CN107407143B - 采用多个反馈回路的定向钻井方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种定向钻井系统，其包括具有钻头和转向工具的井底钻具组件，所述转向工具被配置来实时调整钻井方向。所述系统还包括将第一转向控制信号提供给所述转向工具的第一反馈回路和将第二转向控制信号提供给所述转向工具的第二反馈回路。所述系统还包括一组传感器，其在钻井期间在沿着所述井底钻具组件的一个或多个点处测量应变和移动中的至少一者，其中所述第一转向控制信号和所述第二转向控制信号部分基于所述应变或所述移动测量值。

Description

采用多个反馈回路的定向钻井方法和系统
背景技术
在油气勘探和生产期间，收集和分析许多类型的信息。此信息用于确定储层中烃类的数量和质量，并且用于开发或修改烃类生产的策略。这些勘探和生产工作通常涉及钻探钻孔，其中钻孔中的至少一些被转换成永久性井装置(诸如生产井、注入井或监测井)。
许多钻井项目涉及在给定地层中同时钻探多个钻孔。由于此类钻井项目增加了此类钻孔的深度和水平延伸距离，因此存在以下增加的风险：此类钻孔可偏离他们的预期轨迹，并且在一些情况下，出现冲突或最终呈现此类较差布置以使得钻孔中的一个或多个必须被弃用。随钻测量(MWD)勘测技术可提供信息来指导此类钻井工作。
虽然使用勘测数据来指导钻井可有助于改进钻孔的轨迹，但是它也导致钻井延迟。目前，仅基于勘测数据对钻井操作进行实时控制是不可能的。针对此存在若干原因。首先，甚至(例如，获取钻头工具面、倾斜度和方位角/方向角的)快速勘测需要几分钟。此外，勘测数据通常在静止时间之后(例如，在钻井操作停止后3分钟)发送到表面。此外，由于通信带宽限制，可传输到表面的勘测数据的量受到限制。此外，新的定向钻井命令需要时间来确定和从地面传输到井底钻具组件(BHA)。目前，沿着钻孔路径在以至少30英尺间隔开的位置处获取勘测结果，其中在勘测位置之间无可用的钻井路径数据。尽管以较小的间隔收集勘测结果是可能的，但是钻井延迟与为指导钻井而收集的勘测数据的量和/或执行勘测的频率成比例地增加。
附图简述
因此，在附图和以下描述中公开采用多个反馈回路的各种定向钻井方法和系统。在附图中：
图1是示出定向钻井环境的示意图。
图2A和图2B是示出定向钻井控制部件的框图。
图3是示出定向钻井控制过程的示意图。
图4是示出井底钻具组件(BHA)动力学模型的示意图；
图5A-5C是示出钻井诊断实例的曲线图。
图6是示出岩石力学分析的曲线图的组合。
图7是示出定向钻井方法的流程图。
然而，应理解，在附图和详细描述中给出的具体的实施方案并不限制本公开。相反，它们为普通技术人员辨识与给出的实施方案中的一个或多个一起涵盖在所附权利要求书的范围中的替代形式、等同物和修改提供了基础。
具体实施方式
本文公开采用多个反馈回路的各种定向钻井方法和系统。示例性定向钻井系统包括具有钻头和转向工具的井底钻具组件(BHA)，所述转向工具被配置来自适应地控制钻井方向。系统还包括第一反馈回路(例如，延伸到地球表面的反馈回路)和第二反馈回路(例如，井下反馈回路)，所述第一反馈回路将第一控制信号提供到转向工具，所述第二反馈回路将第二控制信号提供到转向工具。系统还包括一组传感器，其在钻井期间在沿着井底钻具组件的一个或多个点处测量应变和移动中的至少一者，其中第一转向控制信号和第二转向控制信号部分基于应变或移动测量值。
在至少一些实施方案中，第一反馈回路部分基于随钻测量(MWD)勘测数据(例如，钻头工具面、倾斜度和方位角/方向数据)将第一控制信号提供给转向工具，所述勘测数据仅为周期性(例如，大约每30英尺)可用。例如，根据需要(例如，当路径偏差超过阈值时)，可基于从MWD勘测数据估计的期望的钻孔路径与测量的钻孔路径之间的差值来调整第一控制信号。同时，与提供第一控制信号相比，第二反馈回路更频繁地将第二控制信号提供给转向工具，并且所述第二控制信号在不等待来自表面的新的钻井指令的情况下实现较小的定向钻井更新。
在至少一些实施方案中，第二反馈回路包括将测量的钻头位置与估计的钻头位置之间的差值作为输入接收的比例-积分-微分(PID)控制器。此外，可基于钻头力扰动补偿来调整PID控制器的输出以考虑可检测的问题(诸如粘滑、钻头磨损和地层变化)。可将逆向运动学应用到PID控制器输出与钻头力扰动补偿之间的差值以确定第二控制信号。这种钻头力扰动补偿可部分地从钻井期间沿着BHA的一个或多个点处的应变或移动的测量值来确定，并且所述钻头力扰动补偿与PID控制器设计解耦(即，PID控制器不需要考虑钻头力扰动)。因此，与考虑钻头力扰动的PID控制器相比，所述PID控制器可更快地使系统稳定。将第一反馈回路和第二反馈回路二者一起使用以引导转向工具加快定向钻井操作，而降低全角变化率和/或减少其他不期望的钻井问题。
为了进一步帮助读者理解所公开的系统和方法，在图1中示出定向钻井环境。钻井平台2支撑井架4，所述井架4具有用于升高和降低钻柱8的游动滑车6。当钻柱8下降通过井口12时，顶部驱动器10支撑并旋转钻柱8。钻头14由井下电机和/或钻柱8的旋转来驱动。当钻头14旋转时，其产生穿过各个地层的钻孔16。钻头14仅为BHA50中的一件，所述钻头14通常包括一个或多个钻环(厚壁钢管)来提供重量和刚性以帮助钻井过程。这些钻环中的一些可包括采集(诸如位置、取向、钻压、钻孔直径，电阻率等的)MWD勘测数据的测井工具26。工具取向可根据工具面角(旋转取向)、倾斜角(斜率)和罗盘方向来指定，尽管它们中的每一个可从磁力计、倾斜计和/或加速度计的测量值中得出，但可替代地使用诸如陀螺仪的其他传感器类型。此外，可从与BHA 50和/或钻柱8集成的传感器52收集应变和移动测量值。
在图1中，由测井工具26收集的MWD勘测数据以及由传感器52收集的应变和移动测量值可用于使用各种合适的(实时操作的)定向钻井系统中的任何一个来使钻头14沿着相对于边界46、48的期望路径18转向。示例性转向机构包括转向叶片、“弯接头”和旋转转向系统。在钻井操作期间，泵20通过进料管22将钻井液循环到顶部驱动器10，向井下通过钻柱8的内部，通过钻头14中的孔，通过围绕钻柱8的环9回到表面，并进入保持坑24中。钻井液将钻屑从钻孔16输送到坑24中并帮助保持钻孔的完整性。此外，联接到井下工具26的遥测接头28可通过泥浆脉冲遥测技术将遥测数据传输到地面。遥测接头28中的发射器调制对钻井液流的阻力，以生成沿着流体流以声速传播到地面的压力脉冲。一个或多个压力变换器30、32将压力信号转换成用于信号数字转换器34的电信号。需注意，存在其他形式的遥测技术，并且可使用所述其他形式的遥测技术将信号从井下传送到数字转换器。此类遥测技术可采用声学遥测技术、电磁遥测技术或通过有线钻杆的遥测技术。
数字转换器34通过通信链路36将数字形式的压力信号供应到计算机系统37或一些其他形式的数据处理装置。在至少一些实施方案中，计算机系统37包括处理单元38，所述处理单元38通过执行从本地或远程非暂时性计算机可读介质40获得的软件或指令来执行MWD勘测数据的分析和/或执行其他操作。计算机系统37还可包括输入装置42(例如，键盘、鼠标、触摸板等)和输出装置44(例如，监视器、打印机等)。此类输入装置42和/或输出装置44提供使操作者能够与BHA 50、地面/井下定向钻井部件和/或由处理单元38执行的软件交互的用户界面。例如，计算机系统37可使得操作者可选择定向钻井选项，以查看或调整收集的MWD勘测数据(例如，来自测井工具26)、传感器数据(例如，来自传感器52)、从MWD勘测数据或传感器数据得出的值(例如，测量的钻头位置、估计的钻头位置、钻头力、钻头力扰动、岩石力学等)、BHA动力学模型参数、钻井状态图、路点、期望的钻孔路径、估计的钻孔路径和/或执行其他任务。如本文所述，在至少一些实施方案中，由BHA 50执行的定向钻井是基于地面反馈回路和井下反馈回路的。
图2A和图2B示出例示性定向钻井控制部件。更具体地，图2A表示用于定向钻井的第一控制方案，而图2B表示用于定向钻井的第二控制方案。根据至少一些实施方案，图2A和图2B中所示出的第一控制方案和第二控制方案一起使用，其中与由图2A的第一控制方案提供的转向控制信号(例如，信号108)相比，钻头转向工具54更频繁地接收由图2B的第二控制方案提供的转向控制信号(例如，信号114)。
在图2A中，多个传感器52A-52N将一组测量值104提供给第一反馈回路逻辑器/模块106。例如，所述一组测量值104可对应于沿着BHA 50和/或钻柱8的一个或多个点处收集的应变、加速度和/或弯矩。此外，测井工具26将MWD勘测数据105提供到第一反馈回路逻辑器/模块106。第一反馈回路逻辑器/模块106对应于被配置来执行各种第一反馈回路操作的硬件和/或软件。虽然期望第一反馈回路逻辑器/模块106的至少一些部分驻留在地球表面，但是应了解，并非所有第一反馈回路逻辑器/模块106都需要驻留在地球表面。例如，第一反馈回路逻辑器/模块106中的一些可与BHA 50一起驻留在井下，以控制传输到地球表面的信息的量/类型。在不同的实施方案中，可在井下处理所述一组测量值104或者可将所述一组测量值104传输到地球表面以便进行处理。如果在井下处理所述一组测量值104，那么可在有或没有所述一组测量值104的情况下将从所述一组测量值104得出的参数(例如，钻头力、钻头力扰动、岩石力学估计、钻头磨损等)和/或其他信息传输到地球表面。
根据至少一些实施方案，第一反馈回路逻辑器/模块106从所述一组测量值104估计钻头力或钻头力扰动。此外，第一反馈回路逻辑器/模块106可估计岩石力学和钻头磨损。此外，第一反馈回路逻辑器/模块106可基于岩石力学、钻头磨损估计和/或其他数据的分析来更新BHA动力学模块。此外，第一反馈回路逻辑器/模块106可响应于岩石力学、钻头磨损估计、钻井模型和/或其他数据更新期望的钻孔路径。此外，第一反馈回路逻辑器/模块106可将最新的期望的钻孔路径与(例如，从MWD勘测数据105获得的)测量的钻孔路径进行比较。此外，第一反馈回路逻辑器/模块106可将期望的钻头位置转发到第二反馈回路。此外，第一反馈回路逻辑器/模块106可将逆向运动学应用到期望的钻孔路径与测量的钻孔路径之间的差值。逆向运动学操作的输出可对应于到钻头转向工具54的转向控制信号108，所述钻头转向工具54可对应于BHA 50的一部分。作为实例，钻头转向工具54可基于转向控制信号108来更新用于转向的凸轮位置。
在图2B中，多个传感器52A-52N将所述一组测量值104提供到第二反馈回路逻辑器/模块112。同样，所述一组测量值104可对应于沿着BHA 50和/或钻柱8的一个或多个点处收集的应变、加速度和/或弯矩。此外，第一反馈回路逻辑器/模块106将一个或多个输入107提供到第二反馈回路逻辑器/模块112。例如，在至少一些实施方案中，输入107对应于期望的钻头位置。第二反馈回路逻辑器/模块112对应于被配置来执行各种第二反馈回路操作的硬件和/或软件。期望第二反馈回路逻辑器/模块112驻留在井下以确保对转向控制信号114的频繁更新。作为实例，逻辑器/模块104中的一些或全部可与BHA 50一起驻留在井下。
类似于第一反馈回路逻辑器/模块106，第二反馈回路逻辑器/模块112从所述一组测量值104估计钻头力或钻头力扰动。因此，在一些实施方案中，第一反馈回路逻辑器/模块106和第二反馈回路逻辑器/模块112可共享逻辑器以执行从所述一组测量值104估计钻头力或钻头力扰动的步骤。此外，第二反馈回路逻辑器/模块112可从所述一组测量值104估计钻头位置。此外，第二反馈回路逻辑器/模块112可确定期望的钻头位置(例如，输入107)与估计的钻头位置之间的差值。此外，第二反馈回路逻辑器/模块112可确定和应用钻头力扰动补偿。此外，第二反馈回路逻辑器/模块112可应用逆向运动学。逆向运动学操作的输出可对应于用于钻头转向工具54的转向控制信号114，所述钻头转向工具54对应于BHA 50的一部分。例如，钻头转向工具54可基于转向控制信号114来更新用于转向的凸轮位置。
在至少一些实施方案中，第二反馈回路逻辑器/模块112包括接收期望的钻头位置(例如，输入107)与估计的钻头位置之间的差值的PID控制器。将(由第二反馈回路逻辑器/模块112确定的)确定的钻头力扰动补偿应用到PID控制器的输出。针对此PID控制器配置，对PID控制器输出与钻头力扰动补偿之间的差值执行逆向运动学操作。
图3示出例示性定向钻井控制过程60。在过程60中，呈现具有测井工具26、传感器52、转向工具54和钻头14的BHA 50。在由BHA 50进行钻井期间，通过传感器52收集应变和/或移动测量值(例如，所述一组测量值104)，并将其提供到观测器区块72。更具体地，所述一组测量值104可包括在x、y、z方向上的实时应变力测量值和加速度测量值。此外，所述一组测量值104可包括在旋转方向上的实时应变力测量值。所述一组测量值104还可包括在钻环处和/或沿着BHA 50的点处的张力、扭转、弯曲和振动的实时测量值。可通过增加或减少所部署的传感器52的数量来调整对应于所述一组测量值104的数据分辨率。此外，可调整传感器52的位置和/或BHA 50的设计以有助于收集一组合适的测量值104。
观测器区块72确定来自(由传感器52收集的)所述一组测量值104的钻头力数据，并将钻头力数据转发到逆动力学区块84。在至少一些实施方案中，观测器区块72采用BHA模型以基于所述一组测量值104(例如，加速度/应变力/扭矩测量值)来估计钻头位置和钻头力。例如，BHA模型可将BHA 50表示为由如图4中的N个质量弹簧阻尼器组成的线性模型。更具体地，BHA动力学模型被分解成x、y、z方向以及扭转方向，其中图4中的简化的3个-质量BHA模型可用于每个方向。在图4中，顶部质量(M1)表示在给定方向上的钻环的质量，中间质量(M2)表示钻环与钻头14之间的在给定方向上的管的质量，并且下部质量(M3)表示在给定方向上的钻头14的质量。三个质量通过弹簧k1-k4和阻尼器c1-c3沿着给定方向彼此相互作用。在至少一些实施方案中，弹簧和阻尼器系数从(诸如BHA 50的部件之间的张力和弯曲相互作用以及BHA 50与钻孔壁之间的摩擦力的)因数得出。比较不同时间处的所述一组测量值104使得能够追踪建模的钻头力和建模的钻头力扰动。虽然实际上钻井动力学是非线性的，但是由具有可调参数的线性模型(例如，图4的BHA模型)提供的近似值对于本文所述的定向钻井应用是足够精确的。作为实例，当模型残差和/或当模型残差的变化率超过预定阈值时，模型参数可随时间推移而更新。
返回图3，观测器区块72还被配置来基于所述一组测量值104估计钻头位置。为了使用所述一组测量值104估计钻头位置，将勘测的钻头位置用作初始估计。当可从所述一组测量值104获得沿着其主轴的钻头加速度和弯矩时，表示BHA动力学的线性系统是可观测的(例如，可使用图4的BHA模型)。由于BHA 50经受过程和测量两种噪声，因此可采用Kalman滤波器来优化钻头位置估计。每当MWD勘测数据可用时，相应地重置钻头位置的初始条件，随后使用Kalman滤波器来实时估计钻头位置，直到下一个MWD勘测可用。使用MWD勘测数据测量的钻头位置与估计的钻头位置之间的差值可用于校准Kalman滤波器和传感器特性。此类校准可调整在Kalman滤波器和传感器偏差估计中指定的噪声统计，以使得估计精度随着钻井过程的进行而得到提高。
将由观测器区块72估计的钻头位置转发到比较逻辑器80，其中将期望的钻头位置与估计的钻头位置之间的差值提供为PID控制器82的输入。PID控制器82使用期望的钻头位置与估计的钻头位置之间的差值来输出调整力，所述调整力将朝向期望的路径来引导钻头14。在至少一些实施方案中，PID控制器设计考虑到全角变化率或弯曲度约束。将PID控制器82的输出转发到比较逻辑器86，所述比较逻辑器86将PID控制器输出与来自逆动力学区块84的钻头力扰动补偿输出进行比较。对于逆动力学区块84，“P”表示从转向工具54到钻头14的传递函数，并且传递函数“Q”被预先设计，以使得QP-1近似于钻井系统的逆动力学。逆动力学区块84的输出对应于钻头力扰动补偿，所述钻头力扰动补偿阻止PID控制器对钻头扰动力作出反应，从而提高钻井控制稳定性。如图所示，将PID控制器输出与钻头力扰动补偿之间的差值转发到逆向运动学区块88，所述逆向运动学区块88将转向控制信号114输出到转向工具54。在至少一些实施方案中，转向工具54被配置来基于钻井控制信号114实时调整钻头14的方向(并且因此调整钻井方向)。可例如通过改变转向工具54的凸轮位置以弯曲BHA50来实现钻头方向调整。
转向工具54还被配置来基于钻井控制信号108实时调整钻头14的方向(并且因此调整钻井方向)。如图所示，钻井控制信号108是反馈回路的结果，其中观测器区块72从传感器52接收所述一组测量值104，并将钻头力数据输出到岩石力学/钻头磨损估计器74。岩石力学/钻头磨损估计器74可实时操作以检测岩石变化或钻头磨损。图5A-5C和图6示出与可由岩石力学/钻头磨损估计器74检测到的钻头力扰动、岩石变化和/或钻头磨损相关的各种图表。在图5A中，如图所示，钻头上的具有随时间变化的多个峰值的变化扭矩指示粘滑问题。在图5B中，如图所示，钻头上的力随时间变化的缓慢增加指示钻头磨损。在图5C中，如图所示，钻头上的力随时间变化的快速增加指示地层变化。
在图6中，图表表示基于钻头力观测的可检测的故障。更具体地，可通过扰动BHA50的弯曲来检查反作用钻头力。例如由转向工具54沿着x方向和y方向以各种弯曲角度执行扰动。可表征在钻井期间的不同时间(t1-t6)处的弯曲角度与估计的钻头力之间的关系。虽然不同的时间(t1-t6)被示出为均匀间隔，但是此类分析可使用不同的时间间隔和/或不均匀间隔的时间间隔来执行。针对不同时间中的每一个，示出两个图表，所述两个图表示出根据方向(θ_x或θ_y)的钻头上的力(f_x)，并且所述两个图表表示沿不同方向的岩石硬度。如时间t1和t2所示，当在一个地层中进行钻井时，每个方向的钻头上的力的曲线通常保持不变。在t3处，两个图表的突然变化指示地层变化。同时，时间t4-t6所示的较平坦的曲线指示钻头泥包。对(诸如图6所示的曲线的)钻头上的力的曲线的分析是选择钻井调整的一种方式。例如，利用钻头力/弯曲角度关系的知识，定向钻井更新可更容易地寻求钻井路径(以减少能量消耗和钻头磨损)。
将岩石力学/钻头磨损估计器区块74的输出转发到重构区块62和路径优化区块64。在至少一些实施方案中，重构区块62更新用于第一反馈回路和第二反馈回路的一个或多个模型或模型参数，以减少过程60中的误差量。例如，重构区块62可更新观测器区块72使用的模型或模型参数以表示BHA动力学(例如，与图4相关的BHA模型)。BHA模型使得能够从由传感器52收集的所述一组测量值104估计钻头力、钻头力扰动和/或钻头位置。此外，重构区块62可更新逆动力学区块84使用的传递函数“P”和/或“Q”。此外，可更新逆向运动学区块68和88。路径优化区块64也可通过重构区块62来更新。重构区块62提供的更新可以是自动的或者可涉及操作者(例如，通过显示数据、可选模型选项和/或模型变化的模拟结果的用户界面)
在更新之前或之后，路径优化区块64基于从区块74输出的岩石力学和/或钻头磨损结果以及钻井状态约束和环境约束来确定期望的钻孔路径。通过比较逻辑器65将此期望的路径与测量的路径进行比较，其中从MWD勘测数据确定测量的路径。将期望的路径与测量的路径之间的差值从比较逻辑器65转发到轨迹规划区块66，所述轨迹规划区块66确定期望的钻头位置和/或其他钻井轨迹更新。如果期望的路径与测量的路径之间的差值小于阈值，那么轨迹规划区块66可简单地维持当前轨迹或者不进行任何操作。如果需要改变轨迹，那么将期望的钻头位置或迹线(例如，以较短时间、较短轨迹或较低全角变化率的格式)转发到逆向运动学区块68，所述逆向运动学区块68将期望的钻头位置或迹线(例如，凸轮位置)转换成用于钻井工具54的钻井控制信号108。还将期望的钻头位置转发到比较逻辑器80，如前所述，所述比较逻辑器80将期望的钻头位置与估计的钻头位置进行比较。
针对过程60所述的各种部件可对应于驻留在井下或地球表面处的软件模块、硬件和/或逻辑器。例如，在一些实施方案中，框70内的所有部件对应于井下部件，而其他部件对应于地面部件。在不同的实施方案中，岩石力学/钻头磨损估计器区块74可对应于井下部件或地面部件。
此外，可将针对过程60所述的部件理解为本文所述的第一反馈回路和第二反馈回路的一部分。例如，在一些实施方案中，框70内的所有部件皆是第二反馈回路的一部分，而其他部件是第一反馈回路的一部分。可将观测器区块72视为第一反馈回路和第二反馈回路二者的一部分。可替代地，可将单独的观测器区块用于第一反馈回路和第二反馈回路。在这种情况下，用于第二反馈回路的观测器区块确定钻头力和估计的钻头位置，而用于第一反馈回路的观测器区块确定钻头力。
在过程60中，将钻井动力学划分成快速和慢速时间标度。更具体地，钻井控制信号108的更新对应于慢速时间标度，而钻井控制信号114的更新对应于快速时间标度。例如，每当出现超过阈值的路径偏差时，钻井控制信号108可更新，而钻井控制信号114以每秒至少10次的速率实时地更新。此划分是根据钻井动力学、环境变化以及数据可访问性的性质的。慢速时间标度更新与本文所述的第一反馈回路相关，并且对应于缓慢变化的动力学，包括钻柱模型、钻头磨损模型、岩石力学模型、钻井路径设计以及MWD勘测更新。快速时间标度更新与本文所述的第二反馈回路相关，并且对应于快速变化的动力学，包括钻头动力学(钻头力和钻头位置)以及转向工具54控制机构。为了实现快速时间标度更新，观测器区块72应(例如，与BHA 50一起)位于井下以实时估计钻头力和钻头位置二者。此外，PID控制器82应(例如，与BHA 50一起)位于井下以实时校正路径偏差。当由PID控制器82使用的参考钻井路径(轨迹规划区块66的输出)基于慢速时间标度来更新时，由逆动力学区块84提供的钻头力扰动补偿基于快速时间标度来更新，并提高PID控制器82的稳定性。
图7示出例示性定向钻井方法200。在方法200中，在钻井期间，在沿着BHA的一个或多个点处测量应变和/或移动(方框202)。在方框204处，将第一控制信号从第一反馈回路应用到BHA的转向工具。在方框206处，将第二控制信号从第二反馈回路应用到转向工具。在方框208处，基于应变或移动测量值来随时间的推移调整第一转向控制信号和第二转向控制信号。
本文所公开的实施方案包括：
A：一种定向钻井系统，其包括具有钻头和转向工具的井底钻具组件，所述转向工具被配置来自适应地控制钻井方向。所述系统还包括将第一控制信号提供给所述转向工具的第一反馈回路和将第二控制信号提供到所述转向工具的第二反馈回路。所述系统还包括一组传感器，其在钻井期间在沿着所述井底钻具组件的一个或多个点处测量应变和移动中的至少一者，其中所述第一转向控制信号和所述第二转向控制信号部分基于所述应变或移动测量值。
B：一种定向钻井方法，其包括在钻井期间在沿着井底钻具组件的一个或多个点处测量应变和移动中的至少一者。所述方法还包括将第一控制信号从第一反馈回路应用到所述井底钻具组件的转向工具，以及将第二控制信号从第二反馈回路应用到所述转向工具。所述方法还包括部分基于所述应变或所述移动测量值来随时间的推移调整所述第一控制信号和所述第二控制信号。
实施方案(A和B)中的每一个可具有任何组合的以下附加要素中的一个或多个。要素1：所述第二反馈回路包括部分基于所述应变或所述移动测量值来估计钻头位置以及钻头力和钻头力扰动中的至少一者的逻辑器。要素2：所述第二反馈回路包括基于所述估计的钻头力或钻头力扰动来估计钻头力扰动补偿的逻辑器。要素3：所述钻头力扰动补偿应用到PID控制器输出，其中所述PID控制器将期望的钻头位置与所述估计的钻头位置之间的差值作为输入接收。要素4：所述第一反馈回路包括部分基于所述应变或所述移动测量值来估计钻头力和钻头力扰动中的至少一者的逻辑器。要素5：所述第一反馈回路包括基于所述估计的钻头力或所述钻头力扰动来估计岩石力学和钻头磨损中的至少一者的逻辑器。要素6：所述第一反馈回路包括钻孔路径优化器，其部分基于所述估计的岩石力学或所述钻头磨损来确定期望的钻孔路径。要素7：每当出现超过阈值的路径偏差时，所述第一控制信号被更新，并且其中所述第二控制信号以固定速率来更新。要素8：所述第一反馈回路部分基于期望的钻孔路径与测量的钻孔路径之间的差值来确定所述第一控制信号。要素9：还包括更新由所述第一反馈回路和所述第二反馈回路使用的模型或模型参数的逻辑器。
要素10：还包括由所述第二反馈回路部分基于所述应变或所述移动测量值来估计钻头位置以及钻头力和钻头力扰动中的至少一者。要素11：还包括由所述第二反馈回路基于所述估计的钻头力或所述钻头力扰动来估计钻头力扰动补偿。要素12：还包括由所述第二反馈回路将所述钻头力扰动补偿应用到PID控制器输出；以及由所述PID控制器将期望的钻头位置与所述估计的钻头位置之间的差值作为输入接收。要素13：还包括由所述第一反馈回路部分基于所述应变或所述移动测量值来估计钻头力和钻头力扰动中的至少一者。要素14：还包括由所述第一反馈回路基于所述估计的钻头力或钻头力扰动来估计岩石力学和钻头磨损中的至少一者。要素15：还包括由所述第一反馈回路基于所述估计的岩石力学或所述钻头磨损来确定期望的钻孔路径。要素16：还包括每当出现超过阈值的路径偏差时调整所述第一控制信号，以及以固定速率调整所述第二控制信号。要素17：还包括定期更新由所述第一反馈回路和所述第二反馈回路使用的模型或模型参数。要素18：还包括部分基于期望的钻孔路径与测量的钻孔路径之间的差值来确定所述第一控制信号。
本领域技术人员一旦完全了解以上公开内容就将清楚明白众多变化和修改。所附权利要求书意图被解释为涵盖所有此类变化和修改。

Claims (16)

1.一种定向钻井系统，其包括：
井底钻具组件，所述井底钻具组件具有钻头和转向工具，所述转向工具被配置来自适应地控制钻井方向；
第一反馈回路，所述第一反馈回路将第一控制信号提供给所述转向工具；
第二反馈回路，所述第二反馈回路将第二控制信号提供给所述转向工具；以及
一组传感器，所述一组传感器在钻井期间在沿着所述井底钻具组件的一个或多个点处测量应变和移动中的至少一者，其中所述第一控制信号和所述第二控制信号部分基于所述应变或所述移动测量值，
其中所述第二反馈回路包括部分基于所述应变或所述移动测量值来估计钻头位置以及钻头力和钻头力扰动中的至少一者的逻辑器，并且，
其中所述第二反馈回路包括基于所述估计的钻头力或所述钻头力扰动来估计钻头力扰动补偿的逻辑器。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述钻头力扰动补偿应用到PID控制器输出，并且其中所述PID控制器将期望的钻头位置与所述估计的钻头位置之间的差值作为输入接收。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一反馈回路包括部分基于所述应变或所述移动测量值来估计钻头力和钻头力扰动中的至少一者的逻辑器。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述第一反馈回路包括基于所述估计的钻头力或所述钻头力扰动来估计岩石力学和钻头磨损中的至少一者的逻辑器。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述第一反馈回路包括钻孔路径优化器，其部分基于所述估计的岩石力学或所述钻头磨损来确定期望的钻孔路径。
6.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中每当出现超过阈值的路径偏差时，所述第一控制信号被更新，并且其中所述第二控制信号以固定速率来更新。
7.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述第一反馈回路部分基于期望的钻孔路径与测量的钻孔路径之间的差值来确定所述第一控制信号。
8.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其还包括更新由所述第一反馈回路和所述第二反馈回路使用的模型或模型参数的逻辑器。
9.一种定向钻井方法，其包括：
在钻井期间在沿着井底钻具组件的一个或多个点处测量应变和移动中的至少一者；
将第一控制信号从第一反馈回路应用到所述井底钻具组件的转向工具；
将第二控制信号从第二反馈回路应用到所述转向工具；
部分基于所述应变或所述移动测量值来随时间的推移调整所述第一控制信号和所述第二控制信号；
由所述第二反馈回路部分基于所述应变或所述移动测量值来估计钻头位置以及钻头力和钻头力扰动中的至少一者；以及
由所述第二反馈回路基于所述估计的钻头力或所述钻头力扰动来估计钻头力扰动补偿。
10.如权利要求9所述的方法，其还包括：
由所述第二反馈回路将所述钻头力扰动补偿应用到PID控制器输出；以及
由所述PID控制器将期望的钻头位置与所述估计的钻头位置之间的差值作为输入接收。
11.如权利要求9所述的方法，其还包括由所述第一反馈回路部分基于所述应变或所述移动测量值来估计钻头力和钻头力扰动中的至少一者。
12.如权利要求11所述的方法，其还包括由所述第一反馈回路基于所述估计的钻头力或所述钻头力扰动来估计岩石力学和钻头磨损中的至少一者。
13.如权利要求12所述的方法，其还包括由所述第一反馈回路基于所述估计的岩石力学或所述钻头磨损来确定期望的钻孔路径。
14.如权利要求9至13中任一项所述的方法，其还包括：
每当出现超过阈值的路径偏差时调整所述第一控制信号；以及以固定速率调整所述第二控制信号。
15.如权利要求9至13中任一项所述的方法，其还包括定期更新由所述第一反馈回路和所述第二反馈回路使用的模型或模型参数。
16.如权利要求9至13中任一项所述的方法，其还包括部分基于期望的钻孔路径与测量的钻孔路径之间的差值来确定所述第一控制信号。
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