随钻超声井径测量系统的研制

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(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]。

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。

科技成果——随钻声波测井关键技术技术开发单位中国科学院声学研究所适用范围油田勘探与开发成果简介（1）课题来源与背景：随钻声波测井技术在我国油田勘探与开发，特别是在非常规油气藏的水平井钻井测井中有着重大需求。

她可以实时评价地层岩性和孔隙性，进行地层孔隙压力异常预测，给出岩石力学参数，为钻井施工安全提供决策依据。

在我国该项技术与装备属于技术空白，一直被对国外油田技术服务公司长期垄断。

（2）技术原理及性能指标：随钻声波测井基本测量原理主要是由发射换能器产生声波，经过钻井泥浆进入地层，在地层中传播，再由接收换能器组合通过泥浆接收到包含地层信息的压力信号。

然后通过数字处理的方法，分析和提取地层信息。

存储式单极子随钻声波测井实验样机主要包括发射换能器1只、接收换能器4只、隔声体1个、电池插件1个、发射电路插件1个、数据采集与处理电路插件1个。

仪器主要性能指标：最高耐温150℃，最高耐压100MPa，工作频率10-15kHz。

（3）技术的创造性与先进性：仪器核心部件如换能器技术获得发明专利1项，申请在审1项，机械结构短节测量装置获得实用新型专利3项；在我国较早地获得了随钻声波测井实际资料，填补了国内空白。

（4）技术的成熟程度，适用范围和安全性：目前该项技术处在工程应用示范阶段。

（5）应用情况及存在的问题：该项技术已经在我国某油田完成了三口井的测试检验，最大井深1250米，承受住了井下连续工作72小时、耐高温、耐高压、强震动和泥浆冲蚀等恶劣环境考验，并且能在井下存在钻柱系统的振动与冲击的实时钻进过程中依然可以正常工作。

在我国，我们较早地获取了第一手的随钻声波测井资料，目前处于国内领先水平，具有较强的应用前景。

（6）历年获奖情况：“随钻声波测井关键技术及实验样机研发”项目曾获得2015年度中国科学院声学研究所“科研项目重大进展奖”。

效益分析由于国内石油公司对随钻声波测井技术存在着迫切需求，势必会加速推动该成果的应用示范与成果转化，这将节省钻井成本，应用前景十分广阔。

超声井径在随钻测井中的应用研究
超声井径在随钻测井中的应用研究
程羽
【期刊名称】《内蒙古石油化工》
【年(卷),期】2019(045)005
【摘要】超声井径仪器测量能实时获取井径数据,获取的这些井径数据能够进行井壁隆起、井眼垮塌的判别及不规则井眼形状判别应用等功能,这些功能无论对井况成因分析与风险辨识,还是对实时地质导向辅助,乃至多种随钻仪器的环境校正等均有相当重要的作用.
【总页数】4页(105-108)
【关键词】随钻测井;超声井径;首波;尾振
【作者】程羽
【作者单位】中海油服油技研究院,河北三河065201
【正文语种】中文
【中图分类】P631.8+14
【相关文献】
1.利用随钻4D超声波井径成像测井技术监测井壁失稳[J], Behzad Elahifar; 弓浩浩
2.超声波改善随钻密度,中子孔隙度和井径测井应用实例[J], 郭国民
3.随钻感应测井探测特性及应用研究 [J], 杨锦舟; 朱军; 马哲; 李军
4.随钻测井精细解释方法及地质导向应用研究[C], 夏宏泉; 杨鸿; 朱猛; 祁斌; 张智勇
5.测井资料在地层抗钻特性参数预测中的应用研究[J], 王克雄; 魏凤奇。