个第二状态约束包括所述更新的模型；以及 至少部分基于所述第二控制信号来控制所述顶部驱动，以便使所述钻头按第三钻头角 速度旋转。2. 如权利要求1所述的方法，其中所述目标函数包括一个或多个项，其中每一项与乘 法加权因子相关联，且进一步其中每一项描述包括所述顶部驱动和所述钻头的系统的物理 方面。3. 如权利要求2所述的方法，其中所述目标函数包括与第一加权因子相关联的粘滑减 少项；与第二加权因子相关联的扭矩输入项；以及与第三加权因子相关联的钻井能量效率 项。4. 如权利要求3所述的方法，其进一步包括至少部分基于与所述钻头相关联的一个 或多个操作条件来更新所述第一、第二和第三加权因子中的一个或多个，使得所述第二状 态下的所述目标函数包括更新的第一加权因子、更新的第二加权因子和更新的第三加权因 子。5. 如权利要求4所述的方法，其中更新所述第一、第二和第三加权因子中的所述一个 或多个，使得限制所述第一、第二和第三加权因子中的所述一个或多个的改变速率以满足 李亚普诺夫函数以确保稳定性。6. 如权利要求4所述的方法，其中所述操作条件包括钻压和钻头角速度。7. 如权利要求6所述的方法，其中更新所述第一、第二和第三加权因子中的所述一个 或多个，以便修改所述目标函数对钻井效率和粘滑防止中的任何一个或多个的强调。8. 如权利要求1所述的方法，其中产生所述第一控制信号包括得出所述第一状态下的 所述目标函数的最小解；且其中产生所述第二控制信号包括得出所述第二状态下的所述目 标函数的最小解。9. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括： 至少部分基于与所述顶部驱动、钻头和钻柱中的任何一个或多个相关联的所述操作数 据来进一步更新所述更新的模型，以便获得后续更新的模型， 至少部分基于所述钻头角速度设置点、所述第二钻头角速度和后续状态下的优化问题 来产生后续控制信号，其中后续状态下的所述优化问题服从一个或多个后续状态约束，所 述一个或多个后续状态约束包括所述后续更新的模型； 在所述钻井过程期间迭代地重复进一步更新所述更新的模型和产生所述后续控制信 号，以便计算一系列控制信号；以及 基于所述控制信号系列来控制所述顶部驱动。10. 如权利要求1所述的方法，其中通过观察器估计所述第一、第二和第三钻头角速度 中的任何一个或多个。11. 一种在钻井过程期间控制经由钻柱耦接至钻头的顶部驱动的方法，其包括： 至少部分基于第一时间段内的所述钻头的第一角速度曲线来估计第一粘滑频率； 至少部分基于所述估计的第一粘滑频率和具有一个或多个梯度方向的目标函数来产 生第一控制信号，使得所述第一控制信号沿着所述一个或多个梯度方向中的任何一个或多 个减小所述目标函数的值； 至少部分基于所述第一控制信号来控制所述顶部驱动，以便使所述钻头在第二时间段 内按第二角速度曲线旋转； 至少部分基于所述第二时间段内的所述第二角速度曲线来估计第二粘滑频率； 至少部分基于所述估计的第二粘滑频率和所述目标函数来产生第二控制信号，使得所 述第二控制信号沿着所述一个或多个梯度方向中的任何一个或多个减小所述目标函数的 所述值； 至少部分基于所述第二控制信号来控制所述顶部驱动，以便使所述钻头在第三时间段 内按第三角速度曲线旋转。12. 如权利要求11所述的方法，其中估计所述第一粘滑频率包括对所述第一时间段内 的所述钻头的所述第一角速度曲线执行傅里叶变换，以便获得第一傅里叶变换的信号，以 及对所述第一傅里叶变换的信号执行频域分析以便确定所述第一粘滑频率，且 其中估计所述第二粘滑频率包括对所述第二时间段内的所述钻头的所述第二角速度 曲线执行傅里叶变换，以便获得第二傅里叶变换的信号，以及对所述第二傅里叶变换的信 号执行频域分析以便确定所述第二粘滑频率。13. 如权利要求12所述的方法，其中所述第一控制信号包括一个或多个傅里叶系数。14. 如权利要求13所述的方法，其中所述第一控制信号的产生进一步至少部分基于添 加至所述傅里叶系数的正弦信号。15. 如权利要求11所述的方法，其中所述目标函数包括一个或多个项，其中每一项描 述包括所述顶部驱动和所述钻头的系统的物理方面。16. 如权利要求15所述的方法，其中所述目标函数包括粘滑减少项、扭矩输入项和钻 井能量效率项。17. -种系统，其包括： 顶部驱动，其通过钻柱耦接至钻头； 顶部驱动传动器，其耦接至所述顶部驱动；以及 控制器，其通信耦接至所述顶部驱动传动器，其中所述控制器包括 至少一个处理资源， 接口单元，其能够将控制信号传输至所述顶部驱动传动器，以及 计算机可读介质，其包括可执行指令，所述指令在被执行时使所述至少一个处理资源 执行以下操作 接收钻头角速度设置点信号和钻头角速度信号， 至少部分基于所述钻头角速度设置点信号、所述钻头角速度信号和第一状态下的目标 函数的最小解来产生第一控制信号，其中所述目标函数包括一个或多个项，其中每一项描 述所述顶部驱动、钻头和钻柱中的任何一个或多个的一个或多个物理动力学，且 使所述接口单元将所述第一控制信号传输至所述顶部驱动传动器； 其中所述顶部驱动响应于所述第一控制信号而将扭矩量施加至所述钻柱。18. 如权利要求17所述的系统，其中所述第一控制信号是进一步至少部分基于模型预 测控制算法产生的。19. 如权利要求18所述的系统，其中所述目标函数服从一个或多个约束，所述一个或 多个约束包括所述顶部驱动的输入扭矩与所得钻头角速度之间的动力学模型。20. 如权利要求19所述的系统，其中所述目标函数包括与第一加权因子相关联的粘滑 减少项；与第二加权因子相关联的扭矩输入项；以及与第三加权因子相关联的钻井能量效 率项。21. 如权利要求20所述的系统，其中所述计算机可读介质进一步包括可执行指令，所 述指令在被执行时使所述至少一个处理资源执行以下操作 在所述顶部驱动将所述扭矩量施加至所述钻柱之后更新所述第一、第二和第三加权因 子中的一个或多个，以便获得第一更新的加权因子、第二更新的加权因子和第三更新的加 权因子中的任何一个或多个，其中所述第一、第二和第三加权因子中的所述一个或多个是 至少部分基于与所述钻头相关联的一个或多个操作条件更新的， 至少部分基于所述钻头角速度设置点信号、所述钻头角速度信号和第二状态下的目标 函数的最小解来产生第二控制信号，所述第二状态下的所述目标函数包括所述第一更新的 加权因子、所述第二更新的加权因子和所述第三更新的加权因子中的任何一个或多个，且 使所述接口单元将所述第二控制信号传输至所述顶部驱动传动器。22. 如权利要求19所述的系统，其中所述计算机可读介质进一步包括可执行指令，所 述指令在被执行时使所述至少一个处理资源执行以下操作 至少部分基于与所述顶部驱动、钻头和钻柱中的任何一个或多个相关联的操作数据来 更新所述顶部驱动的输入扭矩与所得钻头角速度之间的所述动力学模型，以便获得更新的 模型， 至少部分基于所述钻头角速度设置点信号、所述钻头角速度信号和第二状态下的所述 目标函数的最小解来产生第二控制信号，所述第二状态下的所述目标函数服从一个或多个 第二状态约束，且所述第二状态约束包括所述更新的模型，且 使所述接口单元将所述第二控制信号传输至所述顶部驱动传动器。23. 如权利要求17所述的系统，其中所述第一控制信号是进一步至少部分基于极值搜 索控制算法产生的。24. 如权利要求23所述的系统，其中所述计算机可读介质进一步包括可执行指令，所 述指令在被执行时使所述至少一个处理资源执行以下操作 至少部分基于第一时间段内的所述钻头的第一角速度曲线来估计第一粘滑频率，且 至少部分基于所述估计的第一粘滑频率来产生所述第一控制信号。25. 如权利要求24所述的系统，其中所述可执行指令在被执行时使所述至少一个处理 资源通过以下操作来估计所述第一粘滑频率 对所述第一时间段内的所述钻头的所述第一角速度曲线执行傅里叶变换，以便获得第 一傅里叶变换的信号，以及 对所述第一傅里叶变换的信号执行频域分析以便确定所述第一粘滑频率。26. 如权利要求25所述的系统，其进一步包括可执行指令，所述指令在被执行时使所 述至少一个处理资源执行以下操作 估计第二粘滑频率，其中所述第二粘滑频率是至少部分基于第二时间段内的所述钻头 的第二角速度曲线估计的，所述第二时间段在所述顶部驱动响应于所述第一控制信号将所 述扭矩量施加至所述钻柱之后开始， 至少部分基于所述钻头角速度设置点信号、所述钻头的所述第二角速度曲线以及所述 估计的第二粘滑频率来产生第二控制信号，且 使所述接口单元将所述第二控制信号传输至所述顶部驱动传动器。
【专利摘要】减少或消除井下的粘滑和振动可包括以防止、消除或减少粘滑和振动的方式来控制顶部驱动扭矩以便调整钻头角速度。控制方法和系统可包括对包括目标函数的一个或多个优化问题求解。所述目标函数可服从包括钻井系统的物理模型的条件。可不参考模型，而是替代地通过参考基于钻头角速度曲线的估计的粘滑频率来将所述目标函数减到最小。另外，可使用观察器来估计用于控制方法和系统的实际井下测量，诸如钻头角速度。
【IPC分类】E21B23/14, E21B23/08, E21B4/20
【公开号】CN105408574
【申请号】CN201380077692
【发明人】J·戴克斯特拉, 孙志杰
【申请人】哈利伯顿能源服务公司
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2013年8月17日
【公告号】CA2917462A1, DE112013007342T5, US9388681, US20150240615, WO2015026311A1