用于优化钻探操作中的穿透速率的系统和方法

摘要

用于通过开发组合了井眼净化和钻探速率以优化性能的井眼净化模型来预测竖直、偏斜和水平井眼中的有效井眼净化的系统和方法。具体地，通过确保从ECD、岩屑输送、剪切稀化和触变属性方面对钻探泥浆具有影响的最佳泥浆流变值，并利用承载能力指数(CCI)和环空中的岩屑浓度(CCA)开发有效的井眼净化模型。

权利要求

1.一种利用钻探系统的钻探工具钻探井眼的方法，所述钻探系统利用钻探泥浆将地层的岩屑输送到地面，所述方法包括：接收利用所述钻探系统进行的钻探操作的多个输入参数，所述输入参数至少包括与在所述钻探操作中产生的所述岩屑相关的岩屑参数；

基于所述输入参数确定在所述钻探工具附近的当前的环空中的所述岩屑的浓度；

基于所确定的环空中的岩屑浓度确定所述钻探操作的期望的穿透速率；以及基于所确定的速率来改变当前的穿透速率，其中利用以下公式来确定环空中的岩屑浓度：

其中，CCA是环空中的岩屑浓度，ROP是当前的穿透速率，OH是井眼尺寸，GPM是泥浆泵的流速，并且TR是输送比。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于所述多个输入参数确定承载能力指数；

基于所确定的环空中的岩屑浓度和所述承载能力指数确定所述钻探操作的穿透的第二期望速率；以及

基于所确定的第二期望速率来改变当前的穿透速率。

3.根据权利要求2所述的方法，其中利用以下公式来确定在垂直井中的承载能力指数：其中，CCI是承载能力指数，MW是泥浆重量，K是稠度指数，并且AV是泥浆环隙流速。

4.根据权利要求2所述的方法，其中利用以下公式来确定在偏斜井或水平井中的承载能力指数：

其中，CCI是承载能力指数，K是稠度指数，SG是比重，Af是所述偏斜井或所述水平井的角度因子，并且Aa是环空面积。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，接收所述输入参数包括获得以下项中的一个或多个：所述钻探泥浆的重量、所述钻探泥浆的流速、所述钻探系统的当前的穿透速率、所述井眼的深度、所述钻探系统的钻探工具的深度、所述岩屑的密度、所述岩屑的直径、所述井眼的偏心系数和所述地层的孔隙度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述输入参数确定在所述钻探工具附近的当前的环空中的所述岩屑的浓度包括：在该确定中，使用所述钻探泥浆的体积流速、所述岩屑的体积流速以及滑移速度与轴向速度之间的关系。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，基于所述输入参数确定在所述钻探工具附近的当前的环空中的所述岩屑的浓度还包括：在所述确定中，使用以下项中的一个或多个：在所述钻探工具附近的环空的面积、所述井眼的偏心率、所述钻探系统的所述钻探工具的表面积以及所述地层的孔隙度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入参数还包括：井眼尺寸、测量到的穿透速率、输送比、泥浆类型、进尺、用于钻探所述进尺所花费的小时、以磅每立方英尺和磅每加仑为单位的泥浆密度、漏斗粘度、以厘泊为单位的塑性粘度、以lb/100sqft为单位的屈服点、以Klb为单位的混合物重量、每分钟转数、以psi为单位的立管压力、以lbf.ft为单位的扭矩、以平方英寸为单位的钻头的总流动面积、初始凝胶和最终凝胶类型、以及泥浆泵的流速。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：确定所述输送比小于预定阈值；

改变所述泥浆泵的流速，以将当前的环空中的所述岩屑的浓度增加到5％以上。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括：确定屈服点与塑性粘度之比小于预定阈值；

改变所述屈服点与塑性粘度之比，以使屈服点与塑性粘度之比的值达到至少3。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：确定所述泥浆泵的流速小于预定阈值；

改变所述泥浆泵的流速，以使所述泥浆泵的流速值达到至少1200。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括：利用以下公式来确定钻探比能：

其中，DSE是钻探比能，WOB是混合物重量，RPM是每分钟转数，TRQ是扭矩，HHPB是钻头的液压马力，DB是钻头直径，并且ROP是测量到的穿透速率。

13.一种程序存储装置，该程序存储装置上存储有程序指令，所述程序指令用于使可编程控制装置执行根据权利要求1所述的钻探井眼的方法。

14.一种利用钻探工具钻探井眼的钻探系统，所述钻探系统利用钻探泥浆将地层的岩屑输送到地面，所述系统包括：

储存器，其被配置为存储历史信息；

接口，其获得利用所述钻探系统进行的钻探操作的多个参数，输入参数至少包括与所述钻探操作中产生的所述岩屑相关的岩屑参数；以及处理单元，其与所述储存器和所述接口通信，并且被配置为：接收多个输入参数；

基于所述输入参数，确定在所述钻探工具附近的当前的环空中的所述岩屑的浓度；

基于所确定的环空中的岩屑浓度，确定所述钻探操作的期望的穿透速率；以及基于所确定的期望的速率，改变当前的穿透速率，其中利用以下公式来确定环空中的岩屑浓度：

其中，CCA是环空中的岩屑浓度，ROP是当前的穿透速率，OH是井眼尺寸，GPM是泥浆泵的流速，并且TR是输送比。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述处理单元还被配置为：基于所述多个输入参数，确定承载能力指数；

基于所确定的环空中的岩屑浓度和所述承载能力指数，确定所述钻探操作的穿透的第二期望速率；以及

基于所确定的第二期望速率，改变当前的穿透速率。

16.根据权利要求14所述的系统，其中，获得所述输入参数包括获得以下项中的一个或多个：所述钻探泥浆的重量、所述钻探泥浆的流速、所述钻探系统的当前的穿透速率、所述井眼的深度、所述钻探系统的钻探工具的深度、所述岩屑的密度、所述岩屑的直径、所述井眼的偏心系数和所述地层的孔隙度。

17.根据权利要求14所述的系统，其中，基于所述输入参数确定在所述钻探工具附近的当前的环空中的所述岩屑的浓度包括：在该确定中，使用所述钻探泥浆的体积流速、所述岩屑的体积流速以及滑移速度与轴向速度之间的关系。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，基于所述输入参数确定在所述钻探工具附近的当前的环空中的所述岩屑的浓度还包括：在该确定中，使用以下项中的一个或多个：至少在所述钻探工具附近的环空的面积、所述井眼的偏心率、所述钻探系统的所述钻探工具的表面积以及所述地层的孔隙度。

19.根据权利要求14所述的系统，其中，所述输入参数还包括：井眼尺寸、测量到的穿透速率、输送比、泥浆类型、进尺、用于钻探所述进尺所花费的小时、以磅每立方英尺和磅每加仑为单位的泥浆密度、漏斗粘度、以厘泊为单位的塑性粘度、以lb/100sqft为单位的屈服点、以Klb为单位的混合物重量、每分钟转数、以psi为单位的立管压力、以lbf.ft为单位的扭矩、以平方英寸为单位的钻头的总流动面积、初始凝胶和最终凝胶类型、以及泥浆泵的流速。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述处理单元还被配置为：确定所述输送比小于预定阈值；

改变所述泥浆泵的流速，以将当前的环空中的所述岩屑的浓度增加到5％以上。

21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述处理单元还被配置为：确定屈服点与塑性粘度之比小于预定阈值；

改变所述屈服点与塑性粘度之比，以使屈服点与塑性粘度之比的值达到至少3。

22.根据权利要求14所述的系统，其中利用以下公式来确定在垂直井中的承载能力指数：

其中，CCI是承载能力指数，MW是泥浆重量，K是稠度指数，并且AV是泥浆环隙流速。

23.根据权利要求14所述的系统，其中利用以下公式来确定在偏斜井或水平井中的承载能力指数：

其中，CCI是承载能力指数，K是稠度指数，SG是比重，Af是所述偏斜井或所述水平井的角度因子，并且Aa是环空面积。

24.根据权利要求14所述的系统，其中，所述处理单元还被配置为：利用以下公式来确定钻探比能：

其中，DSE是钻探比能，WOB是混合物重量，RPM是每分钟转数，TRQ是扭矩，HHPB是钻头的液压马力，DB是钻头直径，并且ROP是测量到的穿透速率。

说明书

用于优化钻探操作中的穿透速率的系统和方法

技术领域

[0001] 本公开总体上涉及穿过地下地层的井眼的建造领域。更具体地，本公开涉及用于自动计算钻探操作参数值，并将其显示给钻探操作人员的方法，所述方法可优化这种井眼
的钻探，并相对于钻探性能的基准来表征特定井眼的这种钻探性能。

背景技术

[0002] 穿过地下地层钻探井眼包括从钻探单元或类似的升降设备悬挂钻管的“柱(string)”(“钻柱”)，以及操作一组钻探工具并使设置在钻柱底端的钻头旋转。可以通过从
地面旋转整个钻柱和/或通过操作设置在一组钻探工具中的马达来使钻头旋转。马达可以
例如由钻井液(“泥浆”)通过钻柱中的内部通道的流动来操作。泥浆通过钻头离开钻柱，并
通过已钻的井眼壁和钻柱外部之间的环形空间返回到地面。返回的泥浆冷却并且润滑钻
头，将岩屑/钻屑提升到地面，并且提供液体静压，以机械地稳定井眼并防止流体在压力下
从暴露于井眼的某些可渗透地层进入井眼。泥浆还可以包括在暴露的地层上产生不可渗透
的屏障(“滤饼”)的材料，该屏障的流体压力低于环形空间中泥浆的液体静压，使得没有任
何大量泥浆会流入这种地层中。

[0003] 钻探单元可以具有用于选择“钻探操作参数”的控制件。在本上下文中，术语“钻探操作参数”是指可由钻探单元操作者和/或相关人员控制的那些参数，并且作为非限制性示
例，包括由钻探单元悬挂的钻柱施加到钻头的轴向力(重量)、钻头的旋转速度(“RPM”)、钻
井液被泵送到钻柱中的速率、以及当使用某些类型的马达来使钻头旋转时钻柱的旋转取向
或工具面(“TF”)。由于例如前述钻探操作参数的特定值，结果可包括将以特定速率且沿着
轨迹(井路径)钻探(延长)井眼，且可导致钻井液在进入钻柱中的点处或接近该点处的特定
测量压力(被称为立管压力(“SPP”))。前述内容是“钻探响应参数”的非限制性示例。

[0004] 钻探时卡钻(stuck pipe)是石油工业中常见的问题。事实上，因为大位移水平钻探已经在非常规页岩区域中获得应用，卡钻已经成为非生产时间的更重要来源。遗憾的是，
通常难以检测卡钻，直到卡滞事件已经发生之后才能检测到卡钻。

[0005] 通常，运行用于在钻柱上产生锤击效果的钻探震击器，以提供“不卡”钻柱的方式。然而，大位移水平钻探已经改变了传统的想法，因为它通过限制力从井的竖直段传递到水
平段而降低了震击器的有效性。为此，许多操作者已经停止在这些类型的井中运行钻探震
击器。因此，操作者几乎没有办法检测/防止卡钻，使得在某种意义上，如果发生卡钻，则不
能进行任何操作来解决该问题。

[0006] 除了使用钻探震击器之外，许多操作者要求在钻探的同时以某种规则间隔泵送高粘度“扫掠(sweep)”。典型的频率包括对钻成的管道的每三个立管进行一次扫掠。“扫掠”意
味着清洁钻头附近的井眼并减少卡钻变化。

[0007] 操作者还依赖于钻机现场监督员的专业知识，以能够检测井何时被“过快地”钻探和/或是否在地面观察到即将发生卡钻的任何警告标志。操作者还可以通过远程战术操作
中心(RTOC)远程监视钻探操作来补充这些工作。

[0008] 在过去，可以在钻探期间绘制原始实时数据。为了确定合适的穿透速率，操作者依赖于人来解释泵压力、扭矩、钩载荷和其它参数是否落在“正常”或“可接受”范围之外。有时
被称为“受控钻探”的穿透速率(ROP)的变化可以基于人类判断来进行。例如，可以基于该领
域中的经验对ROP设置限制(即，操作者可能仅仅知道当最后一个问题发生时钻探进行得有
多快)。另外，基于地面设备从通过流动线路到来的泥浆中简单地清除固体的能力，对ROP设
置限制。

[0009] 如将理解的，上述方法是高度主观的并且可能是不可靠的。在许多情况下，在一个井处使用的钻探规程仅简单地复制到下一个井，而不考虑地质、钻探条件等的变化。简言
之，目前技术不足以缓解钻探过程中的卡钻。

[0010] 需要一种实时系统，以在钻探操作期间主动计算期望的穿透速率(ROP)，以减轻卡钻问题。本公开的主题涉及克服或至少减少上述一个或多个问题的影响。

发明内容

[0011] 公开了用于通过利用承载能力指数(CCI)和环空中的岩屑浓度(CCA)开发有效的井眼净化模型，并且通过使用钻探比能(drilling specific energy，DSE)来集成将井眼净
化和钻探速率联系起来以优化性能的井眼净化模型，来在竖直、偏斜和水平井眼中提供有
效的井眼净化的系统和方法。更具体地，所述系统和方法确保最佳的泥浆流变值，所述最佳
的泥浆流变值从等效循环密度(ECD)、岩屑输送、剪切稀化和触变属性方面对钻探泥浆具有
有效影响。

[0012] 一个示例实施例是一种利用钻探系统的钻探工具来钻探井眼的方法，所述钻探系统使用钻探泥浆将地层的岩屑输送到地面。该方法包括接收利用钻探系统进行的钻探操作
的多个输入参数，输入参数至少包括与钻探操作中产生的岩屑相关的岩屑参数，基于所获
得的参数确定钻探操作中至少在钻探工具附近的岩屑的当前浓度，基于所确定的浓度确定
钻探操作的期望的穿透速率，以及基于所确定的速率改变当前的穿透速率。

[0013] 另一示例实施例是一种程序存储装置，其上存储有程序指令，用于使可编程控制装置执行根据上述方法的钻探井眼的方法。

[0014] 另一个示例实施例是一种用于利用钻探工具钻探井眼的钻探系统，所述钻探系统使用钻探泥浆将地层岩屑输送到地面。该系统包括存储历史信息的储存器；获得利用钻探
系统进行的钻探操作的多个参数的接口，输入参数至少包括与钻探操作中产生的岩屑相关
的岩屑参数；以及处理单元，其与储存器和接口通信，并且被配置成：接收利用钻探系统进
行的钻探操作的多个输入参数，输入参数至少包括与钻探操作中产生的岩屑相关的岩屑参
数；基于所获得的参数确定钻探操作中至少在钻探工具附近的岩屑的当前浓度；基于所确
定的浓度确定钻探操作的期望的穿透速率；以及基于所确定的速率改变当前的穿透速率。

附图说明

[0015] 当参考以下对实施例的描述和附图考虑时，将进一步理解本公开的实施例的前述方面、特征和优点。在描述附图中所示的本公开的实施例时，为了清楚起见，将使用特定术
语。然而，本公开并不旨在限于所使用的特定术语，并且应当理解，每个特定术语包括以类
似方式操作以实现类似目的等同物。

[0016] 为了说明的简单和清楚，附图示出了一般的构造方式，并且可以省略公知的特征和技术的描述和细节，以避免不必要地模糊对本发明的所述实施例的讨论。另外，附图中的
元件不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可以相对于其他元件被放大，以帮助
改善对本发明的实施例的理解。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。

[0017] 图1是根据一个或多个示例实施例的包括井底钻具组件以及测井和控制系统的钻探和测量系统的示意图。

[0018] 图2是根据一个或多个示例实施例的图1中所示的测井和控制系统的详细视图。

[0019] 图3是示出根据一个或多个示例实施例的用于优化钻探操作中的穿透速率的方法的框图。

[0020] 图4是示出根据一个或多个示例实施例的用于优化钻探操作中的穿透速率的方法中的示例步骤的流程图。

[0021] 图5是示出根据一个或多个示例实施例的用于优化钻探操作中的穿透速率的方法中的示例步骤的流程图。

[0022] 图6是示出根据一个或多个示例实施例的使用用于优化钻探操作中的穿透速率的方法获得的测试结果的表格。

[0023] 图7是示出根据一个或多个示例实施例的通过使用用于优化钻探操作中的穿透速率的方法在两个井中执行的模型试验获得的测试结果的表格。

[0024] 图8A是根据一个或多个示例实施例的在应用优化模型之前绘制的以英尺为单位的深度与以英尺每小时为单位的穿透速率的曲线图。

[0025] 图8B是根据一个或多个示例实施例的在应用优化模型之后绘制的以英尺为单位的深度与以英尺每小时为单位的穿透速率的曲线图。

[0026] 图9A是根据一个或多个示例实施例的在应用优化模型之前绘制的以英尺每小时为单位的实际穿透速率与以英尺每小时为单位的测量穿透速率的曲线图。

[0027] 图9B是根据一个或多个示例实施例的在应用优化模型之后绘制的以英尺每小时为单位的实际穿透速率与以英尺每小时为单位的测量穿透速率的曲线图。

[0028] 图10A是根据一个或多个示例实施例的在应用优化模型之前绘制的以英尺为单位的深度与以英尺每小时为单位的实际穿透速率和以英尺每小时为单位的测量穿透速率的
线性图。

[0029] 图10B是根据一个或多个示例实施例的在应用优化模型之后绘制的以英尺为单位的深度与以英尺每小时为单位的实际穿透速率和以英尺每小时为单位的测量穿透速率的
线性图。

具体实施方式

[0030] 现在将在下文中参考示出了实施例的附图更全面地描述本公开的方法和系统。本公开的方法和系统可以是许多不同的形式，并且不应被解释为限于本文阐述的所示实施
例；相反，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并且将其范围完全传达给本领域技
术人员。

[0031] 图1示出了可以在一些实施例中使用的示例钻探和测量系统的简化视图。图1所示的钻探和测量系统可以被部署用于钻探在陆上或海上的井眼。在如图1所示的钻探和测量
系统中，可以通过本领域技术人员公知的方式旋转钻探在地下地层中形成井眼111。尽管图
1中的井眼111被示出为被实质上笔直且竖直地钻探，但是一些实施例可以被定向钻探，即，
沿着地下的选定轨迹。

[0032] 钻柱112悬挂在井眼111内，并具有井底钻具组件(BHA)151，该井底钻具组件包括在其下(远)端处的钻头155。钻探和测量系统的地面部分包括定位在井眼111上方的平台和
井架组件153。平台和井架组件153可以包括旋转台116、方钻杆117、钩118和旋转环119，以
悬挂、轴向移动和旋转钻柱112。在钻探操作中，钻柱112可通过旋转台116(通过未示出的装
置供能)旋转，该旋转台在钻柱112的上端处接合方钻杆117。旋转台116的旋转速度和钻柱
112的相应旋转速度可由旋转速度传感器116A测量，该旋转速度传感器可与地面测井、记录
和控制系统152(下面进一步解释)中的计算机进行信号通信。钻柱112可从附接到移动滑车
(也未图示)的钩118通过方钻杆117和旋转环119悬挂在井眼111中，所述旋转环119允许钻
柱112在旋转台116操作时相对于钩118旋转。如众所周知的，在其它实施例中，可以使用顶
部驱动系统(未示出)来代替旋转台116、方钻杆117和旋转环119。

[0033] 钻井液(“泥浆”)126可以存储在设置在井场处的罐或坑127中。泵129使钻井液126在压力下从罐或坑127经由旋转环119中的端口移动到钻柱112的内部，这导致钻井液126向
下流过钻柱112，如方向箭头158所示。钻井液126行进通过钻柱112的内部，并且经由钻头
155中的端口离开钻柱112，并且然后向上循环通过钻柱112的外部与井眼的壁之间的环形
区域，如方向箭头159所示。以这种已知的方式，当钻井液126返回到坑127用于清洁和再循
环时，钻井液润滑钻头155并且将由钻头155产生的地层岩屑向上携带到地面。钻井液离开
泵129时的压力可由与泵129的排放侧压力连通(在沿着泵129的排放口和钻柱112的上端之
间的连接的任何位置处)的压力传感器158测量。压力传感器158可以与形成地面测井、记录
和控制系统152的一部分的计算机进行信号通信，这将在下面进一步解释。

[0034] 钻柱112通常包括靠近其远端的BHA 151。在本示例实施例中，BHA 151被示出为具有随钻测量(MWD)模块130和一个或多个随钻测井(LWD)模块120(附图标记120A表示第二
LWD模块120)。如本文所使用的，应用于MWD和LWD装置的术语“模块”被理解为表示单个仪器
或单个模块装置中所包括的一套多个仪器。在一些实施例中，BHA 151可以包括本领域公知
类型的在150处示出的“可导向”液压操作钻探马达，以及在远端的钻头155。

[0035] LWD模块120可以容纳在一个或多个钻铤中，并且可以包括一种或多种类型的测井仪器。LWD模块120可以包括用于测量、处理和存储信息以及用于与地面设备通信的能力。作
为示例，LWD模块120可以包括但不限于核磁共振(NMR)测井工具、核测井工具、电阻率测井
工具、声学测井工具或电介质测井工具等中的一个，并且可以包括用于测量、处理和存储信
息以及用于与地面设备(例如，地面测井、记录和控制单元152)通信的能力。

[0036] MWD模块130也可以容纳在钻铤中，并且可以包括用于测量钻柱112和钻头155的特性的一个或多个装置。在本实施例中，MWD模块130可以包括以下类型的测量装置中的一个
或多个：钻压(轴向载荷)传感器、扭矩传感器、振动传感器、冲击传感器、卡钻/滑移传感器、
方向测量装置以及倾斜和地磁或大地测量方向传感器组(后者有时被统称为“D&I封装
件”)。MWD模块130还可以包括用于为井下系统产生电力的设备(未示出)。例如，MWD模块130
产生的电力可以用于向MWD模块130和(一个或多个)LWD模块120供电。在一些实施例中，前
述设备(未示出)可包括由钻井液126的流动提供动力的涡轮操作发电机或交流发电机。然
而，应当理解，其他电力和/或电池系统可以用于向MWD和/或LWD模块供电。

[0037] 在本示例实施例中，钻探和测量系统可包括接近地面的扭矩传感器159。扭矩传感器159可例如在接近钻柱112的顶部设置的辅助件(sub)160中实现，并且可与地面测井、记
录和控制系统152中的计算机无线地通信，这将在下文进一步解释。在其它实施例中，扭矩
传感器159可被实现为电流传感器，其连接到用于驱动旋转台116的电动马达(未示出)。在
本示例实施例中，钩118上的轴向载荷(重量)可由钩载荷传感器157测量，该钩载荷传感器
可例如实现为应变仪。接头160还可以包括钩高度传感器161，用于确定钩118在任何时刻的
高度。钩高度传感器161可以例如实现为声学或激光距离测量传感器。钩高度相对于时间的
测量结果可用于确定钻柱112的轴向移动速率。钩高度传感器也可实现为连接到绞盘卷筒
的旋转编码器，该绞盘卷筒用于延伸和缩回用于升高和降低钩的钻探线路(为了清楚起见，
图中未示出)。如将在下面进一步解释的，在地面和/或在MWD模块130中进行的这种移动速
率、旋转台116(或相应地钻柱112)的旋转速度、扭矩和轴向载荷(重量)的使用可以用于一
个或多个计算机中。

[0038] 图1的MWD和LWD仪器的操作可以由地面测井、记录和控制系统152控制，并且可以使用地面测井、记录和控制系统152记录和分析来自MWD和LWD模块中的各种传感器和设置
在上述钻探和测量单元上的其它传感器的传感器测量结果。地面测井、记录和控制系统152
可以包括一个或多个基于处理器的计算系统或计算机。在本上下文中，处理器可以包括微
处理器、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、片上系统
处理器(SoC)或能够执行例如存储在有形计算机可读介质(例如，只读存储器、随机存取存
储器、硬盘驱动器、光盘、闪存等)上的编码指令的任何其它合适的集成电路。这些指令可以
对应于例如用于执行钻探操作的工作流程等、用于处理在地面从BHA 155(例如，作为反演
的一部分以获得一个或多个期望的地层参数)以及从与钻探和测量系统相关联的上述其它
传感器接收的数据的算法和例程。地面测井、记录和控制系统152可以包括一个或多个计算
机系统，如将参考图2所解释的。包括扭矩传感器159、压力传感器158、钩载荷传感器157和
钩高度传感器161的其它先前描述的传感器可以例如无线地或通过电缆全部与地面测井、
记录和控制系统152进行信号通信。来自上述传感器以及MWD和LWD模块中的一些传感器的
测量结果可以用在将在下面进一步解释的各种实施例中。

[0039] 图2中示意性地示出了控制系统152。如简要描述的，控制系统152包括处理单元102，其可以是计算机系统、服务器、可编程逻辑控制器等的一部分。处理单元102具有用于
在钻探操作期间进行监视或控制的多个监视器或控件103a‑103b。如本文所示，仅举几个例
子，处理单元102操作用于钻压的监视器103a、用于流动的监视器103b和用于ROP的监视器
103c。

[0040] 使用输入/输出接口104，处理单元102可与图1所示的钻探系统的各种部件通信，以获得关于参数的信息，并根据具体情况与各种传感器、致动器和各种系统部件的逻辑控
制通信。就所讨论的当前控件而言，传送到钻探系统的部件的信号可与用于改变钻探操作
中钻探系统的穿透速率的控件相关。信号可以包括但不限于控制流速、钻压、钩载荷、RPM、
旋转扭矩等的信号。

[0041] 处理单元102还通信地连接到具有历史数据108、相关信息109和其他存储信息的数据库或存储器106。历史数据108基于先前的钻探操作表征具有卡钻事故的岩屑浓度、ROP
等。基于本文公开的分析从历史数据编译相关信息109，并且可以基于井眼类型、井眼深度、
钻井液、操作条件和其他场景和布置来组织和表征相关信息109。

[0042] 在进一步详细描述钻探系统、控制系统152和钻探过程之前，首先讨论如何根据井底钻具组件151(例如，钻具或钻头155)处或附近的岩屑浓度确定最大“安全”穿透速率。根
据本公开，岩屑的浓度可在钻头处或至少在钻头附近(即，在具有钻头155的井底钻具组件
151的区域的周围)确定。按照惯例，钻探系统的井底钻具组件151通常具有钻具或钻头155，
并且可以具有许多其它部件，例如稳定器、钻铤、随钻测量(MWD)仪器、旋转导向工具等。井
底钻具组件的总尺寸和长度取决于许多因素，例如期望的钻压、钻铤的重量、泥浆重量、浮
力等。

[0043] 基于进入流动流体的岩屑的质量平衡和移除它们的能力，控制系统152可以针对历史和实时数据在任何给定时间计算钻头端面和近钻头区域附近的岩屑浓度。这被称为岩
屑浓度fc。特别地，控制系统152存储基于历史数据集并且将所计算的岩屑浓度fc与发生诸
如卡钻的问题的底部钻探的深度相关联的信息。所存储的信息建立了在各种钻探参数下钻
探的经验“安全”或“可接受的”岩屑浓度fc。“安全”岩屑浓度fc可基于井眼的倾角、BHA的类
型、地层特性或类型(例如，页岩、石灰石等)、泥浆重量、当前钻探操作(连接、泵扫掠、旋转
钻探等)和其它因素而变化。

[0044] 控制系统152在钻探的同时从可用的数据流获得相关钻探数据，所述可用的数据流例如为井场信息传输规范(WITS)或井场信息传输标准标记语言(WITSML)数据流中可用
的数据流。相关钻探数据可以用各种用户输入来补充，例如泥浆重量等。控制系统152也可
以使用日志数据。

[0045] 使用所存储的信息和实时数据，控制系统152可以计算用于钻探的“安全”或“可接受的”岩屑浓度fc，其又可以在任何给定的时间或深度提供最大的“安全”ROP。现在将讨论
控制系统152使用的计算用于钻探的“安全”岩屑浓度fc和最大“安全”ROP的方程。

[0046] 图3是示出根据一个或多个示例实施例的用于优化钻探操作中的穿透速率的方法300的框图。如该框图所示，系统接收输入数据302并执行初步计算304。基于初步计算304，
系统执行模型计算306以做出决策并控制钻探操作。输入数据302可以包括一个或多个输入
参数，该一个或多个输入参数包括例如：井眼尺寸、泥浆类型、进尺、钻探进尺所花费的小
时、以磅每立方英尺(pcf)和磅每加仑(ppg)为单位的泥浆密度、漏斗粘度、以厘泊(cp)为单
位的塑性粘度(PV)、以lb/100sqft为单位的屈服点(YP)、以Klb为单位的混合物重量
(weight of blend，WOB)、每分钟转数(RPM)、以psi为单位的立管压力、以lbf.ft为单位的
扭矩、以平方英寸为单位的钻头的总流动面积、初始凝胶和最终凝胶类型，以及泥浆泵的流
速。然而，在使用井眼净化模型之前，系统使用输入数据302中提供的输入参数来确定多个
输出参数。这些输出参数包括穿透速率(ROP)、稠度指数(K)、流体行为指数(n)、Φ600和
Φ300、表观和有效粘度、岩屑直径(即ROP/RPM)、环隙流速(Vann)、临界速度(Vc)、岩屑上升速
n
度(Vcr)、岩屑滑移速度(Vs)、稠度指数的n次幂(K )、喷嘴速度、钻头处的压降、液压马力
(HHP)、每平方英寸液压马力(HSI)、射流冲击力(jet impact force，Fj)、输送比(TR)、Vcr/
(1‑(dc/OH)^n)
Vann比和dc/OH比、PV/YP、YP/PV、Gi/Gf、Gf/Gi、K 、修正的承载能力指数(MCCI)和钻
探比能(DSE)。在计算了多个输出参数之后，系统可以执行模型计算306以用于决策制定。更
具体地说，该系统可以使用三种或更多种方法中的一种来确定环空中的岩屑浓度(cutting 
concentration in the annulus，CCA)。该方法可包括Newitt方法，其中系统确定如果CCA
大于0.05，则认为井眼净化不良。否则，系统可以认为井眼净化良好，并且具有优化的空间，
直到CCA值等于0.05。下一种方法是API方法，其中如果系统确定CCA大于0.05，则认为井眼
净化不良。否则，系统可以认为井眼净化良好，并且具有优化的空间，直到CCA值等于0.05。
下一个方法是承载能力指数(CCI)方法，其中如果系统确定CCI小于0.5，则认为井眼净化不
良。否则，系统可认为井眼净化良好，并具有用于优化的空间，直到CCI值等于0.5。

[0047] 环空中的岩屑浓度是一种有效的工具，其可以指示钻探时产生的岩屑加载在环空中的百分比。环空中的岩屑浓度具有不应超过的限制。例如，在一些情况下，CCA的限制在
5％至8％的范围内。如果CCA超过该限制，则极其会导致严重的井眼问题。有几个逻辑原因
可以解释为什么超过该限制会引起井眼问题。CCA可以帮助优化穿透速率，因为该限制是已
知的和公认的。确定CCA的输入参数是穿透速率(ROP)、井眼尺寸(OH)、泥浆泵的流速(GPM)
和输送比(TR)。可以使用下式计算CCA：

[0048]

[0049] 在一些情况下，不能高精度确定岩屑的尺寸、环空的尺寸、流型和井下流体性质。CCI是帮助预测井眼净化的简单经验指数。三个最重要和最有影响的变量对输送比(TR)的
乘积等于大约400000的值，此时岩屑被适当地提升到地面。当岩屑具有尖锐的形状边缘时，
表明井眼净化良好。圆形边缘表明在环空中存在翻滚作用，因为岩屑没有被快速地输送到
地面。对于良好的井眼净化状况，井眼净化指数或比预期为1或大于1。当CCI值为0.5或更小
时，由于无效的井眼净化(在环空中停留时间更长)，岩屑更圆且更小。通过增加K值(稠度指
数)和环隙流速，可以实现良好的井眼净化。该CCI适用于0至25度倾角的垂直井眼段。对于
偏斜和水平井眼段，必须修正CCI。修正的CCI适用于大于25度的倾角。在垂直井中，用于确
定CCI的公式可如下给出：

[0050] MW＝以PPG为单位的泥浆重量，

[0051] AV＝泥浆环隙流速；ft/分钟

[0052] K＝稠度指数，等效cp

[0053] K＝511(1‑n)(PV+YP),

[0054] PV＝塑性粘度；cp

[0055] YP＝屈服点(lb/100ft2)

[0056] n＝3.32log((2PV+YP)/(PV+YP))

[0057]

[0058] 对于水平井，角度因子(Af)开始起作用，并且可以使用下式确定CCI：

[0059]

[0060] K：稠度指数，等效cp

[0061] K＝511(1‑n)(PV+YP),

[0062] PV＝塑性粘度；cp

[0063] YP＝屈服点(lb/100ft2)

[0064] n＝3.32log((2PV+YP)/(PV+YP))

[0065] Aa：环空面积；ft2

[0066] SG：比重

[0067] CCA使用传感器测量结果来指示由所测量的ROP产生的岩屑量，使得可以利用所测量的ROP来确保岩屑量是平稳的，以使得能够知道可以实现的目标ROP，而不影响井眼净化
的平稳性。CCI确保了理想的泥浆特性，这将使钻井液能够输送产生的钻探岩屑。因此，可以
利用测量的ROP确保产生的钻探岩屑是平稳的，并且可以将其优化为目标ROP。

[0068] 机械和钻探比能(MSE和DSE)通常指示钻探操作的效率如何。具体地，DSE是移除单位体积的岩石所需的能量。为了获得优良的钻探性能，机械比能被降低以具有最佳穿透速
率。为了使MSE或DSE最小化，必须控制诸如WOB、扭矩、ROP和RPM的钻探参数。MSE是比值，并
且表明破坏岩石所需的能量与穿透速率之间的关系。该比值对于给定岩石是常数。利用DSE
或MSE来选择所需的WOB和RPM，WOB和RPM能够增加钻探速率直到ROP开始从线性偏离到泥糊
(flounder)点并且指示需要实现更高的井眼净化效率的点。用于确定DSE的输入参数是
WOB、RPM、扭矩、ROP、钻头直径或井眼尺寸以及钻头的液压马力(HHP)。DSE或MSE可由钻机的
传感器测量或使用以下公式计算：

[0069]

[0070] 岩屑或滑移速度与环隙流速的比值被称为输送比(TR)，并且其可以用于描述井眼净化效率。任何增加输送比的方法都将增加垂直井和定向井中的井眼净化效率。滑移速度
降低是可以增加输送比的一种方式。滑移速度受钻探岩屑的尺寸、密度和形状以及泥浆的
流变学、密度和速度的影响。

[0071] 岩屑越大且越重，并且流体越轻且越不粘稠，岩屑将越快地滑过泥浆。在垂直井中进行的许多工作和研究是为了提高井眼净化效率，并且旨在降低滑移速度或增加环隙流
速。一些方案已经提出了在钻探操作时估计滑移速度的方程。然而，需要这些方程来给出这
种复杂流动行为中的精确值。最佳流速和钻井液参数对于井眼净化具有重要影响，因为产
生的钻探岩屑可通过应用临界速度和临界流速来去除。允许在环空中加载有岩屑的流体向
上行进到地面的环隙流速是非常重要的井眼净化关键。根据一些钻井液工程师的经验，钻
探泥浆的环隙流速应比沉降速度大1.2倍，以确保环空中最小的岩屑移动。所产生的钻探岩
屑的尺寸、形状和重量导致控制其在循环的钻井液中的滑移速率。低速率的粘度剪切可显
著影响井眼中泥浆的承载力。钻探泥浆必须具有足够的承载力以从井眼输送产生的钻探岩
屑。

[0072] 井眼净化比(HCR)是岩屑床上方的环形空间的高度与岩屑床的临界高度的比。如果岩屑床上方的自由区域的高度大于临界床高度，则越会穿过岩屑床而不循环。如果该比
值大于一，则不会有问题。如果该比值小于一，则将预期出现问题。根据北海(North Sea)中
50个直径较大的定向井的研究，当HCR大于1.1时，没有卡钻事故发生。当HCR小于0.5时，总
是发生卡钻。随着HCR降低，变得卡住的趋势增加。随着床高度的增加，岩屑床上方的环形空
间减小。BHA(井底钻具组件)越大，岩屑床就必须越小以穿过它。通常，过度拉伸倾向将随着
BHA直径的增加而增加。钻柱、钻头和稳定器的选择应当考虑这些因素。

[0073] 泥浆重量(MW)的效果与流变因子(RF)和角度因子(Af)结合在一起形成被称为输送指数(TI)的单个参数。输送指数必须大于一。输送指数越大，井眼净化效率越高。这表示
即使已经引起冲蚀的情况下每段所需的最小流速。其中MW以SG(比重)或g/cc为单位。井眼
段的大倾角意味着角度因子值的小值，因此，井眼净化的难度将更大。已经通过使用PV&YP
发现流变因子(RF)，并且RF和PV&YP之间的关系表明有效的井眼净化。

[0074] 图4是示出根据一个或多个示例实施例的用于优化钻探操作中的穿透速率的另一方法400中的示例步骤的流程图。在该方法中，系统例如在步骤402中接收输入数据，在步骤
404中执行计算，并且在步骤406中制定决策。输入数据还可以包括例如图3中列出的钻探泥
浆特性和井配置等。计算还可以包括确定环空中的岩屑浓度(CCA)和承载能力指数(CCI)。
该决策制定与图3所示类似，其中如果CCA大于5％或者CCI小于0.5，则认为井眼净化不良，
而如果CCA小于5％或者CCI大于0.5，则认为井眼净化良好。

[0075] 图5是示出根据一个或多个示例实施例的用于优化钻探操作中的穿透速率的另一方法500中的示例步骤的流程图。在该方法中，系统在步骤502中接收现场数据。例如，现场
数据可以包括输入数据，如图3所示的输入数据。在接收到现场数据时，系统最初确定CCA和
CCI的值。如果系统在步骤504中确定CCA值大于或等于5％，则它指示测井和控制系统继续
钻探。类似地，如果在步骤506中CCI小于或等于0.5，则它指示测井和控制系统继续钻探。然
而，如果在步骤504中CCA值小于5％，则系统在步骤512中检查TR值，并且如果TR值小于0.5，
则系统在步骤510中增加GPM直到CCA等于5％。但是如果TR值不小于0.5，则系统在步骤518
确认GPM，并在步骤524继续钻探操作。在该过程的步骤526，系统优化包括WOB、RPM和GPM的
钻探参数，该过程也被称为“粒子群优化”。在替代实施例中，如果CCI值大于0.5，则系统在
步骤516检查YP/PV值。如果YP/PV不等于3，则系统在步骤514中将YP/PV值增加到3。然而，如
果在步骤516中YP/PV值等于3，则系统在步骤522检查GPM值。如果GPM值等于1200，则系统返
回到步骤506以检查CCI值。然而，如果GPM不等于1200，则系统在步骤520增加GPM直到其达
到值1200。

[0076] 粒子群优化(PSO)可以被定义为通过执行许多试验和测试来优化与质量的特殊测量相关的所提出的解，以增强给定问题的计算方法。PSO的优化过程开始具有大量所提出的
被称为粒子的解，然后基于粒子的位置以及速度的一个优选且简单的数学定律来搜索这些
粒子。所提出的解的移动是通过局部的最熟知的位置引起的。然后针对搜索空间中的最佳
匹配位置，并且最终使得群体的移动能够指向最佳的所提出的解。PSO基本上归功于
Kennedy、Eberhart和Shi(Kennedy，1995)和(Shi，1998)，并且作为一群鸟或鱼群中生物体
的运动的代表性方式，首先用于估计社会行为(Kennedy，2001)。算法被简化，并且注意到其
正在进行增强。Kennedy和Eberhart的书(Kennedy，1997)描述了PSO的哲学和群体的智能的
许多方面。Poli(Poli，2007)和(Poli，2008)进行了PSO应用的广泛调查。PSO可以对正在被
增强的问题进行少量假设或不进行假设，并且使得所提出的解具有非常大的空间。然而，
PSO不能确保找到准确的解。尤其是，PSO不使用正被优化的问题的梯度，这意味着PSO不要
求问题的增强为不同的，如诸如梯度下降和准牛顿方法的经典优化方法所要求的那样。PSO
还利用了对部分不规则、噪声、随时间的变化等问题的优化。

[0077] 图6是示出根据一个或多个示例实施例的使用用于优化钻探操作中的穿透速率的方法获得的测试结果的表格600。从该表格中可以看出，使用本公开的方法和系统，ROP、
HHPb、CCI、Vann和YP/PV值有显著的改善。类似地，使用本公开的方法和系统，DSE可以被最
小化高达64％。

[0078] 图7是示出根据一个或多个示例实施例的通过使用用于优化钻探操作中的穿透速率的方法在两个井中执行的模型试验获得的测试结果的另一表格700。与图6中所示的结果
类似，从该表格可以看出，使用本公开的方法和系统，ROP、HHPb、CCI、Vann和YP/PV值有显著
的改善。另外，使用本公开的方法和系统，DSE可被最小化高达50％。

[0079] 图8A示出了根据一个或多个示例实施例的在应用优化模型之前绘制的以英尺为单位的井眼深度与以英尺每小时为单位的穿透速率的曲线图800。橙色点表示实际的ROP，
蓝色点表示测量的ROP。图8B示出了根据一个或多个示例实施例的在应用优化模型之后绘
制的以英尺为单位的井眼深度与以英尺每小时为单位的穿透速率的曲线图850。橙色点表
示实际的ROP，蓝色点表示测量的ROP。从该图可以看出，使用本公开的优化方法和系统，ROP
有显著的改善。

[0080] 类似地，图9A示出了根据一个或多个示例实施例在应用优化模型之前绘制的以英尺每小时为单位的实际穿透速率与以英尺每小时为单位的测量穿透速率的曲线图900。图
9B示出了根据一个或多个示例实施例的在应用优化模型之后绘制的以英尺每小时为单位
的实际穿透速率与以英尺每小时为单位的测量穿透速率的曲线图950。如从该图中可以看
出的，使用本公开的优化方法和系统，实际的ROP看起来与测量的ROP一致。

[0081] 图10A是根据一个或多个示例实施例的在应用优化模型之前绘制的以英尺为单位的深度与以英尺每小时为单位的实际穿透速率(橙色线)和以英尺每小时为单位的测量穿
透速率(蓝色线)的线性图1000。图10B是根据一个或多个示例实施例的在应用优化模型之
后绘制的以英尺为单位的深度与以英尺每小时为单位的实际穿透速率(橙色线)和以英尺
每小时为单位的测量穿透速率(蓝色线)的另一线性图1050。从该图中可以看出，使用本公
开的优化方法和系统，实际的ROP和测量的ROP具有显著改善。

[0082] 图8A至图10B中所示的数据可以被筛选和过滤以仅捕获钻探特性和泥浆特性，然后可以将它们相对于彼此绘图以识别它们之间的关系。在稍后的阶段，数据和所得的关系
可用于开发可有助于确保井眼净化效率和优化的钻探速率的模型。结果可用于开发有效的
井眼净化和优化的钻探速率，以显著地提高性能。此外，它可以用作能够引导钻探工程师进
行有效的井眼净化和钻探速率的工具。

[0083] 上述公开的系统和方法的一个目的是确保最佳的泥浆流变值，其从ECD、岩屑输送、剪切稀化和触变属性方面对钻探泥浆具有有效影响，包括分别添加“n”和“K”、流动行为
指数和稠度指数的最佳值，以通过利用承载能力指数和环空中的岩屑浓度指数来开发有效
的井眼净化模型。

[0084] 在一些实施例中，通过使用DSE将井眼净化与钻探速率联系起来，以优化钻探参数，可以运行该模型以防止发生损失。该模型也可与井眼加固和堵漏材料结合使用，以提高
泥浆系统的效率。

[0085] 以上公开的系统和方法适用于垂直井眼段。然而，它也可以应用于偏斜的或水平的井眼段。以上公开的系统和方法可以消除通井(wiper trip)、扩眼(reaming trip)和泵
送扫掠(pumping sweep)，显著提高ROP，并防止出现损失、缩小点、卡钻等井眼问题。另外，
以上公开的系统和方法可以提供优化的智能解决方案以及钻探操作，以避免在钻探时遇到
的最长期的挑战性的井眼问题，例如卡钻、井漏和井眼净化。

[0086] 上述系统和方法可应用于任何偏斜的和/或水平段。它们也可以与RTOC结合使用，以确保在所有其它钻机中反映最佳性能。根据一些实施例，以上公开的系统和方法可以应
用于遭受损失、卡钻、井眼稳定性、井眼净化、慢钻探速率、缺乏优化以及比通常的非生产时
间更长的任何钻探活动。上述公开的系统和方法的优势包括消除通井、消除扩眼、消除泵送
扫掠、显著增加ROP以及防止诸如损失、缩小点和卡钻的井眼问题。上述公开的系统和方法
提供的技术方案包括确保最佳泥浆流变性和钻头水力特性，通过利用承载能力指数和环空
中的岩屑浓度指数来开发有效的井眼净化模型，将井眼净化与钻探速率联系起来，提高钻
探速率，以及优化钻探参数。

[0087] 包括发明内容、附图简要说明和具体实施方式的说明书以及所附权利要求涉及本公开的特定特征(包括过程或方法步骤)。本领域技术人员理解，本发明包括说明书中描述
的特定特征的所有可能的组合和使用。本领域技术人员理解，本公开不限于说明书中给出
的实施例的描述或不受其限制。

[0088] 本领域技术人员还理解，用于描述特定实施例的术语不限制本公开的范围或广度。在解释说明书和所附权利要求时，所有术语应当以与每个术语的上下文一致的最宽的
可能方式来解释。除非另有定义，否则说明书和所附权利要求书中使用的所有技术和科学
术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。

[0089] 如在说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一个(a、an)”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确指示。动词“包括”及其同源形式应当被解释为以非排他的方式
指代元件、部件或步骤。所引用的元件、部件或步骤可以与未明确引用的其它元件、部件或
步骤一起存在、使用或组合。

[0090] 除非另外具体说明或者在所使用的上下文内以其他方式理解，否则诸如“能够(can)”或“可以(could、might、may)”等条件语言一般旨在传达某些实现可包括而其他实施
方式不包括某些特征、元素和/或操作。因此，这样的条件语言一般不旨在暗示特征、元素
和/或操作以任何方式对于一个或多个实施方式是需要的，或者一个或多个实施方式必须
包括用于在有或没有用户输入或提示的情况下决定这些特征、元素和/或操作是否被包括
在任何特定实施方式中或者是否要在任何特定实施方式中执行的逻辑。

[0091] 因此，本文所述的系统和方法非常适于实现所述目的并获得所提及的结果和优点以及其中固有的其它结果和优点。虽然为了公开的目的已经给出了系统和方法的示例实施
例，但是在用于实现期望结果的过程的细节中存在许多改变。这些和其它类似的修改对于
本领域技术人员来说是显而易见的，并且旨在包括在本文公开的系统和方法的精神以及所
附权利要求的范围内。