CN101182766A - 井下钻具(钻头)旋转速度和方向的测量方法及短节 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及井下用参数测量技术领域，具体涉及一种井下钻具(钻头)旋转速度和方向的测量方法及短节。为克服现有技术存在的非直观、不准确的问题，本发明所提供的技术方法是：在被测钻具(钻头)上或者被测钻具(钻头)上、下刚性联接的短节上设置两组磁通门组件，两组磁通门组件分别位于旋转面的90度弧度区域内的不同轴向垂线上。本发明所提供的测量用短节，包括空心的本体，本体的两端设置有内螺纹联接端和外螺纹联接端，本体的外侧设置有无磁的外套筒，在本体与外套筒之间设置有两组磁通门组件，它们分别位于旋转面的90度弧度区域内的不同轴向垂线上。本发明的优点是：成本低、适用范围广、结构简单且安全性高。
Description
所属技术领域：
本发明涉及井下用参数测量技术领域，具体涉及一种井下钻具(钻头)旋转速度和方向的测量方法及短节。
背景技术：
为了了解矿用钻具(钻头)在井下钻井过程中的工作状态，需要掌握井下钻具(钻头)运行的各种参数。在这些参数中，转速是其中的一个重要数据。为了获得准确的参数，以往所采用的方法是：由井上钻具的转速来估算井下钻具(钻头)的转速，目前还没有直接能测量井下钻具(钻头)转速的方法，由井上钻具的转速来估算井下钻具(钻头)的转速这种方法存在的问题是没有准确性，因为上千米的钻杆在井下钻进的过程中毫无刚性可言，井上的钻具转速并不代表着井下钻具(钻头)的转速。而在采用镙杆泵的钻具(钻头)钻井的情况下，井上钻杆不动，井下的井下钻具(钻头)的转速则无法估算。
钻具(钻头)在井下钻井转速像井下压力、温度、扭矩、轴力等参数一样重要，获得这些参数对保证钻井安全非常重要，另外对钻头的失效分析、钻头的优化设计等方面也是一个不可或缺的信息。目前及将来大位移井和水平井是钻井行业的趋势，随着大位移井和水平井的日益增多，采用镙杆泵钻井的情况也越来越多，没有钻具(钻头)在井下钻井的转速测量是不可想象的事情。
因为井下操作的特殊性，钻具(钻头)的转动方向也是一个不容易掌握的参数，在钻具(钻头)正常钻进的情况下钻具(钻头)一般是单方向恒速转动，当井下发生遇卡、蹩钻等情况时，钻具(钻头)的转速要发生变化甚至反转。通过钻具(钻头)的转速和方向测量可及时了解井下信息，使技术人员及时采取相应对策以保证正常钻井和钻井施工的安全性。因为矿场钻井特别是石油钻井成本高，因此特别强调安全性。如果不及时准确了解井下信息，会导致灾难性的后果。另外作为钻具和钻头的生产者通过了解井下钻具和钻头转速可知道它们失效的原因及机理，由此可优化它们的设计和制造方案。
目前还没有能直观、准确地提供钻具(钻头)旋转速度、方向的测量方法和设备。
发明内容：
本发明的目的之一是要提供一种井下钻具(钻头)旋转速度和方向的测量方法，目的之二是提供一种根据上述井下钻具(钻头)旋转速度和方向的测量方法而研制的短节，以克服现有技术存在的非直观、不准确的问题。
为克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种井下钻具(钻头)旋转速度和方向的测量方法，它是在被测钻具(钻头)上或者被测钻具(钻头)上、下刚性联接的短节上设置两组磁通门组件，两组磁通门组件分别位于旋转面的90度弧度区域内的不同轴向垂线上，磁通门上测得的圆周变化磁场转变为圆周变化次数，单位时间内圆周变化次数便是圆周变化速率，也就是钻具(钻头)的旋转速度；同时两组磁通门组件发出的信号会有相位差，利用相位差即可判断两组磁通门组件的旋转顺序，也就可以确定转动方向。
上述磁通门组件通常设置于钻具(钻头)或短节的外套筒内。与其它常规组件的设置方式相同，只要有空间即可设置。
一种井下钻具(钻头)旋转速度和方向的测量用短节，包括空心的本体3，本体3的两端设置有内螺纹联接端1和外螺纹联接端6，本体3的外侧设置有无磁的外套筒2，在本体3与外套筒2之间设置有两组磁通门组件(4)和磁通门组件(5)，这两组磁通门组件(4)和磁通门组件(5)分别位于旋转面的90度弧度区域内的不同轴向垂线上。从而实现利用磁通门进行井下钻具(钻头)旋转速度和方向的测量。
上述磁通门组件(4)和磁通门组件(5)分别包括磁通门和控制采集存储模块。
上述本体3由无磁材料制成。
本发明填补了钻具(钻头)旋转速度和方向测量的空白，可以直观、准确地了解井下钻具(钻头)的转速和方向。众所周知，钻具(钻头)在正常的钻井过程中其转速和旋转方向是基本恒定的，但在常规的地面驱动的井下钻具(钻头)在钻井的过程中经常会遇到卡钻、蹩钻等影响安全钻井的情况，在镙杆泵驱动的钻井过程中，井下钻具(钻头)的正常钻井由于驱动装置故障或地质情况的变异也会受到破坏，钻具(钻头)转速是能直接反映钻井工作情况好坏的主要参数。
本发明的优点是：
1、成本低：充分利用自然界的磁能量来测量转速，测量成本低。
2、适用范围广：可适用于对各种井下工作的钻具转速进行测量，通过钻具(钻头)转速可以间接地了解井下工作信息，如钻具(钻头)的损坏、地质层的变化等，尤其适用于镙杆泵的钻具(钻头)钻速的测量。
3、结构简单：本发明方法实施容易，该方法所采用的磁通门组件是一种常用的设备，以前在钻探行业中常被用于进行钻具的方位的静态参数测量，在本发明中将其应用在钻具的转速的动态测量上，将其设置在任何的常规钻具(钻头)上或者被测的钻具(钻头)上下均可通过本发明的方法来实现测量。为了更进一步说明本发明方法的实施容易，在具体的结构方面本发明还特别提供了一种结构简单，容易制造加工的短节。
4、安全性高：由于结构简单，实施容易，不影响其他钻具钻井的安全。
附图说明：
图1是本发明的一个实施方法的原理示意图；
图2是测量原理示意图；
图3是本发明的另一个实施方法的原理示意图；
图4是测量原理示意图；
图5是应用实施例的结构示意图；
图6是图5的A-A剖视图。
附图标记说明如下：
1-内螺纹联接端；2-外套筒；3-本体；4-磁通门组件；5-磁通门组件，6-外螺纹联接端，7-电池。
具体实施方式：
下面将结合附图对本发明进行详细地说明。
本发明提供一种井下钻具(钻头)旋转速度和方向的测量方法，它是在被测钻具(钻头)上或者被测钻具(钻头)上、下刚性联接的短节上设置两组磁通门组件，两组磁通门组件分别位于旋转面的90度弧度区域内的不同轴向垂线上，磁通门上测得的圆周变化磁场转变为圆周变化次数，单位时间内圆周变化次数便是圆周变化速率，也就是旋转速度；同时两组磁通门组件发出的信号会有相位差，利用相位差即可判断两组磁通门组件的旋转顺序，也就可以确定转动方向。
上述磁通门组件的设置方式与其它常规组件的设置方式相同，只要有空间即可设置，通常设置于钻具(钻头)或短节的外套筒内。
实施例1，参见图1和图2。自然界中的磁场是按南北极方向分布，将两组磁通门组件安装到钻具(钻头)上，两组磁通门组件分别位于钻具(钻头)旋转面的90度弧度区域内的不同轴向垂线上，且位于不同的水平面上。钻具(钻头)旋转一周，对应磁通门组件测得的磁场信号显示为正弦波形，一个完整的波形即代表转动一周。由于设置有两组磁通门组件，这两组磁通门组件测得的磁场信号显示为两个正弦波形，但其速率是一致的。
由于两组磁通门组件发出的信号显示为两个正弦波形，这两个正弦波形会有相位差，利用相位差即可判断两组磁通门组件的旋转顺序，也就可以确定转动方向。在本实施例中，磁通门组件4超前磁通门组件5一定相位，根据磁通门组件4、磁通门组件5相位的超前和滞后信息，便可获得旋转方向信息。可以看到钻具(钻头)是按逆时针方向旋转的。
实施例2，参见图3和图4。自然界中的磁场是按南北极方向分布，将两组磁通门组件安装到一个与钻具(钻头)上部刚性联接的短节上，两组磁通门组件分别位于短节旋转面的90度弧度区域内的不同轴向垂线上，且位于一个水平面上。速度测量方法同实施例1。
与实施例1相同，利用相位差即可判断两组磁通门组件的旋转顺序，也就可以通过短节的转动方向确定钻具(钻头)的转动方向。在本实施例中，可以看到钻具(钻头)是按顺时针方向旋转的。
实施例3，参见图5和图6。一种井下钻具(钻头等)转速和方向的测量用短节，包括空心的本体3，本体3的两端设置有内螺纹联接端1和外螺纹联接端6，本体3的外侧设置有外套筒2，在本体3与外套筒2之间设置有两组磁通门组件(4)和磁通门组件(5)。两组磁通门组件(4)和磁通门组件(5)分别位于旋转面的90度弧度区域内的不同轴向垂线上，且位于不同的水平面上。从而实现利用磁通门进行井下钻具转速的测量。所说的磁通门组件(4)和磁通门组件(5)都包括磁通门、控制采集存储模块和电池7。整个短节均为无磁材料制成。控制采集存储模块按下井之前预先设置的工作制度(流程)将采集到的数据信息储存起来，待提钻后将短节取出进行数据回放至计算机中，供技术人员研究分析。如果钻井过程中采用了MWD(随钻测量***)，也可将井下采集的数据信息通过MWD适时传输到地面以供技术人员研究分析。
本实施例所提供的短节通常是在被测钻具(钻头)上或者其上、下刚性联接的常用短节上无空间设置磁通门组件时专门设计的。它作为一个短节，与被测钻具(钻头)之间采用刚性联接，其内部还可以设置其它测量设备，以便充分利用该短节的空间。
Claims (5)
1.一种井下钻具(钻头)旋转速度和方向的测量方法，它是在被测钻具(钻头)上或者被测钻具(钻头)上、下刚性联接的短节上设置两组磁通门组件，两组磁通门组件分别位于旋转面的90度弧度区域内的不同轴向垂线上，磁通门上测得的圆周变化磁场转变为圆周变化次数，单位时间内圆周变化次数便是圆周变化速率，也就是钻具(钻头)的旋转速度；同时利用两组磁通门组件发出的信号相位差即可判断两组磁通门组件的旋转顺序，也就可以确定转动方向。
2.根据权利要求1所述的一种井下钻具(钻头)旋转速度和方向的测量方法，其特征在于：所述磁通门组件通常设置于钻具(钻头)或短节的外套筒内。
3.根据权利要求1所述的一种井下钻具(钻头)旋转速度和方向的测量方法所采用的一种井下钻具(钻头)旋转速度和方向测量用短节，包括空心的本体(3)，本体(3)的两端设置有内螺纹联接端(1)和外螺纹联接端(6)，本体(3)的外侧设置有无磁的外套筒(2)，在本体(3)与外套筒(2)之间设置有磁通门组件(4)和磁通门组件(5)，磁通门组件(4)和磁通门组件(5)分别位于旋转面的90度弧度区域内的不同轴向垂线上。
4.根据权利要求3所述的一种井下钻具(钻头)旋转速度和方向测量用短节，其特征在于：所述磁通门组件(4)和磁通门组件(5)分别包括磁通门和控制采集存储模块。
5.根据权利要求3或4所述的一种井下钻具(钻头)旋转速度和方向测量用短节，其特征在于：所述本体(3)由无磁材料制成。
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