專利名稱：井下鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向的測量方法及短節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及井下用參數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種井下鉆具(鉆頭)旋 轉(zhuǎn)速度和方向的測量方法及短節(jié)。
技術(shù)背景-
為了了解礦用鉆具(鉆頭)在井下鉆井過程中的工作狀態(tài)，需要掌握井下 鉆具(鉆頭)運(yùn)行的各種參數(shù)。在這些參數(shù)中，轉(zhuǎn)速是其中的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。 為了獲得準(zhǔn)確的參數(shù)，以往所采用的方法是由井上鉆具的轉(zhuǎn)速來估算井下鉆 具(鉆頭)的轉(zhuǎn)速，目前還沒有直接能測量井下鉆具(鉆頭)轉(zhuǎn)速的方法，由 井上鉆具的轉(zhuǎn)速來估算井下鉆具(鉆頭)的轉(zhuǎn)速這種方法存在的問題是沒有準(zhǔn) 確性，因?yàn)樯锨椎你@桿在井下鉆進(jìn)的過程中毫無剛性可言，井上的鉆具轉(zhuǎn)速 并不代表著井下鉆具(鉆頭)的轉(zhuǎn)速。而在采用鏍桿泵的鉆具(鉆頭)鉆井的 情況下，井上鉆桿不動(dòng)，井下的井下鉆具(鉆頭)的轉(zhuǎn)速則無法估算。
鉆具(鉆頭)在井下鉆井轉(zhuǎn)速像井下壓力、溫度、扭矩、軸力等參數(shù)一樣 重要，獲得這些參數(shù)對保證鉆井安全非常重要，另外對鉆頭的失效分析、鉆頭 的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面也是一個(gè)不可或缺的信息。目前及將來大位移井和水平井是 鉆井行業(yè)的趨勢，隨著大位移井和水平井的日益增多，采用鏍桿泵鉆井的情況 也越來越多，沒有鉆具(鉆頭)在井下鉆井的轉(zhuǎn)速測量是不可想象的事情。
因?yàn)榫虏僮鞯奶厥庑?，鉆具(鉆頭)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向也是一個(gè)不容易掌握的 參數(shù)，在鉆具(鉆頭)正常鉆進(jìn)的情況下鉆具(鉆頭) 一般是單方向恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，
當(dāng)井下發(fā)生遇卡、蹩鉆等情況時(shí)，鉆具(鉆頭)的轉(zhuǎn)速要發(fā)生變化甚至反轉(zhuǎn)。 通過鉆具(鉆頭)的轉(zhuǎn)速和方向測量可及時(shí)了解井下信息，使技術(shù)人員及時(shí)采 取相應(yīng)對策以保證正常鉆井和鉆井施工的安全性。因?yàn)榈V場鉆井特別是石油鉆 井成本高，因此特別強(qiáng)調(diào)安全性。如果不及時(shí)準(zhǔn)確了解井下信息，會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難 性的后果。另外作為鉆具和鉆頭的生產(chǎn)者通過了解井下鉆具和鉆頭轉(zhuǎn)速可知道 它們失效的原因及機(jī)理，由此可優(yōu)化它們的設(shè)計(jì)和制造方案。
目前還沒有能直觀、準(zhǔn)確地提供鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度、方向的測量方法 和設(shè)備。 發(fā)明內(nèi)容-
.本發(fā)明的目的之一是要提供一種井下鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向的測量 方法，目的之二是提供一種根據(jù)上述井下鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向的測量 方法而研制的短節(jié)，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的非直觀、不準(zhǔn)確的問題。
為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是 一種井下鉆具(鉆 頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向的測量方法，它是在被測鉆具(鉆頭)上或者被測鉆具(鉆 頭)上、下剛性聯(lián)接的短節(jié)上設(shè)置兩組磁通門組件，兩組磁通門組件分別位于 旋轉(zhuǎn)面的90度弧度區(qū)域內(nèi)的不同軸向垂線上，磁通門上測得的圓周變化磁場轉(zhuǎn) 變?yōu)閳A周變化次數(shù)，單位時(shí)間內(nèi)圓周變化次數(shù)便是圓周變化速率，也就是鉆具 (鉆頭)的旋轉(zhuǎn)速度；同時(shí)兩組磁通門組件發(fā)出的信號會(huì)有相位差，利用相位 差即可判斷兩組磁通門組件的旋轉(zhuǎn)順序，也就可以確定轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
上述磁通門組件通常設(shè)置于鉆具(鉆頭)或短節(jié)的外套筒內(nèi)。與其它常規(guī) 組件的設(shè)置方式相同，只要有空間即可設(shè)置。
一種井下鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向的測量用短節(jié)，包括空心的本體3，
本體3的兩端設(shè)置有內(nèi)螺紋聯(lián)接端1和外螺紋聯(lián)接端6，本體3的外側(cè)設(shè)置有
無磁的外套筒2，在本體3與外套筒2之間設(shè)置有兩組磁通門組件(4)和磁通 門組件(5)，這兩組磁通門組件(4)和磁通門組件(5)分別位于旋轉(zhuǎn)面的90 度弧度區(qū)域內(nèi)的不同軸向垂線上。從而實(shí)現(xiàn)利用磁通門進(jìn)行井下鉆具(鉆頭) 旋轉(zhuǎn)速度和方向的測量。
上述磁通門組件(4)和磁通門組件(5)分別包括磁通門和控制采集存儲 模塊。
上述本體3由無磁材料制成。
本發(fā)明填補(bǔ)了鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向測量的空白，可以直觀、準(zhǔn)確 地了解井下鉆具(鉆頭)的轉(zhuǎn)速和方向。眾所周知，鉆具(鉆頭)在正常的鉆 井過程中其轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向是基本恒定的，但在常規(guī)的地面驅(qū)動(dòng)的井下鉆具(鉆 頭)在鉆井的過程中經(jīng)常會(huì)遇到卡鉆、蹩鉆等影響安全鉆井的情況，在鏍桿泵 驅(qū)動(dòng)的鉆井過程中，井下鉆具(鉆頭)的正常鉆井由于驅(qū)動(dòng)裝置故障或地質(zhì)情 況的變異也會(huì)受到破壞，鉆具(鉆頭)轉(zhuǎn)速是能直接反映鉆井工作情況好壞的 主要參數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、 成本低充分利用自然界的磁能量來測量轉(zhuǎn)速，測量成本低。
2、 適用范圍廣可適用于對各種井下工作的鉆具轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，通過鉆具 (鉆頭)轉(zhuǎn)速可以間接地了解井下工作信息，如鉆具(鉆頭)的損壞、地質(zhì)層
的變化等，尤其適用于鏍桿泵的鉆具(鉆頭)鉆速的測量。
3、 結(jié)構(gòu)簡單本發(fā)明方法實(shí)施容易，該方法所采用的磁通門組件是一種常 用的設(shè)備，以前在鉆探行業(yè)中常被用于進(jìn)行鉆具的方位的靜態(tài)參數(shù)測量，在本
發(fā)明中將其應(yīng)用在鉆具的轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)測量上，將其設(shè)置在任何的常規(guī)鉆具(鉆 頭)上或者被測的鉆具(鉆頭)上下均可通過本發(fā)明的方法來實(shí)現(xiàn)測量。為了 更進(jìn)一步說明本發(fā)明方法的實(shí)施容易，在具體的結(jié)構(gòu)方面本發(fā)明還特別提供了 一種結(jié)構(gòu)簡單，容易制造加工的短節(jié)。
4、安全性高由于結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)施容易，不影響其他鉆具鉆井的安全。
圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方法的原理示意圖； 圖2是測量原理示意圖3是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方法的原理示意圖4是測量原理示意圖5是應(yīng)用實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖6是圖5的A-A剖視圖。
附圖標(biāo)記說明如下
l-內(nèi)螺紋聯(lián)接端；2-外套筒；3-本體；4-磁通門組件；5-磁通門組件，6-外螺紋聯(lián)接端，7-電池。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說明。 本發(fā)明提供一種井下鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向的測量方法，它是在被 測鉆具(鉆頭)上或者被測鉆具(鉆頭)上、下剛性聯(lián)接的短節(jié)上設(shè)置兩組磁
通門組件，兩組磁通門組件分別位于旋轉(zhuǎn)面的90度弧度區(qū)域內(nèi)的不同軸向垂線
上，磁通門上測得的圓周變化磁場轉(zhuǎn)變?yōu)閳A周變化次數(shù)，單位時(shí)間內(nèi)圓周變化
次數(shù)便是圓周變化速率，也就是旋轉(zhuǎn)速度；同時(shí)兩組磁通門組件發(fā)出的信號
有相位差，利用相位差即可判斷兩組磁通門組件的旋轉(zhuǎn)順序，也就可以確定轉(zhuǎn) 動(dòng)方向。
上述磁通門組件的設(shè)置方式與其它常規(guī)組件的設(shè)置方式相同，只要有空間 即可設(shè)置，通常設(shè)置于鉆具(鉆頭)或短節(jié)的外套筒內(nèi)。
實(shí)施例1，參見圖1和圖2。自然界中的磁場是按南北極方向分布，將兩
組磁通門組件安裝到鉆具(鉆頭)上，兩組磁通門組件分別位于鉆具(鉆頭) 旋轉(zhuǎn)面的卯度弧度區(qū)域內(nèi)的不同軸向垂線上，且位于不同的水平面上。鉆具(鉆 頭)旋轉(zhuǎn)一周，對應(yīng)磁通門組件測得的磁場信號顯示為正弦波形， 一個(gè)完整的 波形即代表轉(zhuǎn)動(dòng)一周。由于設(shè)置有兩組磁通門組件，這兩組磁通門組件測得的 磁場信號顯示為兩個(gè)正弦波形，但其速率是一致的。
由于兩組磁通門組件發(fā)出的信號顯示為兩個(gè)正弦波形，這兩個(gè)正弦波形會(huì) 有相位差，利用相位差即可判斷兩組磁通門組件的旋轉(zhuǎn)順序，也就可以確定轉(zhuǎn)
動(dòng)方向。在本實(shí)施例中，磁通門組件4超前磁通門組件5—定相位，根據(jù)磁通 門組件4、磁通門組件5相位的超前和滯后信息，便可獲得旋轉(zhuǎn)方向信息?？?以看到鉆具(鉆頭)是按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的。
實(shí)施例2，參見圖3和圖4。自然界中的磁場是按南北極方向分布，將兩 組磁通門組件安裝到一個(gè)與鉆具(鉆頭)上部剛性聯(lián)接的短節(jié)上，兩組磁通門 組件分別位于短節(jié)旋轉(zhuǎn)面的90度弧度區(qū)域內(nèi)的不同軸向垂線上，且位于一個(gè)水 平面上。速度測量方法同實(shí)施例1。'
與實(shí)施例l相同，利用相位差即可判斷兩組磁通門組件的旋轉(zhuǎn)順序，也就 可以通過短節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向確定鉆具(鉆頭)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在本實(shí)施例中，可以 看到鉆具(鉆頭)是按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的。
實(shí)施例3，參見圖5和圖6。 一種井下鉆具(鉆頭等)轉(zhuǎn)速和方向的測量用
短節(jié)，包括空心的本體3，本體3的兩端設(shè)置有內(nèi)螺紋聯(lián)接端1和外螺紋聯(lián)接 端6，本體3的外側(cè)設(shè)置有外套筒2，在本體3與外套筒2之間設(shè)置有兩組磁通 門組件(4)和磁通門組件(5)。兩組磁通門組件(4)和磁通門組件(5)分別 位于旋轉(zhuǎn)面的90度弧度區(qū)域內(nèi)的不同軸向垂線上，且位于不同的水平面上。從 而實(shí)現(xiàn)利用磁通門進(jìn)行井下鉆具轉(zhuǎn)速的測量。所說的磁通門組件(4)和磁通門 組件(5)都包括磁通門、控制采集存儲模塊和電池7。整個(gè)短節(jié)均為無磁材料 制成?？刂撇杉鎯δK按下井之前預(yù)先設(shè)置的工作制度(流程)將采集到的 數(shù)據(jù)信息儲存起來，待提鉆后將短節(jié)取出進(jìn)行數(shù)據(jù)回放至計(jì)算機(jī)中，供技術(shù)人 員研究分析。如果鉆井過程中采用了MWD (隨鉆測量系統(tǒng))，也可將井下采集 的數(shù)據(jù)信息通過MWD適時(shí)傳輸?shù)降孛嬉怨┘夹g(shù)人員研究分析。
本實(shí)施例所提供的短節(jié)通常是在被測鉆具(鉆頭)上或者其上、下剛性聯(lián) 接的常用短節(jié)上無空間設(shè)置磁通門組件時(shí)專門設(shè)計(jì)的。它作為一個(gè)短節(jié)，與被 測鉆具(鉆頭)之間采用剛性聯(lián)接，其內(nèi)部還可以設(shè)置其它測量設(shè)備，以便充 分利用該短節(jié)的空間。
權(quán)利要求
1、一種井下鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向的測量方法，它是在被測鉆具(鉆頭)上或者被測鉆具(鉆頭)上、下剛性聯(lián)接的短節(jié)上設(shè)置兩組磁通門組件，兩組磁通門組件分別位于旋轉(zhuǎn)面的90度弧度區(qū)域內(nèi)的不同軸向垂線上，磁通門上測得的圓周變化磁場轉(zhuǎn)變?yōu)閳A周變化次數(shù)，單位時(shí)間內(nèi)圓周變化次數(shù)便是圓周變化速率，也就是鉆具(鉆頭)的旋轉(zhuǎn)速度；同時(shí)利用兩組磁通門組件發(fā)出的信號相位差即可判斷兩組磁通門組件的旋轉(zhuǎn)順序，也就可以確定轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種井下鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向的測量 方法，其特征在于所述磁通門組件通常設(shè)置于鉆具(鉆頭)或短節(jié)的外套筒 內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種井下鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向的測量方 法所采用的一種井下鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向測量用短節(jié)，包括空心的本 體(3)，本體(3)的兩端設(shè)置有內(nèi)螺紋聯(lián)接端(1)和外螺紋聯(lián)接端(6)，本 體(3)的外側(cè)設(shè)置有無磁的外套筒(2)，在本體(3)與外套筒(2)之間設(shè)置 有磁通門組件(4)和磁通門組件(5)，磁通門組件(4)和磁通門組件(5)分 別位于旋轉(zhuǎn)面的90度弧度區(qū)域內(nèi)的不同軸向垂線上。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種井下鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向測量用短 節(jié)，其特征在于所述磁通門組件(4)和磁通門組件(5)分別包括磁通門和 控制采集存儲模塊。
5、根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種井下鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向測量 用短節(jié)，其特征在于所述本體(3)由無磁材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及井下用參數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種井下鉆具(鉆頭)旋轉(zhuǎn)速度和方向的測量方法及短節(jié)。為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的非直觀、不準(zhǔn)確的問題，本發(fā)明所提供的技術(shù)方法是在被測鉆具(鉆頭)上或者被測鉆具(鉆頭)上、下剛性聯(lián)接的短節(jié)上設(shè)置兩組磁通門組件，兩組磁通門組件分別位于旋轉(zhuǎn)面的90度弧度區(qū)域內(nèi)的不同軸向垂線上。本發(fā)明所提供的測量用短節(jié)，包括空心的本體，本體的兩端設(shè)置有內(nèi)螺紋聯(lián)接端和外螺紋聯(lián)接端，本體的外側(cè)設(shè)置有無磁的外套筒，在本體與外套筒之間設(shè)置有兩組磁通門組件，它們分別位于旋轉(zhuǎn)面的90度弧度區(qū)域內(nèi)的不同軸向垂線上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是成本低、適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單且安全性高。
文檔編號E21B47/00GK101182766SQ20071018855
公開日2008年5月21日 申請日期2007年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月11日
發(fā)明者張驍勇, 沈建誠, 宇 王, 邵增元, 陸忠華, 敏 黃 申請人:西安石油大學(xué);江漢石油鉆頭股份有限公司