CN105464649B - 地层压力测量短节和地层压力模拟测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地层压力测量短节和地层压力模拟测量装置。所述地层压力测量短节包括：短节本体，其内设置有供钻井液穿过的流体通道；测量控制系统，其设置于所述短节本体内，所述测量控制系统包括电气控制模块、液压驱动模块和数据采集模块；其中，所述短节本体的下端设置有压力承载组件，所述压力承载组件包括接触头和贯通所述接触头的泄压通道，所述电气控制模块能够控制所述液压驱动模块实现所述接触头自所述短节本体伸出以及收回，以使所述接触头能够抵靠至井壁上，所述数据采集模块能够采集所述泄压通道内的压力值，并将所述压力值发送给所述电气控制模块。采用这种地层压力测量短节能够准确地测量地层压力，提高钻井效率。

Description

地层压力测量短节和地层压力模拟测量装置

技术领域

本发明涉及油气开采等技术领域的测量装置，特别涉及一种地层压力测量短节。此外，本发明还涉及一种包括该测量短节的地层压力模拟测量装置。

背景技术

地层压力是油气开采技术领域的重要参数，特别是钻井作业中，地层压力的准确掌握一方面可以优化泥浆重度和当量循环密度等作业参数，防止井涌、井喷、地层损害或者意外地层压裂等事故的发生，另一方面可以帮助施工队优化预测地层压力的算法，作出更好的作业决策，同时为地质模型的优化提供重要参考，从而提高钻井作业的质量和效率。

钻井过程中，当钻井液柱压力小于地层压力时，会引起严重的井涌或井喷等事故，但是钻井液柱压力大于地层的破裂压力时，又会出现井漏，污染已经钻好的油气储层，严重的情况下压死油气层，造成气测仪器检测不到气测异常，而试气过程中不能出油气。但是传统的电缆地层压力测试器下入井内深处较难。

因此，急需一种测量准确、提高钻进效率的地层压力测量短节。

发明内容

针对上述的问题，本发明提出了一种地层压力测量短节，钻井时采用这种测量短节能够实现准确地测量地层压力，提高钻进效率。此外，本发明还提出了一种包括这种测量短节的地层压力模拟测量装置。

根据本发明的第一方面，提出了一种地层压力测量短节，其包括：短节本体，其内设置有供钻井液穿过的流体通道；测量控制系统，其设置于短节本体内，测量控制系统包括电气控制模块、液压驱动模块和数据采集模块；其中，短节本体的下端设置有压力承载组件，压力承载组件包括接触头和贯通接触头的泄压通道，电气控制模块能够控制液压驱动模块实现接触头自短节本体伸出以及收回，以使接触头能够抵靠至井壁上，数据采集模块能够采集泄压通道内的压力值。

采用本发明的测量短节进行钻井的过程中，当需要测量地层压力时，接触头伸出以抵靠至井壁上，由于地层压力和泄压通道内的压力不相等，所以地层内的流体介质会透过井壁向泄压通道内渗透，直到井壁两侧的压力平衡为止。在这个过程中数据采集模块可以持续采集泄压通道内的压力值，并且将该压力值转换为传输信号发送至地面或者发送至电气控制模块，由此现场钻井人员能够获取地层压力的精确值，从而为钻井作业和地质模型提供参考。

在一个实施例中，短节本体的下端设置有横向贯通的容纳通孔，压力承载组件设置于容纳通孔的一端内，压力承载组件还包括承载滑块，承载滑块可在容纳通孔内滑动，以带动接触头自短节本体伸出以及收回。由此可以通过控制承载滑块的移动来实现接触头的伸出和收回。

在一个实施例中，容纳通孔的另一端设置有推靠组件，推靠组件包括推靠滑块，推靠滑块在容纳通孔内可滑动，以自短节本体伸出以及收回。采用这样的结构使得接触头抵靠在井壁上时，推靠滑块也伸出以抵靠在相对的井壁上，由此保证接触头抵靠井壁的可靠性。

在一个实施例中，短节本体内沿轴线方向设置有与流体通道互不连通的平衡孔，电气控制模块和驱动模块设置于平衡孔内，电气控制模块控制驱动模块通过第一换向阀调节承载滑块和推靠滑块之间伸缩腔内流体的压力。平衡孔能够通过第一换向阀流体连通于伸缩腔，由此可以保证短节本体外侧的压力与伸缩腔内的压力相平衡，以能够顺利地实现接触头和推靠滑块的伸出或者收回。

在一个实施例中，平衡孔内设置有可上下移动的平衡活塞套，平衡活塞套与平衡孔的内壁密封接触，以将平衡孔分为上敞开段和下密封段，下密封段内容纳有液压油，电气控制模块和液压驱动模块设置于下密封段内，其中电气控制模块通过第一换向阀实现伸缩腔与下密封段流体连通。采用这样的结构使得下密封段内流体的压力可以与伸缩腔内流体的压力保持平衡。

在一个实施例中，平衡活塞套上设置有电连接块，以使电信号从中传导。由此能够将信号采集模块所采集的参数信号实时地传输至地面，并且能够根据实际作业情况随时向电气控制模块发送控制信号。

在一个实施例中，短节本体的侧壁上设置有导压孔，以连通上敞开段和短节本体的外侧。由此能够使得短节本体外侧的压力和平衡孔内的压力相平衡，进而保证伸缩腔内的压力与短节本体外侧的压力相平衡，从而确保接触头的顺利伸出和收回。

在一个实施例中，短节本体的外壁上形成有抽吸腔，抽吸腔内设置有抽吸组件，抽吸组件的抽吸活塞能够在抽吸腔内滑动，以在抽吸活塞的两侧分别形成引流腔和挤压腔，引流腔流体连通于泄压通道，电气控制模块控制液压驱动模块通过第二换向阀调节受压腔内流体的压力大小，以使抽吸活塞朝向挤压腔的一侧移动。由此通过抽吸活塞的移动来实现地层内的流体介质较快地渗透至泄压通道，提高测量效率。

在一个实施例中，抽吸活塞的外壁上形成向内的凹槽，以形成复位腔，复位腔均与引流腔和挤压腔隔离，电气控制模块控制液压驱动模块通过第二换向阀调节复位腔内流体的压力大小，以使抽吸活塞复位。测量结束后通过复位腔内流体压力的控制实现抽吸活塞的复位，引流腔与泄压通道内的流体压力变大，从而使得接触头易于脱离井壁。

在一个实施例中，容纳通孔内设置有包括导流腔的导流管架，引流腔通过导流腔流体联通于泄压通道。由此实现泄压通道与伸缩腔的隔离。

在一个实施例中，数据采集模块包括第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和温度传感器，第一压力传感器用于采集引流腔内压力的大小，第二压力传感器用于采集流体通道内压力的大小，第三压力传感器用于采集短节本体外侧压力的大小，温度传感器靠近短节本体的内壁，用于采集短节本体外侧的温度。从而在获取地层压力的同时，还能够测量钻杆内的压力、环空的压力以及井底的温度。

在一个实施例中，接触头的外端部设置有密封垫。提高接触头与井壁接触的密封性，确保测量实现的可靠性。

根据本发明的第二方面，提出了一种地层压力模拟测量装置，其包括根据上文所述的测量短节。

在一个实施例中，模拟测量装置还包括测量工装件，测量工装件与短节本体的上端口配合，以将测量短节安装至井筒内。由此实现短节本体牢固地安装至井筒内。

在一个实施例中，测量工装件上设置有上下贯通的电缆通孔，以使连接电气控制模块的电缆从中穿出。在模拟测量试验时电缆可以从中穿出，由此现场试验人员能够实时地获取地层压力等的测量结果，并且能够根据需要向电气控制模块发送控制信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于，钻井过程中将本发明的地层压力测量短节连接至钻杆上，优选地连接至靠近钻头的位置，钻井过程中该测量短节的接触头以及推靠滑块抵靠在井壁上，通过抽吸活塞抽吸引流腔使得与引流枪腔体连通泄压通道内的压力出现负压，由此地层内的流体，例如原油通过井壁渗透到泄压通道内，从而实现井壁左右两侧流体压力保持平衡，数据采集模块中的压力传感器可以采集引流腔，即泄压通道内的流体压力值，并将该压力值转换为电信号后通过电气控制模块上传至地面的输入输出装置，由此能够在钻井过程中实时地获取地层压力值。地层压力测量结束后，接触头和推靠滑块收回至短节本体内，测量短节停止工作，接下来继续进行钻井作业。

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是根据本发明的一个优选实施例的地层压力测量短节的剖视图；

图2是图1所示的地层压力测量短节的A-A向的截面图；

图3是图1所示的地层压力测量短节B处的剖视图；

图4是图1所示的地层压力测量短节C处的剖视图；

图5是钻井过程中使用图1所示的测量短节的示意图；

图6是根据本发明的一个优选实施例的模拟测量装置的剖视图；

图7是图5所示的地层压力测量短节的D处的剖视图；

图8是图5所示的地层压力测量短节的测量工装件的剖视图；

图9时图7所示的测量工装件的俯视图。

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。

本发明提供的地层压力测量短节包括短节本体10和测量控制系统，该测量控制系统设置于短节本体10内。下面将详细地描述本发明的测量短节及其各个部分。

如图2所示，短节本体10内设置有流体通道3，该流体通道可以设置多个，如图中所示设置有2个，流体通道的作用是供钻井液从中穿过。如图5所示，钻井过程中将短节本体10连接在钻杆1上，尤其是钻杆的底端，靠近钻头的位置。钻头钻进时该测量短节充当钻杆的一部分，用于钻井液等流体从中穿过，当需要测量地层压力时，停止钻进，测量短节进入工作状态。测量短节具体的工作步骤将在后面进行详细描述。

如图1所示，测量控制系统设置在短节本体10内，该测量控制系统包括电气控制模块20、液压驱动模块30和数据采集模块40，电气控制模块20可以控制液压驱动模块30动作，并且能够向数据采集模块40发送操作指令，并且能够接收数据采集模块40所获取的参数信息。作为优选地，电气控制模块20通过电缆与地面的输入输出装置电连接，由此地面能够实时地获取测量控制系统的相关信息，并且能够随时地向电气控制模块20发送信息指令。

作为优选地，如图1和图3所示，短节本体10的下端设置有压力承载组件50，压力承载组件50包括接触头51和贯通接触头51的泄压通道52，电气控制模块20能够控制液压驱动模块30实现接触头51自短节本体10伸出以及收回，钻井过程中需要进行地层压力测量时电气控制模块20可以控制液压驱动模块30推动接触头51抵靠至井壁2(参见图5所示)上，数据采集模块40，可以是压力传感器，可以采集泄压通道52内的压力值。压力传感器采集该压力值后，可以将该压力值发送给电气控制模块20。进一步地，接触头51的外端部设置有密封垫。

在一个优选的实施例中，如图1和图3所示，短节本体10的下端设置有横向贯通的容纳通孔，压力承载组件50设置于容纳通孔的一端内，压力承载组件50还包括承载滑块53，承载滑块53可在容纳通孔内滑动，以带动接触头51自短节本体10伸出以及收回。由此液压驱动模块30通过油路驱动承载滑块53的伸出和收回。进一步地，如图1和图3所示，容纳通孔的另一端设置有推靠组件60，推靠组件60包括推靠滑块61，推靠滑块61在容纳通孔内可滑动，也可以从短节本体10伸出以及收回。优选地，如图7所示，容纳通孔内设置有包括导流腔81的导流管架80，引流腔72通过导流腔81流体联通于泄压通道52。由此实现泄压通道52与伸缩腔113的隔离。如图所示，导流腔81与泄压通道52密封套接，泄压通道52随承载滑块53的移动并不影响导流腔81和泄压通道52之间的密封套接。

优选地，如图1和图2所示，短节本体10内沿轴线方向设置有与流体通道3互不连通的平衡孔100，电气控制模块20和液压驱动模块设置在平衡孔100内。如图1和图4所示，电气控制模块20和液压驱动模块30通过支架设置在平衡孔100内，然后通过紧定螺栓111将支架固定在平衡孔100内。进一步地，电气控制模块20控制液压驱动模块30通过第一换向阀(未示出)调节承载滑块53和推靠滑块61之间伸缩腔113(参见图7)内流体的压力。由此同时实现接触头51和推靠滑块61的伸出或者收回，结构简单，操作简便。

在一个优选的实施例中，如图4所示，平衡孔3内设置有可上下移动的平衡活塞套107，如图所示，平衡活塞套107与平衡孔3的内壁之间设置有密封圈，以实现密封接触，由此平衡活塞套107将平衡孔3分为上敞开段105和下密封段106，下密封段106内容纳有液压油，电气控制模块20和液压驱动模块3030设置于下密封段106内，其中电气控制模块20通过第一换向阀(未示出)实现伸缩腔113与下密封段106流体连通。采用这样的结构使得下密封段106内流体的压力可以与伸缩腔113内流体的压力保持平衡。进一步地，短节本体10的侧壁上设置有导压孔103，以连通上敞开段105和短节本体10的外侧。平衡活塞套107移动使得下密封段和上敞开段的压力相平衡，由此使得环空的压力与伸缩腔113内的压力保持平衡。优选地，平衡活塞套107上设置有电连接块108，电信号可以从中传导。此外，短节本体的侧壁上设置有注油孔104，由此当下密封段内的液压油减少时，可以通过该注油孔104向下密封段注油。

在一个优选的实施例中，如图3所示，短节本体10的外壁上形成有抽吸腔，抽吸腔内设置有抽吸组件70，抽吸组件70的抽吸活塞71能够在抽吸腔内滑动，由此抽吸活塞71的两侧分别形成引流腔72和挤压腔73，引流腔72流体连通于泄压通道52，电气控制模块20控制液压驱动模块30通过第二换向阀(未示出)调节受压腔73内流体的压力大小，以使抽吸活塞71朝向挤压腔73的一侧移动。当然可以再次调节受压腔73内流体压力的大小以使抽吸活塞71复位。优选地，抽吸活塞71的外壁上形成向内的凹槽，以形成复位腔74，复位腔74均与引流腔72和挤压腔73隔离，电气控制模块20控制液压驱动模块3030通过第二换向阀(未示出)调节复位腔74内流体的压力大小，以使抽吸活塞71复位。

在一个实施例中，如图1所示，数据采集模块40包括第一压力传感器44、第二压力传感器43、第三压力传感器42和温度传感器41，第一压力传感器44用于采集引流腔72内压力的大小，第二压力传感器43用于采集流体通道3内压力的大小，第三压力传感器42用于采集短节本体10外侧压力的大小，温度传感器41靠近短节本体10的内壁，用于采集短节本体10外侧的温度。各个压力传感器可以通过在短节本体10内掘出的引流小通道实现各个压力的测量，例如第一压力传感器44所在的槽通过引流小通道与引流腔72流体连通，第二压力传感器43所在的槽通过引流小通道与流体通道3流体连通，第三压力传感器42所在的槽通过引流小通道与环空流体连通。而温度传感器41靠近短节本体19的内壁，由于短节本体采用钻具材质，所以会传导热量。

如图5所示，测量短节连接在钻杆1上，图中未示出钻头等部件，钻头钻进过程中测量短节不工作，只起到传导钻井液等的作用，当需要测量地面压力时，钻头停止钻进，电气控制模块20控制导流孔103打开，以使平衡孔100内的压力与环空的压力相同，接着液压驱动模块30通过第一换向阀(未示出)使得下密封段106与伸缩腔113的流体连通，然后电气控制模块20控制液压驱动模块30通过第一换向阀调节伸缩腔113内流体压力的大小，从而将接触头51和推靠滑块61抵靠在井壁2’上，在地层压力的作用下，地层内的流体，例如原油与泄压通道52内的流体为了保持平衡而流动，并且实现最终的平衡。优选的情况下，抽吸活塞71移动以通过引流腔72抽吸泄压通道52内的流体，以尽快实现井壁2’两侧的流体压力平衡。第一压力传感器44采集到引流腔72内的流体压力，即地层压力，发送给电气控制模块20。测量结束后，电气控制模块20控制液压驱动模块30通过第二换向阀使得抽吸活塞71复位，由此泄压通道52内的流体压力变大，并且电气控制模块20控制液压驱动模块30通过第一换向阀使得承载滑块53和推靠滑块61复位，从而承载滑块53和推靠滑块61脱离井壁2’回位至容纳通孔内。接着可以继续进行钻井作业。

此外，本发明还公开了一种地层压力模拟测量装置，该模拟测量装置包括根据上文所述的测量短节。

在一个优选的实施例中，如图如图6和图9所示，模拟测量装置还包括测量工装件109，测量工装件与短节本体10的上端口101(参见图1)配合，测量工装件109上设置有与井盖114螺纹连接的螺纹孔110，井盖114再与井筒2螺纹连接，从而将测量短节安装至井筒内。优选地，如图8所示，测量工装件109上设置有上下贯通的电缆通孔111，以使连接电气控制模块20的电缆从中穿出。进一步地，测量工装件109的上端面上设置有多道密封圈以与井盖114密封接触。

如图6所示，模拟测量装置包括模拟井筒2、相关的高压模块202和高温模块203。通过测量工装件109和井盖114将测量短节安装至井筒2内后，高温模块203将一定温度的高温流体从模拟井筒2的下端口注入到模拟井筒2的内部，然后从模拟井筒2的上端口流回高温模块203，由此模拟实际井底温度的温度。接着高压模块202通过一管线向模拟井筒2内施加预定数值的压力，模拟环空压力。此外，如图7所示，模拟井筒2的侧壁上设置有岩心夹持器200，该岩心夹持器200内设置有模拟地层岩石的岩心201，高压模块202通过另一管线连接在岩心201的一侧。如图7所示，当接触头51抵靠在井筒2的筒壁上时，泄压通道52通过井筒2的筒壁上设置的通孔流体连通于岩心201的另一侧。可以根据不同试验的要求更换不同渗透率的岩心，以此模拟不同渗透率的地层。在抽吸组件70的抽吸活塞71的抽吸下，岩心夹持器200左侧的泄压通道52内出现负压，由此岩心201右侧的压力大于岩心201左端压力，流体在压力差的作用下从岩芯201的右侧渗透向其左侧，直至岩心201左右两侧的压力保持平衡，流体才停止渗透。在整个测量过程中，数据采集模块40的压力传感器和温度传感器始终监测各个腔室的压力变化，并且将压力值转换为电信号，通过电气控制模块20存储后，经由电缆传至地面的输入输出装置，并且储存和显示。其中岩心201的左右两侧的压力达到平衡后，第一压力传感器测量到的岩心201左侧的压力，即为地层压力。可以将该值与高压模块202施加在岩心201右侧的压力，即模拟的地层压力数值做对比，可以比较出测量值与设置值之间的误差，由此判断出采用测量短节测量地层压力的准确性，也可以进一步判断出测量短节在高温高压条件下各个模块工作协调的匹配性能及可靠性能。

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 (11)

1.一种地层压力测量短节，其特征在于，包括：

短节本体，其内设置有供钻井液穿过的流体通道；

测量控制系统，其设置于所述短节本体内，所述测量控制系统包括电气控制模块、液压驱动模块和数据采集模块；

其中，所述短节本体的下端设置有压力承载组件，所述压力承载组件包括接触头和贯通所述接触头的泄压通道，所述电气控制模块能够控制所述液压驱动模块实现所述接触头自所述短节本体伸出以及收回，以使所述接触头能够抵靠至井壁上，所述数据采集模块能够采集所述泄压通道内的压力值，并将所述压力值发送给所述电气控制模块；

所述短节本体的下端设置有横向贯通的容纳通孔，所述压力承载组件设置于所述容纳通孔的一端内，所述压力承载组件还包括承载滑块，所述承载滑块可在所述容纳通孔内滑动，以带动所述接触头自所述短节本体伸出以及收回；

所述容纳通孔的另一端设置有推靠组件，所述推靠组件包括推靠滑块，所述推靠滑块在所述容纳通孔内可滑动，以自所述短节本体伸出以及收回，所述推靠滑块自所述短节本体伸出以抵靠在相对的井壁上；

所述短节本体内沿轴线方向设置有与所述流体通道互不连通的平衡孔，所述平衡孔设置在所述短节本体的轴线上，所述流体通道设置在所述平衡孔的侧方；

所述平衡孔内设置有可上下移动的平衡活塞套，所述平衡活塞套与所述平衡孔的内壁密封接触，以将所述平衡孔分为上敞开段和下密封段，所述下密封段内容纳有液压油，所述电气控制模块和所述液压驱动模块设置于所述下密封段内，其中所述电气控制模块通过第一换向阀实现所述承载滑块和所述推靠滑块之间的伸缩腔与所述下密封段流体连通；所述短节本体的侧壁上设置有导压孔，以连通所述上敞开段和所述短节本体的外侧；所述平衡活塞套移动使得下密封段和上敞开段的压力相平衡，由此使得环空的压力与所述伸缩腔内的压力保持平衡。

2.根据权利要求1所述的测量短节，其特征在于，所述电气控制模块控制所述驱动模块通过第一换向阀调节所述承载滑块和所述推靠滑块之间伸缩腔内流体的压力。

3.根据权利要求2所述的测量短节，其特征在于，所述平衡活塞套上设置有电连接块，以使电信号从中传导。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的测量短节，其特征在于，所述短节本体的外壁上形成有抽吸腔，所述抽吸腔内设置有抽吸组件，所述抽吸组件的抽吸活塞能够在所述抽吸腔内滑动，以在所述抽吸活塞的两侧分别形成引流腔和挤压腔，所述引流腔流体连通于所述泄压通道，所述电气控制模块控制所述液压驱动模块通过第二换向阀调节受压腔内流体的压力大小，以使所述抽吸活塞朝向所述挤压腔的一侧移动。

5.根据权利要求4所述的测量短节，其特征在于，所述抽吸活塞的外壁上形成向内的凹槽，以形成复位腔，所述复位腔均与所述引流腔和所述挤压腔隔离，所述电气控制模块控制所述液压驱动模块通过所述第二换向阀调节所述复位腔内流体的压力大小，以使所述抽吸活塞复位。

6.根据权利要求4所述的测量短节，其特征在于，所述容纳通孔内设置有包括导流腔的导流管架，所述引流腔通过所述导流腔流体联通于所述泄压通道。

7.根据权利要求4所述的测量短节，其特征在于，所述数据采集模块包括第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和温度传感器，所述第一压力传感器用于采集所述引流腔内压力的大小，所述第二压力传感器用于采集所述流体通道内压力的大小，所述第三压力传感器用于采集所述所述短节本体外侧压力的大小，所述温度传感器靠近所述短节本体的内壁，用于采集所述短节本体外侧的温度。

8.根据权利要求1所述的测量短节，其特征在于，所述接触头的外端部设置有密封垫。

9.一种地层压力模拟测量装置，其特征在于，包括测量工装件、模拟井筒以及根据权利要求1至8中任一项所述的测量短节，所述测量工装件与所述短节本体的上端口配合，以将所述测量短节安装至所述模拟井筒内。

10.根据权利要求9所述的模拟测量装置，其特征在于，还包括，高压模块、高温模块和岩心夹持器，所述高温模块用于将一定温度的高温流体从所述模拟井筒的下端口注入到所述模拟井筒的内部，然后从所述模拟井筒的上端口流回高温模块；所述高压模块通过一管线连接所述模拟井筒用于向模拟井筒内施加预定数值的压力，所述岩心夹持器设置在所述模拟井筒的侧壁上，所述岩心夹持器内设置有模拟地层岩石的岩心，所述高压模块通过另一管线连接在岩心的一侧。

11.根据权利要求10所述的模拟测量装置，其特征在于，所述测量工装件上设置有上下贯通的电缆通孔，以使连接所述电气控制模块的电缆从中穿出。

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