CN103154667A - 井下测量工具 - Google Patents

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理查德·帕菲特
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Imdex Technology Australia Pty Ltd
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Abstract

一种用于井眼的方向测量的井下测量工具(10)。所述工具(10)包括一个容置有一个两轴陀螺仪(13)和一个两轴加速计(15)的本体(11)。所述陀螺仪(13)和加速计(15)固定在一起，以形成一个复合的传感器器件(17)。所述传感器器件(17)支撑在旋转座(31)中，以绕转位轴(4)旋转。所述传感器器件(17)能够绕所述转位轴在两个相隔180度的转位位置之间转位。一转位机构(70)用于选择性地绕所述转位轴(4)使所述传感器器件(17)转位。所述转位机构(70)包括适于选择性地相互作用以驱使所述传感器器件(17)转位运动的驱动部(71)和被驱动部(72)。当使用俯仰驱动机构(51)使所述旋转座(31)绕俯仰轴(1)旋转时，所述被驱动部(72)可移动至与所述驱动部(71)接合或脱离接合。

Description

井下测量工具
技术领域
本发明涉及一种用于使器件在绕转位轴的不同转位位置之间转位的装置。本发明还涉及一种包含该装置的测量工具，其中，该器件通常包括在井下测量操作中使用的传感器。本发明还涉及一种进行井下测量操作的方法。
背景技术
对背景技术的以下描述仅仅是为了便于理解本发明，并不是承认其涉及到的材料是在本申请的优先权日之前的公知常识。
在井眼钻孔操作中，需要测量井眼的路径，以确定轨迹是否保持在可接受的范围内。井眼的测量通常使用测量工具来实现，该测量工具沿着井眼移动，以获得需要的信息或者至少获得可以用以确定需要的信息的数据。与井眼的路径相关的数据通常包括倾斜度、方位角和深度。
测量工具通常包含用于测量本地重力场的方向和大小以及地球的转速的传感器器件。这些测量与测量工具在井眼中的位置和方向相对应。位置、倾斜度和/或方位角可以根据这些测量计算。
这些传感器器件可以包括用于测量本地重力场的方向和大小的加速计以及用于测量地球的转速的陀螺仪，根据这些测量可以计算出方位角。
商用陀螺仪带有会严重影响测量准确度的系统误差。
为了消除或者至少减小系统误差，已知一种方法是，在两个转位位置之间180度转动陀螺仪，并在这两个转位位置进行测量。因为两个转位位置180度分离，所以测量是相反的，也就是说，该测量可以提供极性相反的相同数据。这样的测量方式下，系统误差可以消除或者减小。
商用加速计也带有可以以相同方式处理的系统误差。
为了在不同转位位置之间使转位传感器器件，比如陀螺仪和/或加速计转位，需要在测量工具上设置转位机构。
还需要给所述传感器器件定位，以使两个正交的量测轴位于一个选定平面内，该选定平面通常是水平的。
转位定位所述传感器器件的需求可能增加测量工具的成本和复杂性，并且，在需要结构紧凑的测量工具的情况下，转动定位尤其困难。
为了克服背景技术的问题和困难而研发了本发明。
发明内容
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种用于使器件绕转位轴转位的装置，所述装置包括：
底座；
用于支撑所述器件绕所述转位轴旋转的支架，所述支架包括设于所述底座上的可绕于垂直所述转位轴的俯仰轴旋转的旋转座；
用于使所述器件绕所述转位轴转位的转位驱动机构，所述转位驱动机构包括驱动部和被驱动部，所述驱动部设于所述底座上，所述被驱动部设于所述旋转座上并与所述器件传动连接，当所述旋转座绕所述俯仰轴旋转时，所述被驱动部可被移动至与所述驱动部接合和不接合，当所述被驱动部与所述驱动部接合时，所述被驱动部能够受所述驱动部驱动，进而带动所述器件绕所述转位轴转位。
在这种布置下，所述驱动部不需要设于承载所述器件的所述支架上。避免将所述驱动部设在所述支架上，有助于实现紧凑的布置并有助于减小装置的尺寸。
所述驱动部可以包括适于偏心安装以绕一驱动轴线旋转的驱动元件。所述驱动元件可以包括滚轮销形式的驱动销。
所述驱动元件可以设于一驱动轴的一端，所述驱动轴具有旋转轴线且所述驱动轴被配置为曲轴，所述驱动元件偏离所述驱动轴的所述旋转轴线。
所述驱动部还可以包括：与所述驱动轴传动连接的用于选择性地在任一方向上绕所述驱动轴的轴线旋转所述驱动轴的转位驱动电机。
所述被驱动部可以包括可旋转地安装在所述支架上且与所述器件连接的转位头，所述转位头与所述驱动元件可接合，以接受来自所述驱动元件的转动驱动。所述转位头可以包括用于限定代表凸轮面的凸轮轮廓的转位板。所述凸轮轮廓可以用于限定一凹口，所述驱动销能够容纳在该凹口中。所述凸轮轮廓还可以限定位于所述凹口两侧的两个凸角。
当所述驱动轴旋转时，偏心的所述驱动元件被带动，沿绕所述驱动轴的旋转轴线的圆形路径横向移动，带动所述转位板转动，进而带动所述器件发生转位运动。
所述装置还可以包括用于选择性地绕所述俯仰轴转动所述旋转座的俯仰驱动机构。这便于所述驱动部移动以与所述被驱动部接合和与所述被驱动部不再接合。在适当的情况下，它还可以用于对所述器件进行关于所述俯仰轴定向。
所述俯仰驱动机构可以包括与所述旋转座传动连接的俯仰驱动电机。所述俯仰驱动电机可以与所述旋转座通过传动组件传动连接，所述传动组件包括与所述俯仰轴同轴安装在所述旋转座上的环形齿轮。所述传动组件还可以包括驱动轴、以及固定安装在所述驱动轴上并与所述环形齿轮啮合的传动小齿轮。在这种布置下，所述旋转座能够在所述俯仰驱动电机的驱动下，选择性地被带动，以承受绕所述俯仰轴的俯仰旋转，所述俯仰旋转的方向由所述驱动电机的旋转方向决定。
被支撑以绕所述转位轴旋转的器件可以包括传感器器件。所述传感器器件可以是任何合适的类型，例如，所述传感器器件可以包括一个或多个陀螺仪、一个或多个加速计或者它们的结合。
当所述传感器器件包括一个陀螺仪时，所述陀螺仪包括两轴陀螺仪，所述两轴陀螺仪安装在所述支架上，使得两个量测轴与所述转位轴垂直。
当所述传感器器件包括一个加速计时，所述加速计包括两轴加速计，所述两轴加速计安装在所述支架上，使得两个量测轴与所述转位轴垂直。
所述传感器器件可以为包括一个两轴陀螺仪和两轴加速计的复合器件，所述两轴陀螺仪和所述两轴加速计的量测轴均与所述转位轴垂直。所述两轴陀螺仪和两轴加速计可以互相连接，以绕所述转位轴一起旋转。
可能有必要在驱动所述驱动部之前，将所述被驱动部与所述驱动部对准。特别地，还可能有必要在转位之前对准所述旋转座的斜度，使得在所述驱动元件位于所述转位板的所述凹口中时，所述转位板正确对准所述驱动元件。一光学对准系统可以被用来感应所述驱动部和所述被驱动部之间的对准、以实现所述驱动部和所述被驱动部之间的可操作的接合，从而所述被驱动部能够受所述驱动部的驱动，驱使所述传感器器件绕所述转位轴转位。
所述光学对准系统可以包括第一光学信号发射器和第一光学信号接收器，所述第一光学信号发射器和第一光学信号接收器适于相互配合以确保对准是正确的。
所述第一光学信号发射器适于产生调制光束，并将所述调制光束沿垂直于所述转位板的表面的且在所述转位轴的径向方向上从所述转位台发射。所述第一光学信号发射器可以包括设于所述转位板上的中心孔和位于所述孔后的用于发射所述调制光束的发光器件。
所述第一光学信号接收器可以包括一个对应孔和安装在所述旋转座外部(通常在所述底座上)的光学探测器，这样，当所述转位板位于正确位置时，两个所述孔对准且所述调制光束被检测到。
光学对准系统还可以用于检测所述器件是否绕所述转位轴正确转位至期望的转位位置。在所述器件具有两个转位位置且两个转位位置相隔180度的情况下，所述光学对准系统可以包括所述光学信号发射器和一个偏离所述第一信号发射器的第二光学信号发射器。所述第二信号发射器可以包括设于所述转位板上的第二孔和位于所述第二孔后的用于发射所述调制光束的发光器件。
所述光学对准系统进一步包括所述第一光学信号接收机和偏离所述第一光学信号接收器设置的一个或多个另外的光学信号接收器。例如，可以包括位于所述第一光学信号接收器两侧的两个另外的光学信号发射器。在这种布置中，所述第一光学信号发生器和第一光学信号接收器相互配合，以证实在转位之前，所述旋转座的斜度的对准，以使所述转位板正确对准所述驱动元件。此外，所述第二光学信号发射器与另外的光学信号接收器相互配合，以证实所述传感器器件被正确转位至期望的转位位置。当所述两个转位位置180度分隔时，两个另外的光学信号发射器中的一个用于监视一个转位位置，而两个另外的光学信号发射器中的另一个用于监视另一个转位位置。
这种布置提供了一种简单而高效的对准系统，该系统避免了旋转位置编码器的使用，而旋转位置编码器的使用可能增加该装置的成本、体积和复杂性。
可能需要在所述底座和设于所述底座上以绕所述俯仰轴旋转的所述旋转座之间提供电连通性。典型地，所述底座中容纳有与旋转座上的元件电连接的电子线路。
所述电连通性可以通过一挠性连接电缆提供，该挠性连接电缆在所述旋转座和所述底座之间延伸，所述电缆的一端部连接所述旋转座，所述电缆的另一端部连接所述底座，所述电缆的中间部被配置为环路。
所述电缆可以包括扁平的多芯电缆。
所述环路可以设于一电缆容器中，所述电缆容器包括两相对的侧边和一开口端，所述电缆从所述开口端伸出。
所述环路可以包括两个直线部分和在所述两个直线部分之间延伸的一个转弯部分。所述两个直线部分可以由所述电缆容器的两侧边限制和引导，当所述旋转座转动时，一个垂直部分适于进行平移运动，沿所述电缆容器的相邻的侧边滑动。这便于所述旋转座和所述底座之间的相对移动。
这种布置在所述旋转座和所述底座之间提供了一种简单而高效的电连接，其结构紧凑并且避免了使用传统的用于电连接的滑环组合。
如前所述，所述器件被支撑以绕所述转位轴在所述转位位置之间转动。可能有必要以便于所述转位移动的方式，在所述器件和承载所述器件的支架之间提供电连通性。
所述电连通性可以通过提供延伸在所述器件和所述支架之间的挠性连接电缆实现，所述电缆的一端部连接所述器件，所述电缆的另一端部连接所述支架，所述电缆的中间部绕所述转位轴盘绕。所述电缆可以包括扁平的多芯电缆，以提供紧凑的结构。典型地，所述电缆绕所述器件，容纳在所述器件和所述器件周围的支架之间的空间中。所述中间部分可以盘绕多次，以便于所述转位的器件和所述支架之间相对的旋转运动。当所述器件绕所述转位轴从一个转位位置向另一转位位置转动时，盘绕的中间部分103根据移动方向简单地缠绕和展开，并一直保持电连接。
这种布置在所述传感器器件和所述旋转座之间提供了一种简单而高效的电连接，其结构紧凑并且避免了使用传统的用于电连接的滑环组合。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种井下测量工具，该工具包括根据本发明的第一方面所述的装置，其中，所述器件包括传感器器件。
根据本发明的第三方面，本发明提供了一种井下测量工具，其包括：
可绕一转位轴转动的传感器器件；
底座；
用于支撑所述传感器器件绕所述转位轴转动的支架，所述支架包括设于所述底座上的可绕垂直于所述转位轴的俯仰轴旋转的旋转座；
用于选择性地绕所述俯仰轴选择所述旋转座的俯仰驱动机构；
用于使所述传感器器件绕所述转位轴转位的转位驱动机构，所述转位驱动机构包括驱动部和被驱动部，所述驱动部设于所述底座上，所述被驱动部设于所述旋转座上并与所述器件传动连接，当所述旋转座绕所述俯仰轴旋转时，所述被驱动部可被移动至与所述驱动部接合和脱离接合，当所述被驱动部与所述驱动部接合时，所述被驱动部能够受所述驱动部驱动，进而带动所述器件绕所述转位轴转位。
根据本发明的第四方面，本发明提供了一种使用本发明第二或第三方面提供的井下测量工具进行井下测量操作的方法。
根据本发明的第五方面，本发明提供了一种进行井下测量操作的方法，该方法包括：
将测量工具定位在井眼内的选定位置，所述测量工具包括传感器器件，所述传感器器件包括至少两个量测轴；
定向所述传感器器件，使得所述两个量测轴位于选定平面；
从位于所述选定位置的所述传感器器件获得测量结果；
将所述传感器器件移动到转位位置，在所述转位位置，所述传感器器件绕垂直于所述两个量测轴的转位轴转位；
将被转位的所述传感器器件恢复至所述两个量测轴位于所述选定平面的位置；以及
从位于所述选定位置的所述传感器器件获得另一测量结果。
所述方法还可以包括：
继续将所述测量工具定位在所述井眼内的一个或多个另外的选定位置；
定向所述传感器器件，使得所述两个量测轴位于所述另外的选定位置的选定平面；
从位于所述另外的选定位置的所述传感器器件获得测量结果；
将所述传感器器件移动到所述转位位置，在所述转位位置，所述传感器器件绕垂直于所述两个量测轴的转位轴转位；
将被转位的所述传感器器件恢复至所述两个量测轴位于所述另外的选定位置的选定平面的位置；以及
从位于所述另外的选定位置的所述传感器器件获得另一测量结果。
附图说明
通过对附图中显示的本发明的一个特定实施例的以下描述，本发明将被更好地理解，其中：
图1为本发明实施例提供的测量工具的立体示意图，为了显示其内部部件，去掉了部分外壳；
图2为与图1相似的示意图，但是去掉了更多的部件，以显示更多的内部部件；
图3为供传感器器件在两个转位位置之间移动的旋转座的平面示意图，所述旋转座被配置为转位台，一转位机构与所述转位台可操作的配合；
图4为图3所示结构的侧视图；
图5为所述转位台和转位机构的立体示意图，其中，所述转位台位于第一位置；
图6为与图5类似的示意图，除了所述转位台旋转至第二位置，以操作所述转位机构；
图7为另一立体示意图，特别显示了所述转位机构；
图8为另一立体示意图，特别显示了所述转位台和所述转位机构的驱动部；
图9为所述转位台的另一立体示意图，特别显示了用于将所述传感器器件偏转至各个转位位置的偏置机构；
图10为显示了所述偏置机构的所述转位台的另一示意图；
图11、12和13为显示了所述转位操作的系列示意图；
图14为所述转位台、可旋转地安装在所述转位台上的传感器器件和在所述传感器和所述转位台之间延伸、为其提供电连接的挠性连接电缆，其中，所述传感器器件位于第一转位位置；
图15是与图14相似的示意图，除了所述传感器器件位于第二转位位置；
图16为进一步显示了所述转位台、所述传感器器件以及在所述传感器器件和所述转位台之间延伸的挠性连接电缆的截面示意图；
图17为显示了所述转位台、所述传感器器件以及在所述传感器器件和所述转位台之间延伸的挠性连接电缆的立体示意图；
图18为显示了所述转位台、所述传感器器件、以及从所述转位台延伸出的为位于一个可旋转位置的转位台提供与所述工具内其它地方的电连接的挠性连接电缆；
图19为与图18相似的示意图，除了所述转位台位于另一旋转位置；
图20为所述井下测量工具的立体示意图，特别显示了所述转位台和从所述转位台延伸的用于提供与所述工具中的其它地方的电路的电连接的挠性连接电缆；
图21为在驱动部和所述转位机构的被驱动部之间进行传感对准的光学对准系统，安装在所述转位台上的所述被驱动部处于第一转位位置；
图22为与图21类似的示意图，除了所述被驱动部位于第二转位位置；
图23为所述转位台的截面示意图，特别显示了其上设置的所述被驱动部和光学对准系统的一部分；
图24为所述井下测量工具的底座的一部分的立体示意图，特别显示了其上设置的所述驱动部和所述光学对准系统的一部分；
图25为所述井下测量工具使用的复合传感器器件的示意图；
图26为所述转位台的截面示意图，特别显示了其中设置的所述复合传感器器件。
具体实施方式
参见附图，其中显示了一种用于井眼的定向测量的井下测量系统10。为了方便，所述井下测量系统10被配置为工具，该工具也采用相同的标号10表示。所述工具10包括本体11，本体11的大小和形状能够在井下测量应用中沿井眼移动，其中的最大通道直径通常约为45mm。所述本体11内设有一个机械陀螺仪13和一个加速计15。
所述陀螺仪13和加速计15固定在一起，以形成传感器组合，下文中该传感器组合将被称为复合传感器件17。在本实施例中，所述陀螺仪13为两轴陀螺仪，所述加速计15为两轴加速计。当然，所述传感器组合还可以采用其它配置。所述陀螺仪的两个量测轴在图25中用标号13a和13b表示。同样地，所述加速计15的两个量测轴在图25中用标号15a和15b表示。
所述工具10被配置为选择性地将所述传感装置17绕相互垂直的第一轴1和第二轴2转动，为了方便，将第一轴1和第二轴2分别称为俯仰轴和偏航轴(pitch and yaw axes)。所述第一轴1和第二轴2如图2所示。
所述本体11具有长轴3，该长轴3被称为滚动轴，所述本体11能够绕所述长轴3转动。当所述工具10下放到所述井眼时，在任何特定时刻，所述滚动轴3对准所述工具所在的所述井眼的相邻区域的长度范围。
所述偏航轴2与所述两轴陀螺仪13和所述两轴加速计15的量测轴垂直。
绕俯仰轴1和滚动轴3的旋转，使得所述陀螺仪13和所述加速计15的量测轴的平面能够按照要求对齐。在本实施例中，要求所述陀螺仪13和加速计15移动到传感位置，在该感应位置，它们各自的量测轴均位于水平面。
绕偏航轴2的旋转，使得所述陀螺仪13和所述加速计15在不同转位位置之间转位，从而可以减小或消除两个器件的系统误差。特别地，所述传感器器件17选择性地绕所述偏航轴2在不同转位位置之间转动，下文中将对其进行详细描述。在本实施例中，所述传感器器件17可绕偏航轴2在两个180度分离的转位位置之间旋转。
虽然图中没有显示，但是本发明实施例还提供了一驱动机构，该驱动机构用于改变所述井眼中的所述壳体29的横摇角(roll angle)，也就是说，使所述壳体29绕所述滚动轴3旋转。
所述本体11包括底座23、两侧部25和盖子27，底座23、两侧部25和盖子27形成壳体29。图1中去掉了部分盖子27，而图2中移除了两侧部25和盖子27，以显示内部部件。
所述传感器器件17由设于所述壳体29内的旋转座31支撑。所述旋转座31被配置为球形的转位台33，所述传感器17设于其中，以绕偏航轴2旋转。在这种结构下，所述偏航轴2限定了转位轴4，所述传感器器件17能够绕所述转位轴4转动。相应地，所述陀螺仪13和所述加速计15的量测轴基本上与所述转位轴4垂直，如图25所示。
所述转位台33包括空心体35，其中可旋转地安装有传感器器件17，如图16所示。所述陀螺仪13由一对预装轴承37可旋转地支撑，位于所述陀螺仪13和所述空心体35之间。
所述转位台33设于所述壳体29中，以绕与所述转位轴4垂直的所述俯仰轴1转动。在图中所示的布置中，所述转位台33具有两个短轴41，两个短轴41的轴线相配合形成所述俯仰轴1。所述短轴41由安装在侧部25上的轴承43可旋转地支撑。
俯仰驱动机构51被设置来选择性地将所述转位台33绕所述俯仰轴1旋转。这使得所述传感器器件17能够绕所述俯仰轴1被旋转至任一被选中的平面，以进行感测。
所述俯仰驱动机构51包括与所述转位台33传动连接的俯仰驱动电机51。所述俯仰驱动电机53通过传动组件56与所述转位台33传动连接，该传动组件56包括环形齿轮57，该环形齿轮57安装在所述转位台33上并与所述俯仰轴1同轴。所述传动组件56还包括驱动轴(图未示)和传动小齿轮61，该传动小齿轮61固定安装在所述驱动轴上且与所述环形齿轮57啮合。在这种布置下，所述转位台33能够在所述驱动电机53的驱动下，选择性地被驱动，从而绕所述俯仰轴1俯仰旋转，所述俯仰旋转的方向由所述驱动电机的旋转方向决定。
转位机构70被设置来选择性地绕所述转位轴4转动所述传感器器件17。如前所述，在本实施例中，所述传感器器件17可绕所述转位轴4在两个分开180度的转位位置之间旋转。
所述转位机构70包括驱动部71和被驱动部72，适用于选择性地相互配合，以使得所述传感器器件17转位运动。
所述被驱动部72包括转位头73，该转位头73可旋转地安装在所述转位台33上且与所述传感器器件17连接。所述转位头73包括转位板75，转位板75用于限定表示凸轮面79的凸轮轮廓77。所述凸轮轮廓77用于限定一个凹口81和设于所述凹口两侧的两个凸角83。
所述驱动部71包括驱动元件85，用于驱使所述转位板75旋转。所述驱动元件85偏心安装，以绕驱动轴线86旋转。所述驱动元件85包括设于驱动轴89的一端的驱动销87，所述驱动轴89的旋转轴与所述驱动轴线86相同。所述驱动销87被配置为滚轮销。所述驱动轴被配置为曲轴，所述驱动销87偏离所述驱动轴的旋转轴。
所述驱动部71还包括转位驱动电机93，该转位驱动电机93与驱动轴89传动连接，以选择性地绕所述驱动轴线86向两个方向中的一个旋转所述驱动轴。当所述驱动轴89旋转时，偏心的驱动销87被带动沿绕所述驱动轴线86的圆形路径向两侧移动，其目的在下文中描述。所述驱动销87具有一个“停止”位，当其不工作时位于该位置。图5和图6中，驱动销位于该“停止”位。
所述转位板75和所述驱动销87适用于相互配合，以便于所述传感器器件17在所述转位驱动电机93的驱动下，绕所述转位轴4转动。这种配合包括所述转位台33绕所述俯仰轴1的转动，进而将所述转位头73向所述驱动部71移动，直至一个操作位，如图4-7和图11-13所示。在这个阶段，所述转位板75的旋转轴(与转位轴4相同)与所述驱动轴89的旋转轴91平行。在这种布置下，所述驱动轴89在所述转位驱动电机93的驱动下产生的旋转，带动所述驱动销87离开其“停止”位，并沿绕所述驱动轴线86的圆形路径，朝与所述驱动轴89的旋转方向相同的方向侧向移动。移动的所述驱动销87与所述凸轮轮廓77接合。移动的驱动销87和所述凸轮轮廓77之间的相互作用带动所述转位板75绕其旋转轴(与转位轴4相同)旋转。这带动所述传感器器件17开始绕所述转位轴4转位。更特别地，所述转位动作由侧向移动的驱动销87和所述转位板75之间的相互作用开始，在过中心偏置机构94的影响下结束(在下文中描述)。
所述驱动销87继续通过所述圆形路径移动，最后回到所述“停止”位，等待下一次转位动作。
在该布置下，所述驱动轴89的一次完整的旋转产生从一个转位位置到另一个转位位置的180度转位。
一旦所述传感器器件17被转位，所述俯仰驱动机构51能够被驱动，从而绕所述俯仰轴1旋转所述转位台33并使所述传感器器件回到原位，以继续在正确的平面进行感测。
当然，转位方向由所述转位驱动电机93的作用下的所述驱动轴89的旋转方向控制。
如图9和图10所示，所述过中心偏置机构94可操作地将所述传感器器件17偏置到各个转位位置。所述过中心偏置机构94包括双稳弹簧机构95，其可以经过过中心位置，从而将所述传感器器件17偏置到各个转位位置。所述双稳弹簧机构95与所述传感器器件17可操作地连接且位于所述转位平台的与所述转位头73相对的一侧。
所述双稳弹簧机构95包括弹簧96和与所述传感器器件17一起旋转的端板97。所述弹簧96的一端与所述端板97上的一偏心销98连接，所述弹簧96的另一端与安装在所述空心体35的一部分上的固定销99连接，所述传感器器件17可旋转地设于苏搜狐空心体35上。
限位机构104用于限制所述传感器器件17到两个分隔180度的转位位置的旋转程度。
当所述传感器器件17从一个转位位置向另一转位位置移动时，所述弹簧96首先在从一个转位位置移动，直到到达所述过中心位置的过程中扩张，然后在超过所述过中心位置后的朝所述另一转位位置移动的过程中收缩。这样，所述双稳弹簧机构95可以将所述传感器器件17偏置到对应的转位位置。
在驱动所述转位机构71之前，需要先将所述转位台33与所述驱动销87对准。特别地，需要在转位前将所述转位台33的斜度对准，这样，所述转位板75可以正确地对准所述驱动销87。光学对准系统130被用来实现该目的，下文中将对其进行详细描述。
如上所述，在所述转位台33内，所述传感器器件17在所述转位位置之间转动。随着所述传感器器件17的转位，需要在所述传感器器件17和所述转位台33之间，建立便于它们之间相对移动的电连接。为此，挠性连接电缆100在所述传感器器件17和所述转位台33之间延伸，所述电缆100的一个端部101与所述传感器器件17连接，另一个端部102与所述转位台33连接，中间部103绕所述转位轴4盘绕。在这种布置下，所述电缆100容纳于所述传感器器件17和所述转位台33之间的空间105中，如图14-17所示。所述中间部103盘绕多次，以便于在不对所述电缆100产生相反的压力，从而影响其使用寿命的情况下，进行相对旋转运动。在本实施例中，所述电缆100包括扁平的多芯电缆，以提供紧凑的结构。
当所述传感器器件17从一个转位位置向另一个转位位置旋转时，盘绕的中间部分103根据移动方向简单地缠绕和展开，并一直保持电连接。
这种布置在所述传感器器件17和所述旋转座3之间提供了一种简单甚至高效的电连接，其结构紧凑且避免使用传统的用于电连接的滑环组合。
还需要在所述转位台33和容纳所述测量工具10的电子线路的所述底座23之间建立电连接。为此，挠性连接电缆110在所述转位台33和所述电子线路(图未示)之间延伸，电缆110的一个端部连接所述转位台33，另一个端部112连接所述电子线路，而中间部113配置为环路，如图18、19和20所示。在本实施例中，电缆110包括扁平的多芯电缆。所述环路115设于电缆容器117中，该电缆容器117包括两相对的侧边118和开口端119，所述电缆从所述开口端119伸出。所述环路115包括两个直线部分121、122和连接在两个直线部分之间的一个转弯部分123。所述两个直线部分121、122由所述电缆容器117的两侧边118局限和导向，当所述转位台33转动时，所述直线部分121适于承受平移运动，沿所述电缆容器117的侧边118滑动。这有利于所述转位台33和所述电子线路之间的相对运动。当所述电缆110的直线部分121滑动时，所述转弯部分123在所述电缆容器117中，与平移的所述直线部分121一起转动。当然，随着所述直线部分的平移和所述转弯部分123的转动，所述电缆110的构成所述直线部分121、122和所述转弯部分123的部分不断变化。
这种布置在所述转位台33和所述底座23之间提供了一种简单甚至高效的电连接，其结构紧凑且避免使用传统的用于电连接的滑环组合。所述环路115优选地具有较大的曲率半径，以避免对所述电缆110产生相反的压力，影响其使用寿命。
如前所述，在驱动所述转位机构70之前，需要对准所述转位台33。特别地，需要在转位之前，对准所述转位台33的斜度，以使所述转位板75正确地对准所述驱动销87。所述光学对准系统130可用于感应所述驱动部71和被驱动部72之间的正确的对准情况，以使其可操作的接合，从而所述被驱动部72能够接受所述驱动部71的驱动，带动所述传感器器件17绕所述转位轴4转位。
现在参见图21和22，所述光学对准系统130包括第一光学信号发射器131和第一光学信号接收器133，第一光学信号发射器131和第一光学信号接收器133相互配合以证实所述对准是正确的。所述第一光学信号发射机131用于产生调制光束，并沿垂直于所述转位板33和平行于所述转位轴4的方向从所述转位台33发射该调制光束。特别地，所述第一光学信号发射器131包括设于所述转位板75上的中心孔137和位于所述孔137后的用于发生所述调制光束的发光器件(图未示)。所述第一光学信号接收机133包括对应的孔141和光学探测器143，该光学探测器143安装在所述转位台33外部，通常安装在所述底座23上，这样，当所述转位板75在正确位置时，所述孔137、141对准，所述调制光束被检测到。
在本实施例中，所述光学对准系统130还用于检测所述传感器器件17是否被正确地转动到期望的转位位置。如前所述，传感器器件17具有两个转位位置，而这两个转位位置相隔180度。
在图中所示布置中，所述光学对准系统130还包括偏离所述第一光学信号发射器131的第二光学信号发射器132。所述第二光学信号发射器132包括设于所述转位板75中的第二孔138和位于所述孔138后的用于发射调制光束的发光器件(图未示)。
所述光学对准系统130还包括一个或多个另外的光学信号接收器134，该另外的光学信号接收器134偏离所述第一光学信号接收器133。在图示布置中，两个另外的光学信号接收器134a、134b设于所述第一光学信号接收器133的相对两侧。所述另外的光学信号接收器134a包括对应的孔142a和光学探测器144a。所述另外的光学信号接收器134b包括对应的孔142b和光学信号探测器144b。
在这种布置下，所述第一光学信号发射器131和第一光学信号133相互配合，以证明在转位之前，所述转位台33的斜度是对准的，以使得所述转位板75正确地对准所述驱动销87。另外，第二光学信号发射器132与所述另外的光学信号接收器134配合，以证明所述传感器器件17被转动到期望的转位位置。由于两个转位位置相隔180度，另外的光学信号接收器134a用于监视一个转位位置，而另外的光学信号接收器134b监视另一个转位位置。图21显示了所述传感器器件17位于所述第一转位位置时的布置，其中，所述光学信号发射器132与所述另外的光学信号接收器134a配合，以证明所述传感器器件17被正确转动到所述第一转位位置。同样地，图22显示了所述传感器器件17位于所述第二转位位置时的布置，其中，第二光学信号发射器132与所述另外的光学信号接收器134b配合，以证明所述传感器器件17被正确转动到所述第二转位位置。
因为所述陀螺仪13和所述加速计15固定在一起，所以它们一起发生转位。这样，所述陀螺仪13和所述加速计15的量测轴可以对准，从而消除系统误差。
下面将描述所述井眼测量工具10的操作。
在进行井眼测量操作时，所述工具10通常从一根钢丝绳悬吊下来，沿所述井眼移动。当每个需要测量的位置，所述工具10停止并被启动，测量过程开始。所述测量过程包括：改变所述壳体29的横摇角，然后用所述俯仰驱动机构51绕所述俯仰轴1旋转所述转位台33，从而根据需要移动所述陀螺仪13和加速计15的量测轴各自所在的平面。典型地，所述量测轴被移动到这样的位置，在该位置它们都与各自的水平面对齐。当所述转位台33旋转时，所述电缆110移动，以便于所述转位台33和安装在所述底座23上的电子线路之间的相对运动，进而保持所述转位台33和所述电子线路之间的电连接的连通性，如前文所述。
在本实施例中，要求所述陀螺仪13和所述加速计15的量测轴在各自的水平面内是完全水平的。当所述量测轴水平时，可以获得一个第一测量结果或者一组第一测量结果。为了减小或者消除系统误差，通常会180度转位所述陀螺仪13和加速计15，以获得一个第二测量结果或者一组第二测量结果。然后，采用已知方法处理所述第一和第二测量结果，获得系统误差被减小或消除的合成的测量结果。为了使所述传感器器件17转位，以获得所述一个第二测量结果或者一组第二测量结果，首现需要使用所述俯仰驱动机构51绕所述俯仰轴1旋转所述转位台33，以向所述驱动部71移动所述转位头73，直至图4-7和图11-13所示在位置。在这个阶段，所述转位板75的旋转轴(与转位轴4相同)与所述驱动轴89的旋转轴91平行。
如前所述，所述光学对准系统130被用来在所述转位驱动机构93运转之前，确保所述转位台33的斜度对准所述驱动销87。
所述驱动轴89在所述转位驱动电机93的驱动下旋转，带动所述驱动销87沿绕所述轴91的圆形路径、在与所述驱动轴89的旋转方向相同的方向上侧向移动。移动的驱动销87与所述转位板75相互作用，带动转位板75绕其旋转轴旋转(与所述转位轴4相同)。这使得所述传感器器件17，绕所述转位轴4180度转位，到达所述第二转位位置。所述传感器器件17和所述转位台33之间的电连接通过绕所述转位轴4盘绕的挠性连接电缆100维持，如前所述。
一旦所述传感器器件17被转位，可以驱动所述俯仰驱动机构51，以绕所述俯仰轴1旋转所述转位台33，并将所述传感器器件恢复至其初始位置，在该位置可以获得该次或该组第二测量结果。
一旦获得所述第一和第二测量结果或者一组第一或第二测量结果，所述工具10可以停止，然后移动到所述井眼中的下一个位置并在下一个位置获得另一测量结果。在下一个位置时，所述工具10被启动，测量过程开始，该测量过程和前面描述的一样。
上述步骤持续进行，直至所述测量完成。
在上述实施例中，所述传感器器件17包括所述陀螺仪13和所述加速计15。当所述转位过程应用到所述加速计时，具有消除其系统误差的有利效果，因此，在某种程度上可以使用一个低性能的器件对准陀螺仪的感测平面，否则只能采用更可靠和昂贵的加速计实现。另外，所述转位过程还具有消除所述陀螺仪和加速计的量测轴的对准误差的附加效果。
在其它实施例中(图未示)，可以省略所述加速计，在这种情况下，所述传感器器件17可以只包括陀螺仪13。
应当理解的是，本发明的范围并不限于所述实施例描述的范围。
在不超过本发明的范围的情况下，可以进行修改和改进。
另外，应当明白的是，本发明还可以应用在除井眼测量工具以外的设备、装置和机构中。
在说明书与权利要求书中，除非文中另行规定，否则“包括”将被理解为包括一个或一组所描述的整体结构，但不排除还包括其它的一个或一组整体结构。

Claims (40)

1.一种用于使器件绕转位轴转位的装置，所述装置包括：
底座；
用于支撑所述器件绕所述转位轴旋转的支架，所述支架包括设于所述底座上的可绕于垂直所述转位轴的俯仰轴旋转的旋转座；
用于使所述器件绕所述转位轴转位的转位驱动机构，所述转位驱动机构包括驱动部和被驱动部，所述驱动部设于所述底座上，所述被驱动部设于所述旋转座上并与所述器件传动连接，当所述旋转座绕所述俯仰轴旋转时，所述被驱动部可被移动至与所述驱动部接合和脱离接合，当所述被驱动部与所述驱动部接合时，所述被驱动部能够受所述驱动部驱动，进而带动所述器件绕所述转位轴转位。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动部包括：适于偏心安装以绕一驱动轴线旋转的驱动元件。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述驱动元件包括滚轮销形式的驱动销。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述驱动元件设于一驱动轴的一端，所述驱动轴具有旋转轴线且所述驱动轴被配置为曲轴，所述驱动元件偏离所述驱动轴的所述旋转轴线。
5.根据权利要求2或3或4所述的装置，其特征在于，所述驱动部还包括：与所述驱动轴传动连接的、用于选择性地在任一方向上绕所述驱动轴的轴线旋转所述驱动轴的转位驱动电机。
6.根据权利要求2-5任一项所述的装置，其特征在于，所述被驱动部包括可旋转地安装在所述支架上且与所述器件连接的转位头，所述转位头与所述驱动元件可接合，以接受来自所述驱动元件的转动驱动。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述转位头包括用于限定代表凸轮面的凸轮轮廓的转位板，从而当所述驱动轴旋转时，偏心的所述驱动元件被带动，沿绕所述驱动轴的旋转轴线的圆形路径侧向移动，带动所述转位板转动，进而带动所述器件发生转位运动。
8.根据前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，还包括：用于选择性地绕所述俯仰轴转动所述旋转座的俯仰驱动机构。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述俯仰驱动机构包括与所述旋转座传动连接的俯仰驱动电机。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述俯仰驱动电机与所述旋转座通过传动组件传动连接，所述传动组件包括与所述俯仰轴同轴安装在所述旋转座上的环形齿轮、驱动轴、以及固定安装在所述驱动轴上并与所述环形齿轮啮合的传动小齿轮。
11.根据前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，被支撑以绕所述转位轴旋转的器件包括传感器器件。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述传感器器件包括陀螺仪。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述陀螺仪包括两轴陀螺仪，所述两轴陀螺仪安装在所述支架上，使得两个量测轴与所述转位轴垂直。
14.根据权利要求11、12或13所述的装置，其特征在于，所述传感器器件包括加速计。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述加速计包括两轴加速计，所述两轴加速计安装在所述支架上，使得两个量测轴与所述转位轴垂直。
16.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述传感器器件包括复合器件，所述复合器件包括一个两轴陀螺仪和一个两轴加速计，所述两轴陀螺仪和所述两轴加速计的量测轴均与所述转位轴垂直。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述两轴陀螺仪和两轴加速计适于绕所述转位轴一起旋转。
18.根据前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，还包括：用于感应所述驱动部和所述被驱动部之间的对准、以实现所述驱动部和所述被驱动部之间的可操作的接合的对准传感器，从而所述被驱动部能够受所述驱动部的驱动，驱使所述传感器器件绕所述转位轴转位。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述对准传感器包括光学对准系统。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述光学对准系统包括第一光学信号发射器和第一光学信号接收器，所述第一光学信号发射器和第一光学信号接收器适于相互配合以确保对准是正确的。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述第一光学信号发射器适于产生调制光束，并将所述调制光束沿垂直于所述转位板的表面的且在所述转位轴的径向方向上从所述转位台发射。
22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述第一光学信号发射器包括设于所述转位板上的中心孔和位于所述孔后的用于发射所述调制光束的发光器件。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述第一光学信号接收器包括一个对应孔和安装在所述旋转座外部的光学探测器，当所述转位板位于正确位置时，两个所述孔对准且所述调制光束被检测到。
24.根据权利要求18-23任一项所述的装置，其特征在于，所述对准传感器被配置来检测所述器件是否绕所述转位轴正确转位至期望的转位位置。
25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述光学对准系统还包括偏离所述第一光学信号发射器设置的第二光学信号发射器。
26.根据权利要求25所述的装置，其特征在于，所述第二光学信号发射器包括设于所述转位板上的第二孔和位于所述第二孔后的用于发射所述调制光束的发光器件。
27.根据权利要求19-26任一项所述的装置，其特征在于，还包括偏离所述第一光学信号接收器设置的一个或多个另外的光学信号接收器。
28.根据权利要求27所述的装置，其特征在于，所述一个或多个另外的光学信号接收器包括位于所述第一光学信号接收器两侧的两个另外的光学信号发射器，其中，所述第一光学信号发生器和第一光学信号接收器适于相互配合，以证实在转位之前，所述旋转座的斜度的对准，从而使所述转位板正确对准所述驱动元件，所述第二光学信号发射器与所述另外的光学信号接收器相互配合，以证实所述传感器器件被正确转位至期望的转位位置。
29.根据前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，还包括：在所述旋转座和所述底座之间延伸的挠性连接电缆，所述电缆的一端部连接所述旋转座，所述电缆的另一端部连接所述底座，所述电缆的中间部被配置为环路。
30.根据权利要求29所述的装置，其特征在于，所述环路设于一电缆容器中，所述电缆容器包括两相对的侧边和一开口端，所述电缆从所述开口端伸出。
31.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，所述环路包括两个直线部分和在所述两个直线部分之间延伸的一个转弯部分，所述两个直线部分适于由所述电缆容器的侧边限制和引导，当所述旋转座转动时，一个垂直部分适于进行平移运动，沿所述电缆容器的相邻的侧边滑动。
32.根据前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，还包括：延伸在所述器件和所述支架之间的挠性连接电缆，所述电缆的一端部连接所述器件，所述电缆的另一端部连接所述支架，所述电缆的中间部绕所述转位轴盘绕。
33.一种包括前述权利要求中任一项所述的装置的井下测量工具，其中，所述器件包括传感器器件。
34.一种井下测量工具，包括：
可绕一转位轴转动的传感器器件；
底座；
用于支撑所述传感器器件绕所述转位轴转动的支架，所述支架包括设于所述底座上的可绕垂直于所述转位轴的俯仰轴旋转的旋转座；
用于选择性地绕所述俯仰轴选择所述旋转座的俯仰驱动机构；
用于使所述传感器器件绕所述转位轴转位的转位驱动机构，所述转位驱动机构包括驱动部和被驱动部，所述驱动部设于所述底座上，所述被驱动部设于所述旋转座上并与所述器件传动连接，当所述旋转座绕所述俯仰轴旋转时，所述被驱动部可被移动至与所述驱动部接合和脱离接合，当所述被驱动部与所述驱动部接合时，所述被驱动部能够受所述驱动部驱动，进而带动所述器件绕所述转位轴转位。
35.一种使用如权利要求33或34所述的井下测量工具进行井下测量操作的方法。
36.一种进行井下测量操作的方法，包括：
将测量工具定位在井眼内的选定位置，所述测量工具包括传感器器件，所述传感器器件包括至少两个量测轴；
定向所述传感器器件，使得所述两个量测轴位于选定平面；
从位于所述选定位置的所述传感器器件获得测量结果；
将所述传感器器件移动到转位位置，在所述转位位置，所述传感器器件绕垂直于所述两个量测轴的转位轴转位；
将被转位的所述传感器器件恢复至所述两个量测轴位于所述选定平面的位置；以及
从位于所述选定位置的所述传感器器件获得另一测量结果。
37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，还包括：
继续将所述测量工具定位在所述井眼内的一个或多个另外的选定位置；
定向所述传感器器件，使得所述两个量测轴位于所述另外的选定位置的选定平面；
从位于所述另外的选定位置的所述传感器器件获得测量结果；
将所述传感器器件移动到所述转位位置，在所述转位位置，所述传感器器件绕垂直于所述两个量测轴的转位轴转位；
将被转位的所述传感器器件恢复至所述两个量测轴位于所述另外的选定位置的选定平面的位置；以及
从位于所述另外的选定位置的所述传感器器件获得另一测量结果。
38.基本上如文中结合附图所描述装置。
39.一种基本上如文中结合附图所描述的井下测量工具。
40.一种基本上如文中所述的进行井下测量的方法。
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