一种井下随钻测量短接的控制方法及控制系统
本技术涉及石油钻井开采勘探测量，尤其涉及一种井下随钻测量短接的控制方法及控制系统。
背景技术：
1、井下随钻测量短接广泛应用于石油钻井作业中，真实地反映了井下的实际情况。在目前的非深井中地面人员控制井下随钻测量短接的通信方式包括：泥浆脉冲通信、电磁通信、声波通信和光纤/线缆等有线通信。
2、未来随钻测量技术都朝着深井和超深井方向不断发展，地面人员控制井下随钻测量短接的通信方式也将受到一定的限制，例如泥浆脉冲通信容易受到外界噪声干扰，在钻井液中传输衰减严重，且传输信号容易失真；电磁通信受井壁材质和介质影响较大，传输距离受到限制；声波通信容易受到环境噪声和介质的影响；光纤/线缆等有线通信需要在井筒中布置光纤或线缆，光纤/线缆布置和维护复杂，容易损伤光纤/线缆，且维护成本高，特别是在深井、超深井中实现对井下随钻测量短接的控制更加难以实现。
技术实现思路
1、为了在地面就能够控制井下随钻测量短接的工作状态和工作方式，本技术提供了一种井下随钻测量短接的控制方法及控制系统，该方法应用于井下随钻测量作业中，通过在地面控制钻柱转速，并进行指令编码、预处理和解码等处理方法，从而实现了在地面就能够将指令发送给井下随钻测量短接的技术效果，完成了井下随钻测量短接的远程控制。
2、第一方面，本技术提供了一种井下随钻测量短接的控制方法，一种井下随钻测量短接的控制方法应用于一种井下随钻测量短接的控制系统，该方法包括：通过控制钻柱转速从而实现对井下随钻测量短接工作状态的控制和工作方式的控制，其中，所述工作状态包括不同功耗下的工作状态，所述工作方式包括不同频率下的工作方式，所述工作状态和工作方式都需要通过控制钻柱转速进行编码，生成对应的钻柱转速指令编码。井下随钻测量短接对接收到的钻柱转速指令编码进行预处理，其中，所述预处理包括：基于钻柱转速数据的总个数和有效个数计算平均转速；根据预处理后的钻柱转速指令编码进行解码，并识别对应的工作状态指令和工作方式指令；井下随钻测量短接的控制系统执行对应的工作状态指令和工作方式指令。
3、具体可以理解，地面人员可以通过对钻柱转速进行编码，表示将工作状态指令和工作方式指令通过钻柱的旋转方向和钻柱的旋转速度进行编码；编码后的指令信号会经过钻杆传递给井下随钻测量短接，井下随钻测量短接会接收到工作状态指令和工作方式指令；但是，此时接收到的工作状态指令和工作方式指令在传输过程中有钻杆的扭转干扰、钻杆的粘滑振动干扰以及钻井液的阻力干扰等，因此，必须对这些信号进行预处理，得到一定范围内的钻柱转速；其中，将得到的钻柱转速进行解码，就得到井下随钻测量短接的工作状态指令和工作方式指令；最后执行对应的指令，并存储数据。因此，通过控制钻柱转速向井下随钻测量短接发送工作状态指令和工作方式指令，该控制方法能够适应更加复杂的地质条件钻井、深井和超深井等；数据传输的准确性高；同时能够控制井下随钻测量短接处于低功耗工作状态，节约电池能量，延长井下随钻测量短接的控制系统的续航时间；通过控制井下随钻测量短接处于高频采集方式，能够在复杂地层采集更多的井下工程参数，更加有利于优化钻井，提高钻井效率。
4、在一种优选的设计中，控制钻柱转速包括：控制钻柱的轴向力、钻柱的旋转方向和钻柱的旋转速度，具体包括：在调节旋转速度之前需要在地面井口上提钻柱，从而减小钻柱的轴向力；通过地面的驱动系统控制转盘的旋转方向，控制所述钻柱的旋转方向为正向，所述正向为钻柱工作时的旋转方向；通过地面的驱动系统控制转盘的旋转速度，实现控制钻柱的旋转速度，钻柱的旋转速度范围有：钻柱正向旋转最大速度，其中，表示在具体转速编码值中采集到第个钻柱转速数据。可以理解的，控制钻柱的旋转速度，钻柱的旋转速度可选择：低速度到正向最大速度之间的旋转速度。地面人员能够控制钻柱转速的相关参数有钻柱的旋转方向和钻柱的旋转速度，其中，在控制钻柱转速前需要将钻柱上提，减少钻柱的轴向力到最小，这样就能够减少工作状态指令和工作方式指令在传输过程中的干扰。
5、在一种优选的设计中，控制钻柱转速进行编码，具体对井下随钻测量短接的工作状态和工作方式进行指令编码，其中，工作状态包括：低功耗工作状态和连续工作状态；低功耗工作状态下可以减少电池能耗，同时，低功耗工作状态是一种可以被中断信号唤醒的工作状态，包括但不限于处理器的睡眠模式、待机模式和停止模式；连续工作状态表示处理器处于激活状态，同时，控制系统及其电路处于工作状态；工作方式包括：低频采集方式、中频采集方式和高频采集方式。
6、其中，控制井下随钻测量短接的工作状态有很多实际应用价值。低功耗工作状态可以提高井下随钻测量短接的控制系统的续航时间，因此，在钻井的非重要阶段可以将井下随钻测量短接的控制系统设置成低功耗工作状态，减少电量的消耗。连续工作状态中，井下随钻测量短接工作在3种工作方式中的一种，包括：低频采集方式、中频采集方式和高频采集方式。
7、同时，井下随钻测量短接的工作方式也有很重要的实际应用价值，例如：在振动数据低于一定阈值a时，井下随钻测量短接的工作方式采用低频采集方式；在振动数据大于一定阈值a时，且低于一定阈值b时，井下随钻测量短接的工作方式采用中频采集方式；在振动数据大于一定阈值b时，井下随钻测量短接的工作方式采用高频采集方式。其中振动数据大于阈值b的高频采集方式阶段是钻井作业中容易出现事故的阶段，因此需要通过高频采集方式来采集更加详细的井下工况参数。其中，b>a，a、b为加速度的绝对值,具体表示为：若a>0，则a=a；若b>0,则b=b；若a<0，则a=-a；若b<0,则b=-b。从而能够在未出现异常的情况下为地面人员提供更多详细的分析数据，为减小振动提供数据支撑，优化钻井效率；如果在高频采集方式阶段出现了异常，那么可以通过采集到的详细数据来分析异常的原因。
8、其中，钻柱转速指令编码是通过钻柱的不同旋转速度组合实现。其中，在钻柱转速指令编码过程中，每一位编码的旋转速度包括两种状态：高速度状态和低速度状态，其中，,的值可以为，并且，。其中高速度和低速度都在钻柱的转速范围内选择，表示选择速度相对高低的两个状态，不是一个绝对的值。并且，进行编码时选择的高速度的个数可以是一个速度或多个速度，其中，选择出的一个速度或多个速度为转速编码元素，转速编码元素的具体个数根据编码方式的需要来确定，其中，表示钻柱正向旋转最大速度。
9、并且，对于钻柱转速指令编码的协议报文中，协议报文包括但不限于：帧头、报文指令、目标设备标识、数据长度、数据、校验、帧尾等内容，同时，可以对协议报文内容选择性地自由组合，例如：当钻杆中只有一个井下随钻测量短接时，可以选择帧头、报文指令、帧尾组合成协议报文；当钻杆中有多个井下随钻测量短接时，可以选择帧头、报文指令、目标设备地址、帧尾组合成报文协议；当钻杆中有多个井下随钻测量短接并需要传输更多数据时，可以选择帧头、报文指令、目标设备标识、数据长度、数据、校验、帧尾组合成协议报文；还可以根据需要自行添加协议报文内容。
10、因此，通过旋转方向和多个旋转速度的组合实现编码，则地面人员发送的指令组合种类更多，数据的传输效率更高。
11、在一种优选的设计中，井下随钻测量短接对接收到的钻柱转速指令编码进行预处理，其中，预处理的原理根据公式：
12、，
13、式中，为钻柱的平均转速；表示在具体转速编码值中采集到第个钻柱转速数据；为钻柱转速数据的个数；为钻柱转速数据的有效个数，；所述钻柱转速可以通过转速传感器直接获取或者通过陀螺仪传感器的角速度间接计算获取；
14、在一种优选的设计中，若通过转速传感器直接获取钻柱转速，则可以通过处理器读取转速传感器上的转速数据，转速数据的输出方式包括但不限于模拟输出、数字脉冲输出和总线协议输出；
15、若通过所述陀螺仪传感器的角速度间接计算获取钻柱转速，则其中，所述计算的公式为：
16、，
17、式中，为钻柱第个转速数据，单位：r/min；为陀螺仪传感器的第个角速度；其中，为大于等于1的正整数；
18、其中，对井下随钻测量短接接收到的编码数据进行预处理，可以减少指令数据在传输过程中受到钻杆的扭转干扰、钻杆的粘滑振动干扰以及钻井液的阻力干扰。
19、在一种优选的设计中，对预处理后的钻柱转速指令编码进行解码，解码后的指令存储在控制系统的缓存区。通过设置缓存区，可以暂时保存指令数据，方便随时调用，同时也节约了存储器的存储容量空间。
20、在一种优选的设计中，识别对应的工作状态指令和工作方式指令，从缓存区读取指令；识别出工作状态指令和工作方式指令，包括：低功耗工作状态指令、连续工作状态指令、低频采集方式指令、中频采集方式指令、高频采集方式指令；控制系统将解码后的指令和控制系统预设指令进行对比匹配，若控制系统预设指令匹配成功，则将指令存储在控制系统的存储器中。
21、在一种优选的设计中，控制系统执行对应的工作状态指令和工作方式指令，其中，执行工作方式指令后，若控制系统在没有接收到新的工作方式指令时，控制系统的工作方式将选择存储器中存储的工作方式指令执行；若控制系统在启动后接收到新的工作方式指令，则控制系统将执行新的工作方式指令。
22、在一种优选的设计中，若控制系统处于低功耗工作状态，则控制系统的工作状态只能通过中断信号唤醒，唤醒后控制系统处于连续工作状态。其中，控制系统处于低功耗工作状态的时候，那么控制系统不会工作在进行数据的采集，也就是控制系统不会执行工作方式指令中低频采集方式指令、中频采集方式指令和高频采集方式指令任意一种采集方式。这样就能够最大限度地节约电池的能量，延长了控制系统的续航时间。
23、可以理解的，若控制系统执行任意一工作方式指令后，包括：低频采集方式指令、中频采集方式指令、高频采集方式指令，则控制系统都将处于连续工作状态。此时，控制系统处于连续工作状态时，将通过传感器采集角速度、加速度、温度、压力等井下工况参数值。通过三种不同的采集方式指令，控制系统可以实现远程控制不同频率的采样方式，让采样的控制方式更加灵活。
24、第二方面，本技术提供了一种井下随钻测量短接的控制系统，井下随钻测量短接的控制系统包括：处理器、陀螺仪传感器、加速度传感器、流体压力传感器、存储器、温度传感器、电源管理模块。
25、处理器通过逻辑电路执行代码指令实现一种井下随钻测量短接的控制方法，包括执行陀螺仪传感器数据采集、加速度传感器数据采集、流体压力传感器数据采集、温度传感器数据采集、存储器的数据读取及存储。因此，处理器可以用于执行上述井下随钻测量短接的控制方法的代码指令。
26、陀螺仪传感器用于采集钻柱上x轴、y轴和z轴三个方向的角速度。
27、加速度传感器用于采集钻柱上x轴、y轴和z轴三个方向的加速度。
28、流体压力传感器用于采集泥浆压力。
29、存储器用于存储控制系统的指令程序代码以及存储各个传感器采集的数据，包括但不限于内部存储器和外部存储器。
30、温度传感器包括流体温度传感器和板载温度传感器，流体温度传感器用于测量泥浆的温度，板载温度传感器用于测电子仓中控制系统的控制板温度。
31、电源管理模块的输入端接高温电池，经过电源管理模块电路进行对应的电压转换后，并且，输出端给控制系统电路提供对应的电压。
32、在一种优选的设计中，处理器与控制系统其余各部分电性连接，连接的接口包括但不限于数字i/o接口、模拟i/o接口和总线协议接口，并且，陀螺仪传感器可以是分体式的传感器组合而成，也可以是集成式的传感器；加速度传感器可以是分体式的传感器组合而成，也可以是集成式的传感器。
33、本技术实施例一种井下随钻测量短接的控制方法，其具有的实质性特点和进步在于：地面发送的信号是钻柱的转速，传输的介质是钻柱，因此，该控制方法能够适应更加复杂的地质条件钻井、深井和超深井等；对钻柱转速编码，抗干扰和噪声能力强，便于数据的预处理，同时，数据传输的准确性高；同时能够控制井下随钻测量短接处于不同功耗工作状态，可以满足节约电池能量，延长井下随钻测量短接的控制系统的续航时间；通过地面远程控制井下随钻测量短接的工作方式，可以自主选择任意不同频率下的采集方式，并且，该方法能够在复杂地层采集更多的井下工程参数，更加有利于优化钻井，提高钻井效率。
技术特征：
1.一种井下随钻测量短接的控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述井下随钻测量短接的控制方法，其特征在于，所述控制钻柱转速，包括控制钻柱的轴向力、钻柱的旋转方向和钻柱的旋转速度，具体包括：
3.根据权利要求2所述井下随钻测量短接的控制方法，其特征在于，所述通过控制钻柱转速，对井下随钻测量短接的工作状态和工作方式进行编码中，
4.根据权利要求3所述井下随钻测量短接的控制方法，其特征在于，所述井下随钻测量短接对接收到的钻柱转速指令编码进行预处理，其中，所述预处理根据公式：
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，对所述预处理后的钻柱转速指令编码进行解码，解码后的指令存储在所述控制系统的缓存区。
6.根据权利要求5所述井下随钻测量短接的控制方法，其特征在于，所述识别对应的工作状态指令和工作方式指令，从所述缓存区读取指令；识别出工作状态指令和工作方式指令，包括：低功耗工作状态指令、连续工作状态指令、低频采集方式指令、中频采集方式指令、高频采集方式指令；所述控制系统将解码后的指令和控制系统预设指令进行对比匹配，若所述控制系统预设指令匹配成功，则将所述指令存储在所述控制系统的存储器中。
7.根据权利要求6所述井下随钻测量短接的控制方法，其特征在于，所述井下随钻测量短接的控制系统执行对应的工作状态指令和工作方式指令，其中，执行所述工作方式指令后，若所述井下随钻测量短接的控制系统在没有接收到新的所述工作方式指令时，将选择所述存储器中存储的工作方式指令执行；若所述控制系统在启动后接收到新的工作方式指令，则执行新的工作方式指令。
8.根据权利要求7所述井下随钻测量短接的控制方法，其特征在于，
9.一种井下随钻测量短接的控制系统，其特征在于，所述井下随钻测量短接的控制系统包括：处理器、陀螺仪传感器、加速度传感器、流体压力传感器、存储器、温度传感器、电池、电源管理模块；
10.根据权利要求9所述系统，其特征在于，所述处理器与所述控制系统其余各部分电性连接，连接的接口包括数字i/o接口、模拟i/o接口和总线协议接口，并且，所述陀螺仪传感器是分体式的传感器组合而成，或集成式的传感器；所述加速度传感器是分体式的传感器组合而成，或是集成式的传感器。
技术总结
本发明提供了一种井下随钻测量短接的控制方法及控制系统。本方法包括：通过控制钻柱转速，对井下随钻测量短接的不同工作状态和工作方式进行编码，生成对应的钻柱转速指令编码；所述井下随钻测量短接对接收到的钻柱转速指令编码进行预处理，其中，所述预处理包括：基于钻柱转速数据的总个数和有效个数计算平均转速；根据预处理后的钻柱转速指令编码进行解码，并识别对应的工作状态指令和工作方式指令；井下随钻测量短接的控制系统执行对应的工作状态指令和工作方式指令，从而实现在地面控制井下随钻测量短接的工作状态和工作方式。本发明能够适应复杂的勘探环境，具有较强的抗干扰能力，在一定程度上提升了控制准确率和采集工程参数的效率。
技术研发人员：吴攀,况雨春,林伟,张涛,董宗正,韩一维,罗金武,杨翼豪,向文昊
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5