用以优化钻井效率同时减少粘滑的方法
【专利说明】用W优化钻井效率同时减少粘滑的方法
【背景技术】
[0001] 本公开一般来说设及地下钻井操作，且更具体来说，设及稳定钻头、钻柱和/或井 下工具W防横向振动和粘滑。
[0002] 诸如石油和天然气等控类通常从可能位于陆上或海上的地下地层中获得。地下操 作的发展和从地下地层中除去控类时所设及的过程是复杂的。通常，地下操作设及许多不 同的步骤，诸如，例如，在所要井场钻探井筒，处理井筒W优化控类的生产，W及执行必要步 骤W生产和处理来自地下地层的控类。
[0003] 诸如钻头、钻柱、底部钻具组合件度HA)和/或井下工具等地下钻井设备可用一定 方式与钻孔壁接触，使得其变得被卡在或绛在钻孔壁中，从而导致钻柱"粘住"。当钻井设备 "粘住"时，钻柱的旋转移动停止或严重地减少。尽管钻井设备被粘住，但扭矩仍在地面处施 加至钻柱，从而导致钻柱扭转。一旦施加至钻柱的扭矩克服了钻井设备上的静摩擦力，钻井 设备会"滑动"或从钻孔壁松开。因为若干理由，运种现象是有问题的，运些理由包括井下 组件的使用寿命可能减小，钻孔的质量下降，W及钻井延迟。
【附图说明】
[0004] 可通过部分参考W下描述和附图来理解本公开的一些具体示例性实施方案。
[0005] 图1描绘根据本公开的方面的实例钻井系统。
[0006] 图2是说明根据本公开的方面的实例顶部驱动扭矩控制系统的图。
[0007] 图3是说明根据本公开的方面的实例模型预测控制器的图。
[0008] 图4是说明根据本公开的方面的加权自适应和操作条件的图表。
[0009] 图5是说明根据本公开的方面的实例极值捜索控制器的图。
[0010] 图6是说明根据本公开的方面的实例极值捜索控制器的图。
[0011] 尽管已经描绘和描述并且通过参考本公开的示例性实施方案定义了本公开的实 施方案，但此类参考并不意味着对本公开的限制，并且不应推断此类限制。本领域技术人员 W及受益于本公开的人员将想到，所公开的主题能够在形式和功能上存在相当多的修改、 变更和等效形式。本公开的描绘和描述的实施方案仅仅是实例，而且并未详尽说明本公开 的范围。
【具体实施方式】
[0012] 为了本公开的目的，信息处置系统可包括任何手段或手段集合，其可操作W计算、 分类、处理、发射、接收、检索、发起、切换、存储、显示、表明、检测、记录、再生、处置或利用任 何形式的信息、情报，或数据W用于商务、科学、控制或其它目的。例如，信息处置系统可W 是个人计算机、网络存储装置，或任何其它合适的装置，且其大小、形状、性能、功能性和价 格可变化。信息处置系统可包括随机存取存储器（RAM)、一个或多个处理资源（诸如中央处 理单元（CPU)或硬件或软件控制逻辑）、R0M和/或其它类型的非易失性存储器。信息处置 系统的额外组件可包括一个或多个磁盘驱动器、用于与外部装置进行通信的一个或多个网 络端口，W及各种输入和输出（I/O)装置，诸如键盘、鼠标和视频显示器。信息处置系统还 可包括一个或多个总线，其可操作W在各种硬件组件之间传输通信。其还可包括一个或多 个接口单元，所述接口单元能够将一个或多个信号传输至控制器、传动器或类似装置。
[0013] 为了本公开的目的，计算机可读介质可包括可在一段时间内保留数据和/或指令 的任何手段或手段的集合。计算机可读介质可包括（例如，但不限于）：存储媒体，诸如直 接存取存储装置（例如，硬盘驱动器或软盘驱动器）、顺序存取存储装置（例如，磁带磁盘 驱动器）、压缩光盘、CD-ROM、DVD、RAM、ROM、电可擦除可编程只读存储器巧EPROM)，和/或 快闪存储器；W及通信媒体，诸如线、光纤、微波、无线电波和其它电磁和/或光学载波；和/ 或上述内容的任何组合。
[0014] 本文中详细描述了本公开的说明性实施方案。为了清楚起见，在本说明书中可能 并未描述实际实现方式的所有特征。当然，应了解，在开发任何此类实际实施方案时，做出 众多实现方式特定的决定W实现特定实现方式目标，一个实现方式与另一实现方式的目标 将不同。此外，应了解，此开发努力可能是复杂的且耗时的，尽管如此，其对于受益于本公开 的本领域技术人员来说将为常规任务。
[0015] 为了促进对本公开的较好理解，给出某些实施方案的W下实例。W下实例决不应 解读为限制或限定本公开的范围。本公开的实施方案可适用于任何类型的地下地层中的水 平、垂直、偏斜或W其它方式呈非线性的井筒。实施方案可适用于注入井W及生产井，包括 控类井。可使用制造成适合用于沿着地层的部分进行测试、检索和采样的工具来实现实施 方案。可用（例如）可通过管柱中的流道或使用电缆、钢丝、连续油管、井下机器人或类似 物的工具实现实施方案。
[0016] 如本文中使用的术语"禪接"意在指间接或直接连接。因此，如果第一装置禪接 至第二装置，那么该连接可通过直接连接或通过经由其它装置和连接的间接的机械或电连 接。类似地，如本文中使用的术语"通信禪接"意在指直接或间接通信连接。此连接可W是 有线或无线连接，诸如（例如）W太网或LAN。此类有线和无线连接对于本领域技术人员来 说是众所周知的，且因此在本文中将不再进行详细论述。因此，如果第一装置通信禪接至第 二装置，那么该连接可通过直接连接，或通过经由其它装置和连接的间接通信连接。
[0017] 本公开一般来说设及地下钻井操作，且更具体来说，设及稳定钻头、钻柱和/或井 下工具W防横向振动和粘滑。
[0018] 在一些实施方案中，本公开提供用于通过调整顶部驱动施加在钻柱上的扭矩来控 制经由钻柱禪接至顶部驱动的钻头的角速度的方法和系统。
[0019] 现代石油钻井和生产操作要求与井下参数和条件相关的信息。井下信息收集有几 种方法，包括随钻测井（"LWD")和随钻测量（"MWD")。在LWD中，通常在钻井过程期间收 集数据，从而避免移除钻井组合件来插入电缆测井仪的任何需要。因此，LWD允许钻探工进 行准确的实时修改或校正W优化性能，同时将停机时间减到最少。MWD是用于在钻井继续时 测量关于钻井组合件的移动和位置的井下条件的术语。LWD较集中在地层参数测量上。尽 管MWD与LWD之间可能存在区别，但术语MWD和LWD经常可互换地使用。为了本公开的目 的，将使用术语LWD，其中理解是此术语涵盖地层参数的收集和与钻井组合件的移动和位置 相关的信息的收集两者。
[0020] 图1说明了根据本公开的方面的实例钻井系统。钻井系统100包括安装在地面 122的钻机102,其位于地下地层106内的钻孔104上方。尽管地面122在图I中示出为陆 地，但一些实施方案的钻机可位于海上，在运种情况下地面122将包括钻井平台。钻机102 可包括禪接至钻柱114的顶部驱动126,钻柱114可如图1所示包括多个钻杆（例如，内杆 120和外杆118)。地面122处的控制单元124可控制钻井设备中的至少一些，包括顶部驱 动126的操作。控制单元124可包括控制系统（其又可W是或可包括信息处置系统），控制 系统可通信禪接至钻井设备中的至少一些，包括顶部驱动126。
[0021] 在一些实施方案中，钻柱可进一步包括底部钻具组合件度HA) 108,其可包括禪接 至外杆和内杆的工具，诸如LWD/MWD元件。LWD/MWD元件可包括井下仪器。当钻井在进行中 时，运些仪器可连续地或间歇地监测预定钻井参数和地层数据，且通过某种遥测形式将信 息传输至地面检测器。或者，数据可在仪器在井下时被存储，且在稍后取回钻柱时在地面处 重新获得。钻柱114禪接至钻头110,使得钻头110经由钻柱114禪接至顶部驱动126。因 此，顶部驱动126可将扭矩施加至钻柱114,钻柱114又将扭矩施加至钻头110,从而使其W 钻头角速度旋转接。
[0022] 在钻井过程期间的某一时刻或某些时刻，钻井组合件的所有或一部分（包括钻头 110和钻柱114)可在与钻孔104的接触期间"粘住"，于是钻柱114和/或钻头110的旋转 移动停止或严重地减少。尽管钻柱114 (或其某一部分）和/或钻头110被粘住，扭矩仍可 从顶部驱动126施加至钻柱114,从而使粘住部分上方的钻柱114扭转。一旦扭矩克服了 粘住组件上的摩擦力，钻柱114和/或钻头110可能"滑动"或从钻孔壁104松开。此"滑 动"和"粘住"动作可减少井下组件，包括钻头ll〇、BHA 108内的LWD/MWD测量元件的使用 寿命，且使钻孔104的质量下降。
[0023] 下文将相对于W下附图更详细地描述根据一些实施方案的控制方法。在各种实施 方案中，此类方法可通过控制系统，诸如图1的控制单元124内包括的控制系统实现。控制 系统可包括通信禪接至传动器（即，适合用于基于控制器发送的控制信号而对顶部驱动的 扭矩输出实施物理变更的装置）的控制器，传动器禪接至顶部驱动。此外，根据一些实施方 案的控制器可W是或可包括信息处置系统。因此，例如，控制器可包括至少一个处理资源， 能够将控制信号传输至顶部驱动传动器的接口单元，W及计算机可读介质，其包括适合用 于执行根据本公开的任何一个或多个控制方法的可执行指令。在其它实施方案中，控制系 统可包括由于输出控制信号引导的构件（例如，监视器或其它显示机构，和/或听觉信号发 送机构，或适合用于输出控制信号引导的任何其它装置），使得操作者可经由对用于控制顶 部驱动的控制机构的手动输入来实现此控制