CN109681189A - 一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，所述测量仪包括：井径短节、光纤陀螺测斜仪短节和扇区水泥胶结测井仪短节，所述光纤陀螺测斜仪短节与扇区水泥胶结测井仪短节之间通过井径短节交替连接，所述光纤陀螺测斜仪短节包括外管、设置在外管内部的IMU短节和数据处理电路短节以及设置在外管端部上的旋转电机短节，所述井径短节外侧设置有井径曲线测量臂，所述扇区水泥胶结测井仪短节包括阵列声波密度短节、传感器系统和配套的电子线路。本发明解决了现有技术中多扇区测井仪器偏心时对测量结果影响较大且无法进行校正、扇区方位无法与井眼实际方位对应的问题。

Description

一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪

技术领域

本发明实施例涉及石油测井技术领域，具体涉及一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪。

背景技术

在油田开发过程中,水平井开采技术迅速发展，但作为配套技术的水平井固井质量测井技术却相对滞后，仍沿用适用于垂直井的测井技术对水平井段固井质量进行评价。在垂直井或小角度斜井中，测井仪器能够保证居中状态，但在水平井段和大斜度井段,在重力的作用下导致仪器在水平井段偏心，仪器在套管内不能居中；由于受仪器自重、井斜较大、扶正器偏软、套管变形等原因影响，声波仪器在井内运行时很难保证始终处于居中状态，常常是一种偏心状态，由此造成不同方位上的各扇区的发射探头与井壁的距离不同，直接影响到各扇区声波传输时间不一致，进而影响资料的可信度。

声波仪器在井中常处于不确定的旋转状态，各扇区并不确定对准某个方向，因此最终资料不能确定具体的方位，在以往的多扇区测井实践中，解释专家常常遇到一些问题，很难界定是固井质量本身引起的还是仪器偏心引起的，对于仪器偏心状况，没有校正手段。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，以解决现有技术中多扇区测井仪器偏心时对测量结果影响较大且无法进行校正、扇区方位无法与井眼实际方位对应的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

在本发明的实施方式的第一方面中，提供了一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，包括：井径短节、光纤陀螺测斜仪短节和扇区水泥胶结测井仪短节，所述光纤陀螺测斜仪短节与扇区水泥胶结测井仪短节之间通过井径短节交替连接，所述光纤陀螺测斜仪短节包括圆筒形的外管、设置在外管内部的IMU短节和数据处理电路短节以及设置在外管端部上的旋转电机短节，所述井径短节外侧设置有井径曲线测量臂，所述扇区水泥胶结测井仪短节包括阵列声波密度短节、传感器系统和配套的电子线路，所述传感器系统中含有六个推靠测量臂，每个推靠测量臂极板上装有一组换能器，每组换能器上有两个发射换能器和一个接收换能器。

优选地，所述六个推靠测量臂以环绕方式将整个井周360°分为六个60°等扇面分布。

优选地，所述发射换能器和接收换能器按照矩阵方式进行排列。

优选地，所述发射换能器包括两个发射单元，每个发射单元为1/4波长，控制发射器的方向特性。

优选地，所述测量仪上设置有标准角度零点，所述光纤陀螺测斜仪短节、扇区水泥胶结测井仪短节和井径短节上设置有角度零点，井径短节统一设置首段井径臂为角度零。

优选地，所述IMU短节包括IMU骨架，所述IMU骨架上依次设置有三组相互正交设置的X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺和Z轴光纤陀螺以及三组相互正交设置的X轴加速度计、Y轴加速度计和Z轴加速度计，IMU骨架整体呈圆柱形，所述IMU骨架上依次设置有X轴加速度计安装腔位、Y轴加速度计安装腔位、Z轴加速度计安装腔位、X轴光纤陀螺安装腔位、Y轴光纤陀螺安装腔位和Z轴光纤陀螺安装腔位，所述Z轴光纤陀螺安装腔位与Y轴光纤陀螺安装腔位之间、Y轴光纤陀螺安装腔位与X轴光纤陀螺安装腔位之间以及X轴光纤陀螺安装腔位与Z轴加速度计安装腔位之间均设置有矩形腔，所述矩形腔内均设置有电路夹板，所述电路夹板上固定有光纤陀螺信号采集电路板。

优选地，所述数据处理电路短节包括与IMU骨架可拆卸连接的电路骨架以及设置在电路骨架上的数据处理电路板，IMU骨架与电路骨架之间连接有吸热件，所述吸热件内包含吸热剂。

优选地，所述旋转电机短节与数据处理电路短节相邻设置，所述旋转电机短节包括可拆卸连接在外管第一端的电机接头以及设置在电机接头内部的步进电机，所述步进电机的电机轴连接有旋转接头，所述旋转接头与电路骨架可拆卸连接。

优选地，所述旋转接头连接在电机接头的端部，所述旋转接头的下部呈套筒形，所述旋转接头的套筒形下部插入至电机接头内并与步进电机的电机轴套接，所述电机接头的前端设置有限位销，所述旋转接头的侧面设置有开槽，所述开槽内设置有限位开关。

优选地，所述陀螺仪和加速度计测得的数据进行捷联解算，在电脑中实时计算姿态矩阵，通过姿态矩阵把加速度计测得的沿机体轴的加速度信息变换成导航坐标系，再进行导航计算，从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向信息。

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明实施例公开了一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，通过光纤陀螺仪短节内的IMU测量单元测得相对惯性空间的角运动和线运动参数，并通过航迹推算实时解算出被测井眼的井斜角、井斜方位角、工具面角等信息，基于光纤陀螺，具有寿命长，响应快、能够耐冲击和振动、瞬间启动以及有很宽的动态范围等优点，扇区水泥胶结测井仪短节不受微环孔、泥浆性能变化等因素的影响，水泥成像图能直观准确反映水泥沟槽和空隙的情况，接收器接收相邻极板上发射器发射的声波，测出声幅曲线，显示水泥胶结情况，提升固井质量精度；通过陀螺仪和加速度计获取的数据，光纤陀螺对井筒外的各扇区进行方位和井径标注，使各井径和方位在仪器上一一对应，从而得到三维坐标系下的立体井况，信息包括：基于陀螺的井眼轨迹本身、基于方位井径的立体井筒内景、基于方位扇区的立体多扇区井筒外景固井状况，能够及时校正多扇区测井仪器的偏心，使扇区方位与井眼实际方位相对应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明的实施例提供的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪连接示意图；

图2为本发明的实施例提供的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪的光纤陀螺测斜仪短节爆炸图；

图3为本发明的实施例提供的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪的光纤陀螺测斜仪的部分剖视图；

图4为本发明的实施例提供的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪的光纤陀螺测斜仪的部分剖视图；

图5为本发明的实施例提供的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪的光纤陀螺测斜仪IMU骨架的结构示意图。

图6为本发明的实施例提供的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪的扇区水泥胶结测井仪短节结构图。

图中：1-外管、2-IMU短节、3-数据处理电路短节、4-旋转电机短节、5-阵列声波密度短节、6-推靠测量臂、7-吸热件、8-接收换能器、9-发射换能器、10-电子线路、11-井径短节、12-光纤陀螺测斜仪短节、13-扇区水泥胶结测井仪短节、21-IMU骨架、22-X轴光纤陀螺、23-Y轴光纤陀螺、24-Z轴光纤陀螺、25-X轴加速度计、26-Y轴加速度计、27-Z轴加速度计、31-电路骨架、32-数据处理电路板、41-电机接头、42-步进电机、43-旋转接头、45-限位开关、211-X轴加速度计安装腔位、212-Y轴加速度计安装腔位、213-Z轴加速度计安装腔位、214-X轴光纤陀螺安装腔位、215-Y轴光纤陀螺安装腔位、216-Z轴光纤陀螺安装腔位、217-矩形腔、218-电路夹板。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例

参考图1和图2，本实施例公开了一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，所述测量仪包括：井径短节11、光纤陀螺测斜仪短节12和扇区水泥胶结测井仪短节13，所述光纤陀螺测斜仪短节12与扇区水泥胶结测井仪短节13之间通过井径短节11交替连接，所述光纤陀螺测斜仪短节12包括圆筒形的外管1、设置在外管1内部的IMU短节2和数据处理电路短节3以及设置在外管1端部上的旋转电机短节4，所述井径短节11外侧设置有井径曲线测量臂，所述扇区水泥胶结测井仪短节13包括阵列声波密度短节5、传感器系统和配套的电子线路10，所述传感器系统中含有六个推靠测量臂6，每个推靠测量臂6极板上装有一组换能器，每组换能器上有两个发射换能器9和一个接收换能器8。

光纤陀螺是一种基于萨格奈克(Sagnac)效应的角速度敏感元件，无需机械转子，全固态结构，萨格奈克效应是：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度(角速度)，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间比逆着这个通道转动方向前进所需要的时间要多，也就是说，这两个前进方向上，两光束的光程相对于通道在静止时的光程都发生了变化，利用这种环路光程的变化测量环路的转动速度，与机械陀螺相比，角速度的灵敏度高了好几个数量级，利用它对角速度的高灵敏度特点，可以用它来测量地球自转的角速度矢量，再进行计算处理就能确定钻孔的倾斜方位，这个方位是相对地球北极方向的方位，也称作真北方位角，实现自寻北测量。

所述测量仪上设置有标准角度零点，所述光纤陀螺测斜仪短节12、扇区水泥胶结测井仪短节13和井径短节11上设置有角度零点，井径短节11统一设置首段井径臂为角度零。

参考图5，所述IMU短节2包括IMU骨架21，所述IMU骨架21上依次设置有三组相互正交设置的X轴光纤陀螺22、Y轴光纤陀螺23和Z轴光纤陀螺24以及三组相互正交设置的X轴加速度计25、Y轴加速度计26和Z轴加速度计27，IMU骨架21整体呈圆柱形，所述IMU骨架21上依次设置有X轴加速度计安装腔位211、Y轴加速度计安装腔位212、Z轴加速度计安装腔位213、X轴光纤陀螺安装腔位214、Y轴光纤陀螺安装腔位215和Z轴光纤陀螺安装腔位216，所述Z轴光纤陀螺安装腔位216与Y轴光纤陀螺安装腔位215之间、Y轴光纤陀螺安装腔位215与X轴光纤陀螺安装腔位214之间以及X轴光纤陀螺安装腔位214与Z轴加速度计安装腔位213之间均设置有矩形腔217，所述矩形腔217内均设置有电路夹板218，所述电路夹板218上固定有光纤陀螺信号采集电路板；

所述数据处理电路短节3包括与IMU骨架21可拆卸连接的电路骨架31以及设置在电路骨架31上的数据处理电路板32，IMU骨架21与电路骨架31之间连接有吸热件7，所述吸热件7内包含吸热剂。

数据处理电路短节3包括与IMU骨架21可拆卸连接的电路骨架31以及设置在电路骨架31上的数据处理电路板32，本实施例的测斜仪基于捷联惯导系统原理，惯导系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，之后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等，直接安装在载体上的惯性元件测得相对惯性空间的加速度和角加速度是沿载体轴的分量，将这些分量经过一个坐标转换方向余弦阵，可以转换到要求的计算机坐标系内的分量，如果这个矩阵可以描述载体和地理坐标系之间的关系，那么载体坐标系测得的相对惯性空间的加速度和角速度，经过转换后便可得到沿地理坐标系的加速度和角速度分量，有了已知方位的加速度和角速度分量之后，导航计算机便可根据相应的力学方程解出要求的导航和姿态参数来。

捷联惯性测量单元IMU(Inertial measurement unit)由3只相互正交安置的光纤陀螺仪和3只加速度计组成，不采用实体平台，将光纤陀螺和加速度计直接固定在仪器骨架上，高精度的捷联解算是实现动态测量的基础，实时解算机载计算机采用DSP高速数字处理器，完成IMU测量数据读取、数据预处理和实时计算，包括惯性传感器的误差补偿、初始对准、在线校正、滤波等，实时地计算姿态矩阵，通过姿态矩阵将加速度计测得的沿机体轴的加速度信息，变换成导航坐标系，然后进行导航计算，同时从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向信息，利用光纤陀螺和加速度计等敏感器件测得的相对惯性空间的角运动和线运动参数，通过航迹推算实时解算出被测井眼的井斜角、井斜方位角、工具面角等信息。

参考图3和图4，所述旋转电机短节4与数据处理电路短节3相邻设置，所述旋转电机短节4包括可拆卸连接在外管1第一端的电机接头41以及设置在电机接头41内部的步进电机42，所述步进电机42的电机轴连接有旋转接头43，所述旋转接头43与电路骨架31可拆卸连接，所述旋转接头43连接在电机接头41的端部，所述旋转接头43的下部呈套筒形，所述旋转接头43的套筒形下部插入至电机接头41内并与步进电机42的电机轴套接，所述电机接头41的前端设置有限位销，所述旋转接头43的侧面设置有开槽，所述开槽内设置有限位开关45。

参考图6，所述六个推靠测量臂6以环绕方式将整个井周360°分为六个60°等扇面分布，所述发射换能器9和接收换能器8按照矩阵方式进行排列，所述发射换能器9包括两个发射单元，每个发射单元为1/4波长，控制发射器的方向特性。

所述扇区水泥胶结测井仪短节13由阵列声波密度短节5、传感器系统及配套的电子线路10组成。传感器系统有六个推靠测量臂6，每个极板上装有两个发射换能器9和一个接收换能器8，相邻两极板之间的夹角为60°。测井时，推靠测量臂6将六个安装有发射换能器9和接受换能器的极板推靠到井臂，六个极板把整个井周360°分成六个60°等扇面的扇区及分成六个120°等扇面的扇区。对每个扇区用高频100KHz声波发射接收，分别在环绕圆周方向以120°近源距0.2m测量一次；以60°源距0.375m测量一次；在偏心声源理论图版的支持下，处理测量波形的相位信息分别对固井的I、II界面胶结特征进行分扇区精细测量，并且以成像的方式显示360°的胶结特征。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，其特征在于，所述测量仪包括：井径短节、光纤陀螺测斜仪短节和扇区水泥胶结测井仪短节，所述光纤陀螺测斜仪短节与扇区水泥胶结测井仪短节之间通过井径短节交替连接，所述光纤陀螺测斜仪短节包括圆筒形的IMU短节、设置在外管内部的IMU短节和数据处理电路短节以及设置在外管端部上的旋转电机短节，所述井径短节外侧设置有井径曲线测量臂，所述扇区水泥胶结测井仪短节包括阵列声波密度短节、传感器系统和配套的电子线路，所述传感器系统中含有六个推靠测量臂，每个推靠测量臂极板上装有一组换能器，每组换能器上有两个发射换能器和一个接收换能器。

2.如权利要求1所述的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，其特征在于，所述测量仪上设置有标准角度零点，所述光纤陀螺测斜仪短节、扇区水泥胶结测井仪短节和井径短节上设置有角度零点，井径短节统一设置首段井径臂为角度零。

3.如权利要求1所述的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，其特征在于，所述六个推靠测量臂以环绕方式将整个井周360°分为六个60°等扇面分布。

4.如权利要求1所述的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，其特征在于，所述发射换能器和接收换能器按照矩阵方式进行排列。

5.如权利要求4所述的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，其特征在于，所述发射换能器包括两个发射单元，每个发射单元为1/4波长，控制发射器的方向特性。

6.如权利要求1所述的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，其特征在于，所述IMU短节包括IMU骨架，所述IMU骨架上依次设置有三组相互正交设置的X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺和Z轴光纤陀螺以及三组相互正交设置的X轴加速度计、Y轴加速度计和Z轴加速度计，IMU骨架整体呈圆柱形，所述IMU骨架上依次设置有X轴加速度计安装腔位、Y轴加速度计安装腔位、Z轴加速度计安装腔位、X轴光纤陀螺安装腔位、Y轴光纤陀螺安装腔位和Z轴光纤陀螺安装腔位，所述Z轴光纤陀螺安装腔位与Y轴光纤陀螺安装腔位之间、Y轴光纤陀螺安装腔位与X轴光纤陀螺安装腔位之间以及X轴光纤陀螺安装腔位与Z轴加速度计安装腔位之间均设置有矩形腔，所述矩形腔内均设置有电路夹板，所述电路夹板上固定有光纤陀螺信号采集电路板。

7.如权利要求1所述的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，其特征在于，所述数据处理电路短节包括与IMU骨架可拆卸连接的电路骨架以及设置在电路骨架上的数据处理电路板，IMU骨架与电路骨架之间连接有吸热件，所述吸热件内包含吸热剂。

8.如权利要求1所述的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，其特征在于，所述旋转电机短节与数据处理电路短节相邻设置，所述旋转电机短节包括可拆卸连接在外管第一端的电机接头以及设置在电机接头内部的步进电机，所述步进电机的电机轴连接有旋转接头，所述旋转接头与电路骨架可拆卸连接。

9.如权利要求8所述的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，其特征在于，所述旋转接头连接在电机接头的端部，所述旋转接头的下部呈套筒形，所述旋转接头的套筒形下部插入至电机接头内并与步进电机的电机轴套接，所述电机接头的前端设置有限位销，所述旋转接头的侧面设置有开槽，所述开槽内设置有限位开关。

10.如权利要求6所述的一种井径扇区固井质量及轨迹一体化测量仪，其特征在于，所述陀螺仪和加速度计测得的数据进行捷联解算，在电脑中实时计算姿态矩阵，通过姿态矩阵把加速度计测得的沿机体轴的加速度信息变换成导航坐标系，再进行导航计算，从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向信息。