CN111630246A - 用于大位移井的测井和修井的井下移动性模块 - Google Patents

Abstract

一种用于导航通过直径可变化的通道的机器人设备和移动性模块包括中央支撑构件，通过第一可扩张和可折叠的连杆机构联接至细长支撑构件的第一套管，该第一套管具有包括第一可移动轨道的外表面，以及第二套管，该第二套管联接至细长支撑构件的与第一套管相对侧，第二套管通过第二可扩张和可折叠的连杆机构与细长支撑构件联接并且包括包含第二可移动轨道的外表面。

Description

用于大位移井的测井和修井的井下移动性模块

技术领域

本发明涉及监测油气生产井，并且特别涉及一种自动机器人设备(移动性模块)，其能够成功导航通过不同直径的生产油管和其他深井通道，以进行测井和修井。

背景技术

当从更深和更复杂的侧向生产井中开采石油和天然气时，获得可靠的数据，或者在必要时在扩展的井下深度和/或横向延伸范围内进行修井成为一项挑战。迄今为止，已经在不太复杂的生产设施中采用了机器人设备来监视石油和天然气生产管道。然而，迄今为止所使用的机器人设备依赖于被动悬挂，并且仅被证明能够导航直径变化较小的生产油管和不包含支管的系统。

因此，需要一种能够导航通过生产油管和其他直径不同的深井通道且通过侧井的装置。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于导航通过具有变化直径的通道的移动性模块。该移动性模块包括中央支撑构件，第一套管，该第一套管例如通过第一可扩张和可折叠的连杆机构在内表面上联接至细长支撑构件，该第一套管具有包括第一可移动轨道的外表面，以及第二套管，该第二套管例如在内表面上联接至细长支撑构件的与第一套管相对侧，第二套管通过第二可扩张和可折叠的连杆机构与细长支撑构件联接并且包括包含第二可移动轨道的外表面。各个套管的第一和第二连杆机构完全折叠以使移动性模块的尺寸用于在井中无阻碍地运动，以及完全扩张以使移动性模块的尺寸用于与井固定接合。

本发明的实施例还提供了一种用于导航通过具有变化直径的通道的机器人设备。该机器人设备包括至少两个移动性模块。每个移动性模块包括中央支撑构件，第一套管，该第一套管例如通过第一可扩张和可折叠的连杆机构在内表面上联接至中央支撑构件，该第一套管具有包括第一可移动轨道的外表面，以及第二套管，该第二套管例如在内表面上联接至中央支撑构件的与第一套管相对侧，第二套管通过第二可扩张和可折叠的连杆机构与细长支撑构件联接并且包括包含第二可移动轨道的外表面。至少两个移动性模块可枢转地彼此联接并且相对于彼此纵向定位。至少两个移动性模块的连杆机构完全折叠以使模块的尺寸用于在井中无阻碍地运动，以及完全扩张以使模块的尺寸用于与井固定接合。

本发明的实施例可以配备有用于测井或修井的工具。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的包括两个移动性模块的机器人设备的侧视透视图。

图2A是根据本发明的实施例的处于关闭位置的移动性模块的前端视图。

图2B是根据本发明的实施例的处于完全打开位置的移动性模块的端视平面图。

图3是示出处于并联配置的根据本发明的实施例的两个打开的移动性模块的照片。

图4是示出图3的移动性模块彼此分开的照片。

图5是用于测试移动性模块导航通过不同直径的管道的能力的测试台装置的照片。

图6A是图5所示的测试台装置的示意性俯视图。

图6B是图5所示的测试台装置的示意性侧视图。

具体实施方式

本文的公开涉及用于导航通过不同直径的管道的移动性模块，并且涉及可以包括一个或多个这样的模块的机器人设备，用于在油气生产设施中进行测井和修井。在一些实施例中，根据本发明的机器人设备可以包括多个移动性模块。移动性模块成线性排列，并且可以彼此成时钟角度。

图1是根据本发明的实施例的包括两个移动性模块110、120的机器人设备100的侧透视图。应当理解，尽管在示例实施例中示出了两个移动性模块，但是机器人设备可以包括多个模块，对其数量没有任何设置限制。在图1中，

第一移动性模块110包括中央支撑构件112，该中央支撑构件被由第一套管114和第二套管116组成的可扩张和可折叠的套管围绕。支撑构件112以及第一套管114和第二套管116通常在纵向方向(L)上伸长。第一套管114和第二套管116可以在每个纵向端处逐渐变细，如图1所示。第一套管114和第二套管116可使用联接在中央支撑件112与套管114、116之间的一个或多个连杆机构131、133相对于支撑构件横向地(垂直于轴线L)移动。连杆机构131、133可以由马达(未示出)致动以将套管114、116从完全闭合位置移动到完全打开位置，在完全闭合位置，套管114、116接触并完全封闭支撑构件112，完全打开位置由连杆机构118的延伸极限所限定。通常，在移动性模块可用于大位移井的测井和修井的本发明移动性模块的特定应用中，各个套管的第一和第二连杆机构完全折叠以使移动性模块的尺寸用于在井中无阻碍地运动，以及完全扩张以使移动性模块的尺寸用于与井固定接合。在一些实施例中，在完全关闭位置，移动性模块的直径是大约2.5到大约3英寸，而在完全打开位置，移动性模块的直径是大约8.5到大约9.5英寸。连杆机构131、133可定位在完全打开和关闭位置之间的任何中间位置。因此，在所描述的特定实施例中，通过对连杆机构的控制，移动性模块110可以被配置成具有从2.5英寸的下限到9.5的上限内的直径以及在其之间的任何直径。移动性模块直径的灵活且修改的设置使模块能够折叠以导航通过狭窄通道或障碍物，并扩张以能够导航通过相对宽的通道，例如冲蚀通道。

套管114、116包括可移动的轨道，例如115(为套管114示出)，其可使用皮带、链条或线性致动器类似的机构来实现。轨道(例如115)被构造成朝向移动性模块位于其中的通道的内表面可移动地收缩，并且使移动性模块能够在纵向(L)上通过通道向前和向后移动。另外，在某些实施例中，支撑构件在其纵向端部处包括轮119。轮119是导入特征件，其将移动性模块平稳地引导到较小的直径中。在一些实施例中，套管114、116可以包括附加的轮(可激活的或被动的)，以促进在直径变化的通道之间的平稳过渡。

第二移动性模块120类似地包括细长中央支撑构件122，第一和第二细长套管构件124、126和联接在支撑构件122和套管124、126之间的连杆机构132、134。套管124、126包括例如125的轨道元件和支撑构件轮(图1中未示出)。第二移动性移动设备120能够以与第一移动性模块110类似的方式扩张和折叠。应当理解，每个移动性模块110、120可以被驱动以分别扩张或折叠。

在机器人设备100中，第一和第二移动性模块110、120相对于彼此纵向定位，并且经由可枢转的联接器130彼此联接。可枢转的联接器130允许移动性移动设备绕纵向轴线(L)相对于彼此以各种角度旋转。可以以类似的方式将附加的移动性模块纵向地联接到机器人设备100，以形成纵向延伸的设备。应当理解，机器人设备中的多个移动性模块可以以相似的距离间隔开，或者可替代地，它们可以使用中间间隔元件间隔开不同的距离。在图1所示的实例中，第一移动性模块110被定向成使得套管114、116在水平方向上扩张和折叠(进入和离开页面)。相反，第二移动性模块120相对于第一移动性模块110以90度角定向，使得套管124、126在竖直方向上扩张。应当理解，移动性模块110、120可以相对于彼此以其他角度(例如30°、45°、60°)定向。移动性模块110、120的变化的角度取向可以支持旋转稳定性。在采用多于2个的移动性模块的一些实施例中，模块可以相对于彼此以规则的角度布置(即，“时钟型”)布置。

图2A是图1的机器人设备100的前端视图，其中两个移动性模块110、120处于完全折叠构型。在该视图中，第一移动性模块114、116的套管显示为处于关闭位置，完全封闭了支撑构件。示出可移动轨道115、117位于设备的左侧和右侧。还示出了前轮119。在此视图中，无法看到第二移动性模块120的套管，因为它们位于第一移动性模块的套管114、116的后面，但是第二移动性模块的可移动轨道125、127未被遮挡，并显示在设备的顶部和底部。在这种配置中，机器人设备能够越过和导航通过小通道和障碍物例如XN接头。

图2B是图1的机器人设备100的前端视图，其中两个移动性模块110、120均以完全扩张构型处于示例性管150内。第一移动性模块110在水平方向上完全扩张。第一移动性模块的第一套管114显示为通过两个连杆机构131、133完全向右延伸。示出了可移动轨道115与管150的内表面基本接触。第一移动性模块的第二套管116被示出为通过连杆机构131、133完全向左延伸。显示可移动轨道117与管150的内表面基本接触。

同样，第二移动性模块在垂直方向完全扩张。示出了第二移动性模块的第一套管124通过两个连杆机构132、134完全向上延伸。示出了可动轨道125与管150的内表面基本接触。第二移动性模块的第二套管126被示出为通过连杆机构132、134完全向下延伸。还示出了可动轨道127与管150的内表面基本接触。

在图2A所示的配置中，机器人设备能够通过激活第一和第二移动性模块115、117、125、127的一个或多个可移动轨道而在管150内纵向移动。

图3是照片，以平行配置示出了如上所述的两个打开的移动性模块110、120的照片。图4是示出图3的移动性模块110、120彼此断开的照片。

图5是用于测试根据本发明的机器人设备导航通过不同直径的管的能力的示例性测试装置170的照片。图6A是测试装置170的示意性俯视图，图6B是测试装置的示意性侧视图。在图6A中，描绘了测试装置170的各个部分。最右边的部分是代表性生产管道的部分，直径约为4英寸。装置左侧的两个部分称为裸眼和代表性的冲洗部分，其直径约为9英寸。位于代表性的冲洗部分和代表性的生产油管部分之间并与之连接的是一个收缩部分，称为XN接头。该部分的直径相对较小，约为2.7英寸。

在使用图5、6A和6B的装置的各种测试中，包括两个根据本发明的移动性模块的机器人设备在测试中成功通过了直径为4英寸的生产管、直径为约2.7英寸的XN接头、直径为9英寸的冲洗部分和裸眼。预期在各种井下通道中部署根据本发明的机器人设备时，该设备会遇到过大的通道部分，其太宽以至于任何移动性模块都无法与通道壁建立接触和牵引。通过使用多个移动性模块纵向扩张机器人设备，扩张的设备中的至少一个移动性模块将更有可能位于较窄的通道部分(例如，直径小于9英寸)，并且能够为作为整体的机器人设备提供运动。

机器人设备可以包括电子控制单元，该电子控制单元激活可移动轨道以控制设备通过生产系统中的各个通道的纵向运动。电子控制单元还可以激活连杆机构，以使该设备的套管适合于正在导航的通道而扩张或折叠。为此，机器人设备可以包括诸如传感器(例如压力、惯性和GPS传感器)之类的工具，这些工具提供数据，电子控制单元可以从该数据生成信号，该信号可以确定设备所经过的通道的局部尺寸，可以并且可以激活连杆机构以相应地导航通道。传感器还检测井中的状况以进行监控。可以记录该数据，然后进行无线传输，并且可以在移动性模块上本地处理与阈值的比较或收集的信息中的更改，或者可以与为此目的编写了代码的远程计算系统进行通信。可以以常规方式将工具安装到移动性模块，例如与由中央支撑构件支撑的轴环连接。机器人设备可以包括机载电源，例如电池。电子控制单元可以调整电源要求，以节省电池电量。本发明的机器人设备可以包括用于与操作员进行无线通信的通信模块。电子控制单元执行的部分或全部功能可以由操作员通过无线命令确定或调整。

应当理解，本文公开的任何结构和功能细节不应被解释为限制系统和方法，而是作为代表性实施例和/或布置来提供，用于教导本领域技术人员实施本方法的一种或多种方式。

应当进一步理解，贯穿几个附图，在附图中相同的数字表示相同的元件，并且对于所有实施例或布置不是需要所有的参照附图描述和说明的部件和/或步骤

本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本发明。如本文所用，除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”还意图包括复数形式。将进一步理解，在用于本说明书中时，术语“包含(comprises)”和“包含(comprising)”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。

本文所用的取向术语仅用于约定和参考的目的，而不应被解释为限制性的。然而，应认识到，这些术语可参考观看者使用。因此，不暗示或推断出任何限制。

此外，本文所用的措词和术语是出于描述的目的并且不应被视为限制性的。本文“包含”、“包括”或“具有”、“含有”、“涉及”和其变化形式的使用意指涵盖在其后所列出的项目和其等效物以及附加项目。

虽然已参考例示性实施例描述了本发明，但本领域的技术人员应了解，在不脱离本发明范围的情况下可以进行不同的改变并且其多种元素可以由多种等效物代替。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，所属领域的技术人员将理解许多修改以使特定仪器、情形或材料适于本发明的教示。因此，不希望本发明限于作为预期用于实施本发明的最佳模式来公开的具体实施例，但本发明将包括属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (18)

1.一种用于导航通过具有变化直径的通道的移动性模块，其包括：

中央支撑构件；

第一和第二可扩张和可折叠的连杆机构，其至少可相对于所述中央支撑构件径向移动；

第一套管，其通过第一可扩张和可折叠的连杆机构联接至所述中央支撑构件，第一套管的外表面包括第一可移动轨道；和

第二套管，其联接至所述中央支撑构件的与第一套管相对侧，第二套管通过第二可扩张和可折叠的连杆机构与所述中央支撑构件联接并且包括包含第二可移动轨道的外表面。

2.根据权利要求1所述的移动性模块，其中当第一和第二连杆机构完全折叠时所述模块的从第一套管的外表面到第二套管的外表面的直径的尺寸被设置为允许在井中无阻碍地运动，而当所述连杆机构完全扩张时所述模块的直径的尺寸为与所述井接合并限制所述移动性模块的运动。

3.根据权利要求1所述的移动性模块，其中当第一和第二连杆机构完全扩张时所述模块的从第一套管的外表面到第二套管的外表面的直径在大约8.5英寸至大约9.5英寸的范围内。

4.根据权利要求1所述的移动性模块，其中当第一和第二连杆机构完全折叠时所述模块的从第一套管的外表面到第二套管的外表面的直径在大约2.5英寸至大约3英寸的范围内。

5.根据权利要求1所述的移动性模块，其中所述中央支撑构件包括纵向端部，所述移动性模块还包括相对于所述纵向端部可旋转地安装的轮子。

6.根据权利要求5所述的移动性模块，其中第一和第二套管在纵向上是细长的，并且包括锥形的纵向端部。

7.根据权利要求1所述的移动性模块，其中第一和第二可移动轨道还包括皮带或链条中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的移动性模块，还包括电子控制单元和无线通信模块，其中第一和第二连杆机构以及第一和第二可移动轨道由所述电子控制单元控制，并且其中所述电子单元可操作用于通过所述无线通信模块接收操作员命令以控制第一和第二连杆机构以及第一和第二可移动轨道。

9.一种用于导航通过具有变化直径的通道的机器人设备，其包括：

至少两个移动性模块，其相对于彼此纵向定位，所述至少两个移动性模块中的每个包括中央支撑构件，通过第一可扩张和可折叠的连杆机构联接至第一中央支撑构件的第一套管，第一套管具有包括第一可移动轨道的外表面，以及联接至第一中央支撑构件的与第一套管相对侧的第二套管，第二套管通过第二可扩张和可折叠的连杆机构与第一中央支撑构件联接并且包括包含第二可移动轨道的外表面；

其中所述至少两个模块中的每一个经由可枢转的联接器纵向地联接至至少一个其他移动性模块。

10.根据权利要求9所述的机器人设备，其中所述至少两个移动性模块包括多于三个的移动性模块。

11.根据权利要求9所述的机器人设备，其中所述至少两个移动性模块各自具有从相应的第一套管的外表面到相应的第二套管的外表面测量的直径，其中相应套管的第一和第二连杆机构完全折叠以使第一和第二移动性模块的尺寸用于在井中无阻碍地运动；以及完全扩张以使第一和第二移动性模块的尺寸用于与井固定接合。

12.根据权利要求9所述的机器人设备，其中当第一和第二连杆机构完全扩张时所述至少两个移动性模块的从第一套管的外表面到第二套管的外表面的直径为大约8.5英寸至大约9.5英寸。

13.根据权利要求9所述的机器人设备，其中当第一和第二连杆机构完全折叠时所述至少两个移动性模块的从第一套管的外表面到第二套管的外表面的直径为大约2.5英寸至大约3英寸。

14.根据权利要求9所述的机器人设备，其中所述至少两个移动性模块的所述中央支撑构件是纵向细长的，并且包括在其上联接有轮子的纵向端部。

15.根据权利要求14所述的机器人设备，其中所述至少两个移动性模块的第一和第二套管在纵向上是细长的，并且包括锥形的纵向端部。

16.根据权利要求9所述的机器人设备，其中所述至少两个移动性模块的第一和第二可动轨道包括皮带或链条中的至少一种。

17.根据权利要求9所述的机器人设备，还包括电子控制单元和无线通信模块，其中所述至少两个移动性模块由所述电子控制单元控制，并且所述电子单元可操作用于经由所述无线通信模块接收操作员命令以控制所述至少两个移动性模块。

18.根据权利要求9所述的移动性模块，其中如果所述至少两个移动性模块中的至少一个与所述通道的壁接触，则所述至少一个移动性模块能够经由第一和第二可移动轨道提供穿过所述通道的纵向运动。

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