本公開(kāi)總體上涉及地下鉆探操作，并且更具體地，涉及用于建模高級(jí)三維井底鉆具組件的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

自然資源，例如碳?xì)浠衔锖退?，通常從位于陸上或海上的地下地層獲得。地下作業(yè)的開(kāi)發(fā)和從地下巖層中移除自然資源所涉及的過(guò)程通常包括許多不同的步驟，例如在期望的井場(chǎng)處鉆井筒，處理井筒以優(yōu)化自然資源的生產(chǎn)，并執(zhí)行必要的步驟以生產(chǎn)和處理來(lái)自地下巖層的自然資源。

各種類型的工具用于在地下巖層中形成井筒。這樣的工具的例子包括可導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)鉆頭。井底鉆具組件可以包括鉆柱、電動(dòng)離合器組件和耦接到鉆頭的驅(qū)動(dòng)軸。這些部件一起工作以提供導(dǎo)向動(dòng)力以使驅(qū)動(dòng)軸彎曲，從而使鉆頭沿期望的方向?qū)颉?/p>

地面處的操作者可以通過(guò)為鉆井組件的元件設(shè)置鉆井參數(shù)來(lái)控制鉆井操作的各方面。例如，操作者可以設(shè)置控制使鉆頭導(dǎo)向的離合器組件的參數(shù)。鉆井參數(shù)可以影響鉆井操作的性能，包括但不限于鉆井組件進(jìn)入地層中的定向行為和鉆速(rop)。

附圖說(shuō)明

為了更完全地理解本公開(kāi)和其特征與優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)結(jié)合附圖來(lái)參考以下描述，在附圖中：

圖1示出了示例性鉆井系統(tǒng)的正視圖；

圖2示出了示例性計(jì)算子系統(tǒng)；

圖3示出了示例性鉆柱的節(jié)段和作用于鉆柱上的力的正視圖；

圖4示出了示例性鉆柱的有限元模型的局部視圖；以及

圖5示出了用于對(duì)高級(jí)三維井底鉆具組件進(jìn)行建模的示例性方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

本公開(kāi)描述了用于執(zhí)行鉆柱的振動(dòng)分析的有限元模型用于在鉆井操作期間使用。在鉆井操作期間，位于鉆柱下端的井底鉆具組件(bha)中的傳感器可收集關(guān)于鉆柱、包含該鉆柱的井筒和周圍地下區(qū)域的信息。有限元模型可以通過(guò)將鉆柱和井筒表示為由多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的離散梁元件的集合來(lái)生成，每個(gè)離散梁元件包括性質(zhì)或參數(shù)的有限集?？梢酝ㄟ^(guò)在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)計(jì)算基于周圍元素和節(jié)點(diǎn)的每個(gè)元素和節(jié)點(diǎn)的行為來(lái)預(yù)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的行為。以這種方式，復(fù)雜的物理問(wèn)題可以通過(guò)將其分成解多個(gè)較小的塊、求解每個(gè)塊、然后組合所有解來(lái)解決。因此，可以根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和方法以創(chuàng)建鉆柱的有限元模型并預(yù)測(cè)其行為。模型的有限元分析或有限元分析的結(jié)果可用于評(píng)估鉆井操作的效率并預(yù)測(cè)鉆頭(例如旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭)的定向性能和鉆速(rop)。在一些實(shí)施例中，例如在鉆井操作期間實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)識(shí)別和顯示有限元分析或有限元分析的結(jié)果。在一些實(shí)施例中，本文描述的技術(shù)可以向用戶(例如，現(xiàn)場(chǎng)工程師、操作工程師和分析人員及其他人)提供用于可視化鉆井操作的可靠和直接工具，以評(píng)估當(dāng)前鉆井參數(shù)的效率，修改或以其他方式管理鉆井參數(shù)，或執(zhí)行其他類型的分析或設(shè)計(jì)。

通過(guò)參考圖1至圖5最好地理解本公開(kāi)的實(shí)施方案和其優(yōu)點(diǎn)，各圖中相同編號(hào)用于指示相同和對(duì)應(yīng)部分。

圖1示出了鉆井系統(tǒng)的示例性實(shí)施例的正視圖。鉆井系統(tǒng)100可包括井表面或井場(chǎng)106。諸如旋轉(zhuǎn)臺(tái)、鉆井液泵和鉆井液槽(未明確地示出)的各種類型的鉆井裝備可位于井表面或井場(chǎng)106處。例如，井場(chǎng)106可包括可具有與“陸地鉆機(jī)”相關(guān)聯(lián)的各種特性和特征的鉆機(jī)102。然而，包含本公開(kāi)的教導(dǎo)的鉆井系統(tǒng)可以令人滿意地與位于海上平臺(tái)、鉆井船、半潛船和鉆井駁船(未明確地示出)上的鉆井裝備一起使用。井場(chǎng)106和鉆機(jī)102可以坐于位于地表面下方的地下區(qū)域107的頂部。

鉆井系統(tǒng)100還可包括與旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭(“鉆頭”)101相關(guān)聯(lián)的鉆柱103，鉆柱103可用于形成各種井筒或鉆孔，例如總體垂直的井筒114a，總體水平的井筒114b或其任何組合。各種定向鉆井技術(shù)和鉆柱103的井下鉆具組件(bha)120的相關(guān)聯(lián)部件可用于形成水平井筒114b。例如，法向力可以在起動(dòng)位置113附近施加到bha120，以形成從總體垂直的井筒114a延伸的總體水平的井筒114b。術(shù)語(yǔ)“定向鉆井”可用于描述鉆探井筒或者井筒的部分，所述井筒或者井筒的部分以相對(duì)于垂直的一個(gè)或多個(gè)所需角度延伸。所需角度可大于與垂直井筒相關(guān)聯(lián)的正常變化。定向鉆井還可描述為鉆探偏離垂直的井筒。術(shù)語(yǔ)“水平鉆井”可用于包括在相對(duì)于垂直大約九十度(90°)的方向上鉆探。“井上”可以用于指更接近井表面106的井筒114的一部分。“井下”可以用于指更遠(yuǎn)離井表面106的井筒114的一部分。

bha120可由被配置來(lái)形成井筒114的各種各樣的部件形成。例如，bha120的部件122a、122b和122c可以包括但不限于鉆頭(例如鉆頭101)、取芯鉆頭、鉆鋌、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、定向鉆井工具、井下鉆井馬達(dá)、鉸刀、擴(kuò)孔器、穩(wěn)定器、傳感器、隨鉆測(cè)井工具或遙測(cè)子系統(tǒng)。包括在bha120中的部件122的數(shù)量和類型可取決于預(yù)期的井下鉆井條件和將由鉆柱103和旋轉(zhuǎn)鉆頭101形成的井筒的類型。

bha120可包括收集各種鉆井參數(shù)(諸如位置、取向、鉆壓(wob)、扭矩、振動(dòng)、井孔直徑、井下溫度和壓力或其他合適參數(shù))的測(cè)量值的傳感器。在一些實(shí)施例中，bha120的部件可包括傳感器、控制器、通信裝備或其他合適的部件。例如，部件122c可包括磁力計(jì)、傾斜計(jì)、加速度計(jì)、陀螺儀或其他合適的傳感器。鉆頭101的取向可根據(jù)工具面角度(旋轉(zhuǎn)取向)、傾斜角度(工具面的斜率)和羅盤方向來(lái)指定，其中每一個(gè)可以從部件122c中的傳感器的測(cè)量值得出。在一些實(shí)施例中，部件122c可包括3軸磁通門磁力計(jì)和3軸加速度計(jì)。

bha120可包括一個(gè)或多個(gè)隨鉆測(cè)井(lwd)工具，用于在鉆探井筒114時(shí)測(cè)量地下區(qū)域107的參數(shù)。在一些實(shí)施例中，部件122b可包括旋轉(zhuǎn)并收集電阻率、密度、孔隙率、聲波速度、放射性、中子或伽馬射線衰減、磁共振衰減率或任何其他合適的物理參數(shù)的測(cè)量值的lwd工具。部件122b還可包括將時(shí)間戳和當(dāng)前工具位置及取向與每個(gè)測(cè)量值相關(guān)聯(lián)的井下控制器。這樣的測(cè)量值可以被存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中并由井下控制器處理或被傳送到井表面106處的部件。井下控制器可以在傳送該測(cè)量值之前格式化、封裝或以其他方式處理與該測(cè)量值相關(guān)聯(lián)的信息。在一些實(shí)施例中，井下控制器可以在任何給定時(shí)間僅傳送測(cè)量值的一部分。

bha120可以包括遙測(cè)子系統(tǒng)，其保持與井表面106處的部件的通信鏈路，從井表面106處的部件接收命令并且傳送來(lái)自與鉆柱103相關(guān)聯(lián)的井下工具的測(cè)量值。在一些實(shí)施例中，部件122a可以包括與部件122c中的傳感器以及部件122b中的井下控制器和lwd工具通信的泥漿脈沖遙測(cè)系統(tǒng)。然而，可以使用任何合適的地下到地面的通信機(jī)制。

bha120可以包括其他類型的測(cè)井儀器(未明確地示出)以及與井筒的定向鉆井相關(guān)聯(lián)的和其他井下工具。測(cè)井工具和/或定向鉆井工具的實(shí)例可包括但不限于聲學(xué)、中子、γ射線、密度、光電、核磁共振、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和/或任何其他可商購(gòu)的井工具。此外，bha120還可包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)(未明確地示出)，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)連接至部件122a、122b和122c并與部件122a、122b和122c一起旋轉(zhuǎn)鉆柱103的至少一部分。

盡管本公開(kāi)描述了具體的部件122a、122b和122c，但是可以使用bha的任何合適的部件。此外，盡管本公開(kāi)討論了部件122a、122b和122c的特定布置，但是bha120的部件可以布置在bha120內(nèi)的任何合適的位置。

井筒114可部分地由套管柱110限定，所述套管柱110可從井表面106延伸至所選井下位置。井筒114的不包括套管柱110的部分可以被描述為“裸眼井”。各種類型的鉆井流體可以從井表面106通過(guò)鉆柱103泵送到鉆頭101。鉆井流體可以被引導(dǎo)以從鉆柱103流動(dòng)到穿過(guò)旋轉(zhuǎn)鉆頭101的各自噴嘴。鉆井流體可以通過(guò)環(huán)空108循環(huán)回井表面106。在裸眼井的實(shí)施例中，環(huán)空108可以由鉆柱103的外徑112和井筒114的內(nèi)徑118部分地限定。在使用套管柱110的實(shí)施例中，環(huán)空108可以由鉆柱103的外徑112和套管柱110的內(nèi)徑111限定。

鉆頭101可以包括一個(gè)或多個(gè)刀片126，其可以從鉆頭101的旋轉(zhuǎn)鉆頭體124的外部部分向外設(shè)置。刀片126可以是從旋轉(zhuǎn)鉆頭體124向外延伸的任何適合類型的突出。鉆頭101可在由方向箭頭105限定的方向上相對(duì)于鉆頭旋轉(zhuǎn)軸104旋轉(zhuǎn)。刀片126可包括從每個(gè)刀片126的外部部分向外設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)切削元件128。刀片126還可包括被配置來(lái)控制切削元件128的切削深度的一個(gè)或多個(gè)切削深度控制器(未明確地示出)。刀片126可進(jìn)一步包括設(shè)置在刀片126上的一個(gè)或多個(gè)保徑墊(未明確地示出)。根據(jù)鉆頭101的特定應(yīng)用，鉆頭101可以具有許多不同的設(shè)計(jì)、構(gòu)造和/或尺寸。

鉆井系統(tǒng)100還可以包括與井筒114中的傳感器、lwd工具、測(cè)井儀器和其他井下工具通信的計(jì)算子系統(tǒng)180。如圖1所示，計(jì)算子系統(tǒng)180可以位于井表面106處。在其他實(shí)施例中，計(jì)算子系統(tǒng)180或計(jì)算子系統(tǒng)180的部件可以位于井筒114內(nèi)。計(jì)算子系統(tǒng)180可以包括位于井場(chǎng)106處的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算設(shè)備或系統(tǒng)。計(jì)算子系統(tǒng)180或其任何部件可以位于與圖1所示的其他部件相分離的位置。例如，計(jì)算子系統(tǒng)180可以位于數(shù)據(jù)處理中心、計(jì)算設(shè)施或另外合適的位置。在一些情況下，計(jì)算子系統(tǒng)180的全部或部分可以被包含在井場(chǎng)處的技術(shù)指揮中心中、遠(yuǎn)程位置處的實(shí)時(shí)操作中心中、另外適當(dāng)位置或這些的任何合適的組合中。

計(jì)算子系統(tǒng)180可以接收并分析來(lái)自井筒114中的傳感器、lwd工具、測(cè)井儀器和其他井下工具的信息。計(jì)算子系統(tǒng)180可以在任何合適的時(shí)間從井下工具和傳感器接收信息。例如，計(jì)算子系統(tǒng)180可以在鉆井操作期間實(shí)時(shí)地或接近實(shí)時(shí)地從井下工具和傳感器接收信息。使用該信息，計(jì)算子系統(tǒng)180可以生成鉆頭101和鉆柱103的模型。該模型可以包括關(guān)于鉆柱的已知信息，例如構(gòu)成鉆柱103的鉆管段的數(shù)量、長(zhǎng)度、物理性質(zhì)和布置。該模型可以包括關(guān)于bha120和鉆頭101的信息，例如鉆頭中的牙輪或刀片的數(shù)量和布置。該模型可以包括關(guān)于鉆井操作的信息，例如鉆柱在井表面106處的旋轉(zhuǎn)速度或地下區(qū)域107的地質(zhì)性質(zhì)。該模型可以包括從bha120中的傳感器或鉆井系統(tǒng)100中包括的其他合適的傳感器收集的實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)的信息。

在操作中，計(jì)算子系統(tǒng)180可以在當(dāng)它們?cè)阢@井操作中使用時(shí)使用該模型來(lái)執(zhí)行對(duì)鉆柱103和鉆頭101的有限元分析。例如，該分析可用于在鉆井操作期間預(yù)測(cè)鉆柱的振動(dòng)模式及其對(duì)鉆頭101的定向行為和鉆速(rop)的影響。計(jì)算子系統(tǒng)180可以進(jìn)一步基于鉆頭101和鉆柱103的模型計(jì)算改善的鉆井參數(shù)，并將改善的鉆井參數(shù)傳送到與鉆柱103相關(guān)聯(lián)的井下控制器以便提高鉆井操作的效率。另外，在一些實(shí)施例中，計(jì)算子系統(tǒng)180可以經(jīng)由顯示器向用戶呈現(xiàn)傳感器和工具信息。在一些實(shí)施例中，計(jì)算子系統(tǒng)180可以向用戶呈現(xiàn)對(duì)鉆頭101的定向行為的預(yù)測(cè)，以允許操作者和工程師基于該信息對(duì)鉆井參數(shù)或鉆井操作的其他方面進(jìn)行調(diào)整。

鉆井系統(tǒng)100和計(jì)算子系統(tǒng)180可以包括或訪問(wèn)任何合適的通信基礎(chǔ)設(shè)施。例如，鉆井系統(tǒng)100可以包括多個(gè)單獨(dú)的通信鏈路，或互連通信鏈路的網(wǎng)絡(luò)。這些通信鏈路可以包括有線或無(wú)線通信系統(tǒng)。例如，計(jì)算子系統(tǒng)180的部件可以通過(guò)有線或無(wú)線鏈路或網(wǎng)絡(luò)彼此通信。這些通信鏈路可以包括公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星鏈路、專用通信信道、遠(yuǎn)程通信鏈路或這些和其他通信鏈路的任何合適的組合。

鉆井系統(tǒng)100可以包括額外的或不同的特征，并且鉆井系統(tǒng)100的這些特征可以被布置為如圖1所示，或者被布置為另外合適的結(jié)構(gòu)。這里描述的一些技術(shù)和操作可以由被配置成提供所描述的功能的計(jì)算子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在各種實(shí)施例中，計(jì)算系統(tǒng)可以包括各種類型的設(shè)備中的任何一種，包括但不限于個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、手持計(jì)算機(jī)、工作站、平板、應(yīng)用服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、計(jì)算集群或任何類型的計(jì)算或電子設(shè)備。

圖2示出了一個(gè)示例性計(jì)算子系統(tǒng)。計(jì)算子系統(tǒng)180可以位于鉆井系統(tǒng)100的一個(gè)或多個(gè)井筒處或附近或在遠(yuǎn)程位置處。計(jì)算子系統(tǒng)180的全部或部分可操作為鉆井系統(tǒng)100的部件或獨(dú)立于鉆井系統(tǒng)100，或獨(dú)立于圖1所示的任何其他部件。計(jì)算子系統(tǒng)180可以包括通過(guò)總線240通信地耦接的存儲(chǔ)器220、處理器210和輸入/輸出控制器230。

處理器210可以包括用于執(zhí)行指令的硬件，諸如構(gòu)成諸如應(yīng)用228的計(jì)算機(jī)程序的那些指令。作為例子而不當(dāng)作限制，為了執(zhí)行指令，處理器210可以從內(nèi)部寄存器、內(nèi)部高速緩存、存儲(chǔ)器220中檢索(或獲取)指令；解碼和執(zhí)行它們；然后將一個(gè)或多個(gè)結(jié)果寫入內(nèi)部寄存器、內(nèi)部高速緩存或存儲(chǔ)器220。在一些實(shí)施例中，處理器210可以例如基于數(shù)據(jù)輸入來(lái)執(zhí)行指令以生成輸出數(shù)據(jù)。例如，處理器210可以通過(guò)執(zhí)行或解釋包含在應(yīng)用228中的軟件、腳本、程序、功能、可執(zhí)行文件或其他模塊來(lái)運(yùn)行應(yīng)用228。處理器210可以執(zhí)行與圖2-5相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)操作。由處理器210接收的輸入數(shù)據(jù)或由處理器210產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)可以包括井筒數(shù)據(jù)221、鉆柱數(shù)據(jù)222、流體數(shù)據(jù)223、地質(zhì)數(shù)據(jù)224、鉆井參數(shù)226或其他合適的數(shù)據(jù)。

存儲(chǔ)器220可以包括例如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)、存儲(chǔ)設(shè)備(例如，可寫只讀存儲(chǔ)器(rom)等)、硬盤、固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備或另外類型的存儲(chǔ)介質(zhì)。計(jì)算子系統(tǒng)180可以是預(yù)編程的，或者其可以通過(guò)從另外的源(例如，從cd-rom、從另外的計(jì)算機(jī)設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或以另外的方式)加載程序來(lái)編程(和重新編程)。在一些實(shí)施例中，輸入/輸出控制器230可以耦接到輸入/輸出設(shè)備(例如，監(jiān)視器250、鼠標(biāo)、鍵盤或其他輸入/輸出設(shè)備)和通信鏈路260。輸入/輸出設(shè)備可以通過(guò)通信鏈路260以模擬或數(shù)字形式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

存儲(chǔ)器220可以存儲(chǔ)與操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用和其他資源相關(guān)聯(lián)的指令(例如，計(jì)算機(jī)代碼)。存儲(chǔ)器220還可以存儲(chǔ)可由在計(jì)算子系統(tǒng)180上運(yùn)行的一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用或虛擬機(jī)解釋的應(yīng)用數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)對(duì)象。存儲(chǔ)器220可以包括井筒數(shù)據(jù)221、鉆柱數(shù)據(jù)222、流體數(shù)據(jù)223、地質(zhì)數(shù)據(jù)223、鉆井參數(shù)226和應(yīng)用228。在一些實(shí)現(xiàn)中，計(jì)算設(shè)備的存儲(chǔ)器可以包括額外或不同的數(shù)據(jù)、應(yīng)用、模型或其他信息。

井筒數(shù)據(jù)221可以包括關(guān)于井筒的尺寸和取向的信息。例如，參考圖1，井筒數(shù)據(jù)221可以包括總體垂直的井筒114a、總體水平的井筒114b或其任何組合的傾斜角、方位角、直徑和深度。

鉆柱數(shù)據(jù)222可以包括關(guān)于存在于井筒中的鉆柱的性質(zhì)的信息。例如，參考圖1，鉆柱數(shù)據(jù)222可以包括鉆柱103中的鉆桿段的數(shù)量；每段的長(zhǎng)度；每段的外徑和內(nèi)徑；每段的重量和長(zhǎng)度；每段的材料性質(zhì)，諸如其極慣性矩、其剪切模量和其他合適的性質(zhì)；諸如穩(wěn)定器的鉆柱設(shè)備的位置；鉆柱和井筒之間已知接觸點(diǎn)的位置；和鉆柱的其他性質(zhì)。在一些實(shí)施例中，鉆柱數(shù)據(jù)222可以包括關(guān)于bha120中包括的傳感器、lwd工具和其他井下工具的類型的信息和/或關(guān)于鉆頭101的信息。例如，鉆柱數(shù)據(jù)222可以包括鉆頭101的直徑、鉆頭101中的牙輪或切割器的數(shù)量、鉆頭101的使用小時(shí)數(shù)以及鉆頭101的其它性質(zhì)。

流體數(shù)據(jù)223可以包括關(guān)于存在于井筒中的流體的信息。例如，參考圖1，流體數(shù)據(jù)223可以包括存在于井筒114中的鉆井液的密度和粘度參數(shù)。

地質(zhì)數(shù)據(jù)224可以包括關(guān)于地下區(qū)域107的地質(zhì)性質(zhì)的信息。例如，參考圖1，地質(zhì)數(shù)據(jù)224可以包括關(guān)于地下區(qū)域107中的一個(gè)或多個(gè)巖層的巖性、流體含量、應(yīng)力分布、，壓力分布、空間范圍、厚度、各向異性或其他屬性的信息。在一些實(shí)施例中，地質(zhì)數(shù)據(jù)224可以包括從測(cè)井、巖石樣品、露頭、地震勘測(cè)、微震成像或其他數(shù)據(jù)源收集的信息。

鉆井參數(shù)226可以包括關(guān)于用于導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭的機(jī)構(gòu)的信息。例如，參考圖1，鉆井參數(shù)226可以包括關(guān)于鉆頭101中包括的偏心機(jī)構(gòu)、偏心機(jī)構(gòu)允許的偏心設(shè)置的范圍、鉆壓(wob)、鉆柱103的旋轉(zhuǎn)速度、流量、勘測(cè)間隔及其他適當(dāng)?shù)膮?shù)的信息。在一些實(shí)施例中，鉆井參數(shù)226可以包括關(guān)于鉆頭101的當(dāng)前方向和面向的信息和/或關(guān)于將來(lái)要鉆探的井筒段的期望傾斜角、方位角和直徑的信息。

應(yīng)用程序228可以包括可由處理器210解釋或執(zhí)行的軟件應(yīng)用、腳本、程序、功能、可執(zhí)行程序或其他模塊。應(yīng)用228可以包括用于執(zhí)行與圖2-5相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)操作的機(jī)器可讀指令。例如，參考圖1，應(yīng)用228可以包括用于生成鉆頭101和鉆柱103的模型的機(jī)器可讀指令，以預(yù)測(cè)在鉆井操作期間鉆頭101的定向行為和鉆速(rop)。應(yīng)用228還可以包括用于將來(lái)自傳感器和從bha120中繼的其他井下工具的測(cè)量結(jié)合到模型中和/或計(jì)算改進(jìn)的鉆井參數(shù)的機(jī)器可讀指令。應(yīng)用228可以從存儲(chǔ)器220、從另外的本地源或從一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程源(例如，經(jīng)由通信鏈路260)接收或獲取諸如井筒數(shù)據(jù)221、鉆柱數(shù)據(jù)222、流體數(shù)據(jù)223、地質(zhì)數(shù)據(jù)224、鉆井參數(shù)226的輸入數(shù)據(jù)或其他類型的輸入數(shù)據(jù)。應(yīng)用228可以生成輸出數(shù)據(jù)并將輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器220中、另外的本地介質(zhì)中、或者一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備中(例如，通過(guò)經(jīng)由通信鏈路260發(fā)送輸出數(shù)據(jù))。

通信鏈路260可以包括任何類型的通信信道、連接器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)或其他鏈路。例如，通信鏈路260可以包括無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)(lan)、廣域網(wǎng)(wan)、專用網(wǎng)絡(luò)、公共網(wǎng)絡(luò)(例如因特網(wǎng))、wifi網(wǎng)絡(luò)、包括衛(wèi)星鏈路、串行鏈路、無(wú)線鏈路(例如，紅外、射頻等)、并行鏈路的網(wǎng)絡(luò)或另外類型的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。在一些實(shí)施例中，通信鏈路260可以包括多個(gè)通信鏈路。例如，通信鏈路260可以包括有線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和泥漿脈沖遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

圖3示出了示例性鉆柱的節(jié)段和作用于鉆柱上的力的正視圖。例如，參考圖1，鉆柱305可以是鉆柱103或鉆柱103的一部分。鉆柱305可以包括鉆管段310a-c。鉆管段310a-c中的每一個(gè)可以是鉆管的單段。管接頭320a可以連接鉆管段310a和310b。管接頭320b可以連接鉆管段310b和310c。鉆柱305可以位于井筒330內(nèi)。例如，參考圖1，鉆柱305可以位于井筒114內(nèi)。

在鉆井操作期間，鉆柱305可能經(jīng)受各種力或振動(dòng)。為了準(zhǔn)確地描述每個(gè)力或振動(dòng)，每個(gè)管接頭320可以由索引來(lái)表示。例如，管接頭320a可以由指數(shù)n來(lái)表示，而管接頭320b可以由指數(shù)n+1來(lái)表示。鉆柱305在特定位置經(jīng)受的力或振動(dòng)可以類似地由指數(shù)n來(lái)表示以指示經(jīng)受的位置。盡管本公開(kāi)示出了在表面以n＝0開(kāi)始并隨深度增加的指數(shù)n，但可以使用隨深度減小的指數(shù)或任何其他合適的指數(shù)。力或振動(dòng)也可以按照三個(gè)正交軸來(lái)描述。在一些實(shí)施例中，z軸可以沿著鉆柱305的軸線并且隨著深度而增加，而x軸和y軸垂直于z軸并且彼此垂直。然而，可以使用任何合適的軸系來(lái)描述力和振動(dòng)。

在一些實(shí)施例中，在管接頭320a的大致位置處，鉆柱305可能經(jīng)受沿x軸的法向力350a，稱為fx(n)，以及圍繞x軸的扭轉(zhuǎn)力351a，稱為mx(n)。在大致相同位置處，鉆柱305可能還經(jīng)受沿y軸的法向力360a，稱為fy(n)，以及圍繞y軸的扭轉(zhuǎn)力361a，稱為my(n)。在大致相同位置處，鉆柱305可能還經(jīng)受沿z軸的軸向力370a，稱為fx(n)，以及圍繞z軸的扭轉(zhuǎn)力371a，稱為mz(n)。類似地，在管接頭320b的大致位置處，鉆柱305可能經(jīng)受力350b、351b、360b、361b、370b和371b，分別稱為fx(n+1)、mx(n+1)、fy(n+1)、my(n+1)、fz(n+1)和mz(n+1)。力350-371可以是恒定的、變化的或周期性的(例如振動(dòng))。作用于一個(gè)節(jié)點(diǎn)(例如管接頭320a)上的力350-371可被傳遞或部分地傳遞到鉆柱305的相鄰或附近部分。例如，鉆桿段310b可以將扭轉(zhuǎn)力361a的一部分從管接頭320a傳遞到管接頭320b。因此，作用在鉆柱305的任何部分上的力可以直接或間接地影響在鉆柱的端部(例如在鉆頭101處)操作的力。

圖4示出了根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的示例性鉆柱的有限元模型的局部視圖。有限元模型400可以包括張弦梁405，其包括以線串排列的梁元件410。在一些實(shí)施例中，每個(gè)梁元件410可以表示一個(gè)鉆桿段。例如，參考圖3，梁元件410a可以表示鉆桿段310a，梁元件410b可以表示鉆桿段310b，梁元件410c可以表示鉆桿段310c。模型400可以包括表示每個(gè)梁元件的各種性質(zhì)的參數(shù)。例如，每個(gè)梁元件410的參數(shù)可以包括壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲性質(zhì)。

有限元模型400還可以包括連接梁元件410的節(jié)點(diǎn)420。例如，節(jié)點(diǎn)420a可以連接梁元件410a和梁元件410b。在一些實(shí)施例中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)420可以表示連接兩個(gè)鉆管段的管接頭。例如，參考圖3，節(jié)點(diǎn)420a可以表示管接頭320a，節(jié)點(diǎn)420b可以表示管接頭420b。在一些實(shí)施例中，節(jié)點(diǎn)420可以具有六個(gè)或更多個(gè)自由度，包括沿x軸、y軸和z軸的每一個(gè)平移和繞其旋轉(zhuǎn)。有限元模型400還可以包括表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)420處的力的參數(shù)。例如，參考圖3，節(jié)點(diǎn)420a的參數(shù)可以包括fx(n)、mx(n)、fy(n)、my(n)、fz(n)和mz(n)的表示。

有限元模型400還可以包括鉆孔元件430。在一些實(shí)施例中，孔元件430可以表示包含鉆柱的井筒。例如，參考圖3，孔元件430可以表示井筒330。

有限元模型400還可以包括連接梁元件410和孔元件430的接觸元件440。接觸元件440可以表示鉆柱和井筒之間的間隙。例如，參考圖3，接觸元件440可以表示鉆柱305與井筒330之間的間隙。在一些實(shí)施例中，接觸元件440可以表示作用在梁元件410上的一個(gè)或多個(gè)力。例如，參考圖3，接觸元件440a可以表示在節(jié)點(diǎn)320a上平行于fx(n)的壓縮力。在一些實(shí)施例中，接觸元件440還可以表示與梁元件410相切的摩擦力。例如，接觸元件440a還可以表示在節(jié)點(diǎn)320a上平行于fy(n)和fz(n)的的摩擦力。在一些實(shí)施例中，接觸元件440還可以包括滑動(dòng)摩擦系數(shù)。例如，參考圖1，接觸元件440可以包括取決于井筒114中存在的鉆井液的物理特性以及井筒114是裸眼井還是替代地在對(duì)應(yīng)于接觸元件的位置處包括套管柱110的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

在一些實(shí)施例中，有限元模型400是二維模型。例如，有限元模型400可以包括位于每個(gè)節(jié)點(diǎn)420的相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)接觸元件440。在其他實(shí)施例中，有限元模型400是三維模型。例如，有限元模型400可以包括用于每個(gè)節(jié)點(diǎn)420的四個(gè)接觸元件440，這些接觸元件440相對(duì)成對(duì)布置，每對(duì)配置成垂直于另一對(duì)。

在一些實(shí)施例中，可以使用有限元模型400來(lái)對(duì)鉆柱執(zhí)行有限元分析。例如，可以基于節(jié)點(diǎn)n處的法向力fx(n)和fy(n)以及摩擦系數(shù)來(lái)計(jì)算每個(gè)梁段410上的阻力。在一些實(shí)施例中，節(jié)點(diǎn)n處的阻力可以根據(jù)以下方程計(jì)算為克服節(jié)點(diǎn)n處的摩擦力所需的增量力矩δm(n)：

δft(n)＝wcosθa±μfn(n)(2)

δm(n)＝μ(ii)fn(n)r(3)

其中

fn(n)＝作用于梁元件n上的凈法向力；

ft(n)＝作用于梁元件n的下端的軸向張力；

δft(n)＝在梁元件n長(zhǎng)度上的張力增加；

δm(n)＝在梁元件n長(zhǎng)度上的扭力增加(即摩擦力的阻力)；

r＝梁元件n的半徑；

w＝梁元件n由任何鉆井液浮起的重量；

δα(n)＝在梁元件n長(zhǎng)度上的方位角增加；

δθ(n)＝在梁元件n長(zhǎng)度上的傾斜角增加；

δθa(n)＝梁元件n的平均傾斜角；以及

μ(n)＝梁元件n與孔元件430之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

整個(gè)鉆柱的總阻力可以通過(guò)對(duì)每個(gè)梁段的阻力求和來(lái)計(jì)算。

也可以計(jì)算每個(gè)梁段的扭轉(zhuǎn)力。在一些實(shí)施例中，該計(jì)算可以以施加到第一梁元件的扭矩t0開(kāi)始。例如，參考圖1，扭矩t0可以表示在井場(chǎng)106處由旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)施加的扭矩?？梢曰诠?jié)點(diǎn)1處的扭矩t0和阻力來(lái)計(jì)算第一梁段的扭轉(zhuǎn)力。然后可以根據(jù)以下方程計(jì)算其他節(jié)點(diǎn)處的扭矩t(n)：

其中

θ(n)＝梁元件n的角位移；

j(n)＝梁元件n的極慣性矩；

g(n)＝梁元件n的剪切模量；以及

l(n)＝梁元件n的長(zhǎng)度。

在某些情況下，某些節(jié)點(diǎn)n處的阻力可能超過(guò)該節(jié)點(diǎn)處的扭矩t(n)。在這種情況下，該模型預(yù)測(cè)梁元件n將“粘”靠孔元件。如果扭矩t(n)稍后超過(guò)該節(jié)點(diǎn)處的阻力，則梁元件可以釋放自己。這被稱為“滑”。通過(guò)計(jì)算模型中每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的扭矩和阻力，該模型可以預(yù)測(cè)粘滑事件的發(fā)生。此外，通過(guò)計(jì)算鉆柱底部的最終梁元件處的扭矩，該模型可用于計(jì)算bha處的扭矩(從而計(jì)算鉆頭處的扭矩)。通過(guò)將該扭矩與鉆頭上的阻力進(jìn)行比較，還可以計(jì)算bha和鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。在一些實(shí)施例中，可以將計(jì)算得到的bha處的扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與由傳感器所報(bào)告的bha處的實(shí)際扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率進(jìn)行比較，從而允許調(diào)整模型以匹配實(shí)際性能。

在一些實(shí)施例中，有限元分析還可包括對(duì)孔元件430內(nèi)的每個(gè)梁元件410的位置的靜態(tài)分析。例如，有限元分析可包括計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)沿著x軸和y軸的橫向位移，沿z軸的軸向位移以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)和孔元件430之間的距離。

在一些實(shí)施例中，有限元分析還可包括對(duì)張弦梁405的振動(dòng)模式的分析。在一些實(shí)施例中，振動(dòng)分析可以包括一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)因子以表示由于鉆頭與井筒的端部或側(cè)面接觸而作用于鉆頭上的力。激勵(lì)因子可以基于鉆頭和鉆柱的性質(zhì)以及當(dāng)前的鉆井參數(shù)。例如，當(dāng)鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)從而鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鉆頭的切削表面與井筒的端部周期性接觸。為了表示由井筒端部施加在鉆頭上的力，勵(lì)磁因素可以包括最低節(jié)點(diǎn)的正弦軸向激勵(lì)，其頻率大致等于鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率乘以鉆頭中的牙輪或刀片的數(shù)量。類似地，由于穩(wěn)定葉片或刀片與井筒的側(cè)面之間的接觸，鉆柱可能會(huì)經(jīng)受橫向力。為了表示這些力，勵(lì)磁因素可以包括最低節(jié)點(diǎn)的正弦橫向激勵(lì)，其頻率大致等于鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率乘以鉆頭上的葉片或刀片的數(shù)量。在一些實(shí)施例中，這些激勵(lì)因子的振幅可以等于wob。在一些實(shí)施例中，由模型預(yù)測(cè)的粘滑事件可能導(dǎo)致額外的激勵(lì)因子。盡管在本公開(kāi)中描述了特定的激勵(lì)因子，但是可以使用任何合適的激勵(lì)因子。這些激勵(lì)因子的影響可以根據(jù)上述方程通過(guò)模型傳播，并且可以計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)410處的振動(dòng)的振幅和頻率。

在一些實(shí)施例中，振動(dòng)分析包括對(duì)張弦梁405中的節(jié)點(diǎn)410的諧波分析。例如，一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)因子可能導(dǎo)致張弦梁405的某些部分以固有頻率進(jìn)行振動(dòng)，引起一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)410的大的橫向位移。在鉆井操作期間，這種振動(dòng)可能導(dǎo)致鉆井效率的損失或鉆頭的rop和定向行為的改變。例如，參考圖1，bha120處的橫向振動(dòng)可以改變鉆頭101的側(cè)切角度，從而引起鉆頭101的定向行為的改變。bha120處的軸向振動(dòng)可以減小或增加鉆頭101的有效wob，從而引起鉆頭101的rop的改變。沿著鉆柱103的滑移事件可能導(dǎo)致鉆頭101處的額外振動(dòng)或扭矩?fù)p失，從而引起鉆井操作效率的改變。以這種方式，該有限元分析可以用于基于使用的實(shí)際鉆井參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)鉆井方向、rop和效率。

在一些實(shí)施例中，當(dāng)鉆柱以預(yù)定間隔前進(jìn)時(shí)，可以重復(fù)有限元分析。例如，參考圖1，可以每當(dāng)bha120穿透到地下區(qū)域107中五到十英尺即重復(fù)有限元分析。盡管本公開(kāi)討論了特定范圍的預(yù)定間隔，但是可以使用任何合適的預(yù)定間隔。在一些實(shí)施例中，可以當(dāng)其他輸入?yún)?shù)改變時(shí)重復(fù)有限元分析。例如，當(dāng)bha120進(jìn)入具有不同性質(zhì)的新的地下區(qū)域時(shí)，當(dāng)鉆柱的wob或轉(zhuǎn)速改變時(shí)，或者響應(yīng)于鉆井操作中的其他適當(dāng)改變時(shí)，可以重復(fù)有限元分析。在一些實(shí)施例中，可以以預(yù)定的時(shí)間間隔重復(fù)有限元分析。例如，可以每十秒重復(fù)有限元分析。

在一些實(shí)施例中，可以執(zhí)行有限元分析用于基于更新后的鉆井參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)鉆井方向、rop和效率。例如，操作者可以測(cè)試改變鉆柱的wob或轉(zhuǎn)速的效果。在一些實(shí)施例中，可以使用迭代算法來(lái)尋找使rop或鉆井效率最大化或?qū)е伦駨你@頭的期望定向行為的鉆井參數(shù)。

圖5示出了根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施例的用于對(duì)高級(jí)三維井底鉆具組件進(jìn)行建模的示例性方法的流程圖。示例性方法500的全部或部分可以是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，例如，使用圖1-2所示的示例性計(jì)算子系統(tǒng)180或其他計(jì)算系統(tǒng)的特征和屬性?？梢酝瑫r(shí)迭代或執(zhí)行方法500、方法500的單個(gè)操作、或方法500的操作組以實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)果。在一些情況下，方法500可以包括以相同或不同順序執(zhí)行的相同的、額外的、較少的或不同的操作。可以在靠近井筒、遠(yuǎn)程位置或在另外位置的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行方法500。在一些實(shí)施例中，可以在井筒的內(nèi)部或底部執(zhí)行方法500、方法500的單個(gè)操作、或方法500的操作組。例如，可以由位于bha120中的井下控制器執(zhí)行方法500、方法500的單個(gè)操作、或方法500的操作組。

在步驟510，可以確定一個(gè)或多個(gè)輸入性質(zhì)。在一些實(shí)施例中，輸入性質(zhì)集合可以包括基于在鉆井操作中使用的鉆柱的鉆柱性質(zhì)。例如，參考圖1-2，鉆柱數(shù)據(jù)222可以由操作者輸入，或者基于鉆柱103的性質(zhì)從自動(dòng)系統(tǒng)加載。在一些實(shí)施例中，鉆柱可以包括旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭。例如，鉆柱103可以包括bha120，其包括旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭101。輸入性質(zhì)集合可以包括基于在鉆井操作中使用的井筒的井筒性質(zhì)集合。例如，參考圖1-2，井筒數(shù)據(jù)221可以由操作者輸入，或者基于井筒114的性質(zhì)從自動(dòng)系統(tǒng)加載。輸入性質(zhì)集合可以包括基于在鉆井操作中使用的流體的流體性質(zhì)集合。例如，參考圖1-2，流體數(shù)據(jù)223可以由操作者輸入，或者基于存在于井筒114中的流體的性質(zhì)從自動(dòng)系統(tǒng)加載。輸入性質(zhì)集合可以包括基于被鉆井操作穿透的一個(gè)或多個(gè)地下區(qū)域的地質(zhì)性質(zhì)集合。例如，參考圖1-2，地質(zhì)數(shù)據(jù)224可以由操作者輸入，或者基于地下區(qū)域107的性質(zhì)從自動(dòng)系統(tǒng)加載。

在步驟520，可以確定一個(gè)或多個(gè)鉆井參數(shù)。例如，參考圖2，鉆井參數(shù)226可以由操作者輸入，或者基于在鉆井現(xiàn)場(chǎng)101的鉆井操作的當(dāng)前參數(shù)從自動(dòng)系統(tǒng)加載。

在步驟530，可以生成鉆柱的有限元模型。有限元模型可用于表示鉆柱的部件并評(píng)估其在鉆井操作期間的行為。在一些實(shí)施例中，有限元模型可以基于鉆柱性質(zhì)集合、井筒性質(zhì)集合、流體性質(zhì)集合、地質(zhì)性質(zhì)集合和/或鉆井參數(shù)集合。例如，參考圖2和圖4，可以基于鉆柱性質(zhì)221、井筒性質(zhì)222和鉆井參數(shù)226來(lái)生成有限元模型400。在一些實(shí)施例中，有限元模型可以包括二維模型。在一些實(shí)施例中，有限元模型可以包括三維模型。

在步驟535，可以對(duì)有限元模型執(zhí)行振動(dòng)分析。例如，如上面結(jié)合圖4所討論的，可以計(jì)算張弦梁405中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的阻力、扭轉(zhuǎn)力和扭矩。在一些實(shí)施例中，可以基于鉆頭和鉆柱的性質(zhì)以及當(dāng)前鉆井參數(shù)來(lái)計(jì)算表示作用在鉆頭上的力的激勵(lì)因子集合。例如，如上面結(jié)合圖4所討論的，該激勵(lì)因子集合可以包括基于鉆頭性質(zhì)的橫向和軸向激勵(lì)。在一些實(shí)施例中，振動(dòng)分析可以包括對(duì)有限元模型的諧波分析。在一些實(shí)施例中，可以進(jìn)一步對(duì)每個(gè)梁元件的位置執(zhí)行靜態(tài)分析。在一些實(shí)施例中，可以實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)地執(zhí)行振動(dòng)分析。

在步驟540，可以基于有限元模型和振動(dòng)分析來(lái)預(yù)測(cè)一個(gè)或多個(gè)鉆柱行為。在一些實(shí)施例中，鉆柱行為集合可以包括旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭的定向行為、鉆速或鉆井效率。在一些實(shí)施例中，可以實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)地執(zhí)行對(duì)鉆柱行為的預(yù)測(cè)。在一些實(shí)施例中，鉆柱行為集合可以進(jìn)一步顯示給操作者，操作員可以使用該信息來(lái)監(jiān)視鉆井操作或檢查對(duì)鉆井計(jì)劃的遵從性(例如，通過(guò)將鉆頭的預(yù)測(cè)的定向行為和rop與期望的定向行為和rop進(jìn)行比較)。

在步驟545，可以檢測(cè)鉆頭的前進(jìn)。在一些實(shí)施例中，當(dāng)鉆頭在鉆井方向上前進(jìn)至少預(yù)定間隔時(shí)，可以檢測(cè)到前進(jìn)。例如，如上參照?qǐng)D1結(jié)合圖4所討論的，由于執(zhí)行了步驟530-540，可以檢測(cè)到bha120和鉆頭101已經(jīng)向地下區(qū)域107中穿透了五至十英尺或任何其他合適的距離。響應(yīng)于檢測(cè)到鉆頭的前進(jìn)，方法500可以返回到步驟505。否則，方法500可以繼續(xù)到步驟550。

在步驟550，可以檢測(cè)到輸入性質(zhì)或鉆井參數(shù)的改變。例如，當(dāng)添加新的鉆柱段時(shí)，或者當(dāng)操作者改變鉆頭的期望定向行為時(shí)，可以檢測(cè)到改變。響應(yīng)于檢測(cè)到改變，方法500可以返回到步驟505。否則，方法500可以繼續(xù)到步驟555。

在步驟555，可以確定一個(gè)或多個(gè)更新后的鉆井參數(shù)。例如，在一些實(shí)施例中，操作者可以選擇一組更新后的鉆井參數(shù)以與現(xiàn)有的鉆井參數(shù)進(jìn)行比較。在一些實(shí)施例中，可以選擇一組更新后的鉆井參數(shù)作為迭代搜索算法的一部分。

在步驟560，可以生成鉆柱的更新后的有限元模型。例如，可以基于鉆柱性質(zhì)221、井筒性質(zhì)222和更新后的鉆井參數(shù)來(lái)生成與有限元模型400類似的更新后的有限元模型。

在步驟565，可以對(duì)更新后的有限元模型執(zhí)行更新后的振動(dòng)分析。在一些實(shí)施例中，以與在步驟535中對(duì)有限元模型執(zhí)行振動(dòng)分析相同的方式在更新后的有限元模型上執(zhí)行更新后的振動(dòng)分析。

在步驟570，可以基于更新后的振動(dòng)分析來(lái)預(yù)測(cè)一個(gè)或多個(gè)更新后的鉆柱行為。在一些實(shí)施例中，以與在步驟540中基于振動(dòng)分析來(lái)預(yù)測(cè)鉆柱行為相同的方式基于更新后的振動(dòng)分析來(lái)預(yù)測(cè)更新后的鉆柱行為。

在步驟575，過(guò)程500可以確定在步驟570中預(yù)測(cè)的更新后的鉆柱行為是否表示相對(duì)于在步驟540中預(yù)測(cè)的鉆柱行為的改進(jìn)。例如，如果與在步驟555中確定的更新后的鉆井參數(shù)相對(duì)應(yīng)的鉆頭的預(yù)測(cè)定向行為比與在步驟530中確定的鉆井參數(shù)相對(duì)應(yīng)的鉆頭的預(yù)測(cè)定向行為更接近于期望的定向行為，則可能發(fā)生了改進(jìn)。響應(yīng)于檢測(cè)到改進(jìn)，方法500可以繼續(xù)到步驟580。否則，方法500可以終止。

在步驟580，可以利用更新后的鉆井參數(shù)集合來(lái)替換鉆井參數(shù)集合。方法500然后可以返回到步驟525。

在一些實(shí)施例中，示例性方法(例如方法500)中的部分或全部步驟在鉆井操作期間實(shí)時(shí)地執(zhí)行?？梢詫?shí)時(shí)地執(zhí)行步驟，例如通過(guò)響應(yīng)于接收數(shù)據(jù)(例如來(lái)自傳感器或監(jiān)視系統(tǒng))沒(méi)有實(shí)質(zhì)性延遲地執(zhí)行該步驟?？梢詫?shí)時(shí)地執(zhí)行步驟，例如通過(guò)在監(jiān)視來(lái)自井下控制器或遙測(cè)子系統(tǒng)的額外數(shù)據(jù)的同時(shí)執(zhí)行該步驟。一些實(shí)時(shí)步驟可以在鉆井操作期間接收輸入并產(chǎn)生輸出；某些情況下，輸出在允許用戶響應(yīng)輸出的時(shí)間范圍內(nèi)可供用戶使用，例如通過(guò)修改鉆井操作。

在一些實(shí)施例中，示例性方法(例如方法500)中的部分或全部步驟在鉆井操作期間動(dòng)態(tài)地執(zhí)行?？梢詣?dòng)態(tài)地執(zhí)行步驟，例如當(dāng)輸入可用時(shí)基于額外的輸入例如通過(guò)迭代地或重復(fù)地執(zhí)行該步驟。在一些情況下，響應(yīng)于從井下控制器或遙測(cè)子系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行動(dòng)態(tài)步驟。

本文所公開(kāi)的實(shí)施例包括：

a.一種方法，其包括(a)確定具有旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭的鉆柱的鉆柱性質(zhì)；(b)確定鉆井操作的鉆井參數(shù)；(c)基于鉆柱性質(zhì)和鉆井參數(shù)生成鉆柱的有限元模型；(d)對(duì)有限元模型執(zhí)行振動(dòng)分析；以及(e)基于振動(dòng)分析來(lái)預(yù)測(cè)在鉆井操作期間的鉆柱行為，鉆柱行為包括旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭的定向行為、鉆速或鉆井效率。

b.一種系統(tǒng)，其包括處理器；與處理器通信的存儲(chǔ)器；以及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上的指令，當(dāng)由處理器執(zhí)行時(shí)該指令使得處理器(a)確定具有旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭的鉆柱的鉆柱性質(zhì)；(b)確定鉆井操作的鉆井參數(shù)；(c)基于鉆柱性質(zhì)和鉆井參數(shù)生成鉆柱的有限元模型；(d)對(duì)有限元模型執(zhí)行振動(dòng)分析；以及(e)基于振動(dòng)分析來(lái)預(yù)測(cè)在鉆井操作期間的鉆柱行為，鉆柱行為包括旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭的定向行為、鉆速或鉆井效率。

c.一種制品，其包括存儲(chǔ)指令的非易失性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)由處理器執(zhí)行時(shí)該指令使得處理器(a)確定具有旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭的鉆柱的鉆柱性質(zhì)；(b)確定鉆井操作的鉆井參數(shù)；(c)基于鉆柱性質(zhì)和鉆井參數(shù)生成鉆柱的有限元模型；(d)對(duì)有限元模型執(zhí)行振動(dòng)分析；以及(e)基于振動(dòng)分析來(lái)預(yù)測(cè)在鉆井操作期間的鉆柱行為，鉆柱行為包括旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭的定向行為、鉆速或鉆井效率。

實(shí)施例a、b和c中的每一個(gè)可以具有任何組合的一個(gè)或多個(gè)以下附加元件。要素1：其中執(zhí)行振動(dòng)分析包括基于旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭來(lái)計(jì)算激勵(lì)因子的影響。要素2：其中有限元模型包括三維模型。要素3：還包括確定用于鉆井操作的更新后的鉆井參數(shù)；基于鉆柱性質(zhì)和更新后的鉆井參數(shù)生成鉆柱的更新后的有限元模型；對(duì)更新后的有限元模型執(zhí)行更新后的振動(dòng)分析；基于更新后的振動(dòng)分析來(lái)預(yù)測(cè)更新后的鉆柱行為；并確定更新后的鉆柱行為是否表示相對(duì)于鉆柱行為的改進(jìn)。要素4：還包括檢測(cè)旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)向鉆頭是否在鉆井方向上已經(jīng)前進(jìn)至少預(yù)定長(zhǎng)度；以及響應(yīng)于檢測(cè)到鉆頭已經(jīng)前進(jìn)至少預(yù)定長(zhǎng)度而重復(fù)步驟(c)-(e)。要素5：還包括檢測(cè)鉆柱性質(zhì)或鉆井參數(shù)的改變；以及響應(yīng)于檢測(cè)到鉆柱性質(zhì)或鉆井參數(shù)的改變而重復(fù)步驟(c)-(e)。要素6：其中步驟(d)-(e)實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)地執(zhí)行。

雖然本說(shuō)明書含有許多細(xì)節(jié)，但是這些細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制權(quán)利要求書的范圍，反而應(yīng)被解釋為對(duì)特定實(shí)例所特有的特征的描述。在本說(shuō)明書中在獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的環(huán)境中描述的某些特征也可以組合。相反，在單個(gè)實(shí)現(xiàn)的環(huán)境中描述的各個(gè)特征也可以在多個(gè)實(shí)現(xiàn)中獨(dú)立地或以任何合適的子組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

已描述了多個(gè)例子。然而，應(yīng)當(dāng)理解，可以向本領(lǐng)域技術(shù)人員建議各種改變和修改。因此，本公開(kāi)旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的這些改變和修改。