CN115012821A - 一种旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统,包括测控装置、旋转导向钻井系统和FPGA芯片:所述测控装置包括多个控制器模块、编码器和通信模块;所述旋转导向钻井系统包括驱动电路、钻头、定向传感器、泥浆泵、泥浆流量控制阀、解码器;所述FPGA芯片将解码结果产生的数据进行指令计算,将控制指令脉冲信号输出至驱动电路下达控制指令。本发明将多个控制器模块进行集中部署和整合,对多个伺服的旋转导向地面控制指令脉冲信号下传装置进行集中控制,避免了硬件资源的浪费。
Description
技术领域
本发明属于石油勘探开发领域,尤其涉及一种旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统。
背景技术
石油钻井旋转导向技术代表了目前世界最高水平的石油钻井技术,尤其在定向井、三位轨迹井和复杂油气井作业中,可显著的降低作业风险,提高效率,降低开发成本。石油钻井旋转导向技术是根据钻进过程中获取的地质参数,不断改变钻头方向向目的层位方向钻进的技术,具有边滑动边旋转的特点,能对井眼轨迹的控制更加精确。同时,它具有钻进时摩阻与扭阻小、钻速高、成本低、建井周期短、井眼轨迹平滑、易调控并可延长水平段长度等特点。目前,油钻井旋转导向装置通常可根据工作方式分为三种类型:静态偏置推靠式、动态偏置推靠式和静态偏置指向式。其中测控装置是旋转导向装置的核心部件,而测控装置包括用于地面指令下传的装置。
通过用于地面指令下传的装置向井下旋转导向仪器下传导向指令,引导钻头向目的层位方向钻进,对井眼轨迹的控制更加精确,减少钻井时间,降低钻井成本,提高油气勘探开发效率。同时,耐用可靠的旋转导向地面控制指令脉冲信号下传装置的广泛应用,有助于减小定向井工程师及钻井队的劳动强度。中国实用新型专利CN205154150U提供了一种旋转导向钻井工具钻井液脉冲信号下传装置,通过对可调制式旋转气动阀机构的信号控制,高频次钻井液旁路泄流通道的开或关,控制钻柱内钻井泥浆流量的变化,从而产生压力的变化并传送至井底,实现了地面下传指令到井下工具的传输。
然而,随着地面指令下传的系统应用场景以及控制精度需求的多样化,同样的地面指令下传的系统已经越来越无法适应各种钻井的应用场景。例如,当多个钻井进行联动勘探时,需要主控制器对多个伺服的旋转导向系统进行轨迹规划和插补。为了避免硬件资源的浪费,就需要开发出能够应用不同场景的旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统。
发明内容
本发明目的在于提供一种旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统,以解决同样的地面指令下传的系统无法适应各种钻井的应用场景的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明的一种旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统的具体技术方案如下:
一种旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统,包括测控装置、旋转导向钻井系统和FPGA芯片:
所述测控装置包括多个控制器模块、编码器和通信模块;所述控制器模块用于产生与至少一个对应的旋转导向钻井系统相关的控制指令脉冲信号;所述编码器将控制指令脉冲信号编码;所述通信模块与多个控制器模块耦接,将编码的控制指令脉冲信号下发至对应的旋转导向钻井系统;
所述旋转导向钻井系统包括驱动电路、钻头、定向传感器、泥浆泵、泥浆流量控制阀、解码器;所述解码器接受输入的编码的控制指令脉冲信号并进行解码;所述驱动电路用于接受解码器的解码指令,控制钻头作业;所述定向传感器位于钻头上,根据探测过程中产生的不同侧面的压力,使钻头定向钻进;所述泥浆泵通过管路连接钻头;所述泥浆流量控制阀设置在管路上,与测控装置通信连接;
所述FPGA芯片将解码结果产生的数据进行指令计算,将控制指令脉冲信号输出至驱动电路下达控制指令。
进一步,所述通信模块为无线通信模块。
更进一步,所述无线通信模块为超可靠低时延5G通信(URLLC)或海量机器类通信(mMTC)。
进一步,所述旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统还包括随钻测量系统。
更进一步,所述随钻测量系统由井下传感器组件、井下记录装置和地面检测处理设备组成;所述井下传感器组件与所述钻头耦接,用于测量钻井参数、地层参数和钻头工作状态,并存储至井下记录装置;所述井下记录装置与所述地面检测处理设备通信,得到钻井参数、地层参数和钻头工作状态。
更进一步,所述随钻测量系统和所述旋转导向钻井系统之间还包含一根大功率螺杆钻具和一根通信短节。
本发明的一种旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统具有以下优点:本发明的下传系统包含测控装置:多个控制器模块、编码器和通信模块。将多个控制器模块进行集中部署和整合,实现对控制器模块资源的灵活分配,对多个伺服的旋转导向地面控制指令脉冲信号下传装置进行集中控制,避免了硬件资源的浪费。其次,测控装置和旋转导向钻井系统的通信采用超可靠低时延通信(URLLC)或海量机器类通信(mMTC),可满足长时间稳定通信的需求。
附图说明
图1为本发明的旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统结构示意图;
图2为本发明的每个控制模块对应一个旋转导向钻井系统示意图;
图3为本发明系统可采用的装置图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能,下面结合附图,对本发明一种旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统做进一步详细的描述。本发明的核心改进结构是下传系统包含测控装置:多个控制器模块、编码器和通信模块。将多个控制器模块进行集中部署和整合,实现对控制器模块资源的灵活分配,对多个伺服的旋转导向地面控制指令脉冲信号下传装置进行集中控制,避免了硬件资源的浪费。
本发明的旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统如图1所示,包括测控装置10、旋转导向钻井系统20和FPGA芯片30:
所述测控装置10包括多个控制器模块101、编码器102和通信模块103;所述控制器模块101有多个,用于产生与至少一个对应的旋转导向钻井系统20相关的控制指令脉冲信号;所述编码器102将控制指令脉冲信号编码;所述通信模块103与多个控制器模块耦接,将编码的控制指令脉冲信号下发至对应的旋转导向钻井系统20。多个器控制器模块101主要负责控制与之对应的旋转导向钻井系统20的运动控制和插补,用于产生与至少一个对应的旋转导向钻井系统20相关的控制指令脉冲信号。每个旋转导向钻井系统20内包含钻头202,所述控制指令脉冲信号可以包括与每个钻头分别对应的工作运转参数,运转参数可以包括轨迹位置、钻头偏转角、旋转速度、钻头的复杂运动及切削齿切削的先后次序等参数。其中,轨迹位置包括钻头起始位置和终点位置,钻头的复杂运动可以是钻头的切削齿的运动轨迹方程和切痕曲线。此外,每个控制模块101可以对应至少一个旋转导向钻井系统,而且每个旋转导向钻井系统的类型可以相同或者不同,与之对应的驱动钻头的方式,可以相同或者不同,如图2所示。图3为本系统可采用的装置图,示例为控制器模块1和控制器模块2分别控制旋转导向钻井系统1和旋转导向钻井系统2,实现钻头202对地下不同区域进行探测。由此,通过这种方式实现的有益效果为:将多个控制器模块进行集中部署和整合,实现对控制器模块资源的灵活分配,对多个伺服的旋转导向地面控制指令脉冲信号下传装置进行集中控制,避免了硬件资源的浪费。
所述旋转导向钻井系统包括驱动电路201、钻头202、定向传感器203、泥浆泵204、泥浆流量控制阀205、解码器206;所述解码器206接受输入的编码的控制指令脉冲信号并进行解码;所述驱动电路201用于接受解码器206的解码指令,控制钻头202作业;所述定向传感器位203于钻头202上,根据探测过程中产生的不同侧面的压力,使钻头202定向钻进;所述泥浆泵204通过管路连接钻头202;所述泥浆流量控制阀205设置在管路上,与测控装置通信10连接。
驱动电路可直接和钻头202电路连接,用于控制钻头202作业,驱动电路可采用无刷直流电机驱动电路、液压驱动电路等;钻头202可以是牙轮钻头、金刚石钻头或混合钻头,钻头内部可安装定向传感器203和其他传感器,探测井下情况;钻头202还包含3个稳定块。定向传感器203确保钻头202在旋转钻进过程中,确保钻头可以沿着特定的方向钻进。可通过液压可推动活塞分别对钻头202中的3个稳定块施加不同的压力,其合力使钻头202沿某一特定方向偏移,从而在钻进过程中使钻头202产生1个侧向力,保证钻头202沿这一方向定向钻进。定向传感器203可采用HE1711定向传感器,它包含三轴磁通门传感器和三轴石英加速度计,可精准测量井斜、方位、高边工具面和温度等数据,同时输出X,Y,Z三轴重力分量和三轴磁分量。也可采用DS750定向传感器和APS动态定向传感器。所述泥浆泵204通过管路连接钻头202;所述泥浆流量控制阀205设置在管路上,与测控装置10通信连接。泥浆泵204可采用3NB-1000型三缸单作用泥浆泵,可采用驱动芯轴用于连接钻柱和钻头202,传递钻压、扭矩和与泥浆泵204连接输送泥浆。泥浆泵204与与测控装置10通信连接,所述泥浆泵204接收测控装置10发送来的地面控制指令脉冲信号,并启动,向钻头202泵送泥浆。
所述FPGA芯片30将解码结果产生的数据进行指令计算,将控制指令脉冲信号输出至驱动电路201下达控制指令,驱动电路201控制钻头202按照指令脉冲的控制指令作业。FPGA芯片可采用Solarflare X2522-PLUS 25G700ns FPGA芯片,通过电路与解码器206连接。
所述通信模块103与多个控制器模块101耦接,所述通信模块由可控低时延的专网进行部署,最优的,可采用无线通信模块,无线通信模块为可靠低时延5G通信(URLLC)或海量机器类通信(mMTC)。目前,URLLC的可靠性指标为:用户面延时1毫秒,一次性传送32字节包的可靠性为99.999%。目前,mMTC的可靠性指标为:用户面延时0.5毫秒,一次性传送32字节包的可靠性为99.999%。采用这两种无线通信方式,相比与有线通信,旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统能避免过多的布线,精简了结构。这两种方式都是属于延时较小的方式,无需其他设置即可保证旋转导向钻井系统20接收地面控制指令脉冲信号正常工作。
所述下传系统还包括随钻测量系统。随钻测量系统的作用是在钻井过程中将井下传感器数据实时传输至地面。地面工程师或者电脑根据获得的井眼数据及时做出决策,从而调整井眼方向并使其轨迹始终在油藏中穿行。所述随钻测量系统由井下传感器组件、井下记录装置和地面检测处理设备组成;所述井下传感器组件与所述钻头耦接,用于测量钻井参数、地层参数和钻头工作状态,并存储至井下记录装置;所述井下记录装置与所述地面检测处理设备通信,得到钻井参数、地层参数和钻头工作状态。
所述随钻测量系统和所述旋转导向钻井系统20之间还包含一根大功率螺杆钻具和一根通信短节。这样,钻头202就能获得来自顶驱装置的转速和大功率螺杆钻具转速叠加的高转速;随钻测量系统里的井下传感器组件可采集数据,通信短节把旋转导向钻井系统测得的参数和曲线传递给随钻测量系统,随钻测量系统把获得的数据传递到测控装置10。这样不但可以获得因钻头202转速增高带来机械钻速提高,还解决了实时获得旋转导向钻井系统20近钻头202数据的通讯问题。由于钻头202转速大幅提高,从而提高机械钻速,并减小钻具、BHA和套管之间的磨损,增加经济效益。
可以理解,本发明是通过一些实施例进行描述的,本领域技术人员知悉的,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外,在本发明的教导下,可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此,本发明不受此处所公开的具体实施例的限制,所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (6)
1.一种旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统,其特征在于,包括测控装置、旋转导向钻井系统和FPGA芯片:
所述测控装置包括多个控制器模块、编码器和通信模块;所述控制器模块用于产生与至少一个对应的旋转导向钻井系统相关的控制指令脉冲信号;所述编码器将控制指令脉冲信号编码;所述通信模块与多个控制器模块耦接,将编码的控制指令脉冲信号下发至对应的旋转导向钻井系统;
所述旋转导向钻井系统包括驱动电路、钻头、定向传感器、泥浆泵、泥浆流量控制阀、解码器;所述解码器接受输入的编码的控制指令脉冲信号并进行解码;所述驱动电路用于接受解码器的解码指令,控制钻头作业;所述定向传感器位于钻头上,根据探测过程中产生的不同侧面的压力,使钻头定向钻进;所述泥浆泵通过管路连接钻头;所述泥浆流量控制阀设置在管路上,与测控装置通信连接;
所述FPGA芯片将解码结果产生的数据进行指令计算,将控制指令脉冲信号输出至驱动电路下达控制指令。
2.根据权利要求1所述的旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统,其特征在于,所述通信模块为无线通信模块。
3.根据权利要求2所述的旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统,其特征在于,所述无线通信模块为超可靠低时延5G通信(URLLC)或海量机器类通信(mMTC)。
4.根据权利要求1所述的旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统,其特征在于,还包括随钻测量系统。
5.根据权利要求4所述的旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统,其特征在于,所述随钻测量系统由井下传感器组件、井下记录装置和地面检测处理设备组成;所述井下传感器组件与所述钻头耦接,用于测量钻井参数、地层参数和钻头工作状态,并存储至井下记录装置;所述井下记录装置与所述地面检测处理设备通信,得到钻井参数、地层参数和钻头工作状态。
6.根据权利要求4-5任一项所述的旋转导向地面控制指令脉冲信号下传系统,其特征在于,所述随钻测量系统和所述旋转导向钻井系统之间还包含一根大功率螺杆钻具和一根通信短节。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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