一种用于极地冰盖钻孔孔壁形态测量的测井仪

1.本发明属于测井技术领域，具体地，涉及一种用于极地冰盖钻孔孔壁形态测量的测井仪。


背景技术：

2.极地冰盖是由终年不化的降雪逐渐堆积而成的，并且降雪中还混杂着地球大气中的灰尘和悬浮颗粒、可溶性化学元素等，因此通过冰层，可以了解极地冰盖蕴藏着的数百万年以来随降雪而保存的重要气候信息。
3.除了冰芯，极地冰盖的钻孔也蕴含了很多具有重要信息的特征。通过对钻孔孔壁截面形态的检测，一方面能够计算出冰层的应变情况，进而可以反演出冰川的运动规律，这对极地冰盖的变化与稳定性研究具有重要意义。另一方面，能够观测到是否有孔壁坍塌掉块以及冰层内部脆冰，暖冰导致的钻孔孔壁不规则状况，减少卡钻等事故的发生；通过对不同深度温度变化的测量，可以重建古气候的变化及对地热通量进行研究；通过孔深的数据，可以判断冰层的厚度以及冰层信息。
4.传统地质石油测井主要着重对孔径的测量，根据孔径大小确定固井时所需的水泥量，并且其测量精度不需要太高。而极地冰盖测井不仅仅需要测量孔径，而是要对孔壁截面的形态进行刻画，并且极地冰盖测的井大多在冰川运动的应力作用下发生了变形，大多都可近似视为椭圆形，而对椭圆形截面的钻孔形态测量时，至少需要五个点才能精确拟合观测到钻孔的形状。加上极地冰盖测井的低温条件，导致传统的地质钻探测井仪无法运用到极地冰盖测井。如公告号为cn201857958u的专利文献公开了一种六臂井径测井仪，测量臂与孔壁为平板接触，对于孔壁的描述不够精确，且测量臂呈∧型，偏稳定，其收缩对水平方向的力要求大，当遇到孔径变化大的凹槽或突起时候，所受竖直方向的力很大，因此很容易卡在孔内，发生自锁现象。公开号为cn112878993a的专利文献公开了一种板簧式六臂分动井径测量仪，其测量臂由多块弯曲的钢板组成，其收放所需力度大，容易对孔壁造成破环。并且其六个测量臂都连接在了一个缓冲弹簧上，还是一个整体，并不能实现真正的分动；公开号为cn101131089b的专利文献公开了推靠式多臂扶正井径微电极测井仪，该方案中四个测量壁连接的是同一个弹簧，其只能得出圆的半径，但对于椭圆形截面的钻孔形态测量时其测量精度将大大降低。
5.由于极地冰盖的钻井孔壁截面大多不规则，要刻画不规则的孔壁截面形态，测井仪的多个测量臂就必须要实现分动，并且由于其环境因素以及其高精度要求的影响，对用于极地冰盖钻孔孔壁截面形态测量的测井仪结构要求都很高。而目前出现的测井仪都出现了为了达到这些要求而使得结构过于复杂，无法增加测量臂的数量，导致整体的结果达不到预期等问题。


技术实现要素：

6.针对以上问题，本发明的目的是提供了一种用于极地冰盖钻孔孔壁形态测量的测
井仪，通过测力板簧与测量臂配合测出孔径的结构，实现了九个测量臂均能独立并高精度地完成对孔径的测量，从而实现精确地完成对孔壁截面形态的刻画，为了解钻井内部情况提供数据支持。
7.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于极地冰盖钻孔孔壁形态测量的测井仪，包括：滑动件、测量臂支撑架、测量臂、测力板簧和限位块，测量臂数量为九个，九个测量臂沿测量臂支撑架的周向均布设置，且所有的测量臂的上端通过销轴铰接连接在所述测量臂支撑架上，同时测量臂的中部通过弹簧与位于测井仪上部的压力舱连接，所述弹簧始终处于拉伸状态，一直都能为测量臂提供拉力；测井仪上行时，在所述弹簧拉力作用下，在测量臂绕销轴转动不同角度时，测量臂上部的椭圆弧面与测力板簧接触并发生相对滑动；所述测量臂整体呈长条状，测量臂的下端端部具有圆弧突起部，圆弧突起部突出于测量臂表面，以使测量臂与钻孔孔壁的接触方式始终为点接触，从而精确描述孔壁形态，同时测量臂下端与圆形突起部背向的一侧表面为弧面，能防止测井仪上行时被钻孔孔壁凹凸不平的位置卡住；所述测量臂的上端端部与测力板簧接触的一侧表面为椭圆弧面，在测量臂绕销轴转动不同角度时，测量臂的椭圆弧面会与测力板簧接触并发生相对滑动，由于其椭圆弧的特性，会使测力板簧弯曲的程度随测量臂转动的角度发生变化，从而可根据测力板簧的的弯曲程度判断出钻孔孔径；所述滑动件设置在测量臂支撑架内部，滑动件的上部与驱动电机连接，以使滑动件能够在驱动电机的驱动下上下移动；所述限位块固定在滑动件上，限位块与测量臂配合，在测井仪下行过程中，限位块用于对测量臂进行限位使测量臂相对所述限位块的位置固定，以使测井仪下行过程中测量臂处于收缩状态；所述测力板簧的数量与测量臂的数量一致且一一对应，每个所述测力板簧沿滑动件的轴向设置并固定在滑动件外侧，且每个所述测力板簧上安装有应变片，当测力板簧弯曲不同程度时，应变片电阻值会发生相应的变化，根据电阻值即可反映出测力板簧的弯曲程度。
8.进一步，所述滑动件由上半部分和下半部分组成，上半部分和下半部分同轴设置且固定连接，滑动件的上半部分为一圆杆，该圆杆作为连接杆用于连接驱动电机，滑动件的下半部分为上端封闭下端敞口的圆筒，滑动件的下半部分侧面沿周向均匀分布有九个上窄下宽的凹槽，凹槽下部为未贯通的盲槽部，凹槽未贯通的盲槽部通过压块与螺钉配合固定测力板簧，凹槽除所述盲槽部位置之外的其他部分均贯通形成通槽部，凹槽上部窄的部分宽度与测量臂宽度一致，测量臂被销轴固定后，测量臂的上部处于凹槽上部窄的部分中，使得滑动件只能在纵向方向上下滑动，凹槽顶部安装有限位块。
9.进一步，所述滑动件中的圆杆和圆筒通过销钉同轴连接。
10.进一步，所述测量臂支撑架的外部轮廓整体为阶梯型圆筒状，并在测量臂支撑架的周向上均匀分布有九个用于容置测量臂的容置槽，且每个容置槽沿测量臂支撑架径向贯穿，容置槽的宽度与测量臂的宽度一致。
11.进一步，所述测量臂的上端端部开设有与限位块配合的卡槽，测量臂上端的卡槽可与限位块配合，使测井仪下行过程中测量臂处于收缩状态，测量臂的上端端部背向椭圆弧面的一侧具有一突起，在测量臂张开到一定角度时该突起会抵住限位块，防止测井仪的测量臂张开角度过大，发生自锁现象；测量臂的上端端部的中间具有一个用于安装销轴的销轴孔；所述测量臂中间设有一个用于连接弹簧的吊耳。所述吊耳与圆形突起部处在测量臂的同一侧。
12.进一步，所述测力板簧整体为矩形的薄片状，其安装在滑动件外侧，并通过螺钉和压块固定在滑动件上。
13.通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
14.1、本发明采用的测力板簧与测量臂上部椭圆弧面配合反映孔径的方式，相对于现有运用弹簧反映孔径的方式，本发明的结构更加精简，测量精度也足够高，并且占用空间也大大减小，这也使得本发明的测量臂数量能达到九个，进一步提高了对孔壁截面形态描述的精度，并且每个测量臂均有独立的测力板簧与之配合，独立工作，互不影响，使得测井仪能更精确地描述不规则形状的孔壁截面，同时对于测量臂的维护与修理也更加便捷。
15.2、本发明提出的测量臂，其下端圆弧突起设计，确保测量臂与孔壁的接触方式始终为最精确的点接触，使得测井仪对孔壁截面形态的描述精度达到更高的水平，并且在测井仪上行过程中即使遇到孔壁凸起或凹陷的地方，测井仪也能精确测量且不会卡在其中发生自锁现象。此外，测量臂上端设计也具有很强的适用性，能与测力板簧配合反映孔径的同时，能在测井仪下行过程中保持收缩状态，达到指定位置后再张开，并且还能防止自身张开角度过大发生自锁现象。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
17.图1为本发明实施例中用于极地冰盖钻孔孔壁形态测量的测井仪的立体示意图；
18.图2为测量臂支撑架示意图；
19.图3为图2的a-a向剖视图；
20.图4为连接有限位块和测力板簧的滑动件示意图；
21.图5为图4的a-a向剖视图；
22.图6为测量臂示意图；
23.图7为测量臂与限位块配合的第一种状态图；
24.图8为测量臂与限位块配合的第二种状态图；
25.图9为测量臂与限位块配合的第三种状态图。
26.图中各标记如下：1-滑动件；2-测量臂支撑架；3-测量臂；4-测力板簧；5-销轴；6-限位块；7-圆弧突起部；8-吊耳；9-突起；10-销轴孔；11-卡槽；12-椭圆弧面；13-弹簧；101-圆杆；102-圆筒。
具体实施方式
27.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
28.为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
29.如图1至图6所示，一种用于极地冰盖钻孔孔壁形态测量的测井仪包括滑动件1、测
量臂支撑架2、测量臂3、测力板簧4和限位块6。
30.参见图2和图3，所述测量臂支撑架2作为主体部分，其用于连接所有零部件，测量臂支撑架2通过销轴5与测量臂3连接，使测量臂3能绕销轴5一定程度内转动，并使测量臂3能与测力板簧4配合发生相对滑动。
31.所述测量臂支撑架2的外部轮廓整体为阶梯型圆筒状，在测井过程中，测量臂支撑架2通过螺钉与位于其上部用于存放测井仪测量元件的压力舱连接，同时测量臂支撑架2通过螺钉与位于其下部防止测井仪发生旋转的反扭装置连接。并在测量臂支撑架2的周向上均匀分布有九个用于容置测量臂3的容置槽，且每个容置槽沿测量臂支撑架2径向贯穿，容置槽的宽度与测量臂3的宽度一致。由于在测井仪下行时，测量臂3需要保持收缩状态，测量臂支撑架2上的通槽是在测井仪下行时用于放置测量臂3，使测量臂3处于收缩状态不会突出，防止测井仪下行时测量臂3突出而被挂在井壁上。测量臂3内部大直径的圆筒空间用于安装滑动件1。
32.参见图4和图5，所述滑动件1的上半部为一圆杆101，圆杆101作为连接杆用于连接驱动电机，传递拉力，圆杆101通过销钉与滑动件1的下半部分同轴连接。滑动件1的下半部分作为滑动件1的主体部分，其为上端封闭下端敞口的圆筒102，其侧面均匀分布有九个上窄下宽的凹槽，凹槽宽的部分的下半部分未贯通，未贯通的部分通过压块与螺钉固定测力板簧4，凹槽其他部分均贯通，其上部窄的部分宽度与测量臂3宽度一致，测量臂3被销轴5固定后，测量臂3的上部便会处于凹槽上半窄的部分，如此就使得滑动件1无法转动，只能在纵向方向上下滑动。凹槽顶部安装有限位块6，防止测量臂3张开角度过大发生自锁现象。
33.如图6所示，所述测量臂3整体呈现长条状，测量臂3的上部有一个较大的椭圆弧面12，所述测量臂3的上端端部开设有与限位块6配合的卡槽11，测量臂3的上端端部背向椭圆弧面12的一侧具有一突起9，测量臂3的上端端部的中间具有一个用于安装销轴5的销轴孔10。测量臂3的下部端部具有一个和吊耳8同方向的圆弧突起部7，圆形突起部7突出于测量臂3表面，同时测量臂3下端与圆形突起部7背向的一侧表面为弧面。测量臂3共分为九个，九个测量臂3均匀分布于测量臂支撑架2圆周方向的九个容置槽内。
34.所述测力板簧4整体为矩形的薄片状，中间设有应变片，安装在滑动件1外侧，并通过螺钉和压块固定在滑动件1上。
35.每个所述测量臂3的下端圆弧突起部7既能通过凸起部分与钻孔孔壁进行点接触，精确描述井壁，又能防止测井仪上行时被钻孔孔壁凹凸不平的位置卡住；所述测量臂3中间的吊耳8用于与弹簧13的一端连接，弹簧13的另一端与压力舱连接，在未放入钻孔内时，人工将测量臂3收缩，此时弹簧13也被拉伸，然后驱动电机正转带动滑动件1下行，通过限位块6将测量臂3卡住，并在测井仪下行过程中一直使测量臂3处于收缩状态，所述弹簧13处于拉伸状态。下行至指定位置后，驱动电机反转，带动滑动件1上行，设置在滑动件1上的限位块6与测量臂3上的卡槽11分离，放开测量臂3，测量臂3在弹簧13的拉力作用下张开至抵住孔壁。然后测井仪上行，开始正常工作；所述测量臂3上端的椭圆弧面12在测量臂3绕销轴5转动不同角度时，会与测力板簧4接触并发生相对滑动，由于其椭圆弧的特性，会使测力板簧4弯曲的程度随测量臂3转动的角度发生变化，从而可根据测力板簧4的弯曲程度判断出孔径。
36.如图7、图8和图9所示，所述测量臂3上端的卡槽11，在测量臂3未张开时，驱动电机
驱动滑动件1下移，卡槽11可与滑动件1上的限位块6配合，使限位块6卡在卡槽11中，从而固定住测量臂3，使测井仪下行过程中测量臂3处于收缩状态；下到指定位置后，驱动电机驱动滑动件1使其上移，放开测量臂3，测量臂3开始工作；所述测量臂3上端的突起9，在测量臂3张开到一定角度时会抵住限位块6，防止测井仪的测量臂3张开角度过大，发生自锁现象；
37.本发明的工作过程：
38.采用本发明提出的一种用于极地冰盖钻孔孔壁形态测量的测井仪测量时，首先测井仪在下行过程中测量臂3需要一直处于收缩状态的，因此需要将测量臂3人工收缩至测量臂支撑架2上的容置槽内，然后驱动电机正转，通过滑动件1上的圆杆101使滑动件1下移，将限位块6卡在测量臂3的卡槽11内，确保测量臂3在下到钻孔内相应位置过程中一直处于收缩状态。
39.测井仪下到钻孔内后，通过地上电脑控制驱动电机反转，带动滑动件1上移，限位块6与测量臂3分离，因为与测量臂3中部连接的弹簧13始终处于拉伸状态，都能为测量臂3提供拉力，所以测量臂3在与限位块6分离后，会在弹簧13拉力作用下张开，抵住钻孔孔壁，测井仪开始上行。
40.在测井仪上行过程中，测量臂3的下端紧贴钻孔孔壁，上端在绕销轴5转动的同时则会根据其张开程度压住测力板簧4，测力板簧4的弯曲程度便会根据孔径大小发生变化，通过测力板簧4上的应变片可将其弯曲程度转化成电信号传至地表，根据电信号即可了解孔壁的截面形态。
41.最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。