CN107438694A - 用于旋转导向钻井系统的无传感器状态估计、扰动估计和模型调适的系统和方法 - Google Patents

用于旋转导向钻井系统的无传感器状态估计、扰动估计和模型调适的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种估计旋转导向钻井系统的状态的方法，所述方法包括：将控制输入应用于旋转导向钻井系统；感测所述旋转导向钻井系统的实际输出；将所述控制输入输入至所述旋转导向钻井系统的数学模型中；从所述数学模型接收所述旋转导向钻井系统的估计输出；基于所述实际输出与所述估计输出之间的差异而生成误差补偿信号；以及将所述误差补偿信号应用于所述数学模型。

Description

用于旋转导向钻井系统的无传感器状态估计、扰动估计和模 型调适的系统和方法
背景
本章节旨在向读者介绍可能与目前描述的实施方案的各个方面相关的领域的各个方面。相信这种论述有助于向读者提供背景信息以便于更好地理解本实施方案的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应从这个角度阅读，而不是作为对现有技术的承认。
定向钻井通常用于钻探非垂直井筒。例如，当目标产油层不能从其正上方的地面站点到达时，可以进行定向钻井操作。为了形成这种井，使用定向钻井系统。定向钻井系统的一个实例是指向钻头式旋转导向钻井系统，其中通过使穿过该系统的轴弯曲而改变钻头的方向，从而改变钻井方向。钻头的倾斜角通常称为工具面角，这在下文参照图1B进一步详细描述。
旋转导向系统需要各种控制输入或设置来控制系统行为和钻井操作。一般来说，将钻井系统控制得越准确，它执行得越好，最终导致钻井操作更成功。
当旋转导向系统钻探井筒时，它展现多种输出和状态，诸如流速、涡轮速度、涡轮加速度、工具面的变化速率、扰动等等。收集的关于这类输出和状态的数据越多，可以将钻井系统控制得越精细。通常，为了获得某些这类状态的测量，钻井系统需要装备大量感测装置来进行相应测量。然而，由于成本效益约束、空间约束、性能和可靠性约束等等，在旋转导向系统中实现这种感测装置可能不可行或不切实际。因此，并未测量或记录可以提高钻井操作的效率的重要数据。因而，仍然需要一种解决方案，其提供对旋转导向系统的这类状态的了解，而不需要实现感测装置。
附图简述
下文参照附图详细描述了本公开的说明性实施方案，附图以引用的方式并入本文中且其中：
图1A示出了由根据本公开的实例实施方案的定向钻井系统钻探的井筒；
图1B示出了根据本公开的实例实施方案的定向钻井系统的实例工具面；
图2示出了根据本公开的实例实施方案的旋转导向钻井系统的剖视图；
图3A示出了根据本公开的实例实施方案的旋转导向钻井系统的简化框图；
图3B示出了根据本公开的实例实施方案的旋转导向钻井系统的详细功能框图，其将旋转导向钻井系统表示为数学模型；
图4示出了根据本公开的实例实施方案的开环状态估计器的框图；
图5A示出了根据本公开的实例实施方案的闭环状态估计器的框图；
图5B-1和图5B-2在点A、B、C、D、E和F处耦合以示出根据本公开的实例实施方案的与图3B的数学模型耦合的模拟器控制器的功能框图；
图6示出了根据本公开的实例实施方案的具有误差源估计的闭环状态估计器的框图；以及
图7示出了根据本公开的实例实施方案的具有参数调适的闭环状态估计器的框图。
所示图式仅仅是示例性的并且不旨在断言或暗示关于可以实现不同实施方案的环境、架构、设计或过程的任何限制。
对说明性实施方案的详细描述
以下论述涉及本公开的各种实施方案。附图不一定按比例绘制。实施方案的某些特征可以按比例夸大地示出或者以稍微示意性的形式示出，并且为了清楚和简明起见，可能不会示出常规元件的一些细节。虽然这些实施方案中的一个或多个可能是优选的，但是不应将所公开的实施方案解释为或以其它方式用于限制包括权利要求的本公开的范围。应当完全认识到，以下论述的实施方案的不同教导可以单独地或以任何合适的组合使用以产生期望的结果。此外，本领域技术人员将理解，以下描述具有广泛的应用，并且任何实施方案的论述仅意味着是该实施方案的示例，并且不旨在暗示包括权利要求的本公开的范围限于该实施方案。
在整个以下描述和权利要求书中使用某些术语来指代特定特征或组件。如本领域技术人员将了解，不同的人可以用不同的名称来指代相同的特征或组件。本文档并不旨在区分名称不同但结构或功能相同的组件或特征。
在这份说明书全文中对“一个实施方案”、“实施方案”或类似语言的提及意味着结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性可以包括在本公开的至少一个实施方案中。因此，在这份说明书全文中短语“在一个实施方案中”、“在实施方案中”以及类似语言的出现可以但不一定都是指同一个实施方案。
本公开涉及旋转导向系统的状态估计器，所述状态估计器可以用于响应于所接收的输入来估计旋转导向系统的输出以及一个或多个状态。在某些实施方案中，所接收的输入是驱动电压值。在某些实施方案中，输出是工具面角。在某些实施方案中，状态可以包括流速、涡轮速度、涡轮加速度、工具面的变化速率、扰动等等。状态估计器通过使用旋转导向系统的数学模型来生成这类估计，所述数学模型捕获旋转导向系统的输入与输出/状态之间的函数，并且因此可以用于在给定某些输入的情况下估计旋转导向系统的行为或输出/状态。因此，状态估计器能够生成对旋转导向系统的状态的估计，从而提供对旋转导向系统的实际状态的了解，而不必为旋转导向系统装备获得这类数据本将需要的传感器。对旋转导向系统的状态具有这种了解允许更精确地控制工具，并最终更有效地执行工具。
通过从物理旋转导向系统获得一个实际输出并且将实际输出与由状态估计器生成的对应的估计输出进行比较，状态估计器能够自我校准并改进数学模型，以便增大由状态估计器生成的估计输出和状态的逼真度。
本公开利用旋转导向钻井系统作为可以应用本文所描述的技术的一个实例系统，使得可以利用特定应用的环境来解释本公开的详细方面。然而，如本领域技术人员将了解，本文中所描述的系统和方法适用于各种其它系统，诸如常规钻井系统。
参照附图，图1A示出了由根据本公开的实例实施方案的钻井系统100钻探的井筒114。各种类型的钻井设备，诸如旋转台、钻井液泵和钻井液罐(未明确示出)可以位于井场106。例如，井场106可以包括具有与“陆地钻机”相关联的各种特性和特征的钻机102。然而，并入有本公开的教导的井下钻井工具可以令人满意地与位于海上平台、钻井船、半潜式钻井船和钻井驳船(未明确示出)上的钻井设备一起使用。
钻井系统100还可以包括与钻头101相关联的钻柱103，钻头101可以用于形成广泛多种井筒或钻孔，例如大致对角线的或定向井筒114。术语“定向钻井”可以用来描述钻探以相对于垂直的期望角度延伸的井筒或井筒的一部分。期望角度可以大于与垂直井筒相关联的正常变化。定向钻井可以用于接近单个井筒114内的多个目标储层，或者到达可能经由垂直井筒无法接近的储层。旋转导向钻井系统123可以用来执行定向钻井。旋转导向钻井系统123可以使用指向钻头方法以通过使穿过旋转导向钻井系统123的轴(例如，图2所示的内轴208)弯曲来使钻头101的方向相对于旋转导向钻井系统123的外壳变化。
钻井系统100包括井底钻具组件(BHA)120。BHA 120可以包括被配置成形成井筒114的广泛多种组件。例如，BHA可以包括组件122a和122b。这类组件122a和122b可以包括但不限于钻头(例如，钻头101)、取芯钻头、钻铤、旋转导向工具(例如，旋转导向钻井系统123)、定向钻井工具、井下钻井电机、扩孔器、扩孔机或稳定器。包括在BHA 120中的组件122的数量和类型可以取决于预期的井下钻井条件和将要形成的井筒的类型。BHA 120还可以包括各种类型的测井工具(未明确示出)以及与井筒的定向钻井相关联的其它井下工具。测井工具和/或定向钻井工具的实例可以包括但不限于声学、中子、γ射线、密度、光电、核磁共振、旋转导向工具和/或任何其它市售井工具。此外，BHA 120还可以包括旋转驱动器(未明确示出)，该旋转驱动器连接至组件122a和122b并且使钻柱103的至少一部分与组件122a和122b一起旋转。
井筒114可以部分地由套管柱110限定，套管柱110可以从井场106的表面延伸至选定的井下位置。可以将井筒114的不包括套管柱110的一部分描述为“裸眼井”。可以将各种类型的钻井液从井场106的表面向井下泵送通过钻柱103到附接的钻头101。可以引导钻井液从钻柱103流动至相应喷嘴从而通过钻头101。钻井液可以通过环空108向井上循环至井表面106。在裸眼井实施方案中，环空108可以部分地由钻柱103的外径112和井筒114的内径118限定。在使用套管柱110的实施方案中，环空108可以由钻柱103的外径112和套管柱110的内径111限定。
钻头101可以包括可以从钻头101的旋转钻头主体124的外部部分向外安置的一个或多个刀片126。刀片126可以是从旋转钻头主体124向外延伸的任何合适类型的突起。钻头101可以在由定向箭头105限定的方向上相对于钻头旋转轴线104旋转。刀片126可以包括从每一刀片126的外部部分向外安置的一个或多个切割元件128。刀片126还可以包括被配置用来控制切割元件128的切割深度的一个或多个切割深度控制器(未明确示出)。刀片126可以还包括安置在刀片126上的一个或多个保径垫(未明确示出)。钻头101可以根据本公开的教导来设计和形成，并且根据钻头101的特定应用可以具有许多不同的设计、配置和/或尺寸。
钻头101可以是旋转导向钻井系统123的组件，旋转导向钻井系统123在图2中进一步详细论述。可以通过调整钻头101的工具面来导向钻头101以控制钻头101的方向以便形成定向井筒114。工具面可以是在垂直于钻柱轴线的平面中测量的角度，该角度在钻柱103上的参考方向与固定参考物之间，并且可以是在+180°与-180°之间的任何角度。对于定向井筒，固定参考物可以是井筒的顶部，在图1B中示出为点130。工具面可以是固定参考物与参考方向，例如钻头101的尖端之间的角度。在图1B中，工具面角132是在点130(例如井筒顶部)与钻头尖端101a之间的角度。在其它实施方案中，固定参考物可以是磁北极、与重力方向相反的线，或任何其它合适的固定参考点。
图2示出了旋转导向钻井系统200的透视图。旋转导向钻井系统200可以包括剪切阀202、涡轮204、外壳206、内轴208、偏心凸轮210、多个推力轴承212和钻头216。外壳206可以随钻柱，诸如图1A所示的钻柱103旋转。例如，外壳206可以在方向218上旋转。为了在外壳206旋转的同时维持期望的工具面，内轴208可以在与外壳206的旋转相反的方向上并且按与外壳206的旋转相同的速度旋转。例如，当外壳206在方向218上旋转时，内轴208可以在方向220上按相同的速度旋转。
剪切阀202可以位于旋转导向钻井系统200的其它组件的井上方向。剪切阀202可以被设计成管控钻井液进入涡轮204的流速。例如，剪切阀202可以打开极小量，使得流入涡轮204的钻井液的流速随着剪切阀202打开而增大。旋转导向钻井系统200可以含有打开和关闭剪切阀202的电机(未明确示出)。发送至电机的电流或电压可以改变剪切阀202打开的量。虽然本实例旋转导向钻井系统200包括剪切阀202，但是旋转导向钻井系统200的其它实施方案可以替代地包括控制进入涡轮204的流体的流速的任何类型的阀。
流入涡轮204的钻井液可以产生扭矩以使内轴208旋转。改变进入涡轮204的钻井液的流速可以改变由涡轮204产生的扭矩的量，并且因此控制内轴208的旋转速度。
一组行星齿轮可以耦合外壳206、内轴208和推力轴承212。内轴208可以按与外壳206相同的速度但在相反方向上旋转，以将工具面维持于期望的角度。行星齿轮的定位可有助于将工具面维持于+180与-180度之间。
偏心凸轮210可以被设计成使旋转导向钻井系统200弯曲以指向钻头216。偏心凸轮210可以是可以指向钻头216的任何合适的机构，诸如凸轮、滑轮或盘。推力轴承212可以被设计成在钻头216钻探井筒(例如图1A所示的井筒114)时吸收由钻头216产生的力和扭矩。行星齿轮可以连接至外壳206和内轴208，以将钻头216维持于期望的工具面。为了将钻头216指向并维持于指定的工具面，工具面可以基于内轴208在与外壳206和钻柱的旋转相等且相反的方向上旋转而保持于对地静止位置(例如，在垂直于钻柱的平面中的钻头定向相对于地层保持恒定)。虽然工具面可以是对地静止的，但钻头216可以旋转来钻探井筒。例如，钻头216可以在方向222上旋转。
在钻井操作期间，外壳206可能由于作用在外壳206或钻头216上的扰动而不以恒定速度旋转。例如，在粘滑情形期间，钻头216和外壳206可以按中断方式旋转，其中钻头216和外壳206在某些时间停止旋转或以变化的速度旋转。因此，可能需要在钻井操作期间调整内轴208的旋转速度以抵消扰动作用在外壳206上的影响并维持内轴208与外壳206的旋转相等并相反地旋转。
旋转导向钻井系统200可以由数学模型表示。该模型通常可以响应于对旋转导向钻井系统200的扰动和/或输入来预测旋转导向钻井系统200的行为和操作状态。图3A示出了根据本公开的实例实施方案的旋转导向钻井系统200的高级框图300或简化模型。可以将电压传输至电机302，使得电机302可以响应于电压而打开剪切阀304。剪切阀304的打开可以使钻井液以通过剪切阀304打开的量确定的流速流过涡轮306。流过涡轮306的钻井液可以使扭矩被产生，使得该扭矩使内轴旋转。另外，可以对作用在旋转导向钻井系统200上的任何扰动建模并对其与由钻井液流过涡轮306产生的扭矩求和，以便确定使内轴旋转的总扭矩。内轴旋转可以使行星齿轮系统308旋转，使得行星齿轮系统308的位置控制工具面。因此，在这种实施方案中，工具面随施加至系统300的电压和扰动而变化。
图3B示出了根据本公开的实例实施方案的旋转导向钻井系统200的功能框图或数学模型320。模型320示出了示例性旋转导向钻井系统200的每个组件的输入和输出。模型320可以对旋转导向钻井系统的主要性质(诸如剪切阀打开性质、流速和涡轮旋转性质、涡轮角速度与外壳角速度之间的耦合，以及耦合对工具面的影响)建模。在一些实施方案中，模型320可以不包括对旋转导向钻井系统具有极小影响的性质，诸如行星齿轮系统中的摩擦效应以及温度变化对旋转导向钻井系统的影响。在一些其它实施方案中，模型320可以包括比当前示出的更多的性质。
数学模型320可以包括饱和模型322，饱和模型322可以用于限制对旋转导向钻井系统200的输入。在本实施方案中，输入是电压V。在其它实施方案中，诸如使用交流(AC)电机的实施方案，输入可以是电流、电流的频率或电压的频率。饱和模型322可以对由旋转导向钻井系统200的电机302接收的电压提供限制。模型320还包括电机302的实例拉普拉斯变换模型324，其中Km表示模型常数，τm表示电机的时间常数，并且s表示拉普拉斯参数。拉普拉斯变换模型324对输入电压(诸如从饱和模型322接收的电压)的电机响应建模，并且饱和模型324的输出可以是电机的角速度ωm。
模型还包括用以基于电机302的角速度来计算电机的角位移θm的另一拉普拉斯变换326。计算出的电机的角位移可以是剪切阀模型328的输入。剪切阀模型328可以用以基于电机302的角位移来确定剪切阀304的分数阀开度f。分数剪切阀开度可以是零和一之间的值，其中零指示剪切阀304完全关闭，并且一指示剪切阀304完全打开。
分数剪切阀开度可以用来计算通过旋转导向钻井系统200的涡轮306的钻井液的流速。在乘法运算符330处，进入系统的钻井液的总流速Q总可以乘以分数剪切阀开度来确定通过旋转导向钻井系统的涡轮306的流速Q。可以将不流过涡轮306的钻井液向井下引导至钻头，诸如图1A所示的钻头101。
模型320还包括涡轮306的扭矩函数332，扭矩函数332可以使用通过涡轮306的钻井液的流速来计算由于流体流速而由涡轮306产生的扭矩。在扭矩函数332中执行的计算中，Q是通过涡轮306的流速并且c1是涡轮参数。在求和运算符334处，可以将在第二扭矩函数336处计算的由于涡轮306的当前角速度而由涡轮306产生的扭矩从由于流体流速而由涡轮306产生的扭矩中减去。在函数336中执行的计算中，ωt是涡轮306的角速度并且c2是涡轮参数。求和运算符334的结果可以是由涡轮产生的扭矩τt。
在将涡轮306的扭矩转化成工具面之前，可以对旋转导向钻井系统200的机械性质的特性建模。可以在函数340中对系统上的负载扭矩τL以及行星齿轮系统的齿轮比N1建模并在求和运算符338处将其从由涡轮306产生的扭矩中减去。在函数344处，将旋转导向钻井系统的外壳的角加速度与如从涡轮所见的外壳的等效惯量J2结合，并且在求和运算符342处将其从求和运算符338的结果中减去。在函数348处，可以将从先前步骤计算出的扭矩并入至涡轮、内轴和行星齿轮的等效惯量的模型中，所述模型可以计算涡轮的角加速度该角加速度可以由另一拉普拉斯变换函数350求积分以计算涡轮的角速度ωt。
在函数352处，涡轮306的角速度可以是行星齿轮比的模型的输入，其中N1表示行星齿轮系统的齿轮比。函数352的结果可以在求和运算符354处与外壳的角速度和行星齿轮比的影响的函数356结合来确定工具面的角速度ωtf。工具面的角速度是工具面的角度随时间的变化速率。工具面的角速度可以由拉普拉斯变换函数358求积分以确定所得工具面θtf。因此，工具面角是旋转导向钻井系统200的主要输出，其可以由数学模型320估计。在一些实例实施方案中，可以通过更复杂的数学模型来对旋转导向钻井系统200建模，所述数学模型考虑到旋转导向钻井系统200的更详细的功能和属性。在一些实例实施方案中，可以简化数学模型，去除对输出的准确度贡献相对较小的一个或多个模型成分。在一些实例实施方案中，可以使用与当前示出的不同的数学模型来对旋转导向钻井系统建模。
可以对图3B进行修改、添加或省略而不脱离本公开的范围。例如，图3B的方框中所示的等式仅用于说明，并且可以基于旋转导向钻井系统的特性进行修改。可以使用组件的任何合适的配置。例如，虽然功能框图320示出了旋转导向钻井系统包括剪切阀和流体流来从单级涡轮产生扭矩，但是替代地可以使用电机来从涡轮产生扭矩。其它旋转导向钻井系统实施方案可以包括磁性或电磁致动器、具有单级或多级涡轮的气动致动器，或具有多级涡轮的液压致动器。
物理旋转导向钻井系统200展现多种状态，诸如流速、涡轮速度、涡轮加速度、工具面的变化速率、扰动等等。知道旋转导向钻井系统200的这种内部状态允许更精确地控制旋转导向钻井系统200并最终导致更有效的钻井。如在本公开的背景章节中所论述的，为了测量旋转导向钻井系统200的这类状态，系统200必须装备有一套额外的感测装置。然而，这样做可能并不经济或并不实际可行。本公开，具体如参照图4-7所描述，通过利用旋转导向钻井系统200的数学模型320来提供用于估计旋转导向钻井系统200的这类状态的系统和方法。
图4示出了根据本公开的实例实施方案的开环状态估计器400的框图。开环状态估计器包括被配置用来响应于控制输入406而模拟物理系统402(诸如图2的旋转导向钻井系统200)的操作行为的系统模拟器404。在实例实施方案中，系统模拟器404包括物理系统402的数学模型，诸如图3的数学模型320。数学模型404包括计算物理系统402的一个或多个输出408或状态410的算法。在实例实施方案中，将系统模拟器404实现为处理单元中的计算机可读代码，该处理单元具有用于接收输入值并将输入值应用于模拟器404的输入元件以及用于从模拟器404输出一个或多个输出值的输出模块。在实例应用中，在物理系统402的操作期间，将控制输入406应用于物理系统402。在一些实施方案中，控制输入406包括电压值。将相同的控制输入406应用于模拟器404和数学模型。在一些实施方案中，模拟器404将控制输入406转换成适合于与数学模型一起使用的机器可读输入值或形式。系统模拟器404接着通过数学模型运行输入406，并且生成物理系统402的估计输出408和估计状态410。因此，可以估计和获得物理系统402的状态410，而不必为物理系统402装备额外的一套感测装置。同时，物理系统402还产生可以被测量的实际输出412。在一些实施方案中，估计输出408和实际输出412是工具面角θtf的指示。
理论上，如果数学模型完美地表示物理系统402及其操作环境，则估计输出408将与物理系统412的实际输出412完全匹配。同样，接着可以假设估计状态410完美地表示物理系统402的实际状态。然而，实际上，可能存在各种误差源，所述误差源导致估计值与物理系统402所展现的实际值之间的不同的差异程度。因此，估计输出408与实际输出412之间可能存在差异。因此，可以假设估计状态410具有对应的误差范围。例如，物理系统402可能经受多种扰动414，所述扰动414可以用数学模型404不考虑的方式影响物理系统402的行为。扰动414可以包括粘滑、系统噪声、环境噪声等等。另外，实际输出与估计输出之间的其它误差源可能包括数学模型404中固有的误差，诸如参数误差或物理系统402的在数学模型中未建模或不正确地建模的特性。
图5A示出了根据本公开的实例实施方案的闭环估计器500的框图。闭环估计器500包括系统模拟器404，系统模拟器404包括物理系统402的数学模型。闭环估计器500还包括模拟器控制器502。系统模拟器404接收馈送至物理系统402中的实际控制输入406，并且生成物理系统402的估计输出408和一组估计的内部状态410。闭环估计器500包括将由模拟器404生成的估计输出408与由物理系统402生成的实际输出412进行比较的反馈机制。在实例实施方案中，模拟器控制器502接收估计输出408和实际输出412作为输入，并且使用估计输出408与实际输出412之间的误差来生成误差补偿信号506。在实例实施方案中，误差补偿信号506在与控制输入406一起输入至模拟器404中时允许模拟器404生成与物理系统的实际输出412更接近地匹配的估计输出408。因此，由模拟器404生成的估计状态410也具有更高的逼真度。误差补偿信号506被配置用来驱使估计输出408与实际输出412之间的差异为零。具体地说，经由模拟器控制器502来补偿由于物理系统402中的扰动414、数学模型中的误差，或物理系统402的未建模或不正确地建模的特性而引起的估计输出408与实际输出412之间的偏差。因此，由闭环估计器500生成的估计输出和估计状态410更接近物理系统所展现的实际输出和状态。在一些实施方案中，对模拟器控制器增益进行调谐，使得估计输出408与实际输出412收敛。
取决于系统和期望结果，可以用多种不同的方式来设计模拟器控制器502。例如，模拟器控制器502可以与比例积分微分(PID)控制器或更复杂的非线性控制器一样简单。模拟器控制器502设计的复杂性可以取决于期望的补偿准确度、计算资源以及其它设计和资源限制。在一些实施方案中，模拟器控制器502的元件可以包括前馈控制器，以及一个或多个物理状态反馈解耦机制，所述物理状态反馈解耦机制被配置用来将一个或多个系统非线性以及其它已知扰动(诸如库仑摩擦)解耦。在一些实施方案中，可以基于卡尔曼滤波器、无迹卡尔曼滤波器、集合卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器、粒子滤波器等等来设计模拟器控制器502。
图5B-1和图5B-2在点A、B、C、D、E和F处耦合以示出根据本公开的实例实施方案的与物理系统的数学模型524相关的模拟器控制器522的实例实现方式的功能框图520。模拟器控制器522接收物理系统的实际输出412和来自数学模型524的估计输出，并且生成馈送至数学模型524中的误差补偿信号506。数学模型524利用误差补偿信号506来生成估计输出408。因此这样的反馈，驱使实际输出412与估计输出408之间的误差为零。
在一些实施方案中，补偿信号506还提供了对导致估计输出408与实际输出412之间的差异的误差源的了解。图6示出了根据本公开的实例实施方案的具有误差源估计的闭环状态估计器600的框图。在实例实施方案中，类似于图5A的模拟器500，具有误差源估计的闭环状态估计器600包括模拟器404，模拟器404包括物理系统402的数学模型。模拟器404生成物理系统402的估计输出408和一组估计状态410。模拟器404还包括模拟器控制器502，模拟器控制器502接收估计输出408和实际输出412作为输入，并且使用估计输出408与实际输出412之间的误差来生成补偿信号506，补偿信号506被模拟器404使用以生成具有更高逼真度的估计输出408和内部状态410。
另外，图6的状态估计器600还包括一个或多个信号处理元件，诸如滤波器602、604、610。一个或多个信号处理元件被配置用来从误差补偿信号506识别各种误差源的指示。误差源可以包括物理系统上的各种扰动、数学模型中的误差，或导致估计输出偏离实际输出的其它来源。在一些实施方案中，将一个或多个滤波器602、604、610应用于误差补偿信号506。在某些这类实施方案中，一个或多个滤波器602、604、610被配置用来传递指示相应的误差源的特定信号类型。在一些实施方案中，实现了高通滤波器602，通过该高通滤波器可以识别各种噪声和高频扰动606。在一些实施方案中，实现了带通滤波器604，通过该带通滤波器可以识别各种物理扰动，诸如粘滑。在一些实施方案中，实现了低通滤波器和带阻滤波器610，通过该低通滤波器和带阻滤波器可以识别数学建模误差612。可能的数学建模误差612的实例包括模型参数估计误差或未建模的系统动力学。因此，具有误差源估计的闭环状态估计器600能够提供对估计输出408与实际输出412之间的误差源的了解。这些误差随后可以与估计输出408和状态410解耦。在这样做时，这类估计的逼真度会增大。在一些实例实施方案中，上述滤波器602、604、610中的一个或多个可以被省略或替换为被设计成最适合特定应用和期望结果的替代滤波或信号处理元件。在一些实例实施方案中，一个或多个滤波器602、604、610可以包括比所描述的更多或更少的复杂的滤波或处理元件，并且可以被配置用来以更高或更低的粒度级别识别误差源。
图7示出了根据本公开的实例实施方案的具有模型调适的闭环状态估计器700的框图。具有模型调适的闭环状态估计器700很大程度上类似于图6的模拟器600。因此，为了简洁起见，将不会重复对共享方面的论述。除了图6的状态估计器600的元件和功能之外，具有模型调适的闭环状态估计器700使得能够实时地调整模拟器404，且具体地说是数学模型。具体地说，具有模型调适的闭环状态估计器700包括模型调适模块702。在一些实施方案中，模型调适模块702包括低通滤波器和带阻滤波器610以及控制器704。控制器704的实例可以是如图7所示的PID。在实例实施方案中，将通过低通滤波器和带阻滤波器610识别的建模误差612与模拟器404或数学模型的一组初始模型参数706进行比较，所述初始模型参数被馈送至控制器，诸如PID控制器704。控制器704驱使对应误差为零，并且生成模型调适信号。模型调适信号708包括用于修改模拟器404或数学模型使得模拟器404或数学模型更接近地模仿物理系统402的行为，从而生成更接近物理系统所展现的实际输出和状态的估计输出和状态的指令。模型调适信号708被配置用来驱使模型误差信号612为空值。在一些实施方案中，可以在系统测试和校准过程期间部署物理系统之前对模拟器404或数学模型进行微调。在一些实施方案中，可以在物理系统402的实际井下操作期间实时地微调模拟器404或数学模型。模拟器404或数学模型的微调增大了估计输出408和状态410的逼真度。
在一些实例实施方案中，本公开的状态估计器，诸如图4、图5A、图6和图7中所示的实例实施方案，可以嵌入于钻井系统114(图1)的BHA 120内。具体地说，模拟器404、模拟器控制器和误差源处理组件602、604、610、702可以由处理单元提供。处理器是具有执行如本文所述的状态估计器的功能所需的必要硬件组件的处理器。在一些实施方案中，处理单元可以内置在钻井系统114的BHA 120中。在一些实施方案中，处理单元可以是在井场106处或远离井场106的位置的控制中心的一部分。
除了上述实施方案外，特定组合的许多实例在本公开的范围内，该等实例中的一些在下文详细描述：
实例1.一种估计旋转导向钻井系统的状态的方法，所述方法包括：
将控制输入应用于旋转导向钻井系统；
感测所述旋转导向钻井系统的实际输出；
将所述控制输入输入至所述旋转导向钻井系统的数学模型中；
从所述数学模型接收所述旋转导向钻井系统的估计输出；
基于所述实际输出与所述估计输出之间的差异而生成误差补偿信号；以及
将所述误差补偿信号应用于所述数学模型。
实例2.如实例1所述的方法，所述方法还包括：
将所述控制输入和所述误差补偿信号应用于所述数学模型；
从所述数学模型接收第二估计输出；并且
其中所述第二估计输出与所述实际输出之间的差异小于所述估计输出与所述实际输出之间的所述差异。
实例3.如实例1所述的方法，所述方法还包括将电子滤波器应用于所述误差补偿信号，其中所述电子滤波器传递指示误差源的信号。
实例4.如实例3所述的方法，其中所述误差源是噪声、扰动、粘滑、参数估计误差和建模误差中的至少一个。
实例5.如实例3所述的方法，所述方法还包括：
从所述电子滤波器获得估计的建模误差并且标示所述估计的建模误差；
将所述估计的建模误差与一组初始模型参数进行比较；
生成模型调适信号，所述模型调适信号驱使所述估计的建模误差为零；以及
根据所述模型调适信号来调适所述数学模型。
实例6.如实例3所述的方法，其中指示误差源的所述信号指示所述旋转导向钻井系统上的一个或多个扰动或噪声。
实例7.如实例1所述的方法，其中所述控制输入包括电压或电流值。
实例8.如实例1所述的方法，其中所述估计输出是工具面角。
实例9.一种用于估计旋转导向钻井系统的状态的系统，所述系统包括：
系统模拟器，所述系统模拟器包括所述旋转导向钻井系统的数学模型，所述数学模型被配置用来响应于输入而生成所述旋转导向钻井系统的估计输出和估计状态；
模拟器控制器，所述模拟器控制器被配置用来接收所述旋转导向钻井系统的实际输出和来自所述系统模拟器的所述估计输出，并且基于所述实际输出与所述估计输出之间的差异而生成误差补偿信号；并且
其中所述系统模拟器被配置用来接收所述误差估计信号。
实例10.如实例9所述的系统，其中所述系统模拟器被配置用来基于所述输入和所述误差估计信号而生成所述估计输出和所述估计状态。
实例11.如实例9所述的系统，其中所述误差补偿信号被配置用来驱使所述实际输出与所述估计输出之间的所述差异为零。
实例12.如实例9所述的系统，所述系统还包括误差源检测模块，所述误差源检测模块被配置用来接收所述误差估计信号并检测一个或多个误差源。
实例13.如实例12所述的系统，其中所述误差源检测模块包括高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器和带阻滤波器中的至少一个。
实例14.如实例12所述的系统，其中所述一个或多个误差源包括扰动、噪声、模型参数估计误差和未建模的系统动力学中的至少一个。
实例15.如实例12所述的系统，其中所述误差源检测模块检测一个或多个建模误差并生成对应的模型调适信号，其中所述模型调适信号被配置用来提供用于调整所述数学模型的指令并驱使所述一个或多个建模误差为零。
实例16.一种具有状态估计的旋转导向钻井系统，所述系统包括：
旋转导向钻井工具，所述旋转导向钻井工具被配置用来接收控制输入并展现感测输出和状态；
处理单元，所述处理单元提供：
旋转导向钻井工具模拟器，其中所述旋转导向钻井工具模拟器包括所述旋转导向钻井工具的数学模型，所述旋转导向钻井工具模拟器被配置用来接收所述控制输入并响应于所述控制输入而生成所述旋转导向钻井工具的估计输出和估计状态；以及
模拟器控制器，所述模拟器控制器被配置用来接收所述钻井工具的所述感测输出和来自所述钻井工具模拟器的所述估计输出，并且基于所述感测输出与所述估计输出之间的差异而生成误差补偿信号；
其中所述旋转导向钻井工具模拟器被配置用来接收所述误差估计信号并响应于所述控制输入和所述误差估计信号而生成所述估计输出和所述估计状态；并且
其中所述误差估计信号被配置用来驱使所述实际输出与所述估计输出之间的所述差异为零。
实例17.如实例16所述的旋转导向钻井系统，其中所述处理单元还包括误差源检测模块，所述误差源检测模块被配置用来接收所述误差估计信号并检测指示一个或多个误差源的信号。
实例18.如实例17所述的旋转导向钻井系统，其中所述误差源检测模块被配置用来检测指示一个或多个建模误差的信号并生成模型调适信号，其中所述模型调适信号被配置用来提供用于调整所述数学模型的指令并从而驱使指示一个或多个建模误差的所述信号为空值。
实例19.如实例17所述的旋转导向钻井系统，其中所述误差源检测模块包括高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器和带阻滤波器中的至少一个，所述误差源检测模块被配置用来传递指示扰动、噪声、模型参数估计误差和未建模的系统动力学中的至少一个的信号。
实例20.如实例16所述的旋转导向钻井系统，其中所述处理单元耦合至所述旋转导向钻井工具。
虽然本公开的方面可以易于具有各种修改和替代形式，但是具体实施方案已经借助附图中的实例示出并且已在本文进行了详细描述。但是应当理解，本发明并不旨在限于所公开的特定形式。相反，本发明将覆盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物和替代方案。

Claims (20)

1.一种估计旋转导向钻井系统的状态的方法，所述方法包括：
将控制输入应用于旋转导向钻井系统；
感测所述旋转导向钻井系统的实际输出；
将所述控制输入输入至所述旋转导向钻井系统的数学模型中；
从所述数学模型接收所述旋转导向钻井系统的估计输出；
基于所述实际输出与所述估计输出之间的差异而生成误差补偿信号；以及
将所述误差补偿信号应用于所述数学模型。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
将所述控制输入和所述误差补偿信号应用于所述数学模型；
从所述数学模型接收第二估计输出；并且
其中所述第二估计输出与所述实际输出之间的差异小于所述估计输出与所述实际输出之间的所述差异。
3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括将电子滤波器应用于所述误差补偿信号，其中所述电子滤波器传递指示误差源的信号。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述误差源是噪声、扰动、粘滑、参数估计误差和建模误差中的至少一个。
5.如权利要求3所述的方法，所述方法还包括：
从所述电子滤波器获得估计的建模误差并且标示所述估计的建模误差；
将所述估计的建模误差与一组初始模型参数进行比较；
生成模型调适信号，所述模型调适信号驱使所述估计的建模误差为零；以及
根据所述模型调适信号来调适所述数学模型。
6.如权利要求3所述的方法，其中指示误差源的所述信号指示所述旋转导向钻井系统上的一个或多个扰动或噪声。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述控制输入包括电压或电流值。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述估计输出是工具面角。
9.一种用于估计旋转导向钻井系统的状态的系统，所述系统包括：
系统模拟器，所述系统模拟器包括所述旋转导向钻井系统的数学模型，所述数学模型被配置用来响应于输入而生成所述旋转导向钻井系统的估计输出和估计状态；
模拟器控制器，所述模拟器控制器被配置用来接收所述旋转导向钻井系统的实际输出和来自所述系统模拟器的所述估计输出，并且基于所述实际输出与所述估计输出之间的差异而生成误差补偿信号；并且
其中所述系统模拟器被配置用来接收所述误差估计信号。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述系统模拟器被配置用来基于所述输入和所述误差估计信号而生成所述估计输出和所述估计状态。
11.如权利要求9所述的系统，其中所述误差补偿信号被配置用来驱使所述实际输出与所述估计输出之间的所述差异为零。
12.如权利要求9所述的系统，其还包括误差源检测模块，所述误差源检测模块被配置用来接收所述误差估计信号并检测一个或多个误差源。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述误差源检测模块包括高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器和带阻滤波器中的至少一个。
14.如权利要求12所述的系统，其中所述一个或多个误差源包括扰动、噪声、模型参数估计误差和未建模的系统动力学中的至少一个。
15.如权利要求12所述的系统，其中所述误差源检测模块检测一个或多个建模误差并生成对应的模型调适信号，其中所述模型调适信号被配置用来提供用于调整所述数学模型的指令并驱使所述一个或多个建模误差为零。
16.一种具有状态估计的旋转导向钻井系统，所述系统包括：
旋转导向钻井工具，所述旋转导向钻井工具被配置用来接收控制输入并展现感测输出和状态；
处理单元，所述处理单元提供：
旋转导向钻井工具模拟器，其中所述旋转导向钻井工具模拟器包括所述旋转导向钻井工具的数学模型，所述旋转导向钻井工具模拟器被配置用来接收所述控制输入并响应于所述控制输入而生成所述旋转导向钻井工具的估计输出和估计状态；以及
模拟器控制器，所述模拟器控制器被配置用来接收所述钻井工具的所述感测输出和来自所述钻井工具模拟器的所述估计输出，并且基于所述感测输出与所述估计输出之间的差异而生成误差补偿信号；
其中所述旋转导向钻井工具模拟器被配置用来接收所述误差估计信号并响应于所述控制输入和所述误差估计信号而生成所述估计输出和所述估计状态；并且
其中所述误差估计信号被配置用来驱使所述实际输出与所述估计输出之间的所述差异为零。
17.如权利要求16所述的旋转导向钻井系统，其中所述处理单元还包括误差源检测模块，所述误差源检测模块被配置用来接收所述误差估计信号并检测指示一个或多个误差源的信号。
18.如权利要求17所述的旋转导向钻井系统，其中所述误差源检测模块被配置用来检测指示一个或多个建模误差的信号并生成模型调适信号，其中所述模型调适信号被配置用来提供用于调整所述数学模型的指令并从而驱使指示一个或多个建模误差的所述信号为空值。
19.如权利要求17所述的旋转导向钻井系统，其中所述误差源检测模块包括高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器和带阻滤波器中的至少一个，所述误差源检测模块被配置用来传递指示扰动、噪声、模型参数估计误差和未建模的系统动力学中的至少一个的信号。
20.如权利要求16所述的旋转导向钻井系统，其中所述处理单元耦合至所述旋转导向钻井工具。
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