CN111119838A - 钻具姿态动态测量系统及传感器固定装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于钻具姿态动态测量的传感器固定装置以及应用该装置的钻具姿态动态测量系统，其中，该装置包括：基座块，其形成有至少三个互为正交的安装面；三个弹性件，三个弹性件分别对应安装在基座块的三个安装面上，并且各个弹性件分别用于对应安装单轴传感器，其中，弹性件的工作方向与其上安装的单轴传感器的工作方向相同。相较于现有技术采用静态测量方式确定钻具姿态，本系统由于可以动态地对钻具姿态进行测量，因此也就不需要要求测量过程中钻具保持静止姿态，从而避免了由于停机所造成的生产时间的浪费，同时还能够使得应用场景得以扩大。
Description
技术领域
本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种钻具姿态动态测量系统、传感器固定装置以及一种用于钻具姿态动态测量的数据采集装置。
背景技术
现有钻具姿态测量系统主要为静态测量，即要求测量过程中，钻具保持静止状态。静态测量虽然准确，但是由于要求钻具保持静止，此项技术使用场景收到很大的限制，而且严重浪费生产时间。不仅如此，随着旋转导向等自动化钻井技术的发展，钻具姿态的动态测量作为一种重要的反馈，是自动化控制不可缺少的一个环节。
目前的钻具姿态的动态测量方法主要基于算法实现，效果好坏不一。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于钻具姿态动态测量的传感器固定装置，所述传感器固定装置包括：
基座块，其形成有至少三个互为正交的安装面；
三个弹性件，所述三个弹性件分别对应安装在所述基座块的三个安装面上，并且各个弹性件分别用于对应安装单轴传感器，其中，所述弹性件的工作方向与其上安装的单轴传感器的工作方向相同。
根据本发明的一个实施例，在工作过程中，所述三个单轴传感器中其中一个单轴传感器的工作方向沿钻具轴向，另外两个单轴传感器的工作方向均垂直于所述钻具轴向。
根据本发明的一个实施例，形成所述弹性件的材料为阻尼比小于预设阻尼比阈值的线性弹性材料，并且所述弹性件仅仅允许单轴方向形变。
根据本发明的一个实施例，所述基座块形成有三个凹槽，所述三个凹槽的底面形成三个互为正交的安装面。
根据本发明的一个实施例，所述凹槽的深度大于所述弹性件与单轴传感器的总高度。
根据本发明的一个实施例，所述传感器固定装置还包括第一减震层和第二减震层，其中，第一减震层包裹所述基座块且不与所述单轴传感器接触，所述第二减震层包裹所述第一减震层。
根据本发明的一个实施例，所述第一减震层的阻尼比大于所述第二减震层的阻尼比，刚度小于所述第二减震层的刚度。
根据本发明的一个实施例，所述第二减震层的外部分布有多个凸起。
本发明还提供了一种用于钻具姿态动态测量的数据采集装置，所述数据采集装置包括：
如上任一项所述的传感器固定装置；
以及，三个单轴传感器，所述三个单轴传感器对应安装在传感器固定装置的三个弹性件上。
根据本发明的一个实施例，所述数据采集装置还包括：
时域采样模块，其与所述单轴传感器连接，用于对所述单轴传感器传输来的模拟信号进行时域采样，得到三轴加速度时域数字信号；
时域-频域转换模块，其与所述单轴传感器连接，用于对所述单轴传感器传输来的模拟信号进行时域-频域转换，得到相应的频域数字信号。
根据本发明的一个实施例，所述时域采样模块和时域-频域转换模块设置在传感器固定装置的第一减震层中。
本发明还提供了一种钻具姿态动态测量系统，所述系统包括：
如上任一项所述的数据采集装置；
数据处理装置，其与所述数据采集装置通信连接，用于根据所述数据采集装置传输来的数据确定钻具姿态。
根据本发明的一个实施例，所述数据采集装置配置为向所述数据处理装置发送三轴加速度时域数字信号和频域数字信号，所述数据处理信号配置为根据所述三轴加速度时域数字信号和频域数字信号生成三轴加速度矢量，通过矢量合成实现对钻井姿态的实时测量。
本发明所提供的钻具姿态动态测量系统利用三轴加速度时域数字信号以及相关频域数字信号来通过矢量合成确定出钻具姿态，其可以实现对钻具姿态的动态测量。相较于现有方法采用静态测量方式确定钻具姿态，本系统由于可以动态地对钻具姿态进行测量，因此也就不需要要求测量过程中钻具保持静止姿态，从而避免了由于停机所造成的生产时间的浪费，同时还能够使得应用场景得以扩大。
同时，为了提高钻具姿态动态测量的准确性，本发明所提供的钻具姿态动态测量系统还将三轴加速度传感器设置在改进的传感器固定装置上。该传感器固定装置能够通过弹性件以及减震层来改善三轴加速度传感器所测量得到的加速度数据，从而为后续通过频域转换以及矢量合成来最终得到准确的钻具姿态提供了可能。
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的附图做简单的介绍：
图1是根据本发明一个实施例的钻具姿态动态测量系统的结构示意图；
图2和图3是根据本发明一个实施例的数据采集装置的结构剖面示意图和立体图；
图4是根据本发明一个实施例的第二减震层的表面结构示意图。
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。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
针对现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种新的钻具姿态动态测量系统，图1示出了本实施例中该测量系统的结构示意图。
如图1所示，本实施例所提供的钻具姿态动态测量系统优选地包括：数据采集装置1、数据处理装置2、数据存储模块31以及通信模块32。其中，数据采集装置1用于利用多个单轴传感器来获取不同方向上的加速度数据，并将该加速度数据通过通信模块32传输到数据处理装置2，以由数据处理装置2来根据数据采集装置1所传输来的数据确定钻具姿态。
本实施例中，数据采集装置1向数据处理装置2所发送的数据优选地包括三轴加速度时域数字信号和频域数字信号。数据处理装置2通过通信模块32获取到上述三轴加速度时域数字信号和频域数字信号，优选地会根据三轴加速度时域数字信号和频域数字信号生成三轴加速度矢量，进而通过矢量合成实现对钻井姿态的实时测量。
具体地，本实施例中，数据处理装置2在接收到数据采集装置1所发送来的三轴加速度时域数字信号和频域数字信号后，优选地会对上述频域数字信号进行相关性分析，从而得到同频变换的三轴加速度相关频率。随后，数据处理装置2则会基于三轴加速度时域数字信号以及相关频率来建立三轴加速度矢量，进而通过矢量合成的方式动态地确定出钻井姿态(例如井斜角和/或工具面角等)。
本实施例中，优选地，数据采集装置1根据实际需要还会将采集到的数据(例如三轴加速度时域数据信号和/或三轴加速度频域数字信号等)传输至与之通信连接的数据存储模块31，以由数据存储模块31进行存储。具体地，数据存储模块31所存储的频域数字信号的数据结构优选地为一固定序列的二维数组。其中，二维数组的每列为同一时段的数据，每行为同一频率的数据。
当然，在本发明的其他实施例中，数据存储模块31还可以采用其他合理方式来存储上述数据，本发明不限于此。
本实施例中，上位机在需要的情况下可以通过通信模块32来获取数据处理装置2所得到的钻井姿态数据，同时，其还可以通过读取数据存储模块31所存储的数据来获取数据采集装置1所采集到的数据。
需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，数据采集装置1与数据处理装置2之间的数据传输方式，以及数据采集装置1与数据存储模块31之间的数据传输方式还可以采用其他合理方式，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，数据采集装置1还可以与数据处理装置2直接进行数据通信。
同时，还需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际情况，该钻具姿态动态测量系统还可以不包含数据存储模块31，或者将数据存储模块31集成在数据处理装置2中，本发明同样不限于此。
本实施例中，数据采集装置1优选地利用至少三个单轴传感器(例如第一单轴传感器11、第二单轴传感器12、第三单轴传感器13)来获取不同方向上的加速度数据。上述三个单轴传感器会将自身检测得到的加速度模拟信号分别传输至与之连接的时域采样模块14和时域-频域转换模块15。其中，时域时域采样模块14用于对三个单轴传感器传输来的三个不同方向上的加速度模拟信号进行时域采样，得到三轴加速度时域数字信号。而时域-频域转换模块15则会对单轴传感器传输来的加速度模拟信号进行时域-频域转换，从而得到相应的频域数字信号。
具体地，本实施例中，数据采集装置1所包含的单轴传感器安装在传感器固定装置中。为了更加清楚地阐述本实施例中数据采集装置1的结构，以下结合图2来对数据采集装置1的具体内容进行说明。
图2示出了本实施例中数据采集装置1的结构剖面示意图，图3示出了数据采集装置1的立体图。
如图2和图3所示，本实施例中，数据采集装置1包括传感器固定装置和至少三个单轴传感器(即第一单轴传感器11、第二单轴传感器12和第三单轴传感器13)。传感器固定装置优选地包括基座块18和三个弹性件19。
基座块18形成有三个互为正交的安装面，而上述弹性件19分别对应安装在基座块18的三个安装面上。各个弹性件分别用于对应安装单轴传感器，即第一单轴传感器11、第二单轴传感器12和第三单轴传感器13安装在三个不同的弹性件上。
本实施例中，弹性件的工作方向与其对应的单轴传感器的工作方向相同。具体地，弹性件仅仅允许单轴形变，这样也就使得弹性件的形变方向与单轴传感器的工作方向相同。
具体地，本实施例中，形成弹性件的材料为阻尼比小于预设阻尼比阈值的线性弹性材料，并且仅仅允许单轴方向形变。例如，形成弹性件的材料优选地采用阻尼比小于0.7的工作区间为线性的弹性材料。当然，在本发明的其他实施例中，形成弹性件的材料的阻尼比还可以为其他合理值，本发明不限于此。
由于基座块18的三个安装面互为正交，同时弹性件的工作方向与其对应的单轴传感器的工作方向相同，因此三个单轴传感器的工作方向也互为正交。具体地，本实施例中，三个单轴传感器中其中一个单轴传感器的工作方向沿钻具轴向，另外两个单轴传感器的工作方向均垂直于钻具轴向。
例如，第一单轴传感器11可以为X轴传感器，其用于测量X轴(沿钻具轴向)的加速度数据，第二单轴传感器12可以为Y轴传感器，第三单轴传感器13则可以为Z轴传感器。这样，利用第一单轴传感器11、第二单轴传感器12以及第三单轴传感器13，数据采集装置1也就可以实现对三轴加速度的测量。
需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，传感器固定装置1的基座块18所形成的安装面的数量还可以为其他合理数据，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，基座块18所形成的安装面的数量还以为4、5或6个。当基座块18所形成的安装面的数量为6个时，弹性件以及单轴传感器的数量也就可以对应地配置为6个，这样在X轴、Y轴以及Z轴也就可以分别分布有两个单轴传感器，从而有助于提高测量结果的准确性。
本实施例中，如图2和图3所示，基座块1相互正交的表面形成有三个凹槽，这三个凹槽的底面形成了三个互为正交的安装面。而为了避免外部物体因接触单轴传感器而对单轴传感器造成损坏或者影响单轴传感器的工作性能，本实施例中，基座块1所形成的凹槽的深度大于弹性件与单轴传感器的总高度。也就是说，单轴传感器的工作面位于基座块1的外表面之内。
本实施例中，传感器固定装置还包括有第一减震层16和第二减震层17，其中，第一减震层16包裹基座块18并且不与各个单轴传感器相接触，而第二减震层17包裹第一减震层16。这样数据采集装置也就形成了基座块-第一减震层-第二减震层这样的三层结构。第一减震层16也就可以视为内层减震层，而第二减震层17则可以视为外层减震层。
其中，第一减震层16的形状优选地为长方体或是圆柱体，第二减震层17将第一减震层16完全包裹。
本实施例中，第一减震层16的阻尼比大于第二减震层17的阻尼比，同时第一减震层16的刚度则小于第二减震层17的刚度。第二减震层17的固有频率远高于数据采集装置中仪器的工作频率。
需要指出的是，在本发明的不同实施例中，第一减震层16和第二减震层17的有效厚度需要数据采集装置的整体质量以及形成第一减震层16和第二减震层17的材料(例如胶体)的性能参数来确定，本发明并不对第一减震层16和第二减震层17的有效厚度的具体取值进行限定。
本实施例中，时域采样模块和时域-频域转换模块优选地设置在传感器固定装置的第一减震层中。
为了进一步保证减震层的减震性能，同时克服仪器工作状态时的热膨胀效应，本实施例中，第二减震层17的外部分布有多个凸起。具体地，如图2和图4所示，本实施例中，第二减震层17的外表面均匀分布有多个六边形凸起。
当然，在本发明的其他实施例中，第一减震层17的外部所分布的凸起的形状以及数量可以根据不同实际需要进行不同地配置，本发明不限于此。
本实施例中，由于各个单轴传感器与第一减震层之间始终保持互存有气体间隙的状态，这样有助于实现对第一减震层内部相关电路设备的保护。
从上述描述中可以看出，本发明所提供的钻具姿态动态测量系统利用三轴加速度时域数字信号以及相关频域数字信号来通过矢量合成确定出钻具姿态，其可以实现对钻具姿态的动态测量。相较于现有方法采用静态测量方式确定钻具姿态，本系统由于可以动态地对钻具姿态进行测量，因此也就不需要要求测量过程中钻具保持静止姿态，从而避免了由于停机所造成的生产时间的浪费，同时还能够使得应用场景得以扩大。
同时，为了提高钻具姿态动态测量的准确性，本发明所提供的钻具姿态动态测量系统还将三轴加速度传感器设置在改进的传感器固定装置上。该传感器固定装置能够通过弹性件以及减震层来改善三轴加速度传感器所测量得到的加速度数据，从而为后续通过频域转换以及矢量合成来最终得到准确的钻具姿态提供了可能。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。
Claims (13)
1.一种用于钻具姿态动态测量的传感器固定装置，其特征在于，所述传感器固定装置包括：
基座块，其形成有至少三个互为正交的安装面；
三个弹性件，所述三个弹性件分别对应安装在所述基座块的三个安装面上，并且各个弹性件分别用于对应安装单轴传感器，其中，所述弹性件的工作方向与其上安装的单轴传感器的工作方向相同。
2.如权利要求1所述的传感器固定装置，其特征在于，在工作过程中，所述三个单轴传感器中其中一个单轴传感器的工作方向沿钻具轴向，另外两个单轴传感器的工作方向均垂直于所述钻具轴向。
3.如权利要求1或2所述的传感器固定装置，其特征在于，形成所述弹性件的材料为阻尼比小于预设阻尼比阈值的线性弹性材料，并且所述弹性件仅仅允许单轴方向形变。
4.如权利要求1～3中任一项所述的传感器固定装置，其特征在于，所述基座块形成有三个凹槽，所述三个凹槽的底面形成三个互为正交的安装面。
5.如权利要求4所述的传感器固定装置，其特征在于，所述凹槽的深度大于所述弹性件与单轴传感器的总高度。
6.如权利要求1～5中任一项所述的传感器固定装置，其特征在于，所述传感器固定装置还包括第一减震层和第二减震层，其中，第一减震层包裹所述基座块且不与所述单轴传感器接触，所述第二减震层包裹所述第一减震层。
7.如权利要求6所述的传感器固定装置，其特征在于，所述第一减震层的阻尼比大于所述第二减震层的阻尼比，刚度小于所述第二减震层的刚度。
8.如权利要求6或7所述的传感器固定装置，其特征在于，所述第二减震层的外部分布有多个凸起。
9.一种用于钻具姿态动态测量的数据采集装置，其特征在于，所述数据采集装置包括：
如权利要求1～8中任一项所述的传感器固定装置；
以及，三个单轴传感器，所述三个单轴传感器对应安装在传感器固定装置的三个弹性件上。
10.如权利要求9所述的数据采集装置，其特征在于，所述数据采集装置还包括：
时域采样模块，其与所述单轴传感器连接，用于对所述单轴传感器传输来的模拟信号进行时域采样，得到三轴加速度时域数字信号；
时域-频域转换模块，其与所述单轴传感器连接，用于对所述单轴传感器传输来的模拟信号进行时域-频域转换，得到相应的频域数字信号。
11.如权利要求9所述的数据采集装置，其特征在于，所述时域采样模块和时域-频域转换模块设置在传感器固定装置的第一减震层中。
12.一种钻具姿态动态测量系统，其特征在于，所述系统包括：
如权利要求9～11中任一项所述的数据采集装置；
数据处理装置，其与所述数据采集装置通信连接，用于根据所述数据采集装置传输来的数据确定钻具姿态。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置配置为向所述数据处理装置发送三轴加速度时域数字信号和频域数字信号，所述数据处理信号配置为根据所述三轴加速度时域数字信号和频域数字信号生成三轴加速度矢量，通过矢量合成实现对钻井姿态的实时测量。
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