随钻地震振动信号采集系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种能够满足随钻地震工程应用要求的随钻地震钻头振动信号测量系统。包括钻头振动信号采集、传输和处理三部分，钻头振动信号的采集部分采用独立的钻头振动信号采集短节，钻头振动信号处理是由预装钻头振动信号采集分析软件的计算机进行，钻头振动信号采集短节与计算机之间以无线局域网的方式进行传输。其中，钻头振动信号采集短节是在短节的中部外周边预设传感器仓、电池仓、电路板仓和无线模块仓；其中，传感器为三分量加速度计；电路板的电路包括滤波调理、信号放大、A/D调制、数字滤波、微处理器、实时时钟、D/A测试、存储器和GPS。本发明采用与钻柱刚性连接，信号质量好，施工方便，保障钻井施工安全。
【专利说明】随钻地震振动信号采集系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油钻井工程装置领域中的一种沿钻柱传播的随钻地震钻头振动信号测量系统，特别适用于在随钻地震中对井下钻头振动信号进行采集、传输和处理。
【背景技术】
[0002]随钻地震是国外近年来发展起来的一种新的井中地震方法，是在石油钻井过程中以钻头破岩时产生的振动作为地下震源，通过在钻柱上采集到的钻头振动信号和在地面测线上采集到的钻头信号经过各种处理后，进行地层特征评价的一项技术。随钻地震实时地确定钻头在地面地震时间剖面上的位置，并能实时地预测钻头前方的地层压力情况，从而协助钻井安全决策和优化套管设计。
[0003]虽然在石油钻井中钻头附近采集钻头信号质量较好，但由于数据量大，缺少实时传输手段，不能及时把采集到的数据进行及时处理，不能实时指导钻井施工。振动信号传感器参数的选择及其安装位置，对于记录高质量的信号起着关键的作用，必须确保它们与钻杆之间是紧密接触，使得记录的数据能够与轴向、横向以及径向上钻机结构的振动进行对t匕，并辨认、识别出由于钻头钻压作用于地层而产生的振动，给钻头振动信号的提取提供高质量的信号源。
[0004]目前随钻地震中钻头信号采集，最流行的体系结构是三分量加速度计安装在方钻杆上方水龙带的位置，通过电缆连接至参考信号的采集、处理设备，经过信号放大、滤波、A/D转换等，转变成数字信号存储起来，以备数据取出和地面检波器组取得数据一起经过专门软件处理，获取地震剖面。在钻井过程中，由于水龙带的摆动，容易把信号电缆扯断，由于安装位置的关系，采集到的信号质量较差，一致最后影响到整个测量结果的精确度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种能够满足随钻地震工程应用要求的随钻地震钻头振动信号测量系统。
[0006]本发明的技术方案包括:
一种随钻地震钻头振动信号测量系统，包括钻头振动信号采集、传输和处理三部分，钻头振动信号的采集部分采用独立的钻头振动信号采集短节，钻头振动信号处理是由预装钻头振动信号采集分析软件的计算机进行，钻头振动信号采集短节与计算机之间以无线局域网的方式进行传输。其中，钻头振动信号采集短节是在短节的中部外周边预设传感器仓、电池仓、电路板仓和无线模块仓，四个仓之间由导线槽连通，四个仓内对应安装传感器、电池、电路板和无线模块；其中，传感器为三分量加速度计；电路板的电路包括滤波调理单元、信号放大单元、A/D调制单元、数字滤波单元、微处理器单元、实时时钟单元、D/A测试单元、存储器单元和GPS单元，无线模块即无线通讯单元采用wifi模块。四个仓内分别设置防爆外壳，对应的传感器、电池、电路板和无线模块设在防爆外壳内。
[0007]另一种随钻地震钻头振动信号测量系统，包括钻头振动信号采集、传输和处理三部分，钻头振动信号的采集部分采用独立的钻头振动信号采集短节，钻头振动信号处理是由预装钻头振动信号采集分析软件的计算机进行，钻头振动信号采集短节与计算机之间以无线局域网的方式进行传输。其中，在短节的中部外周边设有环形槽，环形槽内通过防爆外壳间隔为传感器仓、电池仓、电路板仓和无线模块仓，四个仓内对应安装传感器、电池、电路板和无线模块；其中，传感器为三分量加速度计；电路板的电路包括滤波调理单元、信号放大单元、A/D调制单元、数字滤波单元、微处理器单元、实时时钟单元、D/A测试单元、存储器单元和GPS单元，无线模块即无线通讯单元采用wifi模块。
[0008]上述两种方案中，所述钻头振动信号采集短节的上下端分别带有连接头；GPS天线置于无线模块外侧。所述的加速度计单元采用3分量ICP型压电加速度计；滤波调理单元进行低通滤波、单端转差分转换；信号放大单元由低噪声、极小谐波失真、增益可编程的差分输入、差分输出运算放大器CS3301及相关外围电路组成，完成模数转换前的信号放大；A/D调制单元由高动态范围、低谐波失真、4阶Λ-Σ型调制器CS5371、CS5372及相关外围电路组成；数字滤波单元由低功耗、高效率的多功能24位Δ - Σ型数字滤波其CS5376级相关电路组成；微处理器单元由片内资源丰富及多种外部接口的完全集成的混合信号片上系统C8051F340及外围电路组成；实时时钟单元由低成本、具有集成的温度补偿晶体振荡器(TCXO)的高精度实时时钟(RTC)器件所构成；D/A测试单元由低功耗高性能的检测数模转换器CS4373组成，用于传感器的检测及系统的校准；GPS单元由GPS OEM模块及GPS天线组成、实时接收GPS的位置及时间信息，和实时时钟单元一起组成装置的精确时标系统；存储器单元由SD卡及其读写系统组成，在特殊情况下进行数据的暂存。
[0009]本发明的系统应用在钻井过程中，利用钻头钻进过程中撞击地层产生的地震波作为震源，通过随钻地震钻头振动信号测量系统将沿钻柱传播的钻头振动信号转换为数字信号，与GPS产生的时间信息一起形成钻头信号采集数据，利用无线路由器形成的井场局域网，实现随钻地震钻头振动信号测量系统与中心计算机的双向无线通讯，通过中心计算机软件实时处理分析进行地层特征评价、实时地预测钻头前方的地层压力情况以及进行钻具故障分析。
[0010]本发明具有以下积极效果:
本发明在正常钻进时采集钻头信号、起下钻及停钻时采集背景噪声信号，便于有用信号的提取；与钻柱刚性连接、信号质量好，施工方便，不影响钻井生产过程；为钻井人员提供钻头前方地层特征，进行待钻地层压力预测及钻具故障诊断分析，保障钻井施工安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是一种随钻地震钻头振动信号测量系统典型应用示意图；
图2是一种钻头振动信号采集短节的径向剖面图；
图3是图2中A-A剖面图；
图4是图2中B-B剖面图；
图5是钻头振动信号采集短节的电路示意图。
【具体实施方式】
[0012]结合说明书附图对本发明进一步描述。[0013]参照附图1，钻头振动信号采集短节28安装在方钻杆31与钻杆30、钻头29之间，通过上端母扣与方钻杆31连接、下端公扣与钻杆30连接。参照图2、图3和图4，在短节本体I的中部四侧分别铣出4个空腔，分别是电路板仓3、电池仓8、传感器仓9、无线模块仓11，并分别开模制作防爆外壳置于四个仓中。其中:参照图5，电路板5置于电路板仓3的防爆外壳7中，包括滤波调理单元33、信号放大单元34、A/D调制单元35、数字滤波单元36、微处理器单元37、实时时钟单元38、D/A测试单元39、GPS单元40、存储器单元42 ;锂电池组6置于电池仓8的防爆外壳4中；三分量加速度计10置于传感器仓9的防爆外壳中；无线WIFI设备13 (即无线通讯单元41)和GPS天线12置于无线模块仓11的防爆外壳中。
[0014]如图3和4所示，在四个空腔的顶部边沿部分铣出三道导线槽2，使四个腔连通起来，为了方便更换电池和必要时取出SD卡，还分别设置了电池壳体定位销和主机壳体定位销。
[0015]参照图5，在钻井过程中，加速度计单元32采用3分量(X/Y/Z) ICP型压电加速度计；滤波调理单元33进行低通滤波、单端转差分转换；信号放大单元34由低噪声、极小谐波失真、增益可编程的差分输入、差分输出运算放大器CS3301及相关外围电路组成，完成模数转换前的信号放大；A/D调制单元35由高动态范围、低谐波失真、4阶Λ - Σ型调制器CS5371、CS5372及相关外围电路组成；数字滤波单元36由低功耗、高效率的多功能24位Δ - Σ型数字滤波其CS5376级相关电路组成；微处理器单元37由片内资源丰富及多种外部接口的完全集成的混合信号片上系统C8051F340及外围电路组成；实时时钟单元38由低成本、具有集成的温度补偿晶体振荡器(TCXO)的高精度实时时钟(RTC)器件所构成；D/A测试单元39由低功耗高性能的检测数模转换器CS4373组成，用于传感器的检测及系统的校准；GPS单元40由GPS OEM模块及GPS天线组成、实时接收GPS的位置及时间信息，和实时时钟单元38 —起组成装置的精确时标系统；存储器单元42由SD卡及其读写系统组成，在特殊情况下进行数据的暂存。
[0016]无线路由器26形成井场无线局域网，通过该无线网络实现随钻地震钻头振动信号测量系统与中心计算机27的实时数据交换。
[0017]计算机通过对采集到的钻头振动信号进行处理分析，结合地面采集的沿地层传播的钻头信号的处理分析，对进行地层特征评价、实时地预测钻头前方的地层压力情况以及进行钻具故障分析。
[0018]在上述实施例的基础上进行如下改进。即在短节的中部外周边设有环形槽，环形槽内通过防爆外壳间隔为传感器仓、电池仓、电路板仓和无线模块仓，四个仓内对应安装传感器、电池、电路板和无线模块。改进后具有与上述实施例同样的效果，就不再详述。
【权利要求】
1.一种随钻地震钻头振动信号测量系统，包括钻头振动信号采集、传输和处理三部分，其特征在于:钻头振动信号的采集部分采用独立的钻头振动信号采集短节，钻头振动信号处理是由预装钻头振动信号采集分析软件的计算机进行，钻头振动信号采集短节与计算机之间以无线局域网的方式进行传输；所述的钻头振动信号采集短节是在短节的中部外周边预设传感器仓、电池仓、电路板仓和无线模块仓，四个仓之间由导线槽连通，四个仓内对应安装传感器、电池、电路板和无线模块；其中，传感器为三分量加速度计；电路板的电路包括滤波调理单元、信号放大单元、A/D调制单元、数字滤波单元、微处理器单元、实时时钟单元、D/A测试单元、存储器单元和GPS单元，无线模块即无线通讯单元采用wifi模块。
2.根据权利要求1所述的随钻地震钻头振动信号测量系统，其特征在于:所述的三分量加速度计单元采用3分量ICP型压电加速度计；信号放大单元采用差分输入、差分输出运算放大器CS3301及外围电路；A/D调制单元采用4阶Λ - Σ型调制器CS5371、CS5372及外围电路；数字滤波单元采用多功能24位Λ - Σ型数字滤波器CS5376 ;微处理器单元采用混合信号片系统C8051F340及外围电路；实时时钟单元采用温度补偿晶体振荡器TCXO的高精度实时时钟RTC器件；D/A测试单元采用检测数模转换器CS4373 ;GPS单元由GPS OEM模块及GPS天线组成，和实时时钟单元一起组成装置的精确时标系统；存储器单元由SD卡及其读写系统组成。
3.根据权利要求1或2所述随钻地震钻头振动信号测量系统，其特征在于:钻头振动信号采集短节的上下端分别带有连接头；四个仓内分别设置防爆外壳，对应的传感器、电池、电路板和无线模块设在防爆外壳内；所述GPS天线置于模块外侧。
4.一种随钻地震钻头振动信号测量系统，包括钻头振动信号采集、传输和处理三部分，其特征在于:钻头振动信号的采集部分采用独立的钻头振动信号采集短节，钻头振动信号处理是由预装钻头振动信号采集分析软件的计算机进行，钻头振动信号采集短节与计算机之间以无线局域网的方式进行传输；其特征在于:在短节的中部外周边设有环形槽，环形槽内通过防爆外壳间隔为传感器仓、电池仓、电路板仓和无线模块仓，四个仓内对应安装传感器、电池、电路板和无线模块；其中，传感器为三分量加速度计；电路板的电路包括滤波调理单元、信号放大单元、A/D调制单元、数字滤波单元、微处理器单元、实时时钟单元、D/A测试单元、存储器单元和GPS单元，无线模块即无线通讯单元采用wifi模块。
5.根据权利要求4所述的随钻地震钻头振动信号测量系统，其特征在于:所述的三分量加速度计单元采用3分量ICP型压电加速度计；信号放大单元采用差分输入、差分输出运算放大器CS3301及外围电路；A/D调制单元采用4阶Λ - Σ型调制器CS5371、CS5372及外围电路；数字滤波单元采用多功能24位Λ - Σ型数字滤波器CS5376 ;微处理器单元采用混合信号片系统C8051F340及外围电路；实时时钟单元采用温度补偿晶体振荡器TCXO的高精度实时时钟RTC器件；D/A测试单元采用检测数模转换器CS4373 ;GPS单元由GPS OEM模块及GPS天线组成，和实时时钟单元一起组成装置的精确时标系统；存储器单元由SD卡及其读写系统组成。
6.根据权利要求4或5所述的随钻地震钻头振动信号测量系统，其特征在于:所述钻头振动信号采集短节的上下端分别带有连接头；GPS天线置于无线模块外侧。
【文档编号】E21B47/12GK103696764SQ201210368431
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年9月28日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】曹忠成, 耿应春, 王爱凤, 于丽丽, 李玉红, 崔谦, 范寅聪, 解莉萍 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院