鉆探系統(tǒng)和相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)及用于對(duì)地下鉆探操作中的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、和預(yù)測(cè)的方法
【專(zhuān)利摘要】鉆探系統(tǒng)和相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)及用于對(duì)地下鉆探操作中的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、和預(yù)測(cè)的方法。振動(dòng)信息可包括鉆柱的軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】鉆探系統(tǒng)和相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)及用于對(duì)地下鉆探操作中的振動(dòng) 進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、和預(yù)測(cè)的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于地下鉆探的鉆探系統(tǒng)，并且更具體地涉及一種用于對(duì)鉆探操 作中的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和預(yù)測(cè)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 諸如燃?xì)?、油、或地?zé)徙@探之類(lèi)的地下鉆探通常涉及貫穿地底深處的地層進(jìn)行鉆 孔。這種鉆孔通過(guò)將鉆頭連接至稱(chēng)之為"鉆桿"的長(zhǎng)管段以形成通常稱(chēng)之為"鉆柱"的組件 來(lái)形成。鉆柱從地表延伸至鉆孔的底部。鉆頭旋轉(zhuǎn)，使得鉆頭推進(jìn)到土壤中，從而形成鉆 孔。在旋轉(zhuǎn)鉆探中，通過(guò)在地表處旋轉(zhuǎn)鉆柱來(lái)旋轉(zhuǎn)所述鉆頭。地表處的泵將高壓鉆探泥漿 泵送通過(guò)鉆柱中的內(nèi)部通道并通過(guò)鉆頭泵送出。鉆探泥漿對(duì)鉆頭進(jìn)行潤(rùn)滑，并沖洗來(lái)自鉆 頭的路徑的巖屑。在一些情況中，流動(dòng)的泥漿還為通常稱(chēng)之為"泥漿馬達(dá)"的鉆探馬達(dá)提供 動(dòng)力，該泥漿馬達(dá)又轉(zhuǎn)動(dòng)該鉆頭。在任何情況下，鉆探泥漿均通過(guò)在鉆柱與鉆孔的表面之間 形成的環(huán)形通道流回至地表。一般而言，當(dāng)鉆頭鉆入到地層中的鉆入速度盡可能高，同時(shí)鉆 探系統(tǒng)的振動(dòng)盡可能低時(shí)，獲得了最佳鉆探。鉆入速度（"R0P"）是多個(gè)變量的函數(shù)，所述 多個(gè)變量包括鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度和鉆壓（"W0B"）。鉆探環(huán)境并且尤其是硬巖鉆探會(huì)將相當(dāng) 大的振動(dòng)和沖擊引入到鉆柱中，這對(duì)于鉆探性能具有負(fù)面影響。
[0003] 通過(guò)鉆頭的旋轉(zhuǎn)、用于使鉆頭旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)、鉆探泥漿的泵送、鉆柱中的不穩(wěn)定等引 入了振動(dòng)。振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鉆柱的多個(gè)部件的過(guò)早毀損、鉆頭的過(guò)早磨鈍，或者會(huì)導(dǎo)致鉆探系統(tǒng) 部件的嚴(yán)重毀損。鉆柱振動(dòng)包括軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。"軸向振動(dòng)"指的是在沿 鉆柱軸線(xiàn)的方向上的振動(dòng)。"橫向振動(dòng)"指的是垂直于鉆柱軸線(xiàn)的振動(dòng)。橫向振動(dòng)通常由于 鉆柱在彎曲狀況下旋轉(zhuǎn)而發(fā)生。橫向振動(dòng)的兩個(gè)其它原因是"正向"和"反向"、或"反轉(zhuǎn)" 渦動(dòng)。"渦動(dòng)"指的是鉆頭除了圍繞其自身軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)之外還環(huán)繞鉆孔作圓周運(yùn)動(dòng)的情況。在 反向渦動(dòng)中，鉆頭沿與鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向相反的方向作圓周運(yùn)動(dòng)。在地下鉆探中同樣值得關(guān) 注的"扭轉(zhuǎn)振動(dòng)"通常是稱(chēng)之為"粘滯滑動(dòng)"的狀況的結(jié)果。粘滯滑動(dòng)在下列情況下發(fā)生， 鉆頭和鉆柱的下部管段暫時(shí)停止旋轉(zhuǎn)（即，卡住），同時(shí)鉆柱的上部管段繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo) 致鉆柱"扭曲"，此后，粘滯元件"滑動(dòng)"并再次旋轉(zhuǎn)。通常，鉆頭將在它解除扭曲時(shí)過(guò)速。
[0004] 可將多種系統(tǒng)用于獲得和處理與鉆探操作相關(guān)的信息，這可有助于改進(jìn)鉆探效 率。已經(jīng)研發(fā)了這樣的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)可從鉆頭附近的傳感器接收信息并對(duì)所述信息進(jìn)行 處理，且隨后將所述信息傳送至地表裝置。其它系統(tǒng)可或者在鉆探行程期間在井下確定或 者在地表處確定井底組件的振動(dòng)。這種系統(tǒng)中的許多系統(tǒng)利用有限元技術(shù)和/或有限差分 技術(shù)來(lái)幫助分析包括振動(dòng)信息在內(nèi)的鉆探數(shù)據(jù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施方式包括一種用于監(jiān)視和控制鉆探系統(tǒng)的方法，所述鉆探系統(tǒng) 包括鉆柱和支承在所述鉆柱的井下端部處的鉆頭。所述鉆探系統(tǒng)構(gòu)造成在土壤地層中形 成鉆孔。所述方法包括下列步驟：經(jīng)由鉆探系統(tǒng)模型基于一組鉆探操作參數(shù)、鉆孔信息、和 鉆探系統(tǒng)部件信息對(duì)用于所述鉆柱的振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)。所述一組鉆探操作參數(shù)包括鉆壓 (WOB)和鉆頭旋轉(zhuǎn)速度。所述鉆探系統(tǒng)部件信息包括所述鉆柱和所述鉆頭的一個(gè)或多個(gè)特 性。預(yù)測(cè)振動(dòng)信息包括用于所述鉆柱的軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的至少一個(gè)的幅 度。所述鉆探系統(tǒng)模型構(gòu)造成基于在預(yù)期鉆探操作期間根據(jù)所述一組鉆探操作參數(shù)操作的 所述鉆柱的能量平衡對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)。該方法包括操作所述鉆探系統(tǒng)以便根據(jù)所述一 組鉆探操作參數(shù)在所述土壤地層中鉆出所述鉆孔，并在所述鉆探操作期間在所述鉆孔中獲 得數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)表示所述鉆柱的所述軸向振動(dòng)、所述橫向振動(dòng)、和所述扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的至少 一個(gè)。該方法包括將用于所述鉆柱和所述鉆頭的所述預(yù)測(cè)振動(dòng)信息與用于所述鉆柱和所述 鉆頭的測(cè)量振動(dòng)信息相比較，并且如果比較步驟導(dǎo)致了用于所述鉆柱和所述鉆頭中的每一 個(gè)的所述預(yù)期振動(dòng)信息與所述測(cè)量振動(dòng)信息之間的差異，就對(duì)所述鉆探操作模型進(jìn)行更新 以降低用于所述鉆柱和所述鉆頭的所述預(yù)期振動(dòng)信息與所述測(cè)量振動(dòng)信息之間的差異。
[0006] 本公開(kāi)內(nèi)容的另一實(shí)施方式是一種鉆探系統(tǒng)，所述鉆探系統(tǒng)構(gòu)造成在鉆探操作期 間在土壤地層中形成鉆孔。所述鉆探系統(tǒng)包括支承鉆頭的鉆柱。所述鉆頭構(gòu)造成限定所述 鉆孔。所述鉆探系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器，所述多個(gè)傳感器構(gòu)造成獲得鉆探操作信息和測(cè)量振 動(dòng)信息，其中，所述多個(gè)傳感器中的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)造成在所述鉆探操作期間在所述鉆孔中 獲得數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)表示所述鉆柱的軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，所獲得的數(shù)據(jù)表示所 述測(cè)量振動(dòng)信息。所述鉆探系統(tǒng)包括至少一個(gè)計(jì)算裝置，所述至少一個(gè)計(jì)算裝置包括存儲(chǔ) 部分，所述存儲(chǔ)部分上存儲(chǔ)有鉆探系統(tǒng)部件信息，所述鉆探系統(tǒng)部件信息包括所述鉆柱的 一個(gè)或多個(gè)特性，所述存儲(chǔ)部分還包括用于所述鉆探操作的預(yù)期操作信息，所述預(yù)期操作 信息包括至少鉆壓（WOB)、所述鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度、鉆孔直徑、和振動(dòng)阻尼系數(shù)。所述鉆探系統(tǒng) 還包括與所述存儲(chǔ)部分通信的計(jì)算機(jī)處理器，所述計(jì)算機(jī)處理器構(gòu)造成對(duì)用于所述鉆柱的 振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)振動(dòng)信息包括至少用于所述鉆柱的所述軸向振動(dòng)、所述橫向振動(dòng)、 和所述扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的至少一個(gè)的預(yù)測(cè)幅度，所述預(yù)測(cè)振動(dòng)信息基于根據(jù)用于所述鉆探操作 的所述預(yù)期操作信息操作的所述鉆柱的能量平衡和所述鉆探系統(tǒng)部件信息。所述計(jì)算機(jī)處 理器還構(gòu)造成將用于所述鉆柱和所述鉆頭的所述預(yù)測(cè)振動(dòng)信息與用于所述鉆柱和所述鉆 頭的所述測(cè)量振動(dòng)信息相比較，其中，所述計(jì)算裝置構(gòu)造成在檢測(cè)到所述預(yù)期振動(dòng)信息與 所述測(cè)量振動(dòng)信息之間存在差異的情況下對(duì)所述鉆探系統(tǒng)模型進(jìn)行更新。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007] 對(duì)于本申請(qǐng)的說(shuō)明性實(shí)施方式的前述總結(jié)以及下列詳細(xì)說(shuō)明將在結(jié)合附圖進(jìn)行 閱讀時(shí)得到最佳理解。出于說(shuō)明本申請(qǐng)的目的，在視圖中示出了說(shuō)明性的實(shí)施方式。然而， 應(yīng)該明白的是，本申請(qǐng)并不限于所示的精確結(jié)構(gòu)和手段。在視圖中：
[0008] 圖1是根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施方式的地下鉆探系統(tǒng)的示意圖；
[0009] 圖2A是在圖1中所示的鉆探系統(tǒng)中使用的計(jì)算裝置的框圖；
[0010] 圖2B是示出了圖1中所示的鉆探系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算裝置和鉆探數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng) 絡(luò)的框圖；
[0011] 圖3A是示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施方式的操作圖1中所示的鉆探系統(tǒng)的方法 的框圖；
[0012] 圖3B是示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施方式的建立鉆探系統(tǒng)模型的方法的框圖；
[0013] 圖4是示出了用于基于預(yù)測(cè)振動(dòng)信息與測(cè)量振動(dòng)信息之間的差異來(lái)修正鉆探系 統(tǒng)模型的方法的框圖；
[0014] 圖5是示出了根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施方式的用于修正鉆探系統(tǒng)模型以減小預(yù)測(cè) 振動(dòng)與測(cè)量振動(dòng)之間的偏差的方法的框圖；和
[0015] 圖6是示出了用于操作圖1中所示的鉆探系統(tǒng)以便獲得所需鉆入速度并避免過(guò)度 振動(dòng)的方法的框圖；
[0016] 圖7是根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的示出了作為輸入載荷的函數(shù)的幅度的鉆探系統(tǒng)的能量 平衡的示例性計(jì)算機(jī)生成的顯示；
[0017] 圖8是用于根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容生成的示例性振動(dòng)模式形狀曲線(xiàn)的計(jì)算機(jī)生成的顯 示；
[0018] 圖9是用于根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容生成的示例性臨界速度圖的計(jì)算機(jī)生成的顯示。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 參照?qǐng)D1，鉆探系統(tǒng)或鉆探設(shè)備1構(gòu)造成在鉆探操作期間在土壤地層3中鉆出鉆孔 2。鉆探系統(tǒng)1包括用于在土壤地層3中形成鉆孔2的鉆柱4、鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng)12、以及至少 一個(gè)計(jì)算裝置200。該計(jì)算裝置200可群集（host)諸如軟件應(yīng)用之類(lèi)的一個(gè)或多個(gè)鉆探操 作應(yīng)用，所述一個(gè)或多個(gè)鉆探操作應(yīng)用構(gòu)造成執(zhí)行多種用于監(jiān)測(cè)鉆探操作、控制鉆探操作、 對(duì)與鉆探操作相關(guān)的振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)、和/或?qū)εc在鉆探操作中使用的鉆柱4相關(guān)的振 動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。該計(jì)算裝置200與鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng)12及一個(gè)或多個(gè)軟件應(yīng)用協(xié)作 以執(zhí)行本文中所述的多種方法。盡管將鉆孔2示出為堅(jiān)向鉆孔，但本文中所描述的系統(tǒng)和 方法可用于定向鉆探操作，即，水平鉆探。例如，鉆柱4可構(gòu)造成在土壤地層3中形成這樣 的鉆孔2,所述鉆孔2沿著橫向于與土壤地層3的地表11垂直的軸線(xiàn)的方向取向。
[0020] 繼續(xù)參照?qǐng)D1，鉆探系統(tǒng)或鉆探設(shè)備1包括由地表11支承的鉆塔9。該鉆塔9支承 鉆柱4。鉆柱4具有頂端4a、底端4b、設(shè)置于鉆柱4的頂端4a處的頂部接頭（sub) 45、和設(shè) 置于鉆柱4的底端4b處的井底組件6。井底組件6包括頂端6a和底端6b。鉆頭8聯(lián)接至 井底組件6的底端6b。鉆探系統(tǒng)1具有諸如頂部驅(qū)動(dòng)器或旋轉(zhuǎn)平臺(tái)之類(lèi)的原動(dòng)機(jī)（prime mover)(未示出），其構(gòu)造成旋轉(zhuǎn)鉆柱4以控制鉆頭8的旋轉(zhuǎn)速度（PRM)和該鉆頭8上的扭 矩。鉆柱4和鉆頭8的旋轉(zhuǎn)由此限定鉆孔2。按照慣例，泵10構(gòu)造成將諸如鉆探泥漿之類(lèi) 的流體14向下泵送通過(guò)鉆柱4中的內(nèi)部通道。在于鉆頭8處離開(kāi)之后，返回的鉆探泥漿16 向上經(jīng)過(guò)形成在土壤地層3中的鉆孔2與鉆柱4之間的環(huán)形通道流至地表11。諸如螺旋容 積式泵或"莫諾（Moineau)式"泵之類(lèi)的泥漿馬達(dá)40可以被結(jié)合到井底組件6中。泥漿馬 達(dá)由通過(guò)泵且圍繞在上述環(huán)形通道中的鉆柱4周?chē)你@探泥漿14的流動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)。
[0021] 如在本文中所使用的鉆探操作指的是限定鉆孔2的一個(gè)或多個(gè)鉆探行程。例如， 鉆探操作可包括用于限定鉆孔2的堅(jiān)向段的第一鉆探行程、用于限定鉆孔2的彎曲段的第 二鉆探行程、和用于限定鉆孔2的水平段的第三鉆探行程。多于三個(gè)的鉆探行程是可能的。 對(duì)于困難的鉆探操作而言，出于烴類(lèi)抽提的目的，可完成多達(dá)10-15個(gè)鉆探行程以限定鉆 孔2。應(yīng)該了解到的是，可將一個(gè)或多個(gè)井底組件用于每一個(gè)相應(yīng)的鉆探行程。如本文中所 描述的系統(tǒng)、方法、軟件應(yīng)用可用于執(zhí)行下列方法，所述方法對(duì)鉆探操作中的振動(dòng)信息進(jìn)行 監(jiān)測(cè)、控制、和預(yù)測(cè)并對(duì)鉆探操作中的特定鉆探行程的振動(dòng)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、和預(yù)測(cè)。
[0022] 在所示實(shí)施方式中，計(jì)算裝置200可群集下列軟件應(yīng)用，所述軟件應(yīng)用構(gòu)造成利 用鉆探系統(tǒng)模型來(lái)對(duì)鉆柱4的振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，如將在下文中進(jìn)一步描述的那樣。該振 動(dòng)信息可包括鉆柱4的軸向振動(dòng)信息、橫向振動(dòng)信息和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信息，并且特別是鉆柱4的 軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的每一個(gè)的模式形狀和頻率。應(yīng)該了解到的是，振動(dòng)模 式形狀表示沿鉆柱的相對(duì)位移。作為對(duì)于現(xiàn)有系統(tǒng)的改進(jìn)，本文中所述的軟件應(yīng)用可基于 鉆柱幾何結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)上述振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，基于預(yù)期鉆探操作（例如，預(yù)期鉆壓、鉆轉(zhuǎn)速度 和流速）來(lái)對(duì)所施加的鉆探載荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。在對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，軟件應(yīng)用對(duì)能量平 衡進(jìn)行考慮以基于頻率域型的有限元技術(shù)來(lái)確定振動(dòng)烈度（severity)，如在下文中進(jìn)一步 所描述的那樣。與利用基于時(shí)間域的多種有限元技術(shù)的軟件應(yīng)用相比，基于鉆探系統(tǒng)1的 能量平衡的軟件應(yīng)用獲得了顯著的處理時(shí)間改善。如下文中所討論的那樣，軟件應(yīng)用的基 于來(lái)自鉆探操作的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)修正預(yù)測(cè)振動(dòng)信息的能力導(dǎo)致了鉆探設(shè)備操作者或鉆柱設(shè) 計(jì)者可對(duì)其作出回應(yīng)的更為精確和準(zhǔn)確的鉆探操作信息。在鉆探操作期間，本文中所述的 軟件應(yīng)用可用于對(duì)預(yù)期的鉆探機(jī)能障礙（dysfunction)進(jìn)行預(yù)測(cè)，例如部件磨損和由部件 替換所導(dǎo)致的可能的損失工時(shí)，并可進(jìn)一步確定改良的鉆探設(shè)定點(diǎn)以避免出現(xiàn)所述鉆探機(jī) 能障礙。此外，軟件應(yīng)用可對(duì)鉆柱4的振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，訪問(wèn)表示鉆柱4的測(cè)量振動(dòng)的數(shù) 據(jù)，并在預(yù)測(cè)振動(dòng)信息與測(cè)量振動(dòng)之間存在差異的情況下對(duì)該預(yù)測(cè)振動(dòng)信息進(jìn)行修正，如 將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的那樣。
[0023] 參照?qǐng)D1，鉆探系統(tǒng)1可包括多個(gè)傳感器，所述多個(gè)傳感器構(gòu)造成在鉆探操作期間 測(cè)量用于在本文中所述的方法中使用的鉆探數(shù)據(jù)。鉆探數(shù)據(jù)可包括預(yù)期操作參數(shù)，例如，用 于W0B、旋轉(zhuǎn)速度（RPM)和鉆頭旋轉(zhuǎn)速度（RPM)的預(yù)期操作參數(shù)。在所示實(shí)施方式中，鉆柱 頂部接頭45包括用于測(cè)量鉆探數(shù)據(jù)的一個(gè)或多個(gè)傳感器。例如，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器可 以是應(yīng)變儀48,所述應(yīng)變儀48測(cè)量頂部接頭45上的軸向載荷（或起吊載荷）、彎曲載荷、 和扭轉(zhuǎn)載荷。該頂部接頭45傳感器還包括三軸加速度計(jì)49,該三軸加速度計(jì)49對(duì)鉆柱4 的頂端4a處的振動(dòng)進(jìn)行感測(cè)。
[0024] 繼續(xù)參照?qǐng)D1，井底組件6可還包括一個(gè)或多個(gè)傳感器，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器構(gòu) 造成測(cè)量鉆孔2中的鉆探參數(shù)。此外，該井底組件6包括振動(dòng)分析系統(tǒng)46,該振動(dòng)分析系統(tǒng) 46構(gòu)造成基于從鉆孔中的傳感器獲得的與鉆探操作有關(guān)的信息來(lái)確定各種振動(dòng)參數(shù)。在下 文中將對(duì)振動(dòng)分析模塊進(jìn)一步作出詳細(xì)說(shuō)明。井底組件傳感器可呈應(yīng)變儀、加速度計(jì)、壓力 計(jì)及磁力儀的形式。例如，井底組件6可包括測(cè)量WOB的井下應(yīng)變儀7。在名稱(chēng)為"用于測(cè) 量在鉆井中操作的鉆頭上的重量和扭矩的設(shè)備"的美國(guó)專(zhuān)利No. 6, 547, 016描述了一種用于 利用井下應(yīng)變儀測(cè)量WOB的系統(tǒng)，由此，將該專(zhuān)利的全部?jī)?nèi)容以參引的方式結(jié)合到本文中。 此外，應(yīng)變儀7可構(gòu)造成測(cè)量鉆頭扭矩（"Τ0Β"）和鉆頭彎矩（"BOB"）及W0B。在替代實(shí) 施方式中，鉆柱可包括接頭（未標(biāo)號(hào)），該接頭結(jié)合了用于測(cè)量WOB、TOB和BOB的傳感器。 這種接頭可被稱(chēng)之為"WTB接頭"。
[0025] 此外，井底組件傳感器可還包括至少一個(gè)磁力儀42。該磁力儀構(gòu)造成利用例如在 名稱(chēng)為"用于確定鉆柱的角度取向的方法和系統(tǒng)"的美國(guó)專(zhuān)利No. 7, 681，663中的技術(shù)來(lái)測(cè) 量鉆頭8的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度，該美國(guó)專(zhuān)利的全部?jī)?nèi)容以參引的方式結(jié)合到本文中。井底組件 傳感器可還包括沿x、y和z軸（未示出）取向（通常范圍為±250g)的加速度計(jì)44,所述 加速度計(jì)44構(gòu)造成測(cè)量軸向振動(dòng)和橫向振動(dòng)。盡管加速度計(jì)44被示出為設(shè)置在井底組件 6上，但是應(yīng)該了解到的是，可將多個(gè)加速度計(jì)44安裝于沿鉆柱4的多個(gè)位置處，使得可對(duì) 沿該鉆柱的多個(gè)位置處的軸向振動(dòng)信息和橫向振動(dòng)信息進(jìn)行測(cè)量。
[0026] 如上所述,井底組件6包括振動(dòng)分析系統(tǒng)46。該振動(dòng)分析系統(tǒng)46構(gòu)造成從加速 度計(jì)44接收與鉆柱4的軸向振動(dòng)和橫向振動(dòng)相關(guān)的數(shù)據(jù)?；趶募铀俣扔?jì)接收到的數(shù)據(jù)， 該振動(dòng)分析系統(tǒng)46可確定鉆柱4上的加速度計(jì)的位置處的軸向振動(dòng)的測(cè)量幅度和模式形 狀以及由于正向和反向渦動(dòng)所導(dǎo)致的橫向振動(dòng)的測(cè)量幅度和模式形狀。軸向振動(dòng)的測(cè)量幅 度和頻率以及橫向振動(dòng)的測(cè)量幅度和頻率可被稱(chēng)之為測(cè)量振動(dòng)信息。所述測(cè)量振動(dòng)信息可 還被傳送至地表11并且由鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng)12和/或計(jì)算裝置200進(jìn)行處理。該振動(dòng)分析系 統(tǒng)46可還從磁力儀42接收與鉆柱在磁力儀42位置處的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)的數(shù)據(jù)。該振 動(dòng)分析系統(tǒng)46隨后確定由于粘滯滑動(dòng)所導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的幅度和頻率。通過(guò)計(jì)算鉆柱在 給定時(shí)間段內(nèi)的最大瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度與最小瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度之間的差異來(lái)確定實(shí)際扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 的測(cè)量頻率和幅度。由此，測(cè)量振動(dòng)信息可還指的是測(cè)量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
[0027] 根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容，為了減少用于振動(dòng)信息的數(shù)據(jù)傳送，鉆探數(shù)據(jù)可被分組成范圍 和用于表示這些范圍中的數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單值。例如，振動(dòng)幅度可被報(bào)告成〇、1、2或3以分別表 示正常振動(dòng)、高振動(dòng)、強(qiáng)烈振動(dòng)、或臨界振動(dòng)。一個(gè)用于報(bào)告頻率的方法是將數(shù)字1至10賦 予例如振動(dòng)頻率的值，使得數(shù)值1表示處于0至IOOHz范圍中的頻率，數(shù)值2表示處于101 至200Hz范圍中的頻率等。振動(dòng)模式可通過(guò)對(duì)數(shù)字1至3進(jìn)行分配，使得例如數(shù)值1表示 軸向振動(dòng)，2表不橫向振動(dòng)，并且3表不扭轉(zhuǎn)振動(dòng)來(lái)報(bào)告。如果僅將這種縮寫(xiě)的振動(dòng)數(shù)據(jù)傳 送至地表，則諸如與將反向渦動(dòng)頻率用于確定鉆孔直徑結(jié)合使用的傅里葉分析之類(lèi)的至少 一些數(shù)據(jù)分析可在安裝在井底組件6中的處理器中執(zhí)行。{注意：當(dāng)前，我們并未這樣做， 但已經(jīng)考慮在將來(lái)實(shí)施它}
[0028] 井底組件傳感器可還包括至少第一壓力傳感器51和第二壓力傳感器52,所述第 一壓力傳感器51和所述第二壓力傳感器52測(cè)量流過(guò)鉆孔2中的鉆探系統(tǒng)部件的鉆探泥漿 的壓力。例如，第一壓力傳感器51和第二壓力傳感器52分別測(cè)量（沿鉆孔向下）流經(jīng)鉆 柱4的鉆探泥漿的壓力和沿鉆孔向上流經(jīng)鉆孔壁與鉆柱4之間的環(huán)形間隙的鉆探泥漿的壓 力。差壓被認(rèn)為是沿鉆孔向下流動(dòng)的鉆探泥漿與沿鉆孔向上流動(dòng)的鉆探泥漿之間的壓力 差。有時(shí)，差壓可被認(rèn)為是離開(kāi)井底的壓力與在井底的壓力之間的差異，如在現(xiàn)有技術(shù)中所 知。壓力信息可被傳送至鉆探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)12和/或計(jì)算裝置200。在所示實(shí)施方式中， 第一壓力傳感器51和第二壓力傳感器52可被結(jié)合在振動(dòng)分析系統(tǒng)46中。
[0029] 此外，鉆探系統(tǒng)1可還包括設(shè)置在鉆塔9上的一個(gè)或多個(gè)傳感器。例如，鉆探系統(tǒng) 可包括用于確定WOB的起吊載荷傳感器30和用于感測(cè)鉆柱4的鉆柱旋轉(zhuǎn)速度的附加傳感 器32。起吊載荷傳感器30例如通過(guò)利用應(yīng)變儀測(cè)量絞車(chē)?yán)|線(xiàn)（未標(biāo)號(hào)）中的張力來(lái)測(cè)量 鉆柱的懸掛重量。該纜線(xiàn)延伸通過(guò)三個(gè)支承件并且所述支承件將已知的橫向位移施加在該 纜線(xiàn)上。應(yīng)變儀測(cè)量由于纜線(xiàn)中的張力而導(dǎo)致的橫向應(yīng)變的大小，該橫向應(yīng)變的大小隨后 用于計(jì)算軸向載荷和W0B。在另一實(shí)施方式中，可利用電子數(shù)據(jù)記錄儀（EDR)來(lái)獲得鉆探數(shù) 據(jù)。該EDR可在地表處測(cè)量操作載荷。例如，EDR可利用傳感器測(cè)量起吊載荷（地表處的 鉆柱的張力載荷）、扭矩、壓力、差壓、旋轉(zhuǎn)速度、流量。鉆壓（WOB)可通過(guò)起吊載荷、鉆柱重 量、和載荷的從離開(kāi)井底至井底的變化計(jì)算而得?？赏ㄟ^(guò)馬達(dá)電流消耗來(lái)測(cè)量扭矩。流量 可基于泵沖程數(shù)和每沖程泵送的容積。差壓是井底壓力與離開(kāi)井底的壓力之間的差異。
[0030] 如將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的那樣，該鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng)12可以是與計(jì)算裝置200 電子通信的計(jì)算裝置。該鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng)12構(gòu)造成接收、處理、和存儲(chǔ)從上述井下傳感器獲 得的多種鉆探操作信息。因此，鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng)12可包括多種用于在鉆柱部件與鉆探數(shù)據(jù)系 統(tǒng)12之間傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法。例如，在有線(xiàn)管道實(shí)施方案中，來(lái)自井底組件傳感器的 數(shù)據(jù)被傳送至頂部接頭45。來(lái)自頂部接頭45傳感器的數(shù)據(jù)以及來(lái)自有線(xiàn)管道系統(tǒng)中的井 底組件傳感器的數(shù)據(jù)可利用無(wú)線(xiàn)遙測(cè)術(shù)而被傳送至鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng)12或計(jì)算裝置200。一個(gè) 這種用于無(wú)線(xiàn)遙測(cè)術(shù)的方法公開(kāi)在于2009年2月20日提交的名稱(chēng)為"來(lái)自旋轉(zhuǎn)元件的同 步遙測(cè)術(shù)"的美國(guó)申請(qǐng)No. 12/389, 950中，該美國(guó)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以參引的方式被結(jié)合到本 文中。此外，鉆探系統(tǒng)1可包括泥漿脈沖遙測(cè)系統(tǒng)。例如，泥漿脈沖裝置5可被結(jié)合到井底 組件6中。該泥漿脈沖遙測(cè)系統(tǒng)將諸如來(lái)自振動(dòng)分析系統(tǒng)46的振動(dòng)信息之類(lèi)的來(lái)自井下 裝置的數(shù)據(jù)編碼，并且利用脈沖裝置5將編碼脈沖傳送至地表11。此外，鉆探數(shù)據(jù)可利用諸 如聲學(xué)傳送或電磁傳送之類(lèi)的其它方式傳送至地表。
[0031] 參照?qǐng)D2A，任何適用的計(jì)算裝置200均可構(gòu)造成群集軟件應(yīng)用，用于如在本文中 所述的對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和預(yù)測(cè)。將會(huì)明白的是，計(jì)算裝置200可包括任何適當(dāng) 的裝置，所述任何適當(dāng)?shù)难b置的示例包括臺(tái)式計(jì)算裝置、服務(wù)器計(jì)算裝置、或便攜式計(jì)算裝 置，例如筆記本計(jì)算機(jī)、平板電腦或者智能手機(jī)。在圖2A中所示的示例性構(gòu)造中，計(jì)算裝置 200包括處理部分202、存儲(chǔ)部分204、輸入/輸出部分206、和用戶(hù)界面（UI)部分208。所 強(qiáng)調(diào)的是，該計(jì)算裝置200的框圖描繪是示例性的且并非意在暗示特定的實(shí)施方案和/或 構(gòu)造。處理部分202、存儲(chǔ)部分204、輸入/輸出部分206和用戶(hù)界面部分208可被聯(lián)接在 一起以允許在其間進(jìn)行通信。如應(yīng)該了解到的那樣，上述部件中的任一部件均可橫越一個(gè) 或多個(gè)分離的裝置和/或位置進(jìn)行分布。例如，處理部分202、存儲(chǔ)部分204、輸入/輸出部 分206和用戶(hù)界面部分208中的任一個(gè)均可與鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng)12電子通信，該鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng) 12如上所述可以是與如本文中所述的計(jì)算裝置200相似的計(jì)算裝置。此外，處理部分202、 存儲(chǔ)部分204、輸入/輸出部分206和用戶(hù)界面部分208中的任一個(gè)可均能夠從設(shè)置在鉆柱 4上的振動(dòng)分析系統(tǒng)46和/或一個(gè)或多個(gè)傳感器接收鉆探數(shù)據(jù)。
[0032] 在多個(gè)實(shí)施方式中，輸入/輸出部分106包括計(jì)算裝置200的接收器、計(jì)算裝置 200的傳送器、或用于有線(xiàn)連接的電子連接器、或其組合。該輸入/輸出部分206能夠接收 和/或提供與同諸如國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)之類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信相關(guān)的信息。如應(yīng)該了解到的那樣， 傳送和接收功能可還由位于計(jì)算裝置200的外部的一個(gè)或多個(gè)裝置提供。例如，輸入/輸 出部分206可與沿鉆孔向下設(shè)置在井底組件6上的一個(gè)或多個(gè)傳感器和/或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 12電子通信。
[0033] 取決于處理器的確切構(gòu)造和類(lèi)型，存儲(chǔ)部分204可以是易失性的（例如某些類(lèi)型 的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM))、非易失性的（例如只讀存儲(chǔ)器（ROM)、閃存等）、或者其組合。計(jì) 算裝置200可包括附加存儲(chǔ)器（例如，可移動(dòng)存儲(chǔ)器和/或固定存儲(chǔ)器），所述附加存儲(chǔ)器 包括但不限于磁帶、閃存、智能卡、CD-ROM、數(shù)字通用光盤(pán)（DVD)或其它光學(xué)存儲(chǔ)器、卡型盒 式磁帶機(jī)、磁帶、磁盤(pán)存儲(chǔ)器或其它磁存儲(chǔ)裝置、通用串行總線(xiàn)（USB)兼容存儲(chǔ)器、或者可 用于存儲(chǔ)信息并可由計(jì)算裝置200存取的任何其它介質(zhì)。
[0034] 計(jì)算裝置200可包括用戶(hù)界面部分208,該用戶(hù)界面部分208可包括輸入裝置209 和/或顯示器213 (輸入裝置210和顯示器212未示出），該用戶(hù)界面部分208使得用戶(hù)能 夠與計(jì)算裝置200通信。用戶(hù)界面208可包括輸入裝置，所述輸入裝置提供用于經(jīng)由例如 按鈕、軟鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、聲動(dòng)控制器、觸屏、計(jì)算裝置200的運(yùn)動(dòng)、視覺(jué)線(xiàn)索（例如，在計(jì)算裝置 200上的攝像機(jī)前移動(dòng)手）等來(lái)控制計(jì)算裝置200的能力。用戶(hù)界面208可提供輸出，所述 輸出包括視覺(jué)信息，例如經(jīng)由顯示器213對(duì)于一個(gè)或多個(gè)鉆探參數(shù)的多個(gè)操作范圍的視覺(jué) 表示。其它輸出可包括聲頻信息（例如，經(jīng)由揚(yáng)聲器）、機(jī)械信息（例如，經(jīng)由振動(dòng)機(jī)構(gòu)）、 或其組合。在多種構(gòu)造中，用戶(hù)界面208可包括顯示器、觸屏、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、加速度計(jì)、運(yùn)動(dòng)檢 測(cè)器、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、攝像機(jī)、或者其任一組合。用戶(hù)界面208可還包括用于輸入諸如指紋 信息、視網(wǎng)膜信息、聲音信息、和/或面部特征信息之類(lèi)的生物統(tǒng)計(jì)信息以便獲得用于訪問(wèn) 計(jì)算裝置200的具體生物統(tǒng)計(jì)信息的任何適用的裝置。
[0035] 參照?qǐng)D2B，示出了示例性的且適用的通信體系結(jié)構(gòu)，該通信體系結(jié)構(gòu)可有助于監(jiān) 測(cè)鉆探系統(tǒng)1的鉆探操作。這種示例性的體系結(jié)構(gòu)可包括一個(gè)或多個(gè)計(jì)算裝置200、210和 220,所述一個(gè)或多個(gè)計(jì)算裝置中的每一個(gè)均可經(jīng)由共用的通信網(wǎng)絡(luò)240與數(shù)據(jù)庫(kù)230和鉆 探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)12電子通信。盡管被示意性地示出為與計(jì)算裝置200分離開(kāi)，但數(shù)據(jù)庫(kù) 230也可以是計(jì)算裝置200的存儲(chǔ)部分104的部件。應(yīng)該了解到的是，可設(shè)想出多種適用 的替代通信體系結(jié)構(gòu)。當(dāng)已將鉆探控制和監(jiān)測(cè)應(yīng)用安裝到諸如上述計(jì)算裝置之類(lèi)的計(jì)算裝 置200上時(shí)，它可在諸如國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)之類(lèi)的共用網(wǎng)絡(luò)240上的其它計(jì)算裝置之間傳遞信息。 對(duì)于當(dāng)前構(gòu)造，用戶(hù)24可經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)240將與一個(gè)或多個(gè)鉆探參數(shù)有關(guān)的信息傳送至井底組 件6的供應(yīng)商的計(jì)算裝置210,或者導(dǎo)致這種傳送發(fā)生，或者作為選擇經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)240將所述 信息傳遞至另一第三方（例如，鉆探系統(tǒng)所有者1)的計(jì)算裝置220。第三方可經(jīng)由顯示器 查看如在本文中所述的用于一個(gè)或多個(gè)鉆探參數(shù)的多個(gè)操作范圍。
[0036] 圖2B中所描繪的計(jì)算裝置200和數(shù)據(jù)庫(kù)230可由例如現(xiàn)場(chǎng)的鉆探設(shè)備操作者、現(xiàn) 場(chǎng)所有者、鉆探公司、和/或鉆探系統(tǒng)部件的任何制造商或供應(yīng)商、或諸如提供鉆柱設(shè)計(jì)服 務(wù)的第三方之類(lèi)的其它服務(wù)提供商完全或部分操作。如應(yīng)該了解到的那樣，上述每一方和 /或其它相關(guān)方可操作任何數(shù)量的相應(yīng)的計(jì)算機(jī)并且可利用包括例如諸如國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)之類(lèi) 的廣域網(wǎng)（WAN)或局域網(wǎng)（LAN)的任何數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部地和外部地通信。數(shù)據(jù)庫(kù)230可例 如用于存儲(chǔ)與一個(gè)或多個(gè)鉆探參數(shù)、來(lái)自前一鉆探行程的多個(gè)操作范圍、當(dāng)前鉆探行程相 關(guān)的數(shù)據(jù)、以及與用于鉆柱部件的模型相關(guān)的數(shù)據(jù)。此外，應(yīng)該了解到的是，如本文中所使 用的"訪問(wèn)"可包括重新獲取存儲(chǔ)在本地計(jì)算裝置的存儲(chǔ)部分中的信息，或經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)將指令 發(fā)送至遠(yuǎn)程計(jì)算裝置，以致使信息被傳送至本地計(jì)算裝置的存儲(chǔ)部分用于本地訪問(wèn)。此外 或者作為選擇，訪問(wèn)可包括訪問(wèn)存儲(chǔ)在遠(yuǎn)程計(jì)算裝置的存儲(chǔ)部分中的信息。
[0037] 返回至圖3A，根據(jù)所示實(shí)施方式，在步驟100中啟動(dòng)用于對(duì)用于鉆探操作的鉆探 數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)振動(dòng)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制的方法50。在步驟100中，用戶(hù)可輸入鉆探部件數(shù)據(jù)。 例如，用戶(hù)指定鉆柱部件，例如井底組件或隨鉆測(cè)量（"MWD"）工具，以及適用于每一個(gè)這種 部件的振動(dòng)極限。鉆柱和/或井底組件數(shù)據(jù)可通過(guò)操作者輸入或存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)230中或計(jì) 算裝置100的存儲(chǔ)器中。井底組件數(shù)據(jù)可如上所述被軟件應(yīng)用訪問(wèn)。在步驟100中輸入的 數(shù)據(jù)可包括：
[0038] (i)構(gòu)成鉆柱的鉆桿管段的外徑和內(nèi)徑，
[0039] (ii)穩(wěn)定器的位置，
[0040] (iii)鉆柱的長(zhǎng)度，
[0041] (iv)鉆柱的傾斜角度，
[0042] (V)使用彎曲接頭的情況下的彎曲角度，
[0043] (Vi)材料特性，特別是彈性模量、材料密度、扭轉(zhuǎn)彈性模量、和泊松比，
[0044] (Vii)用于振動(dòng)阻尼的泥漿特性，特別是泥漿重量和粘度，
[0045] (viii)沿鉆井的長(zhǎng)度的鉆孔直徑，
[0046] (ix)方位角、建造速率和轉(zhuǎn)向速率，
[0047] (X)穩(wěn)定器和鉆頭的直徑，和
[0048] (Xi)與地層的諸如走向和傾角之類(lèi)的特性相關(guān)的信息。
[0049] 在替代實(shí)施方式中，在步驟100期間，與鉆柱部件相關(guān)的信息可還在每次添加鉆 柱的新管段時(shí)或者在啟動(dòng)新的鉆探行程時(shí)由操作者來(lái)更新。
[0050] 在步驟101中，用于鉆探操作的預(yù)期操作信息可被輸入在軟件應(yīng)用中并且按照需 要存儲(chǔ)在鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng)或計(jì)算裝置100中。預(yù)期操作信息可在現(xiàn)場(chǎng)被導(dǎo)出或者可被根據(jù)鉆 探計(jì)劃來(lái)確定。預(yù)期操作信息包括（i)W0B、（ii)鉆柱旋轉(zhuǎn)速度、（iii)泥漿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度、 (iv)鉆孔的直徑、和（V)任意阻尼系數(shù)。
[0051] 在步驟102中，軟件應(yīng)用對(duì)鉆柱的振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)振動(dòng)信息包括至少鉆 柱4的軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的每一個(gè)的幅度。如將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明 并且在圖3B中所示的那樣，對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行的預(yù)測(cè)基于根據(jù)用于鉆探操作的預(yù)期操作信 息操作的鉆柱的能量平衡方法和鉆探系統(tǒng)部件信息進(jìn)行。此外，預(yù)測(cè)振動(dòng)信息可包括頻率 和模式形狀信息。在步驟102期間，軟件應(yīng)用可還啟動(dòng)用于在下文中所討論的預(yù)測(cè)模型中 使用的一個(gè)或多個(gè)分析。特別地，軟件應(yīng)用可進(jìn)行靜態(tài)彎曲分析以確定井底組件6的彎曲 信息。所述彎曲信息包括計(jì)算出的井底組件撓度、沿井底組件的長(zhǎng)度的側(cè)向力、彎曲力矩、 和標(biāo)稱(chēng)彎曲應(yīng)力。軟件應(yīng)用還執(zhí)行所謂的"預(yù)測(cè)分析"，其中，它利用彎曲分析信息來(lái)對(duì)鉆柱 將進(jìn)行鉆探所沿的方向進(jìn)行預(yù)測(cè)。
[0052] 在步驟104中，軟件應(yīng)用基于由振動(dòng)分析系統(tǒng)46中的傳感器測(cè)量的振動(dòng)信息來(lái)計(jì) 算用于特定鉆柱部件的振動(dòng)示警界限。例如，如在下文中所討論的那樣，基于預(yù)測(cè)模式形 狀，軟件應(yīng)用可確定在加速度計(jì)位置處的測(cè)量振動(dòng)的何種量級(jí)會(huì)在關(guān)鍵鉆柱部件的鉆柱位 置處導(dǎo)致過(guò)度振動(dòng)。
[0053] 在步驟106中，鉆探操作繼續(xù)進(jìn)行或啟動(dòng)該鉆探操作。例如，諸如步驟100至104 之類(lèi)的一個(gè)或多個(gè)在先步驟可在鉆探操作之前被啟動(dòng)，以有助于研究出鉆探計(jì)劃并幫助設(shè) 計(jì)井底組件。
[0054] 在步驟108中，軟件應(yīng)用可從鉆探設(shè)備地表傳感器接收鉆探數(shù)據(jù)。在步驟109中， 軟件應(yīng)用可從井下傳感器接收鉆探數(shù)據(jù)。應(yīng)該了解到的是，鉆探設(shè)備地表鉆探數(shù)據(jù)和井下 鉆探數(shù)據(jù)可被存儲(chǔ)在鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng)12和/或計(jì)算裝置200中的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中。通信系 統(tǒng)可將來(lái)自鉆探設(shè)備地表傳感器和井下傳感器的鉆探數(shù)據(jù)傳送至鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng)12。來(lái)自地 表傳感器的鉆探數(shù)據(jù)優(yōu)選地被連續(xù)地傳送至所述系統(tǒng)12。只要將井下鉆探數(shù)據(jù)發(fā)送至地 表（優(yōu)選地至少每數(shù)分鐘），就將來(lái)自井下傳感器的鉆探數(shù)據(jù)傳送至鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng)12。軟 件應(yīng)用可隨后存取鉆探設(shè)備地表鉆探數(shù)據(jù)和井下鉆探數(shù)據(jù)。無(wú)論軟件應(yīng)用是否訪問(wèn)或接收 鉆探數(shù)據(jù)，鉆探數(shù)據(jù)均可在鉆探操作期間被軟件應(yīng)用持續(xù)不斷地使用。
[0055] 在步驟110中，鉆探數(shù)據(jù)和鉆探狀態(tài)可被傳送至遠(yuǎn)程計(jì)算裝置，例如遠(yuǎn)程計(jì)算裝 置210 (圖2B)。并未位于組鉆探設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的用戶(hù)可例如通過(guò)登錄到計(jì)算裝置210中并經(jīng)由 諸如國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)之類(lèi)的通信網(wǎng)絡(luò)240存取該鉆探數(shù)據(jù)而下載和查看所述數(shù)據(jù)。在步驟112 中，軟件應(yīng)用確定輸入到軟件應(yīng)用中的鉆探參數(shù)中的任一個(gè)是否已經(jīng)改變。如果鉆探參數(shù) 已經(jīng)改變，軟件應(yīng)用就因此更新鉆探數(shù)據(jù)。此外，如果鉆探參數(shù)尚未改變，則在方框114中， 可運(yùn)行可選擇的損失性能分析，所述可選擇的損失性能分析例如與以參引的方式結(jié)合到本 文中的美國(guó)專(zhuān)利No. 8, 453, 764中公開(kāi)的損失性能分析相似。過(guò)程控制可被轉(zhuǎn)移并且圖5 中所示的方法701可被啟動(dòng)，如將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的那樣。
[0056] 轉(zhuǎn)向圖3B，圖3B示出了一種用于對(duì)鉆探系統(tǒng)的振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法70。應(yīng) 該了解到的是，方法70的該方面可被在上述步驟100至102之前或者連同其一起執(zhí)行。圖 3B示出了可如何研發(fā)出并且在鉆探操作中使用鉆探系統(tǒng)模型。因此，方法70的每個(gè)步驟均 無(wú)需在鉆探設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)或在鉆探操作期間執(zhí)行，而是可在鉆探操作之前進(jìn)行。
[0057] 繼續(xù)圖3B，方法70在步驟260中通過(guò)利用有限元技術(shù)限定鉆探系統(tǒng)模型而啟動(dòng)， 如在下文中進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的那樣。在步驟260中，所述方法可包括訪問(wèn)鉆探系統(tǒng)部件數(shù) 據(jù)。所述鉆探系統(tǒng)部件數(shù)據(jù)包括通常在有限元模型中使用的鉆柱的一個(gè)或多個(gè)特性。鉆柱 的所述一個(gè)或多個(gè)特性包括鉆柱幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。鉆柱幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括構(gòu)成鉆柱的鉆桿管 段的外徑和內(nèi)徑、穩(wěn)定器的位置、鉆柱的長(zhǎng)度、鉆柱的傾斜角度、使用彎曲接頭的情況下的 彎曲角度、穩(wěn)定器和鉆頭的直徑。鉆柱幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)還包括鉆柱部件的材料特性，特別是彈 性模量、材料密度、扭轉(zhuǎn)彈性模量、和泊松比，以及基于鉆探泥漿特性的特性的振動(dòng)阻尼系 數(shù)，所述鉆探泥漿特性特別是泥漿重量和粘度。在步驟262中，軟件應(yīng)用可訪問(wèn)鉆孔信息。 鉆孔信息可包括沿鉆孔的長(zhǎng)度的鉆孔直徑、方位角、建造速率、轉(zhuǎn)向速率、與地層的諸如走 向和傾角之類(lèi)的特性相關(guān)的信息。
[0058] 繼續(xù)圖3B，在步驟266至272中，鉆探系統(tǒng)模型的部件被進(jìn)一步利用諸如ANSYS和 /或LISA之類(lèi)的有限元系統(tǒng)進(jìn)行處理。在步驟274至280中，執(zhí)行靜態(tài)彎曲分析和所謂的 預(yù)測(cè)分析。在步驟282中，基于在步驟274-280中確定的彎曲信息，軟件應(yīng)用確定在鉆頭處 的力是否平衡。在步驟282中，軟件應(yīng)用可確定鉆頭上的側(cè)向力是否等于零。例如，如果鉆 頭上的力并未平衡，則所述模型表明與（所述模型中的）鉆孔壁接觸。如果所述力并不平 衡，則將過(guò)程控制轉(zhuǎn)移至步驟284并且改變鉆孔的曲率，并且再次運(yùn)行步驟272至282,直到 在步驟282中獲得平衡。
[0059] 在步驟286至294中，軟件應(yīng)用對(duì)鉆柱的振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)。在步驟286中，軟件 應(yīng)用啟動(dòng)振動(dòng)分析操作。例如，軟件應(yīng)用啟動(dòng)振動(dòng)模態(tài)分析。預(yù)測(cè)振動(dòng)信息包括鉆柱的軸 向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的幅度。此外，研究出用于軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、和扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 的頻率和模式形狀。對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行的預(yù)測(cè)基于根據(jù)預(yù)期操作信息操作的鉆柱的能量平衡 和鉆探系統(tǒng)部件信息進(jìn)行，如將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的那樣。
[0060] 在步驟288中，軟件應(yīng)用可首先確定模型鉆柱部件的鉆探激振力。在步驟289中， 軟件應(yīng)用將確定的鉆探激振力施加至該模型。例如，軟件應(yīng)用可基于鉆柱的預(yù)期操作載荷 和頻率將已知的激振載荷施加至鉆柱。
[0061] 在步驟209中，軟件應(yīng)用應(yīng)用能量平衡方法以確定沿鉆柱的振動(dòng)信息，特別是確 定沿鉆柱的軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的幅度。利用能量平衡方法，考慮到在鉆探 操作期間由于鉆探系統(tǒng)部件的振動(dòng)而耗散的能量，預(yù)測(cè)振動(dòng)信息基于對(duì)作為施加至鉆柱的 一個(gè)或多個(gè)力的函數(shù)的供給至鉆探操作的能量進(jìn)行的分析。向鉆探系統(tǒng)的所供給的能量 ES(J)可通過(guò)下列等式計(jì)算出：
[0062] (I)Es = q · π · Cos β · / y (X) · dx
[0063] 式中，
[0064] q是沿鉆柱的分布力（N)，
[0065] β是相位角（弧度），和
[0066] y(X)是沿鉆柱的長(zhǎng)度的位移（mm)。
[0067] 由于阻尼等從鉆探系統(tǒng)所耗散的能量ED(J)可通過(guò)下列等式計(jì)算出：
[0068] (2) ED = π · k · b · Y2,式中，
[0069] k是彈簧剛度，
[0070] b是阻尼系數(shù)（N s/m)，和
[0071] Y 是位移（mm)。
[0072] 作為輸入載荷的函數(shù)的用圖表表示為位移或幅度的所供給的能量ES和所耗散的 能量ED示于圖7中。假設(shè)所供給的能量與所耗散的能量相等，軟件應(yīng)用可對(duì)在給定輸入載 荷下的振動(dòng)的幅度（或等式中的位移）進(jìn)行預(yù)測(cè)?；谀芰康玫狡胶獾募僭O(shè)，軟件應(yīng)用利 用下列等式來(lái)對(duì)軸向振動(dòng)的幅度進(jìn)行預(yù)測(cè)：
[0073] (3)Ym= (F?！?Ji · SZV(S .W2) .Hna，式中，
[0074] Ym是用于軸向振動(dòng)的最大幅度或位移（mm)，
[0075] F。是總力（N)，
[0076] Sz是放大因數(shù)，其被限定為表示所需頻率對(duì)于諸如鉆柱部件之類(lèi)的結(jié)構(gòu)的自然頻 率的接近度，
[0077] δ 是位移（mm)，
[0078] W是角速度（弧度/秒），和
[0079] Hna是用于軸向振動(dòng)的相對(duì)模式形狀效率因子。
[0080] 如可從上述等式中看到的那樣，軟件應(yīng)用基于表明用于沿鉆柱的軸向振動(dòng)、橫向 振動(dòng)、和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的相對(duì)模式形狀效率（H n)的信息來(lái)對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)。該模式形狀效 率是對(duì)于有多少來(lái)自所施加的載荷的能量進(jìn)入到振動(dòng)中的量度。例如，該模式效率對(duì)于懸 臂梁的在將載荷施加至該懸臂梁的自由端處的情況下的第一模式而言是最高的，這是因?yàn)?該振動(dòng)是最大的。將載荷施加至該梁的固定端導(dǎo)致了為〇的模式效率因子，這是由于在該 位置處并不存在任何位移。
[0081] 在步驟290中，在考慮到鉆頭渦動(dòng)的情況下，軟件應(yīng)用可還對(duì)振動(dòng)的幅度進(jìn)行預(yù) 測(cè)。利用上述能量平衡方法，軟件應(yīng)用利用下列等式來(lái)對(duì)橫向振動(dòng)的幅度進(jìn)行預(yù)測(cè)：
[0082] (4)Y〇 = (Yb · π · SZV( δ · W2) · Hnl，式中
[0083] Yo是橫向振動(dòng)的最大幅度或位移（mm)，
[0084] Yb 是位移（mm)，
[0085] Sz是如上所述的放大因數(shù)，δ是位移（mm)，
[0086] W是角速度（弧度/秒），和
[0087] Hnl是用于橫向振動(dòng)的相對(duì)模式形狀效率因子，如上所述。
[0088] 在步驟290中，考慮到鉆頭力矩，軟件應(yīng)用可還對(duì)振動(dòng)的幅度進(jìn)行預(yù)測(cè)。利用上述 能量平衡方法，軟件應(yīng)用利用下列等式來(lái)對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的幅度進(jìn)行預(yù)測(cè)：
[0089] (5) θ π = (Mb · Ji · SZV( δ · W2) · Hnt，式中
[0090] Θ m是用于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的最大角位移（弧度/秒）
[0091] Mb是彎曲力矩（N-m)，
[0092] Sz是如上所述的放大因子，
[0093] δ 是位移（mm)
[0094] W是角速度（弧度/秒），
[0095] Hn是如上所述的用于橫向振動(dòng)的相對(duì)模式形狀效率因子。
[0096] 在步驟290中，當(dāng)能量平衡方法已經(jīng)對(duì)軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的幅度進(jìn) 行過(guò)預(yù)測(cè)時(shí)，在步驟292中，軟件應(yīng)用可輸出針對(duì)一系列鉆頭旋轉(zhuǎn)速度的振動(dòng)幅度。過(guò)程控 制可被轉(zhuǎn)移至步驟294。在步驟294中，軟件應(yīng)用可確定鉆柱的臨界速度。確定臨界速度的 步驟包括確定作為施加在鉆柱上的載荷的函數(shù)的臨界速度。應(yīng)該了解到的是，軟件應(yīng)用可 將預(yù)測(cè)振動(dòng)信息與用于鉆探操作的一系列臨界速度、一系列W0B、旋轉(zhuǎn)速度、流量和扭矩值 相關(guān)聯(lián)。
[0097] 根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的另一實(shí)施方式，軟件應(yīng)用構(gòu)造成按照需要更新該鉆探系統(tǒng)。軟 件應(yīng)用通過(guò)首先限定鉆柱和在鉆探操作期間并未改變的鉆孔參數(shù)來(lái)研究出鉆探系統(tǒng)模型。 鉆柱和鉆孔參數(shù)被存儲(chǔ)在計(jì)算裝置200的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中。當(dāng)鉆探操作繼續(xù)并且特定的鉆 探狀況改變時(shí)，鉆柱和鉆孔參數(shù)被更改并且再次進(jìn)行分析。例如，在鉆探期間改變的鉆探參 數(shù)包括鉆頭旋轉(zhuǎn)速度、W0B、傾斜角度、深度、方位角、泥漿重量、和鉆孔直徑。軟件應(yīng)用基于 鉆探操作參數(shù)的基于地表傳感器和井下傳感器的測(cè)量的實(shí)時(shí)值訪問(wèn)和/或接收更新的操 作信息。例如，軟件應(yīng)用可訪問(wèn)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和/或計(jì)算裝置的存儲(chǔ)部分中的更新 的操作信息。更新的操作信息可被自動(dòng)地進(jìn)行測(cè)量并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，或者作為選擇，更新 的操作信息可經(jīng)由單獨(dú)的系統(tǒng)來(lái)獲取并且可以是經(jīng)由用戶(hù)界面手動(dòng)輸入在計(jì)算裝置中的 數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)用于訪問(wèn)。基于更新的操作參數(shù)，軟件應(yīng)用計(jì)算用于一系列操作狀況 的臨界速度。軟件應(yīng)用可還建立用于軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的每一個(gè)的測(cè)量振 動(dòng)信息和預(yù)測(cè)振動(dòng)信息的模式形狀。如在圖4中所示，軟件應(yīng)用可致使用戶(hù)界面顯示處于 RPM和WOB的任何給定組合下的模式形狀。此外，軟件應(yīng)用可致使用戶(hù)界面在臨界速度圖上 顯示臨界速度。如在圖5中所示，軟件應(yīng)用致使鉆頭旋轉(zhuǎn)速度（RPM)顯示在X軸上，并致使 WOB顯示在y軸上。
[0098] 轉(zhuǎn)向圖4,根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的另一實(shí)施方式，如結(jié)合步驟102 (方法70)所示，軟件 應(yīng)用執(zhí)行振動(dòng)分析，在所述振動(dòng)分析中，它對(duì)下列參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)（i)軸向模式、橫向模式和 扭轉(zhuǎn)模式中的鉆柱的自然頻率和（ii)鉆柱、泥漿馬達(dá)（如果存在）的臨界速度和激發(fā)這些 頻率的鉆頭的臨界速度，如前所述。軟件應(yīng)用可在實(shí)際臨界速度已從預(yù)測(cè)臨界速度移位的 情況下，調(diào)節(jié)所述鉆探系統(tǒng)模型，使得鉆探系統(tǒng)模型可對(duì)鉆柱所經(jīng)歷的臨界速度進(jìn)行正確 預(yù)測(cè)。如可在圖4中所見(jiàn)，軟件應(yīng)用可執(zhí)行方法300,所述方法300可在實(shí)際操作期間處于 鉆頭旋轉(zhuǎn)速度（RPM)下的預(yù)測(cè)臨界速度顯示該預(yù)測(cè)臨界速度并未導(dǎo)致共振的情況下調(diào)節(jié) 該鉆探系模型。如果在鉆探系統(tǒng)模型并未預(yù)測(cè)到在共振所處的鉆頭旋轉(zhuǎn)速度下遇到臨界速 度，則隨后可同樣調(diào)節(jié)所述鉆探系統(tǒng)模型。應(yīng)當(dāng)了解到的是，基于對(duì)預(yù)測(cè)臨界速度進(jìn)行的與 實(shí)際臨界速度相對(duì)的分析而對(duì)臨界速度進(jìn)行的調(diào)節(jié)可在成功消除高振動(dòng)之后完成，所述高 振動(dòng)導(dǎo)致鉆探性能的損失，如在上文中結(jié)合步驟114所討論的那樣。
[0099] 繼續(xù)圖4,軟件應(yīng)用首先在步驟330中確定預(yù)測(cè)臨界速度是否與測(cè)量臨界速度之 差超出預(yù)定量。如果是，在步驟332中，軟件應(yīng)用就確定與臨界速度相關(guān)聯(lián)的振動(dòng)模式是否 與軸向振動(dòng)模式、橫向振動(dòng)模式或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式相關(guān)聯(lián)。如果臨界速度與扭轉(zhuǎn)模式或軸向 模式相關(guān)聯(lián)，那么在步驟334中，軟件應(yīng)用就確定設(shè)想泥漿馬達(dá)在沒(méi)有遇到預(yù)測(cè)共振的情 況下運(yùn)轉(zhuǎn)所處的RPM是否處于預(yù)測(cè)臨界速度帶的低端上。如果是，那么就在步驟336中，被 該模型所使用的馬達(dá)RPM就被降低直到臨界速度不再被預(yù)測(cè)為止。這考慮了與在用于馬達(dá) 的規(guī)格文件中所述的情況相比具有不同的每加侖轉(zhuǎn)數(shù)（RPG)的馬達(dá)。馬達(dá)規(guī)格通常列出了 在室溫下處于無(wú)載荷狀況下的RPG。如果確定了馬達(dá)RPM處于預(yù)測(cè)臨界速度帶的上端上，那 么就在步驟338中，將馬達(dá)RPM增大，直到該臨界速度不再被預(yù)測(cè)為止。如果不使用泥漿馬 達(dá)，那么就在步驟340中，軟件應(yīng)用確定預(yù)測(cè)臨界速度比鉆頭運(yùn)轉(zhuǎn)所處的速度高還是低。如 果它是較高的，就在步驟342中，降低鉆柱剛度，直到該臨界速度不再被預(yù)測(cè)為止。如果它 是較低的，那么就在步驟344中，增大鉆柱剛度，直到該臨界速度不再被預(yù)測(cè)為止。
[0100] 如果該臨界速度與橫向振動(dòng)模式相關(guān)聯(lián)，那么就在步驟346中，軟件應(yīng)用確定橫 向振動(dòng)是否是由于鉆頭、泥漿馬達(dá)、或鉆柱橫向振動(dòng)所導(dǎo)致。如果橫向振動(dòng)模式與鉆柱相關(guān) 聯(lián)，那么就在步驟348中，軟件應(yīng)用確定設(shè)想鉆柱在沒(méi)有遇到共振的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)所處的RPM 是處于預(yù)測(cè)臨界速度帶的低端還是高端上。如果它處于高端上，那么就在步驟350中，降低 在該模型中使用的鉆柱速度，或者如果不成功，就增大穩(wěn)定器外徑。如果它處于低端上，那 么就在步驟352中，增大在該模型中使用的鉆孔尺寸，或者如果不成功，就減小穩(wěn)定器的外 徑。
[0101] 如果橫向振動(dòng)模式與泥漿馬達(dá)相關(guān)聯(lián)，那么在步驟354中，軟件應(yīng)用確定設(shè)想泥 漿馬達(dá)在沒(méi)有遇到共振的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)所處的RPM是處于預(yù)測(cè)臨界速度帶的低端還是高端 上。如果它處于高端上，那么在步驟356中，提高在該模型中使用的泥漿馬達(dá)速度，直到該 臨界速度不再被預(yù)測(cè)為止。如果它處于低端上，那么在步驟358中，降低在該模型中使用的 泥漿馬達(dá)速度，直到該臨界速度不再被預(yù)測(cè)為止。如果橫向振動(dòng)模式與鉆頭相關(guān)聯(lián)，那么在 步驟360中，軟件應(yīng)用確定設(shè)想鉆頭將要運(yùn)轉(zhuǎn)所處的RPM是處于臨界速度帶的低端還是高 端上。如果它處于高端上，那么就在步驟362中降低鉆頭速度，直到該臨界速度不再被預(yù)測(cè) 為止。如果它處于低端上，那么就在步驟364中增大鉆頭速度，直到該臨界速度不再被預(yù)測(cè) 為止。
[0102] 如上所述，軟件應(yīng)用可基于在當(dāng)前鉆探行程期間獲得的實(shí)時(shí)信息來(lái)對(duì)未來(lái)鉆探行 程的振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。例如，軟件應(yīng)用可基于當(dāng)前測(cè)量操作或?qū)崟r(shí)參數(shù)來(lái)對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù) 測(cè)。軟件應(yīng)用可利用上述方法基于下列參數(shù)的實(shí)時(shí)值對(duì)沿鉆柱的每一個(gè)元件處的振動(dòng)進(jìn)行 預(yù)測(cè)，所述參數(shù)為：（i)WOB，（ii)鉆頭RPM、（iii)泥漿馬達(dá)RPM、（iv)鉆孔的直徑、（V)傾斜 角度、（vi)方位角、（vii)建造速率、和（viii)轉(zhuǎn)向速率。出于對(duì)振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)的目的，WOB 優(yōu)選地利用頂部驅(qū)動(dòng)接頭45通過(guò)地表測(cè)量來(lái)確定，如前所述，盡管可如前所述使用井下應(yīng) 變儀。鉆頭RPM優(yōu)選地通過(guò)將鉆柱RPM加上泥漿馬達(dá)RPM來(lái)確定。鉆柱RPM優(yōu)選地利用RPM 傳感器32基于地表測(cè)量進(jìn)行。泥漿馬達(dá)RPM優(yōu)選地利用馬達(dá)流量對(duì)馬達(dá)RPM或RPM/流量 因子的曲線(xiàn)基于泥漿流量進(jìn)行。鉆孔的直徑優(yōu)選地利用在上述美國(guó)專(zhuān)利No. 8, 453, 764中 所述的方法通過(guò)反向渦動(dòng)頻率確定，盡管還可使用假定值，同樣如前所述。傾斜角度和方位 角優(yōu)選地通過(guò)井底組件6中的加速度計(jì)44和磁力計(jì)42來(lái)確定，如前所述。建造速率優(yōu)選地 基于傾斜角度中的改變來(lái)確定。轉(zhuǎn)向速率通過(guò)方位角中的改變來(lái)確定。優(yōu)選地，關(guān)于WOB、 鉆柱RPM和泥漿馬達(dá)RPM的信息被自動(dòng)發(fā)送至處理器202。關(guān)于傾斜角度和方位角的信息 以及來(lái)自橫向振動(dòng)加速度計(jì)的數(shù)據(jù)（在井下執(zhí)行傅里葉分析的情況下的反向渦動(dòng)頻率）被 通過(guò)泥漿脈沖遙測(cè)系統(tǒng)或有線(xiàn)管路或其它傳輸系統(tǒng)每隔一定間隔傳輸至處理器202,或者 在被應(yīng)用要求時(shí)或者在被事件觸發(fā)時(shí)被傳輸至處理器202?；谇笆銮闆r，軟件應(yīng)用計(jì)算在 鉆探操作期間沿鉆柱的每一點(diǎn)處的振動(dòng)頻率（幅度已經(jīng)被在先確定）。如上所述，軟件應(yīng)用 可致使用戶(hù)界面顯示用于當(dāng)前操作狀況的模式形狀的圖像，如圖5中所示，顯示鉆柱的振 動(dòng)模式形狀的圖像，這實(shí)質(zhì)上是沿鉆柱的相對(duì)振動(dòng)幅度。
[0103] 根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容，將三個(gè)振蕩激振力用于對(duì)振動(dòng)量級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè)：（i)振蕩激振力， 其值是測(cè)量W0B，并且其頻率等于鉆頭的速度乘以鉆頭上的葉片/牙輪（cone)的數(shù)量（該 力施加于鉆頭的中心線(xiàn)并且激發(fā)軸向振動(dòng)）、（ii)振蕩力，其值是測(cè)量W0B，并且其頻率等 于鉆頭上的輪葉（或葉片）的數(shù)量乘以鉆頭速度（該力施加于鉆頭的外徑處并形成激發(fā) 橫向振動(dòng)的彎曲力矩）、和（iii)振蕩力，其值是基于泥漿馬達(dá)的特性計(jì)算出的不平衡力， 如前所述，并且其頻率等于N(n+1)，式中，N是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度并且η是轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子葉片 (lobe)的數(shù)量。
[0104] 在諸如加速度計(jì)之類(lèi)的振動(dòng)傳感器的位置處測(cè)量上述參考等式中的振動(dòng)幅度或 位移。然而，對(duì)于操作者而言重要的是諸如MWD工具之類(lèi)的關(guān)鍵鉆柱部件的位置處的振動(dòng)。 在步驟104中，軟件應(yīng)用確定對(duì)于每一個(gè)振動(dòng)模式的附近傳感器位置處的振動(dòng)幅度與關(guān)鍵 部件處的振動(dòng)幅度之間的比率。在步驟104中的分析基于預(yù)測(cè)振動(dòng)模式形狀和如在該模型 中輸入的這種關(guān)鍵的鉆柱部件的已知位置進(jìn)行。基于用于該部件的輸入振動(dòng)極限，軟件應(yīng) 用確定傳感器處的振動(dòng)，所述振動(dòng)將導(dǎo)致部件處的振動(dòng)達(dá)到其極限。軟件應(yīng)用可致使計(jì)算 裝置在傳感器處的振動(dòng)到達(dá)相關(guān)極限的情況下啟動(dòng)高振動(dòng)報(bào)警。例如，如果MWD工具應(yīng)遭 受到的最大振動(dòng)是5g，并且模式形狀分析表明，對(duì)于橫向振動(dòng)而言，傳感器#1處的振動(dòng)幅 度與MWD工具的比率是1. 5-即，MWD工具處的振動(dòng)幅度是1. 5乘以傳感器#1處的幅度，則 軟件會(huì)在傳感器#1處的測(cè)量橫向振動(dòng)超過(guò)I. 33g的情況下，通知操作者在MWD工具處存在 高振動(dòng)。該外推法可在表示多個(gè)關(guān)鍵鉆柱部件的多個(gè)位置處執(zhí)行，每一個(gè)位置處均具有其 自身的振動(dòng)極限。除了在當(dāng)前操作狀況下對(duì)沿鉆柱的長(zhǎng)度的振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)以便推斷出沿鉆 柱的其它位置的測(cè)量振動(dòng)幅度之外，軟件應(yīng)用可還基于預(yù)計(jì)操作狀況對(duì)沿鉆柱的長(zhǎng)度的振 動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。軟件應(yīng)用可隨后確定諸如RPM或WOB之類(lèi)的操作參數(shù)中的變化是否將影響振 動(dòng)。
[0105] 軟件應(yīng)用可致使用戶(hù)界面在計(jì)算機(jī)顯示器中顯示臨界速度圖，如在圖5中所示并 且如在下文中進(jìn)一步討論的那樣。如上所述，臨界速度可顯示下列信息，所述信息表明應(yīng)該 避免的WOB與鉆柱旋轉(zhuǎn)速度的組合以避免出現(xiàn)高軸向或側(cè)向振動(dòng)或粘滯滑動(dòng)。軟件應(yīng)用可 致使用戶(hù)界面顯示包括下列信息的臨界速度圖，所述信息表明應(yīng)該被避免的WOB和泥漿馬 達(dá)旋轉(zhuǎn)速度的組合。臨界速度圖可被用作用于設(shè)定鉆探參數(shù)的指南。
[0106] 轉(zhuǎn)向圖5,根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的另一實(shí)施方式，軟件應(yīng)用可確定在用于傳感器位置處 的軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的任一個(gè)的預(yù)測(cè)振動(dòng)與測(cè)量振動(dòng)之間的差異是否超過(guò) 預(yù)定閾值。作為回應(yīng)，軟件應(yīng)用通過(guò)根據(jù)預(yù)定體系（hierarchy)改變?cè)阢@探系統(tǒng)模型中使 用的操作參數(shù)輸入來(lái)修正該鉆探系統(tǒng)模型，直到所述差異被降低成低于預(yù)定閾值。這種示 例性的體系描繪于圖5中所示的方法701中。當(dāng)軟件應(yīng)用從井下傳感器接收鉆探數(shù)據(jù)時(shí)，軟 件應(yīng)用將在傳感器位置處的測(cè)量振動(dòng)量級(jí)與相同位置處的預(yù)測(cè)振動(dòng)量級(jí)相比較?；谟扇?上所述的軟件應(yīng)用執(zhí)行的分析，鉆探數(shù)據(jù)系統(tǒng)12、計(jì)算裝置200、和/或數(shù)據(jù)庫(kù)230可包括 存儲(chǔ)在其中的：（i)井下傳感器的位置處的測(cè)量軸向振動(dòng)、測(cè)量橫向振動(dòng)和測(cè)量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、 (ii)由軟件應(yīng)用預(yù)測(cè)的用于軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的共振頻率、（iii)基于由軟 件應(yīng)用預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)操作參數(shù)的用于軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的模式形狀、和（iv)由 軟件應(yīng)用預(yù)測(cè)的在沿鉆柱的全長(zhǎng)的每個(gè)點(diǎn)處的軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的量級(jí)。該 信息用于確定預(yù)測(cè)振動(dòng)信息與測(cè)量振動(dòng)信息是如何一致的。
[0107] 繼續(xù)圖5,使用方法701，在該方法701中，嘗試改變的參數(shù)中的體系優(yōu)選地是泥漿 馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度，繼之以W0B，繼之以鉆孔尺寸。在步驟700中，判斷測(cè)量振動(dòng)與預(yù)測(cè)振動(dòng)之間 的偏差是否超出預(yù)定閾限量。如果超出，就在步驟702至712中，嘗試進(jìn)行在鉆探系統(tǒng)模型 中使用的泥漿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度在規(guī)定允許的變化范圍內(nèi)的遞增和遞減，直到所述偏差下降成 低于所述閾限量。如果在允許變化范圍內(nèi)沒(méi)有泥漿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度的值導(dǎo)致所討論的振動(dòng)偏 差下降成低于所述閾限量，則軟件應(yīng)用將在鉆探系統(tǒng)模型中使用的泥漿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度修正 為使所述偏差減小得最多但并不致使用于另一振動(dòng)的預(yù)測(cè)值與測(cè)量值之間的偏差超出閾 限量的數(shù)值。
[0108] 如果泥漿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度的改變并未將所述偏差減小成低于閾限量，則在步驟 714-724中，隨后在規(guī)定允許的變化范圍內(nèi)減小和增大在鉆探系統(tǒng)模型中使用的W0B，直到 所述偏差降低成低于所述閾限量。如果在允許的變化范圍內(nèi)沒(méi)有WOB的值導(dǎo)致測(cè)量振動(dòng)與 預(yù)測(cè)振動(dòng)之間的偏差降低成低于所述閾限量，則軟件應(yīng)用將在該模型中使用的WOB修正成 使所述偏差降低得最多但并不致使用于另一振動(dòng)的預(yù)測(cè)值與測(cè)量值之間的偏差超過(guò)所述 閾限量的數(shù)值。
[0109] 如果WOB的改變并未將所述偏差減小成低于所述閾限量，則在步驟726-736中，隨 后在規(guī)定允許的變化范圍內(nèi)減小和增大在該模型中使用的假定鉆孔尺寸--所述范圍可 考慮到是否料想到劇烈的沖刷狀況，在該劇烈的沖刷狀況的情況下，直徑可以是預(yù)測(cè)尺寸 的兩倍--直到偏差降低成低于所述閾限量。如果鉆孔尺寸的數(shù)值導(dǎo)致該偏差降低成低于 所述閾限量，而并不致使另一振動(dòng)中的偏差超過(guò)所述閾限量，那么就對(duì)該模型進(jìn)行修正以 反映新的鉆孔尺寸值。如果在允許變化范圍內(nèi)沒(méi)有鉆孔尺寸的數(shù)值導(dǎo)致測(cè)量振動(dòng)與預(yù)測(cè) 振動(dòng)之間的偏差降低成低于所述閾限量，則軟件將在該模型中使用的鉆孔尺寸修正成使所 述偏差降低得最多但并不致使另一振動(dòng)量級(jí)中的偏差超過(guò)所述閾限量的數(shù)值。作為選擇， 替代利用上述連續(xù)單變量方法，軟件應(yīng)用可被編程為利用例如田口（Taguichi)方法來(lái)執(zhí) 行多變量最小化。此外，如果泥漿馬達(dá)RPB、WOB和鉆孔直徑的改變并未單獨(dú)地或以相結(jié)合 的方式將所述偏差降低成低于所述閾值，則會(huì)需要進(jìn)一步的研究以確定輸入中的一個(gè)或多 個(gè)是否是無(wú)效的，或者井下是否存在問(wèn)題，例如磨鈍的鉆頭、鉆孔中的落物（例如鉆頭鑲嵌 塊）、或過(guò)大的（chunked out)馬達(dá)（橡膠枬塌）。
[0110] 應(yīng)該了解到的是，可將其它體系用于修正鉆探系統(tǒng)模型。例如，如果在如在以參引 的方式結(jié)合到本文中的美國(guó)專(zhuān)利No. 8, 453, 764中所述的成功減輕高振動(dòng)（例如圖3A中的 步驟114)之后，由軟件應(yīng)用執(zhí)行將預(yù)測(cè)振動(dòng)與測(cè)量振動(dòng)相比的步驟，所述減輕的結(jié)果用于 引導(dǎo)對(duì)用于對(duì)所述振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)的鉆探系統(tǒng)模型進(jìn)行的修正。如將由所屬領(lǐng)域技術(shù)人員所 了解到的那樣，如果所嘗試進(jìn)行的減輕是不成功的或者如果減輕并不是必需的，則不能利 用減輕由高振動(dòng)所導(dǎo)致的損失性能的方法。
[0111] 現(xiàn)在參照?qǐng)D6,根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的再一實(shí)施方式，軟件應(yīng)用自動(dòng)確定是否獲得最佳 鉆探性能，并在尚未獲得最佳鉆探性能的情況下進(jìn)行推薦。一般而言，鉆頭RPM越高并且 WOB越大，則由鉆頭鉆入到地層中的鉆入速度就越高，從而導(dǎo)致更為快速的鉆探。然而，增 大鉆頭RPM和WOB會(huì)增大振動(dòng)，這會(huì)縮短井底組件部件的使用年限。用于使鉆探效率最佳 化的方法901包括執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)鉆探試驗(yàn)的初始步驟900,所述鉆探試驗(yàn)被執(zhí)行以獲得 ROP的與WOB和鉆柱及鉆頭RPM相比的數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，在步驟900中，所述鉆探試驗(yàn)可始于 利用軟件應(yīng)用對(duì)鉆探操作進(jìn)行的預(yù)運(yùn)行分析。所述預(yù)運(yùn)行分析可用于設(shè)計(jì)下列井底組件， 所述井底組件將鉆出計(jì)劃鉆井，具有用于計(jì)劃鉆井的足夠大的強(qiáng)度并對(duì)在鉆探操作期間避 免出現(xiàn)的臨界速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。在預(yù)先分析過(guò)程期間，鉆柱的部件可被移動(dòng)或更換以獲得預(yù) 期性能。改變可包括添加、刪減或移動(dòng)穩(wěn)定器、基于振動(dòng)激勵(lì)和性能來(lái)選擇鉆頭、和規(guī)定泥 漿馬達(dá)動(dòng)力部分、彎曲位置和彎曲角度?；谒龇治觯O(shè)定初始鉆探部件信息和鉆探操作 參數(shù)。
[0112] 在步驟902中，軟件應(yīng)用可確定一組鉆探參數(shù)，所述一組鉆探參數(shù)可部分基于在 鉆探試驗(yàn)期間進(jìn)行的預(yù)測(cè)振動(dòng)量級(jí)和鉆探性能結(jié)果來(lái)優(yōu)化ROP而不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度振動(dòng)。作為 選擇，軟件應(yīng)用可產(chǎn)生圖形顯示，所述圖形顯示示出了與WOB相對(duì)的預(yù)測(cè)軸向振動(dòng)和與WOB 相對(duì)的測(cè)量鉆入速度。利用這些圖形顯示，操作者可選擇將導(dǎo)致最大鉆入速度而不會(huì)招致 過(guò)度的軸向振動(dòng)的W0B。對(duì)于其它振動(dòng)模式，會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的圖形。此外，在步驟902期間，軟 件應(yīng)用確定鉆柱的臨界速度并隨后確定在基于鉆探試驗(yàn)數(shù)據(jù)而廣生最1? ROP的鉆柱/鉆頭 旋轉(zhuǎn)速度和WOB下的操作是否將導(dǎo)致在臨界速度下的操作。作為選擇，軟件應(yīng)用可對(duì)在產(chǎn) 生最高ROP的鉆柱/鉆頭RPM和WOB下在鉆柱中的關(guān)鍵部件處的振動(dòng)的量級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以 確定在這種狀況下的操作是否將導(dǎo)致關(guān)鍵部件的過(guò)度振動(dòng)。在任何情況下，如果軟件應(yīng)用 在導(dǎo)致最高ROP的操作狀況下預(yù)測(cè)到振動(dòng)問(wèn)題，則它將隨后對(duì)在鉆探試驗(yàn)中獲取數(shù)據(jù)的其 它操作狀況下的高振動(dòng)進(jìn)行檢查，直到它確定將導(dǎo)致最高ROP而不會(huì)遇到高振動(dòng)的操作狀 況為止。軟件應(yīng)用將隨后建議操作者應(yīng)該在預(yù)期產(chǎn)生最高ROP而不會(huì)遇到過(guò)度振動(dòng)的鉆柱 /鉆頭旋轉(zhuǎn)速度和WOB下操作鉆柱。鉆探操作將以使ROP優(yōu)化的預(yù)定組的鉆探參數(shù)下繼續(xù) 進(jìn)行。
[0113] 在步驟904中，鉆探操作將在由軟件應(yīng)用建議的這組操作參數(shù)下繼續(xù)進(jìn)行。鉆探 操作會(huì)繼續(xù)進(jìn)行直到對(duì)鉆探狀況進(jìn)行改變?yōu)橹?。改變可包括鉆頭磨損、不同的地層類(lèi)型、傾 斜角度、方位角、深度的改變、振動(dòng)增大等。在步驟906中，軟件應(yīng)用將周期性地訪問(wèn)來(lái)自井 下傳感器和地表傳感器的鉆探數(shù)據(jù)，如上所述。
[0114] 在步驟908中，軟件應(yīng)用將確定測(cè)量振動(dòng)信息與預(yù)測(cè)振動(dòng)信息是否一致。如果軟 件應(yīng)用在步驟908中確定測(cè)量振動(dòng)信息與預(yù)測(cè)振動(dòng)信息并不一致或匹配，則將過(guò)程控制轉(zhuǎn) 移至步驟910并且將對(duì)鉆探系統(tǒng)模型進(jìn)行修正。如果軟件應(yīng)用在步驟908中確定測(cè)量振動(dòng) 信息與預(yù)測(cè)振動(dòng)信息一致，則將過(guò)程控制轉(zhuǎn)移至步驟912。由此，鉆探參數(shù)的優(yōu)化將被利用 更新的鉆探系統(tǒng)模型來(lái)執(zhí)行，所述更新的鉆探系統(tǒng)模型基于來(lái)自井下傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái) 對(duì)振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
[0115] 在步驟912中，軟件應(yīng)用例如通過(guò)確定鉆柱操作是否接近新的臨界速度或者關(guān) 鍵部件處的振動(dòng)是否超過(guò)用于這種部件的最大值來(lái)基于來(lái)自井下傳感器的鉆探數(shù)據(jù)確定 鉆柱中的振動(dòng)是否是高的。如果軟件應(yīng)用確定所述振動(dòng)是高的，則將過(guò)程控制轉(zhuǎn)移至步驟 902,并且步驟902至910被反復(fù)進(jìn)行，并且軟件應(yīng)用確定另一組操作參數(shù)，所述另一組操作 參數(shù)將導(dǎo)致最高的預(yù)期ROP而不會(huì)遇到過(guò)度振動(dòng)。如果在步驟912中軟件應(yīng)用確定振動(dòng)數(shù) 據(jù)是低的，則將過(guò)程控制轉(zhuǎn)移至方框914。
[0116] 基于來(lái)自ROP傳感器34的數(shù)據(jù)，在步驟914中，軟件應(yīng)用確定ROP是否已偏離基 于鉆探試驗(yàn)的預(yù)期值。如果已經(jīng)偏離，軟件應(yīng)用就可建議應(yīng)該執(zhí)行進(jìn)一步的鉆探試驗(yàn)以建 立與WOB和鉆柱/鉆頭RPM相對(duì)的ROP的新數(shù)據(jù)庫(kù)。
[0117] 出于說(shuō)明上述優(yōu)化方法901的目的，假定鉆探試驗(yàn)產(chǎn)生如下ROP數(shù)據(jù)（為簡(jiǎn)單起 見(jiàn)，假定沒(méi)有泥漿馬達(dá)，使得鉆頭RPM與鉆柱RPM是相同的）：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于監(jiān)視和控制鉆探系統(tǒng)的方法，所述鉆探系統(tǒng)包括鉆柱和支承在所述鉆柱 的井下端部處的鉆頭，所述鉆探系統(tǒng)構(gòu)造成在土壤地層中形成鉆孔，所述方法包括下列步 驟： 經(jīng)由鉆探系統(tǒng)模型基于一組鉆探操作參數(shù)、鉆孔信息、和鉆探系統(tǒng)部件信息對(duì)用于所 述鉆柱的振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，所述一組鉆探操作參數(shù)包括鉆壓（WOB)和鉆頭旋轉(zhuǎn)速度，并 且所述鉆探系統(tǒng)部件信息包括所述鉆柱和所述鉆頭的一個(gè)或多個(gè)特性；并且預(yù)測(cè)振動(dòng)信息 包括用于所述鉆柱的軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的至少一個(gè)的幅度，所述鉆探系統(tǒng) 模型構(gòu)造成基于在預(yù)期鉆探操作期間根據(jù)所述一組鉆探操作參數(shù)操作的所述鉆柱的能量 平衡對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)；以及 操作所述鉆探系統(tǒng)以便根據(jù)所述一組鉆探操作參數(shù)在所述土壤地層中鉆出所述鉆 孔； 在所述鉆探操作期間在所述鉆孔中對(duì)所述鉆柱的所述軸向振動(dòng)、所述橫向振動(dòng)、和所 述扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的至少一個(gè)進(jìn)行測(cè)量；以及 將用于所述鉆柱和所述鉆頭的所述預(yù)測(cè)振動(dòng)信息與用于所述鉆柱和所述鉆頭的測(cè)量 振動(dòng)信息相比較，并且如果比較步驟導(dǎo)致了用于所述鉆柱和所述鉆頭中的每一個(gè)的所述預(yù) 期振動(dòng)信息與所述測(cè)量振動(dòng)信息之間的差異，就對(duì)所述鉆探操作模型進(jìn)行更新以降低用于 所述鉆柱和所述鉆頭的所述預(yù)期振動(dòng)信息與所述測(cè)量振動(dòng)信息之間的差異。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)的步驟基于用于所述鉆柱 的所述軸向振動(dòng)、所述橫向振動(dòng)、和所述扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的每一個(gè)的幅度，其中，供給至所述鉆 探操作的能量與在所述鉆探操作期間由于作為施加至所述鉆柱的一個(gè)或多個(gè)力的函數(shù)的 所述鉆探系統(tǒng)部件的振動(dòng)而耗散的能量相等。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)的步驟通過(guò)將所述能量平 衡作為施加至所述鉆柱的一個(gè)或多個(gè)力的函數(shù)應(yīng)用于所述鉆柱而基于頻域類(lèi)型的有限元 模型進(jìn)行。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括訪問(wèn)用于鉆探操作的所述一組鉆探操作參數(shù)的 步驟，對(duì)所述一組鉆探操作參數(shù)進(jìn)行選擇以獲得通過(guò)所述土壤地層的預(yù)期最大鉆入速度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括訪問(wèn)鉆孔信息的步驟，其中，所述鉆孔信息包括 鉆孔直徑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，訪問(wèn)所述一組鉆探操作參數(shù)的步驟還包括接收 所述一組鉆探操作參數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，訪問(wèn)鉆孔信息的步驟還包括接收鉆孔信息。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，基于對(duì)所述一組鉆探操作參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行的 調(diào)節(jié)，還基于調(diào)節(jié)后的一組鉆探操作參數(shù)、所述鉆孔信息、和所述鉆探系統(tǒng)部件信息經(jīng)由更 新后的鉆探系統(tǒng)模型對(duì)用于所述鉆柱和所述鉆頭的所述振動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述鉆探操作包括所述鉆柱的一個(gè)或多個(gè)鉆探 行程以在所述土壤地層中形成所述鉆孔。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括基于所述鉆柱和所述鉆頭的所述振動(dòng)信息和 所述一組操作參數(shù)確定用于所述鉆柱的臨界速度。
11. 一種鉆探系統(tǒng)，所述鉆探系統(tǒng)構(gòu)造成在鉆探操作期間在土壤地層中形成鉆孔，所述 鉆探系統(tǒng)包括： 支承鉆頭的鉆柱，所述鉆頭構(gòu)造成限定所述鉆孔； 多個(gè)傳感器，所述多個(gè)傳感器構(gòu)造成獲得鉆探操作信息和測(cè)量振動(dòng)信息，其中，所述多 個(gè)傳感器中的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)造成在所述鉆探操作期間在所述鉆孔中對(duì)所述鉆柱的軸向振 動(dòng)、橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的至少一個(gè)進(jìn)行測(cè)量以獲得所述測(cè)量振動(dòng)信息； 至少一個(gè)計(jì)算裝置，所述至少一個(gè)計(jì)算裝置包括存儲(chǔ)部分，所述存儲(chǔ)部分上存儲(chǔ)有鉆 探系統(tǒng)部件信息，所述鉆探系統(tǒng)部件信息包括所述鉆柱的一個(gè)或多個(gè)特性，所述存儲(chǔ)部分 還包括用于所述鉆探操作的預(yù)期操作信息，所述預(yù)期操作信息包括至少鉆壓（WOB)、所述鉆 頭的旋轉(zhuǎn)速度、鉆孔直徑、和振動(dòng)阻尼系數(shù)；和 與所述存儲(chǔ)部分通信的計(jì)算機(jī)處理器，所述計(jì)算機(jī)處理器構(gòu)造成對(duì)用于所述鉆柱的振 動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)振動(dòng)信息包括至少用于所述鉆柱的所述軸向振動(dòng)、所述橫向振動(dòng)、和 所述扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的至少一個(gè)的預(yù)測(cè)幅度，所述預(yù)測(cè)振動(dòng)信息基于根據(jù)用于所述鉆探操作的 所述預(yù)期操作信息操作的所述鉆柱的能量平衡和所述鉆探系統(tǒng)部件信息； 所述計(jì)算機(jī)處理器還構(gòu)造成將用于所述鉆柱和所述鉆頭的所述預(yù)測(cè)振動(dòng)信息與用于 所述鉆柱和所述鉆頭的所述測(cè)量振動(dòng)信息相比較，其中，所述計(jì)算裝置構(gòu)造成在檢測(cè)到所 述預(yù)期振動(dòng)信息與所述測(cè)量振動(dòng)信息之間存在差異的情況下對(duì)所述鉆探系統(tǒng)模型進(jìn)行更 新。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的鉆探系統(tǒng)，其中，所述預(yù)測(cè)振動(dòng)信息基于用于所述鉆柱的 所述軸向振動(dòng)、所述橫向振動(dòng)、和所述扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的每一個(gè)的幅度，其中，供給至所述鉆探 操作的能量與在所述鉆探操作期間由于作為施加至所述鉆柱的一個(gè)或多個(gè)力的函數(shù)的所 述鉆探系統(tǒng)部件的振動(dòng)而耗散的能量相等。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的鉆探系統(tǒng)，其中，所述預(yù)測(cè)振動(dòng)信息基于將所述能量平衡 作為施加至所述鉆柱的一個(gè)或多個(gè)力的函數(shù)應(yīng)用于所述鉆柱的頻域類(lèi)型的有限元模型。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的鉆探系統(tǒng)，其中，預(yù)測(cè)振動(dòng)是用于沿所述鉆柱的軸向振動(dòng)、 橫向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的至少一個(gè)的模式形狀。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的鉆探系統(tǒng)，其中，所述鉆柱的所述一個(gè)或多個(gè)特性包括鉆 柱幾何結(jié)構(gòu)、所述鉆柱的材料特性、所述鉆柱上的穩(wěn)定器的位置和數(shù)量、所述鉆柱的傾斜角 度、和鉆頭幾何結(jié)構(gòu)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的鉆探系統(tǒng)，還包括通信系統(tǒng)，所述通信系統(tǒng)構(gòu)造成將在所 述鉆探操作期間在井下獲得的數(shù)據(jù)傳送至所述至少一個(gè)計(jì)算裝置。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的鉆探系統(tǒng)，其中，所述通信系統(tǒng)是脈沖遙測(cè)系統(tǒng)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的鉆探系統(tǒng)，其中，所述通信系統(tǒng)是有線(xiàn)系統(tǒng)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的鉆探系統(tǒng)，其中，所述鉆柱在鉆柱的井下端部處支承井底 組件，并且所述鉆頭聯(lián)接至所述井底組件，其中，所述多個(gè)傳感器包括由所述井底組件承載 的第一組傳感器和沿所述鉆柱設(shè)置的第二組傳感器以及設(shè)置在所述鉆探系統(tǒng)的地表結(jié)構(gòu) 上的第三組傳感器。
【文檔編號(hào)】E21B47/00GK104453848SQ201410495272
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】馬克·埃爾斯沃思·瓦塞爾 申請(qǐng)人:Aps技術(shù)公司