CN100513741C - 一种井底深度与井眼轨迹自动跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种井底深度与井眼轨迹自动跟踪方法及装置，它包括一组用于测量钻机大钩载荷及其位置高度的传感器、一个向传感器供电且具有信号隔离及低通滤波功能的预处理箱、一台带有具有AD功能的数据采集卡的计算机和一套深度及井眼轨迹自动跟踪软件及一种自动深度及井眼轨迹跟踪方法。其根据大钩载荷的变化确定带有钻头的钻柱是否被大钩悬起，根据大钩的位置高度变化确定钻柱及钻头的移动距离及移动方向，从而实现钻头深度的自动跟踪；另外结合其他随钻测量仪器实时测量的井眼方向参数来实现对井眼轨迹的自动跟踪，并通过与井眼的设计轨道进行比较，对所发生的超出设计轨道许可范围的偏离给出报警提示。

Description

一种井底深度与井眼轨迹自动跟踪装置

技术领域

本发明涉及一种用于地质资源勘探和开发钻井中的钻头和井底深度跟踪以及井眼轨迹跟踪的方法及装置，尤其是能自动跟踪的方法及装置。具体的讲是一种井底深度与井眼轨迹自动跟踪方法及装置。

背景技术

目前，有关深度和井眼轨迹跟踪的方法和措施多是通过人工计量和测算来完成的，即便辅一种深度与井眼轨迹自动跟踪方法及装置。

以计算机测量和计算，也常常不断地需要人工干预才能完成，这种人工或半人工的工作方式，很容易引入人为的跟踪误差，对于要求跟踪精度较高的场合，是无法满足需要的，特别是在需要进行精确导向钻井的情况下，这种矛盾尤为突出。利用计算机对钻头和井底深度及井眼轨迹进行实时地自动跟踪，不仅能提高钻井作业效率，也是提高井眼轨迹控制质量的必要条件之一，是实现几何和地质等导向钻井技术的重要保证之一。国内外对于井眼轨迹的控制技术研究颇多，但对于如何利用计算机实现对钻头和井底深度进行简单而有效、准确而实时、经济且无人值守的自动跟踪的研究还不多见，因此，也就尚未真正实现井眼轨迹的自动跟踪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种井底深度与井眼轨迹自动跟踪方法及装置。从而：①建立可利用计算机自动实现的钻头和井底深度跟踪的方法；②设计相关装置及配套软件实现井眼轨迹的自动跟踪。

本发明的技术方案为：

一种井底深度自动跟踪方法，其将钻柱在钻井过程中所处状态分为：

钻柱被钻机大钩悬起状态、以及钻柱坐放于卡瓦状态；

对钻柱在钻井过程中所处状态进行判断：如果为所述的钻柱被钻机大钩悬起状态，则实时测量大钩位置高度的变化；如果为所述的钻柱坐放于卡瓦状态，则停止测量大钩位置高度的变化；

从而，根据大钩的位置高度变化确定钻柱及钻头的移动距离及移动方向，实现钻头深度的自动跟踪，并根据井底深度不会小于钻头深度这一条件实现对井底深度的跟踪。

所述的对钻柱在钻井过程中所处状态进行判断是指：通过测量钩载的变化，判断出钻柱所处的状态。

采用位置传感器对大钩位置高度的变化进行测量。

采用钩载传感器对钩载的变化进行实时测量。

采用钩载传感器对钩载的变化进行实时测量，进而判断钻柱所处的状态；采用位置传感器对大钩位置高度的变化进行测量；其具体步骤为：

步骤一、钩载归0，大钩位置归0；

步骤二、当大钩空载时，钩载传感器的读数计为G0，则真实钩载＝钩载读数-G0；

步骤三、当大钩处于某一基点位置(如井口等)时，计下大钩位置传感器读数

H0，则实际大钩相对于该基点的高度(位置)＝大钩位置传感器读数-H0；

步骤四、设置初始钻头深度和井底深度、以及钩载阈值Gt；

步骤五、当钩载>钩载阈值Gt时，则为所述的钻柱被钻机大钩悬起状态，启动

深度跟踪，即：启动位置传感器，对大钩位置高度的变化进行测量；若大钩移动，则移动的距离DH＝当前大钩位置H2-移动前大钩位置H1，当前钻头深度Hb2＝移动前钻头深度Hb1+DH；当Hb2大于井底深度Hw1时，当前井底深度Hw2＝Hb2；

步骤六、当钩载<＝钩载阈值Gt时，则为所述的钻柱坐放于卡瓦状态，停止所述的深度跟踪。

当钻头深度小于最小钻头深度(与钩载阈值Gt有关)时，停止所述的自动深度跟踪。

本发明还提供了一种井眼轨迹自动跟踪方法，其特征在于，将钻柱在钻井过程

中所处状态分为：钻柱被钻机大钩悬起状态、以及钻柱坐放于卡瓦状态；

对钻柱在钻井过程中所处状态进行判断：

如果为所述的钻柱被钻机大钩悬起状态，则实时测量大钩位置高度的变化；

如果为所述的钻柱坐放于卡瓦状态，则停止测量大钩位置高度的变化；

从而，根据大钩的位置高度变化确定钻柱及钻头的移动距离及移动方向，实现钻头深度的自动跟踪，并根据井底深度不会小于钻头深度这一条件实现对井底深度的跟踪；

对井眼方向进行实时测量；

根据所述的对井底深度的跟踪和对井眼方向的测量，实时绘出井眼轨迹。

所述的对井眼方向进行实时测量是指：采用泥浆脉冲发生器(MWD)实时测量井眼方向参数。

如果所述的井眼轨迹出现偏移，则报警。

本发明也提供了一种井底深度与井眼轨迹自动跟踪装置，其中包括：钩载传感器、大钩位置传感器、信号预处理装置、数据采集卡、计算机、深度和井眼轨迹自动跟踪模块；

钩载传感器用于测量大钩载荷；

大钩位置传感器用于测量大钩位置高度；

信号预处理装置向所述的钩载传感器、大钩位置传感器供电，接受来自所述的钩载传感器、大钩位置传感器的测量信号，对接受到的信号进行处理后送向所述的数据采集卡；数据采集卡将来自信号预处理装置的钩载和大钩位置模拟信号进行模数转换，转换为数字信号供计算机内的深度和井眼轨迹自动跟踪模块使用；

计算机用于保存、运行深度和井眼轨迹自动跟踪模块并保存跟踪结果和报警；

所述的深度和井眼轨迹自动跟踪模块对钻柱在钻井过程中所处状态进行判断：

如果为所述的钻柱被钻机大钩悬起状态，则实时测量大钩位置高度的变化；

如果为所述的钻柱坐放于卡瓦状态，则停止测量大钩位置高度的变化；

从而，根据大钩的位置高度变化确定钻柱及钻头的移动距离及移动方向，实现钻头深度的自动跟踪，并根据井底深度不会小于钻头深度这一条件实现对井底深度的跟踪；

对井眼方向进行实时测量；

根据所述的对井底深度的跟踪和对井眼方向的测量，实时绘出井眼轨迹。

所述的信号预处理装置包括：信号隔离板、信号预处理卡、机箱、电源、面板、信号指示灯；其向所述的传感器供电，接受来自传感器的测量信号，并对接受的信号进行隔离，将测量信号经信号预处理卡滤波后送向插在计算机内数据采集卡；所述的信号预处理卡对测量信号进行低通滤波，滤掉高频噪声。

所述的数据采集卡是一块具有AD功能的通用数据采集卡，其将来自信号预处理箱的钩载和大钩位置模拟信号进行模数转换，转换为数字信号供计算机内的自动深度和井眼轨迹自动跟踪模块使用。

本发明的有益效果在于：实现了深度和井眼轨迹的计算机自动跟踪，其益处有三：

一是提高了深度和井眼轨迹的跟踪精度，避免了人工和半人工跟踪时众多人为的误差。二是提高了跟踪效率，其自动轨迹跟踪报警为保证井身质量提供了更有利的条件。三是为实现精确导向钻井提供了条件。

附图说明

图1是本发明装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

①建立可利用计算机自动实现的钻头和井底深度跟踪的简单有效方法：深度跟踪就是要跟踪钻头在井筒中的位置(钻头深度)及井底深度。一个井眼形成的过程是钻进→接单根(或立柱)→钻进不断反复的过程。正常钻进时，钻头深度等于井底深度，随着进尺的增加，钻头深度不断增加，井底深度也不断增加。如附图1所示，正常情况下，钻头在井筒中的位置与钻柱在井筒内的长度有关，由于钻柱的长度是确定的，因此由钻柱顶部的位置即知钻头深度。而在钻井过程中，对于深度跟踪而言，钻柱所处状态无非有两种状态，一是被钻机大钩悬起，一是坐放于卡瓦。当大钩悬起钻柱时，大钩位置高度的变化也就反应了钻头在井筒内的位置变化，即钻头深度的变化；而当钻柱坐放于转盘卡瓦上时，钻头深度是不变的。因此，当大钩悬起钻柱时，通过对大钩位置高度的跟踪就能跟踪钻头深度；而钻柱坐放于卡瓦上时，则不必跟踪。因此对于钻头深度跟踪而言，关键问题是如何判断钻柱是否被大钩悬起，以及大钩位置高度的变化。

如何判别钻柱是否被大钩悬起，关键在于大钩悬起钻柱时，钩载的变化。当钻柱串重量远大于(即明显区别于)一个单根(或立柱)的重量的时候，根据钩载的变化是很容易判断钻柱是否被大钩悬起的。一个问题是当钻柱串较短时，钻柱串的重量与一个单根(或立柱)重量比较接近，此时，仅凭钩载的变化，难以判断大钩悬起的是单根还是钻柱串。但是这种情况只会在很短的上部井段出现，一般小于50m，这对于动辄数百米，乃至数千米的井来说，实在太短了，因此对于这一井段，可很容易通过人工跟踪完成，然后将跟踪结果作为初值，输入计算机，启动本发明所设计的计算机自动深度跟踪软件，实现对钻头和井底深度的自动跟踪。

至于测量大钩位置高度的变化，可通过任何能测量高度变化(大钩位置)的传感器来完成。钩载则通过钩载传感器来测量。

据此，可实现对钻头和井底深度的跟踪，跟踪过程如下：

1)钩载归0，大钩位置归0：

大钩空载时，钩载传感器的读数计为G0，则真实钩载＝钩载读数-G0。

当大钩处于某一基点位置(如井口等)时，计下大钩位置传感器读数H0，则实际大钩相对于该基点的高度(位置)＝大钩位置传感器读数-H0。

2)设置初始钻头深度和井底深度，及钩载阈值Gt：

钩载阈值Gt的选取应能将钻柱串与一个单根(或立柱)明显区别，也就是说当钻头深度大于一定深度(保证足够的钻柱串重)时，方可启动自动跟踪。该钻头深度Hbt计为启动自动深度跟踪的最小钻头深，因此，实际初始钻头深度(反应了初始钻柱串长度)不得小于该钻头深度，否则停止自动跟踪。

3)自动深度跟踪：

当钩载>钩载阈值Gt时，大钩悬起钻柱，启动深度跟踪。若此时大钩移动，则移动的距离DH＝当前大钩位置H2-移动前大钩位置H1，所以当前钻头深度Hb2＝移动前钻头深度Hb1+DH。同时，当Hb2大于井底深度Hw1时，有当前井底深度Hw2＝Hb2。

当钩载<＝钩载阈值Gt时，钻柱坐放与卡瓦，停止深度跟踪。

当钻头深度小于最小钻头深度(与钩载阈值Gt有关)时，停止自动深度跟踪。

②设计相关装置及配套软件实现井眼轨迹的自动跟踪

有了自动深度跟踪，结合MWD等仪器实时测量的井眼方向参数，就可以设计出一套装置和软件对井眼轨迹进行自动跟踪。

根据实时的井深及对应的井眼方向参数(井斜、方位)，通过数学和几何的方法可以将井眼轨迹实时地描绘出来。如果井眼轨迹偏离了设计轨道，且偏离程度超过工程上许可范围，则自动轨迹跟踪系统报警。

如图1所示(图1是本发明设计的自动跟踪装置，其中虚线框所包括的部分即为本发明所设计的装置)，它主要由如下几个部分组成：传感器(包括钩载传感器、大钩位置传感器)，信号预处理箱，数据采集卡、计算机和自动跟踪软件。

钩载传感器是用于测量大钩载荷的，而大钩位置传感器是用于测量大钩位置高度的。

信号预处理箱主要包括信号隔离板、信号预处理卡、机箱、电源、面板、信号指示灯等，其主要功能是向传感器供电，接受来自传感器的测量信号，并对有关信号进行隔离，测量信号经信号预处理卡滤波后送向插在计算机内数据采集卡。信号预处理卡对测量信号进行低通滤波，滤掉高频噪声。

数据采集卡是一块具有AD功能的通用数据采集卡，其主要功能是将来自信号预处理箱的钩载和大钩位置模拟信号进行模数转换，转换为数字信号供计算机内的自动深度和井眼轨迹跟踪软件使用。

计算机用于保存、运行深度和井眼轨迹自动跟踪软件并保存跟踪结果和报警。

自动跟踪软件是根据前面所阐述的方法所编制的深度和井眼轨迹自动跟踪软件，是本发明的重要组成部分。

本发明实现了深度和井眼轨迹的计算机自动跟踪，其益处有三：一是提高了深度和井眼轨迹的跟踪精度，避免了人工和半人工跟踪时众多人为的误差。二是提高了跟踪效率，其自动轨迹跟踪报警为保证井身质量提供了更有利的条件。三是为实现精确导向钻井提供了条件。

以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (3)

1.一种深度与井眼轨迹自动跟踪装置，其中包括：钩载传感器、大钩位置传感器、信号预处理装置、数据采集卡、计算机、深度和井眼轨迹自动跟踪模块、MWD随钻测量仪器；

钩载传感器，用于测量大钩载荷；

大钩位置传感器，用于测量大钩位置高度；

信号预处理装置，用于向所述的钩载传感器、大钩位置传感器供电，并接受来自所述的钩载传感器、大钩位置传感器的测量信号，对接受到的信号进行处理后送向所述的数据采集卡；

数据采集卡，用于将来自信号预处理装置的钩载和大钩位置模拟信号进行模数转换，转换为数字信号供计算机内的深度和井眼轨迹自动跟踪模块使用；

计算机，用于保存、运行深度和井眼轨迹自动跟踪模块并保存跟踪结果和报警；

MWD随钻测量仪器，用于对井眼方向进行实时测量；

深度和井眼轨迹自动跟踪模块，用于对钻柱在钻井过程中所处状态进行判断：如果为所述的钻柱被钻机大钩悬起状态，则实时测量大钩位置高度的变化；如果为所述的钻柱坐放于卡瓦状态，则停止测量大钩位置高度的变化；从而，根据大钩的位置高度变化确定钻柱及钻头的移动距离及移动方向，实现钻头深度的自动跟踪，并根据井底深度不会小于钻头深度这一条件实现对井底深度的跟踪；根据MWD随钻测量仪器测点距离钻头的距离实现测点深度的自动跟踪；根据所述的对井底深度的跟踪和对井眼方向的测量，实时绘出井眼轨迹；

所述的深度和井眼轨迹自动跟踪模块包括：

设置初始钻头深度和井底深度、以及钩载阈值Gt；并设置随钻测量仪测点距钻头的距离ΔHmb；

当钩载>钩载阈值Gt时，则为所述的钻柱被钻机大钩悬起状态，启动深度跟踪，即：启动位置传感器，对大钩位置高度的变化进行测量；若大钩移动，则移动的距离DH＝当前大钩位置H2-移动前大钩位置H1，当前钻头深度Hb2＝移动前钻头深度Hb1+DH；随钻测量仪测点的当前深度＝Hb2-ΔHmb；当Hb2大于井底深度Hw1时，当前井底深度Hw2＝Hb2；

当钩载<＝钩载阈值Gt时，则为所述的钻柱坐放于卡瓦状态，停止所述的深度跟踪。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的信号预处理装置包括：信号隔离板、信号预处理卡、机箱、电源、面板、信号指示灯；其向所述的传感器供电，接受来自钩载传感器和大钩位置传感器的测量信号，并对接受的信号进行隔离，将测量信号经信号预处理卡滤波后送向插在计算机内数据采集卡；所述的信号预处理卡对测量信号进行低通滤波，滤掉高频噪声。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的数据采集卡是一块具有AD功能的通用数据采集卡，其将来自信号预处理箱的钩载和大钩位置模拟信号进行模数转换，转换为数字信号供计算机内的深度和井眼轨迹自动跟踪模块使用。

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