CN114033361A - 一种近钻头多参数井下随钻测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种近钻头多参数井下随钻测控系统，由地面设备和井下总成组成，井下总成依次包括钻头、多参数采集测量发射短节、动力钻具、接收发射短节、无线通信短节和无磁钻铤等，测量发射短节根据预先设置的时间间隔采集数据并将采集的数据存储至存储模块和传输至信号接收天线，通过螺杆动力钻具与钻井液之间组成的通讯介质将接收的信号传输给接收发射短节，接收发射短节通过电磁耦合的方式进行无线传输将信号传至无线通信短节，无线通讯短节将接收到的信号通过泥浆脉冲发生器采用脉冲信号的方式传递到地面设备，地面系统进行数据处理及分析。本发明的实时测控系统能够实时监测井下工程参数的实时变化并进行实时调整，提高钻井时效。

Description

一种近钻头多参数井下随钻测控系统

技术领域

本发明涉及钻井工程中的井下数据无线随钻测量领域，具体涉及一种近钻头多参数井下随钻测控系统。

背景技术

随着钻井技术的发展，为进一步提高深井、超深井、长水平段井钻井效率和油气开采率，研制开发了近钻头随钻测控系统。近钻头随钻测控系统的成功研发，可以有效解决了深井及长水平段水平井钻井过程中遇到的诸多难题，降低了作业风险，提高了作业效率，能够实时精确获得测量井底温度、内外环空压力、振动、钻压、扭矩、转速、弯矩等数据，提高安全钻井效率，有效避免卡钻、井涌、井漏等事故的发生。

现有技术的随钻测控系统大部分无法解决井底温度、内外环空压力、三轴振动、钻压、扭矩、转速、弯矩这种多工程参数的测量问题，且无法实现井下数据大数据量的存储及实时传输。且测量短节在机械结构上较为复杂，影响井下工具在井下复杂应力作用下的可靠性。因此，本申请提出一种近钻头多参数井下随钻测控系统，本申请的随钻测控系统测量参数丰富，能够实时监测井下工程参数的实时变化，根据井下参数的变化对钻压、转速、扭矩、钻井液性能等钻井参数进行实时调整。可以及时准确的预判是否出现井涌、井漏、卡钻、钻具损坏等井下复杂事故，并采取相应措施避免更严重的事故出现，能够大幅降低非钻时间，提高钻井时效。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种近钻头多参数井下随钻测控系统，能够实时监测井下工程参数的实时变化，根据井下参数的变化对钻压、转速、扭矩、钻井液性能等钻井参数进行实时调整，提高钻井时效。

一种近钻头多参数井下随钻测控系统，所述随钻测控系统由地面设备和井下总成组成，地面设备包括压力传感器、无线收发主机、无线传感器主机、司钻显示器和数据处理仪，所述井下总成包括依次连接的钻头、多参数采集测量发射短节、螺杆动力钻具、打捞接头、接收发射短节、第一转换接头、无线通信短节、第二转换接头和无磁钻铤，所述多参数采集测量发射短节由钻铤、电源、数据处理电路、近钻头测量仪器、发射天线、绝缘环和数据存储模块组成，所述近钻测量仪器根据预先设置的时间间隔采集数据并将采集的数据存储至数据存储模块和传输至数据处理电路，数据处理电路与发射天线通讯连接，所述发射天线一端与多参数采集测量发射短节的钻铤连接、另一端通过绝缘环与外界钻井液隔绝，所述发射天线的天线线圈采用垂直电场法设计、通过螺杆动力钻具与钻井液之间组成的通讯介质将信号传输给所述接收发射短节，所述接收发射短节上设置有信号接收线圈与信号放大器，所述信号接收线圈一端与接收发射短节的钻铤连接，另一端通过绝缘环与外界钻井液隔绝，信号放大器将信号接收线圈接收到的信号放大后通过电磁耦合的方式进行无线传输将信号传至无线通信短节，无线通讯短节将接收到的信号通过泥浆脉冲发生器采用脉冲信号的方式传递到地面设备，地面上设备对井下数据进行解码及分析。

进一步地，所述多参数采集测量发射短节钻铤的近钻端的外径大于远钻端且近钻端钻铤本体上设置有放置近钻头测量仪器的开孔，电源、数据处理模块、发射天线和绝缘环设置在钻铤本体的远钻端并用套管和端盖保护。

进一步地，近钻测量仪器包括扭矩应变片、压力传感器、温度传感器、三轴加速度传感器和电路板，所述扭矩应变片、压力传感器、温度传感器、三轴加速度传感器和电路板设置在多参数采集测量发射短节的钻铤上的多个开孔内。

进一步地，所述近钻测量仪器采集的数据为三轴加速度、扭矩、钻压、环空内外压力、温度、转速和弯矩。

进一步地，所述无磁钻铤内安装MWD测量短节，无线通讯短节采集MWD测量短节测量的数据并传递至地面设备。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

(1)近钻头多参数井下随钻测控系统，测量参数丰富，能够实时监测井下工程参数的实时变化，根据井下参数的变化对钻压、转速、扭矩、钻井液性能等钻井参数进行实时调整。可以及时准确的预判是否出现井涌、井漏、卡钻、钻具损坏等井下复杂事故，并采取相应措施避免更严重的事故出现，能够大幅降低非钻时间，提高钻井时效。

(2)近钻头多参数井下随钻系统所测量扭矩、钻压、弯矩、温度、内外环空压力、转速、三轴振动等井下工程参数，更加靠近钻头，并且排除了钻具与井内壁的摩擦力和其他的干扰因素，实现井下数据真实准确，达到实时监控钻具井下实际工作状态的目的。

(3)近钻头随钻测控系统的通信系统能够实现近钻头测控系统近钻头测量仪器与信号接收系统通过跨螺杆动力钻具无线通信，确保近钻头工程参数发射短节测量数据的实时采集和及时有效传输。

(4)本发明采用垂直电场法设计发射天线，利用螺杆动力钻具与钻井液组成信道介质传输数据，发射天线的线圈外不可出现金属回路，因此在线圈外部金属护套的一端，安装非金属的绝缘环，使其形成小缝隙通信通道从而实现数据高效传输。

(5)本发明实现了近钻头随钻测控系统跨螺杆动力钻具通信，降低了设计加工通信线路的难度和成本，采用小缝隙通信设计，在保证通信的前提下，大幅提高了测量短节在井下的耐磨和承压性能。

附图说明

图1近钻头多参数井下随钻测控系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照附图1近钻头多参数井下随钻测控系统，随钻测控系统由地面设备10和井下总成组成，地面设备包括压力传感器、无线收发主机、无线传感器主机、司钻显示器和数据处理仪，井下总成包括依次连接的钻头1、多参数采集测量发射短节2、螺杆动力钻具3、打捞接头4、接收发射短节5、第一转换接头6、无线通信短节7、第二转换接头8和无磁钻铤9，多参数采集测量发射短节2由电源、数据处理电路、近钻头测量仪器、发射天线、绝缘环和数据存储模块组成。近钻头测量仪器包括扭矩应变片、压力传感器、温度传感器、三轴加速度传感器和电路板。多参数采集测量发射短节本体上开若干个孔用于安装扭矩应变片、压力传感器、温度传感器、三轴加速度传感器、电路板等。所述近钻测量仪器根据预先设置的时间间隔采集数据并将采集的数据存储至存储模块和传输至数据处理电路，数据处理电路和发射天线通讯连接，所述发射天线一端与多参数采集测量发射短节的钻铤连接、另一端通过绝缘环与外界钻井液隔绝，电源和数据处理电路分别安装在多参数采集测量发射短节2上，发射天线安装在多参数采集测量发射短节2上，井下连接时多参数采集测量发射短节下部连接钻头，上部连接螺杆动力钻具3。

近钻头随钻测控系统，采用垂直电场法设计天线线圈利用钻具与钻井液组成通信介质，实现多参数采集测量发射短节与接收发射短节之间跨螺杆传输数据。

近钻头随钻测控系统的通信线圈外部金属护套的一端安装非金属的绝缘环，不可出现金属回路，使其形成小缝隙通信通道从而实现数据传输。

近钻头多参数井下随钻测控系统的电源、数据处理电路、发射天线、绝缘环安装在多参数采集测量发射短节上，并用套管和端盖保护，组装成为近钻头数据采集和信号发射端。随钻测控系统的接收发射通过电磁耦合技术与无线通讯短节进行通信。多参数采集测量发射短节2所测量的扭矩、钻压、弯矩、转速、振动、压力、温度等工程参数更加靠近钻头，并且排除了钻具与井内壁的摩擦力和其他的干扰因素，实现井下数据真实准确，能够实现实时监控钻井过程中井下的工作状态。

钻测控系统能根据预先设置的时间间隔采集三轴加速度、扭矩、钻压、环空内外压力、温度、转速、弯矩等参数并将采集的数据存储在数据存储模块内部，以供仪器起钻后分析使用，同时通过通信线圈将数据传给在其内部的接收发射短节。再由接收发射短节通过电磁耦合的方式进行无线传输将信号传至无线通信短节，由泥浆脉冲发生器将脉冲信号传递到地面解码系统，对井下数据进行解码及分析。

接收发射短节与多参数采集测量发射短节通过无线短传系统在泥浆介质内实现通信，所述接收发射短节上设置有信号接收线圈与信号放大器，信号放大器将信号接收线圈接收到的信号放大后将钻头工程参数实时传输到达无线通信短节7，无磁钻铤9内安装MWD测量短节，无线通信短节采集MWD测量数据，由无线通信短节7控制泥浆脉冲发生器将脉冲信号传达到地面系统，地面设备对井下数据进行解码及分析。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种近钻头多参数井下随钻测控系统，所述随钻测控系统由地面设备和井下总成组成，地面设备包括压力传感器、无线收发主机、无线传感器主机、司钻显示器和数据处理仪，其特征在于，所述井下总成包括依次连接的钻头、多参数采集测量发射短节、螺杆动力钻具、打捞接头、接收发射短节、第一转换接头、无线通信短节、第二转换接头和无磁钻铤，所述多参数采集测量发射短节由钻铤、电源、数据处理电路、近钻头测量仪器、发射天线、绝缘环和数据存储模块组成，所述近钻测量仪器根据预先设置的时间间隔采集数据并将采集的数据存储至数据存储模块和传输至数据处理电路，数据处理电路与发射天线通讯连接，所述发射天线一端与多参数采集测量发射短节的钻铤连接、另一端通过绝缘环与外界钻井液隔绝，所述发射天线的天线线圈采用垂直电场法设计、通过螺杆动力钻具与钻井液之间组成的通讯介质将信号传输给所述接收发射短节，所述接收发射短节上设置有信号接收线圈与信号放大器，所述信号接收线圈一端与接收发射短节的钻铤连接，另一端通过绝缘环与外界钻井液隔绝，信号放大器将信号接收线圈接收到的信号放大后通过电磁耦合的方式进行无线传输将信号传至无线通信短节，无线通讯短节将接收到的信号通过泥浆脉冲发生器采用脉冲信号的方式传递到地面设备，地面上设备对井下数据进行解码及分析。

2.根据权利要求1所述的一种近钻头多参数井下随钻测控系统，其特征在于，所述多参数采集测量发射短节钻铤的近钻端的外径大于远钻端且近钻端钻铤本体上设置有放置近钻头测量仪器的开孔，电源、数据处理模块、发射天线和绝缘环设置在钻铤本体的远钻端并用套管和端盖保护。

3.根据权利要求2所述的一种近钻头多参数井下随钻测控系统，其特征在于，近钻测量仪器包括扭矩应变片、压力传感器、温度传感器、三轴加速度传感器和电路板，所述扭矩应变片、压力传感器、温度传感器、三轴加速度传感器和电路板设置在多参数采集测量发射短节的钻铤上的多个开孔内。

4.根据权利要求1所述的一种近钻头多参数井下随钻测控系统，其特征在于，所述近钻测量仪器采集的数据为三轴加速度、扭矩、钻压、环空内外压力、温度、转速和弯矩。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种近钻头多参数井下随钻测控系统，其特征在于，所述无磁钻铤内安装MWD测量短节，无线通讯短节采集MWD测量短节测量的数据并传递至地面设备。

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