[发明专利]深井钻头位置的时差定位系统及方法

说明书

技术领域

本发明公开了深井钻头位置的时差定位系统及方法，属于信号定位的技术领域。

背景技术

在钻井工程中，尤其在百米以上的深井钻井工程中，百米以下的复杂地质条件不能被完整地勘察，施工时常遇到大块岩体、软弱夹层等情况，钻头在这些条件下会产生偏斜，最终导致钻井产生偏斜。控制钻井偏斜率是钻井工程中的主要任务，也是主要技术难点，迄今没有被很好地解决。研究如何控制钻头偏斜率将会很好地解决钻井偏斜问题，具有重要的工程意义。

控制钻头偏斜率的措施很多，但常见的有两种，配置稳定钻杆或增大钻机对钻杆的扭矩。钻井工程中一般根据地质勘探报告，预先在某段钻杆上配置稳定钻杆，通过这样的方式控制钻头偏斜率，但由于工程突发情况的随即性很大，地质勘察报告并不能囊括所有情况，导致这种措施在现实中的应用效果较差。如果在每段钻杆上均配置稳定钻杆，此方式消耗成本过大，工程量也大大增加，并不可取。目前，施工人员均依靠以往经验来调整钻头偏斜率，仅能有限地控制钻井偏斜率，这在浅井钻井工程中得到广泛应用，效果显著，但并不能满足深井钻井工程的需求。如果钻头位置信息能够实时反馈到施工人员，即对钻头位置进行实时监测，再采取配置稳定钻杆或增大钻机扭矩等措施，能够很好地控制深井的偏斜率，目前主要采用GPS空间定位技术和信号定位技术来实时定位深井钻机钻头。

通过GPS空间定位技术可以定位钻头位置，根据钻头轨迹曲线，观测偏移趋势，再采取配置稳定钻杆等方法来对钻头进行实时调整。GPS定位技术已经非常成熟，并广泛应用于各个领域，包括交通、航天、军事等，但由于地面GPS信号的强度为-155~158dBW，载波频率为1.2~1.5GHz，这个信号强度受地面环境影响很大，卫星信号可能被环境噪声信号淹没，因为没有考虑钻井钻头信号受到环境杂波信号干扰的因素，因此不能够很好地定位工作中的深井钻机钻头。

根据信号定位技术来已经有很多种方法，常见信号通常采用的方法有：区域定位法和时差定位法。区域定位法对传感器位置无特殊要求，但要求检测区域内信号至少被一个传感器接收到，信号源的位置就在首先接收到信号的传感器的附近。该方法的优点是传感器位置布置灵活，检测范围大，但检测到的信号源位置仅表示一定的区域，不能准确定位。现有技术中，有在二维平面内利用时差定位确定信号源位置的应用，目前还没有在三维空间内利用时差定位法确定信号源的运用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了深井钻头位置的时差定位系统及方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

深井钻头位置的时差定位系统，包括信号传感器阵列、信号处理器、计算机，所述传感器阵列包括至少四个传感器；所述传感器分布在钻头工作振动的范围内的地面上；所述信号处理器的输入端接传感器，输出端接计算机。

所述深井钻头位置的时差定位系统中，信号处理器包括：低通滤波器组、数字采集卡，所述低通滤波器组包含与传感器数目相同的低通滤波器；

其中：每一个低通滤波器的输入端与一个传感器连接，低通滤波器的输出端均与数字采集卡的输入端连接；所述数字采集卡的输出端接计算机。

所述深井钻头位置的时差定位系统中，所述传感器阵列包括6个传感器，6个传感器分两列平行布局。

深井钻头位置的时差定位方法，包括如下步骤：

步骤1，在钻头工作振动的范围内的地面上布置传感器阵列；

步骤2，采用现场试钻的方法，根据钻头每秒钻数和深井岩石种类，设定信号处理器采集声波信号的振动频率；

步骤3，计算机根据声波到达每一个传感器的时间确定时间差，结合传感器的自身位置信息，利用时差定位法确定钻头位置信息；

步骤4，计算机对比步骤3得到的钻头位置信息以及钻头基准位置信息，得到钻头偏斜率信息，发送调整钻头位置的信息给钻井操作人员。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：通过设定采集声波振动频率的范围，排除钻井作业现场的杂波信号的干扰因素，实现了钻井钻头的三维定位；计算量小，实时监测钻头倾斜率进而实时调整钻头位置，满足了钻井作业的工程需求。

附图说明

图1为深井钻头位置的时差定位系统的模块图。

图2为深井钻头位置的时差定位方法实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：