專利名稱：一種井斜和工具面測(cè)量裝置及垂直鉆井設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于石油、天然氣鉆井領(lǐng)域，特別是關(guān)于石油、天然氣鉆井作業(yè)中垂直鉆井領(lǐng)域，具體的講是一種井斜和工具面測(cè)量裝置及垂直鉆井設(shè)備。
背景技術(shù)：
我國(guó)石油接替產(chǎn)區(qū)主要分布在吐哈和川東北、塔里木、準(zhǔn)噶爾、西部柴達(dá)木等地區(qū)，是我國(guó)石油行業(yè)開采石油和天然氣的主要地區(qū)，但這些地區(qū)的油氣資源大部分埋藏在地質(zhì)條件十分復(fù)雜的深層地層，且地層傾斜角大，在垂直井的鉆井過程中，經(jīng)常出現(xiàn)井斜超標(biāo)的情況，不僅導(dǎo)致鉆井成本的上升，而且由于井下情況復(fù)雜，高陡度構(gòu)造的存在容易引起鉆速下降和大斜度井，嚴(yán)重影響勘探開發(fā)周期，威脅油氣源的供應(yīng)和國(guó)家能源經(jīng)濟(jì)建設(shè)。因此，自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)在整個(gè)油氣鉆井領(lǐng)域都具有重要意義?，F(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用的能夠在任何地質(zhì)條件下自動(dòng)進(jìn)行井下糾斜的閉環(huán)自動(dòng)垂直鉆井裝置，在一定程度上能夠有效地解決鉆井領(lǐng)域中“防斜打直”的問題。但是現(xiàn)有的垂直鉆井裝置中，隨鉆井斜和工具面測(cè)量裝置對(duì)加速度計(jì)測(cè)量的信號(hào)的處理是基于傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理方式，這種數(shù)字信號(hào)處理方式對(duì)信號(hào)處理的精確度較差，對(duì)很多測(cè)量信號(hào)中的信息成分無法處理，這將導(dǎo)致對(duì)加速度計(jì)測(cè)量的信號(hào)處理后造成結(jié)果的不準(zhǔn)確。且由于在開鉆狀態(tài)下的測(cè)量會(huì)受到強(qiáng)沖擊信號(hào)的干擾，該干擾信號(hào)會(huì)導(dǎo)致井斜和方位角參數(shù)的加速度計(jì)信號(hào)無法準(zhǔn)確測(cè)量，而傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理方式對(duì)于這種強(qiáng)沖擊干擾的處理效果很差，不能達(dá)到加速度信號(hào)測(cè)量的精度要求。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的隨鉆井斜和工具面測(cè)量裝置不能準(zhǔn)確、真實(shí)的反映井斜和工具面的實(shí)時(shí)情況，不能為自動(dòng)垂直鉆井裝置的其他裝置提供正確的參數(shù)依據(jù)，進(jìn)而影響了垂直鉆井裝置的進(jìn)一步實(shí)施。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種井斜和工具面測(cè)量裝置及垂直鉆井設(shè)備，通過將開鉆狀態(tài)下測(cè)量到的加速度信號(hào)進(jìn)行小波均值濾波處理，濾除強(qiáng)沖擊信號(hào)的干擾信號(hào)，能夠準(zhǔn)確的采集到加速度信號(hào)進(jìn)而確定出井斜和工具面以及井斜傾角，為垂直鉆井設(shè)備能夠準(zhǔn)確糾斜控制提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。本發(fā)明的目的之一是，提供一種井斜和工具面測(cè)量裝置，包括小波均值濾波單元，用于采集加速度信號(hào)，并將所述的加速度信號(hào)進(jìn)行小波均值濾波處理；加速度信號(hào)采集單元，用于以采樣頻率采集濾波處理后的加速度信號(hào)；數(shù)字信號(hào)處理單元，用于讀取采集的加速度信號(hào)對(duì)應(yīng)的加速度值，根據(jù)所述的加速度值輸出井斜和工具面的參數(shù)。其中，所述的小波均值濾波單元包括分解濾波器，用于將所述的加速度信號(hào)分解為高頻信號(hào)和低頻信號(hào)；濾波器，用于將所述的加速度信號(hào)中的高頻信號(hào)進(jìn)行濾波處理； 重組濾波器，用于提取濾波處理后的加速度信號(hào)。所述的數(shù)字信號(hào)處理單元包括讀取單元，用于讀取采集的加速度信號(hào)對(duì)應(yīng)的加速度值；井斜確定單元，用于根據(jù)所述的加速度信號(hào)對(duì)應(yīng)的加速度值確定井斜角；重力工具面確定單元，用于根據(jù)所述的加速度信號(hào)對(duì)應(yīng)的加速度值確定重力工具面值；輸出單元， 用于輸出所述的井斜角以及所述的重力工具面值。優(yōu)選的，所述的井斜和工具面測(cè)量裝置還包括微處理器控制單元，用于控制所述的信號(hào)濾波單元、所述的加速度信號(hào)采集單元以及所述的數(shù)字信號(hào)處理單元。電源供電單元，用于為井斜和工具面測(cè)量裝置提供電力供應(yīng)。本發(fā)明的目的之一是，提供一種垂直鉆井設(shè)備，包括導(dǎo)向套、鉆艇頭部以及穿過所述導(dǎo)向套的鉆桿，用于帶動(dòng)鉆艇頭部旋轉(zhuǎn)鉆井；嵌套在所述導(dǎo)向套內(nèi)的加速度計(jì)，用于測(cè)量鉆井的加速度信號(hào)；井斜和工具面測(cè)試裝置，用于根據(jù)所述的加速度信號(hào)輸出井斜和工具面的參數(shù)；導(dǎo)向糾斜結(jié)構(gòu)，用于根據(jù)所述的井斜和工具面的參數(shù)控制導(dǎo)向塊的伸縮。其中，所述的經(jīng)協(xié)和工具面測(cè)試裝置包括小波均值濾波單元，用于采集加速度信號(hào)，并將所述的加速度信號(hào)進(jìn)行小波均值濾波處理；加速度信號(hào)采集單元，用于以采樣頻率采集濾波處理后的加速度信號(hào)；數(shù)字信號(hào)處理單元，用于讀取采集的加速度信號(hào)對(duì)應(yīng)的加速度值，根據(jù)所述的加速度值輸出井斜和工具面的參數(shù)。本發(fā)明的有益效果在于，通過將開鉆狀態(tài)下測(cè)量到的加速度信號(hào)進(jìn)行小波均值濾波處理，濾除強(qiáng)沖擊信號(hào)的干擾信號(hào)，能夠準(zhǔn)確的采集到加速度信號(hào)進(jìn)而確定出井斜和工具面以及井斜傾角，為垂直鉆井設(shè)備能夠準(zhǔn)確糾斜控制提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，提高了糾斜控制的準(zhǔn)確率和精度，進(jìn)而解決了高陡構(gòu)造、大傾角地層等易斜地層的防斜問題，提高了鉆井速度、降低了鉆井成本，提高了油氣采收率。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種井斜和工具面測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種井斜和工具面測(cè)量裝置中小波均值濾波單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種井斜和工具面測(cè)量裝置中數(shù)字信號(hào)處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種井斜和工具面測(cè)量裝置的實(shí)施方式二的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種井斜和工具面測(cè)量裝置的實(shí)施方式三的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為小波均值濾波的坐標(biāo)示意圖；圖7為小波均值濾波處理后的波形圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種垂直鉆井設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為小波均值濾波算法的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種垂直鉆井設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖8可知，所述的垂直鉆井設(shè)備包括浮動(dòng)的導(dǎo)向套1、鉆艇頭部2，以及穿過所述導(dǎo)向套1的鉆桿3，用于帶動(dòng)鉆艇頭部旋轉(zhuǎn)鉆井，導(dǎo)向套1與鉆桿3 之間通過軸承連接，使得導(dǎo)向套1得以固定在鉆具底部的特定位置。嵌套在所述導(dǎo)向套1內(nèi)的加速度計(jì)4，用于測(cè)量鉆井的加速度信號(hào)。在具體的實(shí)施例中，加速度信號(hào)由加速度計(jì)測(cè)量得到，加速度計(jì)可為三軸加速度計(jì)。井斜和工具面測(cè)試裝置5，用于根據(jù)所述的加速度信號(hào)輸出井斜和工具面的參數(shù)；導(dǎo)向套1的下端靠近鉆艇頭部2處是導(dǎo)向糾斜機(jī)構(gòu)6，它主要是由可獨(dú)立伸縮的液壓導(dǎo)向機(jī)構(gòu)所組成，用于根據(jù)所述的井斜和工具面的參數(shù)控制導(dǎo)向塊的伸縮。圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種井斜和工具面測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖1可知，所述的井斜和工具面測(cè)量裝置500包括小波均值濾波單元501，用于采集加速度信號(hào)，并將所述的加速度信號(hào)進(jìn)行小波均值濾波處理。在具體的實(shí)施例中，加速度信號(hào)由三軸加速度計(jì)測(cè)量得到。加速度信號(hào)采集單元502，以AD器件為核心，用于以采樣頻率采集濾波處理后的加速度信號(hào)，其中，采樣頻率為大于小波均值濾波單元截止頻率10倍的頻率。數(shù)字信號(hào)處理單元503，以FPGA器件為核心，用于讀取采集的加速度信號(hào)對(duì)應(yīng)的加速度值，根據(jù)所述的加速度值輸出井斜和工具面的參數(shù)。圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種井斜和工具面測(cè)量裝置中小波均值濾波單元501 的結(jié)構(gòu)示意圖。下面首先介紹小波均值濾波算法。三軸加速度計(jì)在隨鉆測(cè)量的時(shí)候，不停鉆的情況下測(cè)量得到的加速度信號(hào)中會(huì)摻雜有各種各樣的振動(dòng)動(dòng)力源造成的干擾信號(hào)，有些干擾信號(hào)是能量級(jí)別很高的強(qiáng)干擾信號(hào)，如此三軸加速度計(jì)測(cè)出來的加速度信號(hào)是不準(zhǔn)確的， 不能直接處理計(jì)算出井斜和工具面的參數(shù)。所以在計(jì)算井斜工具面參數(shù)之前，需要對(duì)測(cè)量的加速度信號(hào)進(jìn)行濾波處理，去掉由于振動(dòng)對(duì)加速度測(cè)量信號(hào)造成的干擾信號(hào)?，F(xiàn)有技術(shù)加速度信號(hào)中的干擾信號(hào)通過傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器進(jìn)行的，是通過一定的運(yùn)算關(guān)系改變輸入三軸加速度信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)比例或者濾除某些頻率成分。傳統(tǒng)濾波器可以分為低通、高通、帶通和帶阻等濾波器，對(duì)于加速度信號(hào)波形的傳統(tǒng)濾波方式時(shí)選用幅頻特性是單調(diào)下降、具有最大平坦度的巴特沃斯低通濾波器。但是傳統(tǒng)的巴特沃斯低通數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)思想是基于傅立葉變換算法，將信號(hào)在時(shí)間域和頻率域之間相互轉(zhuǎn)換，從看似復(fù)雜的數(shù)據(jù)中找出一些直觀的信息，再對(duì)它進(jìn)行分析。傅立葉變換不能很好的處理一些局部信號(hào)，這是因?yàn)槠湓兕l域上的分辨率高，但在時(shí)域上的分辨率差，對(duì)于時(shí)間跨度短的劇烈變換信號(hào)其無法進(jìn)行有效處理。因此，傳統(tǒng)的巴特沃斯低通數(shù)字濾波器由于時(shí)域上的分辨率有限，對(duì)強(qiáng)振動(dòng)動(dòng)力源引起的隨機(jī)沖擊干擾無法處理，這就導(dǎo)致濾波后的三軸加速度信號(hào)還是不能用于計(jì)算井斜和工具面，而且巴特沃斯低通數(shù)字濾波器的系統(tǒng)延遲時(shí)間長(zhǎng)，需要在大量的延時(shí)后才能得到精確的數(shù)據(jù)，這就會(huì)在很高的系統(tǒng)采樣率的前提下，造成大量的采樣數(shù)據(jù)，系統(tǒng)處理這些數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)時(shí)效果差。小波均值濾波單元基于小波分析算法，小波分析算法是一個(gè)時(shí)間和頻率的局域變換，它對(duì)于信號(hào)低頻成分的頻率分辨率高，而對(duì)于信號(hào)高頻成分的時(shí)間分辨率高，其在時(shí)間和頻率上的分辨率又是可變的，因而能有效的從信號(hào)中提取信息，其可以通過伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)測(cè)量的加速度信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，解決了傅立葉變換不能解決的許多困難問題。小波均值濾波算法所使用的小波基函數(shù)為比利時(shí)女?dāng)?shù)學(xué)家I. Daubechies發(fā)明的 dbl4小波基函數(shù)。用該小波基函數(shù)按多尺度濾波算法對(duì)三軸加速度信號(hào)進(jìn)行濾波，將加速度信號(hào)中的強(qiáng)振動(dòng)干擾濾除掉。該算法的公式為
rk = J-V rk-1 h ,。,.
權(quán)利要求
1.一種井斜和工具面測(cè)量裝置，其特征是，所述的井斜和工具面測(cè)量裝置包括小波均值濾波單元，用于采集加速度信號(hào)，并將所述的加速度信號(hào)進(jìn)行小波均值濾波處理；加速度信號(hào)采集單元，用于以采樣頻率采集濾波處理后的加速度信號(hào)； 數(shù)字信號(hào)處理單元，用于讀取采集的加速度信號(hào)對(duì)應(yīng)的加速度值，根據(jù)所述的加速度值輸出井斜和工具面的參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井斜和工具面測(cè)量裝置，其特征是，所述的小波均值濾波單元包括分解濾波器，用于將所述的加速度信號(hào)分解為高頻信號(hào)和低頻信號(hào)； 濾波器，用于將所述的加速度信號(hào)中的高頻信號(hào)進(jìn)行濾波處理； 重組濾波器，用于提取濾波處理后的加速度信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井斜和工具面測(cè)量裝置，其特征是，所述的數(shù)字信號(hào)處理單元包括讀取單元，用于讀取采集的加速度信號(hào)對(duì)應(yīng)的加速度值；井斜確定單元，用于根據(jù)所述的加速度信號(hào)對(duì)應(yīng)的加速度值確定井斜角；重力工具面確定單元，用于根據(jù)所述的加速度信號(hào)對(duì)應(yīng)的加速度值確定重力工具面值；輸出單元，用于輸出所述的井斜角以及所述的重力工具面值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井斜和工具面測(cè)量裝置，其特征是，所述的井斜和工具面測(cè)量裝置還包括微處理器控制單元，用于控制所述的信號(hào)濾波單元、所述的加速度信號(hào)采集單元以及所述的數(shù)字信號(hào)處理單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井斜和工具面測(cè)量裝置，其特征是，所述的井斜和工具面測(cè)量裝置包括電源供電單元，用于為井斜和工具面測(cè)量裝置提供電力供應(yīng)。
6.一種垂直鉆井設(shè)備，其特征是，所述的垂直鉆井設(shè)備包括導(dǎo)向套、鉆艇頭部， 以及穿過所述導(dǎo)向套的鉆桿，用于帶動(dòng)鉆艇頭部旋轉(zhuǎn)鉆井；嵌套在所述導(dǎo)向套內(nèi)的加速度計(jì)，用于測(cè)量鉆井的加速度信號(hào)；井斜和工具面測(cè)試裝置，用于根據(jù)所述的加速度信號(hào)輸出井斜和工具面的參數(shù)；導(dǎo)向糾斜結(jié)構(gòu)，用于根據(jù)所述的井斜和工具面的參數(shù)控制導(dǎo)向塊的伸縮。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的垂直鉆井設(shè)備，其特征是，所述的井斜和工具面測(cè)試裝置包括小波均值濾波單元，用于采集加速度信號(hào)，并將所述的加速度信號(hào)進(jìn)行小波均值濾波處理；加速度信號(hào)采集單元，用于以采樣頻率采集濾波處理后的加速度信號(hào)； 數(shù)字信號(hào)處理單元，用于讀取采集的加速度信號(hào)對(duì)應(yīng)的加速度值，根據(jù)所述的加速度值輸出井斜和工具面的參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種井斜和工具面測(cè)量裝置及垂直鉆井設(shè)備，其中所述的井斜和工具面測(cè)量裝置包括小波均值濾波單元，用于采集加速度信號(hào)，并將所述的加速度信號(hào)進(jìn)行小波均值濾波處理；加速度信號(hào)采集單元，用于以采樣頻率采集濾波處理后的加速度信號(hào)；數(shù)字信號(hào)處理單元，用于讀取濾波處理后的加速度信號(hào)對(duì)應(yīng)的加速度值，根據(jù)所述的加速度值輸出井斜和工具面的參數(shù)。通過將開鉆狀態(tài)下測(cè)量到的加速度信號(hào)進(jìn)行小波均值濾波處理，濾除強(qiáng)沖擊信號(hào)的干擾信號(hào)，能夠準(zhǔn)確的采集到加速度信號(hào)進(jìn)而確定出井斜和工具面以及井斜傾角，為垂直鉆井設(shè)備能夠準(zhǔn)確糾斜控制提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。
文檔編號(hào)E21B47/09GK102425409SQ201110355749
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者宋延淳, 彭浩, 管康, 賈衡天, 鄧樂, 高文凱 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司, 中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院