專利名稱：機械式無線隨鉆測斜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石油天然氣勘探開發(fā)中鉆井工程領(lǐng)域，是一種用于油氣井井斜測量的隨鉆測斜工具。
背景技術(shù)：
測斜儀器是石油鉆井工程中廣泛應(yīng)用且必需的工具。隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的測斜儀器相繼出現(xiàn)。目前現(xiàn)場使用的測斜儀，根據(jù)測量原理不同可分為兩大系列，照相式和電子式。照相系列的測斜儀由于使用操作不便，精度底等缺點，目前現(xiàn)場使用的越來越少，逐漸被電子系列測斜儀代替。電子系列的測斜儀是利用電子元件來測量井斜，目前使用的電子系列的測斜儀有電子單點測斜儀、電子單多點測斜儀、有線隨鉆測斜儀和無線隨鉆測斜儀(MWD)等。這些儀器適合不同的場合，用于不同的目的。電子單點測斜儀是現(xiàn)場廣泛應(yīng)用的一種直井測斜儀器，但這種儀器測量需要時間長，受溫度、井深和鉆井液性能的影響，使用條件要求苛刻，且不能實現(xiàn)隨鉆測量，在使用中存在很大的局限性。
20世紀(jì)80年代開始，技術(shù)人員對機械式測斜儀進行研究，并提出了一些技術(shù)方案，如專利“自調(diào)式機械式測斜儀”(專利號CN 86207607 U)。此專利提出的技術(shù)方案中，利用偏心擺機構(gòu)測量井斜，包括內(nèi)擺、外擺和重力偏心機構(gòu)；用不同導(dǎo)程的雙螺旋機構(gòu)實現(xiàn)行程的變化。從公開的內(nèi)容看，雖然可以實現(xiàn)測斜范圍自動調(diào)節(jié)，但其測斜機構(gòu)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，加工困難，不易實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種機械式無線隨鉆測斜儀，這種測斜儀是一種純機械機構(gòu)，涉及機械及泥漿脈沖技術(shù)，井下儀器沒有電子元器件，不需要電池，依靠鉆井液為動力。當(dāng)需要測量井斜時，只需將鉆井泵關(guān)閉，然后再開泵就馬上知道井斜的大小。使用時將儀器放置在近鉆頭的鉆鋌中，隨鉆測量井斜。本發(fā)明克服了現(xiàn)有直井電子測斜儀的不足，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量時間短、不受溫度和井深影響、適應(yīng)性強和可以隨鉆測量等優(yōu)點。本發(fā)明的目的是提供一種機械式無線隨鉆測斜儀，它能夠快速便捷地隨鉆測量井斜，滿足鉆井工程上直井測斜的需要。
為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案機械無線隨鉆測斜儀是一種細長型純機械結(jié)構(gòu)，主要由脈沖發(fā)生裝置、上筒體、下筒體、控制機構(gòu)、角度范圍調(diào)節(jié)裝置、測量機構(gòu)、阻尼裝置、平衡活塞、支撐座等組成。其特征為支撐座在儀器的最下端，與下筒體相連；下筒體與上筒體用螺紋連接，角度范圍調(diào)節(jié)裝置安裝在上筒體的外面，上堵頭與上筒體的頂端用螺紋連接，脈沖發(fā)生裝置在儀器的最上端，脈沖環(huán)與上筒體的上端連接；控制機構(gòu)固定在上筒體內(nèi)，控制軸與測量機構(gòu)的擺錘相連；測量機構(gòu)在下筒體內(nèi)，位于控制機構(gòu)的下面，阻尼裝置裝在下筒體內(nèi)，并固定在下筒體上，位于測量階梯環(huán)的下方，平衡活塞在下筒體內(nèi)阻尼裝置的下方。
測量機構(gòu)由擺錘和測量階梯環(huán)組成；擺錘為一細長圓形結(jié)構(gòu)，一端直徑大，并帶有臺階；測量階梯環(huán)是圓柱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由一系列直徑不同而高度相同的同心臺階環(huán)構(gòu)成，形成階梯狀。
控制機構(gòu)由限位筒、主彈簧、鋼球、檔球柱、控制彈簧、控制軸等組成；控制軸是一細長桿，上面帶檔球柱；控制彈簧套在控制軸上，控制筒裝在控制軸和控制彈簧的外面，控制筒壁上帶有多對對稱圓孔，鋼球裝在這些圓孔里；限位筒和主彈簧套在控制筒的外面，主彈簧的上端套在限位筒上，下端固定在上筒體內(nèi)的彈簧座上，限位筒的上端與脈沖軸相連。
控制軸下端與測量機構(gòu)的擺錘鉸接，擺錘一直處于自由垂直狀態(tài)。
脈沖發(fā)生裝置由脈沖環(huán)、脈沖軸、脈沖頭構(gòu)成；脈沖環(huán)內(nèi)部帶有多個限流孔，脈沖頭是一蘑菇狀結(jié)構(gòu)，裝在脈沖軸上端，脈沖軸內(nèi)孔為盲孔，且其外表面要做特殊硬化處理。
脈沖軸的下端與控制機構(gòu)的限位筒上端相連。
阻尼裝置為圓柱狀結(jié)構(gòu)，并加工有鋼球單向閥和阻尼孔。
角度范圍調(diào)節(jié)裝置由角度范圍調(diào)節(jié)套與角度調(diào)節(jié)環(huán)組成，裝在上筒體的外面，并通過連接條與測量階梯環(huán)相連，角度范圍調(diào)節(jié)套與角度調(diào)節(jié)環(huán)為一對螺紋副結(jié)構(gòu)。
儀器連接處均有密封，上筒體、下筒體、角度范圍調(diào)節(jié)套、平衡活塞、上堵頭與脈沖軸等形成一密閉腔，腔內(nèi)充滿潤滑油。
平衡活塞為一圓盤結(jié)構(gòu)，加工有密封槽，并有一細圓柱狀安裝手柄。
上筒體、下筒體、角度范圍調(diào)節(jié)套、脈沖軸、脈沖環(huán)等部件使用特殊材料、經(jīng)特殊工藝處理本發(fā)明的有益效果是，由于采用純機械機構(gòu)，而沒有復(fù)雜的電路和電子元器件，不需要電池，所以工作不受井下溫度和振動的的影響，儀器在很高的溫度下可以正常工作，且性能可靠，在井下連續(xù)工作時間長。另外，它可以裝在井下鉆具上使用，實現(xiàn)隨鉆測量，可在任何時間任何井深測量井斜，測量時間短，從而節(jié)省測斜時間，提高鉆井速度，節(jié)約鉆井成本。本發(fā)明的提出，克服了現(xiàn)存測斜儀的不足，更加適應(yīng)鉆井工程上直井隨鉆測斜的需要。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
圖1為機械式無線隨鉆測斜儀的結(jié)構(gòu)剖面2為機械式無線隨鉆測斜儀安裝示意圖1-機械無線隨鉆測斜儀；2-鉆頭；3-鉆鋌；4-脈沖頭；5-脈沖軸；6-限流孔；7-脈沖環(huán)；9-上堵頭；10-限位筒；11-主彈簧；12-鋼球；13-擋球柱；14-上筒體；15-密封；16-控制筒；17-角度范圍調(diào)節(jié)套；18-角度調(diào)節(jié)環(huán)；19-控制彈簧；20-控制軸；23-連接條；24a-上密閉腔；24b-下密閉腔；25-擺錘；26-測量階梯環(huán)；27-下筒體；28-阻尼孔；29-阻尼裝置；30-鋼球單向閥；31-平衡活塞；32-恢復(fù)彈簧；33-支撐座。
具體實施例方式
參見圖1，上筒體14、下筒體27、角度范圍調(diào)節(jié)套17、上堵頭9等構(gòu)成儀器的外殼，連同平衡活塞31、脈沖軸5和各連接處的密封15構(gòu)成一密閉的腔室，并被阻尼裝置29分為上密閉腔24a和下密閉腔24b兩部分，內(nèi)部充滿潤滑油。儀器的控制機構(gòu)和測測量機構(gòu)在上腔室24a內(nèi)，這樣這些機構(gòu)的零部件全部與外部隔開，并充分潤滑，保證各部件的正常工作并提高可靠性。
控制機構(gòu)由限位筒10、主彈簧11、鋼球12、控制筒16、控制軸20、控制彈簧19等組成?？刂茝椈?9套在控制軸20上，控制筒16裝在控制軸20和控制彈簧19的外面，并固定在上筒體14上，控制筒16壁上帶有多對對稱圓孔，鋼球12裝在這些圓孔里；限位筒10和主彈簧11套在控制筒16的外面，主彈簧11的上端套在限位筒10上，下端固定在上筒體14內(nèi)的彈簧座上。
測量機構(gòu)由擺錘25和測量階梯環(huán)26組成。脈沖軸5與限位筒10相連，控制軸20與擺錘25鉸接，這樣保證擺錘25始終處于自由垂直狀態(tài)。儀器的測量精度主要是由測量階梯環(huán)26決定，測量的精度越高，測量階梯環(huán)26的各相鄰臺階之間的直徑差就越小，加工就比較困難，根據(jù)鉆井工程的要求和加工的難易，一般精度為0.5度即可。
脈沖發(fā)生裝置在儀器的最上端，脈沖環(huán)7與上筒體14的上部用螺紋連接，脈沖軸5的下端與控制機構(gòu)的限位筒10的上端相連，脈沖頭4固定在脈沖軸5上端。當(dāng)脈沖軸5運動時，帶動脈沖頭4運動，脈沖頭4在運動過程中經(jīng)過脈沖環(huán)7的限流孔6時，流經(jīng)脈沖環(huán)7的泥漿通道被堵，將產(chǎn)生壓力升高，即壓力脈沖。脈沖環(huán)7的限流孔6個數(shù)即是儀器最多可產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，一般有10個左右。
這樣，測量機構(gòu)測得的井斜信息通過控制軸20傳遞給控制機構(gòu)，控制機構(gòu)可以控制脈沖軸5的上升高度，脈沖軸5的高度不同，開泵時脈沖頭4向下運動過程中經(jīng)過限流孔6的數(shù)量不同，從而產(chǎn)生不同的脈沖信號。所以，測量得到的井斜通過控制機構(gòu)和脈沖發(fā)生裝置，最后轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖的個數(shù)，且井斜與脈沖個數(shù)成正比關(guān)系。
每個脈沖所代表的井斜角度與測量機構(gòu)的精度有關(guān)，如果精度為0.5度，那么一個脈沖信號就代表0.5度。此外，脈沖的數(shù)量與井斜角的關(guān)系還與角度范圍有關(guān)，角度范圍調(diào)節(jié)套17和角度調(diào)節(jié)環(huán)18就是調(diào)節(jié)角度范圍的機構(gòu)。當(dāng)轉(zhuǎn)動角度范圍調(diào)節(jié)套17時，帶動角度調(diào)節(jié)環(huán)18上移或下移，進而通過連接條23帶動測量階梯環(huán)26移動，從而得到不同的測量范圍。下面進一步說明本發(fā)明的工作原理。
如圖2，機械無線隨鉆測斜儀1使用時安裝在鉆頭2上面的鉆鋌3中。在剛開始進行鉆井作業(yè)時，泥漿泵打開，泥漿沿圖2中箭頭所指的方向通過儀器，先通過脈沖環(huán)7，然后進入機械無線隨鉆測斜儀1與鉆鋌3內(nèi)孔的環(huán)空，最后經(jīng)支撐座33流進鉆鋌水眼。這時脈沖頭4在高壓高速鉆井液的沖擊作用下，推動脈沖軸5向下運動，直到脈沖頭4的下端與上堵頭9的上端接觸為止。在正常鉆井作業(yè)時，儀器一直處于這種狀態(tài)。
當(dāng)需要測量井斜時，首先將泥漿泵關(guān)閉。參考圖1與圖3，這時脈沖頭4失去高壓高速鉆井液的沖擊作用，控制機構(gòu)的主彈簧11推動限位筒10向上運動，進而推動脈沖軸5和脈沖頭4向上運動。與此同時，由于脈沖軸5的上移，控制軸20失去壓力作用，也在控制彈簧19的作用下向上移動，從而帶動擺錘25向上移動。擺錘25在向上移動的過程中，根據(jù)井斜的不同，會掛在不同的測量階梯環(huán)26的臺階上。當(dāng)擺錘25掛在測量階梯環(huán)的臺階上時，控制軸20不能再向上移動。根據(jù)設(shè)計，對每個測量階梯環(huán)26的臺階，控制軸20的擋球柱13將對應(yīng)一個控制筒16的小球孔，將對應(yīng)的將小球12推出，小球12擋住限位筒10，限位筒10不再向上移動，因此脈沖軸5也將停止移動，停在脈沖環(huán)中的某一位置。再開泵時，脈沖頭4在高壓高速鉆井液的沖擊作用下，推動脈沖軸5向下運動，脈沖軸5推動與之相連的控制機構(gòu)的限位筒10，從而使主彈簧11壓縮向下移動，當(dāng)脈沖軸5的內(nèi)孔頂端與控制軸20上端接觸時，將推動控制軸20向下移動，同時與之相連的擺錘25也向下移動，直到脈沖頭4的下端與上堵頭9的上端接觸為止。在脈沖頭4隨脈沖軸5向下運動的過程中，要經(jīng)過脈沖環(huán)7的限流孔6，當(dāng)脈沖頭4與限流孔6重合時，鉆井液因流動受阻而壓力升高，從而產(chǎn)生壓力脈沖。這時地面的傳感器即可檢測到壓力脈沖信號，根據(jù)脈沖信號的數(shù)量即可判斷井斜的大小。
當(dāng)脈沖軸5向下移動進入上密閉腔24a時，將會引起上密閉腔24a的容積變小，這時上密閉腔24a內(nèi)的潤滑油將通過阻尼裝置29的阻尼孔28流向下密閉腔24b，下密閉腔24b的潤滑油將推動平衡活塞31向下移動。當(dāng)脈沖軸5向上移動從上密閉腔24a出來時，上密閉腔24a容積變大，下密閉腔24b的壓力大于上密閉腔24a的壓力，這時阻尼裝置29的單向閥30打開，潤滑油從下密閉腔24b快速流向上密閉腔24a，平衡活塞31在恢復(fù)彈簧32的作用下向上移動。阻尼裝置29的兩個方向的不同阻尼效果用來控制脈沖軸4的運動速度，以保證脈沖信號的清晰，易于接收和分辨。
以上僅是實現(xiàn)本發(fā)明的一種方法，基于此發(fā)明原理的其它實現(xiàn)形式在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.機械無線隨鉆測斜儀，是一種細長型純機械結(jié)構(gòu)，主要由脈沖發(fā)生裝置、上筒體、下筒體、控制機構(gòu)、角度范圍調(diào)節(jié)裝置、測量機構(gòu)、阻尼裝置、平衡活塞(31)、支撐座等組成，其特征為支撐座(33)在儀器的最下端，與下筒體(27)相連；下筒體(27)與上筒體(14)用螺紋連接，角度范圍調(diào)節(jié)裝置安裝在上筒體(14)的外面，上堵頭(9)與上筒體(14)的頂端用螺紋連接，脈沖發(fā)生裝置在儀器的最上端，脈沖環(huán)(7)與上筒體(14)的上端連接；控制機構(gòu)固定在上筒體(14)內(nèi)，控制軸(20)與測量機構(gòu)的擺錘(25)相連；測量機構(gòu)在下筒體(27)內(nèi)，位于控制機構(gòu)的下面，阻尼裝置(29)裝在下筒體(27)內(nèi)，并固定在下筒體(27)上，位于測量階梯環(huán)(26)的下方，平衡活塞(31)在下筒體(27)內(nèi)阻尼裝置(29)的下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式無線隨鉆測斜儀，其特征是測量機構(gòu)由擺錘(25)和測量階梯環(huán)(26)組成；擺錘(25)為一細長圓形結(jié)構(gòu)，一端直徑大，并帶有臺階；測量階梯環(huán)(26)是圓柱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由一系列直徑不同而高度相同的同心臺階環(huán)構(gòu)成，形成階梯狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式無線隨鉆測斜儀，其特征是控制機構(gòu)由限位筒(10)、主彈簧(11)、鋼球(12)、檔球柱(13)、控制彈簧(19)、控制軸(20)等組成；控制軸(20)是一細長桿，上面帶檔球柱(13)；控制彈簧(19)套在控制軸(20)上，控制筒(16)裝在控制軸(20)和控制彈簧(19)的外面，控制筒(16)壁上帶有多對對稱圓孔，鋼球(12)裝在這些圓孔里；限位筒(10)和主彈簧(11)套在控制筒(16)的外面，主彈簧(11)的上端套在限位筒(10)上，下端固定在上筒體(14)內(nèi)的彈簧座上，限位筒(10)的上端與脈沖軸(5)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量機構(gòu)和權(quán)利要求3所述控制機構(gòu)，其特征是控制軸(20)下端與測量機構(gòu)的擺錘(25)鉸接，擺錘(25)一直處于自由垂直狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械式無線隨鉆測斜儀，其特征是脈沖發(fā)生裝置由脈沖環(huán)(7)、脈沖軸(5)、脈沖頭(4)構(gòu)成；脈沖環(huán)(7)內(nèi)部帶有多個限流孔(6)，脈沖頭(4)是一蘑菇狀結(jié)構(gòu)，裝在脈沖軸(5)上端，脈沖軸(5)內(nèi)孔為盲孔，且其外表面要做特殊硬化處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述控制機構(gòu)和權(quán)利要求5所述的脈沖發(fā)生裝置，其特征是脈沖軸(5)的下端與控制機構(gòu)的限位筒(10)上端相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械式無線隨鉆測斜儀，其特征是阻尼裝置(29)為圓柱狀結(jié)構(gòu)，并加工有鋼球單向閥(30)和阻尼孔(28)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械式無線隨鉆測斜儀器，其特征是角度范圍調(diào)節(jié)裝置由角度范圍調(diào)節(jié)套(17)與角度調(diào)節(jié)環(huán)(18)組成，裝在上筒體的外面，并通過連接條(23)與測量階梯環(huán)(26)相連，角度范圍調(diào)節(jié)套(17)與角度調(diào)節(jié)環(huán)(18)為一對螺紋副結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械式無線隨鉆測斜儀器，其特征是儀器連接處均有密封(15)，上筒體(14)、下筒體(27)、角度范圍調(diào)節(jié)套(17)、平衡活塞(31)、上堵頭(9)與脈沖軸(5)等形成一密閉腔(24a，24b)，腔內(nèi)充滿潤滑油。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械式無線隨鉆測斜儀器，其特征是平衡活塞(29)為一圓盤結(jié)構(gòu)，加工有密封槽，并有一細圓柱狀安裝手柄。
全文摘要
本發(fā)明公開一種石油鉆井用井下機械式無線隨鉆測斜儀，它集機械和鉆井液脈沖技術(shù)為一體，由測量機構(gòu)，控制機構(gòu)、脈沖發(fā)生裝置、阻尼裝置、平衡活塞和殼體等組成。儀器有一個與外界隔開的密封殼體，內(nèi)部充滿潤滑油。測量機構(gòu)、控制機構(gòu)和阻尼裝置等在殼體內(nèi)，脈沖發(fā)生裝置在儀器的最上端，與殼體上部相連。當(dāng)需要測量井斜時，只需將鉆井泵關(guān)閉，這時測量機構(gòu)開始測量井斜，測得的井斜信息通過控制機構(gòu)傳給脈沖發(fā)生裝置，然后開泵，脈沖發(fā)生裝置根據(jù)井斜的大小發(fā)出不同數(shù)量的壓力脈沖信號，信號通過鉆井液傳到地面，從而實現(xiàn)井斜的無線隨鉆測量。它具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、使用范圍廣、適應(yīng)性強、測量結(jié)果穩(wěn)定、可隨鉆測量等優(yōu)點，可以滿足鉆井工程上直井測斜的需要。
文檔編號E21B47/02GK1644874SQ20051004203
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月19日
發(fā)明者蔡文軍, 王平, 祝遠征, 董懷榮, 張仁龍, 梁子波 申請人:中國石化集團勝利石油管理局鉆井工藝研究院