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石油和天然气的勘探需要钻井，钻井是通过一段钻杆连接到井底钻具组合（BHA）上进行，井底钻具组合包括各种专用钻井工具，用于钻穿岩石、测量、管控振动，以及转向控制。钻柱沿着预定的轨迹到达特定的富油目标区，通常距离钻机本身超过15,000英尺。因为每一口井都是独一无二的，而且钻井过程极其昂贵，所以用传统的原型测试方法对设计进行物理测试是不切实际的。
钻井系统非常复杂，包括流体系统、电气系统、先进控制系统、机械驱动、钻机结构和钻柱，此外还有对高温和高压环境作出贡献的大自然，以及各种地质因素。钻柱浸没在钻井液中，并通过许多具有不同物理特性的地层保持与井眼的接触。旋转和轴向运动通过电动顶驱和绳索滑轮系统在地面进行控制；每一个都有自己的机械、液压和控制系统。钻井液通过钻杆泵入井筒，以提供润滑、冷却和从钻头排出岩屑。这种流体为钻柱提供了粘性阻尼和浮力效应，但是，当保持静止时也具有结块的趋势。泥浆马达将液压能转换为机械能，从而为钻头提供扭矩和额外的转速。其它具有不同复杂度的设备被用于进行测量、管控振动，以及稳定和维持BHA的方向控制。为了捕获正确的系统特征，必须在模型中考虑所有这些设备。
可以想象，整个钻井系统是非常复杂的，由许多非线性子系统组成，这些子系统与流体、地质、控制系统以及钻柱本身的机械结构相互作用。对于如此复杂的系统，地面几乎没有或根本没有指示的情况下，井下可能已经发生破坏性振动就不足为奇了。物理测试不仅昂贵得令人望而却步，而且测试数据往往直到钻井完成并获得井下数据后才能得到。即使有井下测试数据，也很难从有限的可用信息中了解实际发生的情况。建模为研究钻井系统，了解可用的物理数据以及评估未来设计的性能提供了可能。
许多方法被用来对钻井系统进行建模，并取得了不同程度的成功。有限元是最常见的。在频谱的一端，事实证明，非常简单的线性结构动力学模型，对于基本规划目的钻柱表征非常有用。主流服务公司采用高级非线性FEA模型，用于研究非线性钻井功能障碍。尽管FEA适用于捕获非线性行为，但此类模型往往很麻烦，计算成本高，并且无法在市场上买到。方程组位于频谱的另一端。速度足够快，可用于实时分析，但难以捕捉到足够的保真度，以解释个别设计或复杂的耦合物理问题。
MSC Adams的多体动力学（MBD）方法，在保真度和计算效率之间取得了很好的平衡，同时捕获了钻井系统和各个子系统的耦合三维非线性行为。MSC软件公司与先锋自然资源公司（Pioneer Natural Resources）合作，为该独特的行业垂直应用量身定制了Adams。
“我们对Adams Drill的潜力感到非常兴奋，该软件使我们能够从头到尾模拟整个钻井过程，并监控一系列以前从未使用过的新参数。”
— Chris Cheatwood,CTO, 先锋自然资源公司
先锋公司正在帮MSC验证模型，方法是使用特殊的测量接头收集物理钻井数据，这些测量接头设计用于承受钻井过程中的极端振动和井下作业环境。团队正在进行测试数据与仿真数据的比较，以验证模型的准确性，并在必要时对其进行改进。图1显示井底钻具组件中电动机正上方记录的实测转速与仿真转速之间的高度一致。
图 1. 井底钻具组件中测得的转速和仿真的转速比较
这些记录接头能够在50Hz的频率下长时间测量BHA不同位置的扭矩、转速、轴向载荷和弯矩。这样的井下数据对于如此综合的钻井模型中进行校准和赢得信任至关重要。同样，该模型对于理顺物理数据中观察到的非线性，以及了解BHA设计、井眼轨迹、岩性、操作参数和控制系统的变化将如何影响钻井系统动力学是至关重要的。
图 2. 井底钻具组件上测得的和仿真的转矩比较
图2比较了井底钻具组件中仿真和测量的扭矩波动。Adams求解器的效率，使得用户能够在广泛的环境参数上系统地练习模型，以改进未知量的估计，并了解系统为何会以这种方式运行。钻井之前，诸如摩、阻尼、钻头/岩石相互作用、以及顶驱控制系统响应之类的变量，通常不太容易理解或预测，因此该模型用于估计未知量，并通过测试数据验证系统响应。
调整后的模型现在当作虚拟钻头，可用于测试各种改进的可能。虚拟传感器会在整个钻柱上生成动态数据，相比可能或实际通过单独的物理数据收集，虚拟传感器能提供更多有关系统特性的见解。可以对BHA进行系统的重新设计，以降低振动的严重性，以便在最大限度提高钻井效率或钻速的同时管理风险。用一口井中的物理测量值对模型进行校准，并用附近不同井在相同地层中的测量值对模型进行验证是很有希望的。可以评估专用井下工具减少动态功能障碍方面的潜力。
图 3. 在各种重量的钻头，转速和测得的深度上进行风险评估。
钻井工程师可以优化BHA中专用工具的位置，并建立最佳实践和选择最佳操作参数，以降低功能障碍的风险。专业工具供应商甚至可以探索其特定工具的设计参数如何影响其客户的钻柱性能。可以对控制系统进行虚拟测试，以提高它们在各种运行条件下的性能。并且操作员可以研究导致部件故障的条件，以便从中吸取教训，避免将来出现类似情况。所有这些都可以虚拟地完成，使钻井工程师能够探索系统响应，并在整个设计过程中做出明智的决策。可以通过多种方式定义风险，从超出负载极限到高应力集中，过度振动，已知的危险状况或明确定义的动态功能异常，比如粘滑或旋转。通过慎重考虑替代方案，或者让它在极端情况下变得可以接受，可以避免或管理高风险。
通过在广泛的工作条件范围内以及井眼中的多个深度进行模拟，可以生成三维图。风险严重性通过汇总大量与负载、运动和动力学相关的因素来评估，这些因素会导致损坏或停产时间。工程师可以看到，随着钻井的进行，各种情况下的风险水平会发生怎样的变化。可以对替代设计进行比较，以争取后续井的进一步改进。与任何特定因素相关的风险，可以或多或少地权衡，这取决于最昂贵或最常遇到的特定限制因素。Cheatwood说：“这使我们可以并行测试多个设计，并行比较结果，以快速优化每个井的最佳配置。”
Adams Drill捕获了现实世界中的非线性系统行为，使工程师能够做出合理的设计和操作决策，从而改善钻井过程，降低故障风险，提高钻井效率，增加生产机会。
关于先锋自然资源公司
先锋自然资源公司是一家大型的独立油气勘探和生产公司，总部位于德克萨斯州达拉斯，在美国设有业务。更多信息，请访问先锋公司的网站www.pxd.com。
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