CN116066081B - 一种测量射孔穿孔深度的激光测距仪及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量射孔穿孔深度的激光测距仪，包括，外框架，伸入射孔层段，外框架内具有一封闭空间；升降件，设置在封闭空间内且与外框架内壁固定，升降件上设置有一升降杆，升降杆通过驱动件沿外框架内升降；旋转件，设置在升降件下方且固定在升降杆末端；激光件，固定在旋转件上，激光件的激光发射端与射孔层段对应设置。该仪器能够下入到井下射孔层段，通过控制激光装置搭载平台实现激光装置沿井竖直方向一定距离和以搭载平台连接轴为中心水平旋转的自由运动，进而测量射孔穿孔深度。该仪器能够有效解决传统间接测量方法较高测量难度和存在测量误差较大的问题。为评估射孔作业和射孔性能等方面提供可靠的测量依据。

Description

一种测量射孔穿孔深度的激光测距仪及测距方法

技术领域

本发明涉及钻井工程技术领域，特别是涉及一种测量射孔穿孔深度的激光测距仪及测距方法。

背景技术

射孔质量的有效评估对于缩短试油周期、提高油井采收率、评价油气井的开发价值等方面具有重要的意义。穿孔深度作为射孔质量评估的主要方面，如何高效、准确、低成本的测量射孔穿孔深度显的越发重要。目前国内外提出应用测量穿孔深度的方法主要为间接测量法。

2018年B.Grove等人发表了一种关于井下射孔穿孔深度的应力定律，通过采用贝雷亚砂岩在围压应力和孔隙压力的不同组合下进行射孔实验，测量岩石应力和孔隙压力，以评估单独岩石应力对穿孔深度的影响。最终建立岩石有效应力和射孔穿孔深度的经验公式。这种方法需要对岩石有效应力进行测量，根据已获得的经验公式得到岩石有效应力的测量值对应射孔穿孔深度。这种方法需要精密仪器，测量方法相对复杂，并且利用经验公式相比直接测量可能存在较大误差。

混凝土靶射孔实验，根据标准制作符合所测井下射孔层段地层参数的混凝土靶，其抗压强度一般在37Mpa-43Mpa之间。实验时在混凝土靶的上部分别放置模拟套管和枪管壁厚的钢板，调整炸高进行射孔实验。通过测量射孔弹穿透混凝土靶的深度即得到此类型的射孔器射孔穿孔深度。

这些方法无法精确的反应地层参数，只能间接推算射孔穿孔深度，导致测量结果与实际穿孔深度值可能存在一定的偏差。为了更加精确有效的依据实际地层参数评价射孔器穿孔性能或测量穿孔深度，因此需要一种新的方法能够基于井下实际地层情况直接测量穿孔深度。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量射孔穿孔深度的激光测距仪，以解决上述现有技术存在的问题，与现有传统技术相比，该仪器能够下入到井下射孔层段，通过控制激光装置搭载平台实现激光装置沿井竖直方向一定距离和以搭载平台连接轴为中心水平旋转的自由运动。激光装置直接测量射孔穿孔深度，并且依靠激光装置进行独立的沿井竖直和水平旋转运动达到对射孔层段一定深度范围内任意点位进行测距及激光装置下入某深度井径进行测量并记录的效果，通过测距数据变化差异进行处理分析定位射孔位置，达到“遍寻”的目的。该仪器能够有效解决传统间接测量方法较高测量难度和存在测量误差较大的问题。为评估射孔作业和射孔性能等方面提供可靠的测量依据。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种测量射孔穿孔深度的激光测距仪，包括，

外框架，伸入射孔层段，所述外框架内具有一封闭空间；

升降件，设置在所述封闭空间内且与所述外框架内壁固定，所述升降件上设置有一升降杆，所述升降杆通过驱动件沿所述外框架内升降；

旋转件，设置在所述升降件下方且固定在所述升降杆末端；

激光件，固定在所述旋转件上，所述激光件的激光发射端与所述射孔层段对应设置。

进一步的，所述升降件包括与所述外框架内壁固接的升降电机平台，所述升降杆穿设在所述升降电机平台上，所述升降电机平台底端固接有丝杠轴套，所述丝杠轴套套设在所述升降杆上，所述丝杠轴套内壁固接有锲键，所述升降杆外壁开设有与所述锲键适配的键槽，所述锲键位于所述键槽内。

进一步的，所述驱动件包括固定在所述升降电机平台顶端的升降电机，所述升降电机输出端固接有斜齿轮，所述升降杆上套设有内螺纹斜齿轮，所述内螺纹斜齿轮与所述升降杆螺纹连接，所述内螺纹斜齿轮通过轴承与所述升降电机平台转动连接，所述内螺纹斜齿轮与所述斜齿轮啮合。

进一步的，所述旋转件包括与所述升降杆底端固接的旋转电机平台，所述旋转电机平台底端转动连接有大直齿轮，所述大直齿轮远离所述旋转电机平台的一端固接有激光装置转盘，所述激光件固定在所述激光装置转盘上，所述旋转电机平台上固接有旋转电机，所述旋转电机输出端固接有小直齿轮，所述小直齿轮与所述大直齿轮啮合。

进一步的，所述激光件为激光装置，所述激光装置包括激光发射器和激光接收器，所述激光装置转盘远离所述大直齿轮的一端固接有激光装置卡槽，所述激光装置卡接在所述激光装置卡槽内，且所述激光接收器用于接受所述激光发射器的发射信号并计算所述激光装置与障碍物间距离。

进一步的，所述升降杆为空心丝杠，所述空心丝杠外壁开设有开槽，所述空心丝杠靠近所述旋转电机平台的侧壁上开设有圆柱孔，所述升降电机连接有升降电机外接线路，所述旋转电机连接有旋转电机外接线路，所述升降电机外接线路和所述旋转电机外接线路通过所述圆柱孔伸入所述空心丝杠内。

进一步的，所述外框架包括一保护外筒，所述保护外筒顶端固接有顶部密封盖，所述保护外筒底端螺纹连接有底部密封盖。

进一步的，所述保护外筒为耐高压玻璃保护外筒。

一种测量射孔穿孔深度的激光测距仪的测距方法，测距步骤包括：

S1、下放装置：向射孔层段下放耐高压玻璃保护外筒；

S2、调节激光装置位置：启动升降电机，驱动空心丝杠带动激光装置运动至测量最低点；

S3、开始测量：启动旋转电机，驱动激光装置旋转，驱动空心丝杠带动激光装置向上运动。

进一步的，步骤S3中，激光装置旋转一周为一个周期，重复旋转激光装置，直到激光装置在测距最高端测量一周后结束测量。

本发明公开了以下技术效果：

1.本仪器依据相位式激光件测距的原理基于井底射孔层段实际地层环境对射孔穿孔深度直接测量，相比传统间接测量方法测量结果更加精确可靠。

2.通过控制升降件的升降和旋转件的旋转，可以实现激光件在井底射孔层段沿轴向方向升降一定距离和水平旋转的运动，升降件和旋转件的单独控制使得激光件可以对一定深度射孔层段井壁任意点位进行测距，通过测距数据处理找出变化差异点，精准定位射孔孔眼位置，记录测量射孔穿孔深度。

3.激光件的测量误差较小，有着良好的密封效果，外框架的密闭保证了装置适应于井下的复杂环境，延长了装置的使用寿命。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为测量射孔穿孔深度的激光测距仪的外部立体图；

图2为测量射孔穿孔深度的激光测距仪的内部立体图；

图3为升降件与升降杆连接关系的立体示意图；

图4为旋转件与激光件连接关系的立体图；

图5为测量射孔穿孔深度的激光测距仪的空心丝杠截面图；

图6为激光件使用方式的示意图；

其中，1-顶部密封盖；2-空心丝杠；3-耐高压玻璃保护外筒；4-升降电机外接线路；5-内螺纹斜齿轮；6-升降电机平台；7-锲键；8-斜齿轮；9-升降电机；10-丝杠轴套；11-圆柱孔；12-旋转电机平台；13-旋转电机外接线路；14-旋转电机；15-小直齿轮；16-激光装置转盘；17-外接电缆；18-大直齿轮；19-激光装置；20-底部密封盖；21-键槽；22-激光装置卡槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-5，本发明提供一种测量射孔穿孔深度的激光测距仪，包括，外框架，伸入射孔层段，外框架内具有一封闭空间；升降件，设置在封闭空间内且与外框架内壁固定，升降件上设置有一升降杆，升降杆通过驱动件沿外框架内升降；旋转件，设置在升降件下方且固定在升降杆末端；激光件，固定在旋转件上，激光件的激光发射端与射孔层段对应设置。

外框架内的封闭空间用于容纳升降件、旋转件、激光件，在密闭空间内，通过驱动件驱动升降杆沿外框架升降，升降杆带动旋转件升降进而带动激光件升降，由旋转件带动激光件旋转，进而实现激光件与射孔层端的不同位置对应，以方便激光件对射孔深度进行测量。

进一步优化方案，升降件包括与外框架内壁固接的升降电机平台6，升降杆穿设在升降电机平台6上，升降电机平台6底端固接有丝杠轴套10，丝杠轴套10套设在升降杆上，丝杠轴套10内壁固接有锲键7，升降杆外壁开设有与锲键7适配的键槽21，锲键7位于键槽21内。

具体的，如图3所示，升降电机平台6的顶端加工有比内螺纹斜齿轮5外轴承略微大的中心孔，内螺纹斜齿轮5轴承套与升降电机平台6通过焊接紧密连接，确保内螺纹斜齿轮5轴承套下端面与升降电机平台6下端面保持水平，内螺纹斜齿轮5所在轴承套与轴承之间装有精密滚子，以实现内螺纹斜齿轮5相对于升降电机平台6旋转。

具体的，内螺纹斜齿轮5内圈加工螺纹与升降杆外壁螺纹配套，内螺纹斜齿轮5与升降杆处于螺纹连接状态。丝杠轴套10与升降电机平台6同轴心焊接在升降电机平台6下端面。

可以理解的，丝杠轴套10曲面一侧沿轴线方向开有以丝杠轴套10选取中线左右对称的键槽21。锲键7插入键槽21直至锲键7前端于键槽21契合，锲键7尾端与丝杠轴套10通过螺钉连接。内螺纹斜齿轮5外轴承与升降电机平台6处于固定状态，在驱动件的作用下，带动内螺纹斜齿轮5旋转，由于锲键7的存在阻止了升降杆以轴线转动，升降杆整体只能发生上下传动。通过改变升降电机9轴承转向使得升降杆连接的旋转件实现自由升降。

本发明的一个实施例中，升降电机平台6优选固定在外框架底部高度三分之一处。

或者，升降电机平台6可以改进安装在外框架内中间或其他位置使激光件获得更长的升降长度。

进一步优化方案，驱动件包括固定在升降电机平台6顶端的升降电机9，升降电机9输出端固接有斜齿轮8，升降杆上套设有内螺纹斜齿轮5，内螺纹斜齿轮5与升降杆螺纹连接，内螺纹斜齿轮5通过轴承与升降电机平台6转动连接，内螺纹斜齿轮5与斜齿轮8啮合。

具体的，升降电机9的轴承与斜齿轮8直连连接，斜齿轮8与内螺纹斜齿轮5处于90°啮合，升降电机9底部机盖与电机座通过螺钉紧固连接，电机座与升降电机平台6通过螺钉连接，升降电机9带动斜齿轮8转动传递给内螺纹斜齿轮5，以实现升降杆的升降。

进一步优化方案，旋转件包括与升降杆底端固接的旋转电机平台12，旋转电机平台12底端转动连接有大直齿轮18，大直齿轮18远离旋转电机平台12的一端固接有激光装置转盘16，激光件固定在激光装置转盘16上，旋转电机平台12上固接有旋转电机14，旋转电机14输出端固接有小直齿轮15，小直齿轮15与大直齿轮18啮合。

具体的，如图4所示，旋转电机平台12上端面中心与升降杆下端面圆心重合紧密焊接，旋转电机14轴承与小直齿轮15直连连接，旋转电机14轴承端插入旋转电机平台12一侧预留同大小孔中，确保旋转电机14上端面与旋转电机平台12下端面重合，旋转电机14与旋转电机平台12通过螺钉连接。大直齿轮18由轴承连接，轴承内圈和轴承外圈之间装有精密滚子，大直齿轮18与小直齿轮15处于同一平面直齿轮啮合状态。激光装置转盘16与大直齿轮18通过螺钉连接，激光装置转盘16上开有连接外接电缆17的小孔，

进一步优化方案，激光件为激光装置19，激光装置19包括激光发射器和激光接收器，激光装置转盘16远离大直齿轮18的一端固接有激光装置卡槽22，激光装置19卡接在激光装置卡槽22内，且激光接收器用于接受所述激光发射器的发射信号并计算激光装置19与障碍物间距离。

具体的，如图5所示，激光发射器与激光接收器安装于激光装置框架的同侧，分别与内部电路通过导线串联，外接电缆17与内部电路连接。测量原理为激光装置调制特定的光角频率ω，激光发射器向外发射调制光，调制光在遇到障碍物后向各个方向反射，一部分反射的调制光被激光接收器所捕获，调制光往返一次待测距离l测定产生的的相位延迟为

则可得调制光往返一次待测距离l产生的时间为：

待测距离l表示为：

式中c为激光发射器所发激光在井下环境中的传播速度。

具体的，激光装置转盘16中心加工有下沉圆面，激光装置卡槽22与激光装置转盘16中心下沉圆面通过螺钉连接。激光装置卡槽22内径与激光装置19外径一致，下端两侧略微增长便于固定激光装置19。激光装置19通过外接电缆17将数据传输回地面计算机系统进行处理分析。

进一步优化方案，升降杆为空心丝杠2，空心丝杠2外壁开设有开槽，空心丝杠2靠近旋转电机平台12的侧壁上开设有圆柱孔11，升降电机9连接有升降电机外接线路4，旋转电机14连接有旋转电机外接线路13，升降电机外接线路4和旋转电机外接线路13通过圆柱孔11伸入空心丝杠2内。

可以理解的，如图2所示，升降杆采用空心丝杠2，其外壁与内螺纹斜齿轮5螺纹连接，其内部中心加工有沿轴线方向开设的贯穿式圆孔，在其曲面一侧沿轴线方向开设有开槽，即贯穿式键槽，同时，在空心丝杠2的底部开设有圆柱孔，升降电机外接线路4和旋转电机外接线路13分别为升降电机9与旋转电机14的外界线路，上述设计以线路走线为目的，所有线路都分布在空心丝杠2内腔中，通过圆柱孔11伸出与升降电机外接线路4、旋转电机外接线路13连接。这样避免了在激光测距仪在工作时由于外接线路与空心丝杠2发生缠绕的可能问题。

进一步优化方案，外框架包括一保护外筒，保护外筒顶端固接有顶部密封盖1，保护外筒底端螺纹连接有底部密封盖20。

具体的，保护外筒上端边缘内部进行磨砂处理，顶部密封盖1与保护外筒采用密封胶紧密连接，底部密封盖20加工外螺纹设计与耐保护外筒下端边缘处加工内螺纹设计，之间加有密封圈通过螺纹紧密连接，确保了激光测距仪良好的密封性能，顶部密封盖1可与钻铤螺纹连接。

进一步优化方案，保护外筒为耐高压玻璃保护外筒3。保护外筒采用耐高压玻璃，可提高保护外筒的强度，同时便于激光的射出。

一种测量射孔穿孔深度的激光测距仪的测距方法，测距步骤包括：

S1、下放装置：向射孔层段下放耐高压玻璃保护外筒3。将耐高压玻璃保护外筒3连同内部装置下放至射孔层段。

S2、调节激光装置19位置：启动升降电机9，驱动空心丝杠2带动激光装置19运动至测量最低点。启动升降电机9，升降电机9驱动斜齿轮旋转，斜齿轮8带动内螺纹斜齿轮5旋转，进而驱动空心丝杠2下降，带动激光装置19运动至测量最低点。

S3、开始测量：启动旋转电机14，驱动激光装置19旋转，驱动空心丝杠2带动激光装置19向上运动。旋转电机14工作，通过大直齿轮18和小直齿轮15配合实现激光装置转盘16旋转，从而带动激光装置19旋转。

进一步优化方案，步骤S3中，激光装置19旋转一周为一个周期，重复旋转激光装置19，直到激光装置19在测距最高端测量一周后结束测量。

以激光装置19测距旋转一周为一个周期控制升降件使激光装置19向上运动，重复以上步骤直接到激光装置19测距最高点测量一圈结束。数据传输于地面计算机系统，每个周期内数据出现明显波动点即为射孔孔眼，达到对射孔层段射孔孔眼“遍寻”的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种测量射孔穿孔深度的激光测距仪，其特征在于：包括，

外框架，伸入射孔层段，所述外框架内具有一封闭空间；

升降件，设置在所述封闭空间内且与所述外框架内壁固定，所述升降件上设置有一升降杆，所述升降杆通过驱动件沿所述外框架内升降；

旋转件，设置在所述升降件下方且固定在所述升降杆末端；

激光件，固定在所述旋转件上，所述激光件的激光发射端与所述射孔层段对应设置；

所述升降件包括与所述外框架内壁固接的升降电机平台(6)，所述升降杆穿设在所述升降电机平台(6)上，所述升降电机平台(6)底端固接有丝杠轴套(10)，所述丝杠轴套(10)套设在所述升降杆上，所述丝杠轴套(10)内壁固接有锲键(7)，所述升降杆外壁开设有与所述锲键(7)适配的键槽(21)，所述锲键(7)位于所述键槽(21)内；

所述驱动件包括固定在所述升降电机平台(6)顶端的升降电机(9)，所述升降电机(9)输出端固接有斜齿轮(8)，所述升降杆上套设有内螺纹斜齿轮(5)，所述内螺纹斜齿轮(5)与所述升降杆螺纹连接，所述内螺纹斜齿轮(5)通过轴承与所述升降电机平台(6)转动连接，所述内螺纹斜齿轮(5)与所述斜齿轮(8)啮合；

所述旋转件包括与所述升降杆底端固接的旋转电机平台(12)，所述旋转电机平台(12)底端转动连接有大直齿轮(18)，所述大直齿轮(18)远离所述旋转电机平台(12)的一端固接有激光装置转盘(16)，所述激光件固定在所述激光装置转盘(16)上，所述旋转电机平台(12)上固接有旋转电机(14)，所述旋转电机(14)输出端固接有小直齿轮(15)，所述小直齿轮(15)与所述大直齿轮(18)啮合；

所述激光件为激光装置(19)，所述激光装置(19)包括激光发射器和激光接收器，所述激光装置转盘(16)远离所述大直齿轮(18)的一端固接有激光装置卡槽(22)，所述激光装置(19)卡接在所述激光装置卡槽(22)内，且所述激光接收器用于接受所述激光发射器的发射信号并计算所述激光装置(19)与障碍物间距离；

所述升降杆为空心丝杠(2)，所述空心丝杠(2)外壁开设有开槽，所述空心丝杠(2)靠近所述旋转电机平台(12)的侧壁上开设有圆柱孔(11)，所述升降电机(9)连接有升降电机外接线路(4)，所述旋转电机(14)连接有旋转电机外接线路(13)，所述升降电机外接线路(4)和所述旋转电机外接线路(13)通过所述圆柱孔(11)伸入所述空心丝杠(2)内。

2.根据权利要求1所述的测量射孔穿孔深度的激光测距仪，其特征在于：所述外框架包括一保护外筒，所述保护外筒顶端固接有顶部密封盖(1)，所述保护外筒底端螺纹连接有底部密封盖(20)。

3.根据权利要求2所述的测量射孔穿孔深度的激光测距仪，其特征在于：所述保护外筒为耐高压玻璃保护外筒(3)。

4.一种测量射孔穿孔深度的激光测距仪的测距方法，根据权利要求1-3任意一项所述的测量射孔穿孔深度的激光测距仪，其特征在于：测距步骤包括：

S1、下放装置：向射孔层段下放耐高压玻璃保护外筒(3)；

S2、调节激光装置(19)位置：启动升降电机(9)，驱动空心丝杠(2)带动激光装置(19)运动至测量最低点；

S3、开始测量：启动旋转电机(14)，驱动激光装置(19)旋转，驱动空心丝杠(2)带动激光装置(19)向上运动。

5.根据权利要求4所述的测量射孔穿孔深度的激光测距仪的测距方法，其特征在于：步骤S3中，激光装置(19)旋转一周为一个周期，重复旋转激光装置(19)，直到激光装置(19)在测距最高端测量一周后结束测量。