一种近钻头测量装置的制作方法

本发明涉及石油勘探开发的随钻测量领域领域，具体地说，是涉及一种近钻头测量装置。

背景技术：

随着石油和天然气开发的不断进行，早期的常规油气藏已经开发接近尾声，目前已经向开发非常规油气藏、复杂油气藏等方面由浅层向深层发展。现今，对这些复杂油气藏，水平井工艺等钻井工艺应用越来越广泛，在油气井的施工过程中，通过地质导向技术来提高钻遇率和泻油面积，对提高单井产量有非常重要的意义。与此同时，地质导向施工对随钻测量仪器的要求越来越高，特别是对测量点距离钻头越近越好，如果能够在螺杆下方则为最佳。由于螺杆的特殊结构，不利于电缆穿过，因此近钻头短节一般需要有一个跨螺杆的无线短传装置，将测量的信号传输到螺杆上方，再经过有线方式传输到泥浆脉冲起，然后再传输到地面。

由于受到钻井时钻具组合的要求以及狗腿度的限制，安装在钻头上方并且位于螺杆下方的近钻头短节的长度一般都不能超过1米。这个长度比常规随钻仪器动辄10米以上，将极大限制近钻头短节内部能够设计安装测量传感器结构，特别是对电磁波电阻率这样需要多个线圈构成线圈系才可以进行地层电阻率测量的模块。按照电磁波电阻率的基本原理，电磁波电阻率的测量至少需要一个发射线圈，两个接收线圈。电磁波电阻率的发射线圈到两个接收线圈中点的距离称为源距，这个源距与测量地层电阻率的探测深度是近似相当的关系。因此，为了保证一定探测深度，要求源距超过0.5m以上，否则信号达不到一定深度的地层，导致测量结果只是反映短节周围钻井液的电阻率。

近钻头短节上的无线短传线圈是必须的结构，由于无线短传的工作频率较低，需要发射线圈的电感较大才能实现高效率的短传发射。发射线圈的电感较大就要求线圈的匝数较多，且线圈下方安装磁芯，才能实现较大的电感。因此无线短传线圈一般在近钻头短节上需要占用0.4m以上。因此在近钻头短节中，如何更加有效的利用近钻头测量短节空间，安装尽可能多的测量模块，特别是类似电磁波电阻率这样的传感器是亟需解决的问题。

现有技术中有直接就在近钻头短节上安装电磁波电阻率测量线圈系，回避无线短传的线圈，或者采用电流型的侧向电阻率的测量原理，这种原理电阻率探测深度非常有限。这样，都不能有效解决既实现近钻头电磁波电阻率测量和无线电磁波短传，又实现一定的地层电阻率探测深度，同时还将近钻头短节的长度限制在1米以内。

技术实现要素：

本发明需要设计一种有效的将无线电磁波短传线圈和电磁波电阻率线圈系在空间上有效的结合在一起的装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种近钻头测量装置，包括：其中形成有钻井液通道的短节本体，所述短节本体构成为分别与螺杆和钻头连接；设置在所述短节本体的外壁上的电阻率测量模块，所述电阻率测量模块构成为在第一控制信号的作用下获取随钻测量作业中钻头实时到达位置处的地层电阻率数据；设置在所述短节本体的外壁上的无线短传模块，所述无线短传模块构成为在第二控制信号的作用下接收所述地层电阻率数据，并将所述地层电阻率数据发送至所述螺杆上方的外部设备中；和分别与所述电阻率测量模块和所述无线短传模块连接的总控模块，所述总控模块构成为交替发送有效的所述第一控制信号和所述第二控制信号。

优选地，所述电阻率测量模块包括：安装在紧邻所述钻头的第二凹槽内的信号发生器，所述信号发生器用于在通入交变电流信号后发射相应的感应电磁波信号；安装在紧邻所述螺杆的第一凹槽内的第一接收器，所述第一接收器进一步设置在靠近所述螺杆处，构成为在所述感应电磁波信号的影响下产生对应地层位置处的第一感应电流信号；设置在所述第一凹槽内的靠近所述信号发生器的第二接收器，所述第二接收器构成为在所述感应电磁波信号的影响下产生对应地层位置处的第二感应电流信号；和设置在所述第二接收器与所述信号发生器之间的电阻率测量控制器，所述电阻率测量控制器构成为在向所述信号发生器发送所述交变电流信号后，接收所述第一感应电流信号和所述第二感应电流信号，并计算出所述地层电阻率数据。

优选地，所述无线短传模块包括：与所述电阻率测量控制器连接的短传控制器，所述短传控制器从所述电阻率测量控制器中获取所述地层电阻率数据；和设置在所述第一接收器和所述第二接收器之间的短传发射器，所述短传发射器进一步与所述短传控制器连接，构成为在通入从所述短节控制器处获得的交变电流后，发射用于将所述短传控制器中的地层电阻率数据传输至所述外部设备中的短传电磁波信号。

优选地，所述总控模块集成于所述电阻率测量模块中的电阻率测量控制器或所述无线短传模块中的短传控制器。

优选地，所述第一凹槽形成为与所述短节本体同轴的环形凹槽，并且设置有若干个均匀分布于所述第一凹槽内壁外围的第一磁芯，其中，所述第一凹槽内的第一接收器、短传发射器和第二接收器沿所述短节本体轴向环绕在若干个所述第一磁芯外。

优选地，所述第二凹槽形成为与所述短节本体同轴的环形凹槽，并且设置有若干个均匀分布于所述第二凹槽内壁外围的第二磁芯，其中，所述第二凹槽内的信号发生器沿所述短节本体轴向环绕在若干个所述第二磁芯外。

优选地，所述装置还包括：设置在所述第一凹槽与所述第二凹槽之间的第一短节腔体，所述第一短节腔体内置有所述电阻率测量控制器；设置在所述第一凹槽与所述第二凹槽之间的第二短节腔体，所述第二短节腔体内置有所述短传控制器。

优选地，所述装置还包括：分别与所述第一凹槽和所述第一短节腔体连通的第一走线孔，所述第一走线孔内置有用于分别接收所述第一感应电流信号和所述第二感应电流信号的信号线；和分别与所述第二凹槽和所述第一短节腔体连通的第二走线孔，所述第二走线孔内置有用于向所述信号发生器通入交变电流信号的信号线。

优选地，所述装置还包括：分别与所述第一凹槽和所述第二短节腔体连通的第三走线孔，所述第三走线孔内置有用于向所述短传发射器通入交变电流信号的信号线。

优选地，所述装置还包括：安装在所述第一凹槽外的第一凹槽保护罩，所述第一凹槽保护罩均匀设置有若干个通过梯形绝缘件填塞的第一凹槽缝隙；和安装在所述第二凹槽外的第二凹槽保护罩，所述第二凹槽保护罩均匀设置有若干个通过梯形绝缘件填塞的第二凹槽缝隙。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明能够充分利用近钻头短节上的空间，实现了具有一定探测深度的近钻头电磁波电阻率测量，同时还具备了无线跨螺杆短传的功能，对于钻井轨迹的调整和钻进安全非常有利，同时对于降本增效具有较大意义。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本申请实施例的近钻头测量装置的总体结构示意图。

图2为本申请实施例的近钻头测量装置中的第一凹槽a处的截面结构示意图。

图3为本申请实施例的近钻头测量装置的外观示意图。

图4为本申请实施例的近钻头测量装置中的第一凹槽保护罩b处的截面结构示意图。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

其中，附图标记列表如下：

100：短节本体

110：钻井液通道

120：短节本体内壁

130：短节公扣

140：短节母扣

200：第一凹槽

210：第一接收器

220：第一凹槽内壁

230：短传发射器

240：第一磁芯

250：第一固定磁芯壳体

260：第二接收器

270：第一凹槽保护罩

271：第一凹槽缝隙

280：第一走线孔

281：第一连接器

290：第三走线孔

291：第三连接器

300：第一短节腔体

310：测量电路板

320：第二走线孔

321：第二连接器

330：短节腔体保护盖

400：第二短节腔体

410：无线传输发射电路板

500：第二凹槽

510：信号发生器

520：第二凹槽内壁

530：第二磁芯

540：第一固定磁芯壳体

550：第二凹槽保护罩

551：第二凹槽缝隙

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

由于在随钻导向施工作业中受到钻井时钻具组合的要求以及狗腿度的限制，安装在钻头上方并且位于螺杆下方的近钻头短节的长度一般都不能超过1米。这个长度比常规随钻仪器动辄10米以上，将极大限制近钻头短节内部能够设计安装测量传感器结构，特别是对电磁波电阻率这样需要多个线圈构成线圈系才可以进行地层电阻率测量的模块。按照电磁波电阻率的基本原理，电磁波电阻率的测量至少需要一个发射线圈，两个接收线圈。电磁波电阻率的发射线圈到两个接收线圈中点的距离称为源距，这个源距与测量地层电阻率的探测深度是近似相当的关系。因此为了保证一定探测深度，要求源距超过0.5m以上，否则信号达不到一定深度的地层，导致测量结果只是反映短节周围钻井液的电阻率。

近钻头短节上的无线短传线圈是必须的结构，由于无线短传的工作频率较低，需要发射线圈的电感较大才能实现高效率的短传发射。发射线圈的电感较大就要求线圈的匝数较多，且线圈下方安装磁芯，才能实现较大的电感。因此无线短传线圈一般在近钻头短节上需要占用0.4m以上。因此在近钻头短节中，如何更加有效的利用近钻头测量短节空间，安装尽可能多的测量模块，特别是类似电磁波电阻率这样的传感器是亟需解决的问题。

现有技术中有直接就在近钻头短节上安装电磁波电阻率测量线圈系，回避无线短传的线圈，或者采用电流型的侧向电阻率的测量原理，这种原理电阻率探测深度非常有限。这样，都不能有效解决既实现近钻头电磁波电阻率测量和无线电磁波短传，又实现一定的地层电阻率探测深度，同时还将近钻头短节的长度限制在1米以内。

因此，本发明克服了现有技术中的不足之处，设计一种近钻头测量装置。该装置有效的将无线电磁波短传线圈和电磁波电阻率线圈系在空间上有效的结合在一起，对提高线圈性能的磁芯进行复用，实现了一种的紧凑型线圈系结构。这种装置充分利用了近钻头短节上的空间，实现了具有一定探测深度的近钻头电磁波电阻率测量，同时还具备了无线跨螺杆短传的功能。

图1为本申请实施例的近钻头测量装置的总体结构示意图。如图1所示，该装置包括短节本体100、电阻率测量模块(未图示)、无线短传模块(未图示)和总控模块(未图示)。其中，短节本体100的前后位置留有短节本体100的短节公扣130和短节母扣140，分别用于连接钻头和螺杆。短节本体100的中空位置(即短节本体内壁120)形成有钻井液通道110。短节本体100紧邻螺杆端设置有与短节本体100同轴的环形凹槽，即第一凹槽200。并且，短节本体100紧邻钻头端设置有与短节本体100同轴的环形凹槽，即第二凹槽500。

进一步的，在上述第一凹槽200和第二凹槽500之间的短节本体100的外壁上设置有第一短节腔体300和第二短节腔体400。

进一步的，上述电阻率测量模块设置在短节本体100的外壁上，电阻率测量模块能够在第一控制信号的作用下获取随钻测量作业中钻头实时到达位置处的地层电阻率数据。其中，电阻率测量模块包括信号发生器510、第一接收器210、第二接收器260和电阻率测量控制器(未图示)。

具体地，上述信号发生器510、第一接收器210和第二接收器260均采用线圈装置。其中，信号发生器510安装在第二凹槽500内，信号发生器510中的线圈装置沿短节本体100轴向环绕。第一接收器210和第二接收器260分别安装在第一凹槽200内靠近螺杆和上述信号发生器510处，第一接收器210中的线圈装置沿短节本体100轴向环绕，同样的，第二接收器260中的线圈装置沿短节本体100轴向环绕。其中，在第一凹槽200内的第二接收器260和第二凹槽500内的信号发生器510之间的第一短节腔体300内设置有测量电路板310，上述电阻率测量控制器集成于测量电路板310上，分别与信号发生器510、第一接收器210和第二接收器260连接。

电阻率测量控制器能够在第一控制信号的控制下，向信号发生器510发送交变电流信号，信号发生器510在通入电阻率测量控制器发送的交变电流信号后，发射相应的感应电磁波信号。而后，第一接收器210和第二接收器260在上述感应电磁波信号的影响下分别产生对应地层位置处的第一感应电流信号和第二感应电流信号。进一步，电阻率测量模块接收第一感应电流信号和第二感应电流信号，基于此，计算出地层电阻率数据。

其中，第一凹槽200的侧面与第一短节腔体300的侧面之间设置有使二者连通的第一走线孔280，第一走线孔280内置有用于分别接收第一感应电流信号和第二感应电流信号的信号线，即第一接收器210和第二接收器260的线圈，并且该信号线分别连接至测量电路板310内的电阻率测量控制器的对应信号连接点。进一步的，第一走线孔280内安装有第一连接器281，该连接器281选用高压密封连接器，其一端连接第一凹槽200内的第一接收器210和第二接收器260的线圈，另一端连接测量电路板310内的对应信号连接点(电路板上的第一感应电流信号和第二感应电流信号的信号接收点)。

进一步的，第二凹槽500的侧面与第一短节腔体300的侧面之间设置有使二者连通的第二走线孔320，第二走线孔320内置有用于向信号发生器510通入交变电流信号的信号线，即信号发生器510的线圈，并且该信号线连接至测量电路板310内的电阻率测量控制器的对应信号连接点。进一步的，第二走线孔320内安装有第二连接器321，该连接器321选用高压密封连接器，其一端连接第二凹槽500内的信号发生器510的线圈，另一端连接测量电路板310内的对应信号连接点(电路板上的交变电流信号的信号发射点)。

第一连接器281和第二连接器321起到密封作用，确保测量电路板310所安装的第一短节腔体300内不会进入钻井液，避免损坏电路板和电池等设备。

进一步的，上述无线短传模块设置在短节本体100的外壁上，无线短传模块能够在第二控制信号的作用下接收上述地层电阻率数据，并将地层电阻率数据发送至螺杆上方的外部设备或地面设备中。其中，无限短传模块包括短传发射器230和短传控制器(未图示)。

具体地，上述短传发射器230采用线圈装置。短传发射器230安装在第一凹槽内的第一接收器210和第二接收器260之间，短传发射器230中的线圈装置沿短节本体100轴向环绕。其中，在第一凹槽200和第二凹槽500之间的第二短节腔体400内设置有无线传输发射电路板410，上述短传控制器集成于无线传输发射电路板410上，与上述短传发射器以及电阻率测量控制器连接。

短传控制器能够在第二控制信号的控制下，向短传发射器230发送交变电流信号，短传发射器230在通入从短传控制器处获得的交变电流信号后，发射用于将短传控制器中的地层电阻率数据传输至外部设备或地层设备中的包含地层电阻率数据信息的短传电磁波信号，以使得外部设备或地层设备中的无线短传接收设备获取相应的地层电阻率数据。

进一步的，第一凹槽200的侧面与第二短节腔体400的侧面之间设置有使二者连通的第三走线孔290，第三走线孔290内置有用于向短传发射器通入交变电流信号的信号线，即短传发射器230的线圈，并且该信号线连接至无线传输发射电路板410内的短传控制器的对应信号连接点。进一步的，第三走线孔290内安装有第三连接器291，该连接器291选用高压密封连接器，其一端连接第一凹槽200内的短传发射器230的线圈，另一端连接无线传输发射电路板410内的对应信号连接点(电路板上的交变电流信号的信号发射点)。第三连接器291起到密封作用，确保无线传输发射电路板410所安装的第二短节腔体400内不会进入钻井液，避免损坏电路板和电池等设备。

进一步的，上述总控模块集成于电阻率测量模块中的电阻率测量控制器或无线短传模块中的短传控制器中。总控模块分别与电阻率测量模块中的电阻率测量控制器和无线短传模块中的短传控制器连接的总控模块，能够交替发送有效的第一控制信号和第二控制信号。这样，通过总控模块将上述短传发射器和电阻率测量控制器连接起来，从而通过总控模块来实现控制各种线圈的工作时序，避免电阻率测量与无限短传相互干扰，使得在电阻率测量时不进行无限短传发射，反之，无限短传发射时，不进行电阻率测量。

其中，第一短节腔体300的侧面和第二短节腔体400的侧面之间设置有使二者连通的位于短节本体10侧壁内的第四走线孔(未图示)，第四走线孔内置有用于传输第一控制信号或第二控制信号的信号线。进一步的，第四走线孔内安装有第四连接器(未图示)，该连接器选用高压密封连接器，其一端连接集成于电阻率测量控制器或短传控制器中的总控模块，另一端连接于电阻率测量控制器内的第一控制信号的信号连接点或者连接于短传控制器内的第二控制信号的信号连接点。第四连接器起到密封作用，确保无限短传发射电路板410和测量电路板310内不会进入钻井液，避免损坏电路板和电池等设备。

另外，在第一凹槽内壁220外围设置有若干个均匀分布的呈圆柱形的第一磁芯240(第一磁芯240的中心轴方向与短节本体100的轴向方向平行)。第一磁芯240的长度需要达到或超过第一凹槽200内各类线圈(第一接收器210线圈、第二接收器260线圈和短传发射器230线圈组合)的轴向环绕长度的总和，以确保三种线圈下方都有磁芯，使得每种线圈的性能得到有效提高。进一步，第一凹槽内壁220与第一凹槽内200各类线圈之间设置有用于固定若干第一磁芯240的第一磁芯壳体250，其中，若干第一磁芯240均匀分布于第一磁芯壳体250内。第一磁芯壳体250为圆柱形空腔，为了方便安装，该壳体250可以分成2瓣或2瓣以上，即由2瓣或2瓣以上个数的分壳体构成一个完整的空心的圆柱包裹在第一凹槽内壁220上，并且第一凹槽200内的各类线圈绕制在第一磁芯壳体250的外表面。

在第二凹槽内壁520外围设置有若干个均匀分布的呈圆柱形的第二磁芯530(第二磁芯530的中心轴方向与短节本体100的轴向方向平行)。第二磁芯530的长度需要达到或超过第二凹槽500内的短传发射器230线圈的轴向环绕长度，以确保短传发射器230的线圈下方都有磁芯，使得线圈的性能得到有效提高。进一步，第二凹槽内壁520与第二凹槽500内的短传发射器230线圈之间设置有用于固定若干第二磁芯530的第二磁芯壳体540，其中，若干第二磁芯530均匀分布于第二磁芯壳体540内。同样地，第二磁芯壳体540为圆柱形空腔，为了方便安装，该壳体540可以分成2瓣或2瓣以上，即由2瓣或2瓣以上个数的分壳体构成一个完整的空心的圆柱包裹在第二凹槽内壁520上，并且第二凹槽500内的短传发射器230线圈绕制在第二磁芯壳体540的外表面。

进一步的，第一凹槽200与第二凹槽500的外表面分布安装有第一凹槽保护罩270和第二凹槽保护罩550。第一凹槽保护罩270和第二凹槽保护罩550的本体使用金属材料，分别保护第一凹槽200与第二凹槽500内部的各类线圈，避免凹槽内部的各类线圈受到井筒内的钻井液和岩屑的冲蚀。

进一步的，图3为本申请实施例的近钻头测量装置的外观示意图。由于第一凹槽保护罩270和第二凹槽保护罩550的本体为金属材料，金属材料会屏蔽第一凹槽200与第二凹槽500内部的各类线圈的电磁波信号的穿透和传输。因此，如图3所示，在第一凹槽保护罩270上均匀设置有多个第一凹槽缝隙271，并且在第二凹槽保护罩550上也均匀设置有多个第二凹槽缝隙551。

其中，安装在第一凹槽200外的第一凹槽保护罩270均匀设置有若干个通过梯形绝缘件填塞的第一凹槽缝隙271。具体地，每个第一凹槽缝隙271均形成为一个梯形，该梯形的内表面较大，外表面较小，并且，为了确保电磁波信号可以通过上述若干第一凹槽缝隙271实现穿透和传输，从而到达井筒、地层，需要使用梯形绝缘件将每个第一凹槽缝隙271进行填塞。图4为本申请实施例的近钻头测量装置中的第一凹槽保护罩b处的截面结构示意图。第一凹槽200内的若干个第一凹槽缝隙271和若干个梯形绝缘件的形态及分布情况，如图4所示。

同样地，安装在第二凹槽500外的第二凹槽保护罩550均匀设置有若干个通过梯形绝缘件填塞的第二凹槽缝隙551。具体地，每个第二凹槽缝隙551均形成为一个梯形，该梯形的内表面较大，外表面较小，并且，为了确保电磁波信号可以通过上述若干第二凹槽缝隙551实现穿透和传输，从而到达井筒和地层，也需要使用梯形绝缘件将每个第二凹槽缝隙551进行填塞。

这样，通过上述第一凹槽保护罩270和第二凹槽保护罩550的结构设计方法，进一步保证每个绝缘件不会从上述第一凹槽保护罩270和第二凹槽保护罩550的本体上掉下来。另外，上述第一凹槽保护罩270和第二凹槽保护罩550内表面与其分别对应的凹槽中也填满了绝缘材料，第一凹槽保护罩270和第二凹槽保护罩550是紧贴在这些绝缘材料上的。因此，第一凹槽保护罩270和第二凹槽保护罩550的各个缝隙中的绝缘件也不会从第一凹槽保护罩270和第二凹槽保护罩550的内表面以及外表面掉落。

进一步的，图2为本申请实施例的近钻头测量装置中的第一凹槽a处的截面结构示意图。以第一凹槽200为例，若干第一磁芯240、第一磁芯壳体250、第一凹槽缝隙271以及第一凹槽保护罩270的分布情况如图2所示。

再次参考图3，第一短节腔体300和第二短节腔体400外均设置有短节腔体保护盖330，短节腔体保护盖330分别将第一短节腔体300和第二短节腔体400密封于短节本体100内，从而起到保护测量电路板310和无线传输发射电路板410的作用。

本发明提出了一种近钻头测量装置。该装置所涉及的系统能够充分优化近钻头测量仪器的结构，实现非常紧凑的近钻头电磁波电阻率和无线短传功能的近钻头测量短节。例如，实现探测深度0.5m的电阻率测量，可以把整个短节的长度控制在1米以内，满足钻具组合的狗腿度的要求，这些效果对于钻井轨迹的调整和钻进安全非常有利，并且对降低设备成本以及提高随钻测量精度具有较大意义。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。