CN105221135A - 用于无线随钻系统的井深测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于无线随钻系统的井深测量装置及测量方法，其中装置包括：井架、滑轮组、大钩、钻具、钢丝绳、绞车、绞车传感器以及数据采集装置，所述滑轮组固定在所述井架上，所述钢丝绳的一端缠绕于所述绞车的滚轴上，另一端经过滑轮组后固定，所述大钩与所述滑轮组固定连接，用于悬挂所述钻具，所述绞车传感器与所述绞车配合设置，所述数据采集装置用于获取绞车传感器采集的编码轮脉冲计数值，根据所述编码轮脉冲计数值计算井深；根据绞车传感器采集的编码轮脉冲计数值计算井深，使用方便，测量精度高。

Description

用于无线随钻系统的井深测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及钻井深度测量技术领域，尤其涉及一种用于无线随钻系统的井深测量装置及测量方法。

背景技术

目前石油钻井领域应用的井深测量，基本上都是都过正交编码器来测定大钩位移，用油压传感器来测定大钩负荷，通过大钩高度的累加和钻具状态的判断，最终获取钻头深度和井深，下井前转动绞车传感器，标定绞车滚轮上的钢丝绳数据，对油压传感器标定空载和满载数据，软件依据给定的分段线性拟合算法来进行计算，在钻井过程中进行手工校正，其缺点有三个，一是油压传感器缺陷，现场使用不方便，安装拆卸麻烦，二是井深精度不高，三是反应的钻具状态单一，大部分都是解卡和座卡两种简单状态。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

为解决上述问题，本发明提出一种用于无线随钻系统的井深测量装置及测量方法，使用方便，测量精度高。

一方面，本发明提供一种用于无线随钻系统的井深测量装置，包括井架、滑轮组、大钩、钻具、钢丝绳、绞车、绞车传感器以及数据采集装置，所述滑轮组固定在所述井架上，所述钢丝绳的一端缠绕于所述绞车的滚轴上，另一端经过滑轮组后固定，所述大钩与所述滑轮组固定连接，用于悬挂所述钻具，所述绞车传感器与所述绞车配合设置，所述数据采集装置用于获取绞车传感器采集的编码轮脉冲计数值，根据所述编码轮脉冲计数值计算井深。

另一方面，本发明还提供一种用于无线随钻系统的井深测量方法，采用上述的井深测量装置进行测量，包括：

通过绞车传感器采集编码轮脉冲计数值；

数据采集装置获取绞车传感器采集的编码轮脉冲计数值，并根据所述编码轮脉冲计数值计算井深。

本发明提供的用于无线随钻系统的井深测量装置及测量方法，根据绞车传感器采集的编码轮脉冲计数值计算井深，使用方便，测量精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的用于无线随钻系统井深测量装置一种实施例的结构示意图。

图2为本发明提供的用于无线随钻系统井深测量方法一种实施例的流程图。

图3为本发明提供的用于无线随钻系统井深测量方法中钻具状态判断示意图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或者更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

实施例一

参考图1，本实施例提供一种用于无线随钻系统的井深测量装置，包括井架101、滑轮组、大钩102、钻具103、钢丝绳104、绞车105、绞车传感器106以及数据采集装置107，滑轮组固定在井架101上，钢丝绳104的一端缠绕于绞车105的滚轴上，另一端经过滑轮组后固定，大钩102与滑轮组固定连接，用于悬挂钻具103，绞车传感器106与绞车105配合设置，数据采集装置107用于获取绞车传感器采集的编码轮脉冲计数值，根据编码轮脉冲计数值计算井深。

进一步地，井深测量装置还包括与钢丝绳104的固定端配合设置的钩载传感器108，用于采集钢丝绳的负荷，数据采集装置107用于根据钢丝绳的负荷判断钢丝绳与钻具的连接情况。

进一步地，滑轮组包括天车滑轮109和游动滑轮110，天车滑轮109固定在井架101上，游动滑轮110通过钢丝绳可滑动悬吊于天车滑轮109下端，大钩102与游动滑轮的下端固定连接。

钻井过程中通过绞车的转动实现对钢丝绳的收放，进而控制钻具的升降，绞车传感器安装在绞车的滚轴上，与绞车以同样的角速度旋转，并将编码轮脉冲计数值发送至数据采集装置。

具体测量方法请参考实施例二。

本实施例提供的无线随钻系统的井深测量装置，结构简单，安装方便，根据绞车传感器采集的编码轮脉冲计数值计算井深，有效提高测量的精确度。

实施例二

参考图2，本实施例提供一种用于无线随钻系统的井深测量方法，采用如实施例一所述的井深测量装置进行测量，包括：

步骤S201，通过绞车传感器采集编码轮脉冲计数值；

步骤S202，数据采集装置获取绞车传感器采集的编码轮脉冲计数值，并根据所述编码轮脉冲计数值计算井深。

进一步地，本实施例提供的用于无线随钻系统的井深测量方法还包括：

通过钩载传感器采集钢丝绳的负荷；

数据采集装置根据所述钢丝绳的负荷判断钢丝绳与钻具的连接情况：如果所述负荷大于预设阈值，则确认大钩与钻具已连接。

在钻机作业过程中，大钩与钻具存在着是否连接的情况，通过钩载传感器测得负荷，设置一个大钩与钻具连接判断负荷的预设阈值，当大钩负荷大于预设阈值时，表示二者连接，此时大钩的高度变化，钻头的位置也相应变化，反之。

进一步地，计算井深包括：

根据所述编码轮脉冲计数值计算卷入滚轴上的钢丝绳长度；

根据所述钢丝绳长度计算大钩高度位移；

根据钻杆和钻具的长度计算钻头位置高度，根据所述钻头位置高度计算井深。

钢丝层多层重叠的缠绕于滚轴上，使滚轴的直径随大钩的高度变化而变化，编码轮脉冲计数值的每一增量不能简单的代表相同的钢丝绳长度，因此，编码轮脉冲计数值每一增量所对应的钢丝绳长度为：

${\mathrm{\ΔL}}_j=\frac{2{\mathrm{\πR}}_j}{m};$

其中，ΔL_j为脉冲计数值的每一增量所代表的钢丝绳长度，R_j为每层钢丝绳到滚轴轴心的距离，m为绞车传感器的线数。

卷入滚轴上钢丝绳的长度为第1圈的剩余长度+第j-2圈长度……+第j圈长度。

卷入滚轴上的钢丝绳长度通过以下公式进行计算：

L＝L_j-1+ΔL_j[n-(i-2)mX-mX₀]j>1；

其中，L为卷入滚轴上的钢丝绳长度，L_j-1为第j-1层钢丝绳圈数转满对应卷入钢丝绳的长度，X₀为大钩位置高度等于0时滚轴上剩余的钢丝绳圈数，X为每层钢丝绳的圈数。

绞车分顺时针和逆时针旋转，顺时针方向编码轮脉冲计数值递增，表示为：

当n>(j-1)mX+mX₀时，j为j+1；

当n<(j-2)mX+mX₀时，j为j-1；

绞车通过游动滑轮和天车滑轮传动后转换为钢丝绳上升或下降的高度，即大钩高度位移。

大钩高度位移通过以下公式进行计算：

ΔH＝KL+B；

其中，ΔH为大钩高度位移，L为卷入滚轴上的钢丝绳长度，K和B为常系数，其值根据ΔH、L的大量数据对应关系，采用最小二乘法进行线性拟合得出。

进一步地，将绞车传感器的编码轮脉冲计数值转换为大钩高度位移量，通过累加钻杆和钻具在地面的长度，可获得钻头位置高度，钻头位置高度通过以下公式进行计算：

y＝D_i-1+ΔH；

$D_i=\underset{i=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{L}_i,(i=1,2,3......);$

其中，y为钻头位置高度，ΔH为大钩高度位移，D_i为钻杆长度的累加。

进一步地，根据所述钻头位置高度计算井深包括：

判断所述钻头位置高度是否递增；

如果是，则所述钻头位置高度即为井深。

参考图3，钻机状态分为钻进、起下钻、接单根(坐卡)、离开井底(包括洗眼、循环泥浆、滑眼)四种状态，根据预设的大钩质量上限值W1、单根钻杆质量上限值W2、方钻杆质量上限值W3、单根钻杆长度上限值L，方钻杆长度上限值L_方、大钩负荷T、钻头位置高度ΔH、井深Y、大钩高度位移y能够判断钻具状态：

如果钻头位置高度小于井深，确定为离开井底状态；

如果钻头位置高度大于井深，确定为钻进状态；

如果当前大钩负荷与上一次大钩负荷插值大于预设常数、大钩高度位移大于0且小于单根钻杆长度上限值时，确定为起钻卸方钻杆状态；

如果大钩负荷小于大钩质量上限值，确定为下钻接方钻杆状态；

如果大钩负荷大于大钩质量上限值与方钻杆质量上限值，确定为解卡状态；

如果大钩负荷大于大钩质量上限值与单根钻杆质量上限值之和且小于大钩质量上限值与方钻杆质量上限值之和，则确定为坐卡状态。

本发明提供的用于无线随钻系统的井深测量装置及测量方法，避免了使用油压传感器的种种不便，通过绞车传感器获得的参数建立井深的计算模型，提高了井深测量的精度，同时增加了对钻机的状态的各种判断，提高了现场钻井施工的方便性。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (10)

1.一种用于无线随钻系统的井深测量装置，其特征在于，包括井架、滑轮组、大钩、钻具、钢丝绳、绞车、绞车传感器以及数据采集装置，所述滑轮组固定在所述井架上，所述钢丝绳的一端缠绕于所述绞车的滚轴上，另一端经过滑轮组后固定，所述大钩与所述滑轮组固定连接，用于悬挂所述钻具，所述绞车传感器与所述绞车配合设置，所述数据采集装置用于获取绞车传感器采集的编码轮脉冲计数值，根据所述编码轮脉冲计数值计算井深。

2.根据权利要求1所述的用于无线随钻系统的井深测量装置，其特征在于，所述井深测量装置还包括与钢丝绳的固定端配合设置的钩载传感器，用于采集钢丝绳的负荷信息，所述数据采集装置用于根据所述钢丝绳的负荷信息判断钢丝绳与钻具的连接情况。

3.根据权利要求1所述的用于无线随钻系统的井深测量装置，其特征在于，所述滑轮组包括天车滑轮和游动滑轮，所述天车滑轮固定在所述井架上，所述游动滑轮通过钢丝绳可滑动悬吊于所述天车滑轮下端，所述大钩与所述游动滑轮的下端固定连接。

4.一种用于无线随钻系统的井深测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一所述的井深测量装置进行测量，包括：

通过绞车传感器采集编码轮脉冲计数值；

数据采集装置获取绞车传感器采集的编码轮脉冲计数值，并根据所述编码轮脉冲计数值计算井深。

5.根据权利要求4所述的无线随钻系统的井深测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过钩载传感器采集钢丝绳的负荷；

数据采集装置根据所述钢丝绳的负荷判断钢丝绳与钻具的连接情况：如果所述负荷大于预设阈值，则确认大钩与钻具已连接。

6.根据权利要求4所述的无线随钻系统的井深测量方法，其特征在于，计算井深包括：

根据所述编码轮脉冲计数值计算卷入滚轴上的钢丝绳长度；

根据所述钢丝绳长度计算大钩高度位移；

根据钻杆和钻具的长度计算钻头位置高度，根据所述钻头位置高度计算井深。

7.根据权利要求6所述的无线随钻系统的井深测量方法，其特征在于，所述卷入滚轴上的钢丝绳长度通过以下公式进行计算：

L＝L_j-1+ΔL_j[n-(i-2)mX-mX₀]j>1；

${\mathrm{\&Delta;L}}_j=\frac{2{\mathrm{\&pi;R}}_j}{m};$

其中，R_j为每层钢丝绳到滚轴轴心的距离，m为绞车传感器的线数，ΔL_j为脉冲计数值的每一增量所代表的钢丝绳长度，L为卷入滚轴上的钢丝绳长度，L_j-1为第j-1层钢丝绳圈数转满对应卷入钢丝绳的长度，X₀为大钩位置高度等于0时滚轴上剩余的钢丝绳圈数，X为每层钢丝绳的圈数。

8.根据权利要求7所述的无线随钻系统的井深测量方法，其特征在于，所述大钩高度位移通过以下公式进行计算：

ΔH＝KL+B；

其中，ΔH为大钩高度位移，L为卷入滚轴上的钢丝绳长度，K和B为常数；

所述钻头位置高度通过以下公式进行计算：

y＝D_i-1+ΔH；

$D_i=\underset{i=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{L}_i,(i=1,2,3......);$

其中，y为钻头位置高度，ΔH为大钩高度位移，D_i为钻杆长度的累加。

9.根据权利要求8所述的无线随钻系统的井深测量方法，其特征在于，根据所述钻头位置高度计算井深包括：

判断所述钻头位置高度是否递增；

如果是，则所述钻头位置高度即为井深。

10.根据权利要求9所述的无线随钻系统的井深测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据大钩质量上限值、单根钻杆质量上限值、方钻杆质量上限值、单根钻杆长度上限值，方钻杆长度上限值、大钩负荷、钻头位置高度、井深、大钩高度位移判断钻具状态：

如果钻头位置高度小于井深，确定为离开井底状态；

如果钻头位置高度大于井深，确定为钻进状态；

如果当前大钩负荷与上一次大钩负荷插值大于预设常数、大钩高度位移大于0且小于单根钻杆长度上限值时，确定为起钻卸方钻杆状态；

如果大钩负荷小于大钩质量上限值，确定为下钻接方钻杆状态；

如果大钩负荷大于大钩质量上限值与方钻杆质量上限值，确定为解卡状态；

如果大钩负荷大于大钩质量上限值与单根钻杆质量上限值之和且小于大钩质量上限值与方钻杆质量上限值之和，则确定为坐卡状态。