CN114293978B - 一种带有数据监测功能的钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种带有数据监测功能的钻头，涉及石油钻井过程中井下测量工具设备，该钻头包括钻头本体和钻头短节，钻头本体固定连接在钻头短节的一端，钻头短节的外壁上开设有安装槽，安装槽内设有测量装置。本发明提出的带有数据监测功能的钻头，能够有效测量近钻头处的工程参数。

Description

一种带有数据监测功能的钻头

技术领域

本发明涉及石油钻井过程中井下测量工具设备，特别涉及一种带有数据监测功能的钻头。

背景技术

石油是重要能源，随着石油勘探的不断深入，地层结构也越来越复杂。在钻进过程中，井下的钻井工程参数的应用对井下故障诊断、地层分析、安全性预测和评价以及钻井技术的基础研究具有重要的工程价值。因此为了有效地防止井下工程事故发生，提高钻井效率与经济效益，钻井过程中对随钻测量仪器的要求越来越高。

日常钻井动态测量依赖于随钻测量工具获取数据，这些测量数据只提供随钻测量工具在底部钻具组合位置的数据，并不能提供井底作业钻头的数据，且测量位置距离钻头有一定的距离，钻头位置的振动信号会被严重衰减，造成记录数据的缺失或无效。

随着井深的增加，钻井事故以及复杂情况的故障发生率越来越高，会不同程度的发生卡钻、掉齿等钻井事故，这些事故的发生与近钻头处的工程参数密切相关。同时随着井下测量工具的发展，人们开始意识到近钻头工程参数包含了大量的反映井下钻头工作状态最有效的信息。

因此近钻头测量工具的设计对于更清晰的了解井下动态有着更好的效果。特别是对测量点距离钻头越近越好，为了获取准确的钻头运动状态，需要将测量工具尽量靠近钻头。然而目前国内的测量工具多以增加钻铤为主，测量工具布置在钻铤上距钻头距离远，同时由于受到钻井时狗腿度的限制，安装在钻头上方并且位于钻杆下方的近钻头短节的长度一般都不能过长。这将极大限制近钻头测量短节的结构设计，导致测量的信息不能有效的反应钻进过程中钻头的工作状态和工作性能

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种带有数据监测功能的钻头，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提出一种带有数据监测功能的钻头，能够有效测量近钻头处的工程参数。

为达到上述目的，本发明提出一种带有数据监测功能的钻头，其中，所述钻头包括钻头本体和钻头短节，所述钻头本体固定连接在所述钻头短节的一端，所述钻头短节的外壁上开设有安装槽，所述安装槽内设有测量装置。

如上所述的带有数据监测功能的钻头，其中，所述测量装置包括电路板和压力传感器，所述钻头短节的外壁上开设有至少两个所述安装槽，两个所述安装槽分别为第一安装槽第二安装槽，所述电路板和所述压力传感器电连接并分别设于所述第一安装槽和所述第二安装槽内，所述第一安装槽的槽口处盖设有用于封闭所述第一安装槽的第一盖板，所述第一盖板与所述钻头短节能拆卸地连接。

如上所述的带有数据监测功能的钻头，其中，所述压力传感器为温压一体传感器。

如上所述的带有数据监测功能的钻头，其中，所述钻头短节具有轴向贯通的导流腔，所述第二安装槽的底面具有与所述导流腔相连通的导流孔，所述压力传感器能够同时测量所述导流腔内的压力和所述钻头短节外的压力。

如上所述的带有数据监测功能的钻头，其中，所述压力传感器包括沿所述钻头短节的径向由外向内依次设置的第一挡圈、传感器压盖、第二挡圈、传感器压块、外压传感器、线束固定环和内压传感器。

如上所述的带有数据监测功能的钻头，其中，所述电路板包括微处理器、温度传感器、振动传感器、转速传感器和存储器。

如上所述的带有数据监测功能的钻头，其中，所述电路板外套设有电路板盒。

如上所述的带有数据监测功能的钻头，其中，所述测量装置还包括至少一个电池，所述钻头短节的外壁上还设有用于安装所述电池的两个第三安装槽，各所述电池对应设于所述第三安装槽内并与所述电路板和所述压力传感器电连接，各所述第三安装槽的槽口处盖设有用于封闭所述第三安装槽的第三盖板，各所述第三盖板与所述钻头短节能拆卸地连接。

如上所述的带有数据监测功能的钻头，其中，所述电池外套设有电池盒。

如上所述的带有数据监测功能的钻头，其中，

所述测量装置还包括至少三个应变片组，所述应变片组分别设于所述第一安装槽和两个所述第三安装槽内并与所述电路板电连接。

与现有技术相比，本发明具有如下特点和优点：

本发明提出的带有数据监测功能的钻头，钻头短节的侧壁内设有测量装置，而钻头短节固定焊接在钻头本体上，有效缩减测量工具距离钻头的距离，使得测量装置更加接近钻头本体，以测得钻头工作中更有效的工程参数，进而更准确的反应钻进过程中钻头的工作状态和工作性能。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明提出的带有数据监测功能的钻头的示意图。

图2为本发明中钻头短节的示意图。

图3为本发明中钻头短节的剖面图。

图4为本发明中电路板盒的分解图。

图5为本发明实施例中电池盒的分解图。

图6为本发明中压力传感器的分解图。

附图标记说明：

100、钻头； 10、钻头本体；

20、钻头短节； 21、导流腔；

31、第一安装槽； 32、第二安装槽；

33、第三安装槽； 41、第一盖板；

43、第三盖板；

51、电路板； 52、压力传感器；

521、第一挡圈； 522、传感器压盖；

523、第二挡圈； 524、传感器压块；

525、外压传感器； 526、线束固定环；

527、内压传感器； 53、电池；

54、电池盒； 541、电池盒体；

542、电池定位托； 543、电池固定盖；

544、插头固定盖； 55、电路板盒；

56、插头固定环。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能存在居中元件。

本发明提出一种带有数据监测功能的钻头100，如图1至图6所示，钻头100包括钻头本体10和钻头短节20，钻头本体10固定连接在钻头短节20一端，钻头短节20的外壁上开设有安装槽，安装槽内设有测量装置。

本发明提出的带有数据监测功能的钻头100，钻头短节20的侧壁内设有测量装置，测量装置用于测量多种工程参数，而钻头短节20固定焊接在钻头本体10上，使得测量装置更加接近钻头本体10，以测得钻头工作中更有效的工程参数，进而更准确的反应钻进过程中钻头的工作状态和工作性能。

本发明提出的带有数据监测功能的钻头100，利用钻头本体10上方原接头部分的可替换性，将具有测装置的钻头短节20直接焊接在钻头本体10上，钻头短节20的外壁上开槽安装测量装置，更加稳定牢固。

本发明提出的带有数据监测功能的钻头100，测量装置可有效的获得近钻头的工程参数，且功耗低，寿命长。

本发明提出的带有数据监测功能的钻头100，可通过监测井下多种工程参数来达到优化钻井方案的设计，提高钻井效率。

在本发明一个可选的实施方式中，测量装置包括电路板51和压力传感器52，钻头短节20的外壁上开设有至少两个安装槽，两个安装槽分别为第一安装槽31和第二安装槽32，电路板51和压力传感器52电连接并分别设于第一安装槽31和第二安装槽32内，第一安装槽31的槽口处盖设有用于封闭第一安装槽的第一盖板41，第一盖板41与钻头短节20能拆卸地连接。

在本发明一个可选的实施方式中，压力传感器52为温压一体传感器，既能测量压力又能同时测量温度，有效节省传感器布置空间。

在该实施方式一个可选的例子中，钻头短节20具有轴向贯通的导流腔21，第二安装槽32的底面设有与导流腔21相连通的导流孔，采用上述结构，压力传感器52能够同时测量导流腔21内和钻头短节20外的压力(即钻头内部压力和环空压力)。利用内外压差可以校正钻压，使得钻压测量更加准确，同时内外压力变化可以监测钻头水眼堵塞现象。

在本发明一个可选的实施方式中，压力传感器52包括沿钻头短节20的径向由外向内依次设置的第一挡圈521、传感器压盖522、第二挡圈523、传感器压块524、外压传感器525、线束固定环526和内压传感器527。具体的，内压传感器527安置在第二安装槽32的底部，外压传感器525安装在内压传感器527上方，利用线束固定环526来固定内压传感器527与外压传感器525的数据连接线。外压传感器525顶部用传感器压块524与第二挡圈523固定，使外压传感器525固定不可旋转。第二安装槽顶部用传感器压盖522通过第一挡圈521压紧密封，传感器压盖522上有一连通孔径，用于外压传感器525测量环控压力，第一挡圈521用于固定整个的压力传感器。上述稳固的传感器安装结构，以及特殊的传感器结构，使得钻头短节20在井下能测量准确有效的内外压力与温度参数，并以此来校正钻压，提高钻压测量准确性，同时可以监测钻头水眼堵塞现象。

在本发明一个可选的实施方式中，电路板51包括微处理器、温度传感器、振动传感器、转速传感器和存储器。微处理器可配置为不同的采样模式并根据时间来处理与储存来自温度传感器、振动传感器、转速传感器，以及钻压、扭矩、内外温压中的至少一个的信号，以使钻头100能在起钻后提取包含时间戳的记录数据。

在该实施方式一个可选的例子中，微处理器可通过高采样率实现对各传感器参数的测量与储存。

在该实施方式一个可选的例子中，电路板51外设有电路板盒55。电路板盒55用于安装和固定电路板51，以使电路板51的安装结构更为稳固，进而更有利于保护电路板以及测量更有效地工程参数。电路板51上还设有插头固定环56，用以固定插头开关。

在本发明一个可选的实施方式中，测量装置还包括至少两个电池53，钻头短节20的外壁上还设有用于安装电池53的两个第三安装槽33，两个电池53分别对应设于两个第三安装槽33内，各第三安装槽33的槽口处盖设有用于封闭第三安装槽33的第三盖板43，各第三盖板43与钻头短节20能拆卸地连接，且各电池53分别与电路板51和压力传感器52电连接，以供应测量装置更长时间的工作。

在该实施方式一个可选的例子中，电池53外套设有电池盒54。

在一个可选的例子中，电池盒54包括电池盒体541、电池定位托542、电池固定盖543和插头固定盖544。电池盒54用于承载电池；电池定位托542设于电池盒体541内并用于固定电池53的安装位置；电池固定盖543用于将电池53固定与电池盒体541内，以防止电池53脱落、滑移、短路；插头固定盖544用来固定电池引线插头与电路板引线插头，此设计方便更换电池53使用。电池盒54整体固定在第三安装槽33内，并利用第三盖板43来密封。

在本发明一个可选的实施方式中，测量装置还包括至少三个应变片组(未在图中示出)，三个应变片组分别设于第一安装槽31和两个第三安装槽33内并分别与电路板51电连接。，三个应变片组构成一套电桥，用来测量钻井过程中的钻压，扭矩载荷等参数。并且，由于应变片组安装于第一安装槽31或第三安装槽33内，无需额外开槽，充分利用了空间。

在该实施方式一个可选的例子中，各应变片组分别包括多个应变片，具体的，第一安装槽31的底面上设有四个应变片，以用于扭矩载荷测量；第一安装槽31的侧壁上也均匀分布的4个应变片，以用于钻压测量。

在一个可选的例子中，第三安装槽33内应变片组的结构和布置方式都与第一安装槽31内的应变片组一样。采用上述结构，第一安装槽31和两个第三安装槽33内共安装三组应变片，三组应变片构成两套电桥分别用于测量钻压、扭矩载荷。

本发明提出的带有数据监测功能的钻头100，一方面将具有测量装置的钻头短节20焊接固定在钻头本体10上方，替代钻头原始接头，从而使测量装置更加接近钻头，既不影响钻井过程中的造斜率，也能有效的获取钻头的工程参数以反应钻进过程中钻头的工作状态和工作性能。另一方面测量装置包括多种传感器，使得整个测量***能测得更多工程参数。再一方面钻头短节20上的电路板51的布置方式与电池53的布置方式，也使得测量过程更加稳定准确，且工作时间长，寿命长。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。

Claims (8)

1.一种带有数据监测功能的钻头，其特征在于，所述钻头包括钻头本体和钻头短节，所述钻头短节替代钻头原始接头，所述钻头本体固定连接在所述钻头短节的一端，所述钻头短节的外壁上开设有安装槽，所述安装槽内设有测量装置；

所述钻头短节的外壁上开设有至少两个所述安装槽，两个所述安装槽分别为第一安装槽第二安装槽；

所述测量装置包括电路板、压力传感器、以及应变片组；

所述电路板和所述压力传感器电连接并分别设于所述第一安装槽和所述第二安装槽内，所述应变片组与所述电路板电连接并设置在所述第一安装槽内；

所述钻头短节具有轴向贯通的导流腔，所述第二安装槽的底面具有与所述导流腔相连通的导流孔，所述压力传感器能够同时测量所述导流腔内的压力和所述钻头短节外的压力；

所述压力传感器包括沿所述钻头短节的径向由外向内依次设置的第一挡圈、传感器压盖、第二挡圈、传感器压块、外压传感器、线束固定环和内压传感器；所述外压传感器的顶部通过所述传感器压盖上开设的连通孔径与所述钻头短节的外侧空间相连通。

2.如权利要求1所述的带有数据监测功能的钻头，其特征在于，所述第一安装槽的槽口处盖设有用于封闭所述第一安装槽的第一盖板，所述第一盖板与所述钻头短节能拆卸地连接。

3.如权利要求2所述的带有数据监测功能的钻头，其特征在于，所述压力传感器为温压一体传感器。

4.如权利要求2所述的带有数据监测功能的钻头，其特征在于，所述电路板包括微处理器、温度传感器、振动传感器、转速传感器和存储器。

5.如权利要求4所述的带有数据监测功能的钻头，其特征在于，所述电路板外套设有电路板盒。

6.如权利要求2所述的带有数据监测功能的钻头，其特征在于，所述测量装置还包括至少两个电池，所述钻头短节的外壁上还设有用于安装所述电池的两个第三安装槽，各所述电池对应设于所述第三安装槽内并与所述电路板和所述压力传感器电连接，各所述第三安装槽的槽口处盖设有用于封闭所述第三安装槽的第三盖板，各所述第三盖板与所述钻头短节能拆卸地连接。

7.如权利要求6所述的带有数据监测功能的钻头，其特征在于，所述电池外套设有电池盒。

8.如权利要求7所述的带有数据监测功能的钻头，其特征在于，所述测量装置包括三个所述应变片组，三个所述应变片组分别设于所述第一安装槽和两个所述第三安装槽内并与所述电路板电连接。