卡钻的监测系统、方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油钻井工程技术领域，具体而言，涉及一种卡钻的监测系统、方法及 装置。
【背景技术】
[0002] 卡钻事故是钻井施工过程中最常见的复杂之一，卡钻事故的处理经常导致几十甚 至上百小时的非生产时间，若处理不当，还会发生钻具掉落甚至井眼报废等二次事故，造成 不可估量的经济损失。而减少卡钻损失最有效的方式就是使用卡钻的预测及监测系统，及 早发现卡钻的趋势和类别，并采取相应的措施降低卡钻的风险。
[0003] 目前，国内钻井公司大都通过地层信息以及邻近的井位发生的卡钻事故对钻井方 案（如井身结构，钻井液）进行优化，以尽量避免卡钻事故的发生，而在缺乏邻井资料的情 况下，则缺乏有效的卡钻监测的系统和方法，只能通过不同工况下大勾载荷的异常来判断 卡钻事故的发生，而当工程师通过上提下放过程中大勾载荷的数值确认卡钻事故的发生 时，往往已经错过了采取应对措施的最好时间。
[0004] 国内外石油工程领域的研究人员在钻柱力学方面已经做了较多的研究，计算摩阻 扭矩的软杆模型已经被国外的某些公司和科研院校应用在了钻柱摩阻系数的反算及卡钻 事故的早期监测方面，但这些系统的功能仅限于卡钻事故的早期监测，并没有对卡钻的类 型进行分析预测，大大制约了该技术的应用，而国内尚缺乏可以对定向井、水平井等复杂井 型进行卡钻早期监测和卡钻类型预测分析的系统。而一些基于单一分层模糊分析方法的 钻井复杂分析系统，则缺乏有效的针对某一种事故的工程数学理论支持，仅仅依靠统计学 理论和没有经过良好分类处理的钻井工程数据库，难以对卡钻事故作可靠的早期监测和分 析。
[0005] 中国专利授权公告号：CN101118420提供了一种"基于分层模糊系统的石油钻井 工程事故预警系统"。包括以下步骤：1.建立石油钻井工程事故预警的模型数据库；2.建立 石油钻井工程事故预警的输入变量；3.分析输入信号的特征信息；4.建立分层模糊系统的 结构模型；5.对第三步中确定的输入变量进行区间映射和统一模型的分层模糊推理；6.确 定石油钻井工程事故预警系统输出量；7、预警结果的自调整。
【发明内容】
[0006] 本发明实施例提供了一种卡钻的监测系统、方法及装置，适用于复杂地层钻井、水 平井、大位移井等易于发生卡钻事故的钻井作业。
[0007] -种卡钻的监测系统，包括：卡钻分析系统框架，数据支持模块，层次分析法卡钻 风险分析模块，实时卡钻监测模块，钻具组合下入能力分析模块，卡点计算模块，震击器解 卡参数计算模块，解卡剂注入计算模块，倒扣施工计算模块，倒划眼施工计算模块；
[0008] 卡钻分析系统框架提供系统框架，搭建界面，协调各个模块之间的消息和数据传 递；
[0009] 数据支持模块将单井设计数据进行录入和保存，能自动保存和录入的数据包括： 井身结构数据、井眼轨迹数据、钻具组合数据、其他数据，所有数据以二进制文件格式进行 存储，并支持历史数据文件的分项读取；通过井场录井信息系统采集实时井深、扭矩信息， 进行对象化和封装，以供其它模块使用；
[0010] 层次分析法卡钻风险分析模块根据系统卡钻分析模型库中的卡钻分析模型，输入 模型包含的基本底层元素隶属度，根据模型层次和元素间重要性的比较关系对当前钻井作 业发生该种卡钻的风险进行评估；该模块内置6种卡钻模型：粘吸卡钻分析模型、坍塌卡 钻分析模型、沙桥卡钻分析模型、缩径卡钻分析模型、泥包卡钻分析模型、干钻卡钻分析模 型；
[0011] 实时卡钻监测模块从数据支持模块中提取设计和实时数据（包括井身结构、钻具 组合、井眼轨迹、泥浆密度、起钻/下钻/送钻速度、转盘转速），使用有限元方法计算当前钻 井工况下大勾载荷和转盘扭矩的预测值，并根据实时参数的变化不断修正；将提取的实时 大勾载荷和转盘扭矩数据于预测值进行对比分析，若其值大于预测值和系统设定的报警范 围之和，则系统发出卡钻危险报警；
[0012] 钻具组合下入能力分析模块对数据支持模块中的输入提供的钻具组合结合井身 结构和井眼轨迹进行摩阻力条件、轴向载荷条件、几何条件三方面的分析，若钻具组合设计 不能满足任何一方面的要求，再下入过程中遇卡风险较大，则系统做出报警；
[0013] 卡点计算模块根据现场的卡点测量方式（拉伸法或扭转法）和当前钻具组合参数 (各段长度、截面大小、弹性模量），计算并输出卡点的深度；
[0014] 震击器解卡参数计算模块根据钻具组合数据（钻杆最大屈服强度）、震击器参数 (震击器以上钻柱悬重、钻柱摩擦力、标定释放力）和当前栗压，计算启动震击器需要的大 勾载荷；
[0015] 解卡剂注入计算模块根据解卡剂注入量及钻井液注入量，计算解卡剂在环空中的 准确位置；根据解卡剂需要停留的深度位置，计算需要的解卡剂注入量和钻井液注入量； 钻柱内及环空体积系数根据已有井身结构和钻具组合自动计算；
[0016] 倒扣施工计算模块从数据支持模块获取系统数据，通过有限元钻柱力学计算，输 出要在相应位置倒开钻具所需要的配置的大钩悬重；
[0017] 倒划眼施工计算模块在倒划眼施工时，根据转盘转速和大勾载荷，使用有限元方 法计算钻柱受力，若钻柱受力接近极限，则发出报警，保证倒划眼施工安全进行，防止钻具 失效的情况发生。
[0018] -种卡钻的监测方法，包括以下步骤：
[0019] a)系统初始化，载入层次分析法模型；
[0020] b)输入当前井眼的设计数据；
[0021] c)根据设计数据和当前实时工况，使用有限元计算方法计算钻柱上各个点的摩阻 和扭矩，并叠加计算出大勾载荷和转盘扭矩的预测值；
[0022] d)将实时综合录井数据中的转盘扭矩和大勾载荷与预测值相比较，若超过预测值 一定范围，则发出预警，并将异常差值归一化后传入卡钻类型分析模块；
[0023] e)根据预先录入的卡钻分析模型及各底层元素的隶属度，计算各不同种类卡钻事 故发生的概率大小，以判断卡钻事故的类型，以0-1隶属度格式输出预测结果。
[0024] 根据本发明实施例的一方面，提供了一种卡钻的监测方法，包括：获取当前钻井的 设计数据和当前工况；根据上述设计数据和上述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值， 上述钻柱设置在上述当前钻井的井场中；获取上述钻柱的运行参数的实际值；判断上述实 际值与上述预测值的差值是否超出预设范围；以及如果判断出上述实际值与上述预测值的 上述差值超出上述预设范围，则执行第一告警。
[0025] 进一步地，在执行第一告警的同时，上述监测方法还包括：将上述实际值与上述预 测值的上述差值归一化，得到归一化的差值；将上述归一化的差值传入卡钻类型分析模块； 通过上述卡钻类型分析模块分析上述归一化的差值，得到分析结果；以及根据上述分析结 果确定与上述钻柱的运行参数的实际值相对应的卡钻事故的类型。
[0026] 进一步地，根据上述设计数据和上述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值包 括：根据上述设计数据且利用有限元算法计算在上述当前工况下上述钻柱的运行参数的预 测值，其中，上述设计数据包括：井身结构参数、井眼轨迹参数，上述当前工况包括：钻具组 合参数、泥浆密度、起钻/下钻/送钻速度和转盘转速，上述运行参数包括：大勾载荷和转盘 扭矩。
[0027] 进一步地，在获取当前钻井的设计数据和当前工况之后，上述监测方法还包括：根 据上述井身结构参数和井眼轨迹参数判断上述钻具组合参数是否满足摩阻力条件、轴向载 荷条件和几何条件中的任一条件；以及如果判断出上述钻具组合参数不满足上述摩阻力条 件、上述轴向载荷条件和上述几何条件中的任一条件，则执行第二告警。
[0028] 进一步地，获取上述钻柱的运行参数的实际值包括：获取上述钻柱的大勾载荷实 际值和转盘扭矩的实际值，在获取上述钻柱的大勾载荷实际值和转盘扭矩的实际值之后， 上述监测方法还包括：根据上述钻柱的上述大勾载荷实际值和上述转盘扭矩的实际值计算 上述钻柱的受力大小值；判断计算得到的上述钻柱的受力大小值是否达到极限值；如果判 断出计算得到的上述钻柱的受力大小值达到上述极限值，则执行第三告警。
[0029] 进一步地，在根据上述设计数据和上述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值之 后，上述监测方法还包括：检测上述当前工况是否已经发生变化；以及如果检测出上述当 前工况是已经发生变化，则根据上述当前工况的变化情况修正上述钻柱的运行参数的预测 值。
[0030] 进一步地，在执行第一告警的同时，上述监测方法还包括：从上述当前工况中获取 钻具组合参数，以及根据预设卡点测量方式确定与上述第一告警相对应的发生卡钻事故的 卡点位置；和/或从上述当前工况中获取上述钻具组合参数、震击器参数和当前栗压参数， 以及根据上述钻具组合参数、上述震击器参数和上述当前栗压参数确定启动震击器所需要 的大勾载荷。
[0031] 根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种卡钻的监测装置，包括：第一获取单 元，用于获取当前钻井的设计数据和当前工况；第一确定单元，用于根据上述设计数据和上 述当前工况确定钻柱的运行参数的预测值，上述钻柱设置在上述当前钻井的井场中；第二 获取单元，用于获取上述钻柱的运行参数的实际值；第一判断单元，用于判断上述实际值与 上述预测值的差值是否超出预设范围；以及告警单元，用于在判断出上述实际值与上述预 测值的上述差值超出上述预设范围时，执行第一告警。
[0032] 进一步地，上述监测装置还包括：归一化单元，用于在执行第一告警的同时，将上 述实际值与上述预测值