气体钻井钻柱内声波随钻数据无线传输方法

摘要

本发明公开了气体钻井钻柱内声波随钻数据无线传输方法，包括：(1)在钻头上方安装气体钻井过程中所需采集井下工况参数的各类传感器、模数转换器、声波信号调制器、声波信号发生器；(2)将传感器采集到的信号经模数转换器转换为数字信号，送入声波信号调制器；(3)通过信号调制器控制信号发生器激发含有测量数据信息的声波信号，沿钻具向井口进行上传；(4)声波信号通过钻柱传输至井口后，由安装在井口钻杆内的声波信号接收器进行采集；(5)声波信号被成功采集后经模数转换传输给计算机，由计算机进行分析处理工作。本发明原理可靠，操作简便，利用钻柱内气体作为井下声波信号传输通道，解决了气体钻井井下随钻测试数据实时传输的问题。

权利要求

1.气体钻井钻柱内声波随钻数据无线传输方法，其特征在于，利用钻柱内气体作为井下声波信号传输的通道，依次包括如下步骤：(1)在钻头上方安装气体钻井过程中所需采集井下工况参数的各类传感器、模数转换器、声波信号调制器、声波信号发生器，所述各类传感器、模数转换器、声波信号调制器、声波信号发生器装配在无磁钻具短节内下入井底，并配置相应的电池供电系统；

(2)将传感器采集到的信号经模数转换器转换为数字信号，送入声波信号调制器；

(3)通过信号调制器控制信号发生器激发含有测量数据信息的声波信号，是指信号发生器利用共振腔的发声原理，利用气体钻井过程中注入高速流动的气体提供能量，产生超大功率的声波信号，沿钻具向井口进行上传；

(4)声波信号通过钻柱内气体传输至井口后，由安装在井口钻杆内的声波信号接收器进行采集；

(5)声波信号被成功采集后经模数转换传输给计算机，由计算机进行分析处理工作。

2.如权利要求1所述的气体钻井钻柱内声波随钻数据无线传输方法，其特征在于，所述气体钻井过程中所需采集井下工况参数包括井下工程参数、井眼轨迹参数和地层参数；所述井下工程参数包括井底压力、温度、环空含水量、气体组分、井底钻压、扭矩，所述井眼轨迹参数包括井斜角、方位角、工具面角，所述地层参数包括地层电阻率、自然伽马、孔隙度、密度参数。

3.如权利要求1所述的气体钻井钻柱内声波随钻数据无线传输方法，其特征在于，所述声波信号调制器通过改变声波信号发生器内共振腔的结构实现对井下声源信号的调制。

4.如权利要求1所述的气体钻井钻柱内声波随钻数据无线传输方法，其特征在于，所述钻具内部设有声波信号中继器。

5.如权利要求1所述的气体钻井钻柱内声波随钻数据无线传输方法，其特征在于，所述井下声波信号上传过程中通过声波信号调制器调整载波频率以提高传输效率。

6.如权利要求1所述的气体钻井钻柱内声波随钻数据无线传输方法，其特征在于，所述声波信号接收器安装在井口不旋转处，采集探头进入钻具内，将采集的声波信号送入计算机。

说明书

气体钻井钻柱内声波随钻数据无线传输方法

技术领域

[0001] 本发明涉及气体钻井钻柱内声波随钻数据无线传输方法，属于油气开采领域中用于气体钻井随钻测试数据的传输方法。

背景技术

[0002] 气体钻井技术凭借其及时发现和保护储层、大规模提高钻速和单井产量、有效防止和克服恶性井漏等方面的独特优势，已经成为开发大规模低品位油气资源及深层油气资源的关键技术。特别是气体钻井技术与特殊轨迹井相结合，在开发大规模低品位油气资源方面更是具有突出的技术优势，能够取得提高单井产量数倍至数十倍的效果。但气体钻井的应用也面临很多问题，尤其是地层出水和井眼轨迹控制在很大程度上限制了该项技术的发展，若能在气体钻井过程中对井下工况参数进行实时监测，及时采取相应的处理措施，则能保证气体钻井更加安全、高效的进行。

[0003] 随钻测量技术是实现快速优质钻井的重要保障，其中的核心问题就是信号传输，现有的随钻测量技术中信道主要有泥浆脉冲、电磁波、声波三种方式。气体钻井采用气相循环介质，由于气体的可压缩性导致常规泥浆脉冲遥测技术无法使用，电磁波随钻测量技术通过地层中传播的电磁波来传输信号，不受循环介质的影响，但目前很难突破3000米的应用极限，尤其是在低电阻率地层中信号传输距离更为有限，中国专利“气体钻井随钻地下数据无线传输方法”(200810046435.4)公开了一种利用钻柱内微波无线传输井下数据的方法，其中采用中继传输的方式可在一定程度上提升气体钻井井下数据无线传输的距离，但因单级节点之间通讯距离较短，需要引入数量较多的中继，给实际操作带来很多不便。声波传输技术作为解决气体钻井随钻测量问题的潜在技术，近年来受到业内的广泛关注，常规的声波传输技术使用钻柱系统为信号传输通道，由于钻井工况的复杂致使信号传输过程中受到钻头破岩、井壁摩擦碰撞等干扰因素的影响，效果不太理想，目前还没有成熟产品投入商业应用。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供气体钻井钻柱内声波随钻数据无线传输方法，该方法原理可靠，操作简便，利用钻柱内气体作为井下声波信号传输的通道，解决了气体钻井井下随钻测试数据实时传输的问题，克服了现有气体钻井随钻测量技术在传输距离和信道干扰方面的不足，具有广阔的市场前景。

[0005] 为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

[0006] 参考医学上使用的听诊器和舰艇上传话筒的工作原理，通过管道可以将人体内脏产生的微弱声波传至听筒，以供医生对病情进行诊断，舰艇工作人员可利用管道实现舰艇内部的交流通讯，证明管道是声波传输的一种良好波导。

[0007] 钻井中所使用钻杆的结构类似于一根长直圆管道，在声学角度上可以视为圆柱形声波导管，气体钻井技术用压缩气体代替了液相钻井液的循环，为钻杆内部的声波传输创造了良好的传播环境。为此，提出气体钻井中以钻柱内声波为信道的随钻数据无线传输方法，从而解决气体钻井中的随钻测量难题。

[0008] 气体钻井钻柱内声波随钻数据无线传输方法，改变现有随钻声波传输方法的传播介质，利用钻柱内气体作为井下声波信号传输的通道，主要包括如下步骤：

[0009] (1)针对气体钻井过程中的地层出水、地层产气、井下燃爆、井壁失稳、钻具失效、井眼轨迹控制等问题，在钻头上方安装气体钻井过程中所需采集井下工况参数的各类传感器、模数转换器、声波信号调制器、声波信号发生器；

[0010] (2)将传感器采集到的信号经模数转换器转换为数字信号，送入声波信号调制器；

[0011] (3)利用气体钻井过程中注入的高速气体为井下声源提供能量，通过信号调制器控制信号发生器激发含有测量数据信息的声波信号，沿钻具向井口进行上传；

[0012] (4)声波信号通过钻柱传输至井口后，由安装在井口钻杆内的声波信号接收器进行采集；

[0013] (5)声波信号被成功采集后经模数转换传输给计算机，由计算机进行分析处理工作。

[0014] 所述气体钻井过程中所需采集井下工况参数包括井下工程参数、井眼轨迹参数和地层参数。

[0015] 所述井下工程参数包括井底压力、温度、环空含水量、气体组分、井底钻压、扭矩，有效预防和控制地层出水、地层产气、井下燃爆、井壁失稳、钻具失效等复杂情况，保证气体钻井过程中的井下安全。

[0016] 所述井眼轨迹参数包括井斜角、方位角、工具面角，为定向井井眼轨迹控制提供依据。

[0017] 所述地层参数包括地层电阻率、自然伽马、孔隙度、密度参数，有助于在气体钻井过程中实时了解地层特性，提高钻井效率。

[0018] 所述井眼轨迹参数中方位角的测量传感器需安装在井下无磁钻铤内，以避免地磁场对测量方位角的影响，其余传感器、模数转换器、信号调制器、信号发生器不需要无磁工作环境。因此各类传感器、模数转换器、声波信号调制器、声波信号发生器装配在无磁钻具短节内下入井底，并需配置相应的电池供电系统。

[0019] 所述声波信号发生器利用共振腔的发声原理，利用气体钻井过程中注入高速流动的气体提供能量，可产生超大功率的声波信号。

[0020] 所述声波信号调制器通过改变声波信号发生器内共振腔的结构从而实现对井下声源信号的调制，根据井下上传数据量优选信号调制的方式。

[0021] 所述钻具内部设有声波信号中继器，当井下上传声波信号衰减至无法有效传输到井口时，由中继器进行转发，延长传输距离，确保井口可以接收到有效的声波信号。中继器工作原理与井下声源类似，同时具备声波信号接收、模数转换、信号解调与调制及发射功能。

[0022] 所述井下声波信号上传过程中会遇到钻具内径尺寸变化的情况，可通过所述声波信号调制器调整载波频率以提高传输效率。

[0023] 所述声波信号接收器安装在井口不旋转处，采集探头需进入钻具内，将采集的由井下上传载有信息的声波信号送入计算机，由计算机完成解码处理工作。

[0024] 如果在气体钻井中利用钻柱内声波传输方式实现双向通讯，需在井口处加入声波信号发生装置，通过反向传输向井下设备发送指令进行控制。

[0025] 与现有技术相比，本发明利用钻柱内气体作为传输声波信号介质，在钻头上方安装传感器采集信号，通过模数转换器、信号调制器和信号发生器将采集到的模拟信号转换为数字信号再调制成声波信号，经一段距离钻杆内的传输至井口接收装置，解调后传给计算机进行处理，一方面能够有效提升气体钻井无线随钻信号传输的通讯距离，另一方面还能避免现有以钻杆为介质的声波传输方法中钻具与井壁碰撞带来的噪声干扰。

附图说明

[0026] 图1是本发明所采用装置的结构示意图。

[0027] 图中：1—井下工程参数，2—井眼轨迹参数，3—地层参数，4—模数转换器，5—声波信号调制器，6—声波信号发生器，7—井下钻具短节，8、9—中继器，10—声波信号接收器，11—计算机，12—压力传感器，13—温度传感器，14—粉尘含水量传感器，15—气体组分传感器，16—井底钻压传感器，17—井底扭矩传感器，18—电子罗盘，19—地层电阻率传感器，20—自然伽马传感器，21—孔隙度传感器，22—密度传感器。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0029] 如图1所示，气体钻井钻柱内声波随钻数据无线传输方法所采用的装置包括设置在钻头上方的井下钻具短节7、钻具内用于延长声波通讯距离的中继器8、9、井口声波信号接收器10及计算机11。

[0030] 井下钻具短节7置于钻头上方，内置采集井下工程参数1、井眼轨迹参数2、地层参数3所对应的各类参数传感器12—22、模数转换器4、声波信号调制器5、声波信号发生器6及所需的电池供电系统。

[0031] 井下工程参数1中包括压力传感器12、温度传感器13、粉尘含水量传感器14、气体组分传感器15、井底钻压传感器16、井底扭矩传感器17；井眼轨迹参数2中包括电子罗盘18；地层参数3中包括地层电阻率传感器19、自然伽马传感器20、孔隙度传感器21、密度传感器
22。

[0032] 模数转换器4将传感器所采集的模拟信号转换为数字信号，声波信号调制器5根据模数转换器4输出结果调制声波信号发生器6内部结构，产生对应的声波信号，沿钻具向井口进行上传。

[0033] 中继器8、9需在井下上传声波信号衰减程度严重，不能被有效接收时加入，加入的数量需根据测量深度决定。

[0034] 井口声波信号接收器10安装在井口不旋转处，其探头需置于井口钻具内以采集井下上传载有测量信息的声波信号。

[0035] 井口声波信号接收器10将所采集的声波信号送入计算机11，由计算机11进行信号的解码与处理工作，实现井下测量数据的随钻无线传输。

[0036] 常规气体钻井中下部钻具组合中会有一定长度的钻铤，井下设备上传的声波信号在传输过程中，先要通过内径较小的钻铤部分，然后进入内径较大的钻杆部分。根据波导理论，声波信号的传输能力及传输距离与钻具内径尺寸有关，因此根据钻具内径尺寸大小可选择不同的声波载波频率以提高传输效率。