專利名稱：鉆井設(shè)備上的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開內(nèi)容總體上涉及鉆井系統(tǒng)，該鉆井系統(tǒng)包括傳感器，傳感器提供與重要參數(shù)相關(guān)的測量值，更具體而言，本發(fā)明涉及位于鉆柱上的傳感器。
背景技術(shù)：
通常通過鉆柱來鉆油井(井眼)或井孔，鉆柱包括具有井眼鉆具組件(也稱之為底部鉆具組合或“BHA”)的管件，井眼鉆具組件底端連接有鉆頭。鉆頭旋轉(zhuǎn)以切碎地下層來形成井眼。鉆柱和底部鉆具組合包括用于提供關(guān)于各種參數(shù)的信息的裝置和傳感器，這些參數(shù)涉及鉆井操作(鉆井參數(shù))、底部鉆具組合性能(底部鉆具組合參數(shù))和環(huán)繞正被鉆探的井眼的地層的屬性(地層參數(shù))。鉆井參數(shù)包括鉆壓(W0B)、鉆頭和底部鉆具組合的轉(zhuǎn)速(每分鐘的轉(zhuǎn)圈數(shù)或RPM)、鉆頭穿透地層的鉆速(R0P)、以及鉆井液流經(jīng)鉆柱的流量。底部鉆具組合參數(shù)通常包括扭矩、回轉(zhuǎn)、震動、彎曲力矩和粘滑運動。地層參數(shù)包括各種地層特性，如電阻率、孔隙率和滲透率等。用于測定力和力矩的傳感器布置在鉆柱的井下部分、底部鉆具組合、工具或鉆井系統(tǒng)的其他部分上。傳感器通過粘結(jié)劑連接到工具或機械構(gòu)件上，該機械構(gòu)件在所需位置被旋到工具上。因為工具暴露在高溫高壓的井下環(huán)境中，隨著時間推移，粘結(jié)劑會疲竭。這樣會增加維修和維護成本。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面，提供了一種鉆井設(shè)備，其中，該設(shè)備包括設(shè)置在井眼中的鉆柱。鉆柱包括管件、連接到管件上的井眼鉆具組件、以及設(shè)置在井眼鉆具組件端部上的鉆頭。另外，該設(shè)備包括直接沉積在鉆柱上的應(yīng)變儀。在另一方面，提供了一種鉆井設(shè)備，該設(shè)備包括設(shè)置在井眼中的鉆柱。該設(shè)備還包括直接沉積在鉆柱上的應(yīng)變儀，該應(yīng)變儀包括位于電絕緣層上的傳感器層，電絕緣層直接沉積在鉆柱的金屬基底上。下面將詳細描述用于評估數(shù)據(jù)質(zhì)量的設(shè)備和方法的一些示例特征，為了更充分理解這些特征，已經(jīng)相當全面地概括了這些特征。當然，下面公開的設(shè)備和方法的其他特征也將形成依照本公開內(nèi)容的權(quán)利要求書的主題。


通過參照下面的詳細描述以及附圖，將能充分理解示例實施例及其優(yōu)點，附圖如下:
圖1示出了鉆井系統(tǒng)的某實施例的正視圖，其中，該鉆井系統(tǒng)包括傳感器；圖2是井下工具的某實施例的透視圖，該井下工具包括傳感器組件；以及圖3是傳感器組件的某實施例的詳細剖面?zhèn)纫晥D。
具體實施例方式圖1是示例性鉆井系統(tǒng)100的示意圖。鉆井系統(tǒng)100包括鉆柱120,鉆柱包括在鉆井或井眼126中被傳送的鉆井鉆具組件或井下鉆具組件(底部鉆具組合)190。鉆井系統(tǒng)100包括傳統(tǒng)的井架111，井架建造在平臺或基底112上，該基底支撐回轉(zhuǎn)臺114，回轉(zhuǎn)臺通過諸如電機(未示出)的原動機以所需的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。管組(如，連接的鉆桿)122從地面向井眼126的底部151伸展，管組112的底端連接有鉆井鉆具組件190。連接到鉆井鉆具組件190上的鉆頭150旋轉(zhuǎn)時使地質(zhì)結(jié)構(gòu)層分裂，從而鉆出井眼126。鉆柱120通過方鉆桿接頭121、活動接頭128和穿過滑輪的纜索129連接到絞車130上?？刹僮魉鼋g車130來控制鉆壓(W0B)。鉆柱120可以不通過原動機和回轉(zhuǎn)臺114而通過頂驅(qū)(未示出)旋轉(zhuǎn)。絞車130的操作在本領(lǐng)域是公知的，因而在文中不將對其進行詳細描述。在一方面，來自于源頭132 (如，泥漿池)的合適鉆井液131 (也稱之為“泥漿”)在壓力下通過泥漿泵134在鉆柱120內(nèi)循環(huán)。鉆井液131通過壓力波動消除器136和流體管線138從泥漿泵134流入鉆柱120中。來自于鉆管的鉆井液131通過鉆頭150上的孔在鉆井底部151排出。返回的鉆井液131在鉆柱120和井眼126之間的環(huán)形空間127內(nèi)向上流動，然后通過返回管線135和鉆屑篩185返回到泥漿池132中，鉆屑篩去除返回的鉆井液131b中的鉆屑186。管線138中的傳感器S1提供關(guān)于流體流量的信息。與鉆柱120相連的地面扭矩傳感器S2和傳感器S3提供關(guān)于鉆柱120的扭矩和轉(zhuǎn)速的信息。通過傳感器S5測定鉆柱120的鉆速，傳感器S6提供鉆柱120的鉤掛載荷信息。在某些應(yīng)用場合中，通過旋轉(zhuǎn)鉆桿122來使鉆頭150旋轉(zhuǎn)。但是，在其他應(yīng)用場合下，設(shè)置在鉆井鉆具組件190中的井下馬達155 (泥漿馬達)也可使鉆頭150旋轉(zhuǎn)。在一些實施例中，通過地面設(shè)備和井下馬達155來給鉆柱120提供動力達到一定轉(zhuǎn)速。對于給定的鉆頭和底部鉆具組合來說，鉆速(ROP)主要取決于鉆頭150上的鉆壓或推力以及鉆頭轉(zhuǎn)速。繼續(xù)參照圖1，地面控制單元或控制器140通過放置在流體管線138中的傳感器143接收井下傳感器和裝置的信號，并接收傳感器S1-S5以及系統(tǒng)100使用的其他傳感器的信號，然后根據(jù)地面控制單元140的程序提供的程序指令來處理這些信號。地面控制單元140在顯示屏/監(jiān)視器142上顯示所需的鉆井參數(shù)和其他信息，操作者使用顯示屏/監(jiān)視器來控制鉆井操作。地面控制單元140是基于計算機的裝置，包括處理器142 (如，微處理器)、存儲設(shè)備144 (如，固態(tài)內(nèi)存、磁帶或硬盤)、以及存儲設(shè)備144中的一個或更多個計算機程序146，處理器142能讀取這些程序146來執(zhí)行這些程序中的指令。地面控制單元140還與位于地面另一位置處的至少一個遠程控制單元148通信。地面控制單元140處理與鉆井操作相關(guān)的數(shù)據(jù)、來自于地面上的傳感器和裝置的數(shù)據(jù)、從井下接收到的數(shù)據(jù)，可控制井下和地面裝置的一種或更多種操作。鉆井組件190還含有地層評定傳感器或裝置(也稱之為隨鉆測量(MWD)傳感器或隨鉆測井(LWD)傳感器)，這種傳感器或裝置測定電阻率、密度、孔隙率、滲透率、聲學性能、核磁共振性能、井下流體或地層的腐蝕特性、鹽度或含鹽量、以及環(huán)繞鉆井鉆具組件190的地層195的其他選定屬性。這類傳感器在本領(lǐng)域基本上是公知的，為方便起見，文中用標記165表示這些傳感器。鉆柱120包括傳感器158、159、160和162(也稱之為“傳感器組件”)，它們位于井下的不同位置上。傳感器158、159、160和162是用于測定井下參數(shù)的合適傳感器,這些參數(shù)例如是,扭矩、鉆壓、壓力、應(yīng)力、震動、振動應(yīng)變或其他井下參數(shù)。示例的傳感器158、159、160和162包括直接沉積在鉆柱120上的應(yīng)變儀。因而，傳感器158、159、160和162直接放置在鉆柱120的一部分的主體上或直接放置在工具上，可提高傳感器的準確性和耐久性。繼續(xù)參照圖1，在一些實施例中，可采用合適方法，如濺射沉積(也稱之為“等離子體沉積”)、激光加工、化學氣相沉積或?qū)Τ练e層進行蝕刻，來直接沉積傳感器158、159、160和162。直接沉積傳感器的這些示例性方法不使用粘結(jié)劑來將傳感器固定或連接在合適位置上，從而提高了井下傳感器的耐久性。通過將傳感器158、159、160和162直接沉積在鉆柱120上，能簡化傳感器的組裝和校準過程。例如，傳感器158、159、160和162是應(yīng)變儀，將它們直接附著在鉆柱120上之后被校準。另外，也不需要連接、粘結(jié)/膠合或組裝其他元件或部件來將傳感器158、159、160和162安裝在鉆柱120上。因而，校準期間所需的部件數(shù)量更少。另外，鉆柱120的維修和維護期間，傳感器158、159、160和162從井眼126取出之后不需被再校準。例如，其他實施例中，井下傳感器膠合在懸臂或工具的其他機械結(jié)構(gòu)上以測量參數(shù)(如，應(yīng)變)。每次將工具從井中拆卸時，對傳感器再校準。隨著時間的推移粘結(jié)劑會分解，這會改變傳感器讀數(shù)，因而需要進行再校準。因而，再校準步驟增加了維修和維護過程的時間和成本。因而，通過將傳感器158、159、160和162直接安裝在鉆柱120上，維修和維護期間可減小傳感器再校準頻率或不需對傳感器進行再校準。另外，通過將傳感器158、159、160和162直接沉積在鉆柱120上，傳感器158、159、160和162能承受得住井下高溫和高壓環(huán)境。如圖1所示，傳感器158布置在底部鉆具組合190上，傳感器159布置在鉆頭150上，傳感器160布置在泥漿馬達155上，傳感器162布置在鉆柱120的管件上。圖2是井下工具200的實施例的透視圖，井下工具200包括傳感器組件202和204。示例性的傳感器組件202和204通過如上所述的合適方法直接沉積在工具200的主體部分206上。例如，傳感器組件202包括電極208 (也稱之為“薄膜電極”)，該電極通過濺射方法沉積(cbposited)在主體部分206的凹處210上。傳感器組件202包括覆蓋件212，覆蓋件212由合適的材料形成且具有適當?shù)男螤疃糜诒Ｗo電極208免遭井下環(huán)境破壞。示例性的覆蓋構(gòu)件212包括金屬或金屬合金，如不銹鋼，保護電極208免遭損壞。傳感器組件204包括位于絕緣層216上的電極214,所述絕緣層216位于主體部分206上。絕緣層216是任何一種合適的電絕緣、熱兼容層，可布置在工具200上或作為工具200所包含的一部分。絕緣層216通過使所述電極214絕緣而能提高傳感器組件204的性能。包含在絕緣層216中的材料例子例如包括金屬氧化物、氧化硅、類金剛石涂層、陶瓷層或聚合物。在某實施例中，絕緣層216包括AL203。在另一實施例中，絕緣層216通過對主體部分206的表面化學改質(zhì)來形成，例如，通過使鋁氧化來形成AL2O3或使鈦層或表面氮化來實現(xiàn)。電極214和絕緣層216通過合適方法沉積在主體部分206上，這些合適方法包括參照圖1所述的方法。在傳感器組件204的示例性實施例中，絕緣層216濺射沉積在主體部分206上，然后，傳感器或電極214濺射沉積在絕緣層216上。絕緣層216的沉積或形成的示例性方法包括:(i)濺射，(ii)蒸發(fā)，(iii)溶膠凝膠旋壓，(iv)噴涂，(v)絲網(wǎng)印刷和處理，(vi)噴墨印刷和處理，(vii)化學氣相沉積，和(viii)氧化。在另一實施例中，絕緣層216是主體部分206的一部分。如圖所示，控制器218被構(gòu)造成將信號和能量傳遞給傳感器組件202和204，并傳遞來自于傳感器組件202和204的信號和能量。例如，控制器218提供激勵電流給組件202和204中的應(yīng)變儀。另外，控制器218處理和存儲接收到的信號，這些信號對應(yīng)于測定參數(shù)(如，應(yīng)變儀測量值)。示例性的傳感器組件220直接沉積在構(gòu)件222上，構(gòu)件222可連接到主體部分206上；或者，構(gòu)件222是從主體部分206伸展的結(jié)構(gòu)。在某實施例中，傳感器組件220位于構(gòu)件222上，構(gòu)件222位于凹處224中。構(gòu)件222是合適的耐用材料(如不銹鋼或合金)，通過緊固件，焊接，粘結(jié)劑或其他合適的連接機構(gòu)連接到主體部分206上。另外，構(gòu)件222可稱之為放大結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是一種合適的結(jié)構(gòu)形式以放大傳感器組件222感測到的參數(shù)(如應(yīng)變或扭矩)。構(gòu)件222可被認為是主體部分206的可動部分。在某實施例中，通過機械加工主體部分206的一部分來形成構(gòu)件222。電極226和絕緣層228通過合適方法(如上所述的方法)沉積在構(gòu)件222上。在傳感器組件220的示例性實施例中，絕緣層228濺射沉積在構(gòu)件222上，電極226濺射沉積在絕緣層228上。圖3詳細示出了傳感器組件204的剖面?zhèn)纫晥D。傳感器組件204包括電極214、絕緣層216和保護層300。保護層300被構(gòu)造為保護電極214免遭井下環(huán)境破壞。保護層300可以是任何合適的耐用、不導電的硬質(zhì)保護材料。例如，保護層300包括CH4或類金剛石涂層，該涂層通過化學氣相沉積方式沉積在傳感器214上。通過直接將應(yīng)變敏感材料(類似于NiCr或CuNi)直接沉積在絕緣層215上來形成電極214。應(yīng)變敏感材料包括壓阻材料、壓電材料和磁致伸縮材料，但是并不局限于這些。達到所需的應(yīng)變系數(shù)、電阻系數(shù)和補償?shù)氖纠詰?yīng)變敏感材料還可包括鎳和Ag-1TO的化合物，鎳含類金剛石碳膜。保護層300被構(gòu)造為承受得住磨損和井下環(huán)境，從而提高了傳感器組件的耐久性，降低了傳感組件204的維護頻率。如圖所示，主體部分206是金屬基底，傳感器組件204直接沉積在該金屬基底上。用于將示例性傳感器和傳感器組件直接沉積在鉆柱上(如圖1-3所示)的示例性方法可包括以下步驟。通過將薄膜電極由激光加工在絕緣層上來形成傳感器或傳感器組件。可使用不同類型的激光來蝕刻金屬、基底上的絕緣表面、電極材料和保護層。示例性的激光是準分子激光。在示例中，上述各層被沉積，然后使用激光燒蝕或蝕刻層。在另一種方法中，采用對沉積層進行蝕刻的方式。首先沉積上述層，然后使用光刻膠和蒙片在層上形成圖案，這樣就實現(xiàn)了對沉積層的蝕刻。光刻膠被旋壓在層的頂部上，然后，含有該層和光刻膠的表面被放置在蒙片(例如，由以圖案覆蓋在玻璃上的鉻制成)之下，然后通過紫外(UV)光曝光。對光刻膠合適地顯影之后，將蒙片上的圖案轉(zhuǎn)印到光刻膠上。保留在層上的光刻膠然后被用來遮掩這些區(qū)域，讓這些區(qū)域與蝕刻劑隔開，蝕刻劑可以是液體、氣體或等離子基的。蝕刻操作完成之后，剝落掉光刻膠層以露出形成有圖案的沉積層。形成有圖案的沉積層可包括傳感器或薄膜電極和絕緣層。在另一實施例中，形成傳感器組件的方法包括等離子體沉積或濺射。傳感器的一個或更多個層包括薄膜電極、絕緣層和保護層。將層放置在腔室中，在腔室中，在氣態(tài)環(huán)境下將射頻(RF)波或直流電(DC)排放在電極之間來形成等離子體，由此使得所需的材料以固態(tài)形式沉積在基底上，這樣就將傳感器的所述層沉積在主體部分或相應(yīng)層上了。在另一實例中，通過蒸發(fā)方式來沉積傳感器組件，這種對層進行沉積的方式是:在真空環(huán)境下加熱待被沉積的材料，然后將該材料沉積在層或基底上。通過蝕刻或通過例如剝落(lift-off)這樣的工藝在層上形成圖案。在另一實施例中，通過蒸發(fā)或蔭罩來形成傳感器或傳感器層。在某實施例中，將傳感器絲網(wǎng)印刷或噴墨印刷在主體部分的表面上，然后處理傳感器，這樣就能將傳感器施加到主體部分的表面上。另外，可結(jié)合使用任何一種技術(shù)來形成傳感器。在一些實施例中，可在主體部分上形成凹槽，然后將應(yīng)變敏感結(jié)構(gòu)形成在凹槽中。在某實施例中，傳感器包括壓電材料，壓電材料被嵌入到表面、懸臂上或工具主體部分的腔或凹槽中，從而可沿主體部分的不同軸進行測量。例如，壓電材料可嵌入工具主體部分的凹腔中，并被構(gòu)造為沿主體部分的不同軸測量應(yīng)變值，使用該測量值測定工具的健康狀況(即，表示工具的剩余使用期或磨損)。盡管已經(jīng)示出和描述了一些實施例，但是在不脫離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的情況下，可進行各種改進和替換。因而，應(yīng)該理解為，通過闡釋而非限制的方式描述了本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種鉆井設(shè)備，包括: 設(shè)置在井眼中的鉆柱，該鉆柱包括: 管件； 連接到管件上的井下鉆具組件；以及 鉆頭，其設(shè)置在井下鉆具組件的端部上； 應(yīng)變儀，其直接沉積在鉆柱上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鉆井設(shè)備，包括布置在應(yīng)變儀上的保護裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的鉆井設(shè)備，其中，保護裝置包括從由保護涂層和覆蓋件所構(gòu)成的組中選擇的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的鉆井設(shè)備，其中，應(yīng)變儀包括位于電絕緣層上的傳感器層，電絕緣層直接形成在鉆柱的金屬基底上?！?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求4的鉆井設(shè)備，其中，金屬基底包括選自由管件主體部分、鉆頭主體部分和井下鉆具組件的主體部分所構(gòu)成的組中之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的鉆井設(shè)備，其中，在金屬基底中形成有凹槽，應(yīng)變儀布置在凹槽中。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的鉆井設(shè)備，其中，傳感器層包括薄膜電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的鉆井設(shè)備，其中，薄膜電極通過選自下列方式組中的一種方式形成在絕緣層上:濺射沉積、化學氣相沉積、激光加工、蝕刻、蒸發(fā)、蔭罩、絲網(wǎng)印刷、噴墨印刷、以及以上方式的任一種組合方式。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的鉆井設(shè)備，其中，薄膜電極包括應(yīng)變敏感材料，電絕緣層包括選自以下成分組中的一種成分:金屬氧化物、氧化硅、類金剛石涂層、陶瓷和聚合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的鉆井設(shè)備，其中，應(yīng)變儀包括一種嵌入在形成于鉆柱上的凹腔中的壓電材料。
11.一種鉆井設(shè)備，包括: 設(shè)置在井眼中的鉆柱；和 應(yīng)變儀，其直接沉積在鉆柱上，該應(yīng)變儀包括位于電絕緣層上的傳感器層，電絕緣層直接沉積在鉆柱的金屬基底上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的鉆井設(shè)備，其中，金屬基底包括選自由管件主體部分、鉆頭主體部分和井下鉆具組件的主體部分所構(gòu)成的組中之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的鉆井設(shè)備，其中，傳感器層包括薄膜電極。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的鉆井設(shè)備，包括布置在應(yīng)變儀上的保護裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的鉆井設(shè)備，其中，保護裝置包括從由保護涂層和覆蓋件所構(gòu)成的組中選擇的一種。
16.一種鉆井設(shè)備，包括: 設(shè)直在井眼中的鉆柱；和 應(yīng)變儀，其直接沉積在放大結(jié)構(gòu)上，該放大結(jié)構(gòu)連接到鉆柱上，應(yīng)變儀包括位于電絕緣層上的傳感器層，電絕緣層直接沉積在放大結(jié)構(gòu)的金屬基底上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的鉆井設(shè)備，包括布置在應(yīng)變儀上的保護裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的鉆井設(shè)備，其中，傳感器層包括薄膜電極。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的鉆井設(shè)備，其中，薄膜電極通過選自下列方式組中的一種方式形成在絕緣層上:濺射沉積、化學氣相沉積、激光加工、蝕刻。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的鉆井設(shè)備，其中，薄膜電極包括應(yīng)變敏感材料，電絕緣層包括選自以下成分組中的一種成分:金屬氧化·物、氧化硅、類金剛石涂層、陶瓷層和聚合物。
全文摘要
在一方面，提供了一種鉆井設(shè)備，其中該鉆井設(shè)備包括設(shè)置在井眼中的鉆柱。鉆柱包括管件、連接到管件上的井下鉆具組件、以及設(shè)置在井下鉆具組件端部上的鉆頭。另外，該設(shè)備包括直接沉積在鉆柱上的應(yīng)變儀。
文檔編號E21B47/01GK103201455SQ201180053701
公開日2013年7月10日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者S·庫馬爾 申請人:貝克休斯公司