CN111108261B - 在随钻扩孔操作期间的井下工具的自动优化 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于调节钻井操作的系统和方法，该方法和系统包括：在控制系统处获得与第一钻井操作装置相关联的第一钻井特性，第一钻井操作装置是钻井系统的在钻柱上的一部分；在控制系统处获得与第二钻井操作装置相关联的第二钻井特性，第二钻井操作装置沿着钻柱与第一钻井操作装置分开定位；以及响应于所获得的第一钻井特性和第二钻井特性中的至少一者，利用控制系统来控制第一钻井操作装置的至少一个可调元件，其中至少一个可调元件的调节引起第一钻井特性和第二钻井特性中的至少一者的变化。

Description

在随钻扩孔操作期间的井下工具的自动优化
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月14日提交的美国专利申请号15/704238的权益，该申请全文以引用方式并入本文。
背景技术
1.技术领域
本发明整体涉及井下操作以及钻井操作期间井下部件的优化。
2.相关技术描述
钻孔被钻入地球深处以用于许多应用，诸如二氧化碳封存、地热生产以及烃勘探和生产。在所有应用中，钻孔被钻出，使得它们穿过或允许触及包含在位于地表下方的地层中的材料(例如，气体或流体)。不同类型的工具和仪器可以设置在钻孔中以执行各种任务和测量。
当执行诸如钻井的井下操作时，各种环境、地层和/或操作特性可能会影响钻井操作的效率。本文的公开内容提供了对钻井系统的各个元件的调节操作的改进。
发明内容
本文公开了用于调节钻井操作的系统和方法，所述方法和系统包括：在控制系统处获得与第一钻井操作装置相关联的第一钻井特性，所述第一钻井操作装置是钻井系统的在钻柱上的一部分；在所述控制系统处获得与第二钻井操作装置相关联的第二钻井特性，所述第二钻井操作装置沿着所述钻柱与所述第一钻井操作装置分开定位；以及响应于所获得的第一钻井特性和第二钻井特性中的至少一者，利用所述控制系统来控制所述第一钻井操作装置的至少一个可调元件，其中所述至少一个可调元件的调节引起所述第一钻井特性和所述第二钻井特性中的至少一者的变化。
附图说明
在说明书结尾处的权利要求中特别指出并明确要求保护被视为是本发明的主题。从下面结合附图的详细描述中，本发明的前述和其他特征和优点将变得显而易见，其中相同元件的编号相同，在附图中：
图1是可以采用本公开的实施方案的用于执行井下操作的系统的示例；
图2是可采用本公开的实施方案的包括内管柱和外管柱的示例钻柱的线路图，其中内管柱连接到外管柱的第一位置以钻出第一尺寸的孔；
图3A是根据本公开的实施方案布置的钻井操作装置的示意图，并且图3B是图3A的钻井操作装置的自上向下的图示；
图4是根据本公开的实施方案布置的钻柱的操作的第一示例场景的示意图；
图5是根据本公开的实施方案布置的钻柱的操作的第二示例场景的示意图；
图6是根据本公开的实施方案布置的钻柱的操作的第三示例场景的示意图；
图7是根据本公开的实施方案布置的钻柱的操作的第四示例场景的示意图；
图8是根据本公开的实施方案布置的钻柱的操作的第五示例场景的示意图；
图9是根据本公开的实施方案布置的具有多个钻井操作装置的钻柱的示意图；
图10是根据本公开的实施方案的用于自动调节钻井操作装置的可调元件的流程；以及
图11是示出根据本公开的实施方案的各种部件的系统的示意性框图。
具体实施方式
图1示出了用于执行井下操作的系统的示意图。如图所示，该系统是括钻柱20的钻井系统10，该钻柱具有在穿透地层的钻孔26中输送的钻井组件90，也称为底部钻具组合(BHA)。钻井系统10包括竖立在底板12上的常规井架11，该底板支撑由原动机(诸如电动机(未示出))以期望的旋转速度旋转的转盘14。钻柱20包括从转盘14向下延伸到钻孔26中的钻管22，诸如钻杆。分解工具50，诸如附接到BHA 90的端部的钻头，在其旋转钻出钻孔26时分解地质构造。钻柱20经由方钻杆接头21、旋转接头28和通过滑轮23的绳29联接到绞车30。在钻井操作期间，绞车30被操作以控制影响钻进速度的钻压。绞车30的操作在本领域中是公知的，因此在此不进行详细描述。
在钻井操作期间，来自源或泥浆池32的合适的钻井液31(也称为“泥浆”)通过泥浆泵34在压力下循环通过钻柱20。钻井液31经由波动消除器36、流体管线38和方钻杆接头21进入钻柱20。钻井液31在钻孔底部51通过分解工具50中的开口排放。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，并经由回流管线35返回到泥浆池32。管线38中的传感器S1提供关于流体流速的信息。与钻柱20相关联的地面扭矩传感器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，与绳29相关联的一个或多个传感器(未示出)用于提供钻柱20的钩负荷以及与井筒26的钻凿相关的其他期望参数。该系统还可包括位于钻柱20和/或BHA 90上的一个或多个井下传感器70。
在一些应用中，仅通过旋转钻杆22来旋转分解工具50。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)用于旋转分解工具50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，分解工具50进入钻孔26的钻进速度(ROP)很大程度上取决于钻压和钻头旋转速度。在图1的实施方案的一个方面中，泥浆马达55经由设置在轴承组件57中的驱动轴(未示出)联接到分解工具50。当钻井液31在压力下穿过泥浆马达55时，泥浆马达55使分解工具50旋转。轴承组件57支撑分解工具50的径向力和轴向力、钻井马达的向下推力和来自所施加的钻压的反作用向上负载。联接到轴承组件57和其他合适位置的稳定器58用作泥浆马达组件的最低部分和其他此类合适位置的扶正器。
地面控制单元40经由设置在流体管线38中的传感器43从井下传感器70和装置接收信号，并且从传感器S1、S2、S3、钩负荷传感器和系统中使用的任何其他传感器接收信号，并根据提供给地面控制单元40的经编程的指令来处理这些信号。地面控制单元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用来控制钻井操作。地面控制单元40包含计算机、用于存储数据的存储器、计算机中的处理器可访问的计算机程序、模型和算法、用于记录数据的记录器(诸如磁带单元、存储器单元等)和其他外围设备。地面控制单元40还可包括供计算机用来根据经编程的指令处理数据的模拟模型。控制单元响应通过适当的装置(诸如键盘)而输入的用户命令。控制单元40适于在出现某些不安全或不期望的操作条件时启动警报44。
钻井组件90还包含其他传感器和装置或工具，用于提供与钻孔周围的地层有关的各种测量结果，并用于沿期望的路径钻凿井筒26。此类装置可以包括用于测量钻头附近和/或前面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钻柱的倾角、方位角和位置的装置。根据本文所述的实施方案制造的地层电阻率工具64可以联接在任何适当的位置处，包括在下造斜子组件62上方，用于估计或确定在分解工具50附近或前面或在其他适当位置处的地层的电阻率。倾斜仪74和γ射线装置76可以被适当地放置，以分别用于确定BHA的倾斜度和地层下射线强度。可以使用任何合适的倾斜仪和伽马射线装置。此外，可利用诸如磁力仪或陀螺仪装置的方位装置(未示出)来确定钻柱方位角。此类装置在本领域中是已知的，因此在此不作详细描述。在上述示例配置中，泥浆马达55经由空心轴将动力传递到分解工具50，该空心轴还使得钻井液能够从泥浆马达55传递到分解工具50。在钻柱20的替代实施方案中，泥浆马达55可以联接在电阻率测量装置64下方或任何其他合适的位置处。
仍然参考图1，其他随钻测井(LWD)装置(在此总体上由标号77表示)，诸如用于测量地层孔隙度、渗透性、密度、岩石性质、流体性质等的装置，可以置于钻井组件90中的适当位置处，以提供用于评估沿钻孔26的地下地层的信息。此类装置可以包括但不限于声波工具、核工具、核磁共振工具以及地层测试和采样工具。
上述装置将数据传输到井下遥测系统72，该井下遥测系统又将接收到的数据向沿上传输到地面控制单元40。井下遥测系统72还从地面控制单元40接收信号和数据，并将此类接收到的信号和数据传输到适当的井下装置。在一个方面，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和装置与地面设备之间传送数据。置于泥浆供给管线38中的换能器43响应于由井下遥测72传输的数据而检测泥浆脉冲。传感器43响应泥浆压力变化而产生电信号，并经由导体45将这些信号传送到地面控制单元40。在其他方面，任何其他合适的遥测系统可用于在地面和BHA 90之间进行双向数据通信，包括但不限于声波遥测系统、电磁遥测系统、可利用钻柱或井筒中的中继器的无线遥测系统，以及有线钻杆。有线钻杆可以通过接合钻杆区段而构成，其中每个钻杆区段包括沿钻杆延伸的数据通信链路。钻杆区段之间的数据连接可以通过任何合适的方法实现，包括但不限于硬电连接或光连接、感应、电容或谐振耦合方法。在使用连续油管作为钻杆22的情况下，数据通信链路可以沿着连续油管的一侧延伸。
至此描述的钻井系统涉及利用钻杆将钻井组件90输送到钻孔26中的那些钻井系统，其中通常通过控制绞车的操作来从地面控制钻压。然而，大量当前的钻井系统，尤其是用于钻大斜度井筒和水平井筒的钻井系统，利用连续油管将钻井组件运送到井下。在这种应用中，有时在钻柱中部署推进器以在钻头上提供期望的力。而且，当利用连续油管时，油管不是通过转盘旋转，而是通过合适的注入器注入到井筒中，同时井下马达诸如泥浆马达55使分解工具50旋转。对于海上钻井，海上钻机或船舶用于支撑钻井设备，包括钻柱。
仍然参考图1，可以提供电阻率工具64，其包括例如多根天线，包括例如发射器66a或66b或和接收器68a或68b。电阻率可以是在做出钻井决策时需要关注的一种地层性质。本领域技术人员将理解，其他地层性质工具可与电阻率工具64一起使用或代替该电阻率工具。
衬管钻井可以是用于提供分解装置的一种配置或操作，衬管钻井在油气行业中变得越来越有吸引力，因为其与常规钻井相比具有若干优点。这种结构的一个示例在共同拥有的名称为“Apparatus and Method for Drilling a Wellbore，Setting a Liner andCementing the Wellbore During a Single Trip”的美国专利号9,004,195中示出和描述，该专利的全文以引用的方式并入本文。重要的是，尽管钻进速度相对较低，但是由于衬管在钻凿井筒的同时下钻，因此减少了将衬管送到目标位置的时间。这在膨胀地层中是有益的，在膨胀地层中，钻井的收缩会阻碍随后的衬管的安装。此外，在耗尽且不稳定的储层中使用衬管钻井使由于井壁坍塌而导致的钻杆或钻柱被卡住的风险最小化。
尽管图1是关于钻井操作示出和描述的，但是本领域技术人员将理解，尽管具有不同的部件，但是类似的构造可以用于执行不同的井下操作。例如，如本领域已知的，可以使用钢丝绳、连续油管和/或其他配置。另外，生产配置可用于从地层中提取材料和/或将材料注入地层中。因此，本公开不限于钻井操作，而是可以用于任何适当或期望的一种或多种井下操作。
现在转向图2，示出了示例系统200的示意性线路图，该示例系统包括设置在外部结构250中的内部结构210。在该实施方案中，内部结构210是内管柱，包括底部钻具组合，如下所述。此外，如图所示，外部结构250是套管或外管柱。内部结构210包括可在外部结构250内并相对于其移动的各种工具。如本文所述，内部结构210的各种工具可作用于外部结构250的多个部分和/或与这些部分进行作用，以执行某些井下操作。此外，内部结构210的各种工具可以延伸超过外部结构250以执行诸如钻井的其他井下操作。
在该实施方案中，内部结构210适于穿过外部结构250并在多个间隔开的位置(在本文中也称为“坐放位”或“坐放位置”)处连接到外部结构250的内部250a。所示的外部结构250的实施方案包括三个坐放位，即下坐放位252、中间坐放位254和上坐放位256。内部结构210包括连接到管状构件201(诸如一串接合的钻杆或连续油管)的底端的钻井组件或分解组件220(也称为“底部钻具组合”)。钻井组件220包括位于其底端的第一分解装置202(本文也称为“导向钻头”)，用于钻出第一尺寸的钻孔292a(本文也称为“导向孔”)。钻井组件220还包括导向装置204，在一些实施方案中，该导向装置可包括多个施力构件205，这些施力构件被配置成从钻井组件220延伸以在由导向钻头202钻出的导向孔292a的壁292a’上施加力，从而沿着选定方向对导向钻头202进行导向，以便钻出偏斜导向孔。钻井组件220还可包括钻井马达208(也称为“泥浆马达”)208，该钻井马达被配置成当处于压力下的流体207被供应到内部结构210时使导向钻头202旋转。
在图2的配置中，钻井组件220还被示出为包括管下扩孔钻212，该管下扩孔钻可以根据需要从钻井组件220的主体伸出和朝向该主体回缩，以将导向孔292a扩大到至少外管柱的尺寸以形成井筒292b。在各种实施方案中，例如如图所示，钻井组件220包括多个传感器(共同地由标号209表示)，用于提供与多个井下参数相关的信号，所述井下参数包括但不限于地层295的各种性质或特性以及与系统200的操作相关的参数。钻井组件220还包括控制电路(也称为“控制器”)224，该控制电路可包括：电路225，用于调节来自各传感器209的信号；处理器226，诸如微处理器；数据存储装置227，诸如固态存储器；以及处理器226可访问的程序228，用于执行程序228中包含的指令。控制器224经由合适的遥测装置229a与地面控制器(未示出)通信，该遥测装置提供内部结构210和地面控制器之间的双向通信。遥测单元229a可以利用任何合适的数据通信技术，包括但不限于泥浆脉冲遥测术、声波遥测术、电磁遥测术和有线钻杆。内部结构210中的发电单元229b为内部结构210中的各种部件提供电力，包括钻井组件220中的传感器209和其他部件。钻井组件220还可包括能够不依赖于使用钻井液207产生的电力的存在(例如，下文所述的第三发电装置240b)而提供电力的第二发电装置223。在一些实施方案中，控制器224可以是控制系统的包括位于井下和/或地面的元件的部分，其中可能多个控制器、控制单元和/或控制元件位于遍及井下结构的各种位置和/或位于地面上。
在各种实施方案中，诸如所示的实施方案中，内部结构210还可包括密封装置230(也称为“密封接头”)，该密封装置可包括密封元件232，诸如可膨胀和可回缩的封隔器，该密封元件被配置成当密封元件232被致动成处于膨胀状态时在内部结构210和外部结构250之间提供流体密封。另外，内部结构210可包括衬管驱动接头236，该衬管驱动接头包括可被可移除地连接到外部结构250中的任何坐放位置的附接元件236a、236b(例如，闩锁元件)。内部结构210还可包括悬挂器启动装置或接头238，其具有被配置成启动外部结构250中的可旋转悬挂器270的密封构件238a、238b。内部结构210可包括：第三发电装置240b，诸如涡轮驱动装置，该第三发电装置由流经被配置成产生电力的内管柱210的流体207操作；以及第二双向遥测装置240a，该第二双向遥测装置利用任何合适的通信技术，包括但不限于泥浆脉冲、声波、电磁和有线钻杆遥测术。内部结构210还可包括不依赖于使用钻井液207的发电源的存在的第四发电装置241，诸如电池。内部结构210还可包括短节244和破裂接头246。
仍然参考图2，外部结构250包括衬管280，该衬管可以在其下端处容纳或包含第二分解装置251(例如，本文也称为“扩孔钻头”)。扩孔钻头251被配置成扩大由导向钻头202形成的孔292a的剩余部分。在一些方面，将内管柱附接在下部坐放位252处使得内部结构210能够钻出导向孔292a，并且使得管下扩孔钻212能够将该导向孔扩大到至少与外部结构250一样大的尺寸292的钻孔。将内部结构210附接在中间坐放位254处使得扩孔钻头251能够扩大孔292a的未被管下扩孔钻212扩大的区段(在本文中也被称为“剩余孔”或“剩余导向孔”)。将内部结构210附接在上坐放位256处，使得能够在不将内部结构210拉到地面的情况下(即在系统200向井下的单次行程中)，对衬管280和地层295之间的环空287进行胶固。下坐放位252包括内花键252a和筒夹凹槽252b，用于附接到衬管驱动接头236的附接元件236a和236b上。类似地，中间坐放位254包括内花键254a和筒夹凹槽254b，并且上坐放位256包括内花键256a和筒夹凹槽256b。为了本公开的目的，可以使用用于将内部结构210连接到外部结构250的任何其他合适的附接和/或闩锁机构。
外部结构250还可包括流控制装置262，诸如防回流组件或装置，该流控制装置置于外部结构250的内部250a上，靠近其下端253。在图2中，流控制装置262处于停用或打开位置。在这种位置，流控制装置262允许井筒292与外部结构250的内部250a之间的流体连通。在一些实施方案中，当导向钻头202被收回到外部结构250的内部时，流控制装置262可以被启动(即，关闭)，以防止从井筒292到外部结构250的内部250a的流体连通。当导向钻头202伸到外部结构250外部时，流控制装置262被停用(即打开)。在一个方面，施力构件205或另一合适的装置可被配置成启动流控制装置262。
还可以设置诸如反向挡板或其他防回流结构的反向流控制装置266，以防止从外部结构250的内部到反向流控制装置266下方的位置的流体连通。外部结构250还包括悬挂器270，该悬挂器可由悬挂器启动接头238启动以将外部结构250锚定到主套管290。在用系统200钻凿井筒292之前，将主套管290部署在井筒292中。在一个方面，外部结构250包括密封装置285，以在外部结构250和主套管290之间提供密封。外部结构250还包括在其上端的接收器284，该接收器可包括具有内花键282a和筒夹凹槽282b的保护套筒281。还可以设置碎屑阻隔件283以防止由导向钻头202、管下扩孔钻212和/或扩孔钻头251形成的切屑进入内部结构210和外部结构250之间的空间或环空。
为了钻凿井筒292，内部结构210被置于外部结构250内部，并且通过如图所示启动衬管驱动接头236的附接元件236a、236b而在下坐放位252处附接到外部结构250。当被启动时，该衬管驱动接头136将附接元件236a连接到内花键252a，并将附接元件236b附接到下坐放位252中的筒夹凹槽252b。在这种配置中，导向钻头202和管下扩孔钻212延伸经过扩孔钻头251。在操作中，钻井液207为旋转导向钻头202的钻井马达208提供动力，以使其钻凿导向孔292a，同时管下扩孔钻212将导向孔292a扩大到井筒292的直径。除了通过马达208旋转导向钻头202和管下扩孔钻212之外，还可以通过旋转钻井系统200来旋转它们。
通常，存在利用系统200执行的三种不同的配置和/或操作：钻孔、扩孔和胶固。在钻孔位置，底部钻具组合(BHA)完全伸出衬管，以实现完全的测量和导向能力(例如，如图2所示)。在扩孔位置，仅第一分解装置(例如导向钻头202)在衬管外部，以便在井坍塌的情况下降低卡钻杆或钻柱的风险，并且BHA的其余部分容纳在外部结构250内。在胶固位置，BHA被配置在外部结构250的内部，与第二分解装置(例如扩孔钻头251)相距一定距离处，以确保适当的浮鞋套管串(shoe track)。
当使用诸如以上在图1-2中示出和描述的系统执行井下操作时，有利的是监测井下正在发生什么。一些此类解决方案包括有线钻杆(WP)，其中使用一个或多个传感器和/或装置来执行监测，并且经由像“长电缆”的特殊钻杆来传输所收集的数据。已采用的另一种解决方案是经由泥浆脉冲遥测术进行通信，其中钻孔流体被用作通信信道。在这样的实施方案中，在井下产生压力脉冲(被编码)，并且压力换能器将压力脉冲转换成电信号(被编码)。泥浆脉冲遥测术(MPT)与有线钻杆相比非常慢(例如，相差一千倍)。一条特定的信息是位置。当希望在沿着井筒的非常特定的位置执行井下操作时，诸如但不限于封隔器部署、扩孔、管下扩孔和/或延伸稳定器、锚固件或悬挂器等时，尤其如此。
对于随钻扩孔应用，诸如使用图1或图2所示的系统或其变型，井下负荷和扭矩在不同分解装置(例如钻头和扩孔钻)之间的适当分配可能是实现高钻井效率和防止井下工具失效的关键因素和考虑因素。在钻凿穿过具有不同地层性质(例如机械强度)的地层时，第一分解装置和第二分解装置可以位于不同类型的地层内并且同时在不同类型的地层上操作。此类不同的钻井操作会带来挑战性的钻井环境。如果第一分解装置(例如钻头)处于软地层中，而第二分解装置(例如扩孔钻)处于硬地层中，则第一分解装置可能会使第二分解装置由于该第二分解装置上的负荷和扭矩过大而停止钻孔(out-drill)，并且使得第二分解装置暴露于工具失效的潜在高风险中。如果第一分解装置钻凿穿过硬地层，而第二分解装置钻凿穿过软地层，则会使钻井效率受到损害。在不能够实时调节分解装置的钻井特性的情况下，难以一致且及时地优化负荷和扭矩分布以实现优选的钻井操作。
如本文所提供的，本公开的实施方案涉及钻井特性(例如，钻凿侵入性、负荷分布、扭矩分布、工具和/或装置平衡等)的自动调节。根据各种实施方案，本公开的分解装置通过实时闭环通信能够在井下自动调节侵入性并且自动优化分解装置之间的负荷和扭矩分配。在本公开的系统的非限制性示例中，在第一分解装置和第二分解装置中的每一个处(或在多个分解装置中的每一个处)连续且实时地监测负荷和扭矩测量结果。实时监测使得能够通过闭环通信在井下自主执行的作出实时决策的过程自调节第一分解装置或第二分解装置的侵入性，以实现负荷、扭矩等的最佳分布，而与正在被钻凿的地层特性无关。
例如，在一些实施方案中，第一分解装置和第二分解装置将各自具有嵌入式传感器以测量装置负荷(例如，钻压、扩孔钻负荷等)和装置扭矩。此外，每个分解装置被布置成具有在井下调节侵入性的能力并且能够彼此通信。钻压和装置扭矩可被连续地测量和监测，并且如果两者之间的分布不是最佳的或在预定的操作范围内，则通过闭环通信在井下自主地作出实时决策，以自调节第一分解装置或第二分解装置的侵入性，从而实现期望的分布，而与正在被钻凿的地层无关。
分解装置中的每个被布置和配置成基于在系统的每个分解装置处接收到的输入而自调节侵入性。实施方法来评估是否需要调节以优化钻压/扭矩分布并触发钻头和/或扩孔钻中的侵入性调节。根据一些实施方案，提供了一种具有使用两个或更多个分解装置来测量、评估和调节钻井操作的能力的全自动系统。
现在转向图3A-3B，示出了根据本公开的实施方案的钻井操作装置300的一部分的示意图。图3A是钻井操作装置300的侧视图或正视图。图3B是钻井操作装置300的自上向下的视图或平面图。
钻井操作装置300是可操作地连接到钻柱的第一分解装置，如本领域技术人员将理解的那样。钻井操作装置300包括工具主体302，分解装置刀片304从该工具主体延伸。钻井操作装置300可以是扩孔钻或作为钻井工具的一部分(例如BHA的一部分等)布置的其他类型的分解装置。每个分解装置刀片304包括一个或多个切削元件306(例如，刀具)。分解装置刀片304和/或切削元件306可以是可调节的，并且在下文中统称为“可调元件”。
切削元件306相对于工具主体302和/或分解装置刀片304可调节和/或可移动，并且由驱动机构308可操作地控制。驱动机构308可以是马达、电驱动单元、能够进行流体压力控制的压力装置等。分解装置刀片304相对于刀具主体302可调节和/或可移动，并且由驱动机构308(其可与切削元件306的驱动机构相同或不同)可操作地控制。可调元件的调节或移动可以包括倾斜(例如，改变角度)、横向或轴向移动(例如，改变延伸度)、绕可调元件的轴线的旋转等。如示例地示出的，每个切削元件306和分解装置刀片304可操作地连接到专用驱动机构308(即，每个可调元件一个驱动机构308)。在其他实施方案中，单个驱动机构可以可操作地连接到多个可调元件，因此本发明的图示不是限制性的。如图所示，驱动机构308通过控制元件310可操作地连接到相应的可调元件。控制元件310可以是机械、液压、电或其他类型的连接，该连接使得驱动机构308能够控制可调元件的位置和/或取向(例如，移动)。
驱动机构308由控制系统可操作地连接和/或控制，该控制系统可包括一个或多个控制器、控制单元和/或控制元件。例如，如图所示，图3的控制系统包括第一控制器312。第一控制器312与钻井操作装置300及其可调元件相关联。例如，第一控制器312可以与钻井操作装置300的一个或多个分解刀片304和/或分解装置刀片304的一个或多个切削元件306相关联。第一控制器312通过控制连接314与驱动机构308通信。控制连接314可以是有线的或无线的，并且/或者可以被布置为替代的控制方案(例如，液压的)。第一控制器312包括执行本文所述的操作所必需的各种电气和/或电子部件。例如，如本领域技术人员将理解的，第一控制器312可以包括处理器、存储器和通信元件。在一些实施方案中，第一控制器312被布置成与地面元件(例如，图1所示的地面控制单元40)通信。
在图3所示的控制系统中，第一控制器312还与作为本实施方案的控制系统的一部分的第二控制器316通信。第二控制器316与图3所示的第一控制器312类似地布置，但是相对于位于远离钻井操作装置300的不同位置处的第二分解装置或其他井下部件(例如，第二分解装置可以是位于钻柱的底端处的钻头)。第一控制器312和第二控制器316通过控制连接318通信。控制连接318可以是用于实现第一控制器312和第二控制器316之间的数据的传送和/或传输的连接。在一些非限制性实施方案中，第一控制器312和第二控制器316可以形成用于执行根据本公开并且如本文所述的实施方案的闭环控制系统。可以提供系统的闭环性质，使得可以实现对各种条件和/或事件的基本上瞬时的响应。
如图3A-3B中示意性地示出，示出了各种切削元件306和分解装置刀片304(可调元件)，其示出了根据本公开的实施方案的可能的不同移动和/或调节。例如，第一切削元件306a被示出为处于两个位置，其中示出了相对旋转调节。第二切削元件306b被示为处于具有相对延伸/回缩的两个位置。示出了第三切削元件306c，示出了两种类型的移动，例如延伸和旋转。延伸、旋转、枢转等是相对于分解装置刀片304的，切削元件306是该分解装置刀片的一部分。切削元件306a、306b、306c以实线轮廓显示在第一位置，以虚线轮廓显示在第二位置。还示意性地显示在图3A-3B中，分解装置刀片304也是可调节的。
第一控制器312可控制第一切削元件306a的相应驱动机构308，以将第一切削元件306a的位置从相应的第一位置移动或调节到第二位置。在该图示中，从第一位置至第二位置的转变是第一切削元件306a相对于其所安装或附接到的分解装置刀片304的角度的变化。角度的变化可以是相对于切削角度和/或相对于分解装置刀片304的表面的角度。类似地，第一控制器312可控制第二切削元件306b的相应驱动机构308，以将第二切削元件306b的位置从相应的第一位置移动或调节到第二位置。在该图示中，第二切削元件306b从第一位置到第二位置的转变是第二切削元件306b相对于分解装置刀片304的延伸的变化。示出了相对于第三切削元件306c和分解装置刀片304的类似调节。
各种可调元件的调节可用于实现期望的切削深度和/或角度。也就是说，控制器312被布置成实现相对于钻井操作装置300的几何调节，并因此改变一个或多个分解装置特性。
在一些实施方案中，驱动机构308的控制可以是同时的，或者可以是单独的，这取决于系统的布置和分解装置特性的期望变化。可调元件的调节可以是响应于在第一控制器312处从第二控制器316接收到的信息。此外，该调节部分地基于感测到的数据。例如，如图3所示，钻井操作装置300包括传感器320。传感器320被布置成检测和监测与相关的分解装置和/或钻井操作装置300相关联的钻井特性和/或分解装置特性。第二控制器316可以与一个或多个相关联的传感器通信，以检测与第二分解装置相关的钻井特性和/或分解装置特性。
尽管在图3中示出为布置作为分解装置(具有刀片和刀具)的钻井操作装置300，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，井下的其他配置也可实现本公开的实施方案。例如，钻井操作装置300可被布置为扩孔钻、钻头、稳定器工具或其他井下钻井工具。
图3所示的控制器312、316被布置成响应于井下环境和/或事件，包括但不限于正被钻凿的或以其他方式处理的不同地层。控制器312、316和/或本公开的系统的另一控制器可被编程以选择任何连接的井下工具内的特定元件(例如，想要调节的元件)并执行调节操作(例如，何时调节)。钻井操作装置300是井下管柱322的被操作以执行钻井或分解操作的一部分。
井下管柱322可包括位于不同位置的多个钻井操作装置，所述多个钻井操作装置各自被布置成在钻井操作期间执行功能。例如，井下管柱322可以包括钻头、下扩孔钻、上扩孔钻和稳定器装置(每个都是“钻井操作装置”)。各钻井操作装置的每一个都可包括控制系统的相关联部件(例如，类似于图3所示的控制器312)，或者每个装置可以可操作地连接到单个控制器/控制单元。此外，每个钻井操作装置可包括被布置成在每个钻井操作装置处执行监测的一个或多个相应的传感器。控制系统的多个控制器(每个控制器与相应的钻井操作装置相关联)被布置成形成闭环系统。闭环系统被布置成响应于操作(井下)环境、条件和/或考虑因素。
现在转向图4-8，示意性地示出了本公开的实施方案的操作的各种不同的示例场景。在每个图示中，钻柱被布置有两个或更多个钻井操作装置，诸如钻头、扩孔钻和/或稳定器。
如图4所示，示出了第一示例场景。在图4中，地层401内的钻柱400被示出具有三个钻井操作装置402、404、406。在该特定实施方案中，钻井操作装置402、404、406中的每一个都是分解装置。钻井操作装置402、404、406布置在钻柱400的端部处。钻井操作装置402、404、406各自布置有配置在其中的控制器，以及图4所示的实施方案的控制系统的每个控制器部分，例如，如上文关于图3所示和所述。每个钻井操作装置402、404、406的每个控制器与其他控制器通信以形成闭环系统。此外，每个钻井操作装置402、404、406包括一个或多个传感器，这些传感器被布置成监测一个或多个装置特性(例如，扭矩、装置负荷等)。
在图4所示的第一示例场景中，第一钻井操作装置402位于地层401中的钻孔的底部，操作该装置以分解地层401的靠近第一钻井操作装置402的材料。第二钻井操作装置404被停用，并且启动第三钻井操作装置406(并显示为形成直径比第一钻井操作装置402的直径大的钻孔)。在该示例场景中，第一钻井操作装置402和第三钻井操作装置406可经受地层401的不同条件、环境和/或材料特性。因此，可能无法通过单一操作状态来实现最佳钻井操作。为了优化钻井操作，钻柱400的控制系统(在钻井操作装置402、404、406内)可以控制相应的钻井操作装置402、404、406(或其部分，例如，切削元件/刀具、稳定器元件等，或其他可调元件)。通过调节各个钻井操作装置402、404、406的特性，可以实现最佳钻井。例如，由于第一钻井操作装置402和第三钻井操作装置406之间的轴向距离，可以切入不同强度(例如，硬度等)的地层材料，这些材料由于扭矩、装置负荷等而影响钻井效率。通过调节相应的钻井操作装置的可调元件，钻井特性(例如，扭矩、装置负荷等)可被控制以实现最佳或期望的钻井效率。
现在转向图5，示出了第二示例场景。在图5中，地层501内的钻柱500被示出具有三个钻井操作装置502、504、506。在该特定实施方案中，钻井操作装置502、504、506中的每一个都是分解装置。钻井操作装置502、504、506布置在钻柱500的端部处。钻井操作装置502、504、506各自布置有配置在其中的控制器或控制系统的一部分，例如，如上文关于图3所示和所述。每个钻井操作装置502、504、506的每个控制器与控制系统的其他控制器或其他部件通信以形成闭环系统。此外，每个钻井操作装置502、504、506包括一个或多个传感器，这些传感器被布置成监测一个或多个装置特性(例如，扭矩、装置负荷等)。在该第二示例场景中，第一钻井操作装置502离开底部(例如，不钻入地层501中)，第二钻井操作装置504被启动，并且第三钻井操作装置506被停用。
现在转向图6，示出了第三示例场景。在图6中，地层601内的钻柱600被示出具有三个钻井操作装置602、604、606。在该特定实施方案中，钻井操作装置602、604、606中的每一个都是分解装置。钻井操作装置602、604、606布置在钻柱600的端部处。钻井操作装置602、604、606各自布置有配置在其中的控制器，例如，如上文关于图3所示和所述。每个钻井操作装置602、604、606的每个控制器与其他控制器通信以形成闭环系统。此外，每个钻井操作装置602、604、606包括一个或多个传感器，这些传感器被布置成监测一个或多个装置特性(例如，扭矩、装置负荷等)。在该第三示例场景中，第一钻井操作装置602在底部(例如，钻入地层601中)，第二钻井操作装置604被启动，并且第三钻井操作装置606被启动。
现在转向图7，示出了第四示例场景。在图7中，地层701内的钻柱700被示出具有三个钻井操作装置702、704、706。在该特定实施方案中，钻井操作装置702、704、706中的每一个都是分解装置。钻井操作装置702、704、706布置在钻柱700的端部处。钻井操作装置702、704、706各自布置有配置在其中的控制器，例如，如上文关于图3所示和所述。每个钻井操作装置702、704、706的每个控制器与其他控制器通信以形成闭环系统。此外，每个钻井操作装置702、704、706包括一个或多个传感器，这些传感器被布置成监测一个或多个装置特性(例如，扭矩、装置负荷等)。在该第四示例场景中，第一钻井操作装置702在底部(例如，钻入地层701中)，第二钻井操作装置704被启动，并且第三钻井操作装置706被启动。此外，如例示性地示出的，第二钻井操作装置704和第三钻井操作装置706具有不同的孔开口尺寸和/或直径，以由此在地层701内切削出不同尺寸的钻孔区段。
现在转向图8，示出了第五示例场景。在图8中，地层801内的钻柱800被示出具有四个钻井操作装置802、804、806、808。在该特定实施方案中，前三个钻井操作装置802、804、806是分解装置，并且第四钻井操作装置808是稳定器。钻井操作装置802、804、806、808布置在钻柱800的端部处。钻井操作装置802、804、806、808各自布置有配置在其中的控制器，例如，如上文关于图3所示和所述。在第四钻井操作装置808的情况下，可移动元件可以是稳定器元件(例如，刀片或垫)，而不是如上所述的刀具或切削元件。每个钻井操作装置802、804、806、808的每个控制器与其他控制器通信以形成闭环系统。此外，每个钻井操作装置802、804、806、808包括一个或多个传感器，这些传感器被布置成监测一个或多个装置特性(例如，扭矩、装置负荷等)。在该第五示例场景中，第一钻井操作装置802在底部(例如，钻入地层801中)，第二钻井操作装置804被停用，第三钻井操作装置806被启动，并且第四钻井操作装置808被启动(例如，与井壁接合)。
上述场景和/或配置的各种组合可以采用本公开的实施方案。例如，图4-7所示的任何实施方案可以包括如图8所示的稳定器。在上述实施方案或其变型的任一个中，钻井操作特性可以在各种钻井操作装置中的一个或多个处收集(例如，使用相应钻井操作装置上的传感器)。可以在相应的控制器处收集监测到的数据，并且在各个控制器之间传送监测到的数据。基于该信息，每个控制器可以对相应的钻井操作装置的可调元件进行调节以调节切削特性。如上所述，控制器可形成控制系统的至少一部分，该控制系统包括各种井下控制器、控制元件、控制单元和/或地面控制元件或部件。
现在转向图9，钻柱900具有四个钻井操作装置902、904、906、908。与图8所示的实施方案类似，前三个钻井操作装置902、904、906是分解装置，并且第四钻井操作装置908是稳定器。钻井操作装置902、904、906、908布置在钻柱900的端部处。钻井操作装置902、904、906、908各自布置有相应的控制器910、912、914、916。此外，每个钻井操作装置902、904、906、908分别包括至少一个可调元件918、920、922、924。因为第一钻井操作装置902、第二钻井操作装置904和第三钻井操作装置906是分解装置，所以可调元件918、920、922可以是刀片、刀具或它们的组合。第四钻井操作装置908被布置作为稳定器，因此可调元件924可以是如本领域已知的可调稳定刀片或稳定垫。每个钻井操作装置902、904、906、908包括一个或多个传感器，这些传感器被布置成监测一个或多个装置特性(例如，扭矩、装置负荷等)。
在该实施方案中，钻井操作装置902、904、906、908的控制器910、912、914、916中的每一个与系统控制器926通信并形成闭环系统(例如，形成控制系统)。系统控制器926被布置成接收由其他控制器910、912、914、916中的每一个收集的数据(例如，从相应的一个或多个传感器收集的数据)。系统控制器926然后可以指示每个控制器910、912、914、916控制各种钻井操作装置902、904、906、908的相应的可调元件918、920、922、924，以实现钻柱900的期望的操作效率。
现在转向图10，示出了用于自动控制钻柱的一个或多个钻井操作装置的流程1000。流程1000可以使用如上所示和所述的一个或多个控制器(或系统控制器)来执行，所述的一个或多个控制器可操作地连接到用于监测钻井特性(例如，装置负荷、扭矩、环境条件等)的传感器和/或与所述传感器通信，并且连接到用于调节钻井操作装置上的至少一个可调元件的控制器和/或驱动机构。流程1000可以在使用具有至少两个钻井操作装置的钻柱的钻井操作期间自动执行，例如，如本文所示和所述。
在框1002处，控制系统(或其一部分)从第一钻井操作装置获得第一钻井特性。第一钻井特性可以是装置负荷、扭矩、环境条件或作为第一钻井操作装置操作、位置、环境等的方面的其他特性。第一钻井特性可以从位于第一钻井操作装置上、第一钻井操作装置中或与第一钻井操作装置相关联的一个或多个传感器获得。在一个示例实施方案中，控制系统可包括第一钻井操作装置的控制器或系统控制器，如上所述。
在框1004处，控制系统从第二钻井操作装置获得第二钻井特性。第二钻井特性可以是装置负荷、扭矩、环境条件或作为第二钻井操作装置操作、位置、环境等的方面的其他特性。第二钻井特性可以从位于第二钻井操作装置上、第二钻井操作装置中或与第二钻井操作装置相关联的一个或多个传感器获得。控制系统可以包括第二钻井操作装置、第一钻井操作装置的控制器，或系统控制器，如上所述。
在框1006处，控制系统致使第一钻井操作装置的至少一个可调元件被调节。例如，控制系统可以与驱动机构可操作地连通，该驱动机构作用于可调元件上以改变可调元件相对于工具主体(或其部分)的位置。可调元件可以是切削刀片、刀具、切削元件、稳定器刀片、稳定器垫、或在钻井操作期间可以与地层和/或钻孔接合或以其他方式与之相互作用的其他元件。通过和/或响应于所获得的钻井特性中的至少一者来促进调节。
现在转向图11，示出了根据本公开的实施方案的系统1100的框图。系统1100是示出以上示出和描述的系统的各种组件的示意图。例如，在图11中，系统1100包括各自可操作地彼此连接和/或彼此通信的第一钻井操作装置1102、第二钻井操作装置1104和第三钻井操作装置1106。如上所示和所述，钻井操作装置1102、1104、1106沿着钻柱布置。尽管示出了特定示例数量的钻井操作装置，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，根据本公开的系统可以包括任何数量的钻井操作装置，所述钻井操作装置可以沿着钻柱布置并且在系统内操作和/或作为系统的一部分操作。
第一钻井操作装置1102包括第一传感器1108、第一处理器1110、第一控制器1112和第二控制器1114，第一控制器1112和第二控制器1114形成控制系统的全部或部分。第一传感器1108与第一处理器1110通信，该第一处理器可以处理来自第一传感器1108的信号并且将数据传送到第一控制器1112。第一处理器1110还可以将数据传送到操作员111 6或地面部件。第二钻井操作装置1104包括第二传感器1118和第三传感器1120。第二传感器1118和第三传感器1120与第二处理器1122通信，该第二处理器又可将数据传送到第二控制器1114和/或操作员1116。第三钻井操作装置1106包括与第三处理器1126通信的第四传感器1124，该第三处理器又可将数据传送到第二控制器1114。控制器1112、1114和/或操作员1116可输出控制信号以调节钻井操作装置1102、1104、1106的一个或多个可调元件。例如，第一钻井操作装置1102的第一可调元件1128、第二钻井操作装置1104的第二可调元件1130、和/或第三钻井操作装置1106的第三可调元件1132可被控制器1112、1114和/或操作员1116指示或控制，以调节一个或多个钻井特性。
在一个非限制性示例中，第一钻井操作装置1102是钻柱上的钻头，第二钻井操作装置1104是扩孔钻，并且第三钻井操作装置1106是稳定器，该稳定器可以具有沿着钻柱和/或在底部钻具组合内的任何位置。每个钻井操作装置1102、1104、1106包括可以倾斜、延伸、回缩、旋转等的至少一个可调元件，诸如刀片、切削元件、稳定器元件等。
传感器1108、1118、1120、1124被配置成测量一个或多个钻井特性，诸如但不限于位于一个或多个钻井操作装置内和/或位于BHA的任何其他部分(例如辅助导向件(copilot)、导向单元等)内的扭矩、弯矩、振动(横向、轴向、扭转)、粘滑、旋转、冲击、负荷。处理器1110、1122、1126连接到传感器1108、1118、1120、1124，以获得位于相应传感器1108、1118、1120、1124附近的钻井特性(例如，典型信号、图表等)。控制器1112、1114(它们可不同于传感器和/或处理器，或为相同的电气单元)位于BHA中的任何位置或地面上，并且可以是处理器加上操作软件(例如，自动的、闭环的)或操作员过程(例如，手动的)，其(例如，实时地)处理来自传感器/处理器的数据以调节钻井特性。例如，基于来自传感器1108、1118、1120、1124的数据，处理器和/或控制器可调节系统1100的一个或多个可调元件(例如，可调元件1128、1130、1132)，以便改变一个或多个钻井操作特性。
实施方案1：一种调节钻井操作的方法，所述方法包括：在控制系统处获得与第一钻井操作装置相关联的第一钻井特性，所述第一钻井操作装置是钻井系统的在钻柱上的一部分；在所述控制系统处获得与第二钻井操作装置相关联的第二钻井特性，所述第二钻井操作装置沿着所述钻柱与所述第一钻井操作装置分开定位；以及响应于所获得的第一钻井特性和第二钻井特性中的至少一者，利用所述控制系统来控制所述第一钻井操作装置的至少一个可调元件，其中所述至少一个可调元件的调节引起所述第一钻井特性和所述第二钻井特性中的至少一者的变化。
实施方案2：根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述控制系统包括位于井下的至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置成实现下列各项中的至少一项：获得所述第一钻井特性；获得所述第二钻井特性；以及调节所述第一钻井操作装置的所述至少一个可调元件。
实施方案3：根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述至少一个控制器是所述第一钻井操作装置的一部分。
实施方案4：根据前述实施方案中的任一项所述的方法，其中(i)所述第一钻井操作装置中的至少一者是钻头、扩孔钻或稳定器中的一者，并且(ii)所述第二钻井操作装置中的至少一者是钻头、扩孔钻或稳定器中的一者。
实施方案5：根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述至少一个可调元件是刀具、切削元件、切削刀片、稳定刀片或稳定垫中的一者。
实施方案6：根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述钻柱还包括与所述第一钻井操作装置和所述第二钻井操作装置分开定位的第三钻井操作装置，所述方法还包括：在所述控制系统处获得与所述第三钻井操作装置相关联的第三钻井特性，其中所述至少一个可调元件的所述调节基于所获得的第一钻井特性、第二钻井特性和第三钻井特性中的至少一者。
实施方案7：根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述控制系统包括作为所述第一钻井操作装置的一部分的第一控制器，以及作为所述第二钻井操作装置的一部分的第二控制器，所述方法还包括：响应于所获得的第一钻井特性和第二钻井特性中的至少一者，利用所述第一控制器来控制所述第一钻井操作装置的至少一个可调元件，其中所述第一钻井操作装置的所述至少一个可调元件的调节引起所述第一钻井特性和所述第二钻井特性中的至少一者的变化；以及响应于所获得的第一钻井特性和第二钻井特性中的至少一者，利用第二控制器来控制所述第二钻井操作装置的至少一个可调元件，其中所述第二钻井操作装置的所述至少一个可调元件的调节引起所述第一钻井特性和所述第二钻井特性中的至少一者的变化。
实施方案8：根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述控制系统包括与所述第一钻井操作装置相关联的第一控制元件、与所述第二钻井操作装置相关联的第二控制元件以及地面控制元件中的至少一者。
实施方案9：根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述控制系统以电的方式控制所述至少一个可调元件的调节。
实施方案10：根据前述实施方案中任一项所述的方法，还包括调节所述第一钻井操作装置和所述第二钻井操作装置中的每一者的至少一个可调元件。
实施方案11：一种用于在井下操作中自动调节钻井特性的系统，所述系统包括：钻柱，所述钻柱具有：第一钻井操作装置，所述第一钻井操作装置具有第一传感器和可调元件，所述第一传感器被布置成检测与所述第一钻井操作装置相关联的第一钻井特性；以及第二钻井操作装置，所述第二钻井操作装置沿着所述钻柱与所述第一钻井操作装置分开定位，并且具有第二传感器，所述第二传感器被布置成检测与所述第二钻井操作装置相关联的第二钻井特性；以及控制系统，所述控制系统至少部分地位于所述钻柱内并且被配置成：从所述第一传感器获得与所述第一钻井操作装置相关联的所述第一钻井特性；从所述第二传感器获得与所述第二钻井操作装置相关联的所述第二钻井特性；以及响应于所获得的第一钻井特性和第二钻井特性中的至少一者来控制所述第一钻井操作装置的所述可调元件，其中所述可调元件的调节引起所述第一钻井特性和所述第二钻井特性中的至少一者的变化。
实施方案12：根据前述实施方案中任一项所述的系统，其中所述控制系统包括位于井下的至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置成实现下列各项中的至少一项：获得所述第一钻井特性；获得所述第二钻井特性；以及调节所述第一钻井操作装置的所述至少一个可调元件。
实施方案13：根据前述实施方案中的任一项所述的系统，其中(i)所述第一钻井操作装置中的至少一者是钻头、扩孔钻或稳定器中的一者，并且(ii)所述第二钻井操作装置中的至少一者是钻头、扩孔钻或稳定器中的一者。
实施方案14：根据前述实施方案中任一项所述的系统，其中所述至少一个可调元件是刀具、切削元件、切削刀片、稳定刀片或稳定垫中的一者。
实施方案15：根据前述实施方案中的任一项所述的系统，其中所述钻柱还包括与所述第一钻井操作装置和所述第二钻井操作装置分开定位的第三钻井操作装置，所述控制器还被配置成：在所述控制系统处获得与所述第三钻井操作装置相关联的第三钻井特性，其中所述至少一个可调元件的所述调节基于所获得的第一钻井特性、第二钻井特性和第三钻井特性中的至少一者。
实施方案16：根据前述实施方案中任一项所述的系统，其中所述控制器是所述第一钻井操作装置的一部分，并且第二控制器是所述第二钻井操作装置的一部分，其中所述第二控制器响应于所获得的第一钻井特性和第二钻井特性中的至少一者来控制所述第二钻井操作装置的可调元件，其中所述第二钻井操作装置的所述可调元件的调节引起所述第二钻井特性的变化。
实施方案17：根据前述实施方案中任一项所述的系统，其中所述控制系统包括与所述第一钻井操作装置相关联的第一控制元件、与所述第二钻井操作装置相关联的第二控制元件以及地面控制元件中的至少一者。
实施方案18：根据前述实施方案中的任一项的系统，其中驱动机构可操作地连接在所述控制系统的一部分与所述可调元件之间。
实施方案19：根据前述实施方案中任一项所述的系统，其中所述可调元件相对于所述钻柱的角度或相对于所述钻柱的延伸度是可调节的。
实施方案20：根据前述实施方案中的任一项所述的系统，还包括控制单元，所述控制单元位于地面处并且被布置成与所述控制系统通信以执行所述可调元件的所述调节。
为了支持本文的教导内容，可以使用各种分析部件，包括数字和/或模拟系统。例如，如本文提供的和/或与本文描述的实施方案一起使用的控制器、计算机处理系统和/或地理导向系统可包括数字和/或模拟系统。这些系统可以具有诸如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(例如，有线、无线、光等等)、用户界面、软件程序、信号处理器(例如，数字或模拟)和其他此类组件(例如，电阻器、电容器、电感器等等)的部件，以便以本领域中公知的若干方式中的任何方式来提供对本文所公开的装置和方法的操作和分析。可以认为，这些教导内容可以但不是必须结合存储在非暂态计算机可读介质上的一组计算机可执行指令来实现，所述非暂态计算机可读介质包括存储器(例如ROM、RAM)、光学介质(例如CD-ROM)或磁性介质(例如磁盘、硬盘驱动器)或在被执行时致使计算机实现本文所述的方法和/或过程的任何其他类型。除了本公开中所述的功能之外，这些指令还可以提供设备操作、控制、数据收集、分析以及系统设计者、所有者、用户或其他这类人员认为相关的其他功能。经处理的数据(诸如所实现的方法的结果)可以作为信号经由处理器输出接口传输到信号接收装置。信号接收装置可以是用于向用户呈现结果的显示监视器或打印机。另选地或除此之外，信号接收装置可以是存储器或存储介质。应当理解，将结果存储在存储器或存储介质中可将存储器或存储介质从先前状态(即，不包含结果)转换到新状态(即，包含结果)。此外，在一些实施方案中，如果结果超过阈值，则可以从处理器向用户界面发送警告信号。
此外，可以包含并调用各种其他部件以提供本文的教导内容的各个方面。例如，可以包括传感器、发射器、接收器、收发器、天线、控制器、光学单元、电学单元和/或机电单元以支持本文所讨论的各个方面或支持本公开之外的其他功能。
在描述本发明的上下文中(尤其在以下权利要求的上下文中)使用术语“一个/种”和“该/所述”及类似指称应理解为涵盖单数与复数，除非本文另外指明或明显地与上下文矛盾。此外，还应注意，本文中的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区分开。结合数量使用的修饰词“约”包括陈述的值并且具有上下文规定的含义(例如，它包括与特定数量的测量相关联的误差度)。
本文描述的一张或多张流程图仅仅是示例。在不脱离本公开的范围的情况下，可以存在对本文描述的该图或步骤(或操作)的许多变型。例如，可以以不同的顺序执行这些步骤，或者可以添加、删除或修改步骤。所有这些变型都被认为是本公开的一部分。
将认识到，各种部件或技术可提供某些必要或有益的功能性或特征。因此，在支持所附权利要求及其变型中可能需要的这些功能和特征被认为是固有地被包括作为本文教导内容的一部分和本公开的一部分。
本公开的教导内容可用于多种井操作。这些操作可以涉及使用一种或多种处理剂来处理地层、驻留在地层中的流体、井筒、和/或井筒中的设备，诸如生产油管。处理剂可以是液体、气体、固体、半固体、以及它们的混合物的形式。说明性处理剂包括但不限于压裂液、酸、蒸汽、水、盐水、抗腐蚀剂、水泥、渗透性改性剂、钻井泥浆、乳化剂、破乳剂、示踪剂、流动性改进剂等。说明性钻井作业包括但不限于水力压裂、增产措施、示踪剂注入、清洗、酸化、蒸汽注入、水驱、固井等。
虽然已经参考各实施方案描述了本文描述的实施方案，但是应当理解，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同物替换其元件。此外，在不脱离本发明范围的情况下，根据本发明的教导内容，为了适应特定的仪器、情形或材料，许多修改都将是可以理解的。因此，并非旨在将本公开限于作为预期用于实现所述特征的最佳方式而公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。
因此，本公开的实施方案不应被视为由前述描述限制，而是仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (16)

1.一种调节钻井操作的方法，所述方法包括：
在控制系统处获得与第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)相关联的第一钻井特性，所述第一钻井操作装置是钻井系统(200)的在钻柱(20，400，500，600，700，800，900)上的一部分；
在所述控制系统处获得与第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)相关联的第二钻井特性，所述第二钻井操作装置沿着所述钻柱(20，400，500，600，700，800，900)与所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)分开定位；以及
响应于所获得的第一钻井特性和第二钻井特性中的至少一者，利用所述控制系统来控制所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)的至少一个可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)，其中所述至少一个可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)的调节引起所述第一钻井特性和所述第二钻井特性中的至少一者的变化；
其中，所述控制系统包括作为所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)的一部分的第一控制器和作为所述第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)的一部分的第二控制器，所述方法还包括：
响应于所获得的第一钻井特性和第二钻井特性中的至少一者，利用所述第一控制器来控制所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)的至少一个可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)，其中所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)的所述至少一个可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)的调节引起所述第一钻井特性和所述第二钻井特性中的至少一者的变化；以及
响应于所获得的第一钻井特性和第二钻井特性中的至少一者，利用所述第二控制器来控制所述第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)的至少一个可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)，其中所述第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)的所述至少一个可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)的调节引起所述第一钻井特性和所述第二钻井特性中的至少一者的变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制系统包括位于井下的至少一个控制器(224)，位于井下的所述至少一个控制器(224)被配置成实现下列各项中的至少一项：获得所述第一钻井特性；获得所述第二钻井特性；以及调节所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)的所述至少一个可调元件。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)是钻头、扩孔钻(251)或稳定器中的一者，并且/或者所述第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)是钻头、扩孔钻(251)或稳定器中的一者。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述钻柱(20，400，500，600，700，800，900)还包括与所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)和所述第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)分开定位的第三钻井操作装置(402，406，506，606，704，706，806，902，904，906，1106)，所述方法还包括：
在所述控制系统处获得与所述第三钻井操作装置(402，406，506，606，704，706，806，902，904，906，1106)相关联的第三钻井特性，其中所述第一钻井操作装置和所述第二钻井操作装置中的至少一者的所述至少一个可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)的所述调节基于所获得的第一钻井特性、第二钻井特性和第三钻井特性中的至少一者。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述控制系统以电的方式控制所述第一钻井操作装置和所述第二钻井操作装置中的至少一者的所述至少一个可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)的调节。
6.根据权利要求1或2所述的方法，还包括调节所述第一钻井操作装置和所述第二钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102，404，504，604，704，804，1104)中的每一者的至少一个可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)。
7.根据权利要求2所述的方法，其中位于井下的所述至少一个控制器(224)是所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)的一部分。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一钻井操作装置和所述第二钻井操作装置中的至少一者的所述至少一个可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)是刀具、切削元件(306，306a，306b，306c)、切削刀片、稳定刀片或稳定垫中的一者。
9.一种用于在井下操作中自动调节钻井特性的系统，所述系统包括：
钻柱(20，400，500，600，700，800，900)，所述钻柱具有：
第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)，所述第一钻井操作装置具有第一传感器(1108)和可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)，所述第一传感器(1108)被布置成检测与所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)相关联的第一钻井特性；和
第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)，所述第二钻井操作装置沿着所述钻柱(20，400，500，600，700，800，900)与所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)分开定位，并且具有被布置成检测与所述第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)相关联的第二钻井特性的第二传感器(1118)；和
控制系统，所述控制系统至少部分地位于所述钻柱(20，400，500，600，700，800，900)内并且被配置成：
从所述第一传感器(1108)获得与第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)相关联的所述第一钻井特性；
从所述第二传感器(1118)获得与第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)相关联的所述第二钻井特性；以及
响应于所获得的第一钻井特性和第二钻井特性中的至少一者，控制所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)的所述可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)，其中所述第一钻井操作装置的所述可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)的调节引起所述第一钻井特性和所述第二钻井特性中的至少一者的变化；
其中所述控制系统包括第一控制器和第二控制器，所述第一控制器是所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)的一部分，并且第二控制器是所述第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)的一部分，其中响应于所获得的第一钻井特性和第二钻井特性中的至少一者，所述第二控制器控制所述第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)的可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)，其中所述第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)的所述可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)的调节引起所述第二钻井特性的变化。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述控制系统包括位于井下的至少一个控制器(224)，位于井下的所述至少一个控制器(224)被配置成实现下列各项中的至少一项：获得所述第一钻井特性；获得所述第二钻井特性；以及调节所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)的所述可调元件。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其中所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)是钻头、扩孔钻(251)或稳定器中的一者，并且/或者所述第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)是钻头、扩孔钻(251)或稳定器中的一者。
12.根据权利要求9或10所述的系统，其中所述钻柱(20，400，500，600，700，800，900)还包括与所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)和所述第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)分开定位的第三钻井操作装置(402，406，506，606，704，706，806，902，904，906，1106)，所述控制器(224)还被配置成：
在所述控制系统处获得与所述第三钻井操作装置(402，406，506，606，704，706，806，902，904，906，1106)相关联的第三钻井特性，其中所述第一钻井操作装置和所述第二钻井操作装置中的至少一者的所述可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)的所述调节基于所获得的第一钻井特性、第二钻井特性和第三钻井特性中的至少一者。
13.根据权利要求9或10所述的系统，其中所述控制系统包括与所述第一钻井操作装置(402，502，602，702，802，1102)相关联的第一控制元件、与所述第二钻井操作装置(404，504，604，704，804，1104)相关联的第二控制元件、以及地面控制元件中的至少一者。
14.根据权利要求9或10所述的系统，其中驱动机构可操作地连接在所述控制系统的一部分与所述第一钻井操作装置和所述第二钻井操作装置中的至少一者的所述可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)之间。
15.根据权利要求9或10所述的系统，其中所述第一钻井操作装置和所述第二钻井操作装置中的至少一者的所述可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)相对于所述钻柱(20，400，500，600，700，800，900)的角度或相对于所述钻柱(20，400，500，600，700，800，900)的延伸度是可调节的。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一钻井操作装置和所述第二钻井操作装置中的至少一者的所述可调元件(918，920，922，924，1128，1130，1132)是刀具、切削元件(306，306a，306b，306c)、切削刀片、稳定刀片或稳定垫中的一者。
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