用于优化欠平衡钻井的方法和装置技术领域
本文公开的实施方案一般涉及用于优化欠平衡钻井(“UBD”)的
方法和系统。
背景技术
欠平衡钻井是用于钻取油井和气井的一种技术。不同于传统过平
衡钻井，保持井孔压力低于地层压力。欠平衡钻井比过平衡钻井提供
更多优点。欠平衡钻井减少井孔的流体侵入，这降低了井孔损伤且可
减少清理时间并提高采收率。这也允许井在钻井过程中生产，这可增
加关于井本身的知识。然而，本领域需要向钻井工程师计算并传送更
可靠和准确的2D欠平衡操作参数。特别而言，需要快速地允许钻井
工程师具有确定与UBD钻井包线相关联的流体静压区域、摩擦区域
和过渡区域的能力。也需要为UBD钻井工程师提供方法来基于泥浆
电机性能和最小水平和垂直井孔清洁需求使2DUBD操作包线动态
地可视化。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方案的用于优化UBD的计算机实
施的方法的流程图；
图2是示出根据本发明的一个实施方案的二维(“2D”)操作包线
的一个实施例的图；
图3是示出根据本发明的一个实施方案的2D操作包线的一个实
施例的图；
图4是示出根据本发明的一个实施方案的2D操作包线的图；
图5是示出根据本发明的一个实施方案的2D操作包线的一个实
施例的图；
图6是示出根据本发明的一个实施方案的2D操作包线的一个实
施例的图表；
图7是根据本发明的一个实施方案的工作流程图；和
图8示出用于本发明的实施方式中的计算机系统。
具体实施方式
首先，应了解，合并了所公开的实施方案的方面的实际真正的商
业应用的开发将需要许多实施特定的决策来实现用于商业实施方案
的开发者的最终目标。这样实施特定的决策可包括且不可能限于与系
统相关的合规性、商业相关的合规性、政府相关的合规性和其它限制，
其可随具体实施方式、位置和时间变化。虽然开发者的努力可能在绝
对意义上是复杂且耗时的，但是这种努力将仍然是具有本公开的益处
的本领域的普通技术人员的例行工作。
还应理解，本文所公开和教导的实施方案容易有许多和各种修改
和替代形式。因此，使用单数名词(诸如但不限于“一”等)不旨在限
制物品的数量。同样地，在书面描述中使用的任何关系术语(诸如，
但不限于“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”、“向下”、“向上”、
“侧面”等)是为了具体参考附图中清楚起见且不旨在限制本发明的范
围。
本发明的实施方案提供了改进的计算机实施的方法以在UBD操
作过程中向欠平衡钻井(“UBD”)钻井工程师确定并提供优化的可视
化二维操作包线。这允许UBD工程师使由所建立的泥浆电机参数和
最小水平和垂直井孔清洁参数确定的UBD包线动态地可视化。在实
施方案中，可针对井孔压力变化对气体注入速率的概略图的背景来提
供该信息，如由目标压力线所限制。在实施方案中，UBD钻井工程
师将能够迅速地确定三个主要液压区，即流体静压支配区、摩擦支配
区和过渡区。这些实施方案将为UBD工程师提供准确而可靠的参考
来选择泥浆电机并限定UBD关注区域内的实际UBD参数。
在该实施方案中，所述方法开始于框101，其中基于指定最小和
最大气体注入速率范围以及最小和最大液体注入速率针对不同液体
注入速率计算和绘制一系列气体注入速率对井底压力的曲线(GIR对
BHP)。图2示出根据一个实施方案的气体注入速率对井底压力的曲
线的图。井底压力(PSI)沿图200的Y轴绘制。气体注入速率(每
分钟标准立方英尺)沿图200的X轴绘制。(图上绘制的)液体注入
速度曲线从每分钟200加仑变化至每分钟350加仑。根据一个实施方
案，还设置了弹出公开对话框201，其允许UBD工程师输入气体和
液体的注射速率的范围。在UBD操作中使用的气体有利地是不易燃
惰性气体，诸如氮气。当注入气体与注入液体结合时，在井孔中创建
两相流动条件。这减少了钻井泥浆的当量密度连同其流体静压。
接下来，根据一个实施方案的方法前进至框102，在该框中，基
于指定最小和最大泥浆电机速率范围以及最小水平和垂直环形速度
参数计算并绘制一组四个截取曲线。有利地，这些曲线包括最小电机
等效液体速率(“ELR”)的曲线、最小垂直液体速度(或最小垂直孔
清洁速度)的曲线、最小水平液体速度(或最小水平孔清洁速度)的
曲线和最大电机ELR的曲线。图3描绘了示出所述方法的该步骤之
后的井底压力对气体注入速率的图。在一个实施方案中，设置对话框
301以允许UBD工程师输入系统的物理设计允许的环形速度的泥浆
电机速率的参数。在所示的特定实施方案中，泥浆电机速率范围被指
定为每分钟最少210加仑和每分钟最多450加仑。井孔中允许的环形
速度被指定为每分钟最少180英尺的最小垂直速度和每分钟最少150
英尺的水平速度。基于该信息，合适的UBD计算引擎(例如，购自
LandmarkGraphicsCorp.公司的DecisionSpaceWellEngineering(决策
空间测井工程装置)计算井孔条件下的最小和最大等效液体速率以及
最小垂直和水平环形速度速率。在这种情况下，将针对从每分钟200
加仑至每分钟350加仑的液体注入速率来进行这些计算。然后，所述
方法绘制截取曲线302和303(分别表示最小和最大等效液体速率)，
和截取曲线304和305(表示最小垂直环形速度和最小水平环形速度)。
所述方法然后前进至框103和框104，在这两个框中，所述方法
识别操作包线。图4是描绘井底压力对气体注入速率图表的图，如图
3所示，在阴影区域中识别操作包线401。操作包线通过识别由沿气
体注入速率轴的最上面截取线(在这种情况下是最大等效液体速率)
和下一个接近的截取线(在这种情况下是最小水平环形速度)包围的
区域之间的点。操作包线401外的UBD操作将可能违反UBD钻井
环境中允许的规格。在一个实施方案中，在识别并突显操作包线区的
适当计算机显示器上创建可视化显示。显示器上的操作包线区由最小
水平液体速度的曲线、最大电机ELR的曲线、最小液体注入曲线和
最大液体注入曲线包围，以允许UBD工程师快速并准确地做出必要
决定以在令人满意的UBD操作下操作井。然后计算操作包线区和目
标压力曲线之间的交叉点。然后可在显示器上识别并用颜色标记欠平
衡钻井操作区。图5示出根据本发明的一个实施方案识别UBD操作
包线的井底压力对气体注入速率的图表。
再次参考图1，根据一个实施方案的方法然后前进至框105，在
该框中，所述方法识别每个GIR对BHP曲线的最小孔压力点。一旦
确定了最小井底压力点，则所述方法前进至框106，在该框中，所述
方法计算所有最小BHP点的平均点。基于平均BHP点，所述方法然
后识别流体静压支配区是其中井底压力主要由井孔中的液体的密度
确定的液压区。在该区域中，增加气体注入速率将减小井孔流体的有
效密度并降低井底压力。在井底压力随增加的气体注入速率减小时，
会在图1至图4中的图表的左侧看到这种效果。摩擦支配区是其中返
回通过井孔的气体量的摩擦开始以增加井底压力的液压区。在该区域
中，增加气体注入速率会增加(而不是减小)井底压力。在气体注入
速率增加时，随着增加的井底压力，会在图1至图4中的图表的右侧
看到该区域。过渡区是其中在流体静压支配区和摩擦支配区之间存在
过渡的液压区。在气体注入速率变化时，会在其中变化速率或多或少
是平的压力曲线的部分中看到该区域。图6是示出其中在井底压力对
气体注入速率图中识别不同流体静压区(如框106中所计算)的优化
UBD操作包线的图表。目标压力线也在图中指示，且如在实施例中
可看到，截断UBD操作包线的左上方区域中的流体静压支配的液压
区的一部分。也向UBD工程师显示该信息，为工程师提供对UBD
操作包线的准确和详细了解。这允许UBD工程师快速了解并控制井
孔中的操作条件。在框107中，然后在合适电脑显示器上向UBD工
程师显示框101至框106中确定的所有信息。信息也可以其它形式(诸
如图表或数据表)提供，并且可打印出来或以其它方式操纵作为设计
选择的事项、将GIR对BHP平面分为三个液压区：流体静压支配区、
摩擦支配区和过渡区。
本发明的多个版本还可体现为用于欠平衡钻井的计算机实施的
方法。在一个实施方案中，所述方法包括针对指定最小和最大气体注
入速率以及最小和最大液体注入速率确定多个液体注入速率的多个
气体注入速率对井底压力曲线。
考虑到根据系统的UBD液压和泥浆电机细节的规格，可根据本
领域的技术人员已知的公式来进行计算曲线。可反复做计算以括住包
线且突显区域以通过识别交叉点来显示包线。
接下来，所述方法包括针对指定最小和最大泥浆电机速率范围以
及最小水平和垂直环形速度确定一组四个截取曲线，其包括最小电机
等效液体速率截取曲线、最小垂直液体速度截取曲线、最小水平液体
速度截取曲线和最大电机等效液体速率截取曲线。
流率的范围和限制线(诸如泥浆电机ELR率)用于括住包线。
在创建截取曲线之后，所述方法然后基于截取曲线识别操作包线。
操作包线是本发明的有利版本中的曲线下方的区域。
在进一步的实施方案中，附加限制可应用以修改操作包线，诸如
提供附加限制，诸如泵送至外部和内部包线可创建的区域的钻机能力。
接下来，所述方法然后可确定操作包线和目标压力曲线之间的交
点以限定UBD操作区。所述方法然后可确定每个气体注入速率对井
底压力曲线的最小井底压力点并确定所有最小井底压力点的平均点。
因此，在这个特定实施例中，可看出，具有约1200scfm的4个最小
BHP点，四个曲线中的每个具有一个。
一旦计算了井底保持压力的平均点，那么所述方法可基于所有最
小井底压力点的平均确定多个液压区，诸如流体静压支配区、摩擦支
配区和过渡区。当然，应理解，不总是根据条件识别明确地边界且在
其它实施方案中外推以括住边界。
随后，所述方法然后可显示同时描绘和识别UBD操作区和多个
液压区的优化UBD操作包线。显示器可在计算机显示器上实施，其
中以为UBD工程师提供快速和准确确定其位置的方式指示优化UBD
操作区。例如，可以为高对比度提供图形背景的颜色来突显。显示器
也可包括截取线交叉点，以及最小和最大水平液体速度、液体注入曲
线和电机等效液体速率的边界。显示器也可例如通过颜色和/或合适
文本标记明确地识别不同液压区。显示器也可组合优化UBD操作包
线区图与不同流动速率的液体的气体注入速率(GIR)对井底压力
(BHP)曲线的图。此外，显示可设置在打印输出或其它有形介质上。
图7是根据本发明一个实施方案的工作流程图700。该图指示
UBD工程师将跟进确定用于根据本发明的欠平衡钻井的优化2D操
作包线的工作流程。在框701中，确定电机操作范围。一般与欠平衡
钻井结合使用的一件设备是正位移电机，或“泥浆电机”。如本领域的
技术人员所理解，泥浆电机用于在旋转钻柱的情况下旋转钻头。泥浆
电机通常使用封闭在壳体中的定子和轴。轴通常具有一系列凸角并装
配到具有数量不同于轴上的凸角的定子中。钻井液(也被称为泥浆)
通过引起轴的偏心运动的电机泵送。可用于本发明的一个实施方案中
的常规泥浆电机的一个实施例是。
所有泥浆电机被设计为针对钻井液在某些特定流体流率(通常指
定为加仑每分钟(GPM))内操作。
如果通过电机的流率太低，那么电机可能不具有足够能量来旋转
电机的轴。如果流率太高，则旋转力矩将会太高且速度会过低。
在欠平衡钻井循环系统中有用的是使用具有多于一个相的钻井
液，以便保持所需井底压力。因此，在欠平衡钻井装置中，气体(诸
如氮气)或重量更轻的流体可被添加至钻井液中以用于压力控制。
在框702中，针对其特定钻探条件，基于孔清洁参数、燃烧程度、
孔蚀规格和本领域的技术人员已知的其它参数确定最大和最小气体
注入速率。
在框703中，收集钻柱信息。钻柱信息包括关于在钻柱中所使用
的钻杆的尺寸和类型的信息。该信息还包括用于可包括在钻柱中的其
它组件(诸如井底钻具组合件)的规格。
在框704中，确定最小和最大孔清洁速度。基于钻屑的滑动速度、
钻屑的尺寸、形状和重量和流体性质确定这些参数。
在框705中，如上所述确定最大和最小等效液体速率。基于泥浆
电机及其能力确定这些参数，使得获得所需速度和转矩。
在框704和框705中计算之后，工作流程前进至框706、框707
和框708，在这些框中，计算机实施的方法计算截取线和液体注入速
率之间的交点、绘制UBD操作包线并识别每个GIR对BHP的最低
井孔压力点。基于这些压力点的平均值，工作流程然后前进至框709、
框710和框711，在这些框中，识别2DUBD操作包线的流体静压支
配区、过渡支配区和摩擦支配区。在一个实施方案中，可分别计算压
力损失且然后将其加入总压力损失。这些损失随速度或流量增加而改
变。
在框712中，所述方法然后在适当计算机屏幕上向UBD钻井工
程师显示该信息。
图8是示出用于实施所公开的实施方案的特征和功能的系统800
的一个实施方案的框图。系统800可以是任何类型的计算装置，诸如，
但不限于个人计算机、服务器系统、客户端系统、膝上型计算机、平
板计算机和智能电话。除其它组件外，系统800还包括处理器810、
主要存储器802、辅助存储单元804、输入/输出接口模块806和通信
接口模块808。处理器810可以是任何类型或者任何数量的单核处理
器或多核处理器，其能够执行用于进行所公开的实施方案的特征和功
能的指令。
输入/输出接口模块806使系统800能够(例如，从键盘和鼠标)
接收用户输入并将信息输出至一个或多个装置(诸如，但不限于打印
机、外部数据存储装置和音频扬声器)。系统800可任选地包括单独
显示模块812以使信息能够显示在集成或外部显示装置上。例如，显
示模块812可包括指令或硬件(例如，图形卡或芯片)以用于提供增
强的图形、触摸屏，和/或与一个或多个显示装置相关联的多个触摸
功能。
主要存储器802是易失性存储器，其存储预取来执行的当前执行
的指令/数据或指令/数据。辅助存储单元804是用于存储永久数据的
非易失性存储器。辅助存储单元804可以是或包括任何类型的数据存
储组件，诸如硬盘驱动器、闪存驱动器或存储卡。在一个实施方案中，
辅助存储单元804存储计算机可执行代码/指令和用于使用户能够进
行所公开的实施方案的特征和功能的其它相关数据。
例如，根据所公开的实施方案，辅助存储单元804可永久地存储
与用于进行上述方法的套管设计应用820相关联的可执行代码/指令。
在由用于进行所公开的实施方案的处理器810执行的过程中，与套管
设计算法820相关联的指令被从辅助存储单元804加载至主要存储器
802。
通信接口模块808使系统800能够与通信网络830通信。例如，
网络接口模块808可包括网络接口卡和/或无线收发器以用于使系统
800能够通过通信网络830和/或直接由其它装置发送和接收数据。
通信网络830可以是任何类型的网络，包括一个或多个以下网络
的组合：广域网、局域网、一个或多个私有网络、互联网、电话网络
(诸如公共交换电话网(PSTN))、一个或多个蜂窝网络和无线数据
网络。通信网络630可包括多个网络节点(未示出)，诸如路由器、
网络接入点/网关、交换机、DNS服务器、代理服务器和用于协助在
装置之间路由数据/通信的其它网络节点。
例如，在一个实施方案中，系统800可与一个或多个服务器834
或数据库832交互以用于进行本发明的特征。例如，系统800可查询
数据库832以获得井数据来根据所公开的实施方案实时更新操作包
线的三维隧道视图。此外，在某些实施方案中，系统800可用作用于
一个或多个客户端装置的服务器系统或用于与一个或多个装置/计算
系统(例如，群集、栅格)的对等通信或并行处理的对等系统。
虽然已经描述了关于上述实施方案的具体细节，但是上述硬件和
软件描述仅仅旨在作为示例性实施方案且不旨在限制所公开的实施
方案的结构或实施方式。例如，虽然未示出系统800的许多其它内部
组件，但是本领域的普通技术人员应理解，这些组件和它们的互连是
公知的。
此外，所公开的实施方案的某些方面(如上所概述)可通常被看
作是一种类型的有形非临时性计算机可读介质上携带或在其中体现
的可执行代码和/或相关联数据的形式的“产品”或“制品”。有形非临时
性“存储”类型介质包括用于计算机、处理器等的任何或所有的存储器
或其它存储装置，或它们的相关联模块，诸如各种半导体存储器、磁
带驱动器、磁盘驱动器、光盘或磁盘等，这些可在任何时候为可执行
代码提供存储。
此外，图中的流程图和框图示出根据本发明的各种实施方案的系
统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。还
应指出，在一些替代实施方式中，框中指出的功能可能不会以图中指
出的顺序出现。例如，连续示出的两个框可实际上基本同时执行，或
这些框有时可以相反顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应指出，
框图和/或流程图示的每个框及其框图和/或流程图示中的框的组合可
由专用硬件的系统来实施，所述系统进行指定功能或动作，或专用硬
件和计算机指令的组合。
如上所述，本文公开的实施方案可以许多方式来实施。一般而言，
一方面，所公开的实施方案涉及一种用于欠平衡钻井的计算机实施的
方法。除了其它之外，所述方法还包括针对指定最小和最大气体注入
速率以及最小和最大液体注入速率确定多个液体注入速率的多个气
体注入速率对井底压力曲线。所述方法还包括针对指定最小和最大泥
浆电机速率范围以及最小水平和垂直环形速度确定一组四个截取曲
线，其包括最小电机等效液体速率截取曲线、最小垂直液体速度截取
曲线、最小水平液体速度截取曲线和最大电机等效液体速率截取曲线。
所述方法还包括基于截取曲线识别操作包线；确定操作包线和目标压
力曲线之间的交叉点以限定UBD操作区；确定每个气体注入速率对
井底压力曲线的最小井底压力点；确定所有最小井底压力点的平均点；
和基于所有最小井底压力点的平均确定多个液压区。然后显示同时描
绘并识别UBD操作区和多个液压区的优化UBD操作包线。
一般而言，另一方面，所公开的实施方案涉及一种计算机可读介
质，其包括用于优化欠平衡钻井操作的计算机可执行指令。当执行计
算机可执行指令时，所述计算机可执行指令使一个或多个机器(除了
其它之外)针对指定最小和最大气体注入速率以及最小和最大液体注
入速率确定多个液体注入速率的多个气体注入速率对井底压力曲线。
计算机可执行指令还使一个或多个机器针对指定最小和最大泥浆电
机速率范围以及最小水平和垂直环形速度确定一组四个截取曲线，其
包括最小电机等效液体速率截取曲线、最小垂直液体速度截取曲线、
最小水平液体速度截取曲线和最大电机等效液体速率截取曲线。计算
机可执行指令还使一个或多个机器基于截取曲线识别操作包线；确定
操作包线和目标压力曲线之间的交叉点以限定UBD操作区；确定每
个气体注入速率对井底压力曲线的最小井底压力点；确定所有最小井
底压力点的平均点；和基于所有最小井底压力点的平均确定多个液压
区。然后显示同时描绘并识别UBD操作区和多个液压区的优化UBD
操作包线。
一般而言，又另一方面，所公开的实施方案涉及一种用于进行欠
平衡钻井操作的系统。系统包括具有计算机存储器的至少一个处理器，
所述计算机存储器包括存储指令，当执行所述存储指令时，所述存储
指令使至少一个处理器(除了其它之外)针对指定最小和最大气体注
入速率以及最小和最大液体注入速率确定多个液体注入速率的多个
气体注入速率对井底压力曲线。至少一个处理器还针对指定最小和最
大泥浆电机速率范围以及最小水平和垂直环形速度确定一组四个截
取曲线，其包括最小电机等效液体速率截取曲线、最小垂直液体速度
截取曲线、最小水平液体速度截取曲线和最大电机等效液体速率截取
曲线。至少一个处理器还基于截取曲线识别操作包线；确定操作包线
和目标压力曲线之间的交叉点以限定UBD操作区；确定每个气体注
入速率对井底压力曲线的最小井底压力点；确定所有最小井底压力点
的平均点；和基于所有最小井底压力点的平均确定多个液压区。然后
显示同时描绘并识别UBD操作区和多个液压区的优化UBD操作包
线。
虽然已经参考一个或多个具体实施方式描述了所公开的实施方
案，但是本领域的技术人员应认识到，在不脱离本描述的精神和范围
的情况下，可对其作出许多变化。因此，这些实施方案中的每一者及
其明显变体(其在所附的权利要求中阐述)被认为落入要求保护的本
发明的精神和范围之内。