CN114427433B - 一种基于机械调压的井下工具面测量工具 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于机械调压的井下工具面测量工具，包括外筒；设置在所述外筒内的编码机构，所述编码机构包括固定在所述外筒上带有若干节流孔的编码盘，以及能够与所述编码盘相对旋转并阻挡部分节流孔的阀块；以及设置在所述外筒内的机械式动力响应装置，其下端连接所述阀块，并在重力的作用下保持稳定；其中，所述外筒旋转时带动所述编码盘旋转，所述机械式动力响应装置在重力的作用下带所述阀块保持稳定，从而使所述阀块不断开关所述编码盘上不同的节流孔，在地面形成压力波信号从而判断当前工具面的位置。

Description

一种基于机械调压的井下工具面测量工具

技术领域

本发明涉及一种基于机械调压的井下工具面测量工具，属于油气勘探领域。

背景技术

我国油气勘探已经走向深部高温储层、地层温度多高于200℃；此外，随着能源结构的转型，高温地热资源作为一种绿色清洁能源已经列入我国能源发展规划。无论是深部油气资源还是高温地热资源的开发均面临着在高温地层开展定向钻井作业的技术难题，定向钻井的核心是定向钻进过程中定向工具的工具面工具面角度的测量，国内外耐高温随钻测量工具面的仪器多基于电子元器件测量的方式进行测量，电子元器件受高温限制，目前国内外在200℃以上地层的工具面测量仍然无法突破，因此需要开发一种不依赖于电子元器件的井下工具面测量工具，为高温地层的定向钻井施工提供保障。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于机械调压的井下工具面测量工具，不需要电子元器件，用于在高温深部地层定向钻井中测量定向接头的工具面位置。

本发明提出了一种基于机械调压的井下工具面测量工具，包括：

外筒；

设置在所述外筒内的编码机构，所述编码机构包括固定在所述外筒上带有若干节流孔的编码盘，以及能够与所述编码盘相对旋转并阻挡部分节流孔的阀块；以及

设置在所述外筒内的机械式动力响应装置，其下端连接所述阀块，并在重力的作用下保持稳定；

其中，所述外筒旋转时带动所述编码盘旋转，所述机械式动力响应装置在重力的作用下带所述阀块保持稳定，从而使所述阀块不断开关所述编码盘上不同的节流孔，在地面形成压力波信号从而判断当前工具面的位置。

本发明的进一步改进在于，所述机械式动力响应装置包括中心加强杆，套设在在所述中心加强杆外部的偏重动力机构；

其中，所述中心加强杆的下端连接所述阀块；所述偏重动力机构的一侧面重力较大，另一侧重力较小。

本发明的进一步改进在于，所述偏重动力机构包括设置在所述中心加强杆两端的端部护罩，以及设置在所述端部护罩之间的若干段中部护罩；

其中，所述中部护罩之间设置有卡座，并且所述中部护罩的内部填充有偏重材料。

本发明的进一步改进在于，所述偏重材料包括高密度材料的第一半圆柱体和低密度材料的第二半圆柱体；所述第一半圆柱体和所述第二半圆柱体组合形成圆柱体型的偏重材料，使其存在偏重动力，所述偏重动力机构一直保持垂向低边不动。

本发明的进一步改进在于，所述中心加强杆的下端设置有止推轴承密封装置，上端设置有扶正机构；所述中心加强杆的两端分别通过所述止推轴承密封装置和所述扶正机构与所述外筒可转动相连。

本发明的进一步改进在于，所述止推轴承密封装置包括与所述外筒固定相连的下轴承座，所述下轴承座的中部设置有供所述中心加强杆穿过的中心孔；所述下轴承座的上侧设置有轴承槽，所述轴承槽内设置有圆柱滚子轴承和止推球轴承。

本发明的进一步改进在于，所述轴承槽的内壁上设置有台阶结构，所述台阶结构将所述轴承槽分成内槽和外槽，所述内槽内设置所述圆柱滚子轴承，所述外槽内设置所述止推球轴承。

本发明的进一步改进在于，所述下轴承座的上端设置有密封座，所述密封座与所述下轴承座的接触面采用凹凸结构配合的方式密封相连。

本发明的进一步改进在于，所述扶正机构包括与所述外筒相连的上轴承座，所述上轴承座的中部通过调心轴承与所述中心加强杆转动相连。

本发明的进一步改进在于，所述上轴承座上设置有若干导流孔。

本发明的进一步改进在于，所述编码机构还包括设置在所述编码盘和所述上轴承座之间的座筒，所述阀块在所述座筒内旋转。

本发明的进一步改进在于，所述编码盘上分隔成12个扇形区域，所述节流孔的数量为6个，并且分别设置在6个扇形区域内；设置所述节流孔的扇形区域与没有设置节流孔的扇形区域间隔布置。

本发明的进一步改进在于，所述阀块包括与所述中心加强管相连的连接杆，以及设置在所述连接杆端部的扇形的挡块；其中，所述挡块的扇形面积为1/12的编码盘的面积。

本发明的进一步改进在于，所述外筒的上端设置有与上部钻具连接的上接头，下端设置有与下部定向钻具的连接的下接头。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种基于机械调压的井下工具面测量工具用于在高温深部地层定向钻井中测量定向接头的工具面位置。本发明采用纯机械结构实现井下动态调压编码测量工具面。本发明使用单级阀盘结构实现了高精度的井下工具面测量。本工具能够确保高温地层定向作业钻井施工工具面测量，指导工具面摆放，应用范围广。

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所示为本发明的一个实施例的基于机械调压的井下工具面测量工具的结构示意图；

图2所示为本发明的一个实施例的机械式动力响应装置的结构示意图；

图3所示为本发明的一个实施例的端部护罩的结构示意图；

图4所示为本发明的一个实施例的中部护罩的结构示意图；

图5所示为本发明的一个实施例的止推轴承密封装置的结构示意图；

图6所示为本发明的一个实施例的下轴承座的结构示意图；

图7所示为本发明的一个实施例的密封座的结构示意图；

图8所示为本发明的一个实施例的上轴承座的结构示意图；

图9所示为本发明的一个实施例的编码盘的结构示意图；

图10所示为本发明的一个实施例的阀块的结构示意图；

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。

在附图中各附图标记的含义如下：1、外筒，2、编码机构，3、机械式动力响应装置，4、止推轴承密封装置，5、扶正机构，11、上接头，12、下接头，21、编码盘，22、阀块，23、节流孔，24、座筒，25、连接杆，26、挡块，27、预紧弹簧，31、中心加强杆，32、偏重动力机构，33、端部护罩，34、中部护罩，35、卡座，41、下轴承座，42、圆柱滚子轴承，43、止推球轴承，44、密封座，45、凹凸结构，51、上轴承座，52、导流孔，53、调心轴承。

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。

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的一种基于机械调压的井下工具面测量工具，包括外筒1，所述外筒1为圆筒形的结构，其上端连接上部钻具，下端连接定向钻具。所述外筒1的内部的下部设置有编码机构2，所述编码机构2编码盘21和阀块22，编码盘21固定设置在外筒1内，阀块22设置在编码盘21的上方，并且能够相对编码盘21旋转。所述外筒1内还设置有机械式动力响应装置3。机械动力相应装置的下端连接所述阀块22，并在重力的作用下保持稳定。在本实施例中，“上”“下”是相对于井口方向确定的，靠近井口的方向为上方，远离井口的方向为下方。

在根据本实施例所述的基于机械调压的井下工具面测量工具工作时，所述外筒1旋转时带动所述编码盘21旋转，所述机械式动力响应装置3在重力的作用下带所述阀块22保持稳定，从而使所述阀块22不断开关所述编码盘21上不同的节流孔23，在地面形成压力波信号从而判断当前工具面的位置。

在一个实施例中，如图2所示，所述机械式动力响应装置3包括中心加强杆31，套设在在所述中心加强杆31外部的偏重动力机构32。在本实施例中，所述中心加强杆31的下端连接所述阀块22；所述偏重动力机构32的一侧面重力较大，另一侧重力较小，在重力的作用下，偏重动力机构32较重的一侧竖直保持向下(这里的下指的是朝向地心的方向)。

在旋转外筒1时，编码盘21随之转动。这时，所述中心加强杆31在偏重动力机构32的作用下保持稳定。由于偏重动力机构32的一侧重力较大，另一侧重力较小，在重力的作用下使其保持稳定，不随外筒1旋转。这样，与中心加强杆31固定相连的阀块22同样保持稳定，阀块22与编码盘21之间相对转动，从而使所述阀块22不断开关所述编码盘21上不同的节流孔23，在地面形成压力波信号从而判断当前工具面的位置。

在一个实施例中，所述偏重动力机构32包括设置在所述中心加强杆31两端的端部护罩33(如图3所示)，以及设置在所述端部护罩33之间的若干段中部护罩34(如图4所示)。其中，端部护罩33为锥形或弧形的结构并通过法兰盘密封，所述中部护罩34为圆筒形的结构。在本实施例中，中部护套之间设置有卡座35，卡座35为圆环形的结构，其中部设置圆孔并卡接在中心加强杆31上，外部边缘与中部护套的外壁相齐平。并且，所述中部护罩34的内部填充有偏重材料。

在一个优选的实施例中，所述偏重材料为圆柱形的结构，其分隔成两个半圆柱体，分别为第一半圆柱体和第二半圆柱体。第一半圆柱体采用高密度材料，优选为重金属材料，如铅块、钨块等，也可以是其他密度较高的材料；第二板圆柱体采用低密度材料，如塑料、橡胶等比第一半圆柱体密度小很多的材料，在本实施例中采用PP材料。

本实施例中的由于两边材料密度不同，在倾斜是存在偏重动力，使该机构一直保持垂向低边不动。这样，机械式动力响应装置3在工具具有一定倾斜角条件下能够在高密度材料重力的作用下摆到重力低边并保持稳定。在制作时，第一半圆柱体的高密度填充材料尺寸按护罩大小定制，同时将其与高强度中心杆连接固定，剩余部分采用PP材料等低密度材料填充。

在一个实施例中，如图1所示，所述中心加强杆31的下端设置有止推轴承密封装置4，上端设置有扶正机构5；所述中心加强杆31的两端分别通过所述止推轴承密封装置4和所述扶正机构5与所述外筒1可转动相连。通过止推轴承密封装置4和扶正机构5固定中心加强杆31，使中心加强杆31处于中心的位置，并减少摩擦力，保证其稳定不转。

在一个实施例中，如图5所示，所述止推轴承密封装置4包括与所述外筒1固定相连的下轴承座41，所述下轴承座41的中部设置有供所述中心加强杆31穿过的中心孔；所述下轴承座41的上侧设置有轴承槽，所述轴承槽内设置有圆柱滚子轴承42和止推球轴承43。

根据本实施例，所述下轴承座41的边缘设置有三个与外筒1相连的凸台，凸台上设置有螺孔，下轴承座41与外筒1之间通过螺孔相连。下轴承座41的中心孔在固定中心杆的同时预留流体通道。

在一个实施例中，如图6所示，所述轴承槽的内壁上设置有台阶结构，台阶结构的下部半径较小，上部半径较大，形成两部分槽。其中，所述台阶结构将所述轴承槽分成内槽和外槽，所述内槽内设置所述圆柱滚子轴承42，所述外槽内设置所述止推球轴承43。

在一个实施例中，所述下轴承座41的上端设置有密封座44，所述密封座44与所述下轴承座41的接触面采用凹凸结构45配合的方式密封相连。在本实施例中，所述下轴承座41的上端面上设置有若干凸出的环形台，所述密封座44的下端设置有若干环形凹槽，下轴承座41的环形台卡接在密封座44的环形凹槽内。上轴承和密封座44之间通过凹凸配合的方式相连，减小流体对轴承的冲刷，同时防止大颗粒进入损坏轴承。

在一个实施例中，所述扶正机构5包括与所述外筒1相连的上轴承座51，所述上轴承座51的中部通过调心轴承53与所述中心加强杆31转动相连。上轴承座51内安装的调心轴承53起到固定轴承的作用，使中心加强杆31始终处于居中的位置，防止在转动过程中产生偏差。

在一个优选的实施例中，如图8所示，所述上轴承座51上设置有若干导流孔52。优选地，所述导流孔52的数量为3个，其作用是实现流体均匀过流，为编码机构2提供动力。

在根据本实施例中，扶正机构5确保机械式动力响应装置3处于工具外筒1中心位置，通过扶正机构5实现机械动力响应装置与外筒1两端的环空间隙一致，确保装置工作过程中过流均匀，从而为下部编码装置提供均匀动力。

在一个实施例中，所述编码机构2还包括设置在所述编码盘21和所述上轴承座51之间的座筒24，筒座为圆筒型结构，其中部形成一个空间供中心加强杆31的端部伸入，并与阀块22相连。其中，阀块22能够在所述座筒24内旋转。

优选地，阀块22连接设置在中心加强杆31的底端，通过预紧弹簧27紧紧压在编码盘21上，编码盘21与阀块22之间通过限定面积的凸台接触，降低转动摩擦力。编码盘21设置有凸台，与座筒24紧密连接。

在一个实施例中，如图9所示，所述编码盘21上分隔成12个扇形区域，所述节流孔23的数量为6个，并且分别设置在6个扇形区域内；设置所述节流孔23的扇形区域与没有设置节流孔23的扇形区域间隔布置。其中，所述机械式动力响应装置3带动阀块22动态切割编码盘21实现节流压力的动态变化，从而实现工具面的准确测量。

在一个优选的实施例中，如图10所示，所述阀块22包括与所述中心加强管相连的连接杆25，以及设置在所述连接杆25端部的扇形的挡块26；其中，所述挡块26的扇形面积为1/12的编码盘21的面积。在使用根据本实施例所述的装置时，挡块26能够依次挡住12个扇形区域，不能同时挡住两个节流孔23。

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 (11)

1.一种基于机械调压的井下工具面测量工具，其特征在于，包括：

外筒(1)；

设置在所述外筒(1)内的编码机构(2)，所述编码机构(2)包括固定在所述外筒(1)上带有若干节流孔(23)的编码盘(21)，以及能够与所述编码盘(21)相对旋转并阻挡部分节流孔(23)的阀块(22)；以及

设置在所述外筒(1)内的机械式动力响应装置(3)，其下端连接所述阀块(22)，并在重力的作用下保持稳定；所述机械式动力响应装置(3)包括中心加强杆(31)，套设在所述中心加强杆(31)外部的偏重动力机构(32)；其中，所述中心加强杆(31)的下端连接所述阀块(22)；所述偏重动力机构(32)的一侧面重力较大，另一侧重力较小；

所述偏重动力机构(32)包括设置在所述中心加强杆(31)两端的端部护罩(33)，以及设置在所述端部护罩(33)之间的若干段中部护罩(34)；其中，所述中部护罩(34)之间设置有卡座(35)，并且所述中部护罩(34)的内部填充有偏重材料；

所述偏重材料包括高密度材料的第一半圆柱体和低密度材料的第二半圆柱体；所述第一半圆柱体和所述第二半圆柱体组合形成圆柱体型的偏重材料，使其存在偏重动力，所述偏重动力机构(32)一直保持垂向低边不动；

其中，所述外筒(1)旋转时带动所述编码盘(21)旋转，所述机械式动力响应装置(3)在重力的作用下带所述阀块(22)保持稳定，从而使所述阀块(22)不断开关所述编码盘(21)上不同的节流孔(23)，在地面形成压力波信号从而判断当前工具面的位置。

2.根据权利要求1所述的基于机械调压的井下工具面测量工具，其特征在于，所述中心加强杆(31)的下端设置有止推轴承密封装置(4)，上端设置有扶正机构(5)；所述中心加强杆(31)的两端分别通过所述止推轴承密封装置(4)和所述扶正机构(5)与所述外筒(1)可转动相连。

3.根据权利要求2所述的基于机械调压的井下工具面测量工具，其特征在于，所述止推轴承密封装置(4)包括与所述外筒(1)固定相连的下轴承座(41)，所述下轴承座(41)的中部设置有供所述中心加强杆(31)穿过的中心孔；所述下轴承座(41)的上侧设置有轴承槽，所述轴承槽内设置有圆柱滚子轴承(42)和止推球轴承(43)。

4.根据权利要求3所述的基于机械调压的井下工具面测量工具，其特征在于，所述轴承槽的内壁上设置有台阶结构，所述台阶结构将所述轴承槽分成内槽和外槽，所述内槽内设置所述圆柱滚子轴承(42)，所述外槽内设置所述止推球轴承(43)。

5.根据权利要求4所述的基于机械调压的井下工具面测量工具，其特征在于，所述下轴承座(41)的上端设置有密封座(44)，所述密封座(44)与所述下轴承座(41)的接触面采用凹凸结构(45)配合的方式密封相连。

6.根据权利要求5所述的基于机械调压的井下工具面测量工具，其特征在于，所述扶正机构(5)包括与所述外筒(1)相连的上轴承座(51)，所述上轴承座(51)的中部通过调心轴承(53)与所述中心加强杆(31)转动相连。

7.根据权利要求6所述的基于机械调压的井下工具面测量工具，其特征在于，所述上轴承座(51)上设置有若干导流孔(52)。

8.根据权利要求7所述的基于机械调压的井下工具面测量工具，其特征在于，所述编码机构(2)还包括设置在所述编码盘(21)和所述上轴承座(51)之间的座筒(24)，所述阀块(22)在所述座筒(24)内旋转。

9.根据权利要求8所述的基于机械调压的井下工具面测量工具，其特征在于，所述编码盘(21)上分隔成12个扇形区域，所述节流孔(23)的数量为6个，并且分别设置在6个扇形区域内；设置所述节流孔(23)的扇形区域与没有设置节流孔(23)的扇形区域间隔布置。

10.根据权利要求9所述的基于机械调压的井下工具面测量工具，其特征在于，所述阀块(22)包括与所述中心加强管相连的连接杆(25)，以及设置在所述连接杆(25)端部的扇形的挡块(26)；其中，所述挡块(26)的扇形面积为1/12的编码盘(21)的面积。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的基于机械调压的井下工具面测量工具，其特征在于，所述外筒(1)的上端设置有与上部钻具连接的上接头(11)，下端设置有与下部定向钻具的连接的下接头(12)。