專利名稱：確定鉆柱剛度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定在一地層中鉆制一個(gè)井筒的鉆柱旋轉(zhuǎn)剛度的方法和設(shè)備。在旋轉(zhuǎn)鉆制過程中，尤其是鉆柱稱為底孔組件(BHA)的下部可能經(jīng)受不希望的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，也叫做擺動(dòng)。這種旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的大小和頻率取決于鉆柱的長度和剛度、鉆柱穩(wěn)定器的數(shù)量和位置、井筒的形狀以及BHA的重量等參數(shù)。粘滑運(yùn)動(dòng)是一種特別不希望的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)模式，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致鉆頭穿透率的減小并增大鉆柱的磨損和損壞。在粘滑運(yùn)動(dòng)的過程中，鉆柱運(yùn)動(dòng)的特征在于可以重復(fù)進(jìn)行減速和加速的循環(huán)，其中在每個(gè)循環(huán)中鉆頭會(huì)暫停并隨后加速到高于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的額定速度的一個(gè)速度。
EP-A-0443689公開了一種用于控制鉆柱振動(dòng)的設(shè)備，它根據(jù)鉆柱的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)逐漸改變轉(zhuǎn)速，以減緩振動(dòng)。鉆柱由一個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，在大多數(shù)情況下驅(qū)動(dòng)設(shè)備包括一個(gè)由一電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，或者由一由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的頂部驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。控制設(shè)備根據(jù)控制通過驅(qū)動(dòng)設(shè)備的能量流的原理操作，而且可以由與驅(qū)動(dòng)設(shè)備相連的一個(gè)旋轉(zhuǎn)彈簧和一個(gè)旋轉(zhuǎn)阻尼器的組合表示。為了取得最優(yōu)的阻尼緩沖，彈簧的彈簧常數(shù)和阻尼器的阻尼系數(shù)調(diào)節(jié)成最佳值。可以理解鉆柱的旋轉(zhuǎn)剛度在調(diào)節(jié)這種最優(yōu)值時(shí)起重要的作用。但是，鉆柱的實(shí)際旋轉(zhuǎn)剛度通常未知，因?yàn)橛捎诶玢@柱隨著井筒的加深延伸的過程中旋轉(zhuǎn)剛度經(jīng)常變化。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于確定在一地層中鉆制一個(gè)井筒的鉆柱旋轉(zhuǎn)剛度的方法和設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種確定用于在一地層中鉆制一個(gè)井筒的鉆柱旋轉(zhuǎn)剛度的方法，鉆柱具有一個(gè)底孔組件(BHA)和一個(gè)由一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的上端，所述方法包括以下步驟-在選定的時(shí)間鉆制井筒的過程中當(dāng)產(chǎn)生BHA的粘滑運(yùn)動(dòng)時(shí)確定鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；
-在所述選定的時(shí)間在鉆柱的一個(gè)上部確定鉆柱的額定轉(zhuǎn)速；以及-從鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的所述導(dǎo)數(shù)和在鉆柱上部的所述額定轉(zhuǎn)速之間的一個(gè)選定的關(guān)系中確定鉆柱的旋轉(zhuǎn)剛度。
鉆柱扭矩是鉆柱旋轉(zhuǎn)剛度和鉆柱扭曲度的線性函數(shù)。因此鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)線性決定于鉆柱剛度以及BHA和鉆柱上部之間的瞬時(shí)速度差。在粘滑運(yùn)動(dòng)過程中，BHA的速度在零和兩倍的鉆柱上部額定速度之間變化。因此BHA速度變化的幅度與鉆柱上部額定速度具有一樣的數(shù)量級(jí)。這樣，通過適當(dāng)選擇扭矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)以及在鉆柱上部的額定轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，可以確定旋轉(zhuǎn)剛度。
已發(fā)現(xiàn)一種正弦波適合BHA的速度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。因此，在本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述選擇的關(guān)系為dTdsdt=k2AcfΩnomcos(ω0t)------(1)]]>其中dTdsdt]]>是鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；k2是鉆柱剛度；Acf是校正因子；Ωnom是鉆柱上部的額定速度；ω0是鉆柱振動(dòng)的頻率。
最好在所述選定的時(shí)間鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)最大，這樣所述選定的關(guān)系為maxdTdsdt=k2AcfΩnom.]]>(2)或者在所述選定的時(shí)間鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)最小，這樣所述選定的關(guān)系為mindTdsdt-=k2AcfΩnom.]]>(3)本發(fā)明的設(shè)備包括-在選定的時(shí)間鉆制井筒的過程中當(dāng)產(chǎn)生BHA的粘滑運(yùn)動(dòng)時(shí)確定鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù)的裝置；-在所述選定的時(shí)間在鉆柱的一個(gè)上部確定鉆柱的額定轉(zhuǎn)速的裝置；以及-從鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的所述導(dǎo)數(shù)和在所述額定轉(zhuǎn)速之間的一個(gè)選定的關(guān)系中確定鉆柱旋轉(zhuǎn)剛度的裝置。
為了進(jìn)一步改進(jìn)控制設(shè)備的彈簧常數(shù)和阻尼系數(shù)的調(diào)節(jié)，最好考慮到BHA的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)際大小，從鉆柱的旋轉(zhuǎn)剛度使用以下關(guān)系確定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=k2/ω20；(4)其中J1是BHA的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
下面參照附圖更詳細(xì)并示意性地描述本發(fā)明，其中

圖1示意性地示出用于實(shí)施本發(fā)明方法和設(shè)備的一個(gè)鉆柱和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備；而圖2示意性地示出圖1的鉆柱的BHA的轉(zhuǎn)速波動(dòng)與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。
參見圖1，其中示出一個(gè)鉆柱1的實(shí)施例，鉆柱具有一個(gè)形成一底孔組件(BHA)的下部3和一個(gè)由一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備7驅(qū)動(dòng)的上端5。BHA3具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1，鉆柱1具有抗扭剛度k2，而驅(qū)動(dòng)設(shè)備7具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J3。在圖1的實(shí)施例中，BHA3和驅(qū)動(dòng)設(shè)備7之間的鉆柱部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量被混合在鉆柱的兩端，即混合在J1和J3中。
驅(qū)動(dòng)設(shè)備7包括一個(gè)電動(dòng)機(jī)11和由電動(dòng)機(jī)11驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)12，并且連接在一個(gè)電控設(shè)備(未示出)上，用于通過吸收其旋轉(zhuǎn)振動(dòng)能量而減緩鉆柱1的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)?？刂圃O(shè)備的阻尼作用由位于電動(dòng)機(jī)11和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)之間的一個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧15和一個(gè)旋轉(zhuǎn)阻尼器17模擬。彈簧15具有彈簧常數(shù)kf，而旋轉(zhuǎn)阻尼器17具有阻尼系數(shù)cf?？刂圃O(shè)備必須調(diào)節(jié)成可以對(duì)參數(shù)kf和cf選擇最優(yōu)的數(shù)值。選擇這種最佳值的過程不是本發(fā)明的一個(gè)目的。本發(fā)明的目的是確定k2和J1的實(shí)際大小，以便可以最優(yōu)地調(diào)節(jié)控制設(shè)備。可以理解由于例如鉆柱隨著鉆孔的加深而延伸或者BHA改變，在鉆孔過程中k2和J1的大小改變。
在圖2中示出一個(gè)圖表，其中曲線19表示在粘滑運(yùn)動(dòng)過程中BHA的轉(zhuǎn)速與時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系，而曲線21表示BHA速度的一個(gè)正弦波近似值。BHA的速度通常圍繞旋轉(zhuǎn)平臺(tái)12的平均速度Ωnom變化一個(gè)大小與Ωnom相似的振幅，此平均速度由線23表示。由曲線21表示的速度的正弦波近似值可以表示如下ΩBHA=Ωnom+AcfΩnomcos(ω0t) (5)其中ΩBHA是BHA3近似的瞬時(shí)速度；Acf是以上所述的校正因子；Ωnom是旋轉(zhuǎn)平臺(tái)12的額定速度；ω0是鉆柱振動(dòng)的頻率。
在大多數(shù)情況下，校正因子可以選定為Acf=1?；蛘逜cf可以選定為略大于1，以說明BHA的非線性，例如1.0≤Acf≤1.2。
由于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)12的速度變化與BHA3相比幾乎很小，可以估算出在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)12和BHA3之間的瞬時(shí)速度差ΔΩ為ΔΩ=AcfΩnomcos(ω0t) (6)鉆柱中的扭矩為Tds=k2Φds(7)其中Tds是鉆柱扭矩；而Φds是鉆柱扭曲度。由于dφdsdt=ΔΩ,]]>從公式(2)和(3)中可得dTdsdt=k2dΩdsdt=k2AcfΩnomcos(ω0t)------(8)]]>其最大值為maxdTdsdt=k2AcfΩnom------(9)]]>旋轉(zhuǎn)平臺(tái)12的運(yùn)動(dòng)方程式為J3dΩrdt=Tr-Tds------(10)]]>其中Ωr是旋轉(zhuǎn)平臺(tái)12的轉(zhuǎn)速；而Tr是由電動(dòng)機(jī)11向旋轉(zhuǎn)平臺(tái)12傳遞的扭矩。
從以上的說明書中可以通過以下步驟取得鉆柱1的旋轉(zhuǎn)剛度
(a)例如從供給電動(dòng)機(jī)的電流和電壓確定Ωr和Tr；(b)從方程式(10)確定鉆柱扭矩Tds；(c)確定Tds對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)的最大值，即maxdTdsdt;]]>(d)確定旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的額定速度Ωnom并選擇一個(gè)合適的Acf值(例如=1)；并(e)使用方程式(9)確定k2，即k2=maxdTdsdt/AcfΩnom-------(11)]]>此外，在大多數(shù)情況下鉆柱的振動(dòng)頻率與鉆柱的固有頻率為同一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此ω0大約為ω0=k2/J1-----(12)]]>BHA3的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則可以通過測(cè)量振動(dòng)頻率ω0并從方程式(11)和(12)中確定J1=k2/ω20(13)控制設(shè)備可以根據(jù)參數(shù)值k2和J1調(diào)節(jié)。
如果需要，可以通過確定表示鉆柱振動(dòng)的信號(hào)中的任何諧波并在上述方程式中考慮這些諧波而增進(jìn)上述步驟的精度。
權(quán)利要求
1．一種用于確定在一地層中鉆制一個(gè)井筒的鉆柱旋轉(zhuǎn)剛度的方法，鉆柱具有一個(gè)底孔組件(BHA)和一個(gè)由一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的上端，所述方法包括以下步驟-在選定的時(shí)間鉆制井筒的過程中當(dāng)產(chǎn)生BHA的粘滑運(yùn)動(dòng)時(shí)確定鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；-在所述選定的時(shí)間在鉆柱的一個(gè)上部確定鉆柱的額定轉(zhuǎn)速；以及-從鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的所述導(dǎo)數(shù)和在鉆柱上部的所述額定轉(zhuǎn)速之間的一個(gè)選定的關(guān)系中確定鉆柱的旋轉(zhuǎn)剛度。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的選定關(guān)系為如前所述的dTdsdt=k2AcfΩnomcos(ω0t).]]>
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述選定的時(shí)間鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)最大，而且所述選定的關(guān)系為maxdTdsdt=k2AcfΩnom.]]>
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述選定的時(shí)間鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)最小，而且所述選定的關(guān)系為mindTdsdt=-k2AcfΩnom.]]>
5．根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，參數(shù)Acf選定為1.0≤Acf≤1.2。
6．根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和一個(gè)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的電機(jī)，而且鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)由如前所述的驅(qū)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)方程式確定J3dΩrdt=Tr-Tds]]>。
7．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，電機(jī)是一個(gè)電動(dòng)機(jī)，而且Tr和Ωr由供給電動(dòng)機(jī)的電流和電壓確定。
8．根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟-從鉆柱的旋轉(zhuǎn)剛度以及以下關(guān)系中確定BHA的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=k2/ω20。
9．一種用于確定在以地層中鉆制一個(gè)井筒的鉆柱的旋轉(zhuǎn)剛度的設(shè)備，鉆柱具有一個(gè)底孔組件(BHA)和一個(gè)由一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的上端，所述設(shè)備包括-在選定的時(shí)間鉆制井筒的過程中當(dāng)產(chǎn)生BHA的粘滑運(yùn)動(dòng)時(shí)確定鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù)的裝置；-在所述選定的時(shí)間在鉆柱的一個(gè)上部確定鉆柱的額定轉(zhuǎn)速的裝置；以及-從鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的所述導(dǎo)數(shù)和在所述額定轉(zhuǎn)速之間的一個(gè)選定的關(guān)系中確定鉆柱旋轉(zhuǎn)剛度的裝置。
10．基本參照附圖如前所述的方法。
11．基本參照附圖如前所述的設(shè)備。
全文摘要
一種用于確定在一地層中鉆制一個(gè)井筒的鉆柱旋轉(zhuǎn)剛度的方法，鉆柱具有一個(gè)底孔組件(BHA)和一個(gè)由一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的上端。所述方法包括以下步驟在選定的時(shí)間鉆制井筒的過程中當(dāng)產(chǎn)生BHA的粘滑運(yùn)動(dòng)時(shí)確定鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，在所述選定的時(shí)間在鉆柱的一個(gè)上部確定鉆柱的額定轉(zhuǎn)速，以及從鉆柱扭矩對(duì)時(shí)間的所述導(dǎo)數(shù)和在鉆柱上部的所述額定轉(zhuǎn)速之間的一個(gè)選定的關(guān)系中確定鉆柱的旋轉(zhuǎn)剛度。
文檔編號(hào)E21B44/00GK1317069SQ99810765
公開日2001年10月10日 申請(qǐng)日期1999年9月7日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月9日
發(fā)明者沃特·J·G·科爾特耶斯, 萊昂·范登斯泰恩 申請(qǐng)人:國際殼牌研究有限公司