專利名稱：用在形成于地下地層中的井孔中的側(cè)壁取芯工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開總體上涉及油氣井鉆井和隨后對井周圍的地下地層的勘測。更具 體地，本公開涉及從地下地層獲取側(cè)壁巖芯的裝置。
背景技術(shù)：
通常將井鉆入地下或海床以便開采油氣的自然沉積物以及圈閉在地殼 內(nèi)地質(zhì)巖層中的其它所需物質(zhì)。通常利用附接到"鉆柱"下端的鉆頭進(jìn)行鉆 井。鉆井液或"泥漿"通常通過鉆柱被向下泵送到鉆頭。鉆井液對鉆頭進(jìn)行 潤滑和冷卻，并在鉆柱與井筒壁之間的環(huán)空中將鉆屑運(yùn)回地面。
一旦到達(dá)目標(biāo)巖層，司鉆常常通過使用井下地層評價工具對地層及其組 分進(jìn)行勘測。 一些類型的地層評價工具構(gòu)成了鉆柱的一部分并在鉆井過程中
使用。這些被稱為例如"隨鉆測井"("LWD")工具或"隨鉆測量"("MWD") 工具。MWD通常指的是測量鉆頭軌跡以及井眼溫度和壓力，而LWD指的 是測量地層參數(shù)或性質(zhì)，例如電阻率、孔隙度、滲透率和聲速等。實(shí)時數(shù)據(jù) (例如，地層壓力)允許鉆井公司在鉆井過程中確定鉆井泥漿重量和組分，并 確定鉆速和鉆壓。雖然LWD和MWD對于本領(lǐng)域的普通4支術(shù)人員來說具有 不同的含義，但是它們的區(qū)別與本公開并無密切關(guān)系，因此本公開不區(qū)分這 兩個術(shù)語。此外，在鉆頭正切削穿過地層時，沒有必要進(jìn)行LWD和MWD。 例如，LWD和MWD可出現(xiàn)在鉆井過程的中斷期間，例如當(dāng)鉆頭暫停以進(jìn) 行測量時，之后繼續(xù)進(jìn)行鉆井。在鉆井過程中的斷續(xù)間歇期間進(jìn)行測量仍被 認(rèn)為是"隨鉆，，，這是因為它們不需要從井眼中取出鉆柱，即"起鉆，，。
其它地層評價工具有時會在完鉆之后使用。通常，利用用于電子通信和 能量傳遞的電纜將這些工具下入到井中，因此這些工具一般被稱作"電纜" 工具。 一般來說，將電纜工具下入到井中，以便能夠在所期望的深度處測量 地層性質(zhì)。
一種類型的電纜工具被稱作"地層測試工具"。術(shù)語"地層測試工具" 用于描述能夠?qū)⒘黧w從地層吸入到井下工具中的地層評價工具。實(shí)際中，地
4層測試工具可具有許多地層評價功能，例如獲得測量值(即，流體壓力和溫 度)、處理數(shù)據(jù)和/或獲取并存儲地層流體樣品。因此，在本公開中，術(shù)語"地 層測試工具"包括將流體從地層吸入到井下工具中以進(jìn)行評價的井下工具，
而無"i侖該工具是否存儲樣品。美國專利No.4,860,581和No.4,936,139示出并 描述了地層測試工具的示例，這兩項專利都轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人。
在地層測試作業(yè)期間，通常將井下流體吸入到井下工具中，然后對其進(jìn) 行測量、分析、捕獲和/或釋放。在捕獲流體(常常是地層流體)的情況下(有時 稱作"流體取樣")，流體通常被吸入到樣品腔中并^皮輸送到地面，以進(jìn)行 進(jìn)一步的分析(常常在實(shí)驗室中)。當(dāng)流體被吸入到工具中時，通常會對井下 流體進(jìn)行各種測量，以確定地層性質(zhì)和情況，例如地層中的流體壓力、地層 滲透率和地層流體的泡點(diǎn)。滲透率指的是地層的流動勢。高滲透率對應(yīng)于低 的流體流動阻力。泡點(diǎn)指的是溶解氣從地層流體中溢出時的流體壓力。這些 和其它性質(zhì)在做井下決定時可能是重要的。
通常經(jīng)由電纜布置到井眼中的另一種井下工具稱為"取芯工具"。與主 要用于采集樣品流體的地層測試工具不同，取芯工具用于獲取地層巖石樣
口口 o
一種典型的取芯工具包括空心鉆頭，稱為"取芯鉆頭"，使該取芯鉆頭 進(jìn)入到地層表面中，使得可以從地層中取出樣品(稱作"巖芯樣品")。然后
將巖芯樣品輸送到地面，在地面對巖芯樣品進(jìn)行分析以進(jìn)行評定，例如油 藏存儲能力(稱作孔隙度)和構(gòu)成地層的物質(zhì)的滲透率；包含在地層孔隙中的 流體和礦物沉積物的化學(xué)和礦物組分；和/或地層物質(zhì)的束縛水含量。對巖芯 樣品進(jìn)行分析所獲得的信息也可用于做出井下決定。
井下取芯作業(yè)一般分為兩類軸向取芯和側(cè)壁取芯。"軸向取芯"或常 規(guī)取芯包括施加軸向力以使取芯鉆頭前進(jìn)至井底。通常，這在鉆柱已經(jīng)從井 眼(wellbore)中取出或"起鉆，，之后進(jìn)行，并且將鉆柱端部具有用于接收巖芯 樣品的中空內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)取芯鉆頭下入到井中。軸向取芯工具的示例在轉(zhuǎn)讓給 Baker Hughes的美國專利No.6,006,844中進(jìn)行了描述。
相比之下，在"側(cè)壁取芯"中，取芯鉆頭從井下工具徑向伸出，并穿過 所鉆井孔的側(cè)壁前進(jìn)。在側(cè)壁取芯中，鉆柱通常既不能用于使取芯鉆頭旋轉(zhuǎn)， 也不能提供使鉆頭進(jìn)入地層中所需的重量。而是，取芯工具本身必須產(chǎn)生使 取芯鉆頭旋轉(zhuǎn)的扭矩和軸向力，這稱為鉆壓("WOB"),其是驅(qū)動取芯鉆頭進(jìn)入地層所必需的。側(cè)壁取芯的另一難題有關(guān)井孔的尺寸限制?？捎每臻g受 到井孔直徑的限制。必須具有用以容納用于操作取芯鉆頭的設(shè)備的足夠空間 和用以取回并存儲巖芯樣品的足夠空間。典型的側(cè)壁巖芯樣品的直徑為約
1.5英寸(約3.8cm)，長度小于3英寸(約7.6cm),當(dāng)然這些尺寸可以隨著井孔 尺寸而變化。美國專利No.4,714，119和No.5,667，025示出并描述了側(cè)壁取芯 工具的示例，這兩項專利都轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人。
在側(cè)壁取芯的分析過程中，在取出巖芯之前知道巖芯存在于地層中的取 向是有利的。這里所使用的"取向(orientation)"指的是巖芯的哪個端部面向 或暴露于井孔。附加地或可選擇地，巖芯的"取向"顯示出巖芯如何相對于 井孑L(borehole)軸線定位(即，巖芯的哪部分處于最小深度或頂部)。目前，側(cè) 壁巖芯的取向可通過對巖芯物理特征的嚴(yán)格檢查來確定。然而，這種方法需 要地質(zhì)學(xué)和操作取芯工具的專業(yè)知識。地質(zhì)學(xué)的細(xì)節(jié)常常不是熟知的或者說 要想獲得代價太高，因此，這種方法在許多應(yīng)用場合中并不是可行的。在一 些情況下，"取向"可能是指相對于井孔(巖芯從該井孔中取出)中心的鉆進(jìn) 取向、或徑向方向。投影到水平面上，這種類型的取向通常以偏離北向的角 度測量。利用井下取向工具已經(jīng)可以進(jìn)行鉆進(jìn)取向的測量。

實(shí)用新型內(nèi)容
根據(jù)本公開的一個方面，公開了一種具有工具殼體、取芯組件和標(biāo)記設(shè) 備(marking device)的側(cè)壁取芯工具。工具殼體確定縱向軸線并適于懸吊在井 孔內(nèi)一選定深度處。取芯組件聯(lián)接到工具殼體，并包括鉆頭殼體和聯(lián)接到鉆 頭殼體的取芯鉆頭，鉆頭殼體受到支撐以在輸送位置與取芯位置之間運(yùn)動。 標(biāo)記設(shè)備相對于取芯鉆頭位于已知位置，并適于在地層中形成取向標(biāo)記。
根據(jù)本公開的另一方面，公開了一種具有工具殼體、取芯組件和取向標(biāo) 記設(shè)備的側(cè)壁取芯工具。工具殼體確定縱向軸線，并適于懸吊在井孔內(nèi)一選 定深度處。取芯組件聯(lián)接到工具殼體，并包括鉆頭殼體和取芯鉆頭，取芯鉆 頭聯(lián)接到鉆頭殼體，鉆頭殼體受到支撐以在輸送位置與取芯位置之間運(yùn)動。 標(biāo)記設(shè)備受到支撐以相對于工具殼體往復(fù)運(yùn)動，并可操作地聯(lián)接到取芯組件 的馬達(dá)。
根據(jù)本公開的另 一方面，公開了 一種具有旋轉(zhuǎn)致動器和伸出致動器的側(cè) 壁取芯工具。該側(cè)壁取芯工具還包括工具殼體，確定縱向工具軸線并適于懸吊在井孔內(nèi)一選定深度處；形成在工具殼體中的取芯孔；設(shè)置在工具殼體 中的巖芯容器；設(shè)置在工具殼體內(nèi)的鉆頭殼體；安裝在鉆頭殼體內(nèi)的取芯鉆 頭，該取芯鉆頭包括切削端并確定取芯鉆頭軸線。鉆頭馬達(dá)可操作地聯(lián)接到 取芯鉆頭，并適于使取芯鉆頭圍繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)致動器可操作地聯(lián)接 到鉆頭殼體，并適于使鉆頭殼體在彈出位置與取芯位置之間運(yùn)動，在彈出位 置，取芯鉆頭軸線基本平行于工具軸線，而在取芯位置，取芯鉆頭軸線基本 垂直于工具軸線。伸出致動器可操作地聯(lián)接到取芯鉆頭，并適于使取芯鉆頭 在縮回位置與伸出位置之間運(yùn)動，其中，該伸出致動器可獨(dú)立于旋轉(zhuǎn)致動器 工作，以使取芯鉆頭在取芯鉆頭軸線處于一傾斜角度時伸出，從而在地層中 形成耳又向標(biāo)記。
根據(jù)本公開的又一方面， 一種對從井眼側(cè)壁中取回的巖芯進(jìn)行標(biāo)記的方 法包括將側(cè)壁取芯工具懸吊在井孔內(nèi)一選定深度處；對選定位置處的井孔 表面做標(biāo)記，以形成取向標(biāo)記；以及使取芯鉆頭伸入選定位置處的地層中以 形成側(cè)壁巖芯。


為了更全面地理解所公開的方法和裝置，要結(jié)合附圖更加詳盡地說明實(shí) 施例，附圖中
圖1為側(cè)壁取芯工具的第一實(shí)施例的示意圖2為圖1所示側(cè)壁取芯工具的示意性放大側(cè)視圖3為側(cè)壁巖芯的放大透視圖4為包括取芯工具的電纜組件的示意圖5為圖1所示取芯工具模塊的放大示意圖6為取芯工具模塊的示意性截面圖，其中取芯鉆頭處于彈出位置；
圖7為取芯工具模塊的示意性截面圖，其中鉆頭殼體處于取芯位置，取 芯鉆頭已縮回；
圖8為取芯工具模塊的示意性截面圖，其中取芯鉆頭處于伸出位置； 圖9為鉆頭殼體處于切斷位置的示意性截面圖； 圖IOA為用在圖4所示取芯工具模塊中的取芯組件的側(cè)視圖； 圖IOB為圖IOA所示取芯組件的平面圖IIA和IIB分別為圖4所示取芯組件處于斜角位置和取芯位置的示
7意性放大側(cè)視圖；以及
圖12為利用圖4所示取芯組件獲得的側(cè)壁巖芯的透視圖。
應(yīng)當(dāng)理解，這些附圖不一定是按比例繪制，而且有時用圖解法和以局部
視圖的形式示出所公開的實(shí)施例。在某些情況下，對于理解所公開的方法和
裝置不必要的細(xì)節(jié)或?qū)е吕斫饫щy的其它細(xì)節(jié)已經(jīng)被省略。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，
本公開并不局限于這里所示出的特定實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
本公開涉及從地下地層中獲取巖芯樣品的裝置和方法。公開了在側(cè)壁樣 品中形成取向標(biāo)記的各個實(shí)施例。在一些實(shí)施例中，側(cè)壁取芯工具包括在取 芯之前在地層中形成標(biāo)記的單獨(dú)標(biāo)記設(shè)備。在其它實(shí)施例中，取芯鉆頭本身 用于形成標(biāo)記。這里所公開的裝置和方法可用在"電纜"和"隨鉆"應(yīng)用場 合。
圖1示出了通過由鉆機(jī)29支承的電纜27懸吊在井孔33中的側(cè)壁取芯 工具21。利用取芯鉆頭23可獲取樣品，該取芯鉆頭23從取芯工具21伸入 地層F中。取芯工具21可由支承臂31支靠在井孔中。市場上可買到的這種 類型的取芯工具的示例是Schlumberger公司(本申請的受讓人)的機(jī)械側(cè)壁取 芯工具("MSCT，，)。美國專利No.4,714，119和No.5,667,025進(jìn)一步描述了 MSCT，這兩項專利都轉(zhuǎn)讓給了本申請的受讓人。
正如最佳在圖2中示出的，側(cè)壁取芯工具21包括用于鉆入井孔中以獲 得側(cè)壁巖芯的取芯組件40。取芯組件40包括受到支承以相對于工具21的殼 體38旋轉(zhuǎn)的取芯鉆頭41。取芯鉆頭41包括具有中空內(nèi)部的軸43。地層切 削件47位于軸43的切削端?？梢栽诓黄x本公開的范圍的條件下使用本領(lǐng) 域公知的用于旋轉(zhuǎn)取芯鉆頭的許多不同類型的地層切削件。馬達(dá)45可操作 地聯(lián)接到軸43 ，從而使軸43旋轉(zhuǎn)。
鉆頭驅(qū)動器聯(lián)接到取芯鉆頭41,以使其在輸送和取芯位置之間旋轉(zhuǎn)。在 所示的實(shí)施例中，鉆頭驅(qū)動器包括可操作地聯(lián)接到取芯鉆頭41的液壓臂49。 液壓臂49工作以使取芯鉆頭41在輸送位置與取芯位置之間移動，在輸送位 置，取芯鉆頭41的軸線51基本平行于井孔的軸線53，而在取芯位置，取芯 鉆頭41的軸線51基本垂直于井孔的軸線53。當(dāng)在取芯位置時，取芯鉆頭 41可以隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)而伸入到地層中，從而形成側(cè)壁巖芯。盡管圖2示出
8的是液壓驅(qū)動器，但是可以理解，在不脫離本公開的范圍的情況下可以使用 其它類型的鉆頭驅(qū)動器。
取芯工具21還包括標(biāo)記設(shè)備，用于在地層表面上的選定位置形成取向
指示標(biāo)記。如圖2所示，標(biāo)記設(shè)備可以是具有齒62的切削刃61。切削刃61 可以是可操作地聯(lián)接到鉆頭驅(qū)動器的"主動式(active)"標(biāo)記設(shè)備。在主動式 標(biāo)記設(shè)備的實(shí)施例中，鉆頭驅(qū)動器使切削刃61移動，使得其與地層接合并 沿著地層表面移動，從而形成取向標(biāo)記67(圖3)。切削刃61可以在取芯鉆頭 41從輸送位置旋轉(zhuǎn)到取芯位置的同時移動。切削刃61可進(jìn)行單向移動、往 復(fù)移動、或適于在地層表面中形成標(biāo)記67的任何其它的移動。對于相對較 硬的地層，取芯鉆頭41可前后旋轉(zhuǎn)多次，以使切削刃61反復(fù)與地層表面切 削接合。取向標(biāo)記67可以是直線、月牙(如下所述)、或適于指示取向的任何 其它的形狀。對于直線或其它類似形狀的標(biāo)記來說，標(biāo)記的長度可以超過將 要形成的巖芯的直徑，以提供用于形成巖芯的更大的目標(biāo)區(qū)域，這可以從下 面的描述中更好地理解。
切削刃61還可以相對于取芯鉆頭41位于已知位置，使得取芯鉆頭41 可按照需要重新定位，從而在地層的選定位置處形成巖芯65，由此確保得到 的側(cè)壁巖芯65包括取向標(biāo)記67。如果取向標(biāo)記67基本上是直線形(如圖3 所示)，則有利的是使其形成在偏離側(cè)壁巖芯65的軸線63的點(diǎn)處，如圖3 所示，使得可以更容易地確定側(cè)壁巖芯65的上部和下部。
在可選擇的實(shí)施例中，切削刃61可聯(lián)接到工具殼體，以提供被動式切 削設(shè)備。在這一可選擇的實(shí)施例中，當(dāng)為了取芯而定位工具21時，切削工 具與井孔壁簡單接合。定位工具21時，切削刃61與地層表面之間的偶然接 觸將會在表面中形成取向標(biāo)記?？梢允骨邢魅?1相對于取芯鉆頭41再次位 于已知位置，使得巖芯可形成在包括所述取向標(biāo)記的區(qū)域中。
圖4示出了另一可選擇的側(cè)壁取芯工具，其示出了從鉆機(jī)100布置到井 眼105中的電纜裝置101的示意性視圖。電纜裝置101包括取芯工具103。 示出取芯工具103具有取芯組件125、用于存儲巖芯樣品的存儲區(qū)域124、 以及相關(guān)的控制機(jī)構(gòu)123,取芯組件125具有取芯鉆頭121。存儲區(qū)域124 構(gòu)造成用于容納樣品巖芯，其可以包括或者也可以不包括套筒、罐或其它貯 藏容器?？梢栽O(shè)置至少一個支撐臂122，用于在取芯鉆頭121工作時將工具 101穩(wěn)定在井孔(未示出)中。電纜裝置101還可包括執(zhí)行其它功能的附加系統(tǒng)。圖4中示出一個這樣 的附加系統(tǒng)，其是地層測試工具102，該測試工具102通過安裝接頭104可 操作地連接到取芯工具103。地層測試工具102可包括探針111，該探針111 從地層測試工具102伸出以與地層F流體連通。支撐活塞112可包括在工具 101中，用于幫助推動探針111以使其與井眼的側(cè)壁接觸，并使工具102穩(wěn) 定在井孔中。圖4所示的地層測試工具102還包括將樣品流體泵送通過工具 的泵114、以及用于存儲流體樣品的樣品腔113。圖4中僅僅示意性地示出 了這些部件的位置，而它們可以設(shè)置在除了所示位置以外的其它位置。還可 包括其它部件，例如動力模塊、液壓模塊、流體分析模塊以及其它設(shè)備。
示出圖4的裝置具有多個可操作地連接在一起的模塊。然而，該裝置還 可部分地或完全地成為一體。例如，如圖4所示，i也層測試工具102可與取 芯工具成為一體，該取芯工具容納在通過安裝接頭104可操作地連接的單獨(dú) 模塊中。可選擇地，取芯工具可整體地包括在裝置101的總殼體內(nèi)。
井下工具常常包括多個模塊(即，執(zhí)行不同功能的工具段)。另外，多于
一個的井下工具或部件可被結(jié)合在同一電纜上，以便在同一電纜工作中完成 多個井下任務(wù)。這些模塊通常由"安裝接頭"(例如，圖4的安裝接頭104) 連接起來。例如，地層測試工具的一個模塊通常在其頂端具有一種類型的連 接器，并在其底端具有第二種類型的連接器。使頂端和底端連接器彼此可操 作地配合。通過使用具有類似的連接器布置的模塊和工具，所有的模塊和工 具可首尾相連地連接在一起，從而形成電纜組件。根據(jù)對電纜上的工具的要 求，安裝接頭可提供電連接、液壓連接和管線(flowline)連接。電連接通常提 供動力和通信能力。
實(shí)踐中，電纜工具一般包括多個不同的部件， 一些部件可包括兩個或更 多的模塊(例如，地層測試工具的抽空模塊和樣品模塊)。在本公開中，"模塊 (module)"用于描述任何可連接在電纜組件中的各工具模塊或單獨(dú)的工具。
"模塊"描述了電纜組件的任意部分，無論所述模塊是大工具的一部分還是 本身為單獨(dú)的工具。應(yīng)當(dāng)指出，術(shù)語"電纜工具(wirelinetool)在本領(lǐng)域有時 用于描述整個電纜組件，包括所有組成該組件的各工具。在本公開中，術(shù)語
"電纜組件"用于防止與構(gòu)成該電纜組件的各工具發(fā)生混淆(例如，取芯工 具、地層測試工具和NMR工具都可以包括在單一電纜組件中)。
圖5為取芯工具103的放大示意圖。如上所述，取芯工具103包括具有
10取芯鉆頭121的取芯組件125。液壓取芯馬達(dá)130可操作地聯(lián)接，以旋轉(zhuǎn)地 驅(qū)動取芯鉆頭121，以使該取芯鉆頭可切入地層F中并獲取巖芯樣品。
為了使取芯鉆頭121進(jìn)入地層，必須在使取芯鉆頭旋轉(zhuǎn)的同時將其壓入 地層中。因此，取芯工具103向取芯鉆頭121施加鉆壓("WOB")(即將 取芯鉆頭121壓入地層中的力)和扭矩。圖5示意性地描述了用于施加這些 力的才幾構(gòu)。例如，WOB可由馬達(dá)132和控制組件134產(chǎn)生，馬達(dá)132可以 是AC、無刷式、DC或其它電源?？刂平M件134可包括液壓泵136、反饋流 量控制("FFC")閥138和活塞140。馬達(dá)132為液壓泵136提供動力，而來 自泵136的液壓流體的流量由FFC閥138進(jìn)4亍調(diào)節(jié)。液壓流體的壓力驅(qū)動活 塞140向取芯鉆頭121施加WOB，這在后面進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。
扭矩可由另一馬達(dá)142和齒輪泵144提供，所述另一馬達(dá)142可以是 AC、無刷式、DC或其它電源。第二馬達(dá)142驅(qū)動齒輪泵144，齒輪泵144 向液壓取芯馬達(dá)130供應(yīng)液壓流體流。而液壓取芯馬達(dá)130又向取芯鉆頭121 傳遞扭矩，以使取芯鉆頭121旋轉(zhuǎn)。
盡管上面給出了用于施加WOB和扭矩的機(jī)構(gòu)的具體示例，但是，在不 脫離本公開范圍的情況下，可以采用用于產(chǎn)生這些力的任何公知的機(jī)構(gòu)?？?用于施加WOB和扭矩的機(jī)構(gòu)的其它示例在美國專利No.6,371,221和 No.7，191，831中進(jìn)行了公開，這兩項專利都轉(zhuǎn)讓給了本申請的受讓人，并在 這里被引入作為參考。
圖6-9更為詳細(xì)地示出了取芯工具103。取芯工具103包括沿著縱向軸 線152延伸的工具殼體150。工具殼體150確定了取芯孔154，巖芯樣品通 過取芯孔154被取回。取芯組件125和存儲區(qū)域124設(shè)置在工具殼體150內(nèi)。
特別地，取芯工具103和存儲區(qū)域124可以具有使各巖芯樣品分開的相 關(guān)機(jī)構(gòu)(未示出)。 一種這樣的系統(tǒng)使用盤將每個巖芯隔開。這種機(jī)構(gòu)常被稱 為"標(biāo)記系統(tǒng)"，盤常^皮描述為"巖芯標(biāo)記器(core markers)"。
巖芯組件125包括鉆頭殼體156,鉆頭殼體156可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到工具殼 體150。取芯鉆頭121安裝在鉆頭殼體156內(nèi)，使得取芯鉆頭121可在鉆頭 殼體156內(nèi)軸向滑動并旋轉(zhuǎn)。取芯馬達(dá)130也安裝在鉆頭殼體156上，并可 操作地連接到取芯鉆頭121以使鉆頭旋轉(zhuǎn)。盡管這里將取芯馬達(dá)130示出為 液壓馬達(dá)，但是可以理解，可以使用能夠使取芯鉆頭121旋轉(zhuǎn)的任何類型的 馬達(dá)或4幾構(gòu)。可以設(shè)置一個或多個旋轉(zhuǎn)連桿臂，用于相對于工具殼體150可旋轉(zhuǎn)地安 裝鉆頭殼體156。正如最佳在圖IOA和10B中示出的，取芯組件125包括一 對第一或上部旋轉(zhuǎn)連桿臂160和一對第二或下部旋轉(zhuǎn)連桿臂162。每個上部 旋轉(zhuǎn)連桿臂160包括可樞轉(zhuǎn)地聯(lián)接到鉆頭殼體156的第一端164和可樞轉(zhuǎn)地 聯(lián)接到工具殼體150的第二端166。類似地，每個下部旋轉(zhuǎn)連桿臂162包括 可樞轉(zhuǎn)地聯(lián)接到鉆頭殼體156的第一端168和可樞轉(zhuǎn)地聯(lián)接到工具殼體150 的第二端170。正如這里所使用的，術(shù)語"可樞轉(zhuǎn)地聯(lián)接"或"可樞轉(zhuǎn)地連 接"指的是兩個工具部件之間的連接，其允許其中一個部件相對于另一個部 件的相對的旋轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)運(yùn)動，但不允許該其中一個部件相對于另一個部件的 滑動或平移運(yùn)動。
對旋轉(zhuǎn)連桿臂160、 162進(jìn)行定位并設(shè)計，以允許鉆頭殼體156相對于 工具殼體150從彈出位置旋轉(zhuǎn)到取芯位置，在彈出位置，取芯鉆頭121基本 平行于工具殼體的縱向軸線152延伸，在取芯位置，鉆頭殼體156旋轉(zhuǎn)以使 取芯鉆頭基本垂直于縱向軸線152延伸，分別如圖6和7所示。當(dāng)鉆頭殼體 156處于彈出位置時，取芯鉆頭121的巖芯腔與巖芯容器124對準(zhǔn)。相反， 當(dāng)鉆頭殼體156處于如圖6所示的取芯位置時，取芯鉆頭121的巖芯腔與形 成在工具殼體150中的取芯孔154對準(zhǔn)。這里使用術(shù)語"對準(zhǔn)(register)"來 表示由兩個部件(例如，取芯鉆頭121的巖芯腔和巖芯容器124或取芯孔154) 所限定的空隙或空間基本對齊。
第一或旋轉(zhuǎn)活塞172可操作地聯(lián)接到鉆頭殼體156,以使鉆頭殼體156 在彈出位置與取芯位置之間旋轉(zhuǎn)。如圖6-9所示，旋轉(zhuǎn)活塞172通過中間連 桿臂174聯(lián)接到鉆頭殼體156。當(dāng)活塞172從圖6所示的伸出位置移動到圖 7所示的縮回位置時，鉆頭殼體156圍繞旋轉(zhuǎn)連桿臂160、 162從彈出位置旋 轉(zhuǎn)到取芯位置。中間連桿臂174還可提供用于使來自一個或多個液壓管線 (flow line)176的液壓流體連通到取芯馬達(dá)130的便利裝置。
一系列可樞轉(zhuǎn)地聯(lián)接的延伸連桿臂聯(lián)接到取芯鉆頭121的一部分(例如， 止推環(huán))，以提供基本恒定的WOB。正如最佳在圖IOA和10B中示出的， 所述一系列延伸連桿臂包括軛狀件(yoke)180，該軛狀件180適于聯(lián)接到第二 或伸出活塞182(如圖6-9)。 一對^v動件184在銷4丁 186處可樞轉(zhuǎn)地聯(lián)接到軛 狀件1S0。 一對搖臂188可樞轉(zhuǎn)地安裝在鉆頭殼體156上，以圍繞相關(guān)的銷 釘190旋轉(zhuǎn)。每個搖臂188包括第一段192和第二段196，第一段192在銷
12釘194處可樞轉(zhuǎn)地聯(lián)接到相關(guān)的從動連桿臂184。剪式千斤頂(scissor jack)198 可樞轉(zhuǎn)地聯(lián)接到每個搖臂。更具體地，每個剪式千斤頂198包括鉆頭臂199， 鉆頭臂199在銷釘200處可樞轉(zhuǎn)地聯(lián)接到搖臂的第二段196并且還在銷釘 202處可樞轉(zhuǎn)地聯(lián)接到取芯鉆頭121的止推環(huán)。每個剪式千斤頂198還包括 殼體臂204，殼體臂204具有在銷釘206處可樞轉(zhuǎn)地聯(lián)接到鉆頭臂199的第 一端和在銷釘208處可樞轉(zhuǎn)地聯(lián)接到鉆頭殼體156的第二端。在所示的實(shí)施 例中，所述一系列連桿臂包括軛狀件180、從動件184、搖臂188和剪式千 斤頂198。然而，在不脫離本公開和所附權(quán)利要求的范圍的情況下，所述一 系列延伸連桿臂可包括可樞轉(zhuǎn)地彼此聯(lián)接的額外的或更少的部件。
借助所示的一系列延伸連桿臂，第二活塞182的運(yùn)動將使取芯鉆頭121 在圖7所示的縮回位置與圖8所示的伸出位置之間運(yùn)動。第二活塞182可在 圖7所示的縮回位置開始。當(dāng)?shù)诙钊?82向圖8所示的伸出位置運(yùn)動時， 其推動軛狀件180和從動連桿臂184以使搖臂188在順時針方向上旋轉(zhuǎn)，如 圖IOA所示。當(dāng)搖臂188順時針旋轉(zhuǎn)時，其使剪式千斤頂198閉合，從而驅(qū) 動取芯鉆頭121朝向伸出位置(或朝向左側(cè)，如圖IOA所示)。通過如圖10A 所示那樣定位銷4丁 202、 206,隨著剪式千斤頂198閉合，剪式千斤頂198 發(fā)揮出機(jī)械優(yōu)點(diǎn)。更具體地， 一系列延伸連桿臂中的空轉(zhuǎn)數(shù)量隨著剪式千斤 頂?shù)拈]合而降低，從而將更大百分比的活塞力傳遞給取芯鉆頭121。
根據(jù)上述內(nèi)容，還可以理解，取芯鉆頭121的伸出基本上與鉆頭殼體156 的旋轉(zhuǎn)脫離。第一活塞172和中間連桿臂174獨(dú)立于用于使取芯鉆頭121伸 出的一系列延伸連桿臂和第二活塞182。因此，第一和第二活塞172、 182 可以基本上彼此獨(dú)立地搡作，這可允許取芯工具103具有額外的功能。例如，
候伸出，而無論鉆頭殼體156的位置如何。因此，當(dāng)鉆頭殼體156被保持在 上述彈出與取芯位置之間的一取向時，取芯鉆頭可沿著斜切面以傾斜角度操作。
旋轉(zhuǎn)連桿臂160、 162還可允許鉆頭殼體156額外旋轉(zhuǎn)到切斷位置(sever position),以有助于使巖芯樣品與地層分離。當(dāng)取芯鉆頭121完全伸出使得 切入地層的操作完成時，其通常定向為基本垂直于縱向軸線152，如圖8所 示。然而，由鉆頭121形成的巖芯樣品可能仍然牢固地附接到地層。為了幫 助分離巖芯樣品，鉆頭殼體156還可旋轉(zhuǎn)一額外量到達(dá)切斷位置，如圖9所
13示。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大約7度的額外角度旋轉(zhuǎn)a足以使巖芯樣品與地層斷開。通 常，所需的額外角度旋轉(zhuǎn)小于7度，大約0.25度到2度。第一和第二旋轉(zhuǎn)連 桿臂160、 162可以有利地定位，使得取芯位置與切斷位置之間的額外旋轉(zhuǎn) 圍繞旋轉(zhuǎn)中心出現(xiàn)，所述旋轉(zhuǎn)中心與取芯鉆頭121的遠(yuǎn)切削端基本重合。
圖4-10所示的側(cè)壁取芯工具可用于在所形成的側(cè)壁巖芯中形成取向標(biāo) 記。在形成巖芯之前，取芯鉆頭121可以以一角度操作，并僅伸入地層中一 小段距離，如圖IIA所示，從而形成月牙形標(biāo)記71(圖12)。然后，可以使 取芯鉆頭121完全旋轉(zhuǎn)到圖IIB所示的取芯位置并完全伸入地層中以形成側(cè) 壁巖芯73。正如最佳在圖12中示出的，月牙形標(biāo)記71本質(zhì)上表示巖芯73 的取向。
本公開還公開了 一種在側(cè)壁巖芯中形成取向標(biāo)記的方法。該方法包括在 地層中形成井孔，將側(cè)壁取芯工具懸吊在井孔內(nèi)的一選定深度處，以及將標(biāo) 記設(shè)備應(yīng)用到井孔表面的選定位置以形成取向標(biāo)記。然后，使取芯鉆頭伸入 到選定位置處的地層中以形成側(cè)壁巖芯。如上所述，標(biāo)記設(shè)備可設(shè)置為可操 作地聯(lián)接到側(cè)壁取芯工具的切削刃?？蛇x擇地，當(dāng)以傾斜角度操作以形成月 牙形的取向標(biāo)記時，標(biāo)記設(shè)備可以是取芯鉆頭的切削端。
盡管上述裝置和方法在這里是圍繞電纜工具描述的，但是，它們還可應(yīng) 用于隨鉆工具?？赡芷谕氖?，利用MWD或LWD工具進(jìn)行取芯，因此， 上述方法和裝置可容易地適于與這些工具一起使用。本公開的某些方面還可 用于不同的取芯應(yīng)用中，例如串聯(lián)取芯(in-line coring)。
盡管僅闡述了某些實(shí)施例，但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上面的描述顯 然可以作出改變和改進(jìn)。這些和其它改變被認(rèn)為是等同物并處于本公開和所 附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種用在形成于地下地層中的井孔中的側(cè)壁取芯工具，其特征在于，所述側(cè)壁取芯工具包括工具殼體，懸吊在井孔內(nèi)一選定深度處并確定縱向軸線；聯(lián)接到工具殼體的取芯組件，該取芯組件包括鉆頭殼體和聯(lián)接到鉆頭殼體的取芯鉆頭，所述取芯鉆頭受到支撐并在輸送位置與取芯位置之間運(yùn)動；以及標(biāo)記設(shè)備，相對于取芯鉆頭位于已知位置，并在地層中形成取向標(biāo)記。
2、 如權(quán)利要求1所述的側(cè)壁取芯工具，其特征在于，取芯鉆頭確定取 芯鉆頭軸線，并且其中，取芯鉆頭軸線在輸送位置平行于井孔軸線并在取芯 位置垂直于井孔軸線。
3、 如權(quán)利要求2所述的側(cè)壁取芯工具，其特征在于，取芯組件包括可 操作地聯(lián)接到取芯鉆頭的馬達(dá)，并且其中，標(biāo)記設(shè)備可操作地聯(lián)接到取芯馬 達(dá)，以使標(biāo)記設(shè)備往復(fù)運(yùn)動。
4、 如權(quán)利要求3所述的側(cè)壁取芯工具，其特征在于，標(biāo)記設(shè)備相對于 取芯鉆頭的軸線偏離。
5、 如權(quán)利要求1所述的側(cè)壁取芯工具，其特征在于，標(biāo)記設(shè)備聯(lián)接到 工具殼體。
6、 如權(quán)利要求1所述的側(cè)壁取芯工具，其特征在于，標(biāo)記設(shè)備包括切 削刃。
7、 如權(quán)利要求1所述的側(cè)壁取芯工具，其特征在于，取芯鉆頭能以傾 斜角度搡作，并且其中，當(dāng)以傾斜角度操作時，標(biāo)記設(shè)備包括取芯鉆頭的切削端。
8、 一種用在形成于地下地層中的井孔中的側(cè)壁取芯工具，其特征在于，所述側(cè)壁取芯工具包括工具殼體，懸吊在井孔內(nèi)一選定深度處并確定縱向軸線； 聯(lián)接到工具殼體的取芯組件，該取芯組件包括鉆頭殼體、馬達(dá)和取芯鉆頭，該取芯鉆頭設(shè)置在鉆頭殼體中并可操作地聯(lián)接到馬達(dá)以在輸送位置與取 芯位置之間運(yùn)動；以及標(biāo)記設(shè)備，受到支撐以相對于工具殼體往復(fù)運(yùn)動，并可搡作地聯(lián)接到取芯組件的馬達(dá)。
9、 如權(quán)利要求8所述的側(cè)壁取芯工具，其特征在于，標(biāo)記設(shè)備包括切 削刃。
10、 如權(quán)利要求8所述的側(cè)壁取芯工具，其特征在于，取芯鉆頭確定取 芯鉆頭軸線，并且其中，取芯鉆頭軸線在輸送位置平行于井孔軸線并在取芯 位置垂直于井孔軸線。
11、 如權(quán)利要求8所述的側(cè)壁取芯工具，其特征在于，標(biāo)記設(shè)備相對于 取芯鉆頭的軸線偏離。
12、 一種用在形成于地下地層中的井孔中的側(cè)壁取芯工具，其特征在于， 所述側(cè)壁取芯工具包括工具殼體，懸吊在井孔內(nèi)一選定深度處并確定縱向工具軸線； 形成在工具殼體中的取芯孔； 設(shè)置在工具殼體中的巖芯容器； 設(shè)置在工具殼體內(nèi)的鉆頭殼體；安裝在鉆頭殼體內(nèi)的取芯鉆頭，該取芯鉆頭包括切削端并確定取芯鉆頭 軸線；鉆頭馬達(dá)，可搡作地聯(lián)接到取芯鉆頭，并使取芯鉆頭圍繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)； 旋轉(zhuǎn)致動器，可操作地聯(lián)接到鉆頭殼體，并使鉆頭殼體在彈出位置與取芯位置之間運(yùn)動，在彈出位置，取芯鉆頭軸線平行于工具軸線，而在取芯位置，取芯鉆頭軸線垂直于工具軸線；伸出致動器，可操作地聯(lián)接到取芯鉆頭，并使取芯鉆頭在縮回位置與伸出位置之間運(yùn)動，其中，該伸出致動器獨(dú)立于旋轉(zhuǎn)致動器工作，以使取芯鉆頭在取芯鉆頭軸線處于一傾斜角度時伸出，而在地層中形成取向標(biāo)記。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于標(biāo)記側(cè)壁巖芯的側(cè)壁取芯工具。側(cè)壁取芯工具包括工具殼體、聯(lián)接的取芯組件和標(biāo)記設(shè)備。工具殼體確定縱向軸線并適于懸吊在井孔內(nèi)一選定深度處。取芯組件聯(lián)接到工具殼體，并包括鉆頭殼體和聯(lián)接到鉆頭殼體的取芯鉆頭。取芯鉆頭受到支撐以在輸送位置與取芯位置之間運(yùn)動。標(biāo)記設(shè)備相對于取芯鉆頭位于已知位置，并適于在地層中形成取向標(biāo)記。
文檔編號E21B49/06GK201347759SQ20082011563
公開日2009年11月18日 申請日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月28日
發(fā)明者內(nèi)森·丘奇 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司