CN106609668A - 一种随钻地层压力测量系统井下指令解码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随钻地层压力测量系统井下指令解码方法及装置，该方法包括：发送解码启动信号；接收到解码启动信号后，基于磁性工具面角与钻铤转速关系及钻铤转速信号判断钻铤转速是否为零；如钻铤转速为零，基于互相关法和管柱压力信号对井下指令进行解码。本发明可以简单、易行地对下传指令进行解码，满足随钻地层压力测量仪器的现场应用。

Description

一种随钻地层压力测量系统井下指令解码方法及装置

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，具体地说，涉及一种随钻地层压力测量系统井下指令解码方法及装置。

背景技术

地层压力随钻测量工具是一种随钻测井仪器，能够在钻头刚钻开地层时进行地层压力测试。该方法的压力测量实时性好、精度高，钻井液对所测地层污染小，能更好地反应地层真实压力状况。

当前，在随钻仪器中，除了旋转导向系统需要双向数据传输外，大部分MWD(Measure While Drilling，随钻测量)仪器或随钻测井仪器都是单向传输系统。地层压力随钻测量工具是利用钻井过程的短间歇进行定点测量，在地面指令的控制下，完成测量探头伸出、测量和收回动作。因此需要下传启动、选择测量参数选择测量模式以及紧急停止等指令，即地层压力随钻测量也需要双向数据传输系统。因此需要设计一种用于地层压力随钻测量的指令接收方法与装置。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种随钻地层压力测量系统井下指令解码方法及装置，可以简单、易行地对下传指令进行解码，满足随钻地层压力测量仪器的现场应用。

根据本发明的一个方面，提供了一种随钻地层压力测量系统井下指令解码方法，包括：

发送解码启动信号；

接收到所述解码启动信号后，基于磁性工具面角与钻铤转速关系及钻铤转速信号判断钻铤转速是否为零；

如钻铤转速为零，基于互相关法和管柱压力信号对井下指令进行解码。

根据本发明的一个实施例，发送解码启动信号的步骤进一步包括：

定时发送中断信号，并以所述中断信号作为所述解码启动信号，其中，所述中断信号的周期设置为小于信号最小脉冲宽度的一半。

根据本发明的一个实施例，基于磁性工具面角与钻铤转速关系及钻铤转速信号判断钻铤转速是否为零的步骤进一步包括：

基于钻铤转速信号计算磁通门传感器的磁性工具面角：

T_m＝-argtan(Fy/Fx),0≤T_m＜360，

其中，T_m为磁性工具面角，Fx为磁通门传感器的X轴信号，Fy为磁通门传感器的Y轴信号；

基于所述磁性工具面角的差分值计算钻铤转速：

v＝diff(T_m)＝ΔT_m/Δt，

其中，v为钻铤转速，ΔT_m为钻铤转速差值，Δt为检测时间间隔。

根据本发明的一个实施例，基于互相关法和管柱压力信号对井下指令进行解码的步骤进一步包括：

对所述管柱压力信号进行中值滤波；

将预设的互相关算子与滤波后的管柱压力信号进行卷积运算；

基于预设的阈值查找所述卷积运算结果中的尖脉冲对应的时间点，以重建开停泵序列；

将重建的开停泵序列与预存的开停泵组合码型进行匹配，如匹配成功，则基于匹配的预存的开停泵组合码型对井下指令进行解码。

根据本发明的一个实施例，所述预设的互相关算子的基波为：

其中，N基于原始指令信号的脉宽设定，n表示从0到2N之间的任意点，对应所述互相关算子的卷积运算结果的负尖脉冲代表脉冲信号下降沿，正尖脉冲代表脉冲信号上升沿。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种随钻地层压力测量系统井下指令解码装置，包括信号处理模块及与所述信号处理模块连接的管柱压力采集模块和钻铤转速采集模块，

其中，所述信号处理模块发送解码启动信号，所述管柱压力采集模块基于所述解码启动信号将采集的管柱压力信号发送给所述信号处理模块，所述钻铤转速采集模块基于所述解码启动信号将采集的钻铤转速信号发送给所述信号处理模块，所述信号处理模块基于磁性工具面角与钻铤转速关系及接收的钻铤转速信号判断钻铤转速是否为零，如钻铤转速为零，所述信号处理模块基于互相关法和管柱压力信号对井下指令进行解码。

根据本发明的一个实施例，所述信号处理模块包括与所述管柱压力采集模块和所述钻铤转速采集模块分别连接的定时单元，用以定时发送中断信号，并以所述中断信号作为所述解码启动信号，其中，所述中断信号的周期设置为小于采集信号最小脉冲宽度的一半。

根据本发明的一个实施例，所述信号处理模块还包括与所述钻铤转速采集模块连接的判断单元，所述判断单元基于磁性工具面角与钻铤转速关系及钻铤转速信号判断钻铤转速是否为零的步骤进一步包括：

基于钻铤转速信号计算磁通门传感器的磁性工具面角：

T_m＝-argtan(Fy/Fx),0≤T_m＜360，

其中，T_m为磁性工具面角，Fx为磁通门传感器的X轴信号，Fy为磁通门传感器的Y轴信号；

基于所述磁性工具面角的差分值计算钻铤转速：

v＝diff(T_m)＝ΔT_m/Δt，

其中，v为钻铤转速，ΔT_m为钻铤转速差值，Δt为检测时间间隔。

根据本发明的一个实施例，所述信号处理模块还包括与所述管柱压力采集模块和所述判断单元分别连接的解码单元，所述解码单元基于互相关法和管柱压力信号对井下指令进行解码，其中解码过程进一步包括：

对所述管柱压力信号进行中值滤波；

将预设的互相关算子与所述管柱压力信号进行卷积运算；

基于预设的阈值查找所述卷积运算结果中的尖脉冲对应的时间点，以重建开停泵序列；

将重建的开停泵序列与预存的开停泵组合码型进行匹配，如匹配成功，则基于匹配的预存的开停泵组合码型对滤波后的井下指令进行解码。

根据本发明的一个实施例，所述解码单元采用的所述预设的互相关算子的基波为：

其中，N基于原始指令信号的脉宽设定，n表示从0到2N之间的任意点，对应所述互相关算子的卷积运算结果的负尖脉冲代表脉冲信号下降沿，正尖脉冲代表脉冲信号上升沿。

根据本发明的一个实施例，所述管柱压力采集模块包括压力传感器、与所述压力传感器连接的管柱压力信号调理单元、与所述管柱压力信号调理单元和所述解码单元连接的管柱压力信号A/D转换单元；

所述钻铤转速采集模块包括磁通门传感器、与所述磁通门传感器连接的钻铤转速信号调理单元、与所述钻铤转速信号调理单元和所述判断单元连接的钻铤转速信号A/D转换单元。

本发明的有益效果：

本发明为地层压力随钻测量系统提供一种简单、易行的下传指令井下指令解码方法及装置，可以满足随钻地层压力测量仪器的现场应用。在实际应用时，下传指令全部由井下电路自动计算和解码，在地面人为操作泥浆泵的开停时间间隔就可以实现指令下传。此外，本发明由于同时监测管柱压力信号和钻铤转速信号，能够确保随钻地层压力测量系统仅在钻铤完全停止旋转时才执行探头推靠动作，保证了仪器工作的可靠性和安全性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明的一个实施例的一种随钻地层压力测量系统井下指令解码方法流程图；

图2a是根据本发明的一个实施例的由磁通门传感器中的磁场强度示意图；

图2b是对应图2a的磁性工具面角示意图；

图2c是对应图2b的钻铤旋转速度示意图；

图3a是根据本发明的一个实施例的某次开停泵时的压力波动信号示意图；

图3b是对应图3a的开停泵时间间隔示意图；

图4a是根据本发明的一个实施例的井下指令滤波后的波形示意图；

图4b是对应图4a的管柱压力信号和互相关算子互相关处理后的正负脉冲的序列示意图；

图4c是对应图4b的重建的开停泵序列示意图；以及

图5根据本发明的一个实施例的一种随钻地层压力测量系统井下指令解码装置结构图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

随钻地层压力测量系统的指令下传系统包括地面指令发送装置和井下指令接收装置两部分。其中，地面指令发送装置可以通过地面旁通管路泄流或者调整泵冲的方式，在钻井的主循环管路中形成理想的泥浆压力脉冲，实现地面指令向下传输。而对于泥浆压力脉冲的井下接收解码装置则相对复杂，需要设计一种简单、可行的下传指令井下解码方法与装置。

井下指令接收装置的信号源可以使用敏感于震动的加速度计、敏感于压力变化的压力传感器、或者敏感于流量变化的涡轮转速等信号。对于地层压力随钻测量仪器来说，使用管柱内压力作为信号源更加方便可行。无论是采用哪种信号源，对于井下指令接收装置来说，最关键的问题是要正确识别出泥浆脉冲信号的变化间隔，也就是信号的上升沿和下降沿时刻。

如图1所示为根据本发明的一个实施例的一种随钻地层压力测量系统井下指令解码方法流程图，以下参考图1来对本发明进行详细说明。

首先，在步骤S110中，发送解码启动信号。在该步骤中，对井下指令下传进行全程监测，在需进行井下指令解码时，发出相应的启动信号，基于该启动信号，相应设备进行对应的解码操作。

具体的，可以采用定时中断信号启动解码操作，由定时器产生的中断信号启动指令解码。也就是说，定时器间隔预定的时间发出一个中断信号，相应设备接收到该中断信号后即开始对应的解码操作。定时器中断信号的中断周期与下传信号的脉宽有关，周期太短，频繁计算会浪费控制器资源，周期太长，会影响解码的准确性。因此，在本发明中，将中断信号的周期设置为小于信号最小脉冲宽度的一半。

接下来，在步骤S120中，接收到解码启动信号后，基于磁性工具面角与钻铤转速关系及钻铤转速信号判断钻铤转速是否为零。

具体的，在该步骤中，基于采集的钻铤转速信号计算磁通门传感器的磁性工具面角T_m。通常将磁通门传感器安装在随钻地层压力测量系统的芯轴上，或者钻铤上的电路板舱槽内，与钻铤固定在一起，能够随着钻铤旋转而旋转。通过监测钻铤转速信号，即通过测量磁通门传感器中的磁场获取磁性工具面角。磁通门传感器中的磁场强度如图2a所示，磁性工具面角T_m可通过下式计算得到：

T_m＝-argtan(Fy/Fx),0≤T_m＜360。 (1)

磁性工具面角如图2b所示。磁通门传感器通常用来与加速度计组合测量姿态，但在本发明中，将其用来测量钻铤转速。磁性工具面角与钻铤的重力工具面角存在一个固定角差，能够用来表征钻铤的旋转角度位置，由磁通门的X轴信号(Fx)和Y轴信号(Fy)的反正切函数计算得到，如式(1)所示。

当钻铤旋转时，磁性工具面角的差分值与旋转速度成正比，即：

v＝diff(T_m)＝ΔT_m/Δt (2)

钻铤旋转速度如图2c所示。在实际使用中，需要根据钻铤转速范围合理选择检测时间间隔Δt。如果用来测量常规钻铤转速，Δt一般可选择10s。不同于常规的钻铤转速测量，本发明使用钻铤转速与开停泵组合进行地层压力随钻测量系统的指令下传，地层压力随钻测量系统要求钻铤绝对静止，不能旋转。因此，要求测量的转速范围较低，要选择一个较小的Δt，如10ms。

地层压力随钻测量系统属于定点测量，必须保证在探头推靠至井壁时，钻铤保持静止状态，不能旋转，所以要求监测钻铤旋转状态，保证只在钻铤停止状态下接收地面指令。

最后，在步骤S130中，如钻铤转速为零，基于互相关法和管柱压力信号对井下指令进行解码。

当泵排量发送变化时，井下管柱压力也将发生变化，两者之间的关系为

其中，ΔP_pusle为压力差；Q_o为泥浆泵全开时的通过钻铤的钻井液流量；Q_c为泥浆泵部分开时的通过钻铤的钻井液流量；R为钻井液流阻，常数。有时为了获得较大的压力差，进行停泵，停泵是泥浆泵部分开的极限情况。由式(3)可见，流阻不变，即使很小的流量变化，在井下管柱压力上也会发生很大的变化。

对于采集到的管柱压力信号，在采用互相关法提取信号边沿之前，需要对原始井下指令信号进行初次滤波，以滤除高频噪声，一般可以采用中值滤波或带通滤波，滤波后的波形如图4a所示。对于管柱压力测量信号P(t)，采样频率应至少为5～10Hz。图3a为某次开停泵时的压力波动信号示意图，图3b为对应的开停泵时间间隔示意图。其中1代表开泵，0代表停泵。在此处，开停泵时间间隔均设置为30s。该指令为“停泵-开泵-停泵”。在井下信号解码模块中需要首先原样恢复出图3b所示的开停泵序列

接下来，将预设的互相关算子与管柱压力信号进行卷积运算。在本发明中，预设的互相关算子的基波采用+1和-1组成的方波序列组成。序列长度取决于最小脉冲宽度。卷积完成后，得到如图4b所示的具有正负脉冲的序列。对于管柱压力信号没有波动的时间点，计算结果是小于某个预设阈值ε的零值。当有上升沿或下降沿等剧烈信号跳变时，计算结果为大于该阈值的尖脉冲。使用峰值查找法完成边沿提取，即可找出尖脉冲所对应的时间点，由图4c很容易完成开停泵序列的重建。由图4b和图4c可以看出，负的尖脉冲代表下降沿，正的尖脉冲代表上升沿。

在本发明中，采用的互相关算子的基波表达式如下：

其中，N与原始指令信号的脉宽有关，N太长会导致计算结果的尖脉冲太宽，而且幅值不够大；N太小时，计算结果的噪声太大。n表示从0到2N之间的任意点,N一般取10即可。

对于长度为M的管柱压力信号P(m)，0<m<M，采用互相关算子和管柱压力信号P(m)进行卷积的表达式如下：

其中，R(m)为互相关运算结果，P代表压力信号，m，n均为某一时刻点。互相关计算完成后，采用正负峰值查找法即可确定脉冲信号上升沿和下降沿的位置，基于脉冲信号上升沿和下降沿从而完成开停泵序列的重建。最后，将重建的开停泵序列与预存的开停泵组合码型进行匹配，如匹配成功，则基于匹配的预存的开停泵组合码型对滤波后的井下指令进行解码。

本发明为地层压力随钻测量系统提供一种简单、易行的下传指令井下指令解码方法，可以满足随钻地层压力测量仪器的现场应用。在实际应用时，下传指令全部由井下电路自动计算和解码，在地面人为操作泥浆泵的开停时间间隔就可以实现指令下传。此外，本发明由于同时监测管柱压力信号和钻铤转速信号，能够确保随钻地层压力测量系统仅在钻铤完全停止旋转时才执行探头推靠动作，保证了仪器工作的可靠性和安全性。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种随钻地层压力测量系统井下指令解码装置，如图5所示，该装置包括信号处理模块及与该信号处理模块连接的管柱压力采集模块和钻铤转速采集模块。

其中，信号处理模块发送解码启动信号，管柱压力采集模块基于解码启动信号将采集的管柱压力信号发送给信号处理模块，钻铤转速采集模块基于解码启动信号将采集的钻铤转速信号发送给信号处理模块，信号处理模块基于磁性工具面角与钻铤转速关系及接收的钻铤转速信号判断钻铤转速是否为零，如钻铤转速为零，信号处理模块基于互相关法对接收的管柱压力信号进行解码。

根据本发明的一个实施例，信号处理模块包括与管柱压力采集模块和钻铤转速采集模块分别连接的定时单元，用以定时发送中断信号，并以该中断信号作为解码启动信号，其中，中断信号的周期设置为小于采集信号的最小脉冲宽度的一半。

根据本发明的一个实施例，信号处理模块还包括与钻铤转速采集模块连接的判断单元，该判断单元基于磁性工具面角与钻铤转速关系及钻铤转速信号判断钻铤转速是否为零的步骤进一步包括：根据式(1)，基于钻铤转速信号计算磁通门传感器的磁性工具面角：根据式(2)，基于磁性工具面角的差分值计算钻铤转速。

根据本发明的一个实施例，该信号处理模块还包括与管柱压力采集模块和判断单元分别连接的解码单元，该解码单元基于互相关法和管柱压力信号对井下指令进行解码，其中解码过程进一步包括：对管柱压力信号进行中值滤波；将预设的互相关算子与管柱压力信号进行卷积运算；基于预设的阈值查找卷积运算结果中的尖脉冲对应的时间点，以重建开停泵序列；将重建的开停泵序列与预存的开停泵组合码型进行匹配，如匹配成功，则基于匹配的预存的开停泵组合码型对滤波后的井下指令进行解码。

根据本发明的一个实施例，该解码单元采用的所述预设的互相关算子为式(4)。

根据本发明的一个实施例，该管柱压力采集模块包括压力传感器、与压力传感器连接的管柱压力信号调理单元、与管柱压力信号调理单元和解码单元连接的管柱压力信号A/D转换单元。其中，压力传感器可以采用应变式压力传感器，其体积小，精度高，使用灵活方便，如果需要温度补偿的话，还需要有一路温度采集信号。应变式压力传感器的输出信号为mV级的信号，为便于测量，需要管柱压力信号调理单元将信号调理为0-10V或0-5V的标准信号。

钻铤转速采集模块包括磁通门传感器、与磁通门传感器连接的钻铤转速信号调理单元、与钻铤转速信号调理单元和判断单元连接的钻铤转速信号A/D转换单元。其中，钻铤转速信号调理单元将磁通门传感器输出的信号调理到0-10V以内。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种随钻地层压力测量系统井下指令解码方法，包括：

发送解码启动信号；

接收到所述解码启动信号后，基于磁性工具面角与钻铤转速关系及钻铤转速信号判断钻铤转速是否为零；

如钻铤转速为零，基于互相关法和管柱压力信号对井下指令进行解码。

2.根据权利要求1所述的解码方法，其特征在于，发送解码启动信号的步骤进一步包括：

定时发送中断信号，并以所述中断信号作为所述解码启动信号，其中，所述中断信号的周期设置为小于信号最小脉冲宽度的一半。

3.根据权利要求1或2所述的解码方法，其特征在于，基于磁性工具面角与钻铤转速关系及钻铤转速信号判断钻铤转速是否为零的步骤进一步包括：

基于钻铤转速信号计算磁通门传感器的磁性工具面角：

T_m＝-argtan(Fy/Fx),0≤T_m＜360，

其中，T_m为磁性工具面角，Fx为磁通门传感器的X轴信号，Fy为磁通门传感器的Y轴信号；

基于所述磁性工具面角的差分值计算钻铤转速：

v＝diff(T_m)＝ΔT_m/Δt，

其中，v为钻铤转速，ΔT_m为钻铤转速差值，Δt为检测时间间隔。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的解码方法，其特征在于，基于互相关法和管柱压力信号对井下指令进行解码的步骤进一步包括：

对所述管柱压力信号进行中值滤波；

将预设的互相关算子与滤波后的管柱压力信号进行卷积运算；

基于预设的阈值查找所述卷积运算结果中的尖脉冲对应的时间点，以重建开停泵序列；

将重建的开停泵序列与预存的开停泵组合码型进行匹配，如匹配成功，则基于匹配的预存的开停泵组合码型对井下指令进行解码。

5.根据权利要求4所述的解码方法，其特征在于，所述预设的互相关算子的基波为：

$B\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}-1,0<n<N\\ 1,N<n<2N\end{array}\right.,$

其中，N基于原始指令信号的脉宽设定，n表示从0到2N之间的任意点，对应所述互相关算子的卷积运算结果的负尖脉冲代表脉冲信号下降沿，正尖脉冲代表脉冲信号上升沿。

6.一种随钻地层压力测量系统井下指令解码装置，包括信号处理模块及与所述信号处理模块连接的管柱压力采集模块和钻铤转速采集模块，

其中，所述信号处理模块发送解码启动信号，所述管柱压力采集模块基于所述解码启动信号将采集的管柱压力信号发送给所述信号处理模块，所述钻铤转速采集模块基于所述解码启动信号将采集的钻铤转速信号发送给所述信号处理模块，所述信号处理模块基于磁性工具面角与钻铤转速关系及接收的钻铤转速信号判断钻铤转速是否为零，如钻铤转速为零，所述信号处理模块基于互相关法和管柱压力信号对井下指令进行解码。

7.根据权利要求6所述的解码装置，其特征在于，所述信号处理模块包括与所述管柱压力采集模块和所述钻铤转速采集模块分别连接的定时单元，用以定时发送中断信号，并以所述中断信号作为所述解码启动信号，其中，所述中断信号的周期设置为小于采集信号最小脉冲宽度的一半。

8.根据权利要求6或7所述的解码装置，其特征在于，所述信号处理模块还包括与所述钻铤转速采集模块连接的判断单元，所述判断单元基于磁性工具面角与钻铤转速关系及钻铤转速信号判断钻铤转速是否为零的步骤进一步包括：

基于钻铤转速信号计算磁通门传感器的磁性工具面角：

T_m＝-argtan(Fy/Fx),0≤T_m＜360，

其中，T_m为磁性工具面角，Fx为磁通门传感器的X轴信号，Fy为磁通门传感器的Y轴信号；

基于所述磁性工具面角的差分值计算钻铤转速：

v＝diff(T_m)＝ΔT_m/Δt，

其中，v为钻铤转速，ΔT_m为钻铤转速差值，Δt为检测时间间隔。

9.根据权利要求8所述的解码装置，其特征在于，所述信号处理模块还包括与所述管柱压力采集模块和所述判断单元分别连接的解码单元，所述解码单元基于互相关法和管柱压力信号对井下指令进行解码，其中解码过程进一步包括：

对所述管柱压力信号进行中值滤波；

将预设的互相关算子与所述管柱压力信号进行卷积运算；

基于预设的阈值查找所述卷积运算结果中的尖脉冲对应的时间点，以重建开停泵序列；

将重建的开停泵序列与预存的开停泵组合码型进行匹配，如匹配成功，则基于匹配的预存的开停泵组合码型对滤波后的井下指令进行解码。

10.根据权利要求9所述的解码装置，其特征在于，所述解码单元采用的所述预设的互相关算子的基波为：

$B\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}-1,0<n<N\\ 1,N<n<2N\end{array}\right.,$

其中，N基于原始指令信号的脉宽设定，n表示从0到2N之间的任意点，对应所述互相关算子的卷积运算结果的负尖脉冲代表脉冲信号下降沿，正尖脉冲代表脉冲信号上升沿。

11.根据权利要求9所述的解码装置，其特征在于，

所述管柱压力采集模块包括压力传感器、与所述压力传感器连接的管柱压力信号调理单元、与所述管柱压力信号调理单元和所述解码单元连接的管柱压力信号A/D转换单元；

所述钻铤转速采集模块包括磁通门传感器、与所述磁通门传感器连接的钻铤转速信号调理单元、与所述钻铤转速信号调理单元和所述判断单元连接的钻铤转速信号A/D转换单元。