井下工具和从井筒壁面解脱工具壳体的方法 【技术领域】
本发明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，本发明涉及从钻井壁面解脱或“松脱”工具的装置和方法。
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的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(随钻测并)。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，但这些区别与本发明没有密切关系，因此本发明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MWD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被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/或探头延伸到与内衬井筒的泥饼接触。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，因此必须围绕工具圆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。
【发明内容】
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机构。
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。
【附图说明】
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是带有根据本发明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是带有根据本发明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是包括根据本发明的壁面解脱装置的井下工具示意透视图；
图4是沿着图1中线4-4取的井下工具示意截面图；
图5是包括根据本发明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视图；
图6是具有根据本发明的壁面解脱装置的井下工具另一种实施例的示意透视图；
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】
本发明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。本发明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-containedmodule)。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，根据本发明的壁面解脱组件由诸如图1所示钻探工具10或图2所述线缆式工具10’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1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悬挂于钻塔。通过钻探工具10的钻柱28和外刀头(outbit)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。
并下钻探工具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)悬挂在钻塔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1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10’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10’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圆周设置，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10’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10’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。
本发明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。虽然本发明示出凸起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10’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10’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10’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10’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，本发明的工具解脱组件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10’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10’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。
虽然本发明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，本发明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，因此本发明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。