一种井下超声波顶底板测量方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种井下超声波顶底板测量方法，属于井下测量【技术领域】。所述方法包括：发射换能器发射超声波，同时计数器开始计数；所述超声波经过顶底板反射后，形成返回波；接收换能器接收所述返回波，同时所述计数器停止计数；根据所述计数器的值计算距离所述顶底板的测量值。本发明通过发射超声波并接收返回波，测量发射与接收之间的时间差，计算储层与顶底板之间的距离。用于随钻测量仪器中，在钻进的过程中实时测量储层与上下岩层的距离，确保钻头始终在储层中钻进。
【专利说明】一种井下超声波顶底板测量方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及井下测量【技术领域】，特别涉及一种井下超声波顶底板测量方法及装置。
【背景技术】
[0002]矿体是指含有足够数量矿石、具有开采价值的地质体。它有一定的形状、产状和规模。矿体周围的无经济意义的岩石是矿体的围岩。矿层是指与上下围岩在同一地质时期形成，且与围岩层理产状一致的矿体。矿脉是产在各种岩石裂隙中的板状矿体，系由含矿物质充填围岩的裂隙而成。矿脉和矿层都夹持在围岩中，其上部的围岩称“顶板”，直接伏于其下部的围岩称“底板”。
[0003]伴随着油气资源的日益减少及需求的不断扩大，油气开发的总体趋势是从直井向水平井过度、厚储层向薄储层过度，大力发展提高油气钻遇率的测量技术是当前石油工程技术发展的一个主要关注方向。现有的钻井工程中，为了能使钻井轨迹更准确的在储层中钻进，以及更及时、准确地掌握储层信息，需要有一种采集地质信息的测量装置安装在靠近钻头的位置，这些测量装置随着钻机的钻进在井下进行测量。与此同时，这些测量装置的传感器采集到的数据还要实时传输到地面，以便使工程技术人员及时了解井眼的轨迹和储层信息的变化。
[0004]为了能使钻井轨迹更准确的在储层中钻进，需要及时的对储层的顶底板岩性进行测量。对于储层的顶底板岩性的测量手段有自然伽马测井法和方位伽马随钻测量法。自然伽马测井法，对地层的测量结果是地层放射性的平均响应，因此对地层岩性变化的判断存在时间滞后，不能及时分辨上下岩性界面特征和有效发现储层的上部盖顶(顶板)，错过进入储层的最佳时机。方位伽马随钻测量法可以测量地层岩性，分析上下岩性界面特征，但是不能测量上限地层岩性的厚度，尤其是在薄储层中钻进时，不能提前调整井眼轨迹，不能使钻具始终在储层中钻进。
[0005]在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中缺乏一种有效的井下顶底板测量方法，无法在钻头钻进的过程中实时测量储层与上下岩层(顶底板)的距离，也就无法保证油气钻遇率。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种井下超声波顶底板测量方法及装置。所述技术方案如下:
[0007]—种井下超声波顶底板测量方法，所述方法包括:
[0008]发射换能器发射超声波，同时计数器开始计数；
[0009]所述超声波经过顶底板反射后，形成返回波；
[0010]接收换能器接收所述返回波，同时所述计数器停止计数；
[0011]根据所述计数器的值计算距离所述顶底板的测量值。[0012]该方法还包括:
[0013]主控单元输出载波为40K赫兹的脉冲信号,驱动所述发射换能器发射超声波；
[0014]所述接收换能器将接收到的返回波转换为40K赫兹毫伏级的电压信号经过滤波、整形、放大后形成一系列矩形脉冲返回给所述主控单元。
[0015]该方法还包括:
[0016]在所述发射换能器发射超声波后，所述接收换能器间隔设定时长后再接收所述返回波。
[0017]所述根据所述计数器的值计算距离所述顶底板的测量值，包括:
[0018]根据公式S=V.Δ t/2计算距离所述顶底板的测量值；其中，所述S为超声波发射点距储层顶底板的距离，所述V为超声波在钻进储层中的传播速度；
[0019]所述V通过公式V=V' +KT计算，其中，所述V'为超声波在o°c储层中传播速度，K为超声波在储层中的传播速度的温度补偿系数。
[0020]该方法还包括:
[0021]将所述测量值传送到地面接收系统。
[0022]一种井下超声波顶底板测量装置，所述装置包括发射换能器单元、计数器单元、接收换能器单元及主控单元，其中，
[0023]所述发射换能器单元，用于发射超声波；
[0024]所述计数器单元，用于在所述发射换能器单元发射超声波的同时开始计数；在所述接收换能器单元接收返回波的同时停止计数；将计数结果发送给所述主控单元；
[0025]所述接收换能器单元，用于接收所述返回波；
[0026]所述主控单元，用于根据所述计数器单元发送的计数结果，计算距离所述顶底板的测量值。
[0027]该装置进一步包括驱动电路单元，用于驱动所述发射换能器单元发射超声波；
[0028]所述主控单元还用于输出载波为40K赫兹的脉冲信号给所述驱动电路单元，用于驱动所述发射换能器单元发射超声波。
[0029]该装置进一步包括滤波整形放大单元，用于将接收到的返回波转换为40K赫兹毫伏级的电压信号，进行滤波、整形、放大后形成一系列矩形脉冲发送给所述主控单元。
[0030]该装置进一步包括传输单元，用于将所述主控单元计算出的所述测量值传输给地面接收系统。
[0031]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0032]通过发射超声波，并接收超声波经过顶底板反射后的返回波，通过计数器记录发射超声波和接收返回波的时间差，根据超声波的速度计算出距离顶底板的距离测量值，这个测量值就是测量装置相对于顶底板的距离。本发明实施例用超声波测距的方法，用于随钻测量仪器中，在钻进的过程中实时测量储层与上下岩层的距离，本方案可以应用在泥浆钻井、空气钻井及泡沫钻井中，确保钻头始终在储层中钻进。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]图1是本发明实施例一提供的井下超声波顶底板测量方法流程图；
[0035]图2是本发明实施例二提供的井下超声波顶底板测量装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0036]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0037]本发明实施例中，在钻井测量仪器内，提供一种近钻头超声波测量技术确定储层与上下岩层距离的方案，可以广泛应用于以各种介质为钻井液的特殊工艺井(如定向钻井、水平钻井、欠平衡钻井等)，使得在钻井工程中，钻井轨迹更准确地在储层中钻进，以及更及时准确地掌握储层信息。
[0038]实施例一
[0039]本发明实施例提供了一种井下超声波顶底板测量方法，参见图1，方法流程包括:
[0040]步骤10，发射换能器发射超声波，同时计数器开始计数。
[0041]发射换能器实质上就是一个超声波的发射器，主要用于根据主控单元的输出指令来发射超声波。一般的，这里的主控单元输出载波为40K赫兹的脉冲信号，驱动发射换能器发射超声波。
[0042]在发射换能器发射超声波的同时，需要一个计数器记录当前的时间。一般是通过计数器开始计数。这里的超声波通常是一个超声波脉冲帧，在该超声波脉冲帧发射完成后，计数器开始计数。
[0043]步骤20，超声波经过顶底板反射后，形成返回波。
[0044]超声波通过发射换能器发射后，遇到储层的顶板或者底板，由于密度的变化，会形成超声波的反射，由此形成超声波返回波。实际上，无论井下储层是油层还是煤层，其密度与储层顶底板的岩石层都不同的，超声波在不同的介质中传播速度不同，而且在临界面会形成反射。本实施例正是利用这个返回波来计算距离。
[0045]步骤30，接收换能器接收返回波，同时计数器停止计数。
[0046]接收换能器在发射换能器发射超声波后，开始监测返回波，当接收到返回波的时候，停止计数器的计数。一般的，接收换能器将接收到的返回波转换为40K赫兹毫伏级的电压信号经过滤波、整形、放大后形成一系列矩形脉冲返回给主控单元，主控单元在接收到该脉冲后控制计数器停止计数。
[0047]特别的，为了防止虚假返回波的干扰，接收换能器在延时一段时间后，在开始接收返回波。也就是说，接收换能器间隔设定时长后再接收所述返回波，这里的设定时长，根据需要设定，一般需要参照超声波在储层中的传播速度来设定。
[0048]步骤40，根据计数器的值计算距离顶底板的测量值。
[0049]这里，发射换能器发射超声波的时间与接收换能器接收到返回波的时间之差，就是超声波在钻头与顶底板之间一个来回传播的时间，结合超声波在储层中的传播速度，就可以计算出钻头与顶底板之间的距离，也就是距离顶底板的测量值。
[0050]计数器从开始记数，到检测到第一个返回波脉冲的瞬间，计数器停止记数，这样就得到了从发射到接收的时间差Λ t，根据如下公式计算出被测距离。
[0051]S=V.Δ t/2
[0052]Y=Y1 +KT
[0053]在上述公式中，S为超声波发射点距储层顶底板的距离；V为超声波在钻进储层中的传播速度'N'为超声波在o°c储层中传播速度；κ为超声波在储层中的传播速度的温度补偿系数。
[0054]进一步的，上述的方法还包括通过井下仪器的数据总线，将测量值传送到地面接收系统。
[0055]一般的，上述的方法通常采用单片机系统来完成，其中，真个系统开机之后，单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40Κ赫兹的脉冲信号加到驱动电路上，通过驱动电路对载波信号进行功率放大后加到发射换能器上，使超声换能器发射超声波。当第一个超声波脉冲帧发射结束后，单片机内的计数器开始记数，在接收换能器检测到第一个返回波脉冲的瞬间，计数器停止记数。接收换能器将接收到的反射超声波转换为40Κ赫兹毫伏级的电压信号加到滤波、整形、放大电路上，信号经过滤波、整形、放大后变成一系列矩形脉冲，通过单片机将测量值送到井下仪器的数据总线上，最后通过传输信道传送到地面接收系统。
[0056]这里的单片机就是主控单元，为了完成测量工作，单片机需要包括诸多软件，具体包括:主程序、温度测量子程序、超声波发射子程序、外部中断子程序和定时器中断子程序。主程序初始化后调用超声波发射子程序，由Ρ1.0 口发射脉冲，驱动超声波传感器发射超声波，并关外部中断，计数器to开始计时，为防止虚假回波的干扰，在延时一段时间后，开中断。当外部有中断信号时，单片机就停止计数器to的计时,计算出Λ t并存储到e2prom中，单片机再调用计算子程序，计算出超声波传感器到储层的顶部或底部距离，最后把测量结果传送到485总线上，完成一次测量。
[0057]实施例二
[0058]参见图2，本发明实施例提供了 一种井下超声波顶底板测量装置，该装置包括发射换能器单元100、计数器单元200、接收换能器单元300及主控单元400，其中，
[0059]发射换能器单元100，用于发射超声波。
[0060]计数器单元200，用于在发射换能器单元100发射超声波的同时开始计数；在接收换能器单元300接收返回波的同时停止计数；将计数结果发送给主控单元400。
[0061]接收换能器单元300，用于接收返回波。
[0062]主控单元400，用于根据计数器单元200发送的计数结果，计算距离顶底板的测量值。
[0063]特别的，该装置进一步包括驱动电路单元500，用于驱动发射换能器单元100发射
超声波。
[0064]主控单元400还用于输出载波为40K赫兹的脉冲信号给驱动电路单元500，用于驱动发射换能器单元100发射超声波。
[0065]特别的，该装置进一步包括滤波整形放大单元600，用于将接收到的返回波转换为40K赫兹毫伏级的电压信号，进行滤波、整形、放大后形成一系列矩形脉冲发送给主控单元400。[0066]主控单元400在接收到该矩形脉冲后，通知所述计数器单元200停止计数。
[0067]特别的，该装置进一步包括传输单元700，用于将主控单元400计算出的测量值传输给地面接收系统。
[0068]需要说明的是:上述实施例提供的井下超声波顶底板测量装置在进行井下超声波测量顶底板距离时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的井下超声波顶底板测量装置与井下超声波顶底板测量方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
[0069]上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0070]综上所述，本发明实施例通过发射超声波，并接收超声波经过顶底板反射后的返回波，通过计数器记录发射超声波和接收返回波的时间差，根据超声波的速度计算出距离顶底板的距离测量值，这个测量值就是测量装置相对于顶底板的距离。本发明实施例用超声波测距的方法，用于随钻测量仪器中，在钻进的过程中实时测量储层与上下岩层的距离，实时测量储层与上下岩层的距离，本方案可以应用在泥浆钻井、空气钻井及泡沫钻井中，确保钻头始终在储层中钻进。
[0071]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0072]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种井下超声波顶底板测量方法，其特征在于，所述方法包括: 发射换能器发射超声波，同时计数器开始计数； 所述超声波经过顶底板反射后，形成返回波； 接收换能器接收所述返回波，同时所述计数器停止计数； 根据所述计数器的值计算距离所述顶底板的测量值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括: 主控单元输出载波为40K赫兹的脉冲信号，驱动所述发射换能器发射超声波； 所述接收换能器将接收到的返回波转换为40K赫兹毫伏级的电压信号经过滤波、整形、放大后形成一系列矩形脉冲返回给所述主控单元。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括: 在所述发射换能器发射超声波后，所述接收换能器间隔设定时长后再接收所述返回波。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述计数器的值计算距离所述顶底板的测量值，包括: 根据公式S=V.Δ t/2计算距离所述顶底板的测量值；其中，所述S为超声波发射点距储层顶底板的距离，所述V为超声波在钻进储层中的传播速度； 所述V通过公式V=V' +KT计算，其中，所述V'为超声波在0°C储层中传播速度，K为超声波在储层中的传播速度的温度补偿系数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括: 将所述测量值传送到地面接收系统。
6.一种井下超声波顶底板测量装置，其特征在于，所述装置包括发射换能器单元、计数器单元、接收换能器单元及主控单元，其中， 所述发射换能器单元，用于发射超声波； 所述计数器单元，用于在所述发射换能器单元发射超声波的同时开始计数；在所述接收换能器单元接收返回波的同时停止计数；将计数结果发送给所述主控单元； 所述接收换能器单元，用于接收所述返回波； 所述主控单元，用于根据所述计数器单元发送的计数结果，计算距离所述顶底板的测量值。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括驱动电路单元，用于驱动所述发射换能器单元发射超声波； 所述主控单元还用于输出载波为40K赫兹的脉冲信号给所述驱动电路单元，用于驱动所述发射换能器单元发射超声波。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括滤波整形放大单元，用于将接收到的返回波转换为40K赫兹毫伏级的电压信号，进行滤波、整形、放大后形成一系列矩形脉冲发送给所述主控单元。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括传输单元，用于将所述主控单元计算出的所述测量值传输给地面接收系统。
【文档编号】G01S15/08GK103573261SQ201210275161
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年8月3日 优先权日:2012年8月3日
【发明者】曹冲, 李林, 盛利民, 张连成, 陈文艺, 弓志谦, 禹德洲, 王磊, 魏志刚 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油集团钻井工程技术研究院