一种多功能随钻工程参数测量系统及测量方法
阅读说明：本技术 一种多功能随钻工程参数测量系统及测量方法 (Multifunctional measurement system and measurement method for engineering parameters while drilling ) 是由 苟阳 付欣 孙云涛 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明属于随钻测量技术领域,尤其涉及一种多功能随钻工程参数测量装置。该测量装置包括工程参数测量单元、工作姿态和方位测量单元、机械钢铤结构和上位机,工程参数测量单元和工作姿态和方位测量单元安装在机械钢铤结构内部,上位机与工程参数测量单元和工作姿态和方位测量单元控制连接。本发明的装置是一种高度集成化的多功能随钻工程参数测量装置,一次下井便可以完整得到仪器姿态及方位、井径、地层电阻率、压力及震动信息,为井上工程计算及随钻仪器误差矫正提供有力支撑。该装置拥有多个外设接口和独立的电源系统,各个模块装配灵活既可以整只仪器工作,也可以制定所需模块独立工作,同时还可以挂接其他测井设备,具有高度通用性和灵活性。(The invention belongs to the technical field of measurement while drilling, and particularly relates to a multifunctional measurement device for engineering parameters while drilling. The measuring device comprises an engineering parameter measuring unit, a working attitude and direction measuring unit, a mechanical steel collar structure and an upper computer, wherein the engineering parameter measuring unit and the working attitude and direction measuring unit are arranged in the mechanical steel collar structure, and the upper computer is in control connection with the engineering parameter measuring unit and the working attitude and direction measuring unit. The device is a highly integrated multifunctional parameter measuring device for engineering while drilling, can completely obtain the posture, the direction, the borehole diameter, the formation resistivity, the pressure and the vibration information of an instrument by one-time well descending, and provides powerful support for the calculation of the engineering above the well and the error correction of the engineering while drilling. The device has a plurality of peripheral interfaces and independent power systems, and each module assembly is nimble both can whole instrument work, also can formulate required module independent work, can also articulate other logging equipment simultaneously, has high commonality and flexibility.)
技术领域
本发明属于随钻测量技术领域，尤其涉及一种多功能随钻工程参数测量系统及测量方法。
背景技术
现有的随钻工程参数测量，仅测量加速度、磁通量、惯性等可以解析出仪器姿态及方位的信息，并没有井径、电阻率、压力及震动信息，即使有测量也是单一的信息，并没有一套完备的装置可以完整测量工程参数。
常规的随钻工程参数测量仅仅是为定向钻井服务的，只能测量仪器姿态及方位信息，未能把所有工程参数测量有机的结合，对仪器自身震动状态的监控也缺乏有效手段。井径信息对矫正仪器偏心具有重要意义，而电阻率信息可以为电法测井仪器提供仪器钻进环境中的泥浆电阻率信息，补偿电法测井因泥浆侵入引起的测量误差，震动信号的观测可以实时反馈仪器当前的工作状态，预警过高的震动使仪器断裂，泥浆压力测量可以帮助井上人员分析泥浆实时压力，预防井眼垮塌。完整的工程参数测量越来越受到现场作业重视。
目前，市面上的随钻工程参数测量仪器测量的参数单一，要么分多次下井测试或者将多个工程参数测量仪器连接在一起下井，这不仅增加了随钻仪器的长度，还使得整只仪器通信协议复杂。供电系统需要多次转换，增大了故障率和干扰，受仪器供电系统不同和通信协议的差异限制，多次下井测试无疑会增加成本和风险，当前没有一套完整测量所有工程参数的测井装置，因此急需开发一套将常规姿态及方位测量系统MWD与井径、电阻率、压力及震动等地质工程和随钻测井都需要的工程参数测量相结合的随钻测量装置。一次下井就可以实时得到所有工程参数，可以极大提高随钻测井效率和质量。
发明内容
本发明公开了一种多功能随钻工程参数测量系统及测量方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种多功能随钻工程参数测量系统，所述多功能随钻工程参数测量系统包括：
工程参数测量单元，用于对实时的施工过程中的井径、地层电阻率、泥浆压力和震动数据进行采集；
工作姿态和方位测量单元，用于对实时的施工过程中仪器的工作姿态和方位数据进行采集；
机械钢铤结构，用于安装和保护所述工程参数测量单元和工作姿态和方位测量单元，并提高测量数据精度；
上位机，用于采集所述工程参数测量单元和工作姿态和方位测量单元采集的数据，并对采集数据进行分析处理，并输出；
其中，所述工程参数测量单元和工作姿态和方位测量单元安装在所述机械钢铤结构内部，所述上位机与所述工程参数测量单元和工作姿态和方位测量单元控制连接。
进一步，所述多功能随钻工程参数测量装置还包括用于起到扶正作用和减小随钻过程中的泥浆阻力的扶正耐磨带，所述扶正耐磨带安装在在所述机械钢铤结构的前端外侧壁上。
进一步，所述扶正耐磨带包括至少4个长方体凸起；
至少4个所述长方体凸起以间隔90度设置在所述机械钢铤结构的前端的外侧壁上，且每个长方体凸起与水平方向的夹角为60度倾斜设置。
进一步，所述工程参数测量单元包括：
超声井径测量单元，用于按照一定间隔时间发射探测声波，并将被井壁反射回的声波进行接收；
电阻率测量模块，用于测量钻井泥浆电阻率；
压力测量单元，用于测量钻井泥浆压力；
震动测量单元，用于实时监测量装置承受的震动信号；
主控模块，用于对所述超声井径测量单元、电阻率测量模块、压力测量单元和震动测量单元进行控制，并将所述超声井径测量单元、电阻率测量模块、压力测量单元和震动测量单元得到的数据上传给上位机；
其中，所述超声井径测量单元、电阻率测量模块、压力测量单元、震动测量单元和主控模块均设置在所述机械钢铤结构内部，且所述超声井径测量单元的超声探头和电阻率测量模块的电阻探头均设置在所述机械钢铤结构1的外侧壁上；
所述超声井径测量单元的3个超声探头以间隔120度排列方式设置；
所述震动测量单元在震动测量电路板上；
所述超声井径测量单元、电阻率测量模块、压力测量单元、震动测量单元均与主控模块连接。
进一步，所述主控模块包括微控制器、电源管理单元、RS485通信单元、Flash存储器、总线单元和PCB板；
其中，所述微控制器、电源管理单元、Flash存储器和RS485通信单元、总线单元均设置在所述PCB板上；
所述RS485通信单元、电源管理单元和Flash存储器通过总线单元与所述微控制器连接，所述电阻率测量模块、压力测量单元和超声井径模块与所述微控制器连接，所述RS485通信单元与所述上位机连接；
所述电源管理单元为微控制器、RS485通信单元、Flash存储器、电阻率测量模块、压力测量单元和超声井径模块供电。
进一步，所述工作姿态和方位测量单元包括加速度传感器、磁通门传感器和惯性传感器；
所述加速度传感器、磁通门传感器和惯性传感器均设置在所述PCB板上，并通过所述总线单元与所述微控制器连接。
进一步，所述超声井径测量单元包括功率发射模块和DSP芯片；
所述超声换能器能够产生功率为400V、250KHz的高压脉冲激励声波的超声换能器，在发射出声波后，切换为被动模式，成为接收换能器，采集井壁反射回来的声波信号；
所述电阻率测量单元包括电阻率传感器和电阻测量电路；
所述压力测量单元包括paine压力传感器器和压力测量电路；
所述震动测量单元包括三轴加速度传感器和震动电阻测量电路。
本发明的另目的是提供一种采用上述的多功能随钻工程参数测量系统的测量方法，所述方法具体包括以下步骤：
S1)将多功能随钻工程参数测量系统系统安装在钻铤上；
S2)需要采集数据时，通过上位机和下发启动指令；
S3)所述工程参数测量单元和工作姿态和方位测量单元实时对施工过程中仪器的工作姿态和方位数据进行采集，并将采集的数据进行分析处理，再将分析处理后的数据打包传输给上位机；
S4)所述上位机将收到的数据进行显示。
进一步，所述S3)所述工程参数测量单元的超声井径测量单元按照一定间隔时间发射探测声波，探测声波被井壁反射后，超声井径测量单元再将反射回的声波进行接收，处理后发送给主控模块；
电阻测量率单元块实时对钻井泥浆电阻率进行采集，处理后发送给主控模块；
压力测量单元实时对钻井内泥浆压力值进行采集；
震动测量单元实时对监测量装置承受的震动值进行采集；
进一步，所述间隔时间为500ms-3s。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明的装置是一种高度集成化的多功能随钻工程参数测量装置，一次下井便可以完整得到仪器姿态及方位、井径、地层电阻率、压力计震动信息，为井上工程计算及随钻仪器误差矫正提供有力支撑。主控模块包含电源管理系统以及485通信信号采集功能，稳定的供电是仪器设备稳定工作的基础，本装置可以将总线上的电压转化为各个测量电路模块所需的电压，并且拥有多条485通信线路，可以分时异步上传采集信息。本装置拥有多个外设接口和独立的电源系统，各个模块装配灵活既可以整只仪器工作，也可以制定所需模块独立工作，同时还可以挂接其他测井设备，具有高度通用性和灵活性。相对于传统单一的参数测量，本装置通过主控模块将随钻工程测量所需的测量模块进行集成，并根据各个测量模块传感器的结构特点，在机械结构上进行合理的布局，通过电源管理系统进行电压二次分配，设计多条485通信线路进行分时异步信号传输，确保一次下井就可以获得完备的工程参数信息，使得随钻测井过程更加直观、便捷、安全、可靠。
附图说明
图1为本发明一种多功能随钻工程参数测量系统的结构示意图。
图2为本发明的超声探头的布置示意图。
图3为本发明一种多功能随钻工程参数测量装置的逻辑框图。
图4为本发明的超声井径测量单元的逻辑框图。
图5为本发明的电阻率测量模块的逻辑框图。
图6为本发明的压力测量单元的逻辑框图。
图7为本发明的震动测量单元的逻辑框图。
图8为本发明的测量系统的姿态及方位信息测量的曲线示意图。
图9为本发明的测量系统的压力测量的曲线示意图。
图中：
1.机械钢铤结构、2.工程参数测量单元、2-1.超声井径测量单元2-2.电阻率测量模块、2-3.压力测量单元、2-31.压力传感器、2-4.震动测量单元、2-5.主控模块、2-51.微处理器、2-52.电源管理单元、2-53.总线单元、2-54.Flash存储器、2-55.RS485通信单元、2-56.PCB板、2-6.超声探头、2-7.震动测量电路板、2-8.电阻探头、3.工作姿态和方位测量单元、3-1.加速度传感器、3-2.磁通门传感器、3-3.惯性传感器、4.上位机、5.扶正耐磨带、5-1.长方体凸起。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明一种多功能随钻工程参数测量系统，所述多功能随钻工程参数测量系统包括：
工程参数测量单元2，用于对实时的施工过程中的井径、地层电阻率、泥浆压力和震动数据进行采集；
工作姿态和方位测量单元3，用于对实时的施工过程中仪器的工作姿态和方位数据进行采集；
机械钢铤结构1，用于安装和保护所述工程参数测量单元和工作姿态和方位测量单元，并提高测量数据精度；
上位机4，用于采集所述工程参数测量单元和工作姿态和方位测量单元采集的数据，并对采集数据进行分析处理，并输出；
其中，所述工程参数测量单元2和工作姿态和方位测量单元3安装在所述机械钢铤结构1内部，所述上位机4与所述工程参数测量单元2和工作姿态和方位测量单元3连接；
所述多功能随钻工程参数测量装置还包括用于起到扶正作用和减小随钻过程中的泥浆阻力的扶正耐磨带5，所述扶正耐磨带5安装在在所述机械钢铤结构1的前端的外侧壁上。
所述扶正耐磨带5包括至少4个长方体凸起5-1；
至少4个所述长方体凸起5-1以间隔90度设置在所述机械钢铤结构1的前端的外侧壁上，且每个长方体凸起5-1与水平方向的夹角为60度倾斜设置。
所述工程参数测量单元2包括：
超声井径测量单元2-1，用于按照一定间隔时间发射探测声波，并将被井壁反射回的声波进行接收；
电阻率测量模块2-2，用于测量钻井泥浆电阻率；
压力测量单元2-3，用于测量钻井泥浆压力；
震动测量单元2-4，用于实时监测量装置承受的震动信号；
主控模块2-5，用于对所述超声井径测量单元2-1、电阻率测量模块2-2、压力测量单元2-3和震动测量单元2-4进行控制，并将所述超声井径测量单元2-1、电阻率测量模块2-2、压力测量单元2-3和震动测量单元2-4得到的数据上传给上位机4；
其中，所述超声井径测量单元2-1、电阻率测量模块2-2、压力测量单元2-3、震动测量单元2-4和主控模块2-5均设置在所述机械钢铤结构1内部，且所述超声井径测量单元2-1的超声探头2-6和电阻率测量模块2-2的电阻探头2-8均设置在所述机械钢铤结构1的外侧壁上；
如图2所示，所述超声井径测量单元2-1的3个超声探头2-6以间隔120度排列方式设置；
所述震动测量单元2-3在震动测量电路板2-7上；
所述超声井径测量单元2-1、电阻率测量模块2-2、压力测量单元2-3、震动测量单元2-4均与主控模块2-5连接。
如图3所示，所述主控模块2-5包括微控制器2-51、电源管理单元2-52、RS485通信单元2-55、总线单元2-53(图上未显示)、Flash存储器2-54和PCB板2-56；
其中，所述微控制器2-51、电源管理单元2-52、RS485通信单元2-55和Flash存储器2-54均设置在所述PCB板2-56上；
所述RS485通信单元2-53、电源管理单元2-52和Flash存储器2-54均与所述微控制器2-51连接，所述电阻率测量模块2-2、压力测量单元2-3、超声井径模块2-1和震动测量单元2-4均与所述微控制器2-51连接，所述RS485通信单元2-55与所述上位机4连接；
所述电源管理单元2-52为微控制器2-51、RS485通信单元2-55、Flash存储器2-54、电阻率测量模块2-2、压力测量单元2-3、超声井径模块2-1和震动测量单元2-4供电；
所述工作姿态和方位测量单元3包括加速度传感器3-1、磁通门传感器3-2和惯性传感器3-3；
所述加速度传感器3-1、磁通门传感器3-2和惯性传感器3-3均设置在所述PCB板2-56上，并与所述微控制器2-1连接。
如图4所示，所述超声井径测量单元2-1包括功率发射模块和DSP芯片；
所述超声换能器能够产生功率为400V、250KHz的高压脉冲激励声波的超声换能器，在发射出声波后，切换为被动模式，成为接收换能器，采集井壁反射回来的声波信号；
如图5所示，所述电阻率测量单元2-2包括电阻率传感器和电阻测量电路。
如图6所示，所述压力测量单元2-3包括paine压力传感器和压力测量电路。
如图7所示，所述震动测量单元2-4包括三轴加速度传感器和震动电阻测量电路。
本发明的另一目的是提供一种采用上述的多功能随钻工程参数测量系统的测量方法，所述方法具体包括以下步骤：
S1)将多功能随钻工程参数测量系统系统安装在钻铤上；
S2)需要采集数据时，通过上位机4下发启动指令；
S3)所述工程参数测量单元2和工作姿态和方位测量单元3实时对施工过程中仪器的工作姿态和方位数据进行采集，并将采集的数据进行分析处理，再将分析处理后的数据打包传输给上位机4；
S4)所述上位机4将收到的数据进行显示。
所述S3)所述工程参数测量单元的超声井径测量单元2-1按照一定间隔时间发射探测声波，探测声波被井壁反射后，超声井径测量单元2-1再将反射回的声波进行接收，处理后发送给主控模块2-5；
电阻率测量模块2-4实时对钻井泥浆电阻率进行采集，处理后发送给主控模块；
压力测量单元2-3实时对钻井内泥浆压力值进行采集；
震动测量单元2-4实时对监测量装置承受的震动值进行采集；
本发明的长条形的压力传感器位于仪器中央，监控仪器水眼内的泥浆压力，这样可以尽可能考虑仪器对泥浆压力的影响，通过压力测量电路将模拟信号转换为数字信号打包传输至主控模块2-5。
压力传感器2-31上方的仪器外壁上镶嵌电阻率传感器测量泥浆电阻率，采用镶嵌安装的方式即满足了传感器接触泥浆但有不会剐蹭到井壁损坏传感器，电阻率测量电路将所测电阻率转换为数字信号后打包传输至主控模块2-5。随后镶嵌安装三个超声探头2-6，三个超声探头2-6间隔120度排列，三点确定平面等间距的排布方式可以降低井径测量误差，采用自发自收的工作模式可以减少传感器的使用数量，节省仪器空间，三个超声换能器先发射出声波，再被超声测量电路设置为接收模式，采集井壁反射回来的声波信号，超声测量电路计算出井径信息后打包传输至主控模块2-5。震动传感器焊接在震动测量电路板2-6上，用于监控电路板的震动情况，震动测量电路板2-6上测量电路将震动信号转化为数字信号后打包传输至主控模块2-5。
超声井径测量模块、压力测量模块、电阻率测量模块、震动测量模块位于主控模块2-5前侧，由于这些测量模块都需要将信号传输至主控模块2-5。因此，超声井径测量电路、压力测量电路、电阻率测量电路和震动测量电路都环绕仪器一周进行排布，便于将所测信号传输至总线上，被主控模块2-5分批接收。主控模块2-5上焊接加速度传感器3-1、磁通门传感器3-2、惯性传感器3-3，用于仪器的姿态及方位测量。主控模块2-5将所有测量得到的工程参数信息通过RS485通信单元2-55上传至上位机4，如图8和图9所示。
在仪器外壁上，同样装有一个扶正耐磨带5，即可以使仪器居中又可以降低随钻过程中仪器的磨损。该扶正耐磨带5采用硬乙丙橡胶，耐泥浆腐蚀并且硬度较高。耐磨带上共有4个间隔90度的长方体凸起5-1，每个长方体凸起5-1与水平方向的夹角是60度。一方面是扶正作用，另一方面可以减小随钻过程中的泥浆阻力。
所述主控模块2-5上搭载一个三分量加速度传感器SCA3100-D07，一个惯性传感器MS9001，一个三分量磁通门传感器HMC5983，这些传感器可以测量姿态及方位信息，这些信息由主控芯片ARM-STM32F417VGT6解析后存入Flash模块，主控模块2-5上还有电源管理单元2-52，电源管理单元2-52的LIN5D电源芯片，可以将总线板传过来的+48V电压转换为±7V为主板模块自身及电阻测量率单元块、震动和压力测量单元供电。
48V转28V分压电路，可以将+48V电压转换为超声井径测量单元供电，主板模块采用RS485与其他测量模块通信，其中RS485A\B与超声井径通信，RS485C\D分别与电阻测量率单元块、压力测量单元、震动测量单元相连，分时向主板传输采集信号。B485A、B485B则与总线模块相连，将所有工程参数数据传至总线。
总线单元2-55负责将所有工程参数打包放在仪器总线上，向上位机传输。该总线单元2-55芯片采用FPGA-A3P250。
超声井径测量单元2-1由两部分构成，包括功率发射模块和DSP芯片。
功率发射模块负责产生400V、250KHz的高压脉冲激励三路超声换能器，三个换能器间隔120°安装在仪器上。工作时三个超声探头同时在井孔中按照一定间隔时间发射声波，声波在井壁反射后又被三个探头采集到，此时信号被传输至超声井径模块中的采集模块，在DSP芯片中进行井径数据计算。
震动测量单元负责实时监控仪器承受的震动情况，随钻仪器往往工作在高强度震动的工况下，仪器的震动测试可以帮助钻井工程师把握仪器安全性，防止钻进速度过产生的震动超过仪器承受范围。其上有一个三轴加速度传感器ADXL278，可以得到加速度信息，通过该模块主控芯片DSP解码后得出相应的震动数据。
电阻率测量模块2-2、压力测量单元2-3、和震动测量单元2-4共用一路RS485通信线，因此安装时应当在机械钢铤结构1的同一侧。
以上对本申请实施例所提供的一种多功能随钻工程参数测量系统及其方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。