CN1603576A - 水平定向钻进随钻测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种水平定向钻进随钻测量方法及装置，用于水平定向钻进时实时测量地下钻具的倾斜、转动和温度等参数，并通过发射线圈以无线电磁波的方式将测量结果传送到地面。该方法利用地下钻具内部随钻测量装置内的倾角、面向角和温度传感器来测量相应的参数，经信号处理与传输单元处理后，利用无线发射单元向地面接收仪实时发送。其测量装置由两段金属壳体和中间段绝缘壳体密封而成。一端壳体内装有电源；无线发射元件装在绝缘壳体内；装有信号处理与传输元件之电路板、倾角传感器、面向角传感器和温度传感器置于另一端壳体内。本发明体积小，结构简单，成本低廉、抗干扰能力强，在恶劣环境下工作可靠，能够适合大多定向钻进设备的要求。

Description

水平定向钻进随钻测量方法及装置

                               技术领域

本发明涉及非开挖水平定向钻进领域，具体涉及一种孔底无缆随钻测量方法及由该方法设计的随钻测量装置。

                               背景技术

目前，非开挖水平定向钻进管线铺设方法得到广泛的应用，它是利用专门的水平定向钻机，以可控钻孔轨迹的方式在不同地层和深度进行钻进来铺设地下管线的施工方法。水平定向钻进过程中，必须实时获取地下钻具的倾斜、方位、转动等姿态信息，以便及时指导下一阶段的施工。这些信息的获取是通过随钻测量装置来完成的，随钻测量装置主要由安装在钻头附近的传感器组成，能够在钻进的同时连续不断地检测有关钻孔信息——倾角、方位角、工具面向角等，并及时准确地把这些信息传输到地面进行记录和显示，以指导司钻人员进行调整，实现可控定向钻进。

这些姿态参数的测量在原理上并不难，但在具体的实现上决非易事。首先，测量这些参数的传感器必须安装在钻具内部，集中在直径只有3～4cm之间的一段狭小空间内，对体积要求比较严格。其次，为了避免电缆连接和密封带来的一系列问题，不能采用有缆连接，其供电和信号的传输都成问题。最后，也是最重要的一点，地下钻进时的工作状态和条件之恶劣，是在工业领域里所罕见，这就要求传感器工作时能耐高压(100MPa以上)、高温(100℃以上)、高湿(被钻井液包围)、高冲击(几十个g以上)、高振动、高摩擦、高腐蚀等，能抗各种干扰，对传感器元件的机械结构强度、密封性能、工作条件、工作寿命、可靠性、可维护性等要求也很高。

目前实现钻具姿态参数测量主要是借鉴惯性测量技术，运用三轴力反馈式加速度计和三个沿加速度计轴向安装的磁通门传感器来进行测量。由于这种方案使用了磁性传感器，任何影响磁性测量的因素都会形成干扰，造成测量的不准确。特别是姿态测量传感器需要放在钻具内部，钢制材料的钻杆和钻具将会对正常测量造成致命的影响。因此，采用这样的姿态测量装置必须配备无磁钻铤。不仅如此，为了提高精度，传感器周围的钻杆也必须是无磁性的，于是对钻具和钻杆提出了新的要求，大大限制了该技术方案的应用。另外一种姿态测量技术——地下随钻陀螺仪也是一个很有前途的方向，然而由于受体积和恶劣钻进环境的限制，目前在地下钻进时还不能很好地工作。

关于地下信号的传输问题，早期的随钻测量系统都是通过有线传输的方式，将传感器测量的数据传送到地面。其缺点是钻进过程中需要频繁的停钻以进行电缆的连接，电缆的连接和密封带来的一系列问题，导致施工效率低，而且随着钻进深度和距离的增大，这方面的影响愈加突出。因此，大多数随钻测量系统都采用无线的方式来传输信号。目前在石油钻井等领域使用比较多的无线方式是泥浆脉冲方式，它首先将孔底测量数据转换为压力脉冲信号，通过钻杆内的泥浆传到地面，再由地面上的装置检测出压力脉冲并解码出相应数据。这种方式虽然不需要复杂的信号电缆，但是信号传输速度较慢，完成一次测量的传输需要几十秒甚至几分钟，不能满足钻进实时测量的要求。同时，由于采用泥浆压力脉冲的方式，对泥浆压力脉冲的产生和识别技术要求较高，钻具内还需要附加的动作机构，从而使钻具结构复杂，成本很高。

                               发明内容

本发明的任务，就是克服上述现有技术的缺陷，提供一种能够满足水平定向钻进要求的无缆随钻测量方法及装置。

本发明的测量方法是：在地下钻具内部设置一测量装置，装置内有可测量钻具倾角、面向角和温度信息的传感器、信号处理与传输单元、电源及无线发射元件。通过上述传感器将测得的信号送入信号处理与传输单元处理后，驱动无线发射元件以低频电磁波向地面所设接收仪发送，从而实时测量钻具的倾斜、转动、温度参数，以指导司钻人员进行调整，实现可控定向钻进。

本发明的装置是：安装在地下导向钻具内部，由两端两段金属壳体和中间段绝缘壳体密封而成，电源装于一端金属壳体内，无线发射元件装于绝缘壳体内，含有信号处理与传输元件之电路板、倾角传感器、面向角传感器和温度传感器，置于另一端金属壳体内。

本发明与现有的随钻测量装置相比，体积小，直径尺寸只有32mm，总长仅为380mm，这样的体积使之可以放入绝大多数钻具的内部；本发明可做成密封的圆柱状，能经受100MPa的压力及100℃的高温，内部的传感器可在0～70℃范围内正常工作；内部传感部分实现了模块化，分别由采用MEMS加速度计的倾角传感器，利用小球遮挡光线原理制成的光电式转角传感器，以及新一代“单总线”数字温度传感器组成，能够在钻进的同时可靠测量出钻具的倾角、面向角及温度信息；倾角测量实现了温度补偿，在整个工作温度范围内，倾角测量的误差不超过0.5°，工具面向角测量采用将圆周分为12份的方式，误差不超过5°；本发明还采用了通电的螺线管线圈发射电磁波作为简单可靠的无线传输方式，整个装置由内部的两节2号电池供电，有效避免了缆线连接和密封所带来的一系列问题。本发明体积小，结构简单，成本低廉、抗干扰能力强，在恶劣环境下工作可靠，能够满足大多定向钻进设备的要求。

                              附图说明

图1为水平定向钻进中的导向孔施工示意图；

图2为水平定向钻进中的扩孔及管线回拖示意图；

图3为地下导向钻具的结构及随钻测量装置安装示意图；

图4为本发明装置具体结构实施例示意图；

图5为本发明装置电路系统框图；

图6为本发明内部倾角传感器结构原理图；

图7为本发明实施倾角测量温度校正的流程图；

图8为本发明实施倾角测量的流程图；

图9为本发明面向角传感器结构主视图；

图10为本发明面向角传感器结构侧视图；

图11为本发明螺线管线圈发射的信号场分布图；

图12为本发明各传感器和螺线管驱动部分的具体电路图；

图13为本发明信号处理与传输部分的具体电路图；

图14为本发明电源模块部分的具体电路图。

                             具体实施方式

下面结合附图及具体实施例介绍本发明。

本发明属于水平定向钻进的配套方法及设备。参照图1、2，施工时，首先利用水平定向钻机1通过钻杆2、装有随钻测量装置3的导向钻具4钻出小口径的导向孔，钻进过程中通过随钻测量装置3获取钻具的状态，并将结果以无线电磁波的形式发送到地面接收仪8，由地面定位跟踪仪8解调出所传送的参数信息，同时根据信号的强弱分布对其进行定位、定深，接着将测量结果送到水平定向钻机1处的监视器5，以指导司钻人员7进行控制和调整，绕过各种地面障碍物6，保证钻孔按设计轨迹延伸，并从另一端钻出地表。然后用扩孔钻头10将钻孔扩大至所需的口径，最后将管线架9上的管线11回拖入孔内。

参照图3，本发明装置安装在带有斜面钻头12的导向钻具4内，斜面钻头12上有多个钻进液喷嘴13，与钻杆2相连的钻具14中部有一长孔，与孔相配合有一块盖板15，用于安放随钻测量装置3于钻具14内。钻具14周围及盖板15上，均匀分布着纵向刻槽16，以利于无线信号的传输。在随钻测量装置3外壳一端开有定位槽17，其作用是与钻具14实现紧密装配，保证二者之间没有相对运动。当斜面钻头12边进给边回转时，则钻出一个直孔；当斜面钻头12只进给而不回转时，由于斜面受到的阻力，钻孔将向斜面的朝向弯曲。

参照图4，所述随钻测量装置呈细长圆柱形，外形尺寸为32mm×380mm。其外壳分为三段，两端的两段金属壳体18、20和中间段绝缘壳体19组成一整体。金属壳体18内，外端装有倾角传感器26，面向角传感器27和温度传感器28，内端装有电路板24、25。中间段壳体19内，装有无线发射元件螺线管线圈22和铁氧体磁芯23。中间段壳体采用绝缘材料，是为了避免金属材料对发射信号造成的衰减。金属壳体20内装有两节2号电池21，电池既可以采用普通的碱性电池，也可以采用高能的镍镉电池。内部插入铁氧体磁芯23的螺线管线圈22，构成无线发射元件的主体，通以交流低频信号，并以电磁波的形式不断向地表发送，供地面接收仪器搜索定位，随钻测量的结果也要调制在此信号上，由螺线管线圈22进行传输。电路板24主要完成传感器信号的采集与测量，而电路板25主要实现测量数据的放大和传输功能。

图5给出了本发明装置的电路系统框图。图中，温度传感器28与微处理器32相连，面向角传感器27通过编码电路31与CPU微处理器32相连，倾角传感器26和用于倾角温度补偿的温度传感器29通过A/D转换器30与微处理器32相连，DSP处理器33亦与微处理器32相连，同时通过D/A转换器34、功率放大器35、谐振电路36与螺线管线圈22相连。倾角、面向角、温度等随钻测量参数分别由上述相应的传感器测得。倾角传感器26采用的是敏感轴沿钻具轴向安装的加速度计，由于加速度计的输出随温度而变，实用的测量必须考虑温度的影响，因此在加速度计处引入温度传感器29进行温度补偿。倾角传感器26和温度传感器29输出的模拟信号，经12位A/D转换器30转化为数字信号后送到微处理器32中进行处理。面向角传感器27采用的是沿钻具横截面安装的光电式传感器，由于其测量的面向角以圆周上的位置来表示，输出的是数字量，可直接与微处理器32相连，为了减少端口的数量，二者之间增加了编码电路31。温度传感器28安装在金属壳体18内靠近钻头的一侧，用于监测整个系统的温度，防止由于钻进过热导致传感器与电子部分的损坏。温度传感器28采用DALLAS公司最新推出的一种“单总线”数字温度传感器，它体积小，电压适用范围宽，可以通过编程实现9～12位的温度读数，其实用性和可靠性比同类产品更高。在-10℃～+85℃时，其精度为±0.5℃，满足系统测量要求。整个随钻测量系统由电源模块38来供电，电源升压变换器39将两节2号电池21的输出转化为不同的工作电压，提供给传感器和电子电路使用。

微处理器32作为系统的控制单元依次完成温度、倾角、面向角等参量的测量后，将测量最终结果存入对应的存储区，一方面可以通过输出接口37以有线的方式引出，另一方面通过螺线管线圈22以无线的方式送出，供地面上的仪器8接收。

本发明装置主要采用无线的方式传送信号，输出接口37只是为了调试上的方便。在数据的无线传输上，考虑到电路板体积的要求以及无线发送的灵活性，摒弃了复杂的载波和调制电路，改而采用软件无线电的方法，由高速DSP处理器33和D/A转换器34结合软件编程来实现。数据调制采用二进制幅移键控(ASK)的方式，通过二进制调制信号1和0控制基频载波的通和断，实现测量数据的传输。载波的产生及数据的调制均采用DSP处理器33控制的D/A转换器34来实现，为了能够顺利穿透地层，载波的频率选择在1kHz～33kHz。D/A转换器34输出的载波信号经功率放大器放大后，再通过LC串联谐振电路36，最后驱动螺线管线圈22向地表发送。

图6给出了本发明装置采用的倾角传感器结构原理图。倾角传感器26做成密封的圆筒状，其轴线方向与钻具的轴线一致，其主要元件为采用MEMS工艺的单片集成加速度计40，加速度计40安装在其轴截面41内，安装时保证它的敏感轴方向与轴线一致。这样，加速度计40任何时候测量的是钻具轴线方向上的重力加速度分量，根据此分量与倾角的关系，就可得到倾角的大小。

如图6所示，假设倾角为零时加速度计的输出为V₀，倾角为α时加速度计输出为Vα，加速度计的输出灵敏度为S，倾角可由下式得到

                         α＝arcsin[(V_α-V₀)/S]                  (1)

加速度计40的零偏输出V₀和灵敏度S的校正可通过测量重力加速度g来完成，将加速度计敏感轴平行于重力方向，分别完成+1g和-1g的测量。假设其输出分别用V₁和V₂表示，于是可通过下列公式计算出零偏V₀和灵敏度S的大小

                            V₀＝(V₁+V₂)/2                             (2)

                            S＝(V₁-V₂)/2g                              (3)

温度对加速计的输出影响很大，而传感器是放在地下钻具的内部在钻进的同时测量，要忍受巨大的温度变化。在这种情况下，零漂和灵敏度随温度的漂移将会很严重，直接测量时会导致很大的角度误差，因此，必须采取某种形式的温度校正来解决。

图7给出了本发明倾角测量时温度校正的流程图。由于每一个加速度计都有一个“与生俱来”的温度特性并且始终不会改变，可以利用预先标定的方法进行校正。其具体步骤是：将加速度计40放在专门的恒温箱中，设定最低温度，然后通过系统地改变温度分别测量其在+1g和-1g时的输出V₁和V₂，此外，通过加速度计40内集成的温度传感器也可测量出温度传感器的输出V_t，结合公式(2)、(3)可得到不同温度下零偏V₀和灵敏度S的大小。然后对所得数据进行曲线拟合和插值，就可得到它们随温度变化的规律，将此规律以表格形式存入计算机，供实际倾角测量时使用。

图8给出了本发明倾角测量的流程图。其具体步骤是：将上述校准的V₀(t)、S(t)、V_t(t)以表格形式存入计算机后，将经温度校正过的倾角传感器25正确安装在装置的内部，然后测量当前倾角下加速度计40输出V_α，测量温度传感器的输出V_t，根据温度传感器输出V_t的值得到当前温度t，查表得到当前温度下的零偏V₀(t)和灵敏度S(t)，以此作为倾角测量的依据，利用公式(1)计算出倾角的大小，从而实现温度补偿。实验证明，这种温度校正的方式十分有效，可使系统的测量精度提高一个数量级。

工具面向角是指钻具的造斜方向(斜面钻头的斜面方向)与某一参考方向的夹角，水平定向钻进正是靠调整工具面向角改变造斜方向来实现弯曲钻进。工具面向角是在垂直钻具轴线的横截面上来衡量的，且不要求很高的分辨率，为了表示方便，其常采用将圆周划分成若干区域来表示。参照图9、10，光电式面向角传感器27，包括一圆筒状传感器盒体45，其内腔周边均布光电接收器44，用于测量圆周上的所设等份转角。该实施例中，光电接收器44设有12个，这样，面向角可以采用钟表的刻度来表示，如12点表示为向上，6点表示为向下。传感器盒体45两侧分别设有绝缘材料制成的上盖板46和电路板47，形成一密封筒盒。盒体中心设发光体42，可固定在电路板47上，它可以是可见光光源，或红外光源。在发光体42和光电接收器44之间，设有一遮挡体43，该遮挡体43可为一自由转动的小球，限制在上盖板46所设的内侧圆周内，恰好能够遮挡住一个光电接收器44，而且不会与发光体42和光电接收器44碰撞。在发光体42和光电接收器44选定的情况下，通过合适选择遮挡体43以及上盖板46内径的尺寸，可使遮挡体43因重力作用在上盖板46内侧自由滚动时，恰好能挡住一个光电接收器44，使该接收器接收不到发光体42发出的光。光电接收器44通过一侧的电路板47引出，与编码电路相接。测量信号经光电接收器44转换后输入到后续的编码电路，实现数字的编码输出，并与微处理器相接。

整个传感器可用胶合的办法与旋转轴固定在一起，当旋转轴转动时，由于重力作用遮挡体43始终保持在最低点，最低点的光电接收器44由于遮挡体43的遮挡而接收不到光，其它的光电接收器44都能接收到发光体42发出的光。由于事先对已对光电接收器44进行编号，这样根据这12个光电接收器44的输出就能确定被挡接收器的位置，从而测得相应的面向角。类似地，采用N个光电接收器，也可以实现N等分的面向角测量。

本发明和地面仪器之间的无线传输通过通电的螺线管线圈22来实现，采用螺线管线圈22不仅可以实现数据的传输，而且可以用来定位。当所考察的距离远大于螺线管线圈22的径向尺寸时，可将通以甚低频交流电的螺线管线圈22视作一磁偶极子源，其周围的磁力线分布如图11所示。以螺线管线圈22轴线方向为X轴，水平面内与之垂直的方向为Y轴，垂直向上的方向为Z轴，建立直角坐标系，则螺线管线圈22周围任何一点的磁场可表示为

                                B_x＝m(3x²-r²)/r⁵                  (4)

                                B_y＝3mxy/r⁵                         (5)

                                B_z＝3mxz/r⁵                         (6)

其中，x，y，z为该点的三维坐标，m为磁矩，r为距离螺线管线圈22的距离，且有

                                r²＝x²+y²+z²                      (7)

由此可见，螺线管线圈22周围的磁场分布具有特定的规律，恰当的利用接收线圈对此磁场进行接收，根据其特征信号即可对螺线管线圈22进行定位，这也是本发明与其它随钻测量装置的一大区别。

图12给出了本发明装置传感器和螺线管驱动部分的具体电路。其中，面向角传感信号从12路光电接收器PD1～PD12引出，经三片运放U1、U2、U3进行I/V转换后，由编码电路U4、U5、U6对信号进行编码，最后通过口线ROLL0～ROLL3和故障标志位FLAG输出到后续的处理电路。倾角测量电路由加速度计40及外围电路组成，输出加速度和温度两路模拟信号ADXA1、ADXA0。用于监测系统温度的温度传感器28采用的是单线式数字温度传感器，直接输出数字信号DQ，可直接与微处理器32相连。螺线管驱动电路采用两片大电流大电压驱动器35和LC串联谐振电路36来实现，两片构成差动输出，使谐振电路36任意时刻的供电电压达24V，最大限度地提高发射功率。

图13给出了本发明装置控制与信号处理电路。作为核心控制元件的微处理器32分别与DSP处理器33和D/A转换器34相连。微处理器32采用TI公司的MSP430F149，DSP处理器33采用AD公司的ADSP2189，D/A转换器34则采用MAXIM公司的MAX547芯片。面向角输出信号ROLL0～ROLL3、FLAG和温度传感器信号DQ已经是数字信号，可直接与微处理器32相连，倾角测量信号ADXA1、ADXA0由于是模拟信号，必须经微处理器32自带的A/D转换器30预先采集处理。所需频率的载波信号由高速DSP处理器33软件编程控制D/A转换器34来生成，送入螺线管驱动电路35进行功率放大。随钻测量的最终结果也由微处理器32送到DSP处理器33中，进行调制输出。

参照图14，三片MAX1672构成的转换电路U17、U18、U19分别将电池电压转换为+3.3V、+1.9V、+5V，供传感器及处理电路使用；一片MAX764构成的电路U22将电池电压转换为-5V，提供给D/A转换器34；由MAX761和MAX765构成的转换电路U20、U21形成+12V、-12V的电压，以驱动螺线管进行功率输出。电池电压通过BAT端接入微处理器32进行监控，微处理器32还可通过控制继电器RELAY1的动作实现电源的通断。

Claims (7)

1、一种水平定向钻进随钻测量方法，其特征在于：在地下钻具内部设置一测量装置，装置内分别设置可测量钻具倾角、面向角和温度信息之传感器、信号处理与传输单元、电源及无线发射元件，通过上述传感器将测得的信号送入信号处理与传输元件处理后，驱动无线发射元件以低频电磁波向地面所设接收仪发送，从而实时测量钻具的倾斜、转动、温度参数，以指导司钻人员进行调整，实现可控定向钻进。

2、一种水平定向钻进随钻测量装置，其特征在于：所述装置由两端两段金属壳体和中间段绝缘壳体密封而成，电源(21)装于一端金属壳体(20)内，无线发射元件装于绝缘壳体(19)内，装有信号处理与传输元件之电路板(24、25)、倾角传感器(26)、面向角传感器(27)和温度传感器(28)置于另一端金属壳体(18)内。

3、根据权利要求2所述的水平定向钻进随钻测量装置，其特征在于：无线发射元件由螺线管线圈(22)和套于该线圈内之铁氧体磁芯(23)组成。

4、根据权利要求2或3所述的水平定向钻进随钻测量装置，其特征在于：所述倾角传感器(26)沿钻具轴线安装，采用MEMS工艺的单片集成加速度计；所述面向角传感器(27)沿钻具轴截面安装，包括一筒体状传感器盒体，盒体内腔均布有与编码电路相连之光电接收器(44)，盒体中心设有发光体(42)，发光体(42)和光电接收器(44)之间设有可随钻具转动且可将发光体投射后光线恰好遮挡一个光电接收器(42)之遮挡体(43)。

5、根据权利要求2或3所述的水平定向钻进随钻测量装置，其特征在于：所述电路板上装有微处理器(32)、D/A转换器(34)、DSP处理器(33)，面向角传感器(27)通过编码电路(31)与微处理器相连，倾角传感器(26)通过A/D转换器(30)与微处理器相连，温度传感器(29)与微处理器直接相连，微处理器通过DSP处理器、功率放大电路(35)、谐振电路(36)与螺线管线圈(22)相连。

6、根据权利要求4所述的水平定向钻进随钻测量装置，其特征在于：所述电路板上装有微处理器(32)、D/A转换器(34)、DSP处理器(33)，面向角传感器(27)通过编码电路(31)与微处理器相连，倾角传感器(26)通过A/D转换器(30)与微处理器相连，温度传感器(29)与微处理器直接相连，微处理器通过DSP处理器、功率放大电路(35)、谐振电路(36)与螺线管线圈(22)相连。

7、根据权利要求4所述的水平定向钻进随钻测量装置，其特征在于：遮挡体(43)为可自由滚动的小球。

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