一種旋轉工具面角測試裝置的製作方法

2024-03-24 22:21:05 1

本發明涉及隨鑽測井技術領域中的一種工具面角測試系統，尤其涉及一種連續旋轉狀態下鑽具工具面角測試系統。

背景技術：

目前，在石油鑽井行業的隨鑽測量領域，國外帶有方位性測量的隨鑽測井儀器和隨鑽方位成像儀器已經相當成熟，有效解決了鑽入地層界面識別不準和複雜地質條件下的解釋難題，並可有效識別地層傾角和裂縫以更好地進行地質導向和地質決策，創造出巨大的經濟和社會效益。

國內的隨鑽測井儀器（包括隨鑽自然伽馬、隨鑽電阻率等）已市場化推廣應用十多年的時間，在結構設計上這些隨鑽測井儀器大都安裝一個傳感器且居於鑽鋌中心軸線，即便有些儀器結構設計上採用偏心結構，但至今仍沒有真正利用其方位響應特性，不論均質或非均質地層，探測範圍內的測量響應都是以傳感器所在點為中心，井眼周圍所測地層共同作用的結果，對地質參數變化的判別存在時間滯後，無法在水平井中及時分辨上下巖性界面變化特徵和有效發現複雜油藏，時常錯過進入儲集層的最佳時機，其中一個很重要的原因就是儀器不帶有旋轉工具面角測量功能。目前有部分應用的隨鑽方位測量儀器是在鑽鋌外壁安裝一個或者多個測量傳感器，是在保證鑽具與待測地層相對固定的條件下進行儲層特性的劃分。但存在的缺點是：由於鑽具處於滑動或者靜止狀態，不能旋轉鑽進。隨著所鑽井眼井斜角和井眼位移的增加，鑽具與井壁間摩阻明顯增加，鑽壓無法有效施加到鑽頭上，鑽井速度變慢，鑽具粘卡風險增加，井眼鑽探深度受限，同時滑動鑽進所鑽出的井眼軌跡不規則。

技術實現要素：

本發明目的為了克服現有技術的問題，提供一種能夠在不同井斜及不同方位情況下對連續旋轉狀態下工具面角進行測量，通過獲取的實時測量數據，可以實現工具面角測量精度計算及影響因素分析的旋轉工具面角測試裝置。

本發明的技術方案是：

一種旋轉工具面角測試裝置包括：方位標定臺架、井斜標定臺架、旋轉測試臺架、電源模塊、微機模塊、滑環線；其中，方位標定臺架是在底座上固定芯軸，芯軸外設軸承和軸承套，在底座或軸承套外圍設置方位分度盤和指針；井斜標定臺架通過軸承套與方位標定臺架連接，井斜標定臺架包括底板和前後側板組成的框架體，在框架體上設置主軸，主軸伸出端連接有分度盤；旋轉測試臺架被固定在井斜標定臺架前後側板之間的主軸上，旋轉測試臺架包括基座和直流減速電動機、聯軸器、光柵碼盤、測試骨架、壓蓋、滑環，直流減速電動機固定在基座上，直流減速電動機輸出軸與測試骨架連接軸相連，壓蓋與測試骨架的連接軸旋轉配合併將測試骨架固定在基座上，光柵碼盤安裝在輸出軸上，滑環與光柵碼盤配合將數據輸通過滑環線傳輸到微機模塊；測試骨架上設有旋轉傳感器槽和旋轉傳感器、處理電路槽和處理電路；電源管理模塊通過滑環線連接到旋轉測試臺架，並對旋轉測試臺架上的所有電器供電；微機模塊通過滑環線與電源管理模塊和旋轉測試臺架上的電器部件建立數據及控制、通訊連接。

上述方案進一步包括：

旋轉傳感器由高速三軸磁力計、三軸加速計、高速測控電路組成。

在直流減速電動機上設置緊急剎車器。

方位標定臺架的軸承套外周邊設有與底座插接配合的銷孔組合；井斜標定臺架的前後側板之間還連接有固定板，固定板帶有定位銷孔；旋轉測試臺架的基座上也設有相同直徑的定位孔，定位銷孔和定位孔與定位銷配合將井斜標定臺架和旋轉測試臺架在不同角度定位。

井斜標定臺架的側板採用無磁鋼，井斜標定臺架的底板採用鉛黃銅hpb59-1，旋轉測試臺架採用鋁材，包括主軸和銷釘、定位銷的機械連接部件全部採用青鈹銅材料。

本發明的有益效果是：經實驗驗證，本測試系統用於鑽具在連續旋轉狀態下進行方位角的測量，由於旋轉傳感器安裝在測試骨架的U型槽內，直流減速電機通電工作時會帶動測試骨架連同旋轉傳感器同步轉動，實時測量出當前的工具面角並跟光柵碼盤精確計算的工具面角進行對比分析，保證測試系統測量數據的準確性和實時性。此外，該測試裝置可根據需要設置旋轉測試臺架的井斜和方位，通過正交試驗分析建立井斜和方位的不同組合，並在不同的組合下對工具面角測量的準確性進行分析，運用統計分析方法歸納總結出工具面角的測量影響因素。該試驗裝置能夠模擬井下旋轉工況，實現隨鑽測井工具在跟隨鑽具旋轉鑽進過程中真正意義上的方位性測量和井眼成像。

附圖說明

圖1為旋轉工具面角測試裝置示意圖。

圖2為圖1中井斜標定臺架和方位標定臺架部分的側視圖。

圖3為方位標定臺架俯視圖。

圖4為旋轉測試臺架示意圖。

圖5為測試骨架示意圖。

1、井斜標定臺架，2、旋轉測試臺架，3、電源模塊，4、微機模塊，5、滑環線，6、底板，7、前側板，8、後側板，9、主軸，10、銷釘，11、井斜分度盤，12、固定板，13、定位銷A，14、基座，15、直流減速電機，16、聯軸器，17、光柵碼盤，18、測試骨架，19、壓蓋，20、滑環，21、主軸孔，22、定位孔，23、緊急剎車器，24、傳感器槽，25、處理電路槽，26、旋轉傳感器，27、處理電路，28、方位標定臺架，29、軸承套，30、指針和方位分度盤，31、底座，32、軸承，33、芯軸，34、定位銷B，35、壓蓋。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

如圖1所示，本發明提出的旋轉工具面角測試裝置包括：井斜標定臺架1、旋轉測試臺架2、方位標定臺架28、電源模塊3、微機模塊4、滑環線5、緊急剎車器23。旋轉工具面角測試系統安裝在旋轉測試臺架2上，電源模塊3通過滑環線5對整個旋轉測試臺架2供電，其中包括直流減速電動機15、旋轉工具面角測試系統及光柵碼盤17；另外，旋轉工具面角測試系統將採集到的井斜、方位、轉速、工具面等信號進行調理後通過滑環傳輸到微機模塊4，實現了旋轉測試臺架2與外接的微機模塊4之間的數據及控制通訊。另外，在實驗裝置外配合安裝緊急剎車器23，用以緊急剎車，在剎車過程中，直流減速電機1堵轉，選用電機時考慮過電流保護能力，確保電機正常工作。剎車制動器由微機模塊4根據控制信號進行自動剎車，剎車時間與測控系統控制信號關聯。

電源模塊3負責將交流電進行整流穩壓處理成為直流電後，再進行電壓轉換處理將直流電壓分別轉換為+15v、-15v、5V，為測控系統提供所需電力。

由於旋轉工具面角測試系統在測量過程中使用磁通門測量，磁通門受鐵、磁物質幹擾大，為了避免磁幹擾影響測量準確度，整個實驗裝置採用無磁材料製作，其中井斜標定臺架1採用無磁鋼，旋轉測試臺架2採用無磁幹擾的鋁材，方位標定臺架28採用無磁鋼，各種固定用的螺栓、螺母等全部採用青鈹銅材料。

如圖1、2所示，井斜標定臺架1包括底板6、前側板7、後側板8、主軸9、銷釘10、井斜分度盤11、固定板12、定位銷孔13。把裝有旋轉工具面角測試系統的旋轉測試臺架2通過銷釘10安裝在主軸9上，旋轉測試臺架2可輕鬆的變換不同的井斜角度，根據所需求的標定角度，設置井斜分度盤11，當前可根據需要每15°設置一固定位置，每一固定位置需要嚴格標定，標定位置在井斜分度盤11上註明。在井斜標定臺架1安裝固定板12，固定板12上鑽出定位銷孔13，當旋轉測試臺架2轉至設定角度後，井斜標定臺架1上的定位銷孔13與旋轉測試臺架2上的定位銷孔重合，用鈹青銅材料製作的定位銷把旋轉測試臺架2固定。

井斜標定臺架1上的底板6採用鉛黃銅hpb59-1，既利用鉛黃銅的可切削性強、力學性能良好的特點，也加強了底板6的重量，增強了整個實驗裝置的穩定性，前側板7及後側板8採用無磁幹擾的鋁材，為了進一步減輕重量，在鋁材不同位置挖出大方形槽。

如圖1、3所示，方位標定臺架28包括底座31、芯軸33、軸承32、軸承套29、壓蓋35、方位分度盤和指針30、定位銷34組成；其中底座31上帶有方位分度盤和指針，方位標定臺架28可根據需要變換不同的方位，方位分度盤上每15°設置一固定位置，每一固定位置需嚴格標定，標定位置在分度盤上註明。在方位標定臺架28底座31上鑽出定位銷孔，當旋轉測試臺架2轉至設定方位後，指針會正對方位分度盤上對應的方位刻度，將定位銷34插入方位標定臺架28上的定位銷孔中，將方位標定臺架28固定。方位標定臺架28用固定螺絲固定在地面上，固定時採用水平儀校正，保證整個系統的角度平穩。

如圖4所示，旋轉測試臺架2包括：底座14、直流減速電機15、聯軸器16、光柵碼盤17、測試骨架18、壓蓋19、滑環20、主軸孔21、定位孔22。底座14及測試骨架18都採用無磁幹擾的鋁材，即便於加工，也使旋轉測試臺架2減輕重量。通過聯軸器16將直流減速電動機15輸出軸與測試骨架18連接軸相連，利用直流減速電動機15帶動測試骨架18旋轉，在轉軸間安裝有光柵碼盤17，通過滑環20將光柵碼盤17中解碼器的解碼數據輸送到微機模塊4中的解碼器上位機軟體，實時將工具面、加速度、轉速等信息顯示和存檔。光柵碼盤17中解碼器的輸出方波脈衝，通過設定起始位置，復位旋轉編碼器，微機模塊4可實時顯示出試驗臺架旋轉位置信息，用以驗證試驗算法。

在旋轉工具工程應用中，轉盤轉速與系統工具面的控制精度相關性強；隨著轉盤轉速的增加，如果工具採樣率保持不變時，工具的解析度變差，如果提高採樣率，則可以提高解析度。工具解析度的提高對工具控制精度的影響是明顯的。如果考慮工具馬達的轉速，則旋轉工具的轉速也可高達180～200 r/min。因此選用的直流減速電動機15輸出轉速達到200 r/min，功率為300w。

如圖5所示，測試骨架18包括：旋轉傳感器槽24、處理電路槽25、旋轉傳感器26、處理電路27。測試骨架18由壓蓋19壓緊，固定在底座14上，直流減速電動機15帶動測試骨架18旋轉，測試骨架18繞中心軸以速度0~180rpm旋轉，轉速可調。旋轉傳感器26安裝在旋轉傳感器槽24中，位於測試骨架18外沿，基本模擬旋轉工具中傳感器的位置。

旋轉工具面角測試系統中旋轉傳感器26的選擇對整個控制精度的影響顯著。結合旋轉工具系統自身特點，選用由一個高速三軸磁力計、三軸加速計、高速測控電路組成的旋轉傳感器26，利用磁力計測量地磁信息計算得出工具面旋轉位置，再由磁力計、加速度計測量出地磁參數和重力參數，經過處理電路完成對工具姿態參數的測量。

由於井下測控系統安裝在鑽柱上，鑽頭由鑽柱和井下專用螺杆共同來驅動，測量過程中，鑽柱轉速較低，因此利用磁性工具面可以滿足控制要求，並且由於測量工具面角的速度快，底部鑽具組合旋轉對其不會產生影響。旋轉傳感器的井斜測量精度±0.1°，方位測量精度±1°，工具面角測量精度±5°，解析度1°。

處理電路27是旋轉工具系統控制中心，用於系統姿態參數測量數據處理、控制方法計算、控制誤差修正補償、控制量輸出、井下關鍵參數存儲與回放、自身狀態監視以及與MWD系統實時通訊等。為提高工具控制系統的精度，處理電路採用了高速的摩託羅拉微處理機，CPU主頻工作在40MHz, 保證了系統的快速性，為提高系統採樣率提供了保證。