专利名称：一种随钻地层压力测量仪器及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种压力测量仪器及其测量方法，特别是关于一种应用于石油勘探开 发领域的随钻地层压力测量仪器(PWD)及其测量方法。
背景技术：
近年来，石油勘探开发已经从常规地质环境地层转向非常规地质环境地层。由于 非常规地质环境地层中存在着复杂的地质因素(高温、高压等)，因此，严重威胁着石油钻 井的安全。其中，地层压力是最为重要的一个因素，但是如何准确、实时的获得地层压力数 据是一个技术难点。常规的电缆地层测试虽然可以测量地层压力，但是它最大的弊端就是 测量的地层压力数据不具有实时性，因此，在复杂地质环境中，不能有效地进行随钻地层压 力的实时监测，预防井下事故的发生，而采用随钻地层压力测量仪随时预报井下压力情况 是解决这一问题的有效途径。因此，对随钻地层压力测量装置的研制，具有十分重要的意 义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种地层压力测量准确，高效实时地获取地 层压力值的随钻地层压力测量仪器及其测量方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种随钻地层压力测量仪器，其特征 在于它包括一内部设置有中心流道的外壳体，所述外壳体上依次设置有分流加压机构、执 行机构和油路换向机构，所述执行结构上设置有抽吸机构；所述分流加压机构包括设置在 所述外壳体内的分流筒，所述分流筒的入口端设置有一分流入口，所述分流入口连通所述 中心流道、以及所述分流筒与所述外壳体之间设置的分流通道；所述分流筒内设置有中空 的分流活塞，所述分流活塞与所述分流筒之间设置有弹簧；所述分流筒的出口端连接一中 空的中心轴，所述中心轴与所述外壳体之间留有环空，且在所述中心轴上套设有一加压活 塞，所述加压活塞的密封端的环空通过设置在所述分流筒上的分流出口连接分流通道，所 述加压活塞的活塞杆端的环空为高压油路；所述执行机构包括一空心主轴，所述主轴外壁 间隔设置有若干凸台，所述主轴的一端通过正向上活塞连接中心轴，另一端设置在所述外 壳体末端；所述主轴内部依次套设有外筒和内筒；所述主轴与所述外筒之间设置有一推出 动力油路，所述推出动力油路的一端通过设置在所述主轴上的推出动力油口连通所述主轴 起始端与所述外壳体之间的环空，所述推出动力油路的另一端连接设置在所述外壳体末端 的所述油路换向机构；所述外筒与所述内筒之间设置有一流道，所述流道一端穿过所述正 向上活塞连通所述高压油路，另一端连接所述油路换向机构；所述油路换向机构连接电磁 阀组，所述油路换向机构上设置有进油口、推出油口、推回油口和回油口 ；所述进油口与所 述高压油路连通；所述推出油口与所述推出动力油路连通；所述推回油口与设置在所述外 壳体上的推回动力油路连通，所述推回动力油路的另一端连通所述主轴末端与所述外壳体 之间的环空；所述回油口与设置在所述外壳体末端的油箱连通；所述抽吸机构包括间隔设置在所述主轴的所述凸台上的一抽吸密封滑块和两反向固定支撑滑块，所述抽吸密封滑块 上设置有一探头，所述探头输出端通过一抽吸管线连接抽吸缸，所述抽吸缸另一端连接活 塞缸；所述抽吸缸上设置有压力数据采集系统；所述活塞缸内设置有活塞，所述活塞的密 封端设置在所述活塞缸内，所述活塞的活塞杆端密封设置在所述抽吸缸内；所述活塞缸上 设置有连通所述活塞的密封端与所述活塞缸之间空间的喷射油路，所述活塞缸上还设置有 连通所述活塞的活塞杆端与所述活塞缸之间空间的抽吸驱动油路；所述喷射油路和抽吸驱 动油路均通过电磁阀组连接一油箱。所述弹簧通过弹簧固定器固定在所述分流筒上。所述反向固定支撑滑块为两个，所述抽吸密封滑块和各所述反向固定支撑滑块均 通过其中间的凹槽镶合在所述主轴的其中两个具有斜面的所述凸台上，并通过滚动销钉连接。—种上述随钻地层压力测量仪器的测量方法，其包括以下步骤1)下放测量仪器 到井下，加大中心流道内的泥浆排量，泥浆推动分流活塞向前运动，敞开分流入口，泥浆进 入分流通道，通过分流通道和分流出口推动加压活塞向前运动；幻加压活塞推动高压油路 里的高压油进入油路换向机构，启动电磁阀组控制油路换向机构内的高压油向推出动力油 路流去，通过推出动力油路和推出动力油口到达主轴与外壳体之间；幻高压油推动主轴向 前运动，使得固定支撑滑块、抽吸密封滑块向外推出，顶靠在井壁上；4)电磁阀组控制高压 油通过抽吸机构的抽吸控制油路注入到活塞缸，推动活塞向远离抽吸缸的方向运动，进而 驱动抽吸缸内的抽吸管线通过探头进行地层流体抽吸，同时通过压力数据采集系统实时记 录抽吸缸中的压力数值力)测量结束后，电磁阀组控制高压油通过喷射油路注入活塞缸， 使活塞向抽吸缸方向运动，通过探头排出抽吸管线和抽吸缸中的地层液体；6)电磁阀组控 制油路换向机构改变高压油的流向，使得高压油向推回动力油路流去，进而流入外壳体末 端与主轴之间，高压油推动主轴反方向运动复位，固定支撑滑块和抽吸密封滑块缩回，探头 缩回；7)减小钻井液的排量到正常值，分流活塞在弹簧的回复力推动下复位，挡住分流入 口，关闭分流通道，隔绝泥浆压力向加压活塞传递，高压油路中的压力减小，恢复正常值；8) 测量仪器恢复原始状态，测量完毕。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明测量仪器可以自身集 成连接于钻柱上，在钻井过程中随钻柱一起下入井底，省去了常规电缆地层压力测量进行 起下钻、仪器下井的操作，因此，节约了钻井时间、避免了常规测试仪器下井困难的潜在风 险、降低了钻井成本。2、本发明测量仪器由于安装在近钻头位置，在钻头钻开地层后，可以 短时间内测量地层压力，避免了钻井液长时间浸泡地层，造成地层信息的失真，因此，地层 压力测量数据更准确，能够更真实地反映地层信息。3、本发明设置了分流加压机构，通过中 心流道里的泥浆与分流活塞的相互作用，来控制PWD装置的执行机构动力的开启与关闭， 而且分流活塞上安装了一个高强度的弹簧，通过弹簧确定了启动泥浆的排量，因此，本发明 执行机构动力的启动与关闭容易实现。4、本发明加压活塞的加压功能是通过加压活塞向 前移动，减小高压油路的体积实现的，另外，由于加压活塞具有上端面和下端面存在较大的 面积比的特点，所以它具有放大压力的作用，能使得加压油缸中的压力提高更易实现。5、 本发明由于设置了油路换向机构，主轴的正向运动动力和反向运动动力可以由油路换向机 构来调节，因此，本发明可以通过一个动力源同时提供两种动力，简化了仪器的结构。6、本发明在主轴上沿周向等间隔设置有三个滑块(一个探头滑块、两个支撑滑块)，三个滑块可 在主轴的向前运动下，沿着主轴的斜面推出顶靠在井壁上，且相互支撑，进而可使探头贴附 井壁，更加稳固；本发明的三个滑块可以通过主轴的向后运动缩回，进而带动探头缩回；因 此，本发明能够有效控制探头的伸出和缩回。7、本发明的抽吸机构可以通过电磁阀组调节 油路泵油速率和泵油量，进而对地层流体的抽吸速率、抽吸体积进行调节，因此，可以适应 不同渗透率地层的需要，使得测试抽吸过程更加科学合理，并且在测试结束后，可以排出先 前的内部抽吸流体，为下一次抽吸作好准备。8、本发明的抽吸机构是针对井下抽吸动作而 设计的，体积小(外径< 30cm，长度< 430cm)，因此，能够有效利用地层压力测量装置的可 用空间。本发明不仅能够承受井下高温、高压、强震动等复杂情况，而且能够准确实时的获 取井下地层压力，利用地层压力数据，工作人员能及时识别井下复杂的地质因素，继而调整 钻井参数，有效防止钻井期间发生井漏、井塌、溢流、井喷等复杂情况，因此，可广泛用于钻 井过程中。
图1是本发明结构示意2是本发明分流加压机构的平面示意3是本发明分流加压机构与执行机构连接示意4是本发明执行机构和油路换向机构示意5是图4的A-A剖视示意6是本发明抽吸机构示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明包括一装置外壳体1，外壳体1内设置有一中心流道2。外壳 体1上依次设置有分流加压机构3、执行机构4和油路换向机构5。执行机构4上设置有抽 吸机构6。如图2所示，分流加压机构3包括设置在外壳体1内的分流筒31，分流筒31与外 壳体1之间设置有分流通道32，分流筒31的入口端设置有一连通分流通道32和中心流道 2的分流入口 33。分流筒31内设置有中空的分流活塞34，分流活塞34与分流筒31之间设 置有弹簧35，弹簧35通过弹簧固定器36固定在分流筒31上。分流筒31的出口端设置有 中空的中心轴37，中心轴37与外壳体1之间留有环空，且在中心轴37上套设有加压活塞 38，加压活塞38的密封端环空通过设置在分流筒31上的分流出口 39连接分流通道32，加 压活塞38的活塞杆端的环空连通高压油路7。分流加压机构3通过控制泥浆排量进行启动和关闭控制，其具体工作原理为正 常钻井时间，钻井液从中心流道2通过，当要进行地层压力测量时，加大泥浆排量，推动分 流活塞34向前推进，压缩弹簧35，露出分流筒31上的分流入口 33，泥浆部分进入分流通道 32，通过分流通道32和分流出口 39流入加压活塞38的密封端的环空，推动加压活塞38向 前移动，使高压油路7的体积减小，从而增大油压。当测量工作结束时，钻井液流量恢复正 常，流体对分流活塞34的推力减小，分流活塞34在弹簧35的回复力推动下复位，挡住分流入口 33，隔绝了高压泥浆压力向加压活塞38密封端环空的传递，加压活塞38逐步复位，高 压油路7中的压力逐渐减小，恢复正常值。如图3、图4所示，执行机构4包括一空心主轴41，主轴41的外壁间隔设置有若干 凸台42，主轴41的一端通过正向上活塞43连接中心轴37，另一端设置在外壳体1的末端。 主轴41内部依次设置有外筒44和内筒45，中心流道2穿过内筒45。主轴41与外筒44之 间设置有一推出动力油路46，推出动力油路46的一端通过设置在主轴41上的推出动力油 口 47连通主轴41的起始端第一个凸台42与外壳体1之间的环空，推出动力油路46的另 一端连接设置在外壳体1末端的油路换向机构5。外筒44与内筒45之间设置有一流道，流 道一端穿过正向上活塞43连通高压油路7，另一端连接油路换向机构5。如图4所示，油路换向机构5设置在执行机构4下方，油路换向机构5内设置有标 准的液压换向阀，油路换向机构5连接电磁阀组8，电磁阀组8采用标准器件，其用于控制油 路换向机构5的油路换向。油路换向机构5上设置有进油口 51、推出油口 52、推回油口 53 和回油口 54。进油口 51与高压油路7连通；推出油口 52与推出动力油路46连通；推回油 口 53与设置在外壳体1末端的推回动力油路55连通，推回动力油路55的另一端连通主轴 41末端与外壳体1之间的环空；回油口 M与设置在外壳体1末端的油箱56连通。油箱56 起到执行机构4进行动作过程中协调用油的作用。油路换向机构5是专门针对井下条件设 计，具有体积小(长度< 300mm，外径=85mm)，适应井下高温、高压(70MPa，125°C )的特点。如图4、图5所示，抽吸机构6连接电磁阀组9，电磁阀组9采用标准器件，其用于 控制抽吸机构6的整个抽吸动作。抽吸机构6包括间隔设置在主轴41上的三个块，每一 滑块均通过其中间的凹槽镶合在主轴41的其中两个具有斜面的凸台42上，并通过滚动销 钉60连接；其中一个滑块为抽吸密封滑块61，另外两个滑块为反向固定支撑滑块62。抽吸 密封滑块61上设置有一探头63，探头63的输入端用于抽吸地层流体进行压力测试，探头 63的输出端通过一抽吸管线64连接抽吸机构6中的抽吸缸65。如图6所示，抽吸缸65连 接活塞缸66。抽吸缸65上设置有压力数据采集系统67。活塞缸66内设置有活塞68，活 塞68的密封端设置在活塞缸66内，活塞68的活塞杆端密封设置在抽吸缸65内。活塞缸 66上设置有连通活塞68的密封端与活塞缸66之间空间的喷射油路69，活塞缸66上还设 置有一条连通活塞68的活塞杆端与活塞缸66之间空间的抽吸驱动油路70。喷射油路69 和抽吸驱动油路70的输入端均通过电磁阀组9连接油箱10。抽吸机构6是针对井下抽吸动作而设计的，体积小(外径< 30cm，长度< 600cm)， 因此，能够有效利用地层压力测量装置的可用空间。执行机构4和油路换向机构5相配合能够实现抽吸机构6中各滑块的推出和复 位，从而能够实现探头63的伸出和缩回，其工作原理为通过电磁阀组8对油路换向机构5进行控制，使油路换向机构5输出的高压油进 入推出动力油路46，通过推出动力油路46和主轴41上靠近正向上活塞43的推出动力油口 47到达主轴41的第一个凸台42与外壳体1之间，高压油推动主轴41向前运动，使外壳体 1上的抽吸密封滑块61和两个反向固定支撑滑块62沿凸台42的斜面向上运动，最终向外 伸出，顶靠在井壁上，滑块推出后的顶靠力可以达到5t。通过电磁阀组8对油路换向机构5进行控制，使油路换向机构5输出的高压油进 入推回动力油路阳，通过推回动力油路阳流入外壳体1末端与主轴41的凸台42之间，高压油推动主轴41向后运动，使抽吸密封滑块61和两个反向固定支撑滑块62沿凸台42的 斜面复位，达到回缩探头63的目的。抽吸机构6的抽吸动作与喷射动作是通过改变活塞缸66左右两侧的油量和油压， 驱使活塞68运动来实现的，电磁阀组9对抽吸速率和抽吸量进行控制。当需要进行地层压 力测试时，抽吸密封滑块61上的探头63紧抵地层，通过抽吸驱动油路70向活塞68的活塞 杆端与活塞缸66之间注入高压油，迫使活塞68向活塞68密封端运动，进而驱动抽吸缸65 内的抽吸管线64通过探头63进行地层流体抽吸，完成抽吸动作，同时通过压力数据采集系 统67实时记录抽吸缸65中的压力数值；待地层压力测试结束时，由喷射油路69向活塞68 的密封端与活塞缸66之间注入高压油，迫使活塞68向抽吸缸65方向运动，通过探头63排 出抽吸管线64和抽吸缸65中的液体，完成喷射动作。本发明测量仪器用于测量压力的操作方法包括以下步骤1)本发明测量仪器安装在钻柱上、近钻头位置，在钻井过程中随钻柱一起下入井 底，正常钻井时，钻井液体从中心流道2通过；2)当需要进行地层压力测量时，增加钻井液排量，钻井液推动分流活塞34向前运 动，敞开分流入口 33，钻井液部分进入分流通道32，通过分流通道32和分流出口 39流入加 压活塞38的密封端的环空，推动加压活塞38向前运动，使高压油路7的体积减小，从而增 大油压；3)高压油路7里的高压油进入油路换向机构5，通过电磁阀组8控制油路换向机 构5使高压油向推出动力油路46流去，通过推出动力油路46和主轴41上靠近正向上活塞 43的推出动力油口 47到达主轴41与外壳体1之间，高压油推动主轴41向前运动，使得固 定支撑滑块62、抽吸密封滑块61向外推出，顶靠在井壁上；4)启动抽吸机构6，电磁阀组9控制高压油通过抽吸驱动油路70注入到活塞68 的活塞杆端与活塞缸66之间，推动活塞68向活塞68密封端运动，进而驱动抽吸缸65内的 抽吸管线64通过探头63进行地层流体抽吸，完成抽吸动作，同时通过压力数据采集系统67 实时记录抽吸缸65中的压力数值；5)当整个测试程序结束后，电磁阀组9控制高压油通过喷射油路69向活塞68的 密封端与活塞缸66之间注入高压油，使得活塞68向抽吸缸65方向运动，通过探头63排出 抽吸管线64和抽吸缸65中的地层液体；6)电磁阀组8控制油路换向机构5改变高压油的流向，使得高压油向推回动力油 路55流去，通过推回动力油路55流入外壳体1末端与主轴41的凸台42之间，高压油推动 主轴41反方向运动复位，使得固定支撑滑块62、抽吸密封滑块61缩回，达到回缩探头63的 目的；7)减小钻井液的排量到正常值，钻井液对分流活塞34的推力减小，分流活塞34在 弹簧35的回复力推动下复位，挡住分流入口 33，关闭分流通道32，隔绝了高压泥浆压力向 加压活塞38的传递，加压活塞38逐渐复位，高压油路7中的压力减小，恢复正常值；8)整个系统恢复原始状态，继续钻井。本发明测量仪器的性能指标为①外壳体1的外径178mm，适用216mm井眼，长度小于9m ；②最高耐压70MPa ；温度0°C 125°C ；
③最大允许振动200m/S2 ；工作钻压0 250kN，扭矩0 IOkN m ；④每次测量时间5 15分钟，抽汲量0. 5 50ml ；⑤地层压力测量范围0 70MPa ；⑥随钻地层压力测量解释值与实际压力的相对误差低于10%。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所 变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的 保护范围之外。
权利要求
1.一种随钻地层压力测量仪器，其特征在于它包括一内部设置有中心流道的外壳 体，所述外壳体上依次设置有分流加压机构、执行机构和油路换向机构，所述执行结构上设 置有抽吸机构；所述分流加压机构包括设置在所述外壳体内的分流筒，所述分流筒的入口端设置有一 分流入口，所述分流入口连通所述中心流道、以及所述分流筒与所述外壳体之间设置的分 流通道；所述分流筒内设置有中空的分流活塞，所述分流活塞与所述分流筒之间设置有弹 簧；所述分流筒的出口端连接一中空的中心轴，所述中心轴与所述外壳体之间留有环空，且 在所述中心轴上套设有一加压活塞，所述加压活塞的密封端的环空通过设置在所述分流筒 上的分流出口连接分流通道，所述加压活塞的活塞杆端的环空为高压油路；所述执行机构包括一空心主轴，所述主轴外壁间隔设置有若干凸台，所述主轴的一端 通过正向上活塞连接中心轴，另一端设置在所述外壳体末端；所述主轴内部依次套设有外 筒和内筒；所述主轴与所述外筒之间设置有一推出动力油路，所述推出动力油路的一端通 过设置在所述主轴上的推出动力油口连通所述主轴起始端与所述外壳体之间的环空，所述 推出动力油路的另一端连接设置在所述外壳体末端的所述油路换向机构；所述外筒与所述 内筒之间设置有一流道，所述流道一端穿过所述正向上活塞连通所述高压油路，另一端连 接所述油路换向机构；所述油路换向机构连接电磁阀组，所述油路换向机构上设置有进油口、推出油口、推 回油口和回油口 ；所述进油口与所述高压油路连通；所述推出油口与所述推出动力油路连 通；所述推回油口与设置在所述外壳体上的推回动力油路连通，所述推回动力油路的另一 端连通所述主轴末端与所述外壳体之间的环空；所述回油口与设置在所述外壳体末端的油 箱连通；所述抽吸机构包括间隔设置在所述主轴的所述凸台上的一抽吸密封滑块和两反向固 定支撑滑块，所述抽吸密封滑块上设置有一探头，所述探头输出端通过一抽吸管线连接抽 吸缸，所述抽吸缸另一端连接活塞缸；所述抽吸缸上设置有压力数据采集系统；所述活塞 缸内设置有活塞，所述活塞的密封端设置在所述活塞缸内，所述活塞的活塞杆端密封设置 在所述抽吸缸内；所述活塞缸上设置有连通所述活塞的密封端与所述活塞缸之间空间的喷 射油路，所述活塞缸上还设置有连通所述活塞的活塞杆端与所述活塞缸之间空间的抽吸驱 动油路；所述喷射油路和抽吸驱动油路均通过电磁阀组连接一油箱。
2.如权利要求1所述的一种随钻地层压力测量仪器，其特征在于所述弹簧通过弹簧 固定器固定在所述分流筒上。
3.如权利要求1或2所述的一种随钻地层压力测量仪器，其特征在于所述反向固定 支撑滑块为两个，所述抽吸密封滑块和各所述反向固定支撑滑块均通过其中间的凹槽镶合 在所述主轴的其中两个具有斜面的所述凸台上，并通过滚动销钉连接。
4.一种如权利要求1 3任一项所述随钻地层压力测量仪器的测量方法，其包括以下 步骤1)下放测量仪器到井下，加大中心流道内的泥浆排量，泥浆推动分流活塞向前运动，敞 开分流入口，泥浆进入分流通道，通过分流通道和分流出口推动加压活塞向前运动；2)加压活塞推动高压油路里的高压油进入油路换向机构，启动电磁阀组控制油路换向 机构内的高压油向推出动力油路流去，通过推出动力油路和推出动力油口到达主轴与外壳体之间；3)高压油推动主轴向前运动，使得固定支撑滑块、抽吸密封滑块向外推出，顶靠在井壁上；4)电磁阀组控制高压油通过抽吸机构的抽吸控制油路注入到活塞缸，推动活塞向远离 抽吸缸的方向运动，进而驱动抽吸缸内的抽吸管线通过探头进行地层流体抽吸，同时通过 压力数据采集系统实时记录抽吸缸中的压力数值；5)测量结束后，电磁阀组控制高压油通过喷射油路注入活塞缸，使活塞向抽吸缸方向 运动，通过探头排出抽吸管线和抽吸缸中的地层液体；6)电磁阀组控制油路换向机构改变高压油的流向，使得高压油向推回动力油路流去， 进而流入外壳体末端与主轴之间，高压油推动主轴反方向运动复位，固定支撑滑块和抽吸 密封滑块缩回，探头缩回；7)减小钻井液的排量到正常值，分流活塞在弹簧的回复力推动下复位，挡住分流入口， 关闭分流通道，隔绝泥浆压力向加压活塞传递，高压油路中的压力减小，恢复正常值；8)测量仪器恢复原始状态，测量完毕。
全文摘要
本发明涉及一种随钻地层压力测量仪器及其测量方法，其特征在于它包括一内部设置有中心流道的外壳体，所述外壳体上依次设置有分流加压机构、执行机构和油路换向机构，所述执行结构上设置有抽吸机构；分流加压机构利用中心流道里的泥浆与分流活塞的作用力来控制执行结构的开启和闭合；执行机构和油路换向机构相配合能够实现抽吸机构中各滑块的推出和复位，从而能够实现探头的伸出和缩回，通过抽吸机构中的抽吸缸和活塞杆进行抽吸底层流体进行测量。本发明能够准确实时的获取井下地层压力，利用地层压力数据，工作人员能及时识别井下复杂的地质因素，继而调整钻井参数，有效防止钻井期间发生井漏、井塌、溢流、井喷等复杂情况，因此，可广泛用于钻井过程中。
文档编号E21B49/00GK102121377SQ20111000098
公开日2011年7月13日 申请日期2011年1月5日 优先权日2011年1月5日
发明者刘健, 夏宏泉, 姜伟, 朱荣东, 胡泽, 蒋世全, 许亮斌, 郑华林, 陈平, 韩雄, 黄万志 申请人:中国海洋石油总公司, 中海石油研究中心, 西南石油大学