專利名稱：隨鉆系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及一種用于執(zhí)行井眼操作的井下工具。尤其是，本發(fā)明涉及一種通過一可收回的井下隨鉆工具測定井下參數(shù)的技術(shù)。
背景技術(shù)：
從地層中獲取碳?xì)浠衔镄枰獙⒕坫@入地層。為了鉆所述井眼，一井下鉆具懸掛在鉆機(jī)上，并使用鉆桿推進(jìn)到地層。在鉆井作業(yè)期間，需要獲得有關(guān)井下狀況的信息。這一信息是有用的，比如，在定位目標(biāo)層時(shí)是有用的，其可以防止?jié)撛趩栴}的發(fā)生和改善鉆井操作。
井下鉆具通常具有一底部鉆具組合(BHA)，該鉆具組合包括一根或多根配有各種儀器的鉆鋌。設(shè)置在BHA上的一個(gè)這種儀器(或者多個(gè)儀器的組合)為隨鉆測量(MWD)或隨鉆測井(LWD)工具(這里通稱為隨鉆工具或WD工具)。WD工具通常包括一組傳感器，遙測裝置，電源和/或其他儀器，以實(shí)現(xiàn)各種井下功能，例如井下測試，鉆井操作的信息編輯以及與地面通信?，F(xiàn)有的MWD工具和系統(tǒng)的示例在轉(zhuǎn)讓給Halliburton的專利號(hào)為5357483的美國專利中、轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的專利號(hào)為5517464的美國專利中、以及轉(zhuǎn)讓給Baker Hughes的申請(qǐng)?zhí)枮?0030080743的美國專利申請(qǐng)中進(jìn)行了描述。LWD工具的示例在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的專利號(hào)為4899112的美國專利中進(jìn)行了描述。一些這樣的WD工具也是可以從如轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的專利號(hào)為6577244的美國專利所描述的井下鉆具中進(jìn)行收回和替換。至少一些這樣的WD工具易于在延伸穿過鉆鋌的小孔周圍泄漏和密封失敗，和/或另外缺乏可靠性或者缺乏在各種井眼環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)的能力。
目前的WD工具以及相關(guān)的儀器(WD系統(tǒng))通常設(shè)置在鋼質(zhì)、筒狀、空心的鉆鋌內(nèi)部，以免它們暴露于潮濕、高溫、化學(xué)腐蝕和/或高壓的環(huán)境中。然而，設(shè)置特定的儀器是需要的，比如設(shè)置傳感器，以這種方式，它們能夠進(jìn)行更加精確的測試而不會(huì)增加毀壞和/或暴露于剩余的WD系統(tǒng)的潛在危險(xiǎn)。泄漏和/或毀壞的危險(xiǎn)可以增加口穿過鉆鋌并伸入WD系統(tǒng)的情況發(fā)生。因此，理想的是使井下鉆具還要具有一個(gè)或多個(gè)如下能力從鉆具中收回，鉆具中的可復(fù)位性儀器之間的無線通信，特定部件同井眼環(huán)境的隔離，將特定部件收回到地面以進(jìn)行更換、維修和/或調(diào)整和/或阻止泄漏等。此外，這樣一種系統(tǒng)優(yōu)選優(yōu)化鉆井性能，減少鉆井時(shí)間并有助于在鉆井環(huán)境下增加穿透率和井位的精確性。
另一需求是使鉆具能夠在非?？量痰木郗h(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。井下鉆井的井眼，比如說油井，具有極端的操作環(huán)境，例如高溫、高壓和嚴(yán)重的物理撞擊。許多鉆井需要在距地表很深的深度或者海底以下很深的地方進(jìn)行。井下油井勘探工具所處的環(huán)境可非?？量獭８哌_(dá)并超過200攝氏度的溫度和高達(dá)1.38×108Pa的壓力是很常見的。因此，油勘探工具的生產(chǎn)商們力求設(shè)計(jì)能夠在操作中承受苛刻環(huán)境以延長時(shí)間的堅(jiān)固工具。
也許所有情況中最具挑戰(zhàn)性的是設(shè)計(jì)能夠在高溫環(huán)境中安全操作的的電子儀器。標(biāo)準(zhǔn)的電子部件通常適于在僅僅高達(dá)接近125攝氏度的溫度中進(jìn)行作業(yè)。從而，有必要去生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)性地尋找發(fā)現(xiàn)的能夠經(jīng)受井下存在的高溫環(huán)境的電子部件。
已經(jīng)研制出了各種各樣的井下儀器，以應(yīng)對(duì)特定的高溫或者高壓環(huán)境。例如，專門用于150攝氏度溫度中的MWD工具提供實(shí)時(shí)傾斜和伽馬射線。還有專門用于175攝氏度的MWD工具，其能夠在特定的情況下進(jìn)行某種應(yīng)用。然而，還沒有能夠在高于175攝氏度的環(huán)境中長時(shí)間操作的現(xiàn)有商用MWD工具可以提供令人滿意的操作特征，例如實(shí)時(shí)伽馬射線，可收回和可復(fù)位特征，以及擺動(dòng)動(dòng)探測。
人們已經(jīng)試圖研制具有令人滿意的能力以應(yīng)用于高溫環(huán)境中的井下工具。例如，一種井下工具被認(rèn)為能夠用于180攝氏度，并能夠經(jīng)受200攝氏度的溫度，但是缺乏連續(xù)傾斜和吊錨的能力。然而這樣一種工具的可靠性還沒有在超過170攝氏度的井中進(jìn)行驗(yàn)證。另一種工具適于200攝氏度，但是缺乏伽馬射線、連續(xù)傾斜、環(huán)空壓力測試和吊錨的能力，并且主要是具有較差的可靠性和較低的井上通訊能力。此外，一旦溫度超過175攝氏度，所述的電子儀器通常就報(bào)廢了，即使使用225攝氏度的絕緣硅片(SOI)部件。
認(rèn)為電子部件應(yīng)用于高溫MWD工具的主要障礙之一為僅有一些200攝氏度的部件可以商業(yè)使用。這些可以使用的部件通常分為三大類(1)偶然工作在高溫中的主要用于軍用市場研制的傳統(tǒng)的陶瓷部件，(2)由終端用戶和其它用戶使用已知在高溫下工作的模子研制(或者可以研制)的多片模塊，和(3)專門研制出用于200攝氏度和具有更大市場的一些非?；A(chǔ)和非常昂貴的絕緣硅片(SOI)部件。
正在嘗試研發(fā)一種能夠產(chǎn)生很高的溫度的數(shù)字和混合模擬/數(shù)字設(shè)備的方法。雖然這些嘗試在長期內(nèi)具有令人興奮的遠(yuǎn)景，但是其產(chǎn)品還是不能應(yīng)用于商業(yè)過程。還不得不開發(fā)單個(gè)部件，并花費(fèi)大量的費(fèi)用。
還有一種研制一種新的可收回的及可復(fù)位的WD工具的需要?？墒栈睾涂芍貜?fù)的能力具有超越現(xiàn)有技術(shù)的顯著進(jìn)步，因?yàn)椴荒茉诳量汰h(huán)境中應(yīng)用的工具可以取出并用導(dǎo)線更換，而不需要耗時(shí)且昂貴的將管取出井眼并重新下入井眼的操作。
令人滿意的是，所述工具能夠進(jìn)行連續(xù)的傾斜，井下擺動(dòng)探測，環(huán)空壓力和伽馬射線探測，隨鉆實(shí)時(shí)環(huán)空和/或內(nèi)部壓力隨鉆，實(shí)時(shí)連續(xù)傾斜探測，實(shí)時(shí)伽馬射線探測，實(shí)時(shí)擺動(dòng)監(jiān)測，高速作業(yè)，高能系統(tǒng)控制器/信號(hào)處理，高速數(shù)據(jù)采集，伽馬射線測試和采集，和/或壓力測試和/或用于壓力采集的重新密封的能力測試，所有的都用于長時(shí)間和高溫、高壓環(huán)境下。更令人滿意的是，這樣一種工具及其相關(guān)的部件，比如傳感器、電子儀器、包裝、材料和壓力室，可以在至少約為175攝氏度的高溫區(qū)域進(jìn)行操作，并且優(yōu)選溫度至少為200攝氏度以上和壓力至少為20Kpsi(1406.5kg/cm)。
因此，需要一種具有一個(gè)或者多個(gè)這些先進(jìn)能力的WD系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
至少一方面，本發(fā)明涉及一種用于隨鉆測量井下參數(shù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)置在利用鉆桿懸掛于鉆機(jī)的井下鉆具內(nèi)。所述的井下鉆具設(shè)置在穿透地層的井眼內(nèi)。該系統(tǒng)包括至少一個(gè)具有管狀側(cè)壁的鉆鋌，該側(cè)壁在其內(nèi)限定了一用于鉆井泥漿從其中流過的通道，一個(gè)在至少一根鉆鋌內(nèi)的通道內(nèi)被支撐的、并可以可選擇地從中收回的隨鉆工具，以及至少一個(gè)設(shè)置在所述鉆鋌外壁內(nèi)、并與所述通道相隔離的外部傳感器。所述的至少一個(gè)傳感器暴露于井眼內(nèi)，用于進(jìn)行井下測試和適于同所述的隨鉆工具進(jìn)行無線通訊。
另一方面，本發(fā)明涉及一種進(jìn)行隨鉆的方法。所述方法包括將一井下鉆具下入地層，以形成一井眼，利用設(shè)置在管狀側(cè)壁小腔內(nèi)的外部傳感器感測井眼參數(shù)，在所述WD工具和所述外部傳感器之間無線傳送信號(hào)，以及從井下鉆具內(nèi)有選擇地收回所述WD工具。在一些實(shí)施例中，在收回所述WD工具時(shí)，所述外部傳感器保持在所述鉆具內(nèi)。在其它實(shí)施例中，所述外部傳感器同所述WD工具一同收回。井下鉆具包括至少一根其內(nèi)具有一WD工具的鉆鋌。所述鉆鋌具有一限定用于鉆井泥漿從中流過的通道的管狀側(cè)壁。所述外部傳感器優(yōu)選同所述通道相隔離。
最后，在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于測量井下參數(shù)的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)設(shè)置在懸掛于鉆機(jī)下面的井眼內(nèi)的井下鉆具內(nèi)。所述系統(tǒng)具有一個(gè)可收回的隨鉆工具和至少一個(gè)傳感器。所述隨鉆工具設(shè)置在井下鉆具內(nèi)。所述的鉆具具有一用于泥漿從中流過的內(nèi)部通道。所述的至少一個(gè)傳感器設(shè)置在井下鉆具的一根鉆鋌內(nèi)并與所述通道相隔離。所述的至少一個(gè)傳感器適于測量井眼參數(shù)。所述壓力傳感器適于同所述隨鉆工具進(jìn)行通訊，從而信號(hào)在它們之間進(jìn)行傳送。
可優(yōu)選的是，所述系統(tǒng)可以在高溫、高壓環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，比如高于200攝氏度和約20Kpsi(1406.5kg/cm)的環(huán)境中。所述系統(tǒng)可以具有一系統(tǒng)控制器，一信號(hào)處理器、一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器。所述傳感器可以是任何傳感器，比如一井下振動(dòng)探測器，定向和傾斜工具，環(huán)空壓力(隨鉆)傳感器，伽馬射線傳感器和連續(xù)傾斜傳感器。
所述傳感器適于測量伽馬射線、振動(dòng)、搖擺、內(nèi)部和外部壓力、溫度、音速、到達(dá)時(shí)間及其組合中的一種。所述傳感器可以設(shè)置在井下鉆具內(nèi)部，并適于測量伽馬射線、振動(dòng)、搖擺、壓力、溫度及其組合中的一種。所述系統(tǒng)可以包括一位于隨鉆工具內(nèi)的隨鉆信號(hào)組件和一位于傳感器內(nèi)用于在它們之間無線傳送信號(hào)的傳感器信號(hào)組件。所述信號(hào)可以是命令信號(hào)、通訊信號(hào)、動(dòng)力信號(hào)和其它信號(hào)中的一種信號(hào)。
所述信號(hào)和傳感器組件優(yōu)選具有傳統(tǒng)的陶瓷部件、絕緣硅片、多片模塊、現(xiàn)場可編程序的門陣列及其組合中的一種。所述系統(tǒng)還可以具有一控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括一控制器、一處理器、一數(shù)據(jù)采集模塊、一發(fā)射器、一接收器、和/或一通訊電路。所述傳感器可以包括一發(fā)射器、一接收器、一測量儀表和/或一電源。所述電源可以由所述隨鉆工具進(jìn)行充電。所述系統(tǒng)還可以具有一適于在鉆鋌內(nèi)對(duì)隨鉆工具進(jìn)行定向的鎖定機(jī)構(gòu)。
所述系統(tǒng)優(yōu)選具有連續(xù)定向和傾斜的能力。還可優(yōu)選的是，所述系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行連續(xù)測量和/或在高溫和高壓環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。
本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)從隨后的描述和后附權(quán)利要求書中將會(huì)變得明顯。


為了能夠詳盡的理解本發(fā)明上述的特征和優(yōu)點(diǎn)，通過參考附圖所示的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明上面所作的簡短的概括，進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。然而應(yīng)該指出的是，附圖示出的僅僅是本發(fā)明的典型實(shí)施例，從而不能認(rèn)為是對(duì)其范圍的限制，因?yàn)楸景l(fā)明可以有其它同等有效的實(shí)施例。
圖1為懸掛于鉆機(jī)并伸入井眼的井下鉆具的示意圖，其中所述井下鉆具具有一隨鉆系統(tǒng)。
圖2為圖1所示的隨鉆系統(tǒng)的縱向截面圖。
圖3為圖2所示的隨鉆系統(tǒng)的部件的示意圖。
圖4為圖2所示的內(nèi)部傳感器的詳細(xì)視圖。
圖5為圖2所示的外部傳感器的詳細(xì)視圖。
圖6為圖2所示的隨鉆系統(tǒng)的替換實(shí)施例的局部剖面圖，其中示出了無線通訊系統(tǒng)。
圖7為圖6所示的無線通訊系統(tǒng)的替換實(shí)施例的示意圖。
圖8為使用可收回WD工具進(jìn)行井下測試的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為鉆機(jī)10和鉆柱12的示意圖。鉆機(jī)安裝在鉆臺(tái)15上，并通過復(fù)雜的鋼纜和滑輪系統(tǒng)(未示出)連接到鉆柱并支撐著鉆柱。所述鉆柱懸掛在鉆機(jī)10上，并伸入穿透地層F的井眼17。鉆柱包括鉆桿16(在圖1中示出三個(gè))，一底部鉆具組合(BHA)9和在其底端的鉆頭5。通常，僅有一部分鉆柱的重量在任何時(shí)候由地層支撐。其余的通常保持懸于鉆機(jī)、鋼纜和滑輪及其它支撐件。當(dāng)通過各種裝置，要么通過旋轉(zhuǎn)鉆臺(tái)轉(zhuǎn)盤(未示出)，要么通過連接在鉆頭和鉆柱其它部分之間的鉆井馬達(dá)(未示出)，來使鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆井過程開始。
在鉆井作業(yè)期間，一種通常稱為“泥漿”3的專用流體通過管道2從泥漿池泵出，穿過鉆柱12、BHA9并從鉆頭5流出。所述流體流出鉆頭，并穿過在井眼中位于所述工具和井壁之間的空間，或者環(huán)空7被迫上升，并按照箭頭所示的方向經(jīng)過管道4返回。穿過所述工具的鉆井液的流動(dòng)通常用于提供動(dòng)力和利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的泥漿脈沖遙測系統(tǒng)進(jìn)行通訊。這種井下鉆具作為示例在轉(zhuǎn)讓給Halliburton的專利號(hào)為5357483的美國專利、以及轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的專利號(hào)為5517464的美國專利中進(jìn)行了描述。可優(yōu)選的是，所使用的遙測系統(tǒng)能夠與現(xiàn)有的地面解調(diào)設(shè)備相容。還可優(yōu)選的是，提供同智能井位決策系統(tǒng)相耦合的實(shí)時(shí)鉆井。
圖1所示的BHA9包括包含用于進(jìn)行各種井下操作的井下儀器的鉆鋌18(可以使用一根或多根)。一組這樣的儀器通常被稱為隨鉆或WD系統(tǒng)19。所述的WD系統(tǒng)包括一個(gè)WD工具14，例如一隨鉆測井(LWD)工具，隨鉆測量(MWD)工具或者其它隨鉆工具，及其相關(guān)的傳感器(如圖2)。所述的WD工具14用于執(zhí)行井下隨鉆功能，例如進(jìn)行井下測試，同地面進(jìn)行通訊，以及其它功能。該WD工具14同傳感器進(jìn)行通訊聯(lián)系，以進(jìn)行井下測試。所述的WD工具可以用于諸如確定方向、傾斜、伽馬射線、壓力、振動(dòng)、搖擺、聲速、地震到達(dá)時(shí)間和/或其它自然發(fā)生或者人工產(chǎn)生的現(xiàn)象。相關(guān)聯(lián)的處理器和計(jì)算機(jī)也可以一并用于處理附加信息。
優(yōu)選方案是，所述的傳感器可以適用于高溫和高壓環(huán)境，并能在實(shí)時(shí)和/或記錄模式下進(jìn)行測試?？梢允褂酶鞣N傳感器，比如長壽命伽馬射線(GR)傳感器。一些這樣的傳感器可以在200攝氏度下短時(shí)間工作。這些傳感器優(yōu)選進(jìn)行改進(jìn)，以在這樣高溫環(huán)境應(yīng)用中能夠進(jìn)行測試。在高溫下測試壓力的傳感器同樣可以被使用。令人滿意的是，這些傳感器符合用于(至少)200攝氏度的鉆井環(huán)境的精確性和生存性要求。
現(xiàn)在，在將鉆鋌18連接到其它鉆鋌、管道、鉆頭和鉆井馬達(dá)(當(dāng)存在時(shí))之前，可以將所述的WD工具14插入BHA中。作為可選擇的方案，所述的WD工具可以由連接到一機(jī)械連接器，有時(shí)被稱為鋼絲繩連接器(未示出)的鋼纜下放。在鉆鋌被安置在井眼之后，所述WD工具穿過鉆柱16而被下入到鉆鋌18中。所述的WD系統(tǒng)能夠被移走，并且另一WD系統(tǒng)可以利用鋼纜在所述鉆鋌被下入到井眼之后而被設(shè)置在被移走的WD系統(tǒng)的位置。用于WD工具的可收回系統(tǒng)在如轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的專利號(hào)為6577244的美國專利中進(jìn)行了描述。提供了用于在高溫、高壓下適應(yīng)所述工具的吊錨能力和復(fù)位能力的要求的技術(shù)。
圖2示出了一種可以應(yīng)用在圖1所示的WD系統(tǒng)19的WD系統(tǒng)。這一WD系統(tǒng)包括鉆鋌18，WD工具14，內(nèi)部傳感器20和外部傳感器21。這一示例中的WD工具從各種信號(hào)源采集信息，比如內(nèi)部傳感器20和外部傳感器21。常規(guī)的WD工具可以應(yīng)用于所述的WD系統(tǒng)中，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的。所述WD工具的示例在如轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的專利號(hào)為5677244的美國專利中進(jìn)行了描述。
所述傳感器用于進(jìn)行井下測試，比如壓力測試。所述傳感器可以是的任一種類型的傳感器，如應(yīng)變儀。這些傳感器收集信息，并將這些信息傳送給所述WD工具。在內(nèi)部壓力測試中，壓力通過貫穿鉆鋌的通道23進(jìn)行傳遞，從而傳到嵌在所述WD工具內(nèi)的內(nèi)部傳感器20。內(nèi)部傳感器20暴露在流過所述工具和鉆鋌之間的通道23中的鉆井液的壓力中。
在外部壓力測試中，壓力通過貫穿鉆鋌18的側(cè)部和套筒24的小孔26進(jìn)行傳遞，從而傳到嵌在所述WD工具內(nèi)的外部傳感器21。所述的外部傳感器設(shè)置在與所述WD工具和鉆鋌之間的套筒24相鄰的所述工具內(nèi)。所述的外部傳感器通過小孔26暴露于井眼流體和與鉆鋌外部相連的壓力之中。優(yōu)選設(shè)置壓力密封件28，在這一示例中為O形環(huán)的形式，能夠阻止外部壓力同內(nèi)部壓力的連通。
所述的WD工具優(yōu)選具有一適于將所述工具固定處于鉆鋌內(nèi)合適位置的鎖定機(jī)構(gòu)22。所述鎖定機(jī)構(gòu)優(yōu)選為一處于鉆鋌18和WD工具14之間的機(jī)械接口。所述的鎖定機(jī)構(gòu)包括一位于WD工具內(nèi)的鍵槽27或者凹槽，以及一與之相應(yīng)的位于WD工具上的鍵25。所述的鍵和鍵槽可操作地連接到底座，并將所述工具于鉆鋌內(nèi)。所述的鍵也用來將所述的WD工具對(duì)準(zhǔn)在鉆鋌內(nèi)并對(duì)WD系統(tǒng)進(jìn)行定向。所述的傳感器21優(yōu)選連接到與鍵25相對(duì)的鉆鋌18上。本發(fā)明的其它實(shí)施例可以具有位于鍵內(nèi)的傳感器，或者具有位于所述工具/鉆鋌組件內(nèi)的其它位置的多個(gè)位置或多個(gè)傳感器。
當(dāng)所述工具在地表被插入鉆鋌內(nèi)或從鉆鋌內(nèi)移走的時(shí)候，所述的鎖定機(jī)構(gòu)可以被啟動(dòng)。作為可選擇的方案，當(dāng)所述WD工具在井下被插入鉆鋌內(nèi)或從鉆鋌內(nèi)移走的時(shí)候，鎖定機(jī)構(gòu)可以被啟動(dòng)。這一工具可以使用鋼纜及附屬設(shè)備而被移走，或者由使用同一鋼纜和附屬設(shè)備的另一工具所替換?，F(xiàn)有的鎖定機(jī)構(gòu)可以是商業(yè)性的，用于現(xiàn)有定向&傾斜(D&I)工具的插入，移走或者復(fù)位。這樣的鎖定機(jī)構(gòu)可以適用于高溫和/或高壓環(huán)境中。這一工具優(yōu)選能在高溫和高壓下進(jìn)行這一機(jī)械連接。
圖2還示出了同所述的WD系統(tǒng)19和/或WD工具14一起提供的或者與它們相連接的各種其它部件。例如，所描述的WD工具具有一電源，比如電池30和/或發(fā)電機(jī)32。所述的電池可以是專門設(shè)計(jì)的電池，或者現(xiàn)有的電池?？梢允褂冒l(fā)電機(jī)，例如一種商業(yè)上可應(yīng)用的使用泥漿流進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電機(jī)。優(yōu)選方案是，所用的任何電源適于高溫和高壓環(huán)境。例如，所述系統(tǒng)可以使用高溫電源進(jìn)行作業(yè)。
所述的WD工具還具有一系統(tǒng)控制器和/或信號(hào)處理器34以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)36。所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)優(yōu)選包括傳感器，例如一定向&傾斜傳感器，一伽馬射線傳感器，一振動(dòng)傳感器和溫度傳感器。也可以提供其它傳感器。
井口和井下通訊連接器38和40也被分別優(yōu)選提供。鋼纜連接器42和井口遙測器44也被使用，以協(xié)助所述WD工具的收回和/或同地面建立聯(lián)系。也可以提供這些或者其它井下儀器，以執(zhí)行各種能源，通訊，處理和其它操作。優(yōu)選方案是，用于井下工具的部件適于高溫，振動(dòng)和高壓使用環(huán)境。
圖3為描述所述WD系統(tǒng)作業(yè)的示意圖。所述WD系統(tǒng)優(yōu)選具有一系統(tǒng)控制器和一信號(hào)處理器35，一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)41，一井口通訊連接器33，一井下通訊連接器37，泥漿脈沖遙測和發(fā)電機(jī)31以及各種傳感器(39，45，41，49)。這些部件可以與所述的WD工具為一體或者可操作地連接到其上。構(gòu)成其它儀器的一些這些部件設(shè)置在所述井下工具的各個(gè)其它部分。如圖3所示，所述傳感器包括一伽馬射線傳感器45，一D&I傳感器49，環(huán)空和內(nèi)部壓力傳感器47，一溫度傳感器，以及一井下振動(dòng)和溫度探測器39。然而，其它儀器同樣被包含在內(nèi)。
如圖所示，所述傳感器收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)41。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同系統(tǒng)控制器和信號(hào)處理器進(jìn)行通訊聯(lián)系。系統(tǒng)控制器可以向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送命令，以啟動(dòng)傳感器和收集信息。信號(hào)處理器收集和編譯由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所獲得的信息。利用井口和井下通訊連接器，然后所述信息可以被傳送到地面和/或工具的其它部分上。其它部件可以設(shè)置在同樣可以被操作的WD系統(tǒng)內(nèi)或者周圍。所述遙測系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)可以用于向系統(tǒng)控制器，傳感器和/或連接器，以及其它部件提供通訊和電源。
為了在高溫中增加可靠性，可優(yōu)選的是，所有的系統(tǒng)電子儀器，比如這些與系統(tǒng)控制器和信號(hào)處理器等一同使用的電子儀器，主要由密封封閉的多片模塊(MCMs)構(gòu)成。MCMs也可以用于消除或至少減小集成電路和電路板之間的相互連接和高溫應(yīng)用中固有的缺陷。因?yàn)楹芨叩臏囟戎饕菧p少了電子組合件的使用壽命，所以本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例允許替換電路板和其它電子組合件，同時(shí)使昂貴的MCMs和其它部件能夠被再次使用。
為了增加可靠性和抵抗環(huán)境條件的能力，位于殼體內(nèi)的電子部件優(yōu)選使用另外的保護(hù)裝置進(jìn)行加固。這些電子部件可具有，例如，偶然工作在高溫中的主要用于軍用市場的傳統(tǒng)的陶瓷部件，和由終端用戶和其它用戶使用人們所公知的工作在高溫中的沖模的所研制(或者可以被研制)的多片模塊和/或絕緣硅片(SOI)部件。這些被加固的部件在商業(yè)上是可用的?？梢杂糜诩庸趟霾考牧硗獾募夹g(shù)包括現(xiàn)場可編程序的門陣列(FPGA)和混合模擬/數(shù)字設(shè)備，經(jīng)久耐用的伽馬射線(GR)傳感器，高溫電源，同現(xiàn)有系統(tǒng)相容的遙測系統(tǒng)，高速信號(hào)處理器，探測高溫的傳感器和實(shí)時(shí)鉆井系統(tǒng)。系統(tǒng)的其它部件，比如傳感器，電子儀器，包裝，材料和壓力室，同樣優(yōu)選適用于高溫和高壓環(huán)境。
高溫電子部件也可以用于產(chǎn)生這一工具的可靠操作?，F(xiàn)有的SOI部件在可靠的替代產(chǎn)品不能獲得應(yīng)用的任何時(shí)候都可以被使用。此外，現(xiàn)有的現(xiàn)場可編程序的門陣列和混合信號(hào)處理也可以與所提議的工具一起使用。這些處理器尤其適用于高速數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理。
所述工具及其部件的操作被優(yōu)選核實(shí)。用于操作環(huán)境的詳細(xì)列表和用于這一工具的任務(wù)簡要表可以在初始臨時(shí)溫度和壓力(比如大約400華氏度(204.44攝氏度)和約20Kpsi(1406.5kg/cm))下設(shè)定為最高的溫度和壓力。所候選的電子部件，子系統(tǒng)和能夠在高溫下作業(yè)以確保在所建立的詳細(xì)列表中作業(yè)的機(jī)械組件都可以被使用。所述系統(tǒng)的操作可以通過使用熱成像攝像機(jī)和/或計(jì)算機(jī)輔助熱模擬來驗(yàn)證，從而確定合適的熱流和/或充足的熱耗散。虛擬鑒定，一用于通過使用有效的失敗模式來評(píng)價(jià)和提高電子組件的生存性的CAD方法學(xué)同樣可以被使用。
測試裝置和測試殼體可以用于驗(yàn)證和鑒定處于高溫、高壓測試腔中的機(jī)械和電子組件的高壓性能。詳盡的環(huán)境測試和鑒定可以用于決定現(xiàn)有的和候選的電子和機(jī)械組件的最高溫度限制。
一旦所候選的電子部件和機(jī)械組件通過了初始測試，環(huán)境鑒定也可以用于驗(yàn)證所需求的性能。環(huán)境鑒定優(yōu)選包括根據(jù)任務(wù)簡要表來進(jìn)行的溫度和振動(dòng)鑒定測試。對(duì)故障進(jìn)行分析和生成故障報(bào)告。部件的驗(yàn)證可以包括所有的控制、通訊、能源和其它中心或系統(tǒng)電子儀器，傳感器，殼體，電源等等地識(shí)別、測試和鑒定。
圖4為圖2所示的WD系統(tǒng)19的局部放大圖，其詳盡描述了內(nèi)部傳感器。該圖示出了內(nèi)部壓力或者鉆鋌內(nèi)的壓力是怎樣被測量的。內(nèi)部傳感器20被設(shè)置在WD工具14內(nèi)。一小孔43從所述內(nèi)部傳感器20延伸至用于其中的流體連通的通道23。所述傳感器20具有一通過該小孔暴露于通道和其中所含的壓力(PI)中的壓力計(jì)。
圖5為圖2所示的WD系統(tǒng)19的局部放大圖，其詳盡的描述了外部傳感器。該圖示出了外部壓力或者鉆鋌18外的環(huán)空壓力是怎樣被測量的。外部傳感器21被設(shè)置在和套筒24相鄰的WD工具14內(nèi)。一小孔26從延伸穿過鉆鋌18和套筒24，以及相鄰的傳感器21。一個(gè)或多個(gè)密封件28被設(shè)置在套筒24和所述WD工具14之間，以使小孔和傳感器與鉆鋌內(nèi)的通道23相隔離。所述小孔和密封件允許在傳感器和鉆鋌外部之間進(jìn)行流體連通。鉆鋌之外的外部壓力(PE)利用小孔，穿過鉆鋌和套筒并連通到外部傳感器。外部壓力傳感器21包含一個(gè)暴露于井眼內(nèi)壓力中的壓力計(jì)。
壓力密封件28防止了外部壓力同鉆鋌內(nèi)部的連通。所述密封件用于防止鉆井泥漿通過所述小孔26進(jìn)行連通，并防止所述泥漿流入所述工具。如果所述泥漿穿過該小孔進(jìn)入所述工具，對(duì)一個(gè)或兩個(gè)傳感器所進(jìn)行的壓力測量將會(huì)大大折扣。此外，通過小孔進(jìn)行連通并進(jìn)入地層的鉆井泥漿造成由于腐蝕毀壞鉆鋌和泥漿侵入所產(chǎn)生的破壞地層的危險(xiǎn)。
圖6示出了具有無線通訊裝置的WD系統(tǒng)19b的替換實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，所述外部傳感器21b為一嵌在鉆鋌18內(nèi)并與通道23相隔離的壓力傳感器。因?yàn)樗鰝鞲衅髑对阢@鋌的壁上并暴露于井眼中，所以所述小孔26及其相關(guān)的密封件28可以被去掉。所述傳感器具有一測量儀表63，在這個(gè)實(shí)施例中為一壓力計(jì)，用來測量環(huán)空壓力。所述傳感器還包含其它的測量儀表或者傳感器，以進(jìn)行各種其它的測量。
傳感器21b優(yōu)選為一無線傳感器，適于使用無線鏈路46同所述WD工具14通信。所述WD工具14具有一無線或非接觸式通訊系統(tǒng)48，以激勵(lì)外部傳感器進(jìn)行壓力測量并將測量結(jié)果發(fā)送到所述工具。通訊系統(tǒng)48包括控制電路52，適于控制并與外部傳感器21b通信的一WD發(fā)射器54和一WD接收器56。所述WD工具通過WD發(fā)射器54向所述壓力傳感器發(fā)送一信號(hào)。所述壓力傳感器包括一傳感器發(fā)射器58和傳感器接收器60，以同所述WD工具進(jìn)行通信聯(lián)系。壓力傳感器利用傳感器接收器60從WD工具接收命令，并通過傳感器發(fā)射器58向WD接收器56發(fā)送傳感器讀數(shù)。
可優(yōu)選的是，電磁信號(hào)在傳感器和WD工具之間進(jìn)行無線傳送。由WD發(fā)射器產(chǎn)生一電磁場，該電磁場由傳感器接收器所接收。所述傳感器然后產(chǎn)生一向WD接收器傳送信息的信號(hào)。其它的無線通訊系統(tǒng)可以用于在WD工具和傳感器之間傳送信號(hào)，比如磁場，音速或超音速壓力波，可見光，紅外線或者紫外線光等，和/或這些技術(shù)的組合。
如圖7所示，所述WD工具能夠適于向傳感器傳送能量和/或信號(hào)通訊。這通過在壓力傳感器內(nèi)設(shè)置一電路62來完成，該壓力傳感器捕獲和存儲(chǔ)由WD工具所發(fā)射能量的一部分或者全部。該能量然后用來進(jìn)行測量和將測量結(jié)果發(fā)送回所述工具。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，電路62可以為一能量存儲(chǔ)裝置，比如一電容器或電池。作為可選擇的技術(shù)方案，所述電路可以提供從一些外部源向傳感器供應(yīng)能量的裝置，比如發(fā)電機(jī)，交流發(fā)電機(jī)，或者一個(gè)或多個(gè)外部電池(未示出)。所述發(fā)射器和接收器能夠被分離或?yàn)檫m于發(fā)射和接收信號(hào)的一體接收器。
圖8示出了一種利用可收回的WD工具，例如在圖1和圖2中所描述的WD工具，進(jìn)行井下測試的方法78。在作業(yè)過程中，鉆具被送進(jìn)井眼80。所述WD工具被設(shè)置在鉆具82內(nèi)。所述WD工具要么在鉆具處于井眼中合適位置時(shí)被設(shè)置在BHA內(nèi)，要么利用鋼纜下入到鉆具內(nèi)。一信號(hào)由地面?zhèn)飨蛩鯳D系統(tǒng)，以執(zhí)行所需的操作。所述信號(hào)通過泥漿脈沖遙測術(shù)從地面發(fā)送到WD系統(tǒng)內(nèi)的一控制器。所述信號(hào)可以為一命令，校準(zhǔn)和/或能源信號(hào)，以啟動(dòng)所述WD系統(tǒng)84。之后，該信號(hào)從控制器傳向傳感器以進(jìn)行測試86。
一旦進(jìn)行測試，所述傳感器將數(shù)據(jù)傳回控制器和向上傳遞到地面88。所述WD工具可以從所述鉆具90收回。所述WD工具可以從鉆具分別收回，或者整個(gè)鉆具可以從井眼同所述WD工具一起被取出。相同或不同的WD工具可以向下送回井眼，以進(jìn)行進(jìn)一步的測試。這可以通過將WD工具重新向下插入所述鉆具并對(duì)其進(jìn)行密封，或者將整個(gè)鉆具與其中的WD工具一起向下送入來完成。
可優(yōu)選的是，在需要進(jìn)行測試之前，所述傳感器處于休眠狀態(tài)。當(dāng)所述的WD工具希望獲得一傳感器信號(hào)時(shí)，其產(chǎn)生能量并將能量發(fā)送至所述傳感器。所述的傳感器接收到該能量并向電路充電。當(dāng)所述傳感器接收到一個(gè)命令和使其激活的足夠能量時(shí)，其進(jìn)行所需的測試。所述傳感器獲得傳感器數(shù)據(jù)并將這一測試數(shù)據(jù)送回到控制器。命令和能量信號(hào)可以被傳送到井下工具中的其它儀器。
本發(fā)明的實(shí)施例可以僅需要一部分從所述工具發(fā)送出的能量，以起動(dòng)一測試。進(jìn)行測試和與測試相適應(yīng)的能量的平衡可以按照上述的方式從外部電源獲得。本發(fā)明的其它實(shí)施例可以命令所述工具向傳感器發(fā)送一個(gè)命令，并且進(jìn)行測試和將測試結(jié)果送回所述工具的所必須的所有能量可以來自鉆鋌內(nèi)的能量存儲(chǔ)和/或產(chǎn)生裝置。
從前面的描述中可以理解，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和替換實(shí)施例中可以做出各種修改和改變，而不脫離其真實(shí)精神。例如，當(dāng)所述傳感器至少在某些方面作為壓力傳感器被描述時(shí)，可以理解，任何類型的傳感器都可以被使用，例如溫度傳感器、密度傳感器、流量傳感器等。
本描述旨在僅進(jìn)行說明的目的，而沒有進(jìn)行限制的意思。本發(fā)明的范圍將由所附的權(quán)利要求書的語言進(jìn)行決定。權(quán)利要求書內(nèi)的術(shù)語“包括”意在指“至少包括”，所以權(quán)利要求中要素的敘述列表為一開放組?！耙弧?、“一個(gè)”和其它的單數(shù)形式旨在包括其復(fù)數(shù)形式，除非有明確的排除。
權(quán)利要求
1.一種用于隨鉆測量井下參數(shù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)設(shè)置在利用鉆桿懸掛于鉆機(jī)的井下鉆具內(nèi)，所述的井下鉆具設(shè)置在穿透地層的井眼內(nèi)，其包括至少一個(gè)具有管狀側(cè)壁的鉆鋌，該側(cè)壁在其內(nèi)限定了一用于鉆井泥漿從其中流過的通道，所述鉆鋌可操作地連接到所述井下鉆具；一個(gè)在至少一根鉆鋌內(nèi)的通道內(nèi)被支撐的并可選擇地從中收回的隨鉆工具；以及至少一個(gè)設(shè)置在所述鉆鋌側(cè)壁內(nèi)并與所述通道相隔離的外部傳感器，所述的至少一個(gè)傳感器暴露于井眼內(nèi)，用于進(jìn)行井下測試，所述傳感器適于同所述的隨鉆工具進(jìn)行無線通訊。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述的至少一個(gè)外部傳感器測量伽馬射線、振動(dòng)、搖擺、壓力、溫度、音速、到達(dá)時(shí)間及它們的組合中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括至少一個(gè)設(shè)置在所述井下隨鉆工具內(nèi)的隨鉆傳感器，所述隨鉆傳感器適于測量伽馬射線、振動(dòng)、搖擺、壓力、溫度及它們的組合中的一種。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述的至少一個(gè)外部傳感器適于測量環(huán)空壓力。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括至少一個(gè)設(shè)置在所述隨鉆工具內(nèi)的隨鉆傳感器，所述的至少一個(gè)傳感器適于測量鉆鋌內(nèi)的內(nèi)部壓力、鉆鋌外部的外部壓力及它們的組合中的一種。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述的至少一個(gè)隨鉆傳感器暴露于測量其參數(shù)的通道內(nèi)。
7.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述的至少一個(gè)傳感器同所述的通道相隔離并暴露于井眼內(nèi)，用于測量其參數(shù)。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括一位于所述隨鉆工具內(nèi)的隨鉆信號(hào)組件和一位于所述傳感器內(nèi)用于在它們之間無線傳送信號(hào)的傳感器信號(hào)組件。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述的信號(hào)和傳感器組件具有傳統(tǒng)的陶瓷部件、絕緣硅片、多片模塊、現(xiàn)場可編程序的門陣列及它們的組合中的一種。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述的信號(hào)是通訊信號(hào)。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述的通訊信號(hào)為傳送給傳感器的命令信號(hào)、傳送給所述隨鉆工具的數(shù)據(jù)及它們的組合中的一種。
12.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述的通訊信號(hào)為用于提供能量到所述傳感器的能量信號(hào)。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括一適于同至少一個(gè)外部傳感器進(jìn)行通訊聯(lián)系的控制系統(tǒng)。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述的控制系統(tǒng)包括一控制器、一處理器、一數(shù)據(jù)采集模塊、一發(fā)射器、一接收器，一通訊電路及它們的組合中的一種。
15.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述的至少一個(gè)外部傳感器包括一發(fā)射器、一接收器、一測量儀表、一電源及它們的組合中的一種。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述的電源可以由所述隨鉆工具進(jìn)行充電。
17.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括一適于在鉆鋌內(nèi)對(duì)隨鉆工具進(jìn)行定向的鎖定機(jī)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述的鎖定機(jī)構(gòu)包括一個(gè)設(shè)置在鉆鋌內(nèi)的鍵和設(shè)置在所述隨鉆工具上面的用于容納所述鍵的鍵槽。
19.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述的隨鉆工具包括一連續(xù)定向和傾斜工具。
20.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述的隨鉆工具適于實(shí)時(shí)進(jìn)行連續(xù)測試。
21.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述的隨鉆工具適于在高溫和高壓環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。
22.一種隨鉆測量井下參數(shù)的方法，其包括將一井下鉆具下入地層，以形成一井眼，所述井下鉆具包括至少一根其中具有一隨鉆工具的鉆鋌，所述的至少一根鉆鋌具有一管狀側(cè)壁，該側(cè)壁在其內(nèi)限定了一用于鉆井泥漿從其中流過的通道；利用設(shè)置在管狀側(cè)壁小腔內(nèi)的至少一個(gè)外部傳感器感測井眼參數(shù)，其中所述的至少一個(gè)外部傳感器同所述的通道相隔離；在所述隨鉆工具和所述的至少一個(gè)外部傳感器之間無線傳送信號(hào)；以及選擇性地從井下鉆具收回隨鉆工具。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其還包括利用設(shè)置在所述隨鉆工具內(nèi)的至少一隨鉆傳感器感測井眼參數(shù)、內(nèi)部參數(shù)及它們的組合中的一種。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述的信號(hào)為通訊信號(hào)、命令信號(hào)、能源信號(hào)及它們的組合中的一種。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述的通訊信號(hào)包括從所述的至少一個(gè)傳感器收回并傳送給所述的隨鉆工具的數(shù)據(jù)。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述的信號(hào)為用于提供能量到所述傳感器的能量信號(hào)。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，其還包括從所述隨鉆工具傳送到地面的發(fā)射信號(hào)。
28.如權(quán)利要求22所述的方法，其還包括從所述的至少一個(gè)傳感器接收到的記錄數(shù)據(jù)。
29.如權(quán)利要求22所述的方法，其還包括從所述隨鉆工具傳送到所述井下鉆具內(nèi)的至少一個(gè)部件多發(fā)射信號(hào)。
30.如權(quán)利要求22所述的方法，其還包括從所述的至少一個(gè)傳感器接收到的處理數(shù)據(jù)。
31.一種用于隨鉆測量井下參數(shù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)設(shè)置在懸掛在一鉆機(jī)下面的井眼內(nèi)的井下鉆具內(nèi)，所述系統(tǒng)包括設(shè)置在井下鉆具內(nèi)可收回的隨鉆工具，所述隨鉆工具具有用于泥漿從中流過的內(nèi)部通道；以及至少一個(gè)設(shè)置在井下鉆具的一根鉆鋌內(nèi)、并與所述通道相隔離的傳感器，所述的至少一個(gè)傳感器適于測量井眼參數(shù)，所述壓力傳感器適于同所述隨鉆工具進(jìn)行通訊，從而信號(hào)在它們之間進(jìn)行傳送。
32.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述的信號(hào)為能源信號(hào)、通訊信號(hào)、命令信號(hào)及它們的組合中的一種。
33.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中所述的至少一個(gè)傳感器和隨鉆工具各自包括一發(fā)射器、一接收器及它們的組合中的一種，用于在它們之間進(jìn)行無線通訊。
34.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述的隨鉆工具包括一個(gè)用于同地面設(shè)備進(jìn)行通訊的遙測系統(tǒng)。
35.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述的至少一個(gè)傳感器測量伽馬射線、振動(dòng)、搖擺、壓力、溫度、音速、到達(dá)時(shí)間及它們的組合中的一種。
36.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其還包括至少一個(gè)設(shè)置在隨鉆工具上的隨鉆傳感器。
全文摘要
提供了一種用于隨鉆測定環(huán)空壓力的隨鉆系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)設(shè)置在利用鉆柱懸掛于鉆機(jī)的鉆具內(nèi)。所述系統(tǒng)包括至少一根鉆鋌、一個(gè)隨鉆工具和至少一個(gè)外部傳感器。所述鉆鋌具有一個(gè)具有管狀側(cè)壁，該側(cè)壁在其內(nèi)限定了一用于鉆井泥漿從其中流過的通道。所述隨鉆工具被支撐在至少一根鉆鋌內(nèi)的通道內(nèi)，并可以可選擇地從中收回。所述的外部傳感器定位在所述鉆鋌側(cè)壁內(nèi)并與所述通道相隔離。所述傳感器暴露于井眼內(nèi)用于進(jìn)行測試，并適于同所述的隨鉆工具進(jìn)行無線通訊。所述系統(tǒng)優(yōu)選適用于高溫和高壓環(huán)境。
文檔編號(hào)E21B47/06GK1576513SQ200410054979
公開日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2004年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月25日
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