一種井下多傳感器測(cè)量系統(tǒng)及方法
【專利說(shuō)明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域： 本發(fā)明涉及隨鉆測(cè)斜儀器領(lǐng)域，具體是一種井下多傳感器測(cè)量系統(tǒng)及方法。
[0002]
【背景技術(shù)】： 石油定向鉆探技術(shù)所需的隨鉆測(cè)斜儀器（也稱定向測(cè)斜儀），稱之為 MWD(MeasureWhile Drilling)儀器，是一種集鉆井、測(cè)井、自動(dòng)控制、新材料等學(xué)科為一體 的高新技術(shù)儀器設(shè)備。該儀器可以在使用電纜工具測(cè)井很困難甚至不可能的環(huán)境下進(jìn)行測(cè) 量，目前已成為大斜度井、水平井和小眼井及側(cè)鉆多分支井油藏評(píng)價(jià)的主要手段?？梢哉f(shuō) 隨鉆測(cè)量?jī)x能否實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量已成為定向鉆井成功與否的關(guān)鍵因素。
[0003] 定向測(cè)斜儀的測(cè)量系統(tǒng)主要由三軸加速度計(jì)傳感器、三軸磁通門傳感器和數(shù)據(jù)采 集處理模塊電路組成，如圖1所示，三軸加速度計(jì)傳感器安裝在儀器骨架的X、Y、Z軸坐 標(biāo)方向，同樣三軸磁通門傳感器也分布在X、Y、Z軸坐標(biāo)方向，其中X、Y、Z軸坐標(biāo)方向的 定義按規(guī)則為：z軸為井眼中心線方向，X軸垂直于儀器參考面，Y軸與X、Z軸滿足右手定 貝1J。隨鉆測(cè)斜儀的測(cè)量參數(shù)為重力工具面角（GTF)、磁性工具面角（MTF)、井斜角（INC)和 方位角（AZI)。
[0004] 隨著定向測(cè)斜儀在鉆井施工方面的大范圍應(yīng)用，現(xiàn)在又遇到了新的難題。受地球 磁場(chǎng)(磁力線B)的影響，當(dāng)鉆井施工遇到特殊地層需要進(jìn)行南北向或東西向施工的時(shí)候， 恰巧是MffD儀器的磁通門Z軸測(cè)量值最大和最小的時(shí)候。如東西向時(shí)候由于Z軸測(cè)量值變 為最小，但由于X軸、Y軸正常工作，還可測(cè)量?jī)x器的方位和磁工具面，但方位測(cè)量不準(zhǔn)。而 南北向Z軸測(cè)量值變?yōu)樽畲螅谝欢▋A角時(shí)X、Y軸會(huì)變?yōu)?。
[0005] 由磁工具面的計(jì)算公式
可知，這里的Hx、Hy、Hz、Gx、Gy、Gz分別表示 X、Y、Z軸的磁通門和加速度計(jì)的測(cè)量分量(見(jiàn)圖1)，當(dāng)沿著磁力線方向B時(shí)，而X和Y軸磁 通門由于垂直于磁力線方向，所以測(cè)量值為〇,使得無(wú)法得出儀器的正確磁性工具面，影響 了正常鉆井施工。所以施工方必須在設(shè)計(jì)和施工時(shí)盡量避免儀器沿磁力線方向，很多情況 下會(huì)大大增加了施工預(yù)算和施工難度。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】
： 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種當(dāng)井下儀器沿著磁力線工作的 時(shí)候依然能夠測(cè)量?jī)x器的磁性工具面，并且可在靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量?jī)x器的磁性工 具面的井下多傳感器測(cè)量系統(tǒng)及方法，。
[0007] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種井下多傳感器測(cè)量系統(tǒng)： 包括支撐骨架和設(shè)置在支撐骨架內(nèi)的至少一個(gè)三軸加速度計(jì)、至少兩個(gè)三軸磁通門， 以及與三軸加速度計(jì)和三軸磁通門連接的數(shù)據(jù)采集處理模塊，其中，支撐骨架采用非磁性 材料成，數(shù)據(jù)采集處理模塊包括濾波電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路，其改進(jìn)之處是：至 少一個(gè)三軸磁通門的Z軸與其它的三軸磁通門的Z軸方向不一致，且?jiàn)A角不等于0°、90°、 180°和360°，所有三軸磁通門之間保持不能產(chǎn)生相互干擾的間距。
[0008] 按照前述的井下多傳感器測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法： 包括同時(shí)測(cè)量Z軸方向不一致的至少兩個(gè)三軸磁通門的X、Y軸磁場(chǎng)分量；如果其中任 意一個(gè)磁通門的X、Y磁場(chǎng)分量為0,則采用其它磁通門的X、Y磁場(chǎng)分量計(jì)算磁工具面。
[0009] 各磁通門的X、Y軸形成的XOY平面存在一定的夾角，且?jiàn)A角不等于0°、90°、 180° 和 360°。
[0010] 本發(fā)明具有如下效果： 本發(fā)明不僅解決了井下儀器在沿磁力線方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無(wú)法測(cè)量磁性工具面的問(wèn)題，而且 提供了一種可具體實(shí)現(xiàn)的由多個(gè)傳感器組成的井下實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)除了具有測(cè) 量磁性工具面的功能，同時(shí)可測(cè)量井斜角、方位角、重力工具面、磁傾角等多個(gè)參數(shù)，可取代 MffD測(cè)量?jī)x或與MffD測(cè)量?jī)x配合工作。
[0011]
【附圖說(shuō)明】： 圖1為目前的隨鉆測(cè)斜儀傳感器系統(tǒng)的磁通門與加速度計(jì)分布圖； 圖2為本發(fā)明的三軸加速度計(jì)和三軸磁通門在支撐骨架上的安裝示意圖； 圖3為本發(fā)明的多磁通門傳感器的磁工具面測(cè)量系統(tǒng)組成圖； 圖4為X ' OY '平面與X" 0Y"平面的關(guān)系圖； 圖5為本發(fā)明多磁通門傳感器的磁工具面測(cè)量方法流程圖。
[0012] 圖中：1、三軸加速度計(jì)Gl ; 2、三軸磁通門Hl ; 3、三軸磁通門H2 ; 4、三軸磁通 門Hn ;5、濾波電路；6、信號(hào)采集電路；7、信號(hào)處理電路；8、支撐骨架；9、X 7 OY ' 平面；10、X" 0Y"平面；11、Z A" OB " ; 12、Z A ^ OB ^ ; 13、平面間夾角Z α。
[0013]
【具體實(shí)施方式】： 現(xiàn)結(jié)合附圖2、圖3、圖4和圖5,對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0014] 參照?qǐng)D3所示，本實(shí)施例提供了一種井下多傳感器測(cè)量系統(tǒng)。主要由支撐骨架8、 三軸加速計(jì)Gl (1)、三軸磁通門Hl (2)和Η2 (3)…Ηη、濾波電路5、信號(hào)采集電路6和信 號(hào)處理電路7組成。其中濾波電路5、信號(hào)采集電路6和信號(hào)處理電路7組成信號(hào)數(shù)據(jù)采集 處理模塊。本發(fā)明采用三軸磁通門和三軸加速度計(jì)是為了保證Χ、Υ、Ζ軸的正交性以及減小 系統(tǒng)本身的尺寸。
[0015] 現(xiàn)以系統(tǒng)配備兩個(gè)三軸磁通門Hl (2)、Η2 (3)為例對(duì)系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行闡述。
[0016] 如圖2所示，三軸加速計(jì)Gl (1)、三軸磁通門Hl (2)和Η2 (3)精確安裝在支撐骨 架8上。由于磁通門的工作需要，所以支撐骨架8應(yīng)該采用無(wú)磁圓柱形材料進(jìn)行精確加工， 三軸磁通門Hl (2)和Η2 (3)安裝于三軸加速度計(jì)Gl (1)的兩端，因?yàn)槿S磁通門安裝過(guò) 近會(huì)相互干擾，帶來(lái)不必要的測(cè)量誤差。
[0017] 三軸加速度計(jì)Gl (1)和三軸磁通門Hl (2)兩個(gè)傳感器的Z軸與支撐骨架軸線方 向一致，三軸磁通門Hl (2)與三軸加速度計(jì)（1)的X、Y軸分別對(duì)齊。所以三軸磁通門Hl (2)的X"、Υ"、Ζ"坐標(biāo)系可視為與三軸加速度計(jì)傳感器Gl (3)的坐標(biāo)系是重疊的。三 軸磁通門Η2 (3)的Z軸與支撐骨架軸線方向不一致，即傾斜三軸磁通門Η2 (3)的Z '軸 與Ζ"呈Z α夾角，X ' OY '平面與X" 0Υ"平面成Z α夾角。所有傳感器的輸出信號(hào) 與數(shù)據(jù)采集處理模塊相連。信號(hào)通過(guò)濾波電路5濾掉干擾，經(jīng)過(guò)信號(hào)采集電路6將多路信 號(hào)同時(shí)采集，最終由信號(hào)處理電路7計(jì)算得到最終結(jié)果。
[0018] 如果需要同時(shí)安裝多于2個(gè)磁通門傳感器，需要對(duì)磁通門傳感器之間的干擾距離 做測(cè)算，并且做適當(dāng)?shù)臉?biāo)定工作以消除這種影響。
[0019] 測(cè)量方法做主要工作方式由以下幾步組成： 第一步，由磁通門Hl (2)和磁通門H2 (3)進(jìn)行測(cè)量，其中磁場(chǎng)分量以電壓形式輸出； 第二步，濾波電路5對(duì)磁通門測(cè)量產(chǎn)生的電壓信號(hào)干擾進(jìn)行濾波處理，得到干凈的代 表磁通量的電壓信號(hào)； 第三步，經(jīng)過(guò)濾波后的電壓信號(hào)進(jìn)入信號(hào)采集電路6，多路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采集； 第四步，信號(hào)采集電路6將采集結(jié)果送入信號(hào)處理電路7,當(dāng)信號(hào)處理電路7檢測(cè)到Hl (2)的測(cè)量分量Hx"、Hy"等于0時(shí)，采用H2(3)的測(cè)量分量Hx'、Hy'、Hz'參與磁工具 面的計(jì)算。當(dāng)信號(hào)處理電路7檢測(cè)到H2 (3)的測(cè)量分量Hx'、Hy'等于0時(shí)，采用Hl (2) 的測(cè)量分量Hx"、Hy"、Hz"參與磁工具面的計(jì)算(如圖5所示)。
[0020] X 7 OY 7平面與X" 0Y"平面的關(guān)系如圖4所示，定義0B"所在直線與Y"軸重 合，為儀器的高邊，且與X"軸垂直，兩平面交線與X'重合。當(dāng)Z'軸沿磁力線的方向時(shí)， 若整個(gè)儀器以Z'軸為軸線旋轉(zhuǎn)，在X' OY'平面上從0 A'旋轉(zhuǎn)到OB'的角度即為儀 器旋轉(zhuǎn)過(guò)的磁工具面，但是此時(shí)的磁工具面由于三軸磁通門Hl (2)的X '與Y '軸失效無(wú) 法得到。這時(shí)就需要用X" 0Y"面的H2 (3)的X"與Y"軸進(jìn)行測(cè)量。
[0021] 沿0A"做延長(zhǎng)線，延長(zhǎng)至C"點(diǎn)，使得C" B "垂直于0B"，由于0A"是 磁通門在該工具面下測(cè)量的磁通量，所以角β2可由儀器的磁性工具面計(jì)算公式
得到。沿OA'做延長(zhǎng)線，延長(zhǎng)至C'點(diǎn)，使 得C ' B '垂直于OB '。因?yàn)镃 ' B '垂直于OB '，且C" Β"垂直于0Β"，可知C ' B '平行且等于C" Β"。所以Z A ^ OB ^與ZA" 0 Β"即等同于Z C OB ^與ZC" 0 Β" 〇
[0022] 因?yàn)?tg^2= C" Β" /OB"，tg3 嚴(yán) C ' B ' /OB ' C" B" =0B" tg^2=C' B'，且 OB' =0B" cosa 所以 tg ^1=OB" tgi32/0B" cosa= tgi32/ cos a 所以 β FatanUgP2/ cos a) 因此只要有磁通門H2 (3)測(cè)得的在X" 0Y"上的磁工具面β2，以及兩個(gè)平面的夾角 a，即可得到X 7 OY 7平面上磁通門Hl (2)的磁性工具面P1，反之亦然。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種井下多傳感器測(cè)量系統(tǒng)，包括支撐骨架和設(shè)置在支撐骨架內(nèi)的至少一個(gè)三軸加 速度計(jì)、至少兩個(gè)三軸磁通門，以及與三軸加速度計(jì)和三軸磁通門連接的數(shù)據(jù)采集處理模 塊，其中，支撐骨架采用非磁性材料成，數(shù)據(jù)采集處理模塊包括濾波電路、信號(hào)采集電路、信 號(hào)處理電路，其特征是：至少一個(gè)三軸磁通門的Z軸與其它的三軸磁通門的Z軸方向不一 致，且?jiàn)A角不等于0°、90°、180°和360°，所有三軸磁通門之間保持不能產(chǎn)生相互干擾 的間距。2. 按照權(quán)利要求1所述的井下多傳感器測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于該方法包 括：同時(shí)測(cè)量Z軸方向不一致的至少兩個(gè)三軸磁通門的X、Y軸磁場(chǎng)分量；如果其中任意一 個(gè)磁通門的X、Y磁場(chǎng)分量為0,則采用其它磁通門的X、Y磁場(chǎng)分量計(jì)算磁工具面。3. 如權(quán)利要求2所述的井下多傳感器測(cè)量方法，其特征在于，各磁通門的X、Y軸形成 的XOY平面存在一定的夾角，且?jiàn)A角不等于0°、90°、180°和360°。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種井下多傳感器測(cè)量系統(tǒng)，包括支撐骨架和設(shè)置在支撐骨架內(nèi)的至少一個(gè)三軸加速度計(jì)、至少兩個(gè)三軸磁通門，以及與三軸加速度計(jì)和三軸磁通門連接的數(shù)據(jù)采集處理模塊，支撐骨架采用非磁性材料成，數(shù)據(jù)采集處理模塊包括濾波電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路，其中，至少一個(gè)三軸磁通門的Z軸與其它的三軸磁通門的Z軸方向不一致，且?jiàn)A角不等于0°、90°、180°和360°，所有三軸磁通門之間保持不能產(chǎn)生相互干擾的間距。同時(shí)本發(fā)明還給除了井下多傳感器測(cè)量方法。該發(fā)明解決目前井下儀器沿著磁力線工作的時(shí)候無(wú)法測(cè)量?jī)x器的磁性工具面的問(wèn)題，并且可在靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下測(cè)量?jī)x器的磁性工具面。
【IPC分類】E21B47/022, E21B47/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105507884
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410501701
【發(fā)明人】肖紅兵, 葛鵬, 張海花, 李閃, 丁露陽(yáng), 范澤欣
【申請(qǐng)人】中國(guó)石油化工集團(tuán)公司, 中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院
【公開(kāi)日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2014年9月27日