隔振伽玛探头的制作方法

隔振伽玛探头


背景技术：

1.本发明总体上涉及井下传感器和井下设备，以及涉及用于抑制可能损坏诸如伽马探头的井下传感器的振动的隔振系统。
2.在深孔钻孔中，旋转钻孔技术已成为普遍接受的做法。该技术涉及使用钻柱，该钻柱由许多连接在一起的中空管段组成，并且钻头连接到该钻柱的底端。通过将轴向力施加到钻头上并通过从地表旋转钻柱或使用连接到钻柱的液压马达，形成相当光滑的圆形钻孔。钻头的旋转和压挤导致被钻地层被压碎和粉碎。钻井流体通过钻头上的喷嘴泵入钻柱的中空中心，然后返回到钻柱环空周围的地面。这种流体循环用于将钻屑从钻孔底部输送到地面，在地面将钻屑过滤掉，而钻井流体根据需要进行再循环。钻井流体的流动还提供其他辅助功能，例如冷却和润滑钻头的切割表面，并对钻孔壁施加静水压力以帮助控制钻井过程中遇到的任何夹带气体或流体。为了使钻井流体能够通过钻柱的中空中心、钻头中的节流喷嘴，并有足够的动量将钻屑和碎屑带回地面，地面的流体循环系统包括能够承受足够高的压力和流速的一个或多个泵、管道、阀门和旋转接头，从而将管道连接到旋转的钻柱。
3.人们早就认识到需要测量钻孔底部的某些参数并将此信息提供给钻井工。这些参数包括但不限于温度、压力、钻孔的倾斜度和方向、振动水平、倾斜度、方位角、工具面(钻柱的旋转方向)、还包括各种地球物理测量和岩性测量和地层地球物理特性，例如，电阻率、孔隙度、渗透率和密度，以及油气含量的原位地层分析。在钻井过程中，在钻孔底部的恶劣环境中测量这些参数并将这些信息及时传送到地面的挑战导致了许多设备和实践的发展。
4.有利的是能够在钻井时将数据从钻井底部发送到地面，并且不使用电线或电缆，并且不会连续和/或频繁地中断钻井活动。因此，开发了通常称为“随钻测量”或“mwd”工具的工具。现有技术中已经涵盖了几种类型的mwd工具，在下面将对这些类型的mwd工具进行简要讨论。
5.mwd工具可以通过多种方式传输数据，包括：创建em(低频无线电波或信号，地球或磁场中的电流)波以通过地球传播信号；向钻柱施加高频振动，其可用于编码数据并将数据传输到地面；以及产生压力脉冲以编码数据并将数据从钻孔底部传输到地球表面。
6.传感器是mwd/lwd平台的组件，该传感器可能包括伽马探头，也称为伽马射线工具。伽马探头用于测量自然发生的伽马辐射以表征井孔或钻孔周围的岩石或沉积物，从而记录伽马辐射随深度和位置的变化，并从中创建伽马观测记录。伽马传感器系统可以包括闪烁体晶体、光耦合结构、光电倍增管(pmt)、电子控制以及通信硬件和软件。闪烁体是一种材料，当被电离辐射激发时，通过吸收入射粒子的能量并以光的形式重新发射吸收的能量，该材料表现出闪烁。晶体形式的闪烁体通常是单个大晶体，既昂贵又机械易碎。因此，闪烁体通过发射光对伽马射线作出反应，而伽马探头使用该光来测量辐射。闪烁体通过光耦合垫光学耦合到诸如pmt的光电传感器。其他的此类传感器包括光电二极管或硅光电倍增管。pmt吸收闪烁体发出的光，并通过光电效应以电子的形式重新发射。这些电子(有时称为光电子)随后的倍增会产生电脉冲，然后可以对其进行分析。然后，使用电子控制以及通信硬
件和软件来创建和发送带有该信息的信号。
7.mwd或lwd平台通常必须旋转锁定(围绕钻柱的纵向轴线)，以将其保持在相对于钻柱的元件(例如钻头)的已知/固定旋转方向。这允许平台准确测量/记录数据，例如钻孔的倾斜度和方向、倾斜度、方位角和工具面(钻柱的旋转方向)。
8.mwd和lwd系统遇到的一个问题是钻井过程涉及产生轴向振动和冲击，这些振动和冲击会造成设备损坏和干扰传感器生成的信号的信号传输。mwd和lwd系统遇到的另一个问题是钻井过程涉及钻柱的慢速、稳定、快速和急动的旋转，尽管如此，mwd和lwd系统必须保持已知/固定的旋转。mwd和lwd系统通常机械固定到承受这些机械振动和冲击的钻柱的一部分并由其支撑。


技术实现要素：

9.提出了一种新的和改进的设备和组装方法，其允许隔振伽马探头结合到钻井系统中，从而减弱隔振伽马探头沿钻井系统的纵向轴线和横向轴线受到的对其内部部件的冲击，以及减弱绕钻井系统的纵向轴线的冲击力，其中隔振伽马探头使用键机构和弹性隔振结构。键机构和弹性隔振结构的组合允许部件以机械方式接合，基本上始终保持期望的定位，而且允许轻微的偏差并在产生偏差之后能够恢复期望的定位。弹性还可以抑制振动/冲击。
10.在一个实施例中，隔振伽马探头包括伽马传感器系统或传感器组件，其包括闪烁体晶体、光耦合结构、光电倍增管(pmt)、pmt支撑结构、电子控制、通信硬件和软件以及电池。闪烁体晶体通过光耦合垫光学耦合到pmt。pmt和光耦合垫由pmt支架支撑，pmt支架支撑连着pmt的该垫。pmt支架的外部主体可以与闪烁体晶体具有相同的直径以促进与外部支撑结构的接合。该外部支撑结构可以是刚性或基本刚性的管状支撑，其紧密配合以与闪烁体晶体和pmt支架接合。该外部支撑结构可以形成为芯筒，其包括径向包围传感器组件的管，并且传感器组件例如通过结合或粘合剂固定到管上。芯筒还可以包括机械键结构以抵抗绕纵向轴线的旋转。该机械键结构可包括从芯筒的封闭端纵向延伸的带小面(faceted)的键，其中小面可横向定向并纵向延伸。这些小面也可以通过在它们的远端向内倾斜而会聚。机械键结构包括具有例如正方形、六角形或八角形轮廓的键，用于与轮廓匹配的接收器接合。芯筒还可以包括在其端部上的弹性元件以保护传感器组件免受轴向冲击。芯筒还包括用于管状支撑件的开口端的封闭件，例如盖。该盖封闭芯筒的端部(靠近传感器组件的pmt端)，并且可用于压紧芯筒内的传感器组件以防止其在内部移动。弹性结构围绕芯筒以减弱冲击，优选地减弱在纵向轴线和横向轴线上和用于围绕纵向轴线旋转的冲击。弹性结构可包括由弹性材料形成的套筒，该套筒包括与管状结构径向接合的圆柱体、与机械键结构接合的封闭端以及与盖接合的压缩垫圈。该圆柱体还可以包括肋，例如纵向延伸的肋，以提供进一步的弹性和衰减。封闭端可以与圆柱形主体接合，并且可以包括从其延伸的尖端，尖端具有对应于机械键结构的内部轮廓和对应于用于机械键结构的轮廓匹配的接收器的外部轮廓。隔振伽马探头还包括用于支撑传感器组件和弹性结构的机架结构，该机架结构提供与mwd工具的接合和在mwd工具内的接合，并保持轴向位置和旋转方向。机架结构可以是刚性的或基本刚性的。机架结构包括两端的机械和电子连接器，用于与mwd工具连接和定向。机架还包括封闭的管状部分，其形成外壳用于紧密接合和固定传感器组件和弹性结构。机架
的一个连接器端通过隔板机械连接到管状结构，该隔板支撑连接器和管状结构并封闭管状结构的一端。传感器隔板还可以支撑轮廓匹配的接收器结构以用于与机械键结构接合。弹性结构的封闭端与轮廓匹配的接收器结构接合，并且机械键结构通过弹性结构与轮廓匹配的接收器结构弹性接合。轮廓匹配的接收器结构可以是具有用于与键接合的内部的正方形、六角形或八角形的轮廓的键接收器。传感器组件可以被压紧到弹性结构中，并因此被压紧到芯筒内的管状支撑件中，从而防止传感器组件在内部移动。机架还包括电子器件部分。底架的另一连接器端通过隔板机械连接到电子器件外壳，电子器件外壳由其远侧的第二隔板支撑。第二隔板配置为连接到机架部分的管状结构并封闭开口端。该隔板还通过弹性结构连接器与芯筒接合，以将芯筒压紧到管状结构中。第二隔板和机架部分的管状结构之间的连接可以通过径向定向的螺栓或螺钉来保持轴向的压紧。
11.在一个实施例中，伽马探头包括伽马传感器组件，该伽马传感器组件被管状芯筒包围并固定在管状芯筒中。该芯筒包括键以抵抗绕纵向轴线的旋转，该键与固定到伽马探头的机架的键接收器接合。芯筒还包括用于压紧芯筒内传感器组件的盖。机架包括外壳以保护芯筒并与芯筒接合。在芯筒和机架之间设有弹性的管状套筒。套筒在纵向轴线和横向轴线上并围绕纵向轴线在键和键接收器之间形成弹性接合，以及在纵向轴线和横向轴线上并围绕纵向轴线在芯筒的管状部分和外壳之间形成弹性接合，并且仅允许轻微的相对运动，同时恢复定位和减弱冲击。机架包括附加的压紧隔板，以将芯筒压紧并保持在外壳内，同时将芯筒压紧到键接收器。
12.在一个实施例中，隔振伽马探头包括传感器组件、包围传感器组件的基本上刚性的芯筒，该芯筒包括键、包围芯筒的弹性的隔振器套筒，以及包括用于键的接收器的基本上刚性的机架，其中键与键接收器接合，并且套筒弹性地介于键和键接收器之间。
13.在一个实施例中，键和键接收器各自包括一组平面以促进彼此的接合并抵抗旋转。在另一实施例中，那些平行于纵向轴线延伸的面以成角度的方式排列，例如正方形、六角形或八角形。在另一实施例中，键从芯筒的一端纵向延伸。
14.在一个实施例中，芯筒包括封闭端和盖，以及刚性连接封闭端和盖的传感器管。在另一实施例中，封闭端包括键，该键从封闭端纵向延伸。在另一实施例中，传感器管包括圆柱形腔体，并且传感器组件固定在腔体内，例如通过粘合剂或其他的结合方式。
15.在一个实施例中，弹性的隔振器套筒包括与键适应的内部轮廓和与键接收器适应的外部轮廓。在一个实施例中，这些轮廓形成在尖端中，该尖端从弹性的隔振套筒的封闭端纵向延伸。
16.在一个实施例中，弹性的隔振器套筒包括弹性主体和压缩垫圈，其中主体包括围绕腔体的圆柱形芯和封闭端，并且压缩垫圈封闭主体的开口端。在另一实施例中，封闭端包括尖端，芯筒上的键设置于该尖端中，并且压缩垫圈与芯筒上的盖接合。
17.在一个实施例中，隔振伽马探头的机架包括传感器机架和电子器件机架，其中传感器机架在具有键接收器的一端包括传感器隔板，并且电子器件机架将套筒和传感器芯筒压靠在传感器隔板上。在另一实施例中，传感器机架包括用于接收套筒和传感器芯筒并与它们接合的外壳，以及电子器件机架包括中间隔板和电子器件隔板，其中中间隔板压紧外壳内的套筒和传感器芯筒。
18.在一个实施例中，隔振伽马探头包括传感器组件、包围传感器组件的基本上刚性
的芯筒、包围芯筒的隔振器套筒、和基本上刚性的传感器机架，其中芯筒机械地键连接到传感器机架以限制绕纵向轴线的旋转，并且套筒弹性地吸收芯筒和传感器机架之间的冲击。
19.在一个实施例中，芯筒包括纵向延伸的键，以及传感器机架包括与键接合的键接收器或匣子。在另一实施例中，套筒还包括尖端，以及隔振伽马探头还包括电子器件机架，该电子器件机架将键压入尖端并将尖端压入键接收器。
20.在一个实施例中，弹性的隔振器套筒包括围绕腔体的圆柱形芯、开口端和具有从其延伸的尖端的封闭端。在另一实施例中，套筒还包括纵向延伸的尖端，该尖端具有内部轮廓，该内部轮廓适应于键并形成尖端。
21.在一个实施例中，芯筒包括封闭端、盖、连接封闭端和盖的传感器管，其中封闭端包括纵向延伸的键。在实施例中，芯筒包括纵向延伸的键，并且套筒包括纵向延伸的尖端，其中键位于尖端中。
附图说明
22.图1是钻机的地表部分和井下部分的代表性视图和局部剖视图。
23.图2a是隔振伽马探头的实施例的立体图。
24.图2b是图2a的装置沿截面a-a的剖视图，以及图2c是图2b的一端的放大图。
25.图2d是图2a的装置沿图2b所示的截面b-b的剖视图。
26.图3a是隔振伽马探头的部件的立体图。
27.图3b是图3a的部件沿截面c-c的剖视图。
28.图3c是图3a的部件的立体分解图。
29.图3d是图3c的部件的部分的立体分解图。
30.图4a是隔振伽马探头的部件的侧视图。
31.图4b是图4a的部件沿截面d-d的剖视图。
32.图4c是图4a的部件的立体剖视图。
33.图5a是隔振伽马探头的两个部件的组装的立体图。
34.图5b是以局部剖视图的方式将图5a的部件组装到隔振伽马探头的第三部件中的立体图。
35.图5c是将图5a的部件组装到隔振伽马探头的第三部件中并与隔振伽马探头的第四部件组装在一起的立体图。
具体实施方式
36.现参考附图，具体参考图1，在图1中大体示出了用于钻井的旋转钻孔的钻孔系统1的简化示意图。用于钻孔3的钻柱5由固定到地面并延伸到孔3中的多段钻杆组成，多段钻杆包括泥浆马达7和位于钻杆底部的钻头9。整个钻柱5旋转的同时，钻柱5下降到孔中并且施加受控的轴向压缩载荷。钻柱5的底部连接至多个钻铤11，其用于加固钻柱5的底部并增加局部重量以有助于钻井过程。随钻测量(mwd)工具组件13通常描述为连接到钻铤11的底部，并且钻头9和泥浆马达7连接到mwd工具组件13的底部。mwd工具组件13与地面上的mwd信号处理器16通信。
37.钻井流体或“泥浆”被迫流入钻柱5的顶部。该流体流过钻柱5、钻铤11、mwd工具组
件13、泥浆马达7和钻头9。然后，钻井流体通过行进穿过钻柱5的外径和钻孔3之间的环形空间返回地面。mwd工具组件13在其内径内包括主脉冲发生器19、伺服脉冲发生器17、伽马探头15和仪器模块14，仪器模块14可以包括电池部分。主脉冲发生器19在一端液压连接到伺服脉冲发生器17，以在这些部件之间形成用于钻井流体的路径。主脉冲发生器19的另一端与mwd工具组件13的内径内的内部钻井流体柱接触。伽玛探头15和仪器模块14连接到伺服脉冲发生器17的远端。
38.现在参考图2a、图2b、图2d、图5a、图5b和图5c，伽马探头15的实施例包括传感器机架20、传感器芯筒40、传感器组件100和电子器件机架60。如图2d所示，传感器机架20、传感器芯筒40和传感器组件100同心地向内移动布置。
39.现在具体参考图2a、图2b、图2c、图2d和图5a，在一个实施例中，传感器机架20包括靠近一个纵向端部的传感器隔板28，其被垫圈26环绕以安装在mwd工具组件13内。传感器隔板28的一侧支撑机械互连件30和插头32，用于连接到mwd工具组件13中的其他部件。在相对侧，传感器隔板28包括与传感器芯筒40的键48接合的键接收器29。键接收器29包括四个平面35，其布置成正方形，纵向延伸并横向定向。外壳22是管状的并且连接到传感器隔板28，在传感器隔板28的那端封闭外壳22。外壳22还限定内部的腔体23并具有与传感器隔板28相对的开口端34。在开口端34附近，外壳22包括为螺栓24配置的放射状的间隔开的孔25，从而通过中间隔板63中的螺纹孔69连接到电子器件机架60。插头32连接到线组件31，线组件31穿过传感器隔板28中的线槽37进入腔体38，然后进入腔体23，通向电子器件机架60。互连件30、传感器隔板28和外壳22都是刚性的或至少基本上是刚性的，因为它们是承重的，需要支撑伽马探头15的质量，并且必须抵抗在操作和/或施加/接受压缩力期间施加到mwd工具组件的冲击和负载。
40.现在具体参考图2c、图2d、图3a、图3b、图3c、图5a、图5b和图5c，在一个实施例中，传感器芯筒40包括主体41和盖56。主体41包括传感器管42，其在内部限定圆柱形腔体44，并具有靠近传感器隔板28的封闭端46和与封闭端46相对的开口端54。封闭端46包括面47，其具有从其纵向延伸的键48。键48包括设置成正方形的四个平面49，其纵向延伸并横向定向。键48限定纵向穿过其通向圆柱形腔体44的孔50。在开口端54处设有螺纹凹槽52以连接到盖56。盖56通过螺纹凹槽52与传感器管42连接以进行螺纹推进，并且包括从圆柱形腔体44到电子器件机架60的数据通道55。数据通道55还连接接地片58，接地片58使用螺钉57保持在盖56上，以将地线连接至电子器件机架60。键48的尺寸小于键接收器29，以允许隔振器套筒80插在传感器芯筒40和传感器机架20之间，从而紧密和弹性接合传感器芯筒40和传感器机架20。同样，传感器管42的尺寸小于外壳22，以允许隔振器套筒80插在传感器芯筒40和传感器机架20之间，从而紧密和弹性接合传感器芯筒40和传感器机架20。封闭端46、传感器管42和盖56都是刚性的或至少基本上是刚性的，因为它们是承重的，需要支撑伽马探头15的质量，并且必须抵抗在操作和/或施加/接受压缩力期间施加到mwd工具组件的冲击和负载。
41.现在具体参考图2d、图3b、图3c和图3d，在一个实施例中，传感器组件100包括闪烁晶体104、pmt 109、pmt支架115、光耦合垫122和压缩垫圈102。闪烁晶体104基本上或完全是圆柱形的，并且包括靠近传感器芯筒40的封闭端46的远端105、pmt端106和外表面107。光耦合垫122的面123保持为与pmt端106齐平且牢固地抵靠它，并且光耦合垫122的另一面123保持为与pmt 109的输入端110齐平且牢固地抵靠它。pmt还包括具有导线112的输出端111和
外表面113。光耦合垫在垫端119处由pmt支架115的垫托架116支撑。pmt支架115包围pmt 109并为在垫端119处的光耦合垫22和在开口端118处的导线112提供窗口，并且pmt支架115还包括外表面120。传感器组件100及其部件的尺寸几乎与传感器管42的圆柱形腔体44相同，用于紧密的机械接合和结合。结合层53在传感器管42的腔体44内连接闪烁晶体104的外表面107和pmt支架115的外表面120，以防止闪烁晶体104和pmt支架115之间发生相对旋转。
42.现在具体参考图2c、图2d、图4a、图4b、图4c、图5b和图5a，在一个实施例中，隔振器套筒80包括弹性体81和压缩垫圈90。弹性体81包括圆柱形芯82、开口端84和封闭端85。圆柱形芯82在其外侧具有纵向肋83并在其内侧限定腔体91。封闭端85包括纵向延伸的尖端87。尖端87包括设置成正方形的四个侧面88，其纵向延伸并横向定向。尖端87具有形成于其中的外部轮廓86和内部轮廓89，它们分别适应于键接收器29的35的内部构造和键48的键面49的外部构造。压缩垫圈90的尺寸设计成在盖56和电子器件机架60的中间隔板63之间提供弹性接合。隔振器套筒80的腔体91的尺寸几乎与传感器管42相同，圆柱形芯82上的肋83的尺寸设计成使其最大直径几乎与外壳22的腔体23相同或略大，以便圆柱形芯82和外壳22之间的弹性接合。同样，尖端87的尺寸设计成在内部与键48一致并且在外部与键接收器29一致。选择形成圆柱形芯82和肋83以及尖端97的弹性材料的厚度(或多个厚度)以提供与内部部件(例如，传感器管42和键48)和外部部件(例如，腔体23和键接收器29)的紧密接合。这也涉及传感器管42、腔体23、键48、键接收器29的相对尺寸，它们的相对尺寸需要允许足够的间隔以获得用于弹性接合的期望厚度。
43.现在具体参考图2a、图2b和图5c，在一个实施例中，电子器件机架60包括主体62，其一端附接到中间隔板63，另一端附接到电子器件隔板68。主体62限定容纳电子器件61的电子器件室67。主体62还包括封闭电子器件室67的检修盖65，检修盖65通过螺钉64固定到主体62。中间隔板63包括用于pmt 109的导线112的通道76，以及径向间隔开的螺纹孔69，其用于螺栓24以将电子器件机架60连接到传感器机架20。电子器件隔板68支撑机械互连件70和插头72，以连接到mwd工具组件13中的其他部件。插头72连接到线组件71，线组件71通过电子器件隔板68中的线槽77进入电子器件室67，并从电子器件室67通过线槽77进入中间隔板63的腔体78，然后进入腔体23，连接到互连件30上的插头32(如所描述的传感器机架20)。电子器件隔板68和中间隔板63每个都由垫圈66环绕，以安装在mwd工具组件13内。互连件70、中间隔板63、电子器件隔板68和主体62都是刚性的或至少基本上是刚性的，因为它们是承重的，需要支撑伽马探头15的质量，并且必须抵抗在操作和/或施加/接受压缩力期间施加到mwd工具组件的冲击和负载。
44.现在具体参考图2a、图2b、图2c、图2d、图3a、图3b、图3c、图5a、图5b和5c，在一个实施例中，伽马探头15通过以下方式组装。
45.压缩垫圈102位于闪烁晶体104的远端105，并且结合层53施加到闪烁晶体104的外表面113。将压缩垫圈102和闪烁晶体104插入传感器管42的圆柱形腔体44中，直到压缩垫圈102位于主体41的面47的内侧。然后，结合层53结合圆柱形腔体44内的外表面113。光耦合垫122固定在pmt支架115的垫支架116中，面123完全齐平地安置在pmt 109的输入端110上。pmt 109固定在pmt支架115的主体117内，导线112从开口端118伸出。结合层53施加到pmt支架115的外表面120，并且pmt支架115首先插入垫端119，直到光耦合垫122的面123完全齐平地安置在闪烁晶体104的pmt端106上。然后，结合层53结合圆柱形腔体44内的外表面120。附
加的压缩垫圈102位于pmt支架115的开口端118上。盖56通过螺纹凹槽52拧入传感器管42的开口端54。推进盖56压缩盖56和面47之间的压缩垫圈102，并且将光耦合垫122完全安置在闪烁晶体104和pmt 109之间。
46.将传感器芯筒40(包含传感器组件100)插入到隔振器套筒80的开口端84中，首先是封闭端46插入。传感器芯筒40被推进到腔体91中，传感器管42与圆柱形芯82齐平，直到键48位于封闭端85的尖端87中。键48的取向使得键面49与尖端87中的侧面88齐平。压缩垫圈90位于盖56上方，导线112从盖56中延伸。
47.将隔振器套筒80(包含传感器芯筒40和传感器组件100)插入传感器机架20的外壳22的开口端34，首先是封闭端85插入。将隔振器套筒80推进到腔体23中，肋83与外壳22齐平，直到尖端87位于传感器隔板28上的键接收器29中。在插入隔振器套筒80的情况下，外壳22的孔25从内部露出。线组件31位于腔体23中并邻近外壳22。推进肋83，使得线组件31或其单独的导线位于相邻的肋83与圆柱形芯82和外壳22之间的空隙中。尖端87和键48的取向使得侧面88与键接收器29中的面35齐平。这允许键48和键接收器29之间以及传感器芯筒40和传感器机架20之间的弹性接合。可选地，压缩垫圈90可以位于盖56上方，在插入隔振器套筒之后导线112延伸穿过盖56中。
48.电子器件机架60的中间隔板63被推进到传感器机架20的空隙23中，直到螺纹孔69与外壳22的孔25对齐。螺栓24固定在螺纹孔69中，将电子器件机架60连接到传感器机架20。使用螺钉64安装盖65以覆盖电子器件室67中的电子器件61。
49.伽马探头15使用互连件30、互连件70、插头32和插头72连接到mwd工具组件13。