CN104364467A - 用于海洋钻井的高分辨率钻井钻进速度 - Google Patents

Abstract

两个传感器(114，112)可以安装在海洋钻机(100)上以提高用于监控和操作海洋钻机的测量。传感器可以以不同的配置进行安装，其中一个传感器位于海洋钻机的顶部滑车(102)上，并且第二传感器位于海洋钻机的钻台(104)上。使用从两个传感器获得的测量可执行各种计算，如，海洋钻机的钻进速度、海洋钻机的钻井水平泡沫、海洋钻机的非直线度值以及海洋钻机的振动运动。

Description

用于海洋钻井的高分辨率钻井钻进速度

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年1月23日提交的美国临时专利申请号61/589,445以及2013年1月15日提交的美国实用申请号13/741,990的优先权权益，据此其通过引用以其整体被合并。

技术领域

本公开涉及海洋钻井，更特别地，本公开涉及海洋钻井的监控装备。

背景技术

在海洋钻井领域，船舶动态特性对天车的控制和监控两者都有很大的影响。尽管天车位置相对于钻台并没有严格意义上的重要性，但是天车位置是一个重要的考虑因素。在具有移动式海上钻井装置(MODU)的海洋钻井中，顶驱可以是钻柱和钻塔的主要附接点。

通常，在海洋和陆上钻井两者中，用于测量滑车位置的仪器是旋转编码器。存在这种编码器的不同类型和附接配置。在MODU上至少有两部分对滑车位置感兴趣，每个针对的原因稍有不同。由于钻井系统具有高自动化性质，钻台是滑车位置信息的主要使用者。自动系统针对各种控制回路和安全互锁监控滑车位置。滑车位置数据的另一个使用者是MODU甲板上的第三方服务公司，如泥浆测井人员，随钻测量服务提供商，随钻测井服务提供商，以及定向钻井者。

钻台上的编码器的布置有优势和折衷。编码器的最方便和可靠的位置是安装在绞车的轴上。安装在轴上时的主要优点在于该位置允许容易地安装和维修。该位置的缺点是可能会产生系统误差，这是因为编码器的观测是一种间接的测量。编码器的这种布置测量滚筒的当前旋转角度。为了得出的滑车的位置，校准是必要的。可通过使用诸如卷尺或电子测距(EDM)之类的直接距离测量装置生成滑车位置对旋转增量之间的查找表来执行校准。将编码器放置在绞车的旋转轴上引入非线性系统误差。另外，钢丝绳可能由于温度和负载而发生变形。还有另一个可能性是使用字符串编码器代替旋转编码器。

通常，运动参考单元(MRU)和垂直参考单元(VRU)用于提供针对船舶起伏的主动补偿的测量。这些单元可以安装在钻台上。来自这些传感器的输出驱动控制回路反馈机构，如控制系统中的比例积分微分(PID)控制器回路，以试图保持钻头上的恒定负荷。

发明内容

根据一个实施例，一种方法包括从位于海洋钻机的钻台上的第一传感器接收第一信息。方法还包括从位于海洋钻机的顶驱上的第二传感器接收第二信息。方法进一步包括部分地基于从第一传感器接收的第一信息和从第二传感器接收的第二信息计算物理参数。

根据另一个实施例，一种计算机程序产品包括非临时性计算机可读介质，非临时性计算机可读介质具有用于从位于海洋钻机的钻台上的第一传感器接收第一信息的代码。该介质还包括用于从位于海洋钻机的顶驱上的第二传感器接收第二信息的代码。该介质进一步包括用于部分地基于从第一传感器接收的第一信息和从第二传感器接收的第二信息计算物理参数的代码。

根据再另一个实施例，一种设备包括位于海洋钻机的钻台上的第一传感器。设备还包括位于海洋钻机的顶驱上的第二传感器。第一传感器和第二传感器以不同的配置被建立。设备进一步包括耦合至第一传感器和第二传感器的处理器。存在至少一个处理器被配置成部分地基于从第一传感器接收的第一信息和从第二传感器接收的第二信息计算物理参数。

前述内容对本公开的特征和技术优势进行了相当粗略的概括，以便可以更好地理解接下来对本公开的详细描述。本公开的附加特征和优点将在下文中描述，其形成了本公开的权利要求的主题。本领域的技术人员应认识到的是，所公开的概念和具体的实施例可以容易地用作修改或设计其他结构以实现本公开的相同目的的基础。本领域的技术人员还应认识到的是，这些等同的构造并没有偏离所附的权利要求中阐述的本公开的精神和范围。当与附图一起考虑时，被认为是本公开的特性的新特征，关于其组织结构和操作方法两者，连同进一步的目标和优点将会从以下的描述中得到更好的理解。然而，要明确理解的是，每一个图都仅仅是出于说明和描述的目的被提供，而不意图作为对本公开的限制的定义。

附图说明

为了更完整地理解所公开的系统和方法，现在参考连同附图做出的下面的描述。

图1为图示根据本公开的一个实施例的具有两个传感器的海洋钻机的框图。

图2为图示根据本公开的一个实施例的用于耦合海洋钻机上的两个传感器的通信系统的框图。

图3为图示根据本公开的一个实施例的用于操作海洋钻机上的两个传感器的方法的流程图。

图4为图示根据本公开的一个实施例的从海洋钻机上的两个传感器接收信息的机械化的框图。

图5为图示根据本公开的一个实施例的非典型误差状态卡尔曼滤波器回路的框图。

图6为图示根据本公开的一个实施例的计算机系统的框图。

具体实施方式

第二传感器可安装在海洋钻机上，如顶部滑车上，从而提高用于监控和操作海洋钻机的测量。图1为图示根据本公开的一个实施例的具有两个传感器的海洋钻机的框图。海洋钻机100(如移动式海上钻井装置(MODU))可包括钻台104。第一传感器114可以位于钻台104上。第一传感器114可包括加速计、陀螺仪和指南针中的一个或多个。根据一个实施例，第一传感器114可适当地当作用于爆炸危险区域。海洋钻机100也可包括顶部滑车102。

第二传感器112可位于顶部滑车102上。第二传感器112可包括加速计、陀螺仪和指南针中的一个或多个。根据一个实施例，第二传感器112安装在顶部滑车102上。第一传感器114和第二传感器112可按不同的配置建立。例如，第一传感器114和第二传感器112可以几乎同时进行测量，以便可从由第二传感器112检测的顶部滑车102的移动中减去由第一传感器114检测的钻台104的移动。第一传感器114和第二传感器112可以耦合至用于计算海洋钻机100的物理参数的处理器(尚未示出)。

图2为图示根据本公开的一个实施例的用于耦合海洋钻机上的两个传感器的通信系统的框图。处理器240可通过通信总线224从第一传感器214(例如位于钻台上的传感器)接收信息。处理器240可进一步通过命令总线234(如RS-232或RS-422串行总线)与第一传感器214通信。处理器240还可通过通信总线232从第二传感器212(如位于顶部滑车上的传感器)接收信息。定位数据系统216(如全球定位系统(GPS)或全球导航卫星系统(GNSS))可通过通信总线222(如RS-232或RS-422串行总线)与第二传感器212耦合以提供定位信息。处理器240可从第一传感器214和第二传感器212接收信息，诸如例如起伏、浪涌、和/或摇摆值。然后处理器240可以部分地基于从第一传感器214和第二传感器212接收的信息计算物理参数。处理器240通过通信总线242为外部装置(未示出)提供计算的物理参数。根据一个实施例，可以为第一传感器214和第二传感器212提供时间同步消息和脉冲以协调两个传感器212和214的测量。

图3为图示根据本公开的一个实施例的用于操作海洋钻机上的两个传感器的方法的流程图。方法300在方框302处以从海洋钻机的钻台上的第一传感器接收第一信息开始。方法300继续到方框304，从海洋钻机的顶驱上的第二传感器接收第二信息。该方法300继续到方框306，部分地基于分别在方框302和304处接收到的第一和第二信息计算物理参数。图4和图5中呈现了计算过程的附加细节。图4为图示根据本公开的一个实施例的从海洋钻机上的两个传感器接收信息的机械化的框图。图5为图示根据本公开的一个实施例的非典型误差状态卡尔曼滤波器回路的框图。

根据一个实施例，方框306处的计算可以包括计算高分辨率钻进速度(HDROP)。HDROP是指顶驱和/或顶部滑车的准确和精确的姿势估计。HDROP的计算可使用比例积分微分(PID)回路和/或最优估计器(如错误状态卡尔曼滤波器(ESKF))。PID回路的结果可与ESKF相比较以用于噪声起伏的简单单状态求解。在算法的设计和开发期间，可使用动态仿真来模仿基于已知模型的可观测量。在另一个方案中，计算可从真正的动态特性开始，并且然后建模传感器输出和附加误差以形成馈送到最优估计器的新的离散数据集合。当前滑车位置计算可基于具有以下各项配置：自升式平台上的绞车旋转编码器，具有被动补偿和隔水导管张紧器的漂浮钻探平台(浮式装置)上的绞车旋转编码器，具有主动起伏补偿的浮式装置上的绞车旋转编码器。

根据另一个实施例，方框306处的计算可包括计算钻井水平泡沫(drilling levelbubble)的数字可视化。钻探水平泡沫可在屏幕上显示以便为钻井者和/或钻塔队长提供水准的理想定向的视觉指示，以降低转盘中管道的可能结合。根据一个实施例，系统误差，如角度偏移，可在计算期间去除。钻探水平泡沫的计算可利用惯性测量装置(IMU)数据，但是可在没有误差状态卡尔曼滤波器和/或准确的时间标记的情况下进行。

根据再另一个实施例，方框306处的计算可包括计算出直线度(OOS)值。可以监控来自两个传感器(或者自升式平台的单个传感器)的信息以确定由于随顶驱从转台过渡到天车引起变形导致的轨道上顶驱的任何机械结合。基于来自两个传感器的信息，可计算沿轨道长度的定向的差异。这个差异可作为基线测量用于与未来的测量进行比较以确定轨道变形是否发生。针对来自ESKF的OOS监控，可计算顶部滑车的准确瞬时位置。

根据另一个实施例，方框306处的计算可包括基于状况的监控。放置在海洋钻机上的机器上的传感器(如加速计)可测量该机器的振动。顶驱上的传感器可测量部件在频域内的宽频谱，包括由于船只运动引起的低频率振动和由于电动机操作引起的高频率振动。通过几乎同时测量另一个位置(如钻台)处的振动，传感器输入可被不同地组合以计算顶驱的实际运动。通过完成这点，船舶运动和钻台振动可从顶驱振动中去除或减少。

不同传感器配置在海洋钻机上的其他应用包括通过确定钻头移动和/或振动返回进行随钻地震(SWD)和钻头断裂检测，以及海洋钻井上的精密运动控制。上述的不同惯性传感器的使用可以提高从海洋钻机测量的准确性以及提供海洋钻钻机的操作。例如，当不同的传感器放置在顶部滑车和钻台上时，可从传感器进行测量，并且该测量可用于计算各种用于监控或操作海洋钻机的物理参数。

海洋钻机上不同传感器配置的一个应用包括精确运动控制。一旦滑车的准确空间位置和滑车的动态特性是已知的，便可实施精密的运动控制应用。这提供比由旋转编码器推论的信息更加准确的动态信息。

图6图示计算机系统600，其根据某些实施例被适配为服务器和/或用户界面装置以用于处理和/或显示来自图1和图2的不同传感器的数据。中央处理单元(“CPU”)602耦合至系统总线604。CPU 602可以是通用CPU或微处理器、图形处理单元(“GPU”)、和/或微控制器。本实施例不被CPU 602的架构限制，只要CPU 602(无论直接或间接地)支持此处描述的模块和操作即可。CPU602可根据目前的实施例(如图3所示的方法)执行各种逻辑指令。

计算机系统600还可包括随机存取存储器(RAM)608，其可以是同步RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、和/或同步动态RAM(SDRAM)。计算机系统600可利用RAM 608存储由软件应用使用的各种数据结构，如从第一和第二传感器接收的信息。计算机系统600还可包括只读存储器(ROM)606，其可以是PROM、EPROM、EEPROM、光存储装置等等。ROM可以存储用于启动计算机系统600的配置信息。RAM 608和ROM 606保持用户和系统数据。

计算机系统600还可包括输入/输出(I/O)适配器610、通信适配器614、用户界面适配器616和显示适配器622。在某些实施例中，I/O适配器610和/或用户界面适配器616可使用户能够与计算机系统600交互。在进一步的实施例中，显示适配器622可在显示装置624(例如监控器或触摸屏)上显示与的软件或基于web的应用相关联的图形用户界面(GUI)。

I/O适配器610可把一个或多个存储装置612(如以下各项中的一个或多个：硬盘驱动器、闪盘驱动器、光盘(CD)驱动器、软盘驱动器、以及磁带驱动器)耦合至计算机系统600。通信适配器614可被适配为将计算机系统600耦合至网络，这个网络可以是LAN、WAN、和/或因特网中的一种或多种。通信适配器614还可被适配为将计算机系统600耦合至其他网络，如全球定位系统(GPS)或蓝牙网络。用户接口适配器616将用户输入装置(如键盘620、指示装置618、和/或触摸屏(未显示))耦合至计算机系统600。键盘620可以是在触摸面板上显示的屏幕上的键盘。附加装置(未示出)，如照相机、麦克风、摄影机、加速计、指南针、和或陀螺仪可被耦合至用户界面适配器616。显示适配器622可由CPU602驱动以控制显示装置624上的显示。

本公开的应用不局限于计算机系统600的架构，而是提供计算机系统600作为可被适配为执行服务器和/或用户界面装置的功能的一种类型的计算装置的示例。例如，任何适合的基于处理器的装置都可以被利用，包括但不限于：个人数据助理(PDA)、平板计算机、智能电话、计算机游戏控制台、和多处理器服务器。此外，本公开的系统和方法可在专用集成电路(ASIC)、超大规模集成(VLSI)电路、或其他电路上实施。事实上，本领域普通技术人员可利用任何数量的能够执行根据所述实施例的逻辑操作的适合结构。

如果在固件和/或软件中实施，上述的功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上。例子包括编码有数据结构的非临时计算机可读介质和编码有计算机程序的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是计算机能够访问的任何可用的介质。举例来说，但并非是限制地，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CDROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁存储装置，或者能够用于存储指令或数据结构形式的期望的程序代码和能被计算机访问的任何其它介质；此处使用的磁盘和光盘包括压缩盘(CD)、激光盘、光碟、数字通用光盘(DVD)、软盘和蓝光盘，其中磁盘通常以磁的方式复制数据，而光盘利用激光光学地复制数据。以上这些的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。

除了在计算机可读介质上存储，指令和/或数据可被提供为通信设备中所包括的传输介质上的信号。例如，通信设备可包括具有指示指令和数据的信号的收发机。这些指令和数据被配置成使得一个或多个处理器实施权利要求中概括的功能。

尽管已经详细地描述了本公开及其优点，当时应当理解的是在没有偏离由所附权利要求书所限定的本公开的精神和范围的情况下可在此处做出各种改变，替换和变更。此外，本申请的范围不意图局限于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员将从本公开容易认识到的，与此处所描述的对应实施例执行基本上相同的功能或达到基本上相同的结果的、目前存在的或以后将开发出的机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤也可根据本公开被利用。因此，所附权利要求意图包括这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤于其范围内。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

从位于海洋钻机的钻台上的第一传感器接收第一信息；

从位于海洋钻机的顶驱上的第二传感器接收第二信息；以及

部分地基于从所述第一传感器接收的所述第一信息和从所述第二传感器接收的所述第二信息计算物理参数。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述海洋钻机为移动式海上钻井装置。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括生成时间同步脉冲以协调从所述第一传感器接收所述第一信息和从所述第二传感器接收所述第二信息。

4.如权利要求1所述的方法，其中计算步骤包括计算所述海洋钻机的钻进速度。

5.如权利要求1所述的方法，其中计算步骤包括计算所述海洋钻机的钻井水平泡沫。

6.如权利要求1所述的方法，其中计算步骤包括计算所述海洋钻机的非直线度值。

7.如权利要求1所述的方法，其中计算步骤包括计算所述海洋钻机的振动运动。

8.如权利要求1所述的方法，其中计算步骤包括计算所述海洋钻机的滑车的空间位置和动态特性。

9.一种计算机程序产品，包括：

非临时性计算机可读介质包括：

用于从位于海洋钻机的钻台上的第一传感器接收第一信息的代码；

用于从位于海洋钻机的顶驱上的第二传感器接收第二信息的代码；以及

用于部分地基于从所述第一传感器接收的所述第一信息和从所述第二传感器接收的所述第二信息计算物理参数的代码。

10.如权利要求9所述的计算机程序产品，其中所述介质进一步包括用于生成时间同步脉冲以协调从所述第一传感器接收所述第一信息和从所述第二传感器接收所述第二信息的代码。

11.如权利要求9所述的计算机程序产品，其中所述介质进一步包括用于计算所述海洋钻机的钻进速度的代码。

12.如权利要求9所述的计算机程序产品，其中所述介质进一步包括用于计算所述海洋钻机的钻井水平泡沫的代码。

13.如权利要求9所述的计算机程序产品，其中所述介质进一步包括用于计算所述海洋钻机的非直线度值的代码。

14.如权利要求9所述的计算机程序产品，其中所述介质进一步包括用于计算所述海洋钻机的振动运动的代码。

15.如权利要求9所述的计算机程序产品，其中所述介质进一步包括用于计算所述海洋钻机的滑车的空间位置和动态特性的代码。

16.一种设备，包括：

位于海洋钻机的钻台上的第一传感器；

位于海洋钻机的顶驱上的第二传感器，其中所述第一传感器和所述第二传感器以不同的配置被建立；以及

耦合至所述第一传感器和所述第二传感器的处理器，其中至少一个处理器被配置成部分地基于从所述第一传感器接收的第一信息和从所述第二传感器接收的第二信息计算物理参数。

17.如权利要求16所述的设备，其中所述处理器进一步被配置成计算所述海洋钻机的钻进速度。

18.如权利要求16所述的设备，其中所述处理器进一步被配置成计算所述海洋钻机的钻井水平泡沫。

19.如权利要求16所述的设备，其中所述处理器进一步被配置成计算所述海洋钻机的非直线度值。

20.如权利要求16所述的设备，其中所述海洋钻机为移动式海上钻井装置。