自动化井筒轨迹控制发明背景
本发明大体上涉及定向钻井方法，尤其是针对用于生产烃类产品的井。更具体地，
本发明涉及用于执行可转向钻探工具的自动化控制以沿着计划轨迹钻井的方法和系统。
在钻探操作开始时，钻探人员通常建立钻探计划，所述钻探计划包括目标位置以
及通向所述目标位置的钻探路径。在钻探操作期间，实际井筒轨迹由于未预期的原因而偏
离计划的井路径并非是罕见的。必须采取使井筒轨迹回到期望路径的措施。这种偏差校正
机制对于任何钻井操作来说都是至关重要的。
附图简述
本发明的说明性实施方案在以下参考附图进行详细描述，所述附图以引用的方式
并入本文中并且其中：
图1是示出根据本公开方面的用于井筒轨迹控制的比例积分微分控制器的反馈信
号的图解。
图2示出根据本公开方面的利用用于确定实时路径数据的随钻测量组件的井的示
意图。
图3示出根据本公开方面的具有用于确定实时路径数据的电缆或电缆地层测试组
件的井的示意图。
图4示出根据本公开方面的利用用于确定实时路径数据的随钻测井组件的海底井
的示意图。
图5是示出根据本公开方面的控制系统的一个实施方案的框图。
图6是描绘根据本公开方面的用于执行自动化轨迹控制的方法的流程图。
图7是描绘根据本公开方面的实际钻探路径与计划钻探路径之间的趋向角度与偏
差矢量长度的图解。
图8是描绘根据本公开方面的最低能量算法/求解程序过程的流程图。
所示附图仅是示例性的，而不旨在主张或暗示对其中可实现不同实施方案的环
境、架构、计划或方法的任何限制。
详述
本发明大体上涉及定向钻井方法，尤其是针对用于生产烃类产品的井。更具体地，
本发明涉及用于执行可转向钻探工具的自动化控制以沿着计划轨迹钻井的方法和系统。
本文详细描述本公开的说明性实施方案。为了清晰起见，并非实际实现方式的所
有特征都在本说明书中进行描述。当然应该理解的是，在任何这种实施方案的开发中，必须
做出许多实现特定的决定以获得特定的实现目标，这些目标因不同的实现而不同。此外，应
该理解的是，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但是仍将是受益于本公开的本领域一般
技术人员的常规任务。
此外，如本文所使用的术语“联接(couple)”或“联接(couples)”旨在意指间接或
直接连接。因此，如果第一装置联接到第二装置，所述连接可以是通过直接连接或通过借由
其他装置和连接进行的间接电气或机械连接。如本文所使用的术语“上游”意指沿着流动路
径朝向流动源，并且如本文所使用的术语“下游”意指沿着流动路径远离流动源。如本文所
使用的术语“井上”意指沿着钻柱或孔从远端朝向表面，并且如本文所使用的术语“井下”意
指沿着钻柱或孔从表面朝向远端。
将理解，术语“油井钻探设备”或“油井钻探系统”不旨在将用这些术语所描述的设
备和过程的使用限制为钻探油井。术语还大体上包括对天然气井或烃类井进行钻探。另外，
此类井可用于与从地下开采烃类或其他物质有关的生产、监控、或注入。这还可以包括地热
井，所述地热井旨在提供热能而非烃类的源。
为达本公开的目的，信息处理系统可包括任何仪器或仪器机组，所述任何仪器或
仪器机组可操作来计算、分类、处理、传输、接收、检索、创始、转换、存储、显示、表明、检测、
记录、复制、处理或利用任何形式的商业、科学、控制或其他用途的信息、情报或数据。例如，
信息处理系统可以是个人计算机、网络存储装置或任何其他合适的装置，并且在尺寸、形
状、性能、功能性和价格方面可不同。信息处理系统可包括随机存取存储器(“RAM”)、一个或
多个处理源(诸如中央处理单元(“CPU”)或硬件或软件控制逻辑)、ROM和/或其他类型的非
易失性存储器。信息处理系统还可包括微控制器，所述微控制器可以是单个集成电路上的
小型计算机，所述单个集成电路包含处理器核心、存储器和可编程输入/输出外围设备。信
息处理系统的附加部件可包括一个或多个磁盘驱动器、用于与外部装置通信的一个或多个
网络端口，以及各种输入和输出(“I/O”)装置，诸如键盘、鼠标和视频显示器。信息处理系统
还可包括可操作地在各种硬件组件之间传输通信的一个或多个总线。
为达本公开的目的，计算机可读介质可包括可在一个时间段内保留数据和/或指
令的任何仪器或仪器机组。计算机可读介质可包括但不限于，例如，存储介质(诸如直接存
取存储装置(例如，硬盘驱动器或软盘驱动器))、按序存取存储装置(例如，磁带磁盘驱动
器)、光盘、CD-ROM、DVD、RAM、ROM、电可除程序化只读存储器(“EEPROM”)和/或闪速存储器；
以及通信介质，诸如电线。
为了促进更好理解本公开，给出某些实施方案的以下实例。以下实例决不应被理
解为限制或限定本公开的范围。本公开的实施方案可适用于任何类型地下地层中的水平、
垂直、偏斜、多边、U形管连接、交叉、绕开(钻探被卡住的落物周围并且返回井下)或其他非
线性井筒。实施方案可应用于注入井和生产井，包括自然资源生产井诸如硫化氢、烃类或地
热井；以及用于过河隧道的钻孔建设和其他用于近表面建设目的或用于流体(诸如烃类)输
送的u形管的管道的其他这样的隧道钻孔。以下关于一个实现方式所描述的实施方案不旨
在具有限制性。
如上所述，在钻探过程期间，实际井筒轨迹由于未预期的原因而偏离计划路径并
非是罕见的。目前，常规的井筒轨迹控制方法使用比例积分微分(PID)控制器进行井筒轨迹
控制。PID控制器计算“误差”值，即测定的过程变量与期望的设置点之间的差值。控制器尝
试通过调整过程控制输出来使错误最小化。在PID方法中，反馈信号是带有比例项、积分项
和微分项的函数。信号在返回到如图1的信号101所指示的期望值之前通常波动。在井下钻
探中，期望的是避免轨迹波动。为了实现如图1所指示的平稳信号校正102，必须谨慎调谐比
例项、积分项和微分项的系数。然而，使用PID方法难以实现或获得平稳控制信号102，因为
预调谐的系数可能由于井下操作条件改变而不发挥作用。
因此，公开的实施方案呈现了可以替换或修改常规PID控制器以实现用于执行自
动化井筒轨迹控制的最低井筒能量方法的系统、方法或计算机程序产品。公开的实施方案
可使用校正路径在实际井筒轨迹路径与计划井筒轨迹路径之间做出校正，所述校正路径满
足连接约束并且可包括样条、悬重、圆弧或回旋曲线。公开的实施方案可任选地在模型预测
控制器而不是PID型控制器上实现。
根据所公开的实施方案，可以使用通过电缆传递到井下的工具或者可替代地使用
联接到或者整合到钻机的钻柱中的工具来执行信息收集。如以下将参考附图进一步描述
的，电缆传递的工具从电缆悬吊下来，所述电缆电连接到井的表面处的控制和测井设备。可
以通过首先移除钻柱并且接着将电缆和工具下放到地层内的相关区域来部署所述工具。这
种类型的测试和测量经常称作“电缆地层测试(WFT)”。与WFT相关联的工具可用来测量地层
和井筒流体的压力和温度。
在某些实施方案中，代替电缆部署，将测量工具联接到钻柱或者与钻柱整合在一
起。在这些情况中，避免了在测量重要地层性质之前移除钻柱的附加费用和时间。“随钻测
量(MWD)”的这个过程使用测量工具以确定地层和井筒的温度和压力，以及钻头的轨迹和位
置。“随钻测井(LWD)”工艺使用工具来确定诸如渗透性、孔隙度、电阻率以及其他特性的另
外地层特性。通过MWD和LWD获得的信息使得能够做出实时决定以改变正在进行的钻探操
作。
图2-4示出井系统的若干示例性实施方案，在所述井系统中可利用所公开的实施
方案。例如，以图2开始，呈现了根据公开的实施方案的利用用于确定实时路径数据的随钻
测量组件的井102的示意图。在所描绘的实施方案中，井102被示出处在岸上，其中一组测量
工具170部署在底孔组件(BHA)114中。井102包括从井102的表面108延伸到或通过地下地层
112的井筒104。井102由钻探过程形成，其中钻头116通过从钻头116延伸到井102的表面108
的钻柱120转动。钻柱120可由具有不同或类似横截面的一个或多个连接的管道或管组成。
钻柱可以是指作为单个部件的管道或管的集合，或者可替代地是指包括所述柱的单个管道
或管。术语钻柱不意图在本质上进行限制，并且可指能够将旋转能量从井的表面转移到钻
头的任何一个或多个部件。在若干实施方案中，钻柱120可以包括中心通道，所述中心通道
纵向地设置在钻柱中并且能够允许井的表面与井下位置之间的流体连通。
在井的表面108处或附近，钻柱120可包括方钻杆128或者联接到方钻杆128。方钻
杆128可具有方形、六边形或八边形的横截面。方钻杆128在一端处连接到钻柱的其余部分，
并且在相反端处连接到旋转接头132。方钻杆穿过旋转台136，所述旋转台136能够旋转方钻
杆以及因此旋转钻柱120的其余部分和钻头116。旋转接头132允许方钻杆128在不将旋转运
动施加到旋转接头132的情况下旋转。挂钩138、缆线142、游车(未示出)和升降机(未示出)
被提供来升起或降低钻头116、钻柱120、方钻杆128以及旋转接头132。方钻杆和接头可以根
据需要提升或者下放，以随着钻头116的推进而将管件的附加部段增加到钻柱120，或者如
果期望从井102移除钻柱120和钻头116，则从钻柱120移除管件的部段。
贮水池144被定位在表面108并且在钻探操作期间容纳用于传递到井102的钻探泥
浆148。供应线152在贮水池144与钻柱120的内通道之间被流体地联接。泵156在钻探期间驱
动流体通过供应线152以及井下以便润滑钻头116，并且从钻探过程携带岩屑返回表面108。
在行进到井下之后，钻井泥浆148通过钻柱120与井筒104之间形成的环空160来返回到表面
108。在表面108，钻探泥浆148通过返回线164返回到贮水池144。钻探泥浆148在再循环通过
井102之前可被过滤或者以其他方式被处理。
在一个实施方案中，所述组测量工具170定位在井下以测量、处理并且传送与地下
地层112的物理特性有关的数据，所述物理特性诸如，但不限于渗透性、孔隙度、电阻率以及
其他特性。测量工具170还可以提供与钻探过程或井下发生的其他操作有关的信息。在一些
实施方案中，由所述组测量工具170测量和收集的数据可以包括但不限于压力、温度、流量、
加速度(地震和声学)、应变数据以及钻头116的位置和轨迹数据。
所述组测量工具170可以包括通过螺纹、联接件、焊接件或其他手段彼此联接的多
个工具部件。在图3中所描绘的说明性实施方案中，所述组测量工具170包括收发器单元
172、功率单元174、传感器单元176、泵单元178以及样品单元180。单个部件各自可以包括电
子控制器件诸如处理器装置、存储器装置、数据存储装置以及通信装置，或者可替代地可以
提供集中控制单元，所述集中控制单元与单个部件中的一个或多个通信并且控制所述一个
或多个。
收发器单元172能够与控制系统100或者井102的表面108之处或附近的类似设备
通信。收发器单元172与控制系统100之间的通信在以下情况下可以是有线的：钻柱120是有
线的，或者电缆评价系统被部署。可替代地，收发器单元172和控制系统100可以使用泥浆脉
冲遥测技术、电磁遥测技术或者任何其他适合的通信方法来无线地通信。通过收发器单元
172传输的数据可以包括但不限于，如上所述由所述组测量工具170的各种部件所测量的传
感器数据或其他信息。
功率单元174可以通过循环通过井的流体或者在井下闭环液压回路中循环或加压
的流体来液压地供电。或者，单元174可以是电动力单元、电机械动力单元、气动动力单元或
者能够利用用于转移到动力设备的能量的任意其他类型的动力单元。功率单元174可以向
与所述组测量工具170相关联的部件中的一个或多个，或者可替代地向一个或多个其他井
下装置提供功率。例如，在一些实施方案中，功率单元174可以向泵单元178提供功率。与泵
单元178相关联的一个泵可以用来在所述组测量工具170的部件内或之间移动流体，如以下
更详细地解释。
传感器单元176还可以从功率单元174接收功率，并且可以含有多个传感器诸如压
力传感器、温度传感器、地震传感器、声学传感器、应变仪、倾斜仪或其他传感器。此外，样品
单元180可以收集地下地层112或者储层流体的样品(通常为烃)以用于实现对钻探操作和
生产潜力的进一步评估。
如进一步将描述的，由所述组测量工具170在钻探过程中收集的信息允许控制系
统100更新用于在钻探路径中自动做出调整的概率模型。
虽然所述组测量工具170在图2中被示出为钻柱120的一部分，但在如图3中所描绘
的其他实施方案中，所述组测量工具170可以通过使电缆通过钻柱120的中心通道，或者直
接通过井筒104(如果钻柱120不存在的话)而下放到井中。在这个实施方案中，所述组测量
工具170可以替代地部署为电缆组件115的一部分，所述电缆组件115是在岸上或离岸。电缆
组件115包括用于提升电缆组件115的井下部分并且将所述井下部分下放到井内的绞车
117。
仍然在另一实施方案中，如在图4中所描绘，控制系统100和所述组测量工具170可
以类似地部署在通过固定的或浮动的平台121进入的海底井119中。
图5为示出用于实现所公开的实施方案的特征和功能的控制系统100的一个实施
方案的框图。除了其他部件，控制系统100包括处理器1000、存储器1002、次级存储单元
1004、输入/输出接口模块1006以及通信接口模块1008。处理器1000可以是能够执行用于执
行所公开实施方案的特征和功能的指令的任何类型或任何数目的单核处理器或多核处理
器。
输入/输出接口模块1006使得控制系统100能够接收用户输入(例如，来自键盘以
及鼠标)，并且向一个或多个装置诸如但不限于打印机、外部数据存储装置以及音频扬声器
输出信息。控制系统100可以任选地包括单独的显示模块1010以使得信息能够显示在集成
的或外置的显示装置上。例如，显示模块1010可包括用于提供与一个或多个显示装置相关
联的增强图形、触摸屏和/或多触摸功能的指令或硬件(例如，图形卡或芯片)。
主存储器1002是易失性存储器，其存储当前正在执行的指令/数据或者预提取用
于执行的指令/数据。次级存储单元1004是用于存储持久性数据的非易失性存储器。次级存
储单元1004可以是或者包括任何类型的内部或外部数据存储部件诸如硬盘驱动器、闪存驱
动器或存储卡。在一个实施方案中，次级存储单元1004存储计算机可执行代码/指令以及用
于使用户能够执行所公开实施方案的特征和功能的其他相关数据。
例如，根据所公开的实施方案，除了其他数据，次级存储单元1004可永久地存储自
动化井筒轨迹控制算法1020的可执行代码/指令等，如将在文中进一步描述。与自动化井筒
轨迹控制算法1020相关联的指令在处理器1000执行期间从次级存储单元1004加载到主存
储器1002，以用于执行所公开的实施方案的特征。在一些实施方案中，次级存储单元1004还
可以包括与地层/贮水层建模应用程序相关联的可执行代码/指令，所述地层/贮水层建模
应用程序诸如但不限于可从Landmark Graphics Corporation获得的![]()
地
球建模软件1022，以便于帮助控制井筒轨迹。
通信接口模块1008使得控制系统100能够与通信网络1030通信。例如，网络接口模
块1008可以包括用于使得控制系统100能够通过通信网络1030和/或直接向其他装置发送
数据或从其接收数据的网络接口卡和/或无线收发器。
通信网络1030可以是包括以下网络中的一个或多个的组合的任何类型的网络：广
域网，局域网，一个或多个专用网络，互联网，诸如公共交换电话网(PSTN)的电话网络、一个
或多个蜂窝网络以及无线数据网络。通信网络1030可包括多个网络节点(未示出)，诸如路
由器、网络接入点/网关、开关、DNS服务器、代理服务器以及用于协助装置之间的数据/通信
的路由的其他网络节点。
例如，在一个实施方案中，控制系统100可以与一个或多个服务器1034或者数据库
1032交互以用于执行所公开的实施方案的特征。例如，控制系统100可以根据所公开的实施
方案查询数据库1032的钻井记录信息或其他地球物理数据，以用于生成地层和储层的初始
模型。此外，在某些实施方案中，控制系统100可以用作用于一个或多个客户端装置的服务
器系统，或者用于与一个或多个装置/计算系统(例如，集群、栅格)对等通信或者并行处理
的对等系统。
此外，控制系统100可以根据所公开的实施方案将数据诸如控制数据传送至收发
器单元172，以指导所述组测量工具170的各种部件的操作，和/或以基于概率模型的变化来
改变钻井路径的方向。如上所述，控制系统100还被配置来在钻探过程期间接收所述组测量
工具170的实时测量数据以用于执行自动化井筒轨迹控制，如本文所述。
另外，在某些实施方案中，控制系统100与收发器单元172之间的通信路径可以包
括一个或多个中间件装置。例如，在一些实施方案中，控制系统100可以是通过通信网络
1030与定位在井场处的本地系统进行通信的远程系统，所述本地系统与收发机单元172处
于直接通信。在其他实施方案中，与定位在井场处的本地系统通信不同，收发器单元172可
以与定位在通信网络1030上的一个或多个装置直接通信。
现在参考图6，呈现了流程图，所述流程图示出用于执行自动化井筒轨迹控制以在
实际井筒轨迹路径与计划井筒轨迹路径之间进行校正的过程600的实施方案。过程600可由
如上所述的控制系统实现，或者在具有存储器、逻辑和至少一个处理器的PID或模型预测控
制器上实现，所述至少一个处理器用于执行指令、执行过程600的操作。
过程600通过从表面计算机传感器605和定向传感器603(如以上参考图2-5所描述
的)接收实时路径数据而开始于步骤602。所接收的实时路径数据的实例包括但不限于测定
深度(MDA)、沿着南北方向的水平偏差(XA)、沿着东西方向的水平偏差(YA)、真垂直深度
(ZA)、倾角(αA)、方位角![]()
以及工具面角。下标A指示，在部位/位置A处采用参数。此外，步
骤601处的过程接收计划路径的参数/数据，包括但不限于MDB、XB、YB、ZB、αB、![]()
产油区位置
以及最大狗腿严重度。下标B指示，参数是指部位B。
在步骤604处，过程确定实际钻探路径/轨迹706与计划钻探路径/轨迹708之间的
趋向角度702和偏差矢量长度704(如图7所示)。在步骤606处的过程基于趋向角度702和偏
差矢量长度704来确定实际钻探路径706是否已经偏离了计划钻探路径708。例如，在某些实
施方案中，偏差阈值参数可由钻探操作员设定来确定实际钻探路径706是否已经偏离了计
划钻探路径708。以这种方式，钻探操作员可配置系统，使得设定公差范围内的较小偏差不
涉及以下讨论的用于确定校正路径的步骤。
如果过程确定实际钻探路径706未偏离计划钻探路径708，则过程返回到步骤602
并且用更新的实时钻探路径数据进行重复。然而，如果过程确定实际钻探路径706已经偏离
了计划钻探路径708，则过程在步骤608处确定实际钻探路径706是否已经偏离了校正路径。
校正路径是由过程先前确定的可使实际钻探路径706与计划钻探路径708相一致的路径。如
果过程确定实际钻探路径706未偏离校正路径，则过程返回到步骤602并且用更新的实时钻
探路径数据进行重复。
然而，如果过程确定实际钻探路径706已经偏离了校正路径或者实际钻探路径706
当前不在校正路径上(例如，当过程先前设想实际钻探路径706与计划钻探路径708对准的
情况，可能会发生这种状况)，则过程在步骤610处接收校正约束并且在子程序612处执行最
低能量算法/求解程序，以确定具有最低增量井筒能量的校正路径的参数。校正路径是这样
的钻探路径：从实际钻探路径706的端部连接到计划钻探路径708上的目标交点，从而可在
计划钻探路径上重新开始钻探。如本领域技术人员应理解的，具有本公开的益处的本发明
的方法和系统不限于任何特定类型的校正约束。因此，校正约束在不背离本公开范围的情
况下可以是本领域技术人员已知的任何合适类型的校正约束。
基于以下等式(假设轨迹校正开始于ΔDn-1)来确定用于校正路径的归一化井筒能
量：
![]()
![]()
κi＝P/ΔDi＝arccos(cosΔφisinαi-1sinαi+cosαicosαi-1)/ΔDi
或![]()
αi＝αi-1+καiΔDi，Δφi＝κφiΔDi
对于i＝1，2，...，n-2，其中καi和κφi已知；
对于i＝n-1，n，ΔDi，其中καi和κφi未知
其中Di是测定深度，αi-1是倾角，αi是新倾角，β是总的角变位，к是井筒曲率，τ是井
眼挠率，![]()
是方位变化，кα是倾斜度变化速率，![]()
是方位变化速率。
在步骤610处接收到的校正约束可指定对可允许校正路径的限制。在某些实施方
案中，校正约束可指定最大弯曲率值。例如，校正约束可将倾斜度变化的最大速率(κα)和方
位变化的最大速率![]()
设定成每100英尺小于10度。校正约束可另外地或可替代地指定从
计划钻探路径偏离的最小和/或最大长度。可用垂直深度偏差(即，Z轴偏差)、横向偏差(即，
X或Y轴偏差)和/或总偏差(即，校正路径的直到其重新接合计划钻探路径为止的长度)来指
定所述长度。例如，校正约束可指定，校正路径应在100至1000英尺内归并到计划钻探路径
708，并且在计划钻探路径708的深度以下不应延伸超过250英尺，或者不应横向偏离多于
500英尺。校正约束可任选地设定使计划钻探路径708与校正路径交叉的特定目标点或目标
点范围。在某些实施方案中，校正约束还可指定从计划钻探路径偏离的公差，使得可不要求
校正路径精确地重新接合计划钻探路径。
在步骤610处，对校正约束的选择可依赖于井场特征。例如，可基于钻柱能力来选
择曲率约束，以确保能够切实可行地对校正路径进行钻探。可选择深度或横向偏差约束，以
防止对校正路径进行钻探时穿过地质敏感地层。可基于期望的钻井路径长度来选择总偏差
约束。可在需要的时间(例如，在步骤608处，当检测到偏差时)确定或可在所述时间之前预
定校正约束。另外，校正约束可由井场操作员提供或者可在没有操作员干预的情况下自动
地确定。
在步骤610处接收到校正约束之后，过程在子程序612处执行最低能量算法/求解
程序以确定满足校正约束、具有最低增量井筒能量的校正路径参数。这个子程序可用多种
方式来实现；图8示出一个实施方案并且在以下讨论。
基于最低能量算法/求解程序的结果，在步骤614处的过程确定轨迹校正参数，诸
如但不限于倾斜度变化速率(κα)、方位变化速率![]()
和测定深度的变化(ΔMD)。在步骤616
处，过程更新校正路径数据。在步骤618处，过程确定垂直Δy和水平Δx轴挠度。在步骤620
处，过程接着启动致动器以基于所确定的轴挠度来执行位移，同时步骤602处的过程重复。
图8是示出最低能量算法/求解程序过程612的一个实施方案的流程图。步骤850、
852、854、856和858示出双重循环回路，其用于确定从实际钻探路径706到计划钻探路径708
的满足610处接收到的连接约束的最低能量校正路径。在循环回路的结尾处，可在步骤860
处将所确定的最低能量校正路径提供到轨迹校正步骤614。
过程开始于步骤850，其中过程可接收计划路径数据601、实时路径数据602和校正
约束610(均在以上参考图6讨论)。在步骤850处，过程可选择特定校正约束值，以便针对其
确定最低能量校正路径。例如，如果校正约束610指定总偏差长度范围为100至1000英尺，则
在步骤850处可选择处于所述范围内的特定总偏差长度(例如，100英尺)。
步骤852和854示出循环子回路，所述循环子回路用于生成满足步骤850处所选择
的特定连接约束值(例如，100英尺的总偏差)的多个候选校正路径，并且接着从候选校正路
径中确定针对所述特定连接约束值的最低能量校正路径(例如，总偏差为100英尺的最低能
量校正路径)。可在步骤856处提供步骤852和854的循环回路所确定的最低能量校正路径。
在步骤858处，对步骤856处提供的最低能量校正路径进行评估，以决定是否已经
确定最终的最低能量校正路径。如果在步骤858处确定了最终的最低能量校正路径，则可在
步骤860处将其提供到轨道校正步骤614。如果在步骤858处仍未确定最终的最低能量校正
路径，则过程可回到步骤850并且通过选择新的校正约束值(例如，总偏差为110英尺)来重
复循环回路。过程接着可基于所述新的校正约束值来重复步骤852、854、856和858。
步骤852和854的循环子回路开始于步骤852，在所述步骤852中可生成候选校正路
径(与步骤850处所选择的连接约束值一致)并且可计算用于所述路径的能量。如果在步骤
854处仍未确定针对所选择约束的最低能量校正路径，则重复步骤852以识别针对给定约束
的附加候选校正路径。如果已经确定了针对所选择约束的最低能量校正路径，则过程进行
到步骤856。
可用多种方式生成步骤852的候选校正路径。在某些实施方案中，可随机地或半随
机地(例如，使用猜测检查法)生成在步骤852处所生成的校正路径。在其他实施方案中，可
例如使用本领域人员已知的方法(包括但不限于平衡正切法、最小曲率法和自然曲线法)来
以算法的方式生成校正路径。
在步骤852处生成候选校正路径时，过程可任选地选自一个或多个已知的样板曲
线。例如，过程可使用悬重曲线、回旋曲线、圆弧或样条曲线中的一者(或组合多于一条)。悬
重曲线模拟当仅在其端处被支撑时，悬挂缆线在其自身重量作用下的路径—数学定义如
下：![]()
其中α是曲线的缩放值—并且可非常适合于延伸钻井应用，在所述延伸
钻井应用中钻柱总长度相对于套管接头来说是较长的。回旋曲线是螺形曲线，其中弯曲率
相对于弧长从零线性增加到期望曲率。圆弧是具有恒定弯曲率的曲线。样条是在连接点
(“节点”)处处理高平滑度的分段定义的多项式函数。样条曲线可非常适合于确保实际钻探
路径706、步骤852中所生成的校正钻探路径、计划钻探路径708和沿着校正钻探路径的任何
中间连接点之间的平滑连接点(例如，其中悬重曲线接合回旋曲线)。
在步骤854处的评估—是否已经确定了针对所选择约束的最低能量校正路径—可
用多种方式来执行。在某些实施方案中，步骤852和854的循环回路可重复设定的次数，并且
将来自步骤852的最小能量候选校正路径确定为最低能量校正路径。在其他实施方案中，可
例如通过重复步骤852和854的循环子回路直到在最低能量校正路径上会聚来以算法的方
式确定最低能量校正路径；在此类实施方案中，可任选地设定最大循环数目。在步骤850处
所选择的校正约束值以数学方式指定总偏差长度的情况下，针对所述总偏差长度的仅一个
最低能量校正路径可存在(尽管其他校正约束可消除作为可行校正路径的所述最低能量校
正路径)。因此，在与其他校正约束一致的程度上，可设计算数方法来朝向所述一个最低能
量校正路径会聚。
以图8的实施方案作为实例：步骤610的校正约束可要求总偏差长度介于100与
1000英尺之间以及每100英尺的最大弯曲率为10度。第一回路循环可通过选择100英尺的总
偏差长度而开始于步骤850处。步骤852和854的子回路接着可循坏来生成许多候选连接路
径，所有候选连接路径都具有100英尺的总偏差长度以及每100英尺10度的最大弯曲率。在
步骤856处，那些候选连接路径的最小能量可被识别为具有100英尺的总偏差长度的最低能
量校正路径。步骤858接着可启动第二循环，通过选择新的总偏差长度110英尺在步骤850处
再次开始。步骤852和854的子回路接着可循坏来识别步骤856处的具有110英尺总偏差长度
(和每100英尺最大弯曲率10度)的最低能量校正路径。步骤858接着可启动第三循环，以识
别具有总偏差长度120英尺的最低能量校正路径。过程可因此依次循环，直到已经生成针对
整个可能的偏差长度范围的最低能量校正路径。接着，在步骤858处，从先前循环所生成的
各种最低能量校正路径(即，从100英尺总偏差路径、110英尺总偏差路径等)中识别最终的
最小最低能量。在步骤860处将最终的最小最低能量提供到轨迹校正步骤614。
在步骤858处的评估——是否已经确定了最终的最低能量校正路径——可用多种
方式来执行。在某些实施方案中，诸如先前段落的实例，可通过使步骤850处所选择的校正
约束值递增来重复步骤850至858的回路，直到已经识别针对整个校正约束范围的最低能量
校正路径。使用范围为100至1000英尺的总偏差约束的实例，回路可在每次循环以10英尺递
增，并且重复直到已经评估了从100至1000英尺的每个值。在其他实施方案中，回路可使用
约束的随机或伪随机(例如，猜测检查)选择，并且可任选地重复设定的次数。在其他实施方
案中，可例如通过重复回路直到在最低能量校正路径上会聚来以算法的方式确定最终的最
低能量校正路径；在此类实施方案中，可任选地设定最大循环数目。在以上提及的实施方案
中的任一个中，步骤860所使用的最终的最低能量校正路径可以是在满足所有校正约束的
各种循环上识别的最低能量校正路径中的最小者。
在某些实施方案中，井路径偏差校正可以是不需要人工干预的、完全自动化的。这
可以(例如)通过利用预定义的连接约束将诸如图6和图8示出的过程存储在底孔组件中的
固件上来实现。在其他实施方案中，人工操作可帮助进行井路径校正。例如，可通知井场操
作员离计划钻探的任何已识别偏差并且提示井场操作员提供校正约束。在任一组实施方案
中，如果未识别出满足校正约束的可能的校正路径，则可通知操作员提供替代的校正约束
或执行其他补救行动。
在某些实施方案中，校正井路径偏差的方法可基于离计划路径的偏差量而改变。
例如，指定的偏差公差范围在不需要校正的情况下是可接受的。另外地或可替代地，可使用
常规手段(诸如PID型调整)来校正低于设定阈值的偏差，同时可根据本公开的方法来校正
高于所述阈值的偏差。
因此，所公开的实施方案呈现了修改或替换常规PID控制器以实现最低井筒能量
方法的系统、计算机实现的方法和计算机程序产品，所述系统、计算机实现的方法和计算机
程序产品用于执行自动化井筒轨迹控制以在实际井筒轨迹路径与计划井筒轨迹路径之间
进行校正。
尽管已经描述关于上述实施方案的具体细节，但上述硬件和软件描述仅意图为示
例性实施方案并且不意图限制公开的实施方案的结构或实现方式。例如，虽然未示出控制
系统100的许多其他内部组件，但是本领域的普通技术人员将理解，此类组件及其互连是众
所周知的。
此外，如上所述的公开实施方案的某些方面可被体现在使用一个或多个处理单
元/部件执行的软件中。所述技术的程序方面可以被视为通常呈可执行代码和/或相关联数
据的形式的“产品”或者“制品”，所述代码或数据被携带或体现在一种类型机器可读介质
中。有形的非暂态“存储”型介质包括用于计算机、处理器等的任何或所有存储器或其他存
储设备或者其相关联模块，诸如各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器、光盘或磁盘
等，其可在任何时间提供对于软件编程的存储。
此外，附图中的流程图和方框图示出根据本发明的各种实施方案的系统、方法和
计算机程序产品的可能实现方式的架构、功能性和操作。也应注意，在一些替代实现方式
中，方框中提到的功能可不按附图中提到和如本文所述的顺序出现。例如，取决于所涉及的
功能性，连续示出的两个方框可实际上大致同时执行，或所述方框可有时按相反顺序执行。
也应指出的是，方框图和/或流程图图解的每个方框以及方框图和/或流程图图解中的方框
的组合可以由执行指定功能或动作的、基于专用硬件的系统或者专用硬件和计算机指令的
组合来实施。
除了以上所描述的实施方案之外，特定组合的许多实例在本公开的范围内，以下
详细描述所述实例中的一些。
一个实施方案是用于执行自动化井筒轨迹控制以在实际井筒轨迹路径与计划井
筒轨迹路径之间进行校正的计算机实现的方法。所述方法可包括：接收用于确定实际井筒
轨迹路径的实时路径数据；接收计划井筒轨迹路径的参数；确定实际井筒轨迹路径是否偏
离计划井筒轨迹路径；响应于实际井筒轨迹路径偏离计划井筒轨迹路径的所述确定，使用
校正约束确定校正路径；以及启动井筒轨迹控制以将实际井筒轨迹路径改变到校正路径。
确定校正路径还可包括：生成满足校正约束的多个校正路径，并且从多个校正路
径中选择具有最小最低增量井筒能量的校正路径。生成一个或多个校正路径可任选地包
括：选择至少一个校正约束值；并且针对至少一个校正约束值中的每一个，使用校正约束值
生成多个候选校正路径；并且从多个候选校正路径中选择具有最小最低增量井筒能量的校
正路径。一个或多个校正约束值可任选地是总偏差长度。
在某些实施方案中，校正约束可包括最大弯曲率和/或最大总偏差长度。校正约束
还可任选地包括最大横向偏差和/或最大深度偏差。
在某些实施方案中，校正路径可包括回旋曲线、悬重曲线、样条和/或圆弧中的至
少一者。任选地，校正路径可组合两条不同的曲线，诸如回旋曲线、悬重曲线、样条和/或圆
弧。
一个实施方案是包括计算机可执行指令的非暂态计算机可读介质，所述计算机可
执行指令用于执行自动化井筒轨迹控制以在实际井筒轨迹路径与计划井筒轨迹路径之间
进行校正。所述计算机可执行指令在被执行时，可致使一个或多个机器执行包括以下各项
的操作：接收用于确定实际井筒轨迹路径的实时路径数据；接收计划井筒轨迹路径的参数；
确定实际井筒轨迹路径是否偏离计划井筒轨迹路径；响应于实际井筒轨迹路径偏离计划井
筒轨迹路径的所述确定，使用校正约束确定校正路径；以及启动井筒轨迹控制以将实际井
筒轨迹路径改变到校正路径。
在某些实施方案中，用于确定校正路径的操作还可包括：生成满足校正约束的多
个校正路径，并且从多个校正路径中选择具有最小最低增量井筒能量的校正路径。用于生
成一个或多个校正路径的操作可任选地包括：选择至少一个校正约束值；并且针对至少一
个校正约束值中的每一个，使用校正约束值生成多个候选校正路径；并且从多个候选校正
路径中选择具有最小最低增量井筒能量的校正路径。一个或多个校正约束值可任选地是总
偏差长度。
在某些实施方案中，校正约束还可包括最大总偏差长度。另外地或可替代地，校正
路径可包括回旋曲线、悬重曲线、样条和/或圆弧中的至少一者。任选地，校正路径可包括两
条不同的曲线(诸如回旋曲线、悬重曲线、样条和/或圆弧)的组合。
一个实施方案是用于执行自动化井筒轨迹控制以在实际井筒轨迹路径与计划井
筒轨迹路径之间进行校正的控制器。控制器还可包括至少一个处理器和联接到所述至少一
个处理器的至少一个存储器。存储器可存储指令，所述指令在由至少一个处理器执行时执
行包括以下各项的操作：接收用于确定实际井筒轨迹路径的实时路径数据；接收计划井筒
轨迹路径的参数；确定实际井筒轨迹路径是否偏离计划井筒轨迹路径；响应于实际井筒轨
迹路径偏离计划井筒轨迹路径的所述确定，使用校正约束确定校正路径；以及启动井筒轨
迹控制以将实际井筒轨迹路径改变到校正路径。
在某些实施方案中，用于确定校正路径的操作还可包括：生成满足校正约束的多
个校正路径，并且从多个校正路径中选择具有最小最低增量井筒能量的校正路径。用于生
成一个或多个校正路径的操作还可任选地包括：选择至少一个校正约束值；并且针对至少
一个校正约束值中的每一个，使用校正约束值生成多个候选校正路径；并且从多个候选校
正路径中选择具有最小最低增量井筒能量的校正路径。在某些实施方案中，校正路径可包
括至少一条回旋曲线、悬重曲线、样条和/或圆弧。
如本文所用，除非上下文另外明确说明，否则单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”
也意图包括复数形式。将进一步理解，在用于本说明书和/或权利要求书中时，术语“包括
(comprise)”和/或“包括(comprising)”指定了所陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部
件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存
在或增加。随附权利要求书中的所有装置的相应结构、材料、动作以及等效物或或步骤加功
能要素意图包括用于执行所述功能的任何结构、材料或动作与具体要求保护的其他要求保
护要素的组合。出于说明和描述的目的已经呈现了对本发明的描述，但并不意图为详尽的
或将本公开限制于呈所公开形式的本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多
修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。选择并描述实施方案来解释本
发明的原理和实际应用，并且允许本领域的其他普通技术人员理解本发明的各种实施方案
以及各种修改适合于所涵盖的具体用途。权利要求书的范围意图广泛地涵盖公开的实施方
案和任何此种修改。