CN105143599A - 钻井系统控制 - Google Patents

Abstract

本公开内容提供一种用于控制钻井系统的方法，所述钻井系统包括驱动系统、钻柱和钻头。所述驱动系统在钻井过程期间旋转所述钻柱以穿过地层钻出井眼。所述方法包括：设定所述钻柱的期望转速v₀；接收所述钻井系统的属性测量值，并且由此推导所述钻柱的转速的与上行旋转能量相关的分量v_up；通过优化一个表达式来确定所述钻柱的转速v，所述表达式调和了下面两个冲突的目标：(i)维持以v₀为中心的稳定转速，和(ii)使下行旋转能量最小化，所述优化表达式基于v₀和v_up表达v；以及控制所述驱动系统以使所述钻柱以v旋转。

Description

钻井系统控制

技术领域

本公开内容的实施例涉及一种用于控制钻井系统的方法和控制器。

背景技术

钻探油井和/或天然气井可能包含钻出相当大的长度的井眼；钻孔的垂直和/或水平长度通常高达几千米。钻柱包括处于其下端的钻头和旋拧/联接在一起的一些长度的钻杆。地面上的驱动机构抵着地层面旋转钻头，以穿过地层钻出井眼。钻井机构可以是顶驱装置、转台等等。

在钻井程序期间，钻柱会在井眼中经历复杂的动态行为，这个复杂的行为可能包括轴向、横向和扭转振动以及与井眼的摩擦和振动相互作用。地面和钻头处的钻井旋转的同时测量显示，在钻柱的顶部以恒定的角速度旋转时，钻头可能以变化的角速度旋转。在被称为粘滑的极端的情况下，钻头或钻柱的另一部分可能会在井眼中停止旋转，因此，钻柱继续扭转/旋转，直到钻头再次旋转为止，在此之后，钻柱加速到远高于钻柱顶部的角速度的一个角速度。

粘滑是钻井行业公认的一个问题，它可能会导致地层穿透速度降低，钻头磨损，工具故障和/或类似情况。钻头粘在井眼中，可能会降低钻井速度，对钻柱造成扭转损害，并且钻头在松开时快速旋转，可能会给钻井系统造成损害。

以前，已经有人提出检测粘滑和通过改变顶驱装置转速、钻压和/或类似办法来减轻粘滑影响的方法。其它更主动的方法则试图衰减钻柱在井眼中的振荡以避免粘滑。然而，例如通过调整钻井速度、钻压和/或类似办法来衰减振荡和防止粘滑的措施，可能有悖于并且未考虑到最优钻井所必需/期望的钻井参数，例如最佳穿透速度等等。此外，控制器可能已经确定了顶驱装置的最优期望转速等等以实现对井眼的期望钻井效果。之前已经有人说明了使用控制系统来控制旋转振动的方法，这些方法提出减小钻柱的旋转谐振的振幅。这些主动的衰减振荡方法可能会对钻井速度造成不利影响和/或使钻井速度偏离期望速度。此外，之前，这些衰减操作的决定主要是基于减轻/防止粘滑的因素。

美国专利第5,117,926号提出了一种用于使用能量流来控制振动的模拟方法，其中，能量被定义为“跨接变量”(对于旋转振荡来说就是转速)与“贯通变量”的乘积。通过改变一个变量来控制另一个变量的波动。

美国专利公告第2011/0232966号提出利用顶驱装置控制器内的控制参数的变化来抑制旋转振荡。如果控制器是比例积分(PI)控制器，则通过适当地调整积分常数，可在期望的频率下实现振荡抑制。然而，随着钻柱长度改变和主振荡频率改变，对所述方法必须加以调整。这种方法还必需要能够直接干涉顶驱装置控制器。

WO2012/041745提出在沿钻柱长度在地面或靠近地面的两个位置测量钻柱的转速，并且对其进行差分。这种方法不但不方便(很难在不干扰钻井过程的前提下沿钻柱进行测量)，而且容易出错(两个测量值之间的差值较小)。

WO2012/084886提出利用整个钻柱的数学模型，并且控制地面扭矩以便减小建模的井下转速。与美国专利公告第2011/0232966号相似，随着钻柱长度改变，必须调整所述模型，并且模型误差会导致性能降低。

发明内容

在下文中阐述了本文中所公开的某些实施例的概述。应理解，提供这些方面仅仅是为了向读者提供这些具体实施例的简要概述，并且这些方面并非意图限制本公开内容的范围。实际上，本公开内容可以涵盖可能并未阐述的多个方面。

在第一方面中，本发明的一个实施例提供一种用于控制钻井系统的方法，所述钻井系统包括驱动系统、钻柱和钻头。所述驱动系统使用时在钻井过程期间旋转所述钻柱以穿过地层钻出井眼。所述控制方法包括：设定所述钻柱的期望转速v₀；接收所述钻井系统的参数的测量值，并且由测量的参数推导所述钻柱的转速的与上行旋转能量相关的分量v_up；通过优化一个表达式来确定所述钻柱的转速v，所述表达式调和了下面两个冲突的目标：(i)维持以v₀为中心的稳定转速，和(ii)使下行旋转能量最小化，所述优化表达式基于v₀和v_up表达v；以及控制所述驱动系统以使所述钻柱以v旋转。

所述方法可以进一步包括测量所述钻井系统的属性，v_up是由所述属性推导出的。

通过基于优化的表达式控制所述驱动系统，可以减小旋转谐振的振幅。在本发明的实施例中，所述优化根据钻井系统的谐振频率的变化而自适应，所述变化例如是钻柱长度的增加造成的。此外，在本公开内容的实施例中，不必准确地确定钻井系统的谐振频率或给钻井系统的谐振频率建模。此外，在一些实施例中，可以例如通过以现有驱动系统控制器外部的控制器的形式实施所述方法而向现有钻井系统应用所述控制方法。

在本公开内容的一些实施例中，优化的表达式基于v₀和v_up表达v。然而，也可以基于例如v₀和v_down(与下行旋转能量相关的转速分量)或v_up和v_down编写v的等效表达式。为了避免疑惑，提到优化的表达式和优化的表达式中使用的量v₀和v_up包含此类等效表达式及其中使用的对应的量。

在第二方面中，本公开内容的一些实施例提供一种用于控制钻井系统的控制器(例如基于计算机的数字控制器)。所述控制器可包括驱动系统、钻柱和钻头，其中，所述驱动系统在钻井过程期间旋转所述钻柱以穿过地层钻出井眼，所述控制器经配置以执行第一方面的方法。

举例来说，所述控制器可包括：存储器，用以存储所述钻柱的期望转速v₀；和一个或多个处理器，其经配置以接收所述钻井系统的参数的测量值，并且由此推导所述钻柱的转速的与上行旋转能量相关的分量v_up；通过优化一个表达式来确定所述钻柱的转速v，所述表达式调和了下面两个冲突的目标：(i)维持以v₀为中心的稳定转速，和(ii)使下行旋转能量最小化，优化的表达式基于v₀和v_up表达v；以及控制所述驱动系统以使所述钻柱以v旋转。

在第三方面中，本公开内容的一些实施例提供第二方面的控制器与用于测量钻井系统的属性的一个或多个传感器的组合，v_up是由所述属性推导出的。

在第四方面中，本公开内容的一些实施例提供一种钻井系统，其包括驱动系统、钻柱和钻头，其中，所述驱动系统在钻井过程期间旋转所述钻柱以穿过地层钻出井眼；其中，所述钻井系统进一步包括第二方面的控制器或第三方面的所述控制器与传感器的组合。

本发明的进一步的方面提供：计算机程序，其包括代码，所述代码当在计算机上运行时，使得所述计算机执行第一方面的方法；以及存储计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括代码，所述代码当在计算机上运行时，使得所述计算机执行第一方面的方法。

现在将陈述本发明的任选的特征。这些任选的特征可单独应用，或者以与本发明的任何方面/实施例的任何组合应用。

在本公开内容的一些实施例中，所确定的和受到控制的转速v可以是钻柱的地面转速，分量v_up可以是转速的地面分量，期望转速v₀可以是钻柱的地面期望转速。

总的来说，在本公开内容的一些实施例中，可以重复地执行如下步骤：(i)接收属性测量值，并且由其推导v_up；(ii)确定转速v；以及(iii)控制所述驱动系统。在一些实施例中，重复间隔可以足够短，使得这些步骤在系统的主旋转谐振期间重复多次，主旋转谐振以秒为单位可以大约是钻柱的以米为单位的长度L除以750。因此，举例来说，重复间隔可以小于0.25(L/750)，并且优选小于0.1(L/750)。为了适用于多种多样的钻柱长度，重复间隔可以是0.25s或更小，0.1s或更小和/或类似大小。如果如下所述向v_up应用低通滤波器，则最小重复间隔可以是低通滤波器截止的尼奎斯特频率的倒数(即2除以截止频率)。如果所述数据未经低通滤波，则0.025秒是合理的最小重复间隔。

所述驱动系统可包括顶驱装置。

优化的表达式可以包含残余校正项以考虑到转速在大于钻井系统的谐振时间的时间标度上的长期平均化。举例来说，长期平均化可以在60秒或更长的时间标度上执行。

可以向v_up应用高通滤波器，高通滤波器的截止频率小于钻井系统的谐振频率。举例来说，高通滤波器的截止频率可以是0.017Hz或更低。此高通滤波器可以取代残余校正项以考虑到转速的长期平均化，但是此项仍然可以用于避免噪声或计算误差导致的漂移。

可以向v_up应用低通滤波器，低通滤波器的截止频率大于钻井系统的谐振频率。举例来说，低通滤波器的截止频率可以是10Hz或更高。使用此低通滤波器可以帮助避免将高频噪声作为控制信号发送到驱动系统。

可对v强加最大和/或最小界限。举例来说，如果钻头粘得很紧，则钻柱的旋转有可能完全停止。因此，可以施加最小界限，例如：期望转速v₀的一部分(例如一半或四分之三)或转速的绝对值(例如每分钟40转)；或这两项的组合(例如每分钟40转与期望转速的四分之三中的较低值)。类似地，为了例如减少钻机上的振动或由于驱动系统变速箱的限制，可强加最大界限，例如：期望速度v₀的整倍数(例如两倍)；或转速的绝对值(例如每分钟200转)；或这两项的组合(例如期望转速的两倍和每分钟200转中的较低值)。

在本公开内容的一些实施例中，可以由下面的测量到的属性推导v_up：钻柱的实际转速，钻柱中的扭矩T(例如钻柱在地面上的扭矩T)。因此，可使用转速与扭矩的线性组合来控制转速。可以通过另一测量到的属性改进v_up的推导，另一测量到的属性是钻柱的旋转阻抗z，但是所述方法总体上不受z值误差的影响。可独立地测量钻柱的实际转速。然而，另一种选项是用前一次重复间隔用于控制驱动系统的转速v的值作为测量到的实际转速。

附图说明

结合附图描述本公开内容。应强调的是，根据本行业中的标准作法，各种特征未按比例绘制。事实上，为了论述清楚起见，可以任意增加或减小各种特征的尺寸。

图1说明用于在井场操作以穿过地层钻出井眼的钻井系统；以及

图2展示根据本公开内容的一个实施例的钻井控制方法的流程图。

在附图中，类似的构件和/或特征可以具有相同的参考标记。此外，可通过在参考标记之后跟着短划线及在类似构件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的各种构件。如果在说明书中仅使用第一参考标记，那么描述适用于具有相同第一参考标记的类似构件中的任一个，不管第二参考标记如何。

具体实施方式

本发明的实施例涉及控制/驱动钻井系统-包括顶驱装置、钻柱和钻头-以穿过地层钻出井眼。本发明的实施例提出用顶驱装置驱动钻头以优化钻头的转速，同时使钻井过程期间沿钻柱下行的能量最小化。

以下说明仅提供优选的示例性实施例，而并不意图限制本发明的范围、适用性或配置。实际上，以下对优选的示例性实施例的说明将给所属领域的技术人员提供能实施本发明的优选的示例性实施例的描述，应了解，在不脱离本公开内容的范围的情况下可以对元件的功能和布置作出多种改变。

在以下描述中给出具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，所属领域的普通技术人员应理解，所述实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。举例来说，在展示众所周知的电路、过程、算法、结构和技术时可能并未展示不必要的细节，以免给实施例造成混淆。

如本文所揭示，术语“计算机可读介质”可以表示用于存储数据的一个或多个装置，包含只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁性RAM、磁芯存储器、磁盘存储介质、光学存储介质、快闪存储器装置和/或用于存储信息的其它机器可读介质。术语“计算机可读介质”包含但不限于便携式或固定存储装置、光学存储装置、无线信道以及能够存储、容纳或携带指令和/或数据的各种其它介质。

此外，实施例可以由硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或它们的任何组合来实施。当以软件、固件、中间件或微码实施时，执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在例如存储介质等机器可读介质中。处理器可以执行必要任务。代码段可以表示过程、函数、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、类，或指令、数据结构或程序语句的任何组合。一个代码段可以通过传递和/或接收信息、数据、自变量、参数或存储器内容关联到另一代码段或硬件电路。信息、自变量、参数、数据等可经由包含存储器共享、消息传递、令牌传递、网络发射等任何合适的手段传递、转发或发射。

图1说明用于在井场操作以穿过地层钻出井眼的钻井系统。井场可以位于岸上或海上。在这个系统中，通过旋转钻井以众所周知的方式在地下地层中形成井眼11。系统还可以用于定向钻井系统、导向孔钻井系统、套管钻井系统和/或类似系统。

钻柱12悬置在井眼11内，且具有井底组件100，井底组件100在其下端处包含钻头105。地面系统包含平台与井架组件10，其位于井眼11上方，组件10包含顶驱装置30、方钻杆17、挂钩18和转环19。钻柱12通过顶驱装置30旋转，所述顶驱装置30通过未图示的装置被供给动力，且所述顶驱装置30在钻柱的上端处接合方钻杆17。钻柱12通过方钻杆17和转环19从挂钩18悬置下来，转环19准许钻柱相对于挂钩旋转，其中，所述挂钩18附接到滑车(也未图示)。众所周知，也可以使用转台系统使钻柱12在井眼中旋转，并进而抵着井眼底部的地层的面旋转钻头105。

地面系统可以进一步包含钻井流体或泥浆26，其储存在井场处形成的坑27中。泵29经由转环19中的孔口将钻井流体26递送到钻柱12内部，使得钻井流体如方向箭头8所示通过钻柱12向下流动。钻井流体经由钻头105中的孔口从钻柱12中流出，然后向上循环通过钻柱的外侧与井眼的壁之间的环状区域，如方向箭头9所示。通过这种众所周知的方式，钻井流体润滑钻头105，并且在返回到坑27以进行再循环时将地层岩屑携带到地面。

井底组件100可以包含随钻测井(LWD)模块120、随钻测量(MWD)模块130、旋转导向系统和马达以及钻头105。

LWD模块120可以容置在本领域中已知的特殊类型的钻铤中，并且可以包含一个或多个已知类型的测井工具。还将理解，可以利用一个以上的LWD和/或MWD模块，例如如附图标记120'处所示。LWD模块可以具有测量、处理和存储信息以及与地面设备通信的功能。LWD模块可以包含流体取样装置。

MWD模块130也可容置在本领域中已知的特殊类型的钻铤中，且可以包含用于测量钻柱和钻头特性的一个或多个装置。MWD工具可进一步包含用于给井下系统发电的设备(未图示)。这个设备通常可以包含泥浆涡轮发电机，这个发电机由钻井流体流提供动力，应了解，也可以利用其它动力和/或电池系统。MWD模块可以包含下面的类型的测量装置中的一个或多个：钻压测量装置、扭矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置、粘滑测量装置、方向测量装置、转速测量装置和倾斜测量装置。

控制单元370可用于控制顶驱装置30或其它驱动系统。顶驱装置30可使钻柱12以某个转速旋转以产生期望的钻井参数。举例来说，钻柱的转速可以：被确定成以便优化地层穿透速度，被设置成减少钻头磨损，根据地层属性得到调整等等。

传感器390可以测量钻柱12的属性。方便的是，虽然传感器390可以在地面上方或靠近地面与钻柱12联接，但是传感器390也可以沿钻柱12分布。传感器可以测量钻柱12的属性，可以根据所述属性确定/估计钻柱12中的上行/下行能量和/或钻柱12的上行/下行旋转分量。举例来说，可以确定钻柱的转速。举例来说，传感器390可以测量钻柱12的扭矩、钻柱12的转速和/或钻柱12的旋转阻力，并且可以根据感测到的测量值处理出钻柱12中的上行/下行能量和/或钻柱12的上行/下行旋转分量。

本发明的方法允许控制悬置管段的旋转振荡。以此方式，可稳定钻柱的旋转运动，但是所述方法同样也可以应用于完井时使用的管段，例如套管或完井部中的衬管或下入管。钻井系统的最优/期望钻井操作需要的参数/条件，以及防止/减轻粘滑需要的参数/条件，都可以在钻井操作期间得到处理/控制。

在钻井眼期间，在钻柱中存在沿着钻柱上行和下行的旋转波。上行波在地面反射成下行波，这会在钻井系统中引起大的旋转共振，并且引起钻井系统的反复粘滑运动。

钻柱中的下行波还包含驱动钻柱的系统(即顶驱装置等)初始引起的下行波。钻柱中需要有通过驱动系统产生的这些下行波，才能驱动钻头穿透地层。因此，下行能量包括用于驱动钻头的期望的下行能量，还有导致钻柱中的振荡和/或粘滑的不期望的向下能量。因此，可以提供一些系统和方法，其旨在实现钻柱的期望转速(下文称为v₀)，同时使下行旋转中包含的能量最小化(下行旋转在下文称为v_down)。

因而，总的来说，处理器可以确定钻柱12的优化转速，其中，所述优化转速针对沿着钻柱12下行的能量的减少而平衡/优化旋转能量到钻头的递送。更具体来说，控制单元370可以提供外部控制系统，其用于控制顶驱装置30的快速内置控制系统；其中，提供期望/确定的转速到内置控制系统，内置控制系统尝试实现特定转速，并且外部控制系统控制顶驱装置以将转速改变成期望/确定转速左右，以便减少下行能量。

使通过旋转钻柱沿着钻柱向下送到钻头的能量最大化和使下行能量最小化以防止钻柱在井眼中大幅振荡和/或粘滑，这两个相反目标可以看作一个最小化约束条件，它可以写成最小化E使得：

$\begin{array}{c}E={(v-v_0)}^2+{\mathrm{\λv}}_{down}^2\\ ={\left(v-v_0\right)}^2+\mathrm{\λ}{\left(v-v_{up}\right)}^2\end{array}---\left(1\right)$

其中：

v₀是期望的平均转速；

v是待馈送至顶驱装置的确定的转速，并且是v_up与v_down的和；以及

λ是反映给予这两个冲突的目标的相对权重的常数。

等式(1)可以在一种算法中实施，所述算法确定此时传递到顶驱装置控制器的转速v，前提是假设控制器能够精确地实现该速度。虽然现代的顶驱装置控制器一般能够实现近似于命令的速度，但是实际速度与命令的速度之间必然会有小的差别。这样的小差别并不会使控制算法失效。

因此，当v出现在等式的左侧时，它应当被解释为有待发送到顶驱装置控制器的命令转速。当v出现在等式的右侧时，它优选地是顶驱装置的最近的测量到的实际转速，但是如果未获得这个转速，则可以用最近的前一命令转速取代。

可以由钻柱中的转速和扭矩(T)的同时地面测量值来估计转速的上行分量。可以确定钻杆的旋转阻抗z，即，可由地面处的钻杆尺寸等等确定。旋转的下行分量和上行分量于是可以表达成：

$v_{down}=\frac{1}{2}\left(v+\frac{T}{z}\right)$

$v_{up}=\frac{1}{2}\left(v-\frac{T}{z}\right)$

其中，z是钻杆阻抗。

对应的上行能量和下行能量与v² _down和v² _up成比例，并且其总和与钻柱的总旋转能量成比例：

$v_{up}^2+v_{down}^2=\frac{1}{2}{v}^2+\frac{1}{2z^2}{T}^2$

虽然需要使用z的正确值，但是控制器总体上不受z的值的误差的影响。

等式(1)的解表达成：

$v=\frac{v_0+{\mathrm{\λv}}_{up}}{1+\mathrm{\λ}}$

然而，这个解提供的钻柱的平均转速比需要的平均转速慢，即，所述转速使下行能量降低，因而减少钻柱的振荡，但是下行能量太低，会导致钻头旋转缓慢，钻井速度达不到期望。因此，最小化约束条件可以重写成：

$E={(v-(1+\mathrm{\λ})v_0)}^2+{\mathrm{\λv}}_{down}^2$

这个最小化约束条件的解是：

$v=v_0+\frac{\mathrm{\λ}}{1+\mathrm{\λ}}{v}_{up}$

右侧的v_up项是由扭矩和转速的最近测量值计算得到的，因而稍有滞后。在本公开内容的一些实施例中，这个滞后配置成小于旋转系统的主谐振的周期的至少四分之一。

在本公开内容的一些实施例中，所述解中可以包含残余校正项r，以考虑到转速的长期平均。这于是为最小化约束条件提供下面的解，其中t是当前时间并且δ是取样间隔：

$v\left(t\right)=r\left(t\right)+v_0\left(t\right)+\frac{\mathrm{\λ}}{1+\mathrm{\λ}}{v}_{up}(t-\mathrm{\δ})---\left(2\right)$

残余校正的变化率与当前平均转速和期望平均转速之间的差值成比例，如下：

$\frac{dr}{dt}=\frac{1}{k}(v-v_0)$

并且k选择成使得它与系统的谐振时间相比较长。举例来说，k可以约为60秒或更长。

在离散的时间中，在取样间隔为δ的情况下，可以通过下式计算r：

$r_j=r_{j-1}+\frac{\mathrm{\δ}}{k}\left(v_j-v_{0\left(j\right)}\right)$

可以对等式(2)中使用的信号v_up应用高通滤波器。这可以使用单极滤波器进行，使用相同的k值，其中：

$v_{{\mathrm{up}}_j}^l=\left(1-\frac{\mathrm{\δ}}{k}\right)v_{{\mathrm{up}}_{j-1}}^l+\frac{\mathrm{\δ}}{k}{v}_{{\mathrm{up}}_j}$

$v_{{\mathrm{up}}_j}^h=v_{{\mathrm{up}}_j}-v_{{\mathrm{up}}_j}^l$

其中，下标j指示时间步，上标l指示过滤掉的低通信号，上标h指示剩余的高通信号。等式(2)中使用的λ的值可以是1。λ参数控制所述控制系统将要提供旋转谐振的多少降低。例如，当λ设置成零时，控制系统将提供扭转谐振的零降低。期望的扭转谐振控制是可以选择的，并且可以对照其它期望的钻井参数来权衡这个选择。

图2展示了根据本公开内容的一个实施例的实施基于等式(2)的控制算法的钻井控制方法的基本流程图。在本公开的一些实施例中，在第一步中设置v₀之后，所述算法以重复间隔在后续步骤中循环，这个重复间隔足够短，使得系统的主旋转谐振期间，所述步骤重复多次。

当系统激活时，λ的值可以随时间变化，使得起初这个值是零或近似零，随后增加到这个值到达所选择的值为止。在本公开内容的一些实施例中，这种逐渐激活的方法可以减少钻井系统中经历的系统行为的变化。

如果向上行转速v_up应用高通滤波器，则理论上不需要残余校正项r。然而，在一些实施例中，仍然可以使用此校正项来避免噪声或计算误差导致的漂移。

在本公开内容的一些实施例中，为了避免发送高频噪声到可能与内部控制算法交互的驱动系统(即，顶驱装置控制器等等)，可以对上行转速的估计值进行低通滤波。这个操作可以用与针对r相同的方式进行，但是k的值更小，k值可以选择成使得其不会过滤掉钻柱的主旋转谐振。在本公开内容的一些实施例中，k的值可以约为0.1s。可以根据下式提供低通单极滤波器：

$v_{{\mathrm{up}}_j}^f=\left(1-\frac{\mathrm{\δ}}{k}\right)v_{{\mathrm{up}}_{j-1}}^f+\frac{\mathrm{\δ}}{k}{v}_{{\mathrm{up}}_j}$

其中，上标f指示经过滤波的信号。

在钻井系统中，如果钻头粘得很紧，则钻柱的旋转有可能会完全停止。为了避免这种情况，在本公开内容的一些实施例中，可以强加v的最小值。举例来说，可以对控制系统强加比期望的平均值v₀小25％或50％的v的最小值。出于例如减少钻机上的振动或顶驱装置变速箱的限制等原因，可能还需要对转速设上限。以类似方式，在本公开内容的一些实施例中，可以对系统强加v的最大值。

等式(2)可以重写为：

$v_j=r_j+v_{0\left(j\right)}+\frac{\mathrm{\λ}}{1+\mathrm{\λ}}{v}_{{\mathrm{up}}_{j-1}}^f$

如上所述，在本公开内容的一些实施例中，可以在处理器中处理能量优化算法以实现期望的钻井速度，并且可以根据优化算法的输出来控制钻柱的转速。举例来说，控制单元370可以是从控制器，其控制顶驱装置30等等以根据优化算法的输出来控制钻柱被驱动的转速。特别地，主(例如内置)控制系统可以控制顶驱装置等等以用期望的转速驱动钻柱，并且从控制器可以控制顶驱装置等等以用大约/接近期望转速的转速来驱动钻柱。使用此从控制器意味着，可以修改现有的控制系统以实施根据本发明的控制方法。

以上引用的所有参考文献出于所有目的以引用的方式并入在此。虽然上文已经结合具体的设备和方法说明了本公开内容的原理，但是应当清楚地理解，这个说明只是举例做出的，并且不是用作对本发明的范围的限制。

本发明的相关编号条款

[条款1]一种用于控制钻井系统的方法，所述钻井系统包括驱动系统、钻柱和钻头，其中，所述驱动系统在钻井过程期间旋转所述钻柱以穿过地层钻出井眼，所述方法包括：

接收所述钻柱的期望/设定转速；

确定沿着所述旋转钻柱上行的旋转能量的上行能量分量；

确定沿着所述旋转钻柱下行的能量的下行能量分量；以及

推导约束所述下行旋转能量的用于所述钻柱的最优转速。

[条款2]根据条款1所述的方法，其进一步包括：

控制所述驱动系统以在所述最优转速下旋转所述钻柱。

[条款3]根据条款1或2所述的方法，其中，所述驱动系统包括顶驱装置。

[条款4]根据前述条款中的任一项所述的方法，其中，所述确定所述上行能量分量和所述确定所述下行能量分量包括测量所述钻柱的实际转速、施加到所述钻柱的扭矩和所述钻柱的旋转阻抗中的至少一项，以及处理所述钻柱的所述实际转速、施加到所述钻柱的所述扭矩和所述钻柱的所述旋转阻抗中的所述至少一项的测量值，以确定所述上行能量分量和所述下行能量分量。

[条款5]根据前述条款中的任一项所述的方法，其中，所述最优转速包括这样一个转速，所述转速组合了对所述最优转速相对于所述期望/设定转速的变化和所述下行能量分量的约束条件。

[条款6]根据前述条款中的任一项所述的方法，其中，对所述最优转速或者最大或最小转速或者这两个转速设置附加界限。

[条款7]根据前述条款中的任一项所述的方法，其中，所述钻柱的所述转速包括所述钻柱的角速度。

[条款8]一种用于控制钻井系统的方法，所述钻井系统包括驱动系统、钻柱和钻头，其中，所述驱动系统在钻井过程期间旋转所述钻柱以穿过地层钻出井眼，所述系统包括：

控制系统，其经配置以驱动所述钻柱以期望/设定转速旋转；

一个或多个传感器，其与所述驱动系统和所述钻柱中的至少一个联接，并且经配置以测量参数以便确定沿所述旋转钻柱行进的上行能量分量和下行能量分量；以及

处理器，其经配置以处理所述钻柱的最优转速以提供约束所述下行旋转能量的所述钻柱的最优转速。

[条款9]一种用于控制钻井系统的方法，所述钻井系统包括驱动系统、钻柱和钻头，其中，所述驱动系统在钻井过程期间旋转所述钻柱以穿过地层钻出井眼，所述方法包括：

接收所述钻柱的期望/设定转速；

确定沿着所述旋转钻柱下行的能量的下行能量分量；以及

推导所述钻柱的最优转速，其中，所述最优转速和期望转速之间的变化与所述下行旋转能量的组合被最小化。

Claims (14)

1.一种用于控制钻井系统的方法，所述钻井系统包括驱动系统、钻柱和钻头，其中，所述驱动系统在钻井过程期间旋转所述钻柱以穿过地层钻出井眼，所述方法包括：

设定所述钻柱的期望转速v₀；

接收所述钻井系统的属性测量值，并且由此推导所述钻柱的转速的与上行旋转能量相关的分量v_up；

通过优化一个表达式来确定所述钻柱的转速v，所述表达式调和了下面两个冲突的目标：(i)维持以v₀为中心的稳定转速，和(ii)使下行旋转能量最小化，所述优化表达式基于v₀和v_up表达v；以及

控制所述驱动系统以使所述钻柱以v旋转。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，重复地执行：接收属性测量值以及由此推导v和v_up；确定下一转速v；以及控制所述驱动系统。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述驱动系统包括顶驱装置。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，优化的表达式包含残余校正项，以考虑所述转速在大于所述钻井系统的谐振时间的时间标度上的长期平均化。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，向v_up应用高通滤波器，且所述高通滤波器的截止频率小于所述钻井系统的谐振频率。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，向v_up应用低通滤波器，且所述低通滤波器的截止频率大于所述钻井系统的谐振频率。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对v强加最大和/或最小界限。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，由包括下面各项的测量到的属性推导v_up：所述钻柱的实际转速和所述钻柱中的扭矩T。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：

测量所述钻井系统的属性，v_up由所述属性推导出。

10.一种用于控制钻井系统的控制器，所述钻井系统包括驱动系统、钻柱和钻头，其中，所述驱动系统在钻井过程期间旋转所述钻柱以穿过地层钻出井眼，所述控制器经配置以执行根据权利要求中1到8任一项所述的方法。

11.一种根据权利要求10所述的控制器与用于测量钻井系统的属性值的一或多个传感器的组合，v_up是由所述属性推导出。

12.一种钻井系统，其包括驱动系统、钻柱和钻头，其中，所述驱动系统在钻井过程期间旋转所述钻柱以穿过地层钻出井眼；

其中，所述钻井系统进一步包括根据权利要求10所述的控制器，或者根据权利要求11所述的控制器与传感器的组合。

13.一种计算机程序，其包括代码，所述代码当在计算机上运行时，使得所述计算机执行根据权利要求1到8中任一项所述的方法。

14.一种存储计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括代码，所述代码当在计算机上运行时，使得所述计算机执行根据权利要求1到8中任一项所述的方法。