CN111396035A - 基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法，包括以下步骤：利用电磁随钻测量系统的孔底测量发射模块随钻测量孔底的工程参数，并发送至地面；孔底测量发射模块监测所述孔底工程参数发射过程中的输出电流和电压幅值，输出电流和电压幅值与所述孔底工程参数构成发射信号；孔口信号接收处理模块采集所述发射信号，并进行提取得到随钻电势差信号幅值，通过对电势差信号解码获得输出电流和电压幅值；根据所述随钻电势差信号幅值，识别煤层与围岩界面；根据输出电流和电压幅值计算地层电阻率。本发明的有益效果是：采用电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率，相比伽马和电阻率仪，节省了成本并提高了煤层钻遇率和工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及石油及地矿定向钻探领域，尤其涉及基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法。
背景技术
在煤矿开采前，通常需要采用地面或井下钻孔将煤层中赋存的煤层气抽采出来，一方面可以提供清洁能源，另一方面可以预防井下瓦斯爆炸。为了最大限度地提高煤层气抽采效率，降低生产风险，电磁随钻测量技术在煤矿领域得到了广泛的应用，特别是在松软煤层空气钻探中发挥着不可替代的作用。
随钻识别煤层与围岩界面及电阻率是保证钻头在煤层中长距离延伸、提高抽采效率的关键。目前，煤矿定向钻探领域通常采用伽马和电阻率仪识别煤层与围岩界面及电阻率，但这些仪器安装在距离钻头数米甚至数十米位置，测量位置相对于钻头位置存在延迟，容易导致钻头钻入围岩，影响钻探效率；另外，伽马和电阻率仪成本较高，增加了生产成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法。
本发明提供基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法，包括以下步骤：
S101：利用电磁随钻测量系统的孔底测量发射模块随钻测量孔底的工程参数，并发送至地面；
S102：所述孔底测量发射模块监测所述孔底工程参数发射过程中的输出电流幅值和输出电压幅值，并将所述输出电流幅值和输出电压幅值以正弦波的形式发送至地面；
S103：利用电磁随钻测量系统的孔口信号接收处理模块对所述正弦波进行滤波，得到电势差信号幅值，并对电势差信号解码获得输出电流幅值和输出电压幅值；
S104：根据所述随钻电势差信号幅值，识别煤层与围岩界面；根据所述输出电流幅值和所述输出电压幅值，计算煤层与围岩电阻率。
进一步地，步骤S101具体为：
步骤S101中，利用电磁随钻测量系统的孔底测量发射模块随钻测量孔底的工程参数，并发送至地面；具体为：
S201：利用电磁随钻测量系统的孔底测量发射模块随钻测量孔底工程参数；
S202：所述孔底测量发射模块将测量得到的所述孔底工程参数进行编码调制和D/A转换处理，并以正弦波形式将处理后的孔底工程参数发射至地面。
进一步地，步骤S102中，所述孔底测量发射模块监测所述孔底工程参数发射过程中的输出电流幅值和输出电压幅值，并将所述输出电流幅值和输出电压幅值以正弦波的形式发送至地面；具体为：
所述孔底测量发射模块监测所述孔底工程参数发射过程中的输出电流幅值，将所述输出电流幅值和输出电压幅值进行编码调制和D/A转换处理，并将处理后的输出电流幅值和输出电压幅值以正弦波形式发射至地面。
进一步地，步骤S103中，利用电磁随钻测量系统的孔口信号接收处理模块对所述正弦波进行滤波，得到电势差信号幅值，并对电势差信号解码获得输出电流幅值和输出电压幅值；具体为：
所述孔口信号接收处理模块接收所述正弦波，并采用滤波电路获取上部钻杆和电极之间的正弦形式的电势差信号，提取电势差信号幅值，并对电势差信号解码获得输出电流幅值和输出电压幅值。
进一步地，步骤S104中，根据所述随钻电势差信号幅值，识别煤层与围岩界面，分两种情况，具体为：
对于地面钻孔，在钻进过程中，当所述电势差信号幅值发生突变超过50％，说明钻头钻穿了地层界面，从当前地层i进入下一层地层i+1；
对于井下钻孔过程，当钻头在煤层中延伸时，当所述电势差信号幅值突变超过50％，说明钻头从煤层进入围岩。
进一步地，所述孔底测量发射模块还设置了电流检测单元和电压检测单元；所述电流检测单元和所述电压检测单元随钻检测所述输出电流幅值和发射电压幅值。
进一步地，所述孔底测量发射模块包括恒压发射模式和恒功率发射模式。
进一步地，所述恒压发射模式，具体指，保持所述输出电压不变；所述恒功率发射模式，具体指，对输出电压进行归一化处理，并将所述输出电流幅值乘以输出电压的归一化系数。
进一步地，步骤S104中，根据所述输出电流幅值和所述输出电压幅值，计算煤层与围岩电阻率，计算地层电阻率，具体如下：
对于钻头已经钻过的地层i，通过直接采集得到地层i所对应的地层电阻率ρi，此时根据步骤S102，所述孔底测量发射模块在地层i所对应的输出电流幅值和输出电压幅值分别为Ii和Ui，进而求得输出电压为Us＝Ii×ρi；其中i＝1,2,3..k，k为钻头已经钻过的地层总层数；
当所述孔底测量模块处于恒压发射模式时：
对于钻头正在进行钻进的地层n，由于输出电压Us不变性，所述孔底测量发射模块获取在当前钻进地层n所对应的输出电流幅值为In；则通过公式ρn＝Us÷In得到当前钻进地层n对应的地层电阻率ρn；其中，n表示钻头当前钻进地层；
当所述孔底测量模块处于恒功率发射模式时：
对于钻头正在进行钻进的地层n，所述输出电压的归一化系数α＝1÷Ui；所述输出电压Us＝α×Ii×ρi；所述孔底测量发射模块获取在当前钻进地层n所对应的输出电流幅值为In和输出电压幅值分别为In和Un，则通过公式ρn＝Un×Us÷In得到当前钻进地层n对应的地层电阻率ρn。
步骤S103中，得到所述电势差信号幅值后，所述孔口信号接收处理模块还通过对所述电势差信号幅值进行解码，得到所述随钻测量孔底的工程参数。
本发明的有益效果是：采用电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率，相比伽马和电阻率仪，节省了成本并提高了煤层钻遇率和工作效率。
附图说明
图1是本发明基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法的流程图；
图2是本发明实施例1在地面钻孔垂直井段识别地层电阻率的示意图；
图3是本发明实施例2在地面钻孔识别煤层和围岩界面的示意图；
图4是本发明实施例3在井下钻孔识别煤层和围岩界面的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法的流程图，具体包括：
S101：利用电磁随钻测量系统的孔底测量发射模块随钻测量孔底的工程参数，并发送至地面；
S102：所述孔底测量发射模块监测所述孔底工程参数发射过程中的输出电流幅值和输出电压幅值，并将所述输出电流幅值和输出电压幅值以正弦波的形式发送至地面；
S103：利用电磁随钻测量系统的孔口信号接收处理模块对所述正弦波进行滤波，得到电势差信号幅值，并对电势差信号解码获得输出电流幅值和输出电压幅值；
S104：根据所述随钻电势差信号幅值，识别煤层与围岩界面；根据所述输出电流幅值和所述输出电压幅值，计算煤层与围岩电阻率。
步骤S101具体为：
步骤S101中，利用电磁随钻测量系统的孔底测量发射模块随钻测量孔底的工程参数，并发送至地面；具体为：
S201：利用电磁随钻测量系统的孔底测量发射模块随钻测量孔底工程参数；
S202：所述孔底测量发射模块将测量得到的所述孔底工程参数进行编码调制和D/A转换处理，并以正弦波形式将处理后的孔底工程参数发射至地面。
步骤S102中，所述孔底测量发射模块监测所述孔底工程参数发射过程中的输出电流幅值和输出电压幅值，并将所述输出电流幅值和输出电压幅值以正弦波的形式发送至地面；具体为：
所述孔底测量发射模块监测所述孔底工程参数发射过程中的输出电流幅值，将所述输出电流幅值和输出电压幅值进行编码调制和D/A转换处理，并将处理后的输出电流幅值和输出电压幅值以正弦波形式发射至地面。
步骤S103中，利用电磁随钻测量系统的孔口信号接收处理模块对所述正弦波进行滤波，得到电势差信号幅值，并对电势差信号解码获得输出电流幅值和输出电压幅值；具体为：
所述孔口信号接收处理模块接收所述正弦波，并采用滤波电路获取上部钻杆和电极之间的正弦形式的电势差信号，提取电势差信号幅值，并对电势差信号解码获得输出电流幅值和输出电压幅值。
步骤S104中，根据所述随钻电势差信号幅值，识别煤层与围岩界面，分两种情况，具体为：
对于地面钻孔，在钻进过程中，当所述电势差信号幅值发生突变超过50％，说明钻头钻穿了地层界面，从当前地层i进入下一层地层i+1；
对于井下钻孔过程，当钻头在煤层中延伸时，当所述电势差信号幅值突变超过50％，说明钻头从煤层进入围岩。
所述孔底测量发射模块还设置了电流检测单元和电压检测单元；所述电流检测单元和所述电压检测单元随钻检测所述输出电流幅值和发射电压幅值。
所述孔底测量发射模块包括恒压发射模式和恒功率发射模式。
所述恒压发射模式，具体指，保持所述输出电压不变；所述恒功率发射模式，具体指，对输出电压进行归一化处理，并将所述输出电流幅值乘以输出电压的归一化系数。
步骤S104中，根据所述输出电流幅值和所述输出电压幅值，计算煤层与围岩电阻率，计算地层电阻率，具体如下：
对于钻头已经钻过的地层i，通过直接采集得到地层i所对应的地层电阻率ρi，此时根据步骤S102，所述孔底测量发射模块在地层i所对应的输出电流幅值和输出电压幅值分别为Ii和Ui，进而求得输出电压为Us＝Ii×ρi；其中i＝1,2,3..k，k为钻头已经钻过的地层总层数；
当所述孔底测量模块处于恒压发射模式时：
对于钻头正在进行钻进的地层n，由于输出电压Us不变性，所述孔底测量发射模块获取在当前钻进地层n所对应的输出电流幅值为In；则通过公式ρn＝Us÷In得到当前钻进地层n对应的地层电阻率ρn；其中，n表示钻头当前钻进地层；
当所述孔底测量模块处于恒功率发射模式时：
对于钻头正在进行钻进的地层n，所述输出电压的归一化系数α＝1÷Ui；所述输出电压Us＝α×Ii×ρi；所述孔底测量发射模块获取在当前钻进地层n所对应的输出电流幅值为In和输出电压幅值分别为In和Un，则通过公式ρn＝Un×Us÷In得到当前钻进地层n对应的地层电阻率ρn。
步骤S103中，得到所述电势差信号幅值后，所述孔口信号接收处理模块还通过对所述电势差信号幅值进行解码，得到所述随钻测量孔底的工程参数。
实施例1：
参考图2，图2中：1-钻头；2-下部钻杆；3-绝缘短节；4-孔底测量发射模块；5-上部钻杆；6-钻井循环介质；7-电极；8-孔口信号接收处理模块。
地层为水平层状结构，钻头1从地面垂直钻进，钻井循环介质6为空气，绝缘短节3将钻杆分割成上部钻杆5和下部钻杆2，绝缘短节3与钻头1的距离为5米，电极7与上部钻杆5的距离为50米，电磁随钻测量系统的孔底测量发射模块4安装在绝缘短节3内部，孔底测量发射模块4采用恒压12V发射信号，根据步骤S301获得输出电压Us，当前钻头1、绝缘短节3和孔底测量发射模块4处于第n层地层，孔口信号接收处理模块8采集上部钻杆5和电极7之间的电势差，经过电路滤波和数字滤波获得电势差信号幅值，且对电势差信号解码获得输出电压和输出电流In，则第n层地层的电阻率为Us/In。
实施例2：
参考图3，地层为水平层状结构，钻机位于地面，钻头1在煤层中近水平延伸，钻井循环介质6为电阻率100欧姆/米的泥浆，绝缘短节3与钻头的距离为10米，孔底测量发射模块4采用恒功率5W发射信号，电极7与上部钻杆5的距离为50米，当孔口信号接收处理模块8获得的电势差信号幅值突变超过50％，则判断钻头进入围岩。
实施例3：
参考图4，地层为水平层状结构，钻机位于井下，钻头1在煤层中近水平延伸，钻井循环介质6为清水，绝缘短节3与钻头的距离为8米，孔底测量发射模块4采用恒功率5W发射信号，电极7与上部钻杆5的距离为10米，当孔口信号接收处理模块8获得的电势差信号幅值突变超过50％，则判断钻头进入围岩。
本发明的有益效果是：采用电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率，相比伽马和电阻率仪，节省了成本并提高了煤层钻遇率和工作效率。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S101：利用电磁随钻测量系统的孔底测量发射模块随钻测量孔底的工程参数，并发送至地面；
S102：所述孔底测量发射模块监测所述孔底工程参数发射过程中的输出电流幅值和输出电压幅值，并将所述输出电流幅值和输出电压幅值以正弦波的形式发送至地面；
S103：利用电磁随钻测量系统的孔口信号接收处理模块对所述正弦波进行滤波，得到电势差信号幅值，并对电势差信号解码获得输出电流幅值和输出电压幅值；
S104：根据所述随钻电势差信号幅值，识别煤层与围岩界面；根据所述输出电流幅值和所述输出电压幅值，计算煤层与围岩电阻率。
2.如权利要求1所述的基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法，其特征在于：步骤S101中，利用电磁随钻测量系统的孔底测量发射模块随钻测量孔底的工程参数，并发送至地面；具体为：
S201：利用电磁随钻测量系统的孔底测量发射模块随钻测量孔底工程参数；
S202：所述孔底测量发射模块将测量得到的所述孔底工程参数进行编码调制和D/A转换处理，并以正弦波形式将处理后的孔底工程参数发射至地面。
3.如权利要求1所述的基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法，其特征在于：步骤S102中，所述孔底测量发射模块监测所述孔底工程参数发射过程中的输出电流幅值和输出电压幅值，并将所述输出电流幅值和输出电压幅值以正弦波的形式发送至地面；具体为：
所述孔底测量发射模块监测所述孔底工程参数发射过程中的输出电流幅值，将所述输出电流幅值和输出电压幅值进行编码调制和D/A转换处理，并将处理后的输出电流幅值和输出电压幅值以正弦波形式发射至地面。
4.如权利要求1所述的基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法，其特征在于：步骤S103中，利用电磁随钻测量系统的孔口信号接收处理模块对所述正弦波进行滤波，得到电势差信号幅值，并对电势差信号解码获得输出电流幅值和输出电压幅值；具体为：
所述孔口信号接收处理模块接收所述正弦波，并采用滤波电路获取上部钻杆和电极之间的正弦形式的电势差信号，提取电势差信号幅值，并对电势差信号解码获得所述输出电流幅值和所述输出电压幅值。
5.如权利要求1所述的基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法，其特征在于：步骤S104中，根据所述随钻电势差信号幅值，识别煤层与围岩界面，分两种情况，具体为：
对于地面钻孔，在钻进过程中，当所述电势差信号幅值发生突变超过50％，说明钻头钻穿了地层界面，从当前地层i进入下一层地层i+1；
对于井下钻孔过程，当钻头在煤层中延伸时，当所述电势差信号幅值突变超过50％，说明钻头从煤层进入围岩。
6.如权利要求1所述的基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法，其特征在于：所述孔底测量发射模块还设置了电流检测单元和电压检测单元；所述电流检测单元和所述电压检测单元分别用于随钻检测所述输出电流幅值和发射电压幅值。
7.如权利要求1所述的基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法，其特征在于：所述孔底测量发射模块包括恒压发射模式和恒功率发射模式。
8.如权利要求7所述的基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法，其特征在于：所述恒压发射模式，具体指，保持所述输出电压不变；所述恒功率发射模式，具体指，对输出电压进行归一化处理，并将所述输出电流幅值乘以输出电压的归一化系数。
9.如权利要求8所述的基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法，其特征在于：步骤S104中，根据所述输出电流幅值和所述输出电压幅值，计算煤层与围岩电阻率，计算地层电阻率，具体如下：
对于钻头已经钻过的地层i，通过直接采集得到地层i所对应的地层电阻率ρi，此时根据步骤S102，所述孔底测量发射模块在地层i所对应的输出电流幅值和输出电压幅值分别为Ii和Ui，进而求得输出电压为Us＝Ii×ρi；其中i＝1,2,3,...,k，k为钻头已经钻过的地层总层数；
当所述孔底测量模块处于恒压发射模式时：
对于钻头正在进行钻进的地层n，由于输出电压Us不变性，所述孔底测量发射模块获取在当前钻进地层n所对应的输出电流幅值为In；则通过公式ρn＝Us÷In得到当前钻进地层n对应的地层电阻率ρn；其中，n表示钻头当前钻进地层；
当所述孔底测量模块处于恒功率发射模式时：
对于钻头正在进行钻进的地层n，所述输出电压的归一化系数α＝1÷Ui；所述输出电压Us＝α×Ii×ρi；所述孔底测量发射模块获取在当前钻进地层n所对应的输出电流幅值为In和输出电压幅值分别为In和Un，则通过公式ρn＝Un×Us÷In得到当前钻进地层n对应的地层电阻率ρn。
10.如权利要求1所述的基于电磁随钻测量信号识别煤层与围岩界面及电阻率方法，其特征在于：步骤S103中，得到所述电势差信号幅值后，所述孔口信号接收处理模块还通过对所述电势差信号幅值进行解码，得到所述随钻测量孔底的工程参数。
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