CN102884281A - 调整钻压/钻头扭矩传感器偏压的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于调整钻头中钻压/钻头扭矩传感器偏压的设备和方法。该设备可包括至少部分地设置在钻柄的空腔中的钻头调整装置。钻头调整装置包括用于估算钻压/钻头扭矩偏压的电子仪器和传感器。该方法包括调整钻头的钻压/钻头扭矩传感器偏压。该方法可包括调整钻头调整装置上的力，以调整钻压/钻头扭矩传感器偏压。该方法还可以包括，在实现所希望的钻压/钻头扭矩传感器偏压之后，将钻头调整装置固定在钻柄空腔内。

Description

调整钻压/钻头扭矩传感器偏压的方法和设备

技术领域

本发明概括来说涉及钻井方法和设备以及利用该方法和设备用于钻井的系统。

背景技术

油井（也被称为“井眼”或“井筒”）用钻柱进行钻出，钻柱包括具有钻井组件（也被称为“底部钻具组合”或“BHA”）的管状元件。底部钻具组合通常包括提供与关于钻井操作（“钻井参数”）、底部钻具组合性能（“底部钻具组合参数”）的各种参数和关于井眼周围的地层的参数（“地层参数”）有关的的信息的装置和传感器。钻头附着于底部钻具组合的底端。通过旋转钻柱和/或通过底部钻具组合中的钻井马达（也被称为“泥浆马达”）而旋转钻头，以便破碎岩层而钻出井眼。很多井眼是沿着起伏的轨迹钻出的。例如，单个井眼可以包括穿过不同类型的岩层的一个或更多个竖直区段、偏斜区段和水平区段。当钻井过程从软地层（例如沙）到坚硬地层（例如页岩）进行，或者相反时，钻机的机械钻速（ROP）发生变化，可能导致（减少或增大）钻头的过大波动或振动（侧向上或扭转方向上）。典型地，通过控制钻头的钻压（WOB）和转速（每分钟转数或“RPM”），来控制机械钻速，以便控制钻头波动。钻压通过控制地面上的起吊载荷进行控制，而每分钟转数则通过控制地面上的钻柱转动和/或通过控制底部钻具组合的钻井马达速度来进行控制。通过这样的方法控制钻头波动和机械钻速，需要地面上的钻井系统或操作人员采取行动。这样的地面动作对钻头波动的影响实质上不是即时进行的。其根据井眼深度，所述的影响在延迟一段时间后才会显现出来。

发明内容

在许多方面，本发明涉及对用于钻井的设备上的传感器负载偏压进行调整的方法和设备。

依照本发明的一个实施例可以包括用于调整传感器偏压的设备，该设备包括：传感器本体，该传感器本体包括：配置成与一偏压调整装置可操作地耦合的上部分；配置成附着于钻柄的下部分；和设置在所述下部分和上部分之间的传感部分，其中，传感部分包括至少一个测力计，所述测力计配置成指示钻柄上力的大小。

依照本发明的另一个实施例可以包括用于调整传感器偏压的方法，其包括：选择输入到传感器的力输入，所述力输入使传感器指示所希望的偏压，传感器设置在钻柄的空腔内，并且至少部分地由固定元件环绕，其中，所述力输入是通过一偏压调整装置施加于传感器的多个力输入中的一个。

本发明的更重要的特征的例子是相当宽泛地概述的，目的在于，更好地理解其后的详细说明书，以及更好地明白这些特征对本领域技术的贡献。

附图说明

为了更详细地理解本发明，结合所附的视图，参考下文实施例的详细描述，其中同样的元件赋予同样的数字，其中：

图1显示了可以利用依照本发明的一个实施例的一钻头的示例性钻井系统的简图，该钻头制作有调整的钻压/钻头扭矩偏压；

图2显示了依照本发明的一个实施例的钻头示意性详图；

图3显示了带有依照本发明的一个实施例的钻头调整装置的示例性钻柄的简图；

图4显示了依照本发明的一个实施例的示例性钻头调整装置的简图；

图5显示了用于依照本发明的钻头调整装置的电子仪器的实施例的等效电路图；

图6显示了依照本发明的一个实施例的用于调整钻压偏压/钻头扭矩传感器偏压的方法的流程图。

具体实施方式

在许多方面，本发明涉及用于调整用于钻井的设备上的传感器负荷偏压的方法和设备。在许多方面，本发明尤其涉及用于调整用于钻井的设备上的传感器负荷偏压的方法和设备。

图1是可以利用依照本发明制造的钻头的示例性钻井系统100的示意图。图1显示出井眼110具有其中安装有套管112的上区段111和用钻柱118钻出的下区段114。所示的钻柱118包括管状元件116，底部钻具组合(BHA）130附连在管状元件116的底端。可通过联接钻管区段来组成管状元件116，或者管状元件116可以是盘绕管材。所示的钻头150附连于底部钻具组合130的底端，用于破碎岩层119，从而钻出选定直径的井眼110。

所示的钻柱118从地面167处的钻机180输送至井眼110中。为便于解释，所示的示例性的钻机180为陆上钻机。在此披露的设备和方法也可以用于在水下钻井的海洋钻机。可以利用耦合于钻柱118的转盘169或顶驱（未显示）使钻柱118旋转，由此旋转底部钻具组合130，从而使钻头150旋转以钻出井眼110。一钻井马达155（也被称为“泥浆马达”）可以设置在底部钻具组合130中，以旋转钻头150。可以单独使用钻井马达155来旋转钻头150，或者通过钻柱118叠加钻头的旋转。一控制单元（或控制器）190，其可以是基于计算机的单元，其可以放置在地面167，以接收和处理钻头150中的传感器以及底部钻具组合130中的传感器传递的信息，并控制底部钻具组合130中各种装置和传感器的选定操作。在此，术语“信息”可以指原始数据、处理后的数据或信号。在一个实施例中，地面控制器190可以包括处理器192、用于存储信息的信息存储装置（或计算机可读介质）194、算法和计算机程序196。信息存储装置194可以是任何合适的装置，包括但不限于，只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、闪存、磁带、硬盘、和光盘。在钻井过程中，钻井流体179在压力下从其源被泵送到管状元件116中。钻井流体在钻头150的底部排出，经由钻柱118与井眼110的内壁143之间的环形空间（也称为“环空”）返回到地面。

仍然参照图1，钻头150包括端面部分（或底部部分）151。在钻井过程中，端面部分151或它的一部分面对钻头前面或井眼底部的地层。一方面，钻头150包括在端面部分151上的一个或更多个衬垫160，所述衬垫160在钻井过程中可调整地（也被称为“可选择地"或“可控地”）从端面部分151伸出。衬垫160在此也被称为“可伸展衬垫”、“可伸出衬垫”或“可调整衬垫”。在进行井眼110的钻制过程中，可以利用底部钻具组合130和/或钻头150中的适当的致动装置（或致动单元）155来致动衬垫160。底部钻具组合130可以进一步包括一个或更多个井下传感器（共同用数字175标记）。传感器175可以包括任何数量和任何类型的传感器，包括但不限于，通常被称为随钻测量（MWD）传感器或随钻测井（LWD）传感器的传感器以及提供有关底部钻具组合130的性能、例如钻头旋转（每分钟转数或“RPM”）、刀面、压力、振动、涡动、弯曲和黏滑运动的信息的传感器。底部钻具组合130可以进一步包括构造成控制衬垫160的操作并用于至少部分地处理来自传感器175的信息的控制单元（或控制器）170。控制器170尤其可以包括对来自传感器175的信号进行处理的电路（例如，对信号进行放大和数字化处理）、对数字化信号进行处理的处理器172（例如微处理器）、信息存储装置174（例如固态存储器）和计算机程序176。处理器172可以处理数字化信号、控制衬垫160的操作、处理来自井下其他传感器的信息、控制其他井下装置和传感器，并且经由双路遥测单元188与控制器190通讯信息。在一个方面，控制器170可以调整衬垫160的延长，以控制钻头波动或钻速，提高钻井效率，延长钻头150的寿命。增大衬垫的延伸度可以减少钻头对地层的切削齿出刃度或减少牙轮的切削深度。减少切削齿出刃度，可以引起扭转波动或侧向波动、机械钻速、涡动、黏滑运动、弯矩、振动等的减少，这反过来又导致钻更光滑的孔，并引起钻头150和底部钻具组合130上的应力的减小，从而延长底部钻具组合和钻头的寿命。对于相同的钻压和每分钟转数，当钻入软地层（例如砂层）时，钻速通常比钻入坚硬地层（例如页岩）时高。从软地层过渡到坚硬地层，由于钻速的下降，可能导致侧向波动过大，而从坚硬地层过渡到软地层，由于钻速的升高，可能导致钻头中的扭转波动过大。所以，当从软地层过渡到坚硬地层时，控制钻头的波动，是所希望的，反之亦然。可以基于一个或更多个参数控制衬垫的延长，所述参数包括但不限于压力、刀面、钻速、涡动、振动、扭矩、弯矩、黏滑运动、和岩石类型。通过自动、有选择地调整衬垫延长，使系统100能够控制钻头的扭转波动和侧向波动、钻速及钻头和底部钻具组合的其他物理参数，但不用改变地面上的钻压或钻头每分钟转数。

图2以透视图显示了本发明的钻地回转式钻头150。该示例性钻头150显示带有一钻柄248，其固定于一任选的延长部250上，该延长部可以直接固定于钻头本体244。钻柄248可以包括用于附连于钻柱（未显示）的带螺纹的盖228。钻柄248还包括纵向孔240，其贯穿钻柄248并部分地延伸至钻头本体244中。

如图2所示，延长部250可以包括两个或更多个分开部分270、272或元件，它们可以绕钻头本体244的公扣接头部分（未显示）组装并固定在一起。焊接坡口274可以沿着该延长部250的两个或更多个分开部分270、272之间的每个交接面设置，以便于两个或更多个分开部分270、272沿着焊接坡口274焊接在一起。换句话说，延长部250的两个分开部分270、272可以绕钻头本体244的公扣接头部分（未显示）通过在每个纵向延伸的焊接坡口274中形成的至少一个焊缝（未显示）固定在一起。在另外的实施例中，两个分开部分270、272可以通过除了焊缝（未显示）之外或替代焊缝的钎焊焊料、型铁和机械紧固装置中的一种或更多种固定在一起。在一些实施例中，钻头150也可以没有延长部250。

如图3所示，一设备300可用来调整钻头150的钻压偏压/钻头扭矩传感器偏压。设备300包括钻柄248，其显示带有大小可以接收钻压/钻头扭矩调整装置330的空腔320。在一些实施例中，可以在移除偏压调整装置（未显示）之后，在柄248上方安装一盖228。

图4显示了示例性的钻头调整装置330。钻头调整装置330可以包括上部分410、传感器部分420和下部分430。上部分410可以包括O形环凹槽440。上部分410可操作地连接于一连杆450，所述连杆450配置成可操作地连接于一临时加载工具或偏压调整装置（未显示）。在一些实施例中，连杆450可以包括用于连接于偏压调整装置（未显示）的螺纹部分460或者用于将连杆450锚固于偏压调整装置（未显示）的替换构造。钻头调整装置330的上部分、传感器部分和下部分可以用拉伸屈服极限超过由偏压调整装置（未显示）所施加的最大预期拉伸并且热膨胀系数与钻柄248相类似的弹性材料形成。在一些实施例中，下部分430的一部分或全部可以是带有螺纹的，或者其他方式配置成可锚固的，以在空腔320底部形成与钻柄248的连接。在一些实施例中，为了固定调整装置330，可以将可凝固介质，例如环氧树脂，添加到空腔320中。当使用可凝固介质时，可以将O形环放入到O形环凹槽440中，以防止可凝固介质从空腔320的底部行进到上部分410的顶部。环氧树脂的使用仅仅是示例性的和说明性的，当然可以使用其他物质和装置将调整装置330固定在空腔320中，所述其他物质和装置包括但不限于，机械夹具和响应于电能或电磁能的可凝固介质。传感器部分420可以包括力响应传感器和相关的用于估算偏压调整装置（未显示）施加于钻头调整装置330上的扭矩和/或压缩/拉伸的量的电子仪器。力响应传感器可以包括但限于下列中的一个或更多个：（i）压阻应变仪，和（ii）偏转元件。传感器部分420还可以包括用于确定来自偏压调整装置（未显示）的偏压调整度的电子仪器，如图5所示。

图5显示了包括在传感器部分420中的电子仪器500的电路图。在该示例性实施例中，电子仪器500包括扭矩电桥510和压缩电桥520，所述扭矩电桥和压缩电桥均由四个电阻元件组成。在一些实施例中，扭矩电桥510和压缩电桥520的电阻元件的电阻值之一可以以配置成分别指示钻头扭矩扭矩偏压和钻压压缩/拉伸偏压的量的至少一个力响应传感器为基础。扭矩电桥510可以利用本领域普通技术人员所知的典型电桥电路结构形成，并沿着该扭矩电桥510的一组对角连接于正基准输入530和负基准输入540以及沿着电桥扭矩计510的剩下的一组对角连接于正信号输出550和负信号输出560。在一个实施例中，扭矩电桥510配置成在钻头扭矩偏压大约为零时是电平衡的。类似地，压缩电桥520可以利用本领域普通技术人员所知的典型电桥电路结构形成，并沿着该压缩电桥520的对角连接于正基准输入530和负基准输入540以及沿着压缩电桥520的剩下的一组对角连接于正信号输出570和负信号输出580。在一个实施例中，压缩电桥520配置成在钻压偏压大约为零时是电平衡的。电桥电路的使用仅仅是示例性的和说明性的，依照本发明的实施例可以使用本领域技术人员已知的许多平衡电路来实现。在一些实施例中，扭矩电桥和压缩电桥可以使用不同的组的基准输入。在一些实施例中，电桥510、520可以用来将钻压偏压/钻头扭矩偏压调整至除了大约零之外的希望值。

图6显示了依照本发明的一个实施例的示例性方法600。在方法600中，在步骤610，在钻柄248上形成空腔320,该空腔的大小制作为用于容纳钻头调整装置330。然后，在步骤620，可以将可凝固介质注入到空腔320的底部中。在步骤630，可将钻头调整装置330插入到空腔320中。在步骤640，可以将可凝固介质注入，以至少部分地覆盖偏压调整装置330的顶部。在步骤650，将连杆450可操作地连接于一偏压调整装置，所述偏压调整装置配置成对连杆450施加下列中的一种：（i）扭矩，（ii）压缩力，和（iii）张力。在步骤660，向钻头调整工具330的电子仪器500供电。在步骤670，通过偏压调整装置（未显示）向钻头调整装置330施加作用力，直到电桥输出（扭矩电桥510、压缩电桥520，或根据需要，两者都有）达到所希望的值（一般为大约零值）。以及，在步骤680，可以在可凝固介质已经凝固后，移除偏压调整装置，从而将钻头调整装置330固定到钻柄248内。在一些实施例中，如果钻柄248具有预先成形的、大小可容纳钻头调整装置330的空腔320，则可以不执行步骤610。在一些实施例中，替换步骤620和640中的一个步骤或两者的可凝固介质的注入，钻头调整装置330可以通过机械止挡或夹具固定在空腔320中。在一些实施例中，该方法可以包括，在移除偏压调整装置（未显示）之后，在钻柄248上安装一盖228的步骤。

虽然上述公开内容只指向本发明的一个实施方式，但是，各种修改对本领域技术人员都是显而易见的。目的在于，所有变形都包括在上述公开内容中。

Claims (14)

1.一种用于调整传感器偏压的设备，其包括：

传感器本体，该传感器本体包括：

上部分，该上部分配置成与偏压调整装置可操作地耦合；

下部分，该下部分配置成附连于钻柄；和

设置在所述下部分和上部分之间的传感部分，其中，传感部分包括至少一个测力计，所述测力计配置成指示钻柄上作用力的大小。

2.如权利要求1所述的设备，还包括：

一杆，该杆的一端连接于传感器本体的所述上部分，而该杆的另一端配置成附连于一偏压调整装置。

3.如权利要求1所述的设备，还包括：

用于将传感器本体固定在钻柄内的固定元件。

4.如权利要求3所述的设备，其中，所述固定元件至少为下列之一：（i）夹具，（ii）可凝固介质，和（iii）环氧树脂。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述作用力包括下列中的至少一种：（i）压缩力，（ii）张力，和（iii）扭矩。

6.一种用于调整传感器偏压的方法，包括：

将一传感器放置在钻柄中的空腔内；

将偏压调整装置可操作地耦合于传感器；

将多个力输入施加于传感器；和

选择多个力输入中的力输入，在所选择的力输入下，传感器指示所希望的偏压。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

在钻柄中形成一空腔。

8.如权利要求6所述的方法，还包括：

用固定元件将传感器固定在空腔内。

9.如权利要求8所述的方法，还包括：

在固定所述传感器之后移除偏压调整装置。

10.如权利要求8所述的方法，对于固定元件，使用下列中的至少一种：（i）夹具，（ii）可凝固介质，和（iii）环氧树脂。

11.如权利要求6所述的方法，其中，所述传感器包括：

传感器连杆和传感器本体。

12.如权利要求6所述的方法，使用一连杆以可操作地耦合所述偏压调整装置和传感器。

13.如权利要求6所述的方法，对于多个力输入，使用下列中的至少一种：（i）压缩力，（ii）张力，和（iii）扭矩。

14.一种用于调整传感器偏压的方法，其包括：

选择输入到传感器的力输入，所述力输入使传感器指示所希望的偏压，所述传感器设置在钻柄的空腔内，并且至少部分地由固定元件环绕，其中，所述力输入是通过一偏压调整装置施加于传感器的多个力输入中的一个。

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