井下随钻测量装置

技术领域

本发明涉及用于油气勘探开发的测量仪器，具体地涉及一种井下随钻测量装置，特别是针对大曲率、短半径井眼的井下随钻测量装置。

背景技术

老油气田经过长期开发会进入产量递减期，导致开采难度加大，开发成本攀升。

为此，通常采用老井侧钻技术来提高油气产量。这种技术的原理是在老井中利用特殊的钻具与随钻测量仪器进行定向侧钻，将井斜角最终控制在90度左右，并保持这一角度钻进一定长度井段，从而增加目的层长度，增大泄油面积。

由于中靶精度要求高，老井侧钻通常要求从垂直井段转变为水平井段的曲率很大、半径很短。然而，在老井中进行大曲率、短半径的井眼轨迹钻井时，需要对应钻具和随钻测量仪器都具备较大的柔性，由此才能够顺利通过侧钻井段，并保持随钻测量仪器与钻具组合，特别是螺杆保持工具面一致，从而确保定向造斜的顺利实施。

钻具是单纯的机械结构工具，总长度数千米。由于长度很长，通常可以选择柔韧性较好的金属材料，以实现较大弯曲。随钻测量仪器通常是指探管式结构仪器，测量单元布置在探管内，探管安装在钻铤内部，钻铤接入钻具组合，入井进行钻井作业。现有的随钻测量仪器均是由脉冲器短节、测量探管短节、电源短节等构成，各短节之间通过螺纹扣硬联接在一起，总长度5-10米不等。因此，整个随钻测量仪器的弯曲只能依靠短节钢材(或其他合金材料)本身的柔性来实现，在这种情况下能够实现弯曲的角度非常小。如果强行在各短节之间进行较大弯曲，随钻测量仪器的外部抗压筒需要承受较大压力，并且内部电路板、传感器等脆弱部件也极易损坏。因此，传统的随钻测量仪器无法通过大曲率、短半径的井段。

电缆测井和随钻测量面临着相似的问题。现有的电缆测井(包括裸眼测井、生产测井以及环空测井)仪器组合都使用柔性短节来增加灵活性，各仪器通过柔性短节相互连接后，不用考虑相对转动角度。而现有的随钻测量仪器中的各短节之间均是刚性连接，测量探管与造斜螺杆之间的相对角度固定。因此，如果将电缆测井仪器上广泛使用的柔性连接方式引入到随钻测量仪器中，则需要确保探管与螺杆相对不能转动，否则即使将测量探管摆在某一个工具面角度，也无法确保螺杆的弯点处于确定的工具面角度。此时如果滑动钻进，则无法保证钻头钻进的方向。此外，与电缆测井相比，随钻测量过程中的环境更加恶劣。随钻测量仪器在钻井过程中工作需要承受极大的震动，而柔性连接是震动的薄弱点，这导致在柔性连接位置进行减震非常困难。

发明内容

针对现有技术中的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种能够适应大曲率、短半径井眼的随钻测量装置。与常规的随钻测量装置相比，根据本发明的随钻测量装置具有增加的仪器柔性，从而可以更好地适应老井侧钻等复杂情况下的随钻测量需求。

根据本发明，提供了一种井下随钻测量装置，包括通过关节机构彼此连接的上游功能短节和下游功能短节。所述关节机构包括与上游功能短节固定相连的上部本体，以及与下游功能短节固定相连的下部本体。内置于所述上部本体中的上部导通线与内置于所述下部本体中的下部导通线电连接。其中，所述下部本体包括内凹的第一自由活动槽，所述上部本体包括伸出的第一自由旋转头，所述第一自由旋转头伸入到所述第一自由活动槽中，并能在所述第一自由活动槽中自由运动。

在一个优选的实施例中，所述第一自由旋转头包括内凹的第二自由活动槽，所述第一自由活动槽包括从底面延伸出来的第二自由旋转头，所述第二自由旋转头伸入到所述第二自由活动槽中，并能在所述第二自由活动槽中自由运动。

在一个优选的实施例中，所述第一自由旋转头和所述第一自由活动槽之间形成球面配合，所述第二自由旋转头和所述第二自由活动槽之间形成球面配合。

在一个优选的实施例中，所述第一自由活动槽包括喇叭状的开口部分，以及与所述喇叭状的开口部分相连的容纳部分。其中，所述喇叭状的开口部分的大端尺寸大于所述第一自由旋转头的直径，而小端尺寸小于所述第一自由旋转头的直径。所述容纳部分具有与所述第一自由旋转头的外表面相适配的内表面。

在一个优选的实施例中，在所述容纳部分和所述第一自由旋转头之间形成有活动空隙，在所述活动空隙中填充有不导电的油脂。

在一个优选的实施例中，所述上部导通线的下端设有导电接触头，所述的下部导通线的上端设有螺绕环，所述导电接触头伸入到所述螺绕环中以形成电连接。

在一个优选的实施例中，所述螺绕环由弹性材料制成。

在一个优选的实施例中，所述上部导通线和所述下部导通线分别包覆有上部绝缘层和下部绝缘线。

在一个优选的实施例中，所述上部本体和所述下部本体通过防转销彼此连接。

在一个优选的实施例中，所述上部本体和所述下部本体的彼此相对的端面上分别设有上部防转凹槽和下部防转凹槽，所述防转销通过弹簧设置在所述上部防转凹槽和所述下部防转凹槽中。

在一个优选的实施例中，所述上游功能短节和所述下游功能短节选自脉冲器短节、脉冲器驱动短节、电源短节和测量探管短节中的至少相邻的两个短节。

根据本发明的随钻测量装置，在脉冲器短节、脉冲器驱动短节、电源短节和测量探管短节两两之间采用了特殊结构的关节机构进行连接。通过使用这种关节机构，既增加了随钻测量装置的柔性，又保证了探管与螺杆相对不能转动，且具有较高的抗震性能。根据本发明的随钻测量装置的结构简单，易于加工，能够适应大曲率、短半径的井眼，从而满足老井侧钻等复杂情况下的随钻测量需求。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。在附图中：

图1示意性显示了一个大曲率、短半径的井眼，其中下入了包含有根据本发明的随钻测量装置的钻铤；

图2示意性显示了根据本发明的随钻测量装置的关节机构的结构；

图3是图2所示关节机构的局部放大视图，显示了关节机构中的能够相对自由运动的配合结构。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。在所有附图中，相同的附图标记用于表示相同的零部件或结构。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行介绍。为方便理解，在本申请中，将靠近井口的方向定义为上端、上游或相似用语，而将远离井口的方向定义为下端、下游或相似用语；同时，将沿着随钻测量装置的长度的方向称为纵向方向、轴向方向或相似用语，而与之垂直的方向称为横向方向、径向方向或相似用语。容易理解，这些方向性用语仅为方便描述本发明，而无任何限制作用。

图1示意性显示了一个大曲率、短半径的井眼，其中下入了包含有根据本发明的随钻测量装置500的钻铤2。如图1所示，井眼1包括大曲率、短半径的井段。钻铤2与螺杆4和钻头3连接在一起，共同下入到井眼1内，以进行钻井施工。在钻铤2中安装了根据本发明的随钻测量装置500。该随钻测量装置500包括依次连接的功能短节，例如脉冲器短节5、脉冲器驱动短节6、电源短节7和测量探管短节8。在脉冲器驱动短节6、电源短节7和测量探管短节8上均安装有扶正器9，以保证它们在井眼1内居中。可以根据井眼1的尺寸来选择合适的脉冲器短节5和扶正器9。

随钻测量装置500的上述零部件、钻铤2、螺杆4以及钻头3的功能和结构都是本领域的技术人员所熟知的，因此在本文中略去关于它们的详细描述。

由于井眼1存在较大的曲率，因此常规的随钻测量仪器由于其刚性的原因而难以通过。为此，根据本发明，随钻测量装置500包括关节机构10，其设置在脉冲器短节5、脉冲器驱动短节6、电源短节7和测量探管短节8两两之间，从而将脉冲器短节5、脉冲器驱动短节6、电源短节7和测量探管短节8彼此连接起来，形成整个随钻测量装置500。根据本发明的随钻测量装置500的关节机构10具有较大的柔性，能够实现较大角度的弯曲，从而允许随钻测量装置500通过大曲率、短半径的井眼1。

下面结合图2和3来介绍根据本发明的随钻测量装置500的关节机构10，其中，图2示意性显示了关节机构10的整体结构，而图3是局部放大视图，显示了关节机构10中的能够相对自由动动的配合结构。

如图2所示，关节机构10包括上部本体100和下部本体200。在图示的具体实施例中，上部本体100和下部本体200均形成为大致圆柱体，以便能方便地容纳于钻铤2中。

上部本体100形成为阶梯轴，包括位于上游的大轴部分101和位于下游的小轴部分102。在大轴部分102的上端形成有第一连接头160。第一连接头160优选为刚性的，用于与位于关节机构10的上游处的短节(例如脉冲器短节5、脉冲器驱动短节6或电源短节7)的下游端固定连接。在小轴部分102的末端形成有第一自由旋转头150。

另外，在上部本体100中形成了贯穿延伸过其轴向方向的上部通孔105，在上部通孔105内布置有上部导通线110。根据本发明，在上部导通线110的外周设有上部绝缘层120，并且在上部导通线110的下游端处设有导电接触头140(如图3所示)。上部导通线110与导电接触头140构成电路连接，而上部绝缘层120将上部导通线110与上部本体100进行电信号绝缘。另外，整个上部本体100作为公共地。

如图3所示，根据本发明，第一自由旋转头150形成为位于上部本体100的小轴部分102的末端处的大致球形结构。该大致球形结构的第一自由旋转头150的直径大于小轴部分102的直径，使得第一自由旋转头150形成为小轴部分102的末端处的向外鼓起的结构。在第一自由旋转头150中形成有内凹的第二自由活动槽130。上部导通线110的导电接触头140从通孔105中延伸出来，并进入到第二自由活动槽130中。第二自由活动槽130的底部(即其上游部分)优选地形成为具有大致球形的表面。

如图2所示，下部本体200也形成为阶梯轴，包括位于上游的大轴部分201和位于下游的小轴部分202。在图2所示的优选实施例中，下部本体200的小轴部分202形成了第二连接头260。第二连接头260优选为刚性的，用于与位于关节机构10的下游处的短节(例如脉冲器驱动短节6、电源短节7和测量探管短节8)的上游端固定连接。

在下部本体200中形成了贯穿延伸过其轴向方向的下部通孔205，在下部通孔205内布置有下部导通线210。根据本发明，在上部导通线210的外周设有下部绝缘层220，并且在上部导通线210的上游端处设有螺绕环240(如图3所示)。下部导通线210与螺绕环240构成电路连接，而下部绝缘层220将下部导通线210与下部本体200进行电信号绝缘。整个下部本体200也作为公共地，并与上部本体100短路连接，形成整个电路信号的公共地。

根据本发明，下部本体200的大轴部分201由略带弹性的材料制成，并具有内凹的第一自由活动槽230。第一自由活动槽230包括喇叭状的开口部分232，以及与喇叭状的开口部分232相连的容纳部分235。喇叭状的开口部分232的大端尺寸选择成大于第一自由旋转头150的直径，以促进第一自由旋转头150插入到第一自由活动槽230中的操作。喇叭状的开口部分232的小端尺寸选择成小于第一自由旋转头150的直径，使得当第一自由旋转头150插入到第一自由活动槽230(具体地说是容纳部分235)中之后无法从中脱出。第一自由活动槽230的容纳部分235设置成具有与第一自由旋转头150互补的形状，但尺寸稍大，从而在两者之间形成了活动空隙400(如图3所示)。由此，第一自由旋转头150能够在第一自由活动槽230内自由旋转。

如图3所示，在下部本体200的第一自由活动槽230中设有从其底部伸出的第二自由旋转头250，其自由端(即上游端)优选地形成为具有大致球形的表面。当第一自由旋转头150插入到第一自由活动槽230中时，下部本体200的第二自由旋转头250进入到上部本体100的第二自由活动槽130中。由于第二自由旋转头250和第二自由活动槽130各自均具有球形表面，因此第二自由旋转头250能够在第二自由活动槽130内自由旋转。

容易理解，根据本发明，第二自由旋转头250的球形表面和第二自由活动槽130的球形表面设置成相互适配，但尺寸稍小，以利于第二自由旋转头250在第二自由活动槽130内的自由旋转。

如图3所示，根据本发明，螺绕环240设置在下部导通线210的上游端处，并且也处于下部通孔205中。下部通孔205贯穿过下部本体200的第二自由旋转头250。这样，当第一自由旋转头150插入到第一自由活动槽230中时，下部本体200的第二自由旋转头250进入到上部本体100的第二自由活动槽130中。此时，上部导通线110末端的导电接触头140就会进入到下部本体200的螺绕环240中，从而在导电接触头140和螺绕环240之间建立了有效的电连接。

在一个优选的实施例中，螺绕环240的内径尺寸选择成稍大于电接触头140的外径，使得电接触头140能够在螺绕环240内相对滑动。另外，螺绕环240的轴向长度选择成大于电接触头140的轴向长度，使得电接触头140能够完全容纳于螺绕环240中。

因此，根据本发明，在关节机构10的上部本体100与下部本体200连接时，上部本体100的第一自由旋转头150插入到下部本体200的第一自由活动槽230中，并且能够在第一自由活动槽230中自由运动；下部本体200的第二自由旋转头250插入到上部本体100的第二自由活动槽130中，并且能够在第二自由活动槽130中自由运动；同时，上部本体100的第一导通线110末端处的电接触头140进入到下部本体200的第二导通线210末端处的螺绕环240内，并且能够自由运动。通过这三种自由运动，整个关节机构10具有很高的柔性，使得随钻测量装置500也具有很高的柔性。由此，根据本发明的随钻测量装置500能够顺利地通过大曲率、短半径的井眼1。

在本发明的一个优选的实施例中，螺绕环240由弹性材料制成。在这种情况下，由于螺绕环240本身的弹性，即使受到很强的震动，也仍然可以保持导电接触头140和螺绕环240之间的良好的电连接。由此，根据本发明的随钻测量装置500在定向钻井过程中能够保证各短节之间的有效电气连接。

根据本发明的一个优选的实施例中，在活动空隙400内充满不导电的油脂，这既能实现润滑作用，又起到绝缘作用。

此外，如图2所示，在本发明的一个优选的实施例中，上部本体100和下部本体200通过防转销300彼此连接，从而能够阻止上部本体100和下部本体200之间的相互转动。具体地说，在上部本体100和下部本体200上设置有相对的上部防转凹槽170和下部防转凹槽270，防转销300便设置在这两个防转凹槽170和270中，以防转式连接上部本体100和下部本体200。

此外，优选地，在这两个防转凹槽170和270中均固定连接有弹簧310，而防转销300的两端与这两个弹簧310分别连接。弹簧310优选地为抗震弹簧。这样，由于设置了抗震弹簧，上部本体100和下部本体200之间可以相互弯折一定角度。基于上述结构设计，可以解决现有技术中无法实现相对角度转动的问题，同时又降低了震动对随钻测量装置工作时的破坏。

容易理解，在本发明的一个优选的实施例中，上部本体100和下部本体200通过若干个在周向上均匀间隔开布置的防转销300彼此连接。

根据本发明的随钻测量装置500，在脉冲器短节5、脉冲器驱动短节6、电源短节7和测量探管短节8两两之间采用了特殊结构的关节机构10进行连接。通过使用这种关节机构10，既增加了随钻测量装置500的柔性，又保证了探管与螺杆相对不能转动，且具有较高的抗震性能。根据本发明的随钻测量装置500的结构简单，易于加工，能够适应大曲率、短半径的井眼，从而满足老井侧钻等复杂情况下的随钻测量需求。

容易理解，在本发明的一个未示出的实施例中，仅在脉冲器短节5、脉冲器驱动短节6、电源短节7和测量探管短节8中的一部分相邻短节之间采用了上述关节机构10进行连接。这同样能够实现类似的技术效果。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述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。