钻井节能提速导航优化方法

摘要

本发明提供了一种钻井节能提速导航优化方法，该优化方法对钻井过程中采集的机械钻速、钻压、钻头转速数据进行实时处理，得到机械钻速与钻压、钻头转速之间的函数关系，同时考虑到钻井参数调整受钻机顶驱额定扭矩的限制、机械钻速受到井眼清洁能力的影响以及钻杆所能承受最大扭矩对钻压的影响，分别得到扭矩与钻头转速的函数关系、钻压与钻头转速的安全窗口，考虑到钻头能量利用率，最终给出钻压与钻头转速的优化组合。本发明能够降低能耗的同时，达到提高机械钻速的效果。

主权项

一种钻井节能提速导航优化方法，其特征在于，所述优化方法包括：步骤一对钻井过程中采集的机械钻速、钻压、钻头转速数据进行实时处理，借助切削深度，得到所述机械钻速与所述钻压、所述钻头转速之间的函数关系，所述切削深度与所述机械钻速、所述钻头转速之间的关系为：$S^{*}=\frac{5\times \mathrm{ROP}}{3\times \mathrm{RPM}},$其中：S^*为切削深度，单位为毫米，ROP机械钻速，单位为米每小时；RPM为钻头转速，单位为转每分钟；利用最小二乘法，得到所述切削深度与所述钻压之间的关系为：其中：f(x_i)为实时切削深度，单位为毫米；f(x)为实时切削深度变量，单位为毫米；x_i为实时钻压，单位为千牛；x为钻压自变量，单位为千牛；ω_i为常数；S^*(x)为切削深度与钻压函数关系；为一组差值基函数；为实时钻压下对应的差值基函数值；c_j为利用最小二乘法要辨识的系数；n为1；m为计数采样点值；的推算公式为：其中：第一个差值基函数；第二个差值基函数；α₁为系数；步骤二利用最小二乘法，对钻井过程中采集的所述钻压、所述扭矩数据进行实时处理，得到所述钻压与所述扭矩函数关系为：其中：f(x_i)为实时钻压，单位为千牛；f(x)为实时钻压变量，单位为千牛；x_j为实时扭矩，单位为千牛·米；x为扭矩自变量，单位为千牛·米；ω_i为常数；S^*(x)为钻压与扭矩函数关系；为一组差值基函数；为实时钻压下对应的差值基函数值；c_j为利用最小二乘法要辨识的系数；n为1；m为计数采样点值；的推算公式为：其中：第一个差值基函数；第二个差值基函数；α₁为系数；步骤三在钻井过程中，钻井参数调整受钻机顶驱额定扭矩的限制，在所述钻机顶驱额定扭矩范围内，利用拉格朗日插值方法，从而得出所述扭矩与所述钻头转速的函数关系：$P_3\left(x\right)=\underset{i=0}{\overset{3}{\Sigma }}\left(\underset{j\ne i}{\overset{3}{\underset{j=0}{\Pi }}}\frac{x-x_i}{x_i-x_j}\right)y_i,$其中：x_i，x_j为钻头转速差值点；x为钻头转速自变量；y_i为扭矩插值点，单位为千牛·米；P₃(x)为扭矩与钻头转速函数关系；步骤四整合步骤二中所述钻压与所述扭矩函数关系和步骤三中所述扭矩与所述钻头转速函数关系，即能得到所述钻机顶驱额定扭矩限制下的所述钻压与所述钻头转速的第一安全窗口，所述钻压与所述钻头转速函数关系表示如下：WOB＝aRPM³+bRPM²+cRPM+d，其中：WOB为钻压，单位为千牛；RPM为钻头转速，单位为转每分钟；a,b,c,d为系数；步骤五利用钻杆所能承受最大扭矩对所述钻压的影响以及所述机械钻速受到井眼清洁能力的影响，结合步骤四，得到钻井操作的所述钻压与所述钻头转速的第二安全窗口；其中，井眼清洁能力与机械钻速的关系为：$v_s=\frac{0.0707d_s{({\rho }_s-{\rho }_d)}^{2/3}}{{\rho }_d^{1/3}{\mu }_e^{1/3}},Q_a=\frac{\pi }{40}(d_h^2-d_p^2)v_a$$k_s=1-\frac{v_s}{v_a}---\left(1\right)$$c_a=\frac{\mathrm{ROP}}{3600(v_a-v_s)(1-\frac{d_s^2}{d_h^2})}<0.5---\left(2\right)$其中：v_s为岩屑在钻井液中的下滑速度，单位为米每秒；d_s为岩屑直径，单位为厘米；ρ_s,ρ_d分别为岩屑和钻井液密度，单位为克每立方厘米；μ_e为钻井液有效粘度，单位为帕斯卡·秒；Q_a为当前泥浆泵排量，单位为升每秒；d_h,d_p为井径和钻柱外径，单位为厘米；v_a为钻井液在环空的平均上返速度，单位为米每秒；k_s为岩屑举升效率；c_a为环空岩屑浓度，无量纲；ROP为机械钻速，单位为米每秒；步骤六利用步骤一中所述机械钻速与所述钻压、所述钻头转速之间的函数关系，得到所述钻压与所述钻头转速平面内的机械钻速等高线以及结合当前机械钻速得到目标机械钻速；步骤七考虑到钻头的能量利用率，将所述钻头的能量利用率反映到所述钻压与所述钻头转速平面内，得到机械比能等高线，结合步骤六中的所述目标机械钻速，得到钻头效能优化等高线，所述钻头效能优化等高线包括机械比能等高线与所述目标机械钻速；其中，所述机械比能与钻头转速、机械钻速、钻压的函数关系为：$\mathrm{MSE}=p\times (\frac{4\times \mathrm{WOB}}{{\mathrm{\pi d}}_B^2}+\frac{480\times \mathrm{RPM}\times (c_0\mathrm{WOB}+c_1)}{d_B^2\times \mathrm{ROP}})$其中：MSE为机械比能，单位为兆帕斯卡；WOB为钻压,单位为牛顿；RPM为钻头转速，单位为转每分钟；ROP为机械钻速，单位为米每小时；p为能量利用率；d_B为钻头直径，单位为毫米；c₀,c₁为系数；步骤八通过所述步骤七中所得的所述钻头效能优化等高线受到所述钻压与所述钻头转速的所述第二安全窗口的限制，在所述钻压与所述钻头转速的所述第二安全窗口中，钻头效能值最高的钻压与钻头转速参数组合即为推荐组合。