CN108368738A - 使用空间变换进行的多井下传感器数字对齐 - Google Patents

使用空间变换进行的多井下传感器数字对齐 Download PDF

Info

Publication number
CN108368738A
CN108368738A CN201680072884.9A CN201680072884A CN108368738A CN 108368738 A CN108368738 A CN 108368738A CN 201680072884 A CN201680072884 A CN 201680072884A CN 108368738 A CN108368738 A CN 108368738A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensor
sensor node
node
data
borehole
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201680072884.9A
Other languages
English (en)
Inventor
R·J·姚
E·C·苏利文
N·玛卡尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ge (ge) Beck Hughes Ltd
Original Assignee
Ge (ge) Beck Hughes Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ge (ge) Beck Hughes Ltd filed Critical Ge (ge) Beck Hughes Ltd
Publication of CN108368738A publication Critical patent/CN108368738A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B44/00—Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B49/00—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells
    • E21B49/003—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells by analysing drilling variables or conditions
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/02—Determining slope or direction
    • E21B47/024—Determining slope or direction of devices in the borehole
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/12—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
  • Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)

Abstract

本发明公开了井筒传感器系统和相关方法。一种井筒传感器系统包括第一传感器节点和第二传感器节点。所述第一传感器节点在第一位置处可操作地联接到钻柱。所述第二传感器节点在第二位置处可操作地联接到所述钻柱。一种方法包括：相对于第一空间参考系从所述第一传感器节点获取第一传感器读数，并且相对于第二空间参考系从所述第二传感器节点获取第二传感器读数；以及使用所述第一传感器读数和所述第二传感器读数来估计数学变换的参数，所述数学变换被配置成将所述第二传感器读数变换到所述第一空间参考系中。所述方法还包括利用所估计的数学变换将所述第二传感器读数变换到所述第一空间参考系中。

Description

使用空间变换进行的多井下传感器数字对齐
优先权要求
本申请要求2015年10月30日申请的标题为“Multiple Downhole Sensor DigitalAlignment Using Spatial Transforms”的美国专利申请序列号14/928,722的申请日的权益。
技术领域
本公开的实施方案大体上涉及井筒传感器系统，并且更特定地涉及包括多个传感器节点的井筒传感器系统。
背景技术
本领域中已知传感器在井筒中的使用。钻井时用于井筒的传感器的一个示例是由德克萨斯州的休斯顿的Baker Hughes Incorporated商业提供的MULTISENSETM动态映射系统。MULTISENSETM动态映射系统记录长达200小时的动态事件测量，包括扭转、轴向和横向振动以及每分钟转数(RPM)，以及井下钻压(WOB)和扭矩钻压测量。
使用传感器，诸如随钻MULTISENSETM动态映射系统可以提高钻井效率并缩短非生产时间(NPT)并且具有其他有益效果。然而，需要进一步提高钻井效率并缩短NPT。
发明内容
本文在一些实施方案中公开了一种井筒传感器系统，其包括可操作地联接到被配置成钻穿地层的钻井元件的钻柱，以及多个传感器节点。所述多个传感器节点至少包括第一传感器节点和第二传感器节点。第一传感器节点在第一位置处可操作地联接到钻柱并且包括一个或多个第一传感器，所述第一传感器包括第一空间传感器。第二传感器节点在第二位置处可操作地联接到钻柱，所述第二位置沿着钻柱的长度偏离第一位置。第二传感器节点包括一个或多个第二传感器，所述第二传感器包括第二空间传感器。井筒传感器系统还包括井筒通信系统，所述井筒通信系统可操作地联接到多个传感器节点中的每一个，并被配置成使得多个传感器节点能够通过井筒通信系统传输传感器数据。井筒传感器系统还包括一个或多个控制电路，所述控制电路可操作地联接到井筒通信系统，并被配置成从第一传感器节点和第二传感器节点接收传感器数据。所述一个或多个控制电路各自包括可操作地联接到数据存储装置的处理器。数据存储装置包括存储在其上的计算机可读指令。处理器被配置成执行存储在数据存储装置上的计算机可读指令。计算机可读指令被配置成指示处理器使用来自第一空间传感器和第二空间传感器的传感器数据来估计数学变换的参数，所述数学变换被配置成将来自第二传感器节点的第二空间参考系中的第二传感器节点的传感器读数变换到第一传感器节点的第一空间参考系中。计算机可读指令还被配置成指示处理器使用所估计的数学变换将来自第二传感器节点的传感器读数变换到第一空间参考系中。
本文在一些实施方案中公开了一种将井筒传感器数据变换到共同的空间参考系中的方法。所述方法包括利用在第一位置处可操作地联接到钻柱的第一传感器节点获取第一传感器读数，所述第一传感器读数相对于第一传感器节点的第一空间参考系获取；所述方法还可以包括利用在第二位置处可操作地联接到钻柱的第二传感器节点获取第二传感器读数，所述第二位置沿着钻柱的长度偏离第一位置。第二传感器读数相对于第二传感器节点的第二空间参考系获取。所述方法还包括利用处理器执行存储在数据存储装置上的计算机可读指令。计算机可读指令被配置成指示处理元件使用第一传感器读数和第二传感器读数来估计数学变换的参数，所述数学变换被配置成将第二传感器读数变换到第一空间参考系中，并且用所估计的数学变换将第二传感器读数变换到第一空间参考系中。
附图说明
虽然说明书以特别指出并清楚地声明被认为是本公开的实施方案的权利要求结束，但是当结合阅读时，可以从本公开的示例性实施方案的以下描述更容易地确定本公开的实施方案的各种特征和优点，其中：
图1A是井筒传感器系统的简化示意图；
图1B示出了图1A的井筒传感器系统的钻柱和传感器节点的一部分；
图2是表示图1A的传感器节点中的每一个的传感器节点的简化框图；
图3是可以用于生成数学变换并将数学变换应用于来自图1A的传感器节点的传感器数据的控制电路的简化框图；
图4是说明操作图1A的井筒传感器系统的方法的简化流程图；以及
图5是可以用于实施图3的控制电路的控制电路的示例的简化框图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过说明的方式示出可以实行本公开的具体实施方案。足够详细地描述这些实施方案以使本领域的普通技术人员能够实行本公开。然而，应当理解，详细描述和具体示例虽然指示了本公开的实施方案的示例，但是仅作为说明给出而不作为限制。根据本公开，可以作出处于本公开的范围内的各种替换、修改、添加重新布置或其组合，并且它们对于本领域的普通技术人员而言将变得显而易见。
另外，为了清楚起见，一些附图可能被简化。因此，附图可能并非描绘给定设备(例如，装置)或方法的所有部件。另外，贯穿说明书和附图，相似的附图标记可以用于表示相似的特征。
本文描述的信息和信号可以使用各种不同科技技术中的任何一种来表示。例如，可以通过电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或它们的任何组合来表示可能在整个上述描述中提及的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和码片。为了陈述和描述的清晰性，一些附图可以将信号说明为单个信号。本领域的普通技术人员将理解，信号可以表示信号总线，其中所述总线可以具有各种位宽，并且本公开可以在包括单个数据信号的任何数量的数据信号上实施。
本公开的实施方案包括用于将来自多个井下传感器节点的传感器数据变换到共同的空间参考系中的系统和相关方法。应当注意，尽管参考井下传感器节点描述了本公开的各种实施方案的实用性和应用，但是本公开内容还发现了对可从具有不同空间参考系的多个传感器节点获得传感器数据的任何环境的应用。
如本文所用，术语“空间传感器”是指运动传感器(例如，加速度计等)、位置传感器、取向传感器(例如，磁力计、陀螺仪等)以及它们的组合。作为非限制性示例，空间传感器可以包括三轴加速度计。同样作为非限制性示例，空间传感器可以包括被配置成检测地表的远场磁场的磁力计。
如本文所用，术语“空间数据”是指来自空间传感器的数据，其指示运动、取向、位置或它们的组合。
如本文所用，术语“可操作地联接”是指无线连接和有线连接。“可操作地联接”也可以是指直接(即，在可操作地联接的部件之间没有联接任何东西)和间接(即，在可操作地联接的部件之间联接了其他部件)连接。
图1A是井筒传感器系统100的简化示意图。井筒传感器系统100可以包括可操作地联接到多个传感器节点S1、S2、S3和S4的钻柱130。传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个可以沿着钻柱130的长度在空间上偏离传感器节点S1、S2、S3和S4中的其他传感器节点中的每一个。传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个可以被配置成提供对应于由传感器节点S1、S2、S3和S4中的传感器获取的读数的传感器数据。由于传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个位于沿着钻柱130的不同位置处，所以来自各个传感器节点S1、S2、S3和S4的传感器数据可能不参考共同参考系获取(即，描述对应于传感器节点S1、S2、S3和S4的参考系的概念坐标系的顶点可能位于不同位置)。此外，各种传感器节点S1、S2、S3和S4的取向可能不对齐(即，描述参考系的概念坐标系的参考轴可能不指向相同的方向)。换句话说，可以参考对应于传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的不同的空间参考系获取从传感器节点S1、S2、S3和S4获取的传感器数据。这些不同的空间参考系在位置、取向或它们的组合上可能不同。
图1B示出了图1A的井筒传感器系统100的钻柱130和传感器节点S1和S2的一部分。如前所述，从传感器节点S1、S2、S3和S4获取的传感器数据可以参考不同的空间参考系获取。图1B将这个概念示出为其与传感器节点S1和S2相关。例如，可以参考具有坐标轴X1、Y1和Z1以及顶点V1的第一空间参考系获取由传感器节点S1获取的传感器数据。相反，可以参考具有坐标轴X2、Y2和Z2以及顶点V2的第二空间参考系获取由传感器节点S2获取的传感器数据。正如可以通过检查图1B所观察到的那样，第一和第二空间参考系的顶点V1和V2位于不同的空间位置。而且，虽然第一和第二空间参考系的轴线Z1和Z2看似指向大约相同的方向，但是轴线X1和X2未指向相同的方向，并且轴线Y1和Y2未指向相同的方向。因此，来自传感器节点S1和S2的传感器数据可以不经过修改而容易地组合在一起以绘制所感测的环境特征的更完整图片。本公开的实施方案包括用于生成被配置成变换来自多个传感器节点S1、S2、S3和S4(图1A)的传感器数据的数学变换和用于使用所生成的数学变换将传感器数据变换到共同空间参考系中的系统和方法。
参考图1A，井筒传感器系统100可以被配置成数字地对齐由多个传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个提供的传感器数据。例如，井筒传感器系统100可以被配置成生成数学变换，所述数学变换将来自传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的传感器数据变换到共同的空间参考系中。因此，在将数学变换应用于来自传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的传感器数据之后，可以评估由传感器节点S1、S2、S3和S4中的单独的传感器节点检测到的环境条件之间的空间关系。作为非限制性示例，可以选择传感器S1、S2、S3或S4中的一个为主传感器节点，并且可以将来自传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的传感器数据变换到主传感器节点的空间参考系中。
传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个可以包括至少一个空间传感器(例如，加速度计、磁力计、陀螺仪等)，所述空间传感器被配置成提供传感器节点S1、S2、S3或S4的与其对应的指示运动、取向、位置或它们的组合的空间数据。井筒传感器系统100可以被配置成使用空间数据来生成数学变换。
在一些实施方案中，传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个还可以包括其他传感器。作为非限制性示例，传感器节点S1、S2、S3和S4可以包括温度传感器、压力传感器、仰角传感器、声学传感器、电磁波传感器(例如，射频、红外线、光、紫外线等)、其他传感器以及它们的组合。来自这些传感器的传感器数据可以使用数学变换变换到共同的参考系中。
钻柱130还可以可操作地联接到地面设备120和钻井元件140。钻井元件140可以被配置成穿过地层110钻出井筒114。地面设备120可以位于地层110的表面112上。地面设备120可以被配置成控制钻柱130进入井筒114中的部署以及钻柱130和钻井元件140的旋转。
在一些实施方案中，井筒传感器系统100还可以包括井筒通信系统150，所述井筒通信系统可操作地联接到多个传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个。井筒通信系统150可以被配置成使得多个传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个能够通过井筒通信系统150传输传感器数据。在一些实施方案中，井筒通信系统150还可以可操作地联接到地面设备120，并且被配置成使得地面设备能够通过井筒通信系统150实时地接收传感器数据(例如，如果地面设备120包括被配置成生成数学变换的控制电路)和经变换的传感器数据(例如，如果被配置成生成数学变换的控制电路位于井筒114中，例如在传感器节点S1、S2、S3和S4中的一个或多个处)中的至少一个。
井筒通信系统150可以包括能够使传感器信号能够在井筒114中传输的任何通信系统。作为非限制性示例，井筒通信系统150可以包括泥浆脉冲遥测系统、射频信号遥测系统、电磁遥测系统、声学信号遥测系统、有线管道遥测系统(例如，包括电导体、光纤或它们的组合)、电流遥测系统或它们的组合中的任一个。
在其他实施方案中，每个传感器节点S1、S2、S3和S4可以包括可操作地连接到相应的传感器节点S1、S2、S3或S4的专用的非暂时性存储器201(参见图2)。专用的非暂时性存储器201可以被配置成收集并存储来自相应传感器节点S1、S2、S3或S4的传感器数据。一个或多个控制电路可以与钻柱物理地分离(例如，在用于钻井操作的中央数据分析中心处)并且可以被配置成在钻井结束后从传感器节点S1、S2、S3和S4接收传感器数据以分析并可选地数学转换传感器数据。例如，专用的非暂时性存储器201可以机械地且可操作地连接到每个传感器节点S1、S2、S3和S4。
尽管图1A的井筒传感器系统100包括四个传感器节点S1、S2、S3和S4，但是预期在本公开的范围内，井筒传感器系统100可以包括大于或等于两个的任何数量的传感器节点。只要存在两个或更多个可以彼此不同定位和/或取向的传感器节点，生成数学变换以将传感器数据变换到共同的空间参考系中就可能是有益的。而且，在一些实施方案中，一个或多个另外的传感器节点可以位于钻井元件140上或中。
图2是表示图1A的井筒传感器系统100的传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的传感器节点Sn的简化框图。传感器节点Sn可以包括一个或多个传感器200(在下文中称为“传感器”200)。传感器200可以包括至少一个空间传感器210(在本文中有时称为“空间传感器”210)。作为非限制性示例，空间传感器210可以包括加速度计212、磁力计214、陀螺仪216、其他空间传感器或它们的组合。在一些实施方案中，传感器200还可以包括其他传感器220。作为非限制性示例，其他传感器220可以包括压力传感器、温度传感器、仰角传感器、声学传感器、电磁传感器、其他传感器或它们的组合。
每个传感器200可以被配置成提供指示传感器读数的传感器数据202。当传感器200包括至少一个空间传感器210时，传感器数据202可以至少包括来自至少一个空间传感器210的空间传感器数据。传感器节点Sn可以被配置成通过井筒通信系统150(图1A)传输传感器数据202。
传感器节点Sn还可以包括被配置成跟踪时间的计时模块240。作为非限制性示例，计时模块240可以包括至少一个振荡器和被配置成跟踪时间的计数器。传感器节点Sn可以被配置成将来自传感器200的传感器读数与获取传感器读数的时间相关联，并且包括指示在传感器数据202中获取传感器读数的时间的信息。作为非限制性示例，传感器数据202可以包括阵列，所述阵列包括由传感器获取的读数和获取所述读数的对应时间。计时模块240可以被配置成接收时间信号312，所述时间信号被配置成使计时模块240的时间与传感器节点S1、S2、S3和S4(图1A)中的其他传感器节点的计时模块240的时间同步。以这种方式，传感器节点Sn可以在时间上与传感器节点S1、S2、S3和S4中的其他传感器节点中的每一个同步。
在一些实施方案中，传感器节点S1、S2、S3和S4(图1A)中的一个或多个可以包括控制电路300，所述控制电路被配置成生成数学变换以将来自传感器节点S1、S2、S3和S4中的其他传感器节点的传感器数据204变换到共同的空间参考系中。在这样的实施方案中，生成数学变换的传感器节点Sn可以被配置成通过井筒通信系统150(图1A)从传感器节点S1、S2、S3和S4中的其他传感器节点接收传感器数据204，以及从传感器200接收传感器数据202。因此，控制电路300可以被配置成接收包括传感器数据202和传感器数据204两者的传感器数据302。控制电路300可以被配置成在规定的运动期间收集传感器数据202，使用传感器数据302来生成数学变换，并且将所述数学变换应用于传感器数据302以将传感器数据302变换到共同的空间参考系中。
图3是控制电路300的简化框图，所述控制电路可以用于生成数学变换并将数学变换应用于来自图1A的传感器S1、S2、S3和S4的传感器数据302。控制电路300可以可操作地联接到井筒通信系统150，并且被配置成通过井筒通信系统150传输和接收通信。例如，控制电路300可以被配置成通过井筒通信系统150接收传感器数据302并且传输时间信号312。
控制电路300可以被配置成生成组合变换TCOMB，所述组合变换可以用于将来自传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的传感器数据302变换到共同的空间参考系中。控制电路300还可以被配置成将每个传感器节点S1、S2、S3和S4(图1A)的计时模块240(图2)同步到共同时间。以这种方式，控制电路300可能能够在空间和时间上数字地对齐来自传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的传感器数据302。
如前所述，在一些实施方案中，控制电路300可以包括在传感器节点S1、S2、S3和S4中的一个中。本文还预期，传感器节点S1、S2、S3和S4中的多于一个传感器节点可以包括控制电路300，并且控制电路300被配置来执行的功能可以分布在各种传感器节点S1、S2、S3和S4的控制电路300之间。在一些实施方案中，控制电路300可以包括在地面设备120中(图1A)。而且，控制电路300的功能可以分布在包括在地面设备120中和传感器节点S1、S2、S3和S4中的一个或多个中的控制电路之间。在一些实施方案中，控制电路300可以是不包括在地面设备120和传感器节点S1、S2、S3和S4中的任何一个中的单独装置(未示出)。在一些实施方案中，控制电路300可以分布在单独装置与地面设备120和传感器节点S1、S2、S3和S4中的一个或多个之间。分布式控制电路300可以使用井筒通信系统150来在控制电路300的各种分布式元件之间传输和接收数据。
控制电路300可以包括时间同步器310，所述时间同步器被配置成将时间信号312传输到传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个，并且指示传感器节点S1、S2、S3和S4将它们的时间同步到共同时间。作为非限制性示例，时间信号312可以简单地指示共同时间，并且传感器节点S1、S2、S3和S4可以各自将它们的计时模块140同步到时间信号312所指示的时间。在一些实施方案中，时间同步器310可以被配置成周期性地重新同步时间。作为非限制性示例，时间同步器310可以被配置成每当井筒传感器系统100(图1A)以预定的时间间隔关闭和重新启动或其组合时，钻柱130(图1A)延伸进入井筒114(图1A)每90英尺(27.43米)便重新同步时间。
控制电路300还可以包括参数估计器320，所述参数估计器被配置成从传感器数据302确定不同传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的参数322。在一些实施方案中，参数估计器320可以被配置成通过分析(例如，使用自相关、频谱分析等)传感器数据302的空间传感器数据(例如，磁力计数据，其中z轴平行于图1A的钻柱130)来估计不同传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的旋转频率ωSnMAG(例如，以转数/秒表示)。而且，参数估计器320可以使用所估计的旋转频率ωSnMAG来计算关于空间传感器数据(例如，磁力计数据)的数值回归(例如，余弦回归、非线性回归等)，以确定参数322，所述参数包括传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的空间传感器数据(例如，磁力计数据)的偏移mSnMAG、振幅aSnMAG以及相位角作为非限制性示例，参数估计器320可以被配置成在钻柱130(图1A)以大约每分钟10转的速度被驱动时估计旋转频率ωnSnMAG-。如果知道正在以多快的速度驱动钻柱130，则可以确定ωSnMAG的估计的准确性的置信水平。如果ωSnMAG的估计值在大约95％的置信水平内，则参数估计器320可以估计参数322。然而，如果置信水平低于95％，则可以在估计参数322之前改善ωSnMAG的估计。
下标“nSnMAG”指示磁力计数据的一个或多个分量已经或将用于确定传感器节点“Sn”的旋转频率ωnSnMAG，并且已经或将对传感器节点“Sn”的磁力计“MAG”数据执行回归。因此，下标“S1MAG”将指示传感器节点S1的磁力计数据的一个或多个分量已经或将用于确定传感器节点S1的旋转频率ωS1MAG，并且已经或将对传感器节点S1的磁力计数据执行回归。例如，参数估计器320可以对数值回归使用以下表达式：
其中MSnMAG(ti)是传感器节点Sn的时变磁力计数据。因此，参数估计器320可以估计参数，包括传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的旋转频率ωnSnMAG、偏移mSnMAG、振幅aSnMAG和相位
控制电路300还可以包括若干变换生成器330、340、350、360和370，所述变换生成器被配置成使用传感器数据302和来自参数估计器320的参数322中的至少一个来针对传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个生成变换。这些变换生成器330、340、350、360和370中的每一个可以被配置成生成数学变换，所述数学变换表示传感器节点S1、S2、S3和S4的空间参考系与不同旋转和位置自由度的期望的共同空间参考系之间的相对旋转和平移。
例如，Z旋转变换生成器330可以被配置成生成Z旋转变换TZROT，所述Z旋转变换被配置成将传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的空间参考系的z轴与共同空间参考系的z轴旋转地对齐。具体地说，Z旋转变换生成器330可以被配置成将来自传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的相位参数322与共同空间参考系的相位参数进行比较。作为非限制性示例，传感器节点S1可以被选择为主传感器节点，并且与其对应的第一空间参考系可以被选择为共同的空间参考系。用于其他传感器节点S2、S3和S4中的每一个的Z旋转变换TZROT可以通过以下表达式来计算：
因此，用于传感器节点S3的Z旋转变换TZROT可以被计算为：
除了任何主传感器节点之外，对应于传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的Z旋转变换TZROT的数据可以被写入控制电路300的存储装置520(图5)。
XY旋转变换生成器340可以被配置成生成XY旋转变换TXYROT，所述XY旋转变换被配置成使传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的空间参考系的x轴和y轴与共同空间参考系的x轴和y轴旋转地对齐。在一些实施方案中，XY旋转变换生成器340可以被配置成使用法线、取向、接近(NOA)计算将传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的空间参考系的x轴和y轴与共同空间参考系的x轴和y轴对齐。具体地说，XY旋转变换生成器340可以被配置成对传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的单个向量KSn求解，如果对应的空间参考系旋转了大约nθSn度，则对应的x轴和y轴将与共同空间参考系的x轴和y轴对齐。KSn和nθSn的解可以通过{KSnX，KSnY，θSn}基于静态数据和以下表达式来求解：
{KSnY×Sin(θSn)，-KSnX×Sin(θSN)，Cos(θSn)}＝{NS1Z，OS1Z，AS1Z}，
其中NS1Z、OS1Z和AS1Z是法线、取向和接近向量。XY旋转变换TXYROT的解可以通过以下表达式计算：
其中KSnYSinθSn＝NS1Z，-KSnXSinθSn＝OS1Z，并且CosθSn＝AS1Z。
X位置变换生成器350可以被配置成生成X位置变换TSnxTran，所述X位置变换被配置成将传感器节点S1、S2、S3和S4的空间参考系的顶点的位置平移到共同的空间参考系的x＝0坐标。换句话说，X位置变换生成器350可以被配置成生成X位置变换TSnXTran，所述X位置变换被配置成对来自传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的传感器数据302中的X位置自由度的差进行校正。在一些实施方案中，钻柱130(图1A)的旋转可以被加速到每分钟60转，并且可以估计ωSnMAG的新值并将其写入存储装置520(图5)。X位置变换生成器350然后可以使用ωSnMAG的新值来计算传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的X位置变换TSnXTran。作为非限制性示例，如果传感器节点S1被选择为主参考节点(即，传感器节点S1的空间参考系是共同空间参考系)，则可以通过对以下表达式求解来计算X位置变换TSnXTran：
其中pSNx是传感器节点S1和Sn的径向加速度计之间沿着X轴的半径差，并且accelSnx是来自加速度计的加速度数据的x分量的所测加速度。X位置变换TSnXTran的解可以通过以下表达式来计算：
对应于X位置变换TSnXTran的数据可以被写入存储装置520(图5)。
类似地，Y位置变换生成器360可以被配置成生成Y位置变换TSnYTran，所述Y位置变换被配置成相对于传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的共同空间参考系来校正传感器数据302的Y位置自由度。在一些实施方案中，钻柱130(图1A)的旋转可以被加速到每分钟120转，并且可以针对每个传感器节点S1、S2、S3和S4计算平均角加速度avg_α并将其存储在存储装置520中。Y位置变换生成器360然后可以对ωSnMAG使用所存储的每分钟60转的值，以针对传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个计算Y位置变换TSnYtran。作为非限制性示例，如果传感器节点S1被选择为主参考节点(即，传感器节点S1的空间参考系是共同空间参考系)，则可以通过对以下表达式求解来计算Y位置变换TSnYTran：
其中pSny是传感器节点S1和Sn的切向加速度计之间沿着Y轴的横向距离，并且accelSny是来自加速度计的加速度数据的y分量的所测加速度。Y位置变换TSnYTran的解可以通过以下表达式计算：
对应于Y位置变换TSnYTran的数据可以被写入存储装置520(图5)。
此外，Z位置变换生成器370可以被配置成生成Z位置变换TSnZTran，所述Z位置变换被配置成相对于传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的共同空间参考系对传感器数据302的Z位置自由度进行校正。在一些实施方案中，可以在钻柱130(图1A)上引起冲击波(例如，通过在表面112(图1A)处冲击钻柱130)，并且可以检测冲击波到达传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个所需的时间tSnTRAN并将其存储在存储装置520(图5)中。感测节点S1、S2、S3和S4可以使用它们的空间传感器210(图2)来检测冲击波。Z位置变换发生器370然后可以使用存储的时间tSnZTRAN以及冲击波沿着钻柱130的长度的已知速度(例如，根据经验获得的，基于钻柱的已知材料参数计算出的等)，以针对传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个计算Z位置变换TSnZTran。具体地说，使距离与速度和时间相关的运动表达式(即，距离＝速度×时间)可以使得能够基于冲击波到达传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个需要多长时间来计算传感器节点S1、S2、S3和S4之间的空间距离。作为非限制性示例，如果传感器节点S1被选择为主参考节点(即，传感器节点S1的空间参考系是共同空间参考系)，则可以通过对以下表达式求解来计算Z位置变换TSnZTran：
pSnz＝VSWtSnZ，
其中pSnz是主感测节点S1和感测节点Sn之间的空间距离，VSW是冲击波沿着钻柱130的已知速度，并且tSn是冲击波到达主感测节点S1所需的时间和到达感测节点Sn所需的时间之间的差。Z位置变换生成器370可以根据所计算的pSnz生成Z位置变换TSnZTran，并将对应于TSnZTran的数据存储在存储装置520(图5)中。
一旦获得说明三个旋转自由度(例如，Z旋转TZROT变换和XY旋转变换TXYROT)中的每一个和三个位置自由度(例如，X、Y和Z位置变换TSnXTran、TSnYTran和TSnZTran)中的每一个的变换，则控制电路300可以针对不同传感器节点S1、S2、S3、和S4中的每一个将变换TZROT、TXYROT、TSnXTran、TSnYTran和TSnZTran组合成单个组合变换TCOMB(即，针对不同传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个生成不同的组合变换TCOMB)。控制电路300可以包括变换组合器380，所述变换组合器被配置成组合变换TZROT、TXYROT、TSnXTran、TSnYTran和TSnZTran中的每一个以生成组合变换TCOMB。
在一些实施方案中，变换TZROT、TXYROT、TSnXTran、TSnYTran和TSnZTran中的每一个可以是同质变换。作为非限制性示例，变换TZROT、TXYROT、TSnXTran、TSnYTran和TSnZTran中的每一个可以包括四乘四矩阵，前三列指向变换三个旋转自由度x、y和z，而第四列指向变换三个位置自由度。在这样的实施方案中，变换组合器380可以被配置成执行变换TZROT、TXYROT、TSnXTran、TSnYTran和TSnZTran中的每一个的矩阵乘法以获得组合变换TCOMB·TSnXTran·TSnYTran·TSnZTran)。
一旦控制电路300已经针对传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个(除了可能已被选择为共同空间参考系的参考的主传感器节点之外)生成组合变换TCOMB，控制电路300就可以将组合变换TCOMB应用于传感器数据302以将传感器数据302变换成单个共同空间参考系。然而，也预期，变换TZROT、TXYROT、TSnXTran、TSnYTran和TSnZTran中的每一个可以分别应用于传感器数据302。由于变换TZROT、TXYROT、TSnXTran、TSnYTran和TSnZTran中的每一个都是同质的，因此单独的应用应该会得到与组合应用相同的结果。
针对传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的组合变换TCOMB可以促进将来自传感器节点S1、S2、S3和S4中的任何一个的传感器数据302变换到传感器节点S1、S2、S3和S4中的任何一个的空间参考系的数学变换的计算。作为非限制性示例，在基于作为主传感器节点的传感器节点S1来计算组合变换TCOMB的情况下，被配置成将来自传感器节点S2的传感器数据302变换到S4的空间参考系的数学变换可以使用针对传感器节点S2和S4中的每一个的组合变换TCOMB而容易地计算。更具体地说，例如，可以通过将S4相对于S1的变换与S2相对于S2的变换的倒数前乘，来计算S4相对于S2的变换。
图4是示出了操作图1A的井筒传感器系统100的方法的简化流程图400。一起参考图1A、2、3和4，在操作405处，所述方法可以包括使传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的时间同步。在一些实施方案中，使时间同步可以包括通过井筒通信系统150将时间信号312传输到传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个。
在操作410处，所述方法可以包括以已知的至少基本上恒定的旋转速率相对缓慢地旋转钻柱130。作为非限制性示例，可以操纵地面设备120以使钻柱130以大约每分钟10转(RPM)、大约20RPM或另一缓慢的已知的至少基本上恒定的旋转速率旋转。
在操作415处，所述方法可以包括使用传感器数据302来估计传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的旋转频率ωSnMAG。作为非限制性示例，参数估计器320可以使用加速度计数据和磁力计数据中的一个或多个来估计旋转频率ωSnMAG。
在操作420处，所述方法可以包括确定传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的所估计的旋转频率ωSnMAG在95％置信水平内是否准确。作为非限制性示例，传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的所估计的旋转频率ωSnMAG可以与钻柱130的已知旋转频率进行比较。如果所估计的旋转频率ωSnMAG不在95％置信水平内，则在操作425处，所述方法可以包括改善旋转频率ωSnMAG的估计。作为非限制性示例，参数估计器320可以通过分析通过井筒通信系统150从传感器S1、S2、S3和S4接收的新传感器数据302来改善旋转频率ωSnMAG的估计。
返回到操作420，如果所估计的旋转频率ωSnMAG处于95％置信水平内，则在操作430处，所述方法可以包括估计传感器节点S1、S2、S3和S4的参数322。作为非限制性示例，参数估计器320可以估计参数322，所述参数包括空间传感器数据(例如，磁力计数据)的偏差mSnMAG、振幅aSnMAG和相位在一些实施方案中，估计参数322可以包括对由传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的磁力计214(图2)测量的磁力计数据执行数值回归(例如，余弦回归、非线性回归等)。
在操作435处，所述方法可以包括相对于共同空间参考系计算并存储针对传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的Z旋转变换TZROT。在一些实施方案中，计算Z旋转变换TZROT可以包括使用来自参数322的信息(例如，相位数据)来计算Z旋转变换TZROT。作为非限制性示例，可以通过将相位与共同空间参考系的相位进行比较来计算每个传感器节点S1、S2、S3和S4的Z旋转变换TZROT。在一些实施方案中，计算Z旋转变换TZROT可以包括对使对应的传感器节点S1、S2、S3和S4的z轴与共同空间参考系的z轴对齐的变换TZROT求解。在一些实施方案中，存储Z旋转变换TZROT可以包括将Z旋转变换TZROT存储到存储装置520(图5)。
在操作440处，所述方法可以包括相对于共同空间参考系计算和存储针对传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的XY旋转变换TXYROT。在一些实施方案中，计算XY旋转变换TXYROT可以包括确定K个向量，传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的每个空间参考系可以围绕其旋转角度θSn以使传感器节点S1、S2、S3和S4的空间参考系的x轴和y轴与共同空间参考系的x轴和y轴对齐。
在操作445处，所述方法可以包括将钻柱130的旋转加速到中间的已知的至少基本上恒定的旋转速率。作为非限制性示例，加速钻柱130的旋转可以包括将钻柱130的旋转加速到大约60RPM、大约75RPM或另一中间的已知的至少基本上恒定的旋转速率。给定传感器节点Sn的切向加速度(即，角加速度)可以通过获得从旋转中心到切向加速度计的距离与角速度的一阶导数的乘积来计算。
在操作450处，所述方法可以包括估计传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的旋转频率。在一些实施方案中，估计旋转频率可以与参考操作415、420和425所讨论的类似地执行。在一些实施方案中，估计传感器节点S1、S2、S3和S4的旋转频率可以包括将所估计的旋转频率存储到存储装置520(图5)。
在操作455处，所述方法可以包括计算并存储针对多个传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的X位置变换TSnXTran。在一些实施方案中，计算X位置变换可以包括比较来自传感器节点S1、S2、S3和S4的加速度计212(图2)的加速度计数据(例如，x轴分量)，以确定传感器节点S1、S2、S3和S4与共同空间参考系之间在传感器节点S1、S2、S3和S4的x方向上的位置偏离。在一些实施方案中，存储X位置变换TSnXTran可以包括将对应于X位置变换TSnXTran的数据存储到存储装置520(图5)。
在操作460处，所述方法可以包括将钻柱130的旋转进一步加速到已知的至少基本上恒定的旋转速率。作为非限制性示例，加速钻柱130的旋转可以包括将钻柱的旋转加速到大约120RPM、大约150RPM或另一快速的已知的至少基本上恒定的旋转速率。
在操作465处，所述方法可以包括计算并存储传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的平均角加速度avg_α。在一些实施方案中，计算平均角加速度avg_α可以包括在以120RPM旋转钻柱130时，基于来自传感器节点S1、S2、S3和S4的加速度计212的加速度计数据来计算平均角加速度avg_α。在一些实施方案中，存储平均角加速度avg_α可以包括将对应于平均角加速度avg_α的数据存储到存储装置520(图5)。
在操作470处，所述方法可以包括计算和存储针对多个传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的Y位置变换TSnYTran。在一些实施方案中，计算Y位置变换TSnYTran可以包括比较来自传感器节点S1、S2、S3和S4的加速度计212(图2)的加速度计数据(例如，y轴分量)，以确定传感器节点S1、S2、S3和S4与共同空间参考系之间在传感器节点S1、S2、S3和S4的y方向上的位置偏离。在一些实施方案中，存储Y位置变换TSnYTran可以包括将对应于Y位置变换TSnYTran的数据存储到存储装置520(图5)。
在操作475处，所述方法可以包括在钻柱130上引起冲击波。在钻柱130上引起冲击波可以包括在地层110的表面112处用物体(例如，锤子等)敲击钻柱130。
在操作480处，所述方法可以包括检测并存储冲击波到达传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的时间。在一些实施方案中，检测并存储冲击波到达传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的时间可以包括将与传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的空间传感器210记录与冲击波一致的刺激的时间对应的数据存储到存储装置520(图5)。
在操作485处，所述方法可以包括计算并存储针对传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的Z位置变换TSnZTran。在一些实施方案中，计算针对传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个的Z位置变换TSnZTran可以包括计算冲击波到达传感器节点S1、S2、S3和S4的存储时间与冲击波到达共同空间参考系的顶点的时间之间的差，以及使用冲击波的速度、时间差和距离之间的运动关系来计算距离。在一些实施方案中，存储Z位置变换TSnZTran可以包括将对应于Z位置变换TSnZTran的数据存储到存储装置520。
在操作490处，所述方法可以包括针对传感器节点S1、S2、S3和S4中的每一个，将旋转和位置变换TZROT、TXYROT、TSnXTran、TSnYTran和TSnZTran组合成单个组合变换TCOMB，以及存储对应于组合变换TCOMB的数据。在一些实施方案中，将旋转和位置变换TZROT、TXYROT、TSnXTran、TSnYTran和TSnZTran组合成单个组合变换TCOMB可以包括计算旋转和位置变换TZROT、TXYROT、TSnXTran、TSnYTran和TSnZTran中的每一个的交叉乘积。在一些实施方案中，将旋转和位置变换TZROT、TXYROT、TSnXTran、TSnYTran和TSnZTran组合成单个组合变换TCOMB可以包括计算旋转和位置变换TZROT、TXYROT、TSnXTran、TSnYTran和TSnZTran中的每一个的点积。在一些实施方案中，存储对应于组合变换TCOMB的数据可以包括将对应于组合变换TCOMB的数据存储到存储装置520(图5)。
在操作495处，所述方法可以包括将组合变换应用于传感器数据302以将传感器数据变换到单个共同空间参考系中。
图5是可以用于实施图3的控制电路300的控制电路300A的示例的简化框图。控制电路300A可以包括可操作地联接到一个或多个存储器/存储装置520(在下文中称为“存储装置”520)的一个或多个处理元件510(在下文中称为“处理元件”510)。存储装置520可以被配置成存储计算机可读指令，所述计算机可读指令被配置成指示处理元件510执行控制电路300被配置来执行的至少一部分功能。作为非限制性示例，计算机可读指令可以被配置成指示处理元件510执行上文参考图3讨论的时间同步器310、参数估计器320、Z旋转变换生成器330、XY旋转变换生成器340、X位置变换生成器350、Y位置变换生成器360、Z位置变换生成器370和变换组合器380中的至少一个的功能。同样作为非限制性示例，计算机可读指令可以被配置成指示处理元件510执行由图4的流程图400所示的方法的至少一部分。
存储装置520可以包括随机存取存储器(例如，动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)等)、只读存储器(例如，电可编程只读存储器(EPROM)、闪存存储器等)、便携式介质读取器(例如，光盘(CD)读取器、数字多功能光盘(DVD)读取器、便携式安全数字(SD)读卡器、紧凑型闪存读卡器等)、其他存储器和存储装置、以及它们的组合。在一些实施方案中，存储装置520可以被配置成永久存储计算机可读指令。在一些实施方案中，存储装置520可以被配置成暂时存储计算机可读指令。作为非限制性示例，计算机可读指令可以存储在存储器存储装置520的非易失性数据存储装置上，并且被传送到存储装置520的易失性存储器装置以供处理元件510执行。
而且，数据(例如，传感器数据302、参数320、旋转频率ωSnMAG数据、对应于变换TZROT、TXYROT、TSnXTran、TSnYTran、TSnZTran和TCOMB的数据、对应于平均角加速度avg_α的数据、对应于冲击波到达传感器节点S1、S2、S3和S4的时间的数据以及其他数据)可以在其处理期间由存储装置520存储以及以其他方式存储。
处理元件510可以包括微控制器、中央处理单元(CPU)、可编程逻辑控制器(PLC)、其他处理电路以及它们的组合。处理元件510可以被配置成执行存储在存储装置520中的计算机可读指令。因此，计算机可读指令将处理元件510和存储装置520从通用计算机变换成被配置成实行本公开的实施方案的专用计算机。
在一些实施方案中，控制电路300A可以包括一个或多个硬件元件530(在下文中称为“硬件元件”530)。硬件元件530可以被配置成执行控制电路300(图3)被配置来执行的至少一些功能。作为非限制性示例，硬件元件530可以包括上文参考图3讨论的时间同步器310、参数估计器320、Z旋转变换生成器330、XY旋转变换生成器340、X位置变换生成器350、Y位置变换生成器360、Z位置变换生成器370以及变换组合器380中的一个或多个的硬件实施。
作为非限制性示例，硬件元件530可以包括现场可编程门阵列、专用集成电路(ASIC)、系统单芯片(SOC)、其他硬件电路以及它们的组合。
将来自传感器节点Sn的感测到的钻井参数放置到共同参考系中使得能够整体评估钻柱的操作和性能，并且将一个钻柱130的操作和性能与另一个钻柱130的操作和性能进行比较。例如，在一个传感器节点Sn中检测横向加速或横向移动可以指示钻柱已经横向移位，已经弯曲并且正在两个端点之间的至少一部分中旋转(例如，像跳绳)，正在产生不准确的读数，或者正在表现出涉及横向加速或移动的另一些钻柱行为。当来自该传感器节点Sn的感测到的参数与来自另一个传感器节点Sn的感测到的参数处于不同参考平面中时，感测到的参数之间的比较可能无法洞察钻柱130整体或作为部分的组合的行为，因为相对的起点和终点以及相对取向是未知的。此外，当来自传感器节点Sn的感测到的参数不在共同参考平面中时，不同钻柱130之间的比较可能无法洞察其相对性能，因为相对的起点和终点以及相对取向是未知的。通过根据本文所公开的实施方案将感测到的钻井参数放置到共同参考平面中，操作员或其他评估员可以更好地理解钻柱130的行为，将钻柱130的行为进行彼此比较，并且在操作期间更好地控制钻柱130，设计钻具和组件，并验证模拟模型。
下面描述本公开的另外的非限制性示例性实施方案。
实施方案1：一种井筒传感器系统，其包括：钻柱，其可操作地联接到被配置成钻穿地层的钻井元件；多个传感器节点，其至少包括：第一传感器节点，其在第一位置处可操作地联接到钻柱并且包括一个或多个第一传感器，所述第一传感器包括第一空间传感器；以及第二传感器节点，其在第二位置处可操作地联接到钻柱，所述第二位置沿着钻柱的长度偏离第一位置，所述第二传感器节点包括一个或多个第二传感器，所述第二传感器包括第二空间传感器；非暂时性数据收集系统，其被配置成在其中存储来自多个传感器节点的传感器数据；以及一个或多个控制电路，其被配置成：从第一传感器节点和第二传感器节点接收传感器数据；使用来自第一空间传感器和第二空间传感器的传感器数据来估计数学变换的参数，所述数学变换被配置成将来自第二传感器节点的第二空间参考系中的第二传感器节点的传感器读数变换到第一传感器节点的第一空间参考系中；并且使用所估计的数学变换将来自第二传感器节点的传感器读数变换到第一空间参考系中。
实施方案2：根据实施方案1所述的井筒传感器系统，其中所述多个传感器节点还包括第三传感器节点，所述第三传感器节点在第三位置处可操作地联接到钻柱，所述第三位置沿着钻柱的长度偏离第一位置和第二位置，其中所述一个或多个控制电路被进一步配置成：从第三传感器节点接收传感器数据；使用来自第一空间传感器和第三空间传感器的传感器数据来估计另一个数学变换的参数，所述另一个数学变换被配置成将来自第三传感器节点的第三空间参考系中的第三传感器节点的传感器读数变换到第一空间参考系中；并且使用所估计的另一个数学变换将来自第三传感器节点的传感器读数变换到第一空间参考系中。
实施方案3：根据实施方案1和2中任一个所述的井筒传感器系统，其中所述多个传感器节点中的每一个的参考系共享基本上相同的垂直轴线。
实施方案4：根据实施方案1至3中任一个所述的井筒传感器系统，其中所述垂直轴线基本上平行于钻柱的纵向长度。
实施方案5：根据实施方案1至4中任一个所述的井筒传感器系统，其中所述第一传感器节点包括一个或多个控制电路。
实施方案6：根据实施方案1至5中任一个所述的井筒传感器系统，其中非暂时性数据收集系统包括专用的非暂时性存储器，所述存储器可操作地连接到每个传感器节点并且被配置成从其中收集和存储传感器数据，并且其中所述一个或多个控制电路被配置成在钻井完成之后从第一传感器节点和第二传感器节点接收传感器数据。
实施方案7：根据实施方案1至6中任一个所述的井筒传感器系统，其中第一空间传感器和第二空间传感器各自包括加速度计、磁力计和陀螺仪中的至少一个。
实施方案8：根据实施方案7所述的井筒传感器系统，其中所述加速度计包括三轴加速度计。
实施方案9：根据实施方案1至8中任一个所述的井筒传感器系统，其中所述多个传感器节点中的每一个包括选自由压力传感器、温度传感器、仰角传感器、电磁传感器和声学传感器组成的列表的至少一个传感器。
实施方案10：根据实施方案1至5和7至9中任一个所述的井筒传感器系统，还包括井筒通信系统，所述井筒通信系统可操作地联接至每个传感器节点并且被配置成实时地将传感器数据传输到非暂时性数据收集系统，所述井筒通信系统包括选自由声学通信系统、电通信系统、电流通信系统和光纤通信系统组成的列表的至少一个通信系统。
实施方案11：根据实施方案10所述的井筒传感器系统，其中所述传感器节点中的至少两个中的每一个包括所述一个或多个控制电路的控制电路，其中所述一个或多个控制电路被配置成通过所述井筒通信系统彼此通信。
实施方案12：根据实施方案11所述的井筒传感器系统，其中所述一个或多个控制电路被配置成通过井筒通信系统将经变换的传感器读数传输到地面设备。
实施方案13：根据实施方案1至12中任一个所述的井筒传感器系统，其中所述多个传感器节点还包括位于钻井元件处的另一个传感器节点。
实施方案14：一种将井筒传感器数据变换到共同空间参考系中的方法，所述方法包括：利用在第一位置处可操作地联接到钻井的第一传感器获取第一传感器读数，所述第一传感器读数相对于第一传感器节点的第一空间参考系获取；利用在第二位置处可操作地联接到钻井的第二传感器节点获取第二传感器读数，所述第二位置沿钻井的长度偏离第一位置，所述第二传感器读数相对于第二传感器节点的第二空间参考系获取；使用第一传感器读数和第二传感器读数来估计数学变换的参数，所述数学变换被配置成将第二传感器读数变换到第一空间参考系中；并且利用所估计的数学变换将第二传感器读数变换到第一空间参考系中。
实施方案15：根据实施方案14所述的方法，其中估计数学变换的参数包括针对三个旋转自由度和三个位置自由度来估计第二空间参考系相对于第一空间参考系的空间取向和位置之间的差。
实施方案16：根据实施方案14和15中任一个所述的方法，其中估计数学变换的参数包括：通过分别分析来自第一传感器读数和第二传感器读数的磁力计数据来估计第一传感器节点和第二传感器节点正在旋转的频率；以及使用所估计的频率来计算来自第一传感器读数和第二传感器读数的磁力计数据的数值回归，以估计第一传感器节点和第二传感器节点中的每一个的磁力计数据的瞬时偏差参数、加速度参数和相位参数；估计旋转变换，所述旋转变换被配置成旋转在第二空间参考系中获取的第二传感器读数，使得第二空间参考系的坐标轴平行于第一空间参考系的对应坐标轴；估计位置变换，所述位置变换被配置成移位在第二空间参考系中获取的第二传感器读数，使得第二空间参考系的坐标轴的顶点与第一空间参考系的坐标轴的顶点重合；以及将旋转变换和位置变换应用于第二传感器读数以将第二传感器读数变换到第一空间参考系中。
实施方案17：根据实施方案16所述的方法，其中计算磁力计数据的数值回归包括执行余弦回归和非线性回归中的至少一个。
实施方案18：根据实施方案16和实施方案17中任一个所述的方法，其中估计旋转变换包括计算法线、取向、接近计算以使两个旋转自由度的第二传感器读数旋转并与第一空间参考系对齐。
实施方案19：根据实施方案16至18中任一个所述的方法，其中估计旋转变换包括估计两个单独的旋转变换，包括针对第一旋转自由度的第一旋转变换和针对第二和第三旋转自由度的第二旋转变换；估计位置变换包括估计针对三个位置自由度中的每一个的单独位置变换；并且将旋转变换和位置变换应用于第二传感器读数包括计算旋转变换和三个位置变换中的每一个的矩阵点积以获得单个组合变换，以及将单个组合变换应用于第二传感器读数。
实施方案20：根据实施方案14至19中任一个所述的方法，还包括：使第二传感器节点的第二时间监视器与第一传感器节点的第一时间监视器同步。
尽管本文已经参考某些示出的实施方案描述了本公开，但是本领域的普通技术人员将认识到并且理解它不限于此。相反，可以在不脱离本公开的范围并且如在下文中要求保护的，对所示实施方案进行许多添加、删除和修改，包括其法定等同物。另外，来自一个实施方案的特征可以与另一个实施方案的特征组合，而仍然包含在本公开的范围内。此外，本公开的实施方案对不同且各种类型和配置的工具和材料具有实用性。

Claims (20)

1.一种井筒传感器系统，包括：
钻柱，其可操作地联接到被配置成钻穿地层的钻井元件；
多个传感器节点，其至少包括：
第一传感器节点，其在第一位置处可操作地联接到所述钻柱并且包括一个或多个第一传感器，所述第一传感器包括第一空间传感器；
第二传感器节点，其在第二位置处可操作地联接到所述钻柱，所述第二位置沿着所述钻柱的长度偏离所述第一位置，所述第二传感器节点包括一个或多个第二传感器，所述第二传感器包括第二空间传感器；
非暂时性数据收集系统，其被配置成在其中存储来自所述多个传感器节点的传感器数据；以及
一个或多个控制电路，其可操作地配置成从所述第一传感器节点和所述第二传感器节点接收所述传感器数据，所述一个或多个控制电路各自包括可操作地联接到数据存储装置的处理器，所述数据存储装置包括存储在其上的计算机可读指令，并且所述处理器被配置成执行存储在所述数据存储装置上的所述计算机可读指令，所述计算机可读指令被配置成指示所述处理器：
使用来自所述第一空间传感器和所述第二空间传感器的所述传感器数据来估计数学变换的参数，所述数学变换被配置成将来自所述第二传感器节点的第二空间参考系中的所述第二传感器节点的传感器读数变换到所述第一传感器节点的第一空间参考系中；并且
使用所估计的数学变换将来自所述第二传感器节点的所述传感器读数变换到所述第一空间参考系中。
2.根据权利要求1所述的井筒传感器系统，其中所述多个传感器节点还包括第三传感器节点，所述第三传感器节点在第三位置处可操作地联接到所述钻柱，所述第三位置沿着所述钻柱的长度偏离所述第一位置和所述第二位置，其中所述一个或多个控制电路被进一步配置成从所述第三传感器节点接收所述传感器数据，并且其中所述计算机可读指令被进一步配置成指示所述处理器：
使用来自所述第一空间传感器和所述第三空间传感器的所述传感器数据来估计另一个数学变换的参数，所述另一个数学变换被配置成将来自所述第三传感器节点的第三空间参考系中的所述第三传感器节点的传感器读数变换到所述第一空间参考系中；并且
使用所估计的另一个数学变换将来自所述第三传感器节点的所述传感器读数变换到所述第一空间参考系中。
3.根据权利要求1所述的井筒传感器系统，其中所述多个传感器节点中的每一个的参考系共享基本上相同的垂直轴线。
4.根据权利要求3所述的井筒传感器系统，其中所述垂直轴线基本上平行于所述钻柱的纵向长度。
5.根据权利要求1所述的井筒传感器系统，其中所述第一传感器节点包括所述一个或多个控制电路。
6.根据权利要求1所述的井筒传感器系统，其中所述非暂时性数据收集系统包括专用的非暂时性存储器，所述存储器可操作地连接到每个传感器节点并且被配置成从其中收集和存储传感器数据，并且其中所述一个或多个控制电路被配置成在钻井完成之后从所述第一传感器节点和所述第二传感器节点接收所述传感器数据。
7.根据权利要求1所述的井筒传感器系统，其中所述第一空间传感器和所述第二空间传感器各自包括加速度计、磁力计和陀螺仪中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的井筒传感器系统，其中所述加速度计包括三轴加速度计。
9.根据权利要求1所述的井筒传感器系统，其中所述多个传感器节点中的每一个包括选自由压力传感器、温度传感器、仰角传感器、电磁传感器和声学传感器组成的列表的至少一个传感器。
10.根据权利要求1所述的井筒传感器系统，还包括井筒通信系统，所述井筒通信系统可操作地联接到所述传感器节点中的每一个并且被配置成实时地将所述传感器数据传输到所述非暂时性数据收集系统，所述井筒通信系统包括选自由声学通信系统、电通信系统、电流通信系统和光纤通信系统组成的列表的至少一个通信系统。
11.根据权利要求10所述的井筒传感器系统，其中所述传感器节点中的至少两个中的每一个包括所述一个或多个控制电路的控制电路，其中所述一个或多个控制电路被配置成通过所述井筒通信系统彼此通信。
12.根据权利要求11所述的井筒传感器系统，其中所述一个或多个控制电路被配置成通过所述井筒通信系统将经变换的传感器读数传输到地面设备。
13.根据权利要求1所述的井筒传感器系统，其中所述多个传感器节点还包括位于所述钻井元件处的另一个传感器节点。
14.一种将井筒传感器数据变换到共同的空间参考系中的方法，所述方法包括：
利用在第一位置处可操作地联接到钻柱的第一传感器节点获取第一传感器读数，所述第一传感器读数相对于所述第一传感器节点的第一空间参考系获取；
利用在第二位置处可操作地联接到所述钻柱的第二传感器节点获取第二传感器读数，所述第二位置沿着所述钻柱的长度偏离所述第一位置，所述第二传感器读数相对于所述第二传感器节点的第二空间参考系获取；
利用处理器执行存储在数据存储装置上的计算机可读指令，所述计算机可读指令被配置成指示所述处理元件执行操作，所述操作包括：
使用所述第一传感器读数和所述第二传感器读数来估计数学变换的参数，所述数学变换被配置成将所述第二传感器读数变换到所述第一空间参考系中；以及
利用所估计的数学变换将所述第二传感器读数变换到所述第一空间参考系中。
15.根据权利要求14所述的方法，其中估计数学变换的参数包括针对三个旋转自由度和三个位置自由度来估计所述第二空间参考系相对于所述第一空间参考系的空间取向和位置之间的差。
16.根据权利要求14所述的方法，其中估计数学变换的参数包括：
通过分别分析来自所述第一传感器读数和所述第二传感器读数的磁力计数据来估计所述第一传感器节点和所述第二传感器节点正在旋转的频率；
使用所估计的频率来计算来自所述第一传感器读数和所述第二传感器读数的所述磁力计数据的数值回归，以估计所述第一传感器节点和所述第二传感器节点中的每一个的所述磁力计数据的瞬时偏差参数、加速度参数和相位参数；
估计旋转变换，所述旋转变换被配置成旋转在所述第二空间参考系中获取的所述第二传感器读数，使得所述第二空间参考系的坐标轴平行于所述第一空间参考系的对应坐标轴；
估计位置变换，所述位置变换被配置成移位在所述第二空间参考系中获取的所述第二传感器读数，使得所述第二空间参考系的坐标轴的顶点与所述第一空间参考系的坐标轴的顶点重合；以及
将所述旋转变换和所述位置变换应用于所述第二传感器读数以将所述第二传感器读数变换到所述第一空间参考系中。
17.根据权利要求16所述的方法，其中计算所述磁力计数据的数值回归包括执行回归和非线性回归中的至少一个。
18.根据权利要求16所述的方法，其中估计旋转变换包括计算法线、取向、接近计算以使两个旋转自由度的所述第二传感器读数旋转并与所述第一空间参考系对齐。
19.根据权利要求16所述的方法，其中：
估计旋转变换包括估计两个单独的旋转变换，包括针对第一旋转自由度的第一旋转变换和针对第二和第三旋转自由度的第二旋转变换；
估计位置变换包括估计针对三个位置自由度中的每一个的单独位置变换；以及
将所述旋转变换和所述位置变换应用于所述第二传感器读数包括计算所述旋转变换和所述三个位置变换中的每一个的矩阵点积以获得单个组合变换，并且将所述单个组合变换应用于所述第二传感器读数。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括使所述第二传感器节点的第二时间监视器与所述第一传感器节点的第一时间监视器同步。
CN201680072884.9A 2015-10-30 2016-10-21 使用空间变换进行的多井下传感器数字对齐 Pending CN108368738A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/928,722 US10392933B2 (en) 2015-10-30 2015-10-30 Multiple downhole sensor digital alignment using spatial transforms
US14/928722 2015-10-30
PCT/US2016/058224 WO2017074818A1 (en) 2015-10-30 2016-10-21 Multiple downhole sensor digital alignment using spatial transforms

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108368738A true CN108368738A (zh) 2018-08-03

Family

ID=58631109

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680072884.9A Pending CN108368738A (zh) 2015-10-30 2016-10-21 使用空间变换进行的多井下传感器数字对齐

Country Status (8)

Country Link
US (1) US10392933B2 (zh)
CN (1) CN108368738A (zh)
AU (2) AU2016346921A1 (zh)
CA (1) CA3003646A1 (zh)
GB (1) GB2560665B (zh)
MX (1) MX2018005451A (zh)
NO (1) NO20180715A1 (zh)
WO (1) WO2017074818A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110865531A (zh) * 2019-11-20 2020-03-06 北京无线电计量测试研究所 基于非线性回归的时间间隔测量方法及系统

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10274639B2 (en) * 2016-06-30 2019-04-30 Schlumberger Technology Corporation Real-time electromagnetic telemetry system
US10215876B2 (en) * 2016-10-06 2019-02-26 Saudi Arabian Oil Company Cation exchange capacity and water saturation from array induction data
EP3652415A4 (en) * 2017-07-11 2021-04-14 HRL Laboratories, LLC BOTTOM-HOLE DRILLING ESTIMATION SYSTEM AND METHOD USING TIME GRAPHICS FOR SELF-CONTAINED DRILLING OPERATION
CA3085901C (en) 2020-07-06 2024-01-09 Eavor Technologies Inc. Method for configuring wellbores in a geologic formation

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090201025A1 (en) * 2004-12-20 2009-08-13 Smith International, Inc. Magnetization of Target Well Casing String Tubulars for Enhanced Passive Ranging
WO2013169975A1 (en) * 2012-05-11 2013-11-14 Baker Hughes Incorporated Misalignment compensation for deep reading azimuthal propagation resistivity
CN104181579A (zh) * 2014-08-12 2014-12-03 西南科技大学 一种全数字三分量vsp系统及其测量方法
CN104343438A (zh) * 2014-09-10 2015-02-11 北京纳特斯拉科技有限公司 测量钻井相对距离的旋转磁场测距仪及其测量方法
US20150168580A1 (en) * 2013-12-17 2015-06-18 Schlumberger Technology Corporation Downhole Elastic Anisotropy Measurements

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4510696A (en) * 1983-07-20 1985-04-16 Nl Industries, Inc. Surveying of boreholes using shortened non-magnetic collars
CA2024429A1 (en) * 1990-08-31 1992-03-01 Vladimir M. Labuc Borehole deviation monitor
US5506769A (en) * 1990-10-05 1996-04-09 Halliburton Logging Services, Inc. Method for enhancing vertical resolution of nuclear well logging instruments
US5155916A (en) * 1991-03-21 1992-10-20 Scientific Drilling International Error reduction in compensation of drill string interference for magnetic survey tools
US5402392A (en) * 1993-08-10 1995-03-28 Exxon Production Research Company Determining orientation of vertical fractures with well logging tools
US5512830A (en) * 1993-11-09 1996-04-30 Vector Magnetics, Inc. Measurement of vector components of static field perturbations for borehole location
GB9818117D0 (en) * 1998-08-19 1998-10-14 Halliburton Energy Serv Inc Surveying a subterranean borehole using accelerometers
US6453239B1 (en) * 1999-06-08 2002-09-17 Schlumberger Technology Corporation Method and apparatus for borehole surveying
US6434084B1 (en) 1999-11-22 2002-08-13 Halliburton Energy Services, Inc. Adaptive acoustic channel equalizer & tuning method
US7002484B2 (en) * 2002-10-09 2006-02-21 Pathfinder Energy Services, Inc. Supplemental referencing techniques in borehole surveying
US6882937B2 (en) * 2003-02-18 2005-04-19 Pathfinder Energy Services, Inc. Downhole referencing techniques in borehole surveying
US7117605B2 (en) * 2004-04-13 2006-10-10 Gyrodata, Incorporated System and method for using microgyros to measure the orientation of a survey tool within a borehole
US8636060B2 (en) 2007-01-25 2014-01-28 Intelliserv, Llc Monitoring downhole conditions with drill string distributed measurement system
US8065085B2 (en) * 2007-10-02 2011-11-22 Gyrodata, Incorporated System and method for measuring depth and velocity of instrumentation within a wellbore using a bendable tool
WO2010059621A2 (en) * 2008-11-20 2010-05-27 Schlumberger Canada Limited Method and apparatus for calibrating and correcting for coherent noise in casing detection
US20130211723A1 (en) * 2009-01-30 2013-08-15 Gyrodata, Incorporated Reducing error contributions to gyroscopic measurements
US20130076526A1 (en) * 2011-09-23 2013-03-28 Baker Hughes Incorporated System and method for correction of downhole measurements
US10408963B2 (en) * 2012-06-28 2019-09-10 Halliburton Energy Services, Inc. Measurement calibration apparatus, methods, and systems
US10100635B2 (en) 2012-12-19 2018-10-16 Exxonmobil Upstream Research Company Wired and wireless downhole telemetry using a logging tool
CA2820658A1 (en) * 2013-01-28 2014-07-28 Gyrodata, Incorporated Reducing error contributions to gyroscopic measurements
WO2015099779A1 (en) 2013-12-27 2015-07-02 Halliburton Energy Services, Inc. Multifrequency processing to determine formation properties
US10436026B2 (en) 2014-03-31 2019-10-08 Schlumberger Technology Corporation Systems, methods and apparatus for downhole monitoring
US9804288B2 (en) * 2014-05-16 2017-10-31 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Real-time, limited orientation sensor auto-calibration
US10094850B2 (en) * 2014-06-27 2018-10-09 Schlumberger Technology Corporation Magnetic ranging while rotating

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090201025A1 (en) * 2004-12-20 2009-08-13 Smith International, Inc. Magnetization of Target Well Casing String Tubulars for Enhanced Passive Ranging
WO2013169975A1 (en) * 2012-05-11 2013-11-14 Baker Hughes Incorporated Misalignment compensation for deep reading azimuthal propagation resistivity
US20150168580A1 (en) * 2013-12-17 2015-06-18 Schlumberger Technology Corporation Downhole Elastic Anisotropy Measurements
CN104181579A (zh) * 2014-08-12 2014-12-03 西南科技大学 一种全数字三分量vsp系统及其测量方法
CN104343438A (zh) * 2014-09-10 2015-02-11 北京纳特斯拉科技有限公司 测量钻井相对距离的旋转磁场测距仪及其测量方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杜勇等: "基于MEMS传感器的数字高灵敏度VSP测井技术研究", 《中国地球物理学会第27届年会论文集》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110865531A (zh) * 2019-11-20 2020-03-06 北京无线电计量测试研究所 基于非线性回归的时间间隔测量方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
AU2016346921A1 (en) 2018-06-14
WO2017074818A1 (en) 2017-05-04
US20170122099A1 (en) 2017-05-04
GB2560665A (en) 2018-09-19
MX2018005451A (es) 2018-08-01
US10392933B2 (en) 2019-08-27
GB2560665B (en) 2021-06-23
CA3003646A1 (en) 2017-05-04
AU2019203884A1 (en) 2019-06-20
NO20180715A1 (en) 2018-05-23
GB201808743D0 (en) 2018-07-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108368738A (zh) 使用空间变换进行的多井下传感器数字对齐
CA2948628C (en) Real-time, limited orientation sensor auto-calibration
CA2810403C (en) Downhole sensor assembly and method of using same
RU2515194C2 (ru) Вращающееся не зависящее от ориентации гравиметрическое устройство и способ коррекции систематических ошибок
CA2890150C (en) Passive magnetic ranging for sagd and relief wells via a linearized trailing window kalman filter
US10746013B2 (en) Downhole test signals for identification of operational drilling parameters
CN113984043B (zh) 一种矿用惯导系统的动态误差修正方法
US20150362617A1 (en) Azimuthal gamma resolver assembly
CN103250072A (zh) 通过使用钻头地震对断裂的干涉测量钻头成像、时间反演成像来进行断裂表征、和经由时间反演的声学和电震对断裂产生的监测
US20150218929A1 (en) Well-Logging System With Data Synchronization And Methods
CA2812062A1 (en) Real-time definitive survey while drilling
CN109891050A (zh) 利用相反设置的传感器改良校准来确定位置的方法
US20110196636A1 (en) Measurement method for a component of the gravity vector
CN109915116A (zh) 磁随钻探测邻井防碰方法及装置
CN113671263A (zh) 用于检测随钻测量操作的井下磁干扰的方法和系统
US10401529B2 (en) Fast-changing dip formation resistivity estimation
CN207296995U (zh) 一种高精度集成式无线随钻测量系统
CN106522924A (zh) 一种随钻测量中方位角的获取方法
Noy et al. A new rate gyroscopic wellbore survey system achieves the accuracy and operational flexibility needed for today's complex drilling challenges
Song et al. Full waveform vibration and shock measurement tool for measurement-while-drilling
CN104571090A (zh) 随钻测井地面机测试系统
Ding et al. Design of Virtual While-drilling Attitude Sensors
US20250003328A1 (en) Determining continuous inclination angle
RU2626486C1 (ru) Способ измерения глубины в скважине
US20220244416A1 (en) Full automation of high-resolution interval velocity estimation for check-shot and other vertical seismic profile- type datasets

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
CB02 Change of applicant information
CB02 Change of applicant information

Address after: Texas in the United States

Applicant after: Ge (GE) Beck Hughes Ltd

Address before: American Texas

Applicant before: Ge (GE) Beck Hughes Ltd

SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180803