配備有儀器的鉆井系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種在多種應(yīng)用中幫助鉆井眼或其他類型的孔的技術(shù)。設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)向系統(tǒng)，其具有通過萬向接頭耦接于鉆頭軸的主軸以提供轉(zhuǎn)向功能。傳感器系統(tǒng)被安裝于所述導(dǎo)向系統(tǒng)上，并且包括至少一個定位成在鉆井過程中測量諸如鉆壓和/或鉆頭扭矩參數(shù)的期望參數(shù)的傳感器。
【專利說明】配備有儀器的鉆井系統(tǒng)

【背景技術(shù)】
[0001]通過鉆一個穿透含油地層的井，而從地下地質(zhì)地層(被稱為儲層)中獲取諸如油及天然氣的烴流體。受控轉(zhuǎn)向或定向鉆井技術(shù)被用于油、水及天然氣行業(yè)中，以到達(dá)并非位于井口正下方的源頭。在制備一個或一系列具有狗腿彎折或其他類型的斜井區(qū)段的井眼時，已經(jīng)采用多種導(dǎo)向系統(tǒng)來提供對鉆井方向的控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]一般地，本發(fā)明提供了一種在多種應(yīng)用中用于鉆井眼或其他類型的孔的系統(tǒng)及方法。設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)向系統(tǒng)，其具有通過萬向接頭耦接于鉆頭軸的主軸。傳感器系統(tǒng)被安裝于所述導(dǎo)向系統(tǒng)上，且包括至少一個定位成在鉆井過程中測量諸如鉆壓和/或鉆頭扭矩參數(shù)的期望參數(shù)的傳感器。
[0003]然而，在實(shí)質(zhì)上不脫離本發(fā)明教導(dǎo)的前提下，可能有多種修改。相應(yīng)地，權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍意圖包含這樣的修改。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]此后將參照附圖描述某些實(shí)施例，其中相同的參考標(biāo)記表示相同的元件。然而應(yīng)該理解，附圖示出了本文描述的多種實(shí)施方式，并且不意圖限制本文描述的多種技術(shù)的范圍，其中:
[0005]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的可以采用導(dǎo)向系統(tǒng)的實(shí)施例的井場系統(tǒng)；
[0006]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的用于定向鉆井的裝備有儀器的導(dǎo)向系統(tǒng)的一個例子的示意圖；
[0007]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的用于連接所述導(dǎo)向系統(tǒng)的構(gòu)件的萬向接頭內(nèi)的交叉件的一個示例的視圖；
[0008]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的圖3中示出的交叉件的另一個圖示，其表示有力在另一個方向作用于所述交叉件上；
[0009]圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的具有儀器的交叉件的截面圖；
[0010]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的具有不同儀器布置的交叉件的另一截面圖；
[0011]圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的由于作用于所述導(dǎo)向系統(tǒng)的萬向接頭上的應(yīng)變所引起的應(yīng)變測量的匯總表；
[0012]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的通過結(jié)合有儀器的萬向接頭而耦接至輸出軸的主軸的示意圖；
[0013]圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的基本上沿圖8中的線9-9所作的截面圖；
[0014]圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的通過結(jié)合有另一類型布置的儀器的萬向接頭而耦接至輸出軸的主軸的示意圖；
[0015]圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的通過結(jié)合有另一類型布置的儀器的萬向接頭而耦接至輸出軸的主軸的示意圖；
[0016]圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的示出了與所述導(dǎo)向系統(tǒng)的撓性管結(jié)合的儀器的示意圖。
[0017]圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的用于連接所述導(dǎo)向系統(tǒng)的構(gòu)件的萬向接頭內(nèi)的交叉件的另一個示例的示圖；
[0018]圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的用于連接所述導(dǎo)向系統(tǒng)的構(gòu)件的萬向接頭內(nèi)的交叉件的另一個示例的示圖；以及
[0019]圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的圖14中示出的交叉件的另一個圖示，其示出了有力在側(cè)向上作用于所述交叉件上。

【具體實(shí)施方式】
[0020]在以下的描述中，陳述了多個細(xì)節(jié)以提供對本發(fā)明的一些實(shí)施例的理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以在沒有這些細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施所述系統(tǒng)和/或方法，并且基于所述實(shí)施例的多個變型或修改是可能的。
[0021]本文的公開總體上涉及關(guān)于導(dǎo)向系統(tǒng)的系統(tǒng)及方法，其可以被用于能夠定向鉆出井孔(便如，井眼)。所述系統(tǒng)和方法將儀器與所述導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)合，以提供關(guān)于鉆井操作的信息。舉例來說，所述導(dǎo)向系統(tǒng)可以包括通過萬向接頭耦接于輸出軸(例如鉆頭軸)的主軸；并且可以將儀器與所述萬向接頭和/或?qū)蛳到y(tǒng)的其他構(gòu)件相結(jié)合，以提供期望參數(shù)的數(shù)據(jù)。在一些應(yīng)用中，所述儀器可以被用于幫助評估諸如鉆壓及鉆頭扭矩的參數(shù)。所述儀器還可以被設(shè)置為檢測作用于諸如所述萬向接頭上的側(cè)向力。可以通過安裝于所述主軸、輸出軸和/或連接所述主軸及所述輸出軸的萬向接頭上的傳感器執(zhí)行這些多種測量。為了便于選擇合適的傳感器，所述傳感器可以被置于相應(yīng)的構(gòu)件上并被封裝于油中，以避免任何來自環(huán)境(例如鉆井泥漿)的污染。
[0022]在一些鉆井應(yīng)用中，可以實(shí)時測量所述鉆壓及鉆頭扭矩參數(shù)。根據(jù)井眼條件，所述儀器系統(tǒng)可以隨井下參數(shù)(例如壓力及溫度)的影響自補(bǔ)償或被校正。對于定向鉆井應(yīng)用，可以實(shí)時測量所述導(dǎo)向系統(tǒng)的傾角以獲得工具面。例如，所述儀器系統(tǒng)可以被用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工具上，以便當(dāng)鉆傾斜井眼時連續(xù)監(jiān)測所述旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工具的傾角。
[0023]在此所述的導(dǎo)向系統(tǒng)在無論是井還是非井的環(huán)境及應(yīng)用中的多種鉆井應(yīng)用中是有用的。例如，配備有儀器的導(dǎo)向系統(tǒng)可以幫助鉆出穿過地球地層及一些其他地球材料的井孔，以形成多種類型的通路。在與井相關(guān)的應(yīng)用中，配備有儀器的導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)可以被用于幫助定向鉆井，以形成多種傾斜井眼。圖1中示出了包含所述配備有儀器的導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的井系統(tǒng)的一個例子。
[0024]參考圖1，示出了一個井場系統(tǒng)，其中，可以采用本文所述的導(dǎo)向系統(tǒng)的實(shí)施例。所述井場可以是在岸上或離岸的。在此系統(tǒng)中，通過旋轉(zhuǎn)鉆井，井眼11被形成于地下地層中，并且所述導(dǎo)向系統(tǒng)的實(shí)施例可以被用于多種類型的定向鉆井應(yīng)用中。
[0025]在所示出的例子中，鉆柱12懸置于所述井眼11中，且具有井下鉆具組合(BHA) 100，所述井下鉆具組合100包括在其底端處的鉆頭105。地面系統(tǒng)包括設(shè)于井眼11之上的平臺和井塔組件10，所述組件10包括轉(zhuǎn)盤16、方鉆桿17、掛鉤18和轉(zhuǎn)環(huán)19。所述鉆柱12由轉(zhuǎn)盤16驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤通過未示出的方式驅(qū)動，轉(zhuǎn)盤將方鉆桿17接合至鉆柱的頂端。所述鉆柱12通過方鉆桿17和轉(zhuǎn)環(huán)19懸置于掛鉤18，該轉(zhuǎn)環(huán)19允許鉆柱相對于掛鉤旋轉(zhuǎn)，掛鉤18系于游動滑車(未示出)上?？梢蕴娲缘厥褂庙敳框?qū)動系統(tǒng)。
[0026]在本實(shí)施例的例子中，所述地面系統(tǒng)進(jìn)一步包括存儲于形成于井場處的池27中的鉆井流體或泥漿26。泵29將所述鉆井流體26通過轉(zhuǎn)環(huán)19中的端口傳送至鉆柱12的內(nèi)部，使鉆井流體如方向箭頭8所示向下流穿鉆所述鉆柱12。所述鉆井流體通過鉆頭105中的端口離開所述鉆柱12，然后通過鉆柱外部與井眼的壁間的環(huán)形區(qū)域向上循環(huán)，如方向箭頭9所示。在此方式中，所述鉆井流體潤滑所述鉆頭105，在其回到池27用于再循環(huán)的同時，將地層切屑向上帶至地面。
[0027]所示出實(shí)施例的井下鉆具組合100包括隨鉆測井(LWD)模塊120以及隨鉆測量(MWD)模塊130。所述井下鉆具組合100還可以包括導(dǎo)向系統(tǒng)150以及鉆頭105。在一些應(yīng)用中，所述井下鉆具組合100進(jìn)一步包括馬達(dá)，其可以被用于轉(zhuǎn)動所述鉆頭105或以其他方式被用于輔助所述鉆井操作。此外，所述導(dǎo)向系統(tǒng)150可以包括旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)以提供定向鉆井。
[0028]所述LWD模塊120被容納于一種特殊類型的鉆鋌中，并且可以含有一個或多個已知類型的測井工具。還應(yīng)該理解，可采用一個以上的LWD和/或MWD模塊，如120A所示。(在全文中，對120位置處的模塊的引述同樣可替換地表示120A位置處的模塊。)所述LWD模塊可以具有用于測量、處理和儲存信息以及與地面設(shè)備通信的能力。在本實(shí)施例中，所述LWD模塊包括壓力測量裝置。
[0029]所述MWD模塊130也可以被容納于一種特殊類型的鉆鋌中，且可以含有一個或多個用于測量鉆柱及鉆頭的特性的裝置。所述MWD工具還可包括用于向井底系統(tǒng)產(chǎn)生電能的裝置(未示出)。這可以包括由鉆井流體流驅(qū)動的泥漿渦輪發(fā)電機(jī)(也被稱為“泥漿馬達(dá)”)，應(yīng)該理解，也可采用其他電能和/或電池系統(tǒng)。在本實(shí)施例中，所述MWD模塊可以包括多種測量裝置:例如，鉆壓測量裝置、扭矩測量裝置、振動測量裝置、沖擊測量裝置、粘滑測量裝置、方向測量裝置和/或傾斜測量裝置。如下文更詳細(xì)地描述，所述導(dǎo)向系統(tǒng)150還可以包括用于測量期望參數(shù)(例如鉆壓及鉆頭扭矩參數(shù))的儀器。
[0030]所述導(dǎo)向系統(tǒng)150可以用于直線或定向鉆井，以便例如改進(jìn)向各種地下含油氣儲層的接近。定向鉆井是指井眼從其本來的路徑上有意偏離。換句話說，定向鉆井是鉆柱的轉(zhuǎn)向，以便其在期望的方向上行進(jìn)。定向鉆井不必然要有彎曲的井眼。通過補(bǔ)償作用于所述鉆柱上的其他力，定向鉆井可以被用來保持直線井眼。
[0031]定向鉆井在離岸鉆井中是有用的，例如，因?yàn)槠淠苁苟鄠€井從單個平臺鉆出。定向鉆井還能使水平鉆井穿過儲層。水平鉆井能使所述井眼以更長的長度橫穿所述儲層，這提高了所述井的生產(chǎn)率。定向鉆井系統(tǒng)還可以被用于垂直鉆井操作中。通常，由于所述被穿透的地層的不可預(yù)測性或者所述鉆頭承受的變力，鉆頭會偏離預(yù)定鉆井軌跡。當(dāng)發(fā)生此偏離時，定向鉆井系統(tǒng)可以被用于將所述鉆頭拉回正確線路上。
[0032]在一些定向鉆井應(yīng)用中，導(dǎo)向系統(tǒng)150包括使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(“RSS”)。在RSS中，從地面旋轉(zhuǎn)所述鉆柱，井下裝置使所述鉆頭沿期望方向鉆井。旋轉(zhuǎn)所述鉆柱極大地減少了在鉆井過程中鉆柱被掛住或卡住的發(fā)生。用于向地下鉆出井孔的定向鉆井系統(tǒng)可以總體上分為“指向鉆頭式”系統(tǒng)或“推靠鉆頭式”系統(tǒng)。
[0033]在指向鉆頭式系統(tǒng)中，鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線從所述井下鉆具組合的局部軸線偏離至新井眼的大致方向。實(shí)際上，鉆頭“指向”期望方向。所述井眼依據(jù)由上、下扶正器觸點(diǎn)以及鉆頭限定的通常的三點(diǎn)幾何特性延伸。所述鉆頭軸線的偏離角度連同所述鉆頭與下扶正器之間的有限距離，會導(dǎo)致彎道的生成。有很多方法可以實(shí)現(xiàn)此目的，包括在所述井下鉆具組合中靠近所述下扶正器的一個點(diǎn)處的固定或可調(diào)彎曲部，或分布于上、下扶正器之間的鉆頭驅(qū)動軸的彎曲。在其理想化形式中，所述鉆頭并不進(jìn)行實(shí)質(zhì)的側(cè)向切割，因?yàn)樗鲢@頭軸線對準(zhǔn)所述彎曲井眼的方向。指向鉆頭類型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的例子以及它們?nèi)绾芜\(yùn)行，被描述于美國專利申請公開第2002/0011359號、2011/0052428號以及美國專利第6，394，193、6，364，034,6, 244，361,6, 158，529,6, 092，610 以及 5，113，953 號中。
[0034]在所述推靠鉆頭式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中，并沒有特殊明確的機(jī)構(gòu)來使所述鉆頭軸線偏離井下鉆具組合的局部軸線；相反，必要的非共線條件是通過在相對于所述井眼的蔓延方向優(yōu)先定向的方向上施加偏心力或偏移來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際上，“推靠”所述鉆頭至期望方向。再次，有很多方法可以實(shí)現(xiàn)此目的，包括非旋轉(zhuǎn)(相對于井眼)的偏心扶正器(基于偏移的方法)以及向所述鉆頭在期望轉(zhuǎn)向的方向施加力的致動器。再次，轉(zhuǎn)向是通過在鉆頭與至少兩個其他觸點(diǎn)之間產(chǎn)生非共線來實(shí)現(xiàn)的。在其理想化形式中，所述鉆頭切向側(cè)面以便產(chǎn)生彎曲井眼。推靠鉆頭類型的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的例子以及它們?nèi)绾芜\(yùn)行被描述于美國專利第 5，265，682,5, 553，678,5, 803，185,6, 089，332,5, 695，015,5, 685，379,5, 706，905、5，553，679,5, 673，763,5, 520，255,5, 603，385,5, 582，259,5, 778，992 以及 5，971，085 號中。
[0035]總體上參考圖2，井下鉆具組合100的一部分被示為包括與鉆頭105耦接的導(dǎo)向系統(tǒng)150。在此實(shí)施例中，所述導(dǎo)向系統(tǒng)150包括通過諸如萬向接頭的接頭204耦接至輸出軸202的主軸200。在鉆井應(yīng)用中，所述輸出軸202可以包括在鉆井操作中旋轉(zhuǎn)鉆頭105的鉆頭軸。所述輸出軸202，例如鉆頭軸，可相對于主軸200繞萬向接頭204樞轉(zhuǎn)，以便允許受控的、定向鉆井。在所述鉆頭105的旋轉(zhuǎn)期間，可以使用致動系統(tǒng)206來保持輸出軸202與主軸200之間的期望角度來控制鉆井方向。
[0036]在所示出的例子中，致動系統(tǒng)206包括多個可以被獨(dú)立控制的致動器208，以便保持輸出軸202與主軸200之間繞著所述萬向接頭204的期望樞轉(zhuǎn)角。如圖所示，所述致動器208可以在主軸200與諸如管道的周圍外殼結(jié)構(gòu)210之間耦接。所述外殼結(jié)構(gòu)210被耦接于輸出軸202，以便所述致動器208的徑向膨脹及收縮引起輸出軸202相對于主軸200樞轉(zhuǎn)。然而，致動器208可以被定位于萬向接頭204之上和/或之下。此外，根據(jù)所述導(dǎo)向系統(tǒng)150 —般地是指向鉆頭式系統(tǒng)的形式、推靠鉆頭式系統(tǒng)的形式、還是結(jié)合了指向鉆頭式特點(diǎn)與推靠鉆頭式特點(diǎn)的混合系統(tǒng)的形式，所述致動器208可以被設(shè)計(jì)為相對于適當(dāng)?shù)耐鈿そY(jié)構(gòu)210或相對于周圍井眼壁起作用。在定向鉆井系統(tǒng)中可以使用任意這些系統(tǒng)來控制輸出軸繞著接頭204相對于主軸的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動。
[0037]進(jìn)一步地，所述致動器208可包括多個可控致動器，其被相應(yīng)的諸如那些在上述的指向鉆頭及推靠鉆頭專利中所述的控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)選擇性地致動。根據(jù)期望控制系統(tǒng)，所述致動器208可以包括液壓致動器、機(jī)電致動器或工具球致動器，例如美國公開專利申請第20100139980號所示的。
[0038]在圖2所示的實(shí)施例中，所述導(dǎo)向系統(tǒng)150與成傳感器系統(tǒng)212的形式的儀器結(jié)合。所述傳感器系統(tǒng)212包括安裝于導(dǎo)向系統(tǒng)150的構(gòu)件上的至少一個且通常是多個的傳感器214。在很多鉆井應(yīng)用中，所述傳感器214被安裝為相對貼近所述鉆頭105。例如，傳感器214可以被安裝于萬向接頭204上，或主軸200上，和/或輸出軸202上，以便測量期望參數(shù)。這些參數(shù)的例子包括縱向指向的力及扭矩相關(guān)力。在鉆井系統(tǒng)中，例如，所述傳感器214可以被設(shè)計(jì)及設(shè)置為測量及監(jiān)測鉆壓及鉆頭扭矩力。在一些應(yīng)用中，這些參數(shù)的至少一部分?jǐn)?shù)據(jù)被實(shí)時地中繼傳送到適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)216，該控制系統(tǒng)216可以包括地面控制系統(tǒng)、井下控制系統(tǒng)或結(jié)合了地面構(gòu)件與井下構(gòu)件的控制系統(tǒng)。在其他系統(tǒng)中，這些參數(shù)的至少一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以被記錄于井下并被稍后復(fù)查。在其他系統(tǒng)中，一部分所述數(shù)據(jù)可以通過可接受的遙測系統(tǒng)(例如，僅是舉例來說，泥漿脈沖遙測或有線鉆桿或無線遙測或可接受的遙測系統(tǒng)的任意組合)傳輸，并且一部分所述數(shù)據(jù)可以被記錄用于稍后復(fù)查。諸如鉆壓及鉆頭扭矩的參數(shù)可以用成應(yīng)變儀或其他適當(dāng)?shù)臏y力傳感器形式的傳感器214測量。
[0039]在鉆井操作期間，鉆壓及鉆頭扭矩力作用于接頭204。如果接頭204是萬向接頭的形式，則所述接頭可以利用圖3及4中所示的交叉件218。舉例來說，交叉件218可以包括一個中央結(jié)構(gòu)220，從其延伸有多個鉸接銷222，例如4個鉸接銷222。所述鉸接銷222是樞轉(zhuǎn)地接合所述主軸200及所述輸出軸202的特征。典型地，兩個所述鉸接銷222接合主軸200，兩個銷接銷222接合輸出軸202。所述中央結(jié)構(gòu)220還可以包括具有內(nèi)徑226的貫穿通道224。所述貫穿通道224可以被用于例如允許鉆井泥漿向下流穿導(dǎo)向系統(tǒng)150到達(dá)鉆頭105。在圖3中，由鉆壓產(chǎn)生且作用于接頭204上的所述縱向指向的力被以箭頭228示出。類似地，由鉆頭扭矩產(chǎn)生且作用于接頭204上的扭矩力在圖4中被以箭頭230示出。所述鉆壓力228及所述鉆頭扭矩力230是從所述鉆頭105傳輸至工具管柱12的兩個物理載荷，并且反之亦然，通過所述交叉件218傳輸。
[0040]總體上參考圖5及6，傳感器系統(tǒng)212及傳感器214的例子被示為與所述交叉件218結(jié)合，所述交叉件以截面圖示出。這些例子中的任一個都提供了配備有儀器的交叉件218，其能夠提供對所述鉆壓及鉆頭扭矩的直接測量。在這些實(shí)施例中，孔232已經(jīng)被形成于至少一個鉸接銷222中，例如兩個所述鉸接銷222中。舉例來說，所述孔232可以在軸向方向上被鉆削或以其他方式形成于相應(yīng)鉸接銷222內(nèi)或穿過鉸接銷222。在一些實(shí)施例中，所述孔232被形成為穿過相應(yīng)的鉸接銷222直至達(dá)到通道224的局部增大的內(nèi)徑，以提供測量的增大靈敏度。
[0041]如圖5中所示，傳感器214(例如應(yīng)變儀)可以位于孔232內(nèi)靠著孔232的內(nèi)表面。所述傳感器214可以定向成探測及測量期望參數(shù)，例如鉆壓和/或鉆頭扭矩。舉例來說，所述傳感器系統(tǒng)212可以包括兩個相對于軸向負(fù)載的方向垂直放置的剪切應(yīng)變儀214，以探測鉆壓。在此例子中，可以在兩個孔232中的每一個中分別放置一個傳感器214，且使其在距所述鉸接銷222的外端的期望距離處，例如10到20mm處。所述傳感器系統(tǒng)212還可以包括兩個徑向上且垂直于軸向負(fù)載的方向放置的軸向應(yīng)變儀。所述傳感器214可以再次被定位成在兩個孔232中的每一個中分別具有一個傳感器214，并且每個傳感器214位于距所述鉸接銷222的端部的期望距離處。一般地參考圖6，適當(dāng)?shù)膽?yīng)變儀214(例如剪切應(yīng)變儀)還可以沿形成內(nèi)部通道224的表面放置，以測量鉆壓。
[0042]可以以類似的方式測量鉆頭扭矩。例如，可以通過鉆頭扭矩傳感器測量鉆頭扭矩，其中，所述傳感器成兩個在相對于載荷方向成45°的平面內(nèi)垂直放置的剪切應(yīng)變儀214的形式，以探測鉆頭扭矩。在此例子中，可以在兩個孔232中的每一個中分別放置一個傳感器214，且使其在距所述鉸接銷222的外端的期望距離處，例如10到20mm處。所述傳感器系統(tǒng)212還可以通過將兩個軸向應(yīng)變儀214徑向地且垂直于所述扭矩載荷的方向定向來探測鉆頭扭矩。在此例子中，在兩個孔232中的每一個中也分別放置一個傳感器214，并且每個傳感器214位于距所述鉸接銷222的端部的期望距離處。一般地再次參考圖6，適當(dāng)?shù)膽?yīng)變儀214 (例如軸向應(yīng)變儀)還可以被徑向上放置于鉸接銷222之間，例如沿形成內(nèi)部通道224的表面放置。
[0043]所述傳感器214可以被定位于不同位置及不同方向，以提供期望儀器操作及參數(shù)探測。例如，應(yīng)變儀的不同位置或定位可以決定其敏感性，以及對專門設(shè)計(jì)的儀器系統(tǒng)上的載荷的交叉讀數(shù)或影響。所述傳感器的應(yīng)變測量結(jié)果以及對所述交叉件上的傳感器因綜合效應(yīng)產(chǎn)生的交叉讀數(shù)的估計(jì)的匯總已經(jīng)被呈現(xiàn)于圖7的表格中。如表所示，可以實(shí)現(xiàn)高的測量靈敏度。通過結(jié)合不同的應(yīng)變儀布置，可以獲得高靈敏度的應(yīng)變測量結(jié)果，同時在所述測量中具有非常有限的交叉讀數(shù)。
[0044]一般地參考圖8及9，提供了附加儀器操作的圖示。舉例來說，傳感器系統(tǒng)212還可以包括角位移傳感器234。所述角位移傳感器234可以被安裝于鉸接銷222附近，例如以便探測所述鉸接銷222相對于主軸200和/或輸出軸202的凸耳236的相對移動，例如旋轉(zhuǎn)。主軸200與輸出軸202的嚙合端具有成對的凸耳236，它們具有被設(shè)計(jì)為樞接地接合對應(yīng)的鉸接銷222的開口 238。在圖8及9中示出的例子中，所述角位移傳感器234被安裝于這些凸耳236的一個中，以便探測相對于對應(yīng)的鉸接銷222的相對移動。
[0045]所述角位移傳感器234可以被用于確定及監(jiān)測所述輸出軸202 (例如鉆頭軸)相對于所述主軸200的傾角。然而，所述傳感器234還可以被用于修正由214監(jiān)測的鉆壓和/或鉆頭扭矩的測量結(jié)果。在一些應(yīng)用中，由串列安裝于例如主軸200上的角位移傳感器234執(zhí)行所述角位移測量。所述串列傳感器234位于一個位置處，用于監(jiān)測被置于所述交叉件218之上的一個目標(biāo)240的距離。當(dāng)所述交叉件218相對于主軸20旋轉(zhuǎn)時，傳感器234與目標(biāo)240間的相對位移成為旋轉(zhuǎn)角的正弦函數(shù)。如在圖10的實(shí)施例中示出的，所述角位移傳感器234還可以位于其他位置。在后面的例子中，傳感器234被置于主軸200上以監(jiān)測被置于輸出軸202上的目標(biāo)240。
[0046]—般地參考圖11，鉆壓及鉆頭扭矩傳感器214可以位于沿導(dǎo)向系統(tǒng)150(如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng))的其他位置。例如，鉆壓傳感器214可以包括安裝于兩個以上凸耳236上的軸向應(yīng)變儀。在圖11中，鉆壓傳感器214是相對于其他傳感器中心定位的傳感器。在此例子中，鉆頭扭矩傳感器214包括可以被置于鉆壓傳感器214的兩側(cè)的剪切應(yīng)變儀，如圖11中所示。在另一個實(shí)施例中，鉆頭扭矩傳感器214可以被置于所述鉆壓傳感器的一側(cè)，并相對于所述鉆壓傳感器214成一角度定向。應(yīng)該注意，所述鉆壓傳感器214及所述鉆頭扭矩傳感器214可以要么被置于所述主軸200上要么被置于所述輸出軸202上。
[0047]在圖12中，示出了傳感器系統(tǒng)212的另一實(shí)施例。在此實(shí)施例中，井下鉆具組合100包括裝備有傳感器系統(tǒng)212的撓性管242。所述撓性管242被設(shè)計(jì)為隨所述導(dǎo)向系統(tǒng)150受控而彎曲，以便改變鉆井方向。通過將傳感器214置于柔性管242上，可以測量柔性管242的偏轉(zhuǎn)量。此偏轉(zhuǎn)測量可以被用于得到實(shí)時彎角。所述彎角及主軸200的方向可以被用于確定所述鉆頭105相對于主軸200或總體工具管柱12的位置。
[0048]舉例來說，圖12中示出的實(shí)施例可利用被設(shè)置為成兩個全橋形式的傳感器214，它們被放置為相互間成90°。所述橋可以包括被膠粘或以其他方式連接至例如所述撓性管242的外徑上的軸向應(yīng)變儀。假設(shè)在軸200上施加了足夠的預(yù)張力，當(dāng)施加鉆壓時，撓性管242中的應(yīng)力水平下降。如果針對壓力及溫度適當(dāng)?shù)匦?zhǔn)所述應(yīng)變測量結(jié)果，則可以通過殘留于所述撓性管242中的應(yīng)力水平推斷出鉆壓的測量結(jié)果。通過將呈180°角的軸向應(yīng)變儀測量平均，可以確定所述軸向應(yīng)變測量結(jié)果。
[0049]對于各種鉆井及儀器操作應(yīng)用，可以橋的形式設(shè)置所述傳感器214，例如彼此成90°放置的兩個全橋。參考圖13-15，示出了傳感器214及傳感器系統(tǒng)212的其他實(shí)施例。所述傳感器的定位及布置已經(jīng)被選擇為，例如，對于特定載荷情況，最小化各測量間的串?dāng)_。例如，可以最小化軸向載荷對鉆頭扭矩測量結(jié)果的影響，反之亦然。
[0050]在圖13中示出的實(shí)施例中，例如，多個傳感器214被成對設(shè)置，每對傳感器被配置為相對于下一相繼傳感器對成約90°。在此實(shí)施例中，所述傳感器被設(shè)置于凹槽244中，例如沿交叉件218的中央結(jié)構(gòu)220的內(nèi)部通道224配置的圓周凹槽中。
[0051]圖14和15中示出了另一個實(shí)施例，其中，多個傳感器214(例如應(yīng)變傳感器)被設(shè)置為彼此間隔90°。此外，至少一些傳感器214被定向成相對于鉸接銷222的軸線成45°，如角246所示。傳感器214的設(shè)置使其能對上述的鉆壓及鉆頭扭矩進(jìn)行探測及監(jiān)測。然而，所述設(shè)置還使其能對作用于所述交叉件218上的側(cè)向力進(jìn)行探測及監(jiān)測，如圖15中箭頭248所示。這些實(shí)施例提供了在多種鉆井應(yīng)用中可以被用于探測多種力載荷的傳感器設(shè)置的一些例子。
[0052]根據(jù)鉆井應(yīng)用，所述井下鉆具組合及總鉆井系統(tǒng)可以包括多個構(gòu)件及構(gòu)件設(shè)置。此外，根據(jù)要被監(jiān)測的具體參數(shù)，所述儀器系統(tǒng)可以包括許多不同類型的傳感器及傳感器設(shè)置。所述儀器系統(tǒng)可以與多個控制系統(tǒng)216、例如能夠評估所述傳感器數(shù)據(jù)及輸出信息和/或控制信號的基于處理器的控制系統(tǒng)藕接。在一些實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)可以被編程以基于程序指令自動調(diào)整鉆井方向。此外，多種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)及其他導(dǎo)向系統(tǒng)可以被用于幫助所述定向鉆井。而且，萬向接頭及其他類型的接頭可以被用來在所述主軸及輸出軸之間提供彎曲點(diǎn)。
[0053]盡管上文已經(jīng)詳細(xì)描述了所述系統(tǒng)及方法的一些實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解，在實(shí)質(zhì)不脫離本發(fā)明的教導(dǎo)的前提下，多種修改是可能的。相應(yīng)地，權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍意圖包含這樣的修改。
【權(quán)利要求】
1.一種鉆井系統(tǒng),包括: 第一軸，其通過萬向接頭被耦接于第二軸，其中，所述萬向接頭包括至少一個傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的鉆井系統(tǒng)，其中，所述鉆井系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求1所述的鉆井系統(tǒng)，其中，所述傳感器感測選自鉆壓及鉆頭扭矩的至少一個特性。
4.如權(quán)利要求2所述的鉆井系統(tǒng)，其中，所述旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)一步包括致動系統(tǒng)，以使所述第二軸相對于所述第一軸繞著萬向接頭樞轉(zhuǎn)。
5.如權(quán)利要求1所述的鉆井系統(tǒng)，其中，所述萬向接頭包括多個傳感器。
6.如權(quán)利要求5所述的鉆井系統(tǒng)，其中，所述多個傳感器包括被安裝于所述鉆井系統(tǒng)的撓性管上的傳感器。
7.如權(quán)利要求5所述的鉆井系統(tǒng)，其中，所述多個傳感器包括多個應(yīng)變傳感器。
8.如權(quán)利要求1所述的鉆井系統(tǒng)，其中，所述至少一個傳感器包括被安裝于所述萬向接頭的交叉件上的至少一個傳感器。
9.如權(quán)利要求8所述的鉆井系統(tǒng)，其中，至少一個傳感器被安裝于所述萬向接頭的鉸接銷上。
10.如權(quán)利要求1所述的鉆井系統(tǒng)，其中，至少一個傳感器被安裝于所述萬向接頭的內(nèi)徑部位上。
11.如權(quán)利要求1所述的鉆井系統(tǒng)，包括被安裝在形成于所述萬向接頭的鉸接銷內(nèi)的孔中的至少兩個傳感器，所述至少兩個傳感器被定向成垂直于所述萬向接頭上的軸向載荷的方向。
12.如權(quán)利要求9所述的鉆井系統(tǒng)，其中，所述至少一個傳感器包括多個測量鉆壓的傳感器以及多個測量鉆頭扭矩的傳感器。
13.如權(quán)利要求10所述的鉆井系統(tǒng)，其中，所述至少一個傳感器包括多個測量鉆壓的傳感器以及多個測量鉆頭扭矩的傳感器。
14.如權(quán)利要求1所述的鉆井系統(tǒng)，其中，所述多個傳感器包括被安裝在耦接于所述萬向接頭的至少一個凸耳上的傳感器。
15.如權(quán)利要求1所述的鉆井系統(tǒng)，其中，所述多個傳感器包括被安裝于所述旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的撓性管上的傳感器。
16.—種用于鉆井的方法,包括: 提供鉆井系統(tǒng)，該鉆井系統(tǒng)包括通過萬向接頭耦接至第二軸的第一軸，其中，所述萬向接頭包括至少一個傳感器； 通過所述至少一個傳感器感測至少一個參數(shù)。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括:通過第二傳感器感測第二參數(shù)。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括:在鉆井眼操作過程中監(jiān)測所述至少一個參數(shù)。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述監(jiān)測實(shí)質(zhì)上是實(shí)時監(jiān)測。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述監(jiān)測包括在鉆井過程中記錄數(shù)據(jù)，并在所述數(shù)據(jù)被記錄后監(jiān)測所述數(shù)據(jù)。
21.如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括:補(bǔ)償井下壓力和溫度的影響。
22.如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括:實(shí)時感測鉆井系統(tǒng)的傾角。
23.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，感測包括使用被安裝于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的萬向接頭上的至少一個鉆壓傳感器感測鉆壓。
24.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，感測包括使用被安裝于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的萬向接頭上的至少一個鉆頭扭矩傳感器感測鉆頭扭矩。
25.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，探測及測量包括使用安裝于耦接至所述萬向接頭的可旋轉(zhuǎn)的軸上的至少一些鉆壓傳感器及鉆頭扭矩傳感器來探測及測量。
26.一種用于探測力載荷的方法，包括: 通過萬向接頭將主軸耦接至輸出軸； 控制所述輸出軸相對于所述主軸繞著萬向接頭的樞轉(zhuǎn)； 將多個傳感器安裝至所述主軸、輸出軸及萬向接頭中的至少一個上；并且 定向所述多個傳感器，以探測及監(jiān)測所述萬向接頭中的軸向載荷及扭矩載荷。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，進(jìn)一步包括:將所述主軸、輸出軸及萬向接頭安裝到鉆井眼系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，定向進(jìn)一步包括將所述多個傳感器定向成能探測及監(jiān)測所述萬向接頭上的側(cè)向載荷。
【文檔編號】E21B17/05GK104395548SQ201380032167
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月21日
【發(fā)明者】C·佩林, C·C·博加特, M·皮爾斯, O·柏林瑟夫 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司