钻井曲率的闭环控制制造技术

用于在钻进时控制地下井筒曲率的井下闭环方法，所述方法包括控制钻进方向，使得所述钻进姿态基本上等于设定点姿态。设定点机械钻速与设定点全角变化率组合处理，以计算设定点姿态增量。所述设定点姿态可以通过所述设定点姿态增量来调整。所述设定点姿态可以一定间隔增加以控制钻进时所述井筒的所述曲率。

Closed loop control of drilling curvature

A downhole closed loop method used to control the curvature of an underground shaft during drilling. The method includes controlling the drilling direction so that the drilling attitude is basically equal to the set point attitude. The fixed point penetration rate and the set point full angle change rate are combined to calculate the set point increment. The set point gesture can be adjusted through the increment of the set point. The set point posture can be increased at intervals to control the curvature of the wellbore during drilling.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】钻井曲率的闭环控制相关申请的交叉引用本申请要求2015年12月1日提交的美国临时专利申请号62/261,461的优先权和权益，所述临时申请以引用的方式整体并入本文。
技术介绍
自动钻井方法的使用在地下井筒钻进中正变得越来越常见。例如，可以采用此类方法并基于各种井下反馈测量诸如在钻进期间进行的井斜角和方位角测量或者随钻测井测量，以控制钻进的方向。用于沿着预定姿态(即沿预定直线方向)引导井筒的闭环自动钻井方法在本领域中有时被称为井斜角及方位角保持程序，并且可以用于沿着规定的井斜角和方位角引导井筒。尽管这些方法被普遍使用，但是还没有已知的用于直接控制钻进方向沿着预定的弯曲路径(即控制井筒全角变化率的曲率)的自动钻井方法。可以通过在导向模式与非导向模式之间交替间接控制井筒曲率。然而，由于不能直接控制井筒曲率且未考虑地层作用，此类方法很容易出错。期望提供用于直接控制井筒曲率的改进的自动导向方法。
技术实现思路
一种用于在钻进时控制地下井筒的曲率的井下闭环方法。该方法包括使用钻具来钻取井筒。钻进的速度和方向可以被控制，使得钻进速度基本上等于设定点机械钻速，并且钻进姿态基本上等于设定点姿态。设定点机械钻速与设定点全角变化率组合处理，以计算设定点姿态增量。设定点姿态可以通过设定点姿态增量来调整。设定点姿态可以一定间隔增加以控制钻进时井筒的曲率。在另一钻进实施方案中，控制钻进的方向使得钻进姿态基本上等于设定点姿态。钻进时测量机械钻速并结合设定点全角变化率进行处理，以计算设定点姿态增量。设定点姿态可以通过设定点姿态增量来调整。设定点姿态可以一定间隔增加以控制钻进时井筒的曲率。所公开的实施方案可以提供各种技术优点。例如，所公开的实施方案提供沿着预定弯曲路径的井筒曲率的实时闭环控制。如此，所公开的方法可以提供改善的井位和减小的井筒弯曲。此外，通过提供闭环控制，所公开的方法趋向于提高钻进效率和一致性。提供本
技术实现思路
是为了介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的概念选择。本
技术实现思路
既不意在识别所要求保护主题的关键或必要特征，也不意在用来帮助限制所要求保护主题的范围。附图简述为了更完全地理解所公开的专利技术主题及其优点，现在结合附图参考以下描述，在附图中：图1描绘了可以利用所公开的实施方案的示例性钻机。图2描绘了全球坐标参考系中的姿态图和导向参数。图3描绘了用于自动钻进地下井筒的弯曲井段的一个示例方法的流程图。图4描绘了其中由地面控制系统控制钻具和钻进ROP两者的实施方案的框图。图5描绘了其中可以使用分段(变化点)算法(或其他合适的算法)来监测钻进ROP中的变化的实施方案的框图。图6描绘了作为时间函数的瞬时滑车位置和瞬时钻进ROP的示例曲线图。图7A和图7B描绘了针对图6所示示例的几种不同输入噪声水平的分段ROP值与时间的关系曲线。图7A描绘了分段ROP值与时间的关系曲线，图7B描绘了分段ROP值与测量深度变化的关系曲线。具体实施方式图1描绘了适用于使用本文公开的各种方法和系统实施方案的钻机10。半潜式钻井平台12位于分布在海底16下方的油层或气层(未示出)上方。海底管道18从平台12的甲板20延伸到井口装置22。该平台可以包括用于提升和下放钻柱30的井架和起重装置(未示出)，如图所示，该钻柱延伸到钻孔40中并且包括底部钻具组合(BHA)50。BHA50包括钻头32、导向工具60(也称为定向钻具)和一个或多个井下导航传感器70，诸如包括三轴加速度计和/或三轴磁力计在内的随钻测量传感器。BHA50还可包括基本上任何其他合适的井下工具，诸如井下动力钻具、井下遥测系统、扩眼工具等。所公开的实施方案在此类其他工具的方面不受限制。应当理解，BHA可以包括基本上任何合适的导向工具60，例如包括旋转导向工具。本领域已知各种旋转导向工具构造，包括用于控制钻进方向的各种导向机构。例如，旋转导向系统(可以商品名购自斯伦贝谢公司(SchlumbergerCompany))、旋转导向系统(可购自贝克休斯(BakerHughes))和GeoPilot旋转导向系统(可购自哈利伯顿(Halliburton))包括采用与井壁接合的叶片的基本上不旋转的外壳。叶片与井壁的接合旨在使工具主体偏心，从而在钻进期间沿期望的方向引导或推动钻头。布置在外壳中的旋转轴在钻进期间将旋转动力和轴向钻压施加到钻头。加速度计和磁力计套件可以布置在外壳中，并且因此相对于井壁不旋转或缓慢旋转。PowerDrive旋转导向系统(可购自斯伦贝谢(Schlumberger))随钻柱完全旋转(即外壳与钻柱一起旋转)。PowerDriveXceed采用内部定向机构，不需要与井壁接触，并且使工具主体能够随钻柱完全旋转。PowerDriveX5、X6和Orbit旋转导向系统利用与井壁接触的泥浆致动叶片(或衬垫)。随着系统在钻孔中旋转，迅速并连续地调整叶片(或衬垫)的延伸。PowerDrive利用在铰接转座处与上部导向段连接的下部导向段。经由活塞主动倾斜转座，使得当底部钻具组合在钻孔中旋转时，改变下部导向段相对于上部导向段的角度，并且保持期望的钻进方向。加速度计和磁力计套件可与钻柱一起旋转，或者可以布置在内部的滚动稳定外壳中，使得它们相对于钻孔保持基本静止(处于偏置相位)或缓慢旋转(处于中性相位)。为了钻得所需的曲率，在钻进过程中以预定比率(称为导向比)在偏置阶段和中性阶段进行交替。同样，所公开的实施方案不限于与任何特定的导向工具构造一起使用。本领域的普通技术人员应当理解，图1所示的布置仅仅是一个示例。还应当理解，所公开的实施方案不限于与如图1所示的半潜式平台12一起使用。所公开的实施方案同样适用于任何类型的海上或陆上地下钻井作业。图2描绘了全球坐标参考系中的姿态图和导向参数。BHA50具有由BHA轴52限定的“姿态”。姿态是钻头32的送钻方向，并且可以由单位矢量表示，其全球方向可以由钻孔井斜角θinc和钻孔方位角进行限定θazi。θtf传感器或其他BHA部件的工具面角度可以例如相对于BHA54的高侧限定。所公开的实施方案决不受图2所示约定的限制。图3描绘了用于自动钻进地下井筒的弯曲井段的一个示例方法100的流程图。在102处，使用包括定向钻具(诸如旋转导向工具)的钻柱钻地下井筒。在104处，接收设定点机械钻速(ROP)和全角变化率(DLS)值，并且处理所述值以计算设定点姿态增量(例如，用于将设定点姿态调整某个预定量的时间间隔)。在106处，可控制钻进的ROP，使得其基本上等于设定点机械钻速(即在预定限值内)。在108处，实施闭环钻进姿态控制方法，以在106中的钻进期间将钻进姿态(例如，井斜角和方位角)保持在设定点姿态(即沿着预定方向)。然后在110处，根据在104中计算得到的计算的设定点姿态增量，递增地调整设定点姿态以钻取弯曲井段。在104中计算得到的设定点姿态增量可包括姿态改变和时间增量。例如，姿态改变可以是1度曲率，并且可以基于设定点DLS选择时间增量(随着设定点DLS的减小而增加时间增量)。设定点姿态增量也可表示为例如每单位时间度数的速率，并且可以通过将设定点ROP乘以设定点DLS来计算。例如，在其中设定点ROP是每小时100英尺并且设定点DLS是每100英尺10度的实施方案中，设定点姿态增量可以表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在钻进时控制地下井筒曲率的井下闭环方法，所述方法包括：(a)将钻柱布置在所述地下井筒中，所述钻柱包括钻头和布置在其上的定向钻具；(b)旋转所述定向钻具和所述钻头以钻取所述地下井筒；(c)控制(b)中的钻进速度，使得所述钻进速度在设定点机械钻速的预定限值内；(d)在(b)中钻进时控制所述定向钻具，使得钻进姿态基本上等于设定点姿态；(e)处理所述设定点机械钻速和设定点全角变化率，以计算设定点姿态增量；(f)通过所述设定点姿态增量调整所述设定点姿态；并且(g)连续地重复(d)和(f)，以在(b)中钻进时控制所述井筒的所述曲率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.01 US 62/261,4611.一种用于在钻进时控制地下井筒曲率的井下闭环方法，所述方法包括：(a)将钻柱布置在所述地下井筒中，所述钻柱包括钻头和布置在其上的定向钻具；(b)旋转所述定向钻具和所述钻头以钻取所述地下井筒；(c)控制(b)中的钻进速度，使得所述钻进速度在设定点机械钻速的预定限值内；(d)在(b)中钻进时控制所述定向钻具，使得钻进姿态基本上等于设定点姿态；(e)处理所述设定点机械钻速和设定点全角变化率，以计算设定点姿态增量；(f)通过所述设定点姿态增量调整所述设定点姿态；并且(g)连续地重复(d)和(f)，以在(b)中钻进时控制所述井筒的所述曲率。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述设定点姿态增量包括姿态改变和时间增量。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述设定点姿态增量包括单位时间姿态的变化速率。4.根据权利要求1所述的方法，其中(c)包括：(i)对照所述预定限值，监测(c)中的所述钻进速度；并且(ii)当所述钻进速度在所述预定限值之外时，调整所述钻柱的旋转速率、钻井液流量和所述钻头上的钻压中的至少一个。5.根据权利要求1所述的方法，还包括：(h)对照所述预定限值，监测(c)中的所述钻进速度；(i)当在(h)中监测的所述钻进速度超出所述预定限值时，改变所述设定点机械钻速；并且(j)重复(e)以计算新的设定点姿态增量。6.根据权利要求1所述的方法，还包括：(h)测量(c)中的滑车位置以计算所述钻进速度；(i)评估(h)中计算得到的所述钻进速度的变化点；(j)当在(i)中检测到变化点时改变所述设定点机械钻速；并且(k)重复(e)以计算新的设定点姿态增量。7.一种用于在钻进时控制地下井筒曲率的井下闭环方法，所述方法包括：(a)将钻柱布置在所述地下井筒中，所述钻柱包括钻头和布置在其上的定向钻具；(b)旋转所述定向钻具和所述钻头以钻取所述地下井筒；(c)控制(b)中钻进的方向，使得钻进姿态基本上等于设定点姿态；(d)测量在(b)中钻进时的钻...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·霍恩布洛尔，S·D·霍夫，M·伊戈诺瓦，
申请(专利权)人：斯伦贝谢技术有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL