CN105492722A - 使用平滑法对钻探路径的控制 - Google Patents

Abstract

设计一种钻探组合件控制系统以控制钻头定向，使得遵循最小化振荡和偏离的井路径。当检测到与预期井路径的偏离时，预测模块对偏离的路径建模。使用所述建模的路径，优化模型利用成本函数和各种约束来分析替代校正路径以便确定哪一校正路径提供至所述预期井路径的最不弯曲的返回。

Description

使用平滑法对钻探路径的控制

公开领域

本公开一般来说涉及烃类储层中的地质导向，且更具体地说涉及钻探组合件导向系统，其被设计用来控制钻头定向，使得遵循最小化弯曲度的路径。

背景

烃类化石燃料因为其相关联的生产成本而为有限的资源。由于使用易于获得的资源，因此新技术是必要的以最小化生产成本并增加可用性。北美页岩繁荣的主要驱动因素中的一者是定向钻探。使用此技术来钻探可能被水力压裂的长的水平井已使新资源可用并驱使天气热的价格在过去五年期间下降。

简单地说，定向钻探是使用对钻头定向提供控制或在钻头处施加侧向力的系统来钻探井筒的实践。此系统允许在几乎任何方向上沿着受控路径钻探。除了钻探长的水平井孔之外，定向钻探还可使用一个钻机建立多个井，从而延伸可到达位置，以降低的损耗将自喷井减压，并避免难以钻探的地层。为了实现对钻头的控制，井底钻具组合件(“BHA”)配备有将力施加至井孔的壁或改变钻头与BHA相关时所指向的方向的机构。这些系统称作“推靠钻头”或“指向钻头”，这取决于机构操作的方式。

尽管定向钻探已实践一些时间，但其仍有一些挑战。与定向钻探相关的主要挑战是在严密地遵循所设计的路径时产生平滑的井筒。非平滑的或弯曲的井筒可损害完井并导致卡住的和疲劳的管。而且，与所设计的路径的大的偏离可导致与附近的井相撞，从而失去目标位置，或损害钻探效率。

也存在其它挑战，尤其是与钻探自动化相关的挑战(即，需要操作者的极少干预或不需要干预的自主钻探系统的研发)。钻探自动化的难度来自于包括钻探系统与井孔和流体(泥浆)流的交互的过程的复杂性。复杂的井下振动(诸如钻头跳动、钻头涡动和粘滑)的存在使得更难以使过程自动化。此外，仅有限数目的传感器可放置在受限的空间中或经受得住严苛的井下条件。而且，测量通常受到高噪声电平污染，且仅可以低速率以长的传输延迟传输。

因此，本领域中需要一种用于钻探组合件的自主地质导向系统，其利用对钻头-井筒交互的理解来产生平滑的井筒。

附图简述

图1说明根据本公开的说明性实施方案的井路径平滑系统的框图；

图2说明根据本公开的某些说明性实施方案的钻探组合件；

图3是根据本公开的某些说明性实施方案的划分为七个子系统的钻探组合件的示意性模型；

图4和图5是表示使用本公开的说明性实施方案产生的钻探组合件的预测模型的结果的图表；

图6说明根据本公开的某些说明性实施方案的沿着预定井路径钻探井筒的钻探组合件；以及

图7是根据本公开的某些说明性实施方案应用的说明性路径平滑方法的流程图。

说明性实施方案的描述

下文将本公开的说明性实施方案和相关方法描述为可用于钻探组合件导向系统，其被设计用来控制钻头定向，使得遵循最小化弯曲度的路径。为了清楚起见，在本说明书中并不描述实际实现方式或方法的所有特征。当然，应了解，在开发任何此类实际实施方案时，必须做出众多实现方式特定的决定以实现开发者的特定目标，诸如符合系统相关和商业相关约束，一个实现方式与另一实现方式的目标将不同。此外，应了解，此开发努力可能是复杂的且耗时的，但尽管如此，这对于受益于本公开的本领域技术人员来说将为例行任务。鉴于以下描述和附图，本公开的各种实施方案和相关方法的进一步方面和优点将变得显而易见。

图1示出根据本公开的说明性实施方案的井筒路径平滑系统100的框图。如本文中将描述，井筒路径平滑系统100的说明性实施方案提供控制系统以控制钻头定向，使得遵循路径同时最小化弯曲度。“弯曲度”在本文中定义为井筒扭曲、转弯、振荡或以其它方式偏离的井筒条件。如下文所描述，当井筒路径平滑系统100检测到与预期井路径的偏离时，预测模块对沿着某一距离的偏离的路径建模。使用建模的偏离的路径，优化模块接着利用成本函数和各种约束来分析替代校正路径以便确定哪一校正路径提供至预期井路径的最不弯曲的返回。成本函数包括在作为整体来看时导致平滑的校正路径的各种竞争约束。因此，本公开的说明性实施方案提供对平滑的钻探路径的最佳控制和自动化。

参看图1，井筒路径平滑系统100包括至少一个处理器102、非暂时性计算机可读存储装置104、收发器/网络通信模块105、任选的I/O装置106和任选显示器108(例如，用户界面)，其全部经由系统总线109互连。可由处理器102执行以用于根据本文中描述的说明性实施方案实现路径平滑引擎110内所存储的软件指令的软件指令可存储在存储装置104或一些其它计算机可读媒体中。

尽管图1中未明确示出，但应认识到，井筒路径平滑系统100可经由一个或多个适当的网络连接而连接至一个或多个公共和/或专用网络。还应认识到，包括路径平滑引擎110的软件指令也可经由无线或有线方法从CD-ROM或其它适当的存储媒体加载至存储装置104中。

此外，本领域技术人员将了解，本公开可借助多种计算机系统配置实践，包括手持式装置、多处理器系统、基于微处理器的或可编程消费者电子装置、小型计算机、大型计算机，和类似物。可接受任何数目的计算机系统和计算机网络与本公开一起使用。本公开可在分布式计算机环境中实践，在所述环境中通过经由通信网络链接的远程处理装置来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可位于本地和远程计算机存储媒体(包括存储器存储装置)中。因此，本公开可结合各种硬件、软件或其组合在计算机系统或其它处理系统中实现。

在某些说明性实施方案中，路径平滑引擎110包括预测模块112、优化模块114和导向模块116。预测模块112用以产生综合的基于物理的动态模型，其基于各种输入预测井路径将为什么样子。因而，预测模块112执行本公开的地质解释和地球建模功能，其实现(例如)地层可视化和实时地质导向。为了实现此，如下文将进一步详细描述，预测模块112上传反映井下组合件的各种与弯曲度相关的钻探参数的实时数据，对数据执行各种解释和正演模拟操作，并利用显示器108来提供对应的偏离的井路径的期望的可视化。另外，预测模块112还可检测故障，估计钻头相对于预期钻探路径的位置，并预测井下振动或其它弯曲度。

仍参看图1，优化模块114分析通过预测模块112建模的偏离的路径来借此确定最佳校正路径以使钻探组合件返回至预期路径。为了实现此，优化模块114利用成本函数和约束来分析各种候选的校正路径以确定最佳路径。如下文将更详细地描述，成本函数由竞争约束组成，竞争约束分析候选的校正路径的井路径与曲率行为。因此，由优化模块114确定为最佳的校正路径是平滑的。

导向模块116控制钻探组合件的导向功能。一旦已确定最佳校正路径，优化模块112就产生对应的钻探参数并将其传输至导向模块116。反过来，导向模块116将钻探参数传达至钻探组合件以相应地对其导向。

此外，在某些其它说明性实施方案中，路径平滑引擎110可与各种其它模块和/或数据库通信。举例来说，此类数据库可提供历史的和实时的井相关数据的稳健的数据检索和集成，井相关数据跨越建井和完井过程的所有方面，诸如(例如)钻探、固井、电缆测井、试井和模拟。此外，此数据可包括(例如)井轨迹、测井数据、地面数据、故障数据等。在此类实施方案中，路径平滑引擎110还可提供例如以下能力：针对多井项目选择数据，编辑现有数据和/或创建对于解释和实现各种井路径的2D或3D井可视化来说是必要的新数据。

再次，如先前所描述，预测模块112的说明性实施方案产生偏离的路径的基于物理的动态模型。此模型实现对过程的基本理解并促进也如本文中所描述的基于模型的适应性参数控制器的设计。因此，井筒路径平滑系统100能够准确地估计对于过程自动化是必要的井下条件。

现在将描述预测模块112产生动态模型的说明性方法。在一个实例中，预测模块112使用四个自由度产生钻探组合件的动态模型：旋转、轴向运动和沿着两个侧向方向上的弯曲。模型使用由某些边界条件下的柔性梁的支配方程式衍生的集总质量弹簧阻尼系统。根据钻探组合件组件的几何形状分割并对准集总质量，从而得到非均匀分布的钻探组合件模型。如受益于本公开的本领域技术人员将理解，本文中描述的模拟模型是使用模拟和基于模型的设计软件产生的。此外，下文呈现的说明性模拟结果说明存在三种说明性类型的钻头振动(即，钻头跳动、钻头涡动和粘滑)。

说明性钻探组合件配置：

井孔轨迹主要由钻头的方向控制，钻头由钻探组合件导向。如先前所论述，存在两种使用钻探组合件来引导钻头的主要方法：推靠钻头和指向钻头。前一系统对井孔壁施加侧向力以迫使钻头处于期望的方向上，而后一系统对驱动轴施加旋转扭矩以使钻探组合件弯曲并使钻头倾斜。然而，本文中提供的描述集中于使用指向钻头式导向的钻探组合件上。然而，受益于本公开的本领域技术人员将理解，本公开也可用推动钻头式导向应用。

为了进一步说明预测模型，图2中说明说明性钻探组合件。钻探组合件20由钻环22、稳定器24、传感器套件26、弯曲轴28和钻头30组成。稳定器24的主要目的是在井孔内稳定钻探组合件20，从而减少振动，限制侧向移动，并提供支撑力。当使用推靠钻头机构时，稳定器24也充当钻头30的导向器。指向钻头机构用以使用由齿轮和离合器系统控制的一对偏心环来使弯曲轴28折曲。通过控制轴28的弯曲量，钻头30可指向期望的方向。说明性钻探组合件20安装有传感器套件，其可包括应变计、压力测量、振动测量和惯性感测套件。

钻探组合件振动的解耦运动：

图1进一步说明钻探组合件20连同四个运动自由度：一个旋转运动；一个轴向运动z；和沿着两个侧向方向的弯曲运动x和y。钻探组合件20的弯曲相对小且假设弯曲一个轴的影响对其它轴的弯曲具有可忽略的影响。可由钻探组合件20的弯曲引入的井孔的最大曲率(也称作狗腿严重度)是大约每钻探100英尺15°。这等效于382英尺(116.5m)的曲率半径。与典型的40英尺(12.2m)的钻探组合件长度相比，对应于曲率半径的偏转是小的。因此，假设四个运动方向是解耦的，且可忽略与交互相关联的非线性。

钻探组合件20与井筒之间的接触针对每一自由度耦合运动方程式。这些交互在钻探组合件的组件处，诸如稳定器24、驱动轴28和最重要地在钻头30处发生。举例来说，稳定器-井筒接触之处的摩擦力影响弯曲以及旋转运动。因此，可假设钻探组合件20的动力学沿着四个运动自由度解耦，除了在钻探组合件-井筒接触点处。

对钻探组合件弯曲建模：

预测模块112可用多种方式对钻探组合件20的弯曲建模。在一个此类实施方案中，钻探组合件20的直径是大约几英寸，这与其大约几十英尺的长度相比相当较小。因此，钻探组合件20的弯曲可使用柔性梁理论建模。存在四种普通梁模型：欧拉-伯努利梁、瑞利梁、剪切梁和铁木辛柯梁。在此实例中，忽略旋转惯性的效果，这是因为钻探组合件20的厚度相对小，且仅考虑钻探组合件20的剪切变形。因此，剪切梁理论用以对钻探组合件20建模。对应的运动方程式由以下式子给出：

$\mathrm{\ρ}A\frac{{\∂}^{2}v(z,t)}{\∂t^2}-k^{\′}GA(\frac{{\∂}^{2}v(z,t)}{\∂z^2}-\frac{\∂\mathrm{\α}(z,t)}{\∂z})=f(z,t)$ 方程式(1)，以及

$\frac{{\∂}^2\mathrm{\α}(z,t)}{\∂z^2}+k^{\′}GA(\frac{\∂v(z,t)}{\∂z}-\mathrm{\α}(z,t\left)\right)=0$ 方程式(2)，

其中υ是无量纲位移，α是属于弯矩的旋转角度，且k’、ρ、A、G、z和t分别是形状因子、无量纲密度、面积、剪切模量、轴向坐标和时间。函数f(z,t)表示作用于钻探组合件20上的外力。对于考虑中的说明性钻探组合件，此外力是零，除了在稳定器24、驱动轴28和钻头30处，在这些地方钻探组合件20与井筒接触。在没有任何外力的情况下的齐次解由以下方程式确定：

$\frac{{\∂}^{4}v(z,t)}{\∂z^4}-\frac{\mathrm{\ρ}}{k^{\′}G}\frac{{\∂}^{4}v(z,t)}{\∂z^2\∂t^2}+\mathrm{\ρ}A\frac{{\∂}^{2}v(z,t)}{\∂t^2}=0$ 方程式(3)，以及

$\frac{{\∂}^4\mathrm{\α}(z,t)}{\∂z^4}-\frac{\mathrm{\ρ}}{k^{\′}G}\frac{{\∂}^4\mathrm{\α}(z,t)}{\∂z^2\∂t^2}+\mathrm{\ρ}A\frac{{\∂}^2\mathrm{\α}(z,t)}{\∂t^2}=0$ 方程式(4)

应注意，方程式3和4是解耦的。在此实例中，仅对应于横向偏转v(z，t)的方程式3是有趣的。通过变量分离方法，方程式3的解可表达为：

v(z，t)＝T(t)W(z)方程式(5)，

T(t)＝d₁sinωt+d₂cosωt方程式(6)，以及

W(z)＝C₁sinaz+C₂cosaz+C₃sinhbz+C₄coshbz方程式(7)，

其中系数C_i和d_i连同ω、a和b是由边界和初始条件确定的。应注意，存在对应于相关联的系数的一系列自然频率和模式；d_i因为冗余而被设定为1。

边界和初始条件：

为了进一步说明说明性预测模型的产生，假设钻探组合件20的最简单的配置，其中稳定器24存在于钻探组合件20的一端且钻头30在另一端。稳定器24固定于钻探组合件20的中心位置且其侧向位移始终是零。而且，钻探组合件20始终垂直于稳定器24的横截面。这两个物理限制导致稳定器24处的夹固端。至于钻头30，尽管其具有有限的移动空间，但在假设小偏转的情况下可将其视为自由端。因此，可出于边界条件的目的而将钻探组合件20归类为悬臂梁。因此，如受益于本公开的本领域技术人员将理解，可确定自然频率和振动模式。

为了减轻计算负担，假设零初始条件(即，v(x,0)＝0)。借助从解耦的方程式3得到的一个边界条件，与稳定器24相关联的两个边界条件，和与钻头30相关联的两个边界条件，可确定方程式5至7中所有五个未知数。最后，可通过合适地并准确地对钻探组合件20上的外力建模来得到对应于外力函数f(z,t)的特定解，所述外力支配钻头方向和钻探组合件20的曲率。

说明性钻探组合件模型—集总参数方法：

在此实例中，使用二阶偏微分方程式(“PDE”)来对旋转和轴向动力学建模，其中所有系数具有清楚的物理含义。这些连同先前部分中的弯曲动力学可使用有限元法(“FEM”)求解。然而，实现FEM方法既不实际也不可用，这是因为井场和井下的计算资源是有限的。因此，需要使用较少计算能力同时提供足够准确的结果的较经济的方法。

因此，本公开的说明性实施方案利用集总参数方法来实时地实现钻探组合件20的动力学。这么做时，路径平滑引擎110将钻探组合件20离散成几个质量-弹簧单元。将每一单元抽象化为无质量的弹簧和集中的质量。然而，与FEM相比，质量的数目可因集总程序显著减少。

利用集总参数方法的预测模块112的说明性实施方案基本上通过应用模态分析来计算等效质量和弹簧常数。这有助于确保具有集总质量的系统产生与实际系统相同的频率响应。举例来说，假设钻探组合件20被均匀地划分为N个部分，且每一部分的长度是l*＝L*/N，且L*是钻探组合件20的长度。考虑到方程式5的解，第i个片段的动能E*_ki可表达为：

方程式(8)，

其中是单位-长度密度。应注意，具有*的变量是量纲变量。对于集总参数方法，第i个质量的等效动能是：

方程式(9)

因此，等效质量可通过结合方程式8和9而获得：

方程式(10)，

其中W是井底钻具组合件的形状。而且，类似地，通过使势能相等，等效弹簧常数是：

方程式(11)，

其中E*I*是钢管的一致的弯曲刚度。应注意，此方法中使用仅与第一自然频率相关联的解。幸运的是，使用第一模式仍可产生代表性近似。

集总参数方法的问题中的一个是基于方程式5至7中的PDE解而假设驱动轴处的恒定外力。然而，力通常是随时间变化的。因此，难以提前确定力的分布。然而，在当前实例中，提出适配方案作为补救。

数值计算建议典型的钻探组合件的第一自然频率的阶数是约10³Hz。井下传感器和控制信号通常在约10至100Hz下取样，这显著比钻探组合件振动慢。因此，可忽略尤其是沿着两个弯曲轴的振动的瞬时行为。在此适应策略中，在每一时刻，可将驱动轴的力看作恒定的且接着重新确定方程式5和6的系数。集总参数方法随后重新计算等效质量和弹簧常数。针对每一时刻重复此程序并更新集总质量-弹簧系统。因此，具有适配的模型可用于振动分析和减轻设计。

钻探组合件模型的说明性软件实现方式：

使用上文描述的说明性方法，路径平滑引擎110经由预测模块112沿着井筒产生钻探组合件20的预测模型。在此实例中，使用模拟和基于模型的设计软件来实现钻探组合件20的模型。图3说明划分为七个子系统的钻探组合件20的说明性模型的示意图300。钻柱动力学子系统32实现钻探组合件20的轴向和旋转动力学。此处，钻探组合件20包括几千英尺的钻杆。在当前实例中，将钻探组合件20建模为二质量系统，其在一端连接至顶部驱动器和绞车，且在另一端连接至钻探组合件20。顶部驱动器在地面施加扭矩，且绞车携载系统的负荷。通过改变绞车携载的负荷量，钻头30上的重量将改变。

集总系统-X34沿着x轴从钻柱的最后质量开始向上直到钻头30实现钻探组合件20的动力学。如先前所描述，可假设沿着轴中的每一者的动力学解耦，除了在接触点(即，钻探组合件20上的与井筒交互的位置)处的力。在此实例中，假设这些接触点仅在稳定器24的位置处。集总参数方法用以将钻探组合件20中的各种组件离散成质量-弹簧系统。如方程式10和11中所描述来计算这些质量-弹簧系统中的每一者的质量和硬度值。

集总系统-Y36沿着y轴向上直到钻头30实现钻探组合件20的动力学。因为沿着x轴和y轴的运动对称，所以质量-弹簧集总系统的建模策略和参数与沿着x轴的相同。应注意，这两个子系统因为其与井筒的复杂的非线性交互而不考虑钻头30的侧向动力学。这些交互在单独的子系统中建模并耦合。集总系统-Z38使用集总参数方法来实现钻探组合件20的轴线动力学。其包括两个块：(1)模仿以上集总子系统的钻探组合件20质量(除了钻头30)，和(2)用以对钻头30的轴向动力学求解的个别块。最后元件的响应(即，钻头30示出钻头30在井筒中的轴向延伸)。

集总系统-φ40对钻探组合件20的旋转动力学求解。其类似于用于轴向动力学的子系统(即，其具有两个单独的块，每一个用于钻探组合件20的钻头30和其它组件)。钻探组合件20的旋转和轴向动力学因为与井筒和岩石的复杂交互而显著受钻头30的动力学影响。因此，这些耦合以考虑钻头交互，如图3所示。钻头侧向动力学42实现钻头30的复杂侧向动力学。钻头30的沿着侧向轴的复杂的非线性行为由摩擦力引起，因为钻头30与井筒和井底交互。在某些说明性实施方案中，使用如在A.Christoforou和A.Yigit的“FullyCoupledVibrationsofActivatelyControlledDrillstrings”，J.ofSoundandVibration，267卷(第5期)，1029-1045，2003年11月中描述的方法来对这些复杂的动力学建模。将非线性摩擦力建模为简单的静态和动态摩擦块。

岩石-钻头交互44对地层-钻头交互建模。无法在不对钻头与地层的交互准确地建模的情况下全面地描述钻头侧向动力学和反过来钻探组合件20的动力学。在某些实施方案中，此子系统基于上文描述的Christoforou等人的文章中描述的方法来对这些交互建模。为了此实例的目的，假设钻头类型是PDC钻头并估计对应的钻压(“WOB”)、钻头扭矩(“TOB”)和钻进速度(“ROP”)。这些估计跨越所有四个运动轴与钻头30的动力学耦合，如图2所示。

钻探组合件的说明性规格：

为了对钻探组合件建模，如下表1中制表而使用实际钻探系统的规格。将说明性钻探组合件划分为其主要组件：PDC类型钻头、指向钻头系统、钻环、井下测量和优化工具，和稳定器。另外，指向钻头系统具有一个或多个外部稳定器(在建模期间使用的一个稳定器实施方案)。因此，将其进一步划分为三个部分：稳定器之前的部分，稳定器和稳定器之后的部分。假设每一部分是空心的圆柱形梁，其中所述部分一般来说具有不同的横截面积、长度和质量密度。对于使用集总参数方法的实现方式，将每一部分划分为质量-弹簧系统，使得两个连续的质量-弹簧系统之间的分离距离不大于1m。然而，对于钻头，假设单个质量系统，因为与钻探组合件的其它部分相比，钻头的长度小且硬度高。

所述部分(以及部分内的质量)是通过弹簧和阻尼器连接，其中系数是根据方程式10和11确定的。假设钻探组合件的所有组件由钢构成且钢的材料性质(即，杨氏模量、剪切模量和密度)用于参数估计。对于此模型，假设质量、惯性矩、弹簧和阻尼常数沿着每一部分均匀地分布。跨越所有四个运动轴(x、y、z和)执行此程序。

结果：

此实例中描述了对期望的顶部驱动器速度的两种条件，即在300kN的恒定绞车负荷下的低速度(3弧度/秒)和高速度(12弧度/秒)的模拟结果。将用以确定钻头处的力的岩石地层的硬度设置为100MN/m。模拟的结果示于图4和图5中，其示出使用本公开的说明性实施方案产生的钻探组合件的预测模型的结果。应注意，此建模实例的主要目标是重复钻头振动。因为在此实例中缺乏岩石-钻头交互数据，所以以下结果应在质量意义上理解。

图4A示出对顶部驱动器速度的低值(3弧度/秒)的钻头旋转速度响应。可见弯曲振动，也称作粘滑振动是重要的且持续较长时间段。粘滑振动因为钻探组合件与井筒之间的摩擦力而出现，从而使钻探组合件以高角速度替代地停止和滑动。粘滑振动在期望的旋转表速度增大时消失，如图5A所示。井场经验证实此动力学行为。

模型还预测在行业内称作涡动的侧向振动，且针对两种旋转速度分别示于图4B和图5B中。这些振动源是钻探组合件的各种组件和钻杆的弯曲。

钻头的轴向位移对于3弧度/秒的情况示于图4C中，且对于12弧度/秒的情况示于图5C中。对应的放大图示于图4D和图5D中。两种情况下都存在轴向振动，或钻头跳动，在钻头正经历粘滑振动时更明显。这些主要是由钻头与井筒底部之间的交互引起的。在极端情况下，钻头可不与井孔底部接触，进而降低钻探操作的效率，且可导致钻头破坏。

这些井下振动的存在不仅可建立不均匀的井孔，而且还可对钻柱、钻头和BHA组件产生有害影响，从而导致其最终发生故障。

因此，通过使用以上说明性方法，路径平滑引擎110经由预测模块112使用四个自由度对钻探组合件的未来路径建模。因为钻探组合件的厚度远小于其长度，所以可使用导向梁理论对侧向方向上的弯曲建模。也利用集总参数方法，其将钻探组合件离散成一些(少量)质量-弹簧系统。因此，预测模块112产生可预测三种最常见的振动类型的模拟。然而，在替代实施方案中，可使用FEM对弯曲动力学连同旋转和轴向动力学求解，如受益于本公开的本领域技术人员将理解。

由于已描述预测模块112产生动力学模型的说明性方法，现在将描述本公开的各种方法。图6说明根据本公开的说明性实施方案的沿着预定井路径钻探井筒的钻探组合件20。图7是由钻探系统20利用的说明性路径平滑方法700的流程图。参看图6和图7，在钻探操作期间，钻探组合件20在方框702处沿着预定井路径64在地层62中钻探井筒60。然而，因为地层-钻头交互，和其它井下现象，钻探组合件20具有从预定井路径64偏离或“走”开的趋势，也称作游动趋势66。在钻探操作期间，钻探组合件20始终与井路径平滑系统100持续通信以传达钻探参数和其它井下数据。在某些实施方案中，井路径平滑系统100可驻留在钻探组合件20内的本地存储器中，而在其它实施方案中，其可驻留在某一远程位置(地面，例如)且经由合适的有线或无线方法传达至井下。

如图1所说明，路径平滑引擎110基本上体现包括三个主要组件的控制系统：动力学预测模型(体现在预测模块112中)、优化器(体现在优化模块114中)和用以更新模型的反馈(体现在导向模块116中)。因此，在方框704处，路径平滑引擎110持续地监测来自钻探组合件20的数据以确定当前井路径与预定井路径64之间是否存在差别或误差，如受益于本公开的本领域技术人员将理解。如果确定为“否”，那么算法返回至方框702并再次继续。然而，如果确定为“是”，那么算法继续至方框706。

在方框706处，当钻探组合件20开始偏离预定井路径64时，通过导向模块116产生对应的定向数据和其它钻探参数并其将传达至路径预测模块112。此数据可包括(例如)先前描述的四个运动自由度(旋转运动、轴向运动z和沿着两个侧向方向的弯曲运动x和y)，外加钻压、RPM、速度等)。将此数据提供至路径平滑引擎110以便指示预定井路径64与当前偏离的路径66之间的误差。

在方框708处，预测模块112接着利用钻探参数来对偏离的井路径建模，如本文中先前所描述。由预测模块112产生的动力学模型用以基于各种钻探参数和其它输入来预测偏离的井路径将是什么样子。在方框710处，优化模块114接着利用成本函数和约束来评估各种可能的候选井路径(基于预测模型)以确定使钻探组合件返回至最初计划的路径的最佳路径。在某些实施方案中，成本函数平衡在作为整体来看时导致最小化弯曲度的平滑的校正路径的竞争约束。说明性成本函数可以是：

$\min ({\left(x-x^{*}\right)}^2+{\left(y-y^{*}\right)}^2+{\left(z-z^{*}\right)}^2+Q(a{\left(\frac{dx}{dt}-\frac{{\mathrm{dx}}^{*}}{dt}\right)}^2+b{\left(\frac{dy}{dt}-\frac{{\mathrm{dy}}^{*}}{dt}\right)}^2+c{\left(\frac{dz}{dt}-\frac{{\mathrm{dz}}^{*}}{dt}\right)}^2)+k(u^2)+h(\frac{dwear}{dt}\left)\right)$

方程式(12)，

其中x*、y*和z*是期望的预定路径；Q、a、b和c是加权因子，u是具有加权因子k的(钻探组合件的)输入的能量，且h是关于钻头30的磨损率的加权因子。此处，可使用笛卡尔坐标，但也可利用极坐标、球坐标或圆柱坐标。说明性成本函数被设计成除了偏离的与不成熟的井路径曲率之间的差之外，最小化实际的路径(偏离的路径66)与期望的路径(预定路径64)之间的差。这些概念是矛盾的，因为如果存在偏离，那么校正动作的最快方式将为以最大曲率直接返回至期望的路径，而不是遵循预定路径64的期望的曲率。然而，使用成本函数除了允许加权因子控制平滑量之外，还将导致返回至预定路径64的平滑的校正路径。

此外，由于由预测模块112产生的预测模型向前预测未来且允许相对于那个预测控制各种输入，因此将减少和/或减轻在具有物理非线性反馈的误差驱动控制器中通常所见的振荡。在此说明性实施方案中，输入能量u的最小化是为了确保校正路径易于钻探。换句话说，u允许路径平滑引擎110考虑将钻探组合件20导向回到预定路径64所必要的能量。另外，dwear提供围绕磨损率的优化，使得在候选的校正路径导致磨损增大较大时将不遵循候选的校正路径(例如，以对钻头寿命有害的角度切割岩石)。

仍参看以上说明性成本函数，加权因子a、b和c由路径平滑引擎110用来区分路径与曲率行为的重要性。如本文中描述的本领域技术人员所理解，路径是期望的路径，其包括位置和曲率，而曲率是路径的弯曲，而不是位置(位置和斜率对斜率)。举例来说，如果钻探组合件20需要在z方向上紧紧地维持路径，但沿着x-y平面的移动较少受关注，那么增益c将小于a和b。此说明性实施方案在成本函数中使用与位置和速度相关的钻探参数，然而其它实施方案可利用加速度，如受益于本公开的本领域技术人员将理解。

在其它说明性实施方案中，加权因子可被设计以取决于环境(诸如岩石硬度)而改变。举例来说，如果地层是硬的，且钻探组合件20在期望的路径下方，那么路径平滑引擎110将减小路径遵循部分的加权因子(可能至零)，且增大斜率的加权因子。此将使工具面保持相对恒定。一旦通过此硬的区域，加权因子将返回至正常值，且路径将返回至预定路径。

或者，加权因子也可相对于模型预测行为的良好程度而改变。举例来说，如果模型因为加速度计(或其它传感器)的高噪音而具有不确定性，那么路径平滑引擎110可改变加权因子。此处，加权因子可改变，使得其通过减小路径遵循和斜率遵循因子而钻探直的孔来减少BHA弯曲，且在某些实施方案中增大与信号噪音电平相关的加权因子。这将使工具面移动，使得振动最小化，这将清除信号，且允许系统改进模型同时减小不确定性。此外，在预测模型将需要时间来适应的那些应用中，对加权因子的积极改变将不是必要的。

在又其它实施方案中，可将约束添加至成本函数来借此限制钻探参数。此类约束可包括(例如)对应于导向角度的输入限制、改变速率限制(例如，导向机构的角速度)、对曲率的改变速率的限制等。在此类实施方案中，优化将包括对解连同成本函数的限制。

如上文所陈述，成本函数被设计以最小化预定路径64与偏离的路径66之间的差。在方框710处，优化模块114利用成本函数和动力学预测模型来产生并评估各种候选的校正路径。在这么做时，优化模块114的某些实施方案利用适应参数控制器以使用成本函数来分析候选的校正路径的钻探参数。此处，举例来说，测量钻探组合件所处之处与原始的期望的路径之间的差。此测量可使用总深度实现，其中举例来说组合件在5000英尺处且应向东1000英尺，但替代地仅向东900英尺-这就是误差。使用动力学模型和成本函数，优化模块114计算最小化成本函数的向前的最佳路径。此输出是工具面，是钻头面向的方式。路径平滑引擎可使用多种方法来搜索最小点，诸如例如梯度搜索，或某一其它优化方法。

此后，将对应于最佳校正路径的钻探参数传达至导向模块116，借此将导向输入传达至钻探组合件20的导向机构以借此相应地对其定向。一旦钻探组合件已定向，其在方框712处开始沿着校正路径钻探。预测模块112继续映射钻探组合件20的游动趋势并相应地将其校正，如先前所描述。

在钻探操作期间的某些时间，钻探组合件20可能不完美地追踪校正路径。由于岩石地层是异质的且钻头动力学可因磨损而随时间改变，因此钻探系统20将经历偏移。然而，通过使用成本函数，路径平滑引擎110允许一些偏移，同时其在不建立弯曲路径的情况下确定预测模型性质。在一些实施方案中，路径平滑引擎110可通过将工具面保持稳定且不做改变来允许偏移，直到其在某一指定的确定程度上确定模型(例如，模型输出与测量匹配的良好程度)。

本文中描述的以上方法和系统在更改和/或钻探井筒时特别有用。如所描述，系统提供改进井筒平滑度和借此降低阻力并允许较长井的方法。其也将因为井筒平滑度而减少不需要的行为，诸如卡住的管。因此，通过使用预测模型和成本函数，可实时地规划、钻探/地质导向井筒和/或可更改井路径。

本文中描述的实施方案进一步涉及以下段落中的任何一个或多个：

1.一种用以导向井下钻探组合件的计算机实现的方法，所述方法包括：使用钻探组合件沿着预定路径钻探井筒；接收指示与预定路径的偏离的数据；产生对应于偏离的路径的钻探参数；基于钻探参数对钻探组合件的偏离的路径建模；使用考虑以下两者的成本函数来确定钻探组合件的校正路径：预定路径与偏离的路径之间的差；和预定路径与偏离的路径的曲率之间的差；以及沿着校正路径导向钻探组合件。

2.如段落1中定义的计算机实现的方法，其中确定校正路径进一步包括：利用成本函数来最小化预定路径与偏离的路径之间的差；利用成本函数来最小化预定路径与偏离的路径的曲率之间的差；以及确定对应于每一最小化的校正钻探参数，其中使用校正钻探参数沿着校正路径导向钻探组合件。

3.如段落1至2中任一项定义的计算机实现的方法，其进一步包括在成本函数中利用加权因子来确定校正路径。

4.如段落1至3中任一项定义的计算机实现的方法，其中成本函数考虑对应于以下各项的钻探参数：钻探组合件的位置；钻探组合件的速度；沿着校正路径钻探所必要的输入能量；以及钻探组合件的钻头的磨损。

5.如段落1至4中任一项定义的计算机实现的方法，其中成本函数考虑对应于钻探组合件的加速度的钻探参数。

6.如段落1至5中任一项定义的计算机实现的方法，其中确定校正钻探参数进一步包括基于以下中的至少一者限制校正钻探参数：钻探组合件的最大导向角；改变导向角的最大速率；以及曲率改变的最大速率。

7.如段落1至6中任一项定义的计算机实现的方法，其中对偏离的路径建模进一步包括：分析钻探组合件的钻头的工具面；以及基于工具面实时地对钻探组合件的切割轨迹建模。

8.如段落1至7中任一项定义的计算机实现的方法，其中将成本函数定义为：

9.一种用以导向井下钻探组合件的计算机实现的方法，所述方法包括：使用钻探组合件沿着预定路径钻探井筒；接收指示与预定路径的偏离的数据；确定使钻探组合件返回至预定路径的校正路径，校正路径的确定包括平衡对应于预定路径和偏离的路径的路径和曲率行为的竞争约束以借此最小化弯曲度；以及沿着校正路径导向钻探组合件。

10.如段落9中定义的计算机实现的方法，其中接收指示与预定路径的偏离的数据进一步包括：产生对应于偏离的钻探参数；以及基于钻探参数对钻探组合件的偏离的路径建模，其中使用建模的偏离的路径来实现校正路径的确定。

11.如段落9至10中任一项定义的计算机实现的方法，其中校正路径的确定进一步包括利用成本函数来优化校正路径，成本函数最小化预定路径与偏离的路径的路径和曲率行为之间的差。

12.如段落9至11中任一项定义的计算机实现的方法，其中成本函数包括与以下中的至少一者相关的变量：钻探组合件的位置；钻探组合件的速度；沿着校正路径钻探所必要的输入能量；以及钻探组合件的钻头的磨损。

13.如段落9至12中任一项定义的计算机实现的方法，其中校正路径的确定进一步包括使用钻探参数约束限制校正路径。

此外，本文中描述的说明性方法可通过包括处理电路或计算机程序产品的系统实现，处理电路或计算机程序产品包括在由至少一个处理器执行时使处理器执行本文中描述的方法中的任一者的指令。

尽管已示出和描述各种实施方案和方法，但本公开不限于此类实施方案和方法且将被理解为包括对于本领域技术人员来说将为显而易见的所有修改和变化。因此，应理解，本公开无意限于公开的特定形式。而是，本发明将涵盖落入由所附权利要求书限定的本公开的精神和范围内的所有修改、等效物和替代方案。

Claims (15)

1.一种用以导向井下钻探组合件的计算机实现的方法，所述方法包括：

使用所述钻探组合件沿着预定路径钻探井筒；

接收指示与所述预定路径的偏离的数据；

产生对应于所述偏离的路径的钻探参数；

基于所述钻探参数对所述钻探组合件的所述偏离的路径建模；

使用考虑以下两者的成本函数来确定所述钻探组合件的校正路径：

所述预定路径与所述偏离的路径之间的差；和

所述预定路径与所述偏离的路径的曲率之间的差；以及

沿着所述校正路径导向所述钻探组合件。

2.如权利要求1所述的计算机实现的方法，其中确定所述校正路径进一步包括：

利用所述成本函数来最小化所述预定路径与所述偏离的路径之间的所述差；

利用所述成本函数来最小化所述预定路径与所述偏离的路径的所述曲率之间的所述差；以及

确定对应于每一最小化的校正钻探参数，其中使用所述校正钻探参数沿着所述校正路径导向所述钻探组合件。

3.如权利要求2所述的计算机实现的方法，其进一步包括在所述成本函数中利用加权因子来确定所述校正路径。

4.如权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述成本函数考虑对应于以下各项的钻探参数：

所述钻探组合件的位置；

所述钻探组合件的速度；

沿着所述校正路径钻探所必要的输入能量；以及

所述钻探组合件的钻头的磨损。

5.如权利要求4所述的计算机实现的方法，其中所述成本函数考虑对应于所述钻探组合件的加速度的钻探参数。

6.如权利要求2所述的计算机实现的方法，其中确定所述校正钻探参数进一步包括基于以下中的至少一者限制所述校正钻探参数：

所述钻探组合件的最大导向角；

改变所述导向角的最大速率；以及

曲率改变的最大速率。

7.如权利要求1所述的计算机实现的方法，其中对所述偏离的路径建模进一步包括：

分析所述钻探组合件的钻头的工具面；以及

基于所述工具面实时地对所述钻探组合件的切割轨迹建模。

8.如权利要求1所述的计算机实现的方法，其中将所述成本函数定义为：

$\min ({\left(x-x^{\′}\right)}^2+{\left(y-y^{\′}\right)}^2+{\left(z-z^{\′}\right)}^2+Q(a{\left(\frac{dx}{dt}-\frac{{\mathrm{dx}}^{\′}}{dt}\right)}^2+b{\left(\frac{dt}{dt}-\frac{{\mathrm{dy}}^{\′}}{dt}\right)}^2+c{\left(\frac{dz}{dt}-\frac{{\mathrm{dz}}^{\′}}{dt}\right)}^2)+k\left(u^2\right)+\left(\frac{dwear}{dt}\right))$

9.一种包括处理电路的系统，其用以实现如权利要求1至8中所述的方法中的任一项。

10.一种计算机程序产品，其包括在由至少一个处理器执行时使所述处理器执行如权利要求1至8中所述的方法中的任一项的指令。

11.一种用以导向井下钻探组合件的计算机实现的方法，所述方法包括：

使用所述钻探组合件沿着预定路径钻探井筒；

接收指示与所述预定路径的偏离的数据；

确定使所述钻探组合件返回至所述预定路径的校正路径，所述校正路径的所述确定包括平衡对应于所述预定路径和所述偏离的路径的路径和曲率行为的竞争约束以借此最小化弯曲度；以及

沿着所述校正路径导向所述钻探组合件。

12.如权利要求11所述的计算机实现的方法，其中接收指示与所述预定路径的所述偏离的数据进一步包括：

产生对应于所述偏离的钻探参数；以及

基于所述钻探参数对所述钻探组合件的偏离的路径建模，其中使用所述建模的偏离的路径来实现所述校正路径的确定。

13.如权利要求11所述的计算机实现的方法，其中所述校正路径的确定进一步包括利用成本函数来优化所述校正路径，所述成本函数最小化所述预定路径与所述偏离的路径的所述路径和曲率行为之间的差。

14.如权利要求11所述的计算机实现的方法，其中所述成本函数包括与以下中的至少一者相关的变量：

所述钻探组合件的位置；

所述钻探组合件的速度；

沿着所述校正路径钻探所必要的输入能量；以及

所述钻探组合件的钻头的磨损。

15.如权利要求11所述的计算机实现的方法，其中所述校正路径的确定进一步包括使用钻探参数约束限制所述校正路径。