CN104695943A - 一种用于垂直钻井电子节的测斜仪标定转盘及标定方法 - Google Patents

一种用于垂直钻井电子节的测斜仪标定转盘及标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于垂直钻井电子节的测斜仪标定转盘，包括推力轴承、旋转盘、偏置盘、固定盘和底座，其中，旋转盘位于测斜仪标定转盘的顶部，偏置盘位于旋转盘的下方，推力轴承位于旋转盘和偏置盘之间，在偏置盘的一侧设有螺纹孔，在螺纹孔中设有偏置螺钉，该偏置螺钉垂直穿过偏置盘的一侧边缘，这样能够通过松紧该偏置螺钉进而调节偏置盘的偏置角度。该标定转盘用于钻井工具测斜仪与垂直钻井电子节轴向不平行度的标定修正，可大幅提高测斜仪测量井斜和高边工具面角的精度。

Description

一种用于垂直钻井电子节的测斜仪标定转盘及标定方法
技术领域
本发明涉及一种标定装置和相应的一种标定方法，特别地涉及一种用于石油天然气钻井电子节的测斜仪标定转盘和相应的标定方法。
背景技术
为了快速完成钻井，同时也为了钻井安全，垂直井钻井过程通常要严格控制井斜在一定范围内，尤其是在地质环境较为复杂的地层和深井，井眼倾斜是经常出现的情况；旋转导向钻井过程需要使得井斜等参数按照操作指令进行变化，在地层较为复杂的情况下，井斜等参数极易偏离指令。目前垂直钻井工具和旋转导向钻井工具已成为石油天然气钻井行业研究的重要课题，能够随钻井过程准确测量井斜和高边工具面角，对钻井工具进行随时纠正尤为重要。
其中，测斜仪用于随钻实时测量井下工具倾斜的角度即井斜角、高边工具面角等参数，为实时了解掌握井下钻井工具的钻进状态及控制钻进状态提供依据。测斜仪需要三个加速度传感器分别安装在两两正交的轴上，三个加速度传感器分别测量三个轴上的地球重力分量。重力加速度g在三个加速度传感器上的重力分量分别为gx、gy、gz。
测斜仪测量的井斜角指井眼中心线与垂线之间的夹角，垂直方向井斜是0°，水平方向井斜角是90°，如图3所示。在垂直面内的三角形中，井斜角(INC)是从垂直线到Z轴(角速度计轴)的夹角，井斜角可由下式求出：
tan a = g x 2 + g y 2 g z   所以 a = arctg ( g x 2 + g y 2 g z )
则井斜角为：
1)当gz>0时，INC＝a；
2)当gz<0时，INC＝180+a；
3)gz＝0时，INC＝90；
测斜仪测量的高边工具面角也叫重力工具面角，是俯视井眼方向仪器倾斜口朝向相对于井眼高边顺时针方向旋转的角度，即重力矢量所确定的高边和Z轴(加速度计轴)之间的夹角，是定向钻井中定位钻具行进方向中的一个量，如图4所示。高边工具面角可由下式求得：
tan &theta; g = g x g y   所以 &theta; g = arctg ( g x g y )
则高边工具面角GTF有：
1)当gx≤0,gy＞0时，GTF＝θg
2)当gy＜0时，GTF＝θg+180
3)当 g y = 0 , g x &le; 0 GTF = 90 g x > 0 GTF = 270
当gy＞0,gx＞0时，GTF＝θg+360
当钻井工具在井下工作时，为了实时控制钻井工具的钻进的状态，需要实时准确测量井斜和高边工具面角，从而达到对钻井工具的钻进状态实时进行纠正，测斜仪通过电子节安装在随钻工具上，一般为圆形，然而测斜仪安装在电子节上时很难保证测斜仪与电子节轴向严格平行，这就给钻井工具在井下准确测量井斜和高边工具面角带来困难。
测斜仪与电子节之间轴向不平行是指测斜仪坐标系与电子节坐标系的不完全重合。在理想情况下，测斜仪坐标系XYZ与电子节坐标系EVN完全重合，如图5所示，此时不存在轴不平行，然而在实际将测斜仪安装在电子节上时，很难保证测斜仪坐标系XYZ与电子节坐标系EVN完全重合，出现X轴与E轴间夹角ε，Y轴与N轴间夹角β，Z轴与V轴间夹角α，如图6所示。如果不加以校正，此时得到的测斜仪的井斜角及高边工具面角不是钻井工具的井斜角和高边工具面角，从而很难精确得到钻进的状态及精确控制钻进。
发明内容
为了解决上述出现的技术问题，本发明提供一种用于垂直钻井电子节的测斜仪标定转盘。
本发明涉及的用于垂直钻井电子节的测斜仪标定转盘，包括推力轴承、旋转盘、偏置盘、固定盘和底座，其中，旋转盘位于测斜仪标定转盘的顶部，偏置盘位于旋转盘的下方，推力轴承位于旋转盘和偏置盘之间，在偏置盘的一侧设有螺纹孔，在螺纹孔中设有偏置螺钉，该偏置螺钉垂直穿过偏置盘的一侧边缘，这样能够通过松紧该偏置螺钉进而调节偏置盘的偏置角度。
优选的是，所述旋转盘的上下表面均设有凸台，其中在其上表面上设有第一上凸台，在其下表面上设有第一下凸台，第一上凸台和第一下凸台的几何中心与旋转盘的几何中心重合，在偏置盘的上表面上设有第二上凸台。
优选的是，旋转盘和偏置盘通过推力轴承连接在一起，其中推力轴承的上下边分别与旋转盘的第一下凸台和偏置盘的第二上凸台相卡合，从而保证旋转盘能够绕其中心轴自由旋转。
优选的是，在偏置盘的一侧设有销轴孔，偏置盘可通过销轴孔中的销轴与连接支架相连接，以保证偏置盘能够绕销轴进行旋转，该螺纹孔与销轴孔在同一直径方向上。
优选的是，固定盘位于偏置盘下方，其一侧设有一缺口，该缺口位于销轴孔位置处，连接支架穿过该缺口并通过四个螺钉与固定盘相连接，这样固定盘能与旋转盘通过一端连接
优选的是，在固定盘的下表面上设有凹槽。
优选的是，底座位于测斜仪标定转盘的底部，其上表面设有第三上凸台，第三上凸台与固定盘的凹槽匹配，并且第三上凸台的高度大于凹槽的深度，使得固定盘下表面上的凹槽与底座上表面上的第三上凸台之间相互紧密卡合，从而保证测斜仪标定转盘的稳定运转。
优选的是，旋转盘、偏置盘、固定盘和底座是圆形。
优选的是，底座的直径至少比固定盘的直径大三分之一。
本发明还提供了一种采用了上述任一项技术方案中的标定转盘的标定方法，其包括以下操作步骤：
(1)首先将测斜仪安装在垂直钻井电子节上，然后将垂直钻井电子节放在测斜仪标定转盘的旋转盘上，其中，垂直钻井电子节的中心孔与旋转盘上表面的第一上凸台紧密卡合，并保证垂直钻井电子节的中心与旋转盘的中心在一条直线上；
(2)拧动偏置螺钉以使偏置盘绕销轴旋转一定角度，这样使偏置盘与固定盘之间具有一定夹角；
(3)使旋转盘绕其中心旋转，从而带动垂直钻井电子节绕其中心旋转，当垂直钻井电子节每旋转一定角度，记录测斜仪的井斜及高边工具面角，当垂直钻井电子节旋转一周后，根据得到的井斜角与高边工具面角计算出使测斜仪坐标系与电子节坐标系重合所需要的平移及旋转系数，然后将测斜仪测得的井斜角及高边工具角统一到电子节坐标系下，从而得到钻井工具实际的井斜角及高边工具面角。
将测斜仪安装在电子节上后，没有经过斜仪标定转盘标定时，其测量误差为0.6°左右，当经过斜仪标定转盘标定后，测量误差小于0.04°，安装在电子节上的测斜仪测量精度大大提高。
本发明涉及的用于垂直钻井电子节的测斜仪标定转盘主要用于钻井工具测斜仪与垂直钻井电子节轴向不平行度的标定修正，可大幅提高测斜仪测量井斜和高边工具面角的精度，其中，所涉及的标定转盘结构紧凑简单，充分利用了卡合连接方式，易于拆卸和装配，可靠性高；偏置盘与固定盘之间通过连接支架及销轴进行连接，连接简单，稳定可靠，易于拆装，同时便于偏置盘旋转；偏置盘通过调节偏置螺钉而调整偏置角度和偏置精度，方法简单并且易于操作。
附图说明
图1是本发明涉及的用于垂直钻井电子节的测斜仪标定转盘的结构图；
图2是本发明涉及的用于垂直钻井电子节的测斜仪标定转盘的截面图。
图3是本发明涉及的测斜仪测量的示意图；
图4是本发明涉及的测斜仪测量的示意图；
图5是本发明涉及的测斜仪测量的示意图；
图6是本发明涉及的测斜仪测量的示意图。
其中，1-推力轴承、2-旋转盘、3-偏置盘、4-固定盘、5-底座、6-销轴、7-连接支架、8-偏置螺钉。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1和2所示，该实施例提供了一种用于垂直钻井电子节的测斜仪标定转盘，其包括推力轴承1、旋转盘2、偏置盘3、固定盘4和底座5，其中，旋转盘2位于测斜仪标定转盘的顶部，其上下表面均设有凸台，其中在其上表面上设有第一上凸台，在其下表面上设有第一下凸台，第一上凸台和第一下凸台的几何中心与旋转盘2的几何中心重合，当将垂直钻井电子节置于旋转盘2上时，电子节的中心轴穿过旋转盘2的几何中心，这样能保证垂直钻井电子节按照自身几何中心轴旋转，此外，第一上凸台和第一下凸台的高度优选为10mm，第一上凸台的直径可根据垂直钻井电子节的中心孔的孔径而确定，以保证垂直钻井电子节的中心孔紧密地与第一上凸台相卡合；
偏置盘3位于旋转盘2的下方，其上表面上设有第二上凸台；推力轴承1位于旋转盘2和偏置盘3之间，旋转盘2和偏置盘3通过推力轴承1连接在一起，其中推力轴承1的上下边通过推力轴承1两端的突出部分别与旋转盘2的第一下凸台和偏置盘3的第二上凸台相卡合，从而保证旋转盘2能够绕其中心轴自由旋转，其中，第一下凸台和第二上凸台的直径可根据推力轴承1的内径来确定，以保证推力轴承1的上边缘和下边缘能够分别紧密地与旋转盘2的第一下凸台和偏置盘3的第二上凸台相卡合；其中，在偏置盘3的一侧设有销轴孔，偏置盘3可通过销轴孔中的销轴6与连接支架7相连接，以保证偏置盘3能够绕销轴6进行旋转；在偏置盘3的另一侧设有螺纹孔，该螺纹孔与销轴孔在同一直径方向上，且该螺纹孔为M5规格，在螺纹孔中设有偏置螺钉8，该偏置螺钉8垂直穿过偏置盘3的另一侧边缘，其中可通过松紧该偏置螺钉8进而调节偏置盘3的偏置角度，具体地，当松紧偏置螺钉8时，可通过使偏置盘3绕销轴6旋转一定角度而调节偏置盘3的偏置角度；固定盘4位于偏置盘3下方，其一侧设有一缺口，该缺口位于销轴孔位置处，连接支架7穿过该缺口并通过四个螺钉与固定盘4相连接，这样固定盘4能与旋转盘3通过一端连接；此外，在固定盘4的下表面上设有凹槽，该凹槽的深度优选为10mm；底座5位于测斜仪标定转盘的底部，其上表面设有第三上凸台，该第三上凸台的高度优选为20-25mm，第三上凸台与固定盘4的凹槽匹配，并且第三上凸台的高度大于凹槽的深度，这样可使固定盘4和底座5之间具有一定间隙，以保证连接支架7不会与底座5的上表面相接触，同时第三上凸台的直径根据旋转盘4下表面的凹槽尺寸确定，这样可使固定盘4下表面上的凹槽与底座5上表面上的第三上凸台之间相互紧密卡合，从而保证测斜仪标定转盘的稳定运转。此外，底座5的直径优选地至少比固定盘4的直径大三分之一。
上述旋转盘2、偏置盘3、固定盘4优选是圆形盘，还可以是椭圆形等形状。
在使用本发明涉及的测斜仪标定转盘进行标定时，进行以下操作步骤：
(1)首先将测斜仪安装在垂直钻井电子节上，然后将垂直钻井电子节放在测斜仪标定转盘的旋转盘2上，其中，垂直钻井电子节的中心孔与旋转盘2上表面的第一上凸台紧密卡合，并保证垂直钻井电子节的中心与旋转盘2的中心在一条直线上；
(2)拧动偏置螺钉8以使偏置盘3绕销轴6旋转一定角度，这样使偏置盘8与固定盘4之间具有一定夹角，其中旋转角度至少大于1°；
(3)使旋转盘2绕其中心旋转，从而带动垂直钻井电子节绕其中心旋转，当垂直钻井电子节每旋转一定角度，记录测斜仪的井斜及高边工具面角，当垂直钻井电子节旋转一周后，根据得到的井斜角与高边工具面角计算出使测斜仪坐标系与电子节坐标系重合所需要的平移及旋转系数，然后将测斜仪测得的井斜角及高边工具角统一到电子节坐标系下，从而得到钻井工具实际的井斜角及高边工具面角。
通过上述方法能够消除或大大减小不平行度对测斜仪测量井斜及高边工具角的影响，提高钻井的精度。
本发明的一个代表性实施例参照附图得到了详细的描述。这些详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的详细内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和步骤的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。

Claims (9)

1.一种用于垂直钻井电子节的测斜仪标定转盘，其包括推力轴承(1)、旋转盘(2)、偏置盘(3)、固定盘(4)和底座(5)，其中，旋转盘(2)位于测斜仪标定转盘的顶部，偏置盘(3)位于旋转盘(2)的下方，推力轴承(1)位于旋转盘(2)和偏置盘(3)之间，其特征在于：在偏置盘(3)的一侧设有螺纹孔，在螺纹孔中设有偏置螺钉(8)，该偏置螺钉(8)垂直穿过偏置盘(3)的一侧边缘，这样能够通过松紧该偏置螺钉(8)进而调节偏置盘(3)的偏置角度。
2.根据权利要求1所述的测斜仪标定转盘，其附加技术特征是：所述旋转盘(2)的上下表面均设有凸台，其中在其上表面上设有第一上凸台，在其下表面上设有第一下凸台，第一上凸台和第一下凸台的几何中心与旋转盘(2)的几何中心重合，在偏置盘(3)的上表面上设有第二上凸台。
3.根据权利要求2所述的测斜仪标定转盘，其附加技术特征是：旋转盘(2)和偏置盘(3)通过推力轴承(1)连接在一起，其中推力轴承(1)的上下边通过推力轴承(1)两端的突出部分别与旋转盘(2)的第一下凸台和偏置盘(3)的第二上凸台相卡合，从而保证旋转盘(2)能够绕其中心轴自由旋转。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的测斜仪标定转盘，其附加技术特征是：在偏置盘(3)的一侧设有销轴(6)孔，偏置盘(3)可通过销轴(6)孔中的销轴(6)与连接支架(7)相连接，以保证偏置盘(3)能够绕销轴(6)进行旋转，该螺纹孔与销轴(6)孔在同一直径方向上。
5.根据权利要求4所述的测斜仪标定转盘，其附加技术特征是：固定盘(4)位于偏置盘(3)下方，其一侧设有一缺口，该缺口位于销轴(6)孔位置处，连接支架(7)穿过该缺口并通过四个螺钉与固定盘(4)相连接，这样固定盘(4)能与旋转盘(2)通过一端连接。
6.根据权利要求5所述的测斜仪标定转盘，其附加技术特征是：在固定盘(4)的下表面上设有凹槽。
7.根据权利要求6所述的测斜仪标定转盘，其附加技术特征是：底座(5)位于测斜仪标定转盘的底部，其上表面设有第三上凸台，第三上凸台与固定盘(4)的凹槽匹配，并且第三上凸台的高度大于凹槽的深度使得固定盘(4)下表面上的凹槽与底座(5)上表面上的第三上凸台之间相互紧密卡合，从而保证测斜仪标定转盘的稳定运转。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的测斜仪标定转盘，其附加技术特征是：旋转盘(2)、偏置盘(3)、固定盘(4)和底座(5)是圆形。
9.一种采用了上述权利要求1-8中任一项所述标定转盘的标定方法，其包括以下操作步骤：
(1)首先将测斜仪安装在垂直钻井电子节上，然后将垂直钻井电子节放在测斜仪标定转盘的旋转盘(2)上，其中，垂直钻井电子节的中心孔与旋转盘(2)上表面的第一上凸台紧密卡合，并保证垂直钻井电子节的中心与旋转盘(2)的中心在一条直线上；
(2)拧动偏置螺钉(8)以使偏置盘(3)绕销轴旋转一定角度，这样使偏置盘(3)与固定盘(4)之间具有一定夹角；
(3)使旋转盘(2)绕其中心旋转，从而带动垂直钻井电子节绕其中心旋转，当垂直钻井电子节每旋转一定角度，记录测斜仪的井斜及高边工具面角，当垂直钻井电子节旋转一周后，根据得到的井斜角与高边工具面角计算出使测斜仪坐标系与电子节坐标系重合所需要的平移及旋转系数，然后将测斜仪测得的井斜角及高边工具角统一到电子节坐标系下，从而得到钻井工具实际的井斜角及高边工具面角，实现标定。
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