使用随机最优控制实现的钻井自动化制造技术

用于钻井自动化的示例方法可以包括至少部分基于第一组井下测量值来生成钻井系统的模型。所述模型可以接受钻井系统的钻井参数作为输入。可以至少部分基于所述模型来确定钻井系统的机械钻速。可以使用所述钻井参数的第一组值来模拟所述模型，并且可以至少部分基于所述机械钻速和所述模拟结果来计算钻井系统的控制策略。可以至少部分基于所述控制策略来生成针对所述钻井系统的控制信号。

Automatic drilling using stochastic optimal control

An example method for drilling automation may include a model for generating a drilling system at least in part based on the first set of downhole measurements. The model can accept the drilling parameters of the drilling system as input. The drilling speed of the drilling system can be determined at least in part based on the model. The model can be simulated using the first set of values of the drilling parameters, and the control strategy of the drilling system can be calculated at least in part based on the drilling rate and the simulation results. A control signal for the drilling system can be generated, at least in part, based on the control strategy.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
烃类，诸如石油和天然气，通常从可能位于陆上也可能位于海上的地下岩层获得。在大多数情况下，岩层位于地表下方数千英尺处，并且井筒必须先穿越岩层，然后才可以回收烃类。钻出井筒是劳动密集型和设备密集型的，并且当操作花费的时间变长时，钻井操作的成本增加。附图简述可以通过部分参照以下描述和附图来理解本公开的某些特定示例性实施方案。图1是根据本公开各方面的示例钻井系统的图。图2是根据本公开各方面的示例信息处理系统的图。图3是根据本公开各方面的钻井系统的示例控制架构的框图。图4是根据本公开各方面的示例最优控制输入的图。虽然已经显示和描述了本公开的实施方案并且通过参照本公开的示例性实施方案限定了本公开的实施方案，但这些参考并不意味着对本公开的限制，并且不应推定存在这样的限制。如相关领域中享有本公开权益的技术人员所想到的，所公开的主题能够在形式和功能上进行大幅的修改、改变和等效替换。所显示和所描述的本公开的实施方案仅为示例，而并非对本公开范围的穷举。具体实施方式为了本公开的目的，信息处理系统可以包括可操作用于出于商业、科学、控制或其它目的而对任何类型的信息、资讯或数据计算、分类、加工、发送、接收、检索、创造、切换、存储、显示、显现、检测、记录、再现、处理或利用的任何手段或手段集合。例如，信息处理系统可为个人计算机、网络存储装置或任何其它合适的装置并且可能在尺寸、形状、性能、功能和价格方面有所不同。信息处理系统可以包括随机存取存储器(RAM)、一个或多个处理资源诸如中央处理单元(CPU)或硬件或软件控制逻辑、ROM和/或其它类型的非易失性存储器。信息处理系统的其它组件可以包括一个或多个盘驱动器、一个或多个网络端口，所述一个或多个网络端口用于与外部装置以及各种输入输出(I/O)装置(诸如键盘、鼠标和视频显示器)进行通信。信息处理系统还可包括一个或多个总线，所述一个或多个总线可操作用于在各种硬件组件之间传输通信。信息处理系统还可包括一个或多个接口单元，所述一个或多个接口单元能够将一个或多个信号发送至控制器、致动器或类似装置。为了本公开的目的，计算机可读介质可包括可以保留数据和/或指令一段时间的任何手段或手段集合。计算机可读介质可以包括例如但不限于存储介质诸如直接存取存储装置(例如，硬盘驱动器或软盘驱动器)、顺序存取存储装置(例如，磁带磁盘驱动器)、压缩光盘、CD-ROM、DVD、RAM、ROM、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和/或快闪存储器；以及通信介质诸如线材、光纤、微波、无线电波和其它电磁和/或光学载波；和/或以上各项的任意组合。本文详细描述了本公开的说明性实施方案。为了清楚起见，可能并未在本说明书中描述实际实现方式的全部特征。当然，应该理解，为了实现特定的实现方式目标，在任一这类实际实现方式的开发中必须做出许多特定于实现方式的决定，这些特定实现方式目标因不同的实现方式而不同。此外应当理解，这种开发工作可能复杂且费时，但尽管如此，对享受本公开权益的本领域技术人员来说也只是常规的设计任务。为了便于更好地理解本公开，给出某些实施方案的以下实施例。以下实施例绝不应该被理解为限制或界定本专利技术的范围。在任何类型的地下岩层中，本公开的实施方案可以适用于水平井筒、垂直井筒、偏斜井筒或其它非线性井筒。各实施方案可以适用于注入井以及生产井，包括烃类井。可以使用制作为适于沿岩层段测试、取回和取样的工具来实现实施方案。可以利用例如可通过管柱中的流道传送的工具或使用线缆、钢丝、连续油管、井下机器人等来实现实施方案。本文所使用的术语“耦接”旨在意指间接或直接连接。因此，如果第一装置耦接至第二装置，那么所述连接可以通过直接连接完成或经由其它装置和连接件通过间接机械或电连接完成。类似地，本文所使用的术语“可通信地耦接”旨在意指直接或间接通信连接。这种连接可为有线连接也可为无线连接诸如以太网或LAN。这样的有线和无线连接对于本领域技术人员来说是众所周知的并且因此将不在本文中详细论述。因此，如果第一装置可通信地耦接至第二装置，那么所述连接可通过直接连接完成或经由其它装置和连接件通过间接通信连接完成。现代石油钻井和生产操作需要与井下参数和状况有关的信息。井下信息收集存在数种方法，包括随钻测井(“LWD”)和随钻测量(“MWD”)。在LWD中，通常在钻井过程中收集数据，由此避免了移除钻井组件以插入线缆式测井工具的任何需求。LWD因此允许钻探者进行准确的实时修改或校正以优化性能同时使停机时间最小化。MWD为当钻井继续时，测量与钻井组件的移动和位置有关的井下状态的术语。LWD更多地集中于岩层参数测量。虽然MWD和LWD可能存在区别，但术语MWD和LWD通常可以互换使用。为了本公开的目的，将使用术语LWD，同时要理解的是，此术语涵盖岩层参数的收集以及与钻井组件的移动和位置有关的信息的收集。本公开描述了使钻井操作的机械钻速增大的自动化控制系统和方法。ROP通过钻头冲破岩石以使井筒扩展的速度来表征。使ROP增大会使得其到达目标岩层所花费的时间减少，并且因此降低钻井的费用。虽然本文所述的自动化控制系统和方法涉及使钻井操作的ROP增大，但该控制系统和方法可以适于优化钻井操作的其它方面。图1是根据本公开各方面的示例钻井系统100的图。钻井系统100可以包括钻机102，该钻机被安装在表面122上，位于地下岩层106内的钻孔104上方。虽然表面122在图1中示为陆地，但某些实施方案的钻机102可以位于海上，在这种情况下表面122包括钻井平台。可以使钻井组件至少部分设置在钻孔104内。钻井组件可以包括钻柱114、底部钻具组件(BHA)108、钻头110和顶部驱动器或旋转平台126。钻柱114可以包括螺纹接合在一起的多个钻杆段。BHA108可以耦接至钻柱114，并且钻头110可以耦接至BHA108。顶部驱动器126可以耦接至钻柱114向钻柱114施加转矩和旋转，从而导致钻柱114旋转。可以将施加在钻柱114上的转矩和旋转转移到BHA108和钻头110，从而导致BHA和钻头二者旋转。可以将钻头110处的转矩称为钻压(TOB)并且可以将钻头110的旋转速率以每分钟转数(RPM)的形式来表达。钻头110经由顶部驱动器126的旋转可以导致钻头110与岩层106接合或钻入岩层106中并且使井筒104扩展本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于钻井自动化的方法，所述方法包括：至少部分基于第一组井下测量值来生成钻井系统的模型，所述模型接受所述钻井系统的钻井参数作为输入；至少部分基于所述模型来确定所述钻井系统的机械钻速；使用所述钻井参数的第一组值来模拟所述模型；至少部分基于所述机械钻速和所述模拟结果来计算所述钻井系统的控制策略；以及至少部分基于所述控制策略来产生针对所述钻井系统的控制信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于钻井自动化的方法，所述方法包括：
至少部分基于第一组井下测量值来生成钻井系统的模型，所述模
型接受所述钻井系统的钻井参数作为输入；
至少部分基于所述模型来确定所述钻井系统的机械钻速；
使用所述钻井参数的第一组值来模拟所述模型；
至少部分基于所述机械钻速和所述模拟结果来计算所述钻井系
统的控制策略；以及
至少部分基于所述控制策略来产生针对所述钻井系统的控制信
号。
2.如权利要求1所述的方法，其中生成所述钻井系统的所述模
型包括生成所述钻井系统的空间状态模型。
3.如权利要求2中任一项所述的方法，其中确定所述钻井系统
的所述机械钻速包括确定所述钻井系统的最大机械钻速。
4.如权利要求3中任一项所述的方法，其中
所述钻井系统的所述钻井参数包括
所述钻井系统的大钩的大钩载荷；
所述钻井系统的泵的泵速；以及
所述钻井系统的顶部驱动器的转矩值；并且
所述模型生成以下各项中的至少一者作为输出：
所述钻井系统的钻压(WOB)；
所述钻头的旋转速率；以及
钻井流体穿过所述钻井系统的流速。
5.如权利要求4所述的方法，其中生成针对所述钻井系统的所
述控制信号包括生成与所述钻井参数中的至少一者相对应的控制信
号。
6.如权利要求4所述的方法，其中确定所述钻井系统的所述最
大机械钻速包括确定与所述最大机械钻速相对应的所述WOB、旋转
速率和流速的值。
7.如权利要求6所述的方法，其中
使用所述钻井参数的所述第一组值模拟所述模型包括生成与所
述第一组值相对应的所述WOB、旋转速率和流速的第二组值；以及
计算所述钻井系统的所述控制策略包括将所述第二组值与和所
述最大机械钻速相对应的所述WOB、旋转速率和流速的所述值相比
较。
8.如权利要求7所述的方法，其中计算所述钻井系统的所述控
制策略进一步包括
使用成本函数来跟踪所述第二组值与和所述最大机械钻速相对
应的所述WOB、旋转速率和流速的所述值之间的差；
计算与所述成本函数的最低平均输出相对应的值函数；
使用所述值函数来计算所述钻井系统的状态中的每一者的控制
输入；以及
生成查找表，所述查找表包含所述钻井系统的所述控制输入和所

\t述状态。
9.如权利要求8所述的方法，其中至少部分基于所述控制策略
生成针对所述钻井系统的所述控制信号包括
生成所述钻井系统的状态的实时估计值；
从所述查找表选择与所估计状态相对应的控制输入；
使用所述控制输入生成所述钻井系统的所述控制信号。
10.如以上权利要求中任一项所述的方法，进一步包括
接收第二组井下测量值；
至少部分基于所述第二组井下测量值来生成所述钻井系统的第
二模型；
至少部分基于所述第二模型来计算第二控制策略；以及
至少部分基于所述第二控制策略来生成针对所述钻井系统的第
二控制信号。
11.一种用于钻井自动化的设备，其包括：
处理器；
耦接至所述处理器的存储器装置，其中所述存储器装置包含指令
集，所述指令集在由所述处理器执行时导致所述处理器
至少部分基于第一组井下测量值来生成钻井系统的模型，所述模
型接受所述钻井系统的钻井参...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾森·D·戴克斯特拉，薛玉珍，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US