CN103270243A - 控制钻井系统中的振动 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制钻井系统中的振动的方法,该钻井系统包括细长体和相关联的驱动系统,该细长体从地面延伸到形成于地层中的井孔中,该驱动系统用于驱动细长体,该驱动系统包括转矩控制器,该方法包括获得钻井系统的模型;获得用于该模型的与钻井系统的井口参数相关的至少一个输入参数;操作驱动系统以将驱动转矩提供给细长体;通过应用该模型并使用至少一个输入参数而获得至少一个输出参数,该至少一个输出参数包括旋转运动的至少一个模型化井下参数;将用于旋转运动的模型化井下参数用在转矩控制器中,以用来确定对驱动转矩的调整,从而控制振动;以及该钻井系统包括转矩控制器,该转矩控制器适于使用旋转运动的模型化井下参数来确定对驱动转矩的调整。

Description

控制钻井系统中的振动
技术领域
本发明涉及一种钻井系统以及涉及一种用于控制钻井系统中的振动的方法。
背景技术
例如在从地下地层中钻井或者生产烃的情况下,在细长体中可产生许多振动,所述细长体诸如是用在井眼中的进入到大地中的钻孔设备。
典型地通过旋转钻井来钻出油井和/或气井,从而产生井眼,该井眼可具有竖直部分和/或从竖直部分偏离开的部分(例如水平部段)。
在旋转钻井中,典型地,使用钻柱,该钻柱在其井下端部处包括钻头,其中该钻柱的主要段是由螺纹连接在一起的多段钻杆所形成的。钻柱通过驱动系统(例如,顶部驱动器或者转盘)被旋转,从而在地面处或者附近向钻柱提供转矩。钻柱将该旋转传递到钻头,与此同时典型地还通过钻柱提供钻压以及钻井流体,从而使井孔延伸。驱动系统可以例如是顶部驱动器或者转盘。
钻柱可以是几千米长,例如高达10km,20km或者甚至更多,因而相比于其直径,钻柱是非常长的细长体。在钻井期间,钻柱将扭曲若干圈。在钻井期间通过下述方式可能引起不同振动(例如,旋转、扭转、横向和/或纵向(轴向)振动):通过使钻柱在井孔壁旁边的粘-滑(stick-slip)运动交替进行,通过改变钻头-岩石的相互作用力,以及通过由泥浆泵所产生的钻井流体中的压力脉冲。
在模型描述中,可能经常将钻柱看作为具有扭摆件的行为,即钻柱的顶部以某一角速度旋转,而钻头以变化的角速度进行旋转。该变化的角速度可具有恒定部分和叠加的扭转振动部分。在极端情况下,钻头周期性地达到完全停止。保持钻柱在地面处的旋转集聚了转矩,并最终使得钻头突然再次最初典型地以比地面处的角速度高得多的角速度开始旋转。速度被再次减弱,并且可重复该过程,以导致摆动行为。该现象称为粘-滑。
诸如为了降低加载在设备上的振动负载、过度的钻头磨损、过早的工具失效以及差的钻速,期望防止这些振动。在滑动阶段期间所产生的高峰速度可导致了像极限轴向和横向的加速度和作用力的副作用。
为了抑制粘-滑现象,在本领域中已经应用了用于控制驱动系统的速度的控制方法和系统,从而抑制或者防止钻头的旋转速度变化。
在EP-B-443689中公开了一种这样的方法和系统,其中,流过钻井组件的驱动系统的能量流被控制在选定的极限之间,该能量流可被限定为横向变量和贯通变量的乘积(product)。速度波动可通过测量这些变量中的至少一个以及响应于该测量结果调整另一变量而得以降低。
在EP-B-1114240中,其指出了从EP-B-443689获知的控制系统可通过旋转弹簧和与驱动系统相关联的转动阻尼器的组合来代表。为了获得最佳阻尼,弹簧的弹簧常数和阻尼器的阻尼常数将被调整到最优值,并且钻柱的旋转刚度在调整到这些最优值方面扮演着重要的角色。为了辅助这种调整,EP-B-1114240因此公开了一种确定用于在地层中钻出井孔的钻柱的旋转刚度的方法和系统。
WO2010/063982公开了一种用于减弱粘-滑操作的方法和系统,其中旋转速度是使用PI控制器来控制的,该控制器被调整成使得钻井机构吸收了粘-滑频率处或附近的扭转能量。该方法还可包括估计钻头速度的步骤,该钻头速度是井下钻具组合的瞬时旋转速度。钻头速度在司钻的图形界面处进行显示,并且被认为是帮助司钻发现井下正在发生什么情况的有用的可选特征。
用于不平滑的机械系统的基本控制理论在A.Doris,output-feedback design for non-smooth mechanical system:Controlsynthesis and experiments(用于不平滑的机械系统的输出反馈设计:控制综合实验),Ph.D.thesis,Eindhoven University of Technology,September2007(此后被称为Doris出版物)中有描述。
已知的方法和系统采用了粘-滑振荡(振动)的特定频率,并且调整控制系统到该效果。该控制策略可在粘-滑振动以不同于期望频率的不同频率发生的情况下或者在存在可随着操作条件而变化的多个振动频率时失效。
需要一种用于抑制钻井系统中的振动的更耐用(robust)的控制方法。
发明内容
本发明提供了一种用于控制钻井系统中的振动的方法,该钻井系统包括细长体和相关联的驱动系统,该细长体从地面延伸到形成于地层内的井孔中,该驱动系统用于驱动细长体,该驱动系统包括转矩控制器,所述方法包括以下步骤:
-操作驱动系统,以将驱动转矩提供给细长体;
-获得钻井系统的模型;
-获得用于模型的至少一个输入参数,所述至少一个输入参数与钻井系统的井口参数相关;
-通过应用模型并使用至少一个输入参数而获得至少一个输出参数,所述至少一个输出参数包括旋转运动的至少一个模型化井下参数;
-旋转运动的模型化井下参数用在转矩控制器中,以用来确定对于驱动转矩的调整,从而控制细长体的振动。
本发明是基于由申请人所获得的见解的:为了防止振动,尤其是扭转振动,诸如粘-滑振荡,更耐用的控制是在旋转运动的井下参数(诸如,井下旋转速度)用在驱动转矩控制中时而获得的。已知的方法使得控制仅仅基于直接获得的井口参数,诸如井口旋转速度和/或井口转矩。申请人还进一步实现了:通过应用钻柱的模型可获得用于旋转运动的井下参数。使用与钻井系统的井口参数相关的至少一个参数作为模型的输入,所述至少一个参数例如是所确定的、所测量的、所估计的、所知晓的或者所计算出的井口参数,或者是从另一井口参数衍生出、表示另一井口参数或者与另一井口参数直接相关的参数。
在一个实施例中,至少一个输入参数包括与井口转矩相关的至少一个参数。与井口转矩相关的参数的一个实例可以是由联接到细长体的井口端部的旋转驱动器提供的转矩参数,例如可从现代顶部驱动器中获得。可替代地或者另外地,与井口转矩相关的参数可以是转矩参数,诸如在细长体的井口位置处所测量的转矩。
在一个实施例中,至少一个输入参数是或者包括旋转运动的至少一个井口参数,尤其是表示井口角速度的参数。该旋转运动的至少一个井口参数还可用于转矩控制器中,以用于确定对于驱动转矩的调整。
在一个实施例中,该方法包括获得用于模型的与一个井下角位置的估计值相关的第二输入参数的步骤。
在一个实施例中,旋转运动的至少一个模型化井下参数包括细长体的模型化井下角速度。
在一个实施例中,该至少一个模型化井下参数包括细长体的模型化井下角位置。
在一个实施例中,该至少一个输出参数包括细长体的模型化井口角位置。
在一个实施例中,该模型用于确定模型化转矩,该方法包括通过确定模型化转矩与井口转矩的差异小于预定值来验证该模型的步骤。
在一个实施例中,所述模型化井下参数是针对细长体的井下端部处或附近的井下位置确定的。该井下端部可例如是钻头或者井底钻具组合。
在一个实施例中,该旋转运动的至少一个井口参数是针对地面处或附近的井口位置确定的。
在相对于井下端部的附近表示例如在200m内,尤其是在100m内。例如,井底钻具组合中的任何位置被认为是在细长体的井下端部附近。大地表面可以是海上井的海底。相对于大地表面的附近表示距离大地表面与钻井钻机之间的任何位置例如200m内,该钻机可以是水面处的海上钻井钻机。
在一个实施例中,细长体包括钻柱,该钻柱在其井下端部处具有钻头。
本发明还提供了一种钻井系统,该钻井系统包括:
-钻柱,所述钻柱在井口端部处具有钻头;
-驱动系统,所述驱动系统连接到钻柱的井下端部,并且适于将驱动转矩提供给钻柱;
-计算机装置,所述计算机装置用于通过应用钻柱的模型并使用用于模型的至少一个输入参数来获得至少一个输出参数,所述至少一个输入参数包括与细长体的井口参数相关的参数,其中,所述至少一个输出参数包括旋转运动的至少一个模型化井下参数,
其中,所述驱动系统包括转矩控制器,所述转矩控制器适于使用旋转运动的模型化井下参数来确定对驱动转矩的调整。
驱动系统可还包括测量装置,所述测量装置例如对井口转矩和/或对与井口旋转运动相关的参数进行测量。
附图说明
现在将参照附图通过举例来更详细地描述本发明,附图中:
图1示意性示出了根据本发明的控制原理图;
图2示意性示出了模型化钻井方法;
图3、4a、4b、5a、5b示出了来自钻井系统及其模型的一个实例对于不同参数的结果。
具体实施方式
现在参照图1,示意性示出了根据本发明的振动控制原理的一个实施例。控制模型1呈一种级联构型。在该图的论述中,使用下列参数:
Tm:由驱动系统(例如顶部驱动器或者转盘)提供给细长体的驱动转矩;
V:输入到驱动系统的马达的电压;
Figure BDA00003382457600061
分别是在地表处或附近所确定的井口转矩和通过模型所计算的井口转矩;
u:用于控制驱动转矩的修正(update)值;
分别是细长体在井口位置处的角位置和在井下位置处的角位置;
Figure BDA00003382457600063
分别是细长体在井口位置处的角速度和在井下位置处的角速度;
分别是细长体在井口位置处的加速度和在井下位置处的加速度;
Figure BDA00003382457600065
旋转运动的模型化井口参数,即,分别是细长体在井口位置处的角位置、角速度和加速度的模型化估计值;
旋转运动的模型化井下参数,即,分别是细长体在井下位置处的角位置、角速度和加速度的模型化估计值。
通常,标记“u”(“上”)指的是井口位置,优选地在大地表面处或者附近,而标记“l”指的是井下位置,优选地在细长体的井下端部处或附近。符号上的横杠指的是模型化参数。符号上的点指的是对时间一阶导数,也就是,单点表示速度,双点表示加速度。下标eq将用来表示平衡值,也就是,用于系统不振动的状态的值。
角速度也被称为旋转速度。
在图1中,具有细长本体的钻柱系统10从井口位置(诸如大地表面)向下延伸到井孔中,其经由15通过驱动系统(马达30)而被驱动,从而产生了用于驱动钻柱的驱动转矩Tm。该马达30是经由35由控制器50控制的。
驱动系统通常包括转盘或者顶部驱动器,而钻柱典型地包括已增加重量的下端部部分(即,井底钻具组合(BHA)),其在钻井期间提供了必要的钻压。
通过顶部驱动器意味着驱动系统在其上端部(即,靠近钻柱从钻井钻机悬挂下来的位置)处驱动钻柱旋转。
钻柱系统的井口参数是诸如在地面处确定的,并且用在控制策略中。
一个井口参数与井口转矩相关。钻柱的上部部分中的实际井口转矩是T。在本发明的实践中,常常可获得施加到现代驱动器(其通常是顶部驱动器)中的转矩Tm或者与Tm直接相关的参数来作为数字参数。对于直接连接到钻柱上端部的顶部驱动器,T和Tm并不典型地有很大区别,而是首先可被大致上认为是相同的。微小的数量差异可由于驱动器自身中的摩擦以及并不在驱动器与钻柱之间传递的高频作用而产生。在转盘驱动器中,可存在由于传输损失而导致的差异。在任何情况下,井口转矩T或者与该转矩直接相关的参数可通过例如由在地面处或附近的场所处的转矩传感器进行测量而确定。
其他井口参数可通过适当的传感器来测量。在该实施例中,井口速度
Figure BDA00003382457600071
或者代表井口速度的参数也通过在地面处或附近的传感器测量。与井口速度的相关的参数例如是井口位置处的一个旋转周期。旋转周期与速度直接相关而且代表速度。
控制策略也可采用对钻井系统的建模。该模型在图1中用70表示,并且典型地在运行软件(例如以Matlab编写的软件)的计算机系统中实施。本领域已知如何构建用于给定的钻柱和用于井孔中钻柱的模型。该模型可以是简单的两自由度(DOF)模型,例如类似于Doris出版物的6.2.2节中所使用的模型。该模型还可以是更复杂的多自由度模型。也可能的是,使用本来已知的模型简化方法从多-DOF模型导生出2-DOF模型。本领域技术人员知晓如何构建通过包括钻井系统的足够本征模而将特定钻井系统的动力学描述得足够准确以满足控制器需要的模型。
模型7经由45接收钻井系统或细长体的一个或多个井口参数。在该实施例中,
Figure BDA00003382457600081
在该实施例中用作与
Figure BDA00003382457600082
一起输入到钻柱系统的模型的输入参数。
Figure BDA00003382457600083
是控制器开始操作时刻井底钻具组合的角位置的估计值。转矩参数还可用作模型中的输入,例如,经由55所传递的Tm
钻柱系统的模型可计算旋转运动的井下参数,例如和/或
Figure BDA00003382457600085
并且可选地进一步计算钻井系统的井口参数和井下参数,诸如,旋转运动
Figure BDA00003382457600086
这些参数中的一些或全部可经由75传送到控制器7,在控制器处,它们可被处理,例如具有控制器增益的乘法程序(multiplication routine)。在一个实施例中,
Figure BDA00003382457600087
用作经由25对于控制器的输入。该控制器增益可例如如Doris出版物的6.3.3节中所确定的。基于从控制器5接收的输入,马达以微分值-u改变Tm,并且将其供给到钻柱系统1,以抑制振动。
适当地,模型还被用来确定模型化转矩
Figure BDA00003382457600088
该模型化转矩经由82而被传送到比较器90,在比较器处其与被确定为井口参数的转矩T(经由84接收)相比较。如果差异较小,则证明井口转矩T比模型低10%,否则其被更新(由86所表示),直到发现更好的一致性为止。
实例
参照图2,论述了钻井系统100的2-DOF模型。该系统包括两个惯量(Ju,Jl),弹簧柔性kθ,两个摩擦转矩(Tu,Tl)以及来自驱动系统的驱动转矩,该驱动系统典型地包括电马达(Tm)。Ju是驱动系统(例如顶部驱动器)和钻柱的上部部分的惯量,Jl是井下钻具组合(BHA)和钻柱的其余部分的惯量。kθ是钻杆刚度,Tu描述了钻柱上部部分的扭转运动中的转矩阻力(马达中的静电作用力,滚珠轴承中的摩擦等),以及Tl描述BHA与周围地层以及钻柱和井孔中的钻井泥浆的相互作用。
考虑描述本系统的扭转动力学的两组不同等式。
等式(1)-(8)被认为准确地代表了钻柱系统,并且被认为是该实例中的实际系统。模型通常偏离实际系统。因此,在等式(9)-(10)中,一些干扰被添加到kθ、Jl和Tl,以模拟模型化的不准确性。该干扰值通常低于基准值的10%。
下列等式(1)-(8)描述了图2中所示的钻井系统的动力学。
J u · θ · · u + k θ · ( θ u - θ l ) + T u ( θ · u ) - T m = 0 - - - ( 1 )
J l · θ · · l - k θ · ( θ u - θ l ) + T l ( θ · l ) = 0 - - - ( 2 )
T u ( θ · u ) ∈ T cu ( θ · u ) · sgn ( θ · u ) for θ · u ≠ 0 - - - ( 3 ) [ - T su + Δ T su , T su + Δ T su ] for θ · u = 0 - - - ( 4 )
T cu ( θ · u ) = T su + Δ T su · sgn ( θ · u ) + b u · | θ · u | + Δ b u · θ · u - - - ( 5 )
T l ( θ · l ) ∈ T cl ( θ · l ) · sgn ( θ · l ) for θ · l ≠ 0 - - - ( 6 ) [ - T sl , T sl ] for θ · l = 0 - - - ( 7 )
T cl ( θ · l ) = T sl + ( T sl - T cl ) · e - | θ · l ω st | δ st + b l · | θ · l | . - - - ( 8 )
作为图2中所示的钻井系统的模型化模拟,下列等式(9)和(10)用于替代(1)和(2)。
J u · θ ‾ · · u + k θm · ( θ ‾ u - θ ‾ l ) + T u ( θ ‾ · u ) - T m = 0 - - - ( 9 )
J lm · θ ‾ · · l - k θm · ( θ ‾ u - θ ‾ l ) + T lm ( θ ‾ · l ) = 0 - - - ( 10 )
这些等式(9、10)中的参数原则上如同等式(3)-8)中那样。Tlm具有与Tl相同的结构,也就是说,通过等式(6)-(8)来描述,而在这些等式中Tclm替代了Tcl且blm替代了bl
当诸如从地面测量结果中已知
Figure BDA00003382457600099
时,人们可将
Figure BDA000033824576000910
在等式(9)和(10)中替代为
Figure BDA000033824576000911
因此,等式(9)可具有以下形式:
J u · θ ‾ · · u + k θm · ( θ u - θ ‾ l ) + T u ( θ · u ) - T m = 0 - - - ( 11 )
J lm · θ ‾ · · l - k θm · ( θ u - θ ‾ l ) + T lm ( θ ‾ · l ) = 0 - - - ( 12 )
此外,由于井口转矩T已知或者已经被测量的事实
T=kθ·(θul)                   (13)
其可与模型所计算的转矩相比较
T ‾ = k θm · ( θ ‾ u - θ ‾ l ) - - - ( 14 )
以便证明模型是否能够充分精确地描述钻柱系统的动力学。如果
Figure BDA000033824576001015
和T之间的差异大于预定值,例如大于T的10%,则模型参数被适当地进一步优化,直到用于钻井系统的模型值与实际值之间有更好的匹配为止。
使用Matlab软件进行计算来求解等式。在表格1中给出钻柱系统及其模型的参数值。
图3示出了用于井口转矩T(301)以及模型化井口转矩
Figure BDA00003382457600104
(302)分别作为时间函数的实例的结果。该图表明:当在模型中使用
Figure BDA00003382457600105
时,T与
Figure BDA00003382457600106
匹配得非常好。
此外,在图4(a)和4(b)中描绘出θul(401)、
Figure BDA00003382457600107
(402)、
Figure BDA00003382457600108
(451)和
Figure BDA00003382457600109
(452)的时间关系曲线。这些附图示出了θul
Figure BDA000033824576001010
以及
Figure BDA000033824576001011
Figure BDA000033824576001012
匹配得非常好。粘-滑行为清楚可见。实际中,井下角速度
Figure BDA000033824576001013
通常是不可得到的。在此所讨论和示出的仅仅是验证模型重构钻柱系统的完全扭转动力学的模型的能力,而并不需要实际实施本发明。
根据本发明,对于驱动转矩的调整被施加以用于进行转矩控制,从而控制振动。该调整可采取该实例中的下列形式:
u = - k 1 · [ θ ‾ u - θ ‾ l - ( θ ‾ u , eq - θ ‾ l , eq ) ] - k 2 · [ θ · u - θ · u , eq ) ] - k 3 · [ θ ‾ · l - θ · l , eq ] - - - ( 15 )
其中,下标eq在此指的是模型与钻柱系统的平衡值。该调整u是使用旋转运动的模型化井下参数计算的。
Figure BDA00003382457600111
Figure BDA00003382457600112
是相等的,并且它们是钻柱系统在钻井时的期望值,因为在它们相等时不发生粘-滑振动。为了计算我们放弃了等式(11)(12)中的加速度分量,我们以
Figure BDA00003382457600114
替代,并且我们再次求解了等式(11)和(12)。k1,k2,k3是使用模型(11)、(12)根据Doris出版物的控制理论计算出的常数。在表格1中给出它们的值。施加到钻柱系统的总转矩是:
Ttotal=Tm-u        (16)
代替Tm的是,该转矩用在(1)中。
在图5a和5b中,列出了
Figure BDA00003382457600115
(501)和
Figure BDA00003382457600116
(551)的闭环结果,也就是说,当控制器被包含在根据等式14的计算中时。该图示范出控制回路能够消除钻柱系统的粘-滑BHA振动。注意的是,控制器能够消除对于非常低RPM(每分钟转数)的粘-滑振动,相对于已知粘-滑抑制方法来说,这是优点,并且对于油田钻井系统具有很大的实际意义。
本发明并不限于其上面所描述的实施例,其中,在所附权利要求的范围内可想到许多修改。相应实施例的特征例如可相结合。
表格1
Figure BDA00003382457600117
Figure BDA00003382457600121

Claims (15)

1.一种用于控制钻井系统中的振动的方法,所述钻井系统包括细长体和相关联的驱动系统,所述细长体从地面延伸到形成于地层中的井孔,所述驱动系统用于驱动细长体,所述驱动系统包括转矩控制器,所述方法包括以下步骤:
-操作驱动系统,以将驱动转矩提供给细长体;
-获得钻井系统的模型;
-获得用于模型的至少一个输入参数,所述至少一个输入参数与钻井系统的井口参数相关;
-通过应用模型并使用至少一个输入参数而获得至少一个输出参数,所述至少一个输出参数包括旋转运动的至少一个模型化井下参数;
-将旋转运动的模型化井下参数用在转矩控制器中,以用来确定对驱动转矩的调整,从而控制细长体的振动。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述至少一个输入参数包括与井口转矩相关的至少一个参数。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,与井口转矩相关的所述至少一个参数是或者包括由旋转驱动器所提供的转矩参数,所述旋转驱动器联接到细长体的井口端部。
4.根据权利要求2或3所述的方法,其中,与井口转矩相关的所述至少一个参数是或者包括在细长体的井口位置处所测量的转矩参数。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法,其中,所述至少一个输入参数包括旋转运动的至少一个井口参数。
6.根据权利要求5所述的方法,其中,所述旋转运动的至少一个井口参数包括表示井口角速度的参数。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的方法,其中,将所述旋转运动的至少一个井口参数也用在转矩控制器中,以用来确定对驱动转矩的调整。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法,所述方法包括获得用于模型的第二输入参数的步骤,所述第二输入参数与对一个井下角位置的估计值相关。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法,其中,所述旋转运动的至少一个模型化井下参数包括细长体的模型化井下角速度。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法,其中,所述至少一个模型化井下参数包括细长体的模型化井下角位置。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法,其中,所述模型用于确定模型化转矩,所述方法包括通过确定模型化转矩与井口转矩的差异小于预定值来验证所述模型的步骤。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法,其中,所述模型化井下参数是针对细长体的井下端部处或附近的井下位置确定的。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法,其中,所述至少一个井口参数是针对大地表面处或附近的井口位置确定的。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法,其中,所述细长体包括钻柱,所述钻柱在其井下端部处具有钻头。
15.一种钻井系统,所述钻井系统包括:
-钻柱,所述钻柱在井口端部处具有钻头;
-驱动系统,所述驱动系统连接到钻柱的井下端部,并且适于将驱动转矩提供给钻柱;
-计算机装置,所述计算机装置用于通过应用钻柱的模型并使用用于模型的至少一个输入参数来获得至少一个输出参数,所述至少一个输入参数包括与细长体的井口参数相关的参数,其中,所述至少一个输出参数包括旋转运动的至少一个模型化井下参数,
其中,所述驱动系统包括转矩控制器,所述转矩控制器适于使用旋转运动的模型化井下参数来确定对驱动转矩的调整。
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