一种近钻头方位动态测量装置与测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种近钻头方位动态测量装置与测量方法，通过加速度计测量重力加速度沿钻具轴向的分量，磁力计测量地磁场沿钻具径向的分量，根据当地的地磁场强度、磁倾角和重力场总强度数据，从而计算动态方位角。与传统随钻测量系统（MWD）相比，该方法不测量沿钻具轴向的地磁场分量和径向的重力场分量，避免了钻具磁化产生的轴向磁干扰对轴向地磁场分量测量的影响，以及旋转产生的离心加速度和径向振动对径向重力场分量测量的影响，可实现钻进过程中方位角的动态测量。本发明专利技术提供的方位动态测量装置，使用的传感器数量由6支减少为3支，节省了安装空间，降低了传感器部分的功耗，特别适合于近钻头测量对安装尺寸和功耗要求敏感的应用场合。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种近钻头方位动态测量装置与测量方法
本专利技术提供一种用于石油、天然气、地热等地下资源勘探开发中的钻孔方位测量方法，特别涉及一种在钻进过程中实现近钻头方位动态测量的装置与方法。
技术介绍
随着油气勘探开发的不断深入，水平井、大位移井、分支井等高难度定向井越来越多,定向钻井技术为扩大勘探领域，高效开发油气资源提供了新的技术手段。定向钻井是指按照预先设计的具有井斜和方位变化的轨道钻达目的层的钻井工艺方法，预先设计的井眼轨迹往往是一条直线或是一条平滑曲线，但受地层各向异性、定向钻井工具的机械性能、司钻经验等因素的影响，实际井眼轨迹往往不能严格沿设计的轨迹前进。为了准确钻达目标点，必须随时了解井斜角和方位角随井身的变化情况，以便监视和调整井眼轨迹使其尽可能沿设计的轨迹钻进。另外，通过对井斜和方位随井身变化情况的监测，可以计算井眼曲率，控制"狗腿"严重度，从而防止井下钻具事故的发生。现有技术主要利用随钻测量系统(MeasurementWhileDrilling，简称MWD)进行井斜角和井斜方位角测量，MWD系统测量井眼轨迹使用加速度计、磁力计、陀螺仪等姿态测量传感器，井斜通过三轴加速度计测量地球的重力场获得，方位角通过三轴加速度计和三轴磁力计组合测量地球重力场和地磁场获得。为了避免钻具磁化对地磁场测量的影响，所有的传感器和测量电路被安装在一段无磁钻铤中，以此来隔离钻具产生的磁干扰，测量的井斜角和方位角编码后通过泥浆脉冲或电磁波传输方式发送到地面。在整个井底钻具组合(BottomHoleAssembly，BHA)中，随钻测量系统安装在造斜工具(螺杆钻具或旋转导向工具)之后，距离井底钻头8-20米。随着造斜工具性能的提升，可以钻出曲率半径更小的井眼轨迹，加上井下钻具弯曲和扭曲等因素的影响，MWD系统在距离钻头8-20米处测量的井斜角和方位角往往与钻头附近的井眼姿态不一致。另外，为了避免钻进过程中振动、冲击和旋转的影响，MWD系统需要在停钻后进行静态测量，比如在停钻时钻柱中加入钻杆的过程中进行测量，测量间隔为每次加入钻杆的长度，大约为30米，这样获得沿着井眼轴线的一些离散测点，这些离散的测量结果，通过最小曲率假设方法计算三维井眼轨迹。即假设井眼轨迹从上一个测量点以最小半径沿着平滑曲线向下一个测量点延伸。由于每30米左右才进行一次数据采集，从而增加了井下钻进的不确定性。虽然静态测量的优势是可以获得足够的井斜角和方位角精度，但是为了获得更及时的钻井方位指示，需要在钻进的过程中实时测量井斜和方位。当沿用随钻测量系统中广泛采用的三轴加速度计和三轴磁力计进行动态井斜和方位测量时，存在如下两个问题：1、进行地磁场测量时，轴向的磁力计受钻具磁化产生的磁干扰影响最大，这些磁干扰来自磁力计上下的钻柱，包括钻头、泥浆马达、造斜工具等，尤其不适合近钻头的安装场合。2、井斜角和方位角计算需要使用径向加速度计测量结果，但径向加速度计测量数据受径向振动、离心加速度的影响较大，这些影响来源于钻柱自身振动、粘滑、旋转以及钻柱与井壁的作用。中国专利CN200520032626.7公开了一种随钻近钻头井斜角测量装置，但仅通过加速度传感器测量井斜角，没有涉及近钻头方位参数的测量，也没有考虑径向加速度计测量结果的影响。中国专利201110459707.5公开了一种随钻近钻头定向参数测量装置，但测量定向参数的仅有井斜传感器，无法提供工具面及方位信息。中国专利CN106246163A公开了一种近钻头动态井斜测量方法及装置，通过1个轴向加速度计和2n个径向加速度计测量动态井斜角，利用对置的径向加速度计消除离心加速度的影响，通过滤波器滤除信号中的高频振动和冲击信号。上述方法仅通过加速度传感器实现井斜的动态测量，并未涉及方位角的动态测量，单一的井斜角参数无法确定井眼轨迹信息。另外该方法存在使用传感器较多，相应带来功耗的增加，这将给近钻头有限空间下安装及电池供电时井下长时间工作带来困难。
技术实现思路
本专利技术给出一种近钻头方位动态测量方法，通过加速度计测量重力加速度沿钻具轴向的分量，磁力计测量地磁场沿钻具径向的分量，根据当地的地磁场强度、磁倾角和重力场总强度数据，从而计算动态方位角。与传统MWD系统相比，该方法不测量沿钻具轴向的地磁场分量和径向的重力场分量，避免了钻具磁化产生的轴向磁干扰对轴向地磁场分量测量的影响，以及旋转产生的离心加速度和径向振动对径向重力场分量测量的影响，可实现钻进过程中方位角的动态测量。本专利技术提供的方位动态测量装置，使用的传感器数量由6支减少为3支，节省了安装空间，降低了传感器部分的功耗，特别适合于近钻头测量对安装尺寸和功耗要求敏感的应用场合。本专利技术所采用的技术方案如下：一种近钻头方位动态测量装置，所述测量装置包括：近钻头测量短节(14)，钻头(18)和定向钻井工具(13)，所述近钻头测量短节(14)分别与钻头(18)和定向钻井工具(13)相连，所述近钻头测量短节(14)随所述钻头(18)一起旋转；近钻头方位动态测量传感器安装在所述近钻头测量短节(14)中；所述近钻头方位动态测量传感器包括1支加速度计(17)和2支磁力计(15，16)，所有传感器均紧邻所述钻头(18)安装，1支所述加速度计沿钻具轴向安装，测量重力加速度沿钻具轴向分量Az，2支所述磁力计沿钻具径向安装，测量地磁场沿径向的2个分量Bx和By，Bx和By两个分量相互垂直，且与轴向相互正交，X，Y，Z方向符合右手坐标系。其中，所述近钻头测量短节(14)内安装加速度计和磁力计信号采集和处理电路(19)，所述信号采集和处理电路(19)与所述加速度计(17)和所述磁力计相连(15，16)。其中，所述近钻头测量短节(14)可安装振动测量传感器、伽马传感器等。一种采用上述近钻头方位动态测量装置的近钻头方位动态测量方法，(1)在钻井的过程中，一段时间内连续记录磁力计和加速度计数据，测量数据包括一个轴向加速度计数据Az，和两个径向磁力计数据Bx，By；(2)处理轴向加速度计测量的加速度数据Az，消除因加速度计非严格轴向安装而观测到的径向加速度分量，获得无干扰的轴向加速度计测量结果az；(3)利用无干扰的轴向加速度计测量数据az和当地的重力加速度总场值G，计算动态井斜角θ；(4)处理两个径向磁力计测量的磁场数据，修正硬铁干扰和软铁干扰，获得无干扰的径向磁力计测量数据bx,by；(5)根据当地地磁总场值B0和地磁倾角β，计算地磁场垂向分量BV和北向分量BN；(6)根据当地地磁总场值B0和无干扰的径向磁力计测量数据bx,by，计算沿钻具轴向的地磁场分量Bz；(7)根据地磁场垂向分量BV，轴向磁场分量Bz、动态井斜角θ，计算钻具轴向在水平面投影方向的水平磁场分量BH；(8)根据钻具轴向在水平面投影方向的水平磁场分量BH和地磁场北向分量BN,计算动态方位角ψ。其中，所述近钻头方位动态测量方法中步骤(2)，处理轴向加速度计测量的加速度数据Az，消除因加速度计非严格轴向安装而观测到的径向加速度分量的方法包括低通滤波法、滑动平均滤波法中的一种或两种方法组合。其中，所述近钻头方位动态测量方法中步骤(4)，处理两个径向磁力计测量的磁场数据，修正硬铁干扰和软铁干扰方法包括以下两种方法中的一种或两种方法组合：1)求取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种近钻头方位动态测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：近钻头测量短节(14)，钻头(18)和定向钻井工具(13)，所述近钻头测量短节(14)分别与钻头(18)和定向钻井工具(13)相连，所述近钻头测量短节(14)随所述钻头(18)一起旋转；近钻头方位动态测量传感器安装在所述近钻头测量短节(14)中；所述近钻头方位动态测量传感器包括1支加速度计(17)和2支磁力计(15，16)，所有传感器均紧邻所述钻头(18)安装，1支所述加速度计沿钻具轴向安装，测量重力加速度沿钻具轴向分量Az，2支所述磁力计沿钻具径向安装，测量地磁场沿径向的2个分量Bx和By，Bx和By两个分量相互垂直，且与轴向相互正交，X，Y，Z方向符合右手坐标系。

【技术特征摘要】
1.一种近钻头方位动态测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：近钻头测量短节(14)，钻头(18)和定向钻井工具(13)，所述近钻头测量短节(14)分别与钻头(18)和定向钻井工具(13)相连，所述近钻头测量短节(14)随所述钻头(18)一起旋转；近钻头方位动态测量传感器安装在所述近钻头测量短节(14)中；所述近钻头方位动态测量传感器包括1支加速度计(17)和2支磁力计(15，16)，所有传感器均紧邻所述钻头(18)安装，1支所述加速度计沿钻具轴向安装，测量重力加速度沿钻具轴向分量Az，2支所述磁力计沿钻具径向安装，测量地磁场沿径向的2个分量Bx和By，Bx和By两个分量相互垂直，且与轴向相互正交，X，Y，Z方向符合右手坐标系。2.根据权利要求1所述的近钻头方位动态测量装置，其特征在于，所述近钻头测量短节(14)内安装加速度计和磁力计信号采集和处理电路(19)，所述信号采集和处理电路(19)与所述加速度计(17)和所述磁力计相连(15，16)。3.根据权利要求1所述的近钻头方位动态测量装置，其特征在于，所述近钻头测量短节(14)可安装振动测量传感器、伽马传感器等。4.一种采用如权利要求1-3所述的近钻头方位动态测量装置的近钻头方位动态测量方法，其特征在于，(1)在钻井的过程中，一段时间内连续记录磁力计和加速度计数据，测量数据包括一个轴向加速度计数据Az，和两个径向磁力计数据Bx，By；(2)处理轴向加速度计测量的加速度数据Az，消除...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文秀，陈文轩，底青云，孙云涛，杨永友，郑健，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11