一种径向井轨迹测量装置及系统的制作方法

本发明涉及油气开发测井技术，具体的讲是一种径向井轨迹测量装置及系统。

背景技术

随着国际油气资源勘探开发的进行，常规油气藏日益衰竭，低压、低渗、低产出，断块、边际、储层薄等特点成为常见油气开发的常态。在油气开发过程中，钻探出的油气井地轨迹，是油气井最终完井以及油气开采方式设计的重要依据。因此，油气井轨迹的准确测绘对于油气开采是至关重要的。

现有技术中，由于直径与长度限制，常规测量工具无法实现油管内超短半径转向，因而在对径向水平井井眼轨迹的测量往往是使用基于微机电(mems)传感器的小尺寸测量装置，通过钻后重入的方式进行轨迹测量。但是，由于径向水平井钻井多采用同井筒多层位多方位的方案设计，因而作业中要求往复对转向器进行调方位调井深、套管开窗、喷射钻进的施工作业。由于径向分支井眼尺寸较小，转向器调参后无法进行分支井眼的钻后重入，因而要求在喷射钻进完成后、转向器调参前，二次起下工具进行当前分支井眼重入与轨迹测量作业，这将成倍增加径向水平井作业工期与施工成本。

此外，现有技术中，此类测量装置均采用耐高温纽扣电池供电，存储芯片离线存储，测、电集成于一体式的测量短节的设计方式。然而，由于目前小尺寸耐高温电池与微机电传感器元件的作业温度一般不超过85℃，因而，严格而言，现有技术的径向井轨迹测量装置及其设计思路仅能适用于浅层低温油气井作业(低温油气井作业条件：井深3000-4000m，井底温度≤85℃)，并不适用于常规、甚至是深层高温油气井的径向井作业中。

此外，现有技术的径向井轨迹测量采用超快速起下钻与工具有效作业区间设置的方法降低测量装置的电能与存储空间消耗，从而变相实现有效作业时间的延长，然而由于其起下的速度过快，极易造成井下复杂，影响作业成败与施工安全；并且，事先的区间设置更为死板，无法有效应对如作业时间预估不准、增加作业批次等常见问题，更无法对井下复杂进行及时的应对，最终造成作业失败，浪费起下钻时间，增加作业成本。

另外，现有的径向井轨迹测量技术多使用集成的姿态传感器进行测量，但是实际使用中利用姿态传感器的加速度计数据，通过时间的二次积分的方法进行装备运行状态和运动轨迹的计算，具有较大的累计误差；该类测量工具由外壳和接头构成，外壳与接头通过螺纹连接，测量元件与电池放置于外壳内部，工具内无流体通道，只能通过钻后重入的形式进行测量。

技术实现要素：

为增加径向轨迹测量作业的灵活性，降低下钻次数，节约作业周期与成本，本发明实施例提供了一种径向井轨迹测量装置，包括：作业模块与能源通讯模块；作业模块通过高压软管与能源通讯模块连接；

所述的作业模块，设置于作业管柱的最下游，用于进行径向井轨迹的测量及钻进；

所述的能源通讯模块，安装于作业管柱中连续油管末端，用于为作业模块提供电力，并实现作业模块与地面设备的数据交互。

本申请实施例中，所述的作业模块包括：底部钻具、测量短节；所述底部钻具与测量短节螺纹连接。

本申请实施例中，所述的底部钻具为：旋转射流钻头或多孔射流钻头或端盖。

本申请实施例中，所述的测量短节内设置有：

陀螺仪，用于采集角加速度数据；

磁强计，用于采集实时磁场分量；

加速度计，用于获取加速度数据。

同时，本发明还提供一种径向井轨迹测量系统，包括：径向井轨迹测量装置和地面设备；其中，

所述的径向井轨迹测量装置包括：作业模块、能源通讯模块；作业模块通过高压软管与能源通讯模块连接；

所述的作业模块，设置于作业管柱的最下游，用于进行径向井轨迹的测量及钻进；

所述的能源通讯模块，安装于连续油管末端，用于为作业模块提供电力，并实现底部作业模块与地面设备的数据交互。

本申请实施例中，所述的作业模块包括：钻具组合、测量短节；所述底部钻具与测量短节螺纹连接。

本申请实施例中，所述的底部钻具为：旋转射流钻头或多孔射流钻头或端盖。

本申请实施例中，所述的测量短节内设置有：陀螺仪、磁强计以及加速度计。

本发明采用微机电传感器进行数据采集与存储，通过能源通讯模块可在任意径向井作业过程中依据作业情况与地面工程师要求，调整传感器参数并进行轨迹测量作业，增加作业的灵活性，降低起下钻次数，节约作业工期与成本。通过环形电路板与测电分离的形式预留流体通道，实现径向井轨迹的随钻测量；同时环形电路板可增大电路板表面积，从而通过设置冗余传感器与传感器阵列的形式，有效降低测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的径向轨迹测量装置的示意图；

图2为本发明实施例中公开的旋转射流钻头与测量短节组合结构的作业模块的示意图；

图3为本发明实施例中测量短节主视图；

图4为本发明实施例中测量短节装配图；

图5为本发明实施例中公开的多孔射流钻头与测量短节组合结构的作业模块的示意图；

图6为本发明实施例中公开的端盖与测量短节组合结构的作业模块的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种径向井轨迹测量装置，如图1所示，其包括：作业模块、能源通讯模块；作业模块通过高压软管17与能源通讯模块3连接。其中，作业模块包括：底部钻具1和测量短节2。

本实施例中，能源通讯模块3通过地面装备24与地面装置23连接，其中，地面装置23可以是装有配套轨迹解算软件的计算机、信号发生器、接收器、地面供电装置等地面设备的组合，地面装备24根据信号发生、接收装置类型、是否地面供电的情况，可以是管汇与线缆的自由组合，也可以是无线通讯装置。本发明实施例中，地面装备23、地面装置24是选配模块，仅当测量作业选择实时通讯或地面供电时选用。

本实施例中，作业模块位于作业管柱串最下游，其核心部件为轨迹测量短节，可以由轨迹测量短节与射流喷嘴构成并进行随钻测量，也可以仅由轨迹测量短节与端盖构成进行重入式轨迹测量，用于进行径向井轨迹的重入式测量，或随钻测量与喷射钻进；高压软管17，通过扣压方式与作业模块相连接，从结构上实现能源通讯模块3与作业模块的测量短节2的连接，同时提供流体流通通道，高压软管17的内部预先埋设传输线缆11(也可以在实际使用时压制)，实现测量短节2与能源通讯模块3的电力与数据传导；能源通讯模块3用于向作业模块中的测量短节提供电力供应、数据存储服务，接收地面信号对作业模块中的测量短节进行行为控制，能源通讯模块3通过螺纹与高压软管17及连续油管26连接，传输线缆11与能源通讯模块3中的电路连接；地面设备23用以为能源通讯短节3提供电力、数据、运算等服务。

本实施例中，能源通讯模块3，位于高压软管17与连续油管26之间，通过螺纹进行结构上的连接，内部部署耐高温电池、存储器、通讯器，通过导线实现内部器件的连接与数据、电力交互；能源通讯模块3耐高温电池可以在150℃以上的井筒内正常工作，存储器用以进行测量短节2经传输线缆11所反馈数据的存储工作；通讯器用以接收并解码地面信号，经传输线缆11对作业模块测量短节2进行行为控制，并将其行为状态反馈于存储器存储或发送至地面。

本发明实施例中地面装置23，可以是钻井现场常用的泥浆脉冲发生器，也可以是其他信号发生装置；若使用泥浆脉冲发生器，则通过管汇与井口装置27连接，通过套管与油管环空内的流体进行脉冲信号传输，将调制信号传递到井底能源通讯模块3；若采用其他信号发生装置，则需通过其他方法进行信号传输。

本发明实施过程中，装置使用前应被正确安装，保证传输线缆稳定性，能源通讯模块3、工作模块中的测量短节2、高压软管17中的传输线缆11，一经安装，应避免反复拆卸，而是应作为整体进行反复使用与维护。

安装时，若采用内部预先埋设传输线缆11的高压软管17，能源通讯模块、工作模块中的测量短节相关线路，可以以导线与焊接的形式与所埋设传输线缆11连接，也可以以触点对接的形式实现连接，在连接后施加绝缘与强度上的保护措施。若采用压制传输线缆11的方法，则应在高压软管两端安装工作模块与能源通讯模块3时保持传输线缆出入口方位一致，尽可能保证传输线缆11与高压软管17轴向一致，避免传输线缆11与高压软管17之间的缠绕；安装完成后，将传输线缆11压制于高压软管17表面或表层橡胶结构内。

安装完成后，工作模块的测量短节2、高压软管17及传输线缆11、能源通讯模块3应作为一个整体进行后续的安装与使用，可反复利用，但应尽量避免该整体内各部分结构之间的拆卸。

本发明实施例中，地面与井下通讯方式的选择，可采用泥浆脉冲或有缆传输或无线传输的形式进行地面与井下的数据通讯。

若采用泥浆脉冲形式，则地面安装的地面装置23应为泥浆脉冲装置，通过管汇与井口装置27连接，通过对套管与油管环空中的流体施加压力脉冲的形式将调制信号传输至井底能源通讯模块3，经解码后实现对工作模块中的测量短节的行为控制。

若采用有缆传输或无线传输的形式，则地面装置23应为对应的信号发生装置，通过缆线与连续油管26或油管25连接，通过埋设线缆或无线中继的形式，实现地面与井下的数据通讯。

同样的，若在能源通讯模块3与连续油管26之间的位置加装相应的通讯短节，地面装置23加装信号接收与发生装置，也能够实现井底数据向地面的通讯，从而实现井底与地面的双向数据交流。

本发明实施例中，测量方式的选择，可以是随钻测量，也可以是钻后重入测量。

若选择随钻测量方式，底部钻具1中应包含射流喷嘴，射流喷嘴与工作模块中的测量短节2以螺纹连接。作业开始时，通过油管25将转向装置19下入井内指定层位与方位，通过水力锚定的方式进行位置锁定；使用连续油管26将由能源通讯模块3、高压软管17、传输线缆11、作业模块(作业模块包括：底部钻具1和测量短节2)构成的作业管串下入井底，根据地面控制或测量短节2预先的程序设置进行边钻边测或单独的测量作业。一次工具下入，实现多层位多方位的钻进与轨迹测量作业，通过地面指令或预先程序设置控制工具作业行为，降低电力与数据存储空间的消耗，提高作业与面对井下复杂的灵活性，从而从整体上降低作业时间，降低作业成本，提高作业效率与成功率。

若选择钻后重入测量，则工作模块中仅需包含测量短节。在径向分支孔眼钻进结束后，使用连续油管上提并在地面更换作业管串，进行分支孔眼重入，通过地面指令或预先程序设置控制工具作业行为，降低电力与存储空间的消耗，提高作业与面对井下复杂的灵活性，提高作业效率与成功率。

测量过程中，若采取高速有线或无线传输的地面-井下通讯方式，作业模块中测量短节2所获数据可以选择实时上传地面，从而作业工程师可以在作业中进行数据分析，获取装置状态，评估作业效果，并通过修改施工方案、上提下放管柱、起停泵等方式对重入失败、软管堆积、喷嘴失效、井眼垮塌等复杂情况进行事故处理。

能源通讯模块中的存储装置默认时刻开启，默认根据所设置装置工作参数进行测量数据存储。若选择数据实时上传，则存储器进行滚动式存储，防止数据上传故障导致的测量数据丢失。

本实施例中底部钻具可以为：旋转射流钻头或多孔射流钻头或端盖。

图2所示，为本实施例中公开的旋转射流钻头与测量模块组合结构的作业模块的示意图。

喷射钻头201，用于进行喷射钻进以及提供工具前进的动力；测量短节2，用于进行轨迹测量作业，并从结构上实现喷射钻头与高压软管的连接。

喷射钻头201，位于钻具组合最前端，包括喷嘴帽2013、转子2014、定子2015、连接接头2016，转子2014与喷嘴帽2013采用螺纹连接，定子2015与连接接头2016采用螺纹连接。

测量短节2，位于喷射钻头与高压软管之间，包括壳体2029、控制与传感器2027、通讯存储器2028、连接线构成，其中壳体2029与喷射钻头201通过连接接头2016采用螺纹连接，壳体2029与高压软管采用扣压连接；控制与传感器2027各元件之间通过集成电路板连接，与通讯存储器2028通过插针连接，控制与传感器2027、通讯存储器2028设置于壳体2029的插槽，覆盖于第一槽口20212与第二槽口20213上，如图3所示为测量短节主视图，图4为测量短节装配图。

为实现本发明中测量短节电子部分的功能，满足空间要求，需要采用异型电路板。如图4所示，测量短节中的陀螺仪、磁强计以及加速度计环形设置于异型电路板40上，异型电路板40包括环形电路板401以及多个长方形电路板402，异型电路板40为fpc或pcb电路板。

本实施例中，异型电路板40由多个fpc或pcb平面电路板，配合特殊骨架，实现电路板的三维异型。如图4所示。异型电路板40由pcb与fpc混合构成，传感器、控制器等电子元件分散排布在图中长方形的电路板402上，各长方形电路板402通过环形pcb电路板401进行连接与数据交互。异型电路板40通过3d打印的合金骨架进行加固。本实施例中，控制与传感器2027设置于一长方形电路板402，通讯存储器2028与异型电路板40通过插针或触点方式实现插拔连接。通讯存储器2028与异型电路板40通过环形的合金骨架构成一个环形分布的异型电路板40。

首次作业前，将测量短节2中壳体2029与高压软管17连接，通讯存储器2028装入第二槽口20213中，连接线20211从第二槽口20213后端通孔穿出并沿高压软管压制，进行密封。

作业开始前，使用数据线将测量短节2中控制与传感器2027与电脑连接，进行传感器校正与初始化，设置测量参数。完成后，将控制与传感器2027嵌入测量短节2的第一槽口20212中，并通过插针或触点的方式与通讯存储器2028连接。根据需求连接对应喷射钻头。使用于高压软管后端伸出的连接线20211与电脑相连，检查测量短节数据与电力通讯质量。连接高压软管及能源通讯模块，将连接线20211末端穿入能源与通讯模块中。通过螺纹连接方法，将能源与通讯模块同连续油管26前端相连。

作业时，待转向器调参、套管开窗完成后，使用连续油管26装置将该装置下入井底，开始喷射钻进。测量短节2根据控制与传感器2027在初始化过程中设置的测量参数或地面控制指令，在作业流程中进行井眼轨迹测量，测量数据根据通讯存储器2028与能源通讯模块3的配置进行离线存储或上传至地面。喷射钻进完成后，起出作业管柱，重新进行转向器调参与套管开窗，同时再次进行测量短节2中控制与传感器2027校正与初始化，待转向器调参与套管开窗完成后，继续下入该装置，进行喷射钻进与测量一体化作业。重复进行上述步骤，直至完成整个施工设计。根据通讯存储器配置，测量数据可以在测量时获得，也可以在测量完成起出连续油管26后获得。

作业完成后，将能源通讯模块3从连续油管26末端拆下，将连接线11末端从能源与通讯模块拆除；拆卸喷射钻头，取出测量短节2中控制与传感器2027。其他配件不可拆卸，简单清洁后留待下次施工使用。

本发明实施例中，径向井钻井作业中并非只能采用旋转射流钻头，多孔射流钻头也是一种实现形式。如图5所示，通过多孔射流钻头220和测量短节2组合的形式，也可以实现径向井钻井、测量一体化作业。多孔射流钻头220通过螺纹与测量短节2的壳体进行连接。

进一步，本发明实施例中，通过更换模块可以实现多种方式的操作。如图6所示，将喷射钻头201更换为端盖221，则可进行钻后重入式测量。端盖221与测量短节2的壳体部分通过螺纹进行连接。

本实施例中，能源通讯模块3，位于高压软管17与连续油管26之间，包括壳体，电源与通讯存储器三部分；其中，壳体通过螺纹与高压软管17及连续油管26连接；电源、通讯存储器嵌入壳体中；电源用于为测量短节提供能源，可以是电池也可以是发电或电力传输装置；通讯存储器可以是存储芯片、也可以是通讯器，若为存储芯片，该芯片可以安装于测量短节2内，也可以安装于能源通讯模块3内；若为通讯器，则受尺寸限制，只能被安装于能源通讯模块3内。

本发明实施例中，能源通讯模块3具有多种实现方式，通讯部分可以是存储芯片(直接进行数据存储)，也可以是数据传输线缆(连续油管26管壁内埋设，或者从连续油管26内空间直接穿线，可以实现地面与井下的实时数据通讯，可以将井下测量数据反馈至地面，也可以将地面测量操作指令传输至井下)，也可以是泥浆脉冲、无线发射器和中继器等井下通讯工具(与数据线缆的作用一致，只是改变了数据传输方法)。能源部分可以是高温电池，也可以是电源线(连续油管管壁内埋设，或者从连续油管内空间直接穿线)。具体实现方式包括但不限于：[1]存储芯片+高温电池；[2]存储芯片+电源线；[3]数据线+高温电池；[4]数据线+电源线；[5]井底泥浆脉冲/无线发射装置等通讯设备+高温电池/电源线等。当然，前面提到可以从井底发生泥浆脉冲，地面接收并解码，从而实现井底测量数据到地面的传输。同样，地面也可以反向向井底施加泥浆脉冲，井底相关设备进行解码后，实现地面指令向井下测量工具的传输。无线、有线的思路和泥浆脉冲类似。

本发明实施例中采用环形的电路板结构，将测量短节和能源通讯模块进行拆分和模块化组合，优化测量短节空间分配，通过能源通讯模块3后置于转向器末端的形式，解除能源与通讯模块尺寸限制，从而解除了测量工具数据存储、电源续航等条件限制。

现有技术中，将测量数据直接存储于存储芯片内，但是受尺寸限制，一般仅能存储64mb，约3-4小时的数据；纽扣电池的电量和测量元件的功耗计算，也基本处于这个水平。考虑到径向井难以使用常规测量方法的原因在于其工艺特点对工具尺寸的限制，因此通过异型电路板的方法，将测量短节空间进行合理利用，在可以提供流体通道的基础上，也放松了一部分传感器的尺寸要求。此外，由于径向井工艺特点，即，测量工具需要经过一个超短半径转向轨道进入径向井眼/孔眼，所以才会对工具尺寸进行限制；本专利将能源通讯模块与测量短节进行拆分，将能源通讯模块安装于连续油管末端，不需要通过转向轨道，因而解除了能源通讯模块的尺寸限制条件，从而在一定程度上提高了工具的存储与电量续航时间，也为实时控制/监测等操作创造了条件。

本发明实施例中，测量短节内的测量工具包括：陀螺仪、磁强计以及加速度计，通过获取装置运动的加速度，角加速度，与实时磁场分量，以组合导航的理论为基础，设计算法对工具实时姿态进行提取，并结合钻具运行速度对径向井轨迹进行计算。相较于原常规钻井随钻测量工具，本专利采用了动态的轨迹测量方法，综合利用陀螺仪、磁强计、加速度计三大传感器的实测数据，更贴近于实钻轨迹。此外，由于采用mems元件，依靠合理的传感器选型和工具结构优化设计，显著缩小工具尺寸(一般随钻测量工具长度可达半米，甚至更多。本工具直径仅20mm，长度小于60mm)，克服了常规轨迹测量工具无法应用于径向井工艺的不足。与此同时，由于该工具的使用，克服了现有技术中径向井轨迹测量钻后重入失败率高的弊端，填补了径向井轨迹测量领域的空白。

本领域技术人员知道，地面与井下数据通讯技术中泥浆脉冲、有缆传输、无线传输的实现形式并不局限于本专利所提及的方法，完全可以采用特殊附加装备的方法实现多形式的地面与井下数据通讯。本专利的关键不在于以何种方法实现地面与井下数据通讯与控制，而是在于通过将测量短节内的测量、供电、控制、数据存储等功能分离，通过埋设或压制线缆的方式进行连接；通过设置独立的能源通讯短节增加工具的电力续航与存储空间续航能力，且由于该短节位于连续油管下游，不占用实际作业管柱空间，因而不受径向孔眼尺寸与转向器结构尺寸限制，可以选用性能更佳、容量更大的电池、存储器、通讯器等，拓宽了装置的温度、井深、孔眼直径等参数的应用限制；另一方面为作业管串下游的测量短节提供尽可能多的容纳空间，从而测量短节可以选用相较于目前本领域内所采用的常温元器件而言，更大尺寸的耐高温元器件，扩展了测量工具的应用范围；通过地面与井下数据通讯的方法，实现测量工具的行为控制，从而提高作业与面对井下复杂情况的灵活性，提高作业效率与成功率，降低作业成本。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。