[发明专利]钻井系统控制

说明书

技术领域

本公开内容的实施例涉及一种用于控制钻井系统的方法和控制器。

背景技术

钻探油井和/或天然气井可能包含钻出相当大的长度的井眼；钻孔的垂直和/或水平长度通常高达几千米。钻柱包括处于其下端的钻头和旋拧/联接在一起的一些长度的钻杆。地面上的驱动机构抵着地层面旋转钻头，以穿过地层钻出井眼。钻井机构可以是顶驱装置、转台等等。

在钻井程序期间，钻柱会在井眼中经历复杂的动态行为，这个复杂的行为可能包括轴向、横向和扭转振动以及与井眼的摩擦和振动相互作用。地面和钻头处的钻井旋转的同时测量显示，在钻柱的顶部以恒定的角速度旋转时，钻头可能以变化的角速度旋转。在被称为粘滑的极端的情况下，钻头或钻柱的另一部分可能会在井眼中停止旋转，因此，钻柱继续扭转/旋转，直到钻头再次旋转为止，在此之后，钻柱加速到远高于钻柱顶部的角速度的一个角速度。

粘滑是钻井行业公认的一个问题，它可能会导致地层穿透速度降低，钻头磨损，工具故障和/或类似情况。钻头粘在井眼中，可能会降低钻井速度，对钻柱造成扭转损害，并且钻头在松开时快速旋转，可能会给钻井系统造成损害。

以前，已经有人提出检测粘滑和通过改变顶驱装置转速、钻压和/或类似办法来减轻粘滑影响的方法。其它更主动的方法则试图衰减钻柱在井眼中的振荡以避免粘滑。然而，例如通过调整钻井速度、钻压和/或类似办法来衰减振荡和防止粘滑的措施，可能有悖于并且未考虑到最优钻井所必需/期望的钻井参数，例如最佳穿透速度等等。此外，控制器可能已经确定了顶驱装置的最优期望转速等等以实现对井眼的期望钻井效果。之前已经有人说明了使用控制系统来控制旋转振动的方法，这些方法提出减小钻柱的旋转谐振的振幅。这些主动的衰减振荡方法可能会对钻井速度造成不利影响和/或使钻井速度偏离期望速度。此外，之前，这些衰减操作的决定主要是基于减轻/防止粘滑的因素。

美国专利第5,117,926号提出了一种用于使用能量流来控制振动的模拟方法，其中，能量被定义为“跨接变量”(对于旋转振荡来说就是转速)与“贯通变量”的乘积。通过改变一个变量来控制另一个变量的波动。

美国专利公告第2011/0232966号提出利用顶驱装置控制器内的控制参数的变化来抑制旋转振荡。如果控制器是比例积分(PI)控制器，则通过适当地调整积分常数，可在期望的频率下实现振荡抑制。然而，随着钻柱长度改变和主振荡频率改变，对所述方法必须加以调整。这种方法还必需要能够直接干涉顶驱装置控制器。

WO 2012/041745提出在沿钻柱长度在地面或靠近地面的两个位置测量钻柱的转速，并且对其进行差分。这种方法不但不方便(很难在不干扰钻井过程的前提下沿钻柱进行测量)，而且容易出错(两个测量值之间的差值较小)。

WO 2012/084886提出利用整个钻柱的数学模型，并且控制地面扭矩以便减小建模的井下转速。与美国专利公告第2011/0232966号相似，随着钻柱长度改变，必须调整所述模型，并且模型误差会导致性能降低。

发明内容

在下文中阐述了本文中所公开的某些实施例的概述。应理解，提供这些方面仅仅是为了向读者提供这些具体实施例的简要概述，并且这些方面并非意图限制本公开内容的范围。实际上，本公开内容可以涵盖可能并未阐述的多个方面。

在第一方面中，本发明的一个实施例提供一种用于控制钻井系统的方法，所述钻井系统包括驱动系统、钻柱和钻头。所述驱动系统使用时在钻井过程期间旋转所述钻柱以穿过地层钻出井眼。所述控制方法包括：设定所述钻柱的期望转速v₀；接收所述钻井系统的参数的测量值，并且由测量的参数推导所述钻柱的转速的与上行旋转能量相关的分量v_up；通过优化一个表达式来确定所述钻柱的转速v，所述表达式调和了下面两个冲突的目标：(i)维持以v₀为中心的稳定转速，和(ii)使下行旋转能量最小化，所述优化表达式基于v₀和v_up表达v；以及控制所述驱动系统以使所述钻柱以v旋转。

所述方法可以进一步包括测量所述钻井系统的属性，v_up是由所述属性推导出的。