随钻超声井径测量系统的研制
随钻声波测井仪井下信号采集与处理系统设计
和应用最广泛的测井方法之一 ， 主要通过研究声波在 井下岩层和介质 中的传播 特性 ， 来了解地层 的地质和 岩石物理参数 ， 获取地层 的油、 气藏的存在与岩性等特 征 。测 井 通常分 为 电缆测 井 和 随钻 测 井 两 种 ， 随钻 声 波测井是在多极子阵列声波测井 、 Ｊ交叉偶极子声波 测 井 Ｈ 等 电缆 声 波测井 技 术 的基础 上发 展起 来 的 。 随钻测井 （ ＷＤ 是近 年来迅速 崛起 的先进 测井 Ｌ ） 技术 ｊ它集钻井技术 、 ， 测井技术 、 油藏描述等多学科 为一体 ， 在钻井的同时完成测井作业 ， 减少了井场钻机 占用时间 ， 从钻井 一 测井一体化服务 中节省 成本 。由
随钻声波测井仪模拟实验装置研制及应用
井筒的两端分别加工有法兰盘，凸台形堵头用 螺栓紧固密封安装在法兰盘上，由于仪器刻度和测 试时，换能器和隔声体需处于充液井筒内，因此堵头 的凸台面上安装带阀门的进水管和出水管，用于井 筒内水的进出。
线测试，调试测控电路参数，目前通常是将仪器除了 测控电路之外的部分放在地面的半空间水槽，在仪 器工作时，对测控电路进行在线调试，此时仪器的工 作环境与仪器放入刻度井内的情况不同，参数调整 存在偏差。目前国内外还没有一种测试装置代替刻 度井，模拟随钻声波测井仪器的工作环境，不但对仪 器进行刻度和整体性能测试，还在同一环境中对测 控电路进行在线调试。为了解决该问题，研制了一 种随钻声波测井仪模拟实验装置，并基于该装置进 行了随钻声波单极和多极室内测试实验。 1 随钻声波测井仪模拟实验装置研制 1． 1 模拟实验装置研制
2019 年第 7 期
内蒙古石油化工
1
①
随钻声波测井仪模拟实验装置研制及应用
马 海1 ，李铮阳2 ，肖红兵1
（ 1． 中石化胜利石油工程有限公司随钻测控技术中心，山东 东营 257064； 2． 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072）
摘 要： 随钻声波测井仪器室内测试标定通常采用建造刻度井群的方式，模拟不同声速的软硬地层 往往需要建造多个模拟刻度井筒，该方式不但建造成本较高，而且无法对仪器进行在线测试和调试。为 了解决该问题，研制了一种随钻声波测井仪模拟实验装置代替刻度井，可以模拟随钻声波测井仪的工作 环境，不但能够对仪器进行刻度和整体性能测试，还能够在同一环境中对测控电路进行在线调试。该实 验装置实现方式简单，可快速实现仪器刻度，并极大方便新仪器的调试，提高随钻声波仪器的开发速度， 具有很高的实用价值。基于该实验装置分别开展了随钻声波单极和四极模式的声速测量实验，实验结 果表明，设计的随钻声波测井仪测量的平均纵波速度与采用时差法测得的纵波速度相比，相对误差为 2． 94% ，精度满足现场需要。
煤矿井下随钻测量系统的设计与实现
煤矿井下随钻测量系统的设计与实现摘要：自古以来，我国的能源资源十分丰富，随着科学技术水平的提升，自然资源的勘探技术得到了显著的进步和发展。
在我国的能源结构当中，煤炭资源占据主要地位，在煤矿的日常开采过程中钻探技术扮演者不可或缺的角色，这不仅能够对生产过程中的地质条件进行深入的探测，并且在解决煤矿煤矿安全生产问题上发挥出了重要的作用。
然而伴随着煤矿生产机械技术的不断发展和进步，为了能够有效提高日常生产过程中的采煤效率和钻探获得相应资料的准确性，必须要求对钻孔空间的运动轨迹进行更加直观的表达。
关键词：煤矿；钻探技术；测量系统；运动轨迹；电磁波无线；1.引言近年来，伴随着科学技术水平的提高，经过多年的操作和实践，我国也掌握了一定的煤矿井下的钻探技术，由于煤矿井下的环境十分复杂，这给随钻测量带来了极大的困难，例如工作空间十分狭小、电磁干扰情况十分严重以及极易产生爆炸现象等等，这样在实际测量的过程中必定会导致测量数据不准确。
另外，现阶段煤矿的生产施工中的钻孔大多数不进行钻孔轨迹测量，这会造成地质资料的误判、安全措施在客观方面得不到保障的情况随时发生。
为了能够更好的解决以上问题，本文以煤矿井下电磁波无线随钻轨迹测量系统的设计为例展开深入的研究和分析，根据相关的实验数据证明可得，这个系统具有投入成本较低、快捷方便的特点，最为重要的是能够满足无线随钻测量的要求。
1.煤矿井下随钻轨迹测量的主要类型和主要原理煤矿井下的随钻测量实质上是对地下岩层组织结构和组合方式的了解，为了能够让钻孔施工成果符合期初的设计要求，大多数煤矿企业规定针对钻孔施工进行抽样测斜。
目前轨迹测量产品主要有两种类型，即适用于非定向孔的测斜设备和定向孔的测斜设备。
非定向孔测斜一般有两种工作模式，非随钻二次复孔测量和存储式随钻测量。
二次复孔模式的轨迹测量设备，不适用于极易塌孔的软弱煤层，而存储式的随钻测量设备则不能实时看到钻孔轨迹，对于已经偏离设计轨迹的钻孔不能马上终止钻进工程。
随钻测量随钻测井技术现状及研究
随钻测量随钻测井技术现状及研究随钻测量(measure while drilling，MWD)技术可以在钻进的同时监测一系列的工程参数以控制井眼轨迹，提高钻井效率。
随钻测井(logging while drilling，LWD)技术可以不中断钻进监测一系列的地质参数以指导钻井作业，提高油气层的钻遇率[1-5]。
近年来，油气田地层状况越来越复杂，钻探难度越来越大。
在大斜度井、大位移井和水平井的钻进中，MWD/LWD是监控井眼轨迹的一项关键技术[6-8]，是评价油气田地层的重要手段[9]，是唯一可用的测井技术[3]，而常规的电缆测井无法作业[10]。
国外的MWD/LWD技术日趋完善，而国内起步较晚，技术水平相对落后，国际知识产权核心专利较少[9]，与国外的相关技术有一段差距。
本文介绍国内外MWD/LWD相关产品的技术特点和市场应用等情况，分析国内技术落后的原因以及应对措施。
1 国外MWD/LWD技术现状20世纪60年代前，国外MWD的尝试都未能成功。
60年代发明了在钻井液柱中产生压力脉冲的方法来传输测量信息。
1978年Teleco公司开发出第一套商业化的定向MWD系统，1979年Gearhart Owen公司推出NPT定向/自然伽马井下仪器[10]。
80年代初商用的钻井液脉冲传输LWD 才产生，例如：1980年斯伦贝谢推出业内第一支随钻测量工具M1，但仅能提供井斜、方位和工具面的测量，应用比较受限，不能满足复杂地质条件下的钻井需求[11]。
1996年后，MWD/LWD技术得到了快速的发展。
国际公认的三大油服公司：斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯，其MWD/LWD技术实力雄厚，其仪器耐高温耐高压性能好、测量精度高、数据传输速率高，几乎能满足所有油气田的钻采，在全球油气田均有应用。
斯伦贝谢经过长期的技术及经验积累，其技术特点为高、精、尖、专，业内处于绝对的领先地位[12-15]，是全球500强企业。
LWD的技术主要体现在智能性、高效性、安全性[10]。
井下工程参数随钻测量系统的研制
用 C 编写该地面数据回放软件，井下仪器内的外部时
钟电路为每一帧数据添加了一个时间戳，在地面数据
回放时，将该时间戳与井深对应，这样形成了不同深度
的各种工程参数，方便日后的研究，也为今后该区钻井
提供工程上的依据。
4 仪器现场试验
2016 年 11 月，在杏 6-31-平 657 井开展了现场试
DDS 等。为此，有必要研发一套井下工程参数测量
钻压、扭矩的测量采用由电阻式应变片组成的惠
系统，安装在钻头附近，通过对近钻头工程参数的实
斯通电桥。电阻应变片是由敏感栅构成的对形变敏感
时测量值进行分析处理，可以总结各个测量参数对
的元件，将电阻式应变片粘贴在仪器上，仪器在外力作
* 收稿日期：2020-06-17
感器 ADIS16228，量程为±20g，采样频率可达 20.48k，
真实并且准确地反映井下实际情况，及时发现和控
可以给出三轴 512 点实数值 FFT，从而实现仪器三轴
制某些钻井事故，达到安全、高效钻井的目的，真正
振动的监测。
实现无风险钻井，另外，对仪器内存储的数据进行分
2.2
转速
析，还可以得到该区块内的地层情况。国外随钻测
制的井下工程参数随钻测量仪器，可以和现有的任意
仪器挂接，真正实现钻头附近处的工程参数测量，提高
井控效率，达到安全、高效钻井的目的[5]。
参考文献：
82
西部探矿工程
图6
[1]
[2]
[3]
三轴振动
王旭东,陈平,张杰.井下钻井工程参数测量系统设计[J].西南
石油大学学报,2010,32(5).
胡泽,葛亮,李俊兰,张禾,陶真.钻井工程参数测试的小信号
利用随钻4D超声波井径成像测井技术监测井壁失稳
数据来估算在封闭条件下所用的水泥量。其他的应
用 可 能还 包 括 对 套 管 磨 损 和 井 壁稳 定 性 的实 时 检 测、 井 眼 清洗 程度 的评 价 和确 定关 键 点 或 凸缘 的形
成（ Ｍａ ｒ ａ ｎ ｕ ｋ 等， １ ９ ９ ７ ） 。
７ ０
２ ０ １ ３ 年技 术
Ｗ ０ＲＬＤ Ｗ ＥＬＬ Ｌ０ＧＧＩ ＮＧ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ
Ｄｅ Ｃ＿ ２ Ｏ１ ３ Ｔ ｏ ｔ ａ ｌ １ ９ ８
・
新技 术介 绍 ・
利用随钻 ４ Ｄ超声波井径成像测井技术监测井壁失稳
２ ０ １ ２ 年， Ｅ ｌ ａ ｈ ｉ ｆ ａ ｒ 等人 已经在 各 种环 境 中进 行
了几个 试验 ， 根据 不 同的钻井 液 、 钻孔 条件 和测 试 工 具 在井 眼中 的位 置（ 图１ ） 。在三个 不 同 的钻 井 液 ： 气
于计 算井 眼体积 的方法 。例 如 ， 在 最终 的钻 头钻 进
０ 引 言
随钻 中通过 对井 眼形状 变化 的识别 可让钻 井 工
现 代 技术 已 取得 巨大进 步 ， 超声 波 测径 器 仍然 不 能 在 所 有 的钻 井环 境 和条 件下 提 供绝 对 可靠 的 信 息 。
一
程 师们 及 时做 出适 当 的应 对 措施 ， 以避 免代 价 高 昂 的故 障发 生 ， 或 者 为 了在钻 井过 程 中实 现 对井 眼 形
些操 作 因素 ， 如工 具 集 中化 、 泥 浆密度 、 井壁 粗 糙
度、 工具 位置 、 气泡 和在钻 井过 程 中钻 柱 的振 动 等都
状的优化 ， 从而提高钻井效率。同时 ， 接收到的数据
无线随钻测量系统的研究开发的开题报告
无线随钻测量系统的研究开发的开题报告一、研究背景和意义无线随钻测量系统是一种可实现井下钻井监测和数据采集的新型技术。
传统的钻井监测和数据采集方式需要人工操作、数据传输困难、工作效率低下，而无线随钻测量系统可以实现远距离、自动化、实时性等优点，提高了井下钻井安全和作业效率，降低了人工操作风险和劳动强度，具有重要的技术和经济价值。
二、研究目标和内容本研究旨在开发实现一套稳定、高效、实用的无线随钻测量系统，主要包括以下内容：1. 系统硬件设计：研究开发符合井下作业环境的测量设备、通信设备和控制设备等，并设计合适的开发板和载板。
2. 系统软件设计：研究开发合适的无线传输协议、数据采集和处理算法，实现数据的远距离传输、实时监控和井底智能化控制。
3. 系统测试与实验：对研制的系统进行实验验证和综合测试，检测系统的性能指标，完善系统的功能和性能。
三、研究方法和技术路线1. 硬件设计：采用EDA工具进行电路板设计，以硬件综合平台进行可编程逻辑电路设计，结合汽车电子与通讯电子的设计经验，开发出符合井下作业环境的测量设备、通信设备和控制设备等。
2. 软件设计：采用C语言和汇编语言编程，在ARM和FPGA等芯片平台开发无线传输协议、数据采集与处理算法，并对嵌入式数据库及其存储方案进行设计和实现。
3. 系统测试与实验：基于模拟器和硬件平台进行模拟测试，并在实验室和现场进行综合测试和应用试验，对系统的性能进行测试和优化。
四、预期成果和社会效益本研究预期实现一个稳定、高效、实用的无线随钻测量系统，具有以下几点预期成果和社会效益：1. 设计实现一套可靠的硬件平台，包括测量设备、通信设备和控制设备等，满足井下作业环境的要求。
2. 研究开发一套高效可靠的软件系统，实现井下数据采集和监测，并能够对井下设备进行实时控制。
3. 完成对该系统的实验验证和综合测试，验证其性能指标，优化其功能和性能。
4. 推广应用该系统，提高井下作业安全、效率和智能化水平，具有广泛的社会应用前景和经济价值。
基于PIC的井下超声井径测量系统研制
基于PIC的井下超声井径测量系统研制李苏;刘西恩;陶爱华;李春楠【摘要】本文描述了以PIC33FJ128单片机为主控器的井下超声井径测量系统,它主要通过接受超声探头的回波信号,来确定回波到时时间,从而计算出地层井径值.本文详细描述了系统设计原理与硬件,固件的实现方法,整个系统包含了模拟前端,信号采集,主控单元,数据存储,通讯模块等.经过室内试验和现场试验验证,这种井下超声井径测量系统具有精度高,稳定性好,抗振动,冲击等优点,可以满足现场测试需求.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2014(022)008【总页数】4页(P58-60,64)【关键词】PIC33FJ128;井径;回波;数据采集【作者】李苏;刘西恩;陶爱华;李春楠【作者单位】中海油服油田技术研究院河北燕郊065201;中海油服油田技术研究院河北燕郊065201;中海油服油田技术研究院河北燕郊065201;中海油服油田技术研究院河北燕郊065201【正文语种】中文【中图分类】TP23在油气探测开发中，井径信息是描述油气藏特征的重要参数之一，是勘探，钻井，测井，完井和采油工程中的一个重要参数[1]，是评价地层信息的重要依据，特别是在随钻过程中，井径信息能提供大量关于钻井效率的信息和在钻进，测井和完钻过程中及时检测出可能遇到的问题，因此如何准确获得井径信息是目前测井中大家比较关心的问题，在实际钻井中，井径测量是派生出来的，而不是直接的物理测量，换句话说就是钻进的过程中没有用机械臂去测量，这些井径测量可以用不同的测量方式进行测量，因为各种方式探测深度不同，因此会有不同的应用，文中讨论的是基于PIC的井下超声井径测量系统。
1 井下超声井径测量原理超声井径测量仪的功能是在石油勘探过程中，提供即时的井径及其相关信息。
测量仪的主要部件是3个自发自收的超声换能器，它们以120度的角度等间隔排列在仪器的周围，当换能器向外发射一列脉冲时，在井壁上反射声波，换能器将接收到这一反射回波，反射回波遇到换能器表面时仍将反射回去，从而形成井壁的第二次反射回波[2]，由得到回波的传播时间，在已知泥浆声速的情况下，由公式（1）获得换能器表面与井壁之间的距离。
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随钻超声井径测量系统的研制
隨钻超声井径测量系统的研究和设计的意义在于为探索解决复杂井或特殊井井径的测量提供一种新的方案。
介绍了随钻超声井径井下仪的总体设计方案。
为计算井径，设计了地面处理软件，并对相似性算法及干扰回波剔除处理等一些技术做了研究。
不同泥浆密度对超声回波幅度的影响做了实验和分析。
最后介绍进行了现场试验取得的成果。
标签：超声井径;相似性算法;LWD;LWT;钻井安全
本文介绍了随钻超声井径的测量原理和总体设计方案。
为计算井径，设计了地面处理软件，并对相似性算法及干扰回波剔除处理等一些技术做了研究。
不同泥浆密度对超声回波幅度的影响做了实验和分析。
最后介绍进行了现场试验取得的成果。
为探索解决复杂井或特殊井井径的测量提供一种新的方案。
1 测量原理
超声井径的测量原理是基于测量超声波回波时间和介质中的声速，井下媒介的声速可以以理论值或井下刻度来获取，相对比较容易，但要测量超声波回波时间就相对比较复杂，其受泥浆密度、含沙量、岩屑大小、气泡、地层岩性和井壁光洁度等因素影响较大。
如图1所示，标号2是仪器本体，6是井眼，7是地层。
发射换能器（1）受高压脉冲（25）激励后产生超声波发射信号（26），由于声阻抗边界的存在，会产生不同幅度和不同时间间隔的回波信号，但只有第一个井壁回波信号（20）是我们真正感兴趣的，因此超声井径测量系统最关键的部分就是怎样最有效的获取第一个井壁回波信号的时间间隔。
本系统采用的相似性检测算法结合皮尔逊相关系数的波形匹配算法和欧式距离算法，从而能够较佳地识别匹配点（图8中12）。
4 实验测试与分析
本系统包含了地面测试软件，用于仪器状态监控、数据回放和处理、曲线打印等，以及实验测试和分析，如图9。
为了了解回波信号的影响因素，我们做了不同泥浆密度和不同间隔的对比实验，图9第一道窗口的波形是泥浆密度为1.33g/cm3，换能器表面离井壁5cm的情况下所记录的回波信号，信噪比高，很容易检测出时间间隔。
图表10为不同泥浆密度、不同间隙与幅度的对应关系，从表中可以看出，在间隙较短时，不同泥浆密度下信号幅度大小差别比较大，在间隙较大时，泥浆密度变化对信号幅度的影响幅度变小，但总体信号要偏小很多，所以此时基线干
扰小很关键，这也是工程实现时要严格控制的关键点。
5 结束语
系统介绍了超声井径的测量原理、总体方案设计、关键技术回波间隔提取的软件设计、在实验室中记录了不同泥浆密度和不同间距的回波幅度情况以及在现场试验的情况，为探索超声井径测量在油田勘探中的应用做了有益尝试，由于超声测量受井下影响因素多，技术的推广需要现场数据积累以及改进提高，最终才能推出满足用户需求的产品。
参考文献：
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[3] 胡凯利、余厚全、魏勇等，超声井径随钻测井回波信号补偿方法与电路实现，测井技术，（2014）01-0090-04。
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