CN111577249B - 一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪，包括：获取钻柱位于井筒的位置以及获取所述钻柱与所述井筒内壁之间的距离；根据所述钻柱位于井筒的位置以及所述钻柱与所述井筒内壁之间的距离，确定所述钻柱轴心与井筒轴心之间的夹角a，以及垂直所述钻柱轴心的法向量与垂直所述井筒轴心的法向量之间的夹角b，根据所述夹角a和所述夹角b以及上下两组测量仪确定钻柱在井筒中的实时位置，用于实时修正随钻成像测量仪器相关距离敏感的参数。同时可以用于调整所述钻柱的运行姿态，以保证钻柱正常高效运行。
Description
技术领域
本发明所属技术领域涉及石油钻井工艺及随钻测量仪器，具体涉及一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪。
背景技术
目前技术而言，钻井钻柱在井下的实时运动姿态是不可得知的，传统的角度，人们一般认为钻柱在井筒之间居中放置，随地面钻盘转动在井下旋转或滑动钻进。但是井下工具和钻柱在特定面经常出现偏磨，这使得人们开始关注井下钻柱运动学和动力学机理。
后期人们开展了实验装置和仿真计算发现钻柱在自转的时候，会出现沿井壁反时针方向的公转，是一种自己横向振动。其他的探明还有钻柱横振、扭振、纵振等运动现象。这些导致钻柱井下失效断裂等危险。但是无论如何，这些都证明了钻柱在井下不是居中运动的现实工况。
目前随钻成像测量传感器都是针对钻柱居中进行数据处理的。实际偏心旋转和居中旋转测量数值误差很大，仪器的中心轴线和井筒的中心轴线有一定的夹角，这些不居中严重影响了随钻成像仪器对地层真实的响应。故针对伽马成像、电阻率成像等测量仪器都需要根据测点位置距离井壁的距离和轴线的夹角进行修正。传统方式利用理论计算只能大致的判断钻柱的可能运行规律，无法知道特定时刻特定点的具体距离和偏心夹角，无法用来修正成像测量数据。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪。根据钻柱与井筒之间的位置关系，及时调整钻柱在井筒中的位置，能够有效保证钻柱正常高效运行，以及随钻成像仪器所测量数据的准确性。
为了实现上述目的，本发明提供一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪，包括：
获取钻柱位于井筒的位置以及获取所述钻柱与所述井筒内壁之间的距离；根据所述钻柱位于井筒的位置以及所述钻柱与所述井筒内壁之间的距离，确定所述钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角a，以及垂直所述钻柱轴心的法向量与垂直所述井筒轴心的法向量之间的夹角b，根据所述夹角a和所述夹角b可判断是否修正所述钻柱的运行姿态。
进一步地，若所述钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角a>A时，则修正所述钻柱的运行状态，直至所述钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角a≤A；若所述垂直所述钻柱轴心的法向量与垂直所述井筒轴心的法向量之间的夹角b>B时，则修正所述钻柱的运行状态，直至所述钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角b≤B。
进一步地，所述钻柱设置有第一组传感器和第二组传感器，所述第一组传感器和所述第二组传感器分别位于所述钻柱的两端，两个传感器组之间安装随钻成像测量仪器。
进一步地，所述第一组传感器包括第一姿态传感器和第一超声传感器，所述第一姿态传感器可用于获取所述钻柱第一端位于所述井筒的位置，所述第一超声传感器可用于获取所述钻柱第一端与所述井筒内壁之间的距离信息；所述第二组传感器包括第二姿态传感器和第二超声传感器，所述第二姿态传感器可用于获取所述钻柱第二端位于所述井筒的位置，所述第二超声传感器可用于获取所述钻柱第二端与所述井筒内壁之间的距离信息。
进一步地，根据所述钻柱第一端和第二端位于所述井筒的位置信息，可确定所述钻柱的弯曲度。
进一步地，根据所述钻柱第一端垂线与所述井筒外壁之间的夹角c以及根据所述钻柱第二端垂线与所述井筒外壁之间的夹角d，确定所述钻柱的弯曲度，并根据所述钻柱的弯曲度，修正所述钻柱的运行姿态。
进一步地，根据两组传感器测量得到的距离和姿态信息可以实时计算得到两端之间随钻仪器钻铤本体圆周上各个传感器测量点相距井筒的距离和法向量，也可以推导追溯上下相距测量不远外延部分的钻柱距离和法向量。
进一步地，若所述夹角c与所述夹角d的差的绝对值小于C时，则所述钻柱保持现有姿态运行；若所述夹角c与所述夹角d的差的绝对值大于或等于C时，则修正所述钻柱的运行姿态，直至所述夹角c与所述夹角d的差的绝对值小于C。
进一步地，所述A大于等于5°且小于等于10°；所述B大于等于5°且小于等于12°。
进一步地，所述C大于等于3°且小于等于7°。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明提供的多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪，通过获取钻柱位于井筒的位置信息，以及获取钻柱与井筒内壁之间的距离信息；并根据钻柱位于井筒的位置信息以及钻柱与井筒内壁之间的距离信息，可确定钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角，以及垂直钻柱轴心的法向量与垂直井筒轴心的法向量之间的夹角，根据比较两个夹角的大小可实时修正所述钻柱的运行姿态。
2.本发明提供的多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪，根据钻柱一端垂线与井筒外壁之间的夹角以及钻柱另一端垂线与井筒外壁之间的夹角，确定钻柱的弯曲度，确定钻柱圆周上各个传感器测量点在井筒中的距离和向量，并根据每个测量点的距离和法向量，可及时修正钻柱在井筒的位置姿态，以及测量仪测量数据的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪的示例；
图2为本发明实施例提供的一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量装置结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种钻柱结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种钻柱位于井筒中的状态示意图；
图5为本发明实施例提供的一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪。
图6为本发明实施例提供的一种钻柱位于井筒中的俯视图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：110-处理器；120-通信接口；130-储存器；201-钻柱本体；202-钻柱轴心；301-第一距离传感器；302-第一姿态传感器；303-第二距离传感器；304-第二姿态传感器；401-获取模块；402-处理模块；403-确定模块；501-井筒；502-井筒轴心；601-垂直钻柱轴心的法向量与垂直所述井筒轴心的法向量之间的夹角；602-钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角；603-钻柱一端垂线与井筒外壁之间的夹角。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
图1示例性的示出了本发明实施例所适用的一种系统架构，该系统架构可以数据处理模块100，该数据处理模块100可以包括处理器110、通信接口120和存储器130。
其中，通信接口120用于终端设备进行通信，收发终端设备传输的信息，实现通信。
处理器110是数据处理模块100的控制中心，利用各种接口和路线连接整个数据处理模块100的各个部分，通过运行或执行存储在存储器130内的软件程序/或模块，以及调用存储在存储器130内的数据，执行服务器100的各种功能和处理数据。可选地，处理器110可以包括一个或多个处理单元。
存储器130可用于存储软件程序以及模块，处理器110通过运行存储在存储器130的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。存储器130可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据业务处理所创建的数据等。此外，存储器130可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
需要说明的是，上述图1所示的结构仅是一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪的示例，本发明实施例对此不做限定。
基于上述描述，图2详细的示出了本发明实施例提供的一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪的流程，该流程可以由钻柱运行姿态测量的装置执行，该装置可以位于如图1所示数据处理模块100内，也可以是该数据处理模块100。
如图3-5所示，该流程具体包括：
步骤1，获取钻柱位于井筒的位置以及获取钻柱与井筒内壁之间的距离；
步骤2，根据钻柱位于井筒的位置以及所述钻柱与井筒内壁之间的距离，确定钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角a，以及垂直所述钻柱轴心的法向量与垂直所述井筒轴心的法向量之间的夹角b，
步骤3，根据夹角a和夹角b实时修正所述钻柱的运行姿态。
进一步地，若钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角a>A时，则修正所述钻柱的运行状态，直至钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角a≤A；若垂直钻柱轴心的法向量与垂直井筒轴心的法向量之间的夹角b>B时，则修正所述钻柱的运行状态，直至所述钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角b≤B。
进一步地，A大于等于5°且小于等于10°；B大于等于5°且小于等于12°。
通过获取钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角，以及垂直钻柱轴心的法向量与垂直井筒轴心的法向量之间的夹角，可及时调整钻柱在井筒内的运行姿态，以便准确绘制钻柱在井筒中的运行轨迹，保证钻柱测量数据的准确性。
实施例二
本发明实施例还提供一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪。
钻柱设置有第一组传感器和第二组传感器，所述第一组传感器和所述第二组传感器分别位于所述钻柱的两端，钻柱中间安装随钻成像传感器。如伽马成像、电阻率成像、中子密度成像传感器。
进一步地，第一组传感器包括第一姿态传感器和第一超声传感器；
进一步地，第一姿态传感器可用于获取钻柱第一端位于井筒的位置信息和姿态信息；
进一步地，第一超声传感器可用于获取钻柱第一端与井筒内壁之间的距离信息；
进一步地，第二组传感器包括第二姿态传感器和第二超声传感器；
进一步地，第二姿态传感器可用于获取钻柱第二端位于井筒的位置信息和姿态信息；
进一步地，第二超声传感器用于获取钻柱第二端与井筒内壁之间的距离信息。
进一步地，根据钻柱第一端和第二端位于井筒的位置信息和姿态信息，可确定所述钻柱的弯曲度。
进一步地，根据两组传感器测量得到的距离和姿态信息可以实时计算得到两端之间随钻仪器钻铤本体圆周上各个传感器测量点相距井筒的距离和法向量，也可以推导追溯上下相距测量不远外延部分的钻柱距离和法向量，测量仪所测得的数据可以传输到随钻成像模块用于数据修正。
进一步地，根据钻柱第一端垂线与所述井筒外壁之间的夹角c以及根据钻柱第二端垂线与井筒外壁之间的夹角d，确定钻柱的弯曲度，并根据所述钻柱的弯曲度，修正钻柱的运行姿态。
进一步地，若夹角c与夹角d的差的绝对值小于C时，则钻柱保持现有姿态运行；若所述夹角c与所述夹角d的差的绝对值大于或等于C时，则修正钻柱的运行姿态，直至所述夹角c与所述夹角d的差的绝对值小于C。
进一步地，所述C大于等于3°且小于等于7°。
实施例三
本发明实施例还提供一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪，当钻柱位于井筒中转动时，位于钻柱两端的两组传感器，分别测量钻柱外壁到井筒内壁的距离长度。如图6所示，以钻柱第一端为例，传感器随钻柱转动，取四个测量点测量得到钻柱外壁距离井筒内壁的长度，分别记为L1,L2,L3,L4。
进一步地，根据L1,L2,L3,L4的大小，以及该部分姿态信息，可以计算得到钻柱运行姿态，地面可以根据上传结果数据调整钻柱在井筒中的运行姿态，从而保证钻柱的安全可靠运行。
本发明实施例还提供一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量装置，如图2所示，包括：
获取模块：获取钻柱位于井筒的位置以及获取钻柱与井筒内壁之间的距离；
处理模块：根据钻柱位于井筒的位置以及所述钻柱与井筒内壁之间的距离，确定钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角a，以及垂直所述钻柱轴心的法向量与垂直所述井筒轴心的法向量之间的夹角b，
确定模块：根据夹角a和夹角b实时修正所述钻柱的运行姿态。
进一步地，若钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角a>A时，则修正所述钻柱的运行状态，直至钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角a≤A；若垂直钻柱轴心的法向量与垂直井筒轴心的法向量之间的夹角b>B时，则修正所述钻柱的运行状态，直至所述钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角b≤B。
进一步地，A大于等于5°且小于等于10°；B大于等于5°且小于等于12°。
基于相同的技术构思，本发明实施例还提供了一种多传感器采集和数据处理设备，包括：
存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于调用存储器中存储的程序指令，按照获得的程序执行上述钻柱运行姿态测量仪。
基于相同的技术构思，本发明实施例还提供了一种井下计算机可读非易失性存储介质，包括计算机可读指令，当计算机读取并执行计算机可读指令时，使得计算机执行上述钻柱运行姿态测量仪。
本发明是参照根据本发明实施例的仪、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生指令装置，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些嵌入式计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪，其特征在于，包括：
获取钻柱位于井筒的位置以及获取所述钻柱与所述井筒内壁之间的距离；根据所述钻柱位于井筒的位置以及所述钻柱与所述井筒内壁之间的距离，确定所述钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角a，以及垂直所述钻柱轴心的法向量与垂直所述井筒轴心的法向量之间的夹角b，根据所述夹角a和所述夹角b判断是否修正所述钻柱的运行姿态；若所述钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角a>A时，则修正所述钻柱的运行状态，直至所述钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角a≤A；若所述垂直所述钻柱轴心的法向量与垂直所述井筒轴心的法向量之间的夹角b>B时，则修正所述钻柱的运行状态，直至所述钻柱轴心的与井筒轴心的之间的夹角b≤B；所述钻柱设置有第一组传感器和第二组传感器，所述第一组传感器和所述第二组传感器分别位于所述钻柱的两端，所述第一组传感器和所述第二组传感器之间放置随钻成像仪器；所述第一组传感器包括第一姿态传感器和第一超声传感器组，所述第一姿态传感器可用于获取所述钻柱第一端位于所述井筒的位置，所述第一超声传感器可用于获取所述钻柱第一端测量点各个方位与所述井筒内壁之间的距离信息；所述第二组传感器包括第二姿态传感器和第二超声传感器，所述第二姿态传感器可用于获取所述钻柱第二端位于所述井筒的位置，所述第二超声传感器可用于获取所述钻柱第二端测量点各个方位与所述井筒内壁之间的距离信息。
2.根据权利要求1所述的一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪，其特征在于：根据所述钻柱第一端和第二端位于所述井筒的位置信息，可确定所述钻柱的弯曲度。
3.根据权利要求2所述的一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪，其特征在于：所述第一组传感器和第二组传感器可实时计算得到所述钻柱两端之间在井筒中的连续姿态，可连续测量分析得到所述钻柱在井筒中的运行规律，可以存储详细运行姿态数据并实时上传地面分析结果。
4.根据权利要求3所述的一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪，其特征在于：根据所述钻柱第一端垂线与所述井筒外壁之间的夹角c以及根据所述钻柱第二端垂线与所述井筒外壁之间的夹角d，确定所述钻柱的弯曲度，并根据所述钻柱的弯曲度，修正所述钻柱的运行姿态。
5.根据权利要求4所述的一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪，其特征在于：若所述夹角c与所述夹角d的差的绝对值小于C时，则所述钻柱保持现有姿态运行；若所述夹角c与所述夹角d的差的绝对值大于或等于C时，则修正所述钻柱的运行姿态，直至所述夹角c与所述夹角d的差的绝对值小于C。
6.根据权利要求1所述的一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪，其特征在于：所述A大于等于5°且小于等于10°；所述B大于等于5°且小于等于12°。
7.根据权利要求5所述的一种多传感器布局井下钻柱运行姿态测量仪，其特征在于：所述C大于等于3°且小于等于7°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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