專利名稱：一種機械無線隨鉆井斜測量儀的制作方法
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，是一種用于測量油氣井 井斜的測量工具。
背景技術(shù)：
井斜測量儀器是油氣井鉆井工程中應(yīng)用廣泛且必需工具。隨著鉆井技術(shù)發(fā) 展，各種井斜測量儀器不斷出現(xiàn)，目前現(xiàn)場使用的井斜測量儀器主要有照相式、 電子式和機械式。照相式井斜測量儀器由于操作難、精度低，現(xiàn)場應(yīng)用逐漸減 少。電子式井斜測量儀器用于不同場合目的，其中電子單點井斜測量儀器是一 種現(xiàn)場應(yīng)用廣泛的直井測斜儀器，但使用條件受井深、溫度、鉆井液性能等影 響，測量時間長，且不能應(yīng)用于隨鉆測量?，F(xiàn)在機械式機械測量儀器受到重視，
現(xiàn)有的機械式井斜測量儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低。目前國外儀器有0.25°、 0.5° 和1. 0°三種精度。中國專利公開號CN200510042035. 2，
公開日2005年7 月27日，發(fā)明創(chuàng)造的名稱為機械式無線隨鉆測斜儀，該申請案公開了 "一 種石油鉆井用井下機械式無線隨鉆測斜儀，它由測量機構(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)和阻尼裝置在殼體內(nèi)。 它具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，使用范圍廣，測量結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)點。"從公開 內(nèi)容看，其不足之處是其精度為0.5°，而且其液壓油在高溫情況下受熱膨
脹將彈簧壓并，活塞桿不能移動，直接導(dǎo)致儀器不能工作或信號誤差大； 另外，其井斜角測量范圍小，井斜角超出測量范圍時，需要調(diào)節(jié)角度范圍調(diào)節(jié)套和角度調(diào)節(jié)環(huán)。隨著石油天然氣勘探開發(fā)的不斷發(fā)展，深井、超深 井鉆井日益增多，鉆井地層環(huán)境更加惡劣，對井身質(zhì)量要求標準更高，這 就要求對井斜控制更加嚴格；另一方面，隨鉆鉆井技術(shù)的不斷進步，定向 井、水平井、大位移井及分支井等特殊工藝井鉆井技術(shù)應(yīng)用也日趨廣泛， 這些特殊工藝井要求進行包括井斜控制在內(nèi)的井眼軌跡控制，才能精確完 成井眼幾何或地質(zhì)導(dǎo)向，最終實現(xiàn)地質(zhì)中靶，實現(xiàn)良好的單井產(chǎn)量和油田 整體開發(fā)效益。上述技術(shù)領(lǐng)域?qū)睖y量的要求更高，目前的有關(guān)測斜裝 置和儀器在不同程度上不適用于更高精度要求的垂直快速鉆井和精確井眼 軌跡控制的技術(shù)需要，需要在原理方法、技術(shù)路線及工藝技術(shù)進行創(chuàng)新設(shè) 計，并研發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種機械無線隨鉆井斜測量儀，以提高井斜測量精 度，簡化井下儀器結(jié)構(gòu)，擴大井斜角的測量范圍，尤其是在高溫高壓深井、超 深井的惡劣地層環(huán)境以及水平井、大位移井、分支井等特殊工藝井的井斜測量 中具有很好的適應(yīng)性和明顯的技術(shù)優(yōu)勢，能夠確?？焖儋嚧_地?zé)o線隨鉆測量井 斜角。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案是 一種機械無線隨鉆井斜測量儀，由 齒式測量裝置、脈沖發(fā)生裝置和筒體等組成，其特征在于脈沖發(fā)生裝置在齒式 測量裝置的上端，通過筒體內(nèi)齒條相連；筒體內(nèi)齒條上端與脈沖軸下端相連， 其下端與齒式測量裝置外齒嚙合，支架上端與筒體通過上轉(zhuǎn)動軸承相連，其下 端與下轉(zhuǎn)動軸承相連。
齒式測量裝置由餅擺外殼、增速齒輪組裝置、鋼板和支架等組成；餅擺外 殼的一部分含有重金屬加重塊，其它部分為空心殼體，餅擺外殼的重心落在含加重塊的部分，餅擺外殼的加重部分一直處于重力勢能最底的位置；餅擺外殼 內(nèi)側(cè)半圓為齒，從重心開始，到餅擺內(nèi)側(cè)圓經(jīng)過該重心的直徑所穿過的另一點， 另一半圓無齒；增速齒輪組裝置由一系列直徑不同的齒輪構(gòu)成；齒輪均固定在 鋼板上。支架支撐著餅擺外殼。當(dāng)餅擺外殼的加重部分的位置不在重力勢能最 低處，在重力作用下，餅擺外殼在支架上產(chǎn)生力矩，使支架轉(zhuǎn)動，直到餅擺外 殼的重力勢能最底的位置。齒式測量裝置內(nèi)重金屬加重塊的重心位于支架的中 軸心。此時所測井斜角即為所要。
增速齒輪組裝置的最后一級齒輪在齒式測量裝置的外邊，稱為外齒。增速 齒輪組裝置的第一個齒輪與餅擺外殼內(nèi)側(cè)的半圓弧齒嚙合。
筒體內(nèi)有齒條，齒條下端不在中軸線上，其上端與中軸線重合，齒條為z 字型，齒條上端與脈沖軸的下端相連，其下端與外齒嚙合，支架上端通過上轉(zhuǎn) 動軸承與筒體相連，其下端通過下轉(zhuǎn)動軸承與支座相連。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有創(chuàng)新性和技術(shù)優(yōu)勢
(1) 本儀器屬于純機械結(jié)構(gòu)，高溫高壓惡劣環(huán)境的力學(xué)性能穩(wěn)定可靠，在 深井、超深井極端溫度、壓力等條件下，亦能穩(wěn)定可靠地工作；齒式測量裝置 的主要結(jié)構(gòu)是增速齒輪組裝置，被餅擺外殼與隔離，整個儀器的密封要求低， 在高溫環(huán)境下工作性能穩(wěn)定，可用于高溫深井、超深井油氣井井斜測量的穩(wěn)定 作業(yè)。
(2) 可方便地與井下鉆具或其它測量根據(jù)配合連接，形成可靠安全的信號 通道，實現(xiàn)隨鉆測量。本發(fā)明直接將測量的井斜角放大并轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖軸的位移 量，且主要裝置集成在小體積的齒式測量裝置里，不需要控制機構(gòu)，簡化了儀 器結(jié)構(gòu)，尺寸小于一般機械式井斜測量儀器，為其它井下工具節(jié)約出更多的空 間，在深井、超深井井眼尺寸小的井筒空間，本發(fā)明專利具有很好的適應(yīng)性和獨特的技術(shù)優(yōu)勢，易于實現(xiàn)與其它井下測量裝置的連接和技術(shù)集成。
-(3)齒式測量裝置的機械力學(xué)強度高，工作可靠性和使用壽命可大為改善， 結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高，角度放大倍數(shù)與齒輪組級數(shù)和各級傳動比成正比，大 幅度提高測量井斜的精度。
(4)餅擺外殼的活動范圍大，在0。 180。范圍內(nèi)，在隨鉆測斜作用時不需 要獎儀器起鉆到地面進行角度調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)自動隨鉆測斜，減少非工作時間， 提高測量效率，從而節(jié)省井斜測量時間，提高鉆井速度，減少鉆井成本；另一 方面，井斜測量范圍更大，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測斜工作。


下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進一步說明。
圖1為一種機械無線隨鉆井斜測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為一種機械無線隨鉆井斜測量儀的齒式測量裝置工作原理示意圖。
1、 一種機械無線隨鉆井斜測量儀；2、鉆鋌；3、鉆頭；4;脈沖頭；5、脈 沖軸；6、脈沖發(fā)生裝置；7、脈沖環(huán)；8、堵頭；9、筒體；10、上轉(zhuǎn)動軸承； 11、支架；12、中心軸；13齒式測量裝置；14、餅擺外殼；15、下轉(zhuǎn)動軸承； 16、支撐座；17、增速齒輪組裝置；18、重金屬加重塊；19、鋼板；20、半圓 弧齒；21、齒條、22、外齒。
具體實施例方式
本發(fā)明主要結(jié)構(gòu)為齒式測量裝置(11)，其餅擺外殼(16)又將其內(nèi)部機構(gòu) 與外部環(huán)境隔開，降低了密封要求，在深井、超深井高溫高壓環(huán)境條件下工作， 測量裝置的增速齒輪組(17)工作性能和結(jié)構(gòu)強度受環(huán)境影響也較少，從而保證測量裝置正常穩(wěn)定可靠的工作狀態(tài)，測斜儀器適應(yīng)能力強。
齒式測量裝置(11)由餅擺外殼(16)和增速齒輪組(17)裝置等組成。 脈沖軸(5)與齒條(21)相連，餅擺外殼(16)的幾何中心與中心軸(13)鉸 鏈，餅擺外殼(16)的重金屬加重塊(18)部分一直處于重力勢能最小狀態(tài)的 位置。儀器精度主要由增速齒輪組(17)裝置決定。齒式測量裝置內(nèi)重金屬加 重塊(18)的重心位于支架(12)的軸中心，否則，重金屬加重塊(18)在向 最小勢能位置運動前，其己經(jīng)存在使支架發(fā)生轉(zhuǎn)動的力矩，使加重塊不用轉(zhuǎn)動 就處于最小勢能位置，儀器測量得到的結(jié)果為零，而不是井斜值；另外，如圖2 一種機械無線隨鉆井斜測量儀的齒式測量裝置工作原理示意圖所示，假定設(shè)計 為三級增速齒輪組，且各級傳動比均為101/17，井斜角為O. 10°，與齒條(21) 嚙合的最后一級齒輪外齒(22)半徑為20.0mm,則井斜角經(jīng)過增速齒 輪組裝置放大(101/17) 3倍，即井斜角放大209.668倍，則么0. l(T井斜角經(jīng) 過增速齒輪組(17)裝置，在由齒條(21)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖軸(5)的位移量為O. 10 X (101/17) 3X20mm，即脈沖軸(5)要位移419mm。若齒輪的各級固有誤差、 裝配誤差和空回誤差的總效果S ￡為50%，則將在地面獲取的信號換算成真實的 井斜角的誤差為0. IO"X (50%) /209.668，約為(2. 4X 1(T4) °，其大小可以忽略 不計。根據(jù)鉆井工程和井下工具尺寸要求，可適當(dāng)選擇齒輪組的級數(shù)、各級傳 動比，以及各齒輪尺寸。 一般設(shè)計三級或四級增速齒輪組就可達到極高精度， 充分滿足鉆井工程對井斜參數(shù)測量誤差的要求。齒式測量裝置(11)將井斜角 發(fā)達倍數(shù)高，誤差小，固最后測量所得結(jié)果精度高。
脈沖發(fā)生裝置(6)在儀器的最上端，脈沖環(huán)(7)與筒體相連，脈沖軸(5) 下端與齒條(21)上端相連，脈沖頭(4)固定在脈沖軸(5)上端，脈沖頭(4) 隨脈沖軸(5)同步運動。流經(jīng)脈沖環(huán)(7).中限流孔的流體，在脈沖環(huán)(7)的泥漿通道被堵或開通，壓力什高或下降，形成壓力脈沖。脈沖環(huán)(7)的限流孔 個數(shù)是儀器最多可以產(chǎn)生的脈沖數(shù)。于是，齒式測量裝置將測獲并百倍或千倍 放大的井斜角，通過齒條(21)'轉(zhuǎn)變并傳遞給脈沖軸(5)和脈沖頭(4)，脈沖 軸(5)的位移量與井斜角度一一對應(yīng)。開泵時，脈沖頭(4)向下運動過程中， 經(jīng)過限流孔的數(shù)量不同，從而產(chǎn)生與井斜角一一對應(yīng)的脈沖信號。測量放大的 井斜角通過脈沖發(fā)生裝置，最后轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖個數(shù)，且井斜角與脈沖個數(shù)成正比， 保障了測量的可靠性和準確性。
下面進一步說明本發(fā)明的工作原理。
一種機械無線隨鉆井斜測量儀(1)置于鉆頭(2)的上部鉆鋌(3)內(nèi)。
在一種機械無線隨鉆井斜測量儀(1)工作前，正常鉆井作業(yè)條件下，脈沖 頭在循環(huán)鉆井液的液壓作用下，與堵頭(8)接觸。
當(dāng)測量井斜時，關(guān)閉泥漿泵，脈沖頭(4)失去高壓高速鉆井液沖擊作用。 在重力作用下，餅擺外殼含重金屬加重塊(18)部分向其重力勢能最小的位置 運動。其測量的井斜角通過增速齒輪組(17)裝置，齒條(21)，將放大的角度 轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖軸(5)的位移量，推動脈沖軸(5)和脈沖頭(4)向上運動到一定 高度。再開泵時，脈沖頭(4)又在循環(huán)鉆井液的液壓作用下，向下運動，直到 與堵頭(8)接觸，不能運動為止。在脈沖軸(5)隨脈沖頭(4)向下運動過程 中，經(jīng)過脈沖環(huán)(7)的限流孔，當(dāng)脈沖軸(5)與脈沖環(huán)(7)內(nèi)限流孔重合時， 鉆井液因為流動受阻，壓力升高，從而產(chǎn)生壓力脈沖，得到與放大井斜角一一 對應(yīng)的脈沖數(shù)量，脈沖信號通過循環(huán)的鉆井液介質(zhì)傳到地面的特定接受裝置。 地面上，再根據(jù)獲得的脈沖數(shù)量通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換即測量得井斜角值。
以上僅是實現(xiàn)本發(fā)明的一種方法，基于此發(fā)明原理的其它形式在本發(fā)明范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種機械無線隨鉆井斜測量儀，由齒式測量裝置(11)、脈沖發(fā)生裝置(6)和筒體(9)等組成，其特征在于，所述的脈沖發(fā)生裝置(6)在儀器的最上端，通過筒體(9)內(nèi)的齒條(21)與齒式測量裝置(11)相連；齒條(21)的上端與脈沖軸(6)的下端相連，齒其下端與外齒(22)嚙合；支架(12)上端與筒體(9)通過上轉(zhuǎn)動軸承(10)相連，其下端與下轉(zhuǎn)動軸承(14)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械無線隨鉆井斜測量儀，其特征在于齒式測 量裝置(11)由餅擺外殼(16)、增速齒輪組裝置(17)、鋼板(19)和支架(12) 等組成；餅擺外殼(16)的一部分含有重金屬加重塊，其它部分為空心殼體； 餅擺外殼(16)內(nèi)側(cè)半圓為半圓弧齒(20)，從重心開始，到餅擺內(nèi)側(cè)圓經(jīng)過該 重心的直徑所穿過的另一點，另一半圓無齒；增速齒輪組裝置(17)由一系列 直徑不同的齒輪構(gòu)成；齒輪均固定在鋼板(19)上，支架(12)支撐著餅擺外 殼(16)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種機械無線隨鉆井斜測量儀，其特征在于齒式 測量裝置(ll)中增速齒輪組裝置(17)的最后一級齒輪在測量裝置的外邊，增 速齒輪組裝置的第一個齒輪與半圓弧齒(20)嚙合，餅擺外殼(16)的加重部 分一直處于重力勢能最底的位置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機械無線隨鉆井斜測量儀，其特征在于筒體 (9)內(nèi)有齒條(21)，齒條(21)的上端與脈沖軸(5)的下端相連，齒其下端與外齒(22)嚙合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求4所述的一種機械無線隨鉆井斜測量儀，其 特征在于筒體(9)內(nèi)部齒條(21)的上端與脈沖軸(5)下端相連，齒條(21) 為Z字型。
6.根據(jù)權(quán)利要求2和權(quán)利要求4所述的一種機械無線隨鉆井斜測量儀，其 特征在于支架(12)的上端通過上轉(zhuǎn)動軸承(10)與筒體(9)相連，其下端通 過下轉(zhuǎn)動軸承(14)與支座(15)相連，齒式測量裝置(11)內(nèi)重金屬加重塊 (18)的重心位于支架(12)的軸中心。
全文摘要
本發(fā)明公開一種油氣井鉆井用井下機械無線隨鉆井斜測量儀，它由齒式測量裝置、脈沖發(fā)生裝置和筒體等組成。脈沖發(fā)生在齒式測量裝置的上端，通過筒體內(nèi)齒條相連。當(dāng)測量井斜時，泥漿泵關(guān)閉，齒式測量裝置隨支架在加重塊重力作用下轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，直到重力勢能最小。此過程中井斜角經(jīng)增速齒輪組裝置放大并由齒條轉(zhuǎn)變成脈沖軸的位移量。再開泵，位移量由脈沖發(fā)生裝置轉(zhuǎn)變成與井斜角一一對應(yīng)的脈沖數(shù)，通過鉆井液介質(zhì)傳達到地面，從而準確穩(wěn)定地完成井斜的無線隨鉆測量。它具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，操作方便，應(yīng)用廣泛，可適應(yīng)高溫高壓深井、超深井地層環(huán)境的井斜測量和井身質(zhì)量控制；測量角度范圍大，精度高等優(yōu)點，確?？焖倬_地隨鉆測量井斜角，能夠應(yīng)用于定向井、水平井、大位移井和分支井的井眼軌跡測量和控制工程。
文檔編號E21B47/02GK101550826SQ20091005923
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月7日
發(fā)明者劉運榮, 吉布子布, 張小紅, 張昌鐸, 甄士龍, 石曉兵, 章浩炯, 魏小梅, 兵 黃 申請人:西南石油大學(xué)