CN114427430A - 一种多井实时协同的钻井参数优化方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多井实时协同的钻井参数优化方法与系统，该方法包括：实时采集同一区块内各目标井的钻井数据，提取各目标井的实时钻井参数组合以及应用后的机械钻速，建立机械钻速与该钻井参数之间的实时函数关系；对实时函数关系进行优化得到各钻进地层的钻井参数优化组合；基于同一区块的历史井的历史数据，建立历史函数关系，之后计算各钻进地层的预期机械钻速；分别计算各目标井在各钻进地层应用钻井参数优化组合后的实际机械钻速，并将其与预期机械钻速进行比值，将该比值作为钻速异常及钻头磨损过度的表征参数，并推送应对处理方案。本发明解决了现有方法中部分参数、判别阈值地域性差异和难以获取等问题，提高了方法模型的适用性。

Description

一种多井实时协同的钻井参数优化方法与系统

技术领域

本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种对同一区块内多口同步开钻井的钻井参数进行优化的方法与系统。

背景技术

随着油气勘探开发的进行，钻井工程所面临的地质情况日益复杂，大量的非均质性、不确定性、非结构性以及非数值化难题构成了钻井工程“黑箱”。复杂地质条件下，钻进效率低、复杂情况多发且居高不下的钻井成本严重影响了油气勘探开发效率。钻井参数优化就是在一定的客观条件下，通过选择合理的钻井参数组合来提高机械钻速的同时降低钻井风险，从而使钻井过程达到最优的技术和经济指标，提高油气勘探开发的质量和效率。

传统钻井参数优化算法多采用单目标优化或多目标优化，单目标优化多以单位进尺成本、机械比能、机械钻速的某一项为标准，而多目标优化则以钻井成本和钻速等综合考量作为标准。新兴的钻井参数智能优化算法则主要有模拟退火算法、遗传算法、粒子群优化算法等，其不再单纯凭借专家经验，理论上可以在一定时间内找到最优解或近似最优解。

钻井参数优化虽然具有显著的工程实用意义，但是现有的钻井参数优化方法仍存在一些问题。一方面是传统算法中选用的模型陈旧，具有较强的地域性和适用范围的局限性，同时模型涉及到的部分参数较难获取，例如钻头磨损与钻头寿命等参数；另一方面，新型的智能算法虽然可弥补传统方法的不足，但对于各优化算法却存在算法复杂程度高、计算所需时间长以及陷入局部最优等问题。并且，不论是传统钻井参数优化方法还是新型的智能算法，都是基于目标井这一口井的设计数据、地质数据或实时数据进行计算优化，优化效率低下且优化结果缺乏对比性，对于邻井历史数据的利用程度低，也未能充分挖掘并发挥钻井区块内邻井历史数据在钻井参数优化中的价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种多井实时协同的钻井参数优化方法与系统，其能解决目前钻井参数优化方法存在普适性、准确性，以及对于区块内邻井数据的应用较少等问题。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种多井实时协同的钻井参数优化方法，该方法包括：步骤一，实时采集同一区块内各目标井的钻井数据，从中提取出各目标井的实时钻井参数组合以及应用这些钻井参数组合后的机械钻速，建立各钻进地层的机械钻速与该钻井参数之间的实时函数关系，所述钻井参数包括钻压、转速和排量；步骤二，对利用实时数据获取的实时函数关系进行求解和优化得到各钻进地层的实现最大机械钻速的钻井参数优化组合；步骤三，基于所述同一区块的历史井的历史数据，建立各地层的机械钻速与钻井参数之间的历史函数关系，利用各钻进地层的钻井参数优化组合和历史函数关系，计算基于历史数据使用优化参数时的各钻进地层的预期机械钻速；步骤四，分别计算各目标井在各钻进地层应用钻井参数优化组合后的实际机械钻速，并将其与所述对应钻井地层的预期机械钻速进行比值分析，将该比值作为钻速异常及钻头磨损过度的表征参数，并针对具体情况进行分析后推送应对处理方案。

在一个实施例中，在所述步骤二中，利用经典函数极值法或模式搜索法对实时函数关系进行求解和优化得到各钻进地层的实现最大机械钻速的钻井参数优化组合。

在一个实施例中，在所述步骤四中，利用如下表达式来计算实际机械钻速：

式中，ROP_(X)ss是X井Δt时间内的实时机械钻速值，H_t+1是t+1时刻钻头钻达井深，H_t是t时刻钻头钻达井深。

在一个实施例中，在所述步骤四中，若所述比值突降，则提取该目标井的岩屑录井数据与钻井设计中的地层岩性描述以及其他井的岩屑录井数据进行对比，判断该目标井是否钻入了新地层层位，其中，若判断为是，则记录在新地层层位的钻井参数和机械钻速，待其他井进入该层位后一并提取数据进行新地层层位的钻井参数优化分析；若判断为否，则表示该目标井处于异常，结合之前的实时录井数据，分析是否出现钻头磨损或钻柱振动的情况，若为钻柱振动，则为该目标井重新优化调整钻井参数，若为钻头磨损，则提示现场起钻更换钻头。

在一个实施例中，在所述步骤四中，若监测到多口目标井的比值已逐渐减小并小于临界阈值，则发送起钻更换钻头的提示信息。

根据本发明的另一方面，还提供了一种多井实时协同的钻井参数优化系统，该系统包括：部署在同一区块的各个目标井处的前端模块和与各前端模块通信连接的后端模块，其中，每个前端模块，其实时采集并发送同一区块内各目标井的钻井数据；所述后端模块包括：后方数据库，其存储有该区块内的各目标井的相关数据和与目标井处于同一区块内的完井历史井的相关数据；多井协同实时优化单元，其从所述后方数据库中提取出各目标井的实时钻井参数组合以及应用这些钻井参数组合后的机械钻速，建立各钻进地层的机械钻速与该钻井参数之间的实时函数关系，对利用实时数据获取的实时函数关系进行求解和优化得到各钻进地层的实现最大机械钻速的钻井参数优化组合，所述钻井参数包括钻压、转速和排量；预期钻速计算单元，其基于所述同一区块的历史井的历史数据，建立各地层的机械钻速与钻井参数之间的历史函数关系，利用各钻进地层的钻井参数优化组合和历史函数关系，计算基于历史数据使用优化参数时的各钻进地层的预期机械钻速；磨损及异常监测单元，其分别计算各目标井在各钻进地层应用钻井参数优化组合后的实际机械钻速，并将其与所述对应钻井地层的预期机械钻速进行比值分析，将该比值作为钻速异常及钻头磨损过度的表征参数，并针对具体情况进行分析后推送应对处理方案。

在一个实施例中，所述多井协同实时优化单元，其利用经典函数极值法或模式搜索法对实时函数关系进行求解和优化得到各钻进地层的实现最大机械钻速的钻井参数优化组合。

在一个实施例中，所述磨损及异常监测单元，其利用如下表达式来计算实际机械钻速：

式中，ROP_(X)ss是X井Δt时间内的实时机械钻速值，H_t+1是t+1时刻钻头钻达井深，H_t是t时刻钻头钻达井深。

在一个实施例中，所述磨损及异常监测单元，其在所述比值突降时，提取该目标井的岩屑录井数据与钻井设计中的地层岩性描述以及其他井的岩屑录井数据进行对比，判断该目标井是否钻入了新地层层位，其中，若判断为是，则记录在新地层层位的钻井参数和机械钻速，待其他井进入该层位后一并提取数据进行新地层层位的钻井参数优化分析；若判断为否，则表示该目标井处于异常，结合之前的实时录井数据，分析是否出现钻头磨损或钻柱振动的情况，若为钻柱振动，则为该目标井重新优化调整钻井参数，若为钻头磨损，则提示现场起钻更换钻头。

在一个实施例中，所述磨损及异常监测单元，其在监测到多口目标井的比值已逐渐减小并小于临界阈值时，发送起钻更换钻头的提示信息。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

(1)本发明实施例基于同一区块内地质条件和钻井设计相类似这一前提，建立简化的机械钻速方程来表征目标区块内机械钻速与工程参数的函数关系，规避了现有方法中部分参数、判别阈值地域性差异和难以获取等问题，提高了方法模型的适用性。

(2)本发明实施例同时采集应用同一区块内各目标井的实时数据，每口井仅执行一种参数组合，协同后用于回归机械钻速与工程参数的影响关系来建立函数方程，规避了现有技术中针对一口井优化时需要耗费较长时间反复调整参数组合获取使用效果数据的不足，进一步提高了钻井参数优化效率。

(3)本发明实施例除了可以实时高效完成多井钻井参数优化之外，还利用历史井数据分析目标井优化后的预期机械钻速，并实时监测各目标井优化参数后的执行效果，对钻头过渡磨损和钻速突降等异常进行分析并形成应对方案，保证各目标井实时处于高效钻进状态。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他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结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1是根据本发明实施例的多井实时协同的钻井参数优化方法的流程示意图。

图2是根据本发明实施例的多井实时协同的钻井参数优化系统的功能组成框图。

图3是根据本发明实施例的多井实时协同的钻井参数优化系统的部署示意图。

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，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，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。

发明人在研发本技术方案的过程中发现，已有的技术中提供的方法和装置、系统均存在背景技术提到的问题。

例如，现有技术方案一，其通过实时的地质环境变化反馈的钻井参数，实时计算得到虚拟强度指数SVI，调整钻井参数降低虚拟强度指数，从而使得钻头切削效率一直处于尽可能的最佳状态，提高钻井效率，该方案在计算虚拟强度指数仅利用目标井的实时数据，存在背景技术中提到的问题。现有技术方案二，其基于钻头性能综合评价指数优化参数，属于传统的多目标优化方法，仅利用目标井的实时数据，存在背景技术中提到的问题。现有技术方案三，其利用粒子寻优算法确定最优破岩效率所需的工程参数，但存在算法复杂易陷入局部寻优等问题，仅是利用目标井数据且部分数据难以获取。现有技术方案四，其首先由邻井数据建立传统的破岩效率模型，再用粒子寻优算法确定最优破岩效率所需的工程参数，该方法虽然使用了邻井数据，但选取的邻井数据中部分难以获取，且算法复杂易陷入局部寻优等问题。现有技术方案五，其应用大数据方法基于邻井建立机器学习模型后，优选对新井所设定的工具参数组合，该方法具有较强的地域性，更换区块后需要重新训练且模型效果受训练样本影响较大。现有技术方案六，其提出的优化方法是通过钻压、转速和泵冲的各种组合给定，并实时采集钻井数据，计算机械比能、钻头磨损、液压比能、成本、钻压与钻速的斜率参数，进行比较，得出最优给定值。但该方法仍属于传统优化方法，将机械比能作为最终评定标准，进行寻优计算。现有技术方案七，其是以演示强度作为比较标准，方法使用较为复杂，需要进行取芯作业实测后建立岩石强度模型，对于全井各地层普适性不强。现有技术方案八，其是以本井众多参数为样本数据计算能量传递指数，进而按照预设规则进行调整控制，但该方法中较多的参数难以获取。现有技术方案九，其是以本井众多参数为数据源计算其与机械钻速的直接或间接的函数关系，最终优化钻压和钻头转速，但该方法中仅依靠本井数据来建立的函数关系准确性并不高。

针对上述问题，本发明实施例提出了一种多井实时协同的钻井参数优化方法及系统。在本实施例中，基于同一区块内多口同步开钻目标井的地质条件与钻井设计相类似这一前提，不再考虑钻头类型、钻头直径等固定参数以及地层可钻性、岩石致密性等难以准确获取的参数对机械钻速的影响，实时采集各目标井钻井相关数据，对实时数据协同后来建立目标井机械钻速与所要优化的工程参数之间的函数关系。之后，以机械钻速最大化为优化目标，采用行业内已有优化方法完成钻井参数优化推荐给各目标井应用，实现多目标井钻井参数优化效率的提升。进一步地，本实施例还基于区块内历史井数据建立机械钻速与工程参数的函数方程用于计算预期机械钻速，实时监测计算各目标井优化参数后的机械钻速并与预期机械钻速进行比值分析，将其比值作为钻速异常及钻头磨损过渡的表征参数，并针对具体情况进行分析后推送应对处理方案，从而实现钻速异常的及时有效处理，保证各目标井处于高效钻井状态。

第一实施例

图1是根据本发明实施例的多井实时协同的钻井参数优化方法的流程示意图。下面参考图1来说明本方法的各个步骤。

如图1所示，在步骤S110中，实时采集同一区块内各目标井的钻井数据，从中提取出各目标井的实时钻井参数组合以及应用这些钻井参数组合后的机械钻速，建立各钻进地层的机械钻速与该钻井参数之间的实时函数关系。

在本实施例中的钻井参数(或称“工程参数”)优化方法仍以机械钻速作为单目标进行优化，但基于同一区块内多口井钻井设计和地层的相似性这一前提，不再考虑钻头类型、钻头直径等固定参数以及地层可钻性、岩石致密性等难以准确获取的参数对机械钻速的影响，仅建立当前钻进地层y的机械钻速与所要优化的钻井参数之间的函数关系(1)，该钻井参数组合包括钻压、转速和排量。

ROP_(y)＝f₁f₂f₃ (1)

其中，f₁,f₂,f₃分别为钻压、转速、排量对y地层的机械钻速的影响函数。

接着，基于上面的函数关系式(1)，确定目标函数为F＝maxROP_(y)＝max(f₁f₂f₃),。

由于在本实施例中仍为单目标优化，属于非线性优化组合，因此对于上面的目标函数的求解方式，可以采用目前行业内常用的求解方法，例如经典函数极值法、模式搜索法等，本发明实施例不做限定。由此目标函数可优化得到不考虑钻头类型、钻头直径等固定参数以及地层可钻性、岩石致密性等难以准确获取的参数条件下，y地层实现最大机械钻速的钻进参数组合，既钻压、转速和排量的值。

在实际应用中，在开钻前，在X口井的现场部署系统的前端模块(参见附图2)，该前端模块采集每口目标井的泥浆录井、岩屑录井等实时数据及其他相关数据传回系统的后端模块，这些数据中包含目标井实际使用的钻井参数组合(利用该组合可计算机械钻速情况)，系统后端模块通过监测回传的数据，分析岩屑录井、井深和钻井设计数据监测目标井进入y地层后，通过前端模块向每口目标井推荐一种钻井参数组合(1号目标井为钻压₁、转速₁、排量₁，X号目标井为钻压_X、转速_X、排量_X)，之后，后端模块基于X口井产生回传的数据提取出X组钻井参数组合和应用这些钻井参数组合后的机械钻速变化效果，回归出钻压、转速、排量对各个地层(例如地层y)的机械钻速的影响函数，建立当前钻进y地层的机械钻速与所要优化的钻井参数钻压、转速、排量之间的实时函数关系，如下面表达式(2)。

ROP_(y)实时＝f_1实时f_2实时f_3实时 (2)

其中，f_1实时,f_2实时,f_3实时分别为基于X口目标井的实时数据回归的钻压、转速、排量对y地层的机械钻速的影响函数。

然后，在步骤120中，对利用实时数据获取的实时函数关系进行求解和优化得到各钻进地层的实现最大机械钻速的钻井参数优化组合。

利用目前行业内常用的求解方法(例如经典函数极值法、模式搜索法等)对基于实时数据建立的机械钻速函数进行求解和优化得到当前钻井情况下y地层实现最大机械钻速的钻进参数组合，既钻压、转速和排量的值，并同步将该优化后的钻井参数组合推送到X口目标井的系统前端模块进行显示，将参数优化方案推荐给现场工程师和司钻进行应用。

在步骤S130中，基于同一区块的历史井的历史数据，建立各地层的机械钻速与钻井参数之间的历史函数关系，利用各钻进地层的钻井参数优化组合和历史函数关系，计算基于历史数据使用优化参数时的各钻进地层的预期机械钻速。

预先录入同一区块内将执行同步钻井的多口井(X口井)的设计数据构建目标井的数据库，包括但不限于地理位置、井身结构、井眼轨迹、地层分层、钻具组合等数据。而且还要收集该区块内历史井钻井井史数据构建历史井数据库，包括但不限于钻井设计、泥浆录井、岩屑录井等数据。

从历史井数据库中提取历史井各井的岩屑录井、泥浆录井、钻井设计数据，基于历史数据回归出该区块内钻压、转速、排量对y地层的机械钻速的影响函数，建立各地层的机械钻速与工程参数钻压、转速、排量之间的函数关系，如下式(3)。

ROP_(y)历史＝f_1历史f_2历史f_3历史 (3)

其中，f_1历史,f_2历史,f_3历史分别为基于历史井的数据回归的钻压、转速、排量对y地层的机械钻速的影响函数。

接着，将步骤S120获取的优化参数组合代入上面建立的区块内历史井机械钻速与钻井参数函数关系方程(3)后，计算基于历史数据使用优化参数时y地层的预期机械钻速ROP_(y)预期，将该值作为1-X目标井机械钻速优化分析的一项基值。

在步骤S140中，分别计算各目标井在各钻进地层应用钻井参数优化组合后的实际机械钻速，并将其与对应钻井地层的预期机械钻速进行比值分析，将该比值作为钻速异常及钻头磨损过度的表征参数，并针对具体情况进行分析后推送应对处理方案。

系统后端模块20基于实时数据实时计算X口目标井在使用优化的钻井参数后实际的机械钻速。具体可以利用下面表达式(4)来计算。

式中，ROP_(X)ss是X井Δt时间内的实时机械钻速值，H_t+1是t+1时刻钻头钻达井深，H_t是t时刻钻头钻达井深。

然后，分别计算各目标井在y地层使用优化钻井参数后的实际机械钻速与y地层的预期机械钻速的比值R，

式中，R_X是X号目标井优化后在当前y地层实际机械钻速与预期机械钻速的比值。

需要说明的是，由于历史井中部分井钻井参数非最优数值，同时，考虑到历史井钻头长时间钻进后磨损的影响，由历史井数据回归计算y地层的预期机械钻速ROP_(y)预期近似为该地层机械钻速分布的一个中值。正常情况下，X口目标井开始钻进时钻头全新无磨损，钻井参数优化后，其实际机械钻速ROP_(X)ss大于y地层的预期机械钻速ROP_(y)预期，既二者的比值R大于1。随着钻进的进行，X口目标井的钻头开始磨损，二者的比值R逐渐减小并接近于1。而当经过长时间长井深钻进后，这X口目标井的钻头磨损严重，参数优化后仍无法达到历史井的中值，二者的比值R开始小于1并随着磨损加重越来越小。基于这一原理，系统后端模块实时计算1-X号各目标井的钻速比值R来实时监测优化调参后各口井的钻进情况。

具体地，如图1所示，在完成钻井参数优化后，各目标井钻井条件相似，若监测到某一口/多口目标井机械钻速出现突降，即R值突然降低，系统提取该井的岩屑录井数据与钻井设计中的地层岩性描述以及其他井的岩屑录井数据进行对比，判别机械钻速突降的井是否钻进入了新地层层位，若是，则记录在新层位钻井参数和机械钻速，其他井进入该层位后一并提取数据进行新层位的钻井参数优化分析(返回步骤S110)；若否，则表示该井处于异常，结合之前的实时录井数据，调用行业内现有的数学/物理模型分析是否出现钻头磨损/钻柱振动等情况，若为钻柱振动，则为该井重新优化调整钻井参数，消除钻柱振动重新提高机械钻速，若为钻头过度磨损/损坏则提示现场起钻更换钻头。

若系统监测到多口目标井的R值以稳定趋势逐渐减小并小于临界阈值0.9，则说明钻速降低是由于钻头过度磨损引起，向系统前端发送起钻更换钻头的提示信息。在本实施例中，R值的临界阈值不局限于0.9，根据区块情况，可在0.1-1之间根据需求任意设置。

针对目前传统钻井参数优化算法模型陈旧、地域性较强、适用范围局限、部分参数难获取的问题以及新型智能算法复杂程度高、计算所需时间长、易陷入局部最优等问题，本发明实施例提供一种新的技术方案。本申请实施例应用于石油工程领域，针对同一区块内同步开钻的多口目标井，在相似地质条件和钻井设计的前提下，规避现有方法中存在地区性差异且难以获取的参数，建立简化的机械钻速与工程参数的函数模型，协同并利用多口目标井的实时数据来实现钻井参数的实时快速优化。以更简便高效的方法实现钻井参数优化，辅助钻井人员实现钻井作业的提速提效。

第二实施例

图2是根据本发明实施例的多井实时协同的钻井参数优化系统的功能组成框图。图3是根据本发明实施例的多井实时协同的钻井参数优化系统的部署示意图。下面结合图2和图3来说明该钻井参数优化系统的组成和模块功能。

如图3所示，在同一区块的X个目标井分别部署一个前端模块，如前端模块1、2、3……X，在后方部署一个后端模块20，通过网络完成X个前端模块与后端模块20的通讯连接，进行系统的运行测试，确保部署有效。

如图2所示，后端模块20包括：后方数据库20A、多井协同实时优化单元20B、预期钻速计算单元20C、磨损及异常监测单元20D和后端数据传输单元20E。前端模块10包括：数据采集单元10A、前端数据传输单元10B、参数及方案显示单元10C。

先对前端模块10的各个单元进行说明。

前端模块10的数据采集单元10A，其实时采集目标井钻井的相关参数。具体地，数据采集单元10A，其采集目标井的实时泥浆录井、岩屑录井、随钻测井等相关钻井数据。前端数据传输单元10B，其将数据采集单元10A实时采集的数据传回后端模块20，同时接收后端模块20发出的各项调参指令、处理方案等，并将接收到的数据发送给参数及方案显示单元10C。参数及方案显示单元10C，其显示后端模块20发送的各项指令，包括但不限于调参试验指令、参数优化指令、钻速异常应对处理方案等。

接着，对后端模块20的各个组成单元进行说明。

后方数据库20A，其包含目标井数据库和历史井数据库。其中，目标井数据库，其用于存储要进行钻井参数优化的目标井的相关数据，包括但不限于地理位置、井身结构、井眼轨迹、地层分层、钻具组合等数据。历史井数据库，其用于存储目标井同一区块内的完钻历史井的相关数据，包括但不限于钻井设计、泥浆录井、岩屑录井等数据。

多井协同实时优化单元20B，其对传回的实时数据协同后，结合目标井数据库的相关数据(包括实时钻井参数组合以及应用这些钻井参数组合后的机械钻速)实时建立当前地层机械钻速与钻井参数之间的实时函数关系，并形成钻井参数优化方案。具体地，多井协同实时优化单元20B，其用于接收后端数据传输单元20E传输的协同后的实时数据，分析确定各目标井进入同一地层后，生成多个钻井参数组合方案指令，分别发布给每口目标井执行一个钻参组合进行参数调整试验，之后，提取目标井数据库相关数据并结合试参时的实时数据，回归建立目标井当前地层的机械钻速与钻井参数——钻压、转速、排量之间的函数关系，进一步地，应用行业内成熟的寻优方法，如经典函数极值法或模式搜索法，以最大机械钻速为目标完成钻井参数的寻优，生成钻井参数优化方案并发布给各目标井进行应用。

后端数据传输单元20E，其将钻井参数优化方案发送到前端模块10中进行应用。

预期钻速计算单元20C，其基于历史井数据和钻井参数优化方案计算预期钻速值。

具体来说，预期钻速计算单元20C，其用于提取历史井数据库同一区块的历史井的历史数据后，基于历史数据建立当前地层的机械钻速与钻井参数——钻压、转速、排量之间的历史函数关系，之后，接收多井协同实时优化单元20B生成的钻井参数优化方案，利用各钻进地层的钻井参数优化组合和历史函数关系，计算出基于历史数据使用优化参数时的各钻进地层的预期机械钻速。

磨损及异常监测单元20D，其接收预期钻速值，结合实时数据分析磨损及异常情况并形成应对方案。

具体地，磨损及异常监测单元20D，其用于接收目标井执行参数优化方案后的实时数据，利用上面表达式(4)计算各目标井优化后的实际机械钻速，进一步地，结合预期钻速计算单元20C输出的预期机械钻速，利用上面表达式(5)计算各目标井的钻速比值R来实时监测优化调参后各口井的钻进情况。

具体地，若监测到多口目标井的R值以稳定趋势逐渐减小并小于设置的临界阈值，则说明钻速降低是由于钻头过度磨损引起，生成更换钻头的提示指令并发送到前端模块10；若监测到某一口/多口目标井机械钻速出现突降，即R值突然降低，则提取该井的岩屑录井数据与钻井设计中的地层岩性描述以及其他井的岩屑录井数据进行对比，判别机械钻速突降的井是否钻进入了新地层层位，若是，则记录在新层位钻井参数和机械钻速，其他井进入该层位后由多井协同实时优化单元20B一并提取数据进行新层位的钻井参数优化；若否，则表示该井处于异常，结合之前的实时录井数据，调用单元内置的行业内现有数学/物理模型分析是否出现钻头磨损/钻柱振动等情况，并生成应对处理方案发送到前端模块10，若为钻柱振动，则为该井重新优化调整钻井参数，消除钻柱振动重新提高机械钻速，若为钻头过度磨损/损坏则提示现场起钻更换钻头。

后端数据传输单元20E，其用于接收前端模块10传输回的各目标井实时数据并对数据按照系统所需进行协同后发送给多井协同实时优化单元20B，同时，将多井协同实时优化单元20B生成的参数组合试验指令及钻井参数优化方案、磨损及异常监测单元20D生成的应对异常处理方案传输到前端模块10。

示例

本实施例的方法与系统在西北油田塔河区块十区选取10口新井进行了试验应用。具体实施流程如下：

(1)收集10口目标井的钻井设计、地质设计等数据构建目标井数据库，收集区块内历史井的钻井设计、泥浆录井、岩屑录井等数据构建历史井数据库。

(2)分别在10口目标井部署前端模块，在后方部署1个后端模块，将10个前端模块与后端模块进行连接；

(3)10口目标井同步开钻后，前端模块实时采集钻井相关数据发送回后端模块，后端模块分析当前钻进地层后生成10种钻井参数组合，给各目标井分配1种参数组合进行调参试验，实时采集数据回归拟合钻速方程后，进行钻井参数寻优，将优化的钻井参数方案发送给前端模块，提示现场人员执行优化方案；

(4)后端模块在系统运行过程中自动运行预期钻速计算单元和磨损及异常监测单元，在钻井参数优化后实时监测钻速比值R来分析钻头磨损和钻速异常，并将相应的处理指令/方案送给前端模块，提示现场人员执行，其中钻速比值R的临界阈值根据区块情况设置为0.85。

最终，应用本方法后，10口新井的全井平均机械钻速比区块内历史井的全井平均机械钻速提高27％，在历史井钻速较低的一间房组地层提速尤其明显，平均钻速提高约41％，证明本发明的技术方案切实有效。

综上所述，本申请实施例针对同一区块内同步开钻的多口目标井，在相似地质条件和钻井设计的前提下，规避了现有方法中存在地区性差异且难以获取的参数，建立简化的函数模型，协同并利用多口目标井的实时数据来实现钻井参数的实时快速优化。同时实时监测计算各目标井优化参数后的机械钻速并与预期机械钻速进行比值分析，将其比值作为钻速异常及钻头磨损过渡的表征参数，并针对具体情况进行分析后推送应对处理方案，从而实现钻速异常的及时有效处理，保证各目标井实时处于高效钻井状态。从而帮助现场工程师、司钻实现钻井提速并降低钻井成本。

此外，本申请实施例免除了传统钻井参数优化方法函数模型拟合解析复杂、地域性过强、模型参数不易量化获取等弊端，充分利用多井实时数据，协同后快速实现对目标井钻井参数进行优化，解决了传统方法针对一口井进行钻井参数优化时试参过程繁琐漫长的问题。同时对钻井参数优化后的实施效果进行监测，识别钻头过渡磨损、钻速异常等情况对实时生成处理应对方案，保证目标井在钻井过程中实时处于高效钻进，最终达到降本增效的目标。

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，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“一个实施例”或“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“一个实施例”或“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。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种多井实时协同的钻井参数优化方法，该方法包括：

步骤一，实时采集同一区块内各目标井的钻井数据，从中提取出各目标井的实时钻井参数组合以及应用这些钻井参数组合后的机械钻速，建立各钻进地层的机械钻速与该钻井参数之间的实时函数关系，所述钻井参数包括钻压、转速和排量；

步骤二，对利用实时数据获取的实时函数关系进行求解和优化得到各钻进地层的实现最大机械钻速的钻井参数优化组合；

步骤三，基于所述同一区块的历史井的历史数据，建立各地层的机械钻速与钻井参数之间的历史函数关系，利用各钻进地层的钻井参数优化组合和历史函数关系，计算基于历史数据使用优化参数时的各钻进地层的预期机械钻速；

步骤四，分别计算各目标井在各钻进地层应用钻井参数优化组合后的实际机械钻速，并将其与所述对应钻井地层的预期机械钻速进行比值分析，将该比值作为钻速异常及钻头磨损过度的表征参数，并针对具体情况进行分析后推送应对处理方案。

2.根据权利要求1所述的多井实时协同的钻井参数优化方法，其特征在于，在所述步骤二中，利用经典函数极值法或模式搜索法对实时函数关系进行求解和优化得到各钻进地层的实现最大机械钻速的钻井参数优化组合。

3.根据权利要求1或2所述的多井实时协同的钻井参数优化方法，其特征在于，在所述步骤四中，利用如下表达式来计算实际机械钻速：

式中，ROP_(X)ss是X井Δt时间内的实时机械钻速值，H_t+1是t+1时刻钻头钻达井深，H_t是t时刻钻头钻达井深。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的多井实时协同的钻井参数优化方法，其特征在于，在所述步骤四中，

若所述比值突降，则提取该目标井的岩屑录井数据与钻井设计中的地层岩性描述以及其他井的岩屑录井数据进行对比，判断该目标井是否钻入了新地层层位，

其中，若判断为是，则记录在新地层层位的钻井参数和机械钻速，待其他井进入该层位后一并提取数据进行新地层层位的钻井参数优化分析；若判断为否，则表示该目标井处于异常，结合之前的实时录井数据，分析是否出现钻头磨损或钻柱振动的情况，若为钻柱振动，则为该目标井重新优化调整钻井参数，若为钻头磨损，则提示现场起钻更换钻头。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的多井实时协同的钻井参数优化方法，其特征在于，在所述步骤四中，

若监测到多口目标井的比值已逐渐减小并小于临界阈值，则发送起钻更换钻头的提示信息。

6.一种多井实时协同的钻井参数优化系统，该系统包括：部署在同一区块的各个目标井处的前端模块和与各前端模块通信连接的后端模块，其中，

每个前端模块，其实时采集并发送同一区块内各目标井的钻井数据；

所述后端模块包括：

后方数据库，其存储有该区块内的各目标井的相关数据和与目标井处于同一区块内的完井历史井的相关数据；

多井协同实时优化单元，其从所述后方数据库中提取出各目标井的实时钻井参数组合以及应用这些钻井参数组合后的机械钻速，建立各钻进地层的机械钻速与该钻井参数之间的实时函数关系，对利用实时数据获取的实时函数关系进行求解和优化得到各钻进地层的实现最大机械钻速的钻井参数优化组合，所述钻井参数包括钻压、转速和排量；

预期钻速计算单元，其基于所述同一区块的历史井的历史数据，建立各地层的机械钻速与钻井参数之间的历史函数关系，利用各钻进地层的钻井参数优化组合和历史函数关系，计算基于历史数据使用优化参数时的各钻进地层的预期机械钻速；

磨损及异常监测单元，其分别计算各目标井在各钻进地层应用钻井参数优化组合后的实际机械钻速，并将其与所述对应钻井地层的预期机械钻速进行比值分析，将该比值作为钻速异常及钻头磨损过度的表征参数，并针对具体情况进行分析后推送应对处理方案。

7.根据权利要求6所述的多井实时协同的钻井参数优化系统，其特征在于，所述多井协同实时优化单元，其利用经典函数极值法或模式搜索法对实时函数关系进行求解和优化得到各钻进地层的实现最大机械钻速的钻井参数优化组合。

8.根据权利要求6或7所述的多井实时协同的钻井参数优化系统，其特征在于，所述磨损及异常监测单元，其利用如下表达式来计算实际机械钻速：

式中，ROP_(X)ss是X井Δt时间内的实时机械钻速值，H_t+1是t+1时刻钻头钻达井深，H_t是t时刻钻头钻达井深。

9.根据权利要求6～8中任一项所述的多井实时协同的钻井参数优化系统，其特征在于，所述磨损及异常监测单元，其在所述比值突降时，提取该目标井的岩屑录井数据与钻井设计中的地层岩性描述以及其他井的岩屑录井数据进行对比，判断该目标井是否钻入了新地层层位，

其中，若判断为是，则记录在新地层层位的钻井参数和机械钻速，待其他井进入该层位后一并提取数据进行新地层层位的钻井参数优化分析；若判断为否，则表示该目标井处于异常，结合之前的实时录井数据，分析是否出现钻头磨损或钻柱振动的情况，若为钻柱振动，则为该目标井重新优化调整钻井参数，若为钻头磨损，则提示现场起钻更换钻头。

10.根据权利要求6～9中任一项所述的多井实时协同的钻井参数优化系统，其特征在于，所述磨损及异常监测单元，其在监测到多口目标井的比值已逐渐减小并小于临界阈值时，发送起钻更换钻头的提示信息。

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