在井筒中控制井底组合件的制作方法
【专利摘要】用于控制井底组合件(BHA)的技术包括：基于来自所述BHA的传感器测量确定BHA动态模型；基于所述BHA动态模型确定包括与规划井筒路径的预测未来偏差的目标函数；确定至所述BHA的控制输入，所述控制输入针对所述BHA的操作条件集满足所述目标函数；在辅助系统处产生将所述控制输入与所述操作条件集关联的关系信息；和将所述关系信息从所述辅助系统传输至所述BHA。
【专利说明】
在井筒中控制井底组合件
技术领域
[0001] 本公开涉及从地下层生产油气的井筒操作的管理(例如，自动化）。
【背景技术】
[0002] 油气（诸如油和气）钻探通常涉及在可向下达地下数千英尺的地下深度的钻探设 备的操作。井下钻探设备的这些远程距离结合不可预测的井下操作条件和振动钻探扰动在 精确控制井筒的轨迹时形成许多挑战。使这些问题复杂化的通常是相邻井筒(有时紧贴彼 此)的存在，其限制钻探误差的公差。钻探操作通常从位于井底组合件(BHA)处或附近的井 下传感器收集测量以检测有关钻探的各种条件，诸如井筒轨迹的位置和角度、岩层的特性、 压力、温度、声、辐射等。这些传感器测量数据通常被传输至地面，人类操作者在地面分析所 述数据以调整井下钻探设备。但是，传感器测量可能不准确、延迟或不频繁，限制使用这些 测量的有效性。通常，人类操作者不得不使用井筒轨迹的最佳猜测估计来控制钻探操作。
【附图说明】
[0003] 图1图示井下操作背景下的井筒系统的至少一部分的实施的实例；
[0004] 图2图示分段线性控制律的示例性三维状态空间表示；
[0005] 图3图示通过产生并且提供关系信息至井下BHA控制而实施MPC技术的过程的实例 的流程图；
[0006] 图4A和图4B图示确定用于产生提供至BHA的关系信息的不同操作条件集的实例；
[0007] 图5是用于产生并且提供关系信息至BHA用于进行基于模型的预测控制的示例性 过程的流程图；
[0008] 图6是用于在BHA处访问关系信息并且确定控制输入以应用于所检测的操作条件 的示例性过程的流程图；
[0009] 图7是用于更新BHA动态模型并且更新提供至BHA的关系信息的进一步处理的实例 的流程图；
[0010] 图8是基于来自BHA的传感器测量检测到关系信息更新事件已发生的进一步细节 的实例的流程图；和
[0011] 图9是一些实例可在其上操作的控制系统的实例的方框图。
【具体实施方式】
[0012] 本公开大致描述通过针对BHA作出基于模型的预测控制(MPC)决策而进行井筒钻 探操作的自动化控制。特定而言，描述其中辅助系统产生将BHA控制输入与不同操作条件关 联的关系信息并且将关系信息提供至BHA以实施MPC操作的技术。辅助系统可在地上(例如， 作为地上控制器的部分)或可在地下(例如，作为与BHA-起或与BHA分开的井下模块）。关系 信息可本地存储在BHA处或在一些实例中可远离BHA存储或可由M1A远程访问。在钻探期间， BHA访问关系信息来确定针对不同操作条件的控制输入。在一些实例中，关系信息可包括输 入-输出函数，诸如查找表。
[0013]关系信息可由辅助系统基于基于模型的预测控制(MPC)产生。MPC是基于BHA动态 模型，所述模型基于传感器测量确定并且可用于估计井筒轨迹的预测。在一些实例中，可能 期望控制BHA使得目标函数被满足，其可包括在未来时域的一个或多个预测钻探成本的组 合。辅助系统可通过预计算针对不同操作条件集满足目标函数的BHA控制输入而产生关系 fg息。
[0014]辅助系统可监测钻探操作的性能并且确定是否更新BHA动态模型。例如，BHA动态 模型可出于各种原因而偏离真实井筒环境，包括井下条件的变化或对不准确性和不确定性 建模。如果辅助系统确定BHA动态模型明显偏离传感器测量，那么辅助系统可更新BHA动态 模型并且产生相应的更新的关系信息，所述辅助系统可接着将其提供至BHA。
[0015]在一般化实施中，控制井底组合件(BHA)的计算机实施方法包括基于来自BHA的传 感器测量确定BHA动态模型;基于BHA动态模型确定包括与规划井筒路径的预测未来偏差的 目标函数;确定至BHA的控制输入，所述控制输入针对BHA的操作条件集满足目标函数;在辅 助系统处产生将控制输入与操作条件集关联的关系信息;和将关系信息从辅助系统传输至 BHA〇
[0016] 其它一般化实施包括相应计算机系统、设备和记录在一个或多个计算机存储装置 上的计算机程序，每个被配置来进行方法的动作。一个或多个计算机的系统可被配置来进 行操作以进行动作。一个或多个计算机程序可被配置来凭借包括指令而进行特定操作或动 作，所述指令在被数据处理设备执行时导致设备进行动作。
[0017] 可与任意一般化实施组合的第一方面还包括在BHA的存储器位置处存储将控制输 入与操作条件集关联的关系信息;检测BHA的操作条件;确定包括检测到的操作条件的操作 条件的候选集;从BHA的存储器位置访问关系信息；和基于访问关系信息确定至BHA的控制 输入，所述控制输入与包括检测到的操作条件的操作条件的候选集关联。
[0018]在可与任何先前方面组合的第二方面中，基于访问关系信息确定至BHA的控制输 入在不进行计算以针对满足目标函数的控制输入求解目标函数的情况下进行。
[0019] 在可与任何先前方面组合的第三方面中，在辅助系统处产生将控制输入与操作条 件集关联的关系信息包括产生将控制输入与操作条件集关联的关系数据库。
[0020] 在可与任何先前方面组合的第四方面中，在辅助系统处产生将控制输入与操作条 件集关联的关系信息包括确定至BHA的第一控制输入，所述第一控制输入针对BHA的第一操 作条件集满足目标函数;确定至BHA的第二控制输入，所述第二控制输入针对BHA的第二组 操作条件集满足目标函数;确定彼此相同的至BHA的第一控制输入和至BHA的第二控制输 入;将第一操作条件集与第二操作条件集组合为操作条件组合集;和在关系信息中将操作 条件组合集与对应于第一控制输入和第二控制输入的单个控制输入关联。
[0021] 可与任何先前方面组合的第五方面还包括在辅助系统处且基于来自BHA的传感器 测量检测关系信息更新事件已发生;和基于检测到关系信息更新事件已发生而在BHA处更 新关系信息。
[0022]在可与任何先前方面组合的第六方面中，在BHA处更新关系信息包括基于来自BHA 的更新的传感器测量确定更新的BHA动态模型;基于更新的BHA动态模型确定更新的目标函 数;确定至BHA的更新的控制输入，所述更新的控制输入针对BHA的操作条件集满足更新的 目标函数;在辅助系统处产生将更新的控制输入与操作条件集关联的更新的关系信息；和 将更新的关系信息从辅助系统传输至BHA。
[0023]在可与任何先前方面组合的第七方面中，将更新的关系信息从辅助系统传输至 BHA包括确定更新的关系信息与关系信息之间的差异;和将更新的关系信息与关系信息之 间的差异从辅助系统传输至BHA。
[0024]在可与任何先前方面组合的第八方面中，检测到关系信息更新事件已发生包括确 定钻探参数的阈值限界;和确定钻探参数的变化率或钻探参数的绝对值中的至少一个不满 足阈值限界。
[0025]在可与任何先前方面组合的第九方面中，确定阈值限界还包括基于期望控制性 能、辅助系统与BHA之间的通信带宽或辅助系统的处理能力中的至少一个确定阈值限界。 [0026]可与任何先前方面组合的第十方面还包括在于BHA处更新关系信息的同时对至 BHA的控制输入实施约束。
[0027] 在可与任何先前方面组合的第十一方面中，将关系信息从辅助系统传输至BHA包 括将关系信息和BHA动态模型从辅助系统的地上位置传输至BHA。
[0028] 在可与任何先前方面组合的第十二方面中，将关系信息从辅助系统传输至BHA包 括将关系信息和BHA动态模型从辅助系统的地下位置传输至BHA。
[0029]在可与任何先前方面组合的第十三方面中，确定目标函数包括基于来自BHA的BHA 动态模型或传感器测量中的至少一个确定加权因子;和确定通过加权因子加权的与规划井 筒路径的预测未来偏差与将控制输入应用至BHA的预测未来成本的加权组合。
[0030] 在可与任何先前方面组合的第十四方面中，确定至BHA的控制输入，所述控制输入 针对操作条件集满足目标函数包括确定至BHA的控制输入，所述控制输入在BHA动态模型在 其间满足操作条件集的后续时间段使与规划井筒路径的预测未来偏差与将控制输入应用 至BHA的预测未来成本的加权组合最小化。
[0031] 在可与任何先前方面组合的第十五方面中，将控制输入应用至BHA的预测未来成 本包括BHA的预测能耗、BHA上的预测力矩、至BHA的预测流体流、BHA的预测角位置或预测财 务成本中的至少一个。
[0032]可与任何先前方面组合的第十六方面还包括确定至BHA的候选控制输入;基于至 BHA的候选控制输入和BHA动态模型确定预测井筒轨迹;和基于预测井筒轨迹与规划井筒路 径之间的偏差确定与规划井筒路径的预测未来偏差。
[0033]在可与任何先前方面组合的第十七方面中，确定至BHA的控制输入包括确定第一 弯角控制、第二弯角控制、第一封隔器控制或第二封隔器控制中的至少一个。
[0034] 根据本公开的用于井筒钻探的控制系统的各种实施可不包括下列特征，包括下列 特征的一个或一些。例如，系统可改进钻探操作的效率和成本。特定而言，本文中描述的技 术可实现由BHA进行基于模型的预测控制的低延迟、低功率和/或较低计算密集型井下实 施。在一些实例中，通过将基于模型的预测控制的计算负担的一些转移至辅助系统，BHA可 被允许进行较简单的操作，诸如从本地数据库访问数据(例如，在查找表中进行查找），其可 在较短时间和使用较少井下资源进行。
[0035] 在一些实例中，本文中描述的技术可应用于定向钻探系统以在满足期望目标函数 的同时实现井下功率和计算资源的减小。存储在BHA中的关系信息（诸如查找表)可提供一 种快速并且高效的方式来应用基于模型的预测控制输入，而不必进行计算来最佳化期望目 标函数。
[0036] BHA动态模型可用于产生未来井筒轨迹的预测，且辅助系统可确定主动适于井筒 中的预测条件的BHA控制输入。BHA动态模型可在接收到新传感器测量时，以及在确定新控 制输入时更新，并且可实现真实井筒条件的紧密追踪。辅助系统可使用这些预测以及规划 井筒路径信息和/或其它信息来预测井筒的未来变化并且主动调适提供至BHA的关系信息 中的控制输入。
[0037] 一个或多个实施的细节在附图和下文描述中阐述。将从描述和图以及从权利要求 中了解其它特征、目的和优点。
[0038]图1图示根据本公开的倾斜井筒系统100的一个实施的一部分。虽然示为倾斜系统 (例如，具有定向、水平或弧形井筒），但是系统可仅包括相对垂直井筒(例如，包括正常钻探 变动）以及其它类型的井筒(例如，分支井筒、井网井筒和其它井筒）。此外，虽然被示为在地 面上，但是系统100可位于海底或水环境中。通常，倾斜井筒系统100进入一个或多个地下层 并且提供位于这些地下层中的油气的更简单和更高效生产。此外，倾斜井筒系统100可允许 更简单且更高效的压裂或模拟操作。如图1中所图示，倾斜井筒系统100包括部署在地面102 上的钻探组合件104。钻探组合件104可用于形成从地面102且穿过地里的一个或多个地质 层延伸的垂直井筒部分108。一个或多个地下层(诸如生产地层126)位于地面102下方。如将 在下文更详细说明，一个或多个井筒套管(诸如地面套筒112和中间套筒114)可安装在垂直 井筒部分108的至少一部分中。
[0039] 在一些实施中，钻探组合件104可部署在水体上而非地面102上。例如，在一些实施 中，地面102可为下方可找到含油气地层的大洋、海湾、海洋或任何其它水体。简而言之，提 及地面102包括陆地和水表面两者并且设想从任一个或两个位置形成和/或产生一个或多 个倾斜井筒系统1〇〇。
[0040] 通常，钻探组合件104可为用于在地里形成井筒的任何适当组合件或钻机。钻探组 合件104可使用传统的技术来形成这些井筒(诸如垂直井筒部分108)或可使用非传统或新 颖技术。在一些实施中，钻探组合件104可使用旋转钻探设备来形成这些井筒。旋转钻探设 备是已知的并且可由钻柱106和井底组合件(BHA)118组成。在一些实施中，钻探组合件104 可由旋转钻机组成。这样一个旋转钻机上的旋转设备可由用于使钻头旋转的组件组成，所 述钻头接着使井筒(诸如垂直井筒部分108)越来越深地形成至地下。旋转设备由许多组件 (此处未全部示出）组成，其促进将动力从原动力转移至钻头本身。原动力供应动力至转盘 或顶部直接驱动系统，其接着供应旋转动力至钻柱106。钻柱106通常在井底组合件118内附 接至钻头。附接至起吊设备的转环承载钻柱106重量的多数(若非所有），但可允许钻柱106 自由旋转。
[0041] 钻柱106通常由重型钢管段组成，其是螺纹的，使得它们可联锁在一起。在钻管下 方的是一个或多个钻铤，其比钻管更重、更厚且更坚硬。螺纹钻铤帮助在钻头上方增加重量 至钻柱106以确保在钻头上存在足够的向下压力来允许钻头钻穿一个或多个地质层。任何 特定旋转钻机上的钻铤的数量和性质可依据在钻探的同时经历的井下条件更改。
[0042] 钻头通常位于井底组合件118内或附接至井底组合件118,所述井底组合件118位 于钻柱106的井下端。钻头主要负责与一个或多个地质层内的材料(例如，岩石)接触和钻穿 这种材料。根据本公开，钻头类型可依据在钻探时遭遇的地质层的类型选择。例如，钻探期 间遭遇到的不同地质层可能需要使用不同钻头来实现最大钻探效率。钻头可能因地层中的 这些差异或因为钻头经历磨损而变化。虽然这些细节对于本公开而言并非关键的，但是大 致存在四种类型的钻头，各适于特定条件。四种最常见类型的钻头包括:延迟或刮刀钻头、 钢旋转钻头、聚晶金刚石复合片钻头和金刚石钻头。不管所选择的特定钻头，"岩肩"的连续 移除对旋转钻探而目是关键的。
[0043] 旋转钻探操作(诸如钻探组合件104)的循环系统可为钻探组合件104的额外组件。 通常，循环系统具有若干主要目的，包括冷却和润滑钻头，将岩肩从钻头和井筒移除和用泥 饼涂布井筒的壁。循环系统由钻探流体组成，其在钻探过程内向下循环穿过井筒。通常，循 环系统的组件包括钻探流体栗、压缩机、相关管道配件和用于添加添加剂至钻探流体的专 门注射器。在一些实施中，诸如，例如在水平或定向钻探过程期间，井下电机可结合井底组 合件118使用或在井底组合件118中使用。这样一种井下电机可为具有涡轮配置的泥浆电机 或具有累进腔配置的泥浆电机，诸如Moineau电机。这些电机接收穿过钻柱106的钻探流体 并且旋转以在钻探操作中驱动钻头或改变方向。
[0044] 在许多旋转钻探操作中，钻探流体沿着钻柱106向下栗送并且穿过钻头中的口或 喷口离开。流体接着在井筒部分108与钻柱106之间的环形空间（例如，环空）内向上朝向地 面102流动，将悬浮的岩肩携带至地面。钻探流体(极像钻头)可依据在地面102下方发现的 地质条件的类型选择。例如，所发现的特定地质条件和一些地下层可能需要液体(诸如水） 用作钻探流体。在这些情况下，可能需要超过1〇〇,〇〇〇加仑的水来完成钻探操作。如果水本 身不适于将钻探岩肩携带出钻孔或密度不足以控制井中的压力，那么可将粘土添加剂(膨 润土)或基于聚合物的添加剂添加至水来形成钻探流体(例如，钻探泥浆）。如上所述，可能 存在有关这些添加剂在可能邻近或靠近含淡水的地下层的地下地层中使用的问题。
[0045] 在一些实施中，钻探组合件104和井底组合件118可与作为钻探流体的空气或泡沫 协作。例如，在空气旋转钻探过程中，压缩空气使由钻头产生的岩肩垂直向上提升穿过环空 至地面102。大型压缩机可提供空气，其接着沿着钻柱106向下压且最终穿过钻头中的小口 或喷口逸出。移除至地面102的岩肩接着被收集。
[0046] 如上所述，钻探流体的选择可依据在钻探操作期间遭遇的地质层的类型。此外，这 个决策可能受钻探类型（诸如垂直钻探、水平钻探或定向钻探）的影响。在一些情况下，例 如，特定地质层在垂直钻探时可能比定向或水平钻探更适合空气钻探。
[0047] 如图1中所图示，井底组合件118(包括钻头)钻出或形成垂直井筒部分108,其从地 面102朝向目标地下层124和生产地层126延伸。在一些实施中，目标地下层124可为适于空 气钻探的地质层。此外，在一些实施中，生产地层126可为较不适于空气钻探过程的地质层。 如图1中所图示，生产地层126紧邻目标地层124或在目标地层124下方。替代地，在一些实施 中，在目标地下层124与生产地层126之间可能存在一个或多个中间地下层(例如，不同岩层 或矿物质层）。
[0048] 在倾斜井筒系统100的一些实施中，垂直井筒部分108可套有一个或多个套管。如 图示，垂直井筒部分108包括导向套管110,其从地面102浅浅地延伸至地里。由导向套管110 封住的垂直井筒部分108的一部分可为大直径井筒。例如，垂直井筒部分108的这个部分可 为具有13-3/8〃导向套管110的17-1/2〃井筒。此外，在一些实施中，垂直井筒部分108可偏离 垂直面(例如，倾斜井筒）。更进一步，在一些实施中，垂直井筒部分108可为阶状井筒，使得 一部分垂直向下钻且接着弯曲为大体上水平井筒部分。大体上水平井筒部分可接着向下转 向至第二大体上垂直部分，其接着转向至第二大体上水平井筒部分。额外大体上垂直和水 平井筒部分可根据例如地面102的类型、一个或多个目标地下层的深度、一个或多个生产地 下层的深度和/或其它标准添加。
[0049] 导向套管110的井下方向可为表层套管112。表层套管112可封住稍小的井筒并且 保护垂直井筒部分108不受例如位于地面102附近的淡水蓄水层的入侵。垂直井筒部分108 可接着朝向造斜点120垂直向下延伸，其可在目标地下层124上方500英尺与1，000英尺之 间。垂直井筒部分108的这个部分可由中间套管114封住。垂直井筒部分108在其长度内的任 何点处的直径以及任何上述套管的套管尺寸可为依据钻探过程的合适尺寸。
[0050] 在到达造斜点120时，钻探工具（诸如测井和测量设备）可被部署至井筒部分108 中。在这点上，井底组合件118的精确位置的确定可作出并且传输至地面102。此外，在到达 造斜点120时，井底组合件118可被改变或调整，使得合适的定向钻探工具可被插入至垂直 井筒部分108中。
[0051 ]如图1中所图示，弯曲井筒部分128和水平井筒部分130已在一个或多个地质层内 形成。通常，弯曲井筒部分128可从垂直井筒部分108的井下端开始钻，且从垂直井筒部分 108朝向预定方位角偏移，每钻100英尺增益在9度与18度角之间。替代地，不同的预定方位 角可用于钻弯曲井筒部分128。在钻弯曲井筒部分128时，井底组合件118通常使用随钻测量 ("MWD"）设备来更精确地确定钻头在一个或多个地质层(诸如目标地下层124)内的位置。通 常，MWD设备可用于在钻头形成弯曲井筒部分128以及水平井筒部分130时定向导向钻头。
[0052] 作为在钻出图1中所示的井筒部分期间编译MWD数据的替代或补充，可在钻出井筒 部分期间进行特定高保真测量(例如，勘测）。例如，可时间上周期性进行勘测(例如，在特定 钻探持续时间），在井筒长度中周期性进行勘测(例如，在钻出特定距离处，诸如每30英尺或 其它)或根据需要或期望进行勘测（例如，当存在有关井筒路径的问题时）。通常，在勘测期 间，进行井中一个位置的倾斜度和方位角的完井测量(通常，测量时的总长度）以依据合理 准确度了解遵循正确或特定井筒路径(例如，根据井筒规划）。此外，在必须钻减压井的情况 下，了解位置可能是有益的。高保真测量可包括井筒从垂直位置的倾斜度和方位角(或罗盘 航向），前提是路径方向是关键的。可在井筒的离散点处进行这些高保真测量，且从离散点 计算出井筒的近似路径。高保真测量可用任何适当高保真传感器进行。实例包括例如简单 的钟摆状装置至复杂的电子加速度计和陀螺仪。例如，在简单钟摆测量中，自由悬挂的钟摆 相对于测量网格(附着至测量工具的外壳且被假设代表井筒的路径）的位置被捕获在胶卷 上。当工具从井筒移除时，在电缆上或在下一次钻管从钻孔起钻时，胶卷被冲洗并且检查。
[0053] 水平井筒部分130通常可在目标地下层124内延伸达数百(若非数千)英尺。虽然图 1将水平井筒部分130图示为完全垂直于垂直井筒部分108,但是应了解定向钻出的井筒(诸 如水平井筒部分130)在其路径上具有一些变动。因此，水平井筒部分130可包括"Z字形"路 径，但仍保留在目标地下层124中。通常，水平井筒部分130被钻至预定端点122,其如上所述 可高达距离造斜点120数千英尺。如上所述，在一些实施中，弯曲井筒部分128和水平井筒部 分130可利用使用空气或泡沫作为钻探流体的空气钻探过程形成。
[0054]井筒系统100还包括与BHA 118通信的控制器132。控制器132可位于井场(例如，钻 探组合件104处或附近，地上或地下）或可远离井场(例如，在远程位置且使用一个或多个通 信机构与井场的组件通信）。控制器132还可与其它系统、装置、数据库和网络通信。通常，控 制器132可包括基于处理器的计算机(例如，桌上型计算机、膝上型计算机、服务器、移动装 置、移动电话或其它），其包括存储器(例如，磁、光、RAM/ROM、可移除、远程或本地存储器）、 网络接口（例如，基于软件/硬件的接口）和一个或多个输入/输出周边设备（例如，显示装 置、键盘、鼠标、触摸屏和其它）。
[0055]控制器132可至少部分控制、管理和执行与BHA的钻探操作相关的操作。在一些方 面中，控制器132可在井筒系统100处在钻探操作期间动态(例如，实时)控制并且调整井筒 系统100的所图示组件的一个或多个。实时控制可基于传感器测量数据或基于井筒轨迹的 改变预测，甚至在无任何传感器测量的情况下调整。
[0056]控制器132可基于BHA动态模型进行这些控制操作。BHA动态模型可模拟钻探操作 中的各种物理现象，诸如振动扰动和传感器噪声。控制器132可使用BHA动态模型来确定将 BHA控制输入与BHA控制输入针对其满足目标函数的不同操作条件集关联的关系信息并且 基于改变的井下条件将关系信息定时传输和/或更新至BHA。
[0057] 一般来说，BHA动态模型可依赖随时间演化的基础状态变量，其代表钻探操作中的 变化条件。BHA动态模型中的状态变量可为BHA的真实状态的估计，从其中可衍生井筒轨迹 的估计。BHA动态的时间演化可由离散时间状态空间模型表示，其实例可用公式表达为： 「nn咖汾+ U二、叙⑷+如(灸）+浓⑷
[0059] 其中矩阵A、B和C是表示BHA钻探和测量的基础动态的系统矩阵。通过在钻探过程 中采用的基础物理和机制确定系统矩阵A、B和C。在实践中，这些矩阵基于经验估计并且建 模。状态x (k)是向量，其表示BHA系统的连续状态，输入u (k)是表示BHA控制输入的向量，且 输出y (k)是表示井筒的观测(测量)轨迹的向量。
[0060] 在一些方面中，向量w(k)表示过程噪声且向量v(k)表示测量噪声。过程噪声w考虑 诸如岩石-钻头相互作用和振动的效应的因素，而测量噪声V考虑测量传感器中的噪声。噪 声过程W(k)和v(k)可能未精确已知，但是可对这些过程进行合理猜测，且这些猜测可基于 经验修改。噪声向量w(k)和V(k)通常通过高斯过程建模，但非高斯噪声还可通过修改状态X 和矩阵A以不仅包括通过状态变量描述的动态，而且包括如下文进一步描述的随机噪声的 动态而建模。
[00611在下文讨论的实例中，BHA控制输入向量u(k)包括6个控制变量，表示BHA的第一弯 角和第二弯角、BHA的深度、第一封隔器和第二封隔器的启动(例如，通过封隔器的充气、封 隔器的机械压缩等)和封隔器的分离。输出向量y(k)包括12个观测到的测量值，包括来自附 近测斜仪和磁力计封装的6个测量值和来自远端测斜仪和磁力计封装（下文中称作"inc/ mag"）的另外6个测量。状态向量x(k)是维度12+nd的向量，其包括代表实际方位角和倾斜度 值的12个状态，如将通过附近和远端inc/mag封装观测（测量）。值n d是扰动模型的量值，其 过滤未建模扰动并且共计表示系统动态的12个状态。
[0062]状态转换矩阵A因此在这个实例中是（12+nd) X (12+nd)维状态转换矩阵，其表示基 础物理学，矩阵B是（12+nd) X6维矩阵，其管控控制变量与系统状态之间的关系，且矩阵C是 12 X (12+nd)矩阵，其管控观测值y与系统状态x之间的关系。矩阵A、B和C可使用任何适当估 计或建模技术(诸如集中质量系统模型）确定。如果更复杂的动态模型用于描述系统，那么 可能存在更多状态。
[0063] 由于对系统矩阵A、B和C建模时的随机噪声和潜在不准确性，方程式1中的BHA动态 模型的状态x-般来说未精确已知，而是推断出来的。在这些情况下，方程式1可用于确定状 态x和测量 y的推断值或估计值，而非它们的真实值。特定而言，方程式1的模型可用于产生 状态X和观测y的未来值的预测。这些预测可考虑实际测量来完善方程式1中的模型动态。
[0064] 例如，在无任何当前测量的情况下，可使用下列方程式来获得BHA系统的下一状态 的估计值盡： 交(fc + 1) = Af (灸）4' 胸(fe)
[0065]
[0066]如果当前测量y可得，那么可通过使用卡尔曼滤波更新方程式产生预测：
[0067]㈨ ㈧
[0068] 在方程式3中，y(k)表示实际观测（例如，通过高保真传感器测量、MWD传感器测量 或任何其它适当传感器测量提供）。因子K(例如，时变因子）（还被称作卡尔曼观测增益)表 示用于考虑实际轨迹与估计轨迹之间的误差的校正因子y (幻~ 。一般来说，K的较大值 暗示在确定下一状态+ 1)的估计值时，将更大权重赋予测量到的观测值y(k)。通常，K 取决于正在影响钻头的振动和反作用力的量。K值可根据任何适当标准(例如，最小化状态 估计值的均方误差或任何其它适当标准)选择以实现所测量的观测值与基础模型动态的相 对重要性之间的期望权衡。
[0069] 方程式1中的BHA动态模型可在由控制器(例如，图1中的控制器132)接收到新信息 时动态更新。例如，除受任何测量(例如，测井测量、高保真测量等)影响外，矩阵A和B可能受 已知控制输入(例如，BHA控制、轨迹等)影响。因此，当控制输入和/或钻探环境变化时，可更 新BHA动态模型。
[0070] 基于模型的预测控制器可使用方程式1中的BHA动态模型来产生未来井筒轨迹的 预测并且基于这些预测确定满足期望目标函数的BHA输入控制。目标函数可为通过加权因 子加权的一个或多个目标的组合。作为实例，目标可能涉及减小与规划井筒路径的偏差，减 小BHA的输入能耗，减小BHA上的力矩或有关钻探操作的任何其它适当目标。
[0071] 作为说明性实例，目标函数可在未来时域内最小化两个目标的加权组合：（1)与规 划井筒路径的偏差，和(2)依据约束集将控制输入应用至BHA的未来成本。应用控制输入的 未来成本可能涉及（作为实例）BHA的输入能耗、BHA上的力矩，至BHA的流体流，BHA的角位 置、与钻探相关的财务成本(例如，依据距离或依据时间的财务成本)或有关钻探操作的任 何其它适当成本参数。下文示出示例性目标函数：
[0072] min,, I：.KKF(1) ? (>? - y5^) ^ ^?(fe)r5(lc)A?(A：)] { y(k) -
[0073] 依削's $ M(灸）S衫?臟'
[0074] 如果转换为状态空间公式表达，目标函数变为：
[0075] ? {K^> ? ^ a?(^)rS{Je)^(^)| (4| pH'f、1) = AKfc)十 I y(fe) ~ €x(k) ..、
[0076] 依据）$ 碌)〇l I ：vmm<y(A)<
[0077] 其中ysp是规划井筒路径（且xsp对应状态序列），t表示当前时刻，且T是预测时域 (其可能是有限的以获得动态解或可能是无限的以获得稳态解）。方程式4中的目标函数中 的第一项是二次项，其对应于使与规划井筒路径的平方偏差最小化的目标，其通过可为时 变的加权矩阵Q(k)加权方程式5中的第二项是二次项，其对应于使与输入控制的平方变化 最小化的目标，其表示通过加权矩阵S(k)(其可为时变的）加权的输入能耗。在第二项中，假 设井下功耗与输入控制的变化速率(例如，弯角和封隔器的启动)成比例。输入控制的变化 是连续时间步中输入控制之间的差异。A u(k)=u(k)-u(k-l)函数G( ?)是输入-输出表示， 其基于方程式1中的BHA动态模型。特定而言，函数G( ?)可使用方程式2(例如，针对无测量 的情况下的更新)或方程式3(例如，针对有测量的更新）以基于期望BHA输入控制u产生测量 y的下一步预测。基于状态空间的输入-输出公式表达的实例在方程式4中给出。
[0078] 可能存在对输入(umin和/或umax)和/或输出（ymin和/或y max的一个或多个约束和/或 目标函数的输入约束和输出约束的任何适当组合，如方程式5中所示。这些约束可表示现实 钻探约束，诸如最大弯角、最小流体流，最大钻速等。可在方程式4中的目标函数的解中考虑 方程式5中的一个或多个约束或不考虑方程式5中的任何约束。
[0079] 在当前时间步t中，在求解方程式4中的目标函数以产生期望控制信号序列u(k)，k = t，t+l，. . .，（t+T)后，仅第一控制信号u(t)被应用至BHA。在下一时刻t+1，再次求解方程 式4中的目标函数以产生下一控制序列u(k)，k = t+l，. . .，（t+1+T)，其中将第一控制u(t+l) 应用至BHA。这些迭代继续，T向前看T步以产生最佳当前步控制u，其应被应用至BHA以满足 方程式4中的目标函数。
[0080] 作为井下BHA控制技术，用于产生满足方程式4中的目标函数的控制输入u(k)的计 算可能需要大量资源。如果井下资源有限（例如，在处理速度、电力供应等方面)且BHA在高 温高压钻探环境中操作，那么可能花费大量资本来实施如上所述的基于模型的预测控制。 使这个问题恶化的是，在一些实例中，BHA操作的快速动态可以导致针对工具面控制的至少 1Hz和针对振动控制的10Hz的控制算法采样率。在许多情况下，快速处理器通常用于计算基 于模型的预测控制的BHA控制输入(例如，作为方程式4的解）。这可对井下计算设备强加大 的负担。
[0081 ]在一些实例中，求解方程式4中的目标函数(和在相同实例中，方程式5中的约束） 的计算负担可部分或完全由与BHA分开的辅助系统进行。例如，辅助系统可为图1中的控制 器132,或可为位于井场本地或远端的任何适当系统(地上或地下）。
[0082]辅助系统可预计算满足目标函数的控制输入，产生以更容易访问的方式提供控制 输入的关系信息（例如，查找表)并且将关系信息提供至BHA。这些技术可实现更实惠且可行 的解决方案来实施MPC以控制可能具有有限资源的井下BHA。
[0083] 一般来说，任何适当目标函数(未必如方程式4中是二次的）可用于控制BHA。但是， 在一些实例中，二次成本可为由上层控制器或优化器在管理钻探操作时考虑的实际成本的 良好模型。此外，约束集不一定如在方程式5中是凸的。但是，在一些实例中，凸约束可能是 期望的。特定而言，由模型预测控制使用的BHA动态模型通常基于第一性原理BHA模型的线 性化。应用于BHA的物理约束通常衍生自BHA的各种机械性质和岩层性质，其还通常被线性 化。这些各种约束(包括模型约束和物理约束）可通过凸约束适当建模(例如，如在方程式5 中）。
[0084] 在二次目标函数和凸约束集的情况下（例如，在方程式4和5中），满足目标函数的 控制输入具有线性形式。因此，在上文实例中，辅助系统可求解目标函数和约束来产生具有 下列形式的控制输入：
[0085] u(k) =Fx(k)+u〇 (6)
[0086] 其中uo是偏移向量项，且F表示反馈项，其基于其中系统状态x(k)存在的操作点。 方程式6中的BHA控制输入是分段线性函数，使得在状态x(k)(表示针对BHA的特定操作条件 集)的特定值范围内，方程式6是具有恒定斜率矩阵F的线性函数。斜率矩阵F可改变为表示 另一个操作条件集的状态x(k)的不同值范围中的另一个恒定值。在本实例中，斜率矩阵F唯 一地界定状态x与控制u之间的关系(假设已知偏移u〇)。如果辅助系统求解方程式4和5中的 约束目标函数以获得对应于x的不同区域的斜率矩阵F的值，那么它可简单为BHA提供矩阵F 的值，从其中BHA可通过方程式6中的乘法运算确定控制输入u(例如，通过使用BHA内的一个 或多个处理器以进行乘法计算）。
[0087]如果适当地选择模型的状态空间实现，那么系统状态x(k)可表示物理钻探参数， 例如，钻速(R0P )、曲率半径等。在这些情况下，方程式6中的控制律经由状态x (k)的值，使 BHA控制决策u(k)能基于钻探的操作条件。此外，在方程式4和5中的二次成本和凸约束的实 例中，可确定BHA的操作条件集，其对应于输入控制增益矩阵F的每个恒定值。因此，如果M1A 确定系统状态x属于特定操作条件集，那么它可容易地通过确定对应于操作条件集的斜率 矩阵F(例如，经由查找表)且将矩阵F与系统状态x相乘而确定控制输入u(k)。
[0088]在上述二次成本凸约束实例中，每个操作条件集对应于方程式5的"主动"约束集 (例如，输入u等于限界umin或umax中的一个或输出y等于输出限界ymin或y max中的一个）。辅助 系统可通过考虑每个约束(例如，在方程式5中）且求解满足所述约束的控制输入而事先预 计算BHA控制输入(例如，使用方程式6中的线性控制律）。接着通过收集对应于主动约束的 状态和针对所述约束的控制律而产生控制输入的关系信息(例如，查找表或其它输入-输出 函数）。在一些实例中，这可针对方程式5中的所有其它约束重复以针对所有可能状态产生 满足方程式4中的目标函数和方程式5中的约束的控制输入。
[0089]关系信息可接着从辅助系统传输至BHA。在一些实例中，BHA动态模型还可被传输 至BHA。这种信息可使用任何适当通信技术经由通过通信介质通信(例如，有线或无线）的适 当数量的通信模块传输。在一些实例中，通信技术可包括各种形式的数据处理，诸如数据压 缩、信道编码、滤波和/或其它适当的数据处理技术。在接收到关系信息时且在一些实施例 中，在接收到BHA动态模型时，BHA可将信息存储在本地存储器中。直观地，关系信息中的每 个条目对应于钻探期间的特定操作条件。BHA可检测井筒中的操作条件并且通过访问查找 表而确定适当控制输入。BHA可检测过去或当前操作条件(例如，基于传感器测量)或可检测 预测操作条件(例如，基于井筒规划信息或基于模型的预测）。
[0090]例如，如果井筒规划信息或基于模型的预测指示井筒轨迹前方的急转，那么最大 弯角的约束可能是主动的以满足方程式4中的目标函数。本地存储在BHA处或如果存储成本 是限制的，那么关系信息可与BHA分开存储并且可由BHA访问。即，在整个规划或预测时域内 弯角可维持在它的最大值。这个信息可由BHA通过访问关系信息以确定输入控制对应于检 测到的操作条件(例如，通过确定增益矩阵F且在方程式6的控制律中应用增益F)而收集。在 方程式4和5的实例中，这个查找操作可具有如同求解MPC优化问题来获得满足检测到的操 作条件的目标函数的控制输入的相同效果。这可通过减少BHA中的计算时间和功率而实现 更高效的钻探操作。在一些实例中，关系信息可本地存储在BHA处或如果存储成本是限制 的，那么关系信息可与BHA分开存储并且可由BHA访问。
[0091]图2图示分段线性控制律的示例性三维状态空间表示。在本实例中，在状态空间中 存在两个状态xdPx2以及252个操作条件集。每个区域由具有恒定斜率的三维超平面表示， 且沿着每个超平面的值表示对应于状态( X1，X2)的不同值的控制输入。状态空间中的区域数 量可依据数个因素。例如，影响操作条件集的数量的因素是状态的数量。大量状态通常产生 更多区域，因为每个状态根据模型(例如，方程式1至5中的模型)可能具有它自己的约束。幸 运的是，典型的BHA模型包括具有相对简单的动态的4个输入和12个输出。状态数量还通常 有限，例如它可为12+nd，其中n d依据扰动模型的复杂性。确定操作条件集的数量的另一个因 素是物理约束的数量(例如，方程式5中的不方程式约束）。更多物理约束易于在状态空间中 形成更多区域。物理约束的数量的影响对所产生的区域数量的影响通常是指数倍的。例如， 最大弯角的约束9 dax产生两个区域，对应于主动约束9 = 9_^或非主动约束。9〈^ax这个实 例将状态的可能区域(或四个输入，由于动态）划分为两半。在一些实例中，对于BHA MPC问 题，物理约束主要由机械性质强加。影响状态空间中的区域数量的另一个因素是MPC的预测 时域。更长的预测时域形成更多控制变量u(k)，u(k+l)，...以求解，且因此形成其中将找到 目标函数的解的更复杂状态空间，导致由约束产生的更大数量的区域。特定而言，这个因素 可能在BHA的快速动态的情况下更明显地促进查找表的复杂性。
[0092]图3图示通过产生并且提供关系信息至井下BHA控制而实施MPC技术的过程的实例 的流程图。在本实例中，辅助系统(例如，图1中的控制器132)是地上的，但可大致位于任何 适当位置，诸如地下。在图3的实例中，关系信息(诸如查找表）由查找表产生模块302产生。 查找表的产生可依据由模型更新模块304提供的BHA动态模型。查找表产生模块302可计算 主动约束集的不同概率。接着，查找表产生模块302可将每个区域转化为针对状态x的量化 方程式/不方程式。查找表产生模块302可接着计算每个区域内的控制输入(例如，使用方程 式6中的控制律）（包括反馈增益F和偏移u〇)来产生查找表306。查找表产生模块302可接着 将查找表306提供至BHA中的查找表模块308,所述查找表模块308可将查找表306存储在本 地存储器中。在一些实例中，与查找表相关的模型还可向井下传递至BHA。
[0093]在钻探操作期间，查找表模块308可访问所存储的查找表以基于井筒中的检测到 的操作条件而确定BHA控制输入310并且将BHA控制输入310提供至BHA 312。井筒中的操作 条件可基于接收自观测模块316的状态估计314确定。观测模块316可基于由辅助系统处的 查找表产生模块302提供的BHA动态模型318确定状态估计314。在本实例中，观测模块316还 使用传感器测量320来确定由查找模块308使用的状态估计314。作为具体实例，观测模块 316可使用卡尔曼滤波公式表达(例如，如在方程式3中）以基于观测值和所应用控制确定真 实状态x(k+l)的估计值爱+ 1)，涵为真实状可能由于井下环境中的噪声而未精确已知。
[0094]在钻探操作期间，辅助系统中的模型监测模块322可监测传感器测量320和控制信 号310来确定BHA动态模型318是否准确追踪真实井筒条件。这可通过监测关系信息更新事 件以及基于检测到关系信息更新事件已发生而在BHA处更新关系信息而确定。如果模型监 测模块322确定关系信息更新事件已发生，且BHA动态模型318已显著偏离实际井筒条件(例 如，如由传感器测量），那么模型更新模块304可基于由模型监测模块322提供的追踪信息产 生更新的的BHA动态模型。在这种模型更新期间，至BHA的控制输入可被抑制或调适为较不 积极。
[0095]关系信息更新事件可被配置为表示BHA动态模型与井筒中的真实条件之间的偏离 的任何适当事件。作为实例，模型监测模块322可基于传感器测量和/或预测确定模型的残 值rMdel，且将残值与设计残值r deslgn比较。设计残值rdeslgn可在模型的初始设计期间或在模 型更新时确定。残值可基于模型参数的变化的模型(例如，变化率、钻探参数的积分、钻 探参数的函数变换等)或此外或替代地可基于模型参数的绝对值或其它适当特性确定或可 基于测量到的输出观测（例如，测量到的输出与估计输出之间的差异或其它偏差， .y(fc) - Kfc)诸如方程式3中的直接确定。如果残值偏离设计残值达大的数量，那么模型监测 模块322可确定关系信息更新事件已发生，且模型应被更新。在一些实例中，模型监测模块 322可计算在适当时域内总残值对设计残值的比率n:
(?)
[0097] 如果比率n超过一定阈值限界(诸如上限nmax)，那么可考虑BHA动态模型已显著偏 离真实井筒条件。限值nmax可通过考虑一个或多个钻探参数(诸如辅助系统中的期望控制性 能、向下链路的带宽和计算能力等)而确定。阈值限界n max的较小值通常导致模型的更频繁 更新，而阈值限界nmax的较大值导致较粗控制，其可能降低控制性能。在由模型更新模块304 进行模型更新后，更新的查找表的计算和产生的过程再次由查找表产生模块302进行且更 新的查找表以及更新的模型被重新发送至井下BHA。
[0098]图4A和图4B图示确定用于产生提供至BHA以实施MPC控制的关系信息（例如，图3中 的查找表306)的不同操作条件集的实例。在这些实例中，存在两个状态xdPx2。图4A是包括 由经划分区域表示的不同操作条件集的状态空间的实例的略图。在这个实例中，状态空间 400被划分为五个不同区域402、404、406、408、和410。每个区域对应于特定操作条件集（图 4B中的查找表412中所示），固定BHA控制输入针对所述特定操作条件集满足目标函数和输 入/输出约束(例如，如在方程式4和5中）。
[0099] 例如，区域402对应于由区域中的状态xi和X2界定的操作条件集xi < 1，X2 2-1，X2_ X1 2 1。对于这个区域中的所有状态(操作条件），满足给定目标函数和约束(例如，由方程式 4和5给出）的BHA控制输入是u = X1-x2。对于方程式6的控制律方程式表达，BHA控制输入u对 应于斜率矩阵F=[l -1]和偏移u〇 = 0。因此，在提供至BHA的查找表中，区域402的条目可指 示控制输入u = X1_X2,或可仅指示斜率矩阵F和偏移u〇(或控制输入u的任何其它适当表示）。 [0100]在一些实例中，可进行组合具有相同控制输入的不同条目的额外步骤，如图4B的 查找表412中的第四和第五条目所图示，对应于图4A中的区域408和410。例如，辅助系统可 确定区域408的控制输入u = 2xi_X2_1与区域410的控制输入相同。在这些情况下，对应于区 域408的操作条件集可与对应于区域410的操作条件集结合以产生操作条件的单个组合集。 关系信息（例如，图4B中的查找表412)可接着将操作条件组合集与针对所述操作条件满足 目标函数的单个控制输入(例如，u = 2X1-x2-l在本实例中，）关联。在一些实例中，这可实现 关系信息的更紧凑表示，并且因此减小用于存储关系信息的BHA中的存储要求。
[0101]图5是用于产生并且提供关系信息至BHA用于进行基于模型的预测控制的示例性 流程500的流程图。图5的示例性过程500的一个或多个步骤可由辅助系统(例如，图1中的控 制器132)进行。在本实例中，控制器基于来自BHA的传感器测量确定BHA动态模型（例如，方 程式1至3中的模型）（502)。控制器接着基于BHA动态模型确定包括与规划井筒路径的预测 未来偏差的目标函数(504)。控制器确定至BHA的控制输入，所述控制输入针对M1A的操作条 件集满足目标函数(506)。控制器接着产生关系信息(例如，图4B中的查找表412)，所述关系 信息将控制输入与操作条件集关联(508)。控制器接着将关系信息从辅助系统传输至BHA (510)〇
[0102]图6是用于访问关系信息并且确定控制输入以应用于所检测的操作条件的示例性 过程600的流程图。图6的示例性过程的一个或多个步骤可由BHA(例如，图1中的BHA 118)进 行。在一些实例中，过程600可紧随图5中的步骤510,在BHA从辅助系统接收到关系信息后进 行。在这个实例中，BHA在BHA的存储器位置处存储将控制输入与操作条件集关联的关系信 息(602)。8撤接着检测BHA的操作条件(604)。例如，操作条件可为从传感器测量确定的过往 或当前操作条件或可为基于基于模型的预测的预测操作条件。BHA接着确定包括检测到的 操作条件的操作条件候选集（606) JHA访问来自BHA的存储器位置的所存储关系信息 (608)，且基于访问关系信息且在不求解目标函数的情况下确定至BHA的控制输入，所述控 制输入与包括检测到的操作条件的操作条件候选集相关(610)。
[0103]图7是进一步处理以更新BHA动态模型并且更新提供至BHA的关系信息的实例的流 程图。示例性过程700可由辅助系统(例如图1中的控制器132)进行，并且可在例如图5中的 步骤510后的时间进行。在本实例中，控制器基于来自BHA的传感器测量检测到关系信息更 新事件已发生(702)。关系信息更新事件可根据任何适当标准定义，其实例提供在下文图8 中。控制器接着基于检测到关系信息更新事件已发生而在BHA处更新关系信息(704)。
[0104]图8是基于来自BHA的传感器测量检测到关系信息更新事件已发生的进一步细节 的实例的流程图（例如，图7中的步骤702)。在本实例中，控制器确定钻探参数的阈值限界 (800)。钻探参数可与设计目标、预测井筒轨迹或传感器测量相关。钻探参数的实例包括期 望控制性能、辅助系统与BHA之间的通信带宽或辅助系统的处理能力。控制器接着确定钻探 参数的变化率或钻探参数的绝对值中的至少一个不满足阈值限界(802)。
[0105]图9是计算机系统900的实例的方框图。例如，参考图1，控制器132的一个或多个部 件可为此处描述的系统900的实例，诸如由访问井筒系统100的资源的任何用户使用的计算 机系统。系统900包括处理器910、存储器920、存储装置930和输入/输出装置940。组件910、 920、930和940的每个可例如使用系统总线950互连。处理器910能够处理指令用于在系统 900内执行。在一些实施中，处理器910是单线程处理器。在一些实施中，处理器910是多线程 处理器。在一些实施中，处理器910是量子计算机。处理器910能够处理存储在存储器920中 或存储在存储装置930上的指令。处理器910可执行操作，诸如产生满足目标函数的控制输 入，产生关系信息，将关系信息发送至BHA，应用由关系信息指示的控制输入等(例如，图5至 图8)。
[0106] 存储器920将信息存储在系统900内。在一些实施中，存储器920是计算机可读介 质。在一些实施中，存储器920是易失性存储器单元。在一些实施中，存储器920是非易失性 存储器单元。
[0107] 存储装置930能够为系统900提供大容量存储。在一些实施中，存储装置930是计算 机可读介质。在各种不同实施中，存储装置930可包括例如硬盘装置、光盘装置、固态驱动 器、闪存盘、磁带或一些其它大容量存储装置。在一些实施中，存储装置930可为云存储装 置，例如，包括分布在网络上并且使用网络访问的多个物理存储装置的逻辑存储装置。在一 些实例中，存储装置可存储长期数据，诸如岩层数据或R0P设计能力。输入/输出装置940为 系统900提供输入/输出操作。在一些实施中，输入/输出装置940可包括一个或多个网络接 口装置，例如，以太网卡、串行通信装置(例如RS-232端口）和/或无线接口装置，例如802.11 卡，3G无线调制解调器、4G无线调制解调器或信鸽接口。网络接口装置允许系统900来往于 图1中的控制器132通信，例如传输和接收指令。在一些实施中，输入/输出装置可包括驱动 装置，所述驱动装置被配置来接收输入数据并且发送输出数据至其它输入/输出装置，例如 键盘、打印机和显示装置960。在一些实施中，可使用移动计算装置、移动通信装置和其它装 置。
[0108] 服务器(例如，形成图1中所示的控制器132或井筒系统100的一部分的服务器)可 通过指令实现，所述指令在执行时导致一个或多个处理装置执行上述过程和函数，例如，诸 如产生满足目标函数的控制输入，产生关系信息，将关系信息发送至BHA和应用由关系信息 指示的控制输入等(例如，图5至图8)。这些指令可包括例如经解译指令，诸如脚本指令或可 执行代码或存储在计算机可读介质中的其它指令。井筒系统100的不同组件可在网络内分 布式实施(诸如服务器群或一组广泛分布的服务器)或可实施在包括彼此协同操作的多个 分布式装置的单个虚拟装置中。例如，一个装置可控制其它装置，或装置可在一组协调规则 或协议下操作或装置可以另一种方式协调。多个分布式装置的协调操作呈现作为单个装置 操作的表现。
[0109] 所描述特征可实施在数字电子电路中或计算机硬件、固件、软件或它们的组合中。 设备可实施在计算机程序产品中，其有形地体现在信息载体中（例如，机器可读存储装置 中）用于供可编程处理器执行;且方法步骤可由可编程处理器进行，所述处理器执行指令过 程以通过操作输入数据以及产生输出而进行所描述实施的功能。所描述特征可有利地实施 在一个或多个计算机程序中，所述计算机程序可在可编程系统上执行，所述可编程系统包 括至少一个可编程处理器，所述可编程处理器被耦接来从数据存储系统、至少一个输入装 置和至少一个输出装置接收数据和指令以及传输数据和指令至数据存储系统、至少一个输 入装置和至少一个输出装置。计算机程序是一组指令，所述指令可直接或间接用在计算机 中以进行特定活动或导致特定结果。计算机程序可以任何形式的编程语言编写，包括编译 或解译语言，且它可以任何形式部署，包括作为独立过程或作为模块、组件、子过程或适用 于计算环境中的其它单元。
[0110]用于执行指令过程的适当处理器举例来说包括通用和专用微处理器和任何类型 的计算机的单独处理器或多个处理器中的一个。通常，处理器将从只读存储器或随机访问 存储器或两者接收指令和数据。计算机的元件可包括用于执行指令的处理器和用于存储指 令和数据的一个或多个存储器。通常，计算机还可包括或可操作地耦接以与用于存储数据 文件的一个或多个大容量存储装置通信;这些装置包括磁碟，诸如内部硬盘和可移动磁盘； 磁光盘;和光盘。适于有形体现计算机程序指令和数据的存储装置包括所有形式的非易失 性存储器，举例来说包括半导体存储器装置，诸如EPROM、EEPROM和闪存装置;磁盘，诸如内 部硬盘和可移动磁盘;磁光盘;和⑶-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可由ASIC(专门集成 电路)补充或并入其中。
[0111]为了提供与用户的互动，特征可实施在计算机上，其具有：用于显示信息给用户的 显示装置，诸如CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器;和指向装置，诸如鼠标或轨迹 球，用户可通过其提供输入至计算机。
[0112] 特征可实施在计算机系统中，其包括后端组件，诸如数据服务器或其包括中间件 组件，诸如应用过程服务器或互联网服务器，或其包括前端组件，诸如客户端计算机，其具 有图形用户界面或互联网浏览器或其任何组合。系统组件可通过任何形式或介质的数字数 据通信(诸如通信网络)连接。通信网络的实例包括例如，LAN、WAN和形成互联网的计算机和 网络。
[0113] 计算机系统可包括客户端和服务器。客户端和服务器通常远离彼此并且通常通过 网络(诸如所描述的网络)互动。客户端和服务器的关系借助于在各自计算机上运行且具有 彼此的客户端-服务器关系的计算机程序产生。
[0114] 此外，图中描绘的逻辑流无需所示的特定顺序或依次顺序来实现期望结果。此外， 可提供其它步骤或可从所描述流程免除步骤，并且可将其它组件添加至所描述系统或从所 描述系统移除。相应地，其它实施在下列权利要求的范围内。
[0115] 已描述若干实施。然而，将了解可进行各种修改。例如，过程500和600的额外方面 可包括比图7和图8中所图示更多的步骤或更少的步骤。此外，图5至图8中图示的步骤可按 与图中所示的不同顺序进行。此外，虽然已在井筒钻探系统中描述概念，但是概念还可应用 于其它过程。例如，结合医疗内窥镜检查或其中仪器被插入且在未知环境内控制的其它应 用。相应地，其它实施在下列权利要求的范围内。
【主权项】
1. 一种控制井底组合件(BHA)的计算机实施方法，所述方法包括： 基于来自所述BHA的传感器测量确定BHA动态模型； 基于所述BHA动态模型确定包括与规划井筒路径的预测未来偏差的目标函数； 确定所述BHA的控制输入，所述控制输入针对所述BHA的操作条件集满足所述目标函 数； 在辅助系统处产生将所述控制输入与所述操作条件集关联的关系信息;和 将所述关系信息从所述辅助系统传输至所述BHA。2. 根据权利要求1所述的计算机实施方法，其还包括： 在所述BHA的存储器位置处存储将所述控制输入与所述操作条件集关联的所述关系信 息； 检测所述BHA的操作条件； 确定包括所述检测到的操作条件的操作条件候选集； 从所述BHA的所述存储器位置访问所述关系信息;和 基于访问所述关系信息确定至所述BHA的控制输入，所述控制输入与包括所述检测到 的操作条件的所述操作条件候选集相关。3. 根据权利要求2所述的计算机实施方法，其中基于访问所述关系信息确定至所述BHA 的控制输入在不进行计算以针对满足所述目标函数的控制输入求解所述目标函数的情况 下进行。4. 根据权利要求1所述的计算机实施方法，其中在辅助系统处产生将所述控制输入与 所述操作条件集关联的关系信息包括:产生将所述控制输入与所述操作条件集关联的关系 数据库。5. 根据权利要求1所述的计算机实施方法，其中在辅助系统处产生将所述控制输入与 所述操作条件集关联的关系信息还包括： 确定至所述BHA的第一控制输入，所述第一控制输入针对所述BHA的第一操作条件集满 足所述目标函数； 确定至所述BHA的第二控制输入，所述第二控制输入针对所述BHA的第二操作条件集满 足所述目标函数； 确定至所述BHA的所述第一控制输入和至所述BHA的所述第二控制输入是彼此相同的； 将所述第一操作条件集和所述第二操作条件集组合为操作条件组合集;和 在所述关系信息中，将所述操作条件组合集与对应于所述第一控制输入和所述第二控 制输入的单个控制输入关联。6. 根据权利要求1所述的计算机实施方法，其还包括： 在所述辅助系统处且基于来自所述BHA的传感器测量检测到关系信息更新事件已发 生;和 基于检测到关系信息更新事件已发生而在所述BHA处更新所述关系信息。7. 根据权利要求6所述的计算机实施方法，其中在所述BHA处更新所述关系信息包括： 基于来自所述BHA的更新的传感器测量确定更新的BHA动态模型； 基于所述更新的BHA动态模型确定更新的目标函数； 确定至所述BHA的更新的控制输入，所述更新的控制输入针对所述BHA的所述操作条件 集满足所述更新的目标函数； 在所述辅助系统处产生将所述更新的控制输入与所述操作条件集关联的更新的关系 ig息;和 将所述更新的关系信息从所述辅助系统传输至所述BHA。8. 根据权利要求7所述的计算机实施方法，其中将所述更新的关系信息从所述辅助系 统传输至所述BHA包括： 确定所述更新的关系信息与所述关系信息之间的差异;和 将所述更新的关系信息与所述关系信息之间的所述差异从所述辅助系统传输至所述 BHA〇9. 根据权利要求6所述的计算机实施方法，其中检测到关系信息更新事件已发生包括： 确定钻探参数的阈值限界;和 确定所述钻探参数的变化率或所述钻探参数的绝对值中的至少一个不满足所述阈值 限界。10. 根据权利要求9所述的计算机实施方法，其中确定阈值限界还包括基于期望控制性 能、所述辅助系统与所述BHA之间的通信带宽或所述辅助系统的处理能力中的至少一个确 定所述阈值限界。11. 根据权利要求6所述的计算机实施方法，其还包括对至所述BHA的所述控制输入实 施约束，同时在所述BHA处更新所述关系信息。12. 根据权利要求1所述的计算机实施方法，其中将所述关系信息从所述辅助系统传输 至所述BHA包括将所述关系信息和所述BHA动态模型从所述辅助系统的地上位置传输至所 述 BHA。13. 根据权利要求1所述的计算机实施方法，其中将所述关系信息从所述辅助系统传输 至所述BHA包括将所述关系信息和所述BHA动态模型从所述辅助系统的地下位置传输至所 述 BHA。14. 根据权利要求1所述的计算机实施方法，其中确定目标函数包括： 基于来自所述BHA的所述BHA动态模型或所述传感器测量中的至少一个确定加权因子； 和 确定通过所述加权因子加权的与所述规划井筒路径的所述预测未来偏差和将控制输 入应用至所述BHA的预测未来成本的加权组合。15. 根据权利要求1所述的计算机实施方法，其中确定至所述BHA的控制输入，所述控制 输入针对操作条件集满足所述目标函数包括确定至所述BHA的控制输入，所述控制输入在 所述BHA动态模型在其间满足所述操作条件集的后续时间段使与所述规划井筒路径的所述 预测未来偏差与将所述控制输入应用至所述BHA的预测未来成本的加权组合最小化。16. 根据权利要求15所述的计算机实施方法，其中将控制输入应用至所述BHA的所述预 测未来成本包括所述BHA的预测能耗、所述BHA上的预测力矩、至所述BHA的预测流体流、所 述BHA的预测角位置或预测财务成本中的至少一个。17. 根据权利要求1所述的计算机实施方法，其还包括： 确定至所述BHA的候选控制输入； 基于至所述BHA的所述候选控制输入和所述BHA动态模型确定预测井筒轨迹;和 基于所述预测井筒轨迹与所述规划井筒路径之间的偏差确定与所述规划井筒路径的 所述预测未来偏差。18. 根据权利要求1所述的计算机实施方法，其中确定至所述Β Η A的控制输入包括确定 第一弯角控制、第二弯角控制、第一封隔器控制或第二封隔器控制中的至少一个。19. 一种系统，其包括： 第一组件，其位于地面上或地面附近； 井底组合件(BHA)，其至少部分安置在地下区域上或地下区域附近的井筒内，所述BHA 与至少一个传感器关联;和 控制器，其可通信地耦接至所述第一组件和所述BHA，所述控制器可操作以进行包括下 列各项的操作： 基于来自所述BHA的传感器测量确定BHA动态模型； 基于所述BHA动态模型确定包括与规划井筒路径的预测未来偏差的目标函数； 确定至所述BHA的控制输入，所述控制输入针对所述BHA的操作条件集满足所述目标函 数； 在辅助系统处产生将所述控制输入与所述操作条件集关联的关系信息;和 将所述关系信息从所述辅助系统传输至所述BHA。20. -种非暂时性计算机可读存储介质，其以至少一个计算机程序编码，所述计算机程 序包括在被执行时操作以促使至少一个处理器进行用于控制井底组合件(BHA)在钻孔中钻 探的操作的指令，所述操作包括： 基于来自所述BHA的传感器测量确定BHA动态模型； 基于所述BHA动态模型确定包括与规划井筒路径的预测未来偏差的目标函数； 确定至所述BHA的控制输入，所述控制输入针对所述BHA的操作条件集满足所述目标函 数； 在辅助系统处产生将所述控制输入与所述操作条件集关联的关系信息;和 将所述关系信息从所述辅助系统传输至所述BHA。
【文档编号】E21B44/00GK105849363SQ201380081006
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2013年12月6日
【发明人】贾森·D·戴克斯特拉, 孙志杰
【申请人】哈利伯顿能源服务公司