利索能及
我要发布
收藏
专利号: 2024102951999
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.螺杆钻随钻参数光纤传感装置,包括设置在螺杆钻具(11)上的多类型光纤传感器和用于监测多类型光纤传感器数据的光纤光栅解调仪(10),其特征在于,所述多类型光纤传感器包括三轴加速传感器(1)、光纤光栅锚索测力计(2)、光纤光栅贴片式压力计(3)、传感光缆(4),所述螺杆钻具(11)包括钻杆(5)和钻头(7),所述钻杆(5)的底部固定有转子(6),所述钻头(7)的顶部固定有与转子(6)相匹配的定子(12),所述钻杆(5)内设有传输光缆(9),多类型光纤传感器均通过传输光缆(9)与光纤光栅解调仪(10)进行通信连接;

所述三轴加速传感器(1)设置在定子(12)内侧壁,所述三轴加速传感器(1)包括三组加速传感器,三组所述加速传感器在定子(12)内侧壁分别按X轴、Y轴和Z轴三向安装,所述钻头(7)的后端与第一节钻杆(5)间通过螺纹(8)进行连接,所述光纤光栅锚索测力计(2)安装在螺纹(8)接头处,所述传感光缆(4)呈“十”字形全粘贴方式铺设在定子(12)内侧,所述光纤光栅贴片式压力计(3)采用金属片封装,所述光纤光栅贴片式压力计(3)通过点焊方式固定在螺杆钻具(11)的外侧管壁。

2.根据权利要求1所述的螺杆钻随钻参数光纤传感装置,其特征在于,多类型光纤传感器分别与光纤光栅解调仪(10)相连,用于测试钻头(7)的姿态、压力、泥浆压力和泥浆流出量;

所述传感光缆(4)与分布式光纤应变反射仪连接,用于测试钻进过程中螺杆钻具(11)中定子(12)的磨损量;

所述钻杆(5)内部的传输光缆(9)与分布式光纤振动仪相连,用于进行钻孔成像。

3.螺杆钻随钻参数监测方法,适用于如权利要求1所述的螺杆钻随钻参数光纤传感装置,其特征在于,包括随钻参数监测系统的构建方法、随钻参数的计算方法及钻孔孔壁成像方法。

4.根据权利要求3所述的螺杆钻随钻参数监测方法,其特征在于,所述随钻参数监测系统的构建方法,具体步骤为:将传输光缆(9)铺设于钻杆(5)内部,并与钻杆(5)同步进入钻孔,其中传输光缆(9)的一端与螺杆钻具(11)中传感光缆(4)进行连接,传输光缆(9)的另一端与地面的光纤光栅解调仪(10)、分布式光纤应变反射仪及分布式光纤振动仪连接,进行实时监测随钻参数。

5.根据权利要求4所述的螺杆钻随钻参数监测方法,其特征在于,所述随钻参数的计算方法,包括随钻姿态、钻头对地压力、驱动装置外壁磨损、钻井液流出量参数的计算方法。

6.根据权利要求5所述的螺杆钻随钻参数监测方法,其特征在于,所述随钻姿态计算方法的具体步骤为:S1、设三轴加速传感器(1)的芯片水平静置,X、Y方向的重力加速度分量为0,而Z轴方向的重力加速度分量为g,即X=0;Y=0;Z=g;

S2、随钻测量中钻孔的钻头(7)位置发生改变,特别是钻头(7)方向的调整导致整个钻进过程中钻井轨迹发生变化,利用三轴加速传感器(1)测量钻头(7)重力加速度g在X、Y、Z轴的 分 量g x 、g y 、g z ,可 计 算 出 各 方 向 的 θ : 、、 ;

S3、依据各三轴加速传感器(1)在各方向监测提供的实时数据,结合钻杆(5)进尺长度L和所测各轴加速度值所计算的角度值,可确定钻进时钻杆与各轴的角度,因此即可得到近钻头(7)处钻具实时姿态,根据姿态和钻杆(5)进尺长度L积分可获得钻孔实时轨迹。

7.根据权利要求5所述的螺杆钻随钻参数监测方法,其特征在于,所述钻头对地压力计算方法的具体步骤为:S1、在钻井过程中,计算钻头(7)所受压力与钻机向钻杆(5)施加的压力差,分析地层的物理力学特性;

S2、地层对钻头(7)施加压力,由光纤光栅锚索测力计(2)所测,其压力计算公式为:,其中, 为钻头7压力值, 为光纤光栅锚索测力计(2)所测应变

量, 为光纤光栅锚索测力计(2)的杨氏模量。

8.根据权利要求5所述的螺杆钻随钻参数监测方法,其特征在于,所述驱动装置外壁磨损计算方法的具体步骤为:根据定子(12)的内侧铺设的传感光缆(4),获得螺杆钻具(11)的钢管内壁中压注橡胶衬套应变分布,计算定子(12)的内壁磨损量,其计算公式为:,其中, 为螺杆钻具(11)内壁磨损量, 为磨损系数, 为螺杆

钻具(11)的横截面积, 为传感光缆(4)所测的应变值, 为螺杆钻具(11)的弹性模量, 为螺杆钻具(11)的材料硬度, 为传感光缆(4)的直径。

9.根据权利要求5所述的螺杆钻随钻参数监测方法,其特征在于,所述钻井液流出量参数的计算方法的具体步骤为:S1、根据光纤光栅贴片式压力计(3),计算定子(12)外壁所受泥浆应变大小,通过应变,计算钻井液流出的泥浆压力和泥浆流量;

基于光纤光栅贴片式压力计(3)的泥浆流量计算方法为: ,其中,

是泥浆压力, 是应变光学灵敏系数, 是反射波长的变化, 为光纤光栅传感的

杨氏模量;

S2、利用光纤光栅贴片式压力计(3)所测得泥浆压力P,计算定子(12)外壁的泥浆流出量,计算公式: ,其中, 为泥浆量, 为钻孔壁与钻杆(5)之间面积,为泥浆浓度, 为时间。

10.根据权利要求3所述的螺杆钻随钻参数监测方法,其特征在于,所述钻孔孔壁成像方法的具体步骤为:S1、利用分布式光纤振动仪,以钻头(7)钻进过程中对地层的强烈扰动声场作为震源,利用钻杆(5)内部的传输光缆(9)作为信号接收源,实时接收干涉式声波信号;

S2、基于地震学原理,利用传输光缆(9)回传的震源信息,对钻孔孔壁进行成像,分析声波的传播速度、振幅,分析孔壁岩土层的物理性质和完整性。