一種鉆井智能角差測量裝置和角差測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鉆井智能角差測量裝置和角差測量方法，測量裝置包括安裝在環(huán)形腔體中的地磁場信號采集單元，環(huán)形腔體內(nèi)還安裝了用于校準地磁場信號采集單元的水平校準單元；所述地磁場信號采集單元連接地磁場信號預處理單元，地磁場信號預處理單元連接角差測量單元。通過調整刻度盤起點的位置對準MWD的零點或鉆具的零點，對地磁場信號進行采集、預處理、計算等步驟得出角差值；安裝有水平儀確保儀器水平的情況下測量角差，只需測量兩次即可完成，測量便捷，大大的簡化了測量的次數(shù)，提高了效率，降低了測量的誤差。
【專利說明】一種鉆井智能角差測量裝置和角差測量方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油鉆井中定向井、水平井使用的鉆具角差測量工具【技術領域】，是一 種鉆井智能角差測量裝置和角差測量方法。

【背景技術】
[0002] 在石油鉆井過程中，定向井、水平井等井鉆井技術在石油工業(yè)領域具有廣泛的應 用前景，已成為世界石油工業(yè)的發(fā)展趨勢之一。其關鍵技術之一是必須精確的實現(xiàn)井眼軌 跡的控制，隨鉆測量技術作為實時監(jiān)測井眼軌跡的工具在定向井、水平井等中大量應用。
[0003] 在實際的鉆井過程中，由于隨鉆測量MWD系統(tǒng)的測量零點與井下動力鉆具的零 點不能夠完全重合，常常存在一定的角度差，這種角差直接會導致對井眼軌跡控制不利， 因此需要測量角差是井底MWD儀器內(nèi)方位傳感器的測量零點與動力鉆具彎接頭方位的差 值，來校準實際鉆頭方位、工具面的測量值。目前常用的方法有：（1)通過重物懸垂，測量 角差，其原理是在無磁懸掛刻線處固定一個標志物，然后提升鉆具直至動力鉆具刻線處，然 后目測無磁懸掛標志物在動力鉆具圓周處的位置并做標記，測量該標記順時針到動力鉆具 刻線處的圓周長度及此處動力鉆具周長，最后通過計算得出MWD的工具面角差。（2)通過 瞄準鏡的方式，觀測角差。申請?zhí)?01210036264. 3發(fā)明了一種油田鉆井儀器工具面角差 測量工具，包括板狀瞄準工具、管狀瞄準工具和瞄準鏡。（3)通過激光器測量角差。專利 201120186766. 5,在MWD短接上固定安裝垂直朝下的光源，在鉆具上固定安裝有與光源相 對應的角度盤，在角度盤上有角度刻度，通過光源讀取角度盤上的度數(shù)。（4)指南針測量角 差。專利號201220550104. 6發(fā)明的角差測量裝置包括主檢測儀和輔助檢測儀，采用數(shù)字指 南針測量角差并用無線數(shù)據(jù)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的接收機。以上幾種發(fā)明都在一定程度 上提高了角差測量的精度，然而存在問題是，瞄準的方式中，角差的計算需人工計算，指南 針的方式在現(xiàn)場調整方位困難，而采用激光器的光源方式中，刻度盤需人工旋轉操作，由于 鉆柱不固定，單次測量有一定的誤差，且費時費力，效率低，均沒有實現(xiàn)角差的自動測量功 能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決隨鉆的定向井、水平井使用的鉆具角差測量工具中易于 出現(xiàn)誤差的問題，提供一種智能測量、測量精度高的鉆井智能角差測量裝置和角差測量方 法。
[0005] 本發(fā)明角差測量裝置的技術方案是：
[0006] 包括安裝在環(huán)形腔體中的地磁場信號采集單元，環(huán)形腔體內(nèi)還安裝了用于校準地 磁場信號采集單元的水平校準單元；所述地磁場信號采集單元連接用于對地磁信號進行放 大、濾波的地磁場信號預處理單元，地磁場信號預處理單元連接用于對預處理后的地磁信 號進行A/D轉換、計算得出角差值并顯示的角差測量單元。
[0007] 所述的地磁場信號采集單元包括用于采集地磁信號的傳感器，傳感器與地磁場信 號預處理單元相連接；所述傳感器為3個相互垂直的磁通門傳感器、重力加速度計或磁阻 傳感器。
[0008] 所述地磁場信號預處理單元包括用于放大采集到的地磁信號的放大器，和用于濾 除地磁信號采集時的干擾和噪聲的濾波器；所述的濾波器與角差測量單元相連接。
[0009] 所述的放大器的放大倍數(shù)為1?5000 ;所述濾波器為帶通濾波器，其頻帶為 0. 1 ?5000Hz。
[0010] 所述的角差測量單元包括對采集到的地磁數(shù)據(jù)進行處理、計算校準得出角差值的 中央處理單元、能夠發(fā)送角差值的控制電路、顯示模塊和電源；所述中央處理單元為含有 16位或24位或32位A/D的DSP或ARM微型處理器；所述的控制電路包括通信數(shù)據(jù)總線接 口和控制驅動電路；所述的通信數(shù)據(jù)總線與顯示模塊或MWD系統(tǒng)地面接收箱進行通信；所 述的通信數(shù)據(jù)總線協(xié)議為RS232、RS485或CAN協(xié)議；所述的電源為電池或電池組。
[0011] 所述的水平校準單元包括水平儀；所述的環(huán)形腔體中對稱設置有兩個水平儀。
[0012] 所述地磁場信號預處理單元、角差測量單元均設置在環(huán)形腔體中，所述環(huán)形腔體 外設置有兩個對稱的手柄，且環(huán)形腔體和兩個手柄均被剖分為固定連接的兩部分。
[0013] 所述的手柄上安裝有用于啟動測量裝置的啟動開關；所述的環(huán)形腔體表面嵌刻有 用于指示方位角的刻度盤和指針。
[0014] 本發(fā)明鉆井智能角差測量方法的技術方案是：包括如下步驟：
[0015] (1)檢查電池、水平儀等，進行裝置的地面自檢和模擬測試；清潔鉆具表面；
[0016] ⑵在無磁鉆鋌與彎螺桿在鉆臺上完成連接后，安裝環(huán)形腔體，調整刻度盤的起點 指向無磁鉆鋌的定向傳感器測量零點；
[0017] (3)調整水平儀，當裝置水平后，固定裝置；打開電源，讀數(shù)Q1 ;完成后，拆卸角差 測量裝置；
[0018] (4)提鉆，在鉆具上安裝環(huán)形腔體，使得刻度盤的起點指向鉆具的零點，調整水平 儀，水平后，固定裝置，打開電源，讀數(shù)Θ 2 ;完成后，拆卸角差測量裝置；
[0019] (5)計算θ「θ2即可直接讀出角差的讀數(shù)，即為實際MWD與鉆具間的角差值。
[0020] 所述的角差值通過顯示模塊顯示或通過通信總線傳輸?shù)組WD系統(tǒng)地面接收箱；所 述的顯示模塊為液晶顯示屏。
[0021] 相對現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益的技術效果：
[0022] 本發(fā)明利用地球磁場的水平分量永遠指向磁北極的原理，通過水平校準單元保證 地磁場信號采集單元始終水平，從而采集地磁場信號，再通過預處理單元對信號進行放大 濾波等，角差測量單元對經(jīng)過預處理后的地磁信號進行A/D轉換，并進行計算、校準得出角 差值。本發(fā)明地磁場信號采集單元在水平校準單元作用下始終水平，避免安裝、鉆具表面不 潔、鉆具傾斜等狀況下的測量誤差，有效提高測量精度；本發(fā)明采用高精度的地磁場信號采 集單元、地磁場信號預處理單元、角差測量單元，實現(xiàn)對角差的智能測量，極大提高了角差 測量的精度，有效避免了人為因素測量誤差較大或易于出錯的問題，有利于提高施工過程 中施工的精度，獲得更為理想的井眼軌跡。本發(fā)明可用于定向井、水平井、多分支井等隨鉆 測量系統(tǒng)與鉆具角差的測量，尤其適用于油倉小的井和深井，能夠極大提高效率和準確率。
[0023] 進一步，本發(fā)明通過高精度的磁感應傳感器采集地磁信號，地磁場通常為 50 μ T?60 μ Τ，通過選擇合適的高精度、高分辨率的傳感器，包括磁通門傳感器、重力加速 度計、MEMS加速度計或磁阻傳感器等能夠測量地磁場的傳感器，測量地磁場，提高角差測量 的精度。
[0024] 進一步，設置信號放大器和濾波器，由于高精度傳感器輸出的有效值信號一般為 毫伏級，因此在進行A/D采樣前，將傳感器輸出的信號進行放大和濾波，提高了測量精度， 此處一般選用的是低噪聲、低功耗、高性能的放大器和濾波器。
[0025] 進一步，本發(fā)明由具有運算功能的控制核心微處理器、通信總線接口、控制電路、 顯示模塊等組成角差測量單元，完成以下工作：①通過高速高精度A/D接收傳感器測量的 數(shù)據(jù)；②通過算法編程實現(xiàn)對微弱電磁信號的預處理和檢測，采用先進的數(shù)字信號處理方 法對微弱地磁信號的處理與測量；③通過DSP或ARM，可編程實現(xiàn)對信號的處理，測量信號 通過軟件算法計算角差，避免了裝置的硬件的復雜性，測量值通過軟件比較、處理、校準算 法來實現(xiàn)的，這樣可以便捷地、在線修改算法的參數(shù)，提高角差測量裝置的抗干擾能力，實 現(xiàn)信號的顯示與通訊；④通過RS232、RS485、CAN或其他總線技術將測量的角差值傳輸給實 時顯示裝置或MWD系統(tǒng)的地面接收箱，由MWD系統(tǒng)直接讀取角差初值，自動進行校準；⑤顯 示模塊可直接顯示角差值。
[0026] 進一步，水平儀對稱安裝，使角差測量裝置安裝更精準，使測量更精確。
[0027] 進一步，各模塊都設置在環(huán)形腔體中，且環(huán)形腔體被剖分為兩部分，能夠通過兩個 手柄固定連接，使安裝拆卸方便快捷，提高工作效率。
[0028] 進一步，安裝啟動開關，便于控制；設置刻度盤和指針，便于確定起點并指示方位 角。
[0029] 本發(fā)明測量方法中，無論測量裝置是安裝在裝有MWD無磁鉆鋌還是鉆具的鉆桿 上，它的指針始終指向"北"，這樣就只需要通過調整刻度盤起點的位置對準MWD的零點或 鉆具的零點，安裝有水平儀確保儀器水平的情況下測量角差，只需測量兩次即可完成，測量 便捷，大大的簡化了測量的次數(shù)，降低了測量的誤差。
[0030] 進一步，本發(fā)明測量方法能夠實時顯示角差測量值，測量值可存儲，亦可通過 RS232、RS485或CAN等其他總線技術傳輸至MWD系統(tǒng)的地面接收箱或其他終端，測量避免 了人為因素易于出現(xiàn)的誤差，以及其他采用光源目測角差所帶來的誤差。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明角差測量原理圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明角差結構信號處理結構圖；
[0033] 圖3是本發(fā)明角差測量裝置結構圖；
[0034] 圖4是本發(fā)明鉆井智能角差測量裝置方位刻度盤；
[0035] 圖5是本發(fā)明角差測量裝置示意圖。
[0036] 其中：1-傳感器；2_水平儀；3_液晶顯不屏；4_電池盒；5_角差測量電路板；6_手 柄；7-環(huán)形腔體；8-定位螺栓。

【具體實施方式】
[0037] 以下結合附圖對本發(fā)明做詳細說明。
[0038] 參見圖1，本發(fā)明測量原理：根據(jù)地球磁場的水平分量永遠指向磁北極的原理，本 發(fā)明利用高精度傳感器測量大約為0. 5?0. 6高斯的地磁信號的水平分量Hx，Hy，則可以得 到磁場北極的方位角

【權利要求】
1. 一種鉆井智能角差測量裝置，其特征在于：包括安裝在環(huán)形腔體中的地磁場信號采 集單元，環(huán)形腔體內(nèi)還安裝了用于校準地磁場信號采集單元的水平校準單元；所述地磁場 信號采集單元連接用于對地磁信號進行放大、濾波的地磁場信號預處理單元，地磁場信號 預處理單元連接用于對預處理后的地磁信號進行A/D轉換、計算得出角差值并顯示的角差 測量單元。
2. 根據(jù)權利要求1所述的鉆井智能角差測量裝置，其特征在于：所述的地磁場信號采 集單元包括用于采集地磁信號的傳感器，傳感器與地磁場信號預處理單元相連接；所述傳 感器為3個相互垂直的磁通門傳感器、重力加速度計或磁阻傳感器。
3. 根據(jù)權利要求2所述的鉆井智能角差測量裝置，其特征在于：所述地磁場信號預處 理單元包括用于放大采集到的地磁信號的放大器，和用于濾除地磁信號采集時的干擾和噪 聲的濾波器；所述的濾波器與角差測量單元相連接。
4. 根據(jù)權利要求3所述的鉆井智能角差測量裝置，其特征在于：所述的放大器的放大 倍數(shù)為1?5000 ;所述濾波器為帶通濾波器，其頻帶為0. 1?5000Hz。
5. 根據(jù)權利要求1所述的鉆井智能角差測量裝置，其特征在于：所述的角差測量單元 包括對采集到的地磁數(shù)據(jù)進行處理、計算校準得出角差值的中央處理單元、能夠發(fā)送角差 值的控制電路、顯示模塊和電源；所述中央處理單元為含有16位或24位或32位A/D的DSP 或ARM微型處理器；所述的控制電路包括通信數(shù)據(jù)總線接口和控制驅動電路；所述的通信 數(shù)據(jù)總線與顯示模塊或MWD系統(tǒng)地面接收箱進行通信；所述的通信數(shù)據(jù)總線協(xié)議為RS232、 RS485或CAN協(xié)議；所述的電源為電池或電池組。
6. 根據(jù)權利要求1所述的鉆井智能角差測量裝置，其特征在于：所述的水平校準單元 包括水平儀；所述的環(huán)形腔體中對稱設置有兩個水平儀。
7. 根據(jù)權利要求1-6任意一項所述的鉆井智能角差測量裝置，其特征在于：所述地磁 場信號預處理單元、角差測量單元均設置在環(huán)形腔體中，所述環(huán)形腔體外設置有兩個對稱 的手柄，且環(huán)形腔體和兩個手柄均被剖分為固定連接的兩部分。
8. 根據(jù)權利要求7所述的鉆井智能角差測量裝置，其特征在于：所述的手柄上安裝有 用于啟動測量裝置的啟動開關；所述的環(huán)形腔體表面嵌刻有用于指示方位角的刻度盤和指 針。
9. 根據(jù)權利要求8所述的裝置進行鉆井智能角差測量方法，其特征在于：包括如下步 驟： (1) 檢查電池、水平儀等，進行裝置的地面自檢和模擬測試；清潔鉆具表面； (2) 在無磁鉆鋌與彎螺桿在鉆臺上完成連接后，安裝環(huán)形腔體，調整刻度盤的起點指向 無磁鉆鋌的定向傳感器測量零點； (3) 調整水平儀，當裝置水平后，固定裝置；打開電源，讀數(shù);完成后，拆卸角差測量 裝置； (4) 提鉆，在鉆具上安裝環(huán)形腔體，使得刻度盤的起點指向鉆具的零點，調整水平儀，水 平后，固定裝置，打開電源，讀數(shù)θ2 ;完成后，拆卸角差測量裝置； (5) 計算θ廠Θ 2即可直接讀出角差的讀數(shù)，即為實際MWD與鉆具間的角差值。
10. 根據(jù)權利要求9所述的鉆井智能角差測量方法，其特征在于：所述的角差值通過顯 示模塊顯示或通過通信總線傳輸?shù)組WD系統(tǒng)地面接收箱；所述的顯示模塊為液晶顯示屏。
【文檔編號】E21B47/024GK104234697SQ201410341274
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權日:2014年7月17日
【發(fā)明者】劉科滿, 張進雙, 李利品, 黨瑞榮 申請人:西安石油大學