鉆井系統控制的制作方法
【技術領域】
[0001] 本公開內容的實施例涉及一種用于控制鉆井系統的方法和控制器。
【背景技術】
[0002] 鉆探油井和/或天然氣井可能包含鉆出相當大的長度的井眼；鉆孔的垂直和/或 水平長度通常高達幾千米。鉆柱包括處于其下端的鉆頭和旋擰/聯接在一起的一些長度的 鉆桿。地面上的驅動機構抵著地層面旋轉鉆頭，以穿過地層鉆出井眼。鉆井機構可以是頂 驅裝置、轉臺等等。
[0003] 在鉆井程序期間，鉆柱會在井眼中經歷復雜的動態行為，這個復雜的行為可能包 括軸向、橫向和扭轉振動以及與井眼的摩擦和振動相互作用。地面和鉆頭處的鉆井旋轉的 同時測量顯示，在鉆柱的頂部以恒定的角速度旋轉時，鉆頭可能以變化的角速度旋轉。在被 稱為粘滑的極端的情況下，鉆頭或鉆柱的另一部分可能會在井眼中停止旋轉，因此，鉆柱繼 續扭轉/旋轉，直到鉆頭再次旋轉為止，在此之后，鉆柱加速到遠高于鉆柱頂部的角速度的 一個角速度。
[0004] 粘滑是鉆井行業公認的一個問題，它可能會導致地層穿透速度降低，鉆頭磨損，工 具故障和/或類似情況。鉆頭粘在井眼中，可能會降低鉆井速度，對鉆柱造成扭轉損害，并 且鉆頭在松開時快速旋轉，可能會給鉆井系統造成損害。
[0005] 以前，已經有人提出檢測粘滑和通過改變頂驅裝置轉速、鉆壓和/或類似辦法來 減輕粘滑影響的方法。其它更主動的方法則試圖衰減鉆柱在井眼中的振蕩以避免粘滑。然 而，例如通過調整鉆井速度、鉆壓和/或類似辦法來衰減振蕩和防止粘滑的措施，可能有悖 于并且未考慮到最優鉆井所必需/期望的鉆井參數，例如最佳穿透速度等等。此外，控制器 可能已經確定了頂驅裝置的最優期望轉速等等以實現對井眼的期望鉆井效果。之前已經 有人說明了使用控制系統來控制旋轉振動的方法，這些方法提出減小鉆柱的旋轉諧振的振 幅。這些主動的衰減振蕩方法可能會對鉆井速度造成不利影響和/或使鉆井速度偏離期望 速度。此外，之前，這些衰減操作的決定主要是基于減輕/防止粘滑的因素。
[0006] 美國專利第5, 117, 926號提出了一種用于使用能量流來控制振動的模擬方法，其 中，能量被定義為"跨接變量"（對于旋轉振蕩來說就是轉速）與"貫通變量"的乘積。通過 改變一個變量來控制另一個變量的波動。
[0007] 美國專利公告第2011/0232966號提出利用頂驅裝置控制器內的控制參數的變化 來抑制旋轉振蕩。如果控制器是比例積分（PI)控制器，則通過適當地調整積分常數，可在 期望的頻率下實現振蕩抑制。然而，隨著鉆柱長度改變和主振蕩頻率改變，對所述方法必須 加以調整。這種方法還必需要能夠直接干涉頂驅裝置控制器。
[0008] WO2012/041745提出在沿鉆柱長度在地面或靠近地面的兩個位置測量鉆柱的轉 速，并且對其進行差分。這種方法不但不方便（很難在不干擾鉆井過程的前提下沿鉆柱進 行測量），而且容易出錯（兩個測量值之間的差值較小）。
[0009] WO2012/084886提出利用整個鉆柱的數學模型，并且控制地面扭矩以便減小建模 的井下轉速。與美國專利公告第2011/0232966號相似，隨著鉆柱長度改變，必須調整所述 模型，并且模型誤差會導致性能降低。
【發明內容】
[0010] 在下文中闡述了本文中所公開的某些實施例的概述。應理解，提供這些方面僅僅 是為了向讀者提供這些具體實施例的簡要概述，并且這些方面并非意圖限制本公開內容的 范圍。實際上，本公開內容可以涵蓋可能并未闡述的多個方面。
[0011] 在第一方面中，本發明的一個實施例提供一種用于控制鉆井系統的方法，所述鉆 井系統包括驅動系統、鉆柱和鉆頭。所述驅動系統使用時在鉆井過程期間旋轉所述鉆柱以 穿過地層鉆出井眼。所述控制方法包括：設定所述鉆柱的期望轉速％;接收所述鉆井系統的 參數的測量值，并且由測量的參數推導所述鉆柱的轉速的與上行旋轉能量相關的分量vup; 通過優化一個表達式來確定所述鉆柱的轉速V，所述表達式調和了下面兩個沖突的目標： (i)維持以v。為中心的穩定轉速，和（ii)使下行旋轉能量最小化，所述優化表達式基于V。 和Vup表達V;以及控制所述驅動系統以使所述鉆柱以V旋轉。
[0012] 所述方法可以進一步包括測量所述鉆井系統的屬性，Vup是由所述屬性推導出的。
[0013] 通過基于優化的表達式控制所述驅動系統，可以減小旋轉諧振的振幅。在本發明 的實施例中，所述優化根據鉆井系統的諧振頻率的變化而自適應，所述變化例如是鉆柱長 度的增加造成的。此外，在本公開內容的實施例中，不必準確地確定鉆井系統的諧振頻率或 給鉆井系統的諧振頻率建模。此外，在一些實施例中，可以例如通過以現有驅動系統控制器 外部的控制器的形式實施所述方法而向現有鉆井系統應用所述控制方法。
[0014] 在本公開內容的一些實施例中，優化的表達式基于V。和Vup表達V。然而，也可以 基于例如V。和Vd_ (與下行旋轉能量相關的轉速分量）或Vup和Vd_編寫V的等效表達式。 為了避免疑惑，提到優化的表達式和優化的表達式中使用的量％和Vup包含此類等效表達 式及其中使用的對應的量。
[0015] 在第二方面中，本公開內容的一些實施例提供一種用于控制鉆井系統的控制器 (例如基于計算機的數字控制器）。所述控制器可包括驅動系統、鉆柱和鉆頭，其中，所述驅 動系統在鉆井過程期間旋轉所述鉆柱以穿過地層鉆出井眼，所述控制器經配置以執行第一 方面的方法。
[0016] 舉例來說，所述控制器可包括：存儲器，用以存儲所述鉆柱的期望轉速V。;和一個 或多個處理器，其經配置以接收所述鉆井系統的參數的測量值，并且由此推導所述鉆柱的 轉速的與上行旋轉能量相關的分量vup;通過優化一個表達式來確定所述鉆柱的轉速V，所 述表達式調和了下面兩個沖突的目標：（i)維持以V。為中心的穩定轉速，和（ii)使下行旋 轉能量最小化，優化的表達式基于％和Vup表達V;以及控制所述驅動系統以使所述鉆柱以 V旋轉。
[0017] 在第三方面中，本公開內容的一些實施例提供第二方面的控制器與用于測量鉆井 系統的屬性的一個或多個傳感器的組合，Vup是由所述屬性推導出的。
[0018] 在第四方面中，本公開內容的一些實施例提供一種鉆井系統，其包括驅動系統、鉆 柱和鉆頭，其中，所述驅動系統在鉆井過程期間旋轉所述鉆柱以穿過地層鉆出井眼；其中， 所述鉆井系統進一步包括第二方面的控制器或第三方面的所述控制器與傳感器的組合。
[0019] 本發明的進一步的方面提供：計算機程序，其包括代碼，所述代碼當在計算機上運 行時，使得所述計算機執行第一方面的方法；以及存儲計算機程序的計算機可讀介質，所述 計算機程序包括代碼，所述代碼當在計算機上運行時，使得所述計算機執行第一方面的方 法。
[0020] 現在將陳述本發明的任選的特征。這些任選的特征可單獨應用，或者以與本發明 的任何方面/實施例的任何組合應用。
[0021] 在本公開內容的一些實施例中，所確定的和受到控制的轉速V可以是鉆柱的地面 轉速，分量Vup可以是轉速的地面分量，期望轉速Vc可以是鉆柱的地面期望轉速。
[0022] 總的來說，在本公開內容的一些實施例中，可以重復地執行如下步驟：（i)接收屬 性測量值，并且由其推導vup; (ii)確定轉速V;以及（iii)控制所述驅動系統。在一些實施 例中，重復間隔可以足夠短，使得這些步驟在系統的主旋轉諧振期間重復多次，主旋轉諧振 以秒為單位可以大約是鉆柱的以米為單位的長度L除以750。因此，舉例來說，