CN101466911B - 摆动钻柱的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种摆动钻柱(135)的方法，所述方法包括如下步骤：(a)在第一方向上旋转所述钻柱(135)，直到到达第一极限为止；(b)在第二方向上旋转所述钻柱(135)，直到达到第二极限为止；其特征在于，所述第一和第二极限的基础在于旋转期间所施加能量的量值。

Description

摆动钻柱的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于摆动钻柱的方法，涉及一种定向钻井的方法，涉及一种完成所述摆动方法的装置，以及涉及一种包括所述装置的钻工房。

背景技术

在定向钻井中，目标地层可同井的地面位置横向相距几千英尺，所述井需要穿透一定深度并还要横向穿过土层、岩石和地层。钻头通过钻头附近的井下泥浆马达旋转。

在定向钻井中，非常长的钻柱与井眼摩擦接触并受到井眼的支承。由于钻柱不旋转，因而克服摩擦力是困难的。克服摩擦力存在的问题使得钻工难于向钻头施加获得最优钻速所需的足够钻压。由于钻柱展现出粘滞/滑动摩擦力，因此，当施加足够钻压以克服所述摩擦力时，所述钻压易于超过最优幅度。

泥浆马达在钻柱上产生反扭矩。在一些环境中，所述反扭矩会通过钻柱从钻头传递到地面，如果井眼是直井眼，其可被钻柱与井眼之间的摩擦力所吸收。在其它环境中(如水平部分或非垂直部分较短)，一些或全部反扭矩可到达地面。因此，在钻井期间，地面可能具有或可能不具有反扭矩。这种反扭矩的存在或不存在能够使克服钻柱与井眼之间的摩擦力变得复杂。

定向钻井的一种挑战是：在钻柱持续穿过地层时，防止钻柱的水平部分与周围的岩石地层胶粘在一起和防止滑动摩擦力降低。为此，希望使钻柱的大部分水平部分尽可能快的移动，而不影响或改变钻头端面方位。在不移动钻头的情况下，使钻柱旋转改变方向的过程在本领域称为“摆狗腿(wagging the dog)”。

在一种现有的方法中，通过在第一角度与第二角度之间前后摇摆钻柱，可减少钻柱与井眼之间的摩擦接合。通过摇摆钻柱，粘滞/滑动摩擦力被降低，因此，钻工更易于控制施加到钻头上的钻压并作出合适的面角矫正。在另一现有方法中，马达轴以固定的速度在每一方向上旋转一特定时间，有效地是，旋转所述轴一固定距离。然而，所述两种方法的一个问题是，当所述钻柱变得更长时，精确地确定移动旋转钻柱(而不是钻头)所需得转数(类似地是固定的速度和时间)变得逐渐困难。

另一种现有的方法通过在第一与第二扭矩幅度之间前后摇摆钻柱，降低了钻柱与井眼之间的摩擦力。井下钻井马达通过钻柱连接到地面。钻井马达定位在选择出的工具面角上。钻柱在第一方向上在地面位置旋转，直到到达第一扭矩幅度位置，而不会改变工具面角。之后，使所述钻柱在相反的方向上旋转，直到到达第二扭矩幅度为止，再次不用改变工具面角。然而，当由泥浆马达传到地面的反扭矩未被钻柱的水平部分与井眼之间的摩擦力所吸收时，这一方法的精度就被大大降低了。在此情况下，地面会出现扭矩偏斜(torque bias)，在一种意义上，钻柱的旋转会得益于来自泥浆马达的扭矩。这就会导致地面会有来自钻井马达的稳定的扭矩输出，因而不会到达扭矩极限，因而不会产生不想要的钻头再定位。另一种意义上，旋转抵制了所述扭矩偏斜和扭矩极限过早达到。

因此，需要提供摇摆或摆动钻柱的改善了方法，该方法减轻了前述的缺陷。

发明内容

根据本发明，提供一种摇摆或摆动钻柱的方法，该方法包括如下步骤：

(a)在第一方向上旋转所述钻柱，直到到达第一极限为止；

(b)在第二方向上旋转所述钻柱，直到达到第二极限为止；

其特征在于，所述第一和第二极限基于旋转期间所施加能量的量值。所施加的能量是由位于地面的马达施加到钻柱上的，或者由马达上的钻柱施加的。

所述方法的另外步骤由权利要求2-18进行阐述，这里对其进行引用。

根据本发明的另一方面，提供一种用于摇摆或摆动钻柱的装置，所述装置包括可连接到用于旋转所述钻柱的动力装置上的控制器，所述控制器包括存储计算机可执行指令的存储器，所述指令用于完成上述的方法步骤。

根据本发明的另一方面，提供一种包括上述装置的钻工房(driller’s cabin)。所述装置可在制造过程中被安装在所述钻工房内，或者被改装在已有的钻工房内。一方面，钻工房内的控制器(如计算机)可具有安装好的软件(例如通过卫星线路从远处安装，或者现场安装)，以便使其能够控制并完成本发明所述的功能。

在特定方面，本发明公开了有效地移动钻头并使其有效地穿过地层的系统和方法，同时本发明的所述系统和方法抑制或防止了钻柱胶粘在地层上，并在钻井期间使钻头保持了所需的钻头端面方位。在特定方面，所述系统和方法降低了钻柱相对于地层的滑动摩擦力。

在特定方面，本发明公开了一种摆动钻柱的方法，钻柱伸入地层中，所述钻柱具有位于其底端的钻头，钻柱连接到旋转所述钻柱的动力装置(例如旋转系统、动力水龙头、顶部驱动系统)，动力装置具有与旋转所述钻柱相关的功率输出，所述方法包括：确定第一量值的能量和第二量值的能量(二者为不同或相同的量值)，所述确定基于动力装置的功率输出；在第一旋转方向上向钻柱施加第一量值的能量；在第二旋转方向上向钻柱施加第二量值的能量，第二旋转方向相反于第一旋转方向；并且所施加的第一量值的能量和第二量值的能量都不会使钻头移动。

在本发明的特定实施例中，提供了一种移动钻柱、尤其是钻柱的非竖直部分的系统，通过利用顶部驱动马达、利用转盘、或者利用动力水龙头(swivel)，向钻柱传递特定所需量值的能量，从而在第一方向上旋转钻柱，然后向所述钻柱传递特定所需量值的能量，以便使钻柱在相反的第二方向上旋转，从而降低了钻柱的滑动摩擦力和钻柱与地层的胶粘。根据需要，重复在一个方向然后在另一方向上连续摆动。

在特定方面，本发明公开了一种用于使钻柱周期性旋转的系统，所述钻柱具有位于钻柱底端的钻头，所述系统包括：用于旋转钻柱和钻头的动力装置，该钻头连接到钻柱的一端，所述钻柱位于井眼中，所述井眼从地面延伸入地层中，所述钻头位于地面以下的某一位置；与动力装置联通的控制系统，控制系统控制动力装置，以通过向钻柱施加第一量值的能量，使钻柱在第一旋转方向上旋转，然后向钻柱施加第二量值的能量，使钻柱在第二旋转方向上旋转；施加到钻柱上所述量值的能量不会使钻头移动。

附图说明

为了更好的理解本发明，现在可以参看仅作为示例的附图，其中：

图1为包括本发明装置的钻机的示意性侧视图，部分地为剖面图；

图2为本发明装置和图1所示钻机的示意性方框图；

图3为图2所示装置的操作流程图；和

图4为用于操作图1和图2所示控制装置的操作触摸屏的示意性正视图。

具体实施方式

现在参看图1，钻机111被示意性地示为陆用钻机，但是，其它钻机(如海上钻机、自升式钻探平台、半潜式装置、钻井船等)也在本发明的范围之内。结合操作界面(如界面20)、下述的控制系统60来控制钻机的特定操作。钻机111包括井架113，井架113支撑在钻台115上方的基面上。钻机111包括提升传动装置，该提升传动装置包括天车117和游动滑车119，所述天车117安装在井架113上。天车117和游动滑车119通过由绞车123驱动的缆线121而互相连接，以便控制游动滑车119的上下运动。游动滑车119承载着大钩125，顶部驱动系统127悬挂在所述大钩127上，所述顶部驱动系统127包括变频驱动控制器126、马达(或多个马达)124和驱动轴129。顶部驱动系统127旋转钻柱131，驱动轴129在井眼133内连接到所述钻柱131上。操作顶部驱动系统127，以便使钻柱131在任一方向上旋转。根据本发明的实施例，钻柱131通过仪表化接头139耦联到顶部驱动系统127上，所述仪表化接头139包括提供信息(如钻柱扭矩信息)的传感器。

钻柱131可为任意类型的钻柱，并且，一方面包括多根相互连接的钻杆135、底部钻具组件(BHA)137，该底部钻具组件137包括稳定器、钻铤、和/或装置或设备，一方面，包括一套随钻测量(MWD)仪器，该仪器包括导向工具151，其用于提供钻头端面角信息。优选地是，弯接头141与井下或泥浆马达142和钻头156一同使用，所述弯接头141连接到BHA 137上。众所周知，钻头156的端面角在钻井期间在方位角和倾角方面受到控制。

钻井液由泥浆泵143通过泥浆软管145输送到钻柱131。旋转钻井期间，钻柱131由顶部驱动系统127驱动而在井眼133内旋转，一方面，所述顶部驱动系统127滑动地安装在平行且竖向延伸的轨道(未示出)上，以便当将扭矩施加到钻柱131上时抵抗旋转。在滑动钻井期间，钻柱131由顶部驱动系统127保持在合适位置，而钻头156由泥浆马达142驱动旋转，所述泥浆马达142由泥浆泵143供给钻井液。钻工可操作顶部驱动系统127来改变钻头156的端面角。

尽管图中示出的是顶部驱动钻机，但是，对于本发明来说，与利用转盘和方钻杆向钻柱施加扭矩的系统结合使用同样在本发明的范围之内。

由于钻头钻入地层而产生的岩屑由钻井泥浆携带出井眼133，所述钻井泥浆是由泥浆泵143供给的。

如图2所示，本发明的系统10具有操作界面20，例如但不限于钻工控制台和/或一个、两个、三个或更多个触摸屏，和/或操纵手柄、滑动器或旋钮，所述旋钮具有用于旋转顶部驱动系统40(类似于图1中的系统127)主轴41的编码器30。可调编码器30具有可调装置31(如可旋转旋钮或可移动滑动器)，当可调装置通过钻工或其它人员移动或旋转时，其使顶部驱动系统40的主轴41(类似于图1中的轴129)产生相应的移动，因而使钻柱和附连的钻头(如图1所示)也产生相应的移动。

控制系统60的可编程介质内的控制软件50控制主轴41相应于可调装置31(例如位于钻工控制台处)的移动而移动，以便主轴41不会移动过快，从而使所述主轴41和钻柱62(类似于图1中的钻柱131)以及连接到所述钻柱上的钻头70以平稳降低的方式移动，直到达到移动终点为止，所述可编程介质例如为但不限于一个、两个、三个或更多个现场或遥控计算机、可编程控制器(PLC’s)、单板计算机、CPU、有限态机器、微控制器。“现场”可包括，例如但不限于，钻工房和/或控制室或钻机附近的建筑物。

顶部驱动系统40的马达42使主轴41(其连接到钻柱62上)和其端部的钻头70旋转。VFD控制器80(类似于图1中的控制器126)控制着所述马达42。位置编码器43(位于顶部驱动马达附近)向所述VFD控制器80和控制系统60发送主轴41实际位置的信号指示，在所述控制系统内，所述信号指示为用于控制软件50的输入值。

由操作界面20，预选择的主轴速度极限值(“速度极限”)、主轴扭矩极限值(“扭矩极限”)和预期的钻头位置或“位置设定点”被输入到控制系统的控制软件50中。控制系统60向操作界面20提供状态数据，所述数据包括速度、扭矩、轴方位和装置31的位置。

控制软件50向VFD控制器80发送指令，所述指令包括速度指令和扭矩指令(扭矩极限)。VFD控制器80向控制软件50提供反馈，包括主轴41的实际速度值和扭矩实际值(由顶部驱动马达施加到钻柱上的扭矩)。

图3示出了系统10的功能。

如图3所示，控制系统60然后调整顶部驱动马达的速度并控制施加到钻柱上的扭矩，以便顶部驱动马达的主轴停止在预期点。控制系统向控制软件传送实际施加到钻柱上的扭矩值、实际速度值、钻柱的实际旋转值(角度或弧度)的数据(如每秒50次)。位置编码器43已经向VFD控制器提供了位置信息和速率信息。控制软件50接收来自编码器43和/或来自VFD控制器80的位置信息，或者可选择地通过由软件50控制的直接输入/输出装置(如与编码器联通的I/O设备)进行接收。VFD控制器80总是利用来自编码器43的位置信息来控制顶部驱动马达的输出，从而获得预期的指令速度并使扭矩维持在由控制软件50所提供的扭矩极限内。

利用控制界面20上的操作控制台，操作员向VFD控制器80输入施加到钻柱上的扭矩极限值(“扭矩极限”)和速度极限值(“速度极限”)，顶部驱动系统40的主轴41在该速度下旋转。

利用速度极限、主轴的实际位置、主驱动轴旋转时的最终速度(“最终速度(last speed)”)、控制系统60根据以前的控制迭代向VFD控制器80指令的速度、允许的最大加速度(“Max Accel”)、向VFD控制器80发出速度指令的周期(所述周期由硬件时钟、CPU内的时钟、或控制系统60内的时钟提供)，控制软件50计算速度指令(“SpeedCommand”)，该速度指令被发送给VFD控制器80，接着VFD控制器80又控制主轴41的旋转，以便使钻柱以预期的速度旋转。为了重新定位钻头，期望钻头以既不超过也不低于预期位置(方位)的速度旋转，这通过尽可能快地旋转而获得；但是，随着钻头接近所述预期位置，为了不出现超过预期位置，减速是重要的。因此，控制软件50计算钻头运动的整个时期的预期速度和钻头接近预期位置时的预期速度变化。末了速度是当钻头接近预期位置时钻柱旋转的计算速度。

VFD控制器80接收来自操作界面20的指令，以便VFD控制器跟随(相应地执行)可调编码器30。可调编码器30位置的变化由控制软件50监控，并且计算两个位置之间的差别，从而得出移动编码器30的量值(“位置误差”)。所述两个位置之间的差别通过编码器30所显示的位置减去编码器43显示的位置得到。在用于这一计算之前，编码器43的位置需要根据顶部驱动的传动比进行调整，该传动比为钻井马达的转速与所述轴的转速之间的比值，例如为但不限于10:1。例如，具有10:1的传动比，编码器43的移动10倍于编码器30的移动。所述位置误差的平方根乘以放大系数(“放大”)，产生“目标速度”，该目标速度被进一步处理，从而确定出速度极限与目标速度之间的较小者，并产生钻柱旋转的瞬时速度(“极限速度”)，从而快速而平稳地获得预期钻头方位/位置。

从目标速度与操作员输入的速度极限之间的较小者中减去最终速度，所获得的差值除以所述周期，得到所需的轴加速度。该计算出的加速度与加速度极限(参数)之间的较小者乘以所述周期，获得差速，之后，该差速被增加到最终速度上，并且当具有新的速度指令时被发送给VFD控制器80。

图4示出了对上述控制系统有用的本发明的操作员控制台，如触摸屏；例如用于以冲击模式、编码器跟随模式，或利用本发明的方法摆动(“摇摆”)钻柱的“摆狗腿”模式进行操作。但是，对于虚线内触摸屏上由操作员控制的“按钮”(包括标识有“定向钻井”的按钮)或区域来说，所述屏幕将为用于现有控制台内的屏幕，所述控制台例如用在可由National Oilwell Varco商业获得的现有AMPHION(商标)系统中。在按下“定向”按钮之后，当“定向钻井”按钮被按下时，虚线内的其它按钮就会出现，操作员然后可选择停止-“停止”-钻柱的旋转；选择在冲击-“冲击”-模式下移动钻柱(和因此移动钻头)；选择“跟随”模式来在相应于控制部件的操作员移动(如旋钮或滑动器)而移动钻柱；或者选择“摇摆”模式，以便摆动部分钻柱，从而抑制钻柱的胶粘。可选地是，不只是可用一个“冲击”按钮，也可以使用两个按钮-一个用于顺时针“冲击”，一个用于逆时针“冲击”。

定向钻井期间，泥浆马达提供使钻头156转动靠压在地层上的扭矩。泥浆马达安装在弯接头141上，并且为了在预期的方向上对钻头156进行导向，在泥浆马达处于作业时使弯接头141保持在正确的方位上是必须的。所述泥浆马达产生进入钻柱135的反扭矩，该反扭矩通常(但不是总是)会被钻柱的大致水平部分与地层之间的摩擦力所吸收。这一反扭矩会使钻头偏离所预期的钻井方向。这一反扭矩是否会被摩擦力吸收取决于水平部分的长度和钻柱135与所述水平部分之间接触的量值。

随着大致水平部分的变长，钻柱135增加的部分靠在地层上，从而在它们之间产生显著的静摩擦力。虽然这一摩擦力可通过从地面推动钻柱所克服，但是，之后其会变得难于准确地确定钻压(WOB)，并且会出现过量。

在不同的角度位置之间摇摆钻柱的目的是降低推动钻柱时由静摩擦力所产生的影响。然而理想地是，所述摇摆不应使钻头156同时旋转；以这种方式，所预期的钻井方向能够被精确地保持。换句话说，所述摇摆应当足以克服所述静摩擦力，以便使钻柱的一部分向下摆向或靠近底部钻具组件，但是不能摇摆底部钻具组件本身。

来自MWD仪器的反馈能够使钻工监控定向钻井的进程。通常每3-6m左右，MWD仪器显示钻头156需要重新定位。泥浆马达将停止，并且顶部驱动系统127用于使钻头从地层缩回。顶部驱动系统127之后用于使钻柱旋转或扭绕(可能地是通过几转)到某点，在该点，钻柱进一步的旋转会使弯接头141旋转预期的量，从而使钻头156定位。之后，钻柱被释放到中性位置，并且泥浆马达重新启动以继续钻井。以这种方式使钻头重新定位显著地降低了钻速(ROP)。

当在定向钻井期间摇摆或摆动钻柱时具有两种情况：

(1)泥浆马达的反扭矩完全被钻柱吸收；或者

(2)泥浆马达的反扭矩仅部分被钻柱吸收，因此需要在地面测量反扭矩。

为了进行“摇摆”模式，操作员首先限定参考值(起始值)，从该参考值开始测量施加到钻柱上的能量。为此，按下“设定参考”按钮，其使控制系统将存储在存储器内的计算出的所施加的能量归零。通常，所述参考值为钻柱在任一方向上没有扭绕地方附近的位置(即中性位置)，尽管这不是必要的。控制系统还存储钻柱所在的物理位置和钻头所在的物理位置，这由编码器装置(如与上述的编码器装置43相类似的装置)显示。

之后，操作员使钻柱在第一方向上旋转到相对于参考位置的第一位置(利用常规的控制和常规的旋转；以“冲击”模式；或以“跟随”模式)。这一新的第一位置可为钻柱距参考位置几转(例如，6转)的位置，并且可为刚好在某点之前的位置，在所述某点处，钻柱进一步的旋转将会使弯接头141旋转。因此，这一新的第一位置可根据弯接头按照上述方式开始重新定位之前所需的钻柱转数进行确定。控制系统计算机的功能是计算向钻柱施加多少能量才能使其到达第一位置(如通过积分马达124在参考位置与钻柱135的新第一位置之间所施加的扭矩)，这一能量量值被显示为“目前能量”。然后，操作员按下“用作设定点”按钮，以便将“目前能量”存储为能量设定点值(用于使钻柱在相反于第一方向的第二方向上旋转的能量量值)。之后，操作员按下“摇摆”按钮，控制系统开始使钻柱在第二方向上的旋转移动回参考位置。从参考点开始，控制系统开始在第二方向上移动，并且计算施加到钻柱上的能量的总和，并使所述总和同设定点值进行比较。当所施加的能量大致等于能量设定点值时，控制系统停止旋转，并在之后再次旋转回参考位置。

根据使钻头重新定位所需的能量，这一循环以所预期的摆动模式重复使钻柱来回摇摆。特别是，在钻头156重新定位期间具有能量极限，该极限代表了弯接头141开始旋转和因此的钻头156重新定位所需的能量量值。通过根据这一极限摇摆所述钻柱，受到摇摆的钻柱所述部分的长度可增加或最大化，因而在基本不使钻头同时旋转的情况下使静摩擦力的影响降低或最小。能量设定点值可由操作员按照上述方式进行人工确定，或者通过测量使钻头刚好重新定位所需的能量自动确定，并在之后将能量设定点值设定为一定百分比(如在90％与99％之间)的重新定位能量。

在旋转到能量设定点之后，旋转回参考位置有助于确保经过大量的叠代(iteration)后没有出现参考值的总体偏移，例如所述偏移会由系统偏差或噪声产生。

在上述的情况(1)中(即没有来自地面泥浆马达142的反扭矩)，施加一定量值的能量来使钻柱135在任一方向上旋转类似于在地面上产生任一旋转方向上的大致相同的转数(如所测的角度或转数)的量值。

在情况(2)中，具有来自地面泥浆马达142的反扭矩。有效地是，这是在一个旋转方向上钻柱上的扭矩偏差。因此，当钻井马达124在一个方向中的参考位置旋转钻柱而抵抗扭矩偏差时，能量被输入到钻柱内。然而，当钻井马达124在相反方向上使钻柱从参考位置旋转时，所述扭矩偏差对钻井马达124有益，并且能量被带出钻柱。在后一种情况下，钻井马达124的扭矩输出不会在旋转期间改变。在此情况下，当具有充足的转数以便克服静摩擦力但不会使弯接头141开始旋转时，监测钻井马达124的扭矩输出不会显示。通过使钻柱在任一方向上旋转固定数量的转数可以解决这一问题，这是公知的。然而，由此产生的问题是钻柱变的更长，很难确切地得到克服所述静摩擦力究竟需要多少转数。相反，根据输入能量设定旋转极限有助于同时克服这两个问题，这是因为不需要基于位置的极限，并且无论钻井马达124的扭矩输出是否保持恒定，所述能量输入总能被精确地测量。

一旦进行钻井和摇摆，MWD结果可显示出钻头需要重新定位。如上所述，通常这需要使所述钻井和摇摆停止，以便能够进行重新定位。然而，本发明能够使重新定位在钻井和摇摆期间进行。图4中的“冲击距离”按钮能够使钻工调整为摇摆过程设定的参考位置。通过利用上下箭头，钻工可设定钻头应当旋转的角度值。控制系统仅使存储在存储器内的参考位置增加或降低“冲击距离”的数值。以这种方式，由钻井马达124输入到钻柱内的能量根据新的参考位置进行测量。假设能量设定点值接近使弯接头141刚好旋转所需的能量，所述参考值的任意调整都会使弯接头141发生相应的旋转和由此产生钻头156的旋转。在输入“冲击距离”之后，钻工可监测MWD结果，并且，如果需要可对“冲击距离”进行任意进一步的调整。

在这一重新定位过程期间，控制系统可监测MWD结果，从而确认重新定位开始的时间，以便如果需要可调整能量设定点值。

为了摇摆钻柱135，钻井马达124可仅仅由控制系统指令其从一个位置移动到另一个位置(后者取决于上述的输入能量)。摇摆钻柱135的一种替换方式可以申请系列号为11/418 842的共有美国专利申请、和申请号为PCT/GB2007/050235的相应PCT申请所公开的重新定位钻头的方法为基础，这里援引上述文献作为参考。

传递给/来自钻柱的能量可通过对一段时间内钻井马达的功率输出进行积分而计算出。尤其是，

功率(Power)＝ωτ

其中，ω为角速度，τ为扭矩；并且

能量(Energy)＝∫ωτdt

可选择地是，所传递的能量可根据下述公示进行计算：

能量(Energy)＝τΔθ

其中，Δθ为钻柱角位置的变化，并且τ为所述变化期间(由马达或钻柱)施加的扭矩。控制系统可以规则的时间间隔进行这一计算(如每一时钟周期或过一定量的时钟周期)，存储所述结果并计算所有前述结果的总和，以便确定正在进行的能量总量。将这一总量与能量设定点值比较，从而确定所述极限是否已经达到。

为了允许顶部驱动马达的速度合适地匀变，并确保在能量极限已经达到时其驱动轴停止和精确地反向，计算角停止位置，并在与设定点值比较之前，将花在停止上的能量添加到正在进行的能量总量上。为此，在其最大减速度时停止所述轴所需的角距离可由下述公示计算：

θ＝ω²/a_max

其中，a_max为用于速度匀变功能的加速度极限，θ为角距离(轴旋转量)，ω为轴的目前角速度(和因此的钻柱角速度)。在这一向下匀变期间添加到钻柱上的能量通过利用平滑的扭矩值(数字化过滤)和使其乘以这一角距离估算出。然后，通过将传递到所述轴上的能量进行积分来确定何时开始向下匀变速度，以及通过使所述轴的速度匀变到零并反向确定其何时在估算出的所述极限停止能量范围内。

因此，本发明在至少一个或特定实施例中提供了摆动钻柱的方法，所述钻柱伸入地层中，所述钻柱具有在其底端的钻头，该钻头用于钻入地层，钻柱连接到动力装置，该动力装置用于旋转所述钻柱，所述动力装置具有与旋转钻柱相关的功率输出，所述方法包括：确定第一量值的能量和第二量值的能量，所述确定基于动力装置的功率输出；在第一旋转方向上将第一量值的能量施加给钻柱；在第二旋转方向上将第二量值的能量施加给钻柱，第二旋转方向与第一旋转方向相反；第一量值的能量和第二量值的能量的施加都不会使钻头移动。这一方法可包括下述任意可能组合中的一种或多种：所述动力装置为顶部驱动系统、动力水龙头、或者用于旋转钻柱的旋转系统；通过向钻柱施加一定量值的能量，连续使钻柱在第一旋转方向、然后在第二旋转方向上进行周期摆动，所述向钻柱施加的一定量值的能量不会使钻头移动；所述顶部驱动系统具有顶部驱动轴，并且其由变频驱动装置驱动，并且与顶部驱动系统和变频驱动装置联通的控制系统控制所述变频驱动装置，变频驱动装置向控制系统提供反馈，该反馈涉及顶部驱动轴的角速度和由顶部驱动系统施加到顶部驱动轴上的扭矩，所述方法还包括：根据来自变频驱动装置的反馈，控制系统计算由顶部驱动系统传递给钻柱的能量量值；其中与动力装置联通并控制所述动力装置的控制系统控制动力装置以旋转钻柱；所述控制系统包括具有可编程介质的控制装置，所述控制装置选自由计算机、可编程逻辑控制器、单板计算机、中央处理器、微控制器、有限态机器所构成的组；所述控制系统与操作界面联通，以使操作员启动控制系统计算由动力装置施加到钻柱上的能量量值，该能量量值能使钻柱在第一旋转方向上移动到第一位置，所述方法还包括：启动计算施加到钻柱上以使其移动到第一位置的能量量值，使钻柱在第二方向上从第一位置旋转到第二位置，计算用于使钻柱移动到第二位置的能量量值，向钻柱施加新的能量量值，以使钻柱在第一旋转方向上移动第三位置；所述钻柱包括用于旋转钻头的泥浆马达，所述方法还包括：利用泥浆马达旋转钻头；在施加第一量值的能量之前，确定施加到钻柱上的能量起始参考值，并确定参考位置，该参考位置为向钻柱施加第一量值的能量之前钻柱的位置；计算在紧随每一施加到钻柱上能量量值之后施加到钻柱上的新的能量量值，并且根据所述新施加的能量，在相反于施加到钻柱上新量值能量方向的方向上，向所述钻柱进一步施加一定量值的能量；当第一量值的能量已施加到钻柱上时，在第一旋转方向上停止旋转钻柱；在紧随施加到所述钻柱上的所述新量值能量之后的旋转方向上，停止旋转钻柱；所述能量量值由旋转系统施加；和/或所述能量量值由动力水龙头施加。

因此，本发明在至少一个或特定实施例中提供了利用顶部驱动系统摆动钻柱的方法，所述钻柱伸入地层中，所述钻柱具有位于其底端的钻头，该钻头用于钻入地层中，所述方法包括：在第一旋转方向上将第一量值的能量施加给钻柱；在第二旋转方向上将第二量值的能量施加给钻柱，第二旋转方向与第一旋转方向相反；第一量值的能量和第二量值的能量都不会使钻头移动；通过向钻柱施加另外量值的能量，使钻柱在第一旋转方向然后在第二旋转方向上进行周期性摆动；所施加的所述另外量值的能量不会使钻头移动；所述顶部驱动系统具有顶部驱动轴并由变频驱动装置驱动，并且与顶部驱动系统和变频驱动装置联通的控制系统控制所述变频驱动装置，变频驱动装置向控制系统提供反馈，该反馈涉及顶部驱动轴的角速度和由顶部驱动系统施加到顶部驱动轴上的扭矩；根据来自变频驱动装置的反馈，控制系统计算由顶部驱动系统传递给钻柱的能量的量值；所述控制系统包括具有可编程介质的控制装置，所述控制装置选自由计算机、可编程逻辑控制器、单板计算机、中央处理器、微控制器、有限态机器所构成的组。所述方法可包括下述任意可能组合中的一种或多种：在施加第一量值的能量之前，确定施加到钻柱上的能量起始参考值，并确定参考位置，该参考位置为向钻柱施加第一量值的能量之前钻柱的位置；计算在紧随施加到钻柱上每一量值的能量之后施加到钻柱上的另外量值的能量，并且在相反于先前施加到钻柱上能量方向的方向上，向所述钻柱施加另外量值的能量；和/或在所述旋转方向上停止旋转钻柱，在该旋转方向上，钻柱跟随向钻柱施加每一另外量值的能量而旋转。

因此，本发明在至少一个或特定实施例中提供了一种用于周期性摆动钻柱的系统，所述钻柱具有位于钻柱底端的钻头，所述系统包括：用于旋转钻柱和钻头的动力装置，所述钻头连接到钻柱的一端，所述钻柱位于井眼中，所述井眼从地面延伸入地层，所述钻头位于地面以下的某一位置；与动力装置联通的控制系统，该控制系统控制动力装置，以便通过向钻柱施加第一量值的能量使钻柱在第一旋转方向上旋转，然后通过向钻柱施加第二量值的能量使钻柱在第二旋转方向上旋转；施加到钻柱上的所述量值的能量不会使钻头移动。

Claims (21)

1.一种摆动钻柱的方法，所述方法包括如下步骤：

(a)在第一方向上旋转所述钻柱，直到到达第一极限为止；以及

(b)在第二方向上旋转所述钻柱，直到达到第二极限为止；

其特征在于，所述第一极限和第二极限基于旋转期间所消耗能量的量值。

2.如权利要求1所述的方法，还包括确定在所述旋转步骤期间所消耗能量的量值，以及根据所述旋转方向比较所述量值和所述第一极限或第二极限的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，还包括大致连续地确定在所述钻柱旋转期间的所述量值并进行比较的步骤。

4.如权利要求2或3所述的方法，其中所述确定量值的步骤包括对施加到所述钻柱的扭矩或来自于所述钻柱的扭矩相对于所述钻柱角位置的变化进行积分。

5.如权利要求2所述的方法，还包括存储所述钻柱的角参考位置的步骤，以及在所述钻柱从所述角参考位置在任一方向上旋转时确定所述量值的步骤。

6.如权利要求5所述的方法，还包括与到达所述角参考位置所需的能量无关，一旦达到所述第一极限或第二极限，则使所述钻柱旋转返回所述角参考位置，从而抑制所述角参考位置偏移的步骤。

7.如权利要求5或6所述的方法，还包括在摆动所述钻柱期间改变所述角参考位置，从而调整位于所述钻柱底端的钻头的方位，以便促进定向钻井的步骤。

8.如权利要求1、2或3所述的方法，还包括确定使钻柱从中性位置旋转到钻头能被重新定向的位置期间所需的能量的步骤，和确定基于所述能量的所述第一极限和第二极限并将所述第一极限和第二极限存储在存储器内的步骤。

9.如权利要求8所述的方法，所述确定所述第一极限和第二极限的步骤包括计算并存储小于所述能量之一的摩擦力。

10.如权利要求1、2或3所述的方法，其中所述第一极限和第二极限相同。

11.如权利要求所述10的方法，其中所述第一极限和第二极限相同，并且仅一个极限被存储在电子存储器内以便在任一方向进行使用。

12.如权利要求1、2或3所述的方法，还包括在摆动的同时进行钻井的步骤。

13.如权利要求1、2或3所述的方法，用于与所述第一极限和第二极限比较的所述能量的量值为输入给所述钻柱的量值或者由所述钻柱输出的量值。

14.如权利要求1、2或3所述的方法，还包括确定停止能量的步骤，所述停止能量被传递给所述钻柱，以便使所述钻柱从目前的角速度停止，其中所述停止能量被考虑以便不会超过第一极限和第二极限。

15.如权利要求1、2或3所述的方法，还包括利用连接到所述钻柱上的顶部驱动系统完成所述旋转步骤的步骤。

16.如权利要求15所述的方法，所述顶部驱动系统包括顶部驱动轴并由变频驱动装置进行驱动，具有与所述顶部驱动系统和所述变频驱动装置联通的控制系统，所述方法还包括下述步骤：所述控制系统接收来自所述变频驱动装置的反馈，该反馈涉及所述顶部驱动轴的角速度和由所述顶部驱动系统施加到所述顶部驱动轴上的扭矩，所述控制系统根据所述反馈计算由所述顶部驱动系统传递给所述钻柱的能量量值。

17.如权利要求1所述的方法，所述旋转步骤由旋转系统完成。

18.如权利要求1所述的方法，所述旋转步骤由动力水龙头完成。

19.一种定向钻井的方法，所述方法包括如下步骤：

(a)利用连接到钻柱一端的钻头钻非竖直井眼；

(b)利用权利要求1-18任一所述的方法在步骤(a)期间摆动所述钻柱。

20.一种用于摆动钻柱的设备，所述设备包括能够连接到动力装置上的控制器，所述动力装置用于旋转所述钻柱，所述控制器包括存储计算机可执行指令的存储器，所述指令用于完成前述任一权利要求所述的方法步骤。

21.一种包括如权利要求20所述设备的钻工房。

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