CN1536198A - 钻进期间测量井下压力的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种通过一井下工具在钻进运行期间采集井下数据的方法及其装置。流经井下工具的流体内部压力和井眼内的环空压力之间的差别造成一压力差。所述装置包括一钻铤、一活塞和一传感器。所述钻铤与井下钻具连接并在内部具有一延伸进入一腔室的开口。所述活塞设置在腔体内并具有一延伸进入开口的杆。活塞可以在杆填充开口的闭合位置和杆缩入腔体内的开启位置之间滑动。活塞杆缩入腔体内，形成一容纳井下流体的空腔。所述传感器设置在杆上，用来从空腔中的井下流体采集数据。所述装置也可以安装一探头和/或液压管路以利于采集数据。
Description
技术领域
本发明总的涉及在井眼所穿透的井下地层中各种井下参数的测定，尤其涉及钻进期间诸如环空压力、地层压力和/或孔隙压力等井下参数的测定。
背景技术
现在钻井和采油都涉及到对各种井下地层参数进行连续的检测。标准地层评价的一方面涉及到储层压力和储层岩石渗透率等参数。对储层压力和渗透率等参数进行连续的检测，可以知道在一段时间内地层压力的变化，并且对预测一块储层的产油能力和寿命是很重要的。
现代典型的方法是借助于一种“地层测试器”的工具，通过电缆测井来获取这些参数。这种类型的测量方法需要附加“起下管柱”，换句话说就是必须将钻柱从井眼起出，这样可以把地层测试器插入井眼来获取地层数据，并且在将地层测试器从井底取出之后，要将钻柱重新插入井眼继续钻井。因此，典型的是用如专利号为：US3934468；US4860581；US4893505；US4936139和US5622223的美国专利所公开的那些电缆式底层测试工具来检测地层参数(包括压力)。但以上每件专利的局限性在于文中说明的只有将该电缆式测量设置在井眼中并跟目的地层段进行物理接触才能获取地层数据。由于起下钻柱来使用该地层测试器需要耗费了大量宝贵的钻井时间，因此，通常是在由于更换钻头或是其他的原因而起下钻柱时，必须需要地层数据的情况下，进行测量。
在钻井作业过程中实时取得的储层数据是一种宝贵的资源。随钻获取实时地层压力可以帮助钻井工程师和司钻决定是否改变泥浆的比重和组成。同样的，提前获得穿透参数也可以提高钻井的安全性。实时储层数据的获得能够使我们根据地层压力和渗透率的改变精确控制钻压，以便进行高效钻井作业。
已经开发出在井下钻井工具处在井眼中的同时从目的井下区域获取地层数据，并且不用起下钻柱将地层测试器插入井眼来确认这些参数的技术。涉及在钻进过程中测定各种井下参数的技术的例子如：受让于贝克休斯公司的英国专利申请GB2333308；受让于哈里伯顿能源服务有限公司的美国专利申请US6026915和受让于本申请受让人的美国专利申请US6230557和US6164126。
尽管我们在获取井下地层参数方面取得了进步，但我们仍然需要进一步开展可以在钻进过程中采集地层数据的可靠技术。利用井眼周围的井眼环境和现用的对测量有利的钻井工具也有益处。理想的是所提供的这种技术是自动的和/或不需要地面的信号就能激活操作的。更理想的是跟其他技术相比，这种技术能提供以下一种或几种优点：操作简单；对钻井操作的影响最小；快速操作；最小的测试体积；各种井下参数的外部测试；消除测试流线；测试工具具有测试不同结果的复合测试装置；减少或取消使用马达、泵和/或阀；降低能耗；减少运动机件；设计紧凑；高冲击下的耐久性；反应灵敏。该测试装置可接合预先测试活塞使用以提供压力读数，预先测试功能及其它井下数据，这样该装置就具有了更多的优点。
发明内容
本发明涉及一种通过置于井眼中的一井下钻具在钻进运行期间采集井下数据的装置。井眼内具有环空压力。井眼穿透具有孔隙压力的地层。井下工具适于使钻井泥浆流过其中以在其内部产生内部压力。该内部压力和该环空压力之间形成压力差。
至少一个方面，所述装置包括钻铤、活塞和传感器。所述钻铤与钻具的钻柱有效连接，其内具有供钻井泥浆流经的通道。该钻铤有一开口延伸到压力腔。该压力腔与通道和/或井眼流体联通。所述活塞可滑动的设置在压力腔内，并具有一由此伸入开口的杆。所述活塞可相应于压力差的增大移到一闭合位置，而相应于压力差的减小移到一开启位置，以致在闭合位置，杆填充开口，在开启位置，杆的至少一部分被吸入腔体中使得开口内形成一容纳井下流体的空腔。所述杆上设置有传感器，用来从空腔中的井下流体中采集数据。
另一方面，所述装置包括钻铤、探头、活塞和传感器。所述钻铤与钻具的钻杆有效连接。所述钻铤具有一供钻井泥浆流通的通道。所述钻铤内具有一开口延伸进入压力腔。压力腔与通道和/或井眼流体联通。探头可滑动的设置在压力腔中。探头可以在压力腔中的收缩位置和从钻铤延伸进入钻铤开口的延伸位置之间移动。探头邻接井眼的侧壁而设置，用以与侧壁形成密封配合。探头具有延伸进入探头腔的探头开口。活塞设置在探头中的探头腔中并可滑动，并且具有一由此延伸进入探头开口的杆。所述活塞可相应于压力差的增大移到一闭合位置，而相应于压力差的减小移到一开启位置，以致在闭合位置，杆填充开口，在开启位置，杆的至少一部分被吸入腔体中使得开口内形成一容纳井下流体的空腔。所述杆上设置有传感器，用于从空腔中的井下流体中采集数据。
所述装置还可以安装有一液压控制管路，以用来操作激活活塞和/或探头的内部压力和/或环空压力。液压也可以用来影响活塞和/或探头的测试时间。
所述传感器可以安装有回路以利于数据的采集和传输。所述回路可以是重叠式通讯线圈、背对背式线圈和/或其他结构。
最后方面，本发明涉及一种通过置于井眼中的一井下钻具在钻进运行期间采集井下数据的方法。所述井眼内具有环空压力。所述井眼穿透具有孔隙压力的地层。该内部压力和该环空压力之间产生压力差。所述方法包括提供一种带有钻铤的井下钻具，钻铤内具有流经通道，将井下钻具定位于井眼中，选择性地改变压力差使活塞在开启和闭合位置之间移动，从空腔内的井下流体传感数据。所述钻铤有一开口延伸进入腔体，且活塞可滑动的设置在该腔体中，并且具有一个延伸进入口的杆。所述活塞在闭合和开启位置之间运动。可以持续地或以所需的间隔进行测量。
从下面的描述中可以清楚的理解本发明的其他方面。
附图说明
图1为本发明所涉及的常规钻机和钻柱的部分结构和部分剖面的正视图；
图2为具有压力部件的扶正钻铤的部分结构和部分剖面的正视图；
图3A为图2中所示的处在关闭状态下压力部件的第一实施方式的截面图；
图3B为图2中所示的处于开启状态压力部件的另一实施方式的截面图；
图4A为图3中所示的处于扩张状态的压力部件第一实施方式及相应的液压控制部件的截面图；
图4B为图3中所示的处于收缩状态的压力部件另一实施方式及对应的液压控制部件的截面图；
图5A为图2中所示的压力部件的电子装置第一实施方式的示意图。
图5B为图2中所示的压力部件的电子装置的另一实施方式的示意图。
图6为图2中所示的压力总成的电子装置的结构图。
具体实施方式
图1示出了典型的钻进系统及相关环境，陆基平台和井架装置10设置在穿透地层F的井眼11上方。该井眼11是通过众所周知的旋转钻进方式形成。但知晓该发明优点的本领域普通技术人员会理解到，和旋转钻井一样，本发明还可以应用于定向钻井，而且不限于陆基钻井。
钻柱12悬于井眼11中，并包括位于其末端的钻头15。钻柱12通过受未示出的装置激励的旋转盘16转动，旋转盘16于钻柱12的上端处与方钻杆17接合。钻柱12自连接到一动滑轮上(未示出)的大钩18，通过方钻杆17和旋转接头19悬出，旋转接头19允许钻柱12相对于大钩的转动。
钻井液或泥浆26储放在形成于井场处的液池27中。泵29通过旋转接头19中的一个口将钻井液26泵入钻柱12的内部，引导钻井液按照图中箭头9所示的方向向下流过钻柱12。钻井液经钻头15上的口排出钻柱12，然后通过钻柱外侧与井眼壁之间的称为“环空”的区域沿图中箭头32所示的方向向上回流。通过这种方式，钻井液润滑钻头15并将钻屑带到地面，钻井液流回钻井液池27用来再循环。
钻井泥浆担当各种功能以便于钻进，例如钻进期间润滑钻头15及输送由钻头产生的钻屑。钻屑和其他固体在钻井液中混合形成“泥饼”160，泥饼具有涂覆井壁等很多功能。
泵29所泵送的粘稠钻井液26用来以比围绕地层F中的流体压力(孔隙压力PP)更高的压力(环空压力PA)使钻井泥浆维持在井眼中，以阻止地层流体自围绕地层进入井眼。换句话说，环空压力(PA)要保持一个比孔隙压力(PP)更高的压力，以使井眼处于“正压”(PA＞PP)状态并且不会造成井喷。环空压力(PA)通常维持低于某一指定水平，以防止围绕井眼的地层破裂，并避免钻井液进入围绕地层。因此，井下压力通常保持在一定范围内。
钻柱12还包括靠近钻头15(也就是说，离钻头数个钻铤长度内)的一个底孔组件，大致以100表示。底孔组件具有测量、处理和储存信息、以及与地面通讯的能力。除了其他部件，底孔组件100还包括测量和局部通信装置200，用来测量和传输围绕井眼11的地层F的电阻率。通信装置200包括发射天线205和接收天线207，在授于本申请受让人的美国专利US5339037中有详细的说明。
底孔组件100还包括具有各种其他测量功能的钻铤130和地面/局部通信子组件150。子组件150包括用来与装置200进行局部通信的天线250，和一已知类型的声学通信系统，该声学通信系统通过钻井液或泥浆携带的信号与地表的相似系统(未示出)建立联系。因此，子组件150内的地面通信系统包括一声音发射器，它在钻井液中产生一种代表所测量的井底参数的声音信号。
一种合适类型的声音发射器采用一种称做“泥浆报警器”的装置，该装置具有一开槽的定子和一开槽的转子，开槽的转子旋转并反复地阻断泥浆的流动，以在钻井液中产生所需的声波信号。子组件150中的驱动电子装置可以包括一合适的调制器，例如一种相移键控(PSK)调制器，它传统地产生应用于泥浆发射器的驱动信号。这些驱动信号可用来向泥浆报警器施加适当的调制。
产生的声波由数字31表示的变换器在地面接收。这种变换器，例如压电式变换器，将接收到的声音信号转换成电信号。变换器31的输出信号耦合到解调发射信号的井口接收子系统90。然后接收子系统90的输出耦合到处理器85和记录器45。
还设置有井口发射系统95，其可操作以控制中断泵29的运行，而这种中断可通过子组件150中的变换器99检测到。这样，子组件150和井口设备之间就建立了双向通讯，详细的描述见美国专利US5235285。
图1中所示的实施方式中，钻柱12还安装有扶正钻铤300，该扶正钻铤用来纠正钻柱“打晃”并当其在井眼中旋转时偏离中心的趋势，钻柱“打晃”并偏离中心将导致井眼的方向偏离所希望的路径(例如，一条直立的线)。这种偏离还能在钻柱截面和钻头处产生过度的侧向力，造成快速磨损。可以通过设置一为使钻头，就某种程度来说就是使钻柱，在井眼中居中的装置，例如扶正刃314，来克服所说的偏离。
图2示出一局部剖开、可用于连接到如图1钻具100之类的钻具上的扶正钻铤300a。钻铤300a连接到钻柱12上并定位在井眼11中与泥饼105并排？？。扶正钻铤300a包括多个其内带压力组件210的扶正刃314a。扶正钻铤300a具有一在其中延伸的通道215，用以使钻井液按图中箭头所示的方向流过下孔工具。流经钻具的钻井液产生内部压力P1。钻铤的外部暴露在围绕井眼的环空压力PA下。内部压力P1与环空压力PA之间的压力差δP，用来致动压力组件210下面将进一步说明。若自底孔组件装置没有产生所需的压力差，可以在钻柱内放置一额外扼流圈(未标出)来限制液流并产生回压。
扶正钻铤300a具有一管状心轴302，它适合与如图1中所示的钻柱12的井下钻具进行轴向连接。因此，轴302设有与钻柱常规连接的销端304和座端306。如图2中所示，末端304和306可制定成使得钻铤以普通的螺纹结合以及/或焊接的方式连接到心轴302的中心伸长部分。
扶正钻铤300a还包括在末端304和306之间绕管状心轴302设定的扶正元件或套筒308。设置止推轴承312来减少摩擦力，并承受套筒308与心轴末端304、306间的轴向界面处所出现的轴向载荷。在心轴302与套筒308之间的径向界面处也设有旋转密封348和径向轴承346。
图2中扶正钻铤300a有三个绕钻铤周围设置的螺旋扶正刃314a。扶正刃314a通过焊接或螺栓连接连接到扶正套筒308的外表面上。该等扶正刃最好隔开，并且呈图2所示的螺线结构，或沿扶正套筒轴向地(图1)分布定向。目前最好的方式是套筒308上有三个绕其周围均匀地分布的扶正刃314。但本发明并不限于这种三个扶正刃的实施例，还可以利用其他的排列方式。
为了便于说明，下面描述一个压力组件的两种实施例210a和210b的截面图。在扶正刃314a中设置压力组件210a用于进行各种测量。压力组件210a可以用来检测井眼中的环空压力和/或处于与井壁接触时检测围绕地层的压力。如图2中所示，压力组件210a没有与井眼壁110接触，因此，如果需要的话，可以测量环空压力。当移至与井眼壁110接触时，压力组件210a可用以测量围绕地层的孔隙压力。
如图2中所示，压力组件210b可自扶正刃314a伸展以与井眼11内的泥饼105和/或壁110密封接合，对围绕地层进行测量。压力组件210b被致动(下面将详细描述)，自扶正器伸展到井眼周围进行所需的测量。可选择的，是当未与井壁接触时，压力组件210b也可以对环空压力进行测量。在一个或多个扶正刃上可采用各种结构的一个或多个压力组件，对地层进行所需的测量。
图3A和3B详细描述压力组件210a。图3A为压力部件210a处于闭合位置。图3B为压力部件处于测试或开启位置。压力组件210a设置在扶正刃314a的一个腔355中。压力组件210a包括一活塞350和一弹簧365。活塞具有一可以在扶正刃314a的一个腔355中滑动的第一部分375，和由此延伸的一个第二部分或杆370。第二部分370从腔355延伸进入一通道380中并可在通道中滑动移动。活塞可设有密封件以便于在腔和/或通道中的运动。通道380从钻铤中的一个开口385延伸，通过扶正刃314a，进入腔355。
活塞上最好具有一传感器360，例如压力计，能够进行井下测量。传感器最好暴露在邻近活塞350的第一部分370的流体中。在井下操作期间，传感器能够检测和/或选择性地采取读数，比如压力测量数据。
弹簧365绕一环形腔381内的第一部分370设定，活塞第二部分375和腔壁之间的腔355中构成环形腔381。如图3A所示，弹簧在活塞350和腔355之间的环形腔381中受压。环形腔381通过导管390与井眼流体联通。腔355与井下工具的通道215(图2)流体联通。在导管397中可以选择性的安装一充油式活塞，以将钻井泥浆自压力部件210a隔离，同时仍可以施加压力。
在钻井时，流经井下工具的泥浆产生一内部压力P1。内部压力P1与井眼压力PA产生一压力差。当流体在通道215中流动时，压力差增加并且压力作用于腔355。可以用一节流器240(图2)或相似装置来限制或延缓流体通过导管220(图2)，因此延缓活塞的运动。一旦腔355中产生足够压力，内部压力P1对活塞350施加一如图中箭头所示方向的力。内部压力大于环空压力PA和弹簧365的力，因而导致活塞向扶正刃314a上的开口385移动。
环形腔381中的流体可以通过导管390在井眼和环形腔之间自由流动。活塞的第一部分375压缩弹簧365。第二部分370向开口385移动并填充通道380。因此，当钻井液流过通道215，自此产生的内部压力向活塞350施加一个力，使活塞移向闭合位置。当压力组件没有与井眼壁和泥饼接合时，传感器将会采集井眼中的井下数据，例如井眼的环空压力PA。
如图3B中所示，当工具处于静止状态并且流体停止流过工具，内部压力下降，在这种情况下，内部压力与井眼压力之间的压力差降到接近零。内部压力不再对活塞350施加力也不压缩弹簧365，弹簧扩张至松弛状态。弹簧的扩张使活塞从开口385向扶正刃内收缩，腔355中的流体被排入通道215中和/或井眼中的流体被吸入腔381中。
活塞收缩进入扶正刃会形成小空腔395(通常容积约1cc到3cc)，该小腔从口385向通道380延伸。由于活塞收缩进入工具内，压力传感器360测量腔395中的流体压力。当未与井眼壁接合时，井眼中的流体进入并充满腔395。此时，传感器可采取或连续采取井眼测量。然而，当压力组件与井眼壁110接合时，活塞收缩进入稳定片，会将地层中的流体吸入腔395中并采集地层数据，如孔隙压力或地层压力。进入腔395的流体流和相应的测量也可以用来进行预测试。对本领域的普通技术人员来说，进行预测试的技术是已知的并被详细记载在如，Zimmerman等人的专利US4860581和US4936139中，这两份专利都让于本发明的受让人。
一旦流经工具的钻井液重新开始循环并且存在足够的压力差，活塞就会返回到图3A所示的位置。以这种方式，压力组件就会进行多种井下测量。当流体流过井下工具时，活塞移到图3A中所示的闭合位置，准备下一次测试。当流体停止流动时，活塞被释放到图3B中所示的开启位置，吸入循环开始。按照需要可以进行重复操作。可以在导管397中设置一节流器来延迟活塞的运动，从而限制流体流出腔355。
图4A和图4B对压力组件210b进行更详细描述。图4A示出压力组件的伸展位置。图4B示出压力部件的收缩位置。对于这几幅图的每一都用以示意方式对一相应的液压控制管路400进行描述，以进一步说明压力组件处于每个位置时的操作。
压力组件210b包括一安装在一探头组件410内的内部压力部件405。探头部件410包括托架412、封隔器414、弹簧416和环417。托架412设置在稳定片314a的腔418中，并可在其中滑动。密封件420将探头密封在腔中，以利于在其中滑动。封隔器414(通常是弹性体或橡胶)设置在托架412外端，以利于与井眼壁密封接合。环417优选绕稳定片上的一个口415螺纹安装在腔418内。环417环绕托架，且该托架可在其中滑动。弹簧416环绕托架并被压缩在环417和托架412的台肩422之间的环形腔419中。在台肩422、托架412和稳定片314a之间形成一环形腔421。
托架412具有一内腔355b。内部压力部件405设置在内腔355b的内。像3A和3B中所示的压力部件210a一样，内部压力部件405包括一活塞350和一弹簧365。活塞具有可在腔355b中滑动的第一部分375和由此伸展的第二部分370。第二部分370从腔355b向外延伸进入通道380，并可在那里滑动。活塞上可以安装密封件，以将腔室的不同部分彼此隔离，和/或与外部的泥浆污染隔离。活塞上最好安装有可对井下进行测量的传感器360。弹簧365绕着活塞的第一部分370设置在腔355b中。如图3A中所示，弹簧在活塞的第二部分375与腔壁间的腔355b中的环形腔381中受到压缩。环形腔381通过导管465与腔418流体联通。腔355b通过导管460、环形腔419、导管448、440和442在来自井下工具的通道215的压力下与油联通。
用于操纵压力部件210b的液压控制管路400包括一低压补偿器424、一高压补偿器426和一蓄压器428。最好提供液压控制管路以允许探头和/或压力传感部件的可选择性激活和不激活。在钻井、起下管柱或其它有需要激活或不激活压力部件的情况下，这种附加的控制是必须的。可利用传感器提供数据以判断是否发生这种情况。
补偿器优选能够调节由于压力差、温度差和/或井下工具运动而引起的容积变化。低压补偿器424通过管路429与稳定片314a中的腔418有效连接。低压补偿器具有一形成第一变容腔430和第二变容腔432滑动活塞433。第一腔430同管路429流体联通，第二腔432与井眼(和/或其中的环空压力PA)流体联通。
蓄压器428通过管路434与管路429有效连接。储压器高压储油，用来给腔421增压。储压器具有一界定第一腔436和第二腔438的加载弹簧的活塞435。第一腔436与管路434和管路429流体联通。蓄压器的第二腔438通过管路456、440和442连接到高压补偿器426；通过管路444和446连接到腔421；通过管路444、460、440和442连接到环形腔419。
高压补偿器426具有一界定第一变容腔450和第二变容腔452的滑动活塞453。第一腔450通过管路442、440和446与腔421流体联通；通过管路442、440和456与储压器428联通；通过管路442、440和448与环形腔419联通。一止回阀454设置在管路456上，以阻止流体从储压器428的第二腔438流入管路440中。高压补偿器426的第二腔452与扶正钻铤300a(图2)的通道215和其中的内部压力P1流体联通。
在控制管路上可以安装不同的装置来检测、操作和/或控制流体的流动和/或探头和/或压力部件的运作。可以设有内部压力传感器490来检测通道425中的内部压力。可以安装环空压力传感器495来检测井眼的环空压力。也可以通过一压力差传感器(未标出)来同时检测这两个压力。可优选将一节流器458(或泄漏嘴、电控制器或其他限流器)安装在管路460上，用来减缓通过管路460(例如在蓄压器428的第二腔438和高压补偿器426之间)的流体流动。优选将一节流器462安装于管路460上，用来限制和/或延缓流体流出腔355b。
也可以安装一电通断开关(未标出)来激活液压控制管路400。一旦被激活，就不需要进一步的信号来激活系统进行测试。系统具有不需要激活就能工作的能力。然而，可添加电子控制和/或信号用于与系统进行联系。影响这种激活的一种方法是通过将一通断开关安装在液压控制系统中。电通断开关可以与低压补偿器的第一腔430和/或高压补偿器的第一腔450连接，以发射信号将高压补偿器与系统隔离。在这种情况下，蓄压器不会充压，而且压力差的变化也不再影响系统。
在图4A所描述的位置，压力部件210a处于伸展位置。流体不再流经井下工具产生压差。高压补偿器426的第二腔452中流体的压力减少，活塞453移动减少腔452的尺寸。相应的，腔450的容积增大并将流体从环形腔419中吸出，弹簧416收缩，因而将托架412移出扶正刃314a。腔452中内部压力的损失导致储压腔438中的流体被排入管路444中。管路444中的大部分流体经管路446流入环形腔421中，因而对肩422施加将托架从扶正刃向外移动的力。部分流体可以流经管路460进入管路440中。然而，节流器458限制流体流过并只允许这些流体的有限度的排出。
当蓄压腔438中的流体被排出时，活塞435移动，腔436膨胀。流体通过管路434和429从低压补偿器433的腔430中被吸入腔436中。腔430中的流体也可以通过管路429进入腔418中。
内部压力部件405可以在探头部件410的内部，介于如图4A所示的开启或测试位置和如图4B所示的关闭位置之间移动。如图4A中所示，当井下工具停歇并且流体停止流经井下工具时，随着内部压力与井眼压力之间的压力差减少，腔355b中的压力下降。腔355b中的压力通过管路460释放进入环形腔419中。当腔355b中的压力减少时，弹簧的张力推动活塞进入腔355。如果需要，可以安装一节流器来限制流体流经管路465，来达到延迟的目的。环形腔381中的流体通过管路465与环形腔418流体联通。流入环形腔418中的流体流动最好缓慢并延迟，这样可以在活塞350运动前，使探头组件从扶正刃314a完全伸展。
活塞缩入钻铤中，形成一腔室395(通常约为1cc到3cc)，该腔从一开口385延伸进入通道380中。当在封隔器414与地层间形成密封时，流体从地层进入并填充腔395。压力传感器360最好邻近该腔室，以便当活塞收缩进入井下工具时，测量腔室中流体的压力。然后可以进行预测试和/或其他的测量，以确定围绕地层的各种井下特性。
可以操作内部压力部件405和探头组件410的运动，以便让它们在需要的时候运动。例如，可以用节流器来延缓流体的流动和内部压力部件相应的收缩，这样就有充足的时间在探头组件和井壁之间形成密封。可以想象回路的其它变化以使流体有选择性的流过回路并操作压力部件的运作。
一旦弹性蓄压器428完全膨胀，油/压通过管路444、460、440和442从腔438排放进入腔450中。管路446中的压力继续下降，直到达到周围环境的流体静压力。弹簧416收缩，探头组件缩回扶正刃314a中，循环完成，活塞350处于开启或测试位置，并可重复该过程。
图4B描述了在井下工具处于充压循环作业期间的压力部件210b。当泵送流体流经内部通道215时，产生了高于环空压力的内部压力P1，因而形成了压力差。该压力差迫使活塞453扩张腔452并缩小腔450。流体通过管路442、440和456由腔450排入腔428。流体也可以经管路434和429从腔436排入腔430。流体流入腔430中导致腔432中的流体排入井眼。
流体也通过管路442和448、环形腔419和管路460，从腔450进入腔355b。腔355b中流体的流动克服了弹簧的365的力，并使活塞向开口385移动。弹簧365在第二部分375和腔壁之间的环形腔381中受到压缩。流体通过管路465从环形腔381排入腔418中并且通过管路429返回腔430中。活塞的第一部分375压在弹簧365上，第二部分或杆370填充通道380。内部压力部件405负载，以进行下次压力测量。
图5A和图5B更详细的示出了压力部件的电子细节。图5A示出一种重叠通讯线圈实施例，图5B示出一种背对背线圈实施例。传感器360最好是小传感器，如MEMS传感器，靠近通道380的开口385设置在活塞350的外端。传感器优选能够测量各种井下参数，如压力、温度、粘度、渗透率、化学组成、H2S、和/或其它井下参数。密封件将传感器密封在活塞的末端。密封件能减少腔395中需要的测试容积以取得所需的测量。可在传感器与工具之间通过密封式馈通(feed-through)装置将接触点设置到工具中电子装置上。
井下工具的电子装置最好能给传感器和/或为与传感器的通讯提供电力。在图5A中，重叠通讯线圈实施例包括一传感器线圈500和一发射线圈505。传感器线圈500最好设置在活塞的第一部分375上。发射线圈505最好设置在腔355附近。传感器线圈和/或发射线圈的至少一部分最好用非传导材料制成，如陶瓷。
在传感器线圈500和发射线圈505之间产生一磁场B。磁场实现传感器线圈和发射线圈之间的一种无线耦合(wireless coupling)。电力和数据传输通过该无线耦合提供到传感器。然而，也可用一有线耦合(wired coupling)在压力部件电子装置与井下工具的其他电子装置建立连接，如图中螺旋箭头所示。发射线圈最好与传感器线圈重叠，但不受腔355内传感器位置的约束。
如图5B中所示的背对背式线圈实施例包括一传感器线圈550a，一发射线圈555a和一陶瓷窗口560。传感器线圈500a最好设置在活塞350的第一部分375。陶瓷窗口560最好设置在腔355内壁。发射线圈505a最好设置在钻铤内，靠近陶瓷窗口。
传感器线圈500a和发射线圈505a之间通过陶瓷窗口产生磁场一Ba。磁场在传感器线圈和发射线圈之间提供无线耦合。通过无线耦合为传感器提供能量和数据传输。在该实施方式中，无线耦合也可以用来在压力部件电子装置与井下工具的其他电子装置间建立连接。
该实施例中不需为传感器和环绕螺纹的罩要求的线。传感器线圈和发射线圈之间可设置一个或多个非金属陶瓷窗口使耦合通过。机械组件消除馈通装置所要求的线圈线。在传感器和主发射线圈之间也可换成金属窗口。该窗口允许两个线圈之间的耦合。当所描述的实施例消除接线和/或馈通装置时，一些实施例可结合这种部件。
图6描述了压力部件运作的电子方框图。具有压力传感器360的一个或多个压力部件用于采集井下数据。传感器或是通过图5A所描述的一种无线联系或是通过图5B中描述的无线地连接到井下电子装置。运用分配器700对能量和/或通讯信号进行分配和保护。信号通过前置放大器705和解调器710并传送到一控制器715进行处理。也可自一个或多个传感器，如内部压力传感器490和/或环空压力传感器495收集信号，并在控制器中处理。控制器可以用来对数据进行分析、收集、分类、操作和/或其他的处理。数据也可以经泥浆遥测接口720传输至地面。也可以通过泥浆遥测接口将数据输送至处理器。
电池组725可以为控制器和/或传感器提供能量。电池组将能量传送至一功率放大器730。能量信号流经信号分配和保护装置进入压力传感器360。能量信号可以为传感器提供能量。
尽管已参照有限的实施方式对本发明作了说明，但本领域内知晓本发明益处的技术人员将会理解可以不脱离文中所公开的本发明的范围而设计出其它实施方式。例如，在不脱离本发明精神的情况下，本发明的实施方式可以适用或用来实施特殊地层的采样或测试作业。因而，本发明的范围仅应有所附的权利要求来限定。
Claims (34)
1、一种通过在井眼中的一个井下钻具在钻进期间采集井下数据的装置，所述井眼其内具有环空压力，所述井眼穿透具有一孔隙压力的地层，所述井下钻具适于使钻浆从中穿过以致其内产生一内部压力，所述内部压力和所述环空压力之间形成一压力差，所述装置包括：
一钻铤，有效地连接到钻具的钻柱上，所述钻铤内具有供钻浆流经的一个通道，所述钻铤内具有延伸进入一压力腔的环开口，所述压力腔与所述通道、所述井眼及其组合的三者之一流体联通；
一活塞，可滑动地置于压力腔中，并具有由此伸入环开口的一个杆，所述活塞可相应于压力差的增加移到一闭合位置，并相应于压力差的减少移到一开启位置，以致处于闭合位置时，所述杆填充所述开口，而处于开启位置时，所述杆至少一部分被吸入压力腔中，以在开口内形成一容纳井下流体的空腔；以及
一传感器，设置在所述杆上用于从所述空腔中的井下流体采集数据。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一与所述活塞有效连接的活塞弹簧，所述活塞弹簧能够对所述活塞施加力，以将活塞推至所述开启位置。
3、如权利要求2所述的装置，其特征在于，当钻井泥浆流经所述通道时，所述压力差施加一足够克服活塞弹簧力的力。
4、如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，当钻井泥浆不流经所述通道时，所述压力差施加一不足以克服活塞弹簧力的力。
5、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一设置在所述压力腔中的探头，所述探头可以在所述钻铤内的一个收缩位置和由此延伸的一个伸展位置之间移动，所述探头具有一延伸进入一探头腔的探头开口，所述活塞设置在所述探头腔内，使得在闭合位置时，所述杆填充探头开口，在开启位置时，所述杆的至少一部分被吸入探头腔以致在探头开口内形成一容纳井下流体的空腔。
6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一有效连接于探头的探头弹簧，所述探头弹簧能够对探头施加将所述探头推到伸展位置的力。
7、如权利要求5所述的设备，其特征在于，当钻井泥浆流经所述通道时，所述压力差施加的力足以克服探头弹簧力。
8、如权利要求5所述的装置，其特征在于，当钻井泥浆不流经所述通道时，所述压力差所施加的力不足以克服探头弹簧力。
9、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一环空压力缸、一内部压力缸和一蓄压器，所述环空压力缸与所述井眼和所述压力腔流体联通，所述环空压力缸与所述通道以及一第一环形腔和一第二环形腔中的一个或其组合流体联通，所述第一环形腔位于探头和钻铤之间的所述腔体内，所述第二环形腔位于探头和钻铤之间的所述腔体内，所述蓄压器与所述环空和内部压力腔流体联通。
10、如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述蓄压器选择性的与所述内部压力腔流体联通。
11、如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一止回阀，所述止回阀可使流体流出蓄压器并流入所述内部压力腔。
12、如权利要求10所述装置，其特征在于，所述装置还包括一节流器，所述节流器能够释放所述内部压力腔和蓄压器、所述第二环形腔及其组合中之一间的管路的压力。
13、如权利要求9所述的装置，其特征在于，该装置还包括一用于选择性激活所述压力缸的开关。
14、如权利要求1或5所述的装置，其特征在于，该装置还包括一所述传感器和井下工具中电路之间的电子耦合。
15、如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述电子耦合包括一无线耦合至一发射线圈的传感器线圈。
16、如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述传感器线圈设置在所述活塞内，而所述发射线圈绕所述压力腔设置。
17、如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述电子耦合通过一有线联系耦合至井下工具的电路。
18、如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述电子耦合包括一传感器线圈、一发射器线圈和它们之间的一个陶瓷窗口，所述传感器线圈通过所述陶瓷窗口无线地耦合到所述发射器线圈。
19、如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述电子耦合通过一无线联系耦合到井下工具的电路。
20、如权利要求1或5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一内部压力传感器，所述内部压力传感器能够检测所述通道内部的压力。
21、如权利要求1、5或20所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一环空压力传感器，所述环空压力传感器能够检测所述井眼内的环空压力。
22、如权利要求1、5、20或21所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一压力差传感器。
23、如权利要求1、5、21或22所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一与所述传感器有效耦合的控制器，所述控制器适于处理从传感器传来的信号，供井口使用。
24、如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一信号处理器、一前置放大器和一解调器，用来处理传感器信号。
25、一种通过位于井眼中的井下钻具在钻进期间采集井下数据的方法，所述井眼内有一环空压力，所述井眼穿透具有一孔隙压力的地层，所述内部压力和所述环空压力之间产生一压力差，所述方法包括：
提供一种带有一钻铤的井下钻具，所述钻铤内通有一通道，所述钻铤内具有一在其中延伸进入一腔室的开口和一滑动地设置在该腔室内的活塞，所述活塞具有一从那里延伸进入所述开口的杆，所述活塞可在一闭合位置和一开启位置之间移动；
将井下工具定位在井眼中；
选择性地改变所述压力差，使活塞在开启位置和闭合位置之间移动；
从空腔中的井下流体中传感数据。
26、如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述压力差的变化自动地发生，是所述环空压力、所述内部压力及其组合中之一的变化结果。
27、如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述选择性地改变的步骤是通过选择性地使钻井液流过井下工具来实现的。
28、如权利要求25所述的方法，其特征在于，在开启位置时，所述开口中会形成一容纳井下流体的细小容积。
29、如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述传感步骤包括从所述探头的外部传感井下数据。
30、如权利要求25所述的方法，其特征在于，该方法还包括为活塞提供能量。
31、如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述能量通过一遥距能源提供。
32、如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述能量是通过压力差的改变提供的。
33、如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法还包括从井下工具中的一个内部压力传感器、井下工具中的一个环空压力传感器及其组合中之一来传感数据。
34、如权利要求25所述的方法，其特征在于，该方法还包括处理数据以供井口使用。
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