随钻井径高精度测量方法及测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种随钻井径高精度测量方法及测量装置属于井下测量工具方法，超声井径测量装置是以声脉冲反射波为基础，通过对超声波井壁反射波渡越时间的测量，求取井眼的井径和形状，测得装置与井壁距离，并结合安装在装置周围的三个超声波传感器测得井径的大小

【技术实现步骤摘要】
随钻井径高精度测量方法及测量装置


[0001]本专利技术属于井下测量工具及测量方法，特别是涉及到一种随钻井径高精度测量方法及测量装置
。

技术介绍

[0002]井下声波测径仪的采样技术，都是以模拟信号处理技术为基础，采用超声模拟前端，进行高速
AD
采样转换成数字信号，数字信号进入
DSP
数据处理模块，再由
MCU
计算出渡越时间，软
、
硬件处理过程都很复杂，需要经验及其丰富的工程师才能完成
。
一般用于
MWD
测径工具的井下超声波发射器的频率范围为
200
～
500kHz。
当完全用模拟技术进行计时测量，测得第一回波可能误差将大大增加
。
声波往返一次的时间误差也会成为计算中的另一较大误差因素
。
例如，应用模拟检测技术时，测得第一回波的测量误差约为
3us
，这使在水中的间隙误差约为
2.76mm。
对声波
MWD
测径仪，运用信号数字化技术，数字信号处理器
(DSP)
和实际过零点技术，可使测量误差减至
0.1us
，在水中的间隙误差为
0.76mm。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在于克服现有技术的不足，提供了随钻井径高精度测量方法及测量装置
。
[0004]本专利技术的随钻井径高精度测量方法，是通地下列步骤实现的：超声井径测量装置是以声脉冲反射波为基础，通过对超声波井壁反射波渡越时间的测量，求取井眼的井径和形状，装置与井壁距离的表达式为：
[0005][0006]式中：
d
‑
间距；
V
‑
钻井液的声速；
T
‑
发射脉冲与返回脉冲的时间间隔；
[0007]井径
Dh
由下式可得：
[0008]Dh ＝
2*(d1+d2+d3+3r)/3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0009]式中：
d1、d2、d3，分别是指三个超声波传感器分别到井壁的距离，
r
为测量装置的半径
。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，渡越时间是通过下列方式测得：通过时间与数字的转换
TDL
，是用点火脉冲触发标注电流
Ima
对标准电容
CAD
充电，当主回波脉冲到达时停止对电容充电，同时触发
AD
转换测得
CAD
电压
VAD
，其公式为：
T
＝
C
AD
*V
AD
/Ima,
由此计算得出的渡越时间是：
[0011]使用
12
位
A/D
＝
4096
个计数；
[0012]恒流源充电电流
Ima
＝
5.5uA
；
[0013]标准电容
C
AD
＝
3.9nF
；
[0014]A/D
参考电压＝
2.5V
；
[0015]平均声速＝
1.47mm/us
；
[0016]1个
A/D
计数＝
2.5/4096
＝
0.61035mV
；
[0017]时间分辨率：
T
＝
3.9nF*0.61035mV/5.55.5uA
＝
43.3Ns。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，采用五个超声传感器对圆形钻孔进行测量，其中三个传感器用于距离测量，另外两个用于对井下泥浆声速的测量，三个传感器的每个的测距值来计算钻孔圆的直径
。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，泥浆声速的测量是采用一对传感器对水眼内泥浆声速进行实时测量
。
[0020]本专利技术的随钻井径高精度测量装置，是在钻头和钻杆之间增设了井壁探测器构成，所述的井壁探测器是由有上接头和下接头的管柱中从上到下依次组装了电源模块
、
数据处理模块和电子眼模块构成；在电子眼模块的圆周上设有1～6个安装孔，安装孔与管柱环周上的视孔相对应，在每个视孔上均置有超声波传感器与安装孔相固定；在数据处理模块和电源模块之间的管柱上开数据线插孔
。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，在电子眼模块的圆周同一截面上设有互成
120
°
的3个安装孔，每个安装孔分别与管柱上的视孔相对应
。
[0022]作为本专利技术的进一步改进，在电子眼模块上的一相对安装孔中分别安装有发射传感器和接收传感器
。
[0023]作为本专利技术的进一步改进，所述的数据处理模块包含
MCU
数字处理器板和传感器驱动板；
MCU
数字处理器板上设有3轴磁通门和3轴加速度计；
MCU
数字处理器板中装有井下
16
位处理器
、256Mb FLASH
存储器和
1553B
总线
。
[0024]作为本专利技术的进一步改进，传感器驱动板包含传感器驱动电路
、TDC
功能处理芯片和电源转换电路，用以驱动超声波传感器和发射传感器
。
[0025]作为本专利技术的进一步改进，电源模块向数据处理模块和电子眼模块输送工作电源，电子眼模块是向井壁发射探测电磁波，并获取井壁吸收并反射电磁波，该探测的电磁信号送入数据处理模块进行分析处理，即获得钻井进程中任意位置和任意角度的井筒直径和形状数据，该结果数据是通过设于管柱中部处数据线插孔读取
。
[0026]本专利技术的随钻井径高精度测量方法及测量装置，使第一回波的测量误差减小到
43nS
，在水中的间隙误差为
0.03mm。
从电池的耗电上看，使用模拟技术实现大概需要
5W
以上的功耗；运用信号数字化技术实现大约需要
10W
以上的功耗；而使用
TDC
技术最大需要
0.9W。
同时，使用
TDC
技术实现随钻井径工具具有明显优势
。
另外通过采用复合材料传感器，能增强探测反射波的能力，即使信号衰减较大
(
间距较大或钻井液比重大
)
，也可探测到反射波
。
即使在加重钻井液
(1.9
～
2.2g/cm3)
中，探测间距达
50
～
75mm。
另外，通过信号处理可消除邻近效应，无需声波延迟线
。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
随钻井径高精度测量方法，是通地下列步骤实现的：超声井径测量装置是以声脉冲反射波为基础，通过对超声波井壁反射波渡越时间的测量，求取井眼的井径，装置与井壁距离的表达式为：式中：
d
‑
间距；
V
‑
钻井液的声速；
T
‑
发射脉冲与返回脉冲的时间间隔；井径
Dh
由下式可得：
Dh ＝
2*(d1+d2+d3+3r)/3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
式中：
d1、d2、d3，分别是指三个超声波传感器分别到井壁的距离，
r
为测量装置的半径
。2.
如权利要求1所述的随钻井径高精度测量方法，其特征在于渡越时间是通过下列方式测得：通过时间与数字的转换
TDL
，是用点火脉冲触发标注电流
Ima
对标准电容
CAD
充电，当主回波脉冲到达时停止对电容充电，同时触发
AD
转换测得
C
AD
电压
V
AD
，其公式为：
T
＝
C
AD
*V
AD
/Ima,
由此计算得出的渡越时间是：使用
12
位
A/D
＝
4096
个计数；恒流源充电电流
Ima
＝
5.5uA
；标准电容
C
AD
＝
3.9nF
；
A/D
参考电压＝
2.5V
；平均声速＝
1.47mm/us
；1个
A/D
计数＝
2.5/4096
＝
0.61035mV
；时间分辨率：
T
＝
3.9nF*0.61035mV/5.55.5uA
＝
43.3Ns。3.
如权利要求1所述的随钻井径高精度测量方法，其特征在于采用五个超声传感器对圆形钻孔进行测量，其中三个传感器用于距离测量，另外两个用于对井下泥浆声速的测量，三个传感器的每个的测距值来计算钻孔圆的直径
。4.
如权利要求3所述的随钻井径高精度测量方法，其特征在于泥浆声速的测量是采用一对传感器对水眼
(16)
内泥浆声速进行实时测量
。5.
随钻井径高精度测量装置，是在钻头和钻杆之间增设了井壁探测器构成，其特征在于井壁探测器是由有上接头
(1)
和下接头
(2)<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘江，
申请(专利权)人：刘江，
类型：发明
国别省市：