專利名稱：深井鉆頭位置的時差定位系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了深井鉆頭位置的時差定位系統(tǒng)及方法，屬于信號定位的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在鉆井工程中，尤其在百米以上的深井鉆井工程中，百米以下的復(fù)雜地質(zhì)條件不能被完整地勘察，施工時常遇到大塊巖體、軟弱夾層等情況，鉆頭在這些條件下會產(chǎn)生偏斜，最終導(dǎo)致鉆井產(chǎn)生偏斜。控制鉆井偏斜率是鉆井工程中的主要任務(wù)，也是主要技術(shù)難點，迄今沒有被很好地解決。研究如何控制鉆頭偏斜率將會很好地解決鉆井偏斜問題，具有重要的工程意義?？刂沏@頭偏斜率的措施很多，但常見的有兩種，配置穩(wěn)定鉆桿或增大鉆機對鉆桿的扭矩。鉆井工程中一般根據(jù)地質(zhì)勘探報告，預(yù)先在某段鉆桿上配置穩(wěn)定鉆桿，通過這樣的·方式控制鉆頭偏斜率，但由于工程突發(fā)情況的隨即性很大，地質(zhì)勘察報告并不能囊括所有情況，導(dǎo)致這種措施在現(xiàn)實中的應(yīng)用效果較差。如果在每段鉆桿上均配置穩(wěn)定鉆桿，此方式消耗成本過大，工程量也大大增加，并不可取。目前，施工人員均依靠以往經(jīng)驗來調(diào)整鉆頭偏斜率，僅能有限地控制鉆井偏斜率，這在淺井鉆井工程中得到廣泛應(yīng)用，效果顯著，但并不能滿足深井鉆井工程的需求。如果鉆頭位置信息能夠?qū)崟r反饋到施工人員，即對鉆頭位置進行實時監(jiān)測，再采取配置穩(wěn)定鉆桿或增大鉆機扭矩等措施，能夠很好地控制深井的偏斜率，目前主要采用GPS空間定位技術(shù)和信號定位技術(shù)來實時定位深井鉆機鉆頭。通過GPS空間定位技術(shù)可以定位鉆頭位置，根據(jù)鉆頭軌跡曲線，觀測偏移趨勢，再采取配置穩(wěn)定鉆桿等方法來對鉆頭進行實時調(diào)整。GPS定位技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括交通、航天、軍事等，但由于地面GPS信號的強度為-155 158dBW，載波頻率為I. 2 I. 5GHz，這個信號強度受地面環(huán)境影響很大，衛(wèi)星信號可能被環(huán)境噪聲信號淹沒，因為沒有考慮鉆井鉆頭信號受到環(huán)境雜波信號干擾的因素，因此不能夠很好地定位工作中的深井鉆機鉆頭。根據(jù)信號定位技術(shù)來已經(jīng)有很多種方法，常見信號通常采用的方法有區(qū)域定位法和時差定位法。區(qū)域定位法對傳感器位置無特殊要求，但要求檢測區(qū)域內(nèi)信號至少被一個傳感器接收到，信號源的位置就在首先接收到信號的傳感器的附近。該方法的優(yōu)點是傳感器位置布置靈活，檢測范圍大，但檢測到的信號源位置僅表示一定的區(qū)域，不能準確定位。現(xiàn)有技術(shù)中，有在二維平面內(nèi)利用時差定位確定信號源位置的應(yīng)用，目前還沒有在三維空間內(nèi)利用時差定位法確定信號源的運用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述背景技術(shù)的不足，提供了深井鉆頭位置的時差定位系統(tǒng)及方法。本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案深井鉆頭位置的時差定位系統(tǒng)，包括信號傳感器陣列、信號處理器、計算機，所述傳感器陣列包括至少四個傳感器；所述傳感器分布在鉆頭工作振動的范圍內(nèi)的地面上；所述信號處理器的輸入端接傳感器，輸出端接計算機。所述深井鉆頭位置的時差定位系統(tǒng)中，信號處理器包括低通濾波器組、數(shù)字采集卡，所述低通濾波器組包含與傳感器數(shù)目相同的低通濾波器；其中每一個低通濾波器的輸入端與一個傳感器連接,低通濾波器的輸出端均與數(shù)字采集卡的輸入端連接；所述數(shù)字采集卡的輸出端接計算機。所述深井鉆頭位置的時差定位系統(tǒng)中，所述傳感器陣列包括6個傳感器，6個傳感器分兩列平行布局。深井鉆頭位置的時差定位方法，包括如下步驟步驟1，在鉆頭工作振動的范圍內(nèi)的地面上布置傳感器陣列；
步驟2，采用現(xiàn)場試鉆的方法，根據(jù)鉆頭每秒鉆數(shù)和深井巖石種類，設(shè)定信號處理器采集聲波信號的振動頻率；步驟3，計算機根據(jù)聲波到達每一個傳感器的時間確定時間差，結(jié)合傳感器的自身位置信息，利用時差定位法確定鉆頭位置信息；步驟4，計算機對比步驟3得到的鉆頭位置信息以及鉆頭基準位置信息，得到鉆頭偏斜率信息，發(fā)送調(diào)整鉆頭位置的信息給鉆井操作人員。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果通過設(shè)定采集聲波振動頻率的范圍，排除鉆井作業(yè)現(xiàn)場的雜波信號的干擾因素，實現(xiàn)了鉆井鉆頭的三維定位；計算量小，實時監(jiān)測鉆頭傾斜率進而實時調(diào)整鉆頭位置，滿足了鉆井作業(yè)的工程需求。


圖I為深井鉆頭位置的時差定位系統(tǒng)的模塊圖。圖2為深井鉆頭位置的時差定位方法實施示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明如圖I所示的深井鉆頭位置的時差定位系統(tǒng)，包括信號傳感器陣列、信號處理器、計算機，傳感器陣列包括至少四個傳感器。傳感器分布在鉆頭工作振動的范圍內(nèi)的地面上；信號處理器的輸入端接傳感器，輸出端接計算機。信號處理器包括低通濾波器組、數(shù)字采集卡，低通濾波器組包含與傳感器數(shù)目相同的低通濾波器。每一個低通濾波器的輸入端與一個傳感器連接，低通濾波器的輸出端均與數(shù)字采集卡的輸入端連接；所述數(shù)字采集卡的輸出端接計算機。傳感器用于接收鉆頭振動的聲波信號，將攜帶聲波信號達到時間信息的聲波信號傳送至信號處理器；信號處理器用于采集振動頻率在設(shè)定范圍時的聲波信號，以排除鉆井作業(yè)現(xiàn)場的干擾信號。由于聲波信號頻率范圍與鉆頭每秒鉆數(shù)和深井巖石種類有關(guān)，在設(shè)定范圍時充分考慮兩者的綜合因素，本專利通過現(xiàn)場試鉆的方式；計算機用于根據(jù)聲波信號到達的時間、傳感器的自身位置信息，利用時差定位法確定鉆頭的三維位置信息，對比鉆頭基準位置信息得到鉆頭偏斜率信息，發(fā)送調(diào)整鉆頭位置的信息給鉆井操作人員。本發(fā)明中所涉及的傳感器必須符合以下條件指向特性(表征傳感器對不同方向信號的檢拾的靈敏度)中無方向性好；靈敏度高；源阻抗低；頻率范圍(帶寬)大；信噪比高；瞬態(tài)響應(yīng)性能好。實際運用中選用歐美大地公司的ISEE型傳感器。利用數(shù)字采集卡自帶的信號采集軟件即可實現(xiàn)本發(fā)明中數(shù)字信號處理功能。深井鉆頭位置的時差定位方法，包括如下步驟步驟1，如圖2所示在鉆頭工作振動的范圍內(nèi)的地面上布局傳感器陣列6個傳感器Si、S2, S3、S4、S5、S6分兩列布置。在地面上呈長方形布置六個傳感器，就構(gòu)成了復(fù)合四點定位陣，如圖2所示，六個傳聲器的坐標分別為4(0，O, O)，S2 (x2, y2, O)，S3 (x3, y3, 0)，S4 (X4，J0)，S5 (x5, y5, 0)，S6 (x6, y6, 0)。步驟2，采用現(xiàn)場試鉆的方法，根據(jù)鉆頭每秒鉆數(shù)和深井巖石種類，設(shè)定信號處理
器采集聲波信號的振動頻率。鉆頭工作中，產(chǎn)生的振動信號頻率為穩(wěn)定值，聲波頻率是隨著鉆頭鉆數(shù)及現(xiàn)場巖體地質(zhì)條件(巖石強度、巖體結(jié)構(gòu)面等信息)而改變的。通過現(xiàn)場試鉆，測得聲波信號的振動頻率。步驟3，計算機根據(jù)聲波到達每一個傳感器的時間確定時間差，結(jié)合傳感器的自身位置信息，利用時差定位法確定鉆頭位置信息。S1 S2 S5 34和& S3 S6 S5分別構(gòu)成四點定位陣，鉆頭與巖體摩擦所產(chǎn)生的振動波的傳播速度為V，
I.......................................................... V,, = I——■■■■■■■■--C I )
Iρ(1 + υ)( -2υ)式中，Vp為縱波在巖土層中的傳播速度，而振動波在傳播中變現(xiàn)為多種形式，但縱波的傳播速度最快，必然最先到達傳感器。由于縱波的這種特征，監(jiān)測縱波信號在地震監(jiān)測等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采取監(jiān)測縱波信號，令V=Vp ;Ε為彈性模量，P為密度；υ為泊松比。Ε、P、υ這三個參數(shù)均可依據(jù)地質(zhì)勘察報告查表獲得。對于S1 S2 S5 S4構(gòu)成的四點定位陣，設(shè)信號到達傳感器S2與時差為t21，到達傳感器S3與S1的時間差為t31，到達傳感器S4與S1的時間差為t41，鉆頭坐標Pa(xa，ya, za)。共有三個未知數(shù)1卩73與za。令夂=PtSx= + Λ2+(2 )根據(jù)信號到達傳感器的延時關(guān)系，可得
k, - a f + b\, — J 2 f + Y = (K — Y-1 (,I: — ,1、)+ (j'u - J\ ) + [:‘—t -)=(疋—VjJ-xi)C3)
Cr,, - -r4 )- + κ, ~ J’4 y + (:<, - :4 )—=(尤-Ρ//·4Ι )2對于S2 S3 S6 S5構(gòu)成的四點定位陣，設(shè)信號到達傳感器S3與S2的時差為t32，到達傳感器S6與S2的時間差為t62，到達傳感器S5與S2的時間差為t52，鉆頭坐標Pb (xb，yb, zb)。共有三個未知數(shù)Xb、yb與Zb。令《=JthS2 = -J(xA - -1",)' +=J.:)~ + :/(4)根據(jù)信號到達傳感器的延時關(guān)系，可得
權(quán)利要求
1.深井鉆頭位置的時差定位系統(tǒng)，包括信號傳感器陣列、信號處理器、計算機，所述傳感器陣列包括至少四個傳感器；其特征在于所述傳感器分布在鉆頭工作振動的范圍內(nèi)的地面上；所述信號處理器的輸入端接傳感器，輸出端接計算機。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深井鉆頭位置的時差定位系統(tǒng)，其特征在于所述信號處理器包括低通濾波器組、數(shù)字采集卡，所述低通濾波器組包含與傳感器數(shù)目相同的低通濾波器； 其中每一個低通濾波器的輸入端與一個傳感器連接，低通濾波器的輸出端均與數(shù)字采集卡的輸入端連接；所述數(shù)字采集卡的輸出端接計算機。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的深井鉆頭位置的時差定位系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器陣列包括6個傳感器，6個傳感器分兩列平行布局。
4.深井鉆頭位置的時差定位方法，其特征在于包括如下步驟 步驟1，在鉆頭工作振動的范圍內(nèi)的地面上布置傳感器陣列； 步驟2，采用現(xiàn)場試鉆的方法，根據(jù)鉆頭每秒鉆數(shù)和深井巖石種類，設(shè)定信號處理器采集聲波信號的振動頻率； 步驟3，計算機根據(jù)聲波到達每一個傳感器的時間確定時間差，結(jié)合傳感器的自身位置信息，利用時差定位法確定鉆頭位置信息； 步驟4，計算機對比步驟3得到的鉆頭位置信息以及鉆頭基準位置信息，得到鉆頭偏斜率信息，發(fā)送調(diào)整鉆頭位置的信息給鉆井操作人員。
全文摘要
本發(fā)明公開了深井鉆頭位置的時差定位系統(tǒng)及方法，屬于信號定位的技術(shù)領(lǐng)域。所述深井鉆頭位置的時差定位系統(tǒng)包括信號傳感器陣列、信號處理器、計算機。信號處理器根據(jù)信號傳感器陣列測得的振動聲波信號，排除鉆井作業(yè)環(huán)境的雜波干擾信號得到鉆井鉆頭的振動信號，對鉆井鉆頭振動信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，計算機利用時差定位法確定鉆頭位置。本方法通過設(shè)定采集聲波振動頻率的范圍，排除鉆井作業(yè)現(xiàn)場的雜波信號的干擾因素，實現(xiàn)了鉆井鉆頭的三維定位；計算量小，實時監(jiān)測鉆頭傾斜率進而實時調(diào)整鉆頭位置，滿足了鉆井作業(yè)的工程需求。
文檔編號E21B47/095GK102889078SQ20121038116
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者劉軍, 池恩安, 趙明生, 王眾 申請人:河海大學(xué), 貴州新聯(lián)爆破工程有限公司