用于收集鉆頭性能數據的方法和設備的制作方法

文檔序號：5414816閱讀：743來源：國知局

專利名稱：用于收集鉆頭性能數據的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的來說關于用于鉆探地下巖層的鉆頭，且更具體地說關于用于在鉆探操作期間監(jiān)控鉆頭的操作參數的方法和設備。
背景技術：
油氣產業(yè)消耗了相當大的金額來設計切削工具，比如包括牙輪鉆頭和固定切削刃鉆頭的井下鉆頭，其具有相對長的服務壽命，具有相對少發(fā)生的故障，具體地說，消耗了可觀的金額來以如下方式設計和制造牙輪鉆頭和固定切削刃鉆頭，所述方式是在鉆探操作期間使得災難性的鉆頭故障的可能最小化。在鉆探操作期間從固定切削刃鉆頭損失牙輪鉆頭或多晶金剛石復合片(PDC)可能妨礙鉆探操作，且在最壞的情況下，需要更昂貴的打撈操作。如果打撈操作失敗，必須執(zhí)行側線鉆探操作以在包括損失的牙輪鉆頭或PDC切割器的井眼部分周圍鉆探。典型地，在鉆探操作期間，即使可以從被替換的鉆頭獲得很多服務，也要拉起鉆頭，并以新的鉆頭代替。這些井下鉆頭的為時過早的替換是昂貴的，因為出井的每個過程延長了整體的鉆井活動，并耗費可觀的人力，但是不得不進行以避免更具破壞性的和昂貴的處理，在最好的情況下，如果由于鉆頭故障損失了一個或多個錐形頭或復合片，則所述昂貴的處理是拉出鉆柱并替換鉆頭或打撈以及側鉆操作。
對于井下鉆井系統(tǒng)動態(tài)數據的不斷增加的需要，已經設計并在鉆柱中安裝了許多"附件"(即，并入鉆頭以上的鉆柱并用于收集的關于
鉆探參數的數據的輔助配件)。不幸地，由于將^^物理地^L置在鉆頭本身以上，這些附件不能提供關于在鉆頭處的操作發(fā)生了什么的實際數據。
通常通過在井底鉆具組合(BHA)中安裝附件來實現數據獲取，該井底鉆具組合可能遠離鉆頭幾米到數十米。從遠離鉆頭的附件收集的數據可能不能精確地反映在鉆井發(fā)生時在鉆頭處直接地發(fā)生了什么。常常，數據的缺乏導致沒有直接的有關事實或數據來與鉆頭的性能相互關聯(lián)來推測什么可能使得鉆頭故障或為什么鉆頭執(zhí)行得如此好。
近來，已經提出將數據獲取系統(tǒng)安裝在鉆頭本身中。但是，來自這些系統(tǒng)的數據收集、存儲和報告受到限制。另外，在鉆頭中的現有的數據收集不具有如下性能，即，所述性能是當可能感興趣的鉆井事件發(fā)生時允許以更詳細的數據收集和分析的方式適用于這些事件。
需要裝備以收集和存儲關于鉆頭的性能和狀況的長期數據的鉆頭。這種鉆頭可以延長有用的鉆頭壽命，使得能夠在多個鉆探操作中再次使用鉆頭，并且在現有的鉆頭上發(fā)展鉆頭性能數據，這對開發(fā)將來的鉆頭改善也是有用的。

發(fā)明內容
本發(fā)明包括鉆頭和設置在鉆頭內的數據分析系統(tǒng)，其用于分析使用各種自適應數據采樣模式從與鉆頭性能相關的物理參數采樣的數據。
在本發(fā)明的一個實施例中，用于鉆探地下巖層的鉆頭包括鉆頭主體、柄、數據分析模塊和端帽。鉆頭主體攜帶至少一個切削元件(也被稱為刀刃或切割器)。將柄固定到鉆頭主體，其適于與鉆柱耦合，且包括穿過該柄形成的中心孔。可以在環(huán)形圏中配置數據分析模塊，以使得可以將其設置在中心孔中，同時允許鉆井流體通過該中心孔。最后，將端帽配置為設置在中心孔中，以使得端帽具有在其周圍設置的數據分析模塊的環(huán)形圈，并通過在端帽和中心孔的壁之間提供密封結構來提供用于數據分析模塊的腔室。
本發(fā)明的另一實施例包括用于鉆探地下巖層的設備，其包括鉆頭和設置在鉆頭中的數據分析模塊。鉆頭攜帶至少一個刀刃或切割器并適宜與鉆柱耦合。數據分析模塊包括至少一個傳感器、存儲器和處理器。至少一個傳感器被配置用于感應至少一個物理參數。存儲器被配置用于存儲包括計算機指令和傳感器數據的信息。處理器被配置用于執(zhí)行計算機指令以通過采樣該至少一個傳感器來收集傳感器數據。計算機指令進一步被配置為分析傳感器數據從而導出程度索引，比較該程度索引與至少一個自適應閾值，并響應于該比較修改數據采樣模式。
本發(fā)明的另一實施例包括一種方法，其包括通過采樣設置在鉆頭中的至少一個傳感器來以采樣頻率收集傳感器數據。在該方法中，至少一個傳感器響應于與鉆頭狀態(tài)相關聯(lián)的至少一個物理參數。該方法進一步包括分析傳感器數據以導出程度索引，其中由設置在鉆頭中的處理器執(zhí)行分析。該方法進一步包括比較程度索引與至少一個自適應閾值，并響應于該比較修改數據采樣模式。
本發(fā)明的另一實施例包括一種方法，其包括在處于后臺模式中時通過以后臺采樣頻率來采樣與鉆頭狀態(tài)相關聯(lián)的至少一個物理參數來收集后臺數據。該方法進一步包括在預定數目的后臺采樣之后從后臺模式變換到測井模式。該方法還可以包括在預定數目的后臺采樣之后從后臺模式變換到突發(fā)模式。該方法還可以包括在預定數目的測井采樣之后從測井模式變換為后臺模式或突發(fā)模式。該方法還可以包括在預定數目的突發(fā)采樣之后從突發(fā)模式變換為后臺模式或測井模式。
本發(fā)明的另一實施例包括一種方法，其包括在處于后臺模式中時通過采樣與鉆頭狀態(tài)相關聯(lián)的至少一個物理參數來收集后臺數據。該方法進一步包括分析后臺數據以導出后臺程度索引，并如果后臺程度索引大于第一后臺閾值，則從后臺模式變換為測井模式。該方法還可以包括如果后臺程度索引大于第二后臺閾值，則從后臺模式變換為突發(fā)模式。

圖1圖示了用于執(zhí)行鉆探操作的現有的鉆井平臺；
圖2是現有的矩陣類型的刮刀鉆頭(rotary drag bit)的透^L圖3A是利用端帽容納電子模塊的實施例的柄的透視圖3B是柄和端帽的橫截面圖4是配置為使得能夠形成為適于配置在圖3A和3B的柄中的環(huán)形圏的柔性電路板的電子模塊的實施例的圖5A-5E圖示了鉆頭的透視圖，其示出了其中電子模塊、傳感器或其組合可以位于其中的鉆頭中的實例布置；
圖6是根據本發(fā)明的數據分析模塊的實施例的框圖6A示出了多個加速表的放置，通過舉例的方式，其可以用于冗余、軌跡分析及其組合；
圖6B示出了從溫度傳感器采樣的數據的實例；
圖6C是示出在鉆頭的端蓋中放置壓力激活開關的實施例的透視
圖6D是圖6C的壓力激活開關的固定部件部分的透視圖6E是包括接合在其上的應變儀的負載單元的透視圖6F是示出在鉆頭主體中的負載單元的放置的實施例的透視
圖7A是示出了各種數據采樣模式和依據基于時間的事件觸發(fā)在
各模式之間的變換的時序圖的實例；
圖7B是示出了各種數據釆樣模式和依據基于自適應閾值的事件觸發(fā)在各模式之間的變換的時序圖的實例；
圖8A-8H是示出了根據本發(fā)明，在從各種傳感器采樣值、保存
采樣的數據和分析采樣的數據以確定自適應閾值事件觸發(fā)時數據分析模塊的操作的實施例的流程圖9示出了沿著旋轉笛卡兒坐標系統(tǒng)的兩個軸從磁強傳感器采樣的數據的實例；
圖10示出了沿著笛卡兒坐標系統(tǒng)的三個軸從加速傳感器和磁強傳感器采樣的數據的實例，該三個軸關于鉆頭是靜態(tài)的，但是關于靜止的觀察者是旋轉的；
圖11示出了從加速傳感器采樣的數據，從采樣數據的分析推導的沿著Y軸的加速計數據方差，和從采樣的數據的分析推導的沿著Y 軸的加速計自適應閾值的實例；
圖12示出了從加速傳感器采樣的數據，從采樣數據的分析推導的沿著X軸的加速計數據方差，和從采樣的數據的分析推導的沿著X 軸的加速計自適應閾值的實例；
圖13示出了根據本發(fā)明的波形，以及波形的期望的時間編碼信號處理和識別(TESPAR)編碼；
圖14示出了根據本發(fā)明的用于可能編碼的采樣數據的期望的 TESPAR字符；
圖15是對于給定波形的TESPAR碼元出現的直方圖16示出了根據本發(fā)明可以用于TESPAR編碼數據的模式識別的神經網絡配置；和
圖17是示出了根據本發(fā)明的使用TESPAR字符用于采樣數據的編碼和模式識別的期望的軟件流程。
具體實施例方式
本發(fā)明包括鉆頭和設置在鉆頭內的電子模塊，所述電子模塊使用各種自適應數據采樣模式用于根據關于鉆頭性能的物理參數分析采樣的數據。
圖l描繪了用于執(zhí)行地下鉆探操作的現有的設備的實例。鉆井平臺110包括鐵架塔112、鐵架塔底座114、絞車116、吊鉤118、泥漿噴嘴120 (swivel) 、 Kelly接頭122和轉盤124。包括鉆桿部分142和鉆鋌部分144的鉆柱140從鉆井平臺110向下延伸到鉆孔100中。鉆桿部分142可以包括連接在一起的多個管型鉆桿部件或纜繩，且鉆鋌(drill collar)部分144可以同樣地包括多個鉆鋌。另外，鉆柱140 可以包括測量并同時鉆井(MWD)的測井子配件和合作泥漿脈沖遙測數據傳輸子配件，其被共同地稱為MWD通信系統(tǒng)146，鉆柱140 也可以包括為本領域技術人員所知的其他通信系統(tǒng)。
在鉆探操作期間，鉆井流體從泥漿池160通過泥漿泵162、通過波動消除器(desurger) 164和通過泥漿供應管線166循環(huán)到泥漿噴嘴 120中。鉆井泥漿(也被稱為鉆井流體)流過Kelly接頭122并流入鉆柱140中的軸向中心孔。最終，其通過位于鉆頭200中的、連接到鉆柱140的位于鉆鋌部分144以下的最下部分的孔或噴管排出。鉆井泥漿通過在鉆柱140的外表面和鉆孔100的內表面之間的環(huán)形空間向上回流，以循環(huán)到表面，在表面處，其通過泥漿返回管線168返回到泥漿池160。
振動篩(沒有示出)可以用于在鉆井泥漿返回到泥漿池160之前將地層巖屑與鉆井泥漿分離。MWD通信系統(tǒng)146可以在進行鉆探操作的同時，利用泥漿脈沖遙測技術從井下位置將數據傳遞到地表。為在地表接收數據，提供泥漿脈沖轉換器170與泥漿供應管線166通信。該泥漿脈沖轉換器170響應于泥漿供應管線166中的鉆井泥漿的壓力變化產生電信號。由地表導體172將這些電信號發(fā)送到地表電子處理系統(tǒng)180，所述地表電子處理系統(tǒng)通常是具有用于執(zhí)行程序指令的中央處理單元的數據處理系統(tǒng)，并且用于響應于通過鍵盤或者圖形指點設備輸入的用戶命令。提供泥漿脈沖遙測系統(tǒng)用于將由通常位于 MWD通信系統(tǒng)146內的測井和測量系統(tǒng)檢測的多個井下狀況有關的數據傳遞到表面。由通常位于MWD通信系統(tǒng)146內的設備產生定義向地表傳送數據的泥漿脈沖。這種設備典型地包括壓力脈沖發(fā)生器，其在包含于儀表殼體中的電子控制之下操作以允許鉆井泥漿通過延伸通過鉆鋌壁的孔口排放。每次壓力脈沖發(fā)生器引起這種排放，就發(fā)送負壓脈沖以由泥漿脈沖轉換器170接收?？蛇x的現有配置產生并發(fā)送正壓脈沖。如現有的，循環(huán)的鉆井泥漿還可以提供用于可以位于井底
鉆具組件(BHA)附近的渦輪機驅動發(fā)生器子配件(沒有示出)的能量源。渦輪機驅動發(fā)生器可以產生用于壓力脈沖發(fā)生器和用于包括形成測量并同時鉆井的工具的操作組件的那些電路的各種電路的電能。作為電能的替換或輔助源，可以提供電池，特別地作為渦輪機驅動發(fā) 生器的備用。
圖2是固定的切割器，或所謂的"切削型"鉆頭等的鉆頭200的實例的透視圖。通常，鉆頭200包括在在鉆頭200的上外延處的柄210 處的索，用于連接到鉆柱140中(圖l)。在通常與柄210相對端處的至少一個刀刃220 (示出復數個)可以配置有多個自然的或人造的鉆石(聚晶金剛石復合片)PDC切割器225，其沿著刀刃220的旋轉引導面布置，由此當鉆頭200在施加的鉆壓(WOB)下在鉆孔100中旋轉時，有效地使得巖層材料瓦解。計量器襯墊表面230從每一刀刃 220向上延伸，在鉆頭200的鉆探操作期間接近于，且通常接觸鉆孔 100的側壁(圖2)。術語為"排屑槽，，的多個溝道240在刀刃220和計量器襯墊表面230之間延伸，以提供用于除去由PDC切割器2"形成的巖層碎片的清除區(qū)域。
在鉆頭200的計量器襯墊表面230上提供多個計量器插頭"5。在鉆頭200的計量器襯墊表面230上的剪切計量器插頭235提供了在鉆孔100的側壁處主動地剪切巖層材料的能力，并在固定切割器等的鉆地鉆頭中提供了改善的計量器保持性能。將鉆頭200說明為PDC(聚晶金剛石復合片)鉆頭，但是計量器插頭235可以同樣地用于包括用于與鉆孔100的側壁接合的計量器襯墊表面230的其他固定切割器或切削型鉆頭。
本領域技術人員將認識到本發(fā)明可以具體表現為各種鉆頭類型。如在本領域中已知的，本發(fā)明在三錐或牙輪鉆頭旋轉鉆頭或其他地下鉆具的背景下也具有有效性，其在使用期間可以采用噴管以傳遞鉆井
泥漿到切削結構。因此，如在這里使用的，術語"鉆頭"包括并包含任意和所有的旋轉鉆頭，包括核心鉆頭，牙輪鉆頭，固定切割器鉆頭；包括但不限于PDC，天然鉆石，熱穩(wěn)定生產(TSP)的人造鉆石，和鑲鉆石鉆頭，偏心鉆頭，雙心鉆頭，鉆孔器，鉆孔擴眼器以及配置用于容納電子模塊290的其他鉆地工具。
圖3A和3B示出了固定到鉆頭200 (沒有示出)的柄210，端帽 270的實施例，和電子模塊2卯的實施例(在圖3B中沒有示出)。柄 210包括形成通過柄210的縱軸的中心孔280。在現有的鉆頭200中，該中心孔280被配置用于允許鉆井泥漿通過其流動。在本發(fā)明中，對中心孔280的至少一部分給予足以容納大體上以環(huán)形圈配置的電子模塊290的直徑，而不實質上影響柄210的結構完整性。因此，可以將電子模塊290放置在中心孔280之下、端帽270周圍，該端帽270貫穿電子模塊290的環(huán)形圏的內徑，從而與中心孔280的壁一起創(chuàng)建液密環(huán)形腔260 (圖3B)，并將電子模塊290密封在柄210內的適當位置。
端帽270包括穿過該端帽形成的帽鉆孔276，以使得鉆井泥漿可以流過端蓋，通過柄210的中心孔280到柄210的另一側，且然后進入鉆頭200的主體。另外，端帽270包括在端帽270的下端附近、包括第一密封環(huán)272的第一凸緣271，以及在端帽2"70的上端附近的、包括第二密封環(huán)274的第二凸緣273。
圖3B是設置在柄中而沒有電子模塊290的端帽270的截面圖(圖 4)，示出了在第一凸緣271、第二凸緣273、端帽主體275和中心孔 280的壁之間形成的環(huán)形腔260。第一密封環(huán)272和第二密封環(huán)274 在端帽270和中心孔280的壁之間形成保護性的液密密封，以保護電子模塊2卯(圖4)免受不利的環(huán)境狀況的影響。由第一密封環(huán)272 和笫二密封環(huán)274形成的保護性密封還可以被配置為將環(huán)形腔260維持在近似的大氣壓力。
在圖3A和3B所示的實施例中，第一密封環(huán)272和第二密封環(huán) 274由適于高壓、高溫環(huán)境的材料形成，例如，與PEEK支承環(huán)組合的氫化丁腈橡膠(HNBR) O-環(huán)。另外，可以以多種連接機制將端帽 270固定到柄210，例如，分別使用第一和第二密封環(huán)272和274的固定壓配合，螺紋連接，環(huán)氧連接，形狀記憶合金保持器，焊接和銅焊。本領域一般技術人員將認識到由于在鉆探操作期間的差壓和向下的泥
流，通過相對簡單的連接機制可以非常穩(wěn)固地將端帽270保持在適當位置。
如圖3A的實施例所示配置的電子模塊290可以被配置為柔性電路板，使得能夠將電子模塊290形成為適于在端帽270周圍設置并進入中心孔280的環(huán)形圏。以圖4的平坦伸直的配置顯示該電子才莫塊2卯的柔性電路板實施例。該柔性電路板292包括高強度的加強骨干 (backbone)(沒有示出)，用以向比如加速計的傳感器提供加速效果的可接受的傳遞性。另外，可以使用比如粘膠彈性粘著劑的材料，以適于在鉆探操作期間至少部分地緩減鉆頭200經受的加速效果的方式將承載非傳感器電子組件的柔性電路板292的其他區(qū)域連附于端帽 270。
圖5A-5E是示出了鉆頭的一部分的透視圖，其示出了鉆頭200 中的位置的實例，在所述鉆頭200中，電子模塊290 (圖4)，傳感器 340和370 (圖6)，或其組合可以位于其中。圖5A示出了固定到鉆頭主體231的圖3的柄210。另外，柄210包括在中心孔280中形成的環(huán)形槽260A。該環(huán)形槽260A可以允許當端帽270 (圖3A和3B ) 設置就位時，將電子模塊擴展到環(huán)形槽260A中。
圖5A還示出了用于電子模塊290、傳感器340或其組合的兩個其他的替換位置。具有序號的位于用于壓鉆頭的橢圓凹陷(還可以被稱為扭矩槽)之后的橢圓切割位置(oval cut out) 260B可以被碾磨以容納電子設備。然后可以蓋住并密封該區(qū)域以保護電子設備。替代地，位于用于壓鉆頭的橢圓凹陷中的圓形切割位置260C可以被碾磨以容納電子設備，且然后被蓋住和密封以保護電子設備。
圖5B示出了柄210的選擇性的配置，可以在柄210中形成圓形凹陷260D，并在圓形凹陷260D周圍形成中心孔280,允許傳送鉆井泥漿?？梢陨w住和密封該圓形凹陷260D以保護圓形凹陷260D內的電子設備。圖5C-5E示出了形成在鉆頭200上的位置中的圓形凹陷(260E， 260F, 260G)。這些位置提供了用于電子組件的合理的空間量，且在刀刃方面仍維持可接受的結構強度。
電子模塊可以被配置為執(zhí)行各種功能。電子模塊290 (圖4)的一個實施例可以被配置為數據分析模塊，配置其用于以不同的采樣方式對數據采樣，以不同的采樣頻率對數據采樣，并分析數據。
在圖6中示出了數據分析模塊300的實施例。數據分析模塊300 包括電源310、處理器320、存儲器330和配置用于測量關于鉆頭狀態(tài) 的多個物理參數的至少一個傳感器340，該鉆頭狀態(tài)可以包括鉆頭狀況，鉆探操作狀況和接近鉆頭的環(huán)境狀況。在圖6的實施例中，傳感器340包括多個加速計340A,多個磁強計340M和至少一個溫度傳感器340T。
多個加速計340A可以包括以笛卡兒坐標布置配置的三個加速計 340A。類似地，多個磁強計340M可以包括以笛卡兒坐標布置配置的三個磁強計340M。雖然可以在本發(fā)明的范圍內定義任意的坐標系統(tǒng)，然而圖3A所示的笛卡兒坐標系統(tǒng)的一個實例定義了沿著鉆頭200繞其旋轉的縱軸的Z軸，垂直于Z軸的X軸，和垂直于Z軸和X軸兩者的Y軸，由此形成了典型的笛卡兒坐標系統(tǒng)的三個正交軸。因為可以在旋轉鉆頭200的同時使用數據分析模塊300，并且鉆頭200處于垂直定向之外的定向，因此可以認為該坐標系統(tǒng)是關于鉆井平臺110 (圖1)的固定地表位置具有變化的定向的旋轉笛卡兒坐標系統(tǒng)。
圖6實施例的加速計340A在啟用和釆樣時，提供沿著三個正交軸的至少一個的鉆頭200的加速度測量。數據分析模塊300可以包括附加的加速計340A以提供冗余系統(tǒng)，其中可以響應于由處理器320 執(zhí)行的故障診斷，選擇或取消選擇各種加速計340A。此外，附加的加速計可以被用于確定關于鉆頭動態(tài)的附加信息和在區(qū)分橫向加速度與角加速度時提供輔助。
圖6A是鉆孔內的鉆頭200的頂視圖。如可以看到的，圖6A示出了鉆孔IOO內的鉆頭200的偏移，其可以由于除了繞轉動軸的簡單旋轉以外的轉頭行為而發(fā)生。圖6A還示出了多個加速計的放置，其中第一組加速計340A位于鉆頭主體內的第一位置且第二組加速計 340A，位于鉆頭主體內的第二位置。通過舉例的方式，第一組340A包括具有x， y和z加速計的第一坐標系統(tǒng)341,而第二組340A，包括具有x和y加速計的第二坐標系統(tǒng)341，。當然，其他實施例可以包括第二組加速計中的三個坐標以及單獨的或在多個坐標組中的加速計的其他配置和定向。通過將第二組加速計放置在鉆頭200上的不同位置，在加速計組之間的差異可以用來區(qū)分橫向加速度與角加速度。例如，如果兩組加速計都位于離鉆頭200的旋轉中心相同的半徑處，且鉆頭 200僅繞著旋轉中心旋轉，那么兩個加速計組將經歷相同的角旋轉。但是，鉆頭可以經歷更復雜的行為，例如，鉆頭渦動(whirl)，鉆頭擺動，鉆頭側移和橫向振動。這些行為包括與角運動結合的某些類型的橫向運動。例如，如圖6A所示，鉆頭200可以繞著它的旋轉軸旋轉，且同時，繞著鉆孔200的較大圓周側移。在這些類型的運動中，設置在不同位置的兩組加速計將經歷不同的加速度。通過適當的信號處理和數學分析，可以以附加的加速計更容易地確定橫向加速度和角力口速度o
此外，如果初始條件已知或可以估計出，則可以使用現有的數字分析技術，通過加速計數據的數學積分推導出鉆頭速度分布和鉆頭軌跡。如以下更全面地解釋的，可以分析加速度數據，且使用該數據確定觸發(fā)數據分析模塊內的特定觸發(fā)事件的自適應闞值。此外，如果集成加速度數據以獲得鉆頭速度分布或鉆頭軌跡，則這些附加的數據集可能對通過直接應用數據集或通過例如模式識別分析的附加處理來確定附加的自適應閾值是有用的。通過舉例的方式且非限制性的，可能基于在觸發(fā)數據分析模塊內的感興趣的事件之前鉆頭可以偏心多遠來設置自適應閾值。例如，如果鉆頭軌跡指示鉆頭偏離鉆孔的中心多于一英寸(2.5厘米)，則可以調用來著傳感器的收集數據的不同算法，如以下更全面地解釋的。
圖6實施例的磁強計340M在啟用和采樣時，提供沿著關于地球的磁場的三個正交軸的至少一個的鉆頭200的定向測量。數據分析模塊300可以包括附加的磁強計340M用以提供冗余系統(tǒng)，其中可以響應于由處理器320執(zhí)行的故障診斷選擇或取消選擇各種磁強計340M。
溫度傳感器340T可以用于收集關于鉆頭200的溫度的數據，以及收集加速計340A、》茲強計340M及其他傳感器340附近的溫度。溫度數據對校準加速計340A和磁強計340M以使其在各種溫度處更加精確可以是有用的。
可以包括其他可選的傳感器340作為數據分析模塊300的一部分?？赡軐Ρ景l(fā)明有用的傳感器的一些非限制性實例是在鉆頭的各種位置的應變傳感器，在鉆頭的各種位置的溫度傳感器，測量鉆頭內部的泥漿壓力的泥漿(鉆井流體)壓力傳感器，和測量鉆頭外部的流體流體靜力壓力的井眼壓力傳感器。傳感器還可以被實施為檢測泥漿特性，例如，檢測對于交流和直流兩者的電導率或阻抗的傳感器，檢測當泥流停止時流體從孔的流入量的傳感器，檢測泥漿特性的變化的傳感器，和特征化比如基于合成物的泥漿和水基泥漿的泥漿特性的傳感器。
這些可選的傳感器340可以包括與數據分析;漠塊300集成并配置為數據分析模塊300的一部分的傳感器。這些傳感器還可以包括放置在鉆頭200的其他區(qū)域中、或在井底鉆具組合中在鉆頭200之上的可選的遠程傳感器340?？蛇x的遠程傳感器340可以使用直接連線連接，或通過無線連接在通信鏈路362兩端與可選的傳感器接收器360通信。傳感器接收器360被配置為使能鉆井環(huán)境中有限的距離兩端的通信無線遠程傳感器通信——正如本領域一般技術人員已知的那樣。
這些可選的傳感器中的一個或多個可以用作啟動傳感器370。啟
動傳感器370可以被配置用于檢測至少一個啟動參數，例如，泥漿的混濁度，并響應于該至少一個啟動參數產生電源啟用信號372。耦合在電源310和數據分析模塊300之間的電源選通模塊374可以用于當施加電源啟用信號372時控制施加到數據分析模塊300的功率。啟動傳感器370可能具有其自己的獨立電源，比如小電池，用于在數據分析模塊300不通電的時間期間對啟動傳感器370供電。對于另一個可選的遠程傳感器340，可以用于使得能夠對數據分析模塊300供電的參數傳感器的一些非限制性實例是被配置為用于采樣的傳感器，采樣的對象包括在鉆頭的各種位置的應變，在鉆頭的各種位置的溫度，振動，加速度，向心加速度，在鉆頭內的流體壓力，在鉆頭外的流體壓力，在鉆頭中的流體流動，流體阻抗，和流體混濁度。
通過舉例的方式且非限制性，啟動傳感器370可以用于使得能夠響應于流體的流體阻抗的變化對數據分析模塊300供電，該流體例如是空氣、水、油和鉆井泥漿的各種混合物。這些流體特性傳感器可以檢測在暴露于流體的兩端之間的DC電阻的變化，或在暴露于流體的兩端之間的AC阻抗的變化。在另一實施例中，流體特性傳感器可以檢測在非常接近于、但是被保護不受流體影響的兩端之間的電容變化。
例如，與典型的基于碳氫化合物的潤滑劑比較，水可以具有較高的介電常數。例如，數據分析模塊300，或其他適當的電子設備可以以交流電對傳感器供能，并測量在其中的相移以確定電容，或作為選擇地，以交流或直流電流對傳感器供能，并確定電壓降以測量阻抗。
另外，這些傳感器中的至少一些可以被配置為產生用于操作的任意所需功率，以使得在傳感器中自己產生獨立的電源。通過舉例的方式且非限制性的，振動傳感器可以產生足夠的功率以感應振動，并簡單地從機械振動發(fā)送電源啟用信號372。
作為啟動傳感器370實施例的另一實例，圖6B示出了當鉆頭上下地穿過鉆孔時從溫度傳感器采樣的數據的實例，在圖6B中，點342 示出了當鉆頭在地表時感應的溫度。隨著持續(xù)時間343增加的溫度表示當鉆頭在預先鉆好的鉆孔中向下移動時經歷的溫度升高。在點344，打開泥漿泵，且該圖示出了鉆頭的溫度相應下降到大約卯。C。持續(xù)時間345示出了已經關閉泥漿泵且鉆頭正在部分地退出鉆孔。持續(xù)時間 346示出了鉆頭在部分地退出之后，再次向下穿透預先鉆好的鉆孔。點347示出了再次打開泥漿泵。最后，隨著持續(xù)時間348穩(wěn)定增加的溫度表示當鉆頭達到額外的深度時的正常鉆探。如從圖6B可以看出，在地表環(huán)境溫度和底部井眼環(huán)境溫度之間的感應的溫差可以用作經由例如，通過功率控制器316(圖6)啟用附加傳感器數據處理，或啟用對附加傳感器供電的啟動點。溫差是可供編程用于對于鉆頭期望的應用。例如，在運輸期間的地表溫度可以在從大約70。F (21.11。C)到105。F ( 40.55。C)的范圍，在其中將打開附加特征的點的井下溫度可以是大約175°F (61.58°C)。差值可以是大約70。F (21.11°C)，且將足夠寬以確保防止錯誤的起動。當鉆頭 200在孔中進入175。F (61.58。C)的區(qū)域時，可以自動地打開沖莫塊并開始收集數據?？梢杂山^對溫度或由溫差變化觸發(fā)該激活。在觸發(fā)模塊之后，其可以在孔中被鎖定或繼續(xù)運行一段時間，或如果檢測到足夠大的溫度下降，可以關閉附加的特征。在所述的實例中，并參考圖 6，溫度傳感器340T被配置為由以低功率配置運行的處理器采樣，且處理器可以執(zhí)行用于基于感應的溫度啟用附加的特征的決定。當然，如先前所述的，溫度傳感器可以是具有其自己的電源的啟動傳感器 370 (圖6)，或不需要電源的傳感器。在這些獨立的配置中，啟動傳感器370 (圖6)可以被配置為經由功率選通模塊374啟動對整個300 的供電。
作為另一實例，啟動傳感器370可以被配置為壓力激活的開關。圖6C是示出端帽270的凹口 259中的壓力激活開關250組件的可能的放置位置的透視圖。壓力激活開關包括固定的部件251,可變形部件252和位移部件256。在壓力激活開關的該實施例中，將固定部件 251圓柱地成形并可以被設置在圓柱形的凹口 259中，并靠著凹口 259 內的壁架(沒有示出)。可以將密封材料(沒有示出)置于凹口 259 中在壁架和固定部件251之間以形成高壓密封。另外，固定部件2S1 包括在柱體的周界周圍的第一環(huán)形溝道253。該第一環(huán)形溝道253還可以被稱為密封套，其也可以填充有密封材料以幫助形成高壓和不透水密封。
可變形部件252可以是各種器件或材料。通過舉例的方式且非限制性的，可變形部件252可以是壓電器件。壓電器件可以被配置在固定部件251和位移部件256之間，以使得位移部件256的移動將力作用于壓電器件上，引起壓電材料兩端的電壓變化。附于壓電材料的電極可以將信號耦合到數據分析模塊300 (圖6)用于采用作為啟動傳感器370。壓電器件可以由任意適當的壓電材料形成，例如，鋯鈦酸鉛 (PZT)，鈦酸鋇或石英。
在圖6C中，可變形部件252是當迫使位移部件256靠近固定部件251時稍微變形的O環(huán)?？梢詫τ趯⑦M行接觸的期望的壓力選擇O 環(huán)的柔性，或硬度計。當然，在本發(fā)明的范圍內可以想到例如彈簧的其他位移部件256。如圖所示，可變形部件252位于固定部件251的頂面上。位移部件256可以被放置在可變形部件252的頂部上的凹口 259中，以使得位移部件256可以在凹口 259內關于固定部件251上下移動。將位移部件256圓柱地成形且包括在圓柱體周界周圍的第二環(huán)形溝道257。該第二環(huán)形溝道257還可以被稱為密封套，其也可以填充有密封材料以幫助形成高壓和不透水密封。位移部件256用導電材料制成，或位移部件256的底面涂覆有導電材料。固定夾258可以被以將壓力激活開關250配件在凹口 259內保持就位的配置而被放置在凹口 259中。
圖6D是示出固定部件251的細節(jié)的透視圖。固定部件251包括第一環(huán)形溝道253和可變形部件252。在該實施例中，固定部件251 包括通過該固定部件的鉆孔，以使得可以通過該鉆孔設置引線263。引線263與在鉆孔中設置的觸點262耦合，且略微低于可變形部件252 的最高點。鉆孔可以填充有石英玻璃或其他適當的材料以形成高壓密封。
在操作中，壓力激活開關250可以被配置為當達到給定深度時，基于由壓力激活開關250感應到的井眼壓力，在鉆頭穿越下到底部井眼時激活數據分析模塊300。在圖6C示出的配置中，壓力激活開關 250實際上感應在鉆頭200的頂端附近的在鉆柱內的泥漿的壓力。但是，當抽吸泥漿時，在鉆頭200處的鉆柱內的壓力實質上匹配鉆頭附近的鉆孔中的壓力。增加壓力在位移部件256上施加增大的力，使得其向著固定部件251位移。當位移部件256移動接近固定部件251時，其與觸點262接觸，形成在引線263之間的閉合電路。引線與數據分析模塊(在圖6C和6D中沒有示出)耦合從而在實現閉合電路時執(zhí)行啟動功能。
另外，雖然已經將壓力激活開關250的實施例描述為設置在端帽 270的凹口 259中，但是其他放置位置是可能的。例如，在圖5A-5E 中示出的斷路器(cutout)可以適于放置壓力激活開關。此外，雖然討論可能包括方向指示符以便于描述，比如頂端，向上和向下，但是用于壓力激活開關的放置的方向和定向不限于描述的那些。
壓力激活開關是可以放在凹口中的許多類型的傳感器中的一個，比如結合壓力激活開關描述的?？赡苄枰┞队阢@孔的環(huán)境的任意傳感器可以被以類似于壓力激活開關的配置設置在凹口中，以在鉆頭內形成高壓和不透水密封。通過舉例的方式且非限制性的，可以使用的一些環(huán)境傳感器是無源伽馬射線傳感器，腐蝕傳感器，氯傳感器，硫化氫傳感器，用于到鉆孔壁的距離測量的臨近檢測器等。
另一重要的測量鉆頭參數是在鉆頭上的應力和應變。但是，僅在鉆頭的各個區(qū)域上或鉆頭內的腔中放置應變儀可能不能產生最優(yōu)的結果。在本發(fā)明的實施例中，負載單元可以用于獲得可能更有用的鉆頭處的應力和應變數據。圖6E是包括接合在其上的應變儀(285和285，) 的負載單元281的透視圖。負載單元281包括第一附著部分282，應力部分284，和第二附著部分283。負載單元281可以由比如鋼的材料或其他適當的金屬制造，相比于可能置于其上的負載，所述金屬基于期望負載展現出適當的應變。在示出的實施例中，附著部分(282和 283 )是圓柱的且應力部分284具有矩形截面。矩形截面創(chuàng)建了用于在其上安裝應變儀的平面。在示出的實施例中，第一應變儀285接合到應力部分284的前可見表面，且第二應變儀285，接合到應力部分284 的后隱藏表面。當然，應變儀285可以被安裝在應力部分284的一個，兩個，或更多側面上，且應力部分284的橫截面可以是其他形狀，例如六邊形或八角形。導體286從應變儀285， 285，向上延伸通過形成在第一附著部分282中的凹槽，且可以與數據分析模塊300 (在圖6E 中沒有示出)耦合。
圖6F是示出負栽單元281在鉆頭200中的一個設想的放置的透視圖。圓柱型管289從其中可以放置數據分析模塊300 (沒有示出) 的鉆頭200的頂端附近的空穴288向下延伸。管289將延伸到可能特別感興趣的鉆頭主體的區(qū)域中，且被配置為使得負載單元281可以被設置和附于管內，且導體286 (在圖6F中沒有示出)可以通過管289 延伸到數據分析模塊300。負載單元281可以通過任意合適的方法附于管289內，以使得將第一附著部分282和第二附著部分283穩(wěn)固地保持恰當位置。該附著機制可以是，例如，固定壓配合，螺紋連接，環(huán)氧連接，形狀記憶合金保持器等。
通過當與直接接合應變儀到鉆頭主體或鉆頭主體中的空穴內的側壁時，使用更均勻、同質和適于將應變儀接合到其的負載單元材料，負載單元配置可以幫助獲得更精確的應變測量。負載單元配置還可以更適于檢測在鉆頭上的扭曲應變，這是因為負載單元創(chuàng)建了更大和更均勻的位移，由此可能由于在第一附著部分和第二附著部分之間的距離而發(fā)生扭曲應變。
此外，通過將負載單元281或應變儀放置在鉆頭中，其可以被放置于相對于鉆頭上或鉆頭內感興趣的元件的特定期望定向。通過如現有技術地將負載單元和其他傳感器在鉆柱的另一元件中放置在鉆頭上，由于鉆頭到鉆柱的連接機制(例如，螺紋接口)，難以獲得期望的定向。通過舉例的方式，本發(fā)明的實施例允許將負載單元置于相對于感興趣的元件(比如特定的切割器，三牙輪鉆頭的特定的腿，或鉆頭上的刻度)的特定定向。以該方式，由于負載單元281相對于鉆頭的特征的特定和可重復的定向，可以獲得關于鉆頭的特定元件的附加信息。
通過舉例的方式且非限制性的，負載單元281可以在管289內旋轉到與鉆頭200上的特定切割器對準的特定定向。作為該定向的結果，可以獲得關于特定的切割器附近的鉆頭區(qū)域的附加應力和應變信息。此外，將管289放置在相對于鉆頭200的中心軸的一定角度處，或相對于鉆頭200的中心軸的不同距離處，能夠獲得關于與置于鉆頭上的軸向應力相關的彎曲應力，或鉆頭的特定區(qū)域的更多信息。
該將傳感器置于相對于鉆頭的任意但是可重復的特征的期望定向的能力對于其它類型的傳感器也是有用的，例如，加速計，磁強計，溫度傳感器及其他環(huán)境傳感器。
可以以任意適當的配置連接應變儀，如本領域一般技術人員已知的，用以檢測沿著負載單元的不同軸的應變。這種適當的配置可以包括，例如Chevron橋電路，或Wheatstone橋電路。應變4義測量的分析可用于導出鉆頭參數，例如，鉆頭上的應力，鉆壓，縱向應力，縱向應變，扭轉應力和扭曲應變。
返回到圖6，存儲器330可以用于存儲傳感器數據，信號處理結果，長期數據存儲和用于由處理器320執(zhí)行的計算機指令。存儲器330 的一部分可以位于處理器320外，且一部分可以位于處理器320內。存儲器330可以是動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)，靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)，只讀存儲器(ROM)，比如閃速存儲器的非易失性隨機存取存儲器(NVRAM)，電可擦可編程序ROM (EEPROM)，或其組合。在圖6的實施例中，存儲器330是處理器中的SRAM (沒有示出)，處理器320中的閃速存儲器330和外部閃速存儲器330的組合。閃速存儲器可以合乎低功率操作的需要，且具有當沒有功率應用于存儲器330時保持信息的能力。
通信端口 350可以被包括在數據分析模塊300中用于到比如 MWD通信系統(tǒng)146和遠程處理系統(tǒng)3卯的外部裝置的通信。通信端口 350可以被配置用于使用直接有線連接或無線通信協(xié)議(比如，僅通過舉例的方式，紅外線，藍牙和802.11a/b/g協(xié)議)到遠程處理系統(tǒng) 390的直接通信鏈路352。使用直接通信，數據分析模塊300可以被配置為當鉆頭200不在井下時，與遠程處理系統(tǒng)390，例如，計算機，便攜式計算機和個人數字助理(PDA)通信。因此，直接通信鏈路352 可以用于各種功能，例如，下載軟件和軟件升級，通過下載配置數據允許數據分析模塊300的設置，和上栽采樣數據和分析數據。通信端口 350還可以用于為關于鉆頭的信息查詢數據分析模塊300，該信息例如是鉆頭序列號、數據分析模塊序列號、軟件版本、鉆頭操作的總共經過的時間，及可以存儲在NVRAM中的其他長期鉆頭數據。
通信端口 350還可以被配置用于經由有線或無線通信鏈路354和如本領域一般技術人員已知的、被配置為允許在鉆井環(huán)境中在有限的距離兩端進行遠程通信的協(xié)議，與井底鉆具組合中的MWD通信系統(tǒng) 146通信。在美國專利No.4，884，071中示出、描述并要求了用于傳遞數據信號到鉆柱140(圖1)中的鄰接的子配件的一種可用技術，其標題為"Wellbore Tool With Hall Effect Coupling",與1989年11月28 日授予Howard。
接著，MWD通信系統(tǒng)146可以使用泥漿脈沖遙測裝置356或適于在鉆探操作中遇到的相對大的距離兩端通信的其他適當的通信裝置，將數據從數據分析模塊300傳送到遠程處理系統(tǒng)3卯。
圖6的實施例中的處理器320被配置用于處理，分析和存儲收集的傳感器數據。對于從各種傳感器340采樣的模擬信號，該實施例的處理器320包括數模轉換器(DAC)。但是，本領域一般技術人員將認識到可以將本發(fā)明實現為在傳感器340和處理器320之間設置一個或多個外部DAC用于通信。另外，該實施例中的處理器320包括內部SRAM和NVRAM。但是，本領域一般技術人員將認識到可以將本發(fā)明實現為，僅存在處理器320外部的存儲器330以及不4吏用部外存儲器330而僅使用處理器320內部的存儲器330的配置。
圖6的實施例使用電池電源作為操作電源310。電池電源在鉆井環(huán)境中啟動操作而不考慮連接到另一電源。但是，通過電池電源，在本發(fā)明中節(jié)省電源可能變?yōu)橹匾目紤]。結果，低功率處理器320和低功率存儲器330可以允許更長的電池壽命。類似地，其它功率節(jié)省技術在本發(fā)明中可能是重要的。
圖6的實施例示出了用于選通到存儲器330，加速計340A和磁強計340M的功率施加的功率控制器316。使用這些功率控制器316，在處理器320上運行的軟件可以管理包括控制信號的功率控制總線 326，用于單獨地使能到連接到功率控制總線326的每一個組件的電壓信號314。雖然在圖6中將電壓信號314示為單一信號，本領域一般技術人員將理解不同的組件可能需要不同的電壓。因此，電壓信號314 可以是包括對不同的組件供電所需的電壓的總線。
另外，在處理器320上運行的軟件可以用于管理耗能的資源的自適應使用和電池壽命智能以節(jié)省電源。電池壽命智能可以跟蹤剩余的電池壽命(即，電池上剩余的電荷)，并使用該跟蹤以管理系統(tǒng)內的其他處理。通過舉例的方式，可以通過從電池采才羊電壓，從電池采才羊電流，跟蹤采樣電壓的歷史，跟蹤采樣電流的歷史及其組合來確定電池壽命估計值。
可以以多種方式使用電池壽命估計。例如，在電池壽命快結束時，
軟件可以減少傳感器的采樣頻率，或可以用于使得功率控制總線開始
關閉到各種組件的電壓信號。
該功率管理可以創(chuàng)建適當的、逐漸的關閉。例如，或許在剩余電池壽命的某個點關閉對磁強計的供電。在電池壽命的另一點，或許關
閉加速計。在電池壽命的結束附近，電池壽命智能可以通過確保不收集或存儲由于在傳感器，處理器或存儲器處的不足的電壓引起的不適當的數據來保證數據完整性。
如以下參考特定類型的數據收集更全面地解釋的，軟件模塊可以專用于關于數據存儲的存儲器管理?？梢砸宰赃m應采樣和數據壓縮技術來修改存儲的數據量。例如，數據最初可能被以未壓縮形式存儲。之后，當存儲空間變得有限時，可以壓縮數據以釋放附加的存儲器空間，另外，可以向數據分配優(yōu)先級，以使得當存儲空間變得有限時，保存高優(yōu)先級數據并可以覆蓋低優(yōu)先級。
還可以包括軟件模塊以跟蹤鉆頭的長期歷史。因此基于在鉆頭的壽命期間收集的鉆探性能數據，可以形成鉆頭的壽命估計。鉆頭的故障可能是非常昂貴的問題。通過基于實際的鉆探性能數據的壽命估計，軟件模塊可以被配置為確定何時鉆頭接近其使用壽命的終點，并使用通信端口以信號通知外部裝置該鉆頭剩余的預期壽命。
圖7A和7B示出了沿著增加的時間軸590發(fā)生的數據分析模塊 300 (圖6)可以執(zhí)行的數據采樣模式的一些實例。數據采樣模式可以包括后臺模式510，測井模式530和突發(fā)模式550。不同模式的特征在于采樣和分析什么類型的傳感器數據以及以什么采樣頻率來采樣傳感器數據。
后臺模式510可以用于以相對低的后臺采樣頻率來采樣數據，并從所有可用的傳感器340的子集產生后臺數據。測井模式530可以用于以相對中等程度的測井釆樣頻率和可用的傳感器的較大子集或全部來采樣測井數據。突發(fā)模式550可以用于以相對高的突發(fā)采樣頻率和可用的傳感器340的大的子集或全部來采樣突發(fā)數據。
每一不同數據模式可以以預定義的采樣頻率和預定義的塊大小，來收集、處理和分析來自傳感器的子集的數據。通過舉例的方式而不是限制性的，采樣頻率和塊集合大小的實例可以是對于后臺模式，2 或5采樣/秒，和每塊200秒值得采樣；對于測井模式，100采樣/秒，和每塊十秒值得采樣；對于突發(fā)模式，200采樣/秒，和每塊五秒值得采樣。可以通過可用的存儲器的量，可用功率的量或其組合來限制本發(fā)明的一些實施例。
對更詳細的模式可能需要更多存儲器，更多功率或其組合，因此，關于收集和處理最有用和最詳細的信息，自適應閾值觸發(fā)允許了最優(yōu) 化的存儲器使用、功率使用或其組合的方法。例如，自適應閾值觸發(fā) 可以適于特定類型的已知事件的檢測，例如，鉆頭渦動，鉆頭跳動，鉆頭擺動，鉆頭側移，橫向振動和扭轉振蕩。
通常，數據分析模塊300 (圖6)可以被配置為基于某些類型的事件觸發(fā)而從一個模式變換到另一模式。圖7A示出了時序觸發(fā)模式，其中從一個模式到另一模式的變換基于時序事件，例如，收集預定義數量的采樣，或計時器期滿。計時點513表示由于時序事件而從后臺模式510變換為測井模式530。時序點531表示由于時序事件而從測井模式530變換為后臺模式510。時序點515表示由于時序事件而從后臺模式510變換為突發(fā)模式550。時序點551表示由于時序事件而從突發(fā)模式550變換為后臺模式510。時序點535表示由于時序事件而從測井模式530變換為突發(fā)模式550。最后，時序點553表示由于時序事件而從突發(fā)模式550變換到測井模式530。
圖7B示出了自適應采樣觸發(fā)模式，其中從一個模式到另一模式的變換基于分析收集的數據以創(chuàng)建程度索引和程度索引是否大于或小于自適應閾值。自適應閾值可以是預定值，或可以基于收集的數據的過去的歷史的信號處理分析來對其進行修改。時序點513，表示由于自適應閾值事件而從后臺模式510變換為測井模式530。時序點531，表示由于時序事件而從測井模式530變換為后臺模式510。時序點515，表示由于自適應闞值事件而從后臺模式510變換為突發(fā)模式550。時序點551，表示由于自適應閾值事件而從突發(fā)模式550變換為后臺模式 510。時序點535，表示由于自適應闞值事件而從測井模式530變換為突發(fā)模式550。最后，時序點553，表示由于自適應閣值事件而從突發(fā) 模式550變換為測井模式530。另外，如由時序點555，所示出的，如果沒有檢測到自適應閾值事件，則數據分析模塊300可以從一個采樣塊到下一采樣塊保持任意給定的數據采樣方式。
也可以被稱為固件的用于數據分析模塊300的軟件包括用于由處理器320執(zhí)行的計算機指令。軟件可以駐留在外部存儲器330中，或處理器320內的存儲器中。圖8A-8H示出了根據本發(fā)明的軟件的實施例的主要功能。
在詳細地描述主例程之前，描述可以由處理器和模數轉換器 (ADC)執(zhí)行的收集和排列數據的基本功能。在圖8A中示出的ADC 例程780可以根據處理器中的計時器操作，可以設置該計時器以在預定義的采樣間隔產生中斷?？梢灾貜驮撻g隔以創(chuàng)建在ADC例程780 中執(zhí)行數據采樣的采樣間隔時鐘。ADC例程780可以通過對可以將測量呈現為模擬信源的任意傳感器執(zhí)行模數轉換，從而從加速計，磁強計，溫度傳感器和任意其他可選傳感器收集數據。塊802示出了可以在后臺模式中對于各種傳感器執(zhí)行的測量和計算。塊804示出可以在測井模式中對于各種傳感器執(zhí)行的測量和計算。塊806示出可以在突發(fā)模式中對于各種傳感器執(zhí)行的測量和計算。當發(fā)生時鐘中斷時進入 ADC例程780。決定塊782確定數據分析模塊當前處于哪種數據模式下操作。
如果在突發(fā)模式中，對于所有加速計和所有磁強計收集采樣(794 和796)。來自每個加速計和每個磁強計的采樣的數據被存儲在突發(fā) 數據記錄中。ADC例程780然后設置798數據就緒標記，其向主例程指示數據已經準備好待處理。
如果在后臺才莫式510中(圖7A和7B)，從所有加速計收集784 采樣。當ADC例程780從每個加速計收集數據時，其將采樣的值加到包含先前加速計測量值的和的被存儲值，從而創(chuàng)建用于每個加速計的加速計測量的累加和。ADC例程780還將采樣值的平方加到包含先前的平方值的和的被存儲值，以創(chuàng)建用于加速計測量的平方值的累加和。ADC例程780還遞增后臺數據采樣計數器，以指示已經收集了又一后臺采樣?？蛇x地，還可以收集和計算溫度以及溫度的和。
如果在測井模式中，對于所有加速計，所有磁強計和溫度傳感器收集采樣(786， 788和7卯)。ADC例程780從每個加速計和每個磁強計收集采樣值，并將采樣值加到包含先前的加速計和磁強計測量值的和的被存儲值，以創(chuàng)建加速計測量的累加和以及磁強計測量的累加和。另外，ADC例程780將每個加速計和磁強計測量的當前采樣與每個加速計和磁強計的存儲的最小值進行比較。如果當前采樣小于存儲的最小值，則將當前采樣保存為新的存儲的最小值。因此，ADC例程 780保持對于在當前數據塊中收集的所有采樣的最小采樣值。類似地，為了對于在當前數據塊中收集的所有采樣的最大采樣值，ADC例程 780將每個加速計和磁強計測量的當前采樣與每個加速計和磁強計的存儲的最大值進行比較。如果當前采樣大于存儲的最大值，將當前釆樣保存為新的存儲的最大值。ADC例程780還通過將溫度傳感器的當前采樣加到先前的溫度測量值的和的被存儲值，來創(chuàng)建溫度值的累加和。ADC例程780然后設置792數據就緒標記，其向主例程指示數據已經準備好待處理。
圖8B示出了主例程600的主要功能。在接通電源602之后，主軟件例程通過設置存儲器，啟用通信端口，啟用ADC和通常設置控制數據分析模塊所需的參數，來初始化604系統(tǒng)。主例程600然后進入開始處理收集數據的循環(huán)。主例程600主要判斷由ADC例程780 (圖8A)收集的數據是否可用于處理，當前哪個數據模式是有效的，以及是否已經收集了用于給定數據模式的整個數據塊。作為這些判斷的結果，如果數據是可用的但是還沒有處理完整個數據塊，則主例程 600可以對于任意給定模式執(zhí)行模式處理。另一方面，如果整個數據塊是可用的，主例程600可以對于任意給定模式執(zhí)行塊處理。
如在圖8B中示出的，為開始判斷處理，執(zhí)行測試606以查看操作模式當前是否被設置為后臺模式。如果是，開始后臺模式處理640。如果測試606失敗或在后臺模式處理640之后，執(zhí)行測試608以查看操作模式是否被設置為測井模式，且是否設置了來自ADC例程780 的數據就緒標記。如果是，則執(zhí)行測井操作610。以下將更全面地描述這些操作。如果測試608失敗或在測井操作610之后，執(zhí)行測試612 以查看操作模式是否被設置為突發(fā)模式，且是否設置了來自ADC例程780的數據就緒標記。如果是，則執(zhí)行突發(fā)操作614。以下將更全面地描述這些操作。如果測試612失敗或在突發(fā)操作614之后，執(zhí)行測試616以查看操作模式是否被設置為后臺模式且已經收集了后臺數據的整個塊。如果是，執(zhí)行后臺塊處理617。如果測試616失敗或在后臺塊處理617之后，執(zhí)行測試618以查看操作^=莫式是否被設置為測井模式且已經收集了測井數據的整個塊。如果是，則執(zhí)行測井塊處理 700。如果測試618失敗或在測井塊處理700之后，執(zhí)行測試620以查
看操作模式是否被設置為突發(fā)模式且已經收集了突發(fā)數據的整個塊。如果是，則執(zhí)行突發(fā)塊處理760。如果測試620失敗或在突發(fā)塊處理 760之后，執(zhí)行測試622以查看是否存在來自通信端口待處理的任意主機消息。如果是，處理主機消息624。如果測試622失敗或在處理主才幾消息624之后，主例程600循環(huán)返回到測試606以開始另一測試的循環(huán)，以參看是否任意數據，以及什么類型的數據可用于處理。當數據分析模塊被設置為數據收集模式時，該循環(huán)無限地繼續(xù)。
在圖8B中示出了測井操作610的細節(jié)。在該測井;f莫式的實例中，至少在X和Y方向中對于磁強計分析數據，以確定鉆頭旋轉得多快。在執(zhí)行該分析時，軟件維持用于在測井塊開始的時間戳的變量 (RPMinitial)，當前數據采樣時間的時間戳(RPMfinal)，包括每鉆頭旋轉的最大數目時間節(jié)拍的變量(RPMmax)，包括每鉆頭旋轉的最小數目時間節(jié)拍(tick)的變量(RPMmin)，和包括自從測井塊開始的鉆頭旋轉的當前數目的變量(RPMcnt)。在ADC例程780期間和在測井操作610期間計算所產生的測井數據可以被寫入到非易失 RAM。
由于磁強計在地球的磁場中旋轉，因此磁強計可以用于確定鉆頭旋轉。如果鉆頭被垂直地定位，則該確定是比較來自X^茲強計和Y磁強計的采樣歷史的相對簡單的操作。對于以一定角度放置的鉆頭(或許由于定向鉆探)，可能更多地涉及計算和要求來自所有三個磁強計的采樣。
還在圖8B中示出了突發(fā)操作614的細節(jié)。在該實施例中突發(fā)操作614相對簡單。由ADC例程780收集的突發(fā)數據被存儲在NVRAM 中，且清除數據就緒標記以準備好下一突發(fā)采樣。
還在圖8B中示出了后臺塊處理617的細節(jié)。在后臺塊的結尾，執(zhí)行清除操作以準備好新的后臺塊。為準備新的后臺塊，對于下一后臺塊設置完成時間，關于加速計跟蹤的變量被設置為初始值，關于溫度跟蹤的變量被設置為初始值，關于磁強計跟蹤的變量被設置為初始值，且關于RPM計算跟蹤的變量被設置為初始值。在ADC例程780 期間和在后臺塊處理617期間計算的所產生的后臺數據可以被寫入到非易失RAM。
在執(zhí)行自適應采樣時，可以由軟件作出關于當前操作何種類型的數據模式，以及是否基于時序事件觸發(fā)或自適應闊值觸發(fā)而切換到不同的數據模式的決定。自適應閾值觸發(fā)通常可以被看做在程度索引和自適應閾值之間的測試。至少三個可能的結果是從該測試中可能的。作為該測試的結果，可以發(fā)生到更多細節(jié)的數據收集模式的轉換，轉換到數據收集的細節(jié)較少的模式，或不發(fā)生轉換。
這些數據模式被定義為后臺模式510是細節(jié)最少的，測井模式 530比后臺模式510更詳細，且突發(fā)模式550比測井模式530更詳細。可以對于每個數據模式定義不同的程度索引。任意給定的程度索
引可以包含來自傳感器的采樣值，各種傳感器采樣的數學組合，或包括來自各種傳感器的歷史采樣的信號處理結果。通常，程度索引給出感興趣的特定現象的測量。例如，程度索引可以是對于由X加速計和 Y加速計感應的值的均方誤差計算的組合。
在其最簡單的形式中，自適應閾值可以被定義為特定的閾值(可能被存儲為常數)，對于該情形，如果程度索引大于或小于自適應閾值，則數據分析模塊可以切換(即，自適應采樣)到新的數據模式。在更復雜的形式中，自適應閾值可以基于歷史數據采樣或歷史數據采樣的信號處理分析來將它的值(即，自適應該閾值)改變?yōu)樾碌闹怠?br> 通常，可以對于每個數據模式定義兩個自適應閾值較低自適應閾值(也被稱為第一閾值)和較高自適應閾值(也被稱為第二閾值)。程度索引相對于自適應閾值的測試可以用于決定數據模式切換是否合乎需要。
在圖8C-8E示出并定義相對于主例程600 (圖8B)更靈活的實施例的計算機指令中，全面地示出了自適應閾值決定，但是可以并未示出數據處理和數據收集的細節(jié)。
圖8C示出了關于后臺模式處理640的一般自適應閾值測試。首先，執(zhí)行測試662以查看時間觸發(fā)模式是否有效。如果是，則操作塊 664使得數據模式可以切換到不同模式。基于預定算法，可以將數據模式切換到測井模式，突發(fā)模式，或可以在更長的預定時間期間停留在后臺模式。在切換數據模式之后，軟件退出后臺模式處理。
如果測試662失敗，則自適應閾值觸發(fā)有效，且操作塊668計算后臺程度索引(Sbk)，第一后臺閾值(Tlbk)和第二后臺閾值(T2bk)。然后，執(zhí)行測試670以查看后臺程度索引是否在第一后臺閾值和第二后臺閾值之間。如果是，則操作塊672將數據模式切換到測井模式且軟件退出后臺模式處理。
如果測試670失敗，執(zhí)行測試674以查看后臺程度索引是否大于第二后臺閾值。如果是，操作塊676將數據模式切換到突發(fā)模式且軟件退出后臺模式處理。如果測試674失敗，則數據模式保持后臺模式且軟件退出后臺模式處理。
圖8D示出了關于測井塊處理700的一般自適應閾值測試。首先，執(zhí)行測試702以查看時間觸發(fā)模式是否有效。如果是，操作塊704使得數據模式可以切換到不同模式。基于預定算法，可以將數據模式切換到后臺模式、突發(fā)模式，或可以在更長的預定時間期間停留在測井模式。在切換數據模式之后，軟件退出測井塊處理。
如果測試702失敗，則自適應閾值觸發(fā)有效，且操作塊708計算
測井程度索引(sig)第一測井閾值(Tiig)和第二測井閾值(rag)。
然后，執(zhí)行測試710以查看測井程度索引是否小于第一測井閾值。如果是，操作塊712將數據模式切換到后臺模式且軟件退出測井塊處理。
如果測試710失敗，執(zhí)行測試714以查看測井程度索引是否大于第二測井閾值。如果是，操作塊716將數據模式切換到突發(fā)模式且軟件退出測井塊處理。如果測試714失敗，數據模式保持測井模式且軟件退出測井塊處理。
圖8E示出了關于突發(fā)塊處理760的一般自適應閾值測試。首先，執(zhí)行測試782以查看時間觸發(fā)模式是否有效。如果是，操作塊784使得數據模式可以切換到不同模式。基于預定算法，可以將數據模式切換到后臺模式、測井模式，或可以在更長的預定時間期間而停留在突發(fā)模式。在切換數據模式之后，軟件退出突發(fā)塊處理。
如果測試782失敗，自適應閾值觸發(fā)有效，且操作塊788計算突發(fā)程度索引(Sbu )，第一突發(fā)閾值(Tlbu )，和第二突發(fā)閾值(T2bu )。然后，執(zhí)行測試790以查看突發(fā)程度索引是否小于第一突發(fā)閾值。如果是，操作塊792將數據模式切換到后臺模式且軟件退出突發(fā)塊處理。如果測試7卯失敗，執(zhí)行測試794以查看突發(fā)程度索引是否小于第二突發(fā)閾值。如果是，操作塊796將數據模式切換到測井模式且軟件退出突發(fā)塊處理。如果測試794失敗，數據模式保持突發(fā)模式且軟件退出突發(fā)塊處理。
在圖8F-8H示出的并定義了關于主例程600 (圖8B)的處理的另一實施例的計算機指令中，示出了數據收集和數據處理的更多細節(jié)，但并不是解釋和示出了所有決定。而是，示出各種決定以進一步說明自適應閾值觸發(fā)的一般概念。
在圖8F中示出了后臺模式處理640的另一實施例的細節(jié)。在該后臺模式實施例中，對于在X、 Y和Z方向的加速計收集數據。對于 X、 Y和Z加速計的每一個，ADC例程780 (圖8A)存儲數據作為所有后臺采樣的累加和以及所有后臺數據的平方的累加和。在后臺模式處理中，計算每一加速計的均值，方差，最大方差和最小方差的參數并存儲在后臺數據記錄中。首先，軟件在后臺數據記錄中保存642當前時間戳。然后，如在操作塊644和646中示出的那樣計算參數?？?以將均值計算為累加和除以當前對于操作塊644收集的采樣數目。該方差可以被設置為使用如操作塊646所示的等式的均方值。如果當前方差小于最小方差的任意先前值，則通過設置當前方差為最小值來確定最小方差。類似地，如果當前方差大于最大方差的任意先前值，則通過將當前方差設置為最大方差來確定最大方差。接下來，如果方差 (也被稱為后臺程度索引)大于后臺閾值，則設置648觸發(fā)標志，后臺閾值在該情況下是在開始軟件之前設置的預定值。如操作塊650所示的，測試觸發(fā)標志。如果沒有設置觸發(fā)標志，軟件跳到操作塊656。如果設置了觸發(fā)標志，則軟件變換652到測井;t莫式。在切換到測井模式之后，或如果沒有設置觸發(fā)標志，軟件可以可選地將后臺數據記錄的內容寫到656 NVRAM。在某些實施例中，使用NVRAM空間用于后臺數據可能不合乎需要。而在其他實施例中，在后臺^^莫式的同時維持至少一部分收集數據的歷史可能是有價值的。
參考圖9，對于X磁強計采樣610X和Y磁強計釆樣610Y示出了磁強計采樣歷史。參見采樣點卯2，可以看到Y磁強計采樣接近最小值且X磁強計采樣在大約卯度的相位。通過跟蹤這些采樣的歷史，軟件可以檢測何時出現完整的旋轉。例如，軟件可以檢測何時X》茲強計采樣610X變?yōu)檎?即，大于所選的值)，作為旋轉的起點。軟件然后可以檢測何時Y/P茲強計采樣610Y變?yōu)檎?即，大于所選的值)，作為發(fā)生旋轉的指示。然后，軟件可以檢測下一次X磁強計采樣610X變?yōu)檎?，其指示完整的旋轉。每次發(fā)生旋轉，測井操作更新如上所述的測井變量。
在圖8G中示出了測井塊處理700的另一實施例的細節(jié)。在該測井塊處理實施例中，軟件假定數據模式將復位到后臺模式。因此，斷開到磁強計的功率，且設置722后臺模式。如果后臺模式不適當，則在測井塊處理700中可以稍后改變數據模式。在測井塊處理700中，計算每一加速計的均值，偏差和程度的參數并存儲在測井數據記錄中。如操作塊724中所示的，計算參數?？梢杂嬎憔底鳛橛葾DC例程 780 (圖8A)準備的累加和除以對于該塊當前收集的采樣數目。設置偏差作為由ADC例程780設置的最大值減去由ADC例程780設置的最小值的量的二分之一。設置程度作為偏差乘以常數(Ksa)，該常數可以在軟件操作之前被設置為配置參數。對于每個磁強計，計算均值和跨距的參數并存儲726在測井數據記錄中。對于溫度，計算均值并存儲728在測井數據記錄中。對于在測井模式處理610期間產生的 RPM數據(在圖8B)，計算平均RPM，最小RPM，最大RPM和 RPM程度的參數并存儲730在測井數據記錄中。將程度設置為最大 RPM減去最小RPM乘以常數(Ksr)，該常數可以在軟件操作之前被設置為配置參數。在計算所有參數之后，在NVRAM中存儲732測井數據記錄。對于系統(tǒng)中的每個加速計，計算734閾值以用于確定是否應該設置自適應觸發(fā)標志。如在塊734中定義的，將閾值與初始觸發(fā)值進行比較。如果閾值小于初始觸發(fā)值，則閾值被設置為初始觸發(fā) 值。
一旦計算了用于存儲和自適應觸發(fā)的所有參數，執(zhí)行測試736以
35確定模式當前被設置為自適應觸發(fā)或基于時間的觸發(fā)。如果測試失敗
(即，基于時間的觸發(fā)有效)，則清除738觸發(fā)標志。執(zhí)行測試740 以確認數據集位于測井數據塊的結尾。如果不是，則軟件退出測井塊處理。如果數據集在測井數據塊的結尾，則設置742突發(fā)模式，且設置突發(fā)塊的完成時間。另外，待捕捉的突發(fā)塊被定義為時間觸發(fā)的 744。
如果通過了用于自適應觸發(fā)的測試736，則執(zhí)行測試746以確認設置了觸發(fā)標志，這表明基于自適應觸發(fā)計算，應該進入突發(fā)模式以收集更詳細的信息。如果通過測試746，則設置748突發(fā)模式，且設置突發(fā)塊的完成時間。另外，待捕捉的突發(fā)塊被定義為自適應觸發(fā)的 750。如果測試746失敗或在定義突發(fā)塊為自適應觸發(fā)的之后，清除觸發(fā)標志752并完成測井塊處理。
在圖8H中示出了突發(fā)塊處理760的另一實施例的細節(jié)。在該實施例中，不實施突發(fā)程度索引。代替地，軟件在完成突發(fā)塊之后總是返回到后臺模式。首先，可以斷開到磁強計的電源以節(jié)省電源，且軟件變換762到后臺模式。
在已經處理許多突發(fā)塊之后，可能完全地耗費了分配給存儲突發(fā) 采樣的存儲器的量。如果是該情況，則可能需要將預先存儲的突發(fā)塊設置為由來自下一突發(fā)塊的采樣覆蓋寫入。軟件檢查764以查看是否有任意未使用的NVRAM可用于突發(fā)塊數據。如果并沒有使用所有的突發(fā)塊，則軟件退出突發(fā)塊處理。如果所有的突發(fā)塊都被使用了 766，則軟件使用算法以尋找768用于覆蓋寫入的好的候選。
本領域一般技術人員將認識到并理解，在圖8B中示出的主例程 600在后臺模式中的每個采樣之后切換到自適應閾值測試，但是這僅僅是在測井模式和突發(fā)模式中收集了塊之后。當然，可以適于在每個模式中的每個采樣之后，或在每個模式中收集了完全的塊之后再執(zhí)行自適應閾值測試。此外，在圖8A中示出的ADC例程780示出了實現數據收集和分析的非限制性實例。在本發(fā)明的范圍內，可以構想許多
其他的數據收集和分析操作。對更詳細的模式可能需要更多存儲器，更多功率或其組合，因此，自適應闞值觸發(fā)允許了關于收集和處理最有用和詳細的信息的最優(yōu)化存儲器使用、功率使用或其組合的方法。例如，自適應閾值觸發(fā)可以適于特定類型的已知事件的檢測，例如，鉆頭渦動，鉆頭跳動，鉆頭擺動，鉆頭側移，橫向振動和扭轉振蕩。
圖10， 11和12示出了可以由數據分析模塊收集的數據類型的實例。圖10示出了扭轉振蕩。最初，磁強計測量610Y和610X示出了大約每分鐘20轉(RPM)的轉速611X，其可以表示在某個類型的地下巖層上粘著(binding)的鉆頭。磁強計然后示出了當鉆頭不受粘著力時轉速的大的增加，到大約120 RPM 611Y。該4t轉的增加也由加速計測量620X， 620Y和620Z示出。
圖11示出了由加速計收集的數據的波形(620X， 620Y和620Z )。波形630Y示出了對于Y加速計由軟件計算的方差。波形640Y示出了對于Y加速計由軟件計算的闊值?？梢詥为毜鼗蚺c其他閾值結合地使用該Y闊值，以確定是否應該發(fā)生數據模式改變。
圖12示出了如在圖11所示的由加速計收集的相同數據的波形 (620X, 620Y和620Z)。圖12還示出波形630X，其示出了對于X 加速計由軟件計算的方差。波形640X示出了對于X加速計由軟件計算的閾值?？梢詥为毜鼗蚺c其他閾值結合地使用該X閾值，以確定是否應該發(fā)生數據模式改變。
如前所述，比如以上關于圖9-12所示的時變數據可以被分析以檢測特定事件。這些事件可以用在數據分析模塊內以修改數據分析模塊的行為。通過舉例的方式且非限制性的，事件可能引起改變，比如修改到數據分析模塊內的各種元件的功率傳送，修改通信模式和修改數據收集方案?？梢孕薷臄祿占桨?，例如通過修改激活或去激活哪個傳感器，用于那些傳感器的采樣頻率，用于收集的數據的壓縮算法，對存儲在存儲器中的關于數據分析模塊的數據的量的修改，改變為數據刪除協(xié)議，對附加觸發(fā)事件分析的修改，及其他適當的改變。
觸發(fā)事件分析可能與如上所述的閾值分析一樣簡單。但是，可以執(zhí)行其他更詳細的分析，以導出基于鉆頭行為的觸發(fā)，比如鉆頭動態(tài) 分析，地層分析等。
多種算法可用于數據壓縮和模式識別。但是，大部分這些算法是基于頻率的，并要求復雜的強大的數字信號處理技術。在井下鉆頭環(huán) 境電池電源中，且產生的處理能力可能有限。因此，較低功率的數據壓縮和模式識別分析可能是有用的?？梢詫跁r間而不是基于頻率的時變數據使用其他編碼算法。這些編碼算法可以用于數據壓縮，其中僅存儲表示時變波形的產生的代碼，而不存儲初始采樣。另外，可以對產生的代碼使用模式識別以識別特定事件?？梢允褂眠@些特定事件，例如，用于自適應閾值觸發(fā)。自適應閾值觸發(fā)可以適于特定類型的已知行為的檢測，例如，鉆頭渦動，鉆頭跳動，鉆頭擺動，鉆頭側移，橫向振動和扭轉振蕩。自適應閾值觸發(fā)還可以適于用于這些鉆頭行為的各種級別的程度。
作為實例，一種這樣的分析技術包括時間編碼的信號處理和識別
(TESPAR),其在目前已經用于語音識別算法。本發(fā)明的實施例具有擴展的TESPAR分析以識別可能感興趣的鉆頭行為以記錄壓縮數據或用作觸發(fā)事件。
TESPAR分析可以被認為是以三個總體處理執(zhí)行的。首先，從時變波形提取出TESPAR參數。接下來，將TESPAR參數編碼為字符碼元。最后，可以分類，或"識別"產生的編碼。
TESPAR分析基于時變波形中實數零點(real zero)和復數零點
(complex zero)的位置。實數零點由波形的過零點表示，而復數零點可以由在過零點之間的波形的形態(tài)來近似。
圖13示出了波形和波形的TESPAR編碼。在波形的每個過零點之間的信號被稱為時期。在圖13的波形中示出了七個時期。另一 TESPAR參數是時期的持續(xù)時間。基于每個時期收集的采樣頻率，持續(xù)時間被定義為采樣的數目。為說明持續(xù)時間，采樣點被包括在對于八的持續(xù)時間示出了八個采樣的第一時期中?？梢詫铀儆嫈祿推?導數有用的實例釆樣頻率是大約100 Hz。對于TESPAR分析定義的另一參數是在時期中波形的形態(tài)。形態(tài)被定義為在時期中正的最小值的數目或負的最大值的數目。因此，第三時期的形態(tài)被定義為一，因為其對于在正的區(qū)域的波形具有一個最小值。類似地，第四時期的形態(tài)被定義為二，因為其對于在負的區(qū) 域中的波形具有兩個最大值。可以為TESPAR分析定義的最后參數是幅度，其被定義為時期內的最大峰值的幅度。例如，第七時期具有幅度13。圖13示出了用于波形的每一時期的參數，其中E-時期，D = 持續(xù)時間，S-形態(tài)，且A-幅度。
通過當前提取為TESPAR參數的波形，而不是在每個點存儲波形的采樣，波形可以被存儲為連續(xù)的時期和每個時期的參數。這表示有損數據壓縮的類型，其中需要存儲充分少的數據以適當地表示波形，但是不能以與其最初采樣時的精確度相同的精確度來再創(chuàng)建波形。
可以通過轉換TESPAR參數為碼元字符來進一步分析波形，并進一步壓縮。圖14示出了用于編碼可能的采樣數據的可能的TESPAR 字符。圖14的矩陣示出了形態(tài)參數作為列，以及示出了持續(xù)時間參數作為行，在圖14的TESPAR字符中，存在可以用于表示各種矩陣元素的28個唯一的碼元。因此，具有持續(xù)時間四和形態(tài)一的時期將由字符碼元"4，，表示。類似地，具有持續(xù)時間37和形態(tài)三的時期將由字符碼元"26"表示。
雖然在圖14中示出的字符可以用于多種的時變波形，但是可以對特定類型的數據集定義和定制不同的字符，比如對確定鉆頭動態(tài)有用的加速計和磁強計讀數。本領域一般技術人員將認識到圖14的字符僅達到持續(xù)時間37和形態(tài)5。因此，通過該字符，假定對于精確的 TESPAR表現，從一個過零點到下一過零點的持續(xù)時間將小于37采樣，且在任意給定時期內將會有不多于5個的最小值或最大值。
當每個時期可以由其字符碼元和其幅度表示時，將時期編碼為字符碼元創(chuàng)建了附加的有損壓縮。在某些應用中，可能不需要幅度并且可以簡單地存儲字符碼元。編碼圖13的波形對于時期1到7產生了 TESPAR碼元流7國13-12-16-8國10國22。對于任意給定波形，該波形可以被表示為指示在TESPAR碼元流的持續(xù)時間期間每個TESPAR碼元的出現數目的直方圖。在圖15 中示出了實例直方圖。比如在圖15中示出的直方圖通常被稱為S -矩陣。
TESPAR編碼的強度之一是其能夠容易地適于模式識別，且目前已經應用于語音識別，以識別發(fā)言者和由各個發(fā)言者說出的特定的字。本發(fā)明的實施例使用模式識別來識別可能隨后用作自適應閾值觸發(fā)的鉆頭動態(tài)的特定行為。可以識別的某些行為是渦動和粘著/打滑行為，以及基于行為的程度的變化。其他實例行為是基于切割器的鈍化程度或正在鉆探的巖層類型的鉆頭行為的變化，以及被定義為施加于鉆探總的能量與除去的巖層量相對的比能確定，或被定義為執(zhí)行的工作的實際量與可能執(zhí)行的工作的最小量相對的效率。
可以訓練人工神經網絡以識別從TESPAR碼元流導出的S -矩陣的特定模式。通過處理表現出待識別的模式的現有波形來訓練神經網絡。換句話說，為識別渦動，來自多個不同鉆頭或多個不同的出現渦動的現有加速計數據:l皮編碼為TESPAR碼元流并用于訓練神經網絡。
單個神經網絡配置如圖16所示。網絡的輸入層包括指示在波形中每個碼元出現多少次的每個TESPAR碼元的值。圖16的網絡包括在網絡的隱藏層中的五個節(jié)點和在網絡的輸出層中的六個節(jié)點，指示可以識別六個不同的模式。當然，可以在網絡中定義隱藏節(jié)點和輸出節(jié)點的多種配置，并定制待識別的行為的類型。如神經網絡分析的領域的一般技術人員理解的，網絡使用采樣的數據集合作為基于知識的訓練信息，所述訓練集表示期望的行為。教導網絡關于輸入節(jié)點的特定模式應當基于該先前知識產生關于輸出節(jié)點的特定模式。應用于網絡的訓練數據越多，則訓練網絡以識別特定的行為和那些行為的細微差別就越精確。離線地進行訓練(即，在使用如井下的數據分析模塊中實現的網絡之前)，且然后可以將獲得的經訓練的網絡載入鉆頭中的數據分析模塊中。
在該訓練階段，訓練的網絡可以用于模式識別。圖17是示出了使用TESPAR分析用于采樣數據的編碼、數據壓縮和模式識別的可能的軟件流程的流程圖。TESPAR處理800在處理塊802從一個或多個傳感器獲取數據的采樣開始。該數據可以包括來自例如加速計，磁強計等的傳感器的波形。決定塊804測試以查看在編碼之前是否需要對數據進行附加處理。如果不需要附加處理，流程在處理塊808繼續(xù)。如果需要附加處理，如由處理塊806表示的，執(zhí)行處理。該附加處理可以采取各種形式。例如，可以組合加速計數據，并從一個坐標系統(tǒng) 轉換到另一個坐標系統(tǒng)且可以過濾數據。作為另一實例，可以積分加速計數據以形成速度分布或鉆頭軌跡。
在處理塊808，如上所述地將期望的時變波形數據轉換為 TESPAR參數。如果期望該級別的數據壓縮，則可以對于每個時期存儲TESPAR參數，創(chuàng)建TESPAR參數流。
在處理塊810，如上所述地使用適當的字符將TESPAR參數轉換為TESPAR碼元。如果期望該級別的數據壓縮，可以對于創(chuàng)建 TESPAR碼元流的每個時期存儲TESPAR碼元。
在處理塊812，如以上所解釋的，通過確定在流內每個碼元的出現數目，將TESPAR碼元流轉換為S -矩陣。如果期望該級別的數據壓縮，則可以存儲S-矩陣。
決定塊814確定是否期望模式識別。如果不，則TESPAR分析僅用于數據壓縮，且處理退出。如果期望模式識別，則S-矩陣應用于訓練的神經網絡以確定是否任意訓練的鉆頭行為與S-矩陣匹配，如在處理塊816中所示的。
在處理塊818，如果存在與訓練的鉆頭行為的匹配，且該匹配的行為用作觸發(fā)事件，則觸發(fā)事件可以用于修改數據分析模塊的行為。
雖然在這里已經關于某些優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，本領域一般技術人員將識別和認識到其不限于此。而是，在不脫離本發(fā)明如在下文中要求的范圍的情況下，可以對優(yōu)選實施例做出許多添加，刪除和修改。另外，來自一個實施例的特征可以與另一實施例的特征結合，同時仍然在本發(fā)明如發(fā)明者所期待的范圍內。
權利要求
1.一種用于鉆探地下巖層的鉆頭，包括攜帶至少一個切削元件的鉆頭主體；包括中心孔的柄，穿過該柄形成所述中心孔，該柄被固定到鉆頭主體并適于與鉆柱耦合；端帽，被配置為設置在中心孔中并在柄中形成腔；至少一個傳感器，被設置在鉆頭中并被配置為通過檢測至少一個物理參數來獲得傳感器數據；和數據分析模塊，設置在鉆頭中并包括存儲器；和處理器，可操作地與存儲器和至少一個傳感器耦合，該處理器被配置為執(zhí)行計算機指令，其中計算機指令被配置用于通過采樣至少一個傳感器來收集傳感器數據；和響應于傳感器數據確定鉆頭的至少一種狀態(tài)。
2. 如權利要求1所述的鉆頭，其中，該至少一個傳感器包括壓力激活開關，包括固定部件，被設置在鉆頭主體的凹口中并被配置為在大體上位于鉆頭主體附近的壓力變化期間保持在固定位置；位移部件，被設置在凹口中并被配置為響應于大體上位于鉆頭主體附近的壓力變化而在凹口內位移；和可變形部件，被設置在固定部件和位移部件之間，并被配置為響應于大體上位于鉆頭主體附近的壓力變化而變形，以使得位移部件相對于固定部件位移；其中，該壓力激活開關被配置為響應于壓力的變化而產生壓力信號。
3. 如權利要求2所述的鉆頭，其中，該可變形部件包括從如下組中選擇的裝置，所述組包括由被配置為響應于壓力變化而改變壓力信號的壓電器件和具有為在預定壓力處的預定變形而選擇的硬度計的o 環(huán)。
4. 如權利要求2所述的鉆頭，其中，該壓力激活開關被配置為維持高壓密封和不透水密封，以保護數據分析模塊和壓力激活開關的元件。
5. 如權利要求1或2所述的鉆頭，其中，該至少一個傳感器包括負載單元，附于鉆頭主體內的負載單元腔中，其中，負載單元腔與所述腔相通，該負載單元包括第一附著部分，被配置用于附著到負載單元腔；第二附著部分，被配置用于附著到負載單元腔；應力部分，被設置在第一附著部分和第二附著部分之間，并配置有用于容納至少一個應變儀的至少一個表面；至少一個應變4義，附于該至少一個表面；和導體，可操作地與應變儀耦合并被配置為通過負栽單元腔并進入所述腔。
6. 如權利要求5所述的鉆頭，其中，該至少一個應變儀被配置用于檢測從以下組中選擇的至少一個鉆頭參數，所述組包括鉆頭上的應力，鉆壓，鉆頭上的縱向應力，由鉆頭表現出的縱向應變，鉆頭上的扭曲應力，和由鉆頭表現出的扭曲應變。
7. 如權利要求1或2所述的鉆頭，進一步包括與數據分析模塊耦合的電源；和與電源和至少一個傳感器耦合的功率選通^^塊；其中，該功率選通模塊被配置用于當所述至少一種狀態(tài)到達預定閾值時，可操作地耦合電源到數據分析模塊。
8. 如權利要求7所述的鉆頭，其中該至少一個傳感器是從如下組中選出的，所述組包括配置用于檢測鉆頭溫度的溫度傳感器和壓力激活開關；以及所述至少一種狀態(tài)是從由預定溫度和預定壓力構成的組中選出的。
9. 如權利要求1或2所述的鉆頭，其中，確定鉆頭的至少一種狀態(tài)的步驟包括響應于配置用于確定從以下組中選出的電池參數的計算機指令來確定剩余的電池壽命，所述組包括來自電池的電壓，來自電池的電流，采樣電壓的歷史，采樣電流的歷史，及其組合。
10. 如權利要求1或2所述的鉆頭，進一步包括配置用于通過執(zhí)行從以下組中選出的至少一個處理，響應于至少一種狀態(tài)來調整數據分析模塊的行為的計算機指令，所述組包括減小至少一個傳感器的采樣頻率，從至少一個傳感器斷開功率，保證到至少一個傳感器的電壓足以適當地采樣，保證存在足夠的電壓以將數據存儲到存儲器。
11. 如權利要求1或2所述的鉆頭，其中該至少一個傳感器包括設置在鉆頭內的不同位置處的至少兩組加速計，每個加速計組被配置用于檢測沿著至少一個軸的加速度；以及該計算機指令被進一步配置用于通過在一系列的采樣時間對該至少兩組加速計采樣來收集傳感器數據；和響應于收集的傳感器數據在至少一個方向上確定鉆頭的加速度。
12. 如權利要求11所述的鉆頭，其中，該計算機指令被進一步配置用于執(zhí)行傳感器數據的積分以確定在至少一個方向上的速度分布。
13. 如權利要求12所述的鉆頭，其中，該計算機指令被進一步配置用于執(zhí)行速度分布的積分以確定在至少一個方向上的鉆頭軌跡。
14. 如權利要求1或2所述的鉆頭，其中，該計算機指令被進一步配置用于分析從傳感器數據推導的信息，以導出信息的時間編碼參數流，其中，所述分析包括將信息分區(qū)為各時期，每個時期包括在過零點之間的連續(xù)的采樣；確定持續(xù)時間參數作為每個時期的采樣數；和確定形態(tài)參數作為每個時期的最小值的數目或最大值的數目。
15. 如權利要求14所述的鉆頭，進一步包括被配置用于將時間編碼參數流轉換為碼元流的計算機指令，其中碼元流中的每個碼元基于被導出作為可能的持續(xù)時間參數和可能的形態(tài)參數的組合的碼元的預定字符。
16. —種方法，包括通過采樣設置在鉆頭中的至少一個傳感器來以采樣頻率收集傳感器數據，其中，該至少一個傳感器響應于與鉆頭狀態(tài)相關聯(lián)的至少一個物理參數；和分析鉆頭中的傳感器數據以導出傳感器數據的時間編碼參數流，其中該分析包括將傳感器數據分區(qū)為各時期，每個時期包括在過零點之間的連續(xù)采樣；確定持續(xù)時間參數作為每個時期的采樣數；和確定形態(tài)參數作為每個時期的最小值的數目或最大值的數目。
17. 如權利要求16所述的方法，進一步包括確定幅度參數作為每個時期的最大絕對值采樣。
18. 如權利要求16或17所述的方法，進一步包括將時間編碼參數流轉換為碼元流，其中碼元流中的每個碼元基于被導出作為可能的持續(xù)時間參數和可能的形態(tài)參數的組合的碼元的預定字符。
19.如權利要求18所述的方法，進一步包括將碼元流轉換為直方圖，直方圖的每個元素表示字符碼元之一，且包括在碼元流中匹配該元素碼元的多個碼元；和以訓練過的神經網絡分析直方圖以確定直方圖是否表示感興趣的鉆頭行為。
20.如權利要求19所述的方法，進一步包括: 從分析直方圖導出程度索引；比較程度索引與至少一個自適應閾值；和響應于所述比較修改數據采樣模式。
全文摘要
公開了鉆頭和用于采樣與鉆頭的狀態(tài)相關聯(lián)的傳感器數據的方法。用于鉆井地下巖層的鉆頭(200)包括鉆頭主體(240)和柄(210)。柄進一步包括通過柄的內徑形成并被配置用于容納數據分析模塊(290)的中心孔(280)。數據分析模塊包括多個傳感器、存儲器和處理器(300)。處理器被配置用于執(zhí)行計算機指令以通過采樣多個傳感器來收集傳感器數據，分析傳感器數據以導出程度索引，比較該傳感器數據與至少一個自適應閾值，并響應于該比較修改數據采樣模式。一種方法包括通過在各個采樣模式中采樣與鉆頭狀態(tài)相關聯(lián)多個物理參數并在那些采樣模式之間變換來收集傳感器數據。
文檔編號E21B47/01GK101611211SQ200880005115
公開日2009年12月23日申請日期2008年2月15日優(yōu)先權日2007年2月16日
發(fā)明者D·L·普利特查德, E·C·蘇利文, K·格拉斯哥, P·E·帕斯圖塞克, P·J·魯茨, T·T·特里安申請人:貝克休斯公司

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