[发明专利]用于测量表面扭矩振荡性能指数的方法

说明书

一种用于通过以下方式用钻机钻井眼的系统和方法：用钻机驱动系统旋转钻柱和钻头；在钻机上施加钻柱的重量；经由以下方式测量钻柱的表面扭矩振荡：确定基本振荡时间段；基于基本振荡时间段选择一时间窗口；收集在选定的时间窗口内的钻柱的扭矩当前值数据；从所收集的扭矩当前值数据确定扭矩振荡的幅度；确定参考扭矩；以及将确定的扭矩振荡幅度除以确定的参考扭矩，以获得表面扭矩振荡性能指数，从而钻柱表面扭矩振荡的测量结果是表示钻柱的表面扭矩波动的大小和严重性的分数值；以及基于所述表面扭矩振荡性能指数修改钻井参数。

交叉参考相关申请

本申请基于并要求于2017年12月19日提交的美国申请序列号15/846,265的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开总体上涉及钻井领域。更特别地，本发明涉及测量表面扭矩振荡性能指数，以控制钻井操作、开始/停止粘滑(stick slip)减缓控制，以及涉及钻机和粘滑减缓控制算法之间的性能比较。

背景技术

顶部驱动器是钻机设备，位于钻机底板上方，并沿井架竖直移动。它是一种旋转机械装置(设备，设备)，主要提供钻头钻穿地层所需的扭矩。顶部驱动器主要由AC/DC变频驱动器(VFD)控制。VFD计算扭矩值并将其报告给钻机控制系统。

钻柱的高振幅旋转振荡是钻井时的常见问题。它们是由钻头与井底和钻柱与井孔壁的相互作用所产生的扭矩以及缺乏对旋转振荡的阻尼的组合所产生的。阻尼很小的原因之一是，钻头-岩石相互作用不提供任何阻尼，并且确实可以放大振荡。

如SPE 18049中所解释的，井底钻具组件的滑粘运动可以看作是最低的扭转模式(称为摆模式)的极端自持振荡。这种运动的特征是有限的时间间隔，在该有限的时间间隔内，钻头不旋转，钻杆部分被旋转台或顶部驱动器扭转。当钻柱扭矩达到一定水平(由井底钻具组件的静摩擦阻力确定)时，井底钻具组件会自由断裂并加速至标称速度的两倍以上，然后减速并完全停止。显然，这样的运动代表钻杆中很大的循环应力，这会导致疲劳问题。另外，滑移阶段的高钻速水平会在井底钻具组件中引起严重的轴向和横向振动，其可能损坏连接。最后，通过滑粘运动钻井可能会导致钻头过度磨损，并降低钻速。与扭转钻柱振动，特别是滑粘振荡相关的驱动扭矩的频率分析显示，存在大量的扭转钻柱共振。在钻柱共振频率处曲线的锐度表明扭转钻柱振动几乎没有衰减。Halsey,Kyllingstad,and Kylling,“Torque Feedback Used to Cure Slip-Stick Motion,”SPE 18049,1988。

粘滑产生了从钻柱底部传回地面的扭力波，在顶部驱动器扭矩读数处可以看到扭力波，这些扭力波显示出不同幅度的振荡。很少有现有技术的方法来系统地建立表面扭矩振荡度量。整体并入本文的US2016/0076354公开了一种通过在选定的时间段内度量来自至少一个传感器的表面扭矩值来检测钻柱中的粘滑的方法。使用带通滤波器对测量值进行滤波，并基于确定的钻头深度动态调整滤波器的频带。从滤波后的数据中捕获最小和最大扭矩值，并使用这两个值确定差值。通过将最大扭矩值和最小扭矩值之差除以在选定的持续时间段内的移动平均扭矩(乘以(time)2)来确定表面粘滑指数(SSSI)。

有关确定SSSI的方法的潜在问题包括：(1)分母(denominator)处的可变参考扭矩；(2)固定时间段。首先，SSSI是分数值，分子和分母都改变。必须知道此时的分子和分母的值才能确定振荡的幅度。当遇到不同的地层时，在该地层中，对于相同量(最大扭矩-最小扭矩)的振荡振幅，平均扭矩可能显著不同，使用选定时间段内的移动平均扭矩来计算SSSI可能不是表示粘滑的理想方式。其次，SSSI使用选定时间段的滑动时间窗来确定最大和最小扭矩值。由于振荡时间段随井深或管柱长度变化很大，因此使用固定时间段可能不有效。固定的时间段可能需要使用足够长来覆盖循环的不必要的大值。

因此，需要一种系统地建立表面扭矩振荡量度的方法和系统。

发明内容