一种井下与地面信息传输网络系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种井下与地面信息传输网络系统及方法，属于石油钻井【技术领域】。所述网络系统包括：井下测量节点，用于测量井下的信息数据；数据变换节点，用于将所述测量得到的信息数据变换为网络传输格式的数据信号；数据传输节点，用于将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节；地面旋转节点，用于将所述网络传输格式的数据信号传输给地面服务器；地面服务器，用于处理所述网络传输格式的数据信号，得到指令信息，并将所述指令信息返回地面旋转短节；其中，所述网络传输格式的数据信号为与采用的网络通信协议一致的数据信号。本发明通过有缆钻柱传输井下信息到地面实现了双向的高速通信网络，可以高速传输数据。
【专利说明】一种井下与地面信息传输网络系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油钻井【技术领域】，特别涉及一种井下与地面信息传输网络系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着随钻测井、导向技术的发展，随钻测井方法不断丰富，如声波测井、方位密度中子测井、实时电阻率图像测井、多探测深度的定量成像测井、近钻头地质导向测井、以及旋转导向测井等。多样化的随钻测井、导向技术为钻井工作人员进行实时决策提供丰富的井下信息，分析判断正在钻遇地层的地质和工程情况，从而适时地调整钻进方向，控制最有利的井眼轨迹，实现预期钻井目的，并大大节约钻井工作时间，降低损耗。而这些得到的井下信息通常采用泥浆脉冲传输、电磁波传输等传输方式传输到地面供钻井工作人员进行使用。
[0003]在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:
[0004]随钻测井技术的发展直接使得测井数据量迅速增加，传统的井下信息的传输方式要受到钻井深度的影响，其最高传输速率小于几十比特，已经远远不能满足大容量数据实时传输的要求。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种井下与地面信息传输网络系统及方法。所述技术方案如下:
[0006]一方面，提供了一种井下与地面信息传输网络系统，所述系统包括:
[0007]井下测量节点，用于测量井下的信息数据；
[0008]数据变换节点，用于将所述测量得到的信息数据变换为网络传输格式的数据信号;
[0009]数据传输节点，用于将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节；
[0010]地面旋转节点，用于将所述网络传输格式的数据信号传输给地面服务器；
[0011]地面服务器，用于处理所述网络传输格式的数据信号，得到指令信息，并将所述指令信息返回所述地面旋转短节；还用于采用网络通信协议与所述井下测量节点、所述数据交换节点、所述数据传输节点、所述地面旋转节点进行双向通信；
[0012]其中，所述网络传输格式的数据信号为与采用的网络通信协议一致的数据信号。
[0013]所述地面服务器，还用于:
[0014]将所述井下的信息数据和所述指令信息通过公共信息网络或无线卫星或微波方式发送到世界各地的其他用户。
[0015]所述井下测量节点，包括:
[0016]井下随钻测井短节、地质导向短节或旋转导向短节，所述井下随钻测井短节、地质导向短节或旋转导向短节内各自放置传感器和中央处理器CPU，采用传感器测得井下随钻测井信息、地质导向信息或旋转导向信息，由CPU根据所述井下随钻测井信息、地质导向信息或旋转导向信息计算得到井下的数据信息。
[0017]所述数据传输节点，具体用于:
[0018]将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节的过程中，如果所述网络传输格式的数据信号强度衰减，对所述网络传输格式的数据信号进行放大后继续进行传输，直至传输到所述地面旋转短节。
[0019]所述数据传输节点，具体采用网络通信协议将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节，所述网络通信协议为令牌环网协议或以太网协议或ProfiBus DP总线协议或CAN总线协议。
[0020]另一方面，提供了一种井下与地面信息传输方法，所述方法包括:
[0021]井下测量节点测量井下的信息数据；
[0022]数据变换节点将所述测量得到的信息数据变换为网络传输格式的数据信号；
[0023]数据传输节点将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节;
[0024]由所述地面旋转短节将所述网络传输格式的数据信号传输给地面服务器；
[0025]所述地面服务器处理所述数据信号得到指令信息，并将所述指令信息返回所述地面旋转短节；还用于采用网络通信协议与所述井下测量节点、所述数据交换节点、所述数据传输节点、所述地面旋转节点进行双向通信；
[0026]其中，所述网络传输格式的数据信号为与采用的网络通信协议一致的数据信号。
[0027]所述地面服务器处理所述数据信号得到指令信息，并将所述指令信息返回所述地面旋转短节，还包括:
[0028]将所述井下的信息数据或所述指令信息通过公共信息网络或无线卫星或微波方式发送到地面用户。
[0029]所述测量井下的信息数据，具体为:
[0030]在井下随钻测井短节、地址导向短节或旋转导向短节内各自放置传感器和中央处理器CPU，采用传感器测得井下随钻测井信息、地质参数导向信息或旋转导向信息，由CPU根据所述井下随钻测井信息、地质参数导向信息或旋转导向信息计算得到井下的数据信
肩、O
[0031]所述将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节，包括:
[0032]将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节的过程中，如果所述网络传输格式的数据信号强度衰减，对所述网络传输格式的数据信号进行放大后继续进行传输，直至传输到所述地面旋转短节。
[0033]所述将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节，包括:
[0034]采用网络通信协议将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节，所述网络通信协议为令牌环网协议或以太网协议或Profi Bus DP总线协议或CAN总线协议。
[0035]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0036]通过将测量得出的井下信息数据变换为网络传输格式的数据信号，并通过有缆钻柱传输到地面旋转短节，由地面旋转短节发送给地面服务器，由地面服务器处理后得到指令信息，将指令信息返回地面旋转短节，实现了双向的通信网络进行信息传输，可以高速实时传输数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图1是本发明实施例一提供的井下与地面信息传输方法流程图；
[0039]图2是本发明实施例二提供的井下与地面信息传输方法流程图；
[0040]图3是本发明实施例二提供的井下与地面信息传输上行数据链路流程图；
[0041]图4是本发明实施例二提供的井下与地面信息传输下行数据链路流程图；
[0042]图5是本发明实施例三提供的井下与地面信息传输系统结构示意图；
[0043]图6是本发明实施例三提供的井下与地面信息传输实际系统结构示意图；
[0044]图7是本发明实施例三提供的井下与地面信息传输通信网络协议结构示意图。
【具体实施方式】
[0045]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0046]实施例一
[0047]参见图1，本发明实施例提供了一种井下与地面信息传输方法，所述方法包括:
[0048]井下测量节点测量井下的信息数据；
[0049]数据变换节点将测量得到的信息数据变换为网络传输格式的数据信号；
[0050]数据传输节点将网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节；
[0051]由地面旋转短节将网络传输格式的数据信号传输给地面服务器；
[0052]地面服务器处理数据信号得到指令信息，并将指令信息返回地面旋转短节；还用于采用网络通信协议与所述井下测量节点、所述数据交换节点、所述数据传输节点、所述地面旋转节点进行双向通信；
[0053]其中，网络传输格式的数据信号为与采用的网络通信协议一致的数据信号。
[0054]本发明实施例通过将测量得出的井下信息数据变换为网络传输格式的数据信号，并通过有缆钻柱传输到地面旋转短节，由地面旋转短节发送给地面服务器，由地面服务器处理后得到指令信息，将指令信息返回地面旋转短节，实现了双向的通信网络进行信息传输，可以高速实时传输数据。
[0055]实施例二
[0056]本发明实施例提供了一种井下与地面信息传输方法，参见图2，方法流程包括:
[0057]201:测量节点测量井下的信息数据；
[0058]具体地，井下测量的工具可以包括随井测量短节、地质导向节点和旋转导向节点中的一种或几种，井下测量的工具作为信息传输网络中的节点，在这些井下测量工具的内部放置传感器和中央处理器CPU，传感器可以是温度传感器、压力传感器、井斜传感器、方位传感器、电阻率传感器、伽马传感器、地层密度传感器等传感器中的一种或几种，使用传感器测得各种井下信息(包括井下温度、压力、井斜等工程参数以及电阻率、伽马、孔隙度等地质参数)，交由CPU进行计算、编码等功能，CPU还用于接收地面服务器发来的指令信息或采用网络通信协议将测量的井下信息直接发送给地面服务器。
[0059]202:将测量得到的信息数据变换为网络传输格式的数据信号；
[0060]由各种传感器采集得到的信息数据在与采用的网络通信协议一致时可以直接发送到信息传输网络中进行传输，如果不一致，则需要变换为与采用的网络通信协议一致的网络传输格式的数据信号，将测量得到的信息数据变换为网络传输格式的数据信号的数据变换节点作为信息传输网络中的节点，在数据变换节点内部放置CPU。在本发明中可以采用的网络通信协议包括:令牌环网协议或以太网协议或ProfiB us DP总线协议或CAN总线协议。数据变换节点也可以直接采用网络通信协议将网络传输格式的数据信号发送给地面服务器并接收地面服务器发来的指令信息。
[0061]203:将网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节；
[0062]在网络传输格式的数据信号经过有缆钻柱传输一定距离后，信号强度将有所衰减，对所述网络传输格式的数据信号进行放大后继续进行传输，如此反复多次后，数据信号经由有缆钻柱末端传输到地面旋转短节。放大数据信号的节点内部也可以放置传感器和CPU，用于对不同井段的地质情况进行测量，所得信息经过数据转换处理后发送到网络中，经由有缆钻柱末端传输到地面旋转短节。放大数据信号的节点也可以直接采用网络通信协议将放大的网络传输格式的数据信号发送给地面服务器并接收地面服务器发来的指令信肩、O
[0063]204:由地面旋转短节将网络传输格式的数据信号传输给地面服务器；
[0064]具体地，地面旋转短节可以采用有线或者无线的方式将有缆钻柱中网络传输格式的数据信号传输给地面服务器，无线方式即采用网络通信协议直接与地面服务器双向通信。采用地面旋转短节实现有缆钻柱与地面服务器之间的信息传递，可以用于多种钻井方式，能够与主流钻井装备顶驱兼容使用，节约钻井时间，减少钻井事故。地面旋转短节将网络传输格式的数据信号传输给地面服务器，至此完成数据信号上行链路的传输。
[0065]205:地面服务器处理网络传输格式的数据信号，得到指令信息，并将指令信息返回地面旋转短节；
[0066]地面服务器接收到地面旋转短节发送的数据信号后，经过专家软件分析数据信号，得出实时更新的钻井决策方案的指令信息，并将指令信息返回地面旋转短节，由地面旋转短节采用有线或者无线的方式将指令信息返回有缆钻柱，通过有缆钻柱发送给井下对应位置的CPU中，进行实时指导钻井，实现对井眼轨迹的跟踪和指导。至此整个系统形成一条双向高速的信息传输网络。地面服务器还用于完成网络通信协议的制定，信息错误校验，过程控制等，按照网络通信协议规范，为网络系统中所有测量和处理数据的节点分配唯一的网络节点地址，具有唯一可辨性，该网络节点地址存储于网络节点的硬件CPU中，控制系统中所有节点之间通信机制，实现双向闭环数据通信网络。
[0067]206:将指令信息通过公共信息网络或无线卫星或微波方式发送到地面用户。
[0068]地面服务器还可以将接收到的井下的信息数据或指令信息通过公共信息网络或无线卫星或微波方式传递给世界各地的其他用户，实现实时信息共享。
[0069]具体地，参见图3，以令牌环网协议为例，说明上行数据链路工作流程，该方法包括:
[0070]301:所有网络节点上电准备开始工作；
[0071]302:地面服务器节点发出验证信息，轮询其他节点的工作情况；
[0072]303:各节点依次发回确认信息；
[0073]304:地面服务器判断是否超时，如果超时，返回步骤302继续发出验证信息，轮询其他节点的工作情况；如果不超时，继续下一步骤305 ；
[0074]该步骤中采用地面服务器监控令牌的方式可以有效的发现故障节点，降低故障影响。
[0075]305:地面服务器节点发出网络令牌，其他节点开始运行网络程序；
[0076]306:取得网络令牌的节点开始工作，按照约定的网络通信协议发送数据；
[0077]该步骤具体包括:井下测量节点测量井下的信息数据，由数据变换节点将测量得到的信息数据变换为网络传输格式的数据信号，数据信号为带有令牌帧标示的数据信息，通过有缆钻柱将网络传输格式的数据信号传输到地面旋转短节；由地面旋转短节将网络传输格式的数据信号传输给地面服务器。
[0078]307:地面服务器判断令牌是否超时，如果超时，返回步骤305，如果不超时，继续下一步骤308 ；
[0079]308:各个节点结束发送数据后，同时释放令牌；
[0080]309:地面服务器处理接收到的其他各个节点发送的数据，得到指令信息，上行数据链路工作完成。
[0081]参见图4，以令牌环网协议为例，说明下行数据链路工作流程，该方法包括:
[0082]401:地面服务器接收其他各个节点发送的数据，得到指令信息，和错误处理方案；
[0083]402:地面服务器发出令牌和带有目标节点地址的数据，发送到网络中的各个节
占.[0084]403:对应节点接收数据，发回确认信息；
[0085]404:地面服务器判断是否超时，如果超时，发送节点错误报告，返回步骤402，如果不超时，继续下一步骤405;
[0086]405:地面服务器发送控制指令，控制其他节点工作及故障的排除；
[0087]406:各个节点收到相应指令，按照指令执行，并返回数据，释放令牌；
[0088]407:地面服务器判断令牌是否超时，如果超时，发送节点错误报告，返回步骤402，如果不超时返回步骤401继续进行数据处理。
[0089]上行链路数据与下行链路数据采用频率分割或自适应回波抵消技术减弱双向传输引起的回波干扰。
[0090]本发明实施例通过将测量得出的井下信息数据变换网络传输格式的数据信号，并通过有缆钻柱传输到地面旋转短节，由地面旋转短节发送给地面服务器，由地面服务器处理后返回地面旋转短节，通过有缆钻柱可以高速传输数据，实现了井下信息数据与地面之间双向高速的传输数据，还可以将指令信息通过公共信息网络或无线卫星或微波方式传递给地面其他用户，实现实时信息共享。
[0091]实施例三
[0092]参见图5，本发明实施例提供了一种井下与地面信息传输网络系统，该系统包括:
[0093]井下测量节点501，用于测量井下的信息数据；
[0094]数据变换节点502，用于将测量得到的信息数据变换为网络传输格式的数据信号;
[0095]数据传输节点503，用于将网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节；
[0096]地面旋转节点504，用于将网络传输格式的数据信号传输给地面服务器；
[0097]地面服务器505，用于处理网络传输格式的数据信号，得到指令信息，并将指令信息返回地面旋转短节；还用于采用网络通信协议与所述井下测量节点、所述数据交换节点、所述数据传输节点、所述地面旋转节点进行双向通信；
[0098]其中，网络传输格式的数据信号为与采用的网络通信协议一致的数据信号。
[0099]具体地，参见图6，为本发明井下与地面信息传输网络系统结构图，其中地面系统包括:地面服务器601，地面旋转节点602，地面服务器601和地面旋转节点602可以采用有线或者无线的方式传输数据；井下系统包括:
[0100]数据传输节点603，有缆钻柱604，数据变换节点605，井下测量节点606，其中，地面服务器601主要由硬件和软件两部分组成，其硬件部分主要包括数据采集处理电路，用于接收地面旋转节点602发来的数据信号，软件部分包括专家解释软件，专家解释软件完成数据传输协议的制定，信息错误校验，过程控制等，并按照高速网络通信协议的规范，为网络系统中所有节点分配唯一的网络节点地址，具有唯一可辨性，该网络节点地址存储于网络节点的硬件CPU中，控制系统中所有节点之间通信机制，实现双向闭环数据通信网络。井下的测量数据高速传到地面，地面的指令也能快速地传到井下设备，井下设备之间也可以相互传递、接收和执行指令。数据变换节点605用于将井下测量节点606测量得到的井下信息进行数据转换为网络传输格式的数据信号；数据传输节点603用于数据信号在有缆钻柱604中传输的过程中数据信号出现衰减时，进行放大。
[0101]应用高速智能网络通信协议网络结构图如图7所示，其中井下数据转接节点即为数据变换节点；井下中继节点即为数据传输节点；旋转短节节点即为地面旋转节点。
[0102]综上所述，本发明实施例通过将测量得出的井下信息数据变换为网络传输格式的数据信号，并通过有缆钻柱传输到地面旋转短节，由地面旋转短节发送给地面服务器，由地面服务器处理后得到指令信息，将指令信息返回地面旋转短节，实现了双向的通信网络进行信息传输，可以高速实时传输数据。
[0103]需要说明的是:上述实施例提供的井下与地面信息传输系统在传输数据时时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的井下与地面信息传输系统与井下与地面信息传输方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
[0104]上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0105]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0106]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种井下与地面信息传输网络系统，其特征在于，包括: 井下测量节点，用于测量井下的信息数据； 数据变换节点，用于将所述测量得到的信息数据变换为网络传输格式的数据信号； 数据传输节点，用于将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节; 地面旋转节点，用于将所述网络传输格式的数据信号传输给地面服务器； 地面服务器，用于处理所述网络传输格式的数据信号，得到指令信息，并将所述指令信息返回所述地面旋转短节；还用于采用网络通信协议与所述井下测量节点、所述数据交换节点、所述数据传输节点、所述地面旋转节点进行双向通信； 其中，所述网络传输格式的数据信号为与采用的网络通信协议一致的数据信号。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面服务器，还用于: 将所述井下的信息数据或所述指令信息通过公共信息网络或无线卫星或微波方式发送到世界各地的其他用户。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述井下测量节点，包括: 井下随钻测井短节、地质导向短节或旋转导向短节，所述井下随钻测井短节、地质导向短节或旋转导向短节内各自放置传感器和中央处理器CPU，采用传感器测得井下随钻测井信息、地质导向信息或旋转导向信息，由CPU根据所述井下随钻测井信息、地质参数导向信息或旋转导向信息 算得到井下的数据信息。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据传输节点，具体用于: 将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节的过程中，如果所述网络传输格式的数据信号强度衰减，对所述网络传输格式的数据信号进行放大后继续进行传输，直至传输到所述地面旋转短节。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述数据传输节点，具体采用网络通信协议将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到所述地面旋转短节，所述网络通信协议为令牌环网协议或以太网协议或Profi Bus DP总线协议或CAN总线协议。
6.一种井下与地面信息传输方法，其特征在于，所述方法包括: 井下测量节点测量井下的信息数据； 数据变换节点将所述测量得到的信息数据变换为网络传输格式的数据信号； 数据传输节点将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到地面旋转短节； 由所述地面旋转短节将所述网络传输格式的数据信号传输给地面服务器； 所述地面服务器处理所述数据信号得到指令信息，并将所述指令信息返回所述地面旋转短节；还用于采用网络通信协议与所述井下测量节点、所述数据交换节点、所述数据传输节点、所述地面旋转节点进行双向通信； 其中，所述网络传输格式的数据信号为与采用的网络通信协议一致的数据信号。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述地面服务器处理所述数据信号得到指令信息，并将所述指令信息返回所述地面旋转短节，还包括: 将所述井下的信息数据或指令信息通过公共信息网络或无线卫星或微波方式发送到世界各地的其他用户。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述测量井下的信息数据，具体为:在井下随钻测井短节、地质导向短节或旋转导向短节内各自放置传感器和中央处理器CPU，采用传感器测得井下随钻测井信息、地质参数导向信息或旋转导向信息，由CPU根据所述井下随钻测井信息、地质参数导向信息或旋转导向信息计算得到井下的数据信息。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到所述地面旋转短节，包括: 将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到所述地面旋转短节的过程中，如果所述网络传输格式的数据信号强度衰减，对所述网络传输格式的数据信号进行放大后继续进行传输，直至传输到所述地面旋转短节。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到所述地面旋转短节，包括: 采用网络通信协议将所述网络传输格式的数据信号通过有缆钻柱传输到所述地面旋转短节，所述网络通信协议为令牌环网协议或以太网协议或Profi Bus DP总线协议或CAN总线协议 。
【文档编号】E21B47/12GK103883315SQ201210563515
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年12月21日 优先权日:2012年12月21日
【发明者】石林, 邹来方, 黄衍福, 潘兴明, 孙成芹, 石倩, 李显义, 郭建庄, 沈克, 郭彪, 刘延辉, 马瑞, 路胜杰, 尹文颖, 石颖, 刘加良, 史宏江 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油集团钻井工程技术研究院, 北京石油机械厂