CN102828742A - 深井钻头位置的时差定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了深井钻头位置的时差定位系统及方法，属于信号定位的技术领域。所述深井钻头位置的时差定位系统包括：信号传感器阵列、信号处理器、计算机。信号处理器根据信号传感器阵列测得的振动声波信号，排除钻井作业环境的杂波干扰信号得到钻井钻头的振动信号，对钻井钻头振动信号模数转换，计算机利用时差定位法确定钻头位置。本方法通过设定采集声波振动频率的范围，排除钻井作业现场的杂波信号的干扰因素，实现了钻井钻头的三维定位；计算量小，实时监测钻头倾斜率进而实时调整钻头位置，满足了钻井作业的工程需求。

Description

深井钻头位置的时差定位系统及方法

技术领域

本发明公开了深井钻头位置的时差定位系统及方法，属于信号定位的技术领域。

背景技术

在钻井工程中，尤其在百米以上的深井钻井工程中，百米以下的复杂地质条件不能被完整地勘察，施工时常遇到大块岩体、软弱夹层等情况，钻头在这些条件下会产生偏斜，最终导致钻井产生偏斜。控制钻井偏斜率是钻井工程中的主要任务，也是主要技术难点，迄今没有被很好地解决。研究如何控制钻头偏斜率将会很好地解决钻井偏斜问题，具有重要的工程意义。

控制钻头偏斜率的措施很多，但常见的有两种，配置稳定钻杆或增大钻机对钻杆的扭矩。钻井工程中一般根据地质勘探报告，预先在某段钻杆上配置稳定钻杆，通过这样的方式控制钻头偏斜率，但由于工程突发情况的随即性很大，地质勘察报告并不能囊括所有情况，导致这种措施在现实中的应用效果较差。如果在每段钻杆上均配置稳定钻杆，此方式消耗成本过大，工程量也大大增加，并不可取。目前，施工人员均依靠以往经验来调整钻头偏斜率，仅能有限地控制钻井偏斜率，这在浅井钻井工程中得到广泛应用，效果显著，但并不能满足深井钻井工程的需求。如果钻头位置信息能够实时反馈到施工人员，即对钻头位置进行实时监测，再采取配置稳定钻杆或增大钻机扭矩等措施，能够很好地控制深井的偏斜率，目前主要采用GPS空间定位技术和信号定位技术来实时定位深井钻机钻头。

通过GPS空间定位技术可以定位钻头位置，根据钻头轨迹曲线，观测偏移趋势，再采取配置稳定钻杆等方法来对钻头进行实时调整。GPS定位技术已经非常成熟，并广泛应用于各个领域，包括交通、航天、军事等，但由于地面GPS信号的强度为-155~158dBW，载波频率为1.2~1.5GHz，这个信号强度受地面环境影响很大，卫星信号可能被环境噪声信号淹没，因为没有考虑钻井钻头信号受到环境杂波信号干扰的因素，因此不能够很好地定位工作中的深井钻机钻头。

根据信号定位技术来已经有很多种方法，常见信号通常采用的方法有：区域定位法和时差定位法。区域定位法对传感器位置无特殊要求，但要求检测区域内信号至少被一个传感器接收到，信号源的位置就在首先接收到信号的传感器的附近。该方法的优点是传感器位置布置灵活，检测范围大，但检测到的信号源位置仅表示一定的区域，不能准确定位。现有技术中，有在二维平面内利用时差定位确定信号源位置的应用，目前还没有在三维空间内利用时差定位法确定信号源的运用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了深井钻头位置的时差定位系统及方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

深井钻头位置的时差定位系统，包括信号传感器阵列、信号处理器、计算机，所述传感器阵列包括至少四个传感器；所述传感器分布在钻头工作振动的范围内的地面上；所述信号处理器的输入端接传感器，输出端接计算机。

所述深井钻头位置的时差定位系统中，信号处理器包括：低通滤波器组、数字采集卡，所述低通滤波器组包含与传感器数目相同的低通滤波器；

其中：每一个低通滤波器的输入端与一个传感器连接，低通滤波器的输出端均与数字采集卡的输入端连接；所述数字采集卡的输出端接计算机。

所述深井钻头位置的时差定位系统中，所述传感器阵列包括6个传感器，6个传感器分两列平行布局。

深井钻头位置的时差定位方法，包括如下步骤：

步骤1，在钻头工作振动的范围内的地面上布置传感器阵列；

步骤2，采用现场试钻的方法，根据钻头每秒钻数和深井岩石种类，设定信号处理器采集声波信号的振动频率；

步骤3，计算机根据声波到达每一个传感器的时间确定时间差，结合传感器的自身位置信息，利用时差定位法确定钻头位置信息；

步骤4，计算机对比步骤3得到的钻头位置信息以及钻头基准位置信息，得到钻头偏斜率信息，发送调整钻头位置的信息给钻井操作人员。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：通过设定采集声波振动频率的范围，排除钻井作业现场的杂波信号的干扰因素，实现了钻井钻头的三维定位；计算量小，实时监测钻头倾斜率进而实时调整钻头位置，满足了钻井作业的工程需求。

附图说明

图1为深井钻头位置的时差定位系统的模块图。

图2为深井钻头位置的时差定位方法实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的深井钻头位置的时差定位系统，包括：信号传感器阵列、信号处理器、计算机，传感器阵列包括至少四个传感器。传感器分布在钻头工作振动的范围内的地面上；信号处理器的输入端接传感器，输出端接计算机。信号处理器包括：低通滤波器组、数字采集卡，低通滤波器组包含与传感器数目相同的低通滤波器。每一个低通滤波器的输入端与一个传感器连接，低通滤波器的输出端均与数字采集卡的输入端连接；所述数字采集卡的输出端接计算机。

传感器用于接收钻头振动的声波信号，将携带声波信号达到时间信息的声波信号传送至信号处理器；

信号处理器用于采集振动频率在设定范围时的声波信号，以排除钻井作业现场的干扰信号。由于声波信号频率范围与钻头每秒钻数和深井岩石种类有关，在设定范围时充分考虑两者的综合因素，本专利通过现场试钻的方式；

计算机用于根据声波信号到达的时间、传感器的自身位置信息，利用时差定位法确定钻头的三维位置信息，对比钻头基准位置信息得到钻头偏斜率信息，发送调整钻头位置的信息给钻井操作人员。

本发明中所涉及的传感器必须符合以下条件：指向特性（表征传感器对不同方向信号的检拾的灵敏度）中无方向性好；灵敏度高；源阻抗低；频率范围（带宽）大；信噪比高；瞬态响应性能好。实际运用中选用欧美大地公司的ISEE型传感器。利用数字采集卡自带的信号采集软件即可实现本发明中数字信号处理功能。

深井钻头位置的时差定位方法，包括如下步骤：

步骤1，如图2所示在钻头工作振动的范围内的地面上布局传感器阵列：6个传感器S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆分两列布置。在地面上呈长方形布置六个传感器，就构成了复合四点定位阵，如图2所示，六个传声器的坐标分别为：S₁(0,0,0)，S₂(x₂,y₂,0)，S₃(x₃,y₃,0)，S₄(x₄,y₄,0)，S₅(x₅,y₅,0)，S₆(x₆,y₆,0)。

步骤2，采用现场试钻的方法，根据钻头每秒钻数和深井岩石种类，设定信号处理器采集声波信号的振动频率。钻头工作中，产生的振动信号频率为稳定值，声波频率是随着钻头钻数及现场岩体地质条件（岩石强度、岩体结构面等信息）而改变的。通过现场试钻，测得声波信号的振动频率。

步骤3，计算机根据声波到达每一个传感器的时间确定时间差，结合传感器的自身位置信息，利用时差定位法确定钻头位置信息。

S₁ S₂ S₅ S₄和S₂ S₃ S₆ S₅分别构成四点定位阵，钻头与岩体摩擦所产生的振动波的传播速度为v，

$v_p=\sqrt{\frac{E(1-\mathrm{\υ})}{\mathrm{\ρ}(1+\mathrm{\υ})(1-2\mathrm{\υ})}}---\left(1\right)$

式中，v_p为纵波在岩土层中的传播速度，而振动波在传播中变现为多种形式，但纵波的传播速度最快，必然最先到达传感器。由于纵波的这种特征，监测纵波信号在地震监测等领域中得到广泛应用。本系统采取监测纵波信号，令v=v_p；E为弹性模量，ρ为密度；υ为泊松比。E、ρ、υ这三个参数均可依据地质勘察报告查表获得。

对于S₁ S₂ S₅ S₄构成的四点定位阵，设信号到达传感器S₂与S₁的时差为t₂₁，到达传感器S₃与S₁的时间差为t₃₁，到达传感器S₄与S₁的时间差为t₄₁，钻头坐标P_a(x_a,y_a,z_a)。共有三个未知数x_a、y_a与z_a。

令 $R_a=P_a{S}_1=\sqrt{{x_a}^2+{y_a}^2+{z_a}^2}---\left(2\right)$

根据信号到达传感器的延时关系，可得

$\left\{\begin{array}{c}{(x_a-x_2)}^2+{(y_a-y_2)}^2+{(z_a-z_2)}^2={(R_a-v_p{t}_{21})}^2\\ {(x_a-x_3)}^2+{(y_a-y_3)}^2+{(z_a-z_3)}^2={(R_a-v_p{t}_{31})}^2\\ {(x_a-x_4)}^2+{(y_a-y_4)}^2+{(z_a-z_4)}^2={(R_a-v_p{t}_{41})}^2\end{array}\right.---\left(3\right)$

对于S₂ S₃ S₆ S₅构成的四点定位阵，设信号到达传感器S₃与S₂的时差为t₃₂，到达传感器S₆与S₂的时间差为t₆₂，到达传感器S₅与S₂的时间差为t₅₂，钻头坐标P_b(x_b,y_b,z_b)。共有三个未知数x_b、y_b与z_b。

令 $R_b=P_b{S}_2=\sqrt{{(x_b-x_2)}^2+{(y_b-y_2)}^2+{z_b}^2}---\left(4\right)$

根据信号到达传感器的延时关系，可得

$\left\{\begin{array}{c}{(x_b-x_2)}^2+{(y_b-y_2)}^2+{(z_b-z_2)}^2={(R_b-v_p{t}_{21})}^2\\ {(x_b-x_3)}^2+{(y_b-y_3)}^2+{(z_b-z_3)}^2={(R_b-v_p{t}_{31})}^2\\ {(x_b-x_4)}^2+{(y_b-y_4)}^2+{(z_b-z_4)}^2={(R_b-v_p{t}_{41})}^2\end{array}\right.---\left(5\right)$

通过求解上述两个方程组，即可求得P_a(x_a,y_a,z_a)和P_b(x_b,y_b,z_b)。将两个点的三个轴向坐标分别取均值，即可得到钻头位置的精确值，即 $P(\frac{x_a+x_b}{2},\frac{y_a+y_b}{2},\frac{z_a+z_b}{2}).$

步骤4，计算机对比步骤3得到的钻头位置信息以及钻头基准位置信息，得到钻头偏斜率信息，发送调整钻头位置的信息给钻井操作人员。

上述实时监测计算可在计算机上完成，计算量很小，计算速度快；如遇恶劣施工条件，也可通过计算器进行手算，虽然速度不如计算机，但由于钻头前进速度较慢，加之计算量较小，计算效率可满足工程需求。将计算出的钻头位置坐标在二维网格纸上进行标定，分别为x-y平面、x-z平面和y-z平面，将标定点连线，该线即为已开挖钻井的形状；也可通过CAD等作图软件，输入钻头位置坐标，并将各坐标连线，在三维视角观测已开挖钻井的形状。

综上所述，本发明通过设定采集声波振动频率的范围，排除钻井作业现场的杂波信号的干扰因素，实现了钻井钻头的三维定位；计算量小，实时监测钻头倾斜率进而实时调整钻头位置，满足了钻井作业的工程需求。

Claims (4)

1.深井钻头位置的时差定位系统，包括信号传感器阵列、信号处理器、计算机，所述传感器阵列包括至少四个传感器；其特征在于：所述传感器分布在钻头工作振动的范围内的地面上；所述信号处理器的输入端接传感器，输出端接计算机。

2.根据权利要求1所述的深井钻头位置的时差定位系统，其特征在于所述信号处理器包括：低通滤波器组、数字采集卡，所述低通滤波器组包含与传感器数目相同的低通滤波器；

其中：每一个低通滤波器的输入端与一个传感器连接，低通滤波器的输出端均与数字采集卡的输入端连接；所述数字采集卡的输出端接计算机。

3.根据权利要求1或2所述的深井钻头位置的时差定位系统，其特征在于所述传感器阵列包括6个传感器，6个传感器分两列平行布局。

4.深井钻头位置的时差定位方法，其特征在于包括如下步骤：

    步骤1，在钻头工作振动的范围内的地面上布置传感器阵列；

    步骤2，采用现场试钻的方法，根据钻头每秒钻数和深井岩石种类，设定信号处理器采集声波信号的振动频率；

步骤3，计算机根据声波到达每一个传感器的时间确定时间差，结合传感器的自身位置信息，利用时差定位法确定钻头位置信息；

步骤4，计算机对比步骤3得到的钻头位置信息以及钻头基准位置信息，得到钻头偏斜率信息，发送调整钻头位置的信息给钻井操作人员。

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