(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910468878.0
(22)申请日 2019.05.31
(71)申请人 西南石油大学
地址 610500 四川省成都市新都区新都大
道8号
(72)发明人 罗涛 杨海 李莉 饶悦
(51)Int.Cl.
E21B 47/022(2012.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明涉及石油钻井测斜工具，具体涉及一
含3个单轴线性加速度计和2个双轴速率陀螺，可
提供陀螺方位、井斜、高边工具面和陀螺工具面，
结合井深数据，可计算井眼轨迹控制数据。全姿
态随钻陀螺测斜技术克服了传统MWD/无线随钻
陀螺测斜仪(GWD)技术的局限性，可有效减少井
眼轨迹控制的不确定性，降低钻井施工风险，非
或加密井防碰绕障、救援井及提高向东或向西的
大斜度井测量精度。权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 110043248 A 2019.07.23
C N 110043248
A
1.一种全姿态MWD测斜装置的测量短节，其特征在于，包括三个石英挠性单轴加速度计和两个光纤双
轴动力调谐陀螺，五个传感器在金属套管内依次线性分布。分别用于测量不同方位的加速度和角速度。
2.根据权利要求1所述的随钻测量短节，其特征在于，所述制作的金属外壳套管材料中加入了抗磁成分，用以防止地磁场的干扰。
3.根据权利要求1所述的随钻测量短节，其特征在于，金属套管内设置有缓冲件或减震机构，即每个传感器之间的缓冲弹簧和高分子聚乙烯缓冲泡沫。
4.根据权利要求1所述的随钻测量短节，其特征在于，金属套管上方有螺孔，可以和整套随钻系统中的供电短节进行螺纹旋转连接。
5.根据权利要求1所述的随钻测量短节，其特征在于，在金属套管右方有螺栓，可以和整个随钻系统的内壳通过螺帽连接。
6.根据权利要求1所述的随钻测量短节，其特征在于，金属套管上方开有小孔，绝缘杜邦连接线穿过小孔进行数据的传输。
权 利 要 求 书1/1页CN 110043248 A
一种全姿态MWD测斜装置的测量短节
技术领域
[0001]本发明涉及石油钻井测斜工具，具体涉及一种全姿态随MWD测斜装置的测量短节。
背景技术
[0002]在石油钻井中大斜度套管开窗井中导斜器定向、海洋平台丛式井或加密井防碰绕障和救援井施工中，由于磁干扰造成磁性MWD无法使用，必须使用不受磁干扰的陀螺测斜仪才能有效解决测斜问题。而在向东或向西的大斜度井眼中钻进时，应用磁性MWD和某些类型的陀螺测斜仪会出现较大的方位测量误差。
[0003]磁性MWD定位不确定性在很大程度上源于地球磁场自然波动和附近磁性材料干扰，磁力计测量缺陷不会造成较大误差。钻柱磁干扰易导致方位误差，而且井眼方向越接近于向东或向西水平方向，方位误差越大。另外，标准的测斜数据质量控制系统可靠性差，通常检测不到沿着井眼或轴向钻柱方向的磁干扰，在这种情形下，当计算的方位角基本上位于误差之内时，数据可以接受。
[0004]为了克服顶部井眼(近似垂直，井斜最大为20°)由于邻井套管产生的磁干扰问题，替代有线陀螺测斜仪，美国陀螺数据公司研发了第1个GWD，适合在纬度不超过60°的地区使用，最大作业井斜为20°，方位误差小于1°。20°GWD于2002年开始商业化应用，随后，为了满足市场需求，通过引入先进
的实时质量不平衡学习算法及明确的作业程序，研发了40°GWD、20°GWD、40°GWD和70°GWD。但仍不适合于大斜度井甚至水平井眼，尤其是在向东或向西的大斜度井甚至水平井眼中，方位误差更大。
发明内容
[0005]为了克服上述背景技术中的不足，本发明的目的在于提出一种全姿态随钻陀螺测斜装置可实现全井斜范围的轨迹测量，提高了钻头全姿态角下的轨迹测量精度。
[0006]全姿态随钻陀螺测斜技术克服了传统MWD/GWD技术的局限性，可有效减少井眼轨迹控制的不确定性，降低钻井施工风险，非常适合于大斜度套管开窗井导斜器定向、丛式井或加密井防碰绕障、救援井及提高向东或向西的大斜度井测量精度。
[0007]为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案实现。
[0008]所述的该装置整体外壳由金属制成。
[0010]所述的该装置整体嵌入在随钻陀螺测斜系统中。
[0011]所述的全姿态MWD测量短节包含3个石英挠性单轴线性加速度计和2个光纤双轴速率陀螺可提供陀螺方位、井斜、高边工具面和陀螺工具面，结合井深数据，可计算井眼轨迹控制数据。
[0012]所述的3个石英挠性线性加速度计灵敏轴相互垂直，分别与工具的x、y、z轴方向一致，可提供沿各自输入轴的重力分量测量，测量值用来计算井斜和高边工具面角。[0013]所述的角速度传感器为光纤双轴动力调谐陀螺，自旋轴相互垂直0，xy陀螺可提供关于x轴和y轴的角速度测量，自旋轴与井眼z轴重合，而z陀螺可提供关于z轴的角速度测
量，自旋轴位于xy平面内，其他冗余输入轴与xy平面平行。
附图说明
[0014]图1为本发明结构示意图；
[0015]图2为本发明俯视结构示意图。
具体实施方式
[0015]下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0016]为提高钻头全姿态角下的轨迹测量精度，本发明的目的在于提出一种全姿态随钻陀螺测斜装置可实现全井斜范围的轨迹测量，提高了钻头全姿态角下的轨迹测量精度。[0017]如图1所示，本发明提供一种全姿态随钻陀螺测斜装置可实现全井斜范围的轨迹测量，提高了钻头全姿态角下的轨迹测量精
度。包括金属外壳1、石英挠性单轴线性加速度计gx 2、石英挠性单轴线性加速度计gy 3、石英挠性单轴线性加速度计gz 4、光纤双轴速率陀螺5、光纤双轴速率陀螺6、缓冲弹簧7、绝缘杜邦连接线8、高分子聚乙烯缓冲泡沫9。如图2所示金属套管上方有开孔10、四个并排大小相同的螺孔11、在金属套管左侧有五个螺栓12。[0018]本发明全姿态MWD中的陀螺仪和加速度计为传感器，通过传感器的罗经效应，感应地球自转角速度和重力加速度，获得井眼坐标系与地理坐标系之间的姿态角度，即工具姿态(井斜、方位和工具面)。
[0019]其不受磁干扰的影响，能够在浅层井网密集井段实现对轨迹的精确测量。[0020]本套装置整体外壳采用金属制成，该金属中加了隔磁材料，能初步隔离地球磁场对该测量短节的影响。该装置整体嵌入在随钻陀螺测斜系统中，测量短节的上方是供电短节，下方是扶正器。
[0021]本测量短节工作时3个石英挠性单轴线性加速度计和2个光纤双轴速率陀螺可提供陀螺方位、井斜、高边工具面和陀螺工具面，结合井深数据，可计算井眼轨迹控制数据。3个石英挠性线性加速度计灵敏轴相互垂直，分别与工具的x、y、z轴方向一致，可提供沿各自输入轴的重力分量测量，测量值用来计算井斜和高边工具面角。角速度传感器为光纤双轴动力调谐陀螺，自旋轴相互垂直0，xy陀螺可提供关于x轴和y轴的角速度测量，自旋轴与井眼z轴重合，而z陀螺可提供关于z轴的角速度测量，自旋轴位于xy平面内，其他冗余输入轴与xy平面平行。
[0022]工作原理：启动整套随钻测量装置后，该短节中的石英挠性单轴加速度计2、3、4，和光纤双轴速率陀螺5、6先进行自动校准，自动校准后通过绝缘杜邦连接线8传入到随钻陀螺测斜系统的采集传输电路部分，再通过井下泥浆脉冲传输到地面上方控制端。此时控制端接收到的信号为00，在自动校准后开始实测数据，石英挠性单轴加速度计2测量x轴方向加速度，石英挠性单轴加速度计3测量y轴方向加速度，石英挠性单轴加速度计4测量z轴方向加速度，角速度传感器为光纤双轴动力调谐陀螺5提供x轴和y轴的角速度测量，自旋轴与井眼z轴重合，而光纤双轴动力调谐陀螺6可提供关于z轴的角速度测量，自旋轴位于xy平面内，其他冗余输入轴与xy平面平行。各个加速度传感器和角速度传感器中采用缓冲弹簧进行隔离，以防井下各种机械振动对传感器的损坏，陀螺传感器6的下方是高分子聚乙烯缓冲泡沫9，在钻井的过程中由于钻头的突然停车或转向防止因为惯性作用对传感器的损坏。
[0023]在该金属套管的上方开有圆形小孔可供绝缘杜邦连接线穿过，圆孔直径大小为1cm。在小孔的左侧有并排的四个螺孔11可以和测量短节上方的供电短节进行螺纹连接。在整个金属套管的左侧有五个并列的螺栓12与整个随钻系统的内壁进行连接，起到固定作用。
[0024]尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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