CN118008251B - 一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置及方法，属于中深层地热以及石油钻井领域；解决了现有钻井过程中机械进给速度与钻头转速实时监测存在的准确性低、可靠性差、成本高等问题；包括定位装置、磁通量变化监测装置和信息传输及处理装置，其中定位装置安装在方钻杆上，磁通量变化监测装置和信息传输及处理装置安装在密封箱内；定位装置包括永磁体和定位盲孔，永磁体固定在定位盲孔内，定位盲孔间隔加工在方钻杆两平行平面的中心线上，其中方钻杆轴向方向上两相邻永磁体的磁极是相反的，方钻杆径向方向上两相邻永磁体的磁极是相同的；本发明应用于地热及石油钻井。

Description

一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置及方法

技术领域

本发明提供了一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置及方法，属于中深层地热以及石油钻井技术领域。

背景技术

随着社会对能源需求量的大幅增加，钻井勘探逐渐从浅层挖掘向深层和更深层挖掘发展，以此来满足日益增长的能源需求。我国的地热开采也正向中层、深层甚至超深层的方向发展。在地热资源开发钻井过程中，钻井机械进给直接关系到钻井施工时间及成本，但是，由于环境的复杂性和地层的不确定性，导致预先设置的施工参数不能达到预期效果，造成施工完成日期的拖延。因此，中深层地热钻井过程中需要对钻头机械进给速度进行实时监测，根据机械进给速度的变化实时调整钻井参数，确保钻井全过程机械钻速始终是安全的、较优的。

目前来说，现有技术方案是通过改进机械钻速预测方程，基于所检测钻井实际工作现场的大量数据，确定预测方程各计算参数，以各种数学方法进行处理，实现钻头机械进给速度的预测。然而，在实践中这种预测方法存在以下问题：1、不同钻井位置的地下环境差距明显，传统预测方法在大量的钻后钻井数据的基础下，才能保证预测的准确性，可靠性较差，并且无法实现真正的实时预测。2、机械比能曲线预测方法只能在一定程度上进行实时机械钻速预测，且对装置和操作人员的技术水平要求增大，成本较高。

发明内容

本发明为了解决现有钻井过程中机械进给速度与钻头转速实时监测存在的准确性低、可靠性差、成本高等问题，提出了一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置，包括定位装置、磁通量变化监测装置和信息传输及处理装置，其中定位装置安装在方钻杆上，方钻杆固定在钻井设备的方转盘上，磁通量变化监测装置和信息传输及处理装置安装在密封箱内，密封箱固定在工作台底部，工作台与方转盘处于同一平面；

所述定位装置包括永磁体和定位盲孔，所述永磁体固定在定位盲孔内，所述定位盲孔间隔加工在方钻杆两平行平面的中心线上，其中方钻杆轴向方向上两相邻永磁体的磁极是相反的，方钻杆径向方向上两相邻永磁体的磁极是相同的；

所述磁通量变化监测装置包括设置在H型隔离箱内的转子、铜线圈、滑环、转轴、电刷、电动机和传动锥齿轮；其中H型隔离箱固定在密封箱内，所述转轴的一端固定在密封箱上，所述转轴的另一端固定在H型隔离箱上，且转轴与方钻杆的中心线平行；

所述转子通过平键与转轴固定连接，所述铜线圈缠绕在转子表面，所述铜线圈的始、末端铜线分别连接在两个滑环上，所述滑环固定在转轴上，且滑环与电刷紧密贴合，所述电刷焊接固定在H型隔离箱上，始终保持静止；

所述电动机固定在密封箱底部，所述电动机的输出轴通过传动锥齿轮与转轴连接；

所述信息传输及处理装置由操作显示屏、信号传输及接收装置、电流信号转换器和运算处理模块组成；所述铜线圈中由电磁效应产生的感应电流通过电线传输至电流信号转换器，所述电流信号转换器将电流信号转化成数字信号输入运算处理模块，通过程序运算最终得出方钻杆转速和机械进给速度信息。

两两定位盲孔的间距L设置为10~50cm。

所述永磁体采用钕铁硼永磁体，且所述永磁体包裹在由绝缘耐磨橡胶制成的隔离套内。

所述密封箱上设置有箱盖，两者通过螺钉二进行固定连接，且箱盖和密封箱之间设置有密封垫进行密封。

所述转轴的转向与方钻杆的转向相反，转轴的转速N设置为100~500r/s。

所述密封箱内还设置有干燥盒，所述干燥盒顶部设置有封盖，所述干燥盒与封盖之间通过插销固定连接。

所述密封箱与方钻杆之间设置有间隙，靠近方钻杆的密封箱的一侧面为检测面，所述检测面的内表面加工有矩形凹槽。

所述密封箱和箱盖由绝缘工程塑料熔铸成型，所述H型隔离箱由不锈钢材料制成。

一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量方法，采用中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置，测量过程如下：

钻井过程中，方钻杆做旋转运动时，当未安装永磁体的平面转至检测面时，铜线圈中磁通量为零且不变，电流持续时长为T ₁；当安装有永磁体的平面转至检测面时，铜线圈中磁通量先增大后减小，产生感应交流电流，电流持续时长为T ₂；通过电流信号转换器将感应交流电信号转换成数字信号，通过以下公式计算方钻杆的转速N，单位是r·s^-1：

N=0.5·(N ₁+N ₂)，其中N ₁=0.5/T ₁，N ₂=0.5/T ₂；

方钻杆做向下直线运动时，轴向两相邻永磁体经过检测面时，铜线圈中磁通量均为先增加后减小的变化过程，且永磁体磁极S/N相反，产生的感应交流电流正负变化相反；方钻杆未安装永磁体的区段L经过检测面时，铜线圈中磁通量始终为零且持续时间为T ₃；通过电流信号转换器将感应交流电信号转换成数字信号，将T ₃传输至运算处理模块，通过以下公式计算方钻杆的机械进给速度V，单位是mm·s^-1：

V=L/T ₃。

方钻杆旋转运动时感应电流信号特征为：电流零点信号前后相邻电流信号正负相反；

方钻杆直线运动时感应电流信号特征为：电流零点信号前后相邻电流信号正负相同。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：

1、本发明可以实现打井过程中同时对钻头转速和机械进给速度的实时检测，可以更好的检测地下钻井环境（如岩性、断层）的变化。

2、本发明利用电磁感应效应，通过记录磁通量变化（大小、方向）过程中引起感应电流正、负、零点和时间等信号的变化，实现对打井过程中钻头转速和机械进给速度的实时检测，检测结果精度高，且非接触式检测，装置使用寿命更长。

3、本发明使用更加广泛，可以适应复杂的野外施工环境如降雨、风沙和暴晒。

4、本发明不需要对钻井设备（顶驱、方转盘等）进行加工或外挂装置，该装置工作时保持静止，使用寿命长、维护简单。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明方钻杆的正视结构示意图；

图2为本发明方钻杆的俯视结构示意图；

图3为本发明密封箱的正视结构示意图；

图4为本发明密封箱的俯视结构示意图；

图5为本发明H型隔离箱的侧视图；

图6为方钻杆旋转过程中与密封箱之间的位置结构示意图；

图7为方钻杆机械进给运行过程中与密封箱之间的位置结构示意图；

图8为方钻杆旋转运动过程中感应电流信号特征图；

图9为方钻杆机械进给运动过程中感应电流信号特征图；

图中：1为方钻杆、2为永磁体、3为隔离套、4为定位盲孔、5为第一轴承、6为转子、7为平键、8为铜线圈、9为滑环、10为检测面、11为转轴、12为轴承盖、13为第二轴承、14为电刷、15为电线、16为Z型脚座、17为操作显示屏、18为信号传输及接收装置、19为箱盖、20为密封垫、21为密封箱、22为封盖、23为插销、24为干燥盒、25为电动机、26为H型隔离箱、27为传动锥齿轮、28为工作台、29为电流信号转换器、30为运算处理模块、101为螺钉一、102为螺钉二、103为螺钉三、104为螺钉四、105为螺钉五。

具体实施方式

如图1至图9所示，本发明提供了一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置，主要包括定位装置、磁通量变化监测装置和信息传输及处理装置，其中定位装置安装在方钻杆1上，方钻杆1固定在钻井设备的方转盘上，随方转盘一起旋转，磁通量变化监测装置和信息传输及处理装置安装在密封箱21内，密封箱21通过螺钉五105固定在工作台28上预先标记的位置上，保持静止，其中工作台28与方转盘处于同一平面。

定位装置由永磁体2和定位盲孔4组成，永磁体2胶粘固定在定位盲孔4内，定位盲孔4间隔加工在方钻杆1的A\C两平面的中心线上，两两定位盲孔4的间距L选取范围为10~50cm，如图1-2所示；方钻杆1上相邻两永磁体2的磁极S/N方向：沿轴向方向相反、沿径向方向相同，即轴向方向上两相邻永磁体2的磁极是相反的，径向方向上两相邻永磁体2的磁极是相同的。永磁体2被由绝缘耐磨橡胶制成的隔离套3包裹，可以有效避免方钻杆1冲击、振动对永磁体2的磁性造成损伤，以及在泥水或阴雨天工作时，通过隔离套3还可以有效避免永磁体2表面发生氧化腐蚀进而造成磁性减弱甚至消失的情况发生。

方钻杆1轴向和径向运动过程中位置变化信息由永磁体2的磁场运动以及磁极S/N变化提供，因此定位装置不需要设置电源电线，信号采用非接触式传递，使用寿命更久，并且永磁体2拆卸简单，替换方便，成本低廉。永磁体2可以采用钕铁硼永磁体。

密封箱21上设置有箱盖19，两者通过螺钉二102进行固定连接，且箱盖19和密封箱21之间设置有密封垫20进行密封，可以有效防止水分和泥浆的侵入。

如图3-4所示，磁通量变化监测装置包括设置在H型隔离箱26内的转子6、铜线圈8、滑环9、转轴11、电刷14、电动机25和传动锥齿轮27；其中H型隔离箱26通过螺钉一101与箱盖19和密封箱21固定连接，转轴11上端通过第二轴承13固定在箱盖19上，且安装轴承盖12进行密封，轴承盖12通过螺钉三103与箱盖19固定连接，防止水和灰尘的进入；转轴11下端通过第一轴承5固定在H型隔离箱26上，转轴11与方钻杆1的中心线平行；转子6通过平键7与转轴11固定连接，随转轴11一起做圆周运动；铜线圈8缠绕在转子6表面，缠绕前转子6和铜线圈8表面均匀涂抹绝缘漆，防止发生短路；铜线圈8始、末端铜线分别连接在两个滑环9上，滑环9固定在转轴11上，且滑环9与电刷14紧密贴合，电刷14焊接固定在H型隔离箱26上，始终保持静止；电动机25与密封箱21底部利用螺钉四104连接，电动机25的输出轴通过传动锥齿轮27与转轴11连接，通过传动锥齿轮27传动，转子6做圆周运动；转轴11的转速N选取范围为100~500r/s。

转轴11转向与方钻杆1转向相反，当方钻杆1转速过小时，可以通过调节电动机25转速，增大铜线圈8与磁场之间相对运动速度，以加快磁通量的变化，进而增大感应电流，电流信号更易被信息传输及处理装置检测记录。

信息传输及处理装置由操作显示屏17、信号传输及接收装置18、电流信号转换器29和运算处理模块30组成；信息传输及处理装置利用Z型脚座16与螺钉三103固定在密封箱21和箱盖19上；铜线圈8中由电磁效应产生的感应电流通过电线15传输至电流信号转换器29，电流信号转换器29将电流信号转化成数字信息输入运算处理模块30，通过程序运算最终得出方钻杆1转速和机械进给速度信息；所测转速和机械进给速度信息传输至操作显示屏17的同时通过信号传输及接收装置18无线传输至中央控制平台。

密封箱21内还设置有干燥盒24，干燥盒24顶部设置有封盖22，干燥盒24与封盖22之间通过插销23固定连接，以便定期对干燥盒24内干燥剂进行更换，使密封箱21内工作环境保持干燥，从而保障各元件使用寿命。

密封箱21和箱盖19由绝缘工程塑料熔铸成型，绝缘工程塑料材料可以避免磁屏蔽现象，且密封箱21与方钻杆1之间设置有一定距离的间隙，靠近方钻杆1的密封箱21的一侧面为检测面10，永磁体2运动过程中，磁通量变化监测装置对检测面10上的磁通量变化进行实时检测。可以在检测面10内表面加工矩形凹槽，增强永磁体2磁场的穿透性，进而增强铜线圈8内磁场强度；密封箱21的内H型隔离箱26由不锈钢材料制成，不仅对磁通量变化监测装置起到支撑作用，而且不锈钢材质有效的避免了线圈感应电流产生磁场对信息传输及处理装置中各电子元器件造成的影响。其中H型隔离箱26的侧视图如图5所示，H型隔离箱26上开设有转轴11、电动机25输出轴和电线15的穿孔。

如图6所示，钻井过程中，方钻杆1做旋转运动时，当B/D面转至检测面10时，铜线圈8中磁通量为零且不变，电流持续时长为T ₁；当A/C面转至检测面10时，铜线圈8中磁通量先增大后减小，产生感应交流电流，电流持续时长为T ₂；通过电流信号转换器29将感应交流电信号转换成数字信号，感应电流信号特征图如图8所示，其表示如下：{[零（T ₁）；正（0.5T ₂）；负（0.5T ₂）]}或{[零（T ₁）；负（0.5T ₂）；正（0.5T ₂）]}；将时间信号T ₁、T ₂传输至运算处理模块30，代入公式N ₁=0.5/T ₁，N ₂=0.5/T ₂，再次拟合两公式运算结果N ₁、N ₂，代入公式N=0.5·(N ₁+N ₂)，即可得出方钻杆1的转速N（单位：r·s^-1）。

本发明还提出了一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量方法，采用上述的装置，其测量原理如下：如图7所示，方钻杆1做向下直线运动（机械进给运动）时，轴向两相邻永磁体2经过（离开/进入）检测面10时，铜线圈8中磁通量均为先增加后减小变化，且永磁体2磁极S/N相反，故产生的感应交流电流正负变化相反；方钻杆1未安装永磁体2的区段L经过检测面10时，铜线圈8中磁通量始终为零且持续时间为T ₃；通过电流信号转换器29将感应交流电信号转换成数字信号，感应电流信号特征图如图9所示，其表示如下：{正（0.5T ₂）；[负（0.5T ₂）；零（T ₃）；负（0.5T ₂）]；正（0.5T ₂）}或{负（0.5T ₂）；[正（0.5T ₂）；零（T ₃）；正（0.5T ₂）]；负（0.5T ₂）}，将T ₃传输至运算处理模块30，代入公式V=L/T ₃，即可得出方钻杆1的机械进给速度V（单位：mm·s^-1）。

如图7和图9所示，旋转运动时感应电流信号特征为：电流零点信号前后相邻电流信号正负相反；直线运动（机械进给运动）时感应电流信号特征为：电流零点信号前后相邻电流信号正负相同。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置，其特征在于：包括定位装置、磁通量变化监测装置和信息传输及处理装置，其中定位装置安装在方钻杆上，方钻杆固定在钻井设备的方转盘上，磁通量变化监测装置和信息传输及处理装置安装在密封箱内，密封箱固定在工作台底部，工作台与方转盘处于同一平面；

所述定位装置包括永磁体和定位盲孔，所述永磁体固定在定位盲孔内，所述定位盲孔间隔加工在方钻杆两平行平面的中心线上，其中方钻杆轴向方向上两相邻永磁体的磁极是相反的，方钻杆径向方向上两相邻永磁体的磁极是相同的；

所述磁通量变化监测装置包括设置在H型隔离箱内的转子、铜线圈、滑环、转轴、电刷、电动机和传动锥齿轮；其中H型隔离箱固定在密封箱内，所述转轴的一端固定在密封箱上，所述转轴的另一端固定在H型隔离箱上，且转轴与方钻杆的中心线平行；

所述转子通过平键与转轴固定连接，所述铜线圈缠绕在转子表面，所述铜线圈的始、末端铜线分别连接在两个滑环上，所述滑环固定在转轴上，且滑环与电刷紧密贴合，所述电刷焊接固定在H型隔离箱上，始终保持静止；

所述电动机固定在密封箱底部，所述电动机的输出轴通过传动锥齿轮与转轴连接；

所述信息传输及处理装置由操作显示屏、信号传输及接收装置、电流信号转换器和运算处理模块组成；所述铜线圈中由电磁效应产生的感应电流通过电线传输至电流信号转换器，所述电流信号转换器将电流信号转化成数字信号输入运算处理模块，通过程序运算最终得出方钻杆转速和机械进给速度信息。

2.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置，其特征在于：两两定位盲孔的间距L设置为10~50cm。

3.根据权利要求2所述的一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置，其特征在于：所述永磁体采用钕铁硼永磁体，且所述永磁体包裹在由绝缘耐磨橡胶制成的隔离套内。

4.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置，其特征在于：所述密封箱上设置有箱盖，两者通过螺钉二进行固定连接，且箱盖和密封箱之间设置有密封垫进行密封。

5.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置，其特征在于：所述转轴的转向与方钻杆的转向相反，转轴的转速N设置为100~500r/s。

6.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置，其特征在于：所述密封箱内还设置有干燥盒，所述干燥盒顶部设置有封盖，所述干燥盒与封盖之间通过插销固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置，其特征在于：所述密封箱与方钻杆之间设置有间隙，靠近方钻杆的密封箱的一侧面为检测面，所述检测面的内表面加工有矩形凹槽。

8.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置，其特征在于：所述密封箱和箱盖由绝缘工程塑料熔铸成型，所述H型隔离箱由不锈钢材料制成。

9.一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量方法，采用如权利要求1-8任一项所述的中深层地热井钻进速度电磁式自动测量装置，其特征在于：测量过程如下：

钻井过程中，方钻杆做旋转运动时，当未安装永磁体的平面转至检测面时，铜线圈中磁通量为零且不变，电流持续时长为T ₁；当安装有永磁体的平面转至检测面时，铜线圈中磁通量先增大后减小，产生感应交流电流，电流持续时长为T ₂；通过电流信号转换器将感应交流电信号转换成数字信号，将T ₁、T ₂传输至运算处理模块，通过以下公式计算方钻杆的转速N，单位是r·s^-1：

N=0.5·(N ₁+N ₂)，其中N ₁=0.5/T ₁，N ₂=0.5/T ₂；

方钻杆做向下直线运动时，轴向两相邻永磁体经过检测面时，铜线圈中磁通量均为先增加后减小的变化过程，且永磁体磁极S/N相反，产生的感应交流电流正负变化相反；方钻杆未安装永磁体的区段L经过检测面时，铜线圈中磁通量始终为零且持续时间为T ₃；通过电流信号转换器将感应交流电信号转换成数字信号，将T ₃传输至运算处理模块，通过以下公式计算方钻杆的机械进给速度V，单位是mm·s^-1：

V=L/T ₃。

10.根据权利要求9所述的一种中深层地热井钻进速度电磁式自动测量方法，其特征在于：

方钻杆旋转运动时感应电流信号特征为：电流零点信号前后相邻电流信号正负相反；

方钻杆直线运动时感应电流信号特征为：电流零点信号前后相邻电流信号正负相同。