無立管條件下的預測振動模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及與鉆井和采油結(jié)構(gòu)的測量和分析有關(guān)的設(shè)備和方法。
[0002] 背景
[0003] 無立管鉆井帶來眾多操作挑戰(zhàn),所述挑戰(zhàn)表現(xiàn)在許多方面,所有這些方面皆不利 地影響鉆井過程的效率。問題包括增加的扭矩和阻力、增加的振動、不良的井眼凈化、管故 障、不良的固井作業(yè)以及起下鉆操作期間的相關(guān)聯(lián)問題。在深水和超深水中鉆井像在無立 管環(huán)境中將范圍延伸至較大深度一樣需要改進的模型與全面的分析,尤其是在放入并粘結(jié) 較大直徑的套管時。
[0004] 附圖簡述
[0005] 圖1示出了根據(jù)各種實施方案的井段的模型,用以確定側(cè)向力、力矩和井段末端處 的力。
[0006] 圖2示出了根據(jù)各種實施方案的鉆井操作的不同情形。
[0007] 圖3示出了根據(jù)各種實施方案的用以分析無立管結(jié)構(gòu)的示例性過程流程的特征。
[0008] 圖4示出了根據(jù)各種實施方案的用以分析無立管結(jié)構(gòu)的示例性方法的特征。
[0009] 圖5描繪了根據(jù)各種實施方案的可操作以控制無立管條件下的預測振動模型的示 例性系統(tǒng)的特征的框圖。
【具體實施方式】
[0010]以下【具體實施方式】涉及附圖,所述附圖以說明而非限制的方式示出了其中可以實 踐本發(fā)明的各種實施方案。非常詳細地描述這些實施方案以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺` 這些和其它實施方案??梢岳闷渌鼘嵤┓桨?,并且可以對這些實施方案進行結(jié)構(gòu)、邏輯和 電氣的改變。各種實施方案未必是互斥的,因為一些實施方案可以與一個或多個其它實施 方案組合而形成新的實施方案。因此,以下【具體實施方式】不應以限制性意義來理解。
[0011] 當在深水情形中放下套管柱時,在未恰當建模的情況下進行計算可能會極大地低 估大鉤負荷值。在各種實施方案中,除了扭矩和阻力計算之外,建模方法還使用在不同操作 條件下針對鉆柱/套管柱在露天水體中以及在裸眼井中的情形來達到適當大鉤負荷值。軟 和剛柱模型的組合可以用于張力估計以及井口側(cè)向負荷計算。對于套管和內(nèi)柱是在鉆井泥 漿在內(nèi)柱內(nèi)部、海水在外柱中以及墊泥漿在泥線以下的井眼中的情況下放下的情形,根據(jù) 本文中的教導的研究已經(jīng)提供了呈現(xiàn)大鉤負荷計算的結(jié)果。研究的結(jié)論是,各種參數(shù)會影 響結(jié)果,例如井口相對于鉆塔中心的偏移、井筒傾度、曲率、井筒撓率、進入井口的角度,此 外還有由于風、波浪力以及海洋環(huán)流所致的復雜性。為了闡釋建模方法的實施的嚴密性,對 預測的數(shù)學模擬結(jié)果與來自不同井的實際井數(shù)據(jù)進行比較。
[0012] 在各種實施方案中,模型可以包括多個操作,其中所述操作可以包括鉆井(井底旋 轉(zhuǎn))、離底旋轉(zhuǎn)、下鉆、起鉆、倒劃眼和滑動。下鉆是將鉆柱放置于井孔中,而起鉆是將鉆柱從 井孔拉出。倒劃眼是指在進行栗抽和旋轉(zhuǎn)鉆柱的同時將鉆柱從井眼拉出?;瑒邮侵冈谖词?鉆柱從地面向下旋轉(zhuǎn)的情況下通過泥漿馬達使鉆頭向井下旋轉(zhuǎn)。相關(guān)的操作參數(shù)包括各種 參數(shù),例如鉆壓、鉆頭或管旋轉(zhuǎn)、起下鉆速度、流體流量、流體位置、管速度的加速度/減速度 以及其它參數(shù)。
[0013] 圖1示出了井段103的模型,用以確定側(cè)向力、力矩和井段103末端處的力??梢躁P(guān) 于三個節(jié)點來考慮井段l〇3:n-l、n和n+1,其中完整的結(jié)構(gòu)可以被視為按區(qū)段分類的多節(jié)點 結(jié)構(gòu)。節(jié)點η被取為在井段103的彎曲部的附近,對于所示的坐標,此處存在側(cè)向力FxjPFxy 以及力矩MxJPMxy。節(jié)點n-1和n+1被取為在區(qū)段103的相應末端處。在節(jié)點n-1處,存在軸向 力Tm和剪切力T S1,并且在節(jié)點n+1處,存在軸向力Tn2和剪切力Ts2。圖1所示的模型可以用 于分析無立管結(jié)構(gòu)。可以得到解決的不同情形包括但不限于單管以及管中管、連續(xù)油管、套 管襯管和其它布置。
[0014] 圖2示出了不同的情形201、202、204、206和207。情形201和206是已對其進行傳統(tǒng) 分析的結(jié)構(gòu)。情形204示出了管內(nèi)的管。情形202和207示出了在無立管條件下從泥線209延 伸穿過水的結(jié)構(gòu)。在各種實施方案中,使用井筒分析來預測和量化針對無立管條件的振動, 例如但不限于情形202和207。應用于本文所討論的無立管條件的各種分析提供了對設(shè)計和 操作此類無立管結(jié)構(gòu)的能力的增強。
[0015] 可以使用不同的模型來計算井口處的側(cè)向力。這些模型可以包括軟柱模型、可以 包括管的剛度的剛柱模型、以及有限元法。局部剛度矩陣對于分析是重要的,因為它代表了 鉆柱或套管柱的剛性或可彎曲的程度。在方程式(1)中界定了剛度矩陣與節(jié)點力、位移、旋 轉(zhuǎn)和力矩之間的關(guān)系,為
[0016] {F} = [K]{5} (1)
[0017] 其中
[0018] {F}=節(jié)點負荷和力矩的向量
[0019] [K] =剛度矩陣
[0020] {δ}=節(jié)點位移和旋轉(zhuǎn)的向量
[0021]個別有限元的剛度系數(shù)的矩陣相結(jié)合以制訂在任一節(jié)點處起作用的外力的數(shù)學 關(guān)系。剛度矩陣[Κ]包括以下 [0022] Ε =楊氏模量(鎊/英寸2)
[0023] 1 =慣性矩(英寸4)
[0024] G =剛性模量Ε/2(1+ γ )
[0025] J =極慣性矩
[0026] γ =泊松比
[0027] 立管長度的計算可以基于懸鏈線剖面。可以包括其它剖面和相關(guān)計算。懸鏈線井 段的長度可以由下式計算:
[0028] Δ L= ( ω /Fh) {sinh[ (L-C2) ( ω /Fh) ]-C2} (2)
[0029] 其中
[0030] L =偏移距離,英尺 [0031 ] a= (Fh/ ω )
[0032] C2 = -as inh-1(tanB)
[0033] 在另一形式中,泥線深度可以給出為
[0034] Du = (FH/L)cosh(L-C2)( 〇/Fh)+C3 (3)
[0035] 其中
[0036] C = _a cosh K,,其中K,
[0037] ω =立管每長度的平均重量。
[0038] 如果放下柱的多個重量,那么使用每單位長度的柱平均重量??梢苑磸偷厥褂梅?程式(3)來求解出L以獲得井口處的側(cè)向力。
[0039] 關(guān)于大鉤負荷計算,根據(jù)庫侖摩擦模型,在懸鏈線井段的末端處的沿著航行井段 拉動鉆柱所需的軸向力由下式給出:
[0040] Fc = Fs+W(cosac±ysinac) (4)
[0041] 軸向力Fs取決于井口處的側(cè)向力。加號界定了起鉆操作,而減號界定了下鉆操作。
[0042] 要考慮的另一個重要參數(shù)是井筒品質(zhì)以及井筒迂曲度。非常精確地量化復雜井筒 軌跡的能力可以提供可靠的指導來估計所涉及的風險。先前發(fā)表的論文更主觀地描述井眼 的品質(zhì)而非在質(zhì)量上量化井眼。另外,沒有明確的標準來界定井筒的品質(zhì)。用于測評井眼的 品質(zhì)的井筒得分卡(WCS)在性質(zhì)上也更主觀而非在質(zhì)量上量化井眼。在規(guī)劃階段期間,估計 是非常主觀的,因為它將是在操作具有不確定性和變化性的情況下進行。估計還必須基于 先前鉆出的補償井并且可能只適用于其中正在規(guī)劃井的區(qū)域。井筒品質(zhì)得分卡已產(chǎn)生了良 好的井筒品質(zhì),但是在無立管條件下會遇到下套管方面的困難。在勘定計算中被忽略的參 數(shù)是井筒撓率,井筒撓率描繪了關(guān)于彎曲長度的副法線向量的旋轉(zhuǎn)速率或密切平面改變其 方向的速率的測量值。它不僅確保了平滑的井路徑而且還減小阻力和扭矩。另外,井筒撓率 將尖銳井路徑的井路徑曲率的波動強調(diào)至比從先前方法獲得的程度大的程度。
[0043] 通過將撓率參數(shù)作為撓率平方的弧長積分而納入,對于井路徑設(shè)計,可以使井筒 能量Es更全面。井筒能量可以給出為:
[0045]其中!c是曲率并且τ是井筒撓率。井筒能量可以進一步標準化為勘定站之間的標準 井筒軌跡長度,其中標準化的井筒能量可以給出為
[0047]其中i對應于第i個勘定站,η為深度點,D為深度,Dn為第η個深度點處的深度,ADn 為關(guān)于第η個深度點的深度間隔,并且△ DiS關(guān)于第i個勘定站的深度間隔。
[0048]曲線的總能量的最小化可以在操作中的幾個期間導致較小的扭矩和阻力。在柱是 在無立管環(huán)境中放下時,這種計算可能是有幫助的。
[0049]在傳統(tǒng)的評估方法中,將離群值丟棄并且離群值并非傳統(tǒng)分析方法的部分。在各 種實施方案中,方法可以包括用于分析離群值數(shù)據(jù)以找出并預測故障的布置。離群值數(shù)據(jù) 包括可用于與預測數(shù)據(jù)進行比較的噪聲數(shù)據(jù)。此噪聲數(shù)據(jù)可以與其中進行直接測量的區(qū)相 關(guān)聯(lián)。如本文所討論的,綜合方法可以使用離群值數(shù)據(jù)進行正向預測和非生產(chǎn)時間估計。
[0050]圖3示出了用以分析無立管結(jié)構(gòu)的示例性過程流程的特征。在305處,給出井深范 圍。輸入可以包括但不限于井路徑詳情和泥線深度。輸入結(jié)構(gòu)可以包括扭矩和阻力、抽吸和 波動以及振動模型。扭矩和阻力可以包括但不限于側(cè)向力、阻力和扭矩。抽吸和波動可以包 括但不限于抽吸、波動和往復運動。抽吸涉及在一類完井中儲層的流動。關(guān)于流動和壓力的 波動的數(shù)據(jù)可以包括在輸入結(jié)構(gòu)中。往復運動涉及升高和降低鉆柱。往復運動數(shù)據(jù)可以包 括一系列的垂直行程。振動模型可以包括但不限于橫向模型、軸向模型或扭轉(zhuǎn)模型中的一 者或多者。
[0051] 在310處,進行曲率和撓率計算。在315處,進行井筒能量分析。井筒能量分析可以 包括317處的最小能量確定和319處的最大能量分析。在320處,計算當前井筒能量。在325 處,確定操作范圍,并且在327處,給出目標能量。在330處,鑒于操作范圍和給出的目標能量 來確定能量線。在335處,進行關(guān)于能量線是否在增加的估計。在340處,如果能量線正在增 加,那么可以采取補救措施。在345處,如果能量線與先前的確定值相比保持相同,那么不需 要采取行動。在350處,如果能量線正在減小,那么不需要采取行動。在355處,可以在顯示裝 置上顯示將要采取的行動,所述行動可以包括補救措施或無行動。上述過程流程可以應用 于但不限于鉆桿在露天水體中、套管在露天水體中和管中管的情形。
[0052] 圖4示出了用于分析無立管結(jié)構(gòu)的示例性方法的實施方案的特征。在410處,接收 關(guān)于無立管井結(jié)構(gòu)的輸入數(shù)據(jù)。所述輸入數(shù)據(jù)可以包括井深范圍、泥線深度或勘定詳情中 的一者或多者。所述輸入數(shù)據(jù)可以包括扭矩和阻力信息、抽吸和波動信息以及振動模型。 [0053]在420處,計算無立管井結(jié)構(gòu)的井筒能量。在430處,確定無立管井結(jié)構(gòu)的操作范 圍。在440處,相對于目標能量來確定所述操作范圍的能量線。在450處,基于關(guān)于能量線是 否在增加的估計來確定將要采取的行動。確定行動可以包括如果能量線在增加那么采取補 救措施以及如果能量線保持相同或在減小那么不采取行動。所述行動