CN109322660A - 一种水平主地应力方向随钻测量系统信号激励装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气随钻测井技术领域，尤其涉及一种水平主地应力方向随钻测量系统信号激励装置。本发明提出的一种水平主地应力方向随钻测量系统信号激励装置的激励信号为正弦波信号，且频率可调至与超声波换能器工作频率相同，保证信号能量可以最大限度地从超声波换能器发射到井壁，能够具有较高的信号输出效率，同时避免信号激励单元与超声波换能器单元因频带不匹配产生的信号拖尾现象。

Description

一种水平主地应力方向随钻测量系统信号激励装置

技术领域

本发明涉及油气随钻测井技术领域，尤其涉及一种水平主地应力方向随钻测量系统信号激励装置。

背景技术

随着北美页岩气获得成功开发，页岩气已成为全球油气勘探的新热点。近年来，我国也对页岩气开发高度重视，大力支持开展页岩气开发技术攻关与现场试验。

我国页岩气开发尚处于起步阶段，水平井钻井、储层压裂改造这两项页岩气开发的核心技术遇到诸多难点和瓶颈，如页岩气水平井段坍塌卡钻、储层压裂形成的裂缝形态不佳影响产能等。

现场试验及相关研究表明，与常规油气资源开发不同，在页岩气资源开发过程中，水平主地应力方向的准确测量对于水平井钻井过程中井眼稳定性分析、油藏的井网布局，以及储层改造过程中水力压裂设计以及水力压裂裂缝的延伸方向等起着决定性作用。另外，页岩气开发对测井技术也提出了更高的要求，常规的电缆测井以及钻井后取芯分析，无法实现钻井实时指导以及井眼轨迹控制实时决策，也无法获取破岩时第一手地质资料，导致测得的水平地应力方向测量与真实值存在较大误差。

总之，水平主地应力方向测量结果的准确性、实时性直接影响着页岩气水平井钻井、页岩气储层压裂改造效果，影响着页岩气开发产量。目前，我国尚无有关水平主地应力方向随钻测量的成熟技术与产品，目前仅能租借国外哈里伯顿、斯伦贝谢等公司的随钻测井仪器，价格昂贵，无法满足国内众多页岩气钻井需要。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种水平主地应力方向随钻测量系统信号激励装置，以克服上述缺陷。

发明内容

鉴于此，本发明提出一种水平主地应力方向随钻测量系统信号激励装置，目的在于能够以高瞬时功率同步激励安装于钻铤圆周方向的所有超声波换能器，且激励信号频率可调至与超声波换能器的工作频率相同，时域宽度不超过10us，从而保证系统既具有较远的井眼尺寸测量范围，又具有较高的井眼尺寸测量精度。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种水平主地应力方向随钻测量系统的信号激励装置，包括：

无磁钻铤本体，其两端分别连接MWD通讯测量短节和井下钻具；

信号激励装置，包括安装于无磁钻铤本体侧壁上的超声波换能器以及与所述超声波换能器相连的信号激励电路；

其中，所述信号激励电路包括：控制器单元、信号发生器单元、信号放大器单元和回波接收单元；所述的控制器单元，接收控制启动信号后，控制所述的信号发生器单元产生激励信号、所述的信号发生器单元根据需要可以产生所需频率的正弦波信号，能够按时序和间隔要求发出激励信号，激励信号经过所述的多级信号放大单元滤波、放大后同步或异步输出驱动超声波换能器；所述的回波接收单元接收超声波换能器发射信号经井壁反射的信号并进行处理后传输到其他单元采样处理。

在本发明的至少一个实施例中，所述超声波换能器在无磁钻铤本体侧壁上沿圆周方向以预设角度间隔设置于圆柱形超声波换能器凹槽内；用于向井壁发射超声波信号并接收井壁反射的回波信号。

在本发明的至少一个实施例中，所述信号激励电路在接收到一个起始控制脉冲后，按规定时间间隔同步或异步地发射满足设计要求的激励信号以驱动超声波换能器。

在本发明的至少一个实施例中，所述超声波换能器激励电路将放大前的原始信号发送至回波采集电路，且幅度≤3.3V。

在本发明的至少一个实施例中，还包括地面系统，通过MWD通讯测量短节获取基于超声波换能器得到的测量信息；所述地面系统以钻头破岩后的水平主地应力方向随钻测量系统为圆心，将圆周等分成N个扇区；测量每个扇区内安装在钻铤侧壁处的超声波换能器到井壁间的距离；将相隔180°两个点的数据之和最大值所对应的角度作为椭圆井眼长轴所在方向，从而得到对应的最小水平主地应力方向。

一种水平主地应力方向随钻测量系统的信号激励方法，包括：

在无磁钻铤本体两端分别连接MWD通讯测量短节和井下钻具；

在无磁钻铤本体侧壁上安装超声波换能器并将其与信号激励电路相连；

其中，所述信号激励电路包括：控制器单元、信号发生器单元、信号放大器单元和回波接收单元；

利用所述的控制器单元在接收控制启动信号后，控制所述的信号发生器单元产生激励信号；

利用所述的信号发生器单元根据需要产生所需频率的方波和正弦波信号，按时序和间隔要求发出激励信号；

将激励信号经过所述的多级信号放大单元滤波、放大后同步或异步输出驱动超声波换能器；

利用回波接收单元接收超声波换能器发射信号经井壁反射的信号并进行处理后传输到其他单元采样处理。

在本发明的至少一个实施例中，包括以下步骤：

主控电路接收到地面下传的启动指令后，开始进入工作状态；

当自转角检测电路测得仪器工具面角为0°时，主控电路向信号激励电路发送启动指令，启动计数器N＝1，同时主控电路向回波采集与存储电路发送开始采集指令；

信号激励电路向超声波换能器发射高瞬时功率脉冲信号，回波采集与存储电路采集得到各换能器所在方位的回波信号数据并存储。

每当自转角检测电路测得仪器工具面角到达测量角度时，主控电路再次向信号激励电路发送启动指令，同时主控电路向回波采集与存储电路发送开始采集指令，计数器N＝N+1；信号激励电路再次向各超声波换能器发射高瞬时功率脉冲信号，回波采集与存储电路采集回波信号数据并存储。

因此，本发明具有如下优点：1.本发明提出的一种水平主地应力方向随钻测量系统信号激励装置的激励信号为正弦波信号，且频率可调至与超声波换能器工作频率相同，保证信号能量可以最大限度地从超声波换能器发射到井壁，能够具有较高的信号输出效率，同时避免信号激励单元与超声波换能器单元因频带不匹配产生的信号拖尾现象；

2、本发明提出的一种水平主地应力方向随钻测量系统信号激励装置的激励信号为正弦波信号，且正弦波周波数可调，可调至激励信号时域宽度不超过10us，保证系统的最小分辨距离不超过1cm。

附图说明

附图1是本发明的一种原理图；

附图2是水平主地应力方向随钻测量系统结构示意图；

附图3是水平主地应力方向随钻测量系统工作流程图；

附图4是水平主地应力方向随钻测量系统的电控系统原理框图；

附图5是本发明的另一种原理图；

附图6是水平主地应力方向随钻测量系统的电控系统控制流程图；

附图7是水平主地应力方向随钻测量系统信号采集与存储装置结构图；

附图8是水平主地应力方向随钻测量信号采集与存储装置工作流程图；

附图9是水平主地应力方向随钻测量系统的电控系统控制流程图；

附图10是超声波换能器在仪器钻铤侧壁的安装示意图；

附图11是信号激励电路工作流程图；

附图12是信号激励电路示意图；

附图13是自转角检测装置示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

水平主地应力方向随钻测量系统

参见图1和2，显示了本发明的水平主地应力方向随钻测量系统及测量方法。

所述水平主地应力方向随钻测量系统主要可包含无磁钻铤本体1、4芯总线连接器2、电池筒3、自转角检测电路4、信号接口5、主控电路6、回波信号处理与存储电路7、信号激励电路8、回波信号采集电路9、扶正器10、超声波换能器11，所述无磁钻铤本体1的两端可分别连接MWD通讯测量短节和井下钻具，其中，其上端可为连接MWD通讯测量短节的母扣连接端，下端为连接至井下钻具的公扣连接端，所述无磁钻铤本体1侧壁加工出7个舱体用于安放电路，由上端到下端依次为2个供电电池舱体、自转角检测电路舱体、主控电路舱体、回波信号处理与存储电路舱体、信号激励电路舱体、回波信号采集电路舱体；侧壁加工出1个圆柱形信号通讯口凹槽，用于安装信号口插座；侧壁沿圆周360°方向，每隔90°加工出1个圆柱形超声波换能器凹槽，共4个，用于放置超声波换能器；另外，在各个舱体和凹槽之间加工出通孔，用于走线连接。

其中，所述扶正器呈圆环形加工在钻铤本体上，外径与钻头尺寸相同，安装位置位于在超声波换能器的上端300mm处，主要功能为：

一是使超声波换能器所在钻铤位置的中心与井眼中心近似重合，避免测量时测量工具在井眼中偏心，影响测量结果的准确性；

二是因超声波换能器的最小探测距离约为1cm，故设置扶正器使超声波换能器与井壁间保持1cm以上的距离，即可避免测量“死区”；

三是避免超声波换能器直接与井壁接触，造成磨损。

所述4芯总线连接器，用于与MWD通讯短节相连接，通过MWD向地面上传井眼尺寸等数据。

所述的自转角检测电路的具体作用与功能为用于测量超声波换能器相对井眼绝对位置转动的角度，保证测量系统除了可测得井眼尺寸信息外，也可以测出该尺寸信息在井眼中的实际方位，即增加了角度信息，从而测出井眼椭圆长、短轴方向信息，以便后续解算水平主地应力方向。

所述的电池筒，用于所有井下电路供电，每个电路舱体放置3节电池(每节约3.6V)，2个电路舱共放置6节电池，串联连接，供电电压约为21.6V。

所述的信号接口，一是用于通过插拔短路接头，实现整套电路系统的通断电，相当于系统通电开关；二是用于起钻后，插入与地面电脑连接线，读取存储电路中的原始数据。

所述的主控电路具体作用与功能为用于系统电源管理，并与MWD、自转角检测电路、信号激励电路、信号采集电路、信号处理与存储电路实时控制与通讯。

所述的回波信号处理与存储电路具体作用与功能为用于对采集到的回波原始信号进行实时处理，得到传感器与井壁间的位置信息并存储。

所述的信号激励电路具体作用与功能为用于产生激励超声波换能器的较高瞬时功率的脉冲电信号。

所述的回波信号采集电路具体作用与功能为用于采集从井壁反射到超声波换能器的原始信号并存储。

所述的超声波换能器共4个，沿圆周360°方向，每隔90°放置1个，每个换能器收发共用，具体作用与功能为既向井壁发射超声波信号，同时通过主控电路时序控制，也能接收井壁反射的回波信号。

参见图1，显示了了为本发明提供的水平主地应力方向随钻测量示意图，在具体操作中，由于不受外界因素干扰下时地下岩体所受的地应力处于平衡状态，而本申请的水平主地应力方向随钻测量系统跟随钻头破岩时打破了地层原始应力分布，在地应力的作用下，井壁附近岩石发生变形并产生应力集中，而这种形成崩落椭圆井眼，具体而言，由于椭圆井眼的长轴方向与最小水平主应力方向一致，短轴方向与最大水平主地应力方向一致。因此，可通过本申请的水平主地应力方向随钻测量系统对椭圆井眼的长、短轴所在方向进行测量，即可随钻解算钻具所在地层位置的水平主地应力方向。

为实现准确测量，本申请中将以钻头破岩后的水平主地应力方向随钻测量系统为圆心，将圆周360°等分成N(N为正偶数)个扇区，N值越大，扇区越多，水平主地应力方向测量精度越高。从0°开始，基于超声波反射测距原理，每隔360°/N测量1次安装在钻铤侧壁处的超声波换能器到井壁间的距离，记为dθ(θ为对应角度值)，共测量N次，得到1圆周内d0、d1*360/N、d2*360/N、……、d(N-1)*360/N，共N个测量点数据，进一步得到相隔180°两个点的数据之和最大值所对应的角度即为椭圆井眼长轴所在方向，从而得到对应的最小水平主地应力方向。

在具体进行测量时，需要按照如下步骤进行：

步骤一：钻前准备，在地面上打开信号口盖，通过信号接口，用数据线将水平主地应力方向随钻测量系统与电脑连接，通过地面配套软件将井下装置初始化，设置完毕后，插上短路插头，完成系统上电，水平主地应力方向随钻测量系统进入待机状态；

步骤二：钻入测量，钻具带着测量系统进行钻入，到达目标地层后，地面下传启动指令，主控电路收到该指令后，启动系统开始工作。测量系统在随钻工程中，实时采集并处理井壁反射的回波信号，解算得到井眼椭圆长、短轴方向信息，并通过MWD将井眼椭圆长、短轴方向信息上传到地面。地面系统根据收到的井眼椭圆长、短轴方向信息，可随井深变化绘制出井眼剖面形状，从而得到最大或最小地应力方向。

步骤三：钻后采集，起钻后，打开信号口盖，拔掉短路插头，将测量装置断电，通过信号接口，用数据线将随钻井眼尺寸与形状测量装置与电脑连接，读取井下存储器中原始波形采集数据。

参见图4，显示了本发明其中一实施例提供的电控系统原理框图。

所述主控电路与自转角检测电路连接以读取自转角检测电路值；所述主控电路与信号激励电路连接，单向通讯，发送控制指令；所述主控电路与回波采集与存储电路连接，单向通讯，发送控制指令；所述主控电路与数据处理与存储电路连接，双向通讯，发送控制指令，读取数据；主控电路与MWD连接，双向通讯，读取、上传信息。

所述信号激励电路与4组超声波换能器连接，单向通讯，发射激励信号；回波采集与存储电路与4组超声波换能器连接，单向通讯，采集4组回波信号；数据处理与存储电路与回波采集与存储电路连接，单向通讯，读取采集到的原始数据。

参见图5，显示了本申请其中一实施例的电控系统控制流程图。

本发明提出的控制方法将圆周划分成36个扇区，每间隔40°测量1组数据，每组数据4个点，1个圆周共测9组，共测36个点，由此解算出的水平主地应力方向测量误差≤±5°。

采用间隔40°测量1组数据的优点在于：

一是可以将圆周等分成36个扇区，提高测量精度；

二是正常钻井过程中，钻具转速约为60～120r/min，以转速120r/min为例，则钻具自转角速度为720°/s，若每组数据测量间隔较短，如每隔10°测量1组数据，则要求每13.88ms完成1组共4个数据点的测量工作，即需在13.88ms完成包括超声波信号发射、波在泥浆中钻具与井壁间传播、回波信号采样、存储、信号处理等过程工作，对整套电控系统要求较高。然而，若通过间隔40°测量1组数据的方式，既保证最终同样的测量效果，也降低了整套电控系统的设计难度。

具体控制方法为：

主控电路接收到地面下传的启动指令后，开始进入工作状态。

当自转角检测电路测得仪器工具面角为0°时，主控电路向信号激励电路发送启动指令，启动计数器N＝1，同时主控电路向回波采集与存储电路发送开始采集指令。信号激励电路向4组超声波换能器发射高瞬时功率脉冲信号，回波采集与存储电路采集得到0°、90°、180°、270°四个方位的回波信号数据并存储。

随着钻具转动，见图5所示，每当自转角检测电路测得仪器工具面角为40°的倍数时，主控电路再次向信号激励电路发送启动指令，同时主控电路向回波采集与存储电路发送开始采集指令，计数器N＝N+1。信号激励电路再次向4组超声波换能器发射高瞬时功率脉冲信号，回波采集与存储电路采集回波信号数据并存储。

当N＝9时，系统完成1个圆周数据测量工作，得到下表1中36个测量点数据，即此控制方法将圆周划分为36个扇区，系统测量误差≤±5°。主控电路内部定时器开始计时等待60s，再次启动系统测量1个圆周数据，同时将计数器N清0。

表1

计数器值	换能器1	换能器2	换能器3	换能器4
					1	0°	90°	180°	270°
2	40°	130°	220°	310°
					3	80°	170°	260°	350°
4	120°	210°	300°	30°
					5	160°	250°	340°	70°
6	200°	290°	20°	110°
					7	240°	330°	60°	150°
8	280°	10°	100°	190°
					9	320°	50°	140°	230°

由此每当系统工作1次，得到36个测量点数据。存储完成后，将数据打包发送至数据处理电路，数据处理电路将每通道的回波信号解算成对应的超声波换能器到井壁间的距离，解算完成后，将每个圆周的36个测量点数据打包为1组，发送至主控电路，主控电路与MWD连接，通过泥浆脉冲，将每60s获得的1个圆周36个测量点的井眼尺寸数据上传至地面，通过地面软件即可解算出水平主地应力方向等信息。

信号采集与存储装置

图7为本发明实施例提供的水平主地应力方向随钻测量信号采集与存储装置原理图。

在不受外界因素干扰下，地下岩体所受的地应力处于平衡状态。钻头破岩时会打破地层原始应力分布，在地应力的作用下，井壁附近岩石发生变形并产生应力集中，形成崩落椭圆井眼，椭圆井眼的长轴方向与最小水平主应力方向一致，短轴方向与最大水平主地应力方向一致。因此，通过随钻测量椭圆井眼的长、短轴所在方向，即可随钻解算钻具所在地层位置的水平主地应力方向。通过超声波、电磁波(等并不限于上述两种)从发射到返回所经历的时间，由于距离与波传播的时间成正比，相应的被测量井眼的长、短轴长度等于波速与传播时间的乘积。

本实施例中将发射波频率设定为400KHz，系统采样频率提高到4MHz，则每个信号周波采样10个点，每个点以12位数字量保存在单片机内存中,可以减小反射波到达时间的计算误差，测量井眼间距更加精确，绝对误差≤±0.5mm。

本实施例每次采样测量时间为200微秒，超声波换能器的最小探测距离约为1厘米到10厘米之间，根据钻井液介质的不同，测量范围会有微小变化。

本实施例具有自动压控增益放大器，能够自动根据采样信号的电压幅值调整放大比例，保证传送给采样单元的信号不失真，不削顶。

超声波换能器的发射波是幅值为3.3伏特的正弦波，地层和钻井液对于超声波具有强烈的吸收特性，会造成反射波的幅值大幅度减小。如果信号通道使用一比一的放大倍数，则对于超声波换能器的发射波3.3伏特的幅值是合适的。但是由于反射波被井壁和钻井液吸收能量后，幅值大幅度衰减，如果不经过信号放大，12位AD采样值难以描述反射波的波形形状。本实施例中具有自动压控增益放大器可以自动根据输入信号的幅值大小，调整放大器输出信号的幅值在1.5伏特-3.3伏特之间。

本实施例具有两种通讯方式。其一是通过4芯总线连接器与MWD通讯短节相连接，通过MWD向地面实时上传井眼尺寸等数据。其二是起钻后，插入与地面电脑连接线，读取原始采样数据。

所述的前置放大器可以增强收到的超声波发生器的发射波和反射波信号的驱动能力。采用德州仪器生产的Texas Instruments LM1875T/NOPB单声道音频放大器,其典型增益带宽积为5.5MHz等具有高增益带宽积的音频放大器，但不仅限于该型号芯片。设计发射信号中心频率在400kHz，通过该前置放大器可以增强接收回来的井壁反射信号的驱动能力，用于后续的滤波处理。

所述的带通滤波器可以滤除其他频率的干扰信号，将放大后的井壁反射信号进行滤波处理。可采用TI公司OPA838电压反馈运算放大器高速精密运算放大器为核心芯片设计成带通滤波器，其增益带宽可达300MHz，可有效降低其他频率干扰信号的幅值，也可以应用其他型号的高速精密运算放大器构成带通滤波器；

所述的自动压控增益放大器可以根据输入信号的电压幅值自动调节输出信号的电压幅值在1.5伏特到3.3伏特之间。可采用德州仪器(TI)公司的VCA810AID控制电压放大器为核心芯片；或者AD83系列控制电压放大器；或LMH6503MT/NOPB控制电压放大器为核心芯片均可但不限于上述芯片。

所述的A/D转换和数据保存芯片用于将超声波换能器的发射波和反射波信号模拟值转换为12位数字值，并保存在单片机内存中。可采用PIC32MZ EF,系列单片机具有252Mhz的时钟频率，内置四路同步AD采样通道，可以有效消除因为采样不同步造成的反射波到达时间误差。

所述的超声波换能器，共4个，沿圆周360°方向，每隔90°放置1个，每个换能器收发共用，既向井壁发射超声波信号，同时通过主控电路时序控制，也能接收井壁反射的回波信号。

图8为本发明实施例提供的水平主地应力方向随钻测量信号采集与存储装置工作流程图。

钻前：地面上打开信号口盖，通过信号接口，用数据线将水平主地应力方向随钻测量系统与电脑连接，通过地面配套软件将井下装置初始化，设置完毕后，插上短路插头，完成系统上电，水平主地应力方向随钻测量信号采集与存储装置进入待机状态。

钻中：测量系统到达目标地层后，地面下传启动指令，主控电路收到该指令后，发送启动信号采集指令给随钻测量信号采集与存储装置。测量系统在随钻工程中，实时采集并处理井壁反射的回波信号，解算得到井眼椭圆长、短轴方向信息，并通过MWD将井眼椭圆长、短轴方向信息上传到地面。地面系统根据收到的井眼椭圆长、短轴方向信息，可随井深变化绘制出井眼剖面形状，从而得到最大或最小地应力方向。

钻后：起钻后，打开信号口盖，拔掉短路插头，将测量装置断电，通过信号接口，用数据线将随钻井眼尺寸与形状测量装置与电脑连接，从信号采集与存储装置中读取井下存储器中原始波形数据。

图9为本发明实施例提供的一种水平主地应力方向随钻测量信号采集与存储装置电控系统原理框图。

具体控制方法为：

所述的一种水平主地应力方向随钻测量信号采集与存储装置开机上电后，整个系统初始化，进入死循环等待启动信号采集；

当接收到主控电路发来的启动信号采集指令后，定时器清零开始计时。

采集与存储电路每隔0.25微秒采集一个AD值，每个通道采集时长200微秒，即800个AD值，计数器每采集一次自加1，共计加到800，完成一个采样工作周期。

采样结束后、将4个通道共计3200个AD值顺序存储在单片机内存中，或者外部存储器均可。

存储结束后，将存储数据发送给主控单元进行数据计算并上传实时井壁间距数据。

程序返回初始状态，等待下一次启动信号采集指令。

超声波换能器安装结构

本实施例还设计了一种超声波换能器安装结构。下面结合附图9进行说明。

图10为本发明实施例提供的超声波换能器在仪器钻铤侧壁的安装示意图。其中：1-仪器钻铤、2-超声波换能器、3-抗压隔离层、4-侧壁保护、5-端面保护、6、过线孔。

在仪器钻铤侧壁加工3个同轴台阶孔，D1孔用于放置过线，D2孔用于放置超声波换能器，D3孔用于填补抗压隔离层，为确保抗压隔离层能够与钻铤紧密接合，在D3孔中加工环形凸台。

具体安装超声波换能器的方法是：

在D2孔中放置百余张压缩纸，总厚度约2mm，为超声波换能器轴向减震，以实现端面保护，将超声波换能器2个引脚戳穿压缩纸后固定。

从过线孔中引入2根线，分别与超声波换能器的2个引脚焊接，然后将超声波换能器再次放置在张环形压缩纸上，将多余线放置于D1孔中。

将环形橡木放置于超声波换能器与D2孔的孔壁内，环形橡木与D2孔为间隙配合，与超声波换能器有1-2mm间隙，将间隙中灌满聚氨酯，为超声波换能器径向减震，以实现侧壁保护。

超声波换能器安装完毕，继续使用聚氨酯作为隔离层将D3孔整体灌封，D3孔中的环形凸台可以起到增加接触强度作用，24h后，待聚氨酯凝固，使用砂纸将聚氨酯与钻铤侧壁接触位置打磨光滑，超声波换能器被固封于钻铤侧壁，可满足随钻测量工作。

信号激励装置

图11为本发明实施例提供的水平主地应力方向随钻测量系统激励电路装置的工作原理图。

所述的水平主地应力方向随钻测量系统激励电路装置在接收到一个起始控制脉冲后，能够按规定时间间隔同步或异步地发射满足设计要求的激励信号，驱动超声波换能器。同时，超声波换能器激励电路要将放大前的原始信号发送至回波采集电路，幅度≤3.3V。

图12为本发明实施例提供的水平主地应力方向随钻测量系统激励电路装置的原理图。

所述的水平主地应力方向随钻测量系统激励电路装置由四部分组成：控制器单元、信号发生器单元、信号放大器单元和回波接收单元。所述的控制器单元，接收控制启动信号后，控制所述的信号发生器单元产生激励信号、所述的信号发生器单元根据需要可以产生所需频率的方波和正弦波信号，能够按时序和间隔要求发出激励信号，激励信号经过所述的多级信号放大单元滤波、放大后同步输出驱动超声波换能器。所述的回波接收单元是接收超声波换能器发射信号经井壁反射的信号并进行处理后传输到其他单元采样处理。

本实施例中，所述的信号发生器单元能够在所述的控制器单元控制下产生测量所需的各种频率的方波或正弦波信号。所述的信号放大器单元具有能够单级或多级放大所述的信号发生器单元所产生的信号功能，并具有对所述信号滤波功能。所述的回波接收单元具有接收超声波换能器发射信号经井壁反射的信号功能。所述的一种水平主地应力方向随钻测量系统激励电路装置发出的信号时间长度间隔可以任意设置。

自转角检测装置

如图13所示：三轴加速度传感器将重力加速度转换为电信号，经放大滤波处理后进行模数转换，转换结果送入控制器；三轴磁传感器将所处磁场转换为电信号，经放大和直流放大滤波处理后进行模数转换，转换结果送入控制器；控制器通过去偏置电路消除磁传感器的输出偏置。控制器根据检测到的三轴加速度数据和三轴磁场数据，计算出磁工具面角、重力工具面角、井斜角、方位角、磁倾角、钻铤转速，并判断钻铤的状态。控制器通过接口控制器通过接口将测得的数据发送到声波激励装置。

本发明的另一实施例，在图1所示中仅采用简化的两轴径向的磁传感器和两轴的重力加速度计，检测磁工具面角、重力工具面角、钻铤转速并判断钻铤状态。控制器通过接口控制器通过接口将测得的数据发送到声波激励装置。

采用上述结构后，自转角检测装置的工作流程如下：

(1)三轴磁传感器将地球磁场转换为三路电信号，然后经过放大滤波处理，送入A/D转换器进行模数转换，并将模数转换结果送入处理器，计算得到三轴磁力计数据Hx、Hy和Hz和瞬态磁工具面角tMroll；瞬态磁工具面角数据tMroll存入瞬态磁工具面角数据FIFO队列，并根据磁工具面角数据FIFO队列的误差实时判断此时的钻铤状态：是旋转还是不旋转，并且计算出钻铤旋转的速度；

(2)三轴重力加速度计将加速度信息转换为三路电信号，该三路电信号经过放大滤波电路，送入模数转换器进行A/D转换，然后在处理器中进行数字滤波处理，得到瞬时三轴重力加速度数据tGx，tGy和tGz，以及瞬态倾斜角tInc和瞬态工具面角tRoll，并存入各自的FIFO队列，计算出实时三轴重力加速度Gx，Gy，Gz及其误差。根据Gx，Gy，Gz的误差判断此时的钻铤状态：是滑动还是不滑动；

(3)钻铤状态为不转动并且不滑动时计算得到具有最小误差的实时磁工具面角和具有最小误差的重力工具面角，进而计算得到静态时磁工具面角和重力工具面角的角差K。

(4)在钻铤状态为转动或滑动时，通过磁传感器实时检测地球磁场，结合静态时磁工具面角和重力工具面角的角差K，计算出实时重力工具面角为Roll，从而实时确定各个声波换能器在空间的具体位置。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种水平主地应力方向随钻测量系统的信号激励装置，其特征在于，包括：

无磁钻铤本体(1)，其两端分别连接MWD通讯测量短节和井下钻具；

信号激励装置，包括安装于无磁钻铤本体侧壁上的超声波换能器以及与所述超声波换能器相连的信号激励电路；

其中，所述信号激励电路包括：控制器单元、信号发生器单元、信号放大器单元和回波接收单元；所述的控制器单元，接收控制启动信号后，控制所述的信号发生器单元产生激励信号、所述的信号发生器单元根据需要可以产生所需频率的正弦波信号，能够按时序和间隔要求发出激励信号，激励信号经过所述的多级信号放大单元滤波、放大后同步或异步输出驱动超声波换能器；所述的回波接收单元接收超声波换能器发射信号经井壁反射的信号并进行处理后传输到其他单元采样处理。

2.根据权利要求1所述的一种水平主地应力方向随钻测量系统的信号激励装置，其特征在于，所述超声波换能器在无磁钻铤本体侧壁上沿圆周方向以预设角度间隔设置于圆柱形超声波换能器凹槽内；用于向井壁发射超声波信号并接收井壁反射的回波信号。

3.根据权利要求1所述的一种水平主地应力方向随钻测量系统的信号激励装置，其特征在于，所述信号激励电路在接收到一个起始控制脉冲后，按规定时间间隔同步或异步地发射满足设计要求的激励信号以驱动超声波换能器。

4.根据权利要求1所述的一种水平主地应力方向随钻测量系统的信号激励装置，其特征在于，所述超声波换能器激励电路将放大前的原始信号发送至回波采集电路，且幅度≤3.3V。

5.根据权利要求1所述的一种水平主地应力方向随钻测量系统的信号激励装置，其特征在于，还包括地面系统，通过MWD通讯测量短节获取基于超声波换能器得到的测量信息；所述地面系统以钻头破岩后的水平主地应力方向随钻测量系统为圆心，将圆周等分成N个扇区；测量每个扇区内安装在钻铤侧壁处的超声波换能器到井壁间的距离；将相隔180°两个点的数据之和最大值所对应的角度作为椭圆井眼长轴所在方向，从而得到对应的最小水平主地应力方向。

6.一种水平主地应力方向随钻测量系统的信号激励方法，其特征在于，包括：

在无磁钻铤本体(1)两端分别连接MWD通讯测量短节和井下钻具；

在无磁钻铤本体侧壁上安装超声波换能器并将其与信号激励电路相连；

其中，所述信号激励电路包括：控制器单元、信号发生器单元、信号放大器单元和回波接收单元；

利用所述的控制器单元在接收控制启动信号后，控制所述的信号发生器单元产生激励信号；

利用所述的信号发生器单元根据需要产生所需频率的方波和正弦波信号，按时序和间隔要求发出激励信号；

将激励信号经过所述的多级信号放大单元滤波、放大后同步或异步输出驱动超声波换能器；

利用回波接收单元接收超声波换能器发射信号经井壁反射的信号并进行处理后传输到其他单元采样处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

主控电路接收到地面下传的启动指令后，开始进入工作状态；

当自转角检测电路测得仪器工具面角为0°时，主控电路向信号激励电路发送启动指令，启动计数器N＝1，同时主控电路向回波采集与存储电路发送开始采集指令；

信号激励电路向超声波换能器发射高瞬时功率脉冲信号，回波采集与存储电路采集得到各换能器所在方位的回波信号数据并存储。

每当自转角检测电路测得仪器工具面角到达测量角度时，主控电路再次向信号激励电路发送启动指令，同时主控电路向回波采集与存储电路发送开始采集指令，计数器N＝N+1；信号激励电路再次向各超声波换能器发射高瞬时功率脉冲信号，回波采集与存储电路采集回波信号数据并存储。