专利名称：用于在钻头与钻进组件之间进行实时通讯的设备和方法
技术领域：
本发明总体上涉及钻头，其包括传感器，所述传感器用于提供连接到所述钻头的钻进组件中的元件的各种测量值，并且提供与连接到所述钻头的钻进组件中的元件的测量和/或处理数据的通讯。
背景技术：
油井(井孔)通常是利用钻柱钻出的，所述钻柱包括管状构件，所述管状构件具有钻进组件(也称作井底钻具组合或者“BHA”)，所述钻进组件带有连接到其底端的钻头。使所述钻头转动以使地层碎裂来钻出所述井孔。所述BHA包括用于提供关于与钻进操作、BHA的行为和正被钻探的井孔周围的地层(地层参数)相关的多种参数的信息的装置和传感器。多种传感器，比如压力传感器、倾角计、敏感伽玛射线传感器等等，嵌入在钻头中用于提供关于各种钻进和地层参数的信息。来自于钻头传感器的数据通常存储在钻头中的存储器装置中，在将钻头从井孔移出之后找回该数据用于进一步处理和使用。在钻进井孔的同时将钻头传感器数据和/或处理过的数据从钻头中的电路传输到BHA和/或地表——即实时地——是理想的，因为钻头一般没有足够的空间用于容纳处理大量数据的电子电路。BHA通常包括可以处理大量传感器数据的处理器，因此在BHA中处理钻头数据是经济的。还有，钻头承受比BHA的某些部件更大的振动和推力，更希望将这些处理器定位在此处。本发明提供了一种用于在钻头与连接到钻头的另一个装置(比如BHA)之间进行实时的数据和电力通讯的设备和方法。
发明内容
根据一个实施方式做出的设备包括钻头，所述钻头具有在其端部上的腔体和布置在所述腔体中的通讯装置，其中所述通讯装置包括第一部分和第二部分，其中第二部分的外部尺寸大于第一部分的外部尺寸，其中所述第二部分包括构造成允许自钻头引出的传导体延伸到钻头外部位置的通道，以便于提供自所述钻头引出的传导体与钻头外部元件的直接连接。这里所披露的该设备的某些特征的示例是相当概略性的，以便于可以更好地理解接下来的详细描述。当然，存在下文披露的该设备和方法的附加特征，它们将构成所附权利要求的主题。
为了详细地理解本发明，应该结合附图参照如下的详细描述，在这些附图中相似的兀件一般用相似的附图标记表不，其中图1是钻进系统的示意图，该钻进系统包括其上连接有钻头的BHA以及在钻头与BHA之间的通讯设备；图2是示例性钻头的轴测图，其示出了传感器在钻头中的布置以及连接到钻头颈部的相应的通讯连接件(communication links)；图3是图2的钻头的柄部的轴测线条简图，其示出了用于处理钻头传感器信号的电子电路在柄部的颈部中的布置；图4是通讯连接件的轴测图，其构造成容纳电子电路并且提供用于在所述钻头与所述BHA之间的直接数据和电力连接的通路；图5是示出了根据本发明的一个实施方式的布置在钻头与连接到钻头的另一个工具(比如BHA)之间的图4的通讯连接件的线条简图；以及图6示出了一种可自动缩回的装置，其可以用在通讯装置中用于连接钻头与另一个装置(比如BHA)之间的传导体。
具体实施例方式本发明涉及钻头在使用中时钻头与连接到钻头的装置或工具之间的实时通讯。本发明可以有不同形式的各种实施方式。这些图示出以及文字内容描述了本发明的特殊实施方式，其中应该理解的是所披露的内容被认为是这里所披露的原理的示例，其不旨在将本发明限制到这里所图示和描述的内容中。图1是示例性钻进系统100的示意图，其可以使用这里披露的用于在钻进井孔中使用的钻头和数据通讯装置。图1示出了井孔110，该井孔包括其中安装有套管112的上部111和利用钻柱118正在钻进的下部114。所述钻柱118包括在其底端携带钻进组件130(也称做底部钻具组合或“BHA”)的管状构件116。所述管状构件116可以通过将钻杆节段连接起来而形成或者其可以是连续油管。钻头150连接到BHA130的底端，以用于使岩石地层碎裂以在地层119中钻出具有选定直径的井孔110。没有示出的装置包括诸如推进器、稳定器、定心器之类的装置以及诸如用于使钻进组件以所需的方向转向的转向单元之类的装置。术语“井孔”和“井眼”这里用作同义词。图中示出了将钻柱118从地表167处的钻塔180输送到井孔110中。图1中示出的示例性钻塔180为了便于解释是陆上钻塔。这里所披露的该装置和方法还可以与用于钻进海上井孔的钻塔一起使用。在地表处的连接到钻柱118的转盘169或顶部驱动器(未示出)可以用于使钻柱118转动，从而使钻进组件130和钻头150转动来钻出井孔110。还可以设置钻进电机155 (也称作“井下动力钻具”)来使钻头转动。BHA130中的控制单元(或控制器)170可以构造成接收并处理来自于钻头150中的传感器160和钻进组件130中的传感器175的数据，并且控制钻进组件130中各种装置和传感器的选定操作。所述控制器170可以包括处理器172(比如微处理器)、数据存储装置174和由所述处理器170使用来处理来自于传感器160和175的数据的程序176。另外，可以是基于计算机系统的控制器190可以布置在地表167处，以用于接收和处理由钻头中的传感器和钻进组件130中的传感器175传输的数据并且用于控制钻进组件130中的各种装置和传感器的选定操作。在一个实施方式中，地表控制器190可以包括处理器192、用于存储数据的数据存储装置(或计算机可读介质)194以及计算机程序196。所述数据存储装置174和194可以是任何合适的装置，包括但不局限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、磁带、硬盘和光盘。为了钻出井孔，在压力下将钻进流体从源179泵送到管状构件116中。BHA中的遥测单元188 在BHA与地表控制器190之间提供双向通讯。在钻进期间，钻进流体在钻头150的底部处排出并且经由钻柱118与井孔110内壁之间的环形空间(也称作“环空”)返回到地表。
仍然参见图1，钻头——比如钻头150——通常包括在其顶端处的螺纹销连接部， 其连接到BHA130的底部处的箱形端部。所述箱形端部包括与钻头销连接部上的螺纹互补的内螺纹。使箱形端部与销端部配合提供了 BHA与钻头150之间的固定连接。这种连接不利于提供自钻头150到BHA130的传导体的直接路径。因此，在钻头150与BHA130中的数据总线之间没有提供电学通讯，或者在一些情况下，在箱形端部处和销连接部的颈部处使用电连接环，当箱形端部与销端部配合时该连接环彼此接触，从而在钻头150与BHA130之间提供电学路径。在图1中示出的结构中，经由通讯连接件154提供了钻头150与BHA130 之间的直接数据和电力连接。参照图4-6描述示例性通讯连接件154的细节。
图2示出了示例性钻头150的透视图。为了解释这里描述的概念的目的，所示出的该钻头150是roc (聚晶金刚石复合片)钻头。但是，对于本发明的目的，可以使用任何其他类型的钻头。所示出的钻头150包括钻头本体212，钻头本体212包括头端部212a和柄部212b。所述头端部212a包括多个刮刀轮廓部(或者轮廓件)214a，214b，...214η。沿着每个轮廓部布置有多个切削装置。例如，所示出的轮廓部214η含有切削装置216a-216m。 所示出的所有轮廓部在钻头150的底部215处终止。每个切削装置具有切削表面或者切削元件，比如切削装置216a的元件216a’——其在钻进井孔期间、钻头150转动时接合岩石地层。钻头150包括具有外螺纹212d的颈部或销连接部212c。BHA经由箱形部分连接到销部212c，所述箱形部分具有与螺纹212d —致的内螺纹。布置在钻头本体中的一个或多个传感器——比如传感器240a，240b，240c——产生测量信号，该信号可以由钻头150中的电路处理并且传输到BHA130或者如参照图3-6更详细描述的那样由直接通讯连接件154(图1)传输到BHA。
图3示出了图2中示出的钻头150的柄部212b和销部212c的透视效果立体图。 柄部212b包括贯通孔310，所述孔310用于将钻进流体313供应到钻头150的头端部212a (图2)。颈部212c的上端312包括凹入部分318，该凹入部分318用于在其中容纳通讯连接件154 (图1)和用于处理来自于钻头150中的各个传感器240a，240b，240c (统称为传感器240)的信号的电子器件250。颈部312上的螺纹319如上所述将钻头150连接到钻进组件130 (图1)。对传感器240供电以及来自于传感器240的测量信号可以经由布置在柄部212b中的所述孔332中的、在这些传感器240与凹入部分318的底部318a之间的传导体(电的、光纤等等)242在凹入部分318之间通讯。
图4是构造成在两个连接构 件(包括但不限于钻头150和BHA130 (图1)以及相邻的钻杆部分)提供直接通讯连接件的示例性通讯装置或通讯连接件400的透视图。所示出的通讯连接件400配置为双线轴(double spool)，其包括下部402和上部404。在一个方面中，下部和上部402，404可以彼此呈镜像，如图4中所示。所示出的下部402包括下凹槽或者第一凹入部412a、中间凹槽或第二凹入部412b和上凹槽或第三凹入部412c。类似地， 所述上部404包括下凹入部414a、中间凹入部414b和上凹入部414c。在示出的实施方式中，中间凹入部412b和414b彼此抵靠并且可以制成具有相同或不同的尺寸。在一个方面 中，中间凹入部412b的外部尺寸或外径422b大于下凹入部412a的外径422a，同时中间凹 入部414b的外径424b大于下凹入部414a的外径424a。在一个实施方式中，中间凹入部 412b和414b构造成包含电路和处理器，所述处理器构造成处理由钻头150(图2和3)中的 传感器240产生的信号。凹入部412a，412c，414a和414c构造成包含单独的密封件，比如 O形环，其构造成在一端处流体密封通讯连接件400使其与第一构件(比如钻头150)隔开， 且在第二端部处流体密封流体密封通讯连接件400使其与连接构件(比如BHA130的端部处 (图O的箱形端部)隔开。一个或多个孔——比如孔420——可以从中间凹入部412b的凸 缘表面434b (在图中看不到)到中间凹入部414b的凸缘表面444b地形成。所述孔420具 有适合于使传导体(比如电导体和光纤)经其穿过的尺寸。在一个结构中，孔420的位置在 直径422a和424a外侧，以便于传导体可以直接从下凹入部412a下方延伸到孔420，然后从 所述孔420延伸到下凹槽414a上方的位置,正如参照图5更详细描述的。在一个实施方式 中，下部402的底面435具有防止转动的特征，这将在工具560的箱形端部562螺纹连接到 销部502上时防止通讯连接件400转动。示例性的防止转动的特征可以是底面435的交替 的多个表面高度(比如横跨直径424a的表面所示出的)和/或底面435的非圆形(例如椭圆 形、六角形、矩形)几何形状。在该示例中，具有防止转动的特征的线轴部402首先连接到钻 头，然后所述工具的箱形端部连接到钻头的销，同时与所述线轴连接或配合。
图5示出了组件500，其中钻头510的销部502连接到工具560的箱形端部562， 通讯连接件400的一部分402布置在钻头510的销部502内，另一部分404布置在所述工 具560的箱形端部562内，以在钻头510与工具560之间提供直接的通讯连接。布置在相邻 的构件之间、被构造成在相邻的构件之间提供直接通讯连接的、包括但不限于装置400的 通讯连接件或装置可以称作“通讯接头(communication sub)”或者“接头”。所述相邻的构 件可以是任何合适的构件，包括但不限于两个管状构件，比如钻杆部分、钻头和BHA、BHA和 管、以及两个井下工具。
在图5中示出的结构中，示出了销部502包括凹槽512，所述凹槽512具有下部或 者较小的凹槽512a (其具有直径dl)和上部或者较大的凹槽512b (其具有直径d2)。箱形 端部562包括与销部502相同的凹槽结构。如图所示，箱形端部562包括凹槽572，所述凹槽 572具有下部或较小的凹槽572a (其具有直径dl)和上部或者较大的凹槽572b (其具有直 径d2)。为了形成所述组件500，将密封构件514a布置在凹槽412a中，将密封构件514c布 置在通讯连接件400的凹槽412c中。然后将通讯连接件400的下部402布置在凹槽512a 内部以便于密封件514a抵靠着凹槽512a的壁516a密封凹槽412a，密封件514c抵靠着凹 槽512b的壁516b密封凹槽412c。这确保了通讯接头400的下部402在销连接部中气密地 紧固。
仍然参见图5，在将通讯连接件400布置在销部502中之前，传导体522 (电线、光 纤等等)经由钻头510中的管道或腔体524从钻头510中的传感器520延伸到销部中的腔 体512中。可以使用连接器526来将传导体522连接到布置在通讯连接件400的下部402 的中间凹槽412b中或周围的电路530。传导体528从电路530穿过通讯连接件400中的孔 420延伸，以便于传导体528如下面所述地能够用于连接到凹入部414b和/或BHA130中的 电路540。一旦传导体522穿过所述孔420延伸，通讯连接件400的下部402可以布置在腔体512中。然后将传导体528连接到电路540。传导体541然后从所述电路穿过箱形部 562中的孔或管道568延伸到BHA。替代性地或者附加地，传导体522从钻头510可以经由 孔420和孔568延伸至Ij BHA130。这种结构提供了传导体522，528和541从钻头510到BHA 的直接连接。传导体522，528和541根据情况可以将大量数据传输到BHA中的合适电路和 处理器。此外，传导体可以从BHA130延伸到电路530，540和传感器520以提供电力并且提 供与这些元件的双向通讯。钻头510与BHA130之间的直接通讯消除了对于钻头中的电池 的需要以及专用电子电路的使用——包括微处理器，因为这些元件可以布置在具有更大可 用空间、并且相比于钻头更不易于振动的BHA部分中。一旦所有的传导体已经根据需要布 设好，则将工具560的箱形端部562螺纹连接到销部502上。密封件572a和572c分别提 供箱形端部562与下凹槽414a和上凹槽414c之间的气密的连接。
图6示出了示例性可自动收回装置600，其可以用于将来自通讯连接件400的传导 体541连接到延伸至BHA130的传导体。在一个方面中，该可自动收回装置600包括连接到 传导体541的连接器602。连接到包括收回装置608的存储线轴606的传导体604缠绕在 凹入部414b周围，使得当箱形端部562螺纹连接到销部502上时，传导体604将缩回到线 轴606中。连接至BHA130以及从BHA130引出的传导体连接到连接器620。
为了说明和解释的目的前面的描述涉及特殊实施方式。但是，对于本领域技术人 员显而易见的是在不脱离这里所披露的概念和实施方式的范围和精髓的前提下可以对上 面阐述的实施方式作出多个修改和变化。如下的权利要求旨在解释成包括所有的这些修改 和变化。
权利要求
1.一种用在井孔中的设备，包括 钻头; 连接到所述钻头的工具，其中在所述钻头与所述工具之间形成腔体；以及 在所述腔体中的通讯装置，所述通讯装置包括贯穿的管道，所述管道能够实现所述钻头与所述工具之间的直接通讯。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述腔体包括在所述钻头中的第一腔体和在所述工具中的第二腔体。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述通讯装置包括布置在所述钻头中的所述第一腔体中的第一部分和布置在所述工具中的第二腔体中的第二部分。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第二部分的外部尺寸大于所述第一部分的外部尺寸，并且其中所述管道形成在所述第二部分中。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述第二部分构造成密封所述第一腔体和所述第二腔体。
6.根据权利要求3所述的设备，其中所述通讯装置还包括布置在所述工具中的所述第二腔体中的第三部分，其中所述第一部分、第二部分和第三部分形成双线轴，其构造成提供压力密封的第一腔体和压力密封的第二腔体。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括穿过所述管道布置在所述钻头与所述工具之间的通讯连接件。
8.根据权利要求7所述的设备，还包括在所述钻头中的传感器，当使用所述钻头钻进井孔时，所述传感器提供与所关注参数相关的信号。
9.根据权利要求3所述的设备，还包括在所述通讯装置的所述第一部分中的电路，所述电路构造成处理来自于所述钻头中的所述传感器的信号，并且其中所述通讯连接件连接到所述第一部分中的所述电路和所述第二部分中的电路。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一腔体在所述钻头的销部中，所述第二部分在所述工具的箱形部分中。
11.根据权利要求7所述的设备，还包括可收回装置，其连接到穿过所述管道的传导体，其中所述可收回装置构造成能够使所述工具可转动地连接到所述钻头。
12.—种执行井孔操作的方法，包括 将在上部处具有第一腔体的钻头连接到在下端处具有第二腔体的工具，以在所述钻头与所述工具之间形成公共腔体；以及 将通讯装置布置在所述公共腔体中，所述通讯装置包括管道，所述管道能够使传导体在所述钻头与所述工具之间延伸以在所述钻头与所述工具之间提供直接通讯。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述通讯装置包括布置在所述钻头中的所述第一腔体中的第一部分和布置在所述钻头中的所述第一腔体中和所述工具中的第二腔体中的第二部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二部分的外部尺寸大于所述第一部分的外部尺寸，并且其中所述管道形成在所述第二部分中。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述钻头中的所述第一腔体与所述通讯装置之间提供压力密封，以及在所述工具中的所述第二腔体与所述通讯装置之间提供压力密封。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述通讯装置还包括布置在所述工具中的所述第二腔体中的第三部分，并且其中所述第一部分、第二部分和第三部分形成双线轴，所述双线轴构造成在所述第一腔体与所述钻头之间提供压力密封，并且在所述通讯装置与所述工具之间提供压力密封。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括使通讯连接件穿过所述管道在所述钻头与所述工具之间延伸。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括在所述钻头中提供传感器，当使用所述钻头钻进井孔时所述传感器提供与所关注参数相关的信号。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括在所述第一部分中提供电路，所述电路构造成处理来自于所述钻头中的所述传感器的信号并将所述通讯连接件连接到所述第一部分中的所述电路和所述工具中的电路。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一腔体在所述钻头的销部中，所述第二部分在所述工具的箱形部分中。
21.根据权利要求12所述的方法，还包括将一装置连接到穿过所述管道的传导体，所述装置构造成能够通过使所述工具转动到所述钻头上而将所述工具连接到所述钻头上。
全文摘要
根据一个实施方式制造的装置，包括钻头，所述钻头具有在其端部处的腔体和布置在所述腔体中的通讯装置，其中所述通讯装置包括第一部分和第二部分，其中所述第二部分的外部尺寸大于所述第一部分的外部尺寸，其中所述第二部分包括管道，所述管道构造成提供传导体的从所述钻头到所述钻头外部的位置的通道以便于从所述钻头到所述钻头外部的元件提供直接的连接。
文档编号E21B17/02GK103069107SQ201180038707
公开日2013年4月24日 申请日期2011年8月8日 优先权日2010年8月6日
发明者T·T·郑, E·沙利文 申请人:贝克休斯公司