基于光学引擎的随钻测斜仪器及其测量装置的制作方法

本发明涉及石油天然气勘探开发中随钻测井工程领域，尤其涉及一种基于光学引擎的随钻测斜仪器及其测量装置。

背景技术：

井身质量是钻井工程质量的重要组成部分，是钻井勘探开发目的和要求的保证，关系到能否顺利实现钻井目的，还对钻井后续工程（如固井、采油等）的质量和安全产生重要影响。在钻井工程中，通过采用合理的措施，控制井斜角，强制钻头沿着设计的井眼轨迹钻进。直井要求井斜越小越好，而在定向井和水平井钻井中，则要把井斜控制在合适的范围内。实践表明，由于地质特性（各向异性、地层倾斜和井眼直径等）、钻具组合结构、井眼轨迹几何形状、钻井工艺参数等因素影响，钻井过程中出现井眼轨迹漂移是必然的。为了提高中靶率，在施工过程中必须对钻头钻井方向实施进行控制，且井眼质量越高，钻井越容易。而实际的井眼轨迹参数只能通过随钻测斜仪器检测，并传输到地面上才能获得。

目前，市场上销售和使用的随钻测斜仪器通常采用独立分体结构，加工精度要求高，连接调试繁琐。自寻北陀螺仪是最高水平、用途最广的测斜仪，它是利用两个加速度计敏感地球重力加速度，从而得到载体的俯仰角与倾斜角。由于加速度计在使用一段时间后会产生消磁现象，必须将仪器返厂进行标定，使得自寻北陀螺仪的价格较为昂贵。常规MWD/LWD是以磁力仪作为测量方位角的主要传感器，使用单个三轴磁力仪测量地球磁场的各个分量，从而获取井眼方位角。在确定情况下，重力保持不变。在强磁场干扰的环境中,通过磁力传感器的磁通量就不仅仅是大地磁场，还有外部干扰磁场的迭加，这给测量带来误差， 进而给井眼轨迹的判断或修正带来障碍。在开窗侧钻、分支井钻井和套管钻井等作业中，套管、邻井和具有磁性的钢制品等磁力干扰源对测量仪器，特别是测量方位角的磁力传感器产生较大的影响，使测量偏差增大，给井眼轨迹预测和控制带来困难，且三轴磁力仪的价格也较为昂贵。

因此，有必要设计一种新的随钻测斜仪器，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于光学引擎的随钻测斜仪器及其测量装置，旨在用于提高测量精度，消除方位测量误差，降低仪器成本。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种基于光学引擎的随钻测斜仪器的测量装置，其特征在于：包括密封缸筒，所述密封缸筒内具有一固定支架，所述固定支架上悬挂有一重力杆，所述重力杆的末端连接有一光学引擎封装，所述光学引擎封装内固定有激光二极管、光学透镜组件和传感器，所述光学引擎封装下方具有与所述密封缸筒固定的一半球形壳体，所述光学引擎封装位于所述半球形壳体的腔体内且与所述半球形壳体之间具有间隙。

进一步地，所述固定支架上具有一球铰座，所述重力杆的顶端具有一圆球，所述圆球铰接于所述球铰座中。

进一步地，所述固定支架包括固定于所述密封缸筒内壁上的一横杆以及自所述横杆的中部向下延伸的一竖直杆，所述球铰座固定于所述竖直杆的末端。

进一步地，所述圆球位于所述半球形壳体的球心处。

进一步地，所述半球形壳体四周的边缘与所述密封缸筒的内壁贴合并固定。

进一步地，所述半球形壳体的球心位于所述密封缸筒的轴线上。

进一步地，所述光学引擎封装的下端面与所述半球形壳体的内表面之间的间隙为1-4mm。

进一步地，所述传感器为带有微型摄像机的光学传感器。

本发明还提供一种基于光学引擎的随钻测斜仪器，其特征在于：包括上述任一项所述的测量装置以及一外壳，所述测量装置位于所述外壳中。

进一步地，还包括脉冲发生器、电池、驱动装置和控制装置，所述脉冲发生器、所述电池、所述驱动装置、所述控制装置以及所述测量装置依次连接并整体固定于所述外壳内。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明能够通过光学引擎封装直接测量方位角和倾斜角，不需要价格昂贵的陀螺仪和三轴磁通门，降低了仪器成本，且不需要传统的三轴磁通门感应周围磁场来测量方向，从而避免磁场干扰带来的测量误差。

（2）本发明采用光学引擎进行位移测量，测量精度高，能够达到0.003mm；井斜角和方位角是根据光学引擎的传感器与半球形壳体内表面之间的相对位置进行计算获得的，因此最终获得的井斜角和方位角的精度更高，能将井眼轨迹控制地更精确，提高井眼质量。

（3）本发明为非接触式测量，光学引擎封装的端部与半球形壳体内表面之间存在间隙，抗振，耐用，不拍摔，节能，从而解决了传统的随钻测量仪器需要小心翼翼运输，不能摔，而且容易损坏的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的基于光学引擎的随钻测斜仪器处于竖直状态时的结构示意图；

图2为如图1中Ⅰ处局部放大结构示意图；

图3 为本发明实施例的基于光学引擎的随钻测斜仪器处于垂直状态时光学引擎位置示意图；

图4 为本发明实施例的基于光学引擎的随钻测斜仪器倾斜时的结构示意图；

图5 为如图4中Ⅱ处局部放大结构示意图；

图6 为本发明实施例的基于光学引擎的随钻测斜仪器处于倾斜状态时光学引擎位置示意图。

附图标记说明：1-脉冲发生器；2-电池；3-驱动装置；4-控制装置；5-测量装置；51-固定支架；511-横杆；512-竖直杆；513-球铰座；52-密封缸筒；53-半球形壳体；54-重力杆；541-圆球；55-光学引擎封装；551-激光二极管；552-光学透镜组件；553-传感器；6-外壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图4所示，本发明实施例提供一种基于光学引擎的随钻测斜仪器，包括外壳6、脉冲发生器1、电池2、驱动装置3、控制装置4以及测量装置5，所述脉冲发生器1、所述电池2、所述驱动装置3、所述控制装置4以及所述测量装置5均为模块化封装并且依次通过螺纹连接组合在一起，其整体固定于所述外壳6内。

如图2和图5所示，所述测量装置5包括一密封缸筒52，所述密封缸筒52内具有一固定支架51，所述固定支架51上悬挂有一重力杆54，所述重力杆54的末端连接有一光学引擎封装55，所述光学引擎封装55内固定有激光二极管551、光学透镜组件552和传感器553，所述光学引擎封装55下方具有与所述密封缸筒52固定的一半球形壳体53，所述光学引擎封装55位于所述半球形壳体53的腔体内且与所述半球形壳体53之间具有间隙。

进一步地，所述密封缸筒52呈圆筒状，所述固定支架51包括固定于所述密封缸筒52内壁上的一横杆511以及自所述横杆511的中部向下延伸的一竖直杆512，所述竖直杆512的末端固定有一球铰座513，所述重力杆54的顶端具有一圆球541，所述圆球541铰接于所述球铰座513中，使得所述重力杆54可以自由摆动并且始终沿着重力方向自由下垂，优选地，所述圆球541的球心位于所述密封缸筒52的轴线上。如图2所示，当本发明实施例的基于光学引擎的随钻测斜仪器处于竖直状态时，所述重力杆54沿着竖直方向自由下垂，如图5所示，当本发明实施例的基于光学引擎的随钻测斜仪器倾斜时，所述重力杆54依然沿着竖直方向自由下垂，但由于所述半球形壳体53的位置发生变化，所述光学引擎封装55与所述半球形壳体53之间产生相对位移，从而检测到井斜角和方位角的变化。

进一步地，所述半球形壳体53位于所述光学引擎封装55下方且腔体朝上，其球心也位于所述密封缸筒52的轴线上并且与所述圆球541同心，所述半球形壳体53四周的边缘与所述密封缸筒52的内壁贴合并且相互固定。所述圆球541的球心到所述光学引擎封装55下端面的距离小于所述半球形壳体53的半径，使得所述光学引擎封装55始终位于所述半球形壳体53的腔体内且其下端面与所述半球形壳体53的内表面之间具有间隙，由于所述半球形壳体53的球心与所述圆球541同心，使得所述光学引擎封装55旋转到任意位置时其下端面与所述半球形壳体53内表面的距离保持不变，从而方便测量且测量结果更加精确。优选地，所述光学引擎封装55的下端面与所述半球形壳体53的内表面之间的间隙为1-4mm，既能保证测量的精度，又能防止仪器在运输时受到损伤。

如图3和图6所示，所述光学引擎封装55与传统的光学鼠标内的光学引擎的结构和原理类似，其包括激光二极管551、光学透镜组件552和传感器553等，所述传感器553为带有微型摄像机的光学传感器，利用激光二极管551照射半球形壳体53内表面，并被反射回所述传感器553，捕捉任意位置的画面，用以记录移动动作。激光光线具有一致的特性，当光线从表面反射时可产生高反差图形，出现在传感器553上的图形会显示物体表面上的细节。当传感器553与半球形壳体53内表面发生相对移动时，传感器553会连续拍摄物体表面，并利用数字信号处理来比较各个影像，以决定移动的距离和方向，并换算成井斜角和方位角。如图3所示，当本发明实施例的基于光学引擎的随钻测斜仪器处于竖直状态时，所述传感器553可以捕捉位置A处的画面，如图5所示，当本发明实施例的基于光学引擎的随钻测斜仪器处于倾斜状态时，所述传感器553可以捕捉位置B处的画面，所述传感器553根据位置B处相对位置A处的位移∆S换算出井斜角θ以及方位角。

本发明实施例的基于光学引擎的随钻测斜仪器在使用时，所述测量装置5将测得的井斜角和方位角数据以电信号的方式传递给所述控制装置4，所述控制装置4进而控制所述驱动装置3来驱动所述脉冲发生器1，通过所述脉冲发生器1将信息上传至地面，此过程中，所述电池2负责给需要电能的装置供电。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。