一种双传感器卡点指示器的制作方法

本发明涉及石油钻井工程，尤其涉及一种双传感器卡点指示器。

背景技术：

1、在石油钻探开发过程中，钻探操作旋转钻头用于在地层钻孔，钻杆从地表延伸到井底，在这个过程中由于地层对钻头和钻杆的粘卡，以及钻速，钻压，钻井液等因素对钻头和钻杆粘卡的影响，有可能会出现钻头或者钻杆被岩层卡住，导致钻具在井孔内无法活动，对钻探工作的进行影响极大。

2、随着各类适用于复杂环境的高精度传感器在石油钻探过程中的广泛使用，对于地层深处的不同地质条件的钻探运用针对性的钻头运行参数尤为重要，相关领域的技术人员通过对不同地质条件的钻探参数不断改进，各种防止钻头或钻杆卡在地层深处的装置以及系统运用而生。

3、例如，中国专利：cn111364966a，该发明公开了一种石油钻井恒压差自动送钻控制方法，首先建立算法模型，根据输入的实时采集的基础数据为基础，计算出井底钻头所受到的扭矩，进而派生出地面的实时泵压差关系，并通过历史数据进行机器选型，调整和优化所述算法模型，使之输出可以满足恒压差钻进；最后根据输出的泵压差值控制电机的转速进行调整，实现最优控制压差，最终实现恒压差自动送钻。

4、现有技术中还存在以下问题；

5、现有技术未考虑钻头对地层含有大量砾石的地层进行钻探过程中，钻头触碰坚硬的砾石产生振动，不能对砾石层的石块分布进行评估，采用不合适的钻探参数易导致钻头对砾石地层开孔的孔径较小导致钻杆卡顿以及产生的振动引发孔壁坍塌，易造成钻头或钻杆卡在地层深处，需要进行卡点确认等措施，增加了钻探成本，影响了钻探的效率。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种双传感器卡点指示器，用以克服现有技术中对地层含有大量砾石的地层进行钻探过程中，不能根据对砾石层钻探特有的振动特征以及声波特征对砾石层进行识别，不能根据钻头振动的特殊现象对砾石层的砾石分布情况进行直观表征，且，不能根据发生孔塌的不同风险状况适应性地调整钻头以及传感器的运行参数的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种双传感器卡点指示器，包括：

3、第一传感模块，包括设置在钻头末端的用以采集所述钻头的振动信号的振动采集单元以及用以采集所述钻头的声波信号的声波采集单元；

4、第二传感模块，包括设置在所述钻头末端用以对所述钻头的位置进行标记的定位单元以及在钻杆内上下移动的用以采集所述钻杆周围磁场变化的卡点磁感单元；

5、信号处理模块，其与所述第一传感模块以及第二传感模块连接，包括特征聚合单元以及解析单元，所述特征聚合单元用以基于所述钻头的振动幅值以及声波信号的信号强度幅值计算预定周期内的钻探状态表征系数，以判定是否将所述钻头所在的位置标记为砾石孔塌特征位置；

6、所述解析单元用以基于所述预定周期内所述钻头的振动信号绘制振动幅值随时间的变化曲线，基于所述变化曲线中信号强度波峰的时间间隔波动情况结合所述钻探状态表征系数计算砾石分布风险表征参量；

7、运行优化单元，其与所述信号处理模块连接，用以基于所述砾石分布风险表征参量选定所述钻头以及所述第二传感模块的运行调整方式，包括，

8、调整所述卡点磁感单元对砾石孔塌特征位置处的数据采集时间间隔；

9、或，调整所述钻头的钻进速度以及钻压。

10、进一步地，所述特征聚合单元还用以确定所述钻头的振动幅值以及声波信号的信号强度幅值，其中，

11、所述特征聚合单元获取所述振动采集单元采集的数据，将预定周期内所述振动信号的信号强度最大值确定为所述钻头的振动幅值；

12、所述特征聚合单元获取所述声波采集单元采集的数据，将预定周期内所述声波信号的信号强度最大值确定为所述钻头的声波信号的信号强度幅值。

13、进一步地，所述特征聚合单元按照公式(1)计算所述预定周期内的钻探状态表征系数，

14、

15、公式(1)中，z为预定周期内的钻探状态表征系数，av为预定周期内钻头的振动幅值，av0为预设的振动幅值参考值，sv为预定周期内声波信号的信号强度幅值，sv0为预设的声波信号的信号强度幅值参考值，α为振动信号的权重系数，β为声波信号的权重系数，满足α+β＝1。

16、进一步地，所述特征聚合单元将所述钻探状态表征系数与预设的钻探状态表征系数阈值进行对比，以判定是否将所述钻头所在的位置标记为砾石孔塌特征位置，其中，

17、若所述钻探状态表征系数大于所述钻探状态表征系数阈值，则所述特征聚合单元判定将所述钻头所在的位置标记为砾石孔塌特征位置。

18、进一步地，所述解析单元还用以确定所述变化曲线中信号强度波峰的时间间隔波动情况，其中，

19、所述解析单元以所述钻头的振动信号的信号强度为y轴，以时间为x轴绘制振动幅值随时间的变化曲线，采集预定周期内所述变化曲线中各信号强度波峰的时间间隔，计算所述预定周期内的所述时间间隔的标准差sdt。

20、进一步地，所述解析单元按照公式(2)计算砾石分布风险表征参量，

21、

22、公式(2)中，r为砾石分布风险表征参量，sdt为预定周期内的所述时间间隔的标准差，sdt0为预设的标准差参考值，z为预定周期内的钻探状态表征系数。

23、进一步地，所述运行优化单元将所述砾石分布风险表征参量与预设的砾石分布风险表征参量阈值进行对比，以选定所述钻头以及所述第二传感模块的运行调整方式，其中，

24、若所述砾石分布风险表征参量小于或等于所述砾石分布风险表征参量阈值，则所述运行优化单元选定调整所述卡点磁感单元对砾石孔塌特征位置处的数据采集时间间隔；

25、若所述砾石分布风险表征参量大于所述砾石分布风险表征参量阈值，则所述运行优化单元选定调整所述钻头的钻进速度以及钻压。

26、进一步地，所述运行优化单元基于所述砾石分布风险表征参量调整所述卡点磁感单元对砾石孔塌特征位置处的数据采集时间间隔，对所述数据采集时间间隔调整的调整量与所述砾石分布风险表征参量成反比例关系。

27、进一步地，所述运行优化单元内预先设置有若干基于所述砾石分布风险表征参量调整所述钻头的钻进速度的速度调整方式，各所述速度调整方式对所述钻头的钻进速度的调整量不同；

28、所述运行优化单元内预先设置有若干基于所述砾石分布风险表征参量调整所述钻头的钻压的钻压调整方式，各所述钻压调整方式对所述钻头的钻压的调整量不同。

29、进一步地，所述卡点磁感单元包括旋转传感器以及拉伸传感器。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过设置第一传感模块、第二传感模块、信号处理模块以及运行优化单元，通过特征聚合单元计算预定周期内的钻探状态表征系数，判定是否将钻头所在的位置标记为砾石孔塌特征位置，通过解析单元绘制振动幅值随时间的变化曲线，基于变化曲线中信号强度波峰的时间间隔波动情况结合钻探状态表征系数计算砾石分布风险表征参量，通过运行优化单元选定钻头以及第二传感模块的运行调整方式，进而，实现了根据对砾石层特有的钻探振动以及声波特征对砾石层进行识别，根据钻头振动的特殊现象对砾石层的砾石分布情况进行直观表征，并根据发生孔塌的不同风险状况适应性的调整钻头以及传感器的运行参数，减少了解决钻头以及钻杆卡在地表深层的经济损失以及提高了钻探效率。

31、尤其，本发明通过设置特征聚合单元基于钻头的振动幅值以及声波信号的信号强度幅值计算预定周期内的钻探状态表征系数，在实际的钻探过程中，钻头接触到质地坚硬且表面平整不一的砾石块会产生幅度较大的振动，且，钻头接触到坚硬的砾石块会产生声波能量较强的声波信号，基于振动幅度和声波信号强度进行结合计算，能够表征出钻头钻探的地质环境特征，钻头振动幅度越大，且，结合同周期内钻头钻探发出的声波信号强度越大，表征钻头钻探的地质条件为含有坚硬砾石的地层，进而，实现了根据对砾石层特有的钻探振动以及声波特征对砾石层进行识别。

32、尤其，本发明通过设置解析单元基于振动幅值随时间的变化曲线中信号强度波峰的时间间隔波动情况结合钻探状态表征系数计算砾石分布风险表征参量，在实际的对砾石地层钻探过程中，由于砾石本身的大小不同以及分布密度不同，钻头在砾石块间的钻探产生的振动频率会随着砾石分布密度的不同发生变化，在本发明中通过获取振动随时间的变化曲线中信号强度波峰的时间间隔的标准差来直观地表征出钻头接触到砾石块产生的振动波峰的时间间隔的波动情况，时间间隔的波动越明显，表征钻头在砾石块间的沙土钻探时间越久，砾石分布越稀疏，相反地，时间间隔的波动不明显，表征钻头在砾石块间的沙土钻探时间较短，砾石分布密度较大，进而，实现了根据钻头振动的特殊现象对砾石层的砾石分布情况进行直观表征。

33、尤其，本发明通过设置运行优化单元调整所述砾石孔塌特征位置处的卡点磁感单元的数据采集时间间隔，在实际情况中，通过计算表征出的砾石地层发生孔塌的可能性不是很明显的条件下，不用调整钻头的运行参数，保证钻头钻探的工作效率，但是，需要对于容易发生孔塌的砾石层还是要减小检测的间隔周期，通过对砾石地层更加频繁的检测，及时发现异常，避免发生孔塌导致卡住钻杆，进行，实现了根据发生孔塌的不同风险状况适应性的调整传感器的运行参数，减少了解决钻头以及钻杆卡在地表深层的经济损失以及提高了钻探效率。

34、尤其，本发明通过设置运行优化单元调整所述钻头的钻进速度以及钻压，在实际情况中，通过计算表征出的砾石地层发生孔塌的可能性比较明显的条件下，需要适应性的降低钻进速度来保证钻头对于砾石块的充分钻孔，保证钻探的孔径是合格的，同样的，同时需要适应性的降低钻头的钻压，保证对砾石块的钻孔过程中，产生的振动对孔壁上的砾石块的影响是比较小的，降低钻压减小对孔壁的振动带来的影响，避免砾石层孔壁的砾石坍塌卡住钻杆，进而，实现了根据发生孔塌的不同风险状况适应性的调整钻头的运行参数，减少了解决钻头以及钻杆卡在地表深层的经济损失以及提高了钻探效率。