[发明专利]用于地下地层的定向钻井中的最优工具面控制的系统、方法和设备

说明书

描述了辅助穿过地下地层的定向钻井的系统、方法和设备。提供一种模型，所述模型指示：(i)在BHA与穿过地下地层的非线性钻孔的壁的一个或多个接触点处的一个或多个摩擦力；(ii)在所述一个或多个接触点之间的所述BHA的一个或多个内部扭矩；和(iii)在所述一个或多个接触点之间的钻柱的一个或多个内部扭矩。基于所述模型，针对钻井系统确定工具面严重性，所述工具面严重性对应于针对所述BHA的所施加钻压(WOB)的变化的角偏转的变化。基于所述工具面严重性与不同设计的另一工具面严重性的比较来选择用于所述钻井系统的设计。钻井可通过具有底部钻具组合(BHA)的钻井系统来执行，所述钻井系统被优化以减少沿着非线性钻孔的工具面定向上的波动。

优先权要求

本申请要求在2017年6月21日提交的关于“用于地下地层的定向钻井中的最优工具面控制的系统、方法和设备”的美国专利申请序号15/629,378的提交日期的权益。本申请还要求在2016年11月29日提交的美国临时专利申请序号62/427,321的权益，每一个所述专利申请的内容和公开内容特此通过引用全文并入。

技术领域

本公开的实施方案涉及地下地层的非线性钻井、诸如定向钻井中的工具面控制。一些实施方案涉及用于对钻井系统在各种钻压值下的工具面响应进行计算机辅助建模的技术，而其他实施方案涉及合并这些技术以优化工具面控制的系统和方法。

背景技术

许多定向钻井系统使用弯曲马达(诸如弯曲马达AKO系统)沿着曲线或非线性路径进行钻井。用户尤其通过控制在底部钻具组合(BHA)的远端处的钻头的工具面方向来操纵这种系统。

司钻于钻塔处监测定向钻井期间的工具面定向的变化，并且利用弯曲马达对其作出响应，这是因为钻柱上的扭矩能够使钻井系统偏离预期的钻井路径。司钻通常经由制动器来调整钻压(WOB)，以控制钻速(ROP)和钻柱上的扭矩。增大WOB通常引起ROP增大，但是也能够导致工具面控制的损失，并且因此导致不延循预期钻井路径的BHA的轨迹。因此，可能需要司钻定期地暂停钻井并且重定向BHA，以维持预期的钻井轨迹。

司钻通常依赖于其关于给定BHA的经验来估计可以施加的最大WOB，以便在维持工具面控制的同时使ROP达到最大。如果司钻不熟悉钻头或BHA、钻井路径或要钻通的一种或多种地层材料，则沿着预期路径有效地并且准确地钻井的能力可严重受损。此外，如果司钻选择攻击性钻头并且低估钻头对工具面控制的影响，则用于维持工具面控制的WOB可能减慢钻井操作，降低利用效率，并且通常使成本增加，同时降低盈利能力。其他问题和缺点也可以存在于现有技术中。

因此，需要帮助克服上文描述的限制和缺陷的工具。

发明内容

根据与附图和详细描述相结合的以下概述，本公开的方面和优点对于所属领域的普通技术人员将是显而易见的。

本公开的一个或多个实施方案包括设计具有底部钻具组合(BHA)和钻柱的钻井系统的计算机实现的方法。这些方法的一个或多个实施方案包括提供模型。所述模型可以指示：(i)在所述BHA与穿过地下地层的非线性钻孔的壁的一个或多个接触点处的一个或多个摩擦力；(ii)在所述一个或多个接触点之间的所述BHA的一个或多个内部扭矩；和(iii)在所述一个或多个接触点之间的所述钻柱的一个或多个内部扭矩。基于所述模型，可以针对所述钻井系统确定工具面严重性。所述工具面严重性可以对应于针对所述BHA的所施加钻压(WOB)的变化的角偏转的变化。可以基于所述工具面严重性与不同设计的另一工具面严重性的比较来选择用于所述钻井系统的设计。

其他实施方案包括穿过地下地层定向钻井的方法。这些方法的一个或多个实施方案可以包括利用具有底部钻具组合(BHA)的钻井系统进行钻井，所述钻井系统被优化以减少沿着非线性钻孔的工具面定向上的波动。用于减少沿着非线性钻孔的工具面定向上的波动的优化可以基于对钻速、钻压和角偏转的一个或多个预测。