本發(fā)明大體上涉及定向鉆井方法，尤其是針對用于生產(chǎn)烴類產(chǎn)品的井。更具體地，本發(fā)明涉及用于執(zhí)行可轉(zhuǎn)向鉆探工具的自動化控制以沿著計劃軌跡鉆井的方法和系統(tǒng)。

在鉆探操作開始時，鉆探人員通常建立鉆探計劃，所述鉆探計劃包括目標位置以及通向所述目標位置的鉆探路徑。在鉆探操作期間，實際井筒軌跡由于未預期的原因而偏離計劃的井路徑并非是罕見的。必須采取使井筒軌跡回到期望路徑的措施。這種偏差校正機制對于任何鉆井操作來說都是至關(guān)重要的。

附圖簡述

本發(fā)明的說明性實施方案在以下參考附圖進行詳細描述，所述附圖以引用的方式并入本文中并且其中：

圖1是示出根據(jù)本公開方面的用于井筒軌跡控制的比例積分微分控制器的反饋信號的圖解。

圖2示出根據(jù)本公開方面的利用用于確定實時路徑數(shù)據(jù)的隨鉆測量組件的井的示意圖。

圖3示出根據(jù)本公開方面的具有用于確定實時路徑數(shù)據(jù)的電纜或電纜地層測試組件的井的示意圖。

圖4示出根據(jù)本公開方面的利用用于確定實時路徑數(shù)據(jù)的隨鉆測井組件的海底井的示意圖。

圖5是示出根據(jù)本公開方面的控制系統(tǒng)的一個實施方案的框圖。

圖6是描繪根據(jù)本公開方面的用于執(zhí)行自動化軌跡控制的方法的流程圖。

圖7是描繪根據(jù)本公開方面的實際鉆探路徑與計劃鉆探路徑之間的趨向角度與偏差矢量長度的圖解。

圖8是描繪根據(jù)本公開方面的最低能量算法/求解程序過程的流程圖。

所示附圖僅是示例性的，而不旨在主張或暗示對其中可實現(xiàn)不同實施方案的環(huán)境、架構(gòu)、計劃或方法的任何限制。

詳述

本發(fā)明大體上涉及定向鉆井方法，尤其是針對用于生產(chǎn)烴類產(chǎn)品的井。更具體地，本發(fā)明涉及用于執(zhí)行可轉(zhuǎn)向鉆探工具的自動化控制以沿著計劃軌跡鉆井的方法和系統(tǒng)。

本文詳細描述本公開的說明性實施方案。為了清晰起見，并非實際實現(xiàn)方式的所有特征都在本說明書中進行描述。當然應該理解的是，在任何這種實施方案的開發(fā)中，必須做出許多實現(xiàn)特定的決定以獲得特定的實現(xiàn)目標，這些目標因不同的實現(xiàn)而不同。此外，應該理解的是，這種開發(fā)努力可能是復雜且耗時的，但是仍將是受益于本公開的本領域一般技術(shù)人員的常規(guī)任務。

此外，如本文所使用的術(shù)語“聯(lián)接(couple)”或“聯(lián)接(couples)”旨在意指間接或直接連接。因此，如果第一裝置聯(lián)接到第二裝置，所述連接可以是通過直接連接或通過借由其他裝置和連接進行的間接電氣或機械連接。如本文所使用的術(shù)語“上游”意指沿著流動路徑朝向流動源，并且如本文所使用的術(shù)語“下游”意指沿著流動路徑遠離流動源。如本文所使用的術(shù)語“井上”意指沿著鉆柱或孔從遠端朝向表面，并且如本文所使用的術(shù)語“井下”意指沿著鉆柱或孔從表面朝向遠端。

將理解，術(shù)語“油井鉆探設備”或“油井鉆探系統(tǒng)”不旨在將用這些術(shù)語所描述的設備和過程的使用限制為鉆探油井。術(shù)語還大體上包括對天然氣井或烴類井進行鉆探。另外，此類井可用于與從地下開采烴類或其他物質(zhì)有關(guān)的生產(chǎn)、監(jiān)控、或注入。這還可以包括地熱井，所述地熱井旨在提供熱能而非烴類的源。

為達本公開的目的，信息處理系統(tǒng)可包括任何儀器或儀器機組，所述任何儀器或儀器機組可操作來計算、分類、處理、傳輸、接收、檢索、創(chuàng)始、轉(zhuǎn)換、存儲、顯示、表明、檢測、記錄、復制、處理或利用任何形式的商業(yè)、科學、控制或其他用途的信息、情報或數(shù)據(jù)。例如，信息處理系統(tǒng)可以是個人計算機、網(wǎng)絡存儲裝置或任何其他合適的裝置，并且在尺寸、形狀、性能、功能性和價格方面可不同。信息處理系統(tǒng)可包括隨機存取存儲器(“RAM”)、一個或多個處理源(諸如中央處理單元(“CPU”)或硬件或軟件控制邏輯)、ROM和/或其他類型的非易失性存儲器。信息處理系統(tǒng)還可包括微控制器，所述微控制器可以是單個集成電路上的小型計算機，所述單個集成電路包含處理器核心、存儲器和可編程輸入/輸出外圍設備。信息處理系統(tǒng)的附加部件可包括一個或多個磁盤驅(qū)動器、用于與外部裝置通信的一個或多個網(wǎng)絡端口，以及各種輸入和輸出(“I/O”)裝置，諸如鍵盤、鼠標和視頻顯示器。信息處理系統(tǒng)還可包括可操作地在各種硬件組件之間傳輸通信的一個或多個總線。

為達本公開的目的，計算機可讀介質(zhì)可包括可在一個時間段內(nèi)保留數(shù)據(jù)和/或指令的任何儀器或儀器機組。計算機可讀介質(zhì)可包括但不限于，例如，存儲介質(zhì)(諸如直接存取存儲裝置(例如，硬盤驅(qū)動器或軟盤驅(qū)動器))、按序存取存儲裝置(例如，磁帶磁盤驅(qū)動器)、光盤、CD-ROM、DVD、RAM、ROM、電可除程序化只讀存儲器(“EEPROM”)和/或閃速存儲器；以及通信介質(zhì)，諸如電線。

為了促進更好理解本公開，給出某些實施方案的以下實例。以下實例決不應被理解為限制或限定本公開的范圍。本公開的實施方案可適用于任何類型地下地層中的水平、垂直、偏斜、多邊、U形管連接、交叉、繞開(鉆探被卡住的落物周圍并且返回井下)或其他非線性井筒。實施方案可應用于注入井和生產(chǎn)井，包括自然資源生產(chǎn)井諸如硫化氫、烴類或地熱井；以及用于過河隧道的鉆孔建設和其他用于近表面建設目的或用于流體(諸如烴類)輸送的u形管的管道的其他這樣的隧道鉆孔。以下關(guān)于一個實現(xiàn)方式所描述的實施方案不旨在具有限制性。

如上所述，在鉆探過程期間，實際井筒軌跡由于未預期的原因而偏離計劃路徑并非是罕見的。目前，常規(guī)的井筒軌跡控制方法使用比例積分微分(PID)控制器進行井筒軌跡控制。PID控制器計算“誤差”值，即測定的過程變量與期望的設置點之間的差值?？刂破鲊L試通過調(diào)整過程控制輸出來使錯誤最小化。在PID方法中，反饋信號是帶有比例項、積分項和微分項的函數(shù)。信號在返回到如圖1的信號101所指示的期望值之前通常波動。在井下鉆探中，期望的是避免軌跡波動。為了實現(xiàn)如圖1所指示的平穩(wěn)信號校正102，必須謹慎調(diào)諧比例項、積分項和微分項的系數(shù)。然而，使用PID方法難以實現(xiàn)或獲得平穩(wěn)控制信號102，因為預調(diào)諧的系數(shù)可能由于井下操作條件改變而不發(fā)揮作用。

因此，公開的實施方案呈現(xiàn)了可以替換或修改常規(guī)PID控制器以實現(xiàn)用于執(zhí)行自動化井筒軌跡控制的最低井筒能量方法的系統(tǒng)、方法或計算機程序產(chǎn)品。公開的實施方案可使用校正路徑在實際井筒軌跡路徑與計劃井筒軌跡路徑之間做出校正，所述校正路徑滿足連接約束并且可包括樣條、懸重、圓弧或回旋曲線。公開的實施方案可任選地在模型預測控制器而不是PID型控制器上實現(xiàn)。

根據(jù)所公開的實施方案，可以使用通過電纜傳遞到井下的工具或者可替代地使用聯(lián)接到或者整合到鉆機的鉆柱中的工具來執(zhí)行信息收集。如以下將參考附圖進一步描述的，電纜傳遞的工具從電纜懸吊下來，所述電纜電連接到井的表面處的控制和測井設備?？梢酝ㄟ^首先移除鉆柱并且接著將電纜和工具下放到地層內(nèi)的相關(guān)區(qū)域來部署所述工具。這種類型的測試和測量經(jīng)常稱作“電纜地層測試(WFT)”。與WFT相關(guān)聯(lián)的工具可用來測量地層和井筒流體的壓力和溫度。

在某些實施方案中，代替電纜部署，將測量工具聯(lián)接到鉆柱或者與鉆柱整合在一起。在這些情況中，避免了在測量重要地層性質(zhì)之前移除鉆柱的附加費用和時間?！半S鉆測量(MWD)”的這個過程使用測量工具以確定地層和井筒的溫度和壓力，以及鉆頭的軌跡和位置。“隨鉆測井(LWD)”工藝使用工具來確定諸如滲透性、孔隙度、電阻率以及其他特性的另外地層特性。通過MWD和LWD獲得的信息使得能夠做出實時決定以改變正在進行的鉆探操作。

圖2-4示出井系統(tǒng)的若干示例性實施方案，在所述井系統(tǒng)中可利用所公開的實施方案。例如，以圖2開始，呈現(xiàn)了根據(jù)公開的實施方案的利用用于確定實時路徑數(shù)據(jù)的隨鉆測量組件的井102的示意圖。在所描繪的實施方案中，井102被示出處在岸上，其中一組測量工具170部署在底孔組件(BHA)114中。井102包括從井102的表面108延伸到或通過地下地層112的井筒104。井102由鉆探過程形成，其中鉆頭116通過從鉆頭116延伸到井102的表面108的鉆柱120轉(zhuǎn)動。鉆柱120可由具有不同或類似橫截面的一個或多個連接的管道或管組成。鉆柱可以是指作為單個部件的管道或管的集合，或者可替代地是指包括所述柱的單個管道或管。術(shù)語鉆柱不意圖在本質(zhì)上進行限制，并且可指能夠?qū)⑿D(zhuǎn)能量從井的表面轉(zhuǎn)移到鉆頭的任何一個或多個部件。在若干實施方案中，鉆柱120可以包括中心通道，所述中心通道縱向地設置在鉆柱中并且能夠允許井的表面與井下位置之間的流體連通。

在井的表面108處或附近，鉆柱120可包括方鉆桿128或者聯(lián)接到方鉆桿128。方鉆桿128可具有方形、六邊形或八邊形的橫截面。方鉆桿128在一端處連接到鉆柱的其余部分，并且在相反端處連接到旋轉(zhuǎn)接頭132。方鉆桿穿過旋轉(zhuǎn)臺136，所述旋轉(zhuǎn)臺136能夠旋轉(zhuǎn)方鉆桿以及因此旋轉(zhuǎn)鉆柱120的其余部分和鉆頭116。旋轉(zhuǎn)接頭132允許方鉆桿128在不將旋轉(zhuǎn)運動施加到旋轉(zhuǎn)接頭132的情況下旋轉(zhuǎn)。掛鉤138、纜線142、游車(未示出)和升降機(未示出)被提供來升起或降低鉆頭116、鉆柱120、方鉆桿128以及旋轉(zhuǎn)接頭132。方鉆桿和接頭可以根據(jù)需要提升或者下放，以隨著鉆頭116的推進而將管件的附加部段增加到鉆柱120，或者如果期望從井102移除鉆柱120和鉆頭116，則從鉆柱120移除管件的部段。

貯水池144被定位在表面108并且在鉆探操作期間容納用于傳遞到井102的鉆探泥漿148。供應線152在貯水池144與鉆柱120的內(nèi)通道之間被流體地聯(lián)接。泵156在鉆探期間驅(qū)動流體通過供應線152以及井下以便潤滑鉆頭116，并且從鉆探過程攜帶巖屑返回表面108。在行進到井下之后，鉆井泥漿148通過鉆柱120與井筒104之間形成的環(huán)空160來返回到表面108。在表面108，鉆探泥漿148通過返回線164返回到貯水池144。鉆探泥漿148在再循環(huán)通過井102之前可被過濾或者以其他方式被處理。

在一個實施方案中，所述組測量工具170定位在井下以測量、處理并且傳送與地下地層112的物理特性有關(guān)的數(shù)據(jù)，所述物理特性諸如，但不限于滲透性、孔隙度、電阻率以及其他特性。測量工具170還可以提供與鉆探過程或井下發(fā)生的其他操作有關(guān)的信息。在一些實施方案中，由所述組測量工具170測量和收集的數(shù)據(jù)可以包括但不限于壓力、溫度、流量、加速度(地震和聲學)、應變數(shù)據(jù)以及鉆頭116的位置和軌跡數(shù)據(jù)。

所述組測量工具170可以包括通過螺紋、聯(lián)接件、焊接件或其他手段彼此聯(lián)接的多個工具部件。在圖3中所描繪的說明性實施方案中，所述組測量工具170包括收發(fā)器單元172、功率單元174、傳感器單元176、泵單元178以及樣品單元180。單個部件各自可以包括電子控制器件諸如處理器裝置、存儲器裝置、數(shù)據(jù)存儲裝置以及通信裝置，或者可替代地可以提供集中控制單元，所述集中控制單元與單個部件中的一個或多個通信并且控制所述一個或多個。

收發(fā)器單元172能夠與控制系統(tǒng)100或者井102的表面108之處或附近的類似設備通信。收發(fā)器單元172與控制系統(tǒng)100之間的通信在以下情況下可以是有線的：鉆柱120是有線的，或者電纜評價系統(tǒng)被部署?？商娲?，收發(fā)器單元172和控制系統(tǒng)100可以使用泥漿脈沖遙測技術(shù)、電磁遙測技術(shù)或者任何其他適合的通信方法來無線地通信。通過收發(fā)器單元172傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以包括但不限于，如上所述由所述組測量工具170的各種部件所測量的傳感器數(shù)據(jù)或其他信息。

功率單元174可以通過循環(huán)通過井的流體或者在井下閉環(huán)液壓回路中循環(huán)或加壓的流體來液壓地供電。或者，單元174可以是電動力單元、電機械動力單元、氣動動力單元或者能夠利用用于轉(zhuǎn)移到動力設備的能量的任意其他類型的動力單元。功率單元174可以向與所述組測量工具170相關(guān)聯(lián)的部件中的一個或多個，或者可替代地向一個或多個其他井下裝置提供功率。例如，在一些實施方案中，功率單元174可以向泵單元178提供功率。與泵單元178相關(guān)聯(lián)的一個泵可以用來在所述組測量工具170的部件內(nèi)或之間移動流體，如以下更詳細地解釋。

傳感器單元176還可以從功率單元174接收功率，并且可以含有多個傳感器諸如壓力傳感器、溫度傳感器、地震傳感器、聲學傳感器、應變儀、傾斜儀或其他傳感器。此外，樣品單元180可以收集地下地層112或者儲層流體的樣品(通常為烴)以用于實現(xiàn)對鉆探操作和生產(chǎn)潛力的進一步評估。

如進一步將描述的，由所述組測量工具170在鉆探過程中收集的信息允許控制系統(tǒng)100更新用于在鉆探路徑中自動做出調(diào)整的概率模型。

雖然所述組測量工具170在圖2中被示出為鉆柱120的一部分，但在如圖3中所描繪的其他實施方案中，所述組測量工具170可以通過使電纜通過鉆柱120的中心通道，或者直接通過井筒104(如果鉆柱120不存在的話)而下放到井中。在這個實施方案中，所述組測量工具170可以替代地部署為電纜組件115的一部分，所述電纜組件115是在岸上或離岸。電纜組件115包括用于提升電纜組件115的井下部分并且將所述井下部分下放到井內(nèi)的絞車117。

仍然在另一實施方案中，如在圖4中所描繪，控制系統(tǒng)100和所述組測量工具170可以類似地部署在通過固定的或浮動的平臺121進入的海底井119中。

圖5為示出用于實現(xiàn)所公開的實施方案的特征和功能的控制系統(tǒng)100的一個實施方案的框圖。除了其他部件，控制系統(tǒng)100包括處理器1000、存儲器1002、次級存儲單元1004、輸入/輸出接口模塊1006以及通信接口模塊1008。處理器1000可以是能夠執(zhí)行用于執(zhí)行所公開實施方案的特征和功能的指令的任何類型或任何數(shù)目的單核處理器或多核處理器。

輸入/輸出接口模塊1006使得控制系統(tǒng)100能夠接收用戶輸入(例如，來自鍵盤以及鼠標)，并且向一個或多個裝置諸如但不限于打印機、外部數(shù)據(jù)存儲裝置以及音頻揚聲器輸出信息?？刂葡到y(tǒng)100可以任選地包括單獨的顯示模塊1010以使得信息能夠顯示在集成的或外置的顯示裝置上。例如，顯示模塊1010可包括用于提供與一個或多個顯示裝置相關(guān)聯(lián)的增強圖形、觸摸屏和/或多觸摸功能的指令或硬件(例如，圖形卡或芯片)。

主存儲器1002是易失性存儲器，其存儲當前正在執(zhí)行的指令/數(shù)據(jù)或者預提取用于執(zhí)行的指令/數(shù)據(jù)。次級存儲單元1004是用于存儲持久性數(shù)據(jù)的非易失性存儲器。次級存儲單元1004可以是或者包括任何類型的內(nèi)部或外部數(shù)據(jù)存儲部件諸如硬盤驅(qū)動器、閃存驅(qū)動器或存儲卡。在一個實施方案中，次級存儲單元1004存儲計算機可執(zhí)行代碼/指令以及用于使用戶能夠執(zhí)行所公開實施方案的特征和功能的其他相關(guān)數(shù)據(jù)。

例如，根據(jù)所公開的實施方案，除了其他數(shù)據(jù)，次級存儲單元1004可永久地存儲自動化井筒軌跡控制算法1020的可執(zhí)行代碼/指令等，如將在文中進一步描述。與自動化井筒軌跡控制算法1020相關(guān)聯(lián)的指令在處理器1000執(zhí)行期間從次級存儲單元1004加載到主存儲器1002，以用于執(zhí)行所公開的實施方案的特征。在一些實施方案中，次級存儲單元1004還可以包括與地層/貯水層建模應用程序相關(guān)聯(lián)的可執(zhí)行代碼/指令，所述地層/貯水層建模應用程序諸如但不限于可從Landmark Graphics Corporation獲得的地球建模軟件1022，以便于幫助控制井筒軌跡。

通信接口模塊1008使得控制系統(tǒng)100能夠與通信網(wǎng)絡1030通信。例如，網(wǎng)絡接口模塊1008可以包括用于使得控制系統(tǒng)100能夠通過通信網(wǎng)絡1030和/或直接向其他裝置發(fā)送數(shù)據(jù)或從其接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡接口卡和/或無線收發(fā)器。

通信網(wǎng)絡1030可以是包括以下網(wǎng)絡中的一個或多個的組合的任何類型的網(wǎng)絡：廣域網(wǎng)，局域網(wǎng)，一個或多個專用網(wǎng)絡，互聯(lián)網(wǎng)，諸如公共交換電話網(wǎng)(PSTN)的電話網(wǎng)絡、一個或多個蜂窩網(wǎng)絡以及無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。通信網(wǎng)絡1030可包括多個網(wǎng)絡節(jié)點(未示出)，諸如路由器、網(wǎng)絡接入點/網(wǎng)關(guān)、開關(guān)、DNS服務器、代理服務器以及用于協(xié)助裝置之間的數(shù)據(jù)/通信的路由的其他網(wǎng)絡節(jié)點。

例如，在一個實施方案中，控制系統(tǒng)100可以與一個或多個服務器1034或者數(shù)據(jù)庫1032交互以用于執(zhí)行所公開的實施方案的特征。例如，控制系統(tǒng)100可以根據(jù)所公開的實施方案查詢數(shù)據(jù)庫1032的鉆井記錄信息或其他地球物理數(shù)據(jù)，以用于生成地層和儲層的初始模型。此外，在某些實施方案中，控制系統(tǒng)100可以用作用于一個或多個客戶端裝置的服務器系統(tǒng)，或者用于與一個或多個裝置/計算系統(tǒng)(例如，集群、柵格)對等通信或者并行處理的對等系統(tǒng)。

此外，控制系統(tǒng)100可以根據(jù)所公開的實施方案將數(shù)據(jù)諸如控制數(shù)據(jù)傳送至收發(fā)器單元172，以指導所述組測量工具170的各種部件的操作，和/或以基于概率模型的變化來改變鉆井路徑的方向。如上所述，控制系統(tǒng)100還被配置來在鉆探過程期間接收所述組測量工具170的實時測量數(shù)據(jù)以用于執(zhí)行自動化井筒軌跡控制，如本文所述。

另外，在某些實施方案中，控制系統(tǒng)100與收發(fā)器單元172之間的通信路徑可以包括一個或多個中間件裝置。例如，在一些實施方案中，控制系統(tǒng)100可以是通過通信網(wǎng)絡1030與定位在井場處的本地系統(tǒng)進行通信的遠程系統(tǒng)，所述本地系統(tǒng)與收發(fā)機單元172處于直接通信。在其他實施方案中，與定位在井場處的本地系統(tǒng)通信不同，收發(fā)器單元172可以與定位在通信網(wǎng)絡1030上的一個或多個裝置直接通信。

現(xiàn)在參考圖6，呈現(xiàn)了流程圖，所述流程圖示出用于執(zhí)行自動化井筒軌跡控制以在實際井筒軌跡路徑與計劃井筒軌跡路徑之間進行校正的過程600的實施方案。過程600可由如上所述的控制系統(tǒng)實現(xiàn)，或者在具有存儲器、邏輯和至少一個處理器的PID或模型預測控制器上實現(xiàn)，所述至少一個處理器用于執(zhí)行指令、執(zhí)行過程600的操作。

過程600通過從表面計算機傳感器605和定向傳感器603(如以上參考圖2-5所描述的)接收實時路徑數(shù)據(jù)而開始于步驟602。所接收的實時路徑數(shù)據(jù)的實例包括但不限于測定深度(MD_A)、沿著南北方向的水平偏差(X_A)、沿著東西方向的水平偏差(Y_A)、真垂直深度(Z_A)、傾角(α_A)、方位角以及工具面角。下標A指示，在部位/位置A處采用參數(shù)。此外，步驟601處的過程接收計劃路徑的參數(shù)/數(shù)據(jù)，包括但不限于MD_B、X_B、Y_B、Z_B、α_B、產(chǎn)油區(qū)位置以及最大狗腿嚴重度。下標B指示，參數(shù)是指部位B。

在步驟604處，過程確定實際鉆探路徑/軌跡706與計劃鉆探路徑/軌跡708之間的趨向角度702和偏差矢量長度704(如圖7所示)。在步驟606處的過程基于趨向角度702和偏差矢量長度704來確定實際鉆探路徑706是否已經(jīng)偏離了計劃鉆探路徑708。例如，在某些實施方案中，偏差閾值參數(shù)可由鉆探操作員設定來確定實際鉆探路徑706是否已經(jīng)偏離了計劃鉆探路徑708。以這種方式，鉆探操作員可配置系統(tǒng)，使得設定公差范圍內(nèi)的較小偏差不涉及以下討論的用于確定校正路徑的步驟。

如果過程確定實際鉆探路徑706未偏離計劃鉆探路徑708，則過程返回到步驟602并且用更新的實時鉆探路徑數(shù)據(jù)進行重復。然而，如果過程確定實際鉆探路徑706已經(jīng)偏離了計劃鉆探路徑708，則過程在步驟608處確定實際鉆探路徑706是否已經(jīng)偏離了校正路徑。校正路徑是由過程先前確定的可使實際鉆探路徑706與計劃鉆探路徑708相一致的路徑。如果過程確定實際鉆探路徑706未偏離校正路徑，則過程返回到步驟602并且用更新的實時鉆探路徑數(shù)據(jù)進行重復。

然而，如果過程確定實際鉆探路徑706已經(jīng)偏離了校正路徑或者實際鉆探路徑706當前不在校正路徑上(例如，當過程先前設想實際鉆探路徑706與計劃鉆探路徑708對準的情況，可能會發(fā)生這種狀況)，則過程在步驟610處接收校正約束并且在子程序612處執(zhí)行最低能量算法/求解程序，以確定具有最低增量井筒能量的校正路徑的參數(shù)。校正路徑是這樣的鉆探路徑：從實際鉆探路徑706的端部連接到計劃鉆探路徑708上的目標交點，從而可在計劃鉆探路徑上重新開始鉆探。如本領域技術(shù)人員應理解的，具有本公開的益處的本發(fā)明的方法和系統(tǒng)不限于任何特定類型的校正約束。因此，校正約束在不背離本公開范圍的情況下可以是本領域技術(shù)人員已知的任何合適類型的校正約束。

基于以下等式(假設軌跡校正開始于ΔD_n-1)來確定用于校正路徑的歸一化井筒能量：

κ_i＝P/ΔD_i＝arccos(cosΔφ_isinα_i-1sinα_i+cosα_icosα_i-₁)/ΔD_i

或

α_i＝α_i-1+κ_αiΔD_i，Δφ_i＝κ_φiΔD_i

對于i＝1，2，...，n-2，其中κ_αi和κ_φi已知；

對于i＝n-1，n，ΔD_i，其中κ_αi和κ_φi未知

其中D_i是測定深度，α_i-1是傾角，α_i是新傾角，β是總的角變位，к是井筒曲率，τ是井眼撓率，是方位變化，к_α是傾斜度變化速率，是方位變化速率。

在步驟610處接收到的校正約束可指定對可允許校正路徑的限制。在某些實施方案中，校正約束可指定最大彎曲率值。例如，校正約束可將傾斜度變化的最大速率(κ_α)和方位變化的最大速率設定成每100英尺小于10度。校正約束可另外地或可替代地指定從計劃鉆探路徑偏離的最小和/或最大長度?？捎么怪鄙疃绕?即，Z軸偏差)、橫向偏差(即，X或Y軸偏差)和/或總偏差(即，校正路徑的直到其重新接合計劃鉆探路徑為止的長度)來指定所述長度。例如，校正約束可指定，校正路徑應在100至1000英尺內(nèi)歸并到計劃鉆探路徑708，并且在計劃鉆探路徑708的深度以下不應延伸超過250英尺，或者不應橫向偏離多于500英尺。校正約束可任選地設定使計劃鉆探路徑708與校正路徑交叉的特定目標點或目標點范圍。在某些實施方案中，校正約束還可指定從計劃鉆探路徑偏離的公差，使得可不要求校正路徑精確地重新接合計劃鉆探路徑。

在步驟610處，對校正約束的選擇可依賴于井場特征。例如，可基于鉆柱能力來選擇曲率約束，以確保能夠切實可行地對校正路徑進行鉆探?？蛇x擇深度或橫向偏差約束，以防止對校正路徑進行鉆探時穿過地質(zhì)敏感地層。可基于期望的鉆井路徑長度來選擇總偏差約束。可在需要的時間(例如，在步驟608處，當檢測到偏差時)確定或可在所述時間之前預定校正約束。另外，校正約束可由井場操作員提供或者可在沒有操作員干預的情況下自動地確定。

在步驟610處接收到校正約束之后，過程在子程序612處執(zhí)行最低能量算法/求解程序以確定滿足校正約束、具有最低增量井筒能量的校正路徑參數(shù)。這個子程序可用多種方式來實現(xiàn)；圖8示出一個實施方案并且在以下討論。

基于最低能量算法/求解程序的結(jié)果，在步驟614處的過程確定軌跡校正參數(shù)，諸如但不限于傾斜度變化速率(κ_α)、方位變化速率和測定深度的變化(ΔMD)。在步驟616處，過程更新校正路徑數(shù)據(jù)。在步驟618處，過程確定垂直Δy和水平Δx軸撓度。在步驟620處，過程接著啟動致動器以基于所確定的軸撓度來執(zhí)行位移，同時步驟602處的過程重復。

圖8是示出最低能量算法/求解程序過程612的一個實施方案的流程圖。步驟850、852、854、856和858示出雙重循環(huán)回路，其用于確定從實際鉆探路徑706到計劃鉆探路徑708的滿足610處接收到的連接約束的最低能量校正路徑。在循環(huán)回路的結(jié)尾處，可在步驟860處將所確定的最低能量校正路徑提供到軌跡校正步驟614。

過程開始于步驟850，其中過程可接收計劃路徑數(shù)據(jù)601、實時路徑數(shù)據(jù)602和校正約束610(均在以上參考圖6討論)。在步驟850處，過程可選擇特定校正約束值，以便針對其確定最低能量校正路徑。例如，如果校正約束610指定總偏差長度范圍為100至1000英尺，則在步驟850處可選擇處于所述范圍內(nèi)的特定總偏差長度(例如，100英尺)。

步驟852和854示出循環(huán)子回路，所述循環(huán)子回路用于生成滿足步驟850處所選擇的特定連接約束值(例如，100英尺的總偏差)的多個候選校正路徑，并且接著從候選校正路徑中確定針對所述特定連接約束值的最低能量校正路徑(例如，總偏差為100英尺的最低能量校正路徑)。可在步驟856處提供步驟852和854的循環(huán)回路所確定的最低能量校正路徑。

在步驟858處，對步驟856處提供的最低能量校正路徑進行評估，以決定是否已經(jīng)確定最終的最低能量校正路徑。如果在步驟858處確定了最終的最低能量校正路徑，則可在步驟860處將其提供到軌道校正步驟614。如果在步驟858處仍未確定最終的最低能量校正路徑，則過程可回到步驟850并且通過選擇新的校正約束值(例如，總偏差為110英尺)來重復循環(huán)回路。過程接著可基于所述新的校正約束值來重復步驟852、854、856和858。

步驟852和854的循環(huán)子回路開始于步驟852，在所述步驟852中可生成候選校正路徑(與步驟850處所選擇的連接約束值一致)并且可計算用于所述路徑的能量。如果在步驟854處仍未確定針對所選擇約束的最低能量校正路徑，則重復步驟852以識別針對給定約束的附加候選校正路徑。如果已經(jīng)確定了針對所選擇約束的最低能量校正路徑，則過程進行到步驟856。

可用多種方式生成步驟852的候選校正路徑。在某些實施方案中，可隨機地或半隨機地(例如，使用猜測檢查法)生成在步驟852處所生成的校正路徑。在其他實施方案中，可例如使用本領域人員已知的方法(包括但不限于平衡正切法、最小曲率法和自然曲線法)來以算法的方式生成校正路徑。

在步驟852處生成候選校正路徑時，過程可任選地選自一個或多個已知的樣板曲線。例如，過程可使用懸重曲線、回旋曲線、圓弧或樣條曲線中的一者(或組合多于一條)。懸重曲線模擬當僅在其端處被支撐時，懸掛纜線在其自身重量作用下的路徑—數(shù)學定義如下：其中α是曲線的縮放值—并且可非常適合于延伸鉆井應用，在所述延伸鉆井應用中鉆柱總長度相對于套管接頭來說是較長的?；匦€是螺形曲線，其中彎曲率相對于弧長從零線性增加到期望曲率。圓弧是具有恒定彎曲率的曲線。樣條是在連接點(“節(jié)點”)處處理高平滑度的分段定義的多項式函數(shù)。樣條曲線可非常適合于確保實際鉆探路徑706、步驟852中所生成的校正鉆探路徑、計劃鉆探路徑708和沿著校正鉆探路徑的任何中間連接點之間的平滑連接點(例如，其中懸重曲線接合回旋曲線)。

在步驟854處的評估—是否已經(jīng)確定了針對所選擇約束的最低能量校正路徑—可用多種方式來執(zhí)行。在某些實施方案中，步驟852和854的循環(huán)回路可重復設定的次數(shù)，并且將來自步驟852的最小能量候選校正路徑確定為最低能量校正路徑。在其他實施方案中，可例如通過重復步驟852和854的循環(huán)子回路直到在最低能量校正路徑上會聚來以算法的方式確定最低能量校正路徑；在此類實施方案中，可任選地設定最大循環(huán)數(shù)目。在步驟850處所選擇的校正約束值以數(shù)學方式指定總偏差長度的情況下，針對所述總偏差長度的僅一個最低能量校正路徑可存在(盡管其他校正約束可消除作為可行校正路徑的所述最低能量校正路徑)。因此，在與其他校正約束一致的程度上，可設計算數(shù)方法來朝向所述一個最低能量校正路徑會聚。

以圖8的實施方案作為實例：步驟610的校正約束可要求總偏差長度介于100與1000英尺之間以及每100英尺的最大彎曲率為10度。第一回路循環(huán)可通過選擇100英尺的總偏差長度而開始于步驟850處。步驟852和854的子回路接著可循壞來生成許多候選連接路徑，所有候選連接路徑都具有100英尺的總偏差長度以及每100英尺10度的最大彎曲率。在步驟856處，那些候選連接路徑的最小能量可被識別為具有100英尺的總偏差長度的最低能量校正路徑。步驟858接著可啟動第二循環(huán)，通過選擇新的總偏差長度110英尺在步驟850處再次開始。步驟852和854的子回路接著可循壞來識別步驟856處的具有110英尺總偏差長度(和每100英尺最大彎曲率10度)的最低能量校正路徑。步驟858接著可啟動第三循環(huán)，以識別具有總偏差長度120英尺的最低能量校正路徑。過程可因此依次循環(huán)，直到已經(jīng)生成針對整個可能的偏差長度范圍的最低能量校正路徑。接著，在步驟858處，從先前循環(huán)所生成的各種最低能量校正路徑(即，從100英尺總偏差路徑、110英尺總偏差路徑等)中識別最終的最小最低能量。在步驟860處將最終的最小最低能量提供到軌跡校正步驟614。

在步驟858處的評估——是否已經(jīng)確定了最終的最低能量校正路徑——可用多種方式來執(zhí)行。在某些實施方案中，諸如先前段落的實例，可通過使步驟850處所選擇的校正約束值遞增來重復步驟850至858的回路，直到已經(jīng)識別針對整個校正約束范圍的最低能量校正路徑。使用范圍為100至1000英尺的總偏差約束的實例，回路可在每次循環(huán)以10英尺遞增，并且重復直到已經(jīng)評估了從100至1000英尺的每個值。在其他實施方案中，回路可使用約束的隨機或偽隨機(例如，猜測檢查)選擇，并且可任選地重復設定的次數(shù)。在其他實施方案中，可例如通過重復回路直到在最低能量校正路徑上會聚來以算法的方式確定最終的最低能量校正路徑；在此類實施方案中，可任選地設定最大循環(huán)數(shù)目。在以上提及的實施方案中的任一個中，步驟860所使用的最終的最低能量校正路徑可以是在滿足所有校正約束的各種循環(huán)上識別的最低能量校正路徑中的最小者。

在某些實施方案中，井路徑偏差校正可以是不需要人工干預的、完全自動化的。這可以(例如)通過利用預定義的連接約束將諸如圖6和圖8示出的過程存儲在底孔組件中的固件上來實現(xiàn)。在其他實施方案中，人工操作可幫助進行井路徑校正。例如，可通知井場操作員離計劃鉆探的任何已識別偏差并且提示井場操作員提供校正約束。在任一組實施方案中，如果未識別出滿足校正約束的可能的校正路徑，則可通知操作員提供替代的校正約束或執(zhí)行其他補救行動。

在某些實施方案中，校正井路徑偏差的方法可基于離計劃路徑的偏差量而改變。例如，指定的偏差公差范圍在不需要校正的情況下是可接受的。另外地或可替代地，可使用常規(guī)手段(諸如PID型調(diào)整)來校正低于設定閾值的偏差，同時可根據(jù)本公開的方法來校正高于所述閾值的偏差。

因此，所公開的實施方案呈現(xiàn)了修改或替換常規(guī)PID控制器以實現(xiàn)最低井筒能量方法的系統(tǒng)、計算機實現(xiàn)的方法和計算機程序產(chǎn)品，所述系統(tǒng)、計算機實現(xiàn)的方法和計算機程序產(chǎn)品用于執(zhí)行自動化井筒軌跡控制以在實際井筒軌跡路徑與計劃井筒軌跡路徑之間進行校正。

盡管已經(jīng)描述關(guān)于上述實施方案的具體細節(jié)，但上述硬件和軟件描述僅意圖為示例性實施方案并且不意圖限制公開的實施方案的結(jié)構(gòu)或?qū)崿F(xiàn)方式。例如，雖然未示出控制系統(tǒng)100的許多其他內(nèi)部組件，但是本領域的普通技術(shù)人員將理解，此類組件及其互連是眾所周知的。

此外，如上所述的公開實施方案的某些方面可被體現(xiàn)在使用一個或多個處理單元/部件執(zhí)行的軟件中。所述技術(shù)的程序方面可以被視為通常呈可執(zhí)行代碼和/或相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的形式的“產(chǎn)品”或者“制品”，所述代碼或數(shù)據(jù)被攜帶或體現(xiàn)在一種類型機器可讀介質(zhì)中。有形的非暫態(tài)“存儲”型介質(zhì)包括用于計算機、處理器等的任何或所有存儲器或其他存儲設備或者其相關(guān)聯(lián)模塊，諸如各種半導體存儲器、磁帶驅(qū)動器、磁盤驅(qū)動器、光盤或磁盤等，其可在任何時間提供對于軟件編程的存儲。

此外，附圖中的流程圖和方框圖示出根據(jù)本發(fā)明的各種實施方案的系統(tǒng)、方法和計算機程序產(chǎn)品的可能實現(xiàn)方式的架構(gòu)、功能性和操作。也應注意，在一些替代實現(xiàn)方式中，方框中提到的功能可不按附圖中提到和如本文所述的順序出現(xiàn)。例如，取決于所涉及的功能性，連續(xù)示出的兩個方框可實際上大致同時執(zhí)行，或所述方框可有時按相反順序執(zhí)行。也應指出的是，方框圖和/或流程圖圖解的每個方框以及方框圖和/或流程圖圖解中的方框的組合可以由執(zhí)行指定功能或動作的、基于專用硬件的系統(tǒng)或者專用硬件和計算機指令的組合來實施。

除了以上所描述的實施方案之外，特定組合的許多實例在本公開的范圍內(nèi)，以下詳細描述所述實例中的一些。

一個實施方案是用于執(zhí)行自動化井筒軌跡控制以在實際井筒軌跡路徑與計劃井筒軌跡路徑之間進行校正的計算機實現(xiàn)的方法。所述方法可包括：接收用于確定實際井筒軌跡路徑的實時路徑數(shù)據(jù)；接收計劃井筒軌跡路徑的參數(shù)；確定實際井筒軌跡路徑是否偏離計劃井筒軌跡路徑；響應于實際井筒軌跡路徑偏離計劃井筒軌跡路徑的所述確定，使用校正約束確定校正路徑；以及啟動井筒軌跡控制以將實際井筒軌跡路徑改變到校正路徑。

確定校正路徑還可包括：生成滿足校正約束的多個校正路徑，并且從多個校正路徑中選擇具有最小最低增量井筒能量的校正路徑。生成一個或多個校正路徑可任選地包括：選擇至少一個校正約束值；并且針對至少一個校正約束值中的每一個，使用校正約束值生成多個候選校正路徑；并且從多個候選校正路徑中選擇具有最小最低增量井筒能量的校正路徑。一個或多個校正約束值可任選地是總偏差長度。

在某些實施方案中，校正約束可包括最大彎曲率和/或最大總偏差長度。校正約束還可任選地包括最大橫向偏差和/或最大深度偏差。

在某些實施方案中，校正路徑可包括回旋曲線、懸重曲線、樣條和/或圓弧中的至少一者。任選地，校正路徑可組合兩條不同的曲線，諸如回旋曲線、懸重曲線、樣條和/或圓弧。

一個實施方案是包括計算機可執(zhí)行指令的非暫態(tài)計算機可讀介質(zhì)，所述計算機可執(zhí)行指令用于執(zhí)行自動化井筒軌跡控制以在實際井筒軌跡路徑與計劃井筒軌跡路徑之間進行校正。所述計算機可執(zhí)行指令在被執(zhí)行時，可致使一個或多個機器執(zhí)行包括以下各項的操作：接收用于確定實際井筒軌跡路徑的實時路徑數(shù)據(jù)；接收計劃井筒軌跡路徑的參數(shù)；確定實際井筒軌跡路徑是否偏離計劃井筒軌跡路徑；響應于實際井筒軌跡路徑偏離計劃井筒軌跡路徑的所述確定，使用校正約束確定校正路徑；以及啟動井筒軌跡控制以將實際井筒軌跡路徑改變到校正路徑。

在某些實施方案中，用于確定校正路徑的操作還可包括：生成滿足校正約束的多個校正路徑，并且從多個校正路徑中選擇具有最小最低增量井筒能量的校正路徑。用于生成一個或多個校正路徑的操作可任選地包括：選擇至少一個校正約束值；并且針對至少一個校正約束值中的每一個，使用校正約束值生成多個候選校正路徑；并且從多個候選校正路徑中選擇具有最小最低增量井筒能量的校正路徑。一個或多個校正約束值可任選地是總偏差長度。

在某些實施方案中，校正約束還可包括最大總偏差長度。另外地或可替代地，校正路徑可包括回旋曲線、懸重曲線、樣條和/或圓弧中的至少一者。任選地，校正路徑可包括兩條不同的曲線(諸如回旋曲線、懸重曲線、樣條和/或圓弧)的組合。

一個實施方案是用于執(zhí)行自動化井筒軌跡控制以在實際井筒軌跡路徑與計劃井筒軌跡路徑之間進行校正的控制器?？刂破鬟€可包括至少一個處理器和聯(lián)接到所述至少一個處理器的至少一個存儲器。存儲器可存儲指令，所述指令在由至少一個處理器執(zhí)行時執(zhí)行包括以下各項的操作：接收用于確定實際井筒軌跡路徑的實時路徑數(shù)據(jù)；接收計劃井筒軌跡路徑的參數(shù)；確定實際井筒軌跡路徑是否偏離計劃井筒軌跡路徑；響應于實際井筒軌跡路徑偏離計劃井筒軌跡路徑的所述確定，使用校正約束確定校正路徑；以及啟動井筒軌跡控制以將實際井筒軌跡路徑改變到校正路徑。

在某些實施方案中，用于確定校正路徑的操作還可包括：生成滿足校正約束的多個校正路徑，并且從多個校正路徑中選擇具有最小最低增量井筒能量的校正路徑。用于生成一個或多個校正路徑的操作還可任選地包括：選擇至少一個校正約束值；并且針對至少一個校正約束值中的每一個，使用校正約束值生成多個候選校正路徑；并且從多個候選校正路徑中選擇具有最小最低增量井筒能量的校正路徑。在某些實施方案中，校正路徑可包括至少一條回旋曲線、懸重曲線、樣條和/或圓弧。

如本文所用，除非上下文另外明確說明，否則單數(shù)形式“一(a/an)”和“所述(the)”也意圖包括復數(shù)形式。將進一步理解，在用于本說明書和/或權(quán)利要求書中時，術(shù)語“包括(comprise)”和/或“包括(comprising)”指定了所陳述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或其群組的存在或增加。隨附權(quán)利要求書中的所有裝置的相應結(jié)構(gòu)、材料、動作以及等效物或或步驟加功能要素意圖包括用于執(zhí)行所述功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或動作與具體要求保護的其他要求保護要素的組合。出于說明和描述的目的已經(jīng)呈現(xiàn)了對本發(fā)明的描述，但并不意圖為詳盡的或?qū)⒈竟_限制于呈所公開形式的本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，許多修改和變化對于本領域普通技術(shù)人員來說將是顯而易見的。選擇并描述實施方案來解釋本發(fā)明的原理和實際應用，并且允許本領域的其他普通技術(shù)人員理解本發(fā)明的各種實施方案以及各種修改適合于所涵蓋的具體用途。權(quán)利要求書的范圍意圖廣泛地涵蓋公開的實施方案和任何此種修改。