一种近钻头地质导向探测系统.pdf

本发明提供一种近钻头地质导向探测系统。该系统包括：电阻率探测单元，用于测量近钻头地层电阻率，生成电阻率数据；伽玛探测单元，用于测量近钻头伽玛射线，生成伽玛射线数据；定向传感单元，用于测量近钻头井斜和工具面，生成定向数据；绝缘偶极子发射单元，用于将电阻率数据、伽玛射线数据以及定向数据通过无线电磁信道传输到地面。使传感器尽可能靠近钻头，这样当钻头钻进时传感器就会对钻头前部及周边的地层信息做出及早的预测使其在钻井过程中达到地质导向的目的。

1.  一种近钻头地质导向探测系统，其特征是，所述系统包括：
电阻率探测单元，用于测量近钻头地层电阻率，生成电阻率数据；
伽玛探测单元，用于测量近钻头伽玛射线，生成伽玛射线数据；
定向传感单元，用于测量近钻头井斜和工具面，生成定向数据；
绝缘偶极子发射单元，用于将所述的电阻率数据、伽玛射线数据以及定向数据通过无线电磁信道传输到地面。

2.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的绝缘偶极子发射单元包括：第一绝缘偶极子短节、第二绝缘偶极子短节和绝缘环；
所述的第一绝缘偶极子短节与第二绝缘偶极子短节为螺纹连接，并通过所述的绝缘环电性隔离。

3.  根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的伽玛探测单元和定向传感单元安装在所述的第一绝缘偶极子短节上。

4.  根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的电阻率探测单元包括：电阻率接收传感器，所述的电阻率接收传感器安装在所述的第二绝缘偶极子短节上。

5.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括：
定向滤波电路，与所述的定向传感单元相连接，用于对接收的定向传感单元传来的定向数据进行滤波，并输出滤波后定向数据；
电阻率放大/滤波/转换电路，与所述的电阻率探测单元相连接，用于对接收的电阻率探测单元传来的电阻率数据进行放大、滤波和A/D转换的处理，输出处理后电阻率数据；
微处理器，分别与所述的定向滤波电路、电阻率放大/滤波/转换电路以及伽玛探测单元相连接，并对所述的滤波后定向数据、处理后电阻率数据以及伽玛射线数据进行处理，生成地质导向数据。

6.  根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括：
发射放大电路，分别与所述的微处理器和绝缘偶极子发射单元相连接，用于对所述的地质导向数据进行放大，并将放大后的地质导向数据传送给所述的绝缘偶极子发射单元进行发射；
存储器，与所述的微处理器相连接，用于存储所述的地质导向数据。

7.  根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括：涡轮驱动器和发电机；所述的涡轮驱动器驱动所述的发电机发电，为所述的系统提供电能。

8.  根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的绝缘偶极子发射单元包括：第一绝缘偶极子短节、第二绝缘偶极子短节和绝缘环；
所述的第一绝缘偶极子短节内部形成有第一空腔；
所述的第二绝缘偶极子短节内部形成有第二空腔；
所述的第一绝缘偶极子短节与第二绝缘偶极子短节为螺纹连接，并通过所述的绝缘环电性隔离，所述的第一空腔与第二空腔相连通。

9.  根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述的涡轮驱动器、发电机、定向滤波电路、电阻率放大/滤波/转换电路、微处理器、发射放大电路以及存储器安装在所述的第一空腔内；
所述的定向传感单元安装在所述的第二空腔内。

10.  根据权利要求4所述的系统，其特征在于，电阻率接收传感器包括接收线圈，所述的接收线圈安装在所述的第二绝缘偶极子短节上，该接收线圈的端面距钻头底面的距离为350mm至400mm。

一种近钻头地质导向探测系统
技术领域
本发明关于石油、矿山和地质勘探等随钻测量或随钻测井中的地质导向测量技术，特别关于近钻头测量和井下测量数据的无线传输技术，具体的讲是一种近钻头地质导向探测系统。
背景技术
在石油、矿山、地质勘探等钻井工程中，要求使钻井轨迹更准确地按照工程设计要求钻进，及时准确的掌握地层信息识别薄油层提高钻井效率，并把地层信息实时地传输到地面。这样，才能使工程技术人员及时了解井筒的轨迹和地层信息的变化。
但是目前的钻井工程中，很多钻井系统的传感器距离钻头有一定的距离，使探测范围减小，探测精度下降。虽然有的钻进系统中传感器安装在靠近钻头很近的地方，但是地层参数中没有地层电阻率探测器，而且当传感器采集数据上传时，传输信道为无线短传信道，数据不能直接传输到地面，必须进行中转，然后再传输到地面，这样就极大地降低了传输速率。
美国专利申请5448227公开了一种近钻头钻井测量设备及其方法，该专利申请的传感器安装在靠近钻头的位置，用来测量钻进参数如：钻孔的倾角，地层的伽玛射线发射，地层的电阻率和一些机械钻井参数。传感器采集数据时通过无线短传信道，将数据先传给随钻测量(MWD)，然后再传到地面。该发明申请所公开的技术方案可合并于此，以作为本发明的现有技术。
美国专利申请US00533906A公开了一种侧翼上安装电极用于确定周围结构的电阻率的钻井测量装置，该专利申请的电极用来测量电流产生的信号，以获得电阻率信号。该发明申请所公开的技术方案可合并于此，以作为本发明的现有技术。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种近钻头地质导向探测系统。将工程参数传感器、地层参数传感器、无线电磁直传信道及钻头一体化集成，使传感器尽可能靠近钻头，这样当钻头钻进时传感器就会对钻头前部及周边的地层信息做出及早的预测使其在钻井过程中达到地质导向的目的。
本发明的目的是，提供一种近钻头地质导向探测系统，该系统包括：电阻率探测单元，用于测量近钻头地层电阻率，生成电阻率数据；伽玛探测单元，用于测量近钻头伽玛射线，生成伽玛射线数据；定向传感单元，用于测量近钻头井斜和工具面，生成定向数据；绝缘偶极子发射单元，用于将电阻率数据、伽玛射线数据以及定向数据通过无线电磁信道传输到地面。
本发明的有益效果在于：使各种地质导向用探测传感器、绝缘偶极子发射器及钻头一体化集成，并使各种探测传感器更靠近钻头，实现了对钻头前和钻头周围地层状况的预测，探测传感器采集的数据通过绝缘偶极子天线发射，经无线电磁直传信道传送到地面，从而对钻井设计及时决策、及时修正。
附图说明
图1为本发明装置具体实施方式的结构框图。
图2为本发明装置具体实施方式的结构示意图。
图3为本发明方法具体实施方式的工作流程图。
图4为本发明的近钻头地质导向系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1所示，为本发明装置具体实施方式的结构框图。图1所示的近钻头地质导向探测系统包括：电阻率探测单元，用于测量近钻头地层电阻率，生成电阻率数据；伽玛探测单元，用于测量近钻头伽玛射线，生成伽玛射线数据；定向传感单元，用于测量近钻头井斜和工具面，生成定向数据；绝缘偶极子发射单元，用于将电阻率数据、伽玛射线数据以及定向数据通过无线电磁信道传输到地面。定向滤波电路，与定向传感单元相连接，用于对接收的定向传感单元传来的定向数据进行滤波，并输出滤波后定向数据；电阻率放大/滤波/转换电路，与所述的电阻率探测单元相连接，用于对接收的电阻率探测单元传来的电阻率数据进行放大、滤波和A/D转换的处理，输出处理后电阻率数据；微处理器，分别与定向滤波电路、电阻率放大/滤波/转换电路以及伽玛探测单元相连接，并对所述的滤波后定向数据、处理后电阻率数据以及伽玛射线数据进行处理，生成地质导向数据。发射放大电路，分别与微处理器和绝缘偶极子发射单元相连接，用于对地质导向数据进行放大，并将放大后的地质导向数据传送给绝缘偶极子发射单元进行发射；存储器，与微处理器相连接，用于存储地质导向数据。涡轮驱动器和发电机；涡轮驱动器驱动发电机发电，为本发明系统提供电能。
如图2所示，为本发明装置具体实施方式的结构示意图。在图2中，与钻头集成为一体的近钻头地质导向探测系统2安装在螺杆钻具或钻铤的钻头靴1上，在近钻头地质导向探测系统2下端的钻头靴上再安装钻头。
近钻头地质导向探测系统2的基本结构体是由第一绝缘偶极子短节26和第二绝缘偶极子短节13所构成，两段绝缘偶极子短节用钛合金做成，两段绝缘偶极子短节可螺纹连接。在第一绝缘偶极子短节26和第二绝缘偶极子短节13的连接螺扣表面用电化学方法生成一层厚度为30-100μm的绝缘层，这样当第一绝缘偶极子短节26和第二绝缘偶极子短节13连接后就可以形成由绝缘层隔开的两电极，既绝缘偶极子。
在第一绝缘偶极子短节26和第二绝缘偶极子短节13连接后，为保证连接螺扣的密封性，用耐磨绝缘纤维与耐高温树脂形成密封绝缘环12、绝缘环15和绝缘环14。
第一绝缘偶极子短节26内部形成有第一空腔；第二绝缘偶极子短节13内部形成有第二空腔；第一绝缘偶极子短节与第二绝缘偶极子短节为螺纹连接，并通过所述的绝缘环电性隔离，第一空腔与第二空腔相连通。
第一绝缘偶极子短节26的测壁上开有一长槽，安装伽玛射线探测器，伽玛射线探测器的电路引线通过密封接头9引到电路仓7中。
在第二绝缘偶极子短节13上安装有电阻率探测器的接收传感器，接收传感器由圆环状接收传线圈19，圆环状保护壳20，线圈仓隔离环17，线圈仓隔离环22，绝缘环21，绝缘环16以及接收传感器结构压紧环23构成。绝缘环21和绝缘环16由高温树脂和颗粒细度大于200目的陶瓷粉粒制成。
接收传线圈19的引线通过密封接头18引入到抗压保护仓11中；定向传感器10，电路模块7，发电机5安装在由发电机仓体筒4，连接器8，抗压保护仓(11)密封端头24，绝缘连接件25构成的仓筒内。绝缘连接件25由绝缘材料聚四氟乙烯制成。
发电机5与涡轮驱动器3构成地导向系统的电源。
电路模块7由定向传感器滤波电路29，接收传感器电流I，电阻率发射器和无线电磁传输信道发射器共用功率放大器27，放大/滤波/(A/D)变换电路28，微处理器30，及存储器34组成。
如图3所示，本发明工作流程包含以下步骤：涡轮驱动器驱动发电机工作，为所有的探测器，传感器及电路模块供电S101；电阻率探测器，伽玛探测器，定向传感器在微处理器的控制下各自同时工作采集数据，并将采集的数据存入存储器S102；电阻率探测器在微处理器控制下通过功率放大器将一电压U信号施加到偶极子的两极上S103；电极上的交变电压U通过地层产生与电压U同频率的电流I，线圈检测到电流I S104；经放大，滤波，A/D变换电路将信号I送入微处理器S105；由欧姆定律求出地层R及地层率ρ，并将数据存入存储器S106；在存储器中的数据通过微处理器调制后送入功率放大器经放大后再送到偶极子的两电极上，由此将电磁信号幅射进入地层传送到地面S107。
如图4所示，地层电阻率的测量采用绝缘偶极子发射器直接将探测电压施加到地层上，这样只要在发射功率许可的范围内，探测电压就是一可直接监测到的恒定值，这就可大大地提高探测精度。由于采用了绝缘偶极子使钻头、钻铤形成赫兹电偶极子的两极，因而建立了无线电磁传输信道，当井下发电机提供一定的功率时，钻头上方集成传感器采集的数据就可通过无线电磁传输信道直接传输到地面。近钻头地质导向系统工作原理如下：
在泥浆流(泥浆流量：28-30L/s)或高速气体流(气体流量：大于60m3/min)的冲击下涡轮驱动器3驱动发电机5工作，使其产生出100瓦以上的电能。该发电机为系统中所有的探测器，传感器及电路模块7供电；电路模块7包括：定向滤波电路，与所述的定向传感单元相连接，用于对接收的定向传感单元传来的定向数据进行滤波，并输出滤波后定向数据；电阻率放大/滤波/转换电路，与所述的电阻率探测单元相连接，用于对接收的电阻率探测单元传来的电阻率数据进行放大、滤波和A/D转换的处理，输出处理后电阻率数据；微处理器，分别与所述的定向滤波电路、电阻率放大/滤波/转换电路以及伽玛探测单元相连接，并对所述的滤波后定向数据、处理后电阻率数据以及伽玛射线数据进行处理，生成地质导向数据。发射放大电路，分别与所述的微处理器和绝缘偶极子发射单元相连接，用于对所述的地质导向数据进行放大，并将放大后的地质导向数据传送给所述的绝缘偶极子发射单元进行发射；存储器，与所述的微处理器相连接，用于存储所述的地质导向数据。
电阻率探测器，伽玛探测器6，定向传感器10在微处理器的控制下各自同时工作采集数据，并将采集的数据存入存储器34。电阻率探测器在微处理器30控制下通过功率放大器27将一频率f＝1KHz幅度为U的电压信号施加到偶极子的两极(26、13)上，电极上的交变电压U通过地层产生与电压U同频率的电流I28，电流I被线圈19检测到，经放大，滤波，A/D变换电路35将信号I送入微处理器，由欧姆定律求出地层R及地层率ρ，并将数据存入存储器。
在存储器34中的数据通过微处理器30调制后送入功率放大器27经放大后再送到偶极子的两电极上，由此将电磁信号33幅射进入地层传送到地面。
实施例
本实施例，以两段经过绝缘连接钛合金短节(26、13)做为基体，在此基础上实现地质导向系统与钻头的一体化集成，以此方法形成的地质导向系统具有以下的近钻头测量功能：①近钻头地层电阻率测量；②近钻头伽玛射线测量；③近钻头井斜及工具面测量；④各种测量数据由无线电磁信道一次传输到地面。
与钻头一体化集成的地质导向系统由下列部分组成：第一钛合金短节26、第二钛合金短节13、密封绝缘环12、绝缘环15和绝缘环14、绝缘环16、隔离环17、圆环状接收传线圈19、圆环状保护壳20、绝缘环21构成的近钻头地层电阻率探测器。
伽玛探测器6。测量井斜和工具面的定向传感器10。建立井下无线电磁传输信道的偶极子(26、13)，该偶极子也是地层电阻率探测器一部分；输出功率大于100W的井下涡轮发电机(3、5)；电路模块7。由两段钛合金(26、13)构成偶极子，其偶极子的一极26的上端安装在螺杆钻具或钻铤的钻头靴上，钻头则安装在偶极子的另一极13的钻头靴上。
偶极子(26、13)具有两种功能，第一是可作为地层电阻率的探测发射器，第二是可作为井下无线电磁传输信道的发射天线。
伽玛探测器6安装在偶极子的一极(26)侧壁的位置；地层电阻率探测器的接收传感器线圈1安装在偶极子的一极13上，接收线圈的端面距钻头31底面的距离32为350-400mm。测量井斜和工具面的定向传感器10，电路模块7，井下涡轮发电机本体5安装在由偶极子(26、13)构成的偶极子的流道内。
由于工程参数传感器、地层参数传感器、无线电磁直传信道及钻头一体化集成，首先使各种传感器更靠近钻头可提前预测钻头前和钻头周围地层状况，其次传感器采集的数据通过集成偶极子天线立即传送到地面，使钻井工程师和地质师及时作出决策、及时修正钻井设计。
因此以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。