CN103899292B - 用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法，属于石油钻井领域。本方法包括：第一步：设置线路基座，在线路基座中沿纵向设置至少两个彼此间隔开的开口的安装槽，在第一安装槽内设置测量电路，在第二安装槽内设置控制及发射电路；第二步：将线路基座安装在密封筒体内，在密封筒体外布置壳体和天线，并且在壳体和筒体之间形成钻井液通道，并将天线、壳体和密封筒体作为井下部分安装在钻杆上；第三步：安装有井下部分的钻杆下入到井中后，控制及发射电路在预设时间控制测量电路开始进行参数测量，并接收来自测量电路的测量结果且经由天线传输。根据本发明的方法测试结果精确、安全性高且集成度高。

Description

用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，特别涉及一种用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法。

背景技术

井下仪器种类繁多，构造精密。在进行钻进作业的过程中会产生高强度的振动，从而对井下仪器产生冲击载荷，有可能造成井下仪器工作效果不理想等后果，严重时甚至会对仪器造成损坏。实时检测井下仪器受到的冲击的强度、方向和频率以及其振动状态可以准确地判断井下仪器的情况，在出现异常振动时及时进行控制，防止损害仪器。同时这对仪器工作性能的验证以及对测量结果的校正分析具有参考作用。

同时，一些井下工具通过在井下产生连续冲击载荷来完成工作（这些井下工具涉及但不限于钻井冲击器），衡量这些工具工作性能的主要参数就是冲击功和冲击频率。随钻实时检测工具的冲击频率、冲击功、冲击末速度和位移等参数，对验证工具在井下的真实工作性能、改进设计或提高工具工作的稳定性等具有非常重要的意义。

目前的井下振动监测主要是针对钻头和钻柱系统的转动、扭矩和轴向振动的监测，尚无针对井下仪器或工具在钻进时受到的冲击力以及冲击频率等冲击情况的检测。

专利文献US7139218B2公开了一种用于测量钻柱振动状态的井下高速网络。该网络沿钻柱方向设置了多个测量节点，来测量钻柱的振动状态，各节点之间使用电缆有线连接，可将测量数据实时传输给地面系统，通过分析处理获得振动状态曲线。该网络能够在钻进过程中实时获得钻柱的振动情况，但必须对钻柱进行改造来加装多个测量节点和埋设电缆，其结构复杂，使用成本高，实际应用难度较大。

专利文献US7083006B2提出了一种和MWD配合使用的钻柱振动状态测量装置，该振动测量装置安装在MWD下方，测量结果通过MWD随钻传输给地面系统。专利文献EP728915A2提出一种通过监测钻头振动状态来对钻头进行改进优化的方法，使用传感器检测钻头的至少一种工作状态，并且通过现有的遥测系统（MWD/LWD等）将测量结果传输给地面。上述装置和方法虽然实现了在钻井过程中对井下钻头/钻柱振动状态的实时监控，但测量工具必须结合MWD等遥测系统才能将数据发送给地面，使用时必须将测量工具和MWD同时下入井内，使用不方便；同时在钻进过程中井下短节接头连接处容易发生变形和断裂，使用短节数量多，降低了作业的安全性。

发明内容

根据上述现有技术中的不足，本发明提出了一种用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法。根据本发明的方法能够实时监测井下仪器的冲击振动状态，且本方法所应用的系统结构简单，成本低廉，同时作业的安全性较高。根据本发明的方法可以用于在钻进过程中对待测仪器、工具（涉及但不限于钻头、井下冲击器）等的振动加速度、振动位移、转动角速度、冲击频率等参数进行实时测量，分析待测仪器的工作状态，及时预判井下复杂情况，有效地预防事故发生。

本发明提出了一种用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法，包括：第一步：设置线路基座，在线路基座中沿纵向设置至少两个彼此间隔开的开口的安装槽，在第一安装槽内设置测量电路，在第二安装槽内设置控制及发射电路；第二步：将线路基座安装在密封筒体内，在密封筒体外布置壳体和天线，并且在壳体和筒体之间形成钻井液通道，并将天线、壳体和密封筒体作为井下部分安装在钻杆上；第三步：安装有井下部分的钻杆下入到井中后，控制及发射电路在预设时间控制测量电路开始进行参数测量，并接收来自测量电路的测量结果且经由天线传输。

在一个实施例中，还在线路基座上设置间隔开的开口的第三安装槽，在第三安装槽中设置脉冲变压装置，脉冲变压装置将来自控制及发射电路的信号合成为双极性脉冲信号后传输给天线。

在一个实施例中，采用双匝并绕结构设置脉冲变压装置，使其包括两个绕制方式和方向完全一致的线圈。

在一个实施例中，将测量电路和控制及发射电路分别通过螺钉机械地固定在第一安装槽和第二安装槽内，再通过灌封胶进行灌封固定。

在一个实施例中，在密封筒体的上端部设置上座键使其与壳体相连接，通过定位件将密封筒体固定在壳体内，并且还为密封筒体设置扶正器，使得测量电路的测量点处于钻柱的纵向中轴线上。

在一个实施例中，利用通过绝缘层与壳体隔离的位于壳体外侧的环状金属带以及壳体本体来构建天线。

在一个实施例中，将井下部分紧邻于井下仪器设于其上方。

在一个实施例中，设置地面处理平台，将地面处理平台的信号线分别连接到井口防喷器和埋地电极，并通过测量二者之间的电压差来接受井下的天线传送的信号。

在一个实施例中，还在控制及发射电路中设置存储器，将来自测量电路的信号存储到存储器中后再发送给天线，并且存储时对信号进行时间标记。

在一个实施例中，在井下部分中设置电池组，用来供电。

根据本发明的随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法，不仅能够通过天线的设计让地面处理平台实时掌控待测仪器的冲击振动状态，而且相比现有技术中需要与MWD结合使用的测量系统，根据本发明的方法所应用的系统作业安全性较高。

测量结果以电磁信号的形式实时发送到地面，用户可以随时查看井下待测仪器的冲击振动情况。同时本发明还具有实时存储功能，能够在仪器出井后，将备份的测量结果回放，以防实时传输的过程中出现错误或数据丢失。并且在存储数据时进行时间标记，以保证数据的连续性和表征状态的准确性。

根据本发明的方法所采用的系统的井下部分是一个整体短节，两端使用螺纹直接和钻柱及待测工具、仪器短节连接，现场安装拆卸方便，无需与MWD等信号传输工具配合使用即可实现全部功能。根据本发明的密封筒体（在实施例中为耐压筒）采用座键形式布置在壳体内部，仪器取出、部件维修、电池更换等都非常方便，成本低廉，安全性高。同时线路基座、上座键、定位销和扶正器的配合设置保证了测量电路位于钻杆的中轴线上，将测量误差最小化。

附图说明

在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为安装有根据本发明的钻井设备的示意图；

图2为根据本发明的井下部分的示意图；

图3为描述根据本发明的电路单元的框图；

图4为根据本发明的电路单元的结构示意图；

图5为根据本发明的电路单元的坐标图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将参照附图来详细地介绍本发明。

在本说明书中，用语“上部、上端、上方”指沿钻柱纵向远离地心的一侧；用语“下部、下端、下方”指沿钻柱纵向朝向地心的一侧。

图1显示了安装有根据本发明的用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的系统的常规钻井设备，包括井架1、钻头2、待测仪器3、钻柱5等，由于上述结构为常见的钻井设备中的结构，本领域技术人员容易理解，附图的标示仅为了方便对本发明的理解，本说明书中将不会对其进行详细的介绍。在图1所示的实施例中，其中待测仪器3为根据本发明的用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的系统所要测量的对象。

参照图1，根据本发明的系统包括井下部分4。

在一个优选的实施例中，井下部分4安装于钻柱5和待测仪器3之间，井下部分4相邻地位于待测仪器3之上。因为如果井下部分4安装在待测仪器3下方，有可能会影响待测仪器3的工作性能：以井下冲击器为例，它的冲锤需要不停冲击钻头2才能起到加快钻速的目的，井下部分4如果安装在其下方，会使冲锤和钻头2间隔太远，冲击力降低，影响工具性能，为避免该情况发生，优选地将井下部分4安装在待测仪器3上方。

图2示意性显示了井下部分4的内部结构。井下部分4在外部具有壳体9，作为井下部分4的外壳。在一个实施例中，壳体9采用与钻柱5相同的材质和内外径，这是为了方便加工，同时能够保证壳体9的强度和抗腐蚀性能满足井下环境中实际应用的需求。在一个实施例中，壳体9的上下两端布置有螺纹，通过螺纹，上端连接钻柱5，下端连接待测仪器3。

在一个实施例中，壳体9的材质选用4145H等加工钻柱常用的原材料，内外径和配套使用的普通钻柱相同，例如当配合6寸2钻柱使用时，壳体9的外径为165mm，内径为78mm。

壳体9的内部布置有耐压筒17。耐压筒17的作用是隔绝外部高温高压环境对根据本发明的系统的井下部分4的其余部件的影响，防止钻井液对井下部分4的其余部件进行冲蚀，从而损坏本系统。耐压筒17设计为具有良好的抗压、抗腐蚀和密封性。

壳体9的内壁和耐压筒17之间的环空部分作为钻井液通道20，以保证在本系统进行作业的过程中钻井液能够正常循环。

在一个实施例中，耐压筒17的材质选用钛合金、铍青铜等高强度、耐腐蚀的材料。在一个实施例中，为了保证耐压筒17的强度和钻井液通道20内的钻井液过流面积足够，选择外径为45mm，内径为35mm，此时耐压筒强度为：

这能够满足本系统的需求，同时耐压筒17两端使用密封线圈密封，防止耐压筒17内部的部件被钻井液冲蚀。

耐压筒17内部布置有电路单元18。电路单元18负责测量待测仪器3的振动时间、频率、加速度等参数，并对测量结果进行实时存储，同时转换为电磁信号，通过天线12发射给地面处理平台6。

图3的框图和图4的结构示意图详细介绍了电路单元18。

参照图3，电路单元18包括测量电路21、控制及发射电路22、脉冲变压装置23和线路基座24等。

为了加工方便，传统的井下振动测量仪器的集成电路和电池通常安装在外壳体的凹槽内，因此传感器所在的测点距离钻柱中心有一定的距离；进行钻井作业时，钻柱在轴向力、离心力和扭矩的联合作用下会发生弯曲，因此测量时钻柱中心距离井眼中心也会产生一定的距离。因此需要通过一系列加速度的合成、分解和计算才能根据传感器的测量结果获得待测仪器的加速度，算法复杂，容易造成测量结果不准确。

根据本发明的系统的电路单元18固定在耐压筒17内，耐压筒17通过上座键13以座键式的结构安装到钻柱5上，上座键13的接头外壁与壳体9内孔紧密配合，故电路单元18和壳体9的内壁同轴。壳体9和钻铤外径一样，同时上座键13采用定位销14来防止耐压筒17与壳体9之间的相互转动，耐压筒17下部加装扶正器19，保证耐压筒17的下端在壳体9内保持居中，因此能够保证测量点始终位于钻柱的纵向轴线上，防止钻柱的旋转或振动导致电路单元18移位，从而使得测量结果不准确。

如图4所示，在电路单元18中，所有的集成电路都安装在线路基座24上，线路基座24布置在钻柱中轴上，如此来确保测点位于钻柱中心，从而加速度计的测量结果就是待测仪器3的中心加速度，数据处理简单，结果准确。

参照图4，在一个实施例中，线路基座24为圆柱形，主体材料选用硬铝合金2A12T4。在一个实施例中，线路基座24的外径为35mm。其制作可以通过在一个圆柱形合金块上挖槽来实现，以便提高整个线路基座24的刚度。具体地，在线路基座24上布置有三个间隔开的开口的安装槽，而测量电路21，控制及发射电路22和脉冲变压装置23分别置于这些安装槽中，具体设置方式可以是通过螺钉将电路机械地固定在线路基座24的安装槽内。测量电路21和控制及发射电路22外部还设置有灌封胶，将其灌封固定于安装槽中。螺钉用来固定电路板的机械位置，防止在剧烈冲击时电路板移位；灌封胶除辅助固定外还能保证元器件、电路、电线等不被腐蚀。参照图4，其中A-A线、B-B线、C-C线为沿着三个安装槽的横截面的线。而图4下部的三个圆形放大图为线路基座24的沿着A-A线、B-B线、C-C线的剖面示意图。在图4中，安装槽的截面为一面开口的矩形。在其它的实施例中，安装槽也可以是其它的构型，例如截面为椭圆形。

在一个实施例中，安装到线路基座24上的测量电路21包括三轴加速度计、前置放大器、带通滤波器、高速A/D转换器、中央处理器和RAM缓存。测量电路21和控制及发射电路22按照约定的通讯规则进行数据传输。测量电路21作为从机，一直维持待机状态，直到接收到来自控制及发射电路22的指令，才命令三轴加速度计工作。在一个实施方案中，三轴加速度计以500Hz的频率对径向（X）、切向(Y)、轴向(Z)上的加速度进行测量，测量结果送到测量电路21的前置放大器放大，再经带通滤波器滤波，然后由4通道14位高速A/D转换器将结果转换为数字信号。由于测量速度高于传输速度，为了避免数据丢失，需要布置一片小容量RAM作为缓存，将A/D转换器处理后的信号先存在缓存中，在整串测量数据前加盖时间戳来标明该数据的测量时间，以防止缓存造成的延时。到达预先设定的采样停止时间后，测量电路停止测量，将缓存中的数据发送给控制及发射电路22，然后进入待机状态，等待下次测量。

在一个实施例中，三轴加速度计采用压电式，主要技术参数设计如下：

输入电流：＜10mA；使用温度：-55～+150℃；耐冲击：5000g(0.15ms)；测量范围：±50g；带宽(Hz)：0~1000Hz；

在一个实施例中，A/D转换器采用4通道14位高速A/D转换器即可满足精度和采样频率的要求，技术参数设计如下：

采样频率：250ksps；低功耗：850μA，在1ksps状态下工作电流最低可达到2μA；输入方式：差分输入；温度：+125°C。

根据实验，根据本发明的系统每隔5分钟连续采样10s即可准确表征待测仪器3的冲击振动状态。在一个实施方案中，可设定最长连续采样时间为20s，采样频率500Hz。每次采样三轴方向加速度数据各2字节共6字节，加上采样开始时要盖年/月/日/时/分/秒6字节的时间戳，因此连续采样20s需要的RAM缓存容量为：

（6*500*20+6）*8=480048bit≈470K

测量结束后，这些数据通过缓存按照约定的通讯规则传输给控制及发射电路22，测量电路21再次进入待机状态。由于井下仪器晶振和中央处理器主频性能的限制，通信时最大波特率可以选择为38400bps，则传输测量结果需要的最少时间为：

（6*500*20+6）*11/38400=17.1s＜5min

即在5分钟的等待时间中，测量电路21足以完成测量、数据处理和传输等工作，不会影响下次测量的开始。

井下振动冲击频率一般最大为几十Hz，为了测量准确，振动信号的采样频率可选择在500Hz左右。如果不间断地连续测量振动数据并实时向地面传输，数据量非常庞大，电磁信号传输速率无法满足要求；而在钻井作业的实际情况中，井下仪器单趟钻连续工作时间一般都超过100小时，而井下振动状态的改变通常不会瞬态引起破坏性的后果，因此并不需要连续不断地密集测量。因此每隔一段时间监测一次（时间间隔和每次监测时长可以根据需要自行设定），并实时将结果发送给地面，就能满足对待测仪器3的振动冲击状态的监测需求。

参照图5，下面简单介绍三轴加速度计的测量工作。过三轴加速度计的测点M在井筒的横截方向上建立固定的平面坐标系Oxy，其中O为井眼中点，M为三轴加速度计的测点M（在本实施例中即钻柱中心），然后以M点为原点，建立动坐标系Mij，其中r为井眼中心到钻柱中心的距离，θ为钻柱中心转过角度。根据速度合成定理，点M在固定坐标系Oxy中的绝对速度为牵连速度和相对速度之和，即

测点M相对动坐标系静止，因此 是测点M与动坐标系Mij原点之间的距离，M点本就是动坐标系原点，因此

因此测点M的绝对速度等于它作为动系原点的运动速度

测点绝对加速度为绝对速度对时间t求导

其中j′＝-θ′×i，i′＝θ′×j，则

Z轴方向加速度不受其它运动影响，就是测量值，因此测量工具中心加速度值等于三轴加速度计测量值：

再次参照图3，布置在线路基座24上的控制及发射电路22包括中央处理器、实时时钟、FLASH存储器、功率放大装置和保护电路。中央处理器可选用16位单片机、FPGA等嵌入式芯片，通过SPI总线与FLASH存储器、实时时钟连接进行数据传输。中央处理器利用实时时钟计算时间，到预先设定的开始测量的时间时，中央处理器向测量电路21发送指令，接收测量电路21发送的测量结果，并将数据通过缓存存入FLASH存储器中进行备份。在一个实施例中，存储数据为加速度结果6字节、每次采样开始时存储时间数据6字节。在该实施例中，FLASH存储器容量大小计算公式为：

容量=（（8*6）*采样频率*连续采样时间+8*6）*（60/采样间隔）*仪器连续工作时间

例如按连续工作120小时计算，需要的FLASH容量大小为：

（（6*8）*500*20）+8*6）*12*120=691269120bit=83Mbyte

这个存储容量是可以实现的。

之后中央处理器对数据进行信源编码和信道编码。在一个实施方案中，信源编码为数据帧格式，采用14位帧同步校验位（该数值是经过大量实验验证得出的最佳值）来降低误码率。信道编码使用（2,1,5）卷积码编码。然后中央处理器对数据进行2DPSK调制后形成两路脉冲信号，经过功率放大装置增强信号幅度后，输入脉冲变压装置23合成为双极性脉冲信号，之后分别施加给图2中所示的天线12的两极，即可将测量结果转化为电磁信号发射给地面。

其中，功率放大装置由两个光电隔离器分别连接两路功率放大器，开关功率管使用IGBT器件（功率放大器为搭建的集成电路，开关功率管是市售芯片），无电磁信号发射时，中央处理器传给功率放大装置的两路脉冲输入为高电平，此时开关功率管为开路状态，无输出；需要发射测量结果时，中央处理器输出两路交替负脉冲，开关功率管闭合，正常输出信号。光电隔离器可使数字电路与功放有效隔离，实现了功率放大装置的浮地设计，提高了本发明的抗干扰能力。

为使功率放大装置满足使用需求，需计算使用它后控制及发射电路的效率，设阻抗变换器转换效率为η，变压器变比为n，初次级电流、电压分别为I、U、I₁、U₁，输出功率为P_out，实际功耗为P，变压器输入功率为P′,天线输入阻抗为R_z，供电电压为v，R₁₆为限流电阻。

已知P_out＝η·P'，P'＝I·U，P＝I·v，U＝n·U₁，U＝v-I·R₁₆，则总效率为在一个实施方案中，电源输出电流为0.56A左右，此时该效率达到80%以上，有效地保证了本发明宽范围、高效率的工作。

由于测量结果以电磁信号的形式发射和传播，天线起着至关重要的作用。天线的结构和电磁特性对产生的电磁信号的性能影响很大。由于趋肤效应，电磁信号在地层中传输时会发生严重的衰减，天线的性能很大程度上影响着传输距离，井深增加时，地面处理平台可能无法正确接收到信号。因此现有技术中的天线不能满足需要，本发明采用特殊设计指标下的特制天线。

钻井工艺的特殊性决定了井下电磁信号发射天线通常只能在钻杆上或沿着钻杆布置，目前常用的井下电磁天线包括线圈天线和垂直电激励的轴向耦合天线。但前者结构复杂，线圈匝数、铁芯性能等参数都会对产生的信号造成影响，不容易实现对发射信号性能的稳定控制。后者是在钻杆外壁上布置一圈绝缘段，在钻杆内部布置绝缘杆，将钻柱隔为两节作为天线两极，在两极上通交变电压来激励产生电磁信号，其缺陷是绝缘杆占用了一定长度，容易造成仪器过长，使用不方便。

根据本发明的系统所采用的天线12为对垂直电激励的轴向耦合天线的改进，其无需内部绝缘杆，因此不影响仪器长度。天线12的结构如图2所示，在壳体9的外侧开环型凹槽，凹槽内嵌入绝缘层10，绝缘层10的外侧粘结一圈环状金属带11。环状金属带11和壳体9被绝缘层10隔开，构成天线12的两极。电路单元18内的控制及发射电路22根据要发射的电磁信号通过电线15在天线12上施加不同的交变激励电压，天线12两级间产生相应的径向耦合感应电流，此时，钻柱、泥浆、地层所组成的电流通路成为传输信号的信道，电磁信号沿该信道传输至地面处理平台6。这种天线结构简单，性能稳定，容易加工。

天线输入阻抗随地层电阻率变化而变化，在地层电阻率范围处于2～50Ω·m时,天线输入阻抗为0.2～1.8Ω。根据本发明，在固定变比n=6，使用限流电阻R₁₆＝10Ω时，在0.2～1.6Ω天线阻抗范围内，输出功率在15～25w之间。当电源输出电流为0.56A时，效率达到85%。能够保证宽范围高效率的工作，并且功率输出满足井下到地面通信系统的要求。

天线的输入阻抗会随地层电阻率变化而变化，当输入阻抗突然减小时会导致功率放大装置输出的电流瞬间增大，这种瞬态增大容易使仪器误进入过流保护状态。根据本发明，在一个实施例中，与控制及发射电路22的功率放大装置相连接的脉冲变压装置23为双匝并绕结构，其作用是利用两个绕制方式和方向完全一致的线圈（绕组负载不对称会造成大量的功率损耗，因此优选地严格控制两个绕组的平衡程度）来缓冲电流，实现控制及发射电路22的功率放大装置与天线12的匹配，由此防止误保护。

再次参照图2，在一个实施方案中，在耐压筒17中还布置有电池组16，用来为根据本发明的系统提供电源。在一个实施例中，电池组16包括多个高温锂电池，外部覆盖有保护壳。在一个实施例中，电池组16的外径与电路单元18的外径一致，通过电气接头与电路单元18连接，拆装方便，易于更换。

在一个实施例中，根据本发明的系统还包括地面处理平台6。地面处理平台6负责接收井下部分4发出的电磁信号，并实时还原成测量结果，通过一系列处理和计算后将获得的所有参数显示给用户。

在一个实施例中，地面处理平台6的一条信号线连接井口防喷器8，另一条连接埋地电极7，通过测量两条数据线的电压差即可获得井下发送的电磁信号。然后经过前置放大、模拟滤波、A/D转换等处理后，将信号传给PC机对信号进行解调、解码，将电磁信号还原为测量结果。然后根据测得的三轴加速度值和时间值等计算井下工具、仪器的轴向振动位移、横向振动、转动角速度等，以便判断井下是否出现跳钻、黏滑、涡动或冲击器停止工作等复杂情况。

在一个实施例中，埋地电极7距离井口大约100米，埋地电极7的材料可使用例如不锈钢的金属导体。

在地面处理平台6的处理过程中：

当在Z轴方向上的加速度值Z_a发生不规则变化时，判断井下发生跳钻，通过计算钻头位移S_d＝∫∫Z_a，可以判断钻头的轴向运动状态，防止井下钻具和钻头过早被破坏或钻速下降；

通过 可以计算出井下钻柱钻速θ，一旦θ交替增大缩小，证明可能出现黏滑，会导致扭矩过大，造成井下工具磨损；

同时，根据X、Y轴加速度值X_a、Y_a计算出涡动角速度分析井下是否出现涡动，防止钻柱产生高频交变应力，造成钻柱、工具磨损；

如果待测仪器3为冲击器等规律冲击钻头2的工具，测得Z轴加速度Z_a规律地正弦变化时，证明待测仪器3正常工作，否则仪器损坏或停止工作。本发明经试验检验其可靠性和灵活性，并和理论计算结果相拟合，拟合结果表明，该装置能够准确测出井下振动、冲击状态。

井下仪器4出井后，将电路单元18使用专用电缆和地面处理平台6连接，可将存储在电路单元18中的备份数据回放到地面处理平台中。

如此，用户不仅在钻进过程中可以实时监控待测仪器3的冲击振动情况，还能够在井下部分4出井后，将地面处理平台6通过专用电缆与电路单元18对接，对备份数据进行回放。

同时，本发明还设计了一种通过上面所提出的系统随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法。

首先在密封筒17内设置线路基座24，在线路基座24上布置三个间隔开的开口的安装槽，而将测量电路21，控制及发射电路22和脉冲变压装置23分别置于这些安装槽中。通过螺钉将测量电路21，控制及发射电路22和脉冲变压装置23机械地固定在线路基座24的安装槽中。测量电路21和控制及发射电路22外部还设置有灌封胶，将其灌封固定于安装槽中。采用双匝并绕结构设置脉冲变压装置23，使其包括两个绕制方式和方向完全一致的线圈

同时在密封筒17内布置电池组16用来供电。

而后，在密封筒17之外布置壳体9，在壳体9和密封筒17之间形成钻井液通道20。上座键13的接头外壁与壳体9内孔紧密配合，同时采用定位销14来防止耐压筒17与壳体9之间相互转动，为耐压筒17加装扶正器19，保证耐压筒17的下端在壳体9内保持居中。

利用围绕在壳体9之外通过绝缘层10与壳体9隔开的环状金属带11和壳体9本体构建天线12。

在测量时，将包括密封筒17、壳体9和天线12的井下部分紧邻于井下仪器设置在其上方，并随钻送入井中。控制及发射电路22在预设的特定时间向测量电路21下发命令，测量电路21进行测量，然后将结果发送给控制及发射电路22。控制及发射电路22将收到的信号处理并存储在FLASH存储器中，存储时进行时间标记，之后将信号发送给脉冲变压装置23。脉冲变压装置23将收到的信号合成为双极性脉冲信号后施加给天线12的两极。天线12将信号传送至地面处理平台6。

将地面处理平台6的一条信号线连接井口防喷器8，另一条连接埋地电极7，通过测量两条数据线的电压差来获得井下发送的电磁信号。

根据本发明的系统和方法成功地解决了现有技术中的缺陷。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法，包括：

第一步：设置线路基座，在所述线路基座中沿纵向设置至少两个彼此间隔开的开口的安装槽，在第一安装槽内设置测量电路，在第二安装槽内设置控制及发射电路，

第二步：将所述线路基座安装在密封筒体内，在所述密封筒体外布置壳体和天线，并且在壳体和筒体之间形成钻井液通道，并将所述天线、壳体和密封筒体作为井下部分安装在钻杆上，

第三步：安装有井下部分的钻杆下入到井中后，所述控制及发射电路在预设时间控制所述测量电路开始进行参数测量，并接收来自所述测量电路的测量结果且经由所述天线传输，

通过三轴加速度计对径向X、切向Y、轴向Z上的加速度进行测量，过三轴加速度计的测点M在井筒的横截方向上建立固定的平面坐标系O_xy，其中O为井眼中点，M为三轴加速度计的测点M，采用钻柱中心作为所述测点M，然后以M点为原点，建立动坐标系M_ij，其中r为井眼中心到钻柱中心的距离，θ为钻柱中心转过角度，则测点M的绝对速度等于

$\stackrel{\→}{V}={\stackrel{\→}{V}}_M=r^{\′}\stackrel{\→}{i}+r\mathrm{\θ}\stackrel{\→}{j_{\′}}$

而测点M的绝对加速度为绝对速度对时间t的导数

$\stackrel{\→}{a}=(r^{\′\′}-{\mathrm{r\θ}}^{\′2})\stackrel{\→}{i}+(2r^{\′}{\mathrm{\θ}}^{\′}+{\mathrm{r\θ}}^{\′\′})\stackrel{\→}{j}$

通过M的绝对加速度公式得出，测量工具中心加速度值分解到X、Y、Z轴后结果如下：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{M_x}=X_a=r^{\′\′}-{\mathrm{r\θ}}^{\′2}\\ a_{M_y}=Y_a=2r^{\′}{\mathrm{\θ}}^{\′}+{\mathrm{r\θ}}^{\′\′}\\ a_{M_z}=Z_a\end{array}\right.$

其中Z轴方向加速度就是测量值Z_a；

还在所述线路基座上设置间隔开的开口的第三安装槽，在第三安装槽中设置脉冲变压装置，所述脉冲变压装置将来自所述控制及发射电路的信号合成为双极性脉冲信号后传输给所述天线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用双匝并绕结构设置所述脉冲变压装置，使其包括两个绕制方式和方向完全一致的线圈。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述测量电路和所述控制及发射电路分别通过螺钉机械地固定在所述第一安装槽和所述第二安装槽内，再通过灌封胶进行灌封固定。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述密封筒体的上端部设置上座键使其与所述壳体相连接，通过定位件将所述密封筒体固定在所述壳体内，并且还为所述密封筒体设置扶正器，使得所述测量电路的测量点处于钻柱的纵向中轴线上。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用通过绝缘层与所述壳体隔离的位于所述壳体外侧的环状金属带以及所述壳体本体来构建所述天线。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述井下部分紧邻于井下仪器设于其上方。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，设置地面处理平台，将所述地面处理平台的信号线分别连接到井口防喷器和埋地电极，并通过测量二者之间的电压差来接受井下的所述天线传送的信号，

在地面处理平台的处理过程中：

当在Z轴方向上的加速度值Z_a发生不规则变化时，判断井下是否发生跳钻，通过计算钻头位移S_d＝∫∫Z_a，判断钻头的轴向运动状态；

通过计算出井下钻柱钻速θ，一旦θ交替增大缩小，则判定出现黏滑；

同时，根据X、Y轴加速度值X_a、Y_a计算出涡动角速度据此分析井下是否出现涡动。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还在所述控制及发射电路中设置存储器，将来自所述测量电路的信号存储到所述存储器中后再发送给所述天线，并且存储时对信号进行时间标记。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述井下部分中设置电池组，用来供电。