CN112065374B - 一种随钻测量泥浆压力波信号周期的动态优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油与天然气工程随钻测量技术领域，公开了一种随钻测量泥浆压力波信号周期的动态优化设计方法，其包括以下步骤：根据钻井工程施工参数，计算泥浆压力波信号的衰减随其周期的变化；通过压力传感器测量噪声并分析噪声频谱；基于信号衰减预测结果，计算衰减后信号与测量噪声的信噪比；根据解码正确率、所需数据传输速率，基于信噪比、噪声频谱，选择泥浆压力波信号周期。本发明可以根据单井具体施工情况而调节随钻测量泥浆压力波信号周期；而且该方法简便可靠，可有效避免盲目依赖经验，具有很大的应用价值。

Description

一种随钻测量泥浆压力波信号周期的动态优化设计方法

技术领域

本发明涉及石油与天然气工程随钻测量技术领域，尤其是一种随钻测量泥浆压力波信号周期的动态优化设计方法。

背景技术

随钻测量技术可以将井下工具测量的温度、井斜、方位、地层电阻率、地层伽马等测量数据通过无线方式传输至地面，使工程技术人员掌握重要井下工程数据的动态变化，是实现定向钻井、地质导向钻井的关键技术。

目前，业界中随钻测量数据主要采用基于钻柱内泥浆压力波的无线数据传输技术。现有各类随钻测量仪器的工作信号周期往往被固定为几个选择值，现场作业时，工程人员往往依据经验或者直接选择最低的信号周期进行施工。但是，改变作业区域后，情况差异较大的工程条件下，以往的经验不一定可靠。另外，随着钻井技术的发展，所需要动态监测的数据要求实时性越来越强，数据种类也越来越多。固定的信号周期选择值，并不一定能够在解码正确率与传输速率要求之间取得较好平衡，不是所需施工井的最佳工作周期。

因此，如何根据不同井或者同一井不同施工井段的传输速率要求，选择随钻测量数据传输最佳信号周期是随钻测量技术中的一项重要问题。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种随钻测量泥浆压力波信号周期的动态优化设计方法，可以根据施工现场情况，针对性地选择信号周期，以达到现场可能实现的最佳数据传输速率。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种随钻测量泥浆压力波信号周期的动态优化设计方法，包括以下步骤：

S1、根据钻井工程施工参数，计算泥浆压力波信号的衰减随其周期的变化；

S2、通过压力传感器测量噪声并分析噪声频谱；

S3、基于信号衰减预测结果，计算衰减后信号与测量噪声的信噪比；

S4、根据解码正确率、所需数据传输速率，基于信噪比、噪声频谱，选择泥浆压力波信号周期。

进一步地，所述钻井工程施工参数包括泥浆泵排量、泥浆密度、泥浆粘度、泥浆固相含量、泥浆固相材料粒径、井深、井身结构、钻具几何参数；

所述计算泥浆压力波信号的衰减随其周期变化的步骤如下：

(1)根据***稳定评估方法，利用液固两相流纳维斯托克斯方程，采用小扰动线性化法，得到压力波在井筒内的传输***稳定性计算的解析解，

η＝g(Q,ρ,μ,α_L,r,H,A,T,θ)

式中，

Q——泥浆泵排量，单位为m³/s；

ρ——泥浆密度，单位为kg/m³；

μ——泥浆粘度，单位为mPa·s；

α_L——泥浆固相含量，无量纲；

r——泥浆固相材料粒径，单位为m；

H——井深，单位为m；

A——钻柱水眼截流面积，单位为m²；

T——随钻测量泥浆压力波信号周期，单位为s；

θ——井斜角，单位为°；

η——信号衰减系数，单位为dB·m^-1；

(2)将钻井工程施工参数带入本解析解，计算压力波信号幅值在不同井深条件下随自身周期而衰减的程度，得到从井底上传至地面后的经过衰减后的无噪压力波信号幅值。

进一步地，所述压力传感器安装在钻井泵与水龙带之间；所述噪声是开启泥浆泵并调至工作排量，压力传感器所测量的噪声。

进一步地，所述解码正确率γ定义为一定信噪比SNR条件下正确识别信号波形数S1占所接收总信号波形S的比例，计算式为

所述所需数据传输速率为理论数据传输速率乘以解码正确率；

所述理论传输速率为编码方式和压力波信号周期共同决定；

所述泥浆压力波信号周期选定步骤如下：

(1)确定信号发生器产生完整信号的频率范围，记为集合F；

(2)噪声幅值峰值所对应频率，记为集合F1，排除F1作为工作频段，记为集合F2＝F-F1；

(3)根据所需数据传输速率的理论频率范围，记为集合F3，缩小选择工作频率范围F4＝F3∩F2；

(4)根据解码正确率限定的频率范围，记为集合F5，进一步缩小选择范围，记为集合F6＝F5∩F4；

(5)依据随钻测量***软硬件的限制，进一步选定具体工作频率值(受脉冲信号发生器有效工作频率的限制，选定工作频率必须在脉冲信号发生器有效工作频率的范围内)；

(6)信号周期即频率的倒数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以根据单井具体施工情况而调节随钻测量泥浆压力波信号周期。该方法简便可靠，可有效避免盲目依赖经验，具有很大的应用价值。

附图说明

为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节来描述和解释本发明。

图1为本发明的泥浆压力波信号周期的动态优化设计方法的流程图；

图2为A井压力波信号的衰减随其周期变化的示意图；

图3为A井2000m、4000m、6000m井深信号衰减随其周期变化的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细的说明：

如图1所示，本发明提供的一种随钻测量泥浆压力波信号周期的动态优化设计方法，包括以下步骤：依次进行计算所需随钻测量井的井泥浆压力波信号的衰减随其周期的变化；通过压力传感器测量噪声并分析噪声频谱；基于信号衰减预测结果，计算衰减后信号与测量噪声的信噪比；根据解码正确率、所需数据传输速率，基于信噪比、噪声频谱，选择泥浆压力波信号周期。

本实施例的具体步骤如下：

S1、计算所需随钻测量井的井泥浆压力波信号的衰减随其周期的变化；

收集需要进行随钻测量井的钻井工程施工参数，包括泥浆泵排量、泥浆密度、泥浆粘度、泥浆固相含量、泥浆固相材料粒径、井深、井身结构、钻具几何参数；

依据压力波在井筒内的传输***稳定性计算的解析解，

η＝g(Q,ρ,μ,α_L,r,H,A,T,θ)

式中，

Q——泥浆泵排量，单位为m³/s；

ρ——泥浆密度，单位为kg/m³；

μ——泥浆粘度，单位为mPa·s；

α_L——泥浆固相含量，无量纲；

r——泥浆固相材料粒径，单位为m；

H——井深，单位为m；

A——钻柱水眼截流面积，单位为m²；

T——随钻测量泥浆压力波信号周期，单位为s；

θ——井斜角，单位为°；

η——信号衰减系数，单位为dB·m^-1。

计算压力波信号的衰减随其周期的变化，某井的计算结果如图2所示。

某井根据井下工具所选择的限流环型号，可以计算井下信号的赋值，另外井下工具在模拟钻井循环***测试工具是否正常运行时可以实测信号发生器产生的信号幅值。

已知井底压力波信号幅值，根据信号衰减系数，可以计算信号幅值的衰减，如图3所示，某井2000m、4000m、6000m井深信号衰减随其周期的变化，进而计算得到经过钻柱内流动泥浆作为信道衰减后的压力波信号幅值。

S2、通过压力传感器测量噪声并分析噪声频谱；

优选地，压力传感器安装在钻井泵与水龙带之间。未开钻井，工具从未下井，当安装有钻头的随钻井下工具串与水龙头连接时，开启泥浆泵并调至工作排量，存储压力传感器所测量的噪声。当工具已经在井内工作时，可以记录信号发生器没有工作，泥浆泵在工作排量条件下，存储压力传感器测得的噪声，作为本井下一趟钻的参考噪声。

分析所存储的噪声频谱，分辨出幅值峰值所对应频率。

S3、基于信号衰减预测结果，计算衰减后信号与测量噪声的信噪比；

根据步骤S1的计算结果，可以构造某井不同井深不同周期的理论信号衰减后的离散序列，结合所存储的噪声离散序列，可以计算得到信噪比。

S4、根据解码正确率、所需数据传输速率，基于信噪比、噪声频谱，选择泥浆压力波信号周期；

解码正确率γ定义为一定信噪比SNR条件下正确识别信号波形数S1占所接收总信号波形S的比例，计算式为

解码正确率与所采用的信号采集***，编解码方法等因素相关，是根据不同***而言，相同的信号，解码能力强的***，解码正确率更高。此处解码正确率是前期实验或现场施工所积累的数据进行计算所得。

所需数据传输速率为理论数据传输速率乘以解码正确率。

理论传输速率为编码方式和压力波信号周期共同决定。

泥浆压力波信号周期选定步骤：

(1)确定信号发生器产生完整信号的频率范围，记为集合F。

(2)噪声幅值峰值所对应频率，记为集合F1，排除F1作为工作频段，记为集合F2＝F-F1。

(3)根据所需数据传输速率的理论频率范围，记为集合F3，缩小选择工作频率范围F4＝F3∩F2。

(4)根据解码正确率限定的频率范围，记为集合F5，进一步缩小选择范围，记为集合F6＝F5∩F4。

(5)依据随钻测量***其它软硬件的限制，进一步选定具体工作频率值(受脉冲信号发生器有效工作频率的限制，选定工作频率必须在脉冲信号发生器有效工作频率的范围内)；

(6)信号周期即频率的倒数。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种随钻测量泥浆压力波信号周期的动态优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据钻井工程施工参数，计算泥浆压力波信号的衰减随其周期的变化；

S2、通过压力传感器测量噪声并分析噪声频谱；

S3、基于信号衰减预测结果，计算衰减后信号与测量噪声的信噪比；

S4、根据解码正确率、所需数据传输速率，基于信噪比、噪声频谱，选择泥浆压力波信号周期；

所述钻井工程施工参数包括泥浆泵排量、泥浆密度、泥浆粘度、泥浆固相含量、泥浆固相材料粒径、井深、井身结构、钻具几何参数；

所述计算泥浆压力波信号的衰减随其周期变化的步骤如下：

(1)根据***稳定评估方法，利用液固两相流纳维斯托克斯方程，采用小扰动线性化法，得到压力波在井筒内的传输***稳定性计算的解析解，

η＝g(Q,ρ,μ,a_L,r,H,A,T,θ)

式中，

Q——泥浆泵排量，单位为m³/s；

ρ——泥浆密度，单位为kg/m³；

μ——泥浆粘度，单位为mPa·s；

α_L——泥浆固相含量，无量纲；

r——泥浆固相材料粒径，单位为m；

H——井深，单位为m；

A——钻柱水眼截流面积，单位为m²；

T——随钻测量泥浆压力波信号周期，单位为s；

θ——井斜角，单位为°；

η——信号衰减系数，单位为dB·m^-1；

(2)将钻井工程施工参数带入本解析解，计算压力波信号幅值在不同井深条件下随自身周期而衰减的程度，得到从井底上传至地面后的经过衰减后的无噪压力波信号幅值。

2.根据权利要求1所述的随钻测量泥浆压力波信号周期的动态优化设计方法，其特征在于，所述压力传感器安装在钻井泵与水龙带之间；所述噪声是开启泥浆泵并调至工作排量，压力传感器所测量的噪声。

3.根据权利要求1所述的随钻测量泥浆压力波信号周期的动态优化设计方法，其特征在于，所述解码正确率γ定义为一定信噪比SNR条件下正确识别信号波形数S1占所接收总信号波形S的比例，计算式为

所述所需数据传输速率为理论数据传输速率乘以解码正确率；

所述理论传输速率为编码方式和压力波信号周期共同决定；

所述泥浆压力波信号周期选定步骤如下：

(1)确定信号发生器产生完整信号的频率范围，记为集合F；

(2)噪声幅值峰值所对应频率，记为集合F1，排除F1作为工作频段，记为集合F2＝F-F1；

(3)根据所需数据传输速率的理论频率范围，记为集合F3，缩小选择工作频率范围F4＝F3∩F2；

(4)根据解码正确率限定的频率范围，记为集合F5，进一步缩小选择范围，记为集合F6＝F5∩F4；

(5)依据随钻测量***软硬件的限制，进一步选定具体工作频率值；

(6)信号周期即频率的倒数。

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