EA007847B1 - Способ и система для предотвращения или смягчения нежелательных событий бурения - Google Patents

Abstract

Раскрыты способ и система для предотвращения или смягчения нежелательных событий бурения во время процесса бурения. Состояние буровой установки определяется предпочтительно автоматически, на основе данных измерения на поверхности и/или в скважине. Одно или несколько нежелательных событий бурения определяются посредством корреляции собранных данных измерения с определенным состоянием. Определяется действие буровой установки, которое предотвращает или смягчает нежелательное событие бурения. Наконец, процесс бурения перерегулируется командным выполнением действия. Алгоритм, используемый при детектировании наиболее вероятного состояния, предпочтительно является вероятностным по природе и более предпочтительно основан на методах фильтрации частиц.

Description

Настоящее изобретение относится к способам и системам для предотвращения или смягчения нежелательных событий бурения.

Предшествующий уровень техники

В нефтяном промысле процессу бурения могут препятствовать множество разнообразных проблем. Точные измерения условий скважины, свойств скальных пород и поверхностного оборудования позволяют минимизировать угрозы бурения, но они также являются критическими для определения возникающей проблемы. В настоящее время большинство проблем определения является результатом человеческого фактора, однако вероятность определения часто ухудшается вследствие усталости, большой рабочей нагрузки или недостатка опыта.

Для определения одного из двух возможных состояний буровой установки использовались некоторые ограниченные методы, но в основном они использовали только канал с одним входом. В одном примере используется метод для автоматического детектирования того, находится ли бурильная труба в клиновых захватах или не в клиновых захватах. Указанная информация используется для получения точного управления оценками глубины, например, в сочетании с такими мероприятиями, как скважинные исследования в процессе бурения. Чтобы сказать, находится ли бурильная труба в клиновых захватах, известный метод в основном использует только один входной канал, измеряемый на поверхности: нагрузка на крюк. Другой пример представляет собой метод, используемый для прогнозирования того, находится ли буровая коронка на забое или не на забое. Аналогично, указанный способ применяют только с одним входным каналом, а именно положением блока, и используют только для детектирования одного из двух состояний буровой установки.

Известные системы обнаружения событий зависят от того, как персонал буровой идентифицирует состояния буровой установки.

Смотрите, например, ТНе ΜΌ8 8ук1еш: СошрШегк ТгапкГогш Оп11шд Воитдо18, Вигдекк, Ктке, υη5\\ΌΓΐ1ι. 0ППе1б Ве\зе\\· Уо1. 2, Νο. 1, 1990, рр.4-15, и Мападшд ОгИНпд Кткк А1бтеб е1 а1., 0ППе1б ВеУ1ете, 8ишшет 1999, рр.219.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является создание способа и системы, предотвращающих или смягчающих нежелательные события бурения во время процесса бурения.

В общих чертах, настоящее изобретение создает способ и систему для автоматического управления процессами бурения.

Первый объект изобретения обеспечивает автоматизированный (например, компьютеризированный) способ предотвращения или смягчения нежелательных событий бурения во время процесса бурения, содержащий следующие операции:

определение состояния буровой установки, выполняющей процесс бурения;

сбор данных поверхностных измерений и/или измерений в скважине;

обнаружение одного или нескольких нежелательных событий бурения посредством корреляции собранных данных измерения с детектированным состоянием;

определение действия буровой установки, которое предотвращает или смягчает продетектированное нежелательное событие бурения;

перерегулировка процесса бурения посредством командного выполнения действия.

Определение состояния буровой установки может быть выполнено с использованием известных подходов определения состояний буровой установки. Однако предпочтительно определение содержит операции приема двух или нескольких независимых каналов входных данных, причем каждый канал входных данных представляет последовательность измерений, выполненных во время процесса бурения, и определение наиболее вероятного текущего состояния буровой установки, основанное на двух или нескольких каналах входных данных, по меньшей мере, из трех возможных состояний буровой установки.

Определение состояний буровой установки предпочтительно использует три или несколько независимых входных каналов, которые предпочтительно выбираются из следующих: нагрузка на крюк, положение блока, крутящий момент или давление вертикальной трубы. Набор возможных состояний буровой установки предпочтительно включает по меньшей мере четыре или шесть состояний, или более предпочтительно, более десяти возможных состояний. Определение состояний буровой установки также предпочтительно генерирует вероятность каждого возможного состояния буровой установки.

Алгоритм, используемый в автоматическом определении наиболее вероятного состояния, предпочтительно является вероятностным по природе, и, более предпочтительно, основан на методах фильтрации частиц.

В одном варианте воплощения способ дополнительно содержит операцию сбора данных модели земли, причем собранные данные измерений дополнительно коррелируются с данными модели земли, чтобы определить нежелательные события бурения.

Операция обнаружения одного или нескольких событий бурения может включать сравнение значений, выведенных из данных поверхностных измерений и/или измерений в скважине, с пороговыми зна- 1 007847 чениями, причем используются различные пороговые значения в зависимости от определенного состояния буровой установки.

Другой объект изобретения обеспечивает систему (например, компьютеризированную систему) для автоматического предотвращения или смягчения нежелательных событий бурения во время процесса бурения, содержащую систему определения состояния буровой установки, выполняющей процесс бурения, систему сбора данных для сбора данных поверхностных измерений и/или измерений в скважине, процессор для обнаружения одного или нескольких нежелательных событий бурения посредством корреляции собранных данных измерения с определенным состоянием и определения действия буровой установки, которое предотвращает или смягчает определенное нежелательное событие бурения, и прибор выдачи команд для перерегулировки процесса бурения посредством выдачи команды, требующей выполнения действия.

Дополнительные объекты изобретения обеспечивают компьютерные системы и компьютерные программы для выполнения способа первого объекта, а также считываемый компьютером носитель, несущий такие программы.

Используемые здесь термины состояния буровой установки относятся к преднамеренным действиям, имеющим место в системе бурения во время процесса бурения. Далее, набор состояний буровой установки предпочтительно задается так, что они являются взаимно исключающими.

Используемый здесь термин процесс бурения относится к полной фазе создания ствола скважины, относящейся к бурению ствола скважины, включая операции, общеизвестные как спускоподъемная операция, расширение, роторное бурение, скользящее бурение и подвижное обсадное крепление.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:

фиг. 1 изображает пример входных сигналов и выходного сигнала системы определения состояний буровой установки;

фиг. 2 иллюстрирует параметрический фильтр частиц, показанный как байесовская сеть;

фиг. 3 изображает моделированные данные, в которых каждая выборка была извлечена из одного из трех зашумленных состояний;

фиг. 4 показывает изменения в плотностях последующего распределения одной частицы во время четырехкратных шагов из примера, показанного на фиг. 3;

фиг. 5 изображает пример параметров фильтра Кальмана, оптимизированного для определенного состояния в клиновых захватах;

фиг. 6 изображает параметрический фильтр частиц, определяющий состояния Выведение из скважины Прокачивание, Введение в скважину Прокачивание и В клиновых захватах, используя данные нагрузок на крюк и положение блока;

фиг. 7 изображает графики входных сигналов и выходного сигнала системы детектирования состояний буровой установки;

фиг. 8 изображает операции, используемые в системе автоматического детектирования состояний буровой установки;

фиг. 9 изображает схематическую компьютерную систему для перерегулировки управления процессом бурения ствола скважины;

фиг. 10 изображает систему бурения, имеющую автоматическое определение состояний буровой установки и перерегулировку управления, согласно предпочтительным вариантам воплощения изобретения;

фиг. 11 изображает дополнительные детали соответствующего процессора, согласно предпочтительным вариантам воплощения изобретения;

фиг. 12 иллюстрирует кусочно-линейную вероятность давления вертикальной трубы для случаев включенных насосов и выключенных насосов, согласно описанному примеру.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения

Настоящее изобретение обеспечивает надежное определение состояний буровой установки и обнаружения событий, и становится возможным обеспечивать автоматическое управление процессами бурения. Один вариант воплощения обеспечивает автоматически систему перерегулировки, которая определяет, когда происходит нежелательное событие бурения или вероятно может произойти, и затем управляет действием буровой установки, чтобы предотвратить или смягчить это событие. То есть, система не просто поднимает тревогу и предлагает корректирующее действие, а осуществляет активное управление функционированием буровой установки, которое обезопасит буровую установку и скважину.

Процессы определения состояний и событий буровой установки могут быть основаны на известных подходах, который обсуждались выше. Однако предпочтительно настоящее изобретение использует методы автоматического определения состояний и событий буровой установки, подробно описанные ниже.

Перерегулируемый процесс бурения может быть процессом, управляемым вручную. В таком случае, когда было выполнено корректирующее действие, управление буровой установкой может обратно быть передано персоналу буровой.

- 2 007847

Однако более усовершенствованный вариант воплощения обеспечивает систему, которая перерегулирует операцию, которая сама по себе является автоматизированной. Например, автоматизированное оборудование буровой установки может быть запрограммировано, чтобы выполнять заданную операцию бурения, как, например, поддержание постоянной нагрузки на буровую коронку или поверхностный крутящий момент во время бурения. По мере того, как идет работа и автоматическая система перерегулировки определяет надвигающиеся нежелательные события бурения, она может модифицировать выполнение операции, чтобы предотвратить или смягчить нежелательные события. Примером автоматизированного оборудования буровой установки, которая может модифицироваться, чтобы принять автоматическую систему перерегулировки, является электронный бурильщик Уагсо (см. 1Шр ://\у\у\у.уагсо.сот/ргобис15/УОЕ/с2огап8с/с55/с2огапдс_6.1ит).

Теперь перед тем, как перейти к описанию систем перерегулировки процесса бурения, которые имеют указанные способности, будет подробно описано определение состояний и событий буровой установки.

Автоматическое определение состояний и событий буровой установки

Авторы выяснили, что характеристики, которые могут привести к точному обнаружению многих событий бурения, распространяются по многочисленным каналам поверхности и скважины с низким отношением сигнал к шуму. Кроме того, многие из рутинных действий бурильщика могут быть ошибочными вследствие проблем, когда система не анализируется как целое. Авторы обнаружили, что посредством автоматического определения действий буровой установки или состояния буровой установки в реальном масштабе времени, указанная информация состояний буровой установки может загружаться в алгоритмы проблемного определения, существенно увеличивая тем самым точность таких алгоритмов.

В описании изобретения используются следующие обозначения:

ОНБК - оборудование низа бурильной колонны

ПБ - положение блока

СБ - скорость блока

ГБК - глубина буровой коронки

НК - нагрузка на крюк

СММ - скрытая марковская модель

ИОБК - интегральная оценка бурения и каротаж

КПБ - каротаж в процессе бурения

ИПБ - скважинные исследования в процессе бурения

ВИС - выведение из скважины

ПФЧ - параметрический фильтр частиц

ВВС - введение в скважину

ИДИРП - исследование, диагностика и рекомендация прихвата трубы - 8ΡΙΝ ОосЮт™

ДВТ - давление вертикальной трубы

КМ - крутящий момент

Фиг. 1 изображает пример входных сигналов и выходного сигнала системы для определения состояний буровой установки. Работа буровой установки может быть разбита на несколько процессов, таких как бурение в роторном режиме, бурение в скользящем режиме, ВВС, ВИС и т.д., которые управляются бурильщиком. Как показано в столбцах (а)-(б) на фиг. 1, предпочтительные входные каналы представляют собой измерения, выполняемые на поверхности, на буровой установке, а именно: положение блока (а), нагрузка на крюк (Ь), крутящий момент (с) и давление вертикальной трубы (б). На основе указанных четырех входных каналов, система определения состояний буровой установки определяет состояние буровой установки, показанное в столбце (е) . В указанном примере система детектировала состояния Выведение из скважины Прокачивание, Введение в скважину Прокачивание и В клиновых захватах, которые будут более подробно описаны ниже.

Было обнаружено, что следующие 13 состояний буровой установки обеспечивают соответствующую базу для обеспечения обнаружения событий буровой установки и управления во многих применениях:

- 3 007847

Состояние	Вращение	Прокачи вание	Движение блока	Нагрузка на крюк
Роторное бурение			г	Низкая
Скользящее бурение	X		ф	Низкая
Введение в скважину Прокачивание Вращение	-	-	ф	Низкая
Введение в скважину Прокачивание	X		г	Низкая
Введение в скважину	X	X	г	Низкая
Выведение из скважины Прокачивание Вращение	-	-	т	Высокая
Выведение из скважины Прокачивание	X	-	г	Высокая
Подъем	X	X	7	Высокая
Статическое Прокачивание Вращение		-	X	~Т
Статическое Прокачивание	X		X	~Т
Статическое	X	X	X	~Т
В клиновых захватах	X	Одно из двух	ф	~В
Неклассифицированное	Одно из двух	Одно из двух	Любое	Любая

где В=вес талевого блока

Т=вес бурильной колонны

Предпочтительно, для каждой комбинации состояние - канал обеспечивается приемлемая плотность, и для каждого перехода от состояния к состоянию присваивается вероятность перехода. Маловероятным переходам, таким как Выведение из скважины, в клиновых захватах, присваивается низкая вероятность, поскольку труба должна перемещаться вниз, чтобы труба вошла в клиновые захваты. Следовательно, переход Введение в скважину, когда В клиновых захватах, должен иметь высокую вероятность.

Неклассифицированное состояние включается с чрезвычайно умеренными плотностями, для охвата менее вероятных операций, таких как вращение, но без прокачивания. Однако, может быть полезным определять дополнительные состояния. Например, было обнаружено, что в некоторых случаях применимы три дополнительных состояния для определения случая вращения без прокачивания: Введение в скважину Вращение, Выведение из скважины Вращение, Статическое Вращение.

Поскольку входные каналы, измеряемые на поверхности, обычно бывают искажены шумом, система для определения состояний буровой установки использует байесовский вывод, в том, что она предпочтительно работает посредством представления степеней доверия к противоположной гипотезе. Указанные гипотезы содержат обширную информацию, которая известна о каждом состоянии (например, нагрузка на крюк падает до веса талевого блока пока труба находится в клиновых захватах) и о том, какое состояние вероятно или маловероятно последует за другим.

Согласно предпочтительному варианту воплощения, основные состояния буровой установки попадают в иерархию более сложных состояний буровой установки. Состояние в клиновых захватах, где

- 4 007847 положение блока заканчивается приблизительно на 90 футов выше, чем когда он входит в это состояние, может быть переразмечено как Соединение (добавлена труба).

Последовательность состояний Введение Соединения, Введение, Соединение и т.д. может классифицироваться как Спускоподъемная операция.

Большинство известных многочисленных задач точек перехода в общей литературе по обработке сигналов применяются к данным ретроспективно, но используемые при этом вычисления обычно препятствуют их применению к интерактивному детектированию. Например, патент США № 5952569 раскрывает описание моделей с одной точкой перехода, которые имеют сравнительно небольшой объем вычислений, так что они являются и ретроспективными, и интерактивными. Последовательные способы модифицируют результат с предыдущей по времени операции, а не пересчитывают из временной памяти, так что в пределах периода дискретизации могут применяться более сложные модели. Предпочтительно при определении состояний буровой установки используется последовательный байесовский метод, известный как фильтрация частиц, использующий параметрический фильтр частиц.

Далее будет более подробно описана последовательная байесовская фильтрация. Зашумленное измерение представлено как функция переменой θ₍ основной системы и шумового члена ν₄ наблюдений, в модели наблюдений χ_ι=Η_ι{θ_ι,ν_ι). (1)

Модель системы θι+ι⁼ίι(θι^,ωι) (²) охватывает динамику системы. Предполагается, что текущее значение θ_ΐ+1 переменной системы зависит от предыдущего значения % но не зависит от значения во все остальные времена, θ_ΐ-1, θ_ΐ-2,..., θ₀; такой процесс называется марковским. События, которые влияют на динамику системы, но не охватываются марковским процессом, представлены как другой шумовой процесс, называемый системным шумом

Для примера, θ₍ представляет собой вектор, включающий дальность и скорость самолета, летящего непосредственно из аэропорта. Модель системы

(3) моделирует дальность как увеличивающееся на величину, равную произведению скорости и времени выборки Δΐ. Параметр представляет собой гауссово распределение, которое моделирует изменение скорости, обусловленное порывами ветра или изменением тяги пилотом. Величина х₄ представляет собой дальность, задаваемую радаром аэропорта, которое искажается гауссовым шумом наблюдений (объединенные эффекты электрического шума в усилителях, ограниченной разрешающей способностью радара по дальности и т.д.)

(4)

Согласно предпочтительному варианту воплощения, система определения состояний буровой установки применяет специфический тип фильтра частиц, называемый параметрическим фильтром частиц.

Используемый здесь параметрический фильтр частиц (ПФЧ) описывает фильтр частиц, в котором модель системы или модель наблюдений управляется скрытой марковской моделью, определенной в публикации: СагреЩег I, С11££огй Р апй Реагпйеай Р, БшМтд Κοδυδΐ 81ти1айоп-Ьазей Р1Пег8 £ог Ενοίνίπβ 1)а1а 8еΐ8, Тесйтса1 героИ, ОераПтеп! о£ 8ΐаΐ^8ΐ^с8, Иптегзйу о£ Ох£огф 1998.

Скрытая марковская модель (СММ) представляет собой вероятностный процесс по дискретному набору состояний γ = {1,..., К}. Вероятность состояния на следующем по времени шаге задается квадратной матрицей вероятностей переходов Ρ(γ_ΐ+1 | γ₄), которая может охватывать вероятные и невероятные последовательности состояний.

Фиг. 2 иллюстрирует параметрический фильтр частиц, показанный как байесовская сеть. В представлении байесовской сети параметрического фильтра частиц, стрелки указывают направление причинного воздействия.

Каждая частица должна учитывать вероятность перехода состояния на каждом шаге, так что частица расщепляется на К новых частиц с весами

для _]=1,..., К. Операция передискретизации используется для снижения числа частиц с пК обратно до п, чтобы избежать экспоненциально увеличивающегося со временем числа частиц.

Теперь будут более подробно обсуждаться операция передискретизации и фильтр Кальмана.

Алгоритм дискретизации с минимальной дисперсией выбирает новый набор весов X^м который минимизирует величину

- 5 007847

подверженную ограничениям

и самое большее η из X⁴ являются ненулевыми. Веса, которые будут распространяться на следующую по времени операцию

будут состоять из ненулевых Х^ч. Результирующий алгоритм будет следующим:

1. Вычислить с, единственное решение

К « / \ ^п - Σ «ΐ/· >4 /“1

Указанное решение можно получить итеративно. См. публикацию 8ециепйа1 Моп1е Саг1о теШоб8 ίη Гй1ег (.Неогу Р. РеатРеаб, Оераг1теп1 оГ 8(а(гейс8, ОхГогб ишуегабу, 1998 р. 92.

2. Частицы, в которых

остаются с неизменными весами

Число остающихся частиц составляет к.

3. η-к частиц дискретизируется из остающихся ηΚ-к частиц, используя алгоритм систематической дискретизации (см. Сагреп(ег, 1998, стр. 8). Заметим, что опубликованный алгоритм содержит типографскую ошибку; четвертая строчка с конца должна читаться поменять 8^к на 8^р|. Дискретизированные частицы сохраняют вес Х^1,|=1/с, и оставшиеся устанавливаются равными нулю.

4. Нормализовать X⁴, чтобы суммировать до единицы.

5. Установить

к ненулевым X⁴.

Правдоподобие некого специфического состояния в любое время можно оценить посредством суммы весов частиц в данном состояния (см. РеатРеаб, 1998, стр. 88).

^0н1 - ΐ I^ХН1)=- /) · и

(7)

Если состояние системы остается неизменным, то предполагается, что применяются следующие модели наблюдений и системы х, =ΗΘ,+ν, (8)

Переменные случайного шума и V являются многомерными гауссовыми случайными переменными с нулевым средним и ковариационными матрицами 0 и К. Переменные и V являются некоррелированными. Если априорная переменная является также гауссовой на каждом временном шаге, то обе априорная и апостериорная будут гауссовыми. Решением этих условий является хорошо известный фильтр Кальмана.

Априорная переменная в момент времени ΐ, р(0₁|х_1:1.₁) , имеет среднее а₁ц.₁ и ковариацию Р₁ц.₁.

Апостериорная переменная в момент времени ΐ, ρ(θ_ΐχι_:ΐ), имеет среднее α и ковариацию Ρ_ν Уравнения фильтра Кальмана следующие:

- 6 007847 (О)

(10) (И) (12)

К, матрица выигрышей Кальмана, задается выражением (13)

Далее описан простой пример параметрического фильтра частиц. Фиг. 3 изображает моделированные данные, в которых каждая выборка была извлечена из одного из трех зашумленных состояний. В частности, фиг. 3 показывает пример параметрического фильтра частиц, применяемого к моделированным данным, извлеченным из жирных гауссовых кривых 210 с левой стороны графика (а). Узкие гауссовы кривые 212 показывают предыдущее знание местоположений состояний. В данном примере имеется канал с одним входом, обозначенный линией 200, и три состояния обозначены римскими цифрами I, II и

III. Центр каждого кружка показывает частицу, его радиус показывает вес частицы, а состояние частицы показано римскими цифрами I, II и III. Использовали 100 частиц.

На графике (Ъ) для оценки того, из какого состояния были извлечены данные, использовали параметрический фильтр частиц. Цифры I, II и III показывают наиболее вероятное состояние для каждой выборки. Каждая частица содержала независимый фильтр Кальмана для каждого состояния. Фильтр, соответствующий текущему состоянию частицы, последовательно обновлялся, но другие два фильтра оставались незадействованными.

Фиг. 4 показывает изменения в плотностях апостериорного распределения одной частицы во время четырехкратных шагов из примера, показанного на фиг. 3. Три состояния обозначены римскими цифрами I, II и III. Заметим, что все эти графики представляют собой плотности априорного и апостериорного распределения в области определения переменных системы. Плотности правдоподобия в области определения переменных наблюдений должны быть шире, например, р(θ₃|γ 2)- это почти дельта функция, так что плотности правдоподобия должны быть очень похожи на ρ(θ₁|γ=2), поскольку дисперсия=К.

Когда частица изменяет состояние, ее доверительная вероятность старого состояния реинициализируется. При использовании параметрических фильтров для систем определения состояний буровой установки, если известно, что бурильщик ранее при бурении поддерживал нагрузку на буровую коронку приблизительно 10 килофунт-сила-фут, то сомнительно предполагать, что бурильщик сделает тоже самое в следующий раз.

Каждая частица включающая γ\, вероятность состояния скрытой марковской модели и α¹ _ΐ, точки опоры частиц,

8¹ΐ=(γ¹ _ΐ α¹! Ъ - с - Р\) (14) где α¹ _ΐ, Ь\ и с\ являются апостериорными средними трех состояний (то есть, уравнение (11) для каждого из фильтров Кальмана), Р\ - апостериорная дисперсия активного фильтра Кальмана (оба бездействующих фильтра имели дисперсию К, так что сохранять эту информацию в каждой частице неэффективно).

Модель Кальмана была одинаковой для каждого состояния Р=Н=1, 0=0, К=0,3, Р₁=К. Выбор вероятностей переходов [ΐ-Л Л

Лгжк)= р, ^-2р_} I О Л о '

Р, (15) является фундаментальным для поведения фильтра в данном примере.

Прямые скачки между состояниями 1 и 3 не были разрешены, так что фильтр оценивал, что вероятность пребывания в состоянии 1 в момент времени 1=48 было пренебрежимо мало, несмотря на то, что наблюдение было близко к среднему состояния 1. Предполагалось, что скрытая марковская модель оставалась на длине состояния, равной приблизительно 20 выборкам, так что вероятность скачка Р, была установлена равной 1/20=0,05. Увеличение Р, могло бы увеличить вероятность минисостояний, существующих в моменты 1=33, 72 и 88.

Было бы относительно просто задать модель наблюдений с х_- в качестве вектора четырех поверхностных каналов и сформировать соответствующую модель системы, но поскольку размерность задачи увеличивается, то требуемое число частиц увеличивается экспоненциально. В задачах, в которых полезную информацию из некоторых каналов выделить легче, чем из других, моделирование более простых каналов с не развертывающимся правдоподобием понижает размерность задачи. Тогда весовое уравнение для новых частиц становится

. (16) ίη'Χ_} · „ · „ /+ι= _вес ^_ои частицы - потомка 1-ой; ш¹ ₁ = вес ι-ой частицы = родительской α_ι наблюдения, требующие развертывания плотности Ь₁=наблюдения, не требующие развертывания плотности '/^скрытое' состояние = состояние буровой установки «\=вектор параметров, которые содержат доверительную вероятность родительской частицы ρ(α_ι|...) = гауссова вероятность из фильтра Кальмана р(Ьф..)= не развертывающееся правдоподобие ρ(Υί|...) = вероятность перехода.

Указанный подход демонстрируется в следующем примере системы определения состояний буровой установки, использующей только каналы НК и ПБ. Отношение сигнала к шуму канала ПБ обычно очень высокое, так что этот канал моделировался с не развертывающейся вероятностью, давая

Релевантные априорные значения для НК и правдоподобия для СБ задаются в следующей таблице (вероятность КМ и ДВТ могут быть проигнорированы до более позднего примера).

Таблица априорных значений и вероятностей

Состояние	Альтер натив ное назва ние	НК	СБ	КМ	ДВТ
Бурение Вращение	Роторное бурение	υ(Β,Τ+2στ)	и(-Уок|щ 2σν)	υ(μτοοЗСггоо, Т0ок1ьь)	Вкл
Бурение Скольжение	Скользящее бурение	Как выше	Как выше	ТГожг 1Х.С41Х Статическое Прокачивание	Вкл
Введение в скважину Прокачива ние Вращение	Разбурива ние в	0,8υ(Β,Τ+2στ)+ 0,2υ(Τ+2στ,Τ+Ο)	υ(-νΤΚΙΡ,θ)	Как Бурение Скольжение	Вкл
Введение в скважину Прокачива ние	Скольжение в	Как выше	Как выше	Как Статическое Прокачивание	Вкл
Введение в скважину	Операция спуска	Как выше	Как выше	Как Статическое Прокачивание	Выкл

- 8 007847

Выведение из скважину Прокачива ние Вращение	Разбурива ние из	0,2υ(Β,Τ+2στ)+ 0,8υ(Τ-2στ,Τ+Ο)	и(0, ντκιρ)	Как Бурение Вращение	Вкл
Выведение из скважины Прокачива ние	Скольжение из	Как выше	Как выше	Как Статическое Прокачивание	Вкл
Выведение из скважины	Операция подъема	Как выше	Как выше	Как Статическое Прокачивание	Выкл
Статиче ское Прокачива ние Вращение	Циркулирую щий и роторный	Ν(Τ, στ 2)	Ν(Ο, σν 2)	Как Бурение Вращение	Вкл
Статичес кое Прокачива ние	Циркулирую щий	Как выше	Как выше	Ν(μτοο,στοο2)	Вкл
Статичес кий	На расстоянии от дна	Как выше	Как выше	Как выше	Выкл
В клиновых захватах		Ν(Β,σΒ 2)	и(-у5Ь1р8р)	Как Статическое Прокачивание	Как ниже
Неклассифи цированое		и(в,т+о)	и(-Утк1р, УтК1р)	ϋ(2μτοοТОшны.)	и(о,с)

Ключ:

и (низкое, высокое)=однородная ρά£ (функция распределения вероятностей) (среднее, дисперсия) = гауссова ρά£

Другие символы объясняются на обратной стороне листа________________

Символ	Описание	Значение	Источник
Т	ПНК (полная нагрузка на крюк)	210 килофунт- сила-Фут	Запитывается системой сбора
Ογ	Неопределенность в Т	5 килофунтсила-фут	Оценивается из состояний 3йайίсРишрКоб

- 9 007847

	О	Максимальная сверхтяга	150 килофунтсила-фут	Консервативная оценка
В	Вес талевого блока	85 килофунт- сила-фут	Оценивается из состояний 1пЗНрз
	Неопределенность в В	10 килофунт- сила-фут	Оценивается из состояний 1пЗИрз
ВУЕЪ	ντΚΙρ	Максимальная скорость спускоподъемной операции (вверх или вниз)	3 фут/сек	Консервативная оценка
	Максимальная КОР	0,2 фут/сек	Консервативная оценка
УзЪ1Р5	Максимальная скорость попадания трубы в клиновые захваты	0,2 фут/сек	Консервативная оценка
σν	Неопределенность в СБ	10“3 фут/сек	Консервативная оценка
ТфА	Мтоо	Нулевая калибровка Τζ)Α	-0,5 килофунтсила-фут	Оценивается из состояний в клиновых захватах
σΤζ>0	Неопределенность в μτΰ0	10 килофунт- сила-фут	Оценивается из состояний в клиновых захватах
Τΰρκιι,ι.	Максимальный крутящий момент во время бурения	260 килофунт- сила-фут	Оценивается из состояний Бурения Вращения

Фиг. 12 иллюстрирует кусочно-линейные правдоподобия давления вертикальной трубы для случаев включенных и выключенных насосов, согласно описанному примеру. На фиг. 12, А=500 фунтов/кв.дюйм, В=1000 фунтов/кв.дюйм, С=5000 фунтов/кв.дюйм, О=2/(2С-В-А) , Е=(2С-2В)/(А(2С-В-А)) .

Консервативные оценки предпочтительно трактуются как константы. Параметры, которые оцениваются из конкретных состояний, будут варьироваться от буровой установки к буровой установке, и многие будут варьироваться в зависимости от глубины. Указанные оценки могут быть выполнены персоналом или алгоритмом калибровки. Оценки в вышеприведенной таблице использовались для показанных примеров.

Для автоматической калибровки полезны индикаторы буровая коронка на забое и в клиновых захватах от таких систем, как ΙΏΕΑΕ™.

Когда индикатор в клиновых захватах является истинным, параметры В и б_в предпочтительно устанавливаются равными медиане и стандартному отклонению данных НК.

Когда индикатор в клиновых захватах является истинным, параметр μ·^₀ предпочтительно устанавливается равным медиане КМ данных. При использовании только данных КМ, а не Цто₀, когда индикатор в клиновых захватах является истинным, среднеквадратичное стандартное отклонение от р_Т(_-)0 вычисляется и присваивается параметру σ·^₀. Тем самым автоматически снимаются крутящие моменты подпитки и прорыва.

- 10 007847

Когда индикатор буровая коронка на забое является истинным, параметр КМ_{бурения} предпочтительно устанавливается равным максимальному значению КМ.

Очень важным является определение, когда бурильная колонна входит в клиновые захваты, так что фильтр Кальмана предпочтительно оптимизируется на выявление указанного перехода. Фиг. 5 показывает параметры фильтра Кальмана, оптимизированные для детектирования состояния в клиновых захватах. График (а) показывает зависимость параметра нагрузка на крюк от номера выборки для ограниченного числа взятых выборок. Данные нагрузка на крюк показаны точками 228, соединенными жирной линией 230. Как видно, среднеквадратичное значение 242 аппроксимируется к данным нагрузка на крюк. Также штрихованными линиями 240 показаны три стандартных отклонения от аппроксимированного среднего квадратичного.

Дисперсия К шума наблюдений оценивается посредством аппроксимации среднего квадратичного 242 к данным Введение в скважину Прокачивание НК, показанным на фиг. 5(а). Максимальный градиент аппроксимации среднего квадратичного, показанный линией 244, составлял 4,2 килофунт-сила-фут/с.

Предполагалось, что шум системы должен был способен генерировать выборку величины как событие предела, соответствующего среднему квадратичному отклонению, так что 0 устанавливалось равным 4,2² =18.

На фиг. 5(Ь) также показана зависимость данных нагрузка на крюк от номера выборки, но для более широкого диапазона выборок. В приведенном примере линия данных нагрузка на крюк снова отмечена номером 230. Оценка Кальмана показана линией 232, которая окружена сначала линией 234 стандартного отклонения оценки Кальмана, затем линией 236 стандартного отклонения шума наблюдений, К, и, наконец, линией 238 стандартного отклонения ошибки Кальмана+К. Поскольку фильтр Кальмана не может очень быстро отслеживать переход, потомок частицы в состоянии Введение в скважину Прокачивание также получит намного более низкий вес, чем потомок в состоянии В клиновых захватах, находящийся на значении ~85 килофунт-сила-фут.

После того, как труба зашла в клиновые захваты, блок будет продолжать падать несколько дюймов, так что изменение СБ (скорости блока) будет отставать от изменения НК (нагрузка на крюк) и поэтому менее пригодно для точного детектирования состояний в клиновых захватах. Параметры ДВТ (давление вертикальной трубы) и КМ (крутящий момент) не содержат информации о переходе, так что обработка НК должна быть как можно более точной.

Фиг. 6 показывает детектирование состояний Выведение из скважины Прокачивание, Введение в скважину Прокачивание и в клиновых захватах, используя данные НК (нагрузка на крюк) и ВРО8 (положение блока), согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения. График (а) показывает положение блока; график (Ь) показывает скорость блока, которая является функцией положения блока. График (с) показывает входной канал нагрузка на крюк. Используемые здесь входные каналы являются независимыми, когда одни входные каналы не являются прямой функцией других входных каналов. Таким образом, положение блока и скорость блока не зависят друг от друга, но также оба они не зависят от входного канала нагрузка на крюк.

Как на фиг. 3(а), на графике (с) центр каждого кружка показывает частицу, а ее радиус показывает вес частицы. Преобладающее состояние частиц обозначено названиями состояний внизу фиг. 6, а именно Выведение из скважины Прокачивание, Введение в скважину Прокачивание и в клиновых захватах. В данном примере используется 100 частиц. График (б) показывает вероятности определенных состояний путем суммирования веса частиц на каждом номере выборки.

Далее будет описан пример системы определения состояний буровой установки, использующей четыре входных канала. Установка датчика числа оборотов в минуту является намного более сложной, чем датчика крутящего момента, так что большинство операций бурения нефтяного промысла полагается только на датчик крутящего момента. Заметим, что если становится более практичным обеспечивать датчик числа оборотов в минуту на буровой установке, то в качестве входного канала для системы автоматического определения состояний буровой установки число оборотов в минуту было бы предпочтительнее, чем крутящий момент. При определении состояний датчик крутящего момента используется для различения вращательного и не вращательного состояний, которые во всем остальном выглядят очень похожими, например, Введение в скважину Прокачивание и Введение в скважину Прокачивание Вращение. Любой крутящий момент выше шумового порога должен считаться как вращение. Статистические данные крутящего момента в невращательном состоянии должны быть приблизительно стационарными, так что развертывающаяся вероятность необязательна. Вероятности крутящего момента показаны в таблице вероятностей, приведенной выше.

Аналогично, для различения состояния Введение в скважину Прокачивание от Введение в скважину, большая часть информации по ДВТ (давление вертикальной трубы) также является двоичной: вкл. или выкл. Следовательно, вес новых частиц следующий:

т!^т;_Р(и1Ш>м |Г„, = ла;Нг„, = Лт;)1,'«/Д⁷ (18) где

- 11 007847

не зависит от частиц, так что указанную величину необходимо вычислять только один раз в каждом временном шаге.

Фиг. 7 изображает графики входных сигналов и выходного сигнала предпочтительной системы определения состояний буровой установки. В случае фиг. 7 использовались те же данные, что и в примере фиг. 6, но она включает более широкий диапазон выборок. В случае фиг. 7 предпочтительный алгоритм, основанный на параметрическом фильтре, применялся к 16 минутам данных бурения. Строки а-е показывают положение блока, скорость блока, нагрузку на крюк, крутящий момент и давление вертикальной трубы, соответственно. Строка £ показывает выходной сигнал определения состояний буровой установки. Отдельные состояния выражаются в терминах вероятности. Заметим, что на фиг. 7 восемь из предложенных тринадцати состояний были реализованы до настоящего времени и показаны на графике (£) фиг. 7. На графике (£), две буквенных метки относятся к следующим состояниям буровой установки: КЭ=Бурение Вращение, КО= Выведение из скважины Прокачивание Вращение, СК=Статическое Прокачивание Вращение, К1=Введение в скважину Прокачивание Вращение, С=Статическое Прокачивание, 8О=Выведение из скважины Прокачивание, 81=Введение в скважину Прокачивание и 18=В клиновых захватах.

Для упрощения интерпретации, в данном примере матрице Р переходов были присвоены равномерные значения. Предпочтительны еще более реалистичные значения, так, чтобы улучшить определение состояний. Примером маловероятной последовательности состояний является бурение в роторном режиме, происходящем непосредственно после бурения в скользящем режиме (СБ). Это так, поскольку гидродинамическое сопротивление больше во время скользящего режима бурения, как если бы вращение начиналось на дне, нагрузка на буровую коронку могла бы быстро стать нежелательно высокой. Более типичной является последовательность Скользящего Бурения, Выведения из скважины Прокачивание ~5 футов, Введения в скважину Прокачивание Вращение ~5 футов, Роторного Бурения.

Первые 12 состояний в вышеприведенной таблице априорных значений и правдоподобий преднамеренно оставляют промежутки в пространстве параметров четырех поверхностных каналов, что соответствует очень маловероятным или потенциально разрушающим операциям, например, если оборудование низа бурильной колонны содержит гидравлический турбинный двигатель, то операция Введения в скважину в процессе вращения, но без прокачивания, является очень рискованной операцией; так, если бы буровая коронка коснулась стенки ствола скважины и вращалась, она могла бы всасывать буровой раствор и, возможно, врезаться в двигатель. Чтобы закрыть указанные промежутки и предотвратить нестабильность в программном обеспечении, задается состояние, называемое неклассифицированное с очень широкими априорными значениями.

Фиг. 8 изображает операции, участвующие в системе автоматического определения состояний буровой установки. В частности, фиг. 8 показывает шаги для использования способа параметрической фильтрации частиц для автоматического определения состояний буровой установки. На операции 110 инициализируется η частиц с равным весом и равным числом частиц в каждом состоянии. Предпочтительно, частицы случайно дискретизируются из распределений правдоподобия, которые образуют часть априорной информации 130. Для примеров соответствующих распределений вероятности см. вышеприведенную таблицу всех априорных значений и вероятностей. Заметим, что распределения вероятности формируют α\ в уравнении (16). На операции 112 каждая частица порождает новую частицу в каждом состоянии, а затем умирает. На операции 114 вес вычисляется как вес родительской частицы на вероятность перехода. Распределения правдоподобия из априорной информации 130 и данные 132 нового датчика (то есть входные каналы) предпочтительно участвуют согласно уравнению (16). На операциях 116 и 118 совокупность снижается обратно до η частиц, причем, чем больше вес, тем больше вероятность уцелеть, веса также нормализируются, чтобы в сумме дать единицу. Предпочтительный способ выполнения указанных шагов описан выше, при описании уравнения (6) . На операции 119 состояние частицы сравнивается с таковым ее родителя. Если они не одинаковые, то операция 112 должна повторяться для следующей выборки. Если они одинаковые, то доверительная вероятность частицы предпочтительно уточняется, используя фильтр Кальмана, использующий данные 132 согласно вышеприведенным уравнениям (9)-(13). На операции 122 доверительные вероятности при необходимости ограничиваются в прежних пределах, используя предпочтительно модели правдоподобия в априорной информации 130, такие как, например, из вышеприведенной таблицы. На операции 124 веса частиц суммируются в каждом состоянии, что тем самым, дает вероятность состояния для каждой выборки, и затем операция 112 повторяется для следующей выборки.

Когда условия бурения обеспечивают достаточно большую вероятность возникновения конкретного события бурения, должно быть известно априори, что изменение конкретного состояния буровой установки могло бы существенно обострить проблему. Например, при приближении события забутовки, бурильщик не должен производить выведения из скважины, пока ствол скважины прокачивается по замкнутой системе достаточно тщательно, с учетом вероятности того, что забутовка упадет до приемле

- 12 007847 мого уровня. Прогнозирование следующего состояния буровой установки может быть выведено из текущих вероятностей состояний и вероятностей переходов

Р(Гм = * I )= Σ Лг.₊. = ^к I Г,Иг< I ) (19)

г.

Если вероятность события высока, а также вероятность нежелательного следующего состояния буровой установки высока, то предпочтительно алгоритм напоминает бурильщику не делать изменений, приводящих к такому конкретному состоянию буровой установки. Предпочтительно, для прогнозирования состояния буровой установки на несколько выборок вперед рекурсивно применяется аналогичный метод.

Альтернативно, используются дополнительные входные каналы, и состояние буровой установки детектируется точно, без использования методов фильтрации частиц. Например, система определения состояний буровой установки использует два входных канала из системы сбора данных бурения, известной как ШЕАБ™ от ЗсЫитЬегдег. Более точно, используется два двоичных индикатора: (1) ΒΟΝΒ, который показывает, когда буровая коронка находится на дне, и (2) 8ΤΙ8, который показывает, когда труба находится в клиновых захватах.

Правило Байеса дает

(20) где р(У( =)|Ь₁) =апостериорная вероятность состояния ), р(Ь(| (у_г =]) =многомерное вероятное состояния),

Ρ(7ι =])=априорная вероятность состояния _]. Моделирование правдоподобий независимо дает />(б, | Г, = /)-р(НКЩ | Г, = ;)р(ВУЕ£, I г, · /)р(8РРА, | Г, = ;)х ρ(Ώ2Α | Г, - ί^ΒΟΝΒ, I г, = | Г, = Л . (21)

Продолжение таблицы правдоподобий, чтобы включить двоичные индикаторы, дает следующую таблицу:

Состояние	Вращение	Прокач ивание	Движе ние блока	Нагрузка на крюк	ΒΟΝΒ	8ΤΙ8
Роторное бурение	-	-	Ф	Низкая	1	0
Скользящее бурение	X	-	Ф	Низкая	1	0
Разбуривание в			Ф	Низкая	0	0
Скольжение в	X		Ф	Низкая	0	0
Введение в скважину	X	X	Ф	Низкая	0	0
Разбуривание из			Ф	Высокая	0	0
Скольжение из	X		Ф	Высокая	0	0
Выведение из скважины	X	X	Ф	Высокая	0	0
Статическое Прокачивание Вращение			X	~Т	0	0
Статическое Прокачивание	X	-	X	~Т	0	0
Статический	X	X	X	~Т	0	0
В клиновых захватах	X	Одно из двух	ф	~В	0	1
Неклассифицирован ное	Одно из двух	Одно из двух	Любое	Любая	Одно из двух	Одно из двух

- 13 007847

Согласно другому альтернативному варианту воплощения, для автоматического определения состояний буровой установки вместо вышеописанных вероятностных способов или в комбинации с ними используется нечеткая логика.

Согласно альтернативному варианту воплощения, для определения временных особенностей в данных, таких как ступенчатые изменения, пилообразные изменения и т.д., к каждому входному каналу применяется независимый фильтр частиц; такие фильтры называются детекторами точек перехода. Далее, для определения вероятности каждого состояния буровой установки, фильтр частиц анализирует оценку распределения точек перехода и параметров сегментов, в дополнение к необработанным данным канала.

В настоящем изобретении, автоматически определяемая информация состояний буровой установки используется в качестве части более общей системы обнаружения событий. В частности, было обнаружено, что способность диагностировать некоторые проблемы бурения во многом улучшается путем использования автоматически детектированного состояния буровой установки.

Согласно одному из вариантов воплощения, обеспечивается усовершенствованный диагностический инструмент для определения проблем, ассоциированных с прихватом трубы. Инструмент предпочтительно строится на таком известном диагностическом инструменте, как 8ΡΙΝ бос1от™ от ЗсЫитЬетдег. Известный инструмент запрашивает персонал буровой о состоянии буровой установки, когда труба оказывается прихваченной в скважине. См.: Мападшд ИпШид Кщк, Л1бтеб и соавт., Оййе1б Ве\зе\\·. виттег 1999, а! раде 11. Согласно изобретению, такой диагностический инструмент, как 8ΡΙΝ-ΌΚ, модифицируется, чтобы принимать входной сигнал непосредственно из вышеописанной системы автоматического определения состояний буровой установки, во многом улучшая и автоматизируя детектирование начала застревания трубы.

Системы перерегулирования процесса бурения, включающие автоматическое определение состояний и событий буровой установки

Фиг. 9 изображает схематическую компьютерную систему для перерегулировки управления процессом бурения ствола скважины. На шаге 434 принимаются или воспринимаются измеренные данные приземных наблюдений. Примеры включают параметры: нагрузка на крюк, положение или скорость блока, давление вертикальной трубы, крутящий момент, а также детектированные входные сигналы такие, как индикаторы буровая коронка на забое и в клиновых захватах из такой системы, как ШЕАЬ™. На операции 436 принимаются измеренные данные наклонной скважины, такие, как полученные при исследовании в процессе бурения или данные при каротаже операции. На операции 432, данные вводятся в систему 400 автоматического определения состояний буровой установки, как описано выше со ссылкой на фиг. 8. Как описано на фиг. 8, априорная информация 430 также вводится в систему 400 автоматического определения состояний буровой установки. Из системы 400 определения информация состояний буровой установки (которая предпочтительно представлена в виде вероятности) вводится в системы обнаружения событий.

В одном варианте воплощения, автоматически определяемые события и состояния, во время которых они происходят, загружаются непосредственно в базу данных, как, например, коммерчески используемое программное обеспечение, известное как КщкТКАК™ от ЗсЫитЬетдег. Затем угрозы, идентифицированные в пределах КщкТКАК™, могут использоваться в качестве входных данных в автоматические детекторы состояний буровой установки. В частности, идентифицированные угрозы используются для изменения априорных вероятностей алгоритмов обнаружения событий.

На операции 440 информация состояний буровой установки коррелируется с данными 438 измерения, собранными с поверхности и/или в скважине, чтобы отслеживать нежелательные события. Указанные данные измерения могут включать данные, которые использовались для определения состояний буровой установки. Типичными примерами являются давление вертикальной трубы и крутящий момент. Однако они также могут включать другие данные, например, такие как данные, полученные при исследованиях в процессе бурения или при каротаже.

Например, данные измерения давления в затрубном пространстве (АРАО) в процессе бурения, которые все больше и больше используются в таких операциях, как бурение при высоком давлении и высокой температуре с отрицательным дифференциальным давлением с расширенной рабочей зоной и глубоководное бурение, могут коррелироваться с состоянием буровой установки, чтобы интерпретировать эффекты вращения трубы, нагрузки выбуренной породы, пульсации проходного поршня, испытания на утечку (ЕОТ8), испытания на целостность пласта (Е1Т8) и поглощение бурового раствора.

Данные 438 измерения могут быть дополнены данными из модели земли. Пример модели земли дается в публикации АО 01/25823.

В целом, на операции 440 автоматическое обнаружение событий может быть существенно улучшено посредством использования автоматического детектирования состояний буровой установки. Предпочтительно, на операции 440 информация состояний буровой установки используется для применения различных вариаций алгоритма обнаружения событий в зависимости от конкретного состояния буровой установки. Если обнаружение событий основано на пороговых параметрах, то пороговые уровни могли бы устанавливаться оптимальными для каждого состояния буровой установки, тем самым значительно

- 14 007847 снижая ложные вызовы и ошибочные отказы детектора событий. Однако, как альтернатива для методов, основанных на пороговых значениях, обнаружение событий предпочтительно вычисляет вероятность, с которой событие происходит или скоро произойдет. Если должен возникнуть сигнал тревоги, то, предпочтительно, это является порогом вычисленной вероятности.

Кроме того, если конкретный детектор событий содержит несколько параллельных моделей или компонентов, они могут быть селективно выведены из работы, когда определяется, что буровая установка находится в конкретном состоянии, что может улучшить надежность детектора.

Например, одним компонентом детектора события выброса может быть прогнозирующее устройство пульсации проходного поршня. Прогнозирующее устройство пульсации проходного поршня должно активизироваться, когда определяемое состояние включает движение бурильной трубы, как, например, Ροοίι (операция подъема). Однако, если определенное состояние подразумевает отсутствие движения бурильной трубы, как, например, в клиновых захватах, то прогнозирующее устройство пульсации проходного поршня (или какие-либо другие прогнозирующие устройства, которые уместны только в случае движения бурильной трубы) может быть выведено из работы, чтобы снизить вероятность ложной тревоги от детектора выброса.

Операция 440 может включать отслеживание некоторых или всех следующих нежелательных событий:

Выброс

Прихват трубы

Поглощение бурового раствора

Прерывистое перемещение буровой коронки

Забивание форсунки буровой коронки

Эрозия форсунки буровой коронки

Несоответствие размера скважины заданному размеру

Износ буровой коронки

Потеря производительности забойного турбинного двигателя

Разлом пласта, вызванный бурением

Раздувание трубы

Плохая очистка скважины

Эрозия трубы

Разрушительные вибрации

Случайное забуривание нового ствола скважины

Начало поломки вследствие скручивания, причем каждое событие предпочтительно имеет свой собственный специальный детектор.

Когда определяется нежелательное событие, на операции 444 система определяет корректирующее действие буровой установки, которое предотвратит или смягчит нежелательное событие.

Затем система выдает команду 446 корректирующего действия буровой установке, которая имеет соответствующее управляемое компьютером оборудование для выполнения команды. Некоторые примеры событий и возможных корректирующих действий обсуждаются ниже. Соответствующее действие может быть идентифицировано, например, используя справочную таблицу или используя интеллектуальную систему, как, например, систему 8ΡΙΝ-ΌΚ, которая обсуждалась выше.

Система может обеспечить оповещение бурильщику, что имеется перерегулировка процесса бурения. Она также может обеспечить индикации действия, которые она предпринимает, и события, на которое адресовано это действие.

Теперь будут описаны события и возможные корректирующие действия в отношении иллюстративных систем перерегулирования.

Пример 1.

Вообще говоря, буровая коронка имеет почти такой же диаметр, как сам ствол скважины, так что когда бурильная колонна поднимается, буровая коронка действует как поршень, и давление бурового раствора под буровой коронкой снижается. Давление проходного поршня может позволить флюидам пласта поступать в ствол скважины, если бурильная колонна поднимается слишком быстро, что может привести к выбросу или фонтанированию. Наоборот, когда бурильная колонна опускается, фонтанированию. Наоборот, когда бурильная колонна опускается, давление бурового раствора под буровой коронкой повышается. Это пиковое давление может вызвать разлом пласта, приводя к потере бурового раствора и проблемам стабильности буровой скважины. В каждой точке буровой скважины безопасное максимальное пиковое давление и безопасное минимальное давление проходного поршня может быть вычислено, например, исходя из модели земли. Давление в скважине может быть вычислено непосредственно или смоделировано.

Иллюстративная система для предотвращения опасных давлений проходного поршня и пульсации определяет состояние буровой установки и собирает данные измерения давления наклонной скважины и глубины буровой коронки. Если в какой-либо точке вдоль буровой скважины было превышено или почти превышено безопасное максимальное/минимальное пороговое давление для детектированного состоя

- 15 007847 ния, то система перерегулирует команду бурильщика перемещать бурильную колонну, и сообщает безопасную скорость бурильной колонны, так чтобы давление оставалось в безопасных пределах.

Пример 2.

Операция возвращения буровой коронки на забой скважины должна выполняться мягко, чтобы предотвратить повреждение буровой коронки и избежать входа в вибрационный режим, из которого трудно выйти. Иллюстративная система перерегулировки определяет состояние буровой установки и собирает данные измерения глубины буровой коронки. Когда определенное состояние является таким, что буровая коронка может достичь дна скважины, система сравнивает глубину буровой коронки с глубиной скважины. Если буровая коронка достигает дна слишком быстро, то система перерегулирует управление бурильщика и замедляет бурильную колонну достаточно быстро так, чтобы буровая коронка мягко соединилась с дном.

Пример 3.

Выше некоторого крутящего момента, забойный турбинный двигатель обычно теряет обороты, и тогда буровую коронку нужно убирать с забоя, чтобы перезапустить вращение. Ясно, что желательно избегать перезапуска двигателя таким путем. Однако крутящий момент в скважине можно и измерить и смоделировать так, чтобы, когда бурильщик пытается превысить максимальный крутящий момент двигателя в скважине для соответствующего состояния буровой установки, иллюстративная система могла перерегулировать указанную команду и снизить крутящий момент, чтобы предотвратить снижение оборотов двигателя.

Пример 4.

Система перерегулирования может включать системы обнаружения эрозии ствола. Согласно этому варианту воплощения, выполняются следующие операции. Определяется соотношение между давлением нагнетания и расходом бурового раствора для состояний буровой установки, в которых происходит прокачивание. Вычисляется поверхностный расход из данных поверхности, собранных в системе прокачивания. Вычисляется расход в скважине из турбинного сборочного узла исследований в процессе бурения. Сравниваются расходы на поверхности и в скважине в пределах одинаковых состояний. Например, вычисления для состояний Разбуривания и Скользящего бурения предпочтительно выполняются отдельно.

Если между расходами на поверхности и в скважине появляется несоответствие среди одинаковых состояний, то это указывает на событие эрозии ствола. Дополнительные подробности о детектировании эрозии ствола, см. ХУакНои! А1агт (1Шр://\\л\лу.11иЬ.81Ь.сот/Оос8/ОапбМ/Сгар1ис8Ео1бег/ОМ_Оуегу1е\\'8/ ХУа81юи1_а1агт.рбГ). Корректирующее действие может быть направлено на то, чтобы приостановить операции бурения до операции подъема, так чтобы соединения элементов трубы можно было проверить на эрозию.

Пример 5.

Система перерегулировки может содержать систему обнаружения износа буровой коронки на основе анализа механической эффективности. Методы анализа механической эффективности для обнаружения износа буровой коронки известны. См. патент США № 4685329 и публикацию Меакигшд Ле Уеаг оГ МШеб Тоо111 Βί(5 Икшд МХУО Тощие апб ХУе1д111-оп-ВН. Вигдекк апб Ьекко, БРЕ/1АЭС 13475. Усовершенствованная система обнаружения износа буровой коронки обеспечивается путем разделения данных на различные случаи на основе состояния буровой установки: роторное бурение, скользящее бурение и другие состояния. Данные от состояний не бурения (другие состояния) игнорируются. Затем данные для роторного бурения и скользящего бурения анализируются отдельно, путем точной настройки соотношений крутящего момента и веса для каждого случая. Различный анализ предпочтительно использует тот факт, что поскольку датчик крутящего момента в скважине обычно располагается над забойным турбинным двигателем, в то время как воспринимается прямой крутящий момент роторного бурения, и во время скользящего бурения, воспринимается реактивный момент.

Если определяется изношенная буровая коронка, то корректирующее действие может быть направлено на то, чтобы приостановить операции бурения до операции подъема, чтобы заменить или отремонтировать буровую коронку.

Пример 6.

Система перерегулирования может содержать систему обнаружения событий, использующую анализ крутящего момента и гидродинамического сопротивления. Коммерчески доступное программное обеспечение, такое как ΌήΙΙδΑΕΕ™, часть от БсЫитЬегдег ПгШшдОГйсе™ или ОеаОгадБ™ из ассоциации инженеров-буровиков, может быть модифицировано, чтобы автоматически принимать информацию состояния буровой установки, и определять, какой режим анализа крутящего момента и гидродинамического сопротивления использовать. Такая автоматизация обеспечивает возможность непрерывного моделирования измерений растяжения бурильной колонны и крутящего момента. Сравнение указанных моделированных данных с действительными измерениями обеспечивает возможность многочисленных форм детекторов событий, таких как прихват трубы, зазор между колонной обсадных труб и стенками скважины, откручивание и осыпающийся сланец.

Один пример буровой системы, имеющей способность перерегулировки, показан на фиг. 10. Бурильная колонна 58 показана внутри ствола 46 скважины. Ствол 46 скважины расположен в земле 40,

- 16 007847 имеющей поверхность 42. Ствол 46 скважины вырезается действием буровой коронки 54. Буровая коронка 54 расположена на дальнем конце оборудования 56 низа бурильной колонны, которое прикрепляется к нижней части бурильной колонны 58. Оборудование 56 низа бурильной колонны содержит несколько приборов, включающих различные сборочные узлы. Согласно настоящему изобретению, сборочные узлы скважинных исследований в процессе бурения (СИПБ) входят в сборочные узлы 62. Примеры типичных СИПБ измерений включают направление, наклон, данные геологоразведки, давление скважины (внутри бурильной трубы и внешнее или давление в затрубном пространстве), удельное сопротивление, плотность и пористость. Также к ним относится сборочный узел 60 для измерения крутящего момента и нагрузки на буровую коронку. Сигналы от сборочных узлов 62 предпочтительно обрабатываются в процессоре 66. Затем после обработки, информация от процессора 66 передается в узел 64 пульсатора. Узел 64 пульсатора преобразует информацию из процессора 66 в импульсы давления в буровом растворе. Импульсы давления генерируются в конкретной конфигурации, которая представляет данные из сборочных узлов 62. Импульсы давления проходят вверх, через буровой раствор в центральное отверстие в бурильной колонне и по направлению поверхности системы. Сборочные узлы в оборудовании 56 низа бурильной колонны также могут включать турбину или двигатель для обеспечения энергии для вращения и управления буровой коронки 54.

Буровая установка 12 содержит буровую вышку 68 и подъемную систему, роторную систему и систему циркуляции бурового раствора. Подъемная система, которая подвешивает бурильную колонну 58, содержит буровую лебедку 70, ходовой конец 71 талевого каната, кронблок 75, талевый канат 79, талевый блок и крюк 72, вертлюг 74 и неподвижный конец 77 талевого каната. Роторная система содержит прибор 76 Келли, стол 88 бурового ротора и двигатели (не показаны). Роторная система передает вращательную силу бурильной колонне 58, как хорошо известно в уровне техники. Хотя на фиг. 10 показана система с прибором Келли и столом бурового ротора, специалистам должно быть понятно, что настоящее изобретение также применимо к буровым установкам с верхним приводом. Хотя на фиг. 10 показана буровая система, расположенная на земле, специалистам должно быть понятно, что настоящее изобретение равно применимо к морским средам.

Система циркуляции бурового раствора прокачивает буровой раствор вниз в центральное отверстие в бурильной колонне. Буровой раствор часто называется глинистым раствором, и он обычно представляет собой смесь воды или дизельного топлива, специальных глин и других химикатов. Буровой раствор хранится в приемной емкости 78 для бурового раствора. Буровой раствор вытягивается в насосы бурового раствора (не показаны), которые прокачивают его через вертикальную трубу 86 и в прибор 76 Келли через вертлюг 74, который содержит вращающееся уплотнение. Изобретение также применимо к бурению с отрицательным дифференциальным давлением. Если имеет место бурение с отрицательным дифференциальным давлением, то в некоторый момент прежде входа бурильной колонны, в буровой раствор вводится газ с использованием инжекционной системы (не показана).

Буровой раствор проходит через бурильную колонну 58 и буровую коронку 54. Зубья буровой коронки размалывают и выдалбливают пласт земли на обломки выбуренной породы, буровой раствор выпускается через отверстия или промывочные насадки в буровой коронке с большой скоростью и давлением. Эти струи бурового раствора поднимают обломки выбуренной породы со дна скважины и подальше от буровой коронки, и вверх по направлению к поверхности в кольцевом пространстве между бурильной колонной 58 и стенкой ствола 46 скважины.

На поверхности буровой раствор и обломки выбуренной породы выходят из буровой скважины через боковое выпускное отверстие в противовыбросовом превенторе 99 и через возвратный трубопровод (не показан). Противовыбросовый превентор 99 содержит прибор управления давлением и вращающееся уплотнение. Возвратный трубопровод бурового раствора подает буровой раствор в сепаратор (не показан), который отделяет буровой раствор от обломков выбуренной породы. Из сепаратора буровой раствор возвращается в приемную емкость 78 для бурового раствора для хранения и повторного использования.

Для выполнения измерения бурового оборудования на буровой установке 10 помещаются различные датчики. В частности, нагрузка на крюк измеряется датчиком 94 нагрузки на крюк, расположенным на неподвижном конце 77 талевого каната; положение блока и связанная с ним скорость блока измеряются датчиком 95 блока, который является частью буровой лебедки 70. Поверхностный крутящий момент измеряется датчиком, расположенным на столе 88 бурового ротора. Давление вертикальной трубы измеряется датчиком 92 давления, расположенным на вертикальной трубе 86. Сигналы от таких измерений передаются в центральный поверхностный процессор 96. Кроме того, импульсы бурового раствора, проходящие вверх бурильной колонны, детектируются датчиком 92 давления. Датчик 92 давления содержит преобразователь, который преобразует давление бурового раствора в электронные сигналы. Датчик 92 давления соединен к поверхностному процессору 96, который преобразует сигнал из (аналогового) сигнала давления в цифровую форму, запоминает и демодулирует цифровой сигнал в приемлемые М\УЭ данные. Согласно различным вариантам воплощения, описанным выше, поверхностный процессор 96 программируется, чтобы автоматически детектировать наиболее вероятное состояние буровой уста

- 17 007847 новки на основе различных описанных входных каналов. Поверхностный процессор 96 также программируется, чтобы проводить автоматизированное обнаружение событий, описанное выше.

Поверхностный процессор 96 передает информацию определения состояний и/или событий буровой установки в процессор 97 перерегулировки, который идентифицирует соответствующие действия буровой установки для избежания или смягчения нежелательных событий. Поверхностный процессор и процессор перерегулирования показаны как отдельные приборы, но на практике они могут объединяться в один прибор.

Фиг. 11 изображает дополнительные детали поверхностного процессора 96, согласно предпочтительным вариантам воплощения изобретения. Предпочтительно, поверхностный процессор 96 состоит из одного или нескольких центральных процессоров 350, оперативной памяти 352, модулей 354 обмена информацией или ввода/вывода, графических устройств 356, ускорителя 358 вычислений с плавающей запятой и накопитель, такой как ленты или диски 360.

Процессор 97 перерегулирования предпочтительно соединяется к оборудованию буровой установки через контроллер буровой установки, который имеет способность управления интегральной электроникой. Один возможный контроллер имеет рабочую станцию типа, показанного в патенте Великобритании 2341916. Другой возможный контроллер представляет собой систему Уагсо У-1С18™; (для получения более подробной информации см. Ы1р://тетете.уагсо.сот/ргобис18/УПЕ/с5тб1/с5тб1/с88/с5тб1_Ыш1). Когда определяется нежелательное событие, командные сигналы посылаются из модуля перерегулировки в контроллер буровой установки. Сигналы заставляют контроллер управлять буровой установкой так, чтобы выполнялись действия, идентифицированные модулем перерегулировки.

Последующее действие буровой установки зависит от типа события, которое было обнаружено. Например, если процесс бурения представляет собой спускоподъемную операцию, и модуль перерегулировки просто предотвратил превышение максимальной скорости спускоподъемной операции бурильной колонны, управление может быть передано обратно непосредственно к контроллеру буровой установки для продолжения процесса перерегулировки. С другой стороны, если был предотвращен потенциально опасный выброс, модуль перерегулировки может приостановить другие процессы буровой установки, так чтобы был произведен пересмотр операций бурения.

Хотя изобретение было раскрыто в связи с иллюстративными вариантами воплощения, описанными выше, после приведенного описания специалистам должны быть очевидны многие эквивалентные вариации и модификации. Соответственно, иллюстративные варианты воплощения изобретения, изложенного выше, должны считаться иллюстративными, а не ограничивающими. Различные изменения описанных вариантов воплощения могут быть выполнены, не отклоняясь от сущности и не выходя за рамки изобретения.

Все упомянутые публикации тем самым включены здесь ссылкой.

Claims (4)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ автоматического предотвращения или смягчения нежелательных событий бурения во время процесса бурения, содержащий следующие операции:

   определение состояния буровой установки, включающего роторное бурение; скользящее бурение; введение в скважину, прокачивание и вращение; введение в скважину и прокачивание; введение в скважину; выведение из скважины, прокачивание и вращение; выведение из скважины и прокачивание; подъем; статическое прокачивание и вращение; статичность; удерживание бурильной трубы в клиновых захватах;

   сбор данных поверхностных измерений и/или измерений в скважине, таких как нагрузка на крюк буровой установки, положение блока буровой лебедки, крутящий момент или давление вертикальной трубы;

   обнаружение посредством корреляции собранных данных измерения с определенным состоянием одного или нескольких следующих нежелательных событий бурения: выброс, прихват трубы, поглощение бурового раствора, прерывистое перемещение буровой коронки, слишком быстрое возвращение буровой коронки на забой скважины, забивание форсунок буровой коронки, эрозия форсунки буровой коронки, несоответствие размера скважины заданному размеру, плохая очистка скважины, износ буровой коронки, опасное давление проходного поршня или пульсирующее давление, потеря производительности забойного двигателя, разлом пласта, вызванный бурением, раздувание трубы, эрозия трубы, разрушительные вибрации, случайное забуривание нового ствола скважины, начало поломки вследствие скручивания;

   определение действия буровой установки, предотвращающего или смягчающего определенное нежелательное событие бурения и включающего уменьшение скорости бурильной колонны, уменьшение крутящего момента забойного двигателя, уменьшения нагрузки на буровую коронку, приостановку операций бурения;

   перерегулировка процесса бурения посредством командного выполнения действий.

   - 18 007847
2. 2. Способ по п.1, в котором определение состояния буровой установки содержит операции приема двух или нескольких независимых каналов входных данных, каждый из которых представляет последовательность измерений, выполненных во время процесса бурения, и определения наиболее вероятного текущего состояния буровой установки, основанное на двух или нескольких каналах входных данных из по меньшей мере трех возможных состояний буровой установки.
3. 3. Способ по п.1 или 2, дополнительно содержащий операцию сбора данных модели земли, которые коррелируются с данными модели земли для определения нежелательных событий бурения.
4. 4. Система для автоматического предотвращения или смягчения нежелательных событий бурения во время процесса бурения, содержащая систему определения состояния буровой установки, выполняющей процесс бурения, систему сбора данных для сбора данных поверхностных измерений и/или измерений в скважине, соединенный с указанными системами процессор для обнаружения одного или нескольких нежелательных событий бурения посредством корреляции собранных данных измерения с определенным состоянием и определения действия буровой установки, предотвращающего или смягчающего обнаруженное нежелательное событие бурения, и соединенный с процессором прибор выдачи команд для перерегулирования процесса бурения посредством выдачи команды, требующей выполнения действия.