专利名称：确定钻杆卡点的方法和系统的制作方法
确定钻杆卡点的方法和系统
本发明涉及确定钻杆卡点的方法和系统。
钻杆用于从地下沉积物中提取自然资源如石油、水、瓦斯及其它烃类。 在钻井操作中，旋转的钻头用于创建自地表经土或岩石中间层延伸至沉积物
的井眼(bore hole)或井。金属钻杆为井眼加衬里并且随着钻井的进行而分管 段地添加。钻杆的各单个管段可通过将螺紋连接部旋柠在一起而相互固定。 螺紋部分通常称作接箍(collar),因为外径可以局部地增加。
钻杆管段自地表插入井眼。然而，随着它们降入井眼中，可能一个或多 个管段楔入地层或岩层的束缚中。井眼中发生这种束缚的位置称作卡点 (stuckpoint)。刚好位于卡点之上的管段称作"自由点"(也称作卡点)。
被卡住的钻杆管段是个问题，因为这意味着不能进行更深的钻井。这种 情况下，通常的作法是"撤回(back off)"和收回尽可能多的钻杆和设备以 备以后使用，可能地放弃卡点以下的钻杆，及自井眼中更高的点沿不同方向 再钻。这需要确定刚好在卡点以上的螺紋接箍，还需要引爆炸药以便松动螺 紋同时施加反向扭矩。因此期望确定卡点的精确位置。
已知有很多设备用于该目的，现以介绍的方式描述这些设备。所有这类 设备依靠这样的事实，即于地面施加的扭矩或拉伸传送至钻杆的卡点以上的 所有管段，但不传送至卡点以下的管段。
美国专利2902640记述了确定螺紋是否响应反向扭矩的设备，并阐述了 一般性原理。将具有电感或传感器线圏以及至少 一个与传感器线圏共轴排列 的条形磁铁的设备放到钻杆中。线圈的末端与地表的检流计相连，从而由磁 铁提供的磁场的任何变化，均会导致穿过线圈的磁通量的变化以及可由检流 计检测到的电流的变化。磁通线通常流经钻軒的金属套管。因而，当该设备 移动经过钻杆中远离螺紋段的位置时，磁通会保持恒定，因为钻杆管段的直 径和结构不会显著地变化。然而，如果出现螺紋部分，则磁通线遇到螺紋接 箍。当线圈相对于接箍移动时，钻杆接箍的不同直径和结构引起磁通线的变 化。这种;兹场变化引起感生电流在传感器线图中流动，该感生电流可以在地 表探测到，以指示设备位于螺紋连接部。然后保持该设备的位置，同时在地面施加扭矩。如果螺紋连接部随意移动，则两个钻杆管段的螺紋因此而产生 的运动会导致磁场中断，在传感器线圈中产生相应的感生电流。通过在施加 扭矩的同时检测该二次电流信号，可以确定螺紋部分自由地移动。然而，如 果螺紋部分被卡住，则施加扭矩也不会产生任何移动，而且在施加扭矩的同 时也检测不到任何电流信号。该方法遇到的问题是，选定接箍处的螺紋可能 锁牢，而较高处的螺紋可能没有锁紧，因此在检测之前可能使其自身解开螺 旋。
美国专利3004427给出以类似原理工作的更复杂的设备。该设备具有两 个轴向连接的可旋转部件，每个部件携带两个共同运转的核心中的一个。两 个核心彼此相邻，并彼此独立旋转运动地安装。共同运转核心的彼此相对位 置，通过施加直流电至位于核心之一上的线圈而初始设定。这种情况下，该 核心被磁化，并将另一个核心吸引到启动位置中。如果设备的上部位于钻杆 的自由移动部分，且设备的下部位于被卡部分，那么施加于钻杆的扭矩会使 设备的上部旋转而远离下部。因此，两个核心也旋转而彼此远离，在磁路中 形成空气间隙，进而导致检测期间由AC电压激发的传感器线圈的自感发生 显著的变化。如果设备的两个部分均位于钻杆的被卡管段，那么就不存在两 个核心的相对运动，因而也就#^则不到任何变化。
这两种设备均需要在井眼的一 系列独立位置进行点测量，使得卡点的定 位是一 个费力和循环往复的过程。
此外，具有不同操作方式的另一设备参见美国专利4440019。该设备通 过表面电容器组经传感器线圈的放电，而在钻杆的长度方向写下磁点或磁记 号。效果类似于将信号写在磁带上。 一旦作出记号，设备即收回并重新下降 至钻杆中，同时利用传感器线圈记录磁点的位置。传感器线圈越过磁性记号 的运动在传感器线圈中引起感生电压，以此指示记号的位置作为传感器记 录。然后施加扭力或纵向力至钻柱，以在钻柱中产生应力。已经发现，所引 起的应变基本上擦除卡点以上全部的磁点。然后将设备重新插到井眼中，以 再次测量磁性记号的位置。由于已经擦除卡点以上全部的磁点，所以通过比 较钻杆弯曲之前和之后的测井记录，尤其是从二次测井记录中最高剩磁记号 的位置，即可推断卡点的位置。
该设备遇到很多问题。首先，需要安装和降下打捞工具，以从钻头附近 收回昂贵的测量装备。而且，需要经常在不同的电缆上安装和降下该设备，
6以两次或三次地游戈到钻杆中，第一次写下^兹性记号，接着在施加张力之前 和之后读取这些磁性记号。此外，探测到的磁性记号的强度还取决于探测器 线圈经过钻杆中的磁场的速度。为了产生良好的信号和可靠的测井记录，因 此在要产生记录时，需要以基本相同的速度移动传感器线圈。实际上，线圏 灵敏度也是有限的。
钻探设备的运行成本表明，钻井公司以最小的时间耽搁确定卡点的位 置。考虑到上述问题，我们意识到需要改进的确定卡点的方法，以及改进的
与该方法一起使用的系统，该方法和系统省时并且更灵^:。
发明内容
本发明限定于马上要提及的独立权利要求中。本发明的有利特征陈述于 从属权利要求中。
现将参照附图，以实施例的方式，说明本发明的优选实施方案，附图中 图1是根据本发明优选实施方案的钻铤和钻头以及附装的随钻测量 (MWD)装置的图解；及
图2是设置于图1的MWD传感器中的优选磁场传感器的组成部分的示意图。
具体实施例方式
现将参照图1，说明本发明的优选实施方案。
图1示出了位于井的井眼4中的井下设备2。井从地面站5延伸到地下， 多种控制设备6和记录设备7位于地面站5。本领域中公知的是，控制信号 可通过泥浆脉冲(mud pulsing)或其它遥测技术由地面站发送至井下设备2。 泥浆脉沖是指将数据编码成一 系列产生于井眼泥浆流中的压力脉冲的技术。 位于地表或者设备上的泥浆脉冲发生器产生脉沖，该脉冲沿井眼传播至接收 器。
井下设备2定位于井眼内的钻杆或套管3中。钻杆的底端是安装于一个 或多个加重钻铤11上的钻头10。钻头和钻铤与钻杆形成通称的钻柱。在图 1中，仅示出井下设备2包括随钻测量(MWD)传感器12和另外的设备14,
7如定位板、集中设备和减震设备。该设备在图1中总体上示作部件14。
MWD传感器是定期测量井眼之井下状况并将所得数据传送至地面以 确认钻进方向和其它分析结果的设备。传感器数据常常通过传感器附近的泥 浆脉沖发生器所产生的泥浆脉冲传送至地表。脉沖在井眼中向上传播至地面 记录设备7。测量结果也可以存储在MWD传感器的存储器中，并且在传感 器自井中收回时取回测量结果。通常，MWD传感器包括灵敏的磁场传感器 21以及相关的探测井眼三维空间磁场强度的控制电路。这种情况下，可以确 定钻头相对于地球磁场的方向。然而，优选实施方案的MWD设备包括改进 的用于操作传感器的控制电路。这将参照图2更具体地说明。
传感器21是三维磁场传感器。这类传感器通常包括三个独立的传感器， 每一个传感器相对于其它传感器取向，以纟笨测相应x、 y和z方向之一的磁 场强度。然而，可以使用各种类型的磁场传感器，如灵敏的磁通门、磁阻器 件、霍尔效应器件或者任何静态方位传感磁力计。
传感器21与控制器22相连，并与存储器23相连。控制器22进一步与 存储器23相连，并且连接到发射器24和接收器25上。根据本发明的优选 实施方案，控制器和传感器具有两种截然不同的工作模式。第一种模式以常 见方式指示钻柱相对于磁场的地下取向。在该模式中，安排控制器22通过 传感器实施定期测量并操作发射器24(通常是泥浆脉冲发生器)，以将测量结 果传送至地表。第二种模式仅在钻头或钻杆被卡时激活，并且自井眼中收回 MWD传感器。根据上面的解释应当理解，尽管被卡的钻头可以抛弃，但更 可取的是，应当尽可能多地回收在井眼中使用的昂贵设备。
在第二种模式中，配置磁性传感器以探测钻杆的卡点，如下面所述。在
该模式中，控制器同样对磁场进行测量，并将测量结果存储在存储器23中 或者传送至地表。优选地，通过接收器25接收的控制信号，指令控制器由 第一种工作模式切换至第二种工作模式。所述控制信号可以是泥浆脉冲或其 它遥测信号，也可以是经磁耦合或电耦合而来自打捞工具的命令。
在第一种工作模式中，控制器以反映钻具缓慢移动经过地下岩层或地层 的速度获取传感器的读数。然而，当切换至现如今通过本发明的优选实施方 案可得到的第二种模式时，控制器22提高获取传感器读数的速度，以响应 收回MWD传感器时该传感器在井眼中更快的上升。在第一种模式中，每隔 1.0 20秒对传感器进行读数，这与钻透岩层或地层的速度相当，以便每英尺的距离取得1或2个样品。在MWD传感器的收回过程中，速度为1500 3000 英尺/小时,且记号以0.5英寸的间隔读取。因此，第二种^f莫式中的取样速度 为大约每秒10 20个样品。因此，在优选的实施方案中，可以发现第一种模 式和第二种模式的频率相差大约100倍。
再次参照图1，优选的系统还包括通过连接部件17连接到钢丝绳8的 收回共聚或打捞工具16。在实践中，通常将卡在井眼中的任何物体称作落鱼， 并将为收回该物体而设计的工具称作打捞工具。安排钢丝绳8来回输送打捞 工具的控制信号，又将设备物理地定位在井眼中。打捞工具的另一端携带打 捞头或抓钩18，以与MWD设备12的形状互补的连接部件13搭合。打捞 工具16还包括将磁性记号写入井眼壁的装置19。写入装置19包括与电流源 相连的线圈，以及一个或多个定形；兹场的金属极片，因而可以与US 4440019 的线圈排布相同。
控制设备6可包括计算机程序，用于控制井下设备2(如MWD传感器) 及打捞工具16的操作，或者单独用于控制打捞工具16的操作。可以提供该 计算机程序或其它计算机程序，运行得自磁场传感器的数据，以提供一个或 多个指示磁性记号在井眼中的位置的记录。该计算机程序可提供于地表，也 可以提供于井下设备2或者打捞工具16中。
现将说明采用上述设备探测卡点的优选方法。参照图1,现假设钻柱已 经卡住，进一步钻进不再可能。决定必须放弃当前的钻头，目标是收回昂贵 的井下MWD设备，并确定钻杆被卡住的位置。达成该目标的方法如下
首先，在钢丝绳上将具有,兹性记号写入装置19的打捞工具下降到井眼 中。借助于地面控制系统，以规则的时间间隔向打撈工具的线圈输送脉冲电 流，以留下可探测的磁性记号于金属钻杆中将打捞工具下降到井眼中，直 至打捞抓钩18接触并与MWD传感器的连接部件13搭合为止。
发射控制信号至MWD传感器，以将设备从第一种传感模式切换至第二 种传感模式。如上所述，优选第二种模式中的读数之间的时间长度小于第一 种模式，因为MWD传感器在收回过程中的移动较其因钻柱的钻进行为而产 生的移动更迅速。切换命令信号可通过泥浆脉冲或者其它方法从地表传送至 MWD设名、。在选择性实施方案中，命令信号可通过打捞工具传递给MWD 传感器。例如， 一旦两个设备连接，信号即可通过直接的电连接(如插头/插 座连接)传递，或者间接地通过感应或短程遥测耦合传递。
9一旦MWD设备以第二种传感模式工作，其即在井眼中通过打捞工具和
钢丝绳的作用向上收回。控制器取得磁场传感器的读数，并将该读数存储在 存储器中或者通过收回工具传送至地表。生成磁性记号在井眼中的位置的测
井记录。如果该记录存储在存储器中，则可以在MWD设备到达地表并从井 眼中拔出时取回该记录。
一旦MWD传感器到达井的顶部或其附近，即施加扭矩或拉力于钻杆的 顶部，以擦除或者减少卡点以上的磁性记号。将打捞工具和MWD传感器的 组件下降至井眼中并重新收回。如前所述，控制器随着MWD设备在井眼中 的提升而取得磁场传感器的读数，并生成磁性记号在井眼中的位置的记录。 本领域中公知的是，接着两个记录的比较将显示，已经施加了应力的卡点以 上的磁性记号变弱，使得可以确定卡点的精确位置。
三维磁场传感器的使用，意味着可以比较i兹性记号的不同方位场分量， 进而允许更大的探测灵敏度。因此，优选将得自磁场传感器的数据输入到一 种或多种算法中，以便给出许多不同的输出或迹线。可以采用任何或者所有 算法，以提供多个测井迹线，进而在比较两遍记录时使卡点的可见度最大化。 作为选择，算法的选择会取决于标记线圈、特别是极片排布所产生的通量分 布图的几何结构。记住，配置三个传感器，以给出适于所选算法的x、 y和z 信号(z轴为井眼的纵向，而x和y轴相互垂直)，由此可以得到的记录为
1. x、 y和z 4言号的平方和；
2. x和y信号的平方和；
3. 仅z信号；
4. x、 y和z信号的平方和，连同z信号的符号；及
5. 上述l、 2或4的分数幂，如平方根。'
所有这些算法所提供的记录信号，均对工具沿井眼轴向的旋转方向不敏 感。这对于实现记录的一致性是重要的，因为传感器在测井过程中可能围绕 井眼纵轴旋转。记录可以单独或组合地来源于上述中的 一个或多个。
上述技术允许收回井下设备，并且允许仅由两次到井眼中的游戈确定要 测定的卡点。这比得上现有技术中需要收回MWD和确定卡点的三次游戈。 因此，钻井公司可以节约大量的时间和费用。
另外，由于磁性记号的感测是利用MWD传感器实现的，所以MWD传 感器在钻杆中移动的速度不影响探测记号的大小。如果使用线圏写入记号和
10探测记号，则探测到的记号强度取决于磁场的变化率而不是记号本身的实际强度。
还可以预料到很多确定卡点的替换性方法和设备。例如，在可供选择的
实施方案中，通过MWD传感器得到的数据可以存储在打捞工具中，和/或 通过钢丝绳连接部件8传送至地表。另外，打捞工具自身可以装备三维磁场 传感器，以探测由线圏作出的磁性记号。这样，打捞工具既写入又读取磁性 记号，也就不需要支持上述两种工作模式的MWD传感器了。在可供进一步 选择的实施方案中，三维传感器可以合并到现有技术的卡点传感器中。尽管 这不容许上述有利的方法，但却容许以更高的精确性探测磁性记号，而且不 会使起因于设备移动速度的效果失真。
权利要求
1.一种确定井眼中卡点的方法，其中磁性记号写入井眼的金属套管中并在套管受力之前和之后读取，该方法包括将收回工具插入井眼中以收回井下设备，该收回工具具有将磁性记号写入井眼的套管中的装置；在井眼中将收回工具降低至待收回设备的位置，同时将磁性记号写入井眼的套管中；及一旦收回工具与井下设备搭合，提升收回工具和井下设备，同时运行能够确定三维磁性记号之磁场的至少一个方位分量的磁场传感器，以探测该磁性记号。
2. 权利要求1的方法，包括获得磁性记号之磁场的多个方位分量；及组合不同的方位分量，以给出一个或多个输出。
3. 权利要求2的方法，包括组合不同的方位分量，以给出一个或多个下列输出a) x、 y和z分量的平方禾口；b) x和y分量的平方和；c) 仅z分量；d) x、 y和z信号的平方和，连同z信号的符号；e) a)、 b)或d)的分数幂；及f) 由上述中一个或多个导出的输出。
4. 权利要求2的方法，包括利用两个或更多个输出，确定磁性记号在井眼中的位置。
5. 权利要求l的方法，其中所述磁场传感器设置于井下设备中。
6. 权利要求5的方法，包括发送信号至井下设备，以指令磁场传感器开始记录f兹场。
7. 权利要求5的方法，其中井下设备为随钻测量(MWD)设备。
8. 权利要求5的方法，包括将数据自磁场传感器传送至地面。
9. 权利要求5的方法，包括将数据自^f兹场传感器传送至收回工具。
10. 权利要求l的方法，其中磁场传感器设置于收回工具中。
11. 权利要求9的方法，包括将数据自磁场传感器传送至地面。
12. —种收回工具，用于自井眼中收回井下设备，并且用于确定井眼中卡点的方法中，其中磁性记号写入井眼的金属套管中并且在套管受力之前和之后读取，该工具包4舌用于搭合待收回设备的连接部件；及用于将磁性记号写入井眼套管中的磁性记号写入装置。
13. 权利要求12的收回工具，包括能够确定三维磁性记号之磁场的至少一个方位分量的磁场传感器，以便探测磁性记号。
14. 权利要求12的收回工具，包括接收来自磁场传感器的数据的接收器，该磁场传感器封装在待收回的设备中。
15. —种用于确定井眼中卡点的方法中的随钻测量装置，其中磁性记号写入井眼的金属套管中并且在套管受力之前和之后读取，该装置包括磁场传感器，该磁场传感器能够确定三维磁性记号的磁场的至少一个方位分量，以探测该磁性记号；及控制器，该控制器经布置以接收来自地面的信号，并且在接收到控制信号时，配置所述磁场传感器以足够的规则性获取磁场的读数，使得能够生成磁性记号的测井记录。
16. 权利要求15的装置，具有与收回工具上的相应连接部件搭接的连接部件，及将来自磁场传感器的数据发送至收回工具的发射器。
17. —种在探测井眼中卡点的方法中用于控制井下磁场传感器的计算机程序产品，所述方法包括将磁性记号写入井眼的金属套管中，并在套管受力之前和之后，利用能够确定三维磁性记号之》兹场的至少一个方位分量的磁场传感器读取该磁性记号，该计算机程序产品包括计算机可读取的介质，该介质上存储有计算机程序代码，当通过计算机处理器执行该代码时，促使该计算机处理器进行下列步骤利用探测到的磁场强度的两个或更多个方位分量，生成磁性记号的测井记录。
18. 权利要求17的计算机程序产品，其中该计算机程序还促使处理器组合不同的方位分量，以给出一个或多个输出。
19. 权利要求17的计算机程序产品，包括组合不同的方位分量，以给出一个或多个下列输出a)x、 y和z分量的平方和；b) x禾口 y分量的平方;f口；c) 仅z分量jd) x、 y和z信号的平方和，连同z信号的符号；e) a)、 b)或d)的分数幂；及f) 由上述中一个或多个导出的输出。
20. 权利要求17的计算机程序产品，包括利用两个或更多个输出确定磁性记号在井眼中的位置。
21. 权利要求17的计算机程序产品，包括将信号传送至井下设备，以指令磁场传感器转换成准备记录磁性记号之磁场的模式。
全文摘要
提供确定井眼中卡点的方法。该方法采用诸如电感或线圈(19)等装置，将磁性记号写入井下套管。该装置并入到收回工具(16)中，使得在决定从井下撤回或收回任何井下设备时，磁性记号可以在收回工具降低到合适位置时写在井眼的套管上。当提升井眼中的收回工具，同时井下设备向地表提升时，利用布置在其打捞工具或井下设备中的三维磁场传感器读出磁性记号。
文档编号E21B47/09GK101517191SQ200780033023
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月7日 优先权日2006年9月7日
发明者詹姆斯·G·吉布森 申请人:桑德克斯有限公司