一种基于摩阻剥离的页岩储层钻柱粘滑失稳边界更新方法

本发明属于石油天然气钻井工程，具体涉及页岩气水平井、长水平段水平井和大偏移距井钻进过程中的钻柱粘滑失稳边界更新方法，尤其涉及一种在摩阻剥离获得近钻头状态向量的基础上，构建井口—近钻头状态差异标签，并利用标签约束失稳边界及其迁移量更新钻压与转速控制窗口的方法。

背景技术：

1、页岩气水平井通常具有水平段长、井眼轨迹复杂、钻柱与井壁接触面积大等特点。在高曲率井段、扭方位井段和长水平段中，井口扭矩往往由近钻头破岩扭矩、分布式井壁摩阻扭矩以及扭矩传递损失共同组成。因此，井口扭矩异常并不必然代表钻头已经发生粘滑；反之，在扭矩传递损失较大的井段，近钻头粘滑也可能未充分反映到井口参数中。

2、现有摩阻扭矩计算类方法多以摩阻、钩载或扭矩预测为目标，能够提供钻柱—井壁摩擦或扭矩变化的计算结果，但通常未进一步将摩阻剥离后的近钻头状态用于失稳边界更新。现有粘滑振动识别或风险指数类方法多基于井口扭矩、地面转速、振动强度或粘滑指数进行判断，容易将长水平段摩阻累积造成的井口异常与真实近钻头粘滑混淆。如us2011147083a1通过分析工具面速度变异系数检测粘滑，us2019330968a1利用实时井下数据调整滑动钻进指令，这类方法依赖地面可测参数，但井口响应受摩阻传递影响，与井下真实状态存在偏差。

3、此外，现有钻井参数优化图版、提速评价、实时录井导向、旋导风险识别或钩载扭矩预测类方法，通常关注机械钻速、岩性识别、轨迹导向、工具面控制、井下动态参数监测或力学响应预测，如cn106545327a构建钻柱运动模型并采用转速/钻压双闭环控制，cn113638728a针对超深井建立四自由度扭转模型分析振动特性，此类方法具备物理机理支撑，但模型基于简化假设，难以适应实钻条件下摩阻分布的非线性变化。这些方法的技术目的与本发明不同。本发明不以机械钻速预测、岩性识别、井眼轨迹导向、旋导系统风险识别、钩载预测或独立扭矩预测为输出对象，而是围绕井口状态与近钻头状态的一致性关系，建立状态差异标签、标签约束失稳边界和失稳边界迁移量。

4、因此，需要一种能够在保留摩阻剥离与近钻头状态判别技术主线的同时，将现场反馈转化为失稳边界迁移结果的方法，使钻压与转速控制窗口不再仅由经验阈值、普通风险指数或单次模型计算确定，而是由状态差异标签和边界迁移量共同确定。

技术实现思路

1、为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。

2、本发明的名称为一种基于摩阻剥离的页岩储层钻柱粘滑失稳边界更新方法。其中，摩阻剥离用于获得近钻头状态输入，近钻头状态判别用于形成状态差异标签，失稳边界迁移更新用于将实钻响应转化为钻压与转速控制窗口的边界更新依据。

3、本发明的目的在于提供一种基于摩阻剥离的页岩储层钻柱粘滑失稳边界更新方法，用于解决长水平段高摩阻条件下井口异常与近钻头异常难以区分、普通摩阻计算结果难以直接转化为粘滑失稳边界、以及后续井段钻压与转速控制窗口难以随实钻响应更新的问题。

4、本发明的核心不在于单独计算钻柱摩阻扭矩，也不在于依据井口扭矩阈值直接识别粘滑，而在于建立摩阻剥离状态输入、状态差异标签、标签约束失稳边界、边界迁移量、控制窗口边界更新的连续技术链。该技术链将摩阻剥离得到的近钻头状态向量作为输入，将井口状态与近钻头状态之间的一致性关系转化为状态差异标签，并基于构建标签约束失稳判据和标签约束失稳边界。

5、本发明不再将主要符号和状态量作为独立步骤集中列出，而是将各符号的定义、来源和用途分别嵌入对应步骤中，以便说明每一状态量在连续技术链中的作用。

6、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

7、一种基于摩阻剥离的页岩储层钻柱粘滑失稳边界更新方法，其特征在于，包括如下步骤：

8、步骤s1：获取当前控制井段的井口状态向量和经摩阻剥离前处理得到的近钻头状态向量；

9、步骤s2：比较所述井口状态向量与所述近钻头状态向量的同步变化关系，得到当前控制井段的状态差异量，其中，

10、

11、式中，为井口扭矩异常差异分量，为角速度衰减差异分量，为粘滑状态差异分量；

12、步骤s3：根据状态差异量中各差异分量的相对变化生成当前控制井段的状态差异标签，其中，

13、

14、式中，表示曲率摩阻主导型标签，表示近钻头隐蔽粘滑型标签，表示钻头粘滑主导型标签；

15、步骤s4：将所述状态差异标签作为约束变量引入粘滑失稳判据，并根据所述状态差异标签改变井口状态项、近钻头状态项和能量失稳项在粘滑失稳判据中的权重，得到粘滑失稳判据所示的标签约束粘滑失稳判据；

16、步骤s5：以所述标签约束粘滑失稳判据等于1作为边界条件，确定当前控制井段的标签约束失稳边界，其中，

17、

18、式中，为第 i 个控制井段在状态差异标签约束下形成的钻压与转速失稳边界；

19、步骤s6：基于当前控制井段的实钻响应更新所述状态差异量、状态差异标签和标签约束判据权重系数，重新代入标签约束粘滑失稳判据，确定修正后标签约束失稳边界，比较与在钻压与转速二维平面中的偏移方向和偏移幅度，得到失稳边界迁移量，其中，

20、

21、式中，用于表示修正后失稳边界相对于修正前失稳边界的偏移方向和偏移幅度；

22、将所述失稳边界迁移量作为当前控制井段或后续控制井段钻压与转速控制窗口的边界输入，失稳边界迁移量进一步表示为：，式中，为临界钻压偏移量，为临界转速偏移量，为边界迁移方向。

23、优选地，所述井口状态向量表示为：

24、

25、井口状态向量用于表征井口可观测状态；

26、所述近钻头状态向量表示为：

27、

28、近钻头状态向量用于表征剥离井壁摩阻影响后的近钻头动力状态；

29、式中，为井口扭矩，为井口扭矩波动统计量，为地面角速度，为地面角速度波动统计量，为经摩阻剥离后得到的近钻头等效扭矩，为近钻头角速度，为近钻头扭矩变化率，为第 i 个控制井段对应的角速度衰减量。

30、优选地，所述近钻头状态向量通过如下关系式获得：

31、

32、

33、

34、

35、式中，为井口至近钻头之间的计算单元总数，为第i个计算单元的扭矩传递损失，为扭转传递系数。

36、优选地，所述井口扭矩异常差异分量用于表征井口扭矩波动与近钻头等效扭矩变化之间的差异或井口异常程度；所述角速度衰减差异分量用于表征地面角速度与近钻头角速度之间的衰减差异，所述粘滑状态差异分量用于表征近零转速持续比例和粘滑状态变量的变化程度，各差异分量通过下式得到：

37、

38、

39、

40、式中，为近零转速持续比例，为粘滑状态变量。

41、优选地，所述步骤s3中，分别设置井口扭矩异常差异阈值、角速度衰减差异阈值和粘滑状态差异阈值；当，且、时，生成曲率摩阻主导型标签；当，且或时，生成近钻头隐蔽粘滑型标签；当、且时，生成钻头粘滑主导型标签。

42、优选地，所述步骤s4中，所述标签约束粘滑失稳判据表示为：

43、

44、式中，wob为钻压，n为转速，为第 i 个控制井段的钻柱扭转弹性能量，为钻头—地层临界破粘能量，为粘滑状态变量，为近零转速持续比例 ，为井口状态与近钻头状态的一致性放大项，、、为随状态差异标签变化的标签约束判据权重系数；

45、其中，所述粘滑状态变量表示为：

46、

47、

48、式中，为粘滑状态变量构成权重系数，、、为归一化尺度参数；

49、近零转速持续比例由采样窗口内近钻头角速度低于预设比例阈值的持续时间占比确定：

50、

51、式中，为采样窗口内满足近零转速条件的累计时间，为采样窗口长度。

52、优选地，一致性放大项用于表征井口状态异常与近钻头状态恶化之间的同步程度；当、和同步升高时，取更高值，当仅井口扭矩波动升高而近钻头状态未同步恶化时，取更低值。

53、优选地，所述标签约束判据权重系数用于体现不同状态差异标签对失稳判据的影响，当时，降低井口状态项对失稳判据的直接放大作用；当时，提高近钻头角速度衰减量、近零转速持续比例和粘滑状态变量的权重；当时，使粘滑状态变量、近零转速持续比例和一致性放大项均参与标签约束粘滑失稳判据计算。

54、优选地，所述步骤s6中，所述临界钻压偏移量表示同一转速条件下修正前后临界钻压的差值，所述临界转速偏移量表示同一钻压条件下修正前后临界转速的差值，所述边界迁移方向用于表征修正后失稳边界相对于修正前失稳边界向稳定侧或失稳侧的迁移方向。

55、优选地，所述修正后标签约束失稳边界由实钻响应更新后的或、、重新确定，失稳边界迁移量作为当前控制井段或后续控制井段钻压与转速控制窗口的边界更新输入，不直接输出井下工具控制、旋导轨迹控制、机械钻速优化、岩性识别、钩载预测或独立扭矩预测结果。

56、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

57、1. 本发明将摩阻剥离结果进一步转化为近钻头状态向量，并与井口状态向量进行状态一致性判别，避免将摩阻剥离停留在普通摩阻扭矩计算或扭矩预测层面。

58、2. 本发明提出状态差异标签，将曲率摩阻主导型、近钻头隐蔽粘滑型和钻头粘滑主导型三种状态进行区分，使粘滑失稳边界计算能够考虑井口异常与近钻头异常之间的一致性关系。

59、3. 本发明提出标签约束粘滑失稳判据和标签约束失稳边界，使失稳边界不再是固定经验阈值或普通钻压与转速优化图版，而是随状态差异标签变化的边界。

60、4. 本发明提出失稳边界迁移量，将实钻反馈转化为修正前后边界在钻压与转速二维平面中的位置变化，从而避免将反馈过程写成普通模型参数修正、扭矩预测或钩载预测。

61、5. 本发明明确不以机械钻速预测、岩性识别、井眼轨迹导向、旋导系统风险识别、分布式动态参数监测或钩载扭矩预测为目的，能够突出其面向长水平段高摩阻条件下粘滑失稳边界迁移更新的专门用途。

62、以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本技术。