[发明专利]用于优化钻探操作中的穿透速率的系统和方法

说明书

用于通过开发组合了井眼净化和钻探速率以优化性能的井眼净化模型来预测竖直、偏斜和水平井眼中的有效井眼净化的系统和方法。具体地，通过确保从ECD、岩屑输送、剪切稀化和触变属性方面对钻探泥浆具有影响的最佳泥浆流变值，并利用承载能力指数(CCI)和环空中的岩屑浓度(CCA)开发有效的井眼净化模型。

技术领域

本公开总体上涉及穿过地下地层的井眼的建造领域。更具体地，本公开涉及用于自动计算钻探操作参数值，并将其显示给钻探操作人员的方法，所述方法可优化这种井眼的钻探，并相对于钻探性能的基准来表征特定井眼的这种钻探性能。

背景技术

穿过地下地层钻探井眼包括从钻探单元或类似的升降设备悬挂钻管的“柱(string)”(“钻柱”)，以及操作一组钻探工具并使设置在钻柱底端的钻头旋转。可以通过从地面旋转整个钻柱和/或通过操作设置在一组钻探工具中的马达来使钻头旋转。马达可以例如由钻井液(“泥浆”)通过钻柱中的内部通道的流动来操作。泥浆通过钻头离开钻柱，并通过已钻的井眼壁和钻柱外部之间的环形空间返回到地面。返回的泥浆冷却并且润滑钻头，将岩屑/钻屑提升到地面，并且提供液体静压，以机械地稳定井眼并防止流体在压力下从暴露于井眼的某些可渗透地层进入井眼。泥浆还可以包括在暴露的地层上产生不可渗透的屏障(“滤饼”)的材料，该屏障的流体压力低于环形空间中泥浆的液体静压，使得没有任何大量泥浆会流入这种地层中。

钻探单元可以具有用于选择“钻探操作参数”的控制件。在本上下文中，术语“钻探操作参数”是指可由钻探单元操作者和/或相关人员控制的那些参数，并且作为非限制性示例，包括由钻探单元悬挂的钻柱施加到钻头的轴向力(重量)、钻头的旋转速度(“RPM”)、钻井液被泵送到钻柱中的速率、以及当使用某些类型的马达来使钻头旋转时钻柱的旋转取向或工具面(“TF”)。由于例如前述钻探操作参数的特定值，结果可包括将以特定速率且沿着轨迹(井路径)钻探(延长)井眼，且可导致钻井液在进入钻柱中的点处或接近该点处的特定测量压力(被称为立管压力(“SPP”))。前述内容是“钻探响应参数”的非限制性示例。

钻探时卡钻(stuck pipe)是石油工业中常见的问题。事实上，因为大位移水平钻探已经在非常规页岩区域中获得应用，卡钻已经成为非生产时间的更重要来源。遗憾的是，通常难以检测卡钻，直到卡滞事件已经发生之后才能检测到卡钻。

通常，运行用于在钻柱上产生锤击效果的钻探震击器，以提供“不卡”钻柱的方式。然而，大位移水平钻探已经改变了传统的想法，因为它通过限制力从井的竖直段传递到水平段而降低了震击器的有效性。为此，许多操作者已经停止在这些类型的井中运行钻探震击器。因此，操作者几乎没有办法检测/防止卡钻，使得在某种意义上，如果发生卡钻，则不能进行任何操作来解决该问题。

除了使用钻探震击器之外，许多操作者要求在钻探的同时以某种规则间隔泵送高粘度“扫掠(sweep)”。典型的频率包括对钻成的管道的每三个立管进行一次扫掠。“扫掠”意味着清洁钻头附近的井眼并减少卡钻变化。

操作者还依赖于钻机现场监督员的专业知识，以能够检测井何时被“过快地”钻探和/或是否在地面观察到即将发生卡钻的任何警告标志。操作者还可以通过远程战术操作中心(RTOC)远程监视钻探操作来补充这些工作。

在过去，可以在钻探期间绘制原始实时数据。为了确定合适的穿透速率，操作者依赖于人来解释泵压力、扭矩、钩载荷和其它参数是否落在“正常”或“可接受”范围之外。有时被称为“受控钻探”的穿透速率(ROP)的变化可以基于人类判断来进行。例如，可以基于该领域中的经验对ROP设置限制(即，操作者可能仅仅知道当最后一个问题发生时钻探进行得有多快)。另外，基于地面设备从通过流动线路到来的泥浆中简单地清除固体的能力，对ROP设置限制。

如将理解的，上述方法是高度主观的并且可能是不可靠的。在许多情况下，在一个井处使用的钻探规程仅简单地复制到下一个井，而不考虑地质、钻探条件等的变化。简言之，目前技术不足以缓解钻探过程中的卡钻。