CN1644874B - 机械式无线随钻测斜仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种石油钻井用井下机械式无线随钻测斜仪，它集机械和钻井液脉冲技术为一体，由测量机构，控制机构、脉冲发生装置、阻尼装置、平衡活塞和壳体等组成。仪器有一个与外界隔开的密封壳体，内部充满润滑油。测量机构、控制机构和阻尼装置等在壳体内，脉冲发生装置在仪器的最上端，与壳体上部相连。当需要测量井斜时，只需将钻井泵关闭，这时测量机构开始测量井斜，测得的井斜信息通过控制机构传给脉冲发生装置，然后开泵，脉冲发生装置根据井斜的大小发出不同数量的压力脉冲信号，信号通过钻井液传到地面，从而实现井斜的无线随钻测量。它具有结构简单、使用方便、使用范围广、适应性强、测量结果稳定、可随钻测量等优点，可以满足钻井工程上直井测斜的需要。

Description

机械式无线随钻测斜仪

技术领域

本发明属于石油天然气勘探开发中钻井工程领域，是一种用于油气井井斜测量的随钻测斜工具。

背景技术

测斜仪器是石油钻井工程中广泛应用且必需的工具。随着钻井技术的发展，各种各样的测斜仪器相继出现。目前现场使用的测斜仪，根据测量原理不同可分为两大系列，照相式和电子式。照相系列的测斜仪由于使用操作不便，精度底等缺点，目前现场使用的越来越少，逐渐被电子系列测斜仪代替。电子系列的测斜仪是利用电子元件来测量井斜，目前使用的电子系列的测斜仪有电子单点测斜仪、电子单多点测斜仪、有线随钻测斜仪和无线随钻测斜仪(MWD)等。这些仪器适合不同的场合，用于不同的目的。电子单点测斜仪是现场广泛应用的一种直井测斜仪器，但这种仪器测量需要时间长，受温度、井深和钻井液性能的影响，使用条件要求苛刻，且不能实现随钻测量，在使用中存在很大的局限性。

20世纪80年代开始，技术人员对机械式测斜仪进行研究，并提出了一些技术方案，如专利“自调式机械式测斜仪”(专利号：CN 86207607 U)。此专利提出的技术方案中，利用偏心摆机构测量井斜，包括内摆、外摆和重力偏心机构；用不同导程的双螺旋机构实现行程的变化。从公开的内容看，虽然可以实现测斜范围自动调节，但其测斜机构结构非常复杂，加工困难，不易实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种机械式无线随钻测斜仪，这种测斜仪是一种纯机械机构，涉及机械及泥浆脉冲技术，井下仪器没有电子元器件，不需要电池，依靠钻井液为动力。当需要测量井斜时，只需将钻井泵关闭，然后再开泵就马上知道井斜的大小。使用时将仪器放置在近钻头的钻铤中，随钻测量井斜。本发明克服了现有直井电子测斜仪的不足，具有结构简单、使用方便、测量时间短、不受温度和井深影响、适应性强和可以随钻测量等优点。本发明的目的是提供一种机械式无线随钻测斜仪，它能够快速便捷地随钻测量井斜，满足钻井工程上直井测斜的需要。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：机械无线随钻测斜仪是一种细长型纯机械结构，主要由脉冲发生装置、上筒体、下筒体、控制机构、角度范围调节装置、测量机构、阻尼装置、平衡活塞、支撑座组成，其特征为：所述控制机构包括限位筒、主弹簧、钢球、挡球柱、控制弹簧、控制轴；所述测量机构由摆锤和测量阶梯环组成；支撑座在机械式无线随钻测斜仪的最下端，与下筒体相连；下筒体与上筒体用螺纹连接；上堵头与上筒体的顶端用螺纹连接；角度范围调节装置由角度范围调节套与角度调节环组成，装在上筒体的外面；脉冲发生装置在仪器的最上端，脉冲发生装置由脉冲环、脉冲轴、脉冲头构成，脉冲环与上筒体的上端连接；控制机构固定在上筒体内，控制轴与测量机构的摆锤相连；测量机构在下筒体内，位于控制机构的下面，阻尼装置装在下筒体内，并固定在下筒体上，位于测量阶梯环的下方，平衡活塞在下筒体内阻尼装置的下方。

摆锤为一细长圆形结构，一端直径大，并带有台阶；测量阶梯环是圆柱结构，内部由一系列直径不同而高度相同的同心台阶环构成，形成阶梯状。

控制轴是一细长杆，上面带档球柱；控制弹簧套在控制轴上，控制筒装在控制轴和控制弹簧的外面，控制筒壁上带有多对对称圆孔，钢球装在这些圆孔里；限位筒和主弹簧套在控制筒的外面，主弹簧的上端套在限位筒上，下端固定在上筒体内的弹簧座上，限位筒的上端与脉冲轴相连。

控制轴下端与测量机构的摆锤铰接，摆锤一直处于自由垂直状态。

脉冲环内部带有多个限流孔，脉冲头是一蘑菇状结构，装在脉冲轴上端，脉冲轴内孔为盲孔。

阻尼装置为圆柱状结构，并加工有钢球单向阀和阻尼孔。

角度范围调节装置通过连接条与测量阶梯环相连，角度范围调节套与角度调节环为一对螺纹副结构。

平衡活塞为一圆盘结构，加工有密封槽，并有一细圆柱状安装手柄。

本发明的有益效果是，由于采用纯机械机构，而没有复杂的电路和电子元器件，不需要电池，所以工作不受井下温度和振动的的影响，仪器在很高的温度下可以正常工作，且性能可靠，在井下连续工作时间长。另外，它可以装在井下钻具上使用，实现随钻测量，可在任何时间任何井深测量井斜，测量时间短，从而节省测斜时间，提高钻井速度，节约钻井成本。本发明的提出，克服了现存测斜仪的不足，更加适应钻井工程上直井随钻测斜的需要。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1为机械式无线随钻测斜仪的结构剖面图

图2为机械式无线随钻测斜仪安装示意图

1-机械无线随钻测斜仪；2-钻头；3-钻铤；4-脉冲头；5-脉冲轴；6-限流孔；7-脉冲环；9-上堵头；10-限位筒；11-主弹簧；12-钢球；13-挡球柱；14-上筒体；15-密封；16-控制筒；17-角度范围调节套；18-角度调节环；19-控制弹簧；20-控制轴；23-连接条；24a-上密闭腔；24b-下密闭腔；25-摆锤；26-测量阶梯环；27-下筒体；28-阻尼孔；29-阻尼装置；30-钢球单向阀；31-平衡活塞；32-恢复弹簧；33-支撑座。

具体实施方式

参见图1，上筒体14、下筒体27、角度范围调节套17、上堵头9等构成仪器的外壳，连同平衡活塞31、脉冲轴5和各连接处的密封15构成一密闭的腔室，并被阻尼装置29分为上密闭腔24a和下密闭腔24b两部分，内部充满润滑油。仪器的控制机构和测测量机构在上腔室24a内，这样这些机构的零部件全部与外部隔开，并充分润滑，保证各部件的正常工作并提高可靠性。

控制机构由限位筒10、主弹簧11、钢球12、控制筒16、控制轴20、控制弹簧19等组成。控制弹簧19套在控制轴20上，控制筒16装在控制轴20和控制弹簧19的外面，并固定在上筒体14上，控制筒16壁上带有多对对称圆孔，钢球12装在这些圆孔里；限位筒10和主弹簧11套在控制筒16的外面，主弹簧11的上端套在限位筒10上，下端固定在上筒体14内的弹簧座上。

测量机构由摆锤25和测量阶梯环26组成。脉冲轴5与限位筒10相连，控制轴20与摆锤25铰接，这样保证摆锤25始终处于自由垂直状态。仪器的测量精度主要是由测量阶梯环26决定，测量的精度越高，测量阶梯环26的各相邻台阶之间的直径差就越小，加工就比较困难，根据钻井工程的要求和加工的难易，一般精度为0.5度即可。

脉冲发生装置在仪器的最上端，脉冲环7与上筒体14的上部用螺纹连接，脉冲轴5的下端与控制机构的限位筒10的上端相连，脉冲头4固定在脉冲轴5上端。当脉冲轴5运动时，带动脉冲头4运动，脉冲头4在运动过程中经过脉冲环7的限流孔6时，流经脉冲环7的泥浆通道被堵，将产生压力升高，即压力脉冲。脉冲环7的限流孔6个数即是仪器最多可产生的脉冲个数，一般有10个左右。

这样，测量机构测得的井斜信息通过控制轴20传递给控制机构，控制机构可以控制脉冲轴5的上升高度，脉冲轴5的高度不同，开泵时脉冲头4向下运动过程中经过限流孔6的数量不同，从而产生不同数量的脉冲信号。所以，测量得到的井斜通过控制机构和脉冲发生装置，最后转变为脉冲的个数，且井斜与脉冲个数成正比关系。

每个脉冲所代表的井斜角度与测量机构的精度有关，如果精度为0.5度，那么一个脉冲信号就代表0.5度。此外，脉冲的数量与井斜角的关系还与角度范围有关，角度范围调节套17和角度调节环18就是调节角度范围的机构。当转动角度范围调节套17时，带动角度调节环18上移或下移，进而通过连接条23带动测量阶梯环26移动，从而得到不同的测量范围。下面进一步说明本发明的工作原理。

如图2，机械无线随钻测斜仪1使用时安装在钻头2上面的钻铤3中。在刚开始进行钻井作业时，泥浆泵打开，泥浆沿图2中箭头所指的方向通过仪器，先通过脉冲环7，然后进入机械无线随钻测斜仪1与钻铤3内孔的环空，最后经支撑座33流进钻铤水眼。这时脉冲头4在高压高速钻井液的冲击作用下，推动脉冲轴5向下运动，直到脉冲头4的下端与上堵头9的上端接触为止。在正常钻井作业时，仪器一直处于这种状态。

当需要测量井斜时，首先将泥浆泵关闭。参考图1与图2，这时脉冲头4失去高压高速钻井液的冲击作用，控制机构的主弹簧11推动限位筒10向上运动，进而推动脉冲轴5和脉冲头4向上运动。与此同时，由于脉冲轴5的上移，控制轴20失去压力作用，也在控制弹簧19的作用下向上移动，从而带动摆锤25向上移动。摆锤25在向上移动的过程中，根据井斜的不同，会挂在不同的测量阶梯环26的台阶上。当摆锤25挂在测量阶梯环的台阶上时，控制轴20不能再向上移动。根据设计，对每个测量阶梯环26的台阶，控制轴20的挡球柱13将对应一个控制筒16的小球孔，将对应的将小球12推出，小球12挡住限位筒10，限位筒10不再向上移动，因此脉冲轴5也将停止移动，停在脉冲环中的某一位置。再开泵时，脉冲头4在高压高速钻井液的冲击作用下，推动脉冲轴5向下运动，脉冲轴5推动与之相连的控制机构的限位筒10，从而使主弹簧11压缩向下移动，当脉冲轴5的内孔顶端与控制轴20上端接触时，将推动控制轴20向下移动，同时与之相连的摆锤25也向下移动，直到脉冲头4的下端与上堵头9的上端接触为止。在脉冲头4随脉冲轴5向下运动的过程中，要经过脉冲环7的限流孔6，当脉冲头4与限流孔6重合时，钻井液因流动受阻而压力升高，从而产生压力脉冲。这时地面的传感器即可检测到压力脉冲信号，根据脉冲信号的数量即可判断井斜的大小。

当脉冲轴5向下移动进入上密闭腔24a时，将会引起上密闭腔24a的容积变小，这时上密闭腔24a内的润滑油将通过阻尼装置29的阻尼孔28流向下密闭腔24b，下密闭腔24b的润滑油将推动平衡活塞31向下移动。当脉冲轴5向上移动从上密闭腔24a出来时，上密闭腔24a容积变大，下密闭腔24b的压力大于上密闭腔24a的压力，这时阻尼装置29的单向阀30打开，润滑油从下密闭腔24b快速流向上密闭腔24a，平衡活塞31在恢复弹簧32的作用下向上移动。阻尼装置29的两个方向的不同阻尼效果用来控制脉冲轴4的运动速度，以保证脉冲信号的清晰，易于接收和分辨。

以上仅是实现本发明的一种方法，基于此发明原理的其它实现形式在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.机械式无线随钻测斜仪，是一种细长型纯机械结构，主要由脉冲发生装置、上筒体、下筒体、控制机构、角度范围调节装置、测量机构、阻尼装置、平衡活塞(31)、支撑座组成，其特征为：所述控制机构包括限位筒(10)、主弹簧(11)、钢球(12)、挡球柱(13)、控制弹簧(19)、控制轴(20)；所述测量机构由摆锤(25)和测量阶梯环(26)组成；支撑座(33)在机械式无线随钻测斜仪的最下端，与下筒体(27)相连；下筒体(27)与上筒体(14)用螺纹连接；上堵头(9)与上筒体(14)的顶端用螺纹连接；角度范围调节装置由角度范围调节套(17)与角度调节环(18)组成，装在上筒体(14)的外面；脉冲发生装置在仪器的最上端，脉冲发生装置由脉冲环(7)、脉冲轴(5)、脉冲头(4)构成，脉冲环(7)与上筒体(14)的上端连接；控制机构固定在上筒体(14)内，控制轴(20)与测量机构的摆锤(25)相连；测量机构在下筒体(27)内，位于控制机构的下面，阻尼装置(29)装在下筒体(27)内，并固定在下筒体(27)上，位于测量阶梯环(26)的下方，平衡活塞(31)在下筒体(27)内阻尼装置(29)的下方。

2.根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪，其特征是：摆锤(25)为一细长圆形结构，一端直径大，并带有台阶；测量阶梯环(26)是圆柱结构，内部由一系列直径不同而高度相同的同心台阶环构成，形成阶梯状。

3.根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪，其特征是：控制轴(20)是一细长杆，上面带挡球柱(13)；控制弹簧(19)套在控制轴(20)上，控制筒(16)装在控制轴(20)和控制弹簧(19)的外面，控制筒(16)壁上带有多对对称圆孔，钢球(12)装在这些圆孔里；限位筒(10)和主弹簧(11)套在控制筒(16)的外面，主弹簧(11)的上端套在限位筒(10)上，下端固定在上筒体(14)内的弹簧座上，限位筒(10)的上端与脉冲轴(5)相连。

4.根据权利要求1或3所述机械式无线随钻测斜仪，其特征是：控制轴(20)下端与测量机构的摆锤(25)铰接，摆锤(25)一直处于自由垂直状态。

5.根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪，其特征是：脉冲环(7)内部带有多个限流孔(6)，脉冲头(4)是一蘑菇状结构，装在脉冲轴(5)上端，脉冲轴(5)内孔为盲孔。

6.根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪，其特征是：阻尼装置(29)为圆柱状结构，并加工有钢球单向阀(30)和阻尼孔(28)。

7.根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪，其特征是：角度范围调节装置通过连接条(23)与测量阶梯环(26)相连，角度范围调节套(17)与角度调节环(18)为一对螺纹副结构。

8.根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪，其特征是：平衡活塞(31)为一圆盘结构，加工有密封槽，并有一细圆柱状安装手柄。

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