選擇性確定鑽頭取向的設備和方法

2023-12-11 10:16:32

專利名稱：：選擇性確定鑽頭取向的設備和方法
技術領域：
：本發明涉及用於選擇性確定鑽柱端部處的鑽頭在井筒中的取向的設備、包括該設備的鑽機搶(driller'scabin)以及使用該設備的方法。
背景技術：
：定向鑽探的挑戰之一是針對所希望的鑽探方向的改變確保正確地取向定向電機。這要求頂部驅動裝置將鑽柱移動到特定的位置而不是簡單盲目地轉動軸(shaft)。某些當前的頂部驅動裝置控制接口和軟體允許鑽機利用頂部驅動裝置進行鑽頭面取向移動，但是通常這些系統是不準確的。在一種方法中，通過在選擇方向後施加速度命令(節流命令，throttle)和扭矩限制來轉動頂部驅動裝置。通過變頻驅動頂部驅動裝置，操作員可以在緩慢打開節流閥的同時觀看頂部驅動軸，並且可以利用節流控制使得當軸處在所希望的位置時停止軸。這是使用鑽機作為操作的閉環位置控制部分，這可能是不需要的。對於人機接口(HMI)頂部驅動裝置，該情況可能更糟，因為鑽機必須在觸控螢幕上鍵入節流命令，觀看驅動裝置的移動，然後趕快回來觀看屏幕並點擊"零節流"以停止軸。這可能導致誤差。在定向鑽探中，其中目標地層可能與井的表面位置橫向間隔幾千英尺，需要穿透到深處並且還橫向穿過土壤、巖石和地層，鑽頭方向由鑽頭的方位角和/或工具面角度(tool-faceangle)確定。工具面角度是指偏轉裝置在井下實際"面對"的方向。工具面是指偏轉裝置在工具串(toolstring)的軸上的位置(例如，泥漿電^l^的彎管(bend)的方向)，關於兩件事情取決於井筒幾何形狀如果井筒在鑽頭處是垂直的或者接近垂直的，則工具面取向參考真》茲北；如果井筒在鑽頭處傾斜五度或更多，則工具面取向參考孔的"高側，，。在任一種情況中，利用電機或某些其它偏轉裝置鑽探時，由電機功率部分產生的扭矩產生右旋反扭矩。該反扭矩的強度取決於井深、阻力(drag)以及電機在井下產生的速度和扭矩等因素。有時在鑽探的同時，反扭矩可能在轉臺(rotarytable)處在鑽頭和鑽柱之間引起幾周旋轉。目前，定向鑽機使用鑽探時測量(measureiTient-while-drilling，MWD)讀出器測量該反扭矩，並在所期望的符合井下鑽頭處的正確方向取向的取向上在轉臺處對鑽柱進行標記。在某些現有系統中，通過導向儀(steeringtool)在井下測量工具面角度信息，並典型使用相對低帶寬的泥漿脈衝信號將該信息傳送到表面。通過對鑽柱施加扭矩或鑽柱角修正，鑽機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，鑽機經常修正過度或修正不足。修正過度或修正不足可導致鑽頭相當量的前後偏離，這增加了必須鑽探的距離以到達目標底層。前後偏離還可能增加卡管的風險並使得鋪設套管(casing)更加困難。在定向鑽探中，特別是長距離、高角度或者水平鑽探，長的鑽頭行程、平穩正確地控制的井路徑以及最小的過程修正是所希望的。在實際鑽探中，許多井下軌跡控制裝置被用於在必要時偏轉鑽探軌跡。這些包括井下電機的井下彎管套(benthousing)、彎管接頭或斜向器以及其它活動或可調裝置，如可調穩定器。為了正確地執行軌跡偏轉，準確地設定工具面是非常重要的。設定工具面角度的一個現有方法依賴於在井下勘探傳感器位於BHA(bottomholeassembly,下部鑽具組合)中的位置處測量工具面角度。然而，由於這種井下偏轉裝置引起的幹涉配合，在接觸點處(即，彎頭(bentknee)和介入穩定器)這些裝置產生顯著的接觸力。在施加表面扭矩時這些抑制性扭矩防止彎頭轉彎。因此，在傳感器位置處"視在工具面"可能經常顯著不同於彎頭處的真實工具面角度。一種井下工具面角度設定的現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(如井下電機的上穩定器)"抑制性扭矩"的影響可能沒有被考慮。結果，不僅準確性受影響，而且定向勘探的方位角準確性也受影響，因為勘探數據受井下裝配變形的影響。通常在MWD勘探中，特別是在水平區域附近，方位角準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普遍的。由於這種方位角誤差，井軌跡的不確定性將導致偏離的鑽探或者導致彎曲的水平井路徑。這可能限制井的最大可鑽探的水平範圍。在轉動鑽柱以將鑽頭轉動到所希望的取向中，希望儘可能快速準確地實現新的鑽頭面取向，而沒有可導致衝過或沒有達到所希望的鑽頭位置的快速顛簸移動。
發明內容根據本發明，提供一種用於選擇性確定鑽柱端部處的鑽頭在井筒中的取向的設備，所述設備可連接到用於轉動所述鑽柱和所述鑽頭的動力設備，所述設備包括控制部件設備，其包括可移動以實現所迷鑽頭在所述井筒中的取向變化的控制部件，以及用於產生表示所述控制部件的移動的移動信號的信號設備，以及用於與所述動力設備和所述控制部件通信的控制器，所述控制器用於將來自所述控制部件設備的所述移動信號轉換為對所述動力設備的命令信號，該配置使得在使用中該命令信號命令所述動力設備基本上根據所述控制部件的所述移動轉動所述鑽柱和所述鑽頭。一方面，所述控制部件可由操作員例如在鑽機艙中操作。該控制部件可包括可轉動的旋鈕、操縱杆或者可移動的滑塊以實現所述鑽頭的取向變化。權利要求2至18中給出了該設備的進一步特徵以供參考。根據本發明的另一方面，提供一種包括如上所述設備的鑽機艙。該鑽機艙可遠離鑽塔場地建造，然後帶到鑽塔場地並安裝在鑽塔上。然後可以配置該設備以控制現有的鑽塔裝備。根據本發明的又一方面，提供一種用於選擇性確定鑽柱端部處的鑽頭在井筒中的取向的方法，該鑽柱連接到用於使其轉動的動力設備，該方法包括使用上述設備控制所述動力設備以轉動所述鑽柱的步驟。在一個實施例中，該方法還包括在鑽探期間轉動所述鑽柱的步驟，從而調節所述鑽頭的鑽頭面角度以促進定向鑽探。在一方面，根據本發明的系統具有一個或幾個(兩個或更多)用於頂部驅動裝置的閉環位置控制模式，並使控制器中的軟體能夠進行有關頂部驅動軸位置限制的速度計算工作。在某些特定方面，本發明釆用"撞擊(Bump)"模式或者"編碼器跟隨(Encoderfollow)"模式。在進入任一種模式之前，該頂部驅動裝置被關掉。在"撞擊"模式中，操作員向頂部驅動控制系統輸入頂部驅動軸的(以及因此附於其上的鑽柱的)的增量角轉動距離(單位為角度或轉數)、速度(單位為RPM)以及扭矩限制(對頂部驅動電機經由頂部驅動軸施加給鑽柱的扭矩的限制)。當這些參數已經被輸入時，操作員通過選擇"撞擊CW，，(順時針轉動)或者"撞擊CCW"(逆時針轉動)來選擇鑽柱的轉動方向並且頂部驅動裝置在該方向上將鑽柱轉動指定的距離，然後停止。一方面，該移動是按照在頂部驅動裝置參數中定義的速度斜率的"梯形"；也就是說，為了到達最終的鑽頭目的地點，(編碼器、驅動軸以及鑽頭的最終位置)，以恆定的加速度驅動頂部驅動裝置(見圖4A),直到其達到恆定的最大速度，然後開始恆定的減速，從而到達最終的目的地點。一方面，因為在恆定的加速之後要實現恆定的減速以到達最終的目的地點，並最好沒有過衝，因此恆定的最大速度沒有達到(見圖4B)。由於需要輸入轉動距離，從HMI(例如，圖形顯示、觸控螢幕、和/或使用計算機滑鼠)或者從設備的硬連線控制裝置(如變頻驅動裝置)啟動"撞擊，，模式。在"撞擊，，模式中，操作員按度數輸入距離(轉動的弧度距離或圏數)並選擇方向(向前-順時針或相反-逆時針)。在"編碼器"跟隨模式中，位於操作員的控制臺或者控制站上的增量編碼器(例如，可轉動的旋鈕、操縱杆或者可移動的滑塊)向頂部驅動裝置提供可移動的或旋轉位置輸入。操作員提供速度和扭矩限制，並且頂部驅動裝置控制軟體向頂部驅動裝置的變頻驅動裝置的變頻驅動控制器產生速度命令，從而在給定的斜坡速度和扭矩限制的情況下，儘可能接近地跟隨編碼器(旋鈕或滑塊)的位置。這樣，例如對於可轉動的旋鈕系統，如果操作員想讓軸並由此使鑽頭向右轉動15度，那麼他簡單地將旋鈕向右轉動15度並且頂部驅動裝置跟隨，使得鑽柱和鑽頭在相同的方向上轉動相同的量。為了計算速度限制，即鑽柱的轉動速度，假定位置目的地為d，當前位置為x(從在電機軸上的編碼器提供的位置計算出的)，向變頻驅動("VFD")控制器給出速度命令以適當地向所希望的目的地移動頂部驅動軸。符號(方向)可以通過x-d來簡單地算出。一方面，使用控制軟體的現有斜坡函數。該斜坡函數適當地使速度斜線增加，從而該計算可集中在限制速度上，使得優選地正好在目的地該軸停止。在任何給定的點，假定最大加速度值為a0，距離為x，則在該點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，優選不必在代碼執行中重複計算平方根，因為它是非常長的計算；所以使用斜坡函數來產生適當的速度形貌(因為它使用適當的加速度值)，從而計算出在當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(deadband)內，則將輸入到該斜坡函數的速度設定為零。以恆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之外，則輸入到斜坡函數的速度為vmax(由操作員指定)，如果在停止死區之內，則為0。在某些實施例中，為了允許在沒有編碼器或者在編碼器故障的情況下進行鑽頭面操作，使用開環模式。由操作員在屏幕上(例如，操作員控制臺的觸控螢幕)啟動開環操作；或者為了在頂部驅動裝置控制器沒有編碼器數據的情況下提供功能性，該控制系統被永久配置為活動的。在開環模式中(沒有來自編碼器的關於軸位置的數據)，基於來自頂部驅動裝置的速度反饋和控制器周期時間計算軸位置，然後將其用於上述速度限制計算。如果該驅動裝置沒有準備好，則將該才莫擬速度信號保持為零，也就是說，在驅動裝置指示它準備好之前不開始移動。使用速度計算的死區可以防止驅動裝置反覆地切換方向(被稱為"防振蕩(huntprevention)"-"振蕩"是指對所希望的最終目的地點的來回過衝)，嘗試實現比物理上的可能更小的位置控制。根據本發明，在所希望的目的地周圍的某離散死區被限定，並且一旦到達其中的任何位置，則鑽頭停止(即，不再"振蕩")。在某些實施例中，典型的死區範圍例如為頂部驅動軸轉動的正或負三度。為了更好地理解本發明，現在僅以舉例的方式引用附圖，其中圖l是利用根據本發明的控制設備的鑽塔的部分截面的示意性側視圖2是根據本發明的控制設備和圖l的鑽塔的相關部分的示意性框圖3是圖2的控制設備的操作流程圖4A是示出根據本發明的方法的第一實施例的速度與時間關係的曲線圖4B是示出根據本發明的方法的第二實施例的速度與時間關係的曲線圖5是用於操作圖l和圖2的控制設備的操作員觸控螢幕的示意性前視圖。具體實施例方式現在對照圖1，鑽塔lll被示意性描述為陸地鑽塔，但是其它鑽塔(例如，離岸鑽塔、樁腳式鑽塔、半潛水器、鑽探船等)也在本發明的範圍內。如下所述的控制系統60與操作員接口(例如接口20)一起控制鑽塔的某些操作。鑽塔lll包括支撐在鑽臺115之上的場地上的井架113。鑽塔lll包括起重機構，該起重機構包括安裝在井架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，頂部驅動系統127懸掛在吊鉤125上，頂部驅動系統127包括變頻驅動控制器126、電機(或多個電機)124和驅動軸129。頂部驅動系統127轉動鑽柱131，在井筒133中驅動軸129連接到鑽柱131。可以操作頂部驅動系統127在任一方向上轉動鑽柱131。根據本發明的實施例，鑽柱131經由儀表化接頭139耦合到頂部驅動系統127，儀表化接頭139包括提供例如鑽柱扭矩信息等信息的傳感器。鑽柱131可以是任何典型的鑽柱，並且一方面包括鑽管135的多個相互連接部分、下部鑽具組合(bottomholeassembly,BHA)137，底部鑽具組合137包括穩定器、鑽鋌和/或設備或裝置，一方面包括一組隨鑽測量(measurementwhiledrilling,MWD)儀器，該組儀器包括導向儀151以提供鑽頭面角度信息。任選地，彎管接頭141與連接到BHA137的井下或泥漿電機142和鑽頭156—起使用。如所熟知的，在鑽探期間在方位角和俯仰角方面控制鑽頭156的面角度。由泥漿泵143經由泥漿管145將鑽探液傳送到鑽柱131。在旋轉鑽探期間，鑽柱131通過頂部驅動系統127在井筒133內轉動，一方面，頂部驅動系統127滑動安裝在平行的縱向延伸的軌道(未示出)上，從而當扭矩施加到鑽柱131時阻止轉動。在滑動鑽探期間，通過頂部驅動系統127將鑽柱131保持在位，同時通過泥漿電機142轉動鑽頭156，由泥漿泵143向泥漿電機142供應鑽探液。該鑽機可以操作頂部驅動系統127以改變鑽頭156的面角度。儘管示出了頂部驅動鑽塔，但是將本發明與使用轉臺和鑽杆向鑽柱施加扭矩的系統結合使用也在本發明的範圍內。通過由泥漿泵143提供的鑽探泥漿將鑽頭鑽入地下時所產生的切割物運送到井筒133外。如圖2中所示，根據本發明的系統10具有操作員接口20(例如，但不限於，鑽機控制臺和/或一個、兩個、三個或更多個觸控螢幕和/或操縱杆、滑塊或旋鈕)和可選擇的可調編碼器30,用於轉動頂部驅動系統40的主軸41(如系統127，圖l)。可調編碼器30具有可調設備31(例如，可轉動的旋鈕或可移動的滑塊)，當,皮鑽機或其它人移動或轉動時，可調設備31導致頂部驅動系統40的主軸41(如軸129，圖1)的相應移動，以及由此導致的鑽柱和所附鑽頭(如圖1中所示)的相應移動。控制系統60(例如，但不限於一個、兩個、三個或更多個現場或遠程計算機、PLC、單板機、CPU、有限狀態機、微控制器)的可編程介質中的控制軟體50響應於(例如在鑽機控制臺處)可調設備31的移動控制主軸41的移動，4吏得主軸41不被移動得太快並4吏得當靠近移動終點時主軸41和鑽柱62(如鑽柱131,圖1)以及與其連接的鑽頭70(如鑽頭156,圖1)以平穩減少的減速平穩移動。"現場"可以包括例如，但不限於，在鑽機搶中和/或在與鑽塔相鄰的控制室或建築物中。頂部驅動系統40的電機42轉動在其端部具有鑽頭70的主軸41(其連接到鑽柱62)。VFD控制器80(如控制器126，圖1)控制電機42。位置編碼器43(位於頂部驅動電機附近)將表示主軸41的實際位置的信號發送到VFD控制器80和控制系統60，在此該信號是控制軟體50的輸入值。從操作員接口20將預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")以及所希望的鑽頭位置或"位置設定點，，輸入到控制系統的控制軟體50。控制系統60將狀態數據提供給操作員接口20，所述狀態數據包括速度、扭矩、軸取向、以及設備31的位置。控制軟體50向VFD控制器80發送命令，該命令包括速度命令和扭矩命令(扭矩限制)。VFD控制器80向控制軟體50提供反饋，該反饋包括主軸41的實際速度和實際扭矩(由頂部驅動電機施加給鑽柱的扭矩)的值。圖3示出系統10的功能。如圖3中所示，控制系統60然後調節頂部驅動電機的速度並控制施加給鑽柱的扭矩，使得頂部驅動裝置的主軸在所希望的點處停止。控制系統將實際施加給鑽柱的扭矩量以及有關實際速度、鑽柱的實際轉動量(單位為度或弧度)的數據值(例如50秒)傳送給控制軟體。位置編碼器43將位置信息和速度信息提供給VFD控制器80。控制軟體50從編碼器43和/或從VFD控制器80或者任選地經由軟體50控制的直接輸入/輸出設備(例如與該編碼器通信的I/O裝置)接收關於位置的信息。VFD控制器80恆定地使用來自編碼器43的位置來控制頂部驅動電機的輸出以實現所希望的命令的速度並將扭矩保持在控制軟體50所施加的扭矩限制內。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輸入對施加給鑽柱的扭矩的限制("扭矩限制")和對頂部驅動系統40的主軸41的轉動速度的限制("速度限制")。通過使用該速度限制、主軸的實際位置、主驅動軸轉動的最後速度("最後速度")(該速度是由控制系統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發送速度命令的周期時間(周期時間是由硬體時鐘、CPU中的時鐘或者控制系統60中的時鐘提供)，控制軟體50計算發送到VFD控制器80的速度命令("速度命令")，VFD控制器80然後控制主軸41的轉動，使得鑽柱以所希望的速度轉動。為了重新確定鑽頭的取向，希望以4吏得鑽頭既不會衝過所希望的位置(取向)也不會未到達所希望位置的速度轉動鑽柱，並且通過儘可能快地轉動來實現這一點；但是當鑽頭接近所希望的位置時，減速是4艮重要的，從而使得不會發生過衝。因此，控制軟體50計算鑽頭移動的整個時間段中所希望的速度以及當鑽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鑽頭接近所希望的位置時鑽柱轉動的速度。VFD控制器80從操作員接口20接收命令，使得VFD控制器跟隨可調編碼器30(相應地進行)。控制軟體50監視可調編碼器30的位置變化，並且計算導致移動編碼器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，可能需要根據頂部驅動裝置的傳動比調節編碼器43的位置，所述傳動比是鑽柱電機的轉動與軸的轉動之間的比率，例如，但不限於，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("增益")得到"目標速度"，該"目標速度"被進一步處理以確定速度限制和目標速度中較小的一個，以得到用於快速平穩地達到所希望的鑽頭取向/位置的鑽柱轉動的瞬時速度("限制速度")。從目標速度和操作員輸入的速度限制中較小的一個減去最後速度，並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)中較小的一個乘以周期時間得到差速度，然後將該差速度與所迷最後速度相加，並發送到VFD控制器80作為新的速度命令。圖4A示出最初以恆定加速度驅動頂部驅動裝置以將鑽頭從"鑽頭開始位置"移動到"鑽頭目的地位置"。該移動的一部分保持恆定的速度，然後在計算出的點實現恆定的減速使得鑽柱並由此使得所附鑽頭沒有過衝或以最小的過衝到達目的地。由於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吏得沒有實現並保持恆定速度，則該移動不是如4A中所示的"梯形移動"。而是如圖4B中所示，鑽柱和鑽頭的恆定加速之後以恆定的減速到達目的地。圖5示出用於上述控制系統的根據本發明的例如具有觸控螢幕的操作員接口20，例如控制臺；例如用於根據本發明的方法以撞擊(bump)模式、跟隨(follow)模式或者用于振蕩("搖動(rocking)")鑽柱的"搖尾狗(wag-the-dog)"模式操作(關於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，其標題為"DirectionalDrillingControl",PCT申請要求其優先權)。除了虛線內在觸控螢幕上由操作員啟動的"按鈕"或區域，包括標記為"定向鑽探"的按鈕，該屏幕與例如在可通過商業從NationalOilwellVarco得到的現有技術的AMPHION(商標)系統中使用的現有技術的控制臺中使用的屏幕相同。在按下該"定向"g後，當"定向鑽探"按鈕被按下時，虛線內其餘按鈕出現，然後操作員可以選擇停止轉動鑽柱；以撞擊模式移動鑽柱(並由此移動鑽頭)；根據操作員對控制部件(例如，旋鈕或滑塊)的移動來移動鑽柱-跟隨模式；或者振蕩部分鑽柱以抑制鑽柱的束綽-搖動模式。任選地，代替單個"撞擊"按鈕，可以使用兩個按鈕-一個用於"撞擊"順時針，一個用於"撞擊"逆時針。因此本發明在一些實施例中，但不是必須在全部實施例中，提供一種用於選擇性確定鑽柱端部鑽頭取向的系統，該系統包括動力設備，用於轉動鑽柱和鑽頭，該鑽頭連接到該鑽柱的端部，該鑽柱處於井筒內，該井筒從地表面延伸到地下，該鑽頭位於地表面以下的位置處；控制部件設備，包括可由人手動移動以實現鑽頭在井筒中的取向變化的控制部件，該控制部件設備包括用於產生表示該控制部件的手動移動的移動信號的信號設備；與該動力設備和該控制部件通信的控制系統，該控制系統用於將來自該控制部件設備的移動信號轉換為對該動力設備的命令，該命令命令該動力設備根據控制部件的移動轉動該鑽柱和鑽頭。該系統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連接的可手動轉動的旋鈕；其中該控制系統包括計算i殳備，該計算設備被編程用於接收操作人員的速度限制輸入和扭矩限制輸入、具有表示對該鑽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鑽柱的扭矩的限制的信號的扭矩限制輸入；該控制系統控制該動力設備的移動使得該速度限制不被超過並使得該扭矩限制不被超過；其中該動力設備是頂部驅動系統；其中該頂部驅動系統包括頂部驅動裝置並且該頂部驅動裝置的驅動由變頻驅動裝置來進行，變頻驅動控制器控制該變頻驅動裝置，並且該控制系統控制該變頻驅動控制器；其中該變頻驅動控制器向該控制系統提供表示該頂部驅動裝置的驅動軸的實際速度的反饋，該驅動軸連接到該鑽柱以轉動該鑽柱和鑽頭，並且反饋表示由該頂部驅動軸施加給該鑽柱的實際扭矩；其中，該鑽頭被從開始位置移動到目的位置，並且其中該控制系統控制該動力i殳^f吏得該鑽頭對目的位置的過沖被消除或最小化；其中該控制系統計算該鑽柱和鑽頭的動力設備的最初移動的恆定加速度、在以恆定加速度移動後該鑽柱和鑽頭的動力設備的移動的恆定速度、以及該鑽柱和鑽頭的動力設備的移動的恆定減速以將該鑽頭移動到目的地位置而沒有衝過該目的地位置或者衝過很小；其中只要該鑽柱和鑽頭的轉動速度在預先選擇的死區範圍內該控制系統就停止該動力設備，從而停止該鑽柱和鑽頭的轉動；其中該動力設備是轉臺系統；其中該控制系統包括可編程介質和用於完成控制功能的控制軟體，該控制軟體在可編程介質內；其中該控制系統包括包含該可編程介質的控制設備，該控制設備選自由計算機、可編程邏輯控制器、單板計算機、中央處理單元、微控制器以及有限狀態機組成的組；操作員接口用於操作員將動力設備速度的限制值、該動力設備施加給該鑽柱的扭矩以及所希望的鑽頭目的位置輸入到該控制系統；其中該控制系統將實際動力設備速度、施加到該鑽柱的實際扭矩以及該控制部件的位置的指示提供到操作員接口；該動力設備具有用於轉動該鑽柱的轉動部分、與該控制系統通信的編碼器設備，該編碼器設備用於提供表示該動力設備轉動部分位置的位置信號；其中該控制系統連續使用來自該編碼器設備的位置信號以控制該動力設備；其中該動力設備是頂部驅動系統並且該轉動部分是該頂部驅動系統的頂部驅動軸；其中該鑽頭在一時間段內被移動從而到達鑽頭目的地位置，該控制軟體用於計算在該時間段的速度以及鑽頭接近該鑽頭目的地位置的速度變化，該控制系統用於根據該控制軟體的計算控制該鑽頭的移動速度；其中該系統可以開環模式操作並且其中該動力設備是頂部驅動系統而該轉動部分是該頂部驅動系統的頂部驅動軸；該變頻驅動裝置向該控制系統提供關於該頂部驅動軸速度的反饋，並且該控制系統用於基於來自該變頻控制器的速度反饋和基於由該控制系統提供的周期時間的指示計算該頂部驅動軸的位置；並且/或者其中該控制系統包括被編程用於接收操作人員的速度限制輸入和扭矩限制輸入的計算設備，速度限制輸入包括表示對該鑽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鑽柱的扭矩的限制的信號，該控制系統控制動力設備的移動使得該速度限制不被超過並且使得該扭矩限制不淨皮超過，該控制系統包括用於接收該操作人員的增量角轉動距離輸入和該操作人員的鑽柱轉動方向輸入的計算設備，該控轉動所述增量角轉動距離。因此本發明在一些實施例中，但不是必須在全部實施例中，提供一種用於選擇性確定鑽柱端部的鑽頭取向的系統，該系統包括用於轉動鑽柱和鑽頭的動力設備，該鑽頭連接到該鑽柱的端部，該鑽柱處於井筒內，該井筒從地表面延伸到地下，該鑽頭位於地表面以下的位置處；控制部件設備，其包括可由人手動移動以實現鑽頭在井筒中的取向變化的控制部件，該控制部件設備包括用於產生表示該控制部件的手動移動的移動信號的信號設備；與該動力設備和該控制部件通信的控制系統，該控制系統用於將來自該控制部件設備的移動信號轉換為對該動力設備的命令，該命令用於命令該動力i殳備根據該控制部件的移動轉動該鑽柱和鑽頭；該控制系統包括計算設備，該計算設備被編程用於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鑽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鑽柱的扭矩的限制的信號；該控制系統控制該動力設備的移動使得該速度限制不被超過並使得該扭矩限制不被超過；其中該動力設備包括頂部驅動系統；該頂部驅動系統包括頂部驅動裝置並且該頂部驅動裝置的驅動由變頻驅動裝置來進行；變頻驅動控制器控制該變頻驅動裝置；該控制系統控制該變頻驅動控制器；該變頻驅動控制器向該控制系統提供表示該頂部驅動裝置的驅動軸的實際速度的反饋，該驅動軸連接到該鑽柱以轉動該鑽柱和鑽頭，並且反饋表示由該頂部驅動軸施加給該鑽柱的實際扭矩；該鑽頭被從開始位置移動到目的地位置；其中該控制系統控制該動力設備使得該鑽頭對目的位置的過衝被消除或最小化；其中該控制系統計算該鑽柱和鑽頭的動力設備的最初移動的恆定加速度、在以恆定加速度移動後該鑽柱和鑽頭的動力設備的移動的恆定速度、以及該鑽柱和鑽頭的動力設備的移動的恆定減速以將該鑽頭移動到目的地位置而沒有衝過該目的地位置或者衝過很小。因此本發明在一些實施例中，但不是必須在全部實施例中，提供一種用於選擇性確定鑽柱端部的鑽頭取向的方法，該方法包括移動系統的控制部件以確定該鑽頭的取向，該移動由人手動進4亍，該系統如本文中根據本發明的任何系統；用如本文中才艮據本發明的任一控制系統控制所述動力設備；以及根據所述控制部件的移動轉動所迷鑽柱和鑽頭。該方法可以包括將鑽柱和鑽頭移動到目的地位置而不會衝過該目的地位置或者衝過很小。權利要求1.一種用於選擇性確定鑽柱端部處的鑽頭在井筒中的取向的設備，所述設備能夠連接到用於轉動所述鑽柱和所述鑽頭的動力設備，所述設備包括控制部件設備，該控制部件設備包括能夠移動的、實現所述鑽頭在所述井筒中的取向變化的控制部件，以及用於產生表示所述控制部件的移動的移動信號的信號設備，以及用於與所述動力設備和所述控制部件通信的控制器，所述控制器用於將來自所述控制部件設備的所述移動信號轉換為對所述動力設備的命令信號，該配置使得在使用中該命令信號命令所述動力設備基本上根據所述控制部件的移動轉動所述鑽柱和所述鑽頭。2.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，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動的旋鈕。3.根據權利要求1或2所述的設備，其特徵在於，所述控制器包括計算設備，該計算設備被編程用於(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鑽柱轉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鑽柱的扭矩的限制的信號；以及(b)控制所述動力設備的移動使得所述速度限制不被超過並且使得所述扭矩限制不被超過。4.根據權利要求l、2或3所述的設備，其特徵在於，所述動力設備包括頂部驅動裝置，並且其中所述設備適合於控制所述頂部驅動裝置的變頻驅動控制器。5.根據權利要求4所述的設備，其特徵在於，所述控制器適合於接收和處理來自所述變頻驅動控制器的反饋信號，該反饋信號表示(a)所述頂部驅動裝置的驅動軸的實際速度，所述驅動軸連接到所述鑽柱以轉動所述鑽柱和所述鑽頭，以及(b)由所述頂部驅動軸施加給所述鑽柱的實際扭矩。6.根據上述權利要求中的任一項所述的設備，其特徵在於，在使用中所述鑽頭從開始位置移動到目的地位置，並且所述控制器控制所述動力設備使得所述鑽頭衝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.根據上述權利要求中的任一項所述的設備，其特徵在於，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鑽頭接近所述目的地位置的速度變化；以及(b)根據步驟(a)控制所述鑽頭的移動速度。8.根據權利要求7所述的設備，其特徵在於，所述控制器被配置為在使用中控制所述動力設備的移動，使得所述鑽柱和鑽頭(i)以基本上恆定的加速移動，(ii)在(ii)之後直接或間接地以基本上恆定的減速移動，從而抑制所述鑽頭衝過所述目的地位置。9.根據權利要求8所述的設備，其特徵在於，所述控制器被配置為在使用中控制所述動力設備的移動使得所述鑽柱和鑽頭在(i)和(ii)之間以基本上恆定的速度移動。10.根據上述權利要求中的任一項所述的設備，其特徵在於，所述控制器被配置為在通過所述動力設備重新定位期間監視所述鑽柱的當前轉動速度，基於所述當前速度確定停止距離以及當所述停止距離在所述鑽頭的所希望的目的地位置的預先選擇的範圍內時將所述動力設備的輸入速度設置為零，從而抑制所述目的地位置的振蕩。11.根據上述權利要求中的任一項所述的設備，還包括操作員接口，該操作員接口用於操作員向所述控制器輸入動力設備速度和要施加給所述鑽柱的扭矩的限制值，以及所希望的鑽頭目的地位置。12.根據權利要求11所述的設備，其特徵在於，所述控制器被配置為向所述操作員接口輸出實際的動力設備速度和施加給所述鑽柱的實際扭矩以及所述控制部件的位置的指示。13.根據上述權利要求中的任一項所述的設備，其特徵在於，所述控制器適合於接收來自編碼器設備的信號，該編碼器設備提供表示所述動力設備的轉動部分的位置的位置信號，該轉動部分能夠連接到所述鑽柱。14.根據權利要求13所述的設備，其特徵在於，所述控制器被配置為基本上連續使用來自所述編碼器設備的所述位置信號以控制所述動力設備。15.根據上述權利要求中的任一項所述的設備，其特徵在於，所述控制器被配置為接收並存儲增量角轉動距離和鑽柱轉動方向，並控制所述動力設備使得所述鑽柱以所述增量角轉動距離為單位在所述鑽柱轉動方向上轉動。16.根據權利要求1所述的設備，其適合於控制轉臺系統。17.根據上述權利要求中的任一項所述的設備，其特徵在於，所述控制器包括存儲計算機可執行指令的可編程介質，所迷計算機可執行指令用於進行上述權利要求中的任一項的控制器步驟。18.根據權利要求17所述的設備，其特徵在於，所述控制器包括計算機、可編程邏輯控制器、單板機、中央處理單元、微控制器或者有限狀態機、19.一種鑽機艙，其包括上述權利要求中的任一項所述的設備。20.—種用於選擇性確定鑽柱端部處的鑽頭在井筒中的取向的方法，該鑽柱連接到用於使其轉動的動力設備，該方法包括使用權利要求1至18中任一項所述的設備控制所述動力設備以轉動所述鑽柱的步驟。21.根據權利要求20所述的方法，還包括在鑽探期間轉動所述鑽柱的步驟，從而調節所述鑽頭的鑽頭面角度以便於定向鑽探。全文摘要一種用於選擇性確定鑽柱(135)端部處的鑽頭(156)在井筒(133)中的取向的設備，所述設備可連接到用於轉動所述鑽柱(135)和所述鑽頭(156)的動力設備(127)，所述設備包括控制部件設備，其包括可移動的、實現所述鑽頭(156)在所述井筒中的取向變化的控制部件(31)和用於產生表示所述控制部件(31)的移動的移動信號的信號設備(30)；以及用於與所述動力設備(127)和所述控制部件(31)通信的控制器(60)，所述控制器(60)用於將來自所述控制部件設備的所述移動信號轉換為對所述動力設備(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備(127)基本上根據所述控制部件(31)的移動轉動所述鑽柱(135)和所述鑽頭(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日優先權日2006年5月5日發明者K·E·赫利克申請人:國民油井華高有限合夥公司