CN109403955A - 一种钻孔内测量最大水平地应力方向的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻孔内测量最大水平地应力方向的装置及方法，本发明采用高精度位移滑动变阻计(即测距滑动变阻器)，另加特殊的机械装置设计，可同时测量多个方向的钻孔直径，根据测量的钻孔形态和方位图画出每个深度位置的椭圆图，计算最短轴方向，计算出多个时间的平均最短轴方向为最大水平应力方向。
Description
技术领域
本发明属于油气工程地应力测试领域，涉及在深埋钻井中测试最大地应力方向的装置和测试方法。
背景技术
非常规天然气钻孔压裂必须沿地应力最大水平主应力方向，以便设计压裂方向。当前测量最大水平主应力方向的方法是水压致裂和应力解除法，该方法是在钻井中进行分段密封加压，测量应力和位移参数，然后进行相应的计算，这种方法适用于浅孔，在深孔中难度大、测量精度低。也有采用光学CCD和声学成像测量孔径形变的，但由于油气钻孔为泥浆孔，不适宜于光学和声学测量，泥浆浓度、温度和压力变化大，造成测量误差大，无法满足要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种钻孔内测量最大水平地应力方向的装置及方法，测试可靠，不受钻孔深度、泥浆浓度、温度和压力影响，测试效率高、精度高、可靠性好。
本发明的技术方案如下：
一种钻孔内测量最大水平地应力方向的装置，包括电子罗盘、下管、解锁触发锤、位移滑动变阻计、滑动探管、滑动环、支撑杆、测量支臂、压缩弹簧、锁钩和测量座；
所述下管为一非磁性金属管，下管内部有一根滑动探管，下管的下端连接有解锁触发锤，解锁触发锤上设置有锁槽；
所述滑动探管为封闭的非磁性金属管，滑动探管内部设置有位移滑动变阻计，位移滑动变阻计的测量座上设置有磁性体，滑动探管外壁上滑动连接着滑动环；
所述滑动环为磁性金属环，其与支撑杆的一端相连，支撑杆的另一端与测量支臂相连；
所述测量支臂的一端可转动连接于上管上，测量支臂的末端设置有锁钩。
优选的，所述滑动探管外壁上且沿着滑动探管轴向滑动连接有多个滑动环，相邻滑动环之间以及滑动环与解锁触发锤之间均设置有压缩弹簧。
优选的，所述滑动环外表面分别与两根支撑杆相连，且两根支撑杆关于滑动环对称。
优选的，还包括上管，其下端与下管上端相连，所述上管为一密封的非磁性金属管，其内部设置有信号放大模块、A/D转换模块、存贮模块、电子罗盘和电源模块。
本发明的钻孔内测量最大水平地应力方向装置实质上是一种全方位孔径测量探头，配合该探头实现全方位孔径测量水平最大应力方向。
一种钻孔内测量最大水平地应力方向的方法，根据测量的钻孔形态和方位图画出每个深度位置的椭圆图，计算最短轴方向，计算出多个时间的平均最短轴方向为最大水平应力方向。
本发明采用全方位孔径测量方法，通过分析钻孔椭圆短轴方向来确定最大水平地应力方向。测量设备包括地面控制显示器、电缆绞车、孔径测量探头，孔径测量装置为一个多方位(例如8方位，夹角45度)孔径测量探头，内含能测量方位的电子罗盘，可精确测量钻孔任意深度位置的孔径形状和方位，通过测量钻孔截面形状随时间变化情况，及截面短轴方位，确定相应孔段地应力最大水平应力方向。
与现有技术相比，本发明采用高精度位移滑动变阻计(即测距滑动变阻器)，另加特殊的机械装置设计，可同时测量多个方向的钻孔直径，解决了大孔径、深孔、泥浆孔的最大水平地应力方向测量问题，工作效率高、精度高、成本低。
附图说明
图1为测量分析方法；
图2为现场测量结构图；
图3为探头收紧结构图；
图4为探头解锁张开结构图；
图5为测量支臂、滑动环与滑动变阻器截面图；
图6为测量支臂、滑动环与滑动变阻器纵向剖面图；
图7为图4中锁钩局部放大图；
图中：1-上管；2-下管；3-解锁触发锤；4-位移滑动变阻计；5-滑动探管；6-滑动环；7-支撑杆；8-测量支臂；9-压缩弹簧；10-锁钩；11-测量座；21-地面测量控制器；22-连接电缆；23-电缆绞车；24-铠装电缆；25-钻井；26-测量探头；27-传送电缆；28-信号放大模块、A/D转换模块和存贮模块；29-电子罗盘；30-电源模块；。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的钻孔内测量最大水平地应力方向装置包括上管1、下管2、解锁触发锤3、位移滑动变阻计4、滑动探管5、滑动环6、支撑杆7、测量支臂8、压缩弹簧9、锁钩10和测量座11。上管1下端与下管2上端相连，上管1为一密封的非磁性金属管，其内部设置有信号放大模块、A/D转换模块、存贮模块、电子罗盘29和电源模块30。下管2为一非磁性金属管，下管2内部有一根滑动探管5，下管2的下端连接有解锁触发锤3，解锁触发锤3上设置有锁槽。滑动探管5为封闭的非磁性金属管，滑动探管5内部设置有位移滑动变阻计4，位移滑动变阻计4的测量座11上设置有磁性体，滑动探管5外壁上滑动连接着滑动环6。滑动环6为磁性金属环，其与支撑杆7的一端相连，支撑杆7的另一端与测量支臂8相连。测量支臂8的一端可转动连接于上管1上，测量支臂8的末端设置有锁钩10。
在本实施例中，测量支臂8共有8根，沿着上管1截面圆周分布，彼此间夹角为45°。滑动探管5外壁上且沿着滑动探管5轴向滑动连接有4个滑动环6，相邻滑动环6之间以及滑动环6与解锁触发锤3之间均设置有压缩弹簧9。滑动环6外表面分别与两根支撑杆3相连，且两根支撑杆3关于滑动环6对称。
1)全方位孔径测量地水平最大应力方向的方法：
工作原理：
在钻井钻完后和固井前，设计地应力测量的孔段位置和时间；每次测量前，将全方位孔径测量探头与电缆连接、调试好、设置在待机状态，将探头的测量支臂8保持在锁定状态；将探头放入井中，直到探头触到孔底，地面测量控制器21显示测量支臂8呈解锁状态；将探头由孔底向上提升，在每个事先设计的测量深度位置保持探头静止5分钟，并进行连续孔径和方位测量，地面测量控制器21上及时显示测量孔径形态、方位及短轴方向；提升探头至下一个深度位置，重复测量，直到完成一个钻孔的测量。可在相隔一定时间段，在上次的测量深度位置进行重复测量，以分析钻孔形态在地应力作用下的变形规律。
水平最大应力方向计算：。
如图1，根据测量的钻孔形态和方位图画出每个深度位置的椭圆图，计算最短轴方向，计算出多个时间的平均最短轴方向为最大水平应力方向，这里的平均最短轴计算方法以图1为例，分别计算24小时和48小时同一深度位置的椭圆短轴，然后以两个短轴方向与坐标轴E轴的夹角之和求平均值(这里是两个不同时间，所以除以2，若是三个不同时间，则除以3，依次类推)，得到了一个夹角值，然后以E轴为起始边旋转该夹角值即获得平均最短轴方向。
2)测量装置结构：
如图2，装置由地面测量控制器21、电缆绞车23、测量探头等3部分组成。地面测量控制器21主要包括电源、控制模块、显示模块、存贮模块，主要用于控制测量探头的工作状态、接收测量探头的测量信息、显示存贮测量信息等功能。地面测量控制器21通过电缆22与电缆绞车23连接。电缆绞车23主要包括支架、电缆绞桶、继线环、铠装电缆24几部分，主要功能是连接、提升探头、传输控制和测量信息。上述装置均为现有技术，其具体连接方式和使用方式不在本申请中进行阐述。
如图3～图7，测量探头是本发明的核心，主要包括上管1、下管2、测量支臂8、解锁触发锤3等4部分。
上管1为一密封的非磁性金属管，内部有电源模块30、电子罗盘29、信号放大模块、A/D转换模块和存贮模块28。
下管2为一非磁性金属管，内部又有一个封闭的非磁性金属内管，即滑动探管5，管内有4套高精度位移滑动变阻计4(测距滑动变阻器)，位移滑动变阻计4的测量座11(可以理解为滑片)上有一磁性体，与管外测量支撑杆7一端的磁性金属滑动环6构成吸附作用，滑动环6可带动磁性体(同时带动测量座11)运动；滑动探管5外部有4套滑动环6，每个环上有2个对称的支撑杆7，支撑杆7的另一端与测量支臂8相连，相邻的滑动环6之间及最底部有压缩弹簧9；上管1下端有8支测量支臂8(相互间夹角45度)，一端与上管1相连，中间位置与支撑杆7相连，测量支臂8末端设计有锁钩10。
解锁触发锤3在探头底部，有8个锁钩结构(彼此间夹角45度，与锁钩10对应)，在非工作时锁住8支测量支臂8。
本发明可准确测试出区块勘探开发深度范围内地层最大地应力的方向分布，为设计开采井方向、压裂轴向提供了重要基础资料。
Claims (5)
1.一种钻孔内测量最大水平地应力方向的装置，其特征在于：包括电子罗盘(29)、下管(2)、解锁触发锤(3)、位移滑动变阻计(4)、滑动探管(5)、滑动环(6)、支撑杆(7)、测量支臂(8)、压缩弹簧(9)、锁钩(10)和测量座(11)；
所述下管(2)为一非磁性金属管，下管(2)内部有一根滑动探管(5)，下管(2)的下端连接有解锁触发锤(3)，解锁触发锤(3)上设置有锁槽；
所述滑动探管(5)为封闭的非磁性金属管，滑动探管(5)内部设置有位移滑动变阻计(4)，位移滑动变阻计(4)的测量座(11)上设置有磁性体，滑动探管(5)外壁上滑动连接着滑动环(6)；
所述滑动环(6)为磁性金属环，其与支撑杆(7)的一端相连，支撑杆(7)的另一端与测量支臂(8)相连；
所述测量支臂(8)的一端可转动连接于上管(1)上，测量支臂(8)的末端设置有锁钩(10)。
2.根据权利要求1所述的一种钻孔内测量最大水平地应力方向的装置，其特征在于：所述滑动探管(5)外壁上且沿着滑动探管(5)轴向滑动连接有多个滑动环(6)，相邻滑动环(6)之间以及滑动环(6)与解锁触发锤(3)之间均设置有压缩弹簧(9)。
3.根据权利要求1所述的一种钻孔内测量最大水平地应力方向的装置，其特征在于：所述滑动环(6)外表面分别与两根支撑杆(3)相连，且两根支撑杆(3)关于滑动环(6)对称。
4.根据权利要求1所述的一种钻孔内测量最大水平地应力方向的装置，其特征在于：还包括上管(1)，其下端与下管(2)上端相连，所述上管(1)为一密封的非磁性金属管，其内部设置有信号放大模块、A/D转换模块、存贮模块、电子罗盘(29)和电源模块(30)。
5.一种钻孔内测量最大水平地应力方向的方法，其特征在于：根据测量的钻孔形态和方位图画出每个深度位置的椭圆图，计算最短轴方向，计算出多个时间的平均最短轴方向为最大水平应力方向。
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