一种角度位置测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种钻具角度位置测量方法及系统。该方法包括以下步骤：实时采集井下工况信息；基于泥浆流量信息以及地磁场信息或重力场信息所确定的旋转速度来判断钻具是否处于静止的状态；当钻具静止时，计算井斜、钻具的静态重力工具面和静态磁工具面，并将基准工具面确定为静态重力工具面或者静态磁工具面；当钻具运动时，计算磁工具面的变化量；将基准工具面与磁工具面的变化量叠加计算得到钻具的动态重力工具面从而确定钻具的角度位置。本发明专利技术利用旋转磁场的相对变化来实时测量钻具的重力工具面，同时监测磁场干扰情况，可避免磁干扰对测量结果的影响，实现钻具角度位置的准确测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石油钻井领域，更进一步地说，本专利技术涉及一种旋转导向、随钻测井和 地质导向工具或仪器的角度位置测量方法及系统。
技术介绍
在定向井和水平井中，旋转导向、随钻测井和地质导向等钻井井下系统需要确定 钻具上某一固定参考点相对于井眼圆周某一参考点的方向，从而实现这些工具系统在井眼 圆周方向的测量或控制。其中，井眼圆周方向参考点通常指地球磁场北极或井眼高边，钻具 上某一固定参考点通常是指钻具的工具面。例如，在旋转导向系统中，为实现导向控制，需 要确定旋转导向系统中执行机构导向力的方向。在随钻测井或地质导向系统中，为实现方 位探测、井周成像或地层边界测量，需要确定随钻方位电阻率、方位天线、方位伽马传感器 等所在的方向。 以地球磁场北极为参考点的工具面称为磁工具面，而以井眼高边为参考点的工具 面称为重力工具面。其中，当井斜较小时，采用磁工具面，当井斜较大时，采用重力工具面。 在钻井井下系统中，通常采用三轴加速度传感器和三轴磁通门传感器测量工具面，其中，重 力工具面和磁工具面分别通过测量垂直于工具或仪器轴的交叉重力分量和交叉磁场分量 计算得到。 由于在定向井和水平井中，旋转导向、随钻测井和地质导向等钻井井下系统通常 应用于大井斜的情况下，因此需要准确测量重力工具面。上述方法在钻具静止状态下可以 得到高精度的测量结果，但是在旋转状态下，钻具旋转过程中产生的振动和离心加速度会 干扰加速度传感器的输出信号，重力工具面的测量精度降低。目前消除这种干扰提高测量 精度主要有以下三种方法。 -种方法是采用加速度传感器结合复杂的数学算法。在该方法中，首先直接测量 动态重力工具面，然后通过建立数学模型，结合离心加速度和振动监测结果，在加速度传感 器输出信号中将离心加速度和振动的干扰去除，从而得到以重力工具面表示的钻具角度位 置。由于钻具在井下旋转状态复杂，离心加速度和振动的变化为非线性，所建立的数学模型 不能真实反映井下工况，因此该方法难以完全消除误差。 另一种方法采用磁工具面测量，并利用复杂的转换关系，间接得到重力工具面。但 是，由于钻具旋转速度较快，需要高速计算才能保证磁工具面测量的实时性。如果有磁干 扰，磁工具面的测量精度也会降低，导致重力工具面的计算误差增大。 第三种方法采用旋转编码器，通过对旋转编码器输出的脉冲信号计数，得到钻具 角度相对变化，再根据一个基准位置，计算真实的钻具角度。由于旋转编码器需要安装在有 相对旋转运动的两个装置上，在井下难以实现，且受振动、冲击和温度限制，旋转编码器不 能在井下直接应用。为此，现有技术公开了一种旋转状态下测量钻具角度位置的装置。其采 用具有巨磁阻抗效应的磁敏感元件作为磁栅单元盘，再由多个磁栅单元盘形成磁栅码盘， 配以相应的磁栅测量电路，从而实现旋转状态下角度及转速的测量。然而，当需要高精度测 量时，磁栅码盘需要的磁栅单元盘较多，因此造成的问题是体积较大而不利于现场安装。 为此，需要提供一种实时精确测量钻具的重力工具面从而得到高精度的钻具角度 位置的测量技术方案。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种钻具角度位置测量方法，该方法包括以 下步骤： 实时采集井下工况信息，其中所述工况信息包括泥浆流量信息以及钻具所在位置 的地磁场信息和重力场信息； 基于所述泥浆流量信息以及根据钻具所在位置的地磁场信息或重力场信息所确 定的旋转速度来判断钻具是否处于静止的状态； 当钻具静止时，基于钻具所在位置的地磁场信息或重力场信息计算此时的井斜、 钻具的静态重力工具面和静态磁工具面，并基于井斜的大小将基准工具面确定为静态重力 工具面或者静态磁工具面； 当钻具运动时，基于实时采集的地磁场信息来计算磁工具面的变化量； 将所确定的基准工具面与所述磁工具面的变化量叠加计算得到钻具的动态重力 工具面从而确定钻具的角度位置。 根据本专利技术的一个实施例，当井斜角大于交越角时，将所述基准工具面确定为重 力工具面，当井斜角小于交越角时，将所述基准工具面确定为磁工具面。 根本专利技术的一个实施例，所采集的地磁场信息和重力场信息包括相互正交的加速 度模拟分量和相互正交的磁场模拟分量，其中，所述加速度模拟分量包括沿钻具短节轴向 的分量和径向分量，所述磁场模拟分量包括沿钻具短节轴向的分量和径向分量。 根据本专利技术的一个实施例，在获取钻具的地磁场信息的同时还获取重力场信息， 在一定时间范围内，如果所述重力场信息中的径向分量有变化，而所述地磁场信息中的径 向分量没有变化，则不计算所述钻具的动态重力工具面，并向其他井下系统发出警告信号。 根据本专利技术的一个实施例，对两个正交的磁场模拟分量进行正弦或余弦拟合，如 果拟合后的结果与正弦关系或者余弦关系具有超过预定范围的偏差，则不计算所述钻具的 动态重力工具面，并向其他井下系统发出有磁干扰的报警信号。 根据本专利技术的一个实施例，实时监测钻具是否处于静止的状态，一旦静止便进行 基准工具面的修正。 根据本专利技术的一个实施例，在预定的重力工具面位置时，产生指示信号以指示钻 具的工具面扇区位置或根据该指示信号向井下其他系统发出驱动控制信号。 根据本专利技术的一方面，还提供了一种钻具角度位置测量系统，其包括： 流量开关传感器，安装于钻具的短节上，随钻具一同深入井下，用于获取井下泥浆 流量的信息； 加速度传感器，固定安装于钻具的短节上，用于获取钻具的重力场信息； 磁通门传感器，固定安装于钻具的短节上，用于获取钻具的地磁场信息； 数据采集单元，其用于实时采集井下工况信息，其中所述工况信息包括泥浆流量 信息以及钻具所在位置的地磁场信息和重力场信息； 控制器，其与所述数据采集单元连接，其中， 其用于基于所述泥浆流量信息以及根据钻具所在位置的地磁场信息或重力场信 息所确定的旋转速度来判断钻具是否处于静止的状态；当钻具静止时，基于钻具所在位置 的地磁场信息或重力场信息计算此时的井斜、钻具的静态重力工具面和静态磁工具面，并 基于井斜的大小将基准工具面确定为静态重力工具面或者静态磁工具面；当钻具运动时， 基于实时采集的地磁场信息来计算磁工具面的变化量；将所确定的基准工具面与所述磁工 具面的变化量叠加计算得到钻具的动态重力工具面从而确定钻具的角度位置。 根据本专利技术的实施例中的钻具角度位置测量系统，其还包括过零比较器，其用于 将过零脉冲信号传送给所述控制器，并由其对旋转时的连续过零脉冲信号进行计数从而计 算得到钻具的转速。 在本专利技术的一个实施例中，所述钻具角度位置测量系统还包括通讯单元，其用于 将控制器输出的钻具角度位置或指示钻具到达预定工具面的信息实时传送给其他井下系 统。 在本专利技术的一个实施例中，三个轴向正交的加速度传感器和两个轴向正交的磁通 门传感器均安装于钻具短节上，使得所述加速度传感器的一个轴的方向与钻具短节的纵向 轴线重合或者平行，而所述磁通门传感器的两个轴向与钻具短节的纵向轴线正交。 本专利技术带来了以下有益效果：该系统和方法根据井斜大小确定基准工具面，并利 用旋转磁场的相对变化，实时测量钻具的重力工具面，同时监测磁场干扰情况，可避免磁干 扰对测量结果的影响，实现钻具角度位置的准确测量。 本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得 显而易见，或者通过实施本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钻具角度位置测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：实时采集井下工况信息，其中所述工况信息包括泥浆流量信息以及钻具所在位置的地磁场信息和重力场信息；基于所述泥浆流量信息以及根据钻具所在位置的地磁场信息或重力场信息所确定的旋转速度来判断钻具是否处于静止的状态；当钻具静止时，基于钻具所在位置的地磁场信息或重力场信息计算此时的井斜、钻具的静态重力工具面和静态磁工具面，并基于井斜的大小将基准工具面确定为静态重力工具面或者静态磁工具面；当钻具运动时，基于实时采集的地磁场信息来计算磁工具面的变化量；将所确定的基准工具面与所述磁工具面的变化量叠加计算得到钻具的动态重力工具面从而确定钻具的角度位置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锦舟，肖红兵，韩来聚，李作会，杨全进，杨宁宁，
申请(专利权)人：中国石油化工集团公司，中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11