CN103899299A - 一种旋转状态下测量钻具角度位置的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转状态下测量钻具角度位置的装置。采用具有巨磁阻抗效应的磁敏感元件，做成磁栅单元盘，再由多个磁栅单元盘形成磁栅码盘，配以包括激励电路、信号调理电路、过零比较器、倍频电路、脉冲合成电路、计数器、方向判别电路、微控制器、存储器、通讯接口和电源电路组成的磁栅测量电路。本发明很好地解决了现有技术存在的诸多问题，不仅用于旋转导向钻井、地质导向钻井、随钻成像测井、随钻方位测井等，实现旋转状态下角度的精确测量，还可以测量转速。

Description

一种旋转状态下测量钻具角度位置的装置

技术领域

本发明涉及石油钻井和测井测量装置领域，特别是涉及到旋转导向钻井技术、地质导向钻井技术、随钻成像测井技术，具体地讲是一种用于井下动态测量旋转钻具角度位置的装置。

背景技术

在定向井、水平井的钻井过程中，需要实时测量井下工具或仪器的基准线或基准面所在的角度，即工具面或工具面角。它有两种表示方法：重力工具面和磁工具面。重力工具面是沿井眼向下看时,由重力矢量所确定的高边和加速度计X轴之间的夹角；磁工具面角为以正北方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线在水平面上的投影线所转过的角度。当井斜较小时，重力工具面无法准确测出，工具面通常以磁工具面表示，当井斜超过一定角度时，工具面通常以重力工具面表示。

无论是随钻测量（MWD）、旋转导向、随钻测井或地质导向工具、仪器，都需要准确测量工具面以及各自系统内井下传感器与工具面的偏移角。例如，MWD仪器通过测量工具面，为定向工程师提供井眼轨迹控制信息；旋转导向系统为了使钻头沿预定的轨迹钻进，需要使导向机构向预定的角度方向造斜；随钻成像测井或具有方位探测能力的随钻测井及地质导向仪器则需要将测量信息与工具面关联，得到井眼周向某一角度方位的测量结果，以实现井眼成像或方位扇区扫描。

目前，公知的测量钻具角度位置或工具面的方法有。当随钻仪器或工具不旋转时，工具面可以利用加速度计传感器和磁通门传感器测量得到。但是当随钻仪器或工具处于旋转状态时，由于加速度计受到振动以及旋转离心力的影响，这种静态测量的精度受到严重影响，即使从理论上讲，可以对加速度计的输出进行离心加速度修正，但要准确测出离心加速度又存在很大困难，而且修正方法的复杂性也影响测量的实时性，不适于旋转导向、随钻方位测井等实时性要求高的仪器或工具。

由于振动、旋转对磁通门传感器的输出几乎没有影响，为解决井下振动及工具仪器旋转时离心加速度的影响，又出现了另一种测量方法。该方法认为，在井斜、方位、地磁倾角一定的情况下，重力工具面与磁工具面存在基本固定的关系，因此，当工具或仪器静止时，利用加速度计和磁通门传感器，测量得到重力工具面与磁工具面的偏差角，当工具或仪器旋转时，由磁通门传感器测量得到磁工具面，加上偏差角之后，即得到重力工具面。由于重力工具面与磁工具面的偏差角受井斜、方位、地磁倾角等因素的影响，当其中某一因素发生变化时，两者之间的关系也会变化，因此要实现准确的测量，必须经常性地进行静态测量，得到重力工具面与磁工具面的偏差角，这无疑会影响钻井的速度，而且测量参数的增多也增加了系统的复杂度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种在井下工具旋转状态下进行角度的精确测量的旋转状态下测量钻具角度位置的磁栅单元盘、磁栅码盘及装置。

本发明的技术方案包括：

一种旋转状态下测量钻具角度位置的装置，包括磁栅码盘和磁栅测量电路；磁栅码盘由多个磁栅单元盘叠加而成，所有磁栅单元盘内的磁敏元件在圆周方向均匀分布，且所有磁栅单元盘的中心保持在同一轴线上；其中磁栅单元盘具有两个平行的端面的基片材料，并在两个平行端面开设两条相互垂直的走线槽，两条走线槽内分别镶嵌一条磁敏元件；磁栅测量电路包括激励电路、信号调理电路、过零比较器、倍频电路、脉冲合成电路、计数器、方向判别电路、微控制器、存储器、通讯接口及电源电路；其中，信号调理电路包括检波器、滤波器和放大器，激励电路包括采用分立元件组成的振荡器或集成门电路振荡器、有源晶振、DDS频率合成器，微控制器包括单片机或DSP机；磁栅码盘中的所有磁敏元件引出线连接到磁栅测量电路，

上述方案还包括：相邻两个磁栅单元盘之间有非导磁材料制成的隔离件，彼此用胶粘接在一起，然后装入码盘骨架上，并将所有磁敏元件的引出线引出至码盘骨架外，然后将码盘骨架内部用胶灌封。

上述方案进一步包括：磁栅单元盘的基片材料为具有一定强度的非导磁材料，包括铝合金或玻璃钢；磁敏元件是具有巨磁阻抗效应的软磁材料，包括Co基非晶丝。

第一个磁栅单元盘正面磁敏元件对应的位置刻有一个码盘0°标志。

磁栅测量电路固定在电路骨架上，并由接口电缆引出。

磁栅单元盘的端面呈圆形、正方形、长方形、或其它形状。

本发明的一种旋转状态下测量钻具角度位置的装置有益效果是很好地解决了现有技术存在的诸多问题，不仅用于旋转导向钻井、地质导向钻井、随钻成像测井、随钻方位测井等，实现旋转状态下角度的精确测量，还可以测量转速。

附图说明

图1 是非晶丝输出电压随磁场变化的示意图；

图2是磁栅单元盘的示意图；

图3是磁栅单元盘输出信号及整形波形；

图4是磁栅码盘与磁栅测量电路的结构示意图；

图5是磁栅测量电路的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明

图1是非晶丝输出电压随磁场变化的示意图。磁敏材料在交流电流的激励下，其阻抗会随着外界磁场的变化而敏感的变化，这被称为巨磁阻抗效应（Giant Magneto Impedance effect，GMI效应）。当磁敏材料处于磁场中时，如果磁场发生改变，会导致磁敏材料阻抗发生变化，阻抗的变化会使磁敏材料两端电压发生变化，因此，可以用磁敏材料两端电压的变化来描述磁场的变化。磁敏材料可采用Co基非晶丝，具有优良的软磁性能，如高磁导率、低矫顽力、小的饱和磁滞伸缩系数、低损耗以及良好的高频特性。从图中可以看出，磁敏材料两端输出电压随着轴向外加的直流磁场发生显著的变化，只是输出电压随着外加磁场的强度变化，不反映轴向外加磁场的极性。

图2是磁栅单元盘的示意图。在圆柱形磁栅单元基片的两个端面，分别切割一条较浅的走线槽，这两个走线槽相互垂直，在每个走线槽内，嵌入安装一条非晶丝，并用胶固定，非晶丝两端连接有导线。磁栅单元基片边缘位置还开有两个安装孔。磁栅单元基片的形状并不影响测量，因此不局限于是圆柱形，也可以是正方形、长方形，或其它不规则的形状。为避免影响磁测量，磁栅单元基片选用具有一定强度的非导磁材料制作而成，例如，可选用铝合金、玻璃钢等。

图3是磁栅单元盘输出信号及整形波形。在自旋角0°～360°，如果在某一条非晶丝轴向外加的直流磁场为正弦波，则该非晶丝两端输出电压也为正弦波，由于两条非晶丝相互垂直，如果两条非晶丝的轴向外加直流磁场相位相差90°，则两条非晶丝两端产生相位相差90°的正弦波。当磁栅单元盘与磁场相对旋转时，磁场形成交变磁场，并在每一条非晶丝轴向产生交变磁场的分量，两个磁场分量正交，则两条非晶丝两端输出正弦波的相位相差90°，因此可以利用输出电压波形的相位关系测量磁场变化。

由于要利用磁栅单元盘中两个输出电压波形的相位关系测量磁场的变化，因此对磁栅单元盘输出波形进行过零比较和倍频，得到整形之后的脉冲波形。当1个磁栅单元盘在磁场中旋转一周时，可以产生4个计数脉冲，也就是说，1个脉冲代表非晶丝单元盘转过的角度为90°。如果要提高角度测量的分辨率，需要由多个磁栅单元盘组成磁栅码盘。

图4是磁栅码盘与磁栅测量电路的结构示意图。在码盘骨架上安装有若干个磁栅单元盘，每个磁栅单元盘内两条非晶丝相互垂直，所有磁栅单元盘内的非晶丝在圆周方向均匀分布，所有磁栅单元盘的中心保持在同一轴线上。

假设磁栅单元盘的个数为N，则有2N条非晶丝，所有这些非晶丝在圆周方向彼此相差的角度为360°/2N，即180°/N。磁栅单元盘的实际数量由测控系统的角度测量分辨率要求确定。由于1个磁栅单元盘在磁场中旋转一周时，可以产生4个脉冲，因此，按这种组合方式，具有N个磁栅单元盘的磁栅码盘的角度分辨率为360°/4N，即90°/N。当然，并非磁栅单元盘的数量越多越好，还要兼顾测控系统的响应速度。例如，在旋转导向系统中，要求导向机构的控制精度为5°，则至少需要安装18个磁栅单元盘，而随钻成像测井需要更高的分辨率，则需要安装更多数量的磁栅单元盘。

为了提高可靠性，所有磁栅单元盘固定安装在码盘骨架上。每两个磁栅单元盘之间有1个非导磁材料制成的隔离件，彼此用胶粘接在一起，然后装入码盘骨架上，并将所有非晶丝的引出线紧贴磁栅单元盘外表面引出至码盘骨架外，然后将码盘骨架内部用胶灌封，从而形成磁栅码盘。磁栅码盘靠近非晶丝引出线一端固定在电路骨架上一端，将非晶丝的引出线连接到固定在电路骨架上的磁栅测量电路板，电路板的另一端引出必要的接口电缆，即构成磁栅码盘测量短节。

为便于确定磁栅码盘与其它部件在旋转时圆周方向的相对位置，在码盘骨架上，对应第一个磁栅单元盘正面非晶丝对应的位置刻有一个码盘0°标志。在本实例中，码盘骨架为圆筒状，也可以根据磁栅单元盘的形状而采用其它相应的形状，以及采用其它形式的固定安装方式，但必须保证磁栅单元盘内所有非晶丝均匀分布在圆周方向，且所有磁栅单元盘保持同轴。

图5是磁栅测量电路的原理框图。磁栅测量电路包括激励电路、信号调理电路(包括检波器、滤波器、放大器)、过零比较器、倍频电路、脉冲合成电路、计数器、方向判别电路、微控制器、存储器、通讯接口，另外还包括电源电路，未在图中画出。

激励电路用于产生高频窄脉冲信号对非晶丝进行激励。常用的激励信号方法主要有以下几种：分立元件组成的振荡器、集成门电路振荡器、有源晶振、DDS频率合成器。其中，分立元件组成的振荡器易收到外界电磁信号的干扰，而且温度稳定性相对较差，导致信号难以稳定在固定频率上，GMI效应波动较大；集成门电路振荡器精度较差；有源晶振频率精度较高，但却容易受到瞬间高加速度影响而损坏；DDS集成芯片产生的波形较为精确和稳定，适合于非晶丝的激励要求。因此比较好的方法是采用DDS芯片，由微控制器MCU控制，产生所需要的频率正弦波信号，然后再进行波形转换，得到窄脉冲激励信号。对于多个非晶丝，可以采用串联方式，也可以采用并联方式。这时，如果磁栅码盘测量短节发生旋转，外界磁场即发生相对变化，非晶丝的阻抗就会随之改变，从而改变非晶带两端的电压峰值。

信号调理电路包括检波、滤波和放大三部分。从非晶丝两端输出的是载波为高频的调幅信号，在载波上被调制的低频信号，其幅度反映外磁场的强弱，频率反映外磁场的变化规律。检波电路的作用就是通过对调幅信号的解调，提取出可表征外磁场的低频信号。信号经过检波电路之后，变为以低频或直流分量为主，其波动反应了所测外磁场的变化，但仍混杂一些高频噪声信号，需要对检波信号进行滤波。滤波器截止频率的选择要满足外磁场的动态测量频率范围，同时又远小于激励信号的频率,以有效滤除载波及高频干扰信号。经包络检波和滤波处理后，再对信号进行放大处理，以提高负载能力。

对每一路信号通过信号调理电路之后，再由过零比较器和倍频电路，将每一个电压波形模拟信号转换为脉冲信号，然后通过脉冲合成电路，将所有非晶丝输出的脉冲合成为由多个脉冲组成的脉冲序列，送给计数器进行计数，并将计数值送给微控制器。微控制器根据脉冲计数值，转换为旋转角度的相对值，再结合测量开始时确定的码盘0°标志所对应的初始绝对位置，即可得到任意时刻所在的角度位置。为检测旋转方向，可以由任意一个过零比较器的输出端引出一路信号，送给方向判别电路，由该电路输出方向信号，送给微控制器。存储器用于保存处理结果，通讯接口将测量结果通过短传装置传给其它系统，如MWD系统，并接受其它系统的数据和指令。微控制器可以采用单片机、DSP等。从上述测量过程可以看出，整个测量系统没有复杂的计算，在很短的时间内即完成一次测量，能够保证测量的实时性。

磁栅码盘测量短节密封安装在旋转导向测控短节侧面的安装槽内，磁栅测量电路与旋转导向测控电路之间连接有通讯线，安装槽内还安装电池短节，为磁栅码盘测量短节提供电源。

在开始测量之前，首先确定磁栅码盘测量短节的码盘0°标志与旋转导向系统工具面之间的安装偏差，然后开始测量。当整个系统处于静止状态时，旋转导向测控短节测量得到当前的工具面，传给磁栅码盘测量短节。

磁栅码盘测量短节收到当前工具面后，由微控制器将计数器清零，同时建立码盘对零标志，然后开始定时检测计数器的计数值。假设磁栅码盘测量短节内包含N个磁栅单元盘，则磁栅单元盘旋转一周可产生4N个脉冲，角度分辨率为90°/N。如果在定时周期内的脉冲计数值为n，则该段时间内的旋转角度为n*90°/N，这是一个相对角度，将其与测量开始时的工具面相加，即可得到旋转导向测控短节所对应的工具面。微控制器根据定时周期和计数值，还计算得到整个系统的转速，并将工具面和转速发送给旋转导向测控短节，旋转导向测控短节据此对导向机构进行控制。

钻具在井下经常会出现粘滑现象，即钻具由于被井壁卡住瞬间停止不动，当摩擦力释放后，钻具高速转动。为了在粘滑情况下也能进行有效控制，需要提高测量的分辨率，因此可以增加磁栅码盘测量短节内的磁栅单元盘数量，并缩短测量时的定时周期。

可以按类似的方式，将具有方位探测能力的随钻测井及地质导向仪器的测量信息与工具面关联，得到井眼周向某一角度方位的测量结果，以实现井眼成像或方位扇区扫描。

Claims (5)

1.一种旋转状态下测量钻具角度位置的装置，其特征是：包括磁栅码盘和磁栅测量电路；磁栅码盘由多个磁栅单元盘叠加而成，所有磁栅单元盘内的磁敏元件在圆周方向均匀分布，且所有磁栅单元盘的中心保持在同一轴线上；其中磁栅单元盘具有两个平行的端面的基片材料，并在两个平行端面开设两条相互垂直的走线槽，两条走线槽内分别镶嵌一条磁敏元件；磁栅测量电路包括激励电路、信号调理电路、过零比较器、倍频电路、脉冲合成电路、计数器、方向判别电路、微控制器、存储器、通讯接口及电源电路；其中，信号调理电路包括检波器、滤波器和放大器，激励电路包括采用分立元件组成的振荡器或集成门电路振荡器、有源晶振、DDS频率合成器，微控制器包括单片机或DSP机；磁栅码盘中的所有磁敏元件引出线连接到磁栅测量电路，

根据权利要求1所述的旋转状态下测量钻具角度位置的装置，其特征是：相邻两个磁栅单元盘之间有非导磁材料制成的隔离件，彼此用胶粘接在一起，然后装入码盘骨架上，并将所有磁敏元件的引出线引出至码盘骨架外，然后将码盘骨架内部用胶灌封。

2.根据权利要求1或2所述的旋转状态下测量钻具角度位置的装置，其特征是：磁栅单元盘的基片材料为具有一定强度的非导磁材料，包括铝合金或玻璃钢；磁敏元件是具有巨磁阻抗效应的软磁材料，包括Co基非晶丝。

3.根据权利要求3所述的旋转状态下测量钻具角度位置的装置，其特征是：第一个磁栅单元盘正面磁敏元件对应的位置刻有一个码盘0°标志。

4.根据权利要求4所述的旋转状态下测量钻具角度位置的装置，其特征是：磁栅测量电路固定在电路骨架上，并由接口电缆引出。

5.根据权利要求5所述的旋转状态下测量钻具角度位置的装置，其特征是：磁栅单元盘的端面呈圆形、正方形、长方形、或其它形状。

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