CN103967481B - 一种全井段多参数随钻实时测量与传输的方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种基于声波信息传输的实现沿钻柱在井筒内多点开展参数随钻测量并实时传输到地面的方法和系统，使用井下随钻参数测量系统采集井下信息，该信息经调理后传送到井下信号发射系统，以声波形式沿钻柱向上传输，使用声波信号中继系统接收井下上传的信号，进行解码，之后将其测量信息并入，再完成信息的向上发送，然后，信号上传到地面，经过地面接收系统接收、解码后，通过无线方式传输到地面信息显示与决策系统，其中，根据钻井施工需要，沿钻柱布置多个上述中继系统，实现沿井身全井段参数的实时获取。本发明的提供的方法和系统能够获取全井段实时井下参数，从而有效降低井下卡钻、井壁坍塌等事故风险，提高钻井效率，为最佳钻井决策提供支持。特别在控压钻井作业过程中，可大幅提高精细控压能力。

Description

一种全井段多参数随钻实时测量与传输的方法与系统

技术领域

本发明涉及一种用于油气钻井过程中沿井筒随钻信息多点测量与实时传输到地面的方法和系统。

背景技术

在油气钻井作业过程中，对沿井身方向全井段井下参数(压力、温度、井径、井斜、方位等)进行实时监测，是非常重要的。实现全井段井下参数测量并实时传输到地面，可帮助钻井工程作业人员及时准确的了解沿钻柱井筒内各点的钻屑动态清洁情况、泥浆当量循环密度、井下流体的涌入或漏失以及实际井眼状况等，进而能够更有效的控制泥浆泵排量、钻井液重度、机械钻速以及堵漏材料的选取等，从而有效降低卡钻、井壁坍塌的风险。在目前的钻井作业中，上述全井段信息通常是根据井下测量的某单点的数据计算和预测得到，该预测计算结果与现场实际情况往往差别很大。因此，有效利用这些全井段实时测量的多种井下参数，可更好的进行钻井决策，大幅提高钻井效率，降低钻井成本。

目前该领域已商业化应用的实现井底测量信息上传到地面的技术方法主要有：泥浆压力脉冲信号传输，电磁波传输，有线传输(包括硬连接法及电磁感应法传输)及声波传输等四种。泥浆压力脉冲传输方式仅可实现脉冲发生器下部测量信息的上传，而脉冲发生器至井口测量数据无法加入该信息通道，数据传输速率低，而且对泥浆流动有要求。电磁波传输方式在有中继的情况下可实现井下多点参数的测量与上传，但其数据传输速率过低，应用效果依赖地层电阻率，并且在海洋钻井特别是深水钻井中无法应用。有线传输方式可实现井下多点测量信息的高速上传，但需要对现有钻井管柱系统进行改造，成本高昂，操作复杂，可靠性差，不宜推广应用，并且系统检修困难。声波传输方式是以钻柱作为声信号传输通道，以声波作为井下信号载体，进行井下信息的无线传输的方式。由于利用钻杆作为井下信息高速传输用声波的信道，该信息传输方式不用依赖于钻井液的存在与否及性质，不受地层内磁性物质的干扰，这为井下信息高速传输提供了得天独厚的条件。另外该传输方式还具有设备结构简单、成本较低、易于定向发射及传播速度极快等优点，而成为当前井下信息传输技术领域研究的热点之一。并且，在有中继的情况下可实现井下多点测量信息的高速上传，并且在起下钻过程中仍可工作，目前被广泛看好。在现有技术中，例如中国专利CN102733799A、CN103382837A中即公开了基于钻柱信道的钻井信息声波传输中继装置的方案，有效增加了声波在钻柱中的传输距离。

然而，现有技术中的基于声波信息传输的随钻测量与传输系统中，实时全井段准确测量并高速传输井下信息是一个难点，所达到的效果也不是很理想，并且仍然存在较大的钻井风险。尤其在控压钻井作业过程中，精细控压能力有待提高。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术中所存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种在油气钻井作业全过程中，基于声波信息传输的实现沿钻柱在井筒内多点进行多种参数测量，并实时传输到地面的方法和系统。

根据本发明的方法和系统，能够获取全井段实时井下参数，从而有效降低井下卡钻、井壁坍塌等事故风险，提高钻井效率，为最佳钻井决策提供支持。特别在控压钻井作业过程中，可大幅提高精细控压能力。

根据本发明的一个方面，提供一种基于声波信息传输的实现沿钻柱在井筒内多点开展参数随钻测量并实时传输到地面的方法和系统，其特征在于，所采用的系统包括井下随钻参数测量系统(1)、井下信号发射系统(2)、声波信号中继系统(4)、地面信号接收系统(5)及地面信息显示与决策系统(6)，其中，使用所述井下随钻参数测量系统(1)采集井下信息，该信息经调理后传送到所述井下信号发射系统(2)，以声波形式沿钻柱向上传输，使用所述声波信号中继系统(4)接收井下上传的信号，进行解码，之后将其测量信息并入，再完成信息的向上发送，然后，信号上传到地面，经过所述地面信号接收系统(5)接收、解码后，通过无线方式传输到所述地面信息显示与决策系统(6)，其中，根据钻井施工需要，沿钻柱布置多个上述声波信号中继系统，实现沿井身全井段参数的实时获取。

根据本发明的第二方面，在上述第一方面的所述的方法和系统中，其中所采用的系统还包括中继随钻信息测量系统(3)及井下隔声系统(7)。

根据本发明的第三方面，在上述第二方面的所述的方法和系统中，其中所述井下随钻参数测量系统(1)与井下信号发射系统(2)集成在一起，和/或，声波信号中继系统(4)与中继随钻信息测量系统(3)集成为一根短节，或者自成系统并采用有线连接。

根据本发明的第四方面，在上述第二方面的所述的方法和系统中，所述井下信号发射系统(2)主要由声波换能器(21)，声波换能器驱动装置(22)，信号处理器(23)，电源(24)组成，所述声波换能器(21)是压电换能器，或磁致伸缩换能器，所述声波换能器驱动装置(22)保证声波换能器(21)能够产生足够能量的声波信号，所述信号处理器(23)由一系列电路组成，完成对来自井下测量系统传感器信号的接收、编码、调制及功率放大。

根据本发明的第五方面，在上述第二方面的所述的方法和系统中，所述声波信号中继系统(4)接收来自其下部声波信号发射系统的声波信号，对信号进行解码，并把中继随钻信息测量系统(3)所测量的信号并入，之后对信息进行再发送，其中，所述声波信号中继系统(4)由井下声波信号接收系统及声波信号发射装置组成，其井下声波信号发射装置与井下信号发射系统(2)相同，所述声波信号中继系统(4)与中继随钻信息测量系统(3)安装在一起，并实现有线连接以传送信号及输电。

根据本发明的第六方面，在上述第二方面的所述的方法和系统中，所述地面信号接收系统(5)接收井下声波信号中继系统的声波信号，对井下上传信号进行处理后，将信号传送到无线发射系统，所述地面信号接收系统(5)由声波信号检测装置(51)，信号处理电路(52)，信号无线发射器(53)及电源(54)组成，信号检测装置(51)是压电加速度传感器或声波换能器，各部分安装于机械卡盘式结构的舱体内，通过电缆(55)连接实现电能与信号的传输。

根据本发明的第七方面，在上述第二方面的所述的方法和系统中，所述地面信息显示与决策系统(6)的设计方式为，在线显示井下各测点处状态参数的“测量值——井深”曲线，以及井下某给定深度位置的“测量值——时间”曲线，并利用上述测量值及变化量完成预测模型的修正，根据这些实时上传的信息及时准确的了解沿钻柱各点钻屑动态清洁情况、泥浆当量循环密度、井下流体的涌入或漏失以及实际井眼状况。

根据本发明的第八方面，在上述第二方面的所述的方法和系统中，所述隔声装置(7)用以消除声波信号发射系统所产生的沿钻柱向下传播的声波，为一根钻柱短节的纯机械式结构，该隔声装置(7)根据合理的机械阻抗匹配设计，以能够保证声波信号只能自上而下单向完全透射，经钻头的反射信号及来自钻头的在载波频带范围内的声波信号被充分阻隔。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明所述方法与系统可实现对沿钻柱方向井筒内全井段井下参数进行测量，并将这些井下测量信息实时传输到地面显示系统，钻井作业者还可根据这些实时上传的信息及时准确的了解沿钻柱各点钻屑动态清洁情况、泥浆当量循环密度、井下流体的涌入或漏失以及实际井眼状况等，极大降低钻井风险，提高钻井效率。

(2)井下到地面的信息传输系统不受钻井循环介质的限制，不受地层电阻率的限制，不受水深限制，可有效的在气体钻井、泡沫钻井、海洋钻井等泥浆脉冲信息传输系统与电磁波随钻信息传输系统无法作业的领域应用。

(3)系统在应用过程中，不影响现有钻井作业，也无需对现有设备进行改造，甚至可与目前泥浆脉冲信息传输系统或电磁波随钻信息传输系统共同使用，即使本发明所述系统发生故障，亦不会对当前状况下施工作业造成损失。

(4)信息传输速率高，可达20bps以上，是目前泥浆脉冲信息传输系统与电磁波随钻信息传输系统的数倍。

附图说明

图1为本发明全井段多参数随钻实时测量与传输系统的示意图

图2为本发明井下信号发射系统的示意图

图3为本发明井下信号发射系统的工作原理图

图4为本发明声波信号中继系统工作原理图

图5为本发明地面信号接收系统示意图

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行详细的说明。

图1为本发明提供的基于声波信息传输的、实现沿钻柱在井筒内多点开展参数随钻测量并实时传输到地面的、全井段多参数随钻实时测量与传输系统的示意图。

如图1所示，所述系统由井下随钻参数测量系统1、井下信号发射系统2、中继随钻信息测量系统3、声波信号中继系统4、地面信号接收系统5、地面信息显示与决策系统6及井下隔声系统7组成。井下随钻参数测量系统1采集井下信息，该信息经调理后传送到井下信号发射系统2，以声波形式沿钻柱向上传输。中继随钻信息测量系统3完成对沿井身某处的信息测量，声波信号中继系统4接收井下上传的信号，进行解码，之后将其测量信息并入，再完成信息的向上发送。信号上传到地面，经过地面信号接收系统5接收、解码后，通过无线方式传输到地面信息显示与决策系统6。根据钻井施工需要，沿钻柱布置多个声波信号中继系统，则可实现沿井身全井段参数的实时获取。

井下随钻参数测量系统1与井下信号发射系统2可集成在一起，声波信号中继系统4与中继随钻信息测量系统3也可集成为一根短节，也可自成系统并采用有线连接。

中继随钻信息测量系统3由一根钻柱短节构成，其内部安装有测量系统与电源。中继随钻信息测量系统3的安装位置与数量由施工者对井下信息监测的需求决定。

井下随钻参数测量系统1检测井下工程参数(井斜、方位等)、地质参数(电阻率、方位伽马、岩石孔隙度等)、状态参数(压力、温度、扭矩等)以及地层流体参数等，并将测量参数传送至井下信号发射系统2。

井下随钻参数测量系统1是一根井下测量短节，可根据需要完成对近钻头地质参数、工程参数及状态参数等测量。

在本领域，针对某特定信息采集的井下随钻测量装置和系统均有成熟产品，可直接将这些成熟产品使用于本发明所述系统中。

中继随钻信息测量系统3完成对沿井身某处的信息测量，由一根钻柱短节构成，其内部安装有测量系统与电源。中继随钻信息测量系统3的安装位置与数量由施工者对井下信息监测的需求决定。声波信号中继系统4接收来自其下部声波信号发射系统的声波信号，对信号进行解码，并把中继随钻信息测量系统3所测量的信号并入，之后对信息进行再发送。

声波信号中继系统4由井下声波信号接收系统及声波信号发射装置组成，其井下声波信号发射装置与井下信号发射系统2相同。声波信号中继系统4与中继随钻信息测量系统3安装在一起，并实现有线连接以传送信号及输电。

另外，声波信号中继系统4也可独立于中继随钻信息测量系统3单独使用，这样其安装位置根据声波沿钻柱传输时信号能够被可靠检测到的极限传输距离决定。

地面信号接收系统5接收井下声波信号中继系统的声波信号，对井下上传信号进行处理后，将信号传送到无线发射系统(未示出)。

地面信号接收系统5安装于钻柱顶部，牢牢卡住顶驱下方安全接头或转盘钻井方钻杆上部接头。安装后保证系统机械本体与钻柱完全刚性贴合，在钻进过程中随钻柱转动而无任何相对运动。安装完成后，机械结构的密封系统将舱体内电子元器件可靠密封，并保证无线信号发射系统能够工作。

地面信息显示与决策系统6接收来自上述无线发射系统的信号，解码、处理后实时显示，供钻井作业人员进行施工决策。

地面信息显示与决策系统6的一种典型设计方式是在线显示井下各测点处状态参数(压力、温度等)的“测量值——井深”曲线，以及井下某给定深度位置的“测量值——时间”曲线，并利用上述测量值及变化量完成预测模型的修正，还可根据这些实时上传的信息及时准确的了解沿钻柱各点钻屑动态清洁情况、泥浆当量循环密度、井下流体的涌入或漏失以及实际井眼状况等，极大降低钻井风险，提高钻井效率。

隔声装置7用以消除声波信号发射系统所产生的沿钻柱向下传播的声波，是一根钻柱短节，纯机械式结构。

隔声装置7的工作原理是，根据合理的机械阻抗匹配设计，使得隔声装置7能够保证声波信号只能自上而下单向完全透射，经钻头的反射信号及来自钻头的在载波频带范围内的声波信号被充分阻隔(反射)。

该方法与系统在应用过程中，地面系统不干扰目前正常的井口施工作业，井下系统内外径尺寸与相连接的钻柱一致，不对泥浆流动及需要在水眼内进行的特殊操作产生任何影响。

该方法与系统在应用过程中，信息传输速率非常高，可达20bps以上，是目前泥浆脉冲信息传输系统与电磁波随钻信息传输系统的数倍。

图2为本发明井下信号发射系统的示意图，井下信号发射系统2主要由声波换能器21，声波换能器驱动装置22，信号处理器23，电源24组成。声波换能器21可以是压电换能器，或磁致伸缩换能器，也可以是别的形式。声波换能器驱动装置22保证声波换能器能够产生足够能量的声波信号。信号处理器23由一系列电路(未图示)组成，完成对来自井下测量系统传感器信号的接收、编码、调制及功率放大。电源24对系统供电，可以是锂电池，也可以是井下发电机。

其中，井下信号发射系统2的核心是声波换能器21及其驱动装置22，其工作原理是，在给定变化特性的交变电压(或电流等)作用下，换能器的伸缩部件(未示出)产生相应变化特性的伸长与收缩，所产生的弹性波传递至与之相连的钻柱便形成了沿钻柱传输的声波。驱动装置22为声波换能器21提供产生足够弹性伸缩量所需的能量。

图3为本发明井下信号发射系统的工作原理图。

如图3所示，井下信号发射系统2对接收到的井下测量参数信号进行处理后，经信号编码、调制、功率放大，由声波换能器21(参见图2)产生纵向声波载波携带信号沿钻柱向上传输。

图4为本发明声波信号中继系统工作原理图。

如图4所示，声波信号中继系统4接收来自其下部声波信号发射系统的声波信号，对信号进行解码，并把中继随钻信息测量系统3所测量的信号并入，之后对信息进行再发送。

图5为本发明地面信号接收系统示意图。

如图5所示，地面信号接收系统5由声波信号检测装置51，信号处理电路52，信号无线发射器53及电源54组成。信号检测装置51可以是压电加速度传感器或声波换能器。各部分安装于机械卡盘式结构的舱体内，通过电缆55连接实现电能与信号的传输。

本发明所述的基于声波信息传输的、实现沿钻柱在井筒内多点开展参数随钻测量并实时传输到地面的、全井段多参数随钻实时测量与传输的方法和系统可以有多种工作方式，下面仅举两例。

工作方式一：在开钻前，已确定井下中继随钻信息测量系统3所需数目及安装位置，以及中继所在位置所采集参数的采样频率，则根据声波沿钻柱传输速度及相邻声波信号中继系统间的钻柱长度可计算出信号在该间隔传输所需时间，以该时间作为相邻两声波信号中继系统的工作时间间隔。这样，系统可按事先规划的固定工作方式完成井下信息的测量与传输。

工作方式二：在每个中继随钻信息测量系统3安装一触发控制系统(未图示)，钻进过程中，只有当该触发系统检测到与其相对应的来自地面的触发指令，才进行一次井下信息测量。这样，可实现系统对井下沿钻柱井筒内信息的按需采集，而当声波信号中继系统没有测量任务时，声波信号中继系统仅仅实现井下近钻头测量信息的接力传输。

以上发明内容及具体实施方式中举例说明仅用于说明本发明，而非用于限定本发明，本发明附图中的机构不局限于所列出的形状，在不脱离本发明精神和宗旨的前提下，凡是具有类似功能及类似原理的其他形状的机构及其等同物均视为本发明所涵盖内容，均落入所附权利要求的范围之内。

Claims (7)

1.一种基于声波信息传输的实现沿钻柱在井筒内多点开展参数随钻测量并实时传输到地面的方法，其特征在于，该方法中所采用的系统包括井下随钻参数测量系统(1)、井下信号发射系统(2)、声波信号中继系统(4)、地面信号接收系统(5)及地面信息显示与决策系统(6)，其中，使用所述井下随钻参数测量系统(1)采集井下信息，该信息经调理后传送到所述井下信号发射系统(2)，以声波形式沿钻柱向上传输，使用所述声波信号中继系统(4)接收井下上传的信号，进行解码，之后将其测量信息并入，再完成信息的向上发送，然后，信号上传到地面，经过所述地面信号接收系统(5)接收、解码后，通过无线方式传输到所述地面信息显示与决策系统(6)，其中，根据钻井施工需要，沿钻柱布置多个上述声波信号中继系统，实现沿井身全井段参数的实时获取，其中所采用的系统还包括中继随钻信息测量系统(3)及井下隔声系统(7)，其中所述井下随钻参数测量系统(1)与井下信号发射系统(2)集成在一起，和/或，声波信号中继系统(4)与中继随钻信息测量系统(3)集成为一根短节，或者自成系统并采用有线连接。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述井下信号发射系统(2)主要由声波换能器(21)，声波换能器驱动装置(22)，信号处理器(23)，电源(24)组成，所述声波换能器(21)是压电换能器，或磁致伸缩换能器，所述声波换能器驱动装置(22)保证声波换能器(21)能够产生足够能量的声波信号，所述信号处理器(23)由一系列电路组成，完成对来自井下测量系统传感器信号的接收、编码、调制及功率放大，所述声波信号中继系统(4)接收来自其下部声波信号发射系统的声波信号，对信号进行解码，并把中继随钻信息测量系统(3)所测量的信号并入，之后对信息进行再发送，其中，所述声波信号中继系统(4)由井下声波信号接收系统及声波信号发射装置组成，其井下信号发射装置与井下信号发射系统(2)相同，所述声波信号中继系统(4)与中继随钻信息测量系统(3)安装在一起，并实现有线连接以传送信号及输电，所述地面信号接收系统(5)接收井下声波信号中继系统的声波信号，对井下上传信号进行处理后，将信号传送到无线发射系统，所述地面信号接收系统(5)由声波信号检测装置(51)，信号处理电路(52)，信号无线发射器(53)及电源(54)组成，声波信号检测装置(51)是压电加速度传感器或声波换能器，各部分安装于机械卡盘式结构的舱体内，通过电缆(55)连接实现电能与信号的传输。

3.如权利要求1所述的方法，所述地面信息显示与决策系统(6)的设计方式为，在线显示井下各测点处状态参数的“测量值——井深”曲线，以及井下某给定深度位置的“测量值——时间”曲线，并利用上述测量值及变化量完成预测模型的修正，根据这些实时上传的信息及时准确的了解沿钻柱各点钻屑动态清洁情况、泥浆当量循环密度、井下流体的涌入或漏失以及实际井眼状况。

4.权利要求1所述的方法，所述井下隔声系统(7)用以消除声波信号发射系统所产生的沿钻柱向下传播的声波，为一根钻柱短节的纯机械式结构，该井下隔声系统(7)根据合理的机械阻抗匹配设计，以能够保证声波信号只能自上而下单向完全透射，经钻头的反射信号及来自钻头的在载波频带范围内的声波信号被充分阻隔。

5.一种基于声波信息传输的实现沿钻柱在井筒内多点开展参数随钻测量并实时传输到地面的系统，其特征在于，包括井下随钻参数测量系统(1)、井下信号发射系统(2)、声波信号中继系统(4)、地面信号接收系统(5)及地面信息显示与决策系统(6)，其中，使用井下随钻参数测量系统(1)采集井下信息，该信息经调理后传送到井下信号发射系统(2)，以声波形式沿钻柱向上传输，使用声波信号中继系统(4)接收井下上传的信号，进行解码，之后将其测量信息并入，再完成信息的向上发送，然后，信号上传到地面，经过地面信号接收系统(5)接收、解码后，通过无线方式传输到地面信息显示与决策系统(6)，其中，根据钻井施工需要，沿钻柱布置多个上述声波信号中继系统(4)，实现沿井身全井段参数的实时获取，其中所采用的系统还包括中继随钻信息测量系统(3)及井下隔声系统(7)，其中所述井下随钻参数测量系统(1)与井下信号发射系统(2)集成在一起，和/或，声波信号中继系统(4)与中继随钻信息测量系统(3)集成为一根短节，或者自成系统并采用有线连接，所述井下信号发射系统(2)主要由声波换能器(21)，声波换能器驱动装置(22)，信号处理器(23)，电源(24)组成，所述声波换能器(21)是压电换能器，或磁致伸缩换能器，所述声波换能器驱动装置(22)保证声波换能器(21)能够产生足够能量的声波信号，所述信号处理器(23)由一系列电路组成，完成对来自井下测量系统传感器信号的接收、编码、调制及功率放大，所述声波信号中继系统(4)接收来自其下部声波信号发射系统的声波信号，对信号进行解码，并把中继随钻信息测量系统(3)所测量的信号并入，之后对信息进行再发送，其中，所述声波信号中继系统(4)由井下声波信号接收系统及声波信号发射装置组成，其井下信号发射装置与井下信号发射系统(2)相同，所述声波信号中继系统(4)与中继随钻信息测量系统(3)安装在一起，并实现有线连接以传送信号及输电，所述地面信号接收系统(5)接收井下声波信号中继系统的声波信号，对井下上传信号进行处理后，将信号传送到无线发射系统，所述地面信号接收系统(5)由声波信号检测装置(51)，信号处理电路(52)，信号无线发射器(53)及电源(54)组成，声波信号检测装置(51)是压电加速度传感器或声波换能器，各部分安装于机械卡盘式结构的舱体内，通过电缆(55)连接实现电能与信号的传输。

6.如权利要求5所述的系统，所述地面信息显示与决策系统(6)的设计方式为，在线显示井下各测点处状态参数的“测量值——井深”曲线，以及井下某给定深度位置的“测量值——时间”曲线，并利用上述测量值及变化量完成预测模型的修正，根据这些实时上传的信息及时准确的了解沿钻柱各点钻屑动态清洁情况、泥浆当量循环密度、井下流体的涌入或漏失以及实际井眼状况。

7.权利要求5所述的系统，所述井下隔声系统(7)用以消除声波信号发射系统所产生的沿钻柱向下传播的声波，为一根钻柱短节的纯机械式结构，该井下隔声系统(7)根据合理的机械阻抗匹配设计，以能够保证声波信号只能自上而下单向完全透射，经钻头的反射信号及来自钻头的在载波频带范围内的声波信号被充分阻隔。