[发明专利]使用目标函数的钻井咨询系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年8月7日提交的美国临时申请号61/232,275的权益。

技术领域

本公开一般地涉及用于改进钻井作业的系统和方法。更具体地，本公开涉及可结合烃相关钻井作业实施以改进钻井特性的系统和方法。

背景技术

本章节旨在向读者介绍现有技术的各个方面，其可能与本发明的实施方式相关。相信该讨论有助于向读者提供促进对本发明具体技术更好理解的信息。因此，应当理解，应据此阅读该陈述，而不必作为对现有技术的承认。

油气工业在烃资源的勘探和开发中花费大量的作业成本进行钻井。因为装置和人力开支基于时间，可认为钻井成本是时间的函数。至少以两种方式可使钻井时间最小化：1)使钻进速率(ROP)(即，钻头穿透土地的速率)最大化；和2)使非钻井的钻井时间(rig time)(例如，装卸装置以替换或修复装置、在钻井期间搭建井如安装套管和/或对井进行其他处理所花的时间)最小化。以往的努力试图致力于这些方法的每一个。例如，持续发展钻井装置以在促进更高的ROP时改进装置的寿命和装置的效率二者。而且，已经做出各种努力以模拟和/或控制钻井作业，以避免损坏装置和/或限制ROP的条件，如振动、钻头泥包等。

许多降低钻井作业成本的尝试已经集中在增加ROP。例如，美国专利号6,026,912；6,293,356；和6,382,331，每篇提出了用于增加ROP的模型和方程。在这些专利公开的方法中，操作员收集关于钻井作业的数据和确定可被改变以增加钻进速率的单个控制变量。在大多数例子中，控制变量是钻压(WOB)；模拟WOB和ROP之间的关系；并改变WOB以增加ROP。尽管这些方法可在给定时间点产生增加的ROP，但是该具体的参数变化不可能是在所有环境下整体钻井特性的最大益处。例如，钻头故障和/或其他机械问题可能源于WOB和/或ROP的增加。在活跃钻井期间，尽管ROP增加可进一步加快钻井，但是由损坏装置和需要替换和/或修理装置的装置装卸引入的耽搁可导致明显更慢的整体钻井特性。此外，其他参数的变化，如钻柱旋转速率(RPM)的变化，比沿着单个变量的简单优化，可更有优势并产生更好的钻井特性。

因为钻井特性不仅仅通过瞬时钻进速率测量，所以如在上面提到的专利中讨论的那些方法固有地受到限制。其他研究已经显示，通过考虑钻井作业的机械比能(Mechanical Specific Energy)和设计可使机械比能(MSE)最小化的钻井作业来提高钻进速率。例如，美国专利公开号US2008-0105424和国际公开号WO2007/073430——为了所有目的其每一篇通过引用以其整体并入本文——公开了在增加钻进速率的努力中使用的计算和/或监测MSE的方法。具体地，钻井作业随着时间的MSE用于确定限制钻进速率的钻井条件，通常称作塌积限制因素(founder limiter)。一旦塌积限制因素已经被确定，可改变一种或多种钻井变量以克服塌积限制因素并增加ROP。作为一个例子，MSE模式可指示，钻头泥包限制ROP。可在正在进行的钻井作业期间或通过装卸和改变装置，采用各种措施从钻头清除切屑并提高ROP。

近来，在使用人工神经网络优化钻井作业方面已经产生了额外的兴趣，例如US6,732,052B2、US7,142,986B2,和US7,172,037B2。但是，基于神经网络的方法的局限性抑制了它们的进一步应用。例如，结果精确性对于训练数据集和网络结构的质量是敏感的。其他问题是优化基于局部检索并且可能难于处理新的或高度可变的模式。

在另一种实例中，美国专利5,842,149公开了旨在自动调整钻井参数的闭环钻井系统。但是，该系统需要查表以提供ROP和钻井参数之间的关系。因此，优化结果取决于该表的有效性和用于产生该数据的方法，所以该系统可能缺乏对于不包括在该表中的钻井条件的适宜性。另一种限制是需要井下的数据以进行优化。

尽管这些过去的方法已经对钻井作业提供了一些改进，但是随着开发更难到达油藏中的烃资源并随着钻井成本的持续升高，仍然需要更加先进和更适宜的方法。进一步期望的改进可包括将优化努力从增加ROP扩展到优化通过如ROP、效率、停工时间等因素的组合测量的钻井特性。另外的改进可包括将优化努力从单个控制变量的迭代控制扩展到多个控制变量的控制。而且，改进可包括开发在正在进行的钻井作业期间能够建议作业变化的系统和方法。