CN104847336A - 一种旋转方位测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转方位测试系统，包括：安装底座、测试骨架、旋转方位测量模块、角度位置测量装置、旋转驱动装置、通讯模块和计算机。其中，安装底座上固定有测试骨架，测试骨架上固定有旋转方位测量模块和角度位置测量装置；在旋转驱动装置的驱动下，角度位置测量装置和旋转方位测量模块以一定的转速同步旋转，传输模块将角度位置测量装置和旋转方位测量模块测量的方位角度信息发送到计算机，通过所测角度信息有效性比对结果判断旋转方位测量模块的测量精度。本发明适用于石油钻井角度方位的实时测量，若将方位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，可以实现随钻成像测井或具有方位探测能力的随钻测井或地质导向钻井。

Description

一种旋转方位测试系统

 

技术领域：

本发明涉及随钻井、测井装置领域一种方位测试系统，尤其涉及一种连续旋转状态下的钻具方位角度测试系统。

背景技术：

目前，在石油钻井行业的随钻测量领域，国外带有方位性测量的随钻测井仪器和随钻方位成像仪器已经相当成熟，有效解决了钻入地层界面识别不准和复杂地质条件下的解释难题，并可有效识别地层倾角和裂缝以更好地进行地质导向和地质决策，创造出巨大的经济和社会效益。

国内的随钻测井仪器（包括随钻自然伽马、随钻电阻率等）已市场化推广应用十多年的时间，在结构设计上这些随钻测井仪器大都安装一个传感器且居于钻铤中心轴线，即便有些仪器结构设计上采用偏心结构，但至今仍没有真正利用其方位响应特性，不论均质或非均质地层，探测范围内的测量响应都是以传感器所在点为中心，井眼周围所测地层共同作用的结果，对地质参数变化的判别存在时间滞后，无法在水平井中及时分辨上下岩性界面变化特征和有效发现复杂油藏，时常错过进入储集层的最佳时机，造成这种结果其中一个很重要的原因就是仪器不带有旋转方位测量功能。目前有部分应用的随钻方位测量仪器是在钻铤外壁安装一个或者多个测量传感器，是在保证钻具与待测地层相对固定的条件下进行储层特性的划分。但存在的缺点是：由于钻具处于滑动或者静止状态，不能旋转钻进。随着所钻井眼井斜角和井眼位移的增加，钻具与井壁间摩阻明显增加，钻压无法有效施加到钻头上，钻井速度变慢，钻具粘卡风险增加，井眼钻探深度受限，同时滑动钻进所钻出的井眼轨迹不规则。因此，这种测量方式的随钻测井仪器导致钻井风险很高，不适合规模化推广应用。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种能在连续旋转状态下进行方位角度测量的旋转方位测试系统。

本发明的旋转方位测试系统，包括安装底座、测试骨架、旋转方位测量模块、角度位置测量装置、旋转驱动装置和通讯模块、电源模块。其中：测试骨架固定在安装底座上，旋转方位测量模块和角度位置测量装置间隔安装在测试骨架的上，其安装位置包括，旋转方位测量模块和/或角度位置测量装置固定在测试骨架腔体内或者直接固定在测试骨架外端部；旋转驱动装置与测试骨架的一端通过联轴器或者通过皮带、齿轮构成旋转驱动连接，通讯模块采集旋转方位测量模块和角度位置测量装置的方位角信息并通过有线或无线方式连接到计算机；旋转方位测量模块由三轴加速度传感器和处理电路组成；角度位置测量装置具有有效的过零检测功能。

上述方案还包括：

角度测量装置和旋转方位测量模块在同一条轴系中心线上。

实现角度测量装置和旋转方位测量模块在同一条轴系中心线上的方式是：在角度位置测量装置过零位置的正上方固定光学仪器，旋转方位测量模块的正上方同样安装固定光学仪器，两个光学仪器给出一条标准的光束作为测量基准线。

所述光学仪器包括激光经纬仪或者激光准直仪。

通讯模块采用双压控振荡器来分别产生用于接收和发射的射频信号的无线通讯模式，主要由天线、收发一体通讯装置、可编程控制器、计算机组成；其中可编程控制器和计算机都经串口RS232与收发一体通讯模块连接。

所述收发一体通讯装置采用高集成的FSK收发器；所述的可编程控制器采用PLC可编程控制器。

本发明的测试系统经实验验证，可用于钻具在连续旋转状态下进行方位角的测量，由于旋转方位测量模块与测试骨架固定连接，旋转驱动装置工作时会带动测试骨架连同旋转方位测量模块同步转动，旋转方位模块实时测量出当前的方位角并跟角度位置测量装置得到角度位移信息进行精确比对，保证旋转方位测试系统测量数据的准确性和实时性。此外，利用该测试系统设定的测试方位，通过控制随钻测井仪器开始和关闭测量时刻的方法，可以实现随钻测井工具在跟随钻具旋转钻进过程中真正意义上的方位性测量和井眼成像。由于钻具连续旋转状态下实现储层参数测量，对正常钻进没有任何影响，可以进一步改善钻井井身轨迹质量，降低钻具与井壁之间的摩阻，明显提高钻进时速，增加钻具延伸的极限位移。与现有技术相比，该测试系统可在旋转状态下能够实时测量0～360°内的任意方位角，并可以通过设置方位测量的起始位置和结束位置，控制装置只测量设定范围的方位角度。该发明为加快国产方位性随钻测井仪器真正实现方位性测量和井眼成像提供强有力的技术保障。

附图说明：

图1  旋转方位测试系统各模块功能方框图

图2  旋转测试台架示意图

图3  测试系统和计算机之间进行无线数据通讯示意图

图中：

1、安装底座           2、测试骨架           3、旋转方位测量模块

4、角度位置测量装置   5、旋转驱动装置       6、通讯模块

7、动力传递装置       8、光学仪器           9、计算机

    10、电源模块         11、通讯接口          12、压盖

    13、三轴加速度传感器 14、处理电路          15、天线

    16、收发一体通讯装置 17、可编程控制器

具体实施方式：

现结合说明书附图1、图2和图3，对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提出的旋转方位测试系统各模块功能方框图。由三轴加速度传感器13和处理电路14组成的旋转方位测量模块3与角度位置测量装置4（例如编码器或特种电机等）在旋转驱动装置5（例如旋转驱动电机）的驱动下以一定的转速同步转动；电源模块10控制整个旋转方位测试系统的供电，负责将交流电进行整流稳压处理成为直流电后，再进行电压转换处理将直流电压分别转换为+15v、-15v、5v，为测试系统提供所需电力；旋转方位测量模块3实时测量地磁方位信息，角度位置测量装置4通过对脉冲信号的处理实时获取旋转角度信息，利用通讯接口11（例如标准RS-232/RS-485接口）将采集到的数据传输到通讯模块6（见图3），通讯模块6将上述数据发送到计算机9，实现旋转方位测量模块3所测方位角与角度位置测量装置4测量结果精度的比对。

由于旋转方位测量模块3在测量过程中使用磁通门测量，磁通门受铁、磁物质干扰大，为了避免磁干扰影响测量准确度，整个实验装置采用无磁材料制作，其中旋转方位测试台架采用无磁干扰的铝板，各种固定用的螺栓、螺母等全部采用青铍铜材料。

如图2所示，旋转测试台架包括：安装底座1、测试骨架2、旋转方位测量模块3、角度位置测量装置4、旋转驱动装置5、通讯模块6、动力传递装置7（主要利用旋转驱动装置通过皮带或者联轴器驱动测试骨架旋转）、光学仪器8（例如激光经纬仪或者激光准直仪）、计算机9（例如具备通讯接口和安装有数据处理软件的笔记本电脑或者台式计算机）、压盖12。安装底座1及测试骨架2都采用无磁干扰的铝板，既便于加工也使旋转方位测试骨架2减轻重量。通过动力传递装置7将旋转驱动装置5与测试骨架2连接，利用旋转驱动装置5带动测试骨架2旋转，在测试骨架2上安装有角度位置测量装置4和旋转方位测量模块3，通过通讯模块6将角度位置测量装置4所测的角度信息发送到计算机9，计算机9负责方位角度信息的实时显示和比对。

旋转方位测量模块3测量的方位角精度由角度位置测量装置4进行比对，通过比对结果判断旋转方位测量模块3的测量精度。旋转方位测量3与角度位置测量装置4所测角度信息完成有效性比对功能，要求角度位置测量装置4具有有效的过零检测功能，例如角度位置测量装置4采用编码器时，要得到旋转角度，需要检测零位脉冲和正交脉冲，通过零位脉冲确定是否过零，两路正交脉冲的相位关系确定过零的方向。要完成所测角度信息的比对，首先对角度位置测量装置4过零位置的正上方安装固定光学仪器8，旋转方位测量模块3的正上方同样安装固定光学仪器8，利用两个光学仪器给出一条标准的光束作为测量基准线，保证角度测量装置4和旋转方位测量模块3在同一条轴系理论中心线上；在旋转驱动装置5的驱动下，角度位置测量装置4和旋转方位测量模块3同步旋转，由此确定实际方位角度位置和测量精度。

测试骨架2由压盖12压紧，固定在安装底座1上，旋转驱动装置5带动测试骨架2旋转，测试骨架2以速度0～180转/分钟旋转，转速可调。旋转方位测试系统中旋转方位测量模块3的选择对整个测量精度的影响显著。结合随钻方位测井仪器自身特点，选用由一个高速三轴加速度传感器13、处理电路14组成的旋转方位测量模块3，利用加速度传感器13测量地磁方位信息计算得出工具面角的旋转位置，经过处理电路14完成对方位参数的测量。三轴加速度传感器13可安装在测试骨架2腔体的一侧或者居中也可直接固定至测试骨架2的某一端。处理电路14是旋转方位测试系统控制中心，用于系统测量数据处理、方法计算、误差修正补偿以及与通讯模块6实时通讯等。为提高工具控制系统的精度，处理电路14采用高速微处理机，CPU主频工作在40MHz，提高系统采样率，保证了系统的快速实时性。

图3为旋转方位测试系统和计算机之间进行无线数据通讯示意图。在该实施例中，通讯模块6获取角度位置测量装置4和旋转方位测量模块3所测角度信息发送到计算机9进行对比判断旋转方位测量模块3的测量精度。通讯模块6与计算机9之间可以通过无线通讯方式或者数据线连接到计算机9。无线通讯模块由天线15、收发一体通讯装置16（例如低成本高集成的FSK收发器）、可编程控制器17（例如西门子S7-200系列PLC可编程控制器）、计算机9组成。可编程控制器和计算机都经串口RS232与收发一体通讯模块连接。通过无线通讯可以节省旋转方位测试系统各通讯线的布置，从而节省时间和将来的维护费用。无线通讯模块采用双压控振荡器来分别产生用于接收和发射的射频信号，可实现接收和发射之间的快速转换。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种旋转方位测试系统，包括安装底座、测试骨架、旋转方位测量模块、角度位置测量装置、旋转驱动装置和通讯模块、电源模块，其特征是：测试骨架固定在安装底座上，旋转方位测量模块和角度位置测量装置间隔安装在测试骨架的上，其安装位置包括，旋转方位测量模块和/或角度位置测量装置固定在测试骨架腔体内或者直接固定在测试骨架外端部；旋转驱动装置与测试骨架的一端通过联轴器或者通过皮带、齿轮构成旋转驱动连接，通讯模块采集旋转方位测量模块和角度位置测量装置的方位角信息并通过有线或无线方式连接到计算机；旋转方位测量模块由三轴加速度传感器和处理电路组成；角度位置测量装置具有有效的过零检测功能。

2.根据权利要求1所述的旋转方位测试系统，其特征是：角度测量装置和旋转方位测量模块在同一条轴系中心线上。

3.根据权利要求2所述的旋转方位测试系统，其特征是实现角度测量装置和旋转方位测量模块在同一条轴系中心线上的方式是：在角度位置测量装置过零位置的正上方固定光学仪器，旋转方位测量模块的正上方同样安装固定光学仪器，两个光学仪器给出一条标准的光束作为测量基准线。

4.根据权利要求3所述的旋转方位测试系统，其特征是：所述光学仪器包括激光经纬仪或者激光准直仪。

5.根据权利要求1或2、3、4所述的旋转方位测试系统，其特征是：通讯模块采用双压控振荡器来分别产生用于接收和发射的射频信号的无线通讯模式，主要由天线、收发一体通讯装置、可编程控制器、计算机组成；其中可编程控制器和计算机都经串口RS232与收发一体通讯模块连接。

6.根据权利要求5所述的旋转方位测试系统，其特征是：所述收发一体通讯装置采用高集成的FSK收发器；所述的可编程控制器采用PLC可编程控制器。