CN113482597A - 一种地质岩心钻探参数孔底自动监测装置 - Google Patents

一种地质岩心钻探参数孔底自动监测装置 Download PDF

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冯建宇
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杨勇
许杰
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Abstract

本发明公开了一种地质岩心钻探参数孔底自动监测装置。该装置包括：测量短节本体、电源模块和孔底钻进参数测量模块。测量短节本体，上端与钻杆连接，下端与钻头连接，内部中空，外壁中开设有测量槽。孔底钻进参数测量模块，密封于测量槽中，包括孔斜模块、转速模块、温度模块、钻压与扭矩模块、外环空压力模块、内环空压力模块中的至少一种。孔斜模块、转速模块、温度模块、钻压与扭矩模块、外环空压力模块、内环空压力模块分别用于测量孔斜、转速、孔底温度、孔底钻压和钻进扭矩、外环空压力和内环空压力。电源模块用于至少向孔底钻进参数测量模块提供电能。本发明实现了钻头处真实钻进参数的测量。

Description

一种地质岩心钻探参数孔底自动监测装置
技术领域
本发明涉及地质岩心钻探领域，特别是涉及一种地质岩心钻探参数孔底自动监测装置。
背景技术
地质钻探钻进过程中，需要进行钻压、转速、扭矩、环空冲洗液压力等参数监测，以便及时监控孔底钻进状况。当前采用传统的方法是在地表钻机、水泵等设备及泥浆循环***处采集各参数信息，且钻进过程中也无法采集近钻头处孔底温度、孔斜参数。由于钻孔的深度、孔身轨迹、钻孔结构和泥浆性能不同，地表所采集的各钻进参数难以反映孔底钻头处真实钻进参数状况，往往造成误判进而导致孔内事故或影响钻进效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够测量孔底钻头处真实钻进参数的地质岩心钻探参数孔底自动监测装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种地质岩心钻探参数孔底自动监测装置，包括：测量短节本体、电源模块以及孔底钻进参数测量模块；
所述测量短节本体，上端用于与钻杆连接，下端用于与钻头连接，内部中空，外壁中开设有测量槽；
所述孔底钻进参数测量模块，密封于所述测量槽中，包括孔斜模块、转速模块、温度模块、钻压与扭矩模块、外环空压力模块、内环空压力模块中的至少一种；
所述孔斜模块用于测量孔斜，所述转速模块用于测量转速，所述温度模块用于测量孔底温度，所述钻压与扭矩模块用于测量孔底钻压和钻进扭矩，所述外环空压力模块用于测量外环空压力，所述内环空压力模块用于测量内环空压力，所述外环空压力为外环空间的压力，所述内环空压力为内环空间的压力，所述外环空间为所述测量短节本体外壁与钻孔之间的空间，所述内环空间为所述测量短节本体内部空间的压力；
所述电源模块用于至少向所述孔底钻进参数测量模块提供电能。
可选的，还包括：随钻测量***，所述随钻测量***用于将所述孔底钻进参数测量模块采集到的参数信息传输至地面监控平台。
可选的，还包括：主控发射***，所述主控发射***用于将所述孔底钻进参数测量模块采集到的参数信息传输至所述随钻测量***。
可选的，还包括：通信接口和存储模块，所述存储模块用于存储所述孔底钻进参数测量模块采集到的所述参数信息，所述通信接口用于外部读取所述存储模块中的所述参数信息。
可选的，所述钻压与扭矩模块包括：四个应变片传感器，四个所述应变片传感器的中心位于所述测量短节本体的同一横截面上，相邻所述应变片传感器的中心到所述测量短节本体的中轴线的垂线相互垂直，且相邻所述应变片传感器的中心到所述测量短节本体的中轴线的距离相等。
可选的，任一所述应变片传感器包括用于测量孔底钻压的钻压应变片传感器和用于测量钻进扭矩的扭矩应变片传感器。
可选的，所述测量槽包括槽体、密封件和盖板，所述槽体通过所述密封件和所述盖板密封。
可选的，所述测量槽包括：孔斜模块测量槽、转速模块测量槽、温度模块测量槽、钻压与扭矩模块测量槽、外环空压力模块测量槽、内环空压力模块测量槽中的至少一种。
可选的，还包括泄压模块，所述泄压模块包括泄压槽、泄压通道以及泄压塞，所述泄压通道将所述测量槽与所述泄压槽连通，所述泄压塞塞住所述泄压槽。
可选的，所述电源模块以及所述主控发射***均密封于所述测量槽中。
根据本发明提供的具体实施例，公开了以下技术效果：本申请提供的地质岩心钻探参数孔底自动监测装置包括测量短节本体、电源模块以及孔底钻进参数测量模块。其中，所述测量短节本体，上端用于与钻杆连接，下端用于与钻头连接，外壁中开设有测量槽。所述孔底钻进参数测量模块，密封于所述测量槽中，包括孔斜模块、转速模块、温度模块、钻压与扭矩模块、外环空压力模块、内环空压力模块中的至少一种。所述孔斜模块用于测量孔斜，所述转速模块用于测量转速，所述温度模块用于测量孔底温度，所述钻压与扭矩模块用于测量孔底钻压和钻进扭矩，所述外环空压力模块用于测量所述测量短节本体的外环空压力，所述内环空压力模块用于测量所述测量短节本体的内环空压力。由于上述装置与钻头连接，并同钻头一同钻进，这样一来，设置于上述装置上的孔底钻进参数测量模块便可以实现钻头处真实钻进参数的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中地质岩心钻探参数孔底自动监测装置的结构示意图；
图2为图1的A-A剖面图；
图3为图1的B-B剖面图；
图4为本发明实施例中槽底应变片组的布置方式示意图。
1、测量短节本体，2、主控发射***；3、孔斜模块；4、盖板；5、转速模块；6、温度模块；7、插座；8、第一应变片传感器；9、泄压模块；10、第二应变片传感器；11、外环空压力模块；12、第三应变片传感器；13、通信接口；14、第四应变片传感器；15、内环空压力模块；16、电池仓；17、随钻测量***；31、磁通门传感器；32、主控处理电路板；33、加速度传感器；81、第一应变片组；82、第一应变片盖；83、第一O型圈；84、第一钻压与扭矩调理板；101、第二应变片组；102、第二应变片盖；103、第二O型圈；104、第二钻压与扭矩调理板；111、外环空压力传感器；112、第一压盖；113、第五O型圈；121、第三应变片组；122、第三应变片盖；123、第三O型圈；124、第三钻压与扭矩调理板；141、第四应变片组；142、第四应变片盖；143、第四O型圈；144、第四钻压与扭矩调理板；151、内环空压力传感器；152、第二压盖；153、第六O型圈。
具体实施方式
为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一无线通信模块和第二无线通信模块仅仅是为了区分不同的无线通信模块，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。
需要说明的是，本申请中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种能够测量孔底钻头处真实钻进参数的地质岩心钻探参数孔底自动监测装置。
参见图1-图3，本实施例提供的地质岩心钻探参数孔底自动监测装置包括：测量短节本体1、电源模块以及孔底钻进参数测量模块。该地质岩心钻探参数孔底自动监测装置应用于地质岩心钻探设备中。
其中，测量短节本体1的上端用于与地质岩心钻探设备的钻杆连接，下端用于与地质岩心钻探设备的钻头连接，外壁中开设有测量槽。
孔底钻进参数测量模块密封于上述测量槽中，且该孔底钻进参数测量模块包括孔斜模块3、转速模块5、温度模块6、钻压与扭矩模块、外环空压力模块11、内环空压力模块15中的至少一种。孔斜模块3用于测量孔斜，转速模块5用于测量转速，温度模块6用于测量孔底温度，钻压与扭矩模块用于测量孔底钻压和钻进扭矩，外环空压力模块11用于测量外环空压力，内环空压力模块15用于测量内环空压力。其中，外环空压力为外环空间的压力，内环空压力为内环空间的压力。外环空间为所述测量短节本体外壁与钻孔之间的空间，内环空间为所述测量短节本体内部空间的压力。外环空间和内环空间通过钻头上的泥浆通道连通。
电源模块用于至少向孔底钻进参数测量模块提供电能。需要说明的是，该电源模块可以向地质岩心钻探参数孔底自动监测装置中任一需要电能的器件供电，比如，除上述孔底钻进参数测量模块外，还可以向后文介绍的主控发射***2、随钻测量***17、存储模块、通信接口等供电。
上述地质岩心钻探参数孔底自动监测装置可实现钻头处钻压、扭矩、转速、内环空压力、外环空压力、孔底温度、孔斜7个参数的测量。
进一步的，在一些实施例中，上述地质岩心钻探参数孔底自动监测装置还包括：主控发射***2和随钻测量***17。主控发射***2用于将孔底钻进参数测量模块采集到的参数信息传输至随钻测量***17。随钻测量***17用于将孔底钻进参数测量模块采集到的参数信息传输至地面监控平台。如采用随钻监测，需装入随钻测量***，监控平台上的地表仪器即可接收孔底发射的参数信息，实现对孔底钻进参数的随时监测。
在一些实施例中，上述地质岩心钻探参数孔底自动监测装置还包括：通信接口13和存储模块，存储模块用于存储孔底钻进参数测量模块采集到的参数信息，通信接口13用于外部读取存储模块中存储的参数信息。
上述地质岩心钻探参数孔底自动监测装置设计了储存和随钻测量双功能作用。如不用随钻测量功能时，采用孔底参数储存方式，待起钻后，将通信接口13打开，与电脑连接即可取出或读出不同孔深和时间段的孔底参数数据即可。孔底参数储存数据取值间隔可人为设置，最小间隔为2秒，最大储存连续工作时长可达200小时。如采用随钻测量功能时，经孔底随钻测量***17，把参数通过泥浆正脉冲方式无线传输至地面监控平台，进行数据的解码显示，可实时显示孔底工况。
下面对上述涉及到的各模块进行具体介绍
上述孔底钻进参数测量模块、主控发射***2、电源模块等均安装分布在无磁测量短节本体1上。上述孔斜模块3、转速模块5、温度模块6、钻压与扭矩模块、外环空压力模块11、内环空压力模块15中，分别设有不同功能的传感器、芯片和数据采集信息***，各参数测量模块将测量信息传递给主控发射***；主控发射***主要承担通讯、实时时钟、储存、传感器数据采集与处理、无线发射等功能。电源模块为整个地质岩心钻探参数孔底自动监测装置中需要电能的器件供电。随钻测量***17安装在孔底测量装置上端无磁钻杆(或钻铤)内环中，接收和向地面发射参数信息。
上述测量短节本体1下端连接钻头(或钻具)，上端连接钻杆(或钻铤)。在测量短节本体1外环周开有多个槽，各参数测量模块、主控、供电***均安装在对应槽内，设有密封件，比如O型圈，用压盖或盖板4密封。密封性能达到140MPa，抗温性能达到175℃。
上述孔底钻进参数测量模块、主控发射***2、电源模块等均设在无磁不锈钢测量短节本体1的外环周内，并进行高度的密封处理。测量短节本体1内孔直径与绳索取心内管外径相匹配，可实现绳索取心钻进。
上述孔斜模块3设置有主控处理电路板32、三轴方向的高精度高温石英挠性加速度传感器33，采集三轴数据数据并拟合成孔斜数值。
依据实际钻井施工过程，在仪器串非转动时，静态井斜数据不进行更新，感应到转动振动后，通过485单元发送静态井斜数据。主控发射***2接收到静态井斜数据后，进行存储保存。
上述钻压与扭矩模块采用应变片传感器(第一应变片传感器8、第二应变片传感器10、第三应变片传感器12、第四应变片传感器14)来感应测量短节本体1的变形量，分别在测量短节本体1的外环周4个对称位置进行贴片，相邻的两个位置互为90°，具体的，四个应变片传感器的中心位于测量短节本体1的同一横截面上，相邻应变片传感器的中心到测量短节本体1的中轴线的垂线相互垂直，且相邻应变片传感器的中心到测量短节本体1的中轴线的距离相等。4个位置对应的应变片进行连线组成钻压、扭矩桥路，通过各自桥路上的应变片感应变形量，然后输出变化信号，信号经处理转换成钻压与扭矩数值。其中，应变片传感器包括应变片组，应变片组包括用于测量孔底钻压的钻压应变片传感器和用于测量钻进扭矩的扭矩变片传感器。其中，参见图4，钻压应变片传感器为单羽应变片，扭矩应变片传感器为双羽应变片。
钻压主要引起轴向和径向本体上的变化，因此在轴向和径向方向分别放置测量应变片。扭矩主要引起剪切方向上本体的变化，因此在剪切方向分别放置测量应变片。钻压、扭矩应变片分别组成惠斯通测量桥路，输出差分信号。差分信号通过信号调理板进行一级放大、电压偏移、滤波、二级放大处理后输出信号至主控发射***。主控发射***进行专门的AD模数处理，经过专门的比例公式、温漂公式、修正公式等最终得出钻压、扭矩输出数值。
上述转速模块5采用两轴磁阻传感器，两路信号经过放大，流入专用单片机进行比较处理，通过转速程序模型转换成直观的转速数值，并通过485总线传输至主控发射***。
上述温度模块6采用温度敏感芯片进行温度的采集和处理，此芯片是单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。输出信号至主控发射***，主控发射***进行专门的AD模数处理，经过专门的比例公式、修正公式等最终得出温度输出数值。
上述内环空压力模块15和外环空压力模块11分别安装在测量短节本体1外环周180°对称位置上(一个监测内环空压力，另一个监测外环空压力)。采用压力传感器测量内外环空液体压力，通过压力传感器内部电路应变片组成惠斯通测量桥路，输出差分信号，差分信号通过信号调理板进行一级放大、电压偏移、滤波、二级放大处理后输出信号至主控发射***2。主控发射***2进行专门的AD模数处理，经过专门的比例公式、温漂公式、修正公式等最终得出内、外环空压力输出数值。
上述地质岩心钻探参数孔底自动监测装置还包括泄压模块9，泄压模块9包括泄压槽、泄压通道以及泄压塞，泄压通道将测量槽与泄压槽连通，泄压塞塞住泄压槽。
需要说明的是，主控发射***、电源模块、转速模块5、温度模块6可以设置于同一测量槽中，电源模块也可以设置于另外的电池仓16中，该电池仓也为开设于测量短节本体1外壁中的槽。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种地质岩心钻探参数孔底自动监测装置，其特征在于，包括：测量短节本体、电源模块以及孔底钻进参数测量模块；
所述测量短节本体，上端用于与钻杆连接，下端用于与钻头连接，内部中空，外壁中开设有测量槽；
所述孔底钻进参数测量模块，密封于所述测量槽中，包括孔斜模块、转速模块、温度模块、钻压与扭矩模块、外环空压力模块、内环空压力模块中的至少一种；
所述孔斜模块用于测量孔斜，所述转速模块用于测量转速，所述温度模块用于测量孔底温度，所述钻压与扭矩模块用于测量孔底钻压和钻进扭矩，所述外环空压力模块用于测量外环空压力，所述内环空压力模块用于测量内环空压力，所述外环空压力为外环空间的压力，所述内环空压力为内环空间的压力，所述外环空间为所述测量短节本体外壁与钻孔之间的空间，所述内环空间为所述测量短节本体内部空间的压力；
所述电源模块用于至少向所述孔底钻进参数测量模块提供电能。
2.根据权利要求1所述的地质岩心钻探参数孔底自动监测装置，其特征在于，还包括：随钻测量***，所述随钻测量***用于将所述孔底钻进参数测量模块采集到的参数信息传输至地面监控平台。
3.根据权利要求2所述的地质岩心钻探参数孔底自动监测装置，其特征在于，还包括：主控发射***，所述主控发射***用于将所述孔底钻进参数测量模块采集到的参数信息传输至所述随钻测量***。
4.根据权利要求3所述的地质岩心钻探参数孔底自动监测装置，其特征在于，还包括：通信接口和存储模块，所述存储模块用于存储所述孔底钻进参数测量模块采集到的所述参数信息，所述通信接口用于外部读取所述存储模块中的所述参数信息。
5.根据权利要求1所述的地质岩心钻探参数孔底自动监测装置，其特征在于，所述钻压与扭矩模块包括：四个应变片传感器，四个所述应变片传感器的中心位于所述测量短节本体的同一横截面上，相邻所述应变片传感器的中心到所述测量短节本体的中轴线的垂线相互垂直，且相邻所述应变片传感器的中心到所述测量短节本体的中轴线的距离相等。
6.根据权利要求5所述的地质岩心钻探参数孔底自动监测装置，其特征在于，任一所述应变片传感器包括用于测量孔底钻压的钻压应变片传感器和用于测量钻进扭矩的扭矩应变片传感器。
7.根据权利要求1所述的地质岩心钻探参数孔底自动监测装置，其特征在于，所述测量槽包括槽体、密封件和盖板，所述槽体通过所述密封件和所述盖板密封。
8.根据权利要求1所述的地质岩心钻探参数孔底自动监测装置，其特征在于，所述测量槽包括：孔斜模块测量槽、转速模块测量槽、温度模块测量槽、钻压与扭矩模块测量槽、外环空压力模块测量槽、内环空压力模块测量槽中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的地质岩心钻探参数孔底自动监测装置，其特征在于，还包括泄压模块，所述泄压模块包括泄压槽、泄压通道以及泄压塞，所述泄压通道将所述测量槽与所述泄压槽连通，所述泄压塞塞住所述泄压槽。
10.根据权利要求3所述的地质岩心钻探参数孔底自动监测装置，其特征在于，所述电源模块以及所述主控发射***均密封于所述测量槽中。
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