钻井导向参数的下传方法及设备与流程

本发明实施例涉及石油钻探技术领域，尤其涉及一种钻井导向参数的下传方法及设备。

背景技术：

石油钻井过程中，尤其是水平井、大位移井和分支井等复杂结构井的钻井过程中，井场人员需要实时了解的各项井下参数是由随钻测量、测井(loggingwhiledrilling，lwd)系统完成的。随钻测量、测井系统是由井下控制器、各种井下参数测量仪器、随钻测量信息传输系统和地面信息接收、处理、显示系统组成的。长期以来随钻测量、测井系统的各个子系统之间发展极不均衡，主要表现为需要传输的井下信息量不断地增加与信息传输子系统传输速率低两者之间的矛盾。随着各种新的测量仪器的研制成功与应用，随钻测量需要的参数越来越多，从最初的井斜、方位、工具面等几何参数测量发展到现在钻压、扭矩、压力、温度、自然伽马、地层电阻率等多个地质参数的测量。从1960年每1000英尺需要测量的数据量45kb增加到1993年的60mb，到1997年需要传输的mwd数据已经达到150bps。上世纪90年代以来，随钻测量的信息传输速率却止步不前，成为随钻测量、测井系统发展的瓶颈。

地面控制系统接收到井下的实时钻井数据，计算机系统利用这些数据模拟再现井下钻井工具的工作情况，通过对比实际钻井轨迹与设计钻井轨迹，计算出应矫正的钻头工作参数，然后将这些实现钻头变化的操作的干预命令再通过下传通道发送给井下旋转导向钻井工具系统。而井下旋转导向钻井工具系统的控制器接收控制指令，从而指导井下导向工具的导向姿态，实现对井眼轨迹的实时控制。这样，整个旋转导向钻井控制系统的闭环控制得到了实现。地面钻井导向参数下传的井下接收技术而达到闭环控制。现有技术中钻进导向参数的传输时间过长，容易导致指令传到钻头处，指令已经失效，造成不能按预计的井眼轨道进行钻进。基于上述现实情况，找到一种能够高效及时向井下旋转导向钻井控制系统传递钻井导向参数的方法，就成为业界广泛关注的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种钻井导向参数的下传方法及设备。

第一方面，本发明的实施例提供了一种钻井导向参数的下传方法，包括：对钻井导向参数进行时间长度值编码，得到编码后的钻井导向参数，将所述编码后的钻井导向参数封装成钻井导向参数数据包；将封装成钻井导向参数数据包进行编码后的钻井导向参数，发送至井下旋转导向钻井控制系统。

进一步地，所述对钻井导向参数进行时间长度值编码，包括：

其中，ta为时长值，用于表示工方位角度值；t为第一编码时长，用于将360压缩成数值为t的时间长度。

进一步地，所述对钻井导向参数进行时间长度值编码，包括：

其中，ti为时长值，用于表示造斜强度；n为第二编码时长，用于将180压缩成数值为n的时间长度。

进一步地，所述钻井导向参数数据包的格式，包括：数据包类型标识、数据域界定、数据包编号及参数域；所述数据包类型标识，用于标明数据包的性质；所述数据域界定，用于标明参数域的数据长度；所述数据包编号，用于标明数据包的具体类型；所述参数域，用于存放井下参数的数据域。

进一步地，所述数据包的性质，包括：完全数据包和/或差量数据包。

进一步地，在所述将封装成钻井导向参数数据包进行编码后的钻井导向参数，发送至井下旋转导向钻井控制系统之后，还包括：采用差量动态方式表示钻井导向参数，得到差量动态钻井导向参数，将所述差量动态钻井导向参数发送至井下旋转导向钻井控制系统。

进一步地，所述采用差量动态方式表示钻井导向参数，包括：

r＝c+δck/k

δck＝k×δc

其中，r为钻井导向参数真实值，δck为钻井导向参数的量差扩大值，c为钻井导向参数的完全数据，k为量差系数，δc为相对于最近一次钻井导向参数的完全数据的量差值。

第二方面，本发明的实施例提供了一种钻井导向参数的下传装置，包括：

钻井导向参数编码模块，用于对钻井导向参数进行时间长度值编码，得到编码后的钻井导向参数，将所述编码后的钻井导向参数封装成钻井导向参数数据包；

钻井导向参数传送模块，用于将封装成钻井导向参数数据包进行编码后的钻井导向参数，发送至井下旋转导向钻井控制系统。

第三方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的钻井导向参数的下传方法。

第四方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的钻井导向参数的下传方法。

本发明实施例提供的钻井导向参数的下传方法及设备，通过采用编码的方法将较大的钻井导向参数数据进行压缩，并采用动态差量法表示压缩后的钻井导向参数数据，可以及时高效地将钻井导向参数下传至井下旋转导向钻井控制系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1为本发明实施例提供的钻井导向参数的下传方法流程图；

图2为现有技术提供的三升三降指令格式原理示意图；

图3为本发明实施例提供的钻井导向参数编码的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的钻井导向参数数据压缩率效果示意图；

图5为本发明实施例提供的钻井导向参数的下传装置结构示意图；

图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

钻井导向参数主要是方位角和造斜强度这两个导向参数，将这些角度参数下传至井下旋转导向钻井控制系统的时候需要对数据进行处理，每发送一个下传指令，脉冲阀控制系统，控制脉冲阀按照以下时序开启或关闭。具体参见图2，在图2中，①控制脉冲阀开启时间tf，再关闭时间tf+tr1，其中tr1＝mtf，m为大于等于0的整数；②控制脉冲阀开启时间tf，再关闭时间tf+tr2，其中，tr2＝ntf，n为大于等于0的整数；③控制脉冲阀开启时间tf，再关闭时间tf+tr3。tr3为校验码，其值由n和m共同确定；④控制脉冲阀开启时间tf后关闭，直至指令下传系统发送下一个下传指令时为止；m和n通过排列组合与下传指令一一对应，具体请参见下传指令示意表1；四个泥浆压力负脉冲中设置的命令区有两个：第一命令区和第二命令区；第一与第二负脉冲的下降沿之间为第一命令区，第二与第三负脉冲的下降沿之间为第二命令区；第三与第四负脉冲的下降沿之间为校验区。

表1

虽然有36条指令，但是要传递的数据是工方位角度(0-360度)和造斜的强度(0-100度)，无法准确切实的专递工方位角度和造斜的强度数值的具体大小的值，该指令表示方法只能表示工方位角度例如增加30度，如果要只是表示工方位角度增加5度就无法实现。这种指令传输方法中，m和n的平均值为2.5，m+n的平均值就是5，这样导致每条指令传输的时间过长，因为钻井液传输速度比较慢。时间过长容易导致指令传到钻头处，指令已经失效，造成不能按预计的井眼轨道进行钻进。由此可见，需要在保证钻井导向参数有效传递的情况下，找到一种缩短参数传递时间的有效方法。

本发明实施例提供了一种钻井导向参数的下传方法，参见图1，该方法包括：

101、对钻井导向参数进行时间长度值编码，得到编码后的钻井导向参数，将所述编码后的钻井导向参数封装成钻井导向参数数据包；

102、将封装成钻井导向参数数据包进行编码后的钻井导向参数，发送至井下旋转导向钻井控制系统。

基于时间长度值对钻井导向参数进行编码的原理请参见图3，图3中，ts为起始信号，标记导向参数的传递开始；ta为工方位角值(用ta这个时间宽度值来表示工方位角度值)，ti为造斜率值(用ti这个时间宽度值来表示工方位角度值)，te为脉冲信号传递结束标记，其中ts和te固定时间值，根据钻井导向参数传递要求来设定。由于工方位角度值的范围0-360度，在另一实施例中，具体的工方位角值的计算方法为ta×360/15，造斜率(即造斜强度)值计算方法为ti×180/10。这样我们用工方位角度值最大的情况也就用15秒的时间长度就可以表示360度这样一个比较大的数值，节省了传递时间。造斜率值的表示也是基于同样的原理。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的钻井导向参数的下传方法，所述对钻井导向参数进行时间长度值编码，包括：

其中，ta为时长值，用于表示工方位角度值；t为第一编码时长，用于将360压缩成数值为t的时间长度。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的钻井导向参数的下传方法，所述对钻井导向参数进行时间长度值编码，包括：

其中，ti为时长值，用于表示造斜强度；n为第二编码时长，用于将180压缩成数值为n的时间长度。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的钻井导向参数的下传方法，所述钻井导向参数数据包的格式，包括：数据包类型标识、数据域界定、数据包编号及参数域；所述数据包类型标识，用于标明数据包的性质；所述数据域界定，用于标明参数域的数据长度；所述数据包编号，用于标明数据包的具体类型；所述参数域，用于存放井下参数的数据域。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的钻井导向参数的下传方法，所述数据包的性质，包括：完全数据包和/或差量数据包。

上述钻井导向参数数据包的格式，可以参见表2的钻井导向参数数据包的格式表。

表2

数据包类型标识：用于标明数据包的性质，用二进制的1或0表示，其中1表示完全数据包，0表示差量数据包。数据域定界是指利用该域中的数据标明其后各域的数据长度，用于确定数据域之间的边界。数据包编号用于标明数据包的具体类型，每个编号代表一种唯一的参数组合形式和排列顺序，协议预留了0-99共100个编号。参数域(1至n)用于存放井下各类参数的数据域，采用十进制形式，可表示0-9共计10位(符号和小数点各占一位)的有效数字。

该数据包的头部只有数据包类型标识、数据域定界和数据包编号三项固定内容，对包文中的参数个数和大小不做限制，这使得用户可以根据传输要求灵活的定制数据包。类型划分、数据定界以及如何使数据高效传输等是数据包设计中的重要问题，分别采用了数据包编号方法、数字排列数据域定界方法和动态差量表示方法。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的钻井导向参数的下传方法，在所述将将封装成钻井导向参数数据包进行编码后的钻井导向参数，发送至井下旋转导向钻井控制系统之后，还包括：采用差量动态方式表示钻井导向参数，得到差量动态钻井导向参数，将所述差量动态钻井导向参数发送至井下旋转导向钻井控制系统。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的钻井导向参数的下传方法，所述采用差量动态方式表示钻井导向参数，包括：

r＝c+δck/k

δck＝k×δc

其中，r为钻井导向参数真实值，δck为钻井导向参数的量差扩大值，c为钻井导向参数的完全数据，k为量差系数，δc为相对于最近一次钻井导向参数的完全数据的量差值。

量差系数k需要由用户在地面进行初始化配置，其目的是为了避免产生类似于0.001这样的小数位带来的数据冗余，以进一步缩短数据的位数。在另一实施例中，方位角的精度为0.1，差量系数k为10，最近一次向地面传输的钻井导向参数的完全数据c为105.7度，本次采集的值为106.1度，δc为0.4度，因而本次只需传输钻井导向参数的量差扩大值δck为4，地面接收端即可计算出其钻井导向参数真实值r为106.1度。采用动态差量表示技术可以有效地压缩数据长度，减少数据冗余。在又一实施例中，选取天津塘沽油田的3口深从1070.17m到1108.27m连续采集的6条数据，采用差量数据表示方法后数据包中参数的长度变化如表3的数据动态差量表示法中参数的长度变化表所示(量差系数k设定为10)。

表3

将表3中的6条数据压缩前后的长度进行比较，为了直观起见，请参见图4。图4中，纵轴表示数据压缩率(单位是％)，横轴表示井深位置点的编号，其中包括：井深1611.19处位置点402、井深1623.34处位置点403、井深1635.23处位置点401、井深1650.67处位置点404及井深1662.32处位置点405。由图4中可见，井深1635.23处位置点401的数据压缩率最高，达到40％；其余位置点的压缩率均为20％。

在对钻井导向参数数据包的参数域进行定界时，常采用固定数据域长度或域间插入特殊分隔符的方法。前者以预先为每个参数设置的固定长度来确定边界，其缺点是无法根据参数的实际取值来调整相应的数据域长度，容易造成数据包空间的冗余浪费；后者通过在各数据域之间插入特殊字符来确定参数边界，能够使各数据域的长度灵活可变，但是插入的分界字符占用了大量的数据传输空间，效率低下。

采用数字排列数据域定界方法就是用数据包中的“数据域定界”字段的值来为各参数数据域确定边界。定界规则如下：①生成钻井导向参数数据包时，根据当次各参数域的实际长度计算获得数据域定界字段的值，由各域值的十进制的表示位数(负号和小数点各占一位)依次排列组合得到。②地面拆分使用数据包时，根据数据域定界字段的值依次确定各数据域的边界，提取参数。

数据域定界字段的第一位表示数据包编号的长度，取值为0、1和2。例如，数据域定界的值为3896，表明本次传输的数据包编号长度为3，包含3种参数，参数1的数据长度为8，参数2的数据长度为9，参数3的数据长度为6。

与固定数据域长度定界相比，本专利提出的数字排列数据域定界方法不需要预先为每个参数设置固定长度，能够根据参数的实际取值来实时调整相应的数据域大小，不会造成数据包空间的冗余浪费。与域间插入特殊分隔符定界相比，该方法无需在各域之间插入特殊字符确定边界，节省了大量的数据包空间开销。因此，数字排列数据域定界方法改进了钻井导向参数下传的数据包定界方法，有效地提高了系统的传输效率。

数据包编号是用来确定具体类型的数据包，不同的编号代表数据包中具有不同的参数组合形式和排列顺序。根据当前钻井工艺对导向参数的实际需求，用户可以自行定义数据包的格式，即工作人员可以通过地面计算机系统对准备下井的测量仪器进行设置。在定义数据包格式时，需要考虑参数的相关度、变化频率和导向控制目的等因素，而后对参数进行灵活的组合排列，最后对排定的数据包进行唯一编号。

采用2位十进制数字对数据包进行编号，编号的范围为0-99，即最多可自定义100种数据包格式。使用频率高的数据包用1位编号表示，使用频率低的数据包用2位编号表示，使用频率最高的编号为0，这样可以进一步压缩数据包的长度。数据包编号技术可以使随钻测量系统根据需要自行定制数据包格式，与传统的类型固定的数据包相比，增加了系统的灵活性；预留的数据包编号为随钻测量系统提供了扩展机制，当有更多的井下参数需要传输时，该机制使系统能够定义新的数据包格式，来满足钻井导向参数下传的需要。具体的钻井导向参数数据包的实例请参见表4。

表4

表4中的钻井导向参数数据包是基于塘沽油田某井的10条井史资料进行验证,采用的是本发明上述实施例中的数据包格式。数据包的编号为“0”,参数为井斜角和方位角。设置井斜角和方位角的差量系数为“10”。

本发明实施例提供的钻井导向参数的下传方法，通过采用编码的方法将较大的钻井导向参数数据进行压缩，并采用动态差量法表示压缩后的钻井导向参数数据，可以及时高效地将钻井导向参数下传至井下旋转导向钻井控制系统。

本发明各个实施例的实现基础是通过具有处理器功能的设备进行程序化的处理实现的。因此在工程实际中，可以将本发明各个实施例的技术方案及其功能封装成各种模块。基于这种现实情况，在上述各实施例的基础上，本发明的实施例提供了一种钻井导向参数的下传装置，该装置用于执行上述方法实施例中的钻井导向参数的下传方法。参见图5，该装置包括：

钻井导向参数编码模块501，用于对钻井导向参数进行时间长度值编码，得到编码后的钻井导向参数，将所述编码后的钻井导向参数封装成钻井导向参数数据包；

钻井导向参数传送模块502，用于将封装成钻井导向参数数据包进行编码后的钻井导向参数，发送至井下旋转导向钻井控制系统。

本发明实施例提供的钻井导向参数的下传装置，采用钻井导向参数编码模块及钻井导向参数传送模块，通过采用编码的方法将较大的钻井导向参数数据进行压缩，可以及时高效地将钻井导向参数下传至井下旋转导向钻井控制系统。

本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图6所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)601、通信接口(communicationsinterface)604、至少一个存储器(memory)602和通信总线603，其中，至少一个处理器601，通信接口604，至少一个存储器602通过通信总线603完成相互间的通信。至少一个处理器601可以调用至少一个存储器602中的逻辑指令，以执行如下方法：对钻井导向参数进行时间长度值编码，得到编码后钻井导向参数，将所述编码后钻井导向参数封装成钻井导向参数数据包；将封装成钻井导向参数数据包进行编码后的钻井导向参数，发送至井下旋转导向钻井控制系统。

此外，上述的至少一个存储器602中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。例如包括：对钻井导向参数进行时间长度值编码，得到编码后钻井导向参数，将所述编码后钻井导向参数封装成钻井导向参数数据包；将封装成钻井导向参数数据包进行编码后的钻井导向参数，发送至井下旋转导向钻井控制系统。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。