CN118008267B - 一种一体式随钻测量工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气钻采井下工具技术领域，尤其涉及一种一体式随钻测量工具，它包括工具串，所述工具串包括由下至上依次连接的底部总成、脉冲器机械执行模块、一体式电子测量与控制模块、电池模块、减振模块和打捞头模块，所述一体式电子测量与控制模块包括由上至下依次连接的磁耦合器、动力输出轴、电机与电子控制单元、集成测量单元、接头和锁紧装置，所述集成测量单元包括骨架、缓冲组件和用于测量随钻参数的测量模块。本发明通过缩短测量仪器的整体长度，进而缩短测量单元与钻头之间的距离，能够及时且快速反映钻遇位置的相关信息；利用缓冲组件对测量模块环绕设置，能够有效降低随钻测量过程中的振动，进而保护了测量模块的电路部分。

Description

一种一体式随钻测量工具

技术领域

本发明涉及油气钻采井下工具技术领域，尤其涉及一种一体式随钻测量工具。

背景技术

无线随钻测量(Measurement While Drilling简称MWD)工具，是石油勘探定向钻进中一种先进的技术手段，可以在钻进的同时测量到井底各种地层信息，并将信息即刻传送到地面的过程。随着近年石油勘探开发的大斜度井、水平井和超深井的增多，无线随钻测量工具的应用频率也越来越高。

由于石油勘探工作环境的特殊性以及国家对于能源保障的需求，随钻测量工具在运输便捷性、现场操作简易性、运行的高可靠性及测点更靠近井底这些技术方面迫切需要再上一个台阶，以满足近年高温深井、高难度井开发的趋势。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种一体式随钻测量工具。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种一体式随钻测量工具，包括工具串，所述工具串包括底部总成、脉冲器机械执行模块、一体式电子测量与控制模块、电池模块、减振模块和打捞头模块，所述底部总成、脉冲器机械执行模块、一体式电子测量与控制模块、电池模块、减振模块和打捞头模块由下至上依次通过航空插头连接，所述一体式电子测量与控制模块包括由上至下依次连接的磁耦合器、动力输出轴、电机与电子控制单元、集成测量单元、接头和锁紧装置，所述集成测量单元包括骨架、缓冲组件和用于测量随钻参数的测量模块，所述骨架呈中空圆柱状，所述缓冲组件设置于骨架的内腔壁上，所述测量模块通过连接件与缓冲组件连接。

进一步的，所述缓冲组件包括四组缓冲部件和设置于接头内的弹簧件，四组所述缓冲部件环绕测量模块设置，任意一组所述缓冲部件包括两个弹性件和三根受力杆，所述弹性件与受力杆交替连接，所述接头内还设置有抵接板，所述抵接板位于弹簧件朝向骨架的一侧，所述接头和骨架上设置有供受力杆贯穿的插孔，所述骨架内位于接头一侧的受力杆穿过插孔与抵接板连接。骨架和接头的相邻端固定连接，其中受力杆可通过插孔活动于骨架和接头内。测量模块的轴线与骨架的轴线重叠，骨架内设置有供测量模块两端的活动空间，此时测量模块在连接件的连接下，通过弹性件以及弹簧件的缓冲可释放冲撞力，避免对测量模块中的精密仪器产生较大振动。

进一步的，所述骨架内壁还布置有供受力杆活动的导向槽，所述导向槽与骨架的轴线平行布置，所述导向槽上还设置有朝向骨架轴线的开口，位于两个弹性件之间的受力杆通过连接件与测量模块连接。受力杆的外径小于导向槽的内径，受力杆可沿导向槽滑动。在钻头处受到阻力时，受力杆沿长轴方向移动而不会产生晃动。

进一步的，所述弹性件呈波浪状弯曲，所述弹性件的中心开设有V型开口，所述弹性件的两端设置有供受力杆插接的插接座。受力杆通过插接座与弹性件插接连接，当骨架沿长边受冲击力时，即为x轴方向受力，弹性件的长边受力压缩；当骨架受侧面泥浆压力时，即为y轴方向或z轴方向受力，弹性件的短板受力压缩，通过弹性形变释放直接对测量模块的冲击力。

进一步的，所述电机与电子控制单元电连接，所述电子控制单元通过采集测量模块的数据，通过计算和编码，控制电机按照指令工作，再通过动力输出轴和磁耦合器将动力传递给脉冲器机械执行模块，继而发出脉冲。电子控制单元通过采集测量模块的数据，并对这些数据进行计算和编码，根据预设的算法和逻辑来控制电机的工作状态。电子控制单元接收到来自测量模块的数据后，根据预设的控制逻辑和算法进行分析和处理。根据这些数据，电子控制单元发出相应的指令给电机，控制其转速、方向等参数，以实现预期的工作状态。一旦电机按照电子控制单元的指令开始工作，动力输出轴就会旋转。动力输出轴与磁耦合器之间建立磁耦合，将动力传递给磁耦合器。磁耦合器将动力从电机传递到脉冲器机械执行模块，使其能够产生脉冲信号。

进一步的，所述测量模块包括脉冲器电子驱动模块、定向探管、振动监测模块和伽马控制模块，所述脉冲器电子驱动模块、定向探管、振动监测模块和伽马控制模块分别与电子控制单元电连接。脉冲器电子驱动模块、定向探管、振动监测模块和伽马控制模块通过安装架一体式固定安装，且安装架与连接件连接。脉冲器电子驱动模块负责控制脉冲器的发射和频率调节，通过与电子控制单元电连接，以接收控制信号和供电，确保了电子控制单元有效地控制脉冲器的工作状态和输出频率，以便在钻井过程中准确地记录和传输测量数据；定向探管用于测量钻井过程中的井斜和方位等参数；振动监测模块用于监测工具串在钻井过程中的振动情况，以评估钻进过程的稳定性和工具磨损情况，为钻井操作提供实时的振动状态监测和分析；伽马控制模块用于监测地层中的伽马射线强度，以识别地层类型和地层结构。

进一步的，所述工具串外套接有套筒，所述套筒呈圆柱状且内设有容纳腔，所述工具串固定于容纳腔中。工具串上套装有扶正器，扶正器对工具串起着支撑居中的作用。扶正器包括内环、外环以及连接在内环与外环之间的肋条，内环内部形成有固定工具串的固定通道，外环与套筒内壁抵接，内环与外环之间形成泥浆通道。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过缩短测量仪器的整体长度，进而缩短测量单元与钻头之间的距离，能够及时且快速反映钻遇位置的相关信息，规避信息滞后和测量准确性不足等问题；

2、本发明通过一体式设计可优化模块组成部分的连接和组装步骤，降低连接模块之间的故障率，便于运输和现场操作，提高施工效率；

3、本发明利用缓冲组件对测量模块环绕设置，能够有效降低随钻测量过程中的振动，进而在三个坐标方向保护了测量模块的电路部分。

附图说明

图1是本发明的平面结构示意图；

图2是一体式电子测量与控制模块的结构示意图；

图3是集成测量单元与接头的剖面示意图；

图4是弹性件的结构示意图；

图5是骨架的截面示意图；

图6是实施例三中接头的剖面示意图；

附图标识：1-底部总成、2-脉冲器机械执行模块、3-一体式电子测量与控制模块、4-电池模块、5-减振模块、6-打捞头模块、7-磁耦合器、8-动力输出轴、9-电机与电子控制单元、10-集成测量单元、11-接头、12-锁紧装置、13-骨架、14-测量模块、15-连接件、16-弹簧件、17-弹性件、18-受力杆、19-抵接板、20-导向槽、21-V型开口、22-插接座、23-齿条、24-齿轮。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一，如图1-5所示，本发明公开的一种一体式随钻测量工具，包括工具串，所述工具串包括底部总成1、脉冲器机械执行模块2、一体式电子测量与控制模块3、电池模块4、减振模块5和打捞头模块6，所述底部总成1、脉冲器机械执行模块2、一体式电子测量与控制模块3、电池模块4、减振模块5和打捞头模块6由下至上依次通过航空插头连接，所述一体式电子测量与控制模块3包括由上至下依次连接的磁耦合器7、动力输出轴8、电机与电子控制单元9、集成测量单元10、接头11和锁紧装置12，所述集成测量单元10包括骨架13、缓冲组件和用于测量随钻参数的测量模块14，所述骨架13呈中空圆柱状，所述缓冲组件设置于骨架13的内腔壁上，所述测量模块14通过连接件15与缓冲组件连接。

具体的，底部总成1、脉冲器机械执行模块2、一体式电子测量与控制模块3、电池模块4、减振模块5和打捞头模块6通过航空接头内螺纹连接，且彼此之间设有密封圈，密封圈用于密封连接处的缝隙，通过承受外部泥浆压力，从而对内部组件起到保护作用。这意味着动力输出轴8的一端与磁耦合器7的一端之间存在磁耦合效应，使得它们能够传输动力信号，而无需直接物理连接。磁耦合器7通常由磁性材料制成，通过磁场将能量传输到动力输出轴8，从而实现了两者之间的连接。动力输出轴8和电机与电子控制单元9之间采用机械连接方式，如轴承、联轴器等。这种连接方式旨在将电机的旋转动力传递到动力输出轴8，使其能够实现旋转运动。同时，电子控制单元负责控制电机的工作，通过接收来自测量模块14的信号并进行处理，然后向电机发送相应的控制信号，以实现对工具串的控制。电子控制单元通过接收来自测量模块14的信号，对这些信号进行处理。接头11可下端与其他钻井设备或管柱相连接，通过锁紧装置12进行固定。

所述缓冲组件包括四组缓冲部件和设置于接头11内的弹簧件16，四组所述缓冲部件环绕测量模块14设置，任意一组所述缓冲部件包括两个弹性件17和三根受力杆18，所述弹性件17与受力杆18交替连接，所述接头11内还设置有抵接板19，所述抵接板19位于弹簧件16朝向骨架13的一侧，所述接头11和骨架13上设置有供受力杆18贯穿的插孔，所述骨架13内位于接头11一侧的受力杆18穿过插孔与抵接板19连接。具体的，骨架13和接头11的相邻端固定连接，其中受力杆18可通过插孔活动于骨架13和接头11内。测量模块14的轴线与骨架13的轴线重叠，当钻头受阻力停止时，工具串的前进惯性会使得测量模块14向前冲击，骨架13内设置有供测量模块14两端的活动空间，此时测量模块14在连接件15的连接下，通过弹性件17以及弹簧件16的缓冲可释放冲撞力，避免对测量模块14中的精密仪器产生较大振动。而泥浆以及地下的土壤压力可对骨架13壁产生压力，通过弹性件17的竖直方向发生形变释压，可减少侧向对测量模块14的压力。通过将测量模块14设置于缓冲部件所包围的中心，可在任意方向受冲击或地下压力时保护精密器件。

所述骨架13内壁还布置有供受力杆18活动的导向槽20，所述导向槽20与骨架13的轴线平行布置，所述导向槽20上还设置有朝向骨架13轴线的开口，位于两个弹性件17之间的受力杆18通过连接件15与测量模块14连接。具体的，导向槽20在骨架13的截面上等间距布置，受力杆18的外径稍小于导向槽20的内径，受力杆18可沿导向槽20滑动。在钻头处受到阻力时，受力杆18沿长轴方向移动而不会产生晃动，可保证测量模块14的稳定性。

如图4所示，所述弹性件17呈波浪状弯曲，所述弹性件17的中心开设有V型开口21，所述弹性件17的两端设置有供受力杆18插接的插接座22。具体的，受力杆18通过插接座22与弹性件17插接连接，如图3可知，任意一组缓冲部件由左至右分别是受力杆18、弹性件17、受力杆18、弹性件17、受力杆18、抵接板19和弹簧件16，其中最左侧的受力杆18固接于骨架13内壁，任意一组缓冲部件安装好时，受力杆18处于未压缩和拉伸状态。当骨架13沿长边受冲击力时，即为x轴方向受力，弹性件17的长边受力压缩；当骨架13受侧面泥浆压力时，即为y轴方向或z轴方向受力，弹性件17的短板受力压缩，通过弹性形变释放直接对测量模块14的冲击力。

所述电机与电子控制单元9电连接，所述电子控制单元通过采集测量模块14的数据，通过计算和编码，控制电机按照指令工作，再通过动力输出轴8和磁耦合器7将动力传递给脉冲器机械执行模块2，继而发出脉冲。具体的，电子控制单元通过采集测量模块14的数据，其中包括来自脉冲器电子驱动模块、定向探管、振动监测模块和伽马控制模块的数据。然后，电子控制单元对这些数据进行计算和编码，并根据预设的算法和逻辑来控制电机的工作状态。电子控制单元接收到来自测量模块14的数据后，根据预设的控制逻辑和算法进行分析和处理。根据这些数据，电子控制单元发出相应的指令给电机，控制其转速、方向等参数，以实现预期的工作状态。一旦电机按照电子控制单元的指令开始工作，动力输出轴8就会旋转。然后，动力输出轴8与磁耦合器7之间建立磁耦合，将动力传递给磁耦合器7。磁耦合器7将动力从电机传递到脉冲器机械执行模块2，使其能够产生脉冲信号。这个过程确保了电机通过电子控制单元的控制，将动力传递给脉冲器，从而实现了测量工具的正常运行和脉冲信号的生成。其中磁耦合设计很好的解决了机械传动***润滑油***与电子***的液电隔绝问题，有利于一体化的实现。“一体式电子测量与控制模块”选用新一代的电子元器件，体积更小、功能更强，同时辅以“亥姆霍兹线圈”等高精度标定***，使得工具在一体化的同时，还能保障相关测量精度达到行业标准。

所述测量模块14包括脉冲器电子驱动模块、定向探管、振动监测模块和伽马控制模块，所述脉冲器电子驱动模块、定向探管、振动监测模块和伽马控制模块一体成型且分别与电子控制单元电连接。具体的，脉冲器电子驱动模块、定向探管、振动监测模块和伽马控制模块通过安装架一体式固定安装，且安装架与连接件15连接。脉冲器电子驱动模块负责控制脉冲器的发射和频率调节，通过与电子控制单元电连接，以接收控制信号和供电，确保了电子控制单元有效地控制脉冲器的工作状态和输出频率，以便在钻井过程中准确地记录和传输测量数据；定向探管用于测量钻井过程中的井斜和方位等参数；振动监测模块用于监测工具串在钻井过程中的振动情况，以评估钻进过程的稳定性和工具磨损情况，为钻井操作提供实时的振动状态监测和分析；伽马控制模块用于监测地层中的伽马射线强度，以识别地层类型和地层结构。通过将测量模块14一体设计于一体式电子测量与控制模块3内，使得测量点更加靠近钻头，缩短测量点与钻头之间距离达到1m以内，避免传感器组件测得的钻井数据滞后，从而保证仪器测量的准确性。

所述工具串外套接有套筒，所述套筒呈圆柱状且内设有容纳腔，所述工具串固定于容纳腔中。具体的，工具串上套装有扶正器，扶正器对工具串起着支撑居中的作用。扶正器包括内环、外环以及连接在内环与外环之间的肋条，内环内部形成有固定工具串的固定通道，外环与套筒内壁抵接，内环与外环之间形成泥浆通道。

实施例二，在实施例一的基础上，本实施例提出了一种一体式随钻测量工具，所述测量工具的具体实施流程还包括:

工具串内设有接通地面的电缆，电缆通过转换接头与电池模块4连接，电池模块4将电量传输的电压转换为电炉所需的电压，用于给测量模块14上的脉冲器电子驱动模块、定向探管、振动监测模块和伽马控制模块供电。测量模块14将采集的信号通过传感器将井斜、方位、工具面、温度、磁场强度等井下参数的电信号发送到信号处理模块，信号处理模块将信号按传输协议进行编码后通过信号传输模块传输至上位机。上位机的接收天线以同样的方式接收信号，并通过识别、校验、解码等一系列操作将钻井数据传递给地面，完成钻井数据的无线跨传。

相较于传统的硬性连接的减震结构，测量电路与减震器之间属于硬性连接，由于振动本身可发生碰撞撞击，进而对测量***的电路结构造成损伤甚至损坏，影响了随钻测量仪的使用寿命，存在一定的缺陷。本申请方案通过弹性件17的结构设置，实现三个方向的减震组合，可以在钻进的过程由弹簧件16和弹性件17共同消除来自钻具纵向的震动，在骨架13内、测量模块14的两端留有间隙，即使当钻具与井壁或石块发生碰撞，留出的间隙也会将碰撞产生的震动大幅削减。经过多次试验，本申请的减振设计可削弱检测元件振动的50％以上，可有效的保护测量模块14中的精密电子元器件，从而保证钻井过程中井下信号可靠的分段传输。

相较于传统的工具串，长度通常超过10米，本申请方案大大缩短了工具串的长度至4米，测量模块14电距离底部总成1缩短为1米内，且该设计还可以减少约90%的接头连接导致的故障。

实施例三，在实施例一的基础上，本实施例提出了一种可操控的接头，具体结构原理如下：

如图6所示，所述接头11的内壁沿长边设置有齿条23，所述抵接板19内设置有由电机控制的齿轮24、微控制器和无线传输模块。所述抵接板19的两侧均布置有齿轮24，所述齿轮24由步进电机控制，齿轮24与齿条23齿接，所述步进电机通过微控制器与无线传输模块电连接，所述无线传输模块以无线信号的形式与地面的无线传输控制模块连接。

通过控制齿轮24的转动方向，可控制抵接板19的行进方向。当钻头钻至硬质石块或无法穿越的土壤层时，通过无线控制抵接板19朝向弹簧件16的一侧移动。由于地面端停止输送套筒，且套筒后端受到牵引力，当骨架13和接头11靠近时，接头11向骨架13一侧移动，从而带动钻头回缩，并通过方向的改变来绕行无法通行区域。通过单一模块的控制，即可实现钻头的偏转调离，无需将整体向地面抽出。既可缩短施工时长，还可提高施工效率。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种一体式随钻测量工具，其特征在于：包括工具串，所述工具串包括底部总成（1）、脉冲器机械执行模块（2）、一体式电子测量与控制模块（3）、电池模块（4）、减振模块（5）和打捞头模块（6），所述底部总成（1）、脉冲器机械执行模块（2）、一体式电子测量与控制模块（3）、电池模块（4）、减振模块（5）和打捞头模块（6）由下至上依次通过航空插头连接，所述一体式电子测量与控制模块（3）包括由上至下依次连接的磁耦合器（7）、动力输出轴（8）、电机与电子控制单元（9）、集成测量单元（10）、接头（11）和锁紧装置（12），所述集成测量单元（10）包括骨架（13）、缓冲组件和用于测量随钻参数的测量模块（14），所述骨架（13）呈中空圆柱状，所述缓冲组件设置于骨架（13）的内腔壁上，所述测量模块（14）通过连接件（15）与缓冲组件连接，所述缓冲组件包括四组缓冲部件和设置于接头（11）内的弹簧件（16），四组所述缓冲部件环绕测量模块（14）设置，任意一组所述缓冲部件包括两个弹性件（17）和三根受力杆（18），所述弹性件（17）与受力杆（18）交替连接，所述接头（11）内还设置有抵接板（19），所述抵接板（19）位于弹簧件（16）朝向骨架（13）的一侧，所述接头（11）和骨架（13）上设置有供受力杆（18）贯穿的插孔，所述骨架（13）内位于接头（11）一侧的受力杆（18）穿过插孔与抵接板（19）连接。

2.根据权利要求1所述的一种一体式随钻测量工具，其特征在于：所述骨架（13）内壁还布置有供受力杆（18）活动的导向槽（20），所述导向槽（20）与骨架（13）的轴线平行布置，所述导向槽（20）上还设置有朝向骨架（13）轴线的开口，位于两个弹性件（17）之间的受力杆（18）通过连接件（15）与测量模块（14）连接。

3.根据权利要求1所述的一种一体式随钻测量工具，其特征在于：所述弹性件（17）呈波浪状弯曲，所述弹性件（17）的中心开设有V型开口（21），所述弹性件（17）的两端设置有供受力杆（18）插接的插接座（22）。

4.根据权利要求1所述的一种一体式随钻测量工具，其特征在于：所述电机与电子控制单元（9）电连接，电子控制单元通过采集测量模块（14）的数据，通过计算和编码，控制电机按照指令工作，再通过动力输出轴（8）和磁耦合器（7）将动力传递给脉冲器机械执行模块（2），继而发出脉冲。

5.根据权利要求4所述的一种一体式随钻测量工具，其特征在于：所述测量模块（14）包括脉冲器电子驱动模块、定向探管、振动监测模块和伽马控制模块，所述脉冲器电子驱动模块、定向探管、振动监测模块和伽马控制模块分别与电子控制单元电连接。

6.根据权利要求1所述的一种一体式随钻测量工具，其特征在于：所述工具串外套接有套筒，所述套筒呈圆柱状且内设有容纳腔，所述工具串固定于容纳腔中。