專利名稱：鉆柱振動聲波測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石油鉆井過程隨鉆錄井測井技術(shù)背景技術(shù)隨鉆技術(shù)-通過安裝在井下近鉆頭附近的測量短接完成井下地層和工程參數(shù)的收集，通過泥漿脈沖或人為聲波等方式將井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娌⑦M行解釋。這種方式的特點是將測量工具安裝在鉆柱的底部，安裝成本高，安全風險大。
測井技術(shù)-將測量儀器通過電纜下入井筒中，對井壁地層的物理性質(zhì)進行物電轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)進行分析并解釋地層的物性。這種方法的特點是必須在鉆井完鉆后，將井筒清空以便下入測井儀器，數(shù)據(jù)不能在鉆進過程中獲取。
巖屑錄井技術(shù)-在鉆進過程中，不斷收集由鉆頭與地層切屑作用產(chǎn)生的巖屑樣本，結(jié)合鉆進工程參數(shù)(鉆時和氣測等讀值)對地層進行現(xiàn)場評估和解釋。這種方法的特點是必須經(jīng)過一個鉆井遲到時間后才能獲取巖屑樣本，鉆井井深越深，遲到時間越長。
有線鉆柱振動測量方法-采用安裝在水龍頭頂部的振動傳感器，獲取鉆柱振動和地層信息。這種方法的特點是傳感器不隨鉆柱一同旋轉(zhuǎn)，測量電纜沿水龍帶排線進入計算機系統(tǒng)，信號容易拉斷，維護困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠通過鉆柱直接作為一個數(shù)據(jù)信道，傳遞井下地層信息和鉆柱或鉆頭本身的動態(tài)行為信息，隨鉆即時測量并實現(xiàn)在鉆井現(xiàn)場進行無線傳感網(wǎng)絡(luò)方式收集測量數(shù)據(jù)的鉆柱振動聲波測量方法。
本發(fā)明所述鉆柱振動聲波測量方法是，將一個采集軸向、切向和橫向的三維振動聲波傳感器安裝在鉆柱頂部隨鉆測量，通過鉆柱作為聲波傳輸介質(zhì)，記錄鉆進過程中鉆頭與地層連續(xù)作用時產(chǎn)生的自然振動源信號、自然聲波信號、鉆具或鉆頭自身的動態(tài)行為信號。將這些信號輸入到一個具有采集、存儲、處理、射頻技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點盒內(nèi)，利用無線傳輸方式，將這些信號傳送出去，接受端通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)和計算機接口進入計算機系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行在線實時分析和解釋。
如上所述的鉆柱振動聲波測量方法中，所描述的三維振動聲波傳感器組鑲嵌在測量卡箍內(nèi)，實現(xiàn)隨鉆柱聯(lián)動測量。
本發(fā)明具有如下積極效果1、與絞車傳感器和大鉤負荷傳感器等其它鉆井現(xiàn)場傳感器結(jié)合，自動井深跟蹤；2、收集信號用于地層在線實時地層分層、地質(zhì)導向、鉆頭軌跡、工程監(jiān)測(扭矩、鉆頭轉(zhuǎn)數(shù))、鉆柱異常分析等；3、實現(xiàn)在鉆井現(xiàn)場進行工程測量參數(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)收集和處理；4、測量及其傳輸數(shù)據(jù)可靠性強，不易受鉆井設(shè)備自身工作的影響；5、本測量方法提供了一種容易安裝、安全可靠的錄井測井設(shè)備，使用壽命長。


圖1是本發(fā)明的鉆柱聲波測量方法原理示意2是本發(fā)明的鉆柱聲波測量方法的鉆柱卡箍安裝于鉆桿上的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖4的沿A-A方向的剖面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明所述鉆柱振動聲波測量方法的原理如下當鉆頭破巖/地層時就會產(chǎn)生一個自然振動聲源信號，這種振動聲波信號可以沿著鉆柱或地層直接或間接地傳輸?shù)降孛?。當?shù)貙拥挠捕然驇r層之間的膠接狀態(tài)發(fā)生變化時，就會產(chǎn)生頻率不同的振動聲波信號。如果在鉆柱頂部安裝一個信號接受裝置，就能夠直接感受到這些變化聲波信號(鉆柱作為振動聲波傳遞介質(zhì))，通過對上述信號的分析即時實時地解釋變化的振動聲波信號，可以給出地層、巖性和油藏信息，進而達到第一時間發(fā)現(xiàn)地層變化和油氣層的目的。
同時，利用機械振動信號的變化，對鉆柱的動態(tài)行為進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)鉆柱的異?，F(xiàn)象，達到預測故障的目的，通過對扭矩和鉆頭工況的監(jiān)測，可以作為地質(zhì)導向，鉆頭軌跡跟蹤等手段。
上述振動聲波信號符合如下關(guān)系式D＝Function(1/f’I)其中D-振動聲波在介質(zhì)中的傳輸距離f-振動聲波信號頻率I-振動聲波信號強度振動聲波信號頻率越高，它在傳輸介質(zhì)中的傳輸距離就越短；信號強度越大，它在傳輸介質(zhì)中的傳輸距離就越遠。實際鉆進過程中，鉆頭以巨大的能量切削地層，使進尺得以深入，由此產(chǎn)生一個強度很大的振動聲波源，足以使振動聲波由地層深處傳輸?shù)姐@柱頂部，現(xiàn)場的實際試驗驗證了這一現(xiàn)象。
本發(fā)明的測量數(shù)據(jù)方式是將現(xiàn)有的振動聲波傳感芯片安裝在鉆柱頂部進行隨鉆測量，在隨鉆測量裝置上安裝無線傳感數(shù)據(jù)采集和發(fā)射裝置，該無線傳感部件將測量到的三維振動聲波信號傳輸?shù)揭粋€無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點盒內(nèi)，圖1示出本發(fā)明的測量方法的原理圖。圖1中13是內(nèi)部鑲嵌三維振動聲波傳感器組、天線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點盒和供電電池的測量工具， 是套管， 是鉆柱， 是鉆頭，16是地層。其中鉆柱測量卡箍緊緊鋼性抱住鉆柱，目的是能夠良好接受振動聲波信號，在振動卡箍內(nèi)部鑲嵌一組振動聲波傳感器以及其它輔助信號處理電路，傳感器接受的信號輸入到無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點盒，由它進行信號采集，存儲，處理和無線傳輸?shù)綗o線傳感網(wǎng)絡(luò)中，最終被無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制點接受并進入計算機系統(tǒng)進行即時實時分析。
為了克服井場各種電器設(shè)備對本發(fā)明信號的干擾，與本發(fā)明配套的無線傳感技術(shù)采用數(shù)字傳輸方式技術(shù)，無線緩存技術(shù)，單點單采技術(shù)，單點多采，數(shù)據(jù)批采等技術(shù)，并且采用超微功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)將測量數(shù)據(jù)以無線方式收集到計算機中。
為了進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明給出了一種具體實施方法，在圖2、3中，給出了一種固定傳感器于鉆柱頂部的裝置。圖2中部件標號說明1-傳感器壓板、2-板牙、3-卡帶定銷、4-卡帶總成、5-卡帶張緊絲杠、6-鎖緊螺母、7-卡帶張緊銷、8-傳感器托架、9-傳感器總成、10-傳感器電源、11-鉆柱、12-連接導線。所述固定裝置為卡帶式結(jié)構(gòu)，其中包括卡帶總成4、卡帶脹緊絲杠5、卡帶脹緊銷7、鎖緊螺母6和位于卡帶總成4上的傳感器和電源。在圖2、3中卡帶總成一端被固定鎖緊部分連接，如卡帶張緊絲桿5，卡帶張緊銷7、鎖緊螺母6，另一端通過卡帶定位銷3連接有具有內(nèi)側(cè)板牙2的固定傳感器和電源的部分。所述傳感器9通過壓板1和傳感器托架8被固定于卡帶4上，電源10同傳感器9的固定結(jié)構(gòu)。所述傳感器總成9是一個具有三維(軸向、切向和橫向)高靈敏度振動聲波傳感器，可以測量高達20K的聲波頻率。
本發(fā)明采用的三維振動聲波傳感器可以采用由上海朗尚科貿(mào)有限公司生產(chǎn)的SCA系列產(chǎn)品，如三維SCA3000，兩維SCA1000/20，單軸SCA610等產(chǎn)品。
本發(fā)明采用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由一臺中央監(jiān)控計算機(CMS-CenterMonitering System)和一組遠程終端節(jié)點(RTN-Remote Terminal Node)組成的多任務(wù)無線通訊網(wǎng)絡(luò)。其中每個RTN具有采集4路模擬信號和兩路脈沖信號，這兩路脈沖信號可以組成鑒相計數(shù)用于絞車計數(shù)傳感器；CMS向RTNs發(fā)出控制指令，每個RTN判斷是否被叫，如果被叫，將該節(jié)點所屬的傳感器信號傳回給CMS，并通過RS485/RS232直接進入計算機，無需接口箱。該系統(tǒng)設(shè)計了5級節(jié)點中繼模式，節(jié)點可以多達65536個，設(shè)計范圍大于方圓1公里范圍，對鉆井現(xiàn)場而言，可以充分保障數(shù)據(jù)的傳輸可靠性。
在該系統(tǒng)中，每個節(jié)點具有以下特點·可采集4路12比特A/D信號，采樣速率每路可達1KHz·可采集2路脈沖信號(含絞車信號)·連續(xù)信號采集頻率范圍為0～10KHz·可用于動態(tài)信號分析(鉆柱振動信號，扭矩動態(tài)等信號)·無線數(shù)據(jù)采集模塊RTNs與無線數(shù)據(jù)控制模塊CMS直接通訊距離大于100米·無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計為5級方式，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍將達到方圓5×100＝1000米范圍以上。
·支持無線數(shù)傳電臺方式，使每個監(jiān)測區(qū)域之間的距離擴大到10公里范圍·模塊工作溫度范圍-40～85攝氏度·數(shù)據(jù)傳輸率100kps·最大發(fā)射功率10dBm·靈敏度-100dBm·在發(fā)射功率為-10dBm時的發(fā)射電路為11mA(超低功耗)·接收模式下的電流為12.5mA·電池3伏供電·工作頻率在433MHz～916MHz之間或2.4GHz·防爆、防震、防水封裝
權(quán)利要求
1.一種鉆柱振動聲波測量方法，其特征是將一個采集軸向、切向和橫向的三維振動聲波傳感器安裝在鉆柱頂部隨鉆測量，通過鉆柱作為聲波傳輸介質(zhì)，記錄鉆進過程中鉆頭與地層連續(xù)作用時產(chǎn)生的自然振動源信號、自然聲波信號、鉆具或鉆頭自身的動態(tài)行為信號；將這些信號輸入到一個具有采集、存儲、處理、射頻技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點盒內(nèi)，利用無線傳輸方式，將這些信號傳送出去，接受端通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)和計算機接口進入計算機系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行在線實時分析和解釋。
2.如權(quán)利要求1所述的一種鉆柱振動聲波測量方法，其特征是所述三維振動聲波傳感器鑲嵌在測量卡箍內(nèi)，與鉆柱實現(xiàn)測量聯(lián)接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉆柱振動聲波測量方法，其特征是將一個采集軸向、切向和橫向的三維振動聲波傳感器組安裝在鉆柱頂部隨鉆測量，通過鉆柱作為信息傳輸介質(zhì)，記錄鉆進過程中鉆頭與地層連續(xù)作用時產(chǎn)生的自然振動源信號、自然聲波信號、鉆具或鉆頭自身的動態(tài)行為信號，將這些信號輸入到一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點盒內(nèi)，利用無線傳輸方式，將這些信號傳送出去。接受端將信號通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)和計算機接口進入計算機系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行在線實時分析和解釋。本發(fā)明具有如下積極效果與其它鉆井現(xiàn)場傳感器結(jié)合，實現(xiàn)在鉆井現(xiàn)場進行工程測量參數(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)收集和處理工作；本測量方法提供了一種容易安裝、安全可靠的錄井測井設(shè)備，使用壽命長。
文檔編號G01V1/52GK101071178SQ20071012279
公開日2007年11月14日 申請日期2007年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月9日
發(fā)明者高巖, 劉志國, 郭學增 申請人:高巖