CN112878997A - 一种随钻测量装置 - Google Patents

Abstract

一种随钻测量装置，其包括：发射短节，其用于在随钻测量过程中向井筒地层发射电磁波信号；接收短节，其与发射短节间隔预设数量的测量短节设置，用于接收井筒地层所传输来的电磁波信号，并根据该电磁波信号生成相应的随钻测量数据。本装置可以实现石油工程中在随钻条件下探测距离井筒较远处地层边界的随钻超远探测，其可以通过发射短节以及接收端短节的上端扣型和下端扣型来与其它钻铤短节自由连接。这样根据底部钻具组合情况，该随钻测量装置可以不用受仪器长度的限制而通过在发射短节与接收短节中接入不同数量的测量短节来形成不同的发射‑接收源距，从而得到距离井筒不同距离的探测电磁波电阻率探测结果。

Description

一种随钻测量装置

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种随钻测量装置。

背景技术

现有随钻测量井筒周边电阻率的方法与装置主要将各种发射或者接收线圈组合起来安装在一根钻铤上，形成一个测量仪器短节。发射线圈、接收线圈、驱动线圈的电路模块和从接收线圈采集电信号的电路模块，以及信号处理电路模块都是集成安装在该短节内，这些电路可以方便地通过电线连接在一起形成一个完整发射、采集和处理系统。

根据电磁波的传播原理，如果希望有更远的探测距离，则要求发射线圈与接收线圈的距离也越远。所以为了提高随钻探测仪器短节的探测距离，则需要加长随钻探测仪器短节的长度，以便增加发射线圈与接收线圈的源距。但是由于受到运输条件、装配、井筒曲率等条件的限制，短节的长度是受到限制的，一般不能超过10米。

此外，受到钻具组合和井下高振动、高压、高温的限制，两个短节之间的连接应该尽量简单，因此电气连接线不能涉及较多根电线连接。如果两个短节之间的连线较多，短节之间的电气连接的可靠性将显著降低。因此现有技术难以通过不断延长发射接收的源距来提高地层电阻率的探测距离，并进一步提高距离井筒较远处地层边界的探测能力。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种随钻测量装置，所述随钻测量装置包括：

发射短节，其用于在随钻测量过程中向井筒地层发射电磁波信号；

接收短节，其与所述发射短节相对独立，且在使用过程中所述接收端接与发射短节间隔预设数量的测量短节设置，并根据该电磁波信号生成相应的随钻测量数据。

根据本发明的一个实施例，所述发射短节包括：

发射天线，其设置在发射短节表面；

同步时钟模块，其用于生成同步时钟信号；

发射电路，其连接在所述同步时钟模块与发射天线之间，用于基于所述同步时钟信号生成用于控制所述发射天线产生预设频率的电磁波信号的控制信号。

根据本发明的一个实施例，所述发射天线采用倾斜式线圈天线结构。

根据本发明的一个实施例，所述发射电路包括：

电磁波生成与控制模块，其与所述同步时钟模块连接，用于基于所述同步时钟信号生成用于产生预设频率的电磁波的控制信号；

电磁波驱动放大模块，其与所述电磁波生成与控制模块连接，用于对所述控制信号进行功率放大，以提供足够的发射功率；

发射天线匹配模块，其与所述电磁波驱动放大模块连接，用于实现所述发射天线与所述发射短节中其他电路的阻抗匹配。

根据本发明的一个实施例，所述接收短节包括：

接收天线对，其设置在接收短节表面，用于接收井筒地层所传输来的电磁波信号并生成相应的电信号；

接收电路，其与所述接收天线对连接，用于根据所述接收天线对所传输来的电信号生成相应的随钻测量数据，以用于对相应的随钻测量参数进行分析。

根据本发明的一个实施例，所述接收天线对采用倾斜式线圈天线结构。

根据本发明的一个实施例，所述接收电路还包括：

接收天线匹配模块，其与所述接收天线对连接，用于实现所述接收天线对与所述接收短节中其他电路的阻抗匹配；

信号处理模块，其与所述接收天线匹配模块连接，用于对所述天线匹配模块传输来的电信号进行信号调理；

混频模块，其与所述信号处理模块连接，用于基于预设参考频率信号对所述信号处理模块传输来的电信号进行混频，得到混频信号；

采样模块，其与所述混频模块连接，用于对所述混频信号进行数字采样，得到相应的数字采样信号。

根据本发明的一个实施例，所述接收电路还包括：

时钟提取模块，其用于基于所述接收天线对所传输来的电信号提取得到所述同步时钟信号；

频率信号处理模块，其与所述时钟提取模块连接，用于根据所述同步时钟信号生成对应于不同信号处理模块的频率信号。

根据本发明的一个实施例，所述频率信号处理模块配置为基于所述同步时钟信号生成所述预设参考频率信号。

根据本发明的一个实施例，所述发射短节和接收短节包括用于与其他测量短节连接的上端扣型和下端扣型。

本发明所提供的随钻测量装置可以实现石油工程中在随钻条件下探测距离井筒较远处地层边界的随钻超远探测。由于该随钻测量装置所包含的发射短节和接收短节是独立分开的，因此其可以通过发射短节以及接收端短节的上端扣型和下端扣型来与其它钻铤短节自由连接。这样根据底部钻具组合情况，该随钻测量装置可以不用受仪器长度的限制而通过在发射短节与接收短节中接入不同数量的测量短节来形成不同的发射-接收源距，从而得到距离井筒不同距离的探测电磁波电阻率探测结果。

同时，在随钻测井过程中，通过在超远探测装置的发射短节和接收短节之间安装其他测量短节来增加发射-接收源距，该随钻测量装置还可以有效提高其自身的探测距离，继而实现远距离地层边界的探测及地面界面的划分。

该随钻测量装置有助于相关人员提前作出决策，从而实现主动调整井眼轨迹，保证钻头在目的层中穿行，从而提高钻遇率，实现安全高效钻井。

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随钻测量装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的发射短节的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的发射电路的电路原理示意图；

图4是根据本发明一个实施例的接收短节的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的接收电路的电路原理示意图。

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。

由于自身结构限制，现有的随钻电磁波电阻率测量仪器对井筒周围地层探测距离有限(通常只有几米)，无法实现远距离地层边界的探测及地面界面的划分(通常为数十米)。这样也就导致现有的随钻电磁波测量仪器无法提前探测地层边界，从而导致决策滞后，进而使得钻头可能穿出目的层，影响地质导向钻井的及时调整能力。

针对现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种新的随钻测量装置。该随钻测量装置能够通过在发射短节和接收短节之间安装其它测量短节，来灵活地增加发射-接收源距，提高探测距离。

图1示出了本实施例所提供的随钻测量装置的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的随钻测量装置优选地包括发射短节10和接收短节20。其中，发射短节10用于在随钻测量过程中向井筒地层发射电磁波信号，而接收短节20则与发射短节10相对独立，在使用过程中接收短节20与发射短节10间隔预设数量的测量短节设置，接收短节20能够接收井筒地层所传输来的电磁波信号并根据该电磁波信号生成相应的数字采样信号。也就是说，对于本实施例所提供的随钻测量装置来说，其并不是像现有装置那样将各种发射或者接收线圈组合起来安装在一根钻铤上以形成一个测量仪器短节，而是通过两个分立的短节来形成发射短节和接收短节。

具体地，如图1所示，本实施例中，发射短节10优选地设置在靠近钻头30的一侧，而接收短节20优选地则设置在远离钻头的一侧，发射短节10与接收短节20之间可以根据实际需要设置不同数量的测量短节(例如第一测量短节40和第二测量短节50)。发射短节10、接收短节20、钻头30以及发射短节10与接收短节20之间的测量短节共同构成了井下底部钻具组合的部分或全部。其中，发射短节10与接收短节20之间的测量短节可以是用于其他测量功能的短节或是仅仅为钻铤短节，本发明并不对此进行具体限定。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，发射短节10与接收短节20相对于钻头30的位置还可以配置为其他合理位置，本发明并不对此进行具体限定。例如，在本发明的一个实施例中，接收短节20还可以相较于发射短节10更加靠近钻头30。

同时，还需要指出的是，在本发明的不同实施例中，发射短节10与接收短节20之间所间隔的测量短节的数量可以根据实际需要配置为不同的合理数值，本发明并不对该数值进行具体限定。

对于本实施例所提供的随钻测量装置来说，随钻测量装置(特别是随钻超远探测装置)的源距由发射短节10和接收短节20间的距离决定，并且该距离可以通过在发射短节10和接收短节20之间接入多个其它测量短节来增加其内部发射天线和接收天线的源距，以达到增加探测距离的目的。发射短节10和接收短节20之间接入其它测量短节的数量可以根据源距的需求灵活改变。

图2示出了本实施例所提供的发射短节的结构示意图。

如图2所示，本实施例所提供的发射短节10优选地包括：发射天线101、发射电路102以及同步时钟电路。其中，在某些情况下，同步时钟电路还可以视为发射电路102的一部分。

本实施例中，发射天线101设置在发射短节表面，其作为向地层发射电磁波信号的发射部件。其中，发射天线101优选地采用倾斜式线圈天线结构，这样也就可以使得发射天线101对方位敏感，从而具有方位分辨率。并且，发射短节10优选地还包括用于与其他测量短节连接的下端扣型103和上端扣型104，从而通过下端扣型103和上端扣型104来与其他钻铤短节便捷地自由连接，从而形成钻具组合。

当然，在本发明的其他实施例中，发射天线101还可以采用其他合理的设置方式，同时，发射短节10也可以采用其他合理方式来与其他测量短节连接，本发明并不对此进行具体限定。

同步时钟模块用于生成同步时钟信号，而发射电路102则连接在同步时钟模块与发射天线之间，其能够基于同步时钟模块所传输来的同步时钟信号生成用于控制发射天线101产生预设频率的电磁波信号的控制信号。

图3示出了本实施例中发射电路的电路原理示意图。

如图3所示，本实施例中，发射电路102优选地包括：电磁波生成与控制模块1021、电磁波驱动放大模块1022以及发射天线匹配模块1023。其中，电磁波生成与控制模块1021与同步时钟模块连接，其能够基于同步时钟模块所传输来的同步时钟信号生成用于产生预设频率的电磁波的控制信号。电磁波驱动放大模块1022与电磁波生成与控制模块1021连接，其能够对电磁波生成与控制模块1021所传输来的控制信号进行功率放大，以提供足够的发射功率。发射天线匹配模块1023与电磁波驱动放大模块1022连接，其能够实现发射天线101与发射短节10中其他电路(例如电磁波生成与控制模块1021和电磁波驱动放大模块1022)的阻抗匹配。

本实施例中，电磁波生成与控制模块1021作为发射电路102的主控模块，其优选地采用微型、低功耗MCU作为主控制器，以控制整个发射电路系统发射过程。

其中，电磁波生成与控制模块1021优选地采用高精度数字信号发生器，以基于同步时钟模块所产生的同步时钟信号产生所需的特定频率的电磁波信号。电磁波生成与控制模块1021所产生的特定频率的电磁波信号经过电磁波驱动及放大模块1022的功率放大后，可以向后提供足够的发射功率，以用于驱动发射天线101向地层远处发射一定功率的电磁波信号。

发射天线匹配模块1023连接在发射天线101与电磁波驱动放大模块1022之间，其主要用于实现发射电路系统及发射天线101之间的调谐及阻抗匹配功能，以实现发射天线的频率、功率的最佳发射效果。

本实施例中，同步时钟模块用于发射电路中各模块间的时钟同步。并且，更进一步地，同步时钟模块还可以用于与相互独立的接收短节20进行无线时钟同步，以提供采集同步信号。在井下高温、振动环境中，发射短节10与接收短节102可以采用特定的解决温飘、传输延迟的硬件电路和时钟同步算法，从而实现低功耗、高精度的无线时钟同步。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，发射电路102还可以采用其他合理的电路形式来实现，本发明并不对此进行具体限定。

图4示出了本实施例中接收短节的结构示意图。

如图4所示，本实施例中，接收短节20优选地包括接收天线对201和接收短路202。其中，接收天线对201设置在接收短节表面，其用于接收井筒地层所传输来的电磁波信号并生成相应的电信号。接收电路202则与接收天线对201连接，其能够根据接收天线对201所传输来的电信号生成相应的随钻测量数据，以用于对相应的随钻测量参数进行分析。

本实施例中，接收天线对201为接收短节20从地层接收检测电磁波信号的接收部件，接收天线对201优选地采用倾斜式线圈天线结构，这样接收天线对201也就能够对方位敏感，其接收的电磁波信号具有方位分辨率。

同时，本实施例中，接收短节20优选地还包括下端扣型203和上端扣型204，从而通过下端扣型203和上端扣型204来与其他钻铤短节便捷地自由连接，从而形成钻具组合。

图5示出了本实施例中接收电路202的电路原理示意图。

如图5所示，本实施例中，接收电路202优选地包括：接收天线匹配模块2021、信号处理模块2022、混频模块2023以及采样模块。其中，接收天线匹配模块2021与接收天线对201连接，其能够实现接收天线对201与接收短节20中其他电路的阻抗匹配。具体地，接收天线线圈201接收来自发射短节天线101发射的经过远方地层传播后的电磁波信号，并生成相应的电信号，该电信号会经过接收天线匹配模块2021从而实现阻抗匹配，以实现最佳信号接收。

信号调理模块2022与接收天线匹配模块2021连接，其能够实现接收天线线圈2021接收的电磁波模拟信号(即接收天线线圈2021所生成的电信号)的增益控制、放大、滤波等信号的信号调理作用。当然，根据实际需要，信号调理模块2022所实现的信号调理功能既可以仅包含以上所列项中的某一项或某几项，还可以包含其他未列出的合理项，本发明并不对此进行具体限定。

混频模块2023与信号处理模块2022连接，其能够基于预设参考频率信号对信号处理模块2022所传输来的电信号进行混频，从而得到混频信号。采样模块则与混频模块2022连接，其能够对混频模块2022所传输来的混频信号进行数字采样，得到相应的数字采样信号，这样也就可以得到用于对相应的随钻测量参数进行分析的随钻测量数据。

本实施例中，采样模块优选地包括滤波模块2024、模数转换模块2025以及采集主控模块2026。其中，经过混频模块2026实现混频后的混频信号经过滤波模块2024的滤波后，会被输送到模数转换模块2025，从而实现模拟信号到数字信号转换。

采集主控模块2026为整个接收电路的主控模块，其优选地采用微型、低功耗MCU作为主控制器，控制整个接收电路系统接收、采集过程，以及大容量数据存储、串行数据接口等功能。

通过采集主控模块2026，根据实际需要，该随钻测量装置既可以实现大容量本地数据存储，也可以通过MWD系统，将测量数据实时上传到地面系统，经过数据分析处理实现地层界面的探测和划分、主动调整井眼轨迹，从而保证钻头在目的层中穿行，大大提高钻遇率，实现安全高效钻井。

本实施例中，上述接收电路202优选地还包括时钟提取模块2027和频率信号处理模块2028。其中，时钟提取模块2027与接收天线匹配模块2021连接，其能够基于接收天线匹配模块2021所传输来的电信号提取得到同步时钟信号。频率信号处理模块2028与时钟提取模块2027连接，其能够根据上述同步时钟信号来生成对应于不同信号处理模块的频率信号。

具体地，本实施例中，时钟提取电路模块2027能够提取发射电路的同步时钟信号，并在井下高温、振动环境中，采用特定的解决温飘、传输延迟的硬件电路和时钟同步算法，从而实现和发射短节的时钟同步，为高精度的数据采集和系统控制提供精准的同步时钟信号。

频率信号处理模块2028则能够实现倍频、直接数字频率信号合成、分频等功能，其优选地能够产生混频模块2023以及采样模块等相关模块所需的相应的频率信号(例如产生混频模块2023所使用到的预设参考频率信号等)。

需要指出的是，本实施例中，对于本实施例所提供的随钻测量装置来说，在油气井钻井过程中，该随钻测量装置的本体优选地在井口完成钻具组合，并且进行一次地面无线时钟同步，也称之为“对钟”，以实现独立的、没有电气连接的发射短节和接收短节的发射系统和接收系统的时钟同步。

随后，该随钻测量装置会随着钻杆和钻铤一起下入井筒中。在钻头钻进的同时，发射短节10会通过发射天线101向井筒地层发射电磁波信号，经过地层介质传播后，接收短节20通过其接收天线对201接收经过距离井筒远方地层传播后的特殊的电磁波信号，实现对井旁地层远距离的电阻率探测及地层界面的探测。

从上述描述中可以看出，本发明所提供的随钻测量装置可以实现石油工程中在随钻条件下探测距离井筒较远处地层边界的随钻超远探测。由于该随钻测量装置所包含的发射短节和接收短节是独立分开的，因此其可以通过发射短节以及接收端短节的上端扣型和下端扣型来与其它钻铤短节自由连接。这样根据底部钻具组合情况，该随钻测量装置可以不用受仪器长度的限制而通过在发射短节与接收短节中接入不同数量的测量短节来形成不同的发射-接收源距，从而得到距离井筒不同距离的探测电磁波电阻率探测结果。

同时，在随钻测井过程中，通过在超远探测装置的发射短节和接收短节之间安装其他测量短节来增加发射-接收源距，该随钻测量装置还可以有效提高其自身的探测距离，继而实现远距离地层边界的探测及地面界面的划分。

该随钻测量装置有助于相关人员提前作出决策，从而实现主动调整井眼轨迹，保证钻头在目的层中穿行，从而提高钻遇率，实现安全高效钻井。

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 (10)

1.一种随钻测量装置，其特征在于，所述随钻测量装置包括：

发射短节，其用于在随钻测量过程中向井筒地层发射电磁波信号；

接收短节，其与所述发射短节相对独立，且在使用过程中所述接收端接与发射短节间隔预设数量的测量短节设置，用于接收井筒地层所传输来的电磁波信号，并根据该电磁波信号生成相应的随钻测量数据。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射短节包括：

发射天线，其设置在发射短节表面；

同步时钟模块，其用于生成同步时钟信号；

发射电路，其连接在所述同步时钟模块与发射天线之间，用于基于所述同步时钟信号生成用于控制所述发射天线产生预设频率的电磁波信号的控制信号。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述发射天线采用倾斜式线圈天线结构。

4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述发射电路包括：

电磁波生成与控制模块，其与所述同步时钟模块连接，用于基于所述同步时钟信号生成用于产生预设频率的电磁波的控制信号；

电磁波驱动放大模块，其与所述电磁波生成与控制模块连接，用于对所述控制信号进行功率放大，以提供足够的发射功率；

发射天线匹配模块，其与所述电磁波驱动放大模块连接，用于实现所述发射天线与所述发射短节中其他电路的阻抗匹配。

5.如权利要求1～4中任一项所述的装置，其特征在于，所述接收短节包括：

接收天线对，其设置在接收短节表面，用于接收井筒地层所传输来的电磁波信号并生成相应的电信号；

接收电路，其与所述接收天线对连接，用于根据所述接收天线对所传输来的电信号生成相应的随钻测量数据，以用于对相应的随钻测量参数进行分析。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述接收天线对采用倾斜式线圈天线结构。

7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述接收电路还包括：

接收天线匹配模块，其与所述接收天线对连接，用于实现所述接收天线对与所述接收短节中其他电路的阻抗匹配；

信号处理模块，其与所述接收天线匹配模块连接，用于对所述天线匹配模块传输来的电信号进行信号调理；

混频模块，其与所述信号处理模块连接，用于基于预设参考频率信号对所述信号处理模块传输来的电信号进行混频，得到混频信号；

采样模块，其与所述混频模块连接，用于对所述混频信号进行数字采样，得到相应的数字采样信号。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述接收电路还包括：

时钟提取模块，其用于基于所述接收天线对所传输来的电信号提取得到所述同步时钟信号；

频率信号处理模块，其与所述时钟提取模块连接，用于根据所述同步时钟信号生成对应于不同信号处理模块的频率信号。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述频率信号处理模块配置为基于所述同步时钟信号生成所述预设参考频率信号。

10.如权利要求1～9中任一项所述的装置，其特征在于，所述发射短节和接收短节包括用于与其他测量短节连接的上端扣型和下端扣型。

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