CN105525907B - 可编程自动控制下行通讯系统及下行信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油钻井工程领域，特别涉及一种可编程自动控制下行通讯系统及下行信号传输方法。所述系统包括：设置在主泥浆泵与泥浆罐之间管线上的电控气动三通阀，与电动气控三通阀连接的控制设备以及井下接收设备：电控气动三通阀的两个入口分别吸入泥浆和空气，并将空气压缩送入井下钻具内，形成流量脉冲信号；控制设备控制电控气动三通阀的空气入口的开启、关闭及开启度；井下接收设备检测电控气动三通阀开启、关闭产生的流量脉冲信号，并解码获得地面发送的数据。本发明在发送下行通讯信号时，只通过主泥浆泵吸入了少量空气，仍有大量泥浆流向钻具组合和钻头，使钻井作业能连续进行；电控气动三通阀安装在循环系统的低压区，便于安装和操作。

Description

可编程自动控制下行通讯系统及下行信号传输方法

技术领域

本发明涉及石油钻井工程技术领域，特别涉及一种可编程自动控制下行通讯系统及下行信号传输方法，用于钻井井下设备的控制及通讯。

背景技术

石油存在于地层的“圈闭”环境中，大部分是通过钻井开采出来。

石油钻井系统主要包括钻机、钻井管柱、泥浆泵、钻井液(泥浆) 等。钻机驱动钻井管柱利用钻头向地下钻进，泥浆泵驱动泥浆在钻具管柱内和井眼环空中循环，起到冷却钻头、携带岩屑、平衡井眼压力和稳定井壁作用。随着科学技术的进步，为了更好开采地层中石油资源，在井下钻具底部、钻头上面安装有测量地质参数和控制钻头方向的各种设备。钻井中地面操作人员要随时了解所钻地层的地质情况和井眼方向，并不断地调整测量方式和钻头方向。因此，地面操作人员和井下设备的通讯就变得非常重要，通讯包括“上行信号传输”和“下行信号传输”。

“上行信号传输”技术普遍采用井下泥浆脉冲遥传方式，通过井下脉冲发生器产生泥浆压力脉冲信号，在地面检测并解码，得到井下数据，为常规技术，此处不再赘述。

“下行信号传输”现有技术主要有以下三种方式：

第一种方式，见图1A，该图为典型的钻井系统，至少包括一台钻机2、一台主泥浆泵1、钻井管柱4以及泥浆3，还包括钻井管柱下部的钻具组合中的测量和控制设备5。

泥浆罐7中的泥浆3经由管线8，由主泥浆泵1压入到管线9中，通过钻井管柱4、测量和控制设备5、钻头6、环空管11、管线10，最终返回到泥浆罐7中。

该方式的“下行信号传输”的方法是按一定的时间间隔停止和启动主泥浆泵1，也就是按一组时间编码停止和启动主泥浆泵1，井下的测量和控制设备5中传感器可以探测到压力变化脉冲，并将其解码为指令。该方式需要停止泵的运转和井下钻井作业，并且确定停泵和开泵状态时间相对较长，下行信号传输信息量少等缺点。

第二种方式，见图1B，钻井作业和泥浆循环等过程与第一种方式相同。下行信号传输系统，由管线12、管线13和旁通阀14组成，该方式是通过旁通阀14的开启和关闭，使循环系统的一部分泥浆没有经过井下的测量和控制设备5，直接返回到泥浆罐7中。因此，旁通阀14开启和关闭时，井下测量和控制设备5处流量和压力有变化，通过井下传感器测量，将地面旁通阀14开启和关闭的编码进行解码，得到地面指令。

这个方式的优点是旁通阀14只分流了流入钻井管柱中的一小部分泥浆。当下行信号发送时，仍然有大量泥浆流向钻具组合和钻头，使钻井作业能够连续进行。

缺点是旁通阀14安装在钻井循环系统的高压处，并且频繁关闭和开启，因此对设备技术参数和安装过程都有较高要求。

第三种方式，见图1C，钻井作业和泥浆循环等过程与第一种方式相同。下行信号传输系统，由管线15、管线16和辅泥浆泵17组成，该方式是通过辅泥浆泵17的启动和停止，使循环系统增加了一定的泥浆排量，并经过井下的测量和控制设备5，最后返回到泥浆罐 7中。因此，辅泥浆泵17的启动和停止，井下测量和控制设备5处流量和压力有变化，通过井下传感器测量，将地面辅泥浆泵17的启动和停止的编码进行解码，得到地面指令。

这个方式的优点是辅泥浆泵17的启动只是使循环系统增加了一定的泥浆排量。当下行信号发送时，钻井作业能够连续进行。

缺点是辅泥浆泵17工作在钻井循环系统的高压处，并且需要额外的动力驱动，因此方式安装的设备和安装过程都有较复杂，占地面积大，在现场不易安装。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可编程自动控制下行通讯系统及下行信号传输方法，在发送下行通讯信号时，只是通过主泥浆泵吸入了少量空气，仍然有大量泥浆流向钻具组合和钻头，使钻井作业能够连续进行。

本发明提供的可编程自动控制下行通讯系统，包括：设置在主泥浆泵与泥浆罐之间管线上的电控气动三通阀，与所述电控气动三通阀连接的控制设备以及井下接收设备：

所述电控气动三通阀的两个入口分别吸入泥浆和空气，并将空气压缩送入井下钻具内，形成流量脉冲信号；

所述控制设备控制电控气动三通阀的空气入口的开启、关闭以及开启度；

所述井下接收设备检测到通过电控气动三通阀开启、关闭产生的流量脉冲信号，并解码获得地面发送的数据。

在正常钻井时，电控气动三通阀吸入泥浆的口开启，吸入空气的口关闭，主泥浆泵吸入的全部是泥浆，并把泥浆平稳地压入钻具内，此时井下泥浆流量和压力都是稳定的。当需向井下发送指令或数据时，按一定的时序编码和开关度控制电控气动三通阀的吸入空气口开启，吸入泥浆口关闭，主泥浆泵入口处的泥浆会被截流一部分，被截流的泥浆用空气来代替，由于空气具有压缩性，钻具内的泥浆流量和压力都会变小。持续一定时间后，再将电控气动三通阀吸入泥浆的口开启，吸入空气的口关闭，主泥浆泵又恢复到吸入全部是泥浆的过程，井下泥浆流量和压力又恢复到原来状态。这样通过控制电控气动三通阀的两个入口的开启和关闭，在井下可形成一个泥浆流量和压力变化(脉冲信号)，井下接收设备检测到脉冲信号后解码，得到地面操作人员向井下发送的指令和数据。

进一步的，所述井下接收设备为流量测量仪、压力检测仪或涡轮机。

进一步的，所述井下接收设备为涡轮机时，涡轮机的输出端连接发电机的转子，并在发电机的三相输出端接出发电机测量端子，测量发电机频率信号。

进一步的，所述控制设备包括：气源、气动执行器、电磁阀以及开启度和关闭度控制器；

所述气动执行器分别与气源、电磁阀以及开启度和关闭度控制器连接。

进一步的，所述气源与气动执行器之间设置稳压阀。

进一步的，所述电磁阀与电磁阀控制信号输入端子连接；

进一步的，所述开启度和关闭度控制器与开启度和关闭度控制器信号输入端子连接。

本发明还提供了一种基于所述系统的下行信号传输方法，包括以下步骤：

当需向井下发送指令或数据时，按一定的时序编码和开关度控制电控气动三通阀的吸入空气口开启，吸入泥浆口关闭，主泥浆泵入口处的泥浆会被截流一部分，被截流的泥浆用空气来代替，由于空气具有压缩性，钻具内的泥浆流量和压力都会变小。持续一定时间后，再将电控气动三通阀吸入泥浆的口开启，吸入空气的口关闭，主泥浆泵又恢复到吸入全部是泥浆的过程，井下泥浆流量和压力又恢复到原来状态。这样通过控制电控气动三通阀的两个入口的开启和关闭，在井下可形成一个泥浆流量和压力变化(脉冲信号)，井下接收设备检测到脉冲信号后解码，得到地面操作人员向井下发送的指令和数据。

进一步的，所述电控气动三通阀与控制设备连接；所述控制设备包括：气源、气动执行器、电磁阀以及开启度和关闭度控制器；

所述气动执行器分别与气源、电磁阀以及开启度和关闭度控制器连接。

进一步的，所述下行信号传输方法还包括：向所述开启度和关闭度控制器发送开启度信号以及向电磁阀发送开启或关闭信号的步骤。本发明的有益效果为：

本发明在发送下行通讯信号时，只是通过主泥浆泵吸入了少量空气，仍然有大量泥浆流向钻具组合和钻头，使钻井作业能够连续进行。钻井作业时，主泥浆泵吸入泥浆并把其压入井下的钻具内，主泥浆泵的出口和泥浆管线内为高压状态，一般在10Mpa以上。入口处为常压状态。下行信号传输现有技术的执行机构都安装在主泥浆泵出口处的高压管线部位，因此，对执行机构的技术参数和安装过程都有较高要求。

本发明的电控气动三通阀安装主泥浆泵的入口处，为常压，因此，对执行机构的技术参数要求不高，并且便于安装和操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为早期下行信号传输系统(第一种方式)的示意图。

图1B为现有旁通分流方式的下行信号传输系统(第二种方式) 的示意图。

图1C为现有加泵加排量方式的下行信号传输系统(第三种方式) 的示意图。

图2为本发明实施例给出的可编程自动控制下行通讯系统示意图。

图3为本发明实施例中电控气动三通阀的控制设备的结构示意图。

图4A为本发明实施例中没有下行通讯信号时电控气动三通阀的两入口开关状态示意图。

图4B为本发明实施例中发送下行通讯信号时电控气动三通阀两入口开关状态示意图。

图5为本发明实施例中发送下行通讯信号时，向控制电控气动三通阀两入口开关的电磁阀发送的开启或关闭信号示意图。

图6为本发明实施例中井下接收设备为涡轮机时，井下接收设备的连接示意图。

图7为本发明实施例中井下接收设备采用图6的方式时，发电机频率及解码后的下行通讯信号的示意图。

附图标记：

1-主泥浆泵； 2-钻机；

3-泥浆； 4-钻井管柱；

5-测量和控制设备； 6-钻头；

7-泥浆罐； 8-管线；

9-管线； 10-管线；

11-环空管； 12-管线；

13-管线； 14-旁通阀；

15-管线； 16-管线；

17-辅泥浆泵； 18-电控气动三通阀；

19-入口； 20-控制设备；

22-直通口； 23-旁通口；

24-管线； 25-气源；

26-稳压阀； 27-电磁阀；

28-电磁阀控制信号输入端子； 29-气动执行器；

30-开启度和关闭度控制器；

31-开启度和关闭度控制器信号输入端子；

32-旁通阀入口； 35-三通阀开启信号；

36-三通阀关闭信号； 40-涡轮机；

41-发电机转子； 42-发电机定子；

43-发电机测量端子； 44-三相电输出端子；

45-发电机频率变化信号； 46-发电机频率初始信号；

47-发电机频率初始曲线； 48-发电机频率变化曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种可编程自动控制下行通讯系统，在发送下行通讯信号时，钻井作业可以持续进行。

所述的可编程自动控制下行通讯系统包括：设置在主泥浆泵与泥浆罐之间管线上的电控气动三通阀，与所述电动气孔三通阀连接的控制设备以及井下接收设备：

在正常钻井时，电控气动三通阀吸入泥浆的入口开启，吸入空气的入口关闭，主泥浆泵吸入的全部是泥浆，并把泥浆平稳地压入钻具内，此时井下泥浆流量和压力都是稳定的。当需向井下发送指令或数据时，按一定的时序编码和开关度控制电控气动三通阀的吸入空气的入口开启，吸入泥浆的入口关闭，主泥浆泵入口处的泥浆会被截流一部分，被截流的泥浆用空气来代替，由于空气具有压缩性，钻具内的泥浆流量和压力都会变小。持续一定时间后，再将电控气动三通阀吸入泥浆的入口开启，吸入空气的入口关闭，主泥浆泵又恢复到吸入全部是泥浆的过程，井下泥浆流量和压力又恢复到原来状态。这样通过控制电控气动三通阀的两个入口的开启和关闭，在井下可形成一个泥浆流量和压力变化(脉冲信号)，井下接收设备检测到脉冲信号后解码，得到地面操作人员向井下发送的指令和数据。

图2为本发明实施例给出的可编程自动控制下行通讯系统示意图。

与现有技术相同的是，钻井系统包括钻机2、主泥浆泵1、钻井管柱4、泥浆罐7和泥浆3，还包括钻井管柱4下部的钻具组合中的测量和控制设备5。

本实施例在泥浆罐7和主泥浆泵1之间的管线上安装电控气动三通阀18。所述电控气动三通阀18通过入口19及管线8与泥浆罐7中的泥浆3连通，通过直通口22及管线24与主泥浆泵1连通，旁通口23与外界空气连通。电控气动三通阀18由控制设备 20控制工作。

泥浆罐7中的泥浆3经由管线8、入口19、电控气动三通阀18、直通口22、管线24进入主泥浆泵1，由主泥浆泵1压入到管线9中，通过钻井管柱4、测量和控制设备5、钻头6、环空管11、管线10，最终返回到泥浆罐7中。

测量和控制设备5作为井下接收设备，可以为流量测量仪、压力检测仪或涡轮机。

图3是本发明实施例中电控气动三通阀的控制设备的结构示意图。

所述控制设备20包括：气源25、气动执行器29、电磁阀27以及开启度和关闭度控制器30。

气动执行器29分别与气源25、电磁阀27以及开启度和关闭度控制器30连接。并在气源25与气动执行器29之间设置稳压阀26。

电磁阀27与电磁阀控制信号输入端子28连接；开启度和关闭度控制器30与开启度和关闭度控制器信号输入端子31连接。

在没有下行通讯信号时，旁通阀入口32关闭，电控气动三通阀 18的状态如图4A所示，井下泥浆流量和压力稳定。当地面操作人员向井下发送下行通讯信号时，由计算机编程，首先向开启度和关闭度控制器信号输入端子31发送一个电控气动三通阀开启度信号，然后向电磁阀控制信号输入端子28发送一个电控气动三通阀开启或关闭程序信号，见图5，旁通阀入口32开启度由开启度和关闭度控制器决定，状态见图4B。其中三通阀开启信号35和三通阀关闭信号36 是一系列信号，这里仅进行示例。

井下接收设备可以为流量测量仪、压力检测仪或涡轮机。本实施例中仅以涡轮机为例进行说明。

井下涡轮发电机作为井下测量与控制设备的动力电源而广泛应用于石油工程技术领域。图6为常见的井下涡轮发电机机示意图，在图中示意了作为接收设备的连接方法。井下接收设备设置在测量和控制设备5的位置。

涡轮机40与发电机转子41连接。通过泥浆的流动驱动涡轮机 40旋转，涡轮机带动发电机转子41旋转而使发电机定子42发出三相交流电。其中三相电输出端子44输出的三相电驱 整流器整流，发电机测量端子43用于测量交流频率。发电机所发出的交流电的频率与涡轮的转速有关，也就是与地面主泥浆泵的泥浆排量有关。

当电控气动三通阀18的旁通口23在关闭状态下时(即对应三通阀关闭信号36时)，在井下通过测量发电机测量端子43，可以得到图7中上部的发电机频率曲线，三通阀关闭信号36对应发电机频率初始曲线47部分，解码后得到下行通讯信号的发电机频率初始信号46部分。当电控气动三通阀18的旁通口23在开启状态下时(即对应三通阀开启信号35时)，由于主泥浆泵1吸入的泥浆会变少，泥浆排量会相应的变小，在井下通过测量发电机测量端子43，可以得到图7中上部的发电机频率变化 曲线48部分，对应三通阀开启信号35，解码后得到下行通讯信号的发电机频率变化信号45。这样就得到了地面发送的下行通讯信号。

当井下接收设备采用流量测量仪或压力检测仪时，也可以采用类似的方法进行解码，在此不做一一赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种可编程自动控制下行通讯系统，其特征在于，包括：设置在主泥浆泵与泥浆罐之间管线上的电控气动三通阀，与所述电控气动三通阀连接的控制设备以及井下接收设备：

所述电控气动三通阀的两个入口分别吸入泥浆和空气，并将空气压缩送入井下钻具内，形成流量脉冲信号；

所述控制设备控制电控气动三通阀的空气入口的开启、关闭以及开启度；

所述井下接收设备检测到通过电控气动三通阀开启、关闭产生的流量脉冲信号，并解码获得地面发送的数据；

所述井下接收设备为流量测量仪、压力检测仪或涡轮机；

所述井下接收设备为涡轮机时，涡轮机的输出端连接发电机的转子，并在发电机的三相输出端接出发电机测量端子，测量发电机频率信号。

2.根据权利要求1所述的可编程自动控制下行通讯系统，其特征在于，所述控制设备包括：气源、气动执行器、电磁阀以及开启度和关闭度控制器；

所述气动执行器分别与气源、电磁阀以及开启度和关闭度控制器连接。

3.根据权利要求2所述的可编程自动控制下行通讯系统，其特征在于，所述气源与气动执行器之间设置稳压阀。

4.根据权利要求2所述的可编程自动控制下行通讯系统，其特征在于，所述电磁阀与电磁阀控制信号输入端子连接。

5.根据权利要求2所述的可编程自动控制下行通讯系统，其特征在于，所述开启度和关闭度控制器与开启度和关闭度控制器信号输入端子连接。

6.一种基于权利要求1所述系统的下行信号传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

主泥浆泵在循环泥浆过程中，控制电控气动三通阀的两个入口的开启、关闭以及开启度，使主泥浆泵吸入一定量的空气，由于空气的可压缩性，循环系统内泥浆的流量和压力发生变化，形成流量脉冲信号；

井下接收设备检测到所述流量脉冲信号并对其解码，得到地面发送的数据。

7.根据权利要求6所述的下行信号传输方法，其特征在于，所述电控气动三通阀与控制设备连接；所述控制设备包括：气源、气动执行器、电磁阀以及开启度和关闭度控制器；

所述气动执行器分别与气源、电磁阀以及开启度和关闭度控制器连接。

8.根据权利要求7所述的下行信号传输方法，其特征在于，还包括：向所述开启度和关闭度控制器发送开启度信号以及向电磁阀发送开启或关闭信号的步骤。