一种近钻头动态井斜测量装置和方法与流程

本发明涉及定向钻井施工技术领域，尤其涉及一种近钻头动态井斜测量装置和方法。

背景技术：

随着世界经济的发展，人们对于石油、天然气等不可再生资源的需求越来越大，使得石油等资源的供应面临着巨大的压力。在地下石油和天然气开采领域，定向钻井技术起着越来越重要的作用，其中，钻头处轨迹参数的动态精确获取成为定向钻井领域最为前沿的课题。现在国外已经开发出基于旋转导向工具的近钻头传感器，可以测量距离钻头1m范围内的井斜、动态电阻率等参数，实时掌握所钻地层的情况。但是，这种近钻头井下随钻测量设备的技术难度大，成本高，在石油和天然气开采中还没有被普遍使用。

目前，主要采用井斜测井方法，利用磁北针和方位环形电位器测量井轴的倾角和方位角，来得到井下钻具的钻进方向。

但是，这种测量方法只能进行定点静态测量，测量精度和实时性差，而为了提高精度，一般可以通过加密测点的方法，但是，测点加密后，会降低钻井效率。同时，在近钻头井斜测量方法中，存在较多方面的误差，而目前对于误差的修正不完善，导致测量结果有较大偏差，不能准确的获知井轴的倾角和方位角。另外，由于井下作业环境恶劣，数据的实时传输实现较为困难，因此，动态实时测量难度较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种近钻头动态井斜测量装置和方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种近钻头动态井斜测量装置，包括：抗压筒和钻头，所述抗压筒从上至下依次安装有：液压设备、电气设备和传感器设备，所述传感器设备和所述液压设备均与所述电气设备数据连接，所述抗压筒的下部连接有所述钻头，所述液压设备与所述钻头数据连接；

所述传感器设备包括第一传感器组和第二传感器组，所述第一传感器组包括第一径向加速度计、第一切向加速度计和第一轴向加速度计，所述第二传感器组包括第二径向加速度计、第二切向加速度计和第二轴向加速度计，所述第一传感器组和所述第二传感器组分别用于测量旋转导向工具总加速度在径向、切向和轴向的分量；所述第一传感器组和所述第二传感器组在所述抗压筒上径向对称安装，且安装位置距所述抗压筒轴线的距离相等。

优选地，所述电气设备包括数据处理模块、通信模块和控制模块，所述数据处理模块与所述传感器设备数据连接，所述控制模块与所述液压设备数据连接，所述通信模块和所述数据处理模块均与所述控制模块数据连接。

优选地，所述电气设备还包括高压电源模块，所述高压电源模块分别与所述数据处理模块、通信模块和控制模块连接。

一种近钻头动态井斜测量方法，包括如下步骤：

s1a，利用上述的近钻头动态井斜测量装置测量旋转导向工具总加速度在径向和切向的分量；

s2a，根据s1a中测量得到的总加速度在径向和切向的分量，分别计算重力加速度在径向和切向的分量值gx和gy；

s3a，根据如下公式计算井斜：

优选地，s2中，gx按照如下公式计算得到：

ax1＝ac-gx，

ax2＝-ac-gx，

式中，

ax1为总加速度在第一径向加速度计处沿径向方向的分量；

ax2为总加速度在第二径向加速度计处沿径向方向的分量；

ac为径向加速度，

gx为重力加速度g沿x轴方向的分量；

gy按照如下公式计算得到：

ay1＝at-gy，

ay2＝-at-gy，

式中，

ay1为总加速度在第一切向加速度计处沿切向方向的分量；

ay2为总加速度在第二切向加速度计处沿切向方向的分量；

at为切向加速度，

gy为重力加速度g沿y轴方向的分量。

一种近钻头动态井斜测量方法，包括如下步骤：

s1b，利用上述的近钻头动态井斜测量装置测量旋转导向工具总加速度在径向、切向和轴向的分量；

s2b，根据s1b中测量得到的总加速度在径向、切向和轴向的分量，分别计算重力加速度在径向、切向和轴向的分量值gx、gy和gz；

s3b，根据如下公式计算井斜：

优选地，s2b中，gx按照如下公式计算得到：

ax1＝ac-gx，

ax2＝-ac-gx，

式中，

ax1为总加速度在第一径向加速度计处沿径向方向的分量；

ax2为总加速度在第二径向加速度计处沿径向方向的分量；

ac为径向加速度，

gx为重力加速度g沿x轴方向的分量；

gy按照如下公式计算得到：

ay1＝at-gy，

ay2＝-at-gy，

式中，

ay1为总加速度在第一切向加速度计处沿切向方向的分量；

ay2为总加速度在第二切向加速度计处沿切向方向的分量；

at为切向加速度，

gy为重力加速度g沿y轴方向的分量；

gz按照如下公式计算得到：

az1为总加速度在第一轴向加速度计处沿轴向方向的分量；

az2为总加速度在第二轴向加速度计处沿轴向方向的分量；

gz为重力加速度g沿z轴方向的分量。

优选地，s3b中，gx、gy、gz均为在一段时间内的平均值。

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的一种近钻头动态井斜测量装置和方法，通过采用三轴传感器组对称布置的方式，测量总加速度在三轴(径向、切向和轴向)的分量，再根据力的合成原理计算得到重力加速度在三轴(径向、切向和轴向)的分量，进而利用井斜的计算公式得到其结果。这种井斜测量装置和方法，由于三轴传感器组安装在近钻头处，测量结果相对于钻头位置滞后较小，所以，可以实现近钻头处井斜的实时测量。而且，本发明中，利用抗压筒的旋转产生的加速度和重力加速度分量的关系，实现动态下井斜数据的测量，实用性强，更有利于控制井眼轨迹，提高钻进效率和采收率；而且只需要两组加速度计就可以实现井斜的动态测量，具有体积小、重量轻，便于井下作业等优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的近钻头动态井斜测量装置结构示意图；

图2是传感器设备布局结构示意图；

图3是图2的a-a剖视图；

图4是加速度的分解示意图。

图中，各符号的含义如下：

1、旋转导向工具；2、液压设备；3、电气设备；4、传感器设备；4a、第一传感器组；4b、第二传感器组；5、钻头；6、抗压筒；7、数据处理模块；8、高压电源模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1-3所示，本发明实施例提供了一种近钻头动态井斜测量装置，包括：抗压筒6和钻头5，抗压筒6从上至下依次安装有：液压设备2、电气设备3和传感器设备4，传感器设备4和液压设备2均与电气设备3数据连接，抗压筒6的下部连接有钻头5，液压设备2与钻头5数据连接；

传感器设备4包括第一传感器组4a和第二传感器组4b，第一传感器组4a包括第一径向加速度计、第一切向加速度计和第一轴向加速度计，第二传感器组4b包括第二径向加速度计、第二切向加速度计和第二轴向加速度计，第一传感器组4a和第二传感器组4b分别用于测量旋转导向工具总加速度在径向、切向和轴向的分量；第一传感器组4a和第二传感器组4b在抗压筒6上径向对称安装，且安装位置距抗压筒6轴线的距离相等。

上述结构的近钻头动态井斜测量装置，其工作原理为：

通过在抗压筒上径向对称安装两组三轴加速度计，分别测量加速度计所在位置的各轴加速度数据，两组三轴加速度计将测量得到的所在位置的各轴加速度数据通过通信模块发送至电气设备的数据处理模块中，数据处理模块进行以下处理：将重力加速度沿上述各轴的方向进行分解，根据测量得到的总加速度在各轴上的分量，计算得到重力加速度在各轴的分量值，进而计算得到井斜数据。并将计算得到的井斜数据发送至控制模块，控制模块根据井斜数据，对液压设备进行控制，液压设备执行控制指令，从而完成对钻头的控制。同时，数据处理模块将计算得到的井斜数据通过通信模块发送至地面，以便地面人员能够即时调整钻进方向，使钻具保持更加合理的钻进轨迹。

由于在抗压筒旋转的过程中，在径向、切向和轴向均产生加速度，而且各加速度的大小和方向不断变化，所以，采用本申请的装置，可以测量得到各轴的实时加速度数据，进而计算得到实时井斜数据，因此，实现了井斜数据的动态测量。

其中，如图4所示，将重力加速度沿上述各轴的方向进行分解，根据测量得到的总加速度在各轴上的分量，计算得到重力加速度在各轴的分量值，进而计算得到井斜数据，具体可以按照如下方法进行实施：

s1a，利用实施例一所述的近钻头动态井斜测量装置测量旋转导向工具总加速度在径向和切向的分量；

s2a，根据s1a中测量得到的总加速度在径向和切向的分量，分别计算重力加速度在径向和切向的分量值gx和gy；

s3a，根据如下公式计算井斜：

其中，s2a中，gx可以按照如下公式计算得到：

ax1＝ac-gx，

ax2＝-ac-gx，

式中，

ax1为总加速度在第一径向加速度计处沿径向的分量；

ax2为总加速度在第二径向加速度计处沿径向的分量；

ac为径向加速度，

gx为重力加速度g沿径向x轴的分量；

gy可以按照如下公式计算得到：

ay1＝at-gy，

ay2＝-at-gy，

式中，

ay1为总加速度在第一切向加速度计处沿径向的分量；

ay2为总加速度在第二切向加速度计处沿径向的分量；

at为切向加速度，

gy为重力加速度g沿切向y轴的分量。

该实施过程中，没有考虑冲击和振动造成的加速度分量，在给定条件下，侧向加速度基本上都是单向的，因此可以将其类比为重力加速度的一种。因此，振动加速度分量可以以重力加速度的形式被抵消，在重力测量方面，对于振动加速度的影响可以用一些方式做出补偿，比如在一些情况下利用gx、gy和gz的平均值，消除振动加速度的影响。

此时，井斜的计算方法为

gx和gy可以按照上述方法计算得到，gz可以按照如下方法计算得到：

az1为总加速度在第一轴向加速度计处沿轴向方向的分量；

az2为总加速度在第二轴向加速度计处沿轴向方向的分量；

gz为重力加速度g沿z轴方向的分量；

az1为总加速度在第一轴向加速度计处沿轴向方向的分量；

az2为总加速度在第二轴向加速度计处沿轴向方向的分量；

gz为重力加速度g沿z轴方向的分量。

在本发明的一个优选实施例中，电气设备3包括数据处理模块7、通信模块和控制模块，数据处理模块7与传感器设备4数据连接，所述控制模块与液压设备2数据连接，所述通信模块和数据处理模块7均与所述控制模块数据连接。

在本发明的又一个优选实施例中，电气设备3还包括高压电源模块8，高压电源模块8分别与数据处理模块7、通信模块和控制模块连接。

实施例二

本发明实施例提供了一种近钻头动态井斜测量方法，包括如下步骤：

s1a，利用实施例一所述的近钻头动态井斜测量装置测量旋转导向工具总加速度在径向和切向的分量；

s2a，根据s1a中测量得到的总加速度在径向和切向的分量，分别计算重力加速度在径向和切向的分量值gx和gy；

s3a，根据如下公式计算井斜：

其中，s2a中，gx可以按照如下公式计算得到：

ax1＝ac-gx，

ax2＝-ac-gx，

式中，

ax1为总加速度在第一径向加速度计处沿径向的分量；

ax2为总加速度在第二径向加速度计处沿径向的分量；

ac为径向加速度，

gx为重力加速度g沿x轴的分量；

gy可以按照如下公式计算得到：

ay1＝at-gy，

ay2＝-at-gy，

式中，

ay1为总加速度在第一切向加速度计处沿径向的分量；

ay2为总加速度在第二切向加速度计处沿径向的分量；

at为切向加速度，

gy为重力加速度g沿y轴的分量。

上述方法中，如图4所示的加速度分析图，两组加速度计分别测量所在位置的总加速度分量，抗压筒旋转时，在径向和切向方向产生相应的加速度，已知测量所得的各轴加速度分量，由于加速度计径向对称布置，所以在加速度计方向上的径向和切向加速度方向相反。

在径向方向，第一径向加速度计和第二径向加速度计测得的所在位置的总加速度在径向的分量可以表示为：

ax1＝ac-gx(1)

ax2＝-ac-gx(2)

同样的，在切向方向，第一切向加速度计和第二切向加速度计测得的所在位置的总加速度在切向的分量可以表示为：

ay1＝at-gy(3)

ay2＝-at-gy(4)

将式(1)和式(2)相加，消掉在两个加速度计处的径向加速度，得到用总加速度的径向加速度分量表示的重力加速度在径向轴上的分量：

将式(3)和式(4)相加，消掉在两个加速度计处的切向加速度，得到用总加速度的切向加速度分量表示的重力加速度在切向轴上的分量：

则井斜由下式所得：

0.6366表示正弦波形绝对值的平均值，在图4所示中，抗压筒的旋转方向为逆时针方向，当顺时针方向时，相应的抗压筒的切向加速度方向需要进行调整。

实施例三

本发明实施例提供了一种近钻头动态井斜测量方法，包括如下步骤：

s1b，利用实施例一所述的近钻头动态井斜测量装置测量旋转导向工具总加速度在径向、切向和轴向的分量；

s2b，根据s1b中测量得到的总加速度在径向、切向和轴向的分量，分别计算重力加速度在径向、切向和轴向的分量值gx、gy和gz；

s3b，根据如下公式计算井斜：

其中，s2b中，gx可以按照如下公式计算得到：

ax1＝ac-gx，

ax2＝-ac-gx，

式中，

ax1为总加速度在第一径向加速度计处沿径向的分量；

ax2为总加速度在第二径向加速度计处沿径向的分量；

ac为径向加速度，

gx为重力加速度g沿x轴的分量；

gy可以按照如下公式计算得到：

ay1＝at-gy，

ay2＝-at-gy，

式中，

ay1为总加速度在第一切向加速度计处沿径向的分量；

ay2为总加速度在第二切向加速度计处沿径向的分量；

at为切向加速度，

gy为重力加速度g沿y轴的分量；

gz可以按照如下公式计算得到：

az1为总加速度在第一轴向加速度计处沿轴向方向的分量；

az2为总加速度在第二轴向加速度计处沿轴向方向的分量；

gz为重力加速度g沿z轴方向的分量。

在实施例二中，没有考虑冲击和振动造成的加速度分量，计算过程中也没有计入这样的加速度分量。在给定条件下，侧向加速度基本上都是单向的，因此可以将其类比为重力加速度的一种。因此，振动加速度分量可以以重力加速度的形式被抵消，在重力测量方面，对于振动加速度的影响可以用一些方式做出补偿，比如在一些情况下利用gx、gy和gz的平均值，消除振动加速度的影响。

此时，井斜的计算方法可以为：

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明实施例提供的一种近钻头动态井斜测量装置和方法，通过采用三轴传感器组对称布置的方式，测量总加速度在三轴(径向、切向和轴向)的分量，再根据力的合成原理计算得到重力加速度在三轴(径向、切向和轴向)的分量，进而利用井斜的计算公式得到其结果。这种井斜测量装置和方法，由于三轴传感器组安装在近钻头处，测量结果相对于钻头位置滞后较小，所以，可以实现近钻头处井斜的实时测量。而且，本发明中，利用抗压筒的旋转产生的加速度和重力加速度分量的关系，实现动态下井斜数据的测量，实用性强，更有利于控制井眼轨迹，提高钻进效率和采收率；而且只需要两组加速度计就可以实现井斜的动态测量，具有体积小、重量轻，便于井下作业等优点。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域人员应该理解的是，上述实施例提供的方法步骤的时序可根据实际情况进行适应性调整，也可根据实际情况并发进行。

上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：ram、rom、磁碟、磁带、光盘、闪存、u盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。