[0002] 本申请要求2015年12月1日提交的美国临时
专利申请号62/261,461的优先权和权益，所述临时申请以引用的方式整体并入本文。
背景技术
[0003] 自动钻井方法的使用在地下井筒钻进中正变得越来越常见。例如，可以采用此类方法并基于各种井下反馈测量诸如在钻进期间进行的井斜
角和方位角测量或者随钻
测井测量，以控制钻进的方向。
[0004] 用于沿着预定
姿态(即沿预定直线方向)引导井筒的闭环自动钻井方法在本领域中有时被称为井斜角及方位角保持程序，并且可以用于沿着规定的井斜角和方位角引导井筒。尽管这些方法被普遍使用，但是还没有已知的用于直接控制钻进方向沿着预定的弯曲路径(即控制井筒全角变化率的曲率)的自动钻井方法。
[0005] 可以通过在导向模式与非导向模式之间交替间接控制井筒曲率。然而，由于不能直接控制井筒曲率且未考虑
地层作用，此类方法很容易出错。期望提供用于直接控制井筒曲率的改进的自动导向方法。
发明内容
[0006] 一种用于在钻进时控制地下井筒的曲率的井下闭环方法。该方法包括使用钻具来钻取井筒。钻进的速度和方向可以被控制，使得钻进速度基本上等于设定点机械钻速，并且钻进姿态基本上等于设定点姿态。设定点机械钻速与设定点全角变化率组合处理，以计算设定点姿态增量。设定点姿态可以通过设定点姿态增量来调整。设定点姿态可以一定间隔增加以控制钻进时井筒的曲率。
[0007] 在另一钻进实施方案中，控制钻进的方向使得钻进姿态基本上等于设定点姿态。钻进时测量机械钻速并结合设定点全角变化率进行处理，以计算设定点姿态增量。设定点姿态可以通过设定点姿态增量来调整。设定点姿态可以一定间隔增加以控制钻进时井筒的曲率。
[0008] 所公开的实施方案可以提供各种技术优点。例如，所公开的实施方案提供沿着预定弯曲路径的井筒曲率的实时闭环控制。如此，所公开的方法可以提供改善的井位和减小的井筒弯曲。此外，通过提供闭环控制，所公开的方法趋向于提高钻进效率和一致性。
[0009] 提供本发明内容是为了介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的概念选择。本发明内容既不意在识别所要求保护主题的关键或必要特征，也不意在用来帮助限制所要求保护主题的范围。
[0011] 为了更完全地理解所公开的发明主题及其优点，现在结合附图参考以下描述，在附图中：
[0012] 图1描绘了可以利用所公开的实施方案的示例性钻机。
[0013] 图2描绘了全球坐标参考系中的姿态图和导向参数。
[0014] 图3描绘了用于自动钻进地下井筒的弯曲井段的一个示例方法的
流程图。
[0015] 图4描绘了其中由地面控制系统控制钻具和钻进ROP两者的实施方案的
框图。
[0016] 图5描绘了其中可以使用分段(变化点)
算法(或其他合适的算法)来监测钻进ROP中的变化的实施方案的框图。
[0017] 图6描绘了作为时间函数的瞬时滑车
位置和瞬时钻进ROP的示例曲线图。
[0018] 图7A和图7B描绘了针对图6所示示例的几种不同输入噪声
水平的分段ROP值与时间的关系曲线。图7A描绘了分段ROP值与时间的关系曲线，图7B描绘了分段ROP值与测量深度变化的关系曲线。
具体实施方式
[0019] 图1描绘了适用于使用本文公开的各种方法和系统实施方案的钻机10。半潜式钻井平台12位于分布在海底16下方的油层或气层(未示出)上方。海底管道18从平台12的甲板20延伸到井口装置22。该平台可以包括用于提升和下放
钻柱30的井架和起重装置(未示出)，如图所示，该钻柱延伸到钻孔40中并且包括底部钻具组合(BHA)50。BHA 50包括
钻头32、导向工具60(也称为定向钻具)和一个或多个井下导航
传感器70，诸如包括三轴
加速度计和/或三轴磁
力计在内的随钻
测量传感器。BHA 50还可包括基本上任何其他合适的井下工具，诸如井下动力钻具、井下遥测系统、扩眼工具等。所公开的实施方案在此类其他工具的方面不受限制。
[0020] 应当理解，BHA可以包括基本上任何合适的导向工具60，例如包括旋转导向工具。本领域已知各种旋转导向工具构造，包括用于控制钻进方向的各种导向机构。例如，旋转导向系统(可以商品名 购自斯伦贝谢公司(Schlumberger
Company))、 旋转导向系统(可购自贝克休斯(Baker Hughes))和GeoPilot旋转导向系统(可购自哈利伯顿(Halliburton))包括采用与井壁接合的
叶片的基本上不旋转的
外壳。叶片与井壁的接合旨在使工具主体偏心，从而在钻进期间沿期望的方向引导或推动钻头。布置在外壳中的旋
转轴在钻进期间将旋转动力和轴向钻压施加到钻头。加速度计和磁力计套件可以布置在外壳中，并且因此相对于井壁不旋转或缓慢旋转。
[0021] PowerDrive旋转导向系统(可购自斯伦贝谢(Schlumberger))随钻柱完全旋转(即外壳与钻柱一起旋转)。PowerDrive Xceed采用内部定向机构，不需要与井壁
接触，并且使工具主体能够随钻柱完全旋转。PowerDrive X5、X6和Orbit旋转导向系统利用与井壁接触的泥浆致动叶片(或
衬垫)。随着系统在钻孔中旋转，迅速并连续地调整叶片(或衬垫)的延伸。PowerDrive 利用在铰接转座处与上部导向段连接的下部导向段。经由
活塞主动倾斜转座，使得当底部钻具组合在钻孔中旋转时，改变下部导向段相对于上部导向段的角度，并且保持期望的钻进方向。加速度计和磁力计套件可与钻柱一起旋转，或者可以布置在内部的滚动稳定外壳中，使得它们相对于钻孔保持基本静止(处于偏置
相位)或缓慢旋转(处于中性相位)。为了钻得所需的曲率，在钻进过程中以预定比率(称为导向比)在偏置阶段和中性阶段进行交替。同样，所公开的实施方案不限于与任何特定的导向工具构造一起使用。
[0022] 本领域的普通技术人员应当理解，图1所示的布置仅仅是一个示例。还应当理解，所公开的实施方案不限于与如图1所示的半潜式平台12一起使用。所公开的实施方案同样适用于任何类型的海上或陆上地下钻井作业。
[0023] 图2描绘了全球坐标参考系中的姿态图和导向参数。BHA 50具有由BHA轴52限定的“姿态”。姿态是钻头32的送钻方向，并且可以由单位矢量表示，其全球方向可以由钻孔井斜角θinc和钻孔方位角进行限定θazi。θtf传感器或其他BHA部件的工具面角度可以例如相对于BHA 54的高侧限定。所公开的实施方案决不受图2所示约定的限制。
[0024] 图3描绘了用于自动钻进地下井筒的弯曲井段的一个示例方法100的流程图。在102处，使用包括定向钻具(诸如旋转导向工具)的钻柱钻地下井筒。在104处，接收设定点机械钻速(ROP)和全角变化率(DLS)值，并且处理所述值以计算设定点姿态增量(例如，用于将设定点姿态调整某个预定量的时间间隔)。在106处，可控制钻进的ROP，使得其基本上等于设定点机械钻速(即在预定限值内)。在108处，实施闭环钻进姿态控制方法，以在106中的钻进期间将钻进姿态(例如，井斜角和方位角)保持在设定点姿态(即沿着预定方向)。然后在
110处，根据在104中计算得到的计算的设定点姿态增量，递增地调整设定点姿态以钻取弯曲井段。
[0025] 在104中计算得到的设定点姿态增量可包括姿态改变和时间增量。例如，姿态改变可以是1度曲率，并且可以基于设定点DLS选择时间增量(随着设定点DLS的减小而增加时间增量)。设定点姿态增量也可表示为例如每单位时间度数的速率，并且可以通过将设定点ROP乘以设定点DLS来计算。例如，在其中设定点ROP是每小时100英尺并且设定点DLS是每100英尺10度的实施方案中，设定点姿态增量可以表示为每6分钟1度的速率。因此，在110处，设定点姿态可以每6分钟1度的增量(或者每3分钟半度增量，或者每12分钟2度增量等)调整。
[0026] 可以使用基本上任何合适的方法来控制钻进ROP，例如使用已知的自动钻进
软件算法来设置地面ROP。可将钻进ROP控制在预定限值内，例如在每小时正负10英尺以内(使得每小时100英尺的目标ROP产生从每小时约90至约110英尺范围内的受控ROP)。可以使用本领域技术人员已知的方法调整各种钻井参数诸如钻柱旋转速率、
钻井液流量和钻压，以控制钻进ROP。
[0027] 图4描绘了实施方案200的框图，其中地面控制系统与钻具和表面ROP
控制器两者通信。DLS控制系统210在212处(例如，经由遥测上行链路)接收DLS设定点，在216处接收测量深度，并且在216处接收来自定向司钻的其他输入，同时接收来自ROP控制系统220的ROP设定点219和来自定向钻具的井筒姿态218(在该示例中为井斜角和方位角)。DLS控制系统210将设定点ROP输出到与钻机控制系统(例如，绞车或自动司钻控制系统)耦接的控制系统
220。DLS控制系统210进一步输出设定点姿态增量(例如，如上所述的速率)，其又可在225处下传到定向钻具中的DLS增量控制器230。控制器230以计算得到的时间间隔或预定时间间隔递增设定点姿态232。设定点姿态由闭环姿态控制器240接收，该闭环姿态控制器使用在
245处(例如，使用图1中的传感器70)获得的井斜角和方位角测量沿着设定点姿态控制钻进的方向。应当理解，如上所述递增设定点姿态沿着设定点DLS(沿着期望的曲线)控制钻进的方向。
[0028] 进一步参照图4，DLS控制系统210可以对照预定限值连续监测ROP。当ROP超过这些限值(在高侧或低侧上)时，可以重新计算设定点姿态增量并下传到控制器230。可选地(和/或除此之外)，可以调整各种钻井参数以使ROP返回到期望的范围。在其他实施方案中，可以将ROP值下传到控制器230，其中设定点姿态增量可以在井下控制器处重新计算。
[0029] 图5描绘了实施方案300的框图，其中可以使用变化点算法(或其他合适的算法)来监测钻进ROP中的变化。变化点算法也可以被称为分段算法。以引用方式全文并入本文的美国专利8,838,426公开了变化点算法的一个合适的示例。
[0030] 继续参考图5，可以随时间监测滑车位置302以计算实时钻进ROP。本领域普通技术人员将易于意识到，ROP可以定义为例如单位时间内滑车位置的变化(换句话说，滑车位置的变化速率)。在304处，使用分段算法评估钻进ROP以确定是否已检测到变化点。在检测到变化点时，在306处，新的钻进ROP值可被下传到定向钻具(例如，到图4中的递增控制器230)。然后在308处，可计算新的设定点姿态并将其输出到闭环姿态控制器240(图4)。
[0031] 图6描绘了作为时间(以秒为单位)函数的瞬时滑车位置(以英尺为单位)和瞬时钻进ROP(以英尺每小时为单位)的示例曲线图。应当理解，瞬时钻进ROP值可以通过对瞬时滑车位置求导获得。如图所示，瞬时钻进ROP值趋向于具有较高噪声。滑车位置通道或钻进ROP通道中的噪声水平可以用作变化点算法中的输入。一般来说，较小的噪声水平能够检测到比较大噪声水平更多的ROP变化点。
[0032] 图7A和图7B描绘了几种不同输入噪声水平的分段ROP值与时间的关系曲线。图7A描绘了分段ROP值与时间的关系曲线，图7B描绘了分段ROP值与测量深度变化的关系曲线(一根立柱期间)。输入滑车位置噪声水平为：(i)0.1英尺、(ii)1英尺、(iii)2英尺、(iv)3英尺和(v)5英尺(从上到下绘制)。如图所述，变化点的数量(ROP的变化)随噪声增加而减少。
[0033] 应当理解，所公开的自动钻井方法可以有利地与钻机状态检测算法结合使用。在共同转让的美国专利公开2014/0129148中公开了一种合适的钻机状态检测算法，该专利申请的全部内容通过引用方式并入本文。钻机状态检测算法处理井下传感器测量(诸如加速度计和磁力计测量)，以确定BHA的钻井状态。所述状态可以包括例如旋转钻进、滑动钻进、坐卡瓦、划眼、循环下钻、旋转下钻、下钻、起钻、倒划眼、循环起出、旋转起出、起出、旋转提离井底、抽吸井底、旋转并抽吸井底以及静止。
[0034] 自动钻井方法的公开的实施方案可以被配置为响应于钻机状态。例如，钻机状态检测算法可以检测钻头离开井底或以其他方式未以设定点ROP钻进(例如，当坐卡瓦和新的
钻杆立柱与钻柱联接时)的钻井状态。当检测到这种状态时，递增设定点姿态(例如，在图3的110处)可暂时中止，直到恢复钻进。所公开的实施方案还可包括当未以ROP钻进时，在地面评估钻机状态，并且下传状态信息。
[0035] 应当理解，测量的井斜角和方位角值(测量的姿态)可以在钻进时传送到地面。测量的姿态可以显示在地面上并与预期的钻井设计比较以监测钻井进度。
[0036] 所公开的方法还可包括重置设定点姿态(设定点井斜角和设定点方位角)，并且重置递增
定时器以重启弯曲井段的钻进控制。例如，当钻进已被暂停时(例如，当向钻柱添加新的钻杆立柱时)，可重置(或重启)控制方法。当恢复钻进时，可以测量姿态并将初始设定点方位角设置为测量值。然后可以重启定时器并恢复设定点姿态增量。也可在比预期钻进更慢(低于预期的ROP值)的某个时间段后重置该方法。
[0037] 再次参照图3至图5，所公开的方法实施方案可以可选地使用地面ROP预测模
块，该地面ROP预测模块被配置为考虑由不正确ROP所导致的设定点姿态增量误差。ROP预测模块可基于历史ROP值和所采用的钻井参数计算(在一些预定时间间隔内的)历史平均ROP并建模未来ROP。然后可以计算对设定点姿态增量的调整并下传以实现设定点DLS。
[0038] 本文描述的方法可以被配置为经由布置在井下(例如，在导向/定向钻具中)的一个或多个控制器来实现。合适的控制器可以包括例如可编程处理器，诸如
微处理器或
微控制器以及体现逻辑的处理器可读或计算机可读程序代码。例如，可以使用合适的处理器来执行上面关于图3、4和5描述的方法实施方案(或方法实施方案中的各个步骤)。合适的控制器还可以可选地包括其他可控部件，诸如传感器(例如，深度传感器)、数据存储设备、电源、定时器等。控制器也可以设置成与姿态传感器进行
电子通信(例如，以接收连续的井斜角和方位角测量)。合适的控制器还可以可选地与钻柱中的其他仪器通信，例如与地面通信的遥测系统。在一些实施方案中，控制器可以部分地或全部地位于地面，并且被配置为处理经由任何合适的遥测或数据链路发送到地面的数据。有线钻杆是实现高速双向通信的高速井下遥测系统的一个示例。合适的控制器还可以可选地包括易失性或非易失性
存储器或数据存储设备。
[0039] 虽然已经详细描述了狗腿段的自动导向控制及其某些优点，但应理解，在不背离如由所附
权利要求书定义的本公开的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和更改。另外，为了简要描述这些实施方案，可能不会在
说明书中描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何工程或设计项目中开发任何此类实际实现方式时，将做出实施方案特定的多个决策以便实现开发人员的特定目标，诸如，遵守系统相关约束和业务相关约束，这些约束可能会因实施方案的不同而有所不同。此外，应了解，这种开发工作可能极为复杂且耗时，但对于受益于本发明的普通技术人员而言，这将仍然是设计、制造和生产中的常规任务。
[0040] 冠词“一个”和“所述”旨在表示在先前的描述中有一个或多个元素。另外，应理解，对本公开的“一个实施方案”或“一项实施方案”的参考不旨在解释为排除也涵盖所列举特征的另外实施方案的存在。例如，关于本文的实施方案描述的任何元素可以与本文描述的任何其他实施方案的任何元素组合。此外，应理解，先前描述中的任何方向或参考系仅是相对方向或运动。例如，对“向上”和“向下”或“上方”或“下方”的任何参照仅描述相关元素的相对位置或运动。
[0041] 等同构造包括功能性“装置加功能”条款旨在
覆盖本文描述的执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等同物和提供相同功能的等同结构。本
申请人的明确意图是不对任何权利要求援引装置加功能或其他功能性权利要求，但其中“用于......的装置”表述与相关功能一起出现的权利要求除外。落入权利要求书的含义和范围内的对实施方案的每个添加、删除和
修改都将被权利要求书所包含。
