CN104520533A - 钻探控制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种优化钻柱的钻探参数的系统包括钻柱控制子系统。此系统包括优化控制器，以至少部分地通过以下步骤来协调钻探过程期间钻柱控制子系统的操作：基于钻探参数模型和第一钻探参数估值，来确定第一经优化的钻进速度；基于第一经优化的钻进速度将第一组命令提供至钻柱控制子系统；至少部分地基于钻探参数模型和对应于钻柱控制子系统的反馈，来确定在钻探过程期间的第二钻探参数估值；基于第二钻探参数估值，确定钻探过程期间的第二经优化的钻进速度；以及基于第二经优化的钻进速度，将第二组命令提供至钻柱控制子系统。

Description

钻探控制的系统和方法

背景技术

本公开一般涉及地层钻探操作并且更具体地涉及钻探控制的系统和方法。

在钻探操作中，典型的钻探过程相对复杂并且涉及相当大的花费。在该行业中存在持续不断的努力以发展安全、成本最小化以及效率中的改进。尽管如此，仍然需要更有效的、改进的并且优化的钻探过程。

附图简述

通过部分地参考以下描述和所附的附图可理解本公开的某些具体的示例性实施例。

图1A是根据本公开的特定实施例的系统的图。

图1B是根据本公开的特定实施例的系统的图。

图2是根据本公开的特定实施例的用于钻探控制的优化的示例图。

图3是根据本公开的特定实施例的在利用概率强度进行限定的各种岩石类型中钻探的示例图。

图4描绘了根据本公开的特定实施例的利用RPM(每分钟转数)相对WOB(钻压)的钻柱参数的曲线图。

图5是根据本公开的特定实施例的用于钻探控制的优化的示例图。

图6是根据本公开的特定实施例的磨损估计器的图。

图7示出了根据本公开的特定实施例的用于钻探控制的耦合控制子系统的图。

图8是根据本公开的特定实施例的绞车(draw works)控制子系统的图。

图9是根据本公开的特定实施例的顶部驱动控制子系统的图。

图10是根据本公开的特定实施例的泵控制子系统的图。

图11示出了根据本公开的特定实施例的粘滑(stick-slip)补偿。

虽然已经参考本公开的示例性实施例描绘、描述并限定了本公开内容的实施例，但这样的参考不意味着对本公开的限制，且不推断这样的限制。所公开的主题在形式和功能上存在相当多的修改、变更和等价方案，如本领域普通技术人员在获知本公开的益处后所能想到。所描绘和描述的本公开的诸实施例仅仅是示例，且不是对本公开范围的穷举。

具体实施方式

本公开一般涉及地层钻探操作并且更具体地涉及钻探控制的系统和方法。

在本文中详细地描述了本公开的说明性实施例。为清楚起见，可能未在此说明书中描述实际实现方式的所有特征。当然将理解，在任一此类实际实施例的开发中，必须作出许多实现专属的决定以实现特定的实现目标，这些特定的实现目标将对于各实现而彼此不同。此外，将理解，此类开发努力可能是复杂而且耗时的，但对于获得本公开内容的益处的本领域普通技术人员而言仍会是例行任务。为便于更好地理解本公开，给出了某些实施例的以下示例。以下示例绝不应理解为限制或限定本公开的范围。

本公开的特定实施例可至少部分地利用信息处理系统而被实施。为了本公开的目的，一种信息处理系统可包括能操作用于计算、分类、处理、发送、接收、检索、产生、切换、存储、显示、操作、检测、记录、重现、处理、或利用任何形式的信息、智能数据以用于商业、科学、控制或其他目的的任何工具或工具集合。例如，一种信息处理系统可以是个人计算机、网络存储设备或任何其它合适的设备，且可能在尺寸、形状、性能、功能以及价格上有差别。该信息处理系统可包括随机存取存储器(RAM)、诸如中央处理单元(CPU)或硬件或软件控制逻辑之类的一个或多个处理资源、ROM和/或其它类型的非易失性存储器。该信息处理系统的其它部件可包括一个或多个盘驱动器、用于与外部设备通信的一个或多个网络端口、以及诸如键盘、鼠标以及视频显示器之类的各种输入和输出(I/O)设备。该信息处理系统还可包括能操作用于在上述各种硬件部件之间传输通信的一个或多个总线。

本公开的特定实施例可至少部分地利用非瞬态的计算机可读介质而被实施。为了本公开的目的，非瞬态的计算机可读介质可包括可保存数据和/或指令达一段时间的任何工具或工具集合。非瞬态的计算机可读介质可包括(作为示例而非限制)：存储介质，诸如直接存取存储设备(例如硬盘驱动器或软盘驱动器)、顺序存取存储设备(例如带盘驱动器)、致密盘、CD-ROM、DVD、RAM、ROM、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和/或快闪存储器；通信介质，诸如导线、光纤、微波、无线电波和其它电磁和/或光学载体；和/或上述的任何组合。

本公开的特定实施例可提供自动地控制钻探过程。特定实施例可在钻探过程期间作出全部或一部分的决定并且可控制顶部驱动、绞车和泵中的一个或多个。特定实施例可优化钻探过程并且将命令输入提供至一个或多个钻柱控制子系统。由于钻探参数模型随着时间改变，因而优化可依赖于钻探参数模型进行更新，该钻探参数模型可包括但不限于钻头(bit)模型。特定实施例可克服钻探过程中的非线性并且根据需要将其移除或最小化。

图1A示出了根据本公开的特定实施例的一个非限制性的示例性的钻探系统10。钻探系统10可包括设置在钻孔14顶上的钻机12。测井工具16可由被并入到钻柱20中并且被设置在钻孔14内的典型地为钻铤的子测井工具18承载。钻头22位于钻柱20的下端处并且通过地层24凿出钻孔14。钻探泥浆26可从井口30附近的存储池28被泵送出,沿着轴向通路(未示出)通过钻柱20，离开钻头22中的开口并且通过环形区域32回到表面。金属外壳34可被置于钻头22上面的钻孔14中以用于维持钻孔14的上部的完整性。

在钻柱20、子测井工具18以及钻孔14的侧壁36之间的环形32形成了钻探泥浆的返回流路。泥浆可通过泵送系统38从井口30附近的存储池中被泵送出。泥浆可穿过被耦合至在整个钻柱20的长度上延伸的中央通道的泥浆供给线40。以此方式，钻探泥浆被迫沿钻柱20向下并通过钻头22中的开口离开进入钻孔以用于冷却和润滑钻头并且将钻探操作期间所产生的岩屑运送回表面。流体排放导管42可在井口处从环形通道32连接以用于将返回泥浆流从钻孔14引导至泥浆池28。

测井工具或仪器16可以是任何常规的测井仪器，诸如声学的(有时被称为音速的)、中子式、伽马射线式、密度式、光电式、核磁共振式或任何其它的常规测井仪器或其组合，该测井工具或仪器16可被用于测量围绕地质钻孔的地层的岩性或孔隙度。测井数据可被存储在常规的井下记录仪(未示出)中，当钻柱20被重新取回时可在地表面访问该测井数据，或该测井数据可使用遥测(诸如常规的泥浆脉冲遥测系统)被传送至地表面。来自测井仪器16的测井数据可被传递至表面测量设备处理器44以允许该数据根据如本文中所描述的本公开的实施例被处理以供使用。除了MWD仪器之外，还可使用钢缆测井仪器。钢缆仪器可包括可被用于测量围绕地质钻孔的地层的岩性和/或孔隙度的任何常规的测井仪器，例如，诸如声学的、中子式、伽马射线式、密度式、光电式、核磁共振式或任何其它的常规测井仪器或其组合，该钢缆仪器可被用于测量岩性。

信息处理系统50可以任何适当的方式被通信地耦合至钻探系统10的一个或多个部件。信息处理系统50可被配置成实现本文中所描述的一个或多个实施例。信息处理系统50可包括设备52，该设备52可包括进一步被编程以用于执行如本文中所进一步描述的方法和装置的任何适当的计算机、控制器或数据处理装置。计算机/控制器52可包括用于接收例如来自任何适当的输入设备58的输入信息和/或命令的至少一个输入。输入设备58可包括键盘、键板、定点设备等，进一步包括用于接收来自远程计算机或数据库的输入信息的网络接口或其它的通信接口。再进一步，计算机/控制器52可包括用于输出信息信号和/或设备控制命令的至少一个输出。输出信号可经由信号线54被输出至显示设备60以用在生成包含在输出信号中的信息的显示中。输出信号还可被输出至打印机设备62以用在生成包含在输出信号中的信息的打印输出64中。例如，信息和/或控制信号66还可经由任何适当的通信装置被输出至任何设备以用在控制钻机12的一个或多个不同的钻探操作参数中，如本文中进一步讨论的那样。换言之，提供适当的设备或装置，以用于在利用根据本文中所描述的特定实施例的钻探系统实际钻井眼(或井段)的过程中控制参数。例如，钻探系统可包括设备，诸如选自井下电机70、顶部驱动电机72或旋转台电机74的以下类型的可控电机中的一个，进一步其中各个电机的给定rpm可被远程地控制。此参数还可包括本文中所描述的任何其它适当的钻探系统控制参数。

计算机/控制器52可提供用于根据规定的地质学模型生成每单位深度地层的地质学特征的方法。计算机/控制器52可提供代表地质学特征的信号线54、56上的输出信号。计算机/控制器52可利用本领域已知的编程技术进行编程以用于执行如本文中所描述的功能。在一个实施例中，可包括非瞬态的计算机可读介质，该介质具有存储在其上的计算机程序。供由计算机/控制器52执行的计算机程序可被用于根据本文中所描述的实施例优化钻柱的钻探参数。供由计算机/控制器52执行的计算机程序的编程可利用已知的编程技术来进一步被完成以用于实施如本文中所描述和讨论的实施例。

图1B是根据本公开的特定实施例的系统100的图。在特定实施例中，系统100可提供自动地控制钻探过程的全部或部分。因此，特定实施例可作出涉及钻探过程的全部或部分的所有决定。在特定实施例中，系统100可以最小化成本和最大化效率的目的来控制钻探设备。

系统100可包括优化控制器102。优化控制器102可被通信地耦合至绞车控制子系统108、顶部驱动控制子系统110和泵控制子系统112中的一个或多个。绞车控制子系统108、顶部驱动控制子系统110和/或泵控制子系统112可被通信地耦合至可包括钻头116的钻柱114。绞车控制子系统108、顶部驱动控制子系统110和/或泵控制子系统112中的一个或多个可被通信地耦合至运动模型118。钻探参数模型120可被通信地耦合至绞车控制子系统108、顶部驱动控制子系统110、泵控制子系统112、钻柱114和优化控制器102中的一个或多个。

在特定实施例中，优化控制器102可包括优化函数104和ROP(钻进速度)控制器106中的一者或两者。优化控制器102可被通信地耦合至ROP控制器106。ROP控制器106可以是虚拟的ROP控制器并且可被配置成使多个子系统保持一致地工作。

优化控制器102可被配置成向绞车控制子系统108、顶部驱动控制子系统110和/或泵控制子系统112中的一个或多个提供命令。优化控制器102可被配置成协调绞车控制子系统108、顶部驱动控制子系统110和/或泵控制子系统112的操作。提供命令可包括优化控制器102指示一个或多个控制器设定点。作为非限制性示例，优化控制器102可将涉及钻压(WOB)的设定点(由图1B中的信号WOB*表示)提供至绞车控制子系统108。优化控制器102可将涉及钻头速度(诸如钻头116处的每分钟转数)的设定点(由图1B中的信号“RPM atBit*(钻头处的RPM*)”表示)提供至顶部驱动控制子系统110。优化控制器102可将涉及泵速率的设定点(由图1B中的信号“Rate*(速率*)”表示)提供至泵控制子系统112。

绞车控制子系统108可包括被配置成基于WOB*信号接收一输入的PID(比例积分微分)控制器122。例如，PID控制器122可被配置成接收在WOB*信号和来自运动模型118的信号之间的差值。绞车控制子系统108可包括可被配置成提供惯性和/或物理状态反馈解耦的解耦函数124。例如，如所描绘的，解耦函数124可具有前馈配置并且可接收WOB*信号。绞车控制子系统108可包括本地控制126。本地控制126可从PID控制器122和/或解耦函数124接收涉及负载的信号(Load*(负载*))。如所描述的，本地控制126可具有调节基于信号“Load*”所接收的输入的负反馈配置。本地控制126可直接地或间接地将控制信号提供至绞车128，该绞车128反过来可被可操作地耦合至钻柱114。绞车128可包括但不限于任何合适的绞车或其它负载承载系统以用于钻探操作。因此，绞车控制子系统108可被配置成控制任何合适的绞车或其它负载承载系统以用于钻探操作。此处术语“绞车”、“绞车控制子系统”等的使用不应当被理解为将本公开的实施例限制到绞车。

顶部驱动控制子系统110可包括被配置成基于“RPM at Bit*”信号接收输入的PID控制器130。例如，PID控制器130可被配置成接收“RPM at Bit*”信号和来自运动模型118的信号之间的差值。顶部驱动控制子系统110可包括可被配置成提供惯性和/或物理状态反馈解耦的解耦函数132。例如，如所描绘的，解耦函数132可具有前馈配置并且可接收信号“RPM at Bit*”。顶部驱动控制子系统110可包括本地控制134。本地控制134可从PID控制器130和/或解耦函数132接收涉及扭矩的信号(Torque*(扭矩*))。如所描绘的，本地控制134可具有调节基于信号“RPM at Bit*”所接收的输入的负反馈配置。本地控制134可直接地或间接地将控制信号提供至顶部驱动136，该顶部驱动136反过来可被可操作地耦合至钻柱114。

泵控制子系统112可包括被配置成基于信号“Rate*”接收输入的PID控制器138。例如，如所描绘的，PID控制器138可具有调节基于信号“Rate*”所接收的输入的负反馈配置。泵控制子系统112可包括本地控制140。本地控制140可从PID控制器138接收信号“Rate**”。本地控制140可直接地或间接地将控制信号提供至一个或多个泵142，该一个或多个泵142反过来可被可操作地耦合至钻柱114。

运动模型118可包括轴向运动模型144和/或旋转运动模型146。轴向运动模型144可接收来自绞车控制子系统108的反馈。例如，此输入可对应于来自感测与绞车128相关联的轴向运动的一个或多个传感器(未示出)的信号。在特定实施例中，轴向运动模型144可位于绞车控制子系统108内。旋转运动模型146可接收来自顶部驱动控制子系统110的反馈。例如，此输入可对应于来自感测与顶部驱动136相关联的旋转运动的一个或多个传感器(未示出)的信号。轴向运动模型144和/或旋转运动模型146可包括集总质量模型，该集总质量模型可包括被配置成提供动态模型的弹簧。如所描绘的，轴向运动模型144和旋转运动模型146可向绞车控制子系统108和顶部驱动控制子系统110以及钻探参数模型120提供反馈。钻探参数模型120可给任何合适的钻探参数建模，包括但不限于如本文中进一步描述的钻头、钻头磨损和/或ROP。在特定实施例中，钻探参数模型120可模拟岩石-钻头相互作用和井底组件的动力学。

为了向顶部驱动136、绞车128和泵142提供命令输入，可使用优化。根据本公开的特定实施例，优化控制器102可被配置成执行优化。此优化可考虑WOB(钻压)、TOB(钻头扭矩)、钻头116的RPM(每分钟转数)、由一个或多个泵142产生的流速钻头116上的磨损以及钻头116可钻通的岩石类型中的一个或多个可如何影响性能。此优化可提供ROP(钻进速度)的优化。使ROP为包括磨损的输入参数的函数，此优化可以是随机非线性问题。

ROP可由以下函数进行表征。

$\mathrm{ROP}=f(\mathrm{WOB},\mathrm{TOB},\mathrm{RPM},\stackrel{\·}{V},\mathrm{wear})$

上述“wear(磨损)”可由以下函数进行表征。

$\mathrm{wear}=f(\mathrm{WOB},\mathrm{TOB},\mathrm{RPM},\stackrel{\·}{V})$

最初，可定义ROP函数和磨损函数。当钻探完成时可更新这些函数。

图2是根据本公开的特定实施例的用于钻探控制的优化200的示例图。在特定实施例中，优化200可利用图1B的优化函数104来实现，并且可优化ROP以及相对于ROP的钻探控制。如图2所示，钻探路径或预设的钻探路径202可延伸通过地层204。地层204包括多个增加的深度，例如，深度206、深度208和深度210。深度206、208、210中的每一个可对应于一个或多个特定的岩石类型。如通常在212处所指示的，ROP和磨损可针对每一岩石类型和/或深度206、208、210进行确定。可通过概率函数或分布来限定或表征一个或多个岩石性质。优化200可利用随机非线性、几何或动态规划来求解。如果存在多个解，则这也可利用退火或遗传算法来完成。

图3是根据本公开的特定实施例的在利用概率强度进行限定的各种岩石类型中钻探的示例图300。岩石类型可被表征为深度的概率函数。如在非限制性示例中所示，地层可包括地层的多个增加的深度，诸如深度302、深度304和深度306，该多个增加的深度可对应于相对于表面或海平面的不同深度。对于每一深度，各种相应的岩石强度值连同那些岩石强度值和相关联的岩石类型发生的概率一起可被鉴定。作为深度的概率函数的岩石类型可被包括在优化200的输入参数中并且例如可被包括在ROP和/或磨损确定中。

再次参见图2，ROP和磨损的确定可至少部分地基于约束集214。在特定实施例中，约束集214可包括(1)WOB<最大WOB；(2)RPM<最大RPM；(3)总磨损<最大磨损；(4)无钻头跳动；(5)无钻头回旋；(6)无或最小的钻头泥包；以及(7)钻头温度<最大钻头温度中的一个或多个。因此，这些约束可包括WOB和速度(RPM)不应引起不想要的振动。作为示例而非限制，图4描绘了利用轴402上的RPM相对轴404上的WOB的钻柱参数的曲线图400。区域406可表示钻头116处的粘滑可发生在的点。这样，区域406可指示WOB和RPM约束以避免不想要的振动。

再次参见图2，优化200可使用以上的ROP函数和磨损函数连同约束集214的全部或部分一起以获得WOB、RPM、流速和钻头类型作为深度或时间的函数。这些钻探参数中的一个或多个可被优化以最小化至目标216的时间。如218所指示，当以更新的ROP和磨损模型或更新的约束的形式获得附加的信息时，可重新运行优化200。控制设定点-作为非限制性示例，由图1B中的信号“WOB*”、“RPM at Bit*”、“Rate*”表示的设定点可基于附加的信息进行更新。优化200可被延伸至通过将那些变量添加到优化程序中来包括钻头类型和钻头更换点，如本文中进一步所描述的那样。

除了岩石类型，其它量也可被表示为概率函数，包括磨损率。例如，为了优化成本，ROP和磨损均可被考虑，因为磨损影响ROP并且决定钻头116何时应当被改变。而且，当岩石类型改变了，最低成本可以是花时间去改变钻头116，如果概率岩石类型这样指示的话。为了解决此问题，优化函数104可利用下列成本函数：

$F\left(Y\right)=\&Integral;f(\mathrm{WOB},\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&phi;}},\mathrm{RockType},\mathrm{wear},\stackrel{\&CenterDot;}{V},\mathrm{BitType})\mathrm{dt}{C}_D+\mathrm{\&Sigma;f}(\mathrm{WOB},\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&phi;}},\mathrm{RockType},\stackrel{\&CenterDot;}{V},\mathrm{BitType})C_T+\mathrm{\&Sigma;}{C}_B$

其中：

F＝成本

$\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&phi;}}=\mathrm{RPM};$

C_D＝钻探时间成本；

C_T＝行程(trip)时间成本；以及

C_B＝钻头成本。

在此成本函数中，可控变量可包括集合中的一个或多个。可控变量中的一个或多个可依赖于钻探的深度。这些约束可包括流速必须被保持以移动石屑，如可通过下式进行表征。

$\stackrel{\&CenterDot;}{V}\&GreaterEqual;f(\mathrm{WOB},\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&phi;}},\mathrm{RockType},\mathrm{BitType})$

成本可在某种程度上为钻探时间、行程时间和钻头成本的函数。钻探的成本可以是其钻探所用时间的直接函数。行程成本可以是由磨损或钻头变化所驱动以增加ROP的行程的数量的函数。钻头成本可取决于要使用多少钻头及什么类型的钻头。

图5是根据本公开的特定实施例的用于钻探控制的优化500的示例图。在特定实施例中，优化500可对应于优化200的变形。对于多个地层深度，例如，深度502、504和506中的每一个，可通过概率函数或分布来限定或表征一个或多个岩石性质。对于深度502、504和506中的每一个，考虑到在本文中所描述的一个或多个约束(包括总磨损小于或等于最大磨损)下使成本最小化，可更新钻探参数模型。

作为非限制性示例，可更新ROP模型508、磨损模型510和钻头模型512中的一个或多个。ROP模型508可将输入提供至磨损模型510，而每一更新的ROP模型508将相应的更新的输入提供至磨损模型510。磨损模型510可利用来自钻头模型512的输入进行更新。钻头模型512可从图1B的磨损率模型120被更新，并且因此可基于钻探过程的实际性能标记进行更新。

在特定实施例中，优化500可通过将那些变量添加到优化程序中来指定钻头类型和/或钻头更换点。ROP模型508可考虑可用的钻头类型514。如516所指示，行进(tripping)点可以是优化的一部分，并且改变行进点可改变可接受的磨损率和成本。因此，优化500可使用ROP函数和磨损函数连同约束一起以获得WOB、RPM、流速和钻头类型作为深度或时间的函数。当以更新的ROP模型508、磨损模型510和/或更新的约束的形式获得附加的信息时，可重新运行优化500。

优化500可产生命令矢量518作为时间的函数。在特定实施例中，命令矢量518可包括至少部分地基于行进点和/或钻头类型的命令。作为示例而非限制，命令矢量518可包括关于WOB、RPM、RATE(速度)、TARGET(目标)和BIT(钻头)中的一个或多个的命令。当改变保证时，优化500可重新运行并且可相应地产生更新的命令矢量518。

图6示出了根据本公开的特定实施例的磨损估计器600。磨损估计器600可被配置成估计任何适当的磨损的指示，包括但不限于在过去、现在和/或将来的磨损率和/或磨损的程度。磨损估计器600的输出可以是可被提供至优化程序的磨损估值601，作为非限制性示例，该优化程序可对应于优化控制器102和/或优化函数104的实现。

磨损估计器600可包括被通信地耦合至钻探参数模型120的轴向运动模型144和/或旋转运动模型146。轴向运动模型144和/或旋转运动模型146可分别被用于估计WOB和TOB。利用WOB和TOB估值，可更新钻探参数模型120。

轴向运动模型144可从绞车128接收例如，指示绞车负载602的任何适当的反馈。轴向运动模型144还可接收指示挂钩位置604的任何适当的反馈。可在自由悬挂状态条件下执行校准以确定虚构的影响。如果可用的话，轴向运动模型144可利用任何适当的WOB 610的指示进行更新。作为非限制性示例，WOB 610的指示可在间歇的或周期性的基础上由一个或多个井下传感器来提供。轴向运动模型144可输出WOB估值612，该WOB估值612可被提供至钻探参数模型120。

轴向运动模型144可确定挂钩位置估值606并且可具有负反馈配置，如所描绘的，该负反馈配置调节基于挂钩位置604和挂钩位置估值600所接收的输入。轴向运动模型144可利用自适应参数控制器608进行更新以提高挂钩位置确定的准确度。

旋转运动模型146可从顶部驱动136接收例如，指示顶部驱动扭矩614的任何适当的反馈。旋转运动模型146还可接收指示角速度或位置616的任何适当的反馈。可在自由悬挂状态条件下执行校准以确定虚构的影响。如果可用的话，旋转运动模型146可利用任何适当的TOB 618的指示进行更新。作为非限制性示例，TOB 618的指示可在间歇的或周期性的基础上由一个或多个井下传感器来提供。旋转运动模型146可输出TOB估值620，该TOB估值620可被提供至钻探参数模型120。

旋转运动模型146可确定角估值622并且可具有负反馈配置，如所描绘的，该负反馈配置调节基于角速度或位置616和角估值622所接收的输入。旋转运动模型146可利用自适应参数控制器624进行更新以提高挂钩位置确定的准确度。

钻探参数模型120可包括钻头模型并且可利用自适应参数控制器626进行更新以提高磨损估计的准确度。钻探参数模型120可具有负反馈配置，如所描绘的，该负反馈配置调节基于TOB估值620和TOB估值628所接收的输入。作为非限制性示例，钻探参数模型120可接收可从钻柱114被提供的任何适当的ROP 630的指示。在特定实施例中，为了优化，可至少部分地基于当井被钻过时所获得的历史数据和/或利用从其它井获得的历史数据来使用磨损率的随机模型。TOB估值628可与旋转运动观察器146的TOB估值620进行比较，并且钻头模型可被更新以迫使钻头模型收敛于旋转运动观察器146的TOB估值620的估值上。

如632所指示，如果性能保证了，则输入可随时间变化以确定其它非线性，这可改变自适应系统以适合其它输入。由于在ROP上比在磨损上具有更多可能的影响，因而此系统还可被用于预测那些影响。由于钻头回旋、钻头跳动、钻头泥包和其它的非线性在操作空间上与彼此和钻头磨损相比不同地表现，因而此方法可被用于映射大多数行为。在特定实施例中，挂钩负载和顶部驱动旋转速度可随时间而改变，并且钻压估值、钻头扭矩估值和ROP可被用于映射这些其它行为。

图7示出了根据本公开的特定实施例的用于钻探控制的耦合控制子系统700。耦合控制子系统700的一个目的可以是确保子系统的全部或一部分一致地工作。作为非限制性示例，耦合控制子系统700可确保绞车控制子系统108、顶部驱动控制子系统110和泵控制子系统112均一致地工作。这可提高性能并且减少总体系统100中不想要的影响。

耦合控制子系统700可包括优化函数104。优化函数104可将期望的速率“ROP*”馈送至ROP控制器106。在特定实施例中，ROP控制器106可包括虚拟控制系统。至少部分地基于期望的速率“ROP*”，ROP控制器106可提供通过穿过子系统控制器的成比例反馈增大的一阶驱动命令。如在非限制性示例中所描绘的，ROP控制器106可部分地基于增益K1、利用经由d1、d2、d3的d增益进行控制的反馈力和子系统108、110、112、虚拟惯性1/J、积分器1/S以及所描绘的反馈配置生成一阶驱动。这可被用于以虚拟的、基于计算机的实施方式驱动所有的子系统108、110、112。此虚拟系统的输出可馈送入ROP控制器106的比率函数702以创建期望的WOB、钻头处的RPM和流速。如所描绘的，“WOB*”、“RPM*”和“RATE*”命令可被提供至子系统108、110、112。这些子系统可将虚拟力反馈至虚拟ROP系统并且使其减慢，如果子系统中的一个不能跟上当前的虚拟ROP的话。这可确保所有的子系统108、110、112一起工作、任何子系统瓶颈不泛滥并且过渡是平滑的。这还可降低不想要的行为(诸如钻头泥包)将发生的可能性，因为子系统108、110、112均一致地工作。

图8示出了根据本公开的特定实施例的绞车控制子系统800。在特定实施例中，绞车控制子系统800可至少部分地对应于参考图1B所描述的绞车控制子系统108。绞车控制子系统800可至少部分地基于挂钩822的挂钩负载821和/或挂钩位置823的反馈提供WOB控制。在特定实施例中，挂钩负载821可对应于先前参考图6所描述的绞车负载602。WOB设定点802可从优化控制器102、优化函数104以及ROP控制器106中的一个或多个被驱动。在特定实施例中，WOB设定点802可对应于参考图1B所描述的WOB*命令。如图8所描绘的，WOB设定点802可通过粘滑修正804来进行修正，如果粘滑行为被检测到的话。粘滑修正804可移除或最小化粘滑振动。此修正稍后将被进一步描述并且可包括来自顶部驱动136的输入。

经修正的WOB信号可接着被馈送成当前估计的弹簧常数806的倒数。如所指示的，经修正的WOB与当前估计的弹簧常数806和所示的微分808、810的相乘可产生挂钩的位置、速度和加速度的矢量。位置和速度可分别被用于通过将估计的弹簧常数和阻尼相乘来解耦系统中的物理状态反馈。加速度项可被乘以估计的系统质量以克服惯性效应并改进跟踪。可利用轴向运动模型844完成弹簧常数、阻尼和质量的估计。模型844可被用于确定在任意给定时间的有效的弹簧常数、阻尼和质量，因为归因于杆的静摩擦，整个杆可不在运动中。另一前馈项可被用于解耦重力。

求和结812可将经修正的WOB与来自轴向运动模型844的WOB估值814进行比较。此结果可接着被馈送入控制器813，该控制器813可对应于图1B的PID控制器122或任何其它适当的误差修正控制器。在存在前馈项的情况中，控制器813的一个目的可以是克服前馈估计项的不准确性。具有此形式的控制器813可改进跟踪并减少系统中非线性的影响(减少本征值迁移)。在特定实施例中，轴向运动模型844可对应于参考图1B所描述的轴向运动模型144。轴向运动模型844可被使用的一个原因是在定期的基础上可能无法直接地测量WOB。如果数据在WOB上可用，则其可被用于通过参数自适应系统改进轴向运动模型844。

力信号F*可源自结816。力信号F*可被馈送至力调制器818，该力调制器818可反过来将经调制的信号馈送至电机820。电机820可驱动挂钩822，该挂钩822反过来调节钻柱114和钻头116。

如果可用的话，轴向运动模型844可利用任何适当的WOB 824的指示进行更新。作为非限制性示例，WOB 824的指示可通过以任何适当的方式置于钻头116周围的一个或多个井下传感器来在间歇的或周期性的基础上提供。轴向运动模型844还可接收指示挂钩位置823的任何适当的反馈。可在自由悬挂状态条件下执行校准以确定虚构的影响。轴向运动模型844可确定挂钩位置估值825并且可具有负反馈配置，如所描绘的，该负反馈配置调节基于挂钩位置823和挂钩位置估值825所接收的输入。轴向运动模型844可利用自适应参数控制器826进行更新以提高挂钩位置确定的准确度。如828所指示，轴向运动模型844可利用配置振动模式的杆加速度数据进行更新。

图9示出了根据本公开的特定实施例的顶部驱动控制子系统900。在特定实施例中，顶部驱动控制子系统900可至少部分地对应于参考图1B所描述的顶部驱动控制子系统110。顶部驱动控制子系统900可至少部分地基于顶部驱动136的扭矩921和/或顶部驱动位置923的反馈来提供钻头116的旋转速度的控制。顶部驱动控制子系统900可接收RPM设定点902。在特定实施例中，RPM设定点902可从图1B的优化控制器102、优化函数104以及ROP控制器106中的一个或多个被驱动。在特定实施例中，RPM设定点902可对应于参考图1B所描述的“RPM at Bit*”命令。如图9所描绘的，RPM设定点902可通过粘滑修正904来进行修正，如果粘滑行为被检测到的话。粘滑修正904可移除或最小化粘滑振动。此修正稍后将被进一步描述。

经修正的RPM信号可对应于钻头116处的速度。经修正的RPM信号可被馈送至前馈项906和求和结908。前馈项906可被设计成克服惯性以用于改进的跟踪，以及解耦物理状态反馈以减少或移除其对系统动力学的影响。

求和结908可将经修正的RPM信号与来自旋转运动模型946的RPM估值914进行比较。此结果可接着被馈送入控制器913，该控制器913可对应于图1B的PID控制器130或任何其它适当的误差修正控制器。在存在前馈项906的情况中，控制器913的一个目的可以是克服前馈估计项的不准确性。具有此形式的控制器913可改进跟踪并减少系统中非线性的影响(减少本征值迁移)。在特定实施例中，旋转运动模型946可对应于参考图1B所描述的旋转运动模型146。旋转运动模型946可被使用的一个原因是在定期的基础上可能无法直接地测量速度。如果数据在速度上可用，则其可被用于通过参数自适应系统改进旋转运动模型946。

非线性摩擦解耦910可以是另一前馈并且可包括钻头摩擦的模型，该钻头摩擦的模型通常是高度非线性并可被用于在粘滑现象发生时，通过将反扭矩输入馈送入结916来减少粘滑现象。克服粘滑的能力可依赖于系统的反应时间，并且在由粘滑补偿所确定的特定情况下可能需要被完全避免。

扭矩信号T*可源自结916。扭矩信号T*可被馈送至扭矩调制器918，该扭矩调制器918可反过来将经调制的信号馈送至电机920。电机920可驱动顶部驱动136，该顶部驱动136反过来调节钻柱114和钻头116。

旋转运动模型946可被用于提供“RPM at bit(钻头处的PRM)”信息，如果该信息未被直接地测得的话。如果可用的话，旋转运动模型946可利用任何适当的TOB(钻头扭矩)924的指示进行更新。作为非限制性示例，TOB 924的指示可通过以任何适当的方式置于钻柱114和/或钻头116周围的一个或多个井下传感器来在间歇的或周期性的基础上提供。旋转运动模型946还可接收指示顶部驱动位置923的任何适当的反馈。可在自由悬挂状态条件下执行校准以确定虚构的影响。轴向旋转运动模型946可确定顶部驱动位置估值925并且可具有负反馈配置，如所描绘的，该负反馈配置调节基于顶部驱动位置923和顶部驱动位置估值925所接收的输入。旋转运动模型946可利用自适应参数控制器926进行更新以提高挂钩位置确定的准确度。如928所指示，旋转运动模型946可利用配置振动模式的杆加速度数据进行更新。

图10示出了根据本公开的特定实施例的泵控制子系统1000。在特定实施例中，泵控制子系统1000可至少部分地对应于参考图1B所描述的泵控制子系统112。泵控制子系统1000可被设计成确保泵速率在钻探过程期间被保持。泵控制子系统1000可至少部分地基于泵142的速率1021和/或钻柱114和/或钻头116的ROP 923的反馈来提供泵142的控制。

泵控制子系统1000可接收“RATE*”1002。在特定实施例中，“RATE*”1002可来自图1B的优化控制器102、优化函数104以及ROP控制器106中的一个或多个。在特定实施例中，“RATE*”1002可对应于参考图1B所描述的“Rate*”命令。如图10所描绘的，“RATE*”1002可通过来自钻探参数模型1020的修正在结1004处被调节。在特定实施例中，钻探参数模型1020可对应于先前所描述的包括钻头模型的钻探参数模型120。在特定行为(诸如钻头泥包检测)期间，“RATE*”1002可通过使用馈送修正函数的钻头模型被改变至补偿此行为。利用具有直接反馈的钻头模型、使用历史数据的学习算法或诸如被包括在模糊逻辑系统中的最佳实践可完成修正的确定。在所描绘的示例中，钻探参数模型120可接收WOB估值1014，该WOB估值1014在特定实施例中可对应于先前所描述的WOB估值612、814。钻头模型1020可确定ROP估值1025并且可具有负反馈配置，如所描绘的，该负反馈配置调节基于ROP 1023和ROP估值1025所接收的输入。钻头模型1020可利用自适应参数控制器1026进行更新以提高ROP确定的准确度。钻头模型1020可输出材料移除率估值1030和/或岩石类型估值1032。在1034处，修正可至少部分地基于材料移除率估值1030和/或岩石类型估值1032进行确定并且接着被馈送至结1004。

经修正的信号可被馈送至结1008，其中该结1008可利用基于来自泵142的“RATE”1021的如所示的适当的反馈配置来进行调节。此结果可被输入至控制器1013，该控制器1013可对应于图1B的PID控制器138或任何其它适当的控制器。速率信号R*可源自控制器1013并且可被馈送至速率调制器1018，该速率调制器1018可反过来将经调制的信号馈送至发动机1019。发动机1019可驱动泵142，该泵142反过来调节从井下的钻柱114和钻头116移除的材料的流速。

图11示出了根据本公开的特定实施例的粘滑补偿1100。在所描绘的曲线图中，轴1102表示RPM，轴1104表示WOB，并且区域1106可表示钻头116处的粘滑可发生在的点。振动的模式有时可依赖于至初始化稳定振动模式的操作条件的方法。如由1110所指示，如果振动发生，则在钻头设定点处的WOB和RPM可被调节以在最小的时间内将钻柱114带出此振动模式。如由1112所指示，在振动被移除之后，系统100可尝试返回至操作条件，但通过与初始化振动不同的路径。路径1114可通过动态模型144、146、使用历史数据的学习算法或诸如被包括在模糊逻辑系统中的最佳实践来确定。在此时间期间，非线性摩擦解耦可在操作中并且还可有助于降低重新初始化振动的几率。如果振动重新出现，则系统100可再次尝试移除振动，但如果需要则通过不同的路径。这可以尝试几次并且如果这不成功，则优化中的约束可被更新并且优化可重新运行。

因此，本公开的特定实施例可提供更有效、改进和优化的钻探过程。特定实施例可提供自动地控制钻探过程、在钻探过程期间作出决定的全部或部分，和/或可优化钻探过程。特定实施例可克服钻探过程中的非线性并且根据需要将其移除或最小化。

尽管附图以特定取向描绘了本公开的实施例，然而本领域技术人员应当理解本公开的实施例很好地适于用在各种取向中。因此，本领域技术人员应当理解方向性术语(诸如以上、以下、上部、下部、向上、向下、较高、较低等)的使用涉及说明性实施例而被使用，如这些实施例在附图中被描绘的那样，向上方向朝着相应的附图的顶部并且向下方向朝着相应的附图的底部。

因此，本公开良好适应于达到所述以及原来固有的目的和优势。以上公开的特定实施例仅仅是说明性的，因为本公开可按不同但等效的方式来修改和实施，这对于受益于本文教导的本领域技术人员而言是显而易见的。尽管本文描述的特定实施例包括其它实施例中所包括的一些特征但没有其它实施例中包括的其它特征，但是在任何组合中的各种实施例的特征的组合意在落在本公开的范围内。另外，除非在所附权利要求书中有具体的说明，否则本公开不限于本文所示的具体结构或设计。因此，显然，上述公开的特定说明性实施例可被修改或修正，并且所有这些变型都被认为落在本公开的范围和精神内。再者，除非本专利权人另有明确和清晰地说明，权利要求中的术语有其普遍的、通常的含义。如在权利要求中使用的不定冠词“一”或“一个”在本文中被定义成意味着特定冠词引入的一个或多于一个的元素；并且定冠词“该”的后续使用不旨在否定该意思。

Claims (20)

1.一种优化钻柱的钻探参数的系统，所述系统包括：

钻柱控制子系统；以及

优化控制器，所述优化控制器至少部分地通过以下步骤来协调钻探过程期间所述钻柱控制子系统的操作：

至少部分地基于钻探参数模型和第一钻探参数估值，确定第一经优化的钻进速度；

至少部分地基于所述第一经优化的钻进速度，将第一组命令提供至所述钻柱控制子系统；

至少部分地基于所述钻探参数模型和对应于所述钻柱控制子系统的反馈，确定在所述钻探过程期间的第二钻探参数估值；

至少部分地基于所述第二钻探参数估值，确定所述钻探过程期间的第二经优化的钻进速度；以及

至少部分地基于所述第二经优化的钻进速度，将第二组命令提供至所述钻柱控制子系统。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一经优化的钻进速度和所述第二经优化的钻进速度中的一者或两者是至少部分地基于岩石特性、钻头类型、目标时间、深度和成本确定中的一个或多个。

3.如权利要求1所述的系统，进一步包括：

接收对应于绞车的反馈的轴向运动模型；

其中，所述第二钻探参数估值是至少部分地基于所述轴向运动模型。

4.如权利要求1所述的系统，进一步包括：

接收对应于顶部驱动的反馈的旋转运动模型；

其中，所述第二钻探参数估值是至少部分地基于所述旋转运动模型。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述钻探参数模型是至少部分地基于对应于泵的反馈。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述优化控制器进一步至少部分地通过以下步骤来协调钻探过程期间所述钻柱控制子系统的操作：

至少部分地基于对应于钻探时间、行程时间和钻头成本中的一个或多个的成本的最小化来作出成本确定，其中所述钻头成本是至少部分地基于钻头类型和钻头数量中的一个或多个。

7.如权利要求1所述的钻探控制系统，其特征在于，所述钻柱控制子系统包括控制绞车的绞车控制子系统、控制顶部驱动的顶部驱动控制子系统和控制泵的泵控制子系统中的一个或多个。

8.一种非瞬态的计算机可读介质，其上存储有计算机程序以优化钻柱的钻探参数，所述计算机程序包括可执行指令，所述可执行指令使计算机：

至少部分地基于钻探参数模型和第一钻探参数估值，确定第一经优化的钻进速度；

至少部分地基于所述第一经优化的钻进速度，为钻柱控制子系统提供第一组命令；

至少部分地基于所述钻探参数模型和对应于所述钻柱控制子系统的反馈，确定在钻探过程期间的第二钻探参数估值；

至少部分地基于所述第二钻探参数估值，确定所述钻探过程期间的第二经优化的钻进速度；以及

至少部分地基于所述第二经优化的钻进速度，为所述钻柱控制子系统提供第二组命令。

9.如权利要求8所述的非瞬态的计算机可读介质，其特征在于，所述第一经优化的钻进速度和所述第二经优化的钻进速度中的一者或两者是至少部分地基于岩石特性、钻头类型、目标时间、深度和成本确定中的一个或多个。

10.如权利要求8所述的非瞬态的计算机可读介质，其特征在于，所述第二钻探参数估值是至少部分地基于轴向运动模型和对应于绞车的反馈。

11.如权利要求8所述的非瞬态的计算机可读介质，其特征在于，所述第二钻探参数估值是至少部分地基于旋转运动模型和对应于顶部驱动的反馈。

12.如权利要求8所述的非瞬态的计算机可读介质，其特征在于，所述钻探参数模型是至少部分地基于对应于泵的反馈。

13.如权利要求8所述的非瞬态的计算机可读介质，其特征在于，所述计算机程序进一步包括使计算机执行下列操作的可执行指令：

至少部分地基于对应于钻探时间、行程时间和钻头成本中的一个或多个的成本的最小化来作出成本确定，其中所述钻头成本是至少部分地基于钻头类型和钻头数量中的一个或多个。

14.如权利要求8所述的非瞬态的计算机可读介质，其特征在于，所述钻柱控制子系统包括控制绞车的绞车控制子系统、控制顶部驱动的顶部驱动控制子系统和控制泵的泵控制子系统中的一个或多个。

15.一种优化钻柱的钻探参数的方法，所述方法包括：

提供钻柱控制子系统；以及

提供优化控制器以至少部分地通过以下步骤来协调钻探过程期间所述钻柱控制子系统的操作：

至少部分地基于钻探参数模型和第一钻探参数估值，确定第一经优化的钻进速度；

至少部分地基于所述第一经优化的钻进速度，将第一组命令提供至所述钻柱控制子系统；

至少部分地基于所述钻探参数模型和对应于所述钻柱控制子系统的反馈，确定在所述钻探过程期间的第二钻探参数估值；

至少部分地基于所述第二钻探参数估值，确定所述钻探过程期间的第二经优化的钻进速度；以及

至少部分地基于所述第二经优化的钻进速度，将第二组命令提供至所述钻柱控制子系统。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一经优化的钻进速度和所述第二经优化的钻进速度中的一者或两者是至少部分地基于岩石特性、钻头类型、目标时间、深度和成本确定中的一个或多个。

17.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

提供轴向运动模型以接收对应于绞车的反馈；

其中，所述第二钻探参数估值是至少部分地基于所述轴向运动模型。

18.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

提供旋转运动模型以接收对应于顶部驱动的反馈；

其中，所述第二钻探参数估值是至少部分地基于所述旋转运动模型。

19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述优化控制器进一步至少部分地通过以下步骤来协调钻探过程期间所述钻柱控制子系统的操作：

至少部分地基于对应于钻探时间、行程时间和钻头成本中的一个或多个的成本的最小化来作出成本确定，其中所述钻头成本是至少部分地基于钻头类型和钻头数量的一个或多个。

20.如权利要求15所述方法，其特征在于，所述钻柱控制子系统包括控制绞车的绞车控制子系统、控制顶部驱动的顶部驱动控制子系统和控制泵的泵控制子系统中的一个或多个。