随钻井径高精度测量方法及测量装置与流程

本发明属于井下测量工具及测量方法，特别是涉及到一种随钻井径高精度测量方法及测量装置。

背景技术：

1、井下声波测径仪的采样技术，都是以模拟信号处理技术为基础，采用超声模拟前端，进行高速ad采样转换成数字信号，数字信号进入dsp数据处理模块，再由mcu计算出渡越时间，软、硬件处理过程都很复杂，需要经验及其丰富的工程师才能完成。一般用于mwd测径工具的井下超声波发射器的频率范围为200～500khz。当完全用模拟技术进行计时测量，测得第一回波可能误差将大大增加。声波往返一次的时间误差也会成为计算中的另一较大误差因素。例如，应用模拟检测技术时，测得第一回波的测量误差约为3us，这使在水中的间隙误差约为2.76mm。对声波mwd测径仪，运用信号数字化技术，数字信号处理器(dsp)和实际过零点技术，可使测量误差减至0.1us，在水中的间隙误差为0.76mm。

技术实现思路

1、本发明旨在于克服现有技术的不足，提供了随钻井径高精度测量方法及测量装置。

2、本发明的随钻井径高精度测量方法，是通地下列步骤实现的：超声井径测量装置是以声脉冲反射波为基础，通过对超声波井壁反射波渡越时间的测量，求取井眼的井径和形状，装置与井壁距离的表达式为：

3、

4、式中：d-间距；v-钻井液的声速；t-发射脉冲与返回脉冲的时间间隔；

5、井径dh由下式可得：

6、dh ＝2*(d1+d2+d3+3r)/3          (2)

7、式中：d1、d2、d3，分别是指三个超声波传感器分别到井壁的距离，r为测量装置的半径。

8、作为本发明的进一步改进，渡越时间是通过下列方式测得：通过时间与数字的转换tdl，是用点火脉冲触发标注电流ima对标准电容cad充电，当主回波脉冲到达时停止对电容充电，同时触发ad转换测得cad电压vad，其公式为：t＝cad*vad/ima,由此计算得出的渡越时间是：

9、使用12位a/d＝4096个计数；

10、恒流源充电电流ima＝5.5ua；

11、标准电容cad＝3.9nf；

12、a/d参考电压＝2.5v；

13、平均声速＝1.47mm/us；

14、1个a/d计数＝2.5/4096＝0.61035mv；

15、时间分辨率：t＝3.9nf*0.61035mv/5.55.5ua＝43.3ns。

16、作为本发明的进一步改进，采用五个超声传感器对圆形钻孔进行测量，其中三个传感器用于距离测量，另外两个用于对井下泥浆声速的测量，三个传感器的每个的测距值来计算钻孔圆的直径。

17、作为本发明的进一步改进，泥浆声速的测量是采用一对传感器对水眼内泥浆声速进行实时测量。

18、本发明的随钻井径高精度测量装置，是在钻头和钻杆之间增设了井壁探测器构成，所述的井壁探测器是由有上接头和下接头的管柱中从上到下依次组装了电源模块、数据处理模块和电子眼模块构成；在电子眼模块的圆周上设有1～6个安装孔，安装孔与管柱环周上的视孔相对应，在每个视孔上均置有超声波传感器与安装孔相固定；在数据处理模块和电源模块之间的管柱上开数据线插孔。

19、作为本发明的进一步改进，在电子眼模块的圆周同一截面上设有互成120°的3个安装孔，每个安装孔分别与管柱上的视孔相对应。

20、作为本发明的进一步改进，在电子眼模块上的一相对安装孔中分别安装有发射传感器和接收传感器。

21、作为本发明的进一步改进，所述的数据处理模块包含mcu数字处理器板和传感器驱动板；mcu数字处理器板上设有3轴磁通门和3轴加速度计；mcu数字处理器板中装有井下16位处理器、256mb flash存储器和1553b总线。

22、作为本发明的进一步改进，传感器驱动板包含传感器驱动电路、tdc功能处理芯片和电源转换电路，用以驱动超声波传感器和发射传感器。

23、作为本发明的进一步改进，电源模块向数据处理模块和电子眼模块输送工作电源，电子眼模块是向井壁发射探测电磁波，并获取井壁吸收并反射电磁波，该探测的电磁信号送入数据处理模块进行分析处理，即获得钻井进程中任意位置和任意角度的井筒直径和形状数据，该结果数据是通过设于管柱中部处数据线插孔读取。

24、本发明的随钻井径高精度测量方法及测量装置，使第一回波的测量误差减小到43ns，在水中的间隙误差为0.03mm。从电池的耗电上看，使用模拟技术实现大概需要5w以上的功耗；运用信号数字化技术实现大约需要10w以上的功耗；而使用tdc技术最大需要0.9w。同时，使用tdc技术实现随钻井径工具具有明显优势。另外通过采用复合材料传感器，能增强探测反射波的能力，即使信号衰减较大(间距较大或钻井液比重大)，也可探测到反射波。即使在加重钻井液(1.9～2.2g/cm3)中，探测间距达50～75mm。另外，通过信号处理可消除邻近效应，无需声波延迟线。在有钻屑和少量气体聚积的情况下，也可精确计算出井径来。

技术特征：

1.随钻井径高精度测量方法，是通地下列步骤实现的：超声井径测量装置是以声脉冲反射波为基础，通过对超声波井壁反射波渡越时间的测量，求取井眼的井径，装置与井壁距离的表达式为：

2.如权利要求1所述的随钻井径高精度测量方法，其特征在于渡越时间是通过下列方式测得：通过时间与数字的转换tdl，是用点火脉冲触发标注电流ima对标准电容cad充电，当主回波脉冲到达时停止对电容充电，同时触发ad转换测得cad电压vad，其公式为：t＝cad*vad/ima,由此计算得出的渡越时间是：

3.如权利要求1所述的随钻井径高精度测量方法，其特征在于采用五个超声传感器对圆形钻孔进行测量，其中三个传感器用于距离测量，另外两个用于对井下泥浆声速的测量，三个传感器的每个的测距值来计算钻孔圆的直径。

4.如权利要求3所述的随钻井径高精度测量方法，其特征在于泥浆声速的测量是采用一对传感器对水眼(16)内泥浆声速进行实时测量。

5.随钻井径高精度测量装置，是在钻头和钻杆之间增设了井壁探测器构成，其特征在于井壁探测器是由有上接头(1)和下接头(2)的管柱(3)中从上到下依次组装了电源模块(4)、数据处理模块(5)和电子眼模块(6)构成；在电子眼模块(6)的圆周上设有1～6个安装孔(7)，安装孔(7)与管柱(3)环周上的视孔相对应，在每个视孔上均置有超声波传感器(8)与安装孔(7)相固定；在数据处理模块(5)和电源模块(4)之间的管柱(3)上开数据线插孔(9)。

6.如权利要求5所述随钻井径高精度测量装置，其特征是在电子眼模块(6)的圆周同一截面上设有互成120°的3个安装孔(7)，每个安装孔(7)分别与管柱(3)上的视孔相对应。

7.如权利要求5所述随钻井径高精度测量装置，其特征是在电子眼模块(6)上的一相对安装孔(7)中分别安装有发射传感器(10)和接收传感器(11)。

8.如权利要求5所述随钻井径高精度测量装置，其特征在于数据处理模块(5)包含mcu数字处理器板和传感器驱动板；mcu数字处理器板上设有3轴磁通门和3轴加速度计；mcu数字处理器板中装有井下16位处理器、256mb flash存储器和1553b总线。

9.如权利要求8所述随钻井径高精度测量装置，其特征在于传感器驱动板包含传感器驱动电路、tdc功能处理芯片和电源转换电路，用以驱动超声波传感器(8)和发射传感器(10)。

10.如权利要求5所述随钻井径高精度测量装置，其特征在于：电源模块(4)向数据处理模块(5)和电子眼模块(6)输送工作电源，电子眼模块(6)是向井壁发射探测电磁波，并获取井壁吸收并反射电磁波，该探测的电磁信号送入数据处理模块(5)进行分析处理，即获得钻井进程中任意位置和任意角度的井筒直径和形状数据，该结果数据是通过设于管柱(3)中部处数据线插孔(9)读取。

技术总结
本发明公开了一种随钻井径高精度测量方法及测量装置属于井下测量工具方法，超声井径测量装置是以声脉冲反射波为基础，通过对超声波井壁反射波渡越时间的测量，求取井眼的井径和形状，测得装置与井壁距离，并结合安装在装置周围的三个超声波传感器测得井径的大小。该测量方法及装置，使第一回波的测量误差减小到43nS，在水中的间隙误差为0.03mm。从电池的耗电上看，使用模拟技术实现大概需要5W以上的功耗；运用信号数字化技术实现大约需要10W以上的功耗；而使用TDC技术最大需要0.9W。另外通过采用复合材料传感器，能增强探测反射波的能力，即使信号衰减较大，也可探测到反射波。即使在加重钻井液中，探测间距达50～75mm。

技术研发人员：刘江
受保护的技术使用者：刘江
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15