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1、10申请公布号CN102182450A43申请公布日20110914CN102182450ACN102182450A21申请号201110091855622申请日20110413E21B47/0220060171申请人余慧君地址214400江苏省江阴市澄江中路159号A座12楼申请人布社辉72发明人布社辉74专利代理机构北京鼎佳达知识产权代理事务所普通合伙11348代理人蒋常雪54发明名称一种用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件57摘要本发明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。
2、，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。51INTCL19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1页说明书6页附图1页CN102182454A1/1页21一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。
3、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个步进电机、2个相反方向的陀螺仪、一组3个磁力计合一组3个加速度计，步进电机驱动2个陀螺仪、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。5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。
4、特征在于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、一组3个磁力计合一组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相同步，实现传感器关于工具轴的一系列方位角位置的测量。6如权利要求15之任一所述的用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件，其特征在于所述陀螺仪为两轴陀螺仪。权利要求书CN102182450ACN102182454A1/6页3一种用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件技术领域0001本发明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，。
5、并可以校正传感器数据。背景技术0002为了获得石油天然气等碳氢化合物，需要进行井下钻孔。0003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”。0004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。0005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。
6、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。0006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。0007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。0008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。
7、，但是在随钻测量工具的应用中还没有被市场认可。0009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。0010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。
8、，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说明书CN102182450ACN102182454A2/6页4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。0011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。
9、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。0012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。
10、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。发明内容0013本发明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。0014为解决上。
11、述问题，本发明采用如下技术方案0015本发明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。0016所述工具箱内安装有一组多个磁力计。0017所述工具箱内安装有一组多个加速度计。0018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。0019或者，优。
12、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。0020进一步优选的，所述陀螺仪为两轴陀螺仪。0021本发明提供了一种用于井下钻孔的随钻测量MWD井下传感器组件，它采用陀螺说明书CN102182450ACN102182454A3/6页5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。本发明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。
13、相关联的信号。0022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。0023本发明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。0024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。本发明消除该系统误差的方法是使用本发明随钻测量组件钻孔到一个深度后，将。
14、本发明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0025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。0026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。0027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。0028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、41和42均为陀螺仪，51、52、53为一组三个加速度计；6为工具箱；7为旋转底盘；8、81和82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；121、122、123为一组三。
15、个三轴磁力计；13为钻杆；14为非磁轴承；15、151和152均为锥齿轮。具体实施方式0029实施例10030如图1所示，本发明提供了一种用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件，它为带有一个陀螺仪和相应加速度计的井下传感器组件，包括钻具组件1及安装于钻具组件中的向下钻进耦合器2及向上钻进耦合器3图中省略；所述井下传感器组件包括一个可旋转陀螺仪4，和一组三个加速度计51、52、53，它们安装在一个工具箱6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。0031陀螺仪可以是一个单轴陀螺仪或是双轴陀螺仪。在竖直和低倾角的钻井孔中，一个X轴向和一个Y轴向的陀螺仪就足够用来。
16、确定相对于正北方向的方位角和工具面向角。图1所示的结构采用了一个双轴X轴向和Y轴向陀螺仪，当这两轴垂直于钻孔轴或是钻具组件轴Z轴，就能够提供相对于地球自转速度的输出。因此陀螺仪就能在X轴和Y轴上测量出地球自转部分。三个加速度计分别测量地球重力沿X轴、Y轴以及钻具组件Z轴方向的分量。0032陀螺仪和三个加速度计安装在旋转底盘7上。该旋转底盘可以转动安装在固定工具箱里的径向轴承。一个可换挡的步进电机8安装在旋转底盘上，它能够沿着钻具组件的Z轴转动底盘。因此，它就能够以任意旋转角将陀螺仪从一个机械位置转动到另一个位置。说明书CN102182450ACN102182454A4/6页6因为步进电机是精密。
17、仪器，能够提供有关旋转量的正反馈。无论是电力操作、液压操作，还是其他任何想要的方式，都可以用来转动钻具组件里的陀螺仪。陀螺仪可以从任意起始位置转动到一个机械制动位置，或者在两个机械制动位置间转动，再或者从初始的峰值位置转动到另一个位置。陀螺仪相对于特定轴的旋转角度是可选择的。0033虽然图1展示的是一个双轴陀螺仪，也可以采取每个轴用一个单独的陀螺仪的方法。电力导线9给陀螺仪和三个加速度计提供动力。信号传输导线10将陀螺仪和三个加速度计中的信号传输给钻具组件中的处理器。同样，导线给步进电机和其他的钻孔设备提供动力和信号连接。使用弹簧力矩限制器11来防止由于钻杆产生旋转产生的惯性负载，这些负载可能。
18、会导致步进电机变速箱的损坏。0034随钻测量陀螺仪需要对几个参数进行优化，以便用现有的典型陀螺传感器来提供所需的性能。0035对于一个典型的随钻测量陀螺仪，某些参数的误差严重影响测量精度，陀螺仪的输出偏差就是其中之一。有的陀螺仪有很小的“随机移动误差”，经过最初的预热期后，也有相对稳定的误差值，但是从开通到导通阶段却会有一个很大的不稳定误差。误差和随机移动误差很大程度上决定了用于陀螺仪操作模式寻北的陀螺仪传感器的精度。在钻井过程中启动之后，一种用来校正可视误差的装置和方法是迫切需要的。0036本发明实现了对随钻测量工具中陀螺仪的误差的补偿。这是通过将陀螺仪移至两个相距180的位置上，然后测量这。
19、两个位置的数据而得到的。不考虑信号的正向和负向，将两次测量结果相加就会得到两倍的误差。如果在操作钻具组件时，所有其他参数都通过先前的校正过程进行补偿，那么陀螺仪的其他偏差通过计算就会被去除。0037本发明中使用机械限动器将陀螺仪转动至一个任意的“零”位置，然后再转至“180”位置。对于一个单轴陀螺仪，该方法可以确定误差，它用来补偿陀螺仪的后续测量结果和先前已经校正过的参数。对于一个双轴陀螺仪，将其从“零”位置移至“180”位置的方法可以测量出具有两个X和Y横轴的陀螺仪的误差。另外，可以采用步进电机或者带有角分解器的驱动电机将陀螺仪绕着旋转轴从一个任意的初始位置移过180。0038但是这种在任意。
20、滚转角度做第一次测量的方法可能会导致陀螺仪的输出接近零竖直轴为零。在这种情况下，陀螺仪的输出会有个陡坡，并且会对横轴的位置变化很敏感。为了得到更好的结果，从“零”点移至“180”点处的操作应当非常精确，对于“180”位置的要求也非常严格。由于恶劣的环境以及安装敏感部件所需要的震动和冲击，在随钻测量系统中实现严格精确的机械设备移动是很困难的。在此类系统中，经常会用到橡皮圈来安装某些东西，这就需要有足够的空间来防止动态负载下的偏斜以及持续碰撞对机械限动器可能造成的损害。0039本发明提供了一种确定初始“零”参考位置来最小化测量误差的方法。我们期望测量出陀螺仪在“零”位置接近波峰和波谷的数值以及在“。
21、180”度位置接近波峰和波谷的位置，这样就可以尽量减小偏差的测量误差。这个可以在陀螺仪旋转时监视其输出而实现。通过寻找随着角位置增加，输出曲线斜度从上升到下降的位置，就可以找到峰值。起始的“零”位置可以选在这个位置上，记录下来供后续计算使用。然后，控制驱动电机超前180度，第二个“180”度位置就可以确定。另外，“寻找峰值”的方法可以用来寻找“180”度位置。0040两轴陀螺仪中，峰值测量技术用于对X轴陀螺仪建立零位置，然后还需要另外三说明书CN102182450ACN102182454A5/6页7个90度分开的位置，以此来计算X轴和Y轴的偏差。0041通过井下标定技术来确定两轴的偏差，水平轴。
22、上的任何位置处的X轴与Y轴的输出都可以得到校正。使用全部4个值或者之前记录的值或者后续转换位置上的值就可以计算出MWD井底组件的方位角和工具面向角等角度参数。四个转换之后位置上的参数平均值经常会用到。0042如图1，运行过程中为了确定工具面向角、倾斜角和井底组件的方位角，需要中断或者停止钻孔。这时陀螺仪处于上电状态，陀螺仪对地球转速的测量以及三个加速度计对重力的测量继续运行。注意到陀螺仪对地球转速的测量包含着系统偏差，为了消除系统偏差，在同一钻孔深度、钻孔位置处旋转陀螺仪至180度后，保持陀螺仪未断电，启动另一套转速测量。0043陀螺仪各轴在每一处都进行测量来确定各自的误差。各轴相应的偏差存储。
23、在处理器的存储器中，以供使用。偏差用于校正陀螺仪先前相对于正北方向的方位角和工具面向角，这些方法能很大程度上消除单独测量系统工具面向角的偏差，剩余偏差可以通过使用实验室测量中预设的模型来消除。0044上面描述的井底钻孔实时误差消除方法，这里简称陀螺仪“机械位置转换方法”，它有很大的使用灵活性，能够最小化测量时间和电源耗电量。它容许市场上陀螺仪存在的典型系统测量误差，而不是依靠这些陀螺仪的误差稳定性。它还容许不适合MWD环境、回转罗盘模式下的工作的陀螺仪的使用，这是由于这种陀螺仪的低稳定性和从接通到导通状态的不稳定误差的存在。其他影响陀螺仪测量精确性的还有随机游动性，它可以通过两种方法而减小A通。
24、过预先在地表面上钻具组件的检验测试，选择随机游走性相对较小的陀螺仪来减小误差，B均值化长时间运行良好的陀螺仪的测量结果，来消除这种误差的统计波动。0045实施例20046如图2所示，本发明提供了一种用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件，它是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，包括钻具组件1及安装于钻具组件中的向下钻进耦合器2及向上钻进耦合器3；所述井下传感器组件包括两个可旋转陀螺仪41、42，和一组三个加速度计51、52、53，及一组三个三轴磁力计121、122、123，它们都密封安装在一个工具箱6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。。
25、0047工具箱内安装有一个旋转底盘，一个陀螺仪和一组三个加速度计及一组三个磁力计安装于旋转底盘上，0048两个步进电机81、82分别驱动两个可旋转陀螺仪，其中一个步进电机通过驱动旋转底盘使一组三个加速度计，及一组三个三轴磁力计和一个陀螺仪同步，以实现传感器关于工具轴的一系列方位角位置的测量。三个磁力计通过非磁轴承14安装在旋转底盘7上。这种布置可以使得磁力计和加速度计在时间上与陀螺仪保持一致。按照上面所描述的关于陀螺仪的使用方法，一组三个加速度计和一组三个磁力计的偏差都可以确定，随后的测量工作可以补偿这种偏差。0049当传感器组件及附近设备中不存在磁性物体所引起的磁干扰时，不应该有Z梯度磁场，。
26、即三个磁力计的长轴的组成部分应该有相同的数值。如果真实测量值不满足这个条说明书CN102182450ACN102182454A6/6页8件，就反应存在磁干扰。由钻孔内及其周围的磁性物体引起的磁场干扰遵循众所周知的反平方定律，通过利用已知的建模技术、位置和干扰强度可以确定一组磁性测量数据。这使得校正受到干扰的磁力计测量结果成为可能，而且在Z梯度磁场为零和磁场不受干扰的地方也可以确定钻孔的轴向距离。0050本实用新型的传感器组件还包括另一个陀螺仪，它由另一个步进电机通过锥齿轮15驱动。按照如上所示的方法，陀螺仪的偏差可以在钻孔操作时确定，不同的是在这种情况下，Y轴和Z轴的偏差，是由另一个旋转的陀螺。
27、仪通过一系列的不同角度测量而确定的。一旦测量误差得以校正，基于三类传感器的三组测量结果就可以用来改善对工具方位角的估计。0051每个磁力计和加速度计的测量结果都独立的给出了工具相对于地球的运动数据。由于磁力计给出了相对于地球地磁场的方位角，该方法很快就能测量出磁偏角。0052实施例30053如图3所示，本发明提供了一种用于井下钻孔随钻测量的井下传感器组件，它是使用一个步进电机驱动两个陀螺仪的井下传感器组件，包括钻具组件1及安装于钻具组件中的向下钻进耦合器2及向上钻进耦合器3；所述井下传感器组件包括两个可旋转陀螺仪41、42，和一组三个加速度计51、52、53，及一组三个三轴磁力计121、122。
28、、123，它们都密封安装在一个工具箱6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。0054陀螺仪最好选择两轴陀螺仪。步进电机8通过一个锥齿轮151驱动横轴向的陀螺仪41，步进电机的转动通过另一个锥齿轮152被进一步的传送给钻杆13，通过钻杆使得一组三个加速度计，及一组三个三轴磁力计在时间上与另一个陀螺仪同步驱动。磁力计和磁力板用无磁轴承14安装在旋转底盘上。0055使用实施例1和实施例2有关陀螺仪的方法，两个陀螺仪、三个加速度计和三个磁力计的偏差就可以确定，后续的测量读数就可以根据这个偏差进行补偿。校正偏差后的测量数据就可以用来得到一个改善了的工具位置和方位的估计值。0056最后应说明的是显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。说明书CN102182450ACN102182454A1/1页9图1图2图3说明书附图CN102182450A。