CN113931615A - 一种近钻头工程参数实时随钻测量装置 - Google Patents

一种近钻头工程参数实时随钻测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种近钻头工程参数实时随钻测量装置，应变片安装舱和电子仓设置在发射短节本体内，应变片放置在所述应变片安装舱内，采集板卡设置在电子仓内；应变片用于采集扭矩、弯矩、近钻头钻压数据；所述采集板卡用于采集和存储底部钻具工程参数；设置压板用于封盖所述电子仓。本发明结构简单，能够采集底部钻具近钻头处的环空内外压力、弯矩、转速、温度、钻压、扭矩、振动等工程参数，实现了高频数据采集并进行存储，同时将数据实时传递到地面系统，实现井下工程参数的实时监测。井下工程参数的实时及存储数据可用于井下复杂工况的预测，钻井参数的实时优化、井下工具可靠性评价、钻头寿命预测和工作效率的评价、岩屑清洁效率的评价等方面。

Description

一种近钻头工程参数实时随钻测量装置
技术领域
本发明涉及钻井技术领域，特别是涉及一种近钻头工程参数实时随钻测量装置。
背景技术
随着钻井技术向深井及超深井发展，为了提高钻井效率和进一步提高油气开采率，对深井、长水平段水平井钻井的需求日益增加。深井及水平井钻井过程中，如果可以及时地获得准确的井底内外压力、振动、钻压、弯矩、扭矩、转速、温度等实时数据，根据该数据可有效地保护和发现油气层，真正满足了油田勘探开发部门对油气储层科学、准确地识别和评价的工艺技术要求。丰富的工程参数会使井下导向工具做出精确的导向动作，从而提高钻井效率。根据准确的获得钻头处的动态井下近钻头工程数据，可以为复杂地层、薄油层的开发提供先进的工具，推动各类复杂油层的开采，缩短钻井周期，降低钻井成本。现有技术无法解决钻压、扭矩等多种工程参数的测量问题，且无法实现数据采集的实时传输，同时在机械结构上较为复杂，会影响井下工具复杂应力状态下的机械可靠性。为了实现深井及水平井钻井过程中多种工程参数的采集以及数据采集的实时传输，提高测量的稳定性以及钻井效率，本发明提供一种近钻头工程参数实时随钻测量装置。
发明内容
为了实现深井及水平井钻井过程中多种工程参数的采集以及数据采集的实时传输，提高测量的稳定性以及钻井效率，本发明提供一种近钻头工程参数实时随钻测量装置。以采集多种工程参数，并对其进行存储，同时实时传输到地面系统，实现实时调整钻井参数，规避井下复杂情况，实现提速提效。
一种近钻头工程参数随钻实时测量装置，所述测量装置包括发射天线、电路压板、电池压板、发射短节、电池组、电池保护板、应变片以及采集板卡，所述发射短节本体内设置应变片安装舱和电子仓，所述应变片安装舱一侧与外界环境连通、另一侧与电子仓连通，所述应变片放置在应变片安装舱内，所述采集板卡、电池组和电池保护板安装在电子仓，所述电池压板与电路压板用于封盖所述电子仓,所述电池组用于为所述采集板卡及发射短节提供电能，所述电池保护板设置在电池组顶端用于封盖电池组，所述应变片包括扭矩测量应变片和钻压测量应变片，每个应变片安装舱内分别安装一个扭矩测量应变片和一个钻压测量应变片，所述扭矩测量应变片的安装角度与发射短节中轴线呈45°或135°夹角；所述钻压测量应变片的安装角度与发射短节中轴线呈0°或90°夹角(是否正确)，所述采集板卡包括主控芯片以及分别与主控芯片连接的三轴加速度传感器、温度传感器、三轴陀螺仪、磁传感器、单通道应变采集器和存储器，所述单通道应变采集器与扭矩测量应变片、钻压测量应变片和温度传感器连接，所述存储器与三轴加速度传感器、温度传感器、三轴陀螺仪、磁传感器以及单通道应变采集器连接、用于存储近钻头工程参数，主控芯片采集的数据被存储器储存并实时传输到通信模块进行过数据的校准之后，由通信模块通过串口将数据传输到上位机解码程序转化为响应数据发送至地面系统。
进一步地，所述采集板卡内设置有稳压电路，且可以兼容5V和3.3V两种电压模式。
进一步地，所述主控芯片最高工作频率为72MHz、具有单周期硬件乘法器和除法器、集成512kFLASH存储器和64Kb的SRAM存储器。
进一步地，所述温度传感器采用标准窄体SOIC封装的高精度温度传感器。
进一步地，所述电池组内设置电源管理模块，电池组提供5V电压供电，通过电池管理模块转换为3.3V电压供给主控芯片和其它需要3.3V供电电压的电能器件。
进一步地，所述应变片为剪切双羽应变片或高精度单羽应变片
有益效果：
(1)本发明结构简单，所述发射短节本体内设置应变片安装舱和电子仓，使得发射短节无需另加装套筒来密封，提高了短节测量稳定性；将扭矩测量应变片和钻压测量应变片集成到一个应变片安装舱，通过一个测量窗口内实现两个数据测量，提高测量的效率，保证测量数据的准确性。优化了传感器的布置方式，使得在空间狭窄的短节上可以布置多个数据采集传感器而不会使机械结构复杂化。使其有较好的可靠性，增加了井下工作时间，缩短了非钻进时间，进一步提高了钻井效率。
(2)本发明采用三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、磁传感器，可以较为精确地解算近钻头工具的姿态。设置了温度传感器，可以补偿钻压、扭矩信号的测量误差，使钻压、扭矩的测量数据更为准确。设置了压力传感器，可以准确获得内外环空压力，结合扭矩、振动等参数，能够及时准确的预测卡钻、井漏、井涌、岩屑堆积等复杂工况，避免井下复杂，提高了钻井效率。
(3)本发明能够对测量的工程参数进行高频采集存储并实时发送给地面系统，对井下工况实现了真正意义上的实时监测，可用于井下工具的可靠性评价、井下复杂工况预测、钻头寿命预测及钻井工作效率等方面的评价。
附图说明
图1为本发明随钻测量装置结构示意图；
图2为图1中A-A处剖面图；
图3为图1中B-B处剖面图；
图4为图1中C-C处剖面图；
图5为图1中D-D处剖面图；
图6为图5中P向视图；
图7为图2中E-E处剖面图；
图8为图2中F-F处剖面图。
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，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明的目的是提供一种近钻头工程参数实时随钻测量装置，用以采集多种工程参数，并对其进行存储及实时发送到地面。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图所示，近钻头工程参数实时随钻测量装置包括短节发射天线接头1、挡环2、发射天线内筒3、密封挡圈4、磁环5、发射天线外筒6、电路压板7、电池压板8、发射套筒9、发射模块垫板10、发射短节11、电池组12、电池保护板、通信口压盖13、通信插头14、通信插座盖板15、应变片压盖16、震动板17、震动板支架18、信号板19、应变片20和采集板卡，所述发射短节本体内设置应变片安装舱和电子仓，所述应变片安装舱一侧与外界环境连通、另一侧与电子仓连通，所述应变片放置在应变片安装舱内，所述采集板卡、电池组和电池保护板安装在电子仓，所述电池压板与电路压板用于封盖所述电子仓,所述电池组用于为所述采集板卡及发射短节提供电能，所述电池保护板设置在电池组顶端用于封盖电池组，所述应变片包括扭矩测量应变片和钻压测量应变片，每个应变片安装舱内分别安装一个扭矩测量应变片和一个钻压测量应变片，所述扭矩测量应变片的安装角度与发射短节中轴线呈45°或135°夹角；所述钻压测量应变片的安装角度与发射短节中轴线呈0°或90°夹角，所述采集板卡包括主控芯片以及分别与主控芯片连接的三轴加速度传感器、温度传感器、三轴陀螺仪、磁传感器、单通道应变采集器和存储器，所述单通道应变采集器与扭矩测量应变片、钻压测量应变片和温度传感器连接，所述存储器与三轴加速度传感器、温度传感器、三轴陀螺仪、磁传感器以及单通道应变采集器连接、用于存储近钻头工程参数，主控芯片采集的数据被存储器储存并实时传输到通信模块进行过数据的校准之后，由通信模块通过串口将数据传输到上位机解码程序转化为响应数据发送至地面系统。
所述发射短节11的上端设置有内锥形螺纹，所述发射短节11本体的下端设置有外锥形螺纹；
所述各类型应变片安装在所述发射短节11本体内；
所述压板包括电路压板7、电池压板8、电池保护板；
所述各类型应变片用于采集钻压和扭矩数据；
所述各类型应变片包括扭矩测量应变片以及钻压测量应变片；
扭矩测量应变片的安装角度与所述圆轴母线成45°和135°夹角；
钻压测量应变片的安装角度与所述圆轴母线成0°和90°夹角；
所述电池组12用于为所述采集板卡提供电能；
所述采集板卡包括主控芯片，以及分别与所述主控芯片连接的三轴加速度传感器、温度传感器、三轴陀螺仪、磁传感器、单通道应变采集器以及存储器；
所述主控芯片用于控制所述三轴加速度传感器、所述温度传感器、所述三轴陀螺仪、所述磁传感器以及所述单通道应变采集器进行数据采集；
所述三轴加速度传感器用于采集近钻头的振动数据；
所述三轴陀螺仪以及所述磁传感器用于采集近钻头的姿态数据；
所述温度传感器用于采集近钻头的温度数据；
所述单通道应变采集器与所述应变片连接，用于采集钻压和扭矩信号；温度传感器采集到的温度数据可以作为单通道应变采集器采集到的钻压、扭矩信号的温度补偿，也可以单独作为一个工程参数。
所述存储器与所述三轴加速度传感器、所述温度传感器、所述三轴陀螺仪、所述磁传感器以及所述单通道应变采集器连接，用于存储所述井下近钻头工程参数。
以上采集数据被存储器储存并传输到通信模块进行过数据的校准之后，由通信模块通过串口将数据传输到上位机解码程序转化为响应数据，从而完成井下近钻头工程参数的采集、储存、传输、解码的全过程。
采集板采用5V锂电池供电，内部带有稳压电路，可以兼容5V/3.3V两种电压模式，连接方便。不同功能传感器信号由采集板采集并将数据保存到FLASH。
主控芯片是测量系统的核心控制单元，主控芯片主要为采集模拟量数据，数据储存，模拟信号校准，实现上位机通信等功能。
该芯片主要参数最高工作频率为72MHz；具有单周期硬件乘法器和除法器；集成512kFLASH存储器，64Kb的SRAM存储器；3.3-3.6V的电源供电和I/0接口驱动电压；内嵌4～16MHz晶振和带校准用于RTC的32kHz的晶振；出厂前调校的RC振荡电路；内嵌PLL为CPU 提供时钟；2个12位模数转换器，lus转换时间(16通道)；串行线调试(SWD)和JTAG接口；12通道DMA控制器；支持的外设：定时器、ADC、SPI、12C和USART；5个定时器；35个I/O 端口；三轴±50g数字加速度计，数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或 4线)或者I2C数字接口访问。
集成式存储器管理系统采用32级先进先出(FIFO)缓冲器，可用于存储数据，从而降低数据处理的负荷，并降低整体系统电能功耗。低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。
智能电源管理系统的主要特点：
低功耗：V＝2.5(V)，静态模式下低至35μA，待机模式下为0.1μA；功耗随带宽自动按比例变化；嵌入式、32级FIFO缓冲器可将处理器的负载降至最低；带宽高达1kHz可通过串行命令选择带宽；冲击事件检测；活动/非活动监控；电源电压范围：3.3V-3.6V；
温度传感器采用铂电阻测温原理，是一款采用标准窄体SOIC封装的高精度温度传感器。它包含一个带间隙温度铂电阻和分辨率，可以通过在配置寄存器设置一个位来更改分辨率。工作电压范围为2.7V到5.5V。工作电压为3.3V时，平均供电电流典型值为250μA。提供关断模式来实现器件断电，并产生一个典型值为0.8μA的关断电流。铂电阻额定工作温度范围为-55℃到+220℃。
温度传感器主要特点：
32位温度-数字转换器，在0℃到220℃范围内温度精确度为±0.1℃；SPI兼容接口，工作温度范围：-55℃到+220℃；工作电压范围：2.7V-5.5V；临界过热指示器；可编程的过温/ 低温中断；具有自动关断模式实现低功耗；磁力计采用低功耗3轴数字磁力计，该磁力计主要特点：感应范围：±1000μT；电压工作范围：1.95V～3.6V；电流：900μA；输出类型：I2C接口；工作温度：-40℃～220℃；
应变采集器：
应变采集器适用于本发明中钻压、扭矩、弯矩、钻速、温度、压力测量所采用的全桥模式。选择大容量数据存储器，实现通信模块化，具有串口或USB接口，与上位机通讯，实现模拟数据校准，数据下载等功能。
电池组：
使用锂电池供电，通过电源变换给测量系统供电；
采集板卡需要各传感器提供3.3V的参考电压；
系统采用5V电池供电，通过电池管理模块转换为3.3V电压供给主控芯片和其它需要电能器件。
信号处理实施方式
1、转速数据处理：
采集板卡三轴陀螺仪工作信号采集处理的典型实施过程：陀螺仪安装在随钻具旋转，输出一个角速度，可以计算为一个较长时间段内的平均转速段内和一个近似瞬时的时间段内的可视为瞬时转速的转速，将转速经过处理确定为粘滑参数，将粘滑参数传送至存储模块储存。信号处理过程中将转速处理为标准化粘滑参数，并对应于二进制编码方法进行储
存或传输，确定标准化粘滑参数，给出标准化处理公式:
Figure RE-RE-RE-RE-GDA0003400342660000061
RPMMAX—时间周期内的最大瞬时转速；
RPMMIN—时间周期内的最小瞬时转速；
RPMAVE—时间周期内的平均转速；
2、钻压、扭矩测量数据处理：
传感器组成的测量电路测量出电压信号,然后根据材料力学和应变原理，可以推算出钻压、扭矩、弯矩与输出电压的关系，将钻压、扭矩、弯矩的电压信号进行处理，储存或传输。还可以将三轴陀螺仪和磁传感器两个传感器采集的信号同时处理以确定近钻头钻具姿态。姿态数据包括：井斜角、方位角、工具面角。
3、温度、压力数据的处理：
温度、压力传感器采集温度、压力信号，完成数模转换，并且对各传感器采集的信号有必要进行的数据校核。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种近钻头工程参数随钻实时测量装置，所述测量装置包括发射天线、电路压板、电池压板、发射短节、电池组、电池保护板、应变片以及采集板卡，其特征在于，所述发射短节本体内设置应变片安装舱和电子仓，所述应变片安装舱一侧与外界环境连通、另一侧与电子仓连通，所述应变片放置在应变片安装舱内，所述采集板卡、电池组和电池保护板安装在电子仓，所述电池压板与电路压板用于封盖所述电子仓,所述电池组用于为所述采集板卡及发射短节提供电能，所述电池保护板设置在电池组顶端用于封盖电池组，所述应变片包括扭矩测量应变片和钻压测量应变片，每个应变片安装舱内分别安装一个扭矩测量应变片和一个钻压测量应变片，所述扭矩测量应变片的安装角度与发射短节中轴线呈45°或135°夹角；所述钻压测量应变片的安装角度与发射短节中轴线呈0°或90°夹角，所述采集板卡包括主控芯片以及分别与主控芯片连接的三轴加速度传感器、温度传感器、三轴陀螺仪、磁传感器、单通道应变采集器和存储器，所述单通道应变采集器与扭矩测量应变片、钻压测量应变片和温度传感器连接，所述存储器与三轴加速度传感器、温度传感器、三轴陀螺仪、磁传感器以及单通道应变采集器连接、用于存储近钻头工程参数，主控芯片采集的数据被存储器储存并实时传输到通信模块进行过数据的校准之后，由通信模块通过串口将数据传输到上位机解码程序转化为响应数据发送至地面系统。
2.根据权利要求1所述的一种近钻头工程参数随钻实时测量装置，其特征在于，所述采集板卡内设置有稳压电路，且可以兼容5V和3.3V两种电压模式。
3.根据权利要求1所述的一种近钻头工程参数随钻实时测量装置，其特征在于，所述主控芯片最高工作频率为72MHz、具有单周期硬件乘法器和除法器、集成512kFLASH存储器和64Kb的SRAM存储器。
4.根据权利要求1所述的一种近钻头工程参数随钻实时测量装置，其特征在于，所述温度传感器采用标准窄体SOIC封装的高精度温度传感器。
5.根据权利要求1所述的一种近钻头工程参数随钻实时测量装置，其特征在于，所述电池组内设置电源管理模块，电池组提供5V电压供电，通过电池管理模块转换为3.3V电压供给主控芯片和其它需要3.3V供电电压的电能器件。
6.根据权利要求1所述的一种近钻头工程参数随钻实时测量装置，其特征在于，所述应变片为剪切双羽应变片或高精度单羽应变片。
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