一种近钻头随钻测量系统和方法[发明专利]

(10)申请公布号 CN 102052069 A
(43)申请公布日 2011.05.11C N 102052069 A *CN102052069A*
(21)申请号 201010553005.9
(22)申请日 2010.11.22
E21B 47/022(2006.01)
E21B 47/12(2006.01)
(71)申请人中联煤层气国家工程研究中心有限
责任公司
地址100095 北京市海淀区地锦路5号4幢
申请人中石油煤层气有限责任公司
(72)发明人毛志新 鲜保安 王德桂 邓均耀
吴沛洋 纪元
(74)专利代理机构北京市隆安律师事务所
11323
代理人
权鲜枝
(54)发明名称
一种近钻头随钻测量系统和方法
(57)摘要
本发明公开了一种近钻头随钻测量系统和方
法。

通过在螺杆马达和钻头之间安装强磁接头产
生交变磁场，由装在无磁钻铤内的随钻测量器测
量地磁场、重力场和交变磁场的三个分量，然后根
据地磁场和重力场三个分量计算出随钻测量器所
在位置的井斜和方位，根据交变磁场计算出随钻
测量器和强磁接头之间的相对位置，根据随钻测
量器所在位置的井斜和方位以及随钻测量器和强
磁接头之间的相对位置计算出强磁接头所在位置
的井斜和方位。

由于强磁接头与钻头之间的距离
很小，一般强磁接头与钻头的距离不到1米，所以
可以将强磁接头的井斜和方位看作钻头的井斜和
方位，因此本发明的技术方案相对于现有技术能
够较准确地测量钻头的井斜和方位。

(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请
权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页
1.一种近钻头随钻测量系统，其特征在于，该装置包括：无磁钻铤、位于无磁钻铤里面的随钻测量器、与无磁钻铤连接的定向接头、与定向接头连接的螺杆马达、与螺杆马达连接的强磁接头、与强磁接头连接的钻头，该装置还包括地面接收器，其中：
强磁接头，用于产生交变磁场；
无磁钻铤，用于为随钻测量器提供无磁环境；
随钻测量器，用于测量地磁场的三个分量、重力场的三个分量以及交变磁场的三个分量，并输出给地面接收器；
地面接收器，用于根据所接收的地磁场的三个分量和重力场的三个分量计算出随钻测量器所在位置的井斜和方位，根据所接收的交变磁场的三个分量计算出随钻测量器和强磁接头之间的相对位置，然后根据随钻测量器所在位置的井斜和方位以及随钻测量器和强磁接头之间的相对位置计算出强磁接头所在位置的井斜和方位。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述随钻测量器包括：三轴磁力计和三轴重力加速度计；
所述三轴磁力计，用于测量地磁场的三个分量和交变磁场的三个分量；
所述三轴重力加速度计，用于测量重力场的三个分量。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括：放大器和模数转换器；
所述随钻测量器，用于将所测量的信号发送到放大器；
所述放大器，用于对所接收的信号进行放大处理后发送给模数转换器；
所述模数转换器，用于对所接收的信号进行模拟到数字的转换处理后发送给地面接收器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述强磁接头包括：圆柱形的接头体、一对以上的永磁铁和紧钉螺钉；接头体和紧钉螺钉由无磁钢加工而成；
每个永磁铁通过紧钉螺钉安装在接头体中的对应孔中，且该永磁铁的磁极与接头体的中轴线垂直；
各对永磁铁间距相同并相互平行地安装在接头体中。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，
接头体上的安装永磁铁的孔是通孔结构；
接头体上的安装每一对永磁铁的两个孔的方向相反；
接头体的与各永磁铁的磁极平行的两侧的外表面有铣出的相互平行的扁；
接头体在中轴线方向的中心有水眼。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，
所述接头体的外径尺寸比螺杆马达的外经尺寸小。

7.一种近钻头随钻测量方法，其特征在于，该方法包括：
在螺杆马达和钻头之间安装强磁接头，该强磁接头与钻头一起转动，产生旋转的交变磁场；
在通过定向接头与螺杆马达连接的无磁钻铤中装有随钻测量器，该随钻测量器用于测量地磁场的三个分量、重力场的三个分量以及交变磁场的三个分量；
根据地磁场的三个分量和重力场的三个分量计算出随钻测量器所在位置的井斜和方
位，根据交变磁场的三个分量计算出随钻测量器和强磁接头之间的相对位置，然后根据随钻测量器所在位置的井斜和方位以及随钻测量器和强磁接头之间的相对位置计算出强磁接头所在位置的井斜和方位；
将强磁接头所在位置的井斜和方位作为钻头所在位置的井斜和方位。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在螺杆马达和钻头之间安装强磁接头包括：
在螺杆马达和钻头之间安装由圆柱形的接头体、一对以上的永磁铁和紧钉螺钉组成的强磁接头；
其中，接头体和紧钉螺钉由无磁钢加工而成；每个永磁铁通过紧钉螺钉安装在接头体中的对应孔中，且该永磁铁的磁极与接头体的中轴线垂直；各对永磁铁间距相同并相互平行地安装在接头体中。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述接头体上的安装永磁铁的孔是通孔结构；
所述接头体上的安装每一对永磁铁的两个孔的方向相反；
所述接头体的与各永磁铁的磁极平行的两侧的外表面有铣出的相互平行的扁；
所述接头体的中心有沿中轴线方向的水眼。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，将所述接头体的外径尺寸设置成比螺杆马达的外径尺寸小。

一种近钻头随钻测量系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及石油、天然气和煤层气等的开采技术领域，特别是涉及一种近钻头随钻测量系统和一种近钻头随钻测量方法。

背景技术
[0002] 在石油、天然气和煤层气等的定向钻井施工中，要求钻井轨迹准确地按照设计的轨迹钻进。

因此，如何获得近钻头的准确定向测量数据是定向井施工成功的关键因素。

[0003] 目前，定向钻井施工通常采用有线或无线随钻测量仪来测量井斜和方位。

随钻测量仪通常放置在一根或两根无磁钻铤里面，用三个重力加速度计和三个磁通门传感器分别测量随钻测量仪所在位置的重力加速度的三个分量和地磁场的三个分量。

然后利用相应的计算方法来计算出随钻测量仪所在位置的井斜和方位。

但是由于定向钻井施工需要动力钻具和定向接头，造成无磁钻铤中的随钻测量仪距离钻头有一段距离，该距离通常约为15米，所以随钻测量仪的井斜和方位并不是钻头所在位置井眼的真实井斜和方位。

根据造斜工具的标定造斜率虽然能大致推测出钻头处的井斜和方位，但是实际施工中由于影响造斜率的因素很多，包括钻具组合、地层条件、泥浆排量以及钻进参数等，因此实际的造斜率的和推测出的造斜率相差很大。

这严重影响定向的准确性，造成实际井眼轨迹钻出目的层，影响了油气资源的采收率，造成重大经济损失。

特别是在煤层气水平井施工过程中，由于定向准确性不够造成钻穿顶底板会导致产水量很大，影响煤层气井的产气效果。

[0004] 此外，目前还有一些近钻头的随钻测量仪，但是由于受钻头和螺杆磁性的干扰，这些近钻头的随钻测量仪只能测量井斜、电阻率、伽马以及一些机械参数，测量的参数可以先通过无线传输到无磁钻铤中的随钻测量仪或通过螺杆马达有线传输到随钻测量仪中，再通过有线或无线传输到地面。

但是这些近钻头测量仪存在一个共同的缺点就是不能测量近钻头的方位，而方位是计算井眼轨迹的三要素之一，因此利用现有的近钻头随钻测量仪提供的数据不能准确计算出测量仪到钻头井段的实际井眼轨迹。

[0005] 综上所述，现有的测量钻头的井斜和方位的方案的准确性不高。

发明内容
[0006] 本发明提供了一种近钻头随钻测量系统，该系统能够较准确地测量钻头的井斜和方位。

[0007] 本发明还提供了一种近钻头随钻测量方法，该方法能够较准确地测量钻头的井斜和方位。

[0008] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0009] 本发明公开了一种近钻头随钻测量系统，该装置包括：无磁钻铤、位于无磁钻铤里面的随钻测量器、与无磁钻铤连接的定向接头、与定向接头连接的螺杆马达、与螺杆马达连接的强磁接头、与强磁接头连接的钻头，该装置还包括地面接收器，其中：
[0010] 强磁接头，用于产生交变磁场；
[0011] 无磁钻铤，用于为随钻测量器提供无磁环境；
[0012] 随钻测量器，用于测量地磁场的三个分量、重力场的三个分量以及交变磁场的三个分量，并输出给地面接收器；
[0013] 地面接收器，用于根据所接收的地磁场的三个分量和重力场的三个分量计算出随钻测量器所在位置的井斜和方位，根据所接收的交变磁场的三个分量计算出随钻测量器和强磁接头之间的相对位置，然后根据随钻测量器所在位置的井斜和方位以及随钻测量器和强磁接头之间的相对位置计算出强磁接头所在位置的井斜和方位。

[0014] 本发明还提供了一种近钻头随钻测量方法，该方法包括：
[0015] 在螺杆马达和钻头之间安装强磁接头，该强磁接头与钻头一起转动，产生旋转的交变磁场；
[0016] 在通过定向接头与螺杆马达连接的无磁钻铤中装有随钻测量器，该随钻测量器用于测量地磁场的三个分量、重力场的三个分量以及交变磁场的三个分量；
[0017] 根据地磁场的三个分量和重力场的三个分量计算出随钻测量器所在位置的井斜和方位，根据交变磁场的三个分量计算出随钻测量器和强磁接头之间的相对位置，然后根据随钻测量器所在位置的井斜和方位以及随钻测量器和强磁接头之间的相对位置计算出强磁接头所在位置的井斜和方位；
[0018] 将强磁接头所在位置的井斜和方位作为钻头所在位置的井斜和方位。

[0019] 由上述可见，本发明这种在螺杆马达和钻头之间安装强磁接头，该强磁接头与钻头一起转动，产生旋转的交变磁场，测量地磁场的三个分量、重力场的三个分量以及交变磁场的三个分量，根据地磁场的三个分量和重力场的三个分量计算出随钻测量器所在位置的井斜和方位，根据交变磁场的三个分量计算出随钻测量器和强磁接头之间的相对位置，然后根据随钻测量器所在位置的井斜和方位以及随钻测量器和强磁接头之间的相对位置计算出强磁接头所在位置的井斜和方位，并将强磁接头所在位置的井斜和方位作为钻头所在位置的井斜和方位的技术方案，由于强磁接头与钻头之间的距离比随钻测量器与钻头之间的距离小很多，一般强磁接头与钻头之间的距离不到1米，因此将强磁接头的井斜和方位看作钻头的井斜和方位，其误差比较低。

因此本发明的技术方案相对于现有技术能够较准确地测量钻头的井斜和方位。

附图说明
[0020] 图1是本发明中的近钻头随钻测量系统的组成结构示意图；
[0021] 图2是本发明中的强磁接头5沿其中轴线xx’的剖视图；
[0022] 图3是本发明中的强磁接头5沿AA’线的横截面剖视图；
[0023] 图4是本发明中的一种近钻头随钻测量方法的流程图。

具体实施方式
[0024] 本发明的核心思想是在近钻头处设置交变磁场源，并利用磁距测量原理通过测量交变磁场的三个分量来计算测量点与磁场源之间的相对位置，并最终根据测量点处的井斜和方位以及测量点与磁场源之间的相对位置计算出近钻头处的井斜和方位。

[0025] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对
本发明进行详细描述。

[0026] 图1是本发明中的近钻头随钻测量系统的组成结构示意图。

如图1所示，该系统包括：无磁钻铤2、位于无磁钻铤2里面的随钻测量器1、与无磁钻铤2连接的定向接头3、与定向接头3连接的螺杆马达4、与螺杆马达4连接的强磁接头5、与强磁接头5连接的钻头6；此外该系统还包括图1中未画出的地面接收器。

[0027] 在图1所示的系统中：随钻测量器1放置在无磁钻铤2中，无磁钻铤2通常由一根或两根无磁钻铤组成，为随钻测量器1提供无磁环境；随钻测量器1，用于测量地磁场的三个分量、重力场的三个分量以及交变磁场的三个分量，并输出给地面接收器；无磁钻铤2通过螺纹与定向接头3连接，定向接头3用来定位动力钻具的工具面；螺杆马达4也通过螺纹与定向接头3连接，螺杆马达4用来提供驱动钻头6的动力，其尺寸由钻头6决定；螺杆马达4的前端接有强磁接头5，用来提供旋转的交变磁场；强磁接头5的前端接有钻头6，用来破碎岩石；地面接收器，用于根据所接收的地磁场的三个分量和重力场的三个分量计算出随钻测量器所在位置的井斜和方位，根据所接收的交变磁场的三个分量计算出随钻测量器和强磁接头之间的相对位置，然后根据随钻测量器所在位置的井斜和方位以及随钻测量器和强磁接头之间的相对位置计算出强磁接头所在位置的井斜和方位。

[0028] 这里，随钻测量器和强磁接头之间的相对位置包括随钻测量器和强磁接头之间的距离和相对方向。

[0029] 在图1所示的系统中，所述随钻测量器1包括：三轴磁力计和三轴重力加速度计；其中，三轴磁力计用于测量地磁场的三个分量和交变磁场的三个分量，三轴重力加速度计用于测量重力场的三个分量。

[0030] 图1所示的系统还可以进一步包括：放大器和模数转换器；随钻测量器1将所测量的信号发送到放大器，由放大器对其所接收的信号进行放大处理后发送给模数转换器，在由模数转换器对其所接收的信号进行模拟到数字(A/D)的转换处理后发送给地面接收器。

[0031] 图2是本发明中的强磁接头5沿其中轴线xx’的剖视图。

图3是本发明中的强磁接头5沿AA’线的横截面剖视图。

参见图2和图3，本发明中的强磁接头5包括：圆柱形的接头体9、一对以上的永磁铁7和紧钉螺钉8；接头体9和紧钉螺钉7由无磁钢加工而成。

[0032] 参见图2和图3，每个永磁铁7通过紧钉螺钉8固定在接头体9中的对应孔中，且永磁铁7的磁极yy’与接头体9的中轴线xx’垂直。

[0033] 本发明中的强磁接头5通常包括三到五对永磁铁作为磁场源，各对永磁铁间距相同并相互平行地安装在接头体9中。

在图2所示的实施例中共安装了4对永磁铁。

并且如图2所示，接头体9的一端是母扣，用来和钻头6相接，另一端是公扣，用来与螺杆马达4相连。

[0034] 参见图3，为了便于加工，确保每对永磁铁相互平行并且与接头体的中轴线xx’垂直，在接头体9的与各永磁铁7的磁极平行的两侧的外表面有铣出的相互平行的扁。

为了方便永磁铁7的拆装，在接头体9上的安装永磁铁7的孔设计为通孔结构。

并且为了保持强磁接头5的对称性，接头体9上的安装每一对永磁铁的两个孔的方向相反。

接头体9的材料为圆柱形无磁钢，接头体9的中心有沿中轴线xx’方向的水眼，水眼的直径取30-50mm。

此外，为了减少强磁接头5与井壁之间的摩擦，接头体9的外径尺寸设计成比螺杆马达的外
经尺寸小，例如小5mm。

[0035] 图1所示系统的工作原理如下：在钻进过程中，无论是定向钻进模式还是复合钻进模式，强磁接头5都会随着钻头6一起转动，产生旋转的交变磁场。

利用现有的成熟测量技术，放置在无磁钻铤2中的随钻测量器1可以测量地磁场的三个分量、重力场的三个分量和交变磁场的三个分量，所测量的信号经过放大器放大，模数转换后可以用有线或无线的方式传输到地面接收器进行分析，计算出随钻测量器1所在位置的井斜和方位以及随钻测量器1与强磁接头5之间的相对位置，然后计算出强磁接头5处的井斜和方位作为进钻头的井斜和方位。

通过近钻头的井斜和方位以及深井数据可以准确计算定向井的轨迹，确保井眼轨迹只满足设计要求，保证石油天然气和煤层气的采收率。

[0036] 由于强磁接头5离钻头6只有不到1米的距离，因此利用本发明得到的近钻头数据基本上可以看作是钻头6的实际井斜和方位，克服了传统的测量技术准确性低，或者不能测量方位的缺陷，使得在实际应用中，定向工程师能及时作出决策，修正井眼轨迹。

[0037] 图4是本发明中的一种近钻头随钻测量方法的流程图。

如图4所示，该方法包括：[0038] 步骤401，在螺杆马达和钻头之间安装强磁接头，该强磁接头与钻头一起转动，产生旋转的交变磁场。

[0039] 本步骤中，在螺杆马达和钻头之间安装强磁接头包括：在在螺杆马达和钻头之间安装由圆柱形的接头体、一对以上的永磁铁和紧钉螺钉组成的强磁接头；其中，接头体和紧钉螺钉由无磁钢加工而成；每个永磁铁通过紧钉螺钉安装在接头体中的对应孔中，且该永磁铁的磁极与接头体的中轴线垂直；各对永磁铁间距相同并相互平行地安装在接头体中。

所述接头体上的安装永磁铁的孔是通孔结构；所述接头体上的安装每一对永磁铁的两个孔的方向相反；所述接头体的与各永磁铁的磁极平行的两侧的外表面有铣出的相互平行的扁；所述接头体的中心有沿中轴线方向的水眼。

将所述接头体的外径尺寸设置成比螺杆马达的外径尺寸小。

[0040] 步骤402，在通过定向接头与螺杆马达连接的无磁钻铤中装有随钻测量器，该随钻测量器用于测量地磁场的三个分量、重力场的三个分量以及交变磁场的三个分量。

[0041] 步骤403，根据地磁场的三个分量和重力场的三个分量计算出随钻测量器所在位置的井斜和方位，根据交变磁场的三个分量计算出随钻测量器和强磁接头之间的相对位置，然后根据随钻测量器所在位置的井斜和方位以及随钻测量器和强磁接头之间的相对位置计算出强磁接头所在位置的井斜和方位；
[0042] 步骤404，将强磁接头所在位置的井斜和方位作为钻头所在位置的井斜和方位。

[0043] 由上述可见，本发明这种在螺杆马达和钻头之间安装强磁接头，该强磁接头与钻头一起转动，产生旋转的交变磁场，测量地磁场的三个分量、重力场的三个分量以及交变磁场的三个分量，根据地磁场的三个分量和重力场的三个分量计算出随钻测量器所在位置的井斜和方位，根据交变磁场的三个分量计算出随钻测量器和强磁接头之间的相对位置，然后根据随钻测量器所在位置的井斜和方位以及随钻测量器和强磁接头之间的相对位置计算出强磁接头所在位置的井斜和方位，并将强磁接头所在位置的井斜和方位作为钻头所在位置的井斜和方位的技术方案，由于强磁接头与钻头的距离比随钻测量器与钻头的距离缩短了许多，一般强磁接头与钻头的距离不到1米，因此将强磁接头的井斜和方位看作钻头的井斜和方位，其误差比较低。

因此本发明的技术方案相对于现有技术能够较准确地测量
钻头的井斜和方位。

[0044] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

图1
图2
图3
图4。