CN102425409A - 一种井斜和工具面测量装置及垂直钻井设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种井斜和工具面测量装置及垂直钻井设备，其中所述的井斜和工具面测量装置包括：小波均值滤波单元，用于采集加速度信号，并将所述的加速度信号进行小波均值滤波处理；加速度信号采集单元，用于以采样频率采集滤波处理后的加速度信号；数字信号处理单元，用于读取滤波处理后的加速度信号对应的加速度值，根据所述的加速度值输出井斜和工具面的参数。通过将开钻状态下测量到的加速度信号进行小波均值滤波处理，滤除强冲击信号的干扰信号，能够准确的采集到加速度信号进而确定出井斜和工具面以及井斜倾角，为垂直钻井设备能够准确纠斜控制提供了数据依据。

Description

一种井斜和工具面测量装置及垂直钻井设备

技术领域

本发明关于石油、天然气钻井领域，特别是关于石油、天然气钻井作业中垂直钻井领域，具体的讲是一种井斜和工具面测量装置及垂直钻井设备。

背景技术

我国石油接替产区主要分布在吐哈和川东北、塔里木、准噶尔、西部柴达木等地区，是我国石油行业开采石油和天然气的主要地区，但这些地区的油气资源大部分埋藏在地质条件十分复杂的深层地层，且地层倾斜角大，在垂直井的钻井过程中，经常出现井斜超标的情况，不仅导致钻井成本的上升，而且由于井下情况复杂，高陡度构造的存在容易引起钻速下降和大斜度井，严重影响勘探开发周期，威胁油气源的供应和国家能源经济建设。因此，自动垂直钻井技术在整个油气钻井领域都具有重要意义。

现有技术中应用的能够在任何地质条件下自动进行井下纠斜的闭环自动垂直钻井装置，在一定程度上能够有效地解决钻井领域中“防斜打直”的问题。但是现有的垂直钻井装置中，随钻井斜和工具面测量装置对加速度计测量的信号的处理是基于传统的数字信号处理方式，这种数字信号处理方式对信号处理的精确度较差，对很多测量信号中的信息成分无法处理，这将导致对加速度计测量的信号处理后造成结果的不准确。且由于在开钻状态下的测量会受到强冲击信号的干扰，该干扰信号会导致井斜和方位角参数的加速度计信号无法准确测量，而传统的数字信号处理方式对于这种强冲击干扰的处理效果很差，不能达到加速度信号测量的精度要求。因此，现有技术中的随钻井斜和工具面测量装置不能准确、真实的反映井斜和工具面的实时情况，不能为自动垂直钻井装置的其他装置提供正确的参数依据，进而影响了垂直钻井装置的进一步实施。

发明内容

本发明实施例提供了一种井斜和工具面测量装置及垂直钻井设备，通过将开钻状态下测量到的加速度信号进行小波均值滤波处理，滤除强冲击信号的干扰信号，能够准确的采集到加速度信号进而确定出井斜和工具面以及井斜倾角，为垂直钻井设备能够准确纠斜控制提供了数据依据。

本发明的目的之一是，提供一种井斜和工具面测量装置，包括：小波均值滤波单元，用于采集加速度信号，并将所述的加速度信号进行小波均值滤波处理；加速度信号采集单元，用于以采样频率采集滤波处理后的加速度信号；数字信号处理单元，用于读取采集的加速度信号对应的加速度值，根据所述的加速度值输出井斜和工具面的参数。

其中，所述的小波均值滤波单元包括：分解滤波器，用于将所述的加速度信号分解为高频信号和低频信号；滤波器，用于将所述的加速度信号中的高频信号进行滤波处理；重组滤波器，用于提取滤波处理后的加速度信号。

所述的数字信号处理单元包括：读取单元，用于读取采集的加速度信号对应的加速度值；井斜确定单元，用于根据所述的加速度信号对应的加速度值确定井斜角；重力工具面确定单元，用于根据所述的加速度信号对应的加速度值确定重力工具面值；输出单元，用于输出所述的井斜角以及所述的重力工具面值。

优选的，所述的井斜和工具面测量装置还包括：

微处理器控制单元，用于控制所述的信号滤波单元、所述的加速度信号采集单元以及所述的数字信号处理单元。电源供电单元，用于为井斜和工具面测量装置提供电力供应。

本发明的目的之一是，提供一种垂直钻井设备，包括：导向套、钻艇头部以及穿过所述导向套的钻杆，用于带动钻艇头部旋转钻井；嵌套在所述导向套内的加速度计，用于测量钻井的加速度信号；井斜和工具面测试装置，用于根据所述的加速度信号输出井斜和工具面的参数；导向纠斜结构，用于根据所述的井斜和工具面的参数控制导向块的伸缩。

其中，所述的经协和工具面测试装置包括：小波均值滤波单元，用于采集加速度信号，并将所述的加速度信号进行小波均值滤波处理；加速度信号采集单元，用于以采样频率采集滤波处理后的加速度信号；数字信号处理单元，用于读取采集的加速度信号对应的加速度值，根据所述的加速度值输出井斜和工具面的参数。

本发明的有益效果在于，通过将开钻状态下测量到的加速度信号进行小波均值滤波处理，滤除强冲击信号的干扰信号，能够准确的采集到加速度信号进而确定出井斜和工具面以及井斜倾角，为垂直钻井设备能够准确纠斜控制提供了数据依据，提高了纠斜控制的准确率和精度，进而解决了高陡构造、大倾角地层等易斜地层的防斜问题，提高了钻井速度、降低了钻井成本，提高了油气采收率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种井斜和工具面测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种井斜和工具面测量装置中小波均值滤波单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种井斜和工具面测量装置中数字信号处理单元的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种井斜和工具面测量装置的实施方式二的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种井斜和工具面测量装置的实施方式三的结构示意图；

图6为小波均值滤波的坐标示意图；

图7为小波均值滤波处理后的波形图；

图8为本发明实施例提供的一种垂直钻井设备的结构示意图；

图9为小波均值滤波算法的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图8为本发明实施例提供的一种垂直钻井设备的结构示意图，由图8可知，所述的垂直钻井设备包括：浮动的导向套1、钻艇头部2，

以及穿过所述导向套1的钻杆3，用于带动钻艇头部旋转钻井，导向套1与钻杆3之间通过轴承连接，使得导向套1得以固定在钻具底部的特定位置。

嵌套在所述导向套1内的加速度计4，用于测量钻井的加速度信号。在具体的实施例中，加速度信号由加速度计测量得到，加速度计可为三轴加速度计。

井斜和工具面测试装置5，用于根据所述的加速度信号输出井斜和工具面的参数；

导向套1的下端靠近钻艇头部2处是导向纠斜机构6，它主要是由可独立伸缩的液压导向机构所组成，用于根据所述的井斜和工具面的参数控制导向块的伸缩。

图1为本发明实施例提供的一种井斜和工具面测量装置的结构示意图，由图1可知，所述的井斜和工具面测量装置500包括：

小波均值滤波单元501，用于采集加速度信号，并将所述的加速度信号进行小波均值滤波处理。在具体的实施例中，加速度信号由三轴加速度计测量得到。

加速度信号采集单元502，以AD器件为核心，用于以采样频率采集滤波处理后的加速度信号，其中，采样频率为大于小波均值滤波单元截止频率10倍的频率。

数字信号处理单元503，以FPGA器件为核心，用于读取采集的加速度信号对应的加速度值，根据所述的加速度值输出井斜和工具面的参数。

图2为本发明实施例提供的一种井斜和工具面测量装置中小波均值滤波单元501的结构示意图。

下面首先介绍小波均值滤波算法。三轴加速度计在随钻测量的时候，不停钻的情况下测量得到的加速度信号中会掺杂有各种各样的振动动力源造成的干扰信号，有些干扰信号是能量级别很高的强干扰信号，如此三轴加速度计测出来的加速度信号是不准确的，不能直接处理计算出井斜和工具面的参数。所以在计算井斜工具面参数之前，需要对测量的加速度信号进行滤波处理，去掉由于振动对加速度测量信号造成的干扰信号。

现有技术加速度信号中的干扰信号通过传统的数字滤波器进行的，是通过一定的运算关系改变输入三轴加速度信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分。传统滤波器可以分为低通、高通、带通和带阻等滤波器，对于加速度信号波形的传统滤波方式时选用幅频特性是单调下降、具有最大平坦度的巴特沃斯低通滤波器。

但是传统的巴特沃斯低通数字滤波器设计思想是基于傅立叶变换算法，将信号在时间域和频率域之间相互转换，从看似复杂的数据中找出一些直观的信息，再对它进行分析。傅立叶变换不能很好的处理一些局部信号，这是因为其再频域上的分辨率高，但在时域上的分辨率差，对于时间跨度短的剧烈变换信号其无法进行有效处理。因此，传统的巴特沃斯低通数字滤波器由于时域上的分辨率有限，对强振动动力源引起的随机冲击干扰无法处理，这就导致滤波后的三轴加速度信号还是不能用于计算井斜和工具面，而且巴特沃斯低通数字滤波器的系统延迟时间长，需要在大量的延时后才能得到精确的数据，这就会在很高的系统采样率的前提下，造成大量的采样数据，系统处理这些数据的时间长，实时效果差。

小波均值滤波单元基于小波分析算法，小波分析算法是一个时间和频率的局域变换，它对于信号低频成分的频率分辨率高，而对于信号高频成分的时间分辨率高，其在时间和频率上的分辨率又是可变的，因而能有效的从信号中提取信息，其可以通过伸缩和平移等运算功能对测量的加速度信号进行多尺度细化分析，解决了傅立叶变换不能解决的许多困难问题。

小波均值滤波算法所使用的小波基函数为比利时女数学家I.Daubechies发明的db14小波基函数。用该小波基函数按多尺度滤波算法对三轴加速度信号进行滤波，将加速度信号中的强振动干扰滤除掉。该算法的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_n^k=\frac{1}{\sqrt{2}}\underset{j\∈Z}{\mathrm{\Σ}}{C}_j^{k-1}{\stackrel{\‾}{h}}_{j-2n}\\ d_n^k=\frac{1}{\sqrt{2}}\underset{j\∈Z}{\mathrm{\Σ}}{C}_j^{k-1}{\stackrel{\‾}{g}}_{j-2n}\end{array}\right.$

$C_n^{k-1}=<f_{-(k-1)},{\mathrm{\&Phi;}}_{-(k-1),n}>=\frac{1}{\sqrt{2}}(\underset{j\&Element;Z}{\mathrm{\&Sigma;}}{C}_j^k{h}_{n-2j}+\underset{j\&Element;Z}{\mathrm{\&Sigma;}}{d}_j^k{g}_{n-2j}),k=N,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,1$

由图2可知，所述的小波均值滤波单元501包括：

分解滤波器5011，用于将所述的加速度信号分解为高频信号和低频信号。

小波均值滤波单元的算法结构图如图9所示，算法原理是用db14小波函数推演出一组滤波器系数，用该组滤波器系数将采样之后的加速度信号分解成高频信号和低频信号两个分量信息11，再分别对这两分量信息进行滤波，分解出下一级的高频信号和低频信号的4组分量12，依此类推。

滤波器5012，用于将所述的加速度信号中的高频信号进行滤波处理。经过分解滤波器处理后的加速度信号的低频分量和高频分量得以分离，进一步的通过滤波器将加速度信号中的局部高频强干扰信号滤除。

重组滤波器5013，用于提取滤波处理后的加速度信号，即通过滤波器组的重构算法可以将加速度信号13提取出来。

由上述的分析可知，小波滤波单元克服了传统的数字滤波器时频局部特性差的缺点，通过伸缩小波函数，对应不同的频段。同时，在时间轴上移动小波函数，对应信号的不同时间段。小波的特性，使得其可以集中提取信号的局部信息。其对不同的频域在时域上取样步长是具有调节性的，可以相应的调节视频窗，这正符合三轴加速度信号中有效信号变化缓慢，而强振动干扰噪声信号迅速的特点，满足对三轴加速度信号时频局部化的条件，满足处理这一类的信号的滤波处理的要求。

图3为本发明实施例提供的一种井斜和工具面测量装置中数字信号处理单元的结构示意图，由图3可知，所述的数字信号处理单元503包括：

读取单元5031，用于读取采集的加速度信号对应的加速度值，此处的加速度信号即为滤除干扰之后的信号。

井斜确定单元5032，用于根据所述的加速度信号对应的加速度值确定井斜角；

重力工具面确定单元5033，用于根据所述的加速度信号对应的加速度值确定重力工具面值；

输出单元5034，用于输出所述的井斜角以及所述的重力工具面值。

三轴加速度计测量井斜和工具面是利用重力加速度在各个测试轴上的投影来实现的，其测量井斜的原理图如图6所示，其中Z、Z′表示井眼方向，O为原点，XYZ表示井眼未倾斜时的坐标系，XOY表示水平面，X′Y′Z′表示井眼发生倾斜时的坐标系；V_x、V_y、V_z分别为重力加速度在X′、Y′、Z′轴投影的加速度计输出电压值。θ为井斜角，单位为度；OA为重力高边，即沿重力方向的边AB在OX′Y′Z′上的投影，α为井斜相对方位角(俯视井眼方向仪器斜口朝向相对于井眼高边顺时针方向旋转的角度)或重力工具面角，即重力高边OA与Y′轴正方向的夹角。各量的相互关系如下：

V_z＝V_gcosθ；

V_x＝V_gsinθsina；

V_y＝V_gsinθcosa；

V_g为θ＝0时重力加速度计的额定输出值，利用Z轴作为传感器的测试轴，求井斜倾角的方法为：

$\mathrm{\&theta;}=\arccos \frac{V_z}{V_g};$

利用X、Y轴作为传感器测试轴，求井斜和重力工具面角的方法为：

井斜 $\mathrm{\&theta;}=\arccos \frac{\sqrt{v_x^2+v_y^2}}{V_g};$

重力工具面 $a=\arctan \frac{V_x}{V_y}.$

垂直钻井设备中的导向纠斜机构根据所述的井斜和工具面的参数控制导向块的伸缩，进而实现垂直钻井。

图4为本发明实施例提供的一种井斜和工具面测量装置的实施方式二的结构示意图，由图4可知，在实施方式二中，所述的井斜和工具面测量装置除了上述的组成单元外，还包括：

微处理器控制单元504，用于控制所述的信号滤波单元501、所述的加速度信号采集单元502以及所述的数字信号处理单元503。

图5为本发明实施例提供的一种井斜和工具面测量装置的实施方式三的结构示意图，由图5可知，在实施方式三中，所述的井斜和工具面测量装置除了上述的组成单元外，还包括：

电源供电单元505，用于为井斜和工具面测量装置提供电力供应。

下面结合具体的实施例详细介绍本发明提供的一种垂直钻井设备以及井斜和工具面测量装置。首先，垂直钻井设备中的加速度计测量钻井的加速度信号，由井斜和工具面测量装置对所述的加速度信号进行处理，滤除其中的干扰信号。井斜工具面测量装置能够准确可靠的提取出加速信号，去掉强噪声的干扰，其波形图如图7所示。在图7中，波形14代表时域上的带振动干扰的加速度信号，波形16为可以准确计算出井斜和工具面的加速度信号，由输入的加速信号在频率上的分布可知，可以提取出有用信号。可见db14小波滤波通过尺度为10的小波均值滤波算法可以将振动干扰信号和局部强振动干扰信号全部滤除掉，并能够真实准确的反映出加速度计测量的真实加速度信号。

综上所述，本发明的有益成果是：提供了一种井斜和工具面测量装置及垂直钻井设备，通过将开钻状态下测量到的加速度信号进行小波均值滤波处理，滤除强冲击信号的干扰信号，能够准确的采集到加速度信号进而确定出井斜和工具面以及井斜倾角，为垂直钻井设备能够准确纠斜控制提供了数据依据。

本发明的优点是：

1.创造性地利用小波均值滤波算法对开钻状态下测量得到的加速度信号进行滤波处理，滤除掉三轴加速度计在随钻测量不停钻的情况下测量得到的各种各样的震动动力源造成的干扰信号，进而能够准确的采集到加速度信号，并确定出确切的井斜和工具面以及经斜倾角，为垂直钻井设备能够准确纠斜控制提供了数据依据。

2.创造性的将根据小波均值滤波算法进行滤波的井斜和工具面测量装置安装在垂直钻井设备中，实现了将通过将开钻状态下测量到的加速度信号进行小波均值滤波处理，滤除强冲击信号的干扰信号，能够准确的采集到加速度信号进而确定出井斜和工具面以及井斜倾角，为垂直钻井设备能够准确纠斜控制提供了数据依据，提高了纠斜控制的准确率和精度，进而解决了高陡构造、大倾角地层等易斜地层的防斜问题，提高了钻井速度、降低了钻井成本，提高了油气采收率。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种井斜和工具面测量装置，其特征是，所述的井斜和工具面测量装置包括：

小波均值滤波单元，用于采集加速度信号，并将所述的加速度信号进行小波均值滤波处理；

加速度信号采集单元，用于以采样频率采集滤波处理后的加速度信号；

数字信号处理单元，用于读取采集的加速度信号对应的加速度值，根据所述的加速度值输出井斜和工具面的参数。

2.根据权利要求1所述的井斜和工具面测量装置，其特征是，所述的小波均值滤波单元包括：

分解滤波器，用于将所述的加速度信号分解为高频信号和低频信号；

滤波器，用于将所述的加速度信号中的高频信号进行滤波处理；

重组滤波器，用于提取滤波处理后的加速度信号。

3.根据权利要求1所述的井斜和工具面测量装置，其特征是，所述的数字信号处理单元包括：

读取单元，用于读取采集的加速度信号对应的加速度值；

井斜确定单元，用于根据所述的加速度信号对应的加速度值确定井斜角；

重力工具面确定单元，用于根据所述的加速度信号对应的加速度值确定重力工具面值；

输出单元，用于输出所述的井斜角以及所述的重力工具面值。

4.根据权利要求1所述的井斜和工具面测量装置，其特征是，所述的井斜和工具面测量装置还包括：

微处理器控制单元，用于控制所述的信号滤波单元、所述的加速度信号采集单元以及所述的数字信号处理单元。

5.根据权利要求1所述的井斜和工具面测量装置，其特征是，所述的井斜和工具面测量装置包括：

电源供电单元，用于为井斜和工具面测量装置提供电力供应。

6.一种垂直钻井设备，其特征是，所述的垂直钻井设备包括：导向套、钻艇头部，

以及穿过所述导向套的钻杆，用于带动钻艇头部旋转钻井；

嵌套在所述导向套内的加速度计，用于测量钻井的加速度信号；

井斜和工具面测试装置，用于根据所述的加速度信号输出井斜和工具面的参数；

导向纠斜结构，用于根据所述的井斜和工具面的参数控制导向块的伸缩。

7.根据权利要求6所述的垂直钻井设备，其特征是，所述的井斜和工具面测试装置包括：

小波均值滤波单元，用于采集加速度信号，并将所述的加速度信号进行小波均值滤波处理；

加速度信号采集单元，用于以采样频率采集滤波处理后的加速度信号；

数字信号处理单元，用于读取采集的加速度信号对应的加速度值，根据所述的加速度值输出井斜和工具面的参数。

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