CN108825211B - 地层压力测量平衡装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种地层压力测量平衡装置及其测量方法，该装置包括本体，以及设在所述本体内的：动力源及控制组件，其用于接收控制信号并提供动力；环空压力传导组件，其用于封隔所述本体上的环空压力腔并传导环空压力，并在所述本体内部通过管路连接所述动力源及控制组件；探针组件，其与所述动力源及控制组件通过管路连接，并能在所述动力源及控制组件的作用下实现与井壁之间的坐封与解封；抽吸平衡机构，其通过管路分别与所述动力源及控制组件、所述探针组件和所述环空压力传导组件连接，实现所述本体内外的压力平衡以便进行地层压力的测量。该装置能用于地层的压力测量，并能降低随钻地层压力测量系统的布局难度。

Description

地层压力测量平衡装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及石油钻井和测井技术领域，具体涉及一种地层压力测量平衡装置及其测量方法。

背景技术

地层压力是描述油藏的重要参数。利用地层压力可以优化泥浆密度和当量循环密度，防止井涌、井喷、地层损害或意外的地层压裂及循环漏失，帮助预测校正地层压力算法。利用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。

现有技术中采用随钻测量地层压力，这种测量方法是在钻头刚钻开地层即进行测量，钻井液对所测地层污染小，压力测量准确度高，能更好地反应真实原始地层孔隙压力状况。

但由于随钻地层压力测量的工作环境十分严酷，地层压力随钻测量仪器与其它井下仪器相比结构更复杂，加上钻柱内部空间狭小，又需要留有液压流体、地层流体、钻井液三种流体通道，测量时由于刚钻开地层的压力很高，给随钻地层压力测量系统的布局和设计带来很大难度，也存在较大技术风险。目前国内外在该技术领域的研究较少，可供参考的技术资料也少。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明所要解决的问题是，提出一种地层压力测量平衡装置，其能用于刚钻开地层的压力测量，并能降低随钻地层压力测量系统的布局难度。

为了实现上述目的，本发明提供如下解决方案。

一方面，本发明提出了一种具有以下结构的地层压力测量平衡装置，包括本体，以及设在所述本体内的：

动力源及控制组件，其用于接收控制信号并提供动力；

环空压力传导组件，其用于封隔所述本体上的环空压力腔并传导环空压力，并在所述本体内部通过管路连接所述动力源及控制组件；

探针组件，其与所述动力源及控制组件通过管路连接，并能在所述动力源及控制组件的作用下实现与井壁之间的坐封与解封；

抽吸平衡机构，其通过管路分别与所述动力源及控制组件、所述探针组件和所述环空压力传导组件连接，实现所述本体内外的压力平衡以便进行地层压力的测量。

本发明的地层压力测量平衡装置能实现本体内外的压力平衡，因此在测量时只要在本体内的管路上布局相应的传感器或者测量仪器，传感器或者测量仪器不会受地层高压力和环空压力的影响，就能用于刚钻开地层的压力测量，传感器或者测量仪器的压力和布局位置限制更少，能降低随钻地层压力测量系统的布局难度。

在一个实施例中，所述抽吸平衡机构包括抽吸阀体、阀组件和抽吸平衡模块，所述阀组件和所述抽吸平衡模块相向设置在所述抽吸阀体内，所述阀组件和所述阀组件动作从而实现地层流体的抽吸。通过阀组件和抽吸平衡模块动作的协同实现动力源及控制组件对地层流体的抽吸控制。

在一个实施例中，所述阀组件包括设在所述抽吸阀体的第一腔室内的第一活塞杆以及抵接在所述活塞杆的台肩与第一腔室内壁的弹性件，所述第一腔室与所述本体上的环空压力腔通过环空压力管路连接。

在一个实施例中，所述抽吸阀体内设有第二腔室和第三腔室，所述第二腔室与所述第三腔室形成阶梯孔结构，所述抽吸平衡模块包括第二活塞杆以及堵头，所述堵头与所述抽吸阀体固定连接用于封堵所述第三腔室远离所述第二腔室的一端；所述第二活塞杆在阶梯孔结构内运动从而开启或关闭所述动力源及控制组件对地层流体的抽吸。阀组件可实现环空压力管路与地层流体管路之间的连通与切断。

在一个实施例中，所述第二腔室通过抽吸管路与所述动力源及控制组件连接，所述探针组件通过地层流体管路与所述第一腔室或所述第二腔室连接；所述阀组件未工作时，所述地层流体管路与所述环空压力管路经所述第一腔室连通；所述阀组件动作，推动所述第二活塞杆运动，所述地层流体管路与所述环空压力管路被隔断，所述地层流体管路与所述第一腔室连通。

当需要进行地层流体抽吸时，阀组件隔断环空压力管路与地层流体管路，通过所述阀组件和所述抽吸平衡模块的配合实现环空流体与动力源及控制组件中的内部油压互不侵入，实现本体内外压力平衡的同时保证液压系统的洁净。

在一个实施例中，所述探针组件包括：

底座，固定设置在所述本体的探针组件腔内；

探头模块，滑动设置在所述本体的探针组件腔内；

探头密封件，与所述探头模块的端部连接封隔所述本体的探针组件腔；以及

探针，所述探针与所述探头模块滑动连接；在坐封模式时，所述探针的内腔经所述底座内的通道与所述地层流体管路连通。

在一个实施例中，所述探头模块与底座之间形成有探头推靠通道，所述探头模块的外壁面与所述本体的探针组件腔之间形成有探头复位通道，所述探头推靠通道与所述探头复位通道均通过管路与所述动力源及控制组件连接以实现所述探头组件的坐封与解封。由于能实现本体内外压力平衡，可以减少探头模块的推靠功率，保障探头模块顺利回收，避免卡钻事故发生。从而顺利测量环空压力和地层压力，建立压力恢复曲线，为下一步的作业提供参考。

在一个实施例中，所述环空压力传导组件包括设在所述环空压力腔内的隔离活塞以及传导所述环空压力腔内压力的环空压力传感器，所述隔离活塞在环空压力大时向所述环空压力腔的内部移动，所述隔离活塞在环空压力小时向所述环空压力腔的腔口处移动。通过隔离活塞和压力传感器传导的数据可获得环空压力。

另一方面，本发明还提出了一种地层压力测量方法，该方法包括以下步骤：将如上述的装置放入井筒，测量环空压力；

将所述装置下到测量点，启动动力源及控制组件，抽吸平衡机构工作，开始地层流体的抽吸，并进行地层压力测量。

在抽吸平衡机构工作实现装置内外的压力平衡时进行测量，对测量仪器本身能承受的压力敏感性降低，测得的环空压力不容易受到地层压力波动的影响。

在一个实施例中，启动动力源及控制组件，抽吸平衡机构工作，探头组件开启坐封模式，然后开始地层流体的抽吸。隔离地层杂质，保证对地层流体抽吸的顺利进行。

在一个优选的实施例中，测量结束后，使探头组件进入解封模式，复位抽吸平衡机构，关闭动力源及控制组件。实现对装置的复位，方便进行下一次的测量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的地层压力测量平衡装置用来平衡本体内外的压力，减少动力源功率输出，并实时采集环空压力数值，建立压力恢复曲线。具体地，该系统采用隔离环空流体和动力源内部油路的设计方式，在井下可以实时测量环空压力，通过隔离活塞移动来传导压力，保持仪器内外压力平衡。当进行地层压力测量时，测量的环空压力可以帮助建立压力恢复曲线，并预防探头模块坐封后由于本体内外压力差造成的无法解封。另外，环空压力入口采用隔离设计方式和并行油路，抽吸平衡机构减少一道油路控制，整体结构更简单，不仅节省内部布局空间，适用范围也更广。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1显示了本发明的地层压力测量平衡装置的一种具体实施结构示意图；

图中：1、隔离活塞，2、环空压力传感器，3、动力源平衡模块，4、动力源，5、电气接头，6、探头复位管道，7、探头推靠管道，8、探头模块，9、探头密封件，10、探针，11、地层流体管路，12、地层压力传感器，13、堵头，14、间隙，15、抽吸推靠管路，16、抽吸复位管路，17、控制开关，18、弹性件，19、抽吸阀体，20、压力平衡管路，21、维修堵头，22、环空压力管路，23、动力源环空管路，24、本体。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

发明人在发明过程中注意到，由于随钻地层压力测量的工作环境十分严酷，压力大、温度高、地层情况复杂，因此对地层压力随钻测量仪器能承受的压力和温度等提出了更苛刻的要求。而现有地层压力随钻测量仪器与其它井下仪器相比结构更复杂，加上钻柱内部空间狭小，又需要留有液压流体、地层流体、钻井液三种流体通道，给随钻地层压力测量系统的设计和布局带来很大难度。

针对以上不足，本发明的实施例提出了一种地层压力测量平衡装置，下面结合具体实施例进行说明。

图1显示了本发明的地层压力测量平衡装置的其中一种实施结构。在该示意图中，本发明的地层压力测量平衡装置主要包括：本体24，以及设在所述本体24内的动力源及控制组件、环空压力传导组件、探针组件、抽吸平衡机构和传感器。在该示意图中，本体24左侧设置有环空压力腔，环空压力传导组件连接在该环空压力腔内，环空压力腔外侧对应为环空压力。本体24右侧设置有探针组件腔，探针组件设置在该探针组件腔内，探针组件腔外侧对应为地层流体压力。

在本发明的实施例中，动力源及控制组件主要用于接收控制信号并提供流体动力。在一个实施例中，如图1所示，该动力源及控制组件主要包括

在本发明的一个实施例中，环空压力传导组件主要包括隔离活塞1，该隔离活塞1用于封隔本体24上的环空压力腔并将环空压力传导到环空压力腔。此处，环空压力腔在本体24内部通过动力源环空管路23连接动力源；因而，封隔本体24主要起到隔离环空流体与动力源液压流体的作用，在保证本体24内外压力平衡的情况下，使得环空流体与动力源液压流体互不侵入，保证动力源液压系统的洁净。

该隔离活塞1在此处的工作原理具体为，当环空压力较大时，使隔离活塞1向环空压力腔内运动，压缩环空压力腔。当环空压力较小时，环空压力腔的压力推动隔离活塞1向环空压力腔外侧运动。由于环空压力腔连接有环空压力传感器2，环空压力传感器2可将环空压力传递给井上的环空压力计算与记录仪进行实施处理与存储。从而可以采集的环空压力数据为基准线生成压力降和恢复曲线等；又或者可根据测量需求修改采样频率等。

在本发明的一个实施例中，环空压力腔在本体24内部通过环空压力管路22连接抽吸平衡机构。在抽吸平衡机构不工作或者未动作时，环空压力管路22经抽吸平衡机构与地层流体管路11连通。

在本发明的一个实施例中，抽吸平衡机构主要通过压力平衡管路20、抽吸推靠管路15和抽吸复位管路16连接动力源及控制组件。抽吸平衡机构通过地层压力管线11连接探针组件。

在一个实施例中，抽吸平衡机构主要包括抽吸阀体19、阀组件和抽吸平衡模块。阀组件和抽吸平衡模块相向设置在抽吸阀体19内，阀组件工作时，抽吸平衡模块动作从而实现动力源对地层流体的抽吸。

在一个优选的实施例中，如图1所示，阀组件主要包括设在抽吸阀体19的第一腔室内的第一活塞杆以及抵接在活塞杆的台肩与第一腔室内壁的弹性件18，第一腔室与本体24上的环空压力腔通过环空压力管路22连接。另外，第一腔室的左侧腔口设置有维修堵头21，以便于对阀组件的维修。

在一个实施例中，在抽吸阀体19内设有第二腔室和第三腔室，该第二腔室与第三腔室形成阶梯孔结构。抽吸平衡模块主要包括第二活塞杆与堵头13，一般情况下，第二活塞杆与堵头13之间留有间隙14。堵头13与抽吸阀体19固定连接以用于封堵第三腔室远离所述第二腔室的一端(图1中为右端)。第一活塞杆向右运动，使得控制开关17开启，第一活塞杆隔离环空压力管路22与地层流体管路11，在压力作用下推动第二活塞杆沿阶梯孔结构向右运动，动力源通过第二腔室、地层压力管路11开启对地层流体的抽吸。

在一个实施例中，探针组件通过地层流体管路11与第一腔室或第二腔室连接。换一句话说，在抽吸模式时，阀组件工作时，推动第二活塞杆运动，地层流体管路11与环空压力管路22被隔断，地层流体管路11与第二腔室连通，探针组件的内腔通过地层流体管路11连接第二腔室，地层流体被抽吸进入动力源及控制组件。其它时候，探针组件通过地层流体管路11连接第一腔室，地层流体管路11与环空压力管路22经第一腔室连通。

在本发明的实施例中，探针组件与动力源及控制组件通过探头推靠管道7、探头复位管道6连接。探针组件可在动力源及控制组件的作用下实现与井壁之间的坐封与解封。

在一个实施例中，探针组件主要包括底座、探头模块8、探头密封件9与探针10。其中，底座，固定设置在本体24的探针组件腔内。探头模块8，滑动设置在本体24的探针组件腔内。探头密封件9，与探头模块8的端部连接封隔本体24的探针组件腔，起到隔离地层泥沙等杂质的作用。探针10，探针10与探头模块8滑动连接。在坐封模式时，探针10的内腔经底座内的通道与地层流体管路11连通。

在一个实施例中，探头模块8与底座之间形成有探头推靠通道7，探头模块8的外壁面与本体24的探针组件腔之间形成有探头复位通道，探头推靠通道与探头复位通道分别通过探头推靠管道7、探头复位管道6与动力源及控制组件连接，从而实现探头组件的坐封与解封。

在一个实施例中，用于地层压力测量的地层压力传感器12设在地层压力管路11上。动力源及控制组件主要包括动力源平衡模块3(其功能相当于油箱)、动力源4(其功能相当于液压泵)和电气接头5(其功能相当于控制器)。电气接头5可接收控制或操作信号，动力源4可提供液压动力。由于已有专利重点阐述过该动力源及控制组件的工作原理，此处不再展开阐述。

本发明还提出了一种地层压力测量方法，该方法包括以下步骤：

将如上所述的地层压力测量平衡装置放入井筒，通过环空压力传感器2测量环空压力；

将该装置下到测量点，启动动力源及控制组件，抽吸平衡机构工作，开始地层流体的抽吸，通过地层压力传感器12进行地层压力测量。

在一个实施例中，启动动力源及控制组件，抽吸平衡机构工作，探头组件开启坐封模式，然后开始地层流体的抽吸。

在一个实施中，测量结束后，使探头组件进入解封模式，复位抽吸平衡机构，关闭动力源及控制组件。为下一次抽吸作业做准备。

在一个优选的实施例中，本发明地层压力测量方法主要包括以下步骤：

1)装置入井，开始测量环空压力；

装置进入井筒，环空压力经过隔离活塞1传导至环空压力传感器2，环空压力传感器2传递或开始实时记录环空压力；

2)装置到达测量点，抽吸平衡模块启动；

装置下到测量点，电气接头5所连的中控电路，在接到地面操作人员发送的启动指令后，启动动力源4向压力平衡管路20输出压力，推动第一活塞杆运动，挤压弹性件18收缩后触动控制开关17，切断环空压力管路22与地层流体管路11的连接；

3)坐封模式：探头推靠井壁实现坐封；

动力源4通过探头推靠管线7将探头模块8伸出，探头密封件9与井壁进行坐封后，探针10插入地层，完成坐封，进入抽吸模式；

4)抽吸模式：地层流体进入探头模块8和第二腔室；

在抽吸模式中，动力源4通过抽吸推靠管路15进入第二腔室，通过推动第二活塞杆向右运动将地层流体抽入探针10的腔体，途径地层流体管线11进入第二腔室中。在此过程中，连接在地层流体管路11上的地层压力传感器12开始采集地层压力数据；

5)抽吸平衡机构复位与探头模块8解封；

通过程序控制动力源4停止向压力平衡管路20输出压力，平衡弹簧18在之前蓄能作用下释放回到原位，触动控制开关17工作，环空压力管路22与地层流体管路11建立压力连接，抽吸平衡机构完成复位。动力源4通过抽吸复位管路16和探头复位管道6将抽吸模块14、探针10和探头模块8依次收回复位，完成解封动作。

此外，在对环空压力进行测量和地层压力测量时，还包括压力测量及计算步骤。具体地，在步骤1)“装置入井，开始测量环空压力”中，环空压力传感器2在控制器作用下对环空压力进行实时测量和存储。在步骤4)“地层流体进入探头模块8和第二腔室”中，地层压力传感器12实时进行地层压力测量和存储。数据处理系统将地层压力传感器12测量到地层压力数据根据抽吸算法进行实时处理，以环空压力传感器2采集的测量前后环空压力数据为基准线生成压力降低和恢复曲线等。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地层压力测量平衡装置，其特征在于，包括本体，以及设在所述本体内的：

动力源及控制组件，其用于接收控制信号并提供动力；

环空压力传导组件，其用于封隔所述本体上的环空压力腔并传导环空压力，并在所述本体内部通过管路连接所述动力源及控制组件；

探针组件，其与所述动力源及控制组件通过管路连接，并能在所述动力源及控制组件的作用下实现与井壁之间的坐封与解封；

抽吸平衡机构，其通过管路分别与所述动力源及控制组件、所述探针组件和所述环空压力传导组件连接，实现所述本体内外的压力平衡以便进行地层压力的测量，

其中，所述抽吸平衡机构包括抽吸阀体、阀组件和抽吸平衡模块，所述阀组件和所述抽吸平衡模块相向设置在所述抽吸阀体内，所述阀组件和所述抽吸平衡模块动作从而实现地层流体的抽吸；

所述阀组件包括设在所述抽吸阀体的第一腔室内的第一活塞杆以及抵接在所述活塞杆的台肩与第一腔室内壁的弹性件，所述第一腔室与所述本体上的环空压力腔通过环空压力管路连接；

所述抽吸阀体内设有第二腔室和第三腔室，所述第二腔室与所述第三腔室形成阶梯孔结构，所述抽吸平衡模块包括第二活塞杆以及堵头，所述堵头与所述抽吸阀体固定连接用于封堵所述第三腔室远离所述第二腔室的一端；所述第二活塞杆在阶梯孔结构内运动从而开启或关闭所述动力源及控制组件对地层流体的抽吸。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二腔室通过抽吸管路与所述动力源及控制组件连接，所述探针组件通过地层流体管路与所述第一腔室或所述第二腔室连接；抽吸模式时，所述阀组件动作，推动所述第二活塞杆运动，所述地层流体管路与所述环空压力管路被隔断，所述地层流体管路与所述第二腔室连通；所述阀组件未工作时，所述地层流体管路与所述环空压力管路经所述第一腔室连通。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述探针组件包括：

底座，固定设置在所述本体的探针组件腔内；

探头模块，滑动设置在所述本体的探针组件腔内；

探头密封件，与所述探头模块的端部连接封隔所述本体的探针组件腔；以及

探针，所述探针与所述探头模块滑动连接；在坐封模式时，所述探针的内腔经所述底座内的通道与所述地层流体管路连通。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述探头模块与底座之间形成有探头推靠通道，所述探头模块的外壁面与所述本体的探针组件腔之间形成有探头复位通道，所述探头推靠通道与所述探头复位通道均通过管路与所述动力源及控制组件连接以实现所述探针组件的坐封与解封。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的装置，其特征在于，所述环空压力传导组件包括设在所述环空压力腔内的隔离活塞以及传导所述环空压力腔内压力的环空压力传感器，所述隔离活塞在环空压力大时向所述环空压力腔的内部移动，所述隔离活塞在环空压力小时向所述环空压力腔的腔口处移动。

6.一种地层压力测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将根据权利要求1至5中任一项所述的装置放入井筒，测量环空压力；

将所述装置下到测量点，启动动力源及控制组件，抽吸平衡机构工作，开始地层流体的抽吸，并进行地层压力测量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，启动动力源及控制组件，抽吸平衡机构工作，探针组件开启坐封模式，然后开始地层流体的抽吸。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，测量结束后，使探针组件进入解封模式，复位抽吸平衡机构，关闭动力源及控制组件。

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