Управление операциями бурения ствола скважины

Изобретение относится к автоматизированному управлению операцией в стволе скважины для добычи углеводородов из подземных продуктивных пластов. Техническим результатом является повышение эффективности управления компоновкой низа бурильной колонны. Способ включает определение значений измерений датчика КНБК, определение модели динамики КНБК на основе значений измерений датчика КНБК, определение весового коэффициента, который соответствует конечной точке бурения, определение целевой функции, включающей конечную точку бурения, взвешенную по весовому коэффициенту, и одно или более ограничений, причем целевая функция содержит будущие состояния системы КНБК, а определение указанной целевой функции включает определение расчетного будущего отклонения от намеченной траектории ствола скважины, определение входного управляющего воздействия на КНБК, которое удовлетворяет целевой функции и одному или более ограничениям, и использование входного управляющего воздействия к КНБК. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Область техники

[001] Настоящее изобретение относится к автоматизированному управлению операцией в стволе скважины для добычи углеводородов из подземных продуктивных пластов.

Уровень техники

[002] Бурение для добычи углеводородов, таких как нефть и газ, как правило, заключается в работе бурового оборудования в подземных глубинах, которые могут достигать тысяч футов от поверхности земли. Такая труднодоступная отдаленность скважинного бурового оборудования в сочетании с непредсказуемыми условиями эксплуатации в скважине и вибрационными помехами бурения создает многочисленные проблемы для точного управления траекторией ствола скважины. Зачастую эти проблемы осложняются наличием соседних стволов скважин, иногда в непосредственной близости друг от друга, что ограничивает допуск на отклонение направления бурения. Операции бурения, как правило, получают результаты измерений от скважинных датчиков, расположенных на компоновке низа бурильной колонны (КНБК) или вблизи неё, для выявления различных условий, связанных с бурением, таких как положение и угол траектории ствола скважины, технические характеристики горной породы, давление, температура, акустика, радиация и т.д. Такие данные измерений датчика, как правило, передаются на поверхность, где люди-операторы анализируют данные для регулировки внутрискважинного бурового оборудования. Однако измерения датчика могут быть неточными, запаздывающими или редкими, что снижает эффективность использования таких измерений. Часто при управлении операцией бурения человеку-оператору остается использовать наиболее вероятные оценки траектории ствола скважины.

Краткое описание графических материалов

[003] На фиг. 1 проиллюстрирован пример реализации по меньшей мере участка системы ствола скважины применительно к работе внутри ствола скважины.

[004] На фиг. 2 проиллюстрирован пример маршрута обработки данных для управления КНБК с расчетом на основе компьютерной модели, которое динамически подбирает весовые коэффициенты в качестве ответа на изменение условий в стволе скважины.

[005] На фиг. 3 проиллюстрирован 3-х мерный пример результатов сопоставленной неопределённости между различными направлениями траектории ствола скважины.

[006] На фиг. 4A и 4B проиллюстрированы примеры определения направления предупреждения пересечения стволов скважин для адаптации весовых коэффициентов.

[007] На фиг. 5 проиллюстрирована блок-схема примера процесса адаптации весовых значений и их синтеза.

[008] На фиг. 6 проиллюстрирована блок-схема типового процесса для осуществления управления КНБК с расчетом на основе компьютерной модели.

[009] На фиг. 7 проиллюстрирована блок-схема примера дополнительных пояснений для определения по меньшей мере одного весового коэффициента на основе по меньшей мере одной модели динамики КНБК или результатов измерений датчика КНБК.

[0010] На фиг. 8 проиллюстрирована блок-схема примера дополнительных пояснений для определения по меньшей мере одного весового коэффициента и определения целевой функции, взвешенной по меньшей мере по одному весовому коэффициенту.

[0011] На фиг. 9 проиллюстрирована блок-схема примера дополнительных пояснений для определения целевой функции и определения входного управляющего воздействия на КНБК, который отвечает целевой функции.

[0012] На фиг. 10 проиллюстрирована блок-схема примера системы управления, согласно которой могут работать некоторые примеры.

Подробное описание сущности изобретения

[0013] Настоящее изобретение в целом описывает автоматизированное управление скважинными операциями бурения путём принятия основанных на использовании компьютерной модели предупреждающих решений по управлению КНБК. В частности, описываются технологии, которые динамически адаптируют входные управляющие воздействия на КНБК для усиления различных конечных точек бурения в различные периоды времени на основе изменяющихся условий в стволе скважины. Изменяющиеся условия в стволе скважины могут быть определены с использованием любых подходящих источников информации, например как измерения при помощи датчиков, расчеты на основе использования компьютерной модели и/или проектной информации о стволе скважины.

[0014] Входные управляющие воздействия на КНБК могут быть адаптированы к выборочному усилению (или ослаблению) одного или нескольких конечных точек, связанных с операцией бурения в качестве ответа на изменение условий в стволе скважины. В качестве примеров конечные точки бурения могут относиться к уменьшению отклонения от намеченной траектории ствола скважины, уменьшению потребления подводимой к КНБК энергии или к любой другой подходящей конечной точке, относящейся к операции бурения ствола скважины. При выполнении операции бурения изменяющиеся условия в стволе скважины (например, различные слои горных пород, по-разному сформированные участки намеченной траектории ствола скважины и т.д.) могут приводить к различным конечным точкам, которые являются более или менее важным в различные периоды времени, для поддержания общей эффективности и рентабельности операции бурения.

[0015] В некоторых примерах один или несколько конечных точек могут быть объединены в единую общую целевую функцию, в которой различные конечные точки усиливаются в различной степени с использованием одного или нескольких весовых коэффициентов. Адаптивный характер входных управляющих воздействий на КНБК может обеспечиваться путём адаптации весовых коэффициентов к выборочному усилению различных конечных точек в целевой функции и её решения для входного управляющего воздействия на КНБК, которое удовлетворяет общей целевой функции. Весовые коэффициенты могут автоматически адаптироваться к изменениям условий в стволе скважины. В качестве примеров весовые коэффициенты могут автоматически адаптироваться к изменениям величины неопределённости в траектории ствола скважины, к различным углам и поворотам по ходу движения в намеченной траектории ствола скважины, к наличию соседних стволов скважин, которые представляют угрозу пересечения скважин или к другим условиям в стволе скважины или вблизи неё, которые могут иметь значение для систем наклонно направленного бурения.

[0016] В обобщённом виде настоящее изобретение реализуется как реализованный компьютером способ управления компоновкой низа бурильной колонны (КНБК) для следования намеченной траектории ствола скважины, при этом способ включает определение результатов измерений датчика КНБК, определение модели динамики КНБК на основе результатов измерений датчика КНБК, определение весового коэффициента, который соответствует конечной точке бурения, определение целевой функции, включающей конечную точку бурения, взвешенную по весовому коэффициенту, и одно или более ограничений; определение входного управляющего воздействия на КНБК, которое удовлетворяет целевой функции и одному или нескольким ограничениям и использование входного управляющего воздействия на КНБК.

[0017] Другие основные варианты реализации настоящего изобретения содержат соответствующие компьютерные системы, инструментальные средства и компьютерные программы, записанные на одно или несколько компьютерных устройств хранения данных, каждое из которых выполнено с возможностью выполнения действий по реализации способов настоящего изобретения. Система, состоящая из одного или нескольких компьютеров, может быть выполнена с возможностью выполнения операций для выполнения действий по реализации вышеупомянутых способов. Одна или несколько компьютерных программ могут быть выполнены с возможностью выполнения конкретных операций или действий благодаря включению команд, которые при выполнении их устройством обработки данных побуждают это устройство выполнять указанные действия.

[0018] В первом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым самым общим вариантом реализации настоящего изобретения, определение весового коэффициента, который соответствует конечной точке бурения, дополнительно включает определение весового коэффициента на основе по меньшей мере одной модели динамики КНБК или результатов измерений датчика КНБК.

[0019] Во втором аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, определение весового коэффициента на основе по меньшей мере одной модели динамики КНБК или результатов измерений датчика КНБК включает определение по меньшей мере одного из: неопределённости измеренной траектории ствола скважины, формы ствола скважины или информации о предотвращении пересечения стволов скважин; определение весового значения на основе по меньшей мере одного из: неопределённости измеренной траектории ствола скважины, формы ствола скважины или информации о предотвращении пересечения стволов скважин и суммирование весового значения в весовой коэффициент.

[0020] В третьем аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, определение неопределённости расчетной траектории ствола скважины включает определение ковариационных значений между совокупностью результатов измерения азимута и совокупностью результатов измерения угла наклона траектории ствола скважины.

[0021] В четвёртом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, определение весового коэффициента, который соответствует конечной точке бурения, включает ужесточение ограничения на входное управляющее воздействие на КНБК в направлении, в котором неопределённость измеренной траектории ствола скважины увеличилась по сравнению с измерением, сделанным в предыдущий раз.

[0022] В пятом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, ужесточение ограничения на входное управляющее воздействие на КНБК включает определение возросшего значения весового коэффициента, связанного с входным управляющим воздействием на КНБК.

[0023] В шестом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, конечная точка бурения включает расчётное отклонение от намеченной траектории ствола скважины, а определение весового коэффициента, который соответствует конечной точке бурения, включает ослабление ограничения на расчётное отклонение от намеченной траектории ствола скважины в направлении, в котором неопределённость измеренной траектории ствола скважины увеличилась по сравнению с измерением, сделанным в предыдущий раз.

[0024] В седьмом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, ослабление ограничения на расчётное отклонение от намеченной траектории ствола скважины включает определение уменьшившегося значения весового коэффициента, связанного с расчетным отклонением от намеченной траектории ствола скважины.

[0025] В восьмом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, определение формы ствола скважины включает определение радиуса кривизны последующего участка намеченной траектории ствола скважины.

[0026] В девятом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, конечная точка бурения включает расчётное отклонение от намеченной траектории ствола скважины, а определение весового коэффициента включает ослабление ограничения на расчётное отклонение от намеченной траектории ствола скважины в направлении, в котором радиус кривизны будущего участка намеченной траектории ствола скважины увеличилась по сравнению с измерением, сделанным в предыдущий раз.

[0027] В десятом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, определение информации о предотвращении пересечения стволов скважин включает определение направления, в котором пересечение с другим стволом скважины наиболее вероятно.

[0028] В одиннадцатом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, конечная точка бурения включает расчётное отклонение от намеченной траектории ствола скважины, а определение весового коэффициента включает увеличение ограничения на расчётное отклонение от намеченной траектории ствола скважины в направлении, в котором пересечение с другим стволом скважины наиболее вероятно.

[0029] В двенадцатом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, определение ковариационных значений между совокупностью результатов измерения азимута и совокупностью результатов измерения угла наклона траектории ствола скважины дополнительно включает определение совокупности результатов измерения азимута и совокупности результатов измерений наклона траектории ствола скважины, полученных от датчиков КНБК, и определение ковариационных значений между совокупностью результатов измерения азимута и совокупностью результатов измерений наклона траектории ствола скважины, полученных от датчиков КНБК.

[0030] В тринадцатом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, определение ковариационных значений между совокупностью результатов измерения азимута и совокупностью результатов измерения угла наклона траектории ствола скважины дополнительно включает определение совокупности расчётных результатов измерения азимута и совокупности расчётных результатов измерения угла наклона траектории ствола скважины на основе модели динамики КНБК и определение ковариационных значений между совокупностью расчётных результатов измерения азимута и совокупностью расчётных результатов измерения угла наклона траектории ствола скважины на основе модели динамики КНБК.

[0031] В четырнадцатом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, определение целевой функции включает определение расчётного будущего отклонения от намеченной траектории ствола скважины, определение расчётных будущих затрат на применение входного управляющего воздействия на КНБК и определение взвешенной комбинации, при этом взвешенной по весовому коэффициенту, расчетному будущему отклонению от намеченной траектории ствола скважины и расчетным будущим затратам применения входного управляющего воздействия на КНБК.

[0032] В пятнадцатом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, определение весового коэффициента включает определение первого весового коэффициента для расчётного будущего отклонения от намеченной траектории ствола скважины и определение второго весового коэффициента для расчётных будущих затрат на применение входного управляющего воздействия на КНБК.

[0033] В шестнадцатом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, определение входного управляющего воздействия на КНБК, которое удовлетворяет целевой функции, включает определение входного управляющего воздействия на КНБК, которое минимизирует взвешенную комбинацию расчётного будущего отклонения от намеченной траектории ствола скважины и расчётных будущих затрат на применение входного управляющего воздействия на КНБК в течение последующего периода времени.

[0034] В семнадцатом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, расчётные будущие затраты на применение входного управляющего воздействия на КНБК включают расчётное потребление энергии КНБК.

[0035] Восемнадцатый аспект настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, дополнительно включает определение вероятного входного управляющего воздействия на КНБК, определение расчётной траектории ствола скважины на основе вероятного входного управляющего воздействия на КНБК и модели динамики КНБК, а также определение расчётного будущего отклонения от намеченной траектории ствола скважины на основе расхождения между расчётной траекторией ствола скважины и намеченной траекторией ствола скважины.

[0036] В девятнадцатом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, определение входного управляющего воздействия на КНБК включает определение по меньшей мере одного из: управление первым углом изгиба, управление вторым углом изгиба, управление первым пакером или управление вторым пакером.

[0037] Двадцатый аспект настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, дополнительно включает определение уточнённых результатов измерений датчика КНБК, определение обновлённой модели динамики КНБК на основе уточнённых результатов измерений датчика КНБК, определение уточнённого весового коэффициента и уточнённой целевой функции на основе по меньшей мере одного из обновлённой модели динамики КНБК или уточнённых результатов измерений датчика КНБК и автоматическую настойку входного управляющего воздействия на КНБК, которое удовлетворяет уточнённой целевой функции на основе уточнённого весового коэффициента.

[0038] В двадцать первом аспекте настоящего изобретения, который может быть соединён с любым из предшествующих аспектов, определение ковариационных значений между совокупностью результатов измерения азимута и совокупностью результатов измерений угла наклона траектории ствола скважины дополнительно включает определение взаимной корреляции между значениями неопределённости в двух различных направлениях от траектории ствола скважины.

[0039] Различные варианты реализации системы управления бурением ствола скважины в соответствии с настоящим описанием изобретения могут не содержать, содержать одну или несколько из признаков. Например, система может повышать стабильность и эффективность буровых операций. В частности, технологии, которые описаны в настоящем документе, могут обеспечивать более точное и тщательное управление траекторией ствола скважины, несмотря на изменяющиеся и непредсказуемые условия в среде ствола скважины.

[0040] Например, если определённая часть ствола скважины даёт большее значение погрешности и более неопределённые результаты измерений, то может быть целесообразно придать больше весовому значению конечной точке снижения потребления подаваемой энергии, таким образом ограничивая её подачу для того, чтобы применять более экономный режим бурения в течение определённых промежутков времени, когда измеренная траектория не может быть точным отражением реальной траектории в стволе скважины. В другом примере, если определённая часть намеченной траектории ствола скважины имеет резкий поворот, то может быть целесообразно придать меньше весового значения конечной точке придерживаться намеченной траектории ствола скважины в течение этих промежутков времени, чтобы позволить иметь больший зазор во время выполнения резкого поворота и для того, чтобы избежать резкого изменения подачи энергии (например, если придерживаться намеченной траектории является слишком затратным или даже невозможным). Адаптивно делая больший или меньший упор на разных конечных точках в различные промежутки времени во время операции бурения, технологии, которые описаны в настоящем документе, могут обеспечивать более эффективную и точную операцию бурения, несмотря на изменяющиеся условия в стволе скважины.

[0041] В некоторых примерах модель динамики КНБК может использоваться для генерирования расчетов будущей траектории ствола скважины, а входные управляющие воздействия на КНБК могут быть адаптированы в направлении упреждения развития ситуации в неблагоприятном направлении на основе расчетной траектории ствола скважины. Модель динамики КНБК может уточняться по мере того, как выполняются новые измерения и по мере того, как поступают новые входные управляющие воздействия, чтобы дать возможность точного для следования правильной траектории ствола скважины, например, для того, чтобы обеспечить меньшую ошибку расчета траектории ствола скважины. Система может использовать эти расчеты, в также информацию о намеченной траектории ствола скважины и/или другую информацию для того, чтобы предвидеть будущие изменения в стволе скважины и регулировать операцию бурения в направлении упреждения развития ситуации в неблагоприятном направлении.

[0042] Например, система может увеличить или уменьшить определённые весовые коэффициенты одной или нескольких конечных точек на основе ожидаемых изменений в стволе скважины и автоматически определять входные управляющие воздействия на КНБК, которые удовлетворяют адаптированным взвешенным конечным точкам и одному или нескольким ограничениям. Удовлетворение конечным точкам может включать, например, выполнение оптимизации (например, сведения к минимуму функции затрат, максимального увеличения функции полезности и т.д.) или может включать определение субоптимальных решений, которые аппроксимируют оптимальные решения (например, численные аппроксимации, которые учитывают сложность вычислений и т.д.), или может включать удовлетворение другим подходящим конечным точкам, относящимся к процессу бурения. Определение входных управляющих воздействия на КНБК, которые удовлетворяют конечным точкам, может включать удовлетворение одному или нескольким ограничениям, например, максимальному углу изгиба, максимально доступной подачи энергии и т.д.

[0043] Вместе с ограничениями модель определяет совокупность параметров всех возможных будущих режимов работы КНБК на основе определения оптимальных входных управляющих воздействий и связанной с ними будущей динамики КНБК, определяемой путём минимизации целевой функции.

[0044] Скважинная среда вокруг КНБК, как правило, является сложной системой. В некоторых примерах система может включать по меньшей мере 4 управляющих переменных и 12 результатов измерений. Обычные стратегии управления не могут беспрепятственно применяться к системам КНБК по разным причинам, включая следующие. Взаимодействия между различными входными и выходными данными могут быть сильными и непредсказуемыми, например, результаты измерений угла наклона ствола скважины могут зависеть большей частью от таких управляющих переменных, как например, два угла изгиба и раздувание пакера. При таких сценариях обычные технологические решения, как например пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование, могут быть ограничены в достижении желаемых рабочих характеристик. Например, если желательно получить оптимальное решение для целевой функции, тогда контроллеры ПИД могут оказаться неспособными достичь желаемых оптимальных рабочих характеристик. Другая сложность заключается в том, что количество выводов системы может быть больше, чем количество вводов и поэтому не всегда может быть понятно, как развязать взаимодействия между определёнными вводами и выводом. Это может привести к сложным и многочисленным вариантам, которые усложняют решения по входным управляющим воздействиям на КНБК. При таких вариантах производительность операции бурения, как правило, зависит от навыков разработчика системы управления по её оптимизации, что может определять зависимость системы от человеческого фактора. Другая сложность заключается в том, что количество результатов измерений, будучи больше, чем количество управляющих переменных, во многих случаях является таким, что может создавать трудности отслеживания запланированных целевых результатов для всех измерений, не сталкиваясь с определёнными отклонениями. Такие отклонения могут приводить к неопределённости в том, как контролировать траекторию ствола скважины, что в свою очередь может приводить к слишком интенсивному управлению траекторией, которое влечёт за собой различные выходные данные, конфликтующие друг с другом. Например, если значение угла наклона ствола скважины от ближайшего датчика требует большего угла изгиба, то это может выразиться в больших погрешностях и неопределённости в одном из удалённых датчиков угла наклона ствола скважины. В некоторых вариантах это может приводить к пониженному допустимому пределу стабильности, приводя операцию бурения в состояние, более трудное для точного контроля.

[0045] Описанные в настоящем документе технологии обеспечивают стратегию управления, основанную на прогностическом упреждающем управлении с использованием компьютерной модели, которое позволяет осуществлять регулирование сложных систем КНБК, даже тех, которые могут иметь сильные взаимодействия, при этом удовлетворяя (например, оптимизируя) общей целевой функции операции бурения и любым связанным с ней ограничениям. Кроме того, в сценариях развития событий, в которых окружающая среда и проектные технические характеристики быстро меняются во время операции наклонно направленного бурения, адаптивный алгоритм оптимизации весового значения может быть реализован совместно со стратегией прогностического упреждающего управления на основе использования компьютерной модели для достижения более устойчивого к сбоям и точного управления.

[0046] Подробности одного или более вариантов реализации настоящего изобретения изложены в прилагаемых графических материалах и в нижеприведенном описании. Другие признаки, цели и преимущества изобретения станут очевидными из описания и графических материалов, а также из формулы изобретения.

[0047] Фиг. 1 иллюстрирует участок одного из вариантов реализации системы 100 отклоненного ствола скважины в соответствии с настоящим описанием изобретения. Хотя проиллюстрирована система с отклонённым стволом скважины (например, с направленным, горизонтальным или изогнутым по радиусу стволом скважины), система может содержать только относительно вертикальный ствол скважины (например, включая нормальные буровые колебания), а также другие виды стволов скважин (например, боковые стволы, типовые стволы скважин и иные). Кроме того, хотя система 100 проиллюстрирована на поверхности земли, она может быть размещена под водой или в водной природной среде. Как правило, система 100 отклоненного ствола скважины достигает одного или нескольких подземных пластов, и обеспечивает более легкую и эффективную добычу углеводородов, расположенных в таких подземных пластах. Кроме того, система 100 отклоненного ствола скважины может создавать возможности для более легкого и более эффективного разрыва пласта или работ по интенсификации добычи. Как проиллюстрировано на фиг. 1, система 100 отклоненного ствола скважины содержит буровую компоновку 104, установленную на земной поверхности 102. Буровая компоновка 104 может использоваться для формирования вертикального участка ствола скважины 108, пролегающего от земной поверхности 102 через один или несколько геологических пластов в толще земли. Один или несколько подземных пластов, таких как продуктивный пласт 126, расположены под земной поверхностью 102. Как будет более подробно объяснено ниже, одна или несколько обсадных колонн ствола скважины, таких как кондукторная обсадная колонна 112 и промежуточная обсадная колонна 114, могут быть установлены по меньшей мере в части вертикального участка ствола скважины 108.

[0048] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения буровая компоновка 104 может быть установлена на водной поверхности, а не на земной поверхности 102. Например, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения земная поверхность 102 может быть океаном, заливом, морем или любой другой водной поверхностью, под которой могут быть найдены нефтегазоносные пласты. Короче говоря, указание на земную поверхность 102 включает как земную, так и водную поверхности и предусматривает формирование и/или разработку одной или нескольких систем 100 отклоненного ствола скважины из любой из двух или из обоих мест расположения.

[0049] В целом буровая компоновка 104 может быть любой соответствующей буровой компоновкой или буровой установкой, применяемой для формирования стволов скважины или скважин в толще земли. В буровой компоновке 104 могут использоваться традиционные способы формирования таких стволов скважины, как например вертикального участка ствола скважины 108, или могут использоваться нетрадиционные или новые технологии. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения в буровой компоновке 104 может использоваться оборудование для роторного бурения для формирования таких стволов скважины. Оборудование для роторного бурения широко известно и может состоять из колонны бурильных труб 106 и компоновки низа бурильной колонны (КНБК) 118. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения буровая компоновка 104 может состоять из роторной буровой установки. Вращающееся оборудование на такой роторной буровой установке может состоять из компонентов, которые служат для вращения бурового долота, образующего в свою очередь ствол скважины, который всё глубже уходит в землю, как например вертикальный участок ствола скважины 108. Вращающееся оборудование состоит из множества компонентов (здесь проиллюстрированы не все из них), которые сами по себе способствуют передаче мощности от первичного привода к буровому долоту. Первичный привод передаёт мощность роторному столу или системе верхнего прямого привода, которая в свою очередь передаёт мощность вращения к колонне бурильных труб 106. Колонна бурильных труб 106, как правило, прикреплена к буровому долоту внутри компоновки низа бурильной колонны 118. Шарнирный анкер, прикрепленный к грузоподъемному оборудованию, несёт значительную, если не всю, массу колонны бурильных труб 106, но может допускать и её свободное вращение.

[0050] Колонна бурильных труб 106, как правило, состоит из секций тяжелой стальной трубы, которые имеют резьбу, так что они могут сцепляться вместе. Ниже буровой трубы находятся одна или несколько утяжеленных бурильных труб, которые тяжелее, толще и крепче, чем буровая труба. Резьбовые утяжеленные буровые трубы помогают добавить нагрузку на колонну бурильных труб 106 выше бурового долота с целью обеспечения достаточного давления сверху вниз на буровое долото, что позволяет долоту проходить бурением один или несколько геологических пластов. Количество и свойства утяжеленных бурильных труб на какой-либо конкретной роторной буровой установке могут меняться в зависимости от условий в скважине, с которыми столкнулись в процессе бурения.

[0051] Буровое долото, как правило, расположено внутри или прикреплено к КНБК 118, которое расположено на скважинном конце колонны бурильных труб 106. Буровое долото в первую очередь отвечает за создание контакта с материалом (например, со скальной породой) внутри одного или нескольких геологических пластов и за прохождение бурением такого материала. В соответствии с настоящим описанием изобретения вид бурового долота может быть выбран в зависимости от типа геологического пласта, встречающегося в процессе бурения. Например, различные геологические пласты, встречающихся в процессе бурения, могут потребовать применения различных буровых долот для достижения максимальной эффективности бурения. Буровые долота могут быть видоизменены из-за таких различий в пластах или из-за воздействия износа на них. Хотя такая деталь не имеет решающего значения для настоящего описания, в целом существует четыре вида буровых долот, каждый из которых подходит для конкретных условий. Указанные четыре наиболее распространенные виды буровых долот включают долота замедленного действия или лопастные долота, калёные буры для шарошечных долот, компактные долота с поликристаллическими алмазами и алмазные долота. Вне зависимости от конкретных выбранных буровых долот для вращательного бурения необходимым условием является непрерывное удаление "бурового шлама".

[0052] Циркуляционная система операции вращательного бурения, как например буровая компоновка 104, может быть дополнительным компонентом буровой компоновки 104. В целом циркуляционная система имеет ряд основных задач, включая охлаждение и смазывание бурового долота, удаление бурового шлама из бурового долота и из ствола скважины и нанесение покрытия из глинистой корки на стенки ствола скважины. Циркуляционная система состоит из бурового раствора, который циркулирует вниз через ствол скважины в течение всего процесса бурения. Как правило, компоненты циркуляционной системы содержат насосы бурового раствора, компрессоры, соответствующую водопроводную арматуру и специальные форсунки для добавления присадок к буровому раствору. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, таких как, например в процессах горизонтального или наклонно-направленного бурения, забойные двигатели могут использоваться в сочетании с компоновкой низа бурильной колонны 118 или в ней. Таким забойным двигателем может быть турбонасосный забойный двигатель или установка электровинтового двигателя, такая как двигатель Муано. Эти двигатели получают буровой раствор через колонну бурильных труб 106 и вращаются для приведения в действие бурового долота или изменения направлений в процессе бурения.

[0053] Во многих операциях вращательного бурения буровой раствор закачивается вниз по колонне бурильных труб 106 и выходит через отверстия или насадки в буровом долоте. Затем раствор течет вверх по направлению к поверхности 102 внутри кольцевого пространства (например, затрубного пространства) между участком ствола скважины 108 и колонной бурильных труб 106, вынося суспензию бурового шлама к поверхности. Буровой раствор, как и буровое долото, может быть выбран в зависимости от типа геологических условий, обнаруженных под земной поверхностью 102. Например, определенные обнаруженные геологические условия и некоторые подземные пласты могут требовать, чтобы в качестве бурового раствора использовалась жидкость, такая как вода. В таких ситуациях для завершения операции бурения может потребоваться свыше 378,54 кубических тонн (100000 галлонов) воды. Если вода сама по себе не пригодна для вынесения бурового шлама из ствола скважины или не обладает достаточной плотностью, чтобы управлять давлением в скважине, для образования бурового раствора (например, бурового глинистого раствора) к воде могут быть добавлены глинистые добавки (бентонит) или добавки на полимерной основе. Как уже отмечалось выше, могут быть вопросы, вызывающие озабоченность в отношении применения таких добавок в подземных пластах, которые могут прилегать к подземным пластам, содержащим питьевую воды, или находиться вблизи них.

[0054] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения буровая компоновка 104 и компоновка низа бурильной колонны 118 могут работать с воздухом или пеной в качестве бурового раствора. Например, в процессе пневматического вращательного бурения сжатый воздух поднимает буровой шлам, производимый буровым долотом, вертикально вверх через затрубное пространство к поверхности земли 102. Компрессоры большой производительности могут подводить воздух, который затем нагнетается вниз колонны бурильных труб 106 и в конечном итоге выходит через небольшие отверстия или насадки в буровом долоте. Буровой шлам, удалённый на поверхность земли 102, затем собирается.

[0055] Как было отмечено выше, выбор бурового раствора может зависеть от типа геологических пластов, встречающихся в процессе буровых операций. Кроме того, на это решение может оказывать влияние вид бурения, такой как вертикальное бурение, горизонтальное бурение или наклонно-направленное бурение. Например, в некоторых случаях определенные геологические пласты могут быть более пригодными для пневматического бурения при вертикальном бурении по сравнению с наклонно-направленным или горизонтальным бурением.

[0056] Как проиллюстрировано на фиг. 1, компоновка низа бурильной колонны 118, включая буровое долото, бурит или создает вертикальный участок ствола скважины 108, который пролегает от поверхности земли 102 по направлению к целевому поземному пласту 124 и продуктивному пласту 126. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения целевым подземным пластом 124 может быть геологический пласт, поддающийся пневматическому бурению. Помимо этого в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения продуктивным пластом 126 может быть геологический пласт, который в меньшей степени поддается процессам пневматического бурения. Как проиллюстрировано на фиг. 1, продуктивный пласт 126 непосредственно примыкает к целевому пласту 124 и расположен под ним. В качестве альтернативы в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения может быть один или несколько промежуточных подземных пластов (например, различные скальные пласты или минеральные образования) между целевым подземным пластом 124 и продуктивным пластом 126.

[0057] В некоторых вариантах реализации системы 100 отклоненного ствола скважины вертикальный участок ствола скважины 108 может быть обсажен одной или несколькими обсадными трубами. Как проиллюстрировано, вертикальный участок ствола скважины 108 содержит направляющую обсадную колонну 110, которая начинается от поверхности земли 102 и заканчивается на небольшой глубине. Часть вертикального участка ствола скважины 108, обсаженная направляющей обсадной колонной 110, может быть стволом скважины, который имеет больший диаметр. Например, эта часть вертикального участка ствола скважины 108 может иметь размер 43,18 см (17-1/2”) при размере направляющей обсадной колонны 110, равном 44,13 см (13-3/8’’). Кроме того следует отметить, что в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения вертикальный участок ствола скважины 108 может быть смещен от вертикали (например, может быть наклонным стволом скважины). В других некоторых вариантах реализации настоящего изобретения вертикальный участок ствола скважины 108 может быть ступенчатым стволом скважины, таким образом, что участок бурится вертикально вниз, а затем изгибается и переходит в практически горизонтальный участок ствола скважины. Практически горизонтальный участок ствола скважины затем может быть повернут вниз ко второму практически вертикальному участку, который затем поворачивается ко второму практически горизонтальному участку ствола скважины. Дополнительные практически вертикальный и горизонтальный участки ствола скважины могут быть добавлены в зависимости, например, от типа поверхности земли 102, глубины одного или нескольких целевых подземных пластов, глубины одного или нескольких продуктивных подземных пластов и/или других критериев.

[0058] Вниз по скважине от направляющей обсадной колонны 110 может находиться кондукторная обсадная колонна 112. Кондукторная обсадная колонна 112 может обсаживать немного меньший ствол скважины и защищать вертикальный участок ствола скважины 108 от притока, например, пресной воды из водоносных горизонтов вблизи поверхности земли 102. Затем вертикальный участок ствола скважины 108 может продолжаться вертикально вниз по направлению к точке отклонения скважины от вертикали 120, которая может находиться на 152,4-304,8 м (500-1000 футов) выше целевого подземного пласта 124. Эта часть вертикального участка ствола скважины 108 может быть защищена промежуточной колонной обсадных труб 114. Диаметр вертикального участка ствола скважины 108 в любой точке его длины, а также размер обсадных труб любой из вышеупомянутых колонн обсадных труб могут соответствовать требованиям конкретного процесса бурения.

[0059] При достижении точки отклонения скважины от вертикали 120 буровые инструменты, такие как каротажное и измерительное оборудование, могут быть размещены в участке ствола скважины 108. В этой точке может быть определено точное местоположение компоновки низа бурильной колонны 118 и передано на поверхность земли 102. Кроме того, при достижении точки отклонения скважины от вертикали 120 компоновка низа бурильной колонны 118 может быть изменена или отрегулирована таким образом, что в вертикальный участок ствола скважины 108 могут быть введены надлежащие инструменты наклонно-направленного бурения.

[0060] Как проиллюстрировано на фиг. 1, изогнутый участок ствола скважины 128 и горизонтальный участок ствола скважины 130 были образованы в пределах одного или нескольких геологических пластов. Как правило, изогнутый участок ствола скважины 128 может быть пробурен, начиная от нижнего конца вертикального участка ствола скважины 108, и затем отклонен от вертикального участка ствола скважины 108 в сторону заданного азимута, достигая значения 9-18 градусов на каждые 30,48 пробуренных метров (100 футов). В качестве альтернативы для бурения изогнутого участка ствола скважины 128 могут использоваться различные предварительно заданные значения азимута. При бурении изогнутого участка ствола скважины 128 в компоновке низа бурильной колонны 118 часто применяется оборудование для измерений во время бурения (ИВБ) с целью более точного определения местоположения бурового долота в пределах одного или нескольких геологических пластов, таких как целевой подземный пласт 124. В целом оборудование для ИВБ может применяться для направленного управления буровым долотом в ходе того, как оно образует изогнутый участок ствола скважины 128, а также горизонтальный участок ствола скважины 130.

[0061] В качестве альтернативы или в дополнение к данным, собранным от оборудования для ИВБ, во время бурения участков ствола скважины, показанных на фиг. 1, могут быть получены определенные результаты измерений с высокой точностью (например, измерения искривления скважины). Например, измерения искривления скважины могут проводиться через определённые промежутки времени бурения, через определённые расстояния по длине ствола скважины (например, на различных расстояниях по ходу бурения, таких как каждые 9,15 м (30 футов) или иным образом), или по мере необходимости или по желанию (например, когда имеется опасение относительно соблюдения правильности траектории ствола скважины). Как правило, во время измерения искривления скважины полное измерение угла наклона ствола скважины и азимута местоположения в скважине (как правило, в момент измерения на пробуренной глубине) производится для того, чтобы знать с достаточной степенью точности, что соблюдается заданная или особая траектория ствола (например, в соответствии с проектом ствола скважины). Кроме того, может быть полезным знать о местоположении в случае, если должна быть пробурена скважина для глушения фонтана на соседней скважине. Измерения высокой точности могут включать измерение угла наклона ствола скважины по отношению к вертикали и азимута (или направления по компасу) ствола скважины, если направление траектории является критически важным. Эти высокоточные измерения могут быть сделаны в отдельных точках скважины, и в этом случае приблизительная траектория ствола скважины рассчитывается из указанных отдельных точек. Указанные высокоточные измерения могут быть сделаны каким-либо подходящим датчиком высокой точности. Примеры включают, например, простые приборы маятникового типа в совокупности со сложными электронными акселерометрами и гироскопами. Например, при простых измерениях с помощью маятника положение свободно висящего маятника по отношению к сети наблюдений (закрепленной на корпусе измерительного инструмента и выполняющую представление траектории ствола скважины) фиксируется на фотопленку. Пленку проявляют и изучают после извлечения прибора из ствола скважины либо на каротажном кабеле, либо при следующем подъёме бурильной колонны из ствола скважины.

[0062] Горизонтальный участок ствола скважины 130 внутри целевого подземного пласта 124 чаще всего может продолжаться на сотни, если не тысячи футов. Несмотря на то, что фиг. 1 иллюстрирует горизонтальный участок ствола скважины 130 как точно перпендикулярный вертикальному участку ствола скважины 108, следует понимать, что направленно пробуренные стволы скважины, такие как горизонтальный участок ствола скважины 130, имеют некоторую вариативность своих траекторий. Таким образом, горизонтальный участок ствола скважины 130 может содержать траекторию в виде “зигзага”, все ещё остающуюся в целевом подземном пласте 124. Как правило, горизонтальный участок ствола скважины 130 бурится к заданной конечной точке 122, которая, как было отмечено выше, может быть удалена от точки отклонения скважины от вертикали 120 на расстояние до многих тысяч футов. Как было отмечено выше, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения изогнутый участок ствола скважины 128 и горизонтальный участок ствола скважины 130 могут быть образованы с использованием процесса пневматического бурения, в котором в качестве бурового раствора используется воздух или пена.

[0063] Система 100 ствола скважины также содержит контроллер 132, который связан с КНБК 118. Контроллер 132 может быть расположен на буровой площадке (например, на буровой компоновке 104 или около неё) или может быть отдалённым по отношению к буровой площадке. Контроллер 132 также может находиться в связи с другими системами, устройствами, базами данных и информационными сетями. Как правило, контроллер 132 может включать компьютер на основе процессора или компьютеры (например, настольный компьютер, ноутбук, сервер, мобильное устройство, мобильный телефон или другие), содержащие запоминающее устройство (например, магнитное, оптическое, ОЗУ/ПЗУ, съемное, дистанционное или локальное), сетевой интерфейс (например, программное обеспечение или интерфейс на основе аппаратных средств), а также одно или несколько периферийных устройств ввода-вывода (например, устройства отображения, клавиатуру, мышь, сенсорный экран и другие).

[0064] Контроллер 132 может по меньшей мере частично контролировать, управлять и выполнять операции, связанные с операцией бурения с помощью КНБК. В некоторых аспектах настоящего изобретения контроллер 132 может управлять и регулировать один или несколько из проиллюстрированных компонентов системы 100 ствола скважины в динамичном режиме, как например, в режиме реального времени в процессе буровых операций в системе 100 ствола скважины. Управление в режиме реального времени может регулироваться на основании данных измерений датчика или на основании изменяющихся расчетов траектории ствола скважины даже без каких-либо измерений датчиком.

[0065] Контроллер 132 может выполнять такие операции управления на основе модели динамики КНБК. Модель динамики КНБК может имитировать различные физические явления во время выполнения операции бурения, как например вибрационные помехи и помехи датчика. Контроллер 132 может использовать модель динамики КНБК для определения расчетной траектории ствола скважины и адаптировать один или несколько весовых коэффициентов к выборочному усилению или ослаблению различных конечных точек, связанных с бурением.

[0066] В целом модель динамики КНБК может опираться на лежащую в её основе переменную состояния, которая претерпевает изменения в зависимости от времени, отображая изменяющиеся условия в процессе выполнения операции бурения. Переменная состояния в модели динамики КНБК является оценкой реального состояния КНБК, из которого могут быть получены оценки траектории ствола скважины. Изменение динамики КНБК в зависимости от времени может представлять собой модель с дискретным временем в пространстве состояний, пример которой может быть сформулирован как:

[0067] (1)

[0068] где матрицы A, B и C являются системными матрицами, которые отражают лежащую в основе модели динамику бурения и измерения состояний КНБК. Системные матрицы A, B и C определяются лежащими в основе модели физическими явлениями и механизмами, используемыми в процессе бурения. На практике эти матрицы оцениваются и моделируются на основе опыта. Состояние x(t) является вектором, который отражает последующие состояния системы КНБК, вход u(t) является вектором, который отражает входные управляющие воздействия на КНБК, а выход y(t) является вектором, который отражает полученные путём наблюдения (измеренные) траектории ствола скважины.

[0069] В некоторых аспектах настоящего изобретения вектор w(k) отражает помехи процесса бурения, а вектор v(k) отражает помехи при измерении. Помехи процесса бурения w рассчитываются для таких факторов, как воздействия бурового долота и вибраций, в то время как помехи при измерении v рассчитываются для помех в измерительных датчиках. Помехи процессов бурения w(k) и v(k) могут не быть точно известны, хотя для этих процессов могут быть сделаны достаточно разумные предположения и эти предположения могут быть преобразованы на основе опыта. Вектора помех w(k) и v(k) как правило, моделируются с помощью гауссовских процессов нормального распределения однородных помех, но не гауссовы помехи могут также моделироваться преобразованием состояния x и матрицы A для включения не только динамики, описываемой переменными состояния, но также и гладких помех, как описано далее.

[0070] В рассмотренных ниже примерах вектор входных управляющих воздействий на КНБК u(t) включает 6 управляющих переменных, представляющих первый и второй углы изгиба КНБК, глубину расположения КНБК, приведение в действие первого и второго пакеров (например, путём расширения пакеров, механического сжатия пакеров и т.д.) и отделение пакеров. Вектор выхода y(t) включает 12 полученных путём наблюдения результатов измерений, включающих 6 результатов измерений от ближайшего блока инклинометра и магнитометра и другие 6 результатов измерений от наиболее удалённого блока инклинометра и магнитометра (в дальнейшем в этом документе “инк/маг”). Вектор состояния x(t) является вектором измерения 12+n_d, который включает 12 состояний, отражающих действительные значения азимута и угла наклона ствола скважины, которые могут быть получены (измерены) ближайшим и наиболее удалённым блоками инк/маг. Значение n_d представляет собой порядок модели отклонений, которая отфильтровывает не предусмотренные в модели отклонений и добавляет их к 12 состояниям, отражающих динамику системы.

[0071] В связи с этим матрица изменения состояния A в данном примере представляет собой (12 + n_d)×(12 + n_d)-размерную матрицу изменения состояния, которая отражает положенные в основу модели физические процессы, матрица B является (12 + n_d) умноженным на матрицу с 6 измерениями, которая управляет отношением между управляющими переменными и состоянием система, а матрица C является матрицей 12 × (12 + n_d), которая управляет отношением между наблюдениями y и состоянием системы x. Матрицы A, B и C могут быть определены с использованием любой подходящей оценки или технологии моделирования, как например модели системы сосредоточенной массы. Если используется более сложная динамическая модель для описания системы, то состояний может быть больше.

[0072] В связи со случайными помехами и потенциальными погрешностями при моделировании матриц системы A, B и C, состояние x модели динамики КНБК в уравнении 1 в целом является не точно известным, а скорее расчетным. При таких вариантах моделирования уравнение 1 может быть использовано для определения предположений или оценок результатов состояния x и измерений y, а не их действительных результатов. В частности, модель уравнения 1 может быть использована для разработки расчетов будущих результатов состояния x и измерений y. Такие расчеты могут принимать во внимание действительные результаты измерений для уточнения динамики модели в уравнении 1.

[0073] Например, при отсутствии каких-либо текущих измерений для получения оценки следующего состояния системы КНБК может быть использовано следующее уравнение:

[0074] (2)

[0075] Если доступны текущие измерения y, то расчеты могут быть разработаны с использованием модифицированных уравнений фильтрации Калмана:

[0076] (3)

[0077] В уравнении 3 y(k) представляет результат реального наблюдения (например, предоставленного измерениями датчиками высокой точности, измерениями оборудованием для ИВБ или измерениями любыми другими подходящими датчиками). Коэффициент K (например, коэффициент, переменный по времени), также известный как приращение наблюдения Калмана, представляет собой поправочный коэффициент для расчёта расхождения между реальной траекторией и расчётной траекторией ствола скважины . В целом большее значение K подразумевает, что в определении оценки следующего состояния y(k) большее весовое значение придано измеренному наблюдению . Как правило, значение K зависит от величины вибрации и противодействующей силы, которая воздействует на буровое долото. Значение K может быть выбрано в зависимости от любого подходящего критерия (например, свести к минимуму среднеквадратичную погрешность оценки состояния или любого другого подходящего критерия) для достижения желаемого соотношения между относительной важностью измеренных наблюдений и положенных в основу динамики модели.

[0078] Модель динамики КНБК в уравнении 1 может динамично уточняться по мере того, как контроллер (например, контроллер 132 на фиг. 1) получает новую информацию. Например, матрицы A и B могут подвергаться воздействию условий операции бурения в стволе скважины, в то время как модель (например, в уравнении 1) может быть повторно приведена к линейному виду по мере того, как меняются условия проведения операции бурения. Такое повторное приведение к линейному виду может быть выполнено, например, если определяется, что КНБК входит в другой подземный пласт или когда операция бурения меняет направление от прямо направленного бурения к изогнутой траектории бурения. В целом модель динамики КНБК может уточняться по различным причинам по мере того, как меняются условия в процессе выполнения операции бурения.

[0079] Основанный на использовании модели рассчитывающий контроллер может использовать модель динамики КНБК в уравнении 1 для генерации расчетов будущей траектории ствола скважины и на основе этих расчетов определять входные управляющие воздействия на КНБК, которые удовлетворяют желаемой целевой функции (например, обеспечивать оптимальные условия проведения операции бурения), при этом также удовлетворяя одному или нескольким ограничениям. Целевая функция может быть комбинацией одной или нескольких конечных точек, взвешенных по меньшей мере одним весовым коэффициентом. Весовые коэффициенты могут автоматически адаптироваться на основании измерений, расчетов и другой информации в качестве ответа на изменяющиеся условия в стволе скважины.

[0080] В качестве иллюстративного примера целевая функция может в течение последующего большого промежутка времени сводить к минимуму взвешенную комбинацию двух конечных точек: (1) отклонения от намеченной траектории ствола скважины и (2) энергия, потребляемая КНБК, на которые распространяется действие совокупности ограничений. Один пример формулирования такой типичной целевой функции показан в уравнениях 4 и 5 ниже:

[0081] (4)

[0082] при условии, что (5)

[0083] где является намеченной траекторией ствола скважины, t обозначает текущий момент времени, а T является периодом расчета (который может быть конечным для получения динамичного решения или может быть бесконечным для получения решения для независимого от времени установившегося состояния). Первый член в целевой функции в уравнении 4 представляет собой квадратичный член, который соответствует конечной точке сведения к минимуму квадратичного отклонения от намеченной траектории ствола скважины, взвешенного по матрице весовых коэффициентов Q(k) (которая может быть переменной по времени). Второй член в уравнении 5 представляет собой квадратичный член, который соответствует конечной точке сведения к минимуму квадратичного изменения входных управляющих воздействий, которое отражает потребляемую энергию, взвешенную по матрице весовых коэффициентов S(k) (которая может быть переменной по времени). Во втором члене сделано предположение о том, что потребление энергии в стволе скважины пропорционально скорости изменения входных управляющих воздействий (например, углы изгиба и приведение в действие пакеров). Изменение входных управляющих воздействий представляет собой разность между входными управляющими воздействиями в последующих шагах по времени . Функция G(·) является представлением входа и выхода данных на основе модели динамики КНБК в уравнении 1. В частности, функция G(·) может использовать либо уравнение 2 (для уточнений без измерений) либо уравнение 3 (для уточнений с измерениями) для получения расчетов в измерениях на последующих шагах y на основе требуемого входного управляющего воздействия на КНБК u.

[0084] В текущем шаге по времени t после решения целевой функции в уравнении 4 для генерирования требуемой последовательности управляющих сигналов u(k), k = t, t + 1, ... , (t + T) только первый управляющих сигнал u(t) используется на КНБК. В следующий момент времени t+1 целевая функция в уравнении 4 снова решается для генерирования следующей последовательности управляющих воздействий u(k), k = t + 1, ... , (t + 1 + T), из которых первое управляющее воздействие u(t+1) используется на КНБК. Эти итерации продолжаются, предусматривая прогностические шаги T для получения самого лучшего управляющего воздействия текущего шага u, которое должно использоваться на КНБК, чтобы удовлетворять целевой функции в уравнении 4. В каждой итерации весовые коэффициенты в матрицах Q и S могут уточняться на основе результатов измерений и расчетов для адаптации к изменяющимся условиям в стволе скважины.

[0085] В некоторых примерах матрица весовых коэффициентов Q может принимать диагональную форму, где члены по диагонали распределяют разные весовые значения к 12 результатам измерений инклинометра и магнитометра. Возникающее в результате этого управляющее усилие определяется механическими и фильтрационными свойствами скальных слоёв в среде бурения. Например, если Q является матрицей тождественного преобразования, то весовое значение, приданное каждой переменной измерения, является основанным на их коэффициентах пропорциональности управления. Однако в некоторых примерах может быть желательным откорректировать весовые коэффициенты в Q для выборочного придания особого значения (или наоборот) конкретным результатам измерений. Больший весовой коэффициент для конкретной переменной измерения показывает, что входные управляющие воздействия на КНБК должны быть рассчитаны таким методом, который принудительно задаёт более жёсткое (более точное) управляющее воздействие для этой конкретной переменной измерения. В свою очередь меньший весовой коэффициент для конкретной переменной измерения показывает, что входные управляющие воздействия на КНБК могут быть рассчитаны таким методом, который допускает менее жёсткое (менее точное) управляющее воздействие для этой конкретной переменной измерения.

[0086] Как правило, целевая функция не обязательно ограничена уравнением, которое выражает весовой коэффициент именно как коэффициент, как это показано в примере уравнения 4. В более общем смысле целевая функция может представлять собой любую подходящую комбинацию из одной или нескольких конечных точек, а весовой коэффициент может представлять собой любое приемлемое количественное выражение соотношения между различными конечным точками. Например, если целевая функция содержит конечные точки уменьшения отклонения ствола скважины от намеченной траектории и уменьшения потребления энергии, тогда весовой коэффициент в общем смысле может представлять соотношение между отклонением и энергией.

[0087] Решение целевой функции может включать в себя любой приемлемый метод, как например итерационные методы, методы численного решения или методы, основанные на эвристических процедурах (или другие подходящие методы), в которых весовой коэффициент используется для выбора такого входного управляющего воздействия, которое позволяет достичь требуемого соотношения между различными конечными точками. Например, если целевая функция (вместе с ограничениями) выражается, как показано в уравнениях 4 и 5, то её решение может включать любой приемлемый метод решения с выбором оптимальных параметров. В другом примере решение целевой функции может включать серию шагов, которые приводят к требуемому входному управляющему воздействию. Например, процесс, состоящий из двух шагов, может включать следующие шаги. В качестве первого шага может быть получен ряд вероятных входных управляющих воздействий на КНБК, который достигает минимального или близкого к минимальному потребления энергии (для данного ряда ограничений), а в качестве второго шага из ряда вероятных входных управляющих воздействий может быть выбрано входное управляющее воздействие, которое позволяет достичь требуемого отклонения от намеченной траектории ствола скважины. Требуемое отклонение может быть выбрано с учётом потребляемой энергии с использованием подходящего количественного выражения соотношения (например, отношения между энергией и отклонением, максимального отклонения для данного минимума потребления энергии или какого-нибудь другого представления соотношения), представляющего весовой коэффициент.

[0088] На фиг. 2 проиллюстрирован пример маршрута обработки данных при прогностическом упреждающем управлении КНБК, основанном на использовании компьютерной модели, которое динамически подбирает весовые коэффициенты в качестве ответа на изменение условий в стволе скважины. Типовой порядок обработки данных 200 на фиг. 2 может выполняться, например, контроллером (например, контроллером 132 на фиг. 1) КНБК (например, КНБК 118 на фиг. 1). В примере на фиг. 2, в блоке 202 целевая функция (например, целевая функция в уравнении 4) решается для того, чтобы генерировать входное управляющее воздействие 204 на КНБК 206 (например, КНБК 118 на фиг. 1). Целевая функция может быть основана на модели 208 динамики КНБК (например, на модели в уравнении 1) и может включать любое количество подходящих конечных точек, взвешенных по меньшей мере по одному или нескольким весовыми коэффициентам 210 (например, по весовым коэффициентам в матрицах Q и S в уравнении 4).

[0089] В примере на фиг. 2 измерения датчика 212 от КНБК может быть использовано для уточнения решения целевой функции в блоке 202 посредством обратной связи измерения 214. В дополнение одна или несколько других частей операции бурения могут быть уточнены на основе результатов измерений 212 датчика. Например, весовые коэффициенты в матрицах весовых коэффициентов Q и S могут динамически адаптироваться в блоке 216 на основе меняющихся условий в стволе скважины с использованием результатов измерений 212 датчика КНБК. Кроме того, модель динамики КНБК также может быть уточнена в блоке 218 на основе результатов измерений датчика 212. Эти динамичные уточнения могут позволять входным управляющим воздействиям на КНБК 204 адаптироваться к сложным изменениям в среде ствола скважины. Такие адаптации могут позволить получить более точные входные управляющие воздействия на КНБК и осуществлять в целом более эффективные операции бурения по сравнению с использованием постоянных матриц весовых коэффициентов, которые были определены предварительно на стадии проектирования.

[0090] В некоторых примерах блок адаптации весовых коэффициентов 216 может использовать результаты измерений датчика 212 для установления неопределённости траектории ствола скважины и затем может адаптировать весовые коэффициенты (например, весовые коэффициенты в матрицах Q и S в уравнении 4) на основе установленной неопределённости. В некоторых примерах блок адаптации весовых коэффициентов 216 может дополнительно или в качестве альтернативы определять расчеты будущей неопределённости с использованием модели динамики КНБК и уравнений уточнения состояний (например, уравнений уточнения состояний 2 и/или 3). Блок адаптации весовых значений 216 может адаптировать весовые коэффициенты для того, чтобы сделать больший или меньший упор на определённых входных управляющих воздействиях КНБК на основе неопределённости траектории ствола скважины в конкретных направлениях.

[0091] В качестве примера, вибрации в процессе бурения могут возникать в различных направлениях, потому что бурение выполняется на различных участках ствола скважины. Такие вибрации могут увеличивать неопределённость траектории ствола скважины. Может потребоваться динамично увеличить весовые коэффициенты в конкретных направлениях по мере того, как возрастает неопределённость (или динамично уменьшить весовые коэффициенты по мере того, как неопределённость уменьшается). Блок адаптации весовых коэффициентов 216 может автоматически устанавливать неопределённость на основе результатов измерений или основанных на использовании модели расчетов и соответственно адаптировать весовые коэффициенты.

[0092] В дополнение в примере на фиг. 2 блок адаптации весовых коэффициентов 216, а также блок уточнения модели 218 и решатель целевой функции в блоке 202 также могут адаптироваться к другой информации, такой как проектная информация о стволе скважины 220. Проектная информация 220 может включать, в качестве примеров, намеченную траекторию ствола скважины и информацию, относящуюся к другим стволам скважин в окрестностях данного ствола скважины. В некоторых примерах блок адаптации весовых коэффициентов 216 и/или блок уточнения модели 218 также могут использовать проектную информацию 220 для уточнения весовых коэффициентов (например, весовых коэффициентов в матрицах Q и S в уравнении 4) и модели динамики КНБК (например, модели динамики КНБК в уравнении 1).

[0093] Блок адаптации весовых коэффициентов 216 может уточнять весовые коэффициенты в матрицах Q и S на основе синтеза одного или нескольких механизмов весовой адаптации на основе результатов измерений, расчетов, и/или расчетной информации, описанной выше. Эти уточнения весовых коэффициентов могут происходить на любой подходящей шкале времени, как например, на каждом шаге по времени или в каждый момент времени, когда снимаются показания измерений, в зависимости от того, что больше подходит.

[0094] Некоторые примеры механизмов весовой адаптации предоставлены ниже, но при этом могут использоваться также и другие механизмы адаптации, которые относятся к определению весовых коэффициентов (и, как следствие, к входным управляющим воздействиям на КНБК). Например, матрицы весовых коэффициентов Q и/или S могут быть адаптированы на основе измеренных результатов характеристик бурения ствола скважины, таких как вращающий момент на КНБК, или на основе ограничения на входе в КНБК, таких, как величина потока жидкости или угловое положение инструментов в стволе скважины. В целом для любого подходящего входа или выхода операции бурения могут быть определены один или несколько весовых коэффициентов для адаптивного регулирования ограничения, которое должно быть наложено на этот вход или выход.

[0095] Приведенные ниже примеры описывают три вероятных механизма адаптации с использованием трёх различных типов информации для динамичного регулирования весовых коэффициентов. Эти механизмы адаптации основаны на неопределённости траектории ствола скважины, намеченной траектории ствола скважины и на информации по предотвращению пересечения стволов скважин.

[0096] В качестве первого примера механизма весовой адаптации весовые коэффициенты могут быть определены на основе неопределённости. В принципе результаты измерений датчика (например, данные ИВБ, данные геофизических исследований и т.д.) могут улучшать точность отслеживания ствола скважины и оценку его траектории. Однако на практике наличие помех датчика и помех процесса бурения (например, силы противодействия со стороны горных пластов, вибраций и т.д.) создают неопределённости в измерениях датчика. Неопределённость расчетной траектории ствола скважины может характеризоваться ковариационной матрицей Σ_y. В некоторых примерах матрица Σ_y может определяться путём вычисления ковариационных значений между совокупностью результатов измеренных азимутов и совокупностью результатов измеренных углов наклона ствола скважины, собранных для траектории ствола скважины в течение продолжительного периода времени. В некоторых примерах в дополнение или в качестве альтернативы использованию результатов измерений датчиков матрица Σ_y может определяться путём использования расчетов траектории ствола скважины (например, как определено уточнениями состояния модели динамики КНБК в уравнениях 2 и/или 3) для генерирования расчетов последующей неопределённости в траектории ствола скважины.

[0097] В этом примере диагональные элементы ковариантной матрицы Σ_y являются расхождениями для каждого из 12 измерений инк/маг. Элементы побочной диагонали ковариантной матрицы Σ_y являются ковариационными значениями между парами различных измерений инк/маг, которые описывают величины корреляций между измерениями.

[0098] В приведенном выше примере, если результат измерения датчика y имеет большую величину неопределённости в конкретном направлении (например, в связи с большими вибрационными нагрузками, исходящими из этого направления бурения), то это обычно свидетельствует о том, что результат измерения является менее достоверным и реальная траектория ствола скважины имеет широкий предел погрешности в данном направлении. В таких вариантах может быть целесообразным приложить большее усилие входного управляющего воздействия в направлении неопределённости. Дополнительно или в качестве альтернативы может быль целесообразным уделить меньше внимания поддержанию малого расхождения между измеренной траекторией и намеченной траекторией ствола скважины в направлении неопределённости (так как измеренная траектория является менее достоверной в этом направлении). Если говорить о весовых коэффициентах, то это может быть выполнено либо путём уменьшения весового коэффициента для вывода (например, весовой матрицы Q в первом квадратичном члене уравнения 4), либо путём увеличения весового коэффициента для ввода (например, весовой матрицы S во втором квадратичном члене уравнения 4). В некоторых примерах увеличение весового коэффициента для входа может соответствовать ужесточению ограничения на входе (например, ужесточению уровня максимальной амплитуды, снижению уровня среднего потребления энергии и т.д.). По аналогии в некоторых примерах уменьшение весового коэффициента для выхода может соответствовать ослаблению ограничения на выходе (например, увеличение максимального ограничения на отклонение от намеченной траектории ствола скважины, увеличение вероятности отклонения за пределы заранее определённой величины отклонения от намеченной траектории ствола скважины и т.д.).

[0099] Например, одним из путей количественного выражения адаптации выходного весового коэффициента Q для расчёта неопределённости является:

[00100] (6)

[00101] где Q₀ представляет собой относительную важность каждого вывода (результата измерения). В некоторых примерах Q₀ может быть задано как матрица тождественного преобразования I₁₂, несмотря на то, что Q₀ может быть любой подходящей матрицей, которая присваивает весовые коэффициенты для различных направлений измерений. Формулировка матрицы в уравнении 6 позволяет применение входных управляющих воздействий по любому поперечному направлению без необходимости ограничения в отношении какой-либо конкретной оси направления.

[00102] На фиг. 3 проиллюстрирован 3-х мерный пример результатов сопоставленной неопределённости между различными направлениями траектории ствола скважины. В данном примере горизонтальный ствол скважины 300 имеет траекторию вдоль направления бурения 302, который является параллельным направлению первой оси 304. При этом на основе результатов измерений датчика определено, что оба из направлений второй оси 306 и третьей оси 308 в равной степени подвергаются вибрациям в процессе бурения. В качестве примера выходная неопределённость может быть выражена как ковариационная матрица . В этом примере значения по главной диагонали (1 и 6) являются расхождениями 2^ой и 3^ей осей. Значения на побочной диагонали (2 и 2) являются ковариантностью (корреляцией) между 2^ой и 3^ей осями. Так как корреляция между 2^ой и 3^ей осями является той же самой, что и корреляция между 3^ей и 2^ой осями, то и элементы побочной диагонали являются теми же самыми.

[00103] Иллюстрация этого приведена на фиг. 3, на которой эллиптическое кольцо 310 представляет собой объединённую неопределённость между направлением второй оси 306 и направлением третьей оси 308, а корреляция по направлениям 312 представляет собой корреляцию между направлением второй оси 306 и направлением третьей оси 308. По уравнению 6 соответствующая матрица выходных весовых коэффициентов определяется как Q = с использованием матрицы начальных весовых коэффициентов Q₀ = I. Элементы побочной диагонали показывают, что расчётное управлении с использованием компьютерной модели должно не только управлять КНБК в направлении второй оси 306 и в направлении третьей оси 308 во время бурения, но также должно принимать в расчёт взаимную корреляцию между направлениями второй и третьей оси (или в общем виде между любыми двумя основными осями), которая представлена корреляцией по направлениям 312 на фиг. 3. Этот пример иллюстрирует, каким образом весовая адаптация на основе вычислений ковариационной матрицы даёт возможность настройки входных управляющих воздействий на КНБК к показателям неопределённости траектории по любому направлению. Такие настройки могут уменьшить соотношения в неопределённости и помочь предотвратить вибрации в одном направлении от воздействия со стороны других направлений бурения.

[00104] Дополнительно или в качестве альтернативы к адаптации матрицы выходных весовых коэффициентов Q матрица входных весовых коэффициентов S может быть адаптирована к изменениям в неопределённости. Адаптация матрицы входных весовых коэффициентов S может подавлять или усиливать изменение входного управляющего воздействия на КНБК. Например, когда неопределённость траектории ствола скважины является большой в конкретном направлении, то может быть целесообразным использовать больше управляющих усилий на КНБК в этом конкретном направлении (чтобы улучшить точность управления КНБК в этом направлении) и весовое значение, ассоциированное с конкретным входным направлением, может быть адаптировано для автоматического выполнения этих изменений. В качестве примера может быть использовано следующее уравнение для определения матрицы входного изменения весовых коэффициентов S:

[00105] (7)

[00106] где обозначает коэффициент пропорциональности управления модели (например, установившееся значение пропорциональности управления коэффициента ввода-вывода G(·) в уравнении 5), а операция обозначает псевдообратную матрицу (так как матрица передаточных функций процесса бурения может быть не квадратной, т.е. количество управляющих переменных и выходных измерений может быть не одинаковым). Уравнение 7 преобразует выходную неопределённость ствола скважины в усилия входного управляющего воздействия на КНБК согласно вкладу каждой входной переменной в общий выход. В качестве иллюстративного примера допустим, что ближайший датчик угла наклона ствола скважины в направлении третьей оси управляется двумя углами изгиба и что коэффициент пропорциональности управления составляет = [1 2]. Псевдообратная матрица представлена выражением = [0.2 0.4]^T, означающим, что единичная неопределённость измерения угла наклона ствола скважины в направлении третьей оси приводит к весу входного изменения, равному 0,2 и 0,4 для первого и второго угла изгиба соответственно. Этот результат совпадает с интуитивным представлением, потому что воздействие второго угла изгиба в два раза больше воздействия первого угла изгиба, как это показано коэффициентом пропорциональности управления.

[00107] Другим фактором, который должен рассматриваться при определении весовых коэффициентов в добавление или в качестве альтернативы использованию неопределённости траектории ствола скважины, является форма ствола скважины. В некоторых примерах траектория ствола скважины определяется на стадии проектирования или обеспечивается алгоритмом принятия решения вышестоящего уровня. При таких вариантах представляется возможным использование намеченной траектории ствола скважины в качестве упреждающей информации прогностического управления для внесения поправки в выходную весовую матрицу Q. Если намеченная траектория ствола скважины имеет резкий поворот, т.е. радиус кривизны ствола скважины становится меньше, то вероятностные стохастические воздействия при выполнении бурения, такие как поперечные усилия, могут становиться сильнее, приводя к матрице с большей неопределённостью. В некоторых примерах вместо ожидания отклонения бурового долота и начала его вращения в результате действия поперечных усилий (и вследствие этого увеличения неопределённости), может быть использован механизм упреждающего управления для заблаговременной адаптации выходной весовой матрицы Q , чтобы на основе информации о намеченной траектории ствола скважины не допустить неблагоприятного развития ситуации. Механизм упреждающего управления может быть в равной степени основан на использовании компьютерной модели или может управляться данными. Пример алгоритма упреждающего управления на основе использования компьютерной модели представлен выходной весовой матрицей:

[00108] (8)

[00109] где R₁, R₂ и R₃ представляют собой радиус изгиба с учётом направления первой оси, направления второй оси и направления третьей оси соответственно. В некоторых примерах весовая матрица Q может быть сопоставлена только одному ряду измерений инк/маг. Для всех 12 измерений инк/маг четыре из матриц Q могут быть размещены по диагонали в одной более крупной матрице. В качестве альтернативы алгоритм упреждающего управления в уравнении 8 может управляться данными. Например, ретроспективные данные измерения датчика на предшествующем участке бурения (например, на нескольких сотнях футов) могут быть использованы для моделирования зависимости между радиусом кривизны и матрицей неопределённости.

[00110] Другим фактором, который может быть рассмотрен в алгоритме весовой адаптации, является информация о мерах обеспечения безопасности для предотвращения пересечения стволов скважин. Если ствол скважины находится поблизости от других существующих стволов скважин, тогда может иметь место риск бурения вовнутрь других стволов скважин и пересечения траекторий скважин. В таких вариантах может быть целесообразным использовать более жёсткий контроль в направлении, в котором пересечение траекторий наиболее вероятно.

[00111] На фиг. 4A и 4B проиллюстрированы примеры определения направления для предупреждения пересечения стволов скважин для адаптации весовых коэффициентов. На фиг. 4A ствол скважины 400 имеет траекторию вдоль направления бурения 402, отвечающего направлению первой оси. Расположенный поблизости ствол скважины 404 находится по отношению к стволу скважины 400 в направлении, показанном указателем направления 406. В этом примере направление предотвращения пересечения стволов скважин 406 не является полностью направленным вдоль одной из главных осей. Это проиллюстрировано на фиг. 4B, которая демонстрирует пример двухмерного вида в поперечном разрезе сценария для предотвращения пересечения стволов скважин. На фиг. 4B направление предотвращения пересечения стволов скважин 408 и 410, показанное указателем направления 412, не располагается ни вдоль направления второй оси 414, ни вдоль направления третьей оси 416. При таких сценариях весовая матрица Q может иметь недиагональные элементы, которые не являются равными нулю.

[00112] Для отражения информации о предотвращении пересечения стволов скважин весовая матрица может быть разработана любым подходящим методом. В качестве иллюстративного примера двухмерный пример на фиг. 4B может иметь соответствующую весовую матрицу Q , выраженную как:

[00113] (9)

[00114] где W представляет собой вес вдоль направления предотвращения пересечения стволов скважин 406 по отношению к другим (ортогональным) направлениям. Угол в примере уравнения 9 является углом предотвращения пересечения стволов скважин (например, в полярных координатах). Пример на фиг. 4B является упрощённым примером, который используется для иллюстративных целей, вместе с тем этот общий принцип может быть распространён на трёхмерное пространство, например, если впереди имеется другой ствол скважины в направлении бурения 402.

[00115] Для соединения этих трёх факторов, которые были описаны выше, может быть использован весовой синтезатор. В частности, весовые матрицы Q, определённые в уравнениях 6, 8 и 9, могут быть синтезированы в единую выходную весовую матрицу Q, которая может быть применена к целевой функции (например, к целевой функции в уравнении 4). Для соединения различных матриц в уравнениях 6, 8 и 9 (и/или других матриц, определённых другими методами адаптации) может использоваться любой подходящий метод синтеза, как например, путём использования взвешенной комбинации. Аналогично матрица S, определённая в уравнении 7, может быть объединена с другими весовыми матрицами, определёнными другими методами адаптации. Другие методы адаптации могут зависеть о любого подходящего результата измерения, расчета или расчетной информации, относящейся к операциям бурения.

[00116] Фиг. 5 иллюстрирует блок-схему процесса весовой адаптации и синтеза (например, в модуле адаптации весовых коэффициентов 216 на фиг. 2). В примере на фиг. 5 процесс весовой адаптации 500 использует как функцию упреждающего управления 502, так и функцию обратной связи 504. Функция упреждающего управления 502 может использовать любую подходящую проектную информацию о стволе скважины (например, проектную информацию 220 на фиг. 2), примеры которой включают намеченную траекторию ствола скважины 506 и информацию по предотвращению пересечения стволов скважин 508. Функция обратной связи 504 может использовать любую подходящую информацию обратной связи 510, которая генерируется в результате операции бурения.

[00117] Информация обратной связи 510 может включать, например, неопределённость траектории ствола скважины, генерируемую моделью неопределённости 512. Модель неопределённости 512 может определять неопределённость траектории ствола скважины на основе информации об операции бурения 514, которая может включать измерения и/или управляющие переменные (например, результаты измерений датчика 212 и/или управляющие переменные 204 на фиг. 2). Например, модель неопределённости 512 может определять ковариационную матрицу (например, ковариационную матрицу Σ_y в уравнениях 6 и 7) либо путём вычисления ковариационных значений между результатами измерений датчика, либо путём генерирования расчетов неопределённости с использованием модели динамики КНБК.

[00118] Функция обратной связи 504 использует измерения неопределённости и/или расчеты для генерирования информации о весовом коэффициенте обратной связи 516. Информации о весовом коэффициенте обратной связи 516 генерируется вместе с информацией о весовом коэффициенте прямой передачи 518 функцией упреждающего управления 502, которая инициирует синтезирующую операцию 520 для генерирования весовых коэффициентов 522 (например, весовых матриц Q и S в уравнении 4). В некоторых примерах процесс синтеза весовых коэффициентов 500 выдаёт весовые коэффициенты 522 в течение будущего периода расчета (например, бесконечного интервала времени T в уравнении 4 или бесконечного интервала времени в решении для установившегося состояния). Весовые коэффициенты 522 затем становятся входной информацией в расчетном упреждающем управлении на основе использования компьютерной модели 524 (например, как это делает решатель целевой функции в блоке 202 на фиг. 2), чтобы генерировать входные управляющие воздействия на КНБК.

[00119] После получения данных входной и выходной информации о бурении 514, которая является следствием выполнения операции бурения, неопределённость траектории ствола скважины уточняется моделью неопределённости 512, которая отсылается обратно к функции обратной связи 504 для уточнений информации о весовом коэффициенте обратной связи 516. Необходимо отметить, что намеченная траектория ствола скважины может уточняться и поступать к функции упреждающего управления 502, которая пересчитывает информацию о весовом коэффициенте прямой передачи 518 на основе уточнённой расчетной информации.

[00120] На фиг. 6 проиллюстрирована блок-схема типового процесса 600 для осуществления расчётного упреждающего управления КНБК на основе компьютерной модели. Один или несколько этапов типового процесса на фиг. 6 могут выполняться контроллером ствола скважины (например, контроллером 132 на фиг. 1). В данном примере контроллер определяет результаты измерений датчика КНБК (602). Затем контроллер определяет модель динамики КНБК (например, модель в уравнении 1) на основе результатов измерений датчика КНБК (604). Затем контроллер определяет весовой коэффициент (например, весовые коэффициенты в матрицах Q и S в уравнении 4), который соответствует конечной точке бурения (606). Контроллер определяет целевую функцию (например, целевую функцию в уравнении 4), которая содержит конечную точку бурения, взвешенную по весовому коэффициенту, и одно или более ограничений (например, ограничения в уравнении 5) (608). Затем контроллер определяет входное управляющее воздействие на КНБК, которое удовлетворяет целевой функции (например, оптимизирует целевую функцию в уравнении 4) и одному или нескольким ограничениям (610), после чего использует входное управляющее воздействие на КНБК (612).

[00121] На фиг. 7 проиллюстрирована блок-схема примера дополнительных пояснений для определения весового коэффициента (например, весовых коэффициентов в матрицах Q и S в уравнении 4), который соответствует конечной точке бурения (например, этап 606 на фиг. 6). В этом примере контроллер определяет по меньшей мере одно из: неопределённость измеренной траектории ствола скважины, форму ствола скважины или информацию о предотвращении пересечения стволов скважин (700). Затем контроллер определяет вес (например, весовые значения в весовых матрицах Q и/или S в уравнениях с 6 до 9) на основе по меньшей мере одного из: неопределённости измеренной траектории ствола скважины, формы ствола скважины или информации о предотвращении пересечения стволов скважин (702). Затем контроллер объединяет вес в весовой коэффициент (например, весовые матрицы, определённые в уравнениях 6, 8 и 9, могут быть синтезированы в единую выходную весовую матрицу Q , которая может быть применена к целевой функции в уравнении 4) (704).

[00122] На фиг. 8 проиллюстрирована блок-схема примера дополнительных пояснений для определения целевой функции, которая включает конечную точку бурения, взвешенную по весовому коэффициенту, и одно или более ограничений (например, этап 608 на фиг. 6). В этом примере контроллер определяет будущее расчётное отклонение от намеченной траектории ствола скважины (800). Контроллер также определяет будущие расчетные затраты на применение входного управляющего воздействия на КНБК (802). Затем контроллер определяет взвешенную комбинацию, при этом взвешенную по весовому коэффициенту, будущего расчётного отклонения от намеченной траектории ствола скважины и будущих расчётных затрат на применение входного управляющего воздействия на КНБК (804).

[00123] На фиг. 9 проиллюстрирована блок-схема примера дополнительных пояснений для определения целевой функции (например, целевой функции в уравнении 4) , которая включает конечную точку бурения, взвешенную по весовому коэффициенту, и одно или более ограничений (например, этап 608 на фиг. 6) и определение входного управляющего воздействия на КНБК, которое удовлетворяет целевой функции и одному или нескольким ограничениям (этап 610 на фиг. 6). В этом примере контроллер определяет взвешенную комбинацию будущего расчётного отклонения от намеченной траектории ствола скважины и будущих расчётных затрат на применение входного управляющего воздействия на КНБК (например, этап 804 на фиг. 8). Затем контроллер определяет входное управляющее воздействие на КНБК, которое минимизирует (например, как в уравнении 4) взвешенную комбинацию будущего расчётного отклонения от намеченной траектории ствола скважины и будущих расчётных затрат на применение входного управляющего воздействия на КНБК в последующий период времени (900).

[00124] На фиг. 10 проиллюстрирована блок-схема примера компьютерной системы 1000. Например, ссылаясь на фиг. 1, одна или несколько частей контроллера 132 могут быть примером системы 1000, описанной в настоящем документе, такой как компьютерная система, используемая любым из пользователей, который получает доступ к ресурсам системы 100 ствола скважины. Система 1000 включает процессор 1010, оперативную память 1020, устройство хранения информации 1030 и устройство ввода/вывода 1040. Каждый из компонентов 1010, 1020, 1030 и 1040 может быть взаимно связан, например, путём использования системной шины 1050. Процессор 1010 способен обрабатывать команды для выполнения в пределах системы 1000. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, процессор 1010 представляет собой однопотоковый процессор. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, процессор 1010 представляет собой многопотоковый процессор. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, процессор 1010 представляет собой квантовый компьютер. Процессор 1010 способен обрабатывать команды, хранящиеся в оперативной памяти 1020 или в устройстве хранения данных 1030. Процессор 1010 может выполнять такие операции, как определение модели динамики КНБК, определение весового коэффициента, определение входного управляющего воздействия на КНБК и т.д. (как, например, на фиг. 6-9).

[00125] Оперативная память 1020 хранит информацию внутри системы 1000. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, оперативная память 1020 является машиночитаемым носителем. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, оперативная память 1020 является энергозависимым блоком запоминающего устройства. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения оперативная память 1020 является памятью, сохраняющей информацию при выключении электропитания.

[00126] Устройство хранения данных 1030 способно обеспечивать хранение больших объемов информации для системы 1000. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, устройство хранения данных 1030 является машиночитаемым носителем. В различных отличающихся вариантах реализации изобретения, устройство хранения данных 1030 может включать, например, устройство жесткого диска, накопитель на оптическом диске, жесткий накопитель данных, флэш-накопитель, магнитную ленту или любое другое устройство хранения большой емкости. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, устройство хранения данных 1030 может быть устройством хранения данных в глобальной сети, например логическое устройство хранения данных, включая множество устройств физического хранения данных, распределенных по информационной сети и доступных с использованием информационной сети. В некоторых примерах устройство хранения данных может хранить долгосрочные данные, такие как данные о горных пластах или возможности проектирования механической скорости проходки. Устройство ввода/вывода 1040 обеспечивает операции ввода/вывода для системы 1000. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения устройство ввода-вывода 1040 может включать одно или более из сетевых интерфейсных устройств, например, коммуникационную плату сети Ethernet, устройство последовательной передачи, к примеру, порт RS-232 и/или устройство беспроводного интерфейса, к примеру, плату беспроводных сетей 802.11 , беспроводной модем 3G, беспроводной модем 4G, или почтовый интерфейс. Сетевое интерфейсное устройство позволяет системе 1000 сообщаться, например, передавать команды на контроллер 132 на фиг. 1 и получать команды от него. В некоторых вариантах реализации изобретения, устройство ввода-вывода может содержать управляющие устройства, выполненные с возможностью получать входные данные и отправлять выходные данные на другие устройства ввода-вывода, например, на клавиатуру, принтер и устройство отображения 1060. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения могут использоваться мобильные компьютерные устройства, мобильные устройства связи и другие устройства.

[00127] Сервер (например, сервер, образующий блок контроллера 132 или систему 100 ствола скважины, проиллюстрированный на фиг. 1) может быть реализован с помощью команд, выполнение которых побуждает одно или более обрабатывающих устройств выполнять процессы и функции, описанные выше, например, такие как определение весовых коэффициентов, определение входных управляющих воздействий на КНБК, которые удовлетворяют целевой функции, и т.д. (как, например, на фиг. 6-9). Такие команды могут содержать, например, интерпретируемые команды, такие как команды сценария, или исполняемый код или другие команды, хранящиеся в машиночитаемом носителе. Различные компоненты системы 100 ствола скважины могут быть реализованы в сети распределённым образом, такие как группа серверов, или набор широко распределенных серверов, или могут быть реализованы в отдельном виртуальном устройстве, включающем множество распределенных устройств, которые работают при взаимодействии друг с другом. Например, одно из устройств может управлять другим устройством, или устройства могут работать в соответствии с набором согласованных правил или протоколов, или устройства могут координироваться другим способом. Согласованная работа множества распределенных устройств создаёт видимость работы единого устройства.

[00128] Описанные особенности могут быть реализованы в цифровых электронных схемах или в компьютерных аппаратных средствах, встроенных программах, программном обеспечении или в их комбинации. Указанный инструментарий может быть реализован в виде компьютерного программного продукта, реально воплощенного в информационном носителе, например, в машиночитаемом запоминающем устройстве для исполнения программируемым процессором, при этом этапы способа могут быть выполнены с помощью программируемого процессора, исполняющего программу команд для выполнения функций описанных вариантов реализации настоящего изобретения путём выполнения операций на входных данных и генерации выходных данных. Описанные особенности могут быть преимущественно реализованы в одной или нескольких компьютерных программах, выполняемых в программируемой системе, содержащей по меньшей мере один программируемый процессор, соединенный для приема данных и команд от системы для хранения данных и для передачи данных и команд на неё, по меньшей мере с одним устройством ввода и по меньшей мере с одним устройством вывода. Компьютерная программа представляет собой набор команд, которые могут прямо или косвенно использоваться на компьютере для выполнения определенных действий или приводить к определенному результату. Компьютерная программа может быть написана на любом языке программирования, в том числе на компилируемых или интерпретируемых языках программирования, и может быть задействована в любой форме, включая как отдельную программу, так и модуль, компонент, подпрограмму или другой элемент, пригодный для использования в вычислительной среде.

[00129] Подходящие процессоры для выполнения программы команд включают, в качестве примера, микропроцессоры как общего, так и специального назначения, а также единственный процессор или один из разнообразных процессоров любого вида компьютера. Как правило, процессор будет принимать команды и данные от постоянного запоминающего устройства или оперативного запоминающего устройства, или от обоих. Элементы компьютера могут содержать процессор для выполнения команд и одно или несколько запоминающих устройств для хранения команд и данных. Как правило, компьютер может также содержать или быть функционально соединен для связи с одним или более запоминающими устройствами большой ёмкости для хранения файлов с данными; такие устройства содержат магнитные диски, такие как встроенные жесткие диски и съемные диски; магнитооптические диски; и оптические диски. Устройства хранения данных, пригодные для реализации команд компьютерных программ и данных, содержат все виды энергонезависимой памяти, включая в качестве примера полупроводниковые запоминающие устройства, такие как стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EPROM), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM)) и устройства флэш-памяти; магнитные диски, такие как встроенные жесткие диски и съемные диски; магнитооптические диски и диски CD-ROM и DVD-ROM. Процессор и оперативная память могут быть дополнены микросхемами ASIC (специализированные заказные интегральные схемы) или встроены в них.

[00130] Для обеспечения взаимодействия с пользователем соответствующие функции могут быть реализованы на компьютере, имеющем устройство отображения, такое как ЭЛТ (электронно-лучевая трубка) или ЖКД (жидкокристаллический дисплей) монитор для отображения информации для пользователя, а также клавиатуру и указательное устройство, такое как мышь или трекбол (шаровой манипулятор), с помощью которого пользователь может обеспечить ввод данных в компьютер.

[00131] Указанные функции могут быть реализованы в компьютерной системе, содержащей внутренний компонент, такой как сервер данных, или содержащей компонент промежуточного программного обеспечения, такой как сервер приложений или Интернет-сервер, или содержащей подсистему первичной обработки данных, такую как клиентский компьютер, имеющий графический пользовательский интерфейс или Интернет-браузер, или любую их комбинацию. Компоненты системы могут быть соединены при помощи любой формы или среды цифровой передачи данных, такой как коммуникационная сеть. Примеры коммуникационных сетей включают, например, локальную вычислительную сеть (ЛВС), глобальную вычислительную сеть (ГВС), а также компьютеры и сети, образующие Интернет.

[00132] Компьютерная система может включать в себя клиентские и серверные части. Клиент и сервер, как правило, удалены друг от друга и обычно взаимодействуют через информационную сеть, такую как описанная выше. Отношение клиент-сервер возникает на основании компьютерных программ, запущенных на соответствующих компьютерах и имеющих отношение друг с другом «клиент-сервер».

[00133] Кроме того, для достижения желаемых результатов, логические потоки, изображенные на фигурах, не требуют точного для следования проиллюстрированному конкретному порядку или последовательности. Кроме того, могут быть предусмотрены другие этапы, или этапы могут быть исключены из описанных потоков, а также другие компоненты могут быть добавлены в описанные системы или удалены из них. Соответственно, другие варианты реализации настоящего изобретения находятся в пределах объема изобретения, определяемого приводимой далее формулой.

[00134] Выше был описан ряд вариантов реализации настоящего изобретения. Тем не менее, следует понимать, что возможно внесение различных изменений. Например, дополнительные аспекты процесса 600 могут содержать больше этапов или меньше этапов, чем показано на фиг. 6-9. Кроме того, проиллюстрированные на фиг. 6-9 этапы могут быть выполнены в отличных от показанных на фигурах последовательностях. Более того, несмотря на то, что концепции были описаны в контексте системы бурения ствола скважины, эти концепции также могут применяться к другим процессам. Например, применительно к медицинскому эндоскопическому исследованию или к другим сферам применения, где инструмент вставляется и управляется внутри неизвестной среды. Соответственно, другие варианты реализации настоящего изобретения находятся в пределах объема изобретения, определяемого приводимой далее формулой.

1. Реализованный компьютером способ управления компоновкой низа бурильной колонны (КНБК) для следования намеченной траектории ствола скважины, при этом способ включает:

определение значений измерений датчика КНБК;

определение модели динамики КНБК на основе значений измерений датчика КНБК;

определение весового коэффициента, который соответствует конечной точке бурения;

определение целевой функции, включающей конечную точку бурения, взвешенную по весовому коэффициенту, и одно или более ограничений, причем целевая функция содержит будущие состояния системы КНБК, а определение указанной целевой функции включает определение расчетного будущего отклонения от намеченной траектории ствола скважины;

определение входного управляющего воздействия на КНБК, которое удовлетворяет целевой функции и одному или более ограничениям; и

использование входного управляющего воздействия к КНБК.

2. Реализованный компьютером способ по п. 1, отличающийся тем, что определение весового коэффициента, который соответствует конечной точке бурения, дополнительно включает:

определение весового коэффициента на основе по меньшей мере одной модели динамики КНБК или измерений датчика КНБК.

3. Реализованный компьютером способ по п. 2, отличающийся тем, что определение весового коэффициента на основе по меньшей мере одной модели динамики КНБК или измерений датчика КНБК включает:

определение по меньшей мере одного из: неопределенности измеренной траектории ствола скважины, формы ствола скважины или информации о предотвращении пересечения стволов скважин;

определение весовых значений на основе по меньшей мере одного из: неопределенности измеренной траектории ствола скважины, формы ствола скважины или информации о предотвращении пересечения стволов скважин; и

суммирование их весовых значений в весовой коэффициент.

4. Реализованный компьютером способ по п. 3, отличающийся тем, что определение неопределенности измеренной траектории ствола скважины включает определение ковариационных значений между совокупностью значений азимута и значений угла наклона траектории ствола скважины.

5. Реализованный компьютером способ по п. 4, отличающийся тем, что определение весового коэффициента, который соответствует конечной точке бурения, включает ужесточение ограничения на входное управляющее воздействие на КНБК в направлении, в котором неопределенность измеренной траектории ствола скважины увеличилась по сравнению с измерением, сделанным в предыдущий раз.

6. Реализованный компьютером способ по п. 5, отличающийся тем, что ужесточение ограничения на входное управляющее воздействие на КНБК включает определение возросшего значения весового коэффициента, связанного с входным управляющим воздействием на КНБК.

7. Реализованный компьютером способ по п. 4, отличающийся тем, что конечная точка бурения включает расчетное отклонение от намеченной траектории ствола скважины, а определение весового коэффициента, который соответствует конечной точке бурения, включает ослабление ограничения на расчетное отклонение от намеченной траектории ствола скважины в направлении, в котором неопределенность измеренной траектории ствола скважины увеличилась по сравнению с измерением, сделанным в предыдущий раз.

8. Реализованный компьютером способ по п. 7, отличающийся тем, что ослабление ограничения на расчетное отклонение от намеченной траектории ствола скважины включает определение уменьшившегося значения весового коэффициента, связанного с расчетным отклонением от намеченной траектории ствола скважины.

9. Реализованный компьютером способ по п. 3, отличающийся тем, что определение формы ствола скважины включает определение радиуса кривизны последующего участка намеченной траектории ствола скважины.

10. Реализованный компьютером способ по п. 9, отличающийся тем, что конечная точка бурения включает расчетное отклонение от намеченной траектории ствола скважины, а определение весового коэффициента включает ослабление ограничения на расчетное отклонение от намеченной траектории ствола скважины в направлении, в котором радиус кривизны последующей части намеченной траектории ствола скважины уменьшился по сравнению с измерением, сделанным в предыдущий раз.

11. Реализованный компьютером способ по п. 3, отличающийся тем, что определение информации о предотвращении пересечения стволов скважин включает определение направления, в котором пересечение с другим стволом скважины наиболее вероятно.

12. Реализованный компьютером способ по п. 11, отличающийся тем, что конечная точка бурения включает расчетное отклонение от намеченной траектории ствола скважины, а определение весового коэффициента включает ужесточение ограничения на расчетное отклонение от намеченной траектории ствола скважины в направлении, в котором пересечение с другим стволом скважины наиболее вероятно.

13. Реализованный компьютером способ по п. 4, отличающийся тем, что определение ковариационных значений между совокупностью значений азимута и значениями угла наклона траектории ствола скважины дополнительно включает:

определение совокупности значений измерения азимута и значений измерений наклона траектории ствола скважины, полученных от датчиков КНБК; и

определение ковариационных значений между совокупностью значений измерения азимута и значений измерений наклона траектории ствола скважины, полученных от датчиков КНБК.

14. Реализованный компьютером способ по п. 4, отличающий тем, что определение ковариационных значений между совокупностью значений азимута и значений угла наклона траектории ствола скважины дополнительно включает:

определение совокупности расчетных значений азимута и расчетных значений угла наклона траектории ствола скважины на основе модели динамики КНБК; и

определение ковариационных значений между совокупностью расчетных значений азимута и расчетных значений угла наклона траектории ствола скважины на основе модели динамики КНБК.

15. Реализованный компьютером способ по п. 1, отличающийся тем, что определение целевой функции включает:

определение расчетных будущих затрат на использование входного управляющего воздействия на КНБК; и

определение взвешенной комбинации, причем взвешенной по весовому коэффициенту, расчетного будущего отклонения от намеченной траектории ствола скважины и расчетных будущих затрат на использование входного управляющего воздействия на КНБК.

16. Реализованный компьютером способ по п. 15, отличающийся тем, что определение весового коэффициента включает:

определение первого весового коэффициента для расчетного будущего отклонения от намеченной траектории ствола скважины; и

определение второго весового коэффициента для расчетных будущих затрат на использование входного управляющего воздействия на КНБК.

17. Реализованный компьютером способ по п. 15, отличающийся тем, что определение входного управляющего воздействия на КНБК, которое удовлетворяет целевой функции, включает определение входного управляющего воздействия на КНБК, которое минимизирует взвешенную комбинацию расчетного будущего отклонения от намеченной траектории ствола скважины и расчетных будущих затрат на использование входного управляющего воздействия на КНБК в течение последующего периода времени.

18. Реализованный компьютером способ по п. 15, отличающийся тем, что расчетные будущие затраты на использование входного управляющего воздействия на КНБК включают расчетное потребление энергии для КНБК.

19. Реализованный компьютером способ по п. 1, дополнительно включающий:

определение вероятного входного управляющего воздействия на КНБК;

определение расчетной траектории ствола скважины на основе вероятного входного управляющего воздействия на КНБК и модели динамики КНБК; и

определение расчетного будущего отклонения от намеченной траектории ствола скважины на основе отклонения между расчетной траекторией ствола скважины и намеченной траекторией ствола скважины.

20. Реализованный компьютером способ по п. 1, отличающийся тем, что определение входного управляющего воздействия на КНБК включает определение по меньшей мере одного из: управления первым углом изгиба, управления вторым углом изгиба, управления первым пакером или управления вторым пакером.

21. Реализованный компьютером способ по п. 1, дополнительно включающий:

определение уточненных значений измерений датчиков КНБК;

определение обновленной модели динамики КНБК на основе уточненных значений измерений датчиков КНБК;

определение уточненного весового коэффициента и уточненной целевой функции на основе по меньшей мере одного из: обновленной модели динамики КНБК или уточненных значений измерений датчиков КНБК и

автоматическую настройку входного управляющего воздействия на КНБК, которое удовлетворяет уточненной целевой функции на основе уточненного весового коэффициента.

22. Реализованный компьютером способ по п. 13, отличающийся тем, что определение ковариационных значений между совокупностью результатов измерения азимута и результатов измерений угла наклона траектории ствола скважины дополнительно включает определение взаимной корреляции между значениями неопределенности в двух различных направлениях от траектории ствола скважины.

23. Система для управления компоновкой низа бурильной колонны (КНБК), содержащая:

первый компонент, расположенный на земной поверхности или вблизи нее;

компоновку низа бурильной колонны (КНБК), по меньшей мере частично расположенную внутри ствола скважины в или вблизи подземной зоны, при этом КНБК соединена по меньшей мере с одним датчиком;

контроллер, коммуникативно-соединенный с первым компонентом и с КНБК, при этом контроллер выполнен с возможностью выполнения операций, включающих:

определение результатов измерений датчиков КНБК;

определение модели динамики КНБК на основе результатов измерений датчиков КНБК;

определение весового коэффициента, который соответствует конечной точке бурения;

определение целевой функции, включающей конечную точку бурения, взвешенную по весовому коэффициенту, и одно или более ограничений, причем целевая функция содержит будущие состояния системы КНБК, а определение указанной целевой функции включает определение расчетного будущего отклонения от намеченной траектории ствола скважины;

определение входного управляющего воздействия на КНБК, которое удовлетворяет целевой функции и одному или нескольким ограничениям; и

использование входного управляющего воздействия на КНБК.

24. Энергонезависимое машиночитаемое средство хранения информации, программируемое по меньшей мере одной компьютерной программой, содержащей команды, чтобы при выполнении привести в действие по меньшей мере один процессор для выполнения операций по управлению компоновкой низа бурильной колонны (КНБК) для следования намеченной траектории ствола скважины, при этом операции включают:

определение результатов измерений датчиков от КНБК;

определение модели динамики КНБК на основе результатов измерений датчиков от КНБК;

определение весового коэффициента, который соответствует конечной точке бурения;

определение целевой функции, включающей конечную точку бурения, взвешенную по весовому коэффициенту, и одно или более ограничений, причем целевая функция содержит будущие состояния системы КНБК, а определение указанной целевой функции включает определение расчетного будущего отклонения от намеченной траектории ствола скважины;

определение входного управляющего воздействия на КНБК, которое удовлетворяет целевой функции и одному или нескольким ограничениям; и

использование входного управляющего воздействия на КНБК.