CN103147743A - 随钻测量的双向通信方法及其*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随钻测量的双向通信方法及其***，方法包括以下步骤：1）获取井下钻柱的实时旋转速度；2）判断井下钻柱的实时旋转速度是否发生调整；若是，则进行步骤3）；若否，则退出通信过程；3）判断调整后的井下钻柱的旋转速度是否在一定时间内再调整至调整前的旋转速度；若是，则由井下测井仪器向井上传输通信数据；若否，则退出通信过程。本发明提供了一种实现随钻测量***双向通信，提高***传送数据效率的随钻测量的双向通信方法及其***。

Description

随钻测量的双向通信方法及其***

技术领域

本发明属于石油随钻测井领域，涉及一种通信方法及其***，尤其涉及一种随钻测量的双向通信方法及其***。

背景技术

随钻测量***中常见的信号无线传输方式有电磁波方式、声波方式和泥浆脉冲方式。电磁波和声波方式容易受到外界环境干扰，且其传输距离有限，因此泥浆脉冲方式是钻井现场使用最广泛的一种无线传输方式。在水平井及定向井钻进过程中，通过泥浆脉冲发生器将测得的钻井参数及地层地质参数传送到地面，以供钻井工作人员参考。但是该种传输方式最大的缺点就是传输速率低下，每秒只能传输几个bit，且为单向通信。为了使仪器能够适应多种地质条件下地钻井等实际需求，通常要为井下仪器设计多种工作模式，根据实际使用环境要求选择合适的工作模式。目前主要是通过开关泵时间长度来向井下发送控制命令，切换井下仪器的工作模式。关泵时间通常需要几十秒，***在这段时间内无法向地面发送数据。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种数据传输效率高的随钻测量的双向通信方法及其***。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种随钻测量的双向通信方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1）获取井下钻柱的实时旋转速度；

2）判断井下钻柱的实时旋转速度是否发生调整；若是，则进行步骤3）；否则，则退出通信过程；

3）判断调整后的井下钻柱的旋转速度是否在一定时间内再调整至调整前的旋转速度；若是，则由井下测井仪器切换工作模式；否则，按照先前工作模式继续工作。

上述步骤3）中井下测井仪器向井上传输通信数据的具体实现方式是：

3.1）获取井下测量数据；

3.2）将步骤3.1）所得到的井下测量数据编码并转换成泥浆脉冲发生器可用的驱动脉冲；所述驱动脉冲是电压信号；

3.3）将步骤3.2）所得到的电压信号转换成压力信号并将该压力信号传送至井上。

上述步骤3.3）之后还包括：

3.4）将步骤3.3）所得到的压力信号转换成电压信号；

3.5）将步骤3.4）所得到的电压信号进行滤波及解码，获取井下测量数据。

上述步骤1）是通过测量钻具的工具面角来获取井下钻柱的实时旋转速度。

上述步骤1）的具体实现方式是：

1.1）测量钻具的当前的工具面角；

1.2）根据步骤1.1）所得到的钻具的当前的工具面角获取钻具的角速度；

1.3）根据步骤1.2）所得到的钻具的角速度计算出当前钻柱的实时旋转速度。

一种用于实现如上所述的随钻测量的双向通信方法的***，其特殊之处在于：所述***包括井下部分以及井上部分；所述井下部分包括电池总成，井下钻井参数测量短节以及与井下钻井参数测量短节相连的数据编码发送短节；所述井上部分包括数据接收单元以及与数据接收单元相连接的并用于数据接收单元所接收得到的压力信号进行滤波及解码处理的地面控制***；所述数据编码发送短节与数据解码及接收单元相连。

上述数据编码发送短节包括脉冲发生器驱动短节以及泥浆脉冲发生器；

上述电池总成给井下参数测量短节、脉冲发生器驱动短节及泥浆脉冲发生器提供工作电源。所述电池总成上端与脉冲发生器驱动短节下端相连。

上述井下钻井参数测量短节包括随钻测斜仪；所述随钻测斜仪与电池总成下端相连。

上述数据接收单元是立管压力传感器。

本发明的优点是：

本发明提供了一种随钻测量的双向通信方法及其***，整个***由井下测量仪器、电池总成、脉冲发生器驱动短节、泥浆脉冲发生器、钻柱、立管压力传感器以及地面控制***等部件组成；井下仪器之间通过内部仪器总线通信，将测量数据传到脉冲发生器驱动短节处，脉冲发生器驱动短节按照设定的工作模式将数据转换成驱动脉冲，控制泥浆脉冲发生器工作，将电压信号转换成压力信号通过钻井液传送到地面；立管压力传感器将钻井液的压力变化信号转换成电压信号传输给地面控制***进行滤波、解码等处理，并将处理后的数据送到司钻显示器上显示。本发明是在不增加任何设备，在充分利用随钻测量***现有功能的基础上，提供了一种能够同时向上传输测量数据向下发送控制命令的双向通信方法及***。向井下发送命令的通信方式，实现了随钻测量***双向通信。本发明为了提高***传送数据效率，提供了一种通过测量钻具旋转速度来切换仪器工作方式的控制方式，进而在控制仪器切换工作方式同时不影响数据上传。使***具有双向通信功能，通过钻井液向地面传送测量数据，通过钻柱向下发送控制命令。

附图说明

图1是本发明所提供的随钻测量双向通信***的结构示意图；

其中：

1-钻柱；2-随钻伽马；3-无磁钻铤；4-随钻测斜仪；5-电池总成；6-脉冲发生器驱动短节；7-泥浆脉冲发生器；8-立管压力传感器；9-地面控制***。

具体实施方式

本发明提供了一种随钻测量的双向通信方法，该方法包括以下步骤：

1）获取井下钻柱的实时旋转速度；尤其是通过测量钻具的工具面角来获取井下钻柱的实时旋转速度；

1.1）测量钻具的当前的工具面角；

1.2）根据步骤1.1）所得到的钻具的当前的工具面角获取钻具的角速度；

1.3）根据步骤1.2）所得到的钻具的角速度计算出当前钻柱的实时旋转速度。

2）判断井下钻柱的实时旋转速度是否发生调整；若是，则进行步骤3）；若否，则保持工作模式不变；

3）判断调整后的井下钻柱的旋转速度是否在一定时间内再调整至调整前的旋转速度；若是，则切换井下仪器工作模式；若否，则保持原有工作模式不变；其中：

井下测井仪器向井上传输通信数据的具体实现方式是：

3.1）获取井下测量数据；

3.2）将步骤3.1）所得到的井下测量数据编码并转换成泥浆脉冲发生器可用的驱动脉冲；所述驱动脉冲是电压信号；

3.3）将步骤3.2）所得到的电压信号转换成压力信号并将该压力信号传送至井上。

将如上数据传输至井上后，为了便于查看或存储，还需要对其进行如下步骤：

3.4）将步骤3.3）所得到的压力信号转换成电压信号；

3.5）将步骤3.4）所得到的电压信号进行滤波及解码，获取井下测量数据。

参见图1，本发明在提供上述通信方法的同时，还提供了一种用于实现如上的随钻测量的双向通信方法的通信***，该***包括井下部分以及井上部分；井下部分包括电池总成，井下钻井参数测量短节以及与井下钻井参数测量短节相连的数据编码发送短节；井上部分包括数据接收单元以及与数据接收单元相连接的并用于数据接收单元所接收得到的压力信号进行滤波及解码处理的地面控制***；数据编码发送短节与数据解码及接收单元相连。

数据编码发送短节包括脉冲发生器驱动短节以及泥浆脉冲发生器；

电池总成给井下参数测量短节、脉冲发生器驱动短节及泥浆脉冲发生器提供工作电源。所述电池总成上端与脉冲发生器驱动短节下端相连。

井下钻井参数测量短节包括随钻测斜仪、随钻伽玛短节；所述随钻测斜仪与电池总成下端相连，随钻伽玛接在随钻测斜仪下端。

数据接收单元是立管压力传感器。

具体而言，本发明所采用的井下测量仪器是由随钻测斜仪4、随钻伽马2等几种随钻测量仪器组合而成的测量工具，可以检测地层地质参数、井斜、方位及工具面等钻井参数。其中随钻测斜仪4是必需配备的测量工具，用测量工具面角的变化速率计算钻具的旋转速度，与钻柱1共同构成***控制命令的下行通道。随钻测斜仪4固定在无磁钻铤3内部，防止外部环境对地球磁场的干扰。

电池总成5用来给井下测量工具、脉冲发生器驱动短节6、泥浆脉冲发生器7等井下仪器供电。

脉冲发生器驱动短节6将测量得到的井下数据进行编码，并输出驱动信号驱动泥浆脉冲发生器7工作。泥浆脉冲发生器7用来产生泥浆脉冲，将井下测量参数转换成泥浆压力信号传送回地面***。

钻柱1包括钻杆、加重钻杆及钻铤等钻具，主要用来传递扭矩。在本***中，地面操作人员可以根据实际钻井需求调整其转速以控制井下仪器的工作模式，是控制命令的传输通道。

立管压力传感器8将泥浆压力变化恢复成电信号，送到地面***进行解码。

地面控制***9完成压力信号滤波、解码等功能，并将解码后的信号送到后端司钻等显示设备显示，以供钻井工作人员参考。

井下仪器通过测量钻具工具面变化获得钻柱旋转速度。本发明中***具有双向通行信道，上行通信信道由脉冲发生器驱动短节6、泥浆脉冲发生器7、立管压力传感器8等组成，通过钻井液向地面传输测量数据；下行通信信道由钻柱1与随钻测斜仪4组成，通过调节钻柱旋转速度控制井下仪器工作模式。

***的上行通信通道由脉冲发生器驱动短节6、泥浆脉冲发生器7、立管压力传感器8组成，通过钻井液向地面***9传输测量数据。

由钻柱1与随钻测斜仪4组成***的下行通信信道，通过调节转速可以切换井下测量仪器的工作模式。

井下测量工具是由随钻测斜仪与其它随钻测量仪器组成的测量工具串。随钻测斜仪4位于无磁钻铤3内部，随钻测斜仪下端接随钻伽马等其它测量仪器2，上端接电池总成5，电池总成5上端连接脉冲发生器驱动短节6，最上端是泥浆脉冲发生器7。井下仪器之间通过内部仪器总线通信，将测量数据传到随钻测斜仪4处，随钻测斜仪按照设定的工作模式将数据打包传输给脉冲发生器驱动短节6，脉冲发生器驱动短节6将数据转换成驱动脉冲，控制泥浆脉冲发生器7工作，将电压信号转换成压力信号通过钻井液传送到地面；立管压力传感器8将钻井液的压力变化信号转换成电压信号传输给地面控制***9进行滤波、解码等处理，并将处理后的数据送到司钻显示器上显示。

所谓工作模式主要是用来选择井下仪器上传数据包内容。用户可以根据实际钻井需求选择数据包内容，将几个测量参数组合构成一个数据包。定义好工作模式后，将设置参数下载到随钻测斜仪内即可完成模式设置，这些工作需在仪器下井之前完成。

***通过测量工具面角计算钻柱的旋转速度来切换工作模式。

随钻测斜仪可以测量钻具当前的工具面角ω₀，则经过时间t后工具面角为ω₁，则可计算出角速度为：

$\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_0}{t}---\left(1\right)$

根据角速度除以2π可以计算出当前钻柱旋转速度：

$r=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

如果当前转速为r₀，转速增大后为r_H，转速减小后为r_L。若转速调整后1分钟之内再调整为r₀，则认为此次转速调整为一次工作模式切换命令；若超过2分钟转速没有调整回r₀，则认为此次操作为一次普通的转速调整，随钻测斜仪不进行模式切换操作。

下表列出了模式各种模式对应的转速调整顺序。本随钻测量***只设置了4种工作模式，如果***需要增加工作模式，则重新组合r₀、r_H、r_L之间的切换顺序即可。

模式1	r0→rH→r0
		模式2	r0→rL→r0
模式3	r0→rH→r0→rL→r0
		模式4	r0→rL→r0→rH→r0

本发明设计了一种双向通信的随钻测量***，在现有的钻井液传输***基础上，通过调整转速简便地实现了工作模式选择命令下传，进而实现了全双工通信的随钻测量***。

Claims (9)

1.一种随钻测量的双向通信方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）获取井下钻柱的实时旋转速度；

2）判断井下钻柱的实时旋转速度是否发生调整；若是，则进行步骤3）；若否，则退出通信过程；

3）判断调整后的井下钻柱的旋转速度是否在一定时间内再调整至调整前的旋转速度；若是，则由井下测井仪器向井上传输通信数据；若否，则退出通信过程。

2.根据权利要求1所述的随钻测量的双向通信方法，其特征在于：所述步骤3）中井下测井仪器向井上传输通信数据的具体实现方式是：

3.1）获取井下测量数据；

3.2）将步骤3.1）所得到的井下测量数据编码并转换成泥浆脉冲发生器可用的驱动脉冲；所述驱动脉冲是电压信号；

3.3）将步骤3.2）所得到的电压信号转换成压力信号并将该压力信号传送至井上。

3.根据权利要求2所述的随钻测量的双向通信方法，其特征在于：所述步骤3.3）之后还包括：

3.4）将步骤3.3）所得到的压力信号转换成电压信号；

3.5）将步骤3.4）所得到的电压信号进行滤波及解码，获取井下测量数据。

4.根据权利要求1或2或3所述的随钻测量的双向通信方法，其特征在于：所述步骤1）是通过测量钻具的工具面角来获取井下钻柱的实时旋转速度。

5.根据权利要求4所述的随钻测量的双向通信方法，其特征在于：所述步骤1）的具体实现方式是：

1.1）测量钻具的当前的工具面角；

1.2）根据步骤1.1）所得到的钻具的当前的工具面角获取钻具的角速度；

1.3）根据步骤1.2）所得到的钻具的角速度计算出当前钻柱的实时旋转速度。

6.一种用于实现权利要求1-5任一权利要求所述的随钻测量的双向通信方法的***，其特征在于：所述***包括井下部分以及井上部分；所述井下部分包括井下钻井参数测量短节以及与井下钻井参数测量短节相连的数据编码发送短节；所述井上部分包括数据接收单元以及与数据接收单元相连接的并用于数据接收单元所接收得到的压力信号进行滤波及解码处理的地面控制***；所述数据编码发送短节与数据解码及接收单元相连。

7.根据权利要求6所述的***，其特征在于：所述数据编码发送短节包括电池总成、脉冲发生器驱动短节以及泥浆脉冲发生器；所述电池总成通过脉冲发生器驱动短节接入泥浆脉冲发生器。

8.根据权利要求7所述的***，其特征在于：所述井下钻井参数测量短节包括钻柱、设置在钻柱侧壁上的钻铤以及设置在钻铤内部的随钻测斜仪；所述随钻测斜仪与脉冲发生器驱动短节相连。

9.根据权利要求6-8任一权利要求所述的***，其特征在于：所述数据接收单元是立管压力传感器。

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