[發明專利]一種旋轉狀態下重力加速度測量裝置與提取方法

有效

• 申請號: 201610771602.6
• 申請日: 2016-08-29
• 公開（公告）號: CN106437683B
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 張文秀;陳文軒;底青云;劉建光;孫云濤;楊永友;鄭健
• 申請（專利權）人: 中國科學院地質與地球物理研究所
• 主分類號: E21B47/022
• 分類號: E21B47/022;E21B47/024
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司11401
• 代理人: 巴曉艷

技術領域

本發明主要屬于石油鉆井隨鉆測量領域，具體涉及一種旋轉狀態下重力加速度測量裝置與提取方法。

背景技術

隨鉆測量是指在鉆進過程中實時測量井眼軌跡參數，并利用鉆井液、電磁波等作為媒介將信息傳送到地表的過程。隨鉆測量儀器是定向鉆井工程師的“眼睛”，是控制井眼軌跡必不可少的工具。在定向鉆進過程中，鉆頭的方向信息對于正確鉆進是至關重要的，對鉆頭方向的精確測量不但能夠保證高效鉆遇既定目標，同時也避免造成與相鄰井眼的碰撞風險。因此，除了傳統的底部鉆具組合(包括鉆頭、螺桿鉆具、扶正器、鉆鋌等)，定向鉆井工具需要使用位置傳感器測量井下鉆具姿態，包括方位角(在水平面上與北向的偏角)、傾角(與垂直方向的偏角，亦稱井斜角)和工具面角(相當于導航中的橫滾角)，這些傳感器與檢測鉆井工程參數的傳感器(壓力、振動、扭矩等)共同構成了隨鉆測量系統(Measurement While Drill,MWD)，該系統安裝在距離鉆頭10米左右的無磁鉆鋌中。當前MWD系統使用三個加速度計測量井斜角和工具面角，使用三軸磁通門磁力計，并結合加速度計測量的井斜角和工具面角信息來測量方位角。

現有的MWD系統必須停鉆測量，測量過程中除了泥漿循環外，整個鉆柱是靜止的，這種測量方式的好處是鉆具旋轉、振動、沖擊等因素對加速度計測量結果的影響非常小，有利于提高測量精度。但缺點是只能隔一定的距離進行間斷測量，實際工程應用中通常為每隔30米測量一次，測量點之間的井眼軌跡只能通過數學方法計算得來，因此無法獲得精確的井眼軌跡信息。同時，由于靜態測量，鉆井作業必須頻繁地停下來，特別是在定向井段，嚴重影響鉆井效率，另外停鉆還會影響井壁的穩定，測量結束后鉆柱重新轉動的過程需要承受較大的扭矩，給鉆井安全帶來一系列問題。近年來，頁巖氣等非常規油氣資源的水平井開發、老油田開發后期精細開采、薄層和超薄層(1米以下)油氣藏的開發對軌跡控制精度的要求越來越高，現有MWD的停鉆間歇式測量模式難以滿足要求。

現有MWD系統停鉆測量的軌跡測量點數和測量效率之間存在矛盾，井眼軌跡動態連續測量已經成為定向鉆井測量的發展趨勢，例如近年來推出的近鉆頭隨鉆井斜測量儀和旋轉導向工具均在近鉆頭處安裝了三軸重力加速度計,進行井斜角和工具面角的測量，但測量精度與常規MWD還有差距。這是因為在鉆進過程中，鉆具的高速旋轉、鉆頭切削巖石及鉆柱與井壁的摩擦碰撞產生的強振動、強沖擊井下環境給重力加速度測量帶來了極大干擾，離心加速度、振動加速度和沖擊加速度與重力加速度疊加在一起輸出，如何從干擾環境中有效提取重力加速度對于提高井斜和工具面角的測量精度至關重要。

發明內容

針對上述問題，本發明提出一種旋轉狀態下重力加速度測量裝置與提取方法，可有效壓制旋轉動態測量過程中，離心加速度、振動加速度和沖擊加速度對重力加速度的干擾，實現重力加速度的精確提取，進而提高井斜和工具面的測量精度。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種旋轉狀態下重力加速度測量裝置，所述裝置包括傳感器和測量電路，所述傳感器包括三軸重力加速度計、參考測量傳感器和溫度傳感器，所述三軸重力加速度計測量三個正交方向的加速度分量信號，所述參考測量傳感器產生隨旋轉變化且不受振動和沖擊影響的信號作為參考信號；所述溫度傳感器測量該裝置內部的溫度，用于重力加速度計的溫度補償，消除鉆具溫度對重力加速度計的影響；測量電路采集所述傳感器的輸出信號，利用參考信號和分別與溫度補償后的加速度分量信號做互相關處理，消除因旋轉產生的離心加速度、振動和沖擊等干擾得到無干擾的重力加速度。

進一步地，所述三軸重力加速度計為三個正交安裝的重力加速度計，其中一個安裝在鉆具軸向上，另外兩個沿鉆具徑向安裝，三個重力加速度及安裝方向符合右手坐標系；所述三軸重力加速度計和低通濾波器相連，低通濾波器對所述三軸重力加速度計輸出的信號進行模擬濾波，濾除高于旋轉頻率的振動和沖擊干擾，濾波后的信號被測量電路采集，所述低通濾波器的低通截止頻率與所述三軸重力加速度計的頻帶和鉆井轉速相關。

進一步地，安裝時，所述參考測量傳感器的敏感軸與旋轉軸的夾角取決于傳感器類型，以使鉆具旋轉時，所述參考測量傳感器能夠在敏感軸方向上產生周期性變化。

進一步地，所述測量電路還包括模數轉換器、存儲器、微控制器和數據接口；所述模數裝換器連接所述傳感器和所述微控制器，所述微控制器連接所述存儲器和所述數據接口；所述模數裝換器與所述三軸重力加速度計間連接有所述低通濾波器；

所述模數轉換器將所述傳感器經過濾波的輸出信號轉換為所述控制器可接收模式；