减小用于井底地层测试传感器的井眼间隙的系统和方法

专利名称：减小用于井底地层测试传感器的井眼间隙的系统和方法
技术领域：
本发明涉及在钻井的同时执行对地层的测量，尤其涉及减小用于井底 传感器的井眼间隙的系统和方法。
背景技术：
在钻探井眼的过程中执行随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)是 常见的。用于执行这种测量的传感器如果它们与感兴趣的地层紧密接触则 可使这种测量好得多。传感器与地层之间的空隙或间隙降低测量精度，且 需针对这些间隙误差对最终的测试数据进行修正。因此，希望将传感器放 置得使它们与地层基本接触。为了实现这种接触或近接触，传感器放置在 钻铤上，且在一些情况下，放置在钻铤的外侧。传统上，用于LWD和NWD 中的深探视传感器安装在钻铤上。在这种方法中，传感器从井眼壁移位(通 常为几英寸)。在许多情况下，工具的探测深度大(在英尺的水平上)，从 而井眼与地层之间的间隙的影响可被忽略或被校正。
然而，较浅的探视装置可能受井眼信号(由间隙引起的误差信号)的 影响很大，使得在极端情况下，地层信号由井眼信号淹没且使得无用。测 量技术例如浅电阻率、密度、中子属于该范畴。为了避免井眼信号问题， 趋向于将一些传感器放置在钻井组件的与地层非常接近的部分上。
美国专利6173793公开了一种用于解决空隙问题的非转动套筒 (non-rotating sleeve)。该专利6173793提出了使用顶部装设传感器的非转 动套筒的思想。传感器可安装在固定或可伸展的垫的表面上，这有助于使 传感器与井眼壁接触，以消除或至少降低井眼信号。存在多种设计，以适 应各种地层评价传感器，例如密度、核磁共振(NMR)、电阻率、声学的 或电磁的传感器。
美国专利6564883讲述了传感器与地层接近的放置。该专利6564883 利用用作实现定向钻井的一种方法的非转动套筒。关于专利6173793，传感
器放置在垫上，所述垫安装在伸展的肋上，所述伸展的肋又加装到非转动 套筒上。伸展的垫使用液压马达或电机致动。 一旦被致动，垫与井眼的表 面接触，使得传感器可大致执行与井眼无关的测量。
美国专利6660321涉及一种用于在利用油基泥浆钻探的井中成像的电 阻率装置。专利6660321涉及一种从非转动套筒延伸的垫或臂。专利 6660321还描述了使用稳定器作为传感器的设置部位的可能性。
公布的专利申请US2005/0001624描述了一种保持传感器的结构，所述 结构从钻柱突出，使得传感器较接近井眼壁。稳定器被建议作为一个定位 传感器的部位。描述的装置用于井眼壁的电阻率成像。
公布的专利申请US2005/0006090公开了使可伸展的稳定器，并使传感 器位于可伸展的稳定器的端面上。稳定器从钻柱伸展以与井眼壁接触。可 伸展的稳定器有助于使传感器较接近井眼壁，降低了井眼信号。申请 US2005/0006090用于井眼壁的电成像。
所有上述装置依赖于非转动套筒，且受至少三方面限制。首先，非转 动套筒降低了测量数目。在套筒完全静止的情况下，传感器的测量仅限于 井眼壁的圆周上的一个点，从而产生有限的方位角覆盖。即使套筒慢慢转 动，但在较高的穿过速率下，传感器可能对沿着井眼壁的螺旋路径进行采 样，最终的测量将不能全覆盖。
其次，非转动套筒未用在所有定向钻井方法中，且不可能出现在使用 转动套筒的采用可选的定向钻井技术的钻柱中。在这种钻柱中的转向使用 接触地层的铰接垫，且这种接触改变钻头的方向。不同于非转动套筒方法， 铰接垫与整个钻柱以相同的转动速度转动。至少一种现有工具使用三个这 样的垫，该垫可以以钻柱转动速率的三倍启动/停用。
第三方面的限制是，当工具转动时，现有技术结构极易破坏。井眼的 固有的凸凹不平和钻铤的运动将使得垫在井眼的壁上拖拉，使得在垫上施 加了无法忍受的载荷。
专利申请2005/0056421展现出使用一个或多个活塞来携带一个或多个
传感器，其中，每个活塞可伸展，以使传感器和活塞端面接触地层。在这 种方法中，活塞与井眼压力保持压力平衡，使得传感器或活塞端面以最小 的施加力和与壁的摩擦接触井眼壁。该结构在没有产生过大的传感器或活
塞磨损的情况下实现了小的空隙目标。
美国专利5242020给出了一种钻柱，该钻柱具有可展开低靠着地层的 切向可伸展臂。传感器安装在臂内。该结构用于将要在钻井过程中间歇而 非连续使用的情形。尽管描述使用了 "再钻井"，但该术语意味着在实际钻 出井眼后再第二次通过。臂和传感器在随后的通过过程中不会像在实际钻 井或铰出井眼时的情况那样扩大孔。因此，臂和传感器不会遭受在真正钻 井时或铰孔情况下所遇到的极大载荷。

发明内容
公开了一种用于井底测量的系统和方法，所述系统和方法与钻柱一起 使用，用于减小相对于由钻柱所携带的传感器的井眼间隙。在一个实施例 中，传感器安装在定向钻井铰接垫的表面上，所述表面与井眼壁接触。铰 接垫被挤压在井眼壁上而使得与壁接触，从而使传感器相对于壁以最小的 间隙保持。在另一实施例中，铰接垫未用于定向钻井。因此，垫以最小的 必需的力向外伸到壁。这种结构使得传感器很少或没有磨损。铰接垫的致 动例如可通过柱的环形部中的泥浆流或通过用户提供的指令启动。传感器 可包括电阻率、密度、中子、电磁、声学、地震和NMR测量传感器。


为了更完全地理解本发明，下面结合附图进行描述，附图包括
图1是示出了钻井设备的一个实施例的图，本发明的系统和方法可用
于该钻井设备；
图2是剖视图，示出了图1的设备的井底组件的部分；
图3示出了定向钻井组件的三个为一组的垫的一个实施例向下看时的
剖视图，所述定向钻井组件具有安装在垫上的传感器；
图4示出了铰接垫的一个实施例，其具有分布在垫脊部上和不在垫脊
部上的传感器；
图5是三个为一组的垫的一个实施例向下看时的剖视图，在垫和钻铤 上均具有传感器；
图6示出了具有第二组垫的钻柱，传感器安装在第二组垫上；以及
图7示出了具有铰孔器的钻柱，所述铰孔器具有安装在其上的传感器。
具体实施例方式
图1图解性地示出了一种典型的旋转钻井设备10，其中，可采用根据 本发明的系统和方法。在下面的描述中，术语"顺时针"是指向井底看时 的旋转方向。
众所周知，井底组件包括钻头14，且连接到钻柱11的下端，所述钻柱 11由钻井平台104上的转盘103从井面以转动方式驱动。转盘由以附图标 记105图解示出的驱动马达驱动，钻柱的上升和下降、及作用到钻头上的 钻压受以附图标记106图解表示的绞车的控制。
井底组件包括被调的偏移单元20和滚动稳定控制单元107，钻头14 连接到所述被调的偏移单元20，滚动稳定控制单元107根据提供给偏移单 元20的命令控制定向钻井偏移单元20的操作。定向钻井偏移单元20可被 控制成沿期望方向向钻头14施加侧向偏移，以控制钻探方向。将要讨论的 是，钻探方向由施加在井眼的侧壁34上的受控压力控制，所述受控压力是 通过被从钻柱向外推动的铰接垫40施加的。
参看图2，定向钻井偏移单元20包括细长主体结构，在所述细长主体 结构的上端设有螺纹销200，所述螺纹销200用于将该单元连接到钻铤，所 述钻铤包括滚动稳定控制单元107 (图1)，且连接到钻柱的下端。主体结 构的下端13形成有凹座，以接收钻头14的螺纹销。
绕着定向钻井偏移单元20的周边在钻井偏移单元的下端设有三个等间 隔的液压致动器240。每个液压致动器240在可转动片状阀205的控制下通 过相应的通道206被供给加压的钻井流体，所述可转动片状阀205设置在 偏移单元20的主体结构的通道206中。以众所周知的方式向下加压传送通 过钻柱内部的钻井流体传递到偏移单元20的上部分中的中心通道204、通 过过滤器且通过入口 203，以便以合适的压力传送到通道206。
片状阀205由轴向轴201控制。轴向轴201通过连接件202连接到控 制单元107的输出轴，所述控制单元107在该实施例中是滚动稳定的(即 空间上不转动)。控制单元107当滚动稳定时使轴201在转动方位上保持大 致固定，所述转动方位根据钻头要被转向的方向选择。当偏移单元20绕着
固定轴201转动时，片状阀205操作，以使钻井流体在加压下相继地传送 到三个液压致动器240。液压致动器240从而随着偏移单元20的转动被相 继地操纵(被向外朝向井眼侧壁驱动)，且分别是在相同的转动位置上被操 纵，以沿所选择的方向侧向移动偏移单元20。因此，轴201在空间中的选
定转动位置决定了偏移单元实际移动的方向，因此决定了钻头转向。
如果轴201未保持在大致固定的方位，则致动器240被依次操纵，但
不是都在相同的转动位置处被操纵。这样，不是沿着给定方向侧向推动偏
移单元20，而是偏移元件20被推动的方向连续改变，使得没有由偏移单元
20施加的净偏移。
上述普通类型的钻井系统较为详细地描述于EP0520733、 EP0677640、
EP0530045、 EP0728908和EP0728909中，它们的内容通过引用在此并入。
斯伦贝谢公司(Schlumberger)已成功地制造和使用这种钻井系统，作为商
业工具称作POWERDRIVE。
如上所述，对于偏移单元20所施加的给定偏移载荷，正形成的钻孔的
方向的变化速率受多种因素影响。影响称作造斜速率(build rate)的竖直
变化速率的因素与那些影响称作转向速率的水平方向变化速率的因素不总
是相同。
图3示出了当向下看侧壁34内的井眼时的钻铤35的剖视图。铰接接 触垫40绕着铰链33从钻铤35向外枢转。接触垫40大致与钻铤35相切地 向外转动。示出的钻铤35具有中心孔302。接触垫40的端面41、 42以曲 率随着远离铰链增大的方式弯曲。这种曲率使得垫端面在回弯之前在端面 43处具有隆起部。隆起部或脊部43 (图4中也示出)是与井眼侧壁34接 触最多的位置。垫40的曲率有利于垫沿着井眼的长度和圆周运动，且使垫 40可远离地层移回，以控制与地层的接触。
至少一个传感器31可设置在垫40的端面41 、 42、 43上的任何位置处， 且优选设置在传感器设置区域301内。设置区域被设计成使传感器31的外 端与端面41、 42、 43大致相平齐。如在此所述，传感器31可全是沿着端 面41、 42、 43定位。然而，如果希望与井眼壁形成最紧密的可能接触，传 感器31的最优设置位置是在脊部43处。本领域普通技术人员显见，设置 在脊部43上的传感器31将经受最厉害的摩擦，且由于与井眼壁34直接接
触而遭受最厉害的磨损和破损。显然，用于这种场合的传感器31应制得耐 用。然而，通过将传感器31 (或一些传感器31)稍微移离脊部，可降低磨 损，同时井眼间隙保持为例如0.5cm以下的最小距离，不管侧壁34的轮廓 如何。
如图4所示，可在每个接触垫上设置多个传感器31。这些传感器31 可以是相同类型或不同类型的。此外，传感器31在脊部上的分布数目和方 式取决于特殊的传感器设计和测量物理原理。而且，应注意，接触垫40的 数目也可变化。
图4示出了具有用于与井眼的侧壁34接触的脊部43的垫40的一个实 施例。垫40绕着钻铤35的枢轴点33枢转，且具有倾斜的端面41、 42。注 意， 一个以上的传感器31接近脊部43定位。这些传感器或它们中的一些 可定位在端面41或42上，或者定位在它们两个上，这取决于侧壁34和传 感器31必须定位得多近。
图5是具有三个垫为一组的一个实施例50在向下看时的剖视图，其中 垫40上具有传感器31、钻铤35上具有传感器51。在所示的实施例中，垫 40与图3中所示的相同。传感器51已被加装到钻铤35上，且这些传感器 需要时可定位在传感器区域501 。
测量原理、从而传感器类型包括但不限于地层电阻率、电阻率的各向 异性、NMR性能、密度、伽马射线发射和其他放射性能、动电性能、声学 性能、地震性质、介电性能、地层界面的倾角和位置、机械性能、流体类 型和组分、温度和压力。
对于一些传感器31，可容许与地层之间有相对较小的空隙。在这种情 况下，传感器31仍可设置在垫40的端面41、 42上，但远离脊部43。传感 器31也可凹设在脊部43的接触面之下(如图4所示)，以保护它们。当这 样做时，可稍微降低对传感器的耐用性的要求。
为了测量最多的物理性能，需要一个以上的传感器31。在这些情况下， 一个以上的传感器31可设置在垫的相同端面上，如图4所示，图中示出了 沿着脊部43和不在脊部43上的多个传感器31。可选地，如图6所示，传 感器31的子集可设置在垫40上，所述垫40相对于垫集合22和垫集合61 沿着钻柱轴向间隔开。
当多组铰接垫40沿着钻柱的纵向轴线设置时，垫40在纵向上彼此移 开一定距离。两组垫40可彼此对齐(同相)，使得它们的接触垫40排成一 行，或它们可相对彼此转动或交错(异相)。在这种情况下，传感器31可 分布在多个垫40的端面上，或者传感器31的分布可使得它们位于垫端面 和钻柱的其他部分的组合上。
如果具有一组以上的接触垫40，在绝大部分情况下，仅一组垫40可用 于改变钻探方向。第二 (或其他组垫)组垫仅用于施加传感器。对于第二 组垫，用于在垫上施加力的机构可被修改成合适地施加较小的力，以使传 感器31与井眼壁34紧密接触，但又不干涉钻探或转向操作。在本发明的 另一实施例中，可在两组(或所有组)垫上改变负责垫应用的施力机构。 在这种情况下，没有垫40用于定向钻井，相反，它们用于仅用于施加传感器o
将垫推靠在井眼壁34上的用于定向钻井的机构在图3中未示出，但是 在现有技术中是众所周知的。当垫40仅用于施加传感器的目的时，其他措 施例如电机、泥浆力或液压和/或弹簧致动机构可用于控制目的。优选的致 动机构通过来自使用者的选择性指令启动/停用。在这种结构中，传感器可 在钻探、起钻、滑动、停钻时用于测量。
注意，钻铤和垫可被构造成有多个传感器安装区域(301，图3)预定 位在其中。在安装到钻孔中时，可按所需地加上一个或多个传感器31。未 使用的安装区域可用帽盖住，或允许保持敞开，这取决于使用者意愿。可 选地，安装区域可密封地(由帽或以其他方式)抵达工作点、和仅为了安 装必需的传感器去除密封件。
除了使用用于装设传感器的铰接垫，也可使用铰孔器或可膨胀铰孔器 70来设置传感器(图7)。铰孔器70非常接近井眼壁34，且在其端面上的 传感器31不会遭受过大的空隙影响。铰孔器70可用于刮掉泥饼，在这种 情况下，传感器31可与地层非常近地接触。此外，由于泥饼的去除，可开 始新的浸渗过程，泥饼的去除使得流体流动测量传感器例如动电传感器具 有理想的条件。在钻井过程中，钻头始终与测量垫相距一些距离，使得在 传感器进行测量时， 一些浸渗已经发生， 一些泥饼已经形成。使传感器31 位于铰孔器70上使得在新的浸渗过程开始时可进行测量。这与使传感器位
于钻头14上的情况相似，但不是准确相同。具有传感器的铰接垫也可安装 在铰孔器的正好上方和邻近于(即非常接近)铰孔器。
本领域的普通技术人员理解，在位于铰孔器、垫或稳定器的表面上的 传感器31与通常放置在钻铤内的电路板之间具有金属丝和电连接元件。金 属丝的数目和与传感器31相连的模式取决于传感器设计。通过钻铤35的 壁的连接利用穿通组件实现。
尽管已经详细地描述了本发明及其优点，但应该理解，可在不脱离权 利要求书限定的本发明范围的情况下在此做出各种变化、替换和改变。而 且，本申请的范围并不局限于说明书中所述的过程、机器、制造、物体组 分、装置、方法和步骤的特殊实施例。根据本发明，本领域普通技术人员 从本发明的公开中很容易地理解，可使用现有或后来开发的与在此描述的 相应实施例执行相同功能或实现大致相同的结果的过程、机器、制造、物 体组分、装置、方法或步骤。因此，权利要求书在它们的范围内包括这种 过程、机器、制造、物体组分、装置、方法或步骤。
权利要求
1.一种在转动地钻取井眼的同时执行测量的工具，包括设置在井眼中的工具本体；铰接地连接到工具本体的垫，所述垫具有成型端面；安装在成型端面上的传感器；在垫和工具本体之间可操作连接的偏移机构；以及其中，垫被偏移，以使传感器与井眼壁之间的距离最小化。
2. 如权利要求1所述的工具，其特征在于，垫被可控地偏移。
3. 如权利要求1所述的工具，其特征在于，成型端面具有脊部，且传 感器安装在脊部上。
4. 如权利要求1所述的工具，其特征在于，工具本体具有安装在其上 的传感器。
5. 如权利要求1所述的工具，其特征在于，偏移机构从以下一组机构 中选择液压装置、弹簧、电机和压差装置。
6. 如权利要求1所述的工具，其特征在于，它还包括一个或多个另外 的垫，所述一个或多个另外的垫沿着工具本体轴向间隔开，所述垫中的一 些或全部的垫具有安装在其上的传感器。
7. 如权利要求l所述的工具，其特征在于，所述传感器凹设在垫中。
8. 如权利要求1所述的工具，其特征在于，它还包括安装在垫上的多 个传感器，其中一个或多个传感器安装在成型端面的脊部上， 一个或多个 传感器偏离脊部安装。
9. 如权利要求1所述的工具，其特征在于，传感器从以下一组测量类 型中选择地层电阻率、电阻率的各向异性、NMR性能、密度、伽马射线 发射和其他放射性能、动电性能、声学性能、地震性能、介电性能、地层 界面的倾角和位置、机械性能、流体类型和组分、温度和压力。
10. —种定向钻井工具，包括 设置在井眼中的工具本体；铰接地连接到工具本体的垫，所述垫具有成型端面； 安装在成型端面上的传感器；在垫和工具本体之间可操作连接的偏移机构；以及 其中，垫可控地被偏移，以使工具沿所需方向转向。
11. 如权利要求10所述的工具，其特征在于，成型端面具有脊部，且 传感器安装在脊部上。
12.如权利要求IO所述的工具，其特征在于，工具本体具有安装在其 上的传感器。
13. 如权利要求10所述的工具，其特征在于，它还包括一个或多个另 外的垫，所述一个或多个另外的垫沿着工具本体轴向间隔开，所述垫中的 一些或全部的垫具有安装在其上的传感器。
14. 如权利要求10所述的工具，其特征在于，它还包括安装在垫上的 多个传感器，其中一个或多个传感器安装在成型端面的脊部上， 一个或多 个传感器偏离脊部安装。
15. 如权利要求10所述的工具，其特征在于，传感器从以下一组测量 类型中选择地层电阻率、电阻率的各向异性、NMR性能、密度、伽马射 线发射和其他放射性能、动电性能、声学性能、地震性能、介电性能、地 层界面的倾角和位置、机械性能、流体类型和组分、温度和压力。
16. —种井底组件，包括铰孔器，所述铰孔器具有安装在其上的一个 或多个传感器。
17. 如权利要求16所述的井底组件，其特征在于，传感器从以下一组 测量类型中选择地层电阻率、电阻率的各向异性、NMR性能、密度、伽马射线发射和其他放射性能、动电性能、声学性能、地震性能、介电性能、 地层界面的倾角和位置、机械性能、流体类型和组分、温度和压力。
18. 如权利要求16所述的井底组件，其特征在于，铰孔器是可膨胀的。
19. 一种井底组件，包括铰孔器、和邻近铰孔器安装的铰接垫，所述铰接垫具有安装在其上的一个或多个传感器。
20. 如权利要求19所述的井底组件，其特征在于，传感器从以下一组 测量类型中选择地层电阻率、电阻率的各向异性、NMR性能、密度、伽马射线发射和其他放射性能、动电性能、声学性能、地震性能、介电性能、 地层界面的倾角和位置、机械性能、流体类型和组分、温度和压力。
21. 如权利要求19所述的井底组件，其特征在于，铰孔器是可膨胀的。
22. —种在转动地钻取井眼的同时执行测量的方法，包括-将工具本体设置到井眼中，其中垫铰接地连接到工具本体，所述垫具有成型端面，传感器安装在成型端面上，以及偏移机构可操作地连接在垫 和工具本体之间； 转动工具本体；偏移所述垫，以使传感器与井眼壁之间的距离最小化；以及 通过使用传感器执行测量。
23. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，偏移通过使用液压装置、弹簧、电机或压差装置实现。
24. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述使用传感器的操作 启动分布在垫上的多个传感器。
25. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，它还包括使工具在井眼 中沿所需方向转向。
全文摘要
本发明公开了一种用于井底测量的系统和方法，所述系统和方法与钻柱一起使用，以减小相对于钻柱所携带的传感器的井眼间隙。在一个实施例中，传感器(31)安装在定向钻井铰接垫(40)的表面上，所述表面与井眼壁接触。铰接垫被挤压在井眼壁上而使得与壁接触，从而使传感器相对于壁以最小的间隙保持。在另一实施例中，铰接垫未用于定向钻井。因此，铰接垫以最小必需的力向外伸到壁。
文档编号E21B7/28GK101365858SQ200780001965
公开日2009年2月11日 申请日期2007年5月21日 优先权日2006年6月2日
发明者A·皮索尼, J·W·斯米茨, R·塔赫里安, R·马丁内斯, S·比托尔斯通 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司