CN112673148A - 估计井下rpm振荡 - Google Patents

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CN112673148A CN201980045707.5A CN201980045707A CN112673148A CN 112673148 A CN112673148 A CN 112673148A CN 201980045707 A CN201980045707 A CN 201980045707A CN 112673148 A CN112673148 A CN 112673148A
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Abstract

用于包括以下的方法和装置：获得由与钻柱可操作地联接的顶部驱动器产生的扭矩(TTD)的当前值的原始地面数据，获得与TTD对应的顶部驱动器的旋转速度(ω)的当前值的原始地面数据，获得顶部驱动器的惯性(JTD)，以及基于获得的TTD数据、获得的数据和获得的JTD数据估计钻柱的扭矩TST。估计的钻柱扭矩TST可用于确定地面扭矩振荡性能指数(STOPI)。

Description

估计井下RPM振荡
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年6月1日提交的标题为“PROCESS FOR ESTIMATING DOWNHOLERPM OSCILLATIONS,”的美国临时申请号62/679,311的优先权和权益，其全部公开内容通过引用合并于此。
背景技术
顶部驱动器是位于钻机底板上方并且可以沿着井架竖直移动的钻机组件。它是一种旋转机械设备，可为钻头提供扭矩以钻穿地下地层。顶部驱动器由交流/直流变频驱动器(VFD)控制。VFD计算扭矩值并将其报告给控制系统。
沿井眼的摩擦和地层变化可导致钻头和相邻的井底钻具组件(BHA)在井下遭受粘滑。粘滑产生从井下传播到地面的扭转波。扭转波在顶部驱动器扭矩读数中反映为不同幅度的振荡。
发明内容
提供该概述是为了介绍构思的选择，这些构思将在下面的详细描述中进一步描述。该概述既不旨在标识所要求保护的主题的必不可少的特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
本公开内容介绍了一种方法，该方法包括获得用于由与钻柱可操作地联接的顶部驱动器产生的扭矩(TTD)的当前值的原始地面数据，获得与TTD对应的顶部驱动器的旋转速度(ω)的当前值的原始地面数据，获得顶部驱动器的惯性(JTD)，以及基于获得的TTD数据、获得的ω数据和获得的JTD数据估计钻柱的扭矩TST。估计的钻柱扭矩TST可用于确定地面扭矩振荡性能指数(STOPI)。
本公开还介绍了一种装置，该装置包括第一传感器，该第一传感器可操作用于获得由与钻柱可操作地联接的顶部驱动器产生的扭矩(TTD)的当前值的原始地面数据；第二传感器，该第二传感器可操作用于获得与TTD对应的顶部驱动器的旋转速度(ω)的当前值的原始地面数据；以及包括处理器和存储计算机程序代码的存储器的处理设备。该处理设备可操作来获得顶部驱动器的惯性(JTD)并基于获得的TTD数据、获得的ω数据和获得的JTD数据估计钻柱的扭矩TST。处理设备可以进一步可操作来利用估计的钻柱扭矩TST来确定STOPI。
本公开还介绍了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括其上记录有指令的非暂时性计算机可读介质，该指令在由具有处理器和存储器的处理设备执行时使处理设备获得由与钻柱可操作地联接的顶部驱动器产生的扭矩(TTD)的当前值的原始地面数据，获得与TTD对应的顶部驱动器的旋转速度(ω)的当前值的原始地面数据，获得顶部驱动器的惯性(JTD)，以及基于获得的TTD数据、获得的ω数据和获得的JTD数据估计钻柱的扭矩TST。指令还可以使处理设备利用估计的钻柱扭矩TST来确定STOPI。
本公开的这些和附加方面在以下描述中阐述，和/或可以由本领域普通技术人员通过阅读本文的材料和/或实践本文描述的原理来学习。本公开的至少一些方面可以经由所附权利要求中记载的器件来实现。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述中理解本公开。要强调的是，根据行业中的标准实践，各种特征未按比例绘制。实际上，为了讨论的清楚，各种特征的尺寸可以任意增加或减小。
图1是根据本公开的一个或多个方面的装置的示例实施方式的至少一部分的示意图；
图2是根据本公开的一个或多个方面的装置的示例实施方式的至少一部分的示意图；
图3是根据本公开的一个或多个方面的方法的示例实施方式的至少一部分的流程图；
图4是根据本公开的一个或多个方面的装置的示例实施方式的至少一部分的示意图；
图5和图6是与本公开的一个或多个方面有关的曲线图；
图7是根据本公开的一个或多个方面的装置的示例实施方式的至少一部分的示意图。
具体实施方式
应当理解，以下公开提供了许多不同的实施例或示例，用于实现各种实施例的不同特征。以下描述组件和布置的特定示例以简化本公开。当然，这些仅是示例，并不旨在进行限制。另外，本公开可以在各个示例中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简单和清楚，并且其本身并不指示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。此外，在下面的描述中在第二特征上或之上的第一特征的形成可以包括其中第一和第二特征直接接触形成的实施例，并且还可以包括其中可以形成介于第一和第二特征之间的附加第一特征的实施例，使得第一特征和第二特征可以不直接接触。
如上所述，由粘滑产生的扭转波被反映在顶部驱动器扭矩读数中。本公开总体上涉及基于对顶部驱动器扭矩振荡的有效量度来估计BHA/钻头的每分钟转数(RPM)的振荡(以下称为“井下RPM”)。钻井人员可以将估计的井下RPM振荡用于多种目的，例如在井下测量通常不可用时。例如，估计的井下RPM振荡可用于测量实际井下RPM振荡和/或地面扭矩振荡的严重性，其可用于调节旋转速度和穿透速度以改善井下RPM振荡和/或地面扭矩振荡。如果配备了粘滑缓解控制装置，则估计的井下RPM振荡可能会进一步促进何时开始和停止缓解的决策。估计的井下RPM振荡也可以用作钻机/缓解控制算法之间性能比较的通用标准。估计的井下RPM振荡也可以用于使缓解控制更有效。
本公开还介绍了确定估计的钻柱扭矩并利用估计的钻柱扭矩来确定地面扭矩振荡性能指数(STOPI)以实现改善的清晰度和解释。STOPI可用作指示钻机的地面扭矩波动的大小和严重性。STOPI是实时确定的，并在预定的短时间内进行更新，然后可以报告给外部显示器。STOPI可以为钻井操作人员或计算机控制器提供可视化是否发生了粘滑振荡的能力，如果发生，则可以经由人为和/或计算机干预来缓解。通常，STOPI为以下比率：(1)经由变化的时间窗口在动态指定的时间段内最大和最小地面扭矩值之差；以及(2)可配置的恒定扭矩值，例如顶部驱动器的额定扭矩。变化的时间窗口和钻柱的基频之间的对应关系可以提供响应更快的结果，从而提供更多的当前结果。
钻柱扭矩可通过测量或以其他方式获得顶部驱动器扭矩并减去等于包含顶部驱动器的惯性质量和顶部驱动器的旋转加速度的乘积的扭矩来估计。然后可以如上文针对STOPI所述地处理钻柱扭矩。钻柱扭矩可用于了解井下RPM振荡的状态。钻柱扭矩也可以经由放置在顶部驱动器和钻柱的顶部之间的接口处的设备直接进行测量(而不是估计)。此外，由于使用钻柱扭矩估计井下RPM振荡以及STOPI的可靠性，这些确定(钻柱扭矩、估计的井下RPM振荡和/或STOPI)可以用作缓解控制的一部分来确定缓解措施控制努力。
图1是根据本公开的一个或多个方面的井建造系统100的示例实施方式的至少一部分的示意图。井建造系统100代表其中可以实现本公开的一个或多个方面的示例环境。井建造系统100可以是或包括钻机和相关的井场设备。尽管井建造系统100被描绘为陆上实施方式，但是以下描述的方面也适用于离岸实施方式。
相对于通过从井场地面104旋转和/或定向钻井形成并延伸到地下地层106中的井眼102描绘了井建造系统100。井建造系统100包括位于井场地面104处的地面设备110和悬挂在井眼102内的钻柱120。地面设备110可包括桅杆、井架和/或设置在高架钻机底板114上方的另一支撑结构112。钻柱120可从支撑结构112悬挂在井眼内。支撑结构112和钻机底板114通过腿和/或其他支撑结构(未示出)共同支撑在井眼102之上。
钻柱120可以包括井底钻具组件(BHA)107和用于在井眼102内输送BHA 107的输送器件122。输送器件122可以包括多个单独的管件，例如钻杆、钻铤、重型钻杆(HWDP)、有线钻杆(WDP)、艰难测井条件(TLC)管和/或其他在井眼102内输送BHA 107的器件。BHA107的井下端可以包括钻头109或联接到钻头109。钻头109的旋转和钻柱120的重量共同操作以形成井眼102。
支撑结构112可支撑驱动器，例如顶部驱动器116，其可操作以(可能间接地)与钻柱120的上端连接，并将旋转运动117和竖直运动135赋予钻柱120，包括钻头。然而，除了顶部驱动器116之外或替代顶部驱动器116，可以利用诸如方钻杆(未示出)和旋转台160的另一种驱动器来将旋转运动117赋予钻柱120。顶部驱动器116和所连接的钻柱120可通过提升系统或设备从支撑结构112悬挂，该提升系统或设备可包括游车113、天车115和存储支撑电缆或管线123的绞车118。天车115可联接到支撑结构112或以其他方式由支撑结构112支撑，游车113可以与顶部驱动器116联接。绞车118可以被安装在钻机底板114上或由其支撑。天车115和游车113包括滑轮或槽轮，支撑线123围绕滑轮或槽轮而穿过，以可操作地连接天车115、游车113和绞车118(以及可能的锚固件)。绞车118因此可以选择性地将张力施加到支撑线123，以升高和降低顶部驱动器116，从而导致竖直运动135。绞车118可以包括滚筒、基座和原动机(例如，发动机或马达(未示出)，其可操作以驱动滚筒旋转并卷入支撑线123，从而使游车113和顶部驱动器116向上移动。绞车118可操作以经由滚筒的受控旋转而放出支撑线123，从而使游车113和顶部驱动器116向下移动。
顶部驱动器116可包括驱动轴125，其例如经由齿轮箱或变速器(例如，图2中所示的齿轮箱224)与原动机(例如，图2所示的旋转致动器220、222)可操作地连接。驱动轴125可以选择性地与钻柱120的上端联接，并且原动机可以选择性地操作以旋转驱动轴125和与驱动轴125联接的钻柱120。因此，在钻井操作中，顶部驱动器116与绞车118的操作相结合，可以使钻柱120前进到地层106中以形成井眼102。顶部驱动器116可以具有引导系统(未示出)，例如滚子，其沿着支撑结构112上的导轨(未示出)上下移动。引导系统可通过将反作用扭矩传递到支撑结构112来帮助保持顶部驱动器116与井眼102对准，并防止顶部驱动器116在钻井过程中旋转。
井建造系统100还可包括钻井流体循环系统或设备，其可操作以在钻井和其他操作期间使流体在地面设备110和钻头之间循环。例如，钻井流体循环系统可操作以经由纵向延伸穿过钻柱120的内部流体通道121将钻井流体注入到井眼102中。钻井流体循环系统可包括井坑、储槽和/或容纳钻井流体(即泥浆)140的另一流体容器142，以及泵144，该泵可操作以经由从泵144延伸到顶部驱动器116的导管146和延伸穿过顶部驱动器116的内部通道(未示出)将钻井流体140从容器142移动到钻柱120的流体通道121中。
在钻井操作期间，如方向箭头158所示，钻井流体可以继续流过钻柱120的内部通道121进入井下。钻井流体可以离开钻头109中的端口(未示出)，然后通过在钻柱120的外部与井眼102的侧壁之间限定的井眼102的环形的空间108(“环形空间”)井上循环，这样的流动在图1中由方向箭头159指示。以此方式，钻井流体润滑钻头并将地层钻屑带到井上至井场地面104。
井建造系统100还可包括流体控制设备130，用于维持井压控制并用于控制从井眼102排出的流体。流体控制设备130可安装在井口134的顶部。返回的钻井流体可以经由流体控制设备130的一个或多个阀(例如钟形接头)、旋转控制设备(RCD)和/或位于BOP堆栈的一个或多个部分下面的带端口的适配器(例如，滑阀、十字适配器、翼阀等)离开环形空间108。返回的钻井流体然后可以在返回到流体容器142之前经过钻井流体修复设备170以进行清洁和修复。
一组卡瓦161可以位于钻机底板114上，例如可以在管件上扣和卸扣操作、管件运行操作和钻井操作期间容纳钻柱120。卡瓦161在运行和钻井操作期间可以处于打开位置以允许钻柱120前进，并且可以在闭合位置以夹紧钻柱120的上端(例如，最上面的管件)从而悬挂钻柱120并防止钻柱120在井眼102内前进，例如在上扣和卸扣期间。
井建造系统100的地面设备110还可以包括控制中心190，从该控制中心可以监视和控制井建造系统100的各个部分，例如顶部驱动器116、提升系统(例如，包括绞车118)、管件处理系统(例如，包括铁钻工和/或猫道，未示出)、钻井流体循环系统(例如，包括容器142、泵144等)、井控制系统(例如，包括流体控制设备130)和/或BHA 107等。控制中心190可以位于钻机底板114上或井建造系统100的其他位置，例如井场地面104上。控制中心190可以包括设施191(例如，房间、机舱、拖车等)，其包括控制工作站197，该控制工作站197可由井场操作人员195操作以监视和控制井建造系统100的各种井场设备或部分。控制工作站197可包括处理设备192(例如，控制器、计算机等)或与该处理设备192通信连接，例如可操作以接收，处理和输出信息以监视井建造系统100的一个或多个部分的操作并向其提供控制。例如，处理设备192可以与本文描述的各种地面和井下设备通信地连接，并且可操作以从这样的设备接收信号并向该设备发送信号以执行本文描述的各种操作。处理设备192可以存储可执行程序代码、指令和/或操作参数或设定点，包括用于实现本文描述的方法和操作的一个或多个方面。处理设备192可以位于设施191的内部和/或外部。
控制工作站197可以可操作用于通过井场操作员195输入控制命令或以其他方式将控制命令传送到处理设备192，以及用于将信息从处理设备192显示给或以其他方式传送给井场操作员195。控制工作站197可以包括多个人机界面(HMI)设备，包括一个或多个输入设备194(例如，键盘、鼠标、操纵杆、触摸屏等)和一个或多个输出设备196(例如视频监视器、触摸屏、打印机、音频扬声器等)。处理设备192、输入和输出设备194、196以及各种井场设备之间的通信可以经由有线和/或无线通信器件进行。然而，为了清楚和易于理解，未示出这样的通信器件，并且本领域普通技术人员将理解，这样的通信器件在本公开的范围内。
在本公开的范围内的井建造系统可以包括比如上所述和图1所示的更多或更少的组件。另外，图1所示的井建造系统100的各种设备和/或子系统可以包括比如上面描述的和图1中描述的更多或更少的组件。例如，各种发动机、马达、液压系统、致动器、阀门和/或本文未明确描述的其他组件可以包括在井建造系统100中，并且在本公开的范围内。
根据本公开的一个或多个方面，处理设备192和/或控制工作站197的其他部分可以是，包括或形成控制系统的一部分。可以利用控制系统来确定是否正在发生粘滑振荡。例如，控制系统可以接收与井建造系统100的操作有关的钻井参数数据和钻井性能数据。钻井参数数据和钻井性能数据可以包括由一定数量的传感器41监视的测量值，该传感器安置成围绕井建造系统100，例如在顶部驱动器116(或顶部驱动器116的VFD 90，例如可以容纳在控制中心190中、在钻机上或其他位置)、联接在钻柱120和顶部驱动器116之间的扭矩短节92、绞车118、游车113、泥浆泵144和随钻测量(MWD)模块111和/或BHA 107的其他部分上、之中或与之相关联，在其他示例中。传感器41可以监视电流、电压、电阻率、扭矩、重量、力、线性或旋转速度、线性或旋转位置、应变、振荡和/或与钻井参数或钻井性能有关的其他测量值。来自传感器41的信号可以用作根据本公开的一个或多个方面的各种算法和/或过程的输入，包括在那里汇总为原始传感器测量值或换算后的工程值。控制系统可以直接从传感器41接收钻井参数数据和钻井性能数据，该传感器41被改装到井建造系统100上的某些设备，使得传感器41有效地形成井建造系统100的一部分。这样的类型的数据采集可以允许控制系统和/或控制工作站197的其他部分利用更高的采样率，例如用于监视相关的钻井参数和钻井性能指数。
井建造系统100的几个部件还包括控制致动器42。例如，绞车118可包括致动器42，该致动器42允许控制器控制绞车118的工作。顶部驱动器116和泥浆泵144也具有致动器42。致动器42可以允许监督控制器控制井建造过程的各个方面，例如钻头旋转速度、钻柱旋转方向、钻压(WOB)、钻井泥浆流体压力、钻井泥浆流体流量、钻井泥浆密度，以及其他示例。
致动器42可以是或包括电动马达、液压马达、发动机和/或用于将电信号转换为机械运动的其他器件。因此，VFD 90也可以被认为是致动器42。
图2是根据本公开的一个或多个方面的井建造系统100的由附图标记40表示的控制系统和其他组件的的示例实施方式的至少一部分的示意图。以下描述共同参考图1和2。
控制系统40可以包括处理器43，该处理器43接收各种输入，例如来自传感器41的钻井参数数据和钻井性能数据，以及来自一个或多个输入设备44(例如输入设备194)的输入。另外，处理器43可以可操作地联接到存储器47和存储装置48，以执行用于执行本公开的一个或多个方面的计算机可执行指令。这样的指令可以被编码在可以由处理器43执行的软件/硬件程序和模块中。可以将计算机代码存储在至少共同地存储这些指令或例程的有形、非暂时性计算机可读介质(例如，硬盘驱动器)中，例如存储器47或存储装置48。
控制系统40的STOPI模块49可以包括用于提供STOPI测量和确定的硬件和/或软件。因此，STOPI算法可以位于STOPI模块49和/或控制井建造系统100的致动器42的可编程逻辑控制器(PLC)中。STOPI算法还可以或者替代地在PLC层之上的软件层中实现。STOPI模块49也可以经由处理器43来实现。从STOPI模块49输出的STOPI以及可能来自处理器43的其他输出可以显示在HMI和/或其他显示器45(例如显示器196)上。根据本公开的一个或多个方面的减小或衰减扭转钻柱振动(包括滑粘振荡和扭转钻柱共振(例如，滑粘缓解控制))的系统和方法可以与如在美国专利公开号2016/0290046中公开的控制系统结合使用，该美国专利公开号2016/0290046的全部内容通过引用合并于此。
图3是根据本公开的一个或多个方面的用于生成STOPI的算法300的示例实现的至少一部分的流程图。算法300包括获得305针对钻柱/顶部驱动器扭矩(TTD)的当前值的原始地面数据，获得310针对钻柱/顶部驱动器旋转速度(w)的当前值的原始地面数据，以及获得315针对顶部驱动器惯量(JTD)的当前值的原始地面数据。原始地面扭矩和速度数据可以从顶部驱动器116的传感器41、顶部驱动器116的VFD 90/与顶部驱动器116有关的VFD 90、和/或扭矩短节92获得305、310。顶部驱动器惯性利用已知的等式、顶部驱动器116的已知的物理特性以及获得310的旋转速度数据获得315。还可通过工程测试(例如已知的线性调频测试)或在不同RPM频率下进行的一系列测试或通过其他方法来测量和计算顶部驱动器惯量。
然后，可以对获得305的原始地面扭矩数据和获得310的原始速度数据进行滤波320，以获得滤波后的地面扭矩数据(TTD-f)和滤波后的表面速度数据(wf)。这样的滤波320可以包括低通和/或带通滤波，其中对应的截止频率是预定的固定值。例如，如果已知待钻井的地层106相当恒定，则滤波320通常可以包括低通滤波，否则滤波320可以替代地通常可以包括带通滤波。
可以从滤波后的扭矩数据(TTD-f)、滤波后的速度数据(wf)和顶部驱动器惯性数据(JTD)估计325钻柱扭矩TST。例如，这样的估计325可以利用下面阐述的等式(1)。
TST＝TTD-f-JTDαTD (1)
其中αTD是顶部驱动器的旋转加速度，例如可以使用下面列出的等式(2)确定。
Figure BDA0002887139860000091
其中ω1和ω2表示两次(也许在时间上相邻)测量的滤波旋转速度，dt是两次测量之间的时间间隔。
估计325的钻柱扭矩TST可以单独使用，也可以用于确定STOPI参数，如下所述的。还可以获得330所测量的钻柱扭矩并将其用于STOPI参数确定。在任一场景下，都可以对估计325的钻柱扭矩TST或测量的钻柱扭矩进行滤波335。这样的滤波335可以包括低通和/或带通滤波，其中对应的截止频率是预定的固定值。例如，如果已知待钻井的地层106相当恒定，则滤波335通常可以包括低通滤波，否则滤波335可以代替地通常包括带通滤波。
确定STOPI参数可以包括从分层控制网络的较高级别(level)的本地控制345或监督控制350获得340钻柱长度(井深)和钻柱特性。然后可以例如通过估计基本振荡时间段T1来确定355移动窗口长度。可以利用各种已知的和/或将来开发的技术来确定基本振荡时间段T1。例如，基本振荡时间段T1可以利用来自A.Kyllinstad和G.W.Halsey的等式来确定，“AStudy of Slip/Stick Motion of the Bit,”SPE Drilling Engineering,pgs.369-373,December 1988，其整体并入本文，例如下面列出的等式(3)-(5)。
Figure BDA0002887139860000101
Figure BDA0002887139860000102
Figure BDA0002887139860000103
其中J是钻柱的惯性矩、ρ是钻柱的密度、I1是钻柱管的截面极矩、I2是钻柱钻铤的截面极矩、L1是钻柱管的长度、L2是钻柱钻铤的长度、K是钻柱的扭转刚度、G是钻柱材料的剪切模量、
Figure BDA0002887139860000104
是角本征频率。然而，用于获得基本振荡时间段T1的其他方法也在本公开的范围内。
以下阐述的等式(6)可用于确定355移动窗口将移动的总时间间隔TT。
TT＝βT1 (6)
其中β是1.0至2.0之间的预定安全系数，其用于确保移动窗口覆盖当时的整个振荡周期。基于TT，可以通过将控制系统采样时间ΔT除以TT来确定移动窗口的长度T。然后可以将窗口长度T取整为整数。
然后，利用确定355的移动窗口长度对存储的扭矩值数组进行排序360，以获得p个最大值和q个最小值，其中p和q是预定的正整数。然后确定365p个最大值的平均值与q个最小值的平均值之间的差。所确定365的差提供扭转波动的幅度，将其除以获得370的恒定参考扭矩，以确定375STOPI参数STOPIDET。在其他示例中，所获得370的恒定参考扭矩可以是顶部驱动器116的额定扭矩、离开底部(off-bottom)扭矩或在底部(at-bottom)处扭矩。离开底部扭矩是通过在无WOB情况下旋转离开底部来测量的。底部处扭矩是通过在一些WOB情况下在底部旋转来测量的。获得370恒定参考扭矩可以基于钻机人员的可用性和/或选择。
所确定375的STOPIDET也可以在预定的、可配置的最大和最小值之间进行限制380。然后，估计325的钻柱扭矩和/或限制380的STOPIDET，例如可以显示385在图1所示的显示器196上、图2所示的显示器45上、下面参考图7描述的输出设备428上，和/或其他显示设备上。显示更新时间通常长于控制系统采样时间ΔT。因此，可以将轮询(polling)方法或平均值用于显示385的目的。
方法300可以在STOPI确定被启用(即开启)的同时执行。当基于预设条件(例如，钻头不在底部、TD速度设定值更改和钻孔控制器关闭)禁用了STOPI确定，则可以将零(NULL)值或高标记整数值分配给STOPI，以进行测井，这也澄清了禁用状态而不会引起误导。
方法300可以被实现为钻机控制系统的一部分。例如，图4是上述钻机控制系统的示例实施方式400的至少一部分的示意图，包括钻机控制系统400的控制级别的描绘。在原始软件程序或算法已嵌入到硬件中之后，控制级别在软件程序或算法可被编辑或重新编程的程度上有所不同。这些级别在控制级别的设备之间的通信速度上也有所不同。
级别0(现场)405包括用于各种钻井子系统的传感器41和致动器42。示例子系统包括钻井流体循环系统(其可能包括泥浆泵144、阀门、流体修复设备(142、170)等)、钻机控制系统(其可能包括提升设备(绞车118)、钻柱旋转推进器设备(例如顶部驱动器116和/或旋转台160)、管道处理操纵器、猫道等)、受控压力钻井系统、固井系统、钻机行走系统等。级别0(现场)405可包括诸如VFD 90的高速控制器。级别0(现场)405硬件设备可由制造商用软件编程，并且除非制造商执行，否则该软件可能不太适合修改。
级别1(底部)410包括直接控制设备415，用于直接控制级别0(现场)405的硬件/子系统。级别1(底部)410中图4所示的双线箭头仅用于区分从单线箭头。级别1(底部)直接控制器415可以包括可编程逻辑控制器(PLC)、处理器、工业计算机、基于个人计算机的控制器、软PLC等，和/或配置为且可操作以从子系统传感器41接收传感器数据和/或将控制指令传输到致动器42和其他子系统设备的其他控制器。级别1(底部)直接控制器415可以是，包括，在本地应用程序环境中可操作的各种类型的一个或多个处理器或由其实现，并且可以包括一个或多个通用处理器、专用处理器、微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、基于多核处理器架构的处理器和/或其他处理器。示例包括一个或多个INTEL微处理器、来自ARM和/或PICO系列微控制器中的微控制器、一个或多个FPGA中的嵌入式软/硬处理器等。传感器41和各种其他组件可以将传感器数据和/或状态数据传输到直接控制器415，级别0(现场)405的致动器42和其他可控制组件可从直接控制器415接收命令以控制可控制组件的操作。本文公开的一个或多个方面还可以允许不同子系统的直接控制器415之间通过虚拟网络进行通信。传感器数据和/或状态数据可以通过虚拟网络和不同子系统的直接控制器之间的公共数据总线进行通信。级别1(底部)410直接控制器415可以被编程和部署，但是具有相对的困难。此后可以配置和编辑编程的软件，但是相对困难。只是非常严格的计算机编程是可能的。现场总线可用于经由诸如以太网CAT、ProfiNET、ProfiBus、Modbus等协议与级别1(底部)410的直接控制器415进行通信。图2所示的处理器43是级别1(底部)410直接控制器415的示例。
级别2(中间)420包括协调控制器425。这些可以包括各种计算设备，例如计算机、处理器、域控制器、PLC、工业计算机、个人计算机、软PLC等，和/或被配置为且可操作以接收在级别2(中间)420的网络上可用的信息和数据并将控制命令和指令传输到级别1(底部)410的直接控制器415的其他控制器。级别2(中间)420的协调控制器425可以是，包括，在本地应用程序环境中操作的各种类型的一个或多个处理器，或由其实现，并且可以包括一个或多个通用处理器、专用处理器、微处理器、DSP、FPGA、ASIC、基于多核处理器架构的处理器，和/或其他处理器。示例包括一个或多个INTEL微处理器、来自ARM和/或PICO系列微控制器中的微控制器、一个或多个FPGA中的嵌入式软/硬处理器等。协调控制器425可以相对容易地进行编程和部署，因为例如，诸如C/C++的高级编程语言可以与在实时操作系统中运行的软件程序一起使用。实时通信数据总线可以用于经由各种协议，例如TCP/IP和UDP，与协调控制器425进行通信。
级别3(顶部)430包括过程监视设备435，该过程监视设备435不进行控制，仅监视活动，并向较低级别的控制设备提供信息。各种已知的和/或将来开发的计算设备可以执行级别3(顶部)430的功能。
实施图3中描绘的方法300或其至少一部分的控制系统可以在级别1(底部)410的PLC或其他直接控制器415、在级别2(中间)420的运行实时操作系统或其他协调控制器425的工业PC，或任何级别的服务器计算机或虚拟机中/作为其实施。通常，方法300可以在级别1(底部)410的PLC上实现，也可以在级别2(中间)420的中间件软件层中实现。可以在级别2(中间)420的或在级别3(顶部)430的中间件软件层中实现可以实现缓解滑粘控制的监控控制器。
图5是描绘根据本公开的一个或多个方面的顶部驱动器扭矩与估计的钻柱扭矩(例如，关于时间)之间的示例差异的曲线图500。上部子曲线图505呈现出顶部驱动器扭矩，中间子曲线图510呈现出相关的钻柱扭矩估计值，下部子曲线图515呈现出相关的井下RPM，每一个均来自根据本公开的一个或多个方面的示例性粘滑缓解系统的现场测试。两个突出显示的时间段520、525指示顶部驱动器扭矩505何时具有较低水平的振荡，这意味着没有在发生粘滑现象。但是，在相同的时间段520、525中，钻柱扭矩估计510表示高水平的振荡，RPM515的井下测量也是如此。因此，钻柱扭矩估计510看起来使用关于顶部驱动器扭矩505的地面测量值更好地表征了井下粘滑。
图6是描绘根据本公开的一个或多个方面的确定在地面测量的顶部驱动器扭矩上的STOPI与估计的钻柱扭矩之间的差异的曲线图600。上部子曲线图610示出了来自根据本公开的一个或多个方面的示例性粘滑缓解技术的现场试验的顶部驱动器扭矩，包括情况601-605。子曲线图620示出了估计的钻柱扭矩。子曲线图630示出了旋转速度。子曲线图630还示出了粘滑缓解控制的开-关状态635。子曲线图640示出了基于地面测量的顶部驱动器扭矩的STOPI值，子曲线图650示出了根据本公开的一个或多个方面的基于估计的钻柱扭矩的STOPI值。在情况601、603和605中，基于地面顶部驱动器扭矩的STOPI值640的扭转振动减小的水平表示粘滑已经得到成功缓解(扭转振动的较低水平)。然而，在情况601和603中，基于估计的钻柱扭矩的STOPI值650没有显示出扭转振动的相应减小。这由示出了测量的钻头RPM值的子曲线图660来确认。因此，仅在情况605下缓解了井下粘滑。该实际数据示例表明，根据本公开的一个或多个方面，基于估计的钻柱扭矩的STOPI确定提供了可靠且一致的(具有井下RPM)扭矩振荡措施。
根据本公开的一个或多个方面确定的钻柱扭矩估计，和/或根据本公开的一个或多个方面利用估计的钻柱扭矩确定的STOPI可用于缓解粘滑。例如，可以利用对钻柱扭矩估计的现场和/或实时检查和/或由此确定的STOPI来识别粘滑。钻柱扭矩估计和/或由此确定的STOPI也可以用于确定缓解粘滑的动作，例如通过降低WOB，增加顶部驱动器RPM和/或激活顶部驱动器控制措施。钻柱扭矩估计和/或由此确定的STOPI也可以用于确定缓解措施是否正在改善粘滑。钻柱扭矩估计和/或由此确定的STOPI也可用于修改缓解措施，以改善钻井性能(例如，提高钻速)，例如通过修改WOB，修改顶部驱动器RPM和/或更改顶部驱动器控制参数。还可以重复对钻柱扭矩估计和/或由此确定的STOPI的确定以及上述缓解措施的确定，直到令人满意地缓解了粘滑。这样的过程可以经由操作人员或自动化系统来实现。这样的自动化系统可以是，包括在图1所示的控制中心190和/或控制工作站197，图2所示的控制系统40和/或在本公开范围内的其他处理系统。
图7是这样的自动化系统的示例实施方式的至少一部分的示意图，其在图7中指定为处理系统700。处理系统700的一个或多个实例，或其至少一部分，可以还可以实现图4所示的直接控制器415、协调控制器425和/或过程监视设备435中的一个或多个，以及也在本公开范围内的其他处理设备。
处理系统700可以包括控制器710，该控制器可以是或包括例如一个或多个处理器、专用计算设备、服务器、个人计算机、个人数字助理(PDA)设备、智能手机、互联网设备和/或其他类型的计算设备。控制器310可以包括处理器712，例如通用可编程处理器。处理器712可以包括本地存储器714，并且可以执行存在于本地存储器714和/或另一存储器设备中的编码指令732。此外，处理器712可以执行机器可读指令或程序以实现本文描述的示例方法和/或过程。存储在本地存储器714中的程序可以包括程序指令或计算机程序代码，当由相关联的处理器执行该程序指令或计算机程序代码时，有助于本文描述的钻柱扭矩估计和/或STOPI确定方法和/或过程。处理器712可以是，包括适合本地应用环境的各种类型的一个或多个处理器，或由其实现，并且作为非限制性示例，可以包括通用计算机、专用计算机、微处理器、DSP、FPGA、ASIC以及基于多核处理器架构的处理器中的一个或多个。当然，其他系列的其他处理器也是适用的。
处理器712可以经由总线722和/或其他通信器件与主存储器716通信，例如可以包括易失性存储器718和非易失性存储器720。易失性存储器718可以是，包括，随机存取存储器(RAM)、静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、RAMBUS DRAM(RDRAM)和/或其他类型的RAM设备，或由其实现。非易失性存储器720可以是，包括，只读存储器、闪存和/或其他类型的存储设备，或由其实现。一个或多个存储器控制器(未示出)可以控制对易失性存储器718和/或非易失性存储器720的访问。控制器710可以可操作以存储或记录由井场操作员195输入的信息和/或由主存储器717上的传感器41和致动器/受控组件42生成的信息。
控制器710还可以包括接口电路724。接口电路724可以是，包括，各种类型的标准接口，例如以太网接口、通用串行总线(USB)、第三代输入/输出(3GIO)接口、无线接口和/或蜂窝接口等，或由其实现。接口电路724还可包括图形驱动器卡。接口电路724还可包括通信设备，例如调制解调器或网络接口卡，以促进经由网络(例如，以太网连接、数字用户线(DSL)、电话线、同轴电缆、蜂窝电话系统、卫星等)与外部计算设备的数据交换。传感器41和致动器/受控组件42中的一个或多个可以经由接口电路724与控制器710连接，诸如可以促进传感器41与致动器/受控组件42与控制器710之间的通信。
一个或多个输入设备726也可以连接到接口电路724。输入设备726可以允许井场操作员159将编码指令732、操作目标设定点和/或其他数据输入到处理器712中。输入设备726可以是，包括，键盘、鼠标、触摸屏、触控板、轨迹球、等点(isopoint)和/或语音识别系统，以及其他示例，或者由其实现。一个或多个输出设备728也可以连接到接口电路724。输出设备728可以是，包括，显示器设备(例如，液晶显示器(LCD)或阴极射线管显示器(CRT))、打印机和/或扬声器，以及其他示例，或由其实现。控制器710还可以与一个或多个大容量存储设备730和/或可移动存储介质734通信，诸如可以是或包括软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘(CD)驱动器、数字多功能盘(DVD)驱动器和/或USB和/或其他闪存驱动器，以及其他示例。
编码指令732、操作目标设定点和/或其他数据可以存储在大容量存储设备730、主存储器716、本地存储器714和/或可移动存储介质734中。由此，控制器710可以根据硬件来实现(可能以包括集成电路(例如，ASIC)的一个或多个芯片实现)，或者可以被实现为由处理器712执行的软件或固件。在固件或软件的情况下，实施方式可以提供为计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可读介质或在其上实施计算机程序代码(即软件或固件)的存储结构，以供处理器712执行。
考虑到本公开的整体，包括附图和权利要求，本领域普通技术人员将容易认识到，本公开介绍了一种方法，该方法包括：获得由与钻柱可操作地连接的顶部驱动器产生的扭矩(TTD)的当前值的原始地面数据；获得与TTD相对应的顶部驱动器的旋转速度(ω)的当前值的原始地面数据；获得顶部驱动器的惯性(JTD)；以及基于获得的TTD数据、获得的ω数据和获得的JTD数据来估计钻柱的扭矩TST。
TTD数据可以从与顶部驱动器相关联的传感器、与顶部驱动器相关的VFD和/或设置在钻柱与顶部驱动器之间的扭矩短节获得。
该方法可以还包括：对获得的TTD数据进行滤波以获得滤波后的TTD(TTD-f)数据；以及对获得的ω数据进行滤波以获得滤波后的ω(ωf)数据；其中，估计TST可以基于滤波后的TTD-f数据、滤波后的ωf数据和获得的JTD数据。对所获得的TTD数据和所获得的ω数据进行滤波可以是：如果经由顶部驱动器的操作而钻的地层具有基本恒定的成分，则以预定的低通频率进行低通滤波；否则以预定的带通频率进行带通滤波。
该方法可以还包括：对获得的TTD数据进行滤波以获得滤波后的TTD(TTD-f)数据；以及对获得的ω数据进行滤波以获得滤波后的ω(ωf)数据；其中，估计TST可以基于滤波后的TTD-f数据、滤波后的ωf数据和JTD数据。可以经由上面阐述的等式(1)估计TST。加速度αTD可以由上述等式(2)确定。
该方法可以包括利用估计的钻柱扭矩TST来确定STOPI。确定STOPI可以包括：获得钻柱特性；以及确定移动窗口的长度(T)；利用确定的移动窗口长度对获得的TTD数据进行排序，以获得最大值的数量(p)和最小值的数量(q)，其中p和q为预定的正整数；确定p个最大值的平均值与q个最小值的平均值之间的差；以及确定STOPI为(i)确定的p个最大值的平均值与q个最小值的平均值之间的差和(ii)恒定参考扭矩之比。确定移动窗口的长度可以包括估计基本振荡时间段(T1)。估计T1可以基于钻柱的惯性矩(J)、钻柱的密度(ρ)、钻柱的组件的横截面极矩(I)、钻柱组件的长度(L)、钻柱的扭转刚度(K)，以及形成钻柱的材料的剪切模量(G)。估计T1可以基于上述等式(3)-(5)。确定移动窗口的长度(T)可使用TT＝βT1，其中TT是移动窗口在其内移动的总间隔，以及其中β是在1.0和2.0之间的预定安全系数，其配置为以确保移动窗口覆盖振荡的整个周期；以及确定移动窗口长度(T)可包括将用于获得TTD数据的采样时间(ΔT)与TT的比率取整为整数。p个最大值的平均值与q个最小值的平均值之间的所确定的差可提供扭转波动的幅度。恒定参考扭矩可以是顶部驱动器的额定扭矩、离开底部扭矩或底部处扭矩。确定STOPI可以还包括限制预定的、可配置的最大值和最小值之间的比率。该方法可以包括向操作人员显示以下至少之一：估计的钻柱扭矩TST；以及确定的STOPI。该方法可以包括将估计的钻柱扭矩TST和确定的STOPI中的至少一个提供给控制器，该控制器可操作以基于其自动启动一动作。
该方法可以包括向操作人员显示估计的钻柱扭矩TST。
该方法可以包括将估计的钻柱扭矩TST提供给控制器，该控制器可操作以基于其自动启动一动作。
本公开还介绍了一种装置，包括：第一传感器，其可操作用于获得由与钻柱可操作地连接的顶部驱动器产生的扭矩(TTD)的当前值的原始地面数据；以及第二传感器，其可操作用于获得与所述TTD相对应的所述顶部驱动器的旋转速度(ω)的当前值的原始地面数据；以及包括处理器和存储计算机程序代码的存储器的处理设备，其中，所述处理设备可操作以获得所述顶部驱动器的惯性(JTD)，并基于所获得的TTD数据、所获得的ω数据以及获得的JTD数据来估计钻柱的扭矩TST。
处理设备可以可操作以将估计的钻柱扭矩TST显示给操作人员。
处理设备可以可操作以将估计的钻柱扭矩TST提供给控制器，该控制器可操作以基于其自动启动一动作。
处理设备可以可操作以基于估计的钻柱扭矩TST自动启动一动作。
处理设备可以可操作以利用估计的钻柱扭矩TST来确定STOPI。处理设备可以可操作以向操作人员显示估计的钻柱扭矩TST和确定的STOPI中的至少一个。所述处理设备可以可操作以将估计的钻柱扭矩TST和所确定的STOPI中的至少之一提供给控制器，该控制器可操作以基于其自动启动一动作。该处理设备可以可操作以基于估计的钻柱扭矩TST和确定的STOPI中的至少一个自动启动一动作。
该装置可以包括顶部驱动器。
该装置的其他方面可以是如上所述的。该装置还可包括如上所述的其他组件。
本公开还介绍了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括其上记录有指令的非暂时性计算机可读介质，该指令在由具有处理器和存储器的处理设备执行时使该处理设备：获得由与钻柱可操作地联接的顶部驱动器产生的扭矩(TTD)当前值的原始地面数据；获得与TTD相对应的顶部驱动器的旋转速度(ω)的当前值的原始地面数据；获得顶部驱动器的惯性(JTD)；基于获得的TTD数据、获得的ω数据和获得的JTD数据估计钻柱的扭矩TST。
所述指令还可以使处理设备向操作人员显示估计的钻柱扭矩TST。
所述指令还可以使处理设备将估计的钻柱扭矩TST提供给控制器，该控制器可操作以基于其自动启动一动作。
所述指令还可以使处理设备基于估计的钻柱扭矩TST自动启动一动作。
所述指令还可以使处理设备利用估计的钻柱扭矩TST来确定STOPI。所述指令还可以使处理设备向操作人员显示估计的钻柱扭矩TST和确定的STOPI中的至少一个。所述指令还可以使处理设备将估计的钻柱扭矩TST和确定的STOPI中的至少一个提供给控制器，该控制器可操作以基于其自动启动一动作。所述指令还可以使处理设备基于估计的钻柱扭矩TST和确定的STOPI中的至少一个自动启动一动作。
前述内容概述了几个实施例的特征，使得本领域的普通技术人员可以更好地理解本公开的各方面。本领域普通技术人员应该理解，他们可以容易地将本公开用作设计或修改其他过程和结构的基础，以实现本文介绍的实施例的相同功能和/或实现相同的益处。本领域普通技术人员还应该认识到，这样的等效结构不脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，它们可以进行各种改变、替换和变更。
提供本公开内容结尾的摘要以允许读者快速地确定技术公开内容的性质。提交时理解到，它不会被用来解释或限制权利要求的范围或含义。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
获得由与钻柱可操作地联接的顶部驱动器产生的扭矩(TTD)的当前值的原始地面数据；
获得与TTD对应的顶部驱动器的旋转速度(ω)的当前值的原始地面数据；
获得顶部驱动器的惯性(JTD)；和
基于获得的TTD数据、获得的ω数据和获得的JTD数据估计钻柱的扭矩TST。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述TTD数据是从与所述顶部驱动器相关联的传感器获得的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述TTD数据是从与所述顶部驱动器有关的变频驱动器获得的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述TTD数据是从设置在所述钻柱与所述顶部驱动器之间的扭矩短节获得的。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
对获得的TTD数据进行滤波以获得滤波后的TTD(TTD-f)数据；和
对获得的ω数据进行滤波以获得滤波后的ω(ωf)数据；
其中，基于滤波后的TTD-f数据、滤波后的ωf数据和获得的JTD数据来估计TST。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，对所获得的TTD数据和所获得的ω数据进行滤波是：
如果经由顶部驱动器的操作正在钻入的地层具有基本恒定的成分，则以预定的低通频率进行低通滤波；否则
以预定的带通频率进行带通滤波。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
对获得的TTD数据进行滤波以获得滤波后的TTD(TTD-f)数据；和
对获得的ω数据进行滤波以获得滤波后的ω(ωf)数据；
其中，估计TST是基于滤波后的TTD-f数据、滤波后的ωf数据和JTD数据。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括利用所估计的钻柱扭矩TST来确定地面扭矩振荡性能指数(STOPI)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，确定STOPI包括：
获得钻柱特性；
确定移动窗口长度(T)；
利用所确定的移动窗口长度对获得的TTD数据进行排序，以获得最大值的数量(p)和最小值的数量(q)，其中p和q为预定的正整数；
确定p个最大值的平均值与q个最小值的平均值之间的差；和
将STOPI确定为以下的比率：
所确定的p个最大值的平均值与q个最小值的平均值之间的差；和
恒定参考扭矩。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，确定所述移动窗口长度包括估计基本振荡时间段(T1)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，估计T1是基于钻柱的惯性矩(J)、钻柱的密度(ρ)、钻柱的组件的截面极矩(I)、钻柱组件的长度(L)、钻柱的扭转刚度(K)和形成钻柱的材料的剪切模量(G)。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所确定的p个最大值的平均值与q个最小值的平均值之间的差提供了扭转波动的幅度。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述恒定参考扭矩为：
顶部驱动器的额定扭矩；或
离开底部扭矩；或
底部处扭矩。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，确定STOPI还包括限制预定的、可配置的最大值和最小值之间的比率。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括向操作人员显示以下中的至少一个：
估计的钻柱扭矩TST；和
所确定的STOPI。
16.根据权利要求9所述的方法，还包括将所估计的钻柱扭矩TST和所确定的STOPI中的至少一个提供给控制器，该控制器可操作以基于其自动启动一动作。
17.根据权利要求1所述的方法，还包括向操作人员显示所估计的钻柱扭矩TST。
18.根据权利要求1所述的方法，还包括将估计的钻柱扭矩TST提供给控制器，该控制器可操作以基于其自动启动一动作。
19.一种装置，包括：
第一传感器，该第一传感器可操作用于获得由与钻柱可操作地联接的顶部驱动器产生的扭矩(TTD)的当前值的原始地面数据；
第二传感器，该第二传感器可操作用于获得与TTD对应的顶部驱动器的旋转速度(ω)的当前值的原始地面数据；和
处理设备，包括处理器和存储计算机程序代码的存储器，其中，所述处理设备可操作为：
获得顶部驱动器的惯性(JTD)；和
基于获得的TTD数据、获得的ω数据和获得的JTD数据估计钻柱的扭矩TST。
20.一种计算机程序产品，包括：
非暂时性计算机可读介质，其上记录有指令，当该指令由具有处理器和存储器的处理设备执行时，将导致该处理设备：
获得由与钻柱可操作地联接的顶部驱动器产生的扭矩(TTD)的当前值的原始地面数据；
获得与TTD对应的顶部驱动器的旋转速度(ω)的当前值的原始地面数据；
获得顶部驱动器的惯性(JTD)；和
基于获得的TTD数据、获得的ω数据和获得的JTD数据估计钻柱的扭矩TST。
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