CN118043533A - 控制井下工具 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于控制井下工具的方法、设备和机器可读指令。对与井下工具相关联的钻柱的运行参数进行感测，以在一个具有预定持续时间的时间窗内检测运行参数的脉冲数。脉冲对应于运行参数偏离基线值的时间段，且对脉冲数的检测适应于时间窗内可变脉冲持续时间和可变脉冲幅度中的至少一个。根据所检测到的运行参数的脉冲数来执行控制命令，以控制井下工具。

Description

控制井下工具

背景技术

在石油和天然气等行业中，钻井作业形成钻井来开采碳氢化合物储量。

与这样的井相关的钻井、完井、维护和提取操作可能涉及使用各种不同的设备，这些不同的设备通过钻柱下入井中。此类设备通常包括可以从地表远程控制的机械井下工具，例如，根据钻井作业的当前阶段，可以控制这些工具来激活相应的井下工具的不同模式。

由于恶劣的井下环境和其位于地下深处的事实，使用常规的有线或无线通信技术控制井下工具来调用所需的机械操作模式可能很困难。本技术适用于进行钻井作业的任何行业。

以前的解决方案试图克服这些困难，例如将球或镖等物体放入钻柱的孔中，以选择性地封堵住井下工具的孔，并施加背压来驱动工具的机械机构。

通过这种方式选择性封堵钻柱中的孔，使用这种井下工具的一个问题是，该孔之后无法用于其他操作。这可以通过使球或镖离开孔来解决，但由于除了钻柱之外，一口典型的井只能承受有限数量的此类物体，这反而通常需要捕捉、回收或钻穿球或镖。

通过选择性封堵钻柱中的孔，使用这种井下工具的另一个问题是，是否希望在单个钻柱上下入多个工具，以尽量减少起下钻次数。在多个工具通常使用相同的驱动原理的情况下，例如上面描述的封孔驱动，这可能会限制一起下入的工具数量，从而增加井下作业的总时间和总成本。

其他以前的解决方案包括使用依赖于固定的、预定的时隙的通信协议，精确控制和测量钻柱的转速或钻柱内部与钻柱外部(例如环形空间)之间的压力。这种解决方案可能存在相关问题，使其效率低下且不可靠。例如，所谓的“粘滑”可能会导致钻柱在整个长度范围内的转速波动，使得精确控制其转速具有挑战性。另一个实例是，由于静水压力随深度而变化，使得精确测量钻柱内外压差变得很复杂。此外，利用依赖于在固定的、预定的时隙内测量的某些参数的通信协议可能由于系统中的延迟而产生测量误差。期望至少在使用预定时隙的系统中减小测量误差。

仍然需要一种控制井下工具的方式来解决或减轻其中一个或多个这样的问题。

附图说明

下面参考附图描述示范性的实施方式，其中:

图1示意性地示出了可以根据本技术控制井下工具的示范性钻井系统；

图2示意性地示出了用于控制井下工具的示范性控制信号；

图3示意性地示出了用于控制井下工具的示范性控制信号，其中控制信号具有多个极性不同的脉冲；

图4示意性地示出了用于控制井下工具的另一示范性控制信号，其中控制信号具有多个极性不同的脉冲；

图5示意性地示出了用于控制井下工具的示范性控制器；

图6示意性地示出了包括示范性控制器的示范性井下工具；

图7示意性地示出了用于采样控制信号的基线采样率和测量采样率；

图8示意性地示出了用于为井下工具的控制器供电的示范性电源；

图9为示范性的流程图，示意性地示出了控制井下工具；以及

图10为流程图，示意性地示出了如何根据传感器读数激活钻柱的井下工具；

图11为流程图，示意性地示出了包括井下工具的钻柱的运行参数的脉冲的识别，其中脉冲的前沿和后沿用于识别。

具体实施方式

图1示意性地示出了一个示范性的钻井系统100，在该钻井系统100中，可以根据本发明控制井下工具。该钻井系统100包括钻柱110，钻柱110至少部分位于钻入地面130的井眼120中；钻柱旋转器140、钻井液泵150和井架160。

钻柱110包括：钻杆112；包括控制器115的井下工具114；以及钻头116。钻杆112可具有机械连接到钻柱旋转器140的第一端112a和与第一端112a相对的第二端112b，且该第二端112b机械连接到井下工具114的第一端114a。井下工具114可具有与钻头116机械连接的第二端114b，该第二端114b与第一端114a相对。术语“机械连接”包括那些被描述为相互机械连接的元件之间的直接和间接连接。例如，钻杆112的第一端112a可以直接或间接地机械连接到钻柱旋转器140。在钻杆112的第一端112a间接地机械连接到钻柱旋转器140的实例中，可能有例如位于钻杆112的第一端112a和钻柱旋转器之间的一个或多个组件，例如以下中的一个或多个：加重钻杆；钻铤；稳定器；随钻震击器；任何其他常规钻井系统组件；以及它们的任意组合。类似地，在一些实例中，可以有一个或多个组件位于以下任何一个或多个之间：钻杆112的第二端112b和井下工具114的第一端114a；以及井下工具114b的第二端和钻头116。

井架160是支撑钻柱110、钻柱旋转器140和钻井液泵150的支撑结构。

钻井系统100可以通过从钻柱旋转器140经由钻杆112传递扭矩到钻头116来钻出井眼120。这样，钻井系统100可以使钻头116沿一方向旋转，使得钻头116切割进地面130并从地面130移除钻屑。

钻井液(可称为“钻井泥浆”)可由钻井液泵150经由钻柱110泵送，并从钻头116排出。这样做可以用于例如在钻井过程中冷却钻头116，并帮助去除钻屑。一旦钻井液从钻头116中喷出，连同悬浮在钻井液中的钻屑，都可以被泵送到钻柱110和井眼120的侧面之间的环形空间(未示出)。钻柱的工具，例如钻头116，可以设置为允许以各种方式排出钻屑，例如通过环形空间或多个喷嘴。

钻柱旋转器140可以包括用于使钻柱110旋转的任何装置，包括但不限于：转盘；“顶部驱动”；和“方钻杆驱动”(Kelly drive)。

井下工具114可以是具有一种或多种模式的工具，钻井系统100的操作员可以选择性地激活这些模式以产生所需的动作。作为一个说明性实例，井下工具114可包括扩眼器，该扩眼器具有多个可伸缩的切割刀片，切割刀片可以配置为使其在停用模式下收缩，并在激活模式下伸展。在某些实例中，可以在扩眼器处于停用模式时开始钻井。因此，井眼120的直径可以对应于钻头116的直径。随后，钻井系统100的操作员可能希望扩大井下工具114下方区域的井眼120的直径。因此，钻井系统100的操作员可以调用扩眼器的激活模式，从而使其可伸缩的切割刀片转换到其伸展位置，从而可以钻出直径增加的井眼。

本发明不限于任何类型的井下工具，井下工具114可以包含任何类型的井下工具，包括但不限于：循环短节(circulating sub)；扩眼器；套管刮削器；变径稳定器；尾管悬挂器；造斜器；旋转导向系统；钻柱隔离工具；喷射工具；磁铁；过滤器；泥浆喷嘴；磨铣器；刷子；文丘里管；以及断开连接的工具。钻柱可以是例如套管柱、尾管柱或具有一个或多个待控制的工具的其他类型的钻柱。

由于恶劣的井下环境，使用常规的有线或无线通信技术来控制井下工具114以调用所需的井下工具114的模式可能很困难。以前的解决方案试图克服这些困难，例如通过使用依赖于从井眼顶部扔下球或镖的机械机构。其他以前的解决方案包括使用依赖于在固定的、预定的时隙内精确控制和测量钻柱的转速或钻柱内部和钻柱外部(例如环形空间)之间的压力差的通信协议。

这类以前的解决方案可能存在相关问题，使其效率低下且不可靠。例如，所谓的“粘滑”可能会导致钻柱110沿着其长度出现转速波动，使得精确控制其转速变得困难。另一个实例是，精确测量钻柱110内部和外部之间的压力差可能需要耗时的基线测量，以说明例如静水压力随深度的变化。此外，利用依赖于测量在具有固定启动时间和结束时间的预定时隙内的某些参数的通信协议，可能由于系统中的延迟而产生测量误差。

有利地，正如下文将进一步讨论的，本技术可以通过控制器115以不依赖于对例如钻柱110的转速或压力的精确测量且不容易由于延迟而导致误差的方式控制井下工具114。

控制器115可以由硬件、软件、固件或其任意组合中的任意一种实现。在一些实例中，控制器115可包括处理电路，例如微控制器或任何其他类型的处理电路。正如下文将进一步讨论的，可以操作控制器115来控制井下工具114响应检测到的向井下工具114传送控制命令的控制信号。根据本技术，可以通过调制钻柱110的运行参数，将控制信号传送到控制器115。运行参数可以包括任何参数，可以通过(例如操作员)操作钻柱110来选择性地调制任意参数的值。例如，运行参数可以包括以下任意一项：钻柱的转速，以每分钟转数(RPM)为单位；钻柱中流体的压力，以帕斯卡或psi(磅/平方英寸)为单位；流体通过钻柱的流速，以立方米/秒为单位；钻柱的纵向轴向运动，以米为单位；或钻柱的任何其他运行参数。应当理解，计量单位可能与上述不同。在运行参数为压力的情况下，基线值可对应于静水压力。

虽然井下工具——即井下工具114——如图1所示，但这仅仅是一个说明性实例，并且本发明并非限制于此。在其他实例中，钻柱110可包括多个机械可更换的井下工具，并且本技术可适用于控制钻柱110内包括的多个井下工具中的一个或多个井下工具。

为了清楚起见，图1中所示的钻井系统100已经进行了简化，钻井系统100可包括图1中未示出的钻井系统的常规组件，包括但不限于，例如：加重钻杆、钻铤、稳定器、随钻震击器、任何其他常规钻井系统组件或它们的任意组合。

图2示意性地示出了用于控制钻柱，例如图1所示的钻柱110内包括的井下工具的示范性控制信号200。该井下工具可包括例如图1所示的井下工具114或者包括控制器或以其他方式通信地连接到控制器的任何其他井下工具，该控制器例如图1所示的控制器115，例如可以根据本技术操作控制器来控制井下工具。

控制信号200包括在时间窗230内钻柱的运行参数的若干脉冲220-1至220-n(其中n是一或更大的任意整数值)，时间窗230具有预定的持续时间，不过具有灵活的启动时间(因而也具有结束时间)。因此，控制信号200可包括时间窗230内的任何非零的正整数数量的脉冲。

控制信号200可以根据时间窗230内存在的运行参数的脉冲数，为井下工具传送特定的控制命令。在图2所示的示范性控制信号200中，时间窗230的起点对应第一脉冲220-1的起点(例如上升沿)。然而正如将在下文进一步讨论的，本发明并非限制于此，并且时间窗230的起点可以对应例如存在于控制信号中的其他特征。根据控制信号中检测到出现脉冲来触发时间窗230启动，这适应了运行参数值随时间发生任何漂移，否则可能导致在脉冲期间执行基线测量。

回到图2，在时间窗230内的运行参数的脉冲220-1到220-n的数量与相应的控制命令之间可能存在映射。举例来说，如果控制信号200在时间窗230内仅包含一个脉冲，则控制信号200可对应井下工具的第一控制命令，而如果控制信号200在时间窗230内包含两个脉冲(即如果n等于1)，则控制信号200可对应第二控制命令，第二控制命令不同于第一控制命令。

在一些实例中，时间窗230内的脉冲数与相应的控制命令之间的映射可以基于时间窗230内的绝对脉冲数，而且可以不取决于例如时间窗230内的任何脉冲的绝对幅度或绝对持续时间或它们相对于时间窗230出现的时间。因此，以下中的一个或多个可以是可变的：时间窗230内的组成脉冲(例如脉冲的每一个或子集)的持续时间；时间窗230内的组成脉冲(例如脉冲的每一个或子集)的幅度；以及时间窗230内的组成脉冲(例如脉冲的每一个或子集)的(例如时间)位置。因此，除非另有说明，控制信号200中运行参数的组成脉冲可以具有任意幅度(例如超过阈值幅度)和任意持续时间，并且可以在时间窗230内的任何时间出现。如果脉冲的持续时间超过了时间窗的终点，它可能不会被计算在内。因此，通过位于地表的数据处理设备(未示出)处的用户将控制信号200传送至井下工具114的控制器115，控制钻杆的转速，以调节其开关或快慢，或通过改变泵的特性来引起压力的变化，无论哪种情况下，可以通过位于钻柱上某处的传感器(例如陀螺仪或压力传感器)进行测量，可能不需要对运行参数的幅度、持续时间或绝对时间位置中的任意一个进行精确调制。

根据本技术，采用异步通信方法，在预定的持续时间内测量脉冲的总数。这是可行的，因为通信协议是单向的，即从用户到控制器115，通过在地表使用泵150或旋转器140改变角旋转或压力来进行通信。不存在从控制器115到用户的返回路径，这是有意义的，因为在恶劣的井下环境中，通过有线连接或无线连接进行通信都很困难。相比之下，在双向通信协议中，通常使用同步通信，包括时钟或精确定时，来传输二进制位。对于这种同步通信，由于数据可以在时钟信号的上升沿上采样，因此由于采样技术的性质，脉冲宽度的变化可能导致给定脉冲信号不同的脉冲计数。这是因为根据采样频率，更宽的脉冲可以被计数不止一次。特别是，如果脉冲宽度大于时钟信号所定义的采样周期，则该脉冲可以被计数不止一次。因此，当被监测的脉冲信号具有脉冲宽度可能有变化的脉冲时，同步通信方法更容易出错。在井下环境中，脉冲宽度会发生变化。实际上，在与泵150和旋转器140相关的脉冲传输中存在固有的变异性。由于这个原因，在预定的时间窗内计算脉冲的总数比基于时钟信号的上升沿或下降沿的二进制采样更准确。

由控制信号200传送的控制命令可以包括用于井下工具的任何控制命令，包括但不限于使工具进入以下模式的命令：激活模式，其可以是多个激活模式之一；停用模式，其可以是多个停用模式之一；延迟激活模式，其可以是多个延迟激活模式之一；延迟停用模式，其可以是多个延迟停用模式之一；以及隔离模式，其可以是多个隔离模式之一。

在一些实例中，由控制信号200传送的控制命令可以调用井下工具的多种模式中的第一种模式。例如，控制命令与井下工具的特定模式之间存在映射。在其他实例中，由控制信号200传送的控制命令可以调用转换，由井下工具的多种模式的当前模式转换成井下工具的多种模式的不同模式。举例来说，当井下工具处于例如停用模式时，由控制信号200传送的给定控制命令可以调用转换，转换成井下工具的激活模式。继续同样的说明性实例，当井下工具处于例如激活模式时，由控制信号200传送的相同给定控制命令可以调用转换，转换成井下的停用模式。因此，给定的命令可以调用模式转换，而模式转换的结果取决于接收命令时工具的当前模式。

在由控制信号200传送的控制命令调用转换从当前模式转换成井下工具的多种模式中的不同模式的实例中，可以根据当前模式预先确定该不同模式。例如，根据本技术用于控制井下工具的控制器可以存储状态转换图，并且可以依照状态转换图，根据当前模式响应控制信号200调用不同模式。运行参数的脉冲可以对应运行参数从基线值210到不同于基线值210的值的临时偏差。基线值可以用一段时间内的基线平均值来表示，而不是用波动值来表示。与偏差相对应的不同于基线值210的值可以包括下列的任意一个：大于基线值210的值；或者小于基线值210的值。换言之，运行参数的脉冲可能包括下列的任意一个：运行参数的幅度从基线值变化到大于基线值的值，随后又变回基线值210(下文称为“正脉冲”或具有“正极性”的脉冲)；或者运行参数的幅度从基线值变化到小于基线值的值，然后又变回基线值(下文称为“负脉冲”或具有“负极性”的脉冲)。因此，虽然图2中所示的运行参数的脉冲是正脉冲，但这仅仅是以说明为目的，且本发明并非限制于此。除非另有说明，本文公开的任何控制信号可以包括钻柱的运行参数的正脉冲和负脉冲的任意组合，包括单独的正脉冲或单独的负脉冲。

正如下文将进一步讨论的，为了确定井下工具的控制命令，井下工具的(例如井下工具内包括的或以其他方式通信连接到井下工具的)控制器可以感测包括井下工具的钻柱的运行参数，以在具有预定持续时间的时间窗内检测运行参数的脉冲数。运行参数的若干脉冲中的单个脉冲可包括从基线值到与不同于基线值的值的第一次转换(例如在正脉冲的情况下为上升沿，在负脉冲的情况下为下降沿)和从基本不同于基线值的值到基线值的第二次转换(例如在正脉冲情况下为下降沿，在负脉冲情况下为上升沿)。然而，为了计算脉冲数，可以只检测前沿的数量或只检测下降沿的数量，而不是对每个脉冲的前沿和下降沿同时计数。在预定的时间窗内，不论脉冲持续时间的变化如何，任何精确确定脉冲总数的方法都与本技术一致。

因此，检测运行参数的若干脉冲中的一个脉冲包括以下任意一个：检测从基线值到与该脉冲关联的不同于基线值的值的第一次转换；检测从基本不同于基线值的值到与该脉冲关联的基线值的第二次转换；检测与该脉冲关联的第一次转换和第二次转换；以及可以检测或推断脉冲存在的任何其他方法。检测运行参数的脉冲数不限于用于检测任意一个组成脉冲的任意一种检测方法：只要在不同脉冲检测标准之间切换时不损害脉冲计数的准确性，就可以以相同或不同的方式检测若干脉冲中的每个脉冲。

正如下文将进一步讨论的，在一些实例中，可以利用阈值将运行参数的脉冲与例如基线噪声区分开来。例如，基线值与不同于基线值的值之间的临时偏差的幅度(即与图2所示箭头240对应的幅度偏差)可以超过预定的脉冲阈值250(也称为基线容差阈值)。脉冲阈值250可提供触发脉冲计数的基线值210的偏差幅度的下界。实施脉冲计数使得可以适应脉冲幅度的可变性。这意味着任何偏离幅度超过脉冲阈值的脉冲都会导致脉冲计数增加。触发计数的一些脉冲可能比触发计数的其他脉冲的幅度更大。同样，无论脉冲持续时间如何变化，脉冲计数都是精确的。第一脉冲220-1的持续时间明显短于第二脉冲220-n，然而根据本技术，每个脉冲可导致脉冲计数增加1。这可以通过实施脉冲阈值250来实现。区分脉冲的上升沿和下降沿的能力可以提供计数的弹性，使其在脉冲宽度可能变化的情况下保持精确。作为脉冲检测的一部分，识别下降沿和上升沿可以帮助补偿任何随时间推移的漂移，例如由于任何温度变化引起的漂移。

虽然在图2所示的示范性控制信号200中，时间窗230的起点与第一脉冲220-1的起点对齐，但这仅仅是以说明为目的，本发明并非限制于此。正如下文将讨论的，根据本技术用于控制井下工具的控制器可以确定时间窗的起点，在该时间窗中，基于例如以下任意一个来检测运行参数的脉冲数：最早检测到的运行参数的脉冲；以及自前一个时间窗结束以来最早检测到的运行参数的脉冲，且在前一个时间窗期间，检测到运行参数的先前的脉冲数。时间窗可以选择与脉冲的起始点重合(例如用以检测上升沿)或与脉冲期间的点重合(例如用以检测下降沿)，或者时间窗可以选择在脉冲之间启动(例如用以检测下一个上升沿或下降沿)。或者，时间窗可以设置成无论何种脉冲特性或定时都周期性地出现。例如，工具可能每隔一小时激活一次，或者可能开启5分钟再关闭5分钟。

虽然图2所示的示范性第一控制信号200包括具有相同极性的脉冲220-1到220-n(例如脉冲220-1和220-n为正脉冲)，但本发明并非限制于此，并且其他示范性控制信号可包括极性不同的脉冲。例如，根据本技术的控制信号可以包括以下任意一种：多个脉冲，其中每个脉冲具有正极性；多个脉冲，其中每个脉冲具有负极性；以及多个脉冲，其中一些脉冲具有正极性而一些脉冲具有负极性。

在控制信号包括多个极性不同的脉冲的实例中，例如图3所示的第二控制信号300或图4所示的第三控制信号400，时间窗内的控制信号的脉冲数与相应的控制命令之间的映射可能是基于时间窗内的绝对脉冲数，且可能不取决于以下中的任意一个或多个：绝对脉冲幅度(相对于基线或其他)；时间窗内任意脉冲的持续时间；脉冲相对于时间窗出现的时间；或脉冲的极性。在其他实例中，如下文将进一步讨论在图3和图4中分别示出的第二示范性控制信号和第三示范性控制信号，控制信号的时间窗内的运行参数的脉冲数与相应的控制命令之间的映射可能不仅取决于组成脉冲的数量，还取决于脉冲的极性。在另一个可选的实例中，运行参数的脉冲数与相应的控制命令之间的映射还可能取决于脉冲相对于它们各自的极性在时间上的顺序。

图3示意性地示出了第二示范性控制信号300，其包括极性不同的运行参数脉冲。第二示范性控制信号300包括在具有预定持续时间的时间窗330内的运行参数的第一脉冲320-1和同一运行参数的第二脉冲320-2。第一脉冲320-1包括运行参数从基线值310到大于基线值310的值的临时偏差，由此对应正脉冲。第二脉冲320-2包括运行参数从基线值310到小于基线值310的值的临时偏差，由此对应负脉冲。

图4示意性地示出了第三示范性控制信号400，其包括运行参数的脉冲且包括极性不同的脉冲。第三示范性控制信号400包括在具有预定持续时间的时间窗430内的同一运行参数的第一脉冲420-1和第二脉冲420-2。如果将时间窗的持续时间设置为在持续时间上超过最大预期脉冲宽度，或至少超过平均脉冲宽度，是恰当的。第一脉冲420-1为负脉冲。第二脉冲420-2为正脉冲。

参考图3和图4，在一些实例中，例如第二控制信号300或第三控制信号400等控制信号所传送的命令除了取决于脉冲极性外，还可以取决于时间窗内的绝对脉冲数。例如，在给定的控制命令和时间窗内的正脉冲数和负脉冲数之间可能存在映射。在一些这样的实例中，给定的控制命令和考虑到脉冲极性的脉冲数之间的映射可能取决于组成脉冲考虑到其极性的顺序。作为说明，在极性不同的脉冲的相对时间顺序不影响响应控制信号来执行哪个控制命令的实例中，根据本技术用于控制井下工具的控制器可以从第二示范性控制信号300和第三示范性控制信号400确定相同的控制命令，因为它们在各自的时间窗内包括一个正脉冲和一个负脉冲。相比之下，在控制信号传送的命令确实取决于正脉冲和负脉冲的时间顺序的实例中，用于控制井下工具的控制器可以从第二示范性控制信号300和第三示范性控制信号400确定不同的控制命令，因为组成它们的正脉冲和负脉冲的相对顺序不同。同时利用运行参数的脉冲数及考虑到极性的相对时间顺序，可以使控制命令更有效地映射到脉冲，使得相比在映射中不考虑相对时间顺序的情况，更多数量的命令可以唯一地映射到更少数量的脉冲上。

根据本技术的控制信号可包括在时间窗内的运行参数的任意数量的脉冲，并且不限于如图3和图4所示的极性相反的两个脉冲。由控制信号传送的命令可以取决于相应时间窗内的脉冲数，而不考虑极性相反的任意脉冲的脉冲极性或相对时间顺序。在另外的实例中，所传送的命令可能取决于正脉冲的数量和负脉冲的数量，而不考虑时间顺序。然而在另外的实例中，所传送的命令也可能取决于极性不同的脉冲的相对时间顺序。

图5示意性地示出了用于控制井下工具的示范性控制器500，其中井下工具例如图1所示的井下工具114或任何其他井下工具。在一些实例中，控制器500可对应图1所示的控制器115。

控制器500可以可操作地连接至井下工具114上，以控制其进行钻井作业。例如，控制器500可以位于井下工具114或钻杆112的主体的壳体内或位于专用的工具主体中(未示出)。这样的实例在图6中示出，该实例包括控制器500和井下工具650。井下工具650可以包括任何井下工具，例如：循环短节；扩眼器；套管刮削器；变径稳定器；尾管悬挂器；造斜器；旋转导向系统；钻柱隔离工具；喷射工具；磁铁；过滤器；泥浆喷嘴；磨铣器；刷子；文丘里管；以及断开连接的工具。控制器500包括处理电路510、一个或多个传感器520、致动器530和电源540。在一些实例中，处理电路510可包括存储器515，其位于处理电路510的内部。另外或可选地，控制器500可包括存储器525，其位于处理电路510的外部。

一个或多个传感器520可以设置为感测钻柱的运行参数，钻柱包括由控制器500控制的井下工具650。一个或多个传感器520可输出电信号，电信号值可对应运行参数的值。钻柱的运行参数可以是例如钻柱110的转速；钻柱110中流体的压力；流体通过钻柱110的流速；以及钻柱110的纵向轴向运动。

一个或多个传感器520可包括任何类型或多个类型的传感器，可操作这种传感器以直接或间接感测运行参数。传感器可以是无源传感器或有源传感器，也可以是这两种类型的组合。在运行参数包括钻柱110转速的实例中，一个或多个传感器520可包括转速传感器——例如陀螺仪、加速度计、转速计或任何其他类型的转速传感器——其可以直接感测钻柱的转速。在运行参数包括钻柱转速的其他实例中，一个或多个传感器520可以间接地感测钻柱的旋转，例如通过感测钻柱110的振动，由此可以推断出钻柱转速的调节。一个或多个传感器520可包括以下任意一个：转速计；加速度计；霍尔效应传感器；光电传感器；磁力计；陀螺仪；应变计；压力传感器；能够感测钻柱运行参数的任何其他类型的传感器；及它们的任意组合。根据所进行的测量的需要，不同的传感器可以放置在钻柱110或井下工具114的不同位置。

一个或多个传感器520可以通信连接至处理电路510。在一些实例中，一个或多个传感器520的输出可以是模拟输出，可以使用模数转换器(ADC)(未示出)将该模拟输出转换为相应的数字值。在这些实例中，ADC可以是以下之一：被包括在一个或多个传感器520自身之内；被包括在处理电路510内；或在一个或多个传感器520和处理电路510的外部。

在一些实例中，在处理电路510基于一个或多个传感器520的输出检测运行参数的脉冲数之前，可以对一个或多个传感器520的输出进行滤波(例如通过低通滤波器、滑动平均滤波器或任何其他可用于降低噪声的滤波器中的一个)以降低噪声。滤波可以由硬件、软件、固件或其任意组合中的任意一种实现。在一些实例中，滤波可以由以下任意一个实现：一个或多个传感器520自身；处理电路510；或通过独立于处理电路510的电路(未示出)。

处理电路510可以对一个或多个传感器520的至少一个子集的输出进行采样，以确定具有预定持续时间的时间窗中运行参数的脉冲数。预定持续时间的值可以存储起来，例如，存储在存储器515或存储器525中。处理电路可以具有计数器(未示出)，并且可以使用时钟信号来执行时基操作，例如测量检测到的脉冲的时间窗以及控制传感器测量的采样周期。

在一些实例中，响应于检测运行参数(例如)的最早脉冲，处理电路可以触发时间窗启动，例如通过启动计时器。脉冲可以是在处理电路上电后由处理电路510检测到的绝对最早脉冲，或者是自前一个时间窗结束以来最早的脉冲，且在前一个时间窗期间确定了运行参数的先前的脉冲数。在时间窗结束时，处理电路510可以确定时间窗内的运行参数的脉冲数，并根据检测到的运行参数的脉冲数来执行控制命令，以控制井下工具。可以用计数器在时间窗期间增加脉冲计数，以在时间窗结束时提供最终脉冲计数。时间窗内的运行参数的脉冲数与相应的控制命令之间的映射可以存储在例如存储器515或存储器525中。在一些实例中，该映射可以可选地包括脉冲数及脉冲的各自极性(例如负脉冲数相比正脉冲数)和相应的控制命令之间的映射。在一些实例中，映射还可包括组成脉冲考虑到其极性的数量和顺序之间的映射。

处理电路510可以通过控制致动器530来激活控制命令，致动器530可以包括，例如机电螺线管、电磁铁、线性滚珠丝杠、机械闩锁或任何其他类型的致动器。在一些实例中，处理电路510可以通过驱动电路(未示出)控制致动器530。致动器可以触发激活新的井下工具，或者控制钻柱110中已经在使用中的井下工具的操作。钻柱110可包括一组可通过致动器530单独选择的不同的井下工具。除了当前使用的工具外，所有工具都可以缩回钻柱110内。然而，一些工具可能是不可伸缩的。在一些实例中，处理电路510可以通过利用阈值来区分运行参数的脉冲与例如基线噪声。例如，在处理电路510通过检测基线值与不同于基线值的值之间的至少一个转换来检测脉冲的情况下，处理电路510可以将基线值和不同于基线值的值之间的差值的幅度与预定的脉冲阈值，例如图2中所示的阈值250进行比较，并且可以在给定运行参数的幅度超过预定的阈值时使脉冲计数器增加计数。例如，这种预定的脉冲阈值可存储在存储器515或存储器525中。在一些实例中，基线值与不同于基线值的值之间的差值的幅度之间的比较可包括一个或多个传感器520输出的两个采样数据点之间的比较或基于一个或多个传感器520输出的采样数据点的两个过滤数据点之间的比较。

在一些实例中，处理电路510可以周期性或间歇性地重新校准基线值。例如，通过周期性或间歇性地确定平均值来给出基线平均值，或通过基于运行参数预定数量(例如存储在存储器515或存储器525中)的先前样本，周期性或间歇性地确定最小值来给出基线最小值，处理电路510可以重新校准基线值。在这些实例中，通过利用如上所述的基线容差阈值，可以将基线值的漂移从包含在控制信号中所存在的运行参数的脉冲中区分开来。例如，如果一个或多个传感器520的输出(可以是滤波输出)包括基线值超出预定的基线容差阈值的偏差，则处理电路可以将这些数据点识别为与运行参数的脉冲相对应，并且可以不将这些数据点用于基线重新校准目的。

在一些实例中，处理电路510可以对一个或多个传感器520的输出进行采样，采样率取决于处理电路510是否触发了时间窗启动。在其他实例中，采样率可以与时间窗无关，在时间窗期间计算脉冲，以解释控制信号。

图5中的处理电路510可以是由程序代码配置的通用处理器电路，以执行指定的处理功能。或者，可以通过修改处理硬件来配置该电路。执行指定功能的电路的配置可以全在硬件中、全在软件中或用硬件修改和软件执行的组合。机器可读指令可用于配置通用或专用处理器电路的逻辑门以执行处理功能。例如，用于实施图9的方法的机器可读指令可以存储在内部存储器515和外部存储器525中的至少一个内。

处理电路510可以实施为例如硬件电路，硬件电路包括定制的超大规模集成VLSI电路或门阵列、现成的半导体，现成的半导体例如逻辑芯片、晶体管或其他分立器件。电路510也可以实施为可编程硬件器件，例如现场可编程门阵列FPGA、可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件、系统级芯片SoC等。

机器可读程序指令可以在设置瞬时性介质上，瞬时性介质例如传输介质，也可以在设置在非瞬时性介质上，非瞬时性介质例如存储介质515、525。这种机器可读指令(计算机程序代码)可以用高级程序化的编程语言或面向对象的编程语言实现。但是，如果需要，程序可以用汇编语言或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释性语言，并与硬件实施方式相结合。可以按分散式的方式在单个处理器上或在两个或多个处理器上执行程序指令。

以说明为目的，图7示意性地示出了示范性控制信号700，其中基线采样率R₁ 715和测量采样率R₂725叠加在示范性控制信号700之上。基线采样率R₁ 725对应根据本技术的控制信号的时间窗230外(例如在触发时间窗230启动之前)的采样率，其中处理电路，例如图5所示的处理电路510，例如可以对一个或多个传感器的输出进行采样，且可操作一个或多个传感器感测钻柱的运行参数，传感器例如图5所示的一个或多个传感器520。类似地，测量采样率R₂ 725对应时间窗230内(例如在触发时间窗启动之后且在给定其预定持续时间的时间窗结束之前)的采样率。根据本技术，对执行脉冲计数的控制信号进行采样，采样设置为能够适应脉冲宽度的变化和时间窗内连续脉冲时间的变化。这可以通过识别脉冲的上升沿或下降沿或识别上升沿和下降沿来实现。这有利于在脉冲和多个振幅上具有可变时序。相比之下，在给定脉冲宽度和给定脉冲出现周期的前提下，用于脉冲计数的同步技术可以用一种不区分脉冲上升沿和下降沿的方式进行采样。事实上，当脉冲宽度大于脉冲采样时间时，同步技术可能导致对单个脉冲进行多次计数(例如重复计数)。相比之下，根据本技术，识别脉冲上升沿和脉冲下降沿中的至少一个以及区分两种不同类型沿的能力，使得不太可能无意中对单个脉冲进行多次计数。因此，本技术在执行脉冲计数时能够适应脉冲宽度的变化，使其比同步脉冲计数技术更不容易出错。

示范性控制信号700对应于图2所示的示范性控制信号200。因此，对图2所示的示范性控制信号200的上述描述也适用于图7所示的示范性控制信号700。为了简短起见，本发明不提供图7所示实例的完整描述。图2和图7中对应的特征采用相同的参考标号。

参照图5和图7，在时间窗230外，处理电路510可以以基线采样率R1 715(由点划线710表示)对一个或多个传感器520的输出进行采样以感测运行参数，而在时间窗230内，处理电路510可以以测量采样率R₂(由实线725表示)对一个或多个传感器520的输出进行采样以感测运行参数，其中基线采样率715可以小于测量采样率725。在时间窗230外对一个或多个传感器520的输出进行采样可以是为了检测时间窗230的启动，并且可以是为了重新校准基线。这样的任务可能不会从高粒度的传感器测量值中获得太多益处，因此，相对较低的采样率可能足以在时间窗外对一个或多个传感器520的输出进行采样。在时间窗230内对一个或多个传感器520的输出进行采样可以是为了检测运行参数的脉冲数，根据运行参数的脉冲数可以确定控制命令。为了精确地检测运行参数的脉冲数，可能需要使用比足够用于触发时间窗或基线重新校准的采样率更高的采样率。通过使用可能小于测量采样率R₂ 725的基线采样率R₁ 715(例如在时间窗230外)，处理电路510可以更精确地确定时间窗中运行参数的脉冲数，并且与在时间窗230内外仅使用一个采样率的实例相比，由于在时间窗230之外使用相对较低的采样率，处理电路510还可以更节省功率。

参照图5，电源540可以向被包括在控制器500内的任何有源(例如通电的)组件提供电力，包括例如处理电路510和存储器525(当存在存储器时)。在一个或多个传感器520包含至少一个有源传感器的实例中，电源540可以任选地向一个或多个传感器520提供电力。电源540也可以为致动器530供电。

电源540可以包括一个电池或多个电池，或任何其他类型的电源。可以应用电源管理算法或电路，以在适当时降低处理电路、传感器、存储器151、125和致动器230中至少一个的运行功率。

图8示意性地示出了为控制器供电的示范性电源800，以控制井下工具，例如图1所示的控制器115、图5所示的控制器500，或根据本技术用于控制井下工具的任何其他控制器。

示范性电源800包括发电机810、电池820和调节器830。在一些实例中，电源800可以被包括在井下工具内。在其他实例中，电源800可以另外连接至钻柱上，或构成钻柱的一部分，钻柱包括待控制的井下工具。

发电机810可以将机械能(例如与钻柱的运作有关，例如与钻柱自身的运动有关，如与钻柱的旋转有关，或与通过钻柱泵送的钻井液的运动有关)转换为电能，用于为控制井下工具的控制器供电。发电机810可以包括任何类型的发电机，包括但不限于涡轮发电机、振动能量采集器、热电发电机和定量马达。

发电机810可以电连接至电池820，电池820可包括具有任意电池化学反应的一个可充电电池或多个可充电电池，包括但不限于：铅酸电池；镍镉电池；锂离子电池或任何其他可充电电池的化学反应。

发电机810可以通过接口电路(未示出)连接至电池820，接口电路例如可以将发电机的输出从交流电(AC)转换为直流电(DC)。另外或可选地，接口电路可根据电池充电协议来控制电池的充电，这取决于电池820的电池化学反应。例如，如果电池820要使用锂离子电池，则接口电路可以根据锂离子电池充电周期控制电池的充电，充电周期包括例如涓流充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段和充电终止阶段。

调节器830可包括一个或多个稳压器，稳压器可将电池820输出的电压调节到适用于为控制器的任何有源组件供电的一个或多个电压等级，根据本技术，可以操作该控制器，例如控制器500来控制井下工具。电压等级可以对应通过电源管理算法控制的不同处理器功率等级。

图9描绘了流程图900，示意性地说明了对被包括在钻柱内的井下工具的控制。井下工具可包括，例如图1中所示的井下工具114或任何其他井下工具。可以通过例如用于控制井下工具的控制器来执行流程图900，例如图1中所示的控制器115、图5中所示的控制器500。

在方框910处，感测包括井下工具的钻柱的运行参数，以在具有预定持续时间的时间窗内检测该运行参数的脉冲数。运行参数可以包括任何运行参数，例如包括：钻柱的转速；钻柱中流体的压力；流体通过钻柱的流速；钻柱的纵向轴向运动；或钻柱的任何其他运行参数。运行参数的脉冲数可以被包括在控制信号内，控制信号传送控制命令以控制井下工具。示范性控制命令包括开、关、开启和关闭。控制信号可包括例如示范性控制信号200、示范性控制信号300、示范性控制信号400或根据本技术的任何其他控制信号。

在方框920处，可以根据在控制信号的时间窗内检测到的运行参数的脉冲数来执行控制命令，从而控制井下工具。可以将所检测到的运行参数的脉冲数映射到相应的控制命令。所检测到的脉冲数与相应的控制命令之间的映射可以与本文所公开的任何实例一致。所执行的控制命令还可以取决于以下中的至少一个：感测到的运行参数的类型；在时间窗内检测到的一个或多个脉冲的极性；极性变化的脉冲的相对顺序；另外的运行参数。当控制命令的执行取决于两个或多个运行参数的值时，另外的运行参数的值可以基于另外的脉冲计数，也可以不基于另外的脉冲计数。例如，高于给定压力阈值的压力和超过脉冲计数阈值的钻柱旋转测量的脉冲计数的组合可以触发执行第一类型命令，而小于给定压力阈值的压力和超过脉冲计数阈值的钻柱旋转测量的脉冲计数的组合可以触发执行第二类型命令。在给定的时间窗内对两种或更多种类型的运行参数的测量和检测可以并行执行或串联执行。

图10为流程图1000，示意性地说明了对被包括在钻柱内的井下工具的控制。井下工具可以包括例如图1所示的井下工具114或任何其他井下工具。根据本技术，可以通过例如用于控制井下工具的控制器来执行流程图1000的方法，例如图1所示的控制器115或图5所示的控制器500。可提供流程图1000的方法对包括井下工具的钻柱的运行参数进行感测，以在具有预定持续时间的时间窗内检测运行参数的脉冲数。运行参数可以包括任何运行参数，例如包括：钻柱的转速；钻柱中流体的压力；流体通过钻柱的流速；钻柱的纵向轴向运动；或钻柱的任何其他运行参数。运行参数的脉冲数可以被包括在控制信号内，控制信号传送控制命令以控制井下工具。控制信号可包括例如示范性控制信号200、示范性控制信号300、示范性控制信号400或根据本技术的任何其他控制信号。

在方框1002处，从一个或多个传感器获取传感器数据样本，这些传感器设置成感测钻柱的运行参数。样本可以(例如在相应的采样时间)指示钻柱的运行参数的值。根据本文公开的实例，一个或多个传感器可包括用于直接或间接感测运行参数的任何类型的传感器。在方框1002的每次迭代中，可以存储对应获取的样本，使得例如在流程图1000的后续迭代中，一个或多个历史样本可用于例如滤波或基线校准的目的，这将在下文进一步描述。

流程图1000可选地包括方框1003。在有方框1003的实例中，流程图1000可以从方框1002前进到方框1003。在其他实例中，可以没有方框1003，流程图可以从方框1002前进到方框1004。

在方框1003处，对在方框1002处获取的样本进行滤波，以在方框1004处检测运行参数的脉冲之前降低噪声。可使用任何类型的滤波器对样本进行滤波，以用于降低噪声，包括但不限于低通滤波器和滑动平均滤波器。在方框1003处执行的滤波可以取决于在方框1002处获取的样本和一个或多个历史样本。在方框1003处采用滑动平均滤波器的实例中，滑动平均滤波器可以配置为生成k个样本的未加权平均值，该k个样本包括在方框1002处获取的样本和k-1个历史样本。在方框1003的第一次迭代上，可以从先前的传感器测量环节获取一个或多个历史样本。在方框1003的后续迭代中，历史样本可以包括下列之一：在该程序的先前迭代中获取的一个或多个样本，例如在方框1002或方框1010的先前迭代中；或在流程图1000的程序开始之前获取的历史样本和在流程图1000的先前迭代期间获取的一个或多个样本的组合。

在方框1004处，确定在方框1002处获取的样本(或者，当存在方框1003时，在方框1003处获取的样本的滤波变体)是否指示运行参数的脉冲，基于此可以检测运行参数的脉冲。根据本文公开的实例，可以基于识别以下任意一个来检测运行参数的脉冲：运行参数的脉冲的前沿(例如：正极性的脉冲的上升沿，该上升沿对应从基线值到高于基线值的值的转换；或负极性的脉冲的下降沿，该下降沿对应从基线值到小于基线值的值的转换)；运行参数的脉冲的后沿(例如，正极性的脉冲的下降沿，该下降沿对应从高于基线值的值到基线值的转换；或负极性的脉冲的上升沿，该上升沿对应从基线值到小于基线值的值的转换)；或运行参数的脉冲的前沿和后沿。运行参数的前沿和后沿可包括大于或等于(例如预定的)阈值幅度的基线值的偏差。在一些实例中，可以通过确定与各自的沿相关的偏差是大于或等于阈值幅度来识别运行参数脉冲的前沿和后沿中的一个或两个。可在脉冲检测方框1004处执行的程序的示范性流程图参照图11描述如下。

在一些实例中，如果在方框1004处检测到运行参数的脉冲，则也可以在方框1004处确定脉冲的极性，例如基于脉冲的组成转换相对于基线值的方向和顺序。

如果在方框1004处未检测到运行参数的脉冲，则流程图1000返回到方框1002，可选地通过方框1005返回到方框1002，在方框1005处可以根据在方框1002处获取的样本和例如一个或多个历史样本来更新基线值。可以根据本文公开的任何实例来更新基线值。

如果在方框1004处检测到脉冲，则流程图1000前进到方框1006，使脉冲计数器(例如初始化为零值)在方框1006处递增，然后是方框1008，计时器在方框1008处启动(例如由此触发时间窗的启动)。在一些实例中，脉冲计数器的值可以响应于在方框1004处检测到的任何极性的脉冲而递增。在其他实例中，例如在方框1004处确定运行参数的脉冲极性的情况下，脉冲计数器(或两个不同的脉冲计数器)可以对正极性的脉冲数和负极性的脉冲数进行计数。在这些实例中，脉冲计数器的递增可包括使对应于在方框1004处所检测到的脉冲极性的计数器值递增。

在方框1010处，从一个或多个传感器获取传感器数据的另一个样本。另一个样本可以指示钻柱的运行参数的另一个值(例如采样时间在方框1002处获取的样本对应的采样时间之后)。

流程图1000可选地包括方框1011。在有方框1011的实例中，流程图可以从方框1010前进到方框1011。在其他实例中，可以没有方框1011，并且流程图可以从方框1010前进到方框1012。在方框1011处，对在方框1010处获取的另一个样本进行滤波，以在方框1112处检测脉冲之前降低噪声，例如根据本文公开的任何实例。

在方框1012处，确定在方框1010处获取的另一个样本(或者另一个样本的滤波变体，例如当存在方框1011时，在方框1011获取的另一个样本的滤波变体)是否指示运行参数的脉冲，基于此可以检测运行参数的脉冲。这种确定可以根据本文公开的任何实例。

如果在方框1012处检测到脉冲，则也可以在方框1012处确定脉冲的极性，例如基于脉冲的组成转换相对于基线值的方向和顺序。

如果在方框1012处未检测到运行参数的脉冲，则该程序可以前进到方框1016，可选地，通过方框1013前进到方框1016，在方框1013中，可以基于在方框1010处获取的样本和例如一个或多个历史样本来更新基线值。可以根据本文公开的任何实例更新基线值。

如果在方框1012处检测到运行参数的脉冲，则流程图1000前进到方框1014，脉冲计数器在方框1014处递增。在一些实例中，可以记录在方框1012处检测到的任何脉冲相对于在时间窗内，例如在方框1004处或在方框1012的先前迭代中检测到的任何先前的脉冲的顺序。

在方框1016处，通过比较计时器的值和时间窗的预定持续时间来确定时间窗是否已经结束。

如果时间窗尚未结束，则流程图1000返回到方框1010获取另一个样本，以确定在时间窗期间是否存在任何另外的脉冲。如果时间窗已结束，流程图1000前进到方框1018，在方框1018处重置计数器，然后前进到方框1020，在方框1020处重置计时器。

在方框1022处，确定在时间窗内检测到的运行参数的脉冲数与相应的控制命令之间是否存在映射。该映射可以取决于例如时间窗内的绝对脉冲数或时间窗内的若干脉冲及该若干脉冲中每个脉冲的极性。在一些实例中，考虑到每个脉冲的极性，映射可以取决于时间窗内运行参数的若干脉冲的顺序。该映射还可以取决于运行参数的特定类型，使得例如对于同一脉冲计数，能够将不同的运行参数映射到不同的命令。运行参数的脉冲计数与控制命令之间的映射可以取决于时间窗内的两个或更多个运行参数值。在命令映射取决于两个或更多个运行参数的情况下，对于另外的运行参数，除脉冲计数以外，还可以考虑运行参数值。

如果在方框1022处确定了在时间窗内检测到的运行参数的脉冲数与相应的控制命令之间没有这种映射，则程序返回到方框1002，以在未来的时间窗内检测运行参数的未来脉冲，从而执行未来的控制命令。另一方面，如果确定存在这样的映射，则流程图1000前进到方框1020，在方框1020处执行相应的控制命令，从而相应地控制井下工具。在方框1020之后，程序返回到方框1002。在一些实例中，可以按(例如可变的)采样率获取传感器数据的样本。采样率可取决于样本是在时间窗内获取的，还是在时间窗外获取的，例如本文所述。时间窗外的采样率可以对应程序1000循环通过方框1002到1004并返回到1002的速率，如箭头1022所示。该采样率可以对应基线采样率。时间窗内的采样率可以对应流程图1000循环通过方框1010到1016并返回到1010的速率，如箭头1024所示。该采样率可以对应测量采样率。基线采样率可以小于测量采样率，例如用以减少时间窗外的功耗，同时在时间窗期间提供足够的测量值粒度。

虽然流程图1000显示了以给定顺序出现的某些方框，但这仅仅是为了说明目的，并且本发明不限于此顺序。例如方框1006和1008的顺序可以颠倒，即方框1008可以出现在方框1006之前。作为另一个实例，方框1018和1020的顺序可以颠倒，即方框1020可以出现在方框1018之前。此外，流程图1000中所示的方框可能不是顺序执行的：有些可能是并行执行的。举例说明，如果在方框1004处通过识别脉冲的前沿和后沿来检测到脉冲(例如图11所示和下文所述)，计数器在方框1006处递增和计时器在方框1008处启动这两种情况中的一个或两个可以发生在方框1004期间，例如在方框1004处检测脉冲的前沿之后但在方框1004处检测脉冲的后沿之前。类似地，计数器在方框1014处递增可能在方框1012期间发生。

虽然流程图1000描述了由脉冲触发时间窗的实例，但这仅仅是为了说明目的，本发明并非限制于此。

图11为流程图1100，示意性地说明了基于对脉冲的前沿和后沿的识别来对包括井下工具的钻柱的运行参数的脉冲进行识别。流程图1100可以对应例如在图10所示流程图1000的方框1004和方框1012处执行的脉冲检测中的一个或两个。

在方框1102处，确定指示钻柱运行参数值的传感器数据的样本(例如分别在流程图1000的方框1002处或方框1010处获取的样本)是否指示运行参数的脉冲的前沿，基于此可以确定是否检测到前沿。可以根据本文公开的任何实例来确定前沿的存在。

如果确定了样本不指示运行参数的脉冲的前沿，则流程图取支路1103(其可对应于例如流程图1000的支路1007或1015)，并且确定了未检测到运行参数的脉冲。

另一方面，如果确定了样本指示运行参数的脉冲的前沿，则流程图100前进到方框1104。

在方框1104处，从设置用于感测钻柱的运行参数的一个或多个传感器获取传感器数据的另一个样本，例如设置用于在流程图1000的方框1002处和1010处感测钻柱的运行参数的一个或多个传感器。另一个样本指示钻柱的运行参数值(例如在相应的采样时间)。在方框1104的每次迭代上，可存储获取的相应样本，例如，使其能够后续应用，例如在滤波方框1006(当存在方框1006时)处应用。

流程图1100可选地包括方框1106。在有方框1106的实例中，流程图可以从方框1104前进到方框1106。在其他实例中，可以没有方框1106，且流程图1100可以从方框1104前进到方框1108。在方框1106处，对在方框1004处获取的样本进行滤波，以在方框1108处检测运行参数的脉冲的后沿之前降低噪声。该样本可根据本文公开的任何实例进行滤波。

在方框1108处，确定在方框1104处获取的样本(或样本的滤波变体，例如当存在方框1106时，在方框1106处获取的样本的滤波变体)是否指示运行参数的脉冲的后沿，基于此可以确定是否检测到后沿。可以根据本文公开的任何实例来确定后缘的存在。

如果确定了样本不指示运行参数的脉冲的后沿，则流程图返回到方框1104以获取另外的样本。换言之，流程图1100在方框1104至1108之间循环，直到检测到运行参数的后沿并由此检测到运行参数的完整的脉冲。虽然图11中未示出，但流程图1100可包括例如用来中断上述循环的断点，例如基于超过超时阈值的给定次数的循环迭代。

如果确定了在方框1104处获取的样本(或其滤波变体)指示运行参数的脉冲的后沿，则流程图1100取支路1110(其可对应例如流程图1000的支路1009或1017)，并且确定已检测到运行参数的脉冲。

根据本技术，提供了一种方法、设备和计算机程序，用于与一个或多个井下工具进行高效且有效的通信，以执行控制命令，从而控制地表以下井眼中井下工具的现场作业。这样的井下环境带来了特殊的通信挑战，例如使用无线控制协议与井下工具进行无线通信有难度或不可行。虽然可以通过以下方式将控制命令发送给井下工具，例如使用钻柱110转速的预定变化或由泵150泵入钻柱的流体的压力的预定变化，但这些测量都依赖于传感器测量压力或转速的绝对值，非常容易出现误差。例如由于温度产生的漂移或随着时间产生的一般漂移就可能产生误差，比如误差可能归因于焊接的滞后。此外，压力具有随井眼120深度的增加而增加的趋势，并且压力变化取决于钻柱110的泥浆比重、压力和粘滑。这意味着，在实践中，使用传感器测量值的绝对值，例如转速和压力的绝对值，以及这些值的任意变化来进行控制校准，从而推测控制命令，是非常容易出现误差的。

因此，根据本技术，实现了一种异步时基方法，允许运行值的传感器测量值的绝对值的变化，也允许在将控制信号从地表(例如通过泵150和旋转器140中的一个或两个)传输到井眼120的过程中出现的偏离运行值的基线值的任何偏差的持续时间的变化。测量运行参数的基线值，以用于校准目的，并定义阈值以量化偏离基线值的任何偏差，基线值与用于触发控制命令以操作井下工具的控制信号特征相关。当测量比如通过泵150或旋转器140产生的可变压力或可变速度的增量时，这种传送控制命令的技术能够适应传感器读数的绝对值必然出现的变化，出现这些变化是因为恶劣的井下条件，而不是因为控制值本身的预期变化。该技术还能够适应因为测量环境引起的控制脉冲的时序变化。连续脉冲之间的时序被认为不如与脉冲计数相关联的预定时间段内的脉冲总数重要。用于控制井下工具的泥浆泵和转盘等设备的脉冲传输存在固有的可变性。在解释远程传送(例如从地表到井眼底部)的控制命令时，这种对时序的适应性和对感测值变化的适应性使得该技术非常适合井眼中的下行链接。

为了说明的目的，形式为“A/B”或形式为“A和/或B”的短语是指(A)、(B)或(A和B)。为了说明的目的，形式为“A、B和C中的至少一个”的短语是指(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或(A、B和C)。

本发明的实施例由下列编号的实例描述。

根据第一实例，提供了一种控制井下工具的方法，该方法包括：

对包括井下工具的钻柱的运行参数进行感测，感测用于检测具有预定持续时间的时间窗内的运行参数的脉冲数、与运行参数偏离基线值的时间段相对应的脉冲，其中对脉冲数的检测适应于时间窗内可变脉冲持续时间和可变脉冲幅度中的至少一个；以及

根据所检测到的运行参数的脉冲数来执行控制命令，以控制井下工具。

实例2是根据实例1的方法，其中运行参数的脉冲在基线值和不同于基线值的值之间至少有阈值幅度的偏差。

实例3是根据实例2的方法，其中运行参数包括以下一个或多个：钻柱的转速；钻柱中流体的压力；流体通过钻柱的流速；以及钻柱的纵向轴向运动。

实例4是根据实例1到3中任一项的方法，其中根据运行参数的脉冲数执行的控制命令不同于根据被感测到的特定运行参数执行的控制命令。

实例5是根据实例1到4中任一项的方法，其中控制命令的执行取决于所检测到的运行参数的脉冲数，还取决于至少一个另外的运行参数的感测值。

实例6是根据实例5的方法，其中至少一个另外的运行参数的感测值是除了感测到的第二运行参数的脉冲数以外的值。

实例7是根据实例1到6中任一项的方法，其中在处理电路启动脉冲计数之后，通过对第一脉冲进行检测来触发第一时间窗，在所述第一时间窗内感测运行参数。

实例8是根据实例1到7中任一项的方法，其中前一个时间窗之后的运行参数的第一脉冲触发下一个时间窗的启动，在下一个时间窗内检测脉冲数。

实例9是根据实例2到8中任一项的方法，其中基线值与不同于基线值的值之间的差值的幅度超过预定的阈值幅度。

实例10是根据实例1到10中任一项的方法，还包括周期性或间歇性地重新校准基线值。

实例11是根据实例1到10中任一项的方法，其中感测包括以可变的采样率或恒定的采样率对传感器数据进行采样。

实例12是根据实例11的方法，其中采样率是可变的，其中时间窗外的采样率包括基线采样率且时间窗内的采样率包括测量采样率。

实例13是根据实例12的方法，其中基线采样率小于测量采样率。

实例14是根据实例10到13中任一项的方法，其中重新校准基线值包括：

周期性或间歇性地对钻柱的运行参数进行采样；以及

确定以下的一个：基于运行参数的预定数量的样本确定运行参数的平均值；预定数量的样本的运行参数的最小值。

实例15是根据实例1到14中任一项的方法，其中运行参数的若干脉冲包括：给定极性的脉冲；或不同极性的脉冲。

实例16是根据实例15的方法，其中运行参数的脉冲的极性包括正极性或负极性。

实例17是根据实例16的方法，其中：

运行参数的正极性的脉冲包括：具有从运行参数的基线值向大于基线值的值的第一次转换以及回到运行参数的基线值的第二次转换的运行参数的脉冲。

实例18是根据实例16或实例17的方法，其中：

运行参数的负极性的脉冲包括：具有从运行参数的基线值向小于基线值的值的第一次转换以及回到运行参数的基线值的第二次转换的运行参数的脉冲。

实例19是根据实例1到18中任一项的方法，其中命令还取决于时间窗内若干脉冲的至少一个子集的极性。

实例20是根据实例19的方法，其中命令取决于时间窗内运行参数的若干脉冲的顺序，若干脉冲中的每个脉冲具有各自的极性。

实例21是根据实例1到20中任一项的方法，其中井下工具是以下任意一个：循环短节；扩眼器；套管刮削器；变径稳定器；尾管悬挂器；造斜器；旋转导向系统；钻柱隔离工具；喷射工具；磁铁；过滤器；泥浆喷嘴；磨铣器；刷子；文丘里管；以及断开连接的工具。

实例22是根据实例1到21中任一项的方法，其中通过以下任意一个来感测运行参数：转速计；加速度计；霍尔效应传感器；光电传感器；磁力计；陀螺仪；应变计；压力传感器；它们的任意组合。

实例23是根据实例1到22中任一项的方法，其中井下工具具有多种模式。

实例24是根据实例23的方法，其中多种模式包括以下一个或多个：激活模式；停用模式；延迟激活模式；延迟停用模式；隔离模式；以及一个或多个中间模式。

实例25是根据实例23或24中任一项的方法，其中命令用于调用多种模式中的第一模式。

实例26是根据实例23或24中任一项的方法，其中命令用于调用从多种模式中的当前模式到多种模式中的不同模式的转换。

实例27是根据实例26的方法，其中不同模式是根据当前模式而预先确定的。

实例28是根据实例1到27中任一项的方法，其中井下工具是多个井下工具中的第一井下工具，且其中钻柱可连接至多个井下工具。

实例29是根据实例28的方法，其中运行参数的脉冲数用于在时间窗内一旦完成检测就执行控制命令，该脉冲数：

唯一地与第一井下工具相关联；或者

唯一地与多个井下工具的包括第一井下工具在内的井下工具的子集相关联。

实例30是根据实例1到29中任一项的方法，其中钻柱为套管柱或尾管柱。

实例31是机器可读指令，在处理电路执行机器可读指令时，使处理电路执行实例1到30中任一项的方法。

实例32是程序产品，该程序产品包括根据实例31的机器可读指令。

实例33是用于控制钻柱的设备，钻柱具有至少一个井下工具，该设备包括：

存储器，用于存储运行参数脉冲的脉冲计数的数量与用于至少一个井下工具中的一个或多个的相应的控制命令之间的映射；以及

处理电路，用于：

处理传感器测量值，以检测具有预定持续时间的时间窗内的钻柱的运行参数的脉冲数，其中脉冲对应运行参数偏离基线值的时间段，且对脉冲数的检测能够适应于时间窗内脉冲持续时间的任何变化和脉冲幅度的任何变化中的一个；以及

根据所检测到的运行参数的脉冲数和所存储的映射来执行控制命令，以控制井下工具。

实例34是根据实例33的设备，其中所存储的映射将不同的控制命令映射到不同的运行参数，且根据所检测到的运行参数的脉冲数来执行的控制命令还取决于给定的运行参数。

实例35是根据实例33或实例34的设备，其中处理器设置为区分脉冲的上升沿和下降沿，使得所检测到的脉冲数能够适应于脉冲持续时间和脉冲幅度中的至少一个的变化。实例36是根据实例33到35中任一项的设备，其中钻柱为套管柱或尾管柱。实例37是一种钻井系统，包括：

钻柱；

连接至钻柱的至少一个井下工具；以及

根据实例33到36中任一项的控制井下工具的设备。

Claims (37)

1.一种控制井下工具的方法，所述方法包括：

对包括井下工具的钻柱的运行参数进行感测，所述感测用于检测具有预定持续时间的时间窗内的运行参数的脉冲数、与运行参数偏离基线值的时间段相对应的脉冲，其中对脉冲数的检测适应于时间窗内可变脉冲持续时间和可变脉冲幅度中的至少一个；以及

根据所检测到的运行参数的脉冲数来执行控制命令，以控制井下工具。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运行参数的脉冲在基线值和不同于基线值的值之间至少有阈值幅度的偏差。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述运行参数包括以下一个或多个：钻柱的转速；钻柱中流体的压力；流体通过钻柱的流速；以及钻柱的纵向轴向运动。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述运行参数的脉冲数执行的控制命令不同于根据被感测到的特定运行参数执行的控制命令。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，控制命令的执行取决于所检测到的运行参数的脉冲数，还取决于至少一个另外的运行参数的感测值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一个另外的运行参数的感测值是除了感测到的第二运行参数的脉冲数以外的值。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的方法，其特征在于，在处理电路启动脉冲计数之后，通过对第一脉冲进行检测来触发第一时间窗，在所述第一时间窗内感测运行参数。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，前一个时间窗之后的运行参数的第一脉冲触发下一个时间窗的启动，在下一个时间窗内检测脉冲数。

9.根据权利要求2到8中任一项所述的方法，其特征在于，基线值与不同于基线值的值之间的差值的幅度超过预定的阈值幅度。

10.根据权利要求1到10中任一项所述的方法，还包括周期性或间歇性地重新校准基线值。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的方法，其特征在于，所述感测包括以可变的采样率或恒定的采样率对传感器数据进行采样。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，采样率是可变的，其中时间窗外的采样率包括基线采样率且时间窗内的采样率包括测量采样率。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述基线采样率小于所述测量采样率。

14.根据权利要求10到13中任一项所述的方法，其特征在于，重新校准基线值包括：

周期性或间歇性地对钻柱的运行参数进行采样；以及

确定以下的一个：基于运行参数的预定数量的样本确定运行参数的平均值；预定数量的样本的运行参数的最小值。

15.根据权利要求1到14中任一项所述的方法，其特征在于，运行参数的若干脉冲包括：给定极性的脉冲；或不同极性的脉冲。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述运行参数的脉冲的极性包括正极性或负极性。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：

运行参数的正极性的脉冲包括：具有从运行参数的基线值向大于基线值的值的第一次转换以及回到运行参数的基线值的第二次转换的运行参数的脉冲。

18.根据权利要求16或权利要求17所述的方法，其特征在于：

运行参数的负极性的脉冲包括：具有从运行参数的基线值向小于基线值的值的第一次转换以及回到运行参数的基线值的第二次转换的运行参数的脉冲。

19.根据权利要求1到18中任一项所述的方法，其特征在于，所述命令还取决于时间窗内若干脉冲的至少一个子集的极性。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述命令取决于时间窗内运行参数的若干脉冲的顺序，若干脉冲中的每个脉冲具有各自的极性。

21.根据权利要求1到20中任一项所述的方法，其特征在于，所述井下工具是以下任意一个：循环短节；扩眼器；套管刮削器；变径稳定器；尾管悬挂器；造斜器；旋转导向系统；钻柱隔离工具；喷射工具；磁铁；过滤器；泥浆喷嘴；磨铣器；刷子；文丘里管；以及断开连接的工具。

22.根据权利要求1到21中任一项所述的方法，其特征在于，通过以下任意一个来感测运行参数：转速计；加速度计；霍尔效应传感器；光电传感器；磁力计；陀螺仪；应变计；压力传感器；它们的任意组合。

23.根据权利要求1到22中任一项所述的方法，其特征在于，所述井下工具具有多种模式。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述多种模式包括以下一个或多个：激活模式；停用模式；延迟激活模式；延迟停用模式；隔离模式；以及一个或多个中间模式。

25.根据权利要求23或24中任一项所述的方法，其特征在于，所述命令用于调用多种模式中的第一模式。

26.根据权利要求23或24中任一项所述的方法，其特征在于，所述命令用于调用从多种模式中的当前模式到多种模式中的不同模式的转换。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述不同模式是根据当前模式而预先确定的。

28.根据权利要求1到27中任一项所述的方法，其特征在于，所述井下工具是多个井下工具中的第一井下工具，且其中钻柱可连接至多个井下工具。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，运行参数的脉冲数用于在时间窗内一旦完成检测就执行控制命令，所述脉冲数：

唯一地与第一井下工具相关联；或者

唯一地与多个井下工具的包括第一井下工具在内的井下工具的子集相关联。

30.根据权利要求1到29中任一项所述的方法，其特征在于，所述钻柱为套管柱或尾管柱。

31.机器可读指令，在处理电路执行机器可读指令时，使处理电路执行根据权利要求1到30中任一项所述的方法。

32.计算机程序产品，所述计算机程序产品包括根据权利要求31所述的机器可读指令。

33.一种用于控制钻柱的设备，所述钻柱具有至少一个井下工具，所述设备包括：

存储器，用于存储运行参数脉冲的脉冲计数的数量与用于至少一个井下工具中的一个或多个的相应的控制命令之间的映射；以及

处理电路，用于：

处理传感器测量值，以检测具有预定持续时间的时间窗内的钻柱的运行参数的脉冲数，其中脉冲对应运行参数偏离基线值的时间段，且对脉冲数的检测能够适应于时间窗内脉冲持续时间的任何变化和脉冲幅度的任何变化中的一个；以及

根据所检测到的运行参数的脉冲数和所存储的映射来执行控制命令，以控制井下工具。

34.根据权利要求33所述的设备，其特征在于，所存储的映射将不同的控制命令映射到不同的运行参数，且根据所检测到的运行参数的脉冲数来执行的控制命令还取决于给定的运行参数。

35.根据权利要求33或权利要求34所述的设备，其特征在于，处理器设置为区分脉冲的上升沿和下降沿，使得所检测到的脉冲数能够适应于脉冲持续时间和脉冲幅度中的至少一个的变化。

36.根据权利要求33到35中任一项所述的设备，其特征在于，所述钻柱为套管柱或尾管柱。

37.一种钻井系统，包括：

钻柱；

连接至所述钻柱的至少一个井下工具；以及

根据权利要求33到35中任一项所述的井下工具控制设备。