井下工具的制作方法

专利名称：井下工具的制作方法
技术领域：
本实用新型总地涉及油气井钻探和该钻井周围地下地层的后续勘察。更 具体地说，本实用新型涉及从钻井壁面解脱或"松脱"工具的装置。
背景技术：
钻井一般钻入地面或海床，以开采自然沉积的油和气，以及其他地壳中
的地理地层中蕴藏(trapped)的希望得到的材料。钻井通常利用连接到"钻 柱"下端的钻头进行钻探。钻井液，或"泥浆"，通常经过钻柱向下向钻头 泵浦。钻井液润滑并冷却钻头，且在钻柱和井筒壁面之间纟勺环隙中将钻屑带 回到地面。
为了成功勘探石油和天然气，必须获取有关井筒所穿过的地下地层的信 息。例如，标准地层评估的一个方面涉及地层压力和地层流体流动性的测量。 这种测量对于预测地下地层的产能和生产寿命至关重要。
一种测量地层和流体性质的技术包括下入"线缆式(wireline)"工具至 油井中以测量地层性质。该线缆式工具是一种悬挂在线缆上的测量工具，该 线缆与置于地面的控制系统具有电子通讯。该工具被下入油井中从而可以在 合适的深度测量地层性质。典型的线缆式工具包括探头，该探头压在井管壁 上从而建立与地层间的流体联通。这种线缆式工具通常称为"地层测试器"。 该地层测试器使用探头来测量地层流体压力，并且产生用于测定地层渗透性 的压力脉冲。该地层测试器也可以提取地层流体样品，该样品或被转移至地 面进行分析或进行井下分析。
为了使用任何线缆式工具，无论该工具是电阻率、孔隙率测试工具还是 地层测试工具，都必须将钻柱移出井外从而使工具能下入油井中。这个过程 叫做起钻。进一步地，应将线缆式工具下降至感兴趣的区域，这通常是在井 眼底部或接近井眼底部。移出钻柱和将线缆式工具下入井中这两个过程十分 耗时，根据井筒的深度，该过程可消耗数个小时。由于将钻柱起钻与将线缆 式工具下入井筒需要大量的开销和钻机时间，线缆式工具通常只有在绝对需要地层信息或因为其他原因，例如更换钻头，钻柱被起钻时才使用。例如美
国专利3,934,468、 4,860,581、 4,893,505、 4,936,139和5,622,223描述了线缆 式地层测试工具的示例。
为了避免或缩短与起下钻柱相关的停工期，目前开发了另一种测量地层 性质的技术，其中工具或装置定位于钻井系统中钻头的附近。因此地层测量 在钻井过程中进行，其专业术语为MWD (随钻测量)和LWD (随钻测井)。 各种井下随钻测量和随钻测井的井下工具已经商业化了。
典型的MWD是指测量钻头轨迹和井筒温度与压力，而LWD是测量诸 如电阻率、孔隙率、渗透性和声速之类的地层参数和性质。诸如地层压力之 类的实时数据有助于钻井公司决定钻井泥浆的重量和成分，以及决定钻井过 程中的钻速和钻压。虽然LWD和MWD对于本领域的技术人员通常具有不 同的意义，但这些区别与本实用新型没有密切关系，因此本实用新型中不区 分这两个术语。此外，在钻头实际切穿过地层的过程中，LWD和MWD的 实施并不是必须的。例如，LWD和MW D可以发生在钻井过程的间歇中， 例如在钻头简短地停止以进行测量，测量结束后再继续钻井。这些在钻井间 歇中实施的测量仍然被认为是"随钻"测量，因为他们不需要将钻柱起出。
无论是线缆作业还是钻井过程中的，地层评估通常需要将地层的流体抽 入井下工具中用于测试和/或取样。各种各样的取样器件，通常称为探头，从 井下工具伸出以建立与井筒周围地层的流体联通并将流体抽入井下工具中。 典型的探头是从井下工具伸出且定位为抵靠井筒侧壁的环形元件。探头端部 的橡胶封隔器用于与井筒侧壁 一起建立密封。另 一 用来与井筒侧壁形成密封 的器件是双封隔器'。使用双封隔器，两个弹性环在工具周围径向膨胀以隔离 它们之间的井筒部分。该环与井筒壁形成了密封，并允许流体被抽入井筒被 隔离的部分和^f皮抽入井下工具的入口 。
在油气操作中，井下工具(诸如线缆式工具或钻柱)传送到井筒中并从 井筒中抽出。在操作中，井下工具可能偶尔卡在井筒中。工具卡住经常发生 在地层评估程序中，诸如取岩芯样品或地层流体采样时，此时活塞和/或探头 延伸到与内村井筒的泥饼接触。可替代的是，工具也可能在输送到钻井中或 从钻井中抽出的时候卡住，要是它接触泥饼层并破坏其完整性。地层本身通 常处于相对较低的压力下，而井筒处于相对较高的压力下。因此，井下工具 可能挤开一部分泥饼层并将工具暴露于显著的压力差下，该压力差将工具贴 靠井筒壁面保持住。由压力差产生的这种保持力难于克服，通常超过辅助活塞、探头或工具的其他可伸展部件所能产生的力。使用活塞挪开卡住的工具 也不能让人满意，因为具体工具确切哪一部分与壁面接触通常无法获知，因 此必须围绕工具圓周隔开地设置若干活塞，以确保在适当方向产生推力。这 种活塞在工具释放操作中可能会被损坏，阻止其缩回并进一步使卡住问题恶 化。其他解脱井下工具的已知方法，诸如打捞、绳缆牵拉和用管道进行工具 推送，都过于困难和耗时。

实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种井下工具，其能够克服现有技术的缺陷， 在井下工具被卡住时能够从钻井壁面简单快捷并且安全可靠地松脱。
提供一种井下工具，包括从钻井壁面松脱工具的装置。该工具可以包括 限定有纵向轴线的壳体和耦接到该壳体并安装成相对于该壳体旋转的套管， 该套管具有外表面，该外表面包括至少一个相对于该纵向轴线向外径向伸展 的凸起。传动机构可以耦接到套管，并适配成旋转套管，马达可以耦接到该 传动一几构。
在改进方案中，该套管的外表面可以具有大于壳体的截面面积的截面面 积。在更进一步的改进方案中，套管的外表面具有三个凸起。
在另一种改进方案中，套管可以安装到心轴上，该心轴从壳体密封，从 而提供一种独立模块。
在更进一步的改进方案中，传动机构可以包括齿轮，该齿轮具有齿，该 齿适配成啮合形成于套管内表面上的花键。
在另一种改进方案中，壳体可以包括额外的凸起，该额外的凸起相对于 纵向轴线向外径向延伸。
在另一种改进方案中，该工具可以进一步包括控制器，该控制器可操作 地耦接到马达，用来控制马达的旋转速度。
还公开了用于从钻井壁面解脱的替代井下工具，该工具可以包括柱状壳 体，该壳体限定截面面积并限定纵向轴线。套管可以耦接成基本上与壳体同 轴，且安装成相对于壳体旋转，套管具有外表面，该外表面限定的截面面积 大于柱状壳体限定的截面面积，套管的外表面包括至少一个相对于纵向轴线 向外径向延伸的凸起。传动机构可以耦接到套管并适配成旋转该套管，马达 可以耦接到传动机构。根据本公开的进一步方面，提供了一种从钻井壁面解脱工具壳体的方
法。所述方法可以包括提供耦接于工具壳体的可旋转套管，该套管包括从
套管向外径向延伸的凸起。工具壳体和套管可以产生相对旋转，以使凸起啮 合钻井壁面。进一步旋转套管，以使凸起推靠钻井壁面，从而产生指向径向 向内并背离钻井壁面的释放力，从而将工具滚脱与钻井壁面的接触。
在改进方案中，所述方法可以进一步包括在进一步旋转套管之前，将 凸起从缩回位置展开到伸展位置。
在另 一种改进方案中，所述方法可以进一步包括测量施加到工具的粘附 力并根据测量的粘附力调节套管的旋转速度。
通过上述方案，本实用新型的井下工具在被卡住时能够从钻井壁面简单 快捷并且安全可靠地松脱。


为了更为全面地理解所公开的方法和装置，应该参照附图中更为详细图 示的实施例进行讨论，其中
图1是带有根据本实用新型的松脱装置的井下工具局部截面示意图，其 中所述井下工具是井下钻探工具；
图2是带有根据本实用新型的松脱装置的井下工具局部截面示意图，其 中所述井下工具是线缆式工具；
图3是包括根据本实用新型的壁面解脱装置的井下工具示意透视图4是沿着图1中线4-4取的井下工具示意截面图5是包括根据本实用新型的壁面解脱装置的井下工具替代实施例的示 意局部截面侧;f见图6是具有根据本实用新型的壁面解脱装置的井下工具另一种实施例的 示意透视图7是具有固定凸起的壁面解脱装置的示意截面图； 图8A和8B分别是可动凸起处于缩回位置和伸展位置的壁面解脱装置 示意截面图。
应该理解，附图并非按照比例绘制，且公开的实施例有时示意性地在局 部视图中显示。在特定情况下，对于理解所公开的方法和装置没有必要或者 可能导致其他细节难于理解的细节被省略了。当然，应该理解，本公开并非限于图示的特定实施例。
具体实施方式

本实用新型涉及在钻探环境或线缆环境中，解脱卡在井筒壁面中的井下 工具的装置和方法。本实用新型所公开的装置和方法使所述工具滚动，从而 减小存在于井筒和地层之间的压力差的有效保持力。结果，更为可靠地从井 筒壁面解脱井下工具。在一些改进方案中，装置包括带有径向向外延伸的凸 起的套管，该凸起可以旋转接触所述壁面，从而将所述工具从所述壁面撬开。
在另 一改进方案中，装置设置为包含在模块工具中的独立模块(self-contained module )。根据进一步的改进方案，凸起可以是固定的或者可径向伸缩的。
在示例性实施例中，根据本实用新型的壁面解脱组件由诸如图l所示钻 探工具10或图2所述线缆式工具IO，的井下工具承载。所述壁面解脱组件也 可以在插入井筒或形成井筒的任何其他类型的工具中使用。
图l描绘了从钻塔5部署并伸入大地以形成井筒14的井下钻探工具10。 井筒穿过包含地层流体21的地下地层F。井下钻探工具借助一个或多个形 成钻柱28的钻铤11悬桂于钻塔。通过钻探工具10的钻柱28和外刀头(out bit)30泵浦"泥浆"。将泥浆经由井筒向上泵浦回到地面上，用于过滤和再 循环。随着泥浆穿过井筒，该泥浆沿着井筒壁面17形成泥浆层或泥饼15。 一部分泥浆可能渗入地层以形成地层F的侵入区25。
井下钻探工具10可以从井筒中取出，而可以经由线缆式绳缆18将线缆 式工具10，(图2)下入井筒中。能采样和/或测试的线缆式工具示例在美国 专利No.4,936，139和No. 4,860,581中有述，它们全部内容通过引用包含在本 申请中。井下工具10，伸入井筒14并且通过传统线缆18或导线或传统管线 或连续油管(coiled tubing)悬桂在钻塔5下面。所示工具10，设置有各种模 块和/或部件12,包括但不限于探头26',所述探头26，用于与地层F建立流 体连通并将流体21吸入井下工具中，如箭头所示。辅助活塞8可以用来进 一步将井下工具10，推靠在井筒壁面17上并协助探头接合井筒壁面17。图1 和2所示工具可以是图2所示的模块或图l所示的整体，或两者的结合。
工具解脱组件40可以设置在钻探工具10上或线缆式工具10，上。线缆 式工具IO，在图3中更为详细地示出了，包括壳体42,且其顶端耦接到线缆 式绳缆18。虽然工具解脱组件40示为定位在壳体42顶端附近，但是组件40沿着工具壳体42的具体位置并不是关键因素。如图4最佳示出，壳体42 具有圆形截面，且限定了纵向轴线44。
工具解脱组件40包括可旋转的套管46，其滚动而不是牵引工具IO，脱 离以与井筒壁面17的啮合。如图4最佳示出，套管46可以可旋转地安装成 与壳体42同轴。套管46具有外表面48,其可以限定大于壳体42的截面轮 廓的截面轮廓。 一个或多个径向向外延伸的凸起50围绕套管外表面48圓周 设置，随着套管46旋转，将工具从井筒壁面17撬离。
每个凸起50的形状或轮廓可以适配成适合特定目的或配合特定应用场 合。如图4和7所示，凸起50可以具有弧形或半圆形轮廓，其从壳体外表 面48到每个凸起50提供平滑过渡。壳体外表面48和凸起50之间的平滑渐 进过渡在工具部署和操作工程中，能最小限度地破坏泥饼层15。图4和7 所示的凸起在一定意义上来说是固定的，即它们沿着径向保持相同的尺度。
可替代的是，可以设置凸起50'，凸起50，可以在缩回和伸出位置之间移 动，如图8A和8B分别所示。在工具运输和定位过程中，凸起50，可以缩回， 如图8A所示，以减小截面轮廓。如果判断出工具卡住，则可以将凸起50， 移动到伸展位置，如图8B所示。凸起50，的延伸提供了最初的、类似活塞的 力，有利于将工具IO，从井筒壁面17分开。在凸起50，伸展开后，套管46然 后可以旋转，从而将工具IO，从壁面17完全解脱。如图8A和8B所示，凸 起50，可以具有矩形或方形截面轮廓，带有尖角51而非平滑过渡。具有尖角 的凸起将增大与井筒壁面17的摩擦，并提高了通过旋转套管46而将工具滚 脱接合的能力。
本实用新型所用的凸起是套管外表面48的局部部分，该部分设置在较 之表面48周围区域而言径向距离套管46旋转中心更远的地方。虽然本实用 新型示出凸起50、 50，为分立元件，但是应该理解，凸起可以由外表面48更 为接近集成套管46总体截面轮廓的一部分形成。例如，套管外表面可以为 三角形，而该三角形的角形成凸起。
虽然示出套管46具有三个凸起，但是应该理解，设置多于或少于三个 凸起并不背离本公开的范围。最低限度，套管46应该包括至少一个凸起50。
为引起套管46旋转运动而设置驱动件。在图示的实施例中，所述驱动 件设置为旋转齿轮52，带有齿54，用于啮合形成在套管46内表面58上的 花键56。齿轮52安装成绕设置在套管46内的轴60旋转。如图5示意性地
9表示，马达62可以可操作地耦接到齿轮52。虽然图示的实施例包括旋转齿 轮52,但是可以使用任何其他已知类型的驱动结构，只要其能接受输入力并 将其传递为施加在套管46上的输出力即可。
套管46可以支撑在安装于轴承(bearing ) 64上的心轴63上，以有利于 旋转。根据需要，可以限制套管46的旋转范围。密封件66可以设置在套管 46相对端，以防止流体或其他碎屑渗入。在这方面，工具解脱组件40可以 设置为耦接到其他部件的独立模块，以形成模块工具。
在操作中，组件40可以用来从井筒壁面松脱或解脱井下工具。例如， 随着工具IO，穿过井筒14传送，可能有意或无意地接触泥饼层15。在地层 采样程序中，例如，辅助活塞和探头可能伸展并与井筒壁面17接触。工具 IO，可能刮擦或以其他方式破坏泥饼层15的完整性，从而将工具IO，暴露于 井筒14和地层F之间的压力差下。由该压力差产生的力施加在工具IO，和井 筒14之间的接触区域上(即，与泥饼层接触的那一部分工具壳体上)。与试 图以活塞抵消该力相反，本实用新型的工具解脱组件40滚动工具10，，以撬 开工具与井筒壁面17的接触，从而减小移动工具IO，所需的释放力。更具体 地说，齿轮52旋转套管46直到凸起50啮合井筒壁面17。继续旋转套管46, 使得工具IO，旋转运动并使其脱离与井筒壁面17的接触，从而松脱工具10，。
控制器61可以可操作地耦接到马达62,用来控制齿轮52的旋转速度。 如果马达62具有恒定的功率输出，则降低旋转速度将增加齿轮52施加的扭 矩。因此，马达62的旋转速度可以根据施加到工具10，的粘附载荷来调节。 传感器65向控制器61提供有关阻止套管旋转的力的反馈，则控制器61根 据需要可以调节旋转速度。例如，如果粘附力增大，则控制器61可以减慢 马达62的旋转速度以增大扭矩。相反，如果粘附载荷减小，则控制器61可 以增大旋转速度，使得扭矩减小。由控制器61提供的可变速度驱动件，调 节工具10，的操作，以更好地适应粘附条件。
替代的线缆式工具80,包括工具解脱组件82,该组件具有上下子组件 84、 86,该线缆式工具80示于图6。上子组件84类似于以上公开的工具解 脱组件40,包括可旋转的套管88,该套管具有至少一个向外径向延伸的凸 起90。工具壳体92包括耦接到线缆式绳缆18的上端以及包括下端。下子组 件86包括额外的向外径向延伸的凸起96,其可以耦接到工具壳体92的外表 面，或与其整体形成。在图示的实施例中，额外的凸起96形成在壳体下端，但是该额外的凸起可以设置在沿着工具壳体92的任意点处。额外的凸起96 在旋转套管88卡在井筒壁面17中的时候，会起到作用。在这种情况下，试 图旋转套管88反而使得工具壳体92旋转，所以额外的凸起96将最终啮合 井筒壁面17,并撬开工具80与该壁面的粘附接合。
虽然本实用新型公开的装置显然对线缆式应用场合有用，但是其也适用 于钻探工具。在形成井筒壁面之后，传统线缆式工具插入井筒中，因此通常 不包括旋转壳体的部件。因此，本实用新型公开的工具解脱装置增加了线缆 式工具的这个能力。钻柱，另一方面，通常已经包括了用来旋转工具的部件。 但是，钻探工具仍然容易粘住，特别是在特定应用场合，诸如倾斜井(inclined) 或斜(deviated)井中，因此本实用新型公开的工具解脱装置对于钻探工具 也是有用的。
虽然仅论述了特定的实施例，但是从以上说明中，替代方案和改动方案 对于本领域技术人员来说是显然的。这些替代方案和改动以及其他替代方案 被认为是同等方案，并落入本公开内容和附带的权利要求书的范围内。
权利要求1. 一种井下工具，包括限定纵向轴线的壳体，其特征在于，所述井下工具还包括耦接到所述壳体并安装成相对于所述壳体旋转的套管，所述套管具有外表面，所述外表面包括至少一个相对于所述纵向轴线向外径向延伸的凸起；耦接到所述套管并适配成旋转所述套管的传动机构；和耦接到所述传动机构的马达。
2. 如权利要求1所述的井下工具，其特征在于，所述套管的外表面具 有大于所述壳体的截面面积的截面面积。
3. 如权利要求1所述的井下工具，其特征在于，所述套管的外表面具 有三个凸起。
4. 如权利要求1所述的井下工具，其特征在于，所述套管围绕旋转中 心旋转，且所述旋转中心基本上与所述壳体的纵向轴线重合。
5. 如权利要求1所述的井下工具，其特征在于，所述工具包括线缆式 工具。
6. 如权利要求1所述的井下工具，其特征在于，所述套管安装到心轴 上，所述心轴从所述壳体密封从而提供一种独立模块。
7. 如权利要求1所述的井下工具，其特征在于，所述传动机构包括齿 轮，所述齿轮具有齿，所述齿适配成可操作地啮合形成于所述套管内表面上 的花键。
8. 如权利要求1所述的井下工具，.其特征在于，所述壳体包括额外的 凸起，所述额外的凸起相对于所述纵向轴线向外径向延伸。
9. 如权利要求1所述的井下工具，其特征在于，所述至少一个凸起相 对于径向移动来说是固定的。
10. 如权利要求1所述的井下工具，其特征在于，所述至少一个凸起可 沿着径向在缩回位置和伸展位置之间移动。
11. 如权利要求}所述的井下工具，进一步包括控制器，所述控制器可 操作地耦接到所述马达，以控制所述马达的旋转速度。
12. —种井下工具，包括柱状壳体，所述柱状壳体限定截面面积并限定 纵向轴线，其特征在于，所述井下工具还包括套管，耦接成基本上与所述壳体同轴且安装成相对于所述壳体旋转，所 述套管具有外表面，所述外表面限定的截面面积大于所述柱状壳体限定的截 面面积，所述套管的外表面包括至少一个相对于所述纵向轴线向外径向延伸的凸起；传动机构，耦接到所述套管并适配成旋转所述套管； 马达，耦接到所述传动机构。
13. 如权利要求12所述的井下工具，其特征在于，所述工具包括线缆 式工具。
14. 如权利要求12所述的井下工具，其特征在于，所述壳体包括额外 的凸起，所述额外的凸起相对于所述纵向轴线向外径向延伸。
15. 如权利要求2所述的井下工具，其特征在于，所述至少一个凸起 相对于径向移动来说是固定的。
16. 如权利要求12所述的井下工具，还包括控制器，所述控制器可操 作地耦接到所述马达，以控制所述马达的旋转速度。
专利摘要本实用新型提供了一种井下工具，包括从井筒壁面松脱工具的装置。该工具可以包括限定纵向轴线的壳体和耦接到壳体并安装成可以相对于壳体旋转的套管，套管具有外表面，该外表面包括至少一个相对于纵向轴线向外径向延伸的凸起。传动机构可以耦接到套管并适配成旋转套管，马达可以耦接到传动机构。
文档编号E21B49/08GK201254990SQ200820112618
公开日2009年6月10日 申请日期2008年4月21日 优先权日2007年6月14日
发明者亚历山大·F·扎佐夫斯基, 理查德·米汉, 邦克·M·希尔 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司