專利名稱：設(shè)有穿入探頭的地層壓力測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及用于開采石油產(chǎn)品的深井鉆進，尤其涉及在鉆進過程中收集地下巖層的壓力數(shù)據(jù)。
目前，油井的鉆進在很大程度上依賴于對不同鉆井參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測。確保安全鉆井所需的一個最關(guān)鍵的輸入?yún)?shù)就是地層壓力。目前，在鉆井過程中尚無對地層壓力進行測量的情況；而僅測量環(huán)形空間內(nèi)的壓力?，F(xiàn)在已經(jīng)有許多不同的電纜工具被使用，例如公知的“地層檢測器”，這種裝置將壓力傳感器連接到與井孔相交的地下巖層內(nèi)。這種地層檢測器的操作需要一個“往返行程”，換言之，就是先將鉆桿組從井孔中取出，將地層檢測器插入到井孔內(nèi)，以收集地層數(shù)據(jù)，在將地層檢測器收回后，可能還要將鉆桿組插回到井孔內(nèi)以繼續(xù)鉆井。由于以這種方式“往返于鉆井內(nèi)(tripping the well)”需要很長的安裝時間，而且成本很高，所以一般僅在絕對需要地層數(shù)據(jù)的情況下或出于更換鉆頭及其它的原因例如已達到所需深度，已經(jīng)完成鉆桿組下入井中或從井中取出時才使用電纜地層檢測器。
在鉆井過程中，基于“實時(real time)”的蓄油巖層的壓力數(shù)據(jù)之可用性是安全鉆井的一個重要參數(shù)。一般僅根據(jù)鉆頭深度和鉆進速度來調(diào)整用于控制井孔壓力的鉆井泥漿比重。鉆進過程中獲得的實時地層壓力可使鉆井工程師或鉆井工人盡量提前地確定鉆井泥漿比重和成分的改變及鉆探參數(shù)的改變，以在鉆井過程中形成更安全的條件。
實時蓄油巖層數(shù)據(jù)的可用性也要求能夠根據(jù)地層壓力的變化和滲透性的變化精確控制鉆頭的泥漿比重，從而以最高效率進行鉆井作業(yè)。
因此，本發(fā)明提供一種鉆井的方法和裝置，當(dāng)鉆桿組及其鉆桿、鉆頭和其它鉆井部件已存在于井孔內(nèi)時，本發(fā)明的方法和裝置能夠從一感興趣的地下區(qū)域收集地層數(shù)據(jù)，例如壓力數(shù)據(jù)，從而消除或減少僅僅為將地層檢測器插入到井孔內(nèi)測量地層壓力而使鉆井設(shè)備往返于井孔中的需求。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種在鉆井過程中收集地下巖層數(shù)據(jù)的新穎方法和裝置，這種方法和裝置無需鉆桿組往返于井孔內(nèi)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種高效收集地下巖層數(shù)據(jù)的方法和裝置，從而減少鉆桿組卡在井孔內(nèi)的可能性并減少或消除鉆桿組工作的中斷(次數(shù))。
本發(fā)明的再一目的是提供一種通過使一探頭從井孔工具(例如鉆桿或電纜探頭)移動到一伸出位置而嵌入地層的新穎方法和裝置。
本發(fā)明的又一目的是提供一種在其移動而嵌入地層時能夠在井孔壁上大體形成密封的探頭。
公知的由電纜輸送的地層檢測器設(shè)置有一環(huán)形的橡膠密封墊，該探頭的噴嘴通過該密封墊被壓在井孔壁上。在圍繞該密封墊區(qū)域形成局部密封后，就形成了通過探頭的液壓聯(lián)通，從而測量地層壓力。除非這些密封墊受到很好的保護，否則這種密封墊很快就會在通常的鉆井條件下?lián)p壞。
而且，密封墊的完整性決定于是否存在鉆用泥漿和為井孔壁襯層的“泥餅”。在鉆井過程中，泥漿通過井孔壁與鉆桿組之間的環(huán)形空間循環(huán)，這樣就減少了在井孔壁上形成有效密封的泥漿餅的量。
因此，本發(fā)明的另一目的是提供一種測量地層參數(shù)例如壓力的方法和裝置，在該方法和裝置中無需使用彈性體密封墊或類似物以對壓力聯(lián)通探頭的四周實現(xiàn)一液壓密封，而且在鉆井過程中當(dāng)井孔壁的泥漿襯層范圍減小時，也可以在井孔壁上形成密封。
本發(fā)明的目的及優(yōu)點可由測量與井孔相交的地下巖層之參數(shù)的裝置來實現(xiàn)。本發(fā)明的裝置采用一可在井孔內(nèi)移動的工具體。驅(qū)動裝置通過工具體攜帶，該驅(qū)動裝置可推動一探頭在井孔內(nèi)的一縮回位置與穿過井孔壁的一伸出位置之間移動，從而使探頭嵌入地層。當(dāng)探頭移動到伸出位置上時，探頭可在井孔壁處大體形成密封，而且探頭還包括一測量裝置，該裝置用于測量探頭所嵌入地層的參數(shù)。
在本發(fā)明的一個實施例中，測量裝置包括一通道，該通道從一鄰近探頭前部的開口處延伸到探頭內(nèi)的一測量交匯點處，從而將地層流體輸送到測量交匯點處。一傳感器通過該測量交匯點與探頭的所述通道聯(lián)通，以測量地層參數(shù)。
所述的傳感器可以是一壓力傳感器，該壓力傳感器通過測量交匯點與探頭之通道聯(lián)通以測量地層壓力。這樣，測量裝置就可以包括一液壓界面，例如一隔膜，以將地層流體的壓力傳遞給傳感器，而不是將地層流體輸送到傳感器。
傳感器可設(shè)置于探頭內(nèi)或其它裝置內(nèi)，例如設(shè)置于驅(qū)動裝置或工具體內(nèi)。傳感器還可以設(shè)置于探頭、驅(qū)動裝置或工具體內(nèi)的不同位置上。
本發(fā)明可應(yīng)用于鉆井過程中及電纜工作過程中，因此工具體可以是設(shè)置于鉆桿組內(nèi)的鉆桿或在井孔內(nèi)懸掛于電纜上的電纜探頭。
驅(qū)動裝置最好包括一由液壓流體驅(qū)動的液壓活塞，從而使探頭在縮回位置與伸出位置之間移動。在一個實施例中，探頭與液壓活塞構(gòu)成一個整體式結(jié)構(gòu)。
最好，探頭包括一前部，該前部最好被制造成可減少驅(qū)動裝置將探頭移動到伸出位置所需力的形狀。為此，該前部最好為錐形，而且其錐斜角不大于45°。
在本發(fā)明的一個實施例中，探頭除包括一前部外還包括一后部，而且探頭還在前部與后部之間設(shè)置有一錐形部分，從而當(dāng)探頭從縮回位置移動到伸出位置上時，在井孔壁處基本形成密封。
在另一實施例中，本發(fā)明的探頭最好包括一前部、一后部及一介于前部與后部之間的錐形部分，從而當(dāng)探頭移動到伸出位置時，在井孔壁上形成密封；該探頭內(nèi)還包括一通過錐形部分延伸的通道，該通道用于測量地層的參數(shù)。該通道從位于探頭的錐形部分之前的一開口處延伸到探頭之錐形部分之后的一測量交匯點處，從而當(dāng)探頭移動到伸出位置上時，可將地層流體輸送到測量交匯點處。
在又一實施例中，本發(fā)明的探頭包括一第一部件，該第一部件包括一設(shè)置于其內(nèi)的第一缸孔和一錐形外表面。驅(qū)動裝置推動該第一部件使第一部件縮回井孔內(nèi)的位置與使第一部件伸出的位置之間移動，在其伸出位置上，錐形外表面至少部分穿入井孔壁。本實施例的探頭還包括一設(shè)置于第一缸孔內(nèi)的第二部件，第二部件包括一錐形的前部和一設(shè)置于其內(nèi)的第二缸孔。第二部件上的一個開口與第二缸孔聯(lián)通。驅(qū)動裝置推動該第二部件在一第二部件縮回井孔內(nèi)的位置與一第二部件伸出的位置之間通過第一缸孔移動，在其伸出位置上，錐形前部嵌入地層，而且所述的開口位于第一部件之外。本實施例的探頭還包括一設(shè)置于第二缸孔內(nèi)的第三部件，該第三部件內(nèi)至少包括所述通道的一部分。驅(qū)動裝置推動該第三部件通過第二缸孔在一關(guān)閉通道的位置及一開啟通道的位置之間移動，在開啟位置上，地層流體可通過用于測量地層參數(shù)的開口流入所述通道內(nèi)。
另外，本發(fā)明還提供一種方法，該方法包括通過井孔將一工具體移動到與井孔相交的所需地層之深度處的步驟。所述的工具體裝配有一探頭，該探頭包括一錐形部分和一流體聯(lián)通裝置。另一步驟要求將探頭從井孔內(nèi)的一縮回位置移動到穿入井孔壁并嵌入地層的一伸出位置上，從而使探頭的錐形部分在井孔壁上大體形成密封。該方法還包括通過探頭內(nèi)的流體聯(lián)通裝置使來自地層的流體與一傳感器聯(lián)通以測量地層參數(shù)的步驟。
現(xiàn)參照圖示的最佳實施例對本發(fā)明作出具體的說明，從而清楚地理解本發(fā)明的上述特征、優(yōu)點及其所要達到的目的。
但也應(yīng)該知道附圖僅示出了本發(fā)明的一般實施例，因此并非是對本發(fā)明的限制，因為本發(fā)明也包括其它等效的實施例。
在附圖中

圖1為根據(jù)本發(fā)明的鉆桿組之一部分定位于鉆孔內(nèi)的示意圖，該鉆桿組包括有鉆桿和驅(qū)動裝置，該驅(qū)動裝置能夠移動探頭并使其嵌入地下巖層；圖2為設(shè)置有液壓驅(qū)動裝置的鉆桿之一部分的示意圖，該液壓驅(qū)動裝置可迫使探頭在鉆桿內(nèi)的縮回位置和一嵌入選定地下層的伸出位置之間移動；圖3A-3D分別為探頭的一個實施例在縮回位置、中間位置和伸出位置上及當(dāng)探頭處于伸出位置上時，通過探頭內(nèi)的通道測量地層參數(shù)(例如壓力)的剖視圖；圖4A、4D和4E分別為第二實施例的探頭在縮回位置和伸出位置上及當(dāng)探頭處于伸出位置上時，通過探頭內(nèi)的通道測量地層參數(shù)的剖視圖；圖4B為沿圖4A中的剖示線4B-4B的剖視圖；圖4C為一與圖4B相似的剖視圖，在該圖中為第二實施例的探頭位于中間位置上；
圖5A-5C分別為第三實施例的探頭在縮回位置和伸出位置上及當(dāng)探頭處于伸出位置上時通過探頭內(nèi)的通道測量地層參數(shù)的剖視圖；圖6為一曲線圖，該曲線示出了在給定探頭半徑a0的情況下探頭的穿入深度d與穿入力Fp之間的關(guān)系。
如圖1所示，本發(fā)明涉及一種用于測量與井孔WB相交的地下巖層12之參數(shù)的裝置，例如測量地下巖層12的壓力。在一最佳實施例中，這種裝置采用了一種鉆桿10式的工具體(tool body)，該工具體適于通過井孔WB移動，鉆桿10被連接在鉆桿組DS內(nèi)并設(shè)置于井孔內(nèi)。當(dāng)然，這種裝置也適用于其它的工具體內(nèi)，例如一懸掛于電纜上的電纜探測裝置。
鉆桿10包括由附圖標(biāo)記14表示的驅(qū)動裝置，該驅(qū)動裝置可推動探頭16在井孔內(nèi)的縮回位置與貫穿井孔壁的伸出位置之間移動，從而使探頭嵌入地層。探頭的伸出位置已在圖1、3C、3D、4D、4E、5B和5C的本發(fā)明不同實施例中示出，其情況還將在下文中作進一步說明?？山柚谙率鲵?qū)動裝置之一或其組合實現(xiàn)探頭16的移動液壓活塞部件，機械杠桿部件，軸驅(qū)動裝置，或類似的配置方法。
圖2示出了探頭16及設(shè)置于鉆桿10內(nèi)的驅(qū)動裝置14的一個實施例，其中液壓柱塞20用于推動探頭16在圖2所示的縮回位置與圖1所示的伸出位置之間移動，以檢測地層12的壓力。柱塞20必須對探頭16施加一個足夠的推進力，以使探頭從井孔WB向外穿入地下巖層足夠的深度，從而使探頭在井孔流體影響不大的情況下測量地層壓力。探頭被設(shè)計成可穿過襯砌在井孔壁31上的泥漿層30而進入井下地層12幾英寸，如圖3D所示，其范圍最好在一英寸至三英寸之間。然而本發(fā)明為實現(xiàn)其目的，探頭只需充分貫穿泥漿層，以在泥漿層的地層側(cè)設(shè)置一個檢測口，例如下述的探頭開口48。
參照圖2，為產(chǎn)生這種穿入動作，鉆桿10內(nèi)設(shè)置有一內(nèi)缸孔26，該缸孔內(nèi)設(shè)置有一活塞部件18，活塞部件18包括一柱塞20，柱塞20與封裝的探頭16以傳動關(guān)系相連接?；钊?8受到液壓力，該液壓力從液壓系統(tǒng)經(jīng)一液壓流體供給通道29與活塞腔22聯(lián)通。該液壓系統(tǒng)有選擇地由動力筒(power cartridge)34驅(qū)動，其中動力源34也由鉆桿10來攜帶。
鉆桿還設(shè)置有壓力傳感器36，該傳感器通過鉆桿通道38和40承受井孔壓力。壓力傳感器36在所選地下巖層之深度上感受周圍井孔壓力，并用于測量鉆桿組與井孔之間環(huán)形空間內(nèi)鉆用泥漿的壓力。表示周圍井孔壓力的電信號從壓力傳感器36傳遞給動力筒34內(nèi)的電路，接下來，或者將環(huán)形空間內(nèi)的泥漿壓力存儲起來或者以公知的方式傳送到地面，例如通過泥漿脈沖遙測計。
圖3A-3D更詳細地示出了探頭16的一個實施例及驅(qū)動裝置14的不同于圖2的實施例。探頭設(shè)置有一前部或尖部42、一后部或尾部44及一介于前部與后部之間的錐形部分46。前部被制造成可減少驅(qū)動裝置14將探頭壓入地層12所需力的形狀。探頭的形狀，尤其是其錐形部分46的形狀能夠保證探頭與井孔壁31處的地層之間不依賴于襯砌井壁31的泥漿層30之尺寸地基本形成液壓密封，從而無需設(shè)置一外部密墊或密封墊。這樣，當(dāng)探頭移動到伸出位置上時，探頭16就可在井孔WB的壁31處單獨形成密封。
一接口48設(shè)置于前部42與錐部46之間的加長圓柱形探頭部分49上。接口48也可位于更靠近錐形部分46的位置上或設(shè)置于前部42上，但就目前而言，圖3A-3D所示的位置是最佳的。包括加長部分50a和偏置部分50b的通道50從開口48處經(jīng)錐形部分46延伸到后部44的壓力會合處52，用于使進入開口48的地層12壓力與壓力會合處聯(lián)通。通道50還經(jīng)過活塞體70越過壓力會合處52延伸到后壁60，其目的如下所述。
探頭16還包括位于后部44的壓力傳感器54，該傳感器通過壓力會合處52與探頭的通道50聯(lián)通，用于測量探頭所嵌入的地層之壓力。該壓力傳感器可設(shè)置于探頭內(nèi)，如圖3A-3D所示，但其也可設(shè)置于其它位置，例如設(shè)置于鉆桿10內(nèi)或驅(qū)動裝置14內(nèi)，如圖2中的標(biāo)記54’所示。壓力傳感器54最好為轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利申請09/019,466中所述的那種傳感器，該專利的全部內(nèi)容在本說明書中參考引用。這樣，壓力傳感器54就具有檢測和記錄壓力數(shù)據(jù)的能力，并將代表這些壓力數(shù)據(jù)的信號傳送到設(shè)置于鉆桿10內(nèi)的數(shù)據(jù)接收裝置55的接收電路，用于以本領(lǐng)域公知的方式通過鉆桿組DS進一步傳送，例如通過泥漿脈沖遙測計傳送。盡管傳感器54在本文中僅用于處理壓力數(shù)據(jù)，但本發(fā)明還考慮利用這種傳感器檢測、記錄并傳送表示其它地層參數(shù)的數(shù)據(jù)，例如溫度和滲透性。這種傳感器僅需設(shè)置于流體流動通道內(nèi)與地層流體接觸的某一位置上，換言之，就是設(shè)置于一測量會合處，以使傳感器獲得所需的地層參數(shù)數(shù)據(jù)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)該理解傳感器54可通過電路與數(shù)據(jù)接收裝置55連接，例如通過從傳感器經(jīng)使探頭移動的活塞之柱塞或活塞體穿過活塞移動所通過的缸孔并通過鉆桿10之主體內(nèi)的通道延伸的導(dǎo)線而與接收裝置55連接。這種方式的布線其長度應(yīng)允許探頭16的移動，并可允許活塞橫過于鉆桿。
除了象通道50這樣的通道外，本發(fā)明還考慮使用其它的流體聯(lián)通裝置。例如，本發(fā)明考慮使用各種不同的液壓連接裝置，象設(shè)置于探頭表面之一開口上的隔膜，或薄片其設(shè)置有一傳感器，例如一連接于其上的應(yīng)變儀或壓電晶體，以表示出地層流體的參數(shù)，例如壓力。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解這些液壓連接裝置可與類似于通道50這樣的一個通道組合，用于傳遞象地層流體壓力這樣的參數(shù)。
如上所述，圖3A-3D示出了一驅(qū)動裝置14的第二實施例，該裝置用于在一縮回位置與一伸出位置之間移動探頭。圓柱形的活塞體70設(shè)置于缸孔72內(nèi)并與探頭16相連接，用于迫使探頭在液壓動力的作用下沿缸孔72的軸線移動?；钊?0和探頭16最好被制造成一基本整體式結(jié)構(gòu)。換言之，一個實施例中的活塞和探頭盡可能由一塊材料制成。
圖3A示出了處于縮回位置上的探頭，該位置是鉆桿10進出井孔WB所需的位置。在該位置上，井孔內(nèi)的鉆進流體自由進入缸孔72的前部并對缸孔加壓，并對向外增大的活塞環(huán)部分74施加一個力，該活塞環(huán)部分74支承著O形圈76，以密封缸孔的前部。作用于活塞環(huán)部分74上的力使探頭-活塞部件保持位于缸孔72之內(nèi)部的深處，并抵靠在缸孔的后壁78上。另外為此目的，也可采用可松開的定位器將活塞70固定于后壁78上。
可由通常處于關(guān)閉狀態(tài)的開啟閥61借助信號導(dǎo)體62以液壓方式驅(qū)動活塞70。該信號導(dǎo)體使源于動力筒34的控制信號與開啟閥61連通，用源于液壓系統(tǒng)28的液壓流體通過通道29對隔離的缸孔區(qū)域80加壓。缸孔區(qū)域80被向外增大的活塞環(huán)部分82隔開，該活塞環(huán)部分82支承著O形圈84。進入隔離區(qū)域80的液壓流體之壓力對活塞環(huán)部分82產(chǎn)生一個側(cè)向力，若該側(cè)向力大于井孔流體作用于活塞環(huán)部分74、前部42和錐形部分46上的側(cè)向力，從而使活塞-探頭部件向地層12移動，并與井孔WB的泥漿層30及壁31接觸，如圖3B所示。
當(dāng)活塞70穿過缸孔72移動時，隨著活塞的后壁90移離缸孔72的后壁78，隔離區(qū)域80被打開。當(dāng)活塞-探頭部件通過缸孔72移動時，前部42依次與泥漿層30、井孔壁31和地層12接合。所說的前部42最好為錐形的，并具有較小的銳角β，角β為45°或小于45°，具體如下所述。該銳角有利于探頭16在由液壓系統(tǒng)28和驅(qū)動裝置14的通道29產(chǎn)生的液壓動力的作用下進入地層12。
當(dāng)探頭16移入地層時，在缸孔72之前部區(qū)域內(nèi)的井孔流體則通過活塞環(huán)部分74及攜帶的密封件76的移動而被排出。通道98允許井孔流體從缸孔區(qū)域96連續(xù)排出，如圖3C所示，當(dāng)活塞體70被移動至與向里增大的缸孔環(huán)部分100接合后，缸孔區(qū)域96就會被隔開，其中環(huán)形部分100支承著O形環(huán)102。
圖3C示出了探頭已移動到伸出位置上的情形，其中錐形部分46液壓密封在井孔壁31處，以防止井孔流體在接合區(qū)域流入地層。這種密封在錐形部分46的周圍形成于泥漿層30、井孔壁31和地層12的交界處。
一旦通過使探頭處于伸出位置而實現(xiàn)嵌入地層12，那么下一步驟就是打開探頭內(nèi)的通道，以使地層流體進入探頭。參照圖3C，在探頭的伸出位置處，活塞70已基本通過缸孔72，以使形成于環(huán)形部分82與74之間的隔離區(qū)域92定位，從而與通道94聯(lián)通，通道94與閥63相連。接著，閥63開啟，以允許液壓流體從通道29進入通道94、區(qū)域92、通道104及隔離區(qū)域110，其中隔離區(qū)域110形成于向里凸出的活塞環(huán)部分106與向外凸出的銷環(huán)部分112之間，活塞環(huán)部分106用于支承O形環(huán)108，而銷環(huán)部分112用于支承O形環(huán)114。隔離區(qū)域110內(nèi)的高壓產(chǎn)生一個作用于銷環(huán)部分112上的力，該力將銷51移向活塞通道50的后壁60，如圖3D所示。當(dāng)產(chǎn)生這種情況時，地層流體就會通過接口48和通道的偏置部分50b被吸入探頭的通道部分50a內(nèi)。
銷51一般在可壓縮螺旋彈簧120的彈力作用下抵靠在通道50的前部，以與通道的偏置部分50b接觸，如圖3A-3C所示。銷51向后的移動將壓縮彈簧120，如圖3D所示，并打開與通道50的壓力會合處，從而使地層流體充滿與壓力傳感器54相連通的通道50。在壓力測量過程中實際流入通道50內(nèi)的流體量很小。因此，可以迅速地測出通道內(nèi)的最終的封住壓力。如上所述，傳感器54將壓力數(shù)據(jù)傳送給接收裝置55，以進一步傳送給地面上的設(shè)備。
一旦收集到所需的地層壓力數(shù)據(jù)或其它數(shù)據(jù)，就可通過開啟液壓系統(tǒng)28中的釋放閥(未示出)而使液壓通道29內(nèi)的壓力得以降低。由于閥61和63處于開啟狀態(tài)，因此降低了活塞通道部分50a之隔離區(qū)域及鉆桿缸孔72內(nèi)液壓流體的壓力，從而產(chǎn)生兩種動作。首先，當(dāng)被環(huán)形部分112及106隔開的通道部分50a內(nèi)之壓力降低時，彈簧120的勢能將會在某一點上對環(huán)形部分112施加的一個力大于液壓流體的合力。當(dāng)產(chǎn)生這種情況時，彈簧120將在其自身能量的作用下伸開，以使銷51返回如圖3C所示的位置。這種返回動作具有排出通道50內(nèi)地層流體的作用。
第二，當(dāng)介于缸孔后壁78、活塞后壁90與環(huán)形部分82之間的缸孔72區(qū)域內(nèi)的壓力降低時，在某一點上由該壓力產(chǎn)生的作用于活塞70上的向前的側(cè)向力將會降低到低于隔離區(qū)域96內(nèi)井孔流體作用于活塞上的向后的側(cè)向力。而井孔流體作用于活塞環(huán)部分82上的力必須克服由探頭嵌入泥漿層30和地層12內(nèi)而產(chǎn)生的作用于探頭16上的附著力。因此，缸孔72后部的壓力必須明顯降低于井孔壓力，以將探頭(活塞)16從其伸出位置上拉回并使活塞返回到圖3A所示的縮回位置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該知道作用于缸孔區(qū)域96內(nèi)的壓力可通過設(shè)置另外一條通向該區(qū)域的液壓流通道來補充，該通道可由閥來控制，以確保足夠的壓力作用于活塞70上，從而使探頭16從地層內(nèi)退出。
圖4A-4E示出了本發(fā)明之探頭及驅(qū)動裝置的第二實施例。本實施例中的探頭216包括第一部件218，該部件內(nèi)設(shè)置有第一缸孔220。第一探頭部件218被設(shè)置得可在鉆桿10內(nèi)滑動，這一點將在下文中作進一步說明。第一缸孔220基本為圓筒形且具有一可變的直徑，同時，在第一部件的圓柱形后部219區(qū)域內(nèi)其直徑較大，而在第一部件的錐形前部222內(nèi)其直徑較小。前部222的錐形外表面適用于在井孔壁31處基本形成密封，從而起到與探頭16之錐形部分46相同的作用。
本實施例的探頭還設(shè)置有第二探頭部件224，該部件可在第一缸孔220內(nèi)滑動，而且該部件內(nèi)還設(shè)置有第二缸孔226。第二缸孔226也為圓筒形且其直徑是可變的，在第二探頭部件224的圓柱形后部228內(nèi)直徑較大，而在第二探頭部件224的圓柱形前部230內(nèi)直徑較小。第二探頭部件224還設(shè)置有錐形的前部231，該錐形前部42起到與探頭16的前部相同的作用。
設(shè)置第三探頭部件232，該部件可在第二缸孔226內(nèi)滑動，而且該部件內(nèi)還設(shè)置有第三缸孔234。第三缸孔234被用作疏導(dǎo)地層流體之通道的一部分，用于測量譬如地層壓力這樣的參數(shù)，這將在下文中作進一步說明。
包括順序閥的驅(qū)動裝置214及一系列設(shè)置于鉆桿10和探頭216內(nèi)的流動管道和通道使第一、第二和第三探頭部件按照一預(yù)定的順序在伸出位置與縮回位置之間移動。圖4B為鉆桿10及探頭216沿圖4A之剖示線4B-4B的剖視圖。這樣，以剖面形式示出的探頭216設(shè)置于鉆桿10的缸孔235內(nèi)。第一探頭部件218設(shè)置有徑向凸出的部件238a和238b，這兩個部件可在缸孔235的溝槽236a和236b內(nèi)滑動。這樣，徑向凸出的部件238a和238b可迫使探頭216，尤其是第一探頭部件218在預(yù)定的高度上沿缸孔235的軸線相對鉆桿10線性移動。
部件238a和238b分別與液壓柱塞240a和240b連接，而柱塞240a和240b又分別與活塞242a和242b連接。液壓流體從液壓系統(tǒng)28經(jīng)一信號控制閥(未示出)被導(dǎo)入并聯(lián)的固定管路244a、244b、壓力腔246a和246b內(nèi)并因此向前推動活塞242a，242b，柱塞240a，240b和部件238a，238b。這種動作促使第一探頭部件218向地層12移動。
如上所述，第二探頭部件224設(shè)置于第一缸孔220內(nèi)。第二探頭部件224在后部228與前部230的交界處形成一徑向延伸的環(huán)形部件225，該環(huán)形部件225與第一缸孔220密封接合。開口環(huán)或卡扣環(huán)240設(shè)置于一靠近第一探頭部件218之后端242的溝槽內(nèi)。間隔環(huán)244在開口環(huán)240與環(huán)形部件225之間定位于缸孔220內(nèi)，并且其直徑大致等于環(huán)形部件225的直徑。這樣，當(dāng)腔室246a、246b被液壓系統(tǒng)加壓時，開口環(huán)240與間隔環(huán)244的組合可使第二探頭部件224于第一探頭部件218一起向前移動。
當(dāng)探頭216被驅(qū)動裝置214向前推動時，其前部231在由開口環(huán)240傳遞的力作用下首先鉆入地層壁31以嵌入地層內(nèi)。當(dāng)前部231嵌入地層12之后，第一探頭部件218的錐形前部222立刻嵌入泥漿層30和井孔壁31。該前部222的錐形外表面從其前部邊緣向錐形表面與后部219的交界處擴展。當(dāng)錐形部分222穿過井孔壁31時，這種擴展具有明顯擴大嵌入地層12之探頭的前部表面面積的作用，從而增加腔室246a、246b及固定管路244a、244b中的壓力。用于控制液壓流體輸送到并聯(lián)固定管路244a、244b內(nèi)的控制閥(未示出)可檢測上述壓力的增加，并當(dāng)壓力達到一預(yù)定值時關(guān)閉該流路。這樣，就使第一探頭部件218向前移動到錐形部件222基本嵌入井孔壁31但未完全穿過井孔壁的位置點上。圖4C示出了錐形部分222與井孔壁31接合的位置，從而使探頭216與井孔壁形成密封以防止流體在穿入點橫過井孔壁流動。
接下來的步驟是將第二探頭部件224從相對第一探頭部件218縮回的位置，如圖4C所示，推進到伸出的位置上，從而使前部231位于錐形部分222的更前方，如圖4D所示。參照圖4D，這種推入是通過用液壓系統(tǒng)28中的液壓流體對固定管路248加壓而實現(xiàn)的。液壓流體通過固定管路248傳送到增壓腔250內(nèi)以對其加壓。
間隔環(huán)244裝配有O形圈以使間隔環(huán)244與第一探頭部件的后部219及第二探頭部件后部228的外部圓柱表面密封接合。環(huán)形部件225還包括一用于與后部219密封接合的O形圈。從而使腔室225被密封，而且該腔室內(nèi)的加壓液壓流體對環(huán)形部件225施加一個向前的推進力，該力促使第二探頭部件224向前經(jīng)過第一探頭部件218進入地層12內(nèi)。
探頭216順序操作的下一步驟就是第三探頭部件232的縮回。參照圖4D，一旦第二探頭部件224到達由缸孔220所限定的向前行程的邊界，那么腔室250內(nèi)的液壓流體的壓力就會升高。在一預(yù)定的位置上，腔室250內(nèi)的壓力將達到足以使與流通管248相連的順序閥(未示出)向通道252打開一條流動通路的水平，從而將液壓流體輸送到腔室254(見圖4E)內(nèi)并對第三探頭部件232施加一個向后的力，從而頂推該部件在第二缸孔226內(nèi)向后移動。當(dāng)?shù)谌筋^部件232從圖4D的伸展位置移動到圖4E的縮回位置上時，第二探頭部件224的圓筒形延長部分256完全與第二缸孔234接合。當(dāng)產(chǎn)生上述情況時，源于地層12的流體經(jīng)過口257被吸入由缸孔260形成的流體通道258內(nèi)。接著，地層流體通過濾網(wǎng)261順序流入環(huán)形空間262、環(huán)形通道264、缸孔266、缸孔234、缸孔268、腔室270及流通管271。壓力傳感器274在測量會合處272與流通管271相連接，用于讀取表示地層流體壓力的數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至地面。
一旦完成合適的壓力數(shù)據(jù)或其它數(shù)據(jù)的讀取工作，操作探頭216的程序被反向以將探頭置于其在井孔和鉆桿10內(nèi)的縮回位置上。參照圖4E，回縮管路276被源于液壓系統(tǒng)28的液壓流體加壓，以使第三探頭部件232之后的環(huán)形腔278增壓。腔室278內(nèi)的壓力對第三探頭部件232的徑向增大之后部233施加一個力，該力向前將部件232頂入缸孔260內(nèi)。這種第三探頭部件的前移具有使缸孔260內(nèi)的地層流體向后通過口257排出的作用。
一旦部件232返回到其前部位置，如圖4D所示，它就不能再向前移動，而且腔室278內(nèi)的壓力也開始升高。腔室278與第二探頭部件224內(nèi)的通道280和282流體連通。當(dāng)腔室278內(nèi)的壓力達到一預(yù)定的水平時，順序閥215開啟，從而使流體從腔室278經(jīng)通道280、282流入腔室284，接著流入通道286、288，最后流入環(huán)形腔室290，如圖4D所示。腔室290內(nèi)的流體壓力對第二探頭部件224施加一個力，該力在第一缸孔220內(nèi)將部件224向后頂推到圖4C的縮回位置。當(dāng)?shù)诙筋^部件到達縮回位置時，其抵靠到間隔環(huán)244，而且腔室290內(nèi)的壓力也將升高。當(dāng)達到一預(yù)定的壓力值時，順序閥215關(guān)閉流經(jīng)通道282的液壓流體流，密封住腔室290，從而使第二探頭部件224通過壓力鎖定在縮回位置上。
縮回程序中的下一步驟是第一探頭部件218的縮回。為此，并聯(lián)的回縮管路292a和292b被源于液壓系統(tǒng)28的液壓流體加壓。這種作用使腔室294a和294b增壓，并產(chǎn)生一個向后頂推活塞242a、242b的力，而且將第一探頭部件218拉回圖4A和4B的縮回位置上，此時，可以重新開始鉆井作業(yè)。
圖5A-5C示出了本發(fā)明之探頭及驅(qū)動裝置的第三實施例。本實施例中的探頭316包括第一部件318，該部件內(nèi)設(shè)置有第一缸孔320。第一探頭部件318可在鉆桿10內(nèi)滑動，如下所述。第一缸孔320基本為圓筒形并且具有變化的直徑，在第一探頭部件的圓柱形后部319和縱向中心部分321內(nèi)具有較大的直徑，而在第一探頭部件的錐形前部分322內(nèi)具有較小的直徑。如上述的實施例之描述，前部322的錐形外表面適合于在井孔壁31上形成密封，并起到與探頭16的錐形部分46及探頭216的錐形部分222相同的作用。
第二探頭部件324可在第一缸孔320內(nèi)滑動，而且該部件內(nèi)還設(shè)置有第二缸孔326。與第一缸孔320不同，第二缸孔326為圓筒形并具有不變的直徑。第二部件324還設(shè)置有錐形的前部331，該前部331起到與探頭16之前部42及探頭216之前部231相同的作用。
第三探頭部件332可在第二缸孔326內(nèi)滑動，該探頭部件332內(nèi)形成有第三缸孔334。第三缸孔334被用作一用來疏導(dǎo)地層中流體的通道的一部分，以用于測量譬如地層壓力這樣的參數(shù)，如下所述。
驅(qū)動裝置314包括順序閥及一系列設(shè)置于鉆桿10和探頭316內(nèi)的流通管和通道，該裝置314按照一預(yù)定的順序在伸出位置與縮回位置之間分別推動第一、第二和第三探頭部件。第一探頭部件318設(shè)置有徑向加大的后部319，該后部被安置得可沿鉆桿10內(nèi)的缸孔336密封地滑移。這樣，后部319就可迫使探頭316尤其是第一探頭部件318沿缸孔336之軸線作線性移動。如上所述，第二探頭部件324設(shè)置于第一缸孔320內(nèi)。具體而言，后部328形成一徑向延伸的環(huán)形部件或環(huán)件，該環(huán)形部件與第一缸孔320密封接合。使探頭316動作的第一步驟為將第二探頭部件324從圖5A所示的縮回位置推動到圖5B所示的伸出位置。這種推動可通過用源于液壓系統(tǒng)28的液壓流體對固定管路344加壓得以實現(xiàn)。液壓流體通過固定管路344輸送到形成于鉆桿10內(nèi)的腔室350，并對該腔室加壓。環(huán)形部件328包括一用于與第一缸孔320密封接合的O形圖。這樣，腔室內(nèi)的加壓液壓流體就會對環(huán)形部件328產(chǎn)生一個向前的推力，該推力向前頂推第二探頭部件324通過第一探頭部件318進入地層12中。
缸孔320在前部錐形部分322和中央部分321之交界處附近的臺肩323處縮小為一直徑較小的部分。在驅(qū)動裝置314向前推動第二探頭部件324的過程中，環(huán)形部件328運動在某一位置上與臺肩323接合。當(dāng)環(huán)形部件328與臺肩323接合時，第一探頭部件328被繼續(xù)膨脹的腔室350內(nèi)的壓力向前推動。第一探頭部件318還被腔室350內(nèi)的流體向前頂推，從而進入后部319的后壁與鉆桿10之間的未密封空間內(nèi)。
前部331在驅(qū)動裝置314傳遞的力作用下首先接合地層12并鉆穿地層壁31嵌入地層中。在前部331嵌入地層12之后，第一探頭部件318的前端錐形部分322嵌入泥漿層30及井孔壁31內(nèi)，如圖5B所示。
前部322的外表面錐角從其前部邊緣向該錐形表面與中央部分319的交界處擴張。當(dāng)前部322穿過井孔壁31時，這種擴張具有使推入地層12內(nèi)的探頭之前表面面積顯著增大的作用，從而使腔室350和固定管路344內(nèi)的壓力增加。一控制液壓流體輸送到固定管路344內(nèi)的控制閥(未示出)可檢測這種壓力的增加，并當(dāng)壓力達到一預(yù)定值時關(guān)閉流路。這樣，第一探頭部件318被向前推動到錐形部分322基本嵌入井孔壁31但并未完全穿過井孔壁的位置上。圖5B示出了錐形部分322嵌入井孔壁31的位置，從而使探頭316與井孔壁一起形成密封以防止流體在穿入位置上橫過井孔壁而流出。
順序操作探頭316的下一步驟為第三探頭部件332的縮回。為此，柔性導(dǎo)管300從腔室350的后壁延伸至將導(dǎo)管與第二探頭部件324連接起來的接頭部分301處，導(dǎo)管的一段已在圖5D中具體示出。導(dǎo)管300通過流通管302向加壓腔室354內(nèi)導(dǎo)入液壓流體。腔室354內(nèi)的壓力對第三探頭部件332施加一個向后的力，以在第二缸孔326內(nèi)向后頂推該部件。當(dāng)將第三探頭部件232從圖5B的伸出位置推至圖5C的縮回位置上時，第二探頭部件324的圓筒形延伸部分356與缸孔334完全接合。當(dāng)此發(fā)生時，源于地層12的流體通過口357被吸入由側(cè)向通道360、缸孔362、腔室364、分支通道366、缸孔334、缸孔368及流通管304形成的流體通道內(nèi)。如圖5D所示，流通管304也由柔性導(dǎo)管300來引導(dǎo)。參照圖5C，壓力傳感器374在測量交匯點372與流通管304相連接，以讀取表示地層流體壓力的數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至地面。
一旦完成合適的壓力數(shù)據(jù)或其它數(shù)據(jù)的讀取工作，操作探頭316的程序就被反向地使探頭置于其在井孔和鉆桿10內(nèi)的縮回位置上。設(shè)置于導(dǎo)管300(見圖5D)內(nèi)的回縮管路305被源于液壓系統(tǒng)28的液壓流體加壓，從而使位于第三探頭部件332之后的環(huán)形腔室378增壓。腔室378內(nèi)的壓力對部件332之徑向增大的后部333產(chǎn)生一個向前朝缸孔362頂推部件332的力。這種使第三探頭部件向前的作用還具有將腔室364內(nèi)的地層流體通過口357反向排出的作用。
一旦部件332返回至其前部位置上，如圖5B所示，下一步驟就是將第一探頭部件318從其伸出位置上縮回。為此，回縮管路392被源于液壓系統(tǒng)28的液壓流體加壓。該動作使腔室394增壓，并產(chǎn)生一個向后頂推第一探頭部件318的力，并使第一探頭部件返回至縮回的位置上。當(dāng)其返回到縮回位置上時，第一探頭部件的臺肩323對環(huán)形部件328施加一個至少使第二探頭部件324部分脫離地層12的力。
縮回程序中的最后一個步驟是使第二探頭部件324從相對第一探頭部件伸出的位置上縮回。為此，液壓流體從液壓系統(tǒng)28經(jīng)流通管306輸送到增壓腔390。增壓腔390內(nèi)的流體壓力對第二探頭部件324產(chǎn)生一個力，該力在第一缸孔320內(nèi)將部件324向后頂推至圖5A的縮回位置上。在該位置上，探頭完全位于鉆桿10內(nèi)，并可重新開始鉆進作業(yè)。
如上所述，探頭16的前部最好被制造成可減小驅(qū)動裝置將探頭移動到伸出位置所需力的形狀。具體而言，其前部可以是錐傾角β不大于45°的錐形。對于前部錐角β小于45°的探頭而言，其前部被認為是“銳利”的，因此圍繞前部之尖端的速度場將是圓柱放射形(cylindrically radial)。具有銳利前部之探頭的嵌入壓力PP銳利為
其中pc＝柱形氣穴壓力(cylindrical cavitation)，β＝錐斜角(見圖3A)，ψ＝交界處的摩擦角。
在本說明書中所用的氣穴壓力是指由具有錐形前部的穿入探頭所產(chǎn)生的空腔能夠自由生成時的壓力。該氣穴壓力對于鈍頭工具(β＞45°)而言被表征為球形氣穴壓力，而對于銳利的工具(β＜45°)而言被表征為圓柱形氣穴壓力。由于穿入壓力與氣穴壓力成正比，因此可以考慮壓力度量(壓力比效果)。故，可將穿入壓力定義為
其中q＝考慮了原巖應(yīng)力之加強效應(yīng)的自由應(yīng)力(磅/英寸2或牛頓/毫米2)；∏p＝無量綱的穿入壓力。
由上式，穿入力(磅或牛頓)可被寫成Fp=πa02qΠP,]]>
其中a0＝穿入物體(探頭16、216、316)的標(biāo)定半徑(英寸或毫米)。無單位的穿入壓力∏p為幾個巖層參數(shù)的函數(shù)，這些參數(shù)包括楊氏(Young’s)彈性模量、泊松(Poisson’s)比、單軸壓縮強度、內(nèi)摩擦角及膨脹角。
圖6為一無摩擦材料的理想化曲線，該曲線示出了使一圓柱形物體產(chǎn)生穿入所需的力Fp與穿入深度d的演變情況。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解為便于說明，假設(shè)探頭基本為圓柱形，但本發(fā)明不局限于此。力Fp可通過圓柱形探頭的橫截面積與所穿入巖層的單軸壓縮強度(沿穿入軸線)的乘積所度量，而穿入深度d通過探頭的半徑a0度量。對于一般蓄油巖層的力-深度之穿入關(guān)系可在無原巖應(yīng)力的情況下被計算出來。在圖6中繪出了上邊界和下邊界，其對應(yīng)于一個表征巖石非彈性體積變化之參數(shù)的兩個極值。穿入力在整個穿入深度內(nèi)的變化標(biāo)記為“過渡時期”，這種變化不取決于任何模式，但表示了一種力-深度穿入關(guān)系在探頭前部正穿入地層的一穿入深度范圍(力Fp隨深度的增加而迅速增加)內(nèi)和在探頭前部完全穿入地層內(nèi)的一穿入深度范圍內(nèi)(力F基本不變)之間的估計值。
對各種不同前部錐角和一般巖層參數(shù)值的穿入壓力之分析表明了，對于交界摩擦角(ψ＜30°)的真實值而言，鈍頭工具的無單位穿入壓力大于銳利工具的無單位穿入壓力。實際上，穿入井下封閉地層即高度壓縮地層(例如在現(xiàn)代油井內(nèi)遇到的低于地面數(shù)千英尺的地層)的鈍頭探頭必須克服的最大穿入阻力(壓力)，可能是非封閉地層之壓縮強度的20倍。作用于一銳利工具上的力，例如作用于一設(shè)置有45°或更小錐角的錐形前部之探頭上的力在準(zhǔn)靜態(tài)穿入過程中相當(dāng)小。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員及受益于本發(fā)明的人員應(yīng)該理解如上所述，通過使用具有穿入探頭的鉆進工具，就可以在鉆進過程中直接、快速、可靠地得到測量結(jié)果。由于探頭在縮回位置上時位于鉆桿(或其它配置工具，例如電纜探頭)之腔體內(nèi)并使其與鉆井環(huán)境隔開，因此可提高探頭的可靠性。此外，本發(fā)明的探頭可在一個行程內(nèi)的幾個井孔深度上反復(fù)用于檢測地層壓力或其它參數(shù)。
鑒于上述的說明，本發(fā)明顯然能夠?qū)崿F(xiàn)所有上述的目的和特征及其它目的和特征。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該清楚在不脫離本發(fā)明的保護范圍或基本特征范圍內(nèi)，可以其它特定的形式實施本發(fā)明。例如，可為探頭的通道設(shè)置一液壓連接件，從而采集地層流體的樣本。而且本發(fā)明的探頭還可以其它體現(xiàn)本發(fā)明之優(yōu)點的不同結(jié)構(gòu)被實施。
因此，本發(fā)明的實施例僅是說明性的，并非是限制性的。本發(fā)明的保護范圍由所附的權(quán)利要求書來限定，而不是由前面的說明來限定，因此所有落入本發(fā)明保護范圍內(nèi)的變化及等同替換也是本發(fā)明的一部分。
權(quán)利要求
1.一種用于測量與井孔相交的地下巖層之參數(shù)的裝置，其包括一工具體，可在井孔內(nèi)移動；驅(qū)動裝置，支承于所說的工具體上；一探頭，該探頭可被所說的驅(qū)動裝置推動，以在井孔內(nèi)的一縮回位置與穿入井孔壁的一伸出位置之間移動，從而使所說的探頭嵌入地層，當(dāng)所述探頭移動到伸出位置上時，該探頭可在井孔壁上形成密封，所述探頭內(nèi)設(shè)置有用于測量探頭所嵌入的地層之參數(shù)的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述測量裝置包括一通道，該通道從鄰近所述探頭之前部的一開口延伸到設(shè)置于所述探頭、驅(qū)動裝置和工具體之一內(nèi)的一測量交匯點處，以將流體從地層傳送到測量交匯點。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，還包括一傳感器，該傳感器通過測量交匯點與所述探頭的通道聯(lián)通，以測量地層參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述傳感器為一壓力傳感器，該傳感器通過測量交匯點與所述探頭內(nèi)的通道聯(lián)通，以測量地層內(nèi)的流體壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述工具體為設(shè)置于鉆桿組內(nèi)的一個鉆桿。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的工具體為一懸掛于井孔內(nèi)的電纜探頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的驅(qū)動裝置包括一由液壓流體驅(qū)動的液壓活塞，以所述探頭在縮回位置與伸出位置之間移動。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述探頭與液壓活塞構(gòu)成一整體式結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述的探頭前部被制造成可減少所述驅(qū)動裝置將所述探頭移動到伸出位置所需推動力的形狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述的前部為錐形。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述前部的錐角不大于45°。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述的傳感器設(shè)置于所述的探頭內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述的傳感器設(shè)置于所述的驅(qū)動裝置內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述的傳感器設(shè)置于所述的工具體內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述的探頭還包括一后部；一錐形部分，當(dāng)所述探頭從縮回位置移動到伸出位置上時，該錐形部分用于在井壁上基本形成密封。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于當(dāng)所述的探頭移動到伸出位置上時，所述的錐形部分位于所述前部與所述后部之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的探頭包括多個部件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述測量裝置包括一通道，而所述的探頭包括一第一部件具有一設(shè)置其內(nèi)的第一缸孔，一錐形的外表面而且所述驅(qū)動裝置可推動該第一部件在井孔內(nèi)之一第一部件的縮回位置和一第一部件的伸出位置之間移動，在伸出位置上，第一部件的外表面至少部分穿入井孔壁；一第二部件設(shè)置于第一缸孔內(nèi)，所述第二部件具有一其中的第二缸孔，其還包括一前部，一與所述第二缸孔聯(lián)通的開口，所述驅(qū)動裝置可推動該第二部件通過第一缸孔在一第二部件于第一孔內(nèi)的縮回位置與一第二部件的伸出位置之間移動，其中在伸出位置上，其前部穿入地層，而且所述開口位于第一部件之外；和一第三部件設(shè)置于第二缸孔內(nèi)，該部件內(nèi)至少包括所述通道的一部分，所述驅(qū)動裝置可推動該第三部件通過第二缸孔在一使通道關(guān)閉的位置與一使通道開啟的位置之間移動，當(dāng)通道開啟時，地層流體可通過所述開口流入所述通道內(nèi)，以測量地層參數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于所述的前部為錐形。
20.一種用于測量地下巖層參數(shù)的探頭，其包括一主體，該主體可在井孔工具上的一縮回位置與一穿入井孔壁并嵌入地層的伸出位置之間移動，所述的井孔工具設(shè)置于與地層相交的井孔內(nèi)；所述的主體包括一錐形部分，用于當(dāng)所述探頭移動到伸出位置上時，在井孔壁上形成密封；和設(shè)置于所述主體內(nèi)的用于地層流體的聯(lián)通裝置，以當(dāng)所述探頭移動到伸出位置上時，該裝置使地層流體與一測量交匯點聯(lián)通。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的探頭，其特征在于所述的主體包括多個部件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的探頭，其特征在于所述的流體聯(lián)通裝置包括一通道，而所述的探頭主體包括一第一部件，該部件包括一錐形部分及一設(shè)置于其中的第一缸孔，所述驅(qū)動裝置可推動該第一部件在井孔內(nèi)第一部件的縮回位置和使所述錐形部分至少部分穿入井孔壁并在井孔壁上基本形成密封的第一部件的伸出位置之間移動；一設(shè)置于第一缸孔內(nèi)的第二部件，該部件包括一設(shè)置于其中的第二缸孔和一前部及一與第二缸孔聯(lián)通的開口，該驅(qū)動裝置可推動該第二部件通過第一缸孔在一第二部件在井孔內(nèi)的縮回位置與一第二部件的伸出位置之間移動，在伸出位置上，所述前部穿入地層，而所述開口定位于第一部件之外；和一設(shè)置于第二缸孔內(nèi)的第三部件，該部件內(nèi)設(shè)置有所述通道，所述驅(qū)動裝置可推動該部件在關(guān)閉所述通道的一位置和開啟所述通道的一位置之間通過第二缸孔而移動，當(dāng)所述通道開啟時，地層流體可通過開口流到所述通道內(nèi)用于測量地層參數(shù)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的探頭，其特征在于所述前部為錐形。
24.一種用于測量與井孔相交的地下巖層之參數(shù)的方法，其包括以下步驟通過井孔將一工具體移動到所需地層的深度處，所述攜帶一探頭的工具體包括一錐形部分和設(shè)置于探頭內(nèi)的流體聯(lián)通裝置；將所述探頭從在井孔內(nèi)的一縮回位置移動到穿入井孔壁并嵌入地層的一伸出位置上，從而使探頭的錐形部分在井孔壁上基本形成密封；通過探頭內(nèi)的流體聯(lián)通裝置使地層流體與一傳感器聯(lián)通，以測量地層參數(shù)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述的流體聯(lián)通裝置包括一通道，而所述的探頭還包括一前部和一后部，當(dāng)所述探頭移動到伸出位置上時，所述錐形部分位于前部與后部之間，而且當(dāng)所述探頭移動到伸出位置上時，所述探頭內(nèi)的通道通過錐形部分延伸。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于當(dāng)所述探頭移動到伸出位置上時，探頭內(nèi)的所述通道從探頭之錐形部分前部的一開口延伸到探頭之錐形部分之后的一測量交匯點。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于所述傳感器通過測量交匯點與探頭內(nèi)的通道聯(lián)通，以測量地層的參數(shù)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于所述傳感器為一個通過測量交匯點與探頭內(nèi)的通道聯(lián)通的壓力傳感器以用于測量地層流體的壓力。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述的工具體為一設(shè)置于鉆桿組內(nèi)的鉆桿。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述的工具體為一懸掛于井孔內(nèi)的電纜探頭。
31.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述探頭通過一液壓活塞在縮回位置與伸出位置之間移動，所述液壓活塞被工具體攜帶并由工具體內(nèi)的液壓流體驅(qū)動。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于所述探頭與液壓活塞構(gòu)成一個整體式結(jié)構(gòu)。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于所述探頭的前部被制造成可減小所述液壓活塞將探頭穿入井孔壁并嵌入地層所需力的形狀。
34.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述傳感器設(shè)置于所述的探頭內(nèi)。
35.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述的傳感器設(shè)置于一液壓活塞部件內(nèi)，液壓活塞部件由工具體攜帶并由工具體內(nèi)的液壓流體驅(qū)動，以使探頭在縮回位置與伸出位置之間移動。
36.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于將探頭從縮回位置移動到伸出位置的步驟包括以下步驟將一設(shè)有錐形部分和一第一缸孔的第一探頭部件從一第一探頭部件在井孔內(nèi)的縮回位置移動到一第一探頭部件的伸出位置上，在該伸出位置上，錐形部分至少部分穿入井孔壁并在井孔壁上大體形成密封；和將一設(shè)有第二缸孔、一前部和一與第二缸孔聯(lián)通的開口的第二探頭部件在第一缸孔內(nèi)從一第二探頭部件的縮回位置移動到一第二探頭部件的伸出位置上，在該伸出位置上，所述前部穿入地層并且所述開口定位于第一部件之外。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于所述探頭的流體聯(lián)通裝置包括一通道，而且還包括將一其內(nèi)設(shè)置有所述通道的第三探頭部件從一使通道關(guān)閉的位置移動到一使通道開啟的位置上的步驟，以使地層流體通過所述開口流到通道內(nèi)，從而測量地層參數(shù)。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于所述第二探頭部件的前部為錐形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量與井孔相交的地層參數(shù)之裝置和方法,本發(fā)明考慮使用一可在井孔內(nèi)移動的工具體。驅(qū)動裝置被工具體所攜帶,驅(qū)動裝置推動探頭在井孔內(nèi)的縮回位置與穿入井孔壁的伸出位置之間移動,從而使探頭嵌入地層。當(dāng)探頭移動到伸出位置上時,這種探頭適合于在井孔壁上形成密封,而且這種探頭內(nèi)還設(shè)置有用于測量被探頭所嵌入地層之參數(shù)的裝置。
文檔編號E21B47/06GK1251408SQ9912137
公開日2000年4月26日 申請日期1999年10月15日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月15日
發(fā)明者R·西格萊納克, A·庫爾克吉安 申請人:施盧墨格控股有限公司