CN114427442B - 节流孔优化设计及工具面识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种节流孔优化设计及工具面识别方法，其包含：基于机械式工具面测量装置的基本参数，计算得到扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积；基于节流孔数量以及压降等级，结合扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积，确定压力脉冲的实现方式以及每个节流孔的孔型以及半径；对所有节流孔进行排列组合，确定节流孔在节流阀盘上的多组布局，并绘制过流过程中每个布局所对应的压力脉冲波形图版；选取节流孔间压力波动最强以及识别度最高的布局作为最优布局，通过实时压降变化图谱确定每个节流孔的实时位置，以确定当前工具面位置。本发明能够根据机械式工具面测量装置的工作环境以及测量精度要求实现其编码机构的优化设计。

Description

节流孔优化设计及工具面识别方法及装置

技术领域

本发明涉及钻井工程技术领域，具体地说，涉及一种节流孔优化设计及工具面识别方法及装置。

背景技术

深部高温地层油气资源及干热岩地热资源勘探开发多依赖于定向井、水平井井型。当前，新疆塔里木盆地顺南、顺北地区储层温度高达200℃以上，目前青海共和盆地钻探的干热岩地热井井底温度高达236℃。定向井、水平井钻井施工的关键需要高温测量工具，特别是工具面测准确测量。国内外主要油服公司研发的175℃定向测量工具已经成熟，但国内外没有耐高温200℃以上的成熟定向测量工具，无法满足超高温地层定向钻井施工。

现有技术，提供了一种机械式定向工具面测量装置，其通过机械结构发生信号对工具面进行测量的原理及总体设计方法，没有给出测量装置关键编码机构设计时如何进行优化布孔。因此，需要针对机械式工具面测量装置节流孔能够布置及优化开展研究，为超高温地层的定向钻井、水平井钻井提供技术支持。

超高温地层定向/水平井钻井施工将成为油气资源、干热岩地热资源开发的常态。传统基于电子元器件的随钻测量工具无法在超高温环境中长期运行，限制了超高温地层资源勘探开发。

现有技术，提供了一种基于机械测量原理的工具面测量装置，该装置通过机械结构实现工具面测量，能够满足超高温地层的工具面测量。但没有给机械式工具面测量装置关键编码机构节流孔如何进行优化布孔以实现工具面的精确测量。

因此，本发明提供了一种节流孔优化设计及工具面识别方法及装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种节流孔优化设计及工具面识别方法，所述方法包含以下步骤：

步骤一：基于机械式工具面测量装置的基本参数，计算得到扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积；

步骤二：基于节流孔数量以及压降等级，结合扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积，确定压力脉冲的实现方式以及每个节流孔的孔型以及半径；

步骤三：对所有节流孔进行排列组合，确定节流孔在节流阀盘上的多组布局，并绘制过流过程中每个布局所对应的压力脉冲波形图版；

步骤四：选取节流孔间压力波动最强以及识别度最高的布局作为最优布局，通过实时压降变化图谱确定每个节流孔的实时位置，以确定当前工具面位置。

根据本发明的一个实施例，所述步骤一中具体包含以下步骤：

基于扇形圆心角、中心孔半径以及节流孔与中心孔间安全距离，计算得到圆形节流孔的最小允许半径；

基于扇形圆心角、节流阀盘半径以及阀盘外边缘的安全距离，计算得到圆形节流孔的最大允许半径；

基于扇形圆心角以及节流孔与中心孔间安全距离，计算得到最小允许节流孔面积；

基于扇形圆心角、中心孔半径、节流阀盘半径以及阀盘外边缘的安全距离，计算得到最大允许节流孔面积。

根据本发明的一个实施例，所述步骤二中具体包含以下步骤：

通过节流孔数量与压降等级之间的关系，确定正脉冲实现方式下节流阀盘上节流孔的组合形式；

基于过流系数、工作排量、最小节流压降、每个压降等级对应的节流压降，确定每种组合形式下编码盘的当量直径；

建立方程组，所述方程组包含每个组合形式下每个压降等级对应的节流孔当量直径与编码盘当量直径的关系方程；

将求解所述方程组得到的最小二乘解进行验证分析，得到通过验证分析的方程组解。

根据本发明的一个实施例，所述步骤二中具体包含以下步骤：

判断所述方程组解是否满足扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积的要求；

若满足，则将所述方程组解作为每个节流压降等级对应的节流孔当量直径；

若不满足，则在负脉冲实现方式下计算每个压降等级对应的节流孔当量直径。

根据本发明的一个实施例，所述步骤二中具体包含以下步骤：

若当前压降等级对应的节流孔当量直径小于最小允许直径，则孔型为环形，通过中心孔半径、节流孔与中心孔间安全距离以及当前压降等级对应的节流孔当量直径计算得到环形节流孔的内半径以及外半径；

若当前压降等级对应的节流孔当量直径大于最小允许直径且小于最大允许直径，则孔型为圆形，通过当前压降等级对应的节流孔当量直径计算得到节流孔半径；

若当前压降等级对应的节流孔当量直径大于最大允许直径，则孔型为环形，通过流阀盘半径、阀盘外边缘的安全距离以及当前压降等级对应的节流孔当量直径计算得到环形节流孔的内半径以及外半径。

根据本发明的一个实施例，当节流孔数量为偶数时，所述步骤三中具体包含以下步骤：

选定标记位节流孔，将除标记位节流孔外的剩余节流孔进行排列组合得到的多个排列组合依次排在标记节流孔的后面，得到包含多个布局的第一布局；

将所有节流孔排列组合得到的多个排列组合作为第二布局；

基于所述第一布局以及所述第二布局排列组合得到节流孔在节流阀盘上的多组布局。

根据本发明的一个实施例，当节流孔数量为奇数时，所述步骤三中具体包含以下步骤：

选定标记位节流孔，将除标记位节流孔外的剩余节流孔进行排列组合得到的多个排列组合依次排在标记节流孔的后面，得到包含多个布局的第三布局；

在所述第三布局中选取2个不同的排列组合进行排序后排在标记位节流孔的后面，得到节流孔在节流阀盘上的多组布局。

根据本发明的一个实施例，所述步骤三中具体包含以下步骤：

通过每个节流孔的孔型以及半径，计算得到节流孔节流面积以及节流压降；

基于选定的工作状态转速以及时间间隔，计算每个节流孔在全开-全关-全开过程中的压力节流压降变化；

根据压力节流压降变化结果，以时间轴为横轴，以压降为纵轴，绘制每个节流孔的压降变化图版，以得到每个布局所对应的压力脉冲波形图版。

根据本发明的一个实施例，所述步骤四中具体包含以下步骤：

以最优布局对应的压力脉冲波形图版作为预置图版，接收所述机械式工具面测量装置工作时的实时压力信号；

对所述实时压力信号进行滤波分析以建立所述实时压降变化图谱，与所述预置图版进行模式识别以及对比分析，确定各个节流孔的实时位置；

通过各个节流孔的实时位置结合标记的定向弯接头位置确定当前工具面位置。

根据本发明的另一个方面，还提出了一种节流孔优化设计及工具面识别装置，所述装置包含：

第一模块，其用于基于机械式工具面测量装置的基本参数，计算得到扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积；

第二模块，其用于基于节流孔数量以及压降等级，结合扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积，确定压力脉冲的实现方式以及每个节流孔的孔型以及半径；

第三模块，其用于对所有节流孔进行排列组合，确定节流孔在节流阀盘上的多组布局，并绘制过流过程中每个布局所对应的压力脉冲波形图版；

第四模块，其用于选取节流孔间压力波动最强以及识别度最高的布局作为最优布局，通过实时压降变化图谱确定每个节流孔的实时位置，以确定当前工具面位置。

本发明提供的节流孔优化设计及工具面识别方法及装置能够快捷的根据机械式工具面测量装置的工作环境以及测量精度等要求快速的实现其编码机构的优化设计；通过预置的压力波形预置模板可以快速准确实现工具面的测量，能够为机械式工具面测量装置的设计及使用提供基础支撑。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的节流孔优化设计及工具面识别方法流程图；

图2显示了根据本发明的一个实施例的求解每个压降等级对应的节流孔当量直径的方法流程图；

图3显示了根据本发明的一个实施例的求解每个节流孔的孔型以及半径的方法流程图；

图4显示了根据本发明的一个实施例的得到每个布局所对应的压力脉冲波形图版的方法流程图；

图5显示了根据本发明的一个实施例的液面低于节流孔重心时的示意图；

图6显示了根据本发明的一个实施例的液面高于节流孔重心时的示意图；

图7显示了根据本发明的一个实施例的确定当前工具面位置的方法流程图；

图8显示了根据本发明的一个实施例的不同节流孔开关压降变化曲线图；

图9显示了根据本发明的一个实施例的压力变化波形与工具面对应图版；以及

图10显示了根据本发明的一个实施例的节流孔优化设计及工具面识别装置结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

图1显示了根据本发明的一个实施例的节流孔优化设计及工具面识别方法流程图。

如图1所示，在步骤S101中，基于机械式工具面测量装置的基本参数，计算得到扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积。

本发明提到的机械式工具面测量装置为超高温地层定向钻井中采用的机械式工具面测量装置。

具体来说，基本参数包含：中心孔半径R₁，节流阀盘半径R₂，节流孔与中心孔间安全距离R_sfi，阀盘外边缘的安全距离R_sfo，编码盘基于测量精度划分的等角度扇形数量m，等分扇形圆心角θ，节流孔数量n，压降等级j，压降阶梯差△P_i，最小节流压降P_min、最小允许压降阶梯差△P_min，最大允许压降P_max，机械式工具面测量装置过流流体密度ρ、机械式工具面测量装置工作排量Q。

在一个实施例中，基于扇形圆心角、中心孔半径以及节流孔与中心孔间安全距离，计算得到圆形节流孔的最小允许半径。

具体来说，通过以下公式计算得到最小允许半径：

其中，R_min表示最小允许半径；θ表示(等分)扇形圆心角；R₁表示中心孔半径；R_sfi表示节流孔与中心孔间安全距离。

在一个实施例中，基于扇形圆心角、节流阀盘半径以及阀盘外边缘的安全距离，计算得到圆形节流孔的最大允许半径。

具体来说，通过以下公式计算得到最大允许半径：

其中，R_max表示最大允许半径；θ表示(等分)扇形圆心角；R₂表示节流阀盘半径；R_sfo表示阀盘外边缘的安全距离。

在一个实施例中，基于扇形圆心角以及节流孔与中心孔间安全距离，计算得到最小允许节流孔面积。

具体来说，通过以下公式计算得到最小允许节流孔面积：

其中，A_min表示最小允许节流孔面积；θ表示(等分)扇形圆心角；R_sfi表示节流孔与中心孔间安全距离。

在一个实施例中，基于扇形圆心角、中心孔半径、节流阀盘半径以及阀盘外边缘的安全距离，计算得到最大允许节流孔面积。

具体来说，通过以下公式计算得到最大允许节流孔面积：

其中，A_max表示最大允许节流孔面积；θ表示(等分)扇形圆心角；R₂表示节流阀盘半径；R₁表示中心孔半径；R_sfo表示阀盘外边缘的安全距离。

在一个实施例中，节流孔与中心孔间安全距离R_sf取1-3mm。

如图1所示，在步骤S102中，基于节流孔数量以及压降等级，结合扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积，确定压力脉冲的实现方式以及每个节流孔的孔型以及半径。

具体来说，压力脉冲的实现方式包含正脉冲实现方式以及负脉冲实现方式。

正脉冲实现方式即正常没有封堵节流孔的情况下，机械式工具面测量装置自身节流压力基值很低，当关闭节流孔时，地面压力将增加△P，通过增加不同的压力值来实现信号编码，正脉冲实现方式的缺点是当节流孔孔数过多时，本身编码机构阀盘上的开孔太多，而单个节流孔的节流面积在总的节流孔面积比例过小，不能通过封堵节流孔实现压力信号的识别。

负脉冲实现方式即正常情况下节流阀盘封堵所有节流孔，机械式工具面测量装置自身节流压力基值最高，约为最大允许压降P_max；节流发块切割阀盘时通过打开不同节流孔使得测量装置节流压力降低△P，通过降低不同的压力值来实现信号编码，负脉冲实现方式的缺点是在工作过程中只有一个节流孔打开，工具长期节流压力高。

本发明中，在设计过程中首先采用正脉冲实现方式、当正脉冲无法实现时，采用负脉冲实现方式。故此，需要进行脉冲方式的确定，在脉冲方式确定的同时确定节流孔当量直径的大小。

在一个实施例中，通过如图2所示的方法流程图求解每个压降等级对应的节流孔当量直径，具体来说：

如图2所示，在步骤S201中，通过节流孔数量与压降等级之间的关系，确定正脉冲实现方式下节流阀盘上节流孔的组合形式。

具体来说，将j个压降等级由小至大依次编号为△P₁、△P₂、……△P_j，将对应的节流孔当量直径依次编号为d₁、d₂、……d_j。

若节流孔数量n为偶数，每个当量直径编号对应2个孔，若节流孔数量n为奇数，则d₁对应1个节流孔，d₂-d_j各对应2个节流孔。

节流孔数量n与压降等级j之间的关系为：

n为偶数时，j＝n/2；

n为奇数时，j＝(n+1)/2。

在正脉冲实现方式下，n为偶数时，机械式工具面测量装置正常工作过程中节流阀盘上的节流孔有j+1种组合形式，将j+1种组合形式对应的编码盘当量直径设为D₀、D₁、D₂、……D_j。

具体来说，正脉冲实现方式下，n为偶数时：

D₀表示没有封堵节流孔时的编码盘当量直径；

D₁表示封堵1个d₁节流孔时的编码盘当量直径；

D₂表示封堵1个d₂节流孔时的编码盘当量直径；

……

D_j表示封堵1个d_j节流孔时的编码盘当量直径。

在正脉冲实现方式下，n为奇数时，机械式工具面测量装置正常工作过程中节流阀盘上的节流孔有j+1种组合形式，将j+1种组合形式对应的编码盘当量直径设为D₀、D₁、D₂、……D_j。

具体来说，正脉冲实现方式下，n为奇数时：

D₀表示没有封堵节流孔时的编码盘当量直径；

D₁表示封堵d₁节流孔时的编码盘当量直径；

D₂表示封堵1个d₂节流孔时的编码盘当量直径；

……

D_j表示封堵1个d_j节流孔时的编码盘当量直径。

如图2所示，在步骤S202中，基于过流系数、工作排量、最小节流压降、每个压降等级对应的节流压降，确定每种组合形式下编码盘的当量直径。

具体来说，根据允许最小节流压降P_min、每个压降等级对应的节流压降△P₁、△P₂、……△P_j、过流系数c、工作排量Q，每种组合形式下编码盘的当量直径采用如下方程计算：

其中，D_i表示第i个组合形式下编码盘的当量直径，i＝1、2、……j；ρ表示流体密度。

如图2所示，在步骤S203中，建立方程组，方程组包含每个组合形式下每个压降等级对应的节流孔当量直径与编码盘当量直径的关系方程。

具体来说，n为偶数时，方程组如下：

n为偶数

具体来说，n为奇数时，方程组如下：

n为奇数

如图2所示，在步骤S204中，将求解方程组得到的最小二乘解进行验证分析，得到通过验证分析的方程组解。

具体来说，将利用数值求解方法得到的最小二乘解利用下列方程组进行验证分析：

n为偶数

n为奇数

其中，k＝1、2、……j。

若求解的最小二乘解能够满足上述方程组，则表明可以采用正脉冲方式实现机械式工具面测量装置的压降脉冲。

进一步地，判断方程组解是否满足扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积的要求。

若满足，则将方程组解作为每个节流压降等级对应的节流孔当量直径。

若不满足，则在负脉冲实现方式下计算每个压降等级对应的节流孔当量直径。

在一个实施例中，通过以下步骤判断方程组解是否满足扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积的要求：

如果d₁≥2R_min且d_j≤2R_max，或且d_j≤2R_max，或且d_j≤2R_max，或且则表明正脉冲实现方式节流孔结果设计合理，且满足扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积的要求。

如果正脉冲实现方式下，方程组解不满足扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积的要求，则通过负脉冲实现方式计算每个压降等级对应的节流孔当量直径，如下式：

其中，i＝1、2、……j。

通过以下步骤判断通过负脉冲实现方式计算每个压降等级对应的节流孔当量直径是否满足扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积的要求：

如果d₁≥2R_min且d_j≤2R_max，或且d_j≤2R_max，或且d_j≤2R_max，或且则表明负脉冲实现方式节流孔结果设计合理，且满足扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积的要求。

如果负脉冲实现方式计算每个压降等级对应的节流孔当量直径不满足扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积的要求，则调整最小节流压降P_min，最大允许压降P_max，再次计算负脉冲实现方式计算每个压降等级对应的节流孔当量直径。

在一个实施例中，通过如图3所示的方法流程图求解每个节流孔的孔型以及半径，具体来说：

依次将每个压降等级对应的节流孔当量直径与最小允许直径、最大允许直径相比较，其中，最小允许直径为2R_min，最大允许直径为2R_max。

若当前压降等级对应的节流孔当量直径小于最小允许直径，则孔型为环形，通过最小允许半径、中心孔半径、节流孔与中心孔间安全距离以及当前压降等级对应的节流孔当量直径计算得到环形节流孔的内半径以及外半径。

具体来说，内半径R_in为：R_in＝R₁+R_sfi；

外半径R_o为：R_o＝(R_in ²+(90/θ)d_i ²)^0.5。

若当前压降等级对应的节流孔当量直径大于最小允许直径且小于最大允许直径，则孔型为圆形，通过当前压降等级对应的节流孔当量直径计算得到节流孔半径。

具体来说，节流孔半径R_i为：R_i＝d_i/2。

若当前压降等级对应的节流孔当量直径大于最大允许直径，则孔型为环形，通过流阀盘半径、阀盘外边缘的安全距离以及当前压降等级对应的节流孔当量直径计算得到环形节流孔的内半径以及外半径。

具体来说，外半径R_o为：R_o＝R₂-R_sfo；

内半径R_in为：R_in＝(R_o ²-(90/θ)d_i ²)^0.5。

如图1所示，在步骤S103中，对所有节流孔进行排列组合，确定节流孔在节流阀盘上的多组布局，并绘制过流过程中每个布局所对应的压力脉冲波形图版。

具体来说，当节流孔数量为偶数时，步骤S103中具体包含以下步骤：

首先，选定标记位节流孔，将除标记位节流孔外的剩余节流孔进行排列组合得到的多个排列组合依次排在标记节流孔的后面，得到包含多个布局的第一布局。

之后，将所有节流孔排列组合得到的多个排列组合作为第二布局。

最后，基于第一布局以及第二布局排列组合得到节流孔在节流阀盘上的多组布局。

进一步地，当节流孔在圆盘上排列时，则设定当量孔径为d₁的节流孔为标记位节流孔。

当节流孔数量n为偶数时：

步骤A、首先将剩余的d₂-d_j共j-1个节流孔依次按不同顺序排列组合，排列组合后直接排在d₁节流孔后面，并进行标记编号，编号为h，共计个排列组合，作为第一布局；

步骤B、将d₁-d_j共计j个节流孔依次按不同顺序排列组合，并进行标记编号，编号为k，共计个组合，作为第二布局；

步骤C、需要将步骤A、步骤B两组排列组合起来即为整个编码盘的节流孔排列组合，即节流孔在节流阀盘上的多组布局，具体流程如下所示：

a.设定i＝1，p＝1，q＝1，q的取值范围为：

b.若则结束，否则，选取步骤A中编号为i的排列；

c.若选取步骤B中第p个排列，若返回步骤b；

d.判断步骤c选取的步骤B中第p个排列是否与步骤b中选取过得第1至第i排列一致，若一致则p＝p+1，返回步骤c；

e.将步骤c中选取的第p个排列直接排在步骤b中选取的第i个排列之后，即完成了一组节流孔排列组合，记录本次获得的节流孔排列组合，q＝q+1，i＝i+1，返回步骤b。

具体来说，当节流孔数量为奇数时，步骤S103中具体包含以下步骤：

首先，选定标记位节流孔，将除标记位节流孔外的剩余节流孔进行排列组合得到的多个排列组合依次排在标记节流孔的后面，得到包含多个布局的第三布局。

最后，在第三布局中选取2个不同的排列组合进行排序后排在标记位节流孔的后面，得到节流孔在节流阀盘上的多组布局。

进一步地，当节流孔在圆盘上排列时，则设定当量孔径为d₁的节流孔为标记位节流孔。

当节流孔数量n为奇数时：

步骤A、首先将剩余的d₂-d_j共j-1个节流孔依次按不同顺序排列组合，排列组合后直接排在d₁节流孔后面，并进行标记编号，编号为h，共计个组合，作为第三布局；

步骤B、在步骤A中确定的节流孔排序(第三布局)中选取所有2个不同的排序组合排序后直接连接在节流孔d₁之后，即得到整个圆盘上的节流孔排序方式，记录节流孔排序顺序，共计个组合。

在一个实施例中，通过如图4所示的方法流程图得到每个布局所对应的压力脉冲波形图版，具体来说：

如图4所示，在步骤S401中，通过每个节流孔的孔型以及半径，计算得到节流孔节流面积以及节流压降。

具体来说，依据每个节流孔的孔型以及半径，计算得到节流孔节流面积A_j以及节流压降△P_j。

具体来说，通过如下公式计算节流压降：

如图4所示，在步骤S402中，基于选定的工作状态转速以及时间间隔，计算每个节流孔在全开-全关-全开过程中的压力节流压降变化。

具体来说，以机械式工具面测量装置工作状态转速ω、时间间隔(f为系统数据采集频率)计算各个节流孔全开-全关-全开压力节流压降变化，圆形节流孔动态面积变化采用下式计算：

环形节流孔动态面积采用如下方程计算：

其中，t表示时间，R表示环形外径，r表示环形内径。

如图5与图6所示，θ₁表示节流孔中心C与节流孔所在的扇形圆心角的圆心O之间的线段(线段OC)与切割阀盘边缘之间的夹角。图5-图6中灰色部分表示切割阀块遮挡住的节流孔面积，没有颜色的部分表示没有遮挡住的节流孔部分。

如图5所示，在切割阀块遮挡住节流孔的面积小于节流孔面积的一半时，，切割阀块边缘与扇形下边界夹角(线段OE与线段OD之间的夹角)等于θ₂。

如图6所示，在切割阀块遮挡住节流孔的面积大于节流孔面积的一半时，切割阀盘边缘与扇形上边界夹角等于θ₂(线段OE与线段OD之间的夹角)。

如图4所示，在步骤S403中，根据压力节流压降变化结果，以时间轴为横轴，以压降为纵轴，绘制每个节流孔的压降变化图版，以得到每个布局所对应的压力脉冲波形图版。

具体来说，根据压力节流压降变化结果，以时间轴为横轴、以压降为纵轴，绘制在转速下每个节流孔由全开-全关-全开节流压降变化图版。需要注意的是，若为正脉冲实现方式，则可根据计算结果直接绘制波形曲线，若为负脉冲实现方式，则将压降计算结果转为对应负数后绘制脉冲波形。

之后，基于每个节流孔的压降变化图版以及节流孔在节流阀盘上的多组布局，绘制得到每个布局所对应的压力脉冲波形图版。

如图1所示，在步骤S104中，选取节流孔间压力波动最强以及识别度最高的布局作为最优布局，通过实时压降变化图谱确定每个节流孔的实时位置，以确定当前工具面位置。

在一个实施例中，通过如图7所示的方法流程图确定当前工具面位置，具体来说：

如图7所示，在步骤S701中，以最优布局对应的压力脉冲波形图版作为预置图版，接收机械式工具面测量装置工作时的实时压力信号。

具体来说，对获得的每个布局所对应的压力脉冲波形图版、波形组合等进行数值模拟、简单测试进行对比分析，优选各节流孔间压力波动最强、识别度最高的布局作为最优布局。

如图7所示，在步骤S702中，对实时压力信号进行滤波分析以建立实时压降变化图谱，与预置图版进行模式识别以及对比分析，确定各个节流孔的实时位置。

如图7所示，在步骤S703中，通过各个节流孔的实时位置结合标记的定向弯接头位置确定当前工具面位置。

具体来说，将最优布局对应的压力脉冲波形图版预置在地面数据采集分析系统中，当机械式工具面测量装置工作时，实时分析上传的压力信号，对压力信号进行滤波分析后建立压降△P变化图谱，将工作压力信号实时压降变化图谱与提前预置的波形图版进行模式识别、对比分析，确定各个节流孔的位置，结合工具下井前标记的定向弯接头位置确定当前工具面位置。

在一个实施例中，设计要求中心孔半径R₁为5mm，节流阀盘半径R₂为70mm，编码盘基于测量精度划分的等角度扇形数量m为12、等分扇形圆心角θ为30°、节流孔数量n为6、压降等级j为3，装置自身允许最小节流压降P_min为0.1MPa、最小允许压降阶梯差△P_min为0.3MPa，最大允许压降P_max为4MPa，机械式工具面测量装置过流流体密度ρ为1000kg/m³、机械式工具面测量装置工作排量Q为30L/s。

(1)计算扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积。

根据公式计算得到R_min为4mm，R_max为12.8mm，此处R_sf取1.5mm。

根据公式计算得到A_min为2.36mm²，A_max为1161mm²。

(2)确定压力脉冲的实现方式以及每个节流孔的孔型以及半径。

解方程得：

根据过流密度、过流流速等最小允许节流压差，过流系数c取值为0.75，进而根据压差要求的如下方程：

求解得：

d₁＝8.5，d₂＝12，d₃＝14。

经计算分析所有节流孔均采用圆形且满足扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积的要求。

(3)确定节流孔在节流阀盘上的多组布局。

分别对直径为d₁＝8.5，d2＝12，d3＝14的节流孔标记为No.1、No.2、No.3，则可得到如下9组组合：1-2-3-3-2-1，1-2-3-3-1-2，1-2-3-2-1-3，1-2-3-2-3-1，1-2-3-1-3-2，1-3-2-3-2-1，1-3-2-3-1-2，1-3-2-2-1-3，1-3-2-2-3-1。

地面数据采集分析系统频率为1000HZ，采用1RPM转速计算1、2、3号节流孔节流压降变化如图8所示。

(4)确定最优布局并确定当前工具面位置。

根据设计的9组组合，分别分别绘制了各组合压力变化曲线，通过数值模拟、加工简单编码盘进行过流实验后确定1-3-2-3-1-2为最优布局，进而绘制了最优布局的波形变化曲线，以开始切割第一个节流孔时的工具面位置为0，则波形对应工具面如图9所示。

将图9的压力脉冲波形图版预置在地面数据采集分析系统中，在实际应用过程中即可通过数据滤波/模式识别等方法实时监测工具面的位置。

本发明建立一种圆形、环形节流孔动态节流压降计算分析的节流孔优化布孔方式及工具面精确测量方法。本发明满足机械式工具面测量装置的优化设计及使用过程中的工具面测量要求。首先获取测量装置设计的关键参数，计算分析编码机构所允许的最大、最小节流孔径大小、最大、最小节流孔当量面积大小等；随后根据节流孔数量、大小及压降设置等关键参数计算各节流孔尺寸大小、孔形等；随后通过计算分析确定不同节流孔的排列组合方式，通过理论计算、数模、实验等方式选取最优、最易识别的节流孔布孔方式，进而绘制整个编码盘各节流孔开关过程的压力变化波形图版；最后将压力波形图版预置在地面数据采集系统中，通过数据滤波、模式识别等技术即可对工具面进行准确的识别。

本发明使得机械式工具面测量装置的关键编码机构有了科学的设计流程，可以通过本方法大大加快装置设计及工具面的准确测量，解决超高温地层定向钻井的工具面测量难题。

图10显示了根据本发明的一个实施例的节流孔优化设计及工具面识别装置结构框图。如图10所示，识别装置1000包含第一模块1001、第二模块1002、第三模块1003以及第四模块1004。

第一模块用于基于机械式工具面测量装置的基本参数，计算得到扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积。

第二模块用于基于节流孔数量以及压降等级，结合扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积，确定压力脉冲的实现方式以及每个节流孔的孔型以及半径。

第三模块用于对所有节流孔进行排列组合，确定节流孔在节流阀盘上的多组布局，并绘制过流过程中每个布局所对应的压力脉冲波形图版。

第四模块用于选取节流孔间压力波动最强以及识别度最高的布局作为最优布局，通过实时压降变化图谱确定每个节流孔的实时位置，以确定当前工具面位置。

综上，本发明提供的节流孔优化设计及工具面识别方法及装置能够快捷的根据机械式工具面测量装置的工作环境以及测量精度等要求快速的实现其编码机构的优化设计；通过预置的压力波形预置模板可以快速准确实现工具面的测量，能够为机械式工具面测量装置的设计及使用提供基础支撑。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种节流孔优化设计及工具面识别方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

步骤一：基于机械式工具面测量装置的基本参数，计算得到扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积；

步骤二：基于节流孔数量以及压降等级，结合扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积，确定压力脉冲的实现方式以及每个节流孔的孔型以及半径；

步骤三：对所有节流孔进行排列组合，确定节流孔在节流阀盘上的多组布局，并绘制过流过程中每个布局所对应的压力脉冲波形图版；

步骤四：选取节流孔间压力波动最强以及识别度最高的布局作为最优布局，通过实时压降变化图谱确定每个节流孔的实时位置，以确定当前工具面位置；

所述步骤二中具体包含以下步骤：

在正脉冲实现方式下，节流孔数量n为偶数时，压降等级j＝n/2，节流阀盘上的节流孔有j+1种组合形式，对应的编码盘当量直径为D₀、D₁、D₂、……D_j；

通过以下表达式确定每种组合形式下编码盘当量直径：

其中，D₀表示没有封堵节流孔时的编码盘当量直径；D_i表示第i个组合形式下编码盘当量直径，i＝1、2、……j；ρ表示流体密度；c表示过流系数；P_min表示允许最小节流压降；Q表示工作排量；△P₁、△P₂、……△P_j表示每个压降等级对应的节流压降；

建立方程组：

n为偶数

其中，d₁、d₂、……d_j表示每个压降等级对应的节流孔当量直径；

将求解所述方程组得到的最小二乘解进行验证分析，得到通过验证分析的方程组解，其中，利用以下表达式得到所述方程组解：

n为偶数

其中，k＝1、2、……j；

判断所述方程组解是否满足扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积的要求；若满足，则将所述方程组解作为每个节流压降等级对应的节流孔当量直径；若当前压降等级对应的节流孔当量直径小于最小允许直径，则孔型为环形。

2.如权利要求1所述的节流孔优化设计及工具面识别方法，其特征在于，所述步骤一中具体包含以下步骤：

基于扇形圆心角、中心孔半径以及节流孔与中心孔间安全距离，计算得到圆形节流孔的最小允许半径；

基于扇形圆心角、节流阀盘半径以及阀盘外边缘的安全距离，计算得到圆形节流孔的最大允许半径；

基于扇形圆心角以及节流孔与中心孔间安全距离，计算得到最小允许节流孔面积；

基于扇形圆心角、中心孔半径、节流阀盘半径以及阀盘外边缘的安全距离，计算得到最大允许节流孔面积。

3.如权利要求1所述的节流孔优化设计及工具面识别方法，其特征在于，所述步骤二中具体包含以下步骤：

判断所述方程组解是否满足扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积的要求；若不满足，则在负脉冲实现方式下计算每个压降等级对应的节流孔当量直径。

4.如权利要求3所述的节流孔优化设计及工具面识别方法，其特征在于，所述步骤二中具体包含以下步骤：

当孔型为环形，通过中心孔半径、节流孔与中心孔间安全距离以及当前压降等级对应的节流孔当量直径计算得到环形节流孔的内半径以及外半径；

若当前压降等级对应的节流孔当量直径大于最小允许直径且小于最大允许直径，则孔型为圆形，通过当前压降等级对应的节流孔当量直径计算得到节流孔半径；

若当前压降等级对应的节流孔当量直径大于最大允许直径，则孔型为环形，通过流阀盘半径、阀盘外边缘的安全距离以及当前压降等级对应的节流孔当量直径计算得到环形节流孔的内半径以及外半径。

5.如权利要求1所述的节流孔优化设计及工具面识别方法，其特征在于，当节流孔数量为偶数时，所述步骤三中具体包含以下步骤：

选定标记位节流孔，将除标记位节流孔外的剩余节流孔进行排列组合得到的多个排列组合依次排在标记节流孔的后面，得到包含多个布局的第一布局；

将所有节流孔排列组合得到的多个排列组合作为第二布局；

基于所述第一布局以及所述第二布局排列组合得到节流孔在节流阀盘上的多组布局。

6.如权利要求1所述的节流孔优化设计及工具面识别方法，其特征在于，当节流孔数量为奇数时，所述步骤三中具体包含以下步骤：

选定标记位节流孔，将除标记位节流孔外的剩余节流孔进行排列组合得到的多个排列组合依次排在标记节流孔的后面，得到包含多个布局的第三布局；

在所述第三布局中选取2个不同的排列组合进行排序后排在标记位节流孔的后面，得到节流孔在节流阀盘上的多组布局。

7.如权利要求1所述的节流孔优化设计及工具面识别方法，其特征在于，所述步骤三中具体包含以下步骤：

通过每个节流孔的孔型以及半径，计算得到节流孔节流面积以及节流压降；

基于选定的工作状态转速以及时间间隔，计算每个节流孔在全开-全关-全开过程中的压力节流压降变化；

根据压力节流压降变化结果，以时间轴为横轴，以压降为纵轴，绘制每个节流孔的压降变化图版，以得到每个布局所对应的压力脉冲波形图版。

8.如权利要求1所述的节流孔优化设计及工具面识别方法，其特征在于，所述步骤四中具体包含以下步骤：

以最优布局对应的压力脉冲波形图版作为预置图版，接收所述机械式工具面测量装置工作时的实时压力信号；

对所述实时压力信号进行滤波分析以建立所述实时压降变化图谱，与所述预置图版进行模式识别以及对比分析，确定各个节流孔的实时位置；

通过各个节流孔的实时位置结合标记的定向弯接头位置确定当前工具面位置。

9.一种节流孔优化设计及工具面识别装置，其特征在于，执行如权利要求1-8中任一项所述的方法，所述装置包含：

第一模块，其用于基于机械式工具面测量装置的基本参数，计算得到扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积；

第二模块，其用于基于节流孔数量以及压降等级，结合扇形区间所允许的圆形节流孔半径以及节流孔面积，确定压力脉冲的实现方式以及每个节流孔的孔型以及半径；

第三模块，其用于对所有节流孔进行排列组合，确定节流孔在节流阀盘上的多组布局，并绘制过流过程中每个布局所对应的压力脉冲波形图版；

第四模块，其用于选取节流孔间压力波动最强以及识别度最高的布局作为最优布局，通过实时压降变化图谱确定每个节流孔的实时位置，以确定当前工具面位置。