一種井下多傳感器測量系統(tǒng)及方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域： 本發(fā)明涉及隨鉆測斜儀器領(lǐng)域，具體是一種井下多傳感器測量系統(tǒng)及方法。
[0002]
【背景技術(shù)】： 石油定向鉆探技術(shù)所需的隨鉆測斜儀器（也稱定向測斜儀），稱之為 MWD(MeasureWhile Drilling)儀器，是一種集鉆井、測井、自動控制、新材料等學科為一體 的高新技術(shù)儀器設(shè)備。該儀器可以在使用電纜工具測井很困難甚至不可能的環(huán)境下進行測 量，目前已成為大斜度井、水平井和小眼井及側(cè)鉆多分支井油藏評價的主要手段。可以說 隨鉆測量儀能否實現(xiàn)精確測量已成為定向鉆井成功與否的關(guān)鍵因素。
[0003] 定向測斜儀的測量系統(tǒng)主要由三軸加速度計傳感器、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，三軸加速度計傳感器安裝在儀器骨架的X、Y、Z軸坐 標方向，同樣三軸磁通門傳感器也分布在X、Y、Z軸坐標方向，其中X、Y、Z軸坐標方向的 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。隨鉆測斜儀的測量參數(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(磁力線B)的影響，當鉆井施工遇到特殊地層需要進行南北向或東西向施工的時候， 恰巧是MffD儀器的磁通門Z軸測量值最大和最小的時候。如東西向時候由于Z軸測量值變 為最小，但由于X軸、Y軸正常工作，還可測量儀器的方位和磁工具面，但方位測量不準。而 南北向Z軸測量值變?yōu)樽畲?，在一定傾角時X、Y軸會變?yōu)?。
[0005] 由磁工具面的計算公式
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的測量分量(見圖1)，當沿著磁力線方向B時，而X和Y軸磁 通門由于垂直于磁力線方向，所以測量值為〇,使得無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)計和施工時盡量避免儀器沿磁力線方向，很多情況 下會大大增加了施工預算和施工難度。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】
： 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種當井下儀器沿著磁力線工作的 時候依然能夠測量儀器的磁性工具面，并且可在靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行測量儀器的磁性工 具面的井下多傳感器測量系統(tǒng)及方法，。
[0007] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種井下多傳感器測量系統(tǒng)： 包括支撐骨架和設(shè)置在支撐骨架內(nèi)的至少一個三軸加速度計、至少兩個三軸磁通門， 以及與三軸加速度計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、信號采集電路、信號處理電路，其改進之處是：至 少一個三軸磁通門的Z軸與其它的三軸磁通門的Z軸方向不一致，且夾角不等于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量系統(tǒng)的測量方法： 包括同時測量Z軸方向不一致的至少兩個三軸磁通門的X、Y軸磁場分量；如果其中任 意一個磁通門的X、Y磁場分量為0,則采用其它磁通門的X、Y磁場分量計算磁工具面。
[0009] 各磁通門的X、Y軸形成的XOY平面存在一定的夾角，且夾角不等于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)動時無法測量磁性工具面的問題，而且 提供了一種可具體實現(xiàn)的由多個傳感器組成的井下實時測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)除了具有測 量磁性工具面的功能，同時可測量井斜角、方位角、重力工具面、磁傾角等多個參數(shù)，可取代 MffD測量儀或與MffD測量儀配合工作。
[0011]
【附圖說明】： 圖1為目前的隨鉆測斜儀傳感器系統(tǒng)的磁通門與加速度計分布圖； 圖2為本發(fā)明的三軸加速度計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量方法流程圖。
[0012] 圖中：1、三軸加速度計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、信號采集電路；7、信號處理電路；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]
【具體實施方式】： 現(xiàn)結(jié)合附圖2、圖3、圖4和圖5,對本發(fā)明作進一步描述。
[0014] 參照圖3所示，本實施例提供了一種井下多傳感器測量系統(tǒng)。主要由支撐骨架8、 三軸加速計Gl (1)、三軸磁通門Hl (2)和Η2 (3)…Ηη、濾波電路5、信號采集電路6和信 號處理電路7組成。其中濾波電路5、信號采集電路6和信號處理電路7組成信號數(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)配備兩個三軸磁通門Hl (2)、Η2 (3)為例對系統(tǒng)的工作原理進行闡述。
[0016] 如圖2所示，三軸加速計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)該采用無磁圓柱形材料進行精確加工， 三軸磁通門Hl (2)和Η2 (3)安裝于三軸加速度計Gl (1)的兩端，因為三軸磁通門安裝過 近會相互干擾，帶來不必要的測量誤差。
[0017] 三軸加速度計Gl (1)和三軸磁通門Hl (2)兩個傳感器的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（1)的X、Y軸分別對齊。所以三軸磁通門Hl (2)的X"、Υ"、Ζ"坐標系可視為與三軸加速度計傳感器Gl (3)的坐標系是重疊的。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 與數(shù)據(jù)采集處理模塊相連。信號通過濾波電路5濾掉干擾，經(jīng)過信號采集電路6將多路信 號同時采集，最終由信號處理電路7計算得到最終結(jié)果。
[0018] 如果需要同時安裝多于2個磁通門傳感器，需要對磁通門傳感器之間的干擾距離 做測算，并且做適當?shù)臉硕üぷ饕韵@種影響。
[0019] 測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)進行測量，其中磁場分量以電壓形式輸出； 第二步，濾波電路5對磁通門測量產(chǎn)生的電壓信號干擾進行濾波處理，得到干凈的代 表磁通量的電壓信號； 第三步，經(jīng)過濾波后的電壓信號進入信號采集電路6，多路信號同時進行采集； 第四步，信號采集電路6將采集結(jié)果送入信號處理電路7,當信號處理電路7檢測到Hl (2)的測量分量Hx"、Hy"等于0時，采用H2(3)的測量分量Hx'、Hy'、Hz'參與磁工具 面的計算。當信號處理電路7檢測到H2 (3)的測量分量Hx'、Hy'等于0時，采用Hl (2) 的測量分量Hx"、Hy"、Hz"參與磁工具面的計算(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Z'軸沿磁力線的方向時， 若整個儀器以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)過的磁工具面，但是此時的磁工具面由于三軸磁通門Hl (2)的X '與Y '軸失效無 法得到。這時就需要用X" 0Y"面的H2 (3)的X"與Y"軸進行測量。
[0021] 沿0A"做延長線，延長至C"點，使得C" B "垂直于0B"，由于0A"是 磁通門在該工具面下測量的磁通量，所以角β2可由儀器的磁性工具面計算公式
得到。沿OA'做延長線，延長至C'點，使 得C ' B '垂直于OB '。因為C ' 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] 因為 tg^2= C" Β" /OB"，tg3 嚴 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)測得的在X" 0Y"上的磁工具面β2，以及兩個平面的夾角 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】
1. 一種井下多傳感器測量系統(tǒng)，包括支撐骨架和設(shè)置在支撐骨架內(nèi)的至少一個三軸加 速度計、至少兩個三軸磁通門，以及與三軸加速度計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、信號采集電路、信 號處理電路，其特征是：至少一個三軸磁通門的Z軸與其它的三軸磁通門的Z軸方向不一 致，且夾角不等于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量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于該方法包 括：同時測量Z軸方向不一致的至少兩個三軸磁通門的X、Y軸磁場分量；如果其中任意一 個磁通門的X、Y磁場分量為0,則采用其它磁通門的X、Y磁場分量計算磁工具面。3. 如權(quán)利要求2所述的井下多傳感器測量方法，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，且夾角不等于0°、90°、180°和360°。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種井下多傳感器測量系統(tǒng)，包括支撐骨架和設(shè)置在支撐骨架內(nèi)的至少一個三軸加速度計、至少兩個三軸磁通門，以及與三軸加速度計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、信號采集電路、信號處理電路，其中，至少一個三軸磁通門的Z軸與其它的三軸磁通門的Z軸方向不一致，且夾角不等于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。同時本發(fā)明還給除了井下多傳感器測量方法。該發(fā)明解決目前井下儀器沿著磁力線工作的時候無法測量儀器的磁性工具面的問題，并且可在靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下測量儀器的磁性工具面。
【IPC分類】E21B47/022, E21B47/00
【公開號】CN105507884
【申請?zhí)枴緾N201410501701
【發(fā)明人】肖紅兵, 葛鵬, 張?；? 李閃, 丁露陽, 范澤欣
【申請人】中國石油化工集團公司, 中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2014年9月27日