CN113756788B - 一种机械式随钻井斜测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械式随钻井斜测量仪，壳体内包括上固定座、内部测量结构和下固定座；内部测量结构包括偏重平台、球形配流阀、配流阀座和水力涡轮盘阀，偏重平台的上部与上固定座的下表面可旋转地连接；偏重平台的下端与配流阀座螺纹连接；球形配流阀布置在配流阀座内，配流阀座与球形配流阀通过铰接轴进行铰接，使球形配流阀能够在配流阀座内绕铰接轴旋转；配流阀座的下部穿过水力涡轮盘阀后与下固定座的上表面之间可旋转地连接，使得内部测量结构能够相对于壳体转动。球形配流阀布置有对应不同井斜角的编码过流孔，实现机械编码，整体采用机械式结构，耐高温高压，能够实现有效地测量井斜信息，可满足大井斜钻井过程的测量要求。

Description

一种机械式随钻井斜测量仪

技术领域

本发明属于在测井操作的领域，具体涉及适用于直井、定向井以及水平井，特别适用于完成深井、超深井、高温、高压井等钻井工程中的测井作业，可以根据钻井过程中的要求，能够实时进行随钻测量井斜的一种机械式随钻井斜测量仪。

背景技术

目前，随着能源勘探技术的发展，深井及超深钻井工程施工量逐渐增加，深井及超深钻井中定向钻井是必要的技术手段，定向钻井中关键是随钻测量数据的准确性。

干热岩地热资源成为目前勘探开采的热点，已探明的储量可满足我国600年的能源消耗，具有广阔的应用前景。

在上述油气、地热资源的勘探过程中不可避免的面临高温高压等恶劣井下工况。国内外现有的传统电控式随钻测量工具在温度高于200℃时，由于其内部电器元件以及材料的耐温性能，极易在高温环境下出现失效现象，影响钻井进度，大大增加施工成本。

目前所设计的机械式无线随钻测斜仪在感应井斜方面均使用摆锤结构，摆锤结构加工难度较大而且较难实现大井斜角的测量，受限于结构径向尺寸影响其摆锤尺寸设计与测量的井斜角的大小相关，对于水平井、近水平井的钻进过程中的测量存在一定的局限性，该结构一般只能完成小井斜角度的测量；另外，在实际钻井中井下振动现象较明显，摆锤结构易受井下振动的影响造成测量误差大。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械式随钻井斜测量仪，用于测量超高温环境下井斜角，解决了电控式随钻测量工具在高温环境下极易在出现失效现象而导致影响钻井进度的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的一种机械式随钻井斜测量仪，包括壳体，所述壳体内上下两端分别连接有上接头和下接头，所述壳体内由上至下，包括依次连接的上固定座、内部测量结构和下固定座，所述上接头的下端部顶住所述上固定座，所述下接头的上端部顶住所述下固定座，完成内部测量结构的有效定位，所述壳体与所述内部测量结构之间设有内部流道用于钻井液的流通；

所述内部测量结构包括偏重平台、球形配流阀、配流阀座和水力涡轮盘阀，所述偏重平台的上部与所述上固定座的下表面可旋转地连接；所述偏重平台的下端与所述配流阀座螺纹连接；所述球形配流阀布置在所述配流阀座内，所述配流阀座与所述球形配流阀通过铰接轴进行铰接，使所述球形配流阀能够在所述配流阀座内绕所述铰接轴旋转；所述配流阀座的下部穿过所述水力涡轮盘阀后与所述下固定座的上表面之间可旋转地连接，使得所述内部测量结构能够在所述上固定座和下固定座之间相对于壳体转动；

所述偏重平台为圆柱形结构，包括连接的偏重块和轻质材料偏重块，所述轻质材料偏重块的重量小于所述偏重块。

进一步地，所述球形配流阀上设有配重块，所述球形配流阀的结构始终保持沿重力方向布置。

进一步地，所述球形配流阀在表面的轴向方向上布置多个不同尺寸的过流孔，所述球形配流阀在表面的径向方向上布置多个相同尺寸的过流孔，所述球形配流阀表面径向方向上的多个过流孔距离所述球形配流阀底部的距离不同，在不同井斜条件下，钻井液流经所述过流孔，所述过流孔产生带有不同井斜信号的压力编码序列。

进一步地，其特征在于，所述配流阀座内部为与所述球形配流阀外表面配合的球形内表面；所述配流阀座底部设有与所述球形配流阀的过流孔相对应的过流通道，所述钻井液依次通过所述过流孔和所述过流通道流至所述水力涡轮盘阀。

进一步地，所述水力涡轮盘阀设有一个阀孔，所述阀孔位置与所述配流阀座的过流通道的位置相对应，所述水力涡轮盘阀旋转过程中所述阀孔经过所述配流阀座底部的过流通道。

优选地，所述球形配流阀能够在所述配流阀座内绕所述铰接轴进行旋转。

进一步地，所述水力涡轮盘阀的边缘设有涡轮叶片。

优选地，所述偏重平台与所述配流阀座的中心保持在同一轴线上。

进一步地，所述偏重平台的上部通过止推轴承和上圆柱滚子轴承与所述上固定座的下表面可旋转地连接，所述配流阀座的下部穿过所述水力涡轮盘阀后通过止推轴承和下圆柱滚子轴承与所述下固定座的上表面之间可旋转地连接。

进一步地，所述上圆柱滚子轴承上部设有轴承套，所述下圆柱滚子轴承下部设有轴承座。

本发明提供的一种机械式随钻井斜测量仪，具有如下有益效果：

1、机械式随钻井斜测量仪整体采用机械式结构，内部不含任何电子元器件，因此不受高温的影响，耐高温高压，温度可达200℃以上，耐压150MPa，能够实现有效地测量井斜信息；适应性强，性能可靠稳定，成本低，可满足大井斜钻井过程的测量要求；

2、通过偏重平台和球形配流阀的双偏重结构实现机械式井斜测量，可提高系统感应井斜的精度，克服单一感应井斜结构的方向不确定性的问题；

3、轻质材料偏重块的重量小于偏重块，偏重平台整体结构的重心分布在轴线以下，在重力作用下产生一定的偏重扭矩，可保证壳体在旋转钻进的过程中保持内部测量结构稳定在井眼低边，在井斜角越大的情况下，偏重平台产生的偏重扭矩越大，定位精度越准确，偏重平台整体设计为圆柱形结构，能够避免流体在内部流道产生紊流；

4、通过改变球形配流阀的尺寸可实现在0-90°井斜角的变化，本发明在井斜角越大的钻进过程中测量精度越高，克服现有机械式直井随钻测斜仪不能完成定向钻中的大井斜角的测量短板；

5、球形配流阀上布置有对应不同井斜角的编码过流孔，实现脉冲编码序列，在不同井斜角下编码序列发生变化，在不同井斜下设计的编码过流孔的过流面积不变，可确保水力涡轮盘阀的转速保持稳定，实现不同编码孔所产生的压力变化幅值保持稳定；

6、水力涡轮盘阀上开有过流孔，并通过水力涡轮转动到配流底座上不同过流通道，产生泄压过程，井斜发生变化时编码序列随之发生变化，进而形成带有编码序列的压力脉冲波，可在地面辨识出井斜角，通过设计压力脉冲编码序列来辨识井斜角，提高了压力脉冲信号传输的可靠性，使用泥浆脉冲方式上传信号可实现信号的长距离传输；

7、操作简单，测量过程迅速，可满足单点测量与随钻测量的工艺要求。

附图说明

图1为本具体实施方式中的机械式随钻井斜测量仪的结构示意图。

图2为本具体实施方式中的机械式随钻井斜测量仪的壳体内部的结构示意图。

图3为本具体实施方式中的球形配流阀的结构示意图。

图3-1为本具体实施方式中的球形配流阀的过流孔对应编码序列的结构示意图。

图4为本具体实施方式中的球形配流阀与配流阀座之间对应的编码序列123231时的结构示意图。

图5为本具体实施方式中的配流阀座的结构示意图。

图6为本具体实施方式中的水力涡轮盘阀的结构示意图。

图7为本具体实施方式中的表1编码序列表中对应的带有编码信息的压力脉冲信号波形图。

图中：

1、壳体，2、上接头，3、上固定座，4、轴承套，5、上圆柱滚子轴承,6、偏重块，7、轻质材料偏重块，8、固定螺栓，9、球形配流阀，901、配重块，902、过流孔，10、配流阀座，1001、过流通道，1002、阀座连接轴，11、水力涡轮盘阀，1101、涡轮叶片，1102、阀孔，12、内部流道，13、下圆柱滚子轴承，14、下固定座，15、下接头，16、轴承座，17、止推轴承。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种机械式随钻井斜测量仪，包括壳体1、安装于壳体1内的偏重平台、上接头2、下接头15、圆柱滚子轴承、球形配流阀9、配流阀座10和水力涡轮盘阀11。机械式随钻井斜测量仪是独特的机械式井下工具压力信号传输装置，采用金属结构，内部不含任何电子元器件，因此不受高温的影响，温度可达200℃以上，耐压150MPa，能够实现超高温钻井中井斜角的测量。

如图1所示，机械式随钻井斜测量仪的壳体1内，由上至下，包括依次连接的上接头2、上固定座3、上圆柱滚子轴承5、内部测量结构，下圆柱滚子轴承13、下固定座14和下接头15，其中上圆柱滚子轴承5上设有轴承套4，下圆柱滚子轴承13下设有轴承座16。上接头2与下接头15分别通过螺纹连接壳体1，通过上接头2的下端部顶住壳体1内部上固定座3、下接头15的上端部顶住壳体1内部下固定座14，上圆柱滚子轴承5作用在上固定座3上，下圆柱滚子轴承13作用在下固定座14上，上固定座3通过上圆柱滚子轴承5与内部测量结构相连接，下固定座14通过下圆柱滚子轴承13与内部测量结构相连接，使壳体1内的全部结构实现整体定位。

如图2所示，内部测量结构包括偏重平台、球形配流阀9、配流阀座10和水力涡轮盘阀11，内部测量结构和壳体1之间设有内部流道12用于钻井液的流通。

偏重平台的上部为平台连接轴，上圆柱滚子轴承5和偏重平台之间设置止推轴承17，偏重平台上部的平台连接轴依次穿过止推轴承17和上圆柱滚子轴承5后接触轴承套4，偏重平台上部的平台连接轴作用在上固定座3上，下圆柱滚子轴承13和水力涡轮盘阀11之间设置止推轴承17。内部测量结构的两端连接的上圆柱滚子轴承5、下圆柱滚子轴承13和止推轴承17，使内部测量结构能够在偏重平台的作用下实现在壳体1内轴向转动。

偏重平台的下端通过螺栓结构与配流阀座10进行螺纹连接，偏重平台与配流阀座10的中心保持在同一轴线上；球形配流阀9布置在配流阀座10内，配流阀座10与球形配流阀9通过铰接轴进行铰接，球形配流阀9能够在配流阀座10内绕铰接轴旋转，配流阀座10的下部为阀座连接轴1002，配流阀座10的下部的阀座连接轴1002依次穿过水力涡轮盘阀11、止推轴承17和下圆柱滚子轴承13后接触轴承座16，配流阀座10的阀座连接轴1002和水力涡轮盘阀11都作用在下固定座14上。

偏重平台设计为圆柱形结构，由偏重块6和轻质材料偏重块7组成，偏重块6和轻质材料偏重块7通过固定螺栓8进行固定。轻质材料是一种新型复合材料，它是以耐碱玻璃纤维作增强材，硫铝酸盐低碱度水泥为胶结材并掺入适宜集料构成基材，通过喷射、立模浇铸、挤出、流浆等工艺制成的新型无机复合材料，以取代石子、沙子等，可以大大减轻重量。轻质材料偏重块选择能够耐高温及温度可达200℃以上的轻质材料，轻质材料偏重块7的重量小于偏重块6，偏重平台整体结构的重心分布在轴线以下，在重力作用下产生一定的偏重扭矩，可保证壳体1在旋转钻进的过程中保持内部测量结构稳定在井眼低边，在井斜角越大的情况下，偏重平台产生的偏重扭矩越大，定位精度越准确。偏重平台整体设计为圆柱形结构，能够避免流体在内部流道12产生紊流。

如图3所示，球形配流阀9上设有配重块901，能够球形配流阀9自身结构始终保持沿自身重力方向，球形配流阀9与配流阀座10之间的转角即为此处对应的井斜角。球形配流阀9在球面的垂直于水平线的轴向方向上均匀等距布置多个不同尺寸的过流孔902，平行于水平线的径向方向上布置多个相同尺寸的过流孔902但位置不同即距离球形配流阀9底部的距离不同，本发明中在球形配流阀9在球面布置12个过流孔902作为举例说明，如图3-1所示，在发生井斜过程中球形配流阀9与配流阀座10之间相对位置发生变化，进而影响二者之间的过流孔902对应的钻井液的过流面积发生变化，过流面积发生变化的位置前后产生压力差即压力波动。球形配流阀9球面的过流孔902为对应不同井斜角的编码过流孔，通过钻井液流经过流孔902的情况，能够在不同井斜条件下产生不同的压力编码序列。例如，当机械式随钻井斜测量仪测量最大井斜角Φm为60°或者90°，其编码序列如表1所示，则其测量精度为5°或7.5°。

表1编码序列表

当机械式随钻井斜测量仪的测量能力为60°时，出现如图4中对应的编码序列123231时，即可判断出此时测量仪对应的井斜角为35°。

能够通过球形配流阀9的球形半径尺寸的变化增加过流孔902个数来增加布置在球面的编码序列个数提高工具的测量精度与测量范围。

由于不同钻井过程中井深参数的变化，其井口直径会受到限制，可通过改变球形配流阀9与配流阀座10的球形半径的尺寸实现测量不同角度的井斜角，可实现0-90°的井斜角测量。

如图5所示，配流阀座10内部为与球形配流阀9外表面配合的球形内表面，配流阀座10内表面与球形配流阀9外表面的球形曲率一致，配流阀座10上设有对应球形配流阀9编码序列的过流通道1001，钻井液通过过流通道1001可流至配流阀座10下部的水力涡轮盘阀11。

如图6所示，水力涡轮盘阀11的边缘设有涡轮叶片1101，由于球形配流阀9平行于水平线的径向方向上布置的多个过流孔尺寸相同，径向方向上过流孔的面积相同，因此球形配流阀9与配流阀座10之间的过流面积在不同井斜下保持不变，可实现分流至水力涡轮盘阀11的钻井液流量不变，进而实现涡轮叶片1101的转速保持不变。

水力涡轮盘阀11上设有一个阀孔1102，阀孔1102位置与配流阀座10过流通道1001的位置相对应，水力涡轮盘阀11旋转移动过程中，阀孔1102经过配流阀座10底部不同的过流通道1001，产生泄压过程，阀孔1102处钻井液的过流面积发生动态变化，井斜发生变化时编码序列随之发生变化，机械式随钻井斜测量仪的内部产生带有编码序列的压力脉冲信号，可在地面辨识出井斜角。

在井斜角度发生变化时，球形配流阀9与配流阀座10之间的过流孔902和过流通道1001的相对位置发生变化，但整体过流面积不变，在钻井液流量一定的前提下，涡轮转速保持稳定，保证了压力脉冲信号周期的稳定性以及过流孔902的压力幅值变化保持稳定，便于压力脉冲信号序列的辨识。

如图7所示，表1编码序列表中对应的带有编码信息的压力脉冲信号，在机械式随钻井斜测量仪测量过程中可通过压力编码序列的变化识别出测量位置的井斜角。

测量过程中，偏重平台在重力的作用下，产生一定的偏转扭矩，使得整体偏向井斜低边，并可在随钻过程中保持内部测量结构这部分始终在井眼低边。钻井液流至球形配流阀9上端时，一部分沿配流阀座10的外壁向下流经水力涡轮盘阀11，一部分钻井液流入球形配流阀9。球形配流阀9内部设计的配重块901，在重力的作用下感应井斜，球形配流阀9相对于配流阀座10发生旋转，不同井斜下，球形配流阀9与配流阀座10之间产生不同编码的过流孔902，水力涡轮盘阀11在钻井液的冲刷下产生旋转运动，水力涡轮盘阀11内部开有阀孔1102，在旋转过程中扫过配流底座的过流通道1001，依据小孔过流理论，过流孔902两端的压力差引起压差流动，通过编码过流孔902的发生面积变化将形成带有编码信号的泥浆压力脉冲波，可上传至地面进行解调获取有效井斜信号。

本专利公开的机械式随钻井斜测量仪，适应性强，性能可靠稳定，成本低；整机无电器部件，能够适应高温高压环境下的随钻测量需要，可满足大井斜钻井过程的测量要求。通过设计球形配流阀9同一径向编码序列上编码过流孔尺寸相同、面积相同，过流孔对应的编码序列不同，球形配流阀9的过流孔902在不同编码序列下的过流面积保持一致，实现不同编码孔所产生的压力变化幅值保持稳定，所以在不同井斜角下，编码序列发生变化产生的编码信号波的幅值不变。通过设计压力脉冲编码序列来辨识井斜角，提高了压力脉冲信号传输的可靠性。操作简单，测量过程迅速，可满足单点测量与随钻测量的工艺要求。随钻数据传输使用泥浆脉冲方式上传信号，可实现信号的长距离传输。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种机械式随钻井斜测量仪，包括壳体，所述壳体内上下两端分别连接有上接头和下接头，其特征在于，所述壳体内由上至下，包括依次连接的上固定座、内部测量结构和下固定座，所述上接头的下端部顶住所述上固定座，所述下接头的上端部顶住所述下固定座，所述壳体与所述内部测量结构之间设有内部流道用于钻井液的流通；

所述内部测量结构包括偏重平台、球形配流阀、配流阀座和水力涡轮盘阀，所述偏重平台的上部与所述上固定座的下表面可旋转地连接；所述偏重平台的下端与所述配流阀座螺纹连接；所述球形配流阀布置在所述配流阀座内，所述配流阀座与所述球形配流阀通过铰接轴进行铰接，使所述球形配流阀能够在所述配流阀座内绕所述铰接轴旋转；所述配流阀座的下部穿过所述水力涡轮盘阀后与所述下固定座的上表面之间可旋转地连接，使得所述内部测量结构能够在所述上固定座和所述下固定座之间相对于所述壳体转动；

所述偏重平台为圆柱形结构，包括连接的偏重块和轻质材料偏重块，所述轻质材料偏重块的重量小于所述偏重块；

所述球形配流阀在表面的轴向方向上布置多个不同尺寸的过流孔，所述球形配流阀在表面的径向方向上布置多个相同尺寸的过流孔，所述球形配流阀表面径向方向上的多个过流孔距离所述球形配流阀底部的距离不同，在不同井斜条件下，钻井液流经所述过流孔，所述过流孔产生带有不同井斜信号的压力编码序列；

所述球形配流阀上设有配重块，所述球形配流阀的结构始终保持沿重力方向布置；

所述配流阀座内部为与所述球形配流阀外表面配合的球形内表面；所述配流阀座底部设有与所述球形配流阀的过流孔相对应的过流通道，所述钻井液依次通过所述过流孔和所述过流通道流至所述水力涡轮盘阀；

所述水力涡轮盘阀设有一个阀孔，所述阀孔位置与所述配流阀座的过流通道的位置相对应，所述水力涡轮盘阀旋转过程中所述阀孔经过所述配流阀座底部的过流通道；

所述偏重平台与所述配流阀座的中心保持在同一轴线上。

2.根据权利要求1所述的机械式随钻井斜测量仪，其特征在于，所述球形配流阀能够在所述配流阀座内绕所述铰接轴进行旋转。

3.根据权利要求1所述的机械式随钻井斜测量仪，其特征在于，所述水力涡轮盘阀的边缘设有涡轮叶片。

4.根据权利要求1所述的机械式随钻井斜测量仪，其特征在于，所述偏重平台的上部通过止推轴承和上圆柱滚子轴承与所述上固定座的下表面可旋转地连接，所述配流阀座的下部穿过所述水力涡轮盘阀后通过止推轴承和下圆柱滚子轴承与所述下固定座的上表面之间可旋转地连接。

5.根据权利要求4所述的机械式随钻井斜测量仪，其特征在于，所述上圆柱滚子轴承上部设有轴承套，所述下圆柱滚子轴承下部设有轴承座。

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