專利名稱：：選擇性確定鉆頭取向的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于選擇性確定鉆柱端部處的鉆頭在井筒中的取向的設(shè)備、包括該設(shè)備的鉆機(jī)搶(driller'scabin)以及使用該設(shè)備的方法。
背景技術(shù)：
：定向鉆探的挑戰(zhàn)之一是針對所希望的鉆探方向的改變確保正確地取向定向電機(jī)。這要求頂部驅(qū)動裝置將鉆柱移動到特定的位置而不是簡單盲目地轉(zhuǎn)動軸(shaft)。某些當(dāng)前的頂部驅(qū)動裝置控制接口和軟件允許鉆機(jī)利用頂部驅(qū)動裝置進(jìn)行鉆頭面取向移動，但是通常這些系統(tǒng)是不準(zhǔn)確的。在一種方法中，通過在選擇方向后施加速度命令(節(jié)流命令，throttle)和扭矩限制來轉(zhuǎn)動頂部驅(qū)動裝置。通過變頻驅(qū)動頂部驅(qū)動裝置，操作員可以在緩慢打開節(jié)流閥的同時觀看頂部驅(qū)動軸，并且可以利用節(jié)流控制使得當(dāng)軸處在所希望的位置時停止軸。這是使用鉆機(jī)作為操作的閉環(huán)位置控制部分，這可能是不需要的。對于人機(jī)接口(HMI)頂部驅(qū)動裝置，該情況可能更糟，因為鉆機(jī)必須在觸摸屏上鍵入節(jié)流命令，觀看驅(qū)動裝置的移動，然后趕快回來觀看屏幕并點(diǎn)擊"零節(jié)流"以停止軸。這可能導(dǎo)致誤差。在定向鉆探中，其中目標(biāo)地層可能與井的表面位置橫向間隔幾千英尺，需要穿透到深處并且還橫向穿過土壤、巖石和地層，鉆頭方向由鉆頭的方位角和/或工具面角度(tool-faceangle)確定。工具面角度是指偏轉(zhuǎn)裝置在井下實(shí)際"面對"的方向。工具面是指偏轉(zhuǎn)裝置在工具串(toolstring)的軸上的位置(例如，泥漿電^l^的彎管(bend)的方向)，關(guān)于兩件事情取決于井筒幾何形狀如果井筒在鉆頭處是垂直的或者接近垂直的，則工具面取向參考真》茲北；如果井筒在鉆頭處傾斜五度或更多，則工具面取向參考孔的"高側(cè)，，。在任一種情況中，利用電機(jī)或某些其它偏轉(zhuǎn)裝置鉆探時，由電機(jī)功率部分產(chǎn)生的扭矩產(chǎn)生右旋反扭矩。該反扭矩的強(qiáng)度取決于井深、阻力(drag)以及電機(jī)在井下產(chǎn)生的速度和扭矩等因素。有時在鉆探的同時，反扭矩可能在轉(zhuǎn)臺(rotarytable)處在鉆頭和鉆柱之間引起幾周旋轉(zhuǎn)。目前，定向鉆機(jī)使用鉆探時測量(measureiTient-while-drilling，MWD)讀出器測量該反扭矩，并在所期望的符合井下鉆頭處的正確方向取向的取向上在轉(zhuǎn)臺處對鉆柱進(jìn)行標(biāo)記。在某些現(xiàn)有系統(tǒng)中，通過導(dǎo)向儀(steeringtool)在井下測量工具面角度信息，并典型使用相對低帶寬的泥漿脈沖信號將該信息傳送到表面。通過對鉆柱施加扭矩或鉆柱角修正，鉆機(jī)保持所希望的面角度，但是因為接收面角度信息中的等待或延遲，鉆機(jī)經(jīng)常修正過度或修正不足。修正過度或修正不足可導(dǎo)致鉆頭相當(dāng)量的前后偏離，這增加了必須鉆探的距離以到達(dá)目標(biāo)底層。前后偏離還可能增加卡管的風(fēng)險并使得鋪設(shè)套管(casing)更加困難。在定向鉆探中，特別是長距離、高角度或者水平鉆探，長的鉆頭行程、平穩(wěn)正確地控制的井路徑以及最小的過程修正是所希望的。在實(shí)際鉆探中，許多井下軌跡控制裝置被用于在必要時偏轉(zhuǎn)鉆探軌跡。這些包括井下電機(jī)的井下彎管套(benthousing)、彎管接頭或斜向器以及其它活動或可調(diào)裝置，如可調(diào)穩(wěn)定器。為了正確地執(zhí)行軌跡偏轉(zhuǎn)，準(zhǔn)確地設(shè)定工具面是非常重要的。設(shè)定工具面角度的一個現(xiàn)有方法依賴于在井下勘探傳感器位于BHA(bottomholeassembly,下部鉆具組合)中的位置處測量工具面角度。然而，由于這種井下偏轉(zhuǎn)裝置引起的干涉配合，在接觸點(diǎn)處(即，彎頭(bentknee)和介入穩(wěn)定器)這些裝置產(chǎn)生顯著的接觸力。在施加表面扭矩時這些抑制性扭矩防止彎頭轉(zhuǎn)彎。因此，在傳感器位置處"視在工具面"可能經(jīng)常顯著不同于彎頭處的真實(shí)工具面角度。一種井下工具面角度設(shè)定的現(xiàn)有方法是在探勘測量中勘探傳感器所處的軸向位置處推斷工具面取向。在彎頭和任何其它介入接觸位置處(如井下電機(jī)的上穩(wěn)定器)"抑制性扭矩"的影響可能沒有被考慮。結(jié)果，不僅準(zhǔn)確性受影響，而且定向勘探的方位角準(zhǔn)確性也受影響，因為勘探數(shù)據(jù)受井下裝配變形的影響。通常在MWD勘探中，特別是在水平區(qū)域附近，方位角準(zhǔn)確度可能是非常差的。在這種勘探中兩度以上方位角的誤差是相當(dāng)普遍的。由于這種方位角誤差，井軌跡的不確定性將導(dǎo)致偏離的鉆探或者導(dǎo)致彎曲的水平井路徑。這可能限制井的最大可鉆探的水平范圍。在轉(zhuǎn)動鉆柱以將鉆頭轉(zhuǎn)動到所希望的取向中，希望盡可能快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)新的鉆頭面取向，而沒有可導(dǎo)致沖過或沒有達(dá)到所希望的鉆頭位置的快速顛簸移動。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于選擇性確定鉆柱端部處的鉆頭在井筒中的取向的設(shè)備，所述設(shè)備可連接到用于轉(zhuǎn)動所述鉆柱和所述鉆頭的動力設(shè)備，所述設(shè)備包括控制部件設(shè)備，其包括可移動以實(shí)現(xiàn)所迷鉆頭在所述井筒中的取向變化的控制部件，以及用于產(chǎn)生表示所述控制部件的移動的移動信號的信號設(shè)備，以及用于與所述動力設(shè)備和所述控制部件通信的控制器，所述控制器用于將來自所述控制部件設(shè)備的所述移動信號轉(zhuǎn)換為對所述動力設(shè)備的命令信號，該配置使得在使用中該命令信號命令所述動力設(shè)備基本上根據(jù)所述控制部件的所述移動轉(zhuǎn)動所述鉆柱和所述鉆頭。一方面，所述控制部件可由操作員例如在鉆機(jī)艙中操作。該控制部件可包括可轉(zhuǎn)動的旋鈕、操縱桿或者可移動的滑塊以實(shí)現(xiàn)所述鉆頭的取向變化。權(quán)利要求2至18中給出了該設(shè)備的進(jìn)一步特征以供參考。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種包括如上所述設(shè)備的鉆機(jī)艙。該鉆機(jī)艙可遠(yuǎn)離鉆塔場地建造，然后帶到鉆塔場地并安裝在鉆塔上。然后可以配置該設(shè)備以控制現(xiàn)有的鉆塔裝備。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種用于選擇性確定鉆柱端部處的鉆頭在井筒中的取向的方法，該鉆柱連接到用于使其轉(zhuǎn)動的動力設(shè)備，該方法包括使用上述設(shè)備控制所述動力設(shè)備以轉(zhuǎn)動所述鉆柱的步驟。在一個實(shí)施例中，該方法還包括在鉆探期間轉(zhuǎn)動所述鉆柱的步驟，從而調(diào)節(jié)所述鉆頭的鉆頭面角度以促進(jìn)定向鉆探。在一方面，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)具有一個或幾個(兩個或更多)用于頂部驅(qū)動裝置的閉環(huán)位置控制模式，并使控制器中的軟件能夠進(jìn)行有關(guān)頂部驅(qū)動軸位置限制的速度計算工作。在某些特定方面，本發(fā)明釆用"撞擊(Bump)"模式或者"編碼器跟隨(Encoderfollow)"模式。在進(jìn)入任一種模式之前，該頂部驅(qū)動裝置被關(guān)掉。在"撞擊"模式中，操作員向頂部驅(qū)動控制系統(tǒng)輸入頂部驅(qū)動軸的(以及因此附于其上的鉆柱的)的增量角轉(zhuǎn)動距離(單位為角度或轉(zhuǎn)數(shù))、速度(單位為RPM)以及扭矩限制(對頂部驅(qū)動電機(jī)經(jīng)由頂部驅(qū)動軸施加給鉆柱的扭矩的限制)。當(dāng)這些參數(shù)已經(jīng)被輸入時，操作員通過選擇"撞擊CW，，(順時針轉(zhuǎn)動)或者"撞擊CCW"(逆時針轉(zhuǎn)動)來選擇鉆柱的轉(zhuǎn)動方向并且頂部驅(qū)動裝置在該方向上將鉆柱轉(zhuǎn)動指定的距離，然后停止。一方面，該移動是按照在頂部驅(qū)動裝置參數(shù)中定義的速度斜率的"梯形"；也就是說，為了到達(dá)最終的鉆頭目的地點(diǎn)，(編碼器、驅(qū)動軸以及鉆頭的最終位置)，以恒定的加速度驅(qū)動頂部驅(qū)動裝置(見圖4A),直到其達(dá)到恒定的最大速度，然后開始恒定的減速，從而到達(dá)最終的目的地點(diǎn)。一方面，因為在恒定的加速之后要實(shí)現(xiàn)恒定的減速以到達(dá)最終的目的地點(diǎn)，并最好沒有過沖，因此恒定的最大速度沒有達(dá)到(見圖4B)。由于需要輸入轉(zhuǎn)動距離，從HMI(例如，圖形顯示、觸摸屏、和/或使用計算機(jī)鼠標(biāo))或者從設(shè)備的硬連線控制裝置(如變頻驅(qū)動裝置)啟動"撞擊，，模式。在"撞擊，，模式中，操作員按度數(shù)輸入距離(轉(zhuǎn)動的弧度距離或圏數(shù))并選擇方向(向前-順時針或相反-逆時針)。在"編碼器"跟隨模式中，位于操作員的控制臺或者控制站上的增量編碼器(例如，可轉(zhuǎn)動的旋鈕、操縱桿或者可移動的滑塊)向頂部驅(qū)動裝置提供可移動的或旋轉(zhuǎn)位置輸入。操作員提供速度和扭矩限制，并且頂部驅(qū)動裝置控制軟件向頂部驅(qū)動裝置的變頻驅(qū)動裝置的變頻驅(qū)動控制器產(chǎn)生速度命令，從而在給定的斜坡速度和扭矩限制的情況下，盡可能接近地跟隨編碼器(旋鈕或滑塊)的位置。這樣，例如對于可轉(zhuǎn)動的旋鈕系統(tǒng)，如果操作員想讓軸并由此使鉆頭向右轉(zhuǎn)動15度，那么他簡單地將旋鈕向右轉(zhuǎn)動15度并且頂部驅(qū)動裝置跟隨，使得鉆柱和鉆頭在相同的方向上轉(zhuǎn)動相同的量。為了計算速度限制，即鉆柱的轉(zhuǎn)動速度，假定位置目的地為d，當(dāng)前位置為x(從在電機(jī)軸上的編碼器提供的位置計算出的)，向變頻驅(qū)動("VFD")控制器給出速度命令以適當(dāng)?shù)叵蛩Ｍ哪康牡匾苿禹敳框?qū)動軸。符號(方向)可以通過x-d來簡單地算出。一方面，使用控制軟件的現(xiàn)有斜坡函數(shù)。該斜坡函數(shù)適當(dāng)?shù)厥顾俣刃本€增加，從而該計算可集中在限制速度上，使得優(yōu)選地正好在目的地該軸停止。在任何給定的點(diǎn)，假定最大加速度值為a0，距離為x，則在該點(diǎn)處恰好停止所要求的速度是aO和x的乘積的平方根。在某些方面，優(yōu)選不必在代碼執(zhí)行中重復(fù)計算平方根，因為它是非常長的計算；所以使用斜坡函數(shù)來產(chǎn)生適當(dāng)?shù)乃俣刃蚊?因為它使用適當(dāng)?shù)募铀俣戎?，從而計算出在當(dāng)前速度的情況下到停止所需的距離，如果目的地在該停止距離的某死區(qū)(deadband)內(nèi)，則將輸入到該斜坡函數(shù)的速度設(shè)定為零。以恒定的加速度從給定的速度到停止所需的距離為d=v2/a0。因此如果目的地在停止死區(qū)之外，則輸入到斜坡函數(shù)的速度為vmax(由操作員指定)，如果在停止死區(qū)之內(nèi)，則為0。在某些實(shí)施例中，為了允許在沒有編碼器或者在編碼器故障的情況下進(jìn)行鉆頭面操作，使用開環(huán)模式。由操作員在屏幕上(例如，操作員控制臺的觸摸屏)啟動開環(huán)操作；或者為了在頂部驅(qū)動裝置控制器沒有編碼器數(shù)據(jù)的情況下提供功能性，該控制系統(tǒng)被永久配置為活動的。在開環(huán)模式中(沒有來自編碼器的關(guān)于軸位置的數(shù)據(jù))，基于來自頂部驅(qū)動裝置的速度反饋和控制器周期時間計算軸位置，然后將其用于上述速度限制計算。如果該驅(qū)動裝置沒有準(zhǔn)備好，則將該才莫擬速度信號保持為零，也就是說，在驅(qū)動裝置指示它準(zhǔn)備好之前不開始移動。使用速度計算的死區(qū)可以防止驅(qū)動裝置反復(fù)地切換方向(被稱為"防振蕩(huntprevention)"-"振蕩"是指對所希望的最終目的地點(diǎn)的來回過沖)，嘗試實(shí)現(xiàn)比物理上的可能更小的位置控制。根據(jù)本發(fā)明，在所希望的目的地周圍的某離散死區(qū)被限定，并且一旦到達(dá)其中的任何位置，則鉆頭停止(即，不再"振蕩")。在某些實(shí)施例中，典型的死區(qū)范圍例如為頂部驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動的正或負(fù)三度。為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在僅以舉例的方式引用附圖，其中圖l是利用根據(jù)本發(fā)明的控制設(shè)備的鉆塔的部分截面的示意性側(cè)視圖2是根據(jù)本發(fā)明的控制設(shè)備和圖l的鉆塔的相關(guān)部分的示意性框圖3是圖2的控制設(shè)備的操作流程圖4A是示出根據(jù)本發(fā)明的方法的第一實(shí)施例的速度與時間關(guān)系的曲線圖4B是示出根據(jù)本發(fā)明的方法的第二實(shí)施例的速度與時間關(guān)系的曲線圖5是用于操作圖l和圖2的控制設(shè)備的操作員觸摸屏的示意性前視圖。具體實(shí)施例方式現(xiàn)在對照圖1，鉆塔lll被示意性描述為陸地鉆塔，但是其它鉆塔(例如，離岸鉆塔、樁腳式鉆塔、半潛水器、鉆探船等)也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。如下所述的控制系統(tǒng)60與操作員接口(例如接口20)一起控制鉆塔的某些操作。鉆塔lll包括支撐在鉆臺115之上的場地上的井架113。鉆塔lll包括起重機(jī)構(gòu)，該起重機(jī)構(gòu)包括安裝在井架113上的定滑輪117和動滑輪119。定滑輪117和動滑輪119通過由絞車123驅(qū)動的纜繩121相互連接，以控制動滑輪119的上下移動。動滑輪119攜帶吊鉤125，頂部驅(qū)動系統(tǒng)127懸掛在吊鉤125上，頂部驅(qū)動系統(tǒng)127包括變頻驅(qū)動控制器126、電機(jī)(或多個電機(jī))124和驅(qū)動軸129。頂部驅(qū)動系統(tǒng)127轉(zhuǎn)動鉆柱131，在井筒133中驅(qū)動軸129連接到鉆柱131?？梢圆僮黜敳框?qū)動系統(tǒng)127在任一方向上轉(zhuǎn)動鉆柱131。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，鉆柱131經(jīng)由儀表化接頭139耦合到頂部驅(qū)動系統(tǒng)127，儀表化接頭139包括提供例如鉆柱扭矩信息等信息的傳感器。鉆柱131可以是任何典型的鉆柱，并且一方面包括鉆管135的多個相互連接部分、下部鉆具組合(bottomholeassembly,BHA)137，底部鉆具組合137包括穩(wěn)定器、鉆鋌和/或設(shè)備或裝置，一方面包括一組隨鉆測量(measurementwhiledrilling,MWD)儀器，該組儀器包括導(dǎo)向儀151以提供鉆頭面角度信息。任選地，彎管接頭141與連接到BHA137的井下或泥漿電機(jī)142和鉆頭156—起使用。如所熟知的，在鉆探期間在方位角和俯仰角方面控制鉆頭156的面角度。由泥漿泵143經(jīng)由泥漿管145將鉆探液傳送到鉆柱131。在旋轉(zhuǎn)鉆探期間，鉆柱131通過頂部驅(qū)動系統(tǒng)127在井筒133內(nèi)轉(zhuǎn)動，一方面，頂部驅(qū)動系統(tǒng)127滑動安裝在平行的縱向延伸的軌道(未示出)上，從而當(dāng)扭矩施加到鉆柱131時阻止轉(zhuǎn)動。在滑動鉆探期間，通過頂部驅(qū)動系統(tǒng)127將鉆柱131保持在位，同時通過泥漿電機(jī)142轉(zhuǎn)動鉆頭156，由泥漿泵143向泥漿電機(jī)142供應(yīng)鉆探液。該鉆機(jī)可以操作頂部驅(qū)動系統(tǒng)127以改變鉆頭156的面角度。盡管示出了頂部驅(qū)動鉆塔，但是將本發(fā)明與使用轉(zhuǎn)臺和鉆桿向鉆柱施加扭矩的系統(tǒng)結(jié)合使用也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。通過由泥漿泵143提供的鉆探泥漿將鉆頭鉆入地下時所產(chǎn)生的切割物運(yùn)送到井筒133外。如圖2中所示，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)10具有操作員接口20(例如，但不限于，鉆機(jī)控制臺和/或一個、兩個、三個或更多個觸摸屏和/或操縱桿、滑塊或旋鈕)和可選擇的可調(diào)編碼器30,用于轉(zhuǎn)動頂部驅(qū)動系統(tǒng)40的主軸41(如系統(tǒng)127，圖l)?？烧{(diào)編碼器30具有可調(diào)設(shè)備31(例如，可轉(zhuǎn)動的旋鈕或可移動的滑塊)，當(dāng),皮鉆機(jī)或其它人移動或轉(zhuǎn)動時，可調(diào)設(shè)備31導(dǎo)致頂部驅(qū)動系統(tǒng)40的主軸41(如軸129，圖1)的相應(yīng)移動，以及由此導(dǎo)致的鉆柱和所附鉆頭(如圖1中所示)的相應(yīng)移動?？刂葡到y(tǒng)60(例如，但不限于一個、兩個、三個或更多個現(xiàn)場或遠(yuǎn)程計算機(jī)、PLC、單板機(jī)、CPU、有限狀態(tài)機(jī)、微控制器)的可編程介質(zhì)中的控制軟件50響應(yīng)于(例如在鉆機(jī)控制臺處)可調(diào)設(shè)備31的移動控制主軸41的移動，4吏得主軸41不被移動得太快并4吏得當(dāng)靠近移動終點(diǎn)時主軸41和鉆柱62(如鉆柱131,圖1)以及與其連接的鉆頭70(如鉆頭156,圖1)以平穩(wěn)減少的減速平穩(wěn)移動。"現(xiàn)場"可以包括例如，但不限于，在鉆機(jī)搶中和/或在與鉆塔相鄰的控制室或建筑物中。頂部驅(qū)動系統(tǒng)40的電機(jī)42轉(zhuǎn)動在其端部具有鉆頭70的主軸41(其連接到鉆柱62)。VFD控制器80(如控制器126，圖1)控制電機(jī)42。位置編碼器43(位于頂部驅(qū)動電機(jī)附近)將表示主軸41的實(shí)際位置的信號發(fā)送到VFD控制器80和控制系統(tǒng)60，在此該信號是控制軟件50的輸入值。從操作員接口20將預(yù)先選擇的主軸速度的限制值("速度限制")、主軸扭矩的限制值("扭矩限制")以及所希望的鉆頭位置或"位置設(shè)定點(diǎn)，，輸入到控制系統(tǒng)的控制軟件50。控制系統(tǒng)60將狀態(tài)數(shù)據(jù)提供給操作員接口20，所述狀態(tài)數(shù)據(jù)包括速度、扭矩、軸取向、以及設(shè)備31的位置。控制軟件50向VFD控制器80發(fā)送命令，該命令包括速度命令和扭矩命令(扭矩限制)。VFD控制器80向控制軟件50提供反饋，該反饋包括主軸41的實(shí)際速度和實(shí)際扭矩(由頂部驅(qū)動電機(jī)施加給鉆柱的扭矩)的值。圖3示出系統(tǒng)10的功能。如圖3中所示，控制系統(tǒng)60然后調(diào)節(jié)頂部驅(qū)動電機(jī)的速度并控制施加給鉆柱的扭矩，使得頂部驅(qū)動裝置的主軸在所希望的點(diǎn)處停止?？刂葡到y(tǒng)將實(shí)際施加給鉆柱的扭矩量以及有關(guān)實(shí)際速度、鉆柱的實(shí)際轉(zhuǎn)動量(單位為度或弧度)的數(shù)據(jù)值(例如50秒)傳送給控制軟件。位置編碼器43將位置信息和速度信息提供給VFD控制器80?？刂栖浖?0從編碼器43和/或從VFD控制器80或者任選地經(jīng)由軟件50控制的直接輸入/輸出設(shè)備(例如與該編碼器通信的I/O裝置)接收關(guān)于位置的信息。VFD控制器80恒定地使用來自編碼器43的位置來控制頂部驅(qū)動電機(jī)的輸出以實(shí)現(xiàn)所希望的命令的速度并將扭矩保持在控制軟件50所施加的扭矩限制內(nèi)。使用控制接口20上的操作員控制裝置的操作員向VFD控制器80輸入對施加給鉆柱的扭矩的限制("扭矩限制")和對頂部驅(qū)動系統(tǒng)40的主軸41的轉(zhuǎn)動速度的限制("速度限制")。通過使用該速度限制、主軸的實(shí)際位置、主驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動的最后速度("最后速度")(該速度是由控制系統(tǒng)60從先前的控制迭代向VFD控制器80命令的速度)、最大允許加速度("最大加速度，，)以及向VFD控制器80發(fā)送速度命令的周期時間(周期時間是由硬件時鐘、CPU中的時鐘或者控制系統(tǒng)60中的時鐘提供)，控制軟件50計算發(fā)送到VFD控制器80的速度命令("速度命令")，VFD控制器80然后控制主軸41的轉(zhuǎn)動，使得鉆柱以所希望的速度轉(zhuǎn)動。為了重新確定鉆頭的取向，希望以4吏得鉆頭既不會沖過所希望的位置(取向)也不會未到達(dá)所希望位置的速度轉(zhuǎn)動鉆柱，并且通過盡可能快地轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)；但是當(dāng)鉆頭接近所希望的位置時，減速是4艮重要的，從而使得不會發(fā)生過沖。因此，控制軟件50計算鉆頭移動的整個時間段中所希望的速度以及當(dāng)鉆頭接近所希望的位置時所希望的速度變化。最終速度是這樣計算得到的當(dāng)鉆頭接近所希望的位置時鉆柱轉(zhuǎn)動的速度。VFD控制器80從操作員接口20接收命令，使得VFD控制器跟隨可調(diào)編碼器30(相應(yīng)地進(jìn)行)?？刂栖浖?0監(jiān)視可調(diào)編碼器30的位置變化，并且計算導(dǎo)致移動編碼器30的量的兩個位置之間的差("位置誤差")。由編碼器30表示的位置減去編碼器43表示的位置給出這兩個位置之間的差。在該計算中使用之前，可能需要根據(jù)頂部驅(qū)動裝置的傳動比調(diào)節(jié)編碼器43的位置，所述傳動比是鉆柱電機(jī)的轉(zhuǎn)動與軸的轉(zhuǎn)動之間的比率，例如，但不限于，10:1。例如，傳動比為10:1時，編碼器43的移動是編碼器30的移動的10倍。位置誤差的平方根乘以增益因數(shù)("增益")得到"目標(biāo)速度"，該"目標(biāo)速度"被進(jìn)一步處理以確定速度限制和目標(biāo)速度中較小的一個，以得到用于快速平穩(wěn)地達(dá)到所希望的鉆頭取向/位置的鉆柱轉(zhuǎn)動的瞬時速度("限制速度")。從目標(biāo)速度和操作員輸入的速度限制中較小的一個減去最后速度，并將所得到的差除以周期時間得到所需軸加速度。所計算出的加速度和加速度限制(參數(shù))中較小的一個乘以周期時間得到差速度，然后將該差速度與所迷最后速度相加，并發(fā)送到VFD控制器80作為新的速度命令。圖4A示出最初以恒定加速度驅(qū)動頂部驅(qū)動裝置以將鉆頭從"鉆頭開始位置"移動到"鉆頭目的地位置"。該移動的一部分保持恒定的速度，然后在計算出的點(diǎn)實(shí)現(xiàn)恒定的減速使得鉆柱并由此使得所附鉆頭沒有過沖或以最小的過沖到達(dá)目的地。由于該加速度和速度矢量的形狀(時間軸作為底邊)，圖4A中所示的移動被稱為"梯形移動(trapezoidal)"。如圖4B中所示，如果目的地Y吏得沒有實(shí)現(xiàn)并保持恒定速度，則該移動不是如4A中所示的"梯形移動"。而是如圖4B中所示，鉆柱和鉆頭的恒定加速之后以恒定的減速到達(dá)目的地。圖5示出用于上述控制系統(tǒng)的根據(jù)本發(fā)明的例如具有觸摸屏的操作員接口20，例如控制臺；例如用于根據(jù)本發(fā)明的方法以撞擊(bump)模式、跟隨(follow)模式或者用于振蕩("搖動(rocking)")鉆柱的"搖尾狗(wag-the-dog)"模式操作(關(guān)于撞擊模式和搖動模式，參見共同擁有的未決的美國11/418,843號申請，其標(biāo)題為"DirectionalDrillingControl",PCT申請要求其優(yōu)先權(quán))。除了虛線內(nèi)在觸摸屏上由操作員啟動的"按鈕"或區(qū)域，包括標(biāo)記為"定向鉆探"的按鈕，該屏幕與例如在可通過商業(yè)從NationalOilwellVarco得到的現(xiàn)有技術(shù)的AMPHION(商標(biāo))系統(tǒng)中使用的現(xiàn)有技術(shù)的控制臺中使用的屏幕相同。在按下該"定向"g后，當(dāng)"定向鉆探"按鈕被按下時，虛線內(nèi)其余按鈕出現(xiàn)，然后操作員可以選擇停止轉(zhuǎn)動鉆柱；以撞擊模式移動鉆柱(并由此移動鉆頭)；根據(jù)操作員對控制部件(例如，旋鈕或滑塊)的移動來移動鉆柱-跟隨模式；或者振蕩部分鉆柱以抑制鉆柱的束綽-搖動模式。任選地，代替單個"撞擊"按鈕，可以使用兩個按鈕-一個用于"撞擊"順時針，一個用于"撞擊"逆時針。因此本發(fā)明在一些實(shí)施例中，但不是必須在全部實(shí)施例中，提供一種用于選擇性確定鉆柱端部鉆頭取向的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括動力設(shè)備，用于轉(zhuǎn)動鉆柱和鉆頭，該鉆頭連接到該鉆柱的端部，該鉆柱處于井筒內(nèi)，該井筒從地表面延伸到地下，該鉆頭位于地表面以下的位置處；控制部件設(shè)備，包括可由人手動移動以實(shí)現(xiàn)鉆頭在井筒中的取向變化的控制部件，該控制部件設(shè)備包括用于產(chǎn)生表示該控制部件的手動移動的移動信號的信號設(shè)備；與該動力設(shè)備和該控制部件通信的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于將來自該控制部件設(shè)備的移動信號轉(zhuǎn)換為對該動力設(shè)備的命令，該命令命令該動力設(shè)備根據(jù)控制部件的移動轉(zhuǎn)動該鉆柱和鉆頭。該系統(tǒng)可以具有以下中的一個或者任何可能組合的一些其中該控制部件是可與該控制系統(tǒng)連接的可手動轉(zhuǎn)動的旋鈕；其中該控制系統(tǒng)包括計算i殳備，該計算設(shè)備被編程用于接收操作人員的速度限制輸入和扭矩限制輸入、具有表示對該鉆柱移動速度的限制的信號的速度限制輸入、包括表示對施加給該鉆柱的扭矩的限制的信號的扭矩限制輸入；該控制系統(tǒng)控制該動力設(shè)備的移動使得該速度限制不被超過并使得該扭矩限制不被超過；其中該動力設(shè)備是頂部驅(qū)動系統(tǒng)；其中該頂部驅(qū)動系統(tǒng)包括頂部驅(qū)動裝置并且該頂部驅(qū)動裝置的驅(qū)動由變頻驅(qū)動裝置來進(jìn)行，變頻驅(qū)動控制器控制該變頻驅(qū)動裝置，并且該控制系統(tǒng)控制該變頻驅(qū)動控制器；其中該變頻驅(qū)動控制器向該控制系統(tǒng)提供表示該頂部驅(qū)動裝置的驅(qū)動軸的實(shí)際速度的反饋，該驅(qū)動軸連接到該鉆柱以轉(zhuǎn)動該鉆柱和鉆頭，并且反饋表示由該頂部驅(qū)動軸施加給該鉆柱的實(shí)際扭矩；其中，該鉆頭被從開始位置移動到目的位置，并且其中該控制系統(tǒng)控制該動力i殳^f吏得該鉆頭對目的位置的過沖被消除或最小化；其中該控制系統(tǒng)計算該鉆柱和鉆頭的動力設(shè)備的最初移動的恒定加速度、在以恒定加速度移動后該鉆柱和鉆頭的動力設(shè)備的移動的恒定速度、以及該鉆柱和鉆頭的動力設(shè)備的移動的恒定減速以將該鉆頭移動到目的地位置而沒有沖過該目的地位置或者沖過很??；其中只要該鉆柱和鉆頭的轉(zhuǎn)動速度在預(yù)先選擇的死區(qū)范圍內(nèi)該控制系統(tǒng)就停止該動力設(shè)備，從而停止該鉆柱和鉆頭的轉(zhuǎn)動；其中該動力設(shè)備是轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)；其中該控制系統(tǒng)包括可編程介質(zhì)和用于完成控制功能的控制軟件，該控制軟件在可編程介質(zhì)內(nèi)；其中該控制系統(tǒng)包括包含該可編程介質(zhì)的控制設(shè)備，該控制設(shè)備選自由計算機(jī)、可編程邏輯控制器、單板計算機(jī)、中央處理單元、微控制器以及有限狀態(tài)機(jī)組成的組；操作員接口用于操作員將動力設(shè)備速度的限制值、該動力設(shè)備施加給該鉆柱的扭矩以及所希望的鉆頭目的位置輸入到該控制系統(tǒng)；其中該控制系統(tǒng)將實(shí)際動力設(shè)備速度、施加到該鉆柱的實(shí)際扭矩以及該控制部件的位置的指示提供到操作員接口；該動力設(shè)備具有用于轉(zhuǎn)動該鉆柱的轉(zhuǎn)動部分、與該控制系統(tǒng)通信的編碼器設(shè)備，該編碼器設(shè)備用于提供表示該動力設(shè)備轉(zhuǎn)動部分位置的位置信號；其中該控制系統(tǒng)連續(xù)使用來自該編碼器設(shè)備的位置信號以控制該動力設(shè)備；其中該動力設(shè)備是頂部驅(qū)動系統(tǒng)并且該轉(zhuǎn)動部分是該頂部驅(qū)動系統(tǒng)的頂部驅(qū)動軸；其中該鉆頭在一時間段內(nèi)被移動從而到達(dá)鉆頭目的地位置，該控制軟件用于計算在該時間段的速度以及鉆頭接近該鉆頭目的地位置的速度變化，該控制系統(tǒng)用于根據(jù)該控制軟件的計算控制該鉆頭的移動速度；其中該系統(tǒng)可以開環(huán)模式操作并且其中該動力設(shè)備是頂部驅(qū)動系統(tǒng)而該轉(zhuǎn)動部分是該頂部驅(qū)動系統(tǒng)的頂部驅(qū)動軸；該變頻驅(qū)動裝置向該控制系統(tǒng)提供關(guān)于該頂部驅(qū)動軸速度的反饋，并且該控制系統(tǒng)用于基于來自該變頻控制器的速度反饋和基于由該控制系統(tǒng)提供的周期時間的指示計算該頂部驅(qū)動軸的位置；并且/或者其中該控制系統(tǒng)包括被編程用于接收操作人員的速度限制輸入和扭矩限制輸入的計算設(shè)備，速度限制輸入包括表示對該鉆柱移動速度的限制的信號，該扭矩限制輸入包括表示對施加給該鉆柱的扭矩的限制的信號，該控制系統(tǒng)控制動力設(shè)備的移動使得該速度限制不被超過并且使得該扭矩限制不凈皮超過，該控制系統(tǒng)包括用于接收該操作人員的增量角轉(zhuǎn)動距離輸入和該操作人員的鉆柱轉(zhuǎn)動方向輸入的計算設(shè)備，該控轉(zhuǎn)動所述增量角轉(zhuǎn)動距離。因此本發(fā)明在一些實(shí)施例中，但不是必須在全部實(shí)施例中，提供一種用于選擇性確定鉆柱端部的鉆頭取向的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于轉(zhuǎn)動鉆柱和鉆頭的動力設(shè)備，該鉆頭連接到該鉆柱的端部，該鉆柱處于井筒內(nèi)，該井筒從地表面延伸到地下，該鉆頭位于地表面以下的位置處；控制部件設(shè)備，其包括可由人手動移動以實(shí)現(xiàn)鉆頭在井筒中的取向變化的控制部件，該控制部件設(shè)備包括用于產(chǎn)生表示該控制部件的手動移動的移動信號的信號設(shè)備；與該動力設(shè)備和該控制部件通信的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于將來自該控制部件設(shè)備的移動信號轉(zhuǎn)換為對該動力設(shè)備的命令，該命令用于命令該動力i殳備根據(jù)該控制部件的移動轉(zhuǎn)動該鉆柱和鉆頭；該控制系統(tǒng)包括計算設(shè)備，該計算設(shè)備被編程用于接收操作人員的速度限制輸入和扭矩限制輸入，該速度限制輸入包括表示對該鉆柱的移動速度的限制的信號，該扭矩限制輸入包括表示對施加給該鉆柱的扭矩的限制的信號；該控制系統(tǒng)控制該動力設(shè)備的移動使得該速度限制不被超過并使得該扭矩限制不被超過；其中該動力設(shè)備包括頂部驅(qū)動系統(tǒng)；該頂部驅(qū)動系統(tǒng)包括頂部驅(qū)動裝置并且該頂部驅(qū)動裝置的驅(qū)動由變頻驅(qū)動裝置來進(jìn)行；變頻驅(qū)動控制器控制該變頻驅(qū)動裝置；該控制系統(tǒng)控制該變頻驅(qū)動控制器；該變頻驅(qū)動控制器向該控制系統(tǒng)提供表示該頂部驅(qū)動裝置的驅(qū)動軸的實(shí)際速度的反饋，該驅(qū)動軸連接到該鉆柱以轉(zhuǎn)動該鉆柱和鉆頭，并且反饋表示由該頂部驅(qū)動軸施加給該鉆柱的實(shí)際扭矩；該鉆頭被從開始位置移動到目的地位置；其中該控制系統(tǒng)控制該動力設(shè)備使得該鉆頭對目的位置的過沖被消除或最小化；其中該控制系統(tǒng)計算該鉆柱和鉆頭的動力設(shè)備的最初移動的恒定加速度、在以恒定加速度移動后該鉆柱和鉆頭的動力設(shè)備的移動的恒定速度、以及該鉆柱和鉆頭的動力設(shè)備的移動的恒定減速以將該鉆頭移動到目的地位置而沒有沖過該目的地位置或者沖過很小。因此本發(fā)明在一些實(shí)施例中，但不是必須在全部實(shí)施例中，提供一種用于選擇性確定鉆柱端部的鉆頭取向的方法，該方法包括移動系統(tǒng)的控制部件以確定該鉆頭的取向，該移動由人手動進(jìn)4亍，該系統(tǒng)如本文中根據(jù)本發(fā)明的任何系統(tǒng)；用如本文中才艮據(jù)本發(fā)明的任一控制系統(tǒng)控制所述動力設(shè)備；以及根據(jù)所述控制部件的移動轉(zhuǎn)動所迷鉆柱和鉆頭。該方法可以包括將鉆柱和鉆頭移動到目的地位置而不會沖過該目的地位置或者沖過很小。權(quán)利要求1.一種用于選擇性確定鉆柱端部處的鉆頭在井筒中的取向的設(shè)備，所述設(shè)備能夠連接到用于轉(zhuǎn)動所述鉆柱和所述鉆頭的動力設(shè)備，所述設(shè)備包括控制部件設(shè)備，該控制部件設(shè)備包括能夠移動的、實(shí)現(xiàn)所述鉆頭在所述井筒中的取向變化的控制部件，以及用于產(chǎn)生表示所述控制部件的移動的移動信號的信號設(shè)備，以及用于與所述動力設(shè)備和所述控制部件通信的控制器，所述控制器用于將來自所述控制部件設(shè)備的所述移動信號轉(zhuǎn)換為對所述動力設(shè)備的命令信號，該配置使得在使用中該命令信號命令所述動力設(shè)備基本上根據(jù)所述控制部件的移動轉(zhuǎn)動所述鉆柱和所述鉆頭。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制部件包括能夠與所述控制器操作地連接的能夠手動轉(zhuǎn)動的旋鈕。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器包括計算設(shè)備，該計算設(shè)備被編程用于(a)接收速度限制輸入和扭矩限制輸入，所述速度限制輸入包括表示對所述鉆柱轉(zhuǎn)動速度的限制的信號，所述扭矩限制輸入包括表示對施加給所述鉆柱的扭矩的限制的信號；以及(b)控制所述動力設(shè)備的移動使得所述速度限制不被超過并且使得所述扭矩限制不被超過。4.根據(jù)權(quán)利要求l、2或3所述的設(shè)備，其特征在于，所述動力設(shè)備包括頂部驅(qū)動裝置，并且其中所述設(shè)備適合于控制所述頂部驅(qū)動裝置的變頻驅(qū)動控制器。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器適合于接收和處理來自所述變頻驅(qū)動控制器的反饋信號，該反饋信號表示(a)所述頂部驅(qū)動裝置的驅(qū)動軸的實(shí)際速度，所述驅(qū)動軸連接到所述鉆柱以轉(zhuǎn)動所述鉆柱和所述鉆頭，以及(b)由所述頂部驅(qū)動軸施加給所述鉆柱的實(shí)際扭矩。6.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其特征在于，在使用中所述鉆頭從開始位置移動到目的地位置，并且所述控制器控制所述動力設(shè)備使得所述鉆頭沖過所述目的地位置的量被減小、被最小化或者基本上為零。7.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器被配置為(a)確定在所述時間段的速度以及所述鉆頭接近所述目的地位置的速度變化；以及(b)根據(jù)步驟(a)控制所述鉆頭的移動速度。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器被配置為在使用中控制所述動力設(shè)備的移動，使得所述鉆柱和鉆頭(i)以基本上恒定的加速移動，(ii)在(ii)之后直接或間接地以基本上恒定的減速移動，從而抑制所述鉆頭沖過所述目的地位置。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器被配置為在使用中控制所述動力設(shè)備的移動使得所述鉆柱和鉆頭在(i)和(ii)之間以基本上恒定的速度移動。10.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器被配置為在通過所述動力設(shè)備重新定位期間監(jiān)視所述鉆柱的當(dāng)前轉(zhuǎn)動速度，基于所述當(dāng)前速度確定停止距離以及當(dāng)所述停止距離在所述鉆頭的所希望的目的地位置的預(yù)先選擇的范圍內(nèi)時將所述動力設(shè)備的輸入速度設(shè)置為零，從而抑制所述目的地位置的振蕩。11.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，還包括操作員接口，該操作員接口用于操作員向所述控制器輸入動力設(shè)備速度和要施加給所述鉆柱的扭矩的限制值，以及所希望的鉆頭目的地位置。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器被配置為向所述操作員接口輸出實(shí)際的動力設(shè)備速度和施加給所述鉆柱的實(shí)際扭矩以及所述控制部件的位置的指示。13.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器適合于接收來自編碼器設(shè)備的信號，該編碼器設(shè)備提供表示所述動力設(shè)備的轉(zhuǎn)動部分的位置的位置信號，該轉(zhuǎn)動部分能夠連接到所述鉆柱。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器被配置為基本上連續(xù)使用來自所述編碼器設(shè)備的所述位置信號以控制所述動力設(shè)備。15.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器被配置為接收并存儲增量角轉(zhuǎn)動距離和鉆柱轉(zhuǎn)動方向，并控制所述動力設(shè)備使得所述鉆柱以所述增量角轉(zhuǎn)動距離為單位在所述鉆柱轉(zhuǎn)動方向上轉(zhuǎn)動。16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其適合于控制轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)。17.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器包括存儲計算機(jī)可執(zhí)行指令的可編程介質(zhì)，所迷計算機(jī)可執(zhí)行指令用于進(jìn)行上述權(quán)利要求中的任一項的控制器步驟。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器包括計算機(jī)、可編程邏輯控制器、單板機(jī)、中央處理單元、微控制器或者有限狀態(tài)機(jī)、19.一種鉆機(jī)艙，其包括上述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備。20.—種用于選擇性確定鉆柱端部處的鉆頭在井筒中的取向的方法，該鉆柱連接到用于使其轉(zhuǎn)動的動力設(shè)備，該方法包括使用權(quán)利要求1至18中任一項所述的設(shè)備控制所述動力設(shè)備以轉(zhuǎn)動所述鉆柱的步驟。21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括在鉆探期間轉(zhuǎn)動所述鉆柱的步驟，從而調(diào)節(jié)所述鉆頭的鉆頭面角度以便于定向鉆探。全文摘要一種用于選擇性確定鉆柱(135)端部處的鉆頭(156)在井筒(133)中的取向的設(shè)備，所述設(shè)備可連接到用于轉(zhuǎn)動所述鉆柱(135)和所述鉆頭(156)的動力設(shè)備(127)，所述設(shè)備包括控制部件設(shè)備，其包括可移動的、實(shí)現(xiàn)所述鉆頭(156)在所述井筒中的取向變化的控制部件(31)和用于產(chǎn)生表示所述控制部件(31)的移動的移動信號的信號設(shè)備(30)；以及用于與所述動力設(shè)備(127)和所述控制部件(31)通信的控制器(60)，所述控制器(60)用于將來自所述控制部件設(shè)備的所述移動信號轉(zhuǎn)換為對所述動力設(shè)備(127)的命令信號，該配置使得在使用中該命令信號命令所述動力設(shè)備(127)基本上根據(jù)所述控制部件(31)的移動轉(zhuǎn)動所述鉆柱(135)和所述鉆頭(156)。文檔編號E21B4/20GK101438025SQ200780016270公開日2009年5月20日申請日期2007年5月3日優(yōu)先權(quán)日2006年5月5日發(fā)明者K·E·赫利克申請人:國民油井華高有限合伙公司