CN108533256A - 一种井下和地面多传感器阵列采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公布一种井下和地面多传感器阵列采集系统，主要由井下多传感器阵列和地面多传感器阵列组成的一种井下和地面多维空间立体式的多传感器数据采集系统；其中：所述的井下多传感器阵列包括设置在井下钻柱下部和井底钻头之间的泥浆脉冲发生器；所述的地面多传感器阵列包括设置在立管上和泥浆泵附近、空气包附近的泥浆脉冲压力传感器，以及设置在泥浆泵上的转速传感器。该系统的优点体现在两个方面，一是通过这种多传感器阵列采集系统，可以通过较少的试验掌握较多的信息量，对泥浆信道模型和信号衰减模型进行验证；另一方面是当地面检测不到信号或者误码率较高时，该系统通过井下和地面多传感器阵列对泥浆脉冲压力信号进行监测和检测，通过对数据进行多传感器融合可以更全面地分析泥浆脉冲压力信号。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井、随钻测井技术领域，尤其涉及随钻测井系统中的信号采集系统。
背景技术
随钻测控系统是指在钻井过程中，同时测量工程参数和所钻遇地层的地质、岩石物理参数，并将信息实时传送到地面上的系统。所测量的井下工程参数包括井斜角、方位角、工具面角、井底钻压、井底扭矩、井底压力，地质、岩石物理参数包括电阻率、伽马、中子、密度、声波等，井下信息的实时传输是提高钻井安全性、可靠性、最大化节省钻井成本的关键因素。
目前，井下数据传输方法主要包括有线电缆法、泥浆脉冲法、声波法、电磁波法及光纤法，每种方法均有其适用范围及局限性，其中泥浆脉冲法应用最为广泛、鲁棒性更好。泥浆脉冲法是采用开关或改变钻柱中钻井液流通面积的方式，从而改变钻柱中的钻井液压力，形成一定频率和幅值的泥浆压力波信号，将该压力波以脉冲的形式传递到地面，并形成电信号以便采集、处理。常见的泥浆脉冲方式包括正脉冲、负脉冲和连续波等三种方式。
对于泥浆脉冲法，噪声的影响非常大，适当的信号检测及信号识别方法能够有效提高接收数据的正确性及可靠性。影响泥浆脉冲信号的噪声主要包括两方面，一部分噪声是由井下工具引起，传输方向跟上传脉冲信号方向一致，如钻头与井底的作用、钻柱与井壁的作用、井下涡轮发电机等所产生的泥浆脉冲压力噪声；另一部分噪声来源于地面设备，如泥浆泵、空气包等，传输方向跟上传脉冲信号方向相反。
目前，对于井下泥浆脉冲压力信号的监测和检测上普遍采用在立管上安装一个压力传感器的方式，井下没有任何对泥浆脉冲压力信号的监测。这种单一传感器的采集系统当泥浆脉冲压力信号受干扰比较大时，特别是对于连续波泥浆脉冲发生器产生的泥浆脉冲压力信号受到信号延迟、反射影响比较大时，是很难通过一个压力传感器采集的信号进行井下信号还原的，因此，需要在井下和地面进行多传感器阵列采集，通过对采集的数据进行多源数据融合，进行有效的泥浆脉冲压力信号检测和识别。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种井下和地面多传感器阵列采集系统系统。该系统是一种井下和地面多维空间立体式的多传感器数据采集系统，用于对井下泥浆脉冲发生器产生的泥浆脉冲压力信号进行监测和检测。
本发明的技术方案为：
一种井下和地面多传感器阵列采集系统，主要由井下多传感器阵列和地面多传感器阵列组成的一种井下和地面多维空间立体式的多传感器数据采集系统；其中：所述的井下多传感器阵列包括设置在井下钻柱下部和井底钻头之间的泥浆脉冲发生器；所述的地面多传感器阵列包括设置在立管上和泥浆泵附近、空气包附近的泥浆脉冲压力传感器，以及设置在泥浆泵上的转速传感器。
上述方案进一步包括：
设置在泥浆脉冲发生器上方钻柱内的井下泥浆脉冲压力监测短节，对泥浆脉冲发生器产生的泥浆脉冲压力信号进行监测，并将数据存储到内存中。
所述的井下泥浆脉冲压力监测短节为多节且间隔分布，每节井下泥浆脉冲压力监测短节主要由脉冲压力检测模块、电流/电压转换电路、滤波放大电路、模拟/数字转化电路、单片机和大容量数据存储模块组成。
设置在立管上的泥浆脉冲压力传感器为多个泥浆脉冲压力传感器组成的泥浆脉冲压力传感器阵列。
所述地面多传感器阵列通过接口电路连接到计算机。
本发明的一种井下和地面多传感器阵列采集系统系统的主要优点体现在两个方面，一是可以解决泥浆脉冲发生器研发过程中试验井难找的问题，通过这种多传感器阵列采集系统，可以通过较少的试验掌握较多的信息量，对泥浆信道模型和信号衰减模型进行验证；另一方面是当地面检测不到信号或者误码率较高时，常规的泥浆脉冲压力信号采集系统因为没有井下信息并且地面信息也相对单一，无法对产生这种现象的原因进行综合有效地分析，而该系统通过井下和地面多传感器阵列对泥浆脉冲压力信号进行监测和检测，通过对数据进行多传感器融合可以更全面地分析泥浆脉冲压力信号。
附图说明
图1 一种井下和地面多传感器阵列采集系统示意图；
图2 井下泥浆脉冲压力监测短节信号检测处理示意图。
其中：1为计算机，2为地面接口箱（即接口电路），3为转速传感器，4为泥浆泵，5为立管，6为立管上的泥浆脉冲压力传感器阵列，7为泥浆泵附近泥浆脉冲压力传感器，8为空气包附近泥浆脉冲压力传感器，9为钻井液，10为泥浆池，11为回水管汇，12为钻柱，13为泥浆脉冲压力信号，14为泥浆脉冲发生器，15为井下泥浆脉冲压力监测短节，16为环空，17为钻头。
具体实施方式
下面结合说明书附图对该随钻测控仪器总线系统进行详细说明。
实施例1
图1为一种井下和地面多传感器阵列采集系统示意图。从图中可以看出在钻井过程中实际上存在两个流通通道，包括泥浆流通通道和泥浆脉冲信号流通通道。
首先，对于泥浆流通通道，泥浆泵4将泥浆池10中的钻井液9泵入立管5中，钻井液9经立管5流入钻柱12中，并经过井底钻头17进入井筒环空16，然后携带岩屑流至地面，并经回水管汇11返回泥浆池10。
其次，对于泥浆脉冲信号流通通道，在钻柱12下部、钻头17的上方安装有泥浆脉冲发生器14，用于传输井下随钻测量信息。将井下信息编码通过泥浆脉冲发生器14调制，泥浆脉冲发生器14根据编码调制规则采用开关或改变钻柱12中钻井液9流通面积的方式，改变钻柱12中的钻井液9压力，形成一定频率和幅值的泥浆脉冲压力信号13，该泥浆脉冲压力信号13携带井下信息，沿着钻柱12内钻井液9向上传播，传输至地面。地面上安装在立管上的泥浆脉冲压力传感器阵列6、泥浆泵附近泥浆脉冲压力传感器7以及空气包附近泥浆脉冲压力传感器8对泥浆脉冲压力信号13进行检测，并将检测到的模拟信号转换为数字信号，并经过地面接口箱（即权利要求中提到的接口电路）2传输给计算机1。地面上的转速传感器3将检测到的泥浆泵4的曲轴的实时转速信号，通过地面接口箱2传输给计算机1。
实施例2
基于上述实施例1的基础上，还包括井下多传感器阵列是指在泥浆脉冲发生器的上方，间隔一定距离，放置1个或更多个井下泥浆脉冲压力监测短节15，对泥浆脉冲发生器产生的信号进行监测，并将数据存储到内存中。
更进一步的，地面多传感器阵列是指在立管上、泥浆泵及空气包附近进行多传感器泥浆脉冲压力信号采集。对立柱进行泥浆脉冲压力信号13采集，可根据泥浆脉冲发生器产生的信号频率特点，立管上的泥浆脉冲压力传感器阵列6可间隔一定的距离分布1个或多个泥浆压力传感器，并分布1个泥浆泵附近泥浆脉冲压力传感器7以及1个空气包附近泥浆脉冲压力传感器8。
图2为井下泥浆脉冲压力监测短节信号检测处理示意图。井下泥浆脉冲压力监测短节15上的脉冲压力检测模块将检测到的泥浆脉冲压力信号经过电流/电压转换电路后，输出电压信号，再进入滤波放大电路，需要说明的是因为井下泥浆脉冲压力监测短节主要是记录井下泥浆脉冲压力的实际情况，因此该滤波放大电路主要是对异常高频和脉冲直流信号进行简单的处理，将处理后的电压信号送给模拟/数字转化电路，经单片机交由大容量数据存储模块进行信息存储。
Claims (5)
1.一种井下和地面多传感器阵列采集系统，主要由井下多传感器阵列和地面多传感器阵列组成的一种井下和地面多维空间立体式的多传感器数据采集系统；其特征是：所述的井下多传感器阵列包括设置在井下钻柱下部和井底钻头之间的泥浆脉冲发生器；所述的地面多传感器阵列包括设置在立管上和泥浆泵附近、空气包附近的泥浆脉冲压力传感器，以及设置在泥浆泵上的转速传感器。
2.根据权利要求1所述的一种井下和地面多传感器阵列采集系统，其特征是：还包括设置在泥浆脉冲发生器上方钻柱内的井下泥浆脉冲压力监测短节，对泥浆脉冲发生器产生的泥浆脉冲压力信号进行监测，并将数据存储到内存中。
3.根据权利要求2所述的一种井下和地面多传感器阵列采集系统，其特征是：所述的井下泥浆脉冲压力监测短节为多节且间隔分布，每节井下泥浆脉冲压力监测短节主要由脉冲压力检测模块、电流/电压转换电路、滤波放大电路、模拟/数字转化电路、单片机和大容量数据存储模块组成。
4.根据权利要求1或2、3所述的一种井下和地面多传感器阵列采集系统，其特征是：设置在立管上的泥浆脉冲压力传感器为多个泥浆脉冲压力传感器组成的泥浆脉冲压力传感器阵列。
5.根据权利要求4所述的一种井下和地面多传感器阵列采集系统，其特征是：所述地面多传感器阵列通过接口电路连接到计算机。
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