[发明专利]用于对高级三维井底钻具组件进行建模的方法和系统

说明书

技术领域

本公开总体上涉及地下钻探操作，并且更具体地，涉及用于建模高级三维井底钻具组件的方法和系统。

背景技术

自然资源，例如碳氢化合物和水，通常从位于陆上或海上的地下地层获得。地下作业的开发和从地下岩层中移除自然资源所涉及的过程通常包括许多不同的步骤，例如在期望的井场处钻井筒，处理井筒以优化自然资源的生产，并执行必要的步骤以生产和处理来自地下岩层的自然资源。

各种类型的工具用于在地下岩层中形成井筒。这样的工具的例子包括可导向旋转钻头。井底钻具组件可以包括钻柱、电动离合器组件和耦接到钻头的驱动轴。这些部件一起工作以提供导向动力以使驱动轴弯曲，从而使钻头沿期望的方向导向。

地面处的操作者可以通过为钻井组件的元件设置钻井参数来控制钻井操作的各方面。例如，操作者可以设置控制使钻头导向的离合器组件的参数。钻井参数可以影响钻井操作的性能，包括但不限于钻井组件进入地层中的定向行为和钻速(ROP)。

附图说明

为了更完全地理解本公开和其特征与优点，现结合附图来参考以下描述，在附图中：

图1示出了示例性钻井系统的正视图；

图2示出了示例性计算子系统；

图3示出了示例性钻柱的节段和作用于钻柱上的力的正视图；

图4示出了示例性钻柱的有限元模型的局部视图；以及

图5示出了用于对高级三维井底钻具组件进行建模的示例性方法的流程图。

具体实施方式

本公开描述了用于执行钻柱的振动分析的有限元模型用于在钻井操作期间使用。在钻井操作期间，位于钻柱下端的井底钻具组件(BHA)中的传感器可收集关于钻柱、包含该钻柱的井筒和周围地下区域的信息。有限元模型可以通过将钻柱和井筒表示为由多个节点连接的离散梁元件的集合来生成，每个离散梁元件包括性质或参数的有限集。可以通过在每个时间点计算基于周围元素和节点的每个元素和节点的行为来预测整个系统的行为。以这种方式，复杂的物理问题可以通过将其分成解多个较小的块、求解每个块、然后组合所有解来解决。因此，可以根据本公开的教导设计系统和方法以创建钻柱的有限元模型并预测其行为。模型的有限元分析或有限元分析的结果可用于评估钻井操作的效率并预测钻头(例如旋转可导向钻头)的定向性能和钻速(ROP)。在一些实施例中，例如在钻井操作期间实时地动态识别和显示有限元分析或有限元分析的结果。在一些实施例中，本文描述的技术可以向用户(例如，现场工程师、操作工程师和分析人员及其他人)提供用于可视化钻井操作的可靠和直接工具，以评估当前钻井参数的效率，修改或以其他方式管理钻井参数，或执行其他类型的分析或设计。

通过参考图1至图5最好地理解本公开的实施方案和其优点，各图中相同编号用于指示相同和对应部分。

图1示出了钻井系统的示例性实施例的正视图。钻井系统100可包括井表面或井场106。诸如旋转台、钻井液泵和钻井液槽(未明确地示出)的各种类型的钻井装备可位于井表面或井场106处。例如，井场106可包括可具有与“陆地钻机”相关联的各种特性和特征的钻机102。然而，包含本公开的教导的钻井系统可以令人满意地与位于海上平台、钻井船、半潜船和钻井驳船(未明确地示出)上的钻井装备一起使用。井场106和钻机102可以坐于位于地表面下方的地下区域107的顶部。

钻井系统100还可包括与旋转可导向钻头(“钻头”)101相关联的钻柱103，钻柱103可用于形成各种井筒或钻孔，例如总体垂直的井筒114a，总体水平的井筒114b或其任何组合。各种定向钻井技术和钻柱103的井下钻具组件(BHA)120的相关联部件可用于形成水平井筒114b。例如，法向力可以在起动位置113附近施加到BHA 120，以形成从总体垂直的井筒114a延伸的总体水平的井筒114b。术语“定向钻井”可用于描述钻探井筒或者井筒的部分，所述井筒或者井筒的部分以相对于垂直的一个或多个所需角度延伸。所需角度可大于与垂直井筒相关联的正常变化。定向钻井还可描述为钻探偏离垂直的井筒。术语“水平钻井”可用于包括在相对于垂直大约九十度(90°)的方向上钻探。“井上”可以用于指更接近井表面106的井筒114的一部分。“井下”可以用于指更远离井表面106的井筒114的一部分。