CN110770413B - 井下数据传送和地面同步 - Google Patents
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Abstract
遥测方法将数据从井下位置传送到地面位置。在传送期间，检测到一个事件，该事件使得需要更改传送的数据流。井下处理器使用帧构建算法结合预定义的事件数据库和井下测量数据来处理检测到的事件，以计算数字数据流。将同步标记器添加到数据流以获得同步数据流，其中同步标记器识别检测到的事件。同步数据流使用井下遥测工具被传送到地面位置，并在地面位置被接收以获得解码后的数据流。地面处理器使用帧构建算法处理同步标记以识别检测到的事件，并与预定义事件数据库和解码后的数据流结合来处理检测到的事件以获得井下测量结果。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年6月21日提交的美国临时申请No.62/522,740的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
油气井钻井操作通常采用许多随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)技术，以收集有关井孔及其对地层钻井的信息。可以使用MWD和LWD技术来获取有关井的信息(例如，有关井的大小、形状和方向的信息)和周围地层的信息(例如，其声速、密度和电阻率)。
将数据(例如，MWD和LWD数据)从井下工具传送到地面是许多钻井操作共有的困难过程。可以采用各种遥测技术，例如，包括泥浆脉冲遥测、电磁遥测和声学遥测。部分由于固有的嘈杂的通信通道，井下遥测操作往往容易出错且速度较慢(带宽非常有限)。鉴于这些困难，常规遥测操作通常传送预先构造的数据序列。
现代的钻井工具生成大量的传感器数据，这些数据可能会使遥测通道超载。选择适当的信息进行传送可能涉及评估各种数据集、钻井条件和地下岩层之间的复杂关系和依赖性。
发明内容
本申请的实施例包括用于将数据从井下位置传送到地面位置的遥测方法。检测到一个事件，该事件使得在钻井时希望更改传送的数据流。井下处理器使用帧构建算法结合预定义的事件数据库和井下测量数据来处理检测到的事件，以计算数字数据流。将同步标记器添加到数据流以获得同步数据流，其中同步标记器识别检测到的事件。同步数据流使用井下遥测工具被传送到地面位置，并在地面位置被接收以获得解码后的数据流。地面处理器使用帧构建算法处理同步标记器以识别检测到的事件，并与预定义事件数据库和解码后的数据流结合来处理检测到的事件以获得井下测量结果。
提供该概述以介绍在以下详细描述中进一步描述的构思的选择。该概述不旨在识别所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
为了更完整地理解所公开的主题及其优点，现在参考以下结合附图进行的描述，其中：
图1描绘了可以在其上利用所公开的系统和方法实施例的钻机；
图2描绘了用于将数据从井下位置传送到地面位置的一个公开的遥测方法实施例的流程图；
图3描绘了另一个公开的遥测方法实施例；
图4描绘了类似于图2所示的实施例的遥测方法实施例；
图5描绘了类似于图5所示的实施例的遥测方法实施例；
图6描绘了用于修改数据流的一个示例性方法的流程图；
图7描绘了用于执行图6的方法的一个示例帧构建器树。
具体实施方式
本申请的实施例总体上涉及井下钻井操作中的遥测方法，并且更具体地涉及一种在遥测操作期间使井下操作和地面操作同步的方法。本申请的一些实施例提供了井下数据到地面的更可靠的传送。本申请的实施例使得能够响应于检测到的井下事件而自动地(在钻井时)修改所传送的数据流和内容。
图1描绘了适合于采用所公开的系统和方法实施例的示例性海上钻井组件，总体上用附图标记10表示。在图1中，半潜式钻井平台12定位在位于海床16下方的油或气地层上方。海底管道18从平台12的甲板20延伸至井口装置22。平台可包括井架和用于升起和下降钻杆30的提升设备，如所示的，其延伸到井孔40中并包括钻头32、传送装置50和至少一个MWD/LWD工具60。钻杆30还可以可选地包括许多其他工具，包括例如，其他MWD/LWD工具、稳定器、可旋转的转向工具和/或井下钻井马达。
图1进一步描绘了井下和地面控制系统100和150。井下系统100例如在传送装置50和MWD/LWD工具60附近部署在钻柱中。井下系统100可以包括基本上任何合适的井下控制器，例如，包括可编程处理器(例如微处理器或微控制器)和电子存储器。井下控制器还可以包括体现逻辑的处理器可读或计算机可读程序代码，包括用于控制传送装置50的功能的指令。地面控制系统150可以例如部署在钻机上，并且可以基本上包括任何合适的处理装置，例如个人计算机。将理解的是，所公开的实施例明确地不限于任何特定的井下和地面系统。
继续参考图1，传送装置50可以包括基本上任何合适的井下遥测装置。例如，遥测装置50可以包括适合于泥浆脉冲遥测的机电脉冲器或泥浆警报器、适合于电磁遥测的电磁波发生器或适合于声遥测的声发生器等。普通技术人员将容易理解，在泥浆脉冲遥测操作中，数据是通过钻井流体中的压力波和/或脉冲传送到地面的。在电磁遥测操作中，数据通过在地层中传播的低频电磁波传送到地面。在声学遥测操作中，数据通过传播通过钻柱的声学信号传送到地面。所公开的实施例在这些方面不受限制，并且可以使用任何合适的遥测系统。
MWD/LWD工具60可以包括任何随钻测井的井下传感器，例如，包括自然伽马射线传感器、中子传感器、密度传感器、电阻率传感器、地层压力传感器、环形压力传感器、超声波传感器、音频声学传感器等。这种传感器用于进行广泛的井下测井测量。工具60可替代地和/或另外地包括各种方向传感器，例如加速计、磁力计和/或陀螺仪传感器。工具60可以进一步可选地包括能量源，诸如马达、发电机、电池等。例如，构造用于方位角伽马测量的LWD工具可以包括伽马辐射源(此类装置通常称为密度测量工具)。同样地，构造用于方位电阻率和声速测量的LWD工具可以分别包括一个或多个电磁波发生器和声发射器。所公开的实施例不限于任何这些方面。
本领域的普通技术人员将理解，图1所示的部署是一示例。将进一步理解，所公开的实施例不限于与如图1所示的半潜水平台12一起使用。所公开的实施例同样非常适合用于海上或陆上的任何类型的地下钻井操作。
在公开的实施例中，井下和地面系统100和150运行通用算法；井下系统100生成连续的数字化数据流以传送到地面(通过传送装置50)，地面系统150生成虚拟的数据流，其结构与井下系统100生成的数字化流基本相同。通用算法在本文中称为帧构建算法。在井下系统和地面系统100和150处以相同的初始条件运行帧构建算法，可使地面系统150预测从井下系统100和传送装置50接收到的数字化数据流。数据流可包含同步信息(诸如额外的位)以使地面系统150即使在同步损坏的情况下也能够识别流的数据部分(例如，所传送的测量数据)。
图2描绘了一个所描绘的遥测方法实施例200的流程图，该方法实施例用于将数据从井下位置例如钻柱传送到地面位置。在所描绘的实施例中，井下和地面系统100和150被构造为使用相同的初始条件202来运行如上所述的帧构建算法。可以在启动钻井工作之前(例如，当钻井系统处于地面时)建立(例如在井下系统存储器中编程)初始条件。井下系统100基于预先建立的初始条件202在212处运行帧构建算法。在214处获取井下测量结果(例如，由MWD/LWD工具60得到的测量)，并将其与同步标记器216组合以生成在218处的实时(钻进时)数据流。在220处将生成的数据流传送到地面。地面系统150基于预先建立的初始条件202在252处运行帧构建算法。传送的数据流在254处被接收并且在256处被重新同步，以在258处识别和提取井下测量结果。
在钻井操作期间，可能有必要修改传送的数据流。例如，传感器故障可能需要更改传送的数据内容。同样地，由于各种特定于地层的事件或特定于钻井的事件，可能希望改变所传送的数据内容。例如，在穿透预定地层时或由于钻井条件的改变，例如粘滑、振动或其他动态钻井条件的发生，可以获取附加的测量结果。此外，测量频率可能随钻井速度的变化而增加或减少。遥测数据速率(位率)的变化也可能需要修改传送的数据流。当然，所公开的实施例不限于这些特定事件。
例如，如描绘了另一实施例300的流程图的图3所示，可以提供对需要数据流修改的一个或多个条件的识别。如图2所示，井下和地面系统100和150被构造为运行帧构建算法。初始条件302包括事件数据库304，该事件数据库包括使得可能需要进行数据流修改的多个可能事件(例如，会需要数据流修改的事件)。实施例300与实施例200相似之处在于，井下系统100基于预先建立的初始条件302在312处运行帧构建算法。井下测量结果(例如，由MWD/LWD工具60进行的测量)在314处被获取并与同步标记器316组合来在318处生成实时(随钻)数据流。在320处，可以检测到一个或多个需要修改数据流的事件。如上所述，这样的事件可以包括，例如，预定一个或多个地层的穿透、变化钻井条件或来自地面系统150的下行链路请求。在320处的事件检测基于事件数据库中建立的条件触发初始条件的变化。
在320处检测到事件时，井下系统100基于新的初始条件(来自事件数据库)在322处重新运行帧构建算法。可以在328处添加同步标记器326以更新实时数据流。然后可以在330处将更新的数据流传送到地面系统。
继续参考图3，地面系统150基于预先建立的初始条件302在352处运行帧构建算法。在354处接收传送的数据流并在356处进行评估以识别在326处添加的同步标记器以识别新的初始条件(来自事件数据库304)。然后，地面系统150基于新的初始条件在360处重新运行帧构建算法，以在362处提取井下测量结果。
图4描绘了与实施例200类似的实施例400的流程图。传感器数据是在402处由井下系统100进行钻井时获取的，并在404处使用帧构建算法进行处理以在406处生成原始数据流。使用同步编码器处理原始数据流以在408处使用预定的编码器参数415生成同步数据流(例如，包括同步位的数字化数据流)。在410处，使用井下遥测系统(例如，传送装置50)将同步数据流传送到地面50。如本领域普通技术人员已知的，由于诸如在420处示意性示出的环境干扰，诸如噪声，衰减，串扰等，这种传送可能导致数据丢失或衰减。传送的信号在432处在地面系统150处被接收并在434处经由数据同步解码器使用编码器参数415(用于同步井下系统中的数据流的相同参数)被处理，以在436处获得输入(接收)数据流。然后在438处使用帧构建算法处理输入数据流以在440处获得重建的井下测量结果。
在图4上描述的示例实施例示出了井下系统100可以如何生成包括同步标记器/位的数字化数据流，以及地面系统150然后可以如何重建原始数据结构以提取测量结果。该方法(经由同步位)将定时和上下文信息添加到数据，使得即使当信息丢失或失真时(例如，由于在420处描绘的环境因素)，地面系统150也可以推断出所传送的数据的性质。同步信息可以包括例如两个分量，其在井下100和地面150系统两者都已知的预定周期重复；(i)同步信息和(ii)可选数据流上下文信息。
如本领域普通技术人员所知，通信信道420会引入数据流错误(例如，由于噪声和/或信号衰减)。这些错误可能进而导致失步和随后的数据丢失。以已知周期重复同步位(同步信息)使得地面系统150能够周期性地验证接收到的数据流的同步。将理解，可以基于遥测方法的特征来选择同步位(或位模式)的选择。例如，可以选择同步位以最大化同步模式之间的汉明距离(Hamming distance)，并提供遥测符号选择的适当平衡以最大化数据恢复的成功率。
将进一步理解，同步编码(包括如本文所述的数据流中的同步位)趋于降低数据传送效率(通过向位流中的数据添加额外的位)。在一些实施例中，可以进一步优化同步位和同步周期，以平衡稳定性和传送开销需求。
可选的数据流上下文信息旨在唯一地识别由帧构建算法生成的数据流中的数据顺序。上下文信息可以进一步指示例如由于需要改变数据流的事件(例如，使得期望改变数据流的事件)引起的数据流的改变。上下文信息也可以在数据流中周期地重复以确保成功检测。
图5描绘了类似于实施例300的实施例500的流程图。在502处由井下系统100在钻井时获取传感器数据，并在504处使用帧构建算法对其进行处理以在506处生成原始数据流。原始数据流使用同步编码器处理以在508处使用预定的编码器参数515来生成同步数据流(例如，包括同步位的数字化数据流)。井下传感器和/或构造为确定钻井状态和/或钻机状态的处理器可以在510处使用以检测在512处的一个或多个需要数据流修改的事件(例如，如上所述的)。在美国专利公布号2014/0129148中公开了合适的钻井状态处理器(通过引用将其整体并入本文)。
在512处检测到事件时，可以将来自事件数据库525的新的初始条件输入到帧构建算法和同步编码器中，使得以新的初始条件处理在502处接收的数据以获得同步数据流。然后可以使用井下遥测系统在514处将该数据流传送到地面。如本领域普通技术人员已知的，由于环境干扰，例如在520处示意性示出的噪声、衰减、串扰等，这种传送可能导致数据丢失或衰减。传送的信号在532处在地面系统150处被接收，并在534处使用数据编码器参数515和来自事件数据库525的新初始条件(用于同步井下系统中的数据流的相同参数)经由数据同步解码器被处理，以在536处获得输入(接收)数据流。使用帧构建算法在538处处理输入数据流，以在540处获得重建的井下测量结果。
继续参考图2-5，可以利用基本上任何合适的初始条件(也可以称为输入参数)来编程帧构建算法。初始条件可以包括例如井底钻具组合(BHA)的组成，包括在BHA中部署的工具和传感器的数量和顺序。初始条件可以进一步包括遥测位率(传送率)以及钻井的穿透率(或速率范围)。穿透率可以预先定义，在井下计算或经由下行链路从地面接收。初始条件还可以包括将由BHA以预定的或计算的竖直分辨率将优先级测量结果(例如，关键任务测量结果)传送到地面的列出(或设定)。
将理解，优先级测量结果(例如，关键任务测量结果)的性质或BHA的架构可以对由帧构建算法生成的数字数据流的格式施加限制(约束)。这些限制可能包括，例如但不限于以下限制：(i)某些测量结果可能依赖于其他测量结果，从而在数据流中包含一个测量结果就必须包含其他测量结果；(ii)某些测量结果可能与其他测量结果不兼容，使得包含一个测量结果必须排除其他测量结果；(iii)在各种测量结果之间可能需要(或要求)一定的顺序；(iv)在各种测量结果之间可能需要(或要求)各种最小或最大间隔。
在常规钻井操作中，上述约束由地面处的钻井操作员解决，因此不能在井下自动实现。与常规的钻井操作相反，某些公开的实施例提供了一种使用井下处理器自动解决约束的方法。上述约束可以表示为规则，例如，(i)添加，(ii)删除，(iii)重排和(iv)检查规则。
添加和删除规则确保例如通过向测量序列添加或从测量序列删除测量结果来满足上述测量依赖性。这些规则旨在强制执行上面列出的第一和第二约束。重排规则旨在通过对测量序列进行重排以创建特定序列和/或满足指示测量结果之间的特定间隔的任何约束，从而强制执行第三和第四约束。该检查规则旨在确保重排规则还没有破坏添加或删除规则。
图6描绘了用于例如在识别到预定触发事件时修改数据流的方法600的一个示例的流程图。方法600因此可以用于基于事件数据库中的新的初始条件来更新帧构建算法。在602处，例如以要传送到地面的井下测量结果的初始列表的形式接收新的输入条件。这些测量结果可以使用例如包括上述添加和删除规则的依赖性算法604在井下进行处理，以确定用于传送到地面的测量结果的最终列表。然后可以使用例如包括上述重排和检查规则的定序算法606在井下进一步处理最终的测量结果列表，以在608处建立测量结果之间的顺序和间隔并确定帧结构。
将理解的是，方法600可以进一步被描绘为示例帧构建器树。图7描绘了一个这样的示例帧构建器树700。树700可以以初始检查710(C1)开始，以确保接收到正确的初始条件并将其用于确定适当的帧结构。在初始检查之后，可以从左到右执行帧构建器树700。所描绘的实施例以加/减序列720继续，该加/减序列720可以被认为类似于以上关于图6所描述的依赖性算法604。所描绘的加/减序列720包括用于井底钻具组合中的每个测量工具(或相应地用于每个测量结果)的加/减例程730。例如，最左边的(第一)加/减例程720包括加法规则A1，其后是减法规则S1、S2和S3。第二和第三加/减例程包括相应的加法规则A2和A3，其中的每个加法规则还跟随着减法规则S1、S2和S3。树700然后可以继续检查规则C1和C2以及重排规则R1、R2、R3、R4和R5，其旨在建立测量结果之间的顺序和间隔。因此，可以将检查规则和重排规则理解为类似于以上关于图6所描述的定序算法606。
尽管已经详细描述了用于井下数据传送和地面同步的系统和方法，但是应该理解，在不脱离如由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在此进行各种改变、替换和更换。
Claims (14)
1.一种用于将数据从井下位置传送到地面位置的遥测方法，该方法包括：
(a)检测需要改变传送数据流的井下事件；
(b)使用帧构建算法使井下处理器与预定义的事件数据库和井下测量数据相结合来处理在(a)中检测到的井下事件，以计算数字数据流；
(c)将同步标记器添加到(b)中计算出的数据流中以获得同步数据流，所述同步标记器识别在(a)中检测到的井下事件；
(d)使用井下遥测工具将同步数据流传送到地面位置；
(e)在地面位置处接收同步数据流以获得解码数据流；
(f)使地面处理器处理同步标记器以识别在(a)中检测到的井下事件；和
(g)使用(b)中处理的帧构件算法使地面处理器结合预定义的事件数据库和解码后的数据流来处理(a)中检测到的事件，以获得井下测量结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在(a)中检测到的事件包括以下中的至少一个：(i)从地面位置接收命令，(ii)在钻井时穿透预定的一个或多个地层，(iii)更改钻井条件，或(iv)遥测数据速率的更改。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，(b)还包括：
(i)基于(a)中检测到的事件从事件数据库接收新的输入条件；
(ii)使用依赖性检查算法处理新的输入条件，以确定要在(d)中传送的井下测量结果的最终列表；和
(iii)使用定序算法处理测量结果的最终列表，以计算用于数字数据流的帧结构。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述依赖性检查算法采用加法规则和减法规则，其中，所述加法规则将井下测量结果添加到所述井下测量结果的最终列表中，并且所述减法规则从所述井下测量结果的最终列表中减去井下测量结果。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述定序算法采用重排规则，该重排规则对井下测量结果进行重新排序以实现在井下测量结果的最终列表中的井下测量结果的预定间隔和顺序。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述井下遥测工具包括泥浆脉冲遥测工具、电磁遥测工具或声学遥测工具。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，(f)还包括使所述地面处理器结合所述事件数据库来处理所述同步标记器，以识别在(a)中检测到的井下事件。
8.一种用于将数据从井下位置传送到地面位置的遥测方法，该方法包括：
(a)在钻地下井时获取井下测量结果；
(b)使用帧构建算法使井下处理器处理井下测量结果，以计算数字数据流以传送到地面；
(c)检测需要改变数字数据流的井下事件；
(d)使井下处理器结合预定的事件数据库来处理在(c)中检测到的井下事件，以修改帧构造算法；
(e)使用在(d)中修改的帧构建算法使井下处理器处理井下测量结果，以计算修改后的数字数据流；
(f)将同步标记器添加到在(e)中计算的修改后的数据流中以获得同步数据流，所述同步标记器识别在(c)中检测到的井下事件；
(g)使用井下遥测工具将同步数据流传送到地面位置；
(h)在地面位置接收同步数据流以获得解码数据流；
(i)使地面处理器处理同步标记器以识别在(c)中检测到的井下事件；
(j)使表面处理器结合预定的事件数据库处理在(c)中检测到的事件，以修改帧构建算法；和
(k)使用在(j)中修改的帧构造算法使地面处理器来处理解码的数据流以获得井下测量结果。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在(c)中检测到的事件包括以下中的至少一个：(i)从地面位置接收命令，(ii)在钻井时穿透预定的一个或多个地层，(iii)更改钻井条件，或(iv)遥测数据速率的更改。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，(d)还包括：
(i)基于(c)中检测到的事件从事件数据库接收新的输入条件；
(ii)使用依赖性检查算法处理新的输入条件，以确定要在(g)中传送的井下测量结果的最终列表；和
(iii)使用定序算法处理测量结果的最终列表，以计算用于数字数据流的帧结构。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述依赖性检查算法采用加法规则和减法规则，其中所述加法规则将井下测量结果添加到所述井下测量结果的最终列表中，并且所述减法规则从所述井下测量结果的最终列表中减去井下测量结果。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述定序算法采用重排规则，该重排规则对井下测量结果进行重新排序以实现在井下测量结果的最终列表中的井下测量结果的预定间隔和顺序。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述井下遥测工具包括泥浆脉冲遥测工具、电磁遥测工具或声学遥测工具。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，(i)还包括使所述地面处理器与所述事件数据库结合来处理所述同步标记器，以识别在(c)中检测到的井下事件。
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