CN1289890A - 等效密度的液压校准 - Google Patents

Abstract

在一个用于从地面钻探井孔的钻探系统中,通过进行多个液压校准测量来完成液压校准,在一液压校准范围内,每个液压校准测量分别在各自的钻杆柱RPM和流量下进行。然后确定一个液压基线函数,该函数在一预定的精度范围内预报多个液压校准测量中的每一个液压校准测量。

Description

等效密度的液压校准

本发明涉及油井钻井，特别涉及更加有效的相当循环密度(ECD)的校准和其它的液压测量。

在天然烃类(例如石油)储藏层的开发、建井完成和开采过程中，采用各种遥测系统和技术以便能够在地面以实时的方式方便地进行井下测量。特别是，MWD(随钻测量)和LWD(随钻测井)技术包括位于井孔内的传感装置或探测装置在钻井过程中的数据传输。井孔传感装置可位于钻头中、井底(或井孔)钻具组件(BHA)中、在位于泥浆马达上方的钻杆柱中或者在地下钻杆柱的其它任何部分中。目前MWD／LWD遥测系统利用贯通钻杆柱自身的钻井流体或泥浆脉冲遥测、电磁遥测或声波遥测将所测得的数据输送到地面并且保持有限的带宽(数据毕特率通常在1千赫兹的范围内或更低)。

油井和天然气井通常是利用循环钻井流体系统钻出的。在这样一种系统中，从在地面上的一个储蓄池通过空心的钻杆柱向下泵送钻井流体或“泥浆”以使所述钻井流体在钻头处从钻杆柱排出并且利用在井孔和钻杆柱之间的环空返回到地面。所述钻井泥浆用于保持所述井孔内的流体静压力以使被钻头穿透的岩层的内部压力得到控制，并且提供了一种从井孔中清除岩屑以及将这些岩屑输送到地面的方法。所述钻井泥浆还用于钻头的冷却和润滑。

在泥浆脉冲遥测技术中，利用一个泥浆压力脉冲产生装置传输井下传感装置的数据，所述泥浆压力脉冲产生装置是钻杆柱的一个部分。所述产生装置通常利用一个阀或报警装置在钻井流体或泥浆柱中产生压力脉冲。这只有当泥浆流量(Q)足够大并且用于驱动一种循环泥浆流的泵接通时才能进行。例如，在美国专利No．4，785，300；No．4，847，815；No．4，825，421；No．4，839，870和No．5，073，877中披露了一些适用MWD技术的产生装置。

利用适合的装置(例如压力传感器、应变仪、加速计以及类似装置)在地面检测所述脉冲，这些装置通常直接与钻杆柱或立管相连。也可利用其它的技术将数据传输到地面的接收器和处理器，例如通过包括导电线和／或光纤的硬线缆绳的钢丝绳附带工具，所述导电线和／或光纤能够将数据传输到地面(所述钢丝绳附带工具的功能通常包括利用电感耦合或其它原理使所述钢丝绳附带工具与附近的井下MWD或LWD工具相连通)。常规泥浆脉冲遥测系统的数据传输速度是很低的，例如每秒3-6毕特，该数据传输速度大大低于钢丝绳系统的数据传输速度。

一种MWD测量是随钻环空压力(APWD)，所述随钻环空压力(APWD)提供了一种井下压力测量。在APWD中，设置一个环空传感器以测量井下环空压力，通常还包括温度。例如利用泥浆脉冲遥测使这些数据的读数或测量结果传输到地面。在地面处，可利用一个处理器分析压力数据。当在其它钻井参数的范围内以及利用液压原理监测压力时，能够识别不希望的钻井环境，提出补救程序并且有利于防止在开发过程中出现严重问题。实时地获得井下环空压力信息在大位移钻井、高压／高温(HPHT)钻井、小口径钻井以及在可能存在较大流动摩擦压力损失或非常小的允许压力限度的深水环境下是特别需要的。

APWD压力测量还可用于确定等效泥浆密度，这是另一种有用的井下测量。等效密度通常被称为等效循环密度(ECD)，在技术上它是当泥浆在循环时的等效泥浆密度。当泥浆不循环时，等效密度被称为等效静密度(ESD)。ECD一词在广义上通常包括ECD和ESD两种概念，并且是表示在环空中流动的流体整体测量结果的一个重要参数。

ECD是利用所测得的压力除以真垂向井深(TVD)计算出来的，在地面上它是已知的。根据一个给定的APWD压力测量所计算的ECD可被称为一个ECD测量结果或测得的ECD。如果测得的ECD与一些期望的ECD相比太高或太低，那么可采用校正或其它响应步骤以将ECD保持在一个所希望的范围内。例如，一个较高的ECD可能表示岩屑没有被有效地清除，一个较低的ECD可能表示有气体流入。这样，由于ECD能够有助于防止钻井成本高的问题(主要涉及的是井眼净化不好)并且有助于确定跳动、流入以及其它可能导致不安全钻井环境的现象。

这样，通过测量压力并利用该测量结果确定ECD、以及利用将该ECD测量结果与一些基线或期望的ECD测量结果对比，可得到用于将ECD保持在一个所希望范围内的校正步骤。这能够有助于防止泥浆漏失并且保持井孔的完整性(包括抽吸控制、波动以及凝胶破坏效果)。类似地，这还可用于监测井下压力测量结果。

与液压相关的测量如井下APWD压力测量和由此得到的测量如等效密度测量一般可称为液压测量。除了ECD和井下压力，也可用于测量和监测其它液压测量，如立管压力、内部压力和涡轮机RPM(TRPM)等。TRPM是井下涡轮机的每分钟转速(RPM)，井下涡轮机在泥浆流过时产生电能。此电能经常用于为井下工具供电。内部压力是钻杆内的压力，一般用随钻内部压力(IPWD)传感器测量，用于检测钻杆泄漏及其位置。IPWD传感器一般与APWD传感器一样，但不同的是它在钻杆内是环面。

然而，液压测量如井下压力和ECD测量对各种事件和因素是敏感的。因此，为了诊断事件和分析在确定的主要条件下的实时液压测量，有必要考虑很多因素的可能性。在当前技术下，复杂的模拟和仿真对这样的分析是不充分的，因为影响压力测量的一些因素不能简单地预知或模拟。影响压力测量的因素包括泥浆特性(包括与压力和温度相关的变化)、流量、流态、钻杆柱每分钟转数(RPM)、钻杆偏心度和孔的几何形状(尺寸和形状)。

在地面已经知道RPM和流量。然而因为影响压力测量并从而导致ECD校准不可预测和在地面上始终不知或可知的其他因素，有必要在现场校准液压测量，也就是建立一个基线，所说基线显示对于一给定的流量Q和钻杆柱RPM，液压测量(例如井下压力或ECD)应该为如何。一般用术语“ECD校准”、“液压校准”和“液压指纹”来描述这样的校准。

液压校准是指在不同流量和RPM下进行液压测量，所以在给定流量和RPM的随后实时液压测量能与在主要流量和RPM下的期望或基线液压测量相比较。例如，在具体的ECD校准中，利用在不同流量和RPM下的ECD校准测量或数据点来建立一个数据库，该数据库指示在一给定的流量和RPM下，ECD测量应该是多少。因此，随后在给定流量和RPM的实时ECD测量能与在数据库中的期望(值)或基线ECD(值)相比较。

传统的ECD校准在随机方式下进行，通过在不同流量和钻杆柱RPM的随机范围下在套管鞋中直接测量APWD来提供多个ECD校准测量。现在参照图1，表示用于ECD校准的传统液压矩形矩阵100。如图所示，进行几个在不同RPM和流量下的ECD读数或测量，例如ECD₁₁等等。每个这样的ECD校准点测量可称为一个校准。然后校准点用在查阅表(LUT)中。在随后钻探期间实时进行的每个ECD测量与在ECD测量期间使用的最接近主要RPM和流量的RPM和流量下的存储在LUT中的ECD值相比较。除了使用最接近的数值之外，也使用“由眼睛”插补。一种现有技术的ECD校准方法由M．D．Green等描述在“An Intergrated Solution of Extended-reach DrillingProblems in the Niakuk Fild，Alaska：Part II Hydraulics，CuttingsTransport and PWD”中，SPE 56564，Presented at the 1999 SPE AnnualTechnical Conference and Exhibition，Houston，Texas，USA，3-6October 1999。

传统的ECD和其他液压测量方法有几个缺点。首先，选择用于ECD校准的各种流量和RPM一般独自构成一校准点矩形矩阵，如图1所示。例如如果矩形不是最佳的，这将导致进行不必要的ECD校准点测量。其次，在此技术中，不清楚多少不同的流量和RPM必需建立在液压矩阵中。例如，一个3X3矩阵可能太小，而一个9X9矩阵又可能太大。因此，有时在一次尝试中进行太多的ECD测量来确保足够的ECD数据点以建立一个用于随后任意流量和RPM的ECD基线。

此外，一个给定的矩形矩阵一般用于特定的泥浆特性和一特定的几何孔形，并且即使孔的几何形状改变和／或泥浆特性有一些改变也能在钻井时进行使用而不会产生变化。这一点限制了动态钻探条件下ECD校准点的有效性。

另外一个缺点是，一些ECD校准点不能始终实时也就是在校准过程期间有用，因为一些读数中的流量不足以启动泥浆脉冲遥测。足以启动泥浆脉冲遥测的最小流量可称作Q_MWD。一个不足以用于泥浆脉冲遥测的流量可称为“低”流量(也就是Q＜Q_MWD)；一个足以启动泥浆脉冲遥测的流量可称为“高”流量(也就是Q＞Q_MWD)。这样，对于在低流量下测量的ECD校准点，如矩阵100的ECD₁₁，所测量的ECD存储在APWD工具的存储器或记录里并且不能被访问，直至将APWD工具和BHA从井孔中拉出(POOH)返回到地面，或除非一钢丝绳或其它工具在钻杆中工作以访问存储数据。基于这些原因，传统的ECD校准是费时(例如两个小时)的，浪费宝贵的钻机时间，和／或提高了成本。

因此，有必要改进液压校准的技术，包括ECD校准，它可以避免现有技术的缺点。

在本发明中，在钻探井孔的钻探系统中从地面位置进行液压校准测量。进行许多液压校准测量，每个液压校准测量是在一液压校准范围内各自的钻杆柱RPM和流量下进行的。然后确定一液压基线函数，该函数在一预定精度内预报多个液压校准测量中的每一个液压校准测量。

图1表示一个在现有技术中用于ECD校准的传统矩形液压矩阵例子；

图2表示根据本发明一实施例的石油钻机的示意图，该钻机具有一个APWD工具和用于进行ECD校准的地基处理设备；

图3A-C表示本发明ECD校准的ECD校准点选择；

图4表示图3A-C中ECD校准点的顺序；

图5A-B是一个流程图，表示本发明的ECD校准方法；

图6表示用于本发明ECD校准的加权函数“f”的图形；

图7表示根据本发明的一个实施例，在9个ECD校准点之间完全插补的例子。

本发明提供了一种有效的液压校准技术，以更快更精确地获得一个液压测量基线函数，该函数用于随后的随钻液压测量。如下面将进一步详细描述的，采用选定数量的校准点，总体上讲在最小数量点的情况下，校准点设定为使数据最大化并覆盖所预期的范围

此外，所测量的校准点按时间顺序是一个交互的顺序，在低流量下的每个校准点后面跟随着一个高流量下的校准点，所以成对的校准点可以实时传送给地面，从而避免了延迟或使用有线传输的必要性和费用。

这里也提供了一个获得校准点基线函数或曲线的改进技术。下面将详细描述关于ECD校准的本发明的液压校准。对于ECD校准，其目的是发现充分接近适合所有测量的ECD校准点的公式关系ECD=F(RPM，Q)。

石油钻塔系统

现在参考图2，图2表示一石油钻塔系统200的示意图，根据本发明的一个实施例，该系统具有一个APWD工具和用于完成ECD校准的设置在地面上的处理设备。石油钻塔系统200有一个与钻杆柱211连接的APWD工具210，所述钻杆柱211有一个转动钻头212，该钻头与钻杆柱211的端部连接并用于钻出一个穿过岩层214的井孔213。

当钻杆柱211由钻机转动时，大量钻井流体(钻探泥浆)由一个或多个泥浆泵215连续不断地通过钻杆柱211向下泵送并从钻头212排出，以冷却和润滑钻头并带走由钻头所钻出的岩屑。泥浆沿着环空216返回到地面，所说环空存在于井孔213的孔壁和钻杆柱211的外部之间。循环泥浆流能够用于将一压力脉冲信号从APWD工具210传送到地面。

APWD工具是MWD或LWD工具的一部分，并且是钻杆柱的一个整体部分。APWD工具210用APWD传感器201测量环空压力和温度。除了由APWD传感器201测量井下压力和温度之外，包括APWD工具210的MWD或LWD工具的其它传感器可以测量以下参数，例如孔的方向和倾角，γ辐射、钻头上的重量和扭矩，井下钻探泥浆或结构的电阻系数或导电率，中子光谱等。在一替换实施例中，APWD工具210仅可测量压力而不能测量温度。由传感器201和其它传感器(未示出)监测的井下压力和其他环境及钻探测量数据由编码器202编码，所述编码器202能够调节表示用于通过泥浆脉冲遥测信号传输给地面的测量数据的传感器电信号。

MWD工具和APWD工具210工作的电能由一来自电池和／或井下涡轮机的电能提供。工具210还包括一个调制器或泥浆报警器203，为了在泥浆中产生压力脉冲，所说调节器或泥浆报警器203选择性地中断或阻断通过钻杆柱的钻探泥浆流，从而将调制后的信号传输给地面。

调制器203是这样控制的，即压力脉冲以与来自测量装置201的编码信号相对应的编码声音数据信号形式产生。一般为二进制编码序列形式的这些信号通过钻杆柱中的泥浆流传输到地面。可以使用任何适用的信号调制技术。井下声音遥测的许多可能的调制方案由S．P．Monroe描述在“Applying digital Data-Encoding Techniques to Mud PulseTelemetry”中，proceeding of the 5th SPE Petro1eum ComputerConference，Denver，Jun．25th-28th，1990，SPE20326，pp．7-16。

当这些信号到达地面时，它们由一个适当的信号检测器也就是一个机电转换器如立管压力转换器(SPT)217来检测和编码。适用于将声音信号／压力转换成电信号的转换器也可以在公开的英国专利GB-A-2140599、美国专利US5222049和公开的国际专利申请WO-A-95／14845中找到。

SPT217的模拟信号在一个适当的频率下经过适当的过滤和采样，以得到一个模拟信号的数字编码，该数字编码然后可以被计算机218进一步处理，该计算机可以是一个具有适当程序处理器的专用或通用计算机。特别是，APWD传感器201提供一个压力读数或测量，该读数或测量由调制器203通过泥浆脉冲传输给SPT217，SPT217将此数据的数字编码提供给计算机218。在一实施例中，计算机接收压力数据并将其转换成ECD数据。压力、ECD和其他数据存储或记录在存储器中，同样也在显示器或其他显示设备上显示供操作者观察。

ECD校准点的选择和定位

在本发明中，选择和定位校准点以便使为获得一ECD基线函数所必需的ECD测量的数量最小。ECD基线函数对于给定的RPM和流量表示的是在缺少岩屑或其他意料不到的情况下ECD的读数。

现在参照图3A-C，RPM-流量图表示本发明ECD校准的ECD校准点选择。确定最大安全RPM(RPM_SAFE)和最大安全流量(Q_SAFE)，以建立所必须做的任何ECD校准点测量的外限。如将在下面参照图5A的步骤501-502所详细描述的，将这些安全点选择为RPM和流量的组合，在此导致某些最大的可容许ECD(ECD_MAX)。

在一实施例中，经验表明，如果采用这里所描述的校准外限和“重心”方法的话，一个ECD校准所必需的最佳数量点不超过9个。根据本发明在所有9个点测量之后，就应该能得到一个成功的适配。然而在少于头3次测量的早期也可能得到一个成功的适配。

如图3A所示，原点(0，0)加上RPM_SAFE和Q_SAFE限定了一个区域，该区域由四个边界点限定：(0，0)、(Q_SAFE，0)、(0，RPM_SAFE)(Q_SAFE，RPM_SAFE)。这些最初的4个ECD校准点ECD₁、ECD₂、ECD₃、ECD₄限定了校准范围，也就是，所有校准点将在此校准范围内测量。为了用最小校准点数量得到此区域的“最佳覆盖”，又一个ECD校准点(ECD₅)应该位于此区域的“重心”，如图3B所示。此点将位于校准范围的重心或其附近，也就是在(Q_SAFE／2，RPM_SAFE／2)。

如图3C所示，最初的5个校准点限定了4个区域，这四个区域可以用北、南、东和西区域或校准方格的分区来表示。每个分区可以用各自的分别位于每个分区或单元重心的ECD校准点(ECD₆，ECD₇，ECD₈，ECD₉)来最佳覆盖。在一个可选实施例中，四个分区的每一个分区用随后的校准点还可以再分，但是经验结果表明，9个校准点就足以得到一个与所检测数据良好适配的函数。

ECD校准点的排序

在本发明的一个实施例中，APWD工具210操作如下。在低和高流量期间，APWD工具210连续进行压力测量并将压力测量值存储在局部存储器中。在一给定流量和RPM及进行压力测量的情况下，启动泵215的过程可以认为是一个测量阶段。在这样的测量阶段中，所测量的连续压力读数将趋向于下降(或上升)，例如以指数方式，从最初的测量值下降(或上升)到较稳定的测量值。这样，接近测量阶段终点的最后压力测量将是一个稳定的压力测量，只要此测量阶段持续足够长的时间以实现测量的稳定。最后的稳定压力测量是为校准目的所需的压力测量。

在高流量的过程中，每一个连续测得的压力测量存储在存储器中并且还通过泥浆脉冲遥测被传输到地面。但是，在低流量的过程中，没有数据通过泥浆脉冲遥测被传输到地面。但是，在一个低流量测量阶段结束时，所述APWD工具存储器被处理以包含与所述测量阶段相对应的最终稳定压力测量。

在本发明的一个实施例中，APWD工具210是这样配置的，即，在高流量下测量阶段开始时，此工具首先将包含前一个低流量测量阶段中存储在存储器中的最后稳定压力测量的原始数据信息传输给地面。这样，在一足以允许泥浆脉冲遥测的流量下启动泵215，APWD工具自动传输以前存储的数据信息，继之以恢复实时压力测量和传输。

在当前高流量测量阶段进行的压力测量将趋向于稳定，并且其中一个在当前高流量测量阶段终点附近所传输的当前压力测量值在地面上可以用作当前测量阶段的稳定压力测量值。在一实施例中，在当前高流量测量阶段期间所作的最后压力测量值被当作此测量阶段的稳定压力测量，因为带原始数据信息传输的稳定低流量压力测量将是所进行的低流量测量阶段期间所作的最终压力测量。

这样，在本发明中，ECD／压力测量是这样排序的，即每个低流量测量阶段后面是一个高流量测量阶段。这就保证了在测量过程中低和高流量情况下的所有压力测量实时传输给地面。因此，只要一个高流量测量跟随着每个低流量测量，本发明允许即使在低流量情况下也能进行井下压力测量。

实际上，在低和高流量阶段之间变换进行ECD测量。这就保证了在一低流量下进行的每个压力或ECD测量后面跟随着一个高流量下的测量，所以APWD工具210传输所存储的压力测量值和当前的压力测量值。因此，ECD校准点排序成能够允许实时传输压力测量，一个是存储在存储器中在低流量下进行的前一个压力测量，一个是当前高流量下进行的当前压力测量。

现在参照图4，表示根据本发明的一个实施例，图3A-C中ECD校准点的排序。此排序保证了在低流量下的每个ECD校准点后面跟随着一个高流量下的ECD校准点。例如，低流量测量阶段期间在低流量测量阶段的终点进行的第一压力测量值存储在APWD工具的局部存储器中。在下一个(高流量)测量阶段，在高流量测量阶段开始时，此第一校准压力测量传输给地面，随后是每个当前的压力测量，包括在地面上可作为当前压力测量阶段的稳定压力测量的最后的当前压力测量。这样，对于每个跟随在低流量测量阶段后的高流量测量阶段，地面上接收了两个稳定压力测量。如上所述，这两个稳定的压力测量由计算机218转换成ECD测量。

因此，在一个实施例中，9个ECD校准点如图4所示排列。在Q_SAFE和RPM_SAFE确定之前，首先测量ECD校准点ECD₁和ECD₂，因为这些测量用于设定Q_SAFE和RPM_SAFE，也就是准确的校准范围边界。ECD₃在随后的剩下的ECD测量中测量，测量是成对进行的。现在参照图5A-B，表示本发明ECD校准方法500的流程图。

为了开始校准阶段，收集各种输入参数，如步骤501所示及在标题为“定义”下的部分所定义的，包括最大允许流量(Q_MAX)、最大允许RPM(RPM_MAX)、最大容许ECD(ECD_MAX)和Q_MWD。这些参数用于确定ECD₂的位置，也就是用于确定RPM₂和Q₂。步骤501的输入数据可以输入到一个在PC219中运行的合适ECD校准程序中，如电子制表软件。

例如，这些参数可以通过询问钻机客户或操作者最大的可容许参数来确定。例如，ECD_MAX是客户同意、避免“液压”损害的ECD最大值。此对应于(RPM，Q)组合，保证了ECD不会超过套管鞋的压裂梯度。类似地，RPM_MAX和Q_MAX是客户同意的、避免“机械”损害的RPM和Q的最大值。例如RPM_MAX和Q_MAX是可由钻机设备、套管或孔所控制的RPM和Q的最大值。ECD基线函数所要求的精度用ε_MAX表示。可用磅／每加仑(ppg)表示，例如ε_MAX可以为±0．1ppg。这表示函数ECD=F(RPM，Q)预报每个所测量的ECD校准点的精度。

理论上，ECD₂应该选择在由Q_SAFE和RPM_SAFE所限定的校准范围的重心，然而这些点是未知的。因而RPM₂和Q₂选择如下。首先，如步骤502所示，Q₂选择成Q_MWD和最大允许流量Q_MAX一半中的较高者，也就是，Q₂=MAX(Q_MAX／2，Q_MWD)。这就保证了Q₂将足够高以启动泥浆脉冲遥测，如果需要靠近由Q_MAX所限定的范围的中间，也可更高。根据Q₂沿其轴线的位置比例，RPM₂位于0与最大允许RPM(RPM_MAX)之间相应的位置上，也就是，RPM₂=RPM_MAX·(Q₂／Q_MAX)。

一旦确定了校准点ECD₂的位置，就测量(校准)了校准点ECD₁和ECD₂。首先在Q=0的流量下校准原点处的ECD校准点ECD₁，当然该流量是一个低流量不足以启动泥浆脉冲遥测。这样，当泵215关掉后，压力测量就存储在APWD工具210的存储器中。其次，在流量Q₂和RPM₂下启动泵215来测量ECD校准点ECD₂，这里Q₂应该保证是一个高流量。在校准点ECD₂测量期间，APWD工具首先将对应于点ECD₁的压力读数传输给地面计算机218。然后APWD工具进行将当前压力读数传输给地面，这些数据中的一个(例如最后一个)在地面上将被选作ECD₂。计算机218将这两个校准压力读数传输给用于校准点ECD₁和ECD₂的ECD测量。

然后，分析点ECD₁和ECD₂的ECD读数来选择Q_SAFE和RPM_SAFE以最佳界定校准精确范围，如步骤502所示。这些校准点由计算机218确定，该计算机将相应的压力测量转换成ECD测量，以及例如将结果显示在监视器或其他显示设备上。计算机218所显示的ECD测量进入一个适用的应用程序，如一个电子制表程序，该程序运行在计算机如膝上型计算机219上，并确定RPM和流量应该如何设定和在后面的ECD测量中如何使用。

在一实施例中，第一次假设是，仅仅对于预报Q_SAFE和RPM_SAFE的目的来说，ECD关于Q和RPM是线性的。因此，具有两个校准点[(0，0)，(Q₂，RPM₂)]和两个相应的ECD值(ECD₁和ECD₂)，我们可以线性推断什么样的(Q_SAFE，RPM_SAFE)将导致ECD_MAX。一个附加约束要求，Q_SAFE和RPM_SAFE分别不能超过Q_MAX和RPM_MAX。因而：

Q_SAFE=MIN[Q_MAX，{Q₂·(ECD_MAX-ECD₁)／(ECD₂-ECD₁)}]

RPM_SAFE=MIN[RPM_MAX，{RPM₂·(ECD_MAX-ECD₁)／(ECD₂-ECD₁)}]

在这一点上，确定了校准范围。校准点ECD₂将处在或至少接近此范围的重心，也就是：

Q₂=MAX(Q_MAX／2，Q_MWD)Q_SAFE／2；

RPM₂=RPM_MAX，(Q₂／Q_MAX)RPM_SAFE／2．

其次，在Q₃=Q_SAFE和RPM₃=RPM_SAFE的位置测量ECD校准点ECD₃。这是在一个高流量下的测量(因为Q_SAFE／2确保大于或等于Q_MWD)。因此，在校准点ECD₃测量后，校准点ECD₁、ECD₂和ECD₃的ECD测量在地面上是可获得的。

在这一点上，如步骤503所示，一个适用的曲线拟合程序，如一个适当配置的电子制表软件，可以在计算机如PC219上运行来试图发现一个函数(ECD基线曲线或函数)，该函数在指定的准确度内符合这三个校准点。这可以通过将迄今为止所测量的ECD校准点输入PC219来进行，并由计算机218来显示。如果残余符合度(residual fit)或误差ε²＜ε_max ²，那么根据这三个点所产生的ECD基线函数能够使用并且校准程序可以中止。因而此ECD基线函数在随后的钻探期间可用于分析目的。

另外，测量随后的两个校准点ECD₄，ECD₅(步骤504)并尝试进行一第二次拟合(步骤505)。另外，如果由ECD基线函数所产生的曲线在指定的精度范围之内与5个校准点相符，校准程序可以中止；否则，测量随后的两个点(ECD₆和ECD₇)(步骤506)并尝试进行又一次(第三次)曲线拟合(步骤507)。如果ECD基线函数在指定的精度范围内与这7个校准点相符，可以停止校准程序；否则，测量最后两个点(ECD₈和ECD₉)(步骤508)，然后进行完全插补(步骤509)，预期得到一个适用的ECD基线函数。

因而，在一实施例中，在第一次的三个ECD测量之后，在地面进行和接收每次ECD数据测量，尝试产生一个与迄今为止所测量数据相拟合的函数。因而，在测量点ECD₃之后进行这样的尝试；在点ECD₄和ECD₅之后；在点ECD₆和ECD₇之后；以及又在ECD₈和ECD₉之后进行这样的尝试。通常，当完成ECD校准后，其目的是发现一个足够接近符合所测量ECD校准点的公式关系ECD=F(RPM，Q)。曲线拟合技术和在本发明中所采用的相应的公式将在下面标题为“ECD基线曲线拟合”部分中详细描述。

无论使用哪一种曲线拟合技术，如上所述，根据本发明所产生的ECD校准点比传统ECD校准技术具有几个优点。本发明的ECD校准点具有较好的数据点，比简单“暴力”型矩形矩阵更符合曲线。此外，由于总体上通过将ECD点放置在各种区域的重心位置，在此，校准区域由ECD点的顶点所分割，所选择的点具有足够的校准覆盖范围，所以就需要较少的点。此外，在一系统内通过在低流量和高流量点之间变换，该系统允许一存储在存储器中的在前数据结构连同当前数据一起传输，在高泥浆流量(Q)测量期间，在无需将BHA从井下取出或利用钢丝绳附带的工具读取存储在存储器中数据的情况下，就可以进行实时ECD测量。此外，由于ECD点的智能选择和每次接收到一对新数据点后将曲线与点拟合的尝试，即使在所有9个测量进行之前，在某些情况下也可以中断ECD校准。

在优选实施例中，可以利用不同序列的ECD校准点，只要在低流量的每个点后跟着一个高流量点。

ECD基线曲线拟合

如上所述，从测量ECD校准点所得出的ECD基线函数为这种形式即ECD=F(RPM，Q)。为了建立这样一种关系，尝试进行一种多项式拟合。然而，本发明人已经认识到RPM方向与这样的拟合是不相关的，只要考虑环空摩擦压力损失；相反的流动方向仅改变环空摩擦压力损失的符号。

因而，在本发明的一个实施例中，函数F(RPM，Q)遭受约束，即它必须是对RPM为偶函数和对Q为奇函数，除了任何的残余常量，该常量RPM为偶函数而Q不受约束。如果使用奇数幂级的RPM，例如，函数F(RPM，Q)在O处将是不连续的以及将不会是可微分的。因此，在本发明中，一种多项式拟合是如下形式： ${\mathrm{ECD}}_{\mathrm{RPM},Q}=F(\mathrm{RPM},Q)=\underset{j^{\′}\mathrm{Eve}{n}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}{a}_j{\mathrm{RPM}}^j+\underset{i^{\′}\mathrm{Od}{d}^{\′},j^{\′}\mathrm{Eve}{n}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}{b}_{i,j}.Q^i,{\mathrm{RPM}}^j------\left(1\right)$

这里a_j和b_i，j是一些常数。(可选地，可用一种插补型覆盖来取代多项式拟合。在此情况下，必须高度注意来确保必要的对称保持。)

使用具有这些约束的曲线拟合技术的另一个优点是，它增强了提供静态读数的条件和提供压力摩擦损失的条件。这样，公式(1)可以变成如下的更通用的公式： $F(\mathrm{RPM},Q,\mathrm{MD},\mathrm{TVD})=\underset{j^{\′}\mathrm{Eve}{n}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}{a}_j{\mathrm{RPM}}^j+(\underset{i^{\′}\mathrm{Od}{d}^{\′},j^{\′}\mathrm{Eve}{n}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}{b}_{i,j}.Q^i.{\mathrm{RPM}}^j)\×\frac{{\mathrm{TVD}}_{\mathrm{CS}}}{\mathrm{TVD}}\×\frac{\mathrm{MD}}{{\mathrm{MD}}_{\mathrm{CS}}}------\left(2\right)$ 泥浆和粘度的轻微变化也能够计算出，只要流动状态(层流或湍流)的变化是无关紧要的。因此，公式(2)可以进一步变化如下：

在标题“定义”下面的部分包括这里所采用的符号和缩写的定义。

“完全插补”型拟合，也就是将本公式所有9个ECD校准点的应用，即：

其中而F_1，6，8(RPM，Q)=A_1，6，8+B_1，6，8·Q+C_1，6，8·RPM²F_5，7，8(RPM，Q)=A_5，7，8+B_5，7，8·Q+C_5，7，8·RPM²F_4，6，9(RPM，Q)=A_4，6，9+B_4，6，9·Q+C_4，6，9·RPMF_3，7，9(RPM，Q)=A_3，7，9+B_3，7，9·Q+C_3，7，9·RPMF_{2，6，7，8，9}(RPM，Q)=A_{2，6，7，8，9}+B_{2，6，7，8，9}·Q+C_{2，6，7，8，9}·RPM+D_{2，6，7，8，9}·Q²+E_{2，6，7，8，9}·RPM²

不难理解，上述加权函数“F”是对拟校准范围不同区域的ECD校准点的简单多项式拟合，并且上述加权函数“f”是相关的加权函数(为了保证从一个多项式拟合到另一个多项式拟合的平滑过渡)。图6表示用于本发明ECD校准的5个加权函数“f”的图。

在校准期间，如果根据公式(4)做了曲线拟合，则完全插补型拟合，提供了所观察到的不同ECD点的“最好”再现，考虑物理限制(对称性)并将校准范围分成5个(交叠的)区域，并且考虑由每个校准点所覆盖的单个区域。

此外，为了考虑钻探进行时井孔几何上的变化和／或泥浆特性的轻微变化，同样地修改公式(1)以产生公式(3)，也可以修改公式(4)以产生公式(5)： $\mathrm{ECD}=({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Mud}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Mud},O})+F(\mathrm{RPM},O)+\left\{F(\mathrm{RPM},Q)\right\}\×\frac{{\mathrm{TVD}}_{\mathrm{CS}}}{\mathrm{TVD}}\frac{\mathrm{MD}}{{\mathrm{MD}}_{\mathrm{CS}}}\×\frac{v_{\mathrm{Mud}}}{v_{\mathrm{Mud},O}}\left(5\right)$

经验数据

现在参照图7，根据本发明的一个实施例，图7表示一个利用9个校准点所作的完全插补法的例子，其采用上述公式(4)或(5)。图7所示举例数据是通过对一些真实的但不是最佳的数据进行本发明的完全插补以验证插补工作良好且不会产生任何不正常峰值或其他反常的数据而得到的。

将本发明有效的ECD校准能将ECD校准所需的时间从差不多2小时缩小到仅仅20分钟，以及更少(当所需校准点小于9个时)。此技术允许产生正常的ECD基线函数，该函数允许来自ECD校准的不连续测量之间的ECD值插补。此外，当钻探进行和井孔几何形状改变和／或泥浆特性轻微改变如密度和粘性改变时，本发明的ECD插补延伸到在套管鞋处所作的ECD校准的有效范围。

定义

MD                测量深度

MD_CS             套管鞋处的测量深度

TVD               真垂向井深

TVD_CS            套管鞋处的真垂向井深

ρ_Mud            泥浆重量(MUD WEIGHT)

ρ_Mud，0           ECD校准期间所用的泥浆重量

γ_Mud             泥浆粘度

г_Mud，0           ECD校准期间的泥浆粘度

APWD              随钻环空压力

RPM               每分钟转数

Q                 流量

ECD               等效循环密度

RPM_Max           客户同意的最大RPM(避免“机械”损害)

Q_Max             客户同意的最大Q(避免“机械”损害)

ECD_Max           客户同意的最大ECD(避免“液压”损害)

Q_MWD             启动MWD泥浆脉冲遥测所必须的流量

RPM_I            不同校准点的RPM

Q_I              不同校准点的流量

RPM_Safe          在ECD校准期间不会超过的RPM

Q_SAFE            在ECD校准期间不会超过的Q

ECD_i            在不同校准点所测量的ECD(特定的RPMi和Qi)

ECD_I            在不同校准点所“拟合”的ECD(最小乘方多项

             式拟合之后)

Max              客户所要求的ECD精度(一般为0．1ppg或更小)

             测量ECD与“拟合”ECD之间的最大残余误差，定

        义为：Max(︱ECD_i-ECD′_i︱)

               iF_1，6，8(PPM，Q)        对校准点数1，6和8的ECD多项式拟合F_5，7，8(RPM，Q)        对校准点数5，7和8的ECD多项式拟合F_4，6，9(RPM，Q)        对校准点数4，6和9的ECD多项式拟合F_3，7，9(RPM，Q)        对校准点数3，7和9的ECD多项式拟合F_{2，6，7，8，9}(RPM，Q)    对校准点数2，6，7，8和9的ECD多项式拟合f_1，6，8(RPM，Q)        与校准点数1，6和8有关的加权函数f_5，7，8(RPM，Q)        与校准点数5，7和8有关的加权函数f_4，6，9(RPM，Q)        与校准点数4，6和9有关的加权函数f_3，7，9(RPM，Q)        与校准点数3，7和9有关的加权函数f_{2，6，7，8，9}(RPM，Q)          与校准点数2，6，7，8和9有关的加权函数a_j，b_i，j，ρ₀，q，       均为多项式系数r₂，Q₃，qr₂，A_α，B_α，C_α，D_α，E_α

液压校准

上面已经关于ECD校准描述了本发明。如上所述，当泥浆循环时，ECD是密度测量，当泥浆不循环时，ESD是密度测量。这样，在属类上，ESD和ECD是同样的，也就是APWD的井下压力除以TVD。这样，实际上本发明的ECD校准通常为等效密度测量的校准，也就是ECD和ESD的校准。

如上所述，井下环空压力以及ECD是难于模拟的，因为它依赖于已知的因素如RPM和Q，以及其他因素如泥浆特性、钻杆偏心度和孔的几何形状，这些是不可预知的和／或难于模拟的。因此，本发明的校准不仅可用于校准ECD，而且也可用于校准井下压力和任何其他液压或与压力有关的测量，这些测量依赖于RPM和／或流量、也依赖于其他不可预知的或难于模拟的因素或条件。

因而，在一可选实施例中，本发明提供了关于任何液压测量的液压校准，它是RPM和／或流量的函数。这样的液压测量包括压力本身，如井下压力或立管压力，和其他测量如ECD测量，该ECD测量是从压力测量得到的或者是此压力测量的函数。这样，这里所描述的液压校准技术可用于建立一个关于ECD、关于井下压力或关于立管压力的基线函数。

立管压力是在地面处被泵送到钻杆内的泥浆流体的压力，其由地面泥浆泵之后的传感器测量。在钻探期间，立管压力也是一个重要的指标，它对没有发展成严重问题之前的早期分析和监测问题有用。就象ECD和井下压力，正常的立管压力不能始终被可靠模拟。因此，利用上述校准技术，在钻探期间的给定RPM和流量情况下，可以研究出立管压力基线函数，该函数表示正常的或所预期的立管压力对RPM和／或流量的关系，实时立管压力可以与其相比。

在一可选实施例中，本发明的液压校准可用于校准其他液压或与压力有关的测量，所述测量依赖于RPM和／或Q，如涡轮机每分钟转数(TRPM)和随钻内部压力(IPWD)。TRPM强烈依赖Q，更少程度上依赖RPM，可以通过将它转换成一泥浆流量来校准。IPWD压力也强烈依赖Q，而在较少程度上依赖RPM。

根据本发明开发的液压基线函数可用于在随后的钻探期间分析和监测每个液压测量。具体来说，如果当前液压测量(值)与由液压基线函数所确定的预期液压测量(值)相比太高或太低，就进行修正或其他相应的步骤。这样，在设定液压测量后，随后进行钻探期间的液压测量，每次测量是在一特定的钻杆柱RPM和流量下进行。对于每次这样的当前液压测量，在当前钻杆柱RPM和流量下，利用液压基线函数来确定所预期的液压测量。当前液压测量与预期液压测量相比较来判断差别是否超过预定的界限。如果超过界限，可以进行修正此问题的步骤。液压校准可以在需要时重复进行，举例来说，每数小时的钻探或只要条件发生显著变化时。

应该理解的是，为了解释本发明的特性，本领域技术人员在不脱离附属权利要求描述的本发明原则和范围的情况下，可以对上述细节、材料和部件配置作出各种改变。

Claims (10)

1、一种在钻探系统中用于液压校准的方法，该系统用于从地面钻探一个井孔，包括下列步骤：

(a)进行多个液压校准测量，在一液压校准范围内，每个液压校准测量分别在各自的钻杆柱RPM和流量下进行；和

(b)确定一个液压基线函数，该函数在一预定的精度范围内预报多个液压校准测量中的每一个液压校准测量。

2、根据权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：

(c)在钻探期间，在各自的钻杆柱RPM和流量下进行随后的液压测量；

(d)利用液压基线函数确定在此钻杆柱RPM和流量下的预期液压测量；以及

(e)将随后的液压测量与预期液压测量进行对比，判断它们之间的差别是否超过一预定的界限。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个液压校准测量是一个等效密度校准测量；液压校准范围是一个等效密度校准范围；而液压基线函数是一个等效密度基线函数。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，液压校准测量是通过进行一井下环空压力测量并将所测量的井下压力除以在进行该压力测量处的真垂向井深得到的。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多个液压校准测量分布在液压校准范围内以覆盖液压校准范围的顶点以及液压校准范围的重心和由所说校准测量所限定的分区的重心。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，液压基线函数是一钻杆柱RPM和流量Q的函数，在此该函数对RPM为偶函数，对Q是奇函数。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括下列步骤：

(1)按照一种顺序进行多个液压校准测量，所说顺序为每个在不足以进行泥浆脉冲遥测的流量下的液压校准测量之后跟着一个足以进行泥浆脉冲遥测的流量下的液压校准测量；

(2)将每个在不足以进行泥浆脉冲遥测的流量下的液压校准测量存储在井孔中的存储器中；和

(3)在流量足以进行泥浆脉冲遥测的当前液压校准测量期间，将一存储在存储器中的液压校准测量和当前液压校准测量通过泥浆脉冲遥测从井孔传输到地面。

8、根据权利要求7所述的方法，还包括如下步骤：

(4)在测量第一次的两个液压校准点后，进行随后的液压校准点测量，根据已经测量的液压校准点来生成液压基线函数，并将液压基线函数的残余符合度与残余符合度界限进行对比，重复所述生成和对比过程，直至残余符合度小于残余符合度界限或直至测量完所有的液压校准点。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)和(b)包括下列步骤：

(1)在液压校准范围的原点进行第一次液压校准测量，并将第一次液压校准测量存储在井孔中的存储器内，其中进行第一次液压校准测量时的流量不足以进行泥浆脉冲遥测，然后在液压校准范围的重心或其附近进行第二次液压校准测量，其中进行第二次液压校准测量时的流量足以进行泥浆脉冲遥测，并将存储在存储器中的第一次液压校准测量和第二次液压校准测量通过泥浆脉冲遥测传输到地面；

(2)在地面根据第一次和第二次液压校准测量来确定限定了液压校准范围的最大安全RPM和最大安全流量；

(3)在此最大安全RPM和此最大安全流量下进行第三次液压校准测量，并将第三次液压校准测量通过泥浆脉冲遥测传输给地面，并根据此前三个液压校准点来生成液压基线函数；和

(4)如果液压基线函数对此前三个液压校准点的残余符合度大于残余符合度界限，那么在零流量和最大安全RPM下进行第四次液压校准测量，并将第四次液压校准测量储存在存储器中，在最大安全流量和零RPM下进行第五次液压校准测量，通过泥浆脉冲遥测将存储在存储器中的第四次液压校准测量以及第五次液压校准测量传输给地面，并根据此前五个液压校准点来生成液压基线函数。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(a)和(b)还包括下列步骤：

(5)如果液压基线函数对此前五个液压校准点的残余符合度大于残余符合度界限，那么在校准区的西区重心处进行第六次液压校准测量，并将第六次液压校准测量储存在存储器中，在校准区的东区重心处进行第七次液压校准测量，通过泥浆脉冲遥测将存储在存储器中的第六次液压校准测量以及第七次液压校准测量传输给地面，并根据此前七个液压校准点来生成液压基线函数；以及

(6)如果液压基线函数对此前七个液压校准点的残余符合度大于残余符合度界限，那么在校准区的北区重心处进行第八次液压校准测量，通过泥浆脉冲遥测将第八次液压校准测量传输给地面，在校准区的南区重心处进行第九次液压校准测量，通过泥浆脉冲遥测将第九次液压校准测量传输给地面，并根据所有九个液压校准测量点利用完全插补法来生成液压基线函数。

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