一種近鉆頭方位動態測量裝置與測量方法制造方法及圖紙

本發明專利技術提供了一種近鉆頭方位動態測量裝置與測量方法，通過加速度計測量重力加速度沿鉆具軸向的分量，磁力計測量地磁場沿鉆具徑向的分量，根據當地的地磁場強度、磁傾角和重力場總強度數據，從而計算動態方位角。與傳統隨鉆測量系統（MWD）相比，該方法不測量沿鉆具軸向的地磁場分量和徑向的重力場分量，避免了鉆具磁化產生的軸向磁干擾對軸向地磁場分量測量的影響，以及旋轉產生的離心加速度和徑向振動對徑向重力場分量測量的影響，可實現鉆進過程中方位角的動態測量。本發明專利技術提供的方位動態測量裝置，使用的傳感器數量由6支減少為3支，節省了安裝空間，降低了傳感器部分的功耗，特別適合于近鉆頭測量對安裝尺寸和功耗要求敏感的應用場合。

Dynamic measuring device and measuring method for near drill bit azimuth

The present invention provides a dynamic range near bit measurement device and method, through the accelerometer measurement of gravity acceleration along the axis of the component magnetometer to measure the magnetic field along the radial drill component, according to the local geomagnetic field intensity, gravity inclination and total intensity data, to calculate the dynamic azimuth. With the traditional MWD system (MWD) compared with the gravity field component of the method is not measured along the axis of the magnetic field and the radial component, avoids axial magnetic interference effects of magnetized drilling axial components of magnetic field measurement, and centrifugal acceleration due to rotation and radial vibration effects on the radial component of gravity field measurement the drilling can be realized in the process of dynamic measurement of azimuth. Dynamic range measurement device provided by the invention, the number of sensors used by 6 reduced to 3, saving installation space, reduces the power consumption of the sensor part, especially suitable for the measurement of near bit installation size and power requirements of sensitive applications.

【技術實現步驟摘要】
一種近鉆頭方位動態測量裝置與測量方法
本專利技術提供一種用于石油、天然氣、地熱等地下資源勘探開發中的鉆孔方位測量方法，特別涉及一種在鉆進過程中實現近鉆頭方位動態測量的裝置與方法。
技術介紹
隨著油氣勘探開發的不斷深入，水平井、大位移井、分支井等高難度定向井越來越多,定向鉆井技術為擴大勘探領域，高效開發油氣資源提供了新的技術手段。定向鉆井是指按照預先設計的具有井斜和方位變化的軌道鉆達目的層的鉆井工藝方法，預先設計的井眼軌跡往往是一條直線或是一條平滑曲線，但受地層各向異性、定向鉆井工具的機械性能、司鉆經驗等因素的影響，實際井眼軌跡往往不能嚴格沿設計的軌跡前進。為了準確鉆達目標點，必須隨時了解井斜角和方位角隨井身的變化情況，以便監視和調整井眼軌跡使其盡可能沿設計的軌跡鉆進。另外，通過對井斜和方位隨井身變化情況的監測，可以計算井眼曲率，控制"狗腿"嚴重度，從而防止井下鉆具事故的發生?，F有技術主要利用隨鉆測量系統(MeasurementWhileDrilling，簡稱MWD)進行井斜角和井斜方位角測量，MWD系統測量井眼軌跡使用加速度計、磁力計、陀螺儀等姿態測量傳感器，井斜通過三軸加速度計測量地球的重力場獲得，方位角通過三軸加速度計和三軸磁力計組合測量地球重力場和地磁場獲得。為了避免鉆具磁化對地磁場測量的影響，所有的傳感器和測量電路被安裝在一段無磁鉆鋌中，以此來隔離鉆具產生的磁干擾，測量的井斜角和方位角編碼后通過泥漿脈沖或電磁波傳輸方式發送到地面。在整個井底鉆具組合(BottomHoleAssembly，BHA)中，隨鉆測量系統安裝在造斜工具(螺桿鉆具或旋轉導向工具)之后，距離井底鉆頭8-20米。隨著造斜工具性能的提升，可以鉆出曲率半徑更小的井眼軌跡，加上井下鉆具彎曲和扭曲等因素的影響，MWD系統在距離鉆頭8-20米處測量的井斜角和方位角往往與鉆頭附近的井眼姿態不一致。另外，為了避免鉆進過程中振動、沖擊和旋轉的影響，MWD系統需要在停鉆后進行靜態測量，比如在停鉆時鉆柱中加入鉆桿的過程中進行測量，測量間隔為每次加入鉆桿的長度，大約為30米，這樣獲得沿著井眼軸線的一些離散測點，這些離散的測量結果，通過最小曲率假設方法計算三維井眼軌跡。即假設井眼軌跡從上一個測量點以最小半徑沿著平滑曲線向下一個測量點延伸。由于每30米左右才進行一次數據采集，從而增加了井下鉆進的不確定性。雖然靜態測量的優勢是可以獲得足夠的井斜角和方位角精度，但是為了獲得更及時的鉆井方位指示，需要在鉆進的過程中實時測量井斜和方位。當沿用隨鉆測量系統中廣泛采用的三軸加速度計和三軸磁力計進行動態井斜和方位測量時，存在如下兩個問題：1、進行地磁場測量時，軸向的磁力計受鉆具磁化產生的磁干擾影響最大，這些磁干擾來自磁力計上下的鉆柱，包括鉆頭、泥漿馬達、造斜工具等，尤其不適合近鉆頭的安裝場合。2、井斜角和方位角計算需要使用徑向加速度計測量結果，但徑向加速度計測量數據受徑向振動、離心加速度的影響較大，這些影響來源于鉆柱自身振動、粘滑、旋轉以及鉆柱與井壁的作用。中國專利CN200520032626.7公開了一種隨鉆近鉆頭井斜角測量裝置，但僅通過加速度傳感器測量井斜角，沒有涉及近鉆頭方位參數的測量，也沒有考慮徑向加速度計測量結果的影響。中國專利201110459707.5公開了一種隨鉆近鉆頭定向參數測量裝置，但測量定向參數的僅有井斜傳感器，無法提供工具面及方位信息。中國專利CN106246163A公開了一種近鉆頭動態井斜測量方法及裝置，通過1個軸向加速度計和2n個徑向加速度計測量動態井斜角，利用對置的徑向加速度計消除離心加速度的影響，通過濾波器濾除信號中的高頻振動和沖擊信號。上述方法僅通過加速度傳感器實現井斜的動態測量，并未涉及方位角的動態測量，單一的井斜角參數無法確定井眼軌跡信息。另外該方法存在使用傳感器較多，相應帶來功耗的增加，這將給近鉆頭有限空間下安裝及電池供電時井下長時間工作帶來困難。
技術實現思路
本專利技術給出一種近鉆頭方位動態測量方法，通過加速度計測量重力加速度沿鉆具軸向的分量，磁力計測量地磁場沿鉆具徑向的分量，根據當地的地磁場強度、磁傾角和重力場總強度數據，從而計算動態方位角。與傳統MWD系統相比，該方法不測量沿鉆具軸向的地磁場分量和徑向的重力場分量，避免了鉆具磁化產生的軸向磁干擾對軸向地磁場分量測量的影響，以及旋轉產生的離心加速度和徑向振動對徑向重力場分量測量的影響，可實現鉆進過程中方位角的動態測量。本專利技術提供的方位動態測量裝置，使用的傳感器數量由6支減少為3支，節省了安裝空間，降低了傳感器部分的功耗，特別適合于近鉆頭測量對安裝尺寸和功耗要求敏感的應用場合。本專利技術所采用的技術方案如下：一種近鉆頭方位動態測量裝置，所述測量裝置包括：近鉆頭測量短節(14)，鉆頭(18)和定向鉆井工具(13)，所述近鉆頭測量短節(14)分別與鉆頭(18)和定向鉆井工具(13)相連，所述近鉆頭測量短節(14)隨所述鉆頭(18)一起旋轉；近鉆頭方位動態測量傳感器安裝在所述近鉆頭測量短節(14)中；所述近鉆頭方位動態測量傳感器包括1支加速度計(17)和2支磁力計(15，16)，所有傳感器均緊鄰所述鉆頭(18)安裝，1支所述加速度計沿鉆具軸向安裝，測量重力加速度沿鉆具軸向分量Az，2支所述磁力計沿鉆具徑向安裝，測量地磁場沿徑向的2個分量Bx和By，Bx和By兩個分量相互垂直，且與軸向相互正交，X，Y，Z方向符合右手坐標系。其中，所述近鉆頭測量短節(14)內安裝加速度計和磁力計信號采集和處理電路(19)，所述信號采集和處理電路(19)與所述加速度計(17)和所述磁力計相連(15，16)。其中，所述近鉆頭測量短節(14)可安裝振動測量傳感器、伽馬傳感器等。一種采用上述近鉆頭方位動態測量裝置的近鉆頭方位動態測量方法，(1)在鉆井的過程中，一段時間內連續記錄磁力計和加速度計數據，測量數據包括一個軸向加速度計數據Az，和兩個徑向磁力計數據Bx，By；(2)處理軸向加速度計測量的加速度數據Az，消除因加速度計非嚴格軸向安裝而觀測到的徑向加速度分量，獲得無干擾的軸向加速度計測量結果az；(3)利用無干擾的軸向加速度計測量數據az和當地的重力加速度總場值G，計算動態井斜角θ；(4)處理兩個徑向磁力計測量的磁場數據，修正硬鐵干擾和軟鐵干擾，獲得無干擾的徑向磁力計測量數據bx,by；(5)根據當地地磁總場值B0和地磁傾角β，計算地磁場垂向分量BV和北向分量BN；(6)根據當地地磁總場值B0和無干擾的徑向磁力計測量數據bx,by，計算沿鉆具軸向的地磁場分量Bz；(7)根據地磁場垂向分量BV，軸向磁場分量Bz、動態井斜角θ，計算鉆具軸向在水平面投影方向的水平磁場分量BH；(8)根據鉆具軸向在水平面投影方向的水平磁場分量BH和地磁場北向分量BN,計算動態方位角ψ。其中，所述近鉆頭方位動態測量方法中步驟(2)，處理軸向加速度計測量的加速度數據Az，消除因加速度計非嚴格軸向安裝而觀測到的徑向加速度分量的方法包括低通濾波法、滑動平均濾波法中的一種或兩種方法組合。其中，所述近鉆頭方位動態測量方法中步驟(4)，處理兩個徑向磁力計測量的磁場數據，修正硬鐵干擾和軟鐵干擾方法包括以下兩種方法中的一種或兩種方法組合：1)求取本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種近鉆頭方位動態測量裝置，其特征在于，所述測量裝置包括：近鉆頭測量短節(14)，鉆頭(18)和定向鉆井工具(13)，所述近鉆頭測量短節(14)分別與鉆頭(18)和定向鉆井工具(13)相連，所述近鉆頭測量短節(14)隨所述鉆頭(18)一起旋轉；近鉆頭方位動態測量傳感器安裝在所述近鉆頭測量短節(14)中；所述近鉆頭方位動態測量傳感器包括1支加速度計(17)和2支磁力計(15，16)，所有傳感器均緊鄰所述鉆頭(18)安裝，1支所述加速度計沿鉆具軸向安裝，測量重力加速度沿鉆具軸向分量Az，2支所述磁力計沿鉆具徑向安裝，測量地磁場沿徑向的2個分量Bx和By，Bx和By兩個分量相互垂直，且與軸向相互正交，X，Y，Z方向符合右手坐標系。

【技術特征摘要】
1.一種近鉆頭方位動態測量裝置，其特征在于，所述測量裝置包括：近鉆頭測量短節(14)，鉆頭(18)和定向鉆井工具(13)，所述近鉆頭測量短節(14)分別與鉆頭(18)和定向鉆井工具(13)相連，所述近鉆頭測量短節(14)隨所述鉆頭(18)一起旋轉；近鉆頭方位動態測量傳感器安裝在所述近鉆頭測量短節(14)中；所述近鉆頭方位動態測量傳感器包括1支加速度計(17)和2支磁力計(15，16)，所有傳感器均緊鄰所述鉆頭(18)安裝，1支所述加速度計沿鉆具軸向安裝，測量重力加速度沿鉆具軸向分量Az，2支所述磁力計沿鉆具徑向安裝，測量地磁場沿徑向的2個分量Bx和By，Bx和By兩個分量相互垂直，且與軸向相互正交，X，Y，Z方向符合右手坐標系。2.根據權利要求1所述的近鉆頭方位動態測量裝置，其特征在于，所述近鉆頭測量短節(14)內安裝加速度計和磁力計信號采集和處理電路(19)，所述信號采集和處理電路(19)與所述加速度計(17)和所述磁力計相連(15，16)。3.根據權利要求1所述的近鉆頭方位動態測量裝置，其特征在于，所述近鉆頭測量短節(14)可安裝振動測量傳感器、伽馬傳感器等。4.一種采用如權利要求1-3所述的近鉆頭方位動態測量裝置的近鉆頭方位動態測量方法，其特征在于，(1)在鉆井的過程中，一段時間內連續記錄磁力計和加速度計數據，測量數據包括一個軸向加速度計數據Az，和兩個徑向磁力計數據Bx，By；(2)處理軸向加速度計測量的加速度數據Az，消除...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張文秀，陳文軒，底青云，孫云濤，楊永友，鄭健，
申請(專利權)人：中國科學院地質與地球物理研究所，
類型：發明
國別省市：北京,11