一种减小泥浆脉冲信号对钻具运动干扰的装置的制作方法

1.本实用新型涉及油气钻探工程技术领域，尤其涉及一种减少泥浆脉冲信号对钻具运动干扰的装置。


背景技术：

2.在钻井工程中，钻井工作者和地质工程师需要随时了解井下工具的工作状况、井眼轨道的形态以及地层和井底环境参数。目前定向井导向及井眼轨迹控制普遍使用的成熟工具是lwd(随钻测井)、mwd(随钻测量)等随钻测量设备，井下数据传输方法主要包括有线电缆法、钻井液脉冲法、声波法、电磁波法及光纤法。其中，钻井液脉冲法应用最为广泛，目前在深井中的应用很难被取代。
3.钻井液脉冲法是通过阻断周期性钻柱中的流体流动，改变钻柱里的钻井液压力，从而形成一定频率、波幅的压力波，将该系列压力波以脉冲的形式传递到地面，并使用压力传感器采集为电信号进行处理。泥浆脉冲信号的噪声干扰因素主要来源于地面泥浆泵、井下动力钻具、泥浆气泡、活动钻具等。
4.在实际施工中，特别是深井施工中，由于脉冲信号的传输距离远，地面检测到的脉冲信号幅度非常小，有的时候低至5psi以下。为了减小噪声干扰，有很多去噪处理方法，主要使用各种滤波算法，减小泥浆泵干扰和不同频率的干扰。但在使用中，活动钻具的时间是没有规律的，活动钻具引起的压力波动往往会对脉冲信号产生干扰，甚至是使信号传输失去同步。
5.究其原因，活动钻具时，钻具的运动导致井眼内的钻井液非匀速流动，从而产生压力波动。以下放钻具为例，如图1中所示的立管压力采样，在钻具下放加速的约两秒内，立管压力上升了约120个单位adc，约合11psi。在深井施工时，该值在频率上和幅度上均接近有效脉冲信号。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术所存在的问题，本实用新型的目的是提供一种减小泥浆脉冲信号钻具运动干扰的装置，利用该装置对立管压力传感器和绞车传感器采样获得立管压力值和绞车计数值；利用该装置的采样和运算处理器对立管压力值和绞车计数值进行处理，输出去除钻具运动干扰后的立管压力值。
7.为了实现上述发明目的，本实用新型的一种减小泥浆脉冲信号钻具运动干扰的装置，包括：
8.立管压力传感器，该立管压力传感器安装于钻井立管中，用以采集钻井立管的压力波动所产生的压力信号并输出；
9.绞车传感器，该绞车传感器安装于钻井绞车的滚筒上，用以采集绞车滚筒的转动信号并输出；
10.采样和运算处理器，该采用和运算处理器与所述立管压力传感器和绞车传感器连
接，用以接收所述立管压力传感器输出的所述压力信号和绞车传感器输出的所述转动信号并进行处理，然后通过调用响应模型进行计算，在原始的立管压力值上进行校正后，输出去除钻具运动干扰后的立管压力值。
11.在本发明的一个优选实施例中，所述采样和运算处理器包括用于与所述立管压力传感器和绞车传感器连接的信号采集电路和用于运算的运算处理器，所述用于运算的运算处理器的信号输入端与所述信号采集电路的信号输出端连接。
12.在本发明的一个优选实施例中，所述信号采集电路安装在一sai地面控制箱内，所述用于运算的运算处理器是微处理器与固件程序的组合或电脑与软件的组合。
13.在本发明的一个优选实施例中，所述压力信号为钻井立管的立管压力值，所述转动信号为绞车计数值。
14.在本发明的一个优选实施例中，所述压力信号和转动信号均为电压信号、电流信号或数字信号。
15.实际工况下，响应函数与动态压力响应并不是固定不变的，它和井深、钻头深度、钻具组合、泥浆比重和粘度等多个参数都有联系。所以本发明的方法中，并没有固定的响应函数公式和明确的响应延迟时间，只给出了对其进行标定的方法，通过一种类似于实验和重现的统计方法对数据进行拟合，从而得到响应函数。
16.本发明公开一种减小泥浆脉冲信号钻具运动干扰的装置和方法，其创新点在于巧妙的运用油田现场随钻施工经常使用的传感器，并不增加人力和材料成本；通过简单的标定操作，实现减小活动钻具对立管压力动态变化，从而减小活动钻具对脉冲解码质量的影响，提高有效操作时间和效率。
附图说明
17.图1是立管压力采样过程中的压力波动示意图。
18.图2为本发明的减小泥浆脉冲信号钻具运动干扰的装置原理示意图。
19.图3为本发明的信号采集电路的电原理示意图。
20.图4是本实用新型的通过标定建立绞车计数变化对立管压力变化影响的响应模型流程示意图。
21.图5是在实际开泵钻进过程中，利用该装置的运算处理器对绞车计数值进行处理，调用响应模型进行计算，在原始的立管压力值上进行校正后，输出去除钻具运动干扰后的立管压力值的方法的流程示意图。
具体实施方式
22.以下结合附图和具体实施方式来进一步描述本发明。
23.参见图1，图中所示的一种减小泥浆脉冲信号钻具运动干扰的装置，包括立管压力传感器10、绞车传感器20和采样和运算处理器。
24.立管压力传感器10的型号为sk-8y34a，安装于钻井立管中，具体安装位置对于本领域技术人员而言可以根据需要选择。该立管压力传感器10用以采集钻井立管的压力波动所产生的压力信号并输出；该压力信号为钻井立管的立管压力值，立管压力传感器10输出电压信号、电流信号或数字信号(具体是那种信号，本领域技术人员可以根据需要进行调
整)。
25.绞车传感器20的型号为sk-8j06，安装于钻井绞车的滚筒上，具体安装位置对于本领域技术人员而言可以根据需要选择。该绞车传感器20用以采集绞车滚筒的转动信号例如绞车计数值并输出，该绞车传感器20输出电压信号、电流信号或数字信号(具体是那种信号，本领域技术人员可以根据需要进行调整)。
26.采样和运算处理器包括信号采集电路和用于运算的运算处理器。其中信号采集电路安装在一sai地面控制箱30内，参见图3，该信号采集电路由有源低通滤波电路、模数转换电路、信号整形电路、正交信号处理电路及mcu 运算处理器等组成。
27.立管压力传感器10和绞车传感器20分别通过信号传输线11、12和sai 地面控制箱30上的信号接线柱31、32与信号采集电路的信号输入端信号连接。信号采集电路的采样频率为50hz。
28.用于运算的运算处理器微处理器与固件程序的组合或电脑与软件的组合，本发明为笔记本电脑40，在笔记本电脑40中安装由对立管压力值和绞车计数值进行处理的软件。笔记本电脑40的信号输入端通过信号传输线41和 sai地面控制箱30上的信号接线柱33与信号采集电路的信号输出端信号连接。
29.笔记本电脑40中的对立管压力值和绞车计数值进行处理的软件通过调用响应模型进行计算，在原始的立管压力值上进行校正后，输出去除钻具运动干扰后的立管压力值。
30.上述一种减小泥浆脉冲信号钻具运动干扰的装置的使用方法，包括通过标定建立绞车计数变化对立管压力变化影响的响应模型的方法和在实际开泵钻进过程中，利用采样和运算处理器对绞车计数值进行处理，调用响应模型进行计算，在原始的立管压力值上进行校正后，输出去除钻具运动干扰后的立管压力值的方法，其中：
31.通过标定建立绞车计数变化对立管压力变化影响的响应模型的方法具体包括如下步骤：
32.1)以不同速率上提和下放钻具，同时采集绞车计数值和立管压力值，并记录到数组。
33.2)使用采集的系列绞车计数值，计算出钻头的运动速度和加速度，具体如下：
34.2.1)使用采集的系列绞车计数值，计算出钻井大钩的高度，此处采用行业通用的方法，不再详述；
35.2.2)因为大钩高度变化等于钻头位移，计算钻头运动速度为每5个点滑动平均的位移值除以其对应时间0.1秒，得到速度。钻头加速度为每5点滑动平均的速度除以其对应时间0.1秒。将速度与加速度也记录到数组。
36.3)使用采集的系列原始立管压力值，通过立管压力处理算法，计算去除钻井立管的静态压力，得到钻井立管的动态压力并记录到数组；具体是：
37.3.1)已知脉冲传输有效信号频率(0.5hz)，使用采集的系列原始立管压力值，采用fir高通滤波器窗函数，高通滤波器的频率设置为的0.2hz，去除压力基线得到动态立管压力。将动态立管压力也记录到数组；
38.3.2)从钻柱从静止到运动的时间为起点，计时到立管动态压力超过某一阈值，计时值为响应延迟时间，该阈值可手动设置。
39.4)使用钻头的运动速度、加速度和立管的动态压力，分析和计算出后者对前者的
响应，至少包括：响应延迟时间，从钻头运动状态变化到立管动态压力变化的延迟时间。响应幅值函数，不同的钻头运动速度和加速度对应的立管动态压力的幅度大小的计算函数；
40.使用钻头的运动速度、加速度和立管的动态压力，分析和计算出后者对前者的响应幅值函数。至少包括：响应延迟时间，从钻头运动状态变化到立管动态压力变化的延迟时间。响应幅值函数，不同的钻头运动速度和加速度对应的立管动态压力的幅度大小的计算函数；本实施例对不同的钻头运动速度和加速度曲线对应的立管动态压力曲线，以均方根误差最小为目标进行多变量数据拟合，得到多变量的响应函数。
41.在实际开泵钻进过程中，利用该装置的运算处理器对绞车计数值进行处理，调用响应模型进行计算，在原始的立管压力值上进行校正后，输出去除钻具运动干扰后的立管压力值的方法具体包括如下步骤：
42.1)在实际开泵钻进过程中，同时采集并缓存绞车计数值和立管压力值到队列，缓存数据的组数不小于上述响应延迟时间对应的采样点数；本实施例建立约4秒数据、采样数为200点的缓存队列数组。
43.2)使用队列最早缓存的系列绞车计数值，计算出钻头的运动速度和加速度，计算方法与标定建立绞车计数变化对立管压力变化影响的响应模型的方法时的计算方法一致，并调用响应函数进行计算，得到动态压力的校正值；
44.3)从队列数组中查找到响应延迟时间对应的原始立管压力值，即队列数组中从第(50*响应时间)位置开始的数据，将动态压力校正值与其相加，得到校正后的立管压力值；其中立管压力值在输出前可能被多次校正；
45.4)输出校正后序列中最靠前的立管压力值。
46.尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。