本公開總體上涉及地下鉆探操作，并且更具體地，涉及用于建模高級三維井底鉆具組件的方法和系統(tǒng)。

背景技術：

自然資源，例如碳氫化合物和水，通常從位于陸上或海上的地下地層獲得。地下作業(yè)的開發(fā)和從地下巖層中移除自然資源所涉及的過程通常包括許多不同的步驟，例如在期望的井場處鉆井筒，處理井筒以優(yōu)化自然資源的生產，并執(zhí)行必要的步驟以生產和處理來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向旋轉鉆頭。井底鉆具組件可以包括鉆柱、電動離合器組件和耦接到鉆頭的驅動軸。這些部件一起工作以提供導向動力以使驅動軸彎曲，從而使鉆頭沿期望的方向導向。

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

附圖說明

為了更完全地理解本公開和其特征與優(yōu)點，現(xiàn)結合附圖來參考以下描述，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示出了用于對高級三維井底鉆具組件進行建模的示例性方法的流程圖。

具體實施方式

本公開描述了用于執(zhí)行鉆柱的振動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將鉆柱和井筒表示為由多個節(jié)點連接的離散梁元件的集合來生成，每個離散梁元件包括性質或參數的有限集?？梢酝ㄟ^在每個時間點計算基于周圍元素和節(jié)點的每個元素和節(jié)點的行為來預測整個系統(tǒng)的行為。以這種方式，復雜的物理問題可以通過將其分成解多個較小的塊、求解每個塊、然后組合所有解來解決。因此，可以根據本公開的教導設計系統(tǒng)和方法以創(chuàng)建鉆柱的有限元模型并預測其行為。模型的有限元分析或有限元分析的結果可用于評估鉆井操作的效率并預測鉆頭(例如旋轉可導向鉆頭)的定向性能和鉆速(rop)。在一些實施例中，例如在鉆井操作期間實時地動態(tài)識別和顯示有限元分析或有限元分析的結果。在一些實施例中，本文描述的技術可以向用戶(例如，現(xiàn)場工程師、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，以評估當前鉆井參數的效率，修改或以其他方式管理鉆井參數，或執(zhí)行其他類型的分析或設計。

通過參考圖1至圖5最好地理解本公開的實施方案和其優(yōu)點，各圖中相同編號用于指示相同和對應部分。

圖1示出了鉆井系統(tǒng)的示例性實施例的正視圖。鉆井系統(tǒng)100可包括井表面或井場106。諸如旋轉臺、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106處。例如，井場106可包括可具有與“陸地鉆機”相關聯(lián)的各種特性和特征的鉆機102。然而，包含本公開的教導的鉆井系統(tǒng)可以令人滿意地與位于海上平臺、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106和鉆機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還可包括與旋轉可導向鉆頭(“鉆頭”)101相關聯(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。各種定向鉆井技術和鉆柱103的井下鉆具組件(bha)120的相關聯(lián)部件可用于形成水平井筒114b。例如，法向力可以在起動位置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。術語“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于垂直的一個或多個所需角度延伸。所需角度可大于與垂直井筒相關聯(lián)的正常變化。定向鉆井還可描述為鉆探偏離垂直的井筒。術語“水平鉆井”可用于包括在相對于垂直大約九十度(90°)的方向上鉆探?！熬稀笨梢杂糜谥父咏砻?06的井筒114的一部分。“井下”可以用于指更遠離井表面106的井筒114的一部分。

bha120可由被配置來形成井筒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、旋轉導向工具、定向鉆井工具、井下鉆井馬達、鉸刀、擴孔器、穩(wěn)定器、傳感器、隨鉆測井工具或遙測子系統(tǒng)。包括在bha120中的部件122的數量和類型可取決于預期的井下鉆井條件和將由鉆柱103和旋轉鉆頭101形成的井筒的類型。

bha120可包括收集各種鉆井參數(諸如位置、取向、鉆壓(wob)、扭矩、振動、井孔直徑、井下溫度和壓力或其他合適參數)的測量值的傳感器。在一些實施例中，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、傾斜計、加速度計、陀螺儀或其他合適的傳感器。鉆頭101的取向可根據工具面角度(旋轉取向)、傾斜角度(工具面的斜率)和羅盤方向來指定，其中每一個可以從部件122c中的傳感器的測量值得出。在一些實施例中，部件122c可包括3軸磁通門磁力計和3軸加速度計。

bha120可包括一個或多個隨鉆測井(lwd)工具，用于在鉆探井筒114時測量地下區(qū)域107的參數。在一些實施例中，部件122b可包括旋轉并收集電阻率、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的測量值的lwd工具。部件122b還可包括將時間戳和當前工具位置及取向與每個測量值相關聯(lián)的井下控制器。這樣的測量值可以被存儲在內部存儲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量值之前格式化、封裝或以其他方式處理與該測量值相關聯(lián)的信息。在一些實施例中，井下控制器可以在任何給定時間僅傳送測量值的一部分。

bha120可以包括遙測子系統(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自與鉆柱103相關聯(lián)的井下工具的測量值。在一些實施例中，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系統(tǒng)。然而，可以使用任何合適的地下到地面的通信機制。

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

盡管本公開描述了具體的部件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通過鉆柱103泵送到鉆頭101。鉆井流體可以被引導以從鉆柱103流動到穿過旋轉鉆頭101的各自噴嘴。鉆井流體可以通過環(huán)空108循環(huán)回井表面106。在裸眼井的實施例中，環(huán)空108可以由鉆柱103的外徑112和井筒114的內徑118部分地限定。在使用套管柱110的實施例中，環(huán)空108可以由鉆柱103的外徑112和套管柱110的內徑111限定。

鉆頭101可以包括一個或多個刀片126，其可以從鉆頭101的旋轉鉆頭體124的外部部分向外設置。刀片126可以是從旋轉鉆頭體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限定的方向上相對于鉆頭旋轉軸104旋轉。刀片126可包括從每個刀片126的外部部分向外設置的一個或多個切削元件128。刀片126還可包括被配置來控制切削元件128的切削深度的一個或多個切削深度控制器(未明確地示出)。刀片126可進一步包括設置在刀片126上的一個或多個保徑墊(未明確地示出)。根據鉆頭101的特定應用，鉆頭101可以具有許多不同的設計、構造和/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、測井儀器和其他井下工具通信的計算子系統(tǒng)180。如圖1所示，計算子系統(tǒng)180可以位于井表面106處。在其他實施例中，計算子系統(tǒng)180或計算子系統(tǒng)180的部件可以位于井筒114內。計算子系統(tǒng)180可以包括位于井場106處的一個或多個計算設備或系統(tǒng)。計算子系統(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，計算子系統(tǒng)180可以位于數據處理中心、計算設施或另外合適的位置。在一些情況下，計算子系統(tǒng)180的全部或部分可以被包含在井場處的技術指揮中心中、遠程位置處的實時操作中心中、另外適當位置或這些的任何合適的組合中。

計算子系統(tǒng)180可以接收并分析來自井筒114中的傳感器、lwd工具、測井儀器和其他井下工具的信息。計算子系統(tǒng)180可以在任何合適的時間從井下工具和傳感器接收信息。例如，計算子系統(tǒng)180可以在鉆井操作期間實時地或接近實時地從井下工具和傳感器接收信息。使用該信息，計算子系統(tǒng)180可以生成鉆頭101和鉆柱103的模型。該模型可以包括關于鉆柱的已知信息，例如構成鉆柱103的鉆管段的數量、長度、物理性質和布置。該模型可以包括關于bha120和鉆頭101的信息，例如鉆頭中的牙輪或刀片的數量和布置。該模型可以包括關于鉆井操作的信息，例如鉆柱在井表面106處的旋轉速度或地下區(qū)域107的地質性質。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時或接近實時的信息。

在操作中，計算子系統(tǒng)180可以在當它們在鉆井操作中使用時使用該模型來執(zhí)行對鉆柱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測鉆柱的振動模式及其對鉆頭101的定向行為和鉆速(rop)的影響。計算子系統(tǒng)180可以進一步基于鉆頭101和鉆柱103的模型計算改善的鉆井參數，并將改善的鉆井參數傳送到與鉆柱103相關聯(lián)的井下控制器以便提高鉆井操作的效率。另外，在一些實施例中，計算子系統(tǒng)180可以經由顯示器向用戶呈現(xiàn)傳感器和工具信息。在一些實施例中，計算子系統(tǒng)180可以向用戶呈現(xiàn)對鉆頭101的定向行為的預測，以允許操作者和工程師基于該信息對鉆井參數或鉆井操作的其他方面進行調整。

鉆井系統(tǒng)100和計算子系統(tǒng)180可以包括或訪問任何合適的通信基礎設施。例如，鉆井系統(tǒng)100可以包括多個單獨的通信鏈路，或互連通信鏈路的網絡。這些通信鏈路可以包括有線或無線通信系統(tǒng)。例如，計算子系統(tǒng)180的部件可以通過有線或無線鏈路或網絡彼此通信。這些通信鏈路可以包括公共數據網絡、專用數據網絡、衛(wèi)星鏈路、專用通信信道、遠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構。這里描述的一些技術和操作可以由被配置成提供所描述的功能的計算子系統(tǒng)來實現(xiàn)。在各種實施例中，計算系統(tǒng)可以包括各種類型的設備中的任何一種，包括但不限于個人計算機系統(tǒng)、臺式計算機、膝上型計算機、筆記本計算機、大型計算機系統(tǒng)、手持計算機、工作站、平板、應用服務器、存儲設備、計算集群或任何類型的計算或電子設備。

圖2示出了一個示例性計算子系統(tǒng)。計算子系統(tǒng)180可以位于鉆井系統(tǒng)100的一個或多個井筒處或附近或在遠程位置處。計算子系統(tǒng)180的全部或部分可操作為鉆井系統(tǒng)100的部件或獨立于鉆井系統(tǒng)100，或獨立于圖1所示的任何其他部件。計算子系統(tǒng)180可以包括通過總線240通信地耦接的存儲器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，諸如構成諸如應用228的計算機程序的那些指令。作為例子而不當作限制，為了執(zhí)行指令，處理器210可以從內部寄存器、內部高速緩存、存儲器220中檢索(或獲取)指令；解碼和執(zhí)行它們；然后將一個或多個結果寫入內部寄存器、內部高速緩存或存儲器220。在一些實施例中，處理器210可以例如基于數據輸入來執(zhí)行指令以生成輸出數據。例如，處理器210可以通過執(zhí)行或解釋包含在應用228中的軟件、腳本、程序、功能、可執(zhí)行文件或其他模塊來運行應用228。處理器210可以執(zhí)行與圖2-5相關的一個或多個操作。由處理器210接收的輸入數據或由處理器210產生的輸出數據可以包括井筒數據221、鉆柱數據222、流體數據223、地質數據224、鉆井參數226或其他合適的數據。

存儲器220可以包括例如隨機存取存儲器(ram)、存儲設備(例如，可寫只讀存儲器(rom)等)、硬盤、固態(tài)存儲設備或另外類型的存儲介質。計算子系統(tǒng)180可以是預編程的，或者其可以通過從另外的源(例如，從cd-rom、從另外的計算機設備通過數據網絡或以另外的方式)加載程序來編程(和重新編程)。在一些實施例中，輸入/輸出控制器230可以耦接到輸入/輸出設備(例如，監(jiān)視器250、鼠標、鍵盤或其他輸入/輸出設備)和通信鏈路260。輸入/輸出設備可以通過通信鏈路260以模擬或數字形式接收和發(fā)送數據。

存儲器220可以存儲與操作系統(tǒng)、計算機應用和其他資源相關聯(lián)的指令(例如，計算機代碼)。存儲器220還可以存儲可由在計算子系統(tǒng)180上運行的一個或多個應用或虛擬機解釋的應用數據和數據對象。存儲器220可以包括井筒數據221、鉆柱數據222、流體數據223、地質數據223、鉆井參數226和應用228。在一些實現(xiàn)中，計算設備的存儲器可以包括額外或不同的數據、應用、模型或其他信息。

井筒數據221可以包括關于井筒的尺寸和取向的信息。例如，參考圖1，井筒數據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。

鉆柱數據222可以包括關于存在于井筒中的鉆柱的性質的信息。例如，參考圖1，鉆柱數據222可以包括鉆柱103中的鉆桿段的數量；每段的長度；每段的外徑和內徑；每段的重量和長度；每段的材料性質，諸如其極慣性矩、其剪切模量和其他合適的性質；諸如穩(wěn)定器的鉆柱設備的位置；鉆柱和井筒之間已知接觸點的位置；和鉆柱的其他性質。在一些實施例中，鉆柱數據222可以包括關于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/或關于鉆頭101的信息。例如，鉆柱數據222可以包括鉆頭101的直徑、鉆頭101中的牙輪或切割器的數量、鉆頭101的使用小時數以及鉆頭101的其它性質。

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

地質數據224可以包括關于地下區(qū)域107的地質性質的信息。例如，參考圖1，地質數據224可以包括關于地下區(qū)域107中的一個或多個巖層的巖性、流體含量、應力分布、，壓力分布、空間范圍、厚度、各向異性或其他屬性的信息。在一些實施例中，地質數據224可以包括從測井、巖石樣品、露頭、地震勘測、微震成像或其他數據源收集的信息。

鉆井參數226可以包括關于用于導向旋轉可導向鉆頭的機構的信息。例如，參考圖1，鉆井參數226可以包括關于鉆頭101中包括的偏心機構、偏心機構允許的偏心設置的范圍、鉆壓(wob)、鉆柱103的旋轉速度、流量、勘測間隔及其他適當的參數的信息。在一些實施例中，鉆井參數226可以包括關于鉆頭101的當前方向和面向的信息和/或關于將來要鉆探的井筒段的期望傾斜角、方位角和直徑的信息。

應用程序228可以包括可由處理器210解釋或執(zhí)行的軟件應用、腳本、程序、功能、可執(zhí)行程序或其他模塊。應用228可以包括用于執(zhí)行與圖2-5相關的一個或多個操作的機器可讀指令。例如，參考圖1，應用228可以包括用于生成鉆頭101和鉆柱103的模型的機器可讀指令，以預測在鉆井操作期間鉆頭101的定向行為和鉆速(rop)。應用228還可以包括用于將來自傳感器和從bha120中繼的其他井下工具的測量結合到模型中和/或計算改進的鉆井參數的機器可讀指令。應用228可以從存儲器220、從另外的本地源或從一個或多個遠程源(例如，經由通信鏈路260)接收或獲取諸如井筒數據221、鉆柱數據222、流體數據223、地質數據224、鉆井參數226的輸入數據或其他類型的輸入數據。應用228可以生成輸出數據并將輸出數據存儲在存儲器220中、另外的本地介質中、或者一個或多個遠程設備中(例如，通過經由通信鏈路260發(fā)送輸出數據)。

通信鏈路260可以包括任何類型的通信信道、連接器、數據通信網絡或其他鏈路。例如，通信鏈路260可以包括無線或有線網絡、局域網(lan)、廣域網(wan)、專用網絡、公共網絡(例如因特網)、wifi網絡、包括衛(wèi)星鏈路、串行鏈路、無線鏈路(例如，紅外、射頻等)、并行鏈路的網絡或另外類型的數據通信網絡。在一些實施例中，通信鏈路260可以包括多個通信鏈路。例如，通信鏈路260可以包括有線網絡、衛(wèi)星網絡和泥漿脈沖遙測網絡。

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。例如，參考圖1，鉆柱305可以位于井筒114內。

在鉆井操作期間，鉆柱305可能經受各種力或振動。為了準確地描述每個力或振動，每個管接頭320可以由索引來表示。例如，管接頭320a可以由指數n來表示，而管接頭320b可以由指數n+1來表示。鉆柱305在特定位置經受的力或振動可以類似地由指數n來表示以指示經受的位置。盡管本公開示出了在表面以n＝0開始并隨深度增加的指數n，但可以使用隨深度減小的指數或任何其他合適的指數。力或振動也可以按照三個正交軸來描述。在一些實施例中，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描述力和振動。

在一些實施例中，在管接頭320a的大致位置處，鉆柱305可能經受沿x軸的法向力350a，稱為fx(n)，以及圍繞x軸的扭轉力351a，稱為mx(n)。在大致相同位置處，鉆柱305可能還經受沿y軸的法向力360a，稱為fy(n)，以及圍繞y軸的扭轉力361a，稱為my(n)。在大致相同位置處，鉆柱305可能還經受沿z軸的軸向力370a，稱為fx(n)，以及圍繞z軸的扭轉力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)。作用于一個節(jié)點(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示出了根據本公開的一些實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。在一些實施例中，每個梁元件410可以表示一個鉆桿段。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可以包括表示每個梁元件的各種性質的參數。例如，每個梁元件410的參數可以包括壓縮、扭轉和彎曲性質。

有限元模型400還可以包括連接梁元件410的節(jié)點420。例如，節(jié)點420a可以連接梁元件410a和梁元件410b。在一些實施例中，每個節(jié)點420可以表示連接兩個鉆管段的管接頭。例如，參考圖3，節(jié)點420a可以表示管接頭320a，節(jié)點420b可以表示管接頭420b。在一些實施例中，節(jié)點420可以具有六個或更多個自由度，包括沿x軸、y軸和z軸的每一個平移和繞其旋轉。有限元模型400還可以包括表示每個節(jié)點420處的力的參數。例如，參考圖3，節(jié)點420a的參數可以包括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。在一些實施例中，接觸元件440可以表示作用在梁元件410上的一個或多個力。例如，參考圖3，接觸元件440a可以表示在節(jié)點320a上平行于fx(n)的壓縮力。在一些實施例中，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320a上平行于fy(n)和fz(n)的的摩擦力。在一些實施例中，接觸元件440還可以包括滑動摩擦系數。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應于接觸元件的位置處包括套管柱110的滑動摩擦系數。

在一些實施例中，有限元模型400是二維模型。例如，有限元模型400可以包括位于每個節(jié)點420的相對側上的兩個接觸元件440。在其他實施例中，有限元模型400是三維模型。例如，有限元模型400可以包括用于每個節(jié)點420的四個接觸元件440，這些接觸元件440相對成對布置，每對配置成垂直于另一對。

在一些實施例中，可以使用有限元模型400來對鉆柱執(zhí)行有限元分析。例如，可以基于節(jié)點n處的法向力fx(n)和fy(n)以及摩擦系數來計算每個梁段410上的阻力。在一些實施例中，節(jié)點n處的阻力可以根據以下方程計算為克服節(jié)點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長度上的張力增加；

δm(n)＝在梁元件n長度上的扭力增加(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長度上的方位角增加；

δθ(n)＝在梁元件n長度上的傾斜角增加；

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之間的滑動摩擦系數。

整個鉆柱的總阻力可以通過對每個梁段的阻力求和來計算。

也可以計算每個梁段的扭轉力。在一些實施例中，該計算可以以施加到第一梁元件的扭矩t0開始。例如，參考圖1，扭矩t0可以表示在井場106處由旋轉系統(tǒng)施加的扭矩?？梢曰诠?jié)點1處的扭矩t0和阻力來計算第一梁段的扭轉力。然后可以根據以下方程計算其他節(jié)點處的扭矩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的長度。

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

在一些實施例中，有限元分析還可包括對孔元件430內的每個梁元件410的位置的靜態(tài)分析。例如，有限元分析可包括計算每個節(jié)點沿著x軸和y軸的橫向位移，沿z軸的軸向位移以及每個節(jié)點和孔元件430之間的距離。

在一些實施例中，有限元分析還可包括對張弦梁405的振動模式的分析。在一些實施例中，振動分析可以包括一個或多個激勵因子以表示由于鉆頭與井筒的端部或側面接觸而作用于鉆頭上的力。激勵因子可以基于鉆頭和鉆柱的性質以及當前的鉆井參數。例如，當鉆柱轉動從而鉆頭轉動時，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，勵磁因素可以包括最低節(jié)點的正弦軸向激勵，其頻率大致等于鉆頭的轉動頻率乘以鉆頭中的牙輪或刀片的數量。類似地，由于穩(wěn)定葉片或刀片與井筒的側面之間的接觸，鉆柱可能會經受橫向力。為了表示這些力，勵磁因素可以包括最低節(jié)點的正弦橫向激勵，其頻率大致等于鉆頭的轉動頻率乘以鉆頭上的葉片或刀片的數量。在一些實施例中，這些激勵因子的振幅可以等于wob。在一些實施例中，由模型預測的粘滑事件可能導致額外的激勵因子。盡管在本公開中描述了特定的激勵因子，但是可以使用任何合適的激勵因子。這些激勵因子的影響可以根據上述方程通過模型傳播，并且可以計算每個節(jié)點410處的振動的振幅和頻率。

在一些實施例中，振動分析包括對張弦梁405中的節(jié)點410的諧波分析。例如，一個或多個激勵因子可能導致張弦梁405的某些部分以固有頻率進行振動，引起一個或多個節(jié)點410的大的橫向位移。在鉆井操作期間，這種振動可能導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處的橫向振動可以改變鉆頭101的側切角度，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的滑移事件可能導致鉆頭101處的額外振動或扭矩損失，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際鉆井參數來預測鉆井方向、rop和效率。

在一些實施例中，當鉆柱以預定間隔前進時，可以重復有限元分析。例如，參考圖1，可以每當bha120穿透到地下區(qū)域107中五到十英尺即重復有限元分析。盡管本公開討論了特定范圍的預定間隔，但是可以使用任何合適的預定間隔。在一些實施例中，可以當其他輸入參數改變時重復有限元分析。例如，當bha120進入具有不同性質的新的地下區(qū)域時，當鉆柱的wob或轉速改變時，或者響應于鉆井操作中的其他適當改變時，可以重復有限元分析。在一些實施例中，可以以預定的時間間隔重復有限元分析。例如，可以每十秒重復有限元分析。

在一些實施例中，可以執(zhí)行有限元分析用于基于更新后的鉆井參數來預測鉆井方向、rop和效率。例如，操作者可以測試改變鉆柱的wob或轉速的效果。在一些實施例中，可以使用迭代算法來尋找使rop或鉆井效率最大化或導致遵從鉆頭的期望定向行為的鉆井參數。

圖5示出了根據本公開的一些實施例的用于對高級三維井底鉆具組件進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算機實現(xiàn)的，例如，使用圖1-2所示的示例性計算子系統(tǒng)180或其他計算系統(tǒng)的特征和屬性?？梢酝瑫r迭代或執(zhí)行方法500、方法500的單個操作、或方法500的操作組以實現(xiàn)期望的結果。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?？梢栽诳拷?、遠程位置或在另外位置的現(xiàn)場執(zhí)行方法500。在一些實施例中，可以在井筒的內部或底部執(zhí)行方法500、方法500的單個操作、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的單個操作、或方法500的操作組。

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

在步驟520，可以確定一個或多個鉆井參數。例如，參考圖2，鉆井參數226可以由操作者輸入，或者基于在鉆井現(xiàn)場101的鉆井操作的當前參數從自動系統(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估其在鉆井操作期間的行為。在一些實施例中，有限元模型可以基于鉆柱性質集合、井筒性質集合、流體性質集合、地質性質集合和/或鉆井參數集合。例如，參考圖2和圖4，可以基于鉆柱性質221、井筒性質222和鉆井參數226來生成有限元模型400。在一些實施例中，有限元模型可以包括二維模型。在一些實施例中，有限元模型可以包括三維模型。

在步驟535，可以對有限元模型執(zhí)行振動分析。例如，如上面結合圖4所討論的，可以計算張弦梁405中的每個節(jié)點處的阻力、扭轉力和扭矩。在一些實施例中，可以基于鉆頭和鉆柱的性質以及當前鉆井參數來計算表示作用在鉆頭上的力的激勵因子集合。例如，如上面結合圖4所討論的，該激勵因子集合可以包括基于鉆頭性質的橫向和軸向激勵。在一些實施例中，振動分析可以包括對有限元模型的諧波分析。在一些實施例中，可以進一步對每個梁元件的位置執(zhí)行靜態(tài)分析。在一些實施例中，可以實時或接近實時地執(zhí)行振動分析。

在步驟540，可以基于有限元模型和振動分析來預測一個或多個鉆柱行為。在一些實施例中，鉆柱行為集合可以包括旋轉可導向鉆頭的定向行為、鉆速或鉆井效率。在一些實施例中，可以實時或接近實時地執(zhí)行對鉆柱行為的預測。在一些實施例中，鉆柱行為集合可以進一步顯示給操作者，操作員可以使用該信息來監(jiān)視鉆井操作或檢查對鉆井計劃的遵從性(例如，通過將鉆頭的預測的定向行為和rop與期望的定向行為和rop進行比較)。

在步驟545，可以檢測鉆頭的前進。在一些實施例中，當鉆頭在鉆井方向上前進至少預定間隔時，可以檢測到前進。例如，如上參照圖1結合圖4所討論的，由于執(zhí)行了步驟530-540，可以檢測到bha120和鉆頭101已經向地下區(qū)域107中穿透了五至十英尺或任何其他合適的距離。響應于檢測到鉆頭的前進，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，可以檢測到輸入性質或鉆井參數的改變。例如，當添加新的鉆柱段時，或者當操作者改變鉆頭的期望定向行為時，可以檢測到改變。響應于檢測到改變，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，可以確定一個或多個更新后的鉆井參數。例如，在一些實施例中，操作者可以選擇一組更新后的鉆井參數以與現(xiàn)有的鉆井參數進行比較。在一些實施例中，可以選擇一組更新后的鉆井參數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221、井筒性質222和更新后的鉆井參數來生成與有限元模型400類似的更新后的有限元模型。

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

在步驟570，可以基于更新后的振動分析來預測一個或多個更新后的鉆柱行為。在一些實施例中，以與在步驟540中基于振動分析來預測鉆柱行為相同的方式基于更新后的振動分析來預測更新后的鉆柱行為。

在步驟575，過程500可以確定在步驟570中預測的更新后的鉆柱行為是否表示相對于在步驟540中預測的鉆柱行為的改進。例如，如果與在步驟555中確定的更新后的鉆井參數相對應的鉆頭的預測定向行為比與在步驟530中確定的鉆井參數相對應的鉆頭的預測定向行為更接近于期望的定向行為，則可能發(fā)生了改進。響應于檢測到改進，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集合來替換鉆井參數集合。方法500然后可以返回到步驟525。

在一些實施例中，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時地執(zhí)行?？梢詫崟r地執(zhí)行步驟，例如通過響應于接收數據(例如來自傳感器或監(jiān)視系統(tǒng))沒有實質性延遲地執(zhí)行該步驟?？梢詫崟r地執(zhí)行步驟，例如通過在監(jiān)視來自井下控制器或遙測子系統(tǒng)的額外數據的同時執(zhí)行該步驟。一些實時步驟可以在鉆井操作期間接收輸入并產生輸出；某些情況下，輸出在允許用戶響應輸出的時間范圍內可供用戶使用，例如通過修改鉆井操作。

在一些實施例中，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態(tài)地執(zhí)行?？梢詣討B(tài)地執(zhí)行步驟，例如當輸入可用時基于額外的輸入例如通過迭代地或重復地執(zhí)行該步驟。在一些情況下，響應于從井下控制器或遙測子系統(tǒng)接收數據來執(zhí)行動態(tài)步驟。

本文所公開的實施例包括：

a.一種方法，其包括(a)確定具有旋轉可導向鉆頭的鉆柱的鉆柱性質；(b)確定鉆井操作的鉆井參數；(c)基于鉆柱性質和鉆井參數生成鉆柱的有限元模型；(d)對有限元模型執(zhí)行振動分析；以及(e)基于振動分析來預測在鉆井操作期間的鉆柱行為，鉆柱行為包括旋轉可導向鉆頭的定向行為、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器；以及存儲在存儲器上的指令，當由處理器執(zhí)行時該指令使得處理器(a)確定具有旋轉可導向鉆頭的鉆柱的鉆柱性質；(b)確定鉆井操作的鉆井參數；(c)基于鉆柱性質和鉆井參數生成鉆柱的有限元模型；(d)對有限元模型執(zhí)行振動分析；以及(e)基于振動分析來預測在鉆井操作期間的鉆柱行為，鉆柱行為包括旋轉可導向鉆頭的定向行為、鉆速或鉆井效率。

c.一種制品，其包括存儲指令的非易失性計算機可讀介質，當由處理器執(zhí)行時該指令使得處理器(a)確定具有旋轉可導向鉆頭的鉆柱的鉆柱性質；(b)確定鉆井操作的鉆井參數；(c)基于鉆柱性質和鉆井參數生成鉆柱的有限元模型；(d)對有限元模型執(zhí)行振動分析；以及(e)基于振動分析來預測在鉆井操作期間的鉆柱行為，鉆柱行為包括旋轉可導向鉆頭的定向行為、鉆速或鉆井效率。

實施例a、b和c中的每一個可以具有任何組合的一個或多個以下附加元件。要素1：其中執(zhí)行振動分析包括基于旋轉可導向鉆頭來計算激勵因子的影響。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；基于鉆柱性質和更新后的鉆井參數生成鉆柱的更新后的有限元模型；對更新后的有限元模型執(zhí)行更新后的振動分析；基于更新后的振動分析來預測更新后的鉆柱行為；并確定更新后的鉆柱行為是否表示相對于鉆柱行為的改進。要素4：還包括檢測旋轉可導向鉆頭是否在鉆井方向上已經前進至少預定長度；以及響應于檢測到鉆頭已經前進至少預定長度而重復步驟(c)-(e)。要素5：還包括檢測鉆柱性質或鉆井參數的改變；以及響應于檢測到鉆柱性質或鉆井參數的改變而重復步驟(c)-(e)。要素6：其中步驟(d)-(e)實時或接近實時地執(zhí)行。

雖然本說明書含有許多細節(jié)，但是這些細節(jié)不應被解釋為限制權利要求書的范圍，反而應被解釋為對特定實例所特有的特征的描述。在本說明書中在獨立實現(xiàn)的環(huán)境中描述的某些特征也可以組合。相反，在單個實現(xiàn)的環(huán)境中描述的各個特征也可以在多個實現(xiàn)中獨立地或以任何合適的子組合來實現(xiàn)。

已描述了多個例子。然而，應當理解，可以向本領域技術人員建議各種改變和修改。因此，本公開旨在涵蓋落入所附權利要求的范圍內的這些改變和修改。