CN108240219A - 一种旋转导向钻井系统信息下传的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地质勘探技术领域，尤其涉及一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，该方法通过改变泥浆钻井泵的工作泵序，调制钻井液排量变化来达到控制旋转导向钻井系统的工作模式的目的。一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，包括建立钻井液排量变化趋势与井下旋转导向工具工作模式的对应关系表；计算出钻井液排量变化情况以调制钻井泵工作泵序；解调得到钻井液排量变化趋势；计算得到井下旋转导向工具的工作模式等，完成旋转导向钻井系统的信息下传工作。

Description

一种旋转导向钻井系统信息下传的方法

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，尤其涉及一种旋转导向钻井系统信息下传的方法。

背景技术

在旋转导向钻井系统中，系统主要由井下旋转导向工具、双向通讯系统和地面监控装置三部分组成。旋转导向钻井系统在工作时,井下工具接收来自地面监控系统的命令，自动执行指令实时调节工具姿态，进行稳斜、造斜或降斜钻进，钻出合适的井眼。

通常情况下，井下数据从井下到地面的上行通讯采用现有的MWD(随钻测量单元)系统的完成，而下行通讯与上行通讯在传输特性、检测方式和通讯内容上都有很大区别。由于井下的空间有限，原来地面泥浆脉冲信号庞大的接收系统难以在井下有限空间内实现。另外，由于有泥浆的粘性阻力和管路系统的弹性变形，泥浆脉冲在传输过程中存在着明显的衰减。特别是在超深井、大位移井的钻井中，泥浆脉冲信号很难识别。因此，要在井下高温、高压、强烈振动的恶劣环境下准确可靠地分辨出微弱的泥浆压力信号并非易事。当前国外应用的旋转导向钻井系统采用的下传通讯技术,需要在地面高压循环管路中外加压力变化产生装置，再将原来地面检测压力的装置进行微型化集成到井下工具中。通过地面监控系统实施控制压力变化装置，使高压管路内产生压力变化，通过井下微型压力检测装置对产生的压力变化进行滤波检测，实现信息下传。这种下传方式的好处是下传的信息量大，实时性强，对井队施工干扰小。但存在的问题是该下传方式需要在高压循环管路中外接压力变化装置，影响高压管路安全，增加设备成本，并且在井下实时准确地检测出微弱的压力变化并非易事。

国内西安石油大学汤楠教授等提出的采用钻井液负脉冲方式下传信号，采取三降三升固定命令字脉宽编码方式。给下传通讯提供了一种原理上的实现方法选择，但其下行传输数据以脉宽时间为编码基础，同样需要配备地面专门的压力变化装置，这无疑增加了设备成本及井下脉冲宽度时间检测的难度，同时，其用固定的5位指令码表示相应的导向力级别和工具面角，通常情况下增加了下传所需要的时间，在现场施工中由于钻具长时间在某一位置开泵，对井壁有冲蚀而形成大肚子井眼，不利于后期施工。因此，有必要结合旋转导向系统的下行通讯信息的技术特点，寻求一种简单、安全的下传通讯方式显得尤为重要。

发明内容

本发明提供了一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，该方法通过改变泥浆钻井泵的工作泵序调制钻井液排量变化来达到控制旋转导向钻井系统的工作模式的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，所述旋转导向钻井系统包括有井下旋转导向工具、双向通讯系统和地面监控装置，所述井下旋转导向工具包括有钻井泵、井下发电机、滤波整流器、随钻测量单元、井下工具控制器、工具执行机构，所述信息下传方法包括如下步骤：

S1：建立钻井液排量变化趋势与井下旋转导向工具工作模式的对应关系表；

S2：地面监控装置确定出井下旋转导向工具所需的工作模式，并根据钻井液排量变化趋势与井下旋转导向工具工作模式对应关系表，计算出钻井液排量变化情况；

地面监控装置调制钻井泵工作泵序，产生钻井液排量变化；

S3：井下旋转导向工具中的井下工具控制器控制随钻测量单元采集井下发电机频率、电压的变化，解调得到钻井液排量变化趋势；

S4：井下旋转导向工具中的井下工具控制器根据解调得到钻井液排量变化趋势，并根据钻井液排量变化与井下旋转导向工具工作模式对应关系表计算得到井下旋转导向工具的工作模式。

进一步的，地面监控装置确定出井下旋转导向工具所需的工作模式具体包括：地面监控装置接收井下旋转导向工具中的随钻测量单元收集的井下旋转导向工具的工作姿态数据，并根据工作姿态数据判断得出井下旋转导向工具的工作模式。

进一步的，所述井下旋转导向工具的工作姿态数据包括井下旋转导向工具所处位置的井下方位、井斜、重力场、磁场以及磁倾角。

进一步的，所述井下旋转导向工具的工作模式包括有导向模式、垂钻模式、非导向模式及预留模式。

优选的，当井下旋转导向工具采用导向模式工作时，导向目标工具面井斜不大于5°时，采用磁性工具面，导向目标工具面井斜大于5°时，采用重力工具面。

优选的，井下旋转导向工具解调钻井液排量变化时保持不旋转、不上下移动的静止状态。

可选的，钻井液排量变化的区间为正常排量至关泵排量。

较为优选的，井下旋转导向工具中井下工具控制器与井下发电机、随钻测量单元、工具执行机构通过井下标准总线建立通讯数据交互连接。

本发明提供了一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，其中该方法利用了现有旋转导向钻井系统的结构单元实时监测钻井液排量的变化趋势从而达到控制调整井下旋转导向工具工作模式的技术效果，而不需要增加专有下传信号发生装置、旁路压力管路，节约了设备成本；此外，该方法具有下传信息占用时间短，不改变钻井高压循环管汇，未增加旁路压力管网等特点，对提高钻井安全性、提高钻井泥浆破岩效率均有好处，为自主成功开发旋转导向钻井系统提供一种基础技术选择。

附图说明

图1为本发明旋转导向钻井系统的结构示意图；

图2为本发明旋转导向钻井系统信息下传方法的流程示意图；

图3为本发明与旋转导向钻井系统垂钻模式相对应的钻井液排量三降三升趋势图；

图4为本发明与旋转导向钻井系统导向模式相对应的钻井液排量两降两升趋势图；

图5为本发明与旋转导向钻井系统稳斜模式相对应的钻井液排量一降一升趋势图。

具体实施方式

本发明提供了一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，该方法通过改变泥浆钻井泵的工作泵序调制钻井液排量变化来达到控制旋转导向钻井系统的工作模式的目的。

下面结合下述附图来详细描述对本发明提供的一种旋转导向钻井系统信息下传的方法。

如图1所述，图1是本发明提供的旋转导向钻井系统的结构示意图。具体的，该旋转导向钻井系统包括有：地面监控装置、双向通讯系统（双向通讯通道）以及井下旋转导向工具。其中，井下旋转导向工具进一步包括有钻井泵、井下发电机、滤波整流器、随钻测量单元、井下工具控制器、工具执行机构等结构单元。作为一种可选的实施方式，井下工具控制器与井下发电机、随钻测量单元、工具执行机构通过井下标准总线建立通讯数据交互连接。

图2是本发明提供一种旋转导向钻井系统信息下传方法的流程示意图。熟悉钻井工艺的人们都知道，钻井过程中在每钻完一根钻杆（又称为单根）后，通常要对所钻井眼进行检测，用以确定下一根单根如何钻进。具体的包括有如下步骤，首先建立钻井液排量变化趋势与井下旋转导向工具工作模式的对应关系表。井下旋转导向工具工作模式至少包括有导向模式、垂钻模式、非导向模式及预留模式。而对应关系可示例性的表示为：例如如图3所示，以钻井液排量三降三升趋势作为垂钻模式的对应触发信号。具体的，保持钻井液正常排量一段时间，通常为2分钟左右，开始降低排量到正常排量的80%左右（钻井液排量变化的区间为正常排量至关泵排量），保持时间，调排量到正常，保持时间；再次降低排量到正常排量的80%左右，保持时间，调排量到正常，保持时间；第三次降低排量到正常排量的80%左右，保持时间，调排量到正常，保持时间。其中时间是根据需要自行定义的数值，通常选择30～60秒，上面所称的钻井液排量变化趋势就简称为三降三升，通过钻井液排量三降三升从而触发井下旋转导向工具的垂钻模式。

而如图4、图5所示，图4为触发井下旋转导向工具的导向工作模式钻井液排量变化趋势即钻井液两降两升，其中时间与前述实施例表示内容相同，时间用于线性表示导向力大小，越长导向力越大。的取值范围可自行定义，通常选择30∼150秒。具体的对应关系可参照下表。

（秒）	30	60	90	120	150
						导向力（%）	20	40	60	80	100

图5为触发井下旋转导向工具的稳斜工作模式钻井液排量变化趋势即钻井液一降一升，相关内容参考上文，因篇幅有限在此不做赘述。

以上示例性的给出了三种钻井液排量变化趋势与井下旋转导向工具工作模式的对应关系，本领域技术人员可根据实际工作需要自行建立钻井液排量变化趋势与井下旋转导向工具工作模式的对应关系表。

在建立钻井液排量变化趋势与井下旋转导向工具工作模式的对应关系表完成后，进一步的，地面监控装置确定出井下旋转导向工具所需的工作模式。具体的，地面监控装置在钻完单根后关闭钻井泵，并由旋转导向工具中随钻测量单元以及井下工具控制器收集井下旋转导向工具的工作姿态数据，更新钻井当前状态。作为一种较为优选的实施方式，井下旋转导向工具的工作姿态数据至少包括有井下旋转导向工具所处位置的井下方位、井斜、重力场、磁场以及磁倾角等数据信息，而收集相关数据信息的工作可由井下旋转导向工具中的随钻测量单元以及其他传感器单元完成。收集好的井下旋转导向工具的工作姿态数据经由双向通讯系统上传至地面监控装置，并由地面工作人员或地面决策系统确定出井下旋转导向工具所需开泵模式。

在井下旋转导向工具工作模式确定完成后，参照钻井液排量变化趋势与井下旋转导向工具工作模式对应关系表可计算出钻井液排量变化具体情况（例如：参照附图3、4、5以及其对应的实施例），并由地面监控装置调制钻井泵工作泵序，从而产生相应的钻井液排量变化，实现旋转导向工具工作模式的信息下传。

具体的，当钻井液排量发生变化时，该排量变化会首先由井下发电机的输出交流电压反应出来，同时也会通过交流电压的输出频率来体现。其中，由井下工具控制器控制随钻测量单元采集井下发电机频率、电压的变化，从而实现解调钻井液排量变化趋势。信号采集过程又进一步包括有：信号滤波、整形、以及对采集信号的放大等。此外，为进一步提高井下发电机频率、电压的检测成功率，可通过电机驱动如齿轮箱或其他结构进行倍频，对频率、电压信号进行放大。

最后解调得到钻井液排量变化趋势，结合钻井液排量变化与井下旋转导向工具工作模式对应关系表即可计算得出井下旋转导向工具的工作模式。值得注意的是，为确保解调信息的正确率，井下旋转导向工具在解调钻井液排量变化过程中需保持不旋转、不上下移动的静止状态，即处于停泵监测状态。

至此，完成了通过利用钻井液排量变化趋势而控制调整井下旋转导向工具工作模式的技术效果。

本发明提供了一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，其中该方法利用了现有旋转导向钻井系统的结构单元实时监测钻井液排量的变化趋势从而达到控制调整井下旋转导向工具工作模式的技术效果，而不需要增加专有下传信号发生装置、旁路压力管路，节约了设备成本；此外，该方法具有下传信息占用时间短，不改变钻井高压循环管汇，未增加旁路压力管网等特点，对提高钻井安全性、提高钻井泥浆破岩效率均有好处，为自主成功开发旋转导向钻井系统提供一种基础技术选择。

Claims (8)

1.一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，所述旋转导向钻井系统包括有井下旋转导向工具、双向通讯系统和地面监控装置，所述井下旋转导向工具包括有钻井泵、井下发电机、滤波整流器、随钻测量单元、井下工具控制器、工具执行机构，其特征在于，所述信息下传方法包括如下步骤：

S1：建立钻井液排量变化趋势与井下旋转导向工具工作模式的对应关系表；

S2：地面监控装置确定出井下旋转导向工具所需的工作模式，并根据钻井液排量变化趋势与井下旋转导向工具工作模式对应关系表，计算出钻井液排量变化情况；

地面监控装置调制钻井泵工作泵序，产生钻井液排量变化；

S3：井下旋转导向工具中的井下工具控制器控制随钻测量单元采集井下发电机频率、电压的变化，解调得到钻井液排量变化趋势；

S4：井下旋转导向工具中的井下工具控制器根据解调得到钻井液排量变化趋势，并根据钻井液排量变化与井下旋转导向工具工作模式对应关系表计算得到井下旋转导向工具的工作模式。

2.根据权利要求1所述的一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，其特征在于，地面监控装置确定出井下旋转导向工具所需的工作模式具体包括：地面监控装置接收井下旋转导向工具中的随钻测量单元收集的井下旋转导向工具的工作姿态数据，并根据工作姿态数据判断得出井下旋转导向工具的工作模式。

3.根据权利要求2所述的一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，其特征在于，所述井下旋转导向工具的工作姿态数据包括井下旋转导向工具所处位置的井下方位、井斜、重力场、磁场以及磁倾角。

4.根据权利要求1所述的一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，其特征在于，所述井下旋转导向工具的工作模式包括有导向模式、垂钻模式、非导向模式及预留模式。

5.根据权利要求4所述的所述的一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，其特征在于，当井下旋转导向工具采用导向模式工作时，导向目标工具面井斜不大于5°时，采用磁性工具面，导向目标工具面井斜大于5°时，采用重力工具面。

6.根据权利要求1所述的所述的一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，其特征在于，井下旋转导向工具解调钻井液排量变化时保持不旋转、不上下移动的静止状态。

7.根据权利要求1所述的所述的一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，其特征在于，钻井液排量变化的区间为正常排量至关泵排量。

8.根据权利要求1所述的所述的一种旋转导向钻井系统信息下传的方法，其特征在于，井下旋转导向工具中井下工具控制器与井下发电机、随钻测量单元、工具执行机构通过井下标准总线建立通讯数据交互连接。