鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航優(yōu)化方法，該優(yōu)化方法對鉆井過程中采集的機械鉆速、鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行實時處理，得到機械鉆速與鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，同時考慮到鉆井參數(shù)調(diào)整受鉆機頂驅(qū)額定扭矩的限制、機械鉆速受到井眼清潔能力的影響以及鉆桿所能承受最大扭矩對鉆壓的影響，分別得到扭矩與鉆頭轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系、鉆壓與鉆頭轉(zhuǎn)速的安全窗口，考慮到鉆頭能量利用率，最終給出鉆壓與鉆頭轉(zhuǎn)速的優(yōu)化組合。本發(fā)明能夠降低能耗的同時，達到提高機械鉆速的效果。
【專利說明】鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鉆井優(yōu)化技術(shù)，特別是一種鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 提速是鉆井工程永恒的主題，隨著油氣資源需求量日益增大加之鉆探目標(biāo)向更深 更復(fù)雜的油氣藏及非常規(guī)儲層邁進，鉆井提速難度日益增大，主要原因是鉆井操作、鉆遇地 層的多變性及鉆井實時情況的未知，使鉆井過程受到操作人員的經(jīng)驗影響和誤判。國內(nèi)油 氣田在鉆井整體提速方面正面臨著技術(shù)和成本的雙重挑戰(zhàn)，迫切需要一種使用簡單、經(jīng)濟 可靠且適用性強的鉆井提速新模式。
[0003] 優(yōu)化鉆井技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)鉆井的標(biāo)志，是鉆井提速的重要手段之一。當(dāng)前國內(nèi)鉆 井優(yōu)化主要以建立定量反應(yīng)鉆井規(guī)律的數(shù)學(xué)模式為主，利用完鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫資料，應(yīng)用計算 機技術(shù)進行統(tǒng)計、分析、評估和計算，確定提高鉆井效率潛力最大的參數(shù)組合，為鉆井施工 提供最優(yōu)化的設(shè)計，形成最終的優(yōu)化鉆井過程，然后將其用于現(xiàn)場施工。這些鉆井優(yōu)化以經(jīng) 驗型井間（鉆前）優(yōu)化和工程技術(shù)優(yōu)化為主，前者主要是完鉆井?dāng)?shù)據(jù)綜合統(tǒng)計與分析法，或 者是利用計算機技術(shù)對鉆井過程進行仿真模擬或再現(xiàn)，對比模擬與實鉆結(jié)果進一步優(yōu)化鉆 井方案；后者主要是從整個工程技術(shù)角度考慮，根據(jù)詳細的鉆后資料分析，有針對性的研發(fā) 新技術(shù)和新產(chǎn)品，以期提高鉆井技術(shù)水平。然而，鉆井過程受很多不可控因素的限制，在實 鉆過程中，在遇到不可預(yù)知的井下事故復(fù)雜或者影響鉆速的不確定因素時，這些優(yōu)化方法 無法實時快捷地為操作人員提供對策略和解決方案，導(dǎo)致鉆進過程中機械鉆速變慢、能量 浪費同時造成鉆頭磨損嚴(yán)重。
[0004] 綜上所述優(yōu)化鉆井方法，如何實時優(yōu)化鉆井過程，將不可控因素對鉆井參數(shù)的影 響實時考慮到鉆井優(yōu)化方法中，最終反應(yīng)給操作人員以提供解決方案，從而提高鉆井速度， 達到節(jié)能的效果，即為本發(fā)明將要探討的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航優(yōu)化方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)無法實時快捷地為 操作人員提供解決方案，從而導(dǎo)致鉆進過程中機械鉆速變慢、能量浪費的同時造成鉆頭磨 損嚴(yán)重的問題。
[0006] 本發(fā)明實施例提供一種鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航優(yōu)化方法，其中，該優(yōu)化方法包括：
[0007] 步驟一對鉆井過程中采集的機械鉆速、鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行實時處理，借助切 削深度，得到機械鉆速與鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，切削深度與機械鉆速、鉆頭轉(zhuǎn)速 之間的關(guān)系為：
[0008]

【權(quán)利要求】
1. 一種鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航優(yōu)化方法，其特征在于，所述優(yōu)化方法包括： 步驟一對鉆井過程中采集的機械鉆速、鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行實時處理，借助切削深 度，得到所述機械鉆速與所述鉆壓、所述鉆頭轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，所述切削深度與所述機 械鉆速、所述鉆頭轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：
其中：s#為切削深度，單位為毫米，ROP機械鉆速，單位為米每小時；RPM為鉆頭轉(zhuǎn)速，單 位為轉(zhuǎn)每分鐘； 利用最小二乘法，得到所述切削深度與所述鉆壓之間的關(guān)系為：
其中：f(Xi)為實時切削深度，單位為毫米；f(X)為實時切削深度變量，單位為毫米；Xi為實時鉆壓，單位為千牛；X為鉆壓自變量，單位為千牛；Oi為常數(shù)Ait(X)為切削深度與鉆 壓函數(shù)關(guān)系；％ (x)為一組差值基函數(shù)；％U_)為實時鉆壓下對應(yīng)的差值基函數(shù)值；Cj為利 用最小二乘法要辨識的系數(shù)；η為I;m為計數(shù)采樣點值； %(>)的推算公式為：
其中：外(X)第一個差值基函數(shù)；仍（X)第二個差值基函數(shù)；ai為系數(shù)； 步驟二利用最小二乘法，對鉆井過程中采集的所述鉆壓、所述扭矩數(shù)據(jù)進行實時處理， 得到所述鉆壓與所述扭矩函數(shù)關(guān)系為：
其中：f(Xi)為實時鉆壓，單位為千牛；f(X)為實時鉆壓變量，單位為千牛；為實時扭 矩，單位為千牛?米；X為扭矩自變量，單位為千牛?米；Oi為常數(shù)Ait(X)為鉆壓與扭矩函 數(shù)關(guān)系；％ (力為一組差值基函數(shù)；％ (?)為實時鉆壓下對應(yīng)的差值基函數(shù)值；h為利用最 小二乘法要辨識的系數(shù)；η為I;m為計數(shù)采樣點值； % (-0的推算公式為：
其中：外(X)第一個差值基函數(shù)；奶（X)第二個差值基函數(shù)；ai為系數(shù)； 步驟三在鉆井過程中，鉆井參數(shù)調(diào)整受鉆機頂驅(qū)額定扭矩的限制，在所述鉆機頂驅(qū)額 定扭矩范圍內(nèi)，利用拉格朗日插值方法，從而得出所述扭矩與所述鉆頭轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系：
其中：Xi，\為鉆頭轉(zhuǎn)速差值點；X為鉆頭轉(zhuǎn)速自變量％為扭矩插值點，單位為千 牛?米；P3 (X)為扭矩與鉆頭轉(zhuǎn)速函數(shù)關(guān)系； 步驟四整合步驟二中所述鉆壓與所述扭矩函數(shù)關(guān)系和步驟三中所述扭矩與所述鉆頭 轉(zhuǎn)速函數(shù)關(guān)系，即能得到所述鉆機頂驅(qū)額定扭矩限制下的所述鉆壓與所述鉆頭轉(zhuǎn)速的第一 安全窗口，所述鉆壓與所述鉆頭轉(zhuǎn)速函數(shù)關(guān)系表示如下： WOB=aRPM3+bRPM2+cRPM+d, 其中：WOB為鉆壓,單位為千牛；RPM為鉆頭轉(zhuǎn)速,單位為轉(zhuǎn)每分鐘；a,b,c,d為系數(shù)； 步驟五利用鉆桿所能承受最大扭矩對所述鉆壓的影響以及所述機械鉆速受到井眼清 潔能力的影響，結(jié)合步驟四，得到鉆井操作的所述鉆壓與所述鉆頭轉(zhuǎn)速的第二安全窗口； 其中，井眼清潔能力與機械鉆速的關(guān)系為：
其中：vs為巖屑在鉆井液中的下滑速度，單位為米每秒；ds為巖屑直徑，單位為厘米；ps，pd分別為巖屑和鉆井液密度，單位為克每立方厘米；μe為鉆井液有效粘度，單位為帕 斯卡?秒；Qa為當(dāng)前泥漿泵排量，單位為升每秒；dh,dp為井徑和鉆柱外徑，單位為厘米；va為 鉆井液在環(huán)空的平均上返速度，單位為米每秒；ks為巖屑舉升效率；Ca為環(huán)空巖屑濃度，無 量綱；ROP為機械鉆速,單位為米每秒； 步驟六利用步驟一中所述機械鉆速與所述鉆壓、所述鉆頭轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，得到 所述鉆壓與所述鉆頭轉(zhuǎn)速平面內(nèi)的機械鉆速等高線以及結(jié)合當(dāng)前機械鉆速得到目標(biāo)機械 鉆速； 步驟七考慮到鉆頭的能量利用率，將所述鉆頭的能量利用率反映到所述鉆壓與所述鉆 頭轉(zhuǎn)速平面內(nèi)，得到機械比能等高線，結(jié)合步驟六中的所述目標(biāo)機械鉆速，得到鉆頭效能優(yōu) 化等1?線，所述鉆頭效能優(yōu)化等1?線包括機械比能等1?線與所述目標(biāo)機械鉆速； 其中，所述機械比能與鉆頭轉(zhuǎn)速、機械鉆速、鉆壓的函數(shù)關(guān)系為：
其中：MSE為機械比能，單位為兆帕斯卡；WOB為鉆壓，單位為牛頓；RPM為鉆頭轉(zhuǎn)速，單 位為轉(zhuǎn)每分鐘；ROP為機械鉆速，單位為米每小時；P為能量利用率；dB為鉆頭直徑,單位為 毫米；Ctl,C1為系數(shù)； 步驟八通過所述步驟七中所得的所述鉆頭效能優(yōu)化等高線受到所述鉆壓與所述鉆頭 轉(zhuǎn)速的所述第二安全窗口的限制，在所述鉆壓與所述鉆頭轉(zhuǎn)速的所述第二安全窗口中，鉆 頭效能值最高的鉆壓與鉆頭轉(zhuǎn)速參數(shù)組合即為推薦組合。
2. 如權(quán)利要求1所述的鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟五中鉆桿 承受的最大扭矩由選擇的鉆桿決定，鉆桿所能承受最大扭矩對鉆壓的影響計算步驟為： 根據(jù)步驟二得到的所述鉆壓與所述扭矩的函數(shù)關(guān)系，將所述鉆桿所能承受最大扭矩代 入鉆壓與扭矩的函數(shù)關(guān)系中，得到對應(yīng)的鉆壓。
3. 如權(quán)利要求2所述的鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航優(yōu)化方法，其特征在于，機械鉆速受到井眼 清潔能力的影響計算步驟包括： 根據(jù)井眼清潔能力與機械鉆速的關(guān)系得到當(dāng)前泥漿泵排量下的極限機械鉆速； 根據(jù)步驟一得到的所述機械鉆速與所述鉆壓、所述鉆頭轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，得到井 眼清潔能力影響下的所述鉆壓與所述鉆頭轉(zhuǎn)速關(guān)系。
4. 如權(quán)利要求3所述的鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航優(yōu)化方法，其特征在于，根據(jù)井眼清潔能力 與機械鉆速的關(guān)系得到當(dāng)前泥漿泵排量下的極限機械鉆速的步驟為： 利用公式a 計算鉆井液在環(huán)空的平均上返速度Va; 利用公式
巖屑在鉆井液中的下滑速度Vs ; 當(dāng)公式< =大于等于0. 5時，井底巖屑能夠及時清除，根據(jù)公式 v a
計算當(dāng)前泥漿泵排量下，即當(dāng)前井眼清潔能力下，所能達 到的極限機械鉆速； 當(dāng)公式~ 小于0. 5時，泥漿泵排量處于不合理狀態(tài)，需要對所述泥漿泵排量進 行調(diào)整，以便及時清除鉆屑。
5. 如權(quán)利要求4所述的鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟六依據(jù)當(dāng) 前機械鉆速，按照調(diào)節(jié)步長設(shè)定所述目標(biāo)機械鉆速， 當(dāng)所鉆地層為硬地層，機械鉆速變化范圍為lm/h-9m/h時，所述目標(biāo)機械鉆速的調(diào)節(jié) 步長為lm/h; 當(dāng)所鉆地層為軟地層，機械鉆速達到20m/h以上，則所述目標(biāo)機械鉆速的調(diào)節(jié)步長可 定為10m/h。
6. 如權(quán)利要求5所述的鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航優(yōu)化方法，其特征在于，當(dāng)所鉆地層為極硬 地層時，機械鉆速變化范圍為lm/h-9m/h時，機械鉆速的所述調(diào)節(jié)步長為0. 5m/h。
7. 如權(quán)利要求3所述的鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟七中的鉆 頭能量利用率選取0.35。
【文檔編號】E21B44/00GK104453841SQ201410571532
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】崔猛, 葛云華, 張晉文, 陳志學(xué), 紀(jì)國棟, 郭衛(wèi)紅 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院