CN202814404U

CN202814404U - 一种用于旋转导向钻井工具的导向外套转速测量装置

Info

Publication number: CN202814404U
Application number: CN 201220349853
Authority: CN
Inventors: 白玉新; 梁军; 张建国; 李广伟; 张博
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2022-07-18

Abstract

本实用新型涉及一种用于旋转导向钻井工具的导向外套转速测量装置，包括位于电子节中的电路板、以及安装于电路板上的MEMS角速率陀螺仪、带有外围电路的CPU电路、CAN总线、和为上述装置供电的电源电路；所述MEMS角速率陀螺仪与所述CPU电路采用SPI总线通信；所述CPU电路把计算出的导向外套平均转速通过Can总线发送到电子节中的主控电路。本实用新型能够在钻进时实时测量导向外套的旋转速度，并在旋转速度超过一定数值后，通过泥浆脉冲向地面报警，这样钻井工程师便可及时调整钻压、钻速等钻井参数，间接调整外套的旋转速度到允许范围内，避免不必要的经济和时间损失。

Description

一种用于旋转导向钻井工具的导向外套转速测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于旋转导向钻井工具的导向外套转速测量装置，特别是涉及一种石油钻探工具领域的用于旋转导向钻井工具的导向外套转速测量装置。

背景技术

旋转导向钻井工具在石油钻探领域主要用于大位移井、超薄油层水平井、多分支井等复杂结构井中。从20世纪80年代后期以来，国内油田大都进入开采后期，新开发油田大部分位于沙漠、海洋、山前陡坡等特殊环境中，因而对旋转导向钻井工具的使用日益增多。旋转导向钻井工具在钻进过程中，因井底钻具组合、地层及地质参数的变化，不旋转的导向外套会出现不同程度的缓慢旋转，在美国专利US6427783中提到，当导向工具的芯轴转速达到100RPM-600RPM（转/分钟）时，导向外套也会出现不超过2RPM的转速。

在结构和旋转导向工具类似的自动垂直钻井工具的多次钻井试验中，也同样发现不旋转的导向外套会出现不同程度的转动，地层稳定时转速小于0.1RPM，地层条件比较恶劣时，转速达到10RPM以上。

当旋转导向工具的导向外套快速旋转时（大于2RPM），高边工具面角也会出现剧烈变化，对于采用电机泵独立液压节方案的导向工具，因微型泵的排量很小，推靠巴掌伸出和收回需要1-5分钟的时间，无法响应快速的高边工具面角变化，一旦出现导向外套快速旋转，导向钻井工具将失去导向作用。

现有技术中，并不对旋转导向工具的导向外套转速进行测量，只是在旋转导向钻井工具提钻后，分析存储在井下工具中的近钻头测斜仪数据波动，来进行导向外套旋转激烈程度的估计，无法得出导向外套具体的旋转速度。因此亟需提供一种新型的用于旋转导向钻井工具的导向外套转速测量装置。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种可以随钻应用的用于旋转导向钻井工具的导向外套转速测量装置。

为解决上述技术问题，本实用新型一种用于旋转导向钻井工具的导向外套转速测量装置，包括位于电子节中的电路板、以及安装于电路板上的MEMS角速率陀螺仪、带有外围电路的CPU电路、CAN总线、和为上述装置供电的电源电路；MEMS角速率陀螺仪与CPU电路采用SPI总线通信；CPU电路把计算出的导向外套平均转速通过Can总线发送到电子节中的主控电路。

MEMS角速率陀螺仪为ADI公司的ADX RS450或ADXRS453型号的MEMS角速率陀螺仪。

MEMS角速率陀螺仪边缘距离电路板边缘固定孔中心线连线的距离为1cm～5cm。

电路板的谐振频率必须高于800Hz。

本实用新型能够在钻进时实时测量导向外套的旋转速度，并在旋转速度超过一定数值后，通过泥浆脉冲向地面报警，这样钻井工程师便可及时调整钻压、钻速等钻井参数，间接调整外套的旋转速度到允许范围内，避免不必要的经济和时间损失。

附图说明

图1为本实用新型所提供的用于旋转导向钻井工具的导向外套转速测量装置的示意图。

图2为电路板的示意图。

图中：1为芯轴，2为不旋转导向管，3为电子节，4为导向外套转速测量电路，5为液压节，6为推靠巴掌，7为MEMS角速率陀螺仪，8为电路板，9为CPU电路，10为Can总线，11为电源电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明。

在图1中，芯轴1由钻杆带动高速旋转（转速一般为60-200RPM），不旋转导向套2因液压节5中推靠巴掌6支撑住井壁，只随着芯轴1缓慢旋转，正常情况下，因转速很慢，认为导向套不旋转。

旋转导向钻井工具导向外套的转速测量装置4位于电子节3中，是电子节3中电路板的一个组成部分。

如图2所示，角速率陀螺仪7安装在电路板8的边缘固定孔附近。MEMS角速率陀螺仪优选为ADI公司的ADXRS450或ADXRS453型号。将角速率陀螺7安装在牢固安装孔附近有助于确保焊装陀螺仪的电路板谐振频率高于内部电子元件发生有害混叠的频率，优选MEMS角速率陀螺仪边缘距离电路板边缘固定孔中心线连线的距离为1cm～5cm。必须确保混叠信号不会耦合至基带测量范围，导向外套的转速测量装置4的电路板8谐振频率必须高于800Hz。

导向外套转速测量电路包括MEMS角速率陀螺仪7和CPU电路9，它们之间采用SPI总线通信，由CPU定时1ms（包括但不限于）通过SPI总线采集MEMS角速率陀螺仪7的输出，在CPU中经过数字积分，即可获得单位时间内（包括但不限于）的导向外套转动角度，同时可求出单位时间内的导向外套平均转速。

CPU电路9把计算出的导向外套平均转速通过Can总线10发送到电子节中的主控电路，并最终把该转速通过泥浆脉冲发送到地面。

现有技术中，测量转速的方法很多，比如光电编码器、霍尔效应传感器、旋转变压器等，但这些传感器要不是用于较高转速测量，要不就是体积较大或在导向外套上安装比较复杂。因导向外套的转速即便在高速时，一般也小于10RPM，正常情况下外套转速只有0.5°-5°/min,并且旋转导向外套的转速测量装置只能安装在导向套内部的电子节中，只有采用角速率陀螺仪能满足现有应用。

目前应用于石油井下测量的角速率陀螺仪，主要有动调陀螺和光纤陀螺两种，但都只是用于测井，随钻应用很少，主要原因是它们对高温和振动的要求太苛刻，随钻时，井下的条件太恶劣，这两种陀螺仪无法工作。

本发明中，旋转导向工具导向外套的测量使用MEMS角速率陀螺仪7，该陀螺仪具备±300°/秒角速率检测能力，0.01°/sec/g的超高抗振性，具有16°/小时出色的零点偏置稳定性，能耐受2000g的冲击而不损坏，降额设计后可在125℃的高温下长期工作。非常适合随钻低转速的应用。

Claims

1.一种用于旋转导向钻井工具的导向外套转速测量装置，其特征在于：包括位于电子节中的电路板、以及安装于电路板上的MEMS角速率陀螺仪、带有外围电路的CPU电路、CAN总线、和为上述装置供电的电源电路；所述MEMS角速率陀螺仪与所述CPU电路采用SPI总线通信；所述CPU电路把计算出的导向外套平均转速通过Can总线发送到电子节中的主控电路。

2.根据权利要求1所述的一种用于旋转导向钻井工具的导向外套转速测量装置，其特征在于：所述MEMS角速率陀螺仪为ADI公司的ADX RS450或ADXRS453型号的MEMS角速率陀螺仪。

3.根据权利要求1所述的一种用于旋转导向钻井工具的导向外套转速测量装置，其特征在于：所述MEMS角速率陀螺仪边缘距离所述电路板边缘固定孔中心线连线的距离为1cm～5cm。

4.根据权利要求1所述的一种用于旋转导向钻井工具的导向外套转速测量装置，其特征在于：所述电路板的谐振频率高于800Hz。