用于井下传输信号的系统和方法与流程

本公开大体上涉及钻井操作中的通信系统，具体地涉及用于在油气勘探中在地面和井下之间生成并传输数据信号的系统和方法。

背景技术：

油气勘探中的钻井操作涉及将钻头驱动到地下以形成井眼(即井筒)，从中抽取石油和/或天然气。钻头安装在钻柱的远端，钻柱从地面上的井架延伸到井眼中。钻柱通过将一系列钻杆连接在一起而形成。井底组件(bha)安装在钻柱中的钻头附近的上方。

bha包含有用于收集和/或传输关于钻具、井筒条件、地层等的信息到地面的仪器。这些信息用于确定钻井条件，例如钻头的漂移、倾斜度和方位角，其又用于计算井眼的轨迹。通过自动控制或操作人员干预，实时数据对于监控和控制钻井操作非常重要。

用于在井筒内传输信息的技术(称为遥测技术)用于将信息从bha传输到地面以进行进一步分析。其中一种已知的遥测方法是泥浆脉冲遥测，它使用钻井泥浆来将信息从井下传送到地面。钻井泥浆又称钻井液，其由泥浆泵从地面通过钻柱内的导管向井下泵送，并通过钻柱和井筒之间的环空循环回到地面。

可以通过泥浆脉冲发生器来对钻井泥浆经由钻柱的流动进行调制(即编码)，以引起压力和/或流速的变化。压力或流速的变化由地面处或地面附近的相应传感器捕获，并使用解码软件来解码以恢复井下信息。在使用泥浆脉冲遥测技术的系统中，泥浆脉冲发生器可以是bha的一部分。

泥浆脉冲发生器的具体设计可以变化，但基本原理是泥浆脉冲发生器通过对井眼中的泥浆流中的流动路径进行限径来产生压力脉冲。将泥浆流按照特定的时序在钻柱中进行压缩或释放，以将调制压力脉冲中的数据编码到泥浆流中。调制的压力脉冲通过泥浆流传播到地面，其在地面处被检测和解码，从而恢复原始数据。

向泥浆流提供动力的泥浆泵是大型的正排量泵，其通过在气缸内来回移动活塞并同时打开和关闭进气阀和排气阀来驱动泥浆流。典型的泥浆泵具有连接到一共同驱动轴上的三个活塞。这些活塞彼此相差120度，以减小压力变化。采用阻尼器来减少泥浆流中的脉动。

除了泥浆脉冲遥测之外，有线钻杆遥测也经常用于钻井操作。在有线钻杆遥测中，钻柱中的钻杆具有嵌入在钻杆壁中的通信电缆。当钻杆连接在一起时，通信电缆的部分形成沿着钻柱从bha到地面的连续的通信电缆。有线遥测的优点是通过电缆的数据传输是双向的，并且比泥浆脉冲遥测的速度快得多。然而，在两个钻杆之间的接头处连接两段通信电缆需要复杂且昂贵的耦合装置。在钻深井时，需要许多这样的接头。任何接头处的通信电缆的断裂将使遥测失效，这需要昂贵的维修。由于这个原因以及其他原因，泥浆脉冲遥测技术目前仍广泛用于钻井作业。

与双向有线遥测不同，泥浆脉冲遥测通常将数据从井下遥测到地面。需要一种方法和系统，其能够将信号从地面向井下遥测到井眼中的工具。

技术实现要素：

本公开提供了一种用于操作钻井系统的方法，所述钻井系统包括设置在地面上的泥浆泵，以及处于井眼中的具有井底组件(bha)的钻柱。在一个实施例中，所述方法包括根据预定的顺序来打开或关闭泥浆泵，以使井眼中的泥浆流响应于所述预定的顺序而波动。井眼中的泥浆流在高流速和低流速(包括基本上为零的流速)之间波动。井底组件中的泥浆脉冲发生器检测泥浆流中的波动，并相应地产生二进制信号。然后，泥浆脉冲发生器将所述二进制信号发送到井底组件中的随钻测量(mwd)工具。所述二进制信号用于执行随钻测量工具中的一个或多个固件。

在本公开的一些实施例中，所述二进制信号用指令来编码，并且所述mwd工具对所述二进制信号进行检测和解码，以得到所述指令。该指令识别所述一个或多个固件中的一个以用于执行。

在其它一些实施例中，所述mwd工具包括一个或多个存储器、微处理器，以及与所述泥浆脉冲发生器接口的输入/输出通信端口。所述一个或多个固件存储在所述一个或多个存储器中，且由所述微处理器执行。所述存储器可以是非逸失性存储器。

这里公开的一个或多个固件包括前端固件和一个或多个任务固件。前端固件从一个或多个任务固件中选择一个用于在某一时刻执行，而每一个任务固件在不同的条件组下操作mwd工具中的多个传感器。

在其它一些实施例中，任务固件控制mwd工具中的一些参数，其可包括传感器的数量、数据采样频率、数据记录频率、被发送到地面的数据的量、本地存储在所述mwd工具上的数据的量，等等。

这里公开的泥浆脉冲发生器包括一个或多个流量传感器，其感测泥浆流量，确定泥浆流量的状态为开启或关闭，并将二进制信号输出到mwd工具。

本公开还提供了一种用于控制井眼中的井底组件中的mwd工具的方法。在该方法中，在mwd工具中安装多个固件。所述多个固件被预编程以执行多个任务。根据预定的顺序打开或关闭地面上的泥浆泵。井眼中的泥浆流响应于泥浆泵而波动，并被确定为开启或关闭，以形成二进制信号。该二进制信号被发送到mwd工具。

通过泥浆脉冲发生器中的泥浆流量传感器来确定泥浆流量的开启或关闭状态，并且泥浆流量传感器驱动电路将所述二进制信号输出到所述mwd工具。

本公开还提供了一种高温钻井方法。该方法包括将多个固件安装在钻柱中的井底组件中的mwd工具中。井眼中的温度随着井眼深度的增加而增加。井眼中井底组件的最高温度可以在100℃至200℃或更高的范围内。当温度等于或低于第一阈值(例如120℃或150℃)时执行固件之一。当井底组件的温度超过第二阈值(例如180℃或200℃)时执行不同的固件。可选地，在第一阈值和第二阈值之间的温度下执行一个或多个固件。

根据预编程的序列来打开或关闭泥浆泵，从而完成从执行一个固件到执行另一个固件的切换。在这样做时，泥浆流可以用一个或多个指令信号，即流指令来编码。mwd工具接收流指令，并根据该流指令来执行相应的任务。

附图说明

为了更完整地理解本公开所介绍的实施例，可以结合附图并参考以下的详细描述，在图中：

图1是本公开的钻架的示意性图示。

图2是泥浆流的示例性编码波形图。

图3是显示了嵌入在mwd工具上的固件的功能框和数据结构的示意图；和

图4是显示了mwd工具中的固件的运行的示意性流程图。

具体实施方式

现在将详细参考本公开的若干实施例，其例子在附图中示出。应注意的是，在可行的情况下，在附图中使用了类似或相似的附图标记，并可以指示类似或相似的功能。附图仅出于说明的目的而描绘了本公开的实施例。本领域的技术人员将从以下描述中容易地认识到，可以采用本文所示的结构和方法的替代实施例而不脱离本文所述的本公开的原理。

图1示意性地示出了钻井操作。钻柱2从地面上的井架1延伸到井眼3中。钻头4安装在钻柱2的远端。bha5安装在钻头4的上方。泥浆泵6将泥浆流从泥浆罐7经钻柱1泵送到井下。泥浆流通过钻柱1和井眼3之间的环空循环回到泥浆罐7。

bha5包括泥浆脉冲发生器10、泥浆马达(未示出)、随钻测量(mwd)仪器(未示出)和随钻测井(lwd)仪器(未示出)。在本公开中，mwd仪器和lwd仪器统称为mwd工具。mwd工具由泥浆马达、电池或泥浆马达和电池(未示出)这两者来供电。mwd工具具有一个或多个内部存储器、微处理器、安装在存储器上且具有预编程指令的软件和/或固件，以及用于与bha中的其他工具(例如泥浆脉冲发生器)进行通信的输入/输出通信端口。固件控制mwd工具的操作，例如控制传感器的操作。

泥浆脉冲发生器10与mwd数字信号处理器(dsp)11通信。mwddsp11连接到多个测量地层信息和/或方向信息的测量传感器12，包括测量地层中自然发生的伽马射线的伽马射线探测器、监测倾斜度和方位角的方向传感器，等等。mwddsp11将编码指令发送到泥浆脉冲发生器10，其又产生可向井上传播的压力脉冲。压力传感器8安装在泥浆流动通道中，并检测压力脉冲。它将泥浆脉冲信号发送到地面数据采集系统9，其又对压力脉冲信号进行解码，以获得井下信息。

在图1的实施例中，泥浆脉冲发生器10包括脉冲发生器驱动器(未示出)，其控制用于限制或打开泥浆流动通道的机构，例如电磁阀或摆动剪切阀(未示出)。脉冲发生器还可包括用于检测泥浆流的流量传感器(未示出)。在一个实施例中，流量传感器具有一个或多个振动敏感装置，例如加速度计。流量传感器基于加速度计上的加速力来确定钻井泥浆是否流动，并输出二进制信号。结果，调制的泥浆流携带二进制信号，该二进制信号又将指令从地面携带至井下。

流量传感器电路(未示出)可以包括存储器、微处理器，以及与mwddsp固件和/或与bha中的其他工具连接的输入/输出通信端口。在图1的实施例中，mwddsp固件控制泥浆脉冲发生器10，并存储在板载存储器中且由微处理器运行。流量传感器电路可以位于脉冲发生器驱动器电路所在的同一印刷电路板上。独立于从mwd工具到泥浆脉冲发生器10的控制信号，流量传感器电路确定泥浆流的开启或关闭状态，并相应地将二进制信号发送到mwddsp。

图2示出了从流量传感器输出的示例性泥浆流二进制信号。它定义了初始的off时间t1，之后是在t2时间段内的三个on时段，接着是另一个off时段t3。二进制信号的这种组合用作mwd工具的指令信号，并执行安装在mwd工具的存储器中的固件。在特定时间间隔期间的这种on和off时段的各种组合构成不同的流指令。例如，图2的指令信号可以是这样的流指令，其启动不同任务之间的切换，即执行安装在mwd工具中的某些固件的指令。稍后在本公开中提供更多细节。

图3和4示出了mwd系统中的固件和固件的执行。如图3所示，在mwd系统中的诸如rom、eprrom或闪存之类的非易失性存储器中存储了前端固件和多个任务固件(任务固件1至任务固件n)。固件可以保存在微处理器的同一存储器的不同部分上，或者整个mwd工具的不同的互连存储器上。前端固件和任务固件可以接收和/或解码来自泥浆脉冲发生器的指令信号，即流指令。当任务固件执行特定任务(例如，用于低温操作与高温操作)时，前端固件用于确定流指令指向哪个特定任务。

图3还示出了存储器中的数据结构，其包括索引表，该索引表包含用于前端固件和任务固件的id和地址，以及指向存储了相应固件的存储器部分的指针。索引表可以是前端固件的一部分，其确定要执行的任务(即，现行任务)，并确定其现行任务id。现行任务id在任务1到n中识别该特定任务的地址(固件地址)，并指向存储器中保存了相应任务的代码的部分(固件区域)且执行该代码。

现行任务可以是当前正在运行的现行任务，或者是在系统断电或重置之前的现行任务。在一个实施例中，现行任务id保存在存储器中。当流指令不命令改变任务时，前端固件读取现行任务id，并在任务固件1至n中选择相应的任务固件。然后，前端固件进入睡眠模式。当流指令请求改变现行任务，例如从任务1改变到任务2时，前端固件启动完成切换的过程。

在一个实施例中，前端固件将任务分配给各个任务固件。在任务固件运行时，前端固件可以处于睡眠模式。当流指令要求切换时，当前运行的任务固件启动重置以启动前端固件，因此前端固件可以将任务分配给不同的任务固件。

参考图4可提供操作的进一步细节，图4是显示了执行前端固件和任务固件的方法的实施例的简化流程图。如图4所示，在步骤401中启动前端固件，并在步骤402中运行前端任务，并读取当前写入现行任务id存储器中的现行任务id(步骤403)。在步骤404中，前端固件确定现行任务id是否有效。如果有效，则前端固件找到相应任务固件的地址，并从那里找到相应的任务固件区域以执行任务固件(步骤405)。如果现行id无效，则前端固件读取流指令(步骤406)。如果流指令有效(与预设的信号序列相匹配的流指令)，则前端固件对流指令进行解码，并确定流指令的内容(步骤407)。一旦流指令被解码，前端固件就分配相应的任务并执行相应的任务固件(步骤408)。如果流指令无效，则前端固件进入“自测试/调试”模式(步骤409)，并返回以读取流指令。

在正常操作期间，任务固件之一正在被执行。当需要不同的任务时，将流指令(例如图2中所示的指令)发送到前端固件和任务固件，以通知任务固件的切换正在等待。然后，第二个流指令被发送到mwd工具，以通知正要切换到哪个新任务。在该过程中，任务固件检测流指令(步骤501)，并确定该流指令是否有效(步骤502)。如果该流指令无效，则任务固件继续运行当前任务并监视该流指令，直到它接收到有效的流指令为止(步骤503)。一旦确定流指令有效，任务固件就对流指令进行解码(步骤504)，以获得被切换到的任务的id，将新的任务id作为现行id写入存储器中(步骤505)，然后重新启动微处理器以终止当前任务，并将控制移交给前端固件(步骤506)。

在本公开的一些实施例中，由任务固件运行的示例性任务与井下条件有关，例如井眼中的温度和压力。例如，任务1被指定为在等于或低于特定温度(例如120℃或150℃)的温度下运行多个传感器。这些传感器可以用于温度、压力、流速、方位角、倾斜度、总h场、总g场、磁倾角，等等。任务1定义了诸如哪个传感器正在运行、采样频率、数据记录频率、实时传输到地面的数据、存储在内部存储器中的数据等的条件。当井下温度达到阈值(例如，180℃)时，激活任务2。任务2可以改变来自任务1的传感器的类型、数量和/或位置，以及传感器的其他条件。当井下温度超过200℃时，任务2切换到任务3，执行另一组条件。

任务的改变可以由监视井下温度的操作人员来启动。当温度达到阈值水平时，操作人员根据一定的顺序打开或关闭泥浆泵，以使用适当的流指令对泥浆流进行编码，该流指令将现行任务从任务1切换到任务2或从任务2切换到任务3。

在其他一些实施例中，该系统可用于测试任务固件的不同版本。在一个这样的示例中，可以在mwd工具中安装为任务3编写的用于在200℃或高于200℃操作的两个不同版本的固件。在钻井操作期间，操作人员可以操纵泥浆泵从一个版本的固件切换到另一个版本的固件，同时bha保留在井底中，避免了昂贵的跳脱操作。

需要切换任务时的其他方案包括电池组的状态(例如，完全充电与耗尽)、地层状态(相对均匀的地层与快速变化的地层)。前者需要调整传感器的条件(例如传感器的数量、采样频率)以降低功耗，而后者可能需要增加采样频率。

虽然在前面的说明书中已经关于本发明的某些优选实施例描述了本公开，并且已经出于说明的目的阐述了许多细节，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，本公开内容易于改变并且确定在不脱离本公开的基本原理的情况下，本文描述的其他细节可以显着变化。另外，应当理解，本文的任何一个实施例中示出或描述的结构特征或方法步骤也可以用在其他实施例中。