CN2763505Y - 机械式无线随钻测斜仪 - Google Patents

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蔡文军
王平
祝远征
董怀荣
张仁龙
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Abstract

本实用新型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
本实用新型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。
                        技术背景
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 86207607U)。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
本实用新型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。本实用新型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。本实用新型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,本实用新型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、支撑座等组成。其特征为:支撑座在仪器的最下端,与下筒体相连;下筒体与上筒体用螺纹连接,角度范围调节装置安装在上筒体的外面,上堵头与上筒体的顶端用螺纹连接,脉冲发生装置在仪器的最上端,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。
测量机构由摆锤和测量阶梯环组成;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。
控制机构由限位筒、主弹簧、钢球、档球柱、控制弹簧、控制轴等组成;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。
脉冲发生装置由脉冲环、脉冲轴、脉冲头构成;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,且其外表面要做特殊硬化处理。
脉冲轴的下端与控制机构的限位筒上端相连。
阻尼装置为圆柱状结构,并加工有钢球单向阀和阻尼孔。
角度范围调节装置由角度范围调节套与角度调节环组成,装在上筒体的外面,并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。
仪器连接处均有密封,上筒体、下筒体、角度范围调节套、平衡活塞、上堵头与脉冲轴等形成一密闭腔,腔内充满润滑油。
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。
上筒体、下筒体、角度范围调节套、脉冲轴、脉冲环等部件使用特殊材料、经特殊工艺处理
本实用新型的有益效果是,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。本实用新型的提出,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
下面结合附图对本实用新型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。下面进一步说明本实用新型的工作原理。
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3,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。
以上仅是实现本实用新型的一种方法,基于此实用新型原理的其它实现形式在本实用新型的范围之内。

Claims (10)

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)、支撑座等组成,其特征为:支撑座(33)在仪器的最下端,与下筒体(27)相连;下筒体(27)与上筒体(14)用螺纹连接,角度范围调节装置安装在上筒体(14)的外面,上堵头(9)与上筒体(14)的顶端用螺纹连接,脉冲发生装置在仪器的最上端,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:测量机构由摆锤(25)和测量阶梯环(26)组成;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:控制机构由限位筒(10)、主弹簧(11)、钢球(12)、档球柱(13)、控制弹簧(19)、控制轴(20)等组成;控制轴(20)是一细长杆,上面带档球柱(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2、3所述的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:脉冲发生装置由脉冲环(7)、脉冲轴(5)、脉冲头(4)构成;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,且其外表面要做特殊硬化处理。
6、根据权利要求3、5所述的机械式无线随钻测斜仪,其特征是:脉冲轴(5)的下端与控制机构的限位筒(10)上端相连。
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: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)。
8、根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪器,其特征是: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,装在上筒体的外面,并通过连接条(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。
9、根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪器,其特征是:仪器连接处均有密封(15),上筒体(14)、下筒体(27)、角度范围调节套(17)、平衡活塞(31)、上堵头(9)与脉冲轴(5)等形成一密闭腔(24a,24b),腔内充满润滑油。
10、根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪器,其特征是:平衡活塞(29)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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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1644874B (zh) * 2005-01-19 2011-07-27 中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院 机械式无线随钻测斜仪
CN101245700B (zh) * 2008-02-22 2012-05-23 上海力擎地质仪器有限公司 钻孔测斜仪探头
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CN113756788A (zh) * 2021-10-18 2021-12-07 中国地质大学(北京) 一种机械式随钻井斜测量仪

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