[发明专利]一种旋转状态下重力加速度测量装置与提取方法

说明书

技术领域

本发明主要属于石油钻井随钻测量领域，具体涉及一种旋转状态下重力加速度测量装置与提取方法。

背景技术

随钻测量是指在钻进过程中实时测量井眼轨迹参数，并利用钻井液、电磁波等作为媒介将信息传送到地表的过程。随钻测量仪器是定向钻井工程师的“眼睛”，是控制井眼轨迹必不可少的工具。在定向钻进过程中，钻头的方向信息对于正确钻进是至关重要的，对钻头方向的精确测量不但能够保证高效钻遇既定目标，同时也避免造成与相邻井眼的碰撞风险。因此，除了传统的底部钻具组合(包括钻头、螺杆钻具、扶正器、钻铤等)，定向钻井工具需要使用位置传感器测量井下钻具姿态，包括方位角(在水平面上与北向的偏角)、倾角(与垂直方向的偏角，亦称井斜角)和工具面角(相当于导航中的横滚角)，这些传感器与检测钻井工程参数的传感器(压力、振动、扭矩等)共同构成了随钻测量系统(Measurement While Drill,MWD)，该系统安装在距离钻头10米左右的无磁钻铤中。当前MWD系统使用三个加速度计测量井斜角和工具面角，使用三轴磁通门磁力计，并结合加速度计测量的井斜角和工具面角信息来测量方位角。

现有的MWD系统必须停钻测量，测量过程中除了泥浆循环外，整个钻柱是静止的，这种测量方式的好处是钻具旋转、振动、冲击等因素对加速度计测量结果的影响非常小，有利于提高测量精度。但缺点是只能隔一定的距离进行间断测量，实际工程应用中通常为每隔30米测量一次，测量点之间的井眼轨迹只能通过数学方法计算得来，因此无法获得精确的井眼轨迹信息。同时，由于静态测量，钻井作业必须频繁地停下来，特别是在定向井段，严重影响钻井效率，另外停钻还会影响井壁的稳定，测量结束后钻柱重新转动的过程需要承受较大的扭矩，给钻井安全带来一系列问题。近年来，页岩气等非常规油气资源的水平井开发、老油田开发后期精细开采、薄层和超薄层(1米以下)油气藏的开发对轨迹控制精度的要求越来越高，现有MWD的停钻间歇式测量模式难以满足要求。

现有MWD系统停钻测量的轨迹测量点数和测量效率之间存在矛盾，井眼轨迹动态连续测量已经成为定向钻井测量的发展趋势，例如近年来推出的近钻头随钻井斜测量仪和旋转导向工具均在近钻头处安装了三轴重力加速度计,进行井斜角和工具面角的测量，但测量精度与常规MWD还有差距。这是因为在钻进过程中，钻具的高速旋转、钻头切削岩石及钻柱与井壁的摩擦碰撞产生的强振动、强冲击井下环境给重力加速度测量带来了极大干扰，离心加速度、振动加速度和冲击加速度与重力加速度叠加在一起输出，如何从干扰环境中有效提取重力加速度对于提高井斜和工具面角的测量精度至关重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种旋转状态下重力加速度测量装置与提取方法，可有效压制旋转动态测量过程中，离心加速度、振动加速度和冲击加速度对重力加速度的干扰，实现重力加速度的精确提取，进而提高井斜和工具面的测量精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种旋转状态下重力加速度测量装置，所述装置包括传感器和测量电路，所述传感器包括三轴重力加速度计、参考测量传感器和温度传感器，所述三轴重力加速度计测量三个正交方向的加速度分量信号，所述参考测量传感器产生随旋转变化且不受振动和冲击影响的信号作为参考信号；所述温度传感器测量该装置内部的温度，用于重力加速度计的温度补偿，消除钻具温度对重力加速度计的影响；测量电路采集所述传感器的输出信号，利用参考信号和分别与温度补偿后的加速度分量信号做互相关处理，消除因旋转产生的离心加速度、振动和冲击等干扰得到无干扰的重力加速度。

进一步地，所述三轴重力加速度计为三个正交安装的重力加速度计，其中一个安装在钻具轴向上，另外两个沿钻具径向安装，三个重力加速度及安装方向符合右手坐标系；所述三轴重力加速度计和低通滤波器相连，低通滤波器对所述三轴重力加速度计输出的信号进行模拟滤波，滤除高于旋转频率的振动和冲击干扰，滤波后的信号被测量电路采集，所述低通滤波器的低通截止频率与所述三轴重力加速度计的频带和钻井转速相关。

进一步地，安装时，所述参考测量传感器的敏感轴与旋转轴的夹角取决于传感器类型，以使钻具旋转时，所述参考测量传感器能够在敏感轴方向上产生周期性变化。

进一步地，所述测量电路还包括模数转换器、存储器、微控制器和数据接口；所述模数装换器连接所述传感器和所述微控制器，所述微控制器连接所述存储器和所述数据接口；所述模数装换器与所述三轴重力加速度计间连接有所述低通滤波器；

所述模数转换器将所述传感器经过滤波的输出信号转换为所述控制器可接收模式；