一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝置及測量方法
【專利摘要】發(fā)明名稱為一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝置及測量方法，鉆頭在鉆進時會發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，會造成鉆頭鑲齒和牙輪斷裂，也會使軸承/密封過早失效。本發(fā)明公開了一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝置及方法，采用一對MEMS磁強計，對稱安裝，每只磁強計測量的數(shù)據(jù)中包括鉆頭磁數(shù)據(jù)、鉆頭扭轉(zhuǎn)變化引起的磁數(shù)據(jù)、地磁數(shù)據(jù)和外界干擾磁數(shù)據(jù)，兩磁強計測量數(shù)據(jù)的差值為鉆頭扭轉(zhuǎn)的引起的磁變化值。根據(jù)補償后兩磁強計數(shù)據(jù)的差值和磁扭轉(zhuǎn)模型計算扭轉(zhuǎn)角，當鉆頭不發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，磁強計讀數(shù)相等；發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，通過鉆頭磁扭轉(zhuǎn)模型，計算扭轉(zhuǎn)角，由于這個弧度角比較小，鉆頭半徑已知，利用扭轉(zhuǎn)角度的導數(shù)求出扭轉(zhuǎn)振動。如果一只磁強計出現(xiàn)故障，也可輔助扭轉(zhuǎn)測量。本發(fā)明的優(yōu)點在于體積小，抗振動能力強和可靠性高，高溫下能夠工作。
【專利說明】一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及隨鉆測量領(lǐng)域，特別是鉆井、鉆孔和鉆探中鉆頭的扭轉(zhuǎn)測量。
技術(shù)背景
[0002]鉆頭在鉆進過程中會發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，滑/粘振動是一種扭轉(zhuǎn)振動，它與鉆頭轉(zhuǎn)速間歇性的波動有關(guān)，當鉆頭轉(zhuǎn)速接近恒定時會產(chǎn)生其它類型的扭轉(zhuǎn)振動；另外鉆頭環(huán)境溫度變化比較大。
[0003]雖然扭轉(zhuǎn)振動不會對鉆進速度起到不利影響，但鉆頭從停止到鉆進過程，假設(shè)鉆頭轉(zhuǎn)速從O變?yōu)?46r/min，鉆壓會從80001bm (3628.8 kg)升至大約210001bm(9525.6kg)，鉆頭扭矩從200ft.Ibf升至800ft.Ibf，鉆壓和鉆頭扭矩劇烈變化會引起鉆頭鑲齒和牙輪斷裂，而且也會使軸承/密封過早失效，縮短軸承壽命，對鉆頭動態(tài)特性和性能影響很大，因此需要對鉆頭扭轉(zhuǎn)進行監(jiān)測。
[0004]目前扭轉(zhuǎn)測量有兩種方法，一是通過振動信號分析，一是通過扭矩儀或力矩計測量。第一種方法通過鉆柱振動或近鉆頭振動測量，測量的振動信號中包括軸向振動、側(cè)向振動、扭轉(zhuǎn)加速和重力加速度，還有測量儀器的干擾噪聲，導致振動信號具有混沌性，提取扭轉(zhuǎn)振動信號是十分困難的，導致不能真實測量扭轉(zhuǎn)，甚至是錯誤的。第二種方法雖然從精度上是可行的，但由于鉆頭劇烈的振動，在鉆進過程中容易松動，甚至脫落。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種隨鉆鉆頭扭轉(zhuǎn)測量方法，把MEMS磁強計測量技術(shù)與鉆頭測量技術(shù)結(jié)合在一起，對鉆頭的扭轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)振動進行測量，來降低溫度的影響和抗沖擊能力。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，所述裝置包括信號采集模塊、信號處理模塊和信號接口三部分，信號采集模塊和信號處理模塊安裝在鉆頭處或內(nèi)置在隨鉆測量系統(tǒng)。
[0007]所述信號采集模塊由兩只三軸磁強計、兩只溫度計和放大部分組成，考慮鉆頭的振動和小孔徑鉆進的使用，采用MEMS三軸磁強計和MEMS溫度計來構(gòu)成，或直接采用帶有溫度補償?shù)拇艔娪嫾赡K。
[0008]為了防止環(huán)境溫度對傳感器影響，對信號采集模塊和信號處理模塊涂上無磁性的隔熱材料，高溫時也能正常工作。
[0009]所述信號采集模塊的兩只三軸磁強計對稱安裝，間距盡量近，分別用以測量鉆頭三個軸向上磁場的強度。
[0010]所述的溫度計用以測量磁強計的溫度，用于磁強計信號的溫度補償。
[0011]所述信號處理模塊首先進行磁強計信號的溫度補償，由于兩只磁強計對稱安裝，每只磁強計測量的數(shù)據(jù)包括鉆頭磁數(shù)據(jù)、鉆頭扭轉(zhuǎn)引起的磁數(shù)據(jù)、地磁數(shù)據(jù)和外界干擾磁數(shù)據(jù)，由于兩磁強計間距離很近，所以敏感的地磁數(shù)據(jù)和外界干擾磁數(shù)據(jù)及鉆頭本身的磁數(shù)據(jù)基本相同，兩磁強計測量數(shù)據(jù)的差值就是鉆頭扭轉(zhuǎn)的引起的磁變化，如果采用單只磁強計的話，測量扭轉(zhuǎn)引起的磁變化就會困難很多，要根據(jù)地磁模型剔除地磁數(shù)據(jù)，采用濾波算法剔除外界干擾數(shù)據(jù)，再減去鉆頭本身的磁數(shù)據(jù)，這樣即使地磁模型不準確或強磁環(huán)境也是沒有影響的。然后根據(jù)補償后兩磁強計數(shù)據(jù)的差值和鉆頭磁扭轉(zhuǎn)模型(通過不同的鉆頭扭轉(zhuǎn)角度與兩磁強計測量數(shù)據(jù)的差值之間的關(guān)系，采用數(shù)據(jù)擬合的方法建立模型)計算扭轉(zhuǎn)角，當鉆頭不發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，磁強計讀數(shù)相等；發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，通過鉆頭磁扭轉(zhuǎn)模型，計算扭
轉(zhuǎn)角4 (按弧度)，由于這個弧度角比較小，鉆頭半徑〃已知，利用
【權(quán)利要求】
1.一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝置及方法，其特征在于信號采集模塊采用一對MEMS磁強計，對稱安裝，對信號采集模塊噴上一層無磁性的隔熱材料，使用黏合劑加固信號采集模塊和信號處理模塊。
2.一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝置及方法，其特征在于對于兩磁強計數(shù)據(jù)差值的標定，首先調(diào)整磁模擬器線圈電流產(chǎn)生零磁場，然后把測量裝置固定放到磁模擬器平臺，即可測量出兩磁強計的測量數(shù)據(jù)差值。
3.一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝置及方法，其特征在于建立扭轉(zhuǎn)磁模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝置及方法，其特征在于通過不同的鉆頭扭轉(zhuǎn)角度S與兩磁強計測量數(shù)據(jù)的差值τ Z間的關(guān)系，采用指數(shù)擬合模型，建立扭轉(zhuǎn)磁數(shù)據(jù)差值模型^ =+ 6，利用最小乘法估計出參數(shù)、辦和j。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝置及方法，其特征在于通過不同的鉆頭扭轉(zhuǎn)角度與單只磁強計測量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，采用指數(shù)擬合模型和最小二乘估計，建立扭轉(zhuǎn)磁數(shù)據(jù)模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝置及方法，其特征在于如果不允許通過扭轉(zhuǎn)來測量磁數(shù)據(jù)，可采用ANSYS建立鉆頭3D模型，加載不同載荷產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，求解和分析鉆磁場數(shù)據(jù)變化，進而建立扭轉(zhuǎn)磁模型，再通過實例數(shù)據(jù)來驗證和優(yōu)化。
7.一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝 置及方法，其特征在于基于對稱磁強計數(shù)據(jù)差值的鉆頭扭轉(zhuǎn)測量方法。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝置及方法，其特征在于如果兩磁強計的差值基本為O，則鉆頭無扭轉(zhuǎn)；如果兩磁強計測量差值不為O，根據(jù)差值符號判斷左扭還是右扭，根據(jù)差值大小和扭轉(zhuǎn)磁數(shù)據(jù)模型計算扭轉(zhuǎn)角度沒。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝置及方法，其特征在于根據(jù)扭轉(zhuǎn)角4和
/4 y?鉆頭半徑r，利用求出扭轉(zhuǎn)振動。
Λ
10.一種鉆頭扭轉(zhuǎn)測量裝置及方法，其特征在于如果一只磁強計出現(xiàn)故障，也可通過單只磁強計測量的數(shù)據(jù)，進行扭轉(zhuǎn)輔助測量:首先根據(jù)地磁模型剔除地磁數(shù)據(jù)，采用局域濾波分解算法剔除外界干擾數(shù)據(jù)，再減去鉆頭本身的磁數(shù)據(jù)，根據(jù)扭轉(zhuǎn)磁數(shù)據(jù)模型計算扭轉(zhuǎn)角度和扭轉(zhuǎn)振動。
【文檔編號】G01H1/00GK103791996SQ201410070831
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】楊金顯, 錢偉, 張穎, 李志鵬, 陳超 申請人:河南理工大學