CN101446197B - 用于标记侧壁岩芯的侧壁取芯工具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于标记侧壁岩芯的侧壁取芯工具和方法。侧壁取芯工具包括工具壳体、联接的取芯组件和标记设备。工具壳体确定纵向轴线并适于悬吊在井孔内一选定深度处。取芯组件联接到工具壳体，并包括钻头壳体和联接到钻头壳体的取芯钻头。取芯钻头受到支撑以在输送位置与取芯位置之间运动。标记设备相对于取芯钻头位于已知位置，并适于在地层中形成取向标记。

Description

用于标记侧壁岩芯的侧壁取芯工具和方法

技术领域

本公开总体上涉及油气井钻井和随后对井周围的地下地层的勘测。更具体地，本公开涉及从地下地层获取侧壁岩芯的装置和方法。

背景技术

通常将井钻入地下或海床以便开采油气的自然沉积物以及圈闭在地壳内地质岩层中的其它所需物质。通常利用附接到“钻柱”下端的钻头进行钻井。钻井液或“泥浆”通常通过钻柱被向下泵送到钻头。钻井液对钻头进行润滑和冷却，并在钻柱与井筒壁之间的环空中将钻屑运回地面。

一旦到达目标岩层，司钻常常通过使用井下地层评价工具对地层及其组分进行勘测。一些类型的地层评价工具构成了钻柱的一部分并在钻井过程中使用。这些被称为例如“随钻测井”(“LWD”)工具或“随钻测量”(“MWD”)工具。MWD通常指的是测量钻头轨迹以及井眼温度和压力，而LWD指的是测量地层参数或性质，例如电阻率、孔隙度、渗透率和声速等。实时数据(例如，地层压力)允许钻井公司在钻井过程中确定钻井泥浆重量和组分，并确定钻速和钻压。虽然LWD和MWD对于本领域的普通技术人员来说具有不同的含义，但是它们的区别与本公开并无密切关系，因此本公开不区分这两个术语。此外，在钻头正切削穿过地层时，没有必要进行LWD和MWD。例如，LWD和MWD可出现在钻井过程的中断期间，例如当钻头暂停以进行测量时，之后继续进行钻井。在钻井过程中的断续间歇期间进行测量仍被认为是“随钻”，这是因为它们不需要从井眼中取出钻柱，即“起钻”。

其它地层评价工具有时会在完钻之后使用。通常，利用用于电子通信和能量传递的电缆将这些工具下入到井中，因此这些工具一般被称作“电缆”工具。一般来说，将电缆工具下入到井中，以便能够在所期望的深度处测量地层性质。

一种类型的电缆工具被称作“地层测试工具”。术语“地层测试工具”用于描述能够将流体从地层吸入到井下工具中的地层评价工具。实际中，地层测试工具可具有许多地层评价功能，例如获得测量值(即，流体压力和温度)、处理数据和/或获取并存储地层流体样品。因此，在本公开中，术语“地层测试工具”包括将流体从地层吸入到井下工具中以进行评价的井下工具，而无论该工具是否存储样品。美国专利No.4,860,581和No.4,936,139示出并描述了地层测试工具的示例，这两项专利都转让给本申请的受让人。

在地层测试作业期间，通常将井下流体吸入到井下工具中，然后对其进行测量、分析、捕获和/或释放。在捕获流体(常常是地层流体)的情况下(有时称作“流体取样”)，流体通常被吸入到样品腔中并被输送到地面，以进行进一步的分析(常常在实验室中)。当流体被吸入到工具中时，通常会对井下流体进行各种测量，以确定地层性质和情况，例如地层中的流体压力、地层渗透率和地层流体的泡点。渗透率指的是地层的流动势。高渗透率对应于低的流体流动阻力。泡点指的是溶解气从地层流体中溢出时的流体压力。这些和其它性质在做井下决定时可能是重要的。

通常经由电缆布置到井眼中的另一种井下工具称为“取芯工具”。与主要用于采集样品流体的地层测试工具不同，取芯工具用于获取地层岩石样品。

一种典型的取芯工具包括空心钻头，称为“取芯钻头”，使该取芯钻头进入到地层表面中，使得可以从地层中取出样品(称作“岩芯样品”)。然后将岩芯样品输送到地面，在地面对岩芯样品进行分析以进行评定，例如：油藏存储能力(称作孔隙度)和构成地层的物质的渗透率；包含在地层孔隙中的流体和矿物沉积物的化学和矿物组分；和/或地层物质的束缚水含量。对岩芯样品进行分析所获得的信息也可用于做出井下决定。

井下取芯作业一般分为两类：轴向取芯和侧壁取芯。“轴向取芯”或常规取芯包括施加轴向力以使取芯钻头前进至井底。通常，这在钻柱已经从井眼(wellbore)中取出或“起钻”之后进行，并且将钻柱端部具有用于接收岩芯样品的中空内部的旋转取芯钻头下入到井中。轴向取芯工具的示例在转让给Baker Hughes的美国专利No.6,006,844中进行了描述。

相比之下，在“侧壁取芯”中，取芯钻头从井下工具径向伸出，并穿过所钻井孔的侧壁前进。在侧壁取芯中，钻柱通常既不能用于使取芯钻头旋转，也不能提供使钻头进入地层中所需的重量。而是，取芯工具本身必须产生使取芯钻头旋转的扭矩和轴向力，这称为钻压(“WOB”)，其是驱动取芯钻头进入地层所必需的。侧壁取芯的另一难题有关井孔的尺寸限制。可用空间受到井孔直径的限制。必须具有用以容纳用于操作取芯钻头的设备的足够空间和用以取回并存储岩芯样品的足够空间。典型的侧壁岩芯样品的直径为约1.5英寸(约3.8cm)，长度小于3英寸(约7.6cm)，当然这些尺寸可以随着井孔尺寸而变化。美国专利No.4,714,119和No.5,667,025示出并描述了侧壁取芯工具的示例，这两项专利都转让给本申请的受让人。

在侧壁取芯的分析过程中，在取出岩芯之前知道岩芯存在于地层中的取向是有利的。这里所使用的“取向(orientation)”指的是岩芯的哪个端部面向或暴露于井孔。附加地或可选择地，岩芯的“取向”显示出岩芯如何相对于井孔(borehole)轴线定位(即，岩芯的哪部分处于最小深度或顶部)。目前，侧壁岩芯的取向可通过对岩芯物理特征的严格检查来确定。然而，这种方法需要地质学和操作取芯工具的专业知识。地质学的细节常常不是熟知的或者说要想获得代价太高，因此，这种方法在许多应用场合中并不是可行的。在一些情况下，“取向”可能是指相对于井孔(岩芯从该井孔中取出)中心的钻进取向、或径向方向。投影到水平面上，这种类型的取向通常以偏离北向的角度测量。利用井下取向工具已经可以进行钻进取向的测量。

发明内容

根据本公开的一个方面，公开了一种具有工具壳体、取芯组件和标记设备(marking device)的侧壁取芯工具。工具壳体确定纵向轴线并适于悬吊在井孔内一选定深度处。取芯组件联接到工具壳体，并包括钻头壳体和联接到钻头壳体的取芯钻头，钻头壳体受到支撑以在输送位置与取芯位置之间运动。标记设备相对于取芯钻头位于已知位置，并适于在地层中形成取向标记。

根据本公开的另一方面，公开了一种具有工具壳体、取芯组件和取向标记设备的侧壁取芯工具。工具壳体确定纵向轴线，并适于悬吊在井孔内一选定深度处。取芯组件联接到工具壳体，并包括钻头壳体和取芯钻头，取芯钻头联接到钻头壳体，钻头壳体受到支撑以在输送位置与取芯位置之间运动。标记设备受到支撑以相对于工具壳体往复运动，并可操作地联接到取芯组件的马达。

根据本公开的另一方面，公开了一种具有旋转致动器和伸出致动器的侧壁取芯工具。该侧壁取芯工具还包括：工具壳体，确定纵向工具轴线并适于悬吊在井孔内一选定深度处；形成在工具壳体中的取芯孔；设置在工具壳体中的岩芯容器；设置在工具壳体内的钻头壳体；安装在钻头壳体内的取芯钻头，该取芯钻头包括切削端并确定取芯钻头轴线。钻头马达可操作地联接到取芯钻头，并适于使取芯钻头围绕钻头轴线旋转。旋转致动器可操作地联接到钻头壳体，并适于使钻头壳体在弹出位置与取芯位置之间运动，在弹出位置，取芯钻头轴线基本平行于工具轴线，而在取芯位置，取芯钻头轴线基本垂直于工具轴线。伸出致动器可操作地联接到取芯钻头，并适于使取芯钻头在缩回位置与伸出位置之间运动，其中，该伸出致动器可独立于旋转致动器工作，以使取芯钻头在取芯钻头轴线处于一倾斜角度时伸出，从而在地层中形成取向标记。

根据本公开的又一方面，一种对从井眼侧壁中取回的岩芯进行标记的方法包括：将侧壁取芯工具悬吊在井孔内一选定深度处；对选定位置处的井孔表面做标记，以形成取向标记；以及使取芯钻头伸入选定位置处的地层中以形成侧壁岩芯。

附图说明

为了更全面地理解所公开的方法和装置，要结合附图更加详尽地说明实施例，附图中：

图1为侧壁取芯工具的第一实施例的示意图；

图2为图1所示侧壁取芯工具的示意性放大侧视图；

图3为侧壁岩芯的放大透视图；

图4为包括取芯工具的电缆组件的示意图；

图5为图1所示取芯工具模块的放大示意图；

图6为取芯工具模块的示意性截面图，其中取芯钻头处于弹出位置；

图7为取芯工具模块的示意性截面图，其中钻头壳体处于取芯位置，取芯钻头已缩回；

图8为取芯工具模块的示意性截面图，其中取芯钻头处于伸出位置；

图9为钻头壳体处于切断位置的示意性截面图；

图10A为用在图4所示取芯工具模块中的取芯组件的侧视图；

图10B为图10A所示取芯组件的平面图；

图11A和11B分别为图4所示取芯组件处于斜角位置和取芯位置的示意性放大侧视图；以及

图12为利用图4所示取芯组件获得的侧壁岩芯的透视图。

应当理解，这些附图不一定是按比例绘制，而且有时用图解法和以局部视图的形式示出所公开的实施例。在某些情况下，对于理解所公开的方法和装置不必要的细节或导致理解困难的其它细节已经被省略。当然，应当理解，本公开并不局限于这里所示出的特定实施例。

具体实施方式

本公开涉及从地下地层中获取岩芯样品的装置和方法。公开了在侧壁样品中形成取向标记的各个实施例。在一些实施例中，侧壁取芯工具包括在取芯之前在地层中形成标记的单独标记设备。在其它实施例中，取芯钻头本身用于形成标记。这里所公开的装置和方法可用在“电缆”和“随钻”应用场合。

图1示出了通过由钻机29支承的电缆27悬吊在井孔33中的侧壁取芯工具21。利用取芯钻头23可获取样品，该取芯钻头23从取芯工具21伸入地层F中。取芯工具21可由支承臂31支靠在井孔中。市场上可买到的这种类型的取芯工具的示例是Schlumberger公司(本申请的受让人)的机械侧壁取芯工具(“MSCT”)。美国专利No.4,714,119和No.5,667,025进一步描述了MSCT，这两项专利都转让给了本申请的受让人。

正如最佳在图2中示出的，侧壁取芯工具21包括用于钻入井孔中以获得侧壁岩芯的取芯组件40。取芯组件40包括受到支承以相对于工具21的壳体38旋转的取芯钻头41。取芯钻头41包括具有中空内部的轴43。地层切削件47位于轴43的切削端。可以在不偏离本公开的范围的条件下使用本领域公知的用于旋转取芯钻头的许多不同类型的地层切削件。马达45可操作地联接到轴43，从而使轴43旋转。

钻头驱动器联接到取芯钻头41，以使其在输送和取芯位置之间旋转。在所示的实施例中，钻头驱动器包括可操作地联接到取芯钻头41的液压臂49。液压臂49工作以使取芯钻头41在输送位置与取芯位置之间移动，在输送位置，取芯钻头41的轴线51基本平行于井孔的轴线53，而在取芯位置，取芯钻头41的轴线51基本垂直于井孔的轴线53。当在取芯位置时，取芯钻头41可以随着钻头的旋转而伸入到地层中，从而形成侧壁岩芯。尽管图2示出的是液压驱动器，但是可以理解，在不脱离本公开的范围的情况下可以使用其它类型的钻头驱动器。

取芯工具21还包括标记设备，用于在地层表面上的选定位置形成取向指示标记。如图2所示，标记设备可以是具有齿62的切削刃61。切削刃61可以是可操作地联接到钻头驱动器的“主动式(active)”标记设备。在主动式标记设备的实施例中，钻头驱动器使切削刃61移动，使得其与地层接合并沿着地层表面移动，从而形成取向标记67(图3)。切削刃61可以在取芯钻头41从输送位置旋转到取芯位置的同时移动。切削刃61可进行单向移动、往复移动、或适于在地层表面中形成标记67的任何其它的移动。对于相对较硬的地层，取芯钻头41可前后旋转多次，以使切削刃61反复与地层表面切削接合。取向标记67可以是直线、月牙(如下所述)、或适于指示取向的任何其它的形状。对于直线或其它类似形状的标记来说，标记的长度可以超过将要形成的岩芯的直径，以提供用于形成岩芯的更大的目标区域，这可以从下面的描述中更好地理解。

切削刃61还可以相对于取芯钻头41位于已知位置，使得取芯钻头41可按照需要重新定位，从而在地层的选定位置处形成岩芯65，由此确保得到的侧壁岩芯65包括取向标记67。如果取向标记67基本上是直线形(如图3所示)，则有利的是使其形成在偏离侧壁岩芯65的轴线63的点处，如图3所示，使得可以更容易地确定侧壁岩芯65的上部和下部。

在可选择的实施例中，切削刃61可联接到工具壳体，以提供被动式切削设备。在这一可选择的实施例中，当为了取芯而定位工具21时，切削工具与井孔壁简单接合。定位工具21时，切削刃61与地层表面之间的偶然接触将会在表面中形成取向标记。可以使切削刃61相对于取芯钻头41再次位于已知位置，使得岩芯可形成在包括所述取向标记的区域中。

图4示出了另一可选择的侧壁取芯工具，其示出了从钻机100布置到井眼105中的电缆装置101的示意性视图。电缆装置101包括取芯工具103。示出取芯工具103具有取芯组件125、用于存储岩芯样品的存储区域124、以及相关的控制机构123，取芯组件125具有取芯钻头121。存储区域124构造成用于容纳样品岩芯，其可以包括或者也可以不包括套筒、罐或其它贮藏容器。可以设置至少一个支撑臂122，用于在取芯钻头121工作时将工具101稳定在井孔(未示出)中。

电缆装置101还可包括执行其它功能的附加系统。图4中示出一个这样的附加系统，其是地层测试工具102，该测试工具102通过安装接头104可操作地连接到取芯工具103。地层测试工具102可包括探针111，该探针111从地层测试工具102伸出以与地层F流体连通。支撑活塞112可包括在工具101中，用于帮助推动探针111以使其与井眼的侧壁接触，并使工具102稳定在井孔中。图4所示的地层测试工具102还包括将样品流体泵送通过工具的泵114、以及用于存储流体样品的样品腔113。图4中仅仅示意性地示出了这些部件的位置，而它们可以设置在除了所示位置以外的其它位置。还可包括其它部件，例如动力模块、液压模块、流体分析模块以及其它设备。

示出图4的装置具有多个可操作地连接在一起的模块。然而，该装置还可部分地或完全地成为一体。例如，如图4所示，地层测试工具102可与取芯工具成为一体，该取芯工具容纳在通过安装接头104可操作地连接的单独模块中。可选择地，取芯工具可整体地包括在装置101的总壳体内。

井下工具常常包括多个模块(即，执行不同功能的工具段)。另外，多于一个的井下工具或部件可被结合在同一电缆上，以便在同一电缆工作中完成多个井下任务。这些模块通常由“安装接头”(例如，图4的安装接头104)连接起来。例如，地层测试工具的一个模块通常在其顶端具有一种类型的连接器，并在其底端具有第二种类型的连接器。使顶端和底端连接器彼此可操作地配合。通过使用具有类似的连接器布置的模块和工具，所有的模块和工具可首尾相连地连接在一起，从而形成电缆组件。根据对电缆上的工具的要求，安装接头可提供电连接、液压连接和管线(flowline)连接。电连接通常提供动力和通信能力。

实践中，电缆工具一般包括多个不同的部件，一些部件可包括两个或更多的模块(例如，地层测试工具的抽空模块和样品模块)。在本公开中，“模块(module)”用于描述任何可连接在电缆组件中的各工具模块或单独的工具。“模块”描述了电缆组件的任意部分，无论所述模块是大工具的一部分还是本身为单独的工具。应当指出，术语“电缆工具(wireline tool)在本领域有时用于描述整个电缆组件，包括所有组成该组件的各工具。在本公开中，术语“电缆组件”用于防止与构成该电缆组件的各工具发生混淆(例如，取芯工具、地层测试工具和NMR工具都可以包括在单一电缆组件中)。

图5为取芯工具103的放大示意图。如上所述，取芯工具103包括具有取芯钻头121的取芯组件125。液压取芯马达130可操作地联接，以旋转地驱动取芯钻头121，以使该取芯钻头可切入地层F中并获取岩芯样品。

为了使取芯钻头121进入地层，必须在使取芯钻头旋转的同时将其压入地层中。因此，取芯工具103向取芯钻头121施加钻压(“WOB”)(即：将取芯钻头121压入地层中的力)和扭矩。图5示意性地描述了用于施加这些力的机构。例如，WOB可由马达132和控制组件134产生，马达132可以是AC、无刷式、DC或其它电源。控制组件134可包括液压泵136、反馈流量控制(“FFC”)阀138和活塞140。马达132为液压泵136提供动力，而来自泵136的液压流体的流量由FFC阀138进行调节。液压流体的压力驱动活塞140向取芯钻头121施加WOB，这在后面进行更加详细的描述。

扭矩可由另一马达142和齿轮泵144提供，所述另一马达142可以是AC、无刷式、DC或其它电源。第二马达142驱动齿轮泵144，齿轮泵144向液压取芯马达130供应液压流体流。而液压取芯马达130又向取芯钻头121传递扭矩，以使取芯钻头121旋转。

尽管上面给出了用于施加WOB和扭矩的机构的具体示例，但是，在不脱离本公开范围的情况下，可以采用用于产生这些力的任何公知的机构。可用于施加WOB和扭矩的机构的其它示例在美国专利No.6,371,221和No.7,191,831中进行了公开，这两项专利都转让给了本申请的受让人，并在这里被引入作为参考。

图6-9更为详细地示出了取芯工具103。取芯工具103包括沿着纵向轴线152延伸的工具壳体150。工具壳体150确定了取芯孔154，岩芯样品通过取芯孔154被取回。取芯组件125和存储区域124设置在工具壳体150内。

特别地，取芯工具103和存储区域124可以具有使各岩芯样品分开的相关机构(未示出)。一种这样的系统使用盘将每个岩芯隔开。这种机构常被称为“标记系统”，盘常被描述为“岩芯标记器(core markers)”。

岩芯组件125包括钻头壳体156，钻头壳体156可旋转地联接到工具壳体150。取芯钻头121安装在钻头壳体156内，使得取芯钻头121可在钻头壳体156内轴向滑动并旋转。取芯马达130也安装在钻头壳体156上，并可操作地连接到取芯钻头121以使钻头旋转。尽管这里将取芯马达130示出为液压马达，但是可以理解，可以使用能够使取芯钻头121旋转的任何类型的马达或机构。

可以设置一个或多个旋转连杆臂，用于相对于工具壳体150可旋转地安装钻头壳体156。正如最佳在图10A和10B中示出的，取芯组件125包括一对第一或上部旋转连杆臂160和一对第二或下部旋转连杆臂162。每个上部旋转连杆臂160包括可枢转地联接到钻头壳体156的第一端164和可枢转地联接到工具壳体150的第二端166。类似地，每个下部旋转连杆臂162包括可枢转地联接到钻头壳体156的第一端168和可枢转地联接到工具壳体150的第二端170。正如这里所使用的，术语“可枢转地联接”或“可枢转地连接”指的是两个工具部件之间的连接，其允许其中一个部件相对于另一个部件的相对的旋转或枢转运动，但不允许该其中一个部件相对于另一个部件的滑动或平移运动。

对旋转连杆臂160、162进行定位并设计，以允许钻头壳体156相对于工具壳体150从弹出位置旋转到取芯位置，在弹出位置，取芯钻头121基本平行于工具壳体的纵向轴线152延伸，在取芯位置，钻头壳体156旋转以使取芯钻头基本垂直于纵向轴线152延伸，分别如图6和7所示。当钻头壳体156处于弹出位置时，取芯钻头121的岩芯腔与岩芯容器124对准。相反，当钻头壳体156处于如图6所示的取芯位置时，取芯钻头121的岩芯腔与形成在工具壳体150中的取芯孔154对准。这里使用术语“对准(register)”来表示由两个部件(例如，取芯钻头121的岩芯腔和岩芯容器124或取芯孔154)所限定的空隙或空间基本对齐。

第一或旋转活塞172可操作地联接到钻头壳体156，以使钻头壳体156在弹出位置与取芯位置之间旋转。如图6-9所示，旋转活塞172通过中间连杆臂174联接到钻头壳体156。当活塞172从图6所示的伸出位置移动到图7所示的缩回位置时，钻头壳体156围绕旋转连杆臂160、162从弹出位置旋转到取芯位置。中间连杆臂174还可提供用于使来自一个或多个液压管线(flow line)176的液压流体连通到取芯马达130的便利装置。

一系列可枢转地联接的延伸连杆臂联接到取芯钻头121的一部分(例如，止推环)，以提供基本恒定的WOB。正如最佳在图10A和10B中示出的，所述一系列延伸连杆臂包括轭状件(yoke)180，该轭状件180适于联接到第二或伸出活塞182(如图6-9)。一对从动件184在销钉186处可枢转地联接到轭状件180。一对摇臂188可枢转地安装在钻头壳体156上，以围绕相关的销钉190旋转。每个摇臂188包括第一段192和第二段196，第一段192在销钉194处可枢转地联接到相关的从动连杆臂184。剪式千斤顶(scissor jack)198可枢转地联接到每个摇臂。更具体地，每个剪式千斤顶198包括钻头臂199，钻头臂199在销钉200处可枢转地联接到摇臂的第二段196并且还在销钉202处可枢转地联接到取芯钻头121的止推环。每个剪式千斤顶198还包括壳体臂204，壳体臂204具有在销钉206处可枢转地联接到钻头臂199的第一端和在销钉208处可枢转地联接到钻头壳体156的第二端。在所示的实施例中，所述一系列连杆臂包括轭状件180、从动件184、摇臂188和剪式千斤顶198。然而，在不脱离本公开和所附权利要求的范围的情况下，所述一系列延伸连杆臂可包括可枢转地彼此联接的额外的或更少的部件。

借助所示的一系列延伸连杆臂，第二活塞182的运动将使取芯钻头121在图7所示的缩回位置与图8所示的伸出位置之间运动。第二活塞182可在图7所示的缩回位置开始。当第二活塞182向图8所示的伸出位置运动时，其推动轭状件180和从动连杆臂184以使摇臂188在顺时针方向上旋转，如图10A所示。当摇臂188顺时针旋转时，其使剪式千斤顶198闭合，从而驱动取芯钻头121朝向伸出位置(或朝向左侧，如图10A所示)。通过如图10A所示那样定位销钉202、206，随着剪式千斤顶198闭合，剪式千斤顶198发挥出机械优点。更具体地，一系列延伸连杆臂中的空转数量随着剪式千斤顶的闭合而降低，从而将更大百分比的活塞力传递给取芯钻头121。

根据上述内容，还可以理解，取芯钻头121的伸出基本上与钻头壳体156的旋转脱离。第一活塞172和中间连杆臂174独立于用于使取芯钻头121伸出的一系列延伸连杆臂和第二活塞182。因此，第一和第二活塞172、182可以基本上彼此独立地操作，这可允许取芯工具103具有额外的功能。例如，不管工具壳体150或其它工具结构存在任何间隙，取芯钻头121可在任何时候伸出，而无论钻头壳体156的位置如何。因此，当钻头壳体156被保持在上述弹出与取芯位置之间的一取向时，取芯钻头可沿着斜切面以倾斜角度操作。

旋转连杆臂160、162还可允许钻头壳体156额外旋转到切断位置(severposition)，以有助于使岩芯样品与地层分离。当取芯钻头121完全伸出使得切入地层的操作完成时，其通常定向为基本垂直于纵向轴线152，如图8所示。然而，由钻头121形成的岩芯样品可能仍然牢固地附接到地层。为了帮助分离岩芯样品，钻头壳体156还可旋转一额外量到达切断位置，如图9所示。已经发现，大约7度的额外角度旋转α足以使岩芯样品与地层断开。通常，所需的额外角度旋转小于7度，大约0.25度到2度。第一和第二旋转连杆臂160、162可以有利地定位，使得取芯位置与切断位置之间的额外旋转围绕旋转中心出现，所述旋转中心与取芯钻头121的远切削端基本重合。

图4-10所示的侧壁取芯工具可用于在所形成的侧壁岩芯中形成取向标记。在形成岩芯之前，取芯钻头121可以以一角度操作，并仅伸入地层中一小段距离，如图11A所示，从而形成月牙形标记71(图12)。然后，可以使取芯钻头121完全旋转到图11B所示的取芯位置并完全伸入地层中以形成侧壁岩芯73。正如最佳在图12中示出的，月牙形标记71本质上表示岩芯73的取向。

本公开还公开了一种在侧壁岩芯中形成取向标记的方法。该方法包括在地层中形成井孔，将侧壁取芯工具悬吊在井孔内的一选定深度处，以及将标记设备应用到井孔表面的选定位置以形成取向标记。然后，使取芯钻头伸入到选定位置处的地层中以形成侧壁岩芯。如上所述，标记设备可设置为可操作地联接到侧壁取芯工具的切削刃。可选择地，当以倾斜角度操作以形成月牙形的取向标记时，标记设备可以是取芯钻头的切削端。

尽管上述装置和方法在这里是围绕电缆工具描述的，但是，它们还可应用于随钻工具。可能期望的是，利用MWD或LWD工具进行取芯，因此，上述方法和装置可容易地适于与这些工具一起使用。本公开的某些方面还可用于不同的取芯应用中，例如串联取芯(in-line coring)。

尽管仅阐述了某些实施例，但是，本领域的技术人员根据上面的描述显然可以作出改变和改进。这些和其它改变被认为是等同物并处于本公开和所附权利要求的范围之内。

Claims (15)

1.一种用在形成于地下地层中的井孔中的侧壁取芯工具，包括：

工具壳体，适于悬吊在井孔内一选定深度处并确定纵向轴线；

联接到工具壳体的取芯组件，该取芯组件包括钻头壳体和联接到钻头壳体的取芯钻头，所述取芯钻头受到支撑以在输送位置与取芯位置之间运动；以及

标记设备，相对于取芯钻头位于已知位置，并适于在地层中形成取向标记，其中，该标记设备包括切削刃。

2.如权利要求1所述的侧壁取芯工具，其中，取芯钻头确定取芯钻头轴线，并且其中，取芯钻头轴线在输送位置基本平行于井孔轴线并在取芯位置基本垂直于井孔轴线。

3.如权利要求2所述的侧壁取芯工具，其中，取芯组件包括可操作地联接到取芯钻头的马达，并且其中，标记设备可操作地联接到取芯马达，以使标记设备往复运动。

4.如权利要求3所述的侧壁取芯工具，其中，标记设备相对于取芯钻头的轴线偏离。

5.如权利要求1所述的侧壁取芯工具，其中，标记设备联接到工具壳体。

6.如权利要求1所述的侧壁取芯工具，其中，取芯钻头可以以倾斜角度操作，并且其中，当以倾斜角度操作时，标记设备包括取芯钻头的切削端。

7.一种用在形成于地下地层中的井孔中的侧壁取芯工具，包括：

工具壳体，适于悬吊在井孔内一选定深度处并确定纵向轴线；

联接到工具壳体的取芯组件，该取芯组件包括钻头壳体、马达和取芯钻头，该取芯钻头设置在钻头壳体中并可操作地联接到马达以在输送位置与取芯位置之间运动；以及

标记设备，受到支撑以相对于工具壳体往复运动，并可操作地联接到取芯组件的马达，其中，该标记设备相对于取芯钻头的轴线偏离。

8.如权利要求7所述的侧壁取芯工具，其中，标记设备包括切削刃。

9.如权利要求7所述的侧壁取芯工具，其中，取芯钻头确定取芯钻头轴线，并且其中，取芯钻头轴线在输送位置基本平行于井孔轴线并在取芯位置基本垂直于井孔轴线。

10.一种用在形成于地下地层中的井孔中的侧壁取芯工具，包括：

工具壳体，适于悬吊在井孔内一选定深度处并确定纵向工具轴线；

形成在工具壳体中的取芯孔；

设置在工具壳体中的岩芯容器；

设置在工具壳体内的钻头壳体；

安装在钻头壳体内的取芯钻头，该取芯钻头包括切削端并确定取芯钻头轴线；

钻头马达，可操作地联接到取芯钻头，并适于使取芯钻头围绕钻头轴线旋转；

旋转致动器，可操作地联接到钻头壳体，并适于使钻头壳体在弹出位置与取芯位置之间运动，在弹出位置，取芯钻头轴线基本平行于工具轴线，而在取芯位置，取芯钻头轴线基本垂直于工具轴线；

伸出致动器，可操作地联接到取芯钻头，并适于使取芯钻头在缩回位置与伸出位置之间运动，其中，该伸出致动器可独立于旋转致动器工作，以使取芯钻头在取芯钻头轴线处于一倾斜角度时伸出，从而在地层中形成取向标记。

11.一种对从穿透地下地层的井眼的侧壁中取回的岩芯进行标记的方法，包括：

将侧壁取芯工具悬吊在井孔内一选定深度处；

用标记设备对选定位置处的井孔表面做标记，以形成取向标记；以及

使取芯钻头伸入选定位置处的地层中以形成侧壁岩芯，

其中，该标记设备相对于取芯钻头的轴线偏离。

12.如权利要求11所述的方法，其中，标记设备包括可操作地联接到侧壁取芯工具的切削刃。

13.如权利要求12所述的方法，其中，取芯钻头可操作地联接到钻头驱动器，以在输送位置与取芯位置之间旋转，并且其中，所述切削刃也可操作地联接到所述钻头驱动器。

14.如权利要求11所述的方法，其中，取芯钻头包括切削端，并且其中，标记设备包括取芯钻头的切削端。

15.如权利要求14所述的方法，其中，取芯钻头以倾斜角度操作，并且仅部分地伸入地层中以形成取向标记。

Images