CN109581522B - 一种随钻测斜仪用探管式方位伽马探管及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种随钻测斜仪用探管式方位伽马探管即测量方法，包括外保护筒和与外保护筒螺纹连接的铜连接头，还包括扶正胶套和伽马射线探头、伽马屏蔽装置、嵌入式微处理器系统安装骨架、高压电源、三个重力加速度传感器、温度传感器、减震器和嵌入式微处理器系统。本发明通过设置所述的NaI晶体和光电倍增管组成伽马射线探头，其中所述的伽马屏蔽装置由能隔绝伽马射线的材料制成，在伽马屏蔽装置上开有窗口，实现方向性的伽马探测，结合三个重力加速度传感器，用来确定探管式方位伽马在地层空间的位置，确定探管式方位伽马装置的伽马探测方向，从而克服了现有的钻铤式伽玛结构较为复杂，生产成本高，运输不便利，而且精度不高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及油钻井随钻设备技术领域，尤其涉及一种随钻测斜仪用探管式方位伽马探管及测量方法。
背景技术
目前，伽马射线强度是表征油气储层特性的一个参数，其数值与非油气储层相比有较大的差异。随钻方位伽马测量设备是一种典型的地层评价设备，已经在石油钻井开发中广泛使用。随钻方位伽马测量设备可以识别随钻仪器某一方位的地层伽马值，通过实时上传到地面的方位伽马参数，可以迅速和准确的判断随钻仪器是否正在打出目的层，用于测量地层的本底伽玛辐射，评价地层的伽玛辐射水平，区分储层和岩层。
目前主要使用的随钻方位伽马测量设备是钻铤式方位伽马测量设备。钻铤式方位伽马测量设备采用盖革米勒管传感器，连接方式为螺纹扣型和公母滑环。现有的盖革米勒管传感器安装时，均需要在钻铤外壁上开设开口，用于固定安装盖革米勒管传感器，而且由于钻铤式伽玛结构较为复杂，生产成本高，运输不便利，且盖革米勒管传感器的公母滑环的连接方式也存在井下虚接的问题，从而极大的影响了测量数据准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种随钻测斜仪用探管式方位伽马探管及测量方法，能够能测量随钻测斜仪任意方位的伽马值，判断出随钻测斜仪在上下底层边界中的位置，保证随钻测斜仪在存储层中钻进。
本发明采用的技术方案为：
一种随钻测斜仪用探管式方位伽马探管，包括外保护筒和与外保护筒螺纹连接的铜连接头，还包括设置在铜连接头外部的扶正胶套和设置在外保护筒内的伽马射线探头、伽马屏蔽装置、嵌入式微处理器系统安装骨架、高压电源、三个重力加速度传感器、温度传感器、减震器和嵌入式微处理器系统；所述的外保护筒端部固定设置有三头防松螺纹插头的母头，铜连接头的一端部固定设置有三头防松螺纹插头的公头，另一端部与减震器螺纹连接，减震器的另一端通过连接头与嵌入式微处理器系统安装骨架固定连接；
伽马屏蔽装置套设在伽马射线探头外部，且靠近三头防松螺纹插头公头的一侧，所述伽马屏蔽装置上设置有探测口；
所述的伽马射线探头与微处理器系统安装骨架一端丝扣连接，所述的伽马屏蔽装置套设在伽马射线探头外部，并且与微处理器系统安装骨架固定连接；
所述的微处理器系统安装骨架另一端上用于分别固定设置高压电源、三个重力加速度传感器、温度传感器和嵌入式微处理器系统；所述伽马射线探头、三个重力加速度传感器、温度传感器的输出端分别连接嵌入式微处理器系统的输入端，嵌入式微处理器系统的输出端分别连接三头防松螺纹插头的公头和母头接线排，高压电源的输出端连接伽马射线探头输入端；
还包括有软连接延长线，所述三头防松螺纹插头的母头通过软连接延长线与嵌入式微处理器系统输入端相连。
嵌入式微处理系统包括DC-DC电源电路、第一信号处理电路、中央处理器、第二信号处理电路、温度采集电路、实时时钟电路、数据存储电路、485接口电路和CAN接口电路；伽马射线探头的输出端连接第一信号处理器电路的输入端，第一信号处理电路的输出端通过比较整形电路与中央处理器的输入端相连接；
所述的第一信号处理电路包括比较整形电路和第一滤波电路，用于对接收到的电子脉冲信号进行滤波处理和整形处理后输出方波信号，并传至处理控制电路进行脉冲数据计算；
三个重力加速度传感器的输出端连接第二信号处理电路输入端，第二信号处理电路输出端连接中央处理器的输入端，所述的第二信号处理电路包括第二滤波电路和模数转换电路；
中央处理器的输出端通过485接口和CAN接口与中央控制短节相连接；
温度传感器的输出端通过温度采集电路与中央处理器的信号输入端连接，实时时钟的信号输出端与中央处理器的信号输入端连接，数据存储的信号输出端与中央处理器的信号输入端连接。
伽马屏蔽装置为圆筒结构，探测口为沿伽马屏蔽装置圆筒结构圆周壁上开设的缺口，伽马屏蔽装置圆筒结构截面方向上，所述缺口的圆弧弧长为圆周弧长的三分之一。
缺口的长度与伽马射线探头长度一致。
所述铜接头线孔中固定设置有双向承压接头，用于密封，防止浆液沿排线渗入。
一种随钻测斜仪用探管式方位伽马探管的测量方法，包括如下步骤：
A：中央处理器对伽马射线传感器的输出数据分别进行调频和调相，得到预处理的数据；所述A步骤具体包括如下子步骤：
A1：所述的调频是在均等分的m个象限进行频率调整，获得伽马计数值在不同象限的区分，较高计数值所在象限则为数据主要区域，锁定数据所在区域之后进入调相获取预处理数据；
A2：所述调相是为均等分的m个象限进行相位的反向，在周期T内不同象限的信号波形进行反相位计算，再借助调频获得的数据所在象限，过滤出此周期需要进行下一步具体数值计算的数据波形；
B：对预处理的数据进行积分，并取其差值，得到数据波形所表示的能量值，再通过能量值计算出具体伽马值，并进行传输。所述B步骤具体包括如下子步骤：
B1：所述对预处理的数据进行积分是将调相后获取的预处理数据进行能量积分，并获得波形数据在周期T内的能量；其中T为获取的有效数据所占周期，由于此周期中经过了n次调相操作，所以此象限也需要进行有效数据的提取；设τ1为换相周期、τ2为换相后的有效数据周期，通过对τ1和τ2区域进行积分，并取其积分差值：∫τ1-τ2，得出数据所在周期的能量绝对值；绝对值大于0为显性周期(调相后的数据积分多为负值)，而调相所在的隐性周期能量为0或趋近于0；
B2：所述通过能量值计算具体伽马值为将整个周期T中所有能量值所对应的具体伽马值转换为相应进制编码进行数据传输。
所述B2步骤中相应进制编码为四进制编码，效率大大提高。选择使用4进制进行传输的原因为：用来表达信号的有4个周期，换相使用了两个周期，可编制的数据量为，表示一位需要用4+2(换相周期)＝6个周期，那么4进制的编码效率则为6×6＝36个周期。并列分析2进制，同样数据量，表示一位需要2+2＝4个周期需要12×4＝48个周期；8进制为40个周期；16进制为54个周期，所以4进制效率最高。
所述的步骤A1中所述具体获取数据所在区域的方法为：设m个象限内的计数初始值均为0，上一组计数周期T累加计数值分别为sum_1，sum_2，sum_3，sum_4，…，sum_m，若所测工具面TF在1象限，则sum_1＝sum_1+n；若TF在2象限，则sum_2＝sum_2+n；…；若TF在m象限，则sum_m＝sum_m+n；当计入m个象限累加时间达到定时时间后，即为此象限的伽马计数值；由以上表述可以得知，停留时间长的工具面位置方位伽马数据刷新较快，反之刷新较慢。
所述的步骤A2中具体调相的方式为：设载波信号周期为T，频率为f，则未调制信号按正常频率进行传播，理想情况下为一正弦波。若要加载有效信号，即信号由0变为1，需要改变载波信号的相位，考虑到伽马光子这一传播介质的低通特性及运转规律，变相时相对速度变为原来的1/2，经过时间T后，波形的相位会变成ψ-π；之后恢复原来的运行速度，经过时间T后，再次进行减速恢复之前的相位。
本发明高压通过设置所述的NaI晶体和光电倍增管组成伽马射线探头，其中所述的伽马屏蔽装置由能隔绝伽马射线的材料制成，加装在NaI晶体和光电倍增管组成的伽马射线探头周围，但在伽马屏蔽装置上开有窗口，可以使NaI晶体和光电倍增管组成的伽马射线探头能采集固定方向的伽马射线，实现方向性的伽马探测。所述的重力加速度传感器共使用三个，用来确定探管式方位伽马在地层空间的位置，进而与加装有伽马屏蔽装置的NaI晶体和光电倍增管组成伽马射线探头配合，确定探管式方位伽马装置的伽马探测方向，从而克服了现有的钻铤式伽玛结构较为复杂，生产成本高，运输不便利，而且精度不高的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电控原理框图；
图3位本发明的流程图。
具体实施方式
如图1、2和3所示，本发明包括外保护筒11和与外保护筒11螺纹连接的铜连接头14，还包括设置在铜连接头14外部的扶正胶套5和设置在外保护筒11内的伽马射线探头、伽马屏蔽装置13、嵌入式微处理器系统安装骨架1、高压电源3、三个重力加速度传感器6、温度传感器、减震器9和嵌入式微处理器系统8；所述的外保护筒11端部固定设置有三头防松螺纹插头的母头12，铜连接头14的一端部固定设置有三头防松螺纹插头的公头16，另一端部与减震器9螺纹连接，减震器9的另一端通过连接头7与嵌入式微处理器系统安装骨架1固定连接；
伽马屏蔽装置13套设在伽马射线探头外部，且靠近三头防松螺纹插头公头16的一侧，所述伽马屏蔽装置上设置有探测口17；
本发明通过使用NaI晶体4与光电倍增管2封装在一起，组成伽马射线探头。所述的伽马射线探头与嵌入式微处理器系统安装骨架1一端丝扣连接，所述的伽马屏蔽装置13套设在伽马射线探头外部，并且与嵌入式微处理器系统安装骨架1固定连接；
所述的嵌入式微处理器系统安装骨架1另一端上用于分别固定设置高压电源3、三个重力加速度传感器6、温度传感器和嵌入式微处理器系统8；所述伽马射线探头、三个重力加速度传感器6、温度传感器的输出端分别连接嵌入式微处理器系统8的输入端，嵌入式微处理器系统8的输出端分别连接三头防松螺纹插头的公头16和母头12接线排，高压电源3的输出端连接伽马射线探头输入端；
还包括有软连接延长线18，所述三头防松螺纹插头的母头12通过软连接延长线18与嵌入式微处理器系统8输入端相连。
所述的嵌入式微处理系统包括DC-DC电源电路、第一信号处理电路、中央处理器、第二信号处理电路、温度采集电路、实时时钟电路、数据存储电路、485接口电路和CAN接口电路；伽马射线探头的输出端连接第一信号处理器电路的输入端，第一信号处理电路的输出端通过比较整形电路与中央处理器的输入端相连接；
所述的第一信号处理电路包括比较整形电路和第一滤波电路，用于对接收到的电子脉冲信号进行滤波处理和整形处理后输出方波信号，并传至处理控制电路进行脉冲数据计算；
三个重力加速度传感器6的输出端连接第二信号处理电路输入端，第二信号处理电路输出端连接中央处理器的输入端，所述的第二信号处理电路包括第二滤波电路和模数转换电路；
中央处理器的输出端通过485接口和CAN接口与中央控制短节相连接；
温度传感器的输出端通过温度采集电路与中央处理器的信号输入端连接，实时时钟的信号输出端与中央处理器的信号输入端连接，数据存储的信号输出端与中央处理器的信号输入端连接。
所述的伽马屏蔽装置13为圆筒结构，探测口17为沿伽马屏蔽装置圆筒结构圆周壁上开设的缺口，伽马屏蔽装置13圆筒结构截面方向上，所述缺口的圆弧弧长为圆周弧长的三分之一。
所述的缺口的长度与伽马射线探头长度一致。
所述的所述铜接头线孔中固定设置有双向承压接头15，用于密封，防止浆液沿排线渗入。
碘化钠晶体接收到伽马射线后会产生光子，被光电倍增管采集到后转变为电子脉冲信号输出，第一信号处理电路对接收到的电子脉冲信号进行滤波处理和整形处理后输出方波信号，并传至中央处理器进行脉冲数据计算，从而得出伽马探管的伽马计数值。
一种随钻测斜仪用探管式方位伽马探管的测量方法，包括如下步骤：如图3所示，
A：中央处理器对伽马射线传感器的输出数据分别进行调频和调相，得到预处理的数据；所述A步骤具体包括如下子步骤：
A1：所述的调频是在均等分的m个象限进行频率调整，获得伽马计数值在不同象限的区分，较高计数值所在象限则为数据主要区域，锁定数据所在区域之后进入调相获取预处理数据；所述的步骤A1中所述具体获取数据所在区域的方法为：设m个象限内的计数初始值均为0，上一组计数周期T累加计数值分别为sum_1，sum_2，sum_3，sum_4，…，sum_m，若所测工具面TF在1象限，则sum_1＝sum_1+n；若TF在2象限，则sum_2＝sum_2+n；…；若TF在m象限，则sum_m＝sum_m+n；当计入m个象限累加时间达到定时时间后，即为此象限的伽马计数值；由以上表述可以得知，停留时间长的工具面位置方位伽马数据刷新较快，反之刷新较慢。
A2：所述调相是为均等分的m个象限进行相位的反向，在周期T内不同象限的信号波形进行反相位计算，再借助调频获得的数据所在象限，过滤出此周期需要进行下一步具体数值计算的数据波形；所述的步骤A2中具体调相的方式为：设载波信号周期为T，频率为f，则未调制信号按正常频率进行传播，理想情况下为一正弦波。若要加载有效信号，即信号由0变为1，需要改变载波信号的相位，考虑到伽马光子这一传播介质的低通特性及运转规律，变相时相对速度变为原来的1/2，经过时间T后，波形的相位会变成ψ-π；之后恢复原来的运行速度，经过时间T后，再次进行减速恢复之前的相位。
B：对预处理的数据进行积分，并取其差值，得到数据波形所表示的能量值，再通过能量值计算出具体伽马值，并进行传输。所述B步骤具体包括如下子步骤：
B1：所述对预处理的数据进行积分是将调相后获取的预处理数据进行能量积分，并获得波形数据在周期T内的能量；其中T为获取的有效数据所占周期，由于此周期中经过了n次调相操作，所以此象限也需要进行有效数据的提取；设τ1为换相周期、τ2为换相后的有效数据周期，通过对τ1和τ2区域进行积分，并取其积分差值：∫τ1-τ2，得出数据所在周期的能量绝对值；绝对值大于0为显性周期(调相后的数据积分多为负值)，而调相所在的隐性周期能量为0或趋近于0；
B2：所述通过能量值计算具体伽马值为将整个周期T中所有能量值所对应的具体伽马值转换为相应进制编码进行数据传输。
所述B2步骤中相应进制编码为四进制编码，效率大大提高。选择使用4进制进行传输的原因为：用来表达信号的有4个周期，换相使用了两个周期，可编制的数据量为，表示一位需要用4+2(换相周期)＝6个周期，那么4进制的编码效率则为6×6＝36个周期。并列分析2进制，同样数据量，表示一位需要2+2＝4个周期需要12×4＝48个周期；8进制为40个周期；16进制为54个周期，所以4进制效率最高。
三个重力加速度传感器6采集到传感器变化后输出相应电压信号，第二信号处理电路接收到电压信号进行滤波处理和模数转换后进行传感器值的计算，得出伽马探管的工具面值。通过不同的工具面值，计算出上伽马计数值、下伽马计数值和自然伽马计数值。
采集当时的实时时间和伽马探管所处的环境温度，并将计算出的温度值、上伽马计数值、下伽马计数值、自然伽马计数值、工具面值(即为三个重力加速度传感器6采集的数值)以及当时的实时时间传至485接口和CAN接口进行界外输出。同时将采集计算出的温度值、上伽马计数值、下伽马计数值、自然伽马计数值、工具面值以及当时的实时时间，按设置的逻辑存储到数据存储电路里面。
嵌入式微处理系统包括DC-DC电源电路、第一信号处理电路、比较整形电路、中央处理器、工具面测量电路、第二信号处理电路、AD采集电路、温度采集电路、实时时钟电路、数据存储电路、485接口电路、CAN接口电路。
温度采集电路的信号输出端与中央处理器的信号输入端连接，实时时钟的信号输出端与中央处理器的信号输入端连接，数据存储的信号输出端与中央处理器的信号输入端连接。采集当时的实时时间和伽马探管所处的环境温度，并将计算出的温度值、上伽马计数值、下伽马计数值、自然伽马计数值、工具面值以及当时的实时时间传至485接口和CAN接口进行界外输出。同时将采集计算出的温度值、上伽马计数值、下伽马计数值、自然伽马计数值、工具面值以及当时的实时时间，按设置的逻辑存储到数据存储电路里面。
方位伽马测量方法如下：
MCU对伽马射线传感器的输出进行调频和调相。调频是在均等分的m个象限进行频率调整，获得伽马计数值在不同象限的区分，调相则是为均等分的m个象限进行相位的反向，进行象限区分，设载波信号周期为T，频率为f，则未调制信号按正常频率进行传播，理想情况下为一正弦波。若要加载有效信号，即信号由0变为1，需要改变载波信号的相位，考虑到伽马光子这一传播介质的低通特性及运转规律，变相时先对速度变为原来的1/2，经过时间T后，波形的相位会变成ψ-π。之后恢复原来的运行速度，经过时间T后，再次进行减速恢复之前的相位。通过对τ1和τ2区域进行积分，并取其差值：∫τ1-τ2得出显性周期为正值或负值，而隐性周期为0。隐性周期为减速周期，目的就是为了换向，产生对应不同周期的负值显性周期来表示数据。
探管式方位伽马测量装置由高压电源、重力加速度传感器、NaI晶体、光电倍增管、伽马屏蔽装置和嵌入式微处理器系统组成。其中所述的NaI晶体和光电倍增管组成伽马射线探头，其中所述的伽马屏蔽装置由能隔绝伽马射线的材料制成，加装在NaI晶体和光电倍增管组成的伽马射线探头周围，但在伽马屏蔽装置上开有窗口，可以使NaI晶体和光电倍增管组成的伽马射线探头能采集固定方向的伽马射线，实现方向性的伽马探测。所述的重力加速度传感器共使用三个，用来确定探管式方位伽马在地层空间的位置，进而与加装有伽马屏蔽装置的NaI晶体和光电倍增管组成伽马射线探头配合，确定探管式方位伽马装置的伽马探测方向。
Claims (9)
1.一种随钻测斜仪用探管式方位伽马探管，包括外保护筒和与外保护筒螺纹连接的铜连接头，其特征在于：还包括设置在铜连接头外部的扶正胶套和设置在外保护筒内的伽马射线探头、伽马屏蔽装置、嵌入式微处理器系统安装骨架、高压电源、三个重力加速度传感器、温度传感器、减震器和嵌入式微处理器系统；所述的外保护筒端部固定设置有三头防松螺纹插头的母头，铜连接头的一端部固定设置有三头防松螺纹插头的公头，另一端部与减震器螺纹连接，减震器的另一端通过连接头与嵌入式微处理器系统安装骨架固定连接；
伽马屏蔽装置套设在伽马射线探头外部，且靠近三头防松螺纹插头的公头的一侧，所述伽马屏蔽装置上设置有探测口；
所述的伽马射线探头与嵌入式微处理器系统安装骨架一端丝扣连接，所述的伽马屏蔽装置套设在伽马射线探头外部，并且与嵌入式微处理器系统安装骨架固定连接；
所述的嵌入式微处理器系统安装骨架另一端上用于分别固定设置高压电源、三个重力加速度传感器、温度传感器和嵌入式微处理器系统；所述伽马射线探头、三个重力加速度传感器、温度传感器的输出端分别连接嵌入式微处理器系统的输入端，嵌入式微处理器系统的输出端分别连接三头防松螺纹插头的公头和母头接线排，高压电源的输出端连接伽马射线探头输入端。
2.根据权利要求1所述的随钻测斜仪用探管式方位伽马探管，其特征在于：还包括有软连接延长线，所述三头防松螺纹插头的母头通过软连接延长线与嵌入式微处理器系统输入端相连。
3.根据权利要求1所述的随钻测斜仪用探管式方位伽马探管，其特征在于：所述的嵌入式微处理器系统包括DC-DC电源电路、第一信号处理电路、中央处理器、第二信号处理电路、温度采集电路、实时时钟电路、数据存储电路、485接口电路和CAN接口电路；伽马射线探头的输出端连接第一信号处理电路的输入端，第一信号处理电路的输出端通过比较整形电路与中央处理器的输入端相连接；
所述的第一信号处理电路包括比较整形电路和第一滤波电路，用于对接收到的电子脉冲信号进行滤波处理和整形处理后输出方波信号，并传至处理控制电路进行脉冲数据计算；
三个重力加速度传感器的输出端连接第二信号处理电路输入端，第二信号处理电路输出端连接中央处理器的输入端，所述的第二信号处理电路包括第二滤波电路和模数转换电路；
中央处理器的输出端通过485接口和CAN接口与中央控制短节相连接；
温度传感器的输出端通过温度采集电路与中央处理器的信号输入端连接，实时时钟的信号输出端与中央处理器的信号输入端连接，数据存储电路的信号输出端与中央处理器的信号输入端连接。
4.根据权利要求2所述的随钻测斜仪用探管式方位伽马探管，其特征在于：所述的伽马屏蔽装置为圆筒结构，探测口为沿伽马屏蔽装置圆筒结构圆周壁上开设的缺口，所述缺口的圆弧弧长为圆周弧长的三分之一。
5.根据权利要求4所述的随钻测斜仪用探管式方位伽马探管，其特征在于：所述的缺口的长度与伽马射线探头长度一致。
6.根据权利要求1所述的随钻测斜仪用探管式方位伽马探管，其特征在于：所述的铜连接头的线孔中固定设置有双向承压接头，用于密封，防止浆液沿排线渗入。
7.一种随钻测斜仪用探管式方位伽马探管的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
A：中央处理器对伽马射线传感器的输出数据分别进行调频和调相，得到预处理的数据；所述步骤A具体包括如下子步骤：
A1：所述的调频是在均等分的m个象限进行频率调整，获得伽马计数值在不同象限的区分，较高计数值所在象限为数据主要区域，锁定数据主要区域之后进入调相获取预处理数据；
A2：所述调相是为均等分的m个象限进行相位的反向，对周期T内不同象限的信号波形进行反相位计算，再借助调频获得的数据所在象限，过滤出周期T需要进行下一步具体数值计算的数据波形；
B：对预处理后的数据进行积分，并取差值，得到数据波形所表示的能量值，再通过能量值计算出具体伽马值，并进行传输；所述步骤B具体包括如下子步骤：
B1：将调相后获取的预处理数据进行能量积分，并获得波形数据在周期T内的能量；其中周期T具体为获取的有效数据所占周期，由于此周期中经过了n次调相操作，所以象限也需要进行有效数据的提取；设τ1为换相周期、τ2为换相后的有效数据周期，通过对τ1和τ2区域进行积分，并取其积分差值：∫τ1-τ2，得出数据所在周期的能量绝对值；
B2：将整个周期T中所有能量值所对应的具体伽马值转换为相应进制编码进行数据传输。
8.根据权利要求7所述的随钻测斜仪用探管式方位伽马探管的测量方法，其特征在于：所述步骤B2中相应进制编码为四进制编码。
9.根据权利要求8所述的随钻测斜仪用探管式方位伽马探管的测量方法，其特征在于：所述的步骤A1中获取数据所在区域的方法为：设m个象限内的计数初始值均为0，上一组计数周期T累加计数值分别为sum_1，sum_2，sum_3，sum_4，…，sum_m，若所测工具面TF在1象限，则sum_1＝sum_1+n；若TF在2象限，则sum_2＝sum_2+n；…；若TF在m象限，则sum_m＝sum_m+n；当计入m个象限累加时间达到定时时间后，即为此象限的伽马计数值。
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