钻探控制的系统和方法
【专利摘要】一种优化钻柱的钻探参数的系统包括钻柱控制子系统。此系统包括优化控制器，以至少部分地通过以下步骤来协调钻探过程期间钻柱控制子系统的操作：基于钻探参数模型和第一钻探参数估值，来确定第一经优化的钻进速度；基于第一经优化的钻进速度将第一组命令提供至钻柱控制子系统；至少部分地基于钻探参数模型和对应于钻柱控制子系统的反馈，来确定在钻探过程期间的第二钻探参数估值；基于第二钻探参数估值，确定钻探过程期间的第二经优化的钻进速度；以及基于第二经优化的钻进速度，将第二组命令提供至钻柱控制子系统。
【专利说明】钻探控制的系统和方法
【背景技术】
[0001] 本公开一般涉及地层钻探操作并且更具体地涉及钻探控制的系统和方法。
[0002] 在钻探操作中，典型的钻探过程相对复杂并且涉及相当大的花费。在该行业中存 在持续不断的努力以发展安全、成本最小化以及效率中的改进。尽管如此，仍然需要更有效 的、改进的并且优化的钻探过程。
[0003] 附图简述
[0004] 通过部分地参考以下描述和所附的附图可理解本公开的某些具体的示例性实施 例。
[0005] 图1A是根据本公开的特定实施例的系统的图。
[0006] 图1B是根据本公开的特定实施例的系统的图。
[0007] 图2是根据本公开的特定实施例的用于钻探控制的优化的示例图。
[0008] 图3是根据本公开的特定实施例的在利用概率强度进行限定的各种岩石类型中 钻探的不例图。
[0009] 图4描绘了根据本公开的特定实施例的利用RPM(每分钟转数）相对WOB (钻压） 的钻柱参数的曲线图。
[0010] 图5是根据本公开的特定实施例的用于钻探控制的优化的示例图。
[0011] 图6是根据本公开的特定实施例的磨损估计器的图。
[0012] 图7示出了根据本公开的特定实施例的用于钻探控制的耦合控制子系统的图。
[0013] 图8是根据本公开的特定实施例的绞车（draw works)控制子系统的图。
[0014] 图9是根据本公开的特定实施例的顶部驱动控制子系统的图。
[0015] 图10是根据本公开的特定实施例的泵控制子系统的图。
[0016] 图11示出了根据本公开的特定实施例的粘滑（stick-slip)补偿。
[0017] 虽然已经参考本公开的示例性实施例描绘、描述并限定了本公开内容的实施例， 但这样的参考不意味着对本公开的限制，且不推断这样的限制。所公开的主题在形式和功 能上存在相当多的修改、变更和等价方案，如本领域普通技术人员在获知本公开的益处后 所能想到。所描绘和描述的本公开的诸实施例仅仅是示例，且不是对本公开范围的穷举。
【具体实施方式】
[0018] 本公开一般涉及地层钻探操作并且更具体地涉及钻探控制的系统和方法。
[0019] 在本文中详细地描述了本公开的说明性实施例。为清楚起见，可能未在此说明书 中描述实际实现方式的所有特征。当然将理解，在任一此类实际实施例的开发中，必须作出 许多实现专属的决定以实现特定的实现目标，这些特定的实现目标将对于各实现而彼此不 同。此外，将理解，此类开发努力可能是复杂而且耗时的，但对于获得本公开内容的益处的 本领域普通技术人员而言仍会是例行任务。为便于更好地理解本公开，给出了某些实施例 的以下示例。以下示例绝不应理解为限制或限定本公开的范围。
[0020] 本公开的特定实施例可至少部分地利用信息处理系统而被实施。为了本公开的 目的，一种信息处理系统可包括能操作用于计算、分类、处理、发送、接收、检索、产生、切换、 存储、显示、操作、检测、记录、重现、处理、或利用任何形式的信息、智能数据以用于商业、科 学、控制或其他目的的任何工具或工具集合。例如，一种信息处理系统可以是个人计算机、 网络存储设备或任何其它合适的设备，且可能在尺寸、形状、性能、功能以及价格上有差别。 该信息处理系统可包括随机存取存储器（RAM)、诸如中央处理单元（CPU)或硬件或软件控 制逻辑之类的一个或多个处理资源、ROM和/或其它类型的非易失性存储器。该信息处理系 统的其它部件可包括一个或多个盘驱动器、用于与外部设备通信的一个或多个网络端口、 以及诸如键盘、鼠标以及视频显示器之类的各种输入和输出（I/O)设备。该信息处理系统 还可包括能操作用于在上述各种硬件部件之间传输通信的一个或多个总线。
[0021] 本公开的特定实施例可至少部分地利用非瞬态的计算机可读介质而被实施。为了 本公开的目的，非瞬态的计算机可读介质可包括可保存数据和/或指令达一段时间的任何 工具或工具集合。非瞬态的计算机可读介质可包括（作为示例而非限制）：存储介质，诸如 直接存取存储设备（例如硬盘驱动器或软盘驱动器）、顺序存取存储设备（例如带盘驱动 器）、致密盘、⑶-如1、0￥0、狀11、1?011、电可擦除可编程只读存储器伍￡?1?01〇和/或快闪存储 器；通信介质，诸如导线、光纤、微波、无线电波和其它电磁和/或光学载体；和/或上述的 任何组合。
[0022] 本公开的特定实施例可提供自动地控制钻探过程。特定实施例可在钻探过程期间 作出全部或一部分的决定并且可控制顶部驱动、绞车和泵中的一个或多个。特定实施例可 优化钻探过程并且将命令输入提供至一个或多个钻柱控制子系统。由于钻探参数模型随着 时间改变，因而优化可依赖于钻探参数模型进行更新，该钻探参数模型可包括但不限于钻 头（bit)模型。特定实施例可克服钻探过程中的非线性并且根据需要将其移除或最小化。
[0023] 图1A示出了根据本公开的特定实施例的一个非限制性的示例性的钻探系统10。 钻探系统10可包括设置在钻孔14顶上的钻机12。测井工具16可由被并入到钻柱20中 并且被设置在钻孔14内的典型地为钻铤的子测井工具18承载。钻头22位于钻柱20的下 端处并且通过地层24凿出钻孔14。钻探泥浆26可从井口 30附近的存储池28被泵送出， 沿着轴向通路（未示出）通过钻柱20,离开钻头22中的开口并且通过环形区域32回到表 面。金属外壳34可被置于钻头22上面的钻孔14中以用于维持钻孔14的上部的完整性。
[0024] 在钻柱20、子测井工具18以及钻孔14的侧壁36之间的环形32形成了钻探泥浆 的返回流路。泥浆可通过泵送系统38从井口 30附近的存储池中被泵送出。泥浆可穿过被 耦合至在整个钻柱20的长度上延伸的中央通道的泥浆供给线40。以此方式，钻探泥浆被迫 沿钻柱20向下并通过钻头22中的开口离开进入钻孔以用于冷却和润滑钻头并且将钻探操 作期间所产生的岩肩运送回表面。流体排放导管42可在井口处从环形通道32连接以用于 将返回泥浆流从钻孔14引导至泥浆池28。
[0025] 测井工具或仪器16可以是任何常规的测井仪器，诸如声学的（有时被称为音速 的）、中子式、伽马射线式、密度式、光电式、核磁共振式或任何其它的常规测井仪器或其组 合，该测井工具或仪器16可被用于测量围绕地质钻孔的地层的岩性或孔隙度。测井数据可 被存储在常规的井下记录仪（未示出）中，当钻柱20被重新取回时可在地表面访问该测井 数据，或该测井数据可使用遥测（诸如常规的泥浆脉冲遥测系统）被传送至地表面。来自 测井仪器16的测井数据可被传递至表面测量设备处理器44以允许该数据根据如本文中所 描述的本公开的实施例被处理以供使用。除了 MWD仪器之外，还可使用钢缆测井仪器。钢 缆仪器可包括可被用于测量围绕地质钻孔的地层的岩性和/或孔隙度的任何常规的测井 仪器，例如，诸如声学的、中子式、伽马射线式、密度式、光电式、核磁共振式或任何其它的常 规测井仪器或其组合，该钢缆仪器可被用于测量岩性。
[0026] 信息处理系统50可以任何适当的方式被通信地耦合至钻探系统10的一个或多个 部件。信息处理系统50可被配置成实现本文中所描述的一个或多个实施例。信息处理系 统50可包括设备52,该设备52可包括进一步被编程以用于执行如本文中所进一步描述的 方法和装置的任何适当的计算机、控制器或数据处理装置。计算机/控制器52可包括用于 接收例如来自任何适当的输入设备58的输入信息和/或命令的至少一个输入。输入设备 58可包括键盘、键板、定点设备等，进一步包括用于接收来自远程计算机或数据库的输入信 息的网络接口或其它的通信接口。再进一步，计算机/控制器52可包括用于输出信息信 号和/或设备控制命令的至少一个输出。输出信号可经由信号线54被输出至显示设备60 以用在生成包含在输出信号中的信息的显示中。输出信号还可被输出至打印机设备62以 用在生成包含在输出信号中的信息的打印输出64中。例如，信息和/或控制信号66还可 经由任何适当的通信装置被输出至任何设备以用在控制钻机12的一个或多个不同的钻探 操作参数中，如本文中进一步讨论的那样。换言之，提供适当的设备或装置，以用于在利用 根据本文中所描述的特定实施例的钻探系统实际钻井眼（或井段）的过程中控制参数。例 如，钻探系统可包括设备，诸如选自井下电机70、顶部驱动电机72或旋转台电机74的以下 类型的可控电机中的一个，进一步其中各个电机的给定rpm可被远程地控制。此参数还可 包括本文中所描述的任何其它适当的钻探系统控制参数。
[0027] 计算机/控制器52可提供用于根据规定的地质学模型生成每单位深度地层的地 质学特征的方法。计算机/控制器52可提供代表地质学特征的信号线54、56上的输出信 号。计算机/控制器52可利用本领域已知的编程技术进行编程以用于执行如本文中所描 述的功能。在一个实施例中，可包括非瞬态的计算机可读介质，该介质具有存储在其上的计 算机程序。供由计算机/控制器52执行的计算机程序可被用于根据本文中所描述的实施 例优化钻柱的钻探参数。供由计算机/控制器52执行的计算机程序的编程可利用已知的 编程技术来进一步被完成以用于实施如本文中所描述和讨论的实施例。
[0028] 图1B是根据本公开的特定实施例的系统100的图。在特定实施例中，系统100可 提供自动地控制钻探过程的全部或部分。因此，特定实施例可作出涉及钻探过程的全部或 部分的所有决定。在特定实施例中，系统1〇〇可以最小化成本和最大化效率的目的来控制 钻探设备。
[0029] 系统100可包括优化控制器102。优化控制器102可被通信地耦合至绞车控制子 系统108、顶部驱动控制子系统110和泵控制子系统112中的一个或多个。绞车控制子系统 108、顶部驱动控制子系统110和/或泵控制子系统112可被通信地耦合至可包括钻头116 的钻柱114。绞车控制子系统108、顶部驱动控制子系统110和/或泵控制子系统112中的 一个或多个可被通信地耦合至运动模型118。钻探参数模型120可被通信地耦合至绞车控 制子系统108、顶部驱动控制子系统110、泵控制子系统112、钻柱114和优化控制器102中 的一个或多个。
[0030] 在特定实施例中，优化控制器102可包括优化函数104和ROP (钻进速度）控制器 106中的一者或两者。优化控制器102可被通信地耦合至ROP控制器106。ROP控制器106 可以是虚拟的R0P控制器并且可被配置成使多个子系统保持一致地工作。
[0031] 优化控制器102可被配置成向绞车控制子系统108、顶部驱动控制子系统110和/ 或泵控制子系统112中的一个或多个提供命令。优化控制器102可被配置成协调绞车控制 子系统108、顶部驱动控制子系统110和/或泵控制子系统112的操作。提供命令可包括 优化控制器102指示一个或多个控制器设定点。作为非限制性示例，优化控制器102可将 涉及钻压（W0B)的设定点（由图1B中的信号W0B*表示）提供至绞车控制子系统108。优 化控制器102可将涉及钻头速度（诸如钻头116处的每分钟转数）的设定点（由图1B中 的信号"RPM atBit* (钻头处的RPM*)"表示）提供至顶部驱动控制子系统110。优化控制 器102可将涉及泵速率的设定点（由图1B中的信号"Rate* (速率*) "表示）提供至泵控 制子系统112。
[0032] 绞车控制子系统108可包括被配置成基于W0B*信号接收一输入的PID (比例积分 微分）控制器122。例如，PID控制器122可被配置成接收在W0B*信号和来自运动模型118 的信号之间的差值。绞车控制子系统108可包括可被配置成提供惯性和/或物理状态反馈 解耦的解耦函数124。例如，如所描绘的，解耦函数124可具有前馈配置并且可接收W0B*信 号。绞车控制子系统108可包括本地控制126。本地控制126可从PID控制器122和/或 解耦函数124接收涉及负载的信号（Load* (负载*))。如所描述的，本地控制126可具有调 节基于信号"Load*"所接收的输入的负反馈配置。本地控制126可直接地或间接地将控制 信号提供至绞车128,该绞车128反过来可被可操作地耦合至钻柱114。绞车128可包括但 不限于任何合适的绞车或其它负载承载系统以用于钻探操作。因此，绞车控制子系统108 可被配置成控制任何合适的绞车或其它负载承载系统以用于钻探操作。此处术语"绞车"、 "绞车控制子系统"等的使用不应当被理解为将本公开的实施例限制到绞车。
[0033] 顶部驱动控制子系统110可包括被配置成基于"RPM at Bit*"信号接收输入的 PID控制器130。例如，PID控制器130可被配置成接收"RPM at Bit*"信号和来自运动模 型118的信号之间的差值。顶部驱动控制子系统110可包括可被配置成提供惯性和/或物 理状态反馈解耦的解耦函数132。例如，如所描绘的，解耦函数132可具有前馈配置并且可 接收信号"RPM at Bit*"。顶部驱动控制子系统110可包括本地控制134。本地控制134可 从PID控制器130和/或解耦函数132接收涉及扭矩的信号（Torque* (扭矩*))。如所描 绘的，本地控制134可具有调节基于信号"RPM at Bit*"所接收的输入的负反馈配置。本 地控制134可直接地或间接地将控制信号提供至顶部驱动136,该顶部驱动136反过来可被 可操作地耦合至钻柱114。
[0034] 泵控制子系统112可包括被配置成基于信号"Rate*"接收输入的PID控制器138。 例如，如所描绘的，PID控制器138可具有调节基于信号"Rate*"所接收的输入的负反馈配 置。泵控制子系统112可包括本地控制140。本地控制140可从PID控制器138接收信号 "Rate**"。本地控制140可直接地或间接地将控制信号提供至一个或多个泵142,该一个或 多个泵142反过来可被可操作地耦合至钻柱114。
[0035] 运动模型118可包括轴向运动模型144和/或旋转运动模型146。轴向运动模型 144可接收来自绞车控制子系统108的反馈。例如，此输入可对应于来自感测与绞车128相 关联的轴向运动的一个或多个传感器（未示出）的信号。在特定实施例中，轴向运动模型 144可位于绞车控制子系统108内。旋转运动模型146可接收来自顶部驱动控制子系统110 的反馈。例如，此输入可对应于来自感测与顶部驱动136相关联的旋转运动的一个或多个 传感器（未示出）的信号。轴向运动模型144和/或旋转运动模型146可包括集总质量模 型，该集总质量模型可包括被配置成提供动态模型的弹簧。如所描绘的，轴向运动模型144 和旋转运动模型146可向绞车控制子系统108和顶部驱动控制子系统110以及钻探参数模 型120提供反馈。钻探参数模型120可给任何合适的钻探参数建模，包括但不限于如本文 中进一步描述的钻头、钻头磨损和/或ROP。在特定实施例中，钻探参数模型120可模拟岩 石-钻头相互作用和井底组件的动力学。
[0036] 为了向顶部驱动136、绞车128和泵142提供命令输入，可使用优化。根据本公开 的特定实施例，优化控制器102可被配置成执行优化。此优化可考虑WOB (钻压）、TOB (钻 头扭矩）、钻头116的RPM (每分钟转数）、由一个或多个泵142产生的流速（〇、钻头116 上的磨损以及钻头116可钻通的岩石类型中的一个或多个可如何影响性能。此优化可提供 ROP(钻进速度）的优化。使ROP为包括磨损的输入参数的函数，此优化可以是随机非线性 问题。
[0037] ROP可由以下函数进行表征。
【权利要求】
1. 一种优化钻柱的钻探参数的系统，所述系统包括： 钻柱控制子系统；以及 优化控制器，所述优化控制器至少部分地通过以下步骤来协调钻探过程期间所述钻柱 控制子系统的操作： 至少部分地基于钻探参数模型和第一钻探参数估值，确定第一经优化的钻进速度； 至少部分地基于所述第一经优化的钻进速度，将第一组命令提供至所述钻柱控制子系 统； 至少部分地基于所述钻探参数模型和对应于所述钻柱控制子系统的反馈，确定在所述 钻探过程期间的第二钻探参数估值； 至少部分地基于所述第二钻探参数估值，确定所述钻探过程期间的第二经优化的钻进 速度；以及 至少部分地基于所述第二经优化的钻进速度，将第二组命令提供至所述钻柱控制子系 统。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一经优化的钻进速度和所述第二经 优化的钻进速度中的一者或两者是至少部分地基于岩石特性、钻头类型、目标时间、深度和 成本确定中的一个或多个。
3. 如权利要求1所述的系统，进一步包括： 接收对应于绞车的反馈的轴向运动模型； 其中，所述第二钻探参数估值是至少部分地基于所述轴向运动模型。
4. 如权利要求1所述的系统，进一步包括： 接收对应于顶部驱动的反馈的旋转运动模型； 其中，所述第二钻探参数估值是至少部分地基于所述旋转运动模型。
5. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述钻探参数模型是至少部分地基于对应 于泵的反馈。
6. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述优化控制器进一步至少部分地通过以 下步骤来协调钻探过程期间所述钻柱控制子系统的操作： 至少部分地基于对应于钻探时间、行程时间和钻头成本中的一个或多个的成本的最小 化来作出成本确定，其中所述钻头成本是至少部分地基于钻头类型和钻头数量中的一个或 多个。
7. 如权利要求1所述的钻探控制系统，其特征在于，所述钻柱控制子系统包括控制绞 车的绞车控制子系统、控制顶部驱动的顶部驱动控制子系统和控制泵的泵控制子系统中的 一个或多个。
8. -种非瞬态的计算机可读介质，其上存储有计算机程序以优化钻柱的钻探参数，所 述计算机程序包括可执行指令，所述可执行指令使计算机： 至少部分地基于钻探参数模型和第一钻探参数估值，确定第一经优化的钻进速度； 至少部分地基于所述第一经优化的钻进速度，为钻柱控制子系统提供第一组命令； 至少部分地基于所述钻探参数模型和对应于所述钻柱控制子系统的反馈，确定在钻探 过程期间的第二钻探参数估值； 至少部分地基于所述第二钻探参数估值，确定所述钻探过程期间的第二经优化的钻进 速度；以及 至少部分地基于所述第二经优化的钻进速度，为所述钻柱控制子系统提供第二组命 令。
9. 如权利要求8所述的非瞬态的计算机可读介质，其特征在于，所述第一经优化的钻 进速度和所述第二经优化的钻进速度中的一者或两者是至少部分地基于岩石特性、钻头类 型、目标时间、深度和成本确定中的一个或多个。
10. 如权利要求8所述的非瞬态的计算机可读介质，其特征在于，所述第二钻探参数估 值是至少部分地基于轴向运动模型和对应于绞车的反馈。
11. 如权利要求8所述的非瞬态的计算机可读介质，其特征在于，所述第二钻探参数估 值是至少部分地基于旋转运动模型和对应于顶部驱动的反馈。
12. 如权利要求8所述的非瞬态的计算机可读介质，其特征在于，所述钻探参数模型是 至少部分地基于对应于泵的反馈。
13. 如权利要求8所述的非瞬态的计算机可读介质，其特征在于，所述计算机程序进一 步包括使计算机执行下列操作的可执行指令： 至少部分地基于对应于钻探时间、行程时间和钻头成本中的一个或多个的成本的最小 化来作出成本确定，其中所述钻头成本是至少部分地基于钻头类型和钻头数量中的一个或 多个。
14. 如权利要求8所述的非瞬态的计算机可读介质，其特征在于，所述钻柱控制子系统 包括控制绞车的绞车控制子系统、控制顶部驱动的顶部驱动控制子系统和控制泵的泵控制 子系统中的一个或多个。
15. -种优化钻柱的钻探参数的方法，所述方法包括： 提供钻柱控制子系统；以及 提供优化控制器以至少部分地通过以下步骤来协调钻探过程期间所述钻柱控制子系 统的操作： 至少部分地基于钻探参数模型和第一钻探参数估值，确定第一经优化的钻进速度； 至少部分地基于所述第一经优化的钻进速度，将第一组命令提供至所述钻柱控制子系 统； 至少部分地基于所述钻探参数模型和对应于所述钻柱控制子系统的反馈，确定在所述 钻探过程期间的第二钻探参数估值； 至少部分地基于所述第二钻探参数估值，确定所述钻探过程期间的第二经优化的钻进 速度；以及 至少部分地基于所述第二经优化的钻进速度，将第二组命令提供至所述钻柱控制子系 统。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一经优化的钻进速度和所述第二 经优化的钻进速度中的一者或两者是至少部分地基于岩石特性、钻头类型、目标时间、深度 和成本确定中的一个或多个。
17. 如权利要求15所述的方法，进一步包括： 提供轴向运动模型以接收对应于绞车的反馈； 其中，所述第二钻探参数估值是至少部分地基于所述轴向运动模型。
18. 如权利要求15所述的方法，进一步包括： 提供旋转运动模型以接收对应于顶部驱动的反馈； 其中，所述第二钻探参数估值是至少部分地基于所述旋转运动模型。
19. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述优化控制器进一步至少部分地通过 以下步骤来协调钻探过程期间所述钻柱控制子系统的操作： 至少部分地基于对应于钻探时间、行程时间和钻头成本中的一个或多个的成本的最小 化来作出成本确定，其中所述钻头成本是至少部分地基于钻头类型和钻头数量的一个或多 个。
20. 如权利要求15所述方法，其特征在于，所述钻柱控制子系统包括控制绞车的绞车 控制子系统、控制顶部驱动的顶部驱动控制子系统和控制泵的泵控制子系统中的一个或多 个。
【文档编号】E21B45/00GK104520533SQ201280074657
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2012年7月12日 优先权日:2012年7月12日
【发明者】J·D·戴克斯特拉 申请人:哈里伯顿能源服务公司