用于地震测井工具的改进的锚臂的制作方法

专利名称：用于地震测井工具的改进的锚臂的制作方法
用于地震测井工具的改进的锚臂
背景技术：
地震飞梭(shuttle)测井工具用于从井眼(borehole)进行垂直地震剖面 (VSP， vertical seismic profile)观测，以评估周围的地下地层，这是众所周知 的。附图的图1中示出多飞才复地震测量组(multi-shuttle seismic array )的一 个示例。如图1所示，多飞梭地震测量组100可以包括用缆线连接在一起 的若干个地震测井工具，当在地面产生地震信号时，它们通过井眼进行测 井。在图1的示例中，测井缆线102(其长度范围为4 46 km)与可以包括电 气控制释放装置(ECRD， electrically controlled release device)和通用地震成像 器(VSI)筒106的测井头102连接。该多飞梭地震测量组还可包括VSI互连 缆线108和可起地震接收器作用的多个地震测井飞梭112。在每一个测量水 平，每一个飞梭利用锚臂(anchoring arm )在测量作业过程中固定在井眼的 壁上。 一般，VSP测量技术要求在井眼的不同水平或深度上进行多次测量。 因此，必需松开工具锚定机构，以便重新放置工具。在工具重新放置在下 一测量水平上后，在进行新的测量前，要重新接合工具锚定机构。
图2示出传统锚定才几构200的详图。该才几构包括容纳在飞梭主体210 内的永磁体(或电磁铁)制动器212、电机214和减速器装置216。减速器216 的输出驱动通过接头218和轴承220 ^皮连接至滚珠丝杠222。滚珠丝杠222 驱动螺母224。滚珠丝杠222的端部伸入推杆226的中空端部中，并且螺母 224的端部通过下面要更详细说明的离合器机构228与推杆226的外表面接 合。推杆226的端部与连杆230连接，通过连杆驱动飞4炎(部分地用227表 示)的锚臂。
推杆226的内端形成基部232,它配合到螺母224内。基部232具有位 于螺母224外部的伸出部分，以提供与电位计(或线性可变差动变压器 "LVDT" )234的连接。该电位计可作为推杆226的位置传感器，因此可用 于在使用锚臂的井眼中进行测径(caliper measurement )。压缩弹簧226位于 飞梭内的电机/滚珠丝杠机构周围，并作用在基部232上，以常态地向外推 压推杆226,从而推压锚臂。被弹簧236向下推压的推杆226的伸出部分受
到丝杠222上的螺母224的位置限制，从而操作电机214使螺母224运动 时，会使得推杆226在弹簧236的作用下向外移动或受到螺母224的作用 而被拉入。
推杆226在弹簧236作用下的伸出情况受到接触井壁的臂的限制，或 者受到达到设置在主体中的挡块238的基部232的限制(完全伸出)。 一旦臂 接触到井壁，螺母224在推杆226上运动，以驱动离合器228，使丝杠222 和螺母224直接驱动推杆226,并迫使它压在井壁上，以固定飞梭。为了松 开该臂，电机反转，并且丝杠222使螺母224缩回，松开离合器228。然后， 该壁仅在弹簧236作用下保持在井壁上，当飞梭在井中被拉至不同位置时， 臂可以移进或移出。不需要使该臂完全缩回。如果希望使该臂完全缩回， 则可继续电机的反向驱动，并且沿着丝杠222使螺母224缩回，直至螺母 与推杆226的基部232接触为止。螺母克服弹簧236的作用将推杆拉回， 从而使推杆226以及锚臂缩回。当该臂完全缩回时，电机停止转动，这可 以被检测以确定臂的完全缩回/闭合的位置。还可利用电位计234的输出来 检测处于完全缩回位置的臂。在例如授予Nakajima的美国专利6315075号 中给出了图2所示的传统锚定机构的详细说明，这里通过引用将其全部内 容结合与此用于各种目的。
最近，井下地震测量组的大小增加至多于40个飞梭(成本超过1000,000 美元)。因此，对在井眼中丢失贵重器材(例如，多飞梭地震测量组)的担心 增长。更重要的是，如果地震测量组的回收工作(又称为"结束工作")失败， 则潜在的重要油井的损失和钻探时间成本可能是更大的担心。
例如，在不希望的情况下，由于未能縮回地震测量飞梭锚臂，多飞梭 地震测量组可能卡住在井眼中。为了处理这种情况， 一般在锚臂连接件
(linkage)中设置机械薄弱部，该薄弱部被设计成在一定牵拉力下断裂。 锚臂连接件的断裂使该臂可以移动几英寸，以便松开飞梭。然而，在下套 管井的情况下，缺少摩擦力造成不能有足够的力被传递到锚臂薄弱部上， 所以强制松开的这个最终结果可能不能成功实现。
因此，总是需要改进多飞梭地震测量组的设计，以改善地震测井能力， 性能和可靠性。

发明内容
本发明的多个方面针对用于包括工具主体的井下地震探测工具(borehole seismic acquisition tool)的锚臂。所述锚臂包括适于与井壁表面 接触的第一端。所述第一端包括限定出一槽的末端部分。锚臂还包括插入 所述槽中并经由穿过凸轮中的 一孔插入的第 一连接销可拆卸地固定到第一 端上的活动凸轮。根据至少一个实现方式，该凸轮至少部分地可围绕第一 连接销转动。在一个实施例中，凸轮设计成围绕所述第一连接销基本上作 椭圓运动旋转。这样，所述凸轮的半径随着凸轮围绕所述第一连接销旋转 而增大。另外，根据至少一个实施例，当凸轮与井壁的表面接触时，凸轮 在井壁表面上的旋转可使锚臂的第一端发生远离井壁表面的位移，从而使 一力施加在锚臂的第 一端上。本发明的另 一个实施例涉及井下地震探测工具。所述工具包括具有至 少一个传感器组件(package)的工具主体、锚臂、和使所述锚臂与所述工 具主体连接的锚臂连接件。所述锚臂连接件包括薄弱机构，该薄弱机构适 于响应于施加在薄弱机构上的最小阈值大小的断裂力而断裂。所述锚臂包 括第一端和第二端。所述第二端枢转附接至所述锚臂连接件，而所述第一 端则适于与井壁的表面接触。根据至少一种实现方式，所述锚臂的第一端 包括限定出一槽的末端部分。所述锚臂还包括插入所述槽中并经由穿过凸 轮中的 一孔插入的第 一连接销可拆卸地固定到第 一端上的活动凸轮。根据 至少一种实现方式，所述凸轮至少部分地可围绕着所述第一连接销转动。 在一个实施例中，所述凸轮设计成基本上以椭圓运动围绕所述第一连接销 旋转。这样，所述凸轮的半径随着凸轮围绕第一连接销转动而增大。另外， 根据至少一个实施例，当凸轮与井壁的表面接触时，所述凸轮在井壁表面 上的旋转造成所述锚臂的第一端发生远离移井壁表面的位移，从而使一力 施加在所述薄弱机构上。在至少一个实施例中，施加在所述薄弱机构上的 力可以至少等于所述最小阈值量的断裂力。本发明的一个不同的方面涉及使井下地震探测工具从井眼内的卡住位 置松开的方法。所述井下地震探测工具包括具有至少一个传感器组件的工 具主体。所述井下地震探测工具还包括锚臂和使所述锚臂与所述工具主体 连接的锚臂连接件。所述锚臂连接件包括薄弱机构，该薄弱机构响应于施 加在薄弱机构上的最小的阈值量的断裂力而断裂。所述锚臂包括第一端和第二端。所述锚臂的第二端枢转连接至所述锚臂连接件。所述锚臂的第一
端包括限定出一槽的末端部分。锚臂还包括插入所述槽中并经由穿过凸轮 中的一孔插入的第 一连接销可拆卸地固定到第 一端上的活动凸轮。根据至 少一种实现方式，所述凸轮至少部分地可围绕所述第一连接销转动。所述 凸轮的露出部分与井壁的表面接合。当检测到锚臂缩回故障时，作为响应， 可使所述凸轮在井壁表面上转动。所述凸轮在井壁表面上的转动造成一力 施加在所述薄弱机构上，从而造成薄弱机构断裂。薄弱机构的断裂可使所 述井下地震探测工具从卡住位置松开。根据一个具体实施例，所述凸轮在 井壁表面上的转动可由施加在井下地震探测工具的顶部的牵拉力造成。本发明的其它目的、特点和优点从以下结合附图对优选实施例的说明 中将可了解。


图1示出多飞炎地震测量组100的一个示例； 图2示出传统锚定机构200的详图；图3示出可用于实现本发明的各个方面的VSI飞梭300的一部分；图4A C示出在VSI飞梭中实现锚臂薄弱机构的一种方法；图5A F示出根据本发明的一个具体实施例的改良的锚臂的不同的视图；图6A示出图4B的锚臂连接薄弱机构的透视图；图6B C示出本发明的锚臂连接薄弱机构的不同实施例的透视图；具体实施方式
本发明给出了可以用于改进多飞梭地震测量组设计以改善地震测井能 力、性能和可靠性的不同技术。本发明的一个方面涉及用于诸如VSI飞梭 一类的地震测井工具的改进的锚臂。图3示出可用于实现本发明的各个方面的VSI飞梭300的一部分。在 图3的示例中，示出VSI飞梭部分300利用锚臂330锚定在井眼的壁部分 (318a, 318b)上。根据至少一个实施例，VSI飞梭部分300的设计可以与图 2的VSI飞梭200相同，在图3的实施例中，飞梭部分300的锚定机构包括 齿轮驱动电机304、滚珠丝杠306、滚珠螺母308、推杆313、锚臂连接件314、枢转的锚臂320，支脚(standoff)部分316等。应该理解，以下情况是可能发生的，即，由于飞梭固定系统的故障， 多飞梭地震测量组的一个或多个VSI飞梭卡住在井眼中。在锚臂不能正确 地闭合的情况下，可从地面施加牵拉力，试图使锚臂薄弱机构断裂。在图3 的实施例中，锚臂薄弱机构包括在锚臂连接件314中。在图4A、 C中，更 详细地i兌明该连接件。图4A C示出在VSI飞梭中实现锚臂薄弱机构的一种方法。如图4A所 示，力F,作用在推杆404上，使锚臂420与井壁部分402接合。锚臂连接 件406包括一个薄弱机构，该机构设计成当足够大的力F2作用在与井壁接 触的锚臂的端部(420a)上时断裂。图4B示出图4A所示的连接件部分400 的详图。如图4B所示，连杆406的一端通过连接销408a与推杆404连接， 连杆406的另 一端通过连接销408b与锚臂420连接。薄弱部设置在连杆主 体中，位于连接销408b处或其附近，形成被空洞或孔409包围的连杆材料 突出部(peninsula) 411。图6A中更详细地示出了锚臂连接件的薄弱部。图6A示出图4B所示的锚臂连接件薄弱机构的透视图。如图6A所示， 锚臂连接件薄弱机构600包括连杆主体部分612和至少一个连接销604。为 了简单的目的，没有示出锚臂连接件的其他零件。通过除去位置605a和605b 处的材料，在连杆主体部分中形成薄弱部。结果，在连接销孔603附近， 连杆主体材料的结构整体性被削弱，使得在施加足够大的力时，这个区域 产生断裂。因此，返回图4B可看出，当足够大的力F2施加在锚臂420上时，在 连接销408b和连杆主体部分411上施加力F4。当力F4足够大时(例如，大 约2000 kgf拉伸力)，连杆主体的薄弱部分411断裂，如图4C所示。如图 4C所示，连杆主体的区域411的断裂使得锚臂(它与连接销408b连接)的端 部部分420b能够在空腔部分409内自由运动。当锚臂端部420b在箭头B 所示的方向运动时，另一个锚臂端部420a在箭头A所示的方向运动。这样， 薄弱机构的断裂使锚臂可以额外移动几英寸。锚臂420的这个额外的移动 范围可帮助VSI飞梭从井眼内的卡住位置松开。参见图3可看出，力向锚臂连接件薄弱部的传递可取决于各种因素， 包括在锚臂末端320a和井壁之间的接触处产生的摩擦力(例如F,)。这种摩 擦力形成围绕锚臂枢轴311的转矩(M,)和在锚臂连接件薄弱机构上的反作 用力(Fw)。虽然这个标准在棵井(open-hole)条件下较容易满足，但在套筒 (casing)内部可能存在低摩擦状态，使得当牵拉时，锚臂会滑动。例如， 套筒内部的壁表面可以为光滑的，甚至被钻削流体均勻润滑，造成锚臂滑 动而不能形成足够大的力使薄弱部断裂。在这种情况下，如果在设计上没 有考虑到促进形成形成摩擦力和使力有效地传递至薄弱部，则锚臂薄弱部 可能不会断裂。根据至少一种实现方式，可以采用一种特殊的臂末端设计 机构，以帮助聚集摩擦力，以及使薄弱部机械上容易断裂。这点例如在图 5A D中示出。图5A F示出根据本发明的一个具体实施例的改良的锚臂。图5A示出根据本发明的具体实施例的改良的锚臂500的分解图。锚臂 500包4舌具有两个端部501a和501b的主体部分501 。 一个端部501bi殳计成 与例如VSI飞梭一类的地震测井工具的锚臂连接件(没有示出)连接。锚臂的 另一端部501a设计与井壁接触，井壁可以具有套筒，也可以没有套筒。如 图5A所示，锚臂的端部部分501a包括一个接收可动凸轮510的槽511。根 据一个实施方式，通过将凸轮510插入槽511中，并利用锁定销504固定， 可以使凸轮510可活动地连接至锚臂501,其中所述利用锁定销504固定可 以通过使孔502c和510a对准并将锁定销504插入孔中来实现。在图5A的实施例中，凸轮510设计成基本上作椭圆转动。根据至少一 个实施例，改良的锚臂500可以设计成在正常的地震测井工作过程中，可 防止凸轮510转动，除非牵拉力(例如来自地面)形成足够大的初始切向力， 使凸轮开始向外旋转。这样，当向外旋转时，凸轮机构可以增大在井壁(可 以或不可以包括内壳体)上的摩擦力。另外，由于产生一个逆着锚定力作用 的增大了的向内的力，凸轮的旋转还可增大井壁上的抓紧，从而可保证凸 轮机构无滑动地进一步向外转动。凸轮510的转动还直接增加锚臂连接件 薄弱部上的机械应力，这是因为随着凸轮继续椭圆转动，锚臂离开井壁的 位移增加。最后，锚臂的位移足以引起锚臂连接件薄弱部的断裂。图5B F示出根据本发明的一个具体实施例的改良的锚臂500的端部部 分501a的不同的透视图。如图5B所示，凸轮510利用锁定销504可移动 地固定在槽511内。根据至少一个实施例，凸轮510可以在槽511内围绕锁 定销504的轴线转动。如下面更详细地说明的那样，在凸轮510和井壁之 间的接触点上产生摩擦力的情况下，凸轮510可以旋转，以使锚臂连接件
的薄弱部断裂。根据至少一种实现方式，本发明的改良的锚臂可以包括如图5B和5C 所示的凸轮保护器机构。如图5B和5C的实施例所示，凸轮保护器机构包 括通过连接销(例如507c， 507d)可枢转地与锚臂501连接的凸4仑保护器507a 和507b。根据一种特定的实现方式，保护器507a, 507b可保护凸轮510, 以便在正常的地震测井工作过程中，减少凸轮表面的磨损。在图5B和5C 的示例中，在凸轮510的每一侧上设置单独的凸轮保护器。然而，在另一 些实施例中(没有示出)，可以使用一个凸轮保护器。如图5B和5C的实施例所示，为了控制凸轮保护器507a， 507b的运动， 该改良的锚臂还可包括用于在凸轮保护器507a, 507b上产生弹簧力的板簧 508a， 508b。为了示出板簧508a, 508b和凸4仑保护器507a， 507b的详细结 构，图5B和5C所示的板簧508a, 508b一皮夸大了。如图5D所示，在优选 的实现方式中，508a, 508b可与凸轮盖507a, 507b保持接触。根据一个具体实施例，每一个板簧508a, 508b可在相应的凸轮盖507a， 507b上施加弹簧力。在一个实施方式中，板簧508a， 508b的弹簧力比锚臂 的打开力大，但比驱动力或锚定力(例如将VSI飞梭固定在井壁上需要的力) 小。根据具体实施方式
，改良的锚臂部件设计成在向上拉的作业(例如当多 飞梭组在井眼内重新定位时)过程中，凸轮保护器可以与井壁接触。在这种 情况下，凸轮保护器防止凸轮与井壁接触或接合。然而，当将锚定力施加 在改良的锚臂上时(例如，当该改良的锚臂接合使VSI飞梭锚定在井壁上 时)，锚定力克服板簧508a, 508b的弹簧力，使凸轮保护器507a, 507b向 着板簧508a, 508b运动。凸轮保护器的运动使凸轮510露出，并与井壁接 触。根据具体实施方式
，凸轮保护器的表面用硬质材料，例如碳化鴒，涂 覆。涂层优选选择为还可以与井壁之间产生相当大的摩擦。适当的示例包 括飞溅有尺寸较大的颗粒的碳化鴒。与粒度50的砂纸(50 grit sandpaper) 上的颗粒相当的颗粒尺寸被发现适用于一些应用，然而在一些情况下，可 以使用更小的颗粒尺寸，例如粒度80的砂纸上的颗粒。根据至少一个实施例，最好将凸轮510设计成利用施加在VSI飞梭上 的牵拉力(例如来自地面)在井壁上滚动。另外，凸轮表面和井壁表面之间的 摩擦使凸轮转动。施加在凸轮上的旋转力至少部分地取决于凸轮材料和井壁表面材料之间的磨擦系数。在至少一个实施方式中，可以使用暂时制动机构，以防止在正常地震 测井工作过程中凸轮5 10转动。例如，如图5D F的实施例所示，可以利用弹簧506、钩子505和连接销509防止凸轮510转动，除非在凸轮510上施 加所希望的阈值大小的力并足以使凸轮510改变转矩(Ms)的方向。这样，例 如，如图5E所示，弹簧506的弹簧力(Fs)和枢轴销504, 509和512的相对 布置使得在凸轮510上施加反时针方向的转矩(Ms)。该转矩使凸轮510处在 其"正常"位置(例如，在正常工作过程中)。根据具体实施例，当给定大小的力作用在凸轮510上时(例如，当向上 的牵拉力作用在井眼中的锚定的飞梭上时)，凸轮510开始在顺时针方向转 动，改变枢轴销504， 509和512的相对布置。当凸轮的转动超过"死点" (即，使得所有的枢轴销504， 509和512基本上在一直线上对准的点)时， 由弹簧力(Fs)产生的转矩(Ms)改变方向，从而如图5F所示，使凸轮510转 动至其"完全伸出"位置。可以看到，转矩方向的这种改变便于凸轮的进 一步旋转运动，并可帮助防止凸轮510在井壁表面上滑动。根据具体实施方式
，凸轮510可以基本上按椭圆方式旋转，使得随着 其转动其半径增加。在至少一种实现方式中，可以限制凸4仑510的允许旋 转量，以便防止凸轮在使其半径减小的方向上过度旋转。当凸轮510开始 从其正常或静止位置(例如，如图5E所示)开始转动(例如，在顺时针方向) 时，锚臂501从井壁移动一个距离AD。随着凸轮从其正常位置(例如图5E) 转动至其完全伸出位置(例如图5F), AD的值可以增加。可以看到，使锚臂 薄弱机构断裂所必需的阈值断裂力取决于驱动力(锚定力)和由凸轮旋转引 起的锚臂AD运动产生的作用于锚臂上的力。因此，考虑对阈值的断裂力有 贡献的所有不同的力，在至少一个实施例中，锚臂薄弱机构可构造或设计 成在凸轮达到完全伸出前断裂。在使用连接销作为锚臂薄弱机构的具体实 施例中(如图6B和6C所示)，使连接销断裂所需的阚值断裂力可以与其剪 切强度有关。图5D为示出根据本发明的具体实施例，改良的锚臂的端部部分501a 如何与井壁接合的侧视图。在其完全伸出的位置(例如，如图5D所示)，凸 轮510的边缘部分510a与井壁表面560接合。可以看到，图5D的实施例 代表凸轮510转动至最大伸出位置的极端情况。然而，根据至少一个实施
例，锚臂的薄弱机构可以形成或设计成在凸轮510开始旋转后但在凸轮510达到其最大伸出位置前的某个中间点破坏或断裂。根据不同的实施例，不同尺寸的凸4仑的AD值的范围可以为3 30mm(例如，从凸4仑的正常^f立置测 量至其完全伸出位置)。在一些实现方式中，发现8 13mm的AD范围是合 适的，而在至少一个应用中，AD范围为llmm的凸轮是合适的。应当指出， 与传统锚臂设计比较，由凸轮510的旋转产生的作用在锚臂501上的附加 力是将平衡力(leverage )加在锚臂连接件薄弱部上的机械上更有效的方法。根据各种因素，例如井眼直径、锚臂长度、锚臂设计、锚臂强度、凸 轮硬度、凸轮表面、井壁的摩擦力特性，可以在本发明的改良的锚臂技术 中使用凸轮设计的不同实现方式。例如，图5D所示，凸轮510的设计是非 对称的，并可包括平的边缘和/或弯曲边缘的组合。凸轮的其它设计考虑涉及作为其旋转角度的函数的凸轮半径增大率。 在图7中示出这个概念。如图7所示，随着凸轮围绕点O转动，凸轮部分 700的半径(r)可作为旋转角度((x)的函数而变化。根据一种实现方式，凸轮可 设计成符合以下的标准O:凸轮的中心，C,:开始圆弧的中心，C2:结束圓弧的中心，aD =工D,的角度， n =一 D2的角度， 19;r对于工〈a <4 20 r(a) = llexp(0.2(a-》，xDi =lle02(。'"/4)cos(aDi) yfl = 1 led' sm(aD )A.jc0， =ll/2(。0「" os( )、二ll，-,sin(S)。根据具体实施例，线QDt和C2D2与凸轮轮廓垂直。在这个实施例中可以如下计算它们的倾斜度 0.2 cos a — sin a;<formula>formula see original document page 14</formula> 如图7所示，经过D!和D2并具有上述倾斜度的线分别在d和C2与X-轴相交。结果得到= _少d, /附几=—3.889087 ， xc2 = x/)2 一 7d2 /柳o2 = —9,648644 另外，还得到 R产IC,D,卜14.022304 R2=|C2D2|=7.696361 《=arcsinO" /《)=0.588003弧度， 6>2 = arcsin(yD2 /^2) = 0.354475 瓜度。另夕卜，根据具体实施例，可得到在开始和结束圆弧上的点的坐标如下开始圆弧上的点(0<&<x =《cos《+ x(、 = 14.022304 cos & — 3.889087 ;y 二i )sin《=14,022304sin《。在结束圆弧(0<6,92)上的点x = -/ 2 cos《'+ & = -7.696361 cos《-9.648644 ;;/ = & sin《=7.696361 sin《。包括下列标准的一个或多个*改良的锚臂设计可构造或设计成与传统地震测井工具兼容， *改良的锚臂设计可构造或设计成与传统地震测井方法兼容， *改良的锚臂设计可构造或设计成与传统地震测量工具救援方法兼谷，*改良的锚臂设计可构造或设计成容易与传统地震测井工具连接， 改良的锚臂设计可构造或设计成为通常地震测井工作产生适当的 锚定力，*改良的锚臂设计可构造或设计成最小化使锚臂连接件薄弱部断裂 所需的时间，*改良的锚臂设计可构造或设计成不影响地震测井工具的声学特性， *改良的锚臂设计可构造或设计成不明显影响地震测井工具的直径 和/或重量， 改良的锚臂设计可构造或设计成帮助保护凸轮不受外界环境因素 的影响。另外，例如为了延长凸轮的工作寿命，在凸轮设计中可以包括其他"i殳 计特点。这种设计特点可以包括，例如，使用较硬的材料制成凸轮，以防止过早磨损；利用形成紋理改良凸轮表面，以便改善与井壁的摩擦接触；改良凸轮表面的形状(例如，使用凸出形状或凹入形状)，以改善和/或保持 与井壁的摩擦接触等。应该理解，在本发明另一些实施例中(没有示出)，可以改良传统VSI 飞梭的锚臂，使之包括这里所述的凸轮机构。本领域的普通技术人员一般 都知道这种改良。锚臂薄弱部连杆的其他实施例应该理解，可使用在本发明的VSI飞梭中的锚臂连接件薄弱机构具有 各种不同的实现方式。例如，图6B中示出锚臂连接件薄弱机构的一个可选 的实施例。图6B示出根据本发明的一个具体实施例的锚臂连接件薄弱机构的一 个可选的实施例的透视图。如图6B所示，锚臂连接件650包括连接件主体 部分662和至少一个连接销654。为了简单起见，没有示出锚臂连接件的其 他零件。在图6B的实施例中，锚臂连接件的薄弱机构包括在用于将锚臂(没 有示出)固定在锚臂连接件上的连接销654中(而不是图6A所示的连接件主 体)。更具体地说，根据一种实现方式，薄弱部659包括在连接销654中， 以允许当指定大小的力加在连接销上时，连接销断裂(在薄弱部659处)。根 据不同的实施例，可以通过在薄弱部659处使用较易损的材料，通过去除 薄弱部659处的连接销材料和/或通过其他结构削弱方法实现薄弱部659。 根据一个特定的实现方式，可以设计改良的连接销654,使得当连接销通过 孔653插入(如图6B中的假想线所示)时，薄弱部659的位置位于连接件的 内空腔663内。这样，在图6B的实现方式中，距离D3(它表示薄弱部659 相对于连接销的端部的位置)优选比距离D,大(它表示连接件主体部分的厚度)。另外，根据一个具体实施例，距离D2(它代表两个薄弱部之间的距离) 优选比与锚臂连接件连接的锚臂端部的宽度大。图6C示出根据本发明的一个具体实施例，本发明的薄弱机构如何与锚 臂501 —起使用的透浮见图。如图6C所示，锚臂可以包括两个枢轴点676和 678。根据一个具体实施例，在野外展开地震测井工具的过程
销674将枢轴点676与连杆650连接。使用连接销671,将另一个枢轴点 658与工具的主体或壳体(没有示出)连接。根据不同的实现方式，包括本发 明的薄弱机构(如图6B所示)的改良的连接销可以用于连接销671,以及/或 者可以用于连接销674，以及/或者可以用于连接销673。如图6C所示，因 为连接销671比连接销673和674较容易使用以及/或者在断裂时更换，因 此，包括本发明的薄弱机构的改良的连接销只用于连接销671(不用于连接 销673和674)。可以看到，图6B和6C的锚臂连接件薄弱机构的实现方式相比例如图 6A所示的其他锚臂连接杆薄弱机构设计具有若干优点。例如，包括本发明 的薄弱机构的本发明的改良的连接销设计较简单，因此制造成本较低。另 外，更换本发明的薄弱机构(例如具有形成一体的薄弱部的改良的连接销 654)比更换图6A的薄弱机构(即锚臂连杆主体612)花费少。另外，更换断 裂的连接销比更换锚臂连接件可以更快地进行。根据不同的实施例，锚臂连接件薄弱机构的特性可以随着井眼直径改 变。例如，设计锚臂连接件薄弱机构的特性时，可以考虑在较小直径的井 眼中更难使锚臂连接件薄弱部断裂。另外，如前所述，锚臂连接件薄弱机 构的特性还可取决于在锚臂末端和井壁之间的接触处产生的摩擦力大小。 锚臂连接件薄弱机构的特性还可取决于多飞梭地震测量组的其它配件的特 性。例如，根据至少一种实现方式，断裂锚臂连接件薄弱机构需要的力优 选不超过VSI互连缆线断裂所需要的力。工业上的应用性本发明适用于测井工具领域，特别是地震测量用的多飞梭测井工具领 域，其中所述工具可用于评估井眼周围的地层以便钻取烃或地热能量。虽然，已参照附图详细地说明了本发明的几个优选实施例，但本发明 不是局限在这些实施例。在不偏离所附权利要求书确定的本发明的精神的 范围的条件下，本领域的技术人员可作各种改变和改进。
权利要求
1. 一种用于井下地震探测工具的锚臂，所述井下地震探测工具包括工具主体，所述锚臂包括适于与井壁表面接触的第一端，所述第一端包括限定出一槽的末端部分；插入所述槽中的活动凸轮，所述凸轮包括第一孔； 其中，所述凸轮经由可穿过所述第一孔插入的第一连接销，可拆卸地 固定在所述第一端上；并且所述凸轮至少部分地可围绕所述第 一连接销转动。
2. 如权利要求l所述的锚臂，其中，所述第一端适于露出所述凸轮的 表面以与所述井壁表面接触。
3. 如权利要求l所述的锚臂，其中， 所述第一端适于使所述凸轮接合在所述井壁表面的一部分上； 所述第一端还允许所述凸轮基本上以椭圓运动围绕所述第一连接销转动；并且所述凸轮在所述井壁表面上的转动造成一第一力施加在所述第一端上。
4. 如权利要求3所述的锚臂，其中，所述第一力的方向基本上与所述 井壁表面垂直。
5. 如权利要求l所述的锚臂，其中，所述第一端适于使所述凸轮接合在所述井壁表面的一部分上； 所述第一端还允许所述凸轮基本上以椭圆运动围绕所述第一连接销转 动；并且所述凸轮在所述井壁表面上的转动造成所述第一端发生在离开所述井 壁表面的方向上的位移。
6. 如权利要求1所述的锚臂，其中，所述凸轮的半径随着凸轮围绕所 述第一连接销转动而增大。
7. 如权利要求l所述的锚臂，其中，还包括暂时制动机构，该暂时制 动机构构造或设计成防止所述凸轮转动，除非在所述凸轮上施加指定阈值 大小的力。
8.如权利要求l所述的锚臂，其中，所述凸轮的半径R随着凸轮围绕 所述第一连接销转动而增大；并且 才艮据K") = llexp(0.2(a —〖))所述凸轮的半径R可以表示为凸轮旋转角度a的大小的函数。
9. 如权利要求1所述的锚臂，其中，所述凸轮具有非对称形状。
10. 如权利要求1所述的锚臂，其中，还包括适于防止所述凸轮转动大 于所希望的量的永久制动机构。
11. 如权利要求IO所述的锚臂，其中，所述所希望的量大约为90°。
12. —种井下地震探测工具，包括.-具有至少一个传感器组件的工具主体； 锚臂；和适于将所述锚臂与所述工具主体连接的锚臂连接件； 所述锚臂包括第一端和第二端，所述第二端枢转附接至所述锚臂连接 件，所述第一端适于与井壁表面接触；所述第一端包括限定出一槽的末端部分；所述锚臂还包括插入所述槽中的活动凸轮，所述凸轮包括第一孔； 其中，所述凸轮经由可穿过所述第一孔插入的第一连接销，可拆卸地 固定在所述第一端上；其中，所述凸轮至少部分地可围绕所述第一连接销转动。
13. 如权利要求12所述的井下地震探测工具，其中，所述锚臂连接件 包括薄弱机构，其适于响应于施加在所述薄弱机构上的最小阚值大小的断 裂力而断裂。
14. 如权利要求13所述的井下地震探测工具，其中，所述锚臂的第 一 端适于使所述凸轮接合在所述井壁表面的 一部分上； 所述第 一端还允许所述凸轮基本上以椭圆运动围绕所述第 一连接销转 动；并且所述凸轮在所述井壁表面上的转动造成一第一力施加在所述薄弱机构上。
15. 如权利要求14所述的井下地震探测工具，其中，所述第一力至少 与所述最小阈值大小的断裂力相等。
16. 如权利要求13所述的井下地震探测工具，其中， 所述第一端适于使所述凸轮接合在所述井壁表面的一部分上； 所述第一端还允许所述凸轮基本上以椭圆运动围绕所述第一连接销转动；并且所述凸轮在所述井壁表面上的转动造成所述第一端发生远离所述井壁 表面的位移。
17. 如权利要求16所述的井下地震探测工具，其中， 所述锚臂的第一端的位移造成一第一力施加在所述薄弱机构上；并且 所述第一力至少与所述最小阈值大小的断裂力相等。
18. 如权利要求12所述的井下地震探测工具，其中，所述凸轮的半径 随着凸轮围绕所述第 一 连接销转动而增大。
19. 如权利要求13所述的井下地震探测工具，其中，所述薄弱机构位 于所述第一连接销处。
20. —种使井下地震探测工具从井眼内的卡住位置松开的方法，所述井 下地震探测工具包括具有至少一个传感器组件的工具主体，所述井下地震 探测工具还包括锚臂，所述井下地震探测工具还包括适于将所述锚臂与所 述工具主体连接的锚臂连接件，所述锚臂连接件包括薄弱机构，该薄弱机 构适于响应于施加在薄弱机构上的最小阈值大小的断裂力而断裂，所述锚 臂包括第一端和第二端，该第二端枢转连接至所述锚臂连接件，该第一端 包括限定出一槽的末端部分，所述锚臂还包括插入所述槽中的活动凸轮， 所述凸轮包括第一孔，所述凸轮经由可穿过所述第一孔插入的第一连接销 可拆卸地固定在所述第一端上，所述凸轮至少部分地可围绕所述第一连接 销转动，其中，所述凸轮的露出部分与井壁的表面接合；所述方法包括检测锚臂缩回故障；响应于检测到所述锚臂缩回故障，使所述凸轮在所述井壁表面上转动； 其中，所述凸轮在井壁表面上的转动造成一第一力施加在所述薄弱机 构上；以及使所述薄弱机构断裂；其中，所述薄弱机构的断裂至少部分是由于所述凸轮在井壁表面上的 转动造成的。
21. 如权利要求20所述的方法，其中，所述薄弱机构的断裂导致所述 井下地震探测工具从卡住位置松开。
22. 如权利要求20所述的方法，其中，还包括在所述井下地震探测工 具的顶部施加一牵拉力，其中，所述牵拉力使所述凸轮在井壁表面上转动。
23. 如权利要求22所述的方法，其中，所述凸轮的转动是由所述牵拉 力和所述凸轮与井壁表面之间的摩擦的综合作用造成的。
24. 如权利要求20所述的方法，其中，还包括使所述凸轮基本上以椭 圆运动围绕所述第 一连接销转动。
25. 如权利要求20所述的方法，其中，所述凸轮在井壁表面上的转动 造成所述锚臂的第一端发生远离井壁表面的位移，从而造成一第一力施加 在所述薄弱机构上。
26. 如权利要求20所述的方法，其中，所述薄弱机构设置在所述第一 连接销上，所述方法还包括响应于所述凸轮在井壁表面上的转动使所述连 接销断裂。
全文摘要
本发明公开了一种使井下地震探测工具从井眼内的卡住位置松开的方法。井下地震探测工具包括具有至少一个传感器组件的工具主体。该井下地震探测工具还包括锚臂和使该锚臂与工具主体连接的锚臂连接件。该锚臂连接件包括薄弱机构，该薄弱机构响应于施加在薄弱机构上的最小阈值大小的断裂力而断裂。薄弱机构的断裂造成井下地震探测工具从卡住位置松开。根据一个具体实施例，凸轮在井壁表面上的转动可以由施加在井下地震探测工具的顶部的牵拉力造成。
文档编号G01V1/52GK101124383SQ200580047384
公开日2008年2月13日 申请日期2005年12月14日 优先权日2004年12月20日
发明者威廉·昂德希尔, 科林·威尔逊, 金山和正 申请人:普拉德研究及发展公司