专利名称：机械式无线随钻测斜仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于石油天然气勘探开发中钻井工程领域，是一种用于油气井井斜测量的随钻测斜工具。
技术背景测斜仪器是石油钻井工程中广泛应用且必需的工具。随着钻井技术的发展，各种各样的测斜仪器相继出现。目前现场使用的测斜仪，根据测量原理不同可分为两大系列，照相式和电子式。照相系列的测斜仪由于使用操作不便，精度底等缺点，目前现场使用的越来越少，逐渐被电子系列测斜仪代替。电子系列的测斜仪是利用电子元件来测量井斜，目前使用的电子系列的测斜仪有电子单点测斜仪、电子单多点测斜仪、有线随钻测斜仪和无线随钻测斜仪(MWD)等。这些仪器适合不同的场合，用于不同的目的。电子单点测斜仪是现场广泛应用的一种直井测斜仪器，但这种仪器测量需要时间长，受温度、井深和钻井液性能的影响，使用条件要求苛刻，且不能实现随钻测量，在使用中存在很大的局限性。
20世纪80年代开始，技术人员对机械式测斜仪进行研究，并提出了一些技术方案，如专利“自调式机械式测斜仪”(专利号CN 86207607U)。此专利提出的技术方案中，利用偏心摆机构测量井斜，包括内摆、外摆和重力偏心机构；用不同导程的双螺旋机构实现行程的变化。从公开的内容看，虽然可以实现测斜范围自动调节，但其测斜机构结构非常复杂，加工困难，不易实现。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题在于提供一种机械式无线随钻测斜仪，这种测斜仪是一种纯机械机构，涉及机械及泥浆脉冲技术，井下仪器没有电子元器件，不需要电池，依靠钻井液为动力。当需要测量井斜时，只需将钻井泵关闭，然后再开泵就马上知道井斜的大小。使用时将仪器放置在近钻头的钻铤中，随钻测量井斜。本实用新型克服了现有直井电子测斜仪的不足，具有结构简单、使用方便、测量时间短、不受温度和井深影响、适应性强和可以随钻测量等优点。本实用新型的目的是提供一种机械式无线随钻测斜仪，它能够快速便捷地随钻测量井斜，满足钻井工程上直井测斜的需要。
为达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案机械无线随钻测斜仪是一种细长型纯机械结构，主要由脉冲发生装置、上筒体、下筒体、控制机构、角度范围调节装置、测量机构、阻尼装置、平衡活塞、支撑座等组成。其特征为支撑座在仪器的最下端，与下筒体相连；下筒体与上筒体用螺纹连接，角度范围调节装置安装在上筒体的外面，上堵头与上筒体的顶端用螺纹连接，脉冲发生装置在仪器的最上端，脉冲环与上筒体的上端连接；控制机构固定在上筒体内，控制轴与测量机构的摆锤相连；测量机构在下筒体内，位于控制机构的下面，阻尼装置装在下筒体内，并固定在下筒体上，位于测量阶梯环的下方，平衡活塞在下筒体内阻尼装置的下方。
测量机构由摆锤和测量阶梯环组成；摆锤为一细长圆形结构，一端直径大，并带有台阶；测量阶梯环是圆柱结构，内部由一系列直径不同而高度相同的同心台阶环构成，形成阶梯状。
控制机构由限位筒、主弹簧、钢球、档球柱、控制弹簧、控制轴等组成；控制轴是一细长杆，上面带档球柱；控制弹簧套在控制轴上，控制筒装在控制轴和控制弹簧的外面，控制筒壁上带有多对对称圆孔，钢球装在这些圆孔里；限位筒和主弹簧套在控制筒的外面，主弹簧的上端套在限位筒上，下端固定在上筒体内的弹簧座上，限位筒的上端与脉冲轴相连。
控制轴下端与测量机构的摆锤铰接，摆锤一直处于自由垂直状态。
脉冲发生装置由脉冲环、脉冲轴、脉冲头构成；脉冲环内部带有多个限流孔，脉冲头是一蘑菇状结构，装在脉冲轴上端，脉冲轴内孔为盲孔，且其外表面要做特殊硬化处理。
脉冲轴的下端与控制机构的限位筒上端相连。
阻尼装置为圆柱状结构，并加工有钢球单向阀和阻尼孔。
角度范围调节装置由角度范围调节套与角度调节环组成，装在上筒体的外面，并通过连接条与测量阶梯环相连，角度范围调节套与角度调节环为一对螺纹副结构。
仪器连接处均有密封，上筒体、下筒体、角度范围调节套、平衡活塞、上堵头与脉冲轴等形成一密闭腔，腔内充满润滑油。
平衡活塞为一圆盘结构，加工有密封槽，并有一细圆柱状安装手柄。
上筒体、下筒体、角度范围调节套、脉冲轴、脉冲环等部件使用特殊材料、经特殊工艺处理本实用新型的有益效果是，由于采用纯机械机构，而没有复杂的电路和电子元器件，不需要电池，所以工作不受井下温度和振动的的影响，仪器在很高的温度下可以正常工作，且性能可靠，在井下连续工作时间长。另外，它可以装在井下钻具上使用，实现随钻测量，可在任何时间任何井深测量井斜，测量时间短，从而节省测斜时间，提高钻井速度，节约钻井成本。本实用新型的提出，克服了现存测斜仪的不足，更加适应钻井工程上直井随钻测斜的需要。
以下结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
图1为机械式无线随钻测斜仪的结构剖面图图2为机械式无线随钻测斜仪安装示意
图1—机械无线随钻测斜仪；2—钻头；3—钻铤；4—脉冲头；5—脉冲轴；6—限流孔；7—脉冲环；9—上堵头；10—限位筒；11—主弹簧；12—钢球；13—挡球柱；14—上筒体；15—密封；16—控制筒；17—角度范围调节套；18—角度调节环；19—控制弹簧；20—控制轴；23—连接条；24a—上密闭腔；24b—下密闭腔；25—摆锤；26—测量阶梯环；27—下筒体；28—阻尼孔；29—阻尼装置；30—钢球单向阀；31—平衡活塞；32—恢复弹簧；33—支撑座。
具体实施方式
参见
图1，上筒体14、下筒体27、角度范围调节套17、上堵头9等构成仪器的外壳，连同平衡活塞31、脉冲轴5和各连接处的密封15构成一密闭的腔室，并被阻尼装置29分为上密闭腔24a和下密闭腔24b两部分，内部充满润滑油。仪器的控制机构和测测量机构在上腔室24a内，这样这些机构的零部件全部与外部隔开，并充分润滑，保证各部件的正常工作并提高可靠性。
控制机构由限位筒10、主弹簧11、钢球12、控制筒16、控制轴20、控制弹簧19等组成。控制弹簧19套在控制轴20上，控制筒16装在控制轴20和控制弹簧19的外面，并固定在上筒体14上，控制筒16壁上带有多对对称圆孔，钢球12装在这些圆孔里；限位筒10和主弹簧11套在控制筒16的外面，主弹簧11的上端套在限位筒10上，下端固定在上筒体14内的弹簧座上。
测量机构由摆锤25和测量阶梯环26组成。脉冲轴5与限位筒10相连，控制轴20与摆锤25铰接，这样保证摆锤25始终处于自由垂直状态。仪器的测量精度主要是由测量阶梯环26决定，测量的精度越高，测量阶梯环26的各相邻台阶之间的直径差就越小，加工就比较困难，根据钻井工程的要求和加工的难易，一般精度为0.5度即可。
脉冲发生装置在仪器的最上端，脉冲环7与上筒体14的上部用螺纹连接，脉冲轴5的下端与控制机构的限位筒10的上端相连，脉冲头4固定在脉冲轴5上端。当脉冲轴5运动时，带动脉冲头4运动，脉冲头4在运动过程中经过脉冲环7的限流孔6时，流经脉冲环7的泥浆通道被堵，将产生压力升高，即压力脉冲。脉冲环7的限流孔6个数即是仪器最多可产生的脉冲个数，一般有10个左右。
这样，测量机构测得的井斜信息通过控制轴20传递给控制机构，控制机构可以控制脉冲轴5的上升高度，脉冲轴5的高度不同，开泵时脉冲头4向下运动过程中经过限流孔6的数量不同，从而产生不同的脉冲信号。所以，测量得到的井斜通过控制机构和脉冲发生装置，最后转变为脉冲的个数，且井斜与脉冲个数成正比关系。
每个脉冲所代表的井斜角度与测量机构的精度有关，如果精度为0.5度，那么一个脉冲信号就代表0.5度。此外，脉冲的数量与井斜角的关系还与角度范围有关，角度范围调节套17和角度调节环18就是调节角度范围的机构。当转动角度范围调节套17时，带动角度调节环18上移或下移，进而通过连接条23带动测量阶梯环26移动；从而得到不同的测量范围。下面进一步说明本实用新型的工作原理。
如图2，机械无线随钻测斜仪1使用时安装在钻头2上面的钻铤3中。在刚开始进行钻井作业时，泥浆泵打开，泥浆沿图2中箭头所指的方向通过仪器，先通过脉冲环7，然后进入机械无线随钻测斜仪1与钻铤3内孔的环空，最后经支撑座33流进钻铤水眼。这时脉冲头4在高压高速钻井液的冲击作用下，推动脉冲轴5向下运动，直到脉冲头4的下端与上堵头9的上端接触为止。在正常钻井作业时，仪器一直处于这种状态。
当需要测量井斜时，首先将泥浆泵关闭。参考
图1与图3，这时脉冲头4失去高压高速钻井液的冲击作用，控制机构的主弹簧11推动限位筒10向上运动，进而推动脉冲轴5和脉冲头4向上运动。与此同时，由于脉冲轴5的上移，控制轴20失去压力作用，也在控制弹簧19的作用下向上移动，从而带动摆锤25向上移动。摆锤25在向上移动的过程中，根据井斜的不同，会挂在不同的测量阶梯环26的台阶上。当摆锤25挂在测量阶梯环的台阶上时，控制轴20不能再向上移动。根据设计，对每个测量阶梯环26的台阶，控制轴20的挡球柱13将对应一个控制筒16的小球孔，将对应的将小球12推出，小球12挡住限位筒10，限位筒10不再向上移动，因此脉冲轴5也将停止移动，停在脉冲环中的某一位置。再开泵时，脉冲头4在高压高速钻井液的冲击作用下，推动脉冲轴5向下运动，脉冲轴5推动与之相连的控制机构的限位筒10，从而使主弹簧11压缩向下移动，当脉冲轴5的内孔顶端与控制轴20上端接触时，将推动控制轴20向下移动，同时与之相连的摆锤25也向下移动，直到脉冲头4的下端与上堵头9的上端接触为止。在脉冲头4随脉冲轴5向下运动的过程中，要经过脉冲环7的限流孔6，当脉冲头4与限流孔6重合时，钻井液因流动受阻而压力升高，从而产生压力脉冲。这时地面的传感器即可检测到压力脉冲信号，根据脉冲信号的数量即可判断井斜的大小。
当脉冲轴5向下移动进入上密闭腔24a时，将会引起上密闭腔24a的容积变小，这时上密闭腔24a内的润滑油将通过阻尼装置29的阻尼孔28流向下密闭腔24b，下密闭腔24b的润滑油将推动平衡活塞31向下移动。当脉冲轴5向上移动从上密闭腔24a出来时，上密闭腔24a容积变大，下密闭腔24b的压力大于上密闭腔24a的压力，这时阻尼装置29的单向阀30打开，润滑油从下密闭腔24b快速流向上密闭腔24a，平衡活塞31在恢复弹簧32的作用下向上移动。阻尼装置29的两个方向的不同阻尼效果用来控制脉冲轴4的运动速度，以保证脉冲信号的清晰，易于接收和分辨。
以上仅是实现本实用新型的一种方法，基于此实用新型原理的其它实现形式在本实用新型的范围之内。
权利要求1.机械式无线随钻测斜仪，是一种细长型纯机械结构，主要由脉冲发生装置、上筒体、下筒体、控制机构、角度范围调节装置、测量机构、阻尼装置、平衡活塞(31)、支撑座等组成，其特征为支撑座(33)在仪器的最下端，与下筒体(27)相连；下筒体(27)与上筒体(14)用螺纹连接，角度范围调节装置安装在上筒体(14)的外面，上堵头(9)与上筒体(14)的顶端用螺纹连接，脉冲发生装置在仪器的最上端，脉冲环(7)与上筒体(14)的上端连接；控制机构固定在上筒体(14)内，控制轴(20)与测量机构的摆锤(25)相连；测量机构在下筒体(27)内，位于控制机构的下面，阻尼装置(29)装在下筒体(27)内，并固定在下筒体(27)上，位于测量阶梯环(26)的下方，平衡活塞(31)在下筒体(27)内阻尼装置(29)的下方。
2.根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪，其特征是测量机构由摆锤(25)和测量阶梯环(26)组成；摆锤(25)为一细长圆形结构，一端直径大，并带有台阶；测量阶梯环(26)是圆柱结构，内部由一系列直径不同而高度相同的同心台阶环构成，形成阶梯状。
3.根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪，其特征是控制机构由限位筒(10)、主弹簧(11)、钢球(12)、档球柱(13)、控制弹簧(19)、控制轴(20)等组成；控制轴(20)是一细长杆，上面带档球柱(13)；控制弹簧(19)套在控制轴(20)上，控制筒(16)装在控制轴(20)和控制弹簧(19)的外面，控制筒(16)壁上带有多对对称圆孔，钢球(12)装在这些圆孔里；限位筒(10)和主弹簧(11)套在控制筒(16)的外面，主弹簧(11)的上端套在限位筒(10)上，下端固定在上筒体(14)内的弹簧座上，限位筒(10)的上端与脉冲轴(5)相连。
4.根据权利要求2、3所述的机械式无线随钻测斜仪，其特征是控制轴(20)下端与测量机构的摆锤(25)铰接，摆锤(25)一直处于自由垂直状态。
5.根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪，其特征是脉冲发生装置由脉冲环(7)、脉冲轴(5)、脉冲头(4)构成；脉冲环(7)内部带有多个限流孔(6)，脉冲头(4)是一蘑菇状结构，装在脉冲轴(5)上端，脉冲轴(5)内孔为盲孔，且其外表面要做特殊硬化处理。
6.根据权利要求3、5所述的机械式无线随钻测斜仪，其特征是脉冲轴(5)的下端与控制机构的限位筒(10)上端相连。
7.根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪，其特征是阻尼装置(29)为圆柱状结构，并加工有钢球单向阀(30)和阻尼孔(28)。
8.根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪器，其特征是角度范围调节装置由角度范围调节套(17)与角度调节环(18)组成，装在上筒体的外面，并通过连接条(23)与测量阶梯环(26)相连，角度范围调节套(17)与角度调节环(18)为一对螺纹副结构。
9.根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪器，其特征是仪器连接处均有密封(15)，上筒体(14)、下筒体(27)、角度范围调节套(17)、平衡活塞(31)、上堵头(9)与脉冲轴(5)等形成一密闭腔(24a，24b)，腔内充满润滑油。
10.根据权利要求1所述的机械式无线随钻测斜仪器，其特征是平衡活塞(29)为一圆盘结构，加工有密封槽，并有一细圆柱状安装手柄。
专利摘要本实用新型公开一种石油钻井用井下机械式无线随钻测斜仪，它集机械和钻井液脉冲技术为一体，由测量机构，控制机构、脉冲发生装置、阻尼装置、平衡活塞和壳体等组成。仪器有一个与外界隔开的密封壳体，内部充满润滑油。测量机构、控制机构和阻尼装置等在壳体内，脉冲发生装置在仪器的最上端，与壳体上部相连。当需要测量井斜时，只需将钻井泵关闭，这时测量机构开始测量井斜，测得的井斜信息通过控制机构传给脉冲发生装置，然后开泵，脉冲发生装置根据井斜的大小发出不同数量的压力脉冲信号，信号通过钻井液传到地面，从而实现井斜的无线随钻测量。它具有结构简单、使用方便、使用范围广、适应性强、测量结果稳定、可随钻测量等优点，可以满足钻井工程上直井测斜的需要。
文档编号E21B47/02GK2763505SQ20052008003
公开日2006年3月8日 申请日期2005年1月19日 优先权日2005年1月19日
发明者蔡文军, 王平, 祝远征, 董怀荣, 张仁龙, 梁子波 申请人:中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院