CN1312490C

CN1312490C - 一种井下管状物

Info

Publication number: CN1312490C
Application number: CNB011257458A
Authority: CN
Inventors: B·克拉克; J·亨卡; M·T·弗雷; D·L·史密斯; D·拉马斯瓦米; A·L·科林斯; S·D·邦纳
Original assignee: Schlumberger Overseas SA
Current assignee: Schlumberger Overseas SA
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2021-08-21
Also published as: CN1407350A

Abstract

一种井下管状物，所述管状物包括：一个细长主体，其具有一个管壁，一个中心孔和至少一个开口，所述开口穿透管壁以便提供一信号的通道；一个能透过电磁能量的套管，所述套管位于所述主体的中心孔之内，所述套管具有一第一端和一第二端，该套管通过一保持器对准所述至少一个开口，所述第一端与所述保持器的一端连接，其中所述套管提供一压力阻挡层以保持通过所述至少一个开口的管壁内部和管壁外部之间的压力差，以及一个分隔器，其连接于所述套管的第二端和所述保持器的另一端，以允许套管的热膨胀。

Description

一种井下管状物

技术领域

本发明一般涉及地下地层的勘测，通过金属管状物用于发送和/或接受信号的系统和方法，尤其是涉及用于接纳插入工具的装置。

背景技术

电阻率和伽玛射线记录是测井中两种最常用的地层评估测量。常用这样的测量去测定和评估地下地层中潜在的含烃类地带的特性。在许多井中，它们是仅有的两种勘测的测量，特别是在低成本的井和较昂贵井的地表和中间部段中。

这些测井技术是用不同的方法实现的。测井工具包括许多用于测量各种参数的发送和检测装置，它们可以系在电缆或钢丝绳的终端下降到钻井中。电缆在地面上连接到某种可移动的处理中心，电缆是把参数数据送到地面上的装置。使用这类电缆测井，有可能测量钻井和地层的参数作为深度的函数，即在将工具从井中向上拉出时测量。

某些井可能不进行测井，因为当将钻机时间包括在总成本中时电缆测井太贵。为电缆测井处理该井、安装电缆工具，以及把电缆工具放入和拉出该井的时间都需要钻机时间。对水平井或斜井来说使用电缆测井工具更是增加成本和难度。

代替电缆测井技术的一个方案是在钻井过程中在井下条件下收集数据，通过在钻井过程中收集和处理这样的信息，钻探工可以修改或校正操作的关键步骤以便使操作性能最优化。在钻井操作中采集钻井装置井下条件和运动的数据的系统已知为随钻测量(MWD)技术。类似的技术但比钻井装置的运动更加注重于地层参数的测量已知为随钻测井(LWD)。如用钢丝缆测井一样，因为工具在钻探一段地层的整个时间内都在钻孔中，由于设备和相关服务的成本使用LWD和MWD是不合算的。

随起落钻具测井(LWT)是另一种代替LWD和MWD的成本有效的技术。在LWT中小直径的“插入”工具通过钻杆被送到井下，在钻头的端部刚好在拉出钻杆之前。使用插入工具在钻具组抽出或起出钻井时测量井下的各种物理量。在起出时将测量到的数据按时间记录在工具存储器中。在地面上第二组设备记录钻头深度对起出的时间，这就允许按深度放置测量值。

美国专利5,589,825号描述LWT技术结合适合通过钻具组运动进入到钻井子筒中的测井工具。¹825号专利描述子筒结合窗户机构能使信号在安装的测井工具和井孔之间传送。窗户机构可在开和关位置之间操作。所建议设备的缺点是开窗机构将测井工具直接曝露在多皱和磨损的钻井环境中，在那里地层的采掘很可能损伤测井工具和堵塞窗户机构。在深度更大的地方井下的条件逐渐变得更加恶劣。在深度5000到8000米处，常常遇到井底温度为260℃，压力为170Mpa。这会加快测井工具外面部件或曝露部件的损坏。这样，开窗结构要用于井下的环境是不实际的。

英国专利申请GB 2337546A号描述结合到钻铤中的一种复合结构，以便在钻井操作中允许测量中使用的电磁能量通过。546号专利申请描述的钻铤有带着嵌入的复合盖的空穴或凹槽。由546号专利申请所建议的设备的缺点是使用复合材料作为钻铤整体的一部分。疲劳负荷(即钻杆的弯曲和转动)成为钻井操作中的问题。当钻杆承受弯曲或扭转时，空穴或凹槽的形状改变，造成应力失效和差的密封。在金属和复合盖之间材料特性的差异很难适当地把握，因为在机械上需要复合材料和金属机械上作为一件作用，如¹546号专利申请所描述的那样。这样在钻井操作中当遇到极大的应力和负荷时增加了出故障的可能性，使得实现所描述的结构不太可能。

美国专利5,988,300号和5,944,124号描述适合用于钻具组的复合管结构。¹300号和¹124号专利描述一种分段的结构，它包括用终端接头和将管子与终端接头连接的外封套装配成的复合管。除了很高的制造成本之外，这种结构的另一个缺点是多个组件的装配体在钻井操作中遇到的极大应力下更容易倾向于出故障。

美国专利5,939,885号描述的测井设备包括，配备螺旋形天线并装在有槽的钻铤内的安装部件。但是该设备不是为LWT操作设计的。美国专利4,041,780号和4,047,430号描述一种测井仪器，它是向下泵入到钻杆中用于获得测井样品。但是由¹780号和¹430号专利建议的系统在任何测井可以开始之前需要抽出整个钻具组(用于卸下钻头)。这样所述系统的实现是不现实的，对许多操作来说不是成本有效的。

美国专利5,560,437号描述周来得到井下参数的测量值的遥测方法和设备。¹437号专利描述的测井探测器是喷射进入到钻具组中。测井探测器包括在一端的传感器，它是通过在钻具组的端部的特殊钻头中的孔定位的。这样，传感器直接接触钻井。由¹437号专利建议的设备的缺点是，传感器直接曝露在井下所遇到各种损害条件之下。采用通过小孔突出的小探测器对电阻率测井也是不现实的。

美国专利4,914,637号描述适合用于从地表部署通过钻具组到井管中所需位置的一种井下工具。在工具上的调制器发送采集的信号数据到地表。美国专利5,050,675号(转让给本专利受让人)描述了钻孔设备结合电感耦合器结构用于在地表和井下工具之间的信号通讯。美国专利5,455,573号描述了电感耦合装置用于同轴布置的向下钻孔工具。井下钻孔技术也已经被建议采用有槽的管子。美国专利5,372,208号描述使用有槽的管子部段作为钻具组的一部分，用于在钻井中地下水的采样。但是这些建议的系统没有一个与通过管子测量或信号传送有关。

希望获得一种简化和可靠的LWT系统和方法，用于测定和评估地下地层中潜在的含烃类地带的特性。这样，仍然有需要改进的用于通过地层发送和/或接受信号LWT系统和方法。还有仍然需要一种技术，通过使用能提供LWT，LWD或电缆测量的通用设备来测量地下地层的特征。还有另一种需要是各种有效的技术用于密封在向下钻孔操作中使用的管状部件表面上的开口。

发明内容

根据本发明，提供了一种井下管状物，所述管状物包括：一个细长主体，其具有一个管壁，一个中心孔和至少一个开口，所述开口穿透管壁以便提供一信号的通道；一个能透过电磁能量的套管，所述套管位于所述主体的中心孔之内，所述套管具有一第一端和一第二端，该套管通过一保持器对准所述至少一个开口，所述第一端与所述保持器的一端连接，其中所述套管提供一压力阻挡层以保持通过所述至少一个开口的管壁内部和管壁外部之间的压力差，以及一个分隔器，其连接于所述套管的第二端和所述保持器的另一端，以允许套管的热膨胀。

附图说明

在阅读了下面的详细描述和参考附图之后本发明的其他方面和各项优点将变得更加清楚，附图中：

图1是按照本发明插入工具的示意图；

图2a是插入工具的剖面图，表示按照本发明的带有相关的导线和通道的天线；

图2b是按照本发明插入工具上围绕天线的护罩结构的示意图；

图3是按照本发明带有开槽部段的管状部件示意图；

图4a和4b是按照本发明插入工具接合在管状部件内的示意图；

图5用曲线图说明本发明管状段的开槽尺寸与通过的电磁能量衰减度的关系；

图6是按照本发明带定中心器的插入工具示意图；

图7a是按照本发明带压力阻挡层结构的管状部件的剖面图；

图7b是沿A-A线取的图7a的有三个槽的管状部件的剖面图；

图8a是按照本发明带另一种压力阻挡层结构的管状部件的剖面图；

图8b是沿B-B线取的图8a有三个槽的管状部件的剖面图；

图9a是按照本发明插入工具的定位与压力阻挡层结构对齐的剖面图；

图9b是图9a的插入工具和压力阻挡层结构的顶视图；

图10是按照本发明压力阻挡层和管状部件结构的剖面图；

图11是按照本发明带槽的管状部件与插入物、密封和保持套管的剖面图；

图12a和12b是按照本发明带槽管状部段有锥形槽和相应的锥形插入物的剖面图和部分切除的透视图；

图13a是按照本发明插入工具和管状部件内偏心的天线的示意图；

图13b和13c是按照本发明由定中心护罩围绕的天线和插入工具的示意图，分别表示护罩对磁场和电场的影响；

图14是按照本发明在管状部件中心孔内形成的护罩结构的顶视图；

图15是按照本发明在插入工具内由空穴形成的护罩结构的示意图；

图16是按照本发明包括接合在管状部件内的调制器的插入工具的示意图；

图17是按照本发明图16所示的插入工具结构用作与远距离井下工具实时无线通讯的示意图；

图18是按照本发明采用核磁共振技术进行孔隙率测量的插入工具结构的示意图；

图19a和19b是按照本发明在管状部件内插入工具天线结构的示意图；

图20表示按照本发明带有感应耦合器的管状部件和插入工具结构的示意图；

图21表示按照本发明带有感应耦合器的偏心插入工具和管状部件的顶视图和示意图；

图22a和22b是按照本发明在插入工具和管状部件内感应耦合器结构的示意图；

图23是按照本发明安装在管状部件内感应耦合器和护罩结构的剖面图；

图24是按照本发明简化的感应耦合器电路的示意图；

图25是按照本发明说明通过地层发送和/或接受信号的方法的流程图；

图26是按照本发明说明测量围绕钻井的地层特征的方法的流程图；

图27是按照本发明说明密封在管状部件的表面上的开口的方法的流程图；

图28是按照本发明说明密封在管状部件的表面上完全穿透的开口的方法的流程图。

具体实施方式

为了清楚起见，并没有在本说明书中描述实际器具的所有部件。将能理解，虽然开发任何这样实际的器具可能是非常复杂且耗费时间，但无论如何对那些平常熟悉本技术的人们来说他们从事的日常工作会从本公开内容中获得收益。

本发明的设备包括两个主要器材，插入工具(RIT)和钻铤。今后，将称钻铤为子筒。

插入工具(RIT)

图1表示本发明RIT 10的一个实施方案。RIT 10是细长的小直径金属芯轴可以容纳一个或多个天线12、信号源、传感器(传感器/探测器如这里所使用的那样是互相可以交换的术语)、磁铁、伽玛射线探射器/发生器装置、中子发生/探测装置、各种电子仪器、电池、井下信息处理器、时钟、读出口和记录存储器(未表示)。

RIT 10对钻铤没有机械上的要求。这样就大大减小了它的机械上的限制。RIT 10在底端有着陆机构(针刺)14和在顶端有打捞头16。打捞头16使RIT 10可被抓住和使用常规的取出工具从子筒内收回，这样的工具如美国专利5,278,550号(已转让给本受让人)所描述的那种。可打捞的RIT 10装置的优点是减小了在钻井中丢失的成本。

如图2a中所示，RIT 10上的每个天线12包括多圈的导线回路埋入在玻璃纤维环氧树脂18中，该环氧树脂安装在RIT 10压力外套中的沟槽内并用橡胶的上模压件20密封。装入口22提供天线12导线的通道，将导线引入到RIT 10内的内孔24。可以启动每根天线12以便如先有技术已知的那样接受或发送电磁(EM)信号。

天线12辐射水平的电场。每个天线12最好由不锈钢护罩26(与美国专利4,949,045号中描述的那种类似，该专利已转让给本受让人)包围，该护罩有一个或多个轴向槽28围绕护罩26的圆周排列。图2b表示轴向槽28围绕护罩26的周向分布。护罩26在轴端有短的环周插入到RIT 10的金属芯轴本体中。这些护罩26允许横向电(TE)辐射通过它传送，同时阻止横向磁(TM)和横向电磁(TEM)的辐射。护罩26还保护天线12免受外界的伤害。RIT 10电子仪器和传感器的构造类似于美国专利4,899,112号(已转让给本受让人)中所描述的那种。

子筒

图3表示本发明子筒30的一个实施方案。子筒30有细长的带有管壁的主体和中心孔32。子筒30即不包含电子仪器也不包含传感器，是全金属的，最好由不锈钢制成。它是常规井底装置(BHA)的一部分，在钻头钻井期间它与钻具组一起在钻井中。子筒30在每一端有标准的带螺纹的油田连接器(销和箱)(未表示)。

子筒30包括一个或多个部段36，它有一个或多个沿管壁设置的轴向槽38。每个细长的轴向槽38完全穿透子筒30的管壁，并最好形成完全倒圆的终端。应力模型已经显示可以在子筒30壁上形成较长的槽38而同时仍保持子筒30的结构完整性。应力释放槽40可以添加到子筒30在离开槽38的区域内的外径(OD)上，以便使槽38上的弯曲力矩最小。

每个槽38提供连续的沟道，用于电磁能量通过子筒30。槽38阻止TM辐射但允许TE辐射通过，虽然有一定衰减。子筒30对TE场衰减的程度取决于以下各因素：如频率、槽的数目、槽的宽度、槽的长度、钻铤的外径(OD)和内径(ID)，以及RIT天线的位置和尺寸。例如图5表示用25匝1.75英寸直径的线圈放在3.55英寸ID，6.75英寸OD的子筒30的中心，子筒30带有不同长度和宽度的一个或两个槽38，在400 KHZ频率下测量到的子筒10的衰减度。但是只有用一个或两个0.5英寸宽，6-8英寸长的槽38，子筒30的衰减度总是约15dB，对许多应用来说这是足够低的值。

在操作中RIT被向下泵送和/或通过钻具组下降到在钻头终端的电缆上并接合在子筒30内。通过在子筒30的中心孔32内的着陆“靴形件”42接纳RIT 10，如图4a中所示。图46表示RIT 10是怎样定位在子筒30中，使得每个天线12、信号源/或传感器与子筒30内的槽38对齐。着陆靴形件42最好还有碰锁作用，以便使RIT 10一旦接合在子筒30内就防止它任何的轴向运动。

转到图6，本发明的一个实施方案包括定中心器44，它的作用是保持RIT 10在子筒30的中心和稳定，降低振动的水平和减小工具运动对测量的影响。在中心孔32内可以安装一个或多个定中心器44，以便约束RIT 10并保持它不会碰击子筒30的内径。也可以安装一个或多个弹簧片46从定中心器44伸出，以便对RIT 10提供定位的稳定性。当弹簧叶片46接合在子筒30内时RIT 10使它受压。可以使用螺栓48和O型密封圈50将定中心器44保持在子筒30中，同时保持子筒30的内径和外径之间的压力阻挡层。

另一种是，定中心器44可以安装在RIT 10上而不是在子筒30上(见图16)。在这种情况下，定中心器44可以构形成这样，当向下运行时定中心器保持在缩进模式，当RIT 10在子筒30内着陆时打开。将能理解如先有技术中已知的那样，其他的定中心器44的构形也可以在本发明中实现。

RIT 10和子筒30有类似于同轴电缆的EM特性，RIT 10作用如同轴电缆的内导体，而子筒30作用如外导体。如果钻井泥浆是导电的，那末“同轴”是有损耗的。如果钻井泥浆是油基的，“同轴”将衰减很小。在子筒30内部接受器与接受器之间或发送器与接受器之间可能产生寄生的天线12耦合。如上所述，围绕天线12的护罩26接地到RIT10的芯轴，以便使它们之间的电容和TEM耦合最小。为了排除TEM耦合还为天线12提供电气平衡。定中心器44也可以用作接触的装置，以便使RIT 10与子筒30之间的无线电频率(rf)短路，防止寄生耦合。例如在定中心器44上可以安装带尖刺的小轮，以便保证RIT 10和子筒30之间的硬短路(没有表示)。

压力阻挡层

因为每个槽38完全穿透子筒30的壁，所以用隔离的压力阻挡层来维持子筒30的内外之间的差压和维持液压的完整性。有各种各样的方法用于建立子筒30在开槽部段36处的内外径之间的压力阻挡层。

转到图7a，表示本发明的带有压力阻挡层的子筒30的实施方案。圆筒形的套管52定位在子筒30的中心孔32内与槽38对齐。套管52由这样的材料制成，其对EM能量是可透过的。可用的材料包括在美国专利4,320,224号中描述的聚醚酮或其他合适的树脂。宾夕法尼亚州西地斯特的Victrex美国公司(Victrex USA，Inc.of West Chester，PA)制造一类叫PEEK的树脂。另一种可用的化合物已知是PEK。CytecFiberite，Greene Tweed，和BASF销售其他合适的热塑树脂材料。另一种合适的材料是科罗拉多州戈尔盾(Golden，Colorado)的Goors陶Ceramics制造的四方晶相二氧化锆陶瓷(TZP)。对熟悉先有技术的人们来说将能理解，可将这些和其他材料组合物制成可用的套管52。

PEK和PEEK可以承受实际的压力负荷并已经用于严酷的井下条件下。陶瓷可以承受大体上更高的负荷，但它们不是特别能容忍冲击。也可以用缠绕PEEK或PEK的复合物和玻璃、碳或KEVLAR来提高套管52的强度。

保持器54和分隔器56设置在中心孔32内，以支持套管52并提供位移而使其与槽38对齐。套管52定位在保持器54和分隔器56之间，它们都成形为中空的圆筒形，以便同轴地装配在中心孔32内。两者最好都由不锈钢制成。保持器54的一端连接到套管52，使套管52同轴配装在保持器54内。当操作时子筒30的内径中压差增加时，套管52承受负荷使子筒30与开槽区的压力隔离。在套管52和保持54之间的连接处由O型密封圈53维持液压的完整性。使用装配“键”55使套管52与保持器54接合，防止一个相对另一个转动(见图7a的局部放大)。通过子筒30配装分度销57并使其与保持器54的自由端接合，以防止保持器在子筒30的孔32内转动。在保持器54的外径上的槽内还放置O型圈59，以便提供保持器54和子筒30之间的液压密封。

在操作中，内套管52由于很高的井下温度将有可能经受轴向热膨胀。所以对套管52来说最好能够轴向移动，为了使它承受这些变化时防止弯曲。分隔器56包括外圆筒62内的内圆筒60。在内圆筒60的外径一端上的弹簧64提供压到外圆筒62上的轴向力(相似于自动的振动吸收器)。外圆筒62如上所述在连接处用键55和O型密封圈53连接到套管52，表示在图7a的局部放大图中。弹簧负荷的分隔器56用于各组件不均匀的热膨胀。图7a表示的子筒30实施方案通过带螺纹的油田连接器70连接到其他的管状部件。

为了说明的目的，在图7a中表示的子筒30只带有一个槽38。其他的实施方案可以包括几个套管52，它们以上述的方法互相连接以便在多个带槽部段36(没有表示)上提供各自的压力阻挡层。用这种结构在整个带槽列的区域上仅用两个O型圈53密封子筒30的内径。这就将在装配和维修中因O型圈53在槽38上拖刮所引起的风险减到最小。图7b表示子筒30(沿图7a的A-A线所取的)的剖面图，带有三个槽38的结构。

图8a表示子筒30带有本发明压力阻挡层的另一种实施方案。在该实施方案中弹簧负荷的分隔器56保持外圆筒62紧挨着套管52，和O型圈68放置在套管52的外径上的槽内，最好在槽38的两端。保持器54其一端放置在中心孔32的壁上形成的肩或突出部58上。图8b表示子筒30(沿着图8a的B-B线取的)的剖面图，带有三个槽38的结构。

在本发明压力阻挡层的另一个实施方案中，由PEEK或PEK，或者玻璃、碳、或者充填各种类型这些材料的KEVLAR制成的套管52可以粘接到金属插入件(未表示)，插入件包括O型圈以与上述一样相对子筒30密封。如上所述或者使用坚固装置或锁定销(未表示)可以将金属插入件安装到子筒30内。套管的材料也可以是模制的或缠绕在支持的插入件上。在缠绕的材料上的纤维也可以是对齐的以便提供附加的强度。

图9a表示本发明压力阻挡层的另一个实施方案。在这个实施方案中圆筒形套管52通过金属保持器72保持与槽38对齐。保持器72可以形成为带合适的槽74的单件，槽74切割到它里面用作信号通道，如图所示，或者保持器作为在顶和底支持套管52(没有表示)的单独件。通过先有技术中已知的几种装置的任何一个包括分度销机构或键挤压螺母型结构(未表示)，可以限制保持器72使其不能在子筒30内轴向移动或转动。槽38也可以用保护性插入件充填，如下面将要进一步描述的那样。在操作中，RIT 10这样定位在子筒30内使天线12与槽38对齐。

如图9b中所示，这样形成保持器72使它伸展进入到子筒30内并减小子筒的内径以便限制RIT 10。泥浆流过保持器72中的几个沟道或开口76和通过RIT 10与保持器72之间的环形空隙78。保持器72实际上作用如定中心器用于使RIT 10稳定并保持它不会碰击到子筒30的内径，降低振动的程度和增加可靠性。

图10表示本发明压力阻挡层的另一个实施方案。子筒30可由工程接头80构成，使套管52可以插入到中心孔32内。如上所述形成套管52并在套管52外径的两端的槽内用口型圈82提供液压密封。通过两件式子筒30的一端上形成的唇缘84和匹配子筒30的连接器的端部限制套管52在中心孔32内的轴向移动。因为套管52放入到子筒30的内径中的凹槽86内并与其齐平，这种结构给予大直径的RIT 10无限制的通道。这种结构也提供很方便的到套管52和槽38的接近路径便于维修和检查。

转到图11，图中表示本发明压力阻挡层的另一个实施方案。子筒30中的槽38是三台阶的，最好带有完全倒圆的终端。其中一个台阶提供用于插入件92的支承肩90，其他两个表面与插入件92一起组成O型圈槽94的几何形状。改进的O型密封包括在合适的台阶围绕插入件92伸展的O型圈96，和放置在O型圈96的相对两侧的金属元件98。金属元件98最好是封闭的环的形式。

套管52可以用一个或几个O型圈(没有表示)配装到子筒30内，以便如上所述改进液压的完整性。如图11所示套管52也可以有穿透它的壁的槽100，以便为任何进出的信号提供无阻碍的沟通。套管52可以有匹配槽100，用于子筒30中的每一个槽38。

插入件92和套管52最好由上述的不导电材料制成，以便允许EM能量通过。但是如果套管52的结构带有槽100，那么套管52可以由任何合适的材料制成。

如果套管52的结构带有槽100，那么子筒30的内压可能将插入物92向外推压。支承肩90承受这个负荷。当内压增加时O型圈96推动金属元件98压靠挤压间隙，这就有效地封闭该间隙。结果，这里没有留下O型圈受挤压的空间。因为金属比O型圈材料硬得多，它一点也不会挤压。因此改进的几何形状产生这种情况，软的元件(O型圈)提供密封而硬的元件(金属环)防止挤压，这是理想的密封状态。在压力反向的情况下套管52抓住在槽38中的插入件92，防止插入件92被移出槽。

用本发明可以实现其他的压力阻挡层结构。一个方法是使用几个单独的套管52通过其他保持结构使其连接在一起和通过压差密封或压紧螺母构造(未表示)来限制。另一个方法是使用长套管52以便跨过多个带槽段38(未表示)。还有另一个方法是使用固定在开槽区之上的子筒30的外径上的套管52，或者是内和外套管52(未表示)的组合。

槽插入件

尽管本发明的开槽段带有全开和没有堵住的槽38是有效的，但通过防止岩屑和流体进入和腐蚀槽38以及隔离套管52可以延长装置的操作寿命。槽38可以用橡胶、环氧树脂玻璃纤维复合物或其他合适的充填材料充填，以便使流体和岩屑不会进入而允许信号通过。

在图12a中表示带有锥形槽38的子筒30的实施方案。槽38成锥形使外面开口W₁窄于内面开口W₂，如图12b中所示。隔离材料(如玻璃纤维环氧树脂)的锥形楔块88插入到锥形槽38中。楔块88用橡胶可以粘接到子筒30中。橡胶层包围楔块88并将它粘接到子筒30中。也可以在子筒30的内和外表面上模制橡胶的环带以便将楔块88密封在槽38内。

集中屏蔽护罩结构

从简单的螺旋缠绕天线12经过合理尺寸的单个槽38的TE辐射衰减度的测量表示，TE场被显著地衰减了。但是通过使用天线12周围的屏蔽护罩将EM场集中到槽38中，可以减小这种衰减。

转到图13a，由25匝导线缠绕在1.75英寸直径心轴上组成的天线12安装在1英寸直径的金属RIT 10上，且在3.55英寸内径，6.75英寸外径的子筒30中心孔内相对槽38径向完全偏心定位，垂直方向在槽38内对中定位。在频率范围25 KHz-2 MHz内TE场的测量到的衰减度近似为常数16.5dB。

转到图13b，用在薄的屏蔽护罩102内的天线12进行相同的测量，护罩102由带0.5英寸宽，6英寸长槽104的金属管形成，槽104与子筒30(未表示)内的槽38对齐。天线12完全被护罩102包围，除了开口槽104，并放入到子筒30内。

用这种装置在相同的子筒30内其衰减度为11.8dB，衰减度的减小约为5dB。图13b和13c分别表示屏蔽护罩102怎样影响磁场和电场。单独由这个护罩102引起的衰减是最小的。

图14表示本发明屏蔽护罩结构的另一种实施方案。在这个实施方案中子筒30的中心孔32的构形有支架结构106，它的作用是当RIT 10接合到子筒30内时用作包围天线12的集中屏蔽。

图15表示本发明屏蔽护罩结构的另一个实施方案。RIT 10的芯轴在其本体上有机械加工的袋或空穴108。缠绕在非导电材料制成的心轴110上的螺旋天线12安装在空穴108内。铁氧棒可以代替非导电心轴110。用这种结构RIT 10的本体本身用作集中屏蔽。用玻璃纤维环氧树脂、橡胶或其他合适的物质把天线12封袋可以维持RIT 10的液压完整性。对用上述相同方式安装在同一子筒30内的这一装置，测量有200匝在0.875英寸直径心轴上的螺旋天线12的衰减度。测量到的衰减度仅为～7dB。对熟悉先有技术的人们来说将能理解其他类型的信号源/传感器也可以装在RIT 10的空穴108内。

RIT/子筒结构

图16表示本发明另一个实施方案，本发明的子筒30连接到形成钻具组一部段的另一管状物111。RIT 10包括天线12、在下端的探针14和在顶端的打捞头16。由子筒30上的着陆靴形件42接纳探针14，它的作用是使天线12与开槽部36对齐。如上所述，本实施方案的RIT10包括在压力壳体内的各种电子仪器、电池、井下信息处理器、时钟、读出口、存储器等(没有表示)。RIT 10也可以结合先有技术已知的各种类型的信号源/传感器。

带调制器的RIT

图16的RIT 10也装备调制器116，用于同地面的信号通讯。如先有技术已知的那样，有用的调制器116包括回转阀，它操作在泥浆柱中连续的压力波。通过改变信号的相位(频率调制)并检测这些变化，信号可以在地面和RIT 10之间传送。应用这种结构，工作人员可以通过钻具组将RIT 10送到井下，以获得地层特征的测量数据(如电阻率或伽玛射线计数)和将这些数据实时传送到地面。另一种是全部或某些测量数据可以储存在井下的RIT 10存储器中以便以后读取。也可以用调制器116核实RIT 10是否精确定位在子筒30中，和各项测量是否工作正常。对熟悉先有技术的人们来说将能理解调制器116装置可以与所有本发明的RIT/子筒器具结合。

图17表示本发明的另一个实施方案。可以用本发明的子筒30和RIT 10在地面与位于钻具组的远端工具112之间传送数据和/或指令。为了说明的目的，表示的工具112带有在驱动轴114的底部的钻头箱113。驱动轴114通过内部传动装置(未表示)和轴承部分117连接到钻井马达115。工具112还有安装在钻头套113的天线12。马达115转动轴114，该轴转动钻头箱113，这样在钻井时使天线12旋转。

应用图17的结构，RIT 10可以在地面上接合到子筒30中或者当子筒30处在所需的井下位置时通过钻具组将RIT 10送下。一旦接合在RIT 10的天线12和工具112的天线12之间使信号通过带槽部段36建立起无线电通讯连接。在这个方法中可以建立起地面和井下工具112之间的实时无线电通讯。对熟悉先有技术的人们将能理解其他类型的传感器和/或信号发送/接受装置也可以安装在各种类型的远端工具112上，用于与安装在RIT 10上相应的装置进行通讯。

核磁共振的传感

已知磁矩装置，如氢原子核曝露在静磁场中时它们有沿着磁场方向对齐的倾向，导致整体磁化。通过测量氢原子核重新对齐它们转轴的时间，可以迅速无损伤地获得地层的孔隙率、可移动流体、导磁率等数据。见1996年6月JOURNAL OF PETROLEUM TECHNOLOGY一书第775页A.Timur写的Pulsed Nuclear Magnetic Resonance Studiesof Porosity，Movable Fluid，and Permeability of Sandstones，美国专利4,717,876号描述了应用这些技术的核磁共振测井仪器。

用图18中所示的本发明的无磁子筒30可以从磁共振确定地层的孔隙率。子筒30可由工业上常用的典型高强度无磁钢制成。RIT 10包括如上所述的电子仪器、电池、CPU、存储器等。在RIT 10中包含相对的永久磁铁118形成磁场。无线电频率(rf)线圈120安装在磁铁118之间，用于在相同区域内产生磁场以便激励地层附近的原子核。rf线圈120的设计类似于上述的天线12，是多匝的回路天线带有中心管以便增加机械强度和穿过导线。永久磁铁118和rf线圈120最好装放在子筒30的无磁部段内，该部段有本发明的带压力阻挡层的轴向槽38(未表示)。

用无磁子筒30，来自永久磁铁118的静磁场B₀穿透进入周围地层以便激励周围地层中的原子核。在RIT 10中的线圈120提供rf磁场B₁，它垂直于子筒30外面的B₀。rf线圈120的定位是与子筒30中的轴向槽38对齐

由于下列各种因素一边起落钻具一边进行磁共振测量可能比传导电阻率测量更加复杂，这些因素有：固有的低信号噪音比、永久磁铁形成系数、rf线圈效率、高Q天线调谐、高功率要求和较慢的测井速度。

伽玛射线测量

已知通过地层伽玛射线的传送测量的可以用来确定地层的特征如密度。由康普顿(Compton)散射引起的伽玛射线的互相作用仅取决于散射电子的数密度。依次这正比于地层的整体密度。已经实现用检测器和伽玛射线源的常规测井工具，伽玛射线的主要相互作用的模式是康普顿(Compton)散射。参见美国专利5,250,806号，它已转让给本受让人。伽玛射线地层测量己在LWT技术中实现。见油汽杂志(Oil &GAS Journal)1996年6月65-66页，togging while tripping cuts time torun gamma ray一文。可以应用本发明得到的伽玛射线测量值如先有技术己知的那样，并比已知的实现方法优越。

本发明的子筒30提供钻井操作所需的结构整体性，同时也提供低密度的沟道用于通过伽玛射线。转到图4b，应用这种结构说明本发明的伽玛射线工具。在这个工具中RIT 10装备伽玛射线源和伽玛射线检测器(未显示)，该类检测器在先有技术是已知的和在¹806号专利中己描述的。图4b的天线12将被伽玛射线源和伽玛射线检测器(未表示)代替。

在这种类型测量中一般使用两个伽玛射线检测器。伽玛射线检测器放在RIT 10上与信号源间隔适当的距离如先有技术已知的那样。也适当地放置带槽部36以便与RIT 10信号源和检测器的位置匹配。可能需要测量的标定来计算沿子筒30的内侧发送的射线。伽玛射线检测器也可以适当地装放在RIT 10中，以便屏蔽它们免受信号源的直接照射如先有技术已知的那样。

转到图14，利用这种结构说明本发明另一种伽玛射线工具。使RIT 10装备所述的伽玛射线装置并朝槽38偏心放置，这种结构将更有效地捕获散射的伽玛射线并产生较少的传送损失。

电阻率测量

也可以使用本发明去测量地层的电阻率，应用先有技术中已知的电磁传送技术，包括在美国专利5,594,343号和4,899,112号(两者都已转让给本受让人)中描述的那些技术。图19a和19b表示本发明两个RIT 10/子筒30的结构。用一对中心定位的接受天线Rx测量EM波的相移和衰减。可以用查表来确定相移电阻率和衰减电阻率。发送天线Tx放在接受天线Rx的上面和下面，或者如图19a中表示的结构，它有两个对称放置的发送天线Tx，或者如图19b中表示的结构，它有几个发送天线Tx在接受天线Rx的上面和下面。可以用图19a的结构进行钻井补偿相移和衰减电阻率测量，而图19b的多个Tx间隔可以测量钻井补偿相移和多个勘探深度的衰减。对熟悉先有技术的人们来说将可理解，也可以用其他的信号源/传感器结构和算法或模型进行地层测量和确定地层的特征。

感应耦合RIT/子筒

转到图20，表示本发明子筒30和RIT 10的其他实施方案。子筒30包括一个或多个安装在细长本体的外径上成整体的天线12，用于发送和/或接受电磁能量。天线12是嵌入到玻璃纤维环氧树脂中，带有上述的橡胶上模压件。子筒30还有一个或多个感应耦合器122沿着它的管壁公布。

RIT 10有如上所述的小直径压力室，室内包含电子仪器、电池、井下信息处理器、时钟、读出口、记录存储器等等，和沿着它的本体安装的一个或多个感应耦合器122。

如图21中所示RIT 10在子筒30内偏心放置使RIT 10中的感应耦合器122和子筒30内的感应耦合器122互相紧接着。耦合器122如先有技术已知的那样包括围绕铁氧体形成的绕组。装入口124将天线12的导线连接到位于子筒30中的小袋126内的感应耦合器122。带有垂直槽的金属护罩128盖住每一个天线12，以便保护它不受机械损伤和提供如前所述所需的电磁过滤特性。精确地将RIT 10定位在子筒30内会提高感应耦合的效率。使用探针和着陆靴形件(见图4a)完成定位，使RIT 10偏心放置在子筒30内。对熟悉先有技术的人们来说将能理解，可以应用其他的偏心系统来实现本发明。

如图22a中所示感应耦合器122有“U”形铁氧体制成的芯。铁氧芯和绕组埋入到玻璃纤维环氧树脂中，用橡胶131上模压并安装在金属制成的耦合器包装130中。耦合器包装130可由不锈钢或无磁金属制成。标准的O型圈密封132放在感应耦合器包装130的周围提供液压密封。RIT 10中的感应耦合器122中也可以埋入到玻璃纤维环氧树脂中并用橡胶131上模压。由PEEK或PEK制成的薄的圆筒型护罩也可以放到子筒30的外径上，以便保护和固定耦合器包装130(没有表示)。

在操作中，在RIT 10和子筒30的感应耦合器122之间将会有间隙，所以耦合将不是100％有效。为了提高耦合效率和降低极面没有对齐的影响，希望极面有尽可能大的表面积。

图22b表示在子筒30中3.75英寸长乘1英寸宽的槽38。对感应耦合器122的极面是1.1英寸长乘0.75英寸宽，给予0.825平方英寸的重叠面积。这种结构保持高的耦合效率并减小由于下列因素造成的影响：RIT 10在钻井或起落钻具时的移动，在感应耦合器122之间的间隙变化，和RIT 10相对子筒30的角度改变。长槽38设计的另一个优点是它为感应耦合器包装130中压力装入口124提供空间。

如果需要也可以将天线调谐元件(电容器)放入到这个包装130中。对熟悉先有技术的人们来说将能理解，在子筒30的壁上也可以形成其他孔的构形，以便获得所需的感应耦合，如图20中所表示的圆孔。

由于在大多数情况下子筒30内的压力将高出子筒30外的压力1-2千磅/英寸²(Kpsi)，感应耦合器包装130将被机械地保持在位置上。转到图23，可以使用天线护罩128将感应耦合器包装130保持在位置上。护罩128如上所述在天线12上有槽，而其他地方都是固体。固体部分保持感应耦合器包装130并承受压差降造成的负荷。小突出部也可以设置在感应耦合器包装130的外侧，以便防止它向内移动(没有表示)。护罩128在它的内径上也可以有螺纹，与子筒30上的“挡块”螺纹啮合匹配(未表示)。

图24表示本发明感应耦合器和发射天线实施方案的简化电路模型。在RIT 10侧，电流是I₁和电压是V₁。在子筒30侧电流是I₂和电压是V₂。互感系数是M，每一半的自感系数是L。这个感应耦合器是对称的，每一半有相同的匝数。用图24中定义的I₂的方向，电压和电流的关系是V₁＝jωLI₁+jωMI₂和V₂＝jωMI₁+jωLI₂。天线的阻抗主要是感抗(L_A)带有小部分电阻(R_A)，Z_A＝R_A+jωL_A。一般感抗是约100Ω，而阻抗是约10Ω。可以用调谐电容器(C)来抵消天线的感应，使RIT侧的阻抗Z₂＝RA+jωL_A-j/ωc～R_A。传送给天线的电流与驱动感应耦合器的电流之比是I₂/I₁＝-jωM/(jωL+R_A+jωL_A-j/ωc)。感应耦合器有许多匝和高的导磁率芯，所以L＞＞L_A和ωL＞＞＞R_A。为了较好地近似，I₂/I₁＝～-M/L(符号与图24中电流流动方向有关)。

本发明的实现

如上所述，RIT 10可以配备内部数据存储装置，如常规的存储器，先有技术众所周知的其他类型的存储器或以后开发的存储器。可以用这些存储装置在地面和井下RIT 10之间传送数据和/或指令。接受到的信号数据在井下可以储存在存储装置内，当RIT 10回到地面上时再读出。如先有技术已知的那样，在地面的计算机(或其他记录装置)保持时间对子筒井下位置的轨迹，从而可以使储存的数据与井下位置发生联系。另一种是信号数据和/或指令可以在地面和RIT 10之间通过先有技术已知的LWD/MWD遥测技术进行实时通讯。

图25说明按照本发明通过地层发送和/或接受信号的方法300的流程图。该方法包括用钻具组通过地层钻井，钻具组包括有细长本体的管壁的子筒并包括在其中形成的有至少一个槽的至少一部分，每个至少一个槽完全穿透管壁以便为电磁能量305通过提供连续的沟道；使插入工具接合到子筒中，插入工具配上信号发送装置和/或信号接受装置310；这样将插入工具定位在子筒内，使至少一个信号发送或接受装置与子筒上至少一个带槽部分315对齐；和分别通过发送或接受装置320通过地层发送或接受信号。

图26说明按照本发明测量钻井周围的地层特征的方法400的流程图。该办法包括井下工具配上至少一个信号发送装置和至少一个信号接受装置405；井下工具配上能接纳打捞头或电缆连接器410的终端装置，和用工具上的打捞头使工具接合在钻具组内以便当钻具组横截钻井时使用发送和接受装置测量地层特征；用工具上的电缆连接器，将电缆连接到工具上并把该工具悬置在钻井内，以便使用发送和接受装置420测量地层特征。

图26的方法400可以用本发明的插入工具10和子筒30实施。插入工具可以构造带有端部段或帽(未表示)适合接纳前面描述的打捞头或电缆连接器。用连接到插入工具的打捞头，可以按照公开的实施方法应用该工具。用电缆连接器插入工具可用作存储器模式电缆测井工具。

将能理解下面用于密封在管状物的表面上开口或槽的方法是根据本发明公开的压力阻挡层和槽插入物。

图27说明密封管状物的表面上的开口的方法500的流程图，其中管状物有细长的本体带有管壁和中心孔。方法包括在开口内放入插入物，使插入物形成开口505的形状；和施加粘接材料到插入物和/或开口使插入物粘接在开口510内。

图28说明密封在管状物的表面上完全穿透开口的方法600的流程图，管状物有细长的本体，带有管壁和中心孔。该方法包括将插入物放入到开口内，使插入物形成开口605的形状，和将保持装置放入到管状物内以便支持插入物压住开口610。

尽管用特定的各个实施方案已经描述了本发明的方法和设备，将很清楚对熟悉先有技术的人们来说对这里描述的结构和方法的各个步骤和步骤的顺序都可以加上各种变化，而不会背离本发明的原理和范畴。例如可以在一种结构中实现本发明，其中装备一种RIT/子筒单元用于测量地层特征的组合，包括电阻率、孔隙率和密度。对熟悉先有技术的人们来说很清楚所有这样类似的变化被认为是在本发明的如附录的权利要求书所定义的原理和范畴之内。

Claims

1.一种井下管状物，所述管状物包括：

一个细长主体，其具有一个管壁，一个中心孔和至少一个开口，所述开口穿透管壁以便提供一信号的通道；

一个能透过电磁能量的套管，所述套管位于所述主体的中心孔之内，所述套管具有一第一端和一第二端，该套管通过一保持器对准所述至少一个开口，所述第一端与所述保持器的一端连接，其中所述套管提供一压力阻挡层以保持通过所述至少一个开口的管壁内部和管壁外部之间的压力差，以及

一个分隔器，其连接于所述套管的第二端和所述保持器的另一端，以允许套管的热膨胀。

2.如权利要求1所述的管状物，其特征在于，所述分隔器包括：

一第一零件；

一第二零件；和

一连接在所述第一和第二零件之间以允许所述套管的第二端相对于所述管壁作轴向运动的偏压机构。

3.如权利要求2所述的管状物，其特征在于，所述第一和第二零件为圆筒形零件。

4.如权利要求2所述的管状物，其特征在于，所述偏压机构是一个弹簧。

5.如权利要求3所述的管状物，其特征在于，所述偏压机构是一个弹簧。

6.如权利要求1所述的管状物，其特征在于，所述管壁是全金属的。

7.如权利要求1所述的管状物，其特征在于，所述细长主体包括在其每端的连接装置，所述连接装置适于与其它管状件连接。

8.如权利要求1所述的管状物，其特征在于，还包括接纳插入工具于中心孔内的装置。

9.如权利要求8所述的管状物，其特征在于，还包括至少一个当工具置于管状物内时在中心孔内强制插入工具运动的定中心器。

10.如权利要求1所述的管状物，其特征在于，一个由非磁性材料形成的插入件位于所述至少一个开口内。

11.如权利要求1所述的管状物，其特征在于，一种可透过电磁能量的材料位于所述至少一个开口内。

12.如权利要求1所述的管状物，其特征在于，所述套管是由其密度低于管壁的密度的材料形成。

13.如权利要求1所述的管状物，其特征在于，还包括位于中心孔内用于集中通过所述至少一个开口的信号的护罩装置。

14.如权利要求1所述的管状物，其特征在于，所述主体还包括至少一个位于其上的电感耦合器。

15.如权利要求1所述的管状物，其特征在于，通过所述管壁的所述至少一个开口的尺寸在其穿过管壁时变化着。

16.如权利要求1所述的管状物，其特征在于，通过所述管壁的所述至少一个开口当其从中心孔横过离开时变得窄些。

17.如权利要求1所述的管状物，其特征在于，所述至少一个开口的形状为阶梯状构形。

18.如权利要求8或9所述的管状物，其特征在于，所述分隔器包括：

一第一零件；

一第二零件；和