CN112177601B - 一种随钻测量钻具转速的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种随钻测量钻具转速的方法及装置，该技术方案通过待测钻具的转速上限数据确定合理采样频率后，利用单传感器均匀采集传感器感知方向的电信号数据，进而利用采集的电信号数据根据设计的运算方法确定钻具的瞬时转速和平均转速。采用上述技术方案依靠设置的单传感器获取中间采集数据，就可以满足获取可靠钻具测量结果的需求，有效节约了测量过程中的软/硬件配置成本，此外，本发明设计的运算方法步骤简明，在保障测量结果可靠性的技术上有效提升了测量效率，能够使技术人员快速获取可靠的井下钻具实时数据，有效促进勘探和开发工程的高效实施。

Description

一种随钻测量钻具转速的方法及装置

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术领域，尤其涉及一种随钻测量钻具转速的方法及装置。

背景技术

油气勘探本就是具有高投入和高风险特点的技术性工程，随着油气资源的日益枯竭，勘探和开发工程中地层深度逐渐加深，复杂度逐渐增大，投入和风险也随之增加。为了减少油气钻探开发风险，节省资金投入，钻井过程中往往采用随钻测井(LWD)与随钻测量(MWD)等仪器工具，用于采集井底钻具参数，并将数据传输到地面，使钻井工程师了解井底钻井工况，指导钻井决策。钻具转速和钻头转速是重要的钻具参数，通过平均转速可以判断钻具遇地层物理特性和评估钻头磨损情况，通过瞬时转速可以判断井底遇阻卡钻等异常情况，是油气勘探工程中重要的技术环节。

目前测量转速的技术主要采用双传感器测量并计算的方法，先利用两个传感器采集感知数据，然后运用反三角函数方程计算感知数据的角度信息，进而计算获取钻具的转速结果，计算步骤繁琐，占用了较多的井下运算器运行时间，而且这样的测量方法对井下电路硬件性能和运算软件要求较高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种随钻测量钻具转速的方法，在一个实施例中，所述方法包括：

步骤S1、根据钻具的最高转速确定采样频率的取值范围；

步骤S2、利用单传感器根据设定的采样时间和采样频率均匀采集传感器感知方向上的电信号数字量样本；

步骤S3、根据所述电信号数字量样本计算钻具的瞬时转速；

步骤S4、基于设定的平均转速计算时间和所述钻具的瞬时转速计算钻具的平均转速。

优选地，在所述步骤S1中，利用下式确定采样频率v的取值范围：

v≥2×RPM_max

式中，RPM_max为钻具的最高转速。

优选地，在所述步骤S2中，包括：

利用所述单传感器根据所述采样频率的取值范围设定的采样频率和采样时间，均匀采集重力加速度或地磁强度在传感器感知方向的分量，获取对应的电信号；

对获取的电信号进行模数转换得到电信号数字量样本。

优选地，在所述步骤S3中，按下式计算时间间隔t1内钻具的瞬时转速frt：

式中，t1＝n1/v，z_i＝y_i-y_i-1，v为传感器的采样频率，ω为数字角频率的最小二乘估计值，y_i为采集的第i个电信号数字量样本，n1为计算瞬时速度时电信号数字量样本的总数量，n1取正整数，n1≥5，z_i为第i个电信号数字量样本对应的中间参数。

优选地，在所述步骤S4中，按下式计算时间间隔t2内钻具的平均转速f_AVG：

式中，m＝n2/n1，n2＝t2/v，n2为计算平均转速时电信号数字量样本的总数量，n2取正整数，n2≥5，frt为第j个单位时间段内钻具的瞬时转速，j为中间计算参数，j取正整数。

基于上述实施例，本发明还提供一种随钻测量钻具转速的装置，在另一个实施例中，该装置包括：

频率确定模块，其设置为根据钻具的最高转速确定采样频率的取值范围；

采样模块，其设置为利用单传感器根据设定的采样时间和采样频率均匀采集传感器感知方向上的电信号数字量样本；

第一数据处理模块，其设置为根据所述电信号数字量样本计算钻具的瞬时转速；

第二数据处理模块，其设置为基于设定的平均转速计算时间和所述钻具的瞬时转速计算钻具的平均转速。

优选地，所述频率确定模块按照下式确定采样频率v的取值范围：

v≥2×RPM_max

式中，RPM_max为钻具的最高转速。

进一步地，所述采样模块包括：

传感器，其根据确定的所述取值范围设定实施的采样频率和采样时间均匀采集重力加速度或地磁强度在传感器感知方向的分量，获取对应的电信号；

模数转换单元，其设置为将获取的模拟电信号转换为电信号数字量样本。

进一步地，所述第一数据处理模块，按照下式计算时间间隔t1内钻具的瞬时转速frt：

式中，t1＝n1/v，z_i＝y_i-y_i-1，ω为数字角频率的最小二乘估计值，y_i为采集的第i个电信号数字量样本，n1为计算瞬时速度时电信号数字量样本的总数量，n1取正整数，n1≥5，z_i为第i个电信号数字量样本对应的中间参数。

进一步地，所述第二数据处理模块，按照下式计算时间间隔t2内钻具的平均转速f_AVG：

式中，m＝n2/n1，n2＝t2/v，n2为计算平均转速时电信号数字量样本的总数量，

n2取正整数，n2≥5，frt为第j个单位时间段内钻具的瞬时转速，j为中间计算参

数，j取正整数。

与最接近的现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的随钻测量钻具转速的方法，先通过待测钻具的最高转速确定合理的采样频率，利用单传感器均匀采集传感器感知方向的电信号数据，然后利用采集的电信号数据根据设计的运算方法确定钻具的转速结果。本发明的上述技术方案依靠单传感器的采集结果就可以满足钻具转速测量要求，且该方法运算步骤简明，在保障测量结果可靠性的技术上有效提升了测量效率，减少了测量过程中的软/硬件配置成本和操作时间消耗。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一个实施例中随钻测量钻具转速的方法的流程示意图；

图2是本发明另一个实施例中随钻测量钻具转速的装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中随钻测量钻具转速的装置的连接结构示意图；

图4是本发明实施例的随钻测量钻具转速的装置的安装位置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

油气勘探领域的钻井过程中采用随钻测量技术获取井底钻具参数，并将数据传输到地面，能够使钻井工程师根据获取的井底钻具参数了解井底钻井的实时工况，指导钻井决策。其中，钻具转速是重要的钻具参数，通过平均转速可以判断钻具遇地层物理特性和评估钻头磨损情况，通过瞬时转速可以判断井底遇阻卡钻等异常情况。

测量钻具转速的传统技术具有计算步骤繁琐，运算效率低的问题，而且这样的测量方法对井下电路硬件性能和运算软件要求较高。

为解决上述现有技术所存在的技术问题，本发明提供一种利用单传感器就能实现的随钻测量钻具转速的方法及装置，该测量方案具有精简特性，运算处理时间短的特点，提高了井下***整体运行效率。下面参考附图对本发明各个实施例进行说明。

图1示出了本发明一个实施例提供的随钻测量钻具转速的方法的流程示意图，参照图1可知，该方法的具体方案如下。

首先需要确定合理的采样频率，本发明通过下述步骤确定采样频率的取值范围。步骤S110，根据钻具的最高转速确定采样频率的取值范围。

具体的，在确定采样频率取值范围的过程中，按照下式(1)进行计算确定采样频率v的取值范围：

v≥2×RPM_max (1)

式中，RPM_max为钻具的最高转速，该数据可以由人工进行调研获取。在一个优选的例子中，待测钻具的最高转速可以取每秒7转，采集频率v的最小值取每秒14次。具体的，此处的钻具可以包括实际工况中有转速测量需求的各种钻具，如油气勘探领域开发工程中用到的各种规格的钻具、钻头或采用上述方案能获取相似技术效果的其他钻具结构。

本发明实施例以待测钻具的最高转速标准数据作为运算依据，确定采样频率的取值范围，确保了频率数据的可靠性，一定程度上为钻具转速测量结果的精确度打下了基础。

在确定采样频率的取值范围之后，用户能够根据需求自行设定合理的采样时间，基于确定的频率进行等时间间隔均匀采样，获取能够有效服务于转速测量结果运算的参数，因此，本发明实施例包括以下步骤。

步骤S120，利用单传感器根据设定的采样时间和采样频率均匀采集传感器感知方向上的电信号数字量样本。该步骤中，具体包括下述操作：

步骤S1201，利用单传感器根据采样频率的取值范围设定实施的采样频率和采样时间，均匀采集重力加速度或地磁强度在传感器感知方向的分量，获取对应的电信号。其中，本发明实施例采用的传感器可以是加速度传感器或者磁灵敏传感器，传感器随着钻具的转动，感知重力加速度或地磁强度在传感器感知方向的分量，输出对应的电压或电流信号；然后通过模数转换单元将电压或电流信号量转换为数字量，即包括以下步骤。

步骤S1202，对获取的电信号进行模数转换，得到电信号数字量样本。该步骤中，模数转换单元可以采用模数转换器或其他转换结构，本发明不加以限定。

本实施例在该步骤中，基于确定的采样频率，仅利用单传感器进行数据信号采集就能够运算得到钻具转速数据，有效克服了现有技术中操作繁琐，时间耗费过长的缺陷，同时减少了测量过程中的软件和硬件设备消耗。

基于上述设计，本发明通过下述步骤利用得到的电信号数字量样本展开运算。步骤S130，根据电信号数字量样本计算钻具的瞬时转速；在该步骤中，当按照采样频率v均匀采样后获得的等间隔采样序列为y₁,y₂,...,y_n时，具体按下述公式(2)计算时间间隔t1内钻具的瞬时转速frt。

式中，t1＝n1/v，z_i＝y_i-y_i-1，ω为数字角频率的最小二乘估计值，y_i为采集的第i个电信号数字量样本，n1为计算瞬时速度时电信号数字量样本的总数量，n1取正整数，n1≥5，z_i为第i个电信号数字量样本对应的中间参数。

在一个优选的例子中，可以设置测量瞬时转速的时间间隔t1为1秒，则n1＝v×t1＝14×1＝14，此时的frt为时间间隔为1秒内的瞬时转速。

本发明实施例还包括步骤S140，基于设定的平均转速计算时间和钻具的瞬时转速计算钻具的平均转速，在该步骤中，按下式(3)计算时间间隔t2内钻具的平均转速f_AVG。

式中，m＝n2/n1，n2＝t2/v，n2为计算平均转速时电信号数字量样本的总数量，n2取正整数，n2≥5，frt为第j个单位时间段内钻具的瞬时转速，j为中间计算参数，j取正整数。例如，设定用于测量平均转速的时间间隔为10秒，即t2＝10，则计算出m＝10，此时f_AVG则为时间间隔10秒内的平均转速。

采用本实施例的技术方案以单传感器的采样结果为运算基础，通过上述的计算方式在井下就可以快速测量钻具的瞬时转速和平均转速，运算处理速度快，采用简洁高效的步骤获得了可靠的测量结果，降低了井下测量软件的运算量，很大程度上提升了油气勘探工程的开发效率。

为更佳地执行上述方法的技术方案，本发明还提供了一种随钻测量钻具转速的装置。图2示出了本发明另一个实施例中随钻测量钻具转速的装置20的结构示意图，参照图2可知，该装置包括：

频率确定模块210，其设置为根据钻具的最高转速确定采样频率的取值范围。

采样模块230，其设置为利用单传感器根据设定的采样时间和采样频率均匀采集传感器感知方向上的电信号数字量样本。

第一数据处理模块250，其设置为根据电信号数字量样本计算钻具的瞬时转速。

第二数据处理模块270，其设置为基于设定的平均转速计算时间和钻具的瞬时转速计算钻具的平均转速。

其中，频率确定模块210，通过下式(4)确定采样频率v的取值范围。

v≥2×RPM_max (4)

式中，RPM_max为钻具的最高转速。

具体的，本实施例中采样模块230具体包括：

传感器2301，其主要根据确定的取值范围设定实施的采样频率和采样时间均匀采集重力加速度或地磁强度在传感器感知方向的分量，获取对应的电信号。

模数转换单元2303，其设置为将获取的模拟电信号转换为电信号数字量样本。

图3示出了本发明实施例中随钻测量钻具转速的装置的电气连接结构示意图。如图3所示，本发明实施例的随钻测量钻具转速的装置20中包括：频率确定模块210、采样模块230、第一数据处理模块250和第二数据处理模块270。

其中，频率确定模块210、采样模块230、第一数据处理模块250和第二数据处理模块270之间均进行电气连接，采样模块230中的传感器2301和模数转换单元2303之间也进行电气连接。优选地，本发明实施例的传感器2301可以采用加速度传感器或者磁灵敏传感器，其随着钻具的转动，感知重力加速度或地磁强度在传感器感知方向的分量，输出对应的电压或电流信号，进而由模数转换单元2303将电压或电流信号量转换为数字量，为在处理模块内实时处理和计算钻具转速数据提供数据基础。

此外，为了进一步提升采样结果的精确性，本发明实施例还可以设置与传感器电气连接的放大电路，通过该放大电路对传感器输出的电信号进行合理放大，再传输至模数转换器进行模数转换操作，一定程度上保障了钻具转速测量结果的精确性。

在实际应用中，为了便于查阅和调用历史计算数据，本发明还可以设置存储器，其与第一数据处理模块和第二数据处理模块进行电气连接，用于对计算的钻具瞬时转速测量结果和平均转速测量结果进行有序保存和备份。

本发明实施例的随钻测量钻具转速的装置适用于各种钻具中，结构简单，设置灵活，可以设置在钻具内部任何位置。在一个优选的例子中，本发明实施例的随钻测量钻具转速的装置可以嵌入设置在钻挺的管状结构内，图4示出了本发明实施例的随钻测量钻具转速的装置安装位置示意图。其中，图4-a为随钻测量钻具转速的装置与钻挺组合结构的正视图，图4-b为随钻测量钻具转速的装置与钻挺组合结构的横截面示意图，根据图中透露的信息可以确定，随钻测量钻具转速的装置2是嵌入安装在钻挺1的管状结构实体内，具***置可以根据实际需求设定和调整，本发明不予限定。

具体的，该实施例的第一数据处理模块250，通过下式(5)计算时间间隔t1内钻具的瞬时转速frt。

式中，t1＝n1/v，z_i＝y_i-y_i-1，ω为数字角频率的最小二乘估计值，y_i为采集的第i个电信号数字量样本，n1为计算瞬时速度时电信号数字量样本的总数量，n1取正整数，n1≥5，z_i为第i个电信号数字量样本对应的中间参数。本发明设置第二数据处理模块270按下式(6)计算时间间隔t2内钻具的平均转速f_AVG。

式中，m＝n2/n1，n2＝t2/v，n2为计算平均转速时电信号数字量样本的总数量，n2取正整数，n2≥5，frt为第j个单位时间段内钻具的瞬时转速，j为中间计算参数，j取正整数。

本发明实施例提供的随钻测量钻具转速的装置中，各个模块或单元结构可以根据测量需求独立运行或组合运行，以实现相应的技术效果。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意味着限制。

说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种随钻测量钻具转速的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1、根据钻具的最高转速确定采样频率的取值范围；

步骤S2、利用单传感器根据设定的采样时间和采样频率均匀采集传感器感知方向上的电信号数字量样本；

步骤S3、根据所述电信号数字量样本计算钻具的瞬时转速；

步骤S4、基于设定的平均转速计算时间和所述钻具的瞬时转速计算钻具的平均转速；

在所述步骤S3中，按下式计算时间间隔t1内钻具的瞬时转速frt：

式中，t1＝n1/v，z_i＝y_i-y_i-1，v为传感器的采样频率，ω为数字角频率的最小二乘估计值，y_i为采集的第i个电信号数字量样本，n1为计算瞬时速度时电信号数字量样本的总数量，n1取正整数，n1≥5，z_i为第i个电信号数字量样本对应的中间参数；

在所述步骤S4中，按下式计算时间间隔t2内钻具的平均转速f_AVG：

式中，m＝n2/n1，n2＝t2/v，n2为计算平均转速时电信号数字量样本的总数量，n2取正整数，n2≥5，frt_j为第j个单位时间段内钻具的瞬时转速，j为中间计算参数，j取正整数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，利用下式确定采样频率v的取值范围：

v≥2×RPM_max

式中，RPM_max为钻具的最高转速。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，包括：

利用所述单传感器根据所述采样频率的取值范围设定的采样频率和采样时间，均匀采集重力加速度或地磁强度在传感器感知方向的分量，获取对应的电信号；

对获取的电信号进行模数转换得到电信号数字量样本。

4.一种随钻测量钻具转速的装置，其特征在于，所述装置包括：

频率确定模块，其设置为根据钻具的最高转速确定采样频率的取值范围；

采样模块，其设置为利用单传感器根据设定的采样时间和采样频率均匀采集传感器感知方向上的电信号数字量样本；

第一数据处理模块，其设置为根据所述电信号数字量样本计算钻具的瞬时转速；

第二数据处理模块，其设置为基于设定的平均转速计算时间和所述钻具的瞬时转速计算钻具的平均转速；

所述第一数据处理模块，按照下式计算时间间隔t1内钻具的瞬时转速frt：

式中，t1＝n1/v，z_i＝y_i-y_i-1，v为传感器的采样频率，ω为数字角频率的最小二乘估计值，y_i为采集的第i个电信号数字量样本，n1为计算瞬时速度时电信号数字量样本的总数量，n1取正整数，n1≥5，z_i为第i个电信号数字量样本对应的中间参数；

所述第二数据处理模块，按照下式计算时间间隔t2内钻具的平均转速f_AVG：

式中，m＝n2/n1，n2＝t2/v，n2为计算平均转速时电信号数字量样本的总数量，n2取正整数，n2≥5，frt_j为第j个单位时间段内钻具的瞬时转速，j为中间计算参数，j取正整数。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述频率确定模块按照下式确定采样频率v的取值范围：

v≥2×RPM_max

式中，RPM_max为钻具的最高转速。

6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述采样模块包括：

传感器，其根据确定的所述取值范围设定实施的采样频率和采样时间均匀采集重力加速度或地磁强度在传感器感知方向的分量，获取对应的电信号；

模数转换单元，其设置为将获取的模拟电信号转换为电信号数字量样本。