CN111259508B - 一种钻井过程仿真方法以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井过程仿真方法以及系统。方法包括：获取仿真目标的起止井深范围内的每个井深节点的输入参数；根据所述输入参数进行仿真计算，获取每个井深节点对应的仿真结果；确定两个相邻井深节点间的阶跃点；确定所述两个相邻井深节点间的插值数据，其中，在所述阶跃点之前的插值点对应的插值数据与其之前的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致，在所述阶跃点上或之后的插值点对应的插值数据与其之后的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致；将所述插值数据作为所述两个相邻井深节点之间的钻井连续仿真过程。根据本发明的方法，可以对井下钻进过程进行仿真；相较于现有技术，本发明的方法的仿真结果更加贴近实际的现场情况。

Description

一种钻井过程仿真方法以及系统

技术领域

本发明涉及地质勘探开发领域，具体涉及一种钻井过程仿真方法以及系统。

背景技术

在实际应用场景中，地质勘探开发的钻井作业是一种相当复杂的工程作业。其具备现场工作量大、流程复杂、操作难度大以及不确定因素多等特点。因此，为了尽可能的避免在钻井作业中出现施工错误，在现有技术中，针对钻井作业引入了钻井作业仿真操作，从而在仿真环境下模拟钻井作业过程，以实现提前查漏补缺以及人员培训等目的。

然而，在现有技术中，针对钻井过程相关的仿真方法，大多面向于培训场景，以地面上面情况的仿真居多，而且着重于调用模型结果后形成图形展示，或者着重于模型与图形组件的交互等环节。但是，随着油气资源勘探开发的日益深入，钻井施工难度也越来越大，很多情况下油气埋藏较深，相关地层的属性复杂，工程技术人员需要一种可以利用计算机对井下钻进过程进行仿真的技术，从而在计算机上就发现钻井过程中井下可能出现的情况，进而对设计方案或者施工方案进行有针对性的调整。

发明内容

本发明提供了一种钻井过程仿真方法，所述方法包括：

获取仿真目标的起止井深范围内的每个井深节点的输入参数；

根据所述输入参数进行仿真计算，获取每个井深节点对应的仿真结果；

确定两个相邻井深节点间的阶跃点；

确定所述两个相邻井深节点间的插值数据，其中，在所述阶跃点之前的插值点对应的插值数据与其之前的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致，在所述阶跃点上或之后的插值点对应的插值数据与其之后的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致；

将所述插值数据作为所述两个相邻井深节点之间的钻井连续仿真过程。

在一实施例中，确定两个相邻井深节点间的阶跃点，其中，确定相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量，选取一个插值点作为阶跃点。

在一实施例中，确定两个相邻井深节点间的阶跃点，包括：

确定相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量k；

确定两个相邻井深节点间的阶跃点w，w属于0到k-1；

将第i个井深节点的输入参数与仿真结果作为一个状态向量，记为S_i；

将第i+1个井深节点的输入参数与仿真结果作为一个状态向量，记为S_i+1；

确定S_i与S_i+1之间的第j个状态向量S_ij，其中：

当j属于0到w之间，S_ij＝S_i；

当j属于w到k之间或j＝w，S_ij＝S_i+1。

在一实施例中，确定相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量；其中，根据所述仿真结果确定每个井深节点的钻进速度，根据所述钻进速度确定所述插值数量。

在一实施例中，根据所述钻进速度确定所述插值数量，其中，基于模拟显示的帧数，根据所述钻进速度确定所述插值数量。

在一实施例中，相邻两个井深节点的间距为1米。

在一实施例中，所述输入参数包括起止井深、井身结构、钻具组合、钻井液参数以及施工参数。

在一实施例中，所述仿真结果包括井深节点的机械钻速、沿井深的地层压力、井筒环空ECD以及沿井深的摩阻与扭矩。

本发明还提出了一种钻井过程仿真系统，所述系统包括：

输入获取模块，其配置为获取仿真目标的起止井深范围内的每个井深节点的输入参数；

仿真计算模块，其配置为根据所述输入参数进行仿真计算，获取每个井深节点对应的仿真结果；

阶跃确认模块，其配置为确定两个相邻井深节点间的阶跃点；

插值计算模块，其配置为确定所述两个相邻井深节点间的插值数据，其中，在所述阶跃点之前的插值点对应的插值数据与其之前的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致，在所述阶跃点上或之后的插值点对应的插值数据与其之后的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致；

仿真输出模块，其配置为将所述插值数据作为所述两个相邻井深节点之间的钻井连续仿真过程。

在一实施例中，所述系统还包括插值数量计算模块，其中：

所述插值数量计算模块配置为确定相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量；

所述阶跃确认模块配置为选取一个插值点作为阶跃点。

根据本发明的方法，可以对井下钻进过程进行仿真；相较于现有技术，本发明的方法的仿真结果更加贴近实际的现场情况从而可以在计算机上就发现钻井过程中井下可能出现的情况，进而对设计方案或者施工方案进行有针对性的调整。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的方法流程图；

图2是根据本发明一实施例的系统结构简图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

随着油气资源勘探开发的日益深入，钻井施工难度也越来越大，很多情况下油气埋藏较深，相关地层的属性复杂，工程技术人员需要一种可以利用计算机对井下钻进过程进行仿真的技术，从而在计算机上就发现钻井过程中井下可能出现的情况，进而对设计方案或者施工方案进行有针对性的调整。

针对现有技术中存在的技术需求，本发明提出了一种针对井下钻进过程钻井过程仿真方法。钻井过程是个连续过程，仿真的主要目的要进行针对钻井过程进行持续仿真计算，而这个过程的计算量是非常大的。进一步的，仿真的基础是实际测量数据，仿真计算时输入的实际测量数据越多、越精确，最终得到的仿真结果也就越贴近实际情况，但是，实际采样点的数量的提升势必会带来采样工作量加大以及仿真计算处理量增大的问题。

因此，为寻求仿真计算准确性与工作量、数据处理量之间的平衡，在本发明的方法中，针对仿真目标起止井深范围内的有限个井深节点进行数据采集以及仿真计算，而在采样的井深节点间则根据采集到的数据以及仿真结果进行插值计算，利用插值结果进行填充，从而最终构造出相对连续的钻井过程仿真结果。

根据上述方法，两个相邻井深节点间的插值数据会直接影响到仿真结果的有效性。因此，为了尽可能的保证插值数据贴近实际现场情况，在本发明的方法中，采用了阶跃式插值的方法。具体的，在需要插值计算的数据范围内设定一个阶跃点，阶跃点前的插值数据与插值范围起始端的数据一致，阶跃点上或阶跃点后的插值数据与插值范围终止端的数据一致，也就是说，在插值范围的起始端数据过渡到终止端数据的过程中，数据在阶跃点阶跃。

根据本发明的方法，可以对井下钻进过程进行仿真；相较于现有技术，本发明的方法的仿真结果更加贴近实际的现场情况从而可以在计算机上就发现钻井过程中井下可能出现的情况，进而对设计方案或者施工方案进行有针对性的调整。

接下来基于流程图详细描述本发明实施例的实施过程。附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1所示，在一实施例中，本发明的方法包括以下流程：

S110，获取仿真目标的起止井深范围内的每个井深节点的输入参数；

S120，根据输入参数进行仿真计算，获取每个井深节点对应的仿真结果；

S130，确定两个相邻井深节点间的阶跃点；

S140，确定所述两个相邻井深节点间的插值数据，其中，在阶跃点之前的插值点对应的插值数据与其之前的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致，在阶跃点上或之后的插值点对应的插值数据与其之后的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致；

S150，将插值数据作为两个相邻井深节点之间的钻井连续仿真过程。

进一步的，在一实施例中，两个相邻井深节点之间的阶跃点可以为任意形式，根据具体的应用需求和/或实际场景限定确定阶跃点。例如，在一实施例中，阶跃点可以为时间点，以钻头经过第一个井深节点后的特定时刻为阶跃点。在另一实施例中，阶跃点可以为位置点，以钻头经过第一个井深节点后的特定井深位置为阶跃点。

进一步的，在插值计算过程中，两个相邻井深节点间的插值数量会直接影响到仿真结果的连续性、平滑性以及仿真计算量。因此，在本发明的方法中，在插值计算之前，还要确定两个相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量。具体的，针对不同的应用场景需求设定不同的插值数量。

进一步的，在一实施例中，确定两个相邻井深节点间的阶跃点，其中，确定相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量，选取一个插值点作为阶跃点。

具体的，在一实施例中，确定两个相邻井深节点间的阶跃点的过程包括：

确定相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量k；

确定两个相邻井深节点间的阶跃时间点w，w属于0到k-1；

将第i个井深节点的输入参数与仿真结果作为一个状态向量，记为S_i；

将第i+1个井深节点的输入参数与仿真结果作为一个状态向量，记为S_i+1；

确定S_i与S_i+1之间的第j个状态向量S_ij，其中：

当j属于0到w之间，S_ij＝S_i；

当j属于w到k之间或j＝w，S_ij＝S_i+1。

进一步的，虽然钻井过程是个连续过程，但是由于地层变化的多样性以及不连续性，钻井过程也是一个多变复杂的过程。这就导致了不同组的相邻井深节点间的状况具备差异性。因此，为了仿真结果的连续性、平滑性，在一实施例中，针对不同组的相邻井深节点设定不同的阶跃点。

进一步的，为了简化仿真计算量，在一实施例中，为不同组的相邻井深节点归类，针对不同类型设定对应的阶跃点。

进一步的，由于不同组的相邻井深节点间的状况具备差异性，为了仿真结果的连续性、平滑性，不同组的相邻井深节点间的插值下限也是不同的。为了确保满足所有组的相邻井深节点间的插值下限，就需要设定一个相对较高的插值数量(设定相对较多的插值点)，而较高的插值数量又会造成仿真计算量的加大。因此，为了在保证仿真结果的连续性、平滑性，尽可能的减少仿真计算量。在一实施例中，针对不同组的相邻井深节点进行插值数量的分别设定。

进一步的，如果对每一组相邻井深节点进行插值数量的单独设定，势必会消耗很大的工作量。因此，在一实施例中，构造了统一的插值数量设定策略。具体的，考虑到在钻井过程中，钻进速度与地层状态变化以及钻进状态变化直接相关，因此在本发明的方法中，根据钻进速度的变化设定不同井深阶段的插值数量，从而在确保插值数量满足仿真需求的前提下尽可能的降低插值数量。

具体的，在一实施例中，在根据钻进速度确定对应的两个相邻井深节点的输入参数以及仿真结果的插值数量的过程中，从输入参数或仿真结果中确定与钻进速度相关的参照系参数，根据对应的两个相邻井深节点的该参照系参数的值确定对应的两个相邻井深节点的输入参数以及仿真结果的插值数量。

具体的，在一实施例中，确定插值数量的过程包括：

从输入参数或仿真结果中确定参照系参数，参照系参数与钻进速度相关；

计算两个相邻井深节点对应的参照系参数的平均值，根据该平均值计算插值数量。

进一步的，考虑到仿真结果在计算机上显示的情况，在一实施例中，基于模拟显示的帧数，根据两个相邻井深节点对应的参照系参数的平均值计算所述插值数量。

具体的，在一实施例中，参照系参数为机械钻速或钻时。

具体的，在一实施例中，当参照系参数为机械钻速时，根据公式

计算所述插值数量，其中：

k为所述插值数量；

为两个相邻整米处对应的机械钻速的平均值；

f为模拟显示的每秒的帧数。

具体的，在一实施例中，当参照系参数为钻时，根据公式

计算所述插值数量，其中：

k为所述插值数量；

为两个相邻井深节点对应的钻时的平均值；

f为模拟显示的每秒的帧数。

这里需要说明的是，在不同的实施例中，在上述流程中，可以并行执行多个输入参数的获取、并行执行针对多个输入参数的仿真计算、并行执行针对多组两个相邻井深节点的插值数量的确定以及多组两个相邻井深节点的插值数据的计算，也可以分别单独执行一个输入参数的获取、分别单独执行针对一个输入参数的仿真计算、分别单独执行针对一组两个相邻井深节点的插值数量的确定以及一组两个相邻井深节点的插值数据的计算。

具体的，在一实施例中，首先获取仿真目标的起止井深范围内的每个井深节点的输入参数；然后根据获取到的输入参数进行仿真计算，获取每个井深节点对应的仿真结果；接着按照井深顺序，依次调用两个相邻井深节点的输入参数以及仿真结果，确定插值数量，计算获取插值数据并输出，从而按照井深顺序输出钻井过程仿真结果。

进一步的，虽然钻井过程是个连续过程，但是由于地层变化的多样性以及不连续性，钻井过程也是一个多变复杂的过程。这就导致了不同的井深节点间的状况具备差异性。为了令仿真结果尽可能的匹配实际情况，在一实施例中，针对不同的井深节点采用不同的仿真计算模型。

进一步的，为了简化仿真计算量，在一实施例中，为井深节点归类，针对不同类型的井深节点匹配对应的仿真计算模型。

进一步的，在一实施例中，设定相邻两个井深节点的间距为1米。即，在仿真目标起止井深范围内，沿着井深，针对每个整米处进行数据采集获取输入参数。

具体的，在一实施例中，针对每个井深节点进行数据采集获取的输入参数包括起止井深、井身结构、钻具组合、钻井液参数以及施工参数。

具体的，在一实施例中，仿真计算获取的仿真结果包括井深节点的机械钻速、沿井深的地层压力、井筒环空ECD以及沿井深的摩阻与扭矩。

接下来根据具体应用场景详细描述根据本发明实施例的方法执行流程。

在一实施例中，方法包括以下流程：

(1)将欲仿真的目标井的井段的相关参数，包括(不限于)：起止井深、井身结构、钻具组合、钻井液参数、施工参数等等，在起止井深范围内，沿着井深，将每个整米处的相应数据组织成为1条输入参数，最终形成一个涵盖起止井深范围之内的含有n个整米的输入参数集合。

(2)设起始井深是第n米，结束井深是第m米，从n到m开始迭代进行下面的步骤。

(3)将第i米(初始值为n)处的输入参数进行仿真计算，将这些输入参数按顺序输入至钻井仿真计算模型中去，这些模型可以是用其他系统或者公式构建的，这些模型的主要意义上接受一组输入参数，计算出相应的输出结果，计算的结果包括(但不限于)；该米处的机械钻速、沿井深的地层压力、井筒环空ECD、沿井深的摩阻与扭矩等数据。

(4)将第i米的输入参数与计算结果数据作为一个状态，记为S_i，S_i可以看成一个有多个分量的向量。

(5)针对第i+1米处的输入参数进行仿真计算，具体过程同步骤(3)。

(6)将第i+1米的输入参数与计算结果数据作为一个状态，记为S_i+1。

(7)根据指定的在第i到i+1米的仿真状态数量k，再根据给定的阶跃点w(w属于0到k-1)，用阶跃式的方式在第w处进行阶跃，而其他状态则与两端状态相同，这样生成计算S_i与S_i+1之间的第j个状态S_ij，即：

当j属于0到w之间，S_ij＝S_i；

当j为w或属于w到k之间，S_ij＝S_i+1。

(8)将S_i与共k个S_ij作为从i米到i+1米处的钻井连续仿真过程。然后返回(3)继续下一米处的迭代。直至到达m米处。

在一具体应用场景中，根据本发明一实施例，针对某油田勘探区块重点井钻井设计进行仿真，将X井的某个井段的起止井深1000-1500m、井身结构、钻具组合、钻井液参数、施工参数等参数，在起止井深范围内，沿着井深，将每米处的参数组织成为1条输入参数，最终形成一个涵盖起止井深范围之内的含有500米的输入参数集合。从第1000米至1500米处，将每米的输入参数开始进行仿真计算，将这些输入参数按顺序输入至实现准备好的钻井仿真计算模型中去，计算出相应的输出结果，包括该米处的机械钻速、沿井深的地层压力、井筒环空ECD、沿井深的摩阻与扭矩等数据。

使用提出的阶跃式插值方式，在每两米的计算结果中间，计算每个分量的插值结果，形成一个完整的插值结果。

通过以上过程将X井的钻井过程平滑地构建出来，将井下的连续过程仿真出来，形成直观的类似真实钻井过程的体验。

综上，根据本发明的方法，针对每米进行关键点参数状态数据计算，根据两个关键点之间的参数利用阶跃式方法进行“数据补帧”，从而构建出一个平滑的钻井仿真机制，将井下的连续过程仿真出来。可用于钻井钻前阶段对井下钻井过程进行预演，进行计算机上的连续模拟钻井过程的仿真，结合其他的可视化组件可以形成直观的类似真实钻井过程的体验。

进一步的，基于本发明的方法，本发明还提出了一种钻井过程仿真系统。具体的，如图2所示，在一实施例中，系统包括：

输入获取模块210，其配置为获取仿真目标的起止井深范围内的每个井深节点的输入参数；

仿真计算模块220，其配置为根据输入参数进行仿真计算，获取每个井深节点对应的仿真结果；

阶跃确认模块230，其配置为确定两个相邻井深节点间的阶跃点；

插值计算模块240，其配置为确定两个相邻井深节点间的插值数据，其中，在阶跃点之前的插值点对应的插值数据与其之前的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致，在阶跃点上或之后的插值点对应的插值数据与其之后的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致；

仿真输出模块250，其配置为将插值数据作为两个相邻井深节点之间的钻井连续仿真过程。

进一步的，在一实施例中，系统还包括插值数量计算模块，其中：

插值数量计算模块配置为确定相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量；

阶跃确认模块配置为选取一个插值点作为阶跃点。

根据本发明的系统，可以对井下钻进过程进行仿真；相较于现有技术，本发明的系统的仿真结果更加贴近实际现场情况的，从而使得工作人员在计算机上就发现钻井过程中井下可能出现的情况，进而对设计方案或者施工方案进行有针对性的调整。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种钻井过程仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

获取仿真目标的起止井深范围内的每个井深节点的输入参数；

根据所述输入参数进行仿真计算，获取每个井深节点对应的仿真结果；

确定两个相邻井深节点间的阶跃点；

确定所述两个相邻井深节点间的插值数据，其中，在所述阶跃点之前的插值点对应的插值数据与其之前的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致，在所述阶跃点上或之后的插值点对应的插值数据与其之后的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致；

将所述插值数据作为所述两个相邻井深节点之间的钻井连续仿真过程；

确定两个相邻井深节点间的阶跃点时，确定相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量，选取一个插值点作为阶跃点，包括：

确定相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量k；

确定两个相邻井深节点间的阶跃点w，w属于0到k-1；

将第i个井深节点的输入参数与仿真结果作为一个状态向量，记为S_i；

将第i+1个井深节点的输入参数与仿真结果作为一个状态向量，记为S_i+1；

确定S_i与S_i+1之间的第j个状态向量S_ij，其中：

当j属于0到w之间，S_ij＝S_i；

当j属于w到k之间或j＝w，S_ij＝S_i+1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量；其中，根据所述仿真结果确定每个井深节点的钻进速度，根据所述钻进速度确定所述插值数量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述钻进速度确定所述插值数量，其中，基于模拟显示的帧数，根据所述钻进速度确定所述插值数量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相邻两个井深节点的间距为1米。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入参数包括起止井深、井身结构、钻具组合、钻井液参数以及施工参数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿真结果包括井深节点的机械钻速、沿井深的地层压力、井筒环空ECD以及沿井深的摩阻与扭矩。

7.一种钻井过程仿真系统，其特征在于，所述系统包括：

输入获取模块，其配置为获取仿真目标的起止井深范围内的每个井深节点的输入参数；

仿真计算模块，其配置为根据所述输入参数进行仿真计算，获取每个井深节点对应的仿真结果；

阶跃确认模块，其配置为确定两个相邻井深节点间的阶跃点；

插值计算模块，其配置为确定所述两个相邻井深节点间的插值数据，其中，在所述阶跃点之前的插值点对应的插值数据与其之前的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致，在所述阶跃点上或之后的插值点对应的插值数据与其之后的井深节点对应的输入数据以及仿真结果一致；

仿真输出模块，其配置为将所述插值数据作为所述两个相邻井深节点之间的钻井连续仿真过程；

所述阶跃确认模块，配置为确定相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量，选取一个插值点作为阶跃点，执行下述操作：

确定相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量k；

确定两个相邻井深节点间的阶跃点w，w属于0到k-1；

将第i个井深节点的输入参数与仿真结果作为一个状态向量，记为S_i；

将第i+1个井深节点的输入参数与仿真结果作为一个状态向量，记为S_i+1；

确定S_i与S_i+1之间的第j个状态向量S_ij，其中：

当j属于0到w之间，S_ij＝S_i；

当j属于w到k之间或j＝w，S_ij＝S_i+1。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括插值数量计算模块，其中：

所述插值数量计算模块配置为确定相邻井深节点间的输入参数以及仿真结果的插值数量；

所述阶跃确认模块配置为选取一个插值点作为阶跃点。

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