一种机械无线随钻井斜测量仪.pdf

本发明公开一种油气井钻井用井下机械无线随钻井斜测量仪，它由齿式测量装置、脉冲发生装置和筒体等组成。脉冲发生在齿式测量装置的上端，通过筒体内齿条相连。当测量井斜时，泥浆泵关闭，齿式测量装置随支架在加重块重力作用下转动而转动，直到重力势能最小。此过程中井斜角经增速齿轮组装置放大并由齿条转变成脉冲轴的位移量。再开泵，位移量由脉冲发生装置转变成与井斜角一一对应的脉冲数，通过钻井液介质传达到地面，从而准确稳定地完成井斜的无线随钻测量。它具有结构简单，体积小，操作方便，应用广泛，可适应高温高压深井、超深井地层环境的井斜测量和井身质量控制；测量角度范围大，精度高等优点，确保快速精确地随钻测量井斜角，能够应用于定向井、水平井、大位移井和分支井的井眼轨迹测量和控制工程。

1.  一种机械无线随钻井斜测量仪，由齿式测量装置(11)、脉冲发生装置(6)和筒体(9)等组成，其特征在于，所述的脉冲发生装置(6)在仪器的最上端，通过筒体(9)内的齿条(21)与齿式测量装置(11)相连；齿条(21)的上端与脉冲轴(6)的下端相连，齿其下端与外齿(22)啮合；支架(12)上端与筒体(9)通过上转动轴承(10)相连，其下端与下转动轴承(14)相连。

2.  根据权利要求1所述的一种机械无线随钻井斜测量仪，其特征在于齿式测量装置(11)由饼摆外壳(16)、增速齿轮组装置(17)、钢板(19)和支架(12)等组成；饼摆外壳(16)的一部分含有重金属加重块，其它部分为空心壳体；饼摆外壳(16)内侧半圆为半圆弧齿(20)，从重心开始，到饼摆内侧圆经过该重心的直径所穿过的另一点，另一半圆无齿；增速齿轮组装置(17)由一系列直径不同的齿轮构成；齿轮均固定在钢板(19)上，支架(12)支撑着饼摆外壳(16)。

3.  根据权利要求2所述的一种机械无线随钻井斜测量仪，其特征在于齿式测量装置(11)中增速齿轮组装置(17)的最后一级齿轮在测量装置的外边，增速齿轮组装置的第一个齿轮与半圆弧齿(20)啮合，饼摆外壳(16)的加重部分一直处于重力势能最底的位置。

4.  根据权利要求1所述的一种机械无线随钻井斜测量仪，其特征在于筒体(9)内有齿条(21)，齿条(21)的上端与脉冲轴(5)的下端相连，齿其下端与外齿(22)啮合。

5.  根据权利要求1和权利要求4所述的一种机械无线随钻井斜测量仪，其特征在于筒体(9)内部齿条(21)的上端与脉冲轴(5)下端相连，齿条(21)为Z字型。

6.  根据权利要求2和权利要求4所述的一种机械无线随钻井斜测量仪，其特征在于支架(12)的上端通过上转动轴承(10)与筒体(9)相连，其下端通过下转动轴承(14)与支座(15)相连，齿式测量装置(11)内重金属加重块(18)的重心位于支架(12)的轴中心。

一种机械无线随钻井斜测量仪
技术领域
本发明属于石油天然气勘探开发中钻井工程领域，是一种用于测量油气井井斜的测量工具。
技术背景
井斜测量仪器是油气井钻井工程中应用广泛且必需工具。随着钻井技术发展，各种井斜测量仪器不断出现，目前现场使用的井斜测量仪器主要有照相式、电子式和机械式。照相式井斜测量仪器由于操作难、精度低，现场应用逐渐减少。电子式井斜测量仪器用于不同场合目的，其中电子单点井斜测量仪器是一种现场应用广泛的直井测斜仪器，但使用条件受井深、温度、钻井液性能等影响，测量时间长，且不能应用于随钻测量。现在机械式机械测量仪器受到重视，现有的机械式井斜测量仪器结构复杂、精度低。目前国外仪器有0.25°、0.5°和1.0°三种精度。中国专利公开号CN200510042035.2，公开日2005年7月27日，发明创造的名称为机械式无线随钻测斜仪，该申请案公开了“一种石油钻井用井下机械式无线随钻测斜仪，它由测量机构、控制机构、脉冲发生装置、阻尼装置、平衡活塞和壳体等组成。仪器有一个与外界隔开的密封壳体，内部充满润滑油，测量机构、控制机构和阻尼装置在壳体内。它具有结构简单，使用方便，使用范围广，测量结果稳定等优点。”从公开内容看，其不足之处是其精度为0.5°，而且其液压油在高温情况下受热膨胀将弹簧压并，活塞杆不能移动，直接导致仪器不能工作或信号误差大；另外，其井斜角测量范围小，井斜角超出测量范围时，需要调节角度范围调节套和角度调节环。随着石油天然气勘探开发的不断发展，深井、超深井钻井日益增多，钻井地层环境更加恶劣，对井身质量要求标准更高，这就要求对井斜控制更加严格；另一方面，随钻钻井技术的不断进步，定向井、水平井、大位移井及分支井等特殊工艺井钻井技术应用也日趋广泛，这些特殊工艺井要求进行包括井斜控制在内的井眼轨迹控制，才能精确完成井眼几何或地质导向，最终实现地质中靶，实现良好的单井产量和油田整体开发效益。上述技术领域对井斜测量的要求更高，目前的有关测斜装置和仪器在不同程度上不适用于更高精度要求的垂直快速钻井和精确井眼轨迹控制的技术需要，需要在原理方法、技术路线及工艺技术进行创新设计，并研发相应的产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机械无线随钻井斜测量仪，以提高井斜测量精度，简化井下仪器结构，扩大井斜角的测量范围，尤其是在高温高压深井、超深井的恶劣地层环境以及水平井、大位移井、分支井等特殊工艺井的井斜测量中具有很好的适应性和明显的技术优势，能够确保快速精确地无线随钻测量井斜角。
本发明解决其技术问题的技术方案是：一种机械无线随钻井斜测量仪，由齿式测量装置、脉冲发生装置和筒体等组成，其特征在于脉冲发生装置在齿式测量装置的上端，通过筒体内齿条相连；筒体内齿条上端与脉冲轴下端相连，其下端与齿式测量装置外齿啮合，支架上端与筒体通过上转动轴承相连，其下端与下转动轴承相连。
齿式测量装置由饼摆外壳、增速齿轮组装置、钢板和支架等组成；饼摆外壳的一部分含有重金属加重块，其它部分为空心壳体，饼摆外壳的重心落在含加重块的部分，饼摆外壳的加重部分一直处于重力势能最底的位置；饼摆外壳内侧半圆为齿，从重心开始，到饼摆内侧圆经过该重心的直径所穿过的另一点，另一半圆无齿；增速齿轮组装置由一系列直径不同的齿轮构成；齿轮均固定在钢板上。支架支撑着饼摆外壳。当饼摆外壳的加重部分的位置不在重力势能最低处，在重力作用下，饼摆外壳在支架上产生力矩，使支架转动，直到饼摆外壳的重力势能最底的位置。齿式测量装置内重金属加重块的重心位于支架的中轴心。此时所测井斜角即为所要。
增速齿轮组装置的最后一级齿轮在齿式测量装置的外边，称为外齿。增速齿轮组装置的第一个齿轮与饼摆外壳内侧的半圆弧齿啮合。
筒体内有齿条，齿条下端不在中轴线上，其上端与中轴线重合，齿条为Z字型，齿条上端与脉冲轴的下端相连，其下端与外齿啮合，支架上端通过上转动轴承与筒体相连，其下端通过下转动轴承与支座相连。
本发明与现有技术相比，具有以下有创新性和技术优势：
(1)本仪器属于纯机械结构，高温高压恶劣环境的力学性能稳定可靠，在深井、超深井极端温度、压力等条件下，亦能稳定可靠地工作；齿式测量装置的主要结构是增速齿轮组装置，被饼摆外壳与隔离，整个仪器的密封要求低，在高温环境下工作性能稳定，可用于高温深井、超深井油气井井斜测量的稳定作业。
(2)可方便地与井下钻具或其它测量根据配合连接，形成可靠安全的信号通道，实现随钻测量。本发明直接将测量的井斜角放大并转变为脉冲轴的位移量，且主要装置集成在小体积的齿式测量装置里，不需要控制机构，简化了仪器结构，尺寸小于一般机械式井斜测量仪器，为其它井下工具节约出更多的空间，在深井、超深井井眼尺寸小的井筒空间，本发明专利具有很好的适应性和独特的技术优势，易于实现与其它井下测量装置的连接和技术集成。
(3)齿式测量装置的机械力学强度高，工作可靠性和使用寿命可大为改善，结构紧凑，传动效率高，角度放大倍数与齿轮组级数和各级传动比成正比，大幅度提高测量井斜的精度。
(4)饼摆外壳的活动范围大，在0°～180°范围内，在随钻测斜作用时不需要奖仪器起钻到地面进行角度调节，可实现自动随钻测斜，减少非工作时间，提高测量效率，从而节省井斜测量时间，提高钻井速度，减少钻井成本；另一方面，井斜测量范围更大，可用于用于直井、斜直井、定向、大位移井、水平井及分支井等井型的测斜工作。
附图说明
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
图1为一种机械无线随钻井斜测量仪的结构示意图。
图2为一种机械无线随钻井斜测量仪的齿式测量装置工作原理示意图。
1、一种机械无线随钻井斜测量仪；2、钻铤；3、钻头；4；脉冲头；5、脉冲轴；6、脉冲发生装置；7、脉冲环；8、堵头；9、筒体；10、上转动轴承；11、支架；12、中心轴；13齿式测量装置；14、饼摆外壳；15、下转动轴承；16、支撑座；17、增速齿轮组装置；18、重金属加重块；19、钢板；20、半圆弧齿；21、齿条、22、外齿。
具体实施方式
本发明主要结构为齿式测量装置(11)，其饼摆外壳(16)又将其内部机构与外部环境隔开，降低了密封要求，在深井、超深井高温高压环境条件下工作，测量装置的增速齿轮组(17)工作性能和结构强度受环境影响也较少，从而保证测量装置正常稳定可靠的工作状态，测斜仪器适应能力强。
齿式测量装置(11)由饼摆外壳(16)和增速齿轮组(17)装置等组成。脉冲轴(5)与齿条(21)相连，饼摆外壳(16)的几何中心与中心轴(13)铰链，饼摆外壳(16)的重金属加重块(18)部分一直处于重力势能最小状态的位置。仪器精度主要由增速齿轮组(17)装置决定。齿式测量装置内重金属加重块(18)的重心位于支架(12)的轴中心，否则，重金属加重块(18)在向最小势能位置运动前，其已经存在使支架发生转动的力矩，使加重块不用转动就处于最小势能位置，仪器测量得到的结果为零，而不是井斜值；另外，如图2一种机械无线随钻井斜测量仪的齿式测量装置工作原理示意图所示，假定设计为三级增速齿轮组，且各级传动比均为101/17，井斜角为0.10°，与齿条(21)啮合的最后一级齿轮外齿(22)半径为20.0mm，则井斜角经过增速齿轮组装置放大(101/17)³倍，即井斜角放大209.668倍，则么0.10°井斜角经过增速齿轮组(17)装置，在由齿条(21)转变为脉冲轴(5)的位移量为0.10×(101/17)³×20mm，即脉冲轴(5)要位移419mm。若齿轮的各级固有误差、装配误差和空回误差的总效果δ_∑为50％，则将在地面获取的信号换算成真实的井斜角的误差为0.10°×(50％)/209.668，约为(2.4×10^-4)°，其大小可以忽略不计。根据钻井工程和井下工具尺寸要求，可适当选择齿轮组的级数、各级传动比，以及各齿轮尺寸。一般设计三级或四级增速齿轮组就可达到极高精度，充分满足钻井工程对井斜参数测量误差的要求。齿式测量装置(11)将井斜角发达倍数高，误差小，固最后测量所得结果精度高。
脉冲发生装置(6)在仪器的最上端，脉冲环(7)与筒体相连，脉冲轴(5)下端与齿条(21)上端相连，脉冲头(4)固定在脉冲轴(5)上端，脉冲头(4)随脉冲轴(5)同步运动。流经脉冲环(7)中限流孔的流体，在脉冲环(7)的泥浆通道被堵或开通，压力什高或下降，形成压力脉冲。脉冲环(7)的限流孔个数是仪器最多可以产生的脉冲数。于是，齿式测量装置将测获并百倍或千倍放大的井斜角，通过齿条(21)转变并传递给脉冲轴(5)和脉冲头(4)，脉冲轴(5)的位移量与井斜角度一一对应。开泵时，脉冲头(4)向下运动过程中，经过限流孔的数量不同，从而产生与井斜角一一对应的脉冲信号。测量放大的井斜角通过脉冲发生装置，最后转变为脉冲个数，且井斜角与脉冲个数成正比，保障了测量的可靠性和准确性。
下面进一步说明本发明的工作原理。
一种机械无线随钻井斜测量仪(1)置于钻头(2)的上部钻铤(3)内。
在一种机械无线随钻井斜测量仪(1)工作前，正常钻井作业条件下，脉冲头在循环钻井液的液压作用下，与堵头(8)接触。
当测量井斜时，关闭泥浆泵，脉冲头(4)失去高压高速钻井液冲击作用。在重力作用下，饼摆外壳含重金属加重块(18)部分向其重力势能最小的位置运动。其测量的井斜角通过增速齿轮组(17)装置，齿条(21)，将放大的角度转变为脉冲轴(5)的位移量，推动脉冲轴(5)和脉冲头(4)向上运动到一定高度。再开泵时，脉冲头(4)又在循环钻井液的液压作用下，向下运动，直到与堵头(8)接触，不能运动为止。在脉冲轴(5)随脉冲头(4)向下运动过程中，经过脉冲环(7)的限流孔，当脉冲轴(5)与脉冲环(7)内限流孔重合时，钻井液因为流动受阻，压力升高，从而产生压力脉冲，得到与放大井斜角一一对应的脉冲数量，脉冲信号通过循环的钻井液介质传到地面的特定接受装置。地面上，再根据获得的脉冲数量通过数据转换即测量得井斜角值。
以上仅是实现本发明的一种方法，基于此发明原理的其它形式在本发明范围之内。