CN109736781A - 一种井下小尺寸随钻定向测量探管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下小尺寸随钻定向测量探管，利用优化空间尺寸的电路、传感器、机械结构设计，实现外径小于等于35mm的随钻定向测量探管。本发明设计的随钻定向测量探管采用高精度传感器测量地球重力场和地磁场，从而确定钻具姿态及井眼轨迹。本发明增加了大量程传感器测量钻具的振动和冲击，用以确定作业状态提高井下安全。本发明采用两端带单芯插针的螺纹扣型接口，将供电和通信集成到一根总线，避免了多芯接头占用空间的问题。

Description

一种井下小尺寸随钻定向测量探管

技术领域

本发明涉及定向测量设备技术领域，具体涉及一种井下小尺寸随钻定向测量探管。

背景技术

随钻定向测量探管是一种典型的随钻测量设备，已在石油钻井开发中广泛应用。随钻定向测量探管通过测量地球重力场、地磁场确定钻具姿态，从而获得井眼轨迹，指导钻井作业。

目前主要使用的随钻定向测量探管的外径尺寸是44.5mm、48mm、50.8mm等等，这些随钻定向测量探管可以满足普通井眼尺寸的钻井作业要求。我国大多数油气田及油气资源已经处于开发中后期，深海、深层、山地、高含硫、低渗透的钻井环境，以及“高”(高温、高压)、“深”(深井)、“远”(大位移)、“薄”(薄油层)、“断”(小断块油区)等施工条件，使得油气田的勘探开发的难度越来越大。深井作业中井眼尺寸会逐步变小，原有随钻定向测量探管的外径尺寸过大，不能适用于小井眼(小于172mm)及超小井眼(小于120mm)的钻井作业。

基于以上分析，目前亟待提出一种小尺寸随钻定向测量探管，解决小井眼及超小经验钻井作业的轨迹测量问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种井下小尺寸随钻定向测量探管。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种井下小尺寸随钻定向测量探管，所述的探管包括下端接头1、下端插针结构2、保护筒3、定向传感器结构4、电路骨架5、上端插针结构6、上端接头7、传感器模块和电路板，其中，所述的定向传感器结构4和电路骨架5固定在保护筒3内的中部位置，所述的下端接头1和下端插针结构2、以及所述的上端插针结构6和上端接头7分别固定在保护筒3的两端，所述的传感器模块固定在定向传感器结构4上，所述的电路板固定在电路骨架5上；

上端接头7的上端插针卡入上端插针结构6中，下端接头1的下端插针卡入下端插针结构2中，上端插针1和下端插针2在探管内部用导线连通，

所述的电路板上集成有变压器，外部总线通过探管的电气连接接口接入变压器，外部总线为单芯总线，电路板上集成的探管电路通过变压器实现供电和通信信号的分离。

进一步地，所述的传感器模块包括用于测量重力加速度的第一MEMS传感器、用于测量振动的第二MEMS传感器、以及用于测量磁场的第三MEMS传感器。

进一步地，所述的电路板上集成有核心控制器、存储器芯片、实时时钟芯片、通信芯片，所述的核心控制器通过通信总线与传感器模块连接，并且分别与所述的存储器芯片、实时时钟芯片、通信芯片连接，所述的核心控制器按照一定的采样频率采集第一MEMS传感器、第二MEMS传感器、第三MEMS传感器的数据，同时读取实时时钟芯片的时间信息，将数据和时间信息组合并存储于存储器芯片中，核心控制器、在接收到外部总线的读取命令后将最新的测量数据通过通信芯片发出。

进一步地，所述的核心控制器在采集数据时，首先采集第二MEMS传感器的振动数据用于判断***的振动状态，如果振动数值超过合理振动范围，则核心处理器持续检测振动数值，直到数值达到合理范围后再启动第一MEMS传感器和第三MEMS传感器执行重力加速度和磁场测量。

进一步地，所述的上端接头7为带有单芯母插针的螺纹扣型，在螺纹扣型和外部螺纹配合时，内部的单芯母插针和外部公插针连通，实现机械和电气的同步连接。

进一步地，所述的下端接头1为带有单芯公插针的螺纹扣型，在螺纹扣型和外部螺纹配合时，内部的单芯公插针和外部母插针连通，实现机械和电气的同步连接。

进一步地，所述的保护筒3采用铍铜材料，直径为30-35mm，实现140MPa的耐压。

进一步地，所述的合理振动范围为0-5G，其中，G为地球重力加速度。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明利用优化空间尺寸的电路、传感器、机械结构设计，实现外径小于等于35mm的随钻定向测量探管。

2、本发明设计的随钻定向测量探管采用高精度传感器测量地球重力场和地磁场，从而确定钻具姿态及井眼轨迹。

3、本发明增加了大量程传感器测量钻具的振动和冲击，用以确定作业状态提高井下安全。

4、本发明采用两端带单芯插针的螺纹扣型接口，将供电和通信集成到一根总线，避免了多芯接头占用空间的问题。

附图说明

图1是本发明公开的井下小尺寸随钻定向测量探管的机械结构框图；

图2是本发明公开的井下小尺寸随钻定向测量探管的总线信号分离方式示意图；

图3是本发明公开的井下小尺寸随钻定向测量探管的插针连接图；

图4是本发明公开的井下小尺寸随钻定向测量探管的电路板连线示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例提供一种井下小尺寸随钻定向测量探管，可以适用于小井眼钻井作业，提高装配便利性和连接稳定性，根据井下作业环境智能执行定向测量。

如图1所示，探管的机械结构包括下端接头1、下端插针结构2、保护筒3、定向传感器结构4、电路骨架5、上端插针结构6、上端接头7、传感器模块和电路板，其中，定向传感器结构4和电路骨架5固定在保护筒3内的中部位置，下端接头1和下端插针结构2、以及上端插针结构6和上端接头7分别固定在保护筒3的两端，传感器模块固定在定向传感器结构4上，电路板固定在电路骨架5上。

探管的上端接头7为带有单芯母插针的螺纹扣型。在螺纹扣型和外部螺纹配合时，内部的单芯母插针可以和外部公插针连通。实现机械和电气的同步连接。探管的上端接头可以根据上部配合关系调整。

探管的下端接头1为带有单芯公插针的螺纹扣型。在螺纹扣型和外部螺纹配合时，内部的单芯公插针可以和外部母插针连通。实现机械和电气的同步连接。探管的下端接头可以根据下部配合关系调整。

探管的保护筒3采用铍铜材料，直径为30-35mm，可以保证140MPa的耐压。探管的保护筒3可以根据耐压要求改进厚度和直径。

探管的电路通过变压器实现供电和通信信号的分离。如图2所示，其中21为外部总线，22为内部电源电路，23为通信正极信号接收电路，24为通信负极信号接收电路，25为用于供电通信隔离的变压器。外部总线上的信号为耦合后的直流供电和交流通信信号。外部总线21上的信号通过探管的电气连接接口接入变压器25后，交流的通信信号全部加载在变压器25上，内部电源电路22处接收的是直流供电信号；变压器25上的交流通信信号被变压器25比例放大后由通信正极信号接收电路23和通信负极信号接收电路24接收，通信正极信号接收电路23和通信负极信号接收电路24接收到的仅有交流通信信号。该变压器固定在电路板上。

接入该探管的电气连接接口的外部总线21(以及图4中的外部总线48，实质上图2中的外部总线21和图4中的外部总线48均是指代同一外部总线)为单芯总线，即供电和通信集成到一根线的通信总线。该探管采用变压器实现单芯总线的电源和通信信号的分离。

如图3所示，探管的上端插针1和下端插针2在探管内部用导线直接连接。上端接头7的上端插针卡入上端插针结构6中，下端接头1的下端插针卡入下端插针结构2中，均使插针得到支撑和保护。探管的上端接头7和下端接头1均可连接其他仪器，探管可接入总线***的任意位置。

探管的电路组成如图4所示。其中41为核心控制器，可以采用单片机、DSP等芯片；42为测量重力加速度的第一MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)传感器；43为测量振动的第二MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)传感器；44为测量磁场的第三MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)传感器；49为传感器的通信总线，可以选择IIC、SPI等通用总线，也可以自行设计通信方式，采用单个总线挂接多个传感器可以减少电路复杂度，提高集成度；45为存储器芯片，可以选择FLASH或RM芯片实现；46为实时时钟芯片，为整个探管提供时间信息；47为通信芯片，是探管对外部的通信接口，由于整机采用单芯总线，所以通信芯片选择1553总线芯片实现；48为外部总线，是供电和对外传输数据的接口。

其中，该探管分别采用高精度的第一MEMS传感器和第三MEMS传感器测量地球重力场和地磁场，并计算得到钻具姿态和井眼轨迹。

其中，该探管采用大量程的第二MEMS传感器测量钻具振动和冲击，并根据振动和冲击状态智能执行定向测量。

整个电路可以划分为两部分，其中核心控制器41、存储器芯片45、实时时钟芯片46、通信芯片47集成在电路板上，固定在图1的电路骨架5中；第一MEMS传感器42、第二MEMS传感器43、第三MEMS传感器44集成为一个传感器模块，放于图1的定向传感器结构4中。通过合理的选型和优化，也可以将整个电路集成到一个模块，全部放置于图1的定向传感器结构4中。

核心控制器41按照一定的采样频率采集第一MEMS传感器42、第二MEMS传感器43、第三MEMS传感器44的数据，同时读取实时时钟芯片46的时间信息，将数据和时间信息组合并存储于存储器芯片45中。核心控制器41在接收到外部总线48的读取命令后会将最新的测量数据通过通信芯片47发出。核心控制器41在采集数据时，会先采集第二MEMS传感器43的振动数据，判断***的振动状态。如果核心控制器41发现振动数值超过了合理范围(合理范围为0-5G，G为地球重力加速度)，那么核心处理器41会持续检测振动数值，直到数值达到合理范围后再执行重力加速度和磁场测量。核心处理器41智能地监控振动数据，可以避免高振动下测量得到偏差大的数据。

该探管的上端接头7和下端接头1为带有单芯插针的螺纹扣型接口，采用插针式螺纹连接，该探管的耐温可以达到150℃，该探管的耐振动性能可以达到20G。

该探管的保护筒3为铍铜或不锈钢材质，耐压性能达到140MPa。

该探管的电气连接接口为单芯总线，即供电和通信集成到一根线的通信总线。

该探管采用变压器实现单芯总线的电源和通信信号的分离。

该探管的上端接头7和下端接头1直接连通，该探管可以直接连接其他仪器而不影响原***的接口关系。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种井下小尺寸随钻定向测量探管，其特征在于，所述的探管包括下端接头、下端插针结构、保护筒、定向传感器结构、电路骨架、上端插针结构、上端接头、传感器模块和电路板，其中，所述的定向传感器结构和电路骨架固定在保护筒内的中部位置，所述的下端接头和下端插针结构、以及所述的上端插针结构和上端接头分别固定在保护筒的两端，所述的传感器模块固定在定向传感器结构上，所述的电路板固定在电路骨架上；

上端接头的上端插针卡入上端插针结构中，下端接头的下端插针卡入下端插针结构中，上端插针和下端插针在探管内部用导线连通，

所述的电路板上集成有变压器，外部总线通过探管的电气连接接口接入变压器，外部总线为单芯总线，电路板上集成的探管电路通过变压器实现供电和通信信号的分离。

2.根据权利要求1所述的一种井下小尺寸随钻定向测量探管，其特征在于，所述的传感器模块包括用于测量重力加速度的第一MEMS传感器、用于测量振动的第二MEMS传感器、以及用于测量磁场的第三MEMS传感器。

3.根据权利要求2所述的一种井下小尺寸随钻定向测量探管，其特征在于，所述的电路板上集成有核心控制器、存储器芯片、实时时钟芯片、通信芯片，所述的核心控制器通过通信总线与传感器模块连接，并且分别与所述的存储器芯片、实时时钟芯片、通信芯片连接，所述的核心控制器按照一定的采样频率采集第一MEMS传感器、第二MEMS传感器、第三MEMS传感器的数据，同时读取实时时钟芯片的时间信息，将数据和时间信息组合并存储于存储器芯片中，核心控制器、在接收到外部总线的读取命令后将最新的测量数据通过通信芯片发出。

4.根据权利要求2所述的一种井下小尺寸随钻定向测量探管，其特征在于，所述的核心控制器在采集数据时，首先采集第二MEMS传感器的振动数据用于判断***的振动状态，如果振动数值超过合理振动范围，则核心处理器持续检测振动数值，直到数值达到合理范围后再启动第一MEMS传感器和第三MEMS传感器执行重力加速度和磁场测量。

5.根据权利要求1所述的一种井下小尺寸随钻定向测量探管，其特征在于，所述的上端接头为带有单芯母插针的螺纹扣型，在螺纹扣型和外部螺纹配合时，内部的单芯母插针和外部公插针连通，实现机械和电气的同步连接。

6.根据权利要求1所述的一种井下小尺寸随钻定向测量探管，其特征在于，所述的下端接头为带有单芯公插针的螺纹扣型，在螺纹扣型和外部螺纹配合时，内部的单芯公插针和外部母插针连通，实现机械和电气的同步连接。

7.根据权利要求1所述的一种井下小尺寸随钻定向测量探管，其特征在于，所述的保护筒采用铍铜材料，直径为30-35mm，实现140MPa的耐压。

8.根据权利要求4所述的一种井下小尺寸随钻定向测量探管，其特征在于，所述的合理振动范围为0-5G，其中，G为地球重力加速度。