CN1948708A

CN1948708A - 一种钻井用传递下行命令的方法和系统

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Publication number: CN1948708A
Application number: CNA2006101050747A
Authority: CN
Inventors: 傅鑫生; 周静; 尚海燕; 傅刚; 刘惠恩; 雷诚; 傅杰; 姜伟; 蒋世全
Original assignee: Xian Shiyou University; CNOOC Research Center
Current assignee: Xian Shiyou University; CNOOC Research Center
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2007-04-18

Abstract

本发明涉及井下闭环旋转导向智能钻井系统中的从地面向井下的信息传输通道设备技术领域，具体涉及一种钻井用传递下行命令的方法和系统。现有技术适应范围窄，接收灵敏度和容错能力低，对安装要求较高，系统结构复杂。为克服现有技术的缺点，本发明提供了一种钻井用传递下行命令的方法，它是利用安装在井下钻头附近的加速度传感器敏感振动变化，并将这种变化编码后给井下工具传递控制信号的方法。本发明还提供了一种使用钻井用传递下行命令的方法的系统，包括设置于钻铤内部的传感器和解码识别模块，其特征在于：还包括信号调理模块，所述传感器为加速度传感器。

Description

一种钻井用传递下行命令的方法和系统

所属技术领域：

本发明涉及井下闭环旋转导向智能钻井系统中的从地面向井下的信息传输通道设备技术领域，具体涉及一种钻井用传递下行命令的方法和系统。

背景技术：

近年来，石油井下装备逐渐体现出智能化、自动化的趋势，这种趋势还在蓬勃发展的过程中。比如智能钻井导向系统、井下智能注水控制系统等等，这些系统的共同特点是测控均在井下由微电脑控制的智能执行机构完成，与此同时地面也可以遥控。作为遥控的实现手段，地面到井下的数据传送方法也是相关人员的热点研究问题之一，在传送中就要涉及到传递下行命令的系统。目前，在钻井过程中从井口向井底智能工具传递信息的方法，不外乎如下几种：1、利用压力传感器敏感井口立管中钻井液排量改变引发的压力波变化；2、利用钻杆转速的变化或上提、下放操作在井底造成的角速度的变化或加速度的变化来传递信息的；3、利用上面提到的这些信号的组合或编码。根据以上原理构成的信息下传系统包括敏感压力、角速度、加速度变化的传感器和采集处理组件，所说的采集处理组件由信号调理单元、信号采集单元、解码单元和命令识别单元组成。作为系统传输的媒介是钻井液柱，或是钻杆。该方法及系统的局限有：1、适应范围窄；2、接收灵敏度和容错能力低；3、对安装要求较高，系统结构复杂。

发明内容：

本发明要提供一种钻井用传递下行命令的方法和系统，以有效解决现有技术存在的适应范围窄、接收灵敏度和容错能力低、对安装要求较高和系统结构复杂的问题。

为克服现有技术存在的问题，本发明的技术解决方案是：一种钻井用传递下行命令的方法，它是利用安装在井下钻头附近的加速度传感器敏感振动变化，并将这种变化编码后给井下工具传递控制信号的方法。

上述振动通过改变钻井液流量实现，当钻井液循环时，与钻柱相连的钻头水眼产生相应的振动，加速度传感器接收到振动信息，对解码器来说，这时定义输入为逻辑“1”；当钻井液循环停止时，加速度传感器敏感不到振动信息，对解码器来说，这时定义输入为逻辑“0”；对“1”和“0”进行编码传递不同的信息。

上述方法中，在振动状态与在静止状态下，接收器接收到的振动能量(幅度)的差异超过30db以上。可有效地提高信息传输的可靠性。

上述振动响应可以通过钻进破岩，即地面控制钻头进尺产生，也可以通过驱动钻杆或使钻杆转动实现。

一种使用上述方法的钻井用传递下行命令的系统，包括设置于钻铤内部的传感器1和解码识别模块3，其特殊之处在于，还包括信号调理模块2，所述传感器1为加速度传感器，包括设置在Z轴、X轴方向上相互垂直的两个，两个传感器1的输出分别接信号调理模块2中的两个信号调理单元的输入，信号调理单元包括整流、放大和积分电路，信号调理模块2的输出接解码识别模块3。

上述传感器模块1是以芯片U2A为核心的加速度传感器，U2A的型号为ADXL203；所述信号调理模块2的两个信号调理单元以并行方式与芯片U2A连接，每个信号调理单元以型号为OPA4234的四个串联的放大芯片为核心，其中一个信号调理单元中的放大芯片U3A的输入接于传感器模块1的第6脚，放大芯片U3D的输出接于与解码识别模块，另一个信号调理单元中的放大芯片U4A的输入接于传感器模块1的第7脚，放大芯片U4D的输出接于与解码识别模块；上述解码识别模块3以芯片U1为核心，芯片U1的型号为C8051F060；解码识别模块3中芯片U1的第9脚与信号调理模块中放大芯片U3A的输出相接，解码识别模块3中芯片U1的第18脚与信号调理模块中放大芯片U4A的输出相接。

本发明提出的是一种利用钻头破岩能量大小和钻井液通过钻头水眼引发的振动能量大小为依据在钻井过程中传递下行命令的新思路，它与现有技术相比，本发明的优点是：

1、适用范围广：当振动由钻井液循环产生时，不仅适用于泥浆井，也适用于欠平衡钻井条件下使用。当振动由地面操作控制钻头破岩产生时，由于根本不需要泥浆帮助产生振动传递信号，因此在欠平衡钻井条件下使用具有绝对的优势。

2、对安装要求低：由于用动态加速度传感器代替了静态压力传感器，在有限的安装空间里对机械结构的安装就降低了要求；

3、测量信号准确，解码失误少：在过去的泥浆压力脉冲通道测量方法中，是当流体流动到井底时，测量环空压差的压力传感器敏感流体流动，用流体流动或停止流动的方法传递命令“1”和“0”。由于钻头喷嘴相对于钻铤内径的缩径，使得当泥浆循环时在钻头内外产生一个压力差，该压力差在数值上除了与喷嘴直径、泥浆性质有关之外，主要的变化是正比于循环泥浆的流量，例如在长庆油田钻井时，泥浆排量一般为2800L/min，通过现场试验和理论分析都可以得到钻头内外压差为3MPa，对解码器来说，这时定义输入为逻辑“1”；当井下泥浆循环停止时，钻头内外压差为0，对解码器来说，这时定义输入为逻辑“0”；。对“1”和“0”进行编码来传递不同的信息。采用这种方法，需要测量井底钻头内外的压差，但是在仪器结构设计时，由于压力传感器的安装位置受到空间尺寸、密封绝缘、安装位置以及与测量电路的连接等问题的限制，如果只测量到了钻杆内部的压力变化，在解码时，压力信号上就叠加了随井深变化的泥浆静液柱压力的信号，测量信号不准确对解码是不利的。

本发明提出用加速度传感器代替压力传感器的数据传输方法，当振动由钻井液循环产生时，在与钻柱相连的钻头水眼会产生相应的振动，加速度传感器接收到振动信息，对解码器来说，这时定义输入为逻辑“1”；而钻井液循环停止时，加速度传感器敏感不到振动信息，对解码器来说，这时定义输入为逻辑“0”；对“1”和“0”进行编码就可以传递不同的信息，由于钻井液排量是在两个显著差异的范围内变化，因此测量信号准确。当振动由地面操作控制钻头破岩产生时，钻头钻进时，钻头破岩造成的振动能量很大，而地面停转，钻柱处于静止状态，井下的振动能量最小，利用这种钻柱旋转与静止在井下造成的振动能量差异，测量信号准确。用上面的两种不同的振动产生途径均可确定信源的编码，从而构成指令信息，解码失误少。

4、对安装要求低：由于用动态加速度传感器代替了静态压力传感器，在有限的安装空间里对机械结构的安装就降低了要求。

5、性能更可靠：由于可以把加速度传感器和测量电路安装在一起，这样就可以有效解决电气连接和密封绝缘问题。系统可在井下可连续工作48小时，工作温度可达到125℃。接收的井下命令解码后存贮在存储器中，并可以通过专用通讯装置与PC机联接，在地面采用相应的控制与处理软件接收并处理数据，系统工作稳定可靠。

6、本方法所采用的系统结构合理，工作性能稳定，适用于各种环境条件。

附图说明：

图1是实施例1的实验数据图示；

图2是实施例2的样机下井试验数据曲线；

图3为加速度变化示意图；

图4是钻进状态下钻钻头破岩时的响应；

图5是本发明的原理框图；

图6是本发明的电路原理图。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明作详细描述。

一种钻井用传递下行命令的方法用下面的两个实施例进行说明。

实施例1，一种钻井用传递下行命令的方法，是利用安装在井下钻头附近的加速度传感器敏感井口钻井液排量变化，并将这种变化编码后给井下工具传递控制信号的方法。具体做法是：当钻井液，例如泥浆循环时(通过控制立管上的旁通阀来控制地面泥浆排量或直接开关泵)，与钻柱相连的钻头水眼产生相应的振动，加速度传感器接收振动信息，对解码器来说，这时定义输入为逻辑“1”；当泥浆循环停止或有与开泵相比较小的排量时，加速度传感器敏感不到振动信息，对解码器来说，这时定义输入为逻辑“0”；对“1”和“0”进行编码传递不同的信息。

参见图1，本方法在长庆油田通过现场下井试验验证。

该次试验条件的如下：井深2176M；泵压7MPa；钻压15T；转速65rpm；泥浆比重1.08；井斜21°；方位：290度试验在2176M井深处开始，一共分7个阶段：

(1).在第1阶段，地面的操作：

以2800L/min排量开泵，正常循环泥浆。

这时从钻头内压测量曲线可知：在井底由静液柱造成的静压为20MPa；由于泥浆循环造成的内外压差约为3MPa，该数值与理论计算基本吻合。从钻头横向振动和纵向振动曲线可以看出：在泥浆循环时钻头径向和轴向的振动幅度分别为40g和20g；

(2).在第2阶段，地面的操作：

停泵；上提钻柱一个立根长度2min，下放钻柱一个立根长度1min；上提钻柱一个立根长度2min，下放钻柱一个立根长度1min；

这时从钻头内压测量曲线可知：停泵后钻杆内压就是2176m处静液柱压力约20MPa；从钻头横向振动和轴向振动曲线可以看出：无论横向还是纵向都可以敏感到钻柱的上提、下放操作；

(3).在第3阶段，地面的操作：

开泵，地面将立管旁边的旁通阀打开，以约14000L/min排量循环泥浆；上提钻柱一个立根长度(2min)，下放钻柱一个立根长度(1min)；上提钻柱一个立根长度2min，下放钻柱一个立根长度1min；

这时从钻头内压测量曲线可知：由于地面将立管旁边的旁通阀打开，泥浆排量变为1400L/min，由于泥浆循环造成的内外压差约为1.5MPa；从钻头横向振动和纵向振动曲线可以看出：无论横向还是纵向都可以敏感到泥浆的循环操作。但是此时从振动曲线上尤其是横向振曲线看出在开泵时很难敏感钻柱的上下运动操作。

(4).在第4阶段，地面的操作：

停泵；以65rpm的转速旋转钻柱2min，停钻1min；钻柱20s，停钻40s；钻柱20s，停钻40

s；钻柱20s，停钻40s；

这时从钻头内压测量曲线可知：停泵后钻杆内压就是2176m处静液柱压力约20MPa；从钻头横向振动和纵向振动曲线可以看出：无论横向还是纵向的传感器输出都与钻柱的旋转状态相对应。钻柱旋转时两个传感器输出较高的振动值(40g～50g)，而在钻柱静止时，传感器输出为零。

(5).在第5阶段，地面的操作：

停钻；以2800L/min排量开泵20s，停泵40s；开泵20s，停泵40s；停泵1min(期间活动钻具)；

这时从钻头内压测量曲线可知：停泵时钻杆内压就是2176m处静液柱压力约20MPa；由于泥浆循环造成20s的内外压差在稳定时约为3MPa。从钻头横向振动和纵向振动曲线可以看出：无论横向还是纵向的传感器输出都与泥浆循环的状态相对应，只是在活动钻具时造成了一个扰动脉冲。泥浆循环时两个振动传感器输出与压力传感器的输出幅度相对应。

(6).在第6阶段，地面的操作：

以2800L/min排量开泵1min，停泵1min；开泵1min，停泵1min；以2800L/min排量开泵5min，

停泵2min；开泵2min，停泵2min；

从这一阶段的试验曲线可知，当泥浆循环时间超过1min时，无论是振动传感器还是压力传感器的输出均非常稳定，与泥浆循环的状态及时间相对应。

(7).试验结束，开泵，正常钻进。

通过多个井次的室内和下井试验，试验得到的数据显示出井下传感器接收信号可以敏感到地面泥浆泵的开关操作，进而地面泥浆排量的编码信号就可以通过这种方法传递到井下钻头附近。具体体现为：(1)在井下的加速度传感器在钻井井下可以敏感到地面泥浆泵的开泵和停泵操作，说明泥浆循环对井下钻具造成了的振动；(2)在停泵的条件下，加速度传感器可以敏感到钻杆的上提下放操作；但是在开泵的条件下，加速度传感器很难敏感到钻杆的上提下放操作，这是因为由泥浆循环造成的钻具井下振动值远大于由于上提下放钻具；(3)在测试条件下，停泵时，在地面旋转或停止钻具，井下的加速度传感器至少可以敏感到地面钻具的转20s停40s的运动；(4)在测试条件下，停钻时，只是在地面开、停泵，井下的加速度传感器可以敏感到周期在1min以上的地面泥浆泵开关变化。

实施例2，一种钻井用传递下行命令的方法，是利用安装在井下钻头附近的加速度传感器敏感钻头破岩能量大小带来的振动变化，并将这种变化编码后给井下工具传递控制信号的方法。具体做法是：利用钻柱钻进产生振动，当钻柱钻进时，钻头破岩造成的振动能量很大，而地面停转，钻柱处于静止状态，井下的振动能量最小。利用这种钻柱旋转与静止在井下造成的振动能量差异，确定信源的编码，从而构成指令信息，当钻头破岩时，加速度传感器接收振动信息，对解码器来说，这时定义输入为逻辑“1”；当钻柱处于静止状态或几乎停钻时，加速度传感器敏感不到振动信息，对解码器来说，这时定义输入为逻辑“0”；对“1”和“0”进行编码传递不同的信息。

下面通过具体的实验数据对该实施例进行原理验证

参见图2～图4，图2中上面图中所示为下钻接立柱时井底液柱压力的变化过程，下面图中所示为钻头上对应的加速度变化过程。图3中曲线所示脉冲是上提钻柱30m时的加速度变化，曲线其余部分表示钻头处休闲状态时，加速度传感器的响应。

观察如上实验结果可知，旋转钻进，钻头破岩时，钻柱上振动信号的频率较高，通常在几～几十赫兹范围内变化。振动的幅度在1g～4g；在非钻进状态，特别是静止状态，钻头上的加速度是很小的，约在0.1g之内。两者差别很大。上提钻杆，起、停之间井底钻具加速度变化在+0.3g～-0.3g。因此，在地面活动钻杆(上提、下放或旋转转盘)，即施加激励于钻杆，与不施加激励、钻具静止相比在井底附近有很明显的响应。因此可以利用这一明显区别，编码后传递信息。

根据钻柱振动状态分析中几个振动方面的特征分析，可以将信源编码确定为：若钻柱静止30s，视信源信号为“0”；若钻柱钻进30s，视信源信号为“1”。信源信号“1”与“0”的组合，构成十进制数据，这些数据可以代表不同的含义。

实施例2相对于实施例1更具有突破性。

实施例和实施例2所采用的一种钻井用传递下行命令的系统：

参见图5，一种钻井用传递下行命令的系统，包括设置于钻铤内部的传感器1、信号调理模块2和解码识别模块3。所说的传感器1为加速度传感器，包括设置在Z轴、X轴方向上相互垂直的两个，两个传感器1的输出分别接信号调理模块2中的两个信号调理单元的输入，信号调理单元包括整流、放大和积分电路，信号调理模块2的输出接解码识别模块3。

本系统中解码识别模块3中芯片U1的输出第18脚接于导向控制器4上。

参见图6，所说传感器模块1是以芯片U2A为核心的加速度传感器，U2A的型号为ADXL203；所说信号调理模块2的两个信号调理单元以并行方式与芯片U2A连接，每个信号调理单元以型号为OPA4234的四个串联的放大芯片为核心，其中一个信号调理单元中的放大芯片U3A的输入接于传感器模块1的第6脚，放大芯片U3D的输出接于与解码识别模块，另一个信号调理单元中的放大芯片U4A的输入接于传感器模块1的第7脚，放大芯片U4D的输出接于与解码识别模块；上述解码识别模块3以芯片U1为核心，芯片U1的型号为C8051F060，解码识别模块3中芯片U1的第9脚与信号调理模块中放大芯片U3A的输出相接，解码识别模块3中芯片U1的第18脚与信号调理模块2中放大芯片U4A的输出相接。

本发明的工作原理是：本发明安装在钻头之上的钻铤内部，其中采用正交安装在井下钻具Z轴、X轴方向上的两个动态加速度传感器接收钻具的振动信号，其敏感轴分别指向钻柱的轴向和径向；加速度传感器1输出的是脉冲信号，该信号通过信号调理模块2，将双向脉冲信号变换为反应振动水平的电平信号；该信号送入由神经网络中的学习矢量量化网络完成解码任务；命令识别的作用是将接收到的命令解释成下一步需要操作的具体动作，然后通知井下执行机构去执行。

Claims

1.一种钻井用传递下行命令的方法，它是利用安装在井下钻头附近的加速度传感器敏感振动变化，并将这种变化编码后给井下工具传递控制信号的方法。

2.如权利要求1所述的一种钻井用传递下行命令的方法，其特征在于：所述振动通过改变钻井液流量实现，当钻井液循环时，与钻柱相连的钻头水眼产生相应的振动，加速度传感器接收到振动信息，对解码器来说，这时定义输入为逻辑“1”；当钻井液循环停止时，加速度传感器敏感不到振动信息，对解码器来说，这时定义输入为逻辑“0”；对“1”和“0”进行编码传递不同的信息。

3.如权利要求2所述的一种钻井用传递下行命令的方法，其特征在于：所述方法中，在振动状态与在静止状态下，接收器接收到的振动能量(幅度)的差异超过30db以上。

4.如权利要求1所述的一种钻井用传递下行命令的方法，其特征在于：所述振动响应可以通过钻进破岩，即地面控制钻头进尺产生，也可以通过驱动钻杆或使钻杆转动实现。

5.如权利要求1所述的一种使用钻井用传递下行命令的方法的系统，包括设置于钻铤内部的传感器(1)和解码识别模块(3)，其特征在于：还包括信号调理模块(2)，所述传感器(1)为加速度传感器，包括设置在Z轴、X轴方向上相互垂直的两个，两个传感器1的输出分别接信号调理模块(2)中的两个信号调理单元的输入，信号调理单元包括整流、放大和积分电路，信号调理模块(2)的输出接解码识别模块(3)。

6.如权利要求5所述的一种钻井用传递下行命令的方法，其特征在于：所述传感器模块(1)是以芯片U2A为核心的加速度传感器，U2A的型号为ADXL203；所述信号调理模块(2)的两个信号调理单元以并行方式与芯片U2A连接，每个信号调理单元以型号为OPA4234的四个串联的放大芯片为核心，其中一个信号调理单元中的放大芯片U3A的输入接于传感器模块(1)的第6脚，放大芯片U3D的输出接于与解码识别模块，另一个信号调理单元中的放大芯片U4A的输入接于传感器模块(1)的第7脚，放大芯片U4D的输出接于与解码识别模块；上述解码识别模块(3)以芯片U1为核心，芯片U1的型号为C8051F060；解码识别模块(3)中芯片U1的第9脚与信号调理模块中放大芯片U3A的输出相接，解码识别模块(3)中芯片U1的第18脚与信号调理模块中放大芯片U4A的输出相接。