[发明专利]用于最佳化和监控地下钻探的方法

说明书

相关申请的声明

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

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

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。

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。

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（“WOB”））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（“ROP”）。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。

已经研发了估计钻通固定体积的岩石所消耗的能量--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--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

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。

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。

附图说明