一种旋转导向工具地面指令下传系统及方法与流程

1.本公开属于石油钻井技术领域，尤其涉及一种旋转导向式地面指令下传系统及方法。


背景技术：

2.在石油钻井过程中，地面控制系统与井下工具之间高速发展的双向通讯技术，是加快钻井工程迈向自动化进程的必要环节，对复杂工况条件下实现智能钻井有着重要作用。其中下行通讯技术承担着向井下工具发送地面控制指令的工作，是实现井下工具自动操作的关键部分，这种控制指令信息一般包括方位角、井斜角和工具面角等。
3.自石油勘探开采以来，信息通讯方式主要有四种：绝缘导线、电磁波、声波和泥浆脉冲，从传输深度、传输速率、可靠性和开发成本考虑，目前泥浆脉冲的传输方式应用最为广泛。目前用于地面指令下传的方法主要有以下三种：(1)将下传指令进行特定编码，再将编码信号转换为通过有规律地提举和下放钻杆，使井下振动传感器能感知的振动信号，从而实现地面指令的下传；(2)将旋转导向钻井工具停止钻进作业，再通过泥浆泵的“关”、“开”以形成“1”、“0”的泥浆脉冲信号，以开关泵的时间进行信号编码进行下传；(3)采用立管对流通的泥浆进行一定流量的分流以产生泥浆脉冲信号，再配以特定的时间间隔对其进行编码，最后通过井下涡轮发电机检测流量压力变化并经井下信号处理单元进行解码处理，从而实现指令的下传。
4.第一种指令下传方法和第二种指令下传方法均需要让旋转导向钻井工具停止钻进，才能进行指令的下传，这样会造成钻井作业时间延长，效率降低，并增加钻井的作业成本。同时，钻井工具振动和开关泵的操作会在一定程度上增加钻进时卡钻或井塌等井下事故的概率。因此，目前基本上已经完全摒弃了前两种指令下传的方法。实际钻井过程中，采用第三种指令下传方法需要在井场增加立管泥浆分流装置，采用高压软管与立管和泥浆池连接，从而达到泥浆分流的作用。因此，第三种指令下传方法的主要缺点是：增加了设备和费用，同时增加了现场工程师的工作量；并且设备后续的维护保养也增加了成本和工作量。


技术实现要素：

5.本公开为了解决上述问题，提出了一种旋转导向式地面指令下传系统及方法，本公开能够在提高现场施工效率且不需要增加设备和费用的情况下，实现地面指令高速下传给井下工具。
6.为了实现上述目的，第一方面，本公开提出了一种旋转导向式地面指令下传系统，采用如下技术方案：
7.一种旋转导向式地面指令下传系统，包括编码模块、控制模块、检测模块和信号处理模块；
8.所述编码模块，用于将地面控制指令编码为二进制码，二进制码经信号调制成码元序列，依据码元序列确定钻具的设定旋转转速；
9.所述控制模块，用于通过顶驱装置控制钻具依照设定旋转转速进行作业，以便井下检测模块中的传感器能够准确获得检测信号；
10.所述检测模块，用于通过磁通门高速采集轴向瞬时的磁场信号，获得周期信号；
11.所述信号处理模块，用于将采集的周期信号依次通过滤波处理和解码处理，还原地面控制指令。
12.进一步的，所述编码模块包括编码单元和调制单元；
13.所述编码单元，用于将预先设置的地面控制指令依据指令对照表确定下传的二进制码；
14.所述调制单元，用于确定二进制码序列与钻具旋转转速的对应规则，所述码元序列与旋转导向工具中钻具的旋转转速一一对应。
15.进一步的，所述钻具的旋转转速包括转速的大小和旋转的方向，依据不同的二进制码位序列对应不同的信号频率大小，并对应设定不同的旋转转速进行信号调制。
16.进一步的，在深井钻进时，考虑柔性钻具的扭转延时特性，在变换旋转转速之前预留钻具底部接收旋转转速变化所需要的延时时间。
17.所述控制模块依据设定的旋转转速通过地面的顶驱装置驱动钻具旋转，同时由于钻具材料的柔性特点，在深井钻进时，顶驱装置驱动钻具的顶部旋转后不能将旋转同步传递给钻具的底部；因此，需要考虑柔性钻具的扭转延时特性，在变换旋转转速之前预留钻具底部接收旋转转速变化所需要的延时时间。
18.进一步的，所述检测模块位于井下mwd仪器中，包括磁通门传感器和存储单元；所述磁通门传感器采集三轴方向上的瞬时磁场坐标，检测所述钻具的旋转转速；
19.所述磁通门传感器随所述钻具旋转并采集坐标数据，所述存储单元事实存储所述磁通门传感器采集的数据，其数据波形呈周期状，因此可获得周期信号。
20.进一步的，所述信号处理模块包括信号预处理单元和解码单元；
21.所述信号预处理单元，用于剔除失真信号片段和噪声处理，以提高信号解码的准确率；
22.所述解码单元，用于将预处理后的信号经解码算法解码成地面控制指令。
23.进一步的，所述失真信号片段，是指考虑所述钻具的扭转延时特性，信号波形在周期信号频率变换的过程中出现波形失真的情况；所述噪声处理，是指对预处理后的信号通过滤波算法处理噪声信号，所述滤波算法选用低通滤波、滑动平均值滤波或卡尔曼滤波。
24.进一步的，所述解码单元的解码过程为：
25.对预处理后的信号进行频谱分析，识别频谱图中各个频率峰值点；
26.根据信号调制时频率与旋转转速对应规则确定实际钻具对应的旋转转速；
27.通过编码对照表解码出二进制码序列，识别出地面控制指令。
28.进一步的，确定柔性钻具的扭转延时特性时，综合考虑钻具的材质、尺寸和钻进深度，以及根据钻具的转动惯量确定的顶驱旋转速率与钻具两端延时时间之间的系数关系；确定旋转速率与延时时间的关系后可为控制模块变换旋转速率时提供参考依据。
29.为了实现上述目的，第二方面，本公开还提出了一种旋转导向式地面指令下传方法，采用了如第一方面中所述的旋转导向式地面指令下传系统，主要包括以下内容：
30.依据指令对照表确定下传指令所对应的编码，依据编码确定下传旋转导向工具钻
杆的旋转转速；
31.通过调节钻具旋转转速实现fsk调制，根据旋转转速控制钻井工具进行旋转；
32.井下mwd中的磁通门传感器检测磁场坐标以产生周期信号；
33.对检测的信号进行处理，经过预处理和解码处理，并根据编码规则确定地面下传的指令信息。
34.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
35.1.本公开能够在不需要关停泥浆泵和不需要增加现场操作设备及人员的情况下，实现地面指令下传至旋转导向工具，是一种效率高且成本低的指令下传方法；
36.2.本公开检测模块的磁通门能够高速实时采集三轴方向上的磁场坐标，从而检测地面下传指令，因此可实现高速传输地面指令；
37.3.本公开通过信号波形频率与旋转转速对应的调制方式，实现特定的编码格式，可防止指令误下传。
附图说明
38.构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
39.图1为本公开实施例1的结构示意图；
40.图2为本公开实施例1的编码模块原理图；
41.图3为本公开实施例1的扭转延时特性原理图；
42.图4为本公开实施例1的钻具速度转换关系图；
43.图5为本公开实施例1的检测模块原理图；
44.图6为本公开实施例1的底部钻具速度检测方法图；
45.图7为本公开实施例1的检测波形示意图；
46.图8为本公开实施例1的信号处理模块原理图；
47.图9为本公开实施例2的流程图；
48.其中，1、编码模块，2、控制模块，3、检测模块，4、信号处理模块，41、信号预处理单元，42、信号解码单元，5、顶驱装置，6、钻具，7、传感器，8、磁通门，9、霍尔传感器，10、磁块，11、稳定平台，12、底部钻具钻杆。
具体实施方式：
49.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
50.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
51.本公开实施例中，通过对旋转导向钻具的旋转转速进行控制，使井下mwd中的磁通门可实时高速采集三轴方向的磁场坐标，实现地面指令的下传；井下信号处理模块可通过旋转转速与信号频率对应关系，再依据编码对应规则实现指令的解码；本公开的实施例可在不增加现场操作设备、人员的情况下，实现将地面指令高速下传给井下工具，进而实现对旋转导向工具的控制。
52.实施例1：
53.如图1所示，本实施例提供了一种旋转导向式地面指令下传系统，包括依次连接的编码模块1、控制模块2、检测模块3和信号处理模块4；所述编码模块1用于将地面控制指令编码为二进制码，二进制码经信号调制成码元序列，依据码元序列确定钻具的设定旋转转速；所述控制模块2用于通过顶驱装置控制钻具依照设定旋转转速进行作业，以便井下检测模块中的传感器能够准确获得检测信号；所述检测模块3用于通过磁通门高速采集轴向瞬时的磁场信号，获得周期信号；所述信号处理模块4用于将采集的周期信号依次通过滤波处理和解码处理，还原地面控制指令。
54.如图2所示，所述编码模块1将地面控制指令编码为二进制码，二进制码经信号调制成码元序列并与旋转导向工具中钻具6的旋转转速一一对应；地面预先设置的控制指令依据指令对照表确定下传的二进制码，再通过信号调频的调制方式，确定二进制码序列与所述钻具6旋转转速的对应规则；所述钻具6的旋转转速包括转速的大小和旋转的方向，所述的调频调制方式是依据不同的二进制码位序列对应不同的信号频率大小，并对应设定不同的旋转转速。在本实施例中，设定指令a、指令b和指令c等指令对应二进制码序列00、01和10等，同时二进制码序列对应钻具旋转速度ω1、ω2和ω3，优选的，所述ω1、ω2和ω3依次设为200转/分顺时针、150转/分顺时针和100转/分逆时针。
55.如图3所示，所述控制模块2通过顶驱装置5来驱动旋转导向中的钻具6依照设定的转速进行旋转作业，以便井下检测模块中的传感器7能够准确获得检测信号；所述控制模块2依据设定的旋转转速通过地面的所述顶驱装置5驱动所述钻具6旋转，同时由于所述钻具6材料的柔性特点，在深井钻进时，所述顶驱装置5驱动所述钻具6的顶部旋转后不能将旋转同步传递给所述钻具6的底部；因此，需要考虑柔性钻具的扭转延时特性，在变换旋转转速之前预留所述钻具6底部接收旋转转速变化所需要的延时时间；所述柔性钻具的扭转延时特性，需要综合考虑钻具的材质、尺寸以及钻进深度，同时考虑钻具的转动惯量以确定顶驱旋转速率与两端延时时间之间的系数关系；具体的，所述顶驱装置5将旋转转速从ω0变换为ω1，变换时间为t0，从所述钻具6的顶部下传给所述钻具6的底部，因柔性特征，依据所述钻具6的材质、尺寸及钻井深度等因素确定所需要扭转延时时间t1，因此所述钻具6底部旋转转速从ω0变换为ω1，变换时间为t0 t1。
56.如图4所示，当地面发出控制指令后，对应一个二进制码序列，相应顶部钻具旋转转速为ω0，由于所述钻具6的延时性和转动惯量等特征，下端所述检测模块3检测出底部钻具旋转转速为v，ω0、v存在转换关系，即v＝ω0·
f(t)，则ω0＝v/f(t)，进而得到顶部钻具的旋转转速，代表着一个二进制码序列，再识别出地面发出的控制指令。
57.如图5所示，所述检测模块3位于井下mwd仪器中，通过磁通门8高速采集某轴向瞬时的磁场信号，以获得周期信号；所述检测模块3包括磁通门传感器和存储单元，在旋转导向作业时，所述磁通门传感器可高速采集三轴方向上的瞬时磁场坐标以检测所述钻具6的旋转转速；检测过程中，所述磁通门8随所述钻具6一边旋转并一边采集坐标数据，同时所述存储单元不间断地存储采集的数据，其数据波形呈周期状，因此可获得周期信号；根据地磁场与磁通门检测原理，检测磁场坐标只需检测x轴或y轴方向的磁场坐标，实际检测时，只需取其中一轴磁场坐标数值大的轴向磁场坐标数据即可；如在某点某时刻检测到x轴磁场坐标为10μt，y轴磁场坐标0.4μt，则在该情况下选取x轴的磁场坐标数据作为后续处理数据。
58.如图6所示，对于底部钻具旋转转速v，可以用霍尔传感器9和磁块10的组合来检测；所述霍尔传感器9安装在稳定平台11上，在底部钻具钻杆12内壁沿圆周均匀分布有一个或若干个磁块10，且磁块10与霍尔传感器9位于垂直于钻杆轴线的同一圆截面上；在钻进过程中，底部钻具开始旋转作业，带动着钻杆内壁上磁块一起旋转，稳定平台上的霍尔传感器9可以检测到磁块10；若在t0～t1内，所述霍尔传感器9转过的角度为θ，所述稳定平台11与底部钻具用轴承13进行轴向与径向定位，底部钻具内的稳定平台11在轴承13的支撑下自由旋转；当所述稳定平台11不跟随底部钻具旋转时，所述即霍尔传感器9保持不动，则速度v＝θ/(t1‑
t0)；当所述稳定平11台跟随底部钻具旋转时，即所述霍尔传感器9有一定的速度ω
s
，则速度v＝θ/(t1‑
t0)
‑
ω
s
。
59.所述信号处理模块4信号预处理单元41和信号解码单元42，将采集的信号依次通过滤波处理和解码处理，进而还原地面指令；所述信号预处理单元41包括剔除失真信号片段和噪声处理两部分，以提高信号解码的准确率；所述信号解码单元42将预处理后的信号经解码算法解码成地面指令。
60.如图7所示，所述失真信号片段，指的是考虑钻具的扭转延时特性，信号波形在周期信号频率变换的过程中会出现波形失真，因此，需要去除此类信号片段；所述噪声处理指的是对上述处理后的信号通过滤波算法处理噪声信号，常用的滤波算法有低通滤波、滑动平均值滤波等。
61.如图8所示，解码方法为，识别预处理后信号的每个频率来确定所述钻具6的旋转转速，再通过编码对照表解码出二进制码序列，从而识别出地面指令。
62.实施例2：
63.如图9所示本实施例提供了一种旋转导向式地面指令下传方法，采用了如实施例1中所述的旋转导向式地面指令下传系统，主要包括以下内容：
64.依据指令对照表确定下传指令所对应的编码，依据编码确定下传旋转导向工具钻杆的旋转转速；
65.通过调节钻具旋转转速实现fsk调制，根据旋转转速控制钻井工具进行旋转；
66.井下mwd中的磁通门传感器检测磁场坐标以产生周期信号；
67.对检测的信号进行处理，经过预处理和解码处理，并根据编码规则确定地面下传的指令信息。
68.以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。