CN103790574B - 测量地层压力的探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量地层压力的探头，包括，壳体，在壳体的周向壁上设置有第一伸出孔；安装在壳体内部的测量组件，其包括轴向安装的活塞缸，在所述活塞缸朝向外侧的第一端部设置有与所述第一伸出孔对齐的第二伸出孔；所述活塞缸的处于第一端部对侧的第二端部由端盖封闭，并且设置有沿轴向贯穿端盖的流体通道；设置在所述活塞缸内并能穿过所述第一伸出孔和第二伸出孔往复运动的活塞，沿所述活塞轴向设置有贯穿活塞的通孔。其中，在所述活塞周向壁的外表面上设置有能与所述壳体的周向壁对齐的第一切口。本发明的探头能够解决探头不能正常收回而造成的卡钻问题，提高了钻井安全性。

Description

测量地层压力的探头

技术领域

本发明涉及一种测量地层压力的装置，特别涉及一种随钻测量地层压力的探头。

背景技术

地层压力是钻井工程所需的一项重要参数。利用实时获得的地层压力数据可以优化泥浆重度和当量循环密度，防止井涌、井喷、地层损害或意外的地层压裂及循环漏失，并且还能够帮助校正预测地层压力的算法。在施工现场，利用实时获得的地层压力数据可提高钻井效率，进行更好的现场决策，及时更新地质模型。

为了实时、准确获得地层压力数据，通常使用随钻地层压力测量装置测量地层压力数据。随钻地层压力测量装置中的关键元件是测量探头，其形成了测量系统与地层之间的“桥梁”，即测量装置通过探头测量地层压力。

在测量过程中，在液压力作用下将探头从测量短节内部推出靠至井壁，探头端部密封材料封隔钻井液，在测量装置与地层之间形成流体通道。通过压力降、压力恢复与地层建立联系。同探头相连的压力传感器测量压力变化，压力恢复平衡后即为地层压力。在测量结束后，需要将探头收回到测量短节内部，防止发生卡钻事故。因此，为了提高钻井的安全性，急需能够防止发生卡钻事故的探头。

发明内容

针对上述的问题，本发明提出了一种测量地层压力的探头，其能够解决探头不能正常收回而造成的卡钻问题。

根据本发明，提出了一种测量地层压力的探头，包括壳体，在壳体的周向壁上设置有第一伸出孔，安装在壳体内部的测量组件，其包括轴向安装的活塞缸，在活塞缸朝向外侧的第一端部上设置有与第一伸出孔径向对齐的第二伸出孔；活塞缸的处于第一端部对侧的第二端部由端盖封闭，并且设置有沿轴向贯穿端盖的流体通道；设置在活塞缸内并能穿过第一伸出孔和第二伸出孔往复运动的活塞，沿活塞的轴向设置有贯穿活塞的通孔。其中，在活塞周向壁的外表面上设置有能与壳体的周向壁对齐的第一切口。

在不进行地层压力测量时，根据本发明的探头处于壳体内部，因此活塞也处于壳体内部。当进行地层压力测量时，活塞从活塞缸内伸出，并且活塞周向壁的外表面上的第一切口会与壳体的周向壁对齐。带有第一切口活塞使得其不抗剪切，因此发生卡钻时，可通过在第一切口处将活塞剪断而解决卡钻问题。

在一个实施例中，在壳体的第一伸出孔的内侧构造有沿壳体轴向延伸的凹陷。这种凹陷使得对准第一切口的壳体壁变得较为锋利，能够相对容易地将活塞剪断。

在一个实施例中，在活塞的通孔内设置有一端开口的筒状过滤器，过滤器的开口端密封固定连接于活塞的通孔的外侧开口处并从活塞的通孔中径向朝外伸出。在一个优选的实施例中，在筒状过滤器周向壁的外表面上设置有第二切口，在装配状态中，第二切口的位置与第一切口的位置对齐。

过滤器能够过滤进入探头内部的流体以防止损坏探头。更重要地是，过滤器上的第二切口使得其不抗剪切，因此发生卡钻时，可通过将活塞和过滤器剪断而解决卡钻问题。

在一个实施例中，第一切口的底部直径与活塞的通孔的直径的比值最大为1.8。在另一个实施例中，第二切口的底部直径与筒状过滤器内径的比值最大为1.5。

这种切口尺寸使得活塞或过滤器具有一定强度而使探头能与井壁实现密封接触，而切口的存在又使得活塞或过滤器易于被剪断。

在一个实施例中，第一切口或第二切口的形状为三角形、矩形中的一种。在一个优选的实施例中，第一切口与第二切口的形状相同。

在一个实施例中，在端盖的朝向活塞缸的面上设置有筒状导向槽，并且流体通道开口于筒状导向槽的底部。其中，贯穿活塞的通孔与筒状导向槽的外壁滑动式密封接合，而筒状过滤器设置为使得筒状过滤器的内腔与筒状导向槽的内腔液体连通。在一个优选的实施例中，在活塞的不伸出活塞缸的端部处形成有与活塞缸内壁滑动式密封接合的台肩，将活塞缸分成两个各自密闭的腔室。由此，可将该两个腔室与液压系统连接来控制活塞的伸出或缩回。

在一个实施例中，在筒状过滤器的侧壁上设置有流体通道。这种过滤器能够将一定直径的固相颗粒滤除，防止其通过探头进入到仪器内部，堵塞流体通道。

在一个实施例中，在活塞的能伸出所述壳体的端部面上设置有密封垫。通过探头的推靠力，这种密封垫能够钻井液与探头隔离开来，以便于实现精确测量地层压力。

在本申请中，表示位置的用语“外”、“内”规定为，朝向井筒壁为外，远离井筒壁为内。

与现有技术相比，本发明的优点在于，带有第一切口的活塞使得测量地层压力的探头易于被剪断而解决了卡钻问题。带有第二切口的过滤器同样使其易于被剪断而解决了卡钻问题。壳体的第一伸出孔的内侧构造有沿壳体轴向延伸的凹陷，使得对准第一切口的壳体壁能够更容易地将活塞和过滤器剪断。此外，第一切口的底部直径与活塞的通孔的直径的比值最大为1.8，第二切口的底部直径与筒状过滤器内径的比值最大为1.5，使得活塞或过滤器能够承受一定压力以能够将活塞和筒状过滤器压紧在井筒壁上而实现测量，同时还使得活塞或过滤器易于被剪断。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的测量地层压力的探头的结构示意图；

图2是根据本发明的活塞的结构示意图；

图3是根据本发明的过滤器的结构示意图；

图4是使用根据本发明的测量地层压力的探头的钻具。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的测量地层压力的探头10。测量地层压力的探头10包括壳体16，在壳体16的周向壁上设置有第一伸出孔17。在壳体16内安装有测量组件。

测量组件包括轴向安装的活塞缸15，即活塞缸15的轴线垂直于壳体16的轴线。在活塞缸15朝向外侧的第一端部上设置有第二伸出孔18，并且第二伸出孔18与第一伸出孔17径向对齐。活塞缸15的处于第一端部对侧的第二端部使用端盖60封闭。在端盖60朝向活塞缸15的侧面上构造有引导下文所述的活塞20和过滤器30运动的筒状导向结构61。在端盖60内设置有流体通道40，其一端与筒状导向结构61的筒底连通，另一端通向测试模块50以测定地层压力。在一个实施例中，活塞缸15通过螺纹连接在壳体16内，从而将测量组件整体安装到壳体16内。

测量组件还包括设置在活塞缸15内的带有通孔21的活塞20，图2示意性地显示了活塞20的结构。活塞20整体呈“T”形，设置在第一端部23处的台肩25与活塞缸15的阻挡结构19的配合使用保证活塞20不会从活塞缸15内脱出。应特别注意地是，在活塞20周向壁的外表面上靠近第二端部24处设置有第一切口22。在活塞20的伸出状态中，第一切口22与壳体16的周向壁对齐，如图1所示。这使得在发生探头10不能缩回到壳体16内部而卡钻时，便于将活塞20剪断。在一个具体的实施例中，第一切口22的底部直径与贯穿活塞20的通孔21的直径的比值最大为1.8。例如，当通孔21的内径为Φ20mm时，第一切口22可构造为底部直径等于35.83mm，但不限于这些数值。

测量组件还包括固定安装在活塞20的通孔21内的筒状过滤器30，图3示意性地显示了这种筒状过滤器30的结构。筒状过滤器30的能伸出壳体16的端部为开口端，另一端部为封闭端。筒状过滤器30的开口端从活塞20的通孔21中径向朝外伸出。在筒状过滤器30的周向侧壁上设置有过滤孔33，以将流体内的固相颗粒滤除，以防止杂质通过测量地层压力的探头10进入到测试模块50内部，堵塞流体通道，造成测试失败。应特别注意地是，在筒状过滤器30周向壁的外表面上还设置有第二切口32。在装配状态中，第二切口32的位置与第一切口22的位置对齐，即从测量地层压力的探头10的轴向剖视图中看，第一切口22与第二切口32的位置处于同一条垂直于测量地层压力的探头10的纵轴的直线。在一个具体的实施例中，第二切口32的底部直径与筒状过滤器30的内径的比值最大为1.5。例如，当筒状过滤器30的内径为Φ10mm时，第二切口32可构造为底部直径等于15mm，但不限于这些数值。

带有第一切口22的活塞20和带有第二切口32的筒状过滤器30使得测量地层压力的探头10能够承受一定的轴向压力但是不抗剪切。从而能够使用适当的推靠力，例如30kN将测量地层压力的探头10与井壁密封，而当测量地层压力的探头10不能回缩到壳体16内而卡钻时，可通过向钻具适当的起拔力例如277.8kN或扭矩例如30kN.m，但不限于这些数值，上提或者回转钻具，而将活塞20和筒状过滤器30在相应的切口处剪断，解决卡钻问题。

返回到图1，在壳体16的第一伸出孔17的内侧构造有沿壳体16的轴向延伸的凹陷11。凹陷11使得壳体16的对准第一切口22的周向壁呈刀刃状或矩形状，但不限于这些形状。在发生探头10不能缩回到壳体16内部而卡钻时，刀刃状的壳体16的周向壁能够容易地将活塞20和过滤器30剪断而使得探头10能缩回到壳体16内部。

根据图1，在装配状态中，活塞20的台肩25与活塞缸15的侧壁内表面紧密接合并且在活塞20的第一端部23处，通孔21与筒状导向结构61的外壁滑动式密封接合，从而将活塞缸15分成两个各自密闭的腔室41、42。因此，可将腔室41、42分别连接于液压系统（未示出），通过控制腔室41、42内的压力可控制活塞20穿过第一伸出孔17和第二伸出孔18而往复运动。在往复运动中，活塞20的第一端部23始终处于活塞缸15内，而活塞20的第二端部24（能伸出壳体16的端部）可穿过第一伸出孔17和第二伸出孔18从活塞缸15内伸出或缩回。筒状导向结构61则可引导活塞20的运动。在图1中显示了活塞20处于伸出第一伸出孔17和第二伸出孔18的状态。

另外，筒状过滤器30的开口端与外界连通并以密封方式固定连接于活塞20的第二端部24处，而封闭端朝向活塞20的第一端部23。筒状过滤器30的外径小于筒状导向结构61的内径，因此进入筒状过滤器30内的流体可通过过滤孔33和筒状过滤器30与筒状导向结构61的侧壁之间的间隙流入流体通道40，最终流入测试模块50以测试地层压力。

在活塞20第二端部24的端面上布置有密封垫14。通过推靠力作用，密封垫14可将钻井液与测量地层压力的探头10隔离开来，在地层与测量仪器之间形成密封的流体通道，从而能够精确测量底层压力。应理解地是，密封垫14的横截面形状与活塞20横截面形状形同，以实现良好密封。在一个具体的实施例中，密封垫14的内径为20mm，但不限于该数值。

图4示意性地显示了使用根据本发明的测量地层压力的探头10的钻具。钻具包括钻杆47、测量短节46、测井仪器短节48和钻头49。其中，测量地层压力的探头10安装在测量短节46内。在钻井过程中钻进到测量点时，钻具停止回转，通过驱动装置将测量地层压力的探头10从测量短节46内推出并推靠至井壁。通过推靠力，测量地层压力的探头10与井壁形成密封，并由此在测量短节46与地层之间形成密闭通道，进而测量地层压力。上述装置和测量过程是本领域的技术人员所熟知的，为了简单起见这里不再赘述。

测量结束后，需要将测量地层压力的探头10回缩到测量短节46内。若此时出现故障，例如液压装置不能正常工作，则会导致测量地层压力的探头10无法缩回到测量短节46内而出现卡钻事故。由于在测量地层压力的探头10的活塞20和过滤器30的端部加工有切口，使得该处的抗剪切能力较小。因此，使用大于切口处剪切强度的力旋转或者上拔钻具，能够剪断活塞20和过滤器30，并由此剪断测量地层压力的探头10将钻具拔出，从而解决了卡钻事故。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种测量地层压力的探头，包括，

壳体，在所述壳体的周向壁上设置有第一伸出孔，

安装在所述壳体内部的测量组件，其包括轴向安装的活塞缸，在所述活塞缸朝向外侧的第一端部上设置有与所述第一伸出孔径向对齐的第二伸出孔；所述活塞缸的处于第一端部对侧的第二端部由端盖封闭，并且设置有沿轴向贯穿端盖的流体通道；

设置在所述活塞缸内并能穿过所述第一伸出孔和第二伸出孔往复运动的活塞，沿所述活塞的轴向设置有贯穿活塞的通孔；

其中，在所述活塞周向壁的外表面上设置有能与所述壳体的周向壁对齐的第一切口，

在所述活塞的通孔内设置有一端开口的筒状过滤器，所述过滤器的开口端密封固定连接于所述活塞的通孔的外侧开口处并从所述活塞的通孔中径向朝外伸出。

2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，在所述壳体的第一伸出孔的内侧构造有沿壳体轴向延伸的凹陷。

3.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，在所述筒状过滤器周向壁的外表面上设置有第二切口，在装配状态中，所述第二切口的位置与第一切口的位置对齐。

4.根据权利要求1或3中任一项所述的探头，其特征在于，在所述端盖的朝向活塞缸的面上设置有筒状导向槽，并且所述流体通道开口于所述筒状导向槽的底部，

其中，所述贯穿活塞的通孔与筒状导向槽的外壁滑动式密封接合，而筒状过滤器设置为使得筒状过滤器的内腔与所述筒状导向槽的内腔液体连通。

5.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，在所述活塞的不伸出活塞缸的端部处形成有与活塞缸内壁滑动式密封接合的台肩，将所述活塞缸分成两个各自密闭的腔室。

6.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述第一切口的底部直径与所述活塞的通孔的直径的比值最大为1.8。

7.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，在筒状过滤器周向壁的外表面上设置有第二切口，在装配状态中，第二切口的位置与第一切口的位置对齐，所述第二切口的底部直径与所述筒状过滤器内径的比值最大为1.5。

8.根据权利要求2所述的探头，其特征在于，在所述筒状过滤器的侧壁上设置有流体通道。

9.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，在所述活塞的能伸出所述壳体的端部面上设置有密封垫。