本發(fā)明涉及巖土或石油地質(zhì)鉆井領(lǐng)域,特別涉及一種水平井鉆井摩阻的控制優(yōu)化方法及裝置。
背景技術(shù):
長(zhǎng)位移水平井技術(shù)已經(jīng)成為開發(fā)非常規(guī)油氣資源的主體技術(shù)之一。中國在頁巖氣、致密油氣方面已成功鉆成一批長(zhǎng)位移水平井,平均水平井段長(zhǎng)度逐步從500m增加至1500m以上。但是,長(zhǎng)位移水平井技術(shù)相比國外仍存在較大差距,主要體現(xiàn)在長(zhǎng)水平井段水平井鉆井周期偏長(zhǎng)、作業(yè)成本偏高,水平段延伸長(zhǎng)度有限。
從鉆井周期和鉆井進(jìn)尺數(shù)據(jù)上看,大量的鉆井時(shí)間均消耗在造斜井段和水平井段鉆井作業(yè)中,導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是:在長(zhǎng)位移水平井鉆井過程中,鉆井摩阻高,進(jìn)而導(dǎo)致鉆井效率低,周期長(zhǎng),成本高,這樣以后嚴(yán)重影響非常規(guī)油氣資源(即頁巖氣、致密油氣等)的效益開發(fā)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷,本發(fā)明實(shí)施例中提供了一種水平井鉆井摩阻的控制優(yōu)化方法及裝置,其能夠優(yōu)化鉆井參數(shù),有效減小鉆井過程中的摩阻扭矩,提高鉆具在井下能量傳遞效率。
本發(fā)明實(shí)施例的具體技術(shù)方案是:一種水平井鉆井摩阻的控制優(yōu)化方法,包括以下步驟:
獲取鉆井參數(shù);
根據(jù)鉆井作業(yè)中的鉆井參數(shù)選擇得到多組數(shù)據(jù)樣本;
識(shí)別各個(gè)所述數(shù)據(jù)樣本所對(duì)應(yīng)的鉆柱作業(yè)狀態(tài);
基于所述鉆井參數(shù)、所述數(shù)據(jù)樣本、所述數(shù)據(jù)樣本所對(duì)應(yīng)的鉆柱作業(yè)狀態(tài)得到所述數(shù)據(jù)樣本的實(shí)際摩阻系數(shù);
對(duì)所述數(shù)據(jù)樣本和所述數(shù)據(jù)樣本的實(shí)際摩阻系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析以得到鉆井參數(shù)中符合預(yù)設(shè)要求的參數(shù);
對(duì)鉆井參數(shù)中符合預(yù)設(shè)要求的參數(shù)按照預(yù)設(shè)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整。
作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式,所述鉆井參數(shù)包括錄井參數(shù)、鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆井液性能參數(shù)、井眼軌跡參數(shù)和井筒參數(shù)。
作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式,所述錄井參數(shù)包括鉆頭尺寸、時(shí)間、井深、鉆頭位置、鉆時(shí)、鉤載、轉(zhuǎn)速、扭矩、立壓、套壓、泵沖、進(jìn)出口的排量和進(jìn)出口的鉆井液密度。
作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式,所述鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)包括鉆具類型、外徑、內(nèi)徑、長(zhǎng)度和線重。
作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式,所述鉆井液性能參數(shù)包括塑性粘度、動(dòng)切力、潤滑系數(shù),所述井眼軌跡參數(shù)包括斜深、井斜和方位,所述井筒參數(shù)包括井筒類型、下深、內(nèi)徑、以及預(yù)置摩阻系數(shù)。
作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式,在所述根據(jù)鉆井作業(yè)中的鉆井參數(shù)中選擇得到多組數(shù)據(jù)樣本的步驟中,具體為,根據(jù)鉆井作業(yè)中的鉆井參數(shù)中獲取在不同時(shí)刻下的數(shù)據(jù)樣本,進(jìn)而得到多組數(shù)據(jù)樣本。
作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式,在所述識(shí)別各個(gè)所述數(shù)據(jù)樣本所對(duì)應(yīng)的鉆柱作業(yè)狀態(tài)的步驟中,具體為:
根據(jù)所述數(shù)據(jù)樣本中的錄井?dāng)?shù)據(jù)中井深與鉆頭位置是否相同將該數(shù)據(jù)樣本區(qū)分為a類狀態(tài),即定向或旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)狀態(tài)或b類狀態(tài),即起下鉆狀態(tài)或劃眼狀態(tài);如果相同則將該數(shù)據(jù)樣本區(qū)分為a類狀態(tài),如果不相同則區(qū)分為b類狀態(tài);
根據(jù)a類狀態(tài)中的數(shù)據(jù)樣本中轉(zhuǎn)速和扭矩大小將a類狀態(tài)分為c狀態(tài),即旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)狀態(tài)或d類狀態(tài),即定向鉆進(jìn)狀態(tài);如果數(shù)據(jù)樣本同時(shí)滿足轉(zhuǎn)速大于10r/m和扭矩大于1kN·m,則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為c類狀態(tài),否則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為d類狀態(tài);
根據(jù)b類狀態(tài)中的數(shù)據(jù)樣本中排量大小將b類狀態(tài)分為e類狀態(tài),即劃眼作業(yè)狀態(tài)或f類狀態(tài),即起下鉆作業(yè)狀態(tài);若該數(shù)據(jù)樣本的排量大于5L/s,則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為e類狀態(tài),否則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為f類狀態(tài);
根據(jù)e類狀態(tài)中的數(shù)據(jù)樣本中轉(zhuǎn)速和扭矩大小將e類狀態(tài)分為g類狀態(tài),即旋轉(zhuǎn)劃眼狀態(tài)或h類狀態(tài),即非旋轉(zhuǎn)劃眼狀態(tài);若該數(shù)據(jù)樣本中同時(shí)滿足轉(zhuǎn)速>10r/m、扭矩大于1kNm,則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為g類狀態(tài),否則認(rèn)為鉆柱狀態(tài)為h類狀態(tài);
根據(jù)f類狀態(tài)中的數(shù)據(jù)樣本中實(shí)際大鉤載荷是否大于理想大鉤載荷將f類狀態(tài)分為i類狀態(tài),即起鉆狀態(tài)或j類狀態(tài),即下鉆狀態(tài);若該數(shù)據(jù)樣本中實(shí)際大鉤載荷大于理想大鉤載荷,則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為i類狀態(tài),否則認(rèn)為鉆柱狀態(tài)為j類狀態(tài);
根據(jù)h類狀態(tài)中的數(shù)據(jù)樣本中實(shí)際大鉤載荷是否大于理想大鉤載荷將h類狀態(tài)分為k類狀態(tài),即上提劃眼狀態(tài)或l類狀態(tài),即下放劃眼狀態(tài);若該數(shù)據(jù)樣本中實(shí)際大鉤載荷大于理想大鉤載荷,則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為k類狀態(tài),否則認(rèn)為鉆柱狀態(tài)為l類狀態(tài)。
作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式,在所述基于所述鉆井參數(shù)、所述數(shù)據(jù)樣本、所述數(shù)據(jù)樣本所對(duì)應(yīng)的鉆柱作業(yè)狀態(tài)得到所述數(shù)據(jù)樣本的實(shí)際摩阻系數(shù)的步驟中,定義函數(shù)f(u)為實(shí)際大鉤載荷與理論大鉤載荷的差,公式如下:
f(u)=FhkL-FHKL(u)
對(duì)上述公式采用二分法迭代求解當(dāng)f(u)=0時(shí)μ值,該u值為實(shí)際摩阻系數(shù)u實(shí)際;
其中,F(xiàn)HKL表示實(shí)際大鉤載荷,其單位為kN;FHKL(u)表示摩阻系數(shù)為u時(shí)的計(jì)算大鉤載荷,其單位為kN。
作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式,在所述對(duì)所述數(shù)據(jù)樣本和所述數(shù)據(jù)樣本的實(shí)際摩阻系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析以得到鉆井參數(shù)中符合預(yù)設(shè)要求的參數(shù)的步驟中,具體為:對(duì)所述數(shù)據(jù)樣本中的錄井參數(shù)與所述數(shù)據(jù)樣本的實(shí)際摩阻系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析得到相關(guān)系數(shù);根據(jù)所述相關(guān)系數(shù)得到所述數(shù)據(jù)樣本中的錄井參數(shù)中符合預(yù)設(shè)條件一的參數(shù);對(duì)所述數(shù)據(jù)樣本中的錄井參數(shù)中不符合預(yù)設(shè)條件一的參數(shù)進(jìn)行非線性相關(guān)性分析得到符合預(yù)設(shè)條件二的參數(shù)。
作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式,在所述對(duì)鉆井參數(shù)中符合預(yù)設(shè)要求的參數(shù)按照預(yù)設(shè)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整的步驟中,具體為,對(duì)鉆井參數(shù)中符合預(yù)設(shè)條件一的參數(shù)和符合預(yù)設(shè)條件二的參數(shù)按照預(yù)設(shè)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整。
本申請(qǐng)還提供一種水平井鉆井摩阻的控制優(yōu)化裝置,所述水平井鉆井摩阻的控制優(yōu)化裝置包括:
采樣模塊,用于根據(jù)鉆井作業(yè)中的鉆井參數(shù)中選擇得到多組數(shù)據(jù)樣本;
狀態(tài)識(shí)別模塊,用于識(shí)別各個(gè)所述數(shù)據(jù)樣本所對(duì)應(yīng)的鉆柱作業(yè)狀態(tài);
計(jì)算模塊,用于基于所述鉆井參數(shù)、所述數(shù)據(jù)樣本、所述數(shù)據(jù)樣本所對(duì)應(yīng)的鉆柱作業(yè)狀態(tài)得到所述數(shù)據(jù)樣本的實(shí)際摩阻系數(shù);
相關(guān)性分析模塊,用于對(duì)所述數(shù)據(jù)樣本和所述數(shù)據(jù)樣本的實(shí)際摩阻系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析以得到鉆井參數(shù)中符合預(yù)設(shè)要求的參數(shù);
調(diào)整模塊,用于對(duì)鉆井參數(shù)中符合預(yù)設(shè)要求的參數(shù)按照預(yù)設(shè)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整。
本發(fā)明實(shí)施例中的控制優(yōu)化方法可以根據(jù)實(shí)時(shí)的鉆井參數(shù),實(shí)時(shí)計(jì)算表征井下能量傳遞效率的參數(shù)實(shí)際摩阻系數(shù),通過計(jì)算與哪些鉆井參數(shù)存在較大的相關(guān)性,并根據(jù)相關(guān)性量的變化特征,優(yōu)化實(shí)際摩阻系數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最佳的實(shí)際摩阻系數(shù)控制目標(biāo),從而提高實(shí)時(shí)鉆井效率。
附圖說明
在此描述的附圖僅用于解釋目的,而不意圖以任何方式來限制本發(fā)明公開的范圍。另外,圖中的各部件的形狀和比例尺寸等僅為示意性的,用于幫助對(duì)本發(fā)明的理解,并不是具體限定本發(fā)明各部件的形狀和比例尺寸。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的教導(dǎo)下,可以根據(jù)具體情況選擇各種可能的形狀和比例尺寸來實(shí)施本發(fā)明。
圖1為本發(fā)明在實(shí)施例中控制優(yōu)化方法的流程圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中鉆井參數(shù)的控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖和本發(fā)明具體實(shí)施方式的描述,能夠更加清楚地了解本發(fā)明的細(xì)節(jié)。但是,在此描述的本發(fā)明的具體實(shí)施方式,僅用于解釋本發(fā)明的目的,而不能以任何方式理解成是對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的教導(dǎo)下,技術(shù)人員可以構(gòu)想基于本發(fā)明的任意可能的變形,這些都應(yīng)被視為屬于本發(fā)明的范圍。
目前國內(nèi)水平井鉆井過程中,對(duì)摩阻的管理優(yōu)化多采用被動(dòng)優(yōu)化方式,即設(shè)計(jì)階段,通過對(duì)已鉆井的摩阻分析,優(yōu)化出相對(duì)合理的鉆井工藝參數(shù)并寫入鉆井工程設(shè)計(jì)中;在鉆井過程中,執(zhí)行鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)以控制摩阻,一旦發(fā)現(xiàn)摩阻扭矩惡化甚至出現(xiàn)鉆井復(fù)雜情況后,才查擺問題原因,并對(duì)鉆井工藝參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化,更改鉆井設(shè)計(jì),執(zhí)行新的鉆井參數(shù),降低摩阻。申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)這種優(yōu)化方式存在諸多問題。該優(yōu)化方式不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)摩阻的惡化趨勢(shì),查擺問題時(shí)間較長(zhǎng),無法保證鉆井作業(yè)始終處于低摩阻狀態(tài)下工作,最終影響水平井段大位移延伸時(shí)的作業(yè)效率,嚴(yán)重時(shí)影響井段延伸長(zhǎng)度,甚至無法完成預(yù)定鉆井井段作業(yè)。其次,只有在摩阻相對(duì)較為嚴(yán)重甚至已經(jīng)釀成一定的鉆井復(fù)雜或事故時(shí)才采取一定的措施,經(jīng)優(yōu)化后雖然采用新的鉆井工藝參數(shù)一定程度上降低了摩阻,但是高摩阻扭矩下形成的諸如軌跡質(zhì)量、井徑質(zhì)量、井眼鍵槽等關(guān)鍵影響因素?zé)o法改變,影響后續(xù)鉆井作業(yè)時(shí)的摩阻。同時(shí),該優(yōu)化方式調(diào)整并優(yōu)化鉆井工藝參數(shù)過程復(fù)雜,時(shí)效性較差,遇高摩阻時(shí),反復(fù)上提下放或大幅擺動(dòng)鉆具影響作業(yè)效率,增加鉆井輔助作業(yè)時(shí)間,在常規(guī)油氣開發(fā)中影響資源的高效開發(fā),在非常規(guī)油氣鉆井中影響資源的有效開發(fā)。因此,申請(qǐng)人提出了一種控制優(yōu)化方法,圖1為本發(fā)明在實(shí)施例中水平井鉆井摩阻的控制優(yōu)化方法的流程圖,如圖1所示,所述水平井鉆井摩阻的控制優(yōu)化方法包括以下步驟:
S101:獲取鉆井參數(shù)。
獲取鉆井參數(shù),其中,所述鉆井參數(shù)包括錄井參數(shù)、鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆井液性能參數(shù)、井眼軌跡參數(shù)和井筒參數(shù)。所述錄井參數(shù)包括鉆頭尺寸、時(shí)間、井深、鉆頭位置、鉆時(shí)、鉤載、轉(zhuǎn)速、扭矩、立壓、套壓、泵沖、進(jìn)出口的排量和進(jìn)出口的鉆井液密度。所述鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)包括鉆具類型、外徑、內(nèi)徑、長(zhǎng)度和線重。所述鉆井液性能參數(shù)包括塑性粘度、動(dòng)切力、潤滑系數(shù)。所述井眼軌跡參數(shù)包括斜深、井斜和方位。所述井筒參數(shù)包括井筒類型、下深、內(nèi)徑、預(yù)置摩阻系數(shù)。
上述鉆井參數(shù)的獲取可以采用手動(dòng)獲取,如直接手動(dòng)錄入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,也可以根據(jù)鉆井實(shí)時(shí)錄井系統(tǒng)提供的接口,由計(jì)算機(jī)自動(dòng)導(dǎo)入。當(dāng)然的,也可以同時(shí)采用以上兩種方法,部分?jǐn)?shù)據(jù)通過錄井系統(tǒng)直接自動(dòng)導(dǎo)入,部分?jǐn)?shù)據(jù)手動(dòng)錄入。
S102:根據(jù)鉆井作業(yè)中的鉆井參數(shù)選擇得到多組數(shù)據(jù)樣本。
根據(jù)上述鉆井參數(shù),將鉆井作業(yè)中某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)作為一組數(shù)據(jù)樣本,獲取多個(gè)不同時(shí)刻下的數(shù)據(jù)進(jìn)而得到多組數(shù)據(jù)樣本。在實(shí)際鉆井作業(yè)中,每個(gè)時(shí)刻均有一組錄井?dāng)?shù)據(jù),為了分析鉆井摩阻的變化趨勢(shì),需要從眾多的鉆井參數(shù)中的錄井?dāng)?shù)據(jù)選擇出與當(dāng)前研究狀態(tài)相關(guān)性較高的數(shù)據(jù)樣本,即需要對(duì)樣本數(shù)據(jù)的進(jìn)行合理的選擇。反映當(dāng)前鉆井狀態(tài)的數(shù)據(jù)可以選擇離井底位置50m以內(nèi)、鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同的數(shù)據(jù)樣本,樣本容量選擇在40至100組左右進(jìn)行分析;反映井筒某位置的井下狀況的數(shù)據(jù)選擇此位置附近2m以內(nèi),相同鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析。每一個(gè)數(shù)據(jù)樣本的鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以通過計(jì)算獲得,下一步驟中有詳細(xì)說明。
S103:識(shí)別各個(gè)所述數(shù)據(jù)樣本所對(duì)應(yīng)的鉆柱作業(yè)狀態(tài)。
在本步驟中,根據(jù)各個(gè)數(shù)據(jù)樣本的特征可區(qū)分井下鉆柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),比如旋轉(zhuǎn)起下鉆、不旋轉(zhuǎn)起下鉆、滑動(dòng)鉆進(jìn)、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、劃眼等狀態(tài),識(shí)別的方法如下:
根據(jù)所述數(shù)據(jù)樣本中的錄井?dāng)?shù)據(jù)中井深與鉆頭位置是否相同將該數(shù)據(jù)樣本區(qū)分為a類狀態(tài),即定向或旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)狀態(tài)或b類狀態(tài),即起下鉆狀態(tài)或劃眼狀態(tài);如果相同則將該數(shù)據(jù)樣本區(qū)分為a類狀態(tài),如果不相同則區(qū)分為b類狀態(tài)。
根據(jù)a類狀態(tài)中的數(shù)據(jù)樣本中轉(zhuǎn)速和扭矩大小將a類狀態(tài)分為c狀態(tài),即旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)狀態(tài)或d類狀態(tài),即定向鉆進(jìn)狀態(tài);如果數(shù)據(jù)樣本同時(shí)滿足轉(zhuǎn)速大于10r/m和扭矩大于1kN·m,則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為c類狀態(tài),否則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為d類狀態(tài)。
根據(jù)b類狀態(tài)中的數(shù)據(jù)樣本中排量大小將b類狀態(tài)分為e類狀態(tài),即劃眼作業(yè)狀態(tài)或f類狀態(tài),即起下鉆作業(yè)狀態(tài);若該數(shù)據(jù)樣本的排量大于5L/s,則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為e類狀態(tài),否則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為f類狀態(tài)。
根據(jù)e類狀態(tài)中的數(shù)據(jù)樣本中轉(zhuǎn)速和扭矩大小將e類狀態(tài)分為g類狀態(tài),即旋轉(zhuǎn)劃眼狀態(tài)或h類狀態(tài),即非旋轉(zhuǎn)劃眼狀態(tài);若該數(shù)據(jù)樣本中同時(shí)滿足轉(zhuǎn)速>10r/m、扭矩大于1kNm,則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為g類狀態(tài),否則認(rèn)為鉆柱狀態(tài)為h類狀態(tài)。
根據(jù)f類狀態(tài)中的數(shù)據(jù)樣本中實(shí)際大鉤載荷是否大于理想大鉤載荷將f類狀態(tài)分為i類狀態(tài),即起鉆狀態(tài)或j類狀態(tài),即下鉆狀態(tài);若該數(shù)據(jù)樣本中實(shí)際大鉤載荷大于理想大鉤載荷,則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為i類狀態(tài),否則認(rèn)為鉆柱狀態(tài)為j類狀態(tài)。
根據(jù)h類狀態(tài)中的數(shù)據(jù)樣本中實(shí)際大鉤載荷是否大于理想大鉤載荷將h類狀態(tài)分為k類狀態(tài),即上提劃眼狀態(tài)或l類狀態(tài),即下放劃眼狀態(tài);若該數(shù)據(jù)樣本中實(shí)際大鉤載荷大于理想大鉤載荷,則該數(shù)據(jù)樣本的鉆柱狀態(tài)為k類狀態(tài),否則認(rèn)為鉆柱狀態(tài)為l類狀態(tài)。
理論上可以根據(jù)所述數(shù)據(jù)樣本中前后鉆頭位置數(shù)據(jù)變化可以對(duì)所述f類分為起下鉆工況,但因獲取的錄井?dāng)?shù)據(jù)屬于離散數(shù)據(jù),通過對(duì)比鉆頭位置深度變化來區(qū)分起下鉆、劃眼狀可信度低,故在本實(shí)施方式中通過對(duì)比實(shí)際大鉤載荷與理論大鉤載荷之間差值來校核識(shí)別。
獲得數(shù)據(jù)樣本所對(duì)應(yīng)的鉆柱的狀態(tài)類別后,可以從多組樣本數(shù)據(jù)中帥選出與當(dāng)前研究狀態(tài)相關(guān)性較高的數(shù)據(jù)樣本以進(jìn)行下一步驟。
S104:基于所述鉆井參數(shù)、所述數(shù)據(jù)樣本、所述數(shù)據(jù)樣本所對(duì)應(yīng)的鉆柱作業(yè)狀態(tài)得到所述數(shù)據(jù)樣本的實(shí)際摩阻系數(shù)。
定義函數(shù)f(u)為實(shí)際大鉤載荷與理論大鉤載荷的差,公式如下:
f(u)=FhkL-FHKL(u)
其中,F(xiàn)HKL表示實(shí)際大鉤載荷,其單位為kN;FHKL(u)表示摩阻系數(shù)為u時(shí)的計(jì)算大鉤載荷,其單位為kN。
在本步驟中,根據(jù)鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)中的錄井參數(shù)、鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆井液性能參數(shù)、井眼軌跡參數(shù)、井筒參數(shù),采用本領(lǐng)域的常規(guī)文獻(xiàn)(比如文獻(xiàn)[1]JONES H H.How to Drill a Vertical Oil Well or Drilling Straight Holes by Gravity[J].Oil&Gas Journal,1929,(9):9-13;文獻(xiàn)[2]CAPELUSH NIKOV M.Why Holes Go Crooked in Drilling[J].World Petroleum,1930,(5):191-196;文獻(xiàn)[3]劉臣保,岳欠杯.石油鉆采管柱力學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2011:7-13,68-73;文獻(xiàn)[4]高德利.油氣管柱力學(xué)與工程[M].北京:中國石油大學(xué)出版社,2006:82-120等)公布的摩阻計(jì)算模型以及步驟S103中鉆柱作業(yè)狀態(tài)可以得到鉆井過程中的提升管柱的理論大鉤載荷FHKL(u)。實(shí)際大鉤載荷FHKL計(jì)算方式為本領(lǐng)域現(xiàn)有的常規(guī)技術(shù)方法,在此不再累述。
下面以經(jīng)典Johancsik軟桿模型為例來說明計(jì)算FHKL(u)的方法。
Johancsik1983年首次建立了摩阻扭矩力學(xué)分析模型,選取一微段(一般選100ft或30m段)的摩阻扭矩力學(xué)模型如下:
ΔT=μ·N·r
式中:Fd為鉆柱單元下端的軸向拉力,N;T為鉆柱扭矩,N·m;N為鉆柱側(cè)向力,N;Wq為鉆柱在鉆井液中的重量,N;μ為鉆柱與井壁的摩擦系數(shù);r為鉆柱單元外表面半徑,m;Δα,為平均井斜角,井斜角增量,方位角增量,rad;模型中μ前符號(hào)起鉆時(shí)取“+”,下鉆時(shí)取“-”。
計(jì)算理論大鉤載荷過程如下:給定摩阻系數(shù)μ,從鉆頭下端面開始計(jì)算,初始化鉆柱的最下端面的拉力為零。以鉆頭下端面為準(zhǔn),從鉆頭另一方向選取第一微段,根據(jù)摩阻系數(shù)μ和鉆柱狀態(tài),通過上述摩阻扭矩力學(xué)計(jì)算模型,計(jì)算出第一微段上端面的拉力和扭矩;第一微段基礎(chǔ)上,以第一微段的上端面為第二微段的下端面,順著第一的方向在管柱上選取第二段微段,根據(jù)力的作用是相互的原理可知,第二段微段的下端面軸向拉力和扭矩與上一段微段的上端面拉力和扭矩是相等的,同理采用力學(xué)計(jì)算模型可以計(jì)算出第二微段上端面的軸向拉力和扭矩。依次選擇并計(jì)算第三、四…段管柱的軸向拉力和扭矩,當(dāng)計(jì)算至井口位置時(shí)的軸向拉力即為理論大鉤載荷。
在本步驟中,對(duì)公式f(u)=FhkL-FHKL(u)采用二分法迭代求解當(dāng)f(u)=0時(shí)u值,該u值為實(shí)際摩阻系數(shù)u實(shí)際;步驟可以如下:
a.初始化設(shè)置u1=0,u2=2,摩阻系數(shù)u實(shí)際屬于區(qū)間[u1,u2],此時(shí)f(u1)為沒有摩阻下的理想大鉤載荷,可用于所述的鉆住狀態(tài)識(shí)別中,矯正鉆柱起下鉆工況作業(yè)狀態(tài)識(shí)別結(jié)果。正常情況下有關(guān)系f(u1)*f(u2)<0,否則數(shù)據(jù)異常;
b.對(duì)u在區(qū)間[u1,u2]上任取中值u=(u1+u2)/2,代入摩阻扭矩力學(xué)計(jì)算模型求出f(u);
c.若|f(u)|<q(q為設(shè)定的較小值,如取值2N)或|u1-u2|<p(p為設(shè)定的較小值,如取值0.00001),則u為所求得的摩阻系數(shù),終止計(jì)算;
d.若|f(u)|>q且|u1-u2|>p,則執(zhí)行第e步;
e.若f(u)滿足關(guān)系f(u1)*f(u)<0,則滿足f(u)=0的解在[u1,u]區(qū)間上,將u賦值給u2,并重復(fù)第b步驟;若f(u)滿足關(guān)系f(u1)*f(u)>0,則滿足f(u)=0的解在[u,u2]區(qū)間上,將u賦值給u1,并重復(fù)第b步驟。
S105:對(duì)所述數(shù)據(jù)樣本和所述數(shù)據(jù)樣本的實(shí)際摩阻系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析以得到鉆井參數(shù)中符合預(yù)設(shè)要求的參數(shù)。
對(duì)與當(dāng)前研究狀態(tài)相關(guān)性較高的數(shù)據(jù)樣本中鉆井參數(shù)中的錄井參數(shù)與所述數(shù)據(jù)樣本的實(shí)際摩阻系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析得到相關(guān)系數(shù),根據(jù)相關(guān)系數(shù)得到所述數(shù)據(jù)樣本中的錄井參數(shù)中符合預(yù)設(shè)條件一的參數(shù);對(duì)所述數(shù)據(jù)樣本中的錄井參數(shù)中不符合預(yù)設(shè)條件一的參數(shù)進(jìn)行非線性相關(guān)性分析得到符合預(yù)設(shè)條件二的參數(shù)。
本申請(qǐng)中主要采用線性相關(guān)性分析和非線性分析。線性相關(guān)分析主要分析數(shù)據(jù)樣本中錄井參數(shù)中的鉆壓、扭矩、泵壓、轉(zhuǎn)速、排量、鉆井液密度、鉆井液性能參數(shù)與該數(shù)據(jù)樣本的實(shí)際摩阻系數(shù)之間的相關(guān)性。例如,可以設(shè)錄井參數(shù)的數(shù)據(jù)樣本總體為Xij,i表示第i趟鉆,j表示第j個(gè)數(shù)據(jù)樣本,(X1,X2,…,Xm),其中m為樣本容量,數(shù)據(jù)樣本中錄井參數(shù)中某個(gè)參數(shù)的觀察量為Pm=(p1,p2,…pm),數(shù)據(jù)樣本對(duì)應(yīng)的實(shí)際摩阻系數(shù)觀察值為Um=(u1,u2,…um),計(jì)算實(shí)際摩阻系數(shù)和錄井參數(shù)中某個(gè)參數(shù)的數(shù)學(xué)期望和標(biāo)準(zhǔn)方差,計(jì)算公式分別為:
其中,E(Um)表示實(shí)際摩阻系數(shù)的數(shù)學(xué)期望,D(Um)表示實(shí)際摩阻系數(shù)的數(shù)學(xué)期望,E(Pm)表示錄井參數(shù)中某個(gè)參數(shù)的數(shù)學(xué)期望,D(Pm)表示錄井參數(shù)中某個(gè)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差。
再計(jì)算實(shí)際摩阻系數(shù)Um與錄井參數(shù)中參數(shù)Pm的相關(guān)系數(shù),其計(jì)算公式如下:
其中,E(PmUm)表示實(shí)際摩阻系數(shù)乘以錄井參數(shù)中某個(gè)參數(shù)的數(shù)學(xué)期望,ρ(Um,Pm)表示實(shí)際摩阻系數(shù)Um與錄井參數(shù)中某個(gè)參數(shù)Pm的相關(guān)系數(shù),E(Um)表示實(shí)際摩阻系數(shù)的數(shù)學(xué)期望,D(Um)表示實(shí)際摩阻系數(shù)的數(shù)學(xué)期望,E(Pm)表示錄井參數(shù)中某個(gè)參數(shù)的數(shù)學(xué)期望,D(Pm)表示錄井參數(shù)中某個(gè)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差。
預(yù)設(shè)條件一可以設(shè)置為|ρ(Um,Pm)|≥0.5。滿足預(yù)設(shè)條件一則認(rèn)為實(shí)際摩阻系數(shù)的變化與錄井參數(shù)中的該參數(shù)的相關(guān)程度較好,應(yīng)重視該參數(shù)的調(diào)整。依次對(duì)錄井參數(shù)中的鉆壓、扭矩、泵壓、轉(zhuǎn)速、排量、鉆井液密度、鉆井液性能參數(shù)與實(shí)際摩阻系數(shù)之間進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算,找出滿足|ρ(Um,Pm)|≥0.5錄井參數(shù)中的其它參數(shù);對(duì)于|ρ(Um,Pm)|<0.5的錄井參數(shù)中的參數(shù)則再進(jìn)行非線性相關(guān)性分析。
在進(jìn)行非線性相關(guān)分析時(shí),需要對(duì)分析的實(shí)際摩阻系數(shù)(將Um替代表1中的y,轉(zhuǎn)變?yōu)閰?shù)zm)和鉆井參數(shù)(將Pm替代表1中的x,轉(zhuǎn)變?yōu)閣m)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理,具體轉(zhuǎn)換方式如表1中所示。采用最小二乘法可計(jì)算zm和wm之間的線性回歸方程z=a+bw,最小二乘法為常規(guī)的現(xiàn)有方法,這里不再贅述。根據(jù)線性回歸方程,可以計(jì)算出不同的Pm下的對(duì)應(yīng)的回歸Um’,根據(jù)Um和Um’計(jì)算非線性相關(guān)指數(shù)R和剩余標(biāo)準(zhǔn)差S,其具體計(jì)算公式如下:
其中,Ui表示實(shí)際摩阻系數(shù),表示因變量的回歸值;表示因變量的數(shù)學(xué)期望。
表1常見非線性樣本線性化轉(zhuǎn)換方法
依次采用表1中不同的非線性回歸方法計(jì)算鉆井參數(shù)Pm與實(shí)際摩阻系數(shù)Um之間的R2,得到最大的R2時(shí)的非線性回歸方程。預(yù)設(shè)條件二設(shè)置為R2>0.3,如果R2滿足預(yù)設(shè)條件二,則認(rèn)為數(shù)據(jù)樣本中錄井參數(shù)中該參數(shù)Pm與實(shí)際摩阻系數(shù)Um相關(guān)性較大,根據(jù)非線性回歸方程的變化規(guī)律調(diào)整錄井參數(shù)中該參數(shù)Pm,進(jìn)而降低Um值。
S106:對(duì)鉆井參數(shù)中符合預(yù)設(shè)要求的參數(shù)按照預(yù)設(shè)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整。
根據(jù)上述步驟可以得到鉆井參數(shù)中的錄井參數(shù)中哪些參數(shù)Pm與Um相關(guān)程度較好。若相關(guān)性為線性相關(guān),根據(jù)ρ(Um,Pm)的正負(fù)號(hào),可得到變量Um與Pm之間正向或反向變化關(guān)系,從而得到錄井參數(shù)中哪些參數(shù)應(yīng)相應(yīng)減少或增加以調(diào)整控制優(yōu)化。調(diào)整的量可以按照參數(shù)Pm值的2%至20%大小調(diào)整,進(jìn)而觀察實(shí)際鉆井情況,根據(jù)實(shí)際摩阻系數(shù)反饋的變化情況,可以繼續(xù)采用上述步驟進(jìn)而持續(xù)控制優(yōu)化鉆井參數(shù)中的錄井參數(shù),保證鉆井的摩阻始終處于較低的狀態(tài)。若相關(guān)性為非線性相關(guān),則根據(jù)相關(guān)函數(shù)表達(dá)式,增加或減小參數(shù)Pm值的2%至20%后根據(jù)Um值的減小量最大的情況,選擇增加或減小參數(shù)Pm值的2%至20%進(jìn)行鉆井參數(shù)的優(yōu)化。若不存在相關(guān)程度較好的錄井參數(shù),則延遲一定的時(shí)間T,如1min后再次開始上述步驟,以及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)際摩阻系數(shù)最小化時(shí)的鉆井參數(shù)的優(yōu)化方向,這里的T可以由現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員自動(dòng)設(shè)置,但不宜超過20min。
本申請(qǐng)中控制優(yōu)化方法可以根據(jù)實(shí)時(shí)的鉆井參數(shù),實(shí)時(shí)計(jì)算表征井下能量傳遞效率的參數(shù)實(shí)際摩阻系數(shù),通過計(jì)算與哪些鉆井參數(shù)存在較大的相關(guān)性,并根據(jù)相關(guān)性量的變化特征,優(yōu)化實(shí)際摩阻系數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最佳的實(shí)際摩阻系數(shù)控制目標(biāo),從而提高實(shí)時(shí)鉆井效率。
本申請(qǐng)中還提出了一種水平井鉆井摩阻的控制優(yōu)化裝置,圖2為本發(fā)明實(shí)施例中所述水平井鉆井摩阻的控制優(yōu)化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖2所示,所述水平井鉆井摩阻的控制優(yōu)化裝置包括:
采樣模塊,用于根據(jù)鉆井作業(yè)中的鉆井參數(shù)中選擇得到多組數(shù)據(jù)樣本;
狀態(tài)識(shí)別模塊,用于識(shí)別各個(gè)所述數(shù)據(jù)樣本所對(duì)應(yīng)的鉆柱作業(yè)狀態(tài);
計(jì)算模塊,用于基于所述鉆井參數(shù)、所述數(shù)據(jù)樣本、所述數(shù)據(jù)樣本所對(duì)應(yīng)的鉆柱作業(yè)狀態(tài)得到所述數(shù)據(jù)樣本的實(shí)際摩阻系數(shù);
相關(guān)性分析模塊,用于對(duì)所述數(shù)據(jù)樣本和所述數(shù)據(jù)樣本的實(shí)際摩阻系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析以得到鉆井參數(shù)中符合預(yù)設(shè)要求的參數(shù);
調(diào)整模塊,用于對(duì)鉆井參數(shù)中符合預(yù)設(shè)要求的參數(shù)按照預(yù)設(shè)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整。
在20世紀(jì)90年代,對(duì)于一個(gè)技術(shù)的改進(jìn)可以很明顯地區(qū)分是硬件上的改進(jìn)(例如,對(duì)二極管、晶體管、開關(guān)等電路結(jié)構(gòu)的改進(jìn))還是軟件上的改進(jìn)(對(duì)于方法流程的改進(jìn))。然而,隨著技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)今的很多方法流程的改進(jìn)已經(jīng)可以視為硬件電路結(jié)構(gòu)的直接改進(jìn)。設(shè)計(jì)人員幾乎都通過將改進(jìn)的方法流程編程到硬件電路中來得到相應(yīng)的硬件電路結(jié)構(gòu)。因此,不能說一個(gè)方法流程的改進(jìn)就不能用硬件實(shí)體模塊來實(shí)現(xiàn)。例如,可編程邏輯器件(Programmable Logic Device,PLD)(例如現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,F(xiàn)PGA))就是這樣一種集成電路,其邏輯功能由用戶對(duì)器件編程來確定。由設(shè)計(jì)人員自行編程來把一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)“集成”在一片PLD上,而不需要請(qǐng)芯片制造廠商來設(shè)計(jì)和制作專用的集成電路芯片。而且,如今,取代手工地制作集成電路芯片,這種編程也多半改用“邏輯編譯器(logic compiler)”軟件來實(shí)現(xiàn),它與程序開發(fā)撰寫時(shí)所用的軟件編譯器相類似,而要編譯之前的原始代碼也得用特定的編程語言來撰寫,此稱之為硬件描述語言(Hardware Description Language,HDL),而HDL也并非僅有一種,而是有許多種,如ABEL(Advanced Boolean Expression Language)、AHDL(Altera Hardware Description Language)、Confluence、CUPL(Cornell University Programming Language)、HDCal、JHDL(Java Hardware Description Language)、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL(Ruby Hardware Description Language)等,目前最普遍使用的是VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)與Verilog。本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該清楚,只需要將方法流程用上述幾種硬件描述語言稍作邏輯編程并編程到集成電路中,就可以很容易得到實(shí)現(xiàn)該邏輯方法流程的硬件電路。
控制器可以按任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn),例如,控制器可以采取例如微處理器或處理器以及存儲(chǔ)可由該(微)處理器執(zhí)行的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼(例如軟件或固件)的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)、邏輯門、開關(guān)、專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、可編程邏輯控制器和嵌入微控制器的形式,控制器的例子包括但不限于以下微控制器:ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320,存儲(chǔ)器控制器還可以被實(shí)現(xiàn)為存儲(chǔ)器的控制邏輯的一部分。
本領(lǐng)域技術(shù)人員也知道,除了以純計(jì)算機(jī)可讀程序代碼方式實(shí)現(xiàn)控制器以外,完全可以通過將方法步驟進(jìn)行邏輯編程來使得控制器以邏輯門、開關(guān)、專用集成電路、可編程邏輯控制器和嵌入微控制器等的形式來實(shí)現(xiàn)相同功能。因此這種控制器可以被認(rèn)為是一種硬件部件,而對(duì)其內(nèi)包括的用于實(shí)現(xiàn)各種功能的裝置也可以視為硬件部件內(nèi)的結(jié)構(gòu)?;蛘呱踔?,可以將用于實(shí)現(xiàn)各種功能的裝置視為既可以是實(shí)現(xiàn)方法的軟件模塊又可以是硬件部件內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
上述實(shí)施例闡明的系統(tǒng)、裝置、模塊或單元,具體可以由計(jì)算機(jī)芯片或?qū)嶓w實(shí)現(xiàn),或者由具有某種功能的產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)。
為了描述的方便,描述以上裝置時(shí)以功能分為各種單元分別描述。當(dāng)然,在實(shí)施本申請(qǐng)時(shí)可以把各單元的功能在同一個(gè)或多個(gè)軟件和/或硬件中實(shí)現(xiàn)。
通過以上的實(shí)施方式的描述可知,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本申請(qǐng)可借助軟件加必需的通用硬件平臺(tái)的方式來實(shí)現(xiàn)。基于這樣的理解,本申請(qǐng)的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來,在一個(gè)典型的配置中,計(jì)算設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)處理器(CPU)、輸入/輸出接口、網(wǎng)絡(luò)接口和內(nèi)存。該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品可以包括若干指令用以使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī),服務(wù)器,或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本申請(qǐng)各個(gè)實(shí)施例或者實(shí)施例的某些部分所述的方法。該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品可以存儲(chǔ)在內(nèi)存中,內(nèi)存可能包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的非永久性存儲(chǔ)器,隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和/或非易失性內(nèi)存等形式,如只讀存儲(chǔ)器(ROM)或閃存(flash RAM)。內(nèi)存是計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的示例。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括永久性和非永久性、可移動(dòng)和非可移動(dòng)媒體可以由任何方法或技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)。信息可以是計(jì)算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序的模塊或其他數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)的例子包括,但不限于相變內(nèi)存(PRAM)、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)、其他類型的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)、快閃記憶體或其他內(nèi)存技術(shù)、只讀光盤只讀存儲(chǔ)器(CD-ROM)、數(shù)字多功能光盤(DVD)或其他光學(xué)存儲(chǔ)、磁盒式磁帶,磁帶磁磁盤存儲(chǔ)或其他磁性存儲(chǔ)設(shè)備或任何其他非傳輸介質(zhì),可用于存儲(chǔ)可以被計(jì)算設(shè)備訪問的信息。按照本文中的界定,計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)不包括短暫電腦可讀媒體(transitory media),如調(diào)制的數(shù)據(jù)信號(hào)和載波。
本說明書中的各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述,各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可,每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。尤其,對(duì)于系統(tǒng)實(shí)施例而言,由于其基本相似于方法實(shí)施例,所以描述的比較簡(jiǎn)單,相關(guān)之處參見方法實(shí)施例的部分說明即可。
本申請(qǐng)可用于眾多通用或?qū)S玫挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境或配置中。例如:個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器計(jì)算機(jī)、手持設(shè)備或便攜式設(shè)備、平板型設(shè)備、多處理器系統(tǒng)、基于微處理器的系統(tǒng)、置頂盒、可編程的消費(fèi)電子設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)PC、小型計(jì)算機(jī)、大型計(jì)算機(jī)、包括以上任何系統(tǒng)或設(shè)備的分布式計(jì)算環(huán)境等等。
本申請(qǐng)可以在由計(jì)算機(jī)執(zhí)行的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的一般上下文中描述,例如程序模塊。一般地,程序模塊包括執(zhí)行特定任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)特定抽象數(shù)據(jù)類型的例程、程序、對(duì)象、組件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等等。也可以在分布式計(jì)算環(huán)境中實(shí)踐本申請(qǐng),在這些分布式計(jì)算環(huán)境中,由通過通信網(wǎng)絡(luò)而被連接的遠(yuǎn)程處理設(shè)備來執(zhí)行任務(wù)。在分布式計(jì)算環(huán)境中,程序模塊可以位于包括存儲(chǔ)設(shè)備在內(nèi)的本地和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)中。
雖然通過實(shí)施例描繪了本申請(qǐng),本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道,本申請(qǐng)有許多變形和變化而不脫離本申請(qǐng)的精神,希望所附的權(quán)利要求包括這些變形和變化而不脫離本申請(qǐng)的精神。