一种激光式角差测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光式角差测量装置及测量方法，用于解决定向井、水平井使用的钻具角差测量工具中测量易于出现误差的问题。采用激光发射器和安装有多路信号采集的激光感应刻度盘即可采集到感应到的激光角度，根据左“正”右“负”的法则，直接读出角差的读数，并进行语音报出角差，有效地提高了角差测量的精度，避免了人为因素测量误差较大或易于出错的问题，有利于提高定向井施工过程中施工的精度。
【专利说明】一种激光式角差测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于石油钻井中角差测量【技术领域】，涉及一种定向井与水平井使用的钻具角差测量工具，具体涉及是一种激光式角差测量装置及测量方法。
【背景技术】
[0002]在石油钻井过程中，定向井、水平井等钻井技术在石油工业领域具有广泛的应用前景，已成为世界石油工业的发展趋势之一。其关键技术之一是必须精确的实现井眼轨迹的控制。随钻测量技术作为实时监测井眼轨迹的工具在定向井、水平井等中大量应用。
[0003]在实际的钻井过程中，由于随钻测量MWD系统的测量零点与井下动力钻具的零点不能够完全重合，常常存在一定的角度差，因此需要测量角差是井底MWD仪器内方位传感器的测量零点与动力钻具弯接头方位的差值，来校准实际钻头方位、工具面的测量值。目前常用的方法有:(I)通过重物悬垂，测量角差，其原理是在无磁悬挂刻线处固定一个标志物，然后提升钻具直至动力钻具刻线处，然后目测无磁悬挂标志物在动力钻具圆周处的位置并做标记，测量该标记顺时针到动力钻具刻线处的圆周长度及此处动力钻具周长，最后通过计算得出MWD的工具面角差。(2)通过瞄准镜的方式，观测角差。申请号为201210036264.3的中国专利，公开了一种油田钻井仪器工具面角差测量工具，包括板状瞄准工具、管状瞄准工具和瞄准镜。(3)通过激光器测量角差。申请号为201120186766.5的中国专利，公开了一种MWD外角差钻具量角器，在MWD短接上固定安装垂直朝下的光源，在钻具上固定安装有与光源相对应的角度盘，在角度盘上有角度刻度，通过光源读取角度盘上的度数。(4)指南针测量角差。申请号为201220550104.6的中国专利，公开了一种钻具角差测量仪，包括主检测仪和辅助检测仪，采用数字指南针测量角差并用无线数据模块将数据发送到指定的接收机。以上几种发明都在一定程度上提高了角差测量的精度，然而存在问题是，瞄准的方式中，角差的计算需人工计算，指南针的方式在现场调整方位困难，而采用激光器的光源方式中，刻度盘需人工旋转操作，由于钻柱不固定，单次测量有一定的误差，且费时费力，效率低，均没有实现角差的自动测量功能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决随钻了定向井、水平井使用的钻具角差测量工具中人为因素测量易于出现误差的问题，提供了一种用于定向井、水平井、多分支井等随钻测量系统与钻具角差测量的激光式角差测量装置及测量方法，通过采用激光发射器和激光感应器以及信号处理方法，实现对角差的智能测量，提高了角差测量的精度，避免了人为因素测量误差较大或易于出错的问题。
[0005]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0006]一种激光式角差测量装置，包括无磁钻铤的上部钻杆和下部钻杆、安装在上部钻杆上的激光发射器以及安装在下部钻杆上的激光接收器；激光接收器内设置有带有激光感应器，并用于处理激光感应器采集到的光信号的激光处理电路，激光感应器的信号输出端与激光处理电路的信号输入端相连；激光处理电路用于转换输出钻具角差。
[0007]所述的激光发射器与激光接收器的结构相同，均包括两个沿轴向扣合在上部钻杆或下部钻杆上的安装盘；两安装盘的一端通过铰链相铰接；两安装盘的另一端设置手柄，并通过定位螺栓紧固；扣合在上部钻杆的安装盘上设置有激光器，且激光器的位置与上部钻杆上的MWD系统零点相对准；扣合在下部钻杆的安装盘上设置有激光感应刻度盘，且激光感应刻度盘上。位置与钻具零点对准。
[0008]所述扣合在上部钻杆的安装盘上相对设置有两个激光器。
[0009]所述的上部钻杆上套设有刻度盘，刻度盘放置在激光发射器的安装盘上，且刻度盘的0°位置与MWD系统零点相对准。
[0010]所述激光感应刻度盘上的激光感应器为沿周向均匀布置的若干个光电耦合器，每个光电稱合器分别与刻度盘上的刻度相对应。
[0011]所述的激光处理电路包括多路选择开关、放大电路、滤波电路、A/D转换器、CPU、用于显示实时测量的角差值的显示电路、用于实时播报测量的角差值的语音播报模块电路以及为整个激光处理电路和激光发射器供电的电源；激光感应器的输出端分别连接到多路选择开关的输入端上，多路选择开关的输出端连接到放大电路的输入端上，放大电路的输出端连接到滤波电路的输入端上，滤波电路的输出端连接到A/D转换器的输入端上，A/D转换器的输出端连接到CPU的信号输入端上，CPU的信号输入端分别与显示电路和语音播报模块电路的输入端相连。
[0012]所述CPU的信号输出端还通过RS232、RS485或CAN总线与MWD系统的地面接收箱相连;CPU采用单片机、DSP或ARM ;电源采用电池或电池组；激光感应器为可巡检式激光感应器，其信号的通道数为I?N路信号，I < 1080 ;放大电路中设置有激光放大器，激光放大器的放大倍数为I?10000 ;滤波电路中设置有带通滤波器，带通滤波器的频带为
0.1 ?6000Hz。
[0013]一种激光式角差测量方法，包括以下步骤:
[0014]I)安装激光发射器
[0015]将激光发射器上的零刻度标记处，将激光器与上部钻杆的MWD系统的零刻度线对齐，保持激光发射器水平，用定位螺栓将安装盘与上部钻杆紧固；
[0016]2)安装激光接收器
[0017]提升钻柱，使得动力钻具刻线处位于井口位置；安装激光接收器，转动激光接收器，使得激光接收器的零刻度线与钻具的零刻度线对齐，用定位螺栓将安装盘与下部钻杆紧固；最后，将激光处理电路与激光接收器的输出端连接，并且将显示电路、语音播报模块以及MWD系统的地面控制箱均连接到激光处理电路中CPU的输出端上；
[0018]3)测量角差
[0019]打开电源，通过显示电路或语音播报模块读取角差值，即得到MWD的工具面角差。
[0020]当上部钻杆的记号在下部钻杆的记号的顺时针方向时，角差取正值；反之，逆时针方向，角差取负值。
[0021]当采用两个激光器进行测量时，CPU会对采集到的两个信号进行均值处理，即X =(X1+X2) /2，其中，X为角差校准值，Xl为激光感应器采集到的一个激光器对应的角差值，X2为激光感应器采集到的另一个激光器对应的角差值。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0023]本发明通过在无磁钻铤上安装激光发射器和激光接收器，并通过激光处理电路处理并输出角差值，解决了定向井、水平井使用的钻具角差测量工具中人为因素测量易于出现误差的问题。采用激光发射器和安装有多路信号采集的激光感应刻度盘可采集到感应到的激光角度，根据左“正”右“负”的法则，直接读出角差的读数，并进行语音报出角差，有效地提高了角差测量的精度，避免了人为因素测量误差较大或易于出错的问题，有利于提高定向井施工过程中施工的精度。
[0024]进一步的，本发明采用激光处理电路，利用光电探测器将上部的激光发射器发出的微弱的激光信号转化为电信号。本发明选择具有较方向性好，光束质量好，工作稳定的激光器作为发射激光源，通过设计低噪声、高性能的多通道选择开关、低噪声的滤波电路与前置放大器电路，实现对激光信号的接收，由于每个激光接收器都对应相应的采集通道，配有编号，可以利用CPU自动识别出刻度盘的刻度，简化了现场人为操作因素。
[0025]进一步的，本发明CPU采用单片机、DSP或ARM，并配合语音芯片和显示芯片可以实时显示和掌握测量值，避免了手工利用卷尺测量计算得到角差，以及其他采用光源目测角差的所带来的误差。
[0026]进一步的，本发明采用微弱光电耦合器检测微弱激光信号，由于安装有多路的激光感应器，因此本发明采用多路选择开关，每次只需巡检I?N路信号，N的取值可以在I?360之间，避免了装置的硬件的复杂性，测量值通过软件比较、处理、校准算法来实现的，能够便捷地、在线修改算法的参数，提高角差测量装置的抗干扰能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明的整体结构示意图；
[0028]图2为本发明激光发射器的结构示意图；
[0029]图3为本发明刻度盘的结构示意图；
[0030]图4为本发明激光处理电路的原理图。
[0031]其中，I为上部钻杆；2为下部钻杆；3为激光发射器；4为激光接收器；5为铰链；6为手柄；7为定位螺栓；8为激光器；9为MWD系统零点；10为钻具零点。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的说明:
[0033]参见图1至图4，本发明激光式角差测量装置，包括无磁钻铤的上部钻杆I和下部钻杆2、安装在上部钻杆I上的激光发射器3以及安装在下部钻杆2上的激光接收器4 ;激光接收器4内设置有带有激光感应器，并用于处理激光感应器采集到的光信号的激光处理电路，激光感应器的信号输出端与激光处理电路的信号输入端相连，激光感应器为可巡检式激光感应器，其信号的通道数为I?N路信号，1080 ;激光处理电路用于转换输出钻具角差。上部钻杆I上套设有刻度盘，刻度盘放置在激光发射器3的安装盘上，且刻度盘的0°位置与MWD系统零点9相对准。激光感应刻度盘上的激光感应器为沿周向均匀布置的若干个光电稱合器，每个光电稱合器分别与刻度盘上的刻度相对应。
[0034]激光发射器3与激光接收器4的结构相同，均包括两个沿轴向扣合在上部钻杆I或下部钻杆2上的安装盘；两安装盘的一端通过铰链5相铰接；两安装盘的另一端设置手柄6，并通过定位螺栓7紧固；扣合在上部钻杆I的安装盘上设置有激光器8，且激光器8的位置与上部钻杆I上的MWD系统零点9相对准；扣合在下部钻杆2的安装盘上设置有激光感应刻度盘，且激光感应刻度盘上0°位置与钻具零点10对准。扣合在上部钻杆I的安装盘上相对设置有两个激光器。
[0035]如图4所示，激光处理电路包括多路选择开关、放大电路、滤波电路、A/D转换器、CPU、用于显示实时测量的角差值的显示电路、用于实时播报测量的角差值的语音播报模块电路以及为整个激光处理电路和激光发射器3供电的电源；CPU的信号输出端还通过RS232、RS485或CAN总线与MWD系统的地面接收箱相连；CPU采用单片机、DSP或ARM ;电源采用电池或电池组。激光感应器的输出端分别连接到多路选择开关的输入端上，多路选择开关的输出端连接到放大电路的输入端上，放大电路的输出端连接到滤波电路的输入端上，滤波电路的输出端连接到A/D转换器的输入端上，A/D转换器的输出端连接到CPU的信号输入端上，CPU的信号输入端分别与显不电路和语音播报模块电路的输入端相连。其中，放大电路中设置有激光放大器，激光放大器的放大倍数为I?10000 ;滤波电路中设置有带通滤波器，带通滤波器的频带为0.1?6000Hz。
[0036]本发明激光式角差测量方法，包括以下步骤:
[0037]I)安装激光发射器
[0038]将激光发射器上的零刻度标记处，将激光器与上部钻杆的MWD系统的零刻度线对齐，保持激光发射器水平，用定位螺栓将安装盘与上部钻杆紧固；
[0039]2)安装激光接收器
[0040]提升钻柱，使得动力钻具刻线处位于井口位置；安装激光接收器，转动激光接收器，使得激光接收器的零刻度线与钻具的零刻度线对齐，用定位螺栓将安装盘与下部钻杆紧固；最后，将激光处理电路与激光接收器的输出端连接，并且将显示电路、语音播报模块以及MWD系统的地面控制箱均连接到激光处理电路中CPU的输出端上；
[0041]3)测量角差
[0042]打开电源，通过显示电路或语音播报模块读取角差值，即得到MWD的工具面角差。当上部钻杆的记号在下部钻杆的记号的顺时针方向时，角差取正值；反之，逆时针方向，角差取负值。当采用两个激光器进行测量时，CPU会对采集到的两个信号进行均值处理，即X=(X1+X2)/2，其中，X为角差校准值，X1为激光感应器采集到的一个激光器对应的角差值，X2为激光感应器采集到的另一个激光器对应的角差值。
[0043]本发明的原理:
[0044]本发明激光式角差测量装置由激光器、激光发射器、激光接收器、激光感应刻度盘、单片机、激光处理电路、角差显示、角差的语音播报模块和电源模块等模块组成。本发明应用于定向井、水平井、大位移井等定向工具测量钻具与MWD的角差测量。
[0045]其中，激光器主要产生发射激光源，选择方向性好，光束质量好，工作稳定的激光器作为，发射激光器；
[0046]上部的激光发射器，主要用来固定激光器，并标识随钻测量MWD系统的零点；激光发射器由手柄、定位螺栓、激光器、刻度盘、铰链等组成；安装时，使得激光器对准随钻测量MWD系统零点，整个发射器安装在上部钻杆上，激光器工作，发射激光；
[0047]下部的激光接收器，主要用来固定激光接收电路，并感应激光，标识钻具的零点；激光接收器由手柄、定位螺栓、激光感应电路、刻度盘、铰链以及激光接收处理电路等组成；其中，激光感应器环绕钻柱360度安装，对每个激光感应器编号，并标识每个感应器对应的刻度；激光感应刻度盘主要是标识钻具零点以及环钻杆或钻铤一周的360°角。
[0048]微型控制器的激光处理电路主要包括:多路切换电路、放大电路、滤波电路、A/D转换器、单片机、显示电路、语音播报模块和电源等。当激光发射器与激光接器安装完成后，安装时使激光感应盘的零刻度对准钻具的零点，启动激光接收系统，则激光接收电路读出激光强度最大值所对应的光源的刻度，则此时对应的就是钻具与随钻测量工具的角差；角差液晶显示用于显示实时的角差测量值。角差语音播报模块用于实时播报测量的角差值。电源用于给整个系统的供电，采用电池或电池组。
[0049]本发明还具有以下优点:
[0050]激光发射与接收技术
[0051]激光接收是智能定向角差测量装置的核心，由光电探测器、多路选择开关、前置放大器、滤波器、CPU电路等组成，其主要功能是利用光电探测器将上部的激光发射器发出的微弱的激光信号转化为电信号。本发明选择具有较方向性好，光束质量好，工作稳定的激光器作为发射激光器，通过设计低噪声、高性能的多通道选择开关、低噪声的滤波与前置放大器，实现对激光信号的接收，由于每个激光接收器都对应相应的采集通道，配有编号，可以利用CPU自动识别出刻度盘的刻度，采用激光接收技术，可以简化现场人为操作原因，具备以下优势:
[0052]角差测量智能化；该装置利用了 CPU(单片机、DSP、ARM等)、语音芯片和显示芯片可以实时显示和掌握测量值，避免了手工利用卷尺测量计算得到角差，以及其他采用光源目测角差的所带来的误差。
[0053]由于激光接收器接收的主要是微弱光信号，本发明采用微弱光电耦合器检测微弱激光信号，由于安装有多路的激光感应器，因此本发明采用了多路选择开关，每次只需巡检I?N路信号，N的取值可以在I?360之间，避免了装置的硬件的复杂性，测量值通过软件比较、处理、校准算法来实现的，这样可以便捷地、在线修改算法的参数，提高角差测量装置的抗干扰能力。
[0054]上部激光发射器装置由手柄、定位螺栓、激光发射器A、激光发射器B、铰链、定位螺栓和刻度盘构成。其中上部激光发射器装置如图2所示，刻度盘如图3所示。
[0055]双光源刻度校准技术
[0056]智能激光式角差测量装置采用双光源进行发射和测量，这样可以有效地避免角差测量仪器安装误差，如因天气、光线、钻具不洁等引起的安装误差。假设激光器A对应的角差经换算后的测量值为X1，激光器B对应的角差经换算后的测量值为X2，在钻具表面清洁、光滑，安装水平度高或理想情况下，角差的测量值X1与X2相等。在实际的钻井过程中，动力钻具磨损或老化会引起钻具的外径变化，或钻具表面清洁、光滑不高时可能会引起安装误差，可能会出现角差测量值不同，一般情况下，X1与&差值很小。为了提高角差的测量精度，本发明采用双光源测量可以有效地降低测量误差，选用实际校准值Xe= (XJX2)/2，作为实际的角差测量值。
[0057]智能激光测量角差显示与语音播报模块技术
[0058]本发明的优势在于，所测量的角差值是在安装好测量装置后，通过一套严格的程序由微型控制器计算处理，并利用显示屏和语音播报模块器同时告知角差测量值，该测量值也可以通过RS232、RS485、CAN或其他总线技术传输给MWD系统的地面接收箱，有MWD系统直接读取角差初值，自动进行校准。
[0059]本发明激光式角差测量方法，用于定向井、水平井、多分支井等随钻测量系统与钻具角差的测量。智能激光钻具角差测量装置由激光器、上部激光发射器、下部激光接收器、激光感应刻度盘、单片机激光处理电路、角差显示、角差的语音播报模块和电源模块等模块组成。具体的操作方法如下:
[0060]准备:检查刻度刻度盘、激光器工作状态，并地面进行智能激光钻具角差测量模拟测试，无误后，清洁钻具表面；
[0061]首先，首先将上部激光发射器上的零刻度标记处，激光发射器A与无磁钻铤的零刻度线对齐，保持上部激光发射器水平，利用固定螺栓将其与固定在无磁悬钻铤上；打开电源，
[0062]其次，提升钻柱，使得动力钻具刻线处位于井口合适位置；安装下部激光接收装置，转动接收装置，使得接收装置的零刻度线对齐钻具的零刻度线，利用固定螺栓将其固定；上部钻杆的记号在下部钻杆的记号的顺时针方向时，角差取正值；反之，逆时针方向，角差取负值。
[0063]最后，打开电源，观察显示屏上的角差读数，或听取语音播报模块的角差读数，该角度即是MWD的工具面角差。
[0064]本发明无磁钻铤与弯螺杆在钻台上完成连接后，在无磁钻铤的定向传感器测量零点上安装上激光器，然后钻具上安装激光感应刻度盘，刻度盘的零点指向钻具的零点，这样当激光器工作时，安装有多路信号采集的激光感应刻度盘即可采集到感应到的激光角度，根据左“正”右“负”的法则，直接读出角差的读数，并进行语音报出角差，能够有效地降低定向钻具组合外角差测量的误差，有利于提高定向井施工过程中施工的精度，获得更为理想的井眼轨迹。
[0065]以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种激光式角差测量装置，其特征在于:包括无磁钻铤的上部钻杆(I)和下部钻杆(2)、安装在上部钻杆(I)上的激光发射器(3)以及安装在下部钻杆(2)上的激光接收器(4);激光接收器(4)内设置有带有激光感应器，并用于处理激光感应器采集到的光信号的激光处理电路，激光感应器的信号输出端与激光处理电路的信号输入端相连；激光处理电路用于转换输出钻具角差。
2.根据权利要求1所述的激光式角差测量装置，其特征在于:所述的激光发射器(3)与激光接收器(4)的结构相同，均包括两个沿轴向扣合在上部钻杆(I)或下部钻杆(2)上的安装盘；两安装盘的一端通过铰链(5)相铰接；两安装盘的另一端设置手柄(6)，并通过定位螺栓(7)紧固；扣合在上部钻杆(I)的安装盘上设置有激光器(8)，且激光器(8)的位置与上部钻杆(I)上的MWD系统零点(9)相对准；扣合在下部钻杆(2)的安装盘上设置有激光感应刻度盘，且激光感应刻度盘上0°位置与钻具零点(10)对准。
3.根据权利要求2所述的激光式角差测量装置，其特征在于:所述扣合在上部钻杆(I)的安装盘上相对设置有两个激光器。
4.根据权利要求2或3所述的激光式角差测量装置，其特征在于:所述的上部钻杆(I)上套设有刻度盘，刻度盘放置在激光发射器(3)的安装盘上，且刻度盘的0°位置与MWD系统零点(9)相对准。
5.根据权利要求2或3所述的激光式角差测量装置，其特征在于:所述激光感应刻度盘上的激光感应器为沿周向均匀布置的若干个光电耦合器，每个光电耦合器分别与刻度盘上的刻度相对应。
6.根据权利要求1或3所述的激光式角差测量装置，其特征在于:所述的激光处理电路包括多路选择开关、放大电路、滤波电路、A/D转换器、CPU、用于显示实时测量的角差值的显示电路、用于实时播报测量的角差值的语音播报模块电路以及为整个激光处理电路和激光发射器(3)供电的电源；激光感应器的输出端分别连接到多路选择开关的输入端上，多路选择开关的输出端连接到放大电路的输入端上，放大电路的输出端连接到滤波电路的输入端上，滤波电路的输出端连接到A/D转换器的输入端上，A/D转换器的输出端连接到CPU的信号输入端上，CPU的信号输入端分别与显不电路和语音播报模块电路的输入端相连。
7.根据权利要求6所述的激光式角差测量装置，其特征在于:所述CPU的信号输出端还通过RS232、RS485或CAN总线与MWD系统的地面接收箱相连；CPU采用单片机、DSP或ARM ;电源采用电池或电池组；激光感应器为可巡检式激光感应器，其信号的通道数为I?N路信号，I ^ N ^ 1080 ;放大电路中设置有激光放大器，激光放大器的放大倍数为I?10000 ;滤波电路中设置有带通滤波器，带通滤波器的频带为0.1?6000Hz。
8.一种采用权利要求6所述的激光式角差测量装置的角差测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)安装激光发射器 将激光发射器上的零刻度标记处，将激光器与上部钻杆的MWD系统的零刻度线对齐，保持激光发射器水平，用定位螺栓将安装盘与上部钻杆紧固； 2)安装激光接收器 提升钻柱，使得动力钻具刻线处位于井口位置；安装激光接收器，转动激光接收器，使得激光接收器的零刻度线与钻具的零刻度线对齐，用定位螺栓将安装盘与下部钻杆紧固；最后，将激光处理电路与激光接收器的输出端连接，并且将显示电路、语音播报模块以及MWD系统的地面控制箱均连接到激光处理电路中CPU的输出端上； 3)测量角差 打开电源，通过显示电路或语音播报模块读取角差值，即得到MWD的工具面角差。
9.根据权利要求8所述的激光式角差测量方法，其特征在于:当上部钻杆的记号在下部钻杆的记号的顺时针方向时，角差取正值；反之，逆时针方向，角差取负值。
10.根据权利要求9所述的激光式角差测量方法，其特征在于:当采用两个激光器进行测量时，CPU会对采集到的两个信号进行均值处理，即X= (XJX2)/2，其中，X为角差校准值，X1为激光感应器采集到的一个激光器对应的角差值，X2为激光感应器采集到的另一个激光器对应的角差值。
【文档编号】E21B47/024GK104234698SQ201410341561
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】刘科满, 张进双 申请人:西安石油大学