DE60011587T2

DE60011587T2 - Steuerungsverfahren für steuerbares bohrsystem

Info

Publication number: DE60011587T2
Application number: DE60011587T
Authority: DE
Inventors: Geoff Downton
Original assignee: Schlumberger Canada Ltd; Services Petroliers Schlumberger SA; Schlumberger Holdings Ltd; Schlumberger Services Ltd; Servicios de Perfilajes Electronicos SA; Schlumberger Technology BV; Petroleum Research and Development BV; Schlumberger Seaco Inc; Schlumberger Surenco SA; Schlumberger Oilfield Assistance Ltd Panama
Current assignee: Schlumberger Canada Ltd; Services Petroliers Schlumberger SA; Schlumberger Holdings Ltd; Schlumberger Services Ltd; Servicios de Perfilajes Electronicos SA; Schlumberger Technology BV; Petroleum Research and Development BV; Schlumberger Seaco Inc; Schlumberger Surenco SA; Schlumberger Oilfield Assistance Ltd Panama
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2020-11-11
Also published as: DE60011587D1; EP1163419A1; EP1163419B1; WO2001034935A1; ATE269482T1; NO20013052D0; CA2359073A1; AU1401101A; NO20013052L; US6601658B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren für das Steuern der Funktion eines steuerbaren Bohrsystems. Das Verfahren ist besonders für eine Anwendung bei einem steuerbaren Rotary-System geeignet, kann aber bei anderen Arten von steuerbaren Bohrsystemen zur Anwendung gebracht werden, die in der Formation von unterirdischen Bohrlöchern verwendet werden.
Eine Art des steuerbaren Rotary-Systems weist eine Bohrlochgarnitur auf, die einen Bohrmeißel umfaßt. Der Bohrmeißel wird von einem Bohrgestänge getragen, das typischerweise durch eine im Bohrlochkopf angeordnete Antriebsanordnung gedreht wird. Eine Lenkeinheit ist in der Bohrlochgarnitur eingeschlossen, wobei die Lenkeinheit eine Vielzahl von gelenkig angeordneten Gleitstücken umfaßt, die zwischen ausgezogenen und eingefahrenen Positionen beweglich sind. Die Gleitstücke werden hydraulisch bei Benutzung von Bohrflüssigkeit unter der Steuerung einer Ventilanordnung bewegt. Die Ventilanordnung ist so konstruiert, daß eine Steuerung der Gleitstücke gestattet wird, so daß, wenn es gewünscht wird, die Gleitstücke wiederum in ihre ausgezogenen Positionen bewegt werden können, während sich die Lenkeinheit dreht. Durch eine geeignete Steuerung der Gleitstücke kann die Lenkeinheit betätigt werden, um eine seitliche Last auf den Bohrmeißel anzuwenden, die wiederum die Bildung einer Krümmung in dem zu bohrenden Bohrloch hervorrufen wird. Die Ausrichtung der Krümmung wird davon abhängen, wie die Lenkeinheit gesteuert wird.
Es wurde ermittelt, daß eine Anzahl von Faktoren berücksichtigt werden muß, wenn die Funktion eines steuerbaren Rotary-Systems gesteuert wird. Beispielsweise hängt die Geschwindigkeit der Veränderung der Richtung des Bohrloches, das als Reaktion auf das Anlegen eines bestimmten Befehlssignals an die Lenkeinheit gebildet wird, von mehreren Faktoren in Verbindung mit dem Bohrsystem, beispielsweise der Umlaufgeschwindigkeit, dem Andruck, der Bohrgeschwindigkeit, und mehreren Faktoren in Verbindung mit der zu bohrenden Formation ab, beispielsweise der Neigung und dem Bohrlochrichtungswinkel der Schichtebenen. Als Folge ist es üblich, daß Bohrlöcher, die bei Benutzung von steuerbaren Bohrsystemen gebohrt werden, von ihren gewünschten Wegen abweichen. Derartige Bohrlöcher können eine gewundene Form aufweisen, die viele Bohrlochknicke enthalten. In Abhängigkeit von der Ausrichtung der Krümmungen, die im Bohrloch gebildet werden, können Wasser oder Gas dazu neigen, sich in den Krümmungen anzusammeln. Eine derartige Anhäufung von Wasser oder Gas kann die anschließende Verwendung des Bohrloches bei der Extraktion von Öl beeinträchtigen.
Das US 5341886 offenbart ein Verfahren zum Steuern der Funktion eines steuerbaren Bohrsystems bei Anwendung eines Modells zur Vorhersage der Reaktionsfähigkeit des Systems auf Veränderungen bei den Betriebsbedingungen.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Steuerungsverfahren für eine Anwendung bei einem steuerbaren Bohrsystem bereitzustellen, wobei das Verfahren die Steuerung des Bohrsystems vereinfacht.
Ein Verfahren zum Vorhersagen der Funktion eines steuerbaren Bohrsystems, das die folgenden Schritte aufweist:

Eingeben von Parametermodelldaten, die für die Bohrbedingungen repräsentativ sind;
Berechnen der Werte der Aufbau- und Richtungsänderungsverstärkung, Querkopplung und Lenkung bei Benutzung der Parametermodelldaten;
Verwenden der berechneten Werte der Aufbau- und Richtungsänderungsverstärkung, Querkopplung und Lenkung, um Werte der Aufbau- und Richtungsänderungsreaktionsfähigkeit abzuleiten;
Verwenden der abgeleiteten Werte der Aufbau- und Richtungsänderungsreaktionsfähigkeit beim Steuern der Funktion eines steuerbaren Bohrsystems; und dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgabe in der Form einer grafischen Darstellung der Aufbauratereaktion gegenüber der Richtungsänderungsratereaktion erzeugt wird, auf die eine Hüllkurve der erreichbaren Reaktionen für eine oder mehrere Reihen von Betriebsbedingungen geplottet wird.

Die Parametermodelldaten werden zweckmäßigerweise bei Verwendung von Daten abgeleitet, die in Echtzeit während des Bohrens erfaßt werden. Die Parametermodelldaten können Daten umfassen, die für einen oder mehrere der folgenden Parameter repräsentativ sind: Andruck; Umlaufgeschwindigkeit; Eindringungsgeschwindigkeit; Drehmoment; Druck; Schräglage; Neigung und Bohrlochrichtungswinkel der Schichtebenen oder andere Formationscharakteristiken; Bohrlochkrümmung/Bohrlochdurchmesser oder andere geometrische Bedingungen; Bohrmeißeltyp und -zustand; und Fehler bei der Ablesung der Meßgeräte.
Die Anwendung eines derartigen Systems ist darin vorteilhaft, daß ein Ausgleich für die Betriebsbedingungen geschaffen werden kann, wodurch die Gefahr des Zuführens von Befehlen zum Bohrsystem, um eine Krümmung von zu engem oder zu kleinem Krümmungsradius oder mit einer zu großen oder zu kleinen Länge in einer bestimmten Richtung zu bohren, verringert werden kann, wodurch das Bohren eines Bohrloches mit einer weniger gewundenen Form gestattet wird.
Mit einem derartigen Display wird der Operator in der Lage sein zu sehen, ob es möglich ist, den Bohrmeißel des Bohrsystems in einer bestimmten Richtung bei einer oder mehreren Reihen von Betriebsbedingungen zu steuern. Der Operator kann dann in der Lage sein, eine oder mehrere der Betriebsbedingungen abzuwandeln, über die er eine bestimmte Steuerung ausübt, um zu sichern, daß die Betriebsbedingungen, unter denen das Bohrsystem funktioniert, so sind, daß ein Steuern des Bohrmeißels in der gewünschten Richtung gestattet wird.
Die Erfindung wird außerdem als Beispiel mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
1 eine grafische Darstellung, die eine Bohrinstallation veranschaulicht, bei der das Verfahren der Erfindung angewandt werden kann;
2 eine Schnittdarstellung, die einen Teil der Bohrlochgarnitur der Installation aus 1 veranschaulicht;
3 ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren in Übereinstimmung mit einer Ausführung der Erfindung veranschaulicht; und
4 eine Darstellung einer Ausgabe, die bei Anwendung des mit Bezugnahme auf 3 beschriebenen Verfahrens erhalten wird.
1 zeigt grafisch eine typische Rotary-Bohrinstallation einer Ausführung, bei der die Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gebracht werden können.
In der folgenden Beschreibung betreffen die Begriffe „im Uhrzeigersinn" und „im Gegenuhrzeigersinn" die Drehungsrichtung, wie sie betrachtet wird, wenn man bohrlochabwärts blickt.
Wie gut bekannt ist, umfaßt die Bohrgarnitur einen Bohrmeißel 1 und ist mit dem unteren Ende eines Bohrgestänges 2 verbunden, das drehbar von der Erdoberfläche mittels eines Bohrtisches 3 auf einer Bohrplattform 4 angetrieben wird. Der Bohrtisch wird durch einen Motor angetrieben, der grafisch mit 5 gezeigt wird, und das Heben und Senken des Bohrgestänges sowie das Anwenden eines Andruckes werden durch ein Hebewerk gesteuert, das grafisch mit 6 gezeigt wird.
Die Bohrgarnitur umfaßt eine angepaßte Lenkeinheit 10, mit der der Bohrmeißel 1 verbunden ist, und eine rollstabilisierte Steueranlage 9, die die Funktion der Lenkeinheit 10 in Übereinstimmung mit Signalen steuert, die der Steueranlage von der Erdoberfläche übermittelt werden. Die Lenkeinheit 10 kann gesteuert werden, um eine seitliche Lenkung am Bohrmeißel 1 in einer gewünschten Richtung anzuwenden, um so die Bohrrichtung zu steuern.
Mit Bezugnahme auf 2 weist die Lenkeinheit 10 eine längliche Hauptgehäusekonstruktion auf, die an ihrem oberen Ende mit einem Gewindebolzen 11 für das Verbinden der Einheit mit einer Schwerstange versehen ist, die die rollstabilisierte Steueranlage 9 enthält, die wiederum mit dem unteren Ende des Bohrgestänges verbunden ist. Das untere Ende 12 der Gehäusekonstruktion ist mit einer Hülse ausgebildet, um den Gewindebolzen des Bohrmeißels aufzunehmen.
Um den Umfang der Lenkeinheit in Richtung ihres unteren Endes sind drei gleich beabstandete hydraulische Betätigungselemente 13 vorhanden. Jedes hydraulische Betätigungselement 13 wird mit Bohrflüssigkeit unter Druck durch einen entsprechenden Durchgang 14 unter der Steuerung eines drehbaren Scheibenventils 15 versorgt, das sich in einem Hohlraum 16 in der Gehäusekonstruktion der Lenkeinheit befindet. Die Bohrflüssigkeit, die unter Druck nach unten durch das Innere des Bohrgestänges in der normalen Weise zugeführt wird, gelangt in einen mittleren Durchgang 17 im oberen Teil der Lenkeinheit durch einen Filter und durch einen Eintritt 19, um mit einem geeigneten Druck dem Hohlraum 16 zugeführt zu werden.
Das Scheibenventil 15 wird durch eine axiale Welle 21 gesteuert, die mittels einer Kupplung 22 mit der Abtriebswelle der Steueranlage verbunden ist, die rollstabilisiert sein kann.
Die Steueranlage, wenn sie rollstabilisiert ist (d.h., sich nicht im Raum dreht), hält die Welle 21 im wesentlichen bei einer Rotationsausrichtung stationär, die entsprechend der Richtung ausgewählt wird, in der der Bohrmeißel gesteuert werden soll. Während sich die Lenkeinheit um die stationäre Welle 21 dreht, funktioniert das Scheibenventil 15, um Bohrflüssigkeit unter Druck den drei hydraulischen Betätigungselementen 13 nacheinander zu liefern. Die hydraulischen Betätigungselemente werden daher nacheinander betätigt, während sich die Lenkeinheit dreht, ein jedes in der gleichen Rotationsposition, um so die Lenkeinheit seitlich in einer ausgewählten Richtung zu verschieben. Die ausgewählte Rotationsposition der Welle 21 im Raum bestimmt daher die Richtung, in der die Lenkeinheit tatsächlich verschoben wird, und daher die Richtung, in der der Bohrmeißel gesteuert werden soll.
Wenn die Welle 21 nicht in einer im wesentlichen stationären Position gehalten wird, werden dann die Betätigungselemente 13 wiederum betätigt, aber es werden nicht alle in der gleichen Rotationsposition betätigt. Im Ergebnis dessen, eher als daß die Lenkeinheit seitlich in eine bestimmte Richtung getrieben wird, verändert sich die Richtung, in der die Lenkeinheit getrieben wird, kontinuierlich mit dem Ergebnis, daß keine wirksame Lenkung durch die Lenkeinheit angewandt wird.
Bohrsysteme der allgemeinen Ausführung, die hierin vorangehend beschrieben werden, werden detaillierter im EP 0520733 , EP 0677640 , EP 0530045 , EP 0728908 und EP 0728909 beschrieben, auf deren Inhalt man sich hierin bezieht.
Wie es hierin vorangehend beschrieben wird, wird für eine bestimmte Lenkungsbelastung, die von der Lenkeinheit angewandt wird, die Änderungsgeschwindigkeit der Richtung der gebildeten Bohrung durch eine Anzahl von Faktoren beeinflußt. Die Faktoren, die die vertikale Änderungsgeschwindigkeit, die Aufbaurate, beeinflussen, sind nicht immer die gleichen wie jene, die die Änderungsgeschwindigkeit in der horizontalen Richtung beeinflussen, die als die Richtungsänderungsrate bekannt ist.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern der Funktion des Bohrsystems aus 1 und 2 veranschaulicht. Wie in 3 gezeigt wird, wird zu Beginn des Bohrens ein Steuersystem, das für das Steuern der von der Welle 21 belegten Position benutzt wird, mit Daten initialisiert, die für die wahrscheinlichen Bohrbedingungen repräsentativ sind. Die Eingabedaten sind für Faktoren in Verbindung mit dem Bohrsystem, der zu bohrenden Formation, der Richtung des Bohrloches und der Form des Bohrloches repräsentativ. Die Faktoren in Verbindung mit dem Bohrsystem umfassen den beabsichtigten Andruck, die Bohrgeschwindigkeit, die Umlaufgeschwindigkeit, das Drehmoment, den Druck und die Schräglage des Bohrmeißels. Die Faktoren in Verbindung mit der zu bohrenden Formation umfassen die Neigung und den Bohrlochrichtungswinkel der Schichtebenen. Daten, die für wahrscheinliche Fehler bei Meßfühlerablesungen und für den Typ und den Zustand des Bohrmeißels repräsentativ sind, können ebenfalls eingegeben werden. Wenn keine geeigneten Daten für eine Eingabe verfügbar sind, dann kann ein Standarddatensatz verwendet werden.
Während das Bohren stattfindet, werden Daten, die für die tatsächlichen Bohrbedingungen repräsentativ sind, erfaßt und zum Steuersystem übermittelt. Die Ablesungen werden zweckmäßigerweise in Intervallen vorgenommen, beispielsweise aller 30 Meter der gemessenen Tiefe. Die gemessenen Daten werden verwendet, um die Daten des Parametermodells zu aktualisieren.
Die aktualisierte Datenreihe des Parametermodells wird verwendet, um einen Bereich von erreichbaren Bohrrichtungen zu berechnen, und diese Information wird dem Operator des Bohrsystems grafisch angezeigt, beispielsweise in der Form einer grafischen Darstellung, wie sie in 4 gezeigt wird. Wie sie in 4 gezeigt wird, nimmt die grafische Darstellung die Form einer grafischen Darstellung der Aufbaurate gegenüber der Richtungsänderungsrate an, auf die eine Hüllkurve 25 geplottet wird, die die erreichbare Bohrrichtung für die vorherrschenden Bohrbedingungen veranschaulicht. Ebenfalls wird die gegenwärtige Bohrrichtung 26 in der grafischen Darstellung geplottet. Die grafische Darstellung kann ebenfalls eine gewünschte Bohrrichtung 27 anzeigen, wenn diese Information vom Operator eingegeben wurde. Eine derartige Bohrrichtung 27 wird in 4 gezeigt.
Bei Verwendung der angezeigten Information kann der Operator bestimmen, ob es möglich ist, die gewünschte Bohrrichtung 27 unter den vorherrschenden Bohrbedingungen zu erreichen oder nicht. Das ist eine relativ einfache Aufgabe, da, wenn die gewünschte Bohrrichtung 27 innerhalb der Hüllkurve 25 fällt, sie dann mit den gegenwärtigen Bohrbedingungen erreichbar ist, und das Bohren kann mit geeigneten Signalen fortgesetzt werden, die der Lenkeinheit gesendet werden, um den Bohrmeißel zu treiben, um in der gewünschten Richtung zu bohren.
Wenn die gewünschte Bohrrichtung 27 außerhalb der Hüllkurve 25 der erreichbaren Richtungen fällt (wie in 4 gezeigt wird), dann kann, wenn das Bohrloch in der gewünschten Richtung gebohrt werden soll, das eindeutig nur erreicht werden, wenn sich die Bohrbedingungen verändern. Obgleich der Operator nicht eine Anzahl von Bohrbedingungen steuert, insbesondere die Bohrbedingungen, die von der Formation bestimmt werden, steuert er einige der Bohrbedingungen in Verbindung mit der Funktion des Bohrmeißels. Beispielsweise könnte der Operator die Bohrgeschwindigkeit, den Andruck oder die Umlaufgeschwindigkeit des Bohrmeißels modifizieren. Vor dem Modifizieren der Bohrbedingungen kann der Operator Versuchswerte von bestimmten der Betriebsparameter in das Steuersystem eingeben. Das Steuersystem ist angeordnet, um die Hüllkurve 28 der erreichbaren Bohrrichtungen für jene Betriebsbedingungen anzuzeigen. Wenn die Versuchswerte für die Betriebsbedingungen zur Herstellung einer Hüllkurve der erreichbaren Bohrrichtungen führen, die die gewünschte Bohrrichtung 27 einschließen, kann der Operator dann die Wahl treffen, jene Bohrparameterwerte bei der Steuerung des Bohrsystems zu verwenden und dann den Bohrmeißel in der gewünschten Richtung zu lenken. Alternativ kann sich das Steuersystem in einer derartigen Weise einrichten, daß geeignete Werte für Bohrparameter als Reaktion auf das Eingeben einer gewünschten Bohrrichtung durch den Operator ausgegeben werden.
Eine Anzahl von unterschiedlichen Algorithmen kann bei der Berechnung der Hüllkurve der erreichbaren Bohrrichtungen verwendet werden.
Bei einem einfachen Verfahren wird die Reaktion des Systems auf eine bestimmte Eingabe benutzt, um die Verstärkungswerte K_B und K_T, die Werte der Querkopplung C_BT und C_TB und die Lenkungswerte B_Lenkung und T_Lenkung zu berechnen (worin B und T den Aufbau und bzw. die Richtungsänderung repräsentieren).
Die Werte der Aufbau- und Richtungsänderungsreaktionsfähigkeit werden danach für jeden Faktor, der die Reaktionsfähigkeit des Systems bei einem Steuerbefehl beeinflußt, durch Berechnen einer normalisierten Abweichung des Parameterwertes vom Mittelwert jenes Parameters und Multiplizieren der Abweichung mit einem Koeffizienten, der für die Reaktionsfähigkeit des Systems auf jenen einen der Faktoren repräsentativ ist, und Addieren der Ergebnisse für jeden Faktor miteinander und bei den entsprechenden Werten der Verstärkung, Querkopplung und Lenkung berechnet. Diese Berechnungen können durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:
und
Wie es vorangehend erwähnt wird, können andere mathematische Verfahren bei der Ableitung der Hüllkurven der erreichbaren Steuerrichtungen angewandt werden.
Eher als die Anwendung des Verfahrens zur Ermittlung, welche Steuerrichtungen für eine bestimmte Reihe von Bohrbedingungen erreichbar sind, oder zur Ermittlung der Reihen von Bohrbedingungen, die zur Anwendung gebracht werden können, um ein Steuern in einer ausgewählten Richtung zu erreichen, kann das Verfahren angewandt werden, um die erreichbaren Bohrgeschwindigkeiten für eine bestimmte Reihe von Bohrbedingungen zu ermitteln. Die derartige Anwendung des Verfahrens kann den Vorteil haben, daß die Bohrgeschwindigkeit optimiert werden kann.
Obgleich die hierin vorangehende Beschreibung mit der Anwendung einer spezifischen Art von steuerbarem System in Beziehung gebracht wird, wird erkannt werden, daß die Erfindung nicht auf die Anwendung des Verfahrens beim beschriebenen Bohrsystem begrenzt ist, und daß die Erfindung bei einer Reihe von anderen Bohrsystemen angewandt werden könnte.

Claims

Verfahren zum Vorhersagen der Funktion eines steuerbaren Bohrsystems, das die folgenden Schritte aufweist: Eingeben von Parametermodelldaten, die für die Bohrbedingungen repräsentativ sind; Berechnen der Werte der Aufbau- und Richtungsänderungsverstärkung, Querkopplung und Lenkung bei Benutzung der Parametermodelldaten; Verwenden der berechneten Werte der Aufbau- und Richtungsänderungsverstärkung, Querkopplung und Lenkung, um Werte der Aufbau- und Richtungsänderungsreaktionsfähigkeit abzuleiten; Verwenden der abgeleiteten Werte der Aufbau- und Richtungsänderungsreaktionsfähigkeit beim Steuern der Funktion eines steuerbaren Bohrsystems; und dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgabe in der Form einer grafischen Darstellung der Aufbauratereaktion gegenüber der Richtungsänderungsratereaktion erzeugt wird, auf die eine Hüllkurve (25) der erreichbaren Reaktionen für eine oder mehrere Reihen von Betriebsbedingungen geplottet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Modelldaten Daten umfassen, die zumindestens für eine der folgenden repräsentativ sind: Andruck; Umlaufgeschwindigkeit; Vorwärtsbewegungsgeschwindigkeit; Drehmoment; Druck; Schräglage; Neigung und Bohrlochrichtungswinkel der Schichtebenen oder andere Formationscharakteristiken; Bohrlochkrümmung/Bohrlochdurchmesser oder andere geometrische Bedingungen; Bohrmeißeltyp und -zustand; und Fehler bei der Ablesung der Meßgeräte.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ausgabe bei Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet wird:
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Ausgabesignal erzeugt wird, das benutzt wird, um ein Display zu steuern, auf dem die Ausgabe angezeigt wird, um einem Operator eine Information für eine Verwendung beim Steuern der Funktion des Bohrsystems zu liefern.