[发明专利]钻探系统及用于对地下钻探操作中的振动进行预测的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于地下钻探的钻探系统，并且更具体地涉及一种用于对钻探操作的振动进行监测、控制和预测的方法。

背景技术

诸如燃气、油、或地热钻探之类的地下钻探通常涉及贯穿地底深处的地层进行钻孔。这种钻孔通过将钻头连接至称之为“钻杆”的长管段以形成通常称之为“钻柱”的组件来形成。钻柱从地表延伸至钻孔的底部。钻头旋转，使得钻头推进到土壤中，从而形成钻孔。在旋转钻探中，通过在地表处旋转钻柱来旋转所述钻头。地表处的泵将高压钻探泥浆泵送通过钻柱中的内部通道并通过钻头泵送出。钻探泥浆对钻头进行润滑，并冲洗来自钻头的路径的岩屑。在一些情况中，流动的泥浆还为通常称之为“泥浆马达”的钻探马达提供动力，该泥浆马达又转动该钻头。在任何情况下，钻探泥浆均通过在钻柱与钻孔的表面之间形成的环形通道流回至地表。一般而言，当钻头钻入到地层中的钻入速度尽可能高，同时钻探系统的振动尽可能低时，获得了最佳钻探。钻入速度(“ROP”)是多个变量的函数，所述多个变量包括钻头的旋转速度和钻压(“WOB”)。钻探环境并且尤其是硬岩钻探会将相当大的振动和冲击引入到钻柱中，这对于钻探性能具有负面影响。

通过钻头的旋转、用于使钻头旋转的马达、钻探泥浆的泵送、钻柱中的不稳定等引入了振动。振动会导致钻柱的多个部件的过早毁损、钻头的过早磨钝，或者会导致钻探系统部件的严重毁损。钻柱振动包括轴向振动、横向振动和扭转振动。“轴向振动”指的是在沿钻柱轴线的方向上的振动。“横向振动”指的是垂直于钻柱轴线的振动。横向振动通常由于钻柱在弯曲状况下旋转而发生。横向振动的两个其它原因是“正向”和“反向”、或“反转”涡动。“涡动”指的是钻头除了围绕其自身轴线旋转之外还环绕钻孔作圆周运动的情况。在反向涡动中，钻头沿与钻头的旋转方向相反的方向作圆周运动。在地下钻探中同样值得关注的“扭转振动”通常是称之为“粘滞滑动”的状况的结果。粘滞滑动在下列情况下发生，钻头和钻柱的下部管段暂时停止旋转(即，卡住)，同时钻柱的上部管段继续旋转，从而导致钻柱“扭曲”，此后，粘滞元件“滑动”并再次旋转。通常，钻头将在它解除扭曲时过速。

可将多种系统用于获得和处理与钻探操作相关的信息，这可有助于改进钻探效率。已经研发了这样的系统，所述系统可从钻头附近的传感器接收信息并对所述信息进行处理，且随后将所述信息传送至地表装置。其它系统可或者在钻探行程期间在井下确定或者在地表处确定井底组件的振动。这种系统中的许多系统利用有限元技术和/或有限差分技术来帮助分析包括振动信息在内的钻探数据。

发明内容

本公开内容的实施方式包括具体表现在永久性的计算机可读介质上的方法、计算机程序产品和用于对用于具有钻柱的钻探系统的振动信息进行预测的系统。所述钻柱包括构造成在钻探操作期间在土壤地层中形成钻孔的钻头。无论是否经由计算机程序产品实施或经由系统执行，所述方法都包括下列步骤：经由计算机处理器访问钻探系统部件信息，所述钻探系统部件信息包括所述钻柱的一个或多个特性；和经由所述计算机处理器访问用于所述钻探操作的预期操作信息，所述预期操作信息包括至少钻压(WOB)、所述钻头的旋转速度、钻孔直径、和振动阻尼系数。附加步骤包括经由所述计算机处理器对用于所述钻柱的振动信息进行预测，预测振动信息包括至少用于所述钻柱的轴向振动、横向振动、和扭转振动中的每一个的幅度。对所述振动信息进行的预测基于根据用于所述钻探操作的所述预期操作信息操作的所述钻柱的能量平衡和所述钻探系统部件信息进行。

本公开内容的另一实施方式是一种钻探系统，所述钻探系统构造成在钻探操作期间在土壤地层中形成钻孔。所述钻探系统可包括支承钻头的钻柱，所述钻头构造成限定所述钻孔。所述钻探系统可包括至少一个计算装置，所述至少一个计算装置包括存储部分，所述存储部分上存储有钻探系统部件信息，所述钻探系统部件信息包括所述钻柱的一个或多个特性。所述存储部分还包括用于所述钻探操作的预期操作信息，所述预期操作信息包括至少钻压(WOB)、所述钻头的旋转速度、钻孔直径、和振动阻尼系数。所述钻探系统还包括与至少一个存储部分通信的计算机处理器，所述计算机处理器构造成对用于所述钻柱的振动信息进行预测，预测振动信息包括至少用于所述钻柱的轴向振动、横向振动、和扭转振动中的每一个的幅度。对所述振动信息进行的预测可基于根据用于所述钻探操作的所述预期操作信息操作的所述钻柱的能量平衡和所述钻探系统部件信息进行。

附图说明