專利名稱：在利用一不旋轉(zhuǎn)的套筒進行鉆進的同時進行巖層壓力測量的制作方法
廣義上說，本發(fā)明涉及鉆井時由一井孔穿過的地下巖層中各種參數(shù)的確定。更具體地說，本發(fā)明涉及利用一不旋轉(zhuǎn)的鉆具組穩(wěn)定器對諸如巖層壓力之類的各巖層參數(shù)的確定。
現(xiàn)代的油井的控制和制造涉及對地下巖層各參數(shù)的不斷監(jiān)測。標(biāo)準巖層評估的一方面內(nèi)容是與儲存庫壓力參數(shù)和儲存庫巖層可穿透性相關(guān)的。不斷地監(jiān)測諸如儲存庫壓力和穿透性之類的參數(shù)說明巖層壓力在一定時間范圍內(nèi)的變化，這對預(yù)測產(chǎn)量及地下巖層的開采期是很重要的?，F(xiàn)代的鉆井工作典型地可通過“巖層測試”工具由電纜測井獲得這些參數(shù)。這種類型的測量要求具有一輔助“往返運動(trip)”，即從井孔中卸除鉆具組，將一巖層測試機推入該井孔中以便獲取巖層數(shù)據(jù)，并且在收回該巖層測試機之后，將鉆具組再推入該井孔中以進行進一步鉆進。因此，典型的巖層參數(shù)包括壓力，可通過電纜測井巖層測試工具，例如美國專利US3934468，4860581，4893505，4936139及5622223中所述工具，對其進行監(jiān)測。
因此上述每個專利的限制在于其中所述的巖層測試工具只能在電纜測井工具處于井孔中并與相應(yīng)的巖層區(qū)域保持物理接觸時才能獲取巖層數(shù)據(jù)。由于采用這種巖層測試機的“在井中進行往返運動(tripping the well)”需要大量寶貴的鉆井時間，因此它只有在巖層數(shù)據(jù)絕對需要的情況下，或者當(dāng)鉆具組需要更換鉆頭或其他理由時才能進行。
在鉆進活動期間，儲存庫巖層數(shù)據(jù)可在“實時”的基礎(chǔ)上獲得，這是一個可貴的優(yōu)點。在鉆進的同時，獲得實時巖層壓力將可允許一鉆井工程師或鉆井人員及早地對有關(guān)鉆井泥漿重量和成分及各穿透參數(shù)的變化作出決定，因此改善鉆井的安全性。獲得實時儲存庫巖層數(shù)據(jù)對根據(jù)巖層壓力變化和穿透性的變化精確控制鉆頭重量也是理想的，故可以最高的效率進行鉆井工作。
因此本發(fā)明希望提供一種鉆井用的方法和裝置，在帶有鉆柱，鉆頭和其他鉆井零件的鉆具組處于井孔內(nèi)時，該方法和裝置可獲得地下相關(guān)區(qū)域的各種巖層數(shù)據(jù)，從而可消除為了將巖層測試機安裝于井孔內(nèi)以便檢測這些巖層數(shù)據(jù)這一唯一目的而使鉆井設(shè)備在井孔內(nèi)進行往返運動的需要或使這種需要最小化。
為了克服這些缺點，本發(fā)明的主要目的是為了利用至少一個鉆具組零部件以便獲得這樣的巖層參數(shù)數(shù)據(jù)。
更具體地，本發(fā)明的目的是為了在鉆具組上采用一不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器，以便與巖層配合，從而從巖層中獲得信息。
上述目的及各種其他目的和優(yōu)點是由用于從一地下巖層中收集數(shù)據(jù)的井下工具獲得的，該工具包括一個管形芯軸和一穩(wěn)定器元件，該芯軸適合于與一個位于一個穿透地下巖層的井孔中的鉆具組軸向連接，該穩(wěn)定器元件繞該管形芯軸設(shè)置以便在該穩(wěn)定器元件和管形芯軸之間相對旋轉(zhuǎn)。一組細長肋片連接到該穩(wěn)定器元件上。一個裝置連接到穩(wěn)定器元件上以便與井孔壁摩擦接合，從而防止該穩(wěn)定器元件相對井孔壁旋轉(zhuǎn)。一致動系統(tǒng)至少部分是由該穩(wěn)定器元件支承，一探頭由至少一個細長肋片支承，并且該探頭適合由該致動系統(tǒng)驅(qū)動，在一肋片內(nèi)的一縮進位置和與井孔壁結(jié)合的伸出位置之間運動，以致于探頭可收集巖層數(shù)據(jù)。
各細長肋片最好是徑向隔開的，并且沿該穩(wěn)定器元件定位或者是軸向的或者是螺旋形的。
摩擦接合裝置可設(shè)計為各種結(jié)構(gòu)形式，包括上述多個細長肋片，多個穩(wěn)定器葉片或它們的一些組合。當(dāng)選擇穩(wěn)定器葉片來提供與井孔的摩擦接合時，則最好是將每個葉片設(shè)置于兩個細長肋片之間。
該摩擦接合裝置還包括一個使該摩擦接合裝置與該井孔壁接觸從而防止該摩擦接合裝置相對該井孔壁旋轉(zhuǎn)的彈簧系統(tǒng)。最好該彈簧系統(tǒng)包括多個各具有一固有彈性剛度的弓形彈性葉片。
在一優(yōu)化實施例中，該探頭包括一個位于一個在該穩(wěn)定器元件的各肋片之一中的基本上為圓筒形的開口中的彈性壓封器。該壓封器中具有一中心開口。具有一開口端的導(dǎo)管處于與該壓封器中的中心開口保持流體連通的位置。一過濾閥處于繞導(dǎo)管的開口端設(shè)置的壓封器中心開口中，并且該過濾閥可在關(guān)閉該導(dǎo)管的開口端的第一位置和一個允許過濾的巖層流體在巖層和導(dǎo)管之間流動的第二位置之間運動。
在一優(yōu)化實施例中，該致動系統(tǒng)包括一液壓系統(tǒng)，和對該液壓系統(tǒng)中的液壓流體進行有選擇地加壓的裝置。一個可膨脹的容器設(shè)置與該液壓流體系統(tǒng)保持流體連通，并且該容器隨液壓流體中的壓力增加而膨脹，隨該液壓流體中的壓力降低而收縮。該容器最好是一個連接到探頭的壓封器上的波紋管，以致于液壓流體中的壓力的增加所產(chǎn)生的該波紋管的膨脹可使該壓封器運動，從而與井孔壁保持密封接合。
在一優(yōu)化實施例中，該致動系統(tǒng)還包括一順序閥，該順序閥可根據(jù)檢測到的在液壓流體中因容器的最大膨脹產(chǎn)生的預(yù)定壓力工作，從而使探頭的過濾閥運動到該第二位置，因此巖層中的流體可流入該導(dǎo)管的開口端。
還較好的是，本發(fā)明的井下工具包括一個設(shè)置與探頭導(dǎo)管保持流體連通以便測量巖層流體的性能的傳感器。在一優(yōu)化實施例中，該傳感器是適合于檢測巖層流體的壓力的壓力傳感器。
在另一方面，本發(fā)明包括一種用于測量一地下巖層中存在的流體的性能的方法。該方法包括將一鉆具組定位于一個穿過地下巖層的井孔中。位于該鉆具組中的一工具的不旋轉(zhuǎn)元件設(shè)置得與該井孔的一壁接合，以致于該不旋轉(zhuǎn)元件不會相對井孔壁運動。由該不旋轉(zhuǎn)元件攜帶的一探頭運動到與該井孔壁保持密封接合，從而在巖層和該不旋轉(zhuǎn)元件之間形成流體連通。
在一優(yōu)化實施例中，流體從巖層引入到一個由井下工具攜帶用于檢測巖層的性能的傳感器處，諸如一壓力傳感器處。這種流體運動是通過探頭實現(xiàn)的，該探頭適合于由一致動系統(tǒng)驅(qū)動在一個不旋轉(zhuǎn)元件內(nèi)的縮進位置和一個與該井孔壁接合的伸出位置之間運動，以致于探頭可收集巖層數(shù)據(jù)。
本發(fā)明上述特征，優(yōu)點和目的獲得的方式可在本發(fā)明的詳細，更具體的說明中得到理解，本發(fā)明的上述簡要概述可借助于參考在所附的各附圖中示出的本發(fā)明的優(yōu)化實施例得出。
然而，應(yīng)該注意所附的各附圖只表示本發(fā)明的典型實施例，因此不能認為是對本發(fā)明的范圍的限制，因為本發(fā)明可認為也適合于其他等效的實施例。各附圖中


圖1是一個常規(guī)鉆機和采用本發(fā)明的鉆具組的正視圖，其中部分剖開，部分用方框表示；圖2是本發(fā)明的一個實施例所述的不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器的剖視圖，該穩(wěn)定器配備有其中具有探頭組件的細長肋片；圖3是本發(fā)明的另一個實施例所述的不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器的套筒的透視圖，該套筒配備有細長的肋片和穩(wěn)定器葉片；圖4是圖2所示不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器的平面剖視圖；圖5是圖4所示的細長肋片之一的透視圖，其中局部剖開具體示出了在該細長肋片上所用的多探頭；圖6是一個流體流動的示意圖，流體從巖層流過對該流體的一種或多種特性，例如壓力進行檢測的不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器；圖7是一個在該個不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器中的細長肋片中處于縮進位置的探頭之一的剖視圖；圖8是一個圖6所示探頭處于伸出位置并與該井孔壁接合的剖視圖；圖9是一個不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器的示意圖，其中方框表示產(chǎn)生動力和數(shù)據(jù)傳遞部件。
圖1表示一常規(guī)的鉆機和鉆具組，其中可較好地利用本發(fā)明。陸基平臺和井架組件10定位于穿過地下巖層F的井孔11的上方。在圖示實施例中，井孔11是借助于旋轉(zhuǎn)鉆進以公知的方式鉆出的。然而，因本發(fā)明的公開可獲得教益的本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會注意到本發(fā)明也可用在直接鉆進及旋轉(zhuǎn)鉆進中，并且并不能將本發(fā)明限制于僅用于陸基鉆機上。
鉆具組12懸置在井孔11中并且其下端具有鉆頭15。鉆具組12由借助于未示出的裝置供給能量的轉(zhuǎn)臺16驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，該裝置與該鉆具組的上端處的凱氏鉆桿17接合。鉆具組12從吊鉤18處向下通過凱氏鉆桿17和允許鉆具組相對該吊鉤旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體19連接到一運動塊(未示出)上。
鉆進流體或泥漿儲存于在鉆井場地形成的井槽27中。泵29通過旋轉(zhuǎn)體19中的一個通道將鉆進流體26輸送到鉆具組12的內(nèi)部，該通道引導(dǎo)鉆進流體26向下流通過鉆具組12，如箭頭9所示。該鉆進流體通過鉆頭15中的各通道排出鉆具組12，然后通過鉆具組外側(cè)和井孔壁之間的區(qū)域向上循環(huán)，即所謂的環(huán)形區(qū)域，如箭頭32所示。按這種方式，該鉆進流體對鉆頭15進行潤滑，并且在返回井槽27以便再循環(huán)時將切下的巖屑帶到地表面。
鉆具組12還包括一個在鉆頭15附近(換句話說，在從鉆頭起幾個鉆柱長度的范圍內(nèi))的底孔組件，該底孔組件整體標(biāo)為100，并具有用于測量，處理和儲存信息及與地面進行交流的能力。因此除其他東西之外，該底孔組件100還包括用于確定并傳遞井孔11周圍巖層F的抵抗力的測量和短距離傳遞裝置200。包括發(fā)送天線和接收天線的傳遞裝置200在專利權(quán)同樣屬于本申請的專利權(quán)人的美國專利US5339037中作了詳細描述，該專利的全部內(nèi)容可結(jié)合本文在此作為參考。
組件100還包括用于實現(xiàn)不同的其他測量功能的鉆柱130和地表面/短距離傳遞子組件150。子組件150包括用于與裝置200進行短距離傳遞的環(huán)形天線250，和一種公知類型的傳聲系統(tǒng)，該傳聲系統(tǒng)通過鉆進流體或泥漿中攜帶的信息與地表面上一類似的傳聲系統(tǒng)連接。因此，該子組件150中的地表面?zhèn)鬟f系統(tǒng)包括一個傳聲器，該傳聲器在鉆進流體中產(chǎn)生一個代表測到的下井參數(shù)的聲音信號。
一種合適的類型的傳聲器采用一種公知為“泥漿報警”的裝置，該裝置包括一個帶狹縫的定子和一個帶狹縫的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并反復(fù)使該鉆進流體的流動中斷，從而在該鉆進流體中形成一個理想的聲波信號。子組件150中的驅(qū)動電子裝置可包括一個合適的調(diào)制器，例如一個移相開關(guān)(PSK)調(diào)制器，該調(diào)制器通常產(chǎn)生用于泥漿傳遞器的驅(qū)動信號。這些驅(qū)動信號可用于對該泥漿報警進行合適的調(diào)節(jié)。
產(chǎn)生的聲波在表面處由標(biāo)號31表示的轉(zhuǎn)換器接收。該轉(zhuǎn)換器例如為壓電轉(zhuǎn)換器，可將接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號。轉(zhuǎn)換器31的輸出連接到井口接收子系統(tǒng)90上，該子系統(tǒng)對傳遞的信號進行解調(diào)。然后，該接收子系統(tǒng)90的輸出連接到處理器85和記錄器45上。
設(shè)置井口傳遞系統(tǒng)95，并且其工作的目的是為了按一種可由子組件150中的轉(zhuǎn)換器99檢測的方式控制泵29的工作的中斷。按這一方式，在子組件150和井口設(shè)備之間具有兩向信息傳遞。子組件150在美國專利US5235285中詳細描述了，該專利的全部內(nèi)容也可與本發(fā)明結(jié)合在此作為參考。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可注意到也可采用替換的聲學(xué)技術(shù)及其他技術(shù)與地表面進行信息傳遞。
在圖1所示實施例中，鉆具組12還配備有穩(wěn)定柱300。這種穩(wěn)定柱用于對該鉆具組的“擺動”傾向進行強調(diào)，并且當(dāng)它在井孔中旋轉(zhuǎn)時可分散開，從而導(dǎo)致在井孔方向與希望的路線(例如一垂直線)存在偏差。這一偏差可能在鉆具組部分及鉆頭上產(chǎn)生過大的側(cè)向力，從而加速磨損。這種缺點可由提供一種用于使鉆頭和該鉆具組在井孔中在某種程度上進行對中的裝置克服。本技術(shù)領(lǐng)域公知的對中工具的示例除穩(wěn)定器之外還包括管保護器和其他工具。下面以一種不旋轉(zhuǎn)的鉆具組穩(wěn)定器對本發(fā)明的一種具體實施例進行描述。
除圖1之外，圖2和4示出了一種用于從一地下巖層收集數(shù)據(jù)的下井工具的優(yōu)化實施例。該下井工具設(shè)置為不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器300，其具有一根軸向連接于鉆具組12中的管形芯軸302。因此該芯軸302配備有用于該鉆具組內(nèi)常規(guī)結(jié)構(gòu)的銷端304和盒端306。如圖2所示，端部304和306可以是規(guī)定規(guī)格的柱，該柱可按一常規(guī)連接方式，例如螺紋連接和/或焊接連接到該芯軸302的細長中心部分上。
穩(wěn)定器300還包括不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器元件或套筒308，該套筒308繞該管形芯軸302以一種允許該穩(wěn)定器元件和該管形芯軸之間可相對旋轉(zhuǎn)的方式設(shè)置，并位于端部304和306之間。止推軸承310，312設(shè)置用于降低摩擦力，并承受在套筒308和芯軸端部304，306之間的軸向界面處產(chǎn)生的軸向負荷。在芯軸302和套筒308之間的徑向界面處還設(shè)置有旋轉(zhuǎn)密封裝置348和徑向軸承346。
多個細長的肋片314例如借助于焊接或螺栓連接連接到穩(wěn)定器套筒308的外表面上。這些細長的肋片最好在徑向隔開，而如圖1，2或4所示進行定位，或者軸向或者沿不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器套筒呈螺旋形(未示出)。當(dāng)前，該不旋轉(zhuǎn)的套筒最好包括三個這樣的肋片314，這些肋片繞該套筒的圓周隔開120°，如圖4所示。然而本發(fā)明并不限制于一個帶三個肋片的實施例，并且可充分采用其他結(jié)構(gòu)的細長肋片。多肋片的目的是為了增加對井孔施加一合適的密封的可能性，這一點將在下面進一步說明。
一個裝置連接到該穩(wěn)定器套筒308上，用于與井孔11的一壁摩擦接合，從而防止該穩(wěn)定器套筒相對該井孔壁旋轉(zhuǎn)。該摩擦接合裝置可設(shè)置為各種不同的結(jié)構(gòu)，包括多個細長的肋片314，或者作為多個穩(wěn)定器葉片316。圖3表示一替換實施例，其中既包括細長的肋片314又包括穩(wěn)定器葉片，同時各葉片至少具有一摩擦接合的主要部分，該部分用于防止穩(wěn)定器元件或套筒308相對井孔壁旋轉(zhuǎn)。當(dāng)選擇穩(wěn)定器葉片時，最好每個葉片316設(shè)置于兩個細長肋片314之間，如圖3所示。
該摩擦接合裝置還包括一個用于使該摩擦接合裝置與該井孔壁接觸的彈簧系統(tǒng)，因此形成一巨大的摩擦力以便抵抗套筒308相對井孔壁的旋轉(zhuǎn)。在圖3所述實施例中，這種彈簧系統(tǒng)由選取一組每個都具有一固有的彈簧剛度的弓形葉片316而構(gòu)成。然而獲得本發(fā)明公開的內(nèi)容的好處的本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會注意到例如在本發(fā)明不具穩(wěn)定器葉片316的實施例中，一彈簧系統(tǒng)也可由細長的肋片314構(gòu)成。
應(yīng)該注意到可采用其他的裝置來引導(dǎo)該穩(wěn)定器套筒308和井孔壁之間的摩擦接合，例如可用液壓致動組件使該細長的肋片/葉片和/或不同的穩(wěn)定器活塞組件(未示出)沿徑向向外運動，以致于使之與井孔壁形成牢固的接合，從而防止元件308和井孔壁之間的旋轉(zhuǎn)。
一探頭致動系統(tǒng)，其整體標(biāo)為318，至少部分是由不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器套筒308支撐的，并表示于圖2和6中。在本發(fā)明的一個優(yōu)化實施例中，每個細長肋片314攜帶三個探頭320，并且這些探頭適合于由致動系統(tǒng)318驅(qū)動在該肋片的一縮進位置(如圖7所示)和一個與井孔壁配合的伸出位置之間運動，從而如圖2和8所示，探頭可從巖層中采集數(shù)據(jù)。
在一優(yōu)化實施例中，每個探頭都包括一個位于一基本上為圓筒形的開口或凹腔324中的環(huán)形彈性壓封器322，該凹腔如圖2所示在該細長肋片314之一上延伸通過。如圖7所示，每個壓封器322在探頭縮進位置時嵌埋入肋片314中的開口或凹腔324中，所以該壓封器(典型的是由諸如硫化橡膠之類的彈性材料制成的)不會被在鉆井工作期間穩(wěn)定器300遇到的粘附力損壞。具有開口端或噴嘴328的管道326定位得便于流體流過，并且在壓封器中具有一中心孔。過濾閥330也定位于壓封器322的中心孔中，處于管道326的開口端附近。該過濾閥可在一關(guān)閉該管道的開口端的第一位置(如圖7所示)和一允許被過濾的巖層流體在巖層和該管道之間流動(如圖2和8所示)的第二位置之間運動。
再參見圖2和6，致動系統(tǒng)318還包括一液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)包括液壓流體儲存庫332，液壓泵334和液壓流體管路336，以便對該液壓流體系統(tǒng)中的液壓流體進行有選擇地加壓。在每個圓筒形開口324中的一膨脹容器，更具體地說即柔性金屬波紋管340借助于從流動管路336分支出來的流動管路338(參見圖2)使該液壓系統(tǒng)保持流體連通。最好設(shè)置在一單一細長肋片314上的每個探頭320都連接到一共同儲存庫332上。在一具體實施例中，設(shè)置在所有肋片314上的每個探頭都共同連接到相同的液壓流體儲存庫上。
液壓流體壓力增加時，波紋管340以常規(guī)方式膨脹，相似地，液壓流體壓力降低時，波紋管收縮。波紋管340連接到壓封器322上，因此在液壓流體壓力增加的作用下，波紋管膨脹使該壓封器運動到與井孔壁密封保持接合的狀態(tài)，如圖8所示。圖7和8的比較顯示出每個探頭320具有一短的活塞行程，該行程因波紋管340的膨脹/收縮而產(chǎn)生。
給不旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定器300的電力傳輸可采用各種不同的方法實現(xiàn)。一種選擇(未示出)是將各個永久磁鐵繞芯軸的圓周嵌埋在芯軸內(nèi)的一圓筒形結(jié)構(gòu)中，一環(huán)形導(dǎo)電線圈繞各磁鐵嵌埋在該個不旋轉(zhuǎn)的套筒中。因此芯軸相對不旋轉(zhuǎn)的套筒的旋轉(zhuǎn)將在線圈內(nèi)產(chǎn)生一可轉(zhuǎn)換為直流以便合適地用在穩(wěn)定器300中的交變電流。
將電力傳遞給不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器300的另一種選擇示意性地描述于圖9中，其中一部分鉆進流體或泥漿在配備有旋轉(zhuǎn)密封裝置352的旁通回路350中偏離芯軸302的中心。在旁通回路中的鉆進泥漿通過一個位于不旋轉(zhuǎn)套筒308中的小透平354導(dǎo)向。
一探頭的“設(shè)定”過程是由供能泵334啟動的，該供能泵的能量通過透平354產(chǎn)生，從而可增加儲存庫332中液壓流體壓力。泵334可選擇地由調(diào)節(jié)電力或直接施加到該泵上的扭矩的常規(guī)控制系統(tǒng)(未示出)控制施加能量。儲存庫332中壓力的增加將使流動線路336中的流體壓力增加，從而迫使連接到流動線路上的每個探頭320從各自的開口或凹腔324中退出。在標(biāo)準鉆井工作期間，由于各細長的肋片314通常與井孔壁接合，因此要求具有一非常小的活塞行程來保證探頭320的壓封器322和井孔壁之間的密封。波紋管340設(shè)計得具有足夠的自由度和鉸接運動，從而可對壓封器322進行調(diào)節(jié)使之與井孔局部的不平度一致。
在一優(yōu)化實施例中，致動系統(tǒng)318還包括用于每個探頭320的一順序閥342。如圖2所示，該順序閥連接到流動線路338上，并且當(dāng)感測到液壓流體中因每個波紋管340的最大膨脹而產(chǎn)生的一預(yù)定壓力時進行工作。感測到這樣的預(yù)定壓力之后，每個順序閥342開啟，放出液壓流體，從而使圓筒形開口324在過濾閥330下并由波紋管340構(gòu)成邊界的區(qū)域加壓，使該過濾閥運動到第二的且較上的位置，此時巖層中的流體可流入管道326的開口端328中。因此在每個探頭處都會使巖層流體產(chǎn)生一個較小的下降。
傳感器344設(shè)置得與探頭管道保持流體接通，以便測量通過管道326抽走的巖層流體的特性。在一優(yōu)化實施例中，傳感器344是一個適用于檢測巖層流體的壓力傳感器，例如應(yīng)變儀，記憶器(Mems gauge)或晶體檢測儀。傳感器344提供了檢測并記錄壓力數(shù)據(jù)的能力，及將代表這些壓力數(shù)據(jù)的信號通過電子組件356傳遞給一個諸如上述子組件150之類的數(shù)據(jù)接收器中的接收電路以便進一步按本技術(shù)領(lǐng)域公知的方式通過鉆具組12傳遞。因此通過一個例如在美國專利US5235285中所述的公知的電磁收發(fā)系統(tǒng)可保證數(shù)據(jù)的雙向傳遞。應(yīng)該注意到在這種考慮中傳感器電子組件356可設(shè)計與一個在芯軸302中的收發(fā)器以及一個處于不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器300之上或之下的收發(fā)器連接。
盡管此處只對用于壓力數(shù)據(jù)的傳感器344進行了描述，也可想到本發(fā)明也可使用傳感器和相關(guān)的電子組件檢測，記錄并傳遞代表其他巖層參數(shù)，例如溫度和流體成分的數(shù)據(jù)。只需要將這些傳感器設(shè)置于流體流動線路326中某點處與巖層流體接觸的地方即可，例如設(shè)置于一個允許傳感器對所要求的巖層參數(shù)數(shù)據(jù)進行檢測的檢測點處。
從井孔環(huán)形中測量(用其他公知的裝置)出流體靜壓力，并將該靜壓力與由各探頭320和傳感器344獲得的相應(yīng)壓力值比較。一個帶有較差密封的探頭盡管下沉，但可繼續(xù)跟蹤井孔環(huán)形中的流體靜壓力。因此這一探頭的壓力測量可不考慮。然后將所有“好的”壓力的加權(quán)平均值作為穩(wěn)定器300附近的巖層壓力。在完成壓力測試(其他參數(shù)測試)后，借助于用泵334使液壓流體返回儲存庫332中而啟動一“回收”循環(huán)。這樣就降低了流動線路336中的壓力，從而各探頭320縮回到他們各自肋片的開口或凹腔324中。當(dāng)順序閥342關(guān)閉時，這一過程結(jié)束，并且在流動線路中殘留的巖層流體由過濾閥330和輸送噴嘴328之間的相對運動推出再回到井孔中。
本發(fā)明提供的優(yōu)點之一來源于這樣的事實，即在鉆井工作期間，一具體的細長肋片314相對井孔的定位在任何給定點處都不是及時知道的，因此也不能在任何滿意的精度范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。因此單個探頭和壓封器的最終位置可處于與井孔壁可能會成一不利的角度處，防止產(chǎn)生一適當(dāng)?shù)拿芊?，因此而降低壓力測試成功的可能性，或其他數(shù)據(jù)獲取的可能性。
在一不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器肋片上的多個探頭的位置，和多個這樣的肋片的采用絕對是多余的，并且增加了這樣的可能性，即至少一個探頭起到一合適的密封裝置的作用并獲得成功的壓力測試(或允許獲取其他巖層數(shù)據(jù))的可能性。借助于在每個細長肋片314中采用兩個，三個甚至四個相互挨著的探頭，可擴大對井孔壁表面進行檢測的作用范圍。因此進一步提高了一形成良好接觸的機會。
可獲得本發(fā)明公開的內(nèi)容的好處的人應(yīng)該注意到本發(fā)明提供了一種用于在鉆井工作期間獲取巖層數(shù)據(jù)的新選擇。此外，作為一測量同時鉆進/記錄并鉆進(Measurement-While-Drilling/Logging-While-Drilling)(MWD/LWD)系統(tǒng)的一部分，本發(fā)明可充分利用各種核的，電阻的和聲學(xué)的工具和措施。如上所述，一當(dāng)前的優(yōu)化實施例可充分應(yīng)用于巖層-壓力-同時-鉆進(Formation-Pressure-While-Drilling)(FPWD)使用場合中。
與公知的MWD/LWD工具比較，本發(fā)明的不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器為感測一巖層的各個參數(shù)提供了一種相對不存在沖擊和振動的環(huán)境。不考慮整個鉆井工作，這種不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器沿其縱軸典型地經(jīng)歷了主要是側(cè)向的滑動運動。這一事實對依靠易脆件進行的大量測量，或要求在獲取數(shù)據(jù)期間不存在旋轉(zhuǎn)的大量測量是很有利的。
本發(fā)明當(dāng)連接到諸如在美國專利US4860581和4936139中所述的取樣室上時，也可適用于獲取巖層流體的試樣。這種取樣室可設(shè)置于不旋轉(zhuǎn)的套筒308內(nèi)，并通過隔離閥360，流動線路總線364和主隔離閥362連接到流動線路326上，如圖6所示。由于這種不旋轉(zhuǎn)的套筒在鉆井工作期間會遇到較小的粘附力，因此對這些取樣室只需要稍稍進行格外的保護即可。
按前述所述，本發(fā)明明顯可很好地適用于實現(xiàn)上面列出的所有目的，優(yōu)點和特性，同時與在所公開的裝置中固有的其他目的，優(yōu)點和特性結(jié)合。
如本技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員可清楚地看出的那樣，本發(fā)明在不脫離其精神實質(zhì)或基本特征的前提下也可制造為其他具體形式。因此當(dāng)前公開的實施例只能認為是為了說明本發(fā)明，不是為了限制本發(fā)明。本發(fā)明的范圍由下列各權(quán)利要求而不是由上述說明表示出來，并且所有處于各權(quán)利要求的等效范圍和含義之內(nèi)的變化都包括在其中。
權(quán)利要求
1，一種用于收集一地下巖層的數(shù)據(jù)的井下工具，其包括一個適合于與位于一個穿透地下巖層的井孔中的鉆具組軸向連接的管形芯軸；一個繞該管形芯軸設(shè)置以便在該穩(wěn)定器元件和管形芯軸之間相對旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器元件；多個細長肋片連接到該穩(wěn)定器元件上；連接到穩(wěn)定器元件上以便與井孔壁摩擦接合，這種摩擦接合防止該穩(wěn)定器元件相對井孔壁旋轉(zhuǎn)的裝置；一至少部分是由該穩(wěn)定器元件支撐的致動系統(tǒng)；由一個細長肋片攜帶的一探頭，并且該探頭適合由該致動系統(tǒng)驅(qū)動，在一肋片內(nèi)的一縮進位置和與井孔壁接合的伸出位置之間運動，以致于探頭可收集巖層數(shù)據(jù)。
2，權(quán)利要求1所述井下工具，其特征在于各細長肋片徑向隔開，并且沿該穩(wěn)定器元件軸向定位。
3，權(quán)利要求1所述井下工具，其特征在于各細長肋片徑向隔開，并且沿該穩(wěn)定器元件定位為螺旋形。
4，權(quán)利要求1所述井下工具，其特征在于該摩擦接合裝置包括多個細長肋片。
5，權(quán)利要求1所述井下工具，其特征在于該摩擦接合裝置包括多個穩(wěn)定器葉片，每個葉片定位于兩細長肋片之間。
6，權(quán)利要求1所述井下工具，其特征在于該摩擦接合裝置包括一個使該摩擦接合裝置與該井孔壁保持接觸以便防止該摩擦接合裝置相對該井孔壁旋轉(zhuǎn)的彈簧系統(tǒng)。
7，權(quán)利要求6所述井下工具，其特征在于該彈簧系統(tǒng)包括多個每個都具有一固有彈性剛度的弓形彈性葉片。
8，權(quán)利要求1所述井下工具，其特征在于該探頭包括一個位于一個在該穩(wěn)定器元件的各肋片之一中的基本上為圓筒形的開口中的彈性壓封器，該壓封器中具有一中心開口；具有一開口端的導(dǎo)管，開口端處于與該壓封器中的中心開口保持流體連通的位置；一過濾閥處于繞導(dǎo)管的開口端設(shè)置的壓封器中心開口中，并且該過濾閥可在關(guān)閉該導(dǎo)管的開口端的第一位置和一個允許過濾的巖層流體在巖層和導(dǎo)管之間流動的第二位置之間運動。
9，權(quán)利要求1所述井下工具，其特征在于該致動系統(tǒng)包括一液壓系統(tǒng)；用于對該液壓系統(tǒng)中的液壓流體有選擇地加壓的裝置；一個與該液壓流體系統(tǒng)保持流體連通的可膨脹容器，該容器在液壓流體壓力增加時膨脹，在液壓流體壓力降低時收縮。
10，權(quán)利要求8所述井下工具，其特征在于該致動系統(tǒng)包括一液壓流體系統(tǒng)；用于對該液壓流體系統(tǒng)中的液壓流體有選擇地加壓的裝置；一個與該液壓流體系統(tǒng)保持流體連通并與壓封器連接的可膨脹波紋管，該波紋管在液壓流體壓力增加時膨脹，從而使壓封器與井孔壁保持密封接觸。
11，權(quán)利要求10所述井下工具，其特征在于該致動系統(tǒng)還包括一順序閥，該順序閥可根據(jù)檢測到的在液壓流體中因波紋管的最大膨脹產(chǎn)生的預(yù)定壓力工作，從而使過濾閥運動到該第二位置，因此巖層中的流體可流入該導(dǎo)管的開口端。
12，權(quán)利要求8所述井下工具，其特征在于還包括一個設(shè)置得與導(dǎo)管保持流體連通以便測量巖層流體的性能的傳感器。
13，權(quán)利要求12所述井下工具，其特征在于該傳感器是適合于檢測巖層流體的壓力的壓力傳感器。
14，權(quán)利要求1所述井下工具，其特征在于該井下工具是一種不旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定器。
15，一種用于收集地下巖層的數(shù)據(jù)的井下工具，其包括一個適合于與一個位于一個穿透地下巖層的井孔中的鉆具組軸向連接的管形芯軸；一個繞該管形芯軸設(shè)置以便在該穩(wěn)定器元件和管形芯軸之間相對旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器元件；多個細長肋片連接到該穩(wěn)定器元件上用于與井孔的一壁進行摩擦接合，這種摩擦接合可防止該穩(wěn)定器元件相對該井孔壁旋轉(zhuǎn)；一至少部分是由該穩(wěn)定器元件支撐的致動系統(tǒng)；及由一個細長肋片攜帶的一探頭，并且該探頭適合由該致動系統(tǒng)驅(qū)動，在一肋片內(nèi)的一縮進位置和與井孔壁接合的伸出位置之間運動，以致于探頭可收集巖層數(shù)據(jù)。
16，一種用于收集地下巖層的數(shù)據(jù)的井下工具，其包括一個適合于與一個位于一個穿透地下巖層的井孔中的鉆具組軸向連接的管形芯軸；一個繞該管形芯軸設(shè)置以便在該穩(wěn)定器元件和管形芯軸之間相對旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器元件；多個連接到該穩(wěn)定器元件上并且彼此徑向隔開的細長肋片；多個連接到該穩(wěn)定器元件上用于與井孔的一壁進行摩擦接合的穩(wěn)定器葉片，這種摩擦接合可防止該穩(wěn)定器元件相對該井孔壁旋轉(zhuǎn)；一至少部分是由該穩(wěn)定器元件支撐的致動系統(tǒng)；及由一個細長肋片攜帶的一探頭，并且該探頭適合由該致動系統(tǒng)驅(qū)動，在一肋片內(nèi)的一縮進位置和與井孔壁接合的伸出位置之間運動，以致于探頭可收集巖層數(shù)據(jù)。
17，如權(quán)利要求16所述井下工具，其特征在于每個穩(wěn)定器葉片設(shè)置于兩細長肋片之間。
18，如權(quán)利要求16所述井下工具，其特征在于每個穩(wěn)定器葉片包括一個具有一固有彈性剛度的弓形彈簧，從而使該穩(wěn)定器葉片與井孔壁保持摩擦接合。
19，一種用于測量存在于一地下巖層中的流體的性能的方法，其包括將一鉆具組設(shè)置于一個穿過地下巖層的井孔中；使位于該鉆具組中的一工具的一不旋轉(zhuǎn)元件與一井孔壁接合，以致于該不旋轉(zhuǎn)元件不相對該井孔壁運動；及使由該不旋轉(zhuǎn)元件攜帶的一個探頭運動到與該井孔壁形成密封接合，從而在該巖層和該不旋轉(zhuǎn)元件之間形成流體連通。
20，如權(quán)利要求19所述方法，其特征在于還包括從該巖層中將流體引入到一個由該井下工具攜帶的傳感器，以便檢測該巖層的性能。
21，如權(quán)利要求20所述方法，其特征在于該傳感器是一個適合于檢測巖層流體壓力的壓力傳感器。
22，如權(quán)利要求21所述方法，其特征在于所述探頭適合于由一致動系統(tǒng)驅(qū)動在一不旋轉(zhuǎn)元件內(nèi)的一縮進位置和與井孔壁接合的伸出位置之間運動，以致于探頭可收集巖層數(shù)據(jù)。
23，如權(quán)利要求22所述方法，其特征在于該探頭包括一個位于該不旋轉(zhuǎn)元件中的基本上為圓筒形的開口中的彈性壓封器，該壓封器中具有一中心孔；具有一開口端的導(dǎo)管，該開口端處于與該壓封器中的中心開口保持流體連通的位置；及一過濾閥，處于繞導(dǎo)管的開口端設(shè)置的壓封器中心開口中，并且該過濾閥可在關(guān)閉該導(dǎo)管的開口端的第一位置和一個允許過濾的巖層流體在巖層和導(dǎo)管之間流動的第二位置之間運動。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于在鉆井工作期間收集地下巖層數(shù)據(jù)的工具和方法。該工具包括一個適合于與一個位于一個穿透地下巖層的井孔中的鉆具組軸和連接的管形芯軸;一個繞該管形芯軸設(shè)置以便在該穩(wěn)定器元件和管形芯軸之間相對旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定器元件或套筒。多個細長肋片連接到該穩(wěn)定器元件上。一個連接到穩(wěn)定器元件上以便與井孔壁摩擦接合,從而防止該穩(wěn)定器元件相對井孔壁旋轉(zhuǎn)的裝置。
文檔編號E21B49/10GK1248664SQ9911195
公開日2000年3月29日 申請日期1999年8月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月4日
發(fā)明者R·奇格勒內(nèi), A·P·多雷爾 申請人:施盧默格控股有限公司