隨鉆地震振動信號采集系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種能夠滿足隨鉆地震工程應用要求的隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統。包括鉆頭振動信號采集、傳輸和處理三部分，鉆頭振動信號的采集部分采用獨立的鉆頭振動信號采集短節，鉆頭振動信號處理是由預裝鉆頭振動信號采集分析軟件的計算機進行，鉆頭振動信號采集短節與計算機之間以無線局域網的方式進行傳輸。其中，鉆頭振動信號采集短節是在短節的中部外周邊預設傳感器倉、電池倉、電路板倉和無線模塊倉；其中，傳感器為三分量加速度計；電路板的電路包括濾波調理、信號放大、A/D調制、數字濾波、微處理器、實時時鐘、D/A測試、存儲器和GPS。本發明采用與鉆柱剛性連接，信號質量好，施工方便，保障鉆井施工安全。
【專利說明】隨鉆地震振動信號采集系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及石油鉆井工程裝置領域中的一種沿鉆柱傳播的隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統，特別適用于在隨鉆地震中對井下鉆頭振動信號進行采集、傳輸和處理。
【背景技術】
[0002]隨鉆地震是國外近年來發展起來的一種新的井中地震方法，是在石油鉆井過程中以鉆頭破巖時產生的振動作為地下震源，通過在鉆柱上采集到的鉆頭振動信號和在地面測線上采集到的鉆頭信號經過各種處理后，進行地層特征評價的一項技術。隨鉆地震實時地確定鉆頭在地面地震時間剖面上的位置，并能實時地預測鉆頭前方的地層壓力情況，從而協助鉆井安全決策和優化套管設計。
[0003]雖然在石油鉆井中鉆頭附近采集鉆頭信號質量較好，但由于數據量大，缺少實時傳輸手段，不能及時把采集到的數據進行及時處理，不能實時指導鉆井施工。振動信號傳感器參數的選擇及其安裝位置，對于記錄高質量的信號起著關鍵的作用，必須確保它們與鉆桿之間是緊密接觸，使得記錄的數據能夠與軸向、橫向以及徑向上鉆機結構的振動進行對t匕，并辨認、識別出由于鉆頭鉆壓作用于地層而產生的振動，給鉆頭振動信號的提取提供高質量的信號源。
[0004]目前隨鉆地震中鉆頭信號采集，最流行的體系結構是三分量加速度計安裝在方鉆桿上方水龍帶的位置，通過電纜連接至參考信號的采集、處理設備，經過信號放大、濾波、A/D轉換等，轉變成數字信號存儲起來，以備數據取出和地面檢波器組取得數據一起經過專門軟件處理，獲取地震剖面。在鉆井過程中，由于水龍帶的擺動，容易把信號電纜扯斷，由于安裝位置的關系，采集到的信號質量較差，一致最后影響到整個測量結果的精確度。

【發明內容】

[0005]本發明的目的就是針對現有技術的缺陷，提供一種能夠滿足隨鉆地震工程應用要求的隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統。
[0006]本發明的技術方案包括:
一種隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統，包括鉆頭振動信號采集、傳輸和處理三部分，鉆頭振動信號的采集部分采用獨立的鉆頭振動信號采集短節，鉆頭振動信號處理是由預裝鉆頭振動信號采集分析軟件的計算機進行，鉆頭振動信號采集短節與計算機之間以無線局域網的方式進行傳輸。其中，鉆頭振動信號采集短節是在短節的中部外周邊預設傳感器倉、電池倉、電路板倉和無線模塊倉，四個倉之間由導線槽連通，四個倉內對應安裝傳感器、電池、電路板和無線模塊；其中，傳感器為三分量加速度計；電路板的電路包括濾波調理單元、信號放大單元、A/D調制單元、數字濾波單元、微處理器單元、實時時鐘單元、D/A測試單元、存儲器單元和GPS單元，無線模塊即無線通訊單元采用wifi模塊。四個倉內分別設置防爆外殼，對應的傳感器、電池、電路板和無線模塊設在防爆外殼內。
[0007]另一種隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統，包括鉆頭振動信號采集、傳輸和處理三部分，鉆頭振動信號的采集部分采用獨立的鉆頭振動信號采集短節，鉆頭振動信號處理是由預裝鉆頭振動信號采集分析軟件的計算機進行，鉆頭振動信號采集短節與計算機之間以無線局域網的方式進行傳輸。其中，在短節的中部外周邊設有環形槽，環形槽內通過防爆外殼間隔為傳感器倉、電池倉、電路板倉和無線模塊倉，四個倉內對應安裝傳感器、電池、電路板和無線模塊；其中，傳感器為三分量加速度計；電路板的電路包括濾波調理單元、信號放大單元、A/D調制單元、數字濾波單元、微處理器單元、實時時鐘單元、D/A測試單元、存儲器單元和GPS單元，無線模塊即無線通訊單元采用wifi模塊。
[0008]上述兩種方案中，所述鉆頭振動信號采集短節的上下端分別帶有連接頭；GPS天線置于無線模塊外側。所述的加速度計單元采用3分量ICP型壓電加速度計；濾波調理單元進行低通濾波、單端轉差分轉換；信號放大單元由低噪聲、極小諧波失真、增益可編程的差分輸入、差分輸出運算放大器CS3301及相關外圍電路組成，完成模數轉換前的信號放大；A/D調制單元由高動態范圍、低諧波失真、4階Λ-Σ型調制器CS5371、CS5372及相關外圍電路組成；數字濾波單元由低功耗、高效率的多功能24位Δ - Σ型數字濾波其CS5376級相關電路組成；微處理器單元由片內資源豐富及多種外部接口的完全集成的混合信號片上系統C8051F340及外圍電路組成；實時時鐘單元由低成本、具有集成的溫度補償晶體振蕩器(TCXO)的高精度實時時鐘(RTC)器件所構成；D/A測試單元由低功耗高性能的檢測數模轉換器CS4373組成，用于傳感器的檢測及系統的校準；GPS單元由GPS OEM模塊及GPS天線組成、實時接收GPS的位置及時間信息，和實時時鐘單元一起組成裝置的精確時標系統；存儲器單元由SD卡及其讀寫系統組成，在特殊情況下進行數據的暫存。
[0009]本發明的系統應用在鉆井過程中，利用鉆頭鉆進過程中撞擊地層產生的地震波作為震源，通過隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統將沿鉆柱傳播的鉆頭振動信號轉換為數字信號，與GPS產生的時間信息一起形成鉆頭信號采集數據，利用無線路由器形成的井場局域網，實現隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統與中心計算機的雙向無線通訊，通過中心計算機軟件實時處理分析進行地層特征評價、實時地預測鉆頭前方的地層壓力情況以及進行鉆具故障分析。
[0010]本發明具有以下積極效果:
本發明在正常鉆進時采集鉆頭信號、起下鉆及停鉆時采集背景噪聲信號，便于有用信號的提取；與鉆柱剛性連接、信號質量好，施工方便，不影響鉆井生產過程；為鉆井人員提供鉆頭前方地層特征，進行待鉆地層壓力預測及鉆具故障診斷分析，保障鉆井施工安全。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是一種隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統典型應用示意圖；
圖2是一種鉆頭振動信號采集短節的徑向剖面圖；
圖3是圖2中A-A剖面圖；
圖4是圖2中B-B剖面圖；
圖5是鉆頭振動信號采集短節的電路示意圖。
【具體實施方式】
[0012]結合說明書附圖對本發明進一步描述。[0013]參照附圖1，鉆頭振動信號采集短節28安裝在方鉆桿31與鉆桿30、鉆頭29之間，通過上端母扣與方鉆桿31連接、下端公扣與鉆桿30連接。參照圖2、圖3和圖4，在短節本體I的中部四側分別銑出4個空腔，分別是電路板倉3、電池倉8、傳感器倉9、無線模塊倉11，并分別開模制作防爆外殼置于四個倉中。其中:參照圖5，電路板5置于電路板倉3的防爆外殼7中，包括濾波調理單元33、信號放大單元34、A/D調制單元35、數字濾波單元36、微處理器單元37、實時時鐘單元38、D/A測試單元39、GPS單元40、存儲器單元42 ;鋰電池組6置于電池倉8的防爆外殼4中；三分量加速度計10置于傳感器倉9的防爆外殼中；無線WIFI設備13 (即無線通訊單元41)和GPS天線12置于無線模塊倉11的防爆外殼中。
[0014]如圖3和4所示，在四個空腔的頂部邊沿部分銑出三道導線槽2，使四個腔連通起來，為了方便更換電池和必要時取出SD卡，還分別設置了電池殼體定位銷和主機殼體定位銷。
[0015]參照圖5，在鉆井過程中，加速度計單元32采用3分量(X/Y/Z) ICP型壓電加速度計；濾波調理單元33進行低通濾波、單端轉差分轉換；信號放大單元34由低噪聲、極小諧波失真、增益可編程的差分輸入、差分輸出運算放大器CS3301及相關外圍電路組成，完成模數轉換前的信號放大；A/D調制單元35由高動態范圍、低諧波失真、4階Λ - Σ型調制器CS5371、CS5372及相關外圍電路組成；數字濾波單元36由低功耗、高效率的多功能24位Δ - Σ型數字濾波其CS5376級相關電路組成；微處理器單元37由片內資源豐富及多種外部接口的完全集成的混合信號片上系統C8051F340及外圍電路組成；實時時鐘單元38由低成本、具有集成的溫度補償晶體振蕩器(TCXO)的高精度實時時鐘(RTC)器件所構成；D/A測試單元39由低功耗高性能的檢測數模轉換器CS4373組成，用于傳感器的檢測及系統的校準；GPS單元40由GPS OEM模塊及GPS天線組成、實時接收GPS的位置及時間信息，和實時時鐘單元38 —起組成裝置的精確時標系統；存儲器單元42由SD卡及其讀寫系統組成，在特殊情況下進行數據的暫存。
[0016]無線路由器26形成井場無線局域網，通過該無線網絡實現隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統與中心計算機27的實時數據交換。
[0017]計算機通過對采集到的鉆頭振動信號進行處理分析，結合地面采集的沿地層傳播的鉆頭信號的處理分析，對進行地層特征評價、實時地預測鉆頭前方的地層壓力情況以及進行鉆具故障分析。
[0018]在上述實施例的基礎上進行如下改進。即在短節的中部外周邊設有環形槽，環形槽內通過防爆外殼間隔為傳感器倉、電池倉、電路板倉和無線模塊倉，四個倉內對應安裝傳感器、電池、電路板和無線模塊。改進后具有與上述實施例同樣的效果，就不再詳述。
【權利要求】
1.一種隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統，包括鉆頭振動信號采集、傳輸和處理三部分，其特征在于:鉆頭振動信號的采集部分采用獨立的鉆頭振動信號采集短節，鉆頭振動信號處理是由預裝鉆頭振動信號采集分析軟件的計算機進行，鉆頭振動信號采集短節與計算機之間以無線局域網的方式進行傳輸；所述的鉆頭振動信號采集短節是在短節的中部外周邊預設傳感器倉、電池倉、電路板倉和無線模塊倉，四個倉之間由導線槽連通，四個倉內對應安裝傳感器、電池、電路板和無線模塊；其中，傳感器為三分量加速度計；電路板的電路包括濾波調理單元、信號放大單元、A/D調制單元、數字濾波單元、微處理器單元、實時時鐘單元、D/A測試單元、存儲器單元和GPS單元，無線模塊即無線通訊單元采用wifi模塊。
2.根據權利要求1所述的隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統，其特征在于:所述的三分量加速度計單元采用3分量ICP型壓電加速度計；信號放大單元采用差分輸入、差分輸出運算放大器CS3301及外圍電路；A/D調制單元采用4階Λ - Σ型調制器CS5371、CS5372及外圍電路；數字濾波單元采用多功能24位Λ - Σ型數字濾波器CS5376 ;微處理器單元采用混合信號片系統C8051F340及外圍電路；實時時鐘單元采用溫度補償晶體振蕩器TCXO的高精度實時時鐘RTC器件；D/A測試單元采用檢測數模轉換器CS4373 ;GPS單元由GPS OEM模塊及GPS天線組成，和實時時鐘單元一起組成裝置的精確時標系統；存儲器單元由SD卡及其讀寫系統組成。
3.根據權利要求1或2所述隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統，其特征在于:鉆頭振動信號采集短節的上下端分別帶有連接頭；四個倉內分別設置防爆外殼，對應的傳感器、電池、電路板和無線模塊設在防爆外殼內；所述GPS天線置于模塊外側。
4.一種隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統，包括鉆頭振動信號采集、傳輸和處理三部分，其特征在于:鉆頭振動信號的采集部分采用獨立的鉆頭振動信號采集短節，鉆頭振動信號處理是由預裝鉆頭振動信號采集分析軟件的計算機進行，鉆頭振動信號采集短節與計算機之間以無線局域網的方式進行傳輸；其特征在于:在短節的中部外周邊設有環形槽，環形槽內通過防爆外殼間隔為傳感器倉、電池倉、電路板倉和無線模塊倉，四個倉內對應安裝傳感器、電池、電路板和無線模塊；其中，傳感器為三分量加速度計；電路板的電路包括濾波調理單元、信號放大單元、A/D調制單元、數字濾波單元、微處理器單元、實時時鐘單元、D/A測試單元、存儲器單元和GPS單元，無線模塊即無線通訊單元采用wifi模塊。
5.根據權利要求4所述的隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統，其特征在于:所述的三分量加速度計單元采用3分量ICP型壓電加速度計；信號放大單元采用差分輸入、差分輸出運算放大器CS3301及外圍電路；A/D調制單元采用4階Λ - Σ型調制器CS5371、CS5372及外圍電路；數字濾波單元采用多功能24位Λ - Σ型數字濾波器CS5376 ;微處理器單元采用混合信號片系統C8051F340及外圍電路；實時時鐘單元采用溫度補償晶體振蕩器TCXO的高精度實時時鐘RTC器件；D/A測試單元采用檢測數模轉換器CS4373 ;GPS單元由GPS OEM模塊及GPS天線組成，和實時時鐘單元一起組成裝置的精確時標系統；存儲器單元由SD卡及其讀寫系統組成。
6.根據權利要求4或5所述的隨鉆地震鉆頭振動信號測量系統，其特征在于:所述鉆頭振動信號采集短節的上下端分別帶有連接頭；GPS天線置于無線模塊外側。
【文檔編號】E21B47/12GK103696764SQ201210368431
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年9月28日 優先權日:2012年9月28日
【發明者】曹忠成, 耿應春, 王愛鳳, 于麗麗, 李玉紅, 崔謙, 范寅聰, 解莉萍 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石化集團勝利石油管理局鉆井工藝研究院