本发明涉及油田、矿山等行业的井下工程技术领域，特别是涉及一种用于随钻地层压力测量仪的探头装置。
背景技术：
随钻测量工具是国际钻井高技术的重要组成部分，应用这些高技术产品可提高大位移井、高难度水平井的工程控制能力和地层评价能力，从而提高油层的钻遇率。
其中，随钻地层压力测量工具可用来测量地层压力。其优点是，钻头刚钻开地层即进行测试，钻井液对所测地层污染小，压力测量精度高，能更好地反应地层真实压力状况。随钻地层压力测量工具解决了在大斜度井、大位移井中传统测量工具下入难等问题。
随钻地层压力测量仪器探头模块是系统的关键模块，在液压系统的作用下探头从仪器内伸出，推靠至井壁，在一定的推靠力作用下，使地层流体与环空管柱内的钻井液封隔。随后地层流体通过探头模块上的测试通道进入测试腔内，完成压力测量。
现有技术中，主要采用单级探头以沟通地层流体和测试腔。由于井下环境复杂，常出现测试压力值失真或者测试失败的问题。
技术实现要素：
针对上述问题的部分或全部，本发明提出了一种用于随钻地层压力测量仪的探头装置。该探头装置能设置在随钻地层压力测量仪上，通过多次推靠后才能使得探头装置沟通地层流体和测试腔，能大大提高地层压力测量的准确性。
根据本发明，提供一种用于随钻地层压力测量仪的探头装置，包括外壳、设置在外壳内的探头组件、设置在探头组件内的探针组件、设置在探针组件内的堵头和设置在堵头上的内流道，其中，在第一压力作用下，探头组件带动探针组件和堵头相对外壳轴向向外移动，在第二压力作用下，探针组件带动堵头相对探头组件轴向向外移动，在第三压力作用下，堵头相对于探针组件轴向向内移动以使得外界与内流道连通。
在一个实施例中，外壳包括筒状的外筒和用于封堵外筒的第二端的开口的底座，探头组件设置在外筒内并与外壳形成密闭的第一空间，并且第一空间由探头组件分隔为第一室和第二室，其中第一室通过第一流道与外界连通，而第二室通过第二流道与外界连通。
在一个实施例中，探头组件包括：
筒状的探头，
轴向凸出式设置在探头的第一端面上的密封件，
固定设置在探头的第二端的筒状的探头支撑座，
以及固定设置在探头支撑座的第二端的进液单向阀和回液单向阀，
其中，探头支撑座具有径向向外突出的第一凸台以将第一空间分隔为第一室和第二室。
在一个实施例中，密封件的第一端面构造为弧面，并且在径向由内到外的方向上，密封件凸出探头的厚度逐渐减小。
在一个实施例中，探针组件设置在探头组件的内腔中以形成密闭的第二空间，第二空间被探针组件分隔为第三室和第四室，其中，第三室通过进液单向阀或回液单向阀与第一室连通，而第四室通过设置在探头组件上的第三流道与第二室连通。
在一个实施例中，探针组件包括：
设置在探头组件的内腔中的探针杆，在探针杆的第二端设置有向第一端方向凹的第一槽，
用于封堵第一槽的探针端盖。
在一个实施例中，在探针杆的内腔中设置堵头，堵头向第二端方向延伸并依此穿过探针端盖、探头组件和底座，在堵头的侧壁上设置径向凸出的第三凸台以与第一槽的内壁接触将探针杆和探针端盖在凹槽处形成的第三空间分为第五室和第六室，其中，第六室与第三室选择性连通。
在一个实施例中，在第五室内的第三凸台和探针端盖之间设置弹性件。
在一个实施例中，内流道包括靠近堵头的第一端面设置的径向孔和与径向孔连通的轴向孔，其中，径向孔构造为在堵头轴向移动过程中与设置在堵头的内壁上的凹槽连通。
在一个实施例中，探头和探头支撑座通过径向固定销连接。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在第一压力作用下，探头组件等能相对于外壳轴向向外运动，先使得探头坐封，从而封隔钻井液和地层流体以保证测量的精准性。然后，在第二压力作用下，探针组件相对于探头组件运动，以保证探针组件能穿透井壁表面的泥饼而抽吸到原始地层流体，从而保证测量的真实性。另外，在堵头相对探针组件轴向移动时，才能使得内通道与地层流体连通，从而避免内通道堵塞的问题。由此，通过使用探头装置的多次推靠，能起到先封隔再连通的目的，保证了取流体的纯度和测量的精确度。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的探头装置的第一状态图；
图2示意性地显示了根据本发明的一个实施例的探头装置的第二状态图；
图3示意性地显示了根据本发明的外壳；
图4示意性地显示了根据本发明的探头组件；
图5示意性地显示了根据本发明的探针组件；
图6示意性地显示了根据本发明的堵头；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，用于随钻地层压力测量仪的探头装置100包括外壳1、探头组件2、探针组件4和堵头6。其中，探头组件2设置在外壳1内。探针组件4设置在探头组件2内。堵头6设置在探针组件4内。在堵头6上设置内流道61，以与压力测量仪的测试腔连通。在第一压力作用下，探头组件2带动探针组件4和堵头6相对外壳1轴向向外移动，以抵接在井筒的内表面上，用于封隔地层流体和钻井液。然后，在第二压力作用下，探针组件4带动堵头6相对探头组件2轴向向外移动，使得探针组件4刺入井壁的泥饼中。在第三压力作用下，堵头6相对于探针组件4轴向向内移动以使得外界与内流道61连通，从而引导地层流体进入到内流道61并输送到压力测量仪的测试腔中。
在一个实施例中，如图3所示，外壳1包括外筒11和底座12。其中，外筒11构造为筒状。底座12设置在外筒11的第二端开口处，以封堵外筒11的第二端开口。
在一个实施例中，如图4所示，探头组件2包括探头21、密封件22、探头支撑座23和进液单向阀24和回液单向阀25。其中，探头21构造为筒状，并在第一端面上设置第一台阶面26，以用于承托密封件22，以使得密封件22套设在探头21的外壁上。在轴向上，密封件22的第一端面凸出于探头21的第一端面，从而，在探头组件2抵接井筒壁时，密封件22能受力压缩而起到很好的封隔作用。探头支撑座23呈筒状，其第一端与探头21的第二端固定设置。进液单向阀24和回液单向阀25设置在探头支撑座23的第二端，以选择性沟通探头支撑座23的内腔和外界。
再如图1和2所示，在将探头组件2的第二端插入到外壳1的内腔中后，再在外筒21和探头支撑座23之间的环空内设置压紧端盖13(图3中有显示)，以形成了密闭的第一空间30。而在探头支撑座23的外壁上设置径向向外凸出的第一凸台28，以与外筒11密封式抵接，从而将第一空间30分隔为第一室31和第二室32。其中，第一室31可以通过第一流道33与外界连通，第二室32可以通过第二流道34与外界连通。在通过第一流道33向第一室31内泵送压力液的时候，压力液可以推动探头组件2相对应外壳1轴向向外移动，同时，第二室32受压缩体积缩小，可以通过第二流道34回流存在在第二室32内的液体。
在一个优选地实施例中，密封件22的第一端面构造为弧面，并且在径向由内到外的方向上，密封件22凸出探头21的厚度逐渐减小。通过这种设置，能提高密封件22的封隔能力，避免井筒内的钻井液流入到内流道61内。进一步优选地，在密封件22的第一端面上凸出式设置凸出环27。并且在径向方向上，可以设置个凸出环27。由于凸出环27尺寸相对小，容易变形，在密封件22抵接井筒的过程中，凸出环27容易变形以增加封隔能力。并且，这多个凸出环27起到了多层封隔的作用，最终保证了测量的精度。
在一个优选的实施例中，密封件22为橡胶密封件，并与探头21通过硫化工艺连接在一起。
优选地，探头支撑座23与探头21螺纹连接。这种连接结构能方便探头21的拆装，方便在探头21磨损后对其进行更换。进一步优选地，探头21和探头支撑座23通过径向固定销9连接。这种设置方式可以提高探头21和探头支撑座23之间的连接稳定性，防止振动过程中，探头支撑座23与探头21连接松动，从而提高探头装置100的抗振动能力。
在一个实施例中，如图5所示，探针组件4包括探针杆41和探针端盖42。其中，探针杆41的第二端构造有向第一端方向凹的第一槽43，探针端盖42设置在第一槽43的第二端开口处，以用于封堵第一槽43。
再如图1和2所示，由于探头支撑座23的第二端的内壁厚度减小，探针组件4设置在探头组件2的内腔中，探针杆41的第一端外侧壁与探头21的内侧壁和探头支撑座23的部分内侧壁抵接，而第二端外侧壁与内壁厚度减小的探头支撑座23形成了密闭的第二空间50。而位于第二空间50内的探针杆41的外侧壁上设置第二凸台44，以与探头支撑座23的内侧壁密封式抵接，从而将第二空间50分隔为第三室51和第四室52。其中，第三室51通过进液单向阀24或回液单向阀25与第一室31选择性连通，第四室52通过设置在探头组件2上的第三流道53与第二室32连通。由此，在第一室31内的液压增大而打开进液单向阀24后，液体进入到第三室51中，第三室51中的液压力作用在探针组件4上，而推动探针组件4轴向向外移动，此时，第四室52的体积被压缩，其内部的液体可以通过第三流道53进入第二室32，再由第二室32通过第二流道34回流出去。
在探针杆41上设置轴向的通孔45，通孔45的第二端与第一槽43贯穿，以用于堵头6穿过。其中，第一槽43的径向尺寸大于探针杆41的通孔45的径向尺寸。
如图6所示，堵头6构造为杆状，设置在通孔45中，并轴向延伸向第二端方向依次穿过探针端盖42、进液单向阀24和回液单向阀25之间的空隙，以及底座12。堵头6与探针杆41和探针端盖42在第一槽43处形成第三空间70。在堵头6的侧壁上设置径向凸出的第三凸台62以与第一槽43的内壁密封接触，将第三空间70分为第五室71和第六室72。其中，第六室72通过单向阀63与第三室51选择性连通。优选地，单向阀63为液控单向阀。从而，在第三室51内的液压增大而打开单向阀63后，液体进入第六室72内，液压力作用在第三凸台62的第一端面上，从而推动堵头6轴向向内移动。
优选地，在第五室71内的第三凸台62和探针端盖42之间设置弹性件8。在堵头6轴向向内移动过程中，弹性件8受压缩。当弹性件8的弹性力大于第六室72内的液压力的时候，堵头6轴向向外移动以复位。优选地，弹性件8构造为第一端和第二端分别抵接第三凸台62和探针端盖42的弹簧。该设置结构简单，制造成本低。
如图5所示，在探针杆41的靠近第一端面的内壁上设置凹槽46，同时，设置在堵头6上的内流道61包括靠近堵头6的第一端面设置的径向孔65和与径向孔65连通的轴向孔66。在初始状态下，堵头6的第一端面与探针杆41的第一端面平齐，堵头6的第一端面阻挡流体等进入内流道61中。当堵头6相对于探针杆41轴向向内移动后，凹槽46与外界连通，同时径向孔65与凹槽46连通，此时，地层内的流体通过凹槽46后依次进入径向孔65和轴向孔66，而最终进入到测试腔中。在一个优选的实施例中，凹槽46为构造在探针杆41的内壁上的螺旋槽。这种螺旋槽有助于沟通凹槽46和径向孔65，便于地层流体容易地流入内流道61中。同时，螺旋槽的槽宽尺寸为2到8毫米，例如5毫米。这种设置方式能避免地层流体内的大颗粒进入到内流道61中。也就是，凹槽46起到了过滤作用。在堵头6复位过中，堵头6能相对探针组件4轴向向外移动，从而剐蹭探针杆41的内壁，起到了自清洁作用。
下面根据图1到6详细描述探头装置100的工作过程。
探头装置100被安装在压力测量仪上，并随压力测量仪被下入到井筒中。当需要测量地层流体压力时。
向第一流道33内泵送压力液，压力液进入第一室31中，液压力作用到进液单向阀24和回液单向阀25的第二端面上，促动探头组件2带动探针组件4和堵头6轴向向外移动。在探头组件2移动过程中，第一室31的体积不断增大，而第二室32的体积不断缩小。从而，第二室32内的液体通过第二流道34回流排出探头装置100。当探头组件2运动到位后，密封圈22抵接在井筒的壁上，起到封隔地层流体和井筒内钻井液的作用。
继续通过第一流道33向第一室31内泵送压力液，当压力增大到第二压力时，进液单向阀24被打开，此时，压力液通过进液单向阀24进入到第三室51中。液压力作用在探针杆41和探针端盖42的第二端面上，促动探针组件4带着堵头6相对应探头组件2向轴向外侧移动，以刺入到井筒的泥饼中。此时，第三室51的容积增大，而第四室52受压缩。第四室52中的液体通过第三流道53回流到第二室32内，再通过第二流道34回流到外界。
在第三室51内的压力增大到第三压力时，单向阀63被打开，从而液体进入到第六室72内。液压力作用在第三凸台62的第一端面上，从而推动堵头6轴向向内移动。此时，弹性件8受压缩。当堵头6移动到位后，地层内的流体通过凹槽46后依次进入径向孔65和轴向孔66，而最终进入到测试腔中以进行压力测试。
上述阐明了探头装置100的推靠过程，接下来阐述探头装置100的回收过程。通过第二流道34向第二室32内输送压力液。压力液作用在第一台阶面26的第一端面上，以促动探头组件2轴向向内移动。此时，第一室31受到压缩，以使得其中的液体通过第一流道33回流。同时，第二室32内的压力液通过第三流道53进入到第四室52内，以促动探针杆41轴向向内运动。此时，第三室51可能受到压缩，而使得其中的液体通过回液单向阀25进入到第一室31中。当第四室52内的压力升高时，单向阀63打开，第六室72内的压力液通过液控单向阀63进入到第三室51中，再通过回液单向阀25进入到第一室31中，最终通过第一流道33回流。则探头装置100的回收完成以待进入下一次工作过程。图1显示了探头装置100的初始状态，也就是，探头装置100准备推靠的状态。而图2显示了探头装置100的推靠完成状态。
需要说明的是，本申请中，用语“第一端”与图1中的上端一致，而“第二端”与“第一端”方向相反，且与图1中的下端一致。而用语“第一压力”、“第二压力”和“第三压力”表示在不同压力下探头装置100会有不同的运动，而压力值的大小是根据实际工况的不同进行设置的，在本申请中并不限定具体压力值的大小。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。