BR112017013562B1 - Sistemas e métodos para posicionamento de tubulações rosqueadas de campo petrolífero em um ambiente de piso de perfuração e para fazer conexões rosqueadas tubulares. - Google Patents

Abstract

SISTEMAS E MÉTODOS PARA POSICIONAMENTO DE TUBULAÇÕES ROSQUEADAS DE CAMPO PETROLÍFERO EM UM AMBIENTE DE PISO DE PERFURAÇÃO E PARA FAZER CONEXÕES ROSQUEADAS TUBULARES. Um sistema e um método para posicionar tubulações de campo petrolífero em um piso de perfuração (2), tendo um sistema de manipulação tubular automatizado, para permitir o alinhamento e maquinação e saída automáticas de operações de rosca entre um tubular estacionário (8) e um tubular móvel (34), usando informações de imagem de câmeras com deslocamento radial (54, 56), processando a informação de imagem para reconhecer os tubulares dentro da imagem e desenvolvendo informações de posição para os referidos tubulares, combinando a informação de posição dos dois sistemas de câmera para desenvolver informações tridimensionais para cada uma dos tubulares, desenvolvendo instruções para o sistema de manipulação tubular automatizado para colocar os tubos fixos e móveis em alinhamento vertical e abaixar o tubo tubular móvel em contato rosqueado e engatar uma chave de torque hidráulica automatizada para fazer a conexão rosqueada.

Description

FUNDAMENTOS

[001] A presente invenção é destinada a um sistema e método para determinar a posição relativa de membros tubulares na perfuração por hidrocarbonetos. Mais especificamente, em certas modalidades, a um sistema e método de determinação da posição de um membro tubular de perfuração (suspendido verticalmente por um guindaste, guincho ou outro dispositivo) suspensa em relação a um membro tubular de furo de sondagem para permitir o alinhamento automatizado e a composição ou rompimento dos ditos tubulares.

[002] O ambiente de piso de plataforma de perfuração tem sido historicamente um dos ambientes de trabalho mais perigosos. Essas atividades expuseram o pessoal de perfuração ou “plataformistas” a uma variedade de preocupações com a saúde e segurança, incluindo o trabalho na passarela ou placas de macaco no alto da torre de plataforma de perfuração, tubulações suspensas, tenazes de potência e cadeias associadas, lesões nas mãos ao alinhar e abaixar tubulares, para não mencionar os riscos associados ao controle de poço ou outros gases retornados com a lama de perfuração. Os primeiros métodos exigiram a elevação de tubos em um elevador e posicionaram manualmente a tubulação suspensa para se engatarem para cima com um tubo que foi suspendido em uma mesa rotativa (tubo de furo de sondagem). No contexto da presente invenção, uma “tubulação” pode referir- se a um revestimento de poço, tubo-mestre, tubo de perfuração, tubulação de produção ou outros membros tubulares que são rosqueados juntos e utilizados na perfuração e produção de hidrocarbonetos. Tradicionalmente, os plataformistas eram requeridos para mover tubulares de uma área de armazenamento tubular, alinhar a tubulação suspensa com a tubulação de furo abaixo, abaixar a tubulação suspensa para entrar em contato com a tubulação de furo abaixo e utilizar tenazes hidráulicas para aplicar torque para "girar" o tubular, de modo que as roscas na tubulação de furo abaixo engataram a tubulação suspensa e foram apertadas. A tubulação suspensa foi então utilizada como parte do processo de perfuração. A manobra ou remoção de tubulações de um poço, exigiu que os plataformistas aplicassem tenazes hidráulicas para romper ou desengatar as roscas entre duas seções de tubulação, com a tubulação superior (suspensa) sendo movida por guincho da sonda para uma cremalheira ou outra área de armazenamento.

[003] Em um esforço para melhorar a segurança, houve uma série de melhorias nos processos acima. O equipamento de suspensão de tubo semiautomatizado foi usado para mover tubulares para e de uma área de armazenamento para o piso de perfuração e em posição para composição. Chaves de torque automatizadas, conhecidas como manípulos hidráulicos de conexão, foram concebidas que, sob o controle do perfurador, avançam em direção a um conjugado suspenso e a tubulações de furo de sondagem para compor ou romper as conexões tubulares rosqueadas. Apesar destes avanços, permanece o problema de alinhamento da tubulação suspensa em relação à tubulação de furo abaixo. As práticas atuais ainda requerem dois ou mais plataformistas no piso de perfuração para alinhar a tubulação suspensa com a tubulação de furo abaixo antes que o perfurador possa abaixar a tubulação suspensa e engatar os manípulos hidráulicos de conexão. Assim, o pessoal do piso de perfuração permanece exposto ao ambiente de perfuração perigoso.

[004] É desejável desenvolver um sistema e um método para determinar a posição da tubulação suspensa em relação à tubulação de furo abaixo, sem intervenção humana no piso de plataforma de perfuração. É adicionalmente desejável utilizar a informação de posicionamento como entrada para o sistema automatizado de manipulação e posicionamento de tubos para alinhar a tubulação e colocar suas respectivas extremidades rosqueadas cada uma em contato com a outra antes do engate do manípulo hidráulico de conexão ao compor as tubulações. A mesma informação de posicionamento pode ser usada para desengatar de forma segura a tubulação suspensa da tubulação de furo abaixo seguida do rompimento durante as operações de manobra.

SUMÁRIO

[005] A presente descrição refere-se geralmente a um sistema de visão de máquina e a um método para determinar a posição relativa em três dimensões de uma tubulação de perfuração suspensa em relação a uma tubulação suspensa e aproximando as tubulações em alinhamento axial.

[006] Em uma modalidade, o sistema é composto por dois sistemas de câmera, cada sistema tendo câmera time of flight (ToF) em arranjo coplanar com uma câmera de vídeo a cores, os sistemas de câmera sendo deslocados radialmente um do outro. As informações digitais de cada sistema são combinadas e processadas por um computador para desenvolver informações de posição tridimensional da tubulação suspensa em relação à tubulação de furo abaixo;

[007] Em outra modalidade, a presente descrição provê que as informações de posição sejam encaminhadas a partir do computador para um sistema SCADA automatizado de manipulação de tubos, o sistema de manipulação de tubos que utiliza informações de posição relativa contínua a partir dos sistemas de câmera e do computador para mover a tubulação suspensa em alinhamento axial com a tubulação abaixo e para abaixar a tubulação suspensa em contato rosqueado com a tubulação de furo abaixo. Em cujo momento, o perfurador pode engatar os manípulos hidráulicos de conexão para compor a conexão rosqueada entre a tubulação de furo abaixo e a tubulação suspensa.

[008] Em uma outra modalidade, durante as operações de manobra no piso de perfuração, após a rompimento de uma tubulação suspensa a partir da tubulação de furo abaixo, a presente descrição provê que o sistema de câmera desenvolva informação de posição tridimensional a ser encaminhada para o dito sistema SCADA automático de manipulação de tubos para garantir que a tubulação suspensa está totalmente desengatada e desobstruída da tubulação de furo abaixo antes da manipulação do tubo, movendo-o para uma área de armazenamento.

[009] Em ainda outra modalidade, cada sistema de câmera é compreendido por uma câmera ToF, e duas câmeras de vídeo a cores, as câmeras de vídeo em um arranjo coplanar de flanco com a câmera ToF.

[0010] Em ainda outra modalidade, cada sistema de câmera é composto por uma câmera ToF ("luz ativa") de projetor infravermelho (IR) em combinação com uma ou mais câmeras de vídeo a cores.

[0011] Em ainda outra modalidade, cada sistema de câmera é composto por uma única câmera CCD.

BREVES DESCRIÇÕES DOS DESENHOS

[0012] Uma compreensão mais completa e intensa das presentes modalidades e vantagens das mesmas pode ser adquirida referindo-se à descrição a seguir, em conjunto com os desenhos anexos.

[0013] A figura 1 é uma ilustração simplificada de um piso de plataforma de perfuração.

[0014] A figura 2 é uma representação de um sistema de câmera visual estéreo digital.

[0015] A figura 3 é uma representação simplificada do processo visual estéreo.

[0016] A figura 4 é uma representação simplificada de uma câmera time of flight (ToF) matricial.

[0017] A figura 5 é uma representação da operação de sistemas de câmera, sistemas de processamento e sistemas de controle dentro do escopo da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0018] A descrição que se segue inclui aparelho, métodos, técnicas e/ou sequências de instrução exemplares que incorporam técnicas da matéria de estudo. Entende-se que a invenção pode ser praticada sem referência às modalidades e detalhes estabelecidos abaixo.

[0019] A presente descrição refere-se a um sistema de visão de máquina que pode ser usado para determinar a posição tridimensional e a distância de uma tubulação suspensa suspendida acima de um piso de plataforma de perfuração por um sistema automatizado de manipulação de tubos, em relação a uma tubulação de furo abaixo que se projeta acima do piso de plataforma de perfuração.

[0020] Em certas modalidades, a informação de posição e distância é provida a um sistema SCADA que controla o sistema automatizado de manipulação de tubos em base semicontínua para colocar a tubulação suspensa em alinhamento axial com a tubulação de furo abaixo e em contato rosqueado. Uma vez colocado em contato rosqueado, a conexão rosqueada entre a tubulação de furo abaixo e a tubulação suspensa pode ser apertada, ou "composta", utilizando um sistema de chave automatizada ou manípulo, que é composto por um tenaz de torque e um tenaz giratório.

[0021] Em certas modalidades, durante a remoção da tubulação a partir de um poço, seguindo as operações de rompimento ou de desenroscamento pelo manípulo hidráulico de conexão, as informações de posição e distância podem ser usadas para evitar o choque entre a tubulação suspensa e a tubulação de furo abaixo, como a tubulação suspensa é retirada da tubulação de furo abaixo e colocada em armazenamento utilizando um sistema automatizado de manipulação de tubos. Nesses casos, o sistema automatizado de manipulação de tubos é novamente controlado por um sistema SCADA que é provido à informação de posição e distância tridimensional (3D) da tubulação suspensa em relação à tubulação de furo abaixo.

[0022] Com referência agora à figura 1, a figura 1 ilustra uma vista simplificada de um piso de plataforma de perfuração moderno. Na figura 1, ilustra o piso de perfuração 2, tendo um furo central de perfuração 4, uma mesa rotativa 6 no mesmo, e uma tubulação de furo abaixo 8 que se projeta a partir do piso de perfuração 2 através da mesa rotativa 6. Será apreciado que a presente invenção pode ser utilizada em conjunto com um sistema de acionamento de topo (não mostrado) como uma alternativa a uma mesa rotativa. Na figura 1, a tubulação de furo abaixo 8 é mostrada como uma coluna de perfuração tendo um terminal fêmea 10 e as roscas de pressão fêmea 12. A tubulação de furo abaixo 8 é mantida no local por meio de deslizamentos automatizados de perfuração (não mostrados) como são bem conhecidos na técnica. A figura 1 representa uma configuração de torre 14 de plataforma de perfuração para suportar operações de perfuração, como aquelas fabricadas pela Huisman Equipment BV. Uma descrição simplificada do sistema automatizado de manipulação de tubos Huisman é representada em 14. Será apreciado que existe uma série de sistemas automatizados de manipulação de tubos comercialmente disponíveis que são capazes de reunir comprimentos mais curtos de tubulações em “colunas” mais longas, armazenando as colunas tubulares, recuperando tubulações a partir de áreas de armazenamento e as posicionando em relação à tubulação de furo abaixo 8, tal como o sistema HydraRacker fabricado pela National Oilwell Varco.

[0023] O sistema de manipulação de tubos exemplar representado na figura é composto por um membro central 16, capaz de girar entre o carrossel de armazenamento de tubo rotatório 28, onde outro tubo de perfuração 32 é armazenado e o piso de perfuração 2. O sistema de manipulação de tubos 1 inclui adicionalmente um par de braços 20 e 22, a extremidade próxima sendo montada sobre uma base 18 montada no membro central 16, a base 18 sendo capaz de ser transladada para cima e para baixo do membro central 16 por meio de cabo ou parafuso (não mostrado). Uma braçadeira de preensão 26 é montada nas extremidades distais dos braços 20 e 22, capaz de prender e segurar uma tubulação em relação ao sistema de manipulação de tubos. Adicionalmente, os braços 20 e 22 são capazes de girar em um plano vertical em relação à base 18, à medida que a base se translada ao longo do membro central 16 e é movida pelo braço de articulação 24, que é montado sobre a base 18. Deve ser entendido que existe uma segunda base 18 (não mostrada), conjunto de braços 20 e 22, braço de articulação 24 e braçadeira de preensão 26 montada no membro central 16 bem acima do piso de perfuração 2 que atua em conjunto com os membros correspondentes inferiores para levantar a tubulação para fora do carrossel, levantando-a acima do nível do piso de perfuração e colocando-a na posição acima do piso de perfuração. O carrossel de armazenamento de tubos rotatórios 28 é composto por uma placa inferior 30 que está embaixo do piso de perfuração, um fuso central 31 da placa superior (não mostrada) e membros de suporte 33, em que o tubo de perfuração é armazenado antes de ser usado. A placa inferior do fuso central é girada por sistemas hidráulicos (não mostrados) e gira para o presente tubo de perfuração 32 para uso em operações de perfuração. Desta forma, o membro central 16 pode ser girado em direção ao carrossel de armazenamento de tubos 28, aos braços 20 e 22 movidos ao longo da base 18 para colocar a braçadeira de preensão 26 em contato com o tubo de perfuração 32 armazenado no carrossel 28. Os braços 20 e 22 são então levantados para mover o tubo de perfuração 32 para fora do carrossel 28 e o membro central 16 girado para colocar o tubo de perfuração 32 acima do piso de perfuração 2 e em proximidade com a tubulação de furo abaixo 6.

[0024] Na figura 1, a tubulação suspensa 34 é representada como sendo tubo de perfuração, mas poderia ser qualquer uma das tubulações listadas acima, desde que a tubulação de furo abaixo fosse de um tipo correspondente. A extremidade mais baixa da tubulação suspensa 34 é uma conexão de extremidade de pino 36 que tem roscas macho 38 que casam com as roscas 12 na tubulação de furo abaixo 8 e proveem vedação por pressão, bem como integridade estrutural, entre a tubulação suspensa 34 e a tubulação de furo abaixo 8.

[0025] Um manípulo hidráulico de conexão 40 é representado na figura 1 em uma posição de retirada. O manípulo hidráulico de conexão 40 inclui uma armação 42 e uma unidade de potência hidráulica (não mostrada) que move o manípulo hidráulico de conexão 40 em direção a e para longe da mesa rotativa 6 ao longo das pistas 44A e 44B. O manípulo hidráulico de conexão 40 inclui adicionalmente um tenaz de torque 48 e um tenaz giratório 46, que permitem que o manípulo hidráulico de conexão 40 segure a tubulação de furo abaixo 8 em posição e gire a tubulação suspensa 34 para compor a conexão entre as tubulações 8 e 34. Será apreciado que, em vista da figura 1, o tenaz giratório 46 e o tenaz de torque 48 não são representados, mas sua função e propósito são bem conhecidos no campo petrolífero. Enquanto o manípulo hidráulico de conexão 40 representado na figura 1 é um sistema montado no piso de perfuração, existem outros sistemas de manípulo hidráulico de conexão, todos os quais podem ser utilizados nas modalidades aqui discutidas.

[0026] Uma estação de perfuração 50 é representada ao lado do piso de perfuração 2. A estação de perfuração tipicamente inclui instrumentação que inclui peso de broca e gancho, taxa de penetração, profundidade do conjunto de furo de fundo, taxa de rotação rotativa e torque, pressão de bomba de lama, taxa de fluxo de lama, bem como informação sobre ganho/perda de lama, temperatura da lama, densidade da lama, controles de perfuração, controles de manipulação de tubos, controles de manípulos hidráulicos de conexão, informação de manutenção de estação (quando fora da costa) e qualquer número de conjuntos customizáveis de manômetros e controles, que não são relevantes para a descrição.

[0027] Será apreciado que mesmo no ambiente semiautomatizado da figura 1, que alguns aspectos ainda requerem intervenção manual. Enquanto a tubulação suspensa 34 pode ser colocada na proximidade da tubulação de furo abaixo 8, o perfurador requer que a tubulação seja alinhada e em contato rosqueado antes de ativar o manípulo hidráulico de conexão 40. Isso ainda requer intervenção manual, colocando os plataformistas em um ambiente perigoso. Tentativas foram feitas para automatizar o posicionamento da tubulação suspensa 34 em relação à tubulação de furo abaixo. A Publicação de Patente US 20130345878 descreve um sistema videométrico em que uma câmera a cores é usada para assegurar que a tubulação de furo abaixo 8 e a tubulação suspensa 34 estejam na posição vertical apropriada antes do engate do manípulo hidráulico de conexão 40, assegurando assim que o tenaz de torque 48 assente adequadamente na tubulação de furo abaixo 8 e que o tenaz giratório 46 assente na tubulação suspensa. Embora este sistema da técnica anterior assegure que a tubulação seja da altura adequada (uma determinação de eixo geométrico z), também assume que a tubulação está corretamente alinhada em relação a um eixo geométrico longitudinal comum, isto é, o eixo geométrico Z para cada uma das tubulações está coaxialmente localizado no plano X-Y.

[0028] Para superar esta limitação, a presente invenção utiliza um sistema de câmera 54 montado atrás dos painéis de vidro 52 da estação de perfuração 50. Um segundo sistema de câmera 56 é representado como montado no piso de perfuração 2. Idealmente, sistemas de câmera 54 e 56 estão a uma distância igual do centro de perfuração 4. Enquanto os sistemas de câmera 54 e 56 são representados como aproximadamente deslocados um do outro em 90 graus, será apreciado que este deslocamento radial pode variar dentro do escopo da presente invenção. A presente invenção utiliza os dois sistemas de câmera 54 e 56 para estabelecer a posição da extremidade de pino 36 da tubulação suspensa 34 em relação ao terminal fêmea 10 da tubulação de furo abaixo 8 no espaço tridimensional. Essa informação de posição é processada para prover sinais de controle para o sistema automatizado de manipulação de tubos. Uma vez que a extremidade de pino 36 da tubulação suspensa 34 está alinhada com o terminal fêmea 10 da tubulação de furo abaixo 8 no plano X-Y, a presente invenção gera um sinal de controle para baixar a tubulação suspensa 34 em direção à tubulação de furo abaixo, de modo que as roscas 12 e 38 são colocadas em engate. Será apreciado que a distância de deslocamento vertical entre a extremidade de pino 36 e o terminal fêmea 10 pode ser definida como parte da operação da presente invenção.

[0029] Para superar esta limitação, a presente invenção utiliza um sistema de câmera 54 montado atrás dos painéis de vidro 52 da estação de perfuração 50. Um segundo sistema de câmera 56 é representado como montado no piso de perfuração 2. Idealmente, os sistemas de câmera 54 e 56 estão a uma distância igual do centro de perfuração 4. Enquanto os sistemas de câmera 54 e 56 são representados como aproximadamente deslocados um do outro em 90 graus, será apreciado que este deslocamento radial pode variar dentro do escopo da presente invenção. A presente invenção utiliza os dois sistemas de câmera 54 e 56 para estabelecer a posição da extremidade de pino 36 da tubulação suspensa 34 em relação ao terminal fêmea 10 da tubulação de furo abaixo 8 no espaço tridimensional. Essa informação de posição é processada para prover sinais de controle para o sistema automatizado de manipulação de tubos. Uma vez que a extremidade de pino 36 da tubulação suspensa 34 está alinhada com o terminal fêmea 10 da tubulação de furo abaixo 8 no plano X-Y, a presente invenção gera um sinal de controle para baixar a tubulação suspensa 34 em direção à tubulação de furo abaixo, de modo que as roscas 12 e 38 são colocadas em engate. Será apreciado que a distância de deslocamento vertical entre a extremidade de pino 36 e o terminal fêmea 10 pode ser definida como parte da operação da presente invenção.

[0030] Os sistemas de visão de máquina têm sido usados há muito tempo. O primeiro desses sendo uma câmera únicas que captura dados bidimensionais (2D), pode ser eficaz quando usado em relação a aplicações planares em um ambiente de iluminação controlada, tal como inspeções. As técnicas de processamento de formação de imagem em 2D, tal como a detecção de bordas e algoritmos de modelos correspondentes, podem ser usadas para capturar informações sobre características importantes de um item que pode ser comparado a informações armazenadas em relação a um item ótimo produzido para determinar se o item atende a um critério de aprovação/falha. No entanto, uma única câmera 2D não provê informações suficientes que permitam deduzir informação de posição em um ambiente tridimensional (3D).

[0031] As câmeras digitais usadas em pares podem ser usadas para determinar informação de profundidade, além de informação de borda, bem como a visão humana. A figura 2 representa um conjunto de câmeras de vídeo digitais retificadas, calibradas, a câmera esquerda 100 e a câmera direita 102. Cada uma das câmeras tem seu próprio sistema de coordenadas no plano da lente, representado por XL, YL e ZL para câmera esquerda 100 e XR , YR e ZR para a câmera direita 102. As câmeras digitais tipicamente têm matrizes planares de células de sensor retangulares com sistemas de conversão fotoelétricos, tais como um CMOS ou CCD. A matriz planar 104 possui um sistema de coordenadas VL e UL, com um único pixel 108 representado sobre o mesmo. Similarmente, a matriz 106 tem um sistema de coordenadas VR e UR com um único pixel 110 representado sobre o mesmo. A determinação da distância até um ponto está ilustrada na figura 3. Um ponto P terá coordenadas no tempo T em relação à câmera, que irá projetar de volta para os sensores planares como e , onde as câmeras 100 e 102 também têm a mesma posição vertical, a profundidade z ou a distância ao ponto P pode ser determinada por algoritmos de estereopsia computacional conhecidos.

[0032] O desafio na determinação da profundidade em um sistema de câmera estéreo é um problema de correspondência, isto é, dado que o ponto P é projetado pela câmera 102, o sensor planar 104 ao pixel 108 pL. Como pode determinar onde o pixel de ponto correspondente 110 pR está na imagem da câmera 102? Resolver este problema de correspondência pode requerer algoritmos complexos, computacionalmente intensivos, que requerem a detecção de características e a correspondência de modelos. Há uma série de outros fatores que afetam adversamente a determinação da profundidade da visão estéreo, incluindo a uniformidade da superfície do objeto e a falta de variação a cores do objeto. No contexto do ambiente de perfuração, existem fatores adicionais, incluindo vapor, umidade, iluminação e outros fatores ambientais que podem obscurecer parcialmente o objeto a ser medido. Além disso, na visão estéreo, o erro de resolução em profundidade é uma função quadrática da distância para o objeto a ser medido. Assim, a visão estéreo por si só não se revelaria propícia a um sistema de câmera que pudesse ser usado para determinar a posição 3D da tubulação suspensa 34 em relação à tubulação de furo abaixo 8 com suficiente precisão.

[0033] Outros sistemas de câmera foram desenvolvidos para determinar com maior precisão a distância a um objeto, ou informação de profundidade, tal como uma câmera time of flight matricial, referida a seguir como simplesmente um sistema ToF. As câmeras ToF por si só são capazes de determinação 3D. Uma câmera ToF básica consiste em um emissor, e um sensor de câmera, como mostrado na figura 3. O emissor é tipicamente um arranjo de lasers de estado sólido ou LEDs 202 que operam no infravermelho (IR) ou próximo de IR arranjados sobre o sensor 204, que é composto por vários sensores CMOS ou CCD, cada sensor representando um único pixel. O emissor pode ser pulsado, ou mais provável, e modulado por uma onda contínua, como uma sinusoide ou uma função de onda quadrada. A luz emitida deixa a câmera e atinge o objeto e é refletida de volta para o sensor da câmera. A luz que entra no sensor inclui a luz refletida e qualquer luz ambiente. Um filtro passa faixa é colocado na luz recebida pelo sensor, de modo que a luz medida esteja na mesma frequência da luz emitida. A mudança de amplitude e o diferencial de fase da luz refletida são medidos e a distância a um ponto em um objeto convertido em imagem pode ser estimada por algoritmos conhecidos. Será apreciado que os sistemas de processamento de sinal do ToF não são representados, pois tais sistemas estão comercialmente disponíveis.

[0034] Ainda outro tipo de câmera ToF que pode ser usada dentro do contexto da presente invenção é um projetor de luz codificado e uma câmera ToF, em combinação com um sensor de câmera de vídeo, como pode ser encontrado na câmera do Microsoft Kinect™, utilizada em conjunto com o sistema de jogos Xbox da Microsoft. A câmera ToF de luz codificada utiliza um projetor de luz codificado infravermelho para projetar um padrão de luz codificado em um objeto que é então detectado pela câmera ToF e provê uma melhor estimativa. Uma discussão detalhada das técnicas utilizadas para câmeras ToF matriciais, câmeras ToF de luz codificada, calibração e fusão de dados de profundidade com dados padrão de câmera de vídeo podem ser encontradas em C. Dal Mutto, P. Zanuttigh, G. Cortelazzo, Time-of Flight Cameras and Microsoft Kinect™, A user perspective on technology and applications, Springer, 24 de janeiro de 2013. Enquanto as câmeras ToF são capazes de determinar a profundidade ou a distância de um objeto, eles geralmente têm uma baixa resolução espacial e uma definição de borda fraca. A combinação da câmera ToF com uma alimentação de vídeo padrão permite melhor detecção e movimento de bordas. O uso da visão estéreo a cores pode ser usado para melhorar ainda mais a informação de profundidade, utilizando a informação de profundidade estéreo em conjunto com a informação de profundidade time of flight. Os sistemas de formação de imagem normalmente têm sistemas de processamento de imagem onboard para combinar visão de cores e informações de ToF. O sistema Kinect utiliza o chip Primesensor™ produzido pela Primesense, agora a Apple, Inc., mas outros sistemas de chip set são fabricados pela Texas Instruments, Canesta, Mesa Imaging e outros.

[0035] O uso de dados de câmera ToF e a cores pode ser usado para definir a característica e a informação de profundidade para a tubulação suspensa e a tubulação estacionária. No entanto, é insuficiente para determinar efetivamente a posição da tubulação no espaço tridimensional. Quando as tubulações estão para ser conjugadas, o eixo geométrico da tubulação suspendida deve ser coaxial com aquele da tubulação estacionária e a parte mais inferior da suspendida posicionada acima da parte mais superior da tubulação estacionária. Assim, um único sistema de formação de imagem é insuficiente para prover a resolução necessária para conseguir isso. Consequentemente, a presente invenção provê dois sistemas de formação de imagem. O rotativo na perfuração representa o centro do piso de perfuração, pois representa o eixo geométrico do furo de poço. A fim de prover informações adicionais com relação à posição da tubulação suspendida e estacionária em espaço tridimensional, os dois sistemas de formação de imagem são deslocados um do outro. Enquanto o segundo sistema de formação de imagem pode ser deslocado lateralmente a partir do primeiro, é preferível que os sistemas de formação de imagem estejam radialmente deslocados um do outro, com a rotativa representando o ponto central. De preferência, os sistemas de formação de imagem colocados na mesma posição vertical relativa em relação ao piso de perfuração e deslocados radialmente um do outro em 90°. Será apreciado que os outros ângulos de deslocamento ou alturas variadas dos sistemas de formação de imagem podem ser empregados, uma vez que tais variações podem ser contabilizadas no software utilizado para estabelecer a posição de uma característica e uma borda da tubulação em espaço tridimensional.

[0036] Os sistemas de formação de imagem da presente invenção podem consistir em uma variedade de combinações de câmeras. As câmeras utilizadas nos sistemas de formação de imagem são compostas por pelo menos uma câmera de vídeo a cores. Alternativamente, uma câmera Tempo de Voo ou Tof, uma câmera ToF de luz codificada ou matricial pode ser usada em conjunto com a câmera a cores. A resolução adicional pode ser obtida usando uma segunda câmera de vídeo em combinação com a câmera de vídeo acima e a câmera ToF, provendo, assim, informações de visão estéreo a cores adicionais para melhor resolver a profundidade de características para as tubulações. A câmera ToF opera para desenvolver características e dados de profundidade das tubulações. É emitido um sinal de saída composto pelos dados ToF, juntamente com os dados de características de um vídeo a cores digital, ou dados de características e profundidade, em caso de dados de vídeo estéreo a cores digital para um computador dentro da presente invenção. O computador pode ser um computador de sistemas de formação de imagem especializado ou um computador de utilização geral com software de processamento de imagem carregado sobre o mesmo.

[0037] O computador da presente invenção utiliza os dados digitais para estabelecer dados de posição das características das tubulações em espaço tridimensional. Será entendido que os sinais de saída de ambas a câmeras de vídeo a cores digital e a câmera ToF incluem informações de marca de tempo que permitem que os pixels para a respectiva saída da câmera sejam conjugados. O vídeo a cores digital ou os dados da câmera RGB são usados para estabelecer uma imagem da tubulação. Ao fazê-lo, deve ser capaz de reconhecer as tubulações de outros objetos localizados no piso de perfuração. Técnicas conhecidas para segmentação de imagem incluem registro anterior para distinguir a tubulação dos objetos por trás e detecção de borda para estabelecer o esboço das tubulações, provendo assim ao computador uma imagem do tubo no espaço. As técnicas de fluxo óptico de vídeo também podem ser usadas para rastrear o movimento da tubulação. Outras técnicas podem ser usadas para reduzir o tempo de processamento, tal como prover dados de modelo de imagem e ajuste de cilindro para reconhecer mais facilmente a tubulação e sua extremidade rosqueada, e técnicas de localização e mapeamento simultâneas ou SLAM para estabelecer o formato e a posição tubulares.

[0038] Os dados da câmera ToF são da mesma forma usados para obter uma vista do tubo que pode utilizar algoritmos similares ao processamento da câmera RGB. Além disso, os dados da câmera ToF proveem informações de distância para cada pixel na cena. A data RGB processada e os dados ToF processados são combinados quanto ao tempo e ao pixel, resultando em uma imagem 3D das tubulações. No entanto, a imagem 3D é suficiente apenas para estabelecer a posição das tubulações em relação ao sistema de câmera único. No entanto, esta informação de posição não é suficiente para alinhar as tubulações.

[0039] A figura 5 representa o processamento dos dados de sistema de câmera para sistemas de câmera 54 e 56, cada um composto por duas câmeras digitais RGB e uma única câmera ToF, câmeras 300, 302 e 304 e 306, 308 e 310, respectivamente. Os dados das câmeras RGB 300, 304, 306 e 308 são processados como descrito acima pelos processadores de imagem 312, 316, 318 e 322, respectivamente. Os dados ToF das câmeras 302 e 308 são processados por processadores de imagem 314 e 320, respectivamente. A imagem processada dos processadores 312 e 316 é então processada para desenvolver uma imagem RGB estéreo pelo processador 324. A imagem estéreo é então combinada com os dados de imagem de profundidade ToF processados pelo processador 326 para prover informações de imagem e profundidade do furo abaixo e tubulações suspendidas em relação ao sistema de câmera 54. Similarmente, os dados de imagem processados dos processadores 318 e 322 são então combinados para formar uma imagem RGB estéreo pelo processador 328, com a imagem estéreo sendo combinada com os dados ToF do processador 320 para formar uma imagem combinada pelo processador 330, que provê informações de imagem e profundidade do furo abaixo e tubulações suspendidas em relação ao sistema de câmera 56. A informação de profundidade e posição de cada câmera é usada pelo processador 332 para desenvolver a posição das extremidades do furo abaixo e tubulações suspendidas no espaço 3D, e seu deslocamento relativo. A informação de posição é então transmitida para o controlador SCADA 334, que aciona o sistema de manipulação tubular automatizado para colocar o furo abaixo e a tubulação suspendida em alinhamento axial e então em engate rosqueado. Enquanto vários processadores de imagem são retratados na figura 5, será apreciado que um único sistema processador de imagem pode ser usado para realizar as mesmas etapas.

[0040] Alternativamente, o computador da presente invenção pode emitir os dados de posição das tubulações para um computador separado, tal como um sistema SCADA, que pode ser usado para controlar o sistema de manipulação tubular. Nesse caso, o sistema SCADA utiliza as informações de posição para gerar instruções de posicionamento para o sistema de manipulação de tubos para colocar as tubulações em alinhamento.

[0041] Uma técnica de processamento de imagem ilustrativa para determinar a posição das tubulações utilizando câmeras RGB únicas é aqui apresentada. Os dados da imagem são contínuos, mas, como uma questão prática, é preciso selecionar uma etapa de tempo, ou tempo de amostra, que resultará em uma série de instantes em que o sistema de processamento de imagem será chamado a reconhecer as extremidades de tubulação estacionárias e suspensas, e determinar sua posição para aquela etapa de tempo, e fazer isso em uma quantidade de tempo razoável antes da próxima etapa de tempo. Será apreciado a utilização da tecnologia atual de processamento de imagem, essas etapas de tempo são pequenas, resultando em reconhecimento e dados de posição quase contínuos. Treinar o sistema de processamento de imagem quanto ao que procurar é o método mais comum de fazê-lo. Os sistemas de processamento de imagens foram treinados para reconhecer objetos, incluindo objetos parcialmente ocluídos, ou múltiplos objetos utilizando múltiplas fotografias do objeto a ser detectado, na presente invenção, as extremidades de tubulação. Além disso, o sistema de processamento de imagem deve ser treinado para reconhecer perfis variáveis, por exemplo, perfis de tubo-mestre, perfis de tubo de perfuração ou perfis de revestimento, que podem ser usados durante as operações. Por fim, deve-se reconhecer que estas tubulações não estão estacionárias durante as operações de composição/rompimento e que a extremidade de tubulação suspensa se moverá em relação à extremidade tubular estacionária de furo abaixo.

[0042] Um método exemplar de treinamento de um sistema de processamento de imagem da presente invenção utiliza uma extração e detecção de características de Histograma de Gradiente Orientado (HOG) modificado com base em imagens de vídeo múltiplas da tubulação específica. A técnica básica de HOG é apresentada no artigo de N. Dalal e B. Trigss Histograms of Oriented Gradients for Human Detection, Computer Vision and Pattern Recognition 2005 IEEE Computer Society Conference, pp. 886893, vol. 1, Instituto de Engenharia Elétrica e Eletrônica, que é aqui incorporado por referência. Utilizando esta técnica, as imagens são normalizadas para gama e cor, e utilizando uma janela de detecção, ou área de investigação, de um tamanho de pixel definido, que é escaneado ao longo de toda a imagem. À medida que a janela é escaneada, gradientes são calculados para esses pixels dentro da janela. Os gradientes para pixels são então agrupados para criar um voto ponderado em células espaciais e de orientação. As células são então combinadas em blocos maiores de células que são normalizados por contraste para criar um descritor que seja a resposta celular normalizada de todos os blocos na janela de detecção. O artigo de Dalal discute então dois métodos diferentes de detecção real de bordas de imagem usando as técnicas HOG para estabelecer a presença de uma borda de objeto. Os HOGs são então coletados para a janela de detecção, que no artigo Dalal é usada para treinar uma Máquina de Vetores de Suporte linear (SVM), um modelo de aprendizagem de máquina supervisionado. Tendo treinado o processador de imagem, a mesma técnica de escaneamento de janela de detecção é usada para identificar objetos em imagens em tempo real.

[0043] Existem várias insuficiências com a técnica descrita no artigo de Dalal, incluindo problemas associados com o agrupamento de janelas sobrepostas e a incapacidade de identificar múltiplos objetos dentro de uma única imagem. Isto pode levar a descritores subótimos quanto à borda de um objeto. No método exemplar da presente invenção, é utilizada uma abordagem modificada para treinar um HOG que é capaz de detectar múltiplos objetos dentro de uma única imagem. A técnica, conhecida como Max-Margin Object Detection (MMOD), que é usada para otimizar a detecção de objetos por múltiplas subjanelas. A MMOD utiliza um plano tangente que é imposto aos dados HOG para melhorar a aproximação da posição do objeto. O uso da técnica MMOD é discutido em D. King, Max-Margin Object Detection, http://arxiv.org/pdf/1502.00046v1.pdf, que é aqui incorporado por referência. O uso da técnica MMOD-HOG para treinar o SVM melhora o posicionamento espacial na detecção de objetos e permite a identificação de múltiplos objetos em uma única imagem em tempo real. Será apreciado que isto é importante para detectar e estabelecer a posição da extremidade estacionária de uma tubulação de furo abaixo e a extremidade da tubulação suspensa.

[0044] Embora o uso da técnica MMOD-HOG melhore a detecção de objetos e o posicionamento espacial, a modalidade exemplar da presente invenção melhora ainda mais a detecção e o posicionamento espacial do objeto utilizando árvores de regressão. Na sua forma mais básica, uma árvore de regressão divide de forma recursiva um conjunto de dados em dois subconjuntos dos dados, a divisão sendo escolhida para minimizar a soma de uma função de impureza das duas ramificações filhas, finalmente escolhendo a ramificação com a função de impureza mínima. Os dados nessa ramificação sofrem a mesma divisão de partição e o processo se repete até que os resultados da função de impureza atinjam um critério de parada ou os dados sejam particionados para um nível de ramificação arbitrariamente estabelecido. A regressão de árvores tem aplicação na classificação e será apreciado que existem várias maneiras pelas quais determinar como as divisões são determinadas, a função de impureza e os critérios de parada. Em um exemplo da presente invenção, uma modificação de software de reconhecimento facial (ver, http://dlib.net) é utilizada para melhorar ainda mais o ajuste de dados de reconhecimento de objetos MMOD-HOG para a imagem real, comparando as intensidades de pixels adjacentes dos dados de posição MMOD-HOG e tentando minimizar a diferença da soma dos quadrados de um conjunto de pixels da imagem real comparada à aproximação desenvolvida pelos dados de reconhecimento MMOD- HOG/SVM. No sistema exemplar, a regressão da árvore é limitada a três eventos de ramificação. Os resultados da aplicação da regressão de árvore aos dados MMOD-HOG/SVM melhoram o posicionamento espacial para dentro de um pixel da posição real do objeto.

[0045] Será apreciado que a tubulação suspensa estará em movimento e a capacidade do sistema de processamento de imagem para prover dados de posição espacial será afetada por esse movimento. A fim de melhorar a informação de posicionamento espacial, os resultados dos dados de posição de regressão de árvore são processados através de um conjunto paralelo de filtros de Kalman. Cada filtro de Kalman é idêntico, exceto pelos termos de ruído do processo que variam de muito pequeno a muito grande. Em cada etapa de tempo, o sistema de processamento de imagem usa a saída do filtro de Kalman que teve a previsão mais precisa da posição do objeto na etapa de tempo de imagem anterior. Isso provê um termo de ruído de processo adaptável em um filtro de Kalman. O resultado é que, quando o objeto não está se movendo muito, os filtros fazem fortes pressuposições sobre as posições dos tubos e dão saídas muito precisas. Quando o objeto está se movendo rapidamente no campo de visão da câmera, os filtros reagirão rapidamente às mudanças na posição do objeto, mas darão saídas ligeiramente menos precisas.

[0046] Enquanto o sistema de processamento de imagem exemplar utiliza a detecção de MMOD-HOG de janela de detecção, juntamente com regressão de árvore e filtros de Kalman para detectar e estimar com precisão a posição da tubulação suspensa móvel e a tubulação estacionária de furo abaixo, será apreciado que existem outras metodologias de processamento de imagem que podem ser empregadas para detectar e estabelecer a localização espacial da tubulação suspensa e da tubulação estacionária do furo abaixo. A informação de posição é então combinada com o segundo sistema de câmera por acima, para prover a localização das tubulações em espaço tridimensional. A informação espacial pode então ser provida a um sistema de manipulação tubular automatizado.

[0047] Está dentro do escopo da presente invenção utilizar qualquer sistema automatizado de manipulação de tubos que seja capaz de suspender uma tubulação e levá-la para o piso de perfuração, desde que o sistema de manipulação de tubos seja capaz de posicionamento tridimensional e tenha os algoritmos necessários para mover com precisão a tubulação suspensa em resposta às informações de localização, de modo que ela se alinhe com a tubulação de furo abaixo estacionária.

[0048] Considerando que a presente invenção foi descrita em particular em relação aos desenhos anexos, será apreciado que modificações adicionais, além daquelas aqui ilustradas, podem ser feitas dentro do escopo e espírito da presente invenção.

Claims (8)

1. Sistema para posicionamento de tubulações rosqueadas de campo petrolífero em um ambiente de piso de perfuração (2), o sistema compreendendo: um sistema de manipulação tubular automatizado (1) para mover um tubular (34), o tubular tendo uma conexão de rosca em cada extremidade, a partir de uma área de armazenamento tubular (28) próxima do piso de perfuração (2), sendo o sistema de manipulação tubular automatizado capaz de orientar o tubular móvel (34) em uma posição vertical e em proximidade a um tubular estacionário (8), o tubular estacionário tendo conexões de rosca em cada extremidade e posicionado verticalmente em um furo central de perfuração (4) no piso de perfuração, a extremidade mais alta do tubular estacionário (8) tendo uma conexão de rosca capaz de se acoplar com a conexão de rosca na extremidade inferior do tubular móvel; pelo menos dois sistemas de formação de imagem (54, 56), cada sistema de formação de imagem compreendendo pelo menos uma câmera (300, 302, 304, 306, 308, 310), os sistemas de formação de imagem sendo deslocados radialmente um do outro em relação ao centro do furo central de perfuração (4), caracterizado pelo fato de que: cada um dos sistemas de formação de imagem (54, 56) é configurado para fornece imagens de tempo real do tubular estacionário (8) e do tubular móvel (34) quando em proximidade do tubular estacionário (8); um sistema de processamento de imagem que recebe as imagens em tempo real dos sistemas de formação de imagem, o sistema de processamento de imagem que opera para: combinar e processar as imagens de tempo real dos sistemas de formação de imagem para desenvolver informação de posição tridimensional do tubular móvel (34) em relação ao tubular estacionário (8); detectar as tubulações estacionária e móvel e gerar estimativas em tempo real de dados de localização para as tubulações estacionária e móvel em espaço tridimensional no piso de perfuração; e transmitir as estimativas em tempo real para o sistema de manipulação tubular automatizado (1), o sistema de manipulação tubular (1) é configurado para processar a estimativa em tempo real para levar o tubular móvel (34) em alinhamento vertical com o tubular estacionário (8) e baixar o tubular móvel (34) em contato com o tubular estacionário (8).

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um dos sistemas de formação de imagem (54, 56) é composto por pelo menos uma câmera a cores (300, 304, 306, 310).

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: uma chave de torque automatizada (48) localizada no piso de perfuração (2), a chave automatizada sendo acionada a partir de uma posição afastada do furo central de perfuração (4) em direção ao furo central de perfuração (4) e em contato com o tubular móvel (34) e o tubular estacionário (8) e aplicar torque nos tubulares para estabelecer uma conexão rosqueada entre o tubular estacionário (8) e o tubular móvel (34).

4. Método para posicionamento de tubulações rosqueadas de campo petrolífero em um ambiente de piso de perfuração (2), o método compreendendo: mover um tubular (34), o tubular (34) tendo conexões de rosca em cada extremidade, por meio de um sistema de manipulação tubular automatizado (1) a partir de uma área de armazenamento tubular (28) próxima do piso de perfuração (2), sendo o sistema de manipulação tubular automatizado (1) capaz de orientar o tubular móvel em posição vertical e em proximidade a um tubular estacionário (8), o tubular estacionário (8) tendo conexões de rosca em cada extremidade, posicionado verticalmente em um furo central de perfuração (4) no piso de perfuração (2), a extremidade mais alta do tubular estacionário (8) tendo uma conexão de rosca capaz de acoplar com a conexão da rosca na extremidade inferior do tubular móvel (34); capturar dados de imagem de pelo menos dois sistemas de formação de imagem (54, 56), cada sistema de formação de imagem compreendendo pelo menos uma câmera (300, 302, 304, 306, 308, 310), os sistemas de formação de imagem sendo deslocados radialmente um do outro em relação ao centro do furo central de perfuração (4), caracterizado pelo fato de que: cada um dos sistemas de formação de imagem (54, 56) em tempo real do tubular estacionário (8) e o tubular móvel (34) quando em proximidade do tubular estacionário (8); combinar e processar as imagens de tempo real dos sistemas de formação de imagem (54, 56) por um sistema de processamento de imagem, o sistema de processamento da imagem que opera para desenvolver informação de posição tridimensional do tubular móvel (34) em relação ao tubular estacionário (8), detectar os tubulares estacionário e móvel e gerar estimativas em tempo real de dados de localização para o tubular estacionário (8) e o tubular móvel (34) em espaço tridimensional no piso de perfuração (2); e transmitir as estimativas em tempo real para o sistema de manipulação tubular automatizado (1), o sistema de manipulação tubular processando as estimativas em tempo real para levar o tubular móvel (34) em alinhamento vertical com o tubular estacionário (8) e abaixar o tubular móvel (34) em contato rosqueado com o tubular estacionário (8).

5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a etapa de captura de dados de imagem por cada um dos sistemas de formação de imagem (54, 56) compreende o uso de pelo menos uma câmera a cores (300, 304, 306, 310).

6. Método de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: criar uma conexão rosqueada entre o tubular móvel (34) e o tubular estacionário (8) apertando as roscas tubulares usando um sistema de chave de torque hidráulica automatizada (40) localizada no piso de perfuração (2).

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizado pelo fato de que a etapa do sistema de processamento de imagem que reconhece e gera informação de posição compreende: reconhecer os tubulares móvel (34) e estacionário (8) utilizando uma técnica de gradiente orientado para histograma de janela deslizante para uma etapa de tempo de dados de imagem para cada sistema de imageamento (54, 56); desenvolver informações de posição para os tubulares móvel (34) e estacionário (8) usando uma técnica de treinamento de máquina vetorial de suporte utilizando os dados de gradiente orientados para histograma; aplicar um algoritmo de regressão de árvore à informação da posição para refinar a informação da posição; e combinar as informações de posição para os tubulares móvel (34) e estacionário (8) com base em dados de imagem de cada sistema de câmera para criar informações de posição tridimensional.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a etapa de desenvolvimento de informação de posição inclui adicionalmente a etapa de prover a informação de posição a um conjunto paralelo de filtros de Kalman, cada filtro possuindo um fator de ruído diferente, cada um resultando em diferentes informações de posição de cada filtro, e selecionar a partir do conjunto de informações de posição diferentes a informação de posição que mais acuradamente determinou a informação de posição em um etapa de tempo imediatamente anterior.

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