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，所述垫安装在伸展地肋上，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。
【附图说明】
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。
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。