DE112013007441T5

DE112013007441T5 - Behebung von Haftgleit-Vibrationen in einer Bohrbaugruppe

Info

Publication number: DE112013007441T5
Application number: DE112013007441.9T
Authority: DE
Inventors: Jason D. Dykstra; Fanping Bu; Yuzhen Xue
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2016-06-09
Also published as: WO2015041630A1; CN105378215A; GB2533050B; NO20160029A1; AR097691A1; RU2016100980A; GB2533050A; AU2013400710A1; RU2638072C2; CN105378215B; US20160194946A1; AU2013400710B2; GB201523071D0; CA2920181A1; US10550683B2; CA2920181C; MX2016002003A

Abstract

Ein beispielhaftes Verfahren zum Beheben von Haftgleit-Vibrationen kann das Empfangen eines Befehls umfassen, der an ein steuerbares Element einer Bohrbaugruppe gerichtet ist. Ein glattes Trajektorienprofil kann mindestens teilweise basierend auf dem Befehl generiert werden. Ein Reibungsmomentwert für einen Bohrmeißel der Bohrbaugruppe kann bestimmt werden. Das beispielhafte Verfahren kann ferner das Generieren eines Steuersignals mindestens teilweise basierend auf dem Trajektorienprofil, dem Reibungsmomentwert und einem Modell der Bohrbaugruppe und das Senden des Steuersignals an das steuerbare Element umfassen.

Description

HINTERGRUND
Kohlenwasserstoffe, wie etwa Erdöl und Erdgas, werden gewöhnlich aus unterirdischen Formationen erzielt, die sich an Land oder vor des 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 kann die Lebensdauer der Untertage-Komponenten verringern, die Qualität des Bohrlochs verringern und den Bohrvorgang verzögern.
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 Diagramm eines beispielhaften Bohrsystems gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 ein Diagramm eines beispielhaften Informationshandhabungssystems gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
3 ein Diagramm eines beispielhaften Steuersystems gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
4 eine Grafik eines beispielhaften Trajektorienprofils gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
5 eine Grafik eines beispielhaften Vorgangs zum Planen einer Trajektorie gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
6 ein Diagramm eines beispielhaften Online-System-Identifizierungselements gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
7 ein Diagramm eines beispielhaften Systemzustandsbeobachters gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
8 ein Diagramm eines beispielhaften Bohr-Controllers gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
9 ein Diagramm eines beispielhaften Punktmassemodells gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
10 ein Diagramm von beispielhaften dynamischen Blöcken, die einem Systemmodell einer Bohrbaugruppe entsprechen, gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
11 ein Diagramm eines beispielhaften ersten Pilgerschritt-Entwurfsschritts gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
12 ein Diagramm eines beispielhaften zweiten Pilgerschritt-Entwurfsschritts gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
13 ein Diagramm eines beispielhaften dritten Pilgerschritt-Entwurfsschritts gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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.
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 Aufzeichnungsgerät 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 ist ein Diagramm eines beispielhaften Bohrsystems 100 gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Das Bohrsystem 100 kann ein Gestell 102, das an der Oberfläche 122 montiert und über einem Bohrloch 104 in einer unterirdischen Formation 106 positioniert ist, umfassen. Obwohl die Oberfläche 122 in 1 an Land gezeigt wird, kann sich das Bohrgestell bei einigen Ausführungsformen auf See befinden, wobei die Oberfläche 122 dann eine Bohrplattform umfassen würde. Eine Bohrbaugruppe kann mindestens teilweise innerhalb des Bohrlochs 104 angeordnet sein. Die Bohrbaugruppe kann einen Bohrstrang 114, eine Bohrlochgarnitur (BHA) 108, einen Bohrmeißel 110 und einen Kraftdrehkopf oder Drehtisch 126 umfassen. Der Bohrstrang 114 kann mehrere Bohrgestängesegmente umfassen, die in Gewindeeingriff stehen. Die BHA 108 kann mit dem Bohrstrang 114 gekoppelt sein, und der Bohrmeißel 110 kann mit der BHA 108 gekoppelt sein. Der Kraftdrehkopf 126 kann mit dem Bohrstrang 114 gekoppelt sein und dem Bohrstrang 114 Drehmoment und Drehung verleihen, wodurch bewirkt wird, dass sich der Bohrstrang 114 dreht. Das Drehmoment und die Drehung, die dem Bohrstrang 114 verliehen werden, können auf die BHA 108 und den Bohrmeißel 110 übertragen werden, wodurch bewirkt wird, dass sich beide drehen. Die Drehung des Bohrmeißels 110 durch den Kraftdrehkopf 126 kann bewirken, dass der Bohrmeißel 110 in die Formation 106 eingreift oder bohrt, und kann das Bohrloch 104 verlängern. Andere Anordnungen von Bohrbaugruppen sind möglich, wie es der Fachmann auf dem Gebiet angesichts der vorliegenden Offenbarung verstehen würde.
Die BHA 108 kann Geräte umfassen, wie etwa LWD/MWD-Elemente 116 und ein Telemetriesystem 112, und kann mit dem Bohrstrang 114 gekoppelt sein. Die LWD/MWD-Elemente 116 können Untertage-Instrumente umfassen, die Sensoren 160 umfassen, welche die Bedingungen untertage messen. Während der Bohrvorgang fortschreitet, können diese Instrumente ständig oder gelegentlich die Bedingungen untertage, Bohrparameter und andere Formationsdaten überwachen. Die Informationen, die von dem LWD/MWD-Element 116 generiert werden, können gespeichert werden, während sich die Instrumente untertage befinden, und können später an der Oberfläche abgerufen werden, wenn der Bohrstrang geborgen wird. Bei bestimmten Ausführungsformen können die Informationen, die von dem LWD/MWD-Element 116 generiert werden, der Oberfläche unter Verwendung des Telemetriesystems 112 mitgeteilt werden. Das Telemetriesystem 112 kann eine Kommunikation mit der Oberfläche über diverse Kanäle bereitstellen, wozu drahtgebundene und drahtlose Kommunikationskanäle sowie Schlammpulse durch den Bohrschlamm im Bohrloch 104 gehören.
Der Bohrstrang 114 kann sich durch ein Oberflächenrohr 150 nach unten in das Bohrloch 104 erstrecken. Das Oberflächenrohr 150 kann mit einem Bohrlochkopf 151 gekoppelt sein, und der Kraftdrehkopf 126 kann mit dem Oberflächenrohr 150 gekoppelt sein. Der Bohrlochkopf 151 kann einen Abschnitt umfassen, der sich in das Bohrloch 104 erstreckt. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Bohrlochkopf 109 innerhalb des Bohrlochs 104 unter Verwendung von Zement gesichert werden und kann mit dem Oberflächenrohr 108 und anderen Oberflächeneinrichtungen, wie etwa mit einem Blowout-Preventer (BOP) (nicht gezeigt), zusammenwirken, um zu verhindern, dass Überdruck aus der Formation 106 und dem Bohrloch 104 an die Oberfläche 103 freigesetzt wird.
Während der Bohrarbeiten kann eine Pumpe 152, die sich an der Oberfläche 122 befindet, Bohrspülung aus einer Spülungslagerstätte 153 durch das obere Ende des Bohrstrangs 114 pumpen. Wie durch die Pfeile 154 angegeben, kann die Bohrspülung im Innern des Bohrstrangs 114 durch den Bohrmeißel 106 und in einen Bohrloch-Ringraum 155 abfließen. Der Bohrloch-Ringraum 155 entsteht durch die Drehung des Bohrstrangs 114 und des daran angebrachten Bohrmeißels 100 in dem Bohrloch 104 und wird als der Raum zwischen der inneren/innenliegenden Wand oder dem inneren/innenliegenden Durchmesser des Bohrlochs 104 und der äußeren/außenliegenden Wand oder dem äußeren/außenliegenden Durchmesser des Bohrstrangs 114 definiert. Der Ringraum kann sich aus dem Bohrloch 104 heraus durch den Bohrlochkopf 151 und in das Oberflächenrohr 150 erstrecken. Das Oberflächenrohr 150 kann mit einer Spülleitung 156 gekoppelt sein, die eine Fluidverbindung zwischen dem Oberflächenrohr 150 und der Übertage-Lagerstätte 153 bereitstellt. Die Bohrspülung kann aus dem Bohrloch-Ringraum 155 austreten und durch die Spülleitung 156 zur Übertage-Lagerstätte 153 fließen.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann mindestens ein Teil der Bohrbaugruppe, einschließlich des Bohrstrangs 114, der BHA 108 und des Bohrmeißels 110, an dem Gestell 102 an einer Hakenbaugruppe 157 hängen. Die Gesamtkraft, welche die Hakenbaugruppe 157 nach unten zieht, kann als Hakenlast bezeichnet werden. Die Hakenlast kann dem Gewicht der Bohrbaugruppe abzüglich eventueller gewichtsreduzierender Kräfte entsprechen. Beispielhafte Kräfte umfassen Reibung entlang der Bohrlochwand und Auftrieb am Bohrstrang, der durch das Eintauchen desselben in Bohrspülung verursacht wird. Wenn der Bohrmeißel 110 den Boden der Formation 106 berührt, gleicht die Formation einen Teil des Gewichts der Bohrbaugruppe aus, und dieser Ausgleich kann dem Gewicht am Meißel der Bohrbaugruppe entsprechen. Die Hakenbaugruppe 157 kann einen Gewichtsanzeiger umfassen, der den Betrag des Gewichts zeigt, das an dem Haken 157 zu einem bestimmten Zeitpunkt hängt. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Hakenbaugruppe 157 eine Winde umfassen, oder eine getrennte Winde kann mit der Hakenbaugruppe 157 gekoppelt sein, und die Winde kann verwendet werden, um die Hakenlast/das Gewicht am Meißel der Bohrbaugruppe zu variieren.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Bohrsystem 100 eine Steuereinheit 124 umfassen, die an der Oberfläche 122 positioniert ist. Die Steuereinheit 124 kann kommunikationsmäßig mit einem oder mehreren steuerbaren Elementen des Bohrsystems 100, einschließlich der Pumpe 152, der Hakenbaugruppe 157, der LWD/MWD-Elemente 116 und des Kraftdrehkopfes 126, gekoppelt sein. Die steuerbaren Elemente können Bohreinrichtungen umfassen, deren Betriebszustände durch elektronische Steuersignale abgeändert oder modifiziert werden können. Die Steuereinheit 124 kann ein Informationshandhabungssystem umfassen, das ein Steuersystem oder einen Algorithmus für mindestens ein steuerbares Element des Bohrsystems 100 mindestens teilweise umsetzen kann.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Steuereinheit 124 Eingaben von dem Bohrsystem 100 empfangen und ein oder mehrere Steuersignale an ein steuerbares Element ausgeben. Das Steuersignal kann bewirken, dass das steuerbare Element einen oder mehrere Bohrparameter variiert. Beispielhafte Bohrparameter umfassen Bohrgeschwindigkeit, Gewicht am Meißel und Bohrspülungsdurchsatz. Die Steuersignale können an die steuerbaren Elemente des Bohrsystems 100 allgemein oder insbesondere an Stellglieder oder andere steuerbare Mechanismen innerhalb der steuerbaren Elemente des Bohrsystems 100 gerichtet sein. Beispielsweise kann der Kraftdrehkopf 126 ein Stellglied umfassen, über das ein Drehmoment, das dem Bohrstrang 114 verliehen wird, gesteuert wird. Ebenso kann die Hakenbaugruppe 157 ein Stellglied umfassen, das mit der Windenbaugruppe gekoppelt ist und den Betrag des Gewichts, das von der Winde getragen wird, steuert. Bei bestimmten Ausführungsformen können einige oder alle der steuerbaren Elemente des Bohrsystems 100 begrenzte integrierte Steuerelemente oder Prozessoren umfassen, die ein Steuersignal von der Steuereinheit 124 empfangen und einen spezifischen Befehl für die entsprechenden Stellglieder oder andere steuerbare Mechanismen generieren können.
Bei der gezeigten Ausführungsform können die Steuersignale an eines oder mehrere von der Pumpe 152, der Hakenbaugruppe 157, den LWD/MWD-Elementen 116 und dem Kraftdrehkopf 126 gerichtet sein. Ein Steuersignal, das an die Pumpe 152 gerichtet ist, kann den Durchsatz der Bohrspülung variieren, die in den Bohrstrang 114 gepumpt wird. Ein Steuersignal, das an die Baugruppe 157 gerichtet ist, kann das Gewicht am Meißel der Bohrbaugruppe dadurch variieren, dass es bewirkt, dass eine Winde mehr oder weniger von dem Gewicht der Bohrbaugruppe trägt. Ein Steuersignal, das an den Kraftdrehkopf gerichtet ist, kann die Drehzahl des Bohrstrangs 114 variieren, indem es das Drehmoment ändert, das auf den Bohrstrang 114 ausgeübt wird. Ein Steuersignal, das an die LWD/MWD-Elemente 116 gerichtet ist, kann bewirken, dass die LWD/MWD-Elemente 116 eine Messung der Formation 106 vornehmen, oder kann die Art oder Häufigkeit der Messungen ändern, die von den LWD/MWD-Elementen 116 vorgenommen werden. Andere Steuersignalarten würden für den Fachmann auf dem Gebiet angesichts der vorliegenden Offenbarung ersichtlich sein.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein beispielhaftes Informationshandhabungssystem 200 gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt. Das Informationshandhabungssystem 200 kann beispielsweise als Teil eines Steuersystems oder einer Steuereinheit für eine Bohrbaugruppe verwendet werden. Beispielsweise kann ein Bohrbetriebsführer mit dem Informationshandhabungssystem 200 interagieren, um Bohrparameter zu ändern oder Steuersignale an Bohrausrüstung, die kommunikationsmäßig mit dem Informationshandhabungssystem 200 gekoppelt ist, auszugeben. Das Informationshandhabungssystem 200 kann einen Prozessor oder eine CPU 201 umfassen, der bzw. die kommunikationsmäßig mit einem Speicher-Controller-Hub oder einer North-Bridge 202 gekoppelt ist. Der Speicher-Controller-Hub 202 kann einen Speicher-Controller umfassen, um Informationen zu und von diversen Systemspeicherkomponenten innerhalb des Informationshandhabungssystems, wie etwa dem RAM 203, dem Speicherelement 206 und der Festplatte 207, zu leiten.
Der Speicher-Controller-Hub 202 kann mit dem RAM 203 und einer Grafikverarbeitungseinheit 204 gekoppelt sein. Der Speicher-Controller-Hub 202 kann auch mit einem E/A-Controller-Hub oder einer South-Bridge 205 gekoppelt sein. Der E/A-Hub 205 ist mit Speicherelementen des Computersystems gekoppelt, das ein Speicherelement 206 umfasst, das einen Flash-ROM umfassen kann, der ein BIOS („Basic Input/Output System”) des Computersystems umfassen kann. Der E/A-Hub 205 ist auch mit der Festplatte 207 des Computersystems gekoppelt. Der E/A-Hub 205 kann auch mit einem Super-E/A-Chip 208 gekoppelt sein, der wiederum mit mehreren der E/A-Anschlüsse des Computersystems gekoppelt ist, wozu die Tastatur 209 und die Maus 210 gehören. Das Informationshandhabungssystem 200 kann ferner über den Chip 208 kommunikationsmäßig mit einem oder mehreren Elementen eines Bohrsystems gekoppelt sein.
Die Steuersysteme und Verfahren, welche die Aspekte der vorliegenden Offenbarung einbeziehen, können verwendet werden, um Bohrparameter zu steuern und unerwünschte Betriebsbedingungen für ein Bohrsystem zu vermeiden. Eine beispielhafte unerwünschte Betriebsbedingung für eine Bohrbaugruppe sind Haftgleit-Schwingungen oder Vibrationen, die sich aus einem typischerweise nicht linearen Reibungsmoment an einem Bohrstrang ergeben. Diese Schwingungen können eine Beschädigung der Bohrbaugruppe verursachen und auch die Eindringtiefe für einen Bohrvorgang reduzieren. Das Reibungsmoment kann jedoch schwer zu messen und zu berücksichtigen sein. Wie es nachstehend beschrieben wird, kann ein beispielhaftes Steuersystem in Echtzeit oder Fast-Echtzeit das Reibungsmoment, das auf einen Bohrstrang einwirkt, unter Verwendung von Modellen einer Bohrbaugruppe bestimmen und ein Steuersignal für ein oder mehrere steuerbare Elemente des Bohrsystems generieren, um das Reibungsmoment und demnach die Haftgleit-Schwingungen zu vermeiden.
Beispielhafte Steuersysteme können eine Steuereinheit/ein Informationshandhabungssystem umfassen, die bzw. das kommunikationsmäßig mit einem Element der Bohrbaugruppe oder einem Stellglied oder einem anderen steuerbaren Mechanismus innerhalb eines steuerbaren Elements der Bohrbaugruppe gekoppelt ist. Beispielsweise kann eine Steuereinheit mindestens eine Verarbeitungsressource, eine Schnittstelleneinheit, die in der Lage ist, ein Steuersignal an ein Element eines Bohrsystems zu senden (z. B. einen Kraftdrehkopf oder ein Stellglied eines Kraftdrehkopfes), und ein computerlesbares Medium, das ausführbare Anweisungen umfasst, die geeignet sind, um ein oder mehrere Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen, umfassen. Bei anderen Ausführungsformen kann das Steuersystem Mittel zum Ausgeben einer Steuersignalführung (z. B. einen Monitor oder einen anderen Anzeigemechanismus und/oder einen mündlichen Meldemechanismus oder eine beliebige andere Vorrichtung, die zum Ausgeben einer Steuersignalführung geeignet ist) umfassen, so dass ein Betriebsführer eine derartige Steuersignalführung anhand einer manuellen Eingabe in einen Steuermechanismus zum Steuern des Elements des Bohrsystems umsetzen kann.
3 ist ein Diagramm eines beispielhaften Steuersystems 300 gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Das Steuersystem 300 kann mindestens teilweise in einem Informationshandhabungssystem umgesetzt werden und kann ein Trajektorienplanungselement 301, einen Bohr-Controller 302, ein Online-System-Identifizierungselement 303 und einen Systemzustandsbeobachter 304 umfassen. Das Steuersystem 300 kann einen Befehl 305 von einem Betriebsführer empfangen, der bei bestimmten Ausführungsformen einen Betriebspunktbefehl umfassen kann, der dazu gedacht ist, eine Änderung eines Bohrparameters von einem ersten Zustand oder Betriebspunkt auf einen zweiten Zustand oder Betriebspunkt zu ändern. Der Befehl 305 kann an ein bestimmtes steuerbares Element eines Bohrsystems 306 gerichtet sein, das für den Bohrparameter verantwortlich ist (z. B. der Kraftdrehkopf für eine Änderung der Bohrgeschwindigkeit). Das Trajektorienplanungselement 301 kann den Befehl 305 empfangen und kann ein Trajektorienprofil generieren. Das Trajektorienprofil kann an dem Bohr-Controller 302 empfangen werden, der auch eine Ausgabe von dem Online-System-Identifizierungselement 303 und dem Systemzustandsbeobachter 304 empfangen kann. Der Bohr-Controller 302 kann ein Steuersignal generieren, das mindestens teilweise auf dem Trajektorienprofil und den Ausgaben von dem Online-System-Identifizierungselement 303 und dem Systemzustandsbeobachter 304 basiert. Der Bohr-Controller kann das Steuersignal an das steuerbare Element senden, wodurch die gewünschte Änderung des Bohrparameters von dem ersten Zustand oder Betriebspunkt auf den zweiten Zustand oder Betriebspunkt verursacht wird.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Bohrsystem 306 einen oder mehrere Untertagesensoren umfassen, die Messungen generieren, die einem oder mehreren Bohrparametern oder anderen Bedingungen untertage entsprechen. Die Sensorausgaben 307 können an dem Online-System-Identifizierungselement 303, dem Systemzustandsbeobachter 304 und dem Bohr-Controller 302 empfangen werden. Zusätzlich kann das Steuersignal, das von dem Bohr-Controller 302 generiert wird, an dem Online-System-Identifizierungselement 303 und dem Systemzustandsbeobachter 304 empfangen werden. Die Ausgaben sowohl des Online-System-Identifizierungselements 303 als auch des Systemzustandsbeobachters 304 können mindestens teilweise auf den Sensorausgaben 307 und dem generierten Steuersignal basieren. Dies kann ein Rückkopplungs-Regelkreissystem innerhalb des Steuersystems 300 bereitstellen.
Bei einigen Ausführungsformen können der Bohr-Controller 302, der Systemzustandsbeobachter 304 und das Online-System-Identifizierungselement 303 Modelle einer Bohrbaugruppe verwenden, um ihre Ausgaben zu generieren. Beispielhafte Modelle umfassen Punktmassemodelle, wie es nachstehend beschrieben wird. Das Online-System-Identifizierungselement 303 kann Werte für dynamische Systemeigenschaften bestimmen, die ansonsten schwer zu messen oder zu bestimmen sind, wie etwa Reibungsmoment und Bohrstrang-Drehsteifigkeit und Dämpfung, die in den Modellen der Steuereinheit einbezogen sind. Der Systemzustandsbeobachter 304 kann Werte oder „Zustandsschätzungen” für andere Variablen innerhalb der Modelle der Steuereinheit bestimmen, die ebenfalls in den Modellen der Steuereinheit einbezogen sein können. Der Bohr-Controller 302 kann die dynamischen Systemeigenschaftswerte und die Zustandsschätzungen verwenden, um ein Steuersignal unter Verwendung eines Pilgerschrittverfahrens zu generieren, um Haftgleit-Schwingungen und andere unerwünschte Betriebsbedingungen zu vermeiden. Das Steuersignal, das von dem Bohr-Controller 302 generiert wird, kann auch funktionieren, um eine gewünschte Drehzahl für einen Bohrmeißel der Bohrbaugruppe 306 zu bewahren.
4 ist eine Grafik eines beispielhaften Trajektorienprofils gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Wie zuvor beschrieben, kann ein Trajektorienplanungselement einen Befehl von einem Bohrlochbetreiber empfangen und kann ein Trajektorienprofil generieren. Bei den gezeigten Ausführungsformen umfasst der Befehl einen Schrittschaltbefehl 301, wobei der Befehl von einem ersten Betriebspunkt auf einen zweiten Betriebspunkt nahezu augenblicklich umschaltet. In der Praxis benötigt ein derartiger Schrittschaltbefehl einen starken Strom- oder Spannungsstoß, der ein Stellglied innerhalb eines steuerbaren Elements eines Bohrsystems sättigen kann. Ein beispielhaftes Trajektorienplanungselement kann ein entsprechendes Trajektorienprofil 302 generieren, welches das steuerbare Element des Bohrsystems möglichst schnell von dem ersten Betriebspunkt auf den zweiten Betriebspunkt ansteuert, ohne ein entsprechendes Stellglied zu sättigen. Wie ersichtlich kann das Trajektorienprofil 302 ein glattes Profil umfassen, das als Polynomfunktion, Sinusfunktion oder beliebige andere glatte Funktion, die der Fachmann angesichts der vorliegenden Offenbarung verstehen würde, ausgedrückt werden kann.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Trajektorienplanungselement Zugriff auf Betriebsparameter für die steuerbaren Elemente des Bohrsystems haben, an die der Befehl gerichtet ist, und das Trajektorienprofil kann mindestens teilweise basierend auf den Betriebsparametern generiert werden. Beispielsweise kann der Schrittschaltbefehl 301 einem Bohrparameter entsprechen, der von einem bestimmten steuerbaren Element gesteuert wird, wie etwa die Bohrgeschwindigkeit, die von einem Kraftdrehkopf gesteuert wird, und das Trajektorienplanungselement kann auf die Betriebsparameter zugreifen, die dem steuerbaren Element entsprechen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Trajektorienplanungselement jedoch auch auf Betriebsparameter für andere steuerbare Elemente des Bohrsystems zugreifen, wie etwa Pumpen, Hakenbaugruppen usw., wenn das Trajektorienprofil generiert wird. Das Trajektorienplanungselement kann ferner ein zweites Trajektorienprofil für ein anderes steuerbares Element des Bohrsystems basierend auf dem ersten Trajektorienprofil generieren.
5 ist eine Grafik eines beispielhaften Trajektorienplanungsvorgangs gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Wie ersichtlich umfasst die Grafik 500 einen ersten Bohrparameter (Gewicht am Meißel, „WOB”) auf der Y-Achse und einen zweiten Bohrparameter (Bohrgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute „RPM”) auf der X-Achse. Die Grafik 500 umfasst ferner einen umgrenzten Bereich 501, der Kombinationen der ersten und zweiten Bohrparameter entspricht, die eine unerwünschte Betriebsbedingung verursachen können. Beispielhafte unerwünschte Betriebsbedingungen umfassen einen Materialausfall von Elementen der Bohrbaugruppe oder eine Haftgleit-Schwingung. Die Kombinationen können beispielsweise unter Verwendung von Erdmodellen, Versatzdaten, einem dynamischen Modell einer Bohrbaugruppe, Sensordaten oder einer Kombination derselben bestimmt werden.
Bei der gezeigten Ausführungsform identifiziert der umgrenzte Bereich 501 die Kombinationen von Bohrgeschwindigkeiten und Gewichten am Meißel, die wahrscheinlich Haftgleit-Schwingungen verursachen. Die gestrichelte Linie gibt ein erstes Trajektorienprofil 502 an, um die Bohrgeschwindigkeit von einer ersten Bohrgeschwindigkeit 503 auf eine zweite Bohrgeschwindigkeit 504 zu ändern. Das erste Trajektorienprofil 502 kann einem Betriebsbefehl entsprechen, der beispielsweise von einem Bohrbetreiber eingegeben wird. Wie ersichtlich zwingt das erste Trajektorienprofil 502 auf Grund des aktuellen Gewichts am Meißel die Bohrbaugruppe in den Haftgleit-Bereich 501. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann ein zweites Trajektorienprofil mindestens teilweise basierend auf der ersten Trajektorie generiert werden, um sicherzustellen, dass die Bohrbaugruppe den Haftgleit-Bereich 501 vermeidet. Das zweite Trajektorienprofil kann automatisch generiert werden, wenn das erste Trajektorienprofil 502 generiert wird, und an das entsprechende steuerbare Element des Bohrsystems, bei dieser Ausführungsform die Hakenbaugruppe, ausgegeben werden, wenn das erste Trajektorienprofil ausgegeben wird. Das erste Trajektorienprofil 502 und das zweite Trajektorienprofil werden zusammen als Trajektorie 505 eingezeichnet gezeigt, wobei sich sowohl die Bohrgeschwindigkeit als auch das Gewicht am Meißel gleichzeitig ändern, um den Haftgleit-Bereich 501 zu vermeiden. Insbesondere können die Betriebspunkte 503 und 504 für das Gewicht am Meißel gleich sein, bevor oder nachdem das Trajektorienprofil generiert wird.
6 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Online-System-Identifizierungselements 600 gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Wie zuvor beschrieben kann das Online-System-Identifizierungselement 600 dynamische Systemeigenschaften bestimmen, die ansonsten schwer zu messen oder zu bestimmen sind. Diese dynamischen Systemeigenschaften können parametrische Ungewissheiten umfassen, die entweder unbekannte Konstanten oder Werte sind, die langsam im Verlauf der Zeit variieren. Beispielhafte parametrische Ungewissheiten umfassen Systemträgheit, Drehsteifigkeit, Dämpfungskoeffizienten und Reibungsmomente/Reibungskoeffizienten.
Das Online-System-Identifizierungselement 600 kann ein Online-Modell 601 und einen Online-Lernmechanismus 602 umfassen. Bei der gezeigten Ausführungsform kann das Online-Modell 601 als Eingaben ein Steuersignal, das von einem Bohr-Controller generiert wird, eine Zustandsschätzung, die von einem Systemzustandsbeobachter generiert wird, und eine Sensormessung von einem Sensor einer Bohrbaugruppe empfangen. Das Online-Modell 601 kann eine vorhergesagte Sensormessung basierend auf den Eingaben und einem identifizierten Parameterwert generieren. Die vorhergesagte Sensormessung kann dem Typ der Sensormessung entsprechen, die als Eingabe in das Online-System-Identifizierungselement 600 empfangen wird. Der identifizierte Parameterwert innerhalb des Online-Modells 601 kann über einen Online-Lernprozess aktualisiert werden, der versucht, die vorhergesagte Sensormessung des Online-Modells 601 auf die Eingangssensormessung auszurichten. Der identifizierte Parameterwert kann von dem Online-System-Identifizierungselement 600 abgerufen und von einem Bohr-Controller verwendet werden, um ein Steuersignal zu generieren.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Online-Lernprozess das Vergleichen der vorhergesagten Sensormessung des Online-Modells 601 mit der Eingangssensormessung an einem Komparator 603 umfassen. Die Ausgabe des Komparators 603 kann einen Vorhersagefehler innerhalb des Online-Modells 601 umfassen. Der Vorhersagefehler kann durch einen Fehler des identifizierten Parameterwertes verursacht werden, der in dem Online-Modell 601 verwendet wird. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Vorhersagefehler in den Online-Lernmechanismus 602 eingegeben werden, der den identifizierten Parameterwert unter Verwendung eines Online-Lernalgorithmus und eines Systemidentifizierungsalgorithmus, wie etwa einer Gradientensuche oder des rekursiven kleinsten Quadrats, aktualisieren kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der identifizierte Parameterwert ein Reibungsmoment umfassen. Bei diesen Ausführungsformen kann der Wert des Reibungsmoments, der in dem Online-Modell 601 verwendet wird, unter Verwendung des folgenden Online-Lernalgorithmus in dem Online-Lernmechanismus 602 aktualisiert werden. Gleichung (1):
wobei Ω₁ die Drehzahl eines Bohrmeißels umfasst; TOB das Reibungsmoment umfasst, das auf den Bohrmeißel einwirkt; T_c die Coulombsche Reibung umfasst; und T_r den Effekt der Haftreibung umfasst. Während sich die Eingaben in das Online-System-Identifizierungselement 600 ändern, kann das Online-System-Identifizierungselement 600 weiter vorhergesagte Sensormessungen generieren, die dann mit den tatsächlichen Sensormessungen verglichen werden können, um den TOB-Parameter zu aktualisieren. Der TOB-Parameter kann wiederum von einem Bohr-Controller verwendet werden, um ein Steuersignal zu generieren, das Haftgleit-Schwingungen vermeidet.
Das Online-Modell 601 und andere Modelle, die bei einem beispielhaften Steuersystem verwendet werden, können Werte verwenden, die den Bedingungen untertage einer tatsächlichen Bohrbaugruppe entsprechen. Typischerweise ist es auf Grund einer rauen Umgebung untertage schwierig, Sensoren zu installieren, um bestimmte Bedingungen untertage zu messen. Selbst wenn einige Sensoren installiert werden können, weisen sie gewöhnlich sehr langsame Aktualisierungsraten auf, auf Grund der Kommunikationsverbindung geringer Bandbreite zwischen den Untertage-Instrumenten und der Oberfläche.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann ein Systemzustandsbeobachter verwendet werden, um Werte von Bedingungen untertage zu generieren, die in das Online-Modell 601 und andere Systemmodelle einbezogen werden können. 7 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systemzustandsbeobachters 700 gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Der Systemzustandsbeobachter 700 kann ein getrenntes Systemmodell verwenden, um Schätzungen bestimmter Bedingungen untertage bereitzustellen, die von anderen Modellen in dem Steuersystem benötigt werden. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst der Systemzustandsbeobachter ein Systemmodell 701, und die Werte der Bedingungen untertage können „Systemzuständen” oder Variablen in dem Systemmodell 701 entsprechen. Das Systemmodell 701 kann als Eingaben ein Steuersignal von einem Bohr-Controller und Sensormessungen empfangen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Systemmodell 701 auch als Eingabe einen oder mehrere Parameterwerte, wie etwa das Reibungsmoment, von einem Online-System-Identifizierungselement empfangen, wobei die empfangenen Parameterwerte verwendet werden, um Parameter innerhalb des Systemmodells 701 zu aktualisieren, um Änderungen der Betriebsbedingungen des Systems zu berücksichtigen. Systemzustandsschätzungen können von dem Systemmodell 701 ausgegeben und an dem Filter 702 gefiltert werden. Die gefilterten Ergebnisse können beispielsweise an einen Bohr-Controller und ein Online-System-Identifizierungselement gesendet werden, um als Werte der Bedingungen untertage in ihre entsprechenden Systemmodelle integriert zu werden.
Das Systemmodell 701 kann gewisse Unstimmigkeiten oder Ungewissheiten im Vergleich zu der tatsächlichen Bohrbaugruppe aufweisen. Ferner können Sensormessungen, die als Eingaben in das Systemmodell 701 verwendet werden, ein gewisses Rauschverhalten aufweisen. Das Filter 702 kann die Auswirkungen sowohl der Ungewissheiten im Systemmodell 701 als auch des Rauschens innerhalb der Sensormessungen minimieren. Beispielhafte Filter umfassen Kalman-Filter oder andere lineare quadratische Schätzungen (LQE), Partikelfilter oder andere sequenzielle Monte-Carlo-Methoden (SMC), und es können andere statistische Schätzungstechniken übernommen werden, um eine statistisch optimale Schätzung der Systemzustände bereitzustellen.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Filter 702 adaptiv sein, sowohl bezüglich des verwendeten Filtertyps als auch bezüglich der Funktionsweise eines bestimmten Filters. Das Filter 702 kann ein Kalman-Filter und ein Partikelfilter umfassen, die basierend auf Eigenschaften des Bohrbaugruppenmodells und des Rauschverhaltens adaptiv übernommen werden. Beispielsweise kann ein Bohrsystem je nach Betriebsbedingung sowohl lineares als auch nicht lineares Verhalten zeigen. Wenn eine Bohrgeschwindigkeit groß ist, kann das Verhalten ungefähr linear sein, wohingegen das Verhalten eventuell nicht linear ist, wenn die Bohrgeschwindigkeit gering ist. Wenn das Systemmodell 701 ein lineares Verhalten zeigt, kann der Systemzustandsbeobachter 700 ein Kalman-Filter übernehmen, um sequenziell Systemzustandsschätzungen aus den verfügbaren Sensormessungen unter Verwendung einer Kalman-Verstärkungsmatrix zu generieren.
Das Kalman-Filter kann ferner jedes Mal aktualisiert und geändert werden, wenn eine neue Messung verfügbar ist. Wenn beispielsweise eine neue Sensormessung verfügbar ist, können spätere und frühere Schätzfehler-Kovarianzmatrizen des Schätzfehlers basierend auf dem Systemmodell und dem angenommenen Gaußschen System/Messrauschen aktualisiert werden. Dies kann die Verfolgung der Fehler-Kovarianzmatrizen minimieren und eine aktualisierte Kalman-Verstärkungsmatrix ergeben. Die aktualisierte Kalman-Verstärkungsmatrix, die aktuelle Sensormessung und der zuletzt geschätzte Zustand können dann verwendet werden, um aktuelle Systemzustände zu schätzen.
Wenn das Systemmodell 701 ein nicht lineares Verhalten zeigt, kann der Systemzustandsbeobachter 700 ein Partikelfilter übernehmen. Partikelfilter werden gegenüber Kalman-Filtern bevorzugt, wenn ein stark nicht lineares Verhalten gegeben ist, weil die Nicht-Linearität Kalman-Filter und ähnliche Filter einem erheblichen Schätzfehler aussetzt. Ein beispielhaftes Partikelfilter kann eine auf Stichproben basierende numerische Monte-Carlo-Lösung verwenden, wobei vorausgesetzt wird, dass eine Gruppe von gleichartig gewichteten Stichproben für einen aktuellen Zeitpunkt generiert wurde. Wenn eine neue Messung verfügbar ist, können die Stichprobengewichtungen gemäß der Wahrscheinlichkeit, dass diese neue Messung erhalten wird, indem die aktuellen Zustandsstichproben in das Systemmodell 701 eingespeist werden, aktualisiert. Die gewichteten Stichproben können verwendet werden, um die spätere Verteilung zu nähern, wobei der Mittelwert der geschätzte Systemzustand ist. Die gewichteten Stichproben können anhand einer im Voraus berechneten Bedeutungsfunktion neu genommen werden, um einen neuen Satz von gleichartig gewichteten Stichproben zu generieren, die im nächsten Zeitschritt zu verwenden sind.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Systemzustandsbeobachter 700 je nach Leistung in Echtzeit zwischen einem Kalman-Filter und einem Partikelfilter umschalten. Wenn sich die Kalman-Filterparameter beispielsweise auf Grund eines Haftgleit-Verhaltens schnell ändern, dann schaltet der Systemzustandsbeobachter 700 auf ein Partikelfilter um. Wenn die Nicht-Linearitäten des Haftgleit-Verhaltens auf ein Niveau reduziert werden, auf dem das Kalman-Filter das Verhalten vorhersagen kann, kann der Systemzustandsbeobachter 700 auf das Kalman-Filter zurückschalten.
8 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Bohr-Controllers 800 gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Der Bohr-Controller 800 kann ein vorwärtskoppelndes Modellkompensationselement 801 und ein rückwärtskoppelndes Controller-Element 802 umfassen. Sowohl das vorwärtskoppelnde Modellkompensationselement 801 als auch das rückwärtskoppelnde Controller-Element 802 können Eingaben von einem Online-System-Identifizierungselement, einem Trajektorien-Planungselement, einem Systemzustandsbeobachter und Untertagesensoren empfangen. Bei einem Ausführungsbeispiel können diese Eingaben Reibungsmomentwerte von Online-System-Identifizierungselementen, Zustandsschätzungen von dem Systemzustandsbeobachter und Sensormessungen von Untertagesensoren empfangen. Das vorwärtskoppelnde Modellkompensationselement 801 kann einige oder alle der obigen Eingaben zu einem Steuersignal synthetisieren, welches das Reibungsmoment kompensiert. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das vorwärtskoppelnde Modellkompensationselement 801 eine Pilgerschritt-Entwurfsmethodik basierend auf mindestens einem Systemmodell einer Bohrbaugruppe verwenden. Die Ausgaben des vorwärtskoppelnden Modellkompensationselements 801 und des rückwärtskoppelnden Controller-Elements 802 können beide in einen Komparator 803 eingespeist werden, dessen Ausgabe ein Steuersignal ist, das an ein steuerbares Element einer Bohrbaugruppe oder an ein Stellglied in dem Element der Bohrbaugruppe gesendet werden kann.
Das Systemmodell, das in dem Pilgerschritt-Entwurfsmodell des Bohr-Controllers 800 und in mindestens einem von dem Online-System-Identifizierungselement und dem Systemzustandsbeobachter verwendet wird, kann ein Punktmassemodell der Bohrbaugruppe umfassen. 9 ist ein Diagramm eines beispielhaften Punktmassemodells 900 gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Das Punktmassemodell 900 kann verwendet werden, um die Rotationsdynamik einer beispielhaften Bohrbaugruppe zu modellieren. Ein Bohrmeißel 901 und ein Kraftdrehkopf 902 werden als Punktmassen jeweils mit den Trägheiten J₁ und J₂, den Drehzahlen Ω₁ und Ω₂ und den Dämpfungskoeffizienten der inneren Reibung C₁ und C₂ dargestellt. Ein Bohrstrang 903, der zwischen dem Bohrmeißel 901 und dem Kraftdrehkopf 902 angeordnet ist, kann als Drehfeder mit einer Steifigkeit k_t modelliert werden. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann die Rotationsdynamik des Systems unter Verwendung der folgenden Differenzialgleichungen dargestellt werden:
Gleichung (2):

J₁Ω .₁ + C₁Ω₁ + TOB(Ω₁) = k₁ϕ

Gleichung (3):

ϕ . = Ω₂ – Ω₁

Gleichung (4):

J₂Ω .₂ + C₂Ω₂ + k₁ϕ = T_m wobei TOB(Ω₁) das Reibungsmoment umfasst, das auf den Bohrmeißel 901 einwirkt; φ die Bohrstrangverwindung umfasst; ^.φ die Änderungsrate der Bohrstrangverwindung umfasst; ^.Ω1 die Änderungsrate der Drehzahl Ω₁ umfasst; ^.Ω2 die Änderungsrate der Drehzahl Ω₂ umfasst; und T_m das Steuersignal umfasst, das am Kraftdrehkopf 902 empfangen wird.

Die obigen Differenzialgleichungen und das Punktmassemodell können zur Verwendung bei einem Pilgerschritt-Entwurfsverfahren zu drei dynamischen Blöcken erster Ordnung angeordnet werden. 10 ist ein Diagramm von beispielhaften dynamischen Blöcken gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Die Blöcke können den Kraftdrehkopf 1001, den Bohrstrang 1002 und den Bohrmeißel 1003 umfassen. Jeder der Blöcke kann mindestens eine Eingabe und eine Ausgabe aufweisen. Insbesondere kann der Kraftdrehkopf 1001 als Eingabe das Steuersignal T_m empfangen und kann als Ausgabe eine Drehzahl oder ein Bewegungsprofil Ω₂ des Kraftdrehkopfes generieren. Der Bohrstrang-Block 1002 kann die Drehzahl oder das Bewegungsprofil Ω₂ des Kraftdrehkopfes von dem Kraftdrehkopf-Block 1001 und eine Drehzahl oder ein Bewegungsprofil Ω₁ des Bohrmeißels von dem Bohrmeißel-Block 1003 empfangen und eine Bohrstrangverwindung φ ausgeben. Der Bohrmeißel-Block 1003 kann als Eingabe die Bohrstrangverwindung φ empfangen und eine Drehzahl oder ein Bewegungsprofil Ω₁ des Bohrmeißels ausgeben, die man verwenden kann, um das Reibungsmoment am Bohrmeißel TOB(Ω₁) zu bestimmen.
Obwohl eine genaue Schätzung des Reibungsmoments, das auf den Bohrmeißel einwirkt, durch eine Online-System-ID erreicht werden kann, kann es schwierig sein, das Reibungsmoment am Bohrmeißel TOB(Ω₁) zu vermeiden. Wie in 10 zu sehen, muss sich ein Drehmoment am Kraftdrehkopf, das durch das Steuersignal T_m verursacht wird, durch den Kraftdrehkopf 1001 und den Bohrstrang 1002 ausbreiten, um auf den Bohrmeißel 1003 einzuwirken. Bei bestimmten Ausführungsformen kann ein beispielhaftes Steuersystem das Steuersignal T_m unter Verwendung eines Pilgerschritt-Entwurfsverfahrens entwerfen, wobei dynamische Zusammenschaltungssysteme rückläufig vom Bohrmeißel-Bewegungsprofil Ω₁ in mehreren Schritten zum Steuersignal T_m verarbeitet werden.
11 ist ein Diagramm eines ersten Pilgerschritt-Entwurfsschritts gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Da das Bohrmeißel-Bewegungsprofil Ω₁ durch das Drehmoment der Bohrstrangverwindung k_tφ angetrieben wird, das proportional zum Bohrstrangverwindung φ ist, kann der erste Pilgerschritt-Entwurfsschritt das Entwerfen einer erwünschten Bohrstrangverwindung φ_d umfassen, die das gewünschte Bohrmeißel-Bewegungsprofil Ω_1d erzeugt, um das Reibungsmoment zu überwinden. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst der erste Pilgerschritt-Entwurfsschritt einen Bohrmeißeldynamik-Block 1100, der von einem Punktmassemodell einer Bohrbaugruppe abgeleitet wird, ähnlich wie der Bohrmeißel-Block in 10. Der Bohrmeißeldynamik-Block 1100 kann ein Bohrmeißel-Bewegungsprofil Ω₁ als Reaktion auf eine eingegebene Bohrstrangverwindung φ_d erzeugen. Das generierte Bohrmeißel-Bewegungsprofil Ω₁ kann mit dem gewünschten Bohrmeißel-Bewegungsprofil Ω_1d verglichen werden, und der sich ergebende Geschwindigkeitsverfolgungsfehler e₁ kann verwendet werden, um die Bohrstrangverwindung φ_d in dem Block G₁ zu ändern, bis das Bohrmeißel-Bewegungsprofil Ω₁ in einem vorbestimmten Bereich des gewünschten Bohrmeißel-Bewegungsprofils Ω_1d liegt, was bedeutet, dass der gewünschte Wert der Bohrstrangverwindung φ_d erreicht wurde. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die gewünschte Bohrstrangverwindung φ_d in Block G₁ unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden:
Gleichung (5):

ϕ_d = (1/k₁)(T ^OB(Ω₁) + C₁Ω₁ + J₁Ω ._1d – k₁e₁) wobei e₁ = Ω₁ – Ω_1d; k₁ eine positive Rückkopplungsverstärkung umfasst; Ω_1d ein erwünschtes Bohrmeißel-Beschleunigungsprofil umfasst; und ^TOB(Ω₁) ein geschätztes Reibungsmoment umfasst, das folgendermaßen ausgedrückt wird Gleichung (6):
wobei ^T_c einen geschätzten Wert von T_c umfasst; und ^T_r einen geschätzten Wert von T_r umfasst.

Sobald die erwünschte Bohrstrangverwindung φ_d derart berechnet wurde, dass sie das erwünschte Bohrmeißel-Bewegungsprofil Ω_1d ergibt, kann ein entsprechendes erwünschtes Kraftdrehkopf-Bewegungsprofil Ω_2d berechnet werden, das die erwünschte Bohrstrangverwindung φ_d bewirkt. 12 ist ein Blockdiagramm eines zweiten Pilgerschritt-Entwurfsschritts gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst der zweite Pilgerschritt-Entwurfsschritt einen Bohrstrangdynamik-Block 1200, der von einem Punktmassemodell einer Bohrbaugruppe abgeleitet wird, ähnlich wie der Bohrmeißel-Block in 10. Wie aus den Gleichungen (2) bis (4) ersichtlich, kann die Bohrstrangverwindung φ eines Bohrstrangs eine Funktion des Drehtisch-Bewegungsprofils Ω₂ und des Bohrmeißel-Bewegungsprofils Ω₁ sein. Der Bohrstrangdynamik-Block 1200 kann eine Bohrstrangverwindung φ als Reaktion auf ein Bohrmeißel-Bewegungsprofil Ω₁ und ein erwünschtes Kraftdrehkopf-Bewegungsprofil Ω_2d generieren. Die generierte Bohrstrangverwindung φ kann mit der erwünschten Bohrstrangverwindung φ_d verglichen werden, die in dem ersten Pilgerschritt-Entwurfsschritt bestimmt wird, um einen Verwindungsfehler e₂ zu bestimmen. Der Verwindungsfehler e₂ kann in dem Controller-Feld G₂ eingegeben werden, das den Wert des erwünschten Kraftdrehkopf-Bewegungsprofils Ω_2d aktualisieren kann, um den Verwindungsfehler e₂ zu reduzieren.
Sobald das erwünschte Kraftdrehkopf-Bewegungsprofil Ω_2d derart berechnet wurde, dass es die erwünschte Bohrstrangverwindung φ_d verursacht, die wiederum das erwünschte Bohrmeißel-Bewegungsprofil Ω_1d verursacht, kann eine Steuersignaleingabe T_m für den Kraftdrehkopf berechnet werden, die das erwünschte Kraftdrehkopf-Bewegungsprofil Ω_2d verursacht. 13 ist ein Blockdiagramm eines dritten Pilgerschritt-Entwurfsschritts gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst der dritte Pilgerschritt-Entwurfsschritt einen Kraftdrehkopfdynamik-Block 1300, der aus einem Punktmassemodell einer Bohrbaugruppe abgeleitet wird, ähnlich wie der Bohrmeißel-Block in 10. Wie zuvor beschrieben, kann das Bewegungsprofil Ω₂ eines Kraftdrehkopfes eine Funktion des Steuersignals T_m sein, das an dem Kraftdrehkopf empfangen wird, nämlich das Steuersignal, das durch eine Steuereinheit, die mit dem Kraftdrehkopf gekoppelt ist, an den Kraftdrehkopf gesendet werden kann. Der Kraftdrehkopfdynamik-Block 1300 kann ein Kraftdrehkopf-Bewegungsprofil Ω₂ als Reaktion auf ein Steuersignal T_m generieren. Das generierte Kraftdrehkopf-Bewegungsprofil Ω₂ kann mit dem erwünschten Kraftdrehkopf-Bewegungsprofil Ω_2d verglichen werden, das in dem vorhergehenden Entwurfsschritt berechnet wurde, um einen Geschwindigkeitsfehler e₃ zu bestimmen. Der Geschwindigkeitsfehler e₃ kann in dem Controller-Feld G₃ eingegeben werden, das den Wert des Steuersignals T_m aktualisieren kann, um den Geschwindigkeitsfehler e₃ zu reduzieren.
Sobald das Steuersignal T_m berechnet wurde, kann es an ein steuerbares Element einer Bohrbaugruppe ausgegeben werden. Da die vorliegende Ausführungsform das Steuern von Haftgleit-Schwingungen in einer Bohrbaugruppe durch Ändern eines Bewegungsprofils eines Kraftdrehkopfes betrifft, kann das Steuersignal T_m an den Kraftdrehkopf ausgegeben werden, was bewirkt, dass der Kraftdrehkopf die Geschwindigkeit der Bohrbaugruppe ändert. Bei alternativen Ausführungsformen können Haftgleit-Schwingungen unter Verwendung eines Gewicht-am-Meißel-Parameters gesteuert werden, und das Steuersignal kann an eine Hakenbaugruppe ausgegeben werden, um das Gewicht am Meißel zu ändern. Andere Ausführungsformen im Umfang der vorliegenden Offenbarung wären für den Fachmann angesichts der vorliegenden Offenbarung ersichtlich.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann ein beispielhaftes Verfahren zum Beheben von Haftgleit-Vibrationen das Empfangen eines Befehls umfassen, der an ein steuerbares Element einer Bohrbaugruppe gerichtet ist. Ein glattes Trajektorienprofil kann mindestens teilweise basierend auf dem Befehl generiert werden. Ein Reibungsmomentwert für einen Bohrmeißel der Bohrbaugruppe kann bestimmt werden. Das beispielhafte Verfahren kann ferner das Generieren eines Steuersignals mindestens teilweise basierend auf dem Trajektorienprofil, dem Reibungsmomentwert und einem Modell der Bohrbaugruppe und das Senden des Steuersignals an das steuerbare Element umfassen.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Reibungsmomentwert mindestens teilweise basierend auf dem Steuersignal, einer Messung von einem Sensor in der Bohrbaugruppe und einem geschätzten Wert der Bedingungen untertage bestimmt werden. Das Verfahren kann ferner das Bestimmen des geschätzten Wertes der Bedingungen untertage für das Modell der Bohrbaugruppe umfassen, die mindestens teilweise auf der Messung von dem Sensor in der Bohrbaugruppe, dem Steuersignal und dem Reibungsmoment basieren. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das Bestimmen des Wertes der Bedingungen untertage das adaptive Wählen eines von einem Kalman-Filter und einem Partikelfilter.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Bohrbaugruppe einen Bohrstrang, einen Kraftdrehkopf, der mit einem proximalen Ende des Bohrstrangs gekoppelt ist, und den Bohrmeißel, der mit einem distalen Ende des Bohrstrangs gekoppelt ist, umfassen. Der Kraftdrehkopf kann das steuerbare Element umfassen. Das Generieren des Steuersignals für den Kraftdrehkopf kann das Empfangen an einem Controller des Trajektorienprofils, des Reibungsmoments, eines geschätzten Wertes der Bedingungen untertage und einer Messung von einem Sensor in der Bohrbaugruppe umfassen. Das Modell der Bohrbaugruppe kann ein Punktmassemodell der Bohrbaugruppe mit Massen, die dem Kraftdrehkopf und dem Bohrmeißel entsprechen, und einer Drehfeder, die dem Bohrstrang entspricht, umfassen. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das Generieren des Steuersignals das Bestimmen eines ersten Bewegungsprofils für den Bohrmeißel, der das Reibungsmoment vermeidet, das Bestimmen eines Bohrstrangverwindungswertes für den Bohrstrang, der das erste Bewegungsprofil ergibt, das Bestimmen eines zweiten Bewegungsprofils für den Kraftdrehkopf, das den Bohrstrangverwindungswert erzeugt, und das Bestimmen des Steuersignals für den Kraftdrehkopf, welches das zweite Bewegungsprofil ergibt.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann ein beispielhaftes Gerät zum Beheben von Haftgleit-Vibrationen einen Prozessor und eine Speichervorrichtung, die mit dem Prozessor gekoppelt ist, umfassen. Die Speichervorrichtung kann einen Satz von Anweisungen enthalten, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen zum Empfangen eines Befehls, der an ein steuerbares Element einer Bohrbaugruppe gerichtet ist; Generieren eines glatten Trajektorienprofils mindestens teilweise basierend auf dem Befehl; Bestimmen eines Reibungsmomentwertes für einen Bohrmeißel der Bohrbaugruppe; Generieren eines Steuersignals mindestens teilweise basierend auf dem Trajektorienprofil, dem Reibungsmomentwert und einem Modell der Bohrbaugruppe; und Senden des Steuersignals an das steuerbare Element.
Bei bestimmten Ausführungsformen veranlasst der Satz von Anweisungen, der den Prozessor veranlasst, den Reibungsmomentwert zu bestimmen, den Prozessor ferner dazu, das Reibungsmoment mindestens teilweise basierend auf dem Steuersignal, einer Messung von einem Sensor in der Bohrbaugruppe und einem geschätzten Wert der Bedingungen untertage für das Modell zu bestimmen. Der Satz von Anweisungen kann ferner den Prozessor veranlassen, den geschätzten Wert der Bedingungen untertage für das Modell der Bohrbaugruppe mindestens teilweise basierend auf der Messung von dem Sensor in der Bohrbaugruppe, dem Steuersignal und dem Reibungsmoment zu bestimmen. Bei bestimmten Ausführungsformen veranlasst der Satz von Anweisungen, der den Prozessor veranlasst, den geschätzten Wert der Bedingungen untertage für das Modell zu bestimmen, den Prozessor ferner dazu, adaptiv eines von einem Kalman-Filter und einem Partikelfilter zu wählen.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Bohrbaugruppe einen Bohrstrang, einen Kraftdrehkopf, der mit einem Bohrstrang gekoppelt ist, und den Bohrmeißel, der mit dem Bohrstrang gekoppelt ist, umfassen. Das steuerbare Element kann den Kraftdrehkopf umfassen. Der Satz von Anweisungen, der den Prozessor veranlasst, das Steuersignal zu generieren, kann ferner den Prozessor veranlassen, das Trajektorienprofil, den Reibungsmomentwert, einen geschätzten Wert der Bedingungen untertage für das Modell und eine Messung von einem Sensor in der Bohrbaugruppe zu empfangen. Das Modell kann ein Punktmassemodell der Bohrbaugruppe mit Massen, die dem Kraftdrehkopf und dem Bohrmeißel entsprechen, und einer Drehfeder, die dem Bohrstrang entspricht, umfassen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Satz von Anweisungen, der den Prozessor veranlasst, das Steuersignal zu generieren, ferner den Prozessor veranlassen zum Bestimmen eines ersten Bewegungsprofils für den Bohrmeißel, welches das Reibungsmoment vermeidet; Bestimmen eines Bohrstrangverwindungswertes für den Bohrstrang, der das erste Bewegungsprofil ergibt; Bestimmen eines zweiten Bewegungsprofils für den Kraftdrehkopf, das den Bohrstrangverwindungswert erzeugt; und Bestimmen des Steuersignals für den Kraftdrehkopf, welches das zweite Bewegungsprofil ergibt.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung, kann ein beispielhaftes System zum Beheben von Haftgleit-Vibrationen eine Bohrbaugruppe umfassen, die einen Bohrstrang, einen Kraftdrehkopf, der mit dem Bohrstrang gekoppelt ist, und einen Bohrmeißel, der mit dem Bohrstrang gekoppelt ist, umfasst. Das System kann ferner ein Informationshandhabungssystem umfassen, das kommunikationsmäßig mit dem Kraftdrehkopf gekoppelt ist und einen Prozessor und eine Speichervorrichtung, die mit dem Prozessor gekoppelt ist, umfasst. Der Prozessor kann einen Satz von Anweisungen enthalten, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen zum Empfangen eines Befehls, der an den Kraftdrehkopf gerichtet ist; Generieren eines glatten Trajektorienprofils mindestens teilweise basierend auf dem Befehl; Bestimmen eines Reibungsmomentwertes für den Drehmeißel; Bestimmen eines geschätzten Wertes der Bedingungen untertage; Generieren eines Steuersignals für den Kraftdrehkopf mindestens teilweise basierend auf dem Trajektorienprofil, dem Reibungsmomentwert, dem geschätzten Wert der Bedingungen untertage und einem Modell der Bohrbaugruppe; und Senden des Steuersignals an den Kraftdrehkopf. Der Satz von Anweisungen der den Prozessor veranlasst, das Steuersignal zu generieren, kann ferner den Prozessor veranlassen zum Bestimmen eines ersten Bewegungsprofils für den Bohrmeißel, welches das Reibungsmoment vermeidet; Bestimmen eines Bohrstrangverwindungswertes für den Bohrstrang, der das erste Bewegungsprofil ergibt; Bestimmen eines zweiten Bewegungsprofils für den Kraftdrehkopf, das den Bohrstrangverwindungswert ergibt; und Bestimmen des Steuersignals, welches das zweite Bewegungsprofil ergibt.
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 in die Praxis umgesetzt werden kann, die für den Fachmann, der über die vorliegenden Lehren verfügt, ersichtlich ist. Ferner sind keine Einschränkungen für die Einzelheiten des Aufbaus oder der Gestaltung, die hier gezeigt werden, als in den nachstehenden Ansprüchen beschrieben 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 Beheben von Haftgleit-Vibrationen, umfassend folgende Schritte: Empfangen eines Befehls, der an ein steuerbares Element einer Bohrbaugruppe gerichtet ist; Generieren eines glatten Trajektorienprofils mindestens teilweise basierend auf dem Befehl; Bestimmen eines Reibungsmomentwertes für einen Bohrmeißel der Bohrbaugruppe; Generieren eines Steuersignals mindestens teilweise basierend auf dem Trajektorienprofil, dem Reibungsmomentwert und einem Modell der Bohrbaugruppe; und Senden des Steuersignals an das steuerbare Element.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des Reibungsmomentwertes das Bestimmen des Reibungsmomentwertes mindestens teilweise basierend auf dem Steuersignal, einer Messung von einem Sensor in der Bohrbaugruppe und einem geschätzten Wert der Bedingungen untertage für das Modell umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend das Bestimmen des geschätzten Wertes der Bedingungen untertage für das Modell, mindestens teilweise basierend auf der Messung von dem Sensor in der Bohrbaugruppe; dem Steuersignal; und dem Reibungsmomentwert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Bestimmen des geschätzten Wertes der Bedingungen untertage für das Modell das adaptive Wählen eines von einem Kalman-Filter und einem Partikelfilter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bohrbaugruppe einen Bohrstrang; einen Kraftdrehkopf, der mit einem proximalen Ende des Bohrstrangs gekoppelt ist; und den Bohrmeißel, der mit einem distalen Ende des Bohrstrangs gekoppelt ist, umfasst; und das steuerbare Element den Kraftdrehkopf umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Generieren des Steuersignals das Empfangen an einem Controller des Trajektorienprofils; des Reibungsmomentwertes; eines geschätzten Wertes der Bedingungen untertage für das Modell; und einer Messung von einem Sensor in der Bohrbaugruppe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Modell ein Punktmassemodell der Bohrbaugruppe mit Massen, die dem Kraftdrehkopf und dem Bohrmeißel entsprechen, und einer Drehfeder, die dem Bohrstrang entspricht, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Generieren des Steuersignals mindestens teilweise basierend auf dem Trajektorienprofil, dem Reibungsmomentwert und dem Modell der Bohrbaugruppe das Bestimmen eines ersten Bewegungsprofils für den Bohrmeißel, der das Reibungsmoment vermeidet, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Generieren des Steuersignals mindestens teilweise basierend auf dem Trajektorienprofil, dem Reibungsmomentwert und einem Modell der Bohrbaugruppe ferner das Bestimmen eines Bohrstrangverwindungswertes für den Bohrstrang, der das erste Bewegungsprofil ergibt; das Bestimmen eines zweiten Bewegungsprofils für den Kraftdrehkopf, das den Bohrstrangverwindungswert ergibt; und das Bestimmen des Steuersignals für den Kraftdrehkopf, welches das zweite Bewegungsprofil ergibt, umfasst.
Gerät zum Beheben von Haftgleit-Vibrationen, umfassend: einen Prozessor; eine Speichervorrichtung, die mit dem Prozessor gekoppelt ist, wobei die Speichervorrichtung einen Satz von Anweisungen enthält, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen zum Empfangen eines Befehls, der an ein steuerbares Element einer Bohrbaugruppe gerichtet ist; Generieren eines glatten Trajektorienprofils mindestens teilweise basierend auf dem Befehl. Bestimmen eines Reibungsmomentwertes für einen Bohrmeißel der Bohrbaugruppe; Generieren eines Steuersignals mindestens teilweise basierend auf dem Trajektorienprofil, dem Reibungsmomentwert und einem Modell der Bohrbaugruppe; und Senden des Steuersignals an das steuerbare Element.
Gerät nach Anspruch 10, wobei der Satz von Anweisungen, der den Prozessor veranlasst, den Reibungsmomentwert zu bestimmen, den Prozessor ferner veranlasst, das Reibungsmoment mindestens teilweise basierend auf dem Steuersignal, einer Messung von einem Sensor in der Bohrbaugruppe und einem geschätzten Wert der Bedingungen untertage für das Modell zu bestimmen.
Gerät nach Anspruch 10, wobei der Satz von Anweisungen den Prozessor ferner veranlasst, den geschätzten Wert der Bedingungen untertage für das Modell zu bestimmen, mindestens teilweise basierend auf der Messung von dem Sensor in der Bohrbaugruppe; dem Steuersignal; und dem Reibungsmomentwert.
Gerät nach Anspruch 12, wobei der Satz von Anweisungen, der den Prozessor veranlasst, den geschätzten Wert der Bedingungen untertage für das Modell zu bestimmen, den Prozessor ferner veranlasst, adaptiv eines von einem Kalman-Filter und einem Partikelfilter zu wählen.
Gerät nach Anspruch 10, wobei die Bohrbaugruppe einen Bohrstrang; einen Kraftdrehkopf, der mit dem Bohrstrang gekoppelt ist; und einen Bohrmeißel, der mit dem Bohrstrang gekoppelt ist; umfasst, und das steuerbare Element den Kraftdrehkopf umfasst.
Gerät nach Anspruch 14, wobei der Satz von Anweisungen, die den Prozessor veranlassen, das Steuersignal zu generieren, den Prozessor ferner veranlassen zum Empfangen des Trajektorienprofils; des Reibungsmomentwertes; eines geschätzten Wertes der Bedingungen untertage; und einer Messung von einem Sensor in der Bohrbaugruppe.
Gerät nach Anspruch 15, wobei das Modell ein Punktmassemodell der Bohrbaugruppe mit Massen, die dem Kraftdrehkopf und dem Bohrmeißel entsprechen, und einer Drehfeder, die dem Bohrstrang entspricht, umfasst.
Gerät nach Anspruch 16, wobei der Satz von Anweisungen, die den Prozessor veranlassen, das Steuersignal mindestens teilweise basierend auf dem Trajektorienprofil, dem Reibungsmomentwert und dem Modell der Bohrbaugruppe zu bestimmen, den Prozessor ferner veranlassen, ein erstes Bewegungsprofil für den Bohrmeißel, welches das Reibungsmoment vermeidet, zu bestimmen.
Gerät nach Anspruch 17, wobei der Satz von Anweisungen, die den Prozessor veranlassen, das Steuersignal mindestens teilweise basierend auf dem Trajektorienprofil, dem Reibungsmomentwert und dem Modell der Bohrbaugruppe zu bestimmen, den Prozessor ferner veranlassen zum Bestimmen eines Bohrstrangverwindungswertes für den Bohrstrang, der das erste Bewegungsprofil ergibt; Bestimmen eines zweiten Bewegungsprofils für den Kraftdrehkopf, das den Bohrstrangverwindungswert ergibt; und Bestimmen des Steuersignals für den Kraftdrehkopf, welches das zweite Bewegungsprofil ergibt.
System zum Beheben von Haftgleit-Vibrationen, umfassend: eine Bohrbaugruppe, umfassend einen Bohrstrang; einen Kraftdrehkopf, der mit dem Bohrstrang gekoppelt ist; und einen Bohrmeißel, der mit dem Bohrstrang gekoppelt ist; und ein Informationshandhabungssystem, das kommunikationsmäßig mit dem Kraftdrehkopf gekoppelt ist und einen Prozessor und eine Speichervorrichtung, die mit dem Prozessor gekoppelt ist, umfasst, mit einem Satz von Anweisungen, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen zum Empfangen eines Befehls, der an den Kraftdrehkopf gerichtet ist; Generieren eines glatten Trajektorienprofils mindestens teilweise basierend auf dem Befehl; Bestimmen eines Reibungsmomentwertes für den Drehmeißel; Bestimmen eines geschätzten Wertes der Bedingungen untertage; Generieren eines Steuersignals für den Kraftdrehkopf mindestens teilweise basierend auf dem Trajektorienprofil, dem Reibungsmomentwert, dem geschätzten Wert der Bedingungen untertage und einem Modell der Bohrbaugruppe; und Senden des Steuersignals an den Kraftdrehkopf.
Gerät nach Anspruch 20, wobei der Satz von Anweisungen, die den Prozessor veranlassen, das Steuersignal mindestens teilweise basierend auf dem Trajektorienprofil, dem Reibungsmomentwert, dem geschätzten Wert der Bedingungen untertage und dem Modell der Bohrbaugruppe zu bestimmen, den Prozessor ferner veranlassen zum Bestimmen eines ersten Bewegungsprofils für den Bohrmeißel, welches das Reibungsmoment vermeidet; Bestimmen eines Bohrstrangverwindungswertes für den Bohrstrang, der das erste Bewegungsprofil ergibt; Bestimmen eines zweiten Bewegungsprofils für den Kraftdrehkopf, das den Bohrstrangverwindungswert erzeugt; und Bestimmen des Steuersignals, welches das zweite Bewegungsprofil ergibt.