CN107366535A - 利用磁信号定位钻井示踪器深度的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用磁信号定位钻井示踪器深度的系统及方法,该系统包括:多个磁标记,以预定间隔距离设置于钻柱上,用以产生磁场信号;磁传感器,设置于示踪器内部,用以感应磁场信号,并产生与磁场对应的电平信号;控制器,设置于示踪器内部,用于采集电平信号,以使得根据电平信号个数及采集时间、磁标记间隔距离计算得到示踪器在井下的深度。本发明可以获取示踪器在井筒中的位置,从而准确评价井筒中的温度和压力。
Description
技术领域
本发明涉及地质勘探开发技术领域,具体地说,涉及一种利用磁信号定位钻井示踪器深度的系统及方法。
背景技术
温度和压力是钻井工程中两项重要的基础数据,实时测量全井筒的温度和压力对钻井工程的提速提效和安全钻井有着重要的意义。
微芯片示踪器是一种新型的随钻测量仪器,球形结构,直径小于10mm,能够在钻井液循环通道内测量井筒的温度和压力。相比于现有随钻测量仪(MWD),微芯片示踪器测量的是全井筒的温度和压力,包括钻头处的温度和压力。
微芯片示踪器的工作原理是:通过泵送装置注入井筒中,随钻井液在流体通道内移动,经过钻头水眼进入环空,最后返回地面,在这一循环过程中,示踪器连续采集井筒的温度和压力数据。由于示踪器只记录了温度、压力和时间数据,没有记录在井筒中的深度数据,导致无法准确评价井筒的温度和压力分布情况。
目前,示踪器深度定位主要采用估算的方法,即根据钻井液流量和岩屑迟到时间反推示踪器在井筒中的深度位置,该方法估算的结果精度较低。
另外一种理论方法也可以计算示踪器的深度,通过对井筒结构建模,划分不同井段,给出每一个井段的体积、井筒环空内外径尺寸,根据钻井液流量和井内物理参数,获取各个井段的示踪器的运动状况和在环空内所受的压力,从而采用时间分配法或者速度、压力计算法得到示踪器在井筒中所在的深度。这种方法能够较好地解决定位精度低的问题,但是该方法需要准确掌握井筒结构参数,并且计算过程复杂。
因此,能否快速、准确定位示踪器深度直接关系到是否能够准确评价井筒的温度和压力。
发明内容
为解决以上问题,本发明提供了一种利用磁信号定位钻井示踪器深度的系统及方法,用以获取示踪器在井筒中的位置,从而准确评价井筒中的温度和压力。
根据本发明的一个方面,提供了一种利用磁信号定位钻井示踪器深度的系统,包括:
多个磁标记,以预定间隔距离设置于钻柱上,用以产生磁场信号;
磁传感器,设置于示踪器内部,用以感应所述磁场信号,并产生与磁场对应的电平信号;
控制器,设置于示踪器内部,用于采集所述电平信号,以使得根据所述电平信号个数及采集时间、磁标记间隔距离计算得到示踪器在井下的深度。
根据本发明的一个实施例,所述磁标记设置于钻柱外侧。
根据本发明的一个实施例,所述磁标记在所述钻柱上的间隔距离相等。
根据本发明的一个实施例,所述示踪器的内部还设置有:
压力传感器,与所述控制器连接,用于采集井筒的压力数据;
温度传感器,与所述控制器连接,用于采集井筒的温度数据;
存储器,与所述控制器连接,用于存储所述电平信号个数、所述压力数据和所述温度数据。
根据本发明的一个实施例,所述示踪器内部还设置有与所述控制器连接的无线模块,用于和外部设备进行无线通信。
根据本发明的一个实施例,所述示踪器内部还设置有与所述控制器连接的电源模块,用于向所述示踪器内部各部分提供工作电源。
根据本发明的一个实施例,所述控制器设置有防抖程序,通过预设电平信号计数间隔以防止同一磁标记产生的磁场多次触发电平信号。
根据本发明的另一个方面,还提供了一种利用磁信号定位钻井示踪器深度的方法,包括:
采集与磁标记产生的磁场信号对应的电平信号,并统计电平信号个数及对应的采集时间;
根据电平信号个数、采集时间和磁标记间隔计算得到示踪器在井筒中的深度;
根据钻井速度计算钻头钻进深度;
根据钻头钻进深度对示踪器在井筒中的深度进行修正;
对修正后的深度进行插值处理,以得到示踪器在任一时刻对应的实际深度。
根据本发明的一个实施例,采集与磁标记产生的磁场信号对应的电平信号进一步包括:
启动示踪器;
对示踪器中的磁场信号对应的电平信号计数器清零处理;
在检测到磁场信号时,电平信号计数器加1操作,其中,在电平信号计数器加1之前,判断距离上一次计数器加1间隔时间是否大于预设值,在大于所述预设值时计数器加1。
根据本发明的一个实施例,在采集与磁标记产生的磁场信号对应的电平信号时,所述电平信号的采集方向为由井筒底部开始向上至井口端。
本发明的有益效果:
本发明利用磁信号定位示踪器深度的方法,可以用于获取示踪器在井筒中的位置,从而准确评价井筒中的温度和压力数据,还可以对全井深度、泥浆流速、随钻测量仪深度位置进行计算,为及时发现井涌、井漏和钻具磨损等异常情况提供技术支撑。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍:
图1是根据本发明的一个实施例的钻柱磁信号检测示意图;
图2是根据本发明的一个实施例的磁箍短节结构示意图;
图3是根据本发明的一个实施例的示踪器内部电路结构示意图;
图4是根据本发明的一个实施例的方法流程图;
图5是根据本发明的一个实施例的算法流程图;
图6是根据本发明的一个实施例的磁信号检测流程图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式,借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题,并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是,只要不构成冲突,本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合,所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明提供了一种通过磁信号检测来快速、准确定位示踪器深度的系统和方法,用以准确评价井筒温度和压力。
该利用磁信号定位钻井示踪器深度的系统包括多个磁标记、磁传感器和控制器。其中,多个磁标记以预定间隔距离设置于钻柱上,用以产生磁场信号;磁传感器设置于示踪器内部,用以感应磁场信号,并产生与磁场对应的电平信号;控制器设置于示踪器内部,用于采集电平信号,以使得根据电平信号个数及采集时间、磁标记间隔距离计算得到示踪器在井下的深度。
具体地,每隔一定距离在钻柱上设置磁标记,磁标记在井筒中的钻柱周围形成一定强度的磁场区域。当示踪器经过该磁场区域时,示踪器内部的磁传感器会产生一个电平信号,采集电平信号,根据电平个数及采集时间、磁标记间隔可以计算得到示踪器在井下的深度。
在本发明中,通过利用多个磁标记在钻柱上产生的磁场信号,获取示踪器在井筒中的位置,从而准确评价井筒中的温度和压力数据,可以对全井深度、泥浆流速、随钻测量仪深度位置进行计算。
在本发明的一个实施例中,该磁标记设置于钻柱外侧。这样,磁标记产生的磁场在钻柱与井筒之间。当示踪器到达钻柱与井筒之间的环空通道后,就可以检测到磁信号。在钻井过程中,每下完一柱钻杆则接入一个磁箍,磁箍的外侧注有磁标记(或者安装有磁条)。这样,磁标记在钻柱上的设置距离相等,方便利用电平信号个数和磁标记间隔计算示踪器在井下的深度。
此处需注意的是,由于磁标记设置于钻柱外侧,使得示踪器在钻柱内不会检测到磁信号,因此不会记录到深度数据。当示踪器从钻头水眼进入环空通道后,经过离钻头最近的磁箍时,示踪器检测到第1个磁信号。示踪器继续往上移动时,会依次检测到第2、3、4…个磁信号,直至返回到地面。因此,在本发明中,采集与磁标记产生的磁场信号对应的电平信号时,电平信号的采集方向为由井筒底部开始向上至井口端。
另外,示踪器在环空内上行过程中,钻柱并不是静止不动的,钻柱随着钻头破岩的速度有一个向下的运动速度。当示踪器检测到最后一个磁箍的磁场信号时,第一个磁箍在井筒内已经向下移动了一个距离。由检测到磁信号的个数换算为示踪器在井筒内实际深度的位置,还需要扣除钻头向下钻进的距离。
如图1所示为根据本发明的一个实施例的示踪器磁信号检测示意图。如图1所示,井筒100内下入钻杆102,每一柱钻杆102之间接入一个磁箍103,磁箍103之间的距离相等(一般为30米)。这样,从井筒底部到钻井平台的整个深度被磁箍划分为若干个等深度区间,每个深度区间的长度约等于一柱钻杆的长度。示踪器从地面随钻井液下入到钻柱内,当到达井筒底部时,经过钻头水眼进入井筒环空通道,并随钻井液和岩屑上返回地面。
示踪器在钻杆与井筒之间的环形通道向上移动时,在感应到各磁箍发出的磁场信号时,其内部的磁传感器产生与各磁箍对应的电平信号。同时,示踪器不断采集井筒的温度和压力数据,数据采集的时间间隔一般为几秒,根据(温度和压力)数据的个数和采集间隔可以获得数据采集时间。
如图2所示为根据本发明的一个实施例的磁箍短节结构示意图,磁箍103外侧安装有20根磁条200,磁条200的长宽高可分别设置为50mm、10mm和5mm,磁条等间距环形嵌入在磁箍103内。磁箍103周围形成一圈磁场区域,当示踪器101靠近磁箍时,其内部的磁传感器会检测到磁信号。
在本发明的一个实施例中,该示踪器的内部还设置有压力传感器、温度传感器和存储器。其中,压力传感器与控制器连接,用于采集井筒的压力数据;温度传感器与控制器连接,用于采集井筒的温度数据;存储器与控制器连接,用于存储电平信号个数及采集时间、压力数据和温度数据及对应的采集时间。
如图3所示为根据本发明的一个实施例的示踪器内部电路结构图,该电路系统包括控制器、磁传感器、压力传感器203、温度传感器204和存储器206。在该实施例中,控制器采用单片机201,磁传感器采用霍尔传感器202。单片机201是整个示踪器的控制核心,主要负责时序控制和数据处理。
霍尔传感器202采用微型低功耗磁场检测传感器,当检测到磁信号时,会触发一个中断开关信号(高电平或者低电平)。该中断开关信号会引起单片机201的计数响应。当示踪器经过磁箍时,内部的磁传感器会感应到磁信号,并输出一个开关信号,该开关信号会触发单片机201内部计数器计数。示踪器经过的磁箍越多,计数器的计数值会越大,计数值会实时保存到存储器中。
压力传感器203和温度传感器204也是微型传感器,用于检测井筒100的压力和温度数据。压力传感器203输出模拟信号到单片机201的A/D模块进行模数转换,温度传感器204输出数字温度到单片机201进行数据处理。
当控制器采用单片机时,存储器可以采用单片机自带的Flash存储器,该存储器的容量可达16kB,单片机201实时把采集到的温度、压力和磁信号相关数据存储到Flash存储器。为增大示踪器的存储容量,还可以单独设置其他存储器进行数据存储。
在本发明的一个实施例中,该示踪器内部还设置有与控制器连接的无线模块,用于和外部设备进行无线通信。具体的,示踪器101在下井前,地面控制器通过无线方式给示踪器101发送启动指令,而当示踪器返回地面后,在进行数据回收时,地面控制器通过无线方式给示踪器101发送读数据命令,并接收来自示踪器101返回来的温度、压力和磁信号数据。当控制器采用单片机时,无线模块205可以集成在单片机201内。
在本发明的一个实施例中,该示踪器内部还设置有与控制器连接的电源模块,用于向示踪器内部各部分提供工作电源。例如,可以采用微型纽扣电池,这种电池体积小并具有较大的电能容量,还具有无线充电功能,可以给整个电路系统提供电能。当示踪器101耗完电量时,可以通过充电天线给电池207充电,电池207充满电后,示踪器101可以重复使用。
在本发明的一个实施例中,该示踪器内部的控制器设置有防抖程序,通过预设电平信号计数间隔,防止同一磁标记产生的磁场多次触发电平信号。具体的,当霍尔传感器202检测到磁场信号时,会输出一个电平信号,该电平信号触发一个控制器中断事件以进行计数,一个电平信号对应一个计数。为防止示踪器101在同一个磁箍103所在位置多次触发中断计数,预设一电平信号计数时间间隔作为防抖识别,当离上一次中断事件间隔小于一预设时间时,控制器不进行计数加1操作,反之,当中断事件间隔大于该预设时间时,表示示踪器101已经离开上一个磁箍103很远的距离,并进入相邻的磁箍磁场区域,控制器进行计数器加1操作。控制器每执行一次计数器加1操作,会实时把计数结果存入到存储器。
根据本发明的另一个方面,还提供了一种利用磁信号定位钻井示踪器深度的方法,如图4所示为根据本发明的一个实施例的方法流程图,如图5所示为对应的算法流程图,以下参考图4和图5来对本方法进行详细说明。
首先是步骤S110,采集与磁标记产生的磁场信号对应的电平信号,并统计电平信号个数及对应的采集时间。假设提取到计数值为1、2、…n、n+1、n+2、…N和相应的时间信息t1、t2、…tn、tn+1、tn+2、…tN。
在采集与磁标记产生的磁场信号对应的电平信号时还包括磁信号检测步骤,如图6所示。启动示踪器后,首先要对示踪器中的磁场信号对应的电平信号计数器清零处理。在检测到磁场信号时,电平信号计数器加1操作,否则继续返回检测。在检测到磁场信号时,在电平信号计数器加1之前,判断距离上一次计数器加1间隔时间是否大于预设值,在大于预设值时计数器加1,否则返回检测磁场信号。
接下来是步骤S120,根据电平信号个数、采集时间和磁标记间隔计算得到示踪器在井筒中的显示深度。具体的,此处以磁标记在钻柱上的设置距离相等为例进行说明。设定磁箍103间距均为Δl,钻井速度为v。则示踪器101在tN时刻离井底的距离为N×Δl,示踪器101在井筒100中的深度LN为0。此处,电平信号的采集方向为由井筒底部开始向上至井口端。示踪器101在tn时刻离井底的距离(即示踪器与井筒的深度关系)为(N-n)×Δl。
接下来是步骤S130,根据钻井速度计算钻头钻进深度。具体的采用(tN-tn)×v计算钻进深度。
接下来是步骤S140,根据钻头钻进深度对示踪器在井筒中的深度进行修正。具体的,根据Ln=(N-n)×Δl-(tN-tn)×v对深度进行修正。
最后是步骤S150,对修正后的深度进行插值处理,以得到示踪器在任一时刻对应的实际深度。由于示踪器101记录了N个时刻的计数值,获取到了N个点的深度,在其它时间点示踪器101的深度可以通过插值的方法求解到。例如tn'介于tn和tn+1之间,则示踪器101在tn'时刻井筒100中的深度表示为:
由此可以获取示踪器101任何时刻对应的深度位置。
本发明利用磁信号定位示踪器深度的方法,可以用于获取示踪器在井筒中的位置,从而准确评价井筒中的温度和压力数据,还可以对全井深度、泥浆流速、随钻测量仪深度位置进行计算,为及时发现井涌、井漏和钻具磨损等异常情况提供技术支撑。
虽然本发明所公开的实施方式如上,但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式,并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员,在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下,可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化,但本发明的专利保护范围,仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种利用磁信号定位钻井示踪器深度的系统,包括:
多个磁标记,以预定间隔距离设置于钻柱上,用以产生磁场信号;
磁传感器,设置于示踪器内部,用以感应所述磁场信号,并产生与磁场对应的电平信号;
控制器,设置于示踪器内部,用于采集所述电平信号,以使得根据所述电平信号个数及采集时间、磁标记间隔距离计算得到示踪器在井下的深度。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述磁标记设置于钻柱外侧。
3.根据权利要求2所述的系统,其特征在于,所述磁标记在所述钻柱上的间隔距离相等。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统,其特征在于,所述示踪器的内部还设置有:
压力传感器,与所述控制器连接,用于采集井筒的压力数据;
温度传感器,与所述控制器连接,用于采集井筒的温度数据;
存储器,与所述控制器连接,用于存储所述电平信号个数、所述压力数据和所述温度数据。
5.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述示踪器内部还设置有与所述控制器连接的无线模块,用于和外部设备进行无线通信。
6.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述示踪器内部还设置有与所述控制器连接的电源模块,用于向所述示踪器内部各部分提供工作电源。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的系统,其特征在于,所述控制器设置有防抖程序,通过预设电平信号计数间隔以防止同一磁标记产生的磁场多次触发电平信号。
8.一种利用磁信号定位钻井示踪器深度的方法,包括:
采集与磁标记产生的磁场信号对应的电平信号,并统计电平信号个数及对应的采集时间;
根据电平信号个数、采集时间和磁标记间隔计算得到示踪器在井筒中的深度;
根据钻井速度计算钻头钻进深度;
根据钻头钻进深度对示踪器在井筒中的深度进行修正;
对修正后的深度进行插值处理,以得到示踪器在任一时刻对应的实际深度。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,采集与磁标记产生的磁场信号对应的电平信号进一步包括:
启动示踪器;
对示踪器中的磁场信号对应的电平信号计数器清零处理;
在检测到磁场信号时,电平信号计数器加1操作,其中,在电平信号计数器加1之前,判断距离上一次计数器加1间隔时间是否大于预设值,在大于所述预设值时计数器加1。
10.根据权利要求8或9所述的方法,其特征在于,在采集与磁标记产生的磁场信号对应的电平信号时,所述电平信号的采集方向为由井筒底部开始向上至井口端。
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