发明内容
本发明的目的在于提供一种随钻地层压力测量装置。由于采用变径隔离筒地层嵌入方法对地层压力进行取样测量,因此该测量装置适用于任何地层和复杂井眼结构。利用该测量装置可进行压降和压力恢复测试,除了得到常规压力数据外还可实时提供环空压力以优化钻井过程,能够早期探测高压层,确定压力梯度、流体界面及实时调整泥浆比,以优化钻井、下套管和完井方案。
本发明的技术方案如下:本发明的随钻地层压力测量装置共分三部分,外部是测量短钻铤, 测量短钻铤内的上部是悬挂式泥浆脉冲发生器总成,下部是地层压力测量总成。
泥浆脉冲发生器总成的主阀外环压套和定向内套顺序丝扣连接,并在扣连接处内侧将主阀外环固定,定向内套下端坐在测量短钻铤的内台阶上,并通过定向螺栓加以固定,定向螺栓和主阀外环分别设有定向螺栓密封圈和外环密封圈;主阀活塞筒、伺服阀外筒、电磁阀外筒、脉冲器注油接头和转换筒顺序用丝扣连接, 它们的丝扣连接处分别设有伺服阀外筒密封圈、电磁阀外筒密封圈、注油接头上密封圈、注油接头下密封圈A和注油接头下密封圈B,主阀活塞筒上部外台阶坐在定向内套的内台阶上,并用防转螺栓加以固定。主阀导压活塞杆的下半部大直径段在主阀活塞筒内,并设有主阀弹簧加以支撑,主阀导压活塞杆的上端与导压活塞杆压帽丝扣连接,主阀导压活塞杆的上部开有内腔, 腔壁开有导压孔, 内腔设有滤网骨架及滤网,主阀导压活塞杆内腔外部的下段设置了主阀内环,主阀内环与主阀导压活塞杆间设有主阀内环密封圈和主阀半圆环键;伺服阀外筒中部筒壁上设有连通孔,内腔上端设置了伺服阀环,并用伺服阀环压套加用丝扣以固定,伺服阀环和伺服阀环压套上分别设有伺服阀环密封圈和伺服阀环压套密封圈,伺服阀套的上端鑲嵌有伺服阀芯,内部用丝扣与芯杆的上端相连,下端与电磁阀外筒的上端之间用伺服阀预压弹簧支撑,下部外侧与电磁阀外筒的上端大径之间用导压胶套相连;线圈骨架下端与过线套头相连,并用线圈骨架螺栓固定,过线套头与脉冲器注油接头上端之间设有引线压帽,线圈骨架内侧上部将静铁芯顶靠在电磁阀外筒内腔上端,芯杆穿过电磁阀外筒、静铁芯和动铁芯,并用动铁芯销与动铁芯加以连接固定;脉冲器注油接头的中部外侧设有注油丝堵A及相应的注油丝堵密封圈A,下部内侧装有十针高压电插头A,并用压帽螺栓A对线接头压帽A加以紧固;转换筒下部与地层压力测量总成连接。当电磁阀没有加脉冲控制电信号时,如果钻井液流过泥浆脉冲发生器总成,则大部份钻井液通过水眼环空流过,并在钻井液的推动下主阀导压活塞杆压缩主阀弹簧下移,主阀内环与主阀外环之间的流道变大,一小部分钻井液通过滤网、主阀活塞筒和伺服阀环的内通道推开伺服阀芯进入水眼环空,此时主阀弹簧所在的内腔为低压;当电磁阀加上脉冲控制电信号,并且钻井液流过泥浆脉冲发生器总成时,由于电磁阀吸合力使伺服阀芯上移关闭了内通道,使主阀弹簧所在的内腔变成高压,继而推动主阀导压活塞杆上移,使主阀内环与主阀外环之间的流道变小,从而形成节流型泥浆脉冲压力。
地层压力测量总成的转换筒、压力补偿筒、采样接头、测量机构保护筒、测量总成注油接头和下保护套顺序用丝扣连接,压力补偿筒和转换筒的筒壁上都开有过孔,压力补偿筒上部小径段设有压力补偿橡胶筒,并设有补偿筒上密封圈和补偿筒下密封圈,压力补偿橡胶筒所围容积等效一个液压油箱;静铁心压帽与铁心外壳A 丝扣连接,下端分别压住固定静铁心A和线圈骨架A ,其中线圈骨架A与静铁心A之间设置了线圈骨架固定螺栓,静铁心压帽设有静铁心压帽密封圈,锁销心杆上部与动铁心A 丝扣连接,并设置了穿销,弹簧丝堵与采样接头上部内侧丝扣连接并,设有弹簧丝堵密封圈,别销反力弹簧设在弹簧丝堵内,铁心外壳A下端与采样接头上端相连接,侧面用外壳固定螺栓紧固,它们组成了锁定销电磁铁;密封固定筒用丝扣与采样接头相连,并通过台阶作用将采样接头紧贴在测量短钻铤的内侧,隔离活塞筒安装在密封固定筒内,上下伸展空间被密封固定筒内台阶和采样接头限位,导压筒设置在隔离活塞筒内,下部用丝扣与采样接头连接,密封固定筒、隔离活塞筒和导压筒的下部外侧均设置了环形液压油道,它们分别与采样接头下部设置的三个油道即隔离活塞筒收进液压毛细管、隔离活塞筒推出液压毛细管和地层压力测量毛细管对应相通,其中三个毛细管上端部都分别与毛细管焊接密封环焊接相连,另外密封固定筒设置有密封固定筒上密封圈、密封固定筒中密封圈和密封固定筒下密封圈,导压筒设置有导压筒上密封圈和导压筒下密封圈,毛细管焊接密封环设置有焊接密封环密封圈,采样接头内设置了两个独立的过孔,一个是过油通道,另一个是过线通道,毛细管连接接头上端与采样接头用连接接头螺栓相连并压住毛细管焊接密封环,下端与静铁心B通过连接接头螺栓相连,它们构成了隔离筒伸缩液压缸;铁心外壳B上端与静铁心B相连并用静铁芯与外筒螺栓加以固定,内部设置的线圈骨架B用外筒与线圈骨加螺栓固定,下端与弹簧外筒丝扣连接,并用铁芯外筒与弹簧外筒螺栓固定,弹簧外筒下端与滑阀体相连,并用滑阀体螺栓加以固定,中间内部的滑阀芯杆上端用丝扣与动铁心B连接,设在弹簧外筒内的滑阀反力弹簧将滑阀芯杆推向下方,滑阀体下部与柱塞泵本体丝扣相连并设有滑阀体密封圈,且在滑阀体下部内侧开有泵输出孔,三通大径端部设有三通半圆键及三通密封圈,并通过三通压紧螺套的丝扣将三通固定在滑阀体上,三通的另外两通可根据需要与毛细管焊接或堵焊死,滑阀体外部的三个轴向平面上各设置一个三通,它们分别连接的是隔离活塞筒推出液压毛细管、隔离活塞筒收进液压毛细管和泵输出高压毛细管,它们组成了2位四通电磁换向阀;柱塞泵本体内侧上部环向设有六个高压单向阀, 下部环向设有六个自吸入柱塞,中间设置了高压定压阀,下端与减速器外筒相连,并用泵本体减速器外筒螺栓固定, 减速器外筒内侧上部设有斜盘轴, 斜盘轴下部设置了斜盘轴承, 下端面与联轴端套用丝扣连接,再下面与减速器轴承、减速器、直流电机和电机座转换接头顺序相连, 其中直流电机上端与减速器外筒用减速器外筒螺栓紧固,下端与电机座转换接头用电机座转换接头上螺栓紧固,电机座转换接头下端与静铁心C用电机座转换接头下螺栓紧固,它们构成了定压阀、轴向柱塞泵和直流电机;铁心外壳C上端与静铁心C相接并用静铁芯与外筒螺栓C固定,内侧的线圈骨架C用外筒与线圈骨加螺栓加以固定,下端与弹簧外筒C丝扣相连并用铁芯外筒与弹簧外筒螺栓C加固防转,弹簧外筒C下端与滑阀体C相接并用滑阀体螺栓C固定,滑阀芯杆C上端与动铁心C丝扣相连,滑阀反力弹簧C作用在滑阀芯杆C的圆台面上,使其向下受力,它们组成了2位二通电磁换向阀;负压筒上端与滑阀体C丝扣连接并用负压筒防转螺销固定,下端与压力传感器支撑骨架用负压筒传感器支撑骨架螺栓紧固,负压筒柱塞上端在负压筒上腔体内与负压筒柱塞帽丝扣连接,并设置了柱塞帽密封圈、柱塞杆密封圈和柱塞头密封圈,测量压力计本体A用丝扣与负压筒连接,压力传感器A通过测量压力计压帽A安置在测量压力计本体A内,并设置了压力计本体A密封圈和压力计压帽A密封圈,测量压力计本体B用丝扣与压力传感器支撑骨架连接,压力传感器B通过测量压力计压帽B安置在测量压力计本体B内,并设置了压力计本体B密封圈和压力计压帽B密封圈,它们组成了负压筒单元、地层和环空压力测量传感器及柱塞泵输出和水眼压力监测传感器;测量总成注油接头下部内侧设有十针高压电插头B,下端用压帽螺栓B固定线接头压帽B,中部设置了注油丝堵B及注油丝堵密封圈B,另外测量总成注油接头上部设有注油接头密封圈A,下部设有注油接头密封圈B和注油接头密封圈C。地层压力测量总成处于初始状态时直流电机、2位四通电磁换向阀、2位二通电磁换向阀和锁定销电磁铁均不通电,锁定销对隔离筒伸缩液压缸处于锁定状态。当需要测量地层压力时,首先给直流电机通电使轴向柱塞泵工作,待柱塞泵输出和水眼压力监测传感器测量到柱塞泵已处于额定工作压力时则可通电锁定销电磁铁使锁定销脱离隔离筒伸缩液压缸,然后通电2位四通电磁换向阀,在高液压作用下伸缩液压缸的隔离活塞筒推出并进入被测地层,在巨大液压推力作用下隔离活塞筒小径段的环锥形端部具有强大的地层嵌入能力,大径段的环形锥面具有压缩隔离活塞筒外部地层的作用,使其起到压迫密封作用,再加上井壁泥饼的密封作用,使隔离筒密封具有双密封作用,当隔离活塞筒推靠到位后再给2位二通电磁换向阀通电,此间连续测量负压筒单元的负压值,当负压值达到约定值时停电2位二通电磁换向阀使其复位,待测量结束后断电2位四通电磁换向阀使隔离筒伸缩液压缸收回复位,然后断电锁定销电磁铁使锁定销锁定隔离筒伸缩液压缸,最后断电直流电机,本次地层压力测量过程结束。在地面泥浆泵停泵非地层压力测量状态时,水眼压力近似于环空压力,因此该停泵状态测量水眼压力或环空压力只需用地层和环空压力测量传感器,在地面泥浆泵开泵非地层压力测量状态测量水眼压力时需通电2位四通电磁换向阀,等测量完水眼压力后断电2位四通电磁换向阀即可。
本发明的随钻地层压力测量装置采用电池供电,因此要求停泵停钻进行地层压力测量操作。地层压力测量时段有两种约定方法:一种是定时法,即约定一个时间,时间一到,地面停泵停钻等待井下地层压力测量,等到约定的测量时间一结束就继续开泵开钻;另一种是地面决定何时地层压力测量,当需要地层压力测量时,由地面控制泥浆泵的泵压形成下传泥浆脉冲,井下仪器一旦收到地面来的地层压力测量命令信号,就进入到地层压力测量状态。十针高压隔离插头副起到两个作用,一个是对液压油的隔离作用,二是连通电源或电信号。控制模块是一个计算机测量控制系统,除控制地层压力测量外还控制测量配套的其它井下参数,包括控制悬挂式泥浆脉冲发生器总成向地面发送信号。
本发明随钻地层压力测量装置,除了可在钻井过程中为孔隙压力模型提供实时校验点,提高孔隙压力的预测精度,实时优化钻井液密度和当量循环密度,避免井涌、井喷、地层损害或意外地层压裂及循环液漏失等井下事故的发生外,还可实时提供环空压力以优化钻井过程,能够早期探测高压层,确定压力梯度、流体界面并实时调整泥浆比,以优化钻井、下套管和完井方案,降低作业风险及钻井成本。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施加以说明。
如图1所示,该随钻地层压力测量装置总体包括测量钻铤1、泥浆脉冲发生器总成2和地层压力测量总成3。
如图2所示,泥浆脉冲发生器总成2由主阀外环压套4、主阀外环5、外环密封圈6、定向内套7、导压活塞杆压帽8、主阀导压活塞杆9、滤网骨架10、滤网11、主阀内环12、主阀半圆环键13、主阀内环密封圈14、主阀活塞筒15、防转螺栓16、定向螺栓17、定向螺栓密封圈18、主阀弹簧19、伺服阀外筒20、伺服阀外筒密封圈21、伺服阀环22、伺服阀环密封圈23、伺服阀环压套24、伺服阀环压套密封圈25、伺服阀芯26、伺服阀套27、伺服阀预压弹簧28、导压胶套29、电磁阀外筒30、电磁阀外筒密封圈31、芯杆32、静铁芯33、动铁芯34、线圈骨架35、动铁芯销36、过线套头37、线圈骨架螺栓38、引线压帽39、脉冲器注油接头40、注油接头上密封圈41、注油接头下密封圈A42、注油丝堵A43、注油丝堵密封圈A44、十针高压电插头A45、线接头压帽A46、压帽螺栓A47、注油接头下密封圈B48、转换筒49组成。
如图3至图13所示,地层压力测量总成3由压力补偿筒50、补偿筒上密封圈51、压力补偿橡胶筒52、补偿筒下密封圈53、静铁心压帽54、静铁心压帽密封圈55、铁心外壳A56、静铁心A57、线圈骨架A58、线圈骨架固定螺栓59、动铁心A60、穿销61、锁销心杆62、弹簧丝堵63、采样接头64、外壳固定螺栓65、弹簧丝堵密封圈66、别销反力弹簧67、采样接头上密封圈68、密封固定筒69、隔离活塞筒70、导压筒71、密封固定筒上密封圈72、密封固定筒中密封圈73、密封固定筒下密封圈74、密封固定筒内密封圈75、导压筒上密封圈76、隔离活塞筒密封圈77、导压筒下密封圈78、毛细管焊接密封环79、隔离活塞筒收进液压毛细管80、焊接密封环密封圈81、隔离活塞筒推出液压毛细管82、地层压力测量毛细管83、毛细管连接接头84、连接接头螺栓85、采样接头下密封圈86、测量机构保护筒87、静铁心B88、线圈骨架B89、动铁心B90、铁心外壳B91、静铁芯与外筒螺栓92、外筒与线圈骨加螺栓93、铁芯外筒与弹簧外筒螺栓94、滑阀芯杆95、弹簧外筒96、滑阀反力弹簧97、滑阀体98、滑阀体螺栓99、三通100、三通压紧螺套101、三通半圆键102、三通密封圈103、滑阀体密封圈104、柱塞泵本体105、高压单向阀106、高压定压阀107、自吸入柱塞108、斜盘轴109、斜盘轴承110、减速器外筒111、联轴端套112、减速器轴承113、减速器114、直流电机115、减速器外筒螺栓116、电机座转换接头上螺栓117、电机座转换接头118、电机座转换接头下螺栓119、静铁心C120、线圈骨架C121、动铁心C122、铁心外壳C123、弹簧外筒C124、滑阀芯杆C125、滑阀反力弹簧C126、滑阀体C127、静铁芯与外筒螺栓C128、外筒与线圈骨加螺栓C129、铁芯外筒与弹簧外筒螺栓C130、滑阀体螺栓C131、负压筒防转螺销132、负压筒133、负压筒柱塞帽134、负压筒柱塞135、测量压力计本体A136、测量压力计压帽A137、压力传感器A138、柱塞帽密封圈139、柱塞杆密封圈140、柱塞头密封圈141、压力计本体A密封圈142、压力计压帽A密封圈143、压力传感器支撑骨架144、测量压力计本体B145、测量压力计压帽B146、压力传感器B147、压力计本体B密封圈148、压力计压帽B密封圈149、测量总成注油接头150、十针高压电插头B151、线接头压帽B152、压帽螺栓B153、下保护套154、注油接头密封圈A155、注油接头密封圈B156、注油接头密封圈C157、注油丝堵B158、注油丝堵密封圈B159、硬质合金耐磨块160、过油通道161、过线通道162、水眼163、电源信号线过线口164、泵输出高压毛细管口165、泵输出孔166、泵本体减速器外筒螺栓167、负压筒传感器支撑骨架螺栓168组成。
如图14所示,地层压力测量装置电液控制原理流程示意图主要包括隔离筒伸缩液压缸、锁定销、锁定销电磁铁、隔离筒收进高压输出毛细管、隔离筒推出高压输出毛细管、地层压力测量毛细管、直流电机、轴向柱塞泵、定压阀、油箱、2位四通电磁换向阀、2位二通电磁换向阀、负压筒单元、地层和环空压力测量传感器、柱塞泵输出和水眼压力监测传感器、十针高压隔离插头副和控制模块。
以上对本发明方法实施例子进行了详细介绍,并阐述了具体实施方式在实际使用过程的具体案例方法,以上实施例子的说明只是用于帮助理解本发明方法的使用系统;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明方法的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本方法发明使用的限制。