钻井自动化实时模型等式及应用-论文翻译

钻井自动化实时模型：等式及应用

摘要

你的模式有多好？他们可以用来提高钻井过程？这些问题往往产生与实时模型的应用联系，包括模型与钻井控制一体化。做模型在精度和计算速度满足要求？通过模型将运用数据解释说明过程和计算提供可靠的输入？可以安全使用的钻机设备和安全过程控制？本文试图回答这些问题，并进一步阐述当前的状况和近期钻井自动化的质疑。当静态模型被普遍接受，动态模型是新兴使用。实时模型应用程序已经发现，钻机设备的适用性分析是必要的评估或升级的要求。

使用输出模式的钻井作业控制机已成功实现。本文提供了钻井自动化的最新发展，描绘了闭环控制系统中在北海的应用。关于解释过程状态的质疑进行了讨论，与现有的钻机设备，检查需要加强地面和井下传感器。随着钻井的控制用数学模型系统必须定期与钻井过程沟通从传感器中提取信息，它将提供更新的控制指挥自动化。多传感器数据通过模型使自动化功能进行了说明。

绪论

仪器钻井的业务比较早，在钻机之下开发出新的方法来监测钻井。蒸汽压力表最早其次是钻井液压力计。由20世纪20年代末，重力指标出现，是钻机在钻柱与井壁之间最初的相互作用。这些早期的传感器用于实时监控电流条件下钻井。图表记录仪的到来，钻进趋势可以更容易识别。当计算机被引入到行业，数据可以更准确的记录，并输出可实时显示或存档后回顾。在世界各地，与数据交换协议和卫星电信系统，几乎所有的参数从表面和次表面的传感器可以被视为在近实时。作为监测趋势的方式，趋势是现在生产阶段的动态模型。问题是可能选择的用于数据处理的传感器和方法自然跟上数据是今天使用的方法。

实时钻井过程模型从稳态简化模型将单一的物理学发展—相流体流动和静态的钻柱扭矩和大钩载荷，主要用于规划和决策的目的，以更先进的动态模型复杂度的增加对过程的细节。今天的模式解决钻井钻柱动力学力学和振动，温度的建模与多相流包括高精度多流体和岩屑运移的计算。反过来这些动态钻井模型使模型的新类型启用控制功能，如先进的控制压力钻井，双梯度的应用，普及率（ROP）优化和自动化方面的局限性，钻机钻进过程中维护。

在过程动力学中，模型方程的复杂度综合考虑了更多的影响，和数量和复杂性所需的子模型和相关实现的复杂性增加所需的模型结果的水平联系紧密的钻井过程控制，从咨询到物理约束和点到钻井机械的自动控制。模型的复杂性增加，对过程参数的详细信息的需求日益增加，从机械钻柱和套管的性能，对钻井液的性能，详细的地层特性，井眼几何形状，最后但并非最不重要的。此信息用于建立和更新所需的模型参数，对提供实时计算相关的边界条件，并正确解读的过程中的状态，使应用状态正确的模型或模型。这些要求的多种测量和数据流量的增加导致增加了对处理能力的需

求，沟通效率，质量和数据的可用性。因此它不仅是一个模型是否具有足够的精度为目的的问题，而且到什么程度，其应用的要求可以遇见，和如何解决这些问题。

本文回顾了在钻井业务数据采集的历史数据在使用上突出变化的方式，处理和存储。他们现在使用的现有系统工作得非常好。然而，作为一个先进的钻井模式，测量是必要的输入时，有不足之处，应通过模型必须建立适应数据或增强的传感器和开发额外的信息是必要的。

传感器概述

最早的钻探发现，简单的测量更容易跟踪钻井作业的进展。传感器连接一个显示器，通常作为一个测量仪器。压力表和新开发的重量指标允许的操作是进行实时监控，所以“看”是可能的。司钻可以跟踪自己头上的读数是能够确定是否有一个明显的发展趋势。然而，随着图表记录仪的出现，人们可以观察数据和解释最近几天的趋势。对计算机数据系统的介绍，这是可以比较的访问行程和井数据。端井（EOW）报告，以及之后的分析。离线模式开始出现，尽可能的通过数据来保持井筒完整性或降低井底钻具组合（BHA）组件的失效风险，优化钻井业务日益增长。实时，或动态模型，被引进和接受使用它在世纪之交的时候。动态建模的自动化，在模型计算的可接受的操作范围内，实时数据反馈给钻机的控制网络。

了解你的传感器

用适合环境的传感器。更好的了解用于收集运行数据的传感器可以提高数据和/或模型的逼真度的理解。通常用于测量的是钻头上的重量（WOB）和钩负荷。已在钻井行业几十年的传感器，测量通常是负载指示器。已知最早的专利申请量指示装置于1906年被John Sharp发布，一个来自路易斯安那水钻井承包商。霍华德休斯提供了工业的重量指标在1922年。1926年，冷冰冰的沃尔特马丁和一个坚持并且充满活力的年轻的推销员叫埃尔默德克尔开发了马丁代克隔膜式重力指示器（图1），这仍然是今天最常用的一个重量传感器（斯库利2008）。尽管设计的局限和不足，但是它的使用寿命长，应该被那些使用钻压、钩载数据作为输入模型的人理解。

膜片式重量指标是封闭的，封闭的液压系统包括一个指示压力表，软管和隔膜。他们提供的挂钩上的负载非常一致的迹象，检测临界线内张力的变化。因为临界线的张力是解决系统的一部分，所以对总荷载有一个比例关系。当膜片传感器碰到临界线，它产生了一个偏转。在临界线上的负荷增加，合力作用在隔膜临界线上试图理顺它。这一临界线的力转换成压力信号就是显示在指示器上的负载值，这是一个特制的液压计（斯库利2008）。

临界线张力测量取决于几个因素，如制造商的操作手册规定：

对传感器的维护

确保正确的流体水平

避免磨损的接触点

钻头的线和滑轮的条件

过度磨损，增加摩擦

不正确的润滑摩擦增加

环境温度

流体的膨胀/压缩影响传感器

胀差在计双金属部件对针偏转

制造商的操作手册提供必要的信息以保持正常的重量指示系统，使其能够以有效的准确度达到世界钻井大钩负荷监测有超过七年的要求（斯库利2008）。有人提出这个问题，然而，这是否会满足行业需要经过未来的70年。这取决于数据如何被使用，因而，精度在未来的要求。了解传感器的功能，需要回顾不同类型的传感器。传感器的夹具

电传感器的开发是为了克服液压传感器的相关问题，同时保留了早期的设计便于在目前安装（图2）。在组合块偏转产生的侧向力由应变计测量。一些制造商包括在传感器信号处理板的使用毫安信号输出，以补偿温度变化。

压缩负荷室

阅读大钩载荷的另一种方法是在临界线前固定本身力量量，而不是阅读线位移（图3）。增加线张力负载增加室内的压力。笼内的固定来防止横向移动，压缩载荷单元的传感器可以是液压或电气。一些制造商提供多桥内的传感器和信号处理板来补偿温度变化。例如，一个三桥传感器提供一个使用表决逻辑比较读数处理器内部，从而拒绝一个信号不同意的其他两个。

当压缩负荷室，消除了一些问题关于夹紧和膜片传感器，它仍然是测量在钻头行进负荷错误时终止。此外，它还受制于钻线环境影响，滑车的滑轮摩擦。

负载引脚

应变计用于常规测量仪器销连接销组件之间的剪切力移动设备（图4）。一个常见的位置是贝克特引脚游动滑车下面。这种配置消除对钻线和滑轮的外部效应。

现有设计的局限性

测量假定重悬浮载荷产生更大的线张力。它还假定测量是线性的，没有由于物理或环境问题失真。温度，磨损，摩擦效应通常被忽略。因此，各种设计的局限性，应确定为项目符号，在下面的章节。

隔膜和水力学

隔膜的时代，硬化和降低施加的压力测量仪。它也可以很大程度补偿了工厂校准。

液压油的温度会影响它的可压缩性，这反过来又影响压力读数在压力表或外部传感器。

静态环境下，这些系统进行测试（工厂条件）通常产生从2%-3%的误差线性度，在从零负荷到满刻度范围，满刻度数据点每25%。重复性可能只在一个很小的百分比，

系统检查，和滞后可以不予考虑。在这两种力量的存在领域，必须占所有液压系统在工程应用水平。滞后效应显着增加的错误。增加环境的影响，如温度，软管弯曲，流体的压缩率，空气在流体隔膜拉伸会导致在一般精度的语句在大约10%-13%满量程。钳制

线和传感器之间的接触点可能会有所不同，这取决于钻线方向（图5）。单点或双点负荷可高达1%影响挠度测量。制造商建议电线的两股侧应与上钳体接触式传感器。

对线的塑料涂层将压缩和流下的负载，会影响阅读。

安装不当会导致明显的错误。该传感器可以被设计为一个特定的操作范围，假设4mA和20mA对应零和满负荷。如果传感器的刻度是以线性存在，读数会从零直到满负载，所以可能有零的偏移（超过4mA）。如果夹具被翻倒，会导致永久性的形变的线性甚至传感器已被观察到，影响未来的阅读。传感器的输出将全部达到20mA。由于几台人员重新调整安装后滑动和切口，有曲柄调整不当会导致错误的测量。一个制造商的传感器有一个静态的1.5%-2%的测试误差。这个错误是一个组合的线性，滞后，重复性误差。在现场配置可以有一个估计的环境或应用程序从2%-3.5%的错误。这个错误主要是基于对温度的影响，但也包括夹紧力使用期限造成误差，这不同于应用程序。如果传感器安装在线路负载一零点不同于以前的零负荷点，然后将其输出误差较小，必须考虑应用工程。一个温度补偿传感器可以减少这种误差的5%。

压缩负荷室

以前线之间的接触点上的问题，传感器和塑料涂层钻头方法可以消除。

由于传感器完全地被固定在笼子里，没有横向运动，从而读数更准确。

测量仍然受到钻线的温度和设备摩擦的影响。

液压传感器可以适当的预先列出误差。

误差率的范围在1%-2%。

负荷针

引脚的位置消除线路和设备问题。托马斯模块负荷针系统不会受到钳制或液压传感器前面提到的钻井环境影响。然而，其他一些影响仍然存在。

索环的制造公差可以导致错误。从轴向调整引起的任何差异可能导致粘合和间隙误差。对于一个有两个引脚的系统，引脚和索环孔在不同间隙会引起误差。长期以来，穿能扩大孔，从而产生更大的误差。

一个制造商生产负荷针的系统静态误差是1%-1.5%的组合，包括线性，滞后，重复性。总误差应用仍然低于其他系统，安装影响可能会出现大多数的错误。负载摆针的调整最重要的负载针的重复性，一个2°-3°偏差”离轴”可以足以改变应变场和提高重复性误差。这种角误差与公差相结合可以在障碍物之间干扰钻孔并且增加可以引脚（即“绑定”）常见的扭矩和扭转错误。令人惊讶的是，这往往说明压缩负荷室可能比

负荷针更准确。温度对周围的针脚大金属硬件的作用，他们会通过扩张和收缩温度的变化，可以输出信号中的小变化。这些组合影响导致应用程序的估计误差达到满量程的2.5%-3%。

液压信号转换成电信号读出

记录或电气系统显示液压的测量，传感器是用来产生电信号，导致整体数据的准确性。

需要注意的是，传感器具有特定的压力范围，应与液压配套传感器和数据的全方位。传感器和仪表读取从0-2500 psi的匹配时，传感器从0-10000 psi失去其大部分的分辨率。

一个损坏的膜片在传感器将导致问题，类似于先前描述的液压系统。

总负荷误差不同于以前时被补充。磨损随着养护、温度、污染物和时间变化。滑轮的磨损也有很小的影响。重量的移动设备的通常是已知的，但它也许不能正确地输入到记录系统软件。计算机硬件在数据库中记录的变化很少，所以为了减少钻机设备的高额租金，可能有一个圆形帽在内插钻井和钻孔之间驱动顶端。它也指出，软管和电缆的移动设备支持可以影响限制的高度测量的重量。

其他传感器

其他地面传感器也有应用和安装错误，需要用户了解数据。这些传感器在下面的段落讨论。

扭矩

因为它是难以测量的旋转电机的转矩，转矩通常是从电气测量得到在动力部分的旋转或顶驱。一种常见的直流力矩测量装置（直流）钻机使用环形磁场（又名甜甜圈）周围的一个电源使直流电机。通过电流磁场诱导传感器电压。这些读数与电机制造商的操作数据（图6）进行比较。根据制造商的数据采集系统，数据有第二阶曲线与之相对应，或者它可能被认为是线性的，造成相当大的误差在较高和较低的曲线。

该传感器是在操作低端校准（零输出）。垂直偏移被假定为零，一般认为这是准确的。对高操作端，数据系统采用电流读数在钻台或SCR的房子。电机电流可以仅显示为电机的电流（A），或者如果运动曲线，它可转换成工程单位，如英尺-磅。曲线适用于普通电机，不是一个平台上，所以它不易导致磨损或退化，如绕组阻抗变化。它往往不会导致任何变化的磁场强度，由于钻机的平台是电工可调节设置的。现场安装可以造成相当大的误差，因为传感器设计是电源线定中心，摆针是圆环形组成。更重要的是，校准是很少靠近一个真实的扭矩测量。如果这样的校准进行，它通常是在完成调试使用一组特殊的校准装置。此后，扭矩传感器通常不重新调整钻机的剩余寿命期间。交流电（AC）钻机，回转力矩为从变频器输出（VFD）。精度取决于如果电机转动或失速状态。静态精度约为5%，动态精度约为2%。用可编程逻辑控制器

（PLC）顶部驱动器可以提供数字或模拟格式的输出转矩。

得到直流电机的转矩测量，管道必须转向。交流平台，测量需要管能转动或电机被停止。如果钻柱卷绕和顶部驱动或旋转制动设置，当节流阀变为零，电机的速度也变为零，所以扭矩，即使机械能被制动。一些链驱动转盘采用液压单元测量链偏转就像夹体重指标测量线张力，使它服从于上述液压系统相同的问题。

泵压

压力读数在立管和其他地方可以使用膜分离出泥计的液压流体的测量。电气读数，传感器可能有隔膜从电子应变仪分包泥，或泥可以直接作用于传感器的钢质舱壁的桥连接到隔板的另一边。一些制造商提供芯片位于传感器在很宽的范围内补偿温度。

流量

流量的泥浆泵很难测量，由于目前钻井有很高的操作压流。在泥屑可以使任何传感器不起作用，有一个旋转装置内的线。油基泥浆妨碍离子检测流量计的使用。通过正位移泵的流量测量最常用的方法是计算随着时间过去的敲击和计算每个行程容积。测量不考虑流体的可压缩性，机械效率和泵阀门维修。新技术采用高频传感器在流体端允许复杂的计算的效率，从而更准确的流量测量。努力把流量测量放入管路中是可接受的，但很难对现有钻机设备改造。此外，某些设计像科里奥利流量计的标准使用成本高昂。

流出来的是经常使用的叶片位于流动管线井和振动器之间测得的，其中机械联动的电位器可以被转换成一电信号。阅读呈线性关系，高流量，挡板的大挠度。当传感器安装，校准过程的两个假设：1）电位器是在3%-4%的标准电阻，2）电阻是线性的全范围值，当桨在不流动的，当它被完全延伸应该是最大流量率。任何流量超过充分延长叶片是无法辨别的。还有其他的流动装置，如Jumping-meter，这是在流水线检测U型管。更高的流量，可以创建一个扩展力由应变计测量。虽然这是更准确的，有时是很难安装，需要流水线和钻台之间的净空。

速度

一个转盘或每分钟的转数泥浆泵的转速（RPM）或每分钟行程（SPM），分别是任何一个电感式接近开关或磁性接近开关或限位开关的常规测量。目标/磁铁的尺寸至少能够应对开关。校准要求目标单位应放置在开关的平行面。该设备必须安装牢固，但维修可移动机器。校准广泛根据机器的大小和模型不同，考虑到众多的齿轮比。去抖率必须适当调整。限位开关为晶须使与活塞组件接触在每个冲程。它应该与泵每周期只有一次接触。一些数据采集系统允许其他多个乘法器，因此它是装配产生每周期只有一次的重要验证。

附加传感器

有些钻井模型需要额外的信息，如泥浆的物理参数。这是在线传感器可用的，但最常见的测量是由泥浆工程师在现场。这些测量通常在每日只有几次否则会显著改变

泥浆体系。典型的数据包括：粘度/流变仪测量，泥浆重量/坑体积测量和温度。正在努力开发对钻井液性能的自动实时传感器这将大大受益的实时模型的应用。

气体传感器，波动传感器和许多其他专业设备在今天是可用的。井下测量和实时分析的发展也在如火如荼的进行，通过有线管这样的应用,提高随钻测井（LWD）和测量的实时分析。因此，正稳步走向一个完全仪表的平台模型，所有相关的信息可以实时控制钻井过程顺利实施。然而，剩下的问题是可靠性和精度的测量和分析。

问题数据记录

一旦参数测量，通常是电子记录。这开始了一系列的，可以在数据记录中出现的问题。模数转换的分辨率会影响任何检索到的数据的准确性。有没有行业标准。用于转换的比特数，缩放和其他因素往往是未知的模型。

一些数据系统滤波器的实测数据，但只有少数记录过滤量的应用。在短期内这可能会有平滑的屏幕图和安抚钻机，数据可能不具有足够的分辨率，详细分析长期以来后回顾。此外，供应商们的采样率不同。大多数测量是在1Hz以上的了。一些制造商使用10Hz的临界值如钩位置采样。大部分记录的数据存储在30 s，10 s，或1s的间隔。厂商均衡存储与采样率的数据文件的大小。

随着互联网访问存储在服务器上的数据导入，数据可用于实时监测和分析后。有几家公司开发的程序对数据进行分析，以确定钻探活动和非生产时间的潜在原因。一些研究一个事件的数据，了解减少或消除重复问题的根源后。分辨率和存储的数据的准确性直接影响分析的质量。我们在这方面也没有行业标准。

在钻井过程中的一个鲜为人知的做法可能会导致记录的数据误差。有时数据是“配置”，在钻井过程中为了满足船员的愿望，与现有的液压重量指示器。如果数据记录系统存储这些修改的数据不区分测量与显示数据，分析是有缺陷的。另一个问题可能源于计算和模型本身，它需要手动输入的井筒，大小相关的管，活塞/衬垫和许多固定元件。这通常需要一个现场专家或训练有素的钻井队更新信息。虽然这听起来像一个容易解决的问题，但是多年来困扰用户。

使用数据

悬重显示在司钻的测量仪器上，数十年来一直被用于监控电流条件下钻井时，跳闸或执行任何其他钻机作业。一个例子是钻垂直井，在司钻下放堵塞缓慢，确认悬重是完全恒定的。当钻头跟随末端，由于重量转移到比特/地层界面的悬重降低。司钻停止下降时所需的比特量的观察。司钻是实时运行监视和记录从一重量到其他的变化。如果一个表记录被添加到系统中，测量是通过尖笔的旋转滚筒包在图纸适当位置上记录。现在的测量可以看到以前几小时甚至几天结束的记录。或者，如果一个电子记录仪的使用，数据可以存储，检索，滚动和缩放（图7）。然后这些数据被用于趋势，不仅仅是实时监控。在某些情况下，钻孔后，可以恢复数据为了详细分析。

所需的趋势是数据的相对价值。在上面的例子中，悬重的绝对值不是司钻从哪里

钻压开始增加点尤为重要。自从司钻应该知道何时停止区不超过允许的钻压，末端附的修正值变得更加重要。然而，考虑到一个程度的钻压计算的不确定性，有些厂商定期发布的比特负载。所以，大多数钻机满意交付后的维护建议重量指示器的制造商，因为它不会导致钻头的钻压精度失效。如果使用的数据以及分析，传感器的误差往往是一个问题，尤其是当比较复杂的井，更因此，当数据来自比较复杂的平台。在许多情况下，数据质量是可以接受的“不在改进”，因此分析是有限的。

今天，钻柱动力学已被接受作为一个重要的因素，钻头和钻具组合的生活。一些井下潜艇测量振动和发送在钻井过程中在使用实时的表面的一部分数据以减少不必要的振动。然而，他们的应用并不普遍，因为可用性或成本相比传统的威尔斯标准钻井费用标准高。模型是用来确定临界转速并应该避免。一些模型，基于实验数据，利用其计算应力沿井筒的几何和钻柱，以及转速和载荷/速度。其他模型预测井筒压力已应用于钻机的控制网络，协助司钻和减少人为错误造成的北海中险胜威尔斯的风险。

应用运行一个实时的计算机模型

应用计算机（或数值）的模型可能有多种用途，并对模型的质量必须要考虑相关的应用。这不是一个一般的模型是多么好的问题，而是它是否是适当的或特定的应用程序的权利。如果模型是适合它的目的，那么它是足够高的质量。然而，有更多的应用实时模型提高钻井过程不仅仅是实施和运行模式。必须有良好的手段为模型提供输入。该模型还需要适当的校准的实现过程状态的高精度和正确的解释，应用正确的模型配置。这些方面在下面的章节中讨论。

模型

讨论了计算机模型的质量需要一个清晰的画面是什么。该模型的软件表示由：数值（或软件）的物理关系或关联的实现，基于数学模型（方程）

为解决实施软件求解方程。

输入

为了使模型运行，相应的输入模式必须通过：

手动输入

输入装置/井下传感器

过程的状态检测

通过数据预处理中的应用：

用于计算模型参数的关系

滤输入数据的统计方法

实时模型的性能取决于输入数据的质量和可用性。质疑时进行讨论输入数据。模型的校准

为了保证足够的精度的实时模型，它需要被调谐到问题的过程中。这可以通过估

计模型参数完成（也被称为模型的校准或更新）。在实时的环境中，这样的估计或模型的校准是通过调整模型参数，使模型结果与实时测量一致。这种校准的可靠性依赖于先前讨论的过程数据的准确性。如果传感器不能提供足够高的测量精度，那么模型校准会很差，从而导致应用估计的参数。从引用的论文的一个例子是图8中显示了，使用集合卡尔曼未标定和校准模型的结果比较对范宁摩擦系数标定滤波，说明质量标定的重要性。

状态检测和配置

模型的不同部分可以在钻井过程中，适用于不同的阶段，所以它必不可少的过程的状态是正确的诊断和适当的模型结构，应用在所有的时间。这可以通过监测字符串转和循环速率与表面的传感器的悬重和钻压信号探测钻井状态为例。在重量测量精度低可以做出这样的诊断具有质疑性的。这种不确定性尤为在钻井力学模型实时应用的质疑（例如管道摩阻分析，并使用扭矩测量）。由卡鲁斯和代罗提出了这样的自动摩擦分析，2009。

用于实时数学模型的数值表示

用于实时目的物理关系控制钻井过程数学模型的数值表示的是计算机软件实现。这样的关系可以由经验关系或可能的基本原则的物理定律的基础上。一个动态的单相流模型的数学表示，常用的假设，（格拉夫达可能看起来像下面等人，2009）：

f Eq e

Eq d Eq D f f c

Eq T P b Eq s

t a Eq ds D f ds g ds t P D eq

t

h t t 1,...............................................................,.........21,..........................................................),........,,,(1,....................................................,.........Re 1,.................................................................),........,(1,......................................................,.........0)(1,,........2cos 22

2πνλτμμμρνρρρνρρνρρννρνΩ=T P =???

? ??====??+??±Φ=??+?+??????? 第一个方程表示的动量和质量守恒计算。随后的关系需要完整的方程组。这个方程组必须解

决的计算在任何点的压力。温度模型还需要确定温度，但为简单起见，只有方程流（而不是能量）将分析。应用这些方程的一个计算机模型，他们必须进行离散化，并在计算机程序中实现。一个流动的模型表示，动量和质量守恒方程通常是离散的，而范宁摩擦系数，密度，粘度和截面平均速度将由特定的关系直接计算，为接下来的讨论。 数值求解

数值求解器必须进行编程求解方程组。计算机模型的性能取决于选择的离散和求

解方程的方法，对求解速度和动态响应。耗费时间和资源需求数量计算的目的，方法，如二维或三维有限元或有限体积离散化可以应用。如果有对时间和资源没有限制，那么也可以使用全隐式求解器。然而，对于实时性的目的，这种方法可能不适用，并简化机理的一维模型的半隐式或显式求解器可能需要达到足够高的计算速度，尤其是在处理多相流，如控制压力钻井（MPD）的目的。然而，当应用这些方法，较高程度的校准是必需的，这样简单的应用，对模型的精度产生不利影响，如引用的说明。

方程的流量，压力损失方程通常是离散的，而密度和范宁摩擦系数通常由预处理采用解析或数值模型（如矩阵或张量）。在实时性的目的，这样的数值模型可以基于对基液进行测量（密度和流变仪测量系统测量（塑性粘度和屈服点（PV / YP）的粘度，如前面所描述的）。这样的基础模型可以使用密度和流变学的手动或自动测量平台上更新（前面描述的）。同时，范宁摩擦系数和密度可以利用现有的流量测量的校准（校准扇形使用压力随钻/当量循环密度摩擦（PWD / ECD）的测量和使用测得的当量静态密度校准密度模型（ESD））。

求解器输入

为了解决离散方程组，以下必须是可用的：

几何系统（提供DH，DEQ，字符串的长度（沿井筒倾角和整合））

预先确定的关系（提供基础和表/关系）

手动或自动测量系统的变量（泵冲程提供体积流量，密度和流体的温度T 在坑，和流变性能（粘度）的流体在井）

导出变量不能直接测量方法

影响压力过程的影响关系等：

流道面积变化的影响

在钻具压降关系（复杂的几何形状使得对流和摩擦损失以上条款不适用）

其他工具的应用（例如流替补）

确定状态的过程（循环，浪涌/拭，钻孔，铰孔等）的适用性模型/应用其他模型和/ 或子模型。

一个全面的列表超出了本文的范围。然而，分析显示压力损失方程的参数怎样可以推导出在计算机模型中的应用。还讨论了它们的来源的不确定性。

压差ΔP：

任何一点的压力沿井的压差和参考或边界上的压力，这可能是立管压力和/或在顶部的环形带的压力。后者可能与大气如果节流阀的应用，例如背压的应用，如MPD 或控制。如上所述，表面压力测量是相当可靠的，因此，有助于在最后的结果不确定性很小。

钻井液密度ρ:

流体的密度（或泥浆重量）可以通过手动或自动在井下流体采样测量，当时的温

度和大气压力。自动取样可能不准确，因为这种仪器需要校准。人工采样，虽然准确，是间歇性的，给低劣的分辨率。对于可压缩流体，如油基泥浆，流体的密度取决于压力和温度。因此，PVT关系必须被用于获得精确的压力损失计算。该表通常产生之前的操作和由泥浆公司提供。密度模型也可用于PVT关系，但现有的模型可以无需校准是不准确的。因此，手动或自动测量的校准是必需的，至少如果模型被用于控制目的。

钻井液流速V（平均，截面）：

钻井液的流速可能来自测量流程如前所述，从而提供必要的边界条件求解。如前所述，流体的流量可以来自划的速率，但这样的推导有很大的不确定性，特别是高流量。同时，对于动态行为，实际泵的运动可能不同于设定值，需要说明它。此外，虽然体积流量是已知的，在开孔的平均横截面的速度可能是由于一些原因不确定，包括未知的计量孔，铰孔或其他不规则的孔过大造成的不稳定。

水力直径Dh：

在开孔的水力直径取决于孔规，所以平均速度，水力直径可能是不确定的结果的一个不确定的卡尺。

流体静力学术语（右边第一项）：

通常情况下，静水压力应该是相当准确的计算。然而，如果测量深度/真垂直深度（MD / TVD）的关系是不准确的，如果测得的位深度是不正确的，那么结果将是一个错误的计算静压效应。一种随钻测量（MWD）调查通常评估井眼剖面。这个数据模型中的应用取决于调查的可靠通信。

摩擦压力损失（右二项）：

摩擦压力损失取决于截面平均速度，钻井液粘度和水力直径。所有这些参数的准确性是值得怀疑的。范宁摩擦系数是一个函数的雷诺兹数（即，F = F（Re）），在雷诺兹数为特征直径D的函数的流体粘度：Re=Dρν/μ

流体粘度的流变学模型，其中的参数通常由流体取样和测量用旋转粘度计测定。大多数钻井液的非牛顿流体之间的非线性关系，即随着剪切应力和剪切速率。因此，粘度不会超过流通截面积不变。测量的剪切应力/剪切率的关系，粘度计测量必须用流变模型应用相关。然而，信息是有限的，通常为一个高精度模型的不足，特别是对于现代油基泥浆。同时，粘度取决于温度和压力。手动流变学的测量通常是执行定期对钻机在坑的泥浆温度和气压。因此，对温度和压力变化影响的信息丢失。作为一个结果，标定是必不可少的粘度的关系。总结，在一个实时的应用，结合人工和实时输入到模型的正常使用。一个或多个模型参数的估计也可能需要校准，在校准的精度取决于上的手动或自动测量过程性能的精度和分辨率。

模型中的应用

如前所述，为计算机模型的需求在很大程度上取决于预期的应用。关键特性是精

度，鲁棒性，计算速度快，加工要求和适用性。最后一个属性，计算机模型的适用性，取决于这些属性的应用程序相关的水平。

列出可能使用的计算机模型与钻井作业的关键属性信息：

被动的应用：

规划/施工

远程控制

监控/支持

实时诊断

主动控制：

瞬时（预测模型）控制

流程优化/包线保护

关键的自动动作

精度

两种类型的精度是在这里经过仔细考虑。短期的准确性，可通过连续校准的简化模型的应用实现，和长期的精度，这就需要更完整的模型（可能造成额外的校准的关键参数/系数），通常需要更多的处理能力和计算时间。理想的情况是，长期模型的精度不应偏离随着时间的进程的行为太远，而短期精度的模型应该在很短的时间尺度是非常准确的。

计算机模型的短期精度最重要的是自动控制的目的，即所有描述的主动控制和实时诊断。所以所有的这些目的，所采用的模型是在短期内准确是非常重要的。简化的子模型的短期精度可通过模型参数标定的实现。然后模型的运行状态发生变化时必须重新校准。它是在状态变化时正确检测的关键。不同的简化模型可以应用于不同的过程状态。

好的规划和建设要求模型在长期内是准确的，这意味着要求模型有足够的精度，所以其运行状态定性对应于钻井过程中的运行状态随着时间的推移而无需校准，照目前来看不可能只有一个微小校准。监控和支持模型的应用程序可能要求的精度类型。监测的目的，短期的精度要求，典型监测模型没有被测量时用于计算瞬时属性，以便更好地理解过程中的运行状态。此外，长期的精度要求决策支持，作为未来运行状态的定性知识将有助于对钻井作业决策。远程控制并不一定需要使用模型。然而，如果一个更完整的画面需要更安全的远程控制，那么短期的准确性是非常重要的。

坚固性

模型的坚固性被了解才能提供足够的精度和计算稳定性，和质疑不准确的输入数据一样，数据噪声，错误和糟糕的分辨率。这种能力对瞬时控制、实时诊断和决定性的自动功能是非常重要的，模型的崩溃可能是危险的。如果模型是用于远程控制的目的，然后模型的坚固性也为此所要求的。过程优化关于坚固性不能作为临界的模型应

用，优化计算通常是预先执行。对于其他的描述的目的，坚固性是不是关键，因为有时间来纠正数据，启动模型，调试，等。

一般来说，越简单的模型，它可以更强大。因此，复杂的模型覆盖所有的动力学和物理方面一般会比简单的需要更少的输入和计算模型更容易出错。在实时模型的坚固性，特别是主动控制的目的，更准确的模型的短期使用频繁的校准/参数更新可能是最好的。该模型的坚固性与预处理关系密切。出现错误和当前测量数据的预处理是一个广泛的要求来实现控制的目的，必须有一个足够强大的模型。

计算速度和处理要求

计算速度和处理要求齐头并进，更高的处理能力通常提供较高的运算速度。一般来说，支持计算和规划，其中一个可能希望运行一个钻井的全模拟，计算速度要比实时更快，否则将经历一段长时间的等待结果。

对于实时应用，个别模型（流，浪涌/拭，流变，PVT等）需要足够快的预测和优化计算，但不相同的程度作为规划工具，在工程师迫不及待的过度时期，甚至几天，完成一个好的模拟。更重要的是，该化合物的实时模型的复杂性通常比简单的规划工具大很多，所以有一个需求增加处理能力。此外，为了控制的目的，要求增加高速度在数据通信的容量和可靠性方面，正如前面所讨论的。同时，校准和优化的目的，必须有足够的处理能力，同时运行多个模型实例。因此，实时应用程序通常允许比计划更多的计算时间的工具，但需要更高的复杂性和动力学模型。这增加了可以达到的复杂性，作为论述，在坚固性的成本花费更少。

适用性

计算机模型必须适用于其目的。物理的模型必须符合应用。规划的目的，完全适合否认目的输出可用于直接控制一样重要。对模型直接进行动态控制提供输入，计算动力学必须高精度，通过模型和广泛的模型参数标定的高复杂度的实现。同时，改变检测状态（和模型适用于不同的国家）是控制应用的关键。

应用实例

提供了一个半自动泵控制功能的示例，用一个新的钻井自动化系统测试在北海的几个不同的地方，详细描述在以前的文献。该功能的主要原理是动力学在泵启动时自动限制在裸眼井段的孔隙水压力极限通过动态水力模型与钻井控制系统集成使用。

图形9和10是泵启动压力的动态计算的显示情况，与实测值进行比较，从而说明功能验证。第一个案例发生在2007年，而在2009年发生的第二个例子。在这个时候，大量的工作已经进行了预处理，校准，状态检测和模型的复杂性，包括改变流量和钻柱力学模型的连接。注释在2007-2009年消除ECD反复无常的运转状态，看来似乎关系着字符串转数，展示发展动态水力学模型在两年期间。

结论

静态模型被普遍接受。

动态模型的出现，慢慢地越来越受欢迎。

控制机器使用一个模型的输出已成功实现。

实时模型要求关于精度，速度和细节根据不同目的应用。

实时模型在过程控制中的应用需要大量的模型校准，数据的质量控制通信可靠性。

在实时模型的应用，钻机设备的适用性分析是需要评估或评估需要升级。

实时自动化应该是适当的任何限制模型的硬件和考虑控制过程相匹配。

致谢

作者希望感谢国民油井华高的杰姆斯伯克斯他的传感器及其应用和瓦莱丽梅尔斯和希拉波波夫编辑支持深入的知识。作者还感谢国民油井华高和Drilltronics允许发布本文钻机系统。

命名

P =压力

ΔP =压力差沿着流道

ρ=钻井液密度

V =平均截面流速

S =流动路径

Φ=流路（井）倾斜

? = Fanning摩擦因子

Dh =水力直径

T =温度

μ=粘度

τ=剪应力

γ=剪应变

Ω=体积流量

Deq=当量径

图1早期马丁戴克重量指示器可选记录仪，大约1927

图2临界线传感器。钻线偏转在曲柄；线张力侧力比例