CN109736774A - 井下震源 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种井下震源，包括上筒体和中筒体，以及设于所述上筒体和所述中筒体之间的摩擦卡瓦，还包括与所述摩擦卡瓦对应设置的卡瓦心轴，以及套设于所述卡瓦心轴上的调节环，所述调节环与所述卡瓦心轴螺纹连接以沿所述卡瓦心轴的轴向方向移动，从而调节所述摩擦卡瓦的预紧力。本发明所述的井下震源，通过调节环的设置，可通过拨转调节环的位置来调节对摩擦卡瓦的预紧力，以实现调节锁紧机构锁紧力的大小，从而可以调节振动信号的强弱，可以为井眼防碰监测及随钻地震技术提供标准的振动信号，用于预测钻头前方地层特性及帮助识别井下情况。

Description

井下震源

技术领域

本发明涉及石油钻井工程领域，尤其涉及一种井下震源。

背景技术

在钻井作业中，预测钻头前方地层信息尤为必要。基于随钻地震技术的钻头随钻地震(Drill-Bit SWD)和随钻垂直地震剖面(VSP While Drilling)，都是依靠常规地面震源(如气枪、可控震源或炸药震源)或非常规井下震源(钻头振动)产生的振动信号，通过传感器采集震源的振动信号并加以分析和处理，可得到钻头前方的有关地层特性。随着随钻地震技术应用范围的拓广与延伸，公开号为CN101235716B的中国专利文献公开了一种基于钻头振动波的井眼防碰预警系统，此项防碰技术同样也是根据井下震源(钻头)产生的振动信号，经过信号采集与处理来预测钻头前方的地层特性，判断钻头是否钻到邻井套管上，系统从而给出井眼碰撞风险提示。

尽管上述两种技术或方法具有一定的可行性和可靠性，但是目前均存在着钻头作为井下震源强度不足的问题，使其应用范围受到限制。例如、当钻头钻遇浅部成岩性差的地层，深层井段或采用PDC钻头钻进时，都存在着所采集到的钻头震源的振动信号较弱，以及应用在井场环境振动噪声过大时，在数据处理过程中存在着难以消除的噪声信号。因此，这些因素限制随钻地震技术及井眼防碰监测技术的应用范围。

现有井下震源中，除了钻头这种非常规井下震源外，国外曾研制了一种扫频脉冲震击器工具作为井下震源，根据相关文献，采用扫频脉冲震击工具代替钻头作为震源，虽然部分克服了钻头随钻地震的局限性，但是其产生的振动信号不是一种具有特征性的标准信号，且频率(11～19Hz)较高，此外其应用深度有限，不足以在深层井段产生足够能量，因而该工具应用在随钻地震技术存在着振动信号难以有效识别和应用范围受限的问题。此外，公开号为CN102817567B的中国专利公开了一种油气钻井井下重复起震装置及起震方法，该文献涉及到的井下重复起震装置是一种机械式井下震源，由于受其结构设计的特殊性，导致其抗拉强度有限，只进行了样机的室内模拟试验研究，尚未见有关报道将其应用于井下作为震源。因此，在这样的背景下，急需一种高可靠性的井下震源，可代替钻头产生强度大小可调的标志性振动信号，来弥补现有井下震源的不足，扩大随钻地震技术和井眼防碰监测技术的应用范围。

发明内容

本发明针对现有技术存的问题，提出一种结构可靠、信号强度大小可调的井下震源。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种井下震源，包括上筒体和中筒体，以及设于所述上筒体和所述中筒体之间的摩擦卡瓦，还包括与所述摩擦卡瓦对应设置的卡瓦心轴，以及套设于所述卡瓦心轴上的调节环，所述调节环与所述卡瓦心轴螺纹连接以沿所述卡瓦心轴的轴向方向移动，从而调节所述摩擦卡瓦的预紧力。

作为优选，所述调节环设于所述中筒体与卡瓦心轴之间，所述调节环上设有矩形键槽，所述中筒体上设有对应于所述矩形键槽的第一通孔。

作为优选，还包括插设于所述第一通孔上的调节堵。

作为优选，还包括套设于所述中筒体上的坐卡卡瓦，所述坐卡卡瓦通过箍簧固定于所述中筒体上。

作为优选，还包括套设于所述中筒体上的套筒，与所述套筒连接的内花键筒体，以及设于所述套筒与所述中筒体之间的活塞锥杆，所述中筒体、所述套筒、所述活塞锥杆和所述内花键筒体构成密封腔，所述坐卡卡瓦靠近所述活塞锥杆的一端与所述中筒体之间设有对应于所述活塞锥杆的缝隙。

作为优选，还包括套设于所述活塞锥杆上的外圈弹簧和内圈弹簧，以便于所述活塞锥杆的复位。

作为优选，所述卡瓦心轴与所述中筒体之间设有间隙，所述卡瓦心轴上设有沿所述卡瓦心轴轴径向凸起的活塞，所述中筒体上设有与所述活塞相对设置的凸起台。

作为优选，所述中筒体上设有用于连通所述间隙与所述密封腔的第二通孔。

作为优选，所述卡瓦心轴上设有用于连通水眼与所述间隙的第三通孔，所述凸台与所述第三通孔之间设有平衡活塞。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明所述的井下震源，通过调节环的设置，可通过拨转调节环的位置来调节对摩擦卡瓦的预紧力，以实现调节锁紧机构锁紧力的大小，从而可以调节振动信号的强弱，可以提供标准的振动信号帮助识别井下情况；通过坐卡卡瓦和活塞锥杆的设置，使得该井下震源可以锚定在套管壁或井壁上，即在震源外筒锚定的情况下上提钻柱将震源拉开到复位状态，避免了仅依靠震源下部钻柱重量不足以使震源拉开的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明井下震源复位状态的结构示意图；

图2是本发明井下震源关闭状态的结构示意图；

图3是图1所示井下震源的A处的局部放大图；

图4是图2所示井下震源的B处的局部放大图；

图5是图1所示井下震源的C处的局部放大图；

图6是图2所示井下震源的D处的局部放大图；

图7是图1中E-E断面的断面示意图。

以上各图中，1、上接头；2、上心轴；3、冲击接头；4、刮泥环，5、上筒体；6、防尘圈；7、O型密封圈；8、摩擦卡瓦；9、调节堵；10、调节环；11、卡瓦心轴；12、油堵；13、中筒体；14、组合密封；15、箍簧；16、坐卡卡瓦；17、内刮泥环；18、外刮泥环；19、套筒；20、外圈弹簧；21、内圈弹簧；22、活塞锥杆；23、活塞；24、平衡活塞；25、O型密封圈；26、防尘圈；27、内花键筒体；28、外花键心轴；29、下接头；30、第一通孔；31、第二通孔；32、第三通孔。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其它实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参考图1-7，该井下震源包括一上心轴2，上心轴2上端与上接头1螺纹连接，上接头1内部设置有可与上部钻柱连接的螺纹。上心轴2台肩2a的上方套设有一冲击接头3，冲击接头3的下端螺纹连接有一上筒体5。上心轴2下端与卡瓦心轴11螺纹连接，上筒体5的内径的下方5a处设置有供摩擦卡瓦8定位用的环形凹槽，上筒体5下端螺纹连接有一内径较上筒体5下方内径大的中筒体13，摩擦卡瓦8限位于上筒体5下方5a处与中筒体13上端13a处螺纹连接后形成的环形凹槽内，卡瓦心轴11的下方的外径上的螺纹段11a处螺纹套设有一调节环10，调节环10的外径上设置有矩形键槽10a，中筒体13上对应于所述调节环10设置有第一通孔30，第一通孔30上插设有调节堵9，在调节时，可通过拆卸调节堵9，使用专用工具旋转调节环10，以达到调节预紧力的目的，中筒体13的外径缩径13b处套设有坐卡卡瓦16，坐卡卡瓦16通过箍簧15紧固在中筒体13之上，中筒体13的下端与内花键筒体27螺纹连接。中筒体13的外径缩径处还套设有一套筒19，套筒19与中筒体13形成了一上方开放的环形中空槽，套筒19的下方与内花键筒体27螺纹连接，套筒19的内部套设有一活塞锥杆22，活塞锥杆22与环形中空槽形成的内外环形空间里分别套设有内圈弹簧21和外圈弹簧20，活塞锥杆22与套筒19、内花键筒体27、中筒体13构成密封腔，活塞推杆22的下端有内花键筒体27螺纹连接处的台肩27a限位。中筒体13上开设有供液压油流入中筒体13与内花键筒体27之间腔室的第二通孔31。卡瓦心轴11下端与外花键心轴28螺纹连接，卡瓦心轴11下端的外径上设置有一可供活塞23套装的缩径台肩，外花键心轴28的上端外径上设置有一台肩28a，活塞23由卡瓦心轴11和外花键心轴28螺纹旋合处形成的凹槽限位。外花键心轴28外径所设台肩28c上方与中筒体13下方所形成的环形空间内还套设有一可上下移动的平衡活塞24，外花键心轴28外径所设台肩28c下方还开设有供水眼内液体流通的第三通孔32。外花键心轴28下方的外圆面上设置有外花键，与内花键筒体27下方内圆面上设置的内花键构成花键连接，外花键心轴28的下端与下接头29螺纹连接，下接头29的下方设置有与下部钻柱连接的螺纹。

如图1所示，冲击接头3内径上设置有刮泥环4，中筒体13和套筒19上分别设置有内刮泥环17和外刮泥环18，刮泥环的设置是为了防止泥浆胶结附着在构件表面阻碍机构的相对滑动。

如图1所示，上心轴2的变径台肩2a处设置有防尘圈6和O型密封圈7，中筒体13与卡瓦心轴11接触的内径上设置有组合密封14，外花键心轴28与内花键筒体27接触的外径上设置有O型密封圈25和防尘圈27。

如图1所示，中筒体13的下方与外花键心轴28所形成的环形空间内夹设有一可上下移动的平衡活塞24，平衡活塞24的上行由凸台13c或活塞23限位，下行由外花键心轴28外径所设台肩28c限位。台肩28c下方开设有供水眼中液体进入的第三通孔32，从而所在位置的静液压力作用在平衡活塞24下端以保证平衡活塞24上下的压力一致，使密封腔的内外压力维持平衡。

如图1所示，中筒体13和内花键筒体28设有油堵12，用于润滑油及液压油的注入或排出。其中组合密封14上部的腔室内注入的是供卡瓦心轴11与摩擦卡瓦8相对滑动所需的润滑油，组合密封14下部的腔室内注入的是液压锚定机构所需的液压油。

如图1所示，上接头1、上心轴2、冲击接头3及下部等构件构成了打击——承击机构。当下部构件中的卡瓦心轴11从摩擦卡瓦8中脱出时，卡瓦心轴11带动上部构件及钻柱迅速向下运动，当上接头1的下端面1a打击到冲击接头3的上端面3a时，震源完成一次打击运动，完成打击后的状态如图2所示，震源即产生一次具有一定强度的标志性信号。

如图3所示，卡瓦心轴11、摩擦卡瓦8、调节环10、上筒体5及中筒体13的上部分构成了卡瓦锁紧机构，当锁紧机构处于锁紧状态时，卡瓦心轴11上卡瓦的外棱带嵌入在摩擦卡瓦8的内部沟槽内，此时调节环10处在卡瓦心轴11所设外径螺纹段11a的某一位置处，调节环10的上端抵在摩擦卡瓦8上给之施加一定的预紧力。如图4所示，当锁紧机构处于解锁状态时，卡瓦心轴11上卡瓦的外棱带从摩擦卡瓦8的内部沟槽脱出，并随着震源的行程下移至图4所示的位置，调节环10因通过螺纹套设在卡瓦心轴11之上，故其位置相对卡瓦心轴11保持不变。如需调节锁紧力的大小时，可通过打开中筒体13上开设的调节堵9，通过第一通孔30用改锥拨动矩形键槽10a，使调节环10沿卡瓦心轴11的外径螺纹段11a上下移动来改变对摩擦卡瓦8预紧力的大小。

如图5所示，卡瓦心轴11、中筒体13的下部分、坐卡卡瓦16、箍簧15、套筒19、外圈弹簧20、内圈弹簧21、活塞锥杆22、活塞23、平衡活塞24、内花键筒体27及外花键心轴28的上部分构成了液压锚定机构，如图1所示，设置在中筒体13和卡瓦心轴11之间的组合密封14和设置在外花键心轴28和中筒体13之间的平衡活塞24形成了一个密封的间隙，中筒体13的下部分的内径上设置有一凸台13c，凸台13c的内径与活塞23的外径相同，当液压锚定机构处于液压卸载阶段时，如图5所示，卡瓦心轴11、外花键心轴28及其上部连接部分带动活塞23上移至凸台13c的上方，震源复位状态如图1所示，或者下移至凸台13c的下方，该井下震源关闭状态时如图2所示，此时套筒19内部的内圈弹簧21和外圈弹簧20均处于原长状态，活塞锥杆22处于原始位置，其底端与内花键筒体27所设置的台肩27a所接触，坐卡卡瓦16处于初始状态，此时坐卡卡瓦16未受下部活塞锥杆22的挤压力，整个液压腔内压力均为一致；当液压锚定机构处于液压加载阶段时，如图6所示，卡瓦心轴11、外花键心轴28及其上部构件带动活塞23从凸台13c的下方逐渐上移至与凸台13c接触时，此时活塞23上方的液压腔内液体因体积受到压缩导致压力增大。随着活塞23在凸台13c上不断上移，导致套筒19内部的活塞锥杆22受到液压力的推动而沿着所处的环形空间逐渐向上移动，此时，处于活塞锥杆22内外的外圈弹簧20和内圈弹簧21也因受到了压缩而储存有弹性势能，活塞锥杆22的不断上移会向上挤压上方的坐卡卡瓦16，坐卡卡瓦16在受到下部的挤压力后会逐渐由径向向外胀开，通过其外径上的卡瓦牙锚定在震源所处位置的井壁上或者套管内壁上。当平衡活塞24上移至凸台13c的上方而与其脱离接触时，因平衡活塞24的运动而隔开的上下腔室不复存在，故整个液压腔室内的压力又恢复一致，此时套筒19内因受到活塞锥杆22压缩的外圈弹簧20和内圈弹簧21储存的弹性势能得以释放而恢复原长，因此会带动活塞锥杆22下移至初始位置处，液压锚定机构再次处于液压卸载阶段。

如图1所示，外花键心轴28的下方外径的台肩28b处设置有一凸台，凸台的外圆面上设置有外花键，与内花键筒体27下方内径的台肩27b处设置的内花键形成花键滑动配合，如图7所示，构成扭矩传递机构，外花键心轴28可在内花键筒体27内部上下滑动，通过内花键筒体27下方内径凹槽处的台肩27b对其上行进行限位。

本发明所述的井下震源在使用时：正常钻进时，该井下震源作为钻柱的一部分用于传递钻压和扭矩，其内部还设置有水眼可供钻井液的正常流动。(1)若该井下震源安放于钻柱的受拉部位时，该井下震源在正常钻进时的状态如图1所示，该井下震源内部通过上心轴2的台肩2a与冲击接头3的台肩3a接触，外花键心轴28的台肩28b与内花键筒体27下部内径凹槽处的台肩27b接触传递拉力，通过外花键心轴28与内花键筒体27的花键配合来传递扭矩。当需要利用该井下震源工作来产生一定强度的标志性信号时，通过下放钻柱来施加一定钻压，钻柱因受压变形而储存有一定的弹性势能，当下压力达到卡瓦锁紧机构的解锁力时，处在摩擦卡瓦8内部沟槽内的卡瓦心轴11迅速从当中脱离，此时储存在钻柱中的弹性势能连同震源上部钻柱的重力势能迅速得以释放，震源上部的钻柱连同震源内部的心轴以极大的速度向下运动，直至上接头1的下台肩面1a打击到冲击接头3的上台肩面3a，如图2所示状态，即完成一次打击运动。此次打击运动执行之后，可通过缓慢上提钻柱，此时震源的液压锚定机构将进入加载阶段，其内部液压腔室产生的液压力将推动活塞锥杆22使坐卡卡瓦16径向胀开，使坐卡卡瓦16紧紧的锚定在震源所处的井段，直至上提钻柱使卡瓦心轴11再次处于摩擦卡瓦8内部的沟槽内，此时液压锚定机构处于卸载阶段，坐卡卡瓦16因失去下方活塞锥杆22的挤压力作用而恢复至初始状态，震源也因此处于如图1所示的复位状态。若需再次执行打击运动，重复上述下放钻柱、缓慢上提钻柱的操作即可。(2)当震源安放于钻柱的受压部位时，震源在正常钻进时的状态如图2所示，震源内部通过上接头1的下台肩面1a与冲击接头3的上台肩面3a接触来传递钻压，通过外花键心轴28与内花键筒体27的花键配合来传递扭矩。当需要利用震源工作来产生一定强度的标志性信号时，可通过上述缓慢上提钻柱后、再下放钻柱的操作来执行打击运动，若需重复执行打击运动时，重复上述缓慢上提钻柱、下放钻柱的操作即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种井下震源，其特征在于，包括上筒体和中筒体，以及设于所述上筒体和所述中筒体之间的摩擦卡瓦，还包括与所述摩擦卡瓦对应设置的卡瓦心轴，以及套设于所述卡瓦心轴上的调节环，所述调节环与所述卡瓦心轴螺纹连接以沿所述卡瓦心轴的轴向方向移动，从而调节所述摩擦卡瓦的预紧力。

2.根据权利要求1所述的井下震源，其特征在于，所述调节环设于所述中筒体与卡瓦心轴之间，所述调节环上设有矩形键槽，所述中筒体上设有对应于所述矩形键槽的第一通孔。

3.根据权利要求2所述的井下震源，其特征在于，还包括插设于所述第一通孔上的调节堵。

4.根据权利要求1所述的井下震源，其特征在于，还包括套设于所述中筒体上的坐卡卡瓦，所述坐卡卡瓦通过箍簧固定于所述中筒体上。

5.根据权利要求4所述的井下震源，其特征在于，还包括套设于所述中筒体上的套筒，与所述套筒连接的内花键筒体，以及设于所述套筒与所述中筒体之间的活塞锥杆，所述中筒体、所述套筒、所述活塞锥杆和所述内花键筒体构成密封腔，所述坐卡卡瓦靠近所述活塞锥杆的一端与所述中筒体之间设有对应于所述活塞锥杆的缝隙。

6.根据权利要求5所述的井下震源，其特征在于，还包括套设于所述活塞锥杆上的外圈弹簧和内圈弹簧，以便于所述活塞锥杆的复位。

7.根据权利要求5所述的井下震源，其特征在于，所述卡瓦心轴与所述中筒体之间设有间隙，所述卡瓦心轴上设有沿所述卡瓦心轴径向凸起的活塞，所述中筒体上设有与所述活塞相对设置的凸台。

8.根据权利要求7所述的井下震源，其特征在于，所述中筒体上设有用于连通所述间隙与所述密封腔的第二通孔。

9.根据权利要求7所述的井下震源，其特征在于，所述卡瓦心轴上设有用于连通水眼与所述间隙的第三通孔，所述凸台与所述第三通孔之间设有平衡活塞。