[发明专利]一种钻头扭转测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及随钻测量领域，特别是钻井、钻孔和钻探中钻头的扭转测量。

技术背景

钻头在钻进过程中会发生扭转振动，滑/粘振动是一种扭转振动，它与钻头转速间歇性的波动有关，当钻头转速接近恒定时会产生其它类型的扭转振动；另外钻头环境温度变化比较大。

虽然扭转振动不会对钻进速度起到不利影响，但钻头从停止到钻进过程，假设钻头转速从0变为146r/min，钻压会从8000lbm (3628.8 kg)升至大约21000lbm (9525.6kg)，钻头扭矩从200ft·lbf升至800ft·lbf，钻压和钻头扭矩剧烈变化会引起钻头镶齿和牙轮断裂，而且也会使轴承/密封过早失效，缩短轴承寿命，对钻头动态特性和性能影响很大，因此需要对钻头扭转进行监测。

目前扭转测量有两种方法，一是通过振动信号分析，一是通过扭矩仪或力矩计测量。第一种方法通过钻柱振动或近钻头振动测量，测量的振动信号中包括轴向振动、侧向振动、扭转加速和重力加速度，还有测量仪器的干扰噪声，导致振动信号具有混沌性，提取扭转振动信号是十分困难的，导致不能真实测量扭转，甚至是错误的。第二种方法虽然从精度上是可行的，但由于钻头剧烈的振动，在钻进过程中容易松动，甚至脱落。 

发明内容

 本发明的目的在于提出一种随钻钻头扭转测量方法，把MEMS磁强计测量技术与钻头测量技术结合在一起，对钻头的扭转和扭转振动进行测量，来降低温度的影响和抗冲击能力。

为了实现上述目的，所述装置包括信号采集模块、信号处理模块和信号接口三部分，信号采集模块和信号处理模块安装在钻头处或内置在随钻测量系统。

所述信号采集模块由两只三轴磁强计、两只温度计和放大部分组成，考虑钻头的振动和小孔径钻进的使用，采用MEMS三轴磁强计和MEMS温度计来构成，或直接采用带有温度补偿的磁强计集成模块。

为了防止环境温度对传感器影响，对信号采集模块和信号处理模块涂上无磁性的隔热材料，高温时也能正常工作。

所述信号采集模块的两只三轴磁强计对称安装，间距尽量近，分别用以测量钻头三个轴向上磁场的强度。

所述的温度计用以测量磁强计的温度，用于磁强计信号的温度补偿。

所述信号处理模块首先进行磁强计信号的温度补偿，由于两只磁强计对称安装，每只磁强计测量的数据包括钻头磁数据、钻头扭转引起的磁数据、地磁数据和外界干扰磁数据，由于两磁强计间距离很近，所以敏感的地磁数据和外界干扰磁数据及钻头本身的磁数据基本相同，两磁强计测量数据的差值就是钻头扭转的引起的磁变化，如果采用单只磁强计的话，测量扭转引起的磁变化就会困难很多，要根据地磁模型剔除地磁数据，采用滤波算法剔除外界干扰数据，再减去钻头本身的磁数据，这样即使地磁模型不准确或强磁环境也是没有影响的。然后根据补偿后两磁强计数据的差值和钻头磁扭转模型(通过不同的钻头扭转角度与两磁强计测量数据的差值之间的关系，采用数据拟合的方法建立模型)计算扭转角，当钻头不发生扭转时，磁强计读数相等；发生扭转时，通过钻头磁扭转模型，计算扭转角                                                (按弧度)，由于这个弧度角比较小，钻头半径已知，利用求出扭转振动。

如果一只磁强计发生故障，也可通过单只磁强计测量的数据，进行扭转辅助测量。

本发明的优点在于：⑴体积小，抗振动能力强和可靠性高；⑵采用无磁性材料涂层，即使高温下也能够工作；⑶在外界磁异常时也可以测量。⑷尤其适用于低成本、小钻孔的随钻测量。

附图说明

图1 为本发明装置的结构；

图2 为本发明装置的钻头坐标系；

图3 为本发明的测量方法流程。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1所示，本装置包括信号采集模块、信号处理模块、信号接口和无磁性隔热涂料层1和黏合剂加固层2。

信号采集模块采用芯片内置16bit AD转换器两只三轴磁强计和两只温度计组成，直接数字IIC接口，磁场测量范围：±1200uT，磁强计测量精度为0.02uT，可抗10000g的冲击抗振(避免钻头钻到岩石等坚硬的物体上使传感器损坏)，噪声非常低(测量的信号为真实的信号)、价格低，功耗低和体积小(4mm×4mm×1.5mm)。

如图2，以钻头纵轴轴向方向为X轴，Y轴垂直齿平面，Z方向按右手法则确定，建立钻头坐标系。

两只磁强计的连线要与模块安装面平行，与钻头轴向垂直。

经过放大到信号处理模块。