一种对用于在地球岩层中钻探钻孔的钻孔设备的计算模型的操作参数进行计算机控制确定的方法和装置。钻孔设备包括旋转驱动系统、具有底部钻具组合的钻柱、以及用于控制所述驱动系统的旋转驱动速度的速度控制器，其中底部钻具组合包括钻头和耦合到旋转驱动系统的顶端。控制驱动系统，使得由驱动系统在驱动所述钻柱时提供的扭矩在一个时间段上变化。根据所述变化扭矩和所述获得的旋转顶端驱动速度，获得所估计的扭矩-速度传递函数，并将其和根据钻孔设备的计算模型计算的扭矩-速度传递函数匹配。根据经匹配的所估计的扭矩-速度传递函数和所计算的扭矩-速度传递函数，确定操作参数。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及用于在地球岩层中钻探钻孔的钻孔（borehole)设备。更具体地， 本专利技术涉及用于确定在地球岩层中钻探钻孔的钻孔设备的代表性计算模型的操作参数的 方法和装置，用于确定在该钻孔设备的速度控制器中使用的调节参数的其他方法和装置， 以及配备并根据本方法进行操作的钻孔设备、装置或速度控制器。
技术介绍
术语钻孔通常是指使用钻柱（drill string)垂直地、水平地和/或偏斜地对地钻 孔操作的结果，所述钻柱包括在其下端处的钻头（drill bit)。在钻柱的上端或顶端处，通 过地面上称作顶端驱动或者轮盘（rotary table)的驱动系统驱动钻柱。通过电动机或者 任意其他类型的驱动电动机来驱动顶端驱动或者轮盘，向钻孔中的钻头提供旋转运动。 典型地，钻柱是具有多个彼此螺纹连接的管状物或导管的结构。典型的钻柱可以 具有几百米或几千米的长度。 钻柱的下部称作底部钻具组合（BHA)，底部钻具组合上连接有用于钻探钻孔的切 割工具，也称为钻头。 钻柱是中空的，因此钻探流体可以向下泵浦到底部钻具组合并且通过钻头中的喷 嘴，以用于润滑目的。钻探流体循环回到环形套筒（annulus)，即钻柱的外周界和钻孔壁之 间的空间，用于将钻肩（cuttings)从钻头传输到地面。 可以针对许多不同目的来钻探钻孔，包括抽取水或其他液体（例如油）或者气体 (例如天然气），例如作为岩土技术调查、环境场地评估、矿产勘查、温度测量的一部分，或 者例如作为安装码头或地下管线的引导孔（pilot hole)。 底部钻具组合沿扭矩方向是刚性的，因为它相对较短并且厚壁。在使用中，底部钻 具组合承受由于压缩力导致的横向偏转。因为较长的长度和相对较小的壁厚，钻柱是狭长 和柔软的结构。在钻探期间，在钻孔设备中，具体地在钻柱中产生各种振动。在旋转钻柱和 底部钻具组合的情况下，可以产生扭矩、轴向以及纵向或横向振动。 -般来说，轴向振动可以引起钻头弹起，这可能损坏钻冠（bit cutter)和轴承。横 向振动非常有破坏性，并且当底部钻具组合撞击钻孔壁时产生较大的震动。横向振动可以 驱动系统相反的回旋，产生高频率大幅度的弯矩（bending moment)波动，导致了部件的高 速率和连接疲劳。组件中的不平衡可以引起钻柱的离心感应弯曲，这可能产生正向回旋并 且导致部件的单侧磨损。其中，扭矩振动导致了钻柱沿着钻孔的粘滑运动或振动。 粘滑是由接触地球岩层或钻孔内壁的钻头和/或钻柱的表面之间的摩擦力引起 的现象。或者说，作为一方的钻头和/或钻柱的表面以及作为另一方的地球岩层和钻孔表 面，可以在摩擦力的相应变化下彼此粘滞或者彼此滑动。 实际上，摩擦力呈非线性的性质，在极端情况下，摩擦可能变得太大，使得钻头 (即底部钻具组合）临时变成完全停顿，这称作粘滞模式。在粘滞模式期间，驱动系统继续 旋转驱动速度或运动卷起钻柱。如果在钻柱中增加的扭矩大到足以克服摩擦力，底部钻具 组合开始再次旋转，这称作滑动模式。然而，这可能引起钻头的突然跳跃或者钻头移动的角 加速度的阶梯式增加，钻柱和底部钻具组合所受的动态摩擦等小于静态摩擦，并且可能导 致过度磨损。粘滞和滑动模式可以以规律和周期性的方式相当快地彼此跟随。 当粘滑发生时，影响到钻探过程的效率，从而可能将计划的钻探操作延迟多达数 日，承担罚款等风险。 为减轻钻柱中扭矩振动和共振的影响以及粘滑操作和振荡的出现和影响，通过速 度控制器来控制钻孔设备的驱动系统的旋转驱动速度，将速度控制器的参数设置和调节为 钻孔设备的相关操作参数。术语"减轻"应被理解为包括控制、缓解、减小、软化、调和、消除 等类似含义，最终并包括避免扭矩振动和粘滑振荡。 钻孔设备的操作参数等依赖于顶端驱动或地表驱动的机械属性以及索的几何结 构。实际上，需要经由速度控制器的输入/输出接口的键盘，以输入方式提供钻柱的几何参 数，例如钻柱管状物或导管的内外直径和长度，以及底部钻具组合的钻环（drill collar)， 其中根据数据表等，钻头置于钻环处。将要理解的是，可以根据数据表或表格等（已经基于 所用特定钻柱计算出），输入速度控制器的参数值，而不用输入钻孔设备自身的机械属性。 随着钻孔不断进行，钻柱几何结构（即管状物的长度和机械属性）因钻柱的加长 和/或底部钻具组合的改变而改变。将要理解的是，每当延长钻柱时（例如通过包括两个 或三个钻绳的连接点的支架），钻孔设备的动力学特性改变。实际上，例如，大约每钻孔100 到200米，就需要重新调节速度控制器的参数。 在钻孔过程中，每当确定并向速度控制器手动输入钻孔设备的操作参数或等同值 时，对钻孔人员来说较为麻烦，并且可能引入错误，这些错误可能导致钻孔设备的穿透速率 (R0P)下降，穿透速率一般以米/每小时（m/h)为单位。 如上所述，钻孔设备的钻柱中的扭矩振动和共振与摩擦相关。因此，除了钻孔设备 的内部机械属性，外部方面例如地球岩层的类型、钻探钻孔的类型（即垂直、水平或倾斜）、 所用泥土的类型等，全部对钻孔设备的实际操作以及扭矩振动的产生和强度、钻柱共振频 率和钻孔期间可能产生的粘滑操作具有影响。 实际上，为优化控制钻孔设备的钻孔操作等，从技术和经济观点看，需要通过代表 性计算模型来自动对钻孔设备建模，尤其是在地球岩层中钻探钻孔时。
技术实现思路
本专利技术目的在于，提供一种自动确定用于在地球岩层中钻探钻孔的钻孔设备的计 算模型的操作参数的方法，以及其中用于提供在钻孔设备的速度控制器中使用的调节参数 的方法。 本专利技术的另一个目的在于，提供一种自动确定用于在地球岩层中钻探钻孔的钻孔 设备的操作参数的装置，以及其中用于提供在钻孔设备的速度控制器中使用的调节参数的 装置。 本专利技术的再一个目的在于，提供一种用于控制在地球岩层中钻探钻孔的钻孔设备 的旋转驱动系统的旋转速度的电子控制器，所述电子控制器还被布置为自动操作根据本发 明提供的操作或调节参数。 本专利技术的目的还在于，提供一种在地球岩层中钻探钻孔的钻孔设备，所述钻孔设 备根据该方法进行操作和/或配备有该装置，以用于自动确定钻孔设备或该电子控制器的 操作参数。 在第一方面中，提供了一种对用于在地球岩层中钻探钻孔的钻孔设备的计算模型 的操作参数进行计算机控制确定的方法。所述钻孔设备包括旋转驱动系统、具有底部钻具 组合的钻柱、以及用于控制所述驱动系统的旋转驱动速度的速度控制器，其中所述底部钻 具组合包括钻头和耦合到所述旋转驱动系统的顶端。所述方法包括以下步骤： -控制所述驱动系统，使得由所述驱动系统在驱动所述钻柱时提供的扭矩在一个 时间段上变化； _获得所述钻柱在所述时间段期间的旋转顶端驱动速度； _根据所述变化扭矩和所获得的旋转顶端驱动速度，计算所估计的扭矩_速度传 递函数； -将所估计的扭矩-速度传递函数和根据所述钻孔设备的所述计算模型计算的扭 矩-速度传递函数进行匹配；以及 _根据所述经过匹配的所估计的扭矩_速度传递函数和所计算的扭矩-速度传递 函数，确定所述操作参数。 该方法基于以下启示：钻孔设备的计算模型的操作参数依赖于顶端驱动或地面 驱动的机械属性，通过将驱动系统（也称为平台（plant))的计算传递函数（即，根据由顶 端驱动、钻柱和底部钻具组合组成的钻本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种对用于在地球岩层中钻探钻孔的钻孔设备的计算模型的操作参数进行计算机控制确定的方法，所述钻孔设备包括旋转驱动系统、具有底部钻具组合的钻柱、以及用于控制所述驱动系统的旋转驱动速度的速度控制器，其中所述底部钻具组合包括钻头和耦合到所述旋转驱动系统的顶端，所述方法包括以下步骤：‑控制所述驱动系统，使得由所述驱动系统在驱动所述钻柱时提供的扭矩在一个时间段上变化；‑获得所述钻柱在所述时间段期间的旋转顶端驱动速度；‑根据所述变化扭矩和所获得的旋转顶端驱动速度，计算所估计的扭矩‑速度传递函数；‑将所估计的扭矩‑速度传递函数和根据所述钻孔设备的所述计算模型计算的扭矩‑速度传递函数进行匹配；以及‑根据所述经过匹配的所估计的扭矩‑速度传递函数和所计算的扭矩‑速度传递函数，确定所述操作参数。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：安德烈·威尔特曼，
申请(专利权)人：考夫利艾克博茨有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。