CN104234697A - 一种钻井智能角差测量装置和角差测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井智能角差测量装置和角差测量方法，测量装置包括安装在环形腔体中的地磁场信号采集单元，环形腔体内还安装了用于校准地磁场信号采集单元的水平校准单元；所述地磁场信号采集单元连接地磁场信号预处理单元，地磁场信号预处理单元连接角差测量单元。通过调整刻度盘起点的位置对准MWD的零点或钻具的零点，对地磁场信号进行采集、预处理、计算等步骤得出角差值；安装有水平仪确保仪器水平的情况下测量角差，只需测量两次即可完成，测量便捷，大大的简化了测量的次数，提高了效率，降低了测量的误差。

Description

一种钻井智能角差测量装置和角差测量方法

技术领域

本发明涉及石油钻井中定向井、水平井使用的钻具角差测量工具技术领域，是一种钻井智能角差测量装置和角差测量方法。

背景技术

在石油钻井过程中，定向井、水平井等井钻井技术在石油工业领域具有广泛的应用前景，已成为世界石油工业的发展趋势之一。其关键技术之一是必须精确的实现井眼轨迹的控制，随钻测量技术作为实时监测井眼轨迹的工具在定向井、水平井等中大量应用。

在实际的钻井过程中，由于随钻测量MWD系统的测量零点与井下动力钻具的零点不能够完全重合，常常存在一定的角度差，这种角差直接会导致对井眼轨迹控制不利，因此需要测量角差是井底MWD仪器内方位传感器的测量零点与动力钻具弯接头方位的差值，来校准实际钻头方位、工具面的测量值。目前常用的方法有：(1)通过重物悬垂，测量角差，其原理是在无磁悬挂刻线处固定一个标志物，然后提升钻具直至动力钻具刻线处，然后目测无磁悬挂标志物在动力钻具圆周处的位置并做标记，测量该标记顺时针到动力钻具刻线处的圆周长度及此处动力钻具周长，最后通过计算得出MWD的工具面角差。(2)通过瞄准镜的方式，观测角差。申请号201210036264.3发明了一种油田钻井仪器工具面角差测量工具，包括板状瞄准工具、管状瞄准工具和瞄准镜。(3)通过激光器测量角差。专利201120186766.5，在MWD短接上固定安装垂直朝下的光源，在钻具上固定安装有与光源相对应的角度盘，在角度盘上有角度刻度，通过光源读取角度盘上的度数。(4)指南针测量角差。专利号201220550104.6发明的角差测量装置包括主检测仪和辅助检测仪，采用数字指南针测量角差并用无线数据模块将数据发送到指定的接收机。以上几种发明都在一定程度上提高了角差测量的精度，然而存在问题是，瞄准的方式中，角差的计算需人工计算，指南针的方式在现场调整方位困难，而采用激光器的光源方式中，刻度盘需人工旋转操作，由于钻柱不固定，单次测量有一定的误差，且费时费力，效率低，均没有实现角差的自动测量功能。

发明内容

本发明的目的是为了解决随钻的定向井、水平井使用的钻具角差测量工具中易于出现误差的问题，提供一种智能测量、测量精度高的钻井智能角差测量装置和角差测量方法。

本发明角差测量装置的技术方案是：

包括安装在环形腔体中的地磁场信号采集单元，环形腔体内还安装了用于校准地磁场信号采集单元的水平校准单元；所述地磁场信号采集单元连接用于对地磁信号进行放大、滤波的地磁场信号预处理单元，地磁场信号预处理单元连接用于对预处理后的地磁信号进行A/D转换、计算得出角差值并显示的角差测量单元。

所述的地磁场信号采集单元包括用于采集地磁信号的传感器，传感器与地磁场信号预处理单元相连接；所述传感器为3个相互垂直的磁通门传感器、重力加速度计或磁阻传感器。

所述地磁场信号预处理单元包括用于放大采集到的地磁信号的放大器，和用于滤除地磁信号采集时的干扰和噪声的滤波器；所述的滤波器与角差测量单元相连接。

所述的放大器的放大倍数为1～5000；所述滤波器为带通滤波器，其频带为0.1～5000Hz。

所述的角差测量单元包括对采集到的地磁数据进行处理、计算校准得出角差值的中央处理单元、能够发送角差值的控制电路、显示模块和电源；所述中央处理单元为含有16位或24位或32位A/D的DSP或ARM微型处理器；所述的控制电路包括通信数据总线接口和控制驱动电路；所述的通信数据总线与显示模块或MWD系统地面接收箱进行通信；所述的通信数据总线协议为RS232、RS485或CAN协议；所述的电源为电池或电池组。

所述的水平校准单元包括水平仪；所述的环形腔体中对称设置有两个水平仪。

所述地磁场信号预处理单元、角差测量单元均设置在环形腔体中，所述环形腔体外设置有两个对称的手柄，且环形腔体和两个手柄均被剖分为固定连接的两部分。

所述的手柄上安装有用于启动测量装置的启动开关；所述的环形腔体表面嵌刻有用于指示方位角的刻度盘和指针。

本发明钻井智能角差测量方法的技术方案是：包括如下步骤：

(1)检查电池、水平仪等，进行装置的地面自检和模拟测试；清洁钻具表面；

(2)在无磁钻铤与弯螺杆在钻台上完成连接后，安装环形腔体，调整刻度盘的起点指向无磁钻铤的定向传感器测量零点；

(3)调整水平仪，当装置水平后，固定装置；打开电源，读数θ₁；完成后，拆卸角差测量装置；

(4)提钻，在钻具上安装环形腔体，使得刻度盘的起点指向钻具的零点，调整水平仪，水平后，固定装置，打开电源，读数θ₂；完成后，拆卸角差测量装置；

(5)计算θ₁-θ₂即可直接读出角差的读数，即为实际MWD与钻具间的角差值。

所述的角差值通过显示模块显示或通过通信总线传输到MWD系统地面接收箱；所述的显示模块为液晶显示屏。

相对现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明利用地球磁场的水平分量永远指向磁北极的原理，通过水平校准单元保证地磁场信号采集单元始终水平，从而采集地磁场信号，再通过预处理单元对信号进行放大滤波等，角差测量单元对经过预处理后的地磁信号进行A/D转换，并进行计算、校准得出角差值。本发明地磁场信号采集单元在水平校准单元作用下始终水平，避免安装、钻具表面不洁、钻具倾斜等状况下的测量误差，有效提高测量精度；本发明采用高精度的地磁场信号采集单元、地磁场信号预处理单元、角差测量单元，实现对角差的智能测量，极大提高了角差测量的精度，有效避免了人为因素测量误差较大或易于出错的问题，有利于提高施工过程中施工的精度，获得更为理想的井眼轨迹。本发明可用于定向井、水平井、多分支井等随钻测量系统与钻具角差的测量，尤其适用于油仓小的井和深井，能够极大提高效率和准确率。

进一步，本发明通过高精度的磁感应传感器采集地磁信号，地磁场通常为50μT～60μT，通过选择合适的高精度、高分辨率的传感器，包括磁通门传感器、重力加速度计、MEMS加速度计或磁阻传感器等能够测量地磁场的传感器，测量地磁场，提高角差测量的精度。

进一步，设置信号放大器和滤波器，由于高精度传感器输出的有效值信号一般为毫伏级，因此在进行A/D采样前，将传感器输出的信号进行放大和滤波，提高了测量精度，此处一般选用的是低噪声、低功耗、高性能的放大器和滤波器。

进一步，本发明由具有运算功能的控制核心微处理器、通信总线接口、控制电路、显示模块等组成角差测量单元，完成以下工作：①通过高速高精度A/D接收传感器测量的数据；②通过算法编程实现对微弱电磁信号的预处理和检测，采用先进的数字信号处理方法对微弱地磁信号的处理与测量；③通过DSP或ARM，可编程实现对信号的处理，测量信号通过软件算法计算角差，避免了装置的硬件的复杂性，测量值通过软件比较、处理、校准算法来实现的，这样可以便捷地、在线修改算法的参数，提高角差测量装置的抗干扰能力，实现信号的显示与通讯；④通过RS232、RS485、CAN或其他总线技术将测量的角差值传输给实时显示装置或MWD系统的地面接收箱，由MWD系统直接读取角差初值，自动进行校准；⑤显示模块可直接显示角差值。

进一步，水平仪对称安装，使角差测量装置安装更精准，使测量更精确。

进一步，各模块都设置在环形腔体中，且环形腔体被剖分为两部分，能够通过两个手柄固定连接，使安装拆卸方便快捷，提高工作效率。

进一步，安装启动开关，便于控制；设置刻度盘和指针，便于确定起点并指示方位角。

本发明测量方法中，无论测量装置是安装在装有MWD无磁钻铤还是钻具的钻杆上，它的指针始终指向“北”，这样就只需要通过调整刻度盘起点的位置对准MWD的零点或钻具的零点，安装有水平仪确保仪器水平的情况下测量角差，只需测量两次即可完成，测量便捷，大大的简化了测量的次数，降低了测量的误差。

进一步，本发明测量方法能够实时显示角差测量值，测量值可存储，亦可通过RS232、RS485或CAN等其他总线技术传输至MWD系统的地面接收箱或其他终端，测量避免了人为因素易于出现的误差，以及其他采用光源目测角差所带来的误差。

附图说明

图1是本发明角差测量原理图；

图2是本发明角差结构信号处理结构图；

图3是本发明角差测量装置结构图；

图4是本发明钻井智能角差测量装置方位刻度盘；

图5是本发明角差测量装置示意图。

其中：1-传感器；2-水平仪；3-液晶显示屏；4-电池盒；5-角差测量电路板；6-手柄；7-环形腔体；8-定位螺栓。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做详细说明。

参见图1，本发明测量原理：根据地球磁场的水平分量永远指向磁北极的原理，本发明利用高精度传感器测量大约为0.5～0.6高斯的地磁信号的水平分量H_x，H_y，则可以得到磁场北极的方位角

在无磁钻铤与弯螺杆在钻台上完成连接后，安装角差测量装置，使得角差测量装置的零点指向无磁钻铤的定向传感器测量零点，获得方位角θ₁，然后提钻，在钻具上安装角差测量装置，使得角差测量装置的零点指向钻具的零点，获得方位角θ₂，计算θ₁-θ₂即可直接得到角差值，并利用液晶实时显示角差，能够有效地降低定向钻具组合外角差测量的误差，有利于提高定向井施工过程中施工的精度，获得更为理想的井眼轨迹。

参见图2至图5，本发明包括地磁场信号采集单元、地磁场信号预处理单元、角差测量单元、装置水平校准单元等，以上各单元均安装在环形腔体7内。

地磁场信号采集单元含有高精度的磁感应传感器1，主要是采集地磁信号；地磁场通常为50μT～60μT，通过选择合适的高精度、高分辨率的传感器1，测量地磁场，目的是为了提高角差测量的精度；高精度的传感器1可在磁通门传感器、重力加速度计、MEMS加速度计或磁阻传感器等里面任意选择三个单轴传感器，组装成相互垂直、能够测量地磁场的结构，或者任意选择一个三轴的能够测量地磁场信号的传感器，传感器与地磁场信号预处理单元相连接。

地磁场信号预处理单元包括前置放大器、滤波器和电源；由于高精度的传感器1输出的有效值信号一般为毫伏级；因此在进行A/D采样前，需将传感器1输出的信号进行放大和滤除地磁信号采集时的干扰和噪声，本发明一般选用的是低噪声、低功耗、高性能的信号放大器和滤波器，放大器的放大倍数为1～5000；滤波器为带通滤波器且频带的范围0.1-5000Hz。地磁场信号预处理单元与角差测量单元相连接。

角差测量单元包括中央处理单元、控制电路、显示模块和电源。

其中，中央处理单元为含有16位、24位、32位或更高精度A/D的DSP、ARM或其他具有运算功能的微型处理器，微处理器是本发明的控制核心；主要完成以下工作：①通过高速高精度A/D接收传感器测量数据；②通过算法编程实现对微弱电磁信号的预处理和检测，采用先进的数字信号处理方法对微弱地磁信号的处理与测量；③通过DSP或ARM等，可编程实现对信号的处理，测量信号通过软件算法计算角差，避免了装置的硬件的复杂性，测量值通过软件比较、处理、校准算法来实现的，这样可以便捷地、在线修改算法的参数，提高角差测量装置的抗干扰能力，实现信号的显示与通讯。

控制电路包括通信数据总线接口和控制驱动电路，通信数据总线可以与所述的液晶显示器或其他符合该总线协议的终端进行通信，总线协议为RS232、RS485或CAN等；显示模块为液晶显示屏3。

角差测量单元中的微处理器对地磁信号采集单元采集到的地磁数据进行A/D转换、并进行软件计算、校准后，计算出测量的角差值，再通过数据总线发送给液晶显示屏3或与其他符合该总线协议的终端进行通信。

环形腔体7内安装依次相连的高精度传感器1、角差测量电路板5、液晶显示屏3等模块，角差测量电路板5内包括信号放大器和滤波器、微处理器等；且各模块分别连接电源，电源为对整个系统供电的电池或电池组，且电源外设置电池盒4；环形腔体7中还对称设置了两个水平仪2，主要是判断和调整角差测量仪的安装是否水平，避免安装、钻具表面不洁、钻具倾斜等状况下的测量误差。

环形腔体7外含有两个对称的手柄6，且环形腔体7和两个手柄6均被剖分为两部分，两个手柄6上分别设置将手柄两部分固定连接的定位螺栓8，所以环形腔体7能够通过两个手柄及定位螺栓固定连接，使其安装拆卸方便快捷，提高工作效率。手柄6上安装有用于启动测量装置的启动开关，用于装置安装完成后，启动测量系统，并显示读数，读数可存储。环形腔体7表面嵌刻有用于指示方位角的刻度盘和指针。

本发明提供的钻井智能角差测量装置和误差校准方法，用于定向井、水平井、多分支井等随钻测量系统与钻具角差的测量。

本发明角差测量方法的具体的测量步骤包括：

准备：检查角差测量装置的电池、水平仪等，进行装置的地面自检和模拟测试；清洁钻具表面；

首先，在无磁钻铤与弯螺杆在钻台上完成连接后，安装环形腔体，使得刻度盘的起点指向无磁钻铤的定向传感器测量零点，调整水平仪，水平后，固定装置，打开电源，读数θ₁；完成后，拆卸角差测量装置；

其次，提钻，在钻具上安装角差测量装置，使得刻度盘的起点指向钻具的零点，调整水平仪，水平后，固定装置，打开电源，读数θ₂；完成后，拆卸角差测量装置；

最后，计算θ₁-θ₂即可直接读出角差的读数，即为实际MWD与钻具间的角差值，角差值通过液晶显示屏显示；角差测量值还可以通过通信总线传输到MWD系统地面接收箱或其他可以与之协议配套的终端设备。

本发明测量方法的优势在于，只需测量两次，完成后直接卸下，不用反复提钻；首先将测量参考起点对准MWD的零点，调整水平仪，保证水平，则通过微型控制器计算处理，即可实时显示角差测量值θ₁；其次将测量参考起点对准钻具的零点，调整水平仪，保证水平，则通过微型控制器计算处理，即可实时显示角差测量值θ₂；则角差即为θ₁-θ₂。该测量值也可以通过RS232、RS485、CAN或其他总线技术传输给MWD系统的地面接收箱，由MWD系统直接读取角差初值，自动进行校准。

本发明的技术特色：

(1)角差指向技术

本发明的核心是研制一种钻井智能角差测量装置，该装置无论是安装在装有MWD无磁钻铤还是钻具的钻杆上，它的指针始终指向“北”，这样就只需要通过调整刻度盘起点的位置对准MWD的零点或钻具的零点，安装有水平仪确保仪器处于水平的情况下测量角差，大大的简化了测量的次数，降低了测量的误差。

在测量时，由于安装、钻具表面不洁、钻具倾斜时易于造成较大的测量误差，可能造成检测仪器与地表面不平行、或仪器发生倾斜时，将造成角差测量出现较大的误差，因此本装置在仪器上安装有水平仪，这样可以极大的降低现场使用时易于产生测量误差的问题。

本装置通过高精度传感器采集地磁场数据，通过高速高精度A/D转换，实时测量角差，可以简化现场人为操作原因，大大降低了由于钻具表面不洁、钻具倾斜时易于造成较大的测量误差，具备以下优势：

①角差测量智能化、测量简单；该装置利用了CPU(单片机、DSP、ARM等)、实时测量指“北”的读数，实时显示角差测量值，测量值可存储，亦可通过RS232、RS485或CAN等其他总线技术传输至MWD系统的地面接收箱或其他终端，测量避免了手工利用卷尺测量计算得到角差，以及其他采用光源目测角差所带来的误差。

②微处理器接收的主要是微弱地磁信号，本装置采用高精度传感器、配有低噪声的放大器、滤波器电路，确保了测量地磁信号的准确性，测量信号通过软件算法计算角差，避免了装置的硬件的复杂性，测量值通过软件比较、处理、校准算法来实现的，这样可以便捷地、在线修改算法的参数，提高角差测量装置的抗干扰能力。

(2)仪器安装校准技术

本角差测量装置安装有微型水平仪；一般地，在钻具表面清洁、光滑，安装水平度高或理想情况下，测量的角差较为准确；然而由于钻井施工现场，钻具表面不洁、钻具的倾斜、动力钻具磨损或老化会引起钻具的外径变化等其他安装原因，会导致角差装置安装不水平，引起较大的测量误差，而本装置采用的是高精度传感器，无论是磁通门传感器、磁阻传感器或是MEMS重力加速度计等，当安装倾斜或钻杆本身有倾斜时，测量的角差易于产生测量误差，因此本装置安装有微型水平仪，确保了每次安装时，仪器保持水平，大大降低了测量误差。

(3)测量便捷

本发明角差测量装置通过数据采集、信号放大、滤波、计算等环节测量地磁强度，使得角差测量装置的指针，指向地球磁场的北方向，采用水平仪保证角差测量装置安装水平，通过调整刻度盘起点的位置对准MWD的零点或钻具的零点，测量角差。

本发明通过研制一种钻井智能角差测量装置和误差校准方法，用于解决定向井、水平井使用的钻具角差测量工具中人为因素或激光等其他测量方法易于出现误差的问题。该角差测量装置，利用地球磁场的水平分量永远指向磁北极的原理，该装置通过信号放大、滤波、计算等环节测量地磁强度，使得角差测量装置的指针，指向地球磁场的北方向，采用水平仪保证角差测量装置安装水平，通过调整起点的位置对准MWD的零点或钻具的零点，测量角差。有效地提高了角差测量的精度，避免了人为因素测量误差较大或易于出错的问题，有利于提高定向井施工过程中施工的精度，获得更为理想的井眼轨迹。

Claims (10)

1.一种钻井智能角差测量装置，其特征在于：包括安装在环形腔体中的地磁场信号采集单元，环形腔体内还安装了用于校准地磁场信号采集单元的水平校准单元；所述地磁场信号采集单元连接用于对地磁信号进行放大、滤波的地磁场信号预处理单元，地磁场信号预处理单元连接用于对预处理后的地磁信号进行A/D转换、计算得出角差值并显示的角差测量单元。

2.根据权利要求1所述的钻井智能角差测量装置，其特征在于：所述的地磁场信号采集单元包括用于采集地磁信号的传感器，传感器与地磁场信号预处理单元相连接；所述传感器为3个相互垂直的磁通门传感器、重力加速度计或磁阻传感器。

3.根据权利要求2所述的钻井智能角差测量装置，其特征在于：所述地磁场信号预处理单元包括用于放大采集到的地磁信号的放大器，和用于滤除地磁信号采集时的干扰和噪声的滤波器；所述的滤波器与角差测量单元相连接。

4.根据权利要求3所述的钻井智能角差测量装置，其特征在于：所述的放大器的放大倍数为1～5000；所述滤波器为带通滤波器，其频带为0.1～5000Hz。

5.根据权利要求1所述的钻井智能角差测量装置，其特征在于：所述的角差测量单元包括对采集到的地磁数据进行处理、计算校准得出角差值的中央处理单元、能够发送角差值的控制电路、显示模块和电源；所述中央处理单元为含有16位或24位或32位A/D的DSP或ARM微型处理器；所述的控制电路包括通信数据总线接口和控制驱动电路；所述的通信数据总线与显示模块或MWD系统地面接收箱进行通信；所述的通信数据总线协议为RS232、RS485或CAN协议；所述的电源为电池或电池组。

6.根据权利要求1所述的钻井智能角差测量装置，其特征在于：所述的水平校准单元包括水平仪；所述的环形腔体中对称设置有两个水平仪。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的钻井智能角差测量装置，其特征在于：所述地磁场信号预处理单元、角差测量单元均设置在环形腔体中，所述环形腔体外设置有两个对称的手柄，且环形腔体和两个手柄均被剖分为固定连接的两部分。

8.根据权利要求7所述的钻井智能角差测量装置，其特征在于：所述的手柄上安装有用于启动测量装置的启动开关；所述的环形腔体表面嵌刻有用于指示方位角的刻度盘和指针。

9.根据权利要求8所述的装置进行钻井智能角差测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)检查电池、水平仪等，进行装置的地面自检和模拟测试；清洁钻具表面；

(2)在无磁钻铤与弯螺杆在钻台上完成连接后，安装环形腔体，调整刻度盘的起点指向无磁钻铤的定向传感器测量零点；

(3)调整水平仪，当装置水平后，固定装置；打开电源，读数θ₁；完成后，拆卸角差测量装置；

(4)提钻，在钻具上安装环形腔体，使得刻度盘的起点指向钻具的零点，调整水平仪，水平后，固定装置，打开电源，读数θ₂；完成后，拆卸角差测量装置；

(5)计算θ₁-θ₂即可直接读出角差的读数，即为实际MWD与钻具间的角差值。

10.根据权利要求9所述的钻井智能角差测量方法，其特征在于：所述的角差值通过显示模块显示或通过通信总线传输到MWD系统地面接收箱；所述的显示模块为液晶显示屏。