CN102713140A - 远程钻井和完工管理 - Google Patents
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- E21B44/00—Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
Abstract
一种通过允许从远端位置执行多种功能来减少钻机上所需的人员数目的方法。所述方法包括利用多个远程监控钻机参数的观察装置。将来自所述观察装置的数据传输到远程操作中心，所述远程操作中心用以分析所述数据以便确定所述钻机的操作改变。然后可以将控制指令传输到所述钻机来实施所述操作改变。
Description
相关申请的交叉引用
本文件基于2009年12月30日提交的美国临时申请第61/290967号和2010年12月9日提交的美国非临时申请第12/963736号并且要求所述申请的优先权。
背景
多种地下流体通过使用钻井钻入或穿过地下岩层来从所述地下岩层获得。矿井可用于与多种流体相关的开采和生产，所述流体包括油、气、水、地热流体和其它类型的液体和/或气体。在许多应用中，采用钻机来为钻井和其它矿井施工活动提供便利。传统上来说，在钻机上用相对大量的钻机操作者和其他人员来进行与矿井施工相关的复杂操作。然而，在钻机位置处用相对大量操作者和人员的这些要求使得费用和操作复杂性增加。概述
一般来说，本发明提供一种用于减少钻机上人员数目的方法。所述方法包括利用多个远程监控钻机参数的观察装置。将来自观察装置的数据传输到远程操作中心，在远程操作中心处对所述数据进行分析，以用于确定钻机的操作改变。然后可以将控制指令传输到所述钻机以便实施操作改变。
附图简述
下文将参考附图对本发明的一些实施方案进行描述，其中相同的参考数字表示相同的元件，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方案的与矿井上方的钻机进行通信的远程操作中心的示意图；
图2是根据本发明的一个实施方案的可以用在远程操作中心中和钻机上的控制系统的示意图；
图3是根据本发明的一个实施方案的可以用于远程操作中心中来处理数据和/或输出操作命令到钻机的基于计算机的控制系统的示意图；
图4是根据本发明的一个实施方案的用于钻机上以与远程操作中心对应和/或执行钻机相关操作功能的控制系统的示意图；
图5是根据本发明的一个实施方案的用于利用远程操作中心的钻机的操作控制的分层结构的示意图；以及
图6是根据本发明的一个实施方案的远程操作中心的示意图。
详细描述
在下文描述中，对大量细节进行阐述以提供对本发明的理解。然而，本领域普通技术人员应理解，可以在没有这些细节的情况下实践本发明，并且可以对所描述的实施方案进行大量变更或修改。
本发明大体涉及一种能够实现钻机上所需人员的数目减少的方法。例如在远程操作中心采用多个观察装置来远程监控钻机参数。这样就允许对数据进行远程处理，以使得能够在远程操作中心做出关于钻机的操作改变的决定。然后将命令发送到所述钻机以实施操作改变。在一些实施方案中，在钻机处进行实时数据收集，并且所述实时数据被自动传输到远程操作中心。然后对实时数据进行处理以确定钻机处需要操作改变。如果需要这种操作改变，那么可以将来自远程操作中心的命令信号进行转达以便在钻机处开始自动改变。
根据本发明的一个实施方案，一般来说，所述方法可以用于在烃和水的开采和生产方面。举例来说，所述方法和执行所述方法的系统可以用于油井、气井、地热井和水井的施工操作和修复操作的远程管理。
本发明的实施方案涉及大量钻井和完工活动，其中矿井剖面相似，以便能够实现高效施工。这种实施方案包含新工作方法和工作流程，与传统操作相比，所述新工作方法和工作流程利用技术来减少进行某些任务所需的人员的数目。相关的专利文件包括：发明者George Karr等人的Schlumberger Technology Corporation的标题为“Drilling CollaborationInfrastructure”的美国公开案第US2008-0208475号；发明者Shunfeng Zheng的Schlumberger Technology Corporation的标题为“Data Aggregation ForDrilling Operations”的美国公开案第US-2009-0225630号。美国公开案第US2008-0208475号和美国公开案第US2009-0225630号以引用方式并入本文。
本发明的各个实施方案包括构建矿井(用于油、气、地热、水)的新方式，其中对这种矿井施工的主要监督位于远程位置而不是在钻机本身。这种新方法利用远程通信、数据采集和软件技术领域的新技术源动力，并且促进矿井施工操作中效率的提高，所述操作基于：
加强的合作，
减少人力的要求，以及
集中的决策过程。
在远程钻井和完工管理中，钻机是重要部件，这是因为所有的物理操作均发生在钻机处。钻机包含用于促进基于钻机的操作的一组人员。本发明的一个实施方案包括具有以下步骤的方法：获取钻机上重要参数的实时数字测量结果(例如，通过使用传感器和/或摄像机、扩音器、视频会议设备等)并且将这些测量结果发送到位于远端的操作中心，在所述操作中心处可能具有专家和/或管理团队。这一远程操作中心负责对实时数据进行接收、分析、解释，并且基于这些解释做出明智的决定。在许多应用中，处理和分析是在(例如)基于计算机的处理器上自动进行，以便做出关于钻机的操作改变的决定。然后将这些决定传达回钻机组人员——由于远程操作中心的加入而减少了用于执行的人员的数目。如下文所述，这些决定的实施可以在钻机处经由控制系统自动执行。
可以根据本文所描述的方法来自动进行的系统/任务的一些实施例包括：下行旋转导向系统、泥浆泵控制、钻头上的重量控制、设置组合位置和设置RPM。随着时间的流逝，钻机将变得越来越自动化，从而允许更为机械自动化的执行操作，因而大量减少钻机方面的人员需求。本发明的实施方案的概念仍然保持不变，这是因为所述执行操作可以由机械、人员或两者的组合来完成。
在下文所描述的本发明的实施方案中，远程矿井管理方法中涉及的当事人可以包括，但不限于：
矿井现场主管人(公司员工)，
定向钻井人员，
随钻测量人员，
优化工程师，
矿井工程师，
钻井工程师，
钻井监督人，
泥浆代表人，
钻机代表人，
信息技术专家，
软件专家，以及
完工人员。
其它当事人是任选的且可以包括：钢缆人员、固井人员、防压裂人员、连续管人员和测试人员。
大体参阅图1，示意图提供有与位于矿井24上方的钻机22进行通信的远程操作中心20，所述矿井24可能由一个或多个钻井孔26限定。在这一实施方案中，远程操作中心20所处位置可能与钻机22距离较远，并且可能定位在总部或世界范围内的其它多种位置处。钻机22与远程操作中心20之间的通信由线28表示，并且这些通信可以经由诸如陆线的硬线、无线或硬线与无线通信系统的组合来进行。举例来说，可以应用基于无线、卫星的通信将来自钻机22的数据传输到远程操作中心20和/或将来自远程操作中心20的数据传输到钻机22。
如图2所示，远程操作中心20和钻机22两者分别包含信号发送器30、32以在所述两者之间传输信号。信号发送器30、32的具体类型取决于通信/通信线28的形式，所述通信/通信线28被用来将来自钻机22的数据输送到远程操作中心20和/或将来自远程操作中心20的控制信号输送到钻机22。在这一实施例中，信号发送器30进一步与控制系统34合作，所述控制系统34可能是位于远程操作中心20处的基于计算机的控制系统。信号发送器32可以连接到位于钻机22上的相应控制系统36，从而一起合作。远程控制系统34用于接收和处理来自钻机22的数据。可能仅在控制系统34上就可完成数据处理，或者所述处理可以通过远程操作中心20处的专家与其他人员的合作来完成。钻机控制系统36被用来收集数据并且协助将数据传输到远程操作中心20，但控制系统36也可以用于执行与钻机22上的操作改变相关的命令。
根据一个实施方案，控制系统36用于获取钻机22上参数的实时数字测量结果。与信号发送器32合作的控制系统36进一步被用来将实时数字测量结果自动传输到远程操作中心20以供处理。一旦在远程操作中心20处对数据进行了处理和/或进一步分析，就对是否需要钻机的操作改变做出决定。如果需要，那么与操作改变相关的命令数据将经由与信号发送器30合作的控制系统34传输返回到钻机22。然后将通过(例如)自动化动作在钻机22处实施这些钻机的操作改变，所述自动化动作例如利用下行旋转导向系统、控制泥浆泵、控制钻头上的重量、设置组合位置、自动调整井下动力钻具的工具面位置、自动调整井下涡轮的工具面位置、自动调整钻井泥浆和/或完工泥浆的性质(例如粘度、密度、流体丧失量和/或其它性质)和改变钻柱RPM。
在图2所示的实施方案中，例如钻机参数的实时数字测量结果的采集的数据采集可以使用多种不同类型的观察装置38来完成。举例来说，观察装置38可以包含一个或多个摄像机40、扩音器42或传感器44。在所示的实施例中，摄像机40、扩音器42和传感器44位于钻机22表面上方。然而，多种观察装置38也可能位于钻井孔26中的钻孔内。取决于具体应用，可以将多种井下传感器46或其它观察装置部署在各种类型的井下设备48上或与所述各种类型的井下设备48合作。在一个实施例中，井下设备48包含底孔组件50，其具有用于在钻孔操作中旋转钻头52的钻井系统。如图所示，底孔组件50可以通过合适的运输工具54部署在钻孔内，所述运输工具54例如钻柱，其从定位在表面位置56处的钻机22向下延伸。
将各个观察装置38收集到的数据经由合适的通信线路58转达到控制系统36，所述通信线路58可以是有线或无线通信线路。在这一实施例中，经由控制系统36对数据进行实时积累，并且控制系统36与信号发送器32合作将所述数据传输到远程操作中心20。观察到的钻机参数和所采用的观察装置38的类型可以取决于具体操作而改变，例如，钻机22处执行的钻井操作或其它服务操作。
取决于具体系统和所采用的方法，可以根据各种配置构建控制系统34和控制系统36。根据一个实施例，如图3所示，控制系统34包含基于计算机的控制系统60。在至少一些应用中，基于计算机的控制系统60是自动化系统，对其进行编程以处理和评估从钻机22接收到的数据，并且将命令数据自动传输返回到所述钻机以实施钻机的操作改变。基于计算机的控制系统60可以包含中央处理器(CPU)，其经由信号发送器30、32和通信系统/线路28与钻机控制系统36连接。此外，基于计算机的控制系统60可以包含存储器64、输入装置66和输出装置68。
输入装置66可以包含多种装置，诸如键盘、鼠标、声音识别单元、触屏、其它输入装置或这些装置的组合。输出装置68可以包含视频输出装置和/或音频输出装置，诸如具有图形用户界面69的显示器。输入装置66和输出装置68可以包含单个或多个装置，其可以用于协助与位于远程操作中心20处的专家或其他人员的互动。此外，所述处理可以在位于远程操作中心20处的单个装置或多个装置上完成。举例来说，控制系统34可以包含多个基于计算机的控制系统60，其通过网络连接到一起或以其它方式组合以促进关于多种钻机参数的数据的远程处理和分析。
钻机控制系统36可以类似地包含单个控制装置或多个控制装置形式的多种控制系统，所述控制装置在合作情况下发生作用。在图4所示的实施方案中，钻机控制系统36是基于计算机的处理系统，其被设计来接收关于来自各个观察装置38的钻机参数的数据，所述各个观察装置38诸如摄像机、扩音器、表面传感器、井下传感器和设计来检测/测量与钻机22操作相关的所需参数的其它装置。此外，钻机控制系统36可能被设计来经由其发送器32接收来自远程操作中心20的控制命令。钻机人员可以执行各种钻机操作改变，但在许多应用中，这些钻机操作改变也可以通过钻机控制系统36来自动执行。在自动化控制期间，钻机控制系统36经由通信线路72与各个装置70(位于钻机22上和/或位于矿井24中的钻孔内)进行通信，所述通信线路72可以是有线通信线路或无线通信线路。可以由钻机控制系统36执行的自动化功能的实施例包括：利用下行旋转导向系统、控制泥浆泵、控制钻头上的重量、设置组合位置、自动调整井下动力钻具的工具面位置、自动调整井下涡轮的工具面位置、自动调整钻井泥浆和/或完工泥浆的性质(例如粘度、密度、流体丧失量和/或其它性质)和改变钻柱RPM。
如上文所述，在钻机22与远程操作中心20之间容易地传达数据的能力有助于提高对给定钻机操作的实施的控制。此外，在远程操作中心20处进行处理和分析的能力减少了本来会在钻机22上采用的人员数目。通过实施本文所描述的方法，可以在钻机22上部署相对少量的人员，同时其他人员位于更为方便的位置，即，远程操作中心20处。自动化处理和数据处理的组合结合数目减少的钻机人员提供了更为有效和强大的钻井操作和其它基于钻机的操作。
对于不同的应用，钻机22上和远程操作中心20处人员的特定布置大体均不同。无论如何，本发明方法能够实现多个参与者之间的合作而不需要这些参与者在钻机22处存在。大体参考图5，示出钻机人员与远程操作中心人员进行互动以实现更为有效的钻机操作的实施例。
在所示的实施例中，钻井主管人74和钻机监督人76两者可以彼此通信，观察数据，提供指示并且与钻机22上和远程操作中心20处的其它系统和人员进行互动。举例来说，可以由工厂钻井主管人78和钻井主管人80于一个位置处或两个位置处建立通信。因此，每个工厂钻井主管人78或钻井主管人80最好能够提供输入给另一个人员并且从另一个人员接收输入，所述另一个人员包括公司人员82、钻井组人员84和/或远程操作中心20处和/或钻机22处的其他人员和/或设备。举例来说，系统和方法能够实现人与人的简单联系，并且能够与控制系统34、36(例如，数据服务器)进行互动。人/设备之间的互动也可以包括与辅助钻井主管人86、区域支持中心、钻机安全协调员88和合作第三方90的互动。
根据经由钻机22执行的具体钻机操作，远程操作中心20处的职员的数目和职责各不相同。如图6示意性所示，驻扎在远程操作中心20处与控制系统34进行互动的职能人员的实施例可以包括定向钻井工92和工厂钻井主管人78。可能驻扎在远程操作中心20处的人员的其它实施例包括优化工程师96和矿井工程师98。每个人员可以经由合适的输入装置66和输出装置68进入控制系统34。各个人员可以监控从钻机地点处的观察装置38接收到的数据，并且所述各种人员可以提供输入以增强对钻机22的人为和/或自动化控制。举例来说，可以进行编程调整以调整对响应从观察装置38接收到的数据的钻机操作改变的自动控制。远程操作中心20处的人员也可以执行多种额外功能，所述功能的相关内容如下：监控钻机操作、调整钻机操作、与其它关注方互通信息(参见图5)和执行先前由驻扎在钻机处的人员实施的钻机操作功能。
如上文所述，所述方法和系统被用来以减少的钻机人员简化对钻机操作的控制。所述方法可以实施用于多种钻机操作，包括利用许多类型的井下工具和设备的钻井操作。可以经由来自钻机人员和/或位于远端的人员的输入从井下控制若干类型的底孔组件和/或其它钻井设备和服务设备。此外，许多类型的观察装置可以被用来获取用于在远程操作中心处进行处理和分析的数据，所述观察装置包括井下传感器、表面传感器、视频监控设备、音频设备和其它类型的观察装置。可以仅根据所需的程序和算法或结合来自远程操作中心处人员的输入通过不同类型的处理系统来对所述数据进行处理和分析。各种级别的自动化控制也可以经由位于远程操作中心处和/或钻机处的控制系统施加到钻机的操作改变上。
因此，尽管上文仅详细描述了本发明的一些实施方案，但本领域的普通技术人员应容易了解到，在实质上未脱离本发明的教义的情况下，可以进行许多修改。这些修改期望包括在权利要求书中界定的本发明的范围中。
Claims (20)
1.一种用于构建矿井的方法，其包括：
获取钻机上参数的实时数字测量结果；
将所述实时数字测量结果自动传输到远程操作中心；
在所述远程操作中心处对所述实时数字测量结果进行处理以确定钻机操作改变；
将关于所述钻机的操作改变的数据传输返回到所述钻机；以及
实施所述钻机操作改变。
2.根据权利要求1所述的方法，其中获取包括利用安装在所述钻机上的传感器。
3.根据权利要求1所述的方法，其中获取包括利用位于所述钻机上的相机。
4.根据权利要求1所述的方法，其中获取包括利用位于所述钻机上的扩音器。
5.根据权利要求1所述的方法，其中实施包括经由下行旋转导向系统自动调整旋转导向系统。
6.根据权利要求1所述的方法，其中实施包括自动调整泥浆泵的操作。
7.根据权利要求1所述的方法，其中实施包括自动调整钻头上的重量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中实施包括自动调整所述钻机上的组合位置。
9.根据权利要求1所述的方法，其中实施包括自动调整钻井系统的RPM。
10.根据权利要求1所述的方法，其中实施包括自动调整井下动力钻具的工具面位置。
11.根据权利要求1所述的方法，其中实施包括自动调整井下涡轮的工具面位置。
12.根据权利要求1所述的方法，其中实施包括自动调整泥浆流体的流体性质。
13.一种用于构建矿井的方法，其包括：
经由多个不同类型的观察装置监控钻机参数；
将关于所述钻机参数的数据发送到远程操作中心处的处理系统；
在所述远程操作中心处对所述数据进行处理和分析；以及
基于由处理和分析所述数据所获取的结果对来自所述远程操作中心的钻机操作改变进行控制。
14.根据权利要求13所述的方法，其中监控包括获取实时数字测量结果。
15.根据权利要求14所述的方法，其中发送包括将实时数字测量结果数据自动发送到所述远程操作中心。
16.根据权利要求13所述的方法，其中处理和分析包括在基于计算机的处理系统上处理和分析所述数据，并且将结果输出到图形用户界面。
17.根据权利要求16所述的方法，其中控制包括利用所述基于计算机的处理系统和所述远程操作中心来自动控制所述钻机操作改变。
18.一种用于有效构建矿井的方法，其包括：
减少钻机上的人员数目；
利用多个观察装置来远程监控钻机参数；
在远程操作中心处做出关于所述钻机的操作改变的决定；以及
实施来自所述远程操作中心的所述操作改变。
19.根据权利要求18所述的方法，其中做出决定包括在位于所述远程操作中心处的基于计算机的处理系统上处理来自所述观察装置的数据。
20.根据权利要求18所述的方法，其中实施包括自动改变所述钻机上的多个功能。
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