專利名稱：遠程鉆井和完工管理的制作方法
遠程鉆井和完工管理相關申請的交叉引用本文件基于2009年12月30日提交的美國臨時申請第61/290967號和2010年12月9日提交的美國非臨時申請第12/963736號并且要求所述申請的優(yōu)先權。背景多種地下流體通過使用鉆井鉆入或穿過地下巖層來從所述地下巖層獲得。礦井可用于與多種流體相關的開采和生產，所述流體包括油、氣、水、地熱流體和其它類型的液體和/或氣體。在許多應用中，采用鉆機來為鉆井和其它礦井施工活動提供便利。傳統(tǒng)上來說，在鉆機上用相對大量的鉆機操作者和其他人員來進行與礦井施工相關的復雜操作。然而，在鉆機位置處用相對大量操作者和人員的這些要求使得費用和操作復雜性增加。概述一般來說，本發(fā)明提供一種用于減少鉆機上人員數目的方法。所述方法包括利用多個遠程監(jiān)控鉆機參數的觀察裝置。將來自觀察裝置的數據傳輸到遠程操作中心，在遠程操作中心處對所述數據進行分析，以用于確定鉆機的操作改變。然后可以將控制指令傳輸到所述鉆機以便實施操作改變。附圖簡述下文將參考附圖對本發(fā)明的一些實施方案進行描述，其中相同的參考數字表示相同的元件，在附圖中圖I是根據本發(fā)明的一個實施方案的與礦井上方的鉆機進行通信的遠程操作中心的不意圖；圖2是根據本發(fā)明的一個實施方案的可以用在遠程操作中心中和鉆機上的控制系統(tǒng)的不意圖；圖3是根據本發(fā)明的一個實施方案的可以用于遠程操作中心中來處理數據和/或輸出操作命令到鉆機的基于計算機的控制系統(tǒng)的示意圖；圖4是根據本發(fā)明的一個實施方案的用于鉆機上以與遠程操作中心對應和/或執(zhí)行鉆機相關操作功能的控制系統(tǒng)的示意圖；圖5是根據本發(fā)明的一個實施方案的用于利用遠程操作中心的鉆機的操作控制的分層結構的示意圖；以及圖6是根據本發(fā)明的一個實施方案的遠程操作中心的示意圖。詳細描述在下文描述中，對大量細節(jié)進行闡述以提供對本發(fā)明的理解。然而，本領域普通技術人員應理解，可以在沒有這些細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明，并且可以對所描述的實施方案進行大量變更或修改。本發(fā)明大體涉及一種能夠實現鉆機上所需人員的數目減少的方法。例如在遠程操作中心采用多個觀察裝置來遠程監(jiān)控鉆機參數。這樣就允許對數據進行遠程處理，以使得能夠在遠程操作中心做出關于鉆機的操作改變的決定。然后將命令發(fā)送到所述鉆機以實施 操作改變。在一些實施方案中，在鉆機處進行實時數據收集，并且所述實時數據被自動傳輸到遠程操作中心。然后對實時數據進行處理以確定鉆機處需要操作改變。如果需要這種操作改變，那么可以將來自遠程操作中心的命令信號進行轉達以便在鉆機處開始自動改變。根據本發(fā)明的一個實施方案，一般來說，所述方法可以用于在烴和水的開采和生產方面。舉例來說，所述方法和執(zhí)行所述方法的系統(tǒng)可以用于油井、氣井、地熱井和水井的施工操作和修復操作的遠程管理。本發(fā)明的實施方案涉及大量鉆井和完工活動，其中礦井剖面相似，以便能夠實現高效施工。這種實施方案包含新工作方法和工作流程，與傳統(tǒng)操作相比，所述新工作方法和工作流程利用技術來減少進行某些任務所需的人員的數目。相關的專利文件包括發(fā)明者 George Karr 等人的 Schlumberger Technology Corporation 的標題為“Drilling Collaboration Infrastructure”的美國公開案第 US2008-0208475 號；發(fā)明者Shunfeng Zheng 的 Schlumberger Technology Corporation 的標題為“Data AggregationFor Drilling Operations”的美國公開案第US-2009-0225630號。美國公開案第US2008-0208475號和美國公開案第US2009-0225630號以引用方式并入本文。本發(fā)明的各個實施方案包括構建礦井(用于油、氣、地熱、水)的新方式，其中對這種礦井施工的主要監(jiān)督位于遠程位置而不是在鉆機本身。這種新方法利用遠程通信、數據采集和軟件技術領域的新技術源動力，并且促進礦井施工操作中效率的提高，所述操作基于加強的合作，減少人力的要求，以及集中的決策過程。在遠程鉆井和完工管理中，鉆機是重要部件，這是因為所有的物理操作均發(fā)生在鉆機處。鉆機包含用于促進基于鉆機的操作的一組人員。本發(fā)明的一個實施方案包括具有以下步驟的方法獲取鉆機上重要參數的實時數字測量結果(例如，通過使用傳感器和/或攝像機、擴音器、視頻會議設備等)并且將這些測量結果發(fā)送到位于遠端的操作中心，在所述操作中心處可能具有專家和/或管理團隊。這一遠程操作中心負責對實時數據進行接收、分析、解釋，并且基于這些解釋做出明智的決定。在許多應用中，處理和分析是在(例如)基于計算機的處理器上自動進行，以便做出關于鉆機的操作改變的決定。然后將這些決定傳達回鉆機組人員——由于遠程操作中心的加入而減少了用于執(zhí)行的人員的數目。如下文所述，這些決定的實施可以在鉆機處經由控制系統(tǒng)自動執(zhí)行?？梢愿鶕疚乃枋龅姆椒▉碜詣舆M行的系統(tǒng)/任務的一些實施例包括下行旋轉導向系統(tǒng)、泥漿泵控制、鉆頭上的重量控制、設置組合位置和設置RPM。隨著時間的流逝，鉆機將變得越來越自動化，從而允許更為機械自動化的執(zhí)行操作，因而大量減少鉆機方面的人員需求。本發(fā)明的實施方案的概念仍然保持不變，這是因為所述執(zhí)行操作可以由機械、人員或兩者的組合來完成。在下文所描述的本發(fā)明的實施方案中，遠程礦井管理方法中涉及的當事人可以包括，但不限于礦井現場主管人(公司員工)，定向鉆井人員，隨鉆測量人員，優(yōu)化工程師，
礦井工程師，鉆井工程師，鉆井監(jiān)督人，泥漿代表人，鉆機代表人，信息技術專家，軟件專家，以及
完工人員。其它當事人是任選的且可以包括鋼纜人員、固井人員、防壓裂人員、連續(xù)管人員和測試人員。大體參閱

圖1，示意圖提供有與位于礦井24上方的鉆機22進行通信的遠程操作中心20，所述礦井24可能由一個或多個鉆井孔26限定。在這一實施方案中，遠程操作中心20所處位置可能與鉆機22距離較遠，并且可能定位在總部或世界范圍內的其它多種位置處。鉆機22與遠程操作中心20之間的通信由線28表示，并且這些通信可以經由諸如陸線的硬線、無線或硬線與無線通信系統(tǒng)的組合來進行。舉例來說，可以應用基于無線、衛(wèi)星的通信將來自鉆機22的數據傳輸到遠程操作中心20和/或將來自遠程操作中心20的數據傳輸到鉆機22。如圖2所示，遠程操作中心20和鉆機22兩者分別包含信號發(fā)送器30、32以在所述兩者之間傳輸信號。信號發(fā)送器30、32的具體類型取決于通信/通信線28的形式，所述通信/通信線28被用來將來自鉆機22的數據輸送到遠程操作中心20和/或將來自遠程操作中心20的控制信號輸送到鉆機22。在這一實施例中，信號發(fā)送器30進一步與控制系統(tǒng)34合作，所述控制系統(tǒng)34可能是位于遠程操作中心20處的基于計算機的控制系統(tǒng)。信號發(fā)送器32可以連接到位于鉆機22上的相應控制系統(tǒng)36，從而一起合作。遠程控制系統(tǒng)34用于接收和處理來自鉆機22的數據?？赡軆H在控制系統(tǒng)34上就可完成數據處理，或者所述處理可以通過遠程操作中心20處的專家與其他人員的合作來完成。鉆機控制系統(tǒng)36被用來收集數據并且協(xié)助將數據傳輸到遠程操作中心20，但控制系統(tǒng)36也可以用于執(zhí)行與鉆機22上的操作改變相關的命令。根據一個實施方案，控制系統(tǒng)36用于獲取鉆機22上參數的實時數字測量結果。與信號發(fā)送器32合作的控制系統(tǒng)36進一步被用來將實時數字測量結果自動傳輸到遠程操作中心20以供處理。一旦在遠程操作中心20處對數據進行了處理和/或進一步分析，就對是否需要鉆機的操作改變做出決定。如果需要，那么與操作改變相關的命令數據將經由與信號發(fā)送器30合作的控制系統(tǒng)34傳輸返回到鉆機22。然后將通過(例如)自動化動作在鉆機22處實施這些鉆機的操作改變，所述自動化動作例如利用下行旋轉導向系統(tǒng)、控制泥漿泵、控制鉆頭上的重量、設置組合位置、自動調整井下動力鉆具的工具面位置、自動調整井下渦輪的工具面位置、自動調整鉆井泥漿和/或完工泥漿的性質(例如粘度、密度、流體喪失量和/或其它性質)和改變鉆柱RPM。在圖2所示的實施方案中，例如鉆機參數的實時數字測量結果的采集的數據采集可以使用多種不同類型的觀察裝置38來完成。舉例來說，觀察裝置38可以包含一個或多個攝像機40、擴音器42或傳感器44。在所示的實施例中，攝像機40、擴音器42和傳感器44位于鉆機22表面上方。然而，多種觀察裝置38也可能位于鉆井孔26中的鉆孔內。取決于具體應用，可以將多種井下傳感器46或其它觀察裝置部署在各種類型的井下設備48上或與所述各種類型的井下設備48合作。在一個實施例中，井下設備48包含底孔組件50，其具有用于在鉆孔操作中旋轉鉆頭52的鉆井系統(tǒng)。如圖所示，底孔組件50可以通過合適的運輸工具54部署在鉆孔內，所述運輸工具54例如鉆柱，其從定位在表面位置56處的鉆機22向下延伸。將各個觀察裝置38收集到的數據經由合適的通信線路58轉達到控制系統(tǒng)36，所述通信線路58可以是有線或無線通信線路。在這一實施例中，經由控制系統(tǒng)36對數據進行實時積累，并且控制系統(tǒng)36與信號發(fā)送器32合作將所述數據傳輸到遠程操作中心20。觀察到的鉆機參數和所采用的觀察裝置38的類型可以取決于具體操作而改變，例如，鉆機22處執(zhí)行的鉆井操作或其它服務操作。取決于具體系統(tǒng)和所采用的方法，可以根據各種配置構建控制系統(tǒng)34和控制系統(tǒng)36。根據一個實施例，如圖3所示，控制系統(tǒng)34包含基于計算機的控制系統(tǒng)60。在至少一些應用中，基于計算機的控制系統(tǒng)60是自動化系統(tǒng)，對其進行編程以處理和評估從鉆機22接收到的數據，并且將命令數據自動傳輸返回到所述鉆機以實施鉆機的操作改變?；谟嬎銠C的控制系統(tǒng)60可以包含中央處理器(CPU)，其經由信號發(fā)送器30、32和通信系統(tǒng)/線路28與鉆機控制系統(tǒng)36連接。此外，基于計算機的控制系統(tǒng)60可以包含存儲器64、輸入裝置66和輸出裝置68。輸入裝置66可以包含多種裝置，諸如鍵盤、鼠標、聲音識別單元、觸屏、其它輸入裝置或這些裝置的組合。輸出裝置68可以包含視頻輸出裝置和/或音頻輸出裝置，諸如具有圖形用戶界面69的顯示器。輸入裝置66和輸出裝置68可以包含單個或多個裝置，其可以用于協(xié)助與位于遠程操作中心20處的專家或其他人員的互動。此外，所述處理可以在位于遠程操作中心20處的單個裝置或多個裝置上完成。舉例來說，控制系統(tǒng)34可以包含多個基于計算機的控制系統(tǒng)60，其通過網絡連接到一起或以其它方式組合以促進關于多種鉆機參數的數據的遠程處理和分析。鉆機控制系統(tǒng)36可以類似地包含單個控制裝置或多個控制裝置形式的多種控制系統(tǒng)，所述控制裝置在合作情況下發(fā)生作用。在圖4所示的實施方案中，鉆機控制系統(tǒng)36是基于計算機的處理系統(tǒng)，其被設計來接收關于來自各個觀察裝置38的鉆機參數的數據，所述各個觀察裝置38諸如攝像機、擴音器、表面?zhèn)鞲衅?、井下傳感器和設計來檢測/測量與鉆機22操作相關的所需參數的其它裝置。此外，鉆機控制系統(tǒng)36可能被設計來經由其發(fā)送器32接收來自遠程操作中心20的控制命令。鉆機人員可以執(zhí)行各種鉆機操作改變，但在許多應用中，這些鉆機操作改變也可以通過鉆機控制系統(tǒng)36來自動執(zhí)行。在自動化控制期間，鉆機控制系統(tǒng)36經由通信線路72與各個裝置70 (位于鉆機22上和/或位于礦井24中的鉆孔內)進行通信，所述通信線路72可以是有線通信線路或無線通信線路?？梢杂摄@機控制系統(tǒng)36執(zhí)行的自動化功能的實施例包括利用下行旋轉導向系統(tǒng)、控制泥漿泵、控制鉆頭上的重量、設置組合位置、自動調整井下動力鉆具的工具面位置、自動調整井下渦輪的工具面位置、自動調整鉆井泥漿和/或完工泥漿的性質(例如粘度、密度、流體喪失量和 /或其它性質)和改變鉆柱RPM。如上文所述，在鉆機22與遠程操作中心20之間容易地傳達數據的能力有助于提高對給定鉆機操作的實施的控制。此外，在遠程操作中心20處進行處理和分析的能力減少了本來會在鉆機22上采用的人員數目。通過實施本文所描述的方法，可以在鉆機22上部署相對少量的人員，同時其他人員位于更為方便的位置，即，遠程操作中心20處。自動化處理和數據處理的組合結合數目減少的鉆機人員提供了更為有效和強大的鉆井操作和其它基于鉆機的操作。對于不同的應用，鉆機22上和遠程操作中心20處人員的特定布置大體均不同。無論如何，本發(fā)明方法能夠實現多個參與者之間的合作而不需要這些參與者在鉆機22處存在。大體參考圖5，示出鉆機人員與遠程操作中心人員進行互動以實現更為有效的鉆機操作的實施例。在所示的實施例中，鉆井主管人74和鉆機監(jiān)督人76兩者可以彼此通信，觀察數據，提供指示并且與鉆機22上和遠程操作中心20處的其它系統(tǒng)和人員進行互動。舉例來說，可以由工廠鉆井主管人78和鉆井主管人80于一個位置處或兩個位置處建立通信。因此，每個工廠鉆井主管人78或鉆井主管人80最好能夠提供輸入給另一個人員并且從另一 個人員接收輸入，所述另一個人員包括公司人員82、鉆井組人員84和/或遠程操作中心20處和/或鉆機22處的其他人員和/或設備。舉例來說，系統(tǒng)和方法能夠實現人與人的簡單聯系，并且能夠與控制系統(tǒng)34、36(例如，數據服務器)進行互動。人/設備之間的互動也可以包括與輔助鉆井主管人86、區(qū)域支持中心、鉆機安全協(xié)調員88和合作第三方90的互動。根據經由鉆機22執(zhí)行的具體鉆機操作，遠程操作中心20處的職員的數目和職責各不相同。如圖6示意性所示，駐扎在遠程操作中心20處與控制系統(tǒng)34進行互動的職能人員的實施例可以包括定向鉆井工92和工廠鉆井主管人78?？赡荞v扎在遠程操作中心20處的人員的其它實施例包括優(yōu)化工程師96和礦井工程師98。每個人員可以經由合適的輸入裝置66和輸出裝置68進入控制系統(tǒng)34。各個人員可以監(jiān)控從鉆機地點處的觀察裝置38接收到的數據，并且所述各種人員可以提供輸入以增強對鉆機22的人為和/或自動化控制。舉例來說，可以進行編程調整以調整對響應從觀察裝置38接收到的數據的鉆機操作改變的自動控制。遠程操作中心20處的人員也可以執(zhí)行多種額外功能，所述功能的相關內容如下監(jiān)控鉆機操作、調整鉆機操作、與其它關注方互通信息(參見圖5)和執(zhí)行先前由駐扎在鉆機處的人員實施的鉆機操作功能。如上文所述，所述方法和系統(tǒng)被用來以減少的鉆機人員簡化對鉆機操作的控制。所述方法可以實施用于多種鉆機操作，包括利用許多類型的井下工具和設備的鉆井操作?？梢越浻蓙碜糟@機人員和/或位于遠端的人員的輸入從井下控制若干類型的底孔組件和/或其它鉆井設備和服務設備。此外，許多類型的觀察裝置可以被用來獲取用于在遠程操作中心處進行處理和分析的數據，所述觀察裝置包括井下傳感器、表面?zhèn)鞲衅?、視頻監(jiān)控設備、音頻設備和其它類型的觀察裝置?？梢詢H根據所需的程序和算法或結合來自遠程操作中心處人員的輸入通過不同類型的處理系統(tǒng)來對所述數據進行處理和分析。各種級別的自動化控制也可以經由位于遠程操作中心處和/或鉆機處的控制系統(tǒng)施加到鉆機的操作改變上。因此，盡管上文僅詳細描述了本發(fā)明的一些實施方案，但本領域的普通技術人員應容易了解到，在實質上未脫離本發(fā)明的教義的情況下，可以進行許多修改。這些修改期望包括在權利要求書中界定的本發(fā)明的范圍中 。
權利要求
1.一種用于構建礦井的方法，其包括 獲取鉆機上參數的實時數字測量結果； 將所述實時數字測量結果自動傳輸到遠程操作中心； 在所述遠程操作中心處對所述實時數字測量結果進行處理以確定鉆機操作改變； 將關于所述鉆機的操作改變的數據傳輸返回到所述鉆機；以及 實施所述鉆機操作改變。
2.根據權利要求I所述的方法，其中獲取包括利用安裝在所述鉆機上的傳感器。
3.根據權利要求I所述的方法，其中獲取包括利用位于所述鉆機上的相機。
4.根據權利要求I所述的方法，其中獲取包括利用位于所述鉆機上的擴音器。
5.根據權利要求I所述的方法，其中實施包括經由下行旋轉導向系統(tǒng)自動調整旋轉導向系統(tǒng)。
6.根據權利要求I所述的方法，其中實施包括自動調整泥漿泵的操作。
7.根據權利要求I所述的方法，其中實施包括自動調整鉆頭上的重量。
8.根據權利要求I所述的方法，其中實施包括自動調整所述鉆機上的組合位置。
9.根據權利要求I所述的方法，其中實施包括自動調整鉆井系統(tǒng)的RPM。
10.根據權利要求I所述的方法，其中實施包括自動調整井下動力鉆具的工具面位置。
11.根據權利要求I所述的方法，其中實施包括自動調整井下渦輪的工具面位置。
12.根據權利要求I所述的方法,其中實施包括自動調整泥漿流體的流體性質。
13.—種用于構建礦井的方法，其包括 經由多個不同類型的觀察裝置監(jiān)控鉆機參數； 將關于所述鉆機參數的數據發(fā)送到遠程操作中心處的處理系統(tǒng)； 在所述遠程操作中心處對所述數據進行處理和分析；以及 基于由處理和分析所述數據所獲取的結果對來自所述遠程操作中心的鉆機操作改變進行控制。
14.根據權利要求13所述的方法，其中監(jiān)控包括獲取實時數字測量結果。
15.根據權利要求14所述的方法，其中發(fā)送包括將實時數字測量結果數據自動發(fā)送到所述遠程操作中心。
16.根據權利要求13所述的方法，其中處理和分析包括在基于計算機的處理系統(tǒng)上處理和分析所述數據，并且將結果輸出到圖形用戶界面。
17.根據權利要求16所述的方法，其中控制包括利用所述基于計算機的處理系統(tǒng)和所述遠程操作中心來自動控制所述鉆機操作改變。
18.—種用于有效構建礦井的方法，其包括 減少鉆機上的人員數目； 利用多個觀察裝置來遠程監(jiān)控鉆機參數； 在遠程操作中心處做出關于所述鉆機的操作改變的決定；以及 實施來自所述遠程操作中心的所述操作改變。
19.根據權利要求18所述的方法，其中做出決定包括在位于所述遠程操作中心處的基于計算機的處理系統(tǒng)上處理來自所述觀察裝置的數據。
20.根據權利要求18所述的方法，其中實施包括自動改變所述鉆機上的多個功能。
全文摘要
一種通過允許從遠端位置執(zhí)行多種功能來減少鉆機上所需的人員數目的方法。所述方法包括利用多個遠程監(jiān)控鉆機參數的觀察裝置。將來自所述觀察裝置的數據傳輸到遠程操作中心，所述遠程操作中心用以分析所述數據以便確定所述鉆機的操作改變。然后可以將控制指令傳輸到所述鉆機來實施所述操作改變。
文檔編號E21B44/00GK102713140SQ201080061872
公開日2012年10月3日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權日2009年12月30日
發(fā)明者C·馬拉貢, M·加盧西歐, P·A·科德薩爾, P·S·丘吉爾 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司