钻井工具面的闭环控制技术领域
所公开的实施例总体涉及用于在井下定向钻井作业期间维持定向控制
的方法，并且更特别地涉及用于确定随钻井下工具面偏移的方法。
背景技术
在钻地下井眼时，使用自动钻井方法已变得越来越常见。这些方法可
以基于多种井下反馈测量被用来例如控制钻井方向，这些测量例如随钻进
行的倾角和方位角测量，或随钻测井测量。
自动钻井方法(和一般定向钻井方法)的一个困难在于，定向钻井工
具呈现为向着偏离设定点方向的方向钻井(或转向)的趋势。例如，当设
定为直线向前钻一个水平井时，某些钻井工具可能具有下降倾斜(向下转
向)和/或向左或向右转向的趋势。更加困难的是，这些趋势可以受多个因
素的影响，并可在钻井作业期间不可预期地变化。影响该定向趋势的因素
可以包括，例如，地下岩层的属性、井底钻具组合(BHA)的结构、钻头
磨损、钻头/稳定器侧移，意外触点(例如，由于BHA的压缩和弯曲)、稳
定器与岩层的相互作用、导向工具使用的导向机构、以及多种钻井参数。
在当前的钻井作业中，钻井操作者通常通过评估发送到地面的井眼勘
测数据来校准所述定向趋势。通常在30至100英尺间隔上(例如，在静态
勘测站)对井眼的重力工具面执行地面计算。尽管这些技术是可用的，但
是有进一步改进的需求，特别是对于井下随钻自动适应(或校准)这些趋
势时。
发明内容
公开了一种用于控制地下钻孔的钻井工具面的井下闭环方法。该方法
包括随钻接收地下钻孔的参考及测量姿态，其中在上部勘测站测量所述参
考姿态，在下部勘测站测量所述测量姿态。在井下随钻处理(使用井下处
理器)所述参考姿态和所述测量姿态，以计算地下钻孔在上部与下部勘测
站间的角度变化量。将所述计算得到的角度变化量与预定阈值相比较。当
所述角度变化量小于该阈值时，可以不断重复该过程。当所述地下钻孔的
角度变化量大于或等于该阈值时，所述参考姿态及所述测量姿态在井下被
进一步处理为计算工具面角。所述工具面角然后可以被进一步处理为控制
所述地下钻孔的钻井方向。
所公开的实施例可以提供多种技术优势。例如，所公开的实施例为所
述钻井工具面提供了实时闭环控制。如此，所公开的方法可以提供改善的
井位和减少井眼弯曲。此外，通过提供闭环控制，所公开的方法易于改善
钻井效率和一致性。
提供本发明内容是为了引入一系列概念，其在下面的详细描述中进一
步描述。本发明内容不旨在标志所要求保护的主题的关键或必要特征，也
不旨在用于辅助限制所要求保护的主题。
附图说明
为了更加完全地理解所公开的主题及其优点，后面的描述与附图相结
合作为参照，其中；
图1描绘了可以利用所公开的实施例的一个示例性钻机。
图2描绘了图1所示的钻柱的BHA的下部。
图3在全局坐标参考系中描绘了导向参数和姿态图。
图4在全局坐标参考系中描绘了重力工具面和磁力工具面的图像。
图5描绘了一个所公开的用于获得钻井工具面的闭环方法实施例的流
程图。
图6描绘了一个控制器的实施例，其中通过图5所描绘的方法获得的
工具面角可以被该控制器处理为控制钻井方向。
图7描绘了一个级联控制器，其可以处理通过图5所描绘的方法获得
的工具面角，以驱动所述钻井工具至目标方位角。
具体实施方式
图1描绘了适于使用本文公开的多种方法和系统实施例的钻机10。半
潜式钻井平台12设置在位于海底16下方的含油或含气地层(未示出)上
方。海下管道18从平台12的台面20延伸到达井口装置22。该平台可包括
井架和用于升高和降低钻柱30的起重设备，如图所示，所述钻柱30延伸
进入钻孔40中且包括井底钻具组合(BHA)50。BHA50包括钻头32、导
向工具60(也被称为定向钻井工具)以及一个或多个井下导航传感器70，
例如包括三轴加速仪和/或三轴磁力仪的随钻测量传感器。所述BHA50可
进一步包括基本上任意其它合适的井下工具，例如井下钻井马达、井下遥
测系统、扩孔工具等。所公开的实施例并不限于这样的其它工具。
应该理解，BHA可包括基本上任意合适的导向工具60，例如，包括旋
转导向工具。本领域中已知多种旋转导向工具结构，包括用于控制钻井方
向的多种导向机构。例如，许多已有的旋转导向工具包括基本上不旋转的
外壳，该外壳采用与钻孔壁相接合的叶片。叶片与钻孔壁的接合旨在偏心
所述工具本体，从而，在钻井时将钻头指向或推向期望方向。在钻井期间，
布置于所述外壳中的旋转轴将旋转动力和轴向钻压传递至钻头。加速仪或
磁力仪组可以被布置于所述外壳中，从而相对于所述钻孔壁不可旋转或缓
慢旋转。
![]()
旋转导向系统(从斯伦贝谢公司获取)完全随着钻柱旋转
(即外壳随着钻柱旋转)。![]()
XceedTM使用一个不需与钻孔壁相接
触且使得工具本体能够完全随着钻柱旋转的内部导向机构。![]()
X5、X6和PowerDrive![]()
旋转导向系统使用与钻孔壁相接触的泥浆致
动叶片(或桨)。随着所述系统在钻孔中旋转，迅速并连续地调整叶片(或
桨)的伸缩。PowerDrive![]()
使用在铰接转节处与上部连接的下部导向
部。通过活塞主动倾斜所述转节，从而改变下部相对于上部的夹角，并在
底部钻具组合在钻孔中旋转时保持期望的钻井方向。加速仪和磁力仪组可
以随着钻柱旋转，或可以可选择地布置于内部滚动稳定外壳中，以便它们
基本保持静止(在偏置相位)或相对于钻孔缓慢旋转(在中立相位)。为了
钻一个期望的曲率，偏置相位和中立相位在钻井期间以预定速比(称为转
向比)相交替。再次，所公开的实施例并不限于使用任意特定的导向工具
结构。
井下传感器70可以包括基本上任意合适的传感器装置，用于进行井下
导航测量(钻孔倾斜度、钻孔方位角、和/或工具面测量)。这些传感器可
以包括，例如，加速仪、磁力仪、陀螺仪等。这些传感器装置是本领域公
知的，因此不再进一步详细描述。所公开的实施例并不限于使用任意特定
传感器的实施例或结构。用于对钻井倾斜度和钻孔方位角进行实时随钻测
量的方法被描述于，例如，共同被转让的美国专利公开第2013/0151157和
2013/0151158号中。在图示出的实施例中，传感器70被示为布置于导向工
具60中。该图示仅是为了方便起见，而传感器70可以布置于BHA中的任
意位置。
本领域技术人员应该理解，图1中示出的布置仅是个例。应该进一步
理解，公开的实施例并不限于使用图1上示出的半潜式平台12。所公开的
实施例同样非常适于使用任意类型的地下钻井作业，无论是海上或是陆上
的。
图2描绘了钻柱30的BHA的下部分，包括钻头32和导向工具60。
如参考图1所描述的，导向工具可以包括导航传感器70，包括三轴加速仪
和磁力仪导航传感器。合适的加速仪与磁力仪可以选自本领域公知的基本
上任意合适的可商业上获得的设备。图2进一步包括所述三轴加速仪和磁
力仪传感器组的图示。所谓三轴，是指每个传感器组包括三个相互垂直的
传感器，加速仪被表示为Ax，Ay和Az，所述磁力仪被表示为Bx，By和Bz。
按照惯例，指定一个右手坐标系，其中z轴加速仪和磁力仪(Az和Bz)被
定向为如所示的基本上平行于钻孔(尽管所公开的实施例并不限于该惯
例)。加速仪和磁力仪组中的每一个从而可以被认为是确定了一个平面(x
和y轴)以及一个极轴(沿BHA轴线的z轴)。
图3在全局坐标参考系中描绘了在第一及第二上部及下部勘测站82及
84的姿态图。BHA的姿态决定了BHA轴(在上部勘测站82是轴86，在
下部勘测站84是轴88)在三维空间中的定向。在井眼勘测应用中，井眼姿
态代表BHA轴在全局坐标参考系中的方向(并且通常被认为是大约等于钻
头的前进方向)。可以通过一个单位向量来表示姿态，其中所述向量的方向
通常由钻孔倾斜度和钻孔方位角来确定。在图3中，在上部及下部勘测站
82及84处的钻孔倾斜度被表示为Incup和Inclow，而钻孔方位角被表示为Aziup
和Azilow。角β表示钻孔在第一及第二勘测站82及84之间的总体角度变化
量。
图4在全局坐标参考系中描绘了在第二下部勘测站84处的另一个姿态
图及工具面。地球磁场和重力场被表示为91和92。钻孔倾斜度Inclow表示
轴88相对于垂直方向的偏移，而钻孔方位角Azilow表示轴88在水平面上的
投影相对于磁北极的偏移。重力工具面(GTF)是绕着一些工具部件的井
下工具的圆周相对于工具接箍(或钻孔)的高边(HS)的角偏移。在本公
开中，重力工具面(GTF)表示钻头正转向的方向与高边方向之间的角偏
移(例如，在滑动钻井作业中，所述重力工具面表示弯接头划线相对于高
边方向的角偏移)。磁力工具面(MTF)类似于GTF，但使用磁北极作为参
考方向。特别地，MTF是钻头转向的方向与磁北极之间在水平面内的角偏
移。
应该理解，所公开的实施例并不限于使用上文所述的惯例来定义图2、
3和4中所示的钻孔坐标。应该进一步理解，这些惯例可以影响下面公开的
某些数学方程的形式。本领域技术人员易于使用其它惯例并得到等价的数
学方程。
图5描绘了一种所公开的用于获取钻井工具面的闭环方法实施例100
的流程图。在102钻地下钻孔，例如，通过旋转一个钻柱，将钻井流体泵
送经过井下泥浆马达等。还可以驱动一个定向钻井工具(导向工具)来控
制钻井方向(钻井姿态)，并且从而导向所述钻头。在104接收参考姿态。
所述参考姿态可以包括，例如，预先测量的姿态。在106接收测量姿态。
所述参考和测量姿态可以包括使用基本上任意合适的井下传感器装置测得
的倾斜度和方位角值，所述传感器装置例如包括前述的加速仪、磁力仪和
陀螺仪传感器。所述参考姿态可以包括由上部勘测站获得的预先测量的姿
态，而所述测量姿态可以包括由下部勘测站获得的当前测量的姿态。
在108，处理所述参考和测量姿态，以计算所述钻孔在第一及第二勘测
站间的总体角度变化量β(参见图3)。然后在110将该角β与预定的阈值
相比较。当β小于该阈值时，该方法返回106，并接收随后的测量姿态(相
比先前所测量的姿态在时间上较后测量的姿态)，然后在108重新计算β。
在110，当β大于或等于该阈值时，在112进一步处理所述参考和测量姿态，
以计算钻头的工具面角(例如，GTF和/或MTF，即，钻头正转向的工具面
角)。然后在200进一步处理计算得到的工具面角以控制钻井方向，这在下
面参考图6和7详细描述。在114，重置所述参考姿态(在104最初接收的)，
以使其等于在106最近接收的测量姿态。该方法然后循环回到106并接收
另外的测量姿态，并然后在108重新计算β。
在106接收的姿态可使用例如静态和/或连续倾斜度和方位角测量技术
来测量。例如当暂停钻井来向钻柱添加新的立管时可以获得静态测量。例
如从使用本领域技术人员公知的技术对重力和磁场(图2中的Az和Bz)的
轴向分量的相应连续测量(例如，如美国专利公开第2013/0151157号中所
公开的，其全文通过参引方式纳入本文)可以获得连续测量。可以进一步
过滤所述连续倾斜度和方位角测量结果，以减少噪声影响。例如，合适的
数字滤波器可以包括一阶无限脉冲响应滤波器。这样的滤波技术对本领域
技术人员来说也是公知的，在此并不需要进一步描述。
在108例如可以如下处理所述参考和测量姿态来计算上部和下部勘测
站间的角β：
β＝arccos{cos(Inclow-Incup)-sin)Inclow)sin(Incup)[1-cos(Azilow-Aziup)]}(1)
其中Inclow和Azilow表示测量姿态(倾斜度及方位角)，Incup和Aziup表示参
考姿态(倾斜度和方位角)。假定在连续钻井作业中钻井的总体角度变化量
通常是很小的，当β很小时(例如，小于5度)，可以使用一个或多个下面
的近似：
β
=
(
Inc
l
o
w
-
Inc
u
p
)
2
+
s
i
n
(
Inc
l
o
w
)
s
i
n
(
Inc
u
p
)
(
Azi
l
o
w
-
Azi
u
p
)
2
-
-
-
(
2
)
]]>
β
=
(
Inc
l
o
w
-
Inc
u
p
)
2
+
sin
2
(
Inc
l
o
w
)
(
Azi
l
o
w
-
Azi
u
p
)
2
-
-
-
(
3
)
]]>
β
=
(
Inc
l
o
w
-
Inc
u
p
)
2
+
sin
2
(
Inc
u
p
)
(
Azi
l
o
w
-
Azi
u
p
)
2
-
-
-
(
4
)
]]>
当进行连续(随钻)姿态测量时，连续方位角测量的噪声通常比连续
倾斜度测量的噪声更大。这样，可以修改方程2-4使其包括加权系数AW来
减少噪声更大的方位角对总体角度变化量β的影响。
β
w
e
i
g
h
t
e
d
=
(
Inc
l
o
w
-
Inc
u
p
)
2
+
A
W
s
i
n
(
Inc
l
o
w
)
sin
(
Inc
u
p
)
(
Azi
l
o
w
-
Azi
u
p
)
2
-
-
-
(
5
)
]]>
β
w
e
i
g
h
t
e
d
=
(
Inc
l
o
w
-
Inc
u
p
)
2
+
AWsin
2
(
Inc
l
o
w
)
(
Azi
l
o
w
-
Azi
u
p
)
2
-
-
-
(
6
)
]]>
β
w
e
i
g
h
t
e
d
=
(
Inc
l
o
w
-
Inc
u
p
)
2
+
AWsin
2
(
Inc
u
p
)
(
Azi
l
o
w
-
Azi
u
p
)
2
-
-
-
(
7
)
]]>
其中加权系数AW在0至1范围内，并可以基于所述倾斜度和方位角值
中的噪音水平进行选择。在某些实施例中，加权系数AW可以在约0.1至约
0.5范围内(但所公开的实施例决不限于此)。有利地可以在井下计算机/处
理器上使用方程2-7，因为其减少了三角函数(其导致使用大量的运算资源)
的数量。
在110可使用基本上任意合适的阈值，例如，在约0.25至约2.5度范
围内。一般地，增加阈值将减少在112计算得到的工具面值误差。在一个
实施例中，使用0.5度的阈值可以得到约5-10度范围内的工具面误差。使
用1.0度的阈值可以有利地进一步减少该工具面误差。应该理解，阈值与正
在被钻的井眼段的曲率以及钻出的距离相关。例如，在井眼的曲率为5度
每100英尺时，0.5度的阈值对应于钻10英尺的距离。这样，图5中示出
的控制回路可以被认为实质上是深度域控制器。
应该进一步理解，例如可以在井下如下处理所测量的β值以获得钻进
速度ROP的近似：
R
O
P
=
β
Δ
t
·
D
L
S
-
-
-
(
8
)
]]>
其中，DSL表示正在被钻的钻孔部分的狗腿严重度(曲率)，而Δt表示
在第一及第二上部及下部勘测站进行测量之间经过的时间。该估算的钻进
速度ROP可以有利地被用于例如将连续勘测传感器测量投射至钻头(或钻
柱的其它位置)。应该理解，可以计算“静态”和/或基本上连续的钻进速
度ROP值。例如，当β超过该阈值时，在112可以计算静态钻进速度ROP。
例如，当在108计算β从而给出了接近瞬时钻进速度时，可以计算基本上
连续钻进速度ROP。可以可选择地过滤此接近瞬时钻进速度，例如，使用
滚动平均窗口或其它过滤技术。
在112例如可以如下进一步处理所述参考及测量姿态，以计算GTF或
MTF角：
G
T
F
=
arctan
[
s
i
n
(
Inc
l
o
w
)
s
i
n
(
Azi
l
o
w
-
Azi
u
p
)
c
o
s
(
Inc
u
p
)
s
i
n
(
Inc
l
o
w
)
c
o
s
(
Azi
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w
-
Azi
u
p
)
-
sin
(
Inc
u
p
)
c
o
s
(
Inc
l
o
w
)
]
-
-
-
(
9
)
]]>
M
T
F
=
arctan
[
cos
2
(
Inc
u
p
)
sin
(
Inc
l
o
w
)
sin
(
Azi
l
o
w
)
-
sin
(
Inc
u
p
)
cos
(
Inc
u
p
)
sin
(
Azi
u
p
)
cos
(
Inc
l
o
w
)
+
sin
2
(
Inc
u
p
)
sin
(
Inc
l
o
w
)
cos
(
Azi
u
p
)
sin
(
Azi
l
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w
-
Azi
u
p
)
cos
2
(
Inc
u
p
)
sin
(
Inc
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)
cos
(
Azi
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)
-
sin
(
Inc
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)
cos
(
Inc
u
p
)
cos
(
Azi
u
p
)
cos
(
Inc
l
o
w
)
-
sin
2
(
Inc
u
p
)
sin
(
Inc
l
o
w
)
sin
(
Azi
u
p
)
sin
(
Azi
l
o
w
-
Azi
u
p
)
]
-
-
-
(
10
)
]]>
基于β很小(例如小于约5度)的假设，可以例如如下计算近似GTF：
G
T
F
=
arctan
(
(
Azi
l
o
w
-
Azi
u
p
)
sin
(
Inc
u
p
)
Inc
l
o
w
-
Inc
u
p
)
-
-
-
(
11
)
]]>
类似地，当在上部及下部勘测站间的钻孔倾斜度较小(例如小于约5
度)时，可以例如如下计算近似MTF：
M
T
F
=
arctan
(
s
i
n
(
Inc
l
o
w
)
s
i
n
(
Azi
l
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-
s
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(
Inc
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Azi
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p
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Inc
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Azi
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o
w
)
-
sin
(
Inc
u
p
)
c
o
s
(
Azi
u
p
)
)
-
-
-
(
12
)
]]>
方程11和12需要不太多的海量运算，从而当在井下控制器中执行所
公开的方法时可以是有利的。应该理解，可以可替换地(和/或另外)使用
其它已知的数学关系来计算MTF和/或GTF，例如，使用倾斜度及磁倾角
或倾斜度、方位角以及磁倾角。这样的数学关系公开于例如美国专利第
7243719号及美国专利公开第2013/0126239号中，每一个的全部内容通过
参引方式纳入本文。
可以将所计算的工具面值与工具面设定值相比较，以便随钻基本上实
时地计算工具面偏差值(设定值与实际测量值间的误差或偏差)。可以进一
步处理工具面偏差值以获得定向钻井系统的传递函数。可以结合各种钻井
和BHA参数(例如地层类型、钻进速度、BHA结构等)进一步求该传递
函数的值，以评估该钻井系统的性能。
图6描绘了控制器200的一个实施例，通过其可以处理工具面角以控
制钻井方向。在202将从方法100获得的工具面角与工具面设定值(例如，
由钻井操作者设定的期望工具面角)相结合，以获得工具面误差。所述工
具面误差可以依次在204与先前的工具面校正值相结合以获得当前工具面
校正值，然后该当前工具面校正值在206进一步与工具面设定值相结合以
获得工具面参考值。应该理解，图6中示出的控制结构在功能上类似于用
于改变工具面设定值的比例积分(P+I)控制器(P增益为1)，并且当响应
于工具面扰动时类似于仅积分控制器。所公开的实施例当然并不限于任何
特定类型的控制器。例如，可以使用诸如比例控制器、比例微分控制器或
比例积分微分控制器的其它控制器。还可以使用非经典控制器，例如模型
预测控制器、模糊控制器等。
图7描绘了一个级联控制器200′，其可以处理通过方法100获得的工
具面角，以驱动所述钻井工具至目标方位角。所示的控制器包括一个P+I
外闭环220来驱动钻井周期勘测方位角至由钻井操作者向下传递的目标方
位角，以及一个P+I内半环240来驱动所测量的工具面(MTF或GTF)至
目标方位角。在注入之初(例如在自动钻井作业之初)，期望终止(关闭)
外环220以允许通过设定增益kpAzi和kiAzi等于0来调谐内环240。
在外环220中，目标方位角targetAzi在222与从方法100测得的方位角
cAzi相结合，以获得方位角误差信号：e1[n]＝targetAzi-cAzi。所述方位角误
差信号在224进一步与测量倾斜度ksin(cInc)的加权值相结合，以获得加权
方位角误差信号：e'1[n]＝e1[n]·k·sin(cInc)。在226及228计算加权方位角误
差信号的比例及积分增益，并在230将此增益相结合，以获得钻井的目标
工具面：
t
arg
e
t
T
F
=
k
p
A
z
i
·
e
′
1
[
n
]
+
k
i
A
z
i
·
Σ
1
n
e
′
1
[
n
]
.
]]>该目标工具面可以是GTF或
MTF，并且例如基于井眼的倾斜度可以在235自动(或手动)选择。
在内环240，计算目标GTF或目标MTF并输入到控制钻井方向的控制
单元260中。当MTF/GTF开关235设为选择GTF时，井眼的目标工具面
targetTF在242与从方法100获得的GTF相结合，以获得GTF误差信号：
e3[n]＝targetTF-GTF。在244及246计算GTF误差信号的比例和积分增益，
并在248将此增益相结合，以获得控制单元的目标GTF：
t
arg
e
t
G
T
F
=
k
p
G
T
F
·
e
3
[
n
]
+
k
i
G
T
F
·
Σ
1
n
e
3
[
n
]
.
]]>当MTF/GTF开关235设为选择MTF
时，钻井的目标工具面targetTF在252与从方法100获得的MTF相结合，
以获得MTF误差信号：e2[n]＝targetTF-MTF。在254及256计算MTF误
差信号的比例和积分增益，并在258将此增益相结合，以获得控制单元的
目标MTF：
t
arg
e
t
M
T
F
=
k
p
M
T
F
·
e
2
[
n
]
+
k
i
M
T
F
·
Σ
1
n
e
2
[
n
]
.
]]>
本文所公开的方法被配置为通过布置于井下(例如，在导向/定向钻井
工具中)的一个或多个控制器在井下执行。合适的控制器可以包括，例如，
诸如微处理器或微控制器的可编程处理器，以及体现逻辑的处理器可读或
计算机可读程序代码。可以使用合适的处理器例如来执行以上参考图5、6、
7以及相应公开的数学方程所描述的方法实施例。合适的控制器还可以可选
地包括其他可控制部件，例如传感器(例如深度传感器)、数据存储装置、
电源、计时器等等。控制器还可布置成与姿态传感器电通信(例如接收连
续倾斜度及方法角测量结果)。合适的控制器还可以可选地与钻柱中的其他
仪器通信，诸如例如与地面通信的遥测系统。合适的控制器还可以可选地
包括易失或非易失存储器或数据存储装置。
继续参见图7，所公开的实施例可以进一步包括井下导向工具，其具有
井下导向工具本体，用于控制钻地下钻孔方向的导向机构以及用于测量地
下钻孔的姿态的传感器。所述导向工具可以进一步包括井下控制器，其包
括(i)具有指令(如图5中的方法100)的工具面模块，所述指令用于处
理从传感器获得的姿态测量结果，以获得钻井工具面，(ii)具有指令的外
部控制环，所述指令用于处理从传感器获得的姿态测量结果及目标方位角
以获得目标工具面，(iii)具有指令的内环，所述指令用于处理钻井工具面
及目标工具面以获得误差信号，以及(iv)包括指令的控制单元目标，所
述指令用于处理所述误差信号以获得用于导向机构来控制钻井方向的指
令。
尽管已经详细公开了钻井工具面闭环控制及其某些优点，但是应该理
解，在不脱离由所附权利要求所限定的本公开的精神和范围的前提下，本
文可以进行各种改变、替代及更换。