CN101713288A - 一种用于邻井距离随钻电磁探测的测量仪 - Google Patents

Abstract

一种用于邻井距离随钻电磁探测的测量仪，能够为交叉井、U型连通井，双水平井和事故救援井等复杂结构井定向钻井提供精确的随钻电磁探测数据。该测量仪主要由井下探管和地面系统两部分组成，其中井下探管是由传感器模块、微控制器模块、电缆驱动模块、电源模块等构成，其主要作用是检测与钻头串联在一起的磁短节的磁矢量信号，并通过电缆将数据传送到地面系统；地面系统主要由电缆驱动模块、微控制器模块、计算机接口模块、电源模块等构成，其主要功能是接收井下探管发送的测量数据，将其转换成RS-232格式后发送到计算机，并为井下探管提供电源。本发明结构简单，使用方便，可为复杂结构井邻井距离控制提供随钻电磁探测信息。

Description

一种用于邻井距离随钻电磁探测的测量仪

技术领域

本发明涉及一种用于邻井距离随钻电磁探测的测量仪，属于地下资源钻采工程技术领域。该测量仪通过电缆下入正钻井的邻井井下，可精确测量钻头在地下的空间位置，以便随钻探测正钻井与其邻井之间的距离。

背景技术

在石油、天然气及煤层气开采中，双水平井、连通井及U型井等复杂结构井钻井轨迹复杂，定向控制难度大，要求对邻井距离进行随钻精确探测。目前，国内普遍使用的随钻测量工具不能直接测量邻井距离，因而难以满足复杂结构井邻井距离随钻探测的特殊要求。另外，国外虽已研制出能够基本满足以上要求的随钻电磁引导系统，但其核心技术仍被保密和垄断。因此，本发明者特研究设计了“一种邻井距离随钻电磁探测系统”(另作专利申请)，本项发明即是该系统的核心算法，可精确计算钻头到邻井的空间位置。

邻井距离随钻电磁探测系统主要由磁短节、电磁测量仪及邻井距离测量计算方法等组成，可以随钻探测邻井距离，精确实现复杂结构井导向钻井控制目标。磁短节是由横行排列的多个永磁体安装在两端带有API标准口型的无磁钻铤中组成，紧跟在正钻井钻头后，与钻具一同旋转产生交变磁场是电邻井距离随钻电磁探测系统的信号源。电磁测量仪主要由井下探管和地面系统两部分组成，其主要作用是检测与钻头串联在一起的磁短节的磁信号，并将检测到的磁信号数据通过电缆传输到地面系统。

发明内容

本发明的主要技术问题是提供一种用于邻井距离随钻电磁探测的测量仪，它是整个随钻电磁探测系统的重要组成部分之一。

为了解决上述技术问题，本发明主要提供了测量仪所需的井下探管和地面系统，其特征在于：井下探管是一个两端封闭的金属外壳，在壳体里面主要有传感器模块、微控制器模块、电缆驱动模块、电源模块等功能模块；地面系统是一个金属箱，里面主要有电缆驱动模块、微控制器模块、计算机接口模块、电源模块等功能模块。

其中井下探管中的传感器模块包括一个三轴高精度磁通门传感器，一个三轴高精度重力加速度传感器和一个温度传感器。其主要功能是检测永磁短节的磁场矢量、地磁矢量、重力加速度以及井下温度，为后续软件提供数据，进而计算邻井距离的相关数据。

进一步地，所述磁通门传感器是用来检测永磁短节和地磁场的磁矢量。所述重力加速传感器是用来检测井下探管所在位置的重力加速度的方向及大小。所述温度传感器是检测井下探管所在位置的井下温度。

其中井下探管中的微控制器模块由一片单片机及其外围电路构成，用于采集传感器模块输出的磁场、重力加速度以及温度数据，并对数据进行编码以便于发送。

进一步地，所述微控制器模块以MD87C52为核心，主要由MD87C52、54HC373、MD27C128、IDT7164、AT24C16、CD4504、MAX813等芯片组成。

进一步地，所述外围电路主要有多路模拟开关电路、V-F变换电路和编码开关电路。多路模拟开关电路由16路模拟开关芯片CD4067、运放电压跟随电路、滤波电路组成。开关输入通道分配给3个磁通门传感器测量电路输出、3个加速度计测量电路输出、温度传感器测量电路输出、电压基准等。通道选择由CPU通过P1口控制。CD4067模拟开关输出接运算放大器两级电压跟随及阻容滤波电路；V-F变换电路以AD650为核心，通过调节AD650外围满量程电位器，使满量程10V输入时输出频率为200K，便于单片机采集和处理；编码开关电路以16位编码开关为核心，16为编码开关位置决定探管的工作模式，其中方式1到方式8用于井下探管和地面系统的通信，另外添加方式9，方式A，方式B三种方式用于井下探管的测试与设置。

其中井下探管中的电缆驱动模块主要由变压器及其驱动电路构成。测井电缆通过四芯插座连接到变压器上，一方面为井下探管提供工作电源，另一方面也作为信号传输的通道。

其中井下探管中的电源模块主要由整流电路、稳压电路构成。

进一步地，所述稳压电路由LM7812和LM7805分别提供12V及5V电压为井下探管各个电路模块及传感器供电。

其中井下探管中的所有传感器和电路模块都固定在金属骨架上，用塑封胶将所有传感器及电路进行塑封，并固定在圆柱形外壳里面。探管同过四芯插座向地面发送信号和接受交流电源供电。

其中地面系统中的电缆驱动模块与井下探管中的电缆驱动模块相同。

其中地面系统中的微控制器模块主要由MD87C52、54HC373、MD27C128、AT24C16组成，其主要功能是将电缆传送来的信号解码并重新编码后发送给地面系统中的计算机接口模块。

其中地面系统中的计算机接口模块主要由RS-232变换电路构成，其核心芯片是MAX232。其主要功能是对微控制器模块发送的数据进行电平变换，以连接到计算机的串口。

其中地面系统中的电源模块主要由电源变压器、整流滤波电路、稳压电路构成。

进一步地，电源变压器使用220V转46V/12V、100W的交流工频变压器。

进一步地，稳压电路由LM7805和大容量滤波电容构成。

本发明结构简单，使用方便，为复杂结构井井眼轨迹控制起到了穿针引线的作用，比现在普遍使用的随钻测量工具(MWD)具有更高精度的导向作用。

附图说明

图1是本实施例在连通井中工作示意图。

图中：

1水平井 2磁力线 3磁短节 4钻头     5井下探管

6电缆   7直井   8绞车   9地面系统 10计算机

图2是井下探管内部传感器轴线方向排列示意图。

图中：

1磁场传感器 2加速度传感器

图3是井下探管功能模块图。

图4是地面系统功能模块图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

如图1所示，邻井距离随钻电磁探测系统的硬件主要由磁短节、井下探管、地面系统组成，磁短节和钻头安装在一起，随着钻头被下入到水平井中。磁短节既是钻柱的一部分，同时也是随钻电磁探测系统的信号源。井下探管用有线电缆通过绞车下到预先钻好的垂直井中，井下探管的轴向中心位于垂直井和水平井交叉点上方1.5米处。探管检测永磁短节的磁场矢量、地磁矢量、重力加速度以及井下温度，并将这些信息按一定的规则发送到地面。地面系统放置在井口附近，其主要功能是接收井下探管传输上来的测量数据，并通过特定的算法将井下探管的信号还原成钻井工程师可以识别的信息。

井下探管的传感器短节安装在探管下部。其中磁通门传感器和加速度传感器均为三轴传感器，其轴线方向排列如图2所示，两个传感器的Z轴与探管轴线重合，X轴和Y轴垂直于探管轴线；两个传感器的X轴位于同一个平面上，且相互平行，Y轴的情况与此相同。

井下探管功能模块如图3所示。各传感器的输出信号经各自的测量电路放大后送入多路模拟开关电路，由微控制器控制模拟开关，选通某一路信号进行V-F变换，再由微处理器进行处理得到适合运算和传输的数据，微处理器将此数据发送到电缆驱动电路，通过测井电缆将数据发送到地面系统。

地面系统功能模块如图4所示。电缆接口电路与测井电缆相连，将电缆上传输的数据转化为微处理器能识别的数据后，将数据发送至微处理器，微处理器将数据进行进一步的处理、整合后，通过电脑接口电路将最终数据通过RS232接口传输到电脑，由电脑上的软件进行综合处理与计算，得到邻井距离的相关数据。

Claims (8)

1.一种用于邻井距离随钻电磁探测的测量仪，其特征在于，由井下探管和地面系统组成，二者通过测井电缆相连。

2.如权利要求1所述的井下探管，其特征在于，由传感器短节、金属骨架、金属外壳及电路组成。

3.如权利要求1所述的井下探管，其特征在于，在井下探管中有一个高精度的传感器短节，由三轴重力加速度传感器、三轴磁通门传感器和温度传感器组构成，能检测井下探管所在位置的磁场矢量和重力加速度以及井下温度。

4.如权利要求1所述的井下探管，其特征在于，传感器短节固定在金属骨架上和金属外壳内。

5.如权利要求1所述的井下探管，其特征在于，井下探管包含传感器模块、微控制器模块、电缆驱动模块、电源模块等功能模块。

6.如权利要求1所述的井下探管，其特征在于，能检测永磁短节的磁场矢量、探管自身的倾斜角度和温度。

7.如权利要求1所述的地面系统，其特征在于，能通过测井电缆与井下探管相连，读取探管测量的数据。

8.如权利要求1所述的地面系统，其特征在于，读出的测量数据通过RS-232接口发送到计算机。

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