專利名稱：一種采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測井系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲測井系統(tǒng)，特別是一種采用應用于超聲測井儀自身準確確定測量方位的定向裝置的超聲測井系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
地下鉆孔、連續(xù)墻等是一種隱蔽工程，儀器下放至其中對其進行測量的時候，會因懸吊儀器的鋼絲繩扭力而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，若不借助一定的定位方法，地面上的人員無法知道儀器的轉(zhuǎn)動情況。測井儀可用的定向方法有雙鋼絲繩導向、標志鋼絲繩定向、磁通門、磁羅盤和陀螺幾種。
山東科技大學的“SKD-1型大口徑超聲測井儀”和“SD-1型深井測井儀”采用的是雙鋼絲繩導向，該方法簡單可靠，缺點是定位子系統(tǒng)占用空間、系統(tǒng)復雜、不利于小直徑鉆孔的測量。
日本CKODEN公司的“DM684型測斜儀”采用的是雙繩懸吊方式，測井電纜與懸吊鋼絲繩同步運動，該定位方式也比較簡單，與雙鋼絲繩導向定位法的結(jié)果和原理基本相似，但該儀器配套的絞車傳動裝置比較復雜，在井深100m之內(nèi)能較好定向，測井深度受到限制，不能用于深井測量。
標志鋼絲繩定向是一種稱為《SUGI型豎井幾何參數(shù)測量儀》的測井儀所采用的定向方式。即將一根鋼絲繩預先放置在井筒中，作為測量平面的參照方位。這種方法在水中由于標志鋼絲繩的回波明顯，可以取得較好的效果，但在洗井泥漿中和在小直徑井孔中則使用困難。
磁通門和磁羅盤都是依賴地球磁北來定向，曾在山東科技大學的“SD-3A型測井儀”中使用，該方法可簡化定位系統(tǒng)，減小儀器體積。缺點是其定向精度會受到地磁變化、鉆孔地質(zhì)條件的影響，不能用于金屬礦井或地層富含金屬的鉆孔的測量。
陀螺定向方法是地質(zhì)鉆探和石油鉆井中使用的一些井下測量儀器常采用的方法，也曾在山東科技大學的“SD-2A型鉆井法鑿井測井儀”中使用。當時采用的是機械陀螺定向，但其結(jié)構(gòu)復雜、易損壞、抗震性差、精度低性能也不夠穩(wěn)定。


發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種提高超聲測井儀自身定向精度、拓寬井下儀測量范圍的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測井系統(tǒng)。
為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測井系統(tǒng)，包括井下儀、所述井下儀通過鎧裝電纜繞過滑輪依次連接深度儀和測井絞車，所述測井絞車還連接地面工作站；所述深度儀用于測量所述井下儀下放的深度； 所述井下儀包括依次連接的懸掛裝置、主體裝置、換能器裝置和配重裝置，所述主體裝置內(nèi)部固定光纖陀螺，用于測量所述井下儀自身定位方向；所述換能器裝置均勻分布若干個換能器，所述換能器用于發(fā)出超聲波并接收回波測量井的孔徑； 所述深度儀、所述光纖陀螺、所述換能器分別將測量數(shù)據(jù)發(fā)送至地面工作站； 所述地面工作站用于對所述光纖陀螺測量的數(shù)據(jù)、所述深度儀測量的數(shù)據(jù)和所述換能器測量的數(shù)據(jù)，進行處理，并計算獲得井筒的立體圖形及參數(shù)。
本發(fā)明的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測井系統(tǒng)，其中所述主體裝置中設置中空凸臺，所述光纖陀螺固定在所述凸臺上。
本發(fā)明的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測井儀系統(tǒng)，其中所述井下儀旋轉(zhuǎn)過的角度，設為θ，

其中ω為光纖陀螺測量到的角速度。
本發(fā)明的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其中所述地面工作站對所述光纖陀螺測量的定位方向數(shù)據(jù)進行單步線性預測插值。
本發(fā)明的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其中所述地面工作站對所述光纖陀螺測量的自身定位方向數(shù)據(jù)進行插值，下一刻所述光纖陀螺的輸出角度設為θ(n+1)，

其中T為時間段，p為標記點的方位輸出個數(shù)，θ(n)為當前輸出角度。
本發(fā)明的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其中所述主體裝置內(nèi)部固定有“井”字架，所述“井”字架上固定有超聲發(fā)射驅(qū)動處理電路。
本發(fā)明的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其中所述換能器的接線在內(nèi)部匯總并在所述換能器裝置上端面中間引出，連接所述超聲發(fā)射驅(qū)動處理電路。
本發(fā)明的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其中所述超聲發(fā)射驅(qū)動處理電路驅(qū)動所述換能器發(fā)射超聲波，處理換能器接收的回波，并將處理的信息發(fā)送到所述地面工作站中。
本發(fā)明的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其中所述換能器裝置周圍等分固定八個換能器。
本發(fā)明的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其中所述地面工作站還對所述深度儀測量的深度進行線性插值，對所述換能器測量的孔徑數(shù)值分別進行線性插值。
采用光纖陀螺定向，光纖陀螺安裝在儀器內(nèi)部，其定向方式簡單，體積小，重量輕，可有效取消類似“SKD-1型大口徑超聲測井儀”和“DM684型測斜儀”系統(tǒng)中絞車重錘鋼絲繩等繁雜粗笨的導向系統(tǒng)，大大精簡儀器、簡化操作、方便使用。儀器小型化后使用范圍(如小直徑井孔測量)得以拓寬。光纖陀螺基本不受磁場和溫度變化的影響，所以比磁通門、磁羅盤和機械陀螺的定向精度高、穩(wěn)定度好。光纖陀螺定向使現(xiàn)有井下儀自身定向準確度、可靠性及儀器適用范圍得到進一步提升。



圖1是本發(fā)明超聲測井儀系統(tǒng)的示意圖； 圖2是本發(fā)明超聲測井儀系統(tǒng)井下儀的剖視圖； 圖3是圖2的左視剖面圖； 圖4是本發(fā)明超聲測井儀井下儀所處坐標系示意圖； 圖5是圖4的旋轉(zhuǎn)角度示意圖； 圖6是本發(fā)明超聲測井儀的換能器裝置示意圖； 圖7是圖6的旋轉(zhuǎn)45°示意圖； 圖8是本發(fā)明超聲測井儀系統(tǒng)井下儀所處坐標系插值示意圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測井系統(tǒng)的實施方式進行詳細說明。
參見圖1，本發(fā)明的超聲測井系統(tǒng)包括井下儀1、深度儀2、測井絞車3、鎧裝電纜4、滑輪5、地面工作站6和打印機7，井下儀1由鎧裝電纜4吊系，鎧裝電纜4繞過滑輪5依次連接深度儀2和測井絞車3，測井絞車3還連接地面工作站6，地面工作站連接打印機7。
參見圖2和圖3，井下儀1包括懸掛裝置101、主體裝置102、換能器裝置103和配重裝置104四部分。
懸掛裝置101為半封閉的圓柱形空腔，一端封閉，在封閉端面中間開壺塞型接線孔1a，孔壁盡量粗糙，并焊接連接掛鉤1b，另一端為帶連接端面的敞口設計。
主體裝置102為的兩端帶連接端面的圓柱形結(jié)構(gòu)，是一個兩端封閉并留有接線孔的空腔，空腔內(nèi)放置超聲發(fā)射驅(qū)動處理電路1c和光纖陀螺1d，上封閉面為焊接式封閉，在封閉端面的中間開壺塞式接線孔1e，孔壁盡量粗糙，上封閉面的下部固定有“井”字架1i，下封閉面為鑄造式封閉，封閉面上設計了為固定元器件的中空凸臺1f，凸臺1f側(cè)面開圓形接線孔1g，所開接線孔的孔壁盡量粗糙，光纖陀螺1d的引線接頭依次從接線孔1g和1e伸出，光纖陀螺1d對稱于井下儀1中軸線固定在凸臺1f上，超聲發(fā)射驅(qū)動處理電路1c固定于“井”字架1i上。光纖陀螺1d和超聲發(fā)射驅(qū)動處理電路1c的引線分別從接線孔1e伸出連接到鎧裝電纜4中。
換能器裝置103采用換能器一體化設計，為兩端帶連接端面的圓柱形實體結(jié)構(gòu)。柱體上等分布嵌入式地安裝著八個換能器1h，換能器1h與殼體成為一體，換能器1h的接線在內(nèi)部匯總并在換能器裝置103上端面中間引出，連接超聲發(fā)射驅(qū)動處理電路1c。超聲發(fā)射驅(qū)動處理電路1c驅(qū)動換能器1h發(fā)射超聲波，處理換能器接收的回波，并將處理的信息發(fā)送到地面工作站6中。
配重裝置104為金屬圓柱體結(jié)構(gòu)，一端帶有連接端面。
懸掛裝置101、主體裝置102、換能器裝置103和配重裝置104四部分用長螺栓進行端面連接固定在一起。
超聲測井儀系統(tǒng)的工作過程是井下儀1由鎧裝電纜4吊系，鎧裝電纜4吊系在懸掛裝置101的掛鉤1b上，通過測井絞車3將井下儀1下放到井筒中。在下放過程中，超聲發(fā)射驅(qū)動處理電路1b驅(qū)動換能器1h發(fā)出測距超聲波，八個方向的超聲波遇到井壁而發(fā)生反射，回波被該方向的換能器1h接收，發(fā)射波和回波轉(zhuǎn)換后通過鎧裝電纜4傳送到地面工作站6，再經(jīng)過處理后得到該剖面各個方向上的井徑值；同時深度儀2測出井下儀所處的深度位置；光纖陀螺1d測出標志點的方向，并據(jù)此求出每個換能器1h所指方向。由井徑、方向和深度組成了三維數(shù)據(jù)組。隨著井下儀的下放，在每個測量平面上都獲得相應的三維數(shù)據(jù)組，由電纜實時傳送到地面工作站6進行插值等處理，得到井筒的立體圖形及相關(guān)參數(shù)并顯示出來，還能夠把各個通道上的波形進行采集，顯示出各通道的超聲發(fā)射波和回波，以便于進行分析和調(diào)節(jié)。
參見圖4、圖5、圖6和圖7，光纖陀螺1d是測量載體角速度的，其輸出與載體角速度成正比?；诠饫w陀螺的定向原理是建立井下儀三維立體坐標系，井下儀1中軸(即垂直于井口的中軸線)為坐標軸z軸，以換能器1h所處的水平面建立x，y坐標系。因光纖陀螺1d、換能器1h和井下儀1外殼三者為剛性連接，所以他們在水平面上的動作是相同的，即三者所處的水平面可重合起來研究，這里選用井下儀1外殼上表面為參照水平面，建立x，y坐標系。
測井初始時，在井下儀1外殼做一個標記A作為測井初始參考點。測量時首先確定初始時刻(t0＝0)A標記的真實的初始方位，設井下儀初始方位為x軸方向，即A點在x軸上，設八個換能器1h分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#和8#相對于A點的固定角度為0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°，在測量過程中，因懸吊的鎧裝電纜4扭力使井下儀發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而換能器1h的測量方向發(fā)生改變，設t(t≥0)時刻井下儀旋轉(zhuǎn)過的角度為θ，θ是通過對光纖陀螺測量到的角速度ω進行積分得到(單位為“度”)，即
每個換能器1h的方位由它們對標記點的相對位置和井下儀轉(zhuǎn)過的角度θ得到，即為(0+θ)°，(45+θ)°，(90+θ)°，(135+θ)°，(180+θ)°，(225+θ)°，(270+θ)°和(315+θ)°，其中θ是帶正負符號的值，正號表示井下儀旋轉(zhuǎn)的方向是順時針，負號表示井下儀旋轉(zhuǎn)的方向是逆時針。圖6、圖7給出了旋轉(zhuǎn)45°的示意圖。
本發(fā)明采用了超聲測井儀自身定向裝置的超聲測井儀系統(tǒng)，采用三維度數(shù)據(jù)插值方法等處理方法進行數(shù)據(jù)處理，得到井筒的立體圖形及相關(guān)參數(shù)并顯示出來。為了方便說明三維度數(shù)據(jù)插值方法，設置了參見圖8所示的三維坐標系。其中原點位于井口平面與井下儀中軸線(也認為是鎧裝電纜所在直線)的交點，x軸指向測量0時刻井下儀外殼上標記點A點所指方向，y軸與x、z軸垂直。隨著井下儀的下放，井下儀會發(fā)生繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)過的角度(即標記點與x軸的夾角)可由光纖陀螺給出。三維插值可在每次實測之后進行，上平面1j和下平面1k為實測平面，得到實測三維數(shù)據(jù)，上平面1j和下平面1k之間的中平面1m為插值所得，得到的插值三維數(shù)據(jù)。也可以在兩次實測數(shù)據(jù)之間插出更多的平面。
測井儀的三維數(shù)據(jù)，其實可認為是相互獨立的。對于孔徑數(shù)據(jù)來說，隨著井下儀1的緩慢旋轉(zhuǎn)，某方向前后兩次測量點不但在z軸方向上(即軸向)有變化，而且在水平面上所指方向(與x軸夾角)也有微變，測量值為井壁上兩點到換能器的距離，井壁徑向的變化隨機性是比較大的，因此，這是一個三維的變化，插值需要在三維空間展開。若三維綜合考慮，插值是非常復雜的。但對于本發(fā)明中的超聲測井儀系統(tǒng)來說，三個維度的變化幾乎完全獨立，因此三維空間插值可分在三個維度上獨立進行。因此，八向孔徑、方向和深度數(shù)據(jù)三維度插值技術(shù)可以依次進行，首先結(jié)合光纖陀螺定向的特點，對方向數(shù)據(jù)進行插值；再針對提升系統(tǒng)的特點，對深度數(shù)據(jù)進行插值；在此基礎(chǔ)上，基于孔徑數(shù)據(jù)特點，對孔徑數(shù)據(jù)進行插值。
首先考慮定位方向(也即標記點A與x軸夾角)的插值。方向會發(fā)生變化是因為懸吊的鋼絲繩存在扭力，在下放的過程中逐漸釋放出來，帶動儀器緩緩旋轉(zhuǎn)。這個旋轉(zhuǎn)在短時間內(nèi)可以認為是勻速的，而由此產(chǎn)生的方向變化也可認為是漸變的。鑒于這個特點，方向數(shù)值域的插值，可采用單步線性預測的方法來進行。
假設在時間段T內(nèi)，標記點A的方位輸出有p個，當前輸出為θ(n)，則下一時刻的輸出可由其前p個輸出通過預測外推出來，為 根據(jù)確定性最小二乘濾波器理論，使預測誤差達到最小的測濾波器應該滿足 Ra＝r(2) 其中r＝[rθ(1)rθ(2)…rθ(p)]T，為序列θ(n)(i＝n-p+1，n-p+2，…，n-1，n)的自相關(guān)向量；a＝[a(1)a(2)…a(p)]T，為預測濾波器向量；R是由自相關(guān)向量構(gòu)成的自相關(guān)矩陣，為 根據(jù)式(2)關(guān)系，可求出p個預測系數(shù)a(1)，a(2)，…，a(p)，插值方向可由式(1)給出。
其次考慮z軸向上的深度插值。Z軸位置的變化來自于測井絞車4上下放井下儀1，并通過深度儀2測量。而前后兩次測量時間間隔不大于1秒，在這么短的時間內(nèi)，可認為井下儀1在做垂直勻速運動，則垂直軸向維度上的插值益采用線性插值。設前后兩個時刻井下儀深度位置分別為h(t1)和h(t2)，則對任一t∈[t1，t2]，其深度位置h(t)為 最后考慮徑向插值。鉆孔井壁是極其不規(guī)則的，光滑性好的拋物線插值、三次樣條插值并不適合于此種情況，效果不一定很好，而且計算復雜，因此徑向維度上的插值采用線性插值，簡單易行，誤差也不會很大。方向i孔徑前后兩個時刻測量值與測量點的空間位置有關(guān)，分別表示為di(h1，θn)和di(h2，θn+2)，其中h1＝h(t1)，h2＝h(t2)，θn＝θ(n)，θn+2＝θ(n+2)。則對空間位置為(h，θn+1)的測量點，其孔徑數(shù)值di(h，θn+1)滿足(5)式中的關(guān)系，解此方程即可得到。
其中 lx＝di(h2，θn+2)cos(θn+2)-di(h1，θn)cos(θn)，ly＝di(h2，θn+2)sin(θn+2)-di(h1，θn)sin(θn)， x＝di(h2，θn+1)cos(θn+1)-di(h1，θn)cos(θn)，y＝di(h2，θn+1)sin(θn+1)-di(h1，θn)sin(θn)。
若測量了a次，方向的測量值就有a個，通過預測插值，可得到2a-1次測量方向。實際測量值和預測值交叉排列，因此上述下標n和n+2代表的是真實測量值，而n+1代表的是預測值。
采用光纖陀螺定向，光纖陀螺安裝在儀器內(nèi)部，其定向方式簡單，體積小，重量輕，可有效取消類似“SKD-1型大口徑超聲測井儀”和“DM684型測斜儀”系統(tǒng)中絞車重錘鋼絲繩等繁雜粗笨的導向系統(tǒng)，大大精簡儀器、簡化操作、方便使用。儀器小型化后使用范圍(如小直徑井孔測量)得以拓寬。光纖陀螺基本不受磁場和溫度變化的影響，所以比磁通門、磁羅盤和機械陀螺的定向精度高、穩(wěn)定度好。光纖陀螺定向使現(xiàn)有井下儀自身定向準確度、可靠性及儀器適用范圍得到進一步提升。
以上的實施例僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設計精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進，均應落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測井系統(tǒng)，包括井下儀(1)、所述井下儀(1)通過鎧裝電纜(4)繞過滑輪(5)依次連接深度儀(2)和測井絞車(3)，所述測井絞車(3)還連接地面工作站(6)；所述深度儀(2)用于測量所述井下儀(1)下放的深度；
其特征在于，所述井下儀(1)包括依次連接的懸掛裝置(101)、主體裝置(102)、換能器裝置(103)和配重裝置(104)，所述主體裝置(102)內(nèi)部固定光纖陀螺(1d)，用于測量所述井下儀(1)自身定位方向；所述換能器裝置(103)均勻分布若干個換能器(1h)，所述換能器(1h)用于發(fā)出超聲波并接收回波測量井的孔徑；
所述深度儀(2)、所述光纖陀螺(1d)、所述換能器(1h)分別將測量數(shù)據(jù)發(fā)送至地面工作站(6)；
所述地面工作站(6)用于對所述光纖陀螺(1d)測量的數(shù)據(jù)、所述深度儀(2)測量的數(shù)據(jù)和所述換能器(1h)測量的數(shù)據(jù)，進行處理，并計算獲得井筒的立體圖形及參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測井系統(tǒng)，其特征在于，所述主體裝置(102)中設置中空凸臺(1f)，所述光纖陀螺(1d)固定在所述凸臺(1f)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測井儀系統(tǒng)，其特征在于，所述井下儀(1)旋轉(zhuǎn)過的角度，設為θ，
其中ω為光纖陀螺測量到的角速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其特征在于，所述地面工作站(6)對所述光纖陀螺(1d)測量的定位方向數(shù)據(jù)進行單步線性預測插值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其特征在于，所述地面工作站(6)對所述光纖陀螺(1d)測量的自身定位方向數(shù)據(jù)進行插值，下一刻所述光纖陀螺(1d)的輸出角度設為θ(n+1)，
其中T為時間段，p為標記點的方位輸出個數(shù)，θ(n)為當前輸出角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其特征在于，所述主體裝置(102)內(nèi)部固定有“井”字架(1i)，所述“井”字架(1i)上固定有超聲發(fā)射驅(qū)動處理電路(1c)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其特征在于，所述換能器(1h)的接線在內(nèi)部匯總并在所述換能器裝置(103)上端面中間引出，連接所述超聲發(fā)射驅(qū)動處理電路(1c)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲發(fā)射驅(qū)動處理電路(1c)驅(qū)動所述換能器(1h)發(fā)射超聲波，處理換能器接收的回波，并將處理的信息發(fā)送到所述地面工作站(6)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其特征在于，所述換能器裝置(103)周圍等分固定八個換能器(1h)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測量儀系統(tǒng)，其特征在于，所述地面工作站(6)還對所述深度儀(2)測量的深度進行線性插值，對所述換能器(1h)測量的孔徑數(shù)值分別進行線性插值。
全文摘要
一種采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測井系統(tǒng)，包括井下儀、井下儀通過鎧裝電纜繞過滑輪依次連接深度儀和測井絞車，測井絞車連接地面工作站；深度儀測量井下儀下放的深度；井下儀的主體裝置內(nèi)部固定光纖陀螺，測量所述井下儀自身定位方向；換能器裝置均勻分布若干個換能器，換能器發(fā)出超聲波并接收回波測量井的孔徑；地面工作站對光纖陀螺測量的定位方向數(shù)據(jù)進行單步線性預測插值，對深度儀測量的深度進行線性插值，對換能器測量的孔徑數(shù)值分別進行線性插值，并計算獲得井筒的立體圖形及參數(shù)。從而提供一種提高超聲測井儀自身定向精度、拓寬井下儀測量范圍的采用超聲測井儀自身定向裝置的超聲測井系統(tǒng)。
文檔編號E21B47/01GK101761330SQ20101013719
公開日2010年6月30日 申請日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者曹茂永, 范迪, 孫農(nóng)亮 申請人:山東科技大學