鉆井系統(tǒng)控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開內(nèi)容的實(shí)施例涉及一種用于控制鉆井系統(tǒng)的方法和控制器。
【背景技術(shù)】
[0002] 鉆探油井和/或天然氣井可能包含鉆出相當(dāng)大的長(zhǎng)度的井眼；鉆孔的垂直和/或 水平長(zhǎng)度通常高達(dá)幾千米。鉆柱包括處于其下端的鉆頭和旋擰/聯(lián)接在一起的一些長(zhǎng)度的 鉆桿。地面上的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抵著地層面旋轉(zhuǎn)鉆頭，以穿過(guò)地層鉆出井眼。鉆井機(jī)構(gòu)可以是頂 驅(qū)裝置、轉(zhuǎn)臺(tái)等等。
[0003] 在鉆井程序期間，鉆柱會(huì)在井眼中經(jīng)歷復(fù)雜的動(dòng)態(tài)行為，這個(gè)復(fù)雜的行為可能包 括軸向、橫向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及與井眼的摩擦和振動(dòng)相互作用。地面和鉆頭處的鉆井旋轉(zhuǎn)的 同時(shí)測(cè)量顯示，在鉆柱的頂部以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆頭可能以變化的角速度旋轉(zhuǎn)。在被 稱為粘滑的極端的情況下，鉆頭或鉆柱的另一部分可能會(huì)在井眼中停止旋轉(zhuǎn)，因此，鉆柱繼 續(xù)扭轉(zhuǎn)/旋轉(zhuǎn)，直到鉆頭再次旋轉(zhuǎn)為止，在此之后，鉆柱加速到遠(yuǎn)高于鉆柱頂部的角速度的 一個(gè)角速度。
[0004] 粘滑是鉆井行業(yè)公認(rèn)的一個(gè)問(wèn)題，它可能會(huì)導(dǎo)致地層穿透速度降低，鉆頭磨損，工 具故障和/或類似情況。鉆頭粘在井眼中，可能會(huì)降低鉆井速度，對(duì)鉆柱造成扭轉(zhuǎn)損害，并 且鉆頭在松開時(shí)快速旋轉(zhuǎn)，可能會(huì)給鉆井系統(tǒng)造成損害。
[0005] 以前，已經(jīng)有人提出檢測(cè)粘滑和通過(guò)改變頂驅(qū)裝置轉(zhuǎn)速、鉆壓和/或類似辦法來(lái) 減輕粘滑影響的方法。其它更主動(dòng)的方法則試圖衰減鉆柱在井眼中的振蕩以避免粘滑。然 而，例如通過(guò)調(diào)整鉆井速度、鉆壓和/或類似辦法來(lái)衰減振蕩和防止粘滑的措施，可能有悖 于并且未考慮到最優(yōu)鉆井所必需/期望的鉆井參數(shù)，例如最佳穿透速度等等。此外，控制器 可能已經(jīng)確定了頂驅(qū)裝置的最優(yōu)期望轉(zhuǎn)速等等以實(shí)現(xiàn)對(duì)井眼的期望鉆井效果。之前已經(jīng) 有人說(shuō)明了使用控制系統(tǒng)來(lái)控制旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的方法，這些方法提出減小鉆柱的旋轉(zhuǎn)諧振的振 幅。這些主動(dòng)的衰減振蕩方法可能會(huì)對(duì)鉆井速度造成不利影響和/或使鉆井速度偏離期望 速度。此外，之前，這些衰減操作的決定主要是基于減輕/防止粘滑的因素。
[0006] 美國(guó)專利第5, 117, 926號(hào)提出了一種用于使用能量流來(lái)控制振動(dòng)的模擬方法，其 中，能量被定義為"跨接變量"（對(duì)于旋轉(zhuǎn)振蕩來(lái)說(shuō)就是轉(zhuǎn)速）與"貫通變量"的乘積。通過(guò) 改變一個(gè)變量來(lái)控制另一個(gè)變量的波動(dòng)。
[0007] 美國(guó)專利公告第2011/0232966號(hào)提出利用頂驅(qū)裝置控制器內(nèi)的控制參數(shù)的變化 來(lái)抑制旋轉(zhuǎn)振蕩。如果控制器是比例積分（PI)控制器，則通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整積分常數(shù)，可在 期望的頻率下實(shí)現(xiàn)振蕩抑制。然而，隨著鉆柱長(zhǎng)度改變和主振蕩頻率改變，對(duì)所述方法必須 加以調(diào)整。這種方法還必需要能夠直接干涉頂驅(qū)裝置控制器。
[0008] WO2012/041745提出在沿鉆柱長(zhǎng)度在地面或靠近地面的兩個(gè)位置測(cè)量鉆柱的轉(zhuǎn) 速，并且對(duì)其進(jìn)行差分。這種方法不但不方便（很難在不干擾鉆井過(guò)程的前提下沿鉆柱進(jìn) 行測(cè)量），而且容易出錯(cuò)（兩個(gè)測(cè)量值之間的差值較?。?。
[0009] WO2012/084886提出利用整個(gè)鉆柱的數(shù)學(xué)模型，并且控制地面扭矩以便減小建模 的井下轉(zhuǎn)速。與美國(guó)專利公告第2011/0232966號(hào)相似，隨著鉆柱長(zhǎng)度改變，必須調(diào)整所述 模型，并且模型誤差會(huì)導(dǎo)致性能降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 在下文中闡述了本文中所公開的某些實(shí)施例的概述。應(yīng)理解，提供這些方面僅僅 是為了向讀者提供這些具體實(shí)施例的簡(jiǎn)要概述，并且這些方面并非意圖限制本公開內(nèi)容的 范圍。實(shí)際上，本公開內(nèi)容可以涵蓋可能并未闡述的多個(gè)方面。
[0011] 在第一方面中，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一種用于控制鉆井系統(tǒng)的方法，所述鉆 井系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、鉆柱和鉆頭。所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用時(shí)在鉆井過(guò)程期間旋轉(zhuǎn)所述鉆柱以 穿過(guò)地層鉆出井眼。所述控制方法包括：設(shè)定所述鉆柱的期望轉(zhuǎn)速％;接收所述鉆井系統(tǒng)的 參數(shù)的測(cè)量值，并且由測(cè)量的參數(shù)推導(dǎo)所述鉆柱的轉(zhuǎn)速的與上行旋轉(zhuǎn)能量相關(guān)的分量vup; 通過(guò)優(yōu)化一個(gè)表達(dá)式來(lái)確定所述鉆柱的轉(zhuǎn)速V，所述表達(dá)式調(diào)和了下面兩個(gè)沖突的目標(biāo)： (i)維持以v。為中心的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，和（ii)使下行旋轉(zhuǎn)能量最小化，所述優(yōu)化表達(dá)式基于V。 和Vup表達(dá)V;以及控制所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以使所述鉆柱以V旋轉(zhuǎn)。
[0012] 所述方法可以進(jìn)一步包括測(cè)量所述鉆井系統(tǒng)的屬性，Vup是由所述屬性推導(dǎo)出的。
[0013] 通過(guò)基于優(yōu)化的表達(dá)式控制所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以減小旋轉(zhuǎn)諧振的振幅。在本發(fā)明 的實(shí)施例中，所述優(yōu)化根據(jù)鉆井系統(tǒng)的諧振頻率的變化而自適應(yīng)，所述變化例如是鉆柱長(zhǎng) 度的增加造成的。此外，在本公開內(nèi)容的實(shí)施例中，不必準(zhǔn)確地確定鉆井系統(tǒng)的諧振頻率或 給鉆井系統(tǒng)的諧振頻率建模。此外，在一些實(shí)施例中，可以例如通過(guò)以現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器 外部的控制器的形式實(shí)施所述方法而向現(xiàn)有鉆井系統(tǒng)應(yīng)用所述控制方法。
[0014] 在本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例中，優(yōu)化的表達(dá)式基于V。和Vup表達(dá)V。然而，也可以 基于例如V。和Vd_ (與下行旋轉(zhuǎn)能量相關(guān)的轉(zhuǎn)速分量）或Vup和Vd_編寫V的等效表達(dá)式。 為了避免疑惑，提到優(yōu)化的表達(dá)式和優(yōu)化的表達(dá)式中使用的量％和Vup包含此類等效表達(dá) 式及其中使用的對(duì)應(yīng)的量。
[0015] 在第二方面中，本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例提供一種用于控制鉆井系統(tǒng)的控制器 (例如基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字控制器）。所述控制器可包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、鉆柱和鉆頭，其中，所述驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)在鉆井過(guò)程期間旋轉(zhuǎn)所述鉆柱以穿過(guò)地層鉆出井眼，所述控制器經(jīng)配置以執(zhí)行第一 方面的方法。
[0016] 舉例來(lái)說(shuō)，所述控制器可包括：存儲(chǔ)器，用以存儲(chǔ)所述鉆柱的期望轉(zhuǎn)速V。;和一個(gè) 或多個(gè)處理器，其經(jīng)配置以接收所述鉆井系統(tǒng)的參數(shù)的測(cè)量值，并且由此推導(dǎo)所述鉆柱的 轉(zhuǎn)速的與上行旋轉(zhuǎn)能量相關(guān)的分量vup;通過(guò)優(yōu)化一個(gè)表達(dá)式來(lái)確定所述鉆柱的轉(zhuǎn)速V，所 述表達(dá)式調(diào)和了下面兩個(gè)沖突的目標(biāo)：（i)維持以V。為中心的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，和（ii)使下行旋 轉(zhuǎn)能量最小化，優(yōu)化的表達(dá)式基于％和Vup表達(dá)V;以及控制所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以使所述鉆柱以 V旋轉(zhuǎn)。
[0017] 在第三方面中，本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例提供第二方面的控制器與用于測(cè)量鉆井 系統(tǒng)的屬性的一個(gè)或多個(gè)傳感器的組合，Vup是由所述屬性推導(dǎo)出的。
[0018] 在第四方面中，本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例提供一種鉆井系統(tǒng)，其包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、鉆 柱和鉆頭，其中，所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在鉆井過(guò)程期間旋轉(zhuǎn)所述鉆柱以穿過(guò)地層鉆出井眼；其中， 所述鉆井系統(tǒng)進(jìn)一步包括第二方面的控制器或第三方面的所述控制器與傳感器的組合。
[0019] 本發(fā)明的進(jìn)一步的方面提供：計(jì)算機(jī)程序，其包括代碼，所述代碼當(dāng)在計(jì)算機(jī)上運(yùn) 行時(shí)，使得所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行第一方面的方法；以及存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述 計(jì)算機(jī)程序包括代碼，所述代碼當(dāng)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，使得所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行第一方面的方 法。
[0020] 現(xiàn)在將陳述本發(fā)明的任選的特征。這些任選的特征可單獨(dú)應(yīng)用，或者以與本發(fā)明 的任何方面/實(shí)施例的任何組合應(yīng)用。
[0021] 在本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例中，所確定的和受到控制的轉(zhuǎn)速V可以是鉆柱的地面 轉(zhuǎn)速，分量Vup可以是轉(zhuǎn)速的地面分量，期望轉(zhuǎn)速Vc可以是鉆柱的地面期望轉(zhuǎn)速。
[0022] 總的來(lái)說(shuō)，在本公開內(nèi)容的一些實(shí)施例中，可以重復(fù)地執(zhí)行如下步驟：（i)接收屬 性測(cè)量值，并且由其推導(dǎo)vup; (ii)確定轉(zhuǎn)速V;以及（iii)控制所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在一些實(shí)施 例中，重復(fù)間隔可以足夠短，使得這些步驟在系統(tǒng)的主旋轉(zhuǎn)諧振期間重復(fù)多次，主旋轉(zhuǎn)諧振 以秒為單位可以大約是鉆柱的以米為單位的長(zhǎng)度L除以750。因此，舉例來(lái)說(shuō)，