專(zhuān)利名稱(chēng)：用于拓寬并且同時(shí)監(jiān)測(cè)井的直徑和流體特性的鉆井工具和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)合了多個(gè)可擴(kuò)展的切割器區(qū)段以及多個(gè)穩(wěn)定器的一種擴(kuò)張工具，并 且該工具的操作是與從測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的探頭獲得的測(cè)量值相結(jié)合的，該探頭如是 聲學(xué)探頭或測(cè)量探頭、震動(dòng)探頭以及獨(dú)立于前者的聲學(xué)探頭(它們確定鉆井液的特征)、以 及區(qū)段位置傳感器。這種工具能夠同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)孔并且測(cè)量井筒的直徑，并且還能擴(kuò)張(特 別是在石油和天然氣行業(yè)中)用作套殼的鋼管的直徑。該工具作為擴(kuò)孔和測(cè)徑器工具找到 了特別的用途，但也可將其配置成不帶有切割元件以提供井下集中、方向穩(wěn)定、或者作為一 種用于擴(kuò)張鋼管直徑的裝置。應(yīng)當(dāng)理解，在此使用的術(shù)語(yǔ)“擴(kuò)張”是指這種工具向外地朝向或者對(duì)抗一個(gè)通道 (該通道例如是一個(gè)井孔，尤其是井筒或者用作套殼的管狀件)的內(nèi)壁進(jìn)行擴(kuò)展、并且然后 在該壁上施加壓力或切割動(dòng)作的能力。并不總是必須將壁本身擴(kuò)張，因?yàn)樵摴ぞ咭部梢杂?于集中或穩(wěn)定或類(lèi)似的目的，而不必將通道擴(kuò)張。當(dāng)建造一個(gè)勘探井或生產(chǎn)井時(shí)，要進(jìn)行多種井下操作以對(duì)井筒進(jìn)行鉆探和測(cè)量， 從而使得它滿(mǎn)足井設(shè)計(jì)圖中所限定的希望的尺寸。鉆井操作可以使用一種絞刀以確保在鉆 頭處已經(jīng)被鉆出的孔的直徑保持在設(shè)計(jì)的給定公差之中。由鉆頭鉆出并且由絞刀修整的孔 的直徑基本上是相同的。這種絞刀的最大切割直徑是固定的，它實(shí)質(zhì)上是與鉆頭直徑相等。 這個(gè)最大切割直徑是由操作位置之上的井孔中的任何限制物的通過(guò)直徑來(lái)定義的。與絞刀相比，擴(kuò)孔器被用于擴(kuò)大井孔的直徑，使其超過(guò)原始的鉆出的尺寸。擴(kuò)大典 型地是在該井孔中的一種限制之下進(jìn)行的，并且擴(kuò)孔器的切割直徑總是大于該限制的通過(guò) 直徑。此外，擴(kuò)孔器配備有啟用和非啟用模式以及用于擴(kuò)展和收縮切割元件的機(jī)構(gòu)以確保 一旦它經(jīng)過(guò)該限制之下就有效地進(jìn)行擴(kuò)孔。測(cè)量可以涉及獲取不同類(lèi)型的井筒數(shù)據(jù)(如抵抗力、孔隙性、滲透性、方位角、傾 斜度和井孔直徑或粗糙度、地層傾角或?qū)用娼?并且將其傳送到地表。測(cè)量本身以?xún)煞N方式發(fā)生，或者是纜繩式、或者是隨鉆登錄式。纜繩式是最常見(jiàn)的 測(cè)量技術(shù)并且對(duì)于鉆井是作為分別的并且續(xù)貫的行動(dòng)來(lái)進(jìn)行的，它包括在一條線(xiàn)或纜上運(yùn) 送測(cè)量工具。纜繩式測(cè)量器使用多個(gè)指形件來(lái)獲得井孔直徑的測(cè)量值。然而，纜繩式測(cè)量 器只能在一個(gè)軸向方向上獲得測(cè)量值。由于這種限制，它們只能在鉆探之后使用，否則鉆探 的旋轉(zhuǎn)和沖擊力將造成它們斷裂。因此要求在鉆探之后進(jìn)行一次分別的測(cè)徑運(yùn)行來(lái)測(cè)量井 孔的直徑。隨鉆登錄式工具可以獲取關(guān)于井筒的不同數(shù)據(jù)。可以將多個(gè)聲學(xué)測(cè)量器結(jié)合在登 錄工具中。由于聲學(xué)測(cè)量器可以被旋轉(zhuǎn)，在鉆探時(shí)可以使用它們以獲取測(cè)量數(shù)據(jù)。然而，幾 乎所有登錄工具都被配置為完整的系統(tǒng)、并且只有在非常高的成本下才是可獲得的并且只 用在全世界不足的井中。此外，它們?cè)趲в谢瑒?dòng)鉆探的應(yīng)用中同樣遭受多種限制，在這 種滑動(dòng)鉆探中井下馬達(dá)使鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)并且拖曳鉆柱和井底組件(BHA)。在旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向的應(yīng) 用中，將登錄工具配置在鉆頭附近。因此，聲學(xué)測(cè)量器的位置是在擴(kuò)孔器下BHA之中。它只有在井筒的這個(gè)區(qū)域已被擴(kuò)孔之后才能給出讀數(shù)。井筒測(cè)量值不總是依賴(lài)于聲學(xué)測(cè)量器。因此，按照慣例，在鉆探或擴(kuò)孔(井筒擴(kuò) 大)已經(jīng)進(jìn)行之后在一個(gè)分別的行動(dòng)中進(jìn)行井筒測(cè)量。與這種分別的擴(kuò)大以及測(cè)量操作相關(guān)聯(lián)的時(shí)間滯后引起不確定性以及不必要的 成本。在擴(kuò)孔情況下，測(cè)量值是事后獲得的，這意味著一次分別的測(cè)量運(yùn)行以及有時(shí)更多的 校正運(yùn)行來(lái)達(dá)到所希望的井筒直徑。
背景技術(shù)：
在全世界的不同地質(zhì)盆地深處發(fā)現(xiàn)了石油和天然氣的積聚。這類(lèi)積聚的勘探和生 產(chǎn)依賴(lài)于根據(jù)鉆井計(jì)劃來(lái)建造一 口井。存在著不同的井的類(lèi)型并且根據(jù)用途對(duì)它們定義，如初探井(wildcat)或在勘 探、定界、以及生產(chǎn)和注入時(shí)使用的井。根據(jù)垂直的、傾斜的、定向的以及水平的軌跡，在井 的輪廓上也存在多種變化。根據(jù)石油公司的目標(biāo)以及一個(gè)給定的盆地從地表或是海面達(dá)到 在一個(gè)給定地下深度的烴類(lèi)儲(chǔ)藏層的所呈現(xiàn)的挑戰(zhàn)，每口井都不相同。工程性挑戰(zhàn)涉及該井場(chǎng)的定位，如在岸上或是海上、海水深度、地層壓力和溫度梯 度、地層應(yīng)力和移動(dòng)以及儲(chǔ)藏層類(lèi)型，如碳酸鹽或沙巖。為了克服這些挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)了一種高 度詳細(xì)的鉆井計(jì)劃，其中包括鉆井目的、坐標(biāo)、法律的、地質(zhì)的、技術(shù)的以及井的工程數(shù)據(jù)和 計(jì)算。這種數(shù)據(jù)用于繪制鉆井的輪廓，并且使用精確的坐標(biāo)(這被設(shè)計(jì)為續(xù)貫的套管 段，即地表、中部和儲(chǔ)藏層)來(lái)計(jì)劃其執(zhí)行。為了達(dá)到鉆井目的并且在其整個(gè)生命周期維 持井的完整性和運(yùn)行能力，從地表鉆出具有多段區(qū)域和多個(gè)直徑的一個(gè)給定的井筒。雖然 存在許多變體，但是一個(gè)筒單的豎井的設(shè)計(jì)可以包括以下尺度一個(gè)1772英寸G45mm)的 地表或頂孔直徑、135/8英寸(360mm)和95/8英寸Q45mm)的多個(gè)中間區(qū)域向下收縮到儲(chǔ) 藏層域中的872英寸016mm)的底孔直徑。每個(gè)連貫的區(qū)域都被“套裝”在多個(gè)金屬管中，這些金屬管根據(jù)該區(qū)域的長(zhǎng)度一特 定直徑被放置在井筒之中。所述管被彼此連接，此后將它們從內(nèi)部用水泥固結(jié)在井的外壁 之中。以此方式，以多個(gè)分階段的區(qū)域來(lái)構(gòu)建一口井，每個(gè)區(qū)域取決于前一個(gè)區(qū)域的完結(jié)， 直至這口井在沿從地表到儲(chǔ)藏層的整個(gè)距離上與所談?wù)摰牡貙痈綦x開(kāi)。石油和天然氣的稀缺性驅(qū)使石油和天然氣公司在更具挑戰(zhàn)性的盆地中對(duì)儲(chǔ)藏進(jìn) 行勘探和開(kāi)發(fā)，如位于水深超過(guò)6000英尺(1800米)的或在大片鹽區(qū)之下的那些地方。這 些井具有高度復(fù)雜的定向軌跡，其中套殼設(shè)計(jì)包括6個(gè)或更多個(gè)井區(qū)段。作為‘設(shè)計(jì)師’或 ‘緊密公差套殼’的井在本領(lǐng)域中是已知的，這些井具有狹窄的套殼直徑以及嚴(yán)格的公差、 并且已經(jīng)產(chǎn)生了一種對(duì)擴(kuò)大井筒的需要，以此來(lái)避免非常狹窄的儲(chǔ)藏層區(qū)段以及低下的生 產(chǎn)速率。因此，鉆探這些井所需的井底組件慣例地包括在給定的套殼直徑或其他限制之下 進(jìn)行井筒擴(kuò)孔的裝置。以此方式，擴(kuò)孔已經(jīng)變成了構(gòu)建井的一個(gè)完整的部分，并且現(xiàn)在對(duì)擴(kuò) 孔增大的依賴(lài)來(lái)滿(mǎn)足計(jì)劃的井筒直徑。在擴(kuò)孔之后，將擴(kuò)孔器從井孔中撤回并且由測(cè)量器 來(lái)代替它，這種測(cè)量器是一種用于測(cè)量孔的內(nèi)部尺寸的儀器，它或者是通過(guò)機(jī)械方式(典 型地通過(guò)與孔壁接觸的多個(gè)延伸的指形件)、或者通過(guò)聲學(xué)技術(shù)或其他使用反射聲學(xué)信號(hào)
5的基于回聲的測(cè)探技術(shù)。以前，這種擴(kuò)孔器和測(cè)量器已被認(rèn)為是兩個(gè)分離的工具，各自涉及不同的功能。典 型地，一個(gè)擴(kuò)孔運(yùn)行可以花費(fèi)M小時(shí)，在這之后將要求一個(gè)另外的M小時(shí)用于準(zhǔn)備測(cè)量器 運(yùn)行。在可以獲得真實(shí)的井筒直徑的知識(shí)之前可能還要在測(cè)量器運(yùn)行中再花費(fèi)M小時(shí)。 因此取決于所涉及的深度，在擴(kuò)孔和測(cè)量之間的時(shí)間延遲可以容易地超過(guò)48小時(shí)。如果真 實(shí)的孔的直徑與計(jì)劃的直徑不匹配，將不能滿(mǎn)足套殼公差并且因此將要求進(jìn)行一次校正運(yùn) 行，并且將需要重復(fù)擴(kuò)孔和測(cè)量的整個(gè)循環(huán)。在其他應(yīng)用(如金屬管直徑的擴(kuò)張或者增加的固井水泥厚度)中，擴(kuò)大后的井筒 與擴(kuò)張后的鋼管之間的公差是非常接近的。直徑上1英寸(25毫米)的變化可以引起鉆井 構(gòu)建行動(dòng)的失敗。專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)W02006/083738概述了一種機(jī)械式測(cè)量器以及一種在鉆井過(guò)程中獲 得測(cè)量值并且隨鉆登錄的方法。該說(shuō)明書(shū)概述了作為對(duì)在鉆探或纜繩測(cè)量之后得到的測(cè)量 的一種改進(jìn)的多種機(jī)械式鉆井同時(shí)測(cè)徑的屬類(lèi)配置。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員清楚的是，該擴(kuò)孔應(yīng)用延伸到鉆探之外而進(jìn)入許多生 產(chǎn)和完井活動(dòng)中。W02006/083738沒(méi)有解決的問(wèn)題是提供一種整合的并且自動(dòng)化的診斷工具，它沒(méi) 有著手解決測(cè)徑器與擴(kuò)孔器的整合或自動(dòng)化，它也沒(méi)有披露任何類(lèi)型的擴(kuò)孔工具。所披露 的一種‘切割工具’被進(jìn)一步專(zhuān)門(mén)地限定為一種‘切割鉆頭’或‘絞刀鉆頭’，對(duì)于本領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員這對(duì)應(yīng)地表示‘鉆探’以及‘保持孔的直徑’。這兩種方法均與擴(kuò)孔是不同的， 這種擴(kuò)孔涉及的是在一種限制下增加孔的直徑。此外，當(dāng)前的在鉆探過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量的探頭設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)有技術(shù)中已發(fā)現(xiàn)的測(cè)量 探頭，這些測(cè)量探頭的設(shè)計(jì)是基于多種樞軸或機(jī)械機(jī)構(gòu)，在本領(lǐng)域中已知的是這些機(jī)構(gòu)將 由于高彎曲力矩或者在移動(dòng)零件之間填滿(mǎn)鉆井液而遭受破損或故障、并且在工具中導(dǎo)致無(wú) 法工作或者無(wú)法取回井底組件。專(zhuān)利JP7062967在常見(jiàn)的石油和天然氣井筒的深度上將不會(huì)有用，并且也不能夠 自動(dòng)診斷井筒直徑的尺寸不足或者檢測(cè)擴(kuò)孔器的失敗方式。因此，它不是一種可靠并且精 確的檢驗(yàn)井筒直徑的裝置。在專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)US2000/6419033中，概述了一種用于鉆探井筒的裝置和方法，其中 由鉆頭鉆出一個(gè)前導(dǎo)井筒區(qū)域并且它被一個(gè)后隨的擴(kuò)孔器擴(kuò)大到所希望的直徑。在擴(kuò)孔器 與鉆頭之間使用了一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)向區(qū)段，用于保持和改變鉆井的方向。該說(shuō)明書(shū)概述了在 一個(gè)非轉(zhuǎn)動(dòng)套筒中使用多個(gè)可調(diào)節(jié)的力進(jìn)行定向鉆探應(yīng)用的屬類(lèi)配置、及其控制裝置。在 該發(fā)明中沒(méi)有傳授對(duì)井筒直徑進(jìn)行擴(kuò)孔的控制或測(cè)量。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，并且從井的構(gòu)建過(guò)程中可見(jiàn)，US2000/6419033 集中于定向鉆探以及對(duì)施加到井筒的力進(jìn)行控制的裝置，并且它并未著手解決與本發(fā)明的 相同的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題是將擴(kuò)孔器與測(cè)徑探頭整合并將其自動(dòng)化。此外，該披露涉及一種特定類(lèi)型的井底組件，用于將多個(gè)力施加到定向鉆探和擴(kuò) 孔的構(gòu)件上。這排除了所有其他定向鉆探系統(tǒng)，如那些旋轉(zhuǎn)式的或那些不使用施加到井筒 上的獨(dú)立的力的系統(tǒng)。此外，US2000/6419033集中在特定的襯管鉆井的應(yīng)用問(wèn)題，該問(wèn)題不是本發(fā)明的一個(gè)方面，而本發(fā)明是旨在消除在所有擴(kuò)孔應(yīng)用中與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)聯(lián)的不確定性?，F(xiàn)有技術(shù)說(shuō)明書(shū)W094/21889涉及地?zé)峋?、并且披露了在一個(gè)主體和多個(gè)區(qū)段中 的一種擴(kuò)孔器、一種穩(wěn)定器和一種測(cè)徑探頭的配置。這種測(cè)徑探頭被用于“推動(dòng)”該裝置向 前、并且不是作為井筒測(cè)量的測(cè)徑器。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，這里可見(jiàn)W094/21889提及一種測(cè)徑探頭以創(chuàng)造一 個(gè)雙向力，而不是一種整合在該擴(kuò)孔器本身之中從而獲得井孔尺寸或其他測(cè)量值的測(cè)量
ο在能夠檢驗(yàn)性能并消除不確定性的一個(gè)整合的擴(kuò)孔器和測(cè)徑器工具的方面，本發(fā) 明是與現(xiàn)有技術(shù)的擴(kuò)孔器(由CA^17699和GBM17267所示例的)是有區(qū)別的。這些是不 令人滿(mǎn)意的，因?yàn)樗鼈円蕾?lài)于切割器位置或液力學(xué)或鉆井慣例來(lái)作為一種指示性假設(shè)，即 實(shí)際上獲得了所計(jì)劃的被擴(kuò)孔的孔。這里不存在真實(shí)的測(cè)量值，無(wú)論直接的或者間接的。此 外，它們依賴(lài)壓力限制來(lái)啟動(dòng)，如使用一個(gè)鏢(dart)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)壓力差。本發(fā)明不要求這 樣的啟動(dòng)裝置并且它可以使用非機(jī)械的裝置通過(guò)遙測(cè)術(shù)將其啟動(dòng)，該遙測(cè)技術(shù)可以是泥漿 脈沖信號(hào)或無(wú)線(xiàn)傳輸。令人不滿(mǎn)意的是依賴(lài)于多種間接的指示，如切割器區(qū)段是打開(kāi)的還是關(guān)閉的、或 者鉆井液路徑是否是打開(kāi)的以及在鉆井裝備上是否看到一個(gè)壓力峰值。這類(lèi)指示并不提供 被擴(kuò)孔的井筒直徑的真實(shí)的直接測(cè)量值，它們也不提供擴(kuò)孔性能的驗(yàn)證；它們只是給出關(guān) 于該工具的機(jī)械的或液壓狀態(tài)的一個(gè)方面，這也許能或不能導(dǎo)致所希望的井直徑。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，鉆井行業(yè)依賴(lài)著不夠根本性并且更加耗費(fèi)時(shí)間的多種檢驗(yàn)指示 物，如當(dāng)切割器與地層交互作用時(shí)鉆井扭矩的增加、或者甚至將鉆柱和擴(kuò)孔器向上拉到先 前的孔尺寸中以便觀看當(dāng)井底組件帶著展開(kāi)的工具而引入時(shí)頂部驅(qū)動(dòng)是否停頓。因此，現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有披露任何系統(tǒng)來(lái)提供一種在鉆井或擴(kuò)孔時(shí)同時(shí)檢驗(yàn)井筒直徑 的可靠裝置。此外，現(xiàn)有技術(shù)表明現(xiàn)在的這些系統(tǒng)產(chǎn)生了與鉆井、擴(kuò)孔以及測(cè)量設(shè)備相關(guān)的進(jìn) 入和退出井筒的多個(gè)耗時(shí)的循環(huán)。此外，現(xiàn)有技術(shù)表明現(xiàn)在的這些系統(tǒng)并不實(shí)時(shí)地檢測(cè)井筒直徑中的改變。此外，現(xiàn)有技術(shù)表明現(xiàn)在的這些系統(tǒng)不自動(dòng)地對(duì)小于孔直徑尺寸或者工具故障進(jìn) 行問(wèn)題確定。此外，現(xiàn)有技術(shù)表明現(xiàn)在的這些系統(tǒng)對(duì)于在切割器區(qū)段之外的測(cè)徑探頭具有有限 的應(yīng)用。此外，現(xiàn)有技術(shù)表明現(xiàn)在的這些系統(tǒng)依賴(lài)于壓力限制進(jìn)行啟動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
作為一個(gè)主要目的，本發(fā)明要提供在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上對(duì)井筒擴(kuò)孔的改進(jìn)，其中對(duì) 被擴(kuò)孔的真實(shí)直徑直接地進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，也就是說(shuō)與井筒的擴(kuò)張操作是同時(shí)地或者緊隨其后。本發(fā)明是基于一種整合式擴(kuò)孔器的工具，它裝備有一個(gè)或多個(gè)用于測(cè)量被擴(kuò)孔的 井筒直徑的裝置以及鉆井液特性測(cè)量裝置，這些裝置提供了實(shí)時(shí)性能檢驗(yàn)以及自動(dòng)的故障 檢測(cè)。由于液壓或重量啟動(dòng)方法中內(nèi)在的設(shè)計(jì)限制，并且由于塊保持力機(jī)構(gòu)或機(jī)械式測(cè)徑探頭的設(shè)計(jì)，這在現(xiàn)有技術(shù)中還沒(méi)有出現(xiàn)。本發(fā)明尋求將擴(kuò)孔整合并且將其自動(dòng)化、并且消除對(duì)于同擴(kuò)孔器分離的測(cè)徑探頭 的需要并且通過(guò)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將對(duì)校正擴(kuò)孔運(yùn)行的需要最小化，這些數(shù)據(jù)允許鉆井機(jī)更早 做出響應(yīng)而由此節(jié)省用于井筒操作的時(shí)間和金錢(qián)。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供了多個(gè)與測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的探頭整合的 擴(kuò)孔擴(kuò)展區(qū)段，從而使該工具能夠給出井筒拓寬操作的準(zhǔn)確的直接測(cè)量值；并且，如果發(fā)現(xiàn) 該直徑是不充分的或者尺寸不足，自動(dòng)地檢測(cè)并且診斷潛在的錯(cuò)誤；并且使該工具能夠重 復(fù)擴(kuò)孔直至獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。由于擴(kuò)孔是井筒直徑擴(kuò)大的主要途徑，可以將本發(fā)明應(yīng)用到與測(cè)量系統(tǒng)相整合的 替代性擴(kuò)大裝置上，這些裝置使用雙心鉆頭、固定的翼板鉆頭、偏心擴(kuò)孔器以及可擴(kuò)展的鉆 頭。該工具能夠拓寬井筒直徑，從測(cè)徑探頭(該測(cè)徑探頭優(yōu)選是聲學(xué)的)獲得關(guān)于被 擴(kuò)孔的井筒直徑的數(shù)據(jù)，這是通過(guò)發(fā)射和接收超聲波的聲學(xué)脈沖，這些脈沖使之能夠通過(guò) 一個(gè)處理器進(jìn)行性能檢驗(yàn)，該處理器接收數(shù)據(jù)并且根據(jù)一個(gè)邏輯電路執(zhí)行對(duì)直徑的診斷以 便確保擴(kuò)孔器通過(guò)切割器區(qū)段以及穩(wěn)定器的正確的擴(kuò)展來(lái)發(fā)揮作用。如果已經(jīng)采取了這些 校正步驟，并且用于測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的測(cè)徑器指示仍未達(dá)到計(jì)劃的孔直徑，則將一 個(gè)信號(hào)發(fā)送給地表的控制區(qū)域到達(dá)操作工程師處，這樣就可以采取進(jìn)一步的補(bǔ)救行動(dòng)，如 替換工具。該工具的存儲(chǔ)卡可以在該工具被收縮時(shí)或者通過(guò)遙測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)下載到 位于地表的控制裝置上。該工具還可以具有一個(gè)遙測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用鉆井泥漿作為傳輸介質(zhì)來(lái)允許由用 于測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的測(cè)量探頭記錄數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)視擴(kuò)展區(qū)段的位置，該測(cè)量探頭可以是 機(jī)械式測(cè)徑探頭或配備有超聲波聲學(xué)發(fā)射器和接收器的聲學(xué)探頭，而它發(fā)射的聲波被井筒 壁或被遠(yuǎn)處的地層(它可以是有空穴的地層)反射回來(lái)以便被一個(gè)安裝在同一工具中的傳 感器拾取。可以對(duì)聲波在給定速度下的行進(jìn)時(shí)間進(jìn)行處理并將其整合在控制系統(tǒng)中以便確 定行進(jìn)的距離。可以在該工具的主體中提供一個(gè)長(zhǎng)度方向上的鍵通道(“鍵槽”)以協(xié)助這些聲學(xué) 傳感器的安排，這些傳感器將被連接到位于該工具主體中的處理器和轉(zhuǎn)發(fā)器上。由這些聲 學(xué)傳感器(由通過(guò)剛性導(dǎo)線(xiàn)連接的發(fā)射器和接收器組成)獲得的數(shù)據(jù)將從處理器發(fā)送到轉(zhuǎn) 發(fā)器上，并且將與由位于地表的控制系統(tǒng)接受的其他數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。可以將該鍵通道用一 種吸收震動(dòng)的介質(zhì)如硅膠或油脂將其密封并且填充以維持導(dǎo)線(xiàn)在位。轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣使得可以將它通過(guò)泥漿脈沖器發(fā)射到地表，該脈沖 器在一個(gè)給定的頻率下使用一系列二進(jìn)制代碼并且將鉆井液作為傳輸手段。也可以使用其 他的無(wú)線(xiàn)傳輸手段，使用無(wú)線(xiàn)電頻率或者電磁脈沖。這允許該工具的上行和下行連接以便 對(duì)數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行接收和發(fā)送。該數(shù)據(jù)可以被傳送到地表以供鉆井操作員使用，或者可以 通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)一步傳送到一個(gè)遠(yuǎn)程操作中心。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案提供了一種井筒擴(kuò)孔工具50，該工具特別地可應(yīng)用在石油 和天然氣井中，該工具被安排為用于附接到一種旋轉(zhuǎn)式鉆頭以及相關(guān)聯(lián)的鉆桿上，其特征 在于，該工具具有至少一個(gè)徑向地可擴(kuò)展的切割器區(qū)段62，該切割器區(qū)段結(jié)合了一個(gè)傳 感器以測(cè)量所述切割器區(qū)段的相對(duì)位置；至少一個(gè)測(cè)量探頭76或64至66以確定井筒直徑；以及至少一個(gè)徑向可擴(kuò)展的穩(wěn)定器區(qū)段63 ；所有這些與它們的接收器、微處理器和轉(zhuǎn) 發(fā)器一起被整合在該工具的主體之中；一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)來(lái)自測(cè)量探頭的同時(shí)的測(cè) 量值與可擴(kuò)展的切割器區(qū)段62的相對(duì)位置進(jìn)行比較以及關(guān)聯(lián)來(lái)檢驗(yàn)和控制所希望的井筒 直徑22 ；以及至少一個(gè)發(fā)射器-傳感器裝置010，160)，該裝置通過(guò)整合在該工具主體內(nèi)的 它的接收器、微處理器以及轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)流體特性進(jìn)行分析。該工具的支架可以是鉆柱，但它還可以是一段盤(pán)繞的管材。該工具主體是一個(gè)圓柱形的高等級(jí)鋼殼體，該殼體被適配為借助安排在該工具末 端的螺紋連接形成井底組件的一部分，該螺紋連接被聯(lián)接到鉆具的頭部上。該附接不需要 是直接的，而可以是間接的，取決于每個(gè)鉆柱和每個(gè)井的不同元件的要求。BHA的下端可以 是一個(gè)鉆頭、或者一個(gè)圓頭引導(dǎo)器，并且這個(gè)部分以及這里的工具可以是或者不是用于井 孔的定向控制的裝置，如一個(gè)旋轉(zhuǎn)的可轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。井筒擴(kuò)展活動(dòng)是進(jìn)行擴(kuò)孔，它是通過(guò)該工具借助這個(gè)或這些切割器區(qū)段來(lái)實(shí)現(xiàn) 的。切割器區(qū)段位于該工具主體中的一個(gè)開(kāi)放的腔室中，該腔室的外表面是由多個(gè)高強(qiáng)度 的切割器元件構(gòu)成，如安排在外部的多晶金剛石鑲片。該切割器區(qū)段配備有鄰近或沿該組 切割器元件的一個(gè)外部噴嘴，該噴嘴噴射來(lái)自一個(gè)內(nèi)部管道90的鉆井液，該管道被連接到 所述流體的源上。該工具包括一個(gè)模塊，該模塊可以通過(guò)一種螺紋連接而被連接到該工具主體上， 該模塊包括多個(gè)可擴(kuò)展的穩(wěn)定區(qū)段以便在擴(kuò)孔和測(cè)量過(guò)程中將該工具穩(wěn)定在這些井筒壁 上并且包括(如果要求的話(huà))增加或擴(kuò)張井的金屬管套殼直徑的裝置。應(yīng)當(dāng)注意，此處對(duì)這些擴(kuò)展區(qū)段的描述是總體上是可適用的，不論其功能是鉆柱 的切割、擴(kuò)張或是穩(wěn)定。因此，這些切割器區(qū)段配備有能夠?qū)⒕矓U(kuò)孔的切割鑲片或切割 齒，它們可以被收縮或被專(zhuān)門(mén)用于在井筒內(nèi)部鋼管的擴(kuò)張操作的其他表面代替?；谖⑻幚砥?8的控制裝置被適配為在鉆井操作過(guò)程中從用于測(cè)量井筒直徑的 探頭以及從可擴(kuò)展的切割器區(qū)段的這些傳感器同時(shí)地接收信息，來(lái)控制所述區(qū)段響應(yīng)于控 制邏輯根據(jù)所接收的數(shù)據(jù)的擴(kuò)張和收縮，以便實(shí)時(shí)地檢測(cè)并且修正故障以允許獲得所希望 的井筒直徑。該工具通常包括多個(gè)此類(lèi)切割器區(qū)段，這些區(qū)段圍繞該工具對(duì)稱(chēng)地安排。兩個(gè)切 割器區(qū)段可以位于該工具的對(duì)側(cè)，三個(gè)區(qū)段可以間隔120度，四個(gè)區(qū)段間隔90度，而六個(gè)區(qū) 段間隔60度。在運(yùn)行中，該工具典型地是與鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，而且沿井筒軸向地移動(dòng)。該工具主體配備有一個(gè)內(nèi)部管道用于通過(guò)一個(gè)在切割器裝置附近的噴嘴接收鉆 井液。在每一情況下，這些噴嘴提供液體流，該液體流可以幫助保持這些切割器清潔、并且 防止來(lái)自擴(kuò)孔操作的阻塞性巖屑堆積、并且為這些切割器提供冷卻和潤(rùn)滑功能。在本發(fā)明 的一個(gè)優(yōu)選的方面，該工具結(jié)合了一個(gè)非機(jī)械式測(cè)量裝置，如用于測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑 的聲學(xué)探頭。裝備在擴(kuò)孔器上的用于測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的這些探頭發(fā)射出聲音脈沖，這些 脈沖在壁上產(chǎn)生反射，這些反射被傳送到一個(gè)接收器傳感器上，該接收器傳感器通過(guò)將時(shí) 間乘以該聲學(xué)脈沖的傳播速度來(lái)計(jì)算出距離。被擴(kuò)孔的井筒直徑探頭總體上位于該工具主 體中在該擴(kuò)孔器上方，但是在該工具的一種替代配置中可以將其置于切割器區(qū)段本身之中 在這些切割元件中最為徑向地?cái)U(kuò)展的區(qū)域中。
普通操作人員將易于理解，可以通過(guò)該工具的處理器中的邏輯電路或控制程序?qū)?現(xiàn)其他的過(guò)程，這些處理器可以被編程以覆蓋其他的情景。


本發(fā)明的這些不同的實(shí)施方案是通過(guò)附圖中的多個(gè)非限制性的實(shí)例來(lái)展示的，在 附圖中圖1是石油或天然氣井的總體概略圖，示出了地表結(jié)構(gòu)和地下井筒的內(nèi)部，其中 按照本發(fā)明的一種工具作為最終的井底組件的一部分；圖2是該工具的縱向截面，示出了由多個(gè)切割器區(qū)段以及穩(wěn)定器區(qū)段兩者組成的 處于非啟動(dòng)狀態(tài)的擴(kuò)展元件；圖3是從鉆頭處可見(jiàn)的該工具的截面，示出了在擴(kuò)展開(kāi)的可擴(kuò)展切割器區(qū)段的操 作方式(啟動(dòng)的運(yùn)行方式)中該鉆頭的直徑、被包裝的管的直徑以及在上述圖中示出的按 照本發(fā)明的所希望的井筒擴(kuò)孔的直徑；圖4示出從鉆頭處可見(jiàn)的該工具的截面，示出在收縮的擴(kuò)展切割器區(qū)段的工作方 式(非啟動(dòng)的工作方式)下該鉆頭的直徑、被套裝的管的直徑以及在更早的圖中示出的根 據(jù)本發(fā)明的所希望的井筒擴(kuò)孔的直徑；圖5示出該工具主體的截面，示出多個(gè)縱向開(kāi)放的通道，這些通道允許鉆井液穿 過(guò)并且其中安置了發(fā)射器-傳感器裝置以便測(cè)量所述流體的某些特征(密度)；圖6是該井的總體視圖，展示了由該工具記錄的擴(kuò)孔和鉆井?dāng)?shù)據(jù)的遙測(cè)術(shù)；圖7對(duì)應(yīng)于圖6，但展示了將設(shè)定參數(shù)送入的數(shù)據(jù)下行線(xiàn)遙測(cè)術(shù)，以便通過(guò)該工具 控制擴(kuò)孔和鉆井；并且圖8是一個(gè)算法，并且被示出為一個(gè)示例性的診斷和故障檢查過(guò)程，該過(guò)程用于 根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)孔和測(cè)量鉆井變量的運(yùn)算方面。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，一套勘探或生產(chǎn)裝備包括一個(gè)在井口處的地表結(jié)構(gòu)10、一個(gè)井筒 20、一個(gè)在井筒中的鉆柱30以及一個(gè)在其下端的井底組件40，其中工具50可以根據(jù)本發(fā)明 用所希望的模塊構(gòu)形進(jìn)行配置容納這些可擴(kuò)展的切割器區(qū)段的模塊、容納這些傳感器和 處理器的模塊、以及帶有多個(gè)可擴(kuò)展的穩(wěn)定器區(qū)段或井孔金屬管的多個(gè)擴(kuò)展件的模塊。工 具50包括至少一個(gè)與井筒直徑測(cè)量探頭工具整合的擴(kuò)孔模塊，該模塊結(jié)合了其他傳感器 并且能夠連接到鉆頭(未示出)上。圖2展示的該工具的縱向截面包括一個(gè)鋼的工具主體52，該主體在其向井下端配 備有一個(gè)內(nèi)部鉆井通道90并且在其另一端配備有一個(gè)泥漿脈沖器56，該主體被適配為有 待由另一個(gè)鉆頭套環(huán)(未示出)接合以便將它連接到井底組件40的其他元件上，并且之后 連接到鉆柱30上。該工具主體還配備有用于可擴(kuò)展的切割器60和穩(wěn)定器61的元件、一個(gè)在這些切 割器區(qū)段62的井上端的井筒直徑測(cè)量探頭(76或64至66)?？蓴U(kuò)展的切割器元件60是由 工具主體52的對(duì)稱(chēng)地并且徑向向外安置的不同切割器區(qū)段62組成，如在圖2中所示處于 非啟動(dòng)狀態(tài)，將這些區(qū)段收縮到工具之中。
該工具結(jié)合了一個(gè)聲學(xué)探頭，該探頭包括一個(gè)聲學(xué)發(fā)射器和接收器，它們可以被 容納在該工具主體之中的多個(gè)密封的凹陷中(64和66)。工具的性能是使用微處理器68進(jìn) 行檢驗(yàn)的，該處理器將由聲學(xué)接收器傳感器66記錄的數(shù)據(jù)與被編程的井筒直徑相比較，因 此檢測(cè)與所希望的井筒直徑的可能的偏差。該工具根據(jù)儲(chǔ)存在每個(gè)處理器68中的邏輯控 制序列是自動(dòng)的，以便確保擴(kuò)孔器正確地工作。一旦已經(jīng)執(zhí)行了檢驗(yàn)和校正步驟，并且如果 用于測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的探頭76指示所要求的孔直徑仍未達(dá)到，那么就將一個(gè)信號(hào) 經(jīng)由泥漿脈沖56發(fā)送到地表裝備10以允許操作員或者從本地或者從遠(yuǎn)程控制中發(fā)送控制 命令，從而采用了相關(guān)的工作性和校正性措施，如修正泥漿或鉆井液的泵流量、替換井底組 件、等等。與處理器68相關(guān)的存儲(chǔ)卡將包含從這些傳感器實(shí)時(shí)傳送的數(shù)據(jù)以便將其用于擴(kuò) 孔和鉆井操作56，或者當(dāng)將該工具從井中收縮時(shí)通過(guò)將所述卡物理地移除來(lái)獲取數(shù)據(jù)。該工具配備有到遙測(cè)系統(tǒng)56上的一個(gè)內(nèi)建鏈接，該系統(tǒng)同樣用以監(jiān)測(cè)該擴(kuò)孔操 作的性能、多個(gè)擴(kuò)展區(qū)段62的位置以及由用于測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的探頭所記錄的數(shù) 據(jù)。將一個(gè)或多個(gè)聲學(xué)發(fā)射器64安置在工具主體52之中，以便在一個(gè)給定時(shí)間段中發(fā)射 多個(gè)聲波，這些聲波被井筒壁22反射回并且被這些接收器傳感器66拾取。處理器68使 用這些聲學(xué)波的行進(jìn)時(shí)間和返回速度來(lái)計(jì)算距離，并且將其與被編程的所希望的直徑相比 較。如果這兩個(gè)測(cè)量值與給定的用戶(hù)定義的公差相匹配，那么該工具繼續(xù)運(yùn)行至有待拓寬 的井筒區(qū)域的總深度。當(dāng)這些測(cè)量值不匹配時(shí)，該處理器自動(dòng)地啟動(dòng)一系列邏輯步驟以對(duì) 該操作進(jìn)行故障檢測(cè)。如圖2進(jìn)一步示出，為聲學(xué)脈沖器或發(fā)射器64以及聲學(xué)傳感器或接收器66的接 線(xiàn)74提供了一個(gè)通道，用于將其連接到處理器68上、并且還連接到轉(zhuǎn)發(fā)器72上。該接線(xiàn)被 用于傳輸通過(guò)反射收回的聲學(xué)數(shù)據(jù)、以及來(lái)自這些切割器和穩(wěn)定器區(qū)段的位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)?這些處理器和轉(zhuǎn)發(fā)器上。該通道可以用一種用來(lái)吸收振動(dòng)的手段(如硅膠)密封和填充。轉(zhuǎn)發(fā)器72將處理器68的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這樣使得它可以經(jīng)由泥漿脈沖器56被傳輸?shù)?地表10，該泥漿脈沖器在向地表傳輸數(shù)據(jù)時(shí)在一個(gè)給定的頻率中使用一系列二進(jìn)制代碼使 用鉆井泥漿自身作為傳輸手段?？梢允褂闷渌麩o(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄危缡褂脽o(wú)線(xiàn)電頻率或 者電磁脈沖的系統(tǒng)。圖2還示出用于測(cè)量被擴(kuò)孔的直徑的探頭的一個(gè)替代位置，該探頭可以是一個(gè)安 排在被包封的凹陷中的測(cè)徑探頭76，該測(cè)徑探頭被連接到與處理器相連的接線(xiàn)74的通道 中，該處理器也可以與這些聲學(xué)(發(fā)射器/接收器)測(cè)徑器66至64相連并且連接到一個(gè) 新的連接通道78上，該連接通道可以連接到另一個(gè)替代處理器68上，該處理器控制可擴(kuò)展 區(qū)段62的啟動(dòng)電機(jī)80。圖2還示出一條內(nèi)部管道或者工具內(nèi)的一條軸向通道90的安排， 該管道或通道用于運(yùn)輸穿過(guò)整個(gè)井底組件40的泥漿流。該被包封的凹陷可以容納一個(gè)測(cè) 徑探頭76并且也可以被用于容納其他類(lèi)型的傳感器，如震動(dòng)傳感器，以檢測(cè)鉆井時(shí)的阻塞 或滑脫狀況。該工具可以被配置在三種模塊中，這些模塊通過(guò)螺紋連接65和82進(jìn)行整合。工具 52的所有部分的主體是一個(gè)圓柱形的高等級(jí)鋼殼體，該殼體被適配為通過(guò)內(nèi)部螺紋形成井 底組件40的一部分，以確保鉆井液90的流過(guò)。該連接可以是直接的或者間接的取決于每 個(gè)井底組件以及每口井對(duì)不同鉆井部件的需要。在通向井底組件的前導(dǎo)井下末端處，可以 有一個(gè)鉆頭或一個(gè)穩(wěn)定器，并且在這一點(diǎn)與該工具之間可以有一個(gè)井筒方向控制系統(tǒng)。這些穩(wěn)定區(qū)段63被建造為與這些切割器區(qū)段62完全相同，除了在切割器元件的位置有一個(gè) 表面，該表面是高度堅(jiān)硬的并且是抗磨損的。可擴(kuò)展的穩(wěn)定器區(qū)段的高度堅(jiān)硬的表面的作用是穩(wěn)定鉆柱并且消除一些與在擴(kuò) 孔器上方當(dāng)在所述區(qū)域中的直徑小于該擴(kuò)孔器的直徑時(shí)的失去定向控制相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。類(lèi) 似地，它可以用于擴(kuò)張或擴(kuò)大金屬管的直徑，這是通過(guò)在鉆井的凹陷中使后者變形。在這種 情況下，該工具主體協(xié)助鉆井管的直徑擴(kuò)張或擴(kuò)大的操作、并且該主體通過(guò)存在于所述主 體中的螺紋連接到鉆頭組件上。穩(wěn)定器模塊可以被直接或間接地連接到擴(kuò)孔器上并且配備有線(xiàn)纜以便將來(lái)自處 理器(68)的數(shù)據(jù)送到轉(zhuǎn)發(fā)器(7 通過(guò)泥漿脈沖器(56)到地表。圖3示出該鉆頭的井上方的正視圖，其中展示了這些可擴(kuò)展的切割器元件60處于 啟動(dòng)方式，即切割器區(qū)段62向外擴(kuò)展出該工具主體并且支撐在被擴(kuò)孔的井筒壁22上，該井 筒壁出自于已經(jīng)被擴(kuò)孔的井筒20。圖3示出鉆頭齒的安排，其中有十個(gè)彎曲的切割器的排 44，它們各自帶有多個(gè)切割齒。一個(gè)中央鉆井液出口 46指示出鉆井液在何處穿過(guò)工具主體 52中的內(nèi)部通道90。示出了鉆頭的井底組件的旋轉(zhuǎn)方向124，其中有十個(gè)彎曲的切割器排 44，它們各自帶有多個(gè)切割齒。圖4展示與圖3相同的正視圖，其中這些可擴(kuò)展的切割器元件60處于非啟動(dòng)的狀 態(tài)，即切割器區(qū)段62被收縮到工具主體的內(nèi)室之中，沒(méi)有超過(guò)未被擴(kuò)孔的井筒直徑20。每個(gè)區(qū)段配備有磁性線(xiàn)或磁性條，它們?cè)试S傳感器檢測(cè)這些區(qū)段的真實(shí)位置。當(dāng) 該區(qū)段被完全展開(kāi)并且該磁性線(xiàn)與傳感器對(duì)齊時(shí)，磁信號(hào)是最強(qiáng)的。以此方式，可以看出該 區(qū)段實(shí)際上是否已被擴(kuò)展，并且確定其擴(kuò)展長(zhǎng)度和位置。將來(lái)自擴(kuò)孔后井筒直徑的測(cè)量探頭的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，并且該數(shù)據(jù)可以通過(guò)對(duì)照擴(kuò) 展區(qū)塊的位置來(lái)檢驗(yàn)井筒直徑來(lái)核查是否所希望的直徑實(shí)際上已經(jīng)達(dá)到。當(dāng)處理器檢測(cè)到 這兩個(gè)測(cè)量值之間的一個(gè)差值時(shí)，控制邏輯程序自動(dòng)地對(duì)錯(cuò)誤來(lái)源進(jìn)行故障檢測(cè)。如以上指出，本發(fā)明提供了一種實(shí)時(shí)鉆井操作和控制的方法，該方法使用一種可 擴(kuò)展的工具來(lái)克服任何限制將井筒擴(kuò)孔到所希望的尺寸，這是通過(guò)將可擴(kuò)展的切割器區(qū)段 擴(kuò)展到大于該限制的直徑，通過(guò)將該工具旋轉(zhuǎn)并且將其軸向地沿井筒移動(dòng)，使得能夠通過(guò) 用于測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的探頭同時(shí)測(cè)量該井孔直徑，并且使用連接到一個(gè)控制區(qū)域的 微處理器響應(yīng)于來(lái)自測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的探頭所接收的數(shù)據(jù)以及來(lái)自側(cè)向的切割器 區(qū)段的數(shù)據(jù)而行動(dòng)，其目的在于控制所述區(qū)段的必需的擴(kuò)張以及實(shí)現(xiàn)所希望的井筒直徑， 本方法消除了錯(cuò)誤或失敗的原因并且通過(guò)不要求將鉆柱取出也不要求引入獨(dú)立的測(cè)徑探 頭而將鉆井時(shí)間最小化。該工具具有多個(gè)已知為“廢料流動(dòng)區(qū)域”的縱向開(kāi)放通道150，如圖5所示，其中鉆 井液自由地穿過(guò)，從而結(jié)合定位在兩個(gè)固定點(diǎn)的至少一個(gè)發(fā)射器210以及一個(gè)傳感器或接 收器160，優(yōu)選的是將它們嵌入這些通道中并連接到彼此上、彼此對(duì)面并且通過(guò)一個(gè)加強(qiáng)元 件200連接到一個(gè)微處理器上以便允許在鉆井操作過(guò)程中當(dāng)流體穿過(guò)這些通道時(shí)或者在 非鉆井操作過(guò)程中當(dāng)流體保留在這些通道中時(shí)測(cè)量流體的多種特性，如密度的變化。該處 理器使用這些聲學(xué)測(cè)量值來(lái)檢測(cè)鉆井液密度的變化。圖6和圖7展示了該擴(kuò)孔工具如何能夠利用將來(lái)自測(cè)量擴(kuò)孔后井孔直徑的探頭中 獲得的數(shù)據(jù)用于通訊的裝置，以及在該工具與一個(gè)表面接口之間的控制信號(hào)，該表面接口除其他功能之外在擴(kuò)孔操作過(guò)程中可以控制鉆井前進(jìn)和軌跡。如在圖6和圖7中所示，井口地表結(jié)構(gòu)10包括一個(gè)控制和通信系統(tǒng)12，該系統(tǒng)具 有一個(gè)帶有井下儀器的遙測(cè)技術(shù)的接口，該接口包括一個(gè)數(shù)據(jù)處理器或數(shù)據(jù)登錄器14以 及一個(gè)控制器15，該控制器對(duì)來(lái)自泥漿脈沖器的二進(jìn)制編碼進(jìn)行解碼并且可以被直接地連 接到用戶(hù)的鉆井終端16上。這些被解碼的數(shù)據(jù)可以再由衛(wèi)星17被進(jìn)一步傳輸?shù)骄谥?的一個(gè)遠(yuǎn)程操作中心18，在該中心鉆井軟件的另一個(gè)用戶(hù)通過(guò)一個(gè)電訊鏈路19可以訪(fǎng)問(wèn) 這些數(shù)據(jù)和控制。圖8示出一個(gè)邏輯圖，帶有一種控制算法，它能以任何數(shù)量的方式進(jìn)行配置以便 優(yōu)化性能。一個(gè)示例性配置首先包括一個(gè)電路，以便交叉核對(duì)所記錄的區(qū)段位置數(shù)據(jù)。如果 該區(qū)段通過(guò)該控制系統(tǒng)擴(kuò)已經(jīng)被展開(kāi)，然而來(lái)自用于測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的探頭的數(shù)據(jù) 顯示實(shí)際的井筒直徑低于計(jì)劃的直徑，那么處理器68啟動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)器72，該轉(zhuǎn)發(fā)器通過(guò)泥漿脈 沖器56以及對(duì)應(yīng)的解碼器16與控制區(qū)域15進(jìn)行通信，以便提醒在裝備16上或者在一個(gè) 遠(yuǎn)程中心18處(在這種情況下通訊是通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸17和19完成的)的用戶(hù)，以便檢 查鉆井的運(yùn)行參數(shù)、并用所希望的直徑來(lái)驗(yàn)證實(shí)際的被擴(kuò)孔的井筒直徑。
權(quán)利要求
1.一種井筒擴(kuò)孔工具(50)，尤其是如用于石油和天然氣鉆探中，該工具被安排為附連 到一個(gè)旋轉(zhuǎn)式鉆頭上以及相關(guān)聯(lián)的鉆桿上，其特征為該工具包括(i)至少一個(gè)徑向地可擴(kuò)展的切割器區(qū)段(62)，該區(qū)段結(jié)合了一個(gè)傳感器以測(cè)量所述 切割器區(qū)段的相對(duì)位置；至少一個(gè)測(cè)量探頭(76或64至66)以確定該井筒的直徑；以及至 少一個(gè)徑向地可擴(kuò)展的穩(wěn)定器區(qū)段(6 ；所有這些都通過(guò)多個(gè)微處理器(68)互相連接并 且都連接到一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器m上、并且被整合在該工具的主體之中；( ) 一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)來(lái)自該用于測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的探頭的以及來(lái)自 該測(cè)量該可擴(kuò)展的切割器區(qū)段的相對(duì)位置的傳感器的這些同時(shí)的測(cè)量值進(jìn)行比較和關(guān)聯(lián) 而對(duì)該所希望的井筒直徑0 進(jìn)行驗(yàn)證和控制；(iii)至少一個(gè)測(cè)量傳感器，該傳感器通過(guò)其微處理器對(duì)流體的多種特性O(shè)lO至160) 進(jìn)行測(cè)量、并且該傳感器被連接到整合于該工具的主體之中的該轉(zhuǎn)發(fā)器(7 上。
2.如權(quán)利要求1所述的工具，其中基于多個(gè)微處理器(68)的控制裝置被適配為在鉆井 操作過(guò)程中對(duì)同時(shí)來(lái)自該用于測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的探頭(76或64至66)的以及來(lái)自 該可擴(kuò)展的切割器區(qū)段的這些傳感器的信息進(jìn)行接收，以響應(yīng)于所獲得數(shù)據(jù)對(duì)所述區(qū)段的 擴(kuò)展進(jìn)行控制，以便實(shí)時(shí)地檢測(cè)和改正任何故障從而實(shí)現(xiàn)所希望的井筒直徑。
3.如上述權(quán)利要求所述的工具，該工具配備至少一個(gè)測(cè)量傳感器，該測(cè)量傳感器具有 一個(gè)發(fā)射器(160)以及一個(gè)接收器010)，該發(fā)射器和接收器是位于兩個(gè)固定點(diǎn)處、彼此 面對(duì)并且通過(guò)一個(gè)加強(qiáng)元件相連接、優(yōu)選被嵌入該工具的主體中的多個(gè)開(kāi)放的縱向通道 (150)之中，該鉆井液在這些通道中自由地循環(huán)流動(dòng)。所述傳感器具有一個(gè)微處理器，以便 在鉆井操作過(guò)程中當(dāng)該流體通過(guò)這些通道時(shí)或者在非鉆井操作過(guò)程中當(dāng)該流體保留在這 些通道中時(shí)，允許測(cè)量流體的多種特性，例如密度的變化。
4.如以上權(quán)利要求所述的工具，該工具包括擴(kuò)展元件(60和61)的多于一個(gè)系統(tǒng)，這些 系統(tǒng)被整合在多個(gè)獨(dú)立的模塊之中，這些模塊彼此被螺紋連接，其目的在于一個(gè)模塊包括 多個(gè)切割器區(qū)段，這些切割器區(qū)段使它們的擴(kuò)展與實(shí)際的被擴(kuò)孔的井筒直徑相適配；而另 一個(gè)模塊包括這些穩(wěn)定器區(qū)段，這些穩(wěn)定器區(qū)段在擴(kuò)張過(guò)程中使該工具保持在該井筒的這 些壁上。
5.如以上權(quán)利要求所述的工具，其中被放置在該工具的主體中的一個(gè)開(kāi)放的腔室之中 的該切割器區(qū)段包括多個(gè)被安排在外部的高強(qiáng)度的切割元件以及一個(gè)內(nèi)部通道，該內(nèi)部通 道是從該鉆井液源連接到一個(gè)與這些切割元件鄰近或者沿這些切割元件放置的外部噴嘴 上。
6.如以上權(quán)利要求所述的工具，進(jìn)一步包括一個(gè)遙測(cè)裝置，用于傳送對(duì)來(lái)自用于測(cè)量 被擴(kuò)孔的井筒直徑的探頭的數(shù)據(jù)、這些側(cè)向可擴(kuò)展的區(qū)段的位置以及在該工具與一個(gè)提供 于該外地表處的控制區(qū)域(1 之間的其他控制信號(hào)與一臺(tái)計(jì)算機(jī)或一個(gè)接口裝置(16或 18)，以便允許操作員實(shí)時(shí)地優(yōu)化鉆井性能。
7.一種實(shí)時(shí)鉆井操作和控制的方法，其特征在于，該方法使用一種可擴(kuò)展的工具以便 將井筒擴(kuò)孔到所希望的尺度，以便克服任何限制，這是通過(guò)將這個(gè)或這些可擴(kuò)展的切割器 區(qū)段擴(kuò)展到大于該限制的一個(gè)直徑上、將該工具旋轉(zhuǎn)并且將其軸向地沿該井筒移動(dòng)，使得 能夠通過(guò)用于測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的探頭來(lái)同時(shí)測(cè)量該井筒直徑，使用連接到一個(gè)控制 區(qū)域上的多個(gè)微處理器對(duì)自測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的測(cè)徑器接收的數(shù)據(jù)以及該側(cè)向切割器區(qū)段的位置探頭的數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)，其目的在于控制所述區(qū)段的必需的擴(kuò)展以及實(shí)現(xiàn)所希 望的井筒直徑，本方法消除了錯(cuò)誤或故障的原因并且通過(guò)不要求將鉆柱取出也不要求引入 一個(gè)獨(dú)立的測(cè)徑探頭而將鉆井時(shí)間最小化。
8.如權(quán)利要求7所述的一種操作和控制井筒擴(kuò)孔工具的方法，該方法將來(lái)自這些可擴(kuò) 展的切割器區(qū)段的相對(duì)位置的、來(lái)自用于測(cè)量被擴(kuò)孔的井筒直徑的測(cè)徑器的以及來(lái)自鉆井 液的多種特性的接收的數(shù)據(jù)連接到一個(gè)地表控制區(qū)域上，使其有可能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)更 遠(yuǎn)的位置，該方法控制這些可擴(kuò)展區(qū)段的定位參數(shù)并且控制該井筒擴(kuò)孔操作的適配性。
全文摘要
被稱(chēng)為“智能絞刀”的這種工具是用于完成井(特別是石油或天然氣井)的實(shí)時(shí)拓寬，同時(shí)連接在所述工具上的多個(gè)測(cè)量探頭同時(shí)地記錄與鉆井操作的幾何學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)(井直徑，被拓寬的區(qū)域的直徑，切割、拓寬和穩(wěn)定區(qū)段的相對(duì)位置)以及與鉆井液的特性相關(guān)的數(shù)據(jù)，其目的在于監(jiān)測(cè)井拓寬操作而不停止鉆井或?qū)⑦@些鉆桿取出。
文檔編號(hào)E21B17/10GK102137981SQ200980132478
公開(kāi)日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2009年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者瓦伊德·拉希德 申請(qǐng)人:瓦伊德·拉希德