用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法
【专利摘要】本发明提出了一种用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法，属于石油钻井领域。本方法包括：第一步：设置线路基座，在线路基座中沿纵向设置至少两个彼此间隔开的开口的安装槽，在第一安装槽内设置测量电路，在第二安装槽内设置控制及发射电路；第二步：将线路基座安装在密封筒体内，在密封筒体外布置壳体和天线，并且在壳体和筒体之间形成钻井液通道，并将天线、壳体和密封筒体作为井下部分安装在钻杆上；第三步：安装有井下部分的钻杆下入到井中后，控制及发射电路在预设时间控制测量电路开始进行参数测量，并接收来自测量电路的测量结果且经由天线传输。根据本发明的方法测试结果精确、安全性高且集成度高。
【专利说明】用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油钻井领域，特别涉及一种用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法。
【背景技术】
[0002]井下仪器种类繁多，构造精密。在进行钻进作业的过程中会产生高强度的振动，从而对井下仪器产生冲击载荷，有可能造成井下仪器工作效果不理想等后果，严重时甚至会对仪器造成损坏。实时检测井下仪器受到的冲击的强度、方向和频率以及其振动状态可以准确地判断井下仪器的情况，在出现异常振动时及时进行控制，防止损害仪器。同时这对仪器工作性能的验证以及对测量结果的校正分析具有参考作用。
[0003]同时，一些井下工具通过在井下产生连续冲击载荷来完成工作(这些井下工具涉及但不限于钻井冲击器)，衡量这些工具工作性能的主要参数就是冲击功和冲击频率。随钻实时检测工具的冲击频率、冲击功、冲击末速度和位移等参数，对验证工具在井下的真实工作性能、改进设计或提高工具工作的稳定性等具有非常重要的意义。
[0004]目前的井下振动监测主要是针对钻头和钻柱系统的转动、扭矩和轴向振动的监测，尚无针对井下仪器或工具在钻进时受到的冲击力以及冲击频率等冲击情况的检测。
[0005]专利文献US7139218B2公开了一种用于测量钻柱振动状态的井下高速网络。该网络沿钻柱方向设置了多个测量节点，来测量钻柱的振动状态，各节点之间使用电缆有线连接，可将测量数据实时传输给地面系统，通过分析处理获得振动状态曲线。该网络能够在钻进过程中实时获得钻柱的振动情况，但必须对钻柱进行改造来加装多个测量节点和埋设电缆，其结构复杂，使用成本高，实际应用难度较大。
[0006]专利文献US7083006B2提出了一种和MWD配合使用的钻柱振动状态测量装置，该振动测量装置安装在MWD下方，测量结果通过MWD随钻传输给地面系统。专利文献EP728915A2提出一种通过监测钻头振动状态来对钻头进行改进优化的方法，使用传感器检测钻头的至少一种工作状态，并且通过现有的遥测系统(MWD/LWD等)将测量结果传输给地面。上述装置和方法虽然实现了在钻井过程中对井下钻头/钻柱振动状态的实时监控，但测量工具必须结合MWD等遥测系统才能将数据发送给地面，使用时必须将测量工具和MWD同时下入井内，使用不方便；同时在钻进过程中井下短节接头连接处容易发生变形和断裂，使用短节数量多，降低了作业的安全性。
【发明内容】
[0007]根据上述现有技术中的不足，本发明提出了一种用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法。根据本发明的方法能够实时监测井下仪器的冲击振动状态，且本方法所应用的系统结构简单，成本低廉，同时作业的安全性较高。根据本发明的方法可以用于在钻进过程中对待测仪器、工具(涉及但不限于钻头、井下冲击器)等的振动加速度、振动位移、转动角速度、冲击频率等参数进行实时测量，分析待测仪器的工作状态，及时预判井下复杂情况，有效地预防事故发生。
[0008]本发明提出了一种用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法，包括:第一步:设置线路基座，在线路基座中沿纵向设置至少两个彼此间隔开的开口的安装槽，在第一安装槽内设置测量电路，在第二安装槽内设置控制及发射电路；第二步:将线路基座安装在密封筒体内，在密封筒体外布置壳体和天线，并且在壳体和筒体之间形成钻井液通道，并将天线、壳体和密封筒体作为井下部分安装在钻杆上；第三步:安装有井下部分的钻杆下入到井中后，控制及发射电路在预设时间控制测量电路开始进行参数测量，并接收来自测量电路的测量结果且经由天线传输。
[0009]在一个实施例中，还在线路基座上设置间隔开的开口的第三安装槽，在第三安装槽中设置脉冲变压装置，脉冲变压装置将来自控制及发射电路的信号合成为双极性脉冲信号后传输给天线。
[0010]在一个实施例中，采用双匝并绕结构设置脉冲变压装置，使其包括两个绕制方式和方向完全一致的线圈。
[0011]在一个实施例中，将测量电路和控制及发射电路分别通过螺钉机械地固定在第一安装槽和第二安装槽内，再通过灌封胶进行灌封固定。
[0012]在一个实施例中，在密封筒体的上端部设置上座键使其与壳体相连接，通过定位件将密封筒体固定在壳体内，并且还为密封筒体设置扶正器，使得测量电路的测量点处于钻柱的纵向中轴线上。
[0013]在一个实施例中，利用通过绝缘层与壳体隔离的位于壳体外侧的环状金属带以及壳体本体来构建天线。
[0014]在一个实施例中，将井下部分紧邻于井下仪器设于其上方。
[0015]在一个实施例中，设置地面处理平台，将地面处理平台的信号线分别连接到井口防喷器和埋地电极，并通过测量二者之间的电压差来接受井下的天线传送的信号。
[0016]在一个实施例中，还在控制及发射电路中设置存储器，将来自测量电路的信号存储到存储器中后再发送给天线，并且存储时对信号进行时间标记。
[0017]在一个实施例中，在井下部分中设置电池组，用来供电。
[0018]根据本发明的随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法，不仅能够通过天线的设计让地面处理平台实时掌控待测仪器的冲击振动状态，而且相比现有技术中需要与MWD结合使用的测量系统，根据本发明的方法所应用的系统作业安全性较高。
[0019]测量结果以电磁信号的形式实时发送到地面，用户可以随时查看井下待测仪器的冲击振动情况。同时本发明还具有实时存储功能，能够在仪器出井后，将备份的测量结果回放，以防实时传输的过程中出现错误或数据丢失。并且在存储数据时进行时间标记，以保证数据的连续性和表征状态的准确性。
[0020]根据本发明的方法所采用的系统的井下部分是一个整体短节，两端使用螺纹直接和钻柱及待测工具、仪器短节连接，现场安装拆卸方便，无需与MWD等信号传输工具配合使用即可实现全部功能。根据本发明的密封筒体(在实施例中为耐压筒)采用座键形式布置在壳体内部，仪器取出、部件维修、电池更换等都非常方便，成本低廉，安全性高。同时线路基座、上座键、定位销和扶正器的配合设置保证了测量电路位于钻杆的中轴线上，将测量误差最小化。【专利附图】
【附图说明】
[0021]在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中:
[0022]图1为安装有根据本发明的钻井设备的示意图；
[0023]图2为根据本发明的井下部分的示意图；
[0024]图3为描述根据本发明的电路单元的框图；
[0025]图4为根据本发明的电路单元的结构示意图；
[0026]图5为根据本发明的电路单元的坐标图。
[0027]在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。【具体实施方式】
[0028]下面将参照附图来详细地介绍本发明。
[0029]在本说明书中，用语“上部、上端、上方”指沿钻柱纵向远离地心的一侧；用语“下部、下端、下方”指沿钻柱纵向朝向地心的一侧。
[0030]图1显示了安装有根据本发明的用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的系统的常规钻井设备，包括井架1、钻头2、待测仪器3、钻柱5等，由于上述结构为常见的钻井设备中的结构，本领域技术人员容易理解，附图的标示仅为了方便对本发明的理解，本说明书中将不会对其进行详细的介绍。在图1所示的实施例中，其中待测仪器3为根据本发明的用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的系统所要测量的对象。
[0031]参照图1，根据本发明的系统包括井下部分4。
[0032]在一个优选的实施例中，井下部分4安装于钻柱5和待测仪器3之间，井下部分4相邻地位于待测仪器3之上。因为如果井下部分4安装在待测仪器3下方，有可能会影响待测仪器3的工作性能:以井下冲击器为例，它的冲锤需要不停冲击钻头2才能起到加快钻速的目的，井下部分4如果安装在其下方，会使冲锤和钻头2间隔太远，冲击力降低，影响工具性能，为避免该情况发生，优选地将井下部分4安装在待测仪器3上方。
[0033]图2示意性显示了井下部分4的内部结构。井下部分4在外部具有壳体9，作为井下部分4的外壳。在一个实施例中，壳体9米用与钻柱5相同的材质和内外径,这是为了方便加工，同时能够保证壳体9的强度和抗腐蚀性能满足井下环境中实际应用的需求。在一个实施例中，壳体9的上下两端布置有螺纹，通过螺纹，上端连接钻柱5，下端连接待测仪器3。
[0034]在一个实施例中，壳体9的材质选用4145H等加工钻柱常用的原材料，内外径和配套使用的普通钻柱相同，例如当配合6寸2钻柱使用时，壳体9的外径为165_，内径为78mm0
[0035]壳体9的内部布置有耐压筒17。耐压筒17的作用是隔绝外部高温高压环境对根据本发明的系统的井下部分4的其余部件的影响，防止钻井液对井下部分4的其余部件进行冲蚀，从而损坏本系统。耐压筒17设计为具有良好的抗压、抗腐蚀和密封性。
[0036]壳体9的内壁和耐压筒17之间的环空部分作为钻井液通道20，以保证在本系统进行作业的过程中钻井液能够正常循环。[0037]在一个实施例中，耐压筒17的材质选用钛合金、铍青铜等高强度、耐腐蚀的材料。在一个实施例中，为了保证耐压筒17的强度和钻井液通道20内的钻井液过流面积足够，选择外径为45mm,内径为35mm,此时耐压筒强度为:
[0038]
【权利要求】
1.一种用于随钻测量井下仪器的冲击振动状态的方法，包括: 第一步:设置线路基座，在所述线路基座中沿纵向设置至少两个彼此间隔开的开口的安装槽，在第一安装槽内设置测量电路，在第二安装槽内设置控制及发射电路， 第二步:将所述线路基座安装在密封筒体内，在所述密封筒体外布置壳体和天线，并且在壳体和筒体之间形成钻井液通道，并将所述天线、壳体和密封筒体作为井下部分安装在钻杆上， 第三步:安装有井下部分的钻杆下入到井中后，所述控制及发射电路在预设时间控制所述测量电路开始进行参数测量，并接收来自所述测量电路的测量结果且经由所述天线传输。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还在所述线路基座上设置间隔开的开口的第三安装槽，在第三安装槽中设置脉冲变压装置，所述脉冲变压装置将来自所述控制及发射电路的信号合成为双极性脉冲信号后传输给所述天线。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用双匝并绕结构设置所述脉冲变压装置，使其包括两个绕制方式和方向完全一致的线圈。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，将所述测量电路和所述控制及发射电路分别通过螺钉机械地固定在所述第一安装槽和所述第二安装槽内，再通过灌封胶进行灌封固定。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述密封筒体的上端部设置上座键使其与所述壳体相连接，通过定位件将所述密封筒体固定在所述壳体内，并且还为所述密封筒体设置扶正器，使得所述测量电路的测量点处于钻柱的纵向中轴线上。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其特征在于，利用通过绝缘层与所述壳体隔离的位于所述壳体外侧的环状金属带以及所述壳体本体来构建所述天线。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的方法，其特征在于，将所述井下部分紧邻于井下仪器设于其上方。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，设置地面处理平台，将所述地面处理平台的信号线分别连接到井口防喷器和埋地电极，并通过测量二者之间的电压差来接受井下的所述天线传送的信号。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的方法，其特征在于，还在所述控制及发射电路中设置存储器，将来自所述测量电路的信号存储到所述存储器中后再发送给所述天线，并且存储时对信号进行时间标记。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的方法，其特征在于，在所述井下部分中设置电池组，用来供电。
【文档编号】E21B47/00GK103899292SQ201210574991
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月26日 优先权日:2012年12月26日
【发明者】陈晓晖, 高炳堂, 陈天成, 刘科满, 杨春国, 王立双, 张仁龙, 宋朝晖, 索忠伟, 张辉 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院