CN113266339A - 一种基于光纤传感器的井下钻具组合分布式测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤传感器的井下钻具组合分布式测量系统，包括可组合连接于钻头与供电仓之间的钻铤，钻铤内壁铺设有光纤，光纤通过光纤连接端子连接钻铤外壁或内壁紧贴设置的光纤传感器阵列；供电仓内集成有光信号传输模块、光信号解调模块、环形器及处理器；光信号传输模块感应各个被测点物理量的变化，然后返回的各路光信号，再通过环形器进入光信号解调模块，解调得到相应的被测物理量送入处理处理器，为处理器控制钻具组合的工作状态提供测量依据，从而实现对钻具组合的优化；本发明具有结构简单、测量准确及高效实用的优点。
Description
技术领域
本发明属于井下钻探技术领域，特别涉及一种基于光纤传感器的井下钻具组合分布式测量系统。
背景技术
井下钻具组合(Bottom Hole Assembly，简称BHA)是钻井过程中位于前端实现破岩、导向和测量等功能工具的总称，包括钻头、旋转导向工具或/和泥浆马达、随钻测量工具、随钻录井工具、加重钻杆、钻铤、转换接头、钻具稳定器、减震器、震击器等。井下钻具组合，在钻井施工过程中，需要采集工具所处底层的信息，以实现实时监控；另外，对可能发生的钻具失效问题也需要进行预判，否则影响了钻井速度，并且威胁到井下作业安全。为此，可以通过对井下钻具组合所处的实际工况进行测量，用于改变井下工具的工作状态(例如控制钻速、钻头的方向、控制提供泥浆的速度用于冷却钻头以及暂停作业等)，及时发现和控制某些钻井事故，从而真正实现无风险钻井。
目前，钻具组合的实际工况通过随钻测量工具来实现。它通过对钻具组合(一般只针对钻头附近)的多种状态数据进行采集，还原其运行的真实情况，对钻具的参数进行针对性调整，从而降低作业时钻具故障率。常见的国产的随钻测量仪器存在功能单一、故障率高，稳定性不足的问题。部分进口随钻测量仪器存在保养维修周期长、费用高等情况。以三大油服为例：借助旋转导向、近钻头工具、LWD等工具垄断，价格高、合同条款要求严，甚至出现过工具作业费用高于钻机费用的情况。且为适应井下的复杂工况，要求测量系统能适应复杂条件下的随钻测量，如高斜度、薄储层、小井眼甚至更恶劣环境下的井下环境。这对测量仪器的稳定性要求较高。现有的电学测量仪器为单点式测量，要实现整个钻具组合的实际工况的分布式测量需要每个传感器单独供电和布点，结构复杂、成本较高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于光纤传感器的井下钻具组合分布式测量系统，能够根据测量需要布置光纤传感器，且对光纤传感器无需单独供电，分布式光纤传感器的传感方式摆脱了传统电学仪器的束缚，适合在高温、高压及恶劣环境下使用，具有结构简单、测量准确及高效实用的优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于光纤传感器的井下钻具组合分布式测量系统，包括可组合连接于钻头01与供电仓02之间的各个钻具03，所述钻具03前端设有连接头031，钻具03尾端设有连接段032；连接头031与连接段032中心设有光纤连接端子033，连接头031后方且钻具03内壁铺设有光纤034，光纤034一端与连接头031中心的光纤连接端子033相连接，光纤034另一端接入钻具03外壁或内壁紧贴设置的光纤传感器阵列035的接入端，光纤传感器阵列035的输出端通过光纤034与连接段032中心的光纤连接端子033相连接。
所述光纤传感器阵列035由多列传感器以网状结构交织或平行缠绕组合布置；或布置在钻具03需放置的测量区域。
所述多列传感器包括光纤温度传感器、光纤振动传感器及光纤应变传感器。
所述光纤传感器阵列035采用灌封胶灌封，光纤034采用铠装，耐受温度超过180℃。
所述供电仓02内集成有光信号传输模块021、光信号解调模块022、环形器023及处理器024；其中光信号传输模块021包括宽带光源0211，宽带光源0211发出的光经过环形器023和波分复用器一0212分别进入光纤传感器阵列035中的光纤温度传感器、光纤振动传感器及光纤应变传感器，感应各个被测点的温度、振动及应变的物理量的变化，通过波分复用器一0212返回的各路光信号再通过环形器023进入光信号解调模块022中的波分复用器二0221，分别经过对应的温度解调光电探测器及信号调理电路0222、振动解调光电探测器及信号调理电路0223、应变解调光电探测器及信号调理电路0224解调后得到被测的温度、振动及应变的物理量送入处理器024实时分析处理并控制钻具组合的工作状态，或由处理器024通过随钻测量工具(MWD)将数据上传到钻井平台。
所述供电仓02外周采用防震、保温、防污处理。
所述供电仓02、连接段032、连接头031与钻头01之间螺纹连接。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明采用光纤传感器作为传感元件，体积小、电气安全性高、耐高温、耐油污、耐腐蚀、稳定性高、抗电磁干扰能力强；
本发明光纤传感器的分布式布置测量对传感器无需单独供电，摆脱了传统电学测量仪器的束缚，结构简单、成本低；适合在高温、高压等恶劣环境下使用。
综上，本发明具有结构简单、测量准确及高效实用的优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明钻具03的立体结构示意图。
图3为本发明钻具03的连接结构示意图。
图4为本发明光纤传感器阵列035中单列传感器布置图。
图5为本发明连接头031的剖面图。
图6为本发明的工作原理框图。
图7为本发明流程框图。
图中：01、钻头；02、供电仓；03、钻具；021、光信号传输模块；022、光信号解调模块；023、环形器；024、处理器；0211、宽带光源；0212、波分复用器一；0221、波分复用器二；0222、温度解调光电探测器及信号调理电路；0223、振动解调光电探测器及信号调理电路；0224、应变解调光电探测器及信号调理电路；031、连接头；032、连接段；033、光纤连接端子；034、光纤；035、光纤传感器阵列。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1至图3，一种基于光纤传感器的井下钻具组合分布式测量系统，包括可组合连接于钻头01与供电仓02之间的钻具03，所述钻具03前端设有连接头031，钻具03尾端设有连接段032；连接头031与连接段032中心设有光纤连接端子033，连接头031后方且钻具03内壁铺设有光纤034，光纤034一端与连接头031中心的光纤连接端子033相连接，光纤034另一端接入钻具03外壁或内壁紧贴设置的光纤传感器阵列035的接入端，光纤传感器阵列035的输出端通过光纤034与连接段032中心的光纤连接端子033相连接。
参见图4，所述光纤传感器阵列035由多列传感器以网状结构交织或平行缠绕组合布置；或布置在钻具03需放置的测量区域。
所述多列传感器包括光纤温度传感器、光纤振动传感器及光纤应变传感器。
所述光纤传感器阵列035采用灌封胶灌封，光纤034采用铠装，耐受温度超过180℃。
参见图6、图7，所述供电仓02内集成有光信号传输模块021、光信号解调模块022、环形器023及处理器024；其中光信号传输模块021包括宽带光源0211，宽带光源0211发出的光经过环形器023和波分复用器一0212分别进入光纤传感器阵列035中的光纤温度传感器、光纤振动传感器及光纤应变传感器，感应各个被测点的温度、振动及应变的物理量的变化，通过波分复用器一0212返回的各路光信号再通过环形器023进入光信号解调模块022中的波分复用器二0221，分别经过对应的温度解调光电探测器及信号调理电路0222、振动解调光电探测器及信号调理电路0223、应变解调光电探测器及信号调理电路0224解调后得到被测的温度、振动及应变的物理量送入处理器024实时分析处理并控制钻具组合的工作状态，或由处理器024通过随钻测量工具(MWD)将数据上传到钻井平台，由钻井工程师通过对数据分析，实现控制钻具组合的工作状态。例如，发现振动过高，可以调整地面工具的某些参数以减小振动。
所述供电仓02外周采用防震、保温、防污处理，保证供电仓02内的光电器件正常工作。
所述供电仓02、连接段032、连接头031与钻头01之间螺纹连接。
本发明的工作原理为：
将钻头01、供电仓02与钻具03通过螺纹连接，钻具03的数量和类型根据实际需要组合安装，然后将钻节组合送至井下；工作时，宽带光源0211发出的光经过环形器023和波分复用器一0212分别进入光纤传感器阵列035中的光纤温度传感器、光纤振动传感器及光纤应变传感器，感应各个被测点的温度、振动及应变的物理量的变化，通过波分复用器一0212返回的各路光信号再通过环形器023进入光信号解调模块022中的波分复用器二0221，分别经过对应的温度解调光电探测器及信号调理电路0222、振动解调光电探测器及信号调理电路0223、应变解调光电探测器及信号调理电路0224解调后得到被测的温度、振动及应变的物理量送入处理器024，在处理器024分析处理后控制钻具组合的工作状态或通过随钻测量工具(MWD)上传到钻井平台，由钻井工程师通过对分布式温度、分布式振动、分布式扭矩、钻头钻压和弯曲度的测量数据分析，实现控制钻具组合的工作状态；从而实现对钻具组合的优化。也可以通过光纤034形成测量和信息通道，使得井下钻具组合所有的测量信息共享，井下钻具组合的所有组件都可以利用测量信息进行其工作状态调整，实现优化钻井的目的。
Claims (7)
1.一种基于光纤传感器的井下钻具组合分布式测量系统，包括可组合连接于钻头(01)与供电仓(02)之间的钻具(03)，其特征在于：所述钻具(03)前端设有连接头(031)，钻具(03)尾端设有连接段(032)；连接头(031)与连接段(032)中心设有光纤连接端子(033)，连接头(031)后方且钻具(03)内壁铺设有光纤(034)，光纤(034)一端与连接头(031)中心的光纤连接端子(033)相连接，光纤(034)另一端接入钻具(03)外壁或内壁紧贴设置的光纤传感器阵列(035)的接入端，光纤传感器阵列(035)的输出端通过光纤(034)与连接段(032)中心的光纤连接端子(033)相连接；所述供电仓(02)内集成有光信号传输模块(021)、光信号解调模块(022)、环形器(023)及处理器(024)。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的井下钻具组合分布式测量系统，其特征在于：所述光纤传感器阵列(035)由多列传感器以网状结构交织或平行缠绕组合布置；或布置在钻具(03)需放置的测量区域。
3.根据权利要求3所述的一种基于光纤传感器的井下钻具组合分布式测量系统，其特征在于：所述多列传感器包括光纤温度传感器、光纤振动传感器及光纤应变传感器。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于光纤传感器的井下钻具组合分布式测量系统，其特征在于：所述供电仓(02)内集成有光信号传输模块(021)、光信号解调模块(022)、环形器(023)及处理器(024)；其中光信号传输模块(021)包括宽带光源(0211)，宽带光源(0211)发出的光经过环形器(023)和波分复用器一(0212)分别进入光纤传感器阵列(035)中的光纤温度传感器、光纤振动传感器及光纤应变传感器，感应各个被测点的温度、振动及应变的物理量的变化，通过波分复用器一(0212)返回的各路光信号再通过环形器(023)进入光信号解调模块(022)中的波分复用器二(0221)，分别经过对应的温度解调光电探测器及信号调理电路(0222)、振动解调光电探测器及信号调理电路(0223)、应变解调光电探测器及信号调理电路(0224)解调后得到被测的温度、振动及应变的物理量送入处理器(024)实时分析处理并控制钻具组合的工作状态，或由处理器(024)通过随钻测量工具将数据上传到钻井平台。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的井下钻具组合分布式测量系统，其特征在于：所述光纤传感器阵列(035)采用灌封胶灌封、光纤(034)采用铠装，使耐受温度超过180℃，适用于高温高压环境工作。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的井下钻具组合分布式测量系统，其特征在于：所述供电仓(02)外周采用防震、保温、防污处理。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的井下钻具组合分布式测量系统，其特征在于：所述供电仓(02)、连接段(032)、连接头(031)与钻头(01)之间螺纹连接。
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