專利名稱：一種井底深度與井眼軌跡自動跟蹤方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于地質資源勘探和開發鉆井中的鉆頭和井底深度跟蹤以及并眼軌跡跟蹤的方法及裝置，尤其是能自動跟蹤的方法及裝置。具體的講是一種井底深度與井眼軌跡自動跟蹤方法及裝置。
背景技術：
目前，有關深度和井眼軌跡跟蹤的方法和措施多是通過人工計量和測算來完成的，即便輔一種深度與井眼軌跡自動跟蹤方法及裝置。
以計算機測量和計算，也常常不斷地需要人工干預才能完成，這種人工或半人工的工作方式，很容易引入人為的跟蹤誤差，對于要求跟蹤精度較高的場合，是無法滿足需要的，特別是在需要進行精確導向鉆井的情況下，這種矛盾尤為突出。利用計算機對鉆頭和井底深度及井眼軌跡進行實時地自動跟蹤，不僅能提高鉆井作業效率，也是提高井眼軌跡控制質量的必要條件之一，是實現幾何和地質等導向鉆井技術的重要保證之一。國內外對于井眼軌跡的控制技術研究頗多，但對于如何利用計算機實現對鉆頭和井底深度進行簡單而有效、準確而實時、經濟且無人值守的自動跟蹤的研究還不多見，因此，也就尚未真正實現井眼軌跡的自動跟蹤。
發明內容
本發明的目的在于提供一種井底深度與井眼軌跡自動跟蹤方法及裝置。從而①建立可利用計算機自動實現的鉆頭和井底深度跟蹤的方法；②設計相關裝置及配套軟件實現井眼軌跡的自動跟蹤。
本發明的技術方案為一種井底深度自動跟蹤方法，其將鉆柱在鉆井過程中所處狀態分為
鉆柱被鉆機大鉤懸起狀態、以及鉆柱坐放于卡瓦狀態；對鉆柱在鉆井過程中所處狀態進行判斷如果為所述的鉆柱被鉆機大鉤懸起狀態，則實時測量大鉤位置高度的變化；如果為所述的鉆柱坐放于卡瓦狀態，則停止測量大鉤位置高度的變化；從而，根據大鉤的位置高度變化確定鉆柱及鉆頭的移動距離及移動方向，實現鉆頭深度的自動跟蹤，并根據并底深度不會小于鉆頭深度這一條件實現對井底深度的跟蹤。
所述的對鉆柱在鉆井過程中所處狀態進行判斷是指通過測量鉤載的變化，判斷出鉆柱所處的狀態。
采用位置傳感器對大鉤位置高度的變化進行測量。
采用鉤載傳感器對鉤載的變化進行實時測量。
采用鉤載傳感器對鉤載的變化進行實時測量，進而判斷鉆柱所處的狀態；采用位置傳感器對大鉤位置高度的變化進行測量；其具體步驟為步驟一、鉤載歸0，大鉤位置歸0；步驟二、當大鉤空載時，鉤載傳感器的讀數計為G0，則真實鉤載＝鉤載讀數-G0；步驟三、當大鉤處于某一基點位置(如井口等)時，計下大鉤位置傳感器讀數H0，則實際大鉤相對于該基點的高度(位置)＝大鉤位置傳感器讀數-H0；步驟四、設置初始鉆頭深度和井底深度、以及鉤載閾值Gt；步驟五、當鉤載＞鉤載閾值Gt時，則為所述的鉆柱被鉆機大鉤懸起狀態，啟動深度跟蹤，即啟動位置傳感器，對大鉤位置高度的變化進行測量；若大鉤移動，則移動的距離DH＝當前大鉤位置H2-移動前大鉤位置H1，當前鉆頭深度Hb2＝移動前鉆頭深度Hb1+DH；當Hb2大于井底深度Hw1時，當前井底深度Hw2＝Hb2；
步驟六、當鉤載＜＝鉤載閾值Gt時，則為所述的鉆柱坐放于卡瓦狀態，停止所述的深度跟蹤。
當鉆頭深度小于最小鉆頭深度(與鉤載閾值Gt有關)時，停止所述的自動深度跟蹤。
本發明還提供了一種井眼軌跡自動跟蹤方法，其特征在于，將鉆柱在鉆井過程中所處狀態分為鉆柱被鉆機大鉤懸起狀態、以及鉆柱坐放于卡瓦狀態；對鉆柱在鉆井過程中所處狀態進行判斷如果為所述的鉆柱被鉆機大鉤懸起狀態，則實時測量大鉤位置高度的變化；如果為所述的鉆柱坐放于卡瓦狀態，則停止測量大鉤位置高度的變化；從而，根據大鉤的位置高度變化確定鉆柱及鉆頭的移動距離及移動方向，實現鉆頭深度的自動跟蹤，并根據井底深度不會小于鉆頭深度這一條件實現對井底深度的跟蹤；對井眼方向進行實時測量；根據所述的對井底深度的跟蹤和對井眼方向的測量，實時繪出井眼軌跡。
所述的對井眼方向進行實時測量是指采用泥漿脈沖發生器(MWD)實時測量井眼方向參數。
如果所述的井眼軌跡出現偏移，則報警。
本發明也提供了一種井底深度與井眼軌跡自動跟蹤裝置，其中包括鉤載傳感器、大鉤位置傳感器、信號預處理裝置、數據采集卡、計算機、深度和井眼軌跡自動跟蹤模塊；鉤載傳感器用于測量大鉤載荷；大鉤位置傳感器用于測量大鉤位置高度；信號預處理裝置向所述的鉤載傳感器、大鉤位置傳感器供電，接受來自所述的鉤載傳感器、大鉤位置傳感器的測量信號，對接受到的信號進行處理后送向所述的數據采集卡；數據采集卡將來自信號預處理裝置的鉤載和大鉤位置模擬信號進行模數轉換，轉換為數字信號供計算機內的深度和井眼軌跡自動跟蹤模塊使用；計算機用于保存、運行深度和井眼軌跡自動跟蹤模塊并保存跟蹤結果和報警；所述的深度和井眼軌跡自動跟蹤模塊對鉆柱在鉆井過程中所處狀態進行判斷如果為所述的鉆柱被鉆機大鉤懸起狀態，則實時測量大鉤位置高度的變化；如果為所述的鉆柱坐放于卡瓦狀態，則停止測量大鉤位置高度的變化；從而，根據大鉤的位置高度變化確定鉆柱及鉆頭的移動距離及移動方向，實現鉆頭深度的自動跟蹤，并根據并底深度不會小于鉆頭深度這一條件實現對井底深度的跟蹤；對井眼方向進行實時測量；根據所述的對井底深度的跟蹤和對井眼方向的測量，實時繪出井眼軌跡。
所述的信號預處理裝置包括信號隔離板、信號預處理卡、機箱、電源、面板、信號指示燈；其向所述的傳感器供電，接受來自傳感器的測量信號，并對接受的信號進行隔離，將測量信號經信號預處理卡濾波后送向插在計算機內數據采集卡；所述的信號預處理卡對測量信號進行低通濾波，濾掉高頻噪聲。
所述的數據采集卡是一塊具有AD功能的通用數據采集卡，其將來自信號預處理箱的鉤載和大鉤位置模擬信號進行模數轉換，轉換為數字信號供計算機內的自動深度和井眼軌跡自動跟蹤模塊使用。
本發明的有益效果在于實現了深度和井眼軌跡的計算機自動跟蹤，其益處有三一是提高了深度和井眼軌跡的跟蹤精度，避免了人工和半人工跟蹤時眾多人為的誤差。二是提高了跟蹤效率，其自動軌跡跟蹤報警為保證井身質量提供了更有利的條件。三是為實現精確導向鉆井提供了條件。
圖1是本發明裝置示意圖。
具體實施例方式
下面結合
本發明的
具體實施例方式①建立可利用計算機自動實現的鉆頭和井底深度跟蹤的簡單有效方法深度跟蹤就是要跟蹤鉆頭在井筒中的位置(鉆頭深度)及井底深度。一個井眼形成的過程是鉆進→接單根(或立柱)→鉆進不斷反復的過程。正常鉆進時，鉆頭深度等于井底深度，隨著進尺的增加，鉆頭深度不斷增加，井底深度也不斷增加。如附圖1所示，正常情況下，鉆頭在井筒中的位置與鉆柱在井筒內的長度有關，由于鉆柱的長度是確定的，因此由鉆柱頂部的位置即知鉆頭深度。而在鉆井過程中，對于深度跟蹤而言，鉆柱所處狀態無非有兩種狀態，一是被鉆機大鉤懸起，一是坐放于卡瓦。當大鉤懸起鉆柱時，大鉤位置高度的變化也就反應了鉆頭在井筒內的位置變化，即鉆頭深度的變化；而當鉆柱坐放于轉盤卡瓦上時，鉆頭深度是不變的。因此，當大鉤懸起鉆柱時，通過對大鉤位置高度的跟蹤就能跟蹤鉆頭深度；而鉆柱坐放于卡瓦上時，則不必跟蹤。因此對于鉆頭深度跟蹤而言，關鍵問題是如何判斷鉆柱是否被大鉤懸起，以及大鉤位置高度的變化。
如何判別鉆柱是否被大鉤懸起，關鍵在于大鉤懸起鉆柱時，鉤載的變化。當鉆柱串重量遠大于(即明顯區別于)一個單根(或立柱)的重量的時候，根據鉤載的變化是很容易判斷鉆柱是否被大鉤懸起的。一個問題是當鉆柱串較短時，鉆柱串的重量與一個單根(或立柱)重量比較接近，此時，僅憑鉤載的變化，難以判斷大鉤懸起的是單根還是鉆柱串。但是這種情況只會在很短的上部井段出現，一般小于50m，這對于動輒數百米，乃至數千米的井來說，實在太短了，因此對于這一井段，可很容易通過人工跟蹤完成，然后將跟蹤結果作為初值，輸入計算機，啟動本發明所設計的計算機自動深度跟蹤軟件，實現對鉆頭和井底深度的自動跟蹤。
至于測量大鉤位置高度的變化，可通過任何能測量高度變化(大鉤位置)的傳感器來完成。鉤載則通過鉤載傳感器來測量。
據此，可實現對鉆頭和井底深度的跟蹤，跟蹤過程如下1)鉤載歸0，大鉤位置歸0大鉤空載時，鉤載傳感器的讀數計為G0，則真實鉤載＝鉤載讀數-G0。
當大鉤處于某一基點位置(如井口等)時，計下大鉤位置傳感器讀數H0，則實際大鉤相對于該基點的高度(位置)＝大鉤位置傳感器讀數-H0。
2)設置初始鉆頭深度和井底深度，及鉤載閾值Gt鉤載閾值Gt的選取應能將鉆柱串與一個單根(或立柱)明顯區別，也就是說當鉆頭深度大于一定深度(保證足夠的鉆柱串重)時，方可啟動自動跟蹤。該鉆頭深度Hbt計為啟動自動深度跟蹤的最小鉆頭深，因此，實際初始鉆頭深度(反應了初始鉆柱串長度)不得小于該鉆頭深度，否則停止自動跟蹤。
3)自動深度跟蹤當鉤載＞鉤載閾值Gt時，大鉤懸起鉆柱，啟動深度跟蹤。若此時大鉤移動，則移動的距離DH＝當前大鉤位置H2-移動前大鉤位置H1，所以當前鉆頭深度Hb2＝移動前鉆頭深度Hb1+DH。同時，當Hb2大于井底深度Hw1時，有當前井底深度Hw2＝Hb2。
當鉤載＜＝鉤載閾值Gt時，鉆柱坐放與卡瓦，停止深度跟蹤。
當鉆頭深度小于最小鉆頭深度(與鉤載閾值Gt有關)時，停止自動深度跟蹤。
②設計相關裝置及配套軟件實現井眼軌跡的自動跟蹤有了自動深度跟蹤，結合MWD等儀器實時測量的井眼方向參數，就可以設計出一套裝置和軟件對井眼軌跡進行自動跟蹤。
根據實時的井深及對應的井眼方向參數(井斜、方位)，通過數學和幾何的方法可以將井眼軌跡實時地描繪出來。如果井眼軌跡偏離了設計軌道，且偏離程度超過工程上許可范圍，則自動軌跡跟蹤系統報警。
如圖1所示(圖1是本發明設計的自動跟蹤裝置，其中虛線框所包括的部分即為本發明所設計的裝置)，它主要由如下幾個部分組成傳感器(包括鉤載傳感器、大鉤位置傳感器)，信號預處理箱，數據采集卡、計算機和自動跟蹤軟件。
鉤載傳感器是用于測量大鉤載荷的，而大鉤位置傳感器是用于測量大鉤位置高度的。
信號預處理箱主要包括信號隔離板、信號預處理卡、機箱、電源、面板、信號指示燈等，其主要功能是向傳感器供電，接受來自傳感器的測量信號，并對有關信號進行隔離，測量信號經信號預處理卡濾波后送向插在計算機內數據采集卡。信號預處理卡對測量信號進行低通濾波，濾掉高頻噪聲。
數據采集卡是一塊具有AD功能的通用數據采集卡，其主要功能是將來自信號預處理箱的鉤載和大鉤位置模擬信號進行模數轉換，轉換為數字信號供計算機內的自動深度和井眼軌跡跟蹤軟件使用。
計算機用于保存、運行深度和井眼軌跡自動跟蹤軟件并保存跟蹤結果和報警。
自動跟蹤軟件是根據前面所闡述的方法所編制的深度和井眼軌跡自動跟蹤軟件，是本發明的重要組成部分。
本發明實現了深度和井眼軌跡的計算機自動跟蹤，其益處有三一是提高了深度和井眼軌跡的跟蹤精度，避免了人工和半人工跟蹤時眾多人為的誤差。二是提高了跟蹤效率，其自動軌跡跟蹤報警為保證井身質量提供了更有利的條件。三是為實現精確導向鉆井提供了條件。
以上具體實施方式
僅用于說明本發明，而非用于限定本發明。
權利要求
1.一種深度自動跟蹤方法，其特征在于，將鉆柱在鉆井過程中所處狀態分為鉆柱被鉆機大鉤懸起狀態、以及鉆柱坐放于卡瓦狀態；對鉆柱在鉆井過程中所處狀態進行判斷如果為所述的鉆柱被鉆機大鉤懸起狀態，則實時測量大鉤位置高度的變化；如果為所述的鉆柱坐放于卡瓦狀態，則停止測量大鉤位置高度的變化；從而，根據大鉤的位置高度變化確定鉆柱及鉆頭的移動距離及移動方向，采用遞推算法，即當前鉆頭深度＝移動前鉆頭深度+移動距離，實現鉆頭深度的自動跟蹤，并根據井底深度不會小于鉆頭深度這一條件實現對井底深度的跟蹤；根據隨鉆測量儀器的測點到鉆頭的距離實現對測點深度的跟蹤。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的對鉆柱在鉆井過程中所處狀態進行判斷是指通過測量鉤載的變化，判斷出鉆柱所處的狀態。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，采用位置傳感器對大鉤位置高度的變化進行測量。
4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，采用鉤載傳感器對鉤載的變化進行實時測量。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，采用鉤載傳感器對鉤載的變化進行實時測量，進而判斷鉆柱所處的狀態；采用位置傳感器對大鉤位置高度的變化進行測量；其具體步驟為步驟一、鉤載歸0，大鉤位置歸0；步驟二、當大鉤空載時，鉤載傳感器的讀數計為G0，則真實鉤載＝鉤載讀數-G0；步驟三、當大鉤處于某一基點位置時，計下大鉤位置傳感器讀數H0，則實際大鉤相對于該基點的高度＝大鉤位置傳感器讀數-H0；步驟四、設置初始鉆頭深度和井底深度、以及鉤載閾值Gt；并設置隨鉆測量儀測點距鉆頭的距離ΔHmb；步驟五、當鉤載＞鉤載閾值Gt時，則為所述的鉆柱被鉆機大鉤懸起狀態，啟動深度跟蹤，即啟動位置傳感器，對大鉤位置高度的變化進行測量；若大鉤移動，則移動的距離DH＝當前大鉤位置H2-移動前大鉤位置H1，當前鉆頭深度Hb2＝移動前鉆頭深度Hb1+DH；隨鉆測量儀測點的當前深度＝Hb2-ΔHmb；當Hb2大于井底深度Hw1時，當前井底深度Hw2＝Hb2；步驟六、當鉤載＜＝鉤載閾值Gt時，則為所述的鉆柱坐放于卡瓦狀態，停止所述的深度跟蹤。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，當鉆頭深度小于最小鉆頭深度時，停止所述的自動深度跟蹤。
7.一種井眼軌跡自動跟蹤方法，其特征在于，將鉆柱在鉆井過程中所處狀態分為鉆柱被鉆機大鉤懸起狀態、以及鉆柱坐放于卡瓦狀態；對鉆柱在鉆井過程中所處狀態進行判斷如果為所述的鉆柱被鉆機大鉤懸起狀態，則實時測量大鉤位置高度的變化；如果為所述的鉆柱坐放于卡瓦狀態，則停止測量大鉤位置高度的變化；從而，根據大鉤的位置高度變化確定鉆柱及鉆頭的移動距離及移動方向，采用遞推算法，即當前鉆頭深度＝移動前鉆頭深度+移動距離，實現鉆頭深度的自動跟蹤，并根據井底深度不會小于鉆頭深度這一條件實現對井底深度的跟蹤；根據隨鉆測量儀器的測點到鉆頭的距離實現對測點深度的跟蹤；依據自動跟蹤的測點深度，結合MWD隨鉆測量儀器實時測量的井眼方向參數，即井斜、方位，實時地計算和描繪出實際井眼軌跡，并和設計井眼軌跡對比，實現對井眼軌跡的自動跟蹤和監控。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，如果所述的井眼軌跡出現超出允許的偏移，則報警。
9.一種深度與井眼軌跡自動跟蹤裝置，其中包括鉤載傳感器、大鉤位置傳感器、信號預處理裝置、數據采集卡、計算機、深度和井眼軌跡自動跟蹤模塊；鉤載傳感器用于測量大鉤載荷；大鉤位置傳感器用于測量大鉤位置高度；信號預處理裝置向所述的鉤載傳感器、大鉤位置傳感器供電，并接受來自所述的鉤載傳感器、大鉤位置傳感器的測量信號，對接受到的信號進行處理后送向所述的數據采集卡；數據采集卡將來自信號預處理裝置的鉤載和大鉤位置模擬信號進行模數轉換，轉換為數字信號供計算機內的深度和井眼軌跡自動跟蹤模塊使用；計算機用于保存、運行深度和井眼軌跡自動跟蹤模塊并保存跟蹤結果和報警；所述的深度和井眼軌跡自動跟蹤模塊對鉆柱在鉆井過程中所處狀態進行判斷如果為所述的鉆柱被鉆機大鉤懸起狀態，則實時測量大鉤位置高度的變化；如果為所述的鉆柱坐放于卡瓦狀態，則停止測量大鉤位置高度的變化；從而，根據大鉤的位置高度變化確定鉆柱及鉆頭的移動距離及移動方向，實現鉆頭深度的自動跟蹤，并根據井底深度不會小于鉆頭深度這一條件實現對井底深度的跟蹤；根據隨鉆測量儀測點距離鉆頭的距離實現測點深度的自動跟蹤。利用MWD等隨鉆測量儀器對井眼方向進行實時測量；根據所述的對井底深度的跟蹤和對井眼方向的測量，實時繪出井眼軌跡。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的信號預處理裝置包括信號隔離板、信號預處理卡、機箱、電源、面板、信號指示燈；其向所述的傳感器供電，接受來自傳感器的測量信號，并對接受的信號進行隔離，將測量信號經信號預處理卡濾波后送向插在計算機內數據采集卡；所述的信號預處理卡對測量信號進行低通濾波，濾掉高頻噪聲。
11.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的數據采集卡是一塊具有AD功能的通用數據采集卡，其將來自信號預處理箱的鉤載和大鉤位置模擬信號進行模數轉換，轉換為數字信號供計算機內的深度和井眼軌跡自動跟蹤模塊使用。
全文摘要
本發明為一種井底深度與井眼軌跡自動跟蹤方法及裝置，它包括一組用于測量鉆機大鉤載荷及其位置高度的傳感器、一個向傳感器供電且具有信號隔離及低通濾波功能的預處理箱、一臺帶有具有AD功能的數據采集卡的計算機和一套深度及井眼軌跡自動跟蹤軟件及一種自動深度及井眼軌跡跟蹤方法。其根據大鉤載荷的變化確定帶有鉆頭的鉆柱是否被大鉤懸起，根據大鉤的位置高度變化確定鉆柱及鉆頭的移動距離及移動方向，從而實現鉆頭深度的自動跟蹤；另外結合其他隨鉆測量儀器實時測量的井眼方向參數來實現對井眼軌跡的自動跟蹤，并通過與井眼的設計軌道進行比較，對所發生的超出設計軌道許可范圍的偏離給出報警提示。
文檔編號E21B47/00GK1657739SQ20041000427
公開日2005年8月24日 申請日期2004年2月16日 優先權日2004年2月16日
發明者蘇義腦, 盛利民, 王家進, 張潤香, 鄧樂, 李林, 竇修榮, 戴越, 張曉麗, 彭英 申請人:中國石油勘探開發研究院鉆井工藝研究所