DE112013007342T5

DE112013007342T5 - Verfahren zum Optimieren der Bohreffizienz mit reduziertem Haftgleiteffekt

Info

Publication number: DE112013007342T5
Application number: DE112013007342.0T
Authority: DE
Inventors: Zhijie Sun; Jason D. Dykstra
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2013-08-17
Filing date: 2013-08-17
Publication date: 2016-05-04
Also published as: MX2015017326A; CN105408574A; GB201522200D0; WO2015026311A1; GB2532360B; US9388681B2; NO20151739A1; AU2013398361A1; CN105408574B; CA2917462C; BR112015031153A2; CA2917462A1; RU2629029C1; BR112015031153B1; AR097337A1; GB2532360A; AU2013398361B2; US20150240615A1; AR108938A2

Abstract

Das Reduzieren oder Beseitigen eines Haftgleiteffekts und von Vibrationen untertage kann das Steuern eines Kraftdrehkopf-Drehmoments umfassen, um die Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels auf eine Art und Weise anzupassen, die den Haftgleiteffekt und die Vibration verhindert, beseitigt oder reduziert. Die Steuerverfahren und Systeme können das Lösen einer oder mehrerer Optimierungsaufgaben umfassen, die eine Zielfunktion umfassen. Die Zielfunktion kann Bedingungen unterliegen, wozu ein physikalisches Modell des Bohrsystems gehört. Die Zielfunktion kann ohne Bezug auf ein Modell minimiert werden, sich jedoch stattdessen auf eine geschätzte Haftgleiteffekt-Frequenz basierend auf einem Profil der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels beziehen. Zusätzlich können tatsächliche Untertagemessungen zur Verwendung bei Steuerverfahren und Systemen, wie etwa die Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels, unter Verwendung einer Beobachtungsvorrichtung geschätzt werden.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen unterirdische Bohrvorgänge und genauer gesagt das Stabilisieren eines Bohrmeißels, eines Bohrstrangs und/oder von Untertage-Werkzeugen gegenüber einer seitlichen Vibration und dem Haftgleiteffekt.
Kohlenwasserstoffe, wie etwa Erdöl und Gas, werden gewöhnlich aus unterirdischen Formationen erzielt, die sich an Land oder vor der Küste befinden können. Die Entwicklung von unterirdischen Arbeiten und die Arbeitsgänge, die mit dem Abtragen von Kohlenwasserstoffen aus einer unterirdischen Formation verbunden sind, sind komplex. Typischerweise bedingen unterirdische Arbeiten eine gewisse Anzahl von verschiedenen Schritten, wie beispielsweise das Bohren eines Bohrlochs an einer gewünschten Bohrungsstelle, das Bearbeiten des Bohrlochs, um die Förderung von Kohlenwasserstoffen zu optimieren, und das Ausführen der notwendigen Schritte, um die Kohlenwasserstoffe aus der unterirdischen Formation zu fördern und zu verarbeiten.
Unterirdische Bohrgeräte, wie etwa Bohrmeißel, Bohrstränge, Bohrlochgarnituren (BHA) und/oder Untertage-Werkzeuge, können die Bohrlochwand derart berühren, dass sie in der Bohrlochwand hängen oder stecken bleiben, wodurch der Bohrstrang „haftet”. Wenn das Bohrgerät „haftet”, wird die Drehbewegung des Bohrstrangs entweder angehalten oder stark verringert. An der Oberfläche wird weiter ein Drehmoment auf den Bohrstrang ausgeübt, obwohl das Bohrgerät festsitzt, was bewirkt, dass sich der Bohrstrang verdreht. Sobald das Drehmoment, das auf den Bohrstrang ausgeübt wird, die Kraft der Haftreibung auf das Bohrgerät überwunden hat, „gleitet” oder löst sich der Bohrstrang von der Bohrlochwand. Dieses Phänomen ist aus mehreren Gründen problematisch, wozu eine mögliche Verringerung der Lebensdauer der Untertage-Komponenten, eine Verringerung der Qualität des Bohrlochs und Verzögerungen beim Bohren gehören.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Einige spezifische Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind teilweise mit Bezug auf die nachstehende Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen verständlich. Es zeigen:
1 ein beispielhaftes Bohrsystem gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 ein Diagramm, das ein beispielhaftes System zum Steuern des Drehmoments des Kraftdrehkopfes gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung abbildet.
3 ein Diagramm, das einen beispielhaften modellprädiktiven Controller gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung abbildet.
4 eine Grafik, die eine Gewichtungsanpassung und Betriebsbedingungen gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung abbildet.
5 ein Diagramm, das einen beispielhaften Controller zum Suchen von Extremwerten gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung abbildet.
6 ein Diagramm, das einen beispielhaften Controller zum Suchen von Extremwerten gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung abbildet.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung abgebildet und beschrieben wurden und mit Bezug auf Ausführungsbeispiele der Offenbarung definiert werden, bedeuten diese Bezugnahmen keine Einschränkung für die Offenbarung, und es ist keine derartige Einschränkung abzuleiten. Der offenbarte Gegenstand ist zu erheblichen Modifikationen, Änderungen und Äquivalenten in Form und Funktion fähig, wie es der Fachmann auf dem Gebiet, der über die vorliegende Offenbarung verfügt, verstehen wird. Die abgebildeten und beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind rein beispielhaft und nicht den Umfang der Offenbarung erschöpfend.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Zum Zweck der vorliegenden Offenbarung kann ein Informationshandhabungssystem beliebige Einrichtungen oder Einrichtungsgruppen umfassen, die betriebsfähig sind, um eine beliebige Form von Informationen, Wissen oder Daten für geschäftliche, wissenschaftliche, steuerungstechnische oder andere Zwecke zu berechnen, zu klassifizieren, zu verarbeiten, zu übertragen, zu empfangen, abzurufen, hervorzubringen, umzuschalten, zu speichern, anzuzeigen, darzubringen, zu detektieren, aufzuzeichnen, wiederzugeben, zu handhaben oder zu verwenden. Beispielsweise kann ein Informationshandhabungssystem ein PC, eine Netzwerkspeichervorrichtung oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung sein und kann in Größe, Gestalt, Leistung, Funktionalität und Preis variieren. Das Informationshandhabungssystem kann einen Arbeitsspeicher (RAM), eine oder mehrere Verarbeitungsressourcen, wie etwa eine Zentraleinheit (CPU) oder eine Hardware- oder Software-Steuerlogik, einen ROM und/oder andere Arten von nicht flüchtigem Speicher umfassen. Zusätzliche Komponenten des Informationshandhabungssystems können ein oder mehrere Laufwerke, einen oder mehrere Netzwerkanschlüsse zur Kommunikation mit externen Vorrichtungen sowie diverse Ein- und Ausgabe-(E/A)Vorrichtungen, wie etwa eine Tastatur, eine Maus und eine Videoanzeige, umfassen. Das Informationshandhabungssystem kann auch einen oder mehrere Busse umfassen, die betriebsfähig sind, um Kommunikationen zwischen den diversen Hardware-Komponenten zu übertragen. Es kann auch eine oder mehrere Schnittstelleneinheiten umfassen, die in der Lage ist bzw. sind, ein oder mehrere Signale an einen Controller, ein Stellglied oder eine ähnliche Vorrichtung zu übertragen.
Zum Zweck der vorliegenden Offenbarung können computerlesbare Medien beliebige Einrichtungen oder Einrichtungsgruppen umfassen, die Daten und/oder Anweisungen über einen gewissen Zeitraum behalten können. Computerlesbare Medien können beispielsweise ohne Einschränkung Speichermedien, wie etwa eine Speichervorrichtung mit Direktzugriff (z. B. ein Festplattenlaufwerk oder ein Diskettenlaufwerk), eine Speichervorrichtung mit sequenziellem Zugriff (z. B. ein Bandlaufwerk), eine CD, eine CD-ROM, eine DVD, einen RAM, einen ROM, einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festspeicher (EEPROM) und/oder einen Flash-Speicher; sowie Kommunikationsmedien, wie etwa Drähte, Lichtleitfasern, Mikrowellen, Funkwellen und andere elektromagnetische und/oder optische Träger; und/oder eine beliebige Kombination des Vorstehenden umfassen.
Es werden hier erläuternde Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausführlich beschrieben. Der Übersichtlichkeit halber kann es sein, dass in der vorliegenden Beschreibung nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Umsetzung beschrieben werden. Es versteht sich natürlich, dass bei der Entwicklung einer derartigen tatsächlichen Ausführungsform zahlreiche umsetzungsspezifische Entscheidungen getroffen werden, um die spezifischen Umsetzungsziele zu erreichen, die von einer Umsetzung zur anderen variieren. Des Weiteren versteht es sich, dass eine derartige Entwicklungsbemühung aufwendig und zeitraubend sein könnte, jedoch für den Fachmann, der über die vorliegende Offenbarung verfügt, ein routinemäßiges Unterfangen wäre.
Um ein besseres Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen, werden die folgenden Beispiele bestimmter Ausführungsformen angegeben. Die folgenden Beispiele sind keineswegs als den Umfang der Offenbarung einschränkend oder definierend auszulegen. Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können auf waagerechte, senkrechte, umgelenkte oder anderweitig nicht lineare Bohrlöcher einer beliebigen Art von unterirdischer Formation anwendbar sein. Die Ausführungsformen können auf Injektionsbohrungen sowie auf Förderbohrungen, die Kohlenwasserstoff-Bohrungen umfassen, anwendbar sein. Die Ausführungsformen können unter Verwendung eines Werkzeugs umgesetzt werden, das zum Testen, Bergen und Probenehmen entlang den Abschnitten der Formation geeignet ausgebildet ist. Die Ausführungsformen können mit Werkzeugen umgesetzt werden, die beispielsweise über einen Durchgang in einem Röhrenstrang oder unter Verwendung einer Drahtleitung, einer Schlickleitung, eines Rohrwendels, eines Untertage-Roboters oder dergleichen transportiert werden können.
Die Begriffe „koppeln” oder „koppelt”, wie sie hier verwendet werden, sind dazu gedacht, entweder eine indirekte oder eine direkte Verbindung zu bedeuten. Wenn somit eine erste Vorrichtung mit einer zweiten Vorrichtung gekoppelt ist, kann diese Verbindung über eine direkte Verbindung oder über eine indirekte mechanische oder elektrische Verbindung anhand von anderen Vorrichtungen und Verbindungen erfolgen. Ähnlich ist der Begriff „kommunikationsmäßig gekoppelt”, wie er hier verwendet wird, dazu gedacht, entweder eine direkte oder eine indirekte Kommunikationsverbindung zu bedeuten. Eine derartige Verbindung kann eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung sein, wie beispielsweise Ethernet oder LAN. Derartige drahtgebundene und drahtlose Verbindungen sind dem Fachmann wohlbekannt und werden deshalb hier nicht ausführlich besprochen. Wenn somit eine erste Vorrichtung mit einer zweiten Vorrichtung kommunikationsmäßig gekoppelt ist, kann diese Verbindung über eine direkte Verbindung oder über eine indirekte Kommunikationsverbindung anhand von anderen Vorrichtungen und Verbindungen erfolgen.
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen unterirdische Bohrarbeiten und genauer gesagt das Stabilisieren eines Bohrmeißels, eines Bohrstrangs und/oder von Untertage-Werkzeugen gegenüber einer seitlichen Vibration und einem Haftgleiteffekt.
Die vorliegende Offenbarung stellt bei einigen Ausführungsformen Verfahren und Systeme zum Steuern der Winkelgeschwindigkeit eines Bohrmeißels bereit, der über einen Bohrstrang mit einem Kraftdrehkopf gekoppelt ist, indem das Drehmoment angepasst wird, das von dem Kraftdrehkopf auf den Bohrstrang ausgeübt wird.
Moderne Erdölbohr- und Förderarbeiten erfordern Informationen über Parameter und Bedingungen untertage. Es gibt mehrere Verfahren zum Erheben von Untertageinformationen, wozu das Aufzeichnen während des Bohrvorgangs („LWD”) und das Messen während des Bohrvorgangs („MWD”) gehören. Beim LWD werden die Daten typischerweise während des Bohrprozesses erhoben, wodurch es nicht notwendig ist, die Bohrbaugruppe zu entnehmen, um ein drahtgebundenes Aufzeichnungswerkzeug einzusetzen. Das LWD ermöglicht es dem Bohrer demnach, genaue Änderungen oder Korrekturen in Echtzeit vorzunehmen, um die Leistung zu optimieren und die Stillstandzeit zu minimieren. Das MWD ist der Begriff für das Messen der Bedingungen untertage bezüglich der Bewegung und des Standorts der Bohrbaugruppe, während der Bohrvorgang fortfährt. Das LWD konzentriert sich mehr auf die Messung von Formationsparametern. Obwohl es zwischen MWD und LWD Unterschiede geben kann, werden die Begriffe MWD und LWD oft austauschbar verwendet. Zum Zweck der vorliegenden Offenbarung wird der Begriff LWD verwendet, wobei es sich versteht, dass dieser Begriff sowohl das Erheben von Formationsparametern als auch das Erheben von Informationen über die Bewegung und die Position der Bohrbaugruppe einbezieht.
1 bildet ein beispielhaftes Bohrsystem gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung ab. Das Bohrsystem 100 umfasst ein Gestell 102, das an der Oberfläche 122 montiert ist und über einem Bohrloch 104 in einer unterirdischen Formation 106 positioniert ist. Obwohl die Oberfläche 122 in 1 als Land gezeigt wird, kann das Bohrgestell bei einigen Ausführungsformen auf See befindlich sein, wobei die Oberfläche 122 dann eine Bohrplattform umfassen würde. Das Gestell 102 kann einen Kraftdrehkopf 126 umfassen, der mit einem Bohrstrang 114 gekoppelt ist, der, wie in 1 gezeigt, mehrere Bohrrohre umfassen kann (z. B. ein Innenrohr 120 und ein Außenrohr 118). Eine Steuereinheit 124 an der Oberfläche 122 kann den Betrieb von mindestens einigen der Bohrausrüstungen steuern, wozu der Kraftdrehkopf 126 gehört. Die Steuereinheit 124 kann ein Steuersystem umfassen (das wiederum ein Informationshandhabungssystem ist oder umfassen kann), das kommunikationsmäßig mit mindestens einigen der Bohrausrüstungen, wozu der Kraftdrehkopf 126 gehört, gekoppelt sein kann.
Der Bohrstrang kann bei einigen Ausführungsformen ferner eine Bohrlochgarnitur (BHA) 108 umfassen, die Werkzeuge, wie etwa LWD/MWD-Elemente, umfassen kann, die mit den Außen- und Innenrohren gekoppelt sind. Die LWD/MWD-Elemente können Untertage-Instrumente umfassen. Während der Bohrvorgang fortschreitet, können diese Instrumente vorbestimmte Bohrparameter und Formationsdaten ununterbrochen oder zeitweilig überwachen und die Informationen über eine Art von Telemetrie an einen Detektor übertage übertragen. Alternativ können die Daten gespeichert werden, während sich die Instrumente untertage befinden, und später an die Oberfläche zurückgeholt werden, wenn der Bohrstrang geborgen wird. Der Bohrstrang 114 ist mit dem Bohrmeißel 110 derart gekoppelt, dass der Bohrmeißel 110 mit dem Kraftdrehkopf 126 über den Bohrstrang 114 gekoppelt ist. Entsprechend kann der Kraftdrehkopf 126 ein Drehmoment auf den Bohrstrang 114 ausüben, der wiederum ein Drehmoment auf den Bohrmeißel 110 ausübt, wodurch bewirkt wird, dass er sich mit einer Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels θ . dreht.
An einem oder mehreren Zeitpunkten während des Bohrprozesses kann die gesamte Bohrbaugruppe (einschließlich des Bohrmeißels 110 und des Bohrstrangs 114) oder ein Teil davon während des Kontakts mit dem Bohrloch 104 „haften”, woraufhin eine Drehbewegung des Bohrstrangs 114 und/oder des Meißels 110 entweder angehalten oder stark verringert wird. Das Drehmoment kann weiter von dem Kraftdrehkopf 126 auf den Bohrstrang 114 ausgeübt werden, obwohl der Bohrstrang 114 (oder ein Teil davon) und/oder der Meißel 110 festsitzt, was bewirkt, dass sich der Bohrstrang 114 über dem festsitzenden Teil verdreht. Sobald das Drehmoment die Reibungskraft an der festsitzenden Komponente überwunden hat, kann bzw. können der Bohrstrang 114 und/oder der Meißel 110 „gleiten” oder sich von der Bohrlochwand 104 lösen. Diese Aktion des „Gleitens” und „Haftens” kann die Lebensdauer von Untertagekomponenten, wozu der Bohrmeißel 110 gehört, und der LWD/MWD-Messelemente in der BHA 108 verringern und die Qualität des Bohrlochs 104 verringern.
Die Steuerverfahren nach einigen Ausführungsformen werden nachstehend mit Bezug auf die folgenden Figuren ausführlicher beschrieben. Derartige Verfahren können bei diversen Ausführungsformen durch ein Steuersystem umgesetzt werden, wie etwa ein Steuersystem, das in der Steuereinheit 124 aus 1 enthalten ist. Ein Steuersystem kann einen Controller umfassen, der kommunikationsmäßig mit einem Stellglied gekoppelt ist, das mit einem Kraftdrehkopf gekoppelt ist (d. h. einer Vorrichtung, die geeignet ist, um physikalische Änderungen an der Drehmomentausgabe des Kraftdrehkopfes basierend auf Steuersignalen, die vom Controller gesendet werden, vorzunehmen). Ferner kann ein Controller gemäß einigen Ausführungsformen ein Informationshandhabungssystem sein oder umfassen. Somit kann ein Controller beispielsweise mindestens eine Verarbeitungsressource, eine Schnittstelleneinheit, die in der Lage ist, ein Steuersignal an das Stellglied des Kraftdrehkopfes zu senden, und ein computerlesbares Medium, das ausführbare Anweisungen umfasst, die geeignet sind, um eines oder mehrere Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen, umfassen. Bei anderen Ausführungsformen kann das Steuersystem Mittel zum Ausgeben einer Steuersignalanleitung (z. B. einen Monitor oder einen anderen Anzeigemechanismus und/oder einen mündlichen Meldemechanismus oder eine beliebige andere Vorrichtung, die zum Ausgeben einer Steuersignalanleitung geeignet ist) umfassen, so dass ein Bediener eine derartige Steuersignalanleitung anhand einer manuellen Eingabe in einen Steuermechanismus zum Steuern des Kraftdrehkopfes umsetzen kann.
2 ist ein Prozesssteuerungs-Blockdiagramm, das ein beispielhaftes Steuerverfahren gemäß einigen Ausführungsformen abbildet. Das in 2 abgebildete Beispiel ist ein Regelkreisverfahren, das ein Optimierungssteuerelement 201 verwendet. Das Optimierungssteuerelement kann ein Steuersignal τ_in ausgeben, und die Steuerung des Kraftdrehkopfes kann mindestens teilweise auf dem Steuersignal τ_in basieren. D. h. beispielsweise, dass der Kraftdrehkopf von einem Steuersignal τ_in derart gesteuert werden kann, dass er eine gewünschte Meißel-Winkelgeschwindigkeit erzielt (z. B. durch Einstellen des Kraftdrehkopfes, damit er ein bestimmtes Drehmoment am oberen Teil des Bohrstrangs ausübt). Somit kann das Steuersignal τ_in bei einigen Ausführungsformen ein Drehmoment umfassen, das der Kraftdrehkopf erreichen soll. Bei einigen Ausführungsformen kann es ein Drehmoment umfassen, das auf den Kraftdrehkopf von einem Stellglied oder einer derartigen Vorrichtung ausgeübt werden soll, um ein gewünschtes Drehmoment zu erreichen, das von dem Kraftdrehkopf auf den Bohrstrang ausgeübt wird). Der Steuerprozess kann iterativ sein (z. B. kann ein erstes Steuersignal τ_in den Kraftdrehkopf derart steuern, dass er eine erste Meißel-Winkelgeschwindigkeit erreicht, dann kann ein zweites Steuersignal τ_in den Kraftdrehkopf derart steuern, dass er eine zweite Meißel-Winkelgeschwindigkeit erreicht, und so weiter je nach Bedarf und/oder nach Wunsch).
Das Steuerverfahren kann ferner das Modellieren der physikalischen Dynamik gemäß den Übertragungsfunktionen umfassen, die in dem Blockdiagramm aus 2 gezeigt werden, die kombiniert gemäß den Beziehungen, die in dem Blockdiagramm abgebildet sind, eine kombinierte Übertragungsfunktion g₁(τ_in) bilden können. Bei dem Beispiel aus 2 umfasst die kombinierte Übertragungsfunktion die in 2 abgebildeten Übertragungsfunktionen bezüglich: (i) des Eingangsdrehmoments, das von dem Kraftdrehkopf auf den Bohrstrang ausgeübt wird (wie es mindestens teilweise durch das Steuersignal τ_in bestimmt wird); (ii) des Reibmoments am Meißel τ_out (das direkt gemessen oder basierend auf der modellierten Dynamik aus 2 geschätzt werden kann); der Winkelgeschwindigkeit φ . des Kraftdrehkopfes (die, wie in 2 gezeigt, auch die Änderungsrate der Winkelgeschwindigkeit φ . des Kraftdrehkopfes und des Winkels φ des Kraftdrehkopfes umfasst); und der Winkelgeschwindigkeit θ . des Bohrmeißels (die, wie in 2 gezeigt, auch die Änderungsrate der Winkelgeschwindigkeit θ .. des Bohrmeißels und des Bohrmeißelwinkels θ umfasst). 2 bildet ferner die Teile der Übertragungsfunktionen innerhalb des Blockdiagramms ab, welche die Dynamik des Kraftdrehkopfes 210, des Bohrstrangs 215 und des Meißels 220 betreffen. Bei einigen Ausführungsformen kann die physikalische Dynamik gemäß einem beliebigen Verfahren modelliert werden, das ausgewählt wird, um das physikalische Bohrsystem zu beschreiben. Beispielsweise kann der Bohrprozess als Masse-Feder-Dämpfer-System modelliert werden, wie es die Übertragungsfunktionen zeigen, die gemäß dem Blockdiagramm aus 2 angeordnet sind.
Zusätzlich kann das Steuerverfahren bei einigen Ausführungsformen eine Beobachtungsvorrichtung 205 umfassen, wie in 2 gezeigt. Die Beobachtungsvorrichtung kann die Winkelgeschwindigkeit θ . des Bohrmeißels basierend auf einer beliebigen Anzahl von Messungen in dem System, welche die Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels betreffen können, gemäß der modellierten Dynamik schätzen (z. B. wie in 2 gezeigt). Beispielsweise kann sie die Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels mindestens teilweise basierend auf dem Drehmoment schätzen, das von dem Kraftdrehkopf auf den Bohrstrang ausgeübt wird (τ_in). Bei einigen Ausführungsformen kann sie die Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels mindestens teilweise basierend auf dem Reaktionsdrehmoment, das auf den Kraftdrehkopf als Reaktion darauf, dass der Kraftdrehkopf das Drehmoment τ_in auf den Bohrstrang ausübt, ausgeübt wird, schätzen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Beobachtungsvorrichtung die Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels mindestens teilweise basierend auf diversen Untertagemessungen schätzen, wie beispielsweise vorhergehende Proben der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels. Ferner kann die Beobachtungsvorrichtung eine Messung des vorhergehenden Eingangsdrehmoments des Kraftdrehkopfes, die mit einer vorhergehenden Probe der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels verknüpft ist (z. B. das Drehmoment, das von dem Kraftdrehkopf auf den Bohrstrang ausgeübt wurde, so dass die zuvor gemessene Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels erzeugte) verwenden. Die Beobachtungsvorrichtung kann bei einigen Ausführungsformen andere Messungen zusätzlich oder anstelle der zuvor erwähnten verwenden, wie etwa: Gewicht am Meißel, Drehmoment am Meißel und/oder Drehzahl an einem oder mehreren Punkten entlang dem Bohrstrang (z. B. wie durch einen Sensor an einem oder mehreren Punkten entlang dem Bohrstrang gemessen). Diese Messungen können bei einigen Ausführungsformen zusammen mit dem Modell verwendet werden, um diverse Parameter zur Verwendung in dem Modell zu bestimmen (z. B. einen Reibungskoeffizienten, der mindestens teilweise basierend auf den Messungen des Gewichts am Meißel und des Drehmoments am Meißel abgeleitet werden kann).
Bei anderen Ausführungsformen kann die Winkelgeschwindigkeit θ . des Bohrmeißels direkt gemessen werden, oder sie kann basierend auf Steuereingaben modelliert werden. Die modellierte, gemessene oder geschätzte Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels wird an das Optimierungssteuerelement 201 übertragen (z. B. als Signal der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels), das wiederum das Steuersignal τ_in mindestens teilweise basierend auf der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels, einem Sollwert θ .* der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels und einer Zielfunktion (die bei manchen Ausführungsformen Teil einer Optimierungsaufgabe sein kann) generiert.
Beispielsweise bildet 3 eine Ausführungsform des Optimierungssteuerelements 201 ab, die eine Optimierungsaufgabe 301 umfasst. Bei Ausführungsformen wie in 3 gezeigt kann der Steuerprozess eine modellprädiktive Steuerung (MPC) verwenden; d. h. die Generierung von Steuersignalen kann mindestens teilweise auf einem modellprädiktiven Steueralgorithmus basieren. Insbesondere kann ein derartiger Algorithmus ein physikalisches Modell der Dynamik des gesteuerten Systems umfassen. Insbesondere kann bei einigen Ausführungsformen die MPC-Steuerung ein oder mehrere Modelle verwenden, um die Bohreffizienz und die Beseitigung des Haftgleiteffekts gemäß einer oder mehreren Betriebsbedingungen dynamisch auszugleichen. Die Optimierungsaufgabe 301 kann ein Modell pflegen, das die Ein-/Ausgabe-Beziehung des Bohrprozesses kennzeichnet, z. B. ein Modell der Dynamik zwischen dem Eingangsdrehmoment für den Kraftdrehkopf und der sich ergebenden Meißel-Winkelgeschwindigkeit (wie etwa g₁(τ_in), die aus den Übertragungsfunktionen abgeleitet wird, die das System aus 2 modellieren, wie zuvor besprochen). Die Optimierungsaufgabe 301 kann auch eine Zielfunktion umfassen, für die eine optimale Lösung gefunden werden soll, die einer oder mehreren Randbedingungen unterliegt. Eine optimale Lösung kann beispielsweise ein minimaler oder maximaler Wert der Zielfunktion sein (die der einen oder den mehreren Randbedingungen unterliegt). Bei einigen Ausführungsformen kann bzw. können die eine oder die mehreren Randbedingungen das Modell der Dynamik zwischen dem Eingangsdrehmoment für den Kraftdrehkopf und der sich ergebenden Meißel-Winkelgeschwindigkeit umfassen. Eine Zielfunktion einiger Ausführungsformen kann einen oder mehrere Terme umfassen. Ein oder mehrere Terme der Zielfunktion kann bzw. können einen physikalischen Aspekt des Systems beschreiben, das den Kraftdrehkopf und den Bohrmeißel umfasst. Bei einigen Ausführungsformen kann jeder Term eine oder mehrere physikalische Dynamiken von einem oder mehreren von dem Kraftdrehkopf, dem Bohrmeißel und dem Bohrstrang beschreiben. Bei einigen Ausführungsformen kann die Zielfunktion auch einen oder mehrere Strafterme umfassen, die dazu gedacht sind, eine Verletzung einer oder mehrerer Randbedingungen zu bestrafen, der bzw. denen die Zielfunktion unterliegt. Beispielsweise kann die Zielfunktion einen Strafterm für die Bohrstrangdrehung umfassen, um eine Drehung eines Teils des Bohrstrangs mit einer Winkelgeschwindigkeit, die schneller als die maximale Winkelgeschwindigkeit ist, zu bestrafen, wodurch entweder eine langsamere Winkeldrehung oder eine langsamere Zunahme der Winkeldrehung in der Lösung für die Zielfunktion bereitgestellt wird. Die Randbedingungen werden nachstehend ausführlicher besprochen. Ferner kann bzw. können bei bestimmten Ausführungsformen ein oder mehrere Terme mit einem multiplikativen Gewichtungsfaktor verknüpft sein.
Beispielsweise kann eine Zielfunktion einiger Ausführungsformen die folgende Form annehmen:
Die Zielfunktion aus Gl. 1 ist eine Kostenfunktion, die 3 Terme umfasst: einen Term zum Reduzieren des Haftgleiteffekts, bei diesem Beispiel (θ . – θ .*)² (der bei der beispielhaften Zielfunktion aus Gl. 1 der Verfolgungsfehler der Meißel-Winkelgeschwindigkeit im Vergleich zu einem Sollwert der Meißel-Winkelgeschwindigkeit ist), der mit dem ersten Gewichtungsfaktor W₁ verknüpft ist; einen Term zum Glätten der Drehmomenteingabe, bei diesem Beispiel (Δτ_in,j)² (der Änderungen des Drehmoments beschreibt, das von dem Kraftdrehkopf auf den Bohrstrang ausgeübt wird, so dass eine kleinere Änderung einem regelmäßigeren Betrieb gleichkommen kann), der mit dem zweiten Gewichtungsfaktor W₂ verknüpft ist; und einen Bohreffizienzterm, hier die mechanische spezifische Energie MSE, der mit dem dritten Gewichtungsfaktor W₃ verknüpft ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die MSE die Energiemenge sein, die pro Einheitsvolumen des Formationsgesteins, in dem der Bohrmeißel bohrt, benötigt wird. Das Minimieren der MSE kann daher zur höchsten Effizienz (im Hinblick auf die Energie, die pro gebohrter Menge verwendet wird) führen.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Zielfunktion gelöst werden, um ein Kraftdrehkopf-Drehmoment zu finden, das den Wert der Funktion minimiert (z. B. den Wert von Δτ_in,j, der min J ergibt), wodurch das zu generierende optimale Drehmoment-Eingabesignal τ_in angegeben wird. Somit kann bei dem gezeigten Beispiel das Minimieren von J das Minimieren jedes von dem Verfolgungsfehler der Meißel-Winkelgeschwindigkeit, den inkrementellen Änderungen des Drehmoments (wodurch es zu einem regelmäßigeren Betrieb kommt) und der MSE (wodurch die Energie minimiert wird, die benötigt wird, um ein bestimmtes Volumen in die Formation zu bohren) bedingen. Ferner kann die Zielfunktion (und somit ihre Lösung) einer oder mehreren Randbedingungen unterliegen, wozu das Modell der Dynamik zwischen dem Eingangsdrehmoment für den Kraftdrehkopf und die Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels gehört. Die Randbedingungen einiger Ausführungsformen können beispielsweise Folgendes umfassen: (θ . – θ .*) = g₁(τ_in) (Gl. 2) MSE = g₂(τ_in, θ .) (Gl. 3) θ ≤ θ . ≤ θ ._max (Gl. 4) 0 ≤ τ_in ≤ τ_in,max (Gl. 5)
D. h. der Verfolgungsfehler der Meißel-Winkelgeschwindigkeit im Vergleich zum Sollwert der Meißel-Winkelgeschwindigkeit kann der Randbedingung der Meißel-Winkelgeschwindigkeit unterliegen, die von dem Modell der Dynamik zwischen dem Eingangsdrehmoment des Kraftdrehkopfes und der sich ergebenden Meißel-Winkelgeschwindigkeit vorhergesagt wird (Gl. 2). Die mechanische spezifische Energie MSE, die ein Effizienzindex ist, kann eine empirische Funktion g₂(τ_in, θ .) sein, welche die Bohreffizienz beschreibt (Gl. 3) (die basierend auf Daten und/oder mathematischen Beschreibungen der physikalischen Dynamik der Energie pro gebohrte Volumeneinheit abgeleitet werden kann). Die Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels und die Drehmomenteingabe für den Kraftdrehkopf können mechanischen Grenzen (wie beispielsweise der maximalen Winkelgeschwindigkeit, dem Gewicht am Meißel oder einem anderen Parameter für einen sicheren und/oder schadfreien Betrieb und dergleichen) an jeder dieser Komponenten in dem System unterliegen (Gl. 4 und 5).
Das Optimierungssteuerelement 201 kann bei einigen Ausführungsformen auch die Modellanpassung 305 zum Aktualisieren des Modells (z. B. des Modells g₁(τ_in)) mindestens teilweise basierend auf Betriebsdaten, die mit einem oder mehreren von dem Kraftdrehkopf, dem Bohrmeißel und dem Bohrstrang verknüpft sind, umfassen, um ein aktualisiertes Modell zu erzielen. Dies kann in manchen Fällen erwünscht sein, bei denen das Modell Terme umfasst, die nicht ohne Weiteres bekannt sind, gemessen oder berechnet werden (wie etwa K, C und C_d in 1, die bei dem Modell g₁(τ_in) verwendet werden), so dass das Modell aktualisiert werden kann, um sich an die Betriebsdaten anzupassen. Die Betriebsdaten können ein Reaktionsdrehmoment, das als Reaktion darauf, dass der Kraftdrehkopf das Drehmoment τ_in auf den Bohrstrang ausübt, auf den Kraftdrehkopf ausgeübt wird; frühere Proben der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels (die tatsächlich gemessen und/oder beispielsweise von einer Beobachtungsvorrichtung 205 gemessen und/oder geschätzt werden kann); das Gewicht am Meißel, das Drehmoment am Meißel; die Drehzahl, die an einem oder mehreren Punkten entlang dem Bohrstrang (z. B. von Sensoren an dieser Stelle oder diesen Stellen entlang dem Bohrstrang) gemessen wird, umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein zuvor gemessenes und/oder geschätztes Drehmoment, das von dem Kraftdrehkopf eingegeben wird und mit einer sich ergebenden Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels verknüpft ist (die ebenfalls zuvor gemessen und/oder geschätzt worden sein kann), nützlich sein.
Das Optimierungssteuerelement 201 kann ferner ein Gewichtungsanpassungselement 310 umfassen, um den einen oder die mehreren Gewichtfaktoren mindestens teilweise basierend auf einer oder mehreren Betriebsbedingungen, die mit dem Bohrmeißel verknüpft sind, zu aktualisieren, um aktualisierte Gewichtungsfaktoren in die Zielfunktion einzubeziehen. Die Betriebsbedingungen, auf denen die Aktualisierungen der Gewichtungsfaktoren basieren, können eine oder mehrere Betriebsbedingungen umfassen, die zuvor mit Bezug auf Modellaktualisierungen besprochen wurden. Bei einigen Ausführungsformen können die Aktualisierungen des Modells und der Gewichtungsfaktoren im Wesentlichen auf den gleichen (gemessenen und/oder geschätzten) Betriebsbedingungen basieren. Dennoch können bei einigen dieser Ausführungsformen Modellaktualisierungen zu einer besseren Schätzung des aktuellen Zustands des Bohrsystems führen, wohingegen Aktualisierungen von Gewichtungsfaktoren zu einem besseren Betrieb führen können (z. B. einem Betrieb, der darauf abzielt, den Haftgleiteffekt zu reduzieren, die Energieverwendung pro gebohrter Volumeneinheit zu minimieren usw.).
Wie angemerkt, können die Gewichtungsfaktoren bei bestimmten Ausführungsformen derart aktualisiert werden, dass sie einen Term, der mit einem bestimmten Gewichtungsfaktor verknüpft ist, je nach Bedarf verstärken oder abschwächen. Wenn die Betriebsbedingungen beispielsweise angeben, dass ein starker Haftgleiteffekt vorliegt oder vorkommen wird, kann ein Gewichtungsfaktor, der mit einem Term zum Reduzieren des Haftgleiteffekts verknüpft ist, entsprechend erhöht werden, um diesen Aspekt der Zielfunktion zu verstärken (wodurch die Reduzierung des Haftgleiteffekts in dem Steuersignal τ_in verstärkt wird). Gleichzeitig kann einem Bohreffizienzterm eine geringere Gewichtung zugeteilt werden, um die Verstärkung weiter von der Bohreffizienz (z. B. der maximalen Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels) auf das Minimieren des Haftgleiteffekts (z. B. durch Reduzieren der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels) zu verschieben.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Gewichtungsanpassungselement 310 eine Funktion und/oder ein Modell, das eine Beziehung zwischen dem Haftgleiteffekt und einer oder mehreren Betriebsbedingungen herstellt, umfassen, sich darauf beziehen oder anderweitig mindestens teilweise darauf beruhen. Beispielsweise bildet 4 ein Modell ab, das eine Grafik des Gewichts am Meißel WOB gegenüber der RPM (Meißelumdrehungen pro Minute), die als alternativer Ausdruck der Meißel-Winkelgeschwindigkeit θ . verwendet werden können, abbildet. 4 umfasst auch eine Funktion, die modelliert, wann die Betriebsbedingungen von WOB und RPM zu einem Haftgleiteffekt führen können (eine derartige Funktion kann beispielsweise in dem Gewichtungsanpassungselement 310 einiger Ausführungsformen gespeichert werden), und umfasst ferner die erläuternden Punkte A, B und C, die beispielhafte Betriebsbedingungen angeben, bei denen das Gewichtungsanpassungselement 310 diverse Gewichtungsaktualisierungen vornehmen kann. Beispielsweise gibt das Modell aus 4 bei den Betriebsbedingungen für WOB und RPM, die dem Punkt A entsprechen, an, dass ein starker Haftgleiteffekt vorliegt, und ein Gewichtungsfaktor, der mit einem Term zum Reduzieren des Haftgleiteffekts verknüpft ist, kann entsprechend erhöht werden, um die Reduzierung des Haftgleiteffekts zu verstärken, wohingegen ein Gewichtungsfaktor, der mit der Bohreffizienz verknüpft ist, reduziert werden kann, um die Bohreffizienz abzuschwächen. Angesichts der beispielhaften Zielfunktion aus Gl. 1 würde der Gewichtungsfaktor W₁, der mit dem Term zum Reduzieren des Haftgleiteffekts (θ . – θ .*)² verknüpft ist, von dem Gewichtungsanpassungselement 310 erhöht werden, wenn sich die Betriebsbedingungen am Punkt A in 4 befinden, wohingegen der Gewichtungsfaktor W₃, der mit dem Term der Bohrenergieeffizienz MSE verknüpft ist, verringert würde. Weiter mit Bezug auf Gl. 1 zur Erläuterung, wenn sich die aktuellen Bohrbedingungen stattdessen an Punkt B in der Grafik aus 4 befinden, gibt das Betriebsbedingungsmodell nur einen geringen oder gar keinen Haftgleiteffekt an, so dass die Werte von W₁ und W₃ derart gewählt werden können, dass die Steuerungsbemühungen zum Reduzieren des Haftgleiteffekts und zum Erhöhen der Bohrenergieeffizienz ungefähr gleich sind. Und wenn sich stattdessen die aktuellen Bohrbedingungen am Punkt C außerhalb des Haftgleitbereichs befinden, dann kann W₁ als sehr kleine Zahl eingestellt werden, um zu verhindern, dass der Prozess zurück in den Haftgleitbereich gerät, während die Steuerungsverstärkung hauptsächlich auf die Bohrenergieeffizienz verlegt wird.
Ferner können die Änderungsraten des oder der Gewichtungsfaktoren eingeschränkt werden, um die Stabilität des Bohrsystems sicherzustellen, beispielsweise indem der Änderungsrate Grenzen gesetzt werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Änderungsraten des oder der Gewichtungsfaktoren eingeschränkt werden, um eine Lyapunov-Funktion zu erfüllen, die verwendet wird, um die Gesamtenergie des Bohrsystems einzuschränken. Dies kann dazu beitragen, drastische Änderungen der Gewichtungen zu verhindern, die zu unerwünscht großen Schwingungen des Drehmomentsteuersignals τ_in des Kraftdrehkopfes und der Meißel-Winkelgeschwindigkeit θ . führen könnten. Eine Lyapunov-Funktion einiger Ausführungsformen kann eine Funktion sein, welche die Stabilität des Bohrsystems kennzeichnet. Eine derartige Funktion muss keine allgemeine Form aufweisen, sondern kann stattdessen speziell für jedes System ausgelegt sein. Dennoch kann eine Lyapunov-Funktion manchmal eine quadratische Form annehmen, die z. B. aus dem Gesamtpotenzial und der kinetischen Energie des Systems besteht. Bei Ausführungsformen, bei denen Lyapunov-Funktionen verwendet werden, um die Gesamtenergie des Bohrsystems einzuschränken, können dann neue Gewichtungsfaktoren notwendig sein, um die Bedingung zu erfüllen, dass die dazugehörige Lyapunov-Funktion nicht im Verlauf der Zeit zunimmt. Auf diese Art und Weise können diese Ausführungsformen dann sicherstellen, dass das Gesamtpotenzial und die kinetische Energie des Systems im Verlauf der Zeit nicht zunehmen.
Zusätzlich kann das Optimierungssteuerelement 201 auch ein Element 315 zum Aktualisieren des internen Zustands der MPC umfassen, das verwendet werden kann, um den aktuellen Zustand des Bohrsystems besser zu schätzen und/oder das zukünftige Verhalten des Systems vorherzusagen. Wenn eine Messung verfügbar ist, wird sie auf das Modell für eine Zustandsaktualisierung angewendet. Dann kann das Steuersignal mindestens teilweise basierend auf dem oder den internen Zuständen generiert werden. Das Element 315 zum Aktualisieren des internen Zustands der MPC kann demnach zur iterativen Funktion der Regelschleife beitragen (z. B. führt die Ausgabe des Steuersignals zu einer oder mehreren Systemausgaben, wie etwa einer Meißel-Winkelgeschwindigkeit (d. h. RPM), wobei diese Ausgabe(n) wiederum gemessen und/oder geschätzt wird bzw. werden, wobei die Messung(en) und/oder Schätzung(en) dann in das Modell zurückgeführt wird bzw. werden, um ein Steuersignal zu generieren, das mit dem nun aktualisierten Modellzustand verknüpft ist.
Angesichts der obigen Offenbarung wird es für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sein, dass der Betrieb des Steuerprozesses bei einigen Ausführungsformen iterativ sein kann. D. h. ein erstes Steuersignal τ_in kann generiert werden, mindestens teilweise basierend auf einem Sollwert der Meißel-Winkelgeschwindigkeit, einer ersten Meißel-Winkelgeschwindigkeit und einer Optimierungsaufgabe, die (i) eine Zielfunktion in einem ersten Zustand und (ii) eine oder mehrere erste Zustandsrandbedingungen, der bzw. denen die Optimierungsaufgabe unterliegt, umfasst, wobei diese Randbedingungen ein Modell der Dynamik zwischen dem Drehmoment des Kraftdrehkopfes und der sich ergebenden Meißel-Winkelgeschwindigkeit umfassen; der Kraftdrehkopf kann mindestens teilweise basierend auf dem ersten Steuersignal gesteuert werden; Betriebsbedingungen, die mit dem Bohrmeißel verknüpft sind, und/oder Betriebsdaten, die mit einem oder mehreren von dem Kraftdrehkopf, dem Bohrmeißel und dem Bohrstrang verknüpft sind, können überwacht, gemessen, geschätzt, modelliert oder anderweitig erzielt werden; und eines oder mehrere von dem Modell und der Zielfunktion kann bzw. können basierend auf den Betriebsbedingungen oder den Betriebsdaten oder beiden aktualisiert werden, d. h. das Modell (wie etwa g₁(τ_in)) kann aktualisiert werden, und/oder die Gewichtungsfaktoren der Zielfunktion W₁, W₂ usw. können aktualisiert werden. Dann kann ein zweites Steuersignal generiert werden, mindestens teilweise basierend auf dem Sollwert der Meißel-Winkelgeschwindigkeit, der zweiten Meißel-Winkelgeschwindigkeit (z. B. der Meißel-Winkelgeschwindigkeit, die sich aus dem Drehmoment des Kraftdrehkopfes ergibt, das auf Grund des ersten Steuersignals erzielt wird), und der Optimierungsaufgabe, die: (i) die Zielfunktion in einem zweiten Zustand (z. B. mit den aktualisierten Gewichtungsfaktoren W₁ usw.) und (ii) eine oder zwei Randbedingungen des zweiten Zustands (einschließlich des aktualisierten Modells) umfasst. Natürlich kann es möglich sein, dass sich eines oder beide von dem Modell und den Gewichtungsfaktoren während des Aktualisierens gegenüber ihren ersten Zuständen nicht ändert bzw. ändern, so dass die Zielfunktion im zweiten Zustand und/oder die Randbedingungen des zweiten Zustands nicht anders (oder nicht erheblich anders) als die im ersten Zustand ist bzw. sind. Ferner kann der Prozess je nach Bedarf oder je nach Wunsch während des Bohrprozesses wiederholt werden.
5 bildet ein anderes beispielhaftes Optimierungssteuerelement 201 gemäß anderen Ausführungsformen ab, das kein Modell in der Lösung für eine Optimierungsaufgabe umfasst. Die Ausführungsformen gemäß diesem Beispiel können stattdessen eine Form von Extremwert-Suchsteuerung (ESC) verwenden, d. h. die Generierung von Steuersignalen kann mindestens teilweise auf einem Algorithmus zum Steuern der Extremwertsuche basieren. Derartige Ausführungsformen können das Mindern, Reduzieren und/oder Beseitigen des Haftgleiteffekts ohne Modelle umfassen, indem sie steuern, wie eine Reihe von Sinuswellen kombiniert wird. Dies kann bei einigen Ausführungsformen eine Zielfunktion 501 umfassen (ähnlich wie eine Zielfunktion, die bei diversen Ausführungsformen des Optimierungssteuerelements 201 gemäß 3, wie etwa Gl. 1, verwendet werden kann und demnach einen oder mehrere Terme und/oder Strafterme umfasst, wie es zuvor mit Bezug auf Gl. 1 beschrieben wurde). Die Zielfunktion 501 kann eine oder mehrere Gradientenrichtungen aufweisen, so dass die Funktion in einer oder mehreren dieser Gradientenrichtungen minimiert werden kann. Zusätzlich kann jeder Term der Zielfunktion 501 einen Gewichtungsfaktor umfassen. Wie bei den Gewichtungsfaktoren der Zielfunktionen zur Verwendung bei den zuvor besprochenen Ausführungsformen der modellprädiktiven Steuerung können die Gewichtungsfaktoren einiger ESC-Ausführungsformen mindestens teilweise basierend auf einer oder mehreren Betriebsbedingungen aktualisiert werden. Somit kann die ESC gemäß einigen Ausführungsformen ein Gewichtungsanpassungselement 605, ähnlich wie das Gewichtungsanpassungselement 310 aus 3, umfassen, wie in 6 gezeigt. Das Gewichtungsanpassungselement 605 verwendet als Eingabe gemessene und/oder geschätzte Betriebsbedingungen (in 6 als Meißel-Winkelgeschwindigkeits-/RPM-Messungen gezeigt). Obwohl dies in 5 oder 6 nicht gezeigt wird, könnte das Gewichtungsanpassungselement 605 somit beispielsweise zusätzlich das τ_in-Signal (und/oder das gemessene Drehmoment des Kraftdrehkopfes, das tatsächlich auf den Bohrstrang ausgeübt wird) verwenden. Und bei einigen Ausführungsformen könnte das Gewichtsanpassungsmodul beliebige andere Eingangsmessungen und/oder Schätzungen der Betriebsbedingungen verwenden, wie etwa diejenigen, die hier zuvor besprochen wurden.
Das Optimierungssteuerelement 201 gemäß den Ausführungsformen von entweder 5 oder 6 kann ferner eine Vorrichtung 505 zum Schätzen der Frequenz des Haftgleiteffekts umfassen, und ein Steuersignal τ_in, das gemäß diesen Ausführungsformen generiert wird, kann demnach mindestens teilweise auf der geschätzten Frequenz des Haftgleiteffekts und der Zielfunktion basieren, so dass die Steuerung des Kraftdrehkopfes gemäß dem Signal den Wert der Zielfunktion in einer oder mehreren der einen oder mehreren Gradientenrichtungen verringert.
Die Vorrichtung 505 zum Schätzen der Frequenz des Haftgleiteffekts schätzt die Frequenz des Haftgleiteffekts, so dass das Steuersignal τ_in dem Haftgleiteffekt gemäß der geschätzten Frequenz entgegenwirken kann. Da insbesondere die Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels periodisch sein kann, wenn der Haftgleiteffekt auftritt, kann die Frequenz des Haftgleiteffekts aus einem Profil der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels über einen Zeitraum geschätzt werden. Genauer gesagt kann bei einigen Ausführungsformen eine Fourier-Transformation an dem Profil der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels im Verlauf der Zeit ausgeführt werden (d. h. die Fourier-Reihe kann verwendet werden, um die Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels zu nähern), wodurch das Haftgleiteffektsignal in eine Reihe von Sinuswellen zerlegt wird. Die Frequenzen der Wellen können ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des Haftgleiteffekts sein, so dass die Vorrichtung 505 zum Schätzen der Frequenz des Haftgleiteffekts eine Frequenzbereichsanalyse (z. B. eine Energiespektrumsanalyse) an dem Fourier-transformierten Signal der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels im Verlauf der Zeit ausführen kann, um die Hauptfrequenz ω₀ des Haftgleiteffekts zu schätzen. Das Steuersignal, das von dem Signalgenerator 510 gemäß einigen Ausführungsformen generiert wird, kann beispielsweise folgendes sein:
wobei jeder a_k ein Fourier-Reihenkoeffizient ist (der sich beispielsweise aus der Fourier-Transformation eines Profils der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels über einen Zeitraum ergibt), k die Ganzzahl ist, die dem k. Fourier-Reihenkoeffizienten entspricht, ω₀ die Hauptfrequenz des Haftgleiteffekts ist und t die Zeit ist.
Bei einigen Ausführungsformen kann die ESC dadurch erreicht werden, dass ein Sinussignal zu den Fourier-Reihenkoeffizienten a_k hinzugefügt wird, um Störungen zu generieren, wie sie in Gl. 6 integriert sind und in 5 durch den Sinuswellengenerator 515 gezeigt werden. Die Gradienteninformationen der Zielfunktion 501 können dann (z. B. durch Demodulation) berechnet werden, während das Steuersignal τ_in, das die Zielfunktion in der berechneten Gradientenrichtung verringert, durch den Signalgenerator 510 über die Koeffizienten a_k generiert wird.
Die Steuerverfahren der diversen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können vorteilhaft einen Gleithafteffekt reduzieren oder beseitigen und dabei die Bohreffizienz maximieren, indem sie das Drehmoment des Kraftdrehkopfes (und somit die Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels) als Reaktion auf diverse Eingaben steuern, wozu (direkt oder indirekt) Untertage- und andere Betriebsbedingungen gehören. Generell können die diversen Steuerverfahren beim Reduzieren von Untertagevibrationen (wie etwa denen am Bohrmeißel) gemäß einem ähnlichen oder identischen Mechanismus nützlich sein, wie er verwendet wird, um den Haftgleiteffekt zu reduzieren oder zu beseitigen. Somit kann die Diskussion einiger der diversen vorliegenden Ausführungsformen bezüglich des Minimierens des Haftgleiteffekts (wie etwa mit Bezug auf die Grafik der Betriebsbedingungen in 4) ebenso für das Reduzieren von Vibrationen allgemein bei anderen Ausführungsformen unter Verwendung der gleichen Grundlagen gelten. Wenn die Vibration beispielsweise aus einer identischen oder ähnlichen Quelle oder mehreren Quellen wie der Haftgleiteffekt stammt (z. B. Reibkräfte, die von der Formation auf den Meißel ausgeübt werden, kann die Vibration auf die gleiche oder ähnliche Art gesteuert werden, wie hier dargelegt.
Daher ist die vorliegende Offenbarung gut geeignet, um die erwähnten Zwecke und Vorteile sowie diejenigen, die damit einhergehen, zu erreichen. Die zuvor offenbarten bestimmten Ausführungsformen sind rein erläuternd, da die vorliegende Offenbarung geändert und auf andere aber gleichwertige Art und Weise, die für den Fachmann, der über die vorliegenden Lehren verfügt, ersichtlich ist, in die Praxis umgesetzt werden kann. Ferner sind keine anderen Einschränkungen als in den nachstehenden Ansprüchen beschrieben für die hier gezeigten Einzelheiten des Aufbaus oder der Gestaltung beabsichtigt. Es ist demnach offensichtlich, dass die zuvor offenbarten bestimmten erläuternden Ausführungsformen abgeändert oder modifiziert werden können, und alle diese Variationen werden als zu Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung gehörend angesehen. Auch haben die Begriffe in den Ansprüchen ihre einfache normale Bedeutung, soweit nicht ausdrücklich und deutlich vom Patentinhaber anderweitig definiert. Die unbestimmten Artikel „ein, eine, ein”, wie sie in den Ansprüchen verwendet werden, sind hier definiert, um eines oder mehr als eines der Elemente zu bedeuten, die sie einführen.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Kraftdrehkopfes, der während eines Bohrprozesses über einen Bohrstrang mit einem Bohrmeißel gekoppelt ist, umfassend folgende Schritte: Generieren eines ersten Steuersignals, mindestens teilweise basierend auf einem Sollwert einer Meißel-Winkelgeschwindigkeit, einer ersten Meißel-Winkelgeschwindigkeit und einer Optimierungsaufgabe, die eine Zielfunktion in einem ersten Zustand und eine oder mehrere erste Zustandsrandbedingungen, der bzw. denen die Zielfunktion in dem ersten Zustand unterliegt, umfasst, wobei die eine oder die mehreren Zustandsrandbedingungen ein Modell der Dynamik zwischen dem Eingangsdrehmoment für den Kraftdrehkopf und der sich ergebenden Meißel-Winkelgeschwindigkeit umfassen; Steuern des Kraftdrehkopfes, mindestens teilweise basierend auf dem ersten Steuersignal, um den Bohrmeißel mit einer zweiten Meißel-Winkelgeschwindigkeit zu drehen; Aktualisieren des Modells, mindestens teilweise basierend auf Betriebsdaten, die mit einem oder mehreren von dem Kraftdrehkopf, dem Bohrmeißel und dem Bohrstrang verknüpft sind, um ein aktualisiertes Modell zu erzielen; Generieren eines zweiten Steuersignals, mindestens teilweise basierend auf dem Sollwert der Meißel-Winkelgeschwindigkeit, der zweiten Meißel-Winkelgeschwindigkeit und der Optimierungsaufgabe, welche die Zielfunktion in einem zweiten Zustand und eine oder mehrere zweite Zustandsrandbedingungen, der bzw. denen die Zielfunktion in dem zweiten Zustand unterliegt, umfasst, wobei die eine oder die mehreren zweiten Zustandsrandbedingungen das aktualisierte Modell umfasst bzw. umfassen; und Steuern des Kraftdrehkopfes, mindestens teilweise basierend auf dem zweiten Steuersignal, um den Bohrmeißel mit einer dritten Meißel-Winkelgeschwindigkeit zu drehen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zielfunktion einen oder mehrere Terme umfasst, wobei jeder Term mit einem multiplikativen Gewichtungsfaktor verknüpft ist, und wobei ferner jeder Term einen physikalischen Aspekt eines Systems beschreibt, das den Kraftdrehkopf und den Bohrmeißel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zielfunktion einen Term zum Reduzieren des Haftgleiteffekts, der mit einem ersten Gewichtungsfaktor verknüpft ist; einen Drehmoment-Eingabeterm, der mit einem zweiten Gewichtungsfaktor verknüpft ist; und einen Bohrenergie-Effizienzterm, der mit einem dritten Gewichtungsfaktor verknüpft ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend das Aktualisieren von einem oder mehreren von den ersten, zweiten und dritten Gewichtungsfaktoren, mindestens teilweise basierend auf einer oder mehreren Betriebsbedingungen, die mit dem Bohrmeißel verknüpft sind, so dass die Zielfunktion in dem zweiten Zustand einen aktualisierten ersten Gewichtungsfaktor, einen aktualisierten zweiten Gewichtungsfaktor und einen aktualisierten dritten Gewichtungsfaktor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der eine oder die mehreren von den ersten, zweiten und dritten Gewichtungsfaktoren derart aktualisiert wird bzw. werden, dass die Änderungsrate des einen oder der mehreren von den ersten, zweiten und dritten Gewichtungsfaktoren eingeschränkt ist, um eine Lyapunov-Funktion zu erfüllen, um die Stabilität sicherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Betriebsbedingungen das Gewicht am Meißel und die Meißel-Winkelgeschwindigkeit umfassen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der eine oder die mehreren von den ersten, zweiten und dritten Gewichtungsfaktoren derart aktualisiert wird bzw. werden, um die Verstärkung der Zielfunktion von einem oder mehreren von der Bohreffizienz und der Verhinderung des Haftgleiteffekts zu ändern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Generieren des ersten Steuersignals das Finden der Mindestlösung der Zielfunktion in dem ersten Zustand umfasst; und wobei das Generieren des zweiten Steuersignals das Finden der Mindestlösung der Zielfunktion in dem zweiten Zustand umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend folgende Schritte: weiteres Aktualisieren des aktualisierten Modells, mindestens teilweise basierend auf den Betriebsdaten, die mit einem oder mehreren von dem Kraftdrehkopf, dem Bohrmeißel und dem Bohrstrang verknüpft sind, um ein anschließend aktualisiertes Modell zu erzielen, Generieren eines anschließenden Steuersignals, mindestens teilweise basierend auf dem Sollwert der Meißel-Winkelgeschwindigkeit, der zweiten Meißel-Winkelgeschwindigkeit und der Optimierungsaufgabe in einem anschließenden Zustand, wobei die Optimierungsaufgabe in einem anschließenden Zustand einer oder mehreren anschließenden Zustandsrandbedingungen unterliegt, wobei die eine oder die mehreren anschließenden Zustandsrandbedingungen das anschließend aktualisierte Modell umfasst bzw. umfassen; iteratives Wiederholen des weiteren Aktualisierens des aktualisierten Modells und des Generierens des anschließenden Steuersignals während des Bohrprozesses, um eine Reihe von Steuersignalen zu berechnen; und Steuern des Kraftdrehkopfes basierend auf der Reihe von Steuersignalen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere von den ersten, zweiten und dritten Meißel-Winkelgeschwindigkeiten von einer Beobachtungsvorrichtung geschätzt wird bzw. werden.
Verfahren zum Steuern eines Kraftdrehkopfes, der während eines Bohrprozesses über einen Bohrstrang mit einem Bohrmeißel gekoppelt ist, umfassend folgende Schritte: Schätzen einer ersten Haftgleiteffekt-Frequenz, mindestens teilweise basierend auf einem ersten Profil der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels über einen ersten Zeitraum; Generieren eines ersten Steuersignals, mindestens teilweise basierend auf der geschätzten ersten Haftgleiteffekt-Frequenz und einer Zielfunktion, die eine oder mehrere Gradientenrichtungen aufweist, so dass das erste Steuersignal den Wert der Zielfunktion in einer oder mehreren von der einen oder den mehreren Gradientenrichtungen verringert; Steuern des Kraftdrehkopfes, mindestens teilweise basierend auf dem ersten Steuersignal, um den Bohrmeißel mit einem zweiten Profil der Winkelgeschwindigkeit über einen zweiten Zeitraum zu drehen; Schätzen einer zweiten Haftgleiteffekt-Frequenz, mindestens teilweise basierend auf einem zweiten Profil der Winkelgeschwindigkeit über den zweiten Zeitraum; Generieren eines zweiten Steuersignals, mindestens teilweise basierend auf der geschätzten zweiten Haftgleiteffekt-Frequenz und der Zielfunktion, so dass das zweite Steuersignal den Wert der Zielfunktion in einer oder mehreren von der einen oder den mehreren Gradientenrichtungen verringert; Steuern des Kraftdrehkopfes, mindestens teilweise basierend auf dem zweiten Steuersignal, um den Bohrmeißel mit einem dritten Profil der Winkelgeschwindigkeit über einen dritten Zeitraum zu drehen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Schätzen der ersten Haftgleiteffekt-Frequenz das Ausführen einer Fourier-Transformation des ersten Profils der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels über den ersten Zeitraum, um ein erstes Fourier-transformiertes Signal zu erzielen, und das Ausführen einer Frequenzbereichsanalyse an dem ersten Fourier-transformierten Signal, um die erste Haftgleiteffekt-Frequenz zu bestimmen, umfasst, und wobei das Schätzen der zweiten Haftgleiteffekt-Frequenz das Ausführen einer Fourier-Transformation des zweiten Profils der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels über den zweiten Zeitraum, um ein zweites Fourier-transformiertes Signal zu erzielen, und das Ausführen einer Frequenzbereichsanalyse an dem zweiten Fourier-transformierten Signal, um die zweite Haftgleiteffekt-Frequenz zu bestimmen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das erste Steuersignal einen oder mehrere Fourier-Koeffizienten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Generieren des ersten Steuersignals ferner mindestens teilweise auf einem Sinussignal basiert, das zu den Fourier-Koeffizienten addiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Zielfunktion einen oder mehrere Terme umfasst, die jeweils einen physikalischen Aspekt eines Systems beschreiben, das den Kraftdrehkopf und den Bohrmeißel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Zielfunktion einen Term zum Reduzieren des Haftgleiteffekts, einen Drehmoment-Eingabeterm und einen Bohrenergie-Effizienzterm umfasst.
System, umfassend: einen Kraftdrehkopf, der über einen Bohrstrang mit einem Bohrmeißel gekoppelt ist; ein Kraftdrehkopf-Stellglied, das mit dem Kraftdrehkopf gekoppelt ist; und einen Controller, der kommunikationsmäßig mit dem Kraftdrehkopf-Stellglied gekoppelt ist, wobei der Controller Folgendes umfasst: mindestens eine Verarbeitungsressource, eine Schnittstelleneinheit, die in der Lage ist, ein Steuersignal an das Kraftdrehkopf-Stellglied zu übertragen, und ein computerlesbares Medium, das ausführbare Anweisungen umfasst, die, wenn sie ausgeführt werden, bewirken, dass die mindestens eine Verarbeitungsressource ein Signal des Sollwertes der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels und ein Signal der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels empfängt, ein erstes Steuersignal generiert, mindestens teilweise basierend auf dem Signal des Sollwertes der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels, dem Signal der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels und einer Minimierungslösung für eine Zielfunktion in einem ersten Zustand, wobei die Zielfunktion einen oder mehrere Terme umfasst, der bzw. die jeweils eine oder mehrere physikalische Dynamiken von einem oder mehreren von dem Kraftdrehkopf, dem Bohrmeißel und dem Bohrstrang beschreibt bzw. beschreiben, und die Schnittstelleneinheit veranlasst, das erste Steuersignal an das Kraftdrehkopf-Stellglied zu übertragen; wobei das Kraftdrehkopf als Reaktion auf das erste Steuersignal einen Drehmomentbetrag auf den Bohrstrang ausübt.
System nach Anspruch 17, wobei das erste Steuersignal ferner mindestens teilweise basierend auf einem modellprädiktiven Steueralgorithmus generiert wird.
System nach Anspruch 18, wobei die Zielfunktion einer oder mehreren Randbedingungen unterliegt, wobei die eine oder die mehreren Randbedingungen ein Modell der Dynamik zwischen dem Eingangsdrehmoment für den Kraftdrehkopf und der sich ergebenden Meißel-Winkelgeschwindigkeit umfasst bzw. umfassen.
System nach Anspruch 19, wobei die Zielfunktion einen Term zum Reduzieren des Haftgleiteffekts, der mit einem ersten Gewichtungsfaktor verknüpft ist; einen Drehmoment-Eingabeterm, der mit einem zweiten Gewichtungsfaktor verknüpft ist; und einen Bohrenergie-Effizienzterm, der mit einem dritten Gewichtungsfaktor verknüpft ist, umfasst.
System nach Anspruch 20, wobei das computerlesbare Medium ferner ausführbare Anweisungen umfasst, die, wenn sie ausgeführt werden, bewirken, dass die mindestens eine Verarbeitungsressource einen oder mehrere von den ersten, zweiten und dritten Gewichtungsfaktoren aktualisiert, nachdem der Kraftdrehkopf den Drehmomentbetrag auf den Bohrstrang ausgeübt hat, um einen oder mehrere von einem ersten aktualisierten Gewichtungsfaktor, einem zweiten aktualisierten Gewichtungsfaktor und einem dritten aktualisierten Gewichtungsfaktor zu erzielen, wobei der eine oder die mehreren von den ersten, zweiten und dritten Gewichtungsfaktoren mindestens teilweise basierend auf einer oder mehreren Betriebsbedingungen, die mit dem Bohrmeißel verknüpft sind, aktualisiert wird bzw. werden, ein zweites Steuersignal generiert, mindestens teilweise basierend auf dem Signal des Sollwertes der Meißel-Winkelgeschwindigkeit, dem Signal der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels und einer Minimierungslösung für die Zielfunktion in einem zweiten Zustand, wobei die Zielfunktion in dem zweiten Zustand einen oder mehrere von einem ersten aktualisierten Gewichtungsfaktor, einem zweiten aktualisierten Gewichtungsfaktor und einem dritten aktualisierten Gewichtungsfaktor umfasst, und die Schnittstelleneinheit veranlasst, das zweite Steuersignal an das Kraftdrehkopf-Stellglied zu übertragen.
System nach Anspruch 19, wobei das computerlesbare Medium ferner ausführbare Anweisungen umfasst, die, wenn sie ausgeführt werden, bewirken, dass die mindestens eine Verarbeitungsressource das Dynamikmodell zwischen dem Eingangsdrehmoment für den Kraftdrehkopf und der sich ergebenden Meißel-Winkelgeschwindigkeit aktualisiert, mindestens teilweise basierend auf Betriebsdaten, die mit einem oder mehreren von dem Kraftdrehkopf, dem Bohrmeißel und dem Bohrstrang verknüpft sind, um ein aktualisiertes Modell zu erzielen, ein zweites Steuersignal generiert, mindestens teilweise basierend auf dem Signal des Sollwertes der Meißel-Winkelgeschwindigkeit, dem Signal der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels und einer Minimierungslösung für die Zielfunktion in einem zweiten Zustand, wobei die Zielfunktion in dem zweiten Zustand einer oder mehreren Zustandsrandbedingungen unterliegt, wobei die zweiten Zustandsrandbedingungen das aktualisierte Modell umfassen, und die Schnittstelleneinheit veranlasst, das zweite Steuersignal an das Kraftdrehkopf-Stellglied zu übertragen.
System nach Anspruch 17, wobei das erste Steuersignal ferner mindestens teilweise basierend auf einem Algorithmus zum Steuern einer Extremwertsuche generiert wird.
System nach Anspruch 23, wobei das computerlesbare Medium ferner ausführbare Anweisungen umfasst, die, wenn sie ausgeführt werden, bewirken, dass die mindestens eine Verarbeitungsressource eine erste Haftgleiteffekt-Frequenz mindestens teilweise basierend auf einem ersten Profil der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels über einen ersten Zeitraum schätzt, und das erste Steuersignal ferner mindestens teilweise basierend auf der geschätzten ersten Gleithafteffekt-Frequenz generiert.
System nach Anspruch 24, wobei die ausführbaren Anweisungen, wenn sie ausgeführt werden, bewirken, dass die mindestens eine Verarbeitungsressource die erste Haftgleiteffekt-Frequenz schätzt durch Ausführen einer Fourier-Transformation des ersten Profils der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels über den ersten Zeitraum, um ein erstes Fourier-transformiertes Signal zu erzielen, und Ausführen einer Frequenzbereichsanalyse an dem ersten Fourier-transformierten Signal, um die erste Haftgleiteffekt-Frequenz zu bestimmen.
System nach Anspruch 25, ferner umfassend ausführbare Anweisungen, die, wenn sie ausgeführt werden, bewirken, dass die mindestens eine Verarbeitungsressource eine zweite Haftgleiteffekt-Frequenz schätzt, wobei die zweite Haftgleiteffekt-Frequenz mindestens teilweise basierend auf einem zweiten Profil der Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels über einen zweiten Zeitraum geschätzt wird, wobei der zweite Zeitraum beginnt, nachdem der Kraftdrehkopf als Reaktion auf das erste Steuersignal einen Drehmomentbetrag auf den Bohrstrang ausgeübt hat, ein zweites Steuersignal mindestens teilweise basierend auf dem Signal des Sollwertes der Meißel-Winkelgeschwindigkeit, dem zweiten Profil Winkelgeschwindigkeit des Bohrmeißels und der geschätzten zweiten Haftgleiteffekt-Frequenz generiert, und die Schnittstelleneinheit veranlasst, das zweite Steuersignal an das Kraftdrehkopf-Stellglied zu übertragen.