海上运动补偿绞车实时性能监视和预测的制作方法

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求martin等人于2015年2月23日提交并且题为“marinemotioncompensateddraw-worksreal-timeperformancemonitoringandprediction（海上运动补偿绞车实时性能监视和预测）”的美国临时专利申请号62/119,537的优先权的权益，其通过引用以其整体并入本文。

本公开涉及用于石油和天然气井中的钻井操作的装备。更具体地，本公开的部分涉及实时或预测地识别海上运动补偿绞车的性能的方法。

背景技术：

具有主动运动补偿的主动升沉（heave）绞车或其他绞车提供了相对于常规的载荷路径补偿技术（诸如被动天车补偿器或内联补偿器）的一些技术性能优势。与在常规的被动补偿器的情况下的低于40千磅相比，ahd/a-cmc的主要性能优势是可以其使wob变化最小化到如10千磅那样小的能力。ahd/a-cmc对操作也有一定的挑战。首先，它依赖于电动（ahd）/液压（a-cmc）能量作为原动力。其次，伴随ahd/a-cmc的软件和控制更复杂。

每个主动补偿绞车已经定义了通常由制造商提供的性能约束。系统提供商所提供的此信息的位置将变化，并且此时文档从一个安装到下一个安装不一致，但是可用的。对于从固定平台（诸如自升式或陆上钻塔（rig））操作的传统绞车，主要性能限制是所需的吊钩载荷（hookload）。主动升沉绞车将使用来自耦合到立管（riser）或张紧器（tensioner）的编码器或者传感器（诸如运动/垂直参考单元（mru/vru））的测量的升沉信息。

技术实现要素：

在某些实施例中，软件可以被提供有主动升沉补偿系统，其向主动升沉补偿系统提供附加特征。在一个实施例中，方法可以包括分析过去记录的变量和主动补偿绞车性能曲线，以确定主动补偿绞车系统是否在制造商的指定限制内​​操作。在对关于绞车的过去问题进行故障排除时，知道并理解系统是否在其特定限制内操作是重要的。该信息将有助于标识海洋状况是否超出了系统的能力，并且可以是在与我们的客户进行对话时的有价值的信息。

在另一个实施例中，方法可以近实时分析，以确定主动补偿绞车系统是否在制造商的指定限制内运行，以尝试改进参数或暂停操作。利用实时补偿，船舶还具有改进参数的机会，以潜在地优化船舶如何对当前的海洋状态进行响应。这可能像航向改变一样简单，以增加绞车的操作包封（envelope）。利用该方法，警报可以自动化，以通知钻井者存在问题，并基于规则集和条件而生成推荐的动作。如果没有改进船舶运动的实际方法，操作团队可能对操作进行风险评估，以确定升沉补偿是否对该阶段至关重要，并进行适当的主观判断。波浪高度和钻塔升沉是通过统计形成的，并且软件可以产生给定当前测量的海洋状态的情况下钻塔将超过某个升沉限制的概率。这将有助于风险评估。例如，如果当前显著的船舶升沉为1ft，那么船舶将高度不可能超过2.00ft。然而如果船舶升沉1.5ft，那么，船舶将可能经历大于2.00ft的升沉。这些是模糊的陈述，但代替地主动升沉补偿软件可以使用数字来描述可能性。

根据另一个实施例，软件可以利用预测的系统输入来预测系统将在主动补偿绞车的操作限制之内还是超过限制。这种方法在规划操作时会有价值。通过利用海洋气象预测、钻井规划信息（预期吊钩载荷）、船舶特性（rao），可以确定（有一些不确定性）船员是否要在其特定限制之外操作绞车。对于关键操作，还可以集成单个或多个电机故障的性能曲线来评估影响。

根据一个实施例，一种方法可以包括执行以下操作中的至少一个或多个：由处理器接收与海上运动补偿绞车系统相关联的性能数据；由处理器接收用于绞车系统的预定义性能规范；由处理器确定绞车系统的性能是否依从预定义性能规范；和/或当绞车系统的性能被确定为不依从预定义性能规范时，由处理器输出通知。

前文已经相当宽泛地概述了本发明的实施例的某些特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的详细描述。以下将描述形成本发明的权利要求的主题的附加特征和优点。本领域普通技术人员应当领会到，所公开的概念和具体实施例可以被容易地用作用于修改或设计用于实施相同或类似目的的其它结构的基础。本领域普通技术人员还应当认识到，这样的等同构造不脱离如在随附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。当结合随附各图考虑时，将从以下描述更好地理解附加的特征。然而，要明确理解的是，每一个图仅出于说明和描述的目的而提供并且不意图限制本发明。

附图说明

为了更完整地理解所公开的系统和方法，现在参考结合附图理解的以下描述。

图1是根据本公开的一个实施例的用于主动升沉绞车系统的实时性能估计的数据流的图示。

图2a和2b是根据本公开的一个实施例的作为将数字化数据拟合到表面的机构的tin（三角形不规则网络）的图示。

图3是根据本公开的一个实施例的用于主动升沉绞车系统的实时性能估计的数据流的图示。

图4是图示了根据本公开的一个实施例的利用预定义性能规范来识别海上运动补偿绞车系统性能的方法的示例流程图。

具体实施方式

图1是根据本公开的一个实施例的用于主动升沉绞车系统的实时性能估计的数据流的图示。系统100可以包括完成图1所示的数据流和处理的各种硬件和/或软件组件。数据流在框102处开始，其中数据由一个或多个数据源产生，诸如来自升沉补偿系统和/或吊钩载荷传感器的数据。来自框102的数据被接收并且在记录设备或基于处理器的系统处被加时间戳，作为在框104处的加时间戳的实时升沉数据，以及在框106处的加时间戳的实时吊钩载荷测量。框104处的升沉数据可以包括传递到频域变换框108的升沉位移信息，所述频域变换框108可以实现快速傅里叶变换（fft）算法，并且其将钻塔升沉信息和钻塔周期信息输出到框110。在框110处，钻塔升沉和钻塔周期连同来自框104的吊钩载荷信息和来自框112的ahd性能模型数据一起被处理。在框110处的处理期间，可以从储存器召回ahd性能模型。框110处的处理的输出可以是在框114处的ahd操作性能预测。

在框110处的处理以及因此在框114处的输出可以在不同实施例中变化。例如，至少存在其中可以使用如上所述的分析的三个时间：后处理性能确定，实时性能确定和预测性能确定。这些应用中的每一个可以导致不同的处理框110以在框114处生成不同的输出。对于后处理性能确定，框114处的输出可以包括关于某些动作对某些协议的遵守以及在完成期望结果中那些动作的有效性的统计数据。对于实时性能确定，框114处的输出可以包括关于要采取的动作的数据或用于改善性能的推荐。对于预测性能确定，框114处的输出可以包括用于修改某些装备的操作以提供更好性能的指令。

首先，将描述使用后处理方法的性能估计。模型系统限制图（诸如各种吊钩载荷处的升沉幅度的曲线）可以由具有该系统的制造商提供。然而，代替地可以利用所得数据的静态图。具有主动补偿绞车的钻塔可以运行记录应用来捕获升沉测量和/或吊钩载荷。该数据可以在后处理方法或其他方法中使用。

以下是记录数据集的示例。数据可以被加时间戳，并且包括升沉传感器位移值（mrupos，以米为单位）以及hookload（吊钩载荷）（以牛顿为单位）二者。

measurementtime（测量时间）[hh:mm:ss];mrupos[v];blockposh[v];ptbon[v];hookforce（吊钩力）[v];fset[v];vffb[v];blockspeedmanfil[v];selhookload[v];

上面列出的数据集只是如何捕获数据的一个实现，因为实际数据和数据的格式可能变化。本文描述的处理方法可以包括导入不同数据格式（或捕获实时输入）的能力，使得可以观察量被带入处理软件中的归一化的结构。

一旦导入数据，可将其转换为时间序列。为了能够建立船舶正在经历的波浪周期，时间序列数据可以被转换到频域中。可以使用傅立叶变换或其他变换/算法来完成该变换。在一个实施例中，可以应用傅里叶变换的专门版本：短时傅里叶变换（stft）。

单独执行频率分析可能不足以确定ahd系统在制造商的规范内操作。当确定主动补偿绞车是否在其能力内操作时，吊钩载荷正是重要的。接下来，实时信息可以与ahd系统的制造商提供的性能规范集成。表1中提供了样本性能曲线。

表1：示例ahd容量图的数字化和缩放值

。

短时傅里叶变换可以被选择到任何值。当不期望在升沉数据中的潮汐变化时，在变换之后，低于0.03hz的频率可以被忽略。此外，查看针对该数据集的sft数据，可以确定没有超过0.2hz的显著贡献。使用该频谱来集中评估，与性能曲线相关的关键度量可能包括在这些时间观察到的主频、主振幅和/或最大吊钩载荷。此外，替代的位置位移测量技术可以用于增强或代替mru，例如连接到滑动接头的有线光学旋转编码器组件，以便测量相对于立管的船舶运动。

通过组合来自制造商的性能规范的数字化值并将其拟合到表面，数据可以可视化，并计算特定时间序列数据是否落在系统的规定的性能限制内。图2a图示了使用简单tin（三角形不规则网络）作为将数字化数据拟合到表面的机制。图2a中的每个数据点（圆点（dot））表示针对特定时间间隔的峰值升沉、吊钩载荷和周期。利用代替数字化数据的数学模型，可以进一步改进系统显示的能力的准确性和程度。可以通过视觉分析完成的可以通过用于该方法的所有三种实现的自动化过程来完成，所述三种实现包括1）后处理，2）实时处理和预测处理。图2b示出了可以如何使用分析来确定某些点202超过系统的性能能力。

以上描述了后处理，但是模型可以替代地或附加地执行实时估计。可以例如在可编程逻辑控制器（plc）或在个人计算机（pc）或mcu上运行该任务的专用处理器上近实时地执行这些计算。此外，这可以实现为实时的基于web的工具，诸如将其集成到daric或等同的应用中。

此外，该模型还可以提供预测分析。通过预测获得的升沉值是海洋本身的升沉值，并且然后可以计算其将对船舶具有的影响的估计。预测模型可以包括从海洋气象条件信息生成预测的钻塔升沉。为了该处理的目的，通过将针对给定波浪周期的响应幅度算子（rao）应用到预测的波浪高度（如图3所示）来使用一阶估计。

图3是根据本公开的一个实施例的用于主动升沉绞车系统的实时性能估计的数据流图示。系统300可以包括完成图3所示的数据流和处理的各种硬件和/或软件组件。数据流在框302处开始于用于海洋气象预测的数据源。海洋气象预测可以包括提供给框304的升沉位移和升沉周期，其使用来自框306的关于船舶rao功能的数据将海洋气象数据转换为钻塔升沉数据。框306可以向框304提供包括来自模型的rao(i)的数据和rao系数单位。在框304处生成的钻塔升沉数据可以包括提供给框308的钻塔升沉和钻塔周期。在框308处，从ahd性能模型框310接收的钻塔特定的ahd模型可以与来自框306的钻塔升沉和钻塔周期和/或从操作预测的吊钩载荷框312接收到的吊钩载荷数据组合。框308处的组合数据的结果可以是框314处的输出ahd操作性能预测。

可能更准确但涉及更多计算能力的另一个方法是评估船舶的统计运动。这将提供预测的钻塔升沉和钻塔周期。然后，在该模型中，钻塔操作提供了绞车看到的最大的预期吊钩载荷。这然后是确定钻塔升沉、钻塔周期和吊钩载荷观察是落在给定的ahd性能模型限制内还是超过它们的问题。

图4是图示了利用预定义性能规范来识别海上运动补偿绞车系统的性能的方法的示例流程图。方法400可以在框402处开始于由处理器接收与海上运动补偿绞车系统相关联的性能数据。然后，在框404处，方法400可以包括由处理器接收用于绞车系统的预定义性能规范。接下来，在框406处，方法400可以包括由处理器确定绞车系统的性能是否依从预定义性能规范。然后，在框408处，方法400可以包括当绞车系统的性能被确定为不依从预定义性能规范时由处理器输出通知。

一般地将图4的示意性流程图图示和图1和图3的系统的数据流阐述为逻辑流程图图示。照此，所描绘的次序和所标记的步骤指示所公开的方法的各方面。可以设想到在功能、逻辑或效果方面与所图示的方法的一个或多个步骤或其部分等同的其它步骤和方法。此外，提供所采用的格式和符号来解释方法的逻辑步骤并且将其理解成不限制方法的范围。尽管可以在流程图图示中采用各种箭头类型和线类型，但是它们被理解成不限制对应方法的范围。实际上，一些箭头或其它连接物可以用于仅指示方法的逻辑流。例如，箭头可以指示所描绘的方法的所枚举的步骤之间的未指定的持续时间的等待或监视时段。此外，特定方法以其发生的次序可以或可以不严格地遵循所示出的对应步骤的次序。

如果以固件和/或软件实现，以上描述的功能可以存储为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码。示例包括编码有数据结构的非暂时性计算机可读介质和编码有计算机程序的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是可以由计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限制，这样的计算机可读介质可以包括随机存取存储器（ram）、只读存储器（rom）、电可擦除可编程只读存储器（eeprom）、压缩盘只读存储器（cd-rom）或其它光盘存储设备、磁盘存储设备或其它磁性存储设备，或者可以用于以指令或数据结构的形式存储期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其它介质。磁盘和光盘包括压缩盘（cd）、激光盘、光盘、数字多功能盘（dvd）、软盘和蓝光盘。一般地，磁盘磁性地复制数据，并且光盘光学地复制数据。以上的组合也应当包括在计算机可读介质的范围内。

除了存储在计算机可读介质上之外，指令和/或数据可以被提供为包括在通信装置中的传输介质上的信号。例如，通信装置可以包括具有指示指令和数据的信号的收发器。指令和数据被配置成使得一个或多个处理器实现在权利要求中概述的功能。

尽管已经详细描述了本公开和某些代表性优点，但是应当理解的是，可以在不脱离如由随附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下在本文中做出各种改变、置换和更改。而且，本申请的范围不意图限于在说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、部件、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员将容易从本公开领会到的，可以利用目前存在的或稍后开发的与本文所描述的对应实施例执行大体相同的功能或实现大体相同的结果的过程、机器、制造、物质组成、部件、方法或步骤。相应地，随附权利要求意图在其范围内包括这样的过程、机器、制造、物质组成、部件、方法或步骤。