CN105593857A - 无立管条件下的预测振动模型 - Google Patents

Abstract

系统和方法提供了用于为无立管钻井提供增强特征的机构。各种实施方案可以包括井筒分析以预测和量化无立管条件的振动。本发明公开额外设备、系统和方法。

Description

无立管条件下的预测振动模型

技术领域

本发明一般涉及与钻井和采油结构的测量和分析有关的设备和方法。

背景

无立管钻井带来众多操作挑战，所述挑战表现在许多方面，所有这些方面皆不利地影响钻井过程的效率。问题包括增加的扭矩和阻力、增加的振动、不良的井眼净化、管故障、不良的固井作业以及起下钻操作期间的相关联问题。在深水和超深水中钻井像在无立管环境中将范围延伸至较大深度一样需要改进的模型与全面的分析，尤其是在放入并粘结较大直径的套管时。

附图简述

图1示出了根据各种实施方案的井段的模型，用以确定侧向力、力矩和井段末端处的力。

图2示出了根据各种实施方案的钻井操作的不同情形。

图3示出了根据各种实施方案的用以分析无立管结构的示例性过程流程的特征。

图4示出了根据各种实施方案的用以分析无立管结构的示例性方法的特征。

图5描绘了根据各种实施方案的可操作以控制无立管条件下的预测振动模型的示例性系统的特征的框图。

具体实施方式

以下具体实施方式涉及附图，所述附图以说明而非限制的方式示出了其中可以实践本发明的各种实施方案。非常详细地描述这些实施方案以使本领域的技术人员能够实践这些和其它实施方案。可以利用其它实施方案，并且可以对这些实施方案进行结构、逻辑和电气的改变。各种实施方案未必是互斥的，因为一些实施方案可以与一个或多个其它实施方案组合而形成新的实施方案。因此，以下具体实施方式不应以限制性意义来理解。

当在深水情形中放下套管柱时，在未恰当建模的情况下进行计算可能会极大地低估大钩负荷值。在各种实施方案中，除了扭矩和阻力计算之外，建模方法还使用在不同操作条件下针对钻柱/套管柱在露天水体中以及在裸眼井中的情形来达到适当大钩负荷值。软和刚柱模型的组合可以用于张力估计以及井口侧向负荷计算。对于套管和内柱是在钻井泥浆在内柱内部、海水在外柱中以及垫泥浆在泥线以下的井眼中的情况下放下的情形，根据本文中的教导的研究已经提供了呈现大钩负荷计算的结果。研究的结论是，各种参数会影响结果，例如井口相对于钻塔中心的偏移、井筒倾度、曲率、井筒挠率、进入井口的角度，此外还有由于风、波浪力以及海洋环流所致的复杂性。为了阐释建模方法的实施的严密性，对预测的数学模拟结果与来自不同井的实际井数据进行比较。

在各种实施方案中，模型可以包括多个操作，其中所述操作可以包括钻井(井底旋转)、离底旋转、下钻、起钻、倒划眼和滑动。下钻是将钻柱放置于井孔中，而起钻是将钻柱从井孔拉出。倒划眼是指在进行泵抽和旋转钻柱的同时将钻柱从井眼拉出。滑动是指在未使钻柱从地面向下旋转的情况下通过泥浆马达使钻头向井下旋转。相关的操作参数包括各种参数，例如钻压、钻头或管旋转、起下钻速度、流体流量、流体位置、管速度的加速度/减速度以及其它参数。

图1示出了井段103的模型，用以确定侧向力、力矩和井段103末端处的力。可以关于三个节点来考虑井段103：n-1、n和n+1，其中完整的结构可以被视为按区段分类的多节点结构。节点n被取为在井段103的弯曲部的附近，对于所示的坐标，此处存在侧向力Fx_n和Fx_y以及力矩Mx_n和Mx_y。节点n-1和n+1被取为在区段103的相应末端处。在节点n-1处，存在轴向力Tn₁和剪切力Ts₁，并且在节点n+1处，存在轴向力Tn₂和剪切力Ts₂。图1所示的模型可以用于分析无立管结构。可以得到解决的不同情形包括但不限于单管以及管中管、连续油管、套管衬管和其它布置。

图2示出了不同的情形201、202、204、206和207。情形201和206是已对其进行传统分析的结构。情形204示出了管内的管。情形202和207示出了在无立管条件下从泥线209延伸穿过水的结构。在各种实施方案中，使用井筒分析来预测和量化针对无立管条件的振动，例如但不限于情形202和207。应用于本文所讨论的无立管条件的各种分析提供了对设计和操作此类无立管结构的能力的增强。

可以使用不同的模型来计算井口处的侧向力。这些模型可以包括软柱模型、可以包括管的刚度的刚柱模型、以及有限元法。局部刚度矩阵对于分析是重要的，因为它代表了钻柱或套管柱的刚性或可弯曲的程度。在方程式(1)中界定了刚度矩阵与节点力、位移、旋转和力矩之间的关系，为

{F}＝[K]{δ}(1)

其中

{F}＝节点负荷和力矩的向量

[K]＝刚度矩阵

{δ}＝节点位移和旋转的向量

个别有限元的刚度系数的矩阵相结合以制订在任一节点处起作用的外力的数学关系。刚度矩阵[K]包括以下

E＝杨氏模量(磅/英寸²)

I＝惯性矩(英寸⁴)

G＝刚性模量E/2(1+γ)

J＝极惯性矩

γ＝泊松比

立管长度的计算可以基于悬链线剖面。可以包括其它剖面和相关计算。悬链线井段的长度可以由下式计算：

ΔL＝(ω/F_H){sinh[(L-C₂)(ω/F_H)]–C₂}(2)

其中

L＝偏移距离，英尺

a＝(F_H/ω)

C₂＝-asinh^-1(tanθ)

在另一形式中，泥线深度可以给出为

D_ω＝(F_H/L)cosh(L–C₂)(ω/F_H)+C₃(3)

其中

C＝-acoshK'，其中K'＝sinh^-1(tanθ)

ω＝立管每长度的平均重量。

如果放下柱的多个重量，那么使用每单位长度的柱平均重量。可以反复地使用方程式(3)来求解出L以获得井口处的侧向力。

关于大钩负荷计算，根据库仑摩擦模型，在悬链线井段的末端处的沿着航行井段拉动钻柱所需的轴向力由下式给出：

F_c＝F_S+W(cosα_c±μsinα_c)(4)

轴向力F_S取决于井口处的侧向力。加号界定了起钻操作，而减号界定了下钻操作。

要考虑的另一个重要参数是井筒品质以及井筒迂曲度。非常精确地量化复杂井筒轨迹的能力可以提供可靠的指导来估计所涉及的风险。先前发表的论文更主观地描述井眼的品质而非在质量上量化井眼。另外，没有明确的标准来界定井筒的品质。用于测评井眼的品质的井筒得分卡(WCS)在性质上也更主观而非在质量上量化井眼。在规划阶段期间，估计是非常主观的，因为它将是在操作具有不确定性和变化性的情况下进行。估计还必须基于先前钻出的补偿井并且可能只适用于其中正在规划井的区域。井筒品质得分卡已产生了良好的井筒品质，但是在无立管条件下会遇到下套管方面的困难。在勘定计算中被忽略的参数是井筒挠率，井筒挠率描绘了关于弯曲长度的副法线向量的旋转速率或密切平面改变其方向的速率的测量值。它不仅确保了平滑的井路径而且还减小阻力和扭矩。另外，井筒挠率将尖锐井路径的井路径曲率的波动强调至比从先前方法获得的程度大的程度。

通过将挠率参数作为挠率平方的弧长积分而纳入，对于井路径设计，可以使井筒能量E_S更全面。井筒能量可以给出为：

其中κ是曲率并且τ是井筒挠率。井筒能量可以进一步标准化为勘定站之间的标准井筒轨迹长度，其中标准化的井筒能量可以给出为

$E_{{\left(abs\right)}_n}=\left(\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}({{\mathrm{\κ}}_i}^2+{{\mathrm{\τ}}_i}^2){\mathrm{\ΔD}}_i}{D_n+{\mathrm{\ΔD}}_n}\right).---\left(6\right)$

其中i对应于第i个勘定站，n为深度点，D为深度，D_n为第n个深度点处的深度，ΔD_n为关于第n个深度点的深度间隔，并且ΔD_i为关于第i个勘定站的深度间隔。

曲线的总能量的最小化可以在操作中的几个期间导致较小的扭矩和阻力。在柱是在无立管环境中放下时，这种计算可能是有帮助的。

在传统的评估方法中，将离群值丢弃并且离群值并非传统分析方法的部分。在各种实施方案中，方法可以包括用于分析离群值数据以找出并预测故障的布置。离群值数据包括可用于与预测数据进行比较的噪声数据。此噪声数据可以与其中进行直接测量的区相关联。如本文所讨论的，综合方法可以使用离群值数据进行正向预测和非生产时间估计。

图3示出了用以分析无立管结构的示例性过程流程的特征。在305处，给出井深范围。输入可以包括但不限于井路径详情和泥线深度。输入结构可以包括扭矩和阻力、抽吸和波动以及振动模型。扭矩和阻力可以包括但不限于侧向力、阻力和扭矩。抽吸和波动可以包括但不限于抽吸、波动和往复运动。抽吸涉及在一类完井中储层的流动。关于流动和压力的波动的数据可以包括在输入结构中。往复运动涉及升高和降低钻柱。往复运动数据可以包括一系列的垂直行程。振动模型可以包括但不限于横向模型、轴向模型或扭转模型中的一者或多者。

在310处，进行曲率和挠率计算。在315处，进行井筒能量分析。井筒能量分析可以包括317处的最小能量确定和319处的最大能量分析。在320处，计算当前井筒能量。在325处，确定操作范围，并且在327处，给出目标能量。在330处，鉴于操作范围和给出的目标能量来确定能量线。在335处，进行关于能量线是否在增加的估计。在340处，如果能量线正在增加，那么可以采取补救措施。在345处，如果能量线与先前的确定值相比保持相同，那么不需要采取行动。在350处，如果能量线正在减小，那么不需要采取行动。在355处，可以在显示装置上显示将要采取的行动，所述行动可以包括补救措施或无行动。上述过程流程可以应用于但不限于钻杆在露天水体中、套管在露天水体中和管中管的情形。

图4示出了用于分析无立管结构的示例性方法的实施方案的特征。在410处，接收关于无立管井结构的输入数据。所述输入数据可以包括井深范围、泥线深度或勘定详情中的一者或多者。所述输入数据可以包括扭矩和阻力信息、抽吸和波动信息以及振动模型。

在420处，计算无立管井结构的井筒能量。在430处，确定无立管井结构的操作范围。在440处，相对于目标能量来确定所述操作范围的能量线。在450处，基于关于能量线是否在增加的估计来确定将要采取的行动。确定行动可以包括如果能量线在增加那么采取补救措施以及如果能量线保持相同或在减小那么不采取行动。所述行动可以呈现在显示装置上。除了将要采取的行动之外，还可以将在分析过程期间收集和导出的数据呈现给显示装置。

在各种实施方案中，所述方法可以包括由输入数据执行曲率和挠率计算以及确定最小能量和最大能量作为输入来计算无立管井结构的井筒能量。在各种实施方案中，所述方法可以包括分析离群值数据以查找和预测故障。离群值数据是实验中明显偏离值的预计范围的数据，使得在标准分析中，可能会将它从相关数据集中丢弃。离群值数据可以包括可以用于与预测数据进行比较的噪声数据。可以使用离群值数据来进行正向预测和非生产时间估计。

在各种实施方案中，机器可读存储装置可以包括其上存储的指令，所述指令在由机器执行时使所述机器执行操作，所述操作包括和与如本文中描述的无立管条件的分析有关的方法和技术的特征类似或相同的一个或多个特征。此类指令的物理结构可以由一个或多个处理器进行操作。执行这些物理结构可以使所述机器执行用于进行以下行为的操作：接收关于无立管井结构的输入数据；计算无立管井结构的井筒能量；确定无立管井结构的操作范围；相对于目标能量来确定所述操作范围的能量线；以及基于关于所述能量线是否在增加的估计来确定将要采取的行动。此外，机器可读存储装置在本文中是将由物理结构表示的数据存储在所述装置内的物理装置。机器可读存储装置的实例可以包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储装置、光存储装置、快闪存储器以及其它电子、磁和/或光存储器装置。

在各种实施方案中，一种系统可以包括：处理器单元和存储器单元，所述存储器单元操作性地耦接至所述处理器单元，使得所述处理器单元和所述存储器单元被布置成执行用于进行以下行为的操作：接收关于无立管井结构的输入数据；计算无立管井结构的井筒能量；确定无立管井结构的操作范围；相对于目标能量来确定所述操作范围的能量线；以及基于关于所述能量线是否在增加的估计来确定将采取的行动。所述输入数据可以包括井深范围、泥线深度或勘定详情中的一者或多者。所述输入数据可以包括扭矩和阻力信息、抽吸和波动信息以及振动模型。处理器单元和存储器单元可以被布置成由输入数据执行曲率和挠率计算以及确定最小能量和最大能量作为输入来计算所述无立管井结构的井筒能量。要采取的行动可以包括如果能量线正增加那么采取补救措施以及如果能量线保持相同或在减小那么不采取行动。所述系统可以包括在其上呈现所述行动的显示装置。

在各种实施方案中，处理器单元和存储器单元可以被布置成操作性地分析离群值数据以查找和预测故障。离群值数据可以包括可以用于与预测数据进行比较的噪声数据。处理器单元和存储器单元可以被布置成使用所述离群值数据操作性地进行正向预测和非生产时间估计。

图5描绘了可操作以执行如本文所教导的无立管结构的分析的示例性系统500的实施方案的特征的框图。系统500还可以包括处理器单元525和存储器单元535。存储器单元535可以实现为上面存储有指令的一个或多个机器可读存储装置，所述指令在由系统500结合处理单元520执行时使系统500执行操作，所述操作包括井筒分析以预测和量化针对如本文所教导的无立管条件的振动。系统500可以包括具有一个或多个传感器510的一个或多个评估工具505，所述传感器可操作以进行关于井筒的测量。所述一个或多个传感器510中的一些可以位于井口处。处理器单元525和存储器单元535可以被布置成操作一个或多个评估工具505以在操作一个或多个评估工具505时采集测量数据。处理器单元525和存储器单元535可以被实现以控制一个或多个传感器510的启动和数据采集以及如本文所描述管理关于数据的处理方案。系统500还可以包括电子设备565和通信单元540。

电子设备565可以与处理器单元525结合使用以执行与使用一个或多个评估工具505的一个或多个传感器510在井下进行测量相关联的任务。通信单元540可以包括在钻井操作和采油操作中的井下通信。此类井下通信可以包括遥测系统。

系统500还可以包括总线527，其中总线527提供系统500的组件间的导电性。总线527可以包括地址总线、数据总线和控制总线，其各自独立地配置。总线527还可以使用公共导线来提供地址、数据或控制中的一者或多者，所述地址、数据或控制的使用可以通过处理器单元525来调整。总线527可以包括光传输介质以在系统500的各种组件之间提供光信号。总线527可以被配置使得分散系统500的组件。总线527可以包括网络能力。

在各种实施方案中，外围装置545可以包括显示器、额外存储存储器和/或可以与处理器单元525和/或存储器单元535结合操作的其它控制装置。在实施方案中，处理器单元525可以实现为一个或多个处理器。外围装置545可以被布置成使用存储于存储器单元535中的指令与显示单元555结合操作来实施用户接口以管理分布在系统500内的一个或多个评估工具505和/或组件的操作。此类用户接口可以与通信单元540和总线527结合操作。显示单元555可以被布置成呈现由于存储器单元535与处理单元520结合来执行井筒分析以如本文所教导预测和量化针对无立管条件的振动而产生的将要采取的行动。

尽管本文已示出并描述了特定实施方案，但是本领域的普通技术人员将了解，预计实现相同目的的任何布置可以替代所示的特定实施方案。各种实施方案使用本文所描述的实施方案的排列和/或组合。应理解，以上描述意欲为说明性而非限制性的，并且本文所采用的措辞或术语是用于描述的目的。本领域的技术人员在学习了以上描述后将清楚以上实施方案和其它实施方案的组合。

Claims (27)

1.一种方法，包括：

接收关于无立管井结构的输入数据；

计算所述无立管井结构的井筒能量；

确定无立管井结构的操作范围；

相对于目标能量来确定所述操作范围的能量线；以及

基于关于所述能量线是否在增加的估计来确定将要采取的行动。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括由所述输入数据执行曲率和挠率计算以及确定最小能量和最大能量作为输入来计算所述无立管井结构的所述井筒能量。

3.如权利要求1所述的方法，其中确定行动包括如果所述能量线在增加那么采取补救措施以及如果所述能量线保持相同或在减小那么不采取行动。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括在显示装置上呈现所述行动。

5.如权利要求1所述的方法，其中接收输入数据包括井深范围、泥线深度或勘定详情中的一者或多者。

6.如权利要求1所述的方法，其中接收输入数据包括扭矩和阻力信息、抽吸和波动信息以及振动模型。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括分析离群值数据以查找和预测故障。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述离群值数据包括可用于与预测数据进行比较的噪声数据。

9.如权利要求7所述的方法，其中使用所述离群值数据来进行正向预测和非生产时间估计。

10.一种上面存储有指令的机器可读存储装置，所述指令在由机器执行时使所述机器执行操作，所述操作包括用于进行以下行动的操作：

接收关于无立管井结构的输入数据；

计算所述无立管井结构的井筒能量；

确定无立管井结构的操作范围；

相对于目标能量确定所述操作范围的能量线；以及

基于关于所述能量线是否在增加的估计来确定将要采取的行动。

11.如权利要求10所述的机器可读存储装置，其中所述操作包括由所述输入数据执行曲率和挠率计算以及确定最小能量和最大能量作为输入来计算所述无立管井结构的所述井筒能量。

12.如权利要求10所述的机器可读存储装置，其中用以确定行动的操作包括如果所述能量线在增加那么采取补救措施以及如果所述能量线保持相同或在减小那么不采取行动。

13.如权利要求10所述的机器可读存储装置，其中所述操作包括在显示装置上呈现所述行动。

14.如权利要求10所述的机器可读存储装置，其中所述输入数据包括井深范围、泥线深度或勘定详情中的一者或多者。

15.如权利要求10所述的机器可读存储装置，其中所述输入数据包括扭矩和阻力信息、抽吸和波动信息以及振动模型。

16.如权利要求10所述的机器可读存储装置，其中所述操作包括分析离群值数据以查找和预测故障。

17.如权利要求16所述的机器可读存储装置，其中所述离群值数据包括可用于与预测数据进行比较的噪声数据。

18.如权利要求16所述的机器可读存储装置，其中所述操作包括使用所述离群值数据进行正向预测和非生产时间估计。

19.一种系统，包括：

处理器单元；以及

存储器单元，所述存储器单元操作性地耦接至所述处理器单元，使得所述处理器单元和所述存储器单元被布置成执行用于进行以下行动的操作：

接收关于无立管井结构的输入数据；

计算所述无立管井结构的井筒能量；

确定无立管井结构的操作范围；

相对于目标能量确定所述操作范围的能量线；以及

基于关于所述能量线是否在增加的估计来确定将要采取的行动。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述处理器单元和所述存储器单元被布置成由所述输入数据执行曲率和挠率计算以及确定最小能量和最大能量作为输入来计算所述无立管井结构的所述井筒能量。

21.如权利要求19所述的系统，其中所述行动包括如果所述能量线在增加那么采取补救措施以及如果所述能量线保持相同或在减小那么不采取行动。

22.如权利要求19所述的系统，其中所述系统包括在其上呈现所述行动的显示装置。

23.如权利要求19所述的系统，其中所述输入数据包括井深范围、泥线深度或勘定详情中的一者或多者。

24.如权利要求19所述的系统，其中所述输入数据包括扭矩和阻力信息、抽吸和波动信息以及振动模型。

25.如权利要求19所述的系统，其中所述处理器单元和所述存储器单元被布置成操作性地分析离群值数据以查找和预测故障。

26.如权利要求25所述的系统，其中所述离群值数据包括可用于与预测数据进行比较的噪声数据。

27.如权利要求25所述的系统，其中所述处理器单元和所述存储器单元被布置成操作性地使用所述离群值数据进行正向预测和非生产时间估计。