本發(fā)明涉及隨鉆測(cè)井技術(shù)領(lǐng)域中的一種工具面角測(cè)試系統(tǒng)，尤其涉及一種連續(xù)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下鉆具工具面角測(cè)試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，在石油鉆井行業(yè)的隨鉆測(cè)量領(lǐng)域，國(guó)外帶有方位性測(cè)量的隨鉆測(cè)井儀器和隨鉆方位成像儀器已經(jīng)相當(dāng)成熟，有效解決了鉆入地層界面識(shí)別不準(zhǔn)和復(fù)雜地質(zhì)條件下的解釋難題，并可有效識(shí)別地層傾角和裂縫以更好地進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向和地質(zhì)決策，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

國(guó)內(nèi)的隨鉆測(cè)井儀器（包括隨鉆自然伽馬、隨鉆電阻率等）已市場(chǎng)化推廣應(yīng)用十多年的時(shí)間，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上這些隨鉆測(cè)井儀器大都安裝一個(gè)傳感器且居于鉆鋌中心軸線，即便有些儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用偏心結(jié)構(gòu)，但至今仍沒有真正利用其方位響應(yīng)特性，不論均質(zhì)或非均質(zhì)地層，探測(cè)范圍內(nèi)的測(cè)量響應(yīng)都是以傳感器所在點(diǎn)為中心，井眼周圍所測(cè)地層共同作用的結(jié)果，對(duì)地質(zhì)參數(shù)變化的判別存在時(shí)間滯后，無法在水平井中及時(shí)分辨上下巖性界面變化特征和有效發(fā)現(xiàn)復(fù)雜油藏，時(shí)常錯(cuò)過進(jìn)入儲(chǔ)集層的最佳時(shí)機(jī)，其中一個(gè)很重要的原因就是儀器不帶有旋轉(zhuǎn)工具面角測(cè)量功能。目前有部分應(yīng)用的隨鉆方位測(cè)量?jī)x器是在鉆鋌外壁安裝一個(gè)或者多個(gè)測(cè)量傳感器，是在保證鉆具與待測(cè)地層相對(duì)固定的條件下進(jìn)行儲(chǔ)層特性的劃分。但存在的缺點(diǎn)是：由于鉆具處于滑動(dòng)或者靜止?fàn)顟B(tài)，不能旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。隨著所鉆井眼井斜角和井眼位移的增加，鉆具與井壁間摩阻明顯增加，鉆壓無法有效施加到鉆頭上，鉆井速度變慢，鉆具粘卡風(fēng)險(xiǎn)增加，井眼鉆探深度受限，同時(shí)滑動(dòng)鉆進(jìn)所鉆出的井眼軌跡不規(guī)則。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種能夠在不同井斜及不同方位情況下對(duì)連續(xù)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下工具面角進(jìn)行測(cè)量，通過獲取的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)工具面角測(cè)量精度計(jì)算及影響因素分析的旋轉(zhuǎn)工具面角測(cè)試裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種旋轉(zhuǎn)工具面角測(cè)試裝置包括：方位標(biāo)定臺(tái)架、井斜標(biāo)定臺(tái)架、旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架、電源模塊、微機(jī)模塊、滑環(huán)線；其中，方位標(biāo)定臺(tái)架是在底座上固定芯軸，芯軸外設(shè)軸承和軸承套，在底座或軸承套外圍設(shè)置方位分度盤和指針；井斜標(biāo)定臺(tái)架通過軸承套與方位標(biāo)定臺(tái)架連接，井斜標(biāo)定臺(tái)架包括底板和前后側(cè)板組成的框架體，在框架體上設(shè)置主軸，主軸伸出端連接有分度盤；旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架被固定在井斜標(biāo)定臺(tái)架前后側(cè)板之間的主軸上，旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架包括基座和直流減速電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、光柵碼盤、測(cè)試骨架、壓蓋、滑環(huán)，直流減速電動(dòng)機(jī)固定在基座上，直流減速電動(dòng)機(jī)輸出軸與測(cè)試骨架連接軸相連，壓蓋與測(cè)試骨架的連接軸旋轉(zhuǎn)配合并將測(cè)試骨架固定在基座上，光柵碼盤安裝在輸出軸上，滑環(huán)與光柵碼盤配合將數(shù)據(jù)輸通過滑環(huán)線傳輸?shù)轿C(jī)模塊；測(cè)試骨架上設(shè)有旋轉(zhuǎn)傳感器槽和旋轉(zhuǎn)傳感器、處理電路槽和處理電路；電源管理模塊通過滑環(huán)線連接到旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架，并對(duì)旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架上的所有電器供電；微機(jī)模塊通過滑環(huán)線與電源管理模塊和旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架上的電器部件建立數(shù)據(jù)及控制、通訊連接。

上述方案進(jìn)一步包括：

旋轉(zhuǎn)傳感器由高速三軸磁力計(jì)、三軸加速計(jì)、高速測(cè)控電路組成。

在直流減速電動(dòng)機(jī)上設(shè)置緊急剎車器。

方位標(biāo)定臺(tái)架的軸承套外周邊設(shè)有與底座插接配合的銷孔組合；井斜標(biāo)定臺(tái)架的前后側(cè)板之間還連接有固定板，固定板帶有定位銷孔；旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架的基座上也設(shè)有相同直徑的定位孔，定位銷孔和定位孔與定位銷配合將井斜標(biāo)定臺(tái)架和旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架在不同角度定位。

井斜標(biāo)定臺(tái)架的側(cè)板采用無磁鋼，井斜標(biāo)定臺(tái)架的底板采用鉛黃銅hpb59-1，旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架采用鋁材，包括主軸和銷釘、定位銷的機(jī)械連接部件全部采用青鈹銅材料。

本發(fā)明的有益效果是：經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本測(cè)試系統(tǒng)用于鉆具在連續(xù)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行方位角的測(cè)量，由于旋轉(zhuǎn)傳感器安裝在測(cè)試骨架的U型槽內(nèi)，直流減速電機(jī)通電工作時(shí)會(huì)帶動(dòng)測(cè)試骨架連同旋轉(zhuǎn)傳感器同步轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)時(shí)測(cè)量出當(dāng)前的工具面角并跟光柵碼盤精確計(jì)算的工具面角進(jìn)行對(duì)比分析，保證測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。此外，該測(cè)試裝置可根據(jù)需要設(shè)置旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架的井斜和方位，通過正交試驗(yàn)分析建立井斜和方位的不同組合，并在不同的組合下對(duì)工具面角測(cè)量的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法歸納總結(jié)出工具面角的測(cè)量影響因素。該試驗(yàn)裝置能夠模擬井下旋轉(zhuǎn)工況，實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)井工具在跟隨鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中真正意義上的方位性測(cè)量和井眼成像。

附圖說明

圖1為旋轉(zhuǎn)工具面角測(cè)試裝置示意圖。

圖2為圖1中井斜標(biāo)定臺(tái)架和方位標(biāo)定臺(tái)架部分的側(cè)視圖。

圖3為方位標(biāo)定臺(tái)架俯視圖。

圖4為旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架示意圖。

圖5為測(cè)試骨架示意圖。

1、井斜標(biāo)定臺(tái)架，2、旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架，3、電源模塊，4、微機(jī)模塊，5、滑環(huán)線，6、底板，7、前側(cè)板，8、后側(cè)板，9、主軸，10、銷釘，11、井斜分度盤，12、固定板，13、定位銷A，14、基座，15、直流減速電機(jī)，16、聯(lián)軸器，17、光柵碼盤，18、測(cè)試骨架，19、壓蓋，20、滑環(huán)，21、主軸孔，22、定位孔，23、緊急剎車器，24、傳感器槽，25、處理電路槽，26、旋轉(zhuǎn)傳感器，27、處理電路，28、方位標(biāo)定臺(tái)架，29、軸承套，30、指針和方位分度盤，31、底座，32、軸承，33、芯軸，34、定位銷B，35、壓蓋。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1所示，本發(fā)明提出的旋轉(zhuǎn)工具面角測(cè)試裝置包括：井斜標(biāo)定臺(tái)架1、旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架2、方位標(biāo)定臺(tái)架28、電源模塊3、微機(jī)模塊4、滑環(huán)線5、緊急剎車器23。旋轉(zhuǎn)工具面角測(cè)試系統(tǒng)安裝在旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架2上，電源模塊3通過滑環(huán)線5對(duì)整個(gè)旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架2供電，其中包括直流減速電動(dòng)機(jī)15、旋轉(zhuǎn)工具面角測(cè)試系統(tǒng)及光柵碼盤17；另外，旋轉(zhuǎn)工具面角測(cè)試系統(tǒng)將采集到的井斜、方位、轉(zhuǎn)速、工具面等信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后通過滑環(huán)傳輸?shù)轿C(jī)模塊4，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架2與外接的微機(jī)模塊4之間的數(shù)據(jù)及控制通訊。另外，在實(shí)驗(yàn)裝置外配合安裝緊急剎車器23，用以緊急剎車，在剎車過程中，直流減速電機(jī)1堵轉(zhuǎn)，選用電機(jī)時(shí)考慮過電流保護(hù)能力，確保電機(jī)正常工作。剎車制動(dòng)器由微機(jī)模塊4根據(jù)控制信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)剎車，剎車時(shí)間與測(cè)控系統(tǒng)控制信號(hào)關(guān)聯(lián)。

電源模塊3負(fù)責(zé)將交流電進(jìn)行整流穩(wěn)壓處理成為直流電后，再進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換處理將直流電壓分別轉(zhuǎn)換為+15v、-15v、5V，為測(cè)控系統(tǒng)提供所需電力。

由于旋轉(zhuǎn)工具面角測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)量過程中使用磁通門測(cè)量，磁通門受鐵、磁物質(zhì)干擾大，為了避免磁干擾影響測(cè)量準(zhǔn)確度，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置采用無磁材料制作，其中井斜標(biāo)定臺(tái)架1采用無磁鋼，旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架2采用無磁干擾的鋁材，方位標(biāo)定臺(tái)架28采用無磁鋼，各種固定用的螺栓、螺母等全部采用青鈹銅材料。

如圖1、2所示，井斜標(biāo)定臺(tái)架1包括底板6、前側(cè)板7、后側(cè)板8、主軸9、銷釘10、井斜分度盤11、固定板12、定位銷孔13。把裝有旋轉(zhuǎn)工具面角測(cè)試系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架2通過銷釘10安裝在主軸9上，旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架2可輕松的變換不同的井斜角度，根據(jù)所需求的標(biāo)定角度，設(shè)置井斜分度盤11，當(dāng)前可根據(jù)需要每15°設(shè)置一固定位置，每一固定位置需要嚴(yán)格標(biāo)定，標(biāo)定位置在井斜分度盤11上注明。在井斜標(biāo)定臺(tái)架1安裝固定板12，固定板12上鉆出定位銷孔13，當(dāng)旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架2轉(zhuǎn)至設(shè)定角度后，井斜標(biāo)定臺(tái)架1上的定位銷孔13與旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架2上的定位銷孔重合，用鈹青銅材料制作的定位銷把旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架2固定。

井斜標(biāo)定臺(tái)架1上的底板6采用鉛黃銅hpb59-1，既利用鉛黃銅的可切削性強(qiáng)、力學(xué)性能良好的特點(diǎn)，也加強(qiáng)了底板6的重量，增強(qiáng)了整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性，前側(cè)板7及后側(cè)板8采用無磁干擾的鋁材，為了進(jìn)一步減輕重量，在鋁材不同位置挖出大方形槽。

如圖1、3所示，方位標(biāo)定臺(tái)架28包括底座31、芯軸33、軸承32、軸承套29、壓蓋35、方位分度盤和指針30、定位銷34組成；其中底座31上帶有方位分度盤和指針，方位標(biāo)定臺(tái)架28可根據(jù)需要變換不同的方位，方位分度盤上每15°設(shè)置一固定位置，每一固定位置需嚴(yán)格標(biāo)定，標(biāo)定位置在分度盤上注明。在方位標(biāo)定臺(tái)架28底座31上鉆出定位銷孔，當(dāng)旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架2轉(zhuǎn)至設(shè)定方位后，指針會(huì)正對(duì)方位分度盤上對(duì)應(yīng)的方位刻度，將定位銷34插入方位標(biāo)定臺(tái)架28上的定位銷孔中，將方位標(biāo)定臺(tái)架28固定。方位標(biāo)定臺(tái)架28用固定螺絲固定在地面上，固定時(shí)采用水平儀校正，保證整個(gè)系統(tǒng)的角度平穩(wěn)。

如圖4所示，旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架2包括：底座14、直流減速電機(jī)15、聯(lián)軸器16、光柵碼盤17、測(cè)試骨架18、壓蓋19、滑環(huán)20、主軸孔21、定位孔22。底座14及測(cè)試骨架18都采用無磁干擾的鋁材，即便于加工，也使旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)架2減輕重量。通過聯(lián)軸器16將直流減速電動(dòng)機(jī)15輸出軸與測(cè)試骨架18連接軸相連，利用直流減速電動(dòng)機(jī)15帶動(dòng)測(cè)試骨架18旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)軸間安裝有光柵碼盤17，通過滑環(huán)20將光柵碼盤17中解碼器的解碼數(shù)據(jù)輸送到微機(jī)模塊4中的解碼器上位機(jī)軟件，實(shí)時(shí)將工具面、加速度、轉(zhuǎn)速等信息顯示和存盤。光柵碼盤17中解碼器的輸出方波脈沖，通過設(shè)定起始位置，復(fù)位旋轉(zhuǎn)編碼器，微機(jī)模塊4可實(shí)時(shí)顯示出試驗(yàn)臺(tái)架旋轉(zhuǎn)位置信息，用以驗(yàn)證試驗(yàn)算法。

在旋轉(zhuǎn)工具工程應(yīng)用中，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)工具面的控制精度相關(guān)性強(qiáng)；隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的增加，如果工具采樣率保持不變時(shí)，工具的分辨率變差，如果提高采樣率，則可以提高分辨率。工具分辨率的提高對(duì)工具控制精度的影響是明顯的。如果考慮工具馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，則旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)速也可高達(dá)180～200 r/min。因此選用的直流減速電動(dòng)機(jī)15輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到200 r/min，功率為300w。

如圖5所示，測(cè)試骨架18包括：旋轉(zhuǎn)傳感器槽24、處理電路槽25、旋轉(zhuǎn)傳感器26、處理電路27。測(cè)試骨架18由壓蓋19壓緊，固定在底座14上，直流減速電動(dòng)機(jī)15帶動(dòng)測(cè)試骨架18旋轉(zhuǎn)，測(cè)試骨架18繞中心軸以速度0~180rpm旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可調(diào)。旋轉(zhuǎn)傳感器26安裝在旋轉(zhuǎn)傳感器槽24中，位于測(cè)試骨架18外沿，基本模擬旋轉(zhuǎn)工具中傳感器的位置。

旋轉(zhuǎn)工具面角測(cè)試系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)傳感器26的選擇對(duì)整個(gè)控制精度的影響顯著。結(jié)合旋轉(zhuǎn)工具系統(tǒng)自身特點(diǎn)，選用由一個(gè)高速三軸磁力計(jì)、三軸加速計(jì)、高速測(cè)控電路組成的旋轉(zhuǎn)傳感器26，利用磁力計(jì)測(cè)量地磁信息計(jì)算得出工具面旋轉(zhuǎn)位置，再由磁力計(jì)、加速度計(jì)測(cè)量出地磁參數(shù)和重力參數(shù)，經(jīng)過處理電路完成對(duì)工具姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量。

由于井下測(cè)控系統(tǒng)安裝在鉆柱上，鉆頭由鉆柱和井下專用螺桿共同來驅(qū)動(dòng)，測(cè)量過程中，鉆柱轉(zhuǎn)速較低，因此利用磁性工具面可以滿足控制要求，并且由于測(cè)量工具面角的速度快，底部鉆具組合旋轉(zhuǎn)對(duì)其不會(huì)產(chǎn)生影響。旋轉(zhuǎn)傳感器的井斜測(cè)量精度±0.1°，方位測(cè)量精度±1°，工具面角測(cè)量精度±5°，分辨率1°。

處理電路27是旋轉(zhuǎn)工具系統(tǒng)控制中心，用于系統(tǒng)姿態(tài)參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)處理、控制方法計(jì)算、控制誤差修正補(bǔ)償、控制量輸出、井下關(guān)鍵參數(shù)存儲(chǔ)與回放、自身狀態(tài)監(jiān)視以及與MWD系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊等。為提高工具控制系統(tǒng)的精度，處理電路采用了高速的摩托羅拉微處理機(jī)，CPU主頻工作在40MHz, 保證了系統(tǒng)的快速性，為提高系統(tǒng)采樣率提供了保證。