CN111655969B - 使用实时测量和建模来优化管子运行操作的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于优化管子行进操作(TRO)的系统，其中行进钻柱部署在井眼中，该系统包括位于井场的传感器，以及可以位于井场或其它位置的一个或多个处理器、显示器和用户输入设备。传感器被配置为测量行进钻柱参数，包括行进钻柱在井内的位置、行进和旋转速率以及作用在行进钻柱顶部的载荷。基于这个信息，(一个或多个)处理器在自顶向下的方向上执行扭矩和阻力分析(TDA)，以估计用户选择的行进钻柱部件上的井下载荷，并考虑到测量和建模的不确定性。基于估计的载荷，(一个或多个)处理器计算一个或多个损伤指标，这些损伤指标经由(一个或多个)显示器传送给用户，从而使用户能够采取校正措施来防止或管理对行进钻柱的损伤。

Description

使用实时测量和建模来优化管子运行操作的系统和方法
技术领域
本公开一般而言涉及用于减少或最小化诸如但不限于油井或气井的井的管子运行操作的持续时间并用于在管子运行操作期间扩展管柱(tubular string)可达到的深度的系统和方法，同时确保施加在管柱组件上的应力和应变在钻柱(string)运行操作期间保持在可接受的水平，并且尤其涉及与斜井眼一起使用的此类系统和方法。
背景技术
斜井(deviated well)通常用于从地下地层中提取烃。与垂直井相反，在有利于烃提取工艺的情况下，有意沿着垂直井的一些或全部长度以一定角度钻探垂直井。一些斜井水平穿过稀薄的含烃地层，以增加井与地层之间的接触面积，进而增加单井可实现的生产率。在其它情况下，斜井用于进入含烃地层，在这种情况下，无论是物理上还是法规上的限制，都无法从地层正上方钻探垂直井。
在建造井期间，通常在井中安装一个或多个管子(tubular)，例如为井眼(wellbore)提供结构稳定性或控制烃的流量。在这个上下文中，术语“管子”可以被理解为指任何类型的管道，包括通常被称为套管、衬里或油管的管道。管子以称为接头(joint)的单个长度到达井场(wellsite)，通常长度为6至15米(20至50英尺)。接头一个接一个地进入井中，每个接头通过螺纹连接与下面的一个接头相连，形成钻柱(string)。可以在井内将钻柱固结在适当的位置，或者使用专用的井下设备将其从另一个管柱悬挂下来，或者从井口悬挂下来。在本专利文档中，将钻柱送入井中或以其它方式操纵钻柱的位置的过程被称为“管子行进操作”，并且涉及管子行进操作的钻柱被称为“行进钻柱”。
在垂直井中，在管子行进操作期间作用在行进钻柱上的主要力是重力(即，行进钻柱本身的重量)和浮力，这是由于行进钻柱将井内的流体置换而产生的。但是，在斜井中，行进钻柱由于与井眼接触而承受附加的力。为了本专利公开的目的，术语“井眼(wellbore)”应理解为是指在管子行进操作期间包围行进钻柱的任何部分的任何外部管柱或裸眼区段。
井眼与行进钻柱之间的接触力被称为侧向载荷。侧向载荷可以是由于行进钻柱搁置在井眼低端、由于拉伸或压缩将行进钻柱拉或推至弯曲的井眼一侧(“绞盘效应”)、行进钻柱通过弯曲的井眼的弯曲刚度、井眼中行进钻柱的正弦形或螺旋形屈曲或其它影响而引起的。如果行进钻柱正在移动，或者如果施加的力促使它移动，那么将产生摩擦力来抵抗行进钻柱的移动或尝试的移动。
摩擦力大小与相关联的侧向载荷大小的比率通常被称为摩擦系数(概念上类似于与两个表面之间的接触相关联的摩擦系数)。不同的摩擦系数可以适用于不同的行进钻柱组件和井眼类型。摩擦力可以在轴向方向(井上或井下)、在旋转方向或某个中间方向起作用。更复杂的机制或井下条件也会导致作用力作用在行进钻柱上。示例包括但不限于差异性粘附、壁架和障碍物。
在将管柱安装在斜井中期间，作用在钻柱上的摩擦力会阻碍其进入井中。没有摩擦或其它反作用力，行进钻柱的全部垂直重量将从钻机的井架上悬挂下来。为了克服摩擦，钻探人员必须“放松”或减少井架支撑的行进钻柱重量的一部分。如果运行中的钻柱(string)无法在其自重的作用下前进到井中，那么钻探人员可以逐步采取更极端的措施来推进钻柱。
例如，钻探人员可以将钻机装备(诸如顶部驱动器)的重量放到行进钻柱上。可替代地或附加地，可以采用下拉系统来将行进钻柱的顶部下拉。行进钻柱也可以被旋转以“消除摩擦”，使得摩擦力部分地在旋转方向而不是纯粹在轴向方向上定向。无论采用何种措施，都必须谨慎管理施加在行进钻柱上的载荷，以避免使行进钻柱的部件过载。
每个行进钻柱中的部件都具有物理载荷限制，超过该限制，部件将受到损伤。载荷极限可以用轴向载荷(拉力或压缩力)、扭矩、侧向载荷、内部和/或外部压力、曲率或这些变量的某种组合来表示。可以安全施加到部件上的载荷范围由载荷极限包络定义，在最一般的意义上，考虑到上面列出的所有载荷，载荷极限包络是多维形状。在实践中，载荷极限包络通常被表示为轴向载荷与扭矩的关系曲线上的极限曲线集合，每条极限曲线与不同的曲率条件对应。
可以指定附加的载荷极限包络集合，以确定部件在周期性加载时的累积损伤。可以使用公式、实验数据点或分析数据点来描述部件的载荷极限包络。部件可以具有多个子部件，每个子部件具有自己的载荷极限包络。在这种情况下，部件载荷极限包络是子部件载荷极限包络的组合，使得没有子部件会过载。
为了便于监视、管理和优化钻机操作，现代钻探钻机(drilling rig)配备了传感器的阵列。在许多钻机上，来自各种传感器的读数被馈送到称为电子数据记录仪或电子钻井记录仪(“EDR”)的中央数据采集系统。管子运行期间的重要测量包括块高度、行进钻柱的插入深度、施加在行进钻柱顶部的力和扭矩、运行速率(即，轴向速度)和行进钻柱的转速，以及管子行进操作期间井中流体的压力、流率、密度和温度。在这个上下文中，术语“插入深度”与“Schlumberger油田术语表”中定义的术语“测得深度”(即，沿着其路径的行进钻柱的长度)对应(除了垂直井中以外，它不与地下的深度对应)。
常常从钻机吊钩载荷推断出行进钻柱顶部的轴向载荷，这通常是通过测量钻机吊装系统的截止张力来确定的。虽然此方法很方便，但其准确性受吊装系统中的摩擦力影响。因此，偶尔会通过将称重传感器直接放在钻柱上方来测量行进钻柱顶部的轴向载荷。这种称重传感器通常包装在称为扭矩和张力配件(sub)的部件中，该部件还包含用于测量施加到钻柱上的扭矩的仪器。更通常地，所施加的扭矩是由供应给钻探钻机顶部驱动器的液压或电力推导出来的。钻探钻机的块高度测量通常在管子运行期间被用于确定：(1)基于块高度的变化率的运行速率；(2)基于累积的块移动的插入深度。
虽然现代钻探钻机上的传感器为工作人员提供了有关表面状况的有价值的信息，但在管子运行期间一般无法直接测量井下状况。钻井期间通常使用井下传感器来测量井眼的方位角和倾斜度以及钻头附近的扭矩和轴向载荷。这种类型的井下传感器可以在某些类型的管子运行期间在一个或多个离散位置中使用。
但是，由于传感器也将留在井中，因此这种传感器的成本通常排除了它们在多个位置或井中遗留的行进钻柱的任何部分中的使用。因此，虽然在管子行进操作中测量施加到行进钻柱顶部的扭矩和轴向载荷是简单的，但是测量施加到井下每个行进钻柱的部件上的扭矩和轴向载荷在实践中是不可行的。如果不进行直接测量，那么确定行进钻柱的任何特定部件是否已过载是具有挑战性的。
与钻探和完成斜井相关的挑战刺激了一种称为扭矩和阻力分析(“torque-and-drag analysis，TDA”)的分析方法的发展。管子行进操作的TDA涉及计算由于重力、浮力、侧向载荷和摩擦力而作用在行进钻柱中离散元件上的载荷。通常，TDA是在自底向上的方向上执行的；即，将载荷和速率边界条件施加到行进钻柱的底部，而TDA提供对表面扭矩和轴向载荷的估计。
例如，在管子运行期间，典型的边界条件是在以规定的运行和旋转速率运动时，行进钻柱底部的载荷为零。可以使用不同类型的扭矩和阻力模型，包括忽略管道弯曲刚度的“软钻柱”模型和考虑到不同技术严格水平的弯曲刚度的“刚钻柱”模型。TDA最通常地是在建造井之前在设计井或计划钻探或管运作业时执行的。TDA可以用流体流量模型补充，以估计井中流体的井下压力、速率和温度。
发明内容
本公开教导了用于优化管子行进操作(或“TRO”)的系统和方法的实施例。为了方便起见，根据本公开的系统可替代地被称为“TRO系统”。在本公开中，对“优化”管子行进操作的理解应当被理解为是指减少或最小化管子行进操作的持续时间和/或在管子行进操作期间延长行进钻柱可达到的深度，同时确保施加在行进钻柱部件上的应力和应变维持在可接受的水平。
在基本实施例中，TRO系统包括多个传感器、一个或多个处理器、一个或多个显示器以及一个或多个用于用户输入的设备。传感器位于井场。所有其它部件可以位于同一井场或远离井场的一个或多个网络连接的位置。传感器被配置为进行测量，以指示井中行进钻柱的位置、运行和旋转速率以及作用在行进钻柱顶部的载荷。
基于这个信息，处理器将自顶向下地执行TDA(扭矩和阻力分析)，以估计每个行进钻柱的部件上的井下载荷，并考虑到测量和建模的不确定性。基于估计的载荷，处理器计算一个或多个损伤指标。损伤指标经由显示器传送给TRO系统的用户，从而使用户能够采取校正措施来管理由行进钻柱所遭受的损伤。可以在管子行进操作的过程中周期性地重复进行测量和计算，以实现连续优化。
一般而言，针对TRO系统生成的损伤指标可以采取的校正措施的类型将取决于给定用例的具体情形。但是，可能的校正措施的非限制性示例包括：
·改变施加在行进钻柱上的轴向载荷；
·改变施加在行进钻柱上的扭矩；
·改变运行速率；
·改变旋转速率转速；
·向井眼添加润滑剂；
·向行进钻柱添加扶正器；和/或
·将行进钻柱从井眼中拉出以执行井眼清洁。
在根据本公开的TRO系统的一个实施例中，损伤指标是复合表面载荷极限包络，其指示在保持在所有行进钻柱中部件的载荷极限包络内的情况下可以施加到表面上的行进钻柱的轴向载荷和扭矩的范围，并且在管子行进操作期间可以动态改变。TRO系统可以计算和显示的其它损伤指标包括每个行进钻柱中部件累积的疲劳损伤以及行进钻柱和/或井眼所经历的磨损。
损伤指标可以附加地或可替代地由TRO系统使用估计载荷来计算，该估计载荷是基于运行速率、旋转速率和作用在行进钻柱底部的载荷的假设通过在自底向上的方向上执行TDA而获得的。这种方法使得能够预测未来的运行条件并在预计对行进钻柱或井眼造成不可接受的损伤的情况下允许用户采取预防措施。
根据本公开的TRO系统可以用于所有类型的管子行进操作，包括但不限于顶部驱动管子运行(其中管子被顶部驱动管子运行工具夹紧)和常规的管子运行(其中管子在电梯上进入井中)。
除了在管子行进操作期间实时应用之外，根据本公开的TRO系统的能力可以在设计井、计划管子行进操作或回顾正在进行或在过去发生的管子行进操作时被利用。根据本公开的TRO系统和相关联的方法还可以被扩展或适应以考虑井的寿命的附加阶段，包括但不限于固井、完井、增产、启动、生产和废弃。
附图说明
现在将参考附图描述实施例，其中附图标记表示相似的部分，并且其中：
图1是在井眼中部署有行进钻柱的斜井的简化示意图。
图2是示意性地图示根据本公开的TRO系统的基本实施例的框图。
图3是示意性地图示图2中的TRO系统的变体的框图，其中系统的处理器和用户输入设备位于远离井场的位置并且与位于井场的TRO系统的传感器和其它部件通信。
图4是真实载荷分布(未知)和估计的载荷分布的图示。
图5是虚拟和一致的估计载荷分布的说明性示例。
图6图示了局部载荷极限包络向表面载荷极限包络的变换。
图7图示了将部件表面载荷极限包络组合成复合表面载荷极限包络。
图8图示了修改部件载荷极限包络以考虑施加到部件的估计载荷的范围。
图9是概述由TRO系统执行的方法的一个实施例的流程图。
图10图示了部件载荷率的计算。
图11是指示预测的过载状况的显示的说明性示例。
图12图示了指示预测的过载状况的显示器的替代实施例。
图13是显示器的说明性示例，其指示在行进钻柱上的总摩擦力。
图14图示了显示器的替代实施例，其指示在行进钻柱上的总摩擦力。
图15是作用在行进钻柱部件上的轴向应力和剪切应力的说明性示例。
图16是作用在行进钻柱部件上的轴向应力和剪切应力的说明性示例，包括弯曲效应。
具体实施方式
图1示意性地图示了斜井的典型井场。井架10支撑起重装置20，其具有钩子25，顶部驱动器30悬挂在钩子25上。用于将管子送入井中和从井中送出的工具40(取决于上下文，也被称为管子运行工具或套管运行工具)机械地连接到顶部驱动器30。管子运行工具40被用于操纵部署在井眼60内的管柱50(行进钻柱)(以及用于当送入或送出行进钻柱50时分别对行进钻柱50进行“补足”和“脱开”)。行进钻柱50由管子接头52组成，该管子接头52通过螺纹联接件54首尾相连地连接。
通常将靴状物、钻头或其它井下工具或装置(未示出)连接到行进钻柱50的底部(或底端)56，这取决于所进行的特定管子行进操作(TRO)的性质和目的。行进钻柱50也可以结合各种类型的在图1中未示出的“配件”或其它部件；因而，行进钻柱50的部件不限于管子接头52和联接件54。
图2示意性地图示了根据本公开的TRO系统的一个基本实施例100。TRO系统100包括：
·多个传感器；
·一个或多个被配置为从传感器接收测量并执行计算的处理器(“处理器”)；
·一个或多个用于用户输入的设备(“用户输入设备”)；以及
·一个或多个用于配置系统并向TRO系统的用户显示计算结果的显示器(“显示器”)。
在替代实施例中，各个处理器、用户输入设备和显示器可以位于不同的位置、彼此分开并且与传感器分开。在图3中可以看到其示例，图3示意性地图示了TRO系统的另一个实施例200，其包括：
·位于井场的多个传感器210；
·位于井场并与传感器210进行电子通信以从传感器210接收数据的数据采集系统250；
·位于井场的一个或多个显示器240A；
·位于远程位置的一个或多个处理器230，(一个或多个)处理器230与井场处的数据采集系统250进行电子通信并与井场处的(一个或多个)显示器240A进行电子通信；
·位于远程位置并与(一个或多个)处理器230进行电子通信的一个或多个用户输入设备220；以及
·位于远程位置并与(一个或多个)处理器230进行电子通信的一个或多个显示器240B。
TRO系统可以是网络的一部分，在传感器、处理器、用户输入设备和/或显示器之间具有中间系统。可以使用任何数据传输或网络协议以及任何有线或无线连接在传感器、处理器、输入设备和显示器之间传输测量、结果、输入和其它数据。示例包括但不限于串行电缆、无线电传输、以太网电缆、互联网协议以及卫星或蜂窝网络。
在基本实施例中，根据本公开的TRO系统包括传感器，该传感器被配置为进行测量，该测量可以被用于确定行进钻柱在井中的插入深度、运行速率以及作用在行进钻柱顶部的轴向载荷。这些传感器通常将包括钻探钻机吊钩载荷传感器(可以用来确定行进钻柱顶部的轴向载荷的测量)和钻探钻机块高度传感器(可以用来确定运行速率和插入深度的测量)，但也可以使用其它类型和形式的传感器。
与涉及行进钻柱旋转的管子行进操作一起使用的TRO系统通常将包括用于测量在行进钻柱顶部的旋转速率和作用在行进钻柱顶部的扭矩的传感器。这样的传感器通常将采用顶部驱动扭矩和旋转速率传感器的形式，但是可以使用其它形式的传感器。
可以可选地使用其它类型的传感器来增强TRO系统的性能，但是对于基本TRO系统功能的执行不是必需的，包括：
·在使用下拉系统的管子行进操作中，测量施加到行进钻柱上的下拉力的传感器；
·用于测量钻探钻机滑移的位置的传感器(当将管道的接头吊入井架时，它支撑行进钻柱的重量)；
·用于测量沿着行进钻柱长度的所选择的离散井下位置处的轴向载荷和/或扭矩的一个或多个传感器；以及
·用于测量流体压力、流体流率和/或流体温度的一个或多个传感器，这些会影响作用在行进钻柱上的载荷以及行进钻柱的屈曲响应。
在TRO系统的一个实施例中，处理器、显示器和用户输入设备形成位于井场的计算机系统的一部分。计算机系统的附加部件可以包括但不限于：
·存储介质，用于存储处理器执行的计算结果；
·音频输出设备；以及
·通用数据通信连接，诸如有线或无线以太网到互联网的连接，从而允许进行远程监视。
在一个实施例中，诸如串行电缆之类的专用物理电缆可以被用于将计算机系统连接到钻机范围的数据采集系统，该数据采集系统进而连接到传感器。可替代地，可以使用专用无线连接或通用连接(诸如有线或无线以太网)在计算机系统和钻机范围的数据采集系统之间建立连接。可替代地，计算机系统可以直接连接到传感器。
在TRO系统的替代实施例中，处理器位于远离井场的位置，传感器测量从井场传输到处理器，计算由远程处理器执行，并且由处理器执行的计算的结果显示在井场和/或(一个或多个)其它位置。可以使用用于传输数据的任何方法，包括但不限于通过卫星、无线或有线网络的互联网协议。
用于估计井下载荷的用户输入
为了使得能够估计行进钻柱上的载荷，用户可以向TRO系统提供有关钻探钻机、井眼、行进钻柱和预计的井下状况的信息。无论处理器位于井场还是远程，用户都可以经由连接到处理器的输入设备(例如，鼠标和键盘)提供此信息。
TRO系统使用有关钻探钻机的信息来实现从钻机传感器的数据采集、对行进钻柱上施加的载荷和速率进行建模，并估计与所有测量相关联的不确定性。钻探钻机信息的示例包括块重量；滑轮效率；以及钻机传感器的准确性和分辨率。井眼信息的示例包括井眼调查；孔的尺寸和长度；以及已经安装在井中的所有管道的尺寸、重量、长度和位置。行进钻柱信息的示例包括部件的尺寸、重量和长度；连接信息；以及有关行进钻柱上任何附加部件的信息，诸如扶正器(centralizer)。TRO系统使用井眼和行进钻柱信息以及有关井下条件的信息来执行TDA。
根据预计的井下状况，用户可以为TRO系统提供适用于不同行进钻柱部件和井眼类型的摩擦系数。用户可以附加地指定那些摩擦系数的不确定性(例如，以加/减百分比表示)。可以由用户提供给TRO系统的井下状况信息的其它示例包括但不限于井眼中流体的密度和粘度、井眼侵蚀/冲刷以及井勘测中未包括的其它井眼曲率(通常称为曲折度)。
通常，用户在管子行进操作之前向TRO系统提供输入。但是，用户可以随时添加或修改输入。例如，如果在管子行进操作中井下状况与预期不同，那么用户可以修改特定井眼类型的特定行进钻柱部件的摩擦系数；或者如果它在管子行进操作期间变得可用，那么用户可以提供更新后的井勘测。
用于部件载荷极限包络的用户输入
根据本公开的TRO系统使用由用户提供的信息来基于井中每个部件在井中的当前位置处的状况来确定每个行进钻柱中部件的载荷极限。可以以载荷极限包络的形式提供此信息，该载荷极限包络描述了限制轴向载荷、扭矩和/或侧向载荷的轨迹；或作为TRO系统用于计算载荷极限包络的物理参数。
在一个实施例中，由于特定部件的载荷极限一般取决于该部件所经历的曲率，因此可以将行进钻柱部件的载荷极限作为不同极限曲率大小的载荷极限包络提供给TRO系统。为其提供载荷极限包络的曲率大小不必与井勘测所指示的曲率对应，而是可以与通过分析、数值、实验或其它手段确定部件的载荷极限时所考虑的曲率大小对应。部件的载荷极限可以附加地取决于部件行进到其中的井眼的尺寸，因为井眼尺寸将影响部件在压缩轴向载荷下弯曲的趋势，因此可以针对不同的井眼尺寸附加地提供载荷极限包络。
部件的载荷极限包络可以基于该部件的弹性极限(即，屈服强度)或任何其它选择的准则，并且可以包括基于用户的风险承受能力的安全系数(即，设计余量)。
表面载荷和速率
根据本公开的TRO系统基于传感器测量来确定行进钻柱顶部的载荷和速率。TRO系统在后续计算中考虑传感器测量的分辨率和准确性。
如果轴向载荷传感器直接位于行进钻柱的上方(例如，在扭矩和张力配件中)，那么传感器读数可以被解释为在行进钻柱顶部施加的轴向载荷。当轴向载荷传感器为截止张力传感器时，在计算施加在行进钻柱顶部的轴向载荷时，应考虑滑轮组(block andtackle)中的滑轮摩擦。当块向上移动时，吊钩载荷小于最后期限的拉力，并且可以使用以下公式计算：
其中h是吊钩载荷；
是截止张力；
η是滑轮效率；以及
μ是滑轮摩擦系数(μ＝1-η)。
当块向下移动时，吊钩载荷超过了最后期限的张力，并且可以使用以下公式计算：
从吊钩载荷中减去块重量，以确定施加在行进钻柱顶部的轴向载荷。否定结果指示行进钻柱的顶部处于压缩状态。
在涉及行进钻柱旋转的管子行进操作中，将扭矩传感器直接定位在行进钻柱上方(例如，在扭矩和张力配件中)可以直接测量行进钻柱顶部施加的扭矩。如果从顶部驱动马达的功率推断出钻探钻机扭矩读数，那么可以基于扭矩读数以及通过连接顶部驱动马达和行进钻柱的动力传动系的机械损耗的估计来计算行进钻柱顶部的扭矩。
行进钻柱的运动学(即，行进速率和旋转速率)最通常是由块高度传感器和旋转速率传感器的读数确定。可以诸如例如通过获取两个相继的传感器读数之间的差并将该差除以两次读数之间经过的时间来基于块高度传感器读数的变化率计算行进速率。行进钻柱的旋转速率直接由旋转速率传感器指示。
可替代地，可以通过直接测量行进钻柱的轴向速度来确定行进速率，并且可以通过对行进钻柱的顶部的角度朝向的相继测量来确定旋转速率。无论采用哪种测量方法，TRO系统都在后续计算中考虑测量的分辨率和准确性。TRO系统可以通过考虑先前的测量和对加速度的物理约束来对行进速率和旋转速率测量进行过滤。
井下载荷
在确定行进钻柱顶部的载荷和速率之后，TRO系统执行TDA来估计沿着行进钻柱的长度方向的扭矩、轴向载荷和侧向载荷分布。在下面的段落中，将描述一种用于估计井下载荷的示例性方法，该方法用于涉及钻柱的轴向运动和旋转运动的示例性管子行进操作。但是，本领域技术人员将认识到的是，相同的方法可以应用于仅涉及行进钻柱的轴向运动的管子行进操作的特殊情况。
在一种方法中，行进钻柱被轴向划分为一系列分析元件；然后，从行进钻柱的顶部开始向下工作，对作用在每个元件上的增量载荷(例如，由于重力、浮力和行进钻柱与井眼之间的摩擦力)进行评估和积分。可以增加行进钻柱划分成的分析元件的数量以提高分析结果的准确性，或减少该数量以提高计算效率。
TRO系统在管子行进期间执行的TDA的边界条件与前面描述的典型TDA的边界条件不同。TRO系统不是在行进钻柱的底部使用规定的载荷和速率，而是在行进钻柱的顶部使用测得的载荷和速率。即，TDA是在自顶向下的方向而不是自底向上的方向上执行。以这种方式结合现实世界中的测量条件是有益的，但是由于扭矩和拖动模型与物理现实之间的差异，因此TRO系统计算出的最终载荷分布可能是非物理的。即，计算出的载荷分布可能与行进钻柱的运动学不一致。
例如，图4示出了在行进钻柱旋转离开底部(即，在钻柱的底部没有轴向运动或没有轴向载荷的情况下旋转)的时间点处从说明性管子行进操作的TDA获得的扭矩分布。扭矩和阻力模型高估了沿着行进钻柱长度的摩擦力，导致行进钻柱底部的估计扭矩的符号(从正变负)改变，这是非物理结果。
非物理TDA结果对于一些目的是有用的，因此TRO系统考虑了两个不同的行进钻柱载荷分布：虚拟载荷分布和一致载荷分布。如本说明书中所使用的，术语“虚拟载荷分布”是指沿着自顶向下的扭矩和阻力分析而未经对非物理结果的校正而获得的沿着行进钻柱长度的扭矩、轴向载荷和侧向载荷的估计分布。术语“一致载荷分布”是指已经消除了所有非物理结果的虚拟载荷分布。
图5示出了前面讨论的从底部旋转离开操作的虚拟和一致载荷分布。如果虚拟载荷分布中没有非物理载荷，那么虚拟载荷分布和一致载荷分布是相同的。通过将在任何位置施加的载荷与行进钻柱运动学进行比较，可以识别非物理载荷。
如果扭矩的符号与旋转方向相反，那么认为扭矩是非物理的。在构造一致载荷分布时，非物理扭矩值将替换为零扭矩。
为了确定特定位置处的轴向载荷是否是非物理的，TRO系统首先计算运动轴向载荷，这是施加的轴向载荷减去关注位置下方的行进钻柱的悬挂浮重。即，运动轴向载荷是超过使行进钻柱抵抗重力而保持静止所需的增量载荷。如果运动轴向载荷的符号与运动方向相反，那么该位置处的轴向载荷被视为非物理载荷。在构造一致载荷分布时，将特定位置的非物理轴向载荷替换为该位置下的行进钻柱的悬挂浮重。
在替代实施例中，非物理载荷确定可以包括行进钻柱的惯性和顺应性。
局部(井下)载荷极限包络
在给定的时间点，给定的行进钻柱的部件的载荷极限取决于该部件在井中的位置，具体而言，取决于局部井眼尺寸和局部井眼曲率。因此，TRO系统基于井中每个部件当前位置处的局部井眼尺寸和局部井眼曲率来为每个行进钻柱中的部件计算局部载荷极限包络。可以通过在用户提供的载荷极限包络之间进行插值或从中推算得出，或者使用基于用户提供的输入参数的已知计算方法，来执行此计算。
虽然前面的讨论涉及对每个行进钻柱的部件的分析，并且在本公开的其它地方进行了类似的引用，但这仅仅是非限制性示例。在一些情况下，很明显一些行进钻柱线部件在其它行进钻柱线部件之前容易受到过应力或失败，并且在这种情况下，可以通过仅分析特定用户选择的行进钻柱部件来提高TRO系统的效率，而不会影响该系统的实际有效性和实用性。
表面载荷极限包络
将一致载荷分布与任何行进钻柱部件在其当前位置处的局部载荷极限包络进行比较提供了该部件上载荷的严重性。但是，这种比较未直接指示可以在所有行进钻柱的部件的载荷极限包络内施加在表面上的载荷范围。为了在表面上有用，必须将井下部件的载荷极限范围转换成表面载荷极限范围。如在本说明书中使用的，术语“表面载荷极限包络”是指表面载荷的轨迹，在该位置，给定行进钻柱的部件上的井下载荷将达到该部件的局部载荷极限包络。
TRO系统将每个行进钻柱部件的局部载荷极限包络转换成表面载荷极限包络，这将部件的载荷极限包络与表面处施加的载荷相关联。对于给定行进钻柱的部件的表面载荷极限包络的计算要求了解表面载荷的变化将如何影响该部件上的载荷。一般而言，这种关系是复杂的，因为表面载荷的变化将立即影响由于绞盘效应和/或屈曲而产生的行进钻柱上的力。此外，施加的载荷的变化将随着时间影响行进钻柱的运动学(即，轴向和旋转速率)，进而影响行进钻柱上的摩擦力的方向。
在优选但可选的实施例中，TRO系统假设行进钻柱上的摩擦力与施加在表面的增量载荷无关，以便计算表面载荷极限包络。在这种假设下，表面荷载的变化会导致任何给定行进钻柱部件的荷载发生完全相同的变化。因此，可以通过其局部载荷极限包络的简单平移来获得部件的表面载荷极限包络。
考虑到行进钻柱的任意部件i，局部载荷极限包络与估计载荷之间的差被称为载荷缓冲区：
Bi＝Ei-pi
其中Ei是部件i的局部载荷极限包络；
pi是部件i上的估计载荷；以及
Bi是部件i的载荷缓冲区。
在上式中，pi是二维向量，其分量由使用TDA估计的部件i上的扭矩和轴向载荷给出：
pi＝<Ti，Fi>
其中Ti是分量i上的扭矩；以及
Fi是分量i上的轴向载荷。
Ei可以表示为二维向量的集合(具有扭矩和轴向载荷分量)，其定义部件i在井中当前位置处的局部载荷极限包络。在这种情况下，Bi将是二维向量的集合，其表示部件i上的估计载荷与其局部载荷极限包络的接近度。
由于假设表面上的增量载荷与部件上的增量载荷相同，因此表面上的载荷缓冲区与部件位置处的相同。通过将载荷缓冲区应用于表面载荷，可以将部件载荷极限包络变换到表面，如图6中所示并且由以下方程描述：
Ei@n＝pn+Bi＝Ei+(pn-pi)
其中Ei@n是变换到表面的部件i的载荷极限包络；
pn是表面载荷；以及
(pn-pi)被称为表面载荷调整。
在涉及行进钻柱旋转的管子行进操作中，部件的局部载荷极限包络沿着轴向载荷轴(图6中的垂直轴)和扭矩轴(图6中的水平轴)平移，以获得该部件的表面载荷极限包络。如果这种平移是在负扭矩方向上(即，图6中向左)，那么表面载荷极限包络将在轴向载荷轴处被截断。如果这种平移是在正扭矩方向上(即，图6中向右)，那么会产生未完全闭合的载荷极限包络(即，它不在轴向载荷轴上产生和终止)。
为了获得闭合的表面载荷极限包络，平移的载荷极限包络的端点可以在负扭矩方向上(即，图6中水平向左)延伸，直到该包络被轴向载荷轴闭合为止。物理地，表面载荷极限包络的这种扩展与表面载荷状况对应，在这种状况下，不预期有扭矩到达所讨论的部件，因此，将应用该部件的零扭矩载荷极限。
或者虚拟载荷分布或者一致载荷分布可以被用于估计施加到元件i的载荷(pi)。为了将井下载荷极限包络变换到表面，虚拟载荷分布是优选的。如本说明书前面所述，为生成一致的载荷分布而进行的调整会增加表面载荷调整(pn-pi)，因此与表面载荷的变化导致任何给定行进钻柱的部件上载荷的变化完全相同的假设不一致。使用虚拟载荷分布使表面载荷极限包络对快速变化的所施加载荷不太敏感。
用于将局部载荷极限包络变换成表面载荷极限包络的方法满足三个目标：
(1)除了局部载荷极限包络的简单平移之外，该方法不需要任何计算，因此可以高效地实时执行或对大量数据进行后处理；
(2)表面载荷极限包络对表面载荷的变化不敏感，这使得对用户来说更稳定且更有用；以及
(3)响应于所施加载荷方向上的增加速率，表面载荷极限包络将随着所施加载荷的增加而趋于扩大。
如本说明书中所使用的，术语“实时”应理解为是指用于测量和处理数据以及在显示器中传送结果的时间间隔，该时间间隔足够短以使得能够在管子行进操作期间采取有效的校正措施。给定情况下的相关时间间隔将取决于具体的损伤指标和校正措施。例如，可能要求大约一秒钟的时间间隔来调整表面载荷以防止井下部件过载，但是明显更长的时间间隔可能适合于调整管子行进计划以防止过度疲劳损伤。
在根据本公开的TRO系统的替代实施例中，可以考虑增量表面载荷与井下载荷分布之间的更复杂的关系。使用表面荷载调整来平移井下荷载极限包络的方法不会改变，但是平移向量(pn-pi)会有所不同。
复合表面载荷极限包络
可以通过施加接近但不超过行进钻柱的载荷极限的表面载荷来优化管子行进操作。即，表面载荷必须保持在所有行进钻柱的部件(或视情况而定，所有用户选择的部件)的表面载荷极限包络的交集内。由TRO系统计算这个交集，称为“复合表面载荷极限包络”，并显示给用户。在数学上，复合表面载荷极限包络定义如下：
其中Ei是部件i的局部载荷极限包络；
Ei@n是部件i的表面载荷极限包络；
是复合表面载荷极限包络；
pi是部件i上的载荷；
pn是表面载荷；以及
∩是交集算子。
图7中针对具有三个部件i、j和k的行进钻柱说明了这种方法。每个部件的表面载荷极限包络重叠，而复合表面载荷极限包络由它们的交集定义。
在替代实施例中，在适当的频率下无法获得载荷和/或速率测量，或者在发生传感器故障的情况下，TRO系统可以基于运行速率、旋转速率和作用在行进钻柱底部的载荷的假设使用通过在自底向上方向上执行TDA获得的载荷估计来近似复合表面载荷极限包络。在那种情况下，用于计算任意部件i的表面载荷极限包络和用于计算复合表面载荷极限包络的方法与上述方法一致。但是，使用自底向上的TDA(而不是自顶向下的TDA)估计pi，并且pn同样使用自底向上的TDA进行估计(而不是通过传感器测量来确定)。可以使用假设的行进速率和旋转速率的多个集合来生成多个复合表面载荷极限包络，可以将它们组合成单个可视化。
所施加载荷的不确定性
在前面的讨论中，按已知方式处理了表面上的载荷和速率，并且对于描述由TRO系统用来估计井下载荷的方法，TDA被认为是准确的。实际上，与传感器的准确性和分辨率相关联的表面载荷和速率存在不确定性，并且井下条件(例如，摩擦系数)和井眼模型具有不确定性。
为了解决这些测量和建模不确定性，TRO系统使用建模和测量输入重复自顶向下的TDA，这些描述了用户指定的不确定性内可能的整个井下载荷分布范围。使用标称输入和测量计算出的载荷分布被称为标称载荷分布，并在所分析的每个部件i处提供标称载荷估计。
可以考虑每个测量和建模输入的完整范围，但在计算上可能令人望而却步。出于这个原因，TRO系统的一个实施例选择将包围井下载荷分布的完整范围的分析输入的子集。例如，可以通过最大化施加的扭矩并最小化因旋转摩擦而损失的井下扭矩来确定先前引入的说明性管子行进操作中具有最大扭矩的载荷分布，这通过组合低端和高端分析输入来如下实现：高端扭矩测量、高端吊钩载荷(如果在行进中)、低端旋转速率、高端行进速率和低端摩擦系数。
在一个实施例中，TRO系统通过基于每个部件的真实局部载荷极限包络为每个行进钻柱中的部件计算一个或多个有效局部载荷极限包络来解决所施加载荷的不确定性。如本说明书中所使用的，术语“真实局部载荷极限包络”是指与用户指定的载荷极限或由TRO系统基于用户指定的参数计算出的载荷极限对应的局部载荷极限包络。给定部件的真实局部载荷极限包络指示该部件在井眼中其当前位置处的实际载荷极限。术语“有效局部载荷极限包络”是指经过调整以解决不确定性的真实局部载荷极限包络。
在图8中图示了在TRO系统的一个实施例中使用的用于解决不确定性的方法。为每个行进钻柱部件i计算两种类型的有效局部载荷极限包络，“悲观的(pessimistic)局部载荷极限包络”和“乐观的(optimistic)局部载荷极限包络”，但是也可以考虑其它类型的有效局部载荷极限包络。悲观的局部载荷极限包络提供了这样的有效极限载荷，其对于最坏情况的载荷是安全的，并且被定义为包含任何标称载荷估计pi的最大包络，使得可能的载荷的整个范围Ri包含在真实局部载荷极限包络Ei中。
相反，乐观的局部载荷极限包络提供了这样的有效载荷极限，其仅对最佳情况加载才是安全的，并且是包含任何标称载荷估计pi的最小包络，使得可能的载荷的整个范围Ri真实局部载荷极限包络Ei在外。如上所述将悲观的局部载荷极限包络变换到表面并进行组合，以获得对最坏情况下的载荷安全的复合表面载荷极限包络。同样，将乐观的局部载荷极限包络变换到表面并组合起来，以获得仅对最佳情况加载才安全的第二复合表面载荷极限包络。
根据一个TRO系统实施例，用户为每个分析输入提供标称值和不确定性，以加/减百分比表示，并且TRO系统计算并显示两个复合表面载荷极限包络，一个与用于分析输入的标称值对应，而另一个表示基于每个分析输入中用户指定的不确定性的最坏情况下的加载场景，其与上述悲观的局部载荷极限包络对应。在另一个实施例中，TRO系统附加地显示表示最佳情况加载场景的复合表面载荷极限包络，其与上述的乐观的局部载荷极限包络对应。
在TRO系统的另一个实施例中，用户将概率分布指派给一个或多个分析输入，并获得遵循对应概率分布的一系列复合表面载荷极限包络。
实时实施方式
通过上述方法获得的(一个或多个)复合表面载荷极限包络将响应于(1)行进钻柱运动学的改变，(2)表面处所施加载荷的改变，(3)行进钻柱插入深度的改变(因为每个部件都位于新位置)以及(4)用户提供的输入的改变而改变。因此，在管子行进操作的整个过程中重复上述方法。用户可以改变重复该方法的频率，以或者提高复合表面载荷极限包络对变化的行进状况的响应性或者减轻计算负担。图9示出了概述由TRO系统执行的方法的一个实施例的流程图，其中在管子行进操作的过程中重复该方法。
在一个实施例中，TRO系统以大约1Hz(即，每秒一次)的频率重复上述方法，该测试已经显示出对于感兴趣的管子行进操作提供了准确性与计算效率之间的合理平衡。
在另一个实施例中，TRO系统响应于行进钻柱运动学、载荷、行进钻柱插入深度或用户提供的输入的改变而重复上述方法。即，仅当输入改变时才重复计算。
载荷比
为了向用户提供在管子行进操作过程中载荷严重性的记录，TRO系统可以在每个时间点计算每个行进钻柱的部件的载荷比。在这个上下文中，“载荷比”定义为部件上载荷的向量大小与部件在载荷方向上的载荷极限之比。参考图10，在数学上如下定义载荷比
其中γi是部件i的标量载荷比；
pi是部件i上的载荷；
ri与部件i在加载方向上的载荷极限包络Ei上的一点对应。
载荷比是标量值，该值被计算为使得位于部件载荷极限包络Ei上。一般对于载荷比不存在解析解，因此通常以数值方式进行计算。载荷比小于一指示估计载荷小于载荷极限；载荷比大于一指示过载状况。
在TRO系统的一个实施例中，使用标称载荷测量、速率测量和TDA输入来计算每个部件的载荷比。如本说明书前面所述，使井下载荷分布在物理上保持一致，以便计算载荷比，从而使它们具有合理的物理解释。
在另一个实施例中，在每个时间点为每个行进钻柱中的部件计算载荷比的范围，该载荷比的范围与用户指定的测量和建模不确定性内可能的井下载荷分布的范围对应。
未来行进条件的预测
前面的部分描述了用于确定在管子行进操作期间施加到行进钻柱的载荷当前是否超过或已超过指定的载荷极限的方法的方面。TRO系统还可以在过载状况发生之前对其进行预测。提前通知过载状况允许用户采取预防措施，包括但不限于在井眼中添加润滑剂以减少对行进钻柱的拉力、添加扶正器以减轻井下屈曲，或拉出行进钻柱以执行附加的井眼清洁。
本公开的前一部分描述了TRO系统如何使用在表面处测得的载荷作为边界条件在自顶向下的方向上执行TDA，以估计在当前时间点沿着行进钻柱的载荷分布。为了估计未来时间点处行进钻柱载荷分布，将基于行进钻柱底部的指定边界条件在自底向上的方向上执行TDA。具体步骤如下：
·考虑当行进钻柱处于比其当前插入深度有所增加d插入深度时的未来时间点(如果行进钻柱正在钻入井眼，那么在当前插入深度以下；而如果行进钻柱正被拉出井眼，那么在当前插入深度以上)，使用自底向上的TDA分析沿着行进钻柱的载荷分布。对于一系列的行进速率和旋转速率组合，以及对于与用户指定的不确定性对应的一系列摩擦系数，重复执行TDA。
·考虑相同的未来插入深度，确定每个行进钻柱部件的局部载荷极限包络。
·将通过TDA获得的载荷分布与行进钻柱部件的局部载荷极限包络进行比较。如果估计的载荷在沿着行进钻柱的任何位置处超过了局部载荷限制范围，那么TRO系统提醒用户。
·重复上述步骤，以进行从当前插入深度到管子行进操作期间预计的最终插入深度的一系列插入深度。
在优选但可选的实施例中，执行TDA用于“进入”(即，纯轴向运动进入井眼)、“拉出”(即，纯轴向运动离开井眼)和纯旋转场景。
在一个实施例中，对于TDA，假设在行进钻柱底部的轴向载荷和扭矩为零。在另一个实施例中，非零轴向载荷和/或扭矩施加在行进钻柱的底部上(例如，以解决行进钻柱与井眼内的碎屑之间的接触)。
在优选但可选的实施例中，TRO系统在显示器上提醒用户未来的过载状况，该过载状况示出了作为行进钻柱插入深度的函数的表面上的预测载荷和复合表面载荷极限包络。在图11中提供了用于说明性管子行进操作的这种显示器的示例，其中行进钻柱不旋转地被行进到井眼中。在这个示例中，表面处的预测载荷和复合表面载荷极限包络以行进钻柱顶部的张力来表述。但是，表面处的预测载荷和复合表面载荷极限包络也可以用吊钩载荷来表述，其中吊钩载荷等于行进钻柱顶部的张力加上钻探钻机块的重量。对于涉及旋转的场景，表面处的预测载荷和复合表面载荷极限包络还可以用行进钻柱顶部的扭矩表示。显示器的关键特征如下：
·显示器示出了使用TDA预测的表面载荷，该载荷是行进钻柱插入深度的函数。示出了用户指定的标称摩擦系数下的预测表面载荷。在这个示例中，预测表面载荷用行进钻柱顶部的张力来表述；但是，对于涉及旋转的场景，它可以类似地用吊钩载荷或在行进钻柱顶部的扭矩来表述。
·显示器示出了复合表面载荷极限包络，该极限包络是按照本说明书前面所述的方法计算的，它是行进钻柱插入深度的函数。在行进钻柱顶部的张力与行进钻柱插入深度的绘图上，复合表面载荷极限包络减小到由上限(即，更大的拉伸)载荷极限和下限(即，更小的拉伸)载荷极限定义的带。复合表面载荷极限包络将在吊钩载荷与行进钻柱插入深度的绘图上显示为相似的带，并且在行进钻柱顶部的扭矩与行进钻柱插入深度的绘图上显示为由上限扭矩极限和下限扭矩极限定义的带。
·预测表面载荷超出复合表面载荷极限范围的间隔指示预测的过载状况。明显的着色和/或阴影可以被用于提醒用户这些间隔。
在前面的示例中，显示器对于TDA参数的单个集合示出了预测表面载荷。但是，显示器可以基于替代分析参数(诸如不同的行进速率、旋转速率或井下摩擦系数)示出替代或附加预测。图12提供了用于相同的说明性管子行进操作的显示器的示例，其示出了基于标称摩擦系数的预测表面载荷，以及在用户指定的不确定性内的两种边界场景下的预测表面载荷，其中一个场景在表面给出最高(在这个示例中，最大拉伸)载荷，而另一种方案在表面给出最低(在这个示例中，最小拉伸)载荷。
扭矩和阻力模型校准
难以完全预计在管子行进操作期间井下会遇到的状况。因此，除了以本说明书前面所述的方式解决不确定性之外，TRO系统还为用户提供了基于收集到的数据在管子行进操作过程中校准扭矩和阻力模型的工具。
基于测得的数据来校准扭矩和阻力模型的常规方法是针对行进钻柱插入深度绘制表面处测得的和预测的载荷。表面载荷可以被表述为吊钩载荷、行进钻柱顶部的张力或者，在涉及旋转的情况下，行进钻柱顶部的扭矩。在管子行进操作过程中测得的载荷与预测的载荷之间的一致性通常指示扭矩和阻力模型的参数是适当的；不一致通常指示扭矩和阻力模型的一个或多个方面要求进行校准，但是测得的与预测的载荷之间的不一致也可以是由于测量误差引起的。
虽然这种校准方法可以是有效的，但解释吊钩载荷(或在行进钻柱顶部的张力)的绘图会具有挑战性，因为吊钩载荷不仅取决于行进钻柱上的摩擦力，而且取决于行进钻柱的重量和浮力。因此，在一个实施例中，TRO系统包括替代显示器，该显示器示出了作为行进钻柱插入深度的函数的行进钻柱上的总摩擦力，其中总摩擦力被计算为吊钩载荷减去块重量和行进钻柱的浮力的总和(或等效地，行进钻柱顶部的张力减去行进钻柱的浮力)。图13示出了用于说明性管子行进操作的这种显示器的示例，其中行进钻柱不旋转地进入井眼中。显示器示出从吊钩载荷测量计算得出的在管子行进操作中直至当前点的在行进钻柱的总摩擦力，以及由TDA预测的总摩擦力。为了清楚起见，在当前示例中仅示出了对行进钻柱上的总摩擦力的单个预测；但是，也可以示出在用户指定的建模不确定性内可能的整个预测范围。
与常规的吊钩载荷绘图相比，该显示器提供了如下若干优点：
·显示器为用户提供了行进钻柱上的摩擦力大小的直接指示；用户无需区分摩擦的效果与管道重量或浮力的效果。
·当行进钻柱沿着井眼移动时，摩擦状况的改变(例如，由于行进钻柱进入井眼的新区段，或由于行进钻柱撞击井眼中的碎屑)直接由总摩擦力曲线的斜率的改变指示。
·扭矩和阻力模型中的某些误差是容易检测到的，就像吊钩载荷测量中的误差一样。例如，在管子行进操作开始时(即，在插入深度为零时)期望在行进钻柱上的摩擦力为零。非零摩擦力可以指示扭矩和阻力模型中假设的块重量与钻探钻机的实际块重量之间存在不一致，或者它可以指示吊钩载荷测量中的误差。类似地，在具有低曲折度的垂直井眼中，通常预期在行进钻柱上的摩擦力可以忽略不计。在这样的井眼中，非零摩擦力和/或摩擦力随插入深度的改变可以指示在扭矩和阻力模型中假设的块重量、管道重量或泥浆重量的误差，或者在吊钩载荷测量中的误差。
在一个实施例中，上面提到的显示器向用户指示行进钻柱的区段进入井眼的新区段的任何插入深度。在此，行进钻柱的“区段”被定义为具有与相邻长度的物理特性不同的一致的物理特性(例如，管道尺寸和重量)的行进钻柱的长度。井眼的“区段”类似地定义为具有与相邻长度的物理特性不同的一致的物理特性的井眼的长度，。图14示出了显示的示例，其中垂直线用于指示任何插入深度，在该深度下，行进钻柱的区段进入井眼的新区段。
疲劳监视
前面各节中描述的方法着重于防止行进钻柱部件的机械过载。如本说明书中所使用的，术语“机械过载”是指足以损伤、变形或以其它方式影响行进钻柱部件的可操作性的加载状况，而与部件的加载历史无关。会导致行进钻柱部件故障的另一种机制是疲劳。如本说明书中所使用的，术语“疲劳”是指由于反复或循环加载而对行进钻柱部件造成的逐渐损伤。行进钻柱部件的疲劳可以在远低于机械过载所需的载荷下发生。
可以扩展在本公开的前述部分中描述的方法和系统，以获得对在管子行进操作期间行进钻柱部件遭受的疲劳损伤的估计。在一个实施例中，TRO系统使用以下方法估计通过行进钻柱部件而累积的疲劳损伤：
·TDA在自顶向下的方向上执行(即，使用在表面测得的轴向载荷和扭矩作为分析的边界条件)，以估计每个行进钻柱的部件上的轴向载荷、扭矩和侧向载荷。
·对于每个行进钻柱的部件，确定应力状态(或应变状态)，该状态与从TDA获得的轴向载荷、扭矩和侧向载荷估计对应，此外，如果适用，还有压力引起的或温度引起的应力(或应变)。如本说明书中所使用的，术语“应力状态”(或“应变状态”)是指部件中应力(或应变)的空间分布。
ο如果可以将一种或多种载荷类型对部件中应力状态(或应变状态)的影响忽略不计，那么应力状态(或应变状态)将仅取决于其它载荷类型。例如，如果认为侧向载荷对部件中应力状态的影响可忽略不计，那么应力状态将仅取决于轴向载荷和扭矩。
·在管子行进操作过程中，周期性地重复上述步骤，以获得每个行进钻柱的部件的时变应力状态(time-varying stress state)(或时变应变状态(time-varying strainstate))。
·如果行进钻柱的部件发生弯曲，那么将弯曲应力(或弯曲应变)添加到那个部件的时变应力状态(或时变应变状态)。
ο一般而言，弯曲应力(或弯曲应变)将是部件中时间和位置的函数。弯曲应力(或弯曲应变)通常将取决于部件的物理特点(例如，几何形状和材料特性)、部件所穿过的井眼的曲率以及行进钻柱的运动学。
·基于时变应力状态(或时变应变状态)，包括任何弯曲应力(或弯曲应变)，使用本领域普通技术人员已知的方法计算每个行进钻柱的部件累积的疲劳损伤。
示例：
管子行进操作涉及在弯曲的井眼内旋转行进钻柱。行进钻柱包括简单的管状部件，其由内半径rinner、外半径rοuter和均匀的横截面积定义。
在管子行进操作期间，TRO系统在自顶向下的方向上执行TDA，以估计每个行进钻柱的部件上的轴向载荷、扭矩和侧向载荷。对于给定的部件i，TRO系统将估计的轴向载荷Fi和估计的扭矩Ti与对应的应力状态相关联。在确定应力状态时忽略了侧向载荷，因为它的影响可忽略不计。
在当前示例中，运行钻柱部件的简单几何形状意味着有可能通过解析来确定部件i中的应力状态。在具有均匀横截面的简单管状部件中，轴向载荷生成均匀的轴向应力状态：
其中σi，axial load是部件i中来自轴向载荷的轴向应力。
Fi是部件i上的轴向载荷；以及
A是部件i的横截面积。
扭矩生成剪切应力，其大小随着距部件的轴线的距离而增加：
其中τi是部件i中的剪切应力；
Ti是部件i上的扭矩；
r是从部件i的轴到所考虑的点的距离；以及
J是部件i的极惯性矩。
在管子行进操作过程中，TRO系统重复执行自顶向下的TDA，以获得有关部件i上的轴向载荷Fi和扭矩Ti的新估计。对于轴向载荷和扭矩的每个新估计，TRO系统都会确定新的应力状态。直到在管子行进操作中当前点为部件i确定的所有应力状态的总和表示部件i的时变应力状态，器可以用数学方式表示为：
其中t表示时间，并且例如，Fi(t)表示随时间变化的部件i的轴向载荷。
在图15中，绘制了行进钻柱的样本部件中来自轴向载荷的轴向应力和最大剪切应力(通过在r＝router处评估上面的剪切应力方程获得)与时间的关系。轴向应力和剪切应力展示了由多种原因引起的高频变化，包括扭矩和阻力状况的改变、动态影响以及传感器读数中的噪声。轴向应力和剪切应力还展示了由管子行进过程的开始和停止性质引起的低频变化，(即，在将管道的接头插入孔中之后，在连接下一个接头时，行进钻柱必须保持静止)。
在涉及曲率的情况下，根据估计的轴向载荷Fi和估计的扭矩Ti确定的时变应力状态对于计算疲劳损伤是不完整的，因为曲率会在行进钻柱中引起额外的弯曲应力。因此，TRO系统将弯曲应力添加到部件i的时变应力状态。在简单的管状部件中，曲率会引起轴向应力，该应力的大小会随着距中性弯曲轴的距离而增加：
其中σi，curvature是部件i中来自曲率的轴向应力；
E是部件i的弹性模量；
y是从中性弯曲轴到所考虑的点的距离；以及
ρi是部件i的曲率半径。
如本说明书中所使用的，术语“中性弯曲轴”是指曲率沿着其不引起轴向应力或应变的轴。在中性弯曲轴的一侧，来自曲率的应力和应变是拉伸的。在另一侧，来自曲率的应力和应变是压缩的。在当前示例中，当从固定到行进钻柱的参考系观察时，行进钻柱的旋转引起中性弯曲轴的旋转。因此，从中性弯曲轴到所考虑的点y的距离随时间变化。因此，部件i的完整时变应力状态为：
/>
图16中绘制了行进钻柱的一个样本部件中的总轴向应力(包括弯曲)和最大剪切应力。除了前面讨论的低频和高频变化之外，总轴向应力还展示了行进钻柱在弯曲井眼内旋转所引起的周期性变化。
在确定每个行进钻柱的部件的完整时变应力状态之后，TRO系统使用本领域普通技术人员已知的方法来估计每个部件所累积的疲劳损伤。TRO系统在管子行进操作过程中周期性地更新疲劳损伤估计。
在当前示例中，确定由旋转弯曲引起的交替轴向应力是疲劳损伤的主要驱动力。使用以下众所周知的方法来估计疲劳损伤：
·部件i的时变应力状态被划分为时间间隔。
·在每个间隔内，部件i中的应力状态与等效的交替弯曲应力和等效的平均弯曲应力有关。等效的交替弯曲应力被视为来自曲率的最大轴向应力：
等效的平均弯曲应力被视为由轴向载荷引起的轴向应力与扭矩引起的最大剪切应力叠加而成的最大主应力：
·在每个间隔内，使用Goodman方法考虑平均应力的影响，根据应力循环(S-N)曲线估计直至疲劳故障的加载循环数。
·使用Miner规则计算在管子行进操作中直到当前点为消耗的部件i的疲劳寿命的分数，其假设线性损伤累积：
其中fi是消耗的部件i的疲劳寿命的分数；
是间隔j中部件i经历的加载循环数；
是间隔j中部件i的估计故障循环数；以及
k是间隔的总数。
实施例
如本文前面所述，根据本公开的TRO系统考虑了两个不同的行进钻柱载荷分布。第一个载荷分布是TDA的输出，并且被称为虚拟载荷分布。通过消除虚拟载荷分布的任何非物理特征来获得第二载荷分布，并且被称为一致载荷分布。在优选但可选的实施例中，TRO系统使用一致载荷分布来估计疲劳损伤累积。
在前面的示例中，TRO系统为每个行进钻柱的部件确定单个时变应力状态，并进而确定每个部件所累积的疲劳损伤的单个估计。在替代实施例中，该方法被重复多次以获得每个部件的多个时变应力状态以及累积疲劳损伤的多个估计。每个疲劳损伤估计都基于分析输入的不同集合，这些输入被选择用来描述用户指定的测量和建模不确定性内可能存在的井下状况的完整范围。在TRO系统的一个实施例中，标称、悲观和乐观疲劳寿命估计被报告给用户。在另一个实施例中，用户将概率分布指派给一个或多个分析输入，并且对应的概率分布与结果所得的疲劳损伤估计相关联。
在前面的示例中，使用基于应力的方法计算了疲劳损伤。在TRO系统的替代实施例中，针对行进钻柱的部件确定时变应变状态，并且使用基于应变的方法来估计疲劳损伤。
对于一些类型的行进钻柱部件，可以使用分析方法确定与给定轴向载荷、扭矩、侧向载荷和曲率对应的应力状态(或应变状态)。对于其它类型的部件，可以要求更复杂的方法(例如，有限元分析)。
油田的经验表明，疲劳故障最可能发生在管道接头之间的螺纹连接件处，这可以归因于连接件内存在应力和应变集中。在一个实施例中，TRO系统基于(1)相邻管体中的应力状态和(2)应力集中因子根据本说明书中描述的方法来估计由行进钻柱中的每个连接件累积的疲劳损伤，以考虑连接件内应力的局部化。
在管子行进操作期间，行进钻柱部件承受的疲劳损伤会导致其在油井寿命的后续阶段中发生故障。例如，在液压增产的井中，在行进期间由套管连接件积累的疲劳损伤会降低连接承受液压增产期间的循环压力载荷的能力。由TRO系统提供的剩余疲劳寿命估计可以被用作用于确定井寿命的后续阶段中的安全运行载荷的基础。
在工程上下文中，术语“疲劳故障”通常与工程部件的灾难性结构故障相关联。但是，本说明书中描述的系统和方法可以应用于涉及行进钻柱的累积损伤的任何应用，而不管灾难性的结构故障是否是主要问题。例如，在管子行进操作期间，螺纹套管连接件的周期性载荷会影响连接件提供密封的能力(即，为井眼流体的流动提供屏障)。根据本说明书中描述的方法，确定行进钻柱中螺纹连接件的时变载荷和相关联的应力(或应变)状态为评估行进载荷对连接件的机械完整性和密封性能的影响提供了基础。
磨损监视
在管子行进操作期间，行进钻柱与井眼之间的接触会导致逐渐从接触表面去除物料。这种现象在下文中称为“磨损”，取决于许多变量，包括但不限于接触力的大小、行进钻柱的速度、管子行进操作的持续时间、流体在管道中的润滑性井眼以及所涉及的表面的耐磨性。
从概念上讲，在管子行进操作期间，行进钻柱和井眼都会磨损。油田经验表明，由于井眼轨迹的曲率，井眼的磨损往往集中在接触力最大的具体位置。当接触力集中在具体的行进钻柱部件(例如，集中式套钻柱上的扶正器)上时，行进钻柱的磨损是重要的考虑因素。
如本说明书前面所讨论的，TRO系统执行的自顶向下的TDA的输出包括对每个行进钻柱的部件的侧向载荷的估计。这些侧向载荷估计表示行进钻柱与井眼之间的接触力，因此为估计在管子行进操作期间行进钻柱或井眼所经历的磨损提供了基础。
在一个实施例中，TRO系统使用以下方法来估计井眼所经历的磨损：
·轴向地将井眼划分为许多元件以进行分析。
·TDA在自顶向下的方向上执行，以估计沿着行进钻柱长度方向的侧向载荷分布；每个井眼元件上的接触力的大小等于侧向载荷的大小。
·记录每个井眼元件上的接触力，以及当前行进钻柱速度，该速度是基于在表面测得的行进速率和旋转速率计算的。
ο在涉及行进钻柱的旋转的情况下，记录行进钻柱外表面的轴向和旋转速率向量和的大小。
·在管子行进操作过程中周期性地重复前述两个步骤，以获得每个井眼元件上的时变接触力和时变行进钻柱速度。
·基于时变接触力和时变行进钻柱速度，使用本领域普通技术人员已知的方法来估计每个井眼元件累积的磨损(下面描述一种示例性方法)。
在另一个实施例中，TRO系统使用类似于上述方法的方法来估计行进钻柱中的部件所经历的磨损，其中记录每个行进钻柱部件(而不是每个井眼元件)的时变接触力和速度。
可以使用以下形式的方程来估计井眼或行进钻柱中给定元件遭受的磨损：
其中W是磨损掉的材料的量；
K是通常称为磨损系数的无量纲参数；
H是表面硬度；
Fcontact是接触力的大小；以及
S是摩擦距离。
在上式中，接触力Fcontact是TDA的直接输出。摩擦距离S可以通过对行进钻柱速度相对于时间的积分来获得。由于接触力和行进钻柱速度都与时间有关，因此上述方程通常通过数值积分来求解。
本领域技术人员将容易认识到的是，在不脱离本公开的范围和教导的情况下，可以对根据本公开的系统和方法进行各种修改。尤其要理解的是，本主题系统和方法不旨在限于任何描述或说明的实施例，并且在系统或方法的工作没有任何实质性的结果变化的情况下所要求保护的元件或特征的变体的替换将不构成与本公开的范围的脱离。
在本专利文档中，词语“包括”的任何形式应以其非限制性意义来理解为意指包括在该词语之后的任何要素或特征，但是不排除未具体提及的要素或特征。通过不定冠词“一个”对要素或特征的提及不排除存在多于一个这样的要素或特征的可能性，除非上下文明确要求仅存在一个且仅一个这样的要素或特征。
无论在本文中何处使用，术语“典型”和“通常”均应从具有代表性或常见用法或惯例的意义上进行解释，而不应理解为暗示不变性或必要性。

Claims (37)

1.一种用于优化管子行进操作的方法，其中将行进钻柱部署在井场的井眼中，所述方法包括以下步骤：
(a)从位于所述井场的多个传感器获得多个行进钻柱参数的测量，其中
所述多个行进钻柱参数包括行进钻柱的插入深度、行进钻柱的行进速率以及作用在行进钻柱顶部的载荷，其中作用在所述行进钻柱顶部的所述载荷包括轴向分量；
(b)通过一个或多个处理器，在自顶向下的方向上，使用在步骤(a)中获得的插入深度、行进速率和载荷作为扭矩和阻力分析的输入来执行扭矩和阻力分析，以计算在行进钻柱的多个用户选择的部件中的每一个部件上的估计载荷；
(c)通过一个或多个处理器，基于每个用户选择的部件在井眼中的当前位置，为行进钻柱中每个用户选择的部件计算局部载荷极限包络；
(d)通过一个或多个处理器，对于行进管柱的每个用户选择的部件，基于部件的局部载荷极限包络和部件的估计载荷计算表面载荷极限包
络；
(e)通过一个或多个处理器，计算作为行进钻柱中所有用户选择的部件的表面载荷极限包络的交集的复合表面载荷极限包络；
(f)通过调整作用在所述行进钻柱顶部的所述载荷来使得作用在所述行进钻柱顶部的所述载荷保持在所述复合表面载荷极限包络内，以优
化所述管子的行进操作。
2.如权利要求1所述的方法，其中以所选择的周期性间隔重复权利要求1中的步骤(a)至(f)。
3.如权利要求1所述的方法，其中用于计算行进钻柱的给定的用户选择的部件的表面载荷极限包络的方法包括以下步骤：
(a)计算作为作用在所述行进钻柱顶部的测得的载荷与部件上的估计载荷之间的差的表面载荷调整；以及
(b)计算作为部件的局部载荷极限包络与表面载荷调整之和的部件的表面载荷极限包络。
4.如权利要求1所述的方法，其中在行进钻柱的给定的用户选择的部件上的估计载荷被假设为是虚拟载荷，所述虚拟载荷与扭矩和阻力分析的直接输出对应，而无需对非物理结果的校正。
5.如权利要求1所述的方法，其中用于行进钻柱的给定的用户选择的部件的局部载荷极限包络包括轴向载荷和扭矩的轨迹。
6.如权利要求1所述的方法，其中用于行进钻柱的给定的用户选择的部件的局部载荷极限包络是通过以下步骤计算的悲观的局部载荷极限包络：
(a)在自顶向下的方向上对一定范围的输入执行扭矩和阻力分析，以在用户指定的测量和建模不确定性内获取部件上可能的载荷范围；以及
(b)将所述悲观的局部载荷极限包络计算为最大载荷极限包络，所述最大载荷极限包络包含任何标称载荷估计值，使得可能载荷的整个范围被包含在部件的真实局部载荷极限包络内。
7.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：计算作为该部件上的估计载荷除以该部件在加载方向上的局部载荷极限的行进钻柱的每个用户选择的部件的载荷比。
8.如权利要求1所述的方法，其中针对一定范围的输入重复扭矩和阻力分析，以确定在用户指定的测量和建模不确定性内行进钻柱的每个用户选择的部件上的可能载荷的范围。
9.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
(a)测量井眼中流体的压力、流率和温度中的一个或多个；以及
(b)将流体引起的载荷结合到行进钻柱的每个用户选择的部件上的估计载荷中。
10.如权利要求1所述的方法，还包括选自以下的组的一个或多个步骤：
(a)改变所述行进钻柱的行进速率；
(b)改变所述行进钻柱的旋转速率；
(c)在井眼中添加润滑剂；
(d)向行进钻柱添加扶正器；以及
(e)将行进钻柱从井眼中拉出以执行井眼清洁。
11.如权利要求1所述的方法，其中：
(a)所述行进钻柱是旋转的行进钻柱；
(b)所述多个行进钻柱参数包括行进钻柱的旋转速率；以及
(c)作用在所述行进钻柱顶部的载荷包括扭矩分量。
12.如权利要求1所述的方法，其中对行进钻柱参数的测量中的一个或多个是间接进行的。
13.一种用于实现如权利要求1-12中任一项中的方法的系统，所述系统包括：
(a)多个传感器，用于测量多个行进钻柱参数，其中所述多个行进钻柱参数包括行进钻柱的插入深度、行进钻柱的行进速率以及作用在行进钻柱顶部的载荷，其中作用在所述行进钻柱顶部的所述载荷包括轴向分量；
(b)一个或多个处理器，被配置为从传感器接收行进钻柱参数测量并执行以下步骤：
·在自顶向下的方向上使用从传感器接收的插入深度、行进速率和载荷测量作为扭矩和阻力分析的输入来执行扭矩和阻力分析，以计算在行进钻柱的多个用户选择的部件中的每一个部件上的估计载荷；以及·基于每个用户选择的部件在井眼中的当前位置，为行进钻柱中每个用户选择的部件计算局部载荷极限包络；
·对于行进管柱的每个用户选择的部件，基于部件的局部载荷极限包络和部件的估计载荷计算表面载荷极限包络；以及
·计算作为行进钻柱中所有用户选择的部件的表面载荷极限包络的交集的复合表面载荷极限包络；
(c)一个或多个显示器，被配置为显示复合表面载荷极限包络；以及
(d)一个或多个用户输入设备。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述一个或多个处理器进一步配置为使用包括以下步骤的方法计算行进钻柱的给定的用户选择的部件的表面载荷极限包络：
(a)计算作为作用在所述行进钻柱顶部的测得的载荷与部件上的估计载荷之间的差的表面载荷调整；以及
(b)计算作为部件的局部载荷极限包络与表面载荷调整之和的部件的表面载荷极限包络。
15.如权利要求13所述的系统，其中所述一个或多个处理器进一步配置为假设在行进钻柱的给定的用户选择的部件上的估计载荷是虚拟载荷，所述虚拟载荷与扭矩和阻力分析的直接输出对应，而无需对非物理结果校正。
16.如权利要求13所述的系统，其中所述一个或多个处理器进一步配置为假设行进钻柱的给定的用户选择的部件的局部载荷极限包络包括轴向载荷和扭矩的轨迹。
17.如权利要求13所述的系统，其中所述一个或多个处理器进一步配置为计算用于行进钻柱的给定的用户选择的部件的局部载荷极限包络作为通过以下步骤计算的悲观的局部载荷极限包络：
(a)在自顶向下的方向上对一定范围的输入执行扭矩和阻力分析，以在用户指定的测量和建模不确定性内获取部件上可能的载荷范围；以及
(b)将所述悲观的局部载荷极限包络计算为最大载荷极限包络，其所述最大载荷极限包络包含任何标称载荷估计值，使得可能载荷的整个范围被包含在部件的真实局部载荷极限包络内。
18.如权利要求13所述的系统，其中所述一个或多个处理器中的一个或多个还被配置为计算作为该部件上的估计载荷除以该部件在加载方向上的局部载荷极限的行进钻柱的每个用户选择的部件的载荷比。
19.如权利要求13所述的系统，其中：
(a)行进钻柱是旋转的行进钻柱；
(b)所述多个行进钻柱参数包括行进钻柱的旋转速率；以及
(c)作用在所述行进钻柱顶部的载荷包括扭矩分量。
20.如权利要求13所述的系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为针对一定范围的输入重复扭矩和阻力分析，以确定在用户指定的测量和建模不确定性内行进钻柱的每个用户选择的部件上的可能载荷的范围。
21.如权利要求13所述的系统，还包括用于测量井眼中的流体的压力、流率和温度中的一个或多个的传感器；并且其中所述一个或多个处理器还被配置为将流体引起的载荷结合到行进钻柱的每个用户选择的部件上的估计载荷中。
22.如权利要求13所述的系统，其中所述一个或多个显示器包括被配置为显示作为行进钻柱插入深度的函数的行进钻柱上的总摩擦力的显示器。
23.如权利要求13所述的系统，其中所述多个传感器包括选自以下组的一个或多个传感器：钻探钻机块高度传感器、钻探钻机吊钩载荷传感器、顶部驱动器旋转速率传感器和顶部驱动扭矩传感器。
24.一种用于优化管子行进操作的方法，其中将行进钻柱部署在井场的井眼中，所述方法包括以下步骤：
(a)通过一个或多个处理器，在自底向上的方向上执行扭矩和阻力分析，以计算包括作用在行进钻柱顶部的预测载荷的估计的行进钻柱载荷分布；
(b)通过一个或多个处理器，对于用户指定的未来行进钻柱插入深度，基于每个用户选择的部件在井眼中的未来位置，为行进钻柱的每个用户选择的部件计算局部载荷极限包络；
(c)通过一个或多个处理器，对于行进钻柱的每个用户选择的部件，基于部件的局部载荷极限包络和部件上的由估计的行进钻柱载荷分布指示的估计载荷来计算表面载荷极限包络；以及
(d)通过一个或多个处理器，计算作为行进钻柱中所有用户选择的部件的表面载荷极限包络的交集的复合表面载荷极限包络；以及
(e)通过调整作用在所述行进钻柱顶部的预测载荷来使得作用在所述行进钻柱顶部的预测载荷保持在所述复合表面载荷极限包络内，以优化所述管子的行进操作。
25.如权利要求24所述的方法，其中以所选择的周期性间隔重复权利要求24中的步骤(a)至(e)。
26.如权利要求24所述的方法，其中用于计算行进钻柱的给定的部件的表面载荷极限包络的方法包括以下步骤：
(a)计算作为作用在所述行进钻柱顶部的预测载荷与部件上的估计载荷之间的差的表面载荷调整；以及
(b)计算作为部件的局部载荷极限包络与表面载荷调整之和的部件的表面载荷极限包络。
27.如权利要求24所述的方法，其中行进钻柱的每个用户选择的部件的局部载荷极限包络包括轴向载荷和扭矩的轨迹。
28.如权利要求24所述的方法，其中针对一定范围的输入重复扭矩和阻力分析，以确定在用户指定的建模不确定性内行进钻柱的每个用户选择的部件上的可能载荷的范围。
29.如权利要求24所述的方法，其中在扭矩和阻力分析中，假设行进钻柱底部的轴向载荷和扭矩为零。
30.如权利要求24所述的方法，其中在扭矩和阻力分析中，假设行进钻柱底部为非零轴向载荷或非零扭矩。
31.如权利要求24所述的方法，其中通过采用选自包括以下的组的一个或多个步骤来调整作用在所述行进钻柱顶部的预测载荷：
(a)改变所述行进钻柱的行进速率；
(b)改变所述行进钻柱的旋转速率；
(c)向井眼添加润滑剂；
(d)向行进钻柱添加扶正器；以及
(e)将行进钻柱从井眼中拉出以执行井眼清洁。
32.一种用于实现如权利要求24-31中任一项所述的方法的系统，所述系统包括：
(a)一个或多个处理器，被配置为执行以下步骤：
·在自底向上的方向上执行扭矩和阻力分析，以计算在用户指定的未来行进钻柱插入深度处的估计的行进钻柱载荷分布；
·对于用户指定的未来行进钻柱插入深度，基于多个用户选择的部件中的每个用户选择的部件在井眼中的未来位置，为行进钻柱的每个用户选择的部件计算局部载荷极限包络；
·对于行进钻柱的每个用户选择的部件，基于部件的局部载荷极限包络和部件上的由估计的行进钻柱载荷分布指示的估计载荷来计算表面载荷极限包络；以及
·计算作为行进钻柱中所有用户选择的部件的表面载荷极限包络的交集的复合表面载荷极限包络；
(b)一个或多个显示器，用于显示复合表面载荷极限包络；以及
(c)一个或多个用户输入设备。
33.如权利要求32所述的系统，其中所述一个或多个处理器进一步配置为是使用包括以下步骤的方法计算行进钻柱的给定的部件的表面载荷极限包络：
(a)计算作为作用在所述行进钻柱顶部的预测载荷与部件上的估计载荷之间的差的表面载荷调整；以及
(b)计算作为部件的局部载荷极限包络与表面载荷调整之和的部件的表面载荷极限包络。
34.如权利要求32所述的系统，其中所述一个或多个处理器进一步配置为假设行进钻柱的每个用户选择的部件的局部载荷极限包络包括轴向载荷和扭矩的轨迹。
35.如权利要求32所述的系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为针对一定范围的输入重复扭矩和阻力分析，以确定在用户指定的建模不确定性内行进钻柱的每个用户选择的部件上的可能载荷的范围。
36.如权利要求32所述的系统，其中所述一个或多个处理器进一步配置为假设在扭矩和阻力分析中行进钻柱底部的轴向载荷和扭矩为零。
37.如权利要求32所述的系统，其中一个或多个处理器进一步配置为假设在扭矩和阻力分析中行进钻柱底部为非零轴向载荷或非零扭矩。
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