[發明專利]一種鉆頭扭轉測量裝置及測量方法

有效

• 申請號: 201410070831.6
• 申請日: 2014-02-28
• 公開（公告）號: CN103791996A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 楊金顯;錢偉;張穎;李志鵬;陳超
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: G01H1/00
• 分類號: G01H1/00;G01L5/26;E21B12/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及隨鉆測量領域，特別是鉆井、鉆孔和鉆探中鉆頭的扭轉測量。

技術背景

鉆頭在鉆進過程中會發生扭轉振動，滑/粘振動是一種扭轉振動，它與鉆頭轉速間歇性的波動有關，當鉆頭轉速接近恒定時會產生其它類型的扭轉振動；另外鉆頭環境溫度變化比較大。

雖然扭轉振動不會對鉆進速度起到不利影響，但鉆頭從停止到鉆進過程，假設鉆頭轉速從0變為146r/min，鉆壓會從8000lbm?(3628.8?kg)升至大約21000lbm?(9525.6kg)，鉆頭扭矩從200ft·lbf升至800ft·lbf，鉆壓和鉆頭扭矩劇烈變化會引起鉆頭鑲齒和牙輪斷裂，而且也會使軸承/密封過早失效，縮短軸承壽命，對鉆頭動態特性和性能影響很大，因此需要對鉆頭扭轉進行監測。

目前扭轉測量有兩種方法，一是通過振動信號分析，一是通過扭矩儀或力矩計測量。第一種方法通過鉆柱振動或近鉆頭振動測量，測量的振動信號中包括軸向振動、側向振動、扭轉加速和重力加速度，還有測量儀器的干擾噪聲，導致振動信號具有混沌性，提取扭轉振動信號是十分困難的，導致不能真實測量扭轉，甚至是錯誤的。第二種方法雖然從精度上是可行的，但由于鉆頭劇烈的振動，在鉆進過程中容易松動，甚至脫落。?

發明內容

?本發明的目的在于提出一種隨鉆鉆頭扭轉測量方法，把MEMS磁強計測量技術與鉆頭測量技術結合在一起，對鉆頭的扭轉和扭轉振動進行測量，來降低溫度的影響和抗沖擊能力。

為了實現上述目的，所述裝置包括信號采集模塊、信號處理模塊和信號接口三部分，信號采集模塊和信號處理模塊安裝在鉆頭處或內置在隨鉆測量系統。

所述信號采集模塊由兩只三軸磁強計、兩只溫度計和放大部分組成，考慮鉆頭的振動和小孔徑鉆進的使用，采用MEMS三軸磁強計和MEMS溫度計來構成，或直接采用帶有溫度補償的磁強計集成模塊。

為了防止環境溫度對傳感器影響，對信號采集模塊和信號處理模塊涂上無磁性的隔熱材料，高溫時也能正常工作。

所述信號采集模塊的兩只三軸磁強計對稱安裝，間距盡量近，分別用以測量鉆頭三個軸向上磁場的強度。

所述的溫度計用以測量磁強計的溫度，用于磁強計信號的溫度補償。

所述信號處理模塊首先進行磁強計信號的溫度補償，由于兩只磁強計對稱安裝，每只磁強計測量的數據包括鉆頭磁數據、鉆頭扭轉引起的磁數據、地磁數據和外界干擾磁數據，由于兩磁強計間距離很近，所以敏感的地磁數據和外界干擾磁數據及鉆頭本身的磁數據基本相同，兩磁強計測量數據的差值就是鉆頭扭轉的引起的磁變化，如果采用單只磁強計的話，測量扭轉引起的磁變化就會困難很多，要根據地磁模型剔除地磁數據，采用濾波算法剔除外界干擾數據，再減去鉆頭本身的磁數據，這樣即使地磁模型不準確或強磁環境也是沒有影響的。然后根據補償后兩磁強計數據的差值和鉆頭磁扭轉模型(通過不同的鉆頭扭轉角度與兩磁強計測量數據的差值之間的關系，采用數據擬合的方法建立模型)計算扭轉角，當鉆頭不發生扭轉時，磁強計讀數相等；發生扭轉時，通過鉆頭磁扭轉模型，計算扭轉角????????????????????????????????????????????????(按弧度)，由于這個弧度角比較小，鉆頭半徑已知，利用求出扭轉振動。

如果一只磁強計發生故障，也可通過單只磁強計測量的數據，進行扭轉輔助測量。

本發明的優點在于：⑴體積小，抗振動能力強和可靠性高；⑵采用無磁性材料涂層，即使高溫下也能夠工作；⑶在外界磁異常時也可以測量。⑷尤其適用于低成本、小鉆孔的隨鉆測量。

附圖說明

圖1?為本發明裝置的結構；

圖2?為本發明裝置的鉆頭坐標系；

圖3?為本發明的測量方法流程。

具體實施方式

以下結合附圖說明本發明的具體實施方式。如圖1所示，本裝置包括信號采集模塊、信號處理模塊、信號接口和無磁性隔熱涂料層1和黏合劑加固層2。

信號采集模塊采用芯片內置16bit?AD轉換器兩只三軸磁強計和兩只溫度計組成，直接數字IIC接口，磁場測量范圍：±1200uT，磁強計測量精度為0.02uT，可抗10000g的沖擊抗振(避免鉆頭鉆到巖石等堅硬的物體上使傳感器損壞)，噪聲非常低(測量的信號為真實的信號)、價格低，功耗低和體積小(4mm×4mm×1.5mm)。

如圖2，以鉆頭縱軸軸向方向為X軸，Y軸垂直齒平面，Z方向按右手法則確定，建立鉆頭坐標系。

兩只磁強計的連線要與模塊安裝面平行，與鉆頭軸向垂直。

經過放大到信號處理模塊。