CN214499026U - 一种多参数钻头随钻测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及石油钻探测井领域，尤其涉及一种多参数钻头随钻测量装置。主要由钻头、测量短节、螺杆马达和接收短节自下而上依次连接组成，所述测量短节本体上设有电阻率发射天线、第一接收天线、第二接收天线、测量短节微控制器、电池电源、电阻率接收电路、电阻率发射电路、井斜测量模块、方位伽玛测量模块、无线发射模块和电磁波发射天线。接收短节本体上设有电源电路和电磁波接收天线、信号放大电路、信号滤波电路、AD转换电路、接收短节微控制器。本实用新型可测量多个地层参数，无盲区，能较为精准实时地质导向，判断钻头在地层中所处位置。

Description

一种多参数钻头随钻测量装置

技术领域

本实用新型涉及石油钻探测井装置领域，具体是一种多参数钻头随钻测量装置。

背景技术

随着油气开发技术的不断发展，低孔、低渗、薄层水平井开发越来越多。常规LWD随钻电磁波电阻率仪器的各测量传感器都装在远离钻头位置的钻杆上方的无磁钻铤内，探测范围局限于螺杆上方，随钻测量时会存在较大的盲区，使得探测精度下降，从而导致测量的姿态参数、地层信息和井眼参数较钻头实际信息出现偏差，特别是对薄油层，常规随钻仪器无法满足测量要求。

目前，市场上普遍使用的近钻头仪器，虽然改进了常规LWD随钻电磁波电阻率仪器，缩小了测量盲区，但仍存在测量参数少、测量精度不够、可靠性差的问题，无法满足超薄层地层开发的实际需求。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种测量参数多、测量精度高的多参数钻头随钻测量装置。

为实现以上目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种多参数钻头随钻测量装置，主要由钻头、测量短节、螺杆马达和接收短节自下而上依次连接组成，其中：

所述测量短节本体外圆周面自下而上依次嵌入设置有电阻率发射天线、测量短节凹槽、第一接收天线、第二接收天线；在测量短节凹槽内安装有测量短节微控制器，以及分别与测量短节微控制器电性连接的电池电源、电阻率接收电路、电阻率发射电路、井斜测量模块、方位伽玛测量模块、无线发射模块和电磁波发射天线。

所述接收短节本体外圆周面嵌入设置有接收短节凹槽，接收短节凹槽内设置有电源电路和电磁波接收天线、信号放大电路、信号滤波电路、AD转换电路、接收短节微控制器，其中电源电路分别与信号放大电路、信号滤波电路、AD转换电路和接收短节微控制器电性连接，电磁波接收天线依次与信号放大电路、信号滤波电路、AD转换电路和接收短节微控制器电性连接。

上述方案进一步包括：

所述电阻率发射天线交替发射两种不同频率的信号，发射频率0.1MHz～10MHz之间；所述第一接收天线和所述第二接收天线分别对应接收电阻率发射天线交替发射的两种不同频率信号，所述测量短节微控制器分别对前述两种频率的信号计算其幅度衰减电阻率和相位电阻率。

所述测量短节的外壳采用无磁不锈钢材料制成，测量短节凹槽设置为5个，并均匀嵌入分布在测量短节的外圆周面，所述测量短节外部一侧嵌入安装有数据快速读取接口。

所述电池电源包括电池组、保险丝、二极管，分别与电阻率接收电路、电阻率发射电路、井斜测量模块、方位伽玛测量模块和无线发射模块（228）电性连接。

所述接收短节凹槽设置为3个，均匀嵌入分布在接收短节的圆周表面。

所述电源电路通过电磁开关控制供电电路的打开和关闭。

本实用新型的多参数钻头随钻测量装置，相比于传统常规LWD随钻电磁波电阻率仪器，具有以下有益效果：

1、该测量装置的测量短节安装在钻头位置，无测量盲区；

2、该测量装置采集地质信息丰富，可测量多个参数，如：电阻率、方位伽玛、井斜角、温度、钻具压力、环空压力等；

3、该测量装置抗振性能好、测量精度高、成像直观、探测范围大、维护快捷方便，真正实现了实时地质导向，帮助现场人员随时监控地质参数的变化情况，实时识别岩性并判断是否钻头遇到油层等。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例结构示意图；

图2为本实用新型一种实施例的测量***整体框图；

图3为本实用新型一种实施例的测量短节的电路原理框图；

图4为本实用新型一种实施例的接收短节的电路原理框图；

图5为本实用新型一种实施例的电源电路原理框图；

图6为本实用新型一种实施例的电阻率发射接收信号示意图。

图中：1、钻头；2、测量短节；210、电阻率发射天线；220、测量短节凹槽；221、电磁波发射天线；222、测量短节微控制器；223、电池电源；224、电阻率接收电路；225、电阻率发射电路；226、井斜测量模块；227、方位伽玛测量模块；228、无线发射模块；230、第一接收天线；240、第二接收天线；3、螺杆马达；4、接收短节；410、接收短节凹槽；411、电源电路；412、电磁波接收天线；413、接收短节微控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

参照图1，一种多参数钻头随钻测量装置，包括钻1、测量短节2和螺杆马达3、接收短节4。测量短节2安装在螺杆马达3与钻头1之间；接收短节4安装在螺杆马达3另一侧。

参照图3，所述测量短节2包括电阻率发射天线210、电阻率第一接收天线230及第二接收天线240、测量短节凹槽220，以及设置在测量短节凹槽220内部的电磁波发射天线221、测量短节微控制器222、电池电源223、电阻率接收电路224、电阻率发射电路225、井斜测量模块226和方位伽玛测量模块227、无线发射模块228。

参照图4，所述接收短节4包括接收短节凹槽410以及设置在接收短节凹槽410内部的电源电路411、电磁波接收天线412、接收短节微控制器413和配套的信号放大、信号滤波（或称数字滤波器）和AD转换（或称解编码器）相关电路。

所述电阻率发射天线210交替发射两种不同频率的信号，发射频率0.1MHz～10MHz；第一接收天线230和第二接收天线240分别接收两种不同频率的信号，测量短节微控制器222分别对两种频率的信号计算其幅度衰减电阻率和相位电阻率；两种频率信号的计算结果能够相互补充、相互检验。

所述测量短节2的外壳采用无磁不锈钢材料制成，测量短节凹槽220设置为5个，均匀分布在测量短节2的圆周表面；测量短节2外部一侧嵌入安装有数据快速读取接口，通过该接口可实现测量短节数据读取。所述电池电源223由锂电池组串联后通过保险丝、二极管连接组成，提供21.6伏的直流电压。

所述接收短节凹槽410设置为3个，均匀分布在接收短节4的圆周表面。所述电源电路411通过电磁开关控制供电电路的打开和关闭。

所述方位伽玛测量模块、井斜测量模块采用通用的模块，能够同时记录多个不同扇区的地层伽玛数据、角度数据，并生成轨迹成像图。

实施例2

参照图1，一种多参数钻头随钻测量装置，主要由钻头1、测量短节2、螺杆马达3和接收短节4依次连接组成整体结构。将测量装置的测量短节2安装在紧靠钻头1的位置，无测量盲区，极大提高了本测量装置的测量范围和响应速度。

测量短节凹槽220设置5个，各个测量短节凹槽220均匀嵌入安装在测量短节2的圆周表面，保证了测量短节2中各电路模块具有充足的安装空间。接收短节凹槽410设置为3个，各个接收短节凹槽410均匀嵌入安装在接收短节4的圆周表面，保证了接收短节4中各电路模块具有充足的安装空间。

电阻率测量采用电阻率发射天线210、第一接收天线230和第二接收天线240。电阻率发射天线210嵌入安装在测量短节2靠近钻头1一侧的圆周表面，第一接收天线230和第二接收天线240依次分别嵌入安装在测量短节2远离钻头1一侧的圆周表面，测量短节凹槽220嵌入安装在测量短节2中段的圆周表面。电阻率发射天线210、第一接收天线230和第二接收天线240均由磁管、玻璃钢绝缘片、12mm宽防磨片及密封舱组成，并最终通过复杂的工序固胶制成。其中，磁管内绕有不同匝数的线圈，密封舱则有选频网络。电阻率发射天线210、第一接收天线230和第二接收天线240分别以圆形环绕方式按照均匀间隔分布在测量短节2总成上。其中，电阻率发射天线210的发射频率为0.1MHz～10MHz。测量短节2采用无磁不锈钢外壳，测量短节2的设计尺寸小于一米,测量短节2用于采集地层参数并以电磁波无线传输方式发射地层数据，测量短节2具有抗振性能好,测量精度高，探测范围大等优点。

参照图2，整个数据测量***包括地面数据采集***和井下数据采集***两部分。地面数据采集处理***包括工作站、防爆箱、数据采集处理面板、绘图仪、测量传感器及司钻显示器等部分。井下仪器包括脉冲发生器、探管、测量短节2和无线接收短节4等部分。除此之外，数据测量***还包括仪器刻度校验装置和测井资料实时导向解释评价***。在实际现场应用时，现场操作员完成授时和其它参数设置后即可准备下井施工。测量***工作后，测量短节2的各类传感器测量井下信号，生成各类传感器数据，测量得到的传感器数据通过电磁波无线传输到接收短节4；接收短节4将传感器数据发送到探管和脉冲发生器；脉冲发生器以泥浆脉冲形式将传感器数据传输到地面***。

参照图1和3，测量短节2包括电阻率发射天线210、第一接收天线230、第二接收天线240、测量短节凹槽220。在测量短节凹槽220内部设置有电磁波发射天线221、测量短节微控制器222和电池电源223，测量短节凹槽220内还分别安装有电阻率接收电路224、电阻率发射电路225、井斜测量模块226和方位伽玛测量模块227以及无线发射模块228。测量短节2外部一侧嵌入安装有数据快速读取接口，可方便进行数据的传输以及程序的下载。

方位伽玛测量模块227具有测量零长小、采集信息丰富等优点。方位伽玛测量模块227能同时记录八个不同扇区的地层伽玛数据，通过数据可视化方法同时生成轨迹成像图。方位伽玛测量模块227克服了普通近钻头地质导向的不足，在钻进过程中有效测量地层的放射性强度，为钻井工程提供方位地质参数，区分原状地层的岩性，进而为地质导向提供地层信息，实时确定目的层位置和地层界面，并及时调整井眼轨迹。由于设计空间的限制，方位伽玛探头抛弃了普通随钻电阻率加伽玛仪的盖格管模式，采用晶体加光电倍增管，大大缩短了测量短节2长度。井斜测量模块226采用现有模块技术即可，例如CN106014384A专利中公开的井斜方位测量短节，可实时测量井斜方位和角度等参数。

参照图4，接收短节4包括接收短节凹槽410以及设置在接收短节凹槽410内部的电源电路411、电磁波接收天线412、接收短节微控制器413、信号放大、数字滤波器（信号滤波）和解编码器、AD转换。为保证电源电路411的正常运行，电源电路411嵌入安装在接收短节凹槽410内部，电源电路411通过电磁继电器控制供电电路的打开和关闭。3-5个接收短节凹槽410均匀分布在接收短节4的圆周表面，电磁波接收天线412嵌入安装在接收短节凹槽410内部；数字滤波器和解编码器通过算法程序编写而成，通过程序下载器将数字滤波器和软件解编码器下载到接收短节微控制器413中，因此数字滤波器设置在接收短节微控制器413内部，解编码器设置在接收短节微控制器413内部。

接收短节4采用电源电路411供电，通过电磁波接收天线412接收信号，通过运算放大器电路对接收信号进行信号放大操作；利用接收短节微控制器413模拟端口读入接收信号；采用接收短节微控制器413中的数字滤波器对接收信号进行数字滤波，滤除信号噪声，提高接收信号质量；并采用接收短节微控制器413中的AD转换模块将接收信号由模拟量转化为数字量；通过接收短节微控制器413对信号进行处理，最终接收短节微控制器413与探管进行信号的收发互传。

其中，信号滤波采用数字滤波器中的有限冲激响应滤波器（FIR），滤波系数跟据信号质量动态转换，以达到最佳滤波效果。解编码器主要实现解码功能，解编码器可根据信号的背景噪声电平自动调整其阈值，从而提高解码成功率，进而降低解码过程中的误码率。AD转换采用模数转换模块，输入端连接模拟信号处理电路，输出端连接接收短节微控制器413的串口。解编码器解码出的信息数据再进一步编码、驱动送往探管和脉冲发生器，以泥浆脉冲的形式传输到地面***。

参照图5，为给测量装置提供充足的电源供给，电源电池采用不可充电的锂电池组。同时，为提高安全性和可靠性，每组锂电池组采用六节电池、一个保险丝和一个二极管串联组成；并通过三组锂电池组并联以提高电池的容量。最终，电池电源223可为测量装置提供21.6伏的直流电压，再经DC/DC转换模块为测量装置的各电路模块提供所需的+5V、+12V、-12V等电源电压。

参照图6，电阻率发射天线210在测量短节微控制器222的控制下，通过功率开关驱动、变压器和信号匹配交替发射两种不同频率的信号。电阻率发射天线210每发射一次电磁波，电阻率接收电路224则通过匹配变压器、混频处理、带通滤波、程控放大等分别对每个频率的信号计算其幅度衰减电阻率和相位电阻率。通过测量短节微控制器222计算出不同频率的结果，可以用来比较验证，既能起到相互补充的作用，同时又能起到相互检验的作用。

第一接收天线230和第二接收天线240探测电磁波相位差能在较大范围的电阻率和发射频率内保持良好探测灵敏度和分辨能力，而幅度比的探测灵敏度和分辨能力随电阻率和发射频率的减小迅速下降,因此提供的电磁波电阻率都是基于相位差所得到的。电磁波电阻率仪器的测量范围：0.2-1000欧姆米，在低阻地层中，相位差所反映的电阻率变化更精准，高阻地层，电阻率的测量精度急剧下降。实际使用经验一般在400欧姆米以下,数据可靠性比较高。

以上描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种多参数钻头随钻测量装置，主要由钻头（1）、测量短节（2）、螺杆马达（3）和接收短节（4）自下而上依次连接组成，其特征在于：

所述测量短节（2）本体外圆周面自下而上依次嵌入设置有电阻率发射天线（210）、测量短节凹槽（220）、第一接收天线（230）、第二接收天线（240），在测量短节凹槽（220）内安装有测量短节微控制器（222），以及分别与测量短节微控制器（222）电性连接的电池电源（223）、电阻率接收电路（224）、电阻率发射电路（225）、井斜测量模块（226）、方位伽玛测量模块（227）、无线发射模块（228）和电磁波发射天线（221）；

所述接收短节（4）本体外圆周面嵌入设置有接收短节凹槽（410），接收短节凹槽（410）内设置有电源电路（411）和电磁波接收天线（412）、信号放大电路、信号滤波电路、AD转换电路、接收短节微控制器（413），其中电源电路（411）分别与信号放大电路、信号滤波电路、AD转换电路和接收短节微控制器（413）电性连接，电磁波接收天线（412）依次与信号放大电路、信号滤波电路、AD转换电路和接收短节微控制器（413）电性连接。

2.根据权利要求1所述的多参数钻头随钻测量装置，其特征在于：所述电阻率发射天线（210）交替发射两种不同频率的信号，发射频率0.1MHz～10MHz之间；所述第一接收天线（230）和所述第二接收天线（240）分别对应接收电阻率发射天线（210）交替发射的两种不同频率信号，所述测量短节微控制器（222）分别对前述两种频率的信号计算其幅度衰减电阻率和相位电阻率。

3.根据权利要求1或2所述的多参数钻头随钻测量装置，其特征在于：所述测量短节（2）的外壳采用无磁不锈钢材料制成，测量短节凹槽（220）设置为5个，并均匀嵌入分布在测量短节（2）的圆周表面，所述测量短节（2）外部一侧嵌入安装有数据快速读取接口。

4.根据权利要求3所述的多参数钻头随钻测量装置，其特征在于：所述电池电源（223）包括电池组、保险丝、二极管，分别与电阻率接收电路（224）、电阻率发射电路（225）、井斜测量模块（226）、方位伽玛测量模块（227）和无线发射模块（228）电性连接。

5.根据权利要求1所述的多参数钻头随钻测量装置，其特征在于：所述接收短节凹槽（410）设置为3个，均匀嵌入分布在接收短节（4）的圆周表面。

6.根据权利要求5所述的多参数钻头随钻测量装置，其特征在于：所述电源电路（411）通过电磁开关控制供电电路的打开和关闭。

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