卡鉆的監(jiān)測系統(tǒng)、方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油鉆井工程技術領域，具體而言，涉及一種卡鉆的監(jiān)測系統(tǒng)、方法及 裝置。
【背景技術】
[0002] 卡鉆事故是鉆井施工過程中最常見的復雜之一，卡鉆事故的處理經(jīng)常導致幾十甚 至上百小時的非生產(chǎn)時間，若處理不當，還會發(fā)生鉆具掉落甚至井眼報廢等二次事故，造成 不可估量的經(jīng)濟損失。而減少卡鉆損失最有效的方式就是使用卡鉆的預測及監(jiān)測系統(tǒng)，及 早發(fā)現(xiàn)卡鉆的趨勢和類別，并采取相應的措施降低卡鉆的風險。
[0003] 目前，國內(nèi)鉆井公司大都通過地層信息以及鄰近的井位發(fā)生的卡鉆事故對鉆井方 案（如井身結(jié)構(gòu)，鉆井液）進行優(yōu)化，以盡量避免卡鉆事故的發(fā)生，而在缺乏鄰井資料的情 況下，則缺乏有效的卡鉆監(jiān)測的系統(tǒng)和方法，只能通過不同工況下大勾載荷的異常來判斷 卡鉆事故的發(fā)生，而當工程師通過上提下放過程中大勾載荷的數(shù)值確認卡鉆事故的發(fā)生 時，往往已經(jīng)錯過了采取應對措施的最好時間。
[0004] 國內(nèi)外石油工程領域的研究人員在鉆柱力學方面已經(jīng)做了較多的研究，計算摩阻 扭矩的軟桿模型已經(jīng)被國外的某些公司和科研院校應用在了鉆柱摩阻系數(shù)的反算及卡鉆 事故的早期監(jiān)測方面，但這些系統(tǒng)的功能僅限于卡鉆事故的早期監(jiān)測，并沒有對卡鉆的類 型進行分析預測，大大制約了該技術的應用，而國內(nèi)尚缺乏可以對定向井、水平井等復雜井 型進行卡鉆早期監(jiān)測和卡鉆類型預測分析的系統(tǒng)。而一些基于單一分層模糊分析方法的 鉆井復雜分析系統(tǒng)，則缺乏有效的針對某一種事故的工程數(shù)學理論支持，僅僅依靠統(tǒng)計學 理論和沒有經(jīng)過良好分類處理的鉆井工程數(shù)據(jù)庫，難以對卡鉆事故作可靠的早期監(jiān)測和分 析。
[0005] 中國專利授權公告號：CN101118420提供了一種"基于分層模糊系統(tǒng)的石油鉆井 工程事故預警系統(tǒng)"。包括以下步驟：1.建立石油鉆井工程事故預警的模型數(shù)據(jù)庫；2.建立 石油鉆井工程事故預警的輸入變量；3.分析輸入信號的特征信息；4.建立分層模糊系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)模型；5.對第三步中確定的輸入變量進行區(qū)間映射和統(tǒng)一模型的分層模糊推理；6.確 定石油鉆井工程事故預警系統(tǒng)輸出量；7、預警結(jié)果的自調(diào)整。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明實施例提供了一種卡鉆的監(jiān)測系統(tǒng)、方法及裝置，適用于復雜地層鉆井、水 平井、大位移井等易于發(fā)生卡鉆事故的鉆井作業(yè)。
[0007] -種卡鉆的監(jiān)測系統(tǒng)，包括：卡鉆分析系統(tǒng)框架，數(shù)據(jù)支持模塊，層次分析法卡鉆 風險分析模塊，實時卡鉆監(jiān)測模塊，鉆具組合下入能力分析模塊，卡點計算模塊，震擊器解 卡參數(shù)計算模塊，解卡劑注入計算模塊，倒扣施工計算模塊，倒劃眼施工計算模塊；
[0008] 卡鉆分析系統(tǒng)框架提供系統(tǒng)框架，搭建界面，協(xié)調(diào)各個模塊之間的消息和數(shù)據(jù)傳 遞；
[0009] 數(shù)據(jù)支持模塊將單井設計數(shù)據(jù)進行錄入和保存，能自動保存和錄入的數(shù)據(jù)包括： 井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、井眼軌跡數(shù)據(jù)、鉆具組合數(shù)據(jù)、其他數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)以二進制文件格式進行 存儲，并支持歷史數(shù)據(jù)文件的分項讀??；通過井場錄井信息系統(tǒng)采集實時井深、扭矩信息， 進行對象化和封裝，以供其它模塊使用；
[0010] 層次分析法卡鉆風險分析模塊根據(jù)系統(tǒng)卡鉆分析模型庫中的卡鉆分析模型，輸入 模型包含的基本底層元素隸屬度，根據(jù)模型層次和元素間重要性的比較關系對當前鉆井作 業(yè)發(fā)生該種卡鉆的風險進行評估；該模塊內(nèi)置6種卡鉆模型：粘吸卡鉆分析模型、坍塌卡 鉆分析模型、沙橋卡鉆分析模型、縮徑卡鉆分析模型、泥包卡鉆分析模型、干鉆卡鉆分析模 型；
[0011] 實時卡鉆監(jiān)測模塊從數(shù)據(jù)支持模塊中提取設計和實時數(shù)據(jù)（包括井身結(jié)構(gòu)、鉆具 組合、井眼軌跡、泥漿密度、起鉆/下鉆/送鉆速度、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速），使用有限元方法計算當前鉆 井工況下大勾載荷和轉(zhuǎn)盤扭矩的預測值，并根據(jù)實時參數(shù)的變化不斷修正；將提取的實時 大勾載荷和轉(zhuǎn)盤扭矩數(shù)據(jù)于預測值進行對比分析，若其值大于預測值和系統(tǒng)設定的報警范 圍之和，則系統(tǒng)發(fā)出卡鉆危險報警；
[0012] 鉆具組合下入能力分析模塊對數(shù)據(jù)支持模塊中的輸入提供的鉆具組合結(jié)合井身 結(jié)構(gòu)和井眼軌跡進行摩阻力條件、軸向載荷條件、幾何條件三方面的分析，若鉆具組合設計 不能滿足任何一方面的要求，再下入過程中遇卡風險較大，則系統(tǒng)做出報警；
[0013] 卡點計算模塊根據(jù)現(xiàn)場的卡點測量方式（拉伸法或扭轉(zhuǎn)法）和當前鉆具組合參數(shù) (各段長度、截面大小、彈性模量），計算并輸出卡點的深度；
[0014] 震擊器解卡參數(shù)計算模塊根據(jù)鉆具組合數(shù)據(jù)（鉆桿最大屈服強度）、震擊器參數(shù) (震擊器以上鉆柱懸重、鉆柱摩擦力、標定釋放力）和當前栗壓，計算啟動震擊器需要的大 勾載荷；
[0015] 解卡劑注入計算模塊根據(jù)解卡劑注入量及鉆井液注入量，計算解卡劑在環(huán)空中的 準確位置；根據(jù)解卡劑需要停留的深度位置，計算需要的解卡劑注入量和鉆井液注入量； 鉆柱內(nèi)及環(huán)空體積系數(shù)根據(jù)已有井身結(jié)構(gòu)和鉆具組合自動計算；
[0016] 倒扣施工計算模塊從數(shù)據(jù)支持模塊獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過有限元鉆柱力學計算，輸 出要在相應位置倒開鉆具所需要的配置的大鉤懸重；
[0017] 倒劃眼施工計算模塊在倒劃眼施工時，根據(jù)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和大勾載荷，使用有限元方 法計算鉆柱受力，若鉆柱受力接近極限，則發(fā)出報警，保證倒劃眼施工安全進行，防止鉆具 失效的情況發(fā)生。
[0018] -種卡鉆的監(jiān)測方法，包括以下步驟：
[0019] a)系統(tǒng)初始化，載入層次分析法模型；
[0020] b)輸入當前井眼的設計數(shù)據(jù)；
[0021] c)根據(jù)設計數(shù)據(jù)和當前實時工況，使用有限元計算方法計算鉆柱上各個點的摩阻 和扭矩，并疊加計算出大勾載荷和轉(zhuǎn)盤扭矩的預測值；
[0022] d)將實時綜合錄井數(shù)據(jù)中的轉(zhuǎn)盤扭矩和大勾載荷與預測值相比較，若超過預測值 一定范圍，則發(fā)出預警，并將異常差值歸一化后傳入卡鉆類型分析模塊；
[0023] e)根據(jù)預先錄入的卡鉆分析模型及各底層元素的隸屬度，計算各不同種類卡鉆事 故發(fā)生的概率大小，以判斷卡鉆事故的類型，以0-1隸屬度格式輸出預測結(jié)果。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明實施例的一方面，提供了一種卡鉆的監(jiān)測方法，包括：獲取當前鉆井的 設計數(shù)據(jù)和當前工況；根據(jù)上述設計數(shù)據(jù)和上述當前工況確定鉆柱的運行參數(shù)的預測值， 上述鉆柱設置在上述當前鉆井的井場中；獲取上述鉆柱的運行參數(shù)的實際值；判斷上述實 際值與上述預測值的差值是否超出預設范圍；以及如果判斷出上述實際值與上述預測值的 上述差值超出上述預設范圍，則執(zhí)行第一告警。
[0025] 進一步地，在執(zhí)行第一告警的同時，上述監(jiān)測方法還包括：將上述實際值與上述預 測值的上述差值歸一化，得到歸一化的差值；將上述歸一化的差值傳入卡鉆類型分析模塊； 通過上述卡鉆類型分析模塊分析上述歸一化的差值，得到分析結(jié)果；以及根據(jù)上述分析結(jié) 果確定與上述鉆柱的運行參數(shù)的實際值相對應的卡鉆事故的類型。
[0026] 進一步地，根據(jù)上述設計數(shù)據(jù)和上述當前工況確定鉆柱的運行參數(shù)的預測值包 括：根據(jù)上述設計數(shù)據(jù)且利用有限元算法計算在上述當前工況下上述鉆柱的運行參數(shù)的預 測值，其中，上述設計數(shù)據(jù)包括：井身結(jié)構(gòu)參數(shù)、井眼軌跡參數(shù)，上述當前工況包括：鉆具組 合參數(shù)、泥漿密度、起鉆/下鉆/送鉆速度和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，上述運行參數(shù)包括：大勾載荷和轉(zhuǎn)盤 扭矩。
[0027] 進一步地，在獲取當前鉆井的設計數(shù)據(jù)和當前工況之后，上述監(jiān)測方法還包括：根 據(jù)上述井身結(jié)構(gòu)參數(shù)和井眼軌跡參數(shù)判斷上述鉆具組合參數(shù)是否滿足摩阻力條件、軸向載 荷條件和幾何條件中的任一條件；以及如果判斷出上述鉆具組合參數(shù)不滿足上述摩阻力條 件、上述軸向載荷條件和上述幾何條件中的任一條件，則執(zhí)行第二告警。
[0028] 進一步地，獲取上述鉆柱的運行參數(shù)的實際值包括：獲取上述鉆柱的大勾載荷實 際值和轉(zhuǎn)盤扭矩的實際值，在獲取上述鉆柱的大勾載荷實際值和轉(zhuǎn)盤扭矩的實際值之后， 上述監(jiān)測方法還包括：根據(jù)上述鉆柱的上述大勾載荷實際值和上述轉(zhuǎn)盤扭矩的實際值計算 上述鉆柱的受力大小值；判斷計算得到的上述鉆柱的受力大小值是否達到極限值；如果判 斷出計算得到的上述鉆柱的受力大小值達到上述極限值，則執(zhí)行第三告警。
[0029] 進一步地，在根據(jù)上述設計數(shù)據(jù)和上述當前工況確定鉆柱的運行參數(shù)的預測值之 后，上述監(jiān)測方法還包括：檢測上述當前工況是否已經(jīng)發(fā)生變化；以及如果檢測出上述當 前工況是已經(jīng)發(fā)生變化，則根據(jù)上述當前工況的變化情況修正上述鉆柱的運行參數(shù)的預測 值。
[0030] 進一步地，在執(zhí)行第一告警的同時，上述監(jiān)測方法還包括：從上述當前工況中獲取 鉆具組合參數(shù)，以及根據(jù)預設卡點測量方式確定與上述第一告警相對應的發(fā)生卡鉆事故的 卡點位置；和/或從上述當前工況中獲取上述鉆具組合參數(shù)、震擊器參數(shù)和當前栗壓參數(shù)， 以及根據(jù)上述鉆具組合參數(shù)、上述震擊器參數(shù)和上述當前栗壓參數(shù)確定啟動震擊器所需要 的大勾載荷。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明實施例的另一方面，還提供了一種卡鉆的監(jiān)測裝置，包括：第一獲取單 元，用于獲取當前鉆井的設計數(shù)據(jù)和當前工況；第一確定單元，用于根據(jù)上述設計數(shù)據(jù)和上 述當前工況確定鉆柱的運行參數(shù)的預測值，上述鉆柱設置在上述當前鉆井的井場中；第二 獲取單元，用于獲取上述鉆柱的運行參數(shù)的實際值；第一判斷單元，用于判斷上述實際值與 上述預測值的差值是否超出預設范圍；以及告警單元，用于在判斷出上述實際值與上述預 測值的上述差值超出上述預設范圍時，執(zhí)行第一告警。
[0032] 進一步地，上述監(jiān)測裝置還包括：歸一化單元，用于在執(zhí)行第一告警的同時，將上 述實際值與上述預測值