专利名称：用于感测井下参数的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于测定井眼和/或周围地层内的井下参数的技术。
背景技术：
钻井井眼以定位和生产碳氢化合物。在本技术领域中通常被称作钻柱的一组在其端部具有钻头的井下管和工具被推进到地面内以形成穿透(或对准目标以穿透)感兴趣的地下地层的井眼。在钻柱被推进时，钻井泥浆通过钻柱向下泵送并且从钻头出来，以冷却钻头并且运走钻屑并且控制井下压力。从钻头出来的钻井泥浆通过形成在钻柱和井眼的壁之间的环体流回地面，并且在地面坑中过滤，用于重新循环通过钻柱。钻井泥浆还用于形成泥饼来衬里井眼。
在钻井操作期间，诸如在实际钻井已经临时停止的一段时间期间，经常需要对井眼穿透的地层执行各种鉴定。在一些情况中，钻柱可以提供有一个或多个钻井工具以测试和/或采样周围地层。在其它情况中，钻柱可以从井眼移除(称作“脱扣”)，并且可以部署测井电缆工具进入井眼以测试和/或采样该地层。不同的钻井工具和测井电缆工具，以及在盘管上传送的其它井眼工具，也在这里简单地称作“井下工具”。通过这样的井下工具执行的采样或测试可以用于，例如，定位有价值的碳氢化合物并且管理其生产。
地层鉴定经常需要将来自地层的流体汲取到用于测试和/或采样的井下工具内。不同的装置，诸如探头和/或分隔器，从井下工具延伸以隔离井眼的壁的区域，并且由此建立与围绕井眼的地层的流体连通。随后可以使用该探头和/或分隔器将流体汲取到井下工具内。
典型的探头使用可以从井下工具延伸并且在其外部端携带了用于靠着井眼的侧壁定位的分隔器的主体。这样的分隔器通常构造为具有一个相对大的元件，其可以容易地变形以接触不平坦的井眼的壁(在裸井鉴定的情况中)，但仍保持强度和足够的完整性以承受预期的差压。这些包装机可以设定在裸井或已下套管井段中。它们可以在不同的井下工具上进入井眼。
用于形成与井眼的侧壁的密封的另一种装置被称作双重包装机。对于双重包装机，两个弹性体环围绕井下工具径向扩张以隔离在其间的井眼的壁的一部分。该环形成与井眼的壁的密封并且允许流体通过井眼的隔离的部分被汲取到井下工具内。
衬里井眼的泥饼在辅助探头和/或双重包装机形成与井眼的壁的适当的密封中经常是有用的。一旦形成密封，通过降低井下工具内的压力，通过井下工具内的入口将来自该地层的流体汲取到井下工具内。用于井下工具的探头和/或包装机的示例在美国专利No.6,301,959；4,860,581；4,936,139；6,585,045；6,609,568和6,719,049和美国专利申请No.2004/0000433中描述。这样的装置可以用于执行不同的采样和/或测试操作。用于一些这样的操作中的被称作“预测试”技术的示例例如在美国专利No.6832515，5095745和5233866中描述。
在一些情况中，必须穿透井眼的侧壁和套管和胶结物(如果存在)。已经开发出形成通过侧壁并且到达周围地层的孔或穿孔的技术。这样的技术的示例在美国专利No.5692565中描述。有时需要关闭形成在井眼的壁内的孔，以防止流体流入井眼。使用塞子填充这样的穿孔的技术的示例在美国专利No.6426917，2821323，3451583，4113006，4867333，5160226和5779083中描述。已经开发出提供具有传感器以测量所述井下参数的塞子的技术，例如，在美国专利No.6766854中。
尽管在井眼穿孔和堵塞中已经有了这样的进展，还需要能够监控井下参数和/或阻塞井眼的壁内的穿孔的技术。要求这样的技术使用能够插入井眼的壁并且具有能够采集数据和/或通信信息的电路的塞子。其中，还要求这样的塞子提供有接下来的一个或多个保护电子装置不受恶劣的井眼环境影响的容器，适合紧密地装配在穿孔内的塞子套筒，可以定位在塞子套筒内的电子装置包装，在不同的井眼条件(诸如低渗透性地层)中的可操作性，和不同的井下测试能力，诸如预测试。
发明内容
在一个方面，本发明涉及可以定位在延伸进入穿透地下地层的井眼的壁的穿孔内的传感器塞子。该传感器塞子包括可设置于延伸通过井眼的壁的穿孔内的塞子套筒，可以定位在塞子套筒内的销，传感器和电路。该销适合在其被推进到塞子套筒中时扩张塞子套筒，从而塞子套筒密封穿孔。
在另一个方面，本发明涉及感测穿透地下地层的井眼的井下参数的方法。该方法涉及将塞子套筒定位在井眼的侧壁内的穿孔内，通过将销推进塞子套筒内密封该穿孔，并且从定位在套筒和销中的一个内的传感器感测至少一个井下参数。
在另一个方面，本发明涉及用于感测穿透地下地层的井眼的井下参数的通信系统。该通信系统包括传感器塞子，可以定位在井眼内的井下工具，该井下工具适合与传感器塞子通信和与井下工具通信的地面单元。传感器塞子可以定位在延伸进入井眼的壁的穿孔内。传感器塞子包括可设置于延伸通过井眼的壁的穿孔内的塞子套筒，可以定位在塞子套筒内的销，用于测量井下性质的传感器和可操作地连接到传感器的电路。该销适合在其被推进到塞子套筒中时扩张塞子套筒，从而塞子套筒密封穿孔。
这些和其它方面可以从接下来的详细描述确定。
为了能够详细地理解上述本发明的特征和优势，对上面概述的本发明的更加详细的描述，将参考在附图中示出的本发明的实施例进行。然而，需要注意，附图示出的仅是本发明的典型实施例，并且因此不被认为是限制了本发明的范围，因为本发明可以容许其它同样有效的实施例。
图1为现有技术的穿透和阻塞工具。
图2为定位在套管内的现有技术的塞子。
图3为定位在井眼的侧壁内并且具有设置在其中的传感器的现有技术的塞子。
图4A为在预加载位置的传感器塞子的示意图，该传感器塞子具有套筒和定位在井眼的侧壁内的销，该销在其中具有电子装置，并且该套筒在其中具有气腔室。
图4B示出了在加载位置的传感器塞子4A。
图5为对于图4A所示传感器塞子的压力对时间的曲线图。
图6A为在预加载位置的替代的传感器塞子的示意图，该传感器塞子具有套筒和定位在已下套管的井眼的侧壁内的销，该套筒具有通过其中的用于接收该销的孔口。
图6B示出了在加载位置的图6A所示的传感器塞子。
图7A为在预加载位置的替代的传感器塞子的示意图，该传感器塞子具有套筒和定位在已下套管的井眼的侧壁内的销，该套筒在其中具有电子装置。
图7B示出了在加载位置的图7A所示的传感器塞子。
具体实施例方式
本发明的目前优选的实施例在上面标识的图中示出并且在下面详细描述。在对优选的实施例的描述中，相似或相同的参考数字用于标识相同或相似的元件。图不必要是按比例的，并且为了清晰和简明，图的某些特征和某些视图可以比例放大地显示或示意性地显示。
现在参考图1，示出了现有技术的井下工具12。图1所示的井下工具在美国专利No.5692565中描述。通过测井电缆13将井下工具12从钻机2部署进入井眼10。井眼10用通过胶结物10b支承的套管11衬里。该工具具有钻头19，通过旋转的驱动轴18推进钻头19通过井眼的侧壁。工具12也提供有用于推进塞子26进入通过钻头19形成的穿孔的阻塞机构25。
图2示出了使用例如图1所示工具定位在穿透的套管11内的天线228。该天线在美国专利No.6766854中更加完全地描述。该天线提供有主体278和锥形的插入物277。
图3示出了用于通过井下工具308将传感器塞子320定位在井眼的侧壁内的系统306。系统306和传感器塞子320在美国专利No.6766854中更加完全地描述。传感器塞子320提供有用于测量井下性质和/或通信信息的天线310和传感器。
涉及图1-3所示物品的附加的详细描述可以在美国专利No.5692565和/或6766854中获得。
图4A和4B示出了定位在井眼的侧壁内的传感器塞子400。传感器塞子400定位在延伸通过具有套管406和胶结物408的井眼的侧壁404的穿孔402内。图4A所示的传感器塞子400在预加载位置，并且图4B所示的传感器塞子400在加载位置。可以使用穿孔和阻塞技术将传感器塞子插入穿孔内，诸如那些在美国专利No.5692565和/或6766854中描述的。
传感器塞子400包括外部主体部分(或塞子套筒)410和电子装置部件或销412。外部主体部分410具有用于接收电子装置部件412的接收器414和腔室416。电子装置部件412包括通信线圈418，电子装置420，传感器422，波纹管424和针426。电子装置部件优选地可以定位在接收器414内，使得通信线圈邻接接收器的开口428。电子装置部件还优选地被推进接收器内，针426在其前端。
电子装置部件优选地包含密封在波纹管424后面的轻质油。波纹管424将轻质油从地层流体分开，同时传输压力。穿孔402内的压力通过延伸通过主体部分并且进入接收器424的口438传输。
外部主体部分优选为圆柱形，具有锥形前端430，并且在其相反的尾端432具有开口428。腔室416定位为靠近前端430。外部主体部分优选地在尾端432提供有法兰434。法兰434用作机械停止器，以防止主体部分推进超过井眼的壁和/或套管(如果存在)进入地层内。
如图4B所示，传感器塞子400与图4A所示相同，除了电子装置包装件421被推进到主体部分410内。在此视图中，传感器塞子400在加载位置，针426穿透腔室416。
腔室416优选为大气腔室。然而，可以使用任何气体，诸如氮气或其它充满的气体。替代地，腔室也可以为真空腔室。当安装塞子并且破坏腔室416时，与地层连通的流体的体积微小地增加，从而形成小的预测试，或地层压力降低。预测试为传统的压力曲线，执行以测定不同的地层性质。预测试的示例在美国专利No.5233866中描述。
激活大气腔室，传感器塞子可以被监控(间歇地或持续地)，以观测在地层压力与穿孔和/或接收器内的压力均衡时发生的压力改变。此压力改变通常为解决地层的大致的渗透性的压力积累。执行这样的压力分析和/或预测试的能力可以用于甚至低的多孔性地层，以能够测量该地层。此外，使用多个塞子允许在不同的井和/或在给定的井内位置的塞子之间的数据相关性。
当安装传感器塞子并且将针426压入适当的位置时，电子装置部件被推进到主体内，并且促使主体形成与套管的密封。电子装置部件还具有形成沿主体内部的密封的套筒436。一旦电子装置部件被推进到适当的位置内并且形成密封，针破坏大气腔室。当此事件发生时，在接收器和地层之间的压力将随着连接的流体体积增加而降低。
随着时间过去，地层将响应压力改变并且产生流体，直到穿孔402内的压力与地层内的流体的压力均衡。穿孔内的压力通过口438传输到接收器414内，传输到波纹管424并且最终传输到传感器422，如箭头所示。因为通过地层产生的流体的体积仅是塞子内的小的大气腔室的尺寸，积累时间的数量级应该短于用传统的压力测量工具的情况。
预期的压力P(y轴)对塞子安装的时间t(x轴)响应500在图5中示出。在点502，通过传感器422(图4A)测量的压力为处于井筒压力。在点504，电子装置部件412被推进到外部主体部分内。在点505，针426破坏大气腔室416(图4B)。压力降低，直到其在点506降到最低点。在点506，地层响应压力降低并且开始与穿孔内的压力均衡。压力增加到点507，在那里其达到地层压力。
可以使用通过图5所示曲线图示出的操作来模拟传统的预测试。从点505到506和从506到507分别发生的下降和积累，可以被分析以测定地层的性质。此“小型预测试”可以用于测定不同的地层参数。
传感器塞子还可以提供有通信电路。这样的电路优选为允许传感器塞子监控不同的井下参数。例如，传感器塞子可以监控压力瞬态并且观察压力开始积累回到地层压力。
可以通过改变钻井孔的深度或大气腔室的初始参数来将预测试调整到特定的地层。可以改变钻井孔的深度以改变对于给定的地层渗透性的地层压力下降的幅度。孔深度越大，与地层连接的初始体积越大，并且当大气腔室被破坏时体积改变的百分比越小，从而压力下降越小。另外，孔深度控制产生地层的区域。更深的孔暴露更多的流体产生区域，并且从而进一步减小非常低的渗透地层内的积累时间。
也可以提供传感器塞子的变体以将该测量调整为用于特定的情况或地层。例如，大气腔室的尺寸可以更大或更小以改变地层压力的初始下降。另外，传感器塞子可以提供有预先充满的体积而不是大气腔室。可以将气体充到此体积内达到预先确定的压力以进一步调整压力下降的量。
虽然在这里描述了关于压力测量的传感器，可以测量任何地层流体性质传感器。另外，传感器塞子可以安装在钻井孔或现有的穿孔内，或者直接压入地层内。传感器塞子可以插入裸井眼或已下套管的井眼的侧壁内。另外，随着传感器塞子的安装，在这里描述的传感器塞子增加与地层连接的流体的体积，从而降低流体压力。替代地，连接在塞子和地层之间的体积可以随着传感器塞子的安装减小。在此情况中，与地层连接的压力增加。
图6A和6B示出了定位在用胶结物623和套管627衬里的井眼624的侧壁内的穿孔616内的另一个传感器塞子600。图6A示出了在预加载位置的传感器塞子600，并且图6B示出了在加载位置的传感器塞子600。可以使用穿孔和阻塞技术将传感器塞子插入穿孔内，诸如那些在美国专利No.5692565和/或6766854中描述的。
传感器塞子600包括塞子套筒608，塞子套筒608具有通过其中的适合于接收销602的孔口625。塞子套筒适合于插入穿孔616并且邻接套管627。销602包括天线部分621和电子装置部分622。
传感器603和相关的电子装置604定位在销602的电子装置部分622内的电子装置腔室627内。天线601定位在销602内的销腔室628内。天线适合与例如在井筒内的工具内的接收器通信。
馈通626定位在销腔室628内，以隔离电子装置部分622内的电子装置腔室627与销的销腔室628。馈通626优选为能够在电子装置604和天线603之间通信，同时保护电子装置不受井筒内的流体影响的电馈通。
导体609从天线601延伸通过馈通626，以提供用于电连接腔室627和628内的物品的装置。导体609电连接到天线601和电子装置604。第一连接器610a用于将导体609连接到天线601。第二连接器610b用于将导体609连接到电子装置604。连接器610可以为适合提供需要的电连接的弹簧、连杆或其它机构。
如图6A所示，操作中，塞子套筒608插入穿孔616。如图6B所示，销602被推进到孔口625内。随着销推进，套筒部分621扩张以密封地接合套管627。在插入和扩张过程以前、期间或以后，可以使用传感器和电子装置来测量井下参数。在此时间期间也可以使用天线来与其它部件通信。这样，可以发送信号到传感器塞子，数据可以通过传感器采集并且通过天线传输到井上的接收机。可以执行用于数据采集和分析的不同的过程。
现在参考图7A-7B，示出了另一个传感器塞子700。这些图示出的传感器塞子700定位在用胶结物723和套管727衬里的井眼724的侧壁内的穿孔716内。图7A示出了在预加载位置的传感器塞子700。图7B示出了在加载位置的传感器塞子700。在此实施例中，传感器塞子700包括塞子套筒731和销732。
塞子套筒包括电子装置部分722和销接收部分734。电子装置部分722优选地与销接收部分734成一整体或者连接到销接收部分734，例如通过焊接。通道735延伸通过销732以允许流体流动通过其中。套筒731在其中具有适合接收销732的腔733。套筒731可以定位到穿孔716内。销732可以被推进到套筒731内的腔733内。随着销732推进到套筒内，套筒扩张并且密封地接合套管727和销732。
电子装置738和传感器739定位在电子装置部分722内的电子装置腔室742内。馈通736定位在套筒内的腔733内，并且隔离电子装置部分722内的电子装置腔室742与腔733。馈通736可以为与图6A-6B所示的馈通626相似的电馈通。在此实施例中，该馈通对于可以进入腔733的井筒流体密封电子装置腔室742。
天线737定位在销732内并且适合与例如在井筒内的工具内的接收机通信。天线737连接到第一导体744。第二导体745定位在套筒731内的馈通736内。第一连接器750电连接第一和第二导体。第二连接器751将第二导体745电连接到电子装置738。该连接器可以为适合提供需要的电连接的导线、弹簧、连杆或其它机构。优选地，该连接器允许销相对于套筒相对运动。
操作中，套筒731定位穿孔716内，在如图7A所示。塞子732定位在套筒的腔733内。销732被推进到套筒731内，如图7B所示。随着销推进到套筒内，套筒扩张并且靠着穿孔716的内表面密封。由于销732、套筒731和套管727之间的干涉导致的压缩力辅助在销和套筒之间的分界面处形成密封。此附加的力可以辅助允许传感器塞子承受在井眼和在套管716的每侧上的地层之间的差压。传感器可以随后感测井下参数并且通过天线737通信这样的信息。
图6A-7B所示的传感器塞子、销和套筒优选为锥形的以促进推进到穿孔716内。另外，塞子套筒可以提供有法兰，诸如图7A-7B所示的法兰708，以限制传感器塞子推进穿孔内。
传感器塞子的不同部分可以由耐腐蚀合金制造，但是也可以由高强度聚合体制造，取决于应用需要的在套管内部和外部之间的额定差压。可以在传感器塞子诸如套筒731的密封表面上加工凹槽，以改进套筒/套管密封的强度和额定压力。这些凹槽也可以用于改进销/套筒密封的强度和额定压力。
可以使用一个或数个电馈通和/或连接器。电馈通可以通过玻璃、陶瓷、聚合体或其它绝缘体绝缘。通过用绝缘材料在上面模制，天线和电馈通可以与井筒流体电绝缘。通过耐腐蚀金属、陶瓷或聚合体膜或窗，可以保护天线和电馈通不受井筒流体影响。
可以用任何其它无线通信装置，诸如超声换能器，来代替天线。传感器塞子的部分优选为焊接在一起的。在传感器塞子内，电子装置和传感器可以在真空中，或浸入空气中，或在惰性气体中，或在绝缘流体中，在低压力下，或在地层压力下。
可以提供处理器以分析通过传感器塞子采集的数据。处理器可以提供在传感器塞子内，或者在与传感器塞子通信的井下工具或地面单元内。通过传感器塞子采集的数据可以与其它井场的数据结合以分析井场的操作。
传感器可以对接下来的地层参数中的任何地层参数，但不限于接下来的地层参数敏感压力、温度、电阻率、电导率、地震的或声波的振动、应力或应变、PH、化学成分以及不同的井下参数。传感器639可以用有源装置替代或补充，该有源装置产生被其它传感器测量的信号，诸如电流、电磁波、声音。传感器及其电子装置可以通过电池供电，或通过井筒内的询问工具远程地供电。另外，可以通过天线将电力供应到电子装置和/或传感器。
上述塞子和相关的系统的某些配置和部件的详细内容，以及用于这样的配置和部件的替代方案，为本领域中的普通技术人员所知道，并且可以在不同的其它专利和印刷出版物中找到，诸如那些在这里讨论的。此外，传感器塞子的特定的配置和部件可以根据每个特定设计、或使用、情况的因素变化。从而，传感器塞子和本发明都不限于上述配置和部件，并且可以包括任何适合的部件和配置。例如，不同的传感器塞子可以以不同的结构定位在已下套管的或未下套管的井眼内。相似地，传感器塞子的配置和部件可以根据每个特定设计、或使用、情况的因素变化。上面对于探头组件和本发明的其它方面可以与其一起使用的工具的示例性的部件和环境的描述提供为仅用于说明性的目的，并且不限制本发明。
本发明的范围应该仅通过接下来的权利要求书的语言确定。权利要求中使用的术语“包括”企图指的是“至少包括”，使得在权利要求中列举的元件列表是开放的组。除非特别排除，“A”、“an”和其它单数术语企图包括其复数形式。
权利要求
1.一种可以定位在延伸进入穿透地下地层的井眼的壁的穿孔内的传感器塞子，其包括可设置于延伸通过井眼的壁的穿孔内的塞子套筒；可以定位在塞子套筒内的销，该销适合在其被推进到塞子套筒内时扩张塞子套筒，从而塞子套筒密封穿孔；用于测量井下性质的传感器；及可操作地连接到传感器的电路。
2.根据权利要求1所述的传感器塞子，其中，塞子套筒在其中具有用于接收销的腔。
3.根据权利要求1所述的传感器塞子，其中，塞子套筒具有延伸通过其中的用于接收销的孔口。
4.根据权利要求1所述的传感器塞子，其中，传感器和电路定位在塞子套筒内。
5.根据权利要求1所述的传感器塞子，其中，传感器和电路定位在销内。
6.根据权利要求1所述的传感器塞子，其中，塞子套筒在其中具有腔室，并且销在其端部具有适合在销被推进到套筒内时破坏腔室的针。
7.根据权利要求6所述的传感器塞子，其中，腔室在其中具有气体。
8.根据权利要求1所述的传感器塞子，其中，塞子套筒和销中的至少一个在其中具有用于流体通过其中的口。
9.根据权利要求1所述的传感器塞子，还包括定位在销和塞子套筒之间用于在其间形成密封的销套筒。
10.根据权利要求1所述的传感器塞子，其中，塞子套筒在其端部具有法兰，以终止塞子套筒被推进通过穿孔。
11.根据权利要求1所述的传感器塞子，还包括可操作地连接到传感器和电路中的至少一个的波纹管，用于在允许井下流体的压力施加到其的同时隔离其与井下流体接触。
12.根据权利要求1所述的传感器塞子，还包括用于发送和接收信号的天线。
13.根据权利要求12所述的传感器塞子，其中，天线定位在销内。
14.根据权利要求12所述的传感器塞子，还包括用于可操作地连接天线与传感器的至少一个导体。
15.根据权利要求12所述的传感器塞子，还包括用于可操作地将该至少一个导体连接到天线、传感器、电路和它们的组合中的一个的至少一个电连接器。
16.根据权利要求12所述的传感器塞子，还包括定位在销和塞子套筒中的一个内的馈通，用于从井下流体流体隔离传感器和电路。
17.一种感测穿透地下地层的井眼的井下参数的方法，其包括将塞子套筒定位在井眼的侧壁内的穿孔内；通过将销推进塞子套筒内密封穿孔；及从定位在套筒和销中的一个内的传感器感测至少一个井下参数。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括在井眼的侧壁内形成穿孔。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括执行预测试。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，执行预测试的步骤包括通过推进可操作地连接到销的针破坏塞子套筒内的腔室并且感测井下参数。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括把腔室内的气体调整到地层。
22.根据权利要求20所述的方法，还包括把预测试调整到地层的深度。
23.根据权利要求17所述的方法，其中，感测步骤包括测量邻近传感器的流体的井下压力。
24.根据权利要求17所述的方法，还包括分析该至少一个井下参数。
25.一种用于感测穿透地下地层的井眼的井下参数的通信系统，其包括可以定位在延伸进入井眼的壁的穿孔内的传感器塞子，其包括可设置于延伸通过井眼的壁的穿孔内的塞子套筒；可以定位在塞子套筒内的销，该销适合在其被推进到塞子套筒中时扩张塞子套筒，从而塞子套筒密封穿孔；用于测量井下性质的传感器；及可操作地连接到传感器的电路；可以定位在井眼内的井下工具，该井下工具适合与传感器塞子通信；及与井下工具通信的地面单元。
26.根据权利要求25所述的通信系统，其中，井下工具包括用于形成穿孔的穿孔器。
27.根据权利要求25所述的通信系统，其中，井下工具为测井电缆工具、钻井工具、盘管工具和它们的组合中的一个。
全文摘要
提供了可以定位在延伸进入穿透地下地层的井眼的壁的穿孔内的传感器塞子。该传感器塞子包括可设置于延伸通过井眼的壁的穿孔内的塞子套筒，可以定位在塞子套筒内的销，传感器和电路。该销适合在其被推进到塞子套筒中时扩张塞子套筒，从而塞子套筒密封穿孔。通过井下工具可以将传感器塞子部署进入井眼的侧壁。
文档编号G01V11/00GK1861981SQ20061007198
公开日2006年11月15日 申请日期2006年3月31日 优先权日2005年3月31日
发明者C·隆菲尔德, Y·巴里奥尔, D·W·格兰特 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司