CN1151783A - 在起下钻过程中的录井或测量 - Google Patents

Abstract

一种在起下钻操作过程中从井筒获得测量数据的方法和装置。在开始正常的钻井操作之前，将钻井接头靠近或尽可能靠近钻头安装于钻柱上，在开始起下钻操作之前，钻井接头内安装录井工具，在钻井接头内的录井工具的装配处开一个窗口装置，使录井工具的传感器可从井筒获得数据，当起下钻操作进行过程中，录井工具从井筒的全长获得数据。

Description

在起下钻过程中的录井或测量

本发明涉及由井身起下钻管时可获得高分析度井身图像的方法和装置。本方法和装置提供一种井身记录的方法，测量出结构、化学和物理变化的剖面图。在进行垂直、倾斜和水平井的钻井当中，本方法和装置可以获得这些信息。

无论从质量控制还是从计划角度来看，井筒状态信息对钻井过程的成功均是重要的。这个包括许多参数的信息可用于警告工程师在井身结构和操作稳定性方面发生的变化。例如，钻井当中井筒直径必须仔细控制，因为它们能影响到定向钻井用的井下工具总成的性能、限制钻井液由井中排除钻屑的能力、并能限制口井在商业运营之前生产套管固井的成功。而且，井筒信息被用于确定所遇到的地层类型，而这是该井生产碳氧化合物潜力的一个表征。在实际当中还有许多用途会适时地到井筒的信息。

为了获得井下状态信息，在某些特定深度，常常要把钻井工作停下来，由井中取出钻柱，把在一电缆端部会集传感器的探测工具(有线测距系统)下到井中。然后探测工具被缓慢收回，由工具发出的数据沿连接的电缆被传送到地面上。井身状态的信息遂被记录(录井)并接着被分析。这个过程叫电缆测井，可以产生大量数据，工程师们可以用这些数据构成井身全长的物理状态图像。

这种监测类型有两个固有问题：(1)它依赖重力来沉降仪器，如果井筒是倾斜的或在井筒外表上有象架子那样的台阶，仪器便会悬挂起来；(2)在正常钻井或起下钻时它不能进行，因此，不能向钻机提供实时或关于钻井状态的现时信息。最终，在进行之时钻井操作必须暂停，此方法对钻井操作来说是费时的，因此作起来是昂贵的。

第二个随钻录井(LWD)技术涉及到在靠近钻头处定位一特殊的装有探测装置的钻铤。当将其编入钻柱中，它能达到井筒的水平段，不易于悬挂起来。这个技术是利用通过钻井液的泥浆传输声脉冲，遥测信息传到地面。但这项技术在以下几方面受到限制：第一，它被钻井液的类型所限，能够进行有效声波联系的钻井液常常限于水、油或乳化液。而且，因为这个技术是在钻头旋转时得到数据(即是在噪音和振动的环境下)，它一般具有很慢的数据传输率(1比特/秒)，要求大量的计算机处理补偿钻头旋转和人为误差。

另外，LWD仅收集直接在钻头之后的数据，而不能获得井筒其他区域的数据。因此如果在上部井眼发生冲刷现象，这项技术便不会探测到。因此必须用电缆测井数据来补充LWD数据。因此，这项技术除了需要昂贵的LWD设备之外，还需要具有另外电缆测井设备的费时的电缆测井技术。

曾经利用各种各样的技术和方法来传输使用LWD时在井底的传感器工具积累的数据。一项无线技术，利用通过被称为泥浆脉冲的钻井液(泥浆)声波传输信息到地面。这种在加拿大专利1,098,202号文件中讨论的遥测技术，限于用在某些传输损失相当低的钻井液。尽管如此，由于有限的传感器频带宽度和介质的衰减常数，传输速度是低的(大约1比特/秒)。将数据进行压缩来减小被传输的数据的比特数(bit)以便努力改进这个系统性能，但这仍从根本上受到限制。

利用钻柱作为声波传输介质在遥测路径上的改进的努力被证明仅在一定程度上是成功的。加拿大专利1,098,202号文件和美国专发4,139,836和4,320,473号文件对这项技术作了深入讨论，但该技术没有在钻井业取得支持。

根据本发明，描述了一种通过钻柱容纳录井工具的钻井接头，该录井工具具有探测和监测装置，用于从钻柱内收集并存储数据，此钻井接头包括：

与钻柱相接合的一主体；

将录井工具在主体内接合的位于主体内的一连接装置；

在主体上的窗口装置，使探测和监测装置可接触井筒。

在本发明的其他实施例中，窗口装置可以是与录井工具在钻井接头内接合相响应的液压驱动窗口，在钻井接头主体上打开的槽口、在主体上的一薄壁部分或在主体件内的一个滑套。

在一个特殊实施例中，窗口套还有一套的闭锁机构，用于在一关闭位置锁定套，和一录井工具闭锁机构，用于靠着窗口套锁住录井工具。

在本发明的另一实施例中，钻井接头的主体有一坐底部分和一上部，此坐底和上部部分有一内孔和带螺纹表面，用以该两部分的相互连接和拆开。

在一特殊实施例中，本发明提供一通过钻柱接受录井工具的钻井接头，此录井工具有探测和监测装置，用于从钻柱内收集并储存数据，此钻井接头包括：

一与钻柱接合的圆柱主体，此圆柱主体构成钻柱一部分，具有坐底部分和上部部分，此坐底部分和上部部分具有一内孔和螺纹表面，用于该两部分的连接与分开；

在钻柱内用于接合和定位录井工具的在主体上的连接装置；

在主体内外表面之间具有至少一个打开的通道的窗口装置；

与主体内表面滑动接合的窗口套，此窗口套在打开通道的被打开位置和打开通道被关闭的关闭位置之间可以移动；

为了将套锁定在关闭位置的套闭锁机构，和为了将录井工具靠着窗口套锁定的录井工具闭锁机构。

本发明还提供了一种在钻井和起下钻操作中，从井下钻柱和配套钻头之中探测井筒数据的录井工具，此录井工具包括：

可以通过钻柱运动的一主体；

在邻近钻头处接合锁定的录井工具的在主体上的接合装置；

在主体中由井筒收集数据的传感器；

在主体内的计算机装置，具有触发和控制传感器的控制装置和储存由传感器来的数据的存储装置，该计算机还有为传感器和控制装置提供电源的电源装置；

此录井工具传感器可以有以下选择，但不限定于这些传感器：钻柱移动传感器装置、γ射线传感装置、声波发生和接收器、压力传感器、温度传感器、电阻传感器、电位传感器和井眼方向传感器。

在一个实施例中，录井工具装有连接录井工具和绳缆的绳缆连接装置，用于将录井工具下入到钻柱中，或由钻柱中回收录井工具。

在一特殊实施例中，录井工具包括：

可在钻柱中运动的一圆柱主体；

在邻近钻头的钻柱内接合、锁定和定向录井工具的在主体上的一电机导向靴；

在主体中由井筒收集数据的传感器，传感器由至少以下之一中选择：方向传感器、γ射线传感器、声波发生接收器、井径传感器、压力传感器、温度传感器和井眼方向传感器；

在主体内的计算机装置，此计算机装置带有配套的控制装置，存储装置和电池，用以触发和控制传感器并存储由传感器来的数据；

绳缆连接装置，用于将录井工具与一绳缆连接，向/由钻柱下入和/或回收录井工具。

在本发明的另一实施例中，本发明提供从录井工具接收数据的地面数据采集系统，包括：

钻柱位置跟踪装置，用于跟踪录井工具和钻柱的井下深度；

存储装置，用于存储录井工具和钻柱的井下深度；

同步装置，用于将钻柱位置跟踪装置与传感和监测装置同步；

状态检查装置，用于确定录井工具传感器和存储器的状态；

控制装置，用于引发或延迟录井工具的数据收集。

本发明还提供在钻井和起下钻操作中从带有井下钻柱和配套钻头的井筒收集数据的方法，包括的步骤是：

a)在钻井操作前，在钻头之后邻近钻头的钻柱安装一钻井接头；

b)在起下钻前，将录井工具下入和/或泵送录井工具到钻柱；

c)在钻井接头内接合并定向录井工具；

d)当起下钻开始时，触发录井工具由井筒收集并存储数据；

e)在起下钻中收集并存储井筒数据；

f)在起下钻中监测钻柱的井下深度。

在另一实施例中，此方法还包括建立存储的井筒数据与钻柱的井下深度之间的关系。

在又一实施例中，录井工具数据收集的引发是响应于在录井工具中的方向传感器探测钻柱向上侧的运动。

在又一实施例中，本发明提供，在钻井和起下钻操作中，由带有井下钻柱和配套的钻头的井筒收集数据的数据采集系统，此系统包括：

邻近钻头的并与钻柱组成一体的一钻井接头和一由井筒收集数据的录井工具，录井工具可以适合于钻柱移动和与钻井接头配合，录井工具带有在起下钻操作中收集并存储数据的传感器、控制装置和存储装置，钻井接头有窗口装置，该窗口装置使传感器由钻柱的水眼内接触到井筒。

在又一实施例中，此数据采集系统还包括一地面计算机装置，该装置当起下钻操作时监测钻柱的深度，并且在起下钻操作之后接收由录井工具来的数据。

参照下列附图的介绍将会使本发明的种种特点更加明了，其中：

图1是带有根据本发明的钻井接头和录井工具的钻机和井眼的示意图；

图2是钻井接头的示意图；

图3是装配的钻井接头剖面图；

图3a是钻井接头上部剖面图；

图3b是钻井接头螺纹密封环剖面图；

图3c是钻井接头螺纹坐底部剖面图；

图4是在关闭位置的窗口打开机构的实施例的示意图；

图4a是在打开位置的窗口打开机构的实施例的示意图；

图5是录井工具示意图；

图6是本发明方法的方框图。

一典型钻机10示于图1。钻机10有一钻塔12位于钻井平台14上。在通常钻井过程中，一钻柱16带钻头18以常规方式钻井眼20。钻井时，循环头22保持井筒20之中的钻井液流动，实现岩屑的排除和保持润滑。随着井筒的进展，另外的钻杆24被移出钻杆架26，接到钻柱16上。

在正常情况下为了更换磨损的钻头、调节/更换/改变在钻柱16中的钻杆类型或位置或简单地从井眼20中除去钻杆24等，需要将钻杆24由钻孔20中放入或取出的过程。在此过程中，钻杆24由井筒中分段取出，段的长度取决于所用的钻机10的类型大约是90英寸至30英尺。这个被称为柱的钻杆24的部分，在包括其长度的间隔当中，被以一稳定的连续速度取出。当每一柱24由井中取出时，在此柱与钻柱(它由尚未取出的钻杆组成)解扣分开并被一种被称为“排立钻杆”的程序放回到井架12中时，钻杆运动被暂时停止。在这个起下钻的循环中，一吊钩和吊卡系列(未示出)连续地在钻机10平台面28(工作平台，离地面大约30-50英尺)上运动，吊卡被卡在钻杆24上、提升到钻塔12顶部(在平台面28以上50-100英尺)，在那里井架工解开吊卡(在确认被解开的一柱24的底部已离开钻柱16的已打开的上部30位于钻井平台面28上以后)，然后将钻柱24排回到原位。吊卡然后返回至平台面28，上述循环再继续，整个循环时间，取决于柱的长度，大致为3-5分钟。

参看图1-5，根据本发明的录井测量可以在开始进行正常起下钻操作的时间里用钻井接头34和录井工具36进行。在钻井操作开始之前，一个钻井接头直接邻近钻头安装，或尽可能靠近钻头18，并成为钻柱的一部分。如图2和图4所示，钻井接头34一般是钻杆24的特殊部分，具有水眼39和井筒20之间的钻杆24壁上的通道窗38，另外，如图3，3a，3b和3c所示，钻井接头的通道窗38可以是钻杆24壁的薄壁部分，此壁是薄得足以使录井工个传感器能够接近井筒。

在图3，3a，3b和3c所示钻井接头34和总成的特殊实施例中，钻井接头34包括一坐底部分80、一上部部分82、一螺纹密封84和坐底靴86。如图所示，录井工具36通过坐底靴86接合在总装的钻井接头34之内。坐底部分80有装钻头18或其他钻柱部分16的螺纹部分88。坐底部分80的上部也有螺纹部分90用于接受上部部分82的配合螺纹。相似地上部部分的上部有螺纹94与钻柱部分16接合。因此坐底部分80和上部部分是螺纹连接在一起的。螺纹密封84位于两部分之间，密封阻止通过螺纹部分90和92的钻井液损失。录井工具底座装置或斜口靴86，位于坐底部分86的下面部分，使得在钻井接头34内安置并对中录井工具36。

通道窗38可以装有一窗口机构40，与在钻井接头36内坐落录井工具36相响应被液压驱动。窗口机构40有一窗口42，窗口42被旋转打开通道窗38使录井工具36的传感器接触井眼20。通过压力管44(图2)可以提供液压驱动。

在如图4所示的窗口机构的一实施例中，窗口机构包括一在轴承102上的滑套100。滑套100有闭锁机构104，录井工具36锁定在套100上。并设置有套锁定机构106，将套100锁在关闭位置。

操作时，录井工具36进入钻井接头34。录井工具36的坐底靴部108与闭锁机构104接合并锁住。随着录井工具36进一步向钻井接头34推入，套100被沿坐底部分80推进，解开套锁定机构106。套100沿坐底部分80滑动直到套100的前边缘靠到表面112，从而将套100从通道窗38处抽开。

由钻井接头34取出录井工具36使窗口38关闭。当录井工具36被抽出之时，套滑动将窗口38关闭。当套碰到边缘114上，套锁定机构106再接合锁定套140于关闭位置中。进一步抽出录井工具36，使闭锁机构104与录井工具36脱开。

应认识到，钻井接头34的其他窗口机构可以根据本发明设计。

如图5中所示的，录井工具带有一系列传感器，包括但不仅限于方向传感器50、γ射线传感器52、声脉冲发生器和接收器54。方向传感器50可用来确定钻柱16在锁定时刻运动的相对方向，即沿着井眼升上或降下。γ射线传感器52可以探测岩石地层内天然γ射线的辐射，进行岩性学定性，声波脉冲发生器和接受器可用于探测井眼20直径、岩性和孔隙度。传感器与从电池58接受电源的计算机56相连。计算机56可以在给定时间t触发相关的传感器，并然后接受和储存由传感器接受的数据。另外，传感器可以与钻柱运动传感器50相响应被触发。

其他的传感器或发射传送装置可以是以下这些，但并不仅限于此：测量钻柱运动、γ射线辐射、压力、温度、电阻、自然电位(DC电压)和井眼方向的装置去的传感器可以是发射和接收装置，或仅是接收装置。

在从井筒20获得数据中，为了获得与井筒深度有关的井筒物理特性的录井(图6)，进行以下程序：

在开始普通钻井时，在直接靠近钻头18处，或尽可能靠近钻头处安装钻井接头34并使其成为钻柱16的一部分。钻井进行到已达到一定井深d，需要起钻将钻头18带到地面。

钻井操作暂停，循环头22由钻柱16卸下并由接头30处提升。录井工具36被准备好向钻井柱插入，并通过串连接线62连接到录井工具36的地面计算机60进行检查。地面计算机60检查电池58充电状态、传感器状态、录井工具上的计算机56与地面计算机的时钟同步状态，并在一实施例中，设定引发数据收集的时间。

在地面检查和同步工作完成后，录井工具36可由两种不同方法置入到钻井接头34中。

在第一实施例中，录井工具由系在绳连接机构和录井工具上口端的释放机构68的绳64和滑轮66下入到钻柱16中去。绳连接机构和释放机构68用于向钻柱16下入录井工具36，并将绳64与录井工具36脱开。将录井工具下到钻柱16中，可能需要加重杆(未示出)来为录井工具36提供附加重量。

另一实施例是，录井工具放入钻柱16中，循环头22重与钻柱16安装。循环钻井液直到录井工具36达到钻井接头34中的着落点。如图1所示，通过泵送钻井液移动录井工具36到位，可使录井工具进入钻柱16的水平段。循环头的操作手，当录井工具36到达钻井接头34内的着落点，并且录井工具连接装置48着落在钻井接头连接装置46之内时，会探测出一个压力的上升。在配备着液压触发窗口42的钻井接头34实施例中，通过压力管44，压力的上升产生作用，触发窗口机构40，以便窗口42使录井工具传感器可以接触井筒20。在既有滑套又有液压窗口机构的实施例中，地面操作员会探测到表示窗口打开的压力下降，此下降并且表示从井眼20取下钻柱的起下钻操作可以按常规方法开始。

收集数据的信号可以是地面计算机62和录井工具上装的计算机56共同设定的固定的时间，或者，当起钻开始时，由钻柱16开始的向上侧运动触发方向传感器50发出的信号。不管在哪种情况下，随着钻柱16向上侧运动，由录井工具传感器来的数据将作为时间的函数被储存在录井工具装的计算机56中。同时，地面计算机60，通过记录在任何时间t从井眼中卸下的钻杆总数，并从井眼的绝对深度d中减去这个值来监测录井工具36的深度。如精通本技术的人士可知，这种跟踪有几种方法。

在全部钻柱被由井眼中取出后，录井工具可由钻井接头34中回收，并与地面计算机60通过串联接线62再连接。被储存在录井工具计算机56中的数据可以装入到地面计算机60之中，并根据作为时间函数的钻柱深度统一起来，产生井筒20的录井资料。

另外，如果不必取出整个钻柱仅希望取出录井工具存储数据，可以由一种精通本技术的人所知的打捞筒装置(未示出)将录井工具从钻井接头34中回收。

在地面统一数据合并由录井工具36得到的井下数据与时间的数据关系和由地面采集系统得到的深度与时间的数据关系，而提供出希望要的井下数据与深度的关系数据。

本文所用的词语是为了说明的目的而用的，并且应理解不偏离本发明的精神和范围可以进行变化。

Claims (21)

1、一种通过钻柱接受一录井工具的钻井接头，该录井工具具有从此钻柱之内收集并存储数据的传感器和监测装置，该钻井接头包括：

一可以与该钻柱接合的主体；

一在所述主体之内的连接装置，用于在该主体内接合此录井工具；

在该主体上的窗口装置，可以使该传感器和监测装置接触井筒。

2、根据权利要求1所述的钻井接头，其中，该窗口装置包括响应于该录井工具在该钻井接头内接合而动作的液压驱动窗口。

3、根据权利要求1所述的钻井接头，其中，该连接装置还包括相对于该窗口装置定向传感器和监测装置的对准装置。

4、根据权利要求1所述的钻井接头，其中，该窗口装置包括打开的槽。

5、根据权利要求1所述的钻井接头，其中，该窗口装置包括该主体的薄壁部分。

6、根据权利要求1所述的钻井接头，其中，该主体是一中空圆柱体，具有与该钻柱相接合的螺纹表面，该主体形成钻柱的一部分，并且该窗口装置包括：

至少一个在该主体内外表面之间打开的通道；

一与该主体内表面滑动接合的窗口套，该窗口套在该打开的通道被打开的打开位置和在该打开的通道被关闭的关闭位置之间可以移动。

7、根据权利要求6所述的钻井接头，其中，该窗口套有将该套锁定在该关闭位置的套闭锁机构，和将该录井工具靠着该窗口套锁定的录开工具闭锁机构。

8、根据权利要求1所述的钻井接头，其中，该主体包括：一坐底部分和一上部部分，该坐底部分和上部部分有内径并有螺纹表面，用于将该坐底部分和上部部分彼此之间的安装和拆开。

9、一种通过钻柱接受一录井工具的钻井接头，该录井工具具有从该钻柱之内收集并存储数据的传感器和监测装置，该钻井接头包括：

一与钻柱相接合的圆柱主体，该主体构成该钻柱的一部分，该主体有一坐底部分和一上部部分，该坐底部分和上部部分具有内孔和螺纹表面，用于该坐底部分和上部部分彼此之间的安装和拆开；

在该主体上的连接装置，用于在该钻柱之内接合并定向该录井工具；

窗口装置，该窗口装置具有在该主体内外表面之间的至少一个打开的通道；

一在该主体内表面滑动接合的窗口套，该窗口套可以在该打开的通道被打开的打开位置和在该打开通道被关闭的关闭位置之间移动；

将该套钻定在该关闭位置的套闭锁机构，和将该录井工具靠着该窗口套锁定的录井工具闭锁机构。

10、一种在钻井和起下钻操作时由井下钻柱和配套的钻头之中，从井筒收集数据的录井工具，该录井工具包括：

一可以通过钻柱移动的主体；

在该主体上的接合装置，将该录井工具与权利要求1的钻井接头相接合并锁定；

在该主体之中从井筒收集数据的传感器；

在该主体之中的计算机装置，该装置具有激发并控制该传感器的控制装置，和存储由该传感器来的数据的存储装置，该计算机装置具有向该传感器和控制装置提供电源的电源装置。

11、根据权利要求10所述的录井工具，其中，该传感器是由至少以下之一中选择的：钻柱运动传感器、γ射线传感器、声脉冲发生器和接收器、压力传感器、温度传感器、电阻率传感器、电位传感器和井筒方向传感器。

12、根据权利要求10所述的录井工具，还包括绳缆连接装置，用于将该录井工具与一绳缆相连接，由/从该钻柱下入和/或回收该录井工具。

13、根据权利要求10所述的录井工具，其中，该接合装置是一斜口导引靴。

14、根据权利要求10所述的录井工具，其中，该电源装置是电池。

15、一种在钻井和起下钻操作时由井下钻柱和配套钻头之中，从井筒收集数据的录井工具，该录井工具包括：

一可以在钻柱内移动的圆柱形主体；

在该主体上的斜口导引靴，用于将该录井工具在相邻钻头的钻柱内接合、锁定并定向；

在该主体内从井筒收集数据的传感器，该传感器是由至少以下之一中选择：方向传感器、γ射线传感器、声脉冲发生器和接收器、井径传感器、压力传感器、温度传感器和井筒方向传感器；

在该主体内的计算机装置和配套的控制装置、存储装置和电池，用于激发并控制该传感器并且存储由传感器来的数据；

绳缆连接装置，用于将该录井工具与一绳缆连接将该录井工具向所述钻柱之中下入和/或从所述钻柱之中回收。

16、一种由一录井工具接收数据的地面数据采集系统，该录井工具具有从该钻柱之内收集并存储数据的传感器和监测装置，该地面数据采集系统包括：

钻柱位置跟踪装置，用于跟踪该录井工具和钻柱的井下深度；

存储装置，用于存储该录井工具和钻柱的井下深度数据；

同步装置，用于同步该钻柱位置跟踪装置与该传感器和监测装置；

状态检查装置，用于确定该录井工具传感器和存储装置的状态；

控制装置，用于引发或延迟该录井工具的数据收集。

17、一种在钻井和起下钻操作时用井下钻柱和配套钻头从井筒收集数据的方法，该方法包括：

a)在钻井操作之前将一钻井接头安装到相邻在钻头后面的钻柱上；

b)在起下钻操作之前将一录井工具下入和/或泵送到该钻柱；

c)在该钻井接头内接合并定向该录井工具；

d)当起下钻操作开始，激发该录井工具从该井筒收集并存储数据；

e)在起下钻操作中收集并存储井筒数据；

f)在起下钻操作中监测该钻柱的井下深度。

18、根据权利要求17所述的方法，还包括建立被存储的井筒数据与该钻柱井下深度之间的关系。

19、根据权利要求17所述的方法，其中，录井工具收集数据的引发是与在该录井工具中方向传感器探测该钻柱向上的运动相响应的。

20、一种在钻井和起下钻操作时用井下钻柱和配套的钻头从井筒收集数据的数据采集系统，该系统包括：

一个在邻近该钻头处与该钻柱组合在一起的钻井接头，和一从井筒收集数据的录井工具；该录井工具可以通过该钻柱移动，并与该钻井接头接合；该录井工具带有传感器装置、控制装置和存储装置，用于在起下钻操作中从该井筒收集并存储数据；该钻井接头带有窗口装置，用于使该传感器装置从该钻柱的水眼之内接触该井筒。

21、根据权利要求20所述的系统，还包括地面计算机装置，用于在起下钻当中监测该钻柱的深度，并在起下钻操作之后由该录井工具接收数据。

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