CN106246163B - 近钻头动态井斜测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井测量领域，具体涉及近钻头动态井斜测量方法及装置。近钻头动态井斜测量装置包括电路板和2n+1个加速度计，其中一个加速度计安装在钻具轴向上并与其他2n个加速度计的安装构成n组三轴正交安装；在轴向上安装的加速度计测量Az’，其余加速度计分别测量n个X轴径向分量和与n个X轴径向分量对应的n个Y轴径向分量；n个X轴径向分量数据以消除X轴径向分量得到Ax’，通过叠加n个Y轴径向分量以消除Y轴径向分量得到Ay’；电路板上集成有滤波器及数据处理单元，电路板实时采集加速度计消除分量后的信号进而用滤波器滤除信号中的高频振动和冲击干扰得到无干扰重力加速度分量Ax、Ay、Az，进一步计算得到井斜。

Description

近钻头动态井斜测量方法及装置

技术领域

本发明主要属于钻井测量领域，具体涉及近钻头动态井斜测量方法及装置。

背景技术

随钻测井和钻井作业中，需要实时测量钻进的轨迹信息，以便于地面操作工程师实时调整钻井速度和方向，按照设定的井眼轨迹完成钻井作业。尤其是在大斜度井、水平井和多分支井等定向作业过程中,井斜角、工具面角和方位角的测量尤其重要。

常规井斜测量系统测点平均长度大于20米，离钻头较远，测量的地层信息相对滞后，对薄油层开发尤其不利，不能及时判断钻具在油层中发生的变化。现阶段发展的方向是将更多的传感器安装在靠近钻头的地方，离钻头越近，获得的地层信息越准确和及时。

井斜测量原理是根据井斜不同而造成重力沿井轴及其垂向方向的分量发生变化来计算得到。通过沿钻具三个轴向X、Y、Z安装三个正交的加速度传感器，根据重力加速度在X、Y、Z轴向的分量Ax、Ay、Az可以计算出井斜角θ：

常规随钻测量技术(Measure While Drilling，MWD)采用静态测量方式，测量时停钻以减少振动、冲击等对测量精度的影响，加速度传感器的输出只是该测点的重力加速度信号。

S_static＝S_g (2)

近钻头动态测量时，加速度传感器输出不仅是重力加速度，还包括仪器转动产生的离心加速度，钻进过程中产生的振动和冲击加速度。动态测量时加速度传感器的输出可表示为：

S_dynamic＝S_g+S_v+S_e+S_s (3)

式中Sg为重力加速度，Sv为振动加速度，Se为离心加速度,Ss为冲击加速度。

为提高动态测量井斜的精度，要求去除振动、冲击和离心加速度的叠加分量，提取出真实反映井斜角的重力加速度分量。

存在的问题在于，常规随钻测量技术MWD采用静态测量方式，测量的时候需要停钻，不能够实时测量钻井的井斜信息，只能采用多点测量值拟合的方式获得井眼轨迹，井场作业效率较低，且拟合后的井眼轨迹与实际钻进轨迹有差别。同时MWD安装于螺杆之上的无磁钻铤内，距离钻头在20米左右，不能够及时获取钻井轨迹信息。近钻头动态测量时，不能有效消除振动、冲击和离心加速度对重力加速度的影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种近钻头动态井斜测量方法和装置，实现随钻过程中的动态井斜测量，滤除离心加速度、振动和冲击等对于测量值的影响，满足随钻测井中高精度地质导向的需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

近钻头动态井斜测量装置，所述装置包括电路板和2n+1个加速度计，其中一个加速度计安装在钻具轴向上并与其他2n个加速度计的安装构成n组三轴正交安装；所述在轴向上安装的加速度计测量Az’，其余加速度计分别测量Ax1，Ax2…Axn和Ay1，Ay2…Ayn；通过叠加Ax1，Ax2…Axn数据以消除X轴径向分量得到Ax’，通过叠加Ay1，Ay2…Ayn以消除Y轴径向分量得到Ay’；所述电路板上集成有滤波器及数据处理单元，所述电路板实时采集所述加速度计消除分量后的信号进而用滤波器滤除信号中的高频振动和冲击干扰得到无干扰重力加速度分量Ax、Ay、Az，所述数据处理单元根据算法计算得到井斜角；

所述n为大于1的正整数；

所述Ax’、Ay’、Az’分别代表带有高频振动和冲击干扰的重力加速度在X、Y、Z轴向的分量；

所述Ax、Ay、Az分别代表无干扰重力加速度在X、Y、Z轴向的分量；

x1、x2、。。。xn代表不同方向上的X轴；

y1、y2、。。yn代表与x1、x2、。。。xn对应的Y轴。

进一步地，所述数据处理单元包括ADC模数转换器、现场可编门阵列、处理器和存储器；所述ADC模数转换器连接滤波器和所述现场可编门阵列，所述现场可编门阵列连接所述处理器，所述处理器连接所述存储器；所述ADC模数转换器用于转换Ax、Ay、Az；随后将转换数据传输与现场可编门阵列进行数据采集；所述现场可编门阵列控制数据采集时序同时将采集的数据进行数字滤波后传至处理器；所述处理器将接收的数据存储到存储器并根据算法计算井斜参数。

进一步地，所述2n+1个加速度计集成于单支独立短节上，采用紧凑型四仓室设计，其中两个舱室内安装电池，其余两个舱室内安装所述2n+1个加速度计和所述电路板。

进一步地，所用滤波器选用低阻带1Hz滤波器，所述滤波器的使用根据转速大小来判断使用，当转数超过10转每分钟时，启动低阻带滤波器，可有效消除离心加速度残余。

进一步地，n＝2。

进一步地，其特征在于，使用时所述装置中2n+1个加速度计与钻头的安装距离小于1米。

近钻头动态井斜测量方法，采用上述装置，所述方法包括一下步骤：

(1)安装加速度计，其中一个加速度计安装在钻具轴向上并与其他2n个加速度计的安装构成n组三轴正交安装；所述在轴向上安装的加速度计测量Az’，其余加速度计分别测量Ax1，Ax2…Axn和Ay1，Ay2…Ayn；

(2)消除径向分量，通过叠加Ax1，Ax2…Axn数据以消除X轴径向分量得到Ax’；通过叠加Ay1，Ay2…Ayn以消除Y轴径向分量得到Ay’；

(3)滤除高频振动和冲击干扰，所述电路板上集成有滤波器及数据处理单元，所述电路板实时采集所述加速度计消除分量后的信号进而用滤波器滤除信号中的高频振动和冲击干扰得到无干扰重力加速度分量Ax、Ay、Az，

(4)计算井斜角，所述数据处理单元利用无干扰重力加速度分量Ax、Ay、Az根据算法计算得到井斜角；

所述n为大于1的正整数；

所述Ax’、Ay’、Az’分别代表带有高频振动和冲击干扰的重力加速度在X、Y、Z轴向的分量；

所述Ax、Ay、Az分别代表无干扰重力加速度在X、Y、Z轴向的分量；

x1、x2、。。。xn代表不同方向上的X轴；

y1、y2、。。yn代表与x1、x2、。。。xn对应的Y轴。

进一步地，所述数据处理单元包括ADC模数转换器、现场可编门阵列、处理器和存储器；所述Ax、Ay、Az经所述ADC模数转换器转换成所述存储器可接收模式；利用现场可编门阵列控制采集时序进行数据采集；所述现场可编门阵列控制数据采集时序同时将采集的数据进行数字滤波后传至所述处理器；所述处理器将接收的数据存储到存储器并根据算法计算井斜参数。

进一步地，所述算法为所述θ为井斜角。

本发明的有益技术效果：

(1)其在动态情况下采用镜像测量和动态滤波的方法，消除了离心加速度、振动和冲击对测量值的影响，满足随钻地质导向的需求。

(2)本发明的近钻头动态井斜测量装置，靠近钻头安装，并可以在钻井的过程中，动态测量井斜，将测量过程中的干扰，包括离心力、振动和冲击等因素考虑在内，创造性地提出使用镜像测量和动态滤波的方法滤除干扰，获得满足精度要求的井斜测量值。这种方法和装置在实际钻井和测井作业中需求大，市场前景广阔。

(3)本发明的近钻头动态井斜测量装置，采用四仓室结构设计的近钻头动态井斜测量装置结构设计合理，安装于距离钻头1米以内的位置，测量井斜角度精度高，工作稳定可靠。

附图说明

图1、井斜测量装置电路结构图；

图2、FPGA固件结构图；

图3、测量所得径向加速度数据；

图4、实施例一径向加速度补偿后数据；

图5、滤波器滤除后数据。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

近钻头动态井斜测量装置，包括电路板和5个加速度计，其中一个加速度计安装在钻具轴向上，并与其余四个加速计的安装形成2组XYZ正交安装，分别测量钻头Az、Ax+、Ay+、Ax-和Ay-5个方向上的数据，Ax+和Ax-镜像放置，将Ay+和Ay-镜像放置。所述电路板上集成有滤波器及数据处理单元，所述滤波器接收所述5个加速度计所测数据，滤除高频振动和冲击干扰得到滤除后数据并将所述滤除后数据传至数据处理单元，所述5个加速度计集成于单支独立短节上，采用紧凑型四仓室设计，其中两个舱室内安装电池，其余两个舱室内安装所述5个加速度计和所述电路板。所述数据处理单元包括ADC模数转换器、现场可编门阵列、处理器和存储器；如图1所示，所述ADC模数转换器连接滤波器和所述现场可编门阵列，所述现场可编门阵列连接所述处理器，所述处理器连接所述存储器；所述ADC模数转换器用于转换滤除后数据随后将转换数据传输与现场可编门阵列进行数据采集；所述现场可编门阵列控制数据采集时序同时将采集的数据进行数字滤波后传至处理器；所述处理器将接收的数据存储到存储器并根据算法计算井斜参数。所用滤波器选用低阻带滤波器，所述滤波器的使用根据转速大小来判断。

近钻头动态井斜测量，采用上述装置测量，5个加速度计安装位置于钻头距离小于1m，测量所得径向数据偏离较大，如图3.测量所述测量得到的5个方向的数据在由加速度计传至滤波前将Ax+和Ax-数据叠加，将Ay+和Ay-数据叠加，得到补偿后的径向加速度数据，如图4。径向补偿后仍有部分离心力的残留分量，随后补偿后数据经滤波器滤除获得重力加速度在X、Y两个方向的分量如图5。滤除后的数据传至处理器后进一步计算井斜参数。处理器采集数据的时序由FGPH控制，FPGA固件结构如图2.

实施例2

近钻头动态井斜测量装置，包括电路板和5个加速度计，其中一个加速度计安装在钻具轴向上，并与其余四个加速计的安装形成2组XYZ正交安装，分别测量钻头Az、Ax+、Ay+、Ax-和Ay-5个方向上的数据，Ax+和Ax-呈一定角度放置，将Ay+和Ay-成一定角度放置，所述角度大于0°小于180°。所述电路板上集成有滤波器及数据处理单元，所述滤波器接收所述5个加速度计所测数据，滤除高频振动和冲击干扰得到滤除后数据并将所述滤除后数据传至数据处理单元，所述5个加速度计集成于单支独立短节上，采用紧凑型四仓室设计，其中两个舱室内安装电池，其余两个舱室内安装所述5个加速度计和所述电路板。所述数据处理单元包括ADC模数转换器、现场可编门阵列、处理器和存储器；如图1所示，所述ADC模数转换器连接滤波器和所述现场可编门阵列，所述现场可编门阵列连接所述处理器，所述处理器连接所述存储器；所述ADC模数转换器用于转换滤除后数据随后将转换数据传输与现场可编门阵列进行数据采集；所述现场可编门阵列控制数据采集时序同时将采集的数据进行数字滤波后传至处理器；所述处理器将接收的数据存储到存储器并根据算法计算井斜参数。所述滤波器的使用根据转速大小来判断。

近钻头动态井斜测量，采用上述装置测量，5个加速度计安装位置于钻头距离小于1m，测量所得径向数据偏离较大，如图3.测量所述测量得到的5个方向的数据在由加速度计传至滤波前将Ax+和Ax-数据经过已知角度映射后叠加，将Ay+和Ay-数据已知角度映射后叠加。径向补偿后仍有部分离心力的残留分量，随后补偿后数据经滤波器滤除获得重力加速度在X、Y两个方向的分量如图5。滤除后的数据传至处理器后进一步计算井斜参数。处理器采集数据的时序由FGPH控制，FPGA固件结构如图2。

实施例3

近钻头动态井斜测量装置，包括电路板和7个加速度计，其中一个加速度计安装在钻具轴向上，并与其余六个加速计的安装形成3组XYZ正交安装，

所述电路板上集成有滤波器及数据处理单元，所述滤波器接收所述7个加速度计所测数据，滤除高频振动和冲击干扰得到滤除后数据并将所述滤除后数据传至数据处理单元，所述7个加速度计集成于单支独立短节上，采用紧凑型四仓室设计，其中两个舱室内安装电池，其余两个舱室内安装所述7个加速度计和所述电路板。所述数据处理单元包括ADC模数转换器、现场可编门阵列、处理器和存储器；如图1所示，所述ADC模数转换器连接滤波器和所述现场可编门阵列，所述现场可编门阵列连接所述处理器，所述处理器连接所述存储器；所述ADC模数转换器用于转换滤除后数据随后将转换数据传输与现场可编门阵列进行数据采集；所述现场可编门阵列控制数据采集时序同时将采集的数据进行数字滤波后传至处理器；所述处理器将接收的数据存储到存储器并根据算法计算井斜参数。所述滤波器的使用根据转速大小来判断。

近钻头动态井斜测量，采用上述装置测量，7个加速度计安装位置于钻头距离小于1m，测量所得径向数据偏离较大，如图3.测量所述测量得到的7个方向的数据在由加速度计传至滤波前将Ax1、Ax2和Ax3数据经过已知角度映射后叠加，将Ay1、Ay2和Ay3数据叠加。径向补偿后仍有部分离心力的残留分量，随后补偿后数据经滤波器滤除获得重力加速度在X、Y两个方向的分量如图5。滤除后的数据传至处理器后进一步计算井斜参数。处理器采集数据的时序由FGPH控制，FPGA固件结构如图2。

Claims (9)

1.近钻头动态井斜测量装置，其特征在于，所述装置包括电路板和2n+1个加速度计，其中一个加速度计安装在钻具轴向上并与其他2n个加速度计的安装构成n组三轴正交安装；所述在轴向上安装的加速度计测量Az’，其余加速度计分别测量Ax1，Ax2…Axn和Ay1，Ay2…Ayn；通过叠加Ax1，Ax2…Axn数据以消除X轴径向分量得到Ax’，通过叠加Ay1，Ay2…Ayn以消除Y轴径向分量得到Ay’；所述电路板上集成有滤波器及数据处理单元，所述电路板实时采集所述加速度计消除分量后的信号进而用滤波器滤除信号中的高频振动和冲击干扰得到无干扰重力加速度分量Ax、Ay、Az，所述数据处理单元利用所述无干扰重力加速度分量Ax、Ay、Az根据算法计算得到井斜角；

所述n为大于1的正整数；

所述Ax’、Ay’、Az’分别代表带有高频振动和冲击干扰的重力加速度在X、Y、Z轴向的分量；

所述Ax、Ay、Az分别代表无干扰重力加速度在X、Y、Z轴向的分量；

x1、x2、…xn代表不同方向上的X轴；

y1、y2、…yn代表与x1、x2、…xn对应的Y轴。

2.如权利要求1所述近钻头动态井斜测量装置，其特征在于，所述数据处理单元包括ADC模数转换器、现场可编门阵列、处理器和存储器；所述ADC模数转换器连接滤波器和所述现场可编门阵列，所述现场可编门阵列连接所述处理器，所述处理器连接所述存储器；所述ADC模数转换器用于转换Ax、Ay、Az；随后将转换数据传输于现场可编门阵列进行数据采集；所述现场可编门阵列控制数据采集时序同时将采集的数据进行数字滤波后传至处理器；所述处理器将接收的数据存储到存储器并根据算法计算井斜参数。

3.如权利要求1所述近钻头动态井斜测量装置，其特征在于，所述2n+1个加速度计集成于单支独立短节上，采用紧凑型四仓室设计，其中两个舱室内安装电池，其余两个舱室内安装所述2n+1个加速度计和所述电路板。

4.如权利要求2所述近钻头动态井斜测量装置，其特征在于，所用滤波器选用低阻带1Hz滤波器，所述滤波器的使用根据转速大小来判断使用，当转数超过10转每分钟时，启动低阻带滤波器，可有效消除离心加速度残余。

5.如权利要求1所述近钻头动态井斜测量装置，其特征在于，n=2。

6.如权利要求1-5任一所述近钻头动态井斜测量装置，其特征在于，使用时所述装置中2n+1个加速度计与钻头的安装距离小于1米。

7.近钻头动态井斜测量方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1所述装置，所述方法包括以下步骤：

（1）安装加速度计，其中一个加速度计安装在钻具轴向上并与其他2n个加速度计的安装构成n组三轴正交安装；所述在轴向上安装的加速度计测量Az’，其余加速度计分别测量Ax1，Ax2…Axn和Ay1，Ay2…Ayn；

（2）消除径向分量，通过叠加Ax1，Ax2…Axn数据以消除X轴径向分量得到Ax’；通过叠加Ay1，Ay2…Ayn以消除Y轴径向分量得到Ay’；

（3）滤除高频振动和冲击干扰，所述电路板上集成有滤波器及数据处理单元，所述电路板实时采集所述加速度计消除分量后的信号进而用滤波器滤除信号中的高频振动和冲击干扰得到无干扰重力加速度分量Ax、Ay、Az，

（4）计算井斜角，所述数据处理单元利用无干扰重力加速度分量Ax、Ay、Az根据算法计算得到井斜角；

所述n为大于1的正整数；

所述Ax’、Ay’、Az’分别代表带有高频振动和冲击干扰的重力加速度在X、Y、Z轴向的分量；

所述Ax、Ay、Az分别代表无干扰重力加速度在X、Y、Z轴向的分量；

x1、x2、…xn代表不同方向上的X轴；

y1、y2、…yn代表与x1、x2、…xn对应的Y轴。

8.如权利要求7所述近钻头动态井斜测量方法，其特征在于，所述数据处理单元包括ADC模数转换器、现场可编门阵列、处理器和存储器；所述Ax、Ay、Az经所述ADC模数转换器转换成所述存储器可接收模式；利用现场可编门阵列控制采集时序进行数据采集；所述现场可编门阵列控制数据采集时序同时将采集的数据进行数字滤波后传至所述处理器；所述处理器将接收的数据存储到存储器并根据算法计算井斜参数。

9.如权利要求7或8所述近钻头动态井斜测量方法，其特征在于，所述算法为；所述为井斜角。