用于根据上述设计数据且利用有限元算法计算在上述当前工况下上述钻柱的运行参数的预测值，其中，上述设计数据包括：井身结构参数、井眼轨迹参数，上述当前工况包括：钻具组合参数、泥浆密度、起钻/下钻/送钻速度和转盘转速，上述运行参数包括：大勾载荷和转盘扭矩。

进一步地，上述监测装置还包括：第二判断单元，用于在获取当前钻井的设计数据和当前工况之后，根据上述井身结构参数和井眼轨迹参数判断上述钻具组合参数是否满足摩阻力条件、轴向载荷条件和几何条件中的任一条件；以及上述告警单元还用于在判断出上述钻具组合参数不满足上述摩阻力条件、上述轴向载荷条件和上述几何条件中的任一条件时，执行第二告警。

进一步地，上述第二获取单元还用于获取上述钻柱的大勾载荷实际值和转盘扭矩的实际值，上述监测装置还包括：计算单元，用于在获取上述钻柱的大勾载荷实际值和转盘扭矩的实际值之后，根据上述钻柱的上述大勾载荷实际值和上述转盘扭矩的实际值计算上述钻柱的受力大小值；第三判断单元，用于判断计算得到的上述钻柱的受力大小值是否达到极限值；上述告警单元还用于在判断出计算得到的上述钻柱的受力大小值达到上述极限值时，执行第三告警。

进一步地，上述监测装置还包括：检测单元，用于在根据上述设计数据和上述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值之后，检测上述当前工况是否已经发生变化；以及修正单元，用于在检测出上述当前工况是已经发生变化时，根据上述当前工况的变化情况修正上述钻柱的运行参数的预测值。

进一步地，上述监测装置还包括：第三获取单元，用于在执行第一告警的同时，从上述当前工况中获取钻具组合参数，以及第三确定单元，用于根据预设卡点测量方式确定与上述第一告警相对应的发生卡钻事故的卡点位置；和/或第四获取单元，用于从上述当前工况中获取上述钻具组合参数、震击器参数和当前泵压参数，以及第四确定单元，用于根据上述钻具组合参数、上述震击器参数和上述当前泵压参数确定启动震击器所需要的大勾载荷。

本发明的优点是：

1、系统采用统一的数据支持模块，任何输入数据和输出结果都可以二进制文件的方式进行存储和迁移，方便用户灵活的应用。2、系统采用改进的钻柱力学计算方法，可自动进行模型修正和求解，经测试，该算法对大位移井、水平井钻柱受力求解结果准确。3、使用层次分析法预测卡钻的类型，除了默认的6种常见卡钻模型之外，用户还可以自定义自己的分析模型，并支持模型对象的XML导入导出。4、卡点计算模块，根据当前实际钻具组合准确计算卡点的位置，避免了“等外径钻杆”假设对于计算结果的影响。5、卡钻事故处理辅助功能模块，包括卡点计算模块，震击器解卡参数计算模块，解卡剂注入计算模块，倒扣施工计算模块，倒划眼施工计算模块，在卡钻发生后，可以有效辅助工程技术人员进行解卡作业，实用性强。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是本发明卡钻分析监测系统模块依赖关系的示意图；

图2是本发明卡钻分析监测系统分析方法的流程图；

图3是卡钻分析模型元素构成图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：如图1、图2、图3所示，

一种卡钻分析监测系统,利用井场信息系统所提供的综合录井实时数据流，结合当前井的钻井工程设计和施工工况，对大勾载荷和转盘扭矩进行计算预测，并与当前实时的大勾载荷和转盘扭矩进行对比，若实测值与预测值差距超过设定的范围，则系统发出卡钻预警，与此同时，层次分析法卡钻分析模块根据预先配置好的模型对不同卡钻类型发生的风险进行判断，辅助确定卡钻的类型。

一种卡钻监测系统，卡钻分析系统框架，数据支持模块，层次分析法卡钻风险分析模块，实时卡钻监测模块，钻具组合下入能力分析模块，卡点计算模块，震击器解卡参数计算模块，解卡剂注入计算模块，倒扣施工计算模块，倒划眼施工计算模块。

卡钻分析系统框架提供系统框架，搭建界面，协调各个模块之间的消息和数据传递。

数据支持模块将单井设计数据进行录入和保存，能自动保存和录入的数据包括：井身结构数据、井眼轨迹数据、钻具组合数据、其他数据，所有数据以二进制文件格式进行存储，并支持史数据文件的分项读取。通过井场录井信息系统采集实时井深、扭矩信息，进行对象化和封装，以供其它模块使用。

层次分析法卡钻风险分析模块根据系统卡钻分析模型库中的卡钻分析模型，输入模型包含的基本底层元素隶属度，根据模型层次和元素间重要性的比较关系对当前钻井作业发生该种卡钻的风险进行评估。其分析步骤为：选择载入需要使用的卡钻分析模型、模型层次内元素相对重要性设置、判断矩阵一致性检验、计算下层元素对上层目标的权重、卡钻事故相关指标(最底层)的模糊化输入，该类型卡钻风险值的计算和输出。其中后两个步骤会在施工过程中根据数据源的变化反复执行，而之前模型的配置工作只需要完成一次，并可以将配置好的模型以文件的方式保存和迁移，方便下次使用。层次分析法卡钻风险分析模块内置6种卡钻模型：粘吸卡钻分析模型、坍塌卡钻分析模型、沙桥卡钻分析模型、缩径卡钻分析模型、泥包卡钻分析模型、干钻卡钻分析模型。

模型的层次关系见图3。

根据比较关系求取权重的方法为：

其中：

a_ij……比较矩阵中第i个元素与第j个元素相比的重要性标度；

n…………该层次中元素的总个数；

ω_i……该层次中元素i的相对权重；

根据权重计算上层节点隶属度的方法为：

其中：

Y₁…………………某类型卡钻诊断值；

x_i……对应模型中各指标因素量化值；

ω_i(x)…分析模型最底层元素对于目标层的相对权重。

一种卡钻监测方法，步骤包括：从数据支持模块中提取设计和实时数据(包括井身结构、钻具组合、井眼轨迹、泥浆密度、起钻/下钻/送钻速度、转盘转速)、使用有限元方法计算当前钻井工况下大勾载荷和转盘扭矩的预测值，并根据实时参数的变化不断修正预测值、将提取的实时大勾载荷和转盘扭矩数据与预测值进行对比分析，若其值大于预测值和系统设定的报警范围之和，则系统发出卡钻危险报警、根据报警阈值将异常数据归一化，发送给“层次分析法卡钻风险分析模块”进行卡钻类型的分析；实时卡钻监测模块能够自动计算和和修正正常工况下悬重的期望值，以作为施工过程中悬重变化的参考，其采用有限元算法，计算结果准确，比单纯监测悬重变化的方法具有更高的可靠性，也能有效减少误判的发生。

钻柱受力的计算分为两种情况，对于上部刚度较小的钻杆，采用软杆模型，有效轴向力在钻杆中的分布为：

扭矩在钻杆中的分布为：

起钻时取正号，下钻或钻进时取负号；

其中：

σ_e……………………………有效轴向力，N；

s…………计算点距钻头的距离(测深)，m；

W_b………钻具在钻井液中的线重，N/m；

θ………………………………井斜角，度；

K……………………………滑动摩擦系数；

β………………………………方位角，度；

T………………钻柱中某点的扭矩，N·m；

D(s)……………距钻头s处的钻具外径，m；

当钻柱转动时，假设钻柱与井壁间轴向与周向的摩擦系数一致，则存在关系

v_r ²+v_s ²＝v_t ² (2)

其中：

v_r…………………钻柱转动线速度，m/s；

v_s………………钻柱轴向运动速度，m/s；

v_t……………钻柱外侧某点合速度，m/s；

对于刚度较大的底部钻具，采用刚度修正模型，对弯曲钻具附加额外的侧向力：

其中：

N_G...............附加正压力，N；

E………………管柱弹性模量；

I…………………管柱惯性矩；

ΔL.........所分析管柱段长度，

K……………………井眼曲率；

D_r………………井眼内径，m；

D_R………………钻具外径，m；

本发明系统中，钻具组合下入能力分析模块对数据支持模块提供的钻具组合结合井身结构和井眼轨迹进行摩阻力条件、轴向载荷条件、几何条件三方面的分析，若钻具组合设计不能满足任何一方面的要求，则下入过程中遇卡风险较大，做出报警并输出导致下入能力不足的原因。

本发明系统中，卡点计算模块根据现场的卡点测量方式(拉伸法或扭转法)和当前钻具组合参数(各段长度、截面大小、弹性模量)，计算并输出卡点的深度。

本发明系统中，震击器解卡参数计算模块根据震击器参数(震击器以上钻柱悬重、钻柱摩擦力、标定释放力、震击器活塞当量面积)和当前泵压，计算启动震击器震击器需要的大勾载荷：

向上震击大钩负荷＝震击器以上钻柱悬重+钻柱摩擦力+标定释放力－开泵力；

向下大钩负荷＝震击器以上钻柱悬重－标定释放力－钻柱摩擦力－开泵力；

开泵力＝泵压×震击器活塞当量面积；

根据钻具组合数据(钻杆最大屈服强度)计算最大上提拉力。

本发明系统中，解卡剂注入计算模块根据解卡剂注入量及钻井液注入量，计算解卡剂在环空中的准确位置。根据解卡剂需要停留的深度位置，计算需要的解卡剂注入量和钻井液注入量。钻柱内及环空体积系数根据已有井身结构和钻具组合自动计算。

本发明系统中，倒扣施工计算模块从数据支持模块获取系统数据，通过有限元钻柱力学计算，输出要在相应位置倒开钻具所需要的配置的大钩悬重。

本发明系统中，倒划眼施工计算模块根据转盘转速和大勾载荷，使用有限元方法计算钻柱受力，若钻柱受力接近极限，则发出报警，保证倒划眼施工安全进行，防止钻具失效的情况发生。

实施例2：如图1、图2、图3所示，一种卡钻分析监测系统,

模拟监测的过程为：

a)系统初始化，载入层次分析法模型；

b)输入当前井眼的设计数据，包括该井的井眼轨迹，井身结构和使用的钻具组合；

c)根据设计数据和当前实时工况，使用有限元计算方法计算钻柱上各个点的摩阻和扭矩，并叠加计算出大勾载荷和转盘扭矩的预测值；

d)将实时综合录井数据中的转盘扭矩和大勾载荷与预测值相比较，结果显示发生卡钻前录井转盘扭矩数据明显大于预测值。

e)根据预先录入的卡钻分析模型及各底层元素的隶属度，输入该井的地层参数、井身结构、钻井液参数、工艺参数以及d步中确定的摩阻扭矩异常情况，计算各不同种类卡钻事故发生的概率大小，以判断卡钻事故的类型，以0-1隶属度格式输出预测结果。

实施例3：如图1、图2、图3所示，

一种卡钻监测系统，包括：卡钻分析系统框架，数据支持模块，层次分析法卡钻风险分析模块，实时卡钻监测模块，钻具组合下入能力分析模块，卡点计算模块，震击器解卡参数计算模块，解卡剂注入计算模块，倒扣施工计算模块，倒划眼施工计算模块；

卡钻分析系统框架提供系统框架，搭建界面，协调各个模块之间的消息和数据传递；

数据支持模块将单井设计数据进行录入和保存，能自动保存和录入的数据包括：井身结构数据、井眼轨迹数据、钻具组合数据、其他数据，所有数据以二进制文件格式进行存储，并支持历史数据文件的分项读取。通过井场录井信息系统采集实时井深、扭矩信息，进行对象化和封装，以供其它模块使用；

层次分析法卡钻风险分析模块根据系统卡钻分析模型库中的卡钻分析模型，输入模型包含的基本底层元素隶属度，根据模型层次和元素间重要性的比较关系对当前钻井作业发生该种卡钻的风险进行评估。该模块内置6种卡钻模型：粘吸卡钻分析模型、坍塌卡钻分析模型、沙桥卡钻分析模型、缩径卡钻分析模型、泥包卡钻分析模型、干钻卡钻分析模型；

实时卡钻监测模块从数据支持模块中提取设计和实时数据(包括井身结构、钻具组合、井眼轨迹、泥浆密度、起钻/下钻/送钻速度、转盘转速)，使用有限元方法计算当前钻井工况下大勾载荷和转盘扭矩的预测值，并根据实时参数的变化不断修正。将提取的实时大勾载荷和转盘扭矩数据于预测值进行对比分析，若其值大于预测值和系统设定的报警范围之和，则系统发出卡钻危险报警。

钻具组合下入能力分析模块对数据支持模块中的输入提供的钻具组合结合井身结构和井眼轨迹进行摩阻力条件、轴向载荷条件、几何条件三方面的分析，若钻具组合设计不能满足任何一方面的要求，再下入过程中遇卡风险较大，则系统做出报警；

卡点计算模块根据现场的卡点测量方式(拉伸法或扭转法)和当前钻具组合参数(各段长度、截面大小、弹性模量)，计算并输出卡点的深度。

震击器解卡参数计算模块根据钻具组合数据(钻杆最大屈服强度)、震击器参数(震击器以上钻柱悬重、钻柱摩擦力、标定释放力)和当前泵压，计算启动震击器需要的大勾载荷。

解卡剂注入计算模块根据解卡剂注入量及钻井液注入量，计算解卡剂在环空中的准确位置。根据解卡剂需要停留的深度位置，计算需要的解卡剂注入量和钻井液注入量。钻柱内及环空体积系数根据已有井身结构和钻具组合自动计算；

倒扣施工计算模块从数据支持模块获取系统数据，通过有限元钻柱力学计算，输出要在相应位置倒开钻具所需要的配置的大钩悬重；

倒划眼施工计算模块在倒划眼施工时，根据转盘转速和大勾载荷，使用有限元方法计算钻柱受力，若钻柱受力接近极限，则发出报警，保证倒划眼施工安全进行，防止钻具失效的情况发生。

一种卡钻监测方法，包括以下步骤：

a)系统初始化，载入层次分析法模型；

b)输入当前井眼的设计数据；

c)根据设计数据和当前实时工况，使用有限元计算方法计算钻柱上各个点的摩阻和扭矩，并叠加计算出大勾载荷和转盘扭矩的预测值；

d)将实时综合录井数据中的转盘扭矩和大勾载荷与预测值相比较，若超过预测值一定范围，则发出预警，并将异常差值归一化后传入卡钻类型分析模块；

e)根据预先录入的卡钻分析模型及各底层元素的隶属度，计算各不同种类卡钻事故发生的概率大小，以判断卡钻事故的类型，以0-1隶属度格式输出预测结果。

实施例4：一种卡钻分析监测系统，包括：数据支持模块，卡钻分析系统框架，层次分析法卡钻风险分析模块，实时卡钻监测模块，钻具组合下入能力分析模块，卡点计算模块，震击器解卡参数计算模块，解卡剂注入计算模块，倒扣施工计算模块，倒划眼施工计算模块。该系统可以对复杂井钻井施工过程进行监测，将实时获取的大勾载荷、转盘扭矩与模型计算值进行对比，对卡钻事故的发生作出准确判断和预警。层次分析法卡钻分析模型则会结合其他影响因子，自动对不同类型卡钻发生的概率进行评估，以帮助井队进行预防处理，减少卡钻造成的非生产时间损失。各类卡钻的分析模型通过XML文件支持完全自定义，方便系统的扩展。系统辅助模块可以对卡钻事故的事后处理进行有效的支持。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种卡钻的监测系统，其特征在于包括：卡钻分析系统框架，数据支持模块，层次分析法卡钻风险分析模块，实时卡钻监测模块，钻具组合下入能力分析模块，卡点计算模块，震击器解卡参数计算模块，解卡剂注入计算模块，倒扣施工计算模块，倒划眼施工计算模块；

卡钻分析系统框架提供系统框架，搭建界面，协调各个模块之间的消息和数据传递；

数据支持模块将单井设计数据进行录入和保存，能自动保存和录入的数据包括：井身结构数据、井眼轨迹数据、钻具组合数据、其他数据，所有数据以二进制文件格式进行存储，并支持历史数据文件的分项读取；通过井场录井信息系统采集实时井深、扭矩信息，进行对象化和封装，以供其它模块使用；

层次分析法卡钻风险分析模块根据系统卡钻分析模型库中的卡钻分析模型，输入模型包含的基本底层元素隶属度，根据模型层次和元素间重要性的比较关系对当前钻井作业发生该种卡钻的风险进行评估；该模块内置6种卡钻模型：粘吸卡钻分析模型、坍塌卡钻分析模型、沙桥卡钻分析模型、缩径卡钻分析模型、泥包卡钻分析模型、干钻卡钻分析模型；

实时卡钻监测模块从数据支持模块中提取设计和实时数据，使用有限元方法计算当前钻井工况下大勾载荷和转盘扭矩的预测值，并根据实时参数的变化不断修正；将提取的实时大勾载荷和转盘扭矩数据于预测值进行对比分析，若其值大于预测值和系统设定的报警范围之和，则系统发出卡钻危险报警，其中，所述设计和实时数据包括：井身结构、钻具组合、井眼轨迹、泥浆密度、起钻/下钻/送钻速度、转盘转速；

钻具组合下入能力分析模块对数据支持模块中的输入提供的钻具组合结合井身结构和井眼轨迹进行摩阻力条件、轴向载荷条件、几何条件三方面的分析，若钻具组合设计不能满足任何一方面的要求，再下入过程中遇卡风险较大，则系统做出报警；

卡点计算模块根据现场的卡点测量方式和当前钻具组合参数，计算并输出卡点的深度，其中，所述卡点测量方式包括：拉伸法或扭转法，所述当前钻具组合参数包括：各段长度、截面大小、弹性模量；

震击器解卡参数计算模块根据钻具组合数据、震击器参数和当前泵压，计算启动震击器需要的大勾载荷，其中，所述钻具组合数据包括：钻杆最大屈服强度，所述震击器参数包括：震击器以上钻柱悬重、钻柱摩擦力、标定释放力；

解卡剂注入计算模块根据解卡剂注入量及钻井液注入量，计算解卡剂在环空中的准确位置；根据解卡剂需要停留的深度位置，计算需要的解卡剂注入量和钻井液注入量；钻柱内及环空体积系数根据已有井身结构和钻具组合自动计算；

倒扣施工计算模块从数据支持模块获取系统数据，通过有限元钻柱力学计算，输出要在相应位置倒开钻具所需要的配置的大钩悬重；

倒划眼施工计算模块在倒划眼施工时，根据转盘转速和大勾载荷，使用有限元方法计算钻柱受力，若钻柱受力接近极限，则发出报警，保证倒划眼施工安全进行，防止钻具失效的情况发生。

2.一种卡钻的监测方法，其特征在于包括以下步骤：

a)系统初始化，载入层次分析法模型；

b)输入当前井眼的设计数据；

c)根据设计数据和当前实时工况，使用有限元计算方法计算钻柱上各个点的摩阻和扭矩，并叠加计算出大勾载荷和转盘扭矩的预测值；

d)将实时综合录井数据中的转盘扭矩和大勾载荷与预测值相比较，若超过预测值一定范围，则发出预警，并将异常差值归一化后传入卡钻类型分析模块；

e)根据预先录入的卡钻分析模型及各底层元素的隶属度，计算各不同种类卡钻事故发生的概率大小，以判断卡钻事故的类型，以0-1隶属度格式输出预测结果；

其中，在发出所述预警的同时，所述监测方法还包括：从所述当前实时工况中获取钻具组合参数，以及根据预设卡点测量方式确定与所述预警相对应的发生卡钻事故的卡点位置；和/或，从所述当前工况中获取钻具组合参数、震击器参数和当前泵压参数，以及根据所述钻具组合参数、所述震击器参数和所述当前泵压参数确定启动震击器所需要的大勾载荷。

3.一种卡钻的监测方法，其特征在于，包括：

获取当前钻井的设计数据和当前工况；

根据所述设计数据和所述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值，所述钻柱设置在所述当前钻井的井场中；

获取所述钻柱的运行参数的实际值；

判断所述实际值与所述预测值的差值是否超出预设范围；以及

如果判断出所述实际值与所述预测值的所述差值超出所述预设范围，则执行第一告警；

其中，在执行第一告警的同时，所述监测方法还包括：从所述当前工况中获取钻具组合参数，以及根据预设卡点测量方式确定与所述第一告警相对应的发生卡钻事故的卡点位置；和/或，从所述当前工况中获取所述钻具组合参数、震击器参数和当前泵压参数，以及根据所述钻具组合参数、所述震击器参数和所述当前泵压参数确定启动震击器所需要的大勾载荷。

4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，在执行第一告警的同时，所述监测方法还包括：

将所述实际值与所述预测值的所述差值归一化，得到归一化的差值；

将所述归一化的差值传入卡钻类型分析模块；

通过所述卡钻类型分析模块分析所述归一化的差值，得到分析结果；以及

根据所述分析结果确定与所述钻柱的运行参数的实际值相对应的卡钻事故的类型。

5.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，根据所述设计数据和所述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值包括：

根据所述设计数据且利用有限元算法计算在所述当前工况下所述钻柱的运行参数的预测值，其中，所述设计数据包括：井身结构参数、井眼轨迹参数，所述当前工况包括：钻具组合参数、泥浆密度、起钻/下钻/送钻速度和转盘转速，所述运行参数包括：大勾载荷和转盘扭矩。

6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，在获取当前钻井的设计数据和当前工况之后，所述监测方法还包括：

根据所述井身结构参数和井眼轨迹参数判断所述钻具组合参数是否满足摩阻力条件、轴向载荷条件和几何条件中的任一条件；以及

如果判断出所述钻具组合参数不满足所述摩阻力条件、所述轴向载荷条件和所述几何条件中的任一条件，则执行第二告警。

7.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，

获取所述钻柱的运行参数的实际值包括：获取所述钻柱的大勾载荷实际值和转盘扭矩的实际值，

在获取所述钻柱的大勾载荷实际值和转盘扭矩的实际值之后，所述监测方法还包括：根据所述钻柱的所述大勾载荷实际值和所述转盘扭矩的实际值计算所述钻柱的受力大小值；判断计算得到的所述钻柱的受力大小值是否达到极限值；如果判断出计算得到的所述钻柱的受力大小值达到所述极限值，则执行第三告警。

8.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，在根据所述设计数据和所述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值之后，所述监测方法还包括：

检测所述当前工况是否已经发生变化；以及

如果检测出所述当前工况是已经发生变化，则根据所述当前工况的变化情况修正所述钻柱的运行参数的预测值。

9.一种卡钻的监测装置，其特征在于，包括：

第一获取单元，用于获取当前钻井的设计数据和当前工况；

第一确定单元，用于根据所述设计数据和所述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值，所述钻柱设置在所述当前钻井的井场中；

第二获取单元，用于获取所述钻柱的运行参数的实际值；

第一判断单元，用于判断所述实际值与所述预测值的差值是否超出预设范围；

以及

告警单元，用于在判断出所述实际值与所述预测值的所述差值超出所述预设范围时，执行第一告警；

所述监测装置还包括：第三获取单元，用于在执行第一告警的同时，从所述当前工况中获取钻具组合参数，以及第三确定单元，用于根据预设卡点测量方式确定与所述第一告警相对应的发生卡钻事故的卡点位置；和/或，第四获取单元，用于从所述当前工况中获取所述钻具组合参数、震击器参数和当前泵压参数，以及第四确定单元，用于根据所述钻具组合参数、所述震击器参数和所述当前泵压参数确定启动震击器所需要的大勾载荷。

10.根据权利要求9所述的监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括：

归一化单元，用于在执行第一告警的同时，将所述实际值与所述预测值的所述差值归一化，得到归一化的差值；

传输单元，用于将所述归一化的差值传入卡钻类型分析模块；

分析单元，用于通过所述卡钻类型分析模块分析所述归一化的差值，得到分析结果；以及

第二确定单元，用于根据所述分析结果确定与所述钻柱的运行参数的实际值相对应的卡钻事故的类型。

11.根据权利要求9所述的监测装置，其特征在于，所述第一确定单元还用于根据所述设计数据且利用有限元算法计算在所述当前工况下所述钻柱的运行参数的预测值，其中，所述设计数据包括：井身结构参数、井眼轨迹参数，所述当前工况包括：钻具组合参数、泥浆密度、起钻/下钻/送钻速度和转盘转速，所述运行参数包括：大勾载荷和转盘扭矩。

12.根据权利要求11所述的监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括：

第二判断单元，用于在获取当前钻井的设计数据和当前工况之后，根据所述井身结构参数和井眼轨迹参数判断所述钻具组合参数是否满足摩阻力条件、轴向载荷条件和几何条件中的任一条件；以及

所述告警单元还用于在判断出所述钻具组合参数不满足所述摩阻力条件、所述轴向载荷条件和所述几何条件中的任一条件时，执行第二告警。

13.根据权利要求9所述的监测装置，其特征在于，

所述第二获取单元还用于获取所述钻柱的大勾载荷实际值和转盘扭矩的实际值，

所述监测装置还包括：计算单元，用于在获取所述钻柱的大勾载荷实际值和转盘扭矩的实际值之后，根据所述钻柱的所述大勾载荷实际值和所述转盘扭矩的实际值计算所述钻柱的受力大小值；第三判断单元，用于判断计算得到的所述钻柱的受力大小值是否达到极限值；所述告警单元还用于在判断出计算得到的所述钻柱的受力大小值达到所述极限值时，执行第三告警。

14.根据权利要求9所述的监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括：

检测单元，用于在根据所述设计数据和所述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值之后，检测所述当前工况是否已经发生变化；以及

修正单元，用于在检测出所述当前工况是已经发生变化时，根据所述当前工况的变化情况修正所述钻柱的运行参数的预测值。