CN105793521A - 具有深度测量的井下闭环钻井系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于定向钻井的方法、系统和钻井设备。钻头位于在井眼中的钻柱的井下端处。确定了在地面位置与在钻柱的井下端处的钻头之间的井眼的长度，并且获得了钻头的方位角和倾角。井眼的长度可以通过如下来确定：记录从地面位置传播到井下位置的声脉冲的井下位置处的到达时间，并且由此确定传播时间和井眼长度。井下处理器根据确定的长度、方位角和倾角确定了钻头的位置和取向，并且使用钻头的确定的位置和取向来改变转向参数，以获得钻井眼的选择轨迹。

Description

具有深度测量的井下闭环钻井系统

相关申请的交叉参考

本申请要求于2013年10月9日提交的美国申请号14/049430的优先权，该申请在此以整体并入作为参考。

背景技术

技术领域

本公开通常涉及定向钻井的方法，并且特别涉及使用闭环系统来导引地层的方法，该闭环系统使用井下处理器而无需访问地面处理器。

相关技术的简要说明

通常使用包括具有钻井组件(也称为井底组件或“BHA”)的管状构件的钻柱来钻井眼，该钻井组件具有附接至其底端的钻头。钻柱可通过改变钻井期间钻头的取向穿透地层被导引或操纵。总之，为了操纵钻柱，可采取各种勘测测量以提供与钻头的当前位置和取向相关的信息。使用井下传感器可获得这些测量，但通常不提供用于定向钻井所需的完全信息，诸如地层内钻头的位置。因此，这些测量可发送到在地面位置处的处理器。地面处理器通常可以访问这个附加信息，并确定在钻头处采取的转向动作。然后，地面处理器发送在钻头处可执行的转向信号至井下。随着井眼变得更长且更深，在通信期间的时间延迟和数据退化限制了钻井的该方法的适应性。

发明内容

在一方面，本公开提供了钻井眼的方法，其包括：确定在地面位置和井眼中钻柱的井下端处的钻头之间的井眼长度；获得钻头的方位角和倾角；以及使用井下处理器来：根据所确定的距离、方位角和倾角来确定钻头的位置和取向，并且使用钻头的确定的位置和取向来改变钻头的转向参数，以获得用于钻井眼的选择轨迹。

在另一方面，本公开提供了用于钻井眼的系统，该系统包括：具有在井下端处的钻头的钻柱；在钻柱的井下端处的井下时钟，其配置成记录在地面位置处的钻柱中生成的声脉冲的井下端处的到达时间；以及井下处理器，其配置成：使用记录的到达时间来确定钻柱的长度，使用确定的长度及获得的钻头的方位角和倾角来确定钻头的位置和取向，以及使用钻头的确定的位置和取向来改变钻头的转向参数，以获得井眼的选择轨迹。

在另一方面，本发明提供了钻井设备，该钻井设备包括：在井眼中的钻柱的井下端处的钻头；在钻柱的井下端处的接收器，其配置成接收在地面位置处钻柱中生成的声脉冲；井下时钟，其配置成在声脉冲在井下接收器处接收时生成时间戳记；以及井下处理器，其配置成：使用时间戳记来确定钻柱的长度，使用所确定的长度、获得的钻头的方位角和获得的钻头的倾角来确定钻头的位置和取向，以及使用钻头的确定的位置和取向来改变钻头的转向参数以获得选择的轨迹。

相当广泛地概述了本文所公开的设备的某些特征的示例，以便可以更好地理解下面对它们的详细说明。当然，还存在在下文中所公开的设备和方法的其它特征，其形成所附权利要求书的主题。

附图说明

为了详细地理解本公开，应结合附图，参考下列的详细说明，在附图中相同的元件通常以相同的标记标示，其中：

图1是包括具有附接到其底端的钻井组件或井底组件的钻柱的示例性钻井系统的示意图；

图2示出钻柱的示意图，该钻柱示出了用于确定钻井组件和/或井眼中和/或地层中的钻头的位置的各种装置；

图3说明可用于确定钻柱的钻头的井下位置的生成和接收的脉冲序列；

图4示出包括各种元件的钻柱的部分的框图，该元件可用于控制使用本文所公开的方法的钻柱的导引；以及

图5说明在钻井眼期间使用本文所公开的方法可出现的路径轨迹的示例。

具体实施方式

本公开涉及用于井眼的定向钻井的方法和系统。设备可以包括井下处理器，其确定钻头和/或钻井组件在井眼中的钻柱上的取向和位置且改变钻头的转向参数以获得用于钻柱的选择钻井轨迹。在实施例中，井下处理器在与地面处理器没有任何相关交互的情况下执行这些动作。本公开容许不同形式的实施例。这些图示出以及书面公开描述了本公开的具体实施例，其中应该理解的是，所公开的内容被认为是本文所公开的原理的示例，且其不旨在将本公开限制于本文所图示和描述的内容。

图1是示例性钻井系统100的示意图，钻井系统100包括钻柱120，该钻柱120具有附接到其底端的钻井组件或井底组件190。钻柱120在井眼126中传送。钻井系统100包括在支撑转盘114的平台或地板112上竖立的传统井架111，该转盘114由诸如电动机(未示出)的原动机以所需的转速转动。具有在其底端附接的钻井组件190的管(比如连接的钻杆)122从地面延伸到井眼126的底部151。附接到钻井组件190的钻头150在转动时使地层碎裂，以钻出井眼126。钻柱120经由方钻杆(Kellyjoint)接头121、旋转接头128和绳索129通过滑轮耦合到绞车130。绞车130操作成控制钻压(“WOB”)。钻柱120可通过顶部驱动器(而不是原动机和转盘114)来转动。

在一个方面中，来自诸如泥浆池的其源132的合适钻井流体131(也称做“泥浆”)在通过钻柱120的压力下由泥浆泵134循环。钻井流体131经由去涌动器136和流体管线138从泥浆泵134进入钻柱120中。来自钻管122的钻井流体131a通过钻头150中的开口在井眼底部151处排出。返回的钻井流体131b通过钻柱120与井眼126之间的环形空间或环形物127仰孔循环，并且经由返回管线135和将钻屑从返回的钻井流体131b中移除的筛185而返回到泥浆池132。管线138中的传感器S₁提供关于流体131的流体流动速率的信息。与钻柱120相关联的地面扭矩传感器S₂和传感器S₃提供关于钻柱120的扭矩和转速的信息。钻柱120的穿透速率可以由传感器S₅确定，而传感器S₆可以提供钻柱120的起吊载荷。

在一些应用中，通过使用例如转盘114转动钻管122来转动钻头150。然而，在其它应用中，布置在钻井组件190中的井下电机155(泥浆电机)单独地转动钻头150，或者除了旋转钻柱之外，转动钻头150。

地面控制单元或控制器140经由放置在流体管线138中的传感器143接收来自井下传感器和装置的信号，以及来自传感器S₁-S₅和系统100中使用的其它传感器的信号，并且根据由程序提供给地面控制单元140的编程指令来处理这些信号。地面控制单元140在显示器/监视器142上显示所需的钻井参数和其它信息，操作者使用该显示器/监视器来控制钻井操作。地面控制单元140可以是基于计算机的单元，其可包括处理器142(诸如微处理器)、存储装置144(诸如固态存储器、磁带或硬盘)，以及存储装置144中的一个或多个计算机程序146，处理器142能访问这些程序146来执行这些程序中包含的指令。地面控制单元140可进一步与远程控制单元148通信。地面控制单元140可以处理与各种钻井操作相关的数据、来自地面上的传感器和装置的数据、从井下传感器和装置接收的数据，并且可以控制这些传感器和装置中的一个或多个操作。

钻井组件190还可以包含地层评估传感器或装置(也称为随钻测量(MWD)传感器或随钻测井(LWD)传感器)，其用于获得各种关注的特性，诸如电阻率、密度、孔隙率、渗透率、声学性能、核磁共振性能、流体或地层的腐蚀特性、盐度或含盐量以及环绕钻井组件190的地层195的其它选择特性。这类传感器在本领域一般是公知的，并且，为了方便起见，文中用标记165统一表示。这类地层评估测量通常表示地层岩性、烃含量、孔隙率或者可以表明存在有烃且可以由此用于改变井眼所钻的方向的其它地层参数。钻井组件190可以进一步包括各种各样的其它传感器和通信装置159，用于控制和/或确定钻井组件190的一种或多种功能和特性(诸如速度、振动、弯曲力矩、加速度、摆动、涡动和粘滑运动等)以及钻井操作参数，诸如钻压、流体流动速率、压力、温度、穿透速率、方位角、工具面、钻头旋转等。此外，钻井组件190可以包括一个或多个测量仪器163，诸如加速度计、陀螺仪和/或磁力仪，其配置成提供钻井组件190和/或钻头150的倾角以及钻井组件190和/或钻头150的方位角或工具面角。

仍然参考图1，钻柱120进一步包括配置成将诸如电流的电力或能量提供至传感器165的动力生成装置178、装置159以及其它装置。动力生成装置178可以位于钻井组件190或钻柱120中。钻井组件190进一步包括转向装置160，该转向装置160包括可以配置成沿任何特定方向独立地在井眼126上施加力以操纵钻头150的转向构件(也称为力施加构件)160a、160b、160c。

另外，钻柱120可以包括井下控制单元170，该井下控制单元170可以包括井下处理器172、存储器存储装置174(诸如固态存储器、磁带或硬盘)，以及在存储装置174中的一个或多个计算机程序176，所述一个或多个计算机程序176可被井下处理器172访问用于执行包含在这种程序中的指令，以执行本文中所公开的定向钻井。

图2示出了钻柱120的示意图200，示出了用于确定井眼和/或地层中的钻井组件和/或钻头的位置的各种装置。声发生器或声发送器202布置在地面位置206处，并且声接收器212布置在井下位置216处。井下位置216可以邻近井下组件(图1的190)或钻头(图1的150)，或者可以在距井下组件(图1的190)或钻头(图1的150)的已知位置处。声发送器202耦合至第一时钟204(地面时钟)，并且声接收器212耦合至第二时钟(井下时钟)。第一时钟204和第二时钟214可以在钻井之前同步，同时第二时钟214在地面位置206处。第二时钟214可以包含在配置成控制第二时钟214的温度的温度控制装置210内，从而随着第二时钟214传送至在井下位置216处的升高温度中，减小或最小化依赖温度的漂移量。第二时钟214可以耦合至井下控制单元170。

声发送器202在彼此周期性间隔开的各个时间处在钻柱120中生成声脉冲。在一个实施例中，声发送器202通过物体撞击钻柱120来生成声脉冲。第一时钟204可以将时间提供至声发送器202，并且声发送器202可以在所选择的时间t处生成声脉冲。可替代地，第一时钟204可以在所选择的时间t处提供脉冲生成信号以触发声发送器202，从而生成声脉冲。生成声脉冲的时间可以被预先选择并且通常以所选择的时间间隔来周期性地间隔开。

因此，声发送器202在时间t处生成声脉冲。声脉冲通过钻柱120传播，并且被声接收器212接收。第二时钟214记录声脉冲在声接收器212处的到达时间t′，并且将所记录的到达时间t′发送至井下控制单元170。井下控制单元170根据如下方程确定声脉冲在声发送器202与声接收器212之间的传播时间：

Δt＝t′-t方程(1)

然后传播时间Δt可以用于获得声发送器202与声接收器212之间的距离，从而获得钻柱120的长度和/或井眼126的长度。在各个实施例中，钻柱中声音的传播时间和已知速度用于确定这种距离。钻柱的已知声学特性(诸如钻柱的声阻抗)可以用于校正声发送器202与声接收器212之间的距离的计算。然后所确定的距离可以用于确定钻头150在地层内的位置。

图3示出了可以用于确定钻头150的井下位置的生成和接收的脉冲序列300。声脉冲302在如指示使用第一时钟的时间304处由声发送器(图2中的202)生成。在示例性说明中，脉冲之间的时间间隔为10秒。然而，可以选择任何合适的时间间隔。通常，时间间隔足够长，以使得声脉冲在选择的时间间隔内(即，在序列中的下一个脉冲生成之前)在声接收器212处接收，并且以使得在钻柱中和在井眼中的各个反射体处的声反射衰减。声接收器212接收声脉冲并且使用第二时钟214记录到达时间314。在各个实施例中，井下控制单元170可以在没有参考来自第一时钟204的时间304的情况下计算声脉冲的传播时间。替代地，脉冲生成时间表在井下控制单元170处已知，并且与到达时间314一起用于确定传播时间。

例如，第一时钟可以在每10秒钟处(t₀＝0.00秒、t₁＝10.00秒、t₂＝20.00秒、t₃＝30.00秒)生成说明性声脉冲302。在传播通过井眼之后，声脉冲在说明性到达时间(t’₀＝3.42秒、t’₁＝13.48秒、t’₂＝23.51秒、t’₃＝33.55秒)处被接收。这些时间之间所得的差(例如，Δt₀＝3.42秒、Δt₁＝3.48秒、Δt₂＝3.51秒、Δt₃＝3.55秒)用于确定由声脉冲传播的距离，并且因此确定钻头150在地层195内的位置。井下控制单元170可以接收选择的到达时间，例如t’₁＝13.48秒，并且知道信号在t₁＝10秒处由声发送器202生成，这是因为对于第一时钟204的脉冲生成时间表被存储在井下控制单元170中，并且因为第一时钟204与第二时钟214彼此同步。如图3中所示，每个后续传播时间Δt增加，指示钻头行进到井眼中并且远离声发送器202。

图4示出了包括各种元件的钻柱的段400的图，该元件可用于使用本文公开的方法控制钻柱的导引。钻柱段400可具有附接到下端的钻头(未示出)，并且其自身可在其上端附接到钻柱的管体。钻柱段400包括声接收器212、第二时钟214，和井下控制单元170。井下控制单元170包括井下处理器172和存储器存储装置174，该存储器存储装置174存储一个或多个计算机程序176，该计算机程序176可访问井下处理器172以执行包含在这种程序176中的指令。第二时钟214的时间可发送至井下控制单元170以确定地层内的钻头位置。加速度计402、磁力计404和倾角仪406的各种勘测仪器可将数据提供到井下控制单元170，钻头的取向可从该数据确定，即倾角和工具面角(方位角)。

钻柱段400进一步包括井下电机422和转向模块424。钻头可附接至转向模块424的下端。井下电机422可用于围绕钻柱段400的方位角转动转向模块424以及由此的钻头。井下控制单元170因此可以控制井下电机422的转动，获得钻头的选择方位角或工具面角。转向模块424装配有各种转向垫426，其设置在转向模块424周围的圆周位置处。可使用任何选择数量的转向垫426。每个转向垫426可从转向模块424单独延伸或缩回，以对井眼壁施加作用力，从而改变转向模块424以及其上附接的钻头的取向。因此，井下控制单元170可控制钻头的工具面角和倾角。

钻柱段400进一步包括向井下控制单元170提供信息的各种地层评估传感器410、412。如下所讨论，井下处理器172可执行使用来自地层评估传感器410、412的信息的计算，以为未来的钻井选择方向并由此操纵钻头。

在一个实施例中，选择的钻井路径可在将井下控制单元运送到井眼中之前编程到在地面位置处的井下控制单元170中。井下控制单元170然后可在井眼的钻井期间多次使用钻头150的确定的位置和取向，并使用这种确定的位置和取向来确定钻头150的实际钻井路径。如果在实际钻井路径和选择的钻井路径之间发现差异，则井下控制单元170可改变钻头的方位角和/或倾角，以便选择将实际钻井路径与选择的钻井路径之间的差异减小或最小化的路径。

图5示出了路径轨迹500的示例，该路径轨迹500可在使用本文公开的方法的钻井眼期间出现。选择的或所需的轨迹分为多个子轨迹502和504。应当注意，实际所需的轨迹可具有成百甚至成千的子轨迹。出于示例目的只示出了两个这种子轨迹。在子轨迹502的端部，钻头预计位于位置X₁处并具有取向Θ₁，其中X₁表示坐标(x，y，z)，取向Θ₁表示角坐标。因此，钻头150的预期状态可写为(X₁，Θ₁)。因此，钻头150在子轨迹502的端部处的状态为(X₂，Θ₂)。随着钻头钻井眼，相反它可在选择的时间间隔末尾沿着路径512钻井以在空间状态(X’₁，Θ’₁)中找到钻头本身。此时，井下声脉冲的到达指示：使用位置坐标X’₁以及勘测测量来获得Θ’₁。实际状态(X’₁，Θ’₁)因此可与所需状态(X’₁，Θ’₁)比较以确定后续的钻井路径514。在钻井路径514的端部，钻头可发现其本身位于(X’₂，Θ’₂)，而不是位于(X₂，Θ₂)。因此，可执行另一种计算来确定后续钻井路径。由于实际钻井路径512和514并不是共线的，所以实际钻井路径512和514的长度和取向可用作矢量，以便获得钻头在三维空间中的位置。因此，实际路径，它们的位置和取向可存储在存储器存储装置174处，供后续位置和取向计算使用。

在另一个实施例中，地层的模型可在井下控制单元170运送至井眼中之前编程到井下控制单元170中。井下控制单元170然后可以将使用本文公开的方法确定的钻头的确定位置和取向映射到地层模型。井下控制单元170然后可使用钻头的映射位置和取向以及地层模型为后续钻井路径确定钻头轨迹，并由此改变选择的转向参数(即工具面角和倾角)。

在另一个实施例中，井下控制单元170可在钻井期间使用例如地层评估传感器410和412获得地层评估测量。井下控制单元170然后可使用获得的地层评估测量以及使用本文公开的方法确定的位置和取向，以为后续钻井路径选择钻头轨迹。例如，钻头可水平钻井，并且地层评估测量可指示：通过向下钻井可发现烃沉积。如由井下控制单元170所确定，钻头路径然后可从水平钻井变为竖直钻井。

在各个实施例中，井下控制单元170可使用以上公开的转向方法的任意组合，操纵或导引钻头。

在本发明的一个方面，井下控制单元170能够使用完全在井下执行的计算来使钻头转向。因此，不需要将勘测测量发送到井口或者发送给地面位置处的操作员或者井口处理器以接收这些测量，选择钻井方向并将信号发送到井下以便改变各转向参数。因此，操作员并不直接参与定向钻井过程。而是，操作员仅仅成为钻井过程的观察者和/或管理员。为此目的，井下控制单元170可周期性地向井口发送进程报告用于操作员审阅和/或检查。

因此，在一个方面，本公开提供了一种钻井眼的方法，其包括：确定地面位置与井眼中的钻柱的井下端处的钻头之间的井眼的长度；获得钻头的方向角和倾角；并使用井下处理器来：根据所确定的距离、方向角和倾角确定钻头位置和取向，并且使用钻头的确定的位置和取向来改变钻头的转向参数以获得用于钻井眼的选择轨迹。选择的轨迹可以是：(i)存储在井下存储器位置的预选轨迹；(ii)使用存储在井下存储器位置处的地层模型以及钻头的所确定位置和取向来确定的轨迹；和/或(iii)通过井下处理器使用井下获得的原位地层测量值来确定的轨迹。获得声脉冲从地面位置到钻头穿越井眼的传播时间，以便确定井眼的长度。根据由第一时钟提供的已知时间表，声脉冲可以在地面位置处生成。使用在井下位置处的第二时钟将声脉冲的传播时间记录在井下声接收器处。然后使用从第二时钟获得的记录传播时间和用于生成声脉冲的已知时间表来获得传播时间。第一时钟和第二时钟彼此同步。在各种实施例中，所获得的传播时间以及钻头的已知的先前位置和取向用于确定钻头的位置。基于声脉冲穿过钻柱的测量传播时间，钻柱的声阻抗可用于校正钻柱的长度的计算。在示例性实施例中，使用完全在井下处理器处执行的计算来改变钻头的转向参数。

在另一个方面，本发明提供了一种用于钻井眼的系统，该系统包括：具有在井下端处的钻头的钻柱；在钻柱的井下端处的井下时钟，其配置成记录在地面位置处的钻柱中生成的声脉冲的井下端处的到达时间；以及井下处理器，其配置成：使用记录的到达时间来确定钻柱的长度，使用确定的长度、获得的钻头的方位角和倾角来确定钻头的位置和取向，以及使用钻头的确定的位置和取向来改变钻头的转向参数，以获得井眼的选择轨迹。所选择轨迹可以是下列中的至少一个：(i)存储在井下存储器位置处的预选轨迹；(ii)使用存储在井下存储器位置的地层模型以及钻头的确定位置和取向来确定的轨迹；以及(iii)通过井下处理器使用井下获得的原位地层测量来确定的轨迹。处理器可以通过获得生成的声脉冲从地面位置到井下位置穿越钻柱的传播时间来确定钻柱的长度。在一个实施例中，在地面位置处的声脉冲发生器在预定的时间生成声脉冲，且井下处理器使用记录的到达时间和用于生成声脉冲的已知时间表来获得传播时间。地面时钟可以用于控制在声脉冲发生器处生成的声脉冲，且地面时钟与井下时钟同步。井下处理器可进一步使用获得的传播时间以及钻头的已知的先前位置和先前取向来确定钻头的位置。井下处理器可进一步执行用于改变钻头的转向参数的这种计算，而无需与来自地面位置处的操作员或处理器的相关数据进行通信或者接收来自地面位置处的操作员或者处理器的指令。

在另一方面，本发明提供了一种钻井设备，其包括：在井眼中的钻柱的井下端处的钻头；在钻柱的井下端处的接收器，其配置成接收在地面位置处钻柱中生成的声脉冲；井下时钟，其配置成在声脉冲在井下接收器处接收时生成时间戳记；以及井下处理器，其配置成：使用时间戳记来确定钻柱的长度，使用所确定的长度、获得的钻头的方位角和获得的钻头的倾角来确定钻头的位置和取向，以及使用钻头的确定的位置和取向来改变钻头的转向参数以获得选择的轨迹。选择轨迹可以为下列中的至少一个：(i)存储在井下存储器位置中的预选轨迹；(ii)使用存储在井下存储器位置处的地层模型和钻头的确定的位置和取向来确定的轨迹；以及(iii)使用井下获得的原位地层测量通过井下处理器确定的轨迹。井下处理器可通过获得生成的声脉冲从地面位置到井下位置穿越钻柱的传播时间，来确定钻柱的长度。在一个实施例中，在地面位置处的声脉冲发生器在预定的时间生成声脉冲，且井下处理器使用记录的到达时间和已知预定时间获得传播时间用来生成声脉冲。与井下时钟同步的地面时钟可用于控制在声脉冲发生器处的声脉冲的生成。井下处理器可进一步使用获得的传播时间和已知的先前位置以及钻头的先前取向来确定钻头的位置。

前述说明书旨在说明和解释特定实施例。然而，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本文公开的概念和实施例的范围和精神的情况下，可以对上述实施例做出多种修改和变化。下面的权利要求书旨在包括所有的这些修改和变化。

Claims (21)

1.一种钻井眼的方法，其包括：

确定在地面位置与所述井眼中钻柱的井下端处的钻头之间的所述井眼的长度；

获得所述钻头的方位角和倾角；以及

使用井下处理器来：

根据所述确定的距离、方位角和倾角确定所述钻头的位置和取向，以及

使用所述钻头的所述确定的位置和取向来改变所述钻头的转向参数，以获得用于钻所述井眼的选择轨迹。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述选择的轨迹为下列中的至少一个：(i)存储在井下存储器位置中的预选轨迹；(ii)使用存储在所述井下存储器位置的地层模型以及所述钻头的所述确定的位置和取向来确定的轨迹；以及(iii)通过所述井下处理器使用井下获得的原位地层测量确定的轨迹。

3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述井眼的所述长度进一步包括：获得声脉冲通过钻柱从所述地面位置到所述钻头穿越所述井眼的传播时间。

4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括根据第一时钟所提供的已知时间表在所述地面位置处生成所述声脉冲，使用在所述井下位置处的第二时钟来记录在井下声接收器处的所述声脉冲的到达时间，以及使用从所述第二时钟获得的所述记录到达时间及用于生成声脉冲的所述已知时间表来获得所述传播时间。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一时钟和所述第二时钟是同步的。

6.根据权利要求3所述的方法，进一步包括使用所述获得的传播时间和所述钻头的已知先前位置和取向来确定所述钻头的所述位置。

7.根据权利要求3所述的方法，进一步包括基于所述声脉冲通过所述钻柱的所述测量传播时间，使用所述钻柱的声阻抗来校正所述钻柱长度的计算。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用完全在所述井下处理器处执行的计算来改变所述钻头的所述转向参数。

9.一种钻井眼的系统，其包括：

在井下端处具有钻头的钻柱；

在所述钻柱的所述井下端处的井下时钟，其配置成记录在地面位置处的所述钻柱中生成的声脉冲的所述井下端处的到达时间；以及

井下处理器，其配置成：

使用所述记录的到达时间来确定所述钻柱的长度，

使用所述确定的长度及所述获得的钻头的方位角和倾角来确定所述钻头的位置和取向，以及

使用所述钻头的所述确定的位置和取向来改变所述钻头的转向参数，以获得所述井眼的选择轨迹。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述选择的轨迹为下列中的至少一个：(i)存储在井下存储器位置中的预选轨迹；(ii)使用存储在所述井下存储器位置的地层模型以及所述钻头的所述确定的位置和取向来确定的轨迹；以及(iii)通过所述井下处理器使用井下获得的原位地层测量确定的轨迹。

11.根据权利要求9所述的系统，其中所述处理器进一步配置成通过获得生成的声脉冲从所述地面位置到井下位置穿越所述钻柱的传播时间，来确定所述钻柱的所述长度。

12.根据权利要求11所述的系统，进一步包括在所述地面位置处配置成在预定的时间生成所述声脉冲的声脉冲发生器，以及其中所述井下处理器进一步配置成使用所述记录的到达时间和用于生成所述声脉冲的已知时间表来获得所述传播时间。

13.根据权利要求9所述的系统，其中用于控制在所述声脉冲发生器处所述声脉冲的生成的地面时钟与所述井下时钟同步。

14.根据权利要求11所述的系统，其中所述井下处理器进一步配置成使用所述获得的传播时间和所述钻头的已知的先前位置和先前取向来确定所述钻头的所述位置。

15.根据权利要求9所述的系统，其中所述井下处理器进一步配置成在没有接收来自所述地面位置处的操作者或处理器的指令的情况下，执行用于改变所述钻头的所述转向参数的计算。

16.一种钻井设备，其包括：

在井眼中的钻柱的井下端处的钻头；

在所述钻柱的所述井下端处的接收器，其配置成接收在地面位置处所述钻柱中生成的声脉冲；

井下时钟，其配置成当所述声脉冲在所述井下接收器处被接收时生成时间戳记；以及

井下处理器，其配置成：

使用所述时间戳记来确定所述钻柱的长度，

使用所确定的长度、获得的所述钻头的方位角和获得的所述钻头的倾角来确定所述钻头的位置和取向，以及

使用所述钻头的确定的位置和取向来改变所述钻头的转向参数以获得选择的轨迹。

17.根据权利要求16所述的钻井设备，其中所述选择的轨迹是下列中的至少一个：(i)存储在井下存储器位置中的预选轨迹；(ii)使用存储在所述井下存储器位置处的地层模型和所述钻头的确定的位置和取向来确定的轨迹；以及(iii)通过所述井下处理器使用井下获得的原位地层测量确定的轨迹。

18.根据权利要求16所述的钻井设备，其中所述井下处理器进一步配置成通过获得生成的声脉冲从地面位置到井下位置穿越所述钻柱的传播时间来确定所述钻柱的长度。

19.根据权利要求16所述的钻井设备，其中在所述地面位置处的声脉冲发生器在预定时间生成所述声脉冲，并且所述井下处理器进一步配置成使用所述记录的到达时间和用于生成所述声脉冲的已知预定时间来获得所述传播时间。

20.根据权利要求19所述的钻井设备，其中与所述井下时钟同步的地面时钟用于控制在所述声脉冲发生器处的所述声脉冲的生成。

21.根据权利要求16所述的钻井设备，其中所述井下处理器进一步配置成使用所述获得的传播时间和所述钻头的已知的先前位置和先前取向来确定所述钻头的所述位置。