鉆井和從地下巖層生產油氣的方法

文檔序號：5367244閱讀：806來源：國知局

專利名稱：鉆井和從地下巖層生產油氣的方法
鉆井和從地下巖層生產油氣的方法
相關申請的交叉參考本申請要求于2005年11月18日提交的美國臨時申請 60/738,146的權益和于2006年6月28日提交的美國臨時申請 60/817,234的權益。
背景本部分意圖向讀者介紹本領域的各個方面，這可能與下面描述的和/或要求保護的本技術的示例性實施方式有關。該討論被認為有助于為讀者提供便于更好理解本技術的具體方面的信息。因此，應當理解，這些陳述將按此閱讀，而不必被理解為對現有技術的承認。
油氣的生產，例如油和氣，已進行了許多年。為生產這些油氣，在油田中，一口或多口井通常被鉆至地下位置，其一般被稱為地下巖層或地下盆地。從地下位置生產油氣的方法通常包括從方案選擇階段到生產階段的各個開發階段。開發階段之一包括鉆井作業，其形成地下位置到地表的流體路程。鉆井作業可包括利用不同的設備，例如水力系統、鉆頭、電動機等，其被用于鉆至目標深度。
—般而言，鉆井作業可能是昂貴的和耗時的過程。例如，復合井的鉆井成本可以高達一天500,000美元，并且鉆六個月或更長，以到達目標深度。因此，鉆井時間的任何縮短代表井的總成本的潛在節約。也就是說，鉆井作業到達具體的目標深度越快，井可越快用于生產油氣，而建井的成本越不昂貴。典型地，通過與同一油田中以前鉆出的其它井之間的性能相互比較，評價鉆井速度。然而，該方法不能確認比較井以有效的方式被鉆出。實際上，兩口井可能都以效率低的方式被鉆出，其受到同一塌積(founder)問題或鉆井問題的限制。結果，鉆井作業可能被不必要地延遲和變得昂貴。
此外，其它技術包括使用機械比能(mechanical specific energy) (MSE)數據來優化單井參數的操作。見，MS五-^so/
Research Disclosure 459049 (2002 年 7 月) <http:〃www.researchdisclosure.com〉，其在本文被禾爾為 "Research Disclosure 459049"。采用該方法，MSE數據被用來調節作業參數，以及指示隨后的井是否正遇到問題。然而，僅使用MSE數據未對限制鉆進速度的因素提供明確的見解。因此，存在基于MSR數據和其它測量數據在井內控制鉆井作業和增加鉆井速度的方法和裝置的需求。
發明概述在一個實施方式中，描述了鉆井的方法。所述方法包括鑒別含有油氣的油田。然后，至少一口井被鉆至所述油田的地下位置，為油氣提供到達生產設施的流體流動路程。如下進行鉆井(i)通過分析在前的井的歷史機械比能數據和相關數據來確定先前限制鉆井速度的多個限制因素之一，估計所述至少一口井之一的鉆井速度；(ii)通過設計和操作實踐的調整，確定有效的鉆井方法，以解決所述限制因素；(iii) 在所述至少一口井之一的鉆井過程中，獲得機械比能(MSE)數據和其它測量數據；(iv)使用得到的MSE數據和其它測量數據，確定限制所述鉆井速度的多個限制因素之一；(v)調整鉆井作業，以減輕所述多個限制因素之一；以及迭代重復步驟(i)-(v)，直至通過鉆井作業到達所述地下位置。然后，從所述井的至少一口生產油氣。在第一可選的實施方式中，描述了生產油氣的方法。所述方法包括鉆多口井至至少一個地下位置，為油氣提供到達生產設施的流體流動路程。鉆井包括(i)估計所述多口井之一的鉆井速度；(ii)在所述井之一的鉆井過程中，獲得機械比能(MSE)數據和其它測量數據；(iii)使用得到的MSE數據和其它測量數據，確定限制所述鉆井速度的多個限制因素之一；(iv)調整鉆井作業，以減輕所述多個塌積限制因素(founderlimiter)之一；和(v)迭代重復步驟(i)-(iv)，直至通過鉆井作業到達所述地下位置。然后，從所述多口井之一生產油氣。在第二可選的實施方式中，描述了生產油氣的另一種方法。在該方法中，估計為油氣提供從地下位置到生產設施的流體流動路程的井的鉆井作業的鉆井速度。然后，在所述井的鉆井期間，獲得實時機械比能(MSE)數據和其它測量數據。利用所述數據，確定限制所述鉆井速度的多個限制因素之一。然后，調整所述鉆井作業，以減輕所述多個塌積限制因素之一。這些步驟的每一個都被重復，直至通過所述鉆井作業到達所述地下位置。在第三可選的實施方式中，描述了生產油氣的仍另一種方法。所述方法包括在鉆井作業期間，實時監測機械比能(MSE)數據和振動數據。將MSE數據和振動數據與先前產生的MSE數據和振動數據比較，以確定限制鉆井速度的多個因素的至少一個。然后，基于所述比較，調整鉆井作業，以增加鉆井速度。在第四可選的實施方式中，描述了生產油氣的又一種方法。所述方法包括(a)與鉆井同歩，獲得所述井的機械比能(MSE)數據和其它測量數據，(b)分析所述MSE數據和其它測量數據，以確定限制鉆井速度的多個限制因素之一，和(c)基于步驟(b)中的分析，調整鉆井作業，解決所述多個限制因素之一，以增加鉆井速度。步驟(a)至(c)被重復至少另外一次，直至到達所述井的目標深度。然后，從通過鉆井作業進入的地下儲層生產油氣。在第五個實施方式中，描述了生產油氣的方法。所述方法包括鉆第一井，同步鉆第二井。在所述第一井的鉆井期間，實時監測機械比能(MSE)數據和振動數據。MSE數據和振動數據被比較，以確定限制所述第一井的鉆井速度的多個因素的至少一個。然后，基于所述比較，調整所述第二井中的鉆井作業，以增加所述第二井中的鉆井速度。
在第六個實施方式中，描述了生產油氣的方法。所述方法包括分析來自在前的井的歷史機械比能(MSE)數據和其它歷史測量數據，以確定限制所述在前的井的鉆井速度的多個初步因素之一；選擇鉆井部件和鉆井操作，以減輕所述多個初步因素的至少一個；利用所述鉆井部件和鉆井操作，鉆當前井；在所述當前井的鉆井期間，對于多個限制鉆井作業的當前因素的至少一個，觀察MSE數據和其它測量數據；利用在后續的鉆井部件和后續的鉆井操作的選擇過程中的觀察，減輕后續井的多個當前因素的至少一個；以及在相似井的方案中，對于每一后續井重復上述的步驟。
附圖簡述在閱讀了下面的詳細描述并參考附圖后，本技術的前述優勢和
其它優勢可變得明顯，其中

圖1是根據本技術的某些方面的示例性生產系統；圖2是根據本技術的方面在圖1中的井之一的塌積限制因素的示例性圖；圖3是根據本技術的方面用于圖1的井的鉆井過程的示例性流程圖；圖4是根據本技術的某些方面用于圖1的鉆井系統的示例性系統；圖5A-5D是根據本技術的某些方面在圖1的鉆井系統中提供的、與鉆頭泥包相關的示例性圖；圖6是根據本技術的某些方面在圖1的鉆井系統中提供的、與井底泥包相關的示例性圖；和圖7A-7K是根據本技術的某些方面在圖1的鉆井系統中提供的、振動塌積(viberation foundering)和鉆頭鈍化塌積(bit dulling foundering)的示例性圖。
詳細描述在下面的詳細描述中，本發明的具體實施方式
將連同其優選實施方式被描述。然而，就下列的描述特定于本技術的具體實施方式
或具體用途而言，這預期僅僅是闡述性的并僅僅提供對示例性實施方式的簡明描述。因此，本發明不限于下面描述的具體實施方式
，而相反地，本發明包括落入所附權利要求真正范圍內的所有選擇、修改和等價物。
本技術涉及基于機械比能(MSE)數據和其它測量數據提高鉆井速度的方法。具體而言，估計鉆井速度，然后進行MSE和其它測量數據諸如振動數據的實時分析，可用來選擇鉆井參數，例如鉆壓
(WOB)、每分鐘轉數(RPM)和提供有效鉆頭性能的液壓設定。此外，當鉆頭性能受到鉆井參數之外的因素的限制時，MSE數據和其它測量數據提供了塌積限制因素的文件證明，該限制因素可以證明需要重新設計鉆井系統中的鉆井部件，以設計有效的鉆井方法。具體而言， MSE和振動數據提供的見解提供了對限制鉆井速度的問題的理解。
基于MSE和其它測量數據，工作流程，其在本文中可被稱為
"快速鉆井過程(Fast Drill Process)"或"FDP"，可被用來增強用于從地下儲層生產油氣的鉆井作業。快速鉆井過程是基于技術上和經濟上的限制在井內優化鉆進速度(rate of penetration) (ROP)的工作流程或過程。在該過程中，鉆井系統可被重新設計，以擴展ROP范圍，然后被迭代重復。因此，通過鑒別塌積限制因素，并提供消除和/或減輕塌積限制因素的影響，快速鉆井過程可用于連續增加井或同步井的鉆井速度。現在轉向附圖，并首先參考圖1，根據本技術的某些方面的示例性生產系統100被闡述。在示例性生產系統100中，一個或多個鉆井系統102a-102n被用于鉆各個井104a-104n。數目n可以是基于油田的具體設計可被利用的鉆井系統和井的任何數目。這些井104a-104n 可穿過地球表面106，到達地層，例如地層108a-108n，其包含油氣，諸如油和氣。同樣，如可以理解的，地層108a-108n可包括多個巖石層，其可包含或不包含油氣，且可被稱為地帶或層段。如此，井104a-104n 可在地層108a-108n與位于地面106上的生產設施之間提供流體流動路程。生產設施可處理所述油氣并將其輸送給消費者。然而，應當注意，為示例的目的，對鉆井系統100加以闡述，且本技術可用于從任何地下位置生產流體。
為接近地層108a-108n，鉆井系統102a-102n可包括鉆井部件，諸如鉆頭110a-110n、鉆柱112a-112n、底部鉆具組合(BHA)、起重系統、配電系統、自動控制、鉆井液加工、管子操作、井下測量工具、泵送系統和控制井眼壓力的系統。這些鉆井部件的每一個都被用于形成各種井104a-104n的井筒。鉆頭110a-110n可用于挖掘地層、水泥或其它材料，并可包括各種設計，諸如牙輪、固定切削刃、天然金剛石、多晶金剛石、孕鑲金剛石的、管下擴眼器、擴眼器、取心鉆頭、鑲硬合金齒的牙輪鉆頭和沖擊鉆頭。在該例子中，通過井104a進入地層 108a，而井104b、 104c和104n是鉆井作業的各個階段，以進入地層 108a和108n的一個或多個。在鉆井作業期間，鉆井系統102a-102n可能經歷低效率，這可能影響鉆井速度性能。由于鉆井系統102a-102n的操作人員不能控制影響鉆井速度性能的因素，用相同的鉆井部件進行的兩口相似井的鉆井速度可能發生變化。通常，如本領域普通技術人員所知的，鉆井速度試求法或最優鉆壓試求法被用于提供井的鉆進速度(ROP)。這些試求法包括調節鉆壓(WOB)和每分鐘轉數(RPM)，以確定鉆井系統的ROP。參見 Fred E. Dupriest 等,Ma: >m'z/wg ZW/ h^/ i ea/-77me
5^v&〃a"ce 。/MecA"m'ca/ S/ ec折c五"er^， SPE/IADC 92194 (2005年2 月)，其在本文被稱為"SPE Article 92194"; Co"ce; te i^/"ted to Mec/ 畫.ca/ 5^ ec折c Ewergy, Research Disclosure 492001 (2005年4月) http:〃www.researchdisclosure.com，其在本文l皮禾爾為"Research Disclosure
492001";以及Fred E. Dupriest等，Max^m力力g W(9尸術'A Wefl/ 77me Jwa/jws o/Dzg/to/ am/ MS￡， IPTC 10706-PP (2005年11月22-23 日)，其在本文被稱為"IPTC 10706-PP"。類似于最優鉆壓試求法的其它方法，可包括使用計算機來觀察和對性能趨勢進行建模，以及嘗試鑒別塌積點(founderpoint),其是ROP被最大化的點。遺憾的是，這些工具和試求法并不提供對潛在鉆井速度的客觀評價，僅僅提供當前鉆井系統的塌積點。例如，確定ROP的因素可以被分成導致低效率的因素諸如多個因素或塌積限制因素，以及限制能量輸入的因素。限制能量輸入的因素的例子包括鉆柱上緊力矩、井眼凈化效率、攜帶巖屑載荷的井眼整體性(hole integrity)、泥漿馬達差壓規格(mud motor differential pressure rating)、泥漿馬達方位規格(mud motor bearing rating)、定向目標大小(directional target size)、隨鉆測井(LWD)、旋轉速速限制、可利用的BHA (底部鉆具組合)壓重、固相處理能力以及上驅動或轉盤扭矩額定值。如果隨著WOB的增加塌積限制因素不發生，則這些因素限制鉆井系統。如此，這些因素是給定鉆井系統的設計限制因素。盡管限制能量輸入的因素可最終限制鉆井系統，但塌積限制因
素是這樣的因素，其妨礙鉆井系統達到對于不在能量方面受到限制的鉆井系統而言通常預期的性能。塌積或塌積限制因素可包括鉆頭泥包、
井底泥包、振動--其在Research Disclosure 492001 、 Research
Disclosure 459049和SPE Article 92194 (在此通過引用的方式并入)被進一步討論，以及非鉆頭相關的限制因素，其在下文進行討論。如在這些文章中所述，鉆頭泥包或鉆頭結構清理是這樣一種狀況，其中在切削結構中的物質積累干擾能量向巖石的傳遞。也就是說，在切削結構或鉆頭以及相關部件中的碎屑堆積可限制施加于切削結構的一部分 WOB到達巖石。例如，如果不從諸如鉆頭110a-110n之一的鉆頭清理掉巖屑，則傳遞到巖石的能量下降到期望值以下。通過調節各鉆井組件，例如改變噴嘴和流速來增加鉆頭清理設備的水力，可在一定程度上減輕鉆頭泥包。另一個塌積限制因素是井底泥包。井底泥包是這樣的一種情況，其中在井筒底部的物質堆積干擾能量從鉆頭傳遞至鉆頭之下的巖石。具體而言，細粒以類似于濾餅的方式通過壓差而保留下來。通過調節操作參數，例如鉆頭旋轉速度、利用在給定條件下不產生井底泥包的鉆頭、或用輕流體進行鉆井以便在井筒底部流體凈壓頭小于孔隙壓力，可在一定程度上減輕井底泥包。鉆頭鈍化是這樣的情況，其中鉆頭效率低，原因在于齒廓由于鉆井作業的影響而磨損或改變，使得能量傳遞到巖石變得效率更低。鉆頭鈍化不同于塌積，因為塌積是僅在一組特定的條件形成時發生的效率喪失，而鉆頭鈍化導致在所有條件下和在所有鉆井作業期間效率下降。盡管鈍化的鉆頭的性能可通過調節鉆井參數來優化，但這種情況只能夠通過更換鉆頭來完全減輕。此外，各種類型的振動，例如側向振動、扭轉振動和軸向振動，可以是其它的塌積限制因素。例如，旋轉振動是這樣的情況，其中鉆井系統產生干擾能量向巖石傳遞的旋轉模式。該旋轉振動是鉆頭未繞其中心旋轉的結果，這導致切削效率的喪失。該類型的振動可通過利用延長鉆頭規格長度來改善側向穩定性、利用穩定器、高扭矩馬達和/
或緩角彎殼體馬達來加以解決。WOB或RPM的調節也可降低旋轉。
扭轉振動或粘滑振動是當鉆柱繞柱的軸振蕩時發生的情況。所產生的鉆頭旋轉速度的周期性振動導致鉆井過程效率變得更低。這種類型的
振動例如可通過改變操作或鉆井參數諸如降低WOB和/或增加轉速來
加以減輕。此外，鉆井部件或設備可被改變，例如增加鉆柱的外徑來增加扭轉剛度、或使用設計來產生較低扭矩的鉆頭。最后，軸向振動是這樣的情況，在其期間，沿著鉆柱的軸發生周期性振蕩，使得施加到鉆頭的力發生變化。施加到鉆頭的鉆力的不均勻的周期性循環導致
鉆井效率的降低。該類型的振動可通過改變操作參數例如降低WOB 或RPM，或通過利用諸如減震器的設備來加以減輕。各種形式的振動可能發生聯系，使得一種產生另一種，這還可導致用于減輕一種具體形式的振動的方法或工具也導致另一種形式的振動下降。
除了上文討論的鉆頭相關的塌積限制因素，非鉆頭的塌積限制因素或要素也可能存在。這些非鉆頭的限制因素特別難以系統地處理，原因在于它們巨大的多樣性以及解決這些限制因素所涉及的專門技術的寬泛性。此外，其它非鉆頭的限制因素可以包括組織程序、通信程序、鉆機工人不穩定性、締約約束、風險不利行為以及組織間的共享缺乏。具體而言，當該問題的減輕涉及增加的機械風險、已確立操作的顯著變化、或高水平的技術培訓時，也可以考慮組織程序。因此，甚至對于這些非鉆頭的限制因素，上述的工作流程也被用于進一步增強鉆井作業。為通過鑒別和解決這些塌積限制因素來增加鉆井系統 102a-102n的鉆井速度，可以獲得各個井104a-104n的信息和測量的數據，以增加該井的鉆井速度。如在Research Disclosure 492001 、 Research Disclose 459049和SPE Article 92194中所討論，機械比能(MSE)是用于鉆入給定體積的巖石的能量的數學計算。參見Research Disclosure 492001 、 Research Disclose 459049和SPE Article 92194。如果鉆頭完全有效的話，每巖石體積的能量的這一比值大致等于巖石的壓縮強度。井諸如井104a-104n的MSE可以隨鉆井在井104a-104n中進展而進行實時繪圖。
除了 MSE數據，其它測量的數據可用來評價鉆頭諸如鉆頭 110a-110n的鉆井效率。如此，MSE數據連同其它測量數據的分析可用于研究鉆井作業中的具體低效情況。MSE數據和其它測量數據可從井 104a-104n收集，以連續方式檢測鉆井系統102a-102n的效率變化。該數據可用于改善鉆井性能，通過如下進行鑒別最優操作參數；以及提供用于在成本上判斷鉆井系統設計變化的量化數據，以擴展鉆井系統的目前限制。MSE數據連同其它測量數據的分析可導致井控操作、鉆頭選擇、底部鉆具組合(BHA)設計、上緊力矩、定向目標大小和馬達差速規格(motor differential rating)這些方面的再設計。如此，MSE 數據和其它測量數據的用途可用于一類的井設計和操作或鉆井操作中，其被統稱為"快速鉆井過程"。MSE和其它測量數據在增加ROP 中的用途被進一步在圖2中描述。圖2是根據本技術的方面，在圖1中的井之一的塌積限制因素的示例性圖；在該圖中——其在本文中通過參考數字(附圖標記)200 被提及，可被稱為試鉆曲線(drilloffcurve)的曲線206表示對于給定的井諸如井104a-104n之一的具體設計而言，ROP 202與WOB 204的抽象關系(notional relationship)。沿著該曲線206，不同的點與不同的操作或鉆井設置有關。例如，第一個點208可與馬達差速規格有關，第二個點210可與定向目標控制相關，第三個點212可與井眼凈化相關，而第四個點214可以是塌積限制因素，例如鉆頭泥包、井底泥包和振動。從第四個點214起，WOB 204的增加可能不顯著增加ROP 202，因為ROP 202或塌積限制可能無法通過WOB 204的任何增加解決。
對于給定的WOB，曲線206可用于分析ROP。在由WOB為零至第一個點208處的WOB界定的第一個區域內，已知鉆頭是低效率的。關于該低效率的原因，本領域中存在已知的多個理論。隨著WOB和形成的切割深度(depth of cut) (DOC)的增加，鉆頭最終達到其峰值效率，該峰值效率通過比較除去給定體積的巖石所需的理論能量和鉆頭除去該巖石所用的能量的量而被計算出來。在由第一個點208至第四個點214處的WOB界定的第二個區域內，曲線206在WOB 204和 ROP202之間基本上以線性的方式增加。曲線206的該線性部分表明，鉆頭的操作效率與在該給條件下它可能具有的效率相同。在該整個區域內，ROP隨著WOB的增加基本上線性增加，同時鉆頭效率未改變。
對鉆井系統沒有可以進行以使鉆頭增加鉆井速度的環境改變。例如，使用非水流體，用相同的鉆頭，并未增加鉆井速度，至多是增加了水
基泥漿。因此，僅WOB或RPM的改變可增加鉆井速度。由第四個點 214的WOB至剩余曲線206的末端界定的第三部分與抑制能量從鉆頭傳遞到巖石的塌積限制因素相關。該塌積點接近可由目前的鉆井系統提供的最高ROP。為越過該塌積限制因素增加ROP，鉆井系統可被重新設計，改變部件或利用不同的部件來擴展ROP限制因素，使塌積發生在更高的WOB下。如此，試鉆曲線的斜率可被用來指示塌積限制因素。ROP對WOB增加的基本上非線性響應是給出的WOB高于塌積點的指示。例如，當在圖2的曲線206的第二個區域中操作時，鉆頭處于峰值效率，且ROP對增加的WOB的響應接近線性。在該區域中，ROP 的增加與WOB的增加直接相關。在該區域中的操作被稱為"非鉆頭限制性的"，且結果常被稱為"控制鉆井(control drilling)"。控制鉆井的示例原因可能包括定向目標控制、井眼凈化、隨鉆測井(LWD)數據采集速度、混合器容量、巖屑處理或固相處理設備限制。
作為例子，最優鉆壓試求法可產生曲線206。沿著曲線206，當 ROP 202停止線性響應于WOB 204的增加時，塌積限制因素存在，其限制ROP或鉆井速度。如此，該WOB 204被認為是該當前鉆井系統下的最優鉆井速度。因為僅鉆井系統部件和操作的改變可以增加ROP 202，所以MSE趨勢連同其它測量數據諸如振動數據的分析可用于鑒別塌積限制因素并通過消除該塌積限制因素來增加鉆井速度。在確定塌積限制因素并將ROP擴展至下一個塌積限制因素中，關聯實時MSE 數據和其它測量數據可能是有益的。與第四點214有關的塌積限制因素得到矯正之后，ROP 202可被擴展到下一個塌積限制因素，其由第五個點216表示。也就是說，鉆井部件可被改變，以將ROP增加至下一個塌積限制因素，這產生延長的曲線218。使用該方法，操作人員一次可解決一個限制因素，進一步增強鉆井作業。沿著曲線218，不同的操作或鉆井參數可被調節，以進一步將ROP擴展到曲線206的塌積限制因素以上。此外，另外的延伸曲線，例如曲線222，可通過解決其它塌積限制因素的其它鉆井部件
改變而產生。例如，第六點220可與增加的鉆頭耐用性、可利用的BHA 壓重、鉆柱上緊力矩、或鉆機上驅動或旋轉扭矩有關。這些鉆機部件再設計可被用于擴展降低效率并限制ROP的塌積限制因素。利用該方法的鉆井過程在圖3中進一步討論。圖3是根據本技術的方面，用于圖1的井的快速鉆井過程的示例性流程圖。該流程圖，其可通過參考數字300被提及，通過同時參考圖1和2可被最好地理解。在該流程圖300中，鉆井過程可被開發出并用于通過增加井104a-104n的鉆井速度來增強鉆井作業。也就是說，本技術提供了通過解決塌積限制因素來擴展ROP而增加鉆井速度或ROP的方法。因此，以所述方式進行的鉆井作業可基于MSE和其它測量數據，通過改變鉆井作業來減少低效率。該流程圖開始于框302。在框303，可選擇井位置。該選擇可包括用于鑒別含有油氣的油田的典型技術。然后，分析井數據，如框304 所示。井數據可包括與巖石類型、巖石性質、MSE、振動、WOB、 RPM、 POR扭矩、泵壓、流速、大鉤懸重和/或其它測量數據相關的信息，其在下文進一步討論。井數據，其可包括實時的、過去的和/或以前產生的數據，可與目前正鉆探的井、同一油田或相似油田中以前鉆出的井和/或同步鉆探的井相關聯。利用所述井數據，對于所述井，選擇鉆井部件和鉆井操作(drillingpractices)，如框306所示。鉆井部件可包括鉆頭、鉆柱、鉆鋌、穩定器、擴眼鉆頭、擴眼器、震擊器、定向轉向設備(directional steering equipment)、井下測量工具、振動觀!l量工具、泵缸套、地面壓力遏制系統(surface pressure containment systems)、流體處理設備、數字鉆井數據采集系統和鉆機自動控制系統或類似部件，其在下面進一步討論。類似地，鉆井操作可包括進行各種試求法，例如MSE壓重試求法、MSERPM試求法、MSE水力試求法、最優鉆
壓試求法和鉆速試求法或類似方法，其也在下文進一步討論。鉆井部件和鉆井操作的選擇可為所述井提供估計的鉆井速度。
在框308，開始鉆井作業。該鉆井作業可包括建立鉆井系統 102a-102n，鉆井104a-104n，進行鉆井操作或試求法來優化作業或采集數據以支持將來的優化，收集巖心樣品，運行工具來評價地層，安裝套管、油管和完井設備，進行鉆后性能分析和/或將從鉆井作業獲得的
信息歸檔。在鉆井作業期間，MSE和其它測量數據可在框310進行監測。MSE和其它測量數據的監測可實時進行，以提供鉆井作業的反饋調節。該監測可包括傳送MSE和其它測量數據給位于地理上遠程位置處或在井附近的拖車房內的工程師。數據也可以被顯示在鉆探平臺附近的多個位置處。利用MSE和其它測量數據，塌積限制因素例如鉆頭泥包、振動和井底泥包可以被鑒別，如框312所示。塌積限制因素的識別可源于監測MSE和其它測量數據的計算機程序或用戶，諸如鉆井操作員或工程師。該MSE和測量數據例如可通過關聯MSE數據連同其它測量數據如振動數據的圖形顯示呈現。基于鑒別出的塌積限制，可進行鉆井作業的改變，以解決具體的塌積限制因素，如框314所討論。鉆井作業的這些改變或調節包括改變鉆井部件和/或鉆井操作。例如，鉆井作業的改變可包括改變鉆井部件，諸如用于所述井的鉆頭110a-110n、鉆柱112a-112n或水力系統。此外，鉆井作業的改變可包括擴展地面設備的限制的改變，以除去鉆井液中增加的固體載荷；操作實踐的改變，以改善迅速從所述井除去鉆屑的能力；鉆井液設計改變，以增強當高鉆速鉆井時所述液體密封滲透層中井筒的能力；在井下組件中安裝低摩擦牙輪擴眼器，以降低某些振動；和/或在鉆井鉆具組合中使用的鉆鋌或厚壁鉆桿的接合數的改變，以降低某些振動。可能的變化的其它例子在圖5A-7K中討論。
然后，鉆井作業的改變可在框316中記錄。該記錄可包括將鉆井作業的改變存儲在數據庫、服務器或與鉆井系統102a-102n有關的其它人員可取得的其它類似位置。然后，確定是否已經到達目標深度，如框318所示。目標深度可以是具體的地下位置，例如地下儲層 108a-108n之一和/或井擬到達的預定或地下的位置。然而，應當注意到，當對井筒進行擴眼用于測井、在注水泥前對套管擴眼至底部、在修井作業諸如鉆碎井中水泥塞或其它材料期間，MSE和其它測量數據可被使用。也就是說，快速鉆井過程可擴展至注水泥和完井作業，或者任何針對油田內的井或多口井的壽命的后續補救作業。如果尚未到達目標深度，則可在框304中再次分析井數據。該井數據的再分析可以以連續的方式進行，以通過解析各個塌積限制因素來擴展ROP，如上文所討論。這意味著，在該過程中，對于井，鉆井部件可以被改變一次或多次。例如，鉆井作業可包括兩次、三次、四次或更多次改變，來減輕或去除不同的塌積限制因素。然而，如果已經到達目標深度，則對所述井優化性能的過程可在框320結束。如果后續或同步的井將被鉆探，則所存儲的數據可進一步被分析，幫助選擇另一個井的鉆井部件或鉆井操作。圖4A是根據本技術的某些方面，用于圖1的鉆井系統102a-102n 的示例性系統400。在該系統400中，工程設備402和各種鉆井系統設備404a-404n可通過第一網絡410被連接在一起。工程設備402可用于監測鉆井系統設備404a-404n的一個或多個，所述鉆井系統設備 404a-404n各自與鉆井系統102a-102n之一和各自的井104a-104n關聯。
工程設備402和鉆井系統設備404a-404n可以是筆記本電腦、臺式電腦、服務器、或其它基于處理器的設備。這些設備402和 404a_404ri的每一個可包括監視器、鍵盤、鼠標和其它與用戶交互的用戶界面。此外，設備402和404a-404n可包括允許各設備的用戶看到 MSE數據以及其它測量數據的應用程序，這在下文中進一步討論。例如，提供監測井下或地下鉆井數據的設備和軟件的訂約人可改進現有系統，以同樣顯示MSE數據以及其它基于進尺或時間的信息。可提供這種顯示的訂約人的例子包括隨鉆測井、井下振動監測、氣測井、地面數據采集以及鉆機的訂約人。如此，設備402和404a-404n的每一個可包括用于存儲數據和其它應用程序的存儲器，例如硬盤驅動器、軟盤、CD-ROM和其它光學介質、磁帶等。因為設備402和404a-404n的每一個可位于不同的地理位置，例如不同的鉆井位置、建筑物、城市或鄉村，網絡410例如可包括不同的設備(未示出)，諸如路由器、轉換器、電橋。同樣，網絡410 可包括一種或多種局域網、廣域網、服務器域網(server area network)、或城域網、衛星網絡或這些不同類型網絡的組合。設備402和404a-404n 可通過第一通信媒介諸如IP、 DecNET或其它合適的通信協議來通信。經由設備402和404a-404n的網絡410的連通和應用可被本領域普通技術人員所理解。
除了互相通信，設備404a-404n的每一個可通過單獨的網絡諸如鉆井系統網絡408a-408n被連接到測量裝置406a-406n之一。這些網絡408a-808n例如可包括不同的設備(未示出)，諸如路由器、轉換器、電橋，其提供從測量設備406a-406n之一到各自的設備404a-404n的通信。這些測量設備406a-406n可以是布置在各井104a-104n內的工具，以監測和測量一些情況，諸如RPM、扭矩、壓力、振動等。例如，測量設備406a-406n可包括用于定向控制或測井的井下鉆井工具，例如旋轉式可轉向鉆具組合、彎殼體泥漿馬達、振動監測工具、隨鉆測井工具、地面振動監測系統和布置來監測多種地面活動的地面傳感器。這些工具可包括連續地并在三個軸上測量振動的加速度計。因此，設備 404a-404n和406a-406n可經由第一通信協議和/或第二通信協議進行通信，交換測量數據。經由設備402、 404a-404n和406a-406n的網絡 408a-408n的連通和應用可被本領域普通技術人員所理解。
有利地，使用這些設備402和404a-404n可為用戶提供MSE數據和其它測量數據，其在上文中進行了討論。為進一步描述MSE數據和其它測量數據的展示和應用，各種具體的例子在下文中提供。在這些例子中，實時MSE數據的應用可與其它測量數據一起用來確定鉆井系統諸如鉆井系統102a-102n之一的塌積限制因素。具體而言，圖 5A-5D描述了遭遇鉆頭泥包的鉆井系統的監測，而圖6描述了遭遇井底泥包的鉆井系統的監測。圖7A-7K描述了遭遇各種振動限制因素和鉆頭鈍化限制因素的鉆井系統的監測。
因此，當MSE曲線是RPM和WOB的關系時，對該方程的輸入可通過測量設備406a進行測量，并經由網絡408a提供給鉆井系統設備404a。當鉆井進展時，計算的MSE曲線與其它測量數據一起顯示，諸如曲線形式的RPM、扭矩、ROP、 WOB、泵壓和/或流入。這些曲線的每一條可以以基于時間或進尺(即深度)的刻度產生，并被顯示在與鉆井系統102a有關的監視器上。可選地，這些曲線也可被提供給現場外人員，例如使用15秒更新的設備402的鉆井工程師。因此，圖 5A-7K可同時參考圖1和4而被最好地理解。
圖5A是在鉆井系統102a處與其它測量數據一起顯示給用戶的 MSE數據的示例性圖表。在該圖表中，其在本文通過參考數字500被23提及，MSE曲線502與其它測量數據沿著深度刻度516—起顯示，諸如RPM曲線504、扭矩曲線506、 ROP曲線508、 WOB曲線510和流入曲線512。這些曲線502-512被一起用來鑒別鉆頭低效率以及增加鉆井速度。可選的顯示也可包括顯示另外數據諸如振動、大鉤位置、井下循環壓力和井下溫度的曲線。
在圖5A中，以與先前鉆的補償井相同的方式，對井104a的層段進行鉆井。該層段用鉆頭110a進行鉆井，其為IADC 1-1-7-齒鉆頭、 20klbs(千磅)WOB、和水基泥漿。所鉆的巖石層是軟的，在砂層和頁巖層的巖石強度都為3-5 ksi (千磅/平方英寸)。如果鉆頭110a是有效的，則MSE曲線502應該是直線，具有大約3-5 ksi的值。相反地， MSE曲線502在頁巖層增加到超過25 ksi的值，而在砂層降低到5 ksi。結果，鉆井系統102a采用了與壓縮強度為大約25ksi的巖石相同量的能量來鉆所述頁巖層，盡管巖石強度為3-5 ksi。這表明鉆頭低效率或能量浪費，其可通過操作人員的糾正行為加以解決。
在本技術下，基于MSE和測量數據，進行決定，以便在該井和其它后續的井諸如井104b-104n中增強鉆井作業。例如，因為當鉆頭 110a進入砂層時頁巖屑在其表面上的堆積被清理，切削結構再次變得有效，且ROP退回至大約350 fj)h，同時MSE曲線502降至接近巖石強度的值。因此，該鉆井系統102a的塌積限制因素看起來是鉆頭泥包，因為切削結構似乎在頁巖層中充滿往往粘附于鉆頭的碎屑，盡管鉆頭在砂層中適當清理。通過再設計鉆井部件以利用聚晶金剛石復合片 (PDC)鉆頭和增強的水力，后續的鉆井系統諸如鉆井系統102b-102n 可在后續井諸如104b-104n中增加其鉆井速度。
作為第二個例子，MSE和其它測量數據可用于方法試驗，以增加井諸如井102a的鉆井速度，如圖5B所示。圖5B是根據本發明的某些方面，對于鉆頭泥包塌積的圖1鉆井系統中提供的第二個示例性圖表。在該圖表中，其在本文通過參考數字520被提及，方法試驗被用作鉆井操作的一部分，以鑒別鉆井系統102a的塌積限制因素。在圖5B 中，MSE曲線522與其它測量數據沿著深度刻度536 —起顯示，諸如 RPM曲線524、扭矩曲線526、 ROP曲線528、 WOB曲線530、泵壓曲線532和/或流入曲線534。這些曲線522-534的每一個連同方法試驗一起被用來鑒別鉆頭泥包限制因素以及增加鉆井速度。
在圖5B中，在地面套管的鉆水泥塞之后，在水基泥漿中用8-1/2" 鉆頭對井104a的層段進行鉆井。在該井104a中，從約2000ft(英尺) 到約2100 ft，進行"MSE壓重試求法"，其以2 klb的增量將WOB從 5klb增加至11 klb，然后，通過將旋轉速度從60增加至120RPM，從約2130 ft至2300 ft進行"MSE RPM試求法"。對于MSE壓重試求法，觀察到MSE曲線522中MSE值相應于在WOB曲線530中的增加而增加，其可表明鉆井系統102a已經到達塌積限制因素。對于MSERPM 試求法，觀察到MSE曲線522中MSE值相應于在RPM曲線524中的增加而增加，這可表明鉆井系統102a已經到達塌積限制。
基于這些試求法，清楚的是，MSE曲線522在MSE壓重試求法和MSERPM試求法期間并未改變。也就是說，鉆頭110a在不同的 WOB下在100 fj)h和200 *h下以及在不同的RPM下高達400 下以相同的效率進行操作。如此，這些方法試驗確認，鉆頭仍有效運作且在塌積點下操作。除了確認鉆頭仍為有效之外，低MSE證明了 WOB 的進一步增加可能產生ROP的線性增加。然而，用以前的鉆頭，在1800 ft附近，MSE曲線522中的高值表明鉆頭110a上的齒在頁巖層中為鉆頭泥包。如此，鉆井系統102a上的水壓可以在該井或后續井上修改，以在整個生產井筒中增加鉆井速度至500 fi)h以上。因此，方法試驗可與MSE數據和其它測量數據一起被用來進一步增強鉆井作業。如果當 WOB或RPM被調節時MSE不改變，則顯示鉆井系統是有效的，并且 WOB進一步增加。如果當WOB或RPM被調節時MSE表現出增加的變化，其超過巖石壓縮強度的潛在變化，則已知鉆頭是在塌積中且鉆井系統的操作員可采取糾正措施。在出現機會時，也可改變設備和系統。
作為第三個例子，圖5C是根據本技術的某些方面，對于鉆頭泥包塌積的圖1鉆井系統中提供的第三個示例性圖表。在該圖表中，其在本文中通過引用數字540被提及，中度鉆頭泥包被鑒別為鉆井系統 102a的塌積限制因素。在圖5C中，MSE曲線542與其它測量數據沿著深度刻度558 —起顯示，諸如RPM曲線544、扭矩曲線546、 ROP曲線548、 WOB曲線550、 7射線(GR)曲線552、泵壓曲線554和/或流入曲線556。這些曲線542-556的每一個被一起用來鑒別鉆頭泥包塌積以及增加鉆井速度。
在圖5C中，MSE曲線542示出井104a的層段，其為12-1/4" 的層段。在該例子中，鉆井系統102a使用好比該軟巖石具有25ksi壓縮強度的相同量能量。在5100ft附近，操作員確定能量損失是中度鉆頭泥包的結果，并將WOB從約25 klb降低至約8 klb。 MSE曲線542 在WOB修改之后降低，這表明鉆頭效率增加，以及ROP從約80 f^h 增加到約100 fj)h。通過使用MSE數據和其它測量數據，操作員能夠通過將MSE用作性能指標來增加鉆井速度。
在該例子中，鉆井系統102a的操作員能夠利用MSE數據和其它測量數據來確定鉆井作業的某些性能水平。然后，操作員可調節操作參數并觀察MSE曲線542的改變。因此，操作參數可再被調節至這樣的設置，在該設置下MSE曲線542為最小值或在最小值附近。
利用對于MSE優化的操作參數，鉆井系統102a的工程再設計可被再次檢査，以提供進一步的鉆井速度或ROP的增強，如上所討論。例如，在操作員確認鉆頭泥包發生于軟石灰巖中之后，鉆井部件諸如噴嘴和流速被改變，以用可利用的鉆井設備實現可能的每平方英寸最高水馬力(HSI)。在鉆頭處的水馬力可通過增加流經鉆頭的體積或降低噴嘴大小，使得給定流動的壓降和速率增加，來加以改變。兩種改變消耗了可利用的泵功率。一般而言，流速在其中井眼凈化優先的定向井中被強調。在該例子中，因為當觀察到鉆頭泥包時所述泵已經在它們的合同功率輸出下運行，所以流速被降低，以使噴嘴壓力下降和HSI 增加。在增加的水壓下，鉆頭泥包的塌積點現己經被升高，使得相比于以前的5-25 klb，允許一致地應用25-45 klb的WOB。
作為第四個例子，圖5D是根據本技術的某些方面，對于鉆頭泥包塌積的圖1的鉆井系統中提供的第四個示例性圖表。在該圖表中，其在本文中通過引用數字560被提及，鉆頭泥包再次被檢測為鉆井系統102a的塌積限制因素。在圖5D中，MSE曲線562與其它測量數據沿著深度刻度576 —起顯示，諸如RPM曲線564、扭矩曲線566、 ROP 曲線568、 WOB曲線570、泵壓曲線572和/或流入曲線574。這些曲線562-574的每一個再次被一起用來鑒別鉆頭泥包塌積限制因素以及增加鉆井速度。
在圖5D中，對于井104a的層段，示出了MSE曲線562，所述井104a具有鉆井系統102，使用鉆頭110a以及初始HSI為5.2 hp/in2 (馬力/平方英寸)的鉆井系統102。井104a以前已經以平均ROP為約150 *h 的記錄速度鉆過。然而，因為操作員觀察到MSE曲線562已經增加了 2200 ft至2400 ft之間的某些深度下的值，所以操作員確認鉆頭110a 是鉆頭泥包。因此，采用替換鉆頭，其包括這樣的水力條件具有噴嘴，HSI為11.5 hp/in2。在水力條件'的重新設計之后，觀察在2400 ft 和2600 ft之間的MSE曲線562，其大致等于巖石壓縮強度。在MSE 曲線562中的該變化表明，切削結構被清理，原因在于再設計的水力條件。結果，ROP在砂層和頁巖層中增加至大約350 ^h以上，用于接下來的3000 ft。
圖6是根據本技術的某些方面，對于井底泥包的圖1的鉆井系統中提供的示例性圖表。在該圖表中，其在本文中通過引用數字600 被提及，MSE和其它測量數據在不同的水力條件下被用于確定鉆井系統102a的塌積限制因素。在圖6中，MSE曲線602與其它測量數據沿著時間線620 —起顯示，諸如ROP曲線604、 RPM曲線606、扭矩曲線608、 WOB曲線610、大鉤曲線612、泵壓曲線614、流動百分數曲線616和/或流入曲線618。這些曲線602-618的每一個再次被一起用來鑒別塌積限制因素以及增加鉆井速度。
在圖6中，對于井104a的層段，示出了 MSE曲線602，所述井104a具有鉆頭110a，其是7 7/8"的鑲硬合金齒的牙輪鉆頭。該鉆頭 110a在水基泥漿的情況下在具有25 ksi巖石強度的地層中鉆井。在該圖600中，MSE曲線602被升高至約800ksi，其表明塌積限制因素限制ROP。因為鉆頭泥包通常不發生在非常硬的巖石中并且MSE曲線 602不表現出通常表示振動的零星振蕩，所以塌積限制因素可能是井底泥包。也就是說，鉆頭110a表現為在通過差壓保持于井筒底部處的材料上旋轉，而實際上并不與在細碎材料之下的巖石接觸。對于后續井，用不同類型的鉆頭和高速渦輪更換鉆井系統，其對于井底泥包情況是更為有效的系統。對MSE曲線的監視使得問題的本質得以理解，并且對嚴重程度的量化使另一個鉆井系統能夠在成本上有效。
除了上面討論的井底泥包和鉆頭泥包的例子外，振動是導致鉆井系統無效率的另一個塌積限制因素。如上所述，振動在扭矩和MSE 方面往往產生更大的變化。振動是限制鉆井速度的主要塌積限制因素之一，且用MSE數據監測振動數據可進一步增強鉆井過程。
例如，鉆井系統102a的操作員可改變鉆井參數諸如WOB、旋轉速度或其它操作參數至有效的水平，來減輕振動影響。MSE數據的加入允許操作員清楚地確定振動對鉆井系統效率的影響，并提供對鉆井部件的改變的其它觀點。也就是說，MSE數據可被用于鑒別設計變化，以降低或限制振動對限制井的鉆井速度的影響。不同類型的振動塌積和鉆頭鈍化在下列與圖7A-7K相關的例子中討論。
圖7A是根據本技術的某些方面，在圖1的鉆井系統中提供的對于振動塌積的第一示例性圖表。在該圖表中，其在本文通過參考數字700被提及，MSE和其它測量數據被用于確定鉆井系統102a的振動塌積限制因素。在圖7A中，MSE曲線702與其它測量數據與深度刻度709 —起顯示，諸如RPM曲線703、扭矩曲線704、 ROP曲線705、 WOB曲線706、泵壓曲線707和/或流入曲線708。這些曲線702-708 的每一個再次被一起用來鑒別塌積限制因素以及增加鉆井速度。
圖7A示出了在5 ksi至10 ksi巖石中進行的一系列MSE壓重和 MSERPM試求法。該例子顯示了一些常見的振動行為，其由MSE曲線702和涉及改變WOB的鉆井試驗所表示。如該圖表700所示，從 8100 ft至8270 ft, MSE曲線702的值初始為大約30 ksi至大約40 ksi。當WOB在8270 ft降低時，MSE曲線702上的值降低至15 ksi至25 ksi 的范圍，且ROP曲線705的值增加。然后，在8500 ft， WOB曲線706 的值增加至其初始值，這導致MSE曲線702的值增加和ROP曲線705 的值降低。在8580 ft， WOB降低，且MSE曲線702的值增加至先前水平之上。
在鉆井作業期間的WOB變化為操作員提供了關于鉆并系統性能的有價值的信息。例如，從8100 ft至大約8500 ft的WOB變化表明，振動塌積正在發生且通過調節回到所述WOB。此外，從8500 ft至8650ft， WOB的下降表明，不足的切割深度(DOC)或嚴重的渦旋正在井104a 內發生。通過鉆井試驗，最高的ROP值被提供于從約12 klb至15 klb 的范圍內。此外，鉆井試驗表明，振動減少是ROP改變的原因，而不是巖石強度改變的原因，因為巖石強度不可能下降15ksi。因此，為進一步增加鉆井速度，可進行鉆井部件設計改變來消除或限制在高于15 klb的WOB下的振動。
圖7B示出了使用MSE數據連同其它測量數據確定振動塌積限制因素的第二個例子。在圖7B中，在本文通過參考數字710被提及的圖表給出了 MSE和其它測量數據，其用于確定鉆井系統102a的振動塌積限制因素。在圖7B中，MSE曲線712與其它測量數據沿著深度刻度719 —起顯示，諸如RPM曲線713、扭矩曲線714、 ROP曲線715、 WOB曲線716、泵壓曲線717和/或流入曲線718。這些曲線712-718 的每一個再次被一起用來鑒別振動塌積限制因素以及增加鉆井速度。
圖7B包括MSE WOB和MSE RPM試求法，其被用來評價在巖石強度在5 ksi至10 ksi范圍內的地層中的鉆井作業的性能。在該例子中，井102a是在具有5ksi壓縮強度巖石的巖石內的8 1/2'井筒。從 9900 ft至10100 ft， MSE曲線712初始為大約250 ksi，其中峰值可達大約500 ksi。作為MSE WOB試求法的一部分，在10200 ft附近，WOB 被增加，而旋轉速度被降低，這是減輕旋轉振動的典型操作。作為該試求法的結果，MSE曲線712的值下降，而ROP曲線715的值增加。
在鉆井期間的WOB和RPM變化為操作員提供了關于鉆井系統性能的有價值的信息。從MSE響應鉆井參數的這些變化的方式，確定振動的特性。例如，從9900 ft至大約10200 ft的MSE曲線712表明高的能量損失，但其并未顯示振動的具體特性。并不知道渦旋是原因，直到WOB增加和MSE下降——如果初始情況是渦旋的話，這是預期的響應。如果初始情況主要是粘滑振動，則MSE和振動能量損失將增加。一些ROP響應可在無MSE曲線712的情況下進行解釋，因為ROP 值通常以成比例的關系隨著WOB的增加而增加。然而，在10200 ft 至10350 ft的范圍內，ROP響應不成比例地高，且MSE曲線712的值在這個相同的范圍內下降。因此，MSE曲線712以及WOB曲線716 和ROP曲線715上的值表明，鉆頭不僅僅由于增加的WOB而鉆得更快，但卻更有效。因此，MSE WOB和MSE RPM試求法可被進行來減輕振動塌積，或提供改變鉆井系統以增加鉆井速度的進一步理由。
在該例子中，在MSE曲線712中觀察到這樣的基線趨勢，其中 MSE值總體上隨深度而增加。該增加的原因在于當管和井筒壁之間的累積接觸隨深度增加時鉆柱摩擦增加。當出現大的摩擦損失時，MSE 值可以超過巖石強度。這并不降低MSE數據的用途，因為在所述的方法中，MSE數據僅用作效率的相對指標，并與其它測量數據一起使用。如果對操作參數進行改變，并且MSE下降或增加，則所述過程變得更有效或更無效。因此，MSE值的相對響應被用于幫助進行操作決定，而不是其絕對值。
圖7C示出了使用MSE數據連同其它測量數據，確定振動塌積限制因素的第三個例子。在圖7C中，在本文通過參考數字720被提及的圖表，給出了 MSE和其它測量數據，其用于確定鉆井系統102a的振動塌積限制因素。在圖7C中，MSE曲線722與其它測量數據沿著深度刻度729 —起顯示，諸如RPM曲線723、扭矩曲線724、 ROP曲線725、 WOB曲線726、泵壓曲線727和/或流入曲線728。這些曲線 722-728的每一個再次被一起用來鑒別振動塌積限制因素以及增加鉆井速度。
圖7C包括MSE WOB和MSE RPM試求法，其用于評價在巖石強度大約1 ksi至10ksi的范圍內的地層中的鉆井作業。在該例子中，當鉆頭110a~~其為強有力的PDC鉆頭——遇到巖石強度為大約3ksi 至8ksi的第一巖石層段時，發生旋轉振動。在所述第一層段中，MSE 曲線722的值增加50 ksi以上，表明振動塌積開始。操作員增加WOB，以維持ROP水平。在100ft的鉆井中，該調整給鉆頭110a造成了嚴重的損壞。對于該層段，鉆井系統102a收集的井徑測井表明，在該層段中由偏心回轉鉆頭形成了過大的井筒。
在相同井104a的后續鉆井作業中，在比第一層段深500ft處遇到了具有相似性質的另一巖石層。基于MSE曲線722， WOB和RPM 值被降低，以防止對鉆頭110a造成損傷。在MSE曲線722表明鉆井作業穿過第二層段之后，鉆井參數被回復到先前的水平，以恢復對于井104a而言的優化水平下的鉆井作業。當在到達目標深度后，將鉆頭110a從井104a拉出來時，鉆頭110a看起來沒有受到損壞。如此，MSE 數據連同其它測量數據的使用可被用于指示提供塌積限制因素的具體層段。
圖7D示出了使用MSE數據連同其它測量數據來確定振動塌積限制因素的第四個例子。在圖7D中，在本文通過參考數字730被提及的圖表，給出了 MSE和其它測量數據，其用于確定鉆井系統102a的振動塌積限制因素。在圖7D中，MSE曲線732沿著深度刻度735與振動曲線733和ROP曲線734 —起顯示。這些曲線732-734的每一個被一起用來鑒別振動塌積限制因素以及增加鉆井速度。
圖7D包括本技術的其它方面，其可利用MSE曲線732以及振動曲線733來增加鉆井速度。直到最近，很少有振動監測工具在觀察到25-50 g's (重力)的加速度之前傳送振動警報，因為該水平下的振動可能損害鉆井部件或工具。因此，許多操作員通常未意識到振動可能限制ROP。此外，盡管鉆頭泥包容易識別，且可用多種技術減輕，但是振動通常更細微并難以從巖石壓縮強度的變化進行辨別。同樣，振動傾向可以隨著巖性、鉆井流體靜壓頭和其它因素改變，這可能涉及WOB和RPM的頻繁改變。這種可能涉及復雜關系的連續測試和分析的復雜性導致振動難以檢測，以及難以通過重新設計鉆井系統來適當解決。
在該例子中，如在振動曲線733所示，可降低ROP曲線734的值的振動幅度可能是小的。MSE曲線和振動曲線733之間的相關性在從8200 ft至8450 ft的深度被清楚地示出。導致無效率的振動水平通常在3g's以下。具體而言，在8350 ft至8400ft的深度處的振幅相對高，而MSE曲線732的值仍保持相對低。這些幅度變化可以是粘滑的指示，這可以是扭轉振動的一種形式，如上所討論。因此，振動數據和MSE 數據的組合提供了對塌積限制因素在技術上的理解，這通過單獨評價振動數據和MSE數據不總是明顯的。因此，基于這類信息的組合，對鉆井部件的設計變化可以是成本上合理的，以增加鉆井速度。
圖7E示出了使用MSE數據連同其它測量數據確定振動塌積限制因素的第五個例子。在圖7E中，在本文通過參考數字740被提及的圖表，給出了 MSE和其它測量數據，其用于確定鉆井系統102a的振動塌積限制因素。具體而言，MSE曲線742與其它測量數據沿著時間線751—起顯示，諸如扭矩曲線743、 WOB曲線744、泵壓曲線745、流入曲線746、軸向振動曲線747、側向振動曲線748、粘滑振動曲線 749和/或ROP曲線750。這些曲線742-750的每一個再次被一起用來鑒別振動塌積限制因素以及增加鉆井速度。
圖7E包括本技術的其它方面，其可利用MSE曲線742以及振動數據諸如軸向振動曲線747、側向振動曲線748和粘滑振動曲線749 來分析和鑒別振動塌積。在該例子中，鉆井系統102a包括測量設備 406a，其是己被改變以顯示MSE數據連同實時振動數據的井下振動監測系統。最初，MSE曲線742的值在壓縮強度在30 ksi以下的巖石中為大約50ksi。這些升高的MSE值可能與定向井的鉆柱阻力有關。因此，調節操作參數可清楚地確定鉆頭是否有效。在時間線751上的13:12 hrs的時刻，WOB從12klb增加至14klb，這導致MSE曲線742的值從50 ksi降低至大約40 ksi，而ROP曲線750的值增加。除了這些改變之外，一旦WOB被調節，側向振動曲線748的值也下降。當在時間線751上從13:12 hrs (小時)至13:57 hrs， WOB逐漸增加時，MSE曲線 742的值隨著WOB持續下降。然后，在時間線751上的13:57 hr處， WOB增加，而MSE曲線742的值降低和ROP曲線750的值增加。
在該例子中，MSE曲線742、側向振動曲線748和ROP曲線 750的改變表明塌積限制因素是渦旋。具體而言，曲線對WOB變化的響應表明，鉆頭110a最初是塌積，并且隨著WOB增加而變得有效。如果鉆頭效率未改變，則MSE曲線742的值應當尚未改變。同樣，ROP 曲線750的值的變化——其大約為100%——與WOB曲線744的值的增加一一其大約為16%—一不成比例。該不成比例的增加是鉆頭在 WOB增加下根本地變得更有效的結果。此外，側向振動曲線748的值確認了初始水平的渦旋，其當WOB增加時被降至最小水平。還應當注意到，井下振動監測工具未被設立來匯報對于LWD工具常見的低水平的鉆頭振動。井下加速度計的優勢是當一些試驗被用于由MSE曲線 742確定振動類型時，清楚指示正發生的振動類型。然而，MSE曲線 742清楚地給出了振動影響鉆井性能的程度。如此，MSE曲線連同振動曲線諸如軸向振動曲線747、側向振動曲線748和粘滑振動曲線749 的使用是互補的。
圖7F示出了使用MSE數據連同其它測量數據確定振動塌積限制因素的第六個例子。在圖7F中，在本文通過參考數字760被提及的圖表，給出了 MSE和其它測量數據，其用于確定鉆井系統102a的振動塌積限制因素。具體而言，MSE曲線762與其它測量數據沿著深度刻度771 —起顯示，諸如鉆頭RPM曲線763、扭矩曲線764、 WOB曲線765、大鉤壓重曲線766、立管壓(SPP)曲線767、流入曲線768、 ROP (以分鐘/ft計)曲線769、 ROP (以ft/hr計)曲線770。這些曲線 762-770的每一個再次被一起用來鑒別振動塌積限制因素以及增加鉆井速度。
在該例子中，WOB最初為25klb，其是施加到8 1/2" PDC鉆頭的合理壓重。MSE曲線762的值在500 ksi下是不成比例的，這表明了在10ksi強度的巖石中的低效。如果地層是更硬強度的巖石，例如ffith 硬石膏巖、Khail硬石膏巖以及Khuff白云巖和硬石膏巖，則渦旋可能是塌積限制因素。為確認該塌積限制因素，WOB被逐漸增加至35 klb，而MSE曲線762的值被降至200 ksi，且ROP曲線770的值從大約25 fi)h增加至75 *h。因為WOB接近生產商的推薦極限，所以WOB不被進一步增加，而剩余渦旋的附加減輕可包括鉆井系統的再設計。例如，具有1.22度轉向彎曲的馬達可用0.78至1.0度的設置替代，以降低產生一些渦旋傾向的旋轉不平衡。在一些層段中，軌跡和目標大小可被改變，使得可轉向馬達用高扭矩直管式馬達更換。這些鉆井部件改變可增加鉆頭效率并增加鉆井速度。
圖7G示出了使用MSE數據連同其它測量數據，擴展振動塌積限制因素的第七個例子。在圖7G中，在本文通過參考數字780被提及的圖表，給出了 MSE和其它測量數據，其用于擴展鉆井系統102a的振動塌積限制因素。具體而言，MSE曲線782與其它測量數據沿著深度刻度794 —起顯示，諸如鉆頭RPM曲線783、扭矩曲線784、 WOB 曲線785、大鉤負荷(WOH)曲線786、 SPP曲線787、流入曲線788、流出曲線789、軸向曲線790、側向曲線791、粘滑曲線792和/或ROP曲線793。這些曲線782-793的每一個再次被一起用來鑒別振動塌積限制因素以及增加鉆井速度。在該例子中，鉆井部件的改變擴展了塌積限制因素并增加了鉆井速度。具體而言，對于8 1/2"井筒，具有0.78度轉向彎曲的馬達被拉出，并用直管式馬達更換。如圖7G所示，在8400ft附近，MSE曲線782的值從大約80 ksi降至30 ksi， WOB曲線784的值從40 klb降至20 klb，而ROP曲線793的值從50 Q)h增加至100 f^h以上。當塌積限制是渦旋時，馬達的更換增加了ROP，并超過了以前的水平。
圖7H顯示了使用MSE數據連同其它測量數據擴展振動塌積限制因素的第八個例子。在圖7H中，在本文通過參考數字800被提及的圖表，給出了 MSE和其它測量數據，其用于擴展鉆井系統102a的振動塌積限制因素。具體而言，MSE曲線802與其它測量數據沿著深度刻度813 —起顯示，諸如RPM曲線803、扭矩曲線804、 WOB曲線 805、鉆頭RPM曲線806、 SPP曲線807、流動泵曲線808、軸向曲線 809、側向曲線810、粘滑曲線811和/或ROP曲線812。這些曲線802-812 的每一個再次被一起用來鑒別振動塌積限制因素以及增加鉆井速度。
在該例子中，具有用于12 1/4"井筒的測量設備406a的鉆井系統 102a被采用。MSE曲線802上的值表明振動——其是扭轉振動或粘滑 ——是該層段的鉆井系統102a的塌積限制因素。具體而言，MSE曲線 802上的值在100 ksi以上，而所述測量設備"其為井下振動監測工具——示出了高水平的粘滑和中度水平的渦旋。因此，在大約5185 ft 處，WOB從約45 klb降至35 klb，這導致MSE曲線802和粘滑曲線 811的值的下降。同樣，ROP曲線812的值從25fyh增加至200fyh以上。因此，振動數據和MSE數據被一起使用來增加ROP。
圖71顯示了使用MSE數據連同其它測量數據擴展振動塌積限制因素的第九個例子。在圖7I中，在本文通過參考數字820被提及的圖表，給出了 MSE和其它測量數據，其用于擴展鉆井系統102a的振動塌積限制因素。具體而言，MSE曲線822與其它測量數據沿著時間線833 —起顯示，諸如扭矩曲線823、 WOB曲線824、大鉤壓重曲線 825、泵壓曲線826、流入曲線827、流出曲線828、軸向曲線829、側向曲線830、粘滑曲線831禾口/或ROP曲線832。這些曲線822-832的每一個再次被一起用來鑒別振動塌積限制因素以及增加鉆井速度。
在該例子中，鉆井系統102a包括來自井中的測量設備406a的數據。如MSE曲線822和粘滑曲線831的值所示，在WOB曲線824 上的值的變化降低了 ROP。這表明塌積限制因素是粘滑和中度量的渦旋，其在WOB的增加過程中發生。盡管粘滑可通過增加旋轉速度來減輕，但是鉆頭速度和WOB的組合可被平衡，以確定不形成渦旋或粘滑。
此外，盡管通過調節鉆井參數，對于這些塌積限制因素最大化 ROP是可能的，但許多鉆井部件變化可用于進一步增加ROP。例如，其它鉆井部件變化可包括擴展鉆頭規格長度，以增加側向穩定性；利用與直式鉆具組合上的鉆頭一起旋轉的近鉆頭穩定器而不是套管式穩定器；以及利用高扭矩馬達以便所述系統當渦旋被有效減輕時不受到馬達差速的限制。此外，其它鉆井部件變化可包括使鉆頭規區漸細、使鉆頭規區(bit gauge area)呈螺旋狀、利用震擊器、改變鉆柱部件的位置、改變流體流變學或在流體中包括添加劑來改變振動行為或改變鉆柱部件的質量或剛度。渦旋和粘滑減輕嘗試成功的一個量度是增加的鉆頭等級，盡管施加了高WOB。圖7J顯示了使用MSE數據連同其它測量數據擴展振動塌積限制因素的第十個例子。在圖7J中，在本文通過參考數字840被提及的圖表，給出了 MSE和其它測量數據，其用于擴展鉆井系統102a的振動塌積限制因素。具體而言，MSE曲線842與其它測量數據沿著時間線852 —起顯示，諸如RPM曲線843、扭矩曲線844、 ROP曲線845、 WOB曲線846、壓力曲線847、流動曲線848、軸向曲線849、側向曲線850和/或粘滑曲線851。這些曲線842-851的每一個再次被一起用來鑒別振動塌積限制因素以及增加鉆井速度。在該例子中，含有測量設備406a的鉆井系統102a被用在井筒內。最初，MSE曲線842的值為大約10 ksi。當軸向振動發生時，如軸向曲線849所示，鉆井作業遇到硬的地層層段，例如白云巖低產段。 WOB從10 klb增加至25 klb，且MSE曲線842上的值增加至大約35 ksi，其可能接近白云巖低產段中的巖石強度。當WOB被降低至大約15 klb至20 klb時，在軸向曲線849上的軸向振動降低而ROP相應地增加。圖7K顯示了使用MSE數據連同其它測量數據來確定鉆頭鈍化的例子。在圖7K中，在本文通過參考數字860被提及的圖表，給出了 MSE和其它測量數據，其用于確定鉆井系統102a的塌積限制因素。具體而言，MSE曲線862與其它測量數據沿著深度刻度869 —起顯示，諸如RPM曲線863、扭矩曲線864、 ROP曲線865、 WOB曲線866、泵壓曲線867和/或流入曲線868。這些曲線862-868的每一個再次被一起用來鑒別鉆頭鈍化以及增加鉆井速度。圖7K包括本技術的其它方面，其利用MSE曲線862來分析和鑒別鉆頭鈍化趨勢。在該例子中，鉆頭110a是8 1/2"鑲硬合金齒的牙輪鉆頭，其用于巖石強度為20 ksi的巖層中。在該具體的例子中，定向井104a的高鉆柱扭矩和振動被檢測。因為對于鈍的鉆頭，從最后50 ft至100ft，能耗往往穩定增加，所以鉆頭往往在其操作的大部分中是有效的。然而，一旦鈍化開始，切割特性迅速改變，且鉆頭在較短的時間內變得低效率。因此，如從11100 ft附近至11170 ft的MSE曲線 862所示，MSE曲線862的值增加，同時ROP曲線865的值下降。一旦鉆頭被更換，MSE曲線862和ROP曲線865從11170 ft以上是穩定的。因此，操作員關于預期的鉆頭壽命的知識以及MSE和其它測量數據可用于通過避開塌積限制因素來增加鉆井速度。
應當注意到，MSE數據和其它測量數據的監視適用于多口井。例如，所述井可包括垂直井和定向井。此外，MSE和其它測量數據的監視可用于不同的巖石類型、不同的深度、以及與用于不同大小的井筒的鉆頭一起使用。作為另一實施方式，鉆井系統設備404a-404n可連接于鉆井系統102a-102n的其它部件，使鉆井過程自動化。例如，通過鉆柱的給進速率，控制許多參數。所述鉆柱前進的速率可用于維持WOB、扭矩、 ROP和井下馬達差速的期望值。因此，鉆井系統102a-102n的操作員可利用MSE數據和其它測量數據來自動控制鉆井作業。鉆井系統設備 404a-404n可進行各種試驗，例如MSE壓重試驗和MSE數據試驗，通過自動調節鉆井參數諸如WOB和鉆頭RPM進行。計算機控制系統可連續對面積求積分，并利用正在進行的面積改變作為需要改變WOB
或RPM的指示。作為另一個實施方式，鉆井系統設備404a-404n可連接于鉆井系統102a-102n的其它部件，使鉆井過程自動化。例如，通過鉆柱的給進速率控制許多參數。所述鉆柱前進的速率可用于維持WOB、扭矩、 ROP和井下馬達差速的期望值。因此，鉆井系統102a-102n的操作員可利用MSE數據和其它測量數據來自動控制鉆井作業。鉆井系統設備 404a-404n可進行各種試驗，例如MSE壓重試驗和MSE數據試驗，通過自動調節鉆井參數諸如WOB和鉆頭RPM進行。計算機控制系統可連續對面積求積分，并利用正在進行的面積改變作為需要改變WOB 或RPM的指示。同樣，在另一個實施方式中，圖3的過程可包括一些對圖3的步驟的另外的改變，以對于兩口或更多口井利用該過程。例如，在框 304，歷史MSE數據和其它測量數據可通過一口或更多口以前的井進行分析，以確定限制以前井的鉆井速度的多個因素中的一個或多個。然后，在框306中，鉆井部件或設備以及鉆井操作可被選擇來減輕所述因素。這些鉆井部件和鉆井操作可被用來利用該減輕的技術開始當前井或已計劃井的鉆井，如框308所示。在鉆井時，可觀察MSE數據和其它測量數據，以進一歩改變可控制的鉆井參數，如框310所示。在框312中，限制當前井的鉆井速度的塌積限制因素或要素可被記錄并作為結果存檔，以鑒別連續限制鉆井速度的因素的方式進行。然后，基于所述觀察，可規定對多種因素之一的計劃減輕。該因素可通過在該井或后續井中改變鉆井部件或鉆井操作來減輕或解決。對于油田中的其它后續井，該過程可被重復，這可以是程序的一部分。
此外，在其它實施方式中，MSE數據可以作為MSE數據連同其它測量數據的3維(3D)作圖給出。例如，MSE數據可以與不同的旋轉速度和不同的WOB—起作圖。在該例子中，所述圖中的峰表示導致鉆頭無效的兩種參數的組合。如此，鉆井系統的操作員可通過使用 WOB和RPM實時地利用該數據，其中MSE在最低點，以優化效率。盡管該例子是對于RPM和WOB而言，但多種參數可以以這種方式作圖，同時在z軸上使用MSE來直觀地顯示它們對性能的影響。
然而，應當注意到，MSE數據和其它測量數據的3D作圖可用于對幾乎任何可用于增強效率的鉆井參數和測量數據進行作圖。如上所述，通常，塌積限制因素是鉆井作業無效的基礎。作為具體的例子，水力條件和WOB已知影響鉆頭泥包。因此，通過以給定流速泵送、然后逐步增加WOB來觀察MSE數據的變化，可提供3D作圖。然后，流速可被增加，且WOB逐步上升，以再次觀察MSE數據。利用該數據，3D作圖可被提供給鉆井系統的操作員，以選擇提供優化的ROP 的流速和WOB，同時保持低的MSE。 3D作圖的好處來自于這樣的事實存在許多可同時影響ROP 的設置和測量因素。3D作圖提供了同時分析這些中至少兩個的機制。因為這些關系中的許多是復雜的且難以預測，特別是與振動相關的那些，所以使所述設置和因素對MSE數據作圖提供了確定塌積限制因素的有效機制。因此，作圖概念包括但不限于，示例參數比較，諸如WOB 對RPM、 HSI對WOB、水力沖擊對WOB、流速對WOB、 HSI對RPM 和/或馬達差壓對RPM。同樣，作圖概念也可應用于振動限制因素。也就是說，粘滑、軸向或側向振動數據可與不同的鉆井參數和MSE數據比較，以提供振動限制因素的明確指示。在每一個例子中，兩個參數可在x和y軸上繪圖，而MSE數據被繪制至第三個軸，以提供參數對鉆井系統效率的影響的形象化圖。這可為操作員提供進一步增強鉆井速度的其它觀點。除了 3D作圖外，其它類似的顯示可用于表示豎軸上MSE的改變，例如色碼、網紋或陰影以及網格密度。這些不同的顯示可幫助操作員區分不同的參數，以鑒別潛在的塌積限制因素。
此外，也應當注意到，MSE數據和其它測量數據可用于各個位置的井的鉆井。例如，第一井的MSE數據和其它測量數據可與第一地層相關。與第一井相關的MSE數據和其它測量數據可用于幫助正鉆至第二地層的第二井的分析。事實上，這些地層甚至可位于不同的油田。如此，應當理解，來自第一井的MSE數據和其它測量數據可用于在相同或另一油田中的同步鉆井或隨后鉆井的井中。也就是說，遇到相似的MSE和其它測量數據的模式或趨勢的井可被分析，以提供在其它井的鉆井作業和操作實踐中的見解。
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而且，MSE和其它測量數據的使用可延伸至到達最終深度之外。例如，如上所述，在對井筒進行測井用擴眼、注水泥前對套管擴眼至底部時，可利用MSE和其它測量數據。同樣，所述數據可用于修井作業，其包括鉆碎井中水泥塞或其它材料。如此，應當理解，快速鉆井過程擴展至注水泥和完井作業，或者任何用于油田內的井或多口井壽命的后續補救作業。此外，如上所述，非鉆頭的限制因素可存在于鉆井作業中。例如，非鉆頭的限制因素可包括巖屑從井眼除去或通過地面設備處理的速度、隨鉆測井工具可獲取地層數據的鉆井速度、限制鉆壓以控制在其中鉆井的方向的需要、具體的鉆井液有效密封暴露的滲透地層表面的能力、可使用的馬達的扭矩額定值、上驅動或轉盤扭矩額定值、鉆柱的上緊力矩限制、井筒承受在高ROP下由于切削載荷而增加的循環壓力的能力、井下馬達軸承載荷對WOB的限制以及由于下列原因不能從地面傳遞力矩給鉆頭摩擦阻力；測量、分析、識別或改正ROP限制因素人員的足夠培訓；允許分析或通信的數據的無效顯示；人員拒絕改變；以及人員拒絕操作風險的可察覺增加。在限制鉆井作業的因素被鑒別出來的情況下，上述的這些過程提供了所述因素的優先次序，以使所述增強成流線型。如上所述，因為因素諸如鉆頭和非鉆頭的限制因素的數目可能很大，所以用于解決具體的限制因素的工程資源可不同。因此，為有效管理資源分配，所述過程可包括在油田作業中區分限制因素的優先次序的方法。該區分優先次序可在下列的例子中最好地理解，其參考圖2。
如圖2所示，當進行鉆井作業時，WOB可被增加。如果ROP 響應是線性的——其可通過MSE監視進行確定，則鉆頭是有效的。因此，鉆井作業可繼續增加WOB，直到觀察到非線性的響應，或者ROP 變成非鉆頭限制的。對于非線性響應，可進行操作調節，以通過在塌積限制因素以下操作來最小化MSE。對于鉆頭和非鉆頭的限制因素，塌積可以被鑒別并記錄，用以傳達給其它人員，例如工程師。然后，鉆井系統可被重新設計，以擴展鑒別的限制因素，且所述過程可被重復。因為鉆頭和非鉆頭限制因素被同樣處理，所以鉆井作業通過進一步增強作業的再設計嘗試和資源而集中于一種限制因素。因此，在該過程中，對于再設計給定井，每次可鑒別一種限制因素。
有益地，集中于有限數目的限制因素，例如一種，有助于將資源集中于復雜的問題。例如，在一種海水作業中的ROP可能受到巖屑可被磨碎并再注入的速率的限制。該限制因素并非設備相關的，但需要對指定的注入層段限制裂縫生長高度。該例子對于控制鉆井作業是典型的，因為這些作業涉及不確定性的極限并且任何ROP增加可涉及
風險增加的有效控制或減輕。ROP控制過程確保增加的風險得到減輕，
且這往往在非鉆頭的限制因素的再設計中是特別可靠的。而且，作為對快速鉆井過程的另一增強，可利用培訓或全球通信。例如，培訓可被設計來確保每一人員理解工作流程、各自的作用、以及能夠實時鑒別并減輕限制因素。因此，對鉆機人員的培訓可包括在鉆機上控制的方面，同時工程師可被培訓，以理解在系統中對設備的設計改變。全球通信可包括在不同的地理位置的不同井中的數據交換，以共享鉆井作業的共同問題，開發出解決方案。也就是說，不同類型材料中的數據可包括相似的特性，表明許多井受到相似問題的約束。工作流程含意是如果在一口井中在擴展限制因素方面取得進展，則相同或相似的解決方案可應用于其它井，來除去其它限制因素。例如，"輕微振動"的障礙的原因可能主要在于當地層隨著深度變得更硬而開始的渦旋。因為，這在世界范圍內對于所有的鉆頭類型都發生，所以對于在一個位置處的渦旋所開發的油田經驗和減輕操作可能在全球范圍內起作用。有效共享全球背景中的知識的益處對于非鉆頭的限制因素特別明顯。在許多情況下，鉆井人員可能在一個具體的地理區域中操作并認為他們的局部操作條件是唯一的。當對限制因素的解決方案被研究出或確定時，數據被獲得，并可與其它鉆井作業共享，以聯合全球鉆井作業。結果，一旦在全球鉆井作業的范圍內有效使用，信息共享過程提供了研究出的方案。而且，MSE數據連同其它數據的使用進一步在其它井的計劃期中提供幫助。具體而言，歷史MSE圖可從對比數字數據得到，并加以分析，以鑒別其中鉆井作業功能失常的層段。每一作業工程師可分析該MSE數據以及其它數據，例如井下振動圖，以確定潛在功能失常
的特性和潛在減輕。非鉆頭性限制因素也可在其中MSE數據顯示鉆頭
有效且正發生控制鉆井的層段中鑒別出。作為例子，在鉆井的同時，MSE和其它數字數據可進行繪圖，并在鉆機上的不同位置的顯示器上連續觀察。司鉆、定向司鉆、隨鉆測井(LWD)工程師、氣測井員、泥漿工程師和其它人員的操作可被協調，以最大化ROP。如果限制鉆機作業的因素被檢測到，則所述人員可由MSE曲線和/或其它數據鑒別出原因，以適當作出反應，減輕該具體的功能失常。限制因素被記錄并通過電子郵件或電話會議在人員中討論。經驗表明，現場外工程人員有效分析MSE曲線、振動或其它數字數據的能力是有限的。例如，如果數字數據顯示WOB降低且同時 MSE增加，則現場外工程師可能不能確定是MSE因為WOB下降而增加(表明渦旋已經被引起)，還是WOB因為MSE增加而下降(表明工作人員嘗試減輕粘滑)。因此，鉆機現場人員有責任連續記錄ROP 限制因素。在鉆機現場人員已經作出了操作調節來擴展ROP限制因素之后，剩余的限制因素的特性傳達給再設計工程。可能地，這實時發生，且在起下鉆作業或任何合適的時候進行設計改變。為推動這點，操作員提供實時數字數據(即，MSE數據、振動數據或其它數據)給工程師。收集該數據并提供給全球信息管理中心，從那里它被發布給全體工程人員和管理部門，用于其它井。因此，工程師以有組織的方式獲取文件，以幫助再設計后續井或作業。該過程在許多方面不同于歷史的實踐。首先，鉆頭記錄被歷史的MSE分析代替。第二，在每英尺的所鉆井筒的范圍內連續評價性能，而不是通過平均24小時的ROP或在鉆頭記錄上示出的總運行。這被進行來實時調節鉆井作業的性能。第三，通過鑒別具體的限制因素和對系統進行業務流程再設計，而不是從對比經驗尋求更好性能的系統， ROP得以增進。第四，歷史的MSE曲線允許以準確和有說服力的方式獲取知識，以確保進行適當的再設計。最后，兩種限制因素的鑒別和提出的解決方案有助于在多口井和長時期內使再設計制度化并加以維持。盡管本發明的技術可具有各種改變和可選的形式，但是上面討論的示例性實施方式以舉例方式示出。然而，應當再次理解，本發明不意圖受限于本文公開的具體實施方式
。實際上，本發明的技術將覆蓋落入所附權利要求所定義的發明精神和范圍內的所有變化、等價物和替代物。
權利要求
1. 生產油氣的方法，包括(a)鑒別含有油氣的油田；(b)將至少一口井鉆至所述油田的地下位置，為油氣提供到達生產設施的流體流動路程，其中如下進行鉆井(i)估計所述至少一口井之一的鉆井速度；(ii)確定有效的鉆井方法；(iii)在所述至少一口井之一的鉆井過程中，獲得機械比能(MSE)數據和其它測量數據；(iv)使用得到的MSE數據和其它測量數據，確定限制所述鉆井速度的多個限制因素之一；(v)調整鉆井作業，以減輕所述多個限制因素之一；(vi)迭代重復步驟(i)-(v)，直至通過所述鉆井作業到達所述地下位置；和(c)從所述至少一口井之一生產油氣。
2. 權利要求l所述的方法，其中所述其它測量數據是振動數據。
3. 權利要求2所述的方法，其中所述振動數據包括下列之一軸向振動數據、側向振動數據、粘滑振動數據和它們的任何組合。
4. 權利要求2所述的方法，其包括將所述MSE數據和所述振動數據提供給與所述鉆井作業有關的鉆井系統的操作員。
5. 權利要求4所述的方法，其包括通過圖表將所述MSE數據和所述振動數據顯示給所述操作員，其中所述MSE數據和所述振動數據在所述圖表中以不同的顏色顯示。
6. 權利要求4所述的方法，其包括以三維作圖將所述MSE數據和所述振動數據一起顯示給所述操作員。
7. 權利要求1所述的方法，其中調節所述鉆井作業包括更換鉆井系統中的鉆井部件。
8. 權利要求7所述的方法，其中所述更換鉆井部件包括下列之一改變鉆頭、改變水力條件、擴展鉆頭規格長度以增加側向穩定性、利用與直式鉆具組合上的鉆頭一起旋轉的近鉆頭穩定器而不是套管式穩定器、更換馬達、使鉆頭規區漸細、使鉆頭規區呈螺旋狀、利用震擊器、改變鉆柱部件的位置、改變流體流變學或在流體中包括添加劑來改變振動行為或改變所述鉆柱部件的質量或剛度、以及它們的任何組
9. 權利要求1所述的方法，包括調節鉆井參數以觀察所述MSE 數據的變化，所述變化表示所述多種限制因素的至少一種。
10. 權利要求1所述的方法，其中所述多種限制因素包括對于所述鉆井速度的非鉆頭相關限制。
11. 權利要求1所述的方法，其中所述多種限制因素包括定向目標控制、井眼凈化、隨鉆測井(LWD)數據采集速度、混合器容量、組織程序、巖屑處理和固相處理設備限制的一種或多種。
12. 權利要求1所述的方法，其中所述多個限制因素包括下列之一巖屑從所述井筒除去的速度、巖屑通過地面設備處理的速度、隨鉆測井工具可獲取地層數據的鉆井速度、以及具體的鉆井液有效密封暴露的滲透地層表面的能力。
13. 生產油氣的方法，包括(a)將多口井鉆至至少一個地下位置，為油氣提供到達生產設施的流體流動路程，其中鉆井包括(i) 估計所述多口井之一的鉆井速度；(ii) 在所述多口井之一的鉆井過程中，獲得機械比能(MSE)數據和其它測量數據；(iii) 使用得到的MSE數據和其它測量數據，確定限制所述鉆井速度的多個限制因素之一；(iv) 調整鉆井作業，以減輕所述多個塌積限制因素之一；(v) 迭代重復步驟(i)-(v)，直至通過所述鉆井作業到達所述地下位置；和(b)從所述多口井之一生產油氣。
14. 權利要求13所述的方法，其中所述其它測量數據是振動數據。
15. 權利要求13所述的方法，其中所述振動數據包括下列之一軸向振動數據、側向振動數據、粘滑振動數據和它們的任何組合。
16. 權利要求13所述的方法，其中調節所述鉆井作業包括更換鉆井系統中的鉆井部件。
17. 權利要求13所述的方法，其包括將所述MSE數據和其它測量數據提供給與所述鉆井作業有關的鉆井系統的操作員。
18. 權利要求17所述的方法，其包括通過圖表將所述MSE數據和其它測量數據一起顯示給所述操作員，其中所述MSE數據和其它測量數據在所述圖表中以不同的顏色顯示。
19. 權利要求17所述的方法，其包括以三維作圖將所述MSE數據和所述其它測量數據一起顯示給所述操作員。
20. 權利要求13所述的方法，其中所述多種限制因素包括對所述鉆井速度的非鉆頭相關限制。
21. 權利要求13所述的方法，其中所述多種限制因素包括定向目標控制、井眼凈化、隨鉆測井(LWD)數據采集速度、混合器容量、組織程序、巖屑處理和固相處理設備限制的至少一種。
22. 生產油氣的方法，包括(a) 估計井的鉆井作業的鉆井速度，為油氣提供從地下位置到達生產設施的流體流動路程；(b) 在所述井的鉆井過程中，獲得實時的機械比能(MSE)數據和其它測量數據；(c) 使用得到的MSE數據和其它測量數據，確定限制所述鉆井速度的多個限制因素之一；(d) 調整鉆井作業，以減輕所述多個塌積限制因素之一；和(e) 重復步驟(a)-(d)，直至通過所述鉆井作業到達所述地下位置。
23. 權利要求22所述的方法，其中使用所述得到的MSE數據和其它測量數據，確定所述多個限制因素之一，將所述MSE數據和所述其它測量數據提供給與所述鉆井作業有關的鉆井系統的操作員。
24. 權利要求22所述的方法，其包括通過圖表將所述MSE數據和所述其它測量數據一起顯示給所述操作員，其中所述MSE數據和所述其它測量數據在所述圖表中以不同的顏色顯示。
25. 權利要求22所述的方法，其包括以三維作圖將所述MSE數據和所述其它測量數據一起顯示給所述操作員。
26. 生產油氣的方法，包括在鉆井作業期間，實時監測井的機械比能(MSE)數據以及振動數據；對于所述井，將所述MSE數據和振動數據與以前產生的MSE數據和振動數據比較，以確定限制鉆井速度的多個因素的至少一個；和基于所述比較，調整所述鉆井作業，以增加所述鉆井速度。
27. 權利要求26所述的方法，其包括從通過所述鉆井作業進入的地下儲層生產油氣。
28. 權利要求26所述的方法，其中所述振動數據包括下列之一軸向振動數據、側向振動數據、粘滑振動數據和它們的任何組合。
29. 權利要求26所述的方法，其中比較所述MSE數據和所述振動數據包括調節鉆井參數。
30. 權利要求29所述的方法，其中所述鉆井參數包括鉆壓設定、每分鐘轉數設定、扭矩設定和它們的任何組合。
31. 權利要求26所述的方法，其中基于所述比較調節所述鉆井作業包括更換鉆井系統中的鉆井部件。
32. 權利要求31所述的方法，其中所述更換鉆井部件包括下列之一改變鉆頭、改變水力條件、擴展鉆頭規格長度以增加側向穩定性、利用與直式鉆具組合上的鉆頭一起旋轉的近鉆頭穩定器而不是套管式穩定器、更換馬達、以及它們的任何組合。
33. 權利要求26所述的方法，其包括調節所述鉆井參數以觀察所述MSE數據的變化，所述變化示出所述多種因素的至少一種。
34. 權利要求26所述的方法，其包括將所述MSE數據和所述振動數據提供給與所述鉆井作業有關的鉆井系統的操作員。
35. 權利要求34所述的方法，其包括以圖表將所述MSE數據和所述振動數據一起顯示給所述操作員。
36. 權利要求34所述的方法，其包括以三維作圖將所述MSE數據和所述振動數據一起顯示給所述操作員。
37. 生產油氣的方法，包括(a) 與鉆井同步獲得所述井的機械比能(MSE)數據和其它測量數據;(b) 分析所述MSE數據和其它測量數據，以確定限制鉆井速度的多個限制因素之一；和(c) 基于步驟(b)中的分析，調節鉆井作業，解決所述多個限制因素之一，并增加鉆井速度；(d) 重復步驟(a)至(c)至少另外一次，直至到達所述井的目標深度；和(e) 從通過所述鉆井作業進入的地下儲層生產油氣。
38. 權利要求37所述的方法，其中所述其它測量數據包括振動數據。
39. 權利要求38所述的方法，其中所述振動數據包括下列之一軸向振動數據、側向振動數據、粘滑振動數據和它們的任何組合。
40. 權利要求37所述的方法，其中重復步驟(a)至(c)至少另外一次包括重復步驟(a)至(c)三次或更多次。
41. 權利要求37所述的方法，其中調節所述鉆井作業包括調節鉆井操作。
42. 權利要求37所述的方法，其中調節所述鉆井作業包括更換所述鉆井系統中的鉆井部件。
43. 權利要求42所述的方法，其中所述更換鉆井部件包括下列之一改變鉆頭、改變水力條件、擴展鉆頭規格長度以增加側向穩定性、利用與直式鉆具組合上的鉆頭一起旋轉的近鉆頭穩定器而不是套管式穩定器、更換馬達、以及它們的任何組合。
44. 權利要求37所述的方法，其包括調節鉆井參數以觀察所述 MSE數據的變化，所述變化示出所述多種限制因素的至少一種。
45. 權利要求44所述的方法，其中所述鉆井參數包括鉆壓設定、每分鐘轉數設定、扭矩設定和它們的任何組合。
46. 權利要求37所述的方法，包括將所述MSE數據和所述其它測量數據提供給與所述鉆井作業有關的鉆井系統的操作員。
47. 權利要求47所述的方法，其包括以圖表將所述MSE數據和所述其它測量數據一起顯示給所述操作員。
48. 權利要求47所述的方法，其包括以三維作圖將所述MSE數據和所述其它測量數據一起顯示給所述操作員。
49. 權利要求37所述的方法，其中所述多種限制因素包括對所述鉆井速度的非鉆頭相關限制。
50. 權利要求37所述的方法，其中所述多種限制因素包括定向目標控制、井眼凈化、隨鉆測井(LWD)數據采集速度、混合器容量、組織程序、巖屑處理和固相處理設備限制的至少一種。
51. 權利要求37所述的方法，其中所述多種限制因素包括下列的一種或多種巖屑從井筒除去的速度、巖屑通過地面設備處理的速度、隨鉆測井工具可獲取地層數據的鉆井速度、以及具體的鉆井液有效密封暴露的滲透地層表面的能力。
52. 生產油氣的方法，包括鉆第一井，同步鉆第二井；在所述第一井中的鉆井作業期間，實時監測機械比能(MSE)數據和振動數據；比較來自所述第一井的所述MSE數據和振動數據，以確定限制所述第一井的鉆井速度的多個因素的至少一個；和基于所述比較，調整所述第二井中的鉆井作業，以增加鉆井速度。
53. 權利要求52所述的方法，其包括從通過所述第一井的鉆井作業進入的地下儲層生產油氣。
54. 權利要求52所述的方法，且所述第二井被鉆至第二地層。
55. 權利要求52所述的方法，位于不同的油田。權利要求書第8/8頁其中所述第一并被鉆至第一地層，其中所述第一地層和所述第二地層
56. 生產油氣的方法，包括分析在前的井的歷史機械比能(MSE)數據和其它歷史測量數據，以確定限制所述在前的井的鉆井速度的多個初步因素之一；選擇鉆井部件和鉆井操作，以減輕所述多個初步因素的至少一個; 利用所述鉆井部件和鉆井操作，鉆當前井；在所述當前井的鉆井期間，對于多個限制鉆井作業的當前因素的至少一個，觀察實時的MSE數據和其它測量數據；利用在后續的鉆井部件和后續的鉆井操作的選擇中的觀察，減輕后續井的多個當前因素的至少一個；和在相似井的方案中，對于每一后續井重復上述的步驟。
57. 權利要求56所述的方法，進一步包括在所述當前井的鉆并期間改變鉆井參數，以鑒別所述多個當前因素的至少一個。
58. 權利要求56所述的方法，進一步包括以鑒別持續限制所述鉆井速度的所述多個當前因素的至少一個的方式，記錄MSE數據和其它測量數據。
全文摘要
本發明的發明名稱是鉆井和從地下巖層生產油氣的方法。與油氣生產有關的方法。在一個實施方式中，描述了鉆井的方法。所述方法包括鑒別含有油氣的油田。然后，一口或多口井被鉆至所述油田的地下位置，為油氣提供到達生產設施的流體流動路程。如下進行鉆井(i)估計所述井之一的鉆井速度；(ii)確定估計的鉆井速度和真實的鉆井速度之間的差異；(iii)在所述井之一的鉆井過程中，獲得機械比能(MSE)數據和其它測量數據；(iv)使用得到的MSE數據和其它測量數據，確定限制所述鉆井速度的多個限制因素之一；(v)調整鉆井作業，以減輕所述多個限制因素之一；和(vi)迭代重復步驟(i)-(v)，直至通過所述鉆井作業到達所述地下巖層。
文檔編號E21B47/00GK101305159SQ200680041608
公開日2008年11月12日申請日期2006年10月5日優先權日2005年11月18日
發明者F·迪里斯特申請人:埃克森美孚上游研究公司

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