随钻测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了随钻测量装置及方法，其中的一种随钻测量装置包括：具有旋转轴线的基体，用于沿轴向连接于钻井设备的钻杆和钻头之间，所述基体具有设置于所述基体的轴向的两端的第一、第二端面，及在所述第一、第二端面间延伸的外侧柱面，所述基体形成有至少一个传感腔，所述传感腔在所述至少一个端面上具有开口，及一通道，用于使液体可在所述钻杆和钻头之间流通；安装于所述传感腔内的至少一个传感器；及一个密封件，用于在所述至少一个端面上密封所述传感腔；其中，所述传感器和所述传感腔用于获取钻井数据及将所述钻井数据传输至钻井控制单元。
【专利说明】
随钻测量装置及方法
技术领域
[0001]本发明公开的实施例涉及一种测量装置及相对应的测量方法，尤其是适用于钻井设备的随钻测量装置及测量方法。
【背景技术】
[0002]随钻测量是指钻机在钻进的同时连续不断地检测有关钻井或钻头的信息，如方位角、受力、钻压、钻头工况与井下环境等，并把这些信息传输回控制端，作为产生控制信号的依据，可见，随钻测量装置是旋转导向钻进技术得以实现的关键。
[0003]随钻测量装置大多安装于钻井设备的钻铤中，其核心部件为安装于其内部的各种传感器。由于地下环境极其复杂恶劣，随钻测量装置的外壳的密封性就显得尤为重要，密封性能良好的外壳能够保护传感器免受钻井液、砂石的侵扰，从而提高传感器测量的准确度，延长传感器的使用寿命。如图1所示，现有技术中大多在随钻测量装置10的外侧柱面14上开一轴向槽11，将传感器12安装于其中后，在槽上设置一盖板13以起到密封的作用。采用这种设计的随钻测量装置，可以很方便地对传感器12进行安装维护，但结构复杂，且其密封性和测量精度无法得到保证。
[0004]因此，有必要提供一种适用于钻井装置的随钻测量装置及相对应的制造方法来解决上述技术问题。
【发明内容】
[0005]鉴于上面提及的技术问题，本发明一方面提供一种随钻测量装置，包括一个基体，所述基体具有旋转轴线，用于沿轴向连接于钻井设备的钻杆和钻头之间。所述基体具有设置于所述基体的轴向的两端的第一、第二端面，在所述第一、第二端面之间延伸有一外侧柱面。所述基体形成有至少一个传感腔，所述传感腔在所述第一、第二端面中的至少一个端面具有开口。所述基体还形成有一通道，用于使液体可在所述钻杆和钻头之间流通。所述随钻测量装置还包括安装于所述传感腔内的至少一个传感器，所述传感器和所述传感腔用于获取钻井数据及将所述钻井数据传输至钻井控制单元。所述随钻测量装置还包括一个密封件，用于在所述至少一个端面上密封所述传感腔。
[0006]本发明的另一个方面在于提供一种方法，包括:设计一预设的钻井轨迹，所述钻井轨迹通往需要开采的碳氢化合物处；基于所述预设的钻井轨迹，使用包括随钻测量装置的钻井设备钻一井眼；然后，将所述钻井设备从所述井眼取出；最后，从所述井眼获取所述碳氢化合物。其中，使用包括随钻测量装置的钻井设备钻一井眼的步骤包括:通过所述随钻测量装置获取钻井数据，将所述钻井数据传输至钻井控制单元，及基于所述钻井数据及所述预设的钻井轨迹修正所述钻井设备的钻井方向。其中，所述随钻测量装置包括具有旋转轴线的基体，所述基体用于沿轴向连接于钻井设备的钻杆和钻头之间。所述基体具有设置于所述基体的轴向的两端的第一、第二端面，在所述第一、第二端面之间延伸有一外侧柱面。所述基体形成有至少一个传感腔，所述传感腔在所述第一、第二端面中的至少一个端面具有开口。所述基体还形成有一通道，用于使液体可在所述钻杆和钻头之间流通。所述随钻测量装置还包括安装于所述传感腔内的至少一个传感器。所述随钻测量装置还包括一个密封件，用于在所述至少一个端面上密封所述传感腔。
[0007]本发明的另一个方面在于提供一种制造随钻测量装置的方法包括:提供一个基体，所述基体具有旋转轴线，用于沿轴向连接于钻井设备的钻杆和钻头之间，且其具有设置于其轴向两端的第一、第二端面，及在所述第一、第二端面间延伸的外侧柱面；在所述基体内部形成至少一个传感腔，所述传感腔在所述第一、第二端面中的至少一个端面上具有开口 ；在所述基体内部形成一个通道，所述通道用于使液体可在所述钻杆和钻头之间流通；从所述传感腔的开口向该传感腔内安装至少一个传感器；及在所述至少一个端面上密封所述传感腔。
【附图说明】
[0008]通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中:
[0009]图1为现有技术中的随钻测量装置的示意图。
[0010]图2为根据本发明一具体实施例的导向钻井系统的示意图。
[0011]图3为根据本发明一具体实施例的随钻测量装置的装配示意图。
[0012]图4为根据本发明一具体实施例的随钻测量装置的结构示意图。
[0013]图5为图4中的所述随钻测量装置的截面示意图。
[0014]图6为图4中的所述随钻测量装置的应变片的的相对位置示意图。
[0015]图7为根据本发明另一具体实施例的随钻测量装置的截面示意图。
【具体实施方式】
[0016]以下将描述本发明的一个或者多个【具体实施方式】。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明公开的内容不充分。
[0017]除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，“电路”或者“电路系统”以及“控制器”等可以包括单一组件或者由多个主动元件或者被动元件直接或者间接相连的集合，例如一个或者多个集成电路芯片，以提供所对应描述的功能。
[0018]本发明中使用的“可”、“可以”与“可能”等词语表明在某些环境中事件发生的可能性；拥有一种特定属性、特征或功能；和/或通过与某一合格动词结合表示一个或多个能力、性能或可能性。相应地，“可能”的使用表明:被修饰的术语对于所示的能力、功能或用途是明显适当、可匹配或合适的；同时考虑到在某些情况的存在，被修饰的术语有时可能不适当，不匹配或不合适。例如，在某些情况下，可能预期出现某一结果或性能；而在其他情况下，该结果或性能可能不出现。这一区别由表示“可能”的词语体现。
[0019]本发明的实施例一方面涉及一种适用于导向钻井系统的随钻测量装置。图2为一导向钻井系统的示意图，所述导向钻井系统包括一钻塔33、钻杆31及钻头32，所述随钻测量装置20安装于所述钻杆31和钻头32之间，用于检测有关钻井或钻头的信息，并把这些信息传输回控制端，作为产生控制信号的依据。
[0020]图3为根据本发明一具体实施例的随钻测量装置20的装配图。参见图3，所述随钻测量装置20可沿轴向连接于钻井设备的钻杆31和钻头32之间，且与所述钻杆31和钻头32共轴。在一些实施例中，所述随钻测量装置20大致成一圆柱体。当钻井设备工作时，所述随钻测量装置20随所述钻杆31和所述钻头32 —起旋转，通过其内部的传感器24实时测量各种钻井或钻头参数，形成钻井数据，并将所述钻井数据传输至钻井控制单元，钻井控制单元根据所述钻井数据控制所述钻井设备的钻进方向、钻进速度等。
[0021]图4为根据本发明一具体实施例的随钻测量装置20的结构示意图。参见图4，所述随钻测量装置20包括具有一旋转轴线211的基体21，在所述基体21的轴向的两端设置有第一、第二端面212、213，在所述第一、第二端面212、213之间延伸有一外侧柱面214。在一些实施例中，所述旋转轴线211不是一根实体的轴，是一根几何意义上的直线，所述基体21以这条直线为中心做旋转运动。
[0022]在一些实施例中，每个所述端面为一平面且与所述外侧柱面214成一角度。进一步地，在一些实施例中，所述基体21大致为一圆柱体，这样，所述两个端面为圆形的平面且与所述旋转轴线211垂直。
[0023]所述基体21在轴向的两端分别具有两个连接部，用于使所述基体21沿轴向连接于钻杆31和钻头32之间。具体地，所述基体21具有设置于第一端面附近的第一连接部及设置于第二端面附近的第二连接部，分别用于与所述钻杆31和钻头32连接。
[0024]参见图3，在一些实施例中，所述第一连接部为一凸部215，凸起于所述第一端面212，在该凸部215的曲面上具有外螺纹2151，在所述钻杆31上具有与该外螺纹2151匹配的内螺纹311，这样，所述基体21与所述钻杆31通过所述螺纹2151、311连接；所述第二连接部为一凹部216，向内凹陷于所述第二端面213，在所述凹部216的内壁上具有内螺纹2161，所述钻头32上具有与该内螺纹2161匹配的外螺纹321，这样，所述基体21与所述钻头32通过所述螺纹2161、321连接。
[0025]在一些实施例中，所述凸部215可以为一圆柱体，也可以为如图3和图4所示的截锥体，但是不限于此。所述凸部可以为一半封闭的圆柱形腔体，也可以为如图3和图4所示的截锥形腔体，但是不限于此。
[0026]本实施例中，所述基体21与所述钻杆31、钻头32通过螺纹的方式连接，但是不限于此，所述基体21也可以通过其他方式与所述钻杆31、钻头32连接，如卡扣、螺栓等。
[0027]所述基体21内部定义有一通道23，用于使液体在所述钻杆31和钻头32之间流通。在一些实施例中，如图4、图5所示，所述所述通道23沿所述旋转轴线211贯穿所述基体21，所通道23为一圆柱形的腔体，与所述基体21共轴。
[0028]参见图3，所述基体21内部还定义有至少一个传感腔22，用于放置所述随钻测量装置的传感器24。所述传感腔22具有至少一个开口 221，且所述开口 221位于所述第一端面212上。图1所示的现有技术中的传感腔开口位于外侧柱面上，这种方式虽然便于传感器12的安装维护，但是，由于在传感器12的附近存在如盖板13等装配件，这些装配件之间或者装配件与基体之间会产生无法预期且非常不稳定的内力，因而会大大降低传感器12测量的准确度；此外，盖板13与槽11的开口的连接较为复杂，设备的密封性也不能得到保证。然而，在本发明中，所述传感腔22在所述外侧柱面214上无开口，所述传感器24安装于所述基体21的轴向中部附近。这样，当所述传感器24从所述开口 221置入所述传感腔22后，所述传感器24所在的垂直于所述旋转轴线211的横截面附近的结构简单、稳定，除所述基体21外无其他装配件与所述基体21产生相互作用，因而不会产生不确定、不稳定的内力从而对传感器24测量的准确度造成影响，从而大大提高了传感器24的准确度。
[0029]继续参见图3，在所述传感腔22的内部安装有至少一个传感器24。在一些实施例中，所述传感器可以为应变组件、三维加速度计或其组合，也可以根据需要安装其他类型的传感器或其组合，不限于此。
[0030]参见图4，所述随钻测量装置还包括一密封件26，设置于所述端面上用于密封所述传感腔22。在一些实施例中，所述密封件26包括设置于所述至少一个端面上的盖子261及密封垫262，所述密封垫262设置于所述盖子261和所述至少一个端面之间用于增强盖子261的密封效果。
[0031]参见图4和图5，进一步的，在一些实施例中，所述四个柱形的传感腔22沿所述旋转轴线211方向贯穿所述圆柱形的基体21，每个所述传感腔22具有两个开口 221、222，所述两个开口 221、222分别设置于所述第一、第二端面212、213上。每个所述端面212、213上均设置有一盖子261及密封垫262，所述盖子261和密封垫262均为环形，既覆盖住每个端面上的四个开口，又不影响所述连接部215、216及通道23的功能。
[0032]在一些实施例中，每个所述传感腔22的形状大致与所述外侧柱面符合，这样能够更好利用所述基体21的内部空间，增大传感腔22的内部容积。参见图4和图5，所述基体21内部定义有四个柱形的传感腔22，位于所述通道23的外侧与所述基体21的外侧柱面214之间，四个传感腔22围绕所述通道23均匀设置，每个传感腔22的横截面为弯曲的长椭圆形。
[0033]在一些实施例中，所述传感器24包括至少两个应变组件25。参见图4_6，所述每个应变组件25包括第一、第二、第三应变片251、252、253，分别沿三个不同方向安装于所述传感腔22的内壁上，用于测量钻头的压力、扭矩、侧向力等等。通过对应变组件进行这样的组合设置，可以分离出作用在钻头上的各种力和力矩，并进一步提高测量精度。
[0034]在一些实施例中，所述第一、第二、第三应变片251、252、253安装于所述传感腔22内壁的靠近所述外侧柱面214的一侧，如图5所示，由于靠近所述外侧柱面214的一侧相较于另一侧具有较大的形变量，这样的安装能够提高所述应变组件25的信噪比，提升测量精度。
[0035]图6为所述随钻测量装置的应变组件25的相对位置示意图，参见图6，所述第一、第二应变片251、252关于所述第三应变片253对称，在一些实施例中，所述第一应变片251与所述第三应变片253之间的夹角约为45度，从而所述第一应变片251与所述第二应变片252之间的夹角约为90度，这样能够简化计算，提高测量结果的准确性。
[0036]在一些实施例中，所述传感器24还可以包括一对或多对三维加速度计，其中每对传感器的三维加速度计关于所述基体的旋转轴线211对称地设置，可以通过将两个三维传感器信号的融合，分离出钻头的旋转运动参数和震动参数。具体来说，通过将所述每对三维加速度计的信号相加，可以使所述两个三维加速度计的离心加速度互相抵消，从而消除单个三维加速度计的离心加速度产生的负面影响，以提高所述随钻测量装置20对于震动的测量准确度。另外，通过将每对三维加速度计的信号相减可以更准确地测量钻头的旋转速度。
[0037]在一些实施例中，所述三维加速度计可以为一个整体，也可以由三个一维加速度计替代，或者还可以由一个二维加速度计及一个一维加速度计替代。
[0038]参见图7，在一些实施例中，所述随钻测量装置20包括两个三维加速度计271、272，所述三维加速度计271、272安装于通过所述旋转轴线211的同一直线上，且所述三维加速度计271、272到所述旋转轴线211的距离相等。
[0039]所述传感器24和所述传感腔22用于获取钻井数据及将所述钻井数据传输至钻井控制单元，其中所述钻井数据通过线缆、超声波、声波信号或者射频信号传输。在一些实施例中，所述传感器24可通过线缆供电，或者也可以通过安装于所述传感腔22内的电池供电。
[0040]本发明的实施例另一方面涉及一种使用包括所述随钻测量装置的钻井设备获取碳氢化合物的方法，包括:设计一预设的钻井轨迹，所述钻井轨迹可通往需要开采的碳氢化合物处；基于所述预设的钻井轨迹，使用包括随钻测量装置的钻井设备钻一井眼；然后，将所述钻井设备从所述井眼取出；最后，从所述井眼获取所述碳氢化合物。
[0041]其中，使用包括随钻测量装置的钻井设备钻一井眼包括:通过所述随钻测量装置获取钻井数据；将所述钻井数据传输至一钻井控制单元；及基于所述钻井数据及所述预设的钻井轨迹修正所述钻井设备的钻井方向。
[0042]在一些实施例中，传输所述钻井数据的步骤包括通过线缆、超声波、声波信号或者射频信号传输。
[0043]在一些实施例中，所述方法进一步包括在传输所述钻井数据之前对所述钻井数据进行编码的步骤。
[0044]本发明的实施例另一方面还涉及一种制造随钻测量装置的方法包括:提供一个基体，所述基体具有旋转轴线，用于沿轴向连接于钻井设备的钻杆和钻头之间，且其具有设置于其轴向两端的第一、第二端面，及在所述第一、第二端面间延伸的外侧柱面；在所述基体内部形成至少一个传感腔及一个通道，所述传感腔在所述至少一个端面上具有开口，所述通道用于使液体可在所述钻杆和钻头之间流通；从所述传感腔的开口向所述传感腔内安装至少一个传感器；及在所述至少一个端面上密封所述传感腔。
[0045]在一些实施例中，所述方法进一步包括在所述第一端面附近形成第一连接部及在所述第二端面附近形成第二连接部，用于使所述基体与钻井设备的钻杆及钻头连接。
[0046]虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
【主权项】
1.一种随钻测量装置，包括: 具有旋转轴线的基体，用于沿轴向连接于钻井设备的钻杆和钻头之间，所述基体具有设置于所述基体的轴向的两端的第一、第二端面，及在所述第一、第二端面间延伸的外侧柱面，所述基体形成有至少一个传感腔，所述传感腔在所述第一、第二端面中的至少一个端面上具有开口，所述基体还形成有一通道，用于使液体可在所述钻杆和钻头之间流通； 安装于所述传感腔内的至少一个传感器；及 一个密封件，用于在所述至少一个端面上密封所述传感腔；其中， 所述传感器和所述传感腔用于获取钻井数据及将所述钻井数据传输至钻井控制单元。2.如权利要求1所述的随钻测量装置，其中，所述基体具有设置于第一端面附近的第一连接部及设置于第二端面附近的第二连接部，分别用来与所述钻杆及钻头连接。3.如权利要求1所述的随钻测量装置，其中，所述传感器包括至少两个应变组件。4.如权利要求3所述的随钻测量装置，其中，所述每个应变组件包括第一、第二、第三应变片，分别沿三个不同方向安装于所述传感腔内壁上。5.如权利要求4所述的随钻测量装置，其中，所述第一、第二应变片关于所述第三应变片对称。6.如权利要求5所述的随钻测量装置，其中，所述第一应变片与所述第二应变片之间的夹角约为90度。7.如权利要求1所述的随钻测量装置，所述传感器包括一对或多对三维加速度计，其中每对三维加速度计关于所述基体的旋转轴线对称安装。8.一种方法，包括: 设计一预设的钻井轨迹，所述钻井轨迹通往需要开采的碳氢化合物处； 基于所述预设的钻井轨迹，使用包括随钻测量装置的钻井设备钻一井眼，包括: 通过所述随钻测量装置获取钻井数据， 将所述钻井数据传输至钻井控制单元，及 基于所述钻井数据及所述预设的钻井轨迹修正所述钻井设备的钻井方向； 将所述钻井设备从所述井眼取出；及 从所述井眼获取所述碳氢化合物； 其中，所述随钻测量装置包括具有旋转轴线的基体，用于沿轴向连接于钻井设备的钻杆和钻头之间，所述基体具有设置于所述基体的轴向的两端的第一、第二端面，及在所述第一、第二端面间延伸的外侧柱面，所述基体形成有至少一个传感腔，所述传感腔在所述第一、第二端面中的至少一个端面上具有开口，所述基体还形成有一通道，用于使液体可在所述钻杆和钻头之间流通；安装于所述传感腔内的至少一个传感器；及一个密封件，用于在所述至少一个端面上密封所述传感腔。9.如权利要求8所述的方法，其中，传输所述钻井数据的步骤包括通过线缆、超声波、声波信号或者射频信号传输。10.一种制造随钻测量装置的方法，包括: 提供一个基体，所述基体具有旋转轴线，用于沿轴向连接于钻井设备的钻杆和钻头之间，且其具有设置于其轴向两端的第一、第二端面，及在所述第一、第二端面间延伸的外侧柱面； 在所述基体内部形成至少一个传感腔及一个通道，所述传感腔在所述第一、第二端面中的至少一个端面上具有开口，所述通道用于使液体可在所述钻杆和钻头之间流通；从所述传感腔的开口向该传感腔内安装至少一个传感器；及在所述至少一个端面上密封所述传感腔。
【文档编号】E21B47/00GK106032749SQ201510101508
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月9日
【发明人】任治国, 付旭
【申请人】通用电气公司