用于最佳化和监控地下钻探的方法

用于最佳化和监控地下钻探的方法
【专利摘要】一种最佳化地下钻探的方法，其中，诸如机械比能的比能根据多个钻压和钻头转速而被确定。钻探操作通过在机械比能的标准偏差为最小的操作条件下钻探而被最佳化，所述操作条件包括钻压和钻头转速。钻探操作通过确定机械比能并且如果机械比能的标准偏差超过预定值就改变操作参数而被监控。
【专利说明】用于最佳化和监控地下钻探的方法
[0001] 相关申请的声明
[0002] 本申请要求2011年10月27日提交的美国临时申请No. 13/283,518的优先权，该 申请以其整体在此通过引用并入。

【技术领域】
[0003] 本发明涉及地下钻探，并且更具体地涉及用于最佳化和监控这种钻探操作的方 法。

【背景技术】
[0004] 在诸如气、油、地热钻探的地下钻探中，一般涉及钻出深入地球的地层的井孔。这 种井孔通过将钻头连接到称为"钻管"的长管段以便形成通常称为"钻柱"的组件而形成。 钻柱从地面延伸到井孔的底部。
[0005] 旋转钻头，使得钻头前进到地球中，由此形成井孔。在旋转钻探中，通过旋转在地 面上的钻柱而使钻头旋转。地面上的活塞操作的泵将称为"钻探泥浆"的高压流体泵送通 过钻柱中的内部通道并且从钻头中泵出。钻探泥浆润滑钻头，并且将岩屑从钻头的路径冲 走。在电机钻探的情况下，流动的泥浆还对通常称为"泥浆电机"的钻探电机提供动力，不 论钻柱是否旋转，其都使钻头转动。泥浆电机装接有转子，该转子响应于钻探泥浆经过其而 产生扭矩。转子被耦接到钻头使得扭矩被传送至钻头，促使钻头旋转。然后，钻探泥浆通过 在钻柱与井孔的表面之间形成的环形通道而流到地面。
[0006] 通常，在钻探期间对各种工作参数进行测量。例如，地面设备感测钻头进入地层中 的贯穿速率、钻柱的转速、吊钩载荷、表面扭矩、和压力。在地面处或在底孔组件中或在该两 处的传感器测量轴向拉伸/压缩载荷、扭矩和弯曲。然而，对将导致最佳钻探的钻探参数 的值的选择是困难的任务。例如，虽然减小施加到钻头的孔下力（通常称为钻压("W0B")） 或钻头的转速可以减小振动，并且因此延长钻柱部件的寿命，但是它也可能减小贯穿速率 ("R0P")。一般地，当钻头到地层中的贯穿速率尽可能高而振动尽可能低时，获得最佳钻探。 ROP是包括钻头的转速和WOB的若干变量的函数。
[0007] 已经研发了估计钻通固定体积的岩石所消耗的能量一换言之，输入到钻探中的 能量与依据ROP的钻探的输出的比率，这称为比能一的技术。比能的一个量度是机械比能 ("MSE")，其是钻通固定体积的地层所需的机械能的量度，通过确定机械能使用速率与ROP 的比率而获得。最近，已经研发了比能的另一个量度，称为液压机械比能("HMSE")，以考虑 在钻探期间所消耗的液压以及机械能。在现有技术中已经做出尝试以通过支持在将导致低 MSE值的条件下的操作利用比能尤其是MSE来最佳化钻探性能。然而，取决于钻探操作的特 性，操作MSE的最小值并不一致地导致最大化钻探性能。因此，对在持续基础上最佳化钻探 性能和监控钻探性能以确定钻探条件是否已经改变、保证进一步最佳化的方法的持续需要 因此存在。


【发明内容】

[0008] 在一个实施例中，本发明包含一种操作钻柱钻探到地球地层中以便使用钻头形成 井孔的方法，该方法可以是计算机实施的，该方法包括如下步骤：（a)在多个不同的钻探条 件组下操作钻柱，在此期间，通过对钻头施加扭矩以便使钻头旋转并且对钻头施加钻压，钻 头贯穿到地球地层中，其中，在优选实施例中，每个钻探条件包括钻头上的钻压和钻头旋转 的速度，钻柱的操作在每个钻探条件组下被执行一时间段；（b)在每个钻探条件组下执行 钻探的每个时间段内，以选定的次数对施加到钻头的扭矩和钻头贯穿到地球地层中的速率 的组合进行确定；（C)对于每个钻探条件组，从在步骤（b)中确定的扭矩和贯穿速度的每个 组合，确定被输入到钻探中的能量与根据ROP并且优选地比能并且最优选地机械比能的输 出的比率的值；（d)对于每个钻探条件组，诸如通过计算标准偏差来确定在步骤（c)中确定 的比率的值的变化；（e)识别在步骤（d)中为其确定比率的变化的多个钻探条件组中产生 最小变化的钻探条件组；以及（f)以在步骤（e)中识别的钻探条件组操作钻柱。
[0009] 本发明还包含一种操作钻柱钻探到地球地层中以便使用钻头形成井孔的方法，该 方法包括如下步骤：（a)在第一组钻探条件下操作钻柱，在此期间，通过对钻头施加扭矩以 便使钻头旋转并且对钻头施加钻压，钻头贯穿到地球地层中，其中，该第一组钻探条件包括 钻压和钻头旋转的速度；（b)在第一组钻探条件下操作时，以选定的次数对施加到钻头的 扭矩和钻头贯穿到地球地层中的速率的组合进行确定；（C)从在步骤（b)中确定的扭矩和 贯穿速率的每个组合，确定被输入到钻探中的能量与根据ROP并且优选地比能的值并且最 优选地机械比能的值的钻探输出的比率；（d)确定在步骤（c)中确定的比率的值的变化； (e)确定在步骤（d)中确定的比率的值的标准偏差是否超过预定阈值；（f)如果在步骤（d) 中确定的比率的值的变化超过预定阈值，则将第一组钻探条件改变为第二组钻探条件。

【专利附图】

【附图说明】
[0010] 当结合所附概略附图来阅读时，将更好地理解前述
【发明内容】
和优选实施例的下列 详细描述。为了图示本发明的目的，附图示出当前优选的实施例。然而，本发明并不限制于 附图中所公开的特定的仪器。
[0011] 图1是根据本发明操作的钻机的部分示意图。
[0012] 图2是在三种钻头转速一220RPM、240RPM和250RPM-下MSE对WOB (以千磅计） 的曲线图。数据旨在用于说明性目的并且不旨在表示来自实际钻探操作的数据。
[0013] 图3是基于来自钻探操作的实际数据的图表，示出在220RPM、240RPM和250RP的 钻头转速下MSE的标准偏差对WOB (以千磅计)。
[0014] 图4是图示根据本发明的最佳化钻探的方法的流程图。
[0015] 图5是图示根据本发明的监控钻探的方法的流程图。

【具体实施方式】
[0016] 如图1所示，钻机通常包括支撑钻柱4的井架9。钻头8被耦接到钻柱4的底孔 组件6的远端。原动机(未示出），诸如顶部驱动或旋转台，使钻柱4旋转以便控制钻头8的 转速("RPM")和钻头8上的扭矩。像传统上，泵10泵送流体14-通常称为钻探泥浆--向 下通过钻柱中的内部通道。在钻头8处离开之后，返回的钻探泥浆16通过在钻柱4和地 球地层3中的井孔2之间形成的环形通道向上流到地面。泥浆电机40,诸如螺旋式正排量 泵一有时称为"Moineau型"泵一可以被结合到底孔组件6中并且由通过泵的钻探泥浆 14的流动来驱动。
[0017] 根据本发明，W0B、钻头RPM、ROP和钻头上的扭矩("Τ0Β"）的值被确定并且 变化。在 2010 年 2 月 1 日提交的标题为 "System and Method for Monitoring and Controlling Underground Drilling (用于监控和控制地下钻探的系统和方法)"的美国申 请No. 12/698, 125中描述了用于确定W0B、RPM、R0P、TOB的仪器和方法，该美国申请以其整 体在此通过引用并入。虽然在下文中描述了用于获得这种值的各种方法和仪器，但是也能 够利用其它方法和仪器。
[0018] 孔下应变计7可以被结合到底孔组件6中以测量W0B。在标题为"Apparatus For Measuring Weight And Torque An A Drill Bit Operating In A Well (用于测量在井中 操作的钻头的钻压和扭矩的设备)"的美国专利No. 6, 547, 016中描述了用于使用孔下应变 计来测量WOB的系统，该美国专利以其整体在此通过引用并入。除了测量WOB的孔下传感器 之外，测量钻头上的扭矩("Τ0Β"）和钻头上的弯曲（"BOB"）的诸如应变计的孔下传感器也 被包括在底孔组件中。在通过上述引用并入的前述美国专利No. 6, 547, 016中也描述了用 于TOB的孔下测量的技术。在2009年7月30日提交的标题为"Apparatus for Measuring Bending on a Drill Bit Operating in a Well (用于测量在井中操作的钻头上的弯曲的 设备)"的美国申请No. 12/512, 740中描述了用于BOB的孔下测量的技术，该美国申请以其 整体在此通过引用并入。结合BOB、TOB和BOB传感器的接头（sub)被称为"WTB接头"。
[0019] 地磁仪42被结合到底孔组件6中，其使用在例如2006年5月1日提交的标题为 "Methods And Systems For Determining Angular Orientation Of A Drill String (用 于确定钻柱的角取向的方法和系统)"的美国专利申请公布No. 2006/0260843中的技术来测 量钻头8的瞬时转速，该美国专利申请以其整体在此通过引用并入本文。
[0020] 像传统上，通过改变井架9上的吊钩载荷来控制W0B。顶部接头45被结合在钻柱 的顶部处并且包围测量轴向（吊钩）载荷以及顶部接头上的弯曲和扭转载荷的应变计48， 以及测量钻柱的振动的三轴加速计49。使用本领域熟知的技术，根据由顶部接头上的应变 计测量的吊钩载荷能够计算W0B，例如，通过从测量的吊钩载荷减去作用在钻柱上的摩擦阻 力。通过在钻柱上向上拉使得钻头不再接触地层并且注意吊钩载荷的改变，能够获得摩擦 阻力的值。在所布设的管中，来自孔下传感器的数据将由顶部接头45接收。使用以其整体 在此通过引用并入的2009年2月20日提交的标题为"Synchronized Telemetry From A Rotating Element (来自旋转元件的同步遥测技术)"的美国申请No. 12/389,950中公开的 技术，来自顶部接头45应变计以及在所布设的管路系统中的孔下传感器的数据能够经无 线遥测技术被传输到地面采集系统12,使得某些参数，诸如W0B，能够在地面处被确定。
[0021] 优选地，地面监控系统还包括用于确定WOB的吊钩载荷传感器30。吊钩载荷传感 器30例如通过使用应变计来测量绞车缆绳中的张力来测量钻柱的悬挂重量。缆绳贯穿三 个支撑部。支撑部对缆绳施加已知的横向移位。应变计测量由于缆绳中的张力而引起的横 向应变量，其然后被用来计算轴向载荷。传感器32还被用于感测钻柱转速。
[0022] 根据本发明的钻探操作还包括泥浆脉冲遥测系统，该泥浆脉冲遥测系统包括结合 到孔下组件6中的泥浆脉冲发生器5。使用本领域熟知的技术，泥浆脉冲遥测系统对来自孔 下传感器的数据进行编码并且，使用脉冲发生器5,将已编码的脉冲传输至地面。在标题为 "Method And Apparatus For Transmitting Information To The Surface From A Drill String Down Hole In A Well (用于将来自井中的钻柱底孔的信息传输到地面的方法和设 备），'的美国专利No. 6, 714, 138和标题为"Rotary Pulser For Transmitting Information To The Surface From A Drill String Down Hole In A Well (用于将来自井中的钻柱底 孔的信息传输至地面的旋转脉冲发生器)"的美国专利No. 7, 327, 634以及标题为"System And Method For Transmitting Information Through A Fluid Medium (用于经流体介质 传输信息的系统和方法)"的美国专利申请公布No. 2006/0215491中更加完整地描述了泥浆 脉冲遥测技术系统，这些美国专利中的各篇以其整体通过引用并入本文。
[0023] 也像在传统上，在地面处的数据采集系统12感测在由泥浆脉冲发生器5产生的钻 探泥浆14中的压力脉动，其包含来自振动存储器模块和底孔组件6中的其它传感器的编码 的信息。数据采集系统12对该信息解码并且将该信息传输至也优选地位于地面处的计算 机处理器18。来自诸如吊钩载荷传感器30、钻柱转速传感器32、和ROP传感器34的地面传 感器的数据也被传输至处理器18。
[0024] 在下文讨论的用于执行在此所描述的方法的软件20优选地存储在诸如CD的非瞬 态计算机可读介质上，并且被安装到执行软件的处理器18中以便执行下文讨论的方法和 功能。处理器18优选地被连接到诸如计算机显示器的显示器19,以为钻机操作员提供信 息。诸如键盘的数据输入装置22也被连接到处理器18以允许输入数据以由软件20使用。 存储器设备21与处理器18通信，使得软件当执行其功能时能够将数据发送至存储器和从 存储器接收数据。处理器18可以是个人计算机，其优选地具有至少16X⑶-ROM驱动器、 512MB RAM、225MB的可用磁盘空间、能够以256种颜色实现1024x786或更佳的图形卡和监 视器，并且运行Windows XPTM操作系统。虽然执行本发明的软件20的处理器18优选地位 于地面处并且能够由操作人员访问，但是软件20的部分也能够被安装到位于底孔组件中 的处理器中，使得下文所讨论的一些操作能够在孔下被执行。
[0025] 根据本发明，比能被用来确定最有效的一组钻探参数，尤其是最佳WOB和钻头 RPM。优选地，MSE被用作比能的量度。MSE能够按照例如在F. Dupriest和W. Koederitz 的"Maximizing Drill Rates With Real-Time Surveillance of Mechanical Specific Energy (最大化钻头速率与机械比能的实时监督）"，SPE/IADC钻探会议，SPE/IADC92194 (2005)和 W. Koederitz 和 J. Weis 的 "A Real-Time Implementation Of MSE (MSE 的实时 实施)"美国钻探工程师协会，AADE-05-NTCE-66 (2005)中所描述的来计算，这些文献中的 各篇以其整体通过引用并入。具体地，MSE可以根据如下方程式计算：
[0026] MSE= [(480x TOB x RPM)/(D2x R0P)] + [(4x W0B) / (D2X π )]
[0027] 其中：
[0028] MSE=机械比能
[0029] TOB=施加到钻头的扭矩，英尺-镑
[0030] RPM=钻头的转速
[0031] ROP=贯穿速率，英尺/小时
[0032] WOB=钻压，磅
[0033] D=钻头的直径，英寸
[0034] 可选地，可以使用HMSE。HMSE能够例如按照K. Mohan和R Adil的"Tracking Drilling Efficiency Using Hydro-Mechanical Specific Energy (使用液压机械比能跟踪 钻探效率)"，SPE/IADC钻探会议，SPE/IADC119421 (2009)中描述的来计算，该文献以其整 体通过引用并入。具体地，HMSE可以根据如下方程式计算：
[0035] HMSE = [(VVOB -? x FiVAb] + [(120π x RPM χ TOB + 1154? χ AP11 χ Q)/(A，0 χ ROP)]
[0036] 其中：
[0037] HMSE=液压机械比能
[0038] TOB=施加到钻头的扭矩，英尺-镑
[0039] RPM=钻头的转速
[0040] ROP=贯穿速率，英尺/小时
[0041] WOB=钻压，磅
[0042] Ab=钻头的面积，平方英寸
[0043] Fj=由地层上的流体施加的冲击力，磅
[0044] Q=流率，加仑/分钟
[0045] ?=能力减少的虚拟因子
[0046] APb=钻头两端的压降，psi
[0047] 根据传统思维，钻探应在产生最低的比能值的操作条件下进行。然而，令人惊讶 地，发明人已经发现，最佳钻探在比能值随时间的离散（scatter)是最小的操作条件下出 现，这些操作条件不一定是与产生最低比能值的那些操作条件相同的操作条件。
[0048] 比能值随时间的离散可以通过例如计算比能中的标准偏差来量化。可以被改变以 确定最佳钻探的操作条件可以为例如钻头RPM和W0B。
[0049] 根据本发明的操作钻柱的方法能够参照图2被图示，图2是如上文所解释的在 WOB的四个值（6000磅、12000磅、14000磅和17000磅)和三种钻头转速（220RPM、240RPM和 250RPM)下计算的MSE的曲线图。在WOB和RPM的各种组合下提取若干读数。在各RPM处 的数据的最佳拟合曲线在该曲线图上示出。根据传统思维，基于MSE的值的评估，对于最佳 钻探的操作状态将为12000磅WOB并且也许为240RPM，因为该组操作条件产生最低的MSE 值。然而，根据本发明，在这些条件下操作将不是最佳的。相反，应使用14000磅的W0B，因 为MSE随时间的离散在该WOB下比在12000磅下更少。
[0050] 图3和图4示出来自钻探操作的实际数据的结果，其中，在六组不同的操作条件下 提取 TOB 和 ROP 的数据一在 240RPM 和 250RPM 下 6000 磅，在 240RPM 和 250RPM 下 10000 磅，以及在220RPM和240RPM下14000磅。在各操作条件下，在约15分钟至30分钟的时段 内，每隔1秒进行WOB、RPM、TOB和ROP的测量，并且确定在5-10分钟的时段内的平均MSE 和MSE的标准偏差。如图3中所示，最低平均MSE在10000磅和250RPM下产生，而在14000 磅和220RPM和240R0M任一者下平均MSE仅略高，表明在这三组操作条件中的任一组下操 作将导致最佳钻探。然而，如图4中所示，在各操作条件下MSE的标准偏差的考虑因素显示， MSE的变化在14000磅和220RPM下最低，表明根据本发明在该组条件下操作将导致最佳钻 探。
[0051] 图5是图示根据本发明的用于最佳化钻探的方法的一个实施例的流程图。在步骤 100中，变量N、M、P和0的值被设置为零。在步骤105中，如上文所讨论的，钻柱以其操作 的WOB被增加量Λ W0B。在步骤110中，RPM被增加量Λ RPM。在步骤115中，测量TOB和 R0P。在步骤120中，使用上文所讨论的方程式、使用RPM、W0B、TOB的测定值和钻头的直径 来计算MSE。使用计数器130,重复步骤115和120,以便测量TOB和R0P，并且在RPM和WOB 的初始值下对MSE计算K+1次不同次数。在步骤135中，根据在WOB和RPM的初始值下获 得的K+1组数据来确定MSE和ROP的平均值以及MSE的标准偏差。
[0052] 使用计数器145,对于RPM的吣+1个不同值，重复步骤110至135。使用计数器 150,对于WOB的PJl个值，重复步骤105至135。
[0053] 例如，WOB的初始值可以被设置成0并且WOB以2000磅增量从2000磅至18000 磅变化（AW0B=2000, P1=8)，以便获得在九个不同的WOB下的数据。RPM的初始值可以被设 置为200RPM，并且RPM以20RPM增量从200RPM到300RPM变化（Λ RPM=20, M1=S),以便获得 在九个WOB中的每个下在六个不同的RPM下的数据，使得不同操作条件的总数为五十四个。 在每组WOB和RPM (&=600)下，MSE和ROP的平均值以及MSE的标准偏差能够在10分钟内 每隔1秒被计算，以便获得总共32400组数据。
[0054] 在已经在每个操作条件组下一也就是，在WOB和RPM的每个组合下一确定了平 均ROP和MSE的值和MSE的标准偏差之后，在步骤160中选择将产生根据本发明的最佳钻探 的WOB的值和RPM的值。在一个实施例中，WOB和RPM的选定值为如下值：在这些值下，MSE 的标准偏差是最小的。此外，如果在两个或更多个操作点处MSE的标准偏差在预定范围内， 诸如在彼此的5%内，则将选择在那些条件当中产生最高的ROP的操作条件组。如果在这些 操作条件组当中的其标准偏差在预定范围内的ROP也在预定范围内，诸如彼此的5%，则选 择在这些条件当中产生最低平均MSE的操作条件组。因此，虽然优先选择MSE的标准偏差 明显最低的操作条件，但是如果两个或更多个操作条件产生基本上相同的MSE值，则ROP被 用作关键因素。如果两个或更多个操作条件产生基本上相同的MSE标准偏差值和R0P，则将 平均MSE用作关键因素。
[0055] 在执行如上文所讨论的钻探最佳化方法的步骤中，不同的操作条件能够由操作员 手动地设置，并且所进行的计算，或步骤中的一些或全部能够使用熟知的技术编程在软件 中，并且在来自处理器18的指挥下自动地被执行。
[0056] 图6是图示根据本发明的监控钻探的方法的一个实施例的流程图。在步骤200中， 获得WOB、TOB、RPM和ROP的值，以及已经优选地通过上文所讨论的钻探最佳化方法来获得 的WOB的值和RPM的值。在步骤210中，使用上文所讨论的方程式来确定在这些操作条件 下的MSE。重复这些步骤，直至在步骤220中做出关于是否已经获得足够数量的数据点来 计算MSE的标准偏差的确定为止。例如，可以在10分钟内每隔1秒计算MSE的值，并且根 据MSE的这600个值来计算标准偏差。在已经提取足够数量的数据点之后，在步骤230中 计算MSE的标准偏差以及MSE的平均值。在步骤240中，将MSE的平均值与参数A相比较， 并且将标准偏差与第二参数B相比较。如果在步骤250中平均MSE小于A并且MSE的标准 偏差小于B，则将不采取补救措施。可以通过例如使用下列方程式来根据经验确定参数A和 参数B :
[0057] A=MSEavg+K X σ βε
[0058] B=L x 〇 ΒΕ
[0059] 其中，K和L是基于在操作钻柱方面的经验而选择的常数，并且MSEatc和σ ΒΕ是 在基于钻探最佳化试验，诸如上文相对于图5所讨论的方法，选择的操作条件下获得的平 均MSE和MSE的标准偏差。例如，可以将K设置成K=I并且将L设置成L=3,使得如果，在正 常操作期间，（i )平均MSE在预定时间间隔内小于如在最佳条件下通过钻探最佳化试验获 得的MSE的平均值与MSE的标准偏差的和，并且（ii) MSE的标准偏差在预定时间间隔内小 于在最佳条件下由钻探最佳化试验获得的MSE的标准偏差的三倍，将视为仍然获得最佳钻 探。
[0060] 如果未满足步骤240中的条件，则步骤250确定虽然MSE的平均值超过标准，但是 MSE的标准偏差是否满足标准。如果是，则在步骤260中，告知操作员，很可能钻头已经进 入到具有不同特性的地层中，例如，从硬岩石到较软岩石，但是，仍然获得平稳钻探。在步骤 270中，将重新进行钻探最佳化，并且将获得新的最佳钻探条件组(例如，WOB和RPM)，并且 钻探监控在新的条件下重新开始。
[0061] 如果在步骤280中确定MSE的平均值和MSE的标准偏差两者超过它们的标准一换 言之，在钻探中使用的平均能量以及钻探能量中的变化已经显著增加一则在步骤290中， 重复步骤200至230,并且做出关于MSE的平均值和MSE的标准偏差是否已经恢复正常的确 定一也就是，平均MSE再次小于A并且MSE的标准偏差再次小于B。如果在步骤290中平 均MSE和MSE的标准偏差现在满足标准，换言之，在钻探中产生阶跃变化，使得有些时候正 获得可接受的钻探，但是在其它时间获得不可接受的钻探，则在步骤300中通知操作员，很 可能钻头正钻通地层中的细脉（stringer)。在步骤270中，使用在钻探试验的重复以获得 在步骤240中所使用的标准期间确定的平均MSE和MSE的标准偏差，钻探最佳化试验重新 进行，并且获得新的最佳钻探条件组(例如，WOB和RPM)，并且钻探监控在新的条件下重新 开始。
[0062] 如果在步骤290中，平均MSE或MSE的标准偏差仍不满足标准一换言之，步骤200 至230的重复产生仍然不满足标准的平均MSE的值和MSE的标准偏差的值一则在步骤310 中重新进行钻探最佳化，并且获得新的最佳钻探条件组(例如，WOB和RPM)。在步骤320中， 例如，使用如上文针对步骤240所讨论的标准A和B，确定从重新进行钻探最佳化获得的平 均MSE和MSE的标准偏差是否充分接近在较早的钻探最佳化试验期间获得的平均MSE和 MSE的标准偏差。如果这些值充分地接近，则重新开始监控，使用在步骤310中的钻探最佳 化试验的重复期间所确定的平均MSE和MSE的标准偏差被用来获得在步骤240中应用的标 准。
[0063] 如果在步骤310中的钻探试验的重复期间所确定的平均MSE或标准偏差超过先前 讨论的预定标准一换言之，平均MSE和MSE的标准偏差比它们先前甚至在钻探最佳化试验 的重复中被确定为最佳的操作条件下的值还高相当多一则在步骤330中，告知操作员，钻 头或底孔组件可能已经变得受损，应将钻柱从井孔移除，称为"起钻（tripping)"，以允许检 查设备。再次，能够由操作员手动地执行监控钻探的方法，或步骤中的一些或全部能够使用 熟知的技术被编程在软件中，并且在处理器18的指挥下自动地执行。
[0064] 本发明的方法通过分析在给定的时间段内的数据分布来增强对MSE的利用。数据 分布分析对于识别在宽范围的钻探条件内提供最佳的钻探效果的钻探参数提供了清晰的 认识。而且，能够使用MSE来监控钻头条件。通过监控随时间的改变和分布，能够看到钻头 磨损有多快。还能够使用该信息来采取纠正行动作以延长钻头寿命。此外，使用MSE计算 值能够比利用伽马和电阻率测井仪更早地查看钻头处地层中的变化。
[0065] 理想的情形出现在MSE值和MSE的变化两者都最小化时。当该条件出现时，钻探 是最佳化的并且是稳定的，能够忍受宽范围的钻探条件。理想地，操作员将改变钻探参数以 识别标准偏差最小的条件，并且如果标准偏差在多于一个条件组下是相当的，则操作员会 确定MSE的值最小的条件。MSE的增加，并且更加显著地，MSE的变化的增加，表明孔下钻探 条件已经改变，并且可能需要调节钻探参数以再次最佳化钻探。
[0066] 跟踪MSE也允许监控钻头的条件。在正常钻探条件下，MSE将逐渐增加到增加的 深度、增加的岩石抗压强度和正常的钻头磨损。当钻头暴露于较恶劣的钻探条件时，MSE线 的斜度随着钻头经历加速磨损而增加。随着钻头甚至进一步磨损，斜度继续增加并且变得 更加不稳定，导致MSE的变化的增加。
[0067] 在伽马和电阻率测量之前，也可以使用MSE来确定地层井的位置。MSE值随着地层 强度的改变而改变。较高强度的地层导致较高的MSE值。此外，随着钻头钻通细脉，MSE值 在产生大MSE变化附近跳跃。当ROP低时，监控MSE可以早于伽马和电阻率测井仪数小时 指示地层中的变化。
[0068] 虽然已经参照用于最佳化钻探的特定方法描述了本发明，但是，本发明适用于基 于本文教导的其它方法。例如，可以改变除WOB和RPM以外的操作条件来确定最佳钻探条 件。虽然已经参照MSE的测量描述了本发明，但是可以使用比能的其它量度，诸如HMSE。因 此，在不偏离本发明的精神或本质属性的情况下，本发明可以以其它的具体形式实施，并且 相应地，本发明的范围应参考所附的权利要求书，而不是前述说明书。
【权利要求】
1. 一种操作钻柱钻探到地球地层中以便使用钻头形成井孔的方法，所述方法包括如下 步骤： (a) 在多个不同的钻探条件组下操作所述钻柱，在此期间，通过对所述钻头施加扭矩以 便使所述钻头旋转并且对所述钻头施加钻压，所述钻头贯穿到所述地球地层中，其中，每个 所述钻探条件包括所述钻头上的钻压和所述钻头旋转的速度，所述钻柱的所述操作在每个 所述钻探条件组下被执行一时间段； (b) 在每个所述钻探条件组下执行所述钻探的每个所述时间段期间，以选定的次数对 施加到所述钻头的所述扭矩和所述钻头贯穿到所述地球地层中的速率的组合进行确定； (c) 对于每个所述钻探条件组，对于在步骤（b)中确定的扭矩和贯穿速率的每个所述组 合，确定与所述钻探相关联的比能的值； (d) 对于每个所述钻探条件组，确定在步骤（c)中确定的比能的所述值的变化； (e) 识别在步骤（d)中为其确定比能的变化的所述多个钻探条件组当中产生比能的最 小变化的钻探条件组； (f) 以在步骤（e)中识别的所述钻探条件组操作所述钻柱。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤（c)中确定的所述比能包括机械比能。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述机械比能根据以下方程式来计算： MSE=[(480x TOB x RPM)/(D2x R0P)] + [(4x WOB) / (D2x π )] 其中： MSE=机械比能 T0B=施加到所述钻头的扭矩，英尺-镑 RPM=所述钻头的转速 R0P=所述钻头的贯穿速率，英尺/小时 W〇B=所述钻头上的钻压，磅 D=所述钻头的直径，英寸。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤（d冲确定的比能的所述变化通过包括计 算比能的标准偏差的步骤来确定。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤（c)中确定的所述比能包括液压机械比 能。
6. -种操作钻柱钻探到地球地层中以便使用钻头形成井孔的方法，所述方法包括如下 步骤： (a) 在第一组钻探条件下操作所述钻柱，在此期间，通过对所述钻头施加扭矩以便使所 述钻头旋转并且对所述钻头施加钻压，所述钻头贯穿到所述地球地层中，其中，所述第一组 钻探条件包括所述钻头上的钻压和所述钻头旋转的速度； (b) 在所述第一组钻探条件下操作时，以选定的次数对施加到所述钻头的所述扭矩和 所述钻头贯穿到所述地球地层中的速率的组合进行确定； (c) 从在步骤（b)中确定的扭矩和贯穿速率的每个所述组合，确定与所述钻探相关联的 比能的值； (d) 确定在步骤（c)中确定的比能的所述值的变化； (e) 确定在步骤（d)中确定的比能的所述值的所述变化是否超过预定阈值； (f) 如果在步骤（d)中确定的比能的所述值的所述变化超过所述预定阈值，则将所述第 一组钻探条件改变为第二组钻探条件。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，在步骤（c)中确定的所述比能包括机械比能。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述机械比能根据以下方程式来计算： MSE=[(480x TOB x RPM)/(D2x R0P)] + [(4x WOB) / (D2x π )] 其中： MSE=机械比能 T0B=施加到所述钻头的扭矩，英尺-镑 RPM=所述钻头的转速 R0P=所述钻头的贯穿速率，英尺/小时 W〇B=所述钻头上的钻压，磅 D=所述钻头的直径，英寸。
9. 根据权利要求6所述的方法，其中，在步骤（d冲确定的比能的所述变化通过包括计 算比能的标准偏差的步骤来确定。
10. 根据权利要求6所述的方法，其中，在步骤（c)中确定的所述比能包括液压机械比 能。
11. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述钻探在步骤（f)所改变到的所述第二组钻 探条件由进一步的步骤来确定： (g) 在包括不同于所述第一组钻探条件的钻探条件的多个钻探条件组下操作所述钻 柱，在此期间，通过对所述钻头施加扭矩以便使所述钻头旋转并且对所述钻头施加钻压，所 述钻头贯穿到所述地球地层中，其中，每个所述钻探条件包括所述钻压和所述钻头旋转的 速度，所述钻柱的所述操作在每个所述钻探条件组下被执行一时间段； (h) 在每个所述钻探条件组下执行所述钻探的每个所述时间段期间，以选定的次数对 施加到所述钻头的所述扭矩和所述钻头贯穿到所述地球地层中的速率的组合进行确定； (i) 对于每个所述钻探条件组，从在步骤（h)中确定的扭矩和贯穿速率的每个所述组 合，确定比能的值； (j) 对于每个所述钻探条件组，确定在步骤（i)中确定的比能的所述值的变化； (k) 将在步骤（j)中为其确定比能的变化的所述多个钻探条件组当中产生比能的最小 变化的钻探条件组识别为所述第二组钻探条件。
12. -种操作钻柱钻探到地球地层中以便使用钻头形成井孔的方法，所述方法包括如 下步骤： (a) 在多个不同的钻探条件组下操作所述钻柱，在此期间，通过对所述钻头施加扭矩以 便使所述钻头旋转并且对所述钻头施加钻压，所述钻头贯穿到所述地球地层中，所述钻柱 的所述操作在每个所述钻探条件组下被执行一时间段； (b) 对于每个所述钻探条件组，根据所述钻头到所述地球地层中的贯穿速率，确定输入 到所述钻探中的能量与所述钻探的输出的比率； (c) 对于每个所述钻探条件组，确定在步骤（b)中确定的所述比率的变化； (d) 识别在步骤（c)中为其确定所述比率的变化的所述多个钻探条件组当中产生所述 比率的最小变化的钻探条件组； (e)以在步骤（d)中识别的所述钻探条件组操作所述钻柱。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在步骤（b冲确定的所述比率包括与所述钻探 条件组相关联的机械比能。
【文档编号】E21B47/00GK104246107SQ201280048481
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年10月26日 优先权日:2011年10月27日
【发明者】马克·埃尔斯沃思·瓦塞尔 申请人:Aps技术公司