CN104680766A - 一种井下信息采集系统及其信息采集方法 - Google Patents

Abstract

一种井下信息采集系统，其包括泥浆泵、井口设备、工控机，其中，泥浆泵通过管道线与井口设备连接，在管道线上设有压力传感器，井口设备与钻杆相连接，钻杆的下端连接钻铤，在钻铤内的上部设有脉冲发生器，脉冲发生器下部连接有探管，探管可配置地用于测量钻井状态信息，并对钻井状态信息进行编码，然后根据编码接口控制脉冲发生器将这些编码后信息发送给井口设备，井口设备配置地用于接收井下泥浆压力信息，并对该信息进行解码。本发明能够显著提高现有泥浆脉冲数据传输方式的数据传输能力。

Description

一种井下信息采集系统及其信息采集方法

技术领域

本发明涉及一种通信设备及通信方法，特别地涉及一种适用于钻井领域的基于旋转脉冲器的信息采集系统及采集方法。

背景技术

现代石油钻井中，为了更加准确的控制钻井轨迹、掌握井下信息，钻井过程中普遍采用了无线随钻传输技术，实时传输井斜、方位、工具面角、伽马、电阻率、声速、中子孔隙度、密度等钻井、测井数据。目前无线随钻传输技术包括泥浆数据上传、电磁波数据上传技术和声波数据上传技术。泥浆脉冲数据上传技术是目前钻井现场使用较为普遍的一种无线随钻传输技术。

现在泥浆脉冲数据上传技术，由于井下环境的影响和各种噪声的存在，泥浆脉冲在经过长距离的传输后，其强度大幅衰减。因此在强噪声环境下，检测出微弱的数据信号变得十分不易，现有编码技术不得不降低数据传输效率，来保证信号的传输距离和传输准确性。随着钻井技术的发展，原有的数据传输速率越来越不能满足日益增长的数据传输需求。

编码技术是泥浆脉冲上传中一项重要技术；编码技术通过选择脉冲发生方式、按照一定的方式将井下需要传输的数据编辑成一系列脉冲方式、制定数据传输方式和通信协议，来保证井下数据可靠的传输；因为编码技术在数据传输中的重要位置，合理的数据编码方式不仅可以提高数据传输效率，而且能够降低解码的困难程度，提高解码准确性。

发明内容

为了提高泥浆脉冲数据传输的速度，本发明提供了一种工作可靠以及可用于泥浆脉冲数据上传的信息采集系统和信息采集方法。

本发明所需要的采集系统包括地面设备和井下设备两部分组成，地面设备包括压力传感器、一组无线通信设备及网线以及现场工控机；井下设备包括钻铤、脉冲发生器、探管和泥浆发电机。地面设备中，压力传感器负责采集现场管线中的泥浆压力；一组无线通信设备及网线负责将压力传感器采集的压力信息传输给现场工控机；工控机负责采集压力信息的信号处理和解码工作。井下设备中，钻铤是整个井下设备的外套，为整个井下设备提供机械支架；脉冲发生器是泥浆脉冲的发生单元，能够在探管的控制下发出泥浆脉冲；探管是井下装置的电子单元，负责将泥浆发电机发出电力调整到井下设备使用的电压、井下信息的采集、编码实现和脉冲器控制等一系列功能；泥浆发电机负责在泥浆的冲刷下发出电力。

本发明所需的采集方法主要是脉冲压力信息的编码方法，具体而言，将数据的发送分为四个区，分别为同步区、特征区、数据类型区和数据区；其中同步区主要用于表明开始发送数据；特征区为在规定时间内发送一个脉冲，用于地面解码时能够提取该信号特征作为后续信号提取时的依据；数据类型区主要用于和通信协议对应，根据通信协议就能查明发送的数据的个数和分别代表的意义；数据区即为发送的数据，根据数据类型区对应的通信协议即可以解码。

具体而言，本发明提供一种井下信息采集系统，其包括泥浆泵、井口设备、工控机，其中，泥浆泵通过管道线与井口设备连接，在管道线上设有压力传感器，井口设备与钻杆相连接，钻杆的下端连接钻铤，在钻铤内的上部设有脉冲发生器，脉冲发生器固定在钻铤内的壁面上且其下部连接有探管，探管可配置地用于测量钻井状态信息，并对钻井状态信息进行编码，然后根据编码接口控制脉冲发生器将这些编码后信息发送给井口设备，井口设备配置地用于接收井下泥浆压力信息，并对该信息进行解码。

优选的是，所述钻井状态信息包括井斜角、高边工具角信息。

优选的是，压力传感器通过第一网线与第一无线设备相连接，工控机通过第二网线与第二无线设备相连接，第一无线设备和第二无线设备之间可无线传递数据信息。

优选的是，钻杆和钻铤均为中空管状，钻杆和钻铤中设置为泥浆通路。

优选的是，脉冲发生器中设有旋转板阀片，通过控制旋转板阀片的旋转阻挡和放流泥浆，给平稳的泥浆压力带来一个正冲击。

优选的是，探管的下部连接有泥浆发动机，泥浆发动机为脉冲发生器和探管提供电力，泥浆发动机在泥浆的冲击下发出三相交流电，并将电力传输给探管，探管(3)将三相交流电经过整流和滤波后向脉冲发生器传输直流电供其正常工作。

优选的是，第一无线设备和第二无线设备可采用研华EKI6311，压力传感器可采用JYB-KB压力传感器或者美国Viatran公司生产的压力传感器。

本发明还提供一种井下信息采集方法，其采用上述任一项技术方案中的井下信息采集系统进行采集，具体方法如下：

(1)控制脉冲发生器中的旋转板阀片旋转，按照一定的时序关闭和开启泥浆通路，从而产生一组脉冲信号；

(2)当探管需要向井口设备发送数据时，首先根据通信协议和需要发送的数据生成一个数据类型码；

(3)如果有一组数据需要发送，而探管中正处于空闲状态没有发送其他数据时，可以开始发送数据；

(4)井上设备对探管传送过来的信息进行解码，通过地面压力采集设备，对立管压力进行采集，然后从采集的压力中，区分出四个数据区，地面解码中，首先通过波形检测检测到同步头，然后根据预先设定的时间采集特征区波形，最后根据特征区采集到的波形数据准确计算数据类型区和数据信息区的信号出现实测脉冲时间参数，计算解析出井下设备上传的数据，数据区的分辨率是0.1秒。

优选的是，：在上述第(1)步骤中，所述的一组脉冲信号包括同步区、特征区、数据类型区和数据信息区；其中，同步区数据和特征区数据为每次需要发送数据时自动生成，用于表示现在需要发送一组新的数据，每发送一组符合通信协议的数据需要发送一次同步区数据和特征区数据；特征区数据位于同步区和数据类型区之间，特征区数据的存在使得地面采集到的单个泥浆压力波形更近清晰准确，可用做对比波形进行检测；数据类型区和数据信息区编码方式一制，分为前缓冲期和脉冲期，前缓冲期用于衰减前一个脉冲期的干扰信号，脉冲期用于确定信号的信息特征；脉冲期内的信号特征解码采用传统的时间解码方式，参照脉冲出现在脉冲期的时间进行解码。

优选的是，在上述第(3)步骤中，发送过程分以下四步顺序进行：

a.发送同步区，同步区包括三个脉冲信号，即每隔相同的时间控制脉冲发生器阻断、开启泥浆通路一次，共控制3次，此时形成了同步区；

b.发送特征区，在同步区发送完成后，再等待一定时间后，控制脉冲发生器阻断、开启泥浆通路一次，然后再等待一定时间此时形成了特征区；

c.发送数据类型区，在特征区发送完成后，等待一定时间，然后根据通信协议编码值，在对应时间内控制脉冲发生器阻断、开启泥浆通路一次，此时形成了数据类型区；

d.发送数据区，在数据类型发送完成后，等待一定时间，然后根据数据编码值，在对应时间内控制脉冲发生器阻断、开启泥浆通路一次，此时形成了数据类型区。

本发明能够显著提高现有泥浆脉冲数据传输方式的数据传输能力。

附图说明

图1是本发明涉及的井下信息采集系统的结构图；

图2是本发明涉及的井下信息采集系统中钻铤的内部结构图；

图3是本发明涉及的井下信息采集系统中脉冲产生的示意图；

图4是本发明涉及的井下信息采集系统中脉冲产生的解码数据示意图；

图5是本发明涉及的井下信息采集系统中脉冲产生的解码数据示意图。

其中，图1-5中：

1-钻铤；2-脉冲发生器；3-探管；4-泥浆发动机；5-钻杆；6-第二无线设备；7-第二网线；8-工控机；9-压力传感器；10-第一无线设备；11-第一网线；12-管道线；13-泥浆泵；14-泥浆池；15-井口设备。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的意图，下面结合附图对本发明内容做进一步说明。

如图1所示，图1示出了一种井下信息采集系统，其包括泥浆泵13、井口设备15、工控机8，其中，泥浆泵13通过抽泥管深入到泥浆池14中，此外，泥浆泵13还通过管道线12与井口设备15连接，配置地将泥浆池14中的泥浆不断地抽到井口设备15中，在管道线12上设有压力传感器9，压力传感器9通过第一网线11与第一无线设备10相连接，压力传感器9配置地用于采集管道线12中的泥浆压力，并通过第一无线设备10将压力信息发送给工控机8，工控机8通过第二网线7与第二无线设备6相连接，第一无线设备10和第二无线设备6之间可无线传递数据信息，第二无线设备6接收到第一无线设备10的数据信息后通过第二网线7传输给工控机8，井口设备15与钻杆5相连接，井口设备15配置地用于接收井下泥浆压力信息，并对该信息进行解码，其中，第一无线设备10和第二无线设备6可采用研华EKI6311，压力传感器9可采用JYB-KB压力传感器或者美国Viatran公司生产的压力传感器。钻杆5的下端连接钻铤1，其中，钻杆5和钻铤1均为中空管状，钻杆5和钻铤1中设置为泥浆通路，从泥浆池14中抽出的泥浆通过管道线12直到井口设备15并从钻杆5和钻铤1中穿过。

在钻铤1内的上部设有脉冲发生器2，脉冲发生器2固定在钻铤1内的壁面上且其下部连接有探管3，脉冲发生器2中设有旋转板阀片，通过控制旋转板阀片的旋转阻挡和放流泥浆，给平稳的泥浆压力带来一个正冲击，具体地，当脉冲发生器2关断泥浆通路时，钻铤1内的泥浆压力上升，当开启泥浆通路时，钻铤1内的泥浆压力恢复正常，这一上升一下降的变化使钻铤1内泥浆压力曲线产生一个正脉冲，如图3所示，泥浆压力变化经过钻杆5被传输到井口设备15，探管3还可配置地用于测量井斜角度、高边工具角等钻井状态信息，并对井斜角、高边工具角等钻井状态信息进行编码，然后根据编码接口控制脉冲发生器2将这些编码后信息发送给井口设备15；此外，探管3的下部连接有泥浆发动机4，泥浆发动机4为脉冲发生器2和探管3提供电力，泥浆发动机4在泥浆的冲击下发出三相交流电，并将电力传输给探管3，探管3将三相交流电经过整流和滤波后向脉冲发生器传输48V的直流电供其正常工作。

上述探管3能够将压力变化信息和钻井状态信息数据进行编码并发送，井上设备15接收到探管3发送的信息后对信息进行解码，具体采集信息的方法如下：

其中，根据编码和解码需要，在对信息进行编码和解码之前，首先要制定通信协议，通信协议主要包括数据类型和数据意义。数据类型表明了后续数据的意义和编码、解码方法。

(1)控制脉冲发生器2中的旋转板阀片旋转，按照一定的时序关闭和开启泥浆通路，从而产生一组脉冲信号；如图4所示，这一组脉冲信号包括同步区、特征区、数据类型区和数据信息区；其中，同步区数据和特征区数据为每次需要发送数据时自动生成，用于表示现在需要发送一组新的数据，每发送一组符合通信协议的数据需要发送一次同步区数据和特征区数据；特征区数据位于同步区和数据类型区之间，特征区数据的存在使得地面采集到的单个泥浆压力波形更近清晰准确，可用做对比波形进行检测；如图5所示，数据类型区和数据信息区编码方式一制，分为前缓冲期和脉冲期，前缓冲期用于衰减前一个脉冲期的干扰信号，脉冲期用于确定信号的信息特征；脉冲期内的信号特征解码采用传统的时间解码方式，参照脉冲出现在脉冲期的时间进行解码，如脉冲期的第一秒就出现脉冲表示1，以此类推；

(2)当探管3需要向井口设备15发送数据时，首先根据通信协议和需要发送的数据生成一个数据类型码，比如如果发送井斜角和高边工具面角数据，那么数据类型区编码为0xA，如果发送压力信号，那么数据类型区编码为0xB，“0x”为16进制数标志；并按照通信协议将需要发送的数据换算成相应的16进制码；

(3)如果有一组数据需要发送，而探管3中正处于空闲状态没有发送其他数据时，可以开始发送数据，发送过程分以下四步顺序进行。

a.发送同步区，同步区包括三个脉冲信号，即每隔相同的时间(例如2秒)控制脉冲发生器阻断、开启泥浆通路一次，共控制3次，此时形成了同步区；

b.发送特征区，在同步区发送完成后，再等待足够长时间(例如3秒)后，控制脉冲发生器阻断、开启泥浆通路一次，然后再等待足够长时间(例如3秒)此时形成了特征区；

c.发送数据类型区，在特征区发送完成后，等待固定时间(这段时间即为缓冲期，一般为3秒)，然后根据通信协议编码值，在对应时间内控制脉冲发生器阻断、开启泥浆通路一次，此时形成了数据类型区；

d.发送数据区，在数据类型发送完成后，等待固定时间(这段时间即为缓冲期，一般为3秒)，然后根据数据编码值，在对应时间内控制脉冲发生器阻断、开启泥浆通路一次，此时形成了数据类型区；

(对应的时间为：以脉冲期开始时间为基准，以时间为坐标，数据n在第n个时间块开始阻断、开启泥浆通路)

(4)井上设备15对探管3传送过来的信息进行解码，通过地面压力采集设备，对立管压力进行采集，然后从采集的压力中，区分出四个数据区。地面解码中，首先通过波形检测检测到同步头，然后根据预先设定的时间采集特征区波形，最后根据特征区采集到的波形数据准确计算数据类型区和数据信息区的信号出现实测脉冲时间参数，计算解析出井下设备上传的数据，具有较高的传输效率，数据区的分辨率可以为0.1秒，这样可以使得下传一个16位数据，仅仅需要几秒钟的时间。特征区的存在使得信号检测更加准确，减少了误码率。

本发明所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种井下信息采集系统，其包括泥浆泵(13)、井口设备(15)、工控机(8)，其中，泥浆泵(13)通过管道线(12)与井口设备(15)连接，在管道线(12)上设有压力传感器(9)，井口设备(15)与钻杆(5)相连接，钻杆(5)的下端连接钻铤(1)，在钻铤(1)内的上部设有脉冲发生器(2)，其特征在于：脉冲发生器(2)固定在钻铤(1)内的壁面上且其下部连接有探管(3)，探管(3)可配置地用于测量钻井状态信息，并对钻井状态信息进行编码，然后根据编码接口控制脉冲发生器(2)将这些编码后信息发送给井口设备(15)，井口设备(15)配置地用于接收井下泥浆压力信息，并对该信息进行解码。

2.根据权利要求1所述的井下信息采集系统，其特征在于：所述钻井状态信息包括井斜角、高边工具角信息。

3.根据权利要求2所述的井下信息采集系统，其特征在于：压力传感器(9)通过第一网线(11)与第一无线设备(10)相连接，工控机(8)通过第二网线(7)与第二无线设备(6)相连接，第一无线设备(10)和第二无线设备(6)之间可无线传递数据信息。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的井下信息采集系统，其特征在于：钻杆(5)和钻铤(1)均为中空管状，钻杆(5)和钻铤(1)中设置为泥浆通路。

5.根据权利要求4所述的井下信息采集系统，其特征在于：脉冲发生器(2)中设有旋转板阀片，通过控制旋转板阀片的旋转阻挡和放流泥浆，给平稳的泥浆压力带来一个正冲击。

6.根据权利要求5所述的井下信息采集系统，其特征在于：探管(3)的下部连接有泥浆发动机(4)，泥浆发动机(4)为脉冲发生器(2)和探管(3)提供电力，泥浆发动机(4)在泥浆的冲击下发出三相交流电，并将电力传输给探管(3)，探管(3)将三相交流电经过整流和滤波后向脉冲发生器传输直流电供其正常工作。

7.根据权利要求6所述的井下信息采集系统，其特征在于：第一无线设备(10)和第二无线设备(6)可采用研华EKI6311，压力传感器(9)可采用JYB-KB压力传感器或者美国Viatran公司生产的压力传感器。

8.一种井下信息采集方法，其采用上述权利要求1-7中任一项所述的井下信息采集系统进行采集，具体方法如下：

(1)控制脉冲发生器(2)中的旋转板阀片旋转，按照一定的时序关闭和开启泥浆通路，从而产生一组脉冲信号；

(2)当探管(3)需要向井口设备(15)发送数据时，首先根据通信协议和需要发送的数据生成一个数据类型码；

(3)如果有一组数据需要发送，而探管(3)中正处于空闲状态没有发送其他数据时，可以开始发送数据；

(4)井上设备(15)对探管(3)传送过来的信息进行解码，通过地面压力采集设备，对立管压力进行采集，然后从采集的压力中，区分出四个数据区，地面解码中，首先通过波形检测检测到同步头，然后根据预先设定的时间采集特征区波形，最后根据特征区采集到的波形数据准确计算数据类型区和数据信息区的信号出现实测脉冲时间参数，计算解析出井下设备上传的数据，数据区的分辨率是0.1秒。

9.根据权利要求8所述的井下信息采集方法，其特征在于：在上述第(1)步骤中，所述的一组脉冲信号包括同步区、特征区、数据类型区和数据信息区；其中，同步区数据和特征区数据为每次需要发送数据时自动生成，用于表示现在需要发送一组新的数据，每发送一组符合通信协议的数据需要发送一次同步区数据和特征区数据；特征区数据位于同步区和数据类型区之间，特征区数据的存在使得地面采集到的单个泥浆压力波形更近清晰准确，可用做对比波形进行检测；数据类型区和数据信息区编码方式一制，分为前缓冲期和脉冲期，前缓冲期用于衰减前一个脉冲期的干扰信号，脉冲期用于确定信号的信息特征；脉冲期内的信号特征解码采用传统的时间解码方式，参照脉冲出现在脉冲期的时间进行解码。

10.根据权利要求8所述的井下信息采集方法，其特征在于：在上述第(3)步骤中，发送过程分以下四步顺序进行：

a.发送同步区，同步区包括三个脉冲信号，即每隔相同的时间控制脉冲发生器阻断、开启泥浆通路一次，共控制3次，此时形成了同步区；

b.发送特征区，在同步区发送完成后，再等待一定时间后，控制脉冲发生器阻断、开启泥浆通路一次，然后再等待一定时间此时形成了特征区；

c.发送数据类型区，在特征区发送完成后，等待一定时间，然后根据通信协议编码值，在对应时间内控制脉冲发生器阻断、开启泥浆通路一次，此时形成了数据类型区；

d.发送数据区，在数据类型发送完成后，等待一定时间，然后根据数据编码值，在对应时间内控制脉冲发生器阻断、开启泥浆通路一次，此时形成了数据类型区。