钻井工具面的闭环控制制造技术

公开了钻井工具面的闭环控制。用于计算钻进速度的井下方法包括：(a)钻地下钻孔；(b)接收在上部勘测站测量的地下钻孔的参考姿态；(c)接收在下部勘测站测量的地下钻孔的测量姿态；(d)在井下处理参考姿态和测量姿态，以计算地下钻孔在上部及下部勘测站之间的角度变化量；(e)处理地下钻孔的角度变化量以计算(a)中钻井的钻进速度。井下导向工具包括：工具本体；用于控制钻井方向的导向机构；用于测量地下钻孔的姿态的多个传感器；井下控制器，包括模块，其具有用于处理在第一勘测站和第二勘测站处由传感器接收的姿态测量结果以计算第一和第二勘测站之间的角度变化量的指令；对角度变化量进行处理，以计算钻井时的钻进速度。

Closed loop control of drilling tool surface

【技术实现步骤摘要】
钻井工具面的闭环控制本申请是申请号为201480018724.7、申请日为2014年3月19日、申请人为普拉德研究及开发股份有限公司、专利技术名称为“钻井工具面的闭环控制”的中国专利技术专利申请的分案申请。
所公开的实施例总体涉及用于在井下定向钻井作业期间维持定向控制的方法，并且更特别地涉及用于确定随钻井下工具面偏移的方法。
技术介绍
在钻地下井眼时，使用自动钻井方法已变得越来越常见。这些方法可以基于多种井下反馈测量被用来例如控制钻井方向，这些测量例如随钻进行的倾角和方位角测量，或随钻测井测量。自动钻井方法(和一般定向钻井方法)的一个困难在于，定向钻井工具呈现为向着偏离设定点方向的方向钻井(或转向)的趋势。例如，当设定为直线向前钻一个水平井时，某些钻井工具可能具有下降倾斜(向下转向)和/或向左或向右转向的趋势。更加困难的是，这些趋势可以受多个因素的影响，并可在钻井作业期间不可预期地变化。影响该定向趋势的因素可以包括，例如，地下岩层的属性、井底钻具组合(BHA)的结构、钻头磨损、钻头/稳定器侧移，意外触点(例如，由于BHA的压缩和弯曲)、稳定器与岩层的相互作用、导向工具使用的导向机构、以及多种钻井参数。在当前的钻井作业中，钻井操作者通常通过评估发送到地面的井眼勘测数据来校准所述定向趋势。通常在30至100英尺间隔上(例如，在静态勘测站)对井眼的重力工具面执行地面计算。尽管这些技术是可用的，但是有进一步改进的需求，特别是对于井下随钻自动适应(或校准)这些趋势时。
技术实现思路
公开了一种用于控制地下钻孔的钻井工具面的井下闭环方法。该方法包括随钻接收地下钻孔的参考及测量姿态，其中在上部勘测站测量所述参考姿态，在下部勘测站测量所述测量姿态。在井下随钻处理(使用井下处理器)所述参考姿态和所述测量姿态，以计算地下钻孔在上部与下部勘测站间的角度变化量。将所述计算得到的角度变化量与预定阈值相比较。当所述角度变化量小于该阈值时，可以不断重复该过程。当所述地下钻孔的角度变化量大于或等于该阈值时，所述参考姿态及所述测量姿态在井下被进一步处理为计算工具面角。所述工具面角然后可以被进一步处理为控制所述地下钻孔的钻井方向。所公开的实施例可以提供多种技术优势。例如，所公开的实施例为所述钻井工具面提供了实时闭环控制。如此，所公开的方法可以提供改善的井位和减少井眼弯曲。此外，通过提供闭环控制，所公开的方法易于改善钻井效率和一致性。提供本
技术实现思路
是为了引入一系列概念，其在下面的详细描述中进一步描述。本
技术实现思路
不旨在标志所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于辅助限制所要求保护的主题。附图说明为了更加完全地理解所公开的主题及其优点，后面的描述与附图相结合作为参照，其中；图1描绘了可以利用所公开的实施例的一个示例性钻机。图2描绘了图1所示的钻柱的BHA的下部。图3在全局坐标参考系中描绘了导向参数和姿态图。图4在全局坐标参考系中描绘了重力工具面和磁力工具面的图像。图5描绘了一个所公开的用于获得钻井工具面的闭环方法实施例的流程图。图6描绘了一个控制器的实施例，其中通过图5所描绘的方法获得的工具面角可以被该控制器处理为控制钻井方向。图7描绘了一个级联控制器，其可以处理通过图5所描绘的方法获得的工具面角，以驱动所述钻井工具至目标方位角。具体实施方式图1描绘了适于使用本文公开的多种方法和系统实施例的钻机10。半潜式钻井平台12设置在位于海底16下方的含油或含气地层(未示出)上方。海下管道18从平台12的台面20延伸到达井口装置22。该平台可包括井架和用于升高和降低钻柱30的起重设备，如图所示，所述钻柱30延伸进入钻孔40中且包括井底钻具组合(BHA)50。BHA50包括钻头32、导向工具60(也被称为定向钻井工具)以及一个或多个井下导航传感器70，例如包括三轴加速仪和/或三轴磁力仪的随钻测量传感器。所述BHA50可进一步包括基本上任意其它合适的井下工具，例如井下钻井马达、井下遥测系统、扩孔工具等。所公开的实施例并不限于这样的其它工具。应该理解，BHA可包括基本上任意合适的导向工具60，例如，包括旋转导向工具。本领域中已知多种旋转导向工具结构，包括用于控制钻井方向的多种导向机构。例如，许多已有的旋转导向工具包括基本上不旋转的外壳，该外壳采用与钻孔壁相接合的叶片。叶片与钻孔壁的接合旨在偏心所述工具本体，从而，在钻井时将钻头指向或推向期望方向。在钻井期间，布置于所述外壳中的旋转轴将旋转动力和轴向钻压传递至钻头。加速仪或磁力仪组可以被布置于所述外壳中，从而相对于所述钻孔壁不可旋转或缓慢旋转。旋转导向系统(从斯伦贝谢公司获取)完全随着钻柱旋转(即外壳随着钻柱旋转)。XceedTM使用一个不需与钻孔壁相接触且使得工具本体能够完全随着钻柱旋转的内部导向机构。X5、X6和PowerDrive旋转导向系统使用与钻孔壁相接触的泥浆致动叶片(或桨)。随着所述系统在钻孔中旋转，迅速并连续地调整叶片(或桨)的伸缩。PowerDrive使用在铰接转节处与上部连接的下部导向部。通过活塞主动倾斜所述转节，从而改变下部相对于上部的夹角，并在底部钻具组合在钻孔中旋转时保持期望的钻井方向。加速仪和磁力仪组可以随着钻柱旋转，或可以可选择地布置于内部滚动稳定外壳中，以便它们基本保持静止(在偏置相位)或相对于钻孔缓慢旋转(在中立相位)。为了钻一个期望的曲率，偏置相位和中立相位在钻井期间以预定速比(称为转向比)相交替。再次，所公开的实施例并不限于使用任意特定的导向工具结构。井下传感器70可以包括基本上任意合适的传感器装置，用于进行井下导航测量(钻孔倾斜度、钻孔方位角、和/或工具面测量)。这些传感器可以包括，例如，加速仪、磁力仪、陀螺仪等。这些传感器装置是本领域公知的，因此不再进一步详细描述。所公开的实施例并不限于使用任意特定传感器的实施例或结构。用于对钻井倾斜度和钻孔方位角进行实时随钻测量的方法被描述于，例如，共同被转让的美国专利公开第2013/0151157和2013/0151158号中。在图示出的实施例中，传感器70被示为布置于导向工具60中。该图示仅是为了方便起见，而传感器70可以布置于BHA中的任意位置。本领域技术人员应该理解，图1中示出的布置仅是个例。应该进一步理解，公开的实施例并不限于使用图1上示出的半潜式平台12。所公开的实施例同样非常适于使用任意类型的地下钻井作业，无论是海上或是陆上的。图2描绘了钻柱30的BHA的下部分，包括钻头32和导向工具60。如参考图1所描述的，导向工具可以包括导航传感器70，包括三轴加速仪和磁力仪导航传感器。合适的加速仪与磁力仪可以选自本领域公知的基本上任意合适的可商业上获得的设备。图2进一步包括所述三轴加速仪和磁力仪传感器组的图示。所谓三轴，是指每个传感器组包括三个相互垂直的传感器，加速仪被表示为Ax，Ay和Az，所述磁力仪被表示为Bx，By和Bz。按照惯例，指定一个右手坐标系，其中z轴加速仪和磁力仪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于计算钻进速度的井下方法，所述方法包括：/n(a)钻地下钻孔；/n(b)接收所述地下钻孔的参考姿态，所述参考姿态在上部勘测站测量；/n(c)接收所述地下钻孔的测量姿态，所述测量姿态在下部勘测站测量；/n(d)在井下处理所述参考姿态和所述测量姿态，以计算所述地下钻孔在上部及下部勘测站之间的角度变化量；和/n(e)处理所述地下钻孔的角度变化量，以计算(a)中钻井的钻进速度。/n

【技术特征摘要】
20130329 US 61/806,5221.一种用于计算钻进速度的井下方法，所述方法包括：
(a)钻地下钻孔；
(b)接收所述地下钻孔的参考姿态，所述参考姿态在上部勘测站测量；
(c)接收所述地下钻孔的测量姿态，所述测量姿态在下部勘测站测量；
(d)在井下处理所述参考姿态和所述测量姿态，以计算所述地下钻孔在上部及下部勘测站之间的角度变化量；和
(e)处理所述地下钻孔的角度变化量，以计算(a)中钻井的钻进速度。


2.如权利要求1所述的方法，其中，所述(a)中钻井的钻进速度使用下面的数学方程计算：



其中，ROP表示钻井的钻进速度，DLS表示在(a)中正在被钻的地下钻孔的全角变化率，β表示上部及下部勘测站之间的角度变化量，Δt表示在上部及下部勘测站测量所述参考姿态和测量姿态之间所经过的时间。


3.如权利要求2所述的方法，其中，随着(a)中钻井时，基本连续地在(e)中计算所述钻井的钻进速度。


4.如权利要求1所述的方法，其中，在(d)中使用下面的数学方程之一计算所述地下钻孔的角度变化量：

【专利技术属性】
技术研发人员：P霍恩布洛尔，CC博加特，A鲍勒，J杉浦，
申请(专利权)人：普拉德研究及开发股份有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB