一种随钻井下环空水眼压力参数测量装置及方法与流程

本发明涉及一种压力参数测量装置及方法，属于地质钻探技术领域，具体是涉及一种随钻井下环空水眼压力参数测量装置及方法。

背景技术：

在直井、定向井包括水平井和大位移井的钻井过程中，由于地层压力预测不准确，经常引发钻井液漏失、地层液体侵入、井壁坍塌和压差卡钻等井下复杂情况。这些情况又往往导致钻井作业时间延长及钻井成本增加。因此钻井施工的关键之一是使钻井液密度和当量循环密度保持在地层液体压力、地层坍塌压力和地层破裂压力的安全作业范围内。随钻地层压力测量可在钻井过程中为孔隙压力模型提供实时校验点，提高孔隙压力的预测精度，实时优化钻井液密度和当量循环密度，避免井涌、井喷、地层损害或意外地层压裂及循环液漏失等井下事故的发生。利用随钻地层压力测试技术，进行压降和压力恢复测试，除了得到常规压力数据外还可实时提供环空压力以优化钻井过程，能够早期探测高压层，确定压力梯度、流体界面并及实时调整泥浆比，以优化钻井、下套管和完井方案。同时，实时地层压力测量数据可以优化套管下入深度提供依据，从而降低了作业风险及钻井成本

但是，现有技术中的随钻压力测量装置结构复杂，测量参数单一，不能适用于环空水眼压力及压差的测量。

现有的随钻压力测量装置的环空和水眼传感器为相互独立的两个传感器，即一只传感器测量环空压力，一只传感器测量水眼压力。在各自得到相应的压力之后，由控制器做减法运算得到环空水眼的压力差值。由于两只压力传感器在制作工艺上的差别，压力传感器的特性很难一致，因此两只压力传感器的压力差值会有较大误差。现有的两只压力传感器需要两个传感器安装舱体，一个安装舱体和水眼连通，以测量水眼压力，一个测量舱体与环空连通以测量环空压力，这样的结构破坏了钻铤本体的受力结构，增大了仪器损坏的风险。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术所存在的上述问题，提供了一种随钻井下环空水眼压力参数测量装置及方法。该装置及方法采用石英晶体基片材料分别在环空和水眼泥浆液压力的引入段放置，利用环空水眼里泥浆液的压力引起石英晶体基片内部振动频率的变化，来反应环空水眼里泥浆液的压力和压力差的大小。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种随钻井下环空水眼压力参数测量装置，包括：

压力传感器，包括至少一个通过截止阀控制的与外界相连的流体通道，所述通道内设置有一弹簧管，所述弹簧管的一端通过硬质端面与谐振石英晶体基片接触。

优化的，上述的一种随钻井下环空水眼压力参数测量装置，所述截止阀为一圆柱体结构，所述圆柱体的端面上设置电机传动杆安装孔，所述圆柱体的侧面上设置有用于在圆柱体受电机驱动旋转时打开或关闭所述流体通道的通孔。

优化的，上述的一种随钻井下环空水眼压力参数测量装置，所述流体通道为两个，分别位于所述谐振石英晶体基片两侧，其中一个流体通道为环空泥浆通道，另一个为水眼泥浆通道；并且，每个流体通道内均设置通过硬质端面与谐振石英晶体基片接触的弹簧管。

优化的，上述的一种随钻井下环空水眼压力参数测量装置，所述截止阀上设置有光敏开关。

优化的，上述的一种随钻井下环空水眼压力参数测量装置，所述谐振石英晶体基片所在的振荡电路包括:依次连接的反向器g1、电容c2、反向器g2；所述反向器g1的两端连接反馈电阻rf1，所述反向器g2的两端连接反馈电阻rf2；所述反向器g1的输入端依次连接电容c1、谐振石英晶体基片x1、反向器g2的输出端。

一种随钻井下环空水眼压力参数测量方法，在通过截止阀控制的与外界相连的流体通道内设置一弹簧管，将所述弹簧管的一端通过硬质端面与谐振石英晶体基片接触，利用谐振石英晶体基片的频率变化检测压力信息。

优化的，上述的一种随钻井下环空水眼压力参数测量方法，利用在侧面上设置有与轴线垂直的通孔的圆柱体作为截止阀，在圆柱体的端面上设置电机传动杆安装孔，利用电机驱动圆柱体旋转以调节所述通孔与流体通道的角度从而控制截止阀的开关。

优化的，上述的一种随钻井下环空水眼压力参数测量方法，所述流体通道为两个，分别位于所述谐振石英晶体基片两侧，其中一个流体通道为环空泥浆通道，另一个为水眼泥浆通道；并且，每个流体通道内均设置通过硬质端面与谐振石英晶体基片接触的弹簧管。

因此，本发明具有如下优点：(1)结构简单，成本低；(2)既能够测量井下连续管井下动态参数测量工具的环空压力和水眼的泥浆液的压力，也能测量二者的压力差值；(3)采用石英晶体基片材料分别在环空和水眼泥浆液压力的引入段放置，利用环空水眼里泥浆液的压力引起石英晶体基片内部振动频率的变化，来反应环空水眼里泥浆液的压力和压力差的大小，测量精度更高。

附图说明

附图1-1是本发明的一种原理图；

附图1-2是本发明的圆柱环空水眼截止阀结构示意图；

附图2是石英晶体基片和相应固定机械结构示意图；

附图3是石英晶体基片d所在的共振频率由振荡电路示意图；

附图4是振荡电路及其等效电路示意图；

附图5是滤波示意图；

附图6-1是频率变化δf的计数模块示意图；

附图6-2是频率变化示意图；

附图7是电机控制示意图；

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1-1、图1-2所示，本实施例提供的随钻井下环空水眼压力和压差测量装置包括：能够承压石油钻井压力的环空水眼压力测量钻铤安装本体、安装谐振石英晶体基片的机械结构、三相直流减速电机、电机控制驱动监测电路、圆柱环空水眼截止阀、环空泥浆通道、水眼泥浆通道、环空水眼压力测量电路。

各部分主要功能：电机控制驱动监测电路用来驱动三相直流减速电机旋转带动圆柱环空水眼截止阀旋转，来使得环空泥浆通道、水眼泥浆通道分别或同时与圆柱环空水眼截止阀上的泥浆液通孔达到同轴心打开状态或者相互垂直关闭状态。环空泥浆通道、水眼泥浆通道负责把井下环空和水眼内的泥浆液体引入到由谐振石英晶体基片为中心所以构成的传感器上。圆柱环空水眼截止阀负责接通或者关闭由谐振石英晶体基片为中心传感器与环空、水眼的泥浆液通道。环空水眼压力测量电路负责测量和保存由传感器得到的环空水眼压力值。

石油随钻井下环空水眼压力和压差测量装置的环空水眼泥浆引入孔之间放置了石英晶体基片和相应固定机械结构，其如图2所示。其工作原理为：外界压强作用在弹簧管a内部，管a受压膨胀，压力通过硬质端面b传递到由支撑梁支撑的石英晶体基片上，使得石英晶体基片发生微形变，这时如果石英晶体基片正处在谐振状态，那么当石英晶体基片由于外界压力的引入，产生微形变后其振动频率将偏离谐振频率，并且经过严格标定后，可得到外界压力与石英晶体基片振动频率之间的线性关系。这样通过测量石英晶体基片振动频率相对于谐振频率的改变量就可以反映出泥浆液压力的变化量。环空和水眼压力测量孔内的机械结构分别为两个弹簧管a和c，当环空和水眼压力引入时，分别会对两个弹簧管a和c产生不同膨胀，使得环空和水眼压力通过弹簧管分别传递给石英晶体基片d。石英晶体基片d产生不同振动频率变化量的差值则反映了环空水眼泥浆液的压力差值。

石英晶体基片d的共振频率由振荡电路产生，其电路图3所示。

该电路采用了对称式多谐振荡方案，g1和g2分别是反相器，c1和c2构成藕合电容，rf1和rf2构成反相器电路中的反馈电阻。将反馈电阻的阻值调节到反相器的静态工作点处于其电压转换区。当电路上电时，电容器c1和c2两端的压差为0。如果这是电路的噪声扰动，使得g1的输出vout1和g2输入vin2迅速变为低电平，这是因为电容器c2两端的电压差不能瞬变，电容充电时需要时间的。这是g2的输出vout2为高电平，电流通过石英晶体基片x1相电容c1充电，使得vin1电压逐渐降低，这是反相器g1输出vout1为高电平。而g2的输入vin2也为高电平，g2的输出vout2变为低电平，电容c1通过石英晶体基片x1，开始放电。这样在石英晶体基片上产生振荡波形。而石英晶体基片可以等效为如图4的lrc电路。

其不处于振动状态时，可以看成是一个电容c0，该电容的大小取决于石英晶体基片的形状、面积和厚度。当石英晶体基片在电路中发生振动时，由于石英晶体的弹性效应会产生等效电容cm、摩擦损耗电阻rm和惯性等效电感lm。因此lm、lm和rm在振荡电路中形成串联lrc振荡电路，当电路频率达到该lrc振荡电路谐振频率时lm和cm相互抵消，该串联lrc电路表现为纯电阻特性，此时的谐振频率为：

该频率在石英晶体基片受到外部力f的作用时，其谐振频率将由原来不受压力时的频率f0变化为f0+δf,这是由石英晶体的力频特性所决定的。用力频灵敏度sx来表示，其公式为：

该灵敏度可以通过标定实验的方式确定下来，即在相应标定环境下，对达到谐振状态的石英晶体基片施加不同大小的压力f，并同时测量其频率的变化量δf。将测量到的频率的变化量δf和压力f，带入最小二乘法公式将得到石英晶体基片受到外部力f和石英晶体基片频率变化量δf的线性关系。

频率测量电路由高频时间基准计数器对被测信号进行计数，其原理如图6-1、图6-2所示。当达到谐振频率f0的石英晶体基片受到水眼和环空压力时，将产生频率偏移f0+δf，该偏移频率进入混频电路与石英晶体基片的谐振频率进行混频，并将其输出信号通过低通滤波器，将其中的频率偏移量δf滤波出来，如图5所示。

该频率偏移量δf信号经过信号整形电路输出频率为δf的方波信号，进入控制器的输入捕捉单元。在进入闸门时间tm的开始时开启高频时间基准计数器，当δf频率信号上升沿进入输入捕捉单元时，将高频时间基准计数器的值δt1捕捉到寄存器中保存下来，经过一段闸门时间tm后，将δf频率信号上升沿的个数nx记录到寄存器中。在闸门时间tm结束时，再次记录高频时间基准计数器内的值，并在δf信号上升沿捕捉后，再将现在的高频时间基准计数器内的值保存下来，并与闸门时间tm结束时值相减可得出δt2。这样如图所示，tm＝nx*tx+δt1+δt2，nx*tx＝δt2+δt1-tm,δf＝1/tx。

该测量方式的测量误差为：

测频分辨率为：

因此可以得出闸门时间tm越长，测频的分辨率越高，因此在高精度测量时，可以适当的延长闸门时间tm。按照此方法在与下文所描述的两个钻柱形截止阀相互配合使用，可以分别得出环空和水眼所受泥浆液压力的频率信号值δf环空和δf水眼，后者得到环空和水眼压力差值δf。

石油随钻井下环空水眼压力和压差测量装置可以分别测量环空、水眼压力值，以及环空和水眼压差值，其通过控制系统控制直流无刷减速电机转动两个圆柱形截止阀来实现。在钻铤内部有一个与水眼相通的圆孔(如图1中的水眼泥浆通道)，该圆孔连接着一个上面有通孔的圆柱形截止阀(如图1中的圆柱环空水眼截止阀)，截止阀由直流无刷减速电机控制其旋转，当圆柱形截止阀旋转到通孔位置与水眼相通的圆孔位置一致时，水眼内的泥浆液被压入放置了石英晶体基片的机械结构内的弹簧管内，可将水眼泥浆的压力通过弹簧管底部传导如处于谐振状态的石英晶体基片上，并被测量电路测量到。同样在钻铤外部有一个与环空相通的圆孔(如图1中的环空泥浆通道)，该圆孔连接着一个上面有通孔的圆柱形截止阀，截止阀由直流无刷减速电机控制其旋转，当圆柱形截止阀旋转到通孔位置与环空相通的圆孔位置一致时，环空内的泥浆液被压入放置了石英晶体基片的机械结构内的弹簧管内，可将环空泥浆的压力通过弹簧管底部传导进处于谐振状态的石英晶体基片上，并被测量电路测量到。而当与水眼和环空相连接的两个圆柱形截止阀同时打开时，水眼和环空内的泥浆液同时将压力通过各自的弹簧管传递到，处于谐振状态的石英晶体基片上，并被测量电路测量到环空和水眼的压力差值。

与水眼和环空相连接的两个圆柱形截止阀的旋转动作是通过直流无刷减速电机、电机控制驱动电路和光电位置检测电路来完成的。dspic33fj128mc804单片机控制器通过来自转子位置传感器的信号，经处理后按照一定的逻辑程序，驱使某些与电枢绕组相连接的功率开关晶体管在某一瞬间导通或截止，迫使某些原来没有电流的电枢绕组内开始流通电流，某些原来有电流的电枢绕组内开始关断电流或改变电流的流通方向，从而迫使定子磁状态产生变化。“换流”一次，定子磁状态就改变一次，连续不断地“换流”，就会在工作气隙内产生一个跳跃的旋转磁场。当电子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁极相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再有位置传感器将转子磁钢位置信号变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向的作用。三相直流减速电机的6步工作过程如图7所示。

第一步：当mosfetq1\q4管导通，其他管子关闭，即由电源正端→→u→v→→电源负端；

第二步：当mosfetq1\q6管导通，其他管子关闭，即由电源正端→→u→w→→电源负端；

第三步：当mosfetq3\q6管导通，其他管子关闭，即由电源正端→→v→w→→电源负端；

第四步：当mosfetq3\q2管导通，其他管子关闭，即由电源正端→→v→u→→电源负端；

第五步：当mosfetq5\q2管导通，其他管子关闭，即由电源正端→→w→u→→电源负端；

第六步：当mosfetq5\q4管导通，其他管子关闭，即有电源正端→→w→v→→电源负端；

按照从第一步到第六步的驱动顺序可以使得三相直流无刷减速电机顺时钟旋转，按照从第六步到第一步的驱动顺序相直流无刷减速电机逆时钟旋转。电机的旋转带动圆柱形截止阀旋转，可关闭或者打开水眼和环空的泥浆通道，来决定是否单独测量水眼泥浆压力或环空泥浆压力，还是测量水眼和环空的泥浆压力差值。在钻铤本体安装有一个发光二极管，在圆柱形截止阀的凹槽(如图1中的光敏开关安装孔)内部安装有光敏开关管，当圆柱形截止阀的凹槽内部安装的光敏开关管旋转到与钻铤本体安装发光二极管正对位置时，光敏开关管打开与电路板的地线接通变为低电平，该低电平被dspic33fj128mc804单片机控制器检测到后将停止对三相异步直流减速电机的换向操作，保持现有的状态，来锁住三相异步直流减速电机现在的旋转位置，即锁定了与三相异步直流减速电机相连接的圆柱形截止阀的打开和关闭的位置。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。