一種近鑽頭地質導向探測系統的製作方法
2023-05-19 09:39:26 2
專利名稱：一種近鑽頭地質導向探測系統的製作方法
技術領域：
本發明關於石油、礦山和地質勘探等隨鑽測量或隨鑽測井中的地質導向 測量技術，特別關於近鑽頭測量和井下測量數據的無線傳輸技術，具體的講 是一種近鑽頭地質導向探測系統。
背景技術：
在石油、礦山、地質勘探等鑽井工程中，要求使鑽井軌跡更準確地按照 工程設計要求鑽進，及時準確的掌握地層信息識別薄油層提高鑽井效率，並 把地層信息實時地傳輸到地面。這樣，才能使工程技術人員及時了解井筒的 軌跡和地層信息的變化。但是目前的鑽井工程中，很多鑽井系統的傳感器距離鑽頭有一定的距離， 使探測範圍減小，探測精度下降。雖然有的鑽進系統中傳感器安裝在靠近鑽 頭很近的地方，但是地層參數中沒有地層電阻率探測器，而且當傳感器採集 數據上傳時，傳輸信道為無線短傳信道，數據不能直接傳輸到地面，必須進 行中轉，然後再傳輸到地面，這樣就極大地降低了傳輸速率。美國專利申請5448227公開了一種近鑽頭鑽井測量設備及其方法，該專 利申請的傳感器安裝在靠近鑽頭的位置，用來測量鑽進參數如鑽孔的傾角， 地層的伽瑪射線發射，地層的電阻率和一些機械鑽井參數。傳感器釆集數據 時通過無線短傳信道，將數據先傳給隨鑽測量(麗D)，然後再傳到地面。該 發明申請所公開的技術方案可合併於此，以作為本發明的現有技術。美國專利申請US00533906A公開了一種側翼上安裝電極用於確定周圍結 構的電阻率的鑽井測量裝置，該專利申請的電極用來測量電流產生的信號， 以獲得電阻率信號。該發明申請所公開的技術方案可合併於此，以作為本發 明的現有技術。發明內容為了克服現有技術中的缺陷，本發明提供了一種近鑽頭地質導向探測系 統。將工程參數傳感器、地層參數傳感器、無線電磁直傳信道及鑽頭一體化 集成，使傳感器儘可能靠近鑽頭，這樣當鑽頭鑽進時傳感器就會對鑽頭前部 及周邊的地層信息做出及早的預測使其在鑽井過程中達到地質導向的目的。本發明的目的是，提供一種近鑽頭地質導向探測系統，該系統包括電 阻率探測單元，用於測量近鑽頭地層電阻率，生成電阻率數據；伽瑪探測單 元，用於測量近鑽頭伽瑪射線，生成伽瑪射線數據；定向傳感單元，用於測 量近鑽頭井斜和工具面，生成定向數據；絕緣偶極子發射單元，用於將電阻 率數據、伽瑪射線數據以及定向數據通過無線電磁信道傳輸到地面。本發明的有益效果在於使各種地質導向用探測傳感器、絕緣偶極子發 射器及鑽頭一體化集成，並使各種探測傳感器更靠近鑽頭，實現了對鑽頭前 和鑽頭周圍地層狀況的預測，探測傳感器採集的數據通過絕緣偶極子天線發 射，經無線電磁直傳信道傳送到地面，從而對鑽井設計及時決策、及時修正。
圖1為本發明裝置具體實施方式
的結構框圖。 圖2為本發明裝置具體實施方式
的結構示意圖。 圖3為本發明方法具體實施方式
的工作流程圖。 圖4為本發明的近鑽頭地質導向系統示意圖。
具體實施方式
下面結合
本發明的具體實施方式
。如圖1所示，為本發明裝置具體實施方式
的結構框圖。圖1所示的近鑽頭地質導向探測系統包括電阻 率探測單元，用於測量近鑽頭地層電阻率，生成電阻率數據；伽瑪探測單元， 用於測量近鑽頭伽瑪射線，生成伽瑪射線數據；定向傳感單元，用於測量近 鑽頭井斜和工具面，生成定向數據；絕緣偶極子發射單元，用於將電阻率數據、伽瑪射線數據以及定向數據通過無線電磁信道傳輸到地面。定向濾波電 路，與定向傳感單元相連接，用於對接收的定向傳感單元傳來的定向數據進 行濾波，並輸出濾波後定向數據；電阻率放大/濾波/轉換電路，與所述的電阻率探測單元相連接，用於對接收的電阻率探測單元傳來的電阻率數據進行放大、濾波和A/D轉換的處理，輸出處理後電阻率數據；微處理器，分別與定向濾波電路、電阻率放大/濾波/轉換電路以及伽瑪探測單元相連接，並對所述 的濾波後定向數據、處理後電阻率數據以及伽瑪射線數據進行處理，生成地 質導向數據。發射放大電路，分別與微處理器和絕緣偶極子發射單元相連接， 用於對地質導向數據進行放大，並將放大後的地質導向數據傳送給絕緣偶極子發射單元進行發射；存儲器，與微處理器相連接，用於存儲地質導向數據。 渦輪驅動器和發電機；渦輪驅動器驅動發電機發電，為本發明系統提供電能。如圖2所示，為本發明裝置具體實施方式
的結構示意圖。在圖2中，與 鑽頭集成為一體的近鑽頭地質導向探測系統2安裝在螺杆鑽具或鑽鋌的鑽頭 靴1上,在近鑽頭地質導向探測系統2下端的鑽頭靴上再安裝鑽頭。近鑽頭地質導向探測系統2的基本結構體是由第一絕緣偶極子短節26和 第二絕緣偶極子短節13所構成，兩段絕緣偶極子短節用鈦合金做成，兩段絕 緣偶極子短節可螺紋連接。在第一絕緣偶極子短節26和第二絕緣偶極子短節 13的連接螺扣表面用電化學方法生成一層厚度為30-100Pm的絕緣層，這樣 當第一絕緣偶極子短節26和第二絕緣偶極子短節13連接後就可以形成由絕 緣層隔開的兩電極，既絕緣偶極子。在第一絕緣偶極子短節26和第二絕緣偶極子短節13連接後，為保證連 接螺扣的密封性，用耐磨絕緣纖維與耐高溫樹脂形成密封絕緣環12、絕緣環 15和絕緣環14。第一絕緣偶極子短節26內部形成有第一空腔；第二絕緣偶極子短節13 內部形成有第二空腔；第一絕緣偶極子短節與第二絕緣偶極子短節為螺紋連 接，並通過所述的絕緣環電性隔離，第一空腔與第二空腔相連通。第一絕緣偶極子短節26的測壁上開有一長槽，安裝伽瑪射線探測器，伽 瑪射線探測器的電路引線通過密封接頭9引到電路倉7中。
在第二絕緣偶極子短節13上安裝有電阻率探測器的接收傳感器，接收傳 感器由圓環狀接收傳線圈19，圓環狀保護殼20，線圈倉隔離環17，線圈倉隔 離環22，絕緣環21，絕緣環16以及接收傳感器結構壓緊環23構成。絕緣環 21和絕緣環16由高溫樹脂和顆粒細度大於200目的陶瓷粉粒製成。
接收傳線圈19的引線通過密封接頭18引入到抗壓保護倉11中；定向傳 感器IO，電路模塊7，發電機5安裝在由發電機倉體筒4，連接器8，抗壓保 護倉(11)密封端頭24，絕緣連接件25構成的倉筒內。絕緣連接件25由絕 緣材料聚四氟乙烯製成。
發電機5與渦輪驅動器3構成地導向系統的電源。
電路模塊7由定向傳感器濾波電路29，接收傳感器電流I，電阻率發射器 和無線電磁傳輸信道發射器共用功率放大器27，放大/濾波/(A/D)變換電路28， 微處理器30，及存儲器34組成。
如圖3所示，本發明工作流程包含以下步驟渦輪驅動器驅動發電機工 作，為所有的探測器，傳感器及電路模塊供電S101;電阻率探測器，伽瑪探 測器，定向傳感器在微處理器的控制下各自同時工作採集數據，並將釆集的 數據存入存儲器S102;電阻率探測器在微處理器控制下通過功率放大器將一 電壓U信號施加到偶極子的兩極上S103;電極上的交變電壓U通過地層產生 與電壓U同頻率的電流I,線圈檢測到電流IS104;經放大，濾波，A/D變換 電路將信號I送入微處理器S105;由歐姆定律求出地層R及地層率p，並將 數據存入存儲器S106;在存儲器中的數據通過微處理器調製後送入功率放大 器經放大後再送到偶極子的兩電極上，由此將電磁信號幅射進入地層傳送到 地面S107。
如圖4所示，地層電阻率的測量釆用絕緣偶極子發射器直接將探測電壓 施加到地層上，這樣只要在發射功率許可的範圍內，探測電壓就是一可直接監測到的恆定值，這就可大大地提高探測精度。由於採用了絕緣偶極子使鑽 頭、鑽鋌形成赫茲電偶極子的兩極，因而建立了無線電磁傳輸信道，當井下 發電機提供一定的功率時，鑽頭上方集成傳感器採集的數據就可通過無線電 磁傳輸信道直接傳輸到地面。近鑽頭地質導向系統工作原理如下在泥漿流(泥漿流量28-30L/s)或高速氣體流(氣體流量大於60 m3/min) 的衝擊下渦輪驅動器3驅動發電機5工作，使其產生出100瓦以上的電能。 該發電機為系統中所有的探測器，傳感器及電路模塊7供電；電路模塊7包 括定向濾波電路，與所述的定向傳感單元相連接，用於對接收的定向傳感 單元傳來的定向數據進行濾波，並輸出濾波後定向數據；電阻率放大/濾波/ 轉換電路，與所述的電阻率探測單元相連接，用於對接收的電阻率探測單元 傳來的電阻率數據進行放大、濾波和A/D轉換的處理，輸出處理後電阻率數 據；微處理器，分別與所述的定向濾波電路、電阻率放大/濾波/轉換電路以及 伽瑪探測單元相連接，並對所述的濾波後定向數據、處理後電阻率數據以及 伽瑪射線數據進行處理，生成地質導向數據。發射放大電路，分別與所述的 微處理器和絕緣偶極子發射單元相連接，用於對所述的地質導向數據進行放 大，並將放大後的地質導向數據傳送給所述的絕緣偶極子發射單元進行發射； 存儲器，與所述的微處理器相連接，用於存儲所述的地質導向數據。電阻率探測器，伽瑪探測器6，定向傳感器IO在微處理器的控制下各自 同時工作採集數據，並將採集的數據存入存儲器34。電阻率探測器在微處理 器30控制下逋過功率放大器27將一頻率fHKHz幅度為U的電壓信號施加 到偶極子的兩極(26、 13)上，電極上的交變電壓U通過地層產生與電壓U 同頻率的電流I28，電流I被線圈19檢測到，經放大，濾波，A/D變換電路 35將信號I送入微處理器，由歐姆定律求出地層R及地層率P，並將數據存 入存儲器。在存儲器34中的數據通過微處理器30調製後送入功率放大器27經放大 後再送到偶極子的兩電極上，由此將電磁信號33幅射進入地層傳送到地面。實施例本實施例，以兩段經過絕緣連接鈦合金短節(26、 13)做為基體，在此 基礎上實現地質導向系統與鑽頭的一體化集成，以此方法形成的地質導向系 統具有以下的近鑽頭測量功能①近鑽頭地層電阻率測量；②近鑽頭伽瑪射 線測量；③近鑽頭井斜及工具面測量；④各種測量數據由無線電磁信道一次 傳輸到地面。與鑽頭一體化集成的地質導向系統由下列部分組成第一鈦合金短節26、 第二鈦合金短節13、密封絕緣環12、絕緣環15和絕緣環14、絕緣環16、隔 離環17、圓環狀接收傳線圈19、圓環狀保護殼20、絕緣環21構成的近鑽頭 地層電阻率探測器。伽瑪探測器6。測量井斜和工具面的定向傳感器10。建立井下無線電磁 傳輸信道的偶極子(26、 13)，該偶極子也是地層電阻率探測器一部分；輸 出功率大於100W的井下渦輪發電機(3、5);電路模塊7。由兩段鈦合金(26、 13)構成偶極子，其偶極子的一極26的上端安裝在螺杆鑽具或鑽鋌的鑽頭靴 上，鑽頭則安裝在偶極子的另一極13的鑽頭靴上。偶極子(26、 13)具有兩種功能，第一是可作為地層電阻率的探測發射 器，第二是可作為井下無線電磁傳輸信道的發射天線。伽瑪探測器6安裝在偶極子的一極(26)側壁的位置；地層電阻率探測 器的接收傳感器線圈1安裝在偶極子的一極13上，接收線圈的端面距鑽頭31 底面的距離32為350-400mm。測量井斜和工具面的定向傳感器10，電路模塊 7，井下渦輪發電機本體5安裝在由偶極子(26、 13)構成的偶極子的流道內。由於工程參數傳感器、地層參數傳感器、無線電磁直傳信道及鑽頭一體 化集成，首先使各種傳感器更靠近鑽頭可提前預測鑽頭前和鑽頭周圍地層狀 況，其次傳感器採集的數據通過集成偶極子天線立即傳送到地面，使鑽井工 程師和地質師及時作出決策、及時修正鑽井設計。因此以上具體實施方式
僅用於說明本發明，而非用於限定本發明。
權利要求
1.一種近鑽頭地質導向探測系統，其特徵是，所述系統包括電阻率探測單元，用於測量近鑽頭地層電阻率，生成電阻率數據；伽瑪探測單元，用於測量近鑽頭伽瑪射線，生成伽瑪射線數據；定向傳感單元，用於測量近鑽頭井斜和工具面，生成定向數據；絕緣偶極子發射單元，用於將所述的電阻率數據、伽瑪射線數據以及定向數據通過無線電磁信道傳輸到地面。
2. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述的絕緣偶極子發射單元 包括第一絕緣偶極子短節、第二絕緣偶極子短節和絕緣環；所述的第一絕緣偶極子短節與第二絕緣偶極子短節為螺紋連接，並通過 所述的絕緣環電性隔離。
3. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述的伽瑪探測單元和定向 傳感單元安裝在所述的第一絕緣偶極子短節上。
4. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述的電阻率探測單元包括 電阻率接收傳感器，所述的電阻率接收傳感器安裝在所述的第二絕緣偶極子 短節上。
5. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述的系統還包括 定向濾波電路，與所述的定向傳感單元相連接，用於對接收的定向傳感單元傳來的定向數據進行濾波，並輸出濾波後定向數據；電阻率放大/濾波/轉換電路，與所述的電阻率探測單元相連接，用於對接 收的電阻率探測單元傳來的電阻率數據進行放大、濾波和A/D轉換的處理， 輸出處理後電阻率數據；微處理器，分別與所述的定向濾波電路、電阻率放大/濾波/轉換電路以及 伽瑪探測單元相連接，並對所述的濾波後定向數據、處理後電阻率數據以及 伽瑪射線數據進行處理，生成地質導向數據。
6. 根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述的系統還包括 發射放大電路，分別與所述的微處理器和絕緣偶極子發射單元相連接，用於對所述的地質導向數據進行放大，並將放大後的地質導向數據傳送給所述的絕緣偶極子發射單元進行發射；存儲器，與所述的微處理器相連接，用於存儲所述的地質導向數據。
7. 根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述的系統還包括渦輪驅動器和發電機；所述的渦輪驅動器驅動所述的發電機發電，為所述的系統提 供電能。
8. 根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述的絕緣偶極子發射單元 包括第一絕緣偶極子短節、第二絕緣偶極子短節和絕緣環；所述的第一絕緣偶極子短節內部形成有第一空腔； 所述的第二絕緣偶極子短節內部形成有第二空腔；所述的第一絕緣偶極子短節與第二絕緣偶極子短節為螺紋連接，並通過 所述的絕緣環電性隔離，所述的第一空腔與第二空腔相連通。
9. 根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述的渦輪驅動器、發電機、 定向濾波電路、電阻率放大/濾波/轉換電路、微處理器、發射放大電路以及存 儲器安裝在所述的第一空腔內；所述的定向傳感單元安裝在所述的第二空腔內。
10. 根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，電阻率接收傳感器包括接 收線圈，所述的接收線圈安裝在所述的第二絕緣偶極子短節上，該接收線圈 的端面距鑽頭底面的距離為350mm至400mm。
全文摘要
本發明提供一種近鑽頭地質導向探測系統。該系統包括電阻率探測單元，用於測量近鑽頭地層電阻率，生成電阻率數據；伽瑪探測單元，用於測量近鑽頭伽瑪射線，生成伽瑪射線數據；定向傳感單元，用於測量近鑽頭井斜和工具面，生成定向數據；絕緣偶極子發射單元，用於將電阻率數據、伽瑪射線數據以及定向數據通過無線電磁信道傳輸到地面。使傳感器儘可能靠近鑽頭，這樣當鑽頭鑽進時傳感器就會對鑽頭前部及周邊的地層信息做出及早的預測使其在鑽井過程中達到地質導向的目的。
文檔編號G01V5/12GK101289935SQ20081011463
公開日2008年10月22日 申請日期2008年6月11日 優先權日2008年6月11日
發明者林 李, 盛利民, 竇修榮, 蘇義腦, 樂 鄧 申請人:中國石油集團鑽井工程技術研究院