CN101949287A - 基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量数据调制方法及装置 - Google Patents

基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量数据调制方法及装置 Download PDF

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本发明涉及一种基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量数据调制方法及装置。其技术方案是：(1)正弦压力波作为通信载波用于随钻测量数据的相移键控调制；(2)数据调制：数据调制时，由调制数据构成的数字基带信号控制旋转阀转速，通过在比特周期的第一个载波周期时间内降低旋转阀转速，对压力载波进行键控移相使载波产生相位滞后，通过钻柱内压力波的传播将测量数据携带至井口，经过井口压力传感器的检测与信号处理、数据解调后得到井下测量数据。有益效果是：采用旋转阀进行钻井液压力信号的产生与调制，产生的压力载波呈正弦变化，通过控制旋转阀转子的转速进行钻井液压力的相移键控调制，实现井下测量数据向井口的传输。

Description

基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量数据调制方法及装置
一、技术领域：
本发明涉及一种油气钻井过程中的随钻测量/随钻测井方法及工具，特别涉及一种基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量数据调制方法及装置。
二、背景技术：
井下随钻测量/随钻测井(MWD/LWD)是一种在钻井过程中实时测量及传输井下信息的现代钻井辅助技术。钻井过程中，钻井液从地表通过钻柱被泵入井下，从钻头水眼喷出用于钻头的润滑和冷却并通过井壁与钻柱的环型空间向上返出井口，MWD/LWD工具安装在钻头上部的钻铤内，见附图1。在MWD/LWD工具中，安装在近钻头钻柱中的传感器获得测量数据并通过钻井液压力信息遥测***传输到地面，钻井液信息遥测通过对钻柱内钻井液的压力进行调制及压力波在钻柱中的传播来传输井下随钻测量/随钻测井数据。钻井液压力信息遥测有三种信息传输方式，即借助钻井液压力的正脉冲、负脉冲和连续压力波来传输井下信息，其中负压力脉冲技术由于会对井壁造成冲蚀损害，目前已淘汰。目前国内采用钻井液正压力脉冲技术进行井下数据的传输，信息传输速率低，最大为3bit/s；国外已采用基于钻井液连续压力波技术的旋转阀或振荡剪切阀进行钻井液压力的调制与数据传输，使数据传输速率得到较大地提高，例如，Schlumberger公司采用旋转阀的PowerPulse***数据传输速率可以达到16bit/s，其中基于钻井液连续压力波技术进行井下随钻测量的数据调制方法及装置是其核心部件。为保证连续压力波在钻井液信道中的传输效率最大，基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量数据调制方法及装置产生的压力波应呈正弦变化并作为通信载波，通过随钻测量数据调制载波参数(幅度、频率、相位)实现数据的频带传输；要使旋转阀阀口处的钻井液压力呈正弦变化，合理的旋转阀的定、转子孔口结构(形状和尺寸)非常必要。
三、发明内容：
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量数据调制方法及装置。
一种基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量数据调制方法，其技术方案是：
(1)、正弦压力波作为通信载波用于随钻测量数据的相移键控调制：
由电机控制的旋转阀构成钻井液连续压力波信号发生器，旋转阀由定子、转子和转子控制电机组成，其中定子与转子具有相同数量的孔口和叶瓣，转子与定子同轴并处于定子下部，定子和转子之间存在一定的间隙形成钻井液泄漏通道，在电机驱动转子相对于定子恒速转动时，转子叶瓣对定子孔口产生周期性的遮挡，使钻井液流动受到阻碍，在阀口处产生周期性的压力变化形成恒定频率的正弦压力波，该正弦压力波作为通信载波用于随钻测量数据的相移键控调制。
(2)数据调制：数据调制时，由调制数据构成的数字基带信号控制旋转阀转速，通过在比特周期(一个比特周期由4个载波周期组成)的第一个载波周期时间内降低旋转阀转速，对压力载波进行键控移相使载波产生相位滞后，压力载波相位的一系列变化代表井下测量数据，通过钻柱内压力波的传播将测量数据携带至井口，经过井口压力传感器的检测与信号处理、数据解调后得到井下测量数据。
上述的定子由四个定子叶瓣和四个定子孔口组成，所述的转子由四个转子叶瓣和四个转子孔口组成，定、转子孔口呈扇形结构。转子与定子同轴并处于定子下部，钻井液自钻铤上部流入定子孔口，经过与转子孔口形成的流体通道流向下部的钻头，通过钻头水眼排出。
一种基于钻井液连续压力波技术进行井下随钻测量的数据调制的装置，其技术方案是：主要由定子、转子、旋转阀转子轴、止推轴承、电机减速器和控制电机组成，控制电机与电机减速器的输入轴刚性连接，电机减速器的输出轴与旋转阀转子轴相连，将电机驱动转矩传输给旋转阀的转子，驱动转子旋转，其中，转子与定子同轴并处于定子下部，定子、转子之间存在一定的间隙形成钻井液泄漏通道；所述的定子和转子具有相同数量的孔口和叶瓣。
上述的定子由四个定子叶瓣和四个定子孔口组成，所述的转子由四个转子叶瓣和四个转子孔口组成，定、转子孔口呈扇形结构。为减小高速钻井液冲击对转子叶瓣产生的压力和磨蚀，旋转阀的转子位于定子下部，由坚固的定子迎向高压钻井液，转子叶瓣只在定子孔口处面临钻井液的冲击。由于旋转阀定子孔口小于转子孔口，转子叶瓣面积相对较小，所受的钻井液冲击力较小，处于最小受力状态。
旋转阀转子的主要受力为转子叶瓣受到的钻井液轴向力，轴向力为阀孔流体阻力损失产生的压力差及水击压力之和，轴向力作用于转子止推轴承上会产生很大的旋转摩擦阻力矩，对转子的转速控制不利。为减小转子叶瓣受到的钻井液轴向作用力及利于钻井液中固相颗粒的通过，防止旋转阀被阻塞，定、转子之间留有一定的间隙形成钻井液泄漏通道。
本发明的有益效果是：采用旋转阀进行钻井液压力信号的产生与调制，产生的压力载波呈正弦变化，通过控制旋转阀转子的转速进行钻井液压力的相移键控调制，实现井下测量数据向井口的传输。
四、附图说明：
附图1是现有技术中包含有随钻测量/随钻测井工具的钻井装置示意图；
附图2是本发明中旋转阀式钻井液连续压力波信号发生器的结构示意图；
附图3为本发明的定子示意图；
附图4为本发明的转子示意图；
附图5为本发明转子相对于定子恒速旋转时旋转阀阀口产生的钻井液正弦压力波；
附图6为本发明的旋转阀阀孔流通面积及阀口钻井液压力与转子旋转角度的关系图；
上图中：钻井液1、地表2、钻柱3、钻井液泵4、钻头5、环形空间6、钻进地层7、钻井参数及地层参数测量装置8、连续压力波发生器9、压力传感器10、信号处理装置11、钻铤12、井下随钻测量/随钻测井工具13、钻井液罐14；定子叶瓣15、定子孔口16、转子叶瓣17、转子孔口18；定子19、转子20、间隙21、旋转阀转子轴22、密封材料23、止推轴承24、电机减速器25、控制电机26、密封舱27。
五、具体实施方式：
参照附图1，现有的包含有随钻测量/随钻测井工具的钻井装置：
钻井液罐14中的钻井液1通过地表2的钻井液泵4注入钻进地层7的钻柱3中，钻井液到达钻柱3底端的钻头5，从钻头水眼流出后通过钻柱3与地层7之间的环形空间6返回至地表2，钻井液的流动路径用箭头表示。
钻柱3中靠近钻头5的钻铤12中放置仪器，钻铤重量大于其它钻柱，整个钻柱对钻头5施加足够的钻压用于钻进地层7。钻铤12中的仪器包括钻井参数及地层参数测量装置8用于监控钻井操作及评估地层的物理特性。
为了在钻井液中产生压力波动及通过钻井液传递井下数据，一个钻井液连续压力波发生器9安装在钻铤12的上部，钻井液压力信号通过钻柱上传至地面，经过压力传感器10检测并送入信号处理装置11进行信号处理与数据提取。井下随钻测量/随钻测井工具13由测量装置8及钻井液连续压力波发生器9组成。
一种基于钻井液连续压力波技术进行井下随钻测量的数据调制方法，其技术方案是：
1、正弦压力波作为通信载波用于随钻测量数据的相移键控调制：由电机控制的旋转阀构成钻井液连续压力波信号发生器，旋转阀由定子、转子和转子控制电机组成，其中定子与转子具有相同数量的孔口和叶瓣，转子与定子同轴并处于定子下部，定子和转子之间存在一定的间隙形成钻井液泄漏通道，在电机驱动转子相对于定子恒速转动时，转子叶瓣对定子孔口产生周期性的遮挡，使钻井液流动受到阻碍，在阀口处产生周期性的压力变化形成恒定频率的正弦压力波，该正弦压力波作为通信载波用于随钻测量数据的调制；
2、数据调制：数据调制时，由调制数据构成的数字基带信号控制旋转阀转速，通过在比特周期(一个比特周期由4个载波周期组成)的第一个载波周期时间内降低旋转阀转速，对压力载波进行键控移相使载波产生相位滞后，压力载波相位的一系列变化代表井下测量数据，通过钻柱内压力波的传播将测量数据携带至井口，经过井口压力传感器的检测与信号处理、数据解调后得到井下测量数据。
参照附图2-4，一种基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量数据调制装置，称为钻井液连续压力波信号发生器。本发明的特殊性在于采用旋转阀进行钻井液压力信号的产生与调制，产生的压力载波呈正弦变化，通过控制旋转阀转子的转速进行钻井液压力的相移键控调制，实现井下测量数据向井口的传输。其技术方案是：主要由定子19、转子20、旋转阀转子轴22、止推轴承24、电机减速器25和控制电机26组成，控制电机26与电机减速器25的输入轴刚性连接，电机减速器25的输出轴与旋转阀转子轴22相连，将电机驱动转矩传递给旋转阀的转子20，驱动转子20旋转，其中，转子20与定子19同轴并处于定子19下部，定子、转子之间存在一定的间隙21形成钻井液流体泄漏通道；所述的定子19和转子20具有相同数量的孔口和叶瓣。
上述的定子由四个定子叶瓣15和四个定子孔口16组成，所述的转子由四个转子叶瓣17和四个转子孔口18组成，定、转子孔口呈扇形结构。
连续压力波信号发生器9安装在钻铤12中，在钻铤中有一个密封舱27，密封舱内放置有控制电机26、电机减速器25和止推轴承24，控制电机转速受控于由调制数据构成的数字基带信号，电机轴与电机减速器输入轴刚性连接，电机减速器起到降低输出轴转速同时增大输出轴转矩的作用。电机减速器输出轴通过止推轴承的动环与旋转阀转子轴22相连，将电机驱动转矩传递给旋转阀转子，驱动转子旋转，止推轴承同时承受钻井液1对旋转阀转子叶瓣17产生的轴向作用力。旋转阀转子轴22通过密封材料23实现高压动密封，防止高压钻井液1通过止推轴承24的动环进入密封舱27。旋转阀定子19和转子20安装在钻铤上部，其中转子与定子同轴并处于定子下部，定、转子之间存在一定的间隙21形成钻井液泄漏通道，用于减小转子叶瓣17受到的钻井液轴向作用力及利于钻井液中固相颗粒的通过，防止旋转阀被阻塞。钻井液1自钻铤上部流入定子孔口16，经过与转子孔口18形成的阀孔流向钻铤12下部的钻头5，通过钻头5的水眼排出。
图5中，四孔旋转阀转子相对于定子恒速旋转1/4周(旋转角度90度)，产生一个周期的正弦压力波。
图6中，阀孔流通面积及阀口钻井液压力与转子旋转角度呈正弦变化。当转子相对于定子恒速旋转时，旋转角速度恒定，转子旋转角随时间线性变化，使阀孔流通面积随时间呈正弦变化，引起阀口处钻井液压力随时间的正弦变化。

Claims (4)

1.一种基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量数据调制方法，其特征是：
(1)、正弦压力波作为通信载波用于随钻测量数据的相移键控调制：
由电机控制的旋转阀构成钻井液连续压力波信号发生器，旋转阀由定子、转子和转子控制电机组成，其中定子与转子具有相同数量的孔口和叶瓣，转子与定子同轴并处于定子下部，定子和转子之间存在一定的间隙形成钻井液泄漏通道，在电机驱动转子相对于定子恒速转动时，转子叶瓣对定子孔口产生周期性的遮挡，使钻井液流动受到阻碍，在阀口处产生周期性的压力变化形成恒定频率的正弦压力波，该正弦压力波作为通信载波用于随钻测量数据的相移键控调制；
(2)数据调制：数据调制时，由调制数据构成的数字基带信号控制旋转阀转速，通过在比特周期的第一个载波周期时间内降低旋转阀转速，其中，一个比特周期由4个载波周期组成，对压力载波进行键控移相使载波产生相位滞后，压力载波相位的一系列变化代表井下测量数据，通过钻柱内压力波的传播将测量数据携带至井口，经过井口压力传感器的检测与信号处理、数据解调后得到井下测量数据。
2.根据权利要求1所述的基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量数据调制方法，其特征是：所述的定子由四个定子叶瓣(15)和四个定子孔口(16)组成，所述的转子由四个转子叶瓣(17)和四个转子孔口(18)组成，定、转子的孔口呈扇形结构，转子与定子同轴并处于定子下部，钻井液自钻铤上部流入定子孔口，经过与转子孔口形成的流体通道流向下部的钻头，通过钻头水眼排出。
3.一种基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量的数据调制装置，其特征是：主要由定子(19)、转子(20)、旋转阀转子轴(22)、止推轴承(24)、电机减速器(25)和控制电机(26)组成，控制电机(26)与电机减速器(25)的输入轴刚性连接，电机减速器(25)的输出轴与旋转阀转子轴(22)相连，将电机驱动转矩传递给旋转阀的转子(20)，驱动转子(20)旋转，其中，转子(20)与定子(19)同轴并处于定子(19)下部，定子、转子之间存在一定的间隙(21)形成钻井液泄漏通道；所述的定子(19)和转子(20)具有相同数量的孔口和叶瓣。
4.根据权利权利要求3所述的基于钻井液连续压力波技术的井下随钻测量的数据调制装置，其特征是：所述的定子由四个定子叶瓣(15)和四个定子孔口(16)组成，所述的转子由四个转子叶瓣(17)和四个转子孔口(18)组成，所述的定子和转子的孔口呈扇形结构。
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