一种用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件制造技术

本发明专利技术公开了一种用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件，包括钻具组件及安装于钻具组件中的向下钻进耦合器及向上钻进耦合器；所述井下传感器组件包括至少一个可旋转陀螺仪，它安装在一个工具箱里，所述工具箱的两端分别和向下钻进耦合器及向上钻进耦合器连接、固定于钻具组件中。所述工具箱内安装有一组多个磁力计。所述工具箱内安装有一组多个加速度计。本发明专利技术采用陀螺仪、磁力计和加速度计以确定钻具组件的位置和方向，其中陀螺仪、磁力计和加速度计的偏差在钻孔过程中井下确定和消除。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于井下钻孔随钻测量的井下组件，通常用于油田钻具组件的井下钻孔，特别是使用了陀螺仪和其他传感器件，以确定钻孔过程中的钻井孔的方向，并可以校正传感器数据。
技术介绍
为了获得石油天然气等碳氢化合物，需要进行井下钻孔。在钻井的同时探测包括钻具部件位置和位移在内的井下条件，这样一个设计被称作“随钻测量”技术，或者“MWD”。目前大量的钻孔都是高度偏离的，在实际中常用水平钻孔来提高碳氢化合物的产量。一般利用已有的地表地震地图和相关油田的钻测井数据，设计钻井孔的路径，选择适合的钻井孔。在钻孔过程中，需要反复确定钻具组件的位置和方向，以及钻井过程中钻头的位置和方向，充分利用这些信息，以监督并调节钻井孔的钻孔方向。通常用的钻具组件，控制方向的部分包含几个加速度计和磁力计，用于测量重力和地磁场。在加速度计和磁力计的测量过程中，这些钻具组件是被固定住的。加速度计是用于工具面向角和倾斜角的测量。方位角由磁力计测量结果连同工具面向角和倾斜角而确定。地球的磁场每天都在变化，这使得磁方位角也随之发生变化。变化的磁方位角降低了磁力计位置测量的准确性。另外，在含钻杆、套管等磁性材料的地方测量地球的磁场也是不可行的。陀螺仪可以测量地球自转速度，这种测量不随时间的变化而变化，同时也不受磁性材料的影响。因此，在磁性材料存在的地方使用陀螺仪测量比磁力计测量能提供更加准确的方位测量结果。目前市场上的陀螺仪包含系统偏差，这严重影响了陀螺仪的测量精度，从而影响方位角的测量。陀螺仪已经被应用于有线测量中，但是在随钻测量工具的应用中还没有被市场认可。目前的有线测量是在钻孔钻探之后，将工具送进钻井孔进行测量。然而随钻测量是在钻孔过程中进行的，因此有线测量方法对于确定钻孔过程中的钻具组件的位置和方向是不切合实际的。在有线测量应用中，陀螺仪用于连续测量方式或者离散测量方式。有线测量方法通常不需要采用技术来补偿陀螺仪的测量偏差。在有线测量应用中，陀螺仪可以在地表启动，允许其经过一段相对较长的时间而达到动态稳定状态。通常一个加热期间需要十分钟或者更长。陀螺仪从一开始在地表通电，然后经过整个实际钻孔测量，到测量结束时在地表对测量工具进行最终检查都处于通电状态。因此，在地表可以设置参考标定线，进而在开始钻井孔的测量时，不断调整和验证陀螺仪的寻北对准精度。最初独立设置的参考标定线可以一直用到有线测量的结束。有线工具中陀螺仪的任何偏差都能够通过在表面上测量的最初的对准线以及结束的对准线之间的差异来得到。此外，有线工具上的陀螺仪能够在表面上轻松的旋转到任何角度位置，以确定表面上其它任何一个横向陀螺仪的当前偏差。这个偏差可以用于验证陀螺仪的测量精度，并可以进行校正。在随钻测量环境中，上面所提到的有线系统的优点是不存在的。在钻孔过程中，随钻测量通常用在钻杆连接时间中，这个时间间隔相对较短，通常有1到2分钟。随钻测量工具的电源通常放在井底，由电池提供。为了保护电源，在不用陀螺仪的时候有必要关上电源，因为陀螺仪耗电量很大。随钻测量工具利用涡轮发电机，电流是由流动的钻井液产生的，它在每次管道连接时间断。即使电源能够持续供应，之前在表面所测得的钻孔测量偏差和实时偏差并不相同，因此不能看作精确的测量，这是因为钻具组件钻孔的整个过程耗时很长，通常需要30到300小时。从开通到导通的偏差是目前陀螺仪主要的误差因素。通过旋转陀螺仪垂直轴来消除误差，在非钻井领域已经得到应用。井底组件在钻井过程中的工具面向角通常不是一个可控的量，它不能按照要求发生改变。深度、倾斜角、工具偏差以及钻井的条件通常限制了获得钻井孔井下组件中传感器测得的倾角数据。因此，随钻测量中对陀螺仪的实时内部偏差进行补偿是非常重要的，应该优先在内部实现偏差补偿。在每个钻孔之间进行测量时使用一个内部的转位机构，以确定和消除陀螺仪的偏差，可以实现实时内部偏差补偿。偏差也可能在其它测量过程中出现，例如磁力计和加速度计的测量，其原因跟上面所讨论的陀螺仪是一样，也非常有必要排除这些偏差，来获得精确的测量信息。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件，它采用陀螺仪、磁力计和加速度计以确定钻具组件的位置和方向，其中陀螺仪、磁力计和加速度计的偏差在钻孔过程中井下确定和消除。为解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案本专利技术提供了一种用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件，包括钻具组件及安装于钻具组件中的向下钻进耦合器及向上钻进耦合器；所述井下传感器组件包括至少一个可旋转陀螺仪，它安装在一个工具箱里，所述工具箱的两端分别和向下钻进耦合器及向上钻进耦合器连接、固定于钻具组件中。所述工具箱内安装有一组多个磁力计。所述工具箱内安装有一组多个加速度计。优选的，所述工具箱内安装有1个步进电机、2个陀螺仪、一组3个磁力计、一组3 个加速度计，步进电机驱动2个相反方向的陀螺仪、3个磁力计、3个加速度计，实现传感器关于工具轴的一系列方位角位置的测量。或者，优选的，所述工具箱内安装有2个步进电机、2个相反方向的陀螺仪、3个磁力计、3个加速度计，2个步进电机分别驱动2个陀螺仪，一组3个磁力计、及一组3个加速度计和其中的一个陀螺仪同步，磁力计三轴间隔分开，实现传感器关于工具轴的一系列方位角位置的测量。进一步优选的，所述陀螺仪为两轴陀螺仪。本专利技术提供了一种用于井下钻孔的随钻测量(MWD)井下传感器组件，它采用陀螺仪，磁力计和加速度计以确定钻孔期间的钻孔倾角和方位角。本专利技术井下传感器组件包含至少一个可旋转陀螺仪，它安装在一个工具箱里，可以旋转使它达到任何需要的角度，以提供与地球自转相关联的信号。如果工具箱内安装有2个相反方向的陀螺仪，工具箱里的处理器综合同一深度两个相反方向的陀螺仪数据，以确定进一步处理信号之前该陀螺仪的系统误差。本专利技术还可以确定钻具组件里磁力计和加速度计导致的测量误差。采用了磁力计三轴间隔分开，这样可以确定磁梯度，实现地磁场的矫正。处理器根据随钻测量工具里的加速计的测量数据计算出重力信息，从而确定工具面向角和倾斜角。结合工具面向角和倾斜角的测量，无偏陀螺测量被用来确定方位角和相对于正北的工具面向角。在钻探过程中由于测量装置在随钻测量组件中的安置而引起系统误差。本专利技术消除该系统误差的方法是使用本专利技术随钻测量组件钻孔到一个深度后，将本专利技术的陀螺仪旋转至不同的角度，同时对2个陀螺仪的每个位置进行测量，最后从这些多样化的数据中估计误差。附图说明图1为带有一个陀螺仪和一组三个加速度计的井下传感器组件结构示意图。图2为使用两个步进电机分别驱动两个陀螺仪的井下传感器组件结构示意图。图3为使用一个步进电机驱动两个陀螺仪的井下传感器组件结构示意图。图中1为钻具组件；2为向下钻进耦合器；3为向上钻进耦合器；4、4_1和4_2均为陀螺仪，5-1、5-2、5-3为一组三个加速度计；6为工具箱；7为旋转底盘；8、8_1和8_2均为步进电机；9为电力导线；10为信号传输导线；11为弹簧力矩限制器；12-1、12-2、12-3为一组三个三轴磁力计；13为钻杆；14为非磁轴承；15、15-1和15-2均为锥齿轮。具体实施例方式实施例1如图1所示，本专利技术提供了一种用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件，包括钻具组件及安装于钻具组件中的向下钻进耦合器及向上钻进耦合器；其特征在于：所述井下传感器组件包括至少一个可旋转陀螺仪，它安装在一个工具箱里，所述工具箱的两端分别和向下钻进耦合器及向上钻进耦合器连接、固定于钻具组件中。

【技术特征摘要】
1.一种用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件，包括钻具组件及安装于钻具组件中的向下钻进耦合器及向上钻进耦合器；其特征在于所述井下传感器组件包括至少一个可旋转陀螺仪，它安装在一个工具箱里，所述工具箱的两端分别和向下钻进耦合器及向上钻进耦合器连接、固定于钻具组件中。2.如权利要求1所述的用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件，其特征在于所述工具箱内安装有一组多个磁力计。3.如权利要求2所述的用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件，其特征在于所述工具箱内安装有一组多个加速度计。4.如权利要求3所述的用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件，其特征在于所述工具箱内安装有1...

【专利技术属性】
技术研发人员：布社辉，
申请(专利权)人：余慧君，布社辉，
类型：发明
国别省市：32