MX2015000072A - Sistemas y metodos de control de perforacion. - Google Patents

Abstract

Un sistema para optimizar un parámetro de perforación de una cadena de perforación incluye un subsistema de control de cadena de perforación. El sistema incluye un controlador de optimización para coordinar las operaciones del subsistema de control de cadena de perforación durante un proceso de perforación al menos en parte al: determinar una primera tasa de penetración optimizada con base en un modelo de parámetro de perforación y un primer estimado de parámetro de perforación; proporcionar un primer conjunto de comandos al subsistema de control de cadena de perforación con base en la primera tasa de penetración optimizada; determinar un segundo estimado de parámetro de perforación durante el proceso de perforación con base, al menos en parte, en el modelo de parámetro de perforación y la realimentación correspondiente al subsistema de control de cadena de perforación; determinar una segunda tasa de penetración optimizada durante el proceso de perforación con base en el segundo estimado de parámetro de perforación; y proporcionar un segundo conjunto de comandos al subsistema de control de cadena de perforación con base en la segunda tasa de penetración optimizada.

Description

SISTEMAS Y MÉTODOS DE CONTROL DE PERFORACIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente divulgación se refiere generalmente a operaciones de perforación de formaciones de tierra y, más particularmente, a sistemas y métodos de control de perforación.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En operaciones de perforación, los procesos de perforación típicos son relativamente complejos e involucran gastos considerables. Existe un esfuerzo continuo en la industria de desarrollar mejoras en seguridad, minimización de costo, y eficiencia. Sin embargo, sigue existiendo una necesidad de procesos de perforación más eficientes, mejorados y optimizados.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION La presente divulgación se refiere generalmente a operaciones de perforación de formaciones de tierra y, más particularmente, a sistemas y métodos de control de perforación.

En este documento se describen a detalle modalidades ilustrativas de la presente divulgación. En el interés de claridad, puede que no se describen todas las características de una implementación real en esta especificación. Se apreciará desde luego que en el desarrollo de cualquier modalidad real, se deben tomar numerosas decisiones específicas de implementación para lograr las metas de implementación específicas, lo cual variará de una implementación a otra. Por otra parte, se apreciará que tal esfuerzo de desarrollo puede ser complejo y tardado, pero sería sin embargo una tarea de rutina para aquellos experimentados en la materia que tengan el beneficio de la presente divulgación. Para facilitar un mejor entendimiento de la presente divulgación, se proporcionan los siguientes ejemplos de ciertas modalidades. De ninguna forma se deben leer los siguientes ejemplos para limitar, o definir, el alcance de la divulgación.

Ciertas modalidades de la presente divulgación se pueden implementar al menos en parte con un sistema de manejo de información. Para propósitos de esta divulgación, un sistema de manejo de información puede incluir cualquier instrumentalidad o agregado de instrumentalidades operables para calcular, clasificar, procesar, transmitir, recibir, recuperar, originar, conmutar, almacenar, mostrar, manifestar, detectar, registrar, reproducir, manejar, o utilizar cualquier forma de información, inteligencia, o datos para negocios, científicos, de control, u otros propósitos. Por ejemplo, un sistema de manejo de información puede ser una computadora personal, un dispositivo de almacenamiento de red, o cualquier otro dispositivo adecuado y puede variar en tamaño, forma, desempeño, funcionalidad, y precio. El sistema de manejo de información puede incluir memoria de acceso aleatorio (RAM, Random Access Memory), uno o más recursos de procesamiento tales como una unidad central de procesamiento (CPU, Central Processing Unit) o lógica de control de hardware o software, memoria de sólo lectura (ROM, Read Only Memory), y/u otros tipos de memoria no volátil. Componentes adicionales del sistema de manejo de información pueden incluir una o más unidades de disco, uno o más puertos de red para la comunicación con dispositivos externos así como diferentes dispositivos de entrada y salida (I/O, Input/Output), tales como un teclado, un ratón, y una pantalla de video. El sistema de manejo de información puede también incluir uno o más enlaces comunes ( buses) operables para transmitir comunicaciones entre los diferentes componentes de hardware.

Ciertas modalidades de la presente divulgación se pueden implementar al menos en parte con medios legibles por computadora no transitorios. Para los propósitos de esta divulgación, el medio legible por computadora no transitorio puede incluir cualquier instrumentalidad o agregación de instrumentalidades que pueden retener datos y/o instrucciones por un periodo de tiempo. El medio legible por computadora no transitorio puede incluir, por ejemplo, sin limitación, medios de almacenamiento tales como un dispositivo de almacenamiento de acceso directo (p.ej., una unidad de disco duro o unidad de disco floppy), un dispositivo de almacenamiento de acceso secuencial (p.ej., una unidad de disco de cinta), disco compacto, CD-ROM, DVD, RAM, ROM, memoria de sólo lectura programadle borrable eléctricamente (EEPROM, Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), y/o memoria flash; asi como medios de comunicaciones tales como alambres, fibras ópticas, microondas, ondas de radio, y otras portadoras electromagnéticas y/u ópticas; y/o cualquier combinación de los anteriores.

Ciertas modalidades de la presente divulgación pueden proporcionar lo necesario para controlar automáticamente un proceso de formación. Ciertas modalidades pueden tomar todas o un subconjunto de decisiones durante un proceso de formación y pueden controlar uno o más de un motor superior, un aparato para izar, y bombas. Ciertas modalidades pueden optimizar un proceso de perforación y proporcionar entradas de comando a uno o más subsistemas de control de cadena de perforación. La optimización se puede actualizar dependiendo de un modelo de parámetro de perforación, que puede incluir pero no está limitado a un modelo de broca, ya que ésta cambia con el tiempo. Ciertas modalidades pueden superar las no linealidades en un proceso de perforación y removerlas o minimizarlas como sea necesario.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Algunas modalidades ejemplares especificas de la divulgación se pueden entender al hacer referencia, en parte, a la siguiente descripción y los dibujos de acompañamiento.

La Figura 1A es un diagrama de un sistema, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación.

La Figura IB es un diagrama de un sistema, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación.

La Figura 2 es una ilustración ejemplar de una optimización para control de perforación, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación.

La Figura 3 es una ilustración ejemplar de perforación en diferentes tipos de roca definidos con resistencia probabilistica, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación.

La Figura 4 representa una gráfica de parámetros de cadena de perforación con revoluciones por minuto (RPM, Revolutions Per Minute) contra peso sobre la broca (WOB, Weight On Bit), de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación.

La Figura 5 es una ilustración ejemplar de optimización para control de perforación, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación.

La Figura 6 es un diagrama de un estimador de desgaste, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación.

La Figura 7 es un diagrama de un subsistema de control de acoplamiento para control de perforación, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación.

La Figura 8 es un diagrama de un subsistema de control de aparatos para izar, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación.

La Figura 9 es un diagrama de un subsistema de control de motor superior de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación.

La Figura 10 es un diagrama de un subsistema de control de bomba, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación.

La Figura 11 ilustra compensación de atascamiento-deslizamiento ( st c -s ip , de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación.

Mientras se representan y describen las modalidades de esta divulgación y se definen por referencia a las modalidades ejemplares de la divulgación, tales referencias no implican una limitación sobre la divulgación, y no se debe inferir limitación tal. El tema que se divulga es capaz de modificación, alteración, y equivalentes considerables en forma y función, como ocurrirá para aquellos experimentados en la materia y que tengan el beneficio de esta divulgación. Las modalidades que se representan y describen de esta divulgación son ejemplos solamente, y no exhaustivos del alcance de la divulgación.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La Figura 1A muestra un sistema de perforación 10 ejemplar no limitativo, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación. El sistema de perforación 10 puede incluir una torre de perforación 12 colocada encima de un pozo 14. Una herramienta de registro 16 puede ser transportada por medio de un sub 18, por lo general un collar de perforación, incorporado en una cadena de perforación 20 y colocado dentro de un pozo 14. Una broca de perforación 22 se ubica en el extremo inferior de la cadena de perforación 20 y talla un pozo 14 a través de las formaciones de tierra 24. Se puede bombear el lodo de perforación 26 desde un foso de depósito de almacenamiento 28 cerca del cabezal de pozo 30, por un paso axial (no ilustrado) a través de la cadena de perforación 20, fuera de las aberturas en la broca 22 y de vuelta a la superficie a través de la región anular 32. El revestimiento de metal 34 se puede posicionar en el pozo 14 por encima de la broca de perforación 22 para mantener la integridad de una porción superior del pozo 14.

El anular 32 entre el vástago de perforación 20, sub 18, y las paredes laterales 36 del pozo 14 forma la via de flujo de retorno para el lodo de perforación. El lodo se puede bombear desde el foso de almacenamiento cerca del cabezal de pozo 30 por medio del sistema de bombeo 38. El lodo puede viajar a través de la línea de suministro de lodo 40 la cual está acoplada a un paso central que se extiende a través de la longitud de la cadena de perforación 20. El lodo de perforación se fuerza, de esta manera, por la cadena de perforación 20 y sale al pozo a través de las aberturas en la broca de perforación 22 para enfriar y lubricar la broca de perforación y llevar los cortes de la formación producidos durante la operación de perforación de vuelta a la superficie. Un conducto de escape de fluido 42 se puede conectar desde el paso anular 32 en el cabezal de pozo para conducir el flujo de lodo de retorno desde el pozo 14 al foso de lodo 28.

La herramienta o instrumento de registro 16 puede ser cualquier instrumento de registro convencional tal como acústico (en ocasiones denominado como sónico), de neutrones, rayos gamma, densidad, fotoeléctrico, resonancia magnética nuclear, o cualquier otro instrumento de registro convencional, o combinaciones de los mismos, que se pueda utilizar para medir la litología o porosidad de las formaciones que rodean un pozo de tierra. Los datos de registro pueden ser almacenados en un grabador en el interior del pozo convencional (no ilustrado) al cual se puede tener acceso en la superficie de la tierra cuando se recupera la cadena de perforación 20, o se puede transmitir a la superficie de la tierra utilizando telemetría tal como los sistemas de telemetría de pulsos de lodo convencionales. Los datos de registro desde el instrumento de registro 16 se pueden comunicar a un procesador de dispositivo de medición 44 en la superficie para permitir que los datos se procesen para su uso de acuerdo con las modalidades de la presente divulgación como se describe en este documento. Además de la instrumentación de MWD, también se puede utilizar la instrumentación de registro de linea de alambre. La instrumentación de línea de alambre puede incluir cualquier instrumentación de registro convencional que se pueda utilizar para medir la litología y/o porosidad de las formaciones que rodean un pozo de tierra, por ejemplo, tal como acústica, de neutrones, rayos gamma, densidad, fotoeléctrica, resonancia magnética nuclear o cualquier otro instrumento de registro convencional, o combinaciones de los mismos, que se pueda utilizar para medir la litologia.

Un sistema de manejo de información 50 puede estar acoplado comunicativamente a uno o más componentes del sistema de perforación 10 en cualquier manera adecuada. El sistema de manejo de información 50 puede estar configurado para implementar una o más modalidades descritas en este documento. El sistema de manejo de información 50 puede incluir un dispositivo 52 que puede incluir cualquier computadora, controlador, o aparato de procesamiento de datos adecuado, que esté además programado para llevar a cabo el método y aparato como se describe adicionalmente en este documento. La computadora/controlador 52 puede incluir al menos una entrada para recibir información y/o comandos de entrada, por ejemplo, desde cualquier dispositivo (o dispositivos) de entrada 58 adecuado. El dispositivo (dispositivos) de entrada 58 puede incluir un teclado, teclado numérico, dispositivo apuntador, o similares, incluyendo además una interfaz de red u otra interfaz de comunicaciones para recibir información de entrada desde una computadora o base de datos remota. Más aún, la computadora/controlador 52 puede incluir al menos una salida para proporcionar señales de información y/o comandos de control de equipo. Las señales de salida se pueden proporcionar a un dispositivo de pantalla 60 por medio de las lineas de señal 54 para su uso en la generación de una visualización de información contenida en las señales de salida. Las señales de salida también se pueden proporcionar a un dispositivo de impresora 62 para su uso en la generación de una impresión 64 de información contenida en las señales de salida. La información y/o señales de control 66 también se pueden proporcionar por medio de cualquier medio adecuado de comunicación, por ejemplo, cualquier dispositivo para su uso en el control de uno o más parámetros de operación de perforación diferentes de la torre de perforación 12, como se discute adicionalmente en este documento. En otras palabras, se proporciona un dispositivo o medio adecuado para controlar un parámetro en una perforación real de un pozo (o intervalo) con el sistema de perforación de acuerdo con ciertas modalidades descritas en este documento. Por ejemplo, el sistema de perforación puede incluir equipo tal como uno de los siguientes tipos de motores controlables seleccionados de un motor en el interior del pozo 70, un motor superior 72, o un motor de mesa giratoria 74, en el cual además se puede controlar de manera remota un RPM dado de un motor respectivo. El parámetro puede también incluir cualquier otro parámetro de control del sistema de perforación adecuado descrito en este documento.

La computadora/controlador 52 puede proporcionar un medio para generar una característica de geología de la formación por profundidad unitaria de acuerdo con un modelo de geología por escrito. La computadora/controlador 52 puede proporcionar lo necesario para dar salida a señales en las lineas de señal 54, 56 representativas de la característica de geología. La computadora/controlador 52 puede estar programado para llevar a cabo funciones tales como las descritas en este documento, utilizando téenicas de programación conocidas en la materia. En una modalidad, se puede incluir un medio legible por computadora no transitorio, el medio tiene un programa de computadora almacenado en el mismo. El programa de computadora para su ejecución por medio de la computadora/controlador 52 se puede utilizar para optimizar un parámetro de perforación de la cadena de perforación de acuerdo con las modalidades descritas en este documento. La programación del programa de computadora para su ejecución por medio de la computadora/controlador 52 se puede lograr además utilizando técnicas de programación conocidas para implementar las modalidades como se describe y se discute en este documento.

La Figura IB es un diagrama de un sistema 100, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación. En ciertas modalidades, el sistema 100 puede proporcionar lo necesario para controlar automáticamente todo o parte de un proceso de perforación. Por lo tanto, ciertas modalidades pueden tomar todas las decisiones relacionadas con todo o parte de un proceso de perforación. En ciertas modalidades, el sistema 100 puede controlar el equipo de perforación con propósitos de minimizar el costo y maximizar la eficiencia.

El sistema 100 puede incluir un controlador de optimización 102. El controlador de optimización 102 se puede acoplar comunicativamente a uno o más de un subsistema de control de aparatos para izar 108, un subsistema de control de motor superior 110, y un subsistema de control de bomba 112. El subsistema de control de aparatos para izar 108, el subsistema de control de motor superior 110, y/o el subsistema de control de bomba 112 pueden estar acoplados comunicativamente a una cadena de perforación 114, la cual puede incluir una broca de perforación 116. Uno o más del subsistema de control de aparatos para izar 108, el subsistema de control de motor superior 110, y/o el subsistema de control de bomba 112 pueden estar acoplados comunicativamente a un modelo de movimiento 118. Un modelo de parámetro de perforación 120 puede estar acoplado comunicativamente a uno o más del subsistema de control de aparatos para izar 108, el subsistema de control de motor superior 110, el subsistema de control de bomba 112, la cadena de perforación 114, y el controlador de optimización 102.

En ciertas modalidades, el controlador de optimización 102 puede incluir uno o ambos de una función de optimización 104 y un controlador de tasa de penetración (ROP, Rate Of Penetration) 106. El controlador de optimización 102 puede estar acoplado comunicativamente al controlador de ROP 106. El controlador de ROP 106 puede ser un controlador de ROP virtual y puede estar configurado para mantener una pluralidad de subsistemas trabajando al unisono.

El controlador de optimización 102 puede estar configurado para proporcionar comandos a uno o más del subsistema de control de aparatos para izar 108, el subsistema de control de motor superior 110, y/o el subsistema de control de bomba 112. El controlador de optimización 102 puede estar configurado para coordinar operaciones del subsistema de control de aparatos para izar 108, el subsistema de control de motor superior 110, y/o el subsistema de control de bomba 112. Proporcionar comandos puede incluir que el controlador de optimización 102 indica uno o más puntos de ajuste del controlador. Para un ejemplo no limitativo, el controlador de optimización 102 puede proporcionar un punto de ajuste (representado por una señal WOB* en la Figura IB) relacionado con un peso sobre la broca (WOB) al subsistema de control de aparatos para izar 108. El controlador de optimización 102 puede proporcionar un punto de ajuste (representado por una señal RPM en Broca* en la Figura IB) relacionado con una tasa de la broca (tal como las revoluciones por minuto en la broca 116) al subsistema de control de motor superior 110. El controlador de optimización 102 puede proporcionar un punto de ajuste (representado por una señal Tasa* en la Figura IB) relacionado con una tasa de bombeo al subsistema de control de bomba 112.

El subsistema de control de aparatos para izar 108 puede incluir un controlador proporcional-integral-derivativo (PID, Proportional- Integral-Derivative) 122 configurado para recibir una entrada con base en la señal WOB*. Por ejemplo, el controlador PID 122 puede estar configurado para recibir una diferencia entre la señal WOB* y una señal del modelo de movimiento 118. El subsistema de control de aparatos para izar 108 puede incluir una función de desacoplamiento 124 que puede estar configurada para proporcionar desacoplamiento de realimentación de estado de inercia y/o físico. La función de desacoplamiento 124, por ejemplo, puede tener una configuración de alimentación directa, como se representa, y puede recibir la señal de WOB*. El subsistema de control de aparatos para izar 108 puede incluir un control local 126. El control local 126 puede recibir una señal relacionada con una carga (Carga*) desde una salida del controlador PID 122 y/o la función de desacoplamiento 124. Punto el control local 126 puede tener una configuración de realimentación negativa, como se representa, que ajusta la entrada recibida con base en la señal Carga*. El control local 126 puede proporcionar directamente o indirectamente señales de control a un aparato para izar 128, que a su vez puede estar acoplado operativamente a la cadena de perforación 114. El aparato para izar 128 puede incluir, pero no está limitado a cualquier aparato para izar u otro sistema de portación de carga para operaciones de perforación. En consecuencia, el subsistema de control de aparatos para izar 108 puede estar configurado para controlar cualquier aparato para izar adecuado u otro sistema de portación de carga para operaciones de perforación. El uso de los términos "aparato para izar", subsistema de control de aparatos para izar", o similares no se deben entender para limitar las modalidades de la presente divulgación a un aparato para izar.

El subsistema de control de motor superior 110 debe incluir un controlador PID 130 configurado para recibir una entrada con base en la señal RPM en Broca*. Por ejemplo, el controlador PID 130 puede estar configurado para recibir una diferencia entre la señal de RPM en Broca* y una señal del modelo de movimiento 118. El subsistema de control de motor superior 110 puede incluir una función de desacoplamiento 132 que puede estar configurada para proporcionar desacoplamiento de realimentación de estado de inercia y/o físico. La función de desacoplamiento 132, por ejemplo, puede tener una configuración de alimentación directa, como se representa, y puede recibir la señal, RPM en Broca*. El subsistema de control de motor superior 110 puede incluir un control local 134. El control local 134 puede recibir una señal relacionada con un par de torsión (Torque*) desde el controlador PID 130 y/o la función de desacoplamiento 132. El control local 134 puede tener una configuración de realimentación negativa, como se representa, que ajusta la entrada recibida con base en la señal, RPM en Broca*. El control local 134 puede proporcionar directamente o indirectamente señales de control a un motor superior 136, que a su vez puede estar acoplado operativamente a la cadena de perforación 114.

El subsistema de control de bomba 112 puede incluir un controlador PID 138 configurado para recibir una entrada con base en la señal, Tasa*. Por ejemplo, el controlador PID 138 puede tener una configuración de realimentación negativa, como se representa, que ajusta la entrada recibida con base en la señal, Tasa*. El subsistema de control de bomba 112 puede incluir un control local 140. El control local 140 puede recibir una señal, Tasa**, desde el controlador PID 138. El control local 140 puede proporcionar directamente o indirectamente señales de control a una o más bombas 142, que a su vez pueden estar acopladas operativamente a la cadena de perforación 114.

El modelo de movimiento 118 puede incluir un modelo de movimiento axial 144 y/o un modelo de movimiento rotacional 146. El modelo de movimiento axial 144 puede recibir realimentación del subsistema de control de aparatos para izar 108. Por ejemplo, la entrada puede corresponder a señales desde uno o más sensores (no mostrados) que detectan el movimiento axial asociado con los aparatos para izar 128. El modelo de movimiento axial 144 puede residir dentro del subsistema de control de aparatos para izar 108 en ciertas modalidades. El modelo de movimiento rotacional 146 puede recibir realimentación desde el subsistema de control de motor superior 110. Por ejemplo, la entrada puede corresponder a señales desde uno o más sensores (no mostrados) que detectan el movimiento rotacional asociado con el motor superior 136. El modelo de movimiento axial 144 y/o el modelo de movimiento rotacional 146 pueden incluir un modelo de masa concentrada, que puede incluir resortes configurados para proporcionar un modelo dinámico. Como se representa, el modelo de movimiento axial 144 y el modelo de movimiento rotacional 146 proporcionan realimentación al subsistema de control de aparatos para izar 108 y el subsistema de control de motor superior 110, asi como el modelo de parámetro de perforación 120. El modelo de parámetro de perforación 120 puede modelar cualquier parámetro de perforación adecuado incluyendo pero no limitado a una broca de perforación, desgaste de broca, y/o ROP como se describe adicionalmente en este documento. En ciertas modalidades, el modelo de parámetro de perforación 120 puede modelar la interacción roca-broca y la dinámica del ensamble en el fondo del pozo.

Para proporcionar entradas de comando para el motor superior 136, los aparatos para izar 128, y las bombas 142, se puede utilizar una optimización. De acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación, el controlador de optimización 102 puede estar configurado para llevar a cabo la optimización. La optimización puede tomar en cuenta cómo se puede afectar el desempeño por uno o más de un peso sobre la broca (WOB), un par de torsión en la broca (TOB, Torque On Bit), revoluciones por minuto (RPM) de la broca de perforación 116, un caudal {y) generado por dichas una o más bombas 142, un desgaste en la broca de perforación 116, y un tipo de roca a través de la cual puede perforar la broca de perforación 116. La optimización puede proporcionar lo necesario para la optimización de la tasa de penetración (ROP). La optimización puede ser un problema estocástico no lineal con la ROP siendo una función de los parámetros de entrada incluyendo el desgaste.

La ROP se puede caracterizar por la siguiente función.

ROP = f ( WOB, TOB, RPM, V, desgaste) El desgaste se puede caracterizar por la siguiente función. desgaste = f ( WOB, TOB , RPM, V) Inicialmente, se pueden definir la ROP y las funciones de desgaste. Las funciones se pueden actualizar conforme se hace la perforación.

La Figura 2 es una ilustración ejemplar de una optimización 200 para control de perforación, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación. En ciertas modalidades, la optimización 200 se puede implementar con la función de optimización 104 de la Figura IB y puede optimizar la ROP y el control de perforación con respecto a la ROP. Como se ilustra en la Figura 2, una trayectoria de perforación, o una trayectoria de perforación propuesta, 202 se puede extender a través de una formación 204. La formación 204 incluye múltiples profundidades en aumento, la profundidad 206, la profundidad 208, y la profundidad 210, por ejemplo. Cada una de las profundidades 206, 208, 210 puede corresponder a uno o más tipos de roca en particular. Como se indica generalmente con el número de referencia 212, la ROP y el desgaste se pueden determinar para cada tipo de roca y/o profundidad 206, 208, 210. Se pueden definir o caracterizar una o más propiedades de roca por medio de una función de probabilidad o una distribución. La optimización 200 se puede resolver utilizando programación estocástica no lineal, geométrica, o dinámica. Esto también se puede hacer utilizando recocido simulado o algoritmos genéticos si existen múltiples soluciones.

La Figura 3 es una ilustración ejemplar 300 de perforación en diferentes tipos de roca definidos con resistencia probabilistica, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación. El tipo de roca se puede caracterizar como una función probabilistica de profundidad. Como se ilustra en el ejemplo no limitativo, una formación puede tener múltiples profundidades en aumento de una formación, de tal forma que la profundidad 302, la profundidad 304, y la profundidad 306, pueden corresponder a diferentes profundidades con relación a la superficie o nivel del mar. Para cada profundidad, se pueden identificar diferentes valores de resistencia de roca correspondientes junto con las probabilidades de ocurrencia de esos valores de resistencia de roca y tipos de roca asociados. El tipo de roca como una función probabilistica de profundidad se puede incluir en parámetros de entrada para la optimización 200 y como por ejemplo, se puede incluir en las determinaciones de ROP y/o desgaste.

Haciendo referencia nuevamente a la Figura 2, la determinación de ROP y desgaste se puede basar, al menos en parte, en un conjunto de restricciones 214. En ciertas modalidades, el conjunto de restricciones 214 puede incluir uno o más de: (1) WOB < un WOB máximo; (2) RPM < un RPM máximo; (3) desgaste total < un desgaste máximo; (4) sin rebote de broca; (5) sin agitación de broca; (6) con enbarramiento nulo o mínimo; y (7) una temperatura de broca < una temperatura de broca máxima. Por lo tanto, las restricciones pueden incluir que el WOB y la velocidad (RPM) no deben causar vibraciones no deseadas. A manera de ejemplo sin limitación, la Figura 4 representa una gráfica 400 de parámetros de cadena de perforación con RPM en un eje 402 contra WOB en un eje 404. La región 406 puede representar puntos donde puede ocurrir atascamiento-deslizamiento en la broca de perforación 116. Como tal, la región 406 puede indicar restricciones de WOB y RPM para evitar vibraciones no deseadas.

Haciendo referencia nuevamente a la Figura 2, la optimización 200 puede utilizar las funciones de ROP y desgaste anteriores junto con todo o parte del conjunto de restricciones 214 para obtener un WOB, RPM, caudal, y tipo de broca como una función de profundidad o tiempo. Se puede optimizar uno o más de estos parámetros de perforación para minimizar un tiempo a un objetivo 216. Como se indica en 218, la optimización 200 se puede ejecutar nuevamente cuando se obtiene información adicional en la forma de modelos de ROP y desgaste actualizados o restricciones actualizadas. Los puntos de ajuste de control - para un ejemplo no limitativo, los puntos de ajuste representados por las señales WOB*, RPM en Broca*, Tasa* en la Figura IB - se pueden actualizar con base en la información adicional. La optimización 200 se puede extender para que incluya tipos de broca y puntos de reemplazo de broca al agregar esas variables en el programa de optimización como se describe adicionalmente en este documento.

Además del tipo de roca, también se pueden representar otras cantidades como una función probabilística, incluyendo la tasa de desgaste. Por ejemplo, para optimizar el costo, la ROP y el desgaste se pueden considerar ambos ya que el desgaste afecta la ROP y determina cuándo se debe cambiar la broca de perforación 116. También, cuando el tipo de roca cambia, el costo mínimo puede ser tomar el tiempo para cambiar la broca de perforación 116 si el tipo de roca probabilística asi lo indica. Para resolver este problema, la función de optimización 104 puede utilizar la siguiente función de costo: donde: F = costo; f = RPM; V = caudal; CD = costo de tiempo de perforación; CT = costo de tiempo de carrera; y CB = costo de brocas.

En esta función de costo, las variables controladas pueden incluir una o más del conjunto X = { WOB, Y, V, BitType} . Una o más de las variables controladas pueden depender de la profundidad de la perforación. Las restricciones pueden incluir que el caudal se debe mantener para mover lascas, como se puede caracterizar por lo siguiente.

V ³ f(WOB, f, RockType, BitType) El costo puede ser, en parte, una función del tiempo de perforación, tiempo de carrera, y costos de broca. El costo de la perforación puede ser una función directa del tiempo que lleva perforar. El costo de carrera puede ser una función de la cantidad de carreras, dirigidas por el desgaste o cambios de broca para aumentar la ROP. Los costos de broca pueden depender de cuántos y qué tipos de broca utilizar.

La Figura 5 es una ilustración ejemplar de la optimización 500 para el control de perforación, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación. En ciertas modalidades, la optimización 500 puede corresponder a una variación de la optimización 200. Para cada una de las múltiples profundidades de la formación, por ejemplo, las profundidades 502, 504, y 506, se pueden definir o caracterizar una o más propiedades de roca por medio de una función de probabilidad o una distribución. Para cada una de las profundidades 502, 504, y 506, los modelos de parámetros de perforación se pueden actualizar en vista de minimizar el costo bajo una o más de las restricciones descritas en este documento, incluyendo que el desgaste total sea menor o igual a un desgaste máximo.

A manera de ejemplo no limitativo, se puede actualizar uno o más de un modelo de ROP 508, un modelo de desgaste 510, y un modelo de broca 512. El modelo de ROP 508 puede proporcionar entrada al modelo de desgaste 510, con cada modelo de ROP 508 actualizado proporcionando la entrada actualizada correspondiente al modelo de desgaste 510. El modelo de desgaste 510 se puede actualizar con entrada desde el modelo de broca 512. El modelo de broca 512 se puede actualizar desde el modelo de tasa de desgaste 120 de la Figura IB, y en consecuencia se puede actualizar con base en los indicios de desempeño real del proceso de perforación.

En ciertas modalidades, la optimización 500 puede especificar tipos de broca y/o puntos de reemplazo de broca al agregar esas variables al programa de optimización. El modelo de ROP 508 puede tomar en cuenta los tipos de broca 514 disponibles. Los puntos de desenganche pueden ser parte de la optimización como se indica en el número de referencia 516, y cambiar los puntos de desenganche puede cambiar las tasas de desgaste y costo aceptables. Por lo tanto, la optimización 500 puede utilizar funciones de ROP y desgaste junto con las restricciones para obtener un WOB, RPM, caudal, y tipo de broca como una función de la profundidad o el tiempo. La optimización 500 se puede ejecutar nuevamente cuando se obtiene información adicional en la forma de modelo de ROP 508 actualizado, modelo de desgaste 510, y/o restricciones actualizadas.

La optimización 500 puede producir un vector de comando 518 como función del tiempo. En ciertas modalidades, el vector de comando 518 puede incluir comandos con base, al menos en parte, en los puntos de desenganche y/o tipos de broca. A manera de ejemplo sin limitación, el vector de comando 518 puede incluir comandos con respecto a uno o más de WOB, RPM, RATE, TARGET, y BIT. La optimización 500 se puede ejecutar nuevamente cuando los cambios garantizan y pueden producir vectores de comando 518 actualizados en consecuencia.

La Figura 6 muestra un estimador de desgaste 600, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación. El estimador de desgaste 600 puede estar configurado para estimar cualquier indicación de desgaste adecuada, incluyendo pero no limitado a una tasa de desgaste y/o una extensión del desgaste en el pasado, presente, y/o futuro. La salida del estimador de desgaste 600 puede ser un estimado de desgaste 601 que se puede proporcionar al programa de optimización, que para ejemplo no limitativo puede corresponder a una implementación del controlador de optimización 102 y/o función de optimización 104.

El estimador de desgaste 600 puede incluir un modelo de movimiento axial 144 y/o el modelo de movimiento rotacional 146 acoplados comunicativamente al modelo de parámetro de perforación 120. El modelo de movimiento axial 144 y/o el modelo de movimiento rotacional 146 se puede utilizar para estimar un WOB y un TOB, respectivamente. Con los estimados de WOB y TOB, se puede actualizar el modelo de parámetro de perforación 120.

El modelo de movimiento axial 134 puede recibir cualquier realimentación adecuada, desde los aparatos para izar 128, por ejemplo, que es indicativa de una carga de aparatos para izar 602. El modelo de movimiento axial 144 puede también recibir cualquier realimentación adecuada que sea indicativa de una posición de gancho 604. La calibración se puede llevar a cabo bajo condiciones de estado de libre suspensión con el fin de determinar los efectos fricciónales. El modelo de movimiento axial 144 se puede actualizar con cualquier indicación adecuada de WOB 610, si está disponible. Como ejemplo no limitativo, las indicaciones de WOB 610 se pueden proporcionar por uno o más sensores en el interior del pozo de una manera intermitente o periódica. El modelo de movimiento axial 144 puede dar salida a un estimado de WOB 612, que se puede proporcionar al modelo de parámetro de perforación 120.

El modelo de movimiento axial 144 puede determinar un estimado de posición de gancho 606 y puede tener una configuración de realimentación negativa, como se representa, que ajusta la entrada recibida con base en la posición de gancho 604 y el estimado de posición de gancho 600. El modelo de movimiento axial 144 se puede actualizar utilizando un controlador paramétrico adaptable 608 para mejorar la precisión de las determinaciones de posición de gancho.

El modelo de movimiento rotacional 146 puede recibir cualquier realimentación adecuada desde el motor superior 136, por ejemplo, que es indicativa de un par de torsión de motor superior 614. El modelo de movimiento rotacional 146 puede también recibir cualquier realimentación adecuada que sea indicativa de una velocidad o posición angular 616. La calibración se puede llevar a cabo bajo condiciones de estado de libre suspensión con el fin de determinar los efectos fricciónales. El modelo de movimiento rotacional 146 se puede actualizar con cualquier indicación adecuada de TOB 618, si está disponible. Como ejemplo no limitativo, las indicaciones de TOB 618 se pueden proporcionar por medio de uno o más sensores en el interior del pozo de una manera intermitente o periódica. El modelo de movimiento rotacional 146 puede dar salida a un estimado de TOB 620, que se puede proporcionar al modelo de parámetro de perforación 120.

El modelo de movimiento rotacional 146 puede determinar un estimado angular 622 y puede tener una configuración de realimentación negativa, como se representa, que ajusta la entrada recibida con base velocidad o posición angular 616 y el estimado angular 622. El modelo de movimiento rotacional 146 se puede actualizar utilizando un controlador paramétrico adaptable 624 para mejorar la precisión de las determinaciones de posición de gancho.

El modelo de parámetro de perforación 120 puede incluir un modelo de broca y se puede actualizar utilizando un controlador paramétrico adaptable 626 para mejorar la precisión de la estimación del desgaste. El modelo de parámetro de perforación 120 puede tener una configuración de realimentación negativa, como se representa, que ajusta la entrada recibida con base en el estimado de TOB 620 y un estimado de TOB 628. El modelo de parámetro de perforación 120 puede recibir cualquier indicación adecuada de ROP 630, que se puede proporcionar desde la cadena de perforación 114, como ejemplo no limitativo. En ciertas modalidades, para la optimización, se puede utilizar un modelo estocástico de la tasa de desgaste, al menos en parte, sobre los datos históricos obtenidos conforme se está perforando el pozo y/o utilizando datos históricos obtenidos de otros pozos. El estimado de TOB 628 se puede comparar con el estimado de TOB 620 del observador de movimiento rotacional 146, y el modelo de broca se puede actualizar para forzar el modelo de broca que converja en el estimado del estimado de TOB 620 del observador de movimiento rotacional 146.

Como se indica en 632, las entradas se pueden variar con el tiempo para determinar otras no linealidades si garantiza el desempeño, lo cual puede cambiar el sistema adaptable para ajustar otras entradas. Debido a que hay más efectos posibles en ROP que el desgaste, el sistema también se puede utilizar para predecir esos efectos. Debido a que las no linealidades de la agitación de la broca, rebote de la broca, enbarramiento de la broca, y otros se comportan de manera diferente con el espacio de operación en comparación una con otra y con el desgaste de la broca, este método se puede utilizar para mapear la mayoría de comportamientos. En ciertas modalidades, la carga del gancho y la velocidad rotacional del motor superior se pueden cambiar con el tiempo, y el estimado del peso sobre la broca, estimado del par de torsión sobre la broca, y ROP se pueden utilizar para mapear estos otros comportamientos.

La Figura 7 ilustra un subsistema de control de acoplamiento 700 para control de perforación, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación. Un propósito del subsistema de control de acoplamiento 700 puede ser asegurar todos o un subconjunto de los subsistemas para que trabajen al unisono. A manera de ejemplo no limitativo, el subsistema de control de acoplamiento 700 puede asegurar que el subsistema de control de aparatos para izar 108, el subsistema de control de motor superior 110, y el subsistema de control de bomba 112 trabajen todos al unisono. Esto puede mejorar el desempeño y reducir los efectos no deseados en el sistema 100 en general.

El subsistema de control de acoplamiento 700 puede incluir la función de optimización 104. La función de optimización 104 puede alimentar una tasa deseadas ROP* al controlador de ROP 106. El controlador de ROP 106 puede incluir un sistema de control virtual en ciertas modalidades. Con base al menos en parte en la tasa deseada ROP*, el controlador de ROP 106 puede proporcionar un comando de accionamiento de primer orden aumentado por la realimentación proporcional a través de los controladores del subsistema. Como se representa en el ejemplo no limitativo, el controlador de ROP 106 puede generar un accionamiento de primer orden con base en parte en la ganancia Ki, fuerza de realimentación controlada con ganancias d vía di, d2, d3y los subsistemas 108, 110, 112, la inercia virtual 1/J, el integrador 1/S, y la configuración de realimentación que se representa. Esto se puede utilizar para accionar todos los subsistemas 108, 110, 112 en una implementación virtual, basada en computadora. La salida de este sistema virtual se puede alimentar a una función de relación 702 del controlador de ROP 106 para crear el WOB, RPM en la broca, y caudal deseados. Como se representa, los comandos WOB*, RPM*, y TASA* se pueden proporcionar a los subsistemas 108, 110, 112. Estos subsistemas pueden realimentar la fuerza virtual al sistema de ROP virtual y ralentizarlo si uno de los subsistemas no se puede mantener con la ROP virtual actual. Esto puede asegurar que todos los subsistemas 108, 110, 112 trabajen juntos, que no se desborde ningún cuello de botella de subsistema, y que las transiciones sean suaves. Esto también puede reducir la probabilidad de que ocurra un comportamiento no deseado, tal como enbarramiento de broca, ya que todos los subsistemas 108, 110, 112 trabajan al unisono.

La Figura 8 ilustra un subsistema de control de aparatos para izar 800, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación. En ciertas modalidades, el subsistema de control de aparatos para izar 800 puede corresponder al menos en parte al subsistema de control de aparatos para izar 108 descrito con referencia a la Figura IB. El subsistema de control de aparatos para izar 800 puede proporcionar control de WOB con base, al menos en parte, en la realimentación para una carga de gancho 821 y/o una posición de gancho 823 de gancho 822. En ciertas modalidades, la carga de gancho 821 puede corresponder a la carga de aparatos para izar 602 descrita previamente con referencia a la Figura 6. El punto de ajuste de WOB 802 se puede accionar desde uno o más el controlador de optimización 102, la función de optimización 104, y el controlador de ROP 106. En ciertas modalidades, el punto de ajuste de WOB 802 puede corresponder al comando WOB* descrito con referencia a la Figura IB. Como se representa en la Figura 8, el punto de referencia de WOB 802 se puede corregir por medio de una corrección de atascamiento-deslizamiento 804, si se detecta comportamiento de atascamiento-deslizamiento. La corrección de atascamiento-deslizamiento 804 puede remover o minimizar las oscilaciones de atascamiento-deslizamiento. Esta corrección se describirá adicionalmente más adelante y puede incluir entrada desde el motor superior 136.

La señal de WOB corregida se puede alimentar entonces en un inverso de una constante de resorte estimada actual 806. La multiplicación del WOB corregido con la constante de resorte estimada actual 806 y la diferenciación 808, 810 mostrar puede producir vectores de posición, velocidad, y aceleración del gancho, como se indica. La posición y velocidad se pueden utilizar para desacoplar la realimentación de estado físico en el sistema al multiplicar la constante de resorte estimada y el amortiguamiento, respectivamente. El término de aceleración se puede multiplicar por una masa estimada del sistema para superar los efectos inerciales y mejorar el rastreo. El estimado de la constante de resorte, amortiguamiento, y masa se puede hacer con un modelo de movimiento axial 844. El modelo 844 se puede utilizar para determinar la constante de resorte efectiva, el amortiguamiento y la masa en cualquier tiempo dado debido que todo el tubo puede no estar en movimiento debido a la fricción del tubo. El otro término de alimentación directa se puede utilizar para desacoplar las fuerzas de gravedad.

Una juntura de suma 812 puede comparar el WOB corregido con un estimado de WOB 814 a partir del modelo de movimiento axial 844. El resultado se puede alimentar después al controlador 813, el cual puede corresponder al controlador PID 122 de la Figura IB o cualquier otro error adecuado que corrige el controlador. En la presencia de los términos de alimentación directa, un propósito del controlador 813 puede ser superar las imprecisiones en los términos estimados de alimentación directa. El controlador 813 que tiene esta forma puede mejorar el rastreo y reducir los efectos de las no linealidades en el sistema (reducir la migración de eigenvalores). En ciertas modalidades, el modelo de movimiento axial 834 puede corresponder al modelo de movimiento axial 144 descrito con referencia a la Figura IB. Una razón de que el modelo de movimiento axial 844 se puede utilizar es que el WOB puede no ser capaz de ser medido directamente de manera regular. Si hay datos disponibles sobre el WOB, estos se pueden utilizar para mejorar el modelo de movimiento axial 834 a través de un sistema paramétrico adaptable.

Una señal de fuerza F* puede resultar de una juntura 816. La señal de fuerza F* se puede alimentar a un modulador de fuerza 818, el cual puede a su vez alimentar una señal modulada a un motor 820. El motor 820 puede accionar el gancho 822, que a su vez ajusta la cadena de perforación 114 y la broca de perforación 116.

El modelo de movimiento axial 844 se puede actualizar con cualquier indicación adecuada de WOB 824, si está disponible. Como ejemplo limitativo, las indicaciones de WOB 824 se pueden proporcionar en una manera intermitente o periódica por medio de uno o más sensores en el interior del pozo colocados alrededor de la broca de perforación 116 en cualquier manera adecuada. El modelo de movimiento axial 834 puede también recibir cualquier realimentación adecuada que sea indicativa de una posición de gancho 823. La calibración se puede llevar a cabo bajo condiciones de estado de libre suspensión con el fin de determinar los efectos fricciónales. El modelo de movimiento axial 844 puede determinar un estimado de posición de gancho 825 y puede tener una configuración de realimentación negativa, como se representa, que ajusta la entrada recibida con base en la posición de gancho 823 y el estimado de posición de gancho 825. El modelo de movimiento axial 844 se puede actualizar utilizando un controlador paramétrico adaptable 826 para mejorar la precisión de las determinaciones de posición de gancho. Como se indica en 828, el modelo de movimiento axial 844 se puede actualizar con datos de aceleración de tubo para configurar los modos de vibración.

La Figura 9 ilustra un subsistema de control de motor superior 900, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación. En ciertas modalidades, el subsistema de control de motor superior 900 puede corresponder al menos en parte al subsistema de control de motor superior 110 descrito con referencia a la Figura IB. El subsistema de control de motor superior 900 puede proporcionar lo necesario para controlar la velocidad rotacional de la broca de perforación 116 con base, al menos en parte, en la realimentación para un par de torsión 921 y/o una posición de motor superior 923 del motor superior 136. El subsistema de control de motor superior 900 puede recibir un punto de ajuste de RPM 902. En ciertas modalidades, el punto de ajuste de RPM 902 se puede accionar desde uno o más del controlador de optimización 102, la función de optimización 104, y el controlador de ROP 106 de la Figura IB. En ciertas modalidades, el punto de ajuste de RPM 902 puede corresponder al RPM en el comando Broca* descrito con referencia a la Figura IB. Como se representa en la Figura 9, el punto de ajuste de RPM 902 se puede corregir por medio de una corrección de atascamiento-deslizamiento 904, si se detecta comportamiento de atascamiento-deslizamiento. La corrección de atascamiento-deslizamiento 904 puede remover o minimizar las oscilaciones de atascamiento-deslizamiento. Esta corrección se describirá adicionalmente más adelante.

La señal de RPM corregida puede corresponder a una velocidad en la broca de perforación 116. La señal de RPM corregida se puede alimentar a los términos de alimentación directa 906 y una juntura de suma 908. Los términos de alimentación directa 906 pueden estar diseñados para superar la inercia para el rastreo mejorado, y para desacoplar la realimentación de estado físico para reducir o remover sus efectos en la dinámica del sistema.

La juntura de suma 908 puede comparar la señal de RPM corregida con un estimado de RPM 914 de un modelo de movimiento rotacional 946. El resultado se puede después alimentar el controlador 913, que puede corresponder al controlador PID 130 de la Figura IB o cualquier otro controlador de corrección de error adecuado. En la presencia de los términos de alimentación directa 906, un propósito del controlador 913 puede ser superar las imprecisiones en los términos estimados de alimentación directa. El controlador 913 que tiene esta forma puede mejorar el rastreo y reducir los efectos de las no linealidades en el sistema (reducir la migración de eigenvalores). En ciertas modalidades, el modelo de movimiento rotacional 946 puede corresponder al modelo de movimiento rotacional 146 descrito con referencia a la Figura IB. Una razón de que el modelo de movimiento rotacional 946 se puede utilizar es que la velocidad puede no ser capaz de ser medida directamente de manera regular. Si hay datos disponibles sobre la velocidad, estos se pueden utilizar para mejorar el modelo de movimiento rotacional 946 a través de un sistema paramétrico adaptable.

Un desacoplamiento de fricción no lineal 910 puede ser otra alimentación directa y puede incluir un modelo de fricción de broca, que por lo general es altamente no lineal, se puede utilizar para reducir el fenómeno de atascamiento-deslizamiento al alimentar entradas de par de torsión inverso en la juntura 916 cuando esto ocurre. La capacidad de superar el atascamiento-deslizamiento puede depender del tiempo de reacción del sistema, y puede necesitar ser evitado completamente bajo ciertas circunstancias determinadas por la compensación de atascamiento-deslizamiento.

Una señal de par de torsión inicial T* puede resultar de la juntura 916. La señal de par de torsión T* se puede alimentar a un modulador de par de torsión 918, el cual puede a su vez alimentar una señal modulada a un motor 920. El motor 920 puede accionar el motor superior 136, que a su vez ajusta la cadena de perforación 114 y la broca de perforación 116.

El modelo de movimiento rotacional 946 se puede utilizar para proporcionar el RPM en la información de la broca si éste no se mide directamente. El modelo de movimiento rotacional 936 se puede actualizar con cualquier indicación adecuada de par de torsión en la broca (TOB) 924, si está disponible. Como ejemplo no limitativo, las indicaciones de que ove 924 se pueden proporcionar en una manera intermitente o periódica por medio de uno o más sensores en el interior del pozo colocados alrededor de la cadena de perforación 114 y/o la broca de perforación 116 en cualquier manera adecuada. El modelo de movimiento rotacional 946 puede también recibir cualquier realimentación adecuada que sea indicativa de una posición de motor superior 923. La calibración se puede llevar a cabo bajo condiciones de estado de libre suspensión con el fin de determinar los efectos fricciónales. El modelo de movimiento rotacional 946 puede determinar un estimado de posición de motor superior 925 y puede tener una configuración de realimentación negativa, como se representa, que ajusta la entrada recibida con base en la posición de motor superior 923 y el estimado de posición de motor superior 925. El modelo de movimiento rotacional 946 se puede actualizar utilizando un controlador paramétrico adaptable 926 para mejorar la precisión de las determinaciones de posición de gancho. Como se indica en el número de referencia 928, el modelo de movimiento rotacional 946 se puede actualizar con los datos de aceleración de tubo para configurar los modos de vibración.

La Figura 10 ilustra un subsistema de control de bomba 1000, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación. En ciertas modalidades, el subsistema de control de bomba 1000 puede corresponder, al menos en parte, al subsistema de control de bomba 112 descrito con referencia a la Figura IB. El subsistema de control de bomba 1000 puede estar diseñado para asegurar que se mantenga una tasa de bombeo durante el proceso de perforación. El subsistema de control de bomba 1000 de proporcionar lo necesario para el control de la bomba 142 con base, al menos en parte, en realimentación para una tasa 1021 de la bomba 142 y/o una ROP 923 de la cadena de perforación 114 y/o broca de perforación 116.

El subsistema de control de bomba 1000 puede recibir un TASA* 1002. En ciertas modalidades, el TASA* 1002 puede ser de uno o más del controlador de optimización 102, la función de optimización 104, y el controlador de ROP 106 de la Figura IB. En ciertas modalidades, el TASA* 1002 puede corresponder al comando Tasa* descrito con referencia a la Figura IB. Como se representa en la Figura 10, el TASA* 1002 se puede ajustar en la juntura 1004 por medio de una corrección que viene de un modelo de parámetro de perforación 1020. En ciertas modalidades, el modelo de parámetro de perforación 1020 puede corresponder al modelo de parámetro de perforación 120, incluyendo el modelo de broca, descrito previamente. Durante ciertos comportamientos, tal como la detección de enbarramiento de broca, el RATE* 1002 se puede cambiar para compensar este comportamiento por medio del uso del modelo de broca que alimenta la función de corrección. La determinación de la corrección se puede hacer utilizando el modelo de broca con realimentación directa, un algoritmo de aprendizaje utilizando datos históricos, o mejores prácticas tales como se incluye en un sistema de lógica difusa. En el ejemplo que se representa, el modelo de parámetro de perforación 120 puede recibir un estimado de WOB 1014, que en ciertas modalidades puede corresponder a los estimados de WOB 612, 814, descritos previamente. El modelo de broca 1020 puede determinar un estimado de ROP 1025 y puede tener una configuración de realimentación negativa, como se representa, que ajusta la entrada recibida con base en la ROP 1023 y el estimado de ROP 1025. El modelo de broca 1020 se puede actualizar utilizando un controlador paramétrico adaptable 1026 para mejorar la precisión de las determinaciones de ROP. El modelo de broca 1020 puede dar salida a un estimado de tasa de remoción de material 1030 y/o un estimado de tipo de roca 1032. En el número de referencia 1034, se puede determinar la corrección con base, al menos en parte, en el estimado de tasa de remoción de material 1030 y/o un estimado de tipo de roca 1032, y después alimentar a la juntura 1004.

La señal corregida se puede alimentar a la juntura 1008, donde ésta se puede ajustar con una configuración de realimentación adecuada como se ilustra con base en el RATE 1021 de la bomba 142. El resultado se puede introducir a un controlador 1013, que puede corresponder al controlador PID 138 de la Figura IB o cualquier otro controlador adecuado. Una señal de tasa R* puede resultar del controlador 1013 y se puede alimentar a un modulador de tasa 1018, el cual puede a su vez alimentar una señal modulada a una maquina 1019. La máquina 1019 puede accionar la bomba 142, que a su vez ajusta el caudal para la remoción de material de la cadena de perforación 114 y la broca de perforación 116 en el interior del pozo.

La Figura 11 ilustra la compensación de atascamiento-deslizamiento 1100, de acuerdo con ciertas modalidades de la presente divulgación. En la gráfica que se representa, un eje 1102 representa RPM, un eje 1104 representa WOB, y la región 1106 puede representar puntos donde puede ocurrir el atascamiento-deslizamiento en la broca de perforación 116. Un modo de vibración puede depender en ocasiones de un enfoque a una condición de operación que inicializa un modo de vibración estable. Como se indica por el número de referencia 1110, si ocurre la vibración, el WOB y RPM en puntos de ajuste de broca se pueden ajustar para tomar la cadena de perforación 114 fuera de este modo de vibración en tiempo mínimo. Como se indica por el número de referencia 1112, después de que se remueven las vibraciones, el sistema 100 puede intentar regresar a las condiciones de operación, pero por una via diferente que la que inicializó las vibraciones. La via 1114 se puede determinar por medio de los modelos dinámicos 144, 146, un algoritmo de aprendizaje que utiliza datos históricos, o mejores prácticas tales como se incluyen un sistema de lógica difusa. Durante este tiempo, el desacoplamiento de fricción no lineal puede estar en operación y puede también ayudar a reducir la posibilidad de reinicializar las vibraciones. Si las vibraciones reaparecen, el sistema 100 puede intentar nuevamente remover las vibraciones, pero por una via diferente, si es necesario. Esto se puede intentar varias veces y, si esto no es exitoso, entonces se pueden actualizar las restricciones en la optimización y se puede ejecutar nuevamente la optimización.

En consecuencia, ciertas modalidades de la presente divulgación pueden proporcionar lo necesario para procesos de perforación más eficientes, mejorados y optimizados. Ciertas modalidades pueden proporcionar lo necesario para controlar automáticamente un proceso de perforación, para tomar todas o un subconjunto de decisiones durante un proceso de perforación, y/o pueden optimizar un proceso de perforación. Ciertas modalidades pueden superar las no linealidades en un proceso de perforación y removerlas o minimizarlas como sea necesario.

Aunque las figuras representan modalidades de la presente divulgación en una orientación particular, se debe entender por aquellos experimentados en la materia que las modalidades de la presente divulgación son bien adecuadas para su uso en una variedad de orientaciones. En consecuencia, se debe entender por aquellos experimentados en la materia que el uso de términos direccionales tales como por encima, por debajo, superior, inferior, hacia arriba, hacia abajo, más alto, más bajo, y similares se utilizan en relación con las modalidades ilustrativas como se representan en las figuras, la dirección hacia arriba siendo hacia la parte superior de la figura correspondiente y la dirección hacia abajo siendo hacia la parte inferior de la figura correspondiente.

Por lo tanto, la presente divulgación está bien adaptada para alcanzar los fines y ventajas mencionadas asi como aquellas que son inherentes a las mismas. Las modalidades particulares divulgadas anteriormente son sólo ilustrativas, ya que la presente divulgación se puede modificar y practicar en diferentes pero equivalentes maneras aparentes para aquellos experimentados en la materia que tengan el beneficio de las enseñanzas en este documento. Mientras ciertas modalidades descritas en este documento pueden incluir algunas pero no otras características incluidas en otras modalidades, se pretende que las combinaciones de características de diferentes modalidades en cualquier combinación estén dentro del alcance de esta divulgación. Además, no se pretende ninguna limitación a los detalles de construcción o diseño mostrados en este documento, además de los descritos en las reivindicaciones que siguen. Es por lo tanto evidente que las modalidades ilustrativas particulares divulgadas anteriormente se pueden alterar o modificar y que todas esas variaciones se consideran dentro del alcance y espíritu de la presente divulgación. También, los términos en las reivindicaciones tienen su significado simple, ordinario a menos que se defina explícitamente y claramente lo contrario por el titular de la patente. Los artículos indefinidos "uno" o "una", como se utiliza en las reivindicaciones, se definen en este documento para hacer referencia a uno o más de uno del elemento que el artículo particular introduce; y el uso subsecuente del artículo definido "el/la" no se pretende para negar ese significado.

Claims (20)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención como antecede, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES

1. Un sistema para optimizar un parámetro de perforación de una cadena de perforación, el sistema comprende: un subsistema de control de cadena de perforación; y un controlador de optimización para coordinar las operaciones del subsistema de control de cadena de perforación durante un proceso de perforación al menos en parte al: determinar una primera tasa de penetración optimizada con base, al menos en parte, en un modelo de parámetro de perforación y un primer estimado de parámetro de perforación; proporcionar un primer conjunto de comandos al subsistema de control de cadena de perforación con base, al menos en parte, en la primera tasa de penetración optimizada; determinar un segundo estimado de parámetro de perforación durante el proceso de perforación con base, al menos en parte, en el modelo de parámetro de perforación y la realimentación correspondiente al subsistema de control de cadena de perforación; determinar una segunda tasa de penetración optimizada durante el proceso de perforación con base, al menos en parte, en el segundo estimado de parámetro de perforación; y proporcionar un segundo conjunto de comandos al subsistema de control de cadena de perforación con base, al menos en parte, en la segunda tasa de penetración optimizada.

2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque una o ambas de la primera tasa de penetración optimizada y la segunda tasa de penetración optimizada se basan, al menos en parte, en uno o más de una característica de roca, un tipo de broca, un tiempo objetivo, una profundidad, y una determinación de costo.

3. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, además comprende: un modelo de movimiento axial para recibir realimentación correspondiente a un aparato para izar; en donde el segundo estimado de parámetro de perforación se basa, al menos en parte, en el modelo de movimiento axial.

4. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, además comprende un modelo de movimiento rotacional para recibir realimentación correspondiente a un motor superior; en donde el segundo estimado de parámetro de perforación se basa, al menos en parte, en el modelo de movimiento rotacional.

5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el modelo de parámetro de perforación se basa, al menos en parte, en realimentación correspondiente a una bomba.

6. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el controlador de optimización está además configurado para coordinar las operaciones del subsistema de control de cadena de perforación durante un proceso de perforación al menos en parte al: hacer una determinación de costo con base, al menos en parte, en la minimización de costos correspondientes a uno o más de un tiempo de perforación, un tiempo de carrera, y un costo de broca, en donde el costo de broca se basa, al menos en parte, en uno o más de un tipo de broca y un número de brocas.

7. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el subsistema de control de cadena de perforación comprende uno o más de un subsistema de control de aparatos para izar para controlar un aparato para izar, un subsistema de control de motor superior para controlar un motor superior, y un subsistema de control de bomba para controlar una bomba.

8. Un medio legible por computadora no transitorio que tiene un programa de computadora almacenado en el mismo para optimizar un parámetro de perforación de una cadena de perforación, el programa de computadora comprende instrucciones ejecutables que provocan que una computadora: determine una primera tasa de penetración optimizada con base, al menos en parte, en un modelo de parámetro de perforación y un primer estimado de parámetro de perforación; proporcione un primer conjunto de comandos para un subsistema de control de cadena de perforación con base, al menos en parte, en la primera tasa de penetración optimizada; determine un segundo estimado de parámetro de perforación durante el proceso de perforación con base, al menos en parte, en el modelo de parámetro de perforación y la realimentación correspondiente al subsistema de control de cadena de perforación; determine una segunda tasa de penetración optimizada durante el proceso de perforación con base, al menos en parte, en el segundo estimado de parámetro de perforación; y proporcione un segundo conjunto de comandos para el subsistema de control de cadena de perforación con base, al menos en parte, en la segunda tasa de penetración optimizada.

9. El medio legible por computadora no transitorio de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque una o ambas de la primera tasa de penetración optimizada y la segunda tasa de penetración optimizada se basan, al menos en parte, en uno o más de una característica de roca, un tipo de broca, un tiempo objetivo, una profundidad, y una determinación de costo.

10. El medio legible por computadora no transitorio de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el segundo estimado de parámetro de perforación se basa, al menos en parte, en un modelo de movimiento axial y realimentación correspondiente a un aparato para izar.

11. El medio legible por computadora no transitorio de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el segundo estimado de parámetro de perforación se basa, al menos en parte, en un modelo de movimiento rotacional y realimentación correspondiente a un motor superior.

12. El medio legible por computadora no transitorio de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el modelo de parámetro de perforación se basa, al menos en parte, en realimentación correspondiente a una bomba.

13. El medio legible por computadora no transitorio de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el programa de computadora además comprende instrucciones ejecutables que provocan que una computadora: haga una determinación de costo con base, al menos en parte, en la minimización de costos correspondientes a uno o más de un tiempo de perforación, un tiempo de carrera, y un costo de broca, en donde el costo de broca se basa, al menos en parte, en uno o más de un tipo de broca y un número de brocas.

14. El medio legible por computadora no transitorio de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el subsistema de control de cadena de perforación comprende uno o más de un subsistema de control de aparatos para izar para controlar un aparato para izar, un subsistema de control de motor superior para controlar un motor superior, y un subsistema de control de bomba para controlar una bomba.

15. Un método para optimizar un parámetro de perforación de una cadena de perforación, el método comprende: proporcionar un subsistema de control de cadena de perforación; y proporcionar un controlador de optimización para coordinar las operaciones del subsistema de control de cadena de perforación durante un proceso de perforación al menos en parte al: determinar una primera tasa de penetración optimizada con base, al menos en parte, en un modelo de parámetro de perforación y un primer estimado de parámetro de perforación; proporcionar un primer conjunto de comandos al subsistema de control de cadena de perforación con base, al menos en parte, en la primera tasa de penetración optimizada; determinar un segundo estimado de parámetro de perforación durante el proceso de perforación con base, al menos en parte, en el modelo de parámetro de perforación y la realimentación correspondiente al subsistema de control de cadena de perforación; determinar una segunda tasa de penetración optimizada durante el proceso de perforación con base, al menos en parte, en el segundo estimado de parámetro de perforación; y proporcionar un segundo conjunto de comandos al subsistema de control de cadena de perforación con base, al menos en parte, en la segunda tasa de penetración optimizada.

16. El método de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque una o ambas de la primera tasa de penetración optimizada y la segunda tasa de penetración optimizada se basan, al menos en parte, en uno o más de una característica de roca, un tipo de broca, un tiempo objetivo, una profundidad, y una determinación de costo.

17. El método de acuerdo con la reivindicación 15, además comprende: proporcionar un modelo de movimiento axial para recibir realimentación correspondiente a un aparato para izar; en donde el segundo estimado de parámetro de perforación se basa, al menos en parte, en el modelo de movimiento axial.

18. El método de acuerdo con la reivindicación 15, además comprende: proporcionar un modelo de movimiento rotacional para recibir realimentación correspondiente a un motor superior; en donde el segundo estimado de parámetro de perforación se basa, al menos en parte, en el modelo de movimiento rotacional.

19. El método de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque el controlador de optimización está además configurado para coordinar las operaciones del subsistema de control de cadena de perforación durante un proceso de perforación al menos en parte al: hacer una determinación de costo con base, al menos en parte, en la minimización de costos correspondientes a uno o más de un tiempo de perforación, un tiempo de carrera, y un costo de broca, en donde el costo de broca se basa, al menos en parte, en uno o más de un tipo de broca y un número de brocas.

20. El método de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque el subsistema de control de cadena de perforación comprende uno o más de un subsistema de control de aparatos para izar para controlar un aparato para izar, un subsistema de control de motor superior para controlar un motor superior, y un subsistema de control de bomba para controlar una bomba.