CN111373115A - 钻具接头定位 - Google Patents

Abstract

提供了一种自动定位起下钻装置(24)的技术和系统。系统可以包括被配置为检测传感器(84)附近的物体并生成指示检测到的物体的信号的传感器(84)。该系统还可以包括处理设备(70)，其被配置为：处理指示检测到的物体的信号以确定检测到的物体的位置；获取与管状段(44)的物理特性有关的信息；以及基于该检测到的物体的位置和该管状段(44)的物理特性，计算该管状段(44)的连接点的位置的指示。

Description

钻具接头定位

相关申请的交叉引用

本申请是非临时申请，其要求于2017年9月14日提交的标题为“钻杆具接头定位(Tool Joint Positioning)”的美国临时专利申请No.62/558,758的优先权，其通过引用的方式将其合并于此。

背景技术

该部分旨在向读者介绍可能与本公开的各个方面有关的本领域的各个方面，下面将对其进行描述和/或要求保护。相信该讨论有助于向读者提供背景信息，以有助于更好地理解本公开的各个方面。因此，应该理解的是，应从该角度来阅读这些陈述，而不是作为对现有技术的承认。

石油工业的进步已经允许到达以前由于技术限制而不可到达的油气钻探位置和储层。例如，技术的进步允许在水深不断增加并且日益恶劣的环境中钻探海上油井，从而使石油和天然气资源所有者能够成功钻探原本无法获得的能源。同样，钻探技术的进步也使得可以越来越多的到达陆上储层。

在为到达这些储层而进行的钻探中所花费的大部分时间都浪费在“非生产时间”(NPT)上，该“非生产时间”花费在进行不增加井深但是可能占很大一部分成本的活动上。例如，当将钻杆从井中先前钻出的部分中拉出或放下时，通常将其称为“起下钻(tripping)”。因此，下钻可包括将钻杆下放到井中(例如，下钻或RIH)，而起钻可包括将钻杆从井中拉出(起钻或POOH)。可以执行起下钻操作，以例如安装新的套管、在钻头磨损时更换钻头、清洁和/或处理钻杆和/或井筒以便进行更有效的钻探、操作在执行油井建设计划中某些时间所需的特定工作的各种钻杆，等等。另外，起下钻操作可能需要断开(拆卸)或连接(上紧)大量螺纹管接头。当前，该过程包括由操作员进行目视检查以定位接缝(例如，管段之间的断点)，并且还可以包括人工将接缝的位置微调到合适的位置，从而可以进行起下钻操作。

附图说明

图1示出了根据实施例的具有与防喷器(BOP)相连的立管的海上平台的示例；

图2示出了根据实施例的如图1所示的钻机的正视图；

图2A示出了根据实施例的图2的起下钻装置的正视图；

图3示出了根据实施例的图2的计算系统的框图；以及

图4示出了根据实施例的与管柱探测系统结合使用的流程图；

图5示出了根据实施例的如图1所示的第二钻机的正视图；

图6示出了根据实施例的图5的可移动平台的等距视图；以及

图7示出了根据实施例的包括图5的起下钻装置的系统的正视图。

具体实施方式

下面将描述一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简要描述，可能未在说明书中描述实际实施例的所有特征。应当理解，在任何此类实际实现的开发中，如在任何工程或设计项目中，都必须做出许多特定于实现的决策，以实现开发人员的特定目标，例如遵守与系统相关和与业务相关的约束，这可能因不同实现而异。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员而言，这仍将是设计、加工和制造的例行工作。

当介绍各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着除所列要素之外可能还有其他要素。

本发明的实施例针对用于检测各个管状段(例如，在石油和天然气应用中使用的那些管状段)之间的连接点的组件、系统和技术(例如，位置确定系统)。可以通过使用一个或多个传感器和处理器的一组硬件以及一组一个或多个软件程序(例如，被配置为由处理器执行的指令，其中指令存储在有形的、非暂时性的计算机可读介质上，例如存储器)来完成对连接点的检测，其中，硬件和程序可以共同操作以确定管状段之间连接点的精确位置。

另外，在一些实施例中，例如，软件程序可以与硬件组件(例如，一个或多个处理器和传感器)结合使用，以访问与管状构件有关的所存储的信息，以生成两个管状段之间的连接点(例如，钻具接头连接，其通常具有比相应的管状构件更大的直径，并且包括管状构件的公销连接器，其可连接到另一管状构件上的母形盒连接器)的位置。例如，可以使用存储的有关管状段的信息(例如，各个管状段的长度)和管柱(该管柱包括管状段)的当前位置，来计算钻具接缝(例如，针式连接器和盒式连接器的连接位置)，该当前位置通过对管状段位置的一次或多次间接测量(例如，通过对支撑管柱的绞车的一部分的测量)而确定。在一些实施例中，可基于计算出的钻具接缝来控制一个或多个卡瓦(slip)的启动以固定管状段中的一个，以允许管状段的附接或分离。通过计算管状段之间的连接点的正确位置，可以便于连续的起下钻过程，这是因为可以避免用于连接点的hunt和peck方法。

考虑到前述，图1示出了作为钻井船的海上平台10。尽管目前示出的海上平台10的实施例是钻井船(例如，配备有钻井系统并从事海上油气勘探和/或井维护或完成以下工作：包括但不限于套管和油管安装、水下采油树安装以及油井封盖)、其他海上平台10(例如，半潜平台、自升式钻井平台、单柱式平台、浮动生产系统等)可以代替钻井船。实际上，尽管结合钻井船描述了以下描述的技术和系统，但是该技术和系统旨在至少覆盖上述的另外的海上平台10。同样地，尽管在图1中示出并描述了海上平台10，但是本文所述的技术和系统也可以应用并被使用于陆上(例如，基于陆地的)钻井活动。这些技术还可以至少应用于垂直钻探或生产作业(例如，使钻机在基本垂直的方向上钻探或从基本上垂直的井中生产)和/或定向钻探或生产作业(例如，使钻机在基本垂直的方向上钻探或从基本上非垂直或倾斜的井中生产，或使钻机在与垂直方向成一定角度钻探或从基本上非垂直或倾斜的井中生产)。

如图1所示，海上平台10包括从平台延伸的立管柱12。立管柱12可包括一个或一组杆，其通过例如防喷器(BOP)16将海上平台10连接至海底14，其中BOP 16连接至海底14上的井口18。在一些实施例中，立管柱12可以在海上平台10和井口18之间运输生产的碳氢化合物和/或生产的材料，而BOP 16可以包括至少一个BOP组，该BOP组具有至少一个阀以控制井眼流体流动，阀具有密封元件。在一些实施例中，立管柱12可以穿过海上平台10中的开口(例如，月池)，并且可以连接至海上平台10的钻井设备。如图1所示，可能希望使立管柱12以竖直方向位于井口18和海上平台10之间，以允许由钻杆20构成的钻柱从海上平台10穿过BOP 16和井口18并进入井口18下方的井眼中。图1中还示出了钻机22(例如，钻探组件等)，其可用于对井口18下方的井眼进行钻探和/或维修。

在与本公开的实施例一致的下钻操作中，如图2所示，起下钻装置24位于井眼28(例如，井的钻孔或井眼，如图2所示，其在陆上钻探作业中可以靠近钻台26，或者结合图1，其可以位于井口18下方)上方的钻机22中的钻台26上。钻机22可以包括以下中的一项或多项：例如，起下钻装置24、位于转盘32中的钻台卡瓦30、绞车34、天车35、游动滑车36、顶部驱动器38、升降机40、管状件操纵装置42。起下钻装置24可用于连接或分离管状段(例如，钻杆20与钻柱连接或与钻柱分离)，而钻台卡瓦30可用于卡住并保持钻杆20和/或钻柱进入井眼28。转盘32可以是钻台26的可旋转部分，其可用于作为主旋转系统或备用旋转系统(例如，顶部驱动器38的备用系统)向钻柱施加旋转。

绞车34可以是大型线轴，其被驱动以使钻井用钢丝绳37(例如，钢缆)在天车35(例如，垂直固定的一组一个或多个滑轮或槽轮，其中钻井用钢丝绳穿过该滑轮或槽轮)和游动滑车(例如，可垂直移动的一组一个或多个滑轮或槽轮，其中钻井用钢丝绳穿过该滑轮或槽轮)上伸缩，以用作顶部驱动器38、升降机40以及连接到其上的任何管状构件(例如，钻杆20)的运动的滑轮组系统。顶部驱动器38可以是向作为转盘32的替代的钻柱提供扭矩(例如旋转)的装置，并且升降机40可以是可以围住钻杆20或其他管状构件(或类似部件)的机构以在钻杆20或其他管状构件垂直移动时(例如，降到井眼28中或从井眼28中升起)夹住并保持钻杆20或其他管状构件。管状件操纵装置42可用于在下钻期间从存储位置43(例如，钻杆立根(pipe stand))取回管状构件，并定位管状构件以帮助将管状构件添加到管状柱。类似的，管状件操纵装置42用于在起钻期间从管状柱上取回管状构件并将管状构件转移到存储位置43(例如，钻杆立根)以从管柱上移除管状构件。

在起下钻操作期间，管状件操纵装置42可以定位第一管状段44(例如，第一钻杆20或另一个管状构件)，以使得段44可以被升降机40抓住。例如，可以通过滑轮组系统使升降机40朝向要连接至作为钻柱的一部分的第二管状段46(例如，第二钻杆20)的起下钻装置24下降。如图2A所示，起下钻装置24可包括起下钻卡瓦48，起下钻卡瓦48包括接合并保持段46的虎钳口50和用于提供力以致动虎钳口50的施力环52。当管柱与滑轮组系统断开连接时，起下钻卡瓦48从而被致动以抓住并支撑段，并且相应的，起下钻卡瓦48抓住并支撑相关的管柱(例如，钻柱)。起下钻卡瓦48可以通过液压、电动、气动或通过任何类似的技术来致动。

起下钻装置24还可包括钻工(roughneck)54，其可用于选择性地在管柱中的管段44和46之间上紧和断开螺纹连接。在一些实施例中，钻工54可包括一个或多个固定钳口56、上紧/断开钳口58和旋转器60。在一些实施例中，固定钳口56可被定位成接合第二(下部)管状段46并将其保持在其螺纹接头62的下方。通过这种方式，当第一(上部)管状段44与第二管状段46在起下钻装置24中同轴定位时，可将第二管状段46保持在固定位置以便能够将第一管状段44和第二管状段46连接(例如，通过第二管状段46的螺纹接头62和第一管状段44的螺纹接头64的连接)。

为了便于这种连接，旋转器60和上紧/断开钳口58可以提供旋转扭矩。例如，在建立连接时，旋转器60可接合第一管状段44，并向第一管状段44提供相对高速、低扭矩的旋转，以将第一段44连接至第二段46。同样的，上紧/断开钳口58可以接合第一段44，并且可以向第一管状段44提供相对低速、高转矩的旋转，以例如在管状段44和46之间提供刚性连接。另外，在断开连接时，上紧/断开钳口58可接合第一管状段44并在第一管状段44上施加相对低速、高扭矩旋转，以断开刚性连接。之后，旋转器60可向第一管状段44提供相对高速、低扭矩的旋转，以使第一段44与第二段46断开连接。

在一些实施例中，钻工54可以进一步包括泥浆桶66，其可用于收集钻井液，否则，在例如断开操作期间可能会释放钻井液。通过这种方式，泥浆桶66可用于防止钻井液溢出到钻台26上。在一些实施例中，泥浆桶66可以包括一个或多个密封件和排水管道，该密封件在流体密封泥浆桶66提供帮助，排水管道操作以允许使容纳在泥浆桶66内的钻井液返回到钻井液储存器。

返回到图2，起下钻装置24可相对于钻台26移动(例如，朝向和远离钻台26移动)，并且在一些实施例中，可相对于起下钻卡瓦48移动。在其他实施例中，当钻机的朝向与垂直对准成一角度从而分别从基本上非垂直或倾斜的井中钻探或生产时，起下钻装置24可以与倾斜井作业一起沿钻机的方向朝着和远离钻台26移动。可以通过使用液压活塞、千斤顶螺钉、齿条和小齿轮、钢缆和滑轮、线性致动器等沿着一个或多个支撑元件68运动来实现起下钻装置24的运动。这种运动可以在上紧/断开操作期间(例如，在下钻或起钻期间)有利地帮助钻工54处于合适的位置。

在一些实施例中，使起下钻装置24运动到位(无论是与连续起下钻操作相结合，其中在连续起下钻操作中，在上紧或断开管状段44和46时，管状段44和46朝着或远离钻台26移动；还是与静态起下钻操作相结合，其中在静态起下钻操作中，当上紧或断开管状段44和46时，管状段44和46相对于钻台26仍保持在静态位置)，可能需要使用hunt和peck技术找到管状段44和46之间的接缝或它们的连接点，以使得钻工54能够拉出或放下管状段44和46。然而，改为使用本技术和一个或多个系统来确定管状段44和46的接缝或连接点的位置，使得起下钻装置24可以移动到正确的位置，以利于上紧或断开(例如，起下钻)操作，可能是有利的。

为了便于确定将起下钻装置24移至何处以及何时移入位置(例如，钻具接头识别)，计算系统70可以存在并且可用于控制何时将起下钻装置24移入位置，以基于确定的或计算的例如管状段44和46的接缝或连接点的位置来执行起下钻操作。在一些实施例中，计算系统70可以通信地耦合到单独的主控系统72，例如，司钻室中的控制系统，其可以提供用于钻探控制、自动钻杆操纵控制等的集中控制系统。在其他实施例中，计算系统可以是主控系统72(例如，位于司钻室中的控制系统)的一部分。

图3示出了计算系统70。应该注意的是，计算系统70可以是独立单元(例如，控制监视器)，其与一个或多个传感器结合操作(例如，以形成控制系统)，传感器用于提供输入，例如由计算系统使用该输入来确定管状段44和46的接缝或连接点的位置。类似地，计算系统70可以被配置为与一个或多个起下钻装置24和/或管状件操纵装置42结合而操作。

计算系统70可以是通用或专用计算机，其包括处理设备74，例如一个或多个专用集成电路(ASIC)、一个或多个处理器或其他处理设备，该其他处理设备与计算系统70的一个或多个有形、非暂时性机器可读介质(例如，存储器76)交互，该机器可读介质可用于集中地存储可由处理设备74执行以执行本文所述的方法和动作的指令。举例来说，该机器可读介质可以包括RAM，ROM，EPROM，EEPROM，CD-ROM或其他光盘存储，磁盘存储或其他磁性存储设备，或可用于承载或存储所需的程序代码的任何其他介质，该程序代码的形式是机器可执行指令或数据结构的形式并且可由处理设备74访问。在一些实施例中，处理设备74可执行的指令用于生成例如要发送的控制信号，例如，将控制信号发送至一个或多个起下钻装置24(例如，钻工54和/或一个或多个固定钳口56、上紧/断开钳口58和旋转器60)、管状件操纵装置42、和/或主控系统72(例如，以用于控制起下钻装置24、钻工54、固定钳口56、上紧/断开钳口58、旋转器60、和/或管状件操纵装置42)，以根据本文描述的方式操作。

计算系统70可以与实现为存储在计算系统70的非暂时性机器可读介质(例如，存储器76、硬盘驱动器或其他短期和/或长期储存)中的计算机可执行指令的软件系统一起操作。特别地，处理设备74可以与实现为存储在计算系统70的非暂时性机器可读介质(例如，存储器76)中的计算机可执行指令(例如，代码)的软件系统一起操作，可以执行该软件可执行指令以接收与一个或多个管状特性(例如，长度或类似的测量值)有关的信号或数据，以及接收当涉及起下钻操作时的管状位置或方位、绞车34的一部分属性、绞车34的操作参数、和/或游动滑车36、顶部驱动器38、升降机40的位置和/或方位信息。该信息可由计算系统70使用(例如，由执行存储在存储器76中的计算机可执行指令的处理设备74使用)，以生成或以其他方式计算确定的管状段44和46的接缝或连接点的位置。另外，该确定的位置可以用于启动或控制起下钻装置24移动到适当位置，以便于计算系统70、主控系统72或起下钻装置24的另一个本地控制器执行上紧或断开(例如，起下钻)操作。

在一些实施例中，计算系统70还可包括一个或多个输入结构78(例如，小键盘、鼠标、触摸板、触摸屏、一个或多个开关、按钮等中的一个或多个)以允许用户与计算系统70进行交互，例如，启动、控制或操作在计算系统70上运行的图形用户界面(GUI)或应用程序，和/或启动、控制或操作起下钻装置24(例如，钻工54和/或一个或多个固定钳口56、上紧/断开钳口58和旋转器60)、管状件操纵装置42或钻机22的其他系统。另外，计算系统70可以包括显示器80，显示器80可以是液晶显示器(LCD)或另一种类型的显示器，其允许用户查看由计算系统70生成的图像。显示器80可以包括触摸屏，其可以允许用户与计算系统70的GUI交互。同样的，计算系统70可以额外和/或替代地将图像传输到主控系统72的显示器，该主控系统本身也可以包括处理设备74、非暂时性机器可读介质(例如，存储器76)、一个或多个输入结构78、显示器80和/或网络接口82。

返回到计算系统70，可以理解，GUI可以是一种用户界面，其允许用户与计算系统70进行交互，和/或与计算系统70以及通过例如图形图标、视觉指示符等将数据发送至计算系统的一个或多个传感器进行交互。另外，计算系统70可以包括网络接口82，以允许计算系统70与各种其他设备(例如，电子设备)对接。网络接口82可以包括蓝牙接口、局域网(LAN)或无线局域网(WLAN)接口、以太网或基于以太网的接口(例如，Modbus TCP、EtherCAT和/或ProfiNET)、现场总线通信接口(例如Profibus)、和/或可以耦合到无线网络、有线网络或其组合的其他工业协议接口中的一个或多个，其中，该无线网络、有线网络或其组合可以使用例如多点和/或星形拓扑，每个网络分支都被多点拓扑到减少的节点数量。

在一些实施例中，起下钻装置24(和/或与其相关联的控制器或控制系统)、管状件操纵装置42(和/或与其相关联的控制器或控制系统)、钻机22的传感器和/或主控系统72中的一个或多个可以分别是可以耦合到网络接口82的设备。在一些实施例中，经由一个或多个上述设备的互连形成的网络应用于提供足够的带宽以及足够低的等待时间，以在与网络和/或其中的相关设备的所有控制序列和闭环控制功能的任何动态响应要求一致的时间段内交换所有所需数据。对于网络而言，确定序列响应时间和闭环性能也可能是有利的，网络组件应能够在油田/钻井船环境中使用(例如，应允许坚固的物理和电气特性与其各自的操作环境相一致，该操作环境包括但不限于承受静电放电(ESD)事件和其他威胁，以及满足设置有网络组件的相应环境中的对任何电磁兼容性(EMC)的要求)。所使用的网络还可以提供足够的数据保护和/或数据冗余，以确保网络的运行不会受到例如数据损坏的损害(例如，通过使用错误检测和纠正或错误控制技术来消除或减少传输的网络信号和/或数据中的错误)。

返回到图2，可以结合钻机22提供一个或多个传感器84和86。在一些实施例中，可以结合上紧(例如，下钻)和断开(流入，起钻)操作来使用一个或多个传感器84或86。可替代地，可以结合起钻和下钻操作中的一种或两种操作来一起使用两组传感器84和86。在一个实施例中，传感器84和86可以包括但不限于照相机(例如，高帧率照相机)、激光器(例如，多维激光器)、换能器(例如，超声换能器)、电或磁特性传感器(例如，可以测量/推断电容、电感、磁性等的传感器)、化学传感器、冶金检测传感器等。在一些实施例中，一个或多个传感器84可以是接近传感器(例如，感应、磁性、光学、超声波传感器等)，以在不与物体物理接触的情况下检测物体(例如，钻杆20、顶部驱动器38、升降机40、钻杆20的螺纹接头62或钻杆20的螺纹接头64)的存在。这可以通过发射电磁信号并监视返回信号或发射电磁场并监视电场的变化来实现。如图所示，传感器84可以设置在钻机22的井架87上，而传感器86可以设置在绞车34的内部或附近。但是，可以采用钻机22上的替代位置。

在一些实施例中，当物体通过传感器84时，传感器84可以生成指示检测到的物体(例如，钻杆20、顶部驱动器38、升降机40、钻杆20的螺纹接头62、钻杆20的螺纹接头64)的信号，并且传感器84可以将指示检测到的物体的信号发送(无线地或通过物理连接)到计算系统70。计算系统70可以使用该信号来确定物体的位置，这是因为传感器84的位置可以存储在计算系统70中，并且可以基于对物体的检测来计算物体的位置。

当物体通过一个或多个附加传感器84时，一个或多个附加传感器84可以生成指示检测到的物体(例如，钻杆20、顶部驱动器38、升降机40、钻杆20的螺纹接头62、钻杆20的螺纹接头64)的相应信号。一个或多个附加传感器84可以各自将生成指示检测到的物体的相应信号发送(无线地或通过物理连接)到计算系统70。计算系统70可以使用该信号来确定物体的位置，这是因为发送信号的传感器84的位置可以存储在计算系统70中，并且可以基于对物体的检测(例如，基于从特定传感器84接收到的信号)来计算物体的位置。另外，计算系统70能够基于与时间有关的一个或多个位置计算来计算物体的速度(例如，计算系统70能够基于计算的其在第一时刻的位置和计算的其在第二时刻的位置来计算物体的速度)。

在一些实施例中，一个或多个传感器86也可以是接近传感器(例如，诸如光学编码器、磁速度传感器、反射传感器或霍尔效应传感器之类的旋转传感器)，以检测绞车的操作特性34(例如，滚筒的旋转、滚筒的速度等)。在一些实施例中，一个或多个传感器86可以生成指示绞车34的操作特性的信号，并且可以将指示绞车34的操作特性的信号发送(无线地或经由物理连接)到计算系统70。计算系统70可以使用该信号来确定物体(例如，钻杆20、顶部驱动器38、升降机40、钻杆20的螺纹接头62、钻杆20的螺纹接头64)的位置，这是因为物体的位置可能与绞车34的操作直接相关(例如，滚筒的旋转量导致钻井用钢丝绳37从绞车34延伸，其限定了悬挂在滑轮组系统的物体的位置)。所确定的物体位置例如可以用于基于例如确定或计算的管状段44和46的接缝或连接点的位置，来确定和/或控制将起下钻装置24移至何处以及何时移入位置(例如，钻杆接头识别)以执行起下钻操作。

图4示出了详细描述检测系统的操作的流程图88，其可以包括使用与传感器84和86中的一个或多个一起操作的计算系统70。请注意，将以利用一个或多个传感器84来讨论该操作。然而，该操作可取而代之地利用一个或多个传感器84和86或一个或多个传感器86，这取决于例如进行的起下钻操作、待检测的管柱的偏差类型、和/或基于其他因素。

在步骤90中，可以接收和/或计算关于要用于形成管柱(例如，钻柱)的管状构件(例如，钻杆20)的初始信息。该初始信息可以包括管状构件的特性，例如，每个相应的管状构件的总长度的测量值、每个相应的管状构件的销连接器和/或盒形连接器的长度的测量值、和/或要连接和/或断开相应的管状构件以形成或拆卸管状柱的顺序。在一些实施例中，可以由计算系统70基于来自于邻近于存储位置43(例如，钻杆立根)的一个或多个传感器(例如，光学传感器等)的且发送到计算系统70的输入(接收到的信号)来计算关于管状构件的初始信息。在其他实施例中，可以将管状构件的测量值和/或顺序直接输入到计算系统。初始信息还可以包括与例如升降机40的底部与管状段(例如，管状段44或46)的连接部分之间的距离有关的信息。

在步骤92中，当物体通过一个或多个传感器84时，一个或多个传感器84可以生成指示检测到的物体(例如，钻杆20、顶部驱动器38、升降机40、钻杆20的螺纹接头62、钻杆20的螺纹接头64)的信号，并且一个或多个传感器84可以发送指示检测到的物体的信号以由计算系统70接收。可选的或可替换的，在步骤92中，一个或多个传感器86可以生成指示绞车34的操作特性的信号(例如，导致钻井用钢丝绳37从绞车34延伸的滚筒的旋转量)，并且可以发送指示绞车34的操作特性的信号以由计算系统70接收。

在步骤94中，可以将在步骤92中接收的信号与步骤90的初始信息结合使用，以计算管状段44和46的接缝(例如，钻杆接缝)或连接点的位置。例如，计算系统70可以使用在步骤92中接收的信号，基于用于生成该信号的传感器84的位置信息、和/或基于绞车34的操作信息(例如，导致钻井用钢丝绳37从绞车34延伸的滚筒的旋转量，其限定了悬挂在滑轮组系统的物体的位置)，确定物体(例如，钻杆20、顶部驱动器38、升降机40、钻杆20的螺纹接头62、钻杆20的螺纹接头64)的位置。为了讨论的目的，物体为升降机40，但是应当理解，物体可以是钻杆20、顶部驱动器38、升降机40、钻杆20的螺纹接头62、钻杆20的螺纹接头64、或管状构件或与其相关的定位设备的其他相关物理特性中的任意一个。

在步骤94中，计算系统70(例如，处理设备74或与实现为存储在计算系统70的非暂时性机器可读介质(例如，存储器76)中的计算机可执行指令的、可以执行的软件系统结合操作的处理设备74)可以应用与一个或多个管状特征(例如，长度或类似的测量值)有关的初始信息和升降机40的位置。在一些实施例中，管状构件(例如，管状段44和46)的长度和/或管状构件的连接部分的长度(例如，每个相应管状构件的销连接器和/或盒形连接器的长度，以及钻具接头及其相应的接缝的位置)可能会有所不同。处理设备74或与软件系统结合操作的处理设备74可以基于升降机40支撑的管状构件(例如，管状段44)附接到管柱/从管柱拆卸的顺序，获取该管状构件的已知物理属性(例如，诸如长度的测量的特性)。处理设备74或与软件系统结合操作的处理设备74还可以基于在步骤92中接收到的信息来获取和/或计算物体(例如，升降机40)的位置。通过这种方式，处理设备74或与软件系统结合操作的处理设备74可以结合使用物体(例如，升降机40)的位置和物理属性，来在没有直接测量或感测连接点的情况下，确定连接点的精确位置(例如，钻杆接头的接缝或诸如管状段44的管状构件的连接点)。

在步骤96中，可以利用确定的连接点(例如，钻具接头的接缝或管状构件(例如，管状段44)的连接点)的位置来生成计算系统70的输出信号。在一些实施例中，该输出信号可以是计算系统70外部的控制器要使用的连接点的位置的指示，并且可以用于确定和/或控制将起下钻装置24移至何处以及何时移入位置(例如，钻杆接头识别)以执行起下钻操作。附加地或替代地，生成的输出信号可以用作控制信号，该控制信号用于启动一个或多个卡瓦30和/或48以固定其中的一个管状段(例如，管状段44)，使得计算出的其钻具接缝位置将处于使下钻装置24在其上操作的合适高度。在一些实施例中，生成的输出信号可以与一个或多个卡瓦30和/或48的启动、和/或确定和/或控制将起下钻装置24移至何处以及何时移入位置以执行起下钻操作相结合，和/或与之独立，使得例如在显示器80上显示图像。

在步骤98中，计算系统70可以应用由计算系统70生成的输出信号。例如，计算系统70(例如，处理设备74或与实现为存储在计算系统70的非暂时性机器可读介质(例如，存储器76)中的计算机可执行指令的、可以执行的软件系统结合操作的处理设备74)可以作为控制系统本身运行，以便发送基于步骤96的输出信号的或者作为步骤96的输出信号的控制信号，以控制将起下钻装置24移至何处以及何时移入位置(例如，钻杆接头识别)以执行起下钻操作。附加地或可替代地，计算系统70可以本身作为控制系统来操作，以便发送基于步骤96的输出信号的或者作为步骤96的输出信号的控制信号，以控制一个或多个卡瓦30和/或48的启动以固定其中的一个管状段(例如，管状段44)，使得计算出的其钻杆接缝位置将处于使起下钻装置24执行起下钻操作的合适高度。同样的，外部控制系统可以代替地从计算系统70接收步骤96的输出信号，并使用该输出信号来控制将起下钻装置24移至何处以及何时移入位置(例如，钻杆接头识别)以执行起下钻操作，和/或控制启动一个或多个卡瓦30和/或48，以固定其中的一个管状段(例如，管状段44)，使得计算出的其钻杆接缝位置将处于使起下钻装置24执行起下钻操作的合适高度。

图5示出了与本公开的实施例一致的可以在起下钻操作中使用的钻机100的另一实施例。如图所示，将起下钻装置24示出为位于井眼(例如，井的钻孔或井眼，其可以紧邻钻台26，或者结合图1所示其可以位于井口18下方)上方的钻机100中的钻台26的上方。然而，如将在下面更详细地讨论的，在起下钻操作期间，起下钻装置24可以朝向和远离钻台26移动。如图所示，钻机100可以包括以下中的一个或多个：例如，起下钻装置24、可移动平台102(其可以包括如图6所示的位于转盘32中的钻台卡瓦30)、绞车34、天车35、游动滑车36、顶部驱动器38、升降机40、和管状件操纵装置42。起下钻装置24可用于连接和分离管状段44和46(例如，将钻杆20连接到钻柱以及将钻杆20与钻柱分离，而钻台卡瓦30可用于上紧并保持钻杆20和/或钻柱进入井眼。转盘32可以是可旋转的部分，其可以锁定在与钻台26共面和/或位于钻台26的上方的位置。转盘32可以例如用于将旋转施加给作为主要或备用旋转系统(例如，顶部驱动器38的备用系统)的钻柱，以及例如在起下钻操作期间利用它的钻台卡瓦30支撑管状段(例如，管状段46)。

绞车34可以是大型线轴，其被驱动以使钻井用钢丝绳37(例如，钢缆)在天车35(例如，垂直固定的一组一个或多个滑轮或槽轮，其中钻井用钢丝绳穿过该滑轮或槽轮)和游动滑车(例如，可垂直移动的一组一个或多个滑轮或槽轮，其中钻井用钢丝绳穿过该滑轮或槽轮)上伸缩，以用作顶部驱动器38、升降机40以及连接到其上的任何管状构件(例如，钻杆20)的运动的滑轮组系统。在一些实施例中，可以将顶部驱动器38和/或升降机40称为管状支撑系统，或者管状支撑系统也可以包括上述滑轮系统。

顶部驱动器38可以是向作为转盘32的替代的钻柱提供扭矩(例如旋转)的装置，并且升降机40可以是可以围住钻杆20或其他管状段44和46(或类似部件)的机构，以在那些管状段垂直移动时(例如，降到井眼中或从井眼中升起)或者按某个方向移动时(例如，在倾斜钻探期间)，夹住并保持钻杆20或其他管状段44和46。管状件操纵装置42可用于在下钻期间从存储位置43(例如，钻杆立根)取回管状构件，并定位管状构件以帮助将管状构件添加到管状柱。类似的，管状件操纵装置42可用于在起钻期间从管状柱上取回管状构件44并将管状构件44转移到存储位置43(例如，钻杆立根)以从管柱上移除管状构件44。

在起下钻操作期间，管状件操纵装置42可以定位管状段44(例如，钻杆20)，以使得段44可以被升降机40抓住。例如，可以通过滑轮组系统使升降机40朝向要连接至作为钻柱的一部分的管状段46(例如，钻杆20)的起下钻装置24下降。在一些实施例中，在起下钻操作期间，起下钻装置24可以如上文结合图2所讨论的那样操作。然而，除了起下钻装置24的操作之外，还可以通过包括可移动平台102，来便于和/或加速连续的起下钻操作(升起或放下管状段44和46，而无需在固定位置停止管柱的移动)。

可移动平台102可以通过缆索和槽轮装置(例如，类似于用于顶部驱动器38的移动的滑轮系统)升高和降低，该缆索和槽轮装置可以包括位于钻台26上或海上平台10或钻机22的其他地方的绞盘或其他绞车元件。绞盘或其他绞车元件可以是线轴，其被驱动以使线(例如，钢缆)在天车(例如，一组固定的一个或多个滑轮或槽轮，其中线37穿过该滑轮或槽轮)和游动滑车(例如，一组可移动的一个或多个滑轮或槽轮，其中线37穿过该滑轮或槽轮)上伸缩，以用作可移动平台102、以及由此其中的转盘32和其上的起下钻装置24的运动的滑轮组系统。附加地和/或可替代地，将直动缸、悬挂式绞盘和缆绳系统机构设置成使得可移动平台102在悬挂式绞盘和缆绳系统及钻台26、或者类似的内部或外部致动系统之间，其可用于沿着支撑元件68移动可移动平台102。

在一些实施例中，支撑元件68可以是一个或多个引导机构(例如，诸如顶部驱动钻车轨道的导轨)，其向可移动平台102提供支撑(例如，侧向支撑)，同时允许朝向或远离钻台26移动。另外，如图6所示，一个或多个侧向支撑件104可用于将可移动平台102连接至支撑元件68。例如，侧向支撑件104可以是例如可由聚四氟乙烯-石墨材料或使得可移动平台102可以相对于钻台26和/或摩擦特性较低的管状段支撑系统移动的另一种低摩擦材料(例如，复合材料)制成的垫。除上述垫之外，或代替上述垫，可利用包括轴承或辊式支撑件(例如，钢或其他金属或复合辊和/或轴承)的其他侧向支撑件104。侧向支撑件104可允许可移动平台102与支撑元件68(例如，诸如顶部驱动钻车轨道的导轨)接合，使得可移动平台102可移动地连接至支撑元件68。因此，可移动平台102可以可移动地连接至支撑元件68，以允许可移动平台102在起下钻操作(例如，连续的起下钻操作)期间移动(例如，朝向和远离钻台26和/或管状段支撑系统，同时保持与导轨或其他支撑元件68的接触)。

如图6进一步所示，可移动平台102可具有导销106或类似装置，以在可移动平台102移入和移出钻台26时(例如，移入与钻台2平面的位置或升高到钻台26上方)提供粗略和精细对准。另外，例如，当起下钻操作完成或不需要起下钻操作时，可采用一个或多个锁定机构108将可移动平台102相对于钻台26固定在期望的位置。在该固定位置，转盘32可以与顶部驱动器38结合操作和/或作为顶部驱动器38的备用系统操作。锁定机构108可以是自动的(例如，可控制的)，这样可以在没有人为基础的情况下对其进行致动(例如，控制信号可以使销或其他锁定机构与钻台26和可移动平台102之间的孔接合)。可以预见的是，锁定机构将与钻台26或钻台下方的元件接合(如果可移动平台102被锁定在与钻台26平面的位置)。

参考图5，计算系统70可以存在，并且可以与起下钻装置24、可移动平台102、用于移动起下钻装置24的致动系统、和/或用于移动可移动平台102的致动系统中的一个或多个一起操作。该计算系统70还可用于控制管状段支撑系统和/或管状件操纵装置42中的一个或多个。应当注意，计算系统70可以与图3的计算系统类似，并且可以以根据图4公开的方式操作，其中，结合图4中的步骤96和98，增加了对可移动平台102和/或可移动平台102的钻台卡瓦30的控制方面的内容。

另外，已经根据图2-6讨论了涉及单个管状构件(例如，钻杆20)的起下钻操作。然而，如图7所示，可以预见的是，管状段44(例如，连接在一起的两个、三个或更多个管状段44)的立柱110可以是被插入或拔出的管状段44。包括图4中描述的步骤的操作可应用于如图7所示的起下钻立柱110。例如，当将步骤90应用于图7的系统时，可以接收和/或计算与用于形成管柱(例如，钻柱)的管状段44(例如，钻杆20)有关的初始信息。该初始信息可以包括立柱110的管状段44的特性，例如，每个相应的管状段44的总长度的测量值、每个相应的管状段44的销连接器和/或盒形连接器的长度的测量值、和/或要连接和/或断开相应的管段44以形成或拆卸管柱的顺序、立柱110的总长度的测量值、在立柱110的终端处(例如，在立柱110之间进行连接的地方)的每个相应的管状段44的销连接器和/或盒形连接器的长度的测量值、和/或要连接和/或断开相应的立柱110以形成或拆卸管柱的顺序。在一些实施例中，可以由计算系统70基于来自于邻近于存储位置43(例如，钻杆立根)的一个或多个传感器(例如，光学传感器等)的且发送到计算系统70的输入(接收到的信号)来计算关于立柱110和/或立柱110的管状段44的初始信息。在其他实施例中，可以将立柱110和/或立柱110的管状段44的测量值和/或顺序直接输入到计算系统。初始信息还可以包括与例如升降机40的底部与立柱110的最上和/或最下管状段44的连接部分之间的距离有关的信息。

同样地，当将步骤94应用于图7的系统时，在步骤92中接收的信号可以与来自步骤90的初始信息结合使用，以计算管状立柱110的接缝(例如，钻杆接缝)或连接点的位置。例如，计算系统70可使用在步骤92中接收到的信号，基于用于生成信号的传感器84的位置信息和/或基于绞车34的操作信息(例如，导致钻井用钢丝绳37从绞车34延伸的滚筒的旋转量，其限定了悬挂在滑轮组系统的物体的位置)，来确定物体(例如，钻杆20、顶部驱动器38、升降机40、钻杆20的螺纹接头62、钻杆20的螺纹接头64)的位置。为了讨论的目的，物体为升降机40，但是应当理解，物体可以是钻杆20、顶部驱动器38、升降机40、钻杆20的螺纹接头62、钻杆20的螺纹接头64、或管状立柱110与其相关的定位设备的其他相关物理特性中的任意一个。

当进一步将步骤94应用于图7的系统时，计算系统70(例如，处理设备74或与实现为存储在计算系统70的非暂时性机器可读介质(例如，存储器76)中的计算机可执行指令的、可以执行的软件系统结合操作的处理设备74)可以应用与一个或多个管状特征(例如，长度或类似的测量值)有关的初始信息和升降机40的位置。在一些实施例中，管状构件(例如，管状段44)或管状立柱110的长度和/或管状立柱110的管状段44的连接部分的长度(例如，立柱110的每个相应管状构件44的销连接器和/或盒形连接器的长度，以及立柱110之间的钻杆接头及其相应的接缝的位置)可能会有所不同。处理设备74或与软件系统结合操作的处理设备74可以基于升降机40支撑的管状构件(例如，管状段44)或立柱110附接到管柱/从管柱拆卸的顺序，获取该管状构件或立柱110的已知物理属性(例如，诸如长度的测量的特性)。处理设备74或与软件系统结合操作的处理设备74还可以基于在步骤92中接收到的信息来获取和/或计算物体(例如，升降机40)的位置。通过这种方式，处理设备74或与软件系统结合操作的处理设备74可以结合使用物体(例如，升降机40)的位置和物理属性，在没有直接测量或感测连接点的情况下，确定连接点的精确位置(例如，钻杆接头的接缝或管状立柱110的上部和下部管状段44的连接点)。

当将步骤96应用于图7的系统时，可以利用确定的连接点(例如，钻杆接头的接缝或立柱110的各个管状段44的连接点和/或立柱110之间的连接点)的位置来生成计算系统70的输出信号。在一些实施例中，该输出信号可以是计算系统70外部的控制器要使用的连接点的位置的指示，并且可以用于确定和/或控制将起下钻装置24移至何处以及何时移入位置(例如，钻杆接头识别)以执行立柱110之间的起下钻操作。附加地或替代地，生成的输出信号可以用作控制信号，该控制信号用于启动一个或多个卡瓦30和/或48以固定其中的一个立柱110，使得计算出的其钻杆接缝位置将处于使起下钻装置24在其上操作的合适高度。在一些实施例中，生成的输出信号可以与一个或多个卡瓦30和/或48的启动、和/或确定和/或控制将起下钻装置24移至何处以及何时移入位置以执行起下钻操作相结合，和/或与之独立，使得例如在显示器80上显示图像。

当将步骤98应用于图7的系统时，计算系统70可以应用由计算系统70生成的输出信号。例如，计算系统70(例如，处理设备74或与实现为存储在计算系统70的非暂时性机器可读介质(例如，存储器76)中的计算机可执行指令的、可以执行的软件系统结合操作的处理设备74)可以作为控制系统本身运行，以便发送基于步骤96的输出信号的或者作为步骤96的输出信号的控制信号，以控制将起下钻装置24移至何处以及何时移入位置(例如，钻杆接头识别)以执行起下钻操作。附加地或可替代地，计算系统70可以本身作为控制系统来操作，以便发送基于步骤96的输出信号的或者作为步骤96的输出信号的控制信号，以控制一个或多个卡瓦30和/或48的启动以固定其中的一个立柱110，使得计算出的其钻杆接缝位置将处于使起下钻装置24执行起下钻操作的合适高度。同样的，外部控制系统可以代替地从计算系统70接收步骤96的输出信号，并使用该输出信号来控制将起下钻装置24移至何处以及何时移入位置(例如，钻杆接头识别)以执行起下钻操作，和/或控制启动一个或多个卡瓦30和/或48，以固定其中的一个立柱110，使得计算出的其钻杆接缝位置将处于使起下钻装置24执行起下钻操作的合适高度。

本书面描述使用示例来公开以上描述，以使本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果该其他示例具有与权利要求的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则旨在将其包括在权利要求的范围内。因此，尽管以上公开的实施例可能易于进行各种修改和替代形式，但是在附图中通过示例的方式示出了具体的实施例，并且在本文中对其进行了详细描述。然而，应该理解的是，实施例并不旨在限于所公开的特定形式。相反，所公开的实施例将覆盖落入如所附权利要求书所限定的实施例的精神和范围内的所有修改、等同形式和替代形式。

Claims (20)

1.一种系统，包括：

传感器，其被配置为检测所述传感器附近的物体并生成指示检测到的物体的信号；和

处理设备，其配置为：

处理所述指示检测到的物体的信号以确定所述检测到的物体的位置；

获取与管状段的物理特性有关的信息；以及

基于所述检测到的物体的位置和所述管状段的物理特性，计算所述管状段的连接点的位置的指示。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理设备被配置为生成指示所述管状段的所述连接点的位置的指示的输出。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理设备被配置为利用所述输出生成控制信号，以对与起下钻操作结合使用的起下钻装置的移动进行控制。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理设备被配置为利用所述输出生成控制信号，以对与起下钻操作结合使用的起下钻装置的操作进行控制。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理设备被配置为将所述输出发送至控制器，以对与起下钻操作结合使用的起下钻装置的移动进行控制。

6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理设备被配置为将所述输出发送至控制器，以对与起下钻操作结合使用的起下钻装置的操作进行控制。

7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理设备被配置为利用所述输出生成控制信号，以对可移动平台的移动进行控制，所述可移动平台被配置为传送与起下钻操作结合使用的起下钻装置。

8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理设备被配置为利用所述输出生成控制信号，以对可移动平台的操作进行控制，所述可移动平台被配置为传送与起下钻操作结合使用的起下钻装置。

9.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理设备被配置为将所述输出发送至控制器，以对可移动平台的移动进行控制，所述可移动平台被配置为传送与起下钻操作结合使用的起下钻装置。

10.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理设备被配置为将所述输出发送至控制器，以对可移动平台的操作进行控制，所述可移动平台被配置为传送与起下钻操作结合使用的起下钻装置。

11.一种设备，包括：

输入装置，其被配置为接收指示检测到的物体的位置的信号；和

处理器，其被配置为：

基于所述信号和要与起下钻操作结合使用的管状段的物理特性，计算所述管状段的连接点的位置的指示。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述信号包括所述物体已经通过传感器的第二指示，其中，所述传感器被配置为连接至所述输入装置并生成所述信号。

13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述信号包括绞车的一部分的操作特性的第二指示，所述绞车被配置为支撑所述管状段。

14.根据权利要求11所述的设备，其中，所述输入装置被配置为接收指示所述检测到的物体的第二位置的第二信号，其中，所述处理器被配置为基于所述第二信号和要与起下钻操作结合使用的所述管状段的物理特性，计算所述管状段的所述连接点的位置的第二指示。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述处理器被配置为基于所述连接点的位置的指示和所述连接点的位置的所述第二指示，计算所述检测到的物体的速度。

16.根据权利要求11所述的设备，其中，所述处理器被配置为生成指示所述管状段的所述连接点的位置的指示的输出，以控制与所述起下钻操作结合使用的起下钻装置。

17.一种方法，包括：

接收指示检测到的物体的位置的信号；

获取与管状段的物理特性有关的信息；

基于所述信号和所述管状段的物理特性，计算所述管状段的连接点位置的指示；

生成输出，所述输出指示所述管状段的连接点的位置的指示；以及

结合起下钻操作使用所述输出。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，结合起下钻操作使用所述输出包括：生成控制信号，以对与所述起下钻操作结合使用的起下钻装置的移动进行控制。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，结合起下钻操作使用所述输出包括：生成控制信号，以对与所述起下钻操作结合使用的起下钻装置的操作进行控制。

20.根据权利要求17所述的方法，其中结合起下钻操作使用所述输出包括：生成控制信号，以对被配置为传送与起下钻操作结合使用的起下钻装置的可移动平台的操作进行控制。

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