CN109477360A - 基于深度的钻孔轨迹控制 - Google Patents

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Abstract

提供了用于控制钻入地面的钻孔的轨迹的方法和设备。所述设备包括钻井系统，所述钻井系统包括钻管、分解装置和联接到钻管的转向系统，所述转向系统被配置成使钻井系统转向，所述钻井系统被配置成通过从用于控制钻井系统的参数的至少一个控制单元接收控制输出来钻出钻孔，所述至少一个控制单元被配置成向转向系统提供控制输出，所述至少一个控制单元被配置成提供基于深度的控制。

Description

基于深度的钻孔轨迹控制
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年6月2日提交的美国申请第15/171193号的权益，所述美国申请的全部内容通过引用并入文中。
背景技术
出于各种目的，将钻孔钻入地层，例如碳氢化合物产生、地热产生和二氧化碳封存。这些钻孔中的许多钻孔需要具有精确的位置和几何形状，以便出于期望的目的而提高效率。蒸汽辅助式重力排水是用于有效产生碳氢化合物的特定水平几何形状的一个实例。几何形状通常包括例如深度或钻井距离、倾斜度、累积速率和方位角。所述位置可以涉及到地质地层边界的距离和/或到相邻钻孔的距离。因此，开发钻井控制系统以提高钻井钻孔的准确度和精确度在钻井工业中将受到欢迎。
发明内容
提供了用于控制钻入地面的钻孔的轨迹的方法和设备。所述设备包括钻井系统，所述钻井系统包括钻管、分解装置和联接到钻管的转向系统，所述转向系统被配置成使钻井系统转向，所述钻井系统被配置成通过接收用于控制钻井系统的参数的控制输出来钻出钻孔以及被配置成向转向系统提供控制输出的至少一个控制单元，所述至少一个控制单元被配置成提供基于深度的控制。
附图说明
以下描述不应被视为以任何方式进行限制。参考附图，相同的附图标号相同：
图1A描绘了用于将钻孔钻入地面的钻井系统的各方面；
图1B描绘了本公开的实施方案可以采用的控制过程的示意图；
图2描绘了用于表示正在钻孔的轨迹的轨迹矢量的各方面；
图3描绘了用于控制钻孔参数的控制器实现的一个实施方案的各方面；
图4描绘了使用地层评估传感器的控制器实现的一个实施方案的各方面；
图5描绘了提供钻孔轨迹控制的控制器实现的一个实施方案的各方面；
图6描绘了提供井下控制的控制器实现的一个实施方案的各方面；
图7描绘了使用固定参考值的控制器实现的一个实施方案的各方面；
图8描绘了使用已知目标轨迹的预控制和预滤波的各方面；
图9描绘了使用钻井系统的持续钻井模型的模型预测控制的各方面；以及
图10是用于控制钻入地面的钻孔的轨迹的方法的流程图。
具体实施方式
本文通过说明和实施例的方式呈现了所公开的装置和方法的一个或多个实施方案的描述，而不是加以限制。将参考附图。
本文公开了用于将钻孔钻入地面的设备和方法。通过本文描述的设备或其他控制器、计算机和/或处理器实现的方法提供可用于控制钻孔轨迹的控制方法，所述钻孔轨迹可例如通过深度、钻井距离、倾斜度、方位角、累积速率、到地层边界的距离、到例如另一个钻孔的对象的距离、地质对象、井下安装或任何其他钻孔轨迹相关参数来表征。如本文所用，术语“深度”可以被认为包括指示深度的数据，例如“钻井距离”(也称为“测量深度”)、真实垂直深度、真实地层深度以便考虑偏斜或水平的钻孔，或任何其他深度相关数据，包括对深度测量影响效果进行校正的深度数据，所述影响例如由于重力效应、温度效应、压差效应等引起的拉伸/挤压。
现在讨论与本公开相关的钻井操作的设备。图1A示出了钻井系统10的示意图，所述钻井系统10包括具有钻井组件90的钻柱20，所述钻井组件90可包括井底组件(BHA)，其在穿透地层60的钻孔26中输送。钻井系统10包括竖立在地表12上的传统井架11，所述地表12支撑旋转台14，所述旋转台14通过原动机(例如电动机(未示出))以期望的旋转速度旋转。钻柱20包括从旋转台14向下延伸到钻孔26中的钻管22，例如钻杆。附接到钻井组件90的端部的分解装置50(例如，钻头)分解地质地层以钻出钻孔26。可以使用各种类型的分解装置。虽然本公开参考利用旋转钻头的旋转钻井，但是也可以使用其他钻井类型，例如电脉冲钻井、喷射钻井和/或冲击钻井。钻柱20经由方钻杆接头21、转环28和管线29(例如)经由滑轮和/或滑轮系统联接到绞车30。在钻井操作期间，绞车30被操作以控制钻压，这影响了穿透率(ROP)。绞车30的操作在本领域中是众所周知的，因此文中不详细描述。
在钻井操作期间，来自来源或泥浆坑32的合适钻井液31(也称为“泥浆”)在压力下通过泥浆泵34循环通过钻柱20。钻井液31经由消涌器和流体控制阀36、流体管线38和方钻杆接头21进入钻柱20。钻井液31通过分解装置50中的开口在钻孔底部51处排出。钻井液31通过钻柱20和钻孔26之间的环形空间27向井上循环，并经由返回管线35返回泥浆坑32。管线38中的传感器S1提供关于流体流速的信息。流速可以通过位于泵34和/或消涌器和流体控制阀36中或附近，或者以其他方式位于管线38内的阀控制。与钻柱20相关联的表面扭矩传感器S2和传感器S3分别提供关于钻柱的扭矩和旋转速度的信息。另外，与管线29相关联的一个或多个传感器(未示出)用于提供钻柱20的钩件载荷以及与钻出井孔26有关的其他所需参数。系统还可包括位于钻柱20和/或钻井组件90上的一个或多个井下传感器70。井下传感器70可包括一个或多个传感器，其被配置成感测、测量和/或检测例如传感器和/或BHA或其他井下部件的位置、定向、倾斜度和/或方位角。一些或另外的传感器可以被配置成检测和/或测量地层特性和/或泥浆特性。
在一些应用中，分解装置50仅通过旋转钻杆22来旋转。然而，在其他应用中，设置在钻井组件90中的钻井马达55(泥浆马达)用于使分解装置50旋转和/或叠加或补充钻柱20的旋转。在任一种情况下，对于给定地层和钻井组件，分解装置50进入钻孔26的穿透速率(ROP)很大程度上取决于钻压和分解装置的旋转速度。在图1A的实施例的一个方面中，泥浆马达55经由设置在轴承组件57中的驱动轴(未示出)联接到分解装置50。当钻井液31在压力下通过泥浆马达55时，泥浆马达55使分解装置50旋转。轴承组件57支撑分解装置50的径向力和轴向力，钻井马达的下冲以及来自所施加钻压的向上反作用载荷。联接到轴承组件57和其他合适位置的一个或多个稳定器58用作泥浆马达组件的最下部分和其他这类合适位置的扶正器。
地表控制单元40从井下传感器70和装置，例如经由放置在流体管线38中(在泥浆脉冲遥测的情况下)或在其他类型的遥测(例如有线管道遥测、声学遥测或电磁遥测)的情况下放置在其他地方的传感器43，以及从传感器S1、S2、S3、钩件载荷传感器和系统中使用的任何其他传感器接收信号，并根据提供给地表控制单元40的编程指令处理这类信号。地表控制单元可以处理钩件位置数据、钩件载荷数据和/或诸如钻压的其他数据，以确定、导出或校正钻井距离、ROP等。地表控制单元40在显示器/监视器42上显示期望的钻井参数和其他信息，以供钻机现场的操作员使用以控制钻井操作。表面控制单元40包含计算机、用于存储数据的存储器，计算机程序、可访问计算机中的处理器的模型和算法、记录器，例如用于记录数据的磁带单元和其他外围设备。表面控制单元40还可以包括仿真模型，以供计算机根据编程指令处理数据。控制单元响应于通过合适的装置(例如键盘)输入的用户命令。控制单元40被适配以在发生某些不安全或不期望的操作条件时激活警报器44。
钻井组件90还包含用于提供与钻孔周围的地层有关的各种测量以及沿着期望的路径钻出井孔26的其他传感器和装置或工具。这类装置可包括用于测量分解装置50附近和/或前方的地层电阻率的装置，用于测量地层伽马射线强度的伽马射线装置和用于确定旋转速度(rpm)、倾斜度、方位角、ROP和/或钻柱位置的装置。根据本文描述的实施例所制造的地层电阻率工具64可以在任何合适的位置处联接，包括在下部推出子组件62上方，用于估计或确定在分解装置50附近或前方或在其他合适位置处的地层的电阻率。可以适当地放置倾斜计74和伽马射线装置76，以分别确定钻井组件90和/或BHA的倾斜度以及地层伽马射线强度。可以使用任何合适的倾斜计和伽马射线装置。另外，可以利用诸如磁力计或陀螺仪装置的方位角装置(未示出)来确定钻柱方位角。这类装置在本领域中是已知的，因此文中不详细描述。在上述示例性配置中，泥浆马达55经由中空轴将动力传递到分解装置50，所述中空轴还使得钻井液能够从泥浆马达55进入分解装置50。在钻柱20的替代实施方案中，泥浆马达55可以被联接在电阻率测量装置64下方或任何其他合适的位置。
仍然参考图1A，其他随钻测井(LWD)装置(在本文中通常用数字77表示)，例如用于测量地层孔隙率、渗透率、密度、岩石性质、流体性质等的装置可放置在钻井组件90中的合适位置，用于提供用于沿钻孔26评估地下地层的信息。这类装置可包括但不限于声学工具、核工具、核磁共振工具和地层测试和取样工具。
上述装置将数据发送到井下遥测系统72，所述井下遥测系统72又将接收的数据向井上发送到地表控制单元40。井下遥测系统72还从地表控制单元40接收信号和数据，并将这类接收的信号和数据发送到适当的井下装置(也称为下行链路)。在一个方面中，泥浆脉冲遥测系统可用于在钻井操作期间在井下传感器70与装置和地表设备之间传递数据。放置在泥浆供应管线38中的换能器43响应于由井下遥测72发送的数据来检测泥浆脉冲。换能器43响应于泥浆压力变化而产生电信号，并经由导体45将这类信号发送到地表控制单元40。在其他方面中，任何其他合适的遥测系统可以用于地表与钻井组件90之间的双向数据通信，包括但不限于声学遥测系统、电磁遥测系统、有线管道或其组合。中继器可以与遥测系统结合使用。有线管道可以通过结合钻杆部分来制成，其中每个杆部分包括沿杆运行的数据通信链路。杆部分之间的数据连接可以通过任何合适的方法进行，包括但不限于硬式电或光连接、感应、电容或谐振耦合方法。在将盘管用作钻杆22的情况下，数据通信链路可以沿着盘管的一侧运行。
到目前为止描述的钻井系统涉及利用钻杆以将钻井组件90输送到钻孔26中的钻井系统，其中钻压通常通过控制绞车的操作而从地表加以控制。然而，大量当前的钻井系统，特别是用于钻出高度偏斜和水平的井孔的钻井系统，利用盘管以将钻井组件输送到井下。在这种应用中，推进器有时被部署在钻柱中以在分解装置上提供所需的力。而且，当使用盘管时，管道不通过转台旋转，而是通过合适的注射器将其注入井孔中，而井下马达(例如泥浆马达55)使分解装置50旋转。对于海上钻井，使用海上钻机或容器来支撑钻井设备，包括钻柱。
仍然参考图1A，可以提供电阻率工具64，所述电阻率工具64包括例如多个天线，所述天线包括例如发射器66a或66b和接收器68a或68b。电阻率可以是在做出钻井决策时感兴趣的一个地层性质。本领域的技术人员将理解，其他地层性质工具可以与电阻率工具64一起使用或代替电阻率工具64而使用。
如上所述，钻井液31由钻井液泵34泵送，并且钻井液的流速由消涌器和钻井液控制阀36控制。钻井液泵34和流量控制阀36由钻井参数控制器41和/或地表控制单元40控制，以保持合适的压力和流速，从而防止钻孔26坍塌。术语“钻井液”旨在包括本领域已知的所有类型的钻井液，包括但不限于油基泥浆、水基泥浆、泡沫、气体和空气。钻井参数控制器41被配置成例如通过反馈控制(例如，用于钻出钻孔26的钻井设备的参数)来控制。
一个或多个地表传感器(例如，S1、S2、S3、43)或井下传感器70(在钻井组件90内和/或沿着钻柱20)可用于向钻井参数控制器41提供反馈信号以用于钻井设备的反馈控制。钻井参数的非限制性实施例包括如下所述的钻压、钩件载荷、扭矩、钻头旋转速度(例如，rpm)、穿透率(ROP)、转向力、深度、钩件位置、钻头位置、钻井方向、方位角、倾斜度、钻井组件的工具面、压力、泥浆流速和地层评估测量。可以包括与轨迹计划相关的设定点的控制参考(也称为设定点)可以通过控制单元40(例如，计算机处理系统)发送到钻井参数控制器41。
在替代配置中，钻井参数控制器41可以利用、含有、包括或者是控制单元40的一部分。在一些实施方案中，钻井参数控制器41可以安装在井下，例如在钻井组件90中。钻井参数控制器41可包括一个或多个控制元件(未示出)，所述控制元件被配置成处理控制方面的各种分量、特征和/或变量，并且可安装在井下或地表或两者上。一个或多个稳定器(未示出)可被设置在钻管上的不同位置处，例如距离分解装置50的一个或多个距离Li(i＝1,2,3...)。
如上所述，钻井组件90和/或钻柱20包括一个或多个井下传感器70，所述井下传感器70被配置成感测与地层60、钻孔20、钻井液31、钻柱20、钻井组件90等相关的一个或多个井下性质或参数。与可以感测和/或监测的与钻井组件90相关联的参数可以包括钻井组件90的位置、钻井组件90的定向、钻井组件90的倾斜度、钻井组件90的工具面和/或钻井组件90的方位角。传感器数据可以通过遥测系统72发送到地表，以由控制单元40进行处理。
在钻出钻孔26时由井下传感器70获取数据可以被称为随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)。可以将感测数据与获得数据的深度或时间相关联，以提供基于深度或基于时间的测井。井下传感器70的一个实例是地层评估传感器，所述地层评估传感器可以是被配置成感测伽马射线辐射的传感器。伽马射线辐射可以是天然的，或者可以由地层的中子轰击产生，例如通过脉冲中子发生器、放射源或本领域已知的任何其它合适的中子源。在其他实施方案中或与其组合，井下传感器70可包括配置成感测电阻率、中子辐射、声能、电磁能、电能、磁能、核磁共振特性、化学性质、地层孔隙率、地层密度、地层渗透率、流体密度、流体粘度、温度、压力、磁场、力、加速度和/或重力的传感器。井下传感器70可包括有源或无源传感元件。井下传感器70可以作为包括发送和接收元件的传感器系统的一部分(例如，作为钻井组件90的一部分)而操作。井下传感器70可以提供感测的测量值或数据，所述测量值或数据是出于反馈控制目的的向钻井参数控制器41的测量系统输出。
如图所示，钻井组件90包括转向系统52。转向系统52被配置成使分解装置50转向，以便控制钻井组件90的方向，从而允许根据选定的路径或几何形状钻出钻孔26(例如，通过遵循计划的几何路径或通过保持距对象的距离)。转向系统52可以控制例如钻井组件90的倾斜度、方位角和/或工具面。此外，转向系统52控制钻井组件90和/或分解装置50以遵循计划的几何路径或通过控制钻井组件90和/或BHA和钻柱20以保持距离地层60中的对象的期望距离。
为了使钻井组件90或分解装置50转向，转向系统52包括一个或多个致动器，所述致动器被配置成将来自钻井参数控制器41的控制器输出转换成可以改变由分解装置50钻出的路径的运动。例如，在旋转转向系统(RSS)中，致动器可以是移动垫的活塞，以用于提供施加在钻孔壁上的力，从而使钻井组件90和分解装置50转向。在替代实施方案中，钻井组件90的转向可以使用弯曲的井下马达(未示出)来控制，其中可以通过旋转或非旋转(即，滑动)钻柱20来控制马达弯曲从而改变行为。弯曲的钻井马达可以以固定弯曲使用，所述固定弯曲在正常操作期间不能改变或者以可变弯曲使用，所述可变弯曲例如可以基于钻井参数控制器41的控制器输出而改变。在可变弯曲的实施方案中，致动器可以包括在弯曲的井下马达中，所述致动器被配置成产生或改变弯曲，从而影响转向系统的转向行为。
因此，术语“转向系统”应被解释为包括井下和/或地面(例如，转台14和/或钻井液泵34)处的那些部件，所述部件操作以控制钻柱20和/或分解装置50的轨迹或定向，以用于钻出钻孔26。可以理解的是，控制单元40和/或钻井参数控制器41的输出可以在转向系统52内产生，并且不一定需要从转向系统52外部的来源接收。因此，术语“控制器输出”应被解释为包括从转向系统52外部的来源接收和/或在转向系统52内部产生的控制器输出。
为了向转向系统51提供控制器输出(例如，控制信号或系统输入)以控制分解装置50的轨迹或定向，钻井参数控制器41被配置成实现轨迹控制算法，如下所述。轨迹控制算法的操作采用诸如控制单元40、钻井参数控制器41和/或其他处理系统中的处理器。
在各种实施方案中，钻井参数控制器41可以被设置在井下，在地表，和/或功能可以在地表处理器和井下处理器之间分开。可以通过遥测将转向命令或其他控制器输出从钻井参数控制器41发送到转向系统51。另外，可以使用遥测来发送感兴趣的其他信息(例如，穿透率或位置、深度、钻井距离、定向和/或其他传感器测量)。一个或多个实施方案中的遥测可以包括泥浆脉冲遥测、声学遥测、电磁遥测、通过rpm变化的遥测和/或有线管道遥测。井下电子设备11可以在井下处理数据和/或充当与遥测之间的接口。在其他实施方案中，钻井组件90内的井下电子设备可以被配置成实现轨迹控制算法或其部分。在这类实施方案中，控制单元40可以将期望的轨迹(即，轨迹计划)或轨迹的一部分(如果需要的话)发送到钻井组件90、转向系统51和/或钻井参数控制器41。在一些实施方案中，如果轨迹被描述为参数化曲线，则仅可以发送参数。在非限制性实施方案中，轨迹可以在绝对坐标中(例如，北-东-下)，或者轨迹可以是针对定向的深度序列(例如倾斜度、方位角、工具面)或距对象的距离。
为了控制系统，例如控制钻井系统10以产生钻孔轨迹，可以使用钻井系统10的数学描述以响应于可包括控制输出的系统输入来估计可能的系统输出。作为非限制性实例，数学描述可以是一个或多个系统方程。如本文所用，术语“系统方程”包括一组系统方程，其包括多于一个单一方程。本领域的技术人员将理解，存在许多类型的系统方程，并且本公开不限于任何特定的系统方程和/或系统方程组。非限制性实例是为n阶微分方程的系统方程。例如从技术过程中已知的典型的传统动态系统可以描述为相对于时间t的一阶微分方程：
其中y(t)表示系统输出，f(y(t)，u(t)，t)是描述系统行为的函数，以及u(t)是导致系统输出的系统输入(粗体表示矢量)。系统方程也可以用基于离散时间的表示法表示，以便实现到数字处理器中并由数字处理器解决：
其中离散时间间隔Ts和时间tk＝kTs，k＝1，2，3，…。离散化时间间隔Ts可以是固定值，或者可以是可变的。可以预定义离散化时间间隔Ts的长度或边界。本领域的技术人员将理解，存在本领域已知的实现到数字处理器中的其他方法，包括但不限于可以相应地使用的有限元方法。
以上两个系统方程(方程(1)-(2))描述了相对于时间的变化率。一个实例是踩踏加速踏板时汽车的速度响应。因为对于这些系统，对给定输入的时间响应是已知的，所以可以使用本领域已知的标准方法来设计和参数化基于离散时间的控制算法。然而，存在对控制输出的反应不能通过相对于时间的唯一函数来描述的其他系统。例如，在钻井系统10中，响应于由钻井组件90的致动器和/或垫施加到钻孔壁上的转向力的钻井系统10的系统输出(即，响应或反应)很大程度上取决于钻井系统10的穿透率(ROP)。例如，如果在特定时间间隔Δt期间分解装置50的ROP为零，即如果钻井组件90在所述时间间隔Δt期间沿钻孔26在轴向方向上不能移动，则由钻井组件90的垫施加到钻孔壁上的转向力在钻井方向上不会引起任何变化。然而，相反，如果钻井系统10的ROP相对较高，则相同转向力的影响可能导致在时间间隔Δt期间钻井方向的显著变化。
如上所述，响应于转向控制输出的钻井系统10的输出是空间位置的函数，而不是时间的函数。因此，提及钻出或计划的钻孔26(也称为“井计划”)的路径或几何形状时，描述关于其空间位置和/或方向的路径或几何形状。可以关于深度或钻井距离而不是关于时间来描述空间位置和/或定向。
如上所述，可以使用控制单元40和/或钻井参数控制器41来实现用于控制钻井过程的过程。图1B和图3-9示出了根据本公开的控制系统的示意图。可在表示控制系统的物理实现的意义上参读和描述图1B和3-9。替代地，图1B和图3-9及其相关描述可以被理解为建模包的框架，以模拟控制系统和/或控制系统的部分的物理实现的输出。然后，可以使用这些建模包的模拟来调整控制系统的相应物理实现的参数组和相关(例如，离散)控制算法。
图1B示出了可以在控制单元40和/或钻井参数控制器41中的一个上实现的过程的示例性示意图。如图所示，也称为目标值的参考值在图1B的左侧输入。所述参考值可以与从传感器(例如，传感器S1、S2、S3、43、70)获得的测量输出进行比较，从而得到输入到控制装置(例如，控制单元40和/或钻井参数控制器41)中的测量误差。控制装置(例如，40、41)产生系统输入，所述系统输入被提供给系统(例如，钻井系统10)，然后作为钻井操作输出。所述系统还可以包括其他控制回路，例如本文所示和所讨论的。在钻井操作期间，传感器(例如，传感器S1、S2、S3、43、70)可以监测钻井系统10的各方面，从而产生在反馈回路中提供给控制器(例如，40、41)的测量输出，因此，系统输入和系统输出可以基于由传感器(例如，传感器S1、S2、S3、43、70)监测的测量特征来主动调节，以提供准确和有效的钻井操作。
现在转到图2，示意性地示出了井计划的几何形状的实施例。钻孔226的几何形状由矢量b(s)描述，其中s表示沿着轨迹的钻井距离(也称为测量深度)，如图2所示(其中i1、i2和i3是三个正交方向)。作为非限制性实施例，描述向量b(s)的系统方程可以是n阶微分方程。例如，如果n＝1，则描述钻孔几何形状矢量b(s)的微分方程db(s)/ds可以如下所述：
其中F()是描述响应于控制输出的钻井系统210(可以基本上类似于图1A的钻井系统10)的输出的函数，即，矢量b独立于钻井距离的变化。(s)是系统输入(例如，由转向系统施加的转向力)，所述系统输入可以包括控制输出，并且db(s)/ds是例如在描述钻井方向的分解装置(例如，钻头)处轨迹的切线矢量。
可以看出，在这种情况下系统方程(方程(3))并不取决于时间。系统方程中的方程3仅取决于沿轨迹的钻井距离。井下传感器70和/或地表传感器S1、S2、S3、43可以被配置成监测指示钻井方向的参数db(s)/ds，例如但不限于倾斜度、倾斜率(也称为累积速率)、方位角、方位角率、急弯严重性、深度、钻井距离、ROP、距对象的距离或这些的任何组合。可以将指示db(s)/ds的一个或多个感测参数与可能是井计划的一部分的参考(也称为设定点)进行比较。可以进行这种比较以测定测量误差(参见图1B)，以依据基于深度的系统方程(例如，图1B中所示的反馈回路)调整钻井参数控制器的控制输出。当钻井距离增加时，可以进行这种测量和比较以最小化测量误差。例如，当钻井系统210的转向系统施加特定的转向力时，倾斜响应是深度或钻井距离的函数，而不是时间的函数。微分方程(方程(3))描述当前钻井方向是延迟微分方程，因为钻井方向也受到BHA和钻柱上的稳定器(未示出)的位置的影响。从分解装置到稳定器的距离在等式(3)中用L1…LN表示。
对应于用于实现到数字处理器中并由数字处理器解决的延迟微分方程的离散化系统方程可以如下表示：
其中钻井距离sk＝kDs，k＝1，2，3...和离散化钻井距离间隔Ds。离散化钻井距离间隔Ds可以是固定值，或者可以是可变的。在一些实施方案中，可以预定义离散化钻井距离间隔的长度或边界Ds。在一个或多个实施方案中，选定的钻井距离间隔Ds可以在地层中感兴趣的区域或体积中减小，以提供更准确的轨迹。本领域的技术人员将理解，可以存在其他实现到数字处理器中的方法，例如有限元方法。
可以理解，基于离散深度的控制是可以一般性地描述为“基于深度的控制”的一个非限制性实施方案。在另一个非限制性实施方案中，基于深度的控制可以包括基于连续深度的控制，其中深度或钻井距离是连续的或不是离散的。常见的钻井参数控制器(例如，图1A中的41)被配置成采用基于离散时间的控制算法，所述控制算法在每个采样时间间隔计算新的控制器输出。采样时间间隔可以与离散化时间间隔相同或不同。与利用基于离散时间的系统方程的钻井参数控制器相反，利用基于离散深度的系统方程的钻井参数控制器在每个采样钻井距离间隔、预定钻井距离或预定钻井距离间隔计算新的控制器输出。采样钻井距离间隔可以与离散钻井距离间隔相同或不同。钻井参数控制器利用基于离散深度的系统方程计算新的控制器输出的预定钻井距离或钻井距离间隔可以与用于定义离散化钻井距离间隔Ds的预定钻井距离或钻井距离间隔相同或不同。
本领域的技术人员将理解，基于深度的系统方程(方程(3))可以转换为基于时间的系统方程。可以使用以下关系完成深度到时间的转换：
ds＝ROPdt和s＝∫ROPdt 方程(5)
其中ROP是分解装置进入地面的穿透率。从方程(5)的转换可以看出，如果ROP是已知的且随时间不变，则s和t成比例，并且基于时间的系统方程(方程(5))可以转换为基于深度的系统方程(方程(3))，反之亦然。然而，在钻井系统中，ROP通常是高度可变的并且无法预测，因为它取决于许多未知因素，例如钻入的地质和来自地表钻井操作员的人类输入。
因此，钻井系统相对于钻井距离的系统等式(等式(3))可以是众所周知的。然而，钻井系统相对于时间的系统等式(等式(5))可能缺乏关于ROP的时间相关性的必要信息，因此是未知的或仅在反映钻井系统可能经历的ROP范围的相对宽的范围内是已知的。因此，当响应于钻井参数控制器的控制输出而预测钻井系统的输出时，缺乏ROP的时间相关性的信息会导致相对高的不准确性。因此，通过利用基于时间的系统方程(例如，等式(5))，系统方程的相对较高的不准确性可能导致不正确计算的控制器输出，这反过来可能导致要控制的钻井系统的输出的过冲或下冲。重复的不正确计算的控制器输出可能导致钻井系统的振动，这是非常不希望的。例如，这种振动可以导致较低的总ROP、与井计划的偏差、较高的磨损以及通常较高的成本。振动井轨迹也会妨碍钻出钻孔之后井下设备的安装，包括但不限于套管、衬里、生产设备等。
当通过钻井参数控制器设置或设计钻井系统的基于时间的控制时，鉴于未知和/或可变的ROP，可以在操作期间相对于钻井系统的ROP做出假设。例如，一种可能的假设是ROP在操作期间将是恒定的并且相应地设置控制参数。在这种情况下，系统方程对于一个特定的(假定的)ROP是准确且有效的。因此，基于系统方程的基于时间的控制算法仅对于特定的(假定的)ROP是最佳的。使用基于时间的系统方程的控制系统，以更高或更低ROP钻井可导致系统不稳定或控制性能欠佳。
例如，如果正在钻出几层不同类型的岩石，则ROP可因不同类型的岩石的不同特征而变化。在这种情况下，控制可能变得不稳定，从而产生受控系统的不希望的振动和/或与计划的井轨迹的偏差。另一方面，在这种情况下，基于深度的控制不依赖于ROP并且可以提供稳定的钻井条件。将钻井系统行为描述为深度或钻井距离的唯一函数允许用于常规控制系统的常见设计方法(例如，尼奎斯特、Hurwitz标准、根轨迹图等)，这允许比应用于基于时间的系统方程时更精确的控制结果。
如果ROP可以瞬时测量并且控制输出可以基于测量的ROP调整，则未知ROP对基于基于时间的系统方程控制的系统的的技术效果可以在一定程度上减轻(尽管没有消除)。然而，如上所述，由于相对于时间的高度可变性，所以测量钻井系统的井下ROP可能是困难的。此外，钻井系统的ROP相对于钻井距离也不是恒定的。特别是，在地表测量的ROP可能与井下测量的ROP显著不同。这种差异可能由拉伸或挤压效应、温度效应、压力差和其他因素引起。如果涉及遥测，则可以阻止ROP的瞬时测定，因为从井下到地表的遥测且反之亦然，对于许多遥测系统来说太慢，例如泥浆脉冲遥测、声学遥测、电磁遥测等。此外，这种遥测系统可以受限于传输的数据量(例如，在每秒仅几十位的范围内)和/或可能是昂贵的。
现在参考图3，示出了基于深度的控制系统的非限制性实施方案的示意性框图。图3的基于深度的控制系统300实现井计划302，其可以输入到计算机或其他控制装置中。基于深度的控制系统300的各方面可以例如在图1A的控制单元40和/或钻井参数控制器41中的一个或两个中实现。例如，可以是钻井参数控制器41的一部分的轨迹控制单元304被配置成根据井计划302向钻孔中的BHA提供控制器输出(例如，控制信号)。井计划302可以包括关于作为钻井距离的函数的计划钻孔的信息。轨迹控制单元304向倾斜度/方位角控制单元306提供控制输出，用于对正在钻出的钻孔的倾斜度和/或方位角进行倾斜度/方位角控制。
倾斜度/方位角控制单元306可以从正在执行钻井操作的BHA的部件接收倾斜度和/或方位角反馈。倾斜度/方位角控制单元306输出到致动器控制单元308(其可以在地表或井下)，以用于控制位于井下的致动器310，例如，作为BHA的一部分。致动器310被配置成对BHA 312的一个或多个方面操作，以用于控制钻井操作。在一些实施方案中，BHA 312可包括转向系统(例如，图1A的转向系统52)。致动器控制单元308可以接收反馈控制以确保实现致动器310的期望位置。在一些实施方案中，利用被配置成用于这种应用的类似控制操作和部件，地表顶部驱动可用于控制泥浆马达的方向，并因此控制钻孔的轨迹。在一些实施方法中，BHA 312或基于深度的控制系统300的其他部件可以接收可能难以或不可能控制的干扰，包括和/或相关但不限于BHA设计312a、钻头扭矩、钻压312b，和/或与先前实例井路径312c有关的信息。
BHA 312的设计和操作参数确定钻头上的力和钻头定向。因此，BHA 312的设计和操作参数可能对钻头-地层相互作用314具有影响，而所述相互作用314又可能影响系统的输出，例如ROP和钻井方向(即，倾斜度和方位角)中的一个或多个。另外，钻头-地层相互作用314可能受到在钻井期间难以或不可能控制的干扰的影响，例如但不限于钻头性质314a、地层性质314b和/或钻井约束314c(例如，钻压、钻头扭矩、RPM、流速、泥浆等)。将在特定深度间隔上ROP 315和/或钻井方向的变化相加在一起或积分，其由图3B中的框316表示。然后，将ROP 315和/或钻井方向的变化相加在一起或积分将导致分解装置(例如，钻头；图1A中的钻孔端51处的分解装置50)的位置改变。然后，分解装置的位置改变是根据井计划302的基于深度的控制系统300的系统输出318的一部分。
基于深度的控制系统300被配置成通过利用基于深度的系统方程来执行基于深度的控制算法，如上所述。在一些实施方案中，基于深度的控制算法可以以每个采样钻井距离间隔执行。也就是说，每次使用基于深度的系统方程实现采样钻探距离间隔时，更新控制器输出。轨迹控制单元304为此接收关于钻井距离、测量深度或例如真实垂直深度或真实地层深度的其他深度相关数据的信息。所述信息可以如图3所示从反馈回路接收，或者形成单独的数据源(图3中未示出)，如下面进一步讨论和描述的。在一个或多个实施方案中，所选择的采样钻井距离间隔为约半米或一米。
通过基于深度的控制系统300实现的基于深度的控制算法的非限制性实施方案包括比例控制、比例-积分控制和比例-积分-微分控制。基于深度的控制算法被配置成通过调节例如可以通过致动器的移动而改变的控制变量来减少通过钻井距离的反馈测量的测量误差(参见图1B)。在一个或多个实施方法中，诸如轨迹控制单元304和/或倾斜度/方位角控制单元306的多个子控制器可以合并到执行多个子控制器的功能的一个控制器中。
本领域的技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以采用其他控制设计(例如，状态空间控制)。此外，基于深度的控制算法的方法与转向系统的类型(例如，摆动钻头、推进钻头、旋转转向系统、弯曲马达等)无关。
采用本文提供的基于深度的控制算法的控制系统可以包括例如轨迹控制系统(例如，控制井相对于给定井计划的位置)或方向控制系统(例如，控制倾斜度或方位角)。可以使用不同的基于深度的控制算法(例如，PID控制、模型预测控制、模糊控制等)和/或可以使用不同控制架构(例如，直接控制架构、辅助控制架构等)。
在直接控制架构中，轨迹控制单元的输出是转向单元致动器的目标值(例如，用于使肋或垫转向的目标力)。在辅助控制架构(或二次控制架构)中，使用用于轨迹控制单元的外部控制回路和用于方向(倾斜度，方位角)控制单元的内部回路。其他内部控制回路是可能的，例如，用于使垫转向的力控制。外部控制回路的输出可以是内部回路的目标值。例如，轨迹控制单元304的输出可以是目标倾斜度和目标方位角。倾斜度/方位角控制单元306的输出是目标力，其中例如力控制器的输出可以是目标马达电流。在一个或多个实施方案中，如果使用具有基于深度的轨迹控制作为外部控制回路的辅助控制，则内部控制回路可能不一定需要是基于深度的控制。例如，内部控制回路算法可以是基于时间的。这样一来，内部控制回路可以采用基于深度和基于时间的控制和算法的混合。
现在参考图4，示出了使用地层评估传感器的控制器来实现的非限制性实施方案的框图。控制系统400可包括用于控制钻井操作的流程。控制系统400包括传感器402。传感器402可以是地层传感器，所述地层传感器被配置成检测或测量地层401的一个或多个特征。在一些非限制性实施方案中，传感器402是随钻测量(MWD)传感器，例如伽马传感器。
传感器402提供传感器信号404输出，其可以与目标值进行比较，该目标值可以是井计划406的一部分和/或从井计划406导出(例如，传感器信号404输入与井计划的目标值比较，以调节倾斜度/方位角控制单元410的输入，如下所述)。井计划406的目标值和来自传感器402的传感器信号404可以基于各种地层特征，例如伽马射线读数。在这种配置中，地层特征控制单元408可以从井计划406和传感器信号404接收目标值或其他输入。这样，当传感器402是伽马射线传感器时，传感器信号404表示伽马射线计数率。地层特征控制单元408可以被配置成控制距发射伽马射线的井下特征(例如，盖岩)的距离。自动控制可以通过控制所钻出的钻孔的方向来实现，使得伽马射线计数处于恒定值。为了保持恒定的伽马射线计数，地层特征控制单元408可以将控制信号输出到倾斜度/方位角控制单元410和/或控制致动器414的致动器控制单元412。因此，地层401内的钻井组件416可以根据可保持的井计划基于地层特征和定向钻井来控制。
本领域的技术人员将了解，可在不脱离本公开的范围的情况下使用其他类型的传感器。例如，图4的传感器402可以是声学传感器、静磁传感器、电磁传感器和/或其他类型的井下传感器。此外，在一些实施方案中，可以使用相同类型或不同类型的多个传感器来提供用于控制钻井操作的信息和反馈。
图4的井计划406可以包括被选择用于通过传感器402执行的测量的一个或多个目标值(例如，目标伽马射线计数值、斜率、噪声水平等)。如上所述，在本公开的各种实施方案中可以采用多个传感器，并且多个传感器可以被配置成测量地层和/或BHA的不同性质或参数。例如，传感器402可以被配置成测量地层的电阻率。作为另一个实例，BHA可以具有用于测量伽马射线的传感器和用于测量电阻率的另一传感器。在这样的配置中，伽马射线测量可以提供距盖岩的距离，而电阻率测量提供距油水接触的距离。在一些实施方案中，可以将一个以上传感器的输出组合成单个控制变量，所述控制变量可以用作地层特征控制单元408中的控制变量。
现在参考图5，示出了在地表采用基于深度的钻井轨迹控制实现的控制系统500的非限制性实施方案的框图。图5中所示的实施方案是基于分布深度的控制系统500，即，控制系统500的一部分位于地表，如垂直虚线501的左侧所示，并且控制系统500的一部分位于井下，如垂直虚线501的右侧所示。可以将井计划502输入到地表控制单元504中(例如，类似于图1A的控制单元40)。地表控制单元504可用于经由钻机控制单元506自动、半自动或手动改变钻井系统的参数，并且还通过下行链路系统508与井下部件(例如，BHA及其部件)通信。地表控制单元504可以在数据处理器510处接收地表或井下信息和/或数据。地表或井下信息或数据可包括钻井组件上的参考位置的深度。井下数据或信息可以经由遥测512和/或其他数据通信装置或机构提供。数据处理器510可以通过处理井下信息和/或地表信息(例如，泥浆、ROP、勘测信息、深度、钻井方向、振动、rpm、钻压、钻头扭矩)来生成输入数据514。信息和/或数据可以包括测量的信息和/或数据或模拟的信息和/或数据等。输入数据514可以用于确定与可以是井计划502的一部分的参考值(参见图1B)的偏差或测量误差。
控制输出或测量误差(例如，来自地表控制单元504的控制信号)可用于控制井下部件，包括但不限于倾斜度/方位角控制单元516和/或控制一个或多个致动器520的致动器控制单元518。控制控制单元516、518可以包括修改在控制单元516和/或控制单元518中实现的控制算法的控制模式和/或参数化。此外，来自地表控制单元504的控制输出可以用于影响和/或控制BHA 522，钻头-地层相互作用524和/或在特定深度间隔上的加和或积分526(类似于参照图3所述)。此外，可以在控制系统500中利用上面描述和示出的类似反馈回路。控制系统500可以在地表实现变化(例如，建议改变计划、建议扩孔、建议改变钻头和/或BHA设计等)。另外，可以从地表转换或发送附加信息和动作，包括但不限于可以通过钻机控制单元506实现的钻压的地表控制、RPM、流速、泥浆性质等。类似地，下行链路508可用于将控制更新和/或改变发送到井下部件，包括BHA(例如，改变有效钻头特征、改变控制模式、控制器和/或参数化等)。
如图5所示，实现基于分布式深度的控制系统的优点在于，基于深度的轨迹控制所需的所有信息在常规钻井系统的地表可得到或者可以容易地导出(例如，参考轨迹、关于当前位置的信息，例如来自勘测、深度、钻井距离等)。此外，在地表的基于深度的控制可以更容易地使用地表致动(例如，钻压、转速、泥浆流速等)，以便影响钻井轨迹或改变约束，例如但不限于，干扰312a、312b、312c或钻井约束314c。
在图5的实施方案中，地表控制单元504可以从井下部件接收钻井方向信息。例如，钻井方向信息可以通过遥测512从BHA 522或其他井下部件获得和/或从诸如勘测信息的地表信息获得。另外，地表控制单元504可以接收井计划502。使用所述信息，地表控制单元504可以经由下行链路508向井下提供控制输出、钻井约束或干扰(例如图3中的312a、312b、312c)，并向地表钻井设备(例如，钻机控制单元506)提供地表控制信号，用于控制钻压、转速、泥浆流速、泥浆性质等。在井下发送的信号可被配置成将BHA切换到不同的运行模式，改变井下控制算法，改变控制参数化等。在井下发送的信号还可以被配置成经由下行链路508激活或影响有源BHA装置(例如，有源钻头、扩孔器、附加稳定器和/或可以被致动的BHA的其他机械性质)。地表控制单元504还可以被配置成当参数不满足或超过阈值或者替代地，取决于参数超过阈值时向用户提供建议。例如，如果ROP不满足选定值，则地表控制单元504可以发出改变分解装置或改变BHA的建议。其他建议可能包括改变钻井计划、对钻孔进行扩孔或改变先前钻孔路径的建议。替代地，可以应用自动或半自动ROP优化过程。
现在参考图6，示出了井下采用基于深度的控制实现的控制系统600的非限制性实施方案的框图。图6中的实施方案是基于分布式深度的控制系统，即，控制系统600的一部分位于地表，如垂直虚线601的左侧所示，并且控制系统600的一部分位于井下，如垂直虚线601的右侧所示。控制系统600包括井计划602和井下控制单元604(例如，井下电子设备和/或与地表和井下电子设备的组合)。控制系统600还包括钻机控制单元606，并且经由下行链路系统608实现与井下部件(例如，BHA及其部件)的通信。位于地表的数据处理器610可以通过遥测612和/或其他数据通信装置或机构接收信息和/或数据。特别地，数据处理器610可以接收深度信息或深度相关信息，例如钻管的数量和长度以及钩件位置。这种信息允许系统计算应用上述基于深度的控制算法所需的钻井距离。数据处理器610可以经由处理井下信息和/或地表信息(例如，泥浆性质、流速、ROP、勘测信息、钻井状态等)来生成其他输入数据614。输入数据可以是测量数据、模拟数据或两者。输入数据614可用于更新和/或以其他方式修改井计划602。
井下控制单元604可用于控制井下部件，包括但不限于倾斜度/方位角控制单元616和/或控制BHA 622中的一个或多个致动器620的致动器控制单元618。此外，来自井下控制单元604的控制信号可用于影响和/或控制BHA 622的其他部件、钻头-地层相互作用624和/或在特定深度间隔内的加和/积分626(类似于图3所述)。此外，可以在控制系统600中利用上面描述和示出的类似反馈回路。控制系统600可以在地表实现改变(例如，建议改变计划、建议扩孔、建议改变钻头和/或BHA设计等，经由数据处理器610或下行链路系统608)。另外，附加信息和动作可以被转换或发送到地表，包括但不限于可以通过钻机控制单元606实现的钻压的表面控制、RPM、流速、泥浆性质等。类似地，下行链路系统608可用于向井下部件发送控制更新和/或改变，包括BHA(例如，改变有效钻头特征、改变控制模式、控制器方案和/或控制系统的参数化等)。
在控制系统600中启用的基于深度的井下轨迹控制采用关于ROP或深度或钻井距离增量的信息。这些值通常在地表在传统钻机中测量，并且可以通过下行链路系统608、使用有线钻杆的遥测612、泥浆脉冲遥测、声学遥测、电磁遥测、转速变化等从地表传输到井下。然而，在一些应用中，可以测量井下深度、钻井距离或ROP，并直接或通过数据处理器将这些信息传送到控制单元604。用于确定深度和位置相关信息(例如，钻井距离或钻井定向)的传感器和/或算法由图6中的元件628表示。信息(例如，转速、泥浆流速等的变化)可以每隔钻井深度增量(例如，每隔钻井米数)发送到井下。在一些实施方案中，转速(rpm)或泥浆流速可以每隔钻井深度增量改变。利用这个概念，可以将信息发送到已经钻出深度增量的井下工具(例如，BHA 622等)。在一些实施方案中，例如当在恒定ROP模式下使用自动钻井器时，ROP通常在一段长时间内保持恒定，并且可以通过下行链路系统608下行链接到井下控制单元604。在一些实施方案中，井下控制单元604可以被配置成评估最新接收的ROP并根据需要切换控制参数化。
在诸如图6中的控制系统600所示的实施方案中，地表控制不一定需要经典控制回路。控制系统600可以包括地表控制方面，所述地表控制方面自动化一些或所有轨迹钻井相关任务(例如，进行勘测、发送下行链路、改变钻机设定点等)。一些需要井下测量(例如，倾斜度-、方位角-或致动器-控制)的控制回路可能更容易在井下实现。为此，在一些实施方案中，控制系统600可以是分布式控制系统，其中一些控制功能在地表执行，而其他控制功能在井下执行，如图6所示。此外，诸如下面讨论的参考变量样条的控制特征允许在最小化下行链路的数量的同时分配轨迹控制。
参考图7，示出了使用一个或多个参考值(例如，目标倾斜度)的地表控制器704实现的控制系统700实施方案的框图。井计划702可以被输入到地表控制单元704，所述地表控制单元704可以输出控制输出以发送到各种井下部件(例如，BHA)。表面和井下部件在图7中由垂直虚线701分开。井下部件可包括但不限于倾斜度/方位角控制单元710、控制致动器714的致动器控制单元712和/或钻井组件716。本领域的技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以采用附加的和/或其他部件和/或各种反馈回路和/或其他输入。
在本非限制性实施方案中，信息718(如一组多项式参数)可以从地表控制单元704输出并发送到目标值生成器720(例如，样条、斜坡或任何其他参数化曲线的目标值)。目标值生成器720用于生成用作控制系统700的参考输入的目标值以具有深度或钻探距离相关的参考值。然后，系数输出以深度或钻探距离相关的目标或参考值为参考(例如，以便最小化受控参数和目标值之间的差异)。有利地，诸如控制系统700的实施方案例如能够实现例如软着陆、具有最小数量的下行链路的复杂井路径等特征。
例如，如控制系统700所启用的，仅需要下行链路传送参考轨迹的参数。也就是说，如图7所示，地表控制单元704可以向目标值生成器720提供参数化曲线，其参数包括信息718。因此，目标值生成器720可以向井下的各个单元(例如，单元710、712、716等)中的一个或多个提供一个或多个参考值。
在一个或多个实施方案中，因为可以预先知道目标轨迹，所以可以使用预控制或预滤波器，如图8所示。控制系统800是与上述控制系统类似的控制系统的子部分，因此为简单起见省略了各种特征。在控制系统800中，控制单元804(在地表或井下)可以向一个或多个井下工具和/或装置830(其可以包括包括转向单元的BHA，和/或如本文所述的或如本领域已知的其他单元)提供控制信号。控制单元804可以接收目标值832作为输入，其中目标值832通过预滤波器834和/或预控制单元836。如图所示，井下工具和/或装置830可以受到干扰838，如上所述，并且还可以进行测量840，其可以通过反馈回路循环回到控制系统800中。
这种滤波器配置(例如，预滤波器834)可以增加自由度并且允许独立地优化干扰传递函数和参考传递函数。干扰传递函数描述了控制系统800如何对干扰838作出反应。例如，在消除控制误差(与井计划的偏差)之前需要多长时间。在房间加热实施例中，干扰是打开窗户。干扰传递函数描述了房间的温度控制器可以多快地调节加热器以补偿打开的窗户。参考传递函数描述了如果改变目标值832，控制系统800如何反应。也就是说，达到新的设定点需要多长时间。在房间加热实施例中，如果用户将期望的室温从18℃改变到20℃，则参考传递函数描述了室温需要多长时间达到20℃。这还允许预测参考轨迹的变化，这对于诸如软着陆的特征可能是有利的。
此外，基于离散深度的控制系统可以简化预控制单元836的设计。预控制单元836可以基于控制系统800的知识或分析。例如，如果已知需要50％的力来实现10°/100ft的累积速率，则预控制单元836可以在希望具有10°/100ft的累积速率时直接施加所述力。控制单元804现在仅需要补偿控制误差。预滤波器834可以提供改变控制变量，以便对目标值832的变化提供更快的反应。例如，在房间加热实施例中，假设希望将室温从18℃升高到20℃。这是2℃的步长，其例如需要加热器将功率增加100W。为了加速加热，可以使用预滤波器，其将2°步长改变为在30分钟内达到30℃的目标温度，然后改变为20℃。因此，加热器可以在最初的30分钟内将功率增加500W，然后在剩余的时间内增加100W。因此，如本领域的技术人员将理解的，预滤波器834和预控制单元836可以改进整个控制系统，如本文所提供的。
在一个或多个实施方案中，基于离散深度的控制可以使用模型预测控制单元，如图9所示。模型预测控制单元950解决每隔离散化钻井距离间隔(即，每隔选定的钻井距离间隔)的优化问题。优化可以基于包括控制系统900的目标值932的钻取模型，以预测井下工具和/或装置930可以如何对输入参数变化作出反应。优化问题还可以考虑下行链路的成本、发送下行链路的最佳时间、用于影响期望轨迹的致动器等。此外，可以实现在若干优化目标之间的切换(例如，尽可能快地钻井、以最小磨损钻井、控制距地层的保持距离等)。因为优化取决于模型，所以可以使用一些适应机制。例如，井下测量940可用于更新模型预测控制单元950内的模型参数，如图所示。
对转向单元和/或BHA的轨迹控制具有显著影响的另一个潜在效应可以是传感器信号的时滞或时间延迟。因为方向和地层评估传感器传统地安装在分解装置后的几米处，所以关于钻井轨迹的变化的信息是在相对于实际变化存在延迟的情况下来测量的。也就是说，井下传感器一旦达到变化才能感测到变化，因此分解装置已进一步移动到轨迹中。分解装置达到变化的时间与井下传感器检测到变化的时间之间的时差高度依赖于ROP，ROP通常不是恒定的并且不可预测，因为它取决于许多因素，其中一些因素很难或不可能控制。这可能导致次优的控制性能并且可能导致不稳定的控制，从而导致钻孔起伏。当使用基于离散深度的控制算法时，如本文所提供的，分解装置和传感器之间的深度延迟是恒定的，并且可以在与实际位置比较之前通过用于轨迹计划的恒定延迟元件非常容易地补偿。偏移补偿也可以基于钻管模型和/或可以使用附加的传感器信息(例如，从BHA中的弯矩传感器导出)。
基于离散深度的控制的例外可以由程序处理。存在自动轨迹控制系统可能不起作用的几种钻井情况(例如，扩孔、在纵梁上钻孔等)。这些情况可以通过电子程序检测并覆盖，所述电子程序为当前情况建议(或自动应用)最佳设定点。
用于当前情况的适当控制方法可以通过在不同控制方法、控制参数化和/或其他控制概念(例如，电子程序)之间自动切换来选择。如果需要，可以使用电子程序来监督控制并切换控制法则。
图10是用于控制钻入地面的钻孔的轨迹的过程1000的一个非限制性实施例的流程图。过程1000可以用如上所示和所述的钻井系统和/或控制系统来执行。各种部件可以位于地表，而其他部件可以位于井下，例如以上各种实施方案中所描述的。本领域的技术人员将理解，上述实施方案和配置不是限制性的，并且过程1000可以由本领域已知的其他钻井系统执行。
方框1002要求用钻井系统钻出钻孔，所述钻井系统具有钻管和联接到钻管的分解装置。
方框1004要求使用转向系统来使分解装置转向，所述转向系统联接到钻杆并被配置成接收转向控制输出/转向系统输入以便使分解装置转向。如上所述，转向系统包括被配置成接收转向控制输出/转向系统输入并且根据转向控制输出/转向系统输入影响钻管并因此影响分解装置的轨迹和/或方向，以便以可预测的方式钻出钻孔的部件。部件可包括井下部件，例如旋转转向系统和/或地表部件，例如顶部驱动或泥浆泵。
方框1006要求使用被配置成提供基于深度的控制的控制单元向转向系统提供转向控制输出/转向系统输入(例如，如上所述)。例如，可以采用并提供控制算法，所述控制算法具有将钻井操作(例如，转向系统)的行为描述为钻井距离的函数的数学模型。
流程1000还可以包括接收BHA的位置、定向、倾斜度和/或方位角的步骤。BHA被联接到钻管并且可以提供来自钻井系统的反馈信号。例如，设置在BHA上的传感器可以检测和/或测量BHA的位置、定向、倾斜度和/或方位角作为感测数据。感测数据可以被发送到钻井系统的控制单元(在地表或井下)。在一个或多个实施方案中，传感器被配置成感测BHA的位置，并且流程1000还将包括校正BHA的位置以提供分解装置的位置。
在一些实施方案中，流程1000还可以包括控制转向系统中的致动器以控制所钻出的钻孔的轨迹。在一个或多个实施方案中，致动器被联接到旋转转向系统的垫。垫可以接触钻孔的壁并向其施加力以根据来自控制系统的控制信号使分解装置转向。
在一些实施方案中，流程1000还可以包括地层参数或特征信息。例如，流程1000还可以包括使用设置在钻管上的地层评估传感器或工具来感测地层参数的过程。然后可以将地层评估反馈信号从地层评估传感器或工具发送到控制器或控制单元。流程1000还可以包括通过使用来自地层评估传感器或工具的地层评估反馈信号，控制钻井轨迹以在选定的距离范围内保持距例如地层盖岩、地层、油水接触、地层、地层边界等的距离。
流程1000还可以包括校正从数据或传感器导出的接收的BHA或分解装置(例如，钻头)位置，以便考虑由于作用在钻井组件和钻管上的重力、压差、温度等而导致的钻管在钻孔中的弯曲或钻管的拉伸/挤压。
为了支持本文的教示，可以使用各种分析部件，包括数字和/或模拟系统。例如，井下电子设备、计算机处理系统、井下传感器、钻井/生产参数控制器、转向系统、致动器和/或本文讨论的其他部件可包括数字和/或模拟系统。此外，文中所述系统和配置可具有比如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(例如有线、无线、脉冲泥浆、光学、声学、电磁等)、用户接口(例如显示器、打印机等)、软件程序、信号处理器(例如数字、模拟)的部件以及其此类部件(比如电阻器、电容器、电感器等)，从而以本领域众所周知的几种方式中的任一种来提供对本文所公开的设备及方法的操作和分析。认为这些教示可以但不需要结合存储在非暂时性计算机可读介质上的一组计算机可执行指令来实现，包括存储器(ROM、RAM)、光学(CD-ROM)或磁性(磁盘、硬盘驱动器)或者在执行时使计算机实现本公开的方法的任何其他类型。除了本公开中所描述的功能之外，这些指令可提供设备操作、控制、数据收集和分析以及其它由系统设计者、所有者、用户或其它此类人员认为相关的功能。
实施方案1：一种用于控制钻入地面的钻孔的轨迹的设备，所述设备包括：钻井系统，所述钻井系统包括钻管、分解装置，以及联接到钻管的转向系统，所述转向系统被配置成使所述钻井系统转向，所述钻井系统被配置成通过从用于控制钻井系统的参数的至少一个控制单元接收控制输出来钻出钻孔，所述至少一个控制单元被配置成向转向系统提供控制输出，所述至少一个控制单元被配置成提供基于深度的控制。
实施方案2：根据前述实施方案中任一实施方案所述的设备，其中所述控制单元接收并使用指示测量深度的数据以提供基于深度的控制。
实施方案3：根据前述实施方案中任一实施方案所述的设备，其中指示测量深度的数据在地面表面处生成或者由在地面表面处生成的数据导出。
实施方案4：根据前述实施方案中任一实施方案所述的设备，其中所述控制单元包括：轨迹控制单元，所述轨迹控制单元被配置成控制所钻出的钻孔的轨迹和/或倾斜度/方位角控制单元，所述倾斜度/方位角控制单元被配置成控制所钻出的钻孔的倾斜度和/或方位角。
实施方案5：根据前述实施方案中任一实施方案所述的设备，其中所述轨迹控制单元或所述倾斜度/方位角控制单元中的至少一个位于井下。
实施方案6：根据前述实施方案中任一实施方案所述的设备，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被联接到所述钻井系统并且被配置成测量指示所述传感器的位置、定向、倾斜度和/或方位角的数据，并将所述测量数据提供给所述至少一个控制单元。
实施方案7：根据前述实施方案中任一实施方案所述的设备，其中所述轨迹控制单元被配置成向所述倾斜度/方位角控制单元提供控制输出，并且所述倾斜度/方位角控制单元被配置成接收指示倾斜度和/或方位角的感测数据。
实施方案8：根据前述实施方案中任一实施方案所述的设备，还包括至少一个致动器控制单元，所述致动器控制单元被配置成控制至少一个致动器，所述至少一个致动器被配置成改变所述钻井系统的至少一个钻井参数，所述至少一个致动器控制单元从所述控制单元接收控制输出。
实施方案9：根据前述实施方案中任一实施方案所述的设备，其中所述致动器被联接到旋转转向系统的垫，所述旋转转向系统的垫被配置成接触所述钻孔的壁以使所述钻井系统转向。
实施方案10：根据前述实施方案中任一实施方案所述的设备，其中所述致动器被联接到弯曲马达系统，所述致动器被配置成改变所述马达的弯曲。
实施方案11：根据前述实施方案中任一实施方案所述的设备，还包括至少一个地层评估传感器，所述至少一个地层评估传感器被设置在所述钻井系统上并且被配置成感测地层的参数，所述地层评估传感器被配置成向所述至少一个控制单元提供所述感测参数。
实施方案12：根据前述实施方案中任一实施方案所述的设备，其中所述至少一个地层评估传感器包括伽马射线检测器、电阻率传感器、声学传感器、NMR传感器或核传感器中的至少一种。
实施方案13：一种用于控制钻入地面的钻孔轨迹的方法，所述方法包括：用钻井系统钻出钻孔，所述钻井系统包括钻管和联接到钻管的分解装置；以及用转向系统使所述分解装置转向，所述转向系统被联接到所述钻管并被配置成从至少一个控制单元接收转向控制输出以使所述分解装置转向，所述至少一个控制单元被配置成提供基于深度的控制。
实施方案14：根据前述实施方案中任一实施方案所述的方法，其中所述控制单元接收并使用指示测量深度的数据以提供基于深度的控制。
实施方案15：根据前述实施方案中任一实施方案所述的方法，还包括生成指示测量深度的数据在地面表面处生成或者由在地面表面处生成的数据导出。
实施方案16：根据前述实施方案中任一实施方案所述的方法，还包括利用所述至少一个控制单元接收指示联接到所述钻管的井底组件(BHA)的深度、位置、定向、倾斜度和/或方位角中的至少一个的数据。
实施方案17：根据前述实施方案中任一实施方案所述的方法，其中所述至少一个控制单元包括轨迹控制单元，所述轨迹控制单元被配置成控制所钻出的钻孔的轨迹和/或倾斜度/方位角控制单元，所述倾斜度/方位角控制单元被配置成所钻出的钻孔的倾斜度/方位角。
实施方案18：根据前述实施方案中任一实施方案所述的方法，还包括控制转向系统中的致动器以控制所钻出的钻孔的轨迹。
实施方案19：根据前述实施方案中任一实施方案所述的方法，还包括(i)使用设置在钻井系统上的地层评估传感器来感测地层的参数，以及(ii)向至少一个控制单元提供指示来自地层评估传感器的测量输出的信号。
实施方案20：根据前述实施方案中任一实施方案所述的方法，还包括通过使用地层的参数识别至少一个地层特征，并且通过所述至少一个控制单元控制所述转向系统以保持距所述至少一个地层特征的距离。
已经用冠词“一(a、an)”引入了实施方案的元件。这些冠词旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”和“具有”等旨在是包括性的，使得可以存在除所列元件之外的额外元件。当与至少两个术语的列表一起使用时，连接词“或”旨在表示任何术语或术语组合。术语“配置”涉及装置执行装置所配置的功能或操作所需的装置的一个或多个结构限制。
文中描绘的流程图仅是示例。在不脱离本公开的情况下，可以对所述图或其中描述的步骤(或操作)进行许多变化。例如，可以按不同的顺序执行步骤，或者可以添加、删除或修改步骤。所有这些变化都被认为是随附权利要求书的一部分。
虽然已经示出和描述了一个或多个实施方案，但可以在不脱离本公开的情况下对其进行修改和替换。因此，应理解，已经通过说明而非限制的方式描述了本公开。
应认识到，各种部件或技术可提供某些必要或有益的功能或特征。因此，支持所附权利要求书及其变型所需的这些功能和特征被认为是作为本文教示的一部分和所公开的实施方案和/或其变体的一部分而固有地包括在内。
尽管已经参考非限制性示例性实施方案描述了本公开，但应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等效物替换其元件。另外，在不脱离其实质范围的情况下，将理解许多修改以使特定仪器、情况或材料适应本公开的教导。因此，希望权利要求书不限于作为预期用于执行本文概念的最佳模式而公开的特定实施方案，而是将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方案。

Claims (15)

1.一种用于控制钻入地面的钻孔(26、226)的轨迹的设备，所述设备包括：
钻井系统(10、210)，所述钻井系统包括钻管、分解装置(50)，以及联接到所述钻管的转向系统(52)，所述转向系统被配置成使所述钻井系统(10、210)转向，
所述钻井系统(10、210)被配置成通过从用于控制所述钻井系统(10、210)的参数的至少一个控制单元接收控制输出来钻出所述钻孔(26、226)，
所述至少一个控制单元被配置成向所述转向系统(52)提供所述控制输出，所述至少一个控制单元被配置成提供基于深度的控制。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制单元接收并使用指示测量深度的数据以提供所述基于深度的控制。
3.根据权利要求2所述的设备，其中指示测量深度的所述数据在所述地面表面处生成或者由在所述地面表面处生成的数据导出。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述控制单元包括轨迹控制单元(304)，所述轨迹控制单元(304)被配置成控制所述钻出的钻孔(26、226)的轨迹和/或倾斜度/方位角控制单元(306、410、516、616、710)，所述倾斜度/方位角控制单元(306、410、516、616、710)被配置成控制所述倾斜度/方位角控制单元(306、410、516、616、710)和/或所述钻出的钻孔(26、226)的方位角。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被联接到所述钻井系统(10、210)并且被配置成测量指示所述传感器的位置、定向、倾斜度和/或方位角的数据，并将所述测量数据提供给所述至少一个控制单元。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括至少一个致动器控制单元(308、412、518、618、712)，所述至少一个致动器控制单元(308、412、518、618、712)被配置成控制至少一个致动器(310、414、520、620、714)，所述至少一个致动器(310、414、520、620、714)被配置成改变所述钻井系统(10、210)的至少一个钻井参数，所述至少一个致动器控制单元(308、412、518、618、712)从所述控制单元接收控制输出。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述致动器(310、414、520、620、714)为以下各项中的至少一个：(i)联接到旋转转向系统的垫，所述旋转转向系统的垫被配置成接触所述钻孔(26、226)的壁以使所述钻井系统(10、210)转向，或(ii)联接到弯曲马达系统，所述致动器(310、414、520、620、714)被配置成改变所述马达的所述弯曲。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括至少一个地层评估传感器，所述至少一个地层评估传感器被设置在所述钻井系统(10、210)上并且被配置成感测地层的参数，所述地层评估传感器被配置成向所述至少一个控制单元提供所述感测参数。
9.一种用于控制钻入地面的钻孔(26、226)轨迹的方法，所述方法包括：
用钻井系统(10、210)钻出钻孔(26、226)，所述钻井系统包括钻管和联接到所述钻管的分解装置(50)；以及
用转向系统(52)使所述分解装置(50)转向，所述转向系统(52)被联接到所述钻管并被配置成从至少一个控制单元接收转向控制输出以使所述分解装置(50)转向，
所述至少一个控制单元被配置成提供基于深度的控制。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述控制单元接收并使用指示测量深度的数据以提供所述基于深度的控制。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括生成指示测量深度的所述数据在所述地面表面处生成或者由在所述地面表面处生成的数据导出。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，还包括利用所述至少一个控制单元接收指示联接到所述钻管的井底组件BHA(312、522、622)的深度、位置、定向、倾斜度和/或方位角中的至少一个的数据。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，还包括控制所述转向系统中的致动器(310、414、520、620、714)以控制所钻出的钻孔(26、226)的轨迹。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，还包括(i)使用设置在所述钻井系统(10、210)上的地层评估传感器来感测地层的参数，以及(ii)向所述至少一个控制单元提供指示来自所述地层评估传感器的测量输出的信号。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括通过使用地层的参数识别至少一个地层特征，并且通过所述至少一个控制单元控制所述转向系统(52)以保持距所述至少一个地层特征的距离。
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