[发明专利]用以优化钻井效率同时减少粘滑的方法

权利要求书

1.一种在钻井过程期间控制经由钻柱耦接至钻头的顶部驱动的方法，其包括：

至少部分基于钻头角速度设置点、第一钻头角速度和优化问题来产生第一控制信号，所述优化问题包括第一状态下的目标函数，和所述第一状态下的所述目标函数服从的一个或多个第一状态约束，

其中所述一个或多个第一状态约束包括所述顶部驱动的输入扭矩与所得钻头角速度之间的动力学模型；

至少部分基于所述第一控制信号来控制所述顶部驱动，以便使所述钻头按第二钻头角速度旋转；

至少部分基于与所述顶部驱动、钻头和钻柱中的任何一个或多个相关联的操作数据来更新所述模型，以便获得更新的模型；

至少部分基于所述钻头角速度设置点、所述第二钻头角速度和所述优化问题来产生第二控制信号，所述优化问题包括第二状态下的目标函数，和所述第二状态下的所述目标函数服从的一个或多个第二状态约束，

其中所述一个或多个第二状态约束包括所述更新的模型；以及

至少部分基于所述第二控制信号来控制所述顶部驱动，以便使所述钻头按第三钻头角速度旋转。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述目标函数包括一个或多个项，其中每一项与乘法加权因子相关联，且进一步其中每一项描述包括所述顶部驱动和所述钻头的系统的物理方面。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述目标函数包括与第一加权因子相关联的粘滑减少项；与第二加权因子相关联的扭矩输入项；以及与第三加权因子相关联的钻井能量效率项。

4.如权利要求3所述的方法，其进一步包括至少部分基于与所述钻头相关联的一个或多个操作条件来更新所述第一、第二和第三加权因子中的一个或多个，使得所述第二状态下的所述目标函数包括更新的第一加权因子、更新的第二加权因子和更新的第三加权因子。

5.如权利要求4所述的方法，其中更新所述第一、第二和第三加权因子中的所述一个或多个，使得限制所述第一、第二和第三加权因子中的所述一个或多个的改变速率以满足李亚普诺夫函数以确保稳定性。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述操作条件包括钻压和钻头角速度。

7.如权利要求6所述的方法，其中更新所述第一、第二和第三加权因子中的所述一个或多个，以便修改所述目标函数对钻井效率和粘滑防止中的任何一个或多个的强调。

8.如权利要求1所述的方法，其中产生所述第一控制信号包括得出所述第一状态下的所述目标函数的最小解；且其中产生所述第二控制信号包括得出所述第二状态下的所述目标函数的最小解。

9.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：

至少部分基于与所述顶部驱动、钻头和钻柱中的任何一个或多个相关联的所述操作数据来进一步更新所述更新的模型，以便获得后续更新的模型，

至少部分基于所述钻头角速度设置点、所述第二钻头角速度和后续状态下的优化问题来产生后续控制信号，其中后续状态下的所述优化问题服从一个或多个后续状态约束，所述一个或多个后续状态约束包括所述后续更新的模型；

在所述钻井过程期间迭代地重复进一步更新所述更新的模型和产生所述后续控制信号，以便计算一系列控制信号；以及

基于所述控制信号系列来控制所述顶部驱动。

10.如权利要求1所述的方法，其中通过观察器估计所述第一、第二和第三钻头角速度中的任何一个或多个。

11.一种在钻井过程期间控制经由钻柱耦接至钻头的顶部驱动的方法，其包括：

至少部分基于第一时间段内的所述钻头的第一角速度曲线来估计第一粘滑频率；

至少部分基于所述估计的第一粘滑频率和具有一个或多个梯度方向的目标函数来产生第一控制信号，使得所述第一控制信号沿着所述一个或多个梯度方向中的任何一个或多个减小所述目标函数的值；

至少部分基于所述第一控制信号来控制所述顶部驱动，以便使所述钻头在第二时间段内按第二角速度曲线旋转；

至少部分基于所述第二时间段内的所述第二角速度曲线来估计第二粘滑频率；

至少部分基于所述估计的第二粘滑频率和所述目标函数来产生第二控制信号，使得所述第二控制信号沿着所述一个或多个梯度方向中的任何一个或多个减小所述目标函数的所述值；

至少部分基于所述第二控制信号来控制所述顶部驱动，以便使所述钻头在第三时间段内按第三角速度曲线旋转。