CN113833457B - 一种随钻地层压力测量仪器的执行机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种随钻地层压力测量仪器的执行机构，包括换向阀外壳、换向阀、阀芯、连接套筒、上端活塞、上端活塞外壳、抽吸系统、弹性油管、执行本体、测试探头、斜面推力块、下端活塞、三个支撑块、主轴、中心轴、中心推力轴、下保护接头；所述换向阀外壳下端端部、上端活塞、连接套筒的下端外壁、上端活塞外壳内壁之间形成第一密封空腔，第一密封空腔为上端油缸，下保护接头上端端部、下端活塞下端端部之间具有第二密封空腔，第二密封空腔为下端油缸，上端油缸、下端油缸均与换向阀连通。本发明的结构简单、可靠性高，可以在钻井液循环期间获得地层压力数据，降低了压差卡钻风险；测试时间短，发生压差卡钻等井下事故的概率和风险明显降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种随钻地层压力测量仪器的执行机构。
背景技术
地层压力是指地层孔隙内流体(油、气、水)的压力，亦称为地层孔隙压力。对于深地勘探、油气开采、地热开发、CO2地质埋存、核废料地质处置等涉及深井钻井的工程，地层压力是重要的基础参数之一，准确地预测/检测地层压力意义重大。常规的地层压力获取方法主要包括地震波法、钻速法、测井法和地层测试法，但是常规地层压力预测/检测方法均存在一定程度的不足。随着电缆地层测试技术的不断应用、发展以及钻井工程新需求的推动，20世纪90年代中后期，结合随钻测量技术提出了随钻地层压力测试的概念，将测试器安装于井底钻具组合中，在钻井作业暂停期间测试地层压力，在钻井过程中测试地层压力的井下仪器就是随钻地层压力测量仪器。专利201110000981.6发明了一种随钻地层压力测量仪器及其测量方法，所述随钻地层压力测量仪器采用了一种采用了探测头结构和一种三点定位式的执行机构，该系统以泥浆压力为动力，通过泥浆动力推动执行机构推靠测试探头，实现测试探头与地层的密封，但并未公开该执行机构的详细方案。
为此，发明了一种用于随钻地层压力测量仪器的执行机构，可为随钻地层压力测量仪器提供探测头座封的执行机构，也可以为其他类型的井下工具和仪器提供执行机构。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种随钻地层压力测量仪器的执行机构。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种随钻地层压力测量仪器的执行机构，包括换向阀外壳、换向阀、阀芯、连接套筒、上端活塞、上端活塞外壳、抽吸系统、弹性油管、执行本体、测试探头、斜面推力块、下端活塞、三个支撑块、主轴、中心轴、中心推力轴、下保护接头，所述下保护接头、执行本体、上端活塞外壳、换向阀外壳依次连接；
所述中心推力轴安装在主轴内，所述下端活塞套设在主轴上，所述斜面推力块固定在主轴上，所述执行本体上设有三个径向通孔，三个支撑块分别安装在三个径向通孔内，并且均通过斜面销连接在斜面推力块上，所述测试探头安装于其中一个支撑块上，所述中心推力轴的下端安装在下保护接头内，上端安装在执行本体内；
所述抽吸系统套设在上端活塞上并通过弹性油管与测试探头的底部连接，所述上端活塞套设在中心轴上，上端活塞的下端安装在执行本体内并套设主轴的上端上，中心轴与中心推力轴为同心轴，上端活塞的上端安装在上端活塞外壳内；
所述连接套筒套于阀芯的下端上，所述阀芯、连接套筒均安装在换向阀外壳内，所述换向阀安装在阀芯内；所述连接套筒、阀芯的下端均位于上端活塞外壳内并分别套设在上端活塞的上端上；
所述执行本体、下保护接头之间设有平衡机构，所述平衡机构包括两端分别与下保护接头、执行本体连接的平衡油缸外壳和依次套设在主轴上的弹簧、平衡油缸活塞；所述平衡油缸活塞与下保护接头的上端端部之间具有间隙，该间隙为环空压力缸，所述平衡油缸外壳内腔壁与平衡油缸活塞之间具有环空，该环空为环空油缸，所述弹簧位于环空油缸内，所述环空油缸也与换向阀连通，所述平衡油缸外壳上还设有与环空压力缸相通的泄压孔；
所述换向阀外壳下端端部、上端活塞、连接套筒的下端外壁、上端活塞外壳内壁之间形成第一密封空腔，该第一密封空腔为上端油缸，所述平衡油缸外壳上端端部、下端活塞下端端部之间具有第二密封空腔，该第二密封空腔为下端油缸，所述上端油缸、下端油缸均与换向阀连通。
进一步的技术方案是，所述换向阀外壳与阀芯、连接套筒之间均设有密封圈Ⅰ。
进一步的技术方案是，所述上端活塞外壳与换向阀外壳、上端活塞、执行本体之间均设有密封圈Ⅱ。
进一步的技术方案是，所述上端活塞与阀芯、连接套筒、斜面推力块、中心推力轴之间均设有密封圈Ⅲ。
进一步的技术方案是，所述下端活塞与执行本体、斜面推力块之间均设有密封圈Ⅳ。
进一步的技术方案是，所述斜面推力块与平衡油缸外壳、平衡油缸活塞、下保护接头之间均设有密封圈Ⅴ。
进一步的技术方案是，所述平衡油缸外壳与执行本体、下保护接头、平衡油缸活塞之间均设有密封圈Ⅵ。
本发明具有以下有益效果：
(1)执行机构所采用的三点定位式结构具有稳定性好的特点，三点定位结构中斜面推力装置同时以相同的速度、位移推动支撑块和探测头，三点定位可以使测量仪能够更好的居中，这样有利于降低测试过程中的粘卡风险。因为测量仪的执行机构伸出后使得钻柱在井眼中居中，钻柱与井壁的接触面积和接触点减少，降低了钻具粘卡的风险；
(2)执行机构中的斜面推力装置及推力活塞运动方式有利于提高随钻的安全性及可靠。钻进过程中，钻柱处于垂直状态，执行机构的斜面推力装置在重力和震动的作用下容易发生向下的动作，而执行机构在斜面推力装置向下运动时是处于缩回状态，因此增强了钻井的安全性。而且，即使遇到下部油缸漏油、测试中误操作上提、上提遇阻、上提遇卡等情况时，执行机构支撑块在钻柱上提或下放过程中均不会伸出(或处于利于缩回的状态)，这样在很大程度上便增强了钻井安全性、可靠性；
(3)执行机构支撑块和测试探头有利于提高钻井的安全性和可靠性。执行机构支撑块和测试探头的强度是经过特殊设计和校核的，支撑块和测试探头的强度能够满足测试的需求，同时尽可能的降低其强度，这样即使遇到执行机构无法缩回的这种特殊情况，也能够快速的解决可能遇到的卡钻等风险。当遇到执行机构无法缩回时，只需上提或下放钻柱，这样可以将执行机构支撑块和测试探头快速剪切，使其不再影响正常钻井，也不会导致卡钻等井下事故的发生。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的执行本体的断面图；
图3为执行机构液压系统图。
图中所示：1-换向阀外壳；2-下端油缸；3-换向阀；4-环空油缸；5-阀芯；6-连接套筒；7-上端油缸；8-上端活塞；9-上端活塞外壳；10-抽吸系统；11-弹性油管；12-执行本体；13-测试探头；14-斜面推力块；15-下端活塞；16-支撑块；17-平衡油缸外壳；18-弹簧；19-环空压力缸；20-中心推力轴；21-平衡油缸活塞；22-下保护接头；23-主轴；24-中心轴。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
如图1和2所示，本发明的一种随钻地层压力测量仪器的执行机构，包括换向阀外壳1、换向阀3、阀芯5、连接套筒6、上端活塞8、上端活塞外壳9、抽吸系统10、弹性油管11、执行本体12、测试探头13、斜面推力块14、下端活塞15、三个支撑块16、主轴23、中心轴24、中心推力轴20、下保护接头22，所述下保护接头22、执行本体12、上端活塞外壳9、换向阀外壳1依次连接；
所述中心推力轴20安装在主轴内，所述下端活塞15套设在主轴上，所述斜面推力块14固定在主轴23上，所述执行本体12上设有三个径向通孔，三个支撑块16分别安装在三个径向通孔内，并且均通过斜面销连接在斜面推力块14上，所述测试探头13安装于其中一个支撑块16上，所述中心推力轴20的下端安装在下保护接头22内，上端安装在执行本体12内；
所述抽吸系统10套设在上端活塞8上并通过弹性油管11与测试探头13的底部连接，所述上端活塞8套设在中心轴24上，上端活塞8的下端安装在执行本体12内并套设主轴23的上端上，中心轴24与中心推力轴20为同心轴，上端活塞8的上端安装在上端活塞外壳9内；
所述连接套筒6套于阀芯5的下端上，所述阀芯5、连接套筒6均安装在换向阀外壳1内，所述换向阀3安装在阀芯5内；所述连接套筒6、阀芯5的下端均位于上端活塞外壳9内并分别套设在上端活塞8的上端上；
本实施例中，为了防止活塞的突进和防止活塞机构因自重的下落，以稳定机构平稳运动，因此优选的实施方式，所述执行本体12、下保护接头22之间设有平衡机构，所述平衡机构包括两端分别与下保护接头22、执行本体12连接的平衡油缸外壳17和依次套设在主轴上的弹簧18、平衡油缸活塞21；所述平衡油缸活塞21与下保护接头22的上端端部之间具有间隙，该间隙为环空压力缸19，所述平衡油缸外壳17内腔壁与平衡油缸活塞21之间具有环空，该环空为环空油缸4，所述弹簧18位于环空油缸4内，所述环空油缸4也与换向阀3连通，所述平衡油缸外壳17上还设有与环空压力缸19相通的泄压孔。
这样利用平衡阀在平衡油缸活塞21下方产生背压来防止活塞的突进和防止活塞机构因自重的下落，以稳定机构平稳运动。
所述换向阀外壳1下端端部、上端活塞8、连接套筒6的下端外壁、上端活塞外壳9内壁之间形成第一密封空腔，该第一密封空腔为上端油缸7，所述平衡油缸外壳17上端端部、下端活塞15下端端部之间具有第二密封空腔，该第二密封空腔为下端油缸2，所述上端油缸7、下端油缸2均与换向阀3连通。
本实施例用于安装和保护抽吸头，测试时使测试探头13推出并与井壁接触，提供测试探头13与井壁紧密接触时的顶靠力，并使随钻地层压力测量系统井下仪器在井眼中居中。随钻地层压力测量系统在井下涉及两种工况，非测试工况和测试工况：非测试工况下(如正常钻进、接单根、循环、起下钻等)，随钻地层压力测量系统处于关闭状态，执行机构处于关闭工作状态，这时测试探头13处于回缩状态，其处于被保护状态；测试工况下，执行机构动作，三个支撑块16和测试探头13全部伸出，使测试探头13与井壁地层接触，为保证抽吸探头抽吸真实地层的流体，执行机构需要提供足够的顶靠力。
本实施例的工作过程为：在需要随钻地层压力测量装置工作时，在控制系统作用下，换向阀外壳1内的换向阀3与下端油缸2连通，这样增压装置输出的高压油通过换向阀3注入下端油缸2内用来推动执行机构的下端活塞15向上移动，下端活塞15带动主轴23向上动作，主轴23带动斜面推力块14移动，由斜面推力块14的斜面推动支撑块16、测试探头13伸出测量仪，此时执行机构的三个支撑块16推动测试探头13在伸出后与井壁接触，接触后继续加压即可贴紧井壁，贴紧井壁使得探测头可以与井壁地层实现快速密封；然后抽吸系统10通过测试探头13抽吸真实地层的流体。
执行本体12为螺旋槽稳定器结构，而执行机构是一种三点定位式的执行机构，通过执行机构推靠测试探头13，实现测试探头13与地层的密封，这种三点定位的执行机构的支撑块可以伸出的长度为14.74mm，当支撑块16未伸出时直径与测量仪本体的稳定器直径相同为206mm，当支撑块16伸出时的有效直径为235.48mm，因此，测量仪可以适用的井眼直径范围是206mm～235.48mm。
在测试完毕后，在控制系统作用下，换向阀外壳1内的换向阀3与上端油缸7连通，利用换向阀3使增压装置输出的高压油用来推动执行机构的上端活塞8向下移动，上端活塞8向下移动时带动中心轴24向下移动；中心轴24向下移动使得中心推力轴20也向下移动；从而斜面推力块14也向下移动带动斜面销强力拉动测试探头13脱离井壁，反向缩回测量仪内部，即此时执行机构支撑块的有效直径由235.48mm变为206mm。
其中随钻地层压力测量系统执行机构伸出、回收动作的控制需要通过使用液压系统来控制，其控制是通过控制执行机构主体上下液缸活塞的运动实现的。考虑到测量系统尺寸的限制，对液压系统的尺寸有特殊的要求。为了使用液压系统来控制执行机构主体上下液缸活塞(下端活塞15、上端活塞8)的运动，采用如图3所示的微型液压系统，该微型液压系统主要由三位四通换向阀、平衡阀、溢流阀、油路等组成。
三位四通换向阀的作用是根据需求改变压力油的进入执行机构主体的上端油缸7、下端油缸2的方向。系统测试开始后，改变来自于增压装置的高压压力油进入下端油缸2，使压力油作用于执行机构的正向下端活塞15，下端活塞15带动主轴23推动斜面推力块14，斜面推力块14推动测试探头13移动到位并贴紧井壁，即完成执行机构伸出动作；系统测试完毕后，再次改变压力油进入上端油缸7，使压力油作用于执行机构的上端活塞8，以使执行机构带动探测头顺利回收。溢流阀作为安全阀防止液压系统过载，该阀是常闭的；当阀前压力不超过预调的设定值时，溢流阀关闭不溢流；当阀前压力超过预调的设定值时，溢流阀立即打开溢流，溢出的油流回油箱，因而可以防止液压系统过载。
为了提高本实施例的密封性，优选的实施方式是，所述换向阀外壳1与阀芯5、连接套筒6之间均设有密封圈Ⅰ，所述上端活塞外壳9与换向阀外壳1、上端活塞8、执行本体12之间均设有密封圈Ⅱ，所述上端活塞8与阀芯5、连接套筒6、斜面推力块14、中心推力轴20之间均设有密封圈Ⅲ，所述下端活塞15与执行本体12、斜面推力块14之间均设有密封圈Ⅳ，所述斜面推力块14与平衡油缸外壳17、平衡油缸活塞21、下保护接头22之间均设有密封圈Ⅴ，所述平衡油缸外壳17与执行本体12、下保护接头22、平衡油缸活塞21之间均设有密封圈Ⅵ。
本实施例采用了探测头结构和一种三点定位式的执行机构，该系统以泥浆压力为动力，通过泥浆动力推动执行机构推靠测试探头，实现测试探头与地层的密封。结构简单、可靠性高，可以在钻井液循环期间获得地层压力数据，降低了压差卡钻风险；测试时间短，发生压差卡钻等井下事故的概率和风险明显降低。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，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、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种随钻地层压力测量仪器的执行机构，其特征在于，包括换向阀外壳(1)、换向阀(3)、阀芯(5)、连接套筒(6)、上端活塞(8)、上端活塞外壳(9)、抽吸系统(10)、弹性油管(11)、执行本体(12)、测试探头(13)、斜面推力块(14)、下端活塞(15)、三个支撑块(16)、主轴(23)、中心轴(24)、中心推力轴(20)、下保护接头(22)，所述下保护接头(22)、执行本体(12)、上端活塞外壳(9)、换向阀外壳(1)依次连接；
所述中心推力轴(20)安装在主轴内，所述下端活塞(15)套设在主轴上，所述斜面推力块(14)固定在主轴上，所述执行本体(12)上设有三个径向通孔，三个支撑块(16)分别安装在三个径向通孔内，并且均通过斜面销连接在斜面推力块(14)上，所述测试探头(13)安装于其中一个支撑块(16)上，所述中心推力轴(20)的下端安装在下保护接头(22)内，上端安装在执行本体(12)内；
所述抽吸系统(10)套设在上端活塞(8)上并通过弹性油管(11)与测试探头(13)的底部连接，所述上端活塞(8)套设在中心轴(24)上，上端活塞(8)的下端安装在执行本体(12)内并套设主轴(23)的上端上，中心轴(24)与中心推力轴(20)为同心轴，上端活塞(8)的上端安装在上端活塞外壳(9)内；
所述连接套筒(6)套于阀芯(5)的下端上，所述阀芯(5)、连接套筒(6)均安装在换向阀外壳(1)内，所述换向阀(3)安装在阀芯(5)内；所述连接套筒(6)、阀芯(5)的下端均位于上端活塞外壳(9)内并分别套设在上端活塞(8)的上端上；
所述执行本体(12)、下保护接头(22)之间设有平衡机构，所述平衡机构包括两端分别与下保护接头(22)、执行本体(12)连接的平衡油缸外壳(17)和依次套设在主轴上的弹簧(18)、平衡油缸活塞(21)；所述平衡油缸活塞(21)与下保护接头(22)的上端端部之间具有间隙，该间隙为环空压力缸(19)，所述平衡油缸外壳(17)内腔壁与平衡油缸活塞(21)之间具有环空，该环空为环空油缸(4)，所述弹簧(18)位于环空油缸(4)内，所述环空油缸(4)也与换向阀(3)连通，所述平衡油缸外壳(17)上还设有与环空压力缸(19)相通的泄压孔；
所述换向阀外壳(1)下端端部、上端活塞(8)、连接套筒(6)的下端外壁、上端活塞外壳(9)内壁之间形成第一密封空腔，该第一密封空腔为上端油缸(7)，所述平衡油缸外壳(17)上端端部、下端活塞(15)下端端部之间具有第二密封空腔，该第二密封空腔为下端油缸(2)，所述上端油缸(7)、下端油缸(2)均与换向阀(3)连通。
2.根据权利要求1所述的一种随钻地层压力测量仪器的执行机构，其特征在于，所述换向阀外壳(1)与阀芯(5)、连接套筒(6)之间均设有密封圈Ⅰ。
3.根据权利要求1所述的一种随钻地层压力测量仪器的执行机构，其特征在于，所述上端活塞外壳(9)与换向阀外壳(1)、上端活塞(8)、执行本体(12)之间均设有密封圈Ⅱ。
4.根据权利要求1所述的一种随钻地层压力测量仪器的执行机构，其特征在于，所述上端活塞(8)与阀芯(5)、连接套筒(6)、斜面推力块(14)、中心推力轴(20)之间均设有密封圈Ⅲ。
5.根据权利要求1所述的一种随钻地层压力测量仪器的执行机构，其特征在于，所述下端活塞(15)与执行本体(12)、斜面推力块(14)之间均设有密封圈Ⅳ。
6.根据权利要求1所述的一种随钻地层压力测量仪器的执行机构，其特征在于，所述斜面推力块(14)与平衡油缸外壳(17)、平衡油缸活塞(21)、下保护接头(22)之间均设有密封圈Ⅴ。
7.根据权利要求1所述的一种随钻地层压力测量仪器的执行机构，其特征在于，所述平衡油缸外壳(17)与执行本体(12)、下保护接头(22)、平衡油缸活塞(21)之间均设有密封圈Ⅵ。
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