專利名稱：建模、測量、再校準(zhǔn)、和優(yōu)化控制井孔鉆探的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從地表下地層中開采碳氫化合物的井孔鉆探(boreholedrilling)領(lǐng)域。本發(fā)明尤其涉及基于在鉆探過程期間收集的信息而修改鉆探過程的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著油井鉆探變得越來越復(fù)雜，對盡可能多的鉆探設(shè)備保持控制的重要性日益增加。
因此，在本領(lǐng)域中存在對于從由現(xiàn)有系統(tǒng)所進行的測量中推斷出實際的井孔軌道的需求。在本領(lǐng)域中，還存在對于作為控制參數(shù)的函數(shù)規(guī)劃超過最大測量深度的井孔軌道的需求。


通過結(jié)合附圖參考以下描述，可以獲取對當(dāng)前公開及其優(yōu)點的更完整理解，在附圖中圖1a是根據(jù)本發(fā)明的教義的井底鉆具組合(bottom hole assembly)的圖示。
圖1b是根據(jù)本發(fā)明的教義的在沿著井孔的兩個點處的井底鉆具組合的圖示。
圖1c是說明在井孔中遇到彎曲之后、井底鉆具組合的空間方位角的改變的圖示。
圖2是根據(jù)本發(fā)明方法的流程圖。
圖3示出了用于井下數(shù)據(jù)的地表實時處理的系統(tǒng)。
圖4示出了用于井下數(shù)據(jù)的地表實時處理的系統(tǒng)的邏輯表示。
圖5示出了用于井下數(shù)據(jù)的地表實時處理的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖。
圖6示出了傳感器模塊的框圖。
圖7示出了可控制元件模塊的框圖。
雖然本發(fā)明容易受到各種修改和替換形式的影響，但是附圖中已經(jīng)通過示例示出了其特定的示范實施例，并且在此處對這些實施例進行了詳細的描述。但是應(yīng)當(dāng)理解，此處對特定實施例的描述不意欲將本發(fā)明限于所公開的特殊形式，相反，其意圖在于涵蓋屬于由所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍的全部修改、等效和替換。
具體實施例方式
結(jié)合以下的術(shù)語，可對隨后的描述獲得更好的理解，這些術(shù)語包括在變量矩陣之后的()包括與特定狀態(tài)或者矩陣相對應(yīng)的樣本號的索引。
α為在方程(9)和(10)中的對稱指數(shù)濾波器中使用的加權(quán)因子。
A為狀態(tài)向量公式中的矩陣，其管理底層物理成分(underlyingphysics)。
bx是近處磁力計x軸偏差，其包括磁干擾。
by是近處磁力計y軸偏差，其包括磁干擾。
bz是近處磁力計z軸偏差，其包括磁干擾。
B為狀態(tài)向量公式中的矩陣，其管理在控制變量和系統(tǒng)狀態(tài)之間的關(guān)系。
c是控制參數(shù)的數(shù)目。
C為狀態(tài)向量公式中的矩陣，其管理在觀測量y和系統(tǒng)狀態(tài)x之間的關(guān)系。
是C的增廣(augmented)版本，其使得有可能包括傳感器偏差，而不用顯著地重新公式化(reformulating)問題(參見方程 以及與之相關(guān)的論述)。
CF是矩陣C的子矩陣，其包括那些與遠處傾角計/磁力計(“inc/mag”)組合件相關(guān)的矩陣元素。
是矩陣 的子矩陣，其包括那些與近處inc/mag組合件相關(guān)的矩陣元素。
D是狀態(tài)向量公式中的矩陣，其管理在系統(tǒng)噪聲w和狀態(tài)向量x之間的關(guān)系。為了簡單起見，已經(jīng)將D設(shè)置為單位矩陣。
E()用于表示“預(yù)期值”。
F作為下標(biāo)表示遠處傾角計/磁力計組合件。
H(Ω，α，ζ)是用于方程(9)和(10)中的對稱指數(shù)濾波器的空間頻域傳遞函數(shù)。空間頻率Ω根據(jù)空間采樣頻率表示。
i是任意的樣本索引。
I作為下標(biāo)表示傾角計組合件。
Ik×k為k×k單位矩陣。
K是卡爾曼(Kalman)增益，通過方程(15)-(17)(見下文)遞歸定義。
m是任意的樣本索引。
M是重新取樣中使用的整數(shù)偏移。這樣執(zhí)行重新取樣以便遠處傳感器比近處傳感器滯后M個樣本。
M作為下標(biāo)表示磁力計組合件。
n是用于指定最新可用樣本的索引。
N作為下標(biāo)表示近處傾角計/磁力計組合件。
P是在經(jīng)由方程(16)和(17)(見下文)遞歸定義的卡爾曼預(yù)測方程中的變量。
Rv是用于噪聲處理v的互相關(guān)矩陣。
Rw是用于噪聲處理w的互相關(guān)矩陣。
ξ是在方程(9)和(10)(見下文)中的對稱指數(shù)濾波器的中心樣本任一側(cè)的樣本數(shù)目。
sx是近處磁力計x軸比例因子。
sy是近處磁力計y軸比例因子。
sz是近處磁力計z軸比例因子(傳統(tǒng)上將z軸視作工具軸)。
w是代表系統(tǒng)噪聲的向量。通常，w的維數(shù)可以不同于x的維數(shù)，但是由于我們對該系統(tǒng)的忽略，已經(jīng)將其設(shè)置為x的維數(shù)。
xx(i)表示對應(yīng)于系統(tǒng)中的第i個樣本的狀態(tài)向量。對于給定樣本，x在該問題的初始公式表示中具有6個分量。這六個分量對應(yīng)于如果理想的傾角計/磁力計組合件在空間方面遵循井孔軌道時、其將具有的輸出。利用在第6和第7頁論述的重新映射，對于給定樣本，x具有12個元素。在指定x時必須假定特定的工具面(tool face)方位角。
是6個分量狀態(tài)向量x的增廣版本，其使得有可能包括傳感器偏差而不用顯著地重新公式化問題(參見方程 以及與之相關(guān)的論述)。 具有7個元素而不是6個；額外的元素被設(shè)置為1。
是x的已濾波版本，在第5頁相對于方程(9)和(10)(見下文)對其進行了更充分的論述。
是狀態(tài)向量x的卡爾曼預(yù)測器。要注意到，在對近和遠處變量進行重新編號以便將它們引入到空間中的共同點時，這個向量在每個樣本處具有12個元素。
y是與測量相對應(yīng)的向量。y具有12個分量。前六個分量來自近處inc/mag組合件；接下來的六個分量來自遠處inc/mag組合件。
yN包含y中的近處元素，即y中的前六個元素。
yF包含y中的遠處元素，即，y中的后六個元素。
是向量yF的增廣版本(參見方程(6)以及與之相關(guān)的論述)。
為了獲得諸如油和氣之類的碳氫化合物，通過旋轉(zhuǎn)附于鉆柱末尾的鉆頭來鉆探井孔。鉆探活動的一大部分涉及定向鉆探，即鉆探偏斜和/或水平的井孔，以便增加來自地下地層的碳氫化合物產(chǎn)量。現(xiàn)代的定向鉆探系統(tǒng)通常采用具有井底鉆具組合(“BHA”)的鉆柱以及在其末尾的鉆頭，該鉆頭由鉆探馬達(泥漿馬達)和/或鉆柱旋轉(zhuǎn)。多個鄰近鉆頭放置的井下設(shè)備測量與該鉆柱相關(guān)聯(lián)的某些井下操作參數(shù)。這樣的設(shè)備通常包括用于測量井下溫度和壓力的傳感器、方位角和傾角測量設(shè)備以及阻力測量設(shè)備，以確定碳氫化合物和水的存在。另外的井下儀器，其被稱為隨鉆測井(logging-while-drilling)(“LWD”)工具，經(jīng)常附于鉆柱，以便在鉆探操作期間確定地層地質(zhì)和地層流體狀態(tài)。
加壓鉆探的流體(通常稱為“泥漿”或者“鉆探泥漿”)被注入到鉆管中，以旋轉(zhuǎn)鉆探馬達并且向包括鉆頭在內(nèi)的鉆柱的各種構(gòu)件提供潤滑。鉆管由諸如馬達之類的原動機旋轉(zhuǎn)，以便于定向鉆探以及鉆探垂直的井孔。鉆頭通常耦接到具有驅(qū)動軸的軸承組合件，該驅(qū)動軸隨后旋轉(zhuǎn)附于那里的鉆頭。軸承組合件中的徑向和軸向軸承向鉆頭的徑向和軸向力提供支持。
通常沿著預(yù)定路徑對井孔進行鉆探，而且典型井孔的鉆探通過各種地層進行。鉆探操作者通常控制諸如鉆壓、流過鉆管的鉆探流體、鉆柱轉(zhuǎn)速(與鉆管耦接的地表馬達的r.p.m.)以及鉆探流體的密度和粘度之類的地表控制的鉆探參數(shù)，以優(yōu)化鉆探操作。井下操作狀態(tài)不斷地改變，而且操作者必須對這樣的改變作出反應(yīng)，并且調(diào)整地表控制的參數(shù)以優(yōu)化鉆探操作。為了在未開采區(qū)域中鉆探井孔，操作者通常具有提供地下地層的宏觀畫面以及預(yù)先計劃的井孔路徑的地震勘探曲線圖。為了在相同地層中鉆探多個井孔，操作者還具有有關(guān)先前在同一地層鉆探的井孔的信息。另外，部署在BHA中的各種井下傳感器以及相關(guān)聯(lián)的電子線路不斷地向操作者提供有關(guān)某些井下操作狀態(tài)、鉆柱中的各種元件的狀態(tài)的信息以及有關(guān)正在鉆探的井孔所通過的地層的信息。
Houston，Texas的Halliburton Energy Services已經(jīng)開發(fā)了一種稱為“ANACONDATM”的系統(tǒng)來幫助鉆探井孔。ANACONDA是Houston，Texas的Halliburton Energy Services的商標(biāo)。ANACONDATM系統(tǒng)具有兩組傳感器組合件，一組用于傾角一組用于磁力，它們被稱為傾角計和磁力計(“inc/mag”)。一組傳感器組合件被裝配在靠近工具中的彎曲處，并因此靠近磁干擾，第二組合件被放置在孔的上游(farther up)、遠離彎曲處并因此遠離磁干擾。
ANACONDATM系統(tǒng)中有三個控制點a.彎曲處，其可以二維方式控制；b.第一組合件，其可以是膨脹的或者不是；以及c.第二組合件，其與第一組合件相同或者相似地操作，并且其可以與第一組合件隔開可變的距離。
給定諸如這樣的系統(tǒng)，現(xiàn)在將示出，所尋求的信息可以被看作用于狀態(tài)向量的解法(solution)。由紐約的John Wiley & Sons公司的Wiley-IntersciencePublication出版的、N.Kalouptsidis所著的“Signal Processing Systems，Theoryand Design”中的描述所給出的、用于線性狀態(tài)變量的一般方程如下x(n+1)＝A(n)·x(n)+B(n)·u(n)+D(n)·w(n)(1)y(n)＝C(n)·x(n)+v(n) (2)其中向量x(i)代表系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)。這些狀態(tài)通常是未知的，但是可推斷出。
向量u(i)代表可測量的輸入信號，其假定是確定性的。u(i)代表對系統(tǒng)的控制。
向量y(i)代表系統(tǒng)的輸出(可測量的向量)w(n)代表處理噪聲v(n)代表測量噪聲矩陣A、B、C和D由鉆探過程中采用的底層物理成分和機制所確定。如果我們假定向量x(n)為理想勘探傳感器在取樣點n處勘探井孔時會進行的6次測量的集合的話，則方程(1)完整地反映了手頭的問題。向量u(n)將是在勘探點n所應(yīng)用的控制變量的向量，即BHA的兩個彎角、深度、每個組合件的膨脹、以及組合件的間隔(以及任何其它的控制變量)。最終，向量y(n)會是來自近和遠處inc/mag組合件的12個測量的集合。
真實的井孔軌道(如果是已知的)可以通過一組斜度和方位角值與深度比較而進行描述。作為選擇，井孔軌道可以根據(jù)在每個測量深度處、來自理想的無噪聲的inc/mag組合件的輸出而進行描述(詳細而言，必須指定這樣的組合件的工具面)。在每個深度處的每個測量集合構(gòu)成了狀態(tài)向量(在每個深度處的六個測量，三個來自傾角計，三個來自磁力計)。可以預(yù)料，當(dāng)根據(jù)一系列這些狀態(tài)向量來表述井孔時，至少局部上，公式化的系統(tǒng)的響應(yīng)將是線性的。狀態(tài)向量本身可以經(jīng)由一系列矩陣變換獲得，這些矩陣變換為傾角、方位角和工具面的非線性函數(shù)。就是這個非線性使得根據(jù)理想的傳感器而不是真實的角坐標(biāo)來表述狀態(tài)向量是所期望的。
直接執(zhí)行所公式化的問題的解法存在幾個困難。雖然使用鉆柱機制而公式化矩陣A、B、C、和D應(yīng)當(dāng)是有可能的，但是這是非常難的問題。大多數(shù)的實踐似乎是基于經(jīng)驗估算這些矩陣，但向量x(n)從來不是已知的。這實際上是該問題的核心；必須將裝置設(shè)計為好像x(n)是已知的那樣進行工作。
此外，雖然可以為噪聲處理過程進行合理的猜測，但是這些處理過程是未知的，而且可以基于經(jīng)驗修改這些猜測。
此外，在處理這樣的系統(tǒng)的可用文獻的正文中，總是假定噪聲源具有零平均值。這對于手頭的問題是個非常差的假定，在該問題中，接近鉆頭的磁力計很可能受到磁干擾。所有需要的定理可以根據(jù)具有非零平均值的噪聲源進行修改，但是產(chǎn)生的方程經(jīng)常是非常麻煩的。許多現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)使用“連續(xù)測量/連續(xù)更新過程”。不幸地是，連續(xù)修正經(jīng)常導(dǎo)致過多級別的微曲率，這導(dǎo)致鉆頭上煩人的增加的阻力以及不穩(wěn)定的井孔。
經(jīng)常根據(jù)地下狀態(tài)以及井孔的預(yù)定路徑或者其它井孔參數(shù)的預(yù)先鉆探模型，而實施鉆探程序?？梢允褂玫哪Ｐ桶ㄣ@柱旋轉(zhuǎn)模型(Drillstring WhirlModel)、扭矩/阻力/彎曲模型(Torque/Drag/Buckling Model)、BHA動態(tài)模型、地質(zhì)導(dǎo)向模型(Geosteering Model)、水力模型(Hydraulics Model)、地質(zhì)力學(xué)(巖石強度)模型(Geomechanics Model)、孔隙壓力/破裂梯度(″PP/FG″)模型、和SFIP模型。當(dāng)前的方法沒有提供可基于鉆探時感測的井下條件而容易地更新模型的裝置。在這種新方法中，測量的井孔數(shù)據(jù)會在鉆探期間發(fā)送到地表，該測量的井孔數(shù)據(jù)可能包括因為帶寬的增加而最新可用的數(shù)據(jù)。會在地表處理該數(shù)據(jù)，來更新或者再校準(zhǔn)正在實施鉆探程序的當(dāng)前模型。然后將更新該鉆探程序的控制以反映所更新的模型。在一種方法中，用于鉆探程序的模型和指令將會存儲在井下設(shè)備中。在地表處修改了該模型之后，更新所存儲的井下模型的信息將被傳輸?shù)骄?，并然后基于此、將如基于新模型所確定的那樣繼續(xù)該鉆探程序，其中更新所存儲的井下模型的信息量很可能比原始測量的井孔數(shù)據(jù)的信息量少很多。
地震分析技術(shù)對于獲得地下結(jié)構(gòu)的過程描述是有用的。井下傳感器更精確，但是與地震分析技術(shù)相比具有非常有限的范圍。在基于地震分析的原始估算和來自井下傳感器的讀數(shù)之間的關(guān)聯(lián)使得能夠進行更準(zhǔn)確的鉆探。如果以自動化的方式、一般通過使用數(shù)字計算機執(zhí)行該關(guān)聯(lián)，則可以使該關(guān)聯(lián)更有效。取決于在井下部件和地表之間可用的帶寬、以及井下操作環(huán)境，用于關(guān)聯(lián)的計算可以在地表、或者井下、或者它們的某種組合處進行。
利用在沿著鉆柱的多個間隔處的多個勘探傳感器來裝備該鉆柱。在勘探處理期間，連續(xù)地獲取來自每個勘探站的調(diào)查報告。可以使用諸如如IFR或者IIFR之類的技術(shù)分別分析這些調(diào)查報告。除提供井孔的準(zhǔn)確調(diào)查報告之外，還期望提供鉆探鉆具組合朝向何處的預(yù)測。要注意到，當(dāng)為位于沿著鉆柱不同位置處的勘探傳感器之間的測量深度差值而調(diào)整來自這些傳感器的調(diào)查報告時，這些調(diào)查報告通常不會彼此相一致。這部分由于傳感器噪聲，部分由于地球磁場的波動(在使用磁性傳感器的情況下——但是除了磁性傳感器之外，還可以使用陀螺儀，或者使用陀螺儀來代替該磁性傳感器)，但是主要是由于鉆柱的偏轉(zhuǎn)。如下所述，在彎曲的井孔中，鉆柱偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致連續(xù)的調(diào)查報告是不同的。這個差別與鉆柱的剛性、井孔的曲率、以及作用于鉆柱的力相關(guān)。作為替換(但是優(yōu)選的)實施例，還在沿著鉆柱的多個位置處，優(yōu)選為在位于接近多個勘探傳感器的位置處進行扭矩、撓矩、和張力的測量。所有這些信息然后可以與(基于可變形材料的標(biāo)準(zhǔn)機制以及基于井孔機制)機械模型相結(jié)合來預(yù)測鉆頭的鉆探趨勢。如果給出在鉆探過程中所有的變量和不定量，則從信號處理的觀點來看，相信已最好地解決了這個問題。
其它的公開內(nèi)容論述了作為數(shù)據(jù)帶寬改進結(jié)果的可用的改進的井下數(shù)據(jù)，例如，來自沿著鉆柱隔開的傳感器(例如，多個壓力傳感器)的數(shù)據(jù)的接收和分析、以及來自在鉆頭或者接近鉆頭處的點的數(shù)據(jù)(例如，刀具應(yīng)力或者力數(shù)據(jù))的接收和分析。這樣的數(shù)據(jù)可以用于在地表實時控制鉆探系統(tǒng)。例如，人們可以根據(jù)在地層地表對來自鉆頭傳感器的信息的分析，來確定有關(guān)被鉆探的材料的信息?；谠摂?shù)據(jù)，人們可以選擇以特定方式控制鉆壓或者鉆頭旋轉(zhuǎn)速度。人們還可以使用這樣的信息來控制井下設(shè)備。例如，人們可以使用這樣的數(shù)據(jù)從井上控制具有致動器的井下鉆探設(shè)備，例如井眼擴大設(shè)備、旋轉(zhuǎn)可操縱設(shè)備、具有可調(diào)整的控制噴嘴的設(shè)備、或者可調(diào)整的穩(wěn)定器。人們可以主動控制井下元件，如鉆頭(調(diào)整鉆頭噴嘴)、可調(diào)整的穩(wěn)定器、聯(lián)軸器(clutches)等。
圖1說明了BHA中的各種部件。具體參見圖1a，BHA 100具有鉆頭102，其在彎曲104處連接到電動機元件103，該電動機元件103取決于井孔是否要彎曲而在井孔期間進行或者不進行操作。BHA 100經(jīng)由導(dǎo)管105連接到地表鉆機。如圖1a所述，各種傳感器106、108和110可以附于BHA 100。特別地，傳感器108和110隔開預(yù)定(或者可變)的距離。在傳感器108和110之間的間距是在沿著井孔120的各個點處測量BHA 100的空間方位角所必須的。
圖1b說明了在沿著井孔120的兩個不同位置處的BHA 100。在初始位置130(井孔120的上游)處，BHA 100具有相對于地球的特定空間方位角。在井孔下游的位置140處，因為井孔120的曲率而改變了空間方位角。BHA 100相對于地球的絕對位置已經(jīng)改變了可忽略的量，但是因為井孔120的曲率，使得BHA 100的空間方位角(相對于地球沿著一個或多個軸的旋轉(zhuǎn)量)已經(jīng)有相當(dāng)可觀的改變。圖1c說明了通過重疊在兩個不同的位置130(實線)和140(虛線和帶撇號的元件編號)的BHA 100而獲得的空間方位角差別。參見圖1c，將傳感器108取為“樞軸點”，則傳感器106′“高”于傳感器106，而且傳感器110′“低”于傳感器110。換句話說，在沿著井孔的不同點處，尤其是在彎曲處，傳感器本身相對于地球的空間方位角之間存在差別。在沿著井孔的各個點處，在傳感器106、108以及110和固定基準(zhǔn)點(地球)之間的空間方位角的差別是可測量的。因為該空間方位角差別是可測量的，所以該差別可用于確定井孔的實際方向，而且該方向信息結(jié)合期望目的地的位置可用于使用下面確定的方程來“校正”BHA 100隨后的鉆探方向。在下確定的方程可以在例如并入本發(fā)明的系統(tǒng)中的數(shù)字計算機上實現(xiàn)，以便對更有用的井孔做出有形的貢獻和/或增加鉆探處理過程的效率。
分布式的聲波遙測技術(shù)可以用來例如通過主動地在兩個傳感器位置之間向鉆管發(fā)出聲脈沖，來確定非預(yù)定的墻接觸點的位置。聲音傳感器還可以用于被動地收聽導(dǎo)管中的沖蝕(washout)。沖蝕可以在任何地方發(fā)生，而且定位沖蝕可能要求對鉆管緩慢地進行解扣(tripping)以及仔細地進行檢查。多個傳感器將有助于定位沖蝕。這樣的監(jiān)視還可以通過監(jiān)視聲波標(biāo)記在傳感器之間的改變，來幫助標(biāo)識關(guān)鍵場所的位置。這樣的分析還可能有助于定位膨脹性頁巖，以限制對后擴孔(backreaming)操作的需求?？傻玫竭@樣的數(shù)據(jù)以及對這樣的數(shù)據(jù)的分析將允許對問題區(qū)域所處的位置進行精確的井眼調(diào)整。
當(dāng)實際上不鉆探時，例如處于鉆頭旋轉(zhuǎn)且離開井底、并有可能離開定位孔時的模式下，這樣的數(shù)據(jù)也可能是有用的，該模式例如為插入和抽汲(swab)或者其它不直接影響鉆探處理過程的操作。數(shù)據(jù)可以用來控制你移動導(dǎo)管的速率、解扣速度，以確保你不會沖擊(surging)或者抽汲。通過具有來自多個傳感器如壓力傳感器的數(shù)據(jù)，如果在傳感器之間發(fā)生了什么事情，則一些傳感器會在抽汲而一些傳感器將在沖擊。此外，用于旋轉(zhuǎn)和振動的高數(shù)據(jù)速率BHA傳感器可能提供會阻礙破壞性的BHA行為的信息。
矩陣 本質(zhì)上說，不可能提供矩陣 的分析公式表示，這是因為其必須包括對系統(tǒng)的未知和可變磁干擾。如果進行恰當(dāng)?shù)墓奖硎荆瑒t假定E(v(i))=0 i是合理的，其中E( )用于表示預(yù)期值?，F(xiàn)在考慮Σi=1ny(i)=Σi=1nC~(i)·x~(i)+Σi=1nv(i)]]>如果我們假定 在求和間隔上大致是不變的，而且如果n足夠大，則我們可以把這個方程重寫為Σi=1ny(i)=C~(n)·Σi=1nx~(i)+n·E(v(i))]]>或者Σi=1ny(i)=C~(n)·Σi=1nx~(i)]]>
這里隱含假定近處和遠處組合件二者都使得它們的工具面沿著與為向量x(i)選擇的工具面方位角相同的方向?qū)?zhǔn)。這個細節(jié)可以在數(shù)字計算機的實際編程中處理。同樣地，我們將假定在任何傳感器之間沒有軸交叉耦合(cross-axial coupling)。這是校準(zhǔn)問題，而不是信號處理問題。
在近處和遠處儀表組合件之間、或者在傾角計和磁力計之間不應(yīng)該有任何交叉耦合，所以實際上，該方程可以重寫為以下形式的兩個方程Σi=1nyN(i)=C~N(n)·Σi=1nx~(i)---(3)]]>以及Σi=1nyF(i)=CF(n)·Σi=1nx(i)---(4)]]>其中下標(biāo)N是指由接近鉆頭的儀表組合件進行的測量，下標(biāo)F是指由遠離鉆頭的儀表組合件進行的測量，而且其中矩陣 表示從真實井孔坐標(biāo)到近處傳感器組合件的變換，并且由矩陣 的前六行構(gòu)成，而且矩陣CF(n)表示從真實井孔坐標(biāo)到遠處傳感器組合件的變換，并且由矩陣C(n)的后六行構(gòu)成(要注意到，因為假定遠處傳感器不受到干擾，所以沒有為遠處傳感器包括來自偏差的附加項)。
因為在傾角計和磁力計組合件之間不應(yīng)該有任何交叉耦合，所以矩陣 應(yīng)該是稀疏的，而CF(n)應(yīng)該是分塊對角的。
此時，我們必須面對x(i)是未知的實際現(xiàn)實。以下似乎是就 的確定而言、處理這個問題的唯一切實可行的辦法。明確地假定遠處儀表組合件讀取真實的井孔軌道，至少其意味著Σi=1nyF(i)≈Σi=1nx(i)---(5)]]>這暗指我們接受CF≈I6×6CF≈I6×6的近似，其中I6×6是6×6的單位矩陣。稍后將論述這個的含意，但是此時應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然看起來我們排除了近處測量，但是并非的確如此，這是因為在可以確定剩余矩陣之前需要向量的進一步重新排序。在公式化這個問題方面的最大問題之一已經(jīng)從近處勘探組合件中導(dǎo)出任何有用信息。雖然關(guān)于由這些傳感器添加了多少真實信息必然存在某些疑問，但是所提出的公式表示原則上能夠使用這個額外的信息。在已經(jīng)完成關(guān)于怎樣估算全部的矩陣和噪聲處理的論述之后，將進行對所有相關(guān)步驟和假定的總結(jié)。
我們現(xiàn)在可以寫出Σi=1nyN(i)=C~N(n)·Σi=1ny~F(i)---(6)]]>其中 是yF的增廣版本，其通過添加等于單位元素的第七元素而獲得。
不同于已經(jīng)在向量v(n)中求平均的隨機噪聲，假定在包含兩個儀表組合件的BHA部分沒有偏轉(zhuǎn)，則在近處組合件中的加速計應(yīng)該讀出與在遠處組合件中的加速計相同的讀數(shù)。這可能不是一個正確的假定，但是BHA的這個部分應(yīng)該比高于遠處儀表組合件的部分更有剛性(如果這個是有問題的，則可以實行迭代方案，其中在迭代每個階段獲得的井孔軌道用于定義在兩個組合件之間的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn))。利用這個近似法，我們獲得兩個方程Σi=1nyNI(i)=CNI(n)·Σi=1nyFI(i)]]>或者Σi=1nyNI(i)=Σi=1nyFI(i)]]>因為CNI＝I3×3，其中I3×3是3×3單位矩陣。因此Σi=1nyNM(i)=C~NM(n)·Σi=1ny~FM(i)---(7)]]>在這些表達式中，附加的下標(biāo)I指示傾角計組合件，而附加的下標(biāo)M指示磁力計組合件。在校準(zhǔn)中沒有牽涉的傾角計組合件中應(yīng)該沒有誤差，所以已經(jīng)為該組合件除去了增廣標(biāo)記，并且已經(jīng)將CNI設(shè)置為3×3單位矩陣。
任何駐留在接近磁力計的鉆柱中的磁性材料將向三個分量中的每一個增加偏移。這將表現(xiàn)為偏差。任何包圍磁力計組合件的磁性材料將修改在該組合件內(nèi)的磁力計的比例因子。因此，矩陣 具有以下形式C~NM(n)=sx(n)00bx(n)0sy(n)0by(n)00sz(n)bz(n)---(8)]]>將需要對兩個測量集合求和來確定六個系數(shù)。作為選擇，可以使用最小二乘法來確定這些系數(shù)。偏差是很可能隨時間改變的參數(shù)，而比例因子應(yīng)該保持相當(dāng)恒定并且可以較不頻繁地確定。如果沒有屏蔽近處磁力計的材料，則可以將該比例因子設(shè)置為在近處磁力計的校準(zhǔn)時獲得的比例因子。
噪聲處理v(i)
這樣的處理過程的普通假定為它們是穩(wěn)態(tài)、白色和不相關(guān)的。這些假定對于手頭的系統(tǒng)是否有效是值得懷疑的。因為噪聲統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及甚至有可能的分布也隨著巖性、鉆頭類型和狀態(tài)、以及鉆壓而改變，所以該統(tǒng)計數(shù)據(jù)僅僅可以被假定為準(zhǔn)穩(wěn)定的。如果有關(guān)這些變量的信息可得到，則還可以把它們并入到用于狀態(tài)向量的控制變量中。這應(yīng)該會提高系統(tǒng)的性能。因為在大多數(shù)傳感器上的擾動將具有共同的來源，所以認(rèn)為它們相關(guān)是合理的。應(yīng)該有可能通過檢查該數(shù)據(jù)來估算v(i)，但是這將必須修改處理數(shù)據(jù)的方式。因為我們被迫定義 的方式，所以真實的井孔軌道被認(rèn)為是直接映射到遠處測量。這導(dǎo)致在我們對狀態(tài)向量的估算器中存在系統(tǒng)噪聲。導(dǎo)致這個的限制，方程(5)，還提供了對這個問題的解決方法。方程(5)提供了在濾波器響應(yīng)之間的等同性。因此，我們可以通過對遠處傳感器的輸出進行濾波來滿足方程(5)。一旦所期望的空間采樣率和空間分辨率是已知的，則可以相當(dāng)容易地算出該濾波器的精確形式。然而，存在一些重要的細節(jié)1.僅僅當(dāng)與井孔軌道的能譜相比、噪聲峰值的能譜在明顯短很多的波長處時，這才有意義。
2.為了避免在這個濾波器的輸入和輸出之間的任何滯后，最好使用對稱濾波器。也就是說，應(yīng)該根據(jù)在點n兩側(cè)相等距離處獲得的數(shù)據(jù)而估算x(n)。在其中沒有從在點n之前的遠處傳感器獲得足夠的(或者沒有獲得)數(shù)據(jù)點的那些情況下，則必須使用來自近處傳感器的校正數(shù)據(jù)。
為了避免在這個濾波器的輸入和輸出之間的任何滯后，最好使用對稱濾波器。也就是說，應(yīng)該根據(jù)在點n兩側(cè)相等距離處獲得的數(shù)據(jù)估算x(n)。在其中沒有從在點n之前的遠處傳感器獲得足夠的(或者沒有獲得)數(shù)據(jù)點的那些情況下，則必須使用來自近處傳感器的校正數(shù)據(jù)。
通常，可以使用對稱加權(quán)求和指數(shù)濾波器。利用這樣的濾波器， 對于稍后的引用，這樣的濾波器的傳遞函數(shù)給定為H(Ω,α,ξ)=1-α1+α·(1-2·αξ)·1-α2-2·αξ+1·cos(Ω·(ξ+1))+2·αξ+2·cos(Ω·ξ)1+α2-2·α·cos(Ω)---(10)]]>其中已經(jīng)使用了以下標(biāo)記
是系統(tǒng)狀態(tài)的第n個樣本的估算器中的第i個分量，i＝1...6。稍后將用不同的標(biāo)記定義不同類型的估算器。
Ω是計算該傳遞函數(shù)時的空間頻率，其表示為實際空間頻率(樣本/單位長度)對具有相同單位的空間采樣頻率的比率。
α是加權(quán)因子，0＜α＜1?？梢允褂闷渌?，但是它們對于手頭的問題沒有用處。好的初始猜測是α＝1/2。
ξ是包括在濾波器中的在樣本n前后的樣本數(shù)目。
利用這個變換，噪聲處理v(i)可以利用下式來觀測和表征 通過觀測v(n)的連續(xù)值，有可能檢查六個處理過程中每一個的分布并且估算它們的互相關(guān)性，這將是實現(xiàn)卡爾曼預(yù)測器所需要的。
矩陣A和B主要由我們提供矩陣A和B的估算器的能力來確定是使用卡爾曼類型預(yù)測器還是使用強力(brute force)最小二乘法來解決該問題更有意義的判定。對于迄今為止已經(jīng)公式化的解法，我們已經(jīng)具有了系統(tǒng)中的狀態(tài)x的估算器。然而，這個估算器只不過是所測量響應(yīng)的低頻版本；還沒有以任何方式考慮了底層物理成分。矩陣A和B的功能是考慮管理工具和井孔軌道的彎曲以及對系統(tǒng)的控制的物理成分。作為迄今為止已經(jīng)公式化的問題，其中可能沒有足夠的信息來包括該物理成分，這是因為通過假定包含近和遠處元件的BHA與系統(tǒng)的其余部分相比為剛性，而導(dǎo)出y的前六個元素中的偏差和比例因子誤差。如果這個假定是正確的，則對于任何樣本i，近和遠處傳感器提供了相同的信息?？梢杂山巶鞲衅鬟M行任何使用嗎？從圖1c中清楚可見，近傳感器確實提供了附加信息，而且可以通過對狀態(tài)和測量向量的公式表示進行另外的修改來使用這個信息。
圖1b說明了BHA的兩個連續(xù)位置。如果井孔是彎曲的，顯然，即使利用理想的傳感器組合件，當(dāng)在井孔中的相同點處利用每個組合件進行測量時，在近位置的傳感器組合件的輸出將不同于遠處傳感器組合件的輸出。通過對狀態(tài)向量y重新排序以便所有元件表示空間中的給定點，則應(yīng)該有可能使用這個信息。類似的重新排序必須由測量向量x進行，但是現(xiàn)在x必須這樣擴展以便每個狀態(tài)向量x(i)具有12個元素6個來自在點i處的近處傳感器，以及6個來自重新映射的遠處傳感器。必須將所有數(shù)據(jù)重新取樣到規(guī)則網(wǎng)格上以允許其發(fā)生。將假定重新取樣噪聲是小的。為此目的，可以使用任意數(shù)量可容易獲得的重新取樣算法。這最好在規(guī)則網(wǎng)格上進行，而且在近和遠處傳感器之間的間隔是在網(wǎng)格元件之間的間隔的整數(shù)倍，M。此外，在網(wǎng)格單元之間的間隔應(yīng)該近似等于在樣本之間的平均間隔，而且應(yīng)當(dāng)決不小于這個間隔。
如前所述，不可預(yù)期系統(tǒng)響應(yīng)將是線性的，但是可以預(yù)期它將是局部線性的，即它從一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)以線性方式起作用?？梢酝ㄟ^修改控制變量u(i)、并且至少在與系統(tǒng)中的未知量一樣多的控制參數(shù)的變量上觀測x(i+1)的預(yù)測值，來獲得適于給定x(i)的矩陣A(i)和B(i)。每個矩陣A(i)具有144個未知量(它是12×12的矩陣)，而每個矩陣B(i)具有12c個未知量，其中c是控制變量的數(shù)目(每個B(i)是12×c的矩陣)。如果控制參數(shù)構(gòu)造的變量數(shù)目大于未知數(shù)的數(shù)目，則可以使用最小二乘法。矩陣A(n)和B(n)為稀疏矩陣而且實際未知量的數(shù)目比12·(12+c)少得多是所期望的。然而，這將需要通過分析或者通過經(jīng)驗而建立。
向這種技術(shù)提供了具有回應(yīng)的以下批評。
1.顯然我們不再對作為原始目標(biāo)之一的井孔軌道進行求解。就事實而言，沒有人永遠不具有用于井孔軌道的模型。利用所提議的方法獲得的信息應(yīng)該提供最好的信息，來使用諸如最小曲率法之類的、任何標(biāo)準(zhǔn)的井孔建模技術(shù)(利用可從鉆探系統(tǒng)中獲得的大量數(shù)據(jù)，有可能開發(fā)更好的解釋方法)。
2.或許更嚴(yán)重的批評是方程(1)和(2)被當(dāng)作去耦的方程。這可能有問題的原因是卡爾曼預(yù)測使用了矩陣C。還應(yīng)當(dāng)利用狀態(tài)向量的重新排序來對C進行重新排序。實際上，這可能不是必要的，這是因為C被假定為是準(zhǔn)靜態(tài)的，因此構(gòu)成C的子矩陣也是準(zhǔn)靜態(tài)的。盡管如此，實際上可能嘗試對C的重新排序，以察看是否獲得了任何改進?？梢栽O(shè)想，如果在近處磁力計偏差中的變化是快速的而且與系統(tǒng)控制相關(guān)，則將必須使用 而不是C。在那種情況下，將需要對x、A、B、D和w進行適當(dāng)?shù)卦鰪V；沒有預(yù)期這會向這些向量或者矩陣增加任何未知量。
3.該公式表示看起來似乎沒有解決手頭的實際問題，即從井孔內(nèi)的最大測量深度預(yù)測狀態(tài)向量。近處傳感器進行最接近最大測量深度的測量，而遠處傳感器落在它之后(在重新取樣網(wǎng)格上的M個樣本)。因此，會看出由于缺乏來自遠處傳感器的知識，當(dāng)實際需要該狀態(tài)空間的公式表示時，不能使用該公式表示。情況不是這樣的。來自近處傳感器的部分知識可以由卡爾曼預(yù)測器使用，來提供對在缺失來自遠處傳感器的數(shù)據(jù)的點處的狀態(tài)的估算。這些估算值可以直接用作來自遠處傳感器的讀數(shù)的估算。
應(yīng)當(dāng)注意到，這個技術(shù)提供了非常大的優(yōu)點可能利用這個公式表示來輸入所提出的控制變量集，并且使用卡爾曼預(yù)測例程來檢查產(chǎn)生的狀態(tài)向量。
D(n)和w(n)的確定除非噪聲過程w(n)的特定原因是已知的，否則僅僅有可能求解D(n)·w(n)。我們實際上甚至不知道任何一項的維數(shù)。所有可以做的是，設(shè)置D(n)＝I12×12，并且假定w(n)是12×1的列向量。然后可以使用過去的數(shù)據(jù)和以下的方程來列舉出統(tǒng)計數(shù)據(jù)w(n)＝x(n+1)-A(n)·x(n)-B(n)·u(n)(12)分析總結(jié)在先前部分相當(dāng)詳細地論述了在該分析中的每個步驟。在這個部分中，給出該分析的概述。為了簡化處理，將以不同于上面使用的次序給出幾個步驟。此外，將引入卡爾曼預(yù)測器。早先沒有引入預(yù)測器是因為一旦已經(jīng)定義了該預(yù)測器中的項，就不需要對該預(yù)測器的論述。
參見圖2，其說明了本發(fā)明的整體方法。該方法200通常在步驟202開始。在步驟204，將磁力計數(shù)據(jù)與傾角計數(shù)據(jù)分離。為了這樣做，人們從一系列yN(i)和yF(i)，對于i＝0...n開始，其中n指示最新的可用樣本。分別存在有近(圖1中的傳感器108)和遠處(傳感器110)inc/mag讀數(shù)。然后通過將yFM(i)構(gòu)造為遠處磁力計讀數(shù)的向量的自變量集，來分離傾角計數(shù)據(jù)和磁力計數(shù)據(jù)。使用方程(7)和(8)(上面定義)、以及最小二乘法，人們可以確定 并且可從中構(gòu)造 和C(i)。
在步驟206，在規(guī)則網(wǎng)格上重新取樣該數(shù)據(jù)。利用在近和遠處傳感器組合件之間的M個樣本執(zhí)行這個步驟。
在步驟208，對所觀測的、重新取樣的數(shù)據(jù)進行濾波。具體地說，指定變量α和ξ。然后通過使用方程(9)計算 來對所觀測/重新取樣的數(shù)據(jù)進行空間濾波。
在步驟210估算噪聲量，以便允許偏差校正。為了估算噪聲w(i)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，要注意到D(i)＝I6×6，人們將使用方程(12)來確定w(i)的值。然后確定E(w(i))和E(w(i)·w(j))的值。
在步驟212，y值被映射用于移位測量。具體地說，這樣映射y值，以便每個遠處測量與每個近處測量引用相同的空間點。這涉及將遠處測量移位M個樣本yFarre-mapped(j)＝y(tǒng)Far(i+M)，i＝1...n-M其中n是最近可用數(shù)據(jù)值的索引。
然后在步驟214，使用所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)(其已經(jīng)被重新取樣、濾波、偏差校正和移位測量)來確定BHA 100隨后鉆探的方向。具體地說，人們(以x(i)，i＝1...n-M的形式)使用已被重新取樣、濾波、偏差校正和移位測量的值。此后，使用方程(1)和最小二乘法確定A和B(線性狀態(tài)變量的矩陣)。來自每個測量的輸入控制變量u(i)可以用作輸入值。
在步驟216，使用方程(11)估算v(i)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。具體地說，估算E(v(n))和E(v(n)·v(m))。
在步驟218構(gòu)造估算器。如在步驟214中，可以使用來自每個測量的輸入控制變量u(i)作為輸入值。在步驟218，通過遞歸地應(yīng)用以下方程來構(gòu)造狀態(tài)n-M+1...n的估算器。
x^(i+1)=[A(i)-K(i)·C(i)]·x^(i)+B(i)·u(i)+K(i)·y(i)---(13)]]>(當(dāng)y(i)不可用時，使用 y^(i)=C(i)·x^(i)---(14)]]>K(i)＝A(i)·P(i)·CT(i)·[C(i)·P(i)CT(i)+Rv(i)]-1(15)P(i)＝[A(i)-K(i)·C(i)]·P(i)·[A(i)-K(i)·C(i)]T+Rw(i)+K(i)·Rv(i)·K(i)T(16)P(0)＝Cov(x(0)，x(0)) (17)這些用于確定 在這些表示式中，Rv(i)是向量v(i)的相關(guān)矩陣，且Rw(i)是根據(jù)它們的統(tǒng)計數(shù)據(jù)估算的向量w(i)的相關(guān)矩陣。假定它們是準(zhǔn)靜態(tài)和對角的。如先前所述，不太可能會實現(xiàn)真實的對角線。建議利用所估算的協(xié)方差來試驗卡爾曼算法，而不用進行對角線化的嘗試。
一旦已經(jīng)使用上述遞歸而估算了由于遠處傳感器的滯后而導(dǎo)致遺漏的信息，可以再次從任何端點開始遞歸地應(yīng)用方程(13)-(17)，以作為控制變量的函數(shù)來規(guī)劃系統(tǒng)的行為。唯一的差別在于，在這種情況下，還使用卡爾曼方程來規(guī)劃y的值。
雖然已經(jīng)作為一系列不連續(xù)的步驟給出了上述方法，但是應(yīng)當(dāng)理解，上述步驟僅僅是本發(fā)明方法的一個示例，而且諸如重新排序步驟和/或替換一個或者多個方程之類的方法中的變化是可能的，且沒有背離本發(fā)明的精神和范圍。
如果期望在沿著井孔的點處，則在步驟220，上述計算的結(jié)果可以用來修改鉆探方向。換句話說，沿著鉆柱收集的信息可用于修改鉆探向量和/或用于修改用于引導(dǎo)鉆探活動的當(dāng)前模型(以形成更新的模型)。如先前所述，可以連續(xù)地發(fā)生鉆探模型的修改，或者在沿著井孔的離散間隔處(基于時間和/或距離)發(fā)生鉆探模型的修改。
在步驟222進行檢查，以確定鉆探(以及因此產(chǎn)生的井孔)是否完成了。如果是這樣的話，該方法通常在步驟222結(jié)束。否則，該方法回到步驟204并且繼續(xù)該方法。雖然可以沿著井孔不斷地重復(fù)這個處理過程，但是最好是在沿著井孔的離散間隔處進行路徑(course)校正。雖然僅僅在離散間隔處進行路徑校正可能導(dǎo)致比較長的鉆柱，但是這有利于避免連續(xù)的路徑校正。例如，離散的路徑校正經(jīng)常導(dǎo)致較不“卷曲”的井孔，其一旦被鉆開了就較容易使用。此外，在離散路徑校正之間的鉆探效率可能顯著高于利用被連續(xù)校正的鉆柱的鉆探效率。參見，例如2001年的SPE/IADC 67818，由Tom Gaynor等人所著的“Toruosity versus Micro-Tortuosity-Why Little Things Mean aLot”。
上述方法及其替換實施例可以實現(xiàn)為在例如通用計算機上的指令組。通用計算機尤其包括具有例如一個或多個中央處理單元的數(shù)字計算機。中央處理單元可以處于個人計算機、或者嵌入在BHP內(nèi)的微型控制器、或者某些其它設(shè)備或者設(shè)備組合中。用于實現(xiàn)本發(fā)明方法的通用計算機可以置于多個設(shè)備中或者與多個設(shè)備相連接(用于分散計算)，并且可以聯(lián)網(wǎng)、置于網(wǎng)格上、或者以單機方式執(zhí)行計算。用于實現(xiàn)本發(fā)明方法的計算機可以裝備有顯示屏幕用于向用戶輸出，和/或可以直接地連接到控制鉆探的特性和方式的控制元件。此外，實現(xiàn)本發(fā)明的方法的計算機系統(tǒng)包括輸入設(shè)備，該輸入設(shè)備使得用戶能夠向?qū)崿F(xiàn)設(shè)備給予指令、數(shù)據(jù)、或者命令，以便控制或者以別的方式使用該信息以及本發(fā)明可能具有的控制性能。實現(xiàn)本發(fā)明的計算機系統(tǒng)還可以備有系統(tǒng)存儲器、持久儲存性能、或者任何其它設(shè)備或者外設(shè)，它們可以連接到中央處理單元和/或計算機系統(tǒng)對其進行操作的網(wǎng)絡(luò)。最后，本發(fā)明中的方法可以以軟件、硬件、或者硬件和軟件的任何組合的形式實現(xiàn)。該軟件可以存儲在諸如致密盤(“CD”)、軟盤、數(shù)字多用途盤(“DVD”)、存儲棒等之類的機器可讀儲存介質(zhì)上。
本發(fā)明中的方法可以在圖3所示系統(tǒng)上實現(xiàn)。油井鉆探裝置300(為了便于理解而進行了簡化)包括井架305、井架平臺310、吊車315(由鉆繩和移動塊示意表示)、吊鉤320、旋轉(zhuǎn)接頭(swivel)325、方鉆桿330、轉(zhuǎn)臺335、鉆柱340、鉆環(huán)345、LWD工具或者多個工具350、以及鉆頭355。通過泥漿供給管線(未示出)將泥漿注入到旋轉(zhuǎn)接頭中。泥漿穿過方鉆桿330、鉆柱340、鉆環(huán)345、和(多個)LWD工具350，并且通過鉆頭355中的噴口或者噴嘴而排出。泥漿然后沿著鉆柱和井孔360的壁之間的環(huán)面向上流動。泥漿返回管線365從井孔360返回泥漿，并且將該泥漿循環(huán)到泥漿池(未示出)且回到泥漿供給線(未示出)。鉆環(huán)345、(多個)LWD工具350、和鉆頭355的組合被稱為井底鉆具組合(或者“BHA”)100(參見圖1a)。
多個井下傳感器模塊和井下可控制元件模塊370沿著鉆柱340分布，該分布取決于傳感器的類型或者井下可控制元件的類型。其它的井下傳感器模塊和井下可控制元件模塊375位于鉆環(huán)345或者LWD工具中。還有其它的井下傳感器模塊和井下可控制元件模塊380位于鉆頭380中。如下所述，并入井下傳感器模塊中的井下傳感器包括聲傳感器、磁傳感器、卡鉗(calipers)、電極、伽馬射線檢測器、密度傳感器、中子傳感器、磁傾角測量儀(dipmeters)、成像傳感器、及其他對測井和鉆井的傳感器。如下所述，并入井下可控制元件模塊中的井下可控制元件包括諸如聲換能器之類的換能器、或者諸如伽馬射線源和中子源之類的其它形式的發(fā)射機、以及諸如閥門、端口、閘、聯(lián)軸器、推進器、阻尼器(bumper subs)、可擴展穩(wěn)定器、可擴展?jié)L柱、可擴展底座等之類的致動器。
傳感器模塊和井下可控制元件模塊通過通信介質(zhì)390與地表實時處理器385進行通信。通信介質(zhì)可以是導(dǎo)線、電纜、波導(dǎo)管、光纖、或者任何其它允許高數(shù)據(jù)速率的介質(zhì)。在通信介質(zhì)390上的通信可以是使用例如以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信的形式，其中傳感器模塊和井下可控制元件模塊中的每一個可被分別尋址或者成群尋址。作為選擇，通信可以是點對點的。無論其采用什么形式，通信介質(zhì)390都提供了在井孔360中的設(shè)備和地表實時處理器之間的高速數(shù)據(jù)通信。
地表實時處理器385還具有經(jīng)由通信介質(zhì)390或者其它路由、與地表傳感器模塊和地表可控制元件模塊395的數(shù)據(jù)通信。如下所述并入到地表傳感器模塊中的地表傳感器包括，例如鉆壓傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器。如下所述，并入地表可控制元件模塊的地表可控制元件包括例如對于吊車315和轉(zhuǎn)臺335的控制。
地表實時處理器385還包括終端397，其可能具有從啞終端到工作站范圍的性能。終端397允許用戶與地表實時處理器385進行交互。終端397可以在地表實時處理器385的本地，或者它可以位于遠處，并且經(jīng)由電話、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)、其它網(wǎng)絡(luò)、或者這些的任意組合與地表實時處理器385進行通信。
如圖4中的系統(tǒng)的邏輯示意圖所述，通信介質(zhì)390提供了在地表傳感器和可控制元件395、井下傳感器模塊和可控制元件模塊370、375、380、以及地表實時處理器385之間的高速通信。在某些情況下，來自一個井下傳感器模塊或者可控制元件模塊405的通信可以通過另一個井下傳感器模塊或者井下可控制元件模塊410中繼。在兩個井下傳感器模塊或者井下可控制元件模塊405和410之間的鏈接可以是通信介質(zhì)390的一部分。類似地，來自一個地表傳感器模塊或者地表可控制元件模塊415的通信可以通過另一個井下傳感器模塊或者井下可控制元件模塊420中繼。在兩個井下傳感器模塊或者井下可控制元件模塊415和420之間的鏈接可以是通信介質(zhì)390的一部分。
通信介質(zhì)390可以是單條通信路徑或者可能超過一條。例如，一條諸如電纜的通信路徑可以將地表傳感器和可控制元件395連接到地表實時處理器385。諸如導(dǎo)線管的另一條通信路徑可以將井下傳感器和可控制元件395連接到地表實時處理器385。
通信介質(zhì)390在圖4上被標(biāo)記為“高速”。這個標(biāo)示表明通信介質(zhì)390以足夠高的速度操作，該速度足以允許基于來自地表傳感器和地表可控制元件的信號、通過地表實時處理器385對地表可控制元件和井下可控制元件的實時控制。通常，高速通信介質(zhì)390提供了以比泥漿遙測技術(shù)提供的速率大的速率進行的通信。在一些示例系統(tǒng)中，高速通信由導(dǎo)線管提供，其在存檔(filing)時能夠以大約1兆位/秒的速率傳輸數(shù)據(jù)。將來可以預(yù)期有顯著更高的數(shù)據(jù)速率，而且這也落入本公開和所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
圖5中說明了使用從井下傳感器和地表傳感器收集的數(shù)據(jù)而實時控制井下和地表的隨鉆測井操作的一般系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(多個)井下傳感器模塊505和(多個)地表傳感器模塊510。從(多個)井下傳感器模塊505收集原始數(shù)據(jù)，并且將該原始數(shù)據(jù)發(fā)送到地表(塊515)，其中該數(shù)據(jù)被存儲在地表原始數(shù)據(jù)存儲器520中。類似地，從(多個)地表傳感器模塊510收集原始數(shù)據(jù)，并將其存儲在地表原始數(shù)據(jù)存儲器520中。
然后實時處理來自地表原始數(shù)據(jù)存儲器520的原始數(shù)據(jù)(塊525)，并且將已處理的數(shù)據(jù)存儲在地表處理數(shù)據(jù)存儲器530中。已處理的數(shù)據(jù)用于生成控制命令(塊535)。在某些情況下，系統(tǒng)通過例如終端397向用戶540提供顯示，該用戶可以影響控制命令的生成?？刂泼钣糜诳刂凭驴煽刂圃?45和地表可控制元件550。
在很多情況下，控制命令產(chǎn)生改變或者以別的方式影響由井下傳感器和地表傳感器所檢測的東西，并因此改變它們產(chǎn)生的信號。這個從傳感器通過實時處理器到可控制元件并且返回到傳感器的控制回路允許對隨鉆測井操作的智能控制。在很多情況下，如下所述，控制回路的正確操作需要高速通信介質(zhì)以及實時地表處理器。
通常，高速通信介質(zhì)390允許將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降乇?，在那兒可以由地表實時處理器385處理該數(shù)據(jù)。地表實時處理器385隨后可以產(chǎn)生命令，這些命令可以傳輸?shù)骄聜鞲衅骱途驴煽刂圃杂绊戙@探儀器的操作。
將處理移動到地表并且消除如果不是全部也是大量的井下處理，在有些情況下有可能減少鉆柱的直徑，以產(chǎn)生比以別的方式產(chǎn)生的合理井孔直徑更小的井孔。這允許在更多種類的應(yīng)用和市場中使用給定井下傳感器套件(以及它們相關(guān)聯(lián)的工具或者其它載體)。
此外，將如果不是全部也是大量的處理定位在地表處減少了必須在鉆井時所遭遇的苛刻環(huán)境中操作的溫度敏感部件的數(shù)目。很少的部件可以在高溫下操作(高于大約200℃)，這些部件的設(shè)計和測試是非常昂貴的。因此，使用盡可能少的高溫部件是所期望的。
此外，將如果不是全部也是大量的處理定位到地表處提高了井下設(shè)計的可靠性，這是因為井下部分更少了。此外，這樣的設(shè)計允許一些公共元件并入到傳感器陣列中。一些部件的這種較高容量使用導(dǎo)致這些部件的成本降低。
圖6所述的示例傳感器模塊600至少包括一個或者多個傳感器設(shè)備605以及到通信介質(zhì)610的接口(相對于圖6和7對其進行了更詳細的描述)。在大多數(shù)情況下，每個傳感器設(shè)備605的輸出是模擬信號，而通常到通信介質(zhì)610的接口是數(shù)字的。提供了模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)615以進行這個轉(zhuǎn)換。如果傳感器設(shè)備605產(chǎn)生數(shù)字輸出或者如果到通信介質(zhì)610的接口可以通過通信介質(zhì)390傳輸模擬信號，則ADC 615不是必要的。
還可以包括微型控制器620。如果包括了，則微型控制器620管理示例傳感器模塊600中的一些或者所有其它設(shè)備。例如，若傳感器設(shè)備605具有諸如頻率響應(yīng)或者靈敏度之類的一個或多個可控制參數(shù)，則可以對微型控制器620進行編程以控制這些參數(shù)?；诎ㄔ诟接谖⑿涂刂破?20的存儲器中的可編程序，該控制可以是獨立的，或者該控制可以通過高速通信介質(zhì)390和到該通信介質(zhì)的接口610而遠程提供。作為選擇，如果不存在微型控制器620，則可以通過高速通信介質(zhì)390和到該通信介質(zhì)的接口610提供相同類型的控制。
傳感器模塊600還可以包括方位角傳感器625，其產(chǎn)生與傳感器模塊600的方位定向相關(guān)的輸出，因為傳感器模塊耦接到鉆柱，所以該模塊本身與鉆柱的方向相關(guān)聯(lián)。如果存在微型控制器620的話，則來自方位角傳感器625的數(shù)據(jù)由微型控制器620所編制(compiled)，并且通過到通信介質(zhì)的接口610和高速通信介質(zhì)390發(fā)送到地表。在向微型控制器620呈現(xiàn)該數(shù)據(jù)之前，可能需要對來自方位角傳感器625的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化。如果是這樣的話，將要為該目的而包括一個或多個附加的ADC(未示出)。在地表處，地表處理器385將方位角信息與其它與傳感器模塊600的深度相關(guān)聯(lián)的信息相結(jié)合，以標(biāo)識傳感器模塊600在地球中的位置。因為編制了該信息，所以地表處理器(或者一些其它處理器)可以編制井孔的良好地圖。
傳感器模塊600還可以包括陀螺儀630，其提供三個軸的方位信息，而不是由方位角傳感器625所提供的單軸信息。來自陀螺儀的信息以與如上所述、來自方位角傳感器的方位角信息相同的方式進行處理。
圖7所示的示例可控制元件模塊700至少包括致動器705和/或一個或者多個發(fā)射機設(shè)備710、以及到通信介質(zhì)的接口715。致動器705是如上所述的致動器之一，并且可以通過來自例如微型控制器720的信號的施加而激活，其中微型控制器720在功能方面類似于圖6所示的微型控制器620。發(fā)射機設(shè)備是響應(yīng)于模擬信號的施加而傳輸一種形式的能量的設(shè)備。發(fā)射機設(shè)備的示例為通過使壓電晶體變形而將模擬電信號轉(zhuǎn)換為聲能的壓電聲學(xué)發(fā)射機。在圖7所述的示例可控制元件模塊700中，微型控制器720生成驅(qū)動發(fā)射機設(shè)備710的信號。通常，微型控制器生成數(shù)字信號而且發(fā)射機設(shè)備由模擬信號所驅(qū)動。在那些情況下，需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器(“DAC”)725來把微型控制器720的數(shù)字信號輸出轉(zhuǎn)換為模擬信號，以驅(qū)動發(fā)射機設(shè)備710。
示例可控制元件模塊700可以包括方位角傳感器730或者陀螺儀735，其類似于上面在傳感器模塊600的描述中描述的那些。
到通信介質(zhì)的接口615、715可以采取各種形式。通常，到通信介質(zhì)的接口615、715是從例如(a)具有高溫耐受度的分立部件或者(b)從具有高溫耐受度的可編程邏輯器件(“PLD”)中構(gòu)造的簡單通信設(shè)備和協(xié)議。
上述計算機系統(tǒng)可以結(jié)合本發(fā)明的方法使用。本發(fā)明的方法可以歸納為可以在諸如計算機397之類的通用計算機上運行的指令組。該指令組可以包含可以與沿著鉆柱和/或BHP的一個或多個傳感器操作關(guān)聯(lián)的輸入例程。類似地，該輸入例程可以經(jīng)由諸如鍵盤、鼠標(biāo)、跟蹤球、或者其它輸入設(shè)備之類的一個或多個輸入設(shè)備而接受來自用戶的指令。該指令組還可以包括運行例程，該運行例程實現(xiàn)本發(fā)明的方法或者其任何部分，以生成例如更新的模型。該指令組可以包括輸出例程，其諸如通過監(jiān)視器、打印機、生成的電子文件、或者其它設(shè)備向用戶顯示諸如本發(fā)明的方法的結(jié)果之類的信息。類似地，該輸出例程可以與鉆柱及其他井孔儀器的控制元件操作關(guān)聯(lián)，以便指導(dǎo)鉆探操作或其任何部分。
為了說明和描述的目的，已經(jīng)給出了本發(fā)明的實施例的上述描述。上述描述不意欲窮舉發(fā)明、或者將本發(fā)明限制為所公開的精確形式。根據(jù)上述示教，許多修改和改變是可能的。本發(fā)明的范圍不意欲受到該詳細描述的限制，而是由附與此的權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1、一種鉆探井孔的方法，包括提供模型；基于該模型鉆探井孔的離散間隔；以及基于在鉆探期間獲得的數(shù)據(jù)而修改該模型，其中基于在鉆探期間獲得的數(shù)據(jù)而修改該模型的步驟包含分離磁力計數(shù)據(jù)和傾角計數(shù)據(jù)。
2、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為鉆柱旋轉(zhuǎn)模型。
3、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為扭矩/阻力/彎曲模型。
4、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為BHA動態(tài)模型。
5、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為地質(zhì)導(dǎo)向模型。
6、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為水力模型。
7、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為地質(zhì)力學(xué)模型。
8、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為孔隙壓力/破裂梯度模型。
9、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為SFIP模型。
10、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含在規(guī)則網(wǎng)格上對數(shù)據(jù)進行重新取樣。
11、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含對所觀測的數(shù)據(jù)進行濾波。
12、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含估算噪聲。
13、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含映射y值。
14、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含確定一個或多個線性狀態(tài)變量。
15、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含估算統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
16、如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含構(gòu)造估算器。
17、一種鉆探并孔的方法，包含提供模型；
基于所述模型鉆探井孔的離散間隔；基于在鉆探期間獲得的數(shù)據(jù)修改所述模型，其包括以下步驟分離磁力計數(shù)據(jù)和傾角計數(shù)據(jù)；在規(guī)則網(wǎng)格上對數(shù)據(jù)進行重新取樣；對所觀測的數(shù)據(jù)進行濾波；估算噪聲；映射y值；確定一個或多個線性狀態(tài)變量；估算統(tǒng)計數(shù)據(jù)；以及構(gòu)造估算器。
18、如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述模型為鉆柱旋轉(zhuǎn)模型。
19、如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述模型為扭矩/阻力/彎曲模型。
20、如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述模型為BHA動態(tài)模型。
21、如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述模型為地質(zhì)導(dǎo)向模型。
22、如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述模型為水力模型。
23、如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述模型為地質(zhì)力學(xué)模型。
24、如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述模型為孔隙壓力/破裂梯度模型。
25、如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述模型為SFIP模型。
26、一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其包含用于通用計算機的指令組，所述指令組包含與一個或多個傳感器操作關(guān)聯(lián)的輸入例程；用于實現(xiàn)更新方法的運行例程，其中該運行例程被構(gòu)造和布置為分離磁力計數(shù)據(jù)和傾角計數(shù)據(jù)；以及用于控制鉆探操作的輸出例程。
27、如權(quán)利要求27所述的存儲介質(zhì)，其中所述運行例程被構(gòu)造和布置為分離磁力計數(shù)據(jù)和傾角計數(shù)據(jù)；在規(guī)則網(wǎng)格上對數(shù)據(jù)進行重新取樣；對所觀測的數(shù)據(jù)進行濾波；估算噪聲；映射y值；
確定一個或多個線性狀態(tài)變量；估算統(tǒng)計數(shù)據(jù)；以及構(gòu)造估算器。
權(quán)利要求
1.一種鉆探井孔的方法，包括提供模型；基于該模型鉆探井孔的離散間隔；以及基于在鉆探期間獲得的數(shù)據(jù)而修改該模型。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為鉆柱旋轉(zhuǎn)模型。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為扭矩/阻力/彎曲模型。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為BHA動態(tài)模型。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為地質(zhì)導(dǎo)向模型。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為水力模型。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為地質(zhì)力學(xué)模型。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為孔隙壓力/破裂梯度模型。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模型為SFIP模型。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含分離磁力計數(shù)據(jù)和傾角計數(shù)據(jù)。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含在規(guī)則網(wǎng)格上對數(shù)據(jù)進行重新取樣。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含對所觀測的數(shù)據(jù)進行濾波。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含估算噪聲。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含映射y值。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含確定一個或多個線性狀態(tài)變量。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含估算統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包含構(gòu)造估算器。
18.一種鉆探井孔的方法，包含提供模型；基于所述模型鉆探井孔的離散間隔；基于在鉆探期間獲得的數(shù)據(jù)修改所述模型，其包括以下步驟分離磁力計數(shù)據(jù)和傾角計數(shù)據(jù)；在規(guī)則網(wǎng)格上對數(shù)據(jù)進行重新取樣。對所觀測的數(shù)據(jù)進行濾波；估算噪聲；映射y值；確定一個或多個線性狀態(tài)變量；估算統(tǒng)計數(shù)據(jù)；以及構(gòu)造估算器。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述模型為鉆柱旋轉(zhuǎn)模型。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述模型為扭矩/阻力/彎曲模型。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述模型為BHA動態(tài)模型。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述模型為地質(zhì)導(dǎo)向模型。
23.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述模型為水力模型。
24.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述模型為地質(zhì)力學(xué)模型。
25.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述模型為孔隙壓力/破裂梯度模型。
26.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述模型為SFIP模型。
27.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其包含用于通用計算機的指令組，所述指令組包含與一個或多個傳感器操作關(guān)聯(lián)的輸入例程；用于實現(xiàn)更新方法的運行例程；以及用于控制鉆探操作的輸出例程。
28.如權(quán)利要求27所述的存儲介質(zhì)，其中所述運行例程被構(gòu)造和布置為分離磁力計數(shù)據(jù)和傾角計數(shù)據(jù)；在規(guī)則網(wǎng)格上對數(shù)據(jù)進行重新取樣。對所觀測的數(shù)據(jù)進行濾波；估算噪聲；映射y值；確定一個或多個線性狀態(tài)變量；估算統(tǒng)計數(shù)據(jù)；以及構(gòu)造估算器。
全文摘要
公開了用于控制井孔鉆探的方法和系統(tǒng)。該方法采用可以使用用于局部區(qū)域的線性方程模擬非線性問題的假定。通用的濾波器可用于確定線性方程的系數(shù)。計算產(chǎn)生的結(jié)果可用于修改井孔的鉆探路徑。雖然該計算/修改處理可以連續(xù)地進行，但是最好是在沿著井孔的離散間隔處執(zhí)行該處理，以便最大化鉆探效率。
文檔編號G06F19/00GK1910589SQ200580002395
公開日2007年2月7日 申請日期2005年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月4日
發(fā)明者保羅·F·羅德尼, 羅納德·L·斯普羅斯 申請人:哈利伯頓能源服務(wù)公司