CN117052379B - 一种油气井随钻测径装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气井随钻测径装置与方法，包括电源、电路板单元、传感器单元、电动推杆单元、丝杠、超声波探头、泥浆脉冲信号单元、铠装电缆、外筒、内筒、上接头、密封塞和密封圈；所述电源向电路板单元和传感器单元供电，所述电动推杆单元带动超声波探头径向伸出，所述电路板单元通过超声波探头所测数据控制电动推杆单元伸缩以保证超声波探头与井壁距离达到预设数值，所述传感器单元根据丝杠转动特性测量电动推杆单元外伸长度；结合超声波探头与井壁间的预设数值、电动推杆单元伸缩长度和随钻测径装置外径可计算油气井的直径，所述电路板单元通过泥浆脉冲信号单元将井径数据传输至地面；本装置可实现在钻井过程中准确测径的目的。

Description

一种油气井随钻测径装置与方法

技术领域

本发明涉及一种油气井下装置，具体是一种油气井随钻测径装置与方法，属于机械工程或石油工程技术领域。

背景技术

在油气开采过程中，其数据采集的高效性与准确性一直是核心攻坚目标。在石油天然气勘探与开发过程中，井径信息是测井过程和地层评价的核心参数之一，井径数据不仅可以直观地反应井壁稳定性，还能对定位裂缝带和预算固井水泥量等提供依据。同时，在钻进过程中如果井径变化超过正常值，通常是由钻头磨损或井内压力变化所导致的。其次，在采油阶段或井下维修阶段进行井下作业也需要测量井径信息，所以及时了解井径数据，对于提高钻井安全有非常重要的意义。

为更好地掌握井眼和地层的情况，井径测量是油气田开采中不可或缺的重要环节。然而，常规测径方法存在测量误差较大且数据传输不及时而导致测井效率较低。根据检索，目前使用超声波测径的装置多采用固定在钻杆表面，测量精度受外部泥浆环境局限较大，测量数据存在误差。基于上述情况，有必要研究高效的新型随钻测径装置。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种油气井随钻测径装置与方法，用于井下实时快速精确测量井径数据，从而掌握井眼轨迹情况并实现安全高效钻进。

本发明采用的技术方案是：

一种油气井随钻测径装置，包括钻铤基体单元和测量单元，其特征在于所述钻铤基体单元包括外筒、内筒、上接头、密封塞和密封圈，所述外筒的上端与上接头的下端通过螺纹连接，所述外筒的下端与上接头的上端分别与钻铤连接，所述内筒放置于外筒内部，所述内筒上端外壁与外筒内壁间设有密封塞，所述密封塞与内筒外壁间、密封塞与外筒内壁间、内筒与外筒间均设有密封圈；所述测量单元包括电源、电路板单元、传感器单元、电动推杆单元、超声波探头、泥浆脉冲信号单元和铠装电缆，所述电源、电路板单元和传感器单元均位于外筒内壁、内筒外壁和密封塞所形成的密闭空间内，所述电动推杆单元径向安装于外筒上，所述超声波探头安装于电动推杆单元的端部，所述泥浆脉冲信号单元固定于内筒内部，所述电源与电路板单元、电源与泥浆脉冲信号单元、电路板单元与传感器单元、传感器单元与电动推杆单元均通过铠装电缆连接。

进一步的，所述上部钻柱的钻压的扭矩通过上接头和外筒传至井底；当钻柱无振动时，所述随钻测径装置不进行测径作业，当钻进中的钻柱振动时随钻测径装置进行测径作业。

所述外筒包括扶正器、电缆通路、推杆仓、第一台阶和第二台阶，所述扶正器设于外筒外壁，所述外筒外壁设有推杆仓，外筒的内壁设置有第一台阶和第二台阶，所述电缆通路连通推杆仓与第二台阶。

进一步的，所述外筒上的扶正器用于使所述随钻测径装置在井眼内居中。

所述内筒包括内台阶、流道口、外台阶和电缆孔，所述内台阶设置于内筒内壁，内台阶用于放置泥浆脉冲信号单元，内台阶中部设有流道口，所述外台阶设于内筒外壁，所述内筒外壁上侧和外台阶上皆设有电缆孔，所述外台阶下表面放置于外筒的第一台阶上表面。

进一步的，在电路板单元内的信号处理器对所测数据进行编码后，所述泥浆脉冲信号单元将信号转化为泥浆压力脉冲的形式传至地面进行解码和译码。

所述电动推杆单元包括探头接头、导线、丝杠螺母、扶正轴承、端盖、电缆口、驱动电机、联轴器、轴承座、丝杠、缸筒和活塞杆，所述探头接头通过螺纹连接于活塞杆的上端，所述丝杠螺母通过螺纹连接于活塞杆的下端，所述超声波探头通过螺纹安装于探头接头上，所述丝杠螺母套装在丝杠外部，所述丝杠与缸筒内壁间设有轴承座且轴承座套装在丝杠外，所述丝杠与轴承座间设有扶正轴承，所述丝杠的下端通过花键与联轴器的上端连接，所述联轴器的下端通过花键与驱动电机的输出轴连接，所述端盖通过螺纹连接于缸筒的下端，端盖上设有用于电缆穿过的电缆口；所述超声波探头通过导线与电路板单元连通。

进一步的，所述超声波探头在工作时不与井壁直接接触；所述丝杠和丝杠螺母组成的传动单元一方面可以控制活塞杆以及固定于活塞杆上的超声波探头的运动，另一方面可以通过丝杠的转动特性计算活塞杆的位移。

所述油气井随钻测径装置安装于钻柱上，所述传感器单元中包括振动传感器和位移传感器，钻进过程中钻柱的振动激发振动传感器并启动井径测量，当钻柱无振动时则不进行井径测量；所述电源向电路板单元和传感器单元供电，电动推杆单元可带动超声波探头径向伸出或收缩；当电动推杆单元处于收缩状态时，超声波探头端面与外筒外表面平齐；所述驱动电机通过联轴器驱动丝杠旋转并进一步控制丝杠螺母的位移，固定于活塞杆上的探头接头带动超声波探头与丝杠螺母同步运动；所述传感器单元中的位移传感器基于丝杠的转动特性测量电动推杆单元上活塞杆的伸出长度；在额定测量范围内测量时，所述超声波探头与井壁间的距离为预设数值，电动推杆单元上的活塞杆不断伸出直至超声波探头与井壁间的距离到达所述预设数值，所述电路板单元内设有信号存储器与信号处理器，测量过程中电路板单元通过超声波探头所测数据控制驱动电机的转动；结合外筒的直径、活塞杆的伸出长度以及超声波探头与井壁间的预设距离，可计算油气井的直径；所述电路板单元内存储的信号通过铠装电缆传至泥浆脉冲信号单元，泥浆脉冲信号单元将信号传输至地面。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：(1)本发明专利原理简单，利用超声波回波测距的原理，在保护井壁的同时控制电动推杆单元测量井径；(2)本发明专利使用丝杠传动测距和超声波探头测距，获得的井径数据更加准确；(3)本发明专利能通过泥浆脉冲信号单元及时传输井径数据至地面人员接收。

附图说明

图1为本发明一种油气井随钻测径装置的结构示意图；

图2为图1中的A-A剖面示意图；

图3为图1中的B-B剖面示意图；

图4为本发明一种油气井随钻测径装置的外筒结构示意图；

图5为本发明一种油气井随钻测径装置的外筒俯视图；

图6为图5中的C-C剖面示意图；

图7为本发明一种油气井随钻测径装置的内筒结构示意图；

图8为本发明一种油气井随钻测径装置的内筒俯视图；

图9为图8中的D-D剖面示意图；

图10为图2中的E-E剖面示意图；

图11为本发明一种油气井随钻测径装置的电动推杆单元结构示意图；

图12为图10中的F处局部放大图；

图中：1-电源，2-电路板单元，3-传感器单元，4-电动推杆单元，4a-探头接头，4b-导线，4c-丝杠螺母，4d-扶正轴承，4e-端盖，4f-电缆口，4g-驱动电机，4h-联轴器，4i-轴承座，4j-丝杠，4k-缸筒，4m-活塞杆，5-超声波探头，6-泥浆脉冲信号单元，7-铠装电缆，8-外筒，8a-扶正器，8b-电缆通路，8c-推杆仓，8d-第一台阶，8e-第二台阶，9-内筒，9a-内台阶，9b-流道口，9c-外台阶，9d-电缆孔，10-上接头，11-密封塞，12-密封圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1：

如图1至图3所示，一种油气井随钻测径装置，包括钻铤基体单元和测量单元，所述钻铤基体单元包括外筒8、内筒9、上接头10、密封塞11和密封圈12，所述外筒8的上端与上接头10的下端通过螺纹连接，所述外筒8的下端与上接头10的上端分别与钻铤连接，所述内筒9放置于外筒8内部，所述内筒9上端外壁与外筒8内壁间设有密封塞11，所述密封塞11与内筒9外壁间、密封塞11与外筒8内壁间、内筒9与外筒8间均设有密封圈12；所述测量单元包括电源1、电路板单元2、传感器单元3、电动推杆单元4、超声波探头5、泥浆脉冲信号单元6和铠装电缆7，所述电源1、电路板单元2和传感器单元3均位于外筒8内壁、内筒9外壁和密封塞11所形成的密闭空间内，所述电动推杆单元4径向安装于外筒8上，所述超声波探头5安装于电动推杆单元4的端部，所述泥浆脉冲信号单元6固定于内筒9内部，所述电源1与电路板单元2、电源1与泥浆脉冲信号单元6、电路板单元2与传感器单元3、传感器单元3与电动推杆单元4均通过铠装电缆7连接。

所述上部钻柱的钻压的扭矩通过上接头10和外筒8传至井底；当钻柱无振动时，所述随钻测径装置不进行测径作业，当钻进中的钻柱振动时随钻测径装置进行测径作业。

如图4至图6所示，所述外筒8包括扶正器8a、电缆通路8b、推杆仓8c、第一台阶8d和第二台阶8e，所述扶正器8a设于外筒8外壁，所述外筒8外壁设有推杆仓8c，外筒8的内壁设置有第一台阶8d和第二台阶8e，所述电缆通路8b连通推杆仓8c与第二台阶8e。

所述外筒8上的扶正器8a用于使所述随钻测径装置在井眼内居中。

如图7至图9所示，所述内筒9包括内台阶9a、流道口9b、外台阶9c和电缆孔9d，所述内台阶9a设置于内筒9内壁，内台阶9a用于放置泥浆脉冲信号单元6，内台阶9a中部设有流道口9b，所述外台阶9c设于内筒9外壁，所述内筒9外壁上侧和外台阶9c上皆设有电缆孔9d，所述外台阶9c下表面放置于外筒8的第一台阶8d上表面。

在电路板单元2内的信号处理器对所测数据进行编码后，所述泥浆脉冲信号单元6将信号转化为泥浆压力脉冲的形式传至地面进行解码和译码。

如图11所示，所述电动推杆单元4包括探头接头4a、导线4b、丝杠螺母4c、扶正轴承4d、端盖4e、电缆口4f、驱动电机4g、联轴器4h、轴承座4i、丝杠4j、缸筒4k和活塞杆4m，所述探头接头4a通过螺纹连接于活塞杆4m的上端，所述丝杠螺母4c通过螺纹连接于活塞杆4m的下端，所述超声波探头5通过螺纹安装于探头接头4a上，所述丝杠螺母4c套装在丝杠4j外部，所述丝杠4j与缸筒4k内壁间设有轴承座4i且轴承座4i套装在丝杠4j外，所述丝杠4j与轴承座4i间设有扶正轴承4d，所述丝杠4j的下端通过花键与联轴器4h的上端连接，所述联轴器4h的下端通过花键与驱动电机4g的输出轴连接，所述端盖4e通过螺纹连接于缸筒4k的下端，端盖4e上设有用于电缆穿过的电缆口4f；所述超声波探头5通过导线4b与电路板单元2连通。

所述超声波探头5在工作时不与井壁直接接触；所述丝杠4j和丝杠螺母4c组成的传动单元一方面可以控制活塞杆4m以及固定于活塞杆4m上的超声波探头5的运动，另一方面可以通过丝杠4j的转动特性计算活塞杆4m的位移。

如图1至图12所示，所述油气井随钻测径装置安装于钻柱上，所述传感器单元3中包括振动传感器和位移传感器，钻进过程中钻柱的振动激发振动传感器并启动井径测量，当钻柱无振动时则不进行井径测量；所述电源1向电路板单元2和传感器单元3供电，电动推杆单元4可带动超声波探头5径向伸出或收缩；当电动推杆单元4处于收缩状态时，超声波探头5端面与外筒8外表面平齐；所述驱动电机4g通过联轴器4h驱动丝杠4j旋转并进一步控制丝杠螺母4c的位移，固定于活塞杆4m上的探头接头4a带动超声波探头5与丝杠螺母4c同步运动；所述传感器单元3中的位移传感器基于丝杠4j的转动特性测量电动推杆单元4上活塞杆4m的伸出长度；在额定测量范围内测量时，所述超声波探头5与井壁间的距离为预设数值，电动推杆单元4上的活塞杆4m不断伸出直至超声波探头5与井壁间的距离到达所述预设数值，所述电路板单元2内设有信号存储器与信号处理器，测量过程中电路板单元2通过超声波探头5所测数据控制驱动电机4g的转动；结合外筒8的直径、活塞杆4m的伸出长度以及超声波探头5与井壁间的预设距离，可计算油气井的直径；所述电路板单元2内存储的信号通过铠装电缆7传至泥浆脉冲信号单元6，泥浆脉冲信号单元6将信号传输至地面。

实施例2：

如图10至图12所示，所述油气井随钻测径装置下到预定深度进行钻井时，所述电源1通过铠装电缆7为电路板单元2、传感器单元3、电动推杆单元4和超声波探头5供电，所述驱动电机4g输出轴通过联轴器4h带动丝杠4j同步旋转，通过套装在丝杠4j外部的丝杠螺母4c带动活塞杆4m不断向外伸出，所述传感器单元3中的位移传感器可根据丝杠4j转动情况获得活塞杆4m外伸距离D2，D3；钻井过程中，所述电路板单元2根据超声波探头5所测距离数据调整驱动电机4g旋转，控制活塞杆4m伸缩保证超声波探头5与井壁间的距离保持预设距离D1，D4；根据超声波探头5与井壁间预设距离，活塞杆4m外伸距离以及外筒8的直径Dt可计算油气井所在深度井径情况；所述泥浆脉冲信号单元6可将电路板单元2内处理数据传输至地面。

以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所做出的等同变化与修改，均属于本发明系统的保护范围。

Claims (4)

1.一种油气井随钻测径装置，包括钻铤基体单元和测量单元，其特征在于所述钻铤基体单元包括外筒(8)、内筒(9)、上接头(10)、密封塞(11)和密封圈(12)，所述外筒(8)的上端与上接头(10)的下端通过螺纹连接，所述外筒(8)的下端与上接头(10)的上端分别与钻铤连接，所述内筒(9)放置于外筒(8)内部，所述内筒(9)上端外壁与外筒(8)内壁间设有密封塞(11)，所述密封塞(11)与内筒(9)外壁间、密封塞(11)与外筒(8)内壁间、内筒(9)与外筒(8)间均设有密封圈(12)；所述测量单元包括电源(1)、电路板单元(2)、传感器单元(3)、电动推杆单元(4)、超声波探头(5)、泥浆脉冲信号单元(6)和铠装电缆(7)，所述电源(1)、电路板单元(2)和传感器单元(3)均位于外筒(8)内壁、内筒(9)外壁和密封塞(11)所形成的密闭空间内，所述电动推杆单元(4)径向安装于外筒(8)上，所述超声波探头(5)安装于电动推杆单元(4)的端部，所述泥浆脉冲信号单元(6)固定于内筒(9)内部，所述电源(1)与电路板单元(2)、电源(1)与泥浆脉冲信号单元(6)、电路板单元(2)与传感器单元(3)、传感器单元(3)与电动推杆单元(4)均通过铠装电缆(7)连接；所述电动推杆单元(4)包括探头接头(4a)、导线(4b)、丝杠螺母(4c)、扶正轴承(4d)、端盖(4e)、电缆口(4f)、驱动电机(4g)、联轴器(4h)、轴承座(4i)、丝杠(4j)、缸筒(4k)和活塞杆(4m)，所述探头接头(4a)通过螺纹连接于活塞杆(4m)的上端，所述丝杠螺母(4c)通过螺纹连接于活塞杆(4m)的下端，所述超声波探头(5)通过螺纹安装于探头接头(4a)上，所述丝杠螺母(4c)套装在丝杠(4j)外部，所述丝杠(4j)与缸筒(4k)内壁间设有轴承座(4i)且轴承座(4i)套装在丝杠(4j)外，所述丝杠(4j)与轴承座(4i)间设有扶正轴承(4d)，所述丝杠(4j)的下端通过花键与联轴器(4h)的上端连接，所述联轴器(4h)的下端通过花键与驱动电机(4g)的输出轴连接，所述端盖(4e)通过螺纹连接于缸筒(4k)的下端，端盖(4e)上设有用于电缆穿过的电缆口(4f)；所述超声波探头(5)通过导线(4b)与电路板单元(2)连通。

2.根据权利要求1所述的一种油气井随钻测径装置，其特征在于，所述外筒(8)包括扶正器(8a)、电缆通路(8b)、推杆仓(8c)、第一台阶(8d)和第二台阶(8e)，所述扶正器(8a)设于外筒(8)外壁，所述外筒(8)外壁设有推杆仓(8c)，外筒(8)的内壁设置有第一台阶(8d)和第二台阶(8e)，所述电缆通路(8b)连通推杆仓(8c)与第二台阶(8e)。

3.根据权利要求1所述的一种油气井随钻测径装置，其特征在于，所述内筒(9)包括内台阶(9a)、流道口(9b)、外台阶(9c)和电缆孔(9d)，所述内台阶(9a)设置于内筒(9)内壁，内台阶(9a)用于放置泥浆脉冲信号单元(6)，内台阶(9a)中部设有流道口(9b)，所述外台阶(9c)设于内筒(9)外壁，所述内筒(9)外壁上侧和外台阶(9c)上皆设有电缆孔(9d)，所述外台阶(9c)下表面放置于外筒(8)的第一台阶(8d)上表面。

4.根据权利要求1所述的一种油气井随钻测径装置的方法，其特征在于，所述油气井随钻测径装置安装于钻柱上，所述传感器单元(3)中包括振动传感器和位移传感器，钻进过程中钻柱的振动激发振动传感器并启动井径测量，当钻柱无振动时则不进行井径测量；所述电源(1)向电路板单元(2)和传感器单元(3)供电，电动推杆单元(4)可带动超声波探头(5)径向伸出或收缩；当电动推杆单元(4)处于收缩状态时，超声波探头(5)端面与外筒(8)外表面平齐；所述驱动电机(4g)通过联轴器(4h)驱动丝杠(4j)旋转并进一步控制丝杠螺母(4c)的位移，固定于活塞杆(4m)上的探头接头(4a)带动超声波探头(5)与丝杠螺母(4c)同步运动；所述传感器单元(3)中的位移传感器基于丝杠(4j)的转动特性测量电动推杆单元(4)上活塞杆(4m)的伸出长度；在额定测量范围内测量时，所述超声波探头(5)与井壁间的距离为预设数值，电动推杆单元(4)上的活塞杆(4m)不断伸出直至超声波探头(5)与井壁间的距离到达所述预设数值，所述电路板单元(2)内设有信号存储器与信号处理器，测量过程中电路板单元(2)通过超声波探头(5)所测数据控制驱动电机(4g)的转动；结合外筒(8)的直径、活塞杆(4m)的伸出长度以及超声波探头(5)与井壁间的预设距离，可计算油气井的直径；所述电路板单元(2)内存储的信号通过铠装电缆(7)传至泥浆脉冲信号单元(6)，泥浆脉冲信号单元(6)将信号传输至地面。