控制井筒鉆井系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】用于控制井下鉆井設備的技術包括：基于所述井下鉆井設備的傳感器測量值來確定井下鉆井動力學的標稱模型；確定井下鉆井動力學的所述標稱模型的不確定性；基于井下鉆井動力學的所述標稱模型的所述不確定性來確定偏離井下鉆井動力學的所述標稱模型的模型集合；以及基于所述標稱模型和偏離所述標稱模型的所述模型集合來產(chǎn)生用于所述井下鉆井設備的虛擬控制器。
【專利說明】控制井筒鉆井系統(tǒng)技術背景
[0001]本公開涉及對用于從地下巖層開采烴類的井筒操作的管理(例如，自動化)。
[0002]背景
[0003]對于烴類諸如石油和天然氣的鉆井通常涉及鉆井設備在可向下到達表面以下數(shù)千英尺位置的操作。井下鉆井設備的這樣的遠距離，結合不可預測的井下操作條件和振動性鉆井干擾，在準確控制井筒軌跡的過程中形成眾多挑戰(zhàn)。這些問題加劇通常是因為存在限制鉆井誤差容限的相鄰井筒，有時彼此緊密靠近。鉆井操作通常從位于井下鉆井設備附近的井下傳感器收集測量值以檢測與鉆井相關的各種條件，諸如井筒軌跡的位置和角度、巖石巖層的特征、壓力、溫度、聲學、輻射等。通常將這樣的傳感器測量數(shù)據(jù)傳送到表面，操作人員在那里分析這些數(shù)據(jù)以調整井下鉆井設備。然而，傳感器測量值可能不準確、延遲或罕見，從而限制使用此類測量值的有效性。通常，使操作人員在控制鉆井操作的過程中使用井筒軌跡的最佳推測估計值。
[0004]附圖簡述
[0005]圖1示出了在井下操作情況下井筒系統(tǒng)的至少一部分的實現(xiàn)方式的示例；
[0006]圖2是鉆井系統(tǒng)的自適應魯棒控制設計的示例過程的流程圖；
[0007]圖3A是由于不確定性而引起的與標稱I旲型的偏差的不例頻域響應的繪圖；
[0008]圖3B是其中控制器針對標稱模型來設計的受控系統(tǒng)(在不確定性下)的示例時域響應的繪圖；
[0009]圖3C是其中魯棒控制器針對標稱模型而形成的受控系統(tǒng)(在不確定性下)的示例時間響應的繪圖；
[0010]圖4是與不受控系統(tǒng)相比，魯棒受控系統(tǒng)的示例頻率響應開回路傳遞函數(shù)的繪圖；[0011 ]圖5A和5B是魯棒穩(wěn)定性控制器的示例設計程序的流程圖；
[0012]圖6是用于設計魯棒控制器(例如，虛擬控制器)的示例過程的流程圖；
[0013]圖7A和7B是示出了基于井下鉆井設備動力學的標稱模型和偏離標稱模型的模型集合來產(chǎn)生用于井下鉆井設備的虛擬控制器的示例過程的流程圖；
[0014]圖8是更新井下鉆井設備動力學的標稱模型的示例過程的流程圖；
[0015]圖9是產(chǎn)生使用不同穩(wěn)定性標準的兩個虛擬控制器的示例過程的流程圖；以及
[0016]圖10是一些示例可操作于其上的控制系統(tǒng)的示例的框圖。
【具體實施方式】
[0017]本公開大體描述了井筒鉆井操作的自動化控制，以提高在不可預測的和/或未知的井筒條件下鉆井的穩(wěn)定性。具體來說，描述了多種技術，其中估計井下鉆井動力學的模型，并且對用于井下鉆井設備(例如，底部鉆具組件、鉆柱或其它設備)的控制器(例如，虛擬控制器)進行設計以滿足穩(wěn)定性標準，盡管在井下鉆井動力學的估計模型中可能存在誤差。在一些示例中，該系統(tǒng)可以對控制器(例如，虛擬控制器)進行設計以實現(xiàn)所需性能規(guī)格，同時也滿足基于井下環(huán)境中不同類型的不確定性、干擾和噪聲的穩(wěn)定性標準。在一些示例中，該系統(tǒng)可以對多個虛擬控制器各自利用不同的穩(wěn)定性標準進行設計，并且可以基于變化的井下條件而在多個虛擬控制器之間自適應地切換。
[0018]井下鉆井設備(其建模和受控)可以包括例如底部鉆具組件(BHA)或鉆柱，或任何其它合適的井下鉆井設備或井下鉆井設備組合?？梢韵蚓裸@井設備，也可以向控制井下鉆井設備的表面上系統(tǒng)提供虛擬控制器。作為特定說明性示例，以下論述考慮通過向控制BHA的表面上控制系統(tǒng)提供一個或多個虛擬控制器(例如，BHA控制器)來控φ?」ΒΗΑ的場景。
[0019]該系統(tǒng)可以監(jiān)視鉆井操作的性能，并且確定是否更新井下鉆井設備(例如，BHAjA柱或其它設備)動力學的模型。如果該系統(tǒng)確定，井下鉆井設備(例如，ΒΗΑ、鉆柱或其它設備)動力學的模型顯著偏離傳感器測量值，那么該系統(tǒng)可以基于已更新的傳感器測量值來識別井下鉆井設備動力學的新模型。這種模型更新可能包括:完全挑選不同的模型;將同一非線性模型重新線性化;或為同一模型挑選不同的參數(shù)值。在一些示例中，該模型可以是數(shù)據(jù)驅動的，而不是基于第一原理的，在這種情況下，模型更新可以選擇不同的數(shù)據(jù)擬合參數(shù)。在后一種情況下，可以通過任何合適的估計技術(諸如最小二乘法)來實現(xiàn)參數(shù)擬合以得到適當?shù)妮斎胼敵鲇成?，而無需使井下物理相互作用的模型公式化。
[0020]在一些示例中，該系統(tǒng)可以在兩個不同的時間尺度上操作。例如，該系統(tǒng)可以在較慢的時間尺度上對用于井下鉆井設備(例如，ΒΗΑ、鉆柱或其它設備)的控制器進行設計和更新(例如，使用系統(tǒng)識別技術)，并且井下鉆井設備本身可以在較快的時間尺度上控制井筒中的鉆井。具體來說，該系統(tǒng)可以使用較慢的時間尺度來訓練井下鉆井設備控制器以學習井下動力學的真實特征，并且井下鉆井設備控制器可以在較快的時間尺度上基于頻繁的傳感器測量值來調整井下鉆井設備控制輸入。
[0021]在一般實現(xiàn)方式中，控制井下鉆井設備的計算機實現(xiàn)方法包括:基于來自井下鉆井設備的傳感器測量值來確定井下鉆井動力學的標稱模型;確定井下鉆井動力學的標稱模型的不確定性;基于井下鉆井動力學的標稱模型的不確定性來確定偏離井下鉆井動力學的標稱模型的模型集合；以及基于標稱模型和偏離標稱模型的模型集合來產(chǎn)生用于井下鉆井設備的虛擬控制器。
[0022]其它一般實現(xiàn)方式包括記錄在一個或多個計算機存儲裝置上的相應計算機系統(tǒng)、設備和計算機程序，各自被配置成執(zhí)行方法動作。具有一個或多個計算機的系統(tǒng)可以被配置成執(zhí)行用于執(zhí)行這些動作的操作。一個或多個計算機程序可以被配置成通過包括以下指令來執(zhí)行特定的操作或動作，這些指令在由數(shù)據(jù)處理設備執(zhí)行時，導致該設備執(zhí)行這些動作。
[0023]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第一方面，基于標稱模型和偏離標稱模型的模型集合來產(chǎn)生用于井下鉆井設備的虛擬控制器包括產(chǎn)生滿足標稱模型的穩(wěn)定性標準并且滿足偏離標稱模型的模型集合的穩(wěn)定性標準的用于井下鉆井設備的虛擬控制器。
[0024]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第二方面，產(chǎn)生滿足井下鉆井動力學的標稱模型的穩(wěn)定性標準并且滿足偏離井下鉆井動力學的標稱模型的模型集合的穩(wěn)定性標準的用于井下鉆井設備的虛擬控制器包括產(chǎn)生滿足偏離井下鉆井動力學的標稱模型的模型集合中的每個模型的有界輸入有界輸出標準的虛擬控制器。
[0025]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第三方面，有界輸入有界輸出標準包括H無窮穩(wěn)定性標準。
[0026]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第四方面，產(chǎn)生滿足井下鉆井動力學的標稱模型的穩(wěn)定性標準并且滿足偏離井下鉆井動力學的標稱模型的模型集合的穩(wěn)定性標準的用于井下鉆井設備的虛擬控制器包括根據(jù)偏離井下鉆井動力學的標稱模型的模型集合產(chǎn)生模型的隨機子集；以及產(chǎn)生滿足模型的所述隨機子集中的每個模型的輸入輸出穩(wěn)定性標準的虛擬控制器。
[0027]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第五方面，輸入輸出穩(wěn)定性標準包括H無窮穩(wěn)定性標準或H-2穩(wěn)定性標準中的至少一者。
[0028]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第六方面，確定井下鉆井動力學的標稱模型的不確定性包括確定井下鉆井動力學的標稱模型的參數(shù)的統(tǒng)計分布，并且基于井下鉆井動力學的標稱模型的不確定性來確定偏離井下鉆井動力學的標稱模型的模型集合包括確定從參數(shù)的統(tǒng)計分布隨機所選擇的隨機參數(shù)值集合。
[0029]可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第七方面進一步包括確定井下鉆井設備的振動干擾模型。在該第七方面，產(chǎn)生用于井下鉆井設備的虛擬控制器包括從屬于振動干擾模型而產(chǎn)生滿足穩(wěn)定性標準的用于井下鉆井設備的虛擬控制器。
[0030]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第八方面，振動干擾模型包括井下鉆井動力學的標稱模型的頻率特征，并且從屬于振動干擾模型而產(chǎn)生滿足穩(wěn)定性標準的用于井下鉆井設備的虛擬控制器包括產(chǎn)生使頻率減弱的虛擬控制器，在這些頻率下，井下鉆井動力學的標稱模型的頻率特征具有超過增益閾值的增益。
[0031]可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第九方面進一步包括:識別井下鉆井設備的已更新的傳感器測量值;檢測到基于已更新傳感器測量值已發(fā)生模型更新事件；以及基于檢測到已發(fā)生模型更新事件來更新井下鉆井動力學的標稱模型。
[0032]可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第十方面進一步包括:根據(jù)第一時間尺度來接收高保真度傳感器測量值；以及據(jù)根第一時間尺度基于這些高保真度傳感器測量值來更新井下鉆井動力學的標稱模型；以及將虛擬控制器配置成根據(jù)與第一時間尺度相比較快的第二時間尺度，基于根據(jù)該第二時間尺度所接收的低保真度傳感器測量值來向井下鉆井設備施加控制輸入。
[0033]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第十一方面，檢測到已發(fā)生模型更新事件包括:確定井下鉆井動力學標稱模型的偏離閾值；以及確定井下鉆井動力學的標稱模型與傳感器測量值之間的差超過偏離閾值。
[0034]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第十二方面，確定井下鉆井動力學的標稱模型的偏離閾值進一步包括基于計劃井筒路徑或井筒跟蹤誤差約束中的至少一者來確定偏離閾值。
[0035]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第十三方面，更新井下鉆井動力學的模型包括更新井下鉆井動力學的標稱模型中的參數(shù)。該第十三方面還包括基于井下鉆井動力學的已更新模型來更新虛擬控制器。
[0036]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第十四方面，井下鉆井設備包括底部鉆具組件(BHA)或鉆柱中的至少一者。
[0037]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第十五方面，產(chǎn)生滿足井下鉆井動力學的標稱模型的穩(wěn)定性標準并且滿足偏離標稱模型的模型集合的穩(wěn)定性標準的用于井下鉆井設備的虛擬控制器包括確定滿足井下鉆井動力學的標稱模型的第一穩(wěn)定性標準并且滿足偏離標稱模型的模型集合的第一穩(wěn)定性標準的第一虛擬控制器;確定滿足井下鉆井動力學的標稱模型的第二穩(wěn)定性標準并且滿足偏離標稱模型的模型集合的第二穩(wěn)定性標準的第二虛擬控制器，其中第二穩(wěn)定性標準不同于第一穩(wěn)定性標準。
[0038]可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第十六方面進一步包括確定已發(fā)生虛擬控制器切換事件；以及基于確定已發(fā)生虛擬控制器切換事件來在第一虛擬控制器與第二虛擬控制器之間進行切換。
[0039]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第十七方面，確定已發(fā)生虛擬控制器切換事件包括:基于井下鉆井動力學的標稱模型來確定井下鉆井設備的控制輸入的目標穩(wěn)態(tài)值;將井下鉆井設備的控制輸入的穩(wěn)態(tài)值與井下鉆井設備的控制輸入的測量值進行比較；以及確定井下鉆井設備的控制輸入的穩(wěn)態(tài)值與井下鉆井設備的控制輸入的測量值之間的差超過跟蹤閾值。
[0040]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第十八方面，確定已發(fā)生虛擬控制器切換事件包括:確定計劃井筒路徑；以及根據(jù)計劃井筒路徑確定與另一井筒碰撞的概率超過碰撞閾值，或者計劃井筒路徑的曲率半徑低于徑向閾值。
[0041]可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第十九方面進一步包括:基于井下鉆井設備的虛擬控制器來基于井下鉆井設備的傳感器測量值確定井下鉆井設備的控制輸入;以及向井下鉆井設備施加控制輸入。
[0042]在可與任何一般實現(xiàn)方式結合的第二十方面，確定井下鉆井設備的控制輸入包括確定鉆壓、機械鉆速、流體流速、鉆頭扭矩、轉臺扭矩或RPM中的至少一者。
[0043]根據(jù)本公開的用于井筒鉆井的控制系統(tǒng)的各種實現(xiàn)方式可能不包括以下特征，也可能包括以下特征中的一個或一些。例如，該系統(tǒng)可以提高鉆井操作的穩(wěn)定性和效率。具體來說，本文所述的技術可以實現(xiàn)自動化井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)控制，該控制對于模型不確定性和鉆井中的隨機干擾兩者而言是魯棒的。在一些示例中，該系統(tǒng)可以通過同時適應井筒條件的較小變化(在較快的時間尺度上)以及適應井筒條件的較大變化(在較慢的時間尺度上)來提高鉆井操作的精確性，并且以較少的偏差來更密切地跟蹤計劃井筒路徑。因此，該系統(tǒng)可以通過降低不確定性引起鉆井失效的風險來提高鉆井操作的效率和成本。
[0044]在附圖和以下描述中闡述了一個或多個實現(xiàn)方式的細節(jié)。根據(jù)描述和附圖，并且根據(jù)權利要求，可以明白其它特征、目的和優(yōu)點。
[0045]圖1示出了根據(jù)本公開的偏斜井筒系統(tǒng)100的一種實現(xiàn)方式的一部分。雖然示為偏斜系統(tǒng)(例如，具有定向井筒、水平井筒或輻射狀井筒)，但該系統(tǒng)可僅包括相對垂直井筒(例如，包括正常鉆井變化)以及其它類型的井筒(例如，橫向井筒、模式井筒及其它)。此外，雖然示出在地面上，但系統(tǒng)100也可位于海底與水基環(huán)境中。一般來說，偏斜井筒系統(tǒng)100進入一個或多個地下巖層，并且更容易且更有效地開采位于這樣的地下巖層中的烴類。另外，偏斜井筒系統(tǒng)100可以實現(xiàn)更容易且更有效的壓裂或增產(chǎn)操作。如圖1所示，偏斜井筒系統(tǒng)100包括部署在地面102上的鉆井組件104。鉆井組件104可以用于形成從地面102延伸出來并且在地下穿過一個或多個地質巖層的垂直井筒部分108。一個或多個地下巖層(諸如開采巖層126)位于地面102之下。如以下更詳細闡述，可以將一個或多個井筒套管(諸如表面套管112和中間套管114)安裝在垂直井筒部分108的至少一部分中。
[0046]在一些實現(xiàn)方式中，可以將鉆井組件104布置在水體而不是地面102上。例如，在一些實現(xiàn)方式中，地面102可為海洋、海灣、?；蛉魏纹渌梢栽谙旅姘l(fā)現(xiàn)含烴巖層的水體。簡言之，對地面102的引用包括陸地和水表面兩者，并且考慮到從這兩個位置之一或兩者形成和/或發(fā)展成一個或多個偏斜井筒100。
[0047]—般來說，鉆井組件104可為用于在地下形成井筒的任何適當?shù)慕M件或鉆機。鉆井組件104可以使用傳統(tǒng)技術以形成這樣的井筒(諸如垂直井筒部分108)，也可以使用非傳統(tǒng)的或新穎的技術。在一些實現(xiàn)方式中，鉆井組件104可以使用旋轉鉆井設備以形成這樣的井筒。旋轉鉆井設備是已知的并且可由鉆柱106和底部鉆具組件(BHA)IlS組成。在一些實現(xiàn)方式中，鉆井組件104可由旋轉鉆機組成。這樣一種旋轉鉆機上的旋轉設備可由多個部件組成，這些組件用于使鉆頭在地面中旋轉得越來越深，進而形成井筒(諸如垂直井筒部分108)。旋轉設備由多個部件(這里沒有全部示出)組成，這些部件有助于將動力從原動機轉移到鉆頭本身。原動機向轉臺或頂部直接驅動系統(tǒng)供應動力，該頂部直接驅動系統(tǒng)進而向鉆柱106供應旋轉動力。鉆柱106通常附接到底部鉆具組件118內(nèi)的鉆頭。轉體(其附接到提升設備)承載鉆柱106的重量的大部分(即便不是全部)，但可允許鉆柱自由旋轉。
[0048]鉆柱106通常由重型鋼管段組成，這些段具有螺紋以使得它們互鎖在一起。一個或多個鉆環(huán)位于鉆桿下方，該一個或多個鉆環(huán)與鉆桿相比更重、更厚且更堅固。螺紋鉆環(huán)有助于增加鉆頭上方鉆柱106的重量，以確保在鉆頭上存在足夠的向下壓力以允許鉆頭鉆穿一個或多個地質巖層。任何特定旋轉鉆機上鉆環(huán)的數(shù)量和性質可以取決于在鉆井時所經(jīng)歷的井下條件發(fā)生變化。
[0049]鉆頭通常位于底部鉆具組件118內(nèi)或附接到底部鉆具組件118，該底部鉆具組件位于鉆柱106的井下端部。鉆頭主要負責與一個或多個地質巖層內(nèi)的材料(例如，巖石)形成接觸并且鉆穿這種材料。根據(jù)本公開，可以取決于在鉆井時碰到的地質巖層的類型來選擇鉆頭類型。例如，在鉆井期間碰到的不同地質巖層可能需要使用不同的鉆頭以實現(xiàn)最大鉆井效率。鉆頭可能由于巖層的這些差異或由于鉆頭經(jīng)歷磨損而發(fā)生變化。雖然這樣的細節(jié)并不是本公開的關鍵，但一般來說存在四種類型的鉆頭，各自適于具體條件。這四種最常見類型的鉆頭由以下各項組成:延遲鉆頭或刮刀鉆頭;鋼旋轉鉆頭;聚晶金剛石復合片鉆頭和金剛石鉆頭。不管所選擇的具體鉆頭如何，連續(xù)去除“鉆肩”對于旋轉鉆井至關重要。
[0050]旋轉鉆井操作的循環(huán)系統(tǒng)(諸如鉆井組件104)可為鉆井組件104的其它部件。一般來說，循環(huán)系統(tǒng)具有多個主要目標，包括:冷卻和潤滑鉆頭;從鉆頭和井筒移除鉆肩；以及將井筒的壁用泥漿型餅涂敷。該循環(huán)系統(tǒng)由鉆井流體(其在整個鉆井過程向下循環(huán)穿過井筒)組成。通常，循環(huán)系統(tǒng)的部件包括鉆井流體栗、壓縮機、相關衛(wèi)生器具和用于將添加劑加入鉆井流體的專業(yè)噴射器。在一些實現(xiàn)方式中，諸如在水平或定向鉆井過程中，井下馬達可以結合底部鉆具組件118使用或用于底部鉆具組件118。這樣一種井下馬達可為具有渦輪機配置或推進腔式配置的泥漿馬達，諸如Moineau馬達。這些馬達通過鉆柱106接收鉆井流體并且旋轉以驅動鉆頭或改變鉆井操作的方向。
[0051]在許多旋轉鉆井操作中，鉆井流體沿著鉆柱106向下栗送并且通過鉆頭中的端口或噴口流出。流體隨后朝著表面102在井筒部分108與鉆柱106之間的環(huán)形空間(例如，環(huán)形區(qū))內(nèi)向上流動，將呈懸浮狀態(tài)的鉆肩載送到表面?？梢匀Q于在地下表面102下面發(fā)現(xiàn)的地質條件的類型來選擇鉆井流體(與鉆頭非常相似)。例如，所發(fā)現(xiàn)的某些地質條件和一些地下巖層可能要求將液體(諸如水)用作鉆井流體。在這樣的情況下，可能需要超過100,000加侖的水來完成鉆井操作。如果水本身并不適于將鉆肩從鉆孔載送出去或者不具有足夠的密度以控制井中的壓力，那么可以將粘土添加劑(膨潤土)或基于聚合物的添加劑加入水中以形成鉆井流體(例如，鉆井泥漿)。如上所述，可能會引起關于在鄰近固持淡水的地下巖層或地下巖層附近的地面下巖層中使用這樣的添加劑的擔憂。
[0052]在一些實現(xiàn)方式中，鉆井組件104和底部鉆具組件118可以利用空氣或泡沫作為鉆井流體來操作。例如，在空氣旋轉鉆井過程中，壓縮空氣使得由向上垂直穿過環(huán)形區(qū)到達地面102的鉆頭所產(chǎn)生的鉆肩上升。大型壓縮機可以提供空氣，該空氣隨后被迫使沿鉆柱106向下并且最終通過鉆頭中的小端口或噴口離開。隨后收集移除到地面102的鉆肩。
[0053]如上所述，鉆井流體的選擇可以取決于鉆井操作期間碰到的地質巖層的類型。另夕卜，這個決定可能受到鉆井類型(諸如垂直鉆井、水平鉆井或定向鉆井)的影響。例如，在某些情況下，與定向或水平鉆井相比，當垂直鉆井時，某些地質巖層可能更適合空氣鉆井。
[0054]如圖1所示，底部鉆具組件118(包括鉆頭)鉆出或形成垂直井筒部分108，該垂直井筒部分從地面102朝向目標地下巖層124和開采巖層126延伸。在一些實現(xiàn)方式中，目標地下巖層124可為適合空氣鉆井的地質巖層。另外，在一些實現(xiàn)方式中，開采巖層126可為不那么適合空氣鉆井過程的地質巖層。如圖1所示，開采巖層126緊鄰目標巖層124并且位于目標巖層124下方。替代地，在一些實現(xiàn)方式中，在目標地下巖層124與開采巖層126之間可能存在一個或多個中間地下巖層(例如，不同的巖石或礦石巖層)。
[0055]在偏斜井筒系統(tǒng)100的一些實現(xiàn)方式中，可以將垂直井筒部分108用一個或多個套筒加套。如圖所示，垂直井筒部分108包括傳導套管110，該傳導套管不久之后從地面102延伸到地下。垂直井筒部分108由傳導套管110包圍的一部分可為大直徑井筒。例如，垂直井筒部分108的這部分可為具有13-3/8”傳導套管110的17-1/2”井筒。另外，在一些實現(xiàn)方式中，垂直井筒部分108可以偏離垂直(例如，傾斜井筒)。另外，在一些實現(xiàn)方式中，垂直井筒部分108可為階梯式井筒，以使得一部分垂直向下鉆井并且隨后彎曲到基本水平井筒部分。該基本水平井筒部分隨后可以向下轉向第二基本垂直部分，該第二基本垂直部分隨后轉向基本水平井筒部分?？梢愿鶕?jù)(例如)地面102的類型、一個或多個目標地下巖層的深度、一個或多個開采地下巖層的深度和/或其它標準來增加額外的基本垂直和水平井筒部分。
[0056]傳導套管110的井下可為表面套管112。表面套管112可以包圍略小的井筒并且保護垂直井筒部分108免受例如地面102附近的淡水層的侵入。垂直井筒部分108隨后可以朝著造斜點120垂直向下延伸，該造斜點可位于目標地下巖層124上方500英尺與I，000英尺之間。垂直井筒部分108的這部分可由中間套管114包圍。垂直井筒部分108在其長度內(nèi)的任一點處的直徑以及上述套管中的任一個的套管尺寸可為取決于鉆井過程的適當尺寸。
[0057]一旦到達造斜點120，即可將鉆井工具諸如測井設備和測量設備部署到井筒部分108中。在該點，可以形成對底部鉆具組件118的精確位置的確定并將其傳輸?shù)降孛?02。另夕卜，一旦到達造斜點120，即可改變或調整底部鉆具組件118，以使得可將適當?shù)亩ㄏ蜚@井工具插入垂直井筒部分108。
[0058]如圖1所示，可在一個或多個地質巖層內(nèi)形成彎曲井筒部分128和水平井筒部分130。通常，可以鉆出彎曲井筒部分128，該彎曲井筒部分從垂直井筒部分108的井下端部開始并且與垂直井筒部分108朝向預定方位角偏斜，該預定方位角每鉆井100英尺增加9與18之間的角度?？商娲?，可以使用不同的預定方位角以鉆出彎曲井筒部分128。在鉆出彎曲井筒部分128的過程中，底部鉆具組件118通常使用隨鉆測量(“MWD”)設備以更精確地確定鉆頭在一個或多個地質巖層(諸如目標地下巖層124)內(nèi)的位置。一般來說，MWD設備可以用于在鉆頭形成彎曲井筒部分128以及水平井筒部分130時定向引導鉆頭。
[0059]可替代地或除了在圖1所示的井筒部分的鉆井過程中匯集MffD數(shù)據(jù)外，可以在井筒部分的鉆井過程中進行某些高保真度測量(例如，調查)。例如，可以在時間方面周期性地(例如，以特定的鉆井持續(xù)時間)、在井筒長度方面周期性地(例如，以特定的鉆井距離，諸如每隔30英尺或其它)或根據(jù)需要或根據(jù)期望(例如，在存在關于井筒路徑的擔憂時)進行調查。通常，在調查期間，完成對井中某個位置的傾斜角和方位角(通常是測量時的總深度)的測量以合理精確地知道正遵循正確或具體的井筒路徑(例如，根據(jù)井筒計劃)。另外，在必須鉆出減壓井的情況下，知道位置可能是有幫助的。如果路徑方向至關重要，那么高保真度測量值可以包括與垂直線的傾斜角和井筒的方位角(或羅盤航向)?？梢栽诰须x散的點進行這些高保真度測量，并且從這些離散的點計算井筒的近似路徑?？梢岳萌魏魏线m的高保真度傳感器進行高保真度測量。例如，示例包括簡單的擺狀裝置到復雜的電子加速度計和陀螺儀。例如，在簡單的擺測中，在照相膠片上捕獲自由懸掛擺相對于測量網(wǎng)格(該測量網(wǎng)格附接到測量工具的殼體并且假定為表示井筒路徑)的位置。當從井筒移除工具(在電纜上或者下一次使管從鉆孔起出)時，形成膜并且進行檢查。
[0060]水平井筒部分130通?？梢栽谀繕说叵聨r層124內(nèi)延伸數(shù)百(即便不是數(shù)千)英尺。雖然圖1將水平井筒部分130說明為精確垂直于垂直井筒部分108，但應當理解，定向鉆出的井筒(諸如水平井筒部分130)在它們的路徑中發(fā)生某些變化。因此，水平井筒部分130可以包括“Z字形”路徑，但仍然位于目標地下巖層124中。通常，將水平井筒部分130鉆到預定端點122，該預定端點如上所述可能離造斜點120高達數(shù)千英尺。如上所述，在一些實現(xiàn)方式中，可以使用空氣鉆井過程形成彎曲井筒部分128和水平井筒部分130，該空氣鉆井過程使用空氣或泡沫作為鉆井流體。
[0061 ] 井筒系統(tǒng)100還包括控制系統(tǒng)132，該控制系統(tǒng)與BHA 118連通。控制系統(tǒng)132可以被定位在井場(例如，鉆井組件104處或附近，表面上或地面下)或可以遠離井場(例如，位于遠程位置并且使用一個或多個連通機構來與井場各部件連通)。控制系統(tǒng)132還可與其它系統(tǒng)、裝置、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡連通。一般來說，控制系統(tǒng)132可以包括基于一個或多個基于計算機的處理器(例如，臺式機、筆記本電腦、服務器、移動裝置、手機或其它)，該處理器包括存儲器(例如，磁存儲器、光存儲器、RAM/R0M、可移動存儲器、遠程存儲器或本地存儲器)、網(wǎng)絡接口(例如，基于軟件/硬件的接口)以及一個或多個輸入/輸出外圍設備(例如，顯示裝置、鍵盤、鼠標、觸摸屏及其它)。
[0062]控制系統(tǒng)132可以至少部分地控制、管理和執(zhí)行與井下鉆井設備的鉆井操作相關的操作。在一些方面，控制系統(tǒng)132可以預測井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)動力學的模型并且對井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)控制器(例如，虛擬控制器)進行設計以滿足穩(wěn)定性標準。井下鉆井設備控制器(例如，虛擬控制器)可以被包括在控制系統(tǒng)132中(作為子部件或模塊)，或者可與控制系統(tǒng)132分離(例如，作為井下BHA 118的一部分)?？刂葡到y(tǒng)132可以在井筒系統(tǒng)100處的鉆井操作期間動態(tài)地(諸如實時地)控制和調整井筒系統(tǒng)100的所示部件中的一者或多者?？梢曰趥鞲衅鳒y量數(shù)據(jù)或基于井筒軌跡的變化的預測來調整實時控制，即使無任何傳感器測量值。
[0063]控制系統(tǒng)132可以基于井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)動力學的模型來執(zhí)行這樣的控制操作。井下鉆井設備動力學的模型可以模擬鉆井操作中的各種物理現(xiàn)象，諸如振動干擾和傳感器噪聲。控制系統(tǒng)132可以使用井下鉆井設備動力學的模型以對滿足穩(wěn)定性標準的井下鉆井設備控制器(例如，虛擬控制器)進行設計，同時實現(xiàn)所需性能規(guī)格(例如，以最大化機械鉆速遵循計劃井筒路徑)。一般來說，井下鉆井設備動力學的模型可以依賴于隨時間發(fā)展的地層狀態(tài)變量，表示鉆井操作中變化的條件。井下鉆井設備動力學模型的狀態(tài)變量可為井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)的真實狀態(tài)估計，從中可以得到井筒軌跡的估計。
[0064]由于井下條件可能不是確切已知的，因此井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)動力學的模型可能并不正確。鉆井系統(tǒng)可能經(jīng)歷各種動力學(諸如非線性耦接動力學)，這些動力學涉及隨時間變化的鉆頭-巖石相互作用、流體-結構相互作用、復雜的計劃井筒形狀以及鉆桿與其套管之間的沖擊力/摩擦力。在許多鉆井場景下，形成可以復制真實井下鉆井設備動力學的準確模型是一個挑戰(zhàn)。在許多情況下，得到簡化的模型(例如，集總模型或有限元模型)并將其應用于井下鉆井設備控制器(例如，虛擬控制器)設計，通常進行各種簡化，諸如模型降階、在預定配置附近的線性化(假設存在較小的橫向運動)、無流體影響和簡單的鉆頭-巖石相互作用。
[0065]然而，實際上，井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)動力學的模型可能不會準確反映井下操作的真實動力學。模型與現(xiàn)實之間的失配通常稱為模型不確定性。由于模型不確定性，基于具體模型來設計的井下鉆井設備控制器，在被應用于真實鉆柱時，可能會引起不期望的行為，甚至不穩(wěn)定性，這可能會損壞鉆頭或甚至毀了井。本文所描述的技術提供控制技術，這些控制技術可能會提高井下鉆井設備控制器的穩(wěn)定性，同時也滿足鉆井性能規(guī)格。
[0066]圖2是鉆井系統(tǒng)的自適應魯棒控制設計的示例過程的流程圖。在該示例中，過程200基于H無窮回路成形(“H-1nf-LS”)和隨機算法(“RA”)設計來產(chǎn)生井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)控制器。所示過程200分成兩個部分，對應于慢時間尺度動力學202和快時間尺度動力學204。可以在不同的物理部件中(例如，在控制系統(tǒng)132和BHA 118中)或在相同的物理部件中(例如，都在控制系統(tǒng)132中)實現(xiàn)這兩個時間尺度。例如，可以在上表面控制器或其它具有計算資源來處理復雜計算的模塊中實現(xiàn)慢動力學202。例如，具有較大處理器能力的部件可以在慢時間尺度中執(zhí)行諸如系統(tǒng)識別(“SysID”)和魯棒控制器設計的操作。在一些示例中，慢動力學202可以估計井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)動力學的模型并且對井下鉆井設備控制器(例如，虛擬控制器)進行設計，該井下鉆井設備控制器適于緩慢變化的變量(諸如巖石巖層)、計劃井筒形狀的變化、巖石力學、鉆頭磨損等。例如，可以在井下鉆井設備或其它具有更有限計算資源的模塊中實現(xiàn)快動力學204。快動力學204可使井下鉆井設備控制器適于快速變化的變量，諸如鉆柱的旋轉和軸向運動(包括鉆頭的RPM、W0B以及流速和壓力)。
[0067]可以通過慢時間尺度觀測模塊206來在慢時間尺度中確定傳感器測量值。例如，慢時間尺度觀測模塊206可以確定調查或測井測量值，諸如巖石巖層變化、計劃井筒形狀的變化、巖石力學的變化和鉆頭磨損?？梢砸灾芷陂g隔(這里一般表示為T)確定這樣的慢時間尺度測量值。
[0068]可由快時間尺度觀測模塊208來在快時間尺度上確定傳感器測量值。例如，快時間尺度觀測模塊208可以針對快動力學(諸如系統(tǒng)的軸向和旋轉運動)來確定隨鉆測量(MWD)傳感器測量值。另外或替代地，可以使用井下鉆井設備(例如，ΒΗΑ、鉆柱或其它設備)動力學的模型來估計或預測(例如，實時地)這樣的快動力學。
[0069]系統(tǒng)識別和預測模塊210可從觀測模塊206和208接收數(shù)據(jù)，并且可以預測井下鉆井設備(例如，ΒΗΑ、鉆柱或其它設備)動力學的模型。在一些示例中，系統(tǒng)識別和預測模塊210可以確定穩(wěn)態(tài)模型和動力學模型兩者。鉆井系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型可以包括(例如)當前巖石巖層、巖石力學和鉆頭磨損模型，并且可以包括巖石巖層、巖石力學和鉆頭磨損模型在下一個T時間間隔內(nèi)的概率模型。第二模型可為鉆井系統(tǒng)動力學模型。雖然鉆井系統(tǒng)動力學模型在相對短的時間間隔T內(nèi)可為非線性時變模型，但該系統(tǒng)可以通過線性模型(例如，集總模型或有限元模型)來近似。該線性模型可以被設計成具有固定的預定義物理順序，在這種情況下，系統(tǒng)識別和預測模塊210可以負責識別固定順序模型的未知參數(shù)。這通常被稱為“灰色方框”系統(tǒng)識別方法。例如，在集總模型中，未知參數(shù)為剛度和阻尼系數(shù)以及質量和慣性?？梢岳么_定性或概率參數(shù)來預測時間間隔T內(nèi)的動力學模型。
[0070]在一些示例中，對穩(wěn)態(tài)模型和動力學模型兩者的預測可以基于來自現(xiàn)場具有類似巖層和巖石力學的其它井的數(shù)據(jù)，也可以基于來自歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。在具體示例中，穩(wěn)態(tài)模型可以忽略在其穩(wěn)態(tài)值時的瞬態(tài)動力學和模型系統(tǒng)參數(shù)(例如，與運動學模型類似)，并且動力學模型可對系統(tǒng)參數(shù)的瞬態(tài)行為建模。
[0071]模型評估/殘留估計模塊212評估井下鉆井設備(例如，ΒΗΑ、鉆柱或其它設備)動力學的所識別模型的準確性。如果所觀測數(shù)據(jù)與井下鉆井設備動力學的系統(tǒng)識別模型之間的偏差(或殘留)超過假定不確定性水平(殘留閾值)，那么系統(tǒng)識別和預測模塊210可以重新計算井下鉆井設備動力學的模型。否則，如果殘留在假定不確定性水平內(nèi)是安全的，那么井下鉆井設備動力學的模型可以在下一個T時間間隔內(nèi)保持不變?？梢酝ㄟ^統(tǒng)計測試方法來證明井下鉆井設備動力學的模型是否準確表示真實井下系統(tǒng)。作為示例，如果假定了高斯不確定性分布，那么可在所觀測數(shù)據(jù)的超過10%在高斯分布的平均值的兩個標準偏差外時，設置殘留閾值。如果超過該閾值，那么可以將該模型確定為無效并且可以計算新的模型。接著，歷史殘留估計還可能有助于改善系統(tǒng)的不確定性分布假設并且因此提高控制器的有效性。
[0072]可使觸發(fā)模型更新的殘留閾值與各種因素相關。例如，一個因素可為計劃井筒路徑。例如，在定向鉆井過程中，當計劃井筒路徑指示急轉彎時，那么可能需要井下鉆井設備(例如，ΒΗΑ、鉆柱或其它設備)動力學的模型以對井下系統(tǒng)更精確地建模。在這種情況下，可能期望具有較小殘留閾值以使得井下鉆井設備動力學的模型更頻繁地更新。可能會影響殘留閾值的另一個因素是控制井下鉆井設備(例如，魯棒控制器220)的魯棒控制器的性能能力。在一些示例中，所允許的不確定性界限可使得實際上可以實施滿足鉆井性能規(guī)格的魯棒控制器220。在其中無法找到滿足性能規(guī)格的魯棒控制器的場景中(例如，當不確定性界限過高時)，可以例如更新該模型以降低不確定性界限，以使得可以根據(jù)這些性能規(guī)格來設計魯棒控制器。
[0073]可以將所預測的穩(wěn)態(tài)模型，結合隨后時間間隔T內(nèi)的計劃井筒路徑傳遞到監(jiān)督魯棒控制器214(例如，虛擬控制器)，該控制器可以計算合適井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)控制輸入的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)解，諸如鉆壓(WOB)、機械鉆速(ROP)、流體流速、鉆頭扭矩、轉臺扭矩、每分鐘轉數(shù)(RPM)或針對鉆井操作的其它合適控制輸入。在一些示例中，監(jiān)督魯棒控制器214可以使用隨機化算法(RA)以在井下鉆井設備模型的分布期間計算穩(wěn)態(tài)井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)控制輸入(例如，最優(yōu)穩(wěn)態(tài)輸入或次優(yōu)穩(wěn)態(tài)輸入或任何其它滿足條件的合適穩(wěn)態(tài)輸入)?？梢岳缡褂镁裸@井設備控制輸入的這些穩(wěn)態(tài)值以跟蹤以最大化ROP測量遵循計劃井筒路徑的準確性的性能規(guī)格。
[0074]干擾建模模塊216導出干擾模型(例如，由于振動而引起)?？梢岳缁趤碜噪S鉆測量(MWD)傳感器或來自預測觀測器的快時間尺度感測數(shù)據(jù)來確定干擾模型。該系統(tǒng)的干擾性質可以用作魯棒控制器(例如，虛擬控制器)的設計的一部分，該魯棒控制器使得井下系統(tǒng)穩(wěn)定，而不管隨機振動和巖石-鉆頭相互作用如何。建模擾動的示例是使用井下動力學的頻譜?？梢岳缤ㄟ^向鉆柱的旋轉或軸向運動數(shù)據(jù)應用快速傅里葉變換(FFT)來估計這樣一種頻譜。與歷史數(shù)據(jù)或來自具有類似鉆井條件的預鉆井的數(shù)據(jù)相比，可以將例如其中存在高動力的任何異常頻率視為干擾頻率。可以將干擾頻率傳遞到魯棒控制器設計模塊218以減少對井下鉆井設備的干擾影響。干擾的準確估計可以使得干擾能夠從鉆井過程分離出來，從而允許前饋控制器加入該系統(tǒng)以補償該干擾。
[0075]將系統(tǒng)識別和預測模塊210中得到的BHA動力學的所預測模型，結合干擾建模模塊216中得到的干擾模型，傳遞到其中得到魯棒控制器的動態(tài)魯棒控制器設計模塊218中。在該示例中，得到兩種類型的控制器，RA和Hinf-LS。一般來說，可以得到任何數(shù)量和任何類型的控制器，以實現(xiàn)任何所需的穩(wěn)定性標準和性能規(guī)格。性能規(guī)格可以包括例如抑制干擾、減少過調或有效跟蹤參考信號等。在鉆井系統(tǒng)中，這些規(guī)格可以對應于抑制有害的鉆頭振動諸如鉆頭跳動、鉆頭渦動和粘附/滑動;減少鉆井路徑彎曲度；以及有效跟蹤所需穩(wěn)態(tài)W0B、ROP和流速值。在一些示例中，可以在軟件中通過對線性矩陣的一系列約束不等式求解來得到RA和Hinf-LS控制器兩者。
[0076]隨后將在動態(tài)魯棒控制器設計模塊218中進行設計的動態(tài)魯棒控制器傳遞到魯棒控制器模塊220中，在該魯棒控制器模塊中實施這些動態(tài)魯棒控制器以在快時間尺度上控制井下鉆井設備。在圖2的示例中，存在兩個實時控制器候選項:Hinf-LS控制器222和RA控制器224(例如，虛擬控制器)，可由魯棒控制器模塊220來實施這兩個控制器以控制井下鉆井設備。關于哪個虛擬控制器用于在給定時間控制鉆井設備的決定可以取決于與鉆井操作相關的任何數(shù)量的合適因素。在一些示例中，可以基于鉆井條件和/或鉆井目標來實時做出該決定。作為特定示例，求差元件226可以確定(例如，實時地)從MffD/觀測模塊208所測量或估計的WOB、ROP和流速與如從監(jiān)督魯棒控制器214所確定的WOB、ROP和流速的穩(wěn)態(tài)值(例如，最優(yōu)穩(wěn)態(tài)值、次優(yōu)穩(wěn)態(tài)值或其它合適穩(wěn)態(tài)值)之間的差。切換元件228在兩個候選控制器222與224之間切換，這取決于由求差元件226所計算的差、鉆井性能規(guī)格和可能的其它信息(例如，計劃井筒路徑)。例如，當需要更明確地遵循鉆井性能規(guī)格時，可以使用Hinf-LS控制器222。例如，當鉆頭在水平鉆井期間行進穿過巖石巖層的薄層時，那么可能希望以較大的精確性來遵循計劃井筒路徑。另一方面，可以在鉆井性能規(guī)格可能由于侵入過程而反過來略微受到損害時，可以使用RA控制器224。例如，在其中略微大的鉆井路徑彎曲度是可接受的情況下，可能希望實現(xiàn)更具侵入性的ROP。
[0077]隨后將從魯棒控制器模塊220所得的井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)控制輸入應用于鉆井系統(tǒng)230 (例如，鉆井組件104、或BHA 118、或圖1的井筒系統(tǒng)100中的任何合適的鉆井設備或鉆井設備組合)。鉆井系統(tǒng)230的實時控制輸出可以包括例如馬達扭矩、大鉤負荷和表面上栗速。可以使用各種傳感器(例如，調查傳感器206或MWD傳感器208)來測量鉆井系統(tǒng)的輸出。
[0078]圖3A是由于不確定性而偏離標稱模型的模型的示例頻域響應的繪圖。圖3B是其中控制器針對標稱模型進行設計的相應受控系統(tǒng)(在不確定性下)的示例時域響應的繪圖。圖3B表明該受控系統(tǒng)可能由于不確定性而不穩(wěn)定。
[0079]具體來說，圖3A示出了在不確定性下與井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)動力學的標稱模型的偏差的40個樣本的傳遞函數(shù)的頻率和相位響應波特曲線圖。在與標稱模型的預定不確定性界限內(nèi)產(chǎn)生這些樣本。可以看出，偏離標稱模型的模型集合在來自標稱系統(tǒng)的頻率響應方面變化很大(以交叉示出)。圖3B示出在使用了針對井下鉆井設備動力學的標稱模型來設計的非魯棒控制器的情況下，偏斜模型集合相對于初始脈沖干擾(以虛曲線表示)的動態(tài)跟蹤誤差?？梢钥闯?，雖然受控標稱模型是穩(wěn)定的并且已成功抑制了脈沖干擾(圖3B中交叉)的影響，但其它采樣模型在使用了相同非魯棒控制器的情況下，可能由于相同的干擾而不穩(wěn)定。
[0080]圖3C是其中魯棒控制器針對標稱模型進行設計的受控系統(tǒng)(在不確定性下)的示例時域響應的繪圖。圖3C中的示例表明，這些受控系統(tǒng)在存在不確定性的情況下保持穩(wěn)定。圖3C中的示例示出在使用了針對標稱模型來設計的魯棒控制器的情況下，偏斜模型集合相對于初始脈沖干擾的動態(tài)跟蹤誤差。可以看出，偏離標稱系統(tǒng)的40個模型的整個集合保持穩(wěn)定并且拒絕脈沖干擾。
[0081]圖4是與不受控系統(tǒng)相比，魯棒受控系統(tǒng)的示例開回路傳遞函數(shù)的繪圖。圖4中的示例示出了基于頻域控制器設計而對干擾的抑制。在圖4中示出三個采樣波特曲線圖(利用虛線)，對應于偏離井下鉆井設備動力學的標稱模型(實線)的三個模型。這三個模型各自具有峰值，該峰值對應于例如不同操作點處應該避免的干擾。所設計的受控系統(tǒng)可以具有開回路傳遞函數(shù)的波特曲線圖，其中例如在平滑曲線的形狀中除去了這些峰值。
[0082]在一些示例中，可以使用偏離標稱模型的模型集合以便為鉆井操作產(chǎn)生魯棒穩(wěn)定控制器。例如，模型集合可以表示與鉆井動力學的標稱模型的不確定性偏差，并且可以產(chǎn)生控制器以滿足偏離標稱模型的一個或多個模型的穩(wěn)定性標準。因此，這樣一種控制器對于鉆井操作來說可能是穩(wěn)定的，即使真實鉆井動力學偏離標稱模型?？梢曰谂c標稱模型相關的不確定性來確定偏離標稱模型的模型集合。例如，如果標稱模型包括參數(shù)，那么可以通過考慮參數(shù)的值集合(例如，一系列值或離散值等)并且產(chǎn)生與參數(shù)的值集合相對應的模型集合來確定偏離標稱模型的模型集合。因此，在該示例中，所產(chǎn)生的模型集合可以反映與標稱模型相關的不確定性。
[0083]可以基于鉆井操作的所需魯棒性水平來確定和調整穩(wěn)定性標準。例如，對于偏離標稱模型的模型集合中的每個模型來說，穩(wěn)定性標準可為嚴格的穩(wěn)定性標準，諸如邊界輸入邊界輸出標準(例如，H-1nf穩(wěn)定性標準)。作為特定示例，模型集合可以對應于一系列參數(shù)值，一直到特定參數(shù)閾值。這樣一種標準可能有助于保證穩(wěn)定的鉆井操作，對于與標稱模型的任何偏差一直到該特定參數(shù)閾值來說。
[0084]在一些示例中，穩(wěn)定性標準與先前示例中的嚴格穩(wěn)定性標準相比，可能更為放松。例如，穩(wěn)定性標準可以包括隨機穩(wěn)定性標準，諸如隨機化算法(RA)控制器中所使用的隨機穩(wěn)定性標準。例如，可以根據(jù)偏離井下鉆井動力學的標稱模型的較大的模型集合中產(chǎn)生隨機模型子集。對于隨機模型子集中(但不一定是較大模型集合中)的每個模型來說，可以產(chǎn)生虛擬控制器以滿足穩(wěn)定性標準(例如，H-1nf、H_2或任何其它合適的穩(wěn)定性標準)。可以例如通過確定參數(shù)值的隨機集合并且為每個隨機參數(shù)值產(chǎn)生模型來確定模型的隨機子集。
[0085]可以例如選擇模型的隨機子集以對在實際鉆井操作期間可能出現(xiàn)的與標稱模型的可能偏差更準確地建模。在一些示例中，可以選擇模型值的隨機子集以排除一些模型，諸如不切實際或不太可能發(fā)生的模型。一般來說，使更多模型包含在模型的隨機子集中可能會形成更為嚴格的設計約束(例如，在對于模型子集中的所有模型來說控制器必須使鉆井穩(wěn)定的情況下)，從而導致產(chǎn)生保守性控制器，對于廣泛范圍的可能偏差來說，該保守性控制器試圖使鉆井穩(wěn)定。因此，模型隨機子集中模型的數(shù)量和模型的特定選擇兩者可能會影響鉆井操作的保守性或侵入性程度。
[0086]圖5A和5B是用于魯棒穩(wěn)定性控制器的示例設計程序的流程圖。圖5A示出了用于Hinf-LS控制器502的設計的示例過程500 Ainf-LS是用于線性系統(tǒng)的頻域魯棒控制方法?？梢詫⒃摲椒☉糜谠诓煌僮鼽c附近線性化的鉆柱系統(tǒng)，或者可以在存在用于描述鉆井系統(tǒng)的線性模型(諸如，圖3A、3B、3C和圖4的曲線圖中示出的已識別線性模型)時應用該方法。在Hinf-LS控制器設計中，井下鉆井設備(例如，BHA、鉆柱或其它設備)動力學的標稱模型504的開回路奇異值可由預補償和/或后補償加權函數(shù)Wl (506)和W2(508)檢查和形成，以使得標稱性能規(guī)格得到滿足。一般來說，可以通過該系統(tǒng)的預補償權重Wl(506)來將開回路增益設計成高/低頻率，以更好地遵循參考信號或更好地拒絕干擾。在一些示例中，這可能是由于通常具有低頻率值的參考信號和干擾而引起。具體來說，可以將權重Wl設計成在其中可能發(fā)生鉆頭損壞振動的頻率上具有凹陷，以使得鉆井系統(tǒng)的靈敏度函數(shù)被衰減。此外，可以將開回路增益通過該系統(tǒng)的W2(508)來設計成在低/高頻率，以說明模型不確定性510并且拒絕測量噪聲。在一些示例中，這可能是由于模型干擾510和具有高頻值的測量噪聲而引起。
[0087]隨后可以將具有所要求穩(wěn)定化裕度(其可例如通過標稱模型與真實鉆柱動力學之間的不確定性界限來確定)的穩(wěn)定化控制器502設計成實現(xiàn)加權傳遞函數(shù)。權重Wl和W2可能經(jīng)歷迭代地調整，直到所得受控標稱模型的穩(wěn)定性裕度滿足所需穩(wěn)定性裕度。與常規(guī)H-1nf設計方法相比，Hinf-LS中的設計程序是系統(tǒng)性的并且可能僅涉及基本回路成形知識并且因此可能更適用于實時調整。
[0088]圖5B示出了設計RA控制器的示例過程512。在鉆井過程中，可能存在很難用確定性模型表示的動力學和相互作用。這樣的動力學的示例包括旋轉能量根據(jù)以下各項從頂部驅動器消散到鉆頭:鉆柱的結構性質和彎曲性質;井筒的形狀;工具的形狀;鉆柱、井筒與套管之間的觸點的變化模式;正常復原和切向復原以及接觸摩擦的系數(shù);在井筒、鉆柱、流體與鉆肩之間發(fā)生的復雜的多體磨損和侵蝕等。在一些示例中，這些復雜性可通過概率性鉆柱模型來表征，其中參數(shù)(諸如鉆柱的剛度和阻尼系數(shù)、集總模型中鉆頭巖石相互作用的摩擦系數(shù))可為隨機變量，其中某個分布反映真實鉆井系統(tǒng)的不確定性。
[0089]與Hinf-LS控制器(其可用于對確定性標稱模型所描述的鉆柱的魯棒控制)相比，RA控制器可用于對概率性鉆柱模型所描述的鉆柱的魯棒控制。所設計的RA控制器可能并不保證鉆柱滿足所感興趣的所有不確定事件的性能規(guī)格，但該RA控制器可以確保鉆柱以標稱模型的所需概率和相關偏差滿足性能規(guī)格。
[0090]與H-1nf控制器(其被設計成滿足鉆柱中所有有界不確定性事件的給定性能要求并且因此可以產(chǎn)生相對保守性控制器)相比，RA控制器可能會產(chǎn)生滿足大多數(shù)(即便不是全部)不確定性事件的性能要求的更具侵入性的魯棒控制器。典型的RA控制器設計階段可以如下進行:利用特定不確定性模型(514)來確定標稱模型。在每次迭代k時，隨機產(chǎn)生N(k)1.1.d.(完全相同的獨立分布式)模型，這些模型偏離標稱模型(516)?？梢愿鶕?jù)傳遞函數(shù)或標稱模型參數(shù)的不確定性分布來選擇這些隨機模型。尺寸N(k)可以基于任何合適標準來選擇，這些標準諸如整體控制器設計中容許的預定義風險概率、鉆井中的所需侵入性水平等。例如，可以選擇N(k)的較大值以便以更為保守的控制器設計為代價實現(xiàn)不穩(wěn)定性的較低風險概率。相反，也可以選擇N(k)的較小值(例如，僅僅最有可能發(fā)生的那些偏差，或發(fā)生可能性高于閾值的那些偏差等)以實現(xiàn)不穩(wěn)定性的較高風險概率，同時能夠進行更具侵入性的鉆井操作。除了選擇模型數(shù)量之外或作為對此的替代方，可以選擇或設計其它因素，諸如與標稱模型的偏差的概率模型、從模型分布中對模型偏差進行采樣的技術等。
[0091]—開始，可以將控制器(例如，虛擬控制器)初始化為來自可能的一組控制器的任何控制器(518)。例如，這些控制器可以包括H-1nf控制器或H2控制器或利用任何合適穩(wěn)定性標準設計的任何合適的控制器。在第k次迭代時，偏離標稱模型的N(k)模型的集合由候選控制器0(k)來控制。如果候選控制器0(k)進行管理以使所有N(k)模型穩(wěn)定化從而滿足性能規(guī)格，那么將RA控制器設置為0(k)(52O)。如果控制器0(k)未能使任何N(k)模型穩(wěn)定化，那么更新控制器9(k)和模型N(k)數(shù)量以用于新迭代(522)。這一過程重復進行直到0(k)收斂到穩(wěn)定解。保證所得RA控制器在預定義概率性風險標準下滿足所需性能規(guī)格。圖5Β中所描述的過程512僅僅是設計RA控制器的一個示例，并且存在其它類型的RA設計算法，這些算法可以用于鉆柱模型魯棒控制器設計。
[0092]圖6是用于設計魯棒控制器的示例過程600的流程圖?？捎煽刂葡到y(tǒng)(例如，圖1中的控制系統(tǒng)132)執(zhí)行圖6的示例過程的一個或多個步驟。在該示例中，該控制系統(tǒng)基于井下鉆井設備(例如，ΒΗΑ、鉆柱或其它井下鉆井設備)的傳感器測量值來確定井下鉆井動力學的標稱模型(例如，圖5Α中的標稱模型504或圖5Β中標稱模型514，如例如由圖2中的系統(tǒng)ID模塊210確定)(602)。該控制系統(tǒng)隨后確定井下鉆井動力學的標稱t旲型的不確定性(604)。該控制系統(tǒng)隨后基于井下鉆井動力學的標稱模型的不確定性來確定偏離井下鉆井動力學的標稱模型的模型集合(606)。該控制系統(tǒng)隨后基于標稱模型和偏離標稱模型模型集合來產(chǎn)生用于井下鉆井設備的虛擬控制器(608)。
[0093]圖7A和7B是基于井下鉆井動力學的標稱模型和偏離標稱模型的模型集合來產(chǎn)生用于井下鉆井設備的虛擬控制器(例如，圖6中的608)的進一步細節(jié)的示例的流程圖。在圖7A中，示出了設計H無窮控制器的示例過程，其中控制系統(tǒng)(例如，圖1的控制系統(tǒng)132)產(chǎn)生滿足偏離井下鉆井動力學的標稱模型的模型集合中的每個模型的有界輸入有界輸出標準的虛擬控制器(700)。在圖7B中，示出了產(chǎn)生RA控制器的示例過程，其中控制系統(tǒng)(例如，圖1的控制系統(tǒng)132)從偏離井下鉆井動力學的標稱模型的模型集合產(chǎn)生模型的隨機子集(702)并且產(chǎn)生滿足模型的隨機子集中的每個模型的輸入輸出穩(wěn)定性標準(例如，H無窮穩(wěn)定性標準或H-2穩(wěn)定性標準或隨機穩(wěn)定性標準等)的虛擬控制器(704)。
[0094]圖8是更新井下鉆井動力學的標稱模型的示例過程800的流程圖。在該示例中，控制器系統(tǒng)(例如，圖1中的控制系統(tǒng)132)識別來自井下鉆井設備的已更新傳感器測量值(802)。控制系統(tǒng)檢測到模型更新事件已基于已更新傳感器測量值發(fā)生(804)并且基于模型更新事件已發(fā)生這一確定來更新井下鉆井動力學的標稱模型(806)。
[0095]圖9是基于井下鉆井動力學的標稱模型和偏離標稱模型的模型集合來產(chǎn)生用于井下鉆井設備的虛擬控制器(例如，圖6中的608)的進一步細節(jié)的示例的流程圖。在該示例中，控制系統(tǒng)(例如，圖1中的控制系統(tǒng)132)產(chǎn)生滿足井下鉆井動力學的標稱模型的第一穩(wěn)定性標準并且滿足偏離標稱模型的模型集合的第一穩(wěn)定性標準的第一虛擬控制器(900)。該控制系統(tǒng)隨后產(chǎn)生滿足井下鉆井動力學的標稱模型的第二穩(wěn)定性標準并且滿足偏離標稱模型的模型集合的第二穩(wěn)定性標準的第二虛擬控制器，其中第二穩(wěn)定性標準不同于第一穩(wěn)定性標準(902)。
[0096]圖10是計算機系統(tǒng)1000的示例的框圖。例如，參照圖1，控制系統(tǒng)132或BHA118或其它井下鉆井設備的一個或多個部分可為本文所述系統(tǒng)1000的示例，諸如由獲取井筒系統(tǒng)100的資源的任何用戶所使用的計算機系統(tǒng)。系統(tǒng)1000包括處理器1010、存儲器1020、存儲裝置1030和輸入/輸出裝置1040。部件1010、1020、1030和1040中的每一者可以例如使用系統(tǒng)總線1050互連。處理器1010能夠處理器用于在系統(tǒng)1000內(nèi)執(zhí)行的指令。在一些實現(xiàn)方式中，處理器1010為單螺紋處理器。在一些實現(xiàn)方式中，處理器1010為多螺紋處理器。在一些實現(xiàn)方式中，處理器1010為量子計算機。處理器1010能夠處理存儲在存儲器1020中或存儲在存儲裝置1030上的指令。處理器1010可以執(zhí)行操作，諸如確定井下鉆井動力學的模型;產(chǎn)生虛擬控制器;或更新井下鉆井動力學的模型(例如，圖6-9)。
[0097]存儲器1020將信息存儲在系統(tǒng)1000內(nèi)。在一些實現(xiàn)方式中，存儲器1020為計算機可讀介質。在一些實現(xiàn)方式中，存儲器1020為易失性存儲器單元。在一些實現(xiàn)方式中，存儲器1020為非易失性存儲器單元。
[0098]存儲裝置1030能夠為系統(tǒng)1000提供大容量存儲設備。在一些實現(xiàn)方式中，存儲裝置1030為計算機可讀介質。在各種不同的實現(xiàn)方式中，存儲裝置1030可以包括例如硬盤裝置、光盤裝置、固態(tài)驅動器、閃存驅動器、磁帶或某種其它大容量存儲裝置。在一些實現(xiàn)方式中，存儲裝置1030可為云存儲裝置，例如邏輯存儲裝置，包括分布在網(wǎng)絡上并且使用網(wǎng)絡存取的多個物理存儲裝置。在一些示例中，存儲裝置可以存儲長期數(shù)據(jù)，諸如巖石巖層數(shù)據(jù)或ROP設計能力。輸入/輸出裝置1040為系統(tǒng)1000提供輸入/輸出操作。在一些實現(xiàn)方式中，輸入/輸出裝置1040可以包括網(wǎng)絡接口裝置(例如，以太網(wǎng)卡)、串行通信裝置(例如，RS-232端口)和/或無線接口裝置(例如，802.11卡、3G無線調制解調器、4G無線調制解調器或信鴿接口 )中的一者或多者。網(wǎng)絡接口裝置允許系統(tǒng)1000通信，例如，將指令傳送到圖1中的控制系統(tǒng)132或BHA 118和從圖1中的控制系統(tǒng)132或BHA 118接收指令。在一些實現(xiàn)方式中，輸入/輸出裝置可以包括驅動裝置，這些驅動裝置被配置成接收輸入數(shù)據(jù)并且向其它輸入/輸出裝置(例如，鍵盤、打印機和顯示裝置1060)發(fā)送輸出數(shù)據(jù)。在一些實現(xiàn)方式中，可以使用移動計算裝置、移動通信裝置和其它裝置。
[0099]可以通過指令來實現(xiàn)服務器(例如，形成圖1所示控制系統(tǒng)132或井筒系統(tǒng)100的一部分的服務器)，這些指令一旦執(zhí)行，即導致一個或多個處理裝置實施上述過程和功能，例如像確定井下鉆井動力學的模型、確定井下鉆井動力學的模型不確定性以及產(chǎn)生虛擬控制器(例如，圖6-9)。這樣的指令可以包括例如解釋型指令諸如腳本指令或可執(zhí)行代碼或其它存儲在計算機可執(zhí)行介質中的指令。井筒系統(tǒng)100的不同部件可以通過網(wǎng)絡(諸如服務器場)或一組廣泛分布的服務器來分布式實施，或者可以在單個虛擬裝置中實施，該單個虛擬裝置包括彼此協(xié)調操作的多個分布式裝置。例如，這些裝置之一可以控制其它裝置，或這些裝置可以根據(jù)一組協(xié)調規(guī)則或協(xié)議進行操作，或這些裝置可以以另一種方式進行協(xié)調。多個分布式裝置的協(xié)調操作表現(xiàn)為作為單個裝置操作。
[0100]所述特征可在數(shù)字電子電路中，或在計算機硬件、固件、軟件或其組合中實施。該設備可在有形地體現(xiàn)在信息載體(例如，機器可讀存儲裝置)中的計算機程序產(chǎn)品中實施以由可編程處理器執(zhí)行；并且可由可編程處理器執(zhí)行方法步驟，該可編程處理器實施指令程序以通過對輸入數(shù)據(jù)進行操作并且產(chǎn)生輸出來執(zhí)行所述實現(xiàn)方式的功能。所述特征可在一個或多個計算機程序中有利地實施，該一個或多個計算機程序可在可編程系統(tǒng)上執(zhí)行，該可編程系統(tǒng)耦接有至少一個可編程處理器以從數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、至少一個輸入裝置和至少一個輸出裝置接收數(shù)據(jù)和指令并將數(shù)據(jù)和指令傳送到數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、至少一個輸入裝置和至少一個輸出裝置。計算機程序為指令集，該指令集可直接或間接用于計算機以執(zhí)行某個活動或引起某個結果。計算機程序可以任意形式的編程語言(包括編譯語言或解釋語言)來編寫，并且可以任何形式部署，包括作為獨立程序或作為模塊、部件、子程序或其它適于計算環(huán)境的單元。
[0101]適用于執(zhí)行指令程序的處理器包括例如通用微處理器和專用微處理器，以及任何類型的計算機的唯一處理器或多個處理器之一。一般來說，處理器將從只讀存儲器或隨機存取存儲器或兩者接收指令和數(shù)據(jù)。計算機元件可以包括用于執(zhí)行指令的處理器和用于存儲指令和數(shù)據(jù)的一個或多個存儲器。一般來說，計算機還可包括用于存儲數(shù)據(jù)文件的一個或多個大容量存儲裝置或可操作性地耦接成與該一個或多個大容量存儲裝置通信;這樣的裝置包括磁盤，諸如內(nèi)置硬盤和可拆卸盤;磁光盤；以及光盤。適于有形地體現(xiàn)計算機程序指令和數(shù)據(jù)的存儲裝置包括全部形式的非易失性存儲器，包括(例如)半導體存儲裝置，諸如EPROM、EEPROM和閃存存儲裝置;磁盤諸如內(nèi)置硬盤和可拆卸盤;磁光盤；以及⑶-ROM和DVD-ROM盤。處理器和存儲器可通過ASIC(專用集成電路)來補充或結合到ASIC中。
[0102]為了與用戶相互作用，可在計算機上實施這些特征，該計算機具有用于向用戶顯示信息的顯示裝置諸如CRT(陰極射線管)或LCD(液晶顯示器)監(jiān)視器以及鍵盤和指向裝置諸如鼠標或跟蹤球，用戶可以通過它們向計算機提供輸入。
[0103]可在計算機系統(tǒng)中實現(xiàn)這些特征，該計算機系統(tǒng)包括后端部件(諸如數(shù)據(jù)服務器)或包括中間件部件(諸如應用服務器或因特網(wǎng)服務器)或包括前端部件(諸如客戶端計算機，該客戶端計算機具有圖形用戶界面或互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器或它們的任意組合)。該系統(tǒng)的這些部件可與任何數(shù)字數(shù)據(jù)通信形式或介質諸如通信網(wǎng)絡連接。通信網(wǎng)絡的示例包括(例如)LAN、WAN以及形成互聯(lián)網(wǎng)的計算機和網(wǎng)絡。
[0104]該計算機系統(tǒng)可以包括客戶端和服務器。客戶端和服務器一般彼此遠離并且通常通過網(wǎng)絡(諸如所述網(wǎng)絡)交互作用。由于計算機程序而產(chǎn)生客戶端與服務器的關系，這些計算機程序在對應計算機上運行并且彼此具有客戶端-服務器關系。
[0105]另外，附圖中所顯示的邏輯流程并不要求所示特定順序或連續(xù)順序實現(xiàn)期望結果。另外，可以從上述流程中提供其它步驟或消除步驟，并且可以向所述系統(tǒng)加入其它部件或從所述系統(tǒng)移除其它部件。因此，其它實現(xiàn)方式也在隨附權利要求的范圍內(nèi)。
[0106]已描述了多種實現(xiàn)方式。然而，應理解，可以進行各種修改。例如，過程600的其它方面可以包括與圖6-9所示相比更多或更少的步驟。另外，圖6-9所示的步驟可以以與附圖所示不同的連續(xù)方式執(zhí)行。此外，雖然已在井筒鉆井系統(tǒng)中描述了這些概念，但這些概率可能也適用于其它過程。例如，關于醫(yī)學內(nèi)窺鏡檢查或其中插入有儀器并且在未知環(huán)境內(nèi)受控的其它應用。因此，其它實現(xiàn)方式也在隨附權利要求的范圍內(nèi)。
【主權項】
1.一種控制井下鉆井設備的計算機實現(xiàn)方法，所述方法包括: 基于所述井下鉆井設備的傳感器測量值來確定井下鉆井動力學的標稱模型； 確定井下鉆井動力學的所述標稱模型的不確定性； 基于井下鉆井動力學的所述標稱模型的所述不確定性來確定偏離井下鉆井動力學的所述標稱模型的模型集合;以及 基于所述標稱模型和偏離所述標稱模型的所述模型集合來產(chǎn)生用于所述井下鉆井設備的虛擬控制器。2.如權利要求1所述的計算機實現(xiàn)方法，其中基于所述標稱模型和偏離所述標稱模型的所述模型集合來產(chǎn)生用于所述井下鉆井設備的虛擬控制器包括產(chǎn)生滿足所述標稱模型的穩(wěn)定性標準并且滿足偏離所述標稱模型的所述模型集合的所述穩(wěn)定性標準的用于所述井下鉆井設備的虛擬控制器。3.如權利要求2所述的計算機實現(xiàn)方法，其中產(chǎn)生滿足井下鉆井動力學的所述標稱模型的穩(wěn)定性標準并且滿足偏離井下鉆井動力學的所述標稱模型的所述模型集合的所述穩(wěn)定性標準的用于所述井下鉆井設備的虛擬控制器包括產(chǎn)生滿足偏離井下鉆井動力學的所述標稱模型的所述模型集合中的每個模型的有界輸入有界輸出標準的虛擬控制器。4.如權利要求3所述的計算機實現(xiàn)方法，其中所述有界輸入有界輸出標準包括H無窮穩(wěn)定性標準。5.如權利要求2所述的計算機實現(xiàn)方法，其中產(chǎn)生滿足井下鉆井動力學的所述標稱模型的穩(wěn)定性標準并且滿足偏離井下鉆井動力學的所述標稱模型的所述模型集合的所述穩(wěn)定性標準的用于所述井下鉆井設備的虛擬控制器包括: 根據(jù)偏離井下鉆井動力學的所述標稱模型的所述模型集合產(chǎn)生模型的隨機子集；以及 產(chǎn)生滿足模型的所述隨機子集中的每個模型的輸入輸出穩(wěn)定性標準的虛擬控制器。6.如權利要求5所述的計算機實現(xiàn)方法，其中所述輸入輸出穩(wěn)定性標準包括H無窮穩(wěn)定性標準或H-2穩(wěn)定性標準中的至少一者。7.如權利要求5所述的計算機實現(xiàn)方法，進一步包括: 確定井下鉆井動力學的所述標稱模型的不確定性包括確定井下鉆井動力學的所述標稱模型的參數(shù)的統(tǒng)計分布，并且 基于井下鉆井動力學的所述標稱模型的所述不確定性來確定偏離井下鉆井動力學的所述標稱模型的模型集合包括確定從所述參數(shù)的所述統(tǒng)計分布隨機所選擇的隨機參數(shù)值隹A口 O8.如權利要求2所述的計算機實現(xiàn)方法，進一步包括確定所述井下鉆井設備的振動干擾模型，并且其中產(chǎn)生用于所述井下鉆井設備的虛擬控制器包括從屬于所述振動干擾模型而產(chǎn)生滿足所述穩(wěn)定性標準的用于所述井下鉆井設備的虛擬控制器。9.如權利要求8所述的計算機實現(xiàn)方法，其中所述振動干擾模型包括井下鉆井動力學的所述標稱模型的頻率特征，并且從屬于所述振動干擾模型而產(chǎn)生滿足所述穩(wěn)定性標準的用于所述井下鉆井設備的虛擬控制器包括產(chǎn)生使頻率減弱的虛擬控制器，在所述頻率下，井下鉆井動力學的所述標稱模型的頻率特征具有超過增益閾值的增益。10.如權利要求1所述的計算機實現(xiàn)方法，進一步包括: 識別來自所述井下鉆井設備的已更新的傳感器測量值； 檢測到已基于所述已更新的傳感器測量值發(fā)生模型更新事件；以及 基于檢測到已發(fā)生模型更新事件而更新井下鉆井動力學的所述標稱模型。11.如權利要求10所述的計算機實現(xiàn)方法，進一步包括: 根據(jù)第一時間尺度來接收高保真度傳感器測量值，并且據(jù)根所述第一時間尺度基于所述高保真度傳感器測量值來更新井下鉆井動力學的所述標稱模型；以及 將所述虛擬控制器配置成根據(jù)與所述第一時間尺度相比較快的第二時間尺度，基于根據(jù)所述第二時間尺度所接收的低保真度傳感器測量值來向所述井下鉆井設備施加控制輸入。12.如權利要求10所述的計算機實現(xiàn)方法，其中檢測到已發(fā)生模型更新事件包括: 確定井下鉆井動力學的所述標稱模型的偏離閾值；以及 確定井下鉆井動力學的所述標稱模型與傳感器測量值之間的差超過所述偏離閾值。13.如權利要求12所述的計算機實現(xiàn)方法，其中確定井下鉆井動力學的所述標稱模型的偏離閾值進一步包括基于計劃井筒路徑或井筒跟蹤誤差約束中的至少一者來確定所述偏離閾值。14.如權利要求10所述的計算機實現(xiàn)方法，其中更新井下鉆井動力學的所述模型包括更新井下鉆井動力學的所述標稱模型中的參數(shù)，并且其中所述方法進一步包括基于井下鉆井動力學的已更新模型來更新所述虛擬控制器。15.如權利要求1所述的計算機實現(xiàn)方法，其中所述井下鉆井設備包括底部鉆具組件(BHA)或鉆柱中的至少一者。16.如權利要求2所述的計算機實現(xiàn)方法，其中產(chǎn)生滿足井下鉆井動力學的所述標稱模型的穩(wěn)定性標準并且滿足偏離所述標稱模型的所述模型集合的穩(wěn)定性標準的用于所述井下鉆井設備的虛擬控制器包括: 產(chǎn)生滿足井下鉆井動力學的所述標稱模型的第一穩(wěn)定性標準并且滿足偏離所述標稱模型的所述模型集合的所述第一穩(wěn)定性標準的第一虛擬控制器； 產(chǎn)生滿足井下鉆井動力學的所述標稱模型的第二穩(wěn)定性標準并且滿足偏離所述標稱模型的所述模型集合的所述第二穩(wěn)定性標準的第二虛擬控制器，其中所述第二穩(wěn)定性標準不同于所述第一穩(wěn)定性標準。17.如權利要求16所述的計算機實現(xiàn)方法，進一步包括: 確定已發(fā)生虛擬控制器切換事件；以及 基于確定已發(fā)生虛擬控制器切換事件來在所述第一虛擬控制器與所述第二虛擬控制器之間進行切換。18.如權利要求17所述的計算機實現(xiàn)方法，其中確定已發(fā)生虛擬控制器切換事件包括: 基于井下鉆井動力學的所述標稱模型來確定所述井下鉆井設備的控制輸入的目標穩(wěn)態(tài)值； 將所述井下鉆井設備的所述控制輸入的所述穩(wěn)態(tài)值與所述井下鉆井設備的所述控制輸入的測量值進行比較；以及 確定所述井下鉆井設備的所述控制輸入的所述穩(wěn)態(tài)值與所述井下鉆井設備的所述控制輸入的所述測量值之間的差超過跟蹤閾值。19.如權利要求17所述的計算機實現(xiàn)方法，其中確定已發(fā)生虛擬控制器切換事件包括: 確定計劃井筒路徑；以及 根據(jù)所述計劃井筒路徑確定與另一井筒碰撞的概率超過碰撞閾值，或者所述計劃井筒路徑的曲率半徑低于徑向閾值。20.如權利要求1所述的計算機實現(xiàn)方法，進一步包括: 基于用于所述井下鉆井設備的所述虛擬控制器來基于所述井下鉆井設備的傳感器測量值確定所述井下鉆井設備的控制輸入;以及向所述井下鉆井設備施加所述控制輸入。21.如權利要求20所述的計算機實現(xiàn)方法，其中確定所述井下鉆井設備的控制輸入包括確定鉆壓、機械鉆速、流體流速、鉆頭扭矩、轉臺扭矩或RPM中的至少一者。22.—種系統(tǒng)，其包括: 第一部件，所述第一部件被定位在地面上或地面附近； 井下鉆井設備，所述井下鉆井設備至少部分地設置在井筒內(nèi)位于地下區(qū)域或其附近，所述井下鉆井設備與至少一個傳感器相關；以及 虛擬控制器，所述虛擬控制器可通信地耦接到所述第一部件和所述井下鉆井設備，所述虛擬控制器可操作用于執(zhí)行操作，所述操作包括: 基于所述井下鉆井設備的傳感器測量值來確定井下鉆井動力學的標稱模型； 確定井下鉆井動力學的所述標稱模型的不確定性； 基于井下鉆井動力學的所述標稱模型的所述不確定性來確定偏離井下鉆井動力學的所述標稱模型的模型集合;以及 基于所述標稱模型和偏離所述標稱模型的所述模型集合來產(chǎn)生用于所述井下鉆井設備的虛擬控制器。23.—種利用至少一個計算機程序來編碼的非暫時性計算機可讀存儲介質，所述至少一個計算機程序包括指令，所述指令在被執(zhí)行時，操作以導致至少一個處理器執(zhí)行用于控制鉆孔中的井下鉆井設備的鉆井的操作，所述操作包括: 基于所述井下鉆井設備的傳感器測量值來確定井下鉆井動力學的標稱模型； 確定井下鉆井動力學的所述標稱模型的不確定性； 基于井下鉆井動力學的所述標稱模型的所述不確定性來確定偏離井下鉆井動力學的所述標稱模型的模型集合;以及 基于所述標稱模型和偏離所述標稱模型的所述模型集合來產(chǎn)生用于所述井下鉆井設備的虛擬控制器。
【文檔編號】E21B47/12GK105874159SQ201380081005
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2013年12月6日
【發(fā)明人】薛玉珍, 賈森·D·戴克斯特拉
【申請人】哈利伯頓能源服務公司