用于钻井作业的方位角锁定的方法和系统与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年12月14日提交的美国专利申请15/841763的权益，该申请全文以引用方式并入本文。

背景技术：

1.技术领域

本发明整体涉及井下作业以及在钻井作业期间锁定方位角钻井方向。

2.相关技术的描述

在地下深处钻出钻孔以用于许多应用，诸如二氧化碳封存、地热生产以及油气勘探和生产。在所有这些应用中，钻出钻孔，使得它们穿过位于地表下方的地层中包含的材料(例如，热量、气体或流体)或允许触及这种材料。可将不同类型的工具和仪器设置在钻孔中以执行各种任务和测量。

当执行井下操作时，并且具体地在钻井作业期间，重要的是了解钻井方向，以确保达到期望的地层和/或沉积物，或者确保考虑到与钻井相关联的其他考虑因素。也就是说，需要能够保持例如由可旋转转向系统钻出的井筒的轨迹为直的。确保“直线度”可以增加穿透率以及改善在钻井完成后运行套管的能力。通常，无论垂直钻井还是水平钻井，都可以使用加速度计来确保倾斜度。然而，确保水平面内的方向(平行于地面或相对于地面倾斜)可能会有更多问题，并且需要复杂的系统和/或方向改变后校正。

技术实现要素：

本文公开了用于控制钻井作业的方法和系统。该方法和系统包括：将钻井工具输送到井孔中并且操作该钻井工具以沿一定方向钻井；通过方位角感测设备在第一时间创建第一信号并且在第二时间创建第二信号，其中该第一信号和该第二信号中的每一者指示该钻井工具的该方向，并且该第一信号和该第二信号中的每一者受到未知但基本上恒定的偏移误差或未知但基本上恒定的比例因子误差中的至少一者的影响；将该第一信号与该第二信号进行比较；以及基于该第一信号与该第二信号的该比较来调整该钻井方向。

附图说明

在本说明书结束时的权利要求书中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将变得显而易见，其中类似的元件具有类似的编号，附图中：

图1为可采用本公开的实施方案的用于执行井下操作的系统的示例；

图2是根据本公开的实施方案的方位角锁定系统的示意图；

图3是根据本公开的实施方案的用于执行方位角锁定操作的流程；

图4a是根据本公开的实施方案的来自方位角感测设备的信号的理想形状；

图4b是示出在钻井作业期间的操作时段期间从根据本公开的实施方案的方位角感测设备获得的数据点集合与图4a的理想形状的比较的曲线图；

图4c是示出根据本公开的实施方案的当前方位角感测设备信号与图4b的锁定钻井方向数据点集合的比较的曲线图；并且

图5是根据本公开的实施方案的从磁力计获得的磁场数据集合和从加速度计获得的加速度数据集合的示意性曲线图。

具体实施方式

图1示出了用于执行井下操作的系统的示意图。如图所示，该系统为钻井系统10，该钻井系统包括钻柱20，该钻柱具有钻井组件90(也称为井底钻具组合(bha))，该钻井组件在穿透地层60的井筒或钻孔26中输送。钻井系统10包括常规井架11，该常规井架竖立在底板12上，该底板支撑旋转台14，该旋转台由原动机(诸如电动马达(未示出))以期望的旋转速度旋转。钻柱20包括钻井管状物22诸如钻管，该钻管从旋转台14向下延伸到钻孔26中。碎裂工具50(诸如附接到钻井组件90的端部的钻头)在其旋转时使地质地层碎裂以钻出钻孔26。钻柱20经由方钻杆接头21、旋转接头28、滑块25和通过滑轮23的管线29联接到绞车30。在钻井作业期间，操作绞车30以控制钻压，钻压影响钻进速率。绞车30的操作在本领域中是众所周知的，因此在本文不再详细描述。

在钻井作业期间，来自源或泥浆坑31的合适的钻井液32(也称为“泥浆”)在压力下由泥浆泵34循环通过钻柱20。钻井液31经由波动消除器36、流体管线38和方钻杆接头21进入钻柱20中。流体管线38还可被称为泥浆供应管线。钻井液31在钻孔底部51处通过碎裂工具50中的开口排出。钻井液31通过钻柱20和钻孔26之间的环形空隙27沿井孔向上循环，并且经由回流管线35返回到泥浆坑32。管线38中的传感器s1提供关于流体流速的信息。与钻柱20相关联的地面扭矩传感器s2和传感器s3分别提供关于钻柱的扭矩和旋转速度的信息。另外，使用与管线29相关联的一个或多个传感器(未示出)来提供钻柱20的钩负荷以及与钻孔26的钻井有关的其他期望参数。该系统还可包括位于钻柱20和/或钻井组件90上的一个或多个井下传感器70。

在一些应用中，通过旋转钻井管状物22来旋转碎裂工具50。然而，在其他应用中，使用设置在钻井组件90中的钻井马达55(诸如泥浆马达)来旋转碎裂工具50和/或叠加或补充钻柱20的旋转。在任一情况下，对于给定地层和钻井组件，碎裂工具50进入地层60的钻进速率(rop)在很大程度上取决于钻压和碎裂工具50的旋转速度。在图1的实施方案的一个方面，钻井马达55经由设置在轴承组件57中的驱动轴(未示出)联接到碎裂工具50。如果泥浆马达用作钻井马达55，则当钻井液31在压力下通过钻井马达55时，泥浆马达使碎裂工具50旋转。轴承组件57支撑碎裂工具50的径向力和轴向力、钻井马达的下推力以及来自所施加的钻压的反应性向上负荷。联接到轴承组件57和在钻柱20上的其他合适位置处的稳定器58充当例如钻井马达组件的最下部分和其他此类合适位置的扶正器。

地面控制单元40经由放置在流体管线38中的传感器43从井下传感器70和设备接收信号，以及从传感器s1、s2、s3、钩负荷传感器、用于确定滑块的高度的传感器(例如，块高度传感器)和系统中使用的任何其他传感器接收信号，并且根据提供给地面控制单元40的经编程的指令来处理这些信号。例如，可使用地面深度跟踪系统，该地面深度跟踪系统利用块高度测量来确定钻孔的长度(也被称为钻孔的测量的深度)或沿钻孔从地面处的参考点到钻柱20上的预定义位置(诸如碎裂工具50或钻柱20上的任何其他合适位置)的距离(也被称为该位置的测量的深度，例如，碎裂工具50的测量的深度)。在特定时间确定测量的深度可通过将测量的块高度添加到在块高度测量时已经在井筒内的所有装备(诸如但不限于钻井管状物22、钻井组件90和碎裂工具50)的长度的和来完成。可将深度校正算法应用于测量的深度以得到更准确的深度信息。深度校正算法例如可解决因温度、钻压、井筒曲率和方向所引起的管拉伸或压缩而造成的长度变化。通过监视或重复地测量块高度、以及在随时间推移而更深地钻进地层时添加到钻柱20的装备的长度，来创建允许估计在监视周期期间的任何给定时间上钻孔26、或钻柱20上的任何位置的深度的时间和深度信息对。当在实际测量之间的时间上要求深度信息时，可使用内插方案。用于通过地面深度跟踪系统监视深度信息的此类设备和技术是本领域中已知的，并且因此本文不再详细地描述。

地面控制单元40在显示器/监视器42上显示由钻机现场的操作人员用来控制钻井作业的期望的钻井参数和其他信息。地面控制单元40包含计算机，该计算机可包括：存储器，该存储器用于存储计算机中的处理器可访问的数据、计算机程序、模型和算法；记录器，诸如磁带单元、存储器单元等，该记录器用于记录数据；以及其他外围设备。地面控制单元40还可包括由计算机用来根据已编程的指令来处理数据的仿真模型。控制单元响应通过合适的设备(诸如，键盘)输入的用户命令。如本领域的技术人员将理解，控制单元40可通过输出设备诸如显示器、打印机、声学输出等输出某些信息。控制单元40适于在出现某些不安全的或不期望的操作条件时激活警报44。

钻井组件90还可包含其他传感器和设备或工具，以用于提供与在钻孔26周围的地层60有关的多种测量、以及用于沿所期望的路径钻出钻孔26。此类设备可包括用于测量地层性质(诸如在钻孔26周围、在碎裂工具50附近和/或前面的地层电阻率或地层伽马射线强度)的设备，以及用于确定钻柱的倾斜度、方位角和/或位置的设备。根据本文所述的实施方案制造的用于测量地层性质的随钻测井(lwd)设备，诸如用于测量地层伽马射线强度的地层电阻率工具64或伽马射线设备76，可在任何合适位置处联接到包括钻井组件90的钻柱20。例如，联接可在下部造斜子组件62上方，以估计或确定在包括钻井组件90的钻柱20周围的地层60的电阻率。另一个位置可在碎裂工具50附近或前面，或在其他合适位置处。可包括用于确定钻井组件90相对于参考方向(例如，磁北、竖直向上或向下方向等)的方向的装置(诸如磁力计、重力计/加速度计、陀螺仪等)的定向勘测工具74可合适地放置来确定钻井组件的方向，诸如钻井组件的倾斜度、方位角和/或工具面。可利用任何合适的定向勘测工具。例如，定向勘测工具74可利用重力计、磁力计或陀螺仪设备来确定钻柱方向(例如，倾斜度、方位角和/或工具面)。此类设备是在本领域已知的，因此在本文不再详细描述。

可监视或重复地确定钻井组件的方向，以结合如上所述的深度测量来允许确定三维空间中的井筒轨迹。在上述示例性配置中，钻井马达55经由轴(未示出)诸如中空轴向碎裂工具50传递动力，该轴还使钻井液31能够从钻井马达55传递到碎裂工具50。在另选的实施方案中，上述部分中的一者或多者可以不同次序出现，或者可从上述装备中省略。

仍然参考图1，其他lwd设备(本文通常用数字77表示)，诸如用于测量岩石性质或流体性质(诸如但不限于孔隙率、渗透率、密度、盐饱和度、粘度、介电常数、声速等)的设备，可放置在钻井组件90中的合适位置处，以用于提供可用于评估沿钻孔26的地下地层60或流体的信息。此类设备可包括但不限于声学工具、核工具、核磁共振工具、介电常数工具、以及地层测试和采样工具。

上述设备可将数据存储到井下存储器和/或传输到井下遥测系统72，该井下遥测系统继而将接收到的数据沿井孔向上传输到地面控制单元40。井下遥测系统72还可从地面控制单元40接收信号和数据并且可将此类接收到的信号和数据传输到适当的井下设备。在一个方面，可使用泥浆脉冲遥测系统在钻井作业期间在井下传感器70和设备和地面装备之间传送数据。放置在流体管线38中的传感器43可响应于井下遥测系统72所传输的数据来检测泥浆压力变化，诸如泥浆脉冲。传感器43可响应于泥浆压力变化而生成信号(例如，电信号)并可将此类信号经由导体45或无线地传输到地面控制单元40。在其他方面，任何其他合适遥测系统都可用于在地面与钻井组件90之间的单向或双向数据通信，包括但不限于无线遥测系统，诸如声学遥测系统、电磁遥测系统、有线管或它们的任何组合。数据通信系统可利用钻柱或井筒中的中继器。可通过联结钻管段来构成一个或多个有线管，其中每个管段都包括沿管延伸的数据通信链路。在管段之间的数据连接可通过任何合适方法来进行，包括但不限于电或光管线连接，包括光学、感应、电容或共振耦合方法。例如，如果采用连续油管，则数据通信链路也可沿钻柱20一侧延伸。

到目前为止所描述的钻井系统涉及那些利用钻管将钻井组件90输送到钻孔26中的钻井系统，其中通常通过控制绞车的操作来从地面控制钻压。然而，大量当前钻井系统，特别是用于钻探高度偏斜井筒和水平井筒的钻井系统，都利用连续油管来将钻井组件输送到井下。在此类应用中，有时在钻柱中部署推进器来在碎裂工具50上提供所期望力。而且，当利用了连续油管时，并非通过旋转台旋转油管，而是通过合适的注入器将油管注入井筒中，同时井下马达诸如钻井马达55使碎裂工具50旋转。对于海上钻井，使用海上钻机或船只来支撑钻井装备，包括钻柱。

仍然参考图1，可提供电阻率工具64，该电阻率工具包括例如多个天线，该多个天线包括例如发射器66a或66b或/和接收器68a或68b。电阻率可以是在作出钻井决定时感兴趣的一种地层性质。本领域技术人员将理解，其他地层性质工具可与电阻率工具64一起使用或代替该电阻率工具。

尾管钻井或套管钻井可为用于提供碎裂设备的一种配置或操作，由于与常规钻井相比具有若干优点，因此在油气工业中变得越来越有吸引力。在标题为“apparatusandmethodfordrillingawellbore，settingalinerandcementingthewellboreduringasingletrip(用于在单程期间钻出井筒、设置尾管并固结井筒的装置和方法)”的共同拥有的美国专利9,004,195中示出和描述了这种配置的一个示例，该专利全文以引用方式并入本文。重要的是，尽管钻进速率相对低，但是由于尾管在钻出井筒的同时下钻，因此减少了将尾管对准于目标的时间。这在膨胀的地层中可能是有益的，在这种地层中，钻井的收缩会阻碍稍后尾管的安装。此外，在耗尽且不稳定的油层中使用尾管进行钻探，可最大程度地降低因钻孔塌陷而卡住管或钻柱的风险。

尽管图1是相对于钻井作业示出和描述的，但本领域技术人员将理解，尽管具有不同的部件，但类似的配置可用于执行不同的井下操作。例如，如本领域已知的，可使用电缆、连续油管和/或其他配置。此外，可采用生产配置用于从地层提取材料和/或向地层中注入材料。因此，本公开不限于钻井作业，而是可用于任何适当或期望的一个或多个井下操作。

需要能够确保例如由可旋转转向系统钻出的井筒的期望轨迹。良好的直线度可以增加穿透率，以及它可以改善在钻井作业完成后运行套管的能力。虽然倾斜度控制容易获得、简单且易于采用(例如，通常使用通过加速度计进行的简单倾斜度测量)，但钻井作业的方位角(例如，水平面)方向控制(以及因此钻出的钻孔)可能更加困难。例如，由于靠近钻头(或井底钻具组合的其他部分)的磁影响，并且由于可能缺少传感器或合适的导航级传感器(即磁力计)，因此可能难以精确地测量钻孔的方位角，具体地在钻井工具(例如，可旋转转向系统)的旋转期间。可能还缺少信息(例如，当前位置处的磁倾角等)，从而可阻止方位角的直接计算。

本文提供的实施方案涉及用于在无法准确或精确地测量方位角以及无需实现高度准确的导航级磁力计的情况下使得能够在方位角方向上钻出直钻孔的系统和方法。例如，本文提供的一些实施方案利用对大量单独测量值的统计平滑、识别偏差趋势、以及将趋势输入闭环转向控制算法中。鉴于本公开，本领域技术人员将理解，本文中讨论和采用的趋势是“近钻头”传感器输出趋势。在一些实施方案中，代替将特定方位角值设置为目标值，可以为转向方向设置“锁定”方向。根据本文提供的实施方案，“锁定”方向是在方位角锁定的开始时设置的当前钻井方向。也就是说，可以设置并随后维持当前活动的钻井方向，使得在本系统/方法的操作期间维持钻井的当前方向/路线。

如本文所用，“锁定(locking)”或“锁定(lock-in)”(以及类似术语)意味着没有向下传输或设置目标方位角。而是将保持“当前”姿势的命令发送到工具-也就是说，未向工具指示特定的目标角度、方向等。因为方位角变化导致某些测量值(例如，磁力计中的测量值)的变化，所以可以实现维持锁定的方位角方向。因此，根据本公开的实施方案，当井下工具接收到锁定姿势的命令时，系统将获得受方位角变化影响的传感器的当前传感器值(例如，hz磁力计的值)作为目标值。随后，转向单元控制转向力以便使当前传感器值保持在该先前锁定值。这样，因为当前传感器值变化与方位角变化相关并因此被调整或校正，所以方位角方向保持恒定。

本文提供的实施方案涉及具有位于钻井工具(例如，井底钻具组合、碎裂设备等)的底端附近的磁力计的系统和方法。磁力计被定向为在垂直于钻井工具的纵向工具轴线的方向上是敏感的。在一些实施方案中，重力工具面传感器(例如，加速度计)可以与本文描述的过程一起采用。在下文中，方位角感测设备可以是指磁力计、加速度计、陀螺仪和/或本领域已知的其他感测元件/设备，并且与本文所述的实施方案一起采用(以及具有潜在的其他功能)。在操作中，对方位角感测设备进行采样以从其接收数据，其中在连续且实时的基础上获得采样。由于钻井工具旋转，因此来自方位角感测设备的信号的采样数据呈现正弦曲线形状。正弦曲线形状将由于许多影响因素而模糊和变形，这些影响因素包括但不限于，工具振动、粘着滑动、转速以及由于电流经过钻井工具内部的方位角感测设备而引起的对方位角感测设备的波动磁影响。如下所讨论，本领域技术人员将理解，当输入是作为输入的hx、hy时，以上讨论适用。在不脱离本公开的范围的情况下，其他方案是可能的。例如，如果方位角锁定基于hz，则工具旋转可能不会影响操作。

然而，即使有此类影响，也可以通过最大值搜索算法(如根据本文公开的实施方案提供的)来确定来自方位角感测设备的数据流或信号的正弦曲线形状达到最大值的时间点。高采样率可以改善搜索算法的有效性。对于钻井工具的每个旋转，从方位角感测设备接收的信号(例如，磁力计信号)的达到最大值之间的时间差异被存储到存储器中。此外，在一些实施方案中，从方位角感测设备接收的信号的峰峰振幅也被存储到存储器中。在一些实施方案中，可以采用直接hz测量，而不是峰峰值。在其他实施方案中，可以采用重力工具面和磁工具面之间的偏移。

现在转向图2，示出了可采用本公开的实施方案的井下系统200的示意图。如图所示，井下系统200是具有井底钻具组合202的钻井系统，其中碎裂设备204位于其端部处。井底钻具组合202可操作地连接到钻柱206，其中碎裂设备204的旋转至少部分通过钻柱206的旋转来实现。井底钻具组合202可以包括本领域中已知的各种部件，包括倾斜度控制和/或其他转向部件/元件。如本领域技术人员将理解，井下系统200被布置成将钻孔钻入地层中和/或通过地层。

井下系统200还包括方位角锁定系统208。方位角锁定系统208包括控制器210、可操作地连接到控制器210和/或与该控制器通信的一个或多个方位角感测设备212，以及可操作地连接到控制器210和/或与该控制器通信的一个或多个钻井方向调整元件214。控制器210可以是专用计算系统，或者可以是井底钻具组合202的电子控制系统的一部分(如图所示)，或者可以被布置在井下系统200内的其他位置。如本文所述和/或如本领域技术人员所理解的，控制器210可以提供本公开的实施方案的处理和/或其他计算方面。控制器210与方位角感测设备212通信以从其接收信号和/或数据。在一些实施方案中，控制器210可以包括预处理操作(例如，要应用于从方位角感测设备212接收的信号的滑动平均滤波器)。尽管在非限制性实施方案中，在本文中被描述为滑动平均滤波器，但在不脱离本公开的范围的情况下，可以采用其他滤波器(例如，块平均滤波器、峰峰滤波器等)、观察器(例如，卡尔曼滤波器)或其他类型的预处理。例如，非限制地，预处理可以包括无限脉冲滤波器、有限脉冲响应滤波器和/或其他数字滤波器或其他类型的滤波器，如本领域技术人员将理解的。另外，在一些实施方案中，从方位角感测设备212接收的信号可能包括未知误差，并且本文所述的过程仍然适用和起作用。例如，在一些实施方案中，方位角感测设备212的信号可能包括未知但基本上恒定的偏移和/或比例因子误差。

方位角感测设备212至少为磁力计，但其他感测元件或设备也可以包括在其中。例如，在一些实施方案中，方位角感测设备212可以包括多个磁力计。另外，在一些实施方案中，方位角感测设备212可以包括加速度计。附加的感测和/或检测元件、设备或部件可以与方位角感测设备212一起被包括和/或可以与其相关联。方位角感测设备212被布置成基于地球磁场检测磁方向(例如，罗盘方向)，并且从而检测方位角方向。如所指出的，在一些实施方案中，方位角感测设备212的信号输出可能包括未知但基本上恒定的偏移和/或比例因子误差。

在操作中，控制器210可以主动且连续地接收和监视来自方位角感测设备212的信号。在一些非限制性实施方案中，所监视的信号可以是磁信号或从磁测量值导出的信号。例如，hz传感器信号与方位角成比例并且可以直接进行测量和监视。hx值和hy值的变化与方位角变化相关，但也受工具旋转影响。因此，确定hx或hy的振幅并且然后可以将其用作控制变量。例如，另一个导出值可以是与方位角变化相关的工具面偏移。基于磁力计和加速度计测量值来计算工具面偏移。

使用以下描述的过程，控制器210可以激活方位角锁定操作，其中控制器210将基于方位角锁定操作的激活来进行操作以确保直(或相对直)的钻井方向。如本领域技术人员将理解，可以从地面控制器、控制器210内的内部编程和/或从其他源接收方位角锁定操作的激活。例如，在一个非限制性实施方案中，控制器210可以与由操作员操作的地面控制器通信。操作员可以监视钻井的方向，并且当观察到期望的钻井方向时，操作员可以将指令向井下发送到控制器210以激活方位角锁定操作。方位角锁定操作的激活设置了要维持的当前方向，以下称为“锁定方位角钻井方向”。

一旦被激活，控制器210就可以主动监视来自方位角感测设备212的信号。通过监视例如峰峰值信号信息，控制器210可以检测与锁定方位角钻井方向的偏差。只要一般外部影响因素(例如，倾斜度、钻头磁化、经过工具内的传感器的电流产生的磁场等)保持恒定，则与锁定信号值的任何偏差指示方位角钻井方向的偏差。如果产生偏差，则基于由于方位角钻井方向中的偏差而产生的信号中的偏差，控制器210可以控制钻井方向调整元件214以使得能够执行钻井方向调整操作或动作，从而实现对钻井方向的调整(例如，校正)。钻井方向调整元件214可以是刀片、翅片、延伸元件、肋、垫、或其他元件、部件或结构，其可以被控制以将力施加到钻孔壁，或将碎裂工具指向期望方向，并从而调整钻井的方向，如本领域技术人员将理解。当钻井方向调整元件214施加力以调整钻井的方向时，控制器210连续地监视来自方位角感测设备212的信号，并且可以停用或缩回钻井方向调整元件214，使得不实现方向的过度补偿。

如上所述，控制器210将监视从方位角感测设备212接收的信号。在一些实施方案中，控制器210可以监视信号的时间差异和/或峰峰振幅。由于上述影响因素，时间差异和/或峰峰振幅将在井下系统200的连续旋转之间变化。在一个非限制性示例(120rpm至360rpm的钻井工具旋转速度)中，控制器210可以记录与从方位角感测设备212接收到的信号相关联的数据点。在该示例中，控制器210可能以约2hz至6hz的速率存储数据点。控制器210然后将跨数据流执行预处理操作(例如，滑动平均滤波器)以使所有短周期影响因素平滑化。因为钻井方向将不会突然改变，所以可以将预处理设置为在相当长的间隔(例如，多达一分钟)内平均化。在另一个实施方案中，使用需要记录数据点的递归算法来确定信号特性(诸如峰峰值、平均值等)。

现在转向图3，示出了根据本公开的实施方案的用于执行方位角锁定操作的流程300。可以由如上所示和所述的系统执行或在其他井下系统上执行流程300，而不会脱离本公开的范围。使用控制器、与其通信的至少一个方位角感测设备和至少一个钻井方向调整元件来执行流程300，诸如以上示出和描述的。控制器可以被布置成连续地从方位角感测设备接收信号并将信号记录在其存储器中。在一些实施方案中，所记录的信息可以是所接收的信号的时间和振幅信息。在另一个实施方案中，仅将信号的特性值(例如，峰峰值、平均值等)记录在存储器上。

在激活流程300之前，操作员或其他系统可以任选地确定钻井作业的当前钻井方向(例如，罗盘方向)。流程300可以随后基于所确定的方向。可以从地面向下传输，从井下系统内部的能够进行勘测的工具传输，和/或从井底钻具组合的能够进行勘测的工具获得与钻井作业相关联的初始方向信息(例如，罗盘的哪个象限)。

在框302处，控制器接收指令以激活方位角锁定操作。通过自动地实时调整和/或校正方位角方向中的偏差，执行方位角锁定操作以确保基本上直的钻井方向。可以从地面传输，从位于地面处的操作员操作的控制系统传输，和/或从监视系统的钻井方向的地面计算机或控制系统传输指令。在一些实施方案中，激活可以基于设置在控制器或其他井下控制系统内的自监视。例如，钻井计划可以被存储在控制器内，并且在实现给定标准(例如，预定深度或其他标准)时，可以激活方位角锁定操作。

在框304处，当激活方位角锁定操作时，设置锁定方位角钻井方向或锁定姿态。锁定方位角钻井方向是在激活方位角锁定操作时存在的钻井方向，或者是期望被维持的钻井方向。在一些实施方案中，可以基于从激活方位角锁定操作起的时间延迟来设置锁定方位角钻井方向(例如，进行激活，并且在设置锁定方位角钻井方向之前经过了预设延迟)。

根据本文的实施方案，锁定方位角钻井方向的设置基于记录从方位角感测设备接收的信号(例如，锁定方位角信号)的方位角信号性质。在一个非限制性实施方案中，方位角信号性质可以是从方位角感测设备接收的信号的峰峰振幅。因为控制器连续监视(并记录)信号和方位角信号性质，所以当指示激活时，控制器包括历史数据集合以确定用于设置或锁定当前钻井方向(锁定方位角钻井方向)的当前方位角信号性质。然后，控制器能够监视当前信号并将其与锁定方位角钻井方向的信号(在本文中也称为“第一信号”或“锁定信号”)进行比较以确定是否维持相同方向或是否正在发生偏差。

在框306处，控制器主动且连续地监视来自方位角感测设备的信号(“主动信号”在本文中也称为“第二信号”)。在一些实施方案中，第一信号和第二信号是从信号的预处理(例如，滤波器的应用)导出的。监视是对第一信号和第二信号的计算和比较。例如，在一些此类实施方案中，锁定方位角钻井方向是设置的滑动平均值，并且控制器会将当前滑动平均值与锁定方位角钻井方向的滑动平均值进行比较。在监视期间，控制器被配置为如果当前信号(“第二信号”)与锁定方位角钻井方向信号(“第一信号”)匹配则不采取任何动作。匹配可以在某个预定义值范围内，诸如1-2％的变化。如果所监视的当前信号与锁定方位角钻井方向信号的偏差超过预定义范围(例如，超过2％的差异)，则控制器将检测到已经发生方位角偏差。尽管在本文中提供了可接受变化的示例值，但本领域技术人员将理解，这仅是出于示例，并且在不脱离本公开的范围的情况下，其他变化也是可能的。

在框308处，控制器检测与锁定方位角钻井方向的偏差。偏差的检测是从锁定方位角钻井方向偏转或偏离的钻井作业的结果。这意味着钻井方向不再沿预设或期望钻井方向。在一些实施方案中，基于锁定方位角钻井方向信号和活动信号的平均值之间的差异来检测偏差。

在框310处，当检测到与锁定方位角钻井方向的偏差时，控制器执行钻井方向调整动作。钻井方向调整动作可以包括但不限于延伸来自井下部件的靠近碎裂设备的垫或刀片。延伸的垫/刀片可以向钻孔壁施加力，从而迫使碎裂设备在调整和/或校正所检测的偏差的方向上改变行程。钻井方向调整动作可以另选地包括使用指向式可旋转转向系统的合适致动设备来改变碎裂设备指向的方向。

在一个非限制性示例中，钻井方向调整动作可以是连续的受监视过程。例如，动作可以包括操作钻井方向调整元件以沿一个方向转向持续有限时间量。由于在有限时间量内执行转向操作，因此监视活动信号。当发生活动信号的变化时，可以基于所观察的变化来更新调整动作的方向。这样，可以设置更新的钻井调整方向，并且可以监视活动信号的变化。

流程将连续地监视来自方位角感测设备的信号以确保维持期望钻井方向(锁定方位角钻井方向)。另外，如下所述，方向调整校正可以相对于基本方向，并且从而可以检测到“向左”或“向右”的偏差，并且可以实现适当的调整和校正以维持期望钻井方向。

现在转向图4a至图4c，示出了说明本公开的方面的示意性曲线图。图4a是来自方位角感测设备的信号的理想形状。图4b是示出在钻井作业期间的操作时段期间从方位角感测设备获得的数据点集合与图4a的理想形状的比较的曲线图，数据点表示锁定或目标钻井方向信号。图4c是示出当前方位角感测设备钻井方向信号与图4b的锁定钻井方向数据点集合的比较的曲线图。图4a至图4c的曲线图用于具有被配置为方位角感测设备的单个磁力计的方位角锁定系统的实施方案。因此，在控制器处收集单个磁力计数据集合并使其经过预处理操作(例如，滑动平均滤波器等)。

如所指出的，图4a示出了在钻井作业期间，将在从方位角感测设备接收信号或数据的控制器处接收的理想化信号。如图所示，信号是正弦曲线形状，这是钻井系统旋转的结果。图4b示出了在样本钻井作业期间在控制器处收集的数据点的叠加。显而易见，数据点基本上与理想化信号对准。在此示例中，并且操作员可能希望锁定由图4b所示的信号/数据点表示的当前姿态。因此，可以实现上述过程，其中提供锁定当前姿势的指令以激活方位角锁定操作的执行。

图4c表示当前收集数据点400(例如，“活动信号”)与锁定数据点402的比较的曲线图。控制器监视当前收集数据点400并且将这种数据与锁定数据点402进行比较。在该实施方案中，监视峰峰振幅以确定是否检测到钻井方位角的偏差。例如，如图所示，当前收集数据点400具有当前峰峰振幅404，并且锁定数据点402具有锁定峰峰振幅406。在此图示中，当前峰峰振幅404小于锁定峰峰振幅406。峰峰振幅中的差异指示信号中的偏差，该偏差指示与初始锁定方位角钻井方向的方位角偏差。如图所示，振幅差异408存在于两个数据点集合之间。振幅差异408可以用于确定是否已经产生要求采取方位角钻井方向调整动作的足够偏差。例如，如果振幅差异408(其可以被表示为百分比差异)超过预定阈值，则可以采取方位角钻井方向调整动作。可以在采取方位角钻井方向调整动作期间和之后连续地监视当前收集数据，以确保方位角钻井方向调整是足够的并且确保不会产生附加偏差和/或调整或校正附加偏差。

现在将描述根据本公开的实施方案的方位角钻井方向调整操作的非限制性示例。在正常钻井作业期间，方位角锁定系统将连续地监视和记录来自方位角感测设备的信号。在此示例中，方位角感测设备包括磁力计和加速度计。钻井工或操作员可以监视钻井进度，并且在任何给定时间指示系统以直方位角线(例如，在平面内)进行钻井。在一些实施方案中，方向可以在与地面平行的平面中，然而，本文提供的实施方案使得能够以设置的倾斜度来控制方位角钻井方向(即，确保在恒定或固定的钻井倾斜度下没有偏差)。

在此示例中，当钻井工或其他操作员确定钻井作业应保持在恒定/固定方向上时，钻井工可以向具有方位角锁定系统的井下系统(类似于上述井下系统)发送锁定-向下传输。锁定-向下传输可以包括激活方位角锁定系统的方位角锁定操作的指令。这样，锁定-向下传输可以指示控制器锁定当前峰峰方位角感测设备振幅值。在此示例中，方位角感测设备是磁力计，并且从而信号是峰峰磁力计振幅。

方位角锁定操作将设置预处理值(例如，滑动平均值)作为锁定值或目标值。然后，控制器将开始比较应用于来自方位角感测设备的信号的处理操作(例如，滑动平均滤波器)的活动或实时输出。与锁定值(锁定方位角钻井方向值)的偏差指示方位角钻井方向的偏差。当检测到偏差时，执行方位角钻井方向调整动作。

例如，当预处理值中的偏差超过限定的阈值时，控制器将控制一个或多个钻井方向调整元件以在与偏差方向相反的方向上施加转向力。根据一些实施方案，控制定律/逻辑可以考虑系统动力学、传感器偏移(例如，钻头与传感器之间的距离)、致动器动力学、传感器动力学等以计算适当的控制动作。此外，控制器可以考虑约束或成本函数以计算控制动作。控制器可以进一步考虑渗透率和/或偏差的持续时间。相反方向取决于在方位角锁定操作期间钻出钻孔的方向。本文讨论了向左偏差和向右偏差，其中“向左”和“向右”是相对于钻井平面内的锁定钻井方向的方向。例如，如果钻孔指向北和东之间的方向(0°-90°)，则磁力计峰峰值的增加指示偏差向右，并且减少指示偏差向左。如果钻孔指向东和南之间的方向(90°-180°)，则磁力计峰峰值的增加指示偏差向左，并且减少指示偏差向右。如果钻孔指向南和西之间的方向(180°-270°)，则磁力计峰峰值的增加指示偏差向右，并且减少指示偏差向左。如果钻孔指向西和北之间的方向(270°-360°)，则磁力计峰峰值的增加指示偏差向左，并且减少指示偏差向右。

上面的描述部分地取决于知道正在进行当前钻井作业的罗盘的哪个象限或四分之一部，或者半球。关于钻孔指向哪个四分之一部的信息经由向下传输从地面发送到井下系统和方位角锁定系统，或者从井下系统和/或井底钻具组合内的能够进行勘测的工具传输。

在一些实施方案中，“相反”方向的确定可以由控制器自动确定。例如，控制器可以在有限时间量内转向到一个方向(例如，向右)并且监视活动信号的变化。如果活动信号值增加，则控制器将稍后通过向左转向来对活动信号值(与锁定值相比)的增加做出反应。如上所述，可以由控制器响应于方位角锁定操作的激活而执行该自动确定。

在一些实施方案中，在钻井方向调整动作期间使用的施加转向力的量可以是固定的，或者能够通过向下传输来选择，或者能够通过附加算法来改变。附加算法可以例如考虑钻孔的倾斜度。

在一些实施方案中，方位角锁定系统可以通过评估重力工具面的最大值和磁力计信号的最大值之间的时间差异来区分沿东方向(0°-180°)的钻井和沿西方向(180°-360°)的钻井。因此，在此类方位角锁定系统中，方位角感测设备被配置有磁力计和加速度计。例如，转向图5，示出了从磁力计获得的磁场数据500的集合和从加速度计获得的加速度数据502的集合的示意性曲线图。通过比较磁场数据500和加速度数据502的峰值之间的增量时间δt1、δt2，可以确定大体的东西方向。与北半球中的位置相比，针对位于南半球的钻井位置，δt1、δt2与东西方向之间的相关性不同。以下相关性是针对北半球中的钻井位置的示例。当增量时间δt1、δt2为正时(即，磁场数据500的峰值出现在加速度数据502的峰值之前)，钻井沿东方向，并且当增量时间δt1、δt2为负时(即，加速度数据502的峰值出现在磁场数据500的峰值之前)，则钻井沿西方向。

也就是说，在沿东方向进行钻井时，在到达重力高侧之前的半周旋转期间将测量到磁力计信号的最大值。在沿西方向进行钻井时，在到达重力高侧之后的半周旋转期间将测量到磁力计信号的最大值。

根据一些实施方案，如果钻井转速可以在滤波间隔内保持足够恒定，则方位角感测设备的不同信号的峰值振幅之间的时间差异的值也可以用作锁定值，并且以如之前针对磁力计峰峰值描述的类似方式在闭环转向控制算法中使用。也就是说，当方位角锁定系统包括磁力计和加速度计两者时，并非设置锁定振幅，而是锁定数据可以是两个单独信号的峰值之间的时间增量，并且增量时间的偏差可以指示钻井方向中的偏差并且因此需要钻井方向调整。

有利地，本文提供的实施方案实现了锁定方位角钻井方向，这可以实时调整偏差。通常，由于传感器的灵敏度及因此其位置(通常距碎裂设备相当远)，这种方位角调整在产生偏差之后的时间发生。这是由于接近碎裂设备生成的干扰，包括但不限于，可能是磁性的钻头、位于钻头附近的其他电子设备和/或由于钻柱和碎裂设备的旋转而引起的涡电流。

然而，这里提供的实施方案间接地操作以确保和维持平面内的设置钻井方向(例如，直线钻井)。一个或多个方位角传感器(例如，磁力计、加速度计等)可以用于生成磁场信号，该磁场信号可经过用于消除上述影响的滑动平均滤波器。滑动平均滤波器用于移除或消除瞬时事件，并且允许随时间推移收集和聚合大量数据(例如，使数据平滑)。特定或实际的钻井方向与本公开的一些实施方案无关，而是一旦设置了钻井方向，方位角锁定系统就进行操作以维持锁定方向或钻井方向。通过连续地将当前的实时方位角信号与锁定信号进行比较，可以迅速检测到钻井方向的偏差并对其进行调整或校正。

本文提供的实施方案可以提供各种类型的钻井方向调整动作。例如，在简单的布置中，当检测到偏差时，可以激活钻井方向调整元件以抵消偏差并调整或校正钻井系统的钻井方向。在一些实施方案中，校正可以是渐进式的，使得首先施加少量的调整，并且系统连续地监视偏差以确保维持正确的钻井方向，并且如果调整未固定方向，则可以施加更大量的调整(例如，延伸钻井方向调整元件的更大延伸)。另外，可以采用可变钻井方向调整，其中施加第一钻井方向调整动作力，并且如果这种动作未校正钻井方向，则可以施加第二钻井方向调整动作力(大于或小于第一钻井方向调整动作力)。此外，在知道倾斜度(例如，包括加速度计)的实施方案中，基于倾斜度，可以针对钻井方向调整施加不同量的力。例如，在一个非限制性实施方案中，如果正在钻出水平钻孔，则可以施加100％的潜在钻井方向调整力，但如果正在非水平地钻出钻孔，则可以施加小于100％的潜在钻井方向调整力。

如上所讨论，本文提供的实施方案用于维持钻井的方位角方向。这种方向可以在水平面(例如，与地球地面平行)中，或者可以是倾斜(但恒定)的平面。因此，本文提供的实施方案可以用于使得能够相对于方位角或罗盘方向钻出直钻孔。有利地，本文提供的实施方案容许传感器自身内部的偏差，并且不需要校准。也就是说，获得和设置值，并且然后将另外的数据与初始值进行比较-并且因此，不需要“绝对”值或其他信息来实现本文提供的方位角钻井方向调整。

实施方案1：一种用于控制钻井作业的方法，所述方法包括：将钻井工具输送到井孔中并且操作所述钻井工具以沿一定方向钻井；通过方位角感测设备在第一时间创建第一信号并且在第二时间创建第二信号，其中所述第一信号和所述第二信号中的每一者指示所述钻井工具的所述方向，并且所述第一信号和所述第二信号中的每一者受到未知但基本上恒定的偏移误差或未知但基本上恒定的比例因子误差中的至少一者的影响；将所述第一信号与所述第二信号进行比较；以及基于所述第一信号与所述第二信号的所述比较来调整所述钻井方向。

实施方案2：根据本文的任何实施方案所述的方法，还包括保持所述钻井方向的倾斜度基本上恒定。

实施方案3：根据本文的任何实施方案所述的方法，还包括在生成所述第一信号之前对从所述方位角感测设备获得的数据进行预处理。

实施方案4：根据本文的任何实施方案所述的方法，其中所述预处理包括应用滤波器、滑动平均滤波器、无限脉冲滤波器、有限脉冲响应滤波器和观察器中的至少一者。

实施方案5：根据本文的任何实施方案所述的方法，还包括连续地从所述方位角感测设备获得和存储信息。

实施方案6：根据本文的任何实施方案所述的方法，其中对所述钻井方向的所述调整包括以下中的至少一者：使用钻井方向调整元件对钻孔壁施加力以及改变碎裂设备指向的方向。

实施方案7：根据本文的任何实施方案所述的方法，其中将所述第一信号与所述第二信号进行比较包括基于以下中的至少一者来检测偏差：(i)所述第一信号和所述第二信号的峰峰振幅之间的差异，(ii)当所述第二信号与所述第一信号的百分比差异和绝对差异中的至少一者超过预定阈值百分比差异或阈值绝对差异时，以及(iii)所述第一信号和所述第二信号的平均值之间的差异。

实施方案8：根据本文的任何实施方案所述的方法，其中所述方位角感测设备包括生成磁场信号的磁力计和生成加速度信号的加速度计，其中所述钻井方向的所述调整基于所述磁场信号和所述加速度信号之间的增量时间。

实施方案9：根据本文的任何实施方案所述的方法，还包括确定所述钻井相对于罗盘方向的方向，其中所述钻井方向的所述调整基于所确定的方向。

实施方案10：根据本文的任何实施方案所述的方法，其中相对于所述罗盘方向的钻井方向为以下中的至少一者：从地面向下传输，或者从井下系统和井底钻具组合中的至少一者内的能够进行勘测的工具传输。

实施方案11：根据本文的任何实施方案所述的方法，其中通过分析所述第二信号对转向输入的响应来自动确定所述钻井方向的调整方向。

实施方案12：根据本文的任何实施方案所述的方法，其中所述钻井方向的所述调整包括：使用钻井方向调整元件来沿第一方向转向持续有限时间量；监视所述第二信号的变化；以及使用所述钻井方向调整元件来相对于所观察的变化调整所述第一方向。

实施方案13：一种用于控制钻井作业的系统，所述系统包括：钻井工具，所述钻井工具被布置成执行所述钻井作业，所述钻井作业具有方向；控制器，所述控制器被配置为接收激活方位角锁定操作的指令；方位角感测设备，所述方位角感测设备与所述控制器通信，所述方位角感测设备被配置为在第一时间创建第一信号并且在第二时间创建第二信号，所述第一信号和所述第二信号指示所述钻井工具的方向，所述第一信号和所述第二信号受到未知但基本上恒定的偏移误差和未知但基本上恒定的比例因子误差中的至少一者的影响；以及钻井方向调整元件，所述钻井方向调整元件可操作地连接到所述控制器并能够由所述控制器控制；其中所述控制器被配置为将所述第一信号与所述第二信号进行比较，并且基于所述第一信号与所述第二信号的所述比较来控制对所述钻井方向的调整。

实施方案14：根据本文的任何实施方案所述的系统，其中所述方位角感测设备包括磁力计。

实施方案15：根据本文的任何实施方案所述的系统，其中所述控制器在生成所述第一信号之前执行对从所述方位角感测设备获得的所述数据的预处理。

实施方案16：根据本文的任何实施方案所述的系统，其中所述预处理包括应用滤波器、滑动平均滤波器、无限脉冲滤波器、有限脉冲响应滤波器和观察器中的至少一者。

实施方案17：根据本文的任何实施方案所述的系统，其中所述控制器连续地从所述方位角感测设备获得和存储信息。

实施方案18：根据本文的任何实施方案所述的系统，其中所述钻井方向的所述调整包括以下中的至少一者：使用钻井方向调整元件对钻孔壁施加力以及改变所述钻井工具指向的方向。

实施方案19：根据本文的任何实施方案所述的系统，其中所述控制器被配置为基于以下中的至少一者来检测偏差：(i)所述第一信号和所述第二信号的峰峰振幅之间的差异，(ii)当所述第二信号与所述第一信号的百分比差异和绝对差异中的至少一者超过预定阈值百分比差异或阈值绝对差异时，以及(iii)所述第一信号和所述第二信号的平均值之间的差异。

实施方案20：根据本文的任何实施方案所述的系统，其中所述控制器确定相对于罗盘方向的钻井方向，并且其中所述钻井方向的所述调整基于所确定的方向。

实施方案21：根据本文的任何实施方案所述的系统，其中所述方位角感测设备包括生成磁场信号的磁力计和生成加速度信号的加速度计，其中所述钻井方向的调整动作基于所述磁场信号和所述加速度信号之间的增量时间。

实施方案22：根据本文的任何实施方案所述的系统，其中所述控制器被配置为保持所述钻井方向的倾斜度基本上恒定。

为了支持本文的教导内容，可使用各种分析部件，包括数字系统和/或模拟系统。例如，如本文所提供的和/或与本文所述的实施方案一起使用的控制器、计算机处理系统和/或地质导向系统可包括数字系统和/或模拟系统。这些系统可具有诸如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(例如，有线、无线、光学或其他)、用户界面、软件程序、信号处理器(例如，数字或模拟)的部件以及其他此类部件(诸如电阻器、电容器、电感器等)，用于以本领域熟知的若干方式中的任一种来提供对本文所公开的装置和方法的操作和分析。可以认为，这些教导内容可以但不必结合存储在非暂态计算机可读介质上的计算机可执行指令集来实现，该非暂态计算机可读介质包括存储器(例如，rom、ram)、光学介质(例如，cd-rom)或磁性介质(例如，磁盘、硬盘驱动器)或任何其他类型的介质，这些计算机可执行指令在被执行时，致使计算机实现本文所述的方法和/或过程。除了本公开中所描述的功能之外，这些指令还可提供系统设计者、所有者、用户或其他此类人员认为相关的装备操作、控制、数据收集、分析和其他功能。处理后的数据(诸如已实现的方法的结果)可作为信号经由处理器输出接口发射到信号接收设备。信号接收设备可以是用于将结果呈现给用户的显示监视器或打印机。另选地或除此之外，信号接收设备可为存储器或存储介质。应当理解，将结果存储在存储器或存储介质中可将存储器或存储介质从先前状态(即，不包含结果)转换到新状态(即，包含结果)。此外，在一些实施方案中，如果结果超过阈值，则可从处理器向用户界面发射警报信号。

此外，可包括各种其他部件，并要求它们提供本文教导内容的各方面。例如，可包括传感器、发射器、接收器、收发器、天线、控制器、光学单元、电单元和/或机电单元以支持本文所讨论的各个方面或支持本公开以外的其他功能。

在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)，术语“一个”、“一种”和“该”以及类似指代的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非在本文另外指明或与上下文明显地矛盾。此外，还应当指出的是，本文的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来将一个元素与另一个元素区分开。与数量结合使用的修饰语“约”或“基本上”包含所陈述的值并且具有由上下文决定的含义(例如，其包括与特定数量的测量相关联的误差度)。例如，短语“基本上恒定”包括相对于固定值或方向的微小偏差，如本领域技术人员将容易理解的。

本文所描绘的一个或多个流程图仅仅是示例。在不脱离本公开的范围的情况下，可对该图或其中所描述的步骤(或操作)进行许多变化。例如，可以不同的顺序执行步骤，或者可添加、删除或修改步骤。所有这些变化都被认为是本公开的一部分。

应当认识到，各种部件或技术可提供某些必要的或有益的功能或特征。因此，支持所附权利要求及其变型形式可能需要的这些功能和特征被认为是作为本文的教导内容的一部分和本公开的一部分而固有地包括在内。

本公开的教导内容可用于多种井操作。这些操作可涉及使用一种或多种处理剂来处理地层、地层中驻留的流体、井筒、和/或井筒中的装备，诸如生产管材。处理剂可以是液体、气体、固体、半固体、以及它们的混合物的形式。例示性的处理剂包括但不限于压裂液、酸、蒸汽、水、盐水、防腐剂、粘固剂、渗透性调节剂、钻井泥浆、乳化剂、破乳剂、示踪剂、流动性改进剂等。例示性的井操作包括但不限于水力压裂、增产、示踪剂注入、清洁、酸化、蒸汽注入、注水、固井等。

虽然已参考各种实施方案描述了本文所述的实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可做出各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，将进行许多修改以使特定的仪器、情形或材料适应本公开的教导内容。因此，预期的是，本公开不限于作为设想用于实现所描述的特征的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。

因此，本公开的实施方案不应被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。