陆上钻进电磁随钻测量信号传输特性模拟实验系统及方法与流程

1.本发明涉及石油钻井领域，尤其涉及一种陆上钻进电磁随钻测量信号传输特性模拟实验系统及方法。


背景技术：

2.电磁随钻测量(em
‑
mwd)是石油与天然气钻井领域井眼轨迹控制的一项关键技术，其信号传输不受钻井液性质的影响，不仅可以用于泥浆钻井，而且可以用于泡沫、空气钻井。掌握电磁随钻测量信号传输特性，对提高对该技术的使用成功率、扩展其使用深度具有很大的指导意义。目前，对电磁随钻测量信号传输特性的研究大多局限于软件模拟，缺少实验数据做支撑。但是，现场试验成本高昂且难以重复多次进行，地面实验和真实工况差别较大，且更改参数操作复杂、耗时，效率低下。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种陆上钻进电磁随钻测量信号传输特性模拟实验系统及方法。主要是通过建立模拟实验系统，以模拟实验结果得到实际钻井系统电磁随钻测量信号的结果，该方法可以降低实验操作难度和成本，提高效率。
4.本发明中陆上钻进电磁随钻测量信号传输特性模拟实验系统及方法，包括：
5.布设于浅层钻孔内的模拟钢柱，其包括由上至下依次连接的上部钢柱、塑料短节和下部钢柱；
6.分别与所述上部钢柱的下端和所述下部钢柱的上端连接的信号发生器，其用于对所述上部钢柱和所述下部钢柱施加正弦波电压，以使所述上部钢柱和所述下部钢柱形成非对称偶极子天线，从而产生电磁波信号；
7.以及设置于地面的示波器，其与所述上部钢柱连接，用于接受电磁波信号。
8.进一步地，所述上部钢柱和所述下部钢柱均是由中空的多段金属短柱拼接而成，所述塑料短节和所述下部钢柱均与所述浅层钻孔井壁固定连接。
9.进一步地，所述信号发生器设有为其供电的移动电源，所述信号发生器正极通过导线与所述上部钢柱的下端连接、负极通过导线与所述下部钢柱的上端连接。
10.进一步地，所述示波器正极通过导线与所述上部钢柱上端连接、负极通过导线与地面接收电极一端连接，所述地面接收电极另一端插入地面以下。
11.根据上述陆上钻进电磁随钻测量信号传输特性模拟实验系统提出一种实验方法，该实验方法包括以下步骤：
12.s1、利用相似原理，根据实际地下深层钻井过程中钻井系统的系统参数得出模拟实验系统中相对应的模拟系统参数，所述模拟系统参数为信号发射频率、加载电压、钻井深度、模拟钢柱长度和钻井液电导率；
13.s2、按照模拟系统参数设置上述陆上钻进电磁随钻测量信号传输特性模拟实验系统并进行模拟实验。
14.进一步地，还包括s3、在上述陆上钻进电磁随钻测量信号传输特性模拟实验系统中改变各项模拟系统参数，并通过示波器记录各项系统参数所对应的电势差波峰值。
15.本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：提供了一种基于模拟系数由实际钻井系统推算模拟实验系统参数，进而通过模拟实验系统的实验结果得到实际钻井系统电磁随钻测量信号结果的模拟实验方法。该方法能够实现在地面完成对信号频率、加载电压的快速准确的设置和改变，提高了模拟效率，并通过空心金属短杆模拟井下钻杆，能够真实反映实际的井下环形空间情况，使得模拟实验得到的钻井液电阻率对信号强度的影响更加准确。同时该方法操作简单，成本低。
附图说明
16.图1是本发明提供的陆上钻井电磁随钻测量信号传输特性模拟实验系统的结构示意图；
17.图2是第一短柱12的结构示意图；
18.图3是第二短柱13的结构示意图；
19.图4是根据模拟实验系统实验结果得到的实际钻井系统中不同信号频率与信号强度关系的结果示意图；
20.图5是根据模拟实验系统实验结果得到的实际钻井系统中不同加载电压与信号强度关系的结果示意图；
21.图6是根据模拟实验系统实验结果得到的实际钻井系统中不同钻井深度与信号强度关系的结果示意图；
22.图7是根据模拟实验系统实验结果得到的实际钻井系统中不同钢柱长度与信号强度关系的结果示意图；
23.图8是根据模拟实验系统实验结果得到的实际钻井系统中不同钻井液电阻率与信号强度关系的结果示意图；
24.图中：1
‑
移动电源、2
‑
信号发生器、3
‑
浅孔钻机、4
‑
导线、5
‑
示波器、6
‑
地面接收电极、7
‑
地面、8
‑
浅层钻孔、9
‑
上部钢柱、10
‑
塑料短节、11
‑
下部钢柱、12
‑
第一短柱、13
‑
第二短柱。
具体实施方式
25.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描述。
26.请参考图1，本发明的实施例提供了一种陆上钻进电磁随钻测量信号传输特性模拟实验系统，其主要作用是以浅层钻孔内模拟实验系统的实验结果得到深层钻井的实际钻井系统电磁随钻测量信号的结果，该模拟实验系统主要包括模拟钢柱、信号发生器2和示波器5。
27.所述模拟钢柱布设于浅层钻孔8内，所述浅层钻孔8由浅孔钻机3钻取，所述浅层钻孔8的深度由所用钻机的特性来决定，一般浅层钻孔8深度为10
‑
20m。
28.所述模拟钢柱包括由上至下依次连接的上部钢柱9、塑料短节10和下部钢柱11；所述上部钢柱9和所述下部钢柱11均是由中空的多段金属短柱拼接而成，这样可以在所述金
属短杆内充注钻井液，便于分析钻井液电阻率对信号强度的影响；所述塑料短节10和下部钢柱11均与所述浅层钻孔8的井壁固定连接。
29.请参考图2和图3，所述金属短柱分为第一短柱12和第二短柱13，所述第一短柱12一端设有公锥，另一端设有母锥，所述第二短柱13两端均设有母锥，所述公锥和所述母锥相适配且可螺纹连接。
30.请参考图1，所述信号发生器2设有为其供电的移动电源1，所述信号发生器2的正极通过导线4与所述上部钢柱9下端连接、负极通过所述导线4与所述下部钢柱11的上端连接，这样可以对所述上部钢柱9和所述下部钢柱11施加正弦波电压，以使所述上部钢柱9和所述下部钢柱11形成非对称偶极子天线，从而产生电磁波信号。
31.所述示波器5的正极通过所述导线4与所述上部钢柱9上端连接、负极通过所述导线4连接地面接收电极6一端，所述地面接收电极6另一端插入所述地面7内，这样可以用来接收电磁波信号。
32.本实施例根据上述陆上钻进电磁随钻测量信号传输特性模拟实验系统提供一种模拟实验方法，且所得到的浅层钻孔模拟实验结果与实际深层钻井系统工况结果相吻合，对于本领域的技术人员而言，可以理解的是该实验方法同样适用于其他任意实际深层钻井系统，其包括以下步聚：
33.s1、利用相似原理，根据实际地下深层钻井过程中钻井系统的系统参数得出模拟实验系统中相对应的模拟系统参数，所述模拟系统参数为信号发射频率、加载电压、钻井深度、模拟钢柱长度和钻井液电导率；
34.具体的，定义实际钻井系统的信号发射频率为f，加载电压为u，钻井深度为h，井内钢柱长度为l，钻井液电阻率为ρ；模拟实验系统中信号发射频率为f'，加载电压为u'，所述浅层钻孔8的深度为h'，模拟钢柱长度为l'，钻井液电阻率为ρ'；几何尺寸模拟系数为k，根据相似原理，二者存在如下关系：
35.h＝n
×
h'，即k(h)＝n
ꢀꢀ
(1)
36.即
37.δh＝n
×
δh'，即k(δh)＝n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
38.δl＝n
×
δl'，即k(δl)＝n
ꢀꢀ
(4)
39.ρ＝n
×
ρ'，即k(ρ)＝n
ꢀꢀ
(5)
40.式中，δh和δl为实际钻井系统中钻井深度和井内钢柱长度的改变量，δh'和δl'为模拟实验系统中钻井深度和模拟钢柱长度相对应的改变量，实际钻井系统的加载电压u和模拟实验系统的加载电压u'大小相等，n为比例系数。
41.对应到本实施例中具体的实际钻井系统中，本实施例的实际钻井系统初始系统参数为信号发射频率f＝2hz，加载电压u＝5v，钻井深度h＝2000m，钻井液电阻率ρ＝0.01ω
·
m，模拟实验系统的所述浅层钻孔8初始深度为h'＝20m；根据所述公式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)，则几何尺寸模拟系数k(h)＝100，k(ρ)＝100，k(δh)＝100，k(δl)＝100，得出模拟实验系统的初始系统参数为f'＝200hz，加载电压为u'＝5v，钻井液电阻率ρ'＝0.0001ω
·
m。
42.s2、按照模拟系统参数设置上述陆上钻进电磁随钻测量信号传输特性模拟实验系统并进行模拟实验。
43.s3、在上述陆上钻进电磁随钻测量信号传输特性模拟实验系统中依次改变各项模拟系统参数，并通过示波器记录各项系统参数所对应的电势差波峰值。
44.请参考图4，具体的，依次改变实际钻井系统频率，本实施例中取f＝0.1hz、2hz、4hz、6hz、8hz、10hz、25hz、50kz，通过所述公式(2)得出模拟实验系统相对应的频率f'＝10hz、200hz、400hz、600hz、800hz、1khz、2.5khz、5khz，通过模拟实验系统的所述信号发生器2依次输出频率f'，并依次记录所述示波器5所显示的电势差波形峰值。
45.请参考图5，实际钻井系统和模拟实验系统的加载电压相同，保持模拟实验系统的参数处于初始状态，改变模拟实验系统的所述信号发生器2的输出加载电压u'＝5v、6v、7v、8v、9v，并依次记录所述示波器5所显示的电势差波形峰值。
46.请参考图6，改变实际钻井系统钻井深度，使井深改变量δh＝100m，通过所述公式(3)得出模拟实验系统的所述浅层钻孔8的井深改变量δh'＝1m，保持模拟实验系统的参数处于初始状态，按照1m的变化量依次减小所述浅层钻孔8的深度，并依次记录所述示波器5所显示的电势差波形峰值。
47.请参考图7，改变实际钻井系统的井下钢柱长度，使长度变化量δl＝5m，通过所述公式(4)得出模拟实验系统的模拟钢柱变化量为δl'＝5cm，保持模拟实验系统的参数处于初始状态，按照5cm的变化量依次减少所述下部钢柱11的长度，并记录每次所述下部钢柱11长度减少后所述示波器5显示的电势差波峰值。
48.请参考图8，依次改变实际钻井系统钻井液电阻率，本实施例中取ρ＝0.01ω
·
m、0.1ω
·
m
、
1ω
·
m
、
10ω
·
m
、
100ω
·
m，根据所述公式(5)得出模拟实验系统的钻井液电阻率ρ'＝0.0001ω
·
m、0.001ω
·
m
、
0.01ω
·
m
、
0.10ω
·
m
、
1ω
·
m，依次改变所述上部钢柱9和所述下班钢柱11内的钻井液电导率，并记录不同电阻率下所述示波器5显示的电势差波峰值。
49.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
50.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
51.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。