CN100557463C - 钻柱振动声波测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻柱振动声波测量方法，其特征是将一个采集轴向、切向和横向的三维振动声波传感器组安装在钻柱顶部随钻测量，通过钻柱作为信息传输介质，记录钻进过程中钻头与地层连续作用时产生的自然振动源信号、自然声波信号、钻具或钻头自身的动态行为信号，将这些信号输入到一个无线传感网络的节点盒内，利用无线传输方式，将这些信号传送出去。接受端将信号通过无线传感网络和计算机接口进入计算机系统，对数据进行在线实时分析和解释。本发明具有如下积极效果：与其它钻井现场传感器结合，实现在钻井现场进行工程测量参数无线传感网络收集和处理工作；本测量方法提供了一种容易安装、安全可靠的录井测井设备，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油钻井过程随钻录井测井技术
背景技术
随钻技术-通过安装在井下近钻头附近的测量短接完成井下地层和工程参数的收集，通过泥浆脉冲或人为声波等方式将井下数据传输到地面并进行解释。这种方式的特点是将测量工具安装在钻柱的底部，安装成本高，安全风险大。
测井技术-将测量仪器通过电缆下入井筒中，对井壁地层的物理性质进行物电转换，将数据进行分析并解释地层的物性。这种方法的特点是必须在钻井完钻后，将井筒清空以便下入测井仪器，数据不能在钻进过程中获取。
岩屑录井技术-在钻进过程中，不断收集由钻头与地层切屑作用产生的岩屑样本，结合钻进工程参数(钻时和气测等读值)对地层进行现场评估和解释。这种方法的特点是必须经过一个钻井迟到时间后才能获取岩屑样本，钻井井深越深，迟到时间越长。
有线钻柱振动测量方法-采用安装在水龙头顶部的振动传感器，获取钻柱振动和地层信息。这种方法的特点是传感器不随钻柱一同旋转，测量电缆沿水龙带排线进入计算机系统，信号容易拉断，维护困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够通过钻柱直接作为一个数据信道，传递井下地层信息和钻柱或钻头本身的动态行为信息，随钻即时测量并实现在钻井现场进行无线传感网络方式收集测量数据的钻柱振动声波测量方法。
本发明所述钻柱振动声波测量方法是，将一个采集轴向、切向和横向的三维振动声波传感器安装在钻柱顶部随钻测量，通过钻柱作为声波传输介质，记录钻进过程中钻头与地层连续作用时产生的自然振动源信号、自然声波信号、钻具或钻头自身的动态行为信号；所描述的三维振动声波传感器组镶嵌在紧紧钢性抱住钻柱的测量卡箍内，实现随钻柱联动测量；在随钻测量装置上安装无线传感数据采集和发射装置，该无线传感数据采集和发射装置将测量到的三维振动声波信号传输到一个具有采集、存储、处理和射频传输的无线传感网络的节点盒内，再利用无线传输方式，将这些信号传送出去；接受端通过无线传感网络和计算机接口将所述数据输入计算机系统，对数据进行在线实时分析和解释；所述的无线传感网络采用数字传输方式。
本发明具有如下积极效果：
1、与绞车传感器和大钩负荷传感器等其它钻井现场传感器结合，自动井深跟踪；
2、收集信号用于地层在线实时地层分层、地质导向、钻头轨迹、工程监测(扭矩、钻头转数)、钻柱异常分析等；
3、实现在钻井现场进行工程测量参数无线传感网络收集和处理；
4、测量及其传输数据可靠性强，不易受钻井设备自身工作的影响；
5、本测量方法提供了一种容易安装、安全可靠的录井测井设备，使用寿命长。
附图说明
图1是本发明的钻柱声波测量方法原理示意图
图2是本发明的钻柱声波测量方法的钻柱卡箍安装于钻杆上的结构示意图。
图3是图4的沿A-A方向的剖面图。
具体实施方式
本发明所述钻柱振动声波测量方法的原理如下：
当钻头破岩/地层时就会产生一个自然振动声源信号，这种振动声波信号可以沿着钻柱或地层直接或间接地传输到地面。当地层的硬度或岩层之间的胶接状态发生变化时，就会产生频率不同的振动声波信号。如果在钻柱顶部安装一个信号接受装置，就能够直接感受到这些变化声波信号(钻柱作为振动声波传递介质)，通过对上述信号的分析即时实时地解释变化的振动声波信号，可以给出地层、岩性和油藏信息，进而达到第一时间发现地层变化和油气层的目的。
同时，利用机械振动信号的变化，对钻柱的动态行为进行监测，及时发现钻柱的异常现象，达到预测故障的目的，通过对扭矩和钻头工况的监测，可以作为地质导向，钻头轨迹跟踪等手段。
上述振动声波信号符合如下关系式：
D＝Function(1/f，I)
其中：D-振动声波在介质中的传输距离
f-振动声波信号频率
I-振动声波信号强度
振动声波信号频率越高，它在传输介质中的传输距离就越短；信号强度越大，它在传输介质中的传输距离就越远。实际钻进过程中，钻头以巨大的能量切削地层，使进尺得以深入，由此产生一个强度很大的振动声波源，足以使振动声波由地层深处传输到钻柱顶部，现场的实际试验验证了这一现象。
本发明的测量数据方式是将现有的振动声波传感芯片安装在钻柱顶部进行随钻测量，在随钻测量装置上安装无线传感数据采集和发射装置，该无线传感部件将测量到的三维振动声波信号传输到一个无线传感网络节点盒内，
图1示出本发明的测量方法的原理图。图1中13是内部镶嵌三维振动声波传感器组、天线传感网络节点盒和供电电池的测量工具，13是套管，14是钻柱，15是钻头，16是地层。其中钻柱测量卡箍紧紧钢性抱住钻柱，目的是能够良好接受振动声波信号，在振动卡箍内部镶嵌一组振动声波传感器以及其它辅助信号处理电路，传感器接受的信号输入到无线传感网络节点盒，由它进行信号采集，存储，处理和无线传输到无线传感网络中，最终被无线传感网络控制点接受并进入计算机系统进行即时实时分析。
为了克服井场各种电器设备对本发明信号的干扰，与本发明配套的无线传感技术采用数字传输方式技术，无线缓存技术，单点单采技术，单点多采，数据批采等技术，并且采用超微功耗无线传感网络技术，实现将测量数据以无线方式收集到计算机中。
为了进一步说明本发明的技术方案，本发明给出了一种具体实施方法，在图2、3中，给出了一种固定传感器于钻柱顶部的装置。图2中部件标号说明：1-传感器压板、2-板牙、3-卡带定销、4-卡带总成、5-卡带张紧丝杠、6-锁紧螺母、7-卡带张紧销、8-传感器托架、9-传感器总成、10-传感器电源、11-钻柱、12-连接导线。所述固定装置为卡带式结构，其中包括卡带总成4、卡带胀紧丝杠5、卡带胀紧销7、锁紧螺母6和位于卡带总成4上的传感器和电源。在图2、3中卡带总成一端被固定锁紧部分连接，如：卡带张紧丝杆5，卡带张紧销7、锁紧螺母6，另一端通过卡带定位销3连接有具有内侧板牙2的固定传感器和电源的部分。所述传感器9通过压板1和传感器托架8被固定于卡带4上，电源10同传感器9的固定结构。所述传感器总成9是一个具有三维(轴向、切向和横向)高灵敏度振动声波传感器，可以测量高达20K的声波频率。
本发明采用的三维振动声波传感器可以采用由上海朗尚科贸有限公司生产的SCA系列产品，如三维SCA3000，两维SCA1000/20，单轴SCA610等产品。
本发明采用的无线传感网络是由一台中央监控计算机(CMS-CenterMonitering System)和一组远程终端节点(RTN-Remote Terminal Node)组成的多任务无线通讯网络。其中每个RTN具有采集4路模拟信号和两路脉冲信号，这两路脉冲信号可以组成鉴相计数用于绞车计数传感器；CMS向RTNs发出控制指令，每个RTN判断是否被叫，如果被叫，将该节点所属的传感器信号传回给CMS，并通过RS485/RS232直接进入计算机，无需接口箱。该系统设计了5级节点中继模式，节点可以多达65536个，设计范围大于方圆1公里范围，对钻井现场而言，可以充分保障数据的传输可靠性。
在该系统中，每个节点具有以下特点：
·可采集4路12比特A/D信号，采样速率每路可达1KHz
·可采集2路脉冲信号(含绞车信号)
·连续信号采集频率范围为0～10KHz
·可用于动态信号分析(钻柱振动信号，扭矩动态等信号)
·无线数据采集模块RTNs与无线数据控制模块CMS直接通讯距离大于100米
·无线网络系统设计为5级方式，网络覆盖范围将达到方圆5×100＝1000米范围以上。
·支持无线数传电台方式，使每个监测区域之间的距离扩大到10公里范围
·模块工作温度范围-40～85摄氏度
·数据传输率100kps
·最大发射功率10dBm
·灵敏度-100dBm
·在发射功率为-10dBm时的发射电路为11mA(超低功耗)
·接收模式下的电流为12.5mA
·电池3伏供电
·工作频率在433MHz～916MHz之间或2.4GHz
·防爆、防震、防水封装
Claims (1)
1、一种钻柱振动声波测量方法，其特征在于将一个采集轴向、切向和横向的三维振动声波传感器安装在钻柱顶部随钻测量，通过钻柱作为声波传输介质，记录钻进过程中钻头与地层连续作用时产生的自然振动源信号、自然声波信号、钻具或钻头自身的动态行为信号；所描述的三维振动声波传感器组镶嵌在紧紧钢性抱住钻柱的测量卡箍内，实现随钻柱联动测量；在随钻测量装置上安装无线传感数据采集和发射装置，该无线传感数据采集和发射装置将测量到的三维振动声波信号传输到一个具有采集、存储、处理和射频传输的无线传感网络的节点盒内，再利用无线传输方式，将这些信号传送出去；接受端通过无线传感网络和计算机接口将所述数据输入计算机系统，对数据进行在线实时分析和解释；所述的无线传感网络采用数字传输方式。
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