CN1657744A - 采集钻井时信息的仪器和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于采集井眼穿过的地层信息的仪器和方法，目的是利用连接井下钻柱的管状主体。该管状主体沿其限定一轴向延伸部的轴向部设有一个或多个凸块(如肋片)。一个探头装在该主体的轴向延伸部内的第一定位点或附近，在该处轴向延伸部的截面积最小。探头在伸缩位置之间可移动。另一方面，本发明仪器还包括一个用于钻井时保护探头的可松开地固定在探头上的盖子。又一方面，本发明仪器还包括水平相对于探头安装在管状主体上的可剪切的辅助支撑，在遇到故障时，可以将仪器从井中取出。另一方面，探头至少一部分装在管状主体的凸块上形成的有利于探头在井眼内移动的无岩屑沟槽内。

Description

采集钻井时信息的仪器和方法

技术领域

本发明涉及钻井时地层信息(例如孔隙压力)的采集。更具体地说，本发明涉及用于这类信息采集的仪器的稳定和回收技术。

背景技术

目前油井作业和采油过程包括对不同的地层参数进行连续监控。标准地层评价的一个方面涉及储层压力和储层岩石地层渗透率参数。对储层压力和渗透率之类参数的连续监测表明地层压力在一段时间内将发生变化，这对于预测地层的产能和开采周期很关键。目前主要是借助一种名叫“地层测试仪”的仪器通过电缆测井来获得这些参数。这种测量需要额外增加一次“起下钻作业”，即：从井眼中起出钻柱，将地层测试仪下入井中采集地层数据，然后取出地层测试仪，再将钻柱下回井中继续钻井。因而通常使用电缆地层测试仪监测包括压力在内的地层参数，这些仪器包括第3934468号、4860581号、4893505号、4936139号和5622223号美国专利描述的仪器。

因此，上述各专利都存在局限性，即：只有将电缆测井仪器下入井内，并与目标地层直接接触，其中描述的地层测试仪才能采集地层数据。为用此类地层测试器而进行起下钻作业将耗费大量宝贵的钻井时间，因此通常只有在绝对需要取得地层资料的情况下才这么做，或者在为更换钻头或其他原因而起出钻柱时才这样做。

钻井过程中能实时获得储层数据是一笔宝贵的资产。钻井时实时获得的地层压力数据能够让钻井工程师或者司钻提前很长时间决定调整钻井泥浆比重、成份和钻进参数，从而使钻井更安全。实时获得储层参数也是相对地层压力和渗透率改变精确控制钻头重量所需要的，这样能以最高效率开展钻井作业。

因此需要提供一种钻井仪器，它在钻柱及其钻铤、钻头和其他钻井设备仍在井眼中的情况下也能采集目的地层的各种地层数据，从而消除或最大程度地减少仅仅为确认这些地层参数将地层测试仪下入井内而起出钻井设备的需要。

更具体地讲，需要提供一种在钻井过程中进行测量时使用一种可伸缩探头与井壁接触的仪器。在进行正常钻井作业时该探头通常安装钻柱某一部位(如仪器接箍)内部。围绕该探头的这一段接箍是该仪器的重要部分，其设计直接影响测量结果的质量、仪器的可靠性和钻井作业时测量的能力。

但是，围绕探头的这一段接箍通常不适合保护探头伸出部免受机械损伤(如钻屑、岩屑、与井壁的撞击、磨损)和腐蚀(环空中循环的流体)。

此外，众所周知，井眼内流体循环的速度直接影响泥饼的厚度和完整性(速度越高，泥饼的封堵能力越低)，而这又将导致井壁附近地层压力局部增加(也称之为动态增压)。这种影响往往会降低仪器上探头测量的地层压力的准确性。为了减少仪器在工作且流体在井眼内循环时的流体速度对这种仪器的影响，需要加大环空中通流面积，以降低探头周围流体的速度。

许多用于测量的仪器(电缆和钻柱传送测量仪)使用极板、活塞或者其他连接探头或者背靠探头的液压或机械伸展设备使探头紧贴井壁。当该仪器内部出现故障或伸缩这些设备的驱动装置出现故障时就会发生问题，会将仪器展开或留在井中。在这种情况下取回仪器通常会永久损坏液压活塞，使仪器无法工作或者更糟，导致液压漏失，可能导致泥浆灌入仪器。因此，有必要在该仪器内配置一种能够在面临上述故障时取出仪器，又不影响液压和/或机械部件的操作的系统。

发明内容

首先，本发明提供了一种采集井眼穿过的地层信息的仪器。该仪器包括一个能连接井下钻柱的管状主体。该管状主体沿其限定了轴向延伸部的轴向部配置有一个或多个凸块。在管状主体的轴向延伸部内的第一个定位点或附近安装一个探头，该处轴向延伸部的截面积最小。探头可以在伸缩位置之间伸缩。管状主体上装有一个驱动装置，用于探头在其伸缩位置之间伸缩。伸展位置用于接合井壁并采集地层信息，收缩位置用于在钻井时保护探头。

根据本发明的不同实施例，仪器可以是钻铤、可以是装有多根肋片的钻柱稳定器，也可以是装有多根扶正钻柱的肋片扶正器。

根据具体实施例，管状主体上安装有第一根肋片和第二根、第三根肋片，第一根肋片基本跨过轴向延伸部的长度，第二根和第三根肋片的长度小于第一根肋片长度的1/2。这种情况下第二根和第三根肋片分列在轴向延伸部分中点的相对侧。第一定位点位于轴向延伸部分的中点。

管状主体也可安装有与第一根肋片径向相反的第四根肋片，其基本跨过轴向延伸部的长度。

在一特定实施例中，第一根肋片在其末端附近呈螺旋状，在其末端中间是轴向直线状。在不同实施例中每根肋片可以是螺旋的、倾斜的和轴向直线状中的一种。而且，这些肋片中的一个或多个的厚度随长度变化而变化。

针对本发明仪器特定的实施例，探头包括设在环型密封圈内的导管，以及与导管流体连通以测量地层性质的传感器。该传感器可以是例如用于测量地层孔隙压力的压力传感器。

该仪器的驱动装置可以是使用液压流体也可以是电力推动探头。

根据该仪器的一特定实施例，第一定位点位于轴向延伸部内的凸块上，探头至少有一部分装在第一定位点或附近的凸块部形成的沟槽内。探头收缩后凸块部径向延伸超过收缩的探头，以便探头凹入凸块部。沟槽的宽度尺寸设置成紧密限制一部分探头，并水平地从探头沿凸块部分的一侧延伸，从而钻井时井下岩屑自由沿沟槽流过探头。

沟槽可以是以逆时针方向水平从探头延伸。

本发明仪器中还包括一个可以松开地固定的盖子，用以确保钻井过程中在探头首次移动到其伸展位置之前得到保护。在这种方式下，探头通过驱动装置移动到其最大伸展位置时，盖子从探头上松开，并将探头定位成与井壁接合以采集地层信息。

另外，本发明仪器可包括安装在管状主体上与探头水平相反方向上的辅助支撑，并能在可伸缩位置之间移动。该辅助支撑设计成在遇到预定的剪切荷载时在预选位置剪切。管状主体上还装有一个辅助支撑驱动装置，用于在其伸缩位置之间移动辅助支撑。伸展位置有助于探头与井壁接触，收缩位置有助于钻井时保护辅助支撑。

在特定实施例中，探头基本呈圆柱形，并在轴向延伸部分内的凸块中的孔洞内移动。在至少一部分探头被装在第一定位点或第一定位点附近的凸块上所形成的沟槽内的实施例中，孔洞穿过沟槽。

本发明的另一方面提供了一种采集井眼穿过的地层信息的仪器。该仪器包括用于连接井下钻柱的管状主体，以及一个至少部分装入在仪器表面凸块上所形成的沟槽内的探头，该沟槽用于探头在伸缩位置之间移动。探头收缩后凸块部径向尺寸超过探头，以便探头凹入凸块部。沟槽的宽度尺寸设置成紧密限制一部分探头，并水平地从探头沿凸块部的一侧延伸。在这种方式下，钻井时井下岩屑自由沿沟槽流过探头。本发明仪器还包括由主体携带的一个驱动器，用于使探头在其伸缩位置之间移动。伸展位置使探头径向超出主体的凸块部，以便于使探头与井壁接触，收缩位置有助于钻井时保护探头。

根据本发明的第二方面，仪器可以按照上述发明第一方面以另外的方式配备。

本发明的另一方面提供了一种能够采集井眼穿过的地层信息的仪器。该仪器包括用于连接井下钻柱的管状主体，由主体携带的、可用于在延伸和收缩位置之间移动的一个探头，以及一个可以松开地固定安装在探头上用于保护探头的盖子，用以在钻井过程中探头首次移动到其伸展位置之前保护探头。管状主体上还安装了一个驱动器，用于探头在延伸和收缩位置之间的移动。探头移动到其最大伸展位置时盖子开始从探头上松开，并将探头定位成与井壁接合以采集地层信息。探头移动到其收缩位置用于钻井时保护探头。

根据此项发明具体实施例，探头基本呈圆柱形，并被装在沿主体的一部分形成的凸块中的孔洞内移动。该实施例的盖子具有连续的圆柱形侧壁，其大小设计成与探头收缩后收缩的探头和孔洞内壁之间形成的环形空间紧密配合。

更具体说，根据该实施例的另一种变型，在凸块上的孔洞壁内加工第一个环形凹槽，而在盖子的外壁上加工第二个环形凹槽。当盖子盖在探头上时两个凹槽排列成一个螺旋形空间。在该螺旋空间内安放一个剪切环，以保证将盖子可松开地固定在凸块上的孔洞中。

根据该实施例的另一种变型，凸块上的孔洞壁加工一个环形凹槽，盖子侧壁装有其一端与环形凹槽相配合的可剪切的环形法兰。

根据本发明第三方面，仪器可以按照上述第一方面的实施例以另外的方式进行配备。

按照本发明的另一方面，本发明提供了一种能够采集井眼穿过的地层信息的仪器。该仪器包括用于连接井下钻柱或者电缆的管状主体，由主体携带的、可用于在延伸和收缩位置之间移动的一个探头，一个由主体携带的、与探头径向相反的辅助支撑，其可在伸缩位置之间移动。该辅助支撑设计成在遇到预定的剪切荷载时在预选位置剪切。管状主体还安装了一个探头驱动器，用于使探头在伸展位置和收缩位置之间移动。伸展位置有助于探头与井壁接触并采集地层信息，收缩位置有助于钻井时保护探头。管状主体还安装了一个辅助支撑驱动器，用于使辅助支撑在伸展位置和收缩位置之间移动。伸展位置有助于探头与井壁接触，收缩位置有助于钻井时保护辅助支撑。

在一特定实施例中，辅助支撑包括一个安装在管状主体孔洞中的活塞体和至少有一部分装在活塞体孔中用于在伸缩位置之间运动的活塞头。该活塞头设计成在遇到预定的剪切荷载时剪切。

活塞头的剪切设计可以通过材料选择来完成。例如，活塞头可以使用一种具有较低剪切强度的材料。可用的材料有铝合金和取向性绞合合成材料。剪切可以通过腐蚀或者通过剪切破坏来实现。

活塞头的剪切设计可以独立完成，也可以与材料选择结合来完成  通过机械配合。例如，活塞头可包括由金属构成的中心基座和围绕该中心基座固定的合成材料的外护套。在该实施例中，中心基座中可形成有凹槽与合成材料做成的护套配合。这种凹槽还可以作为优先剪切破坏点。因此它们将会减少活塞头的承载截面积。

更特别的是，合成材料做成的护套的末端外径变大，形成一个具有台肩的蘑菇形头。台肩具有径向凹槽，为岩屑流动提供了通道，以便流动清理该台肩，从而减少了当活塞头移动到其收缩位置时岩屑在蘑菇形头和仪器之间的堵塞的可能性。

根据本发明的第四方面，仪器可以按照上述第一方面的实施例以另外的方式进行配备。

本发明的第五方面所述的方法包括使管状主体沿其限定了一轴向延伸部的轴向部配备一个或多个凸块的步骤。然后在这种凸块上的第一定位点或附近安装可移动的探头，该处轴向延伸部截面积最小。管状主体与在设于井眼内的钻柱相连。在这样配置的管状主体中，探头有选择性地延伸，以便与井壁接触来采集地层信息。探头也可以在钻井时有选择性地收缩以保护探头。

本发明的第六方面所述的方法包括给管状主体安装一个其中具有槽的凸块部的步骤。可移动探头最少有部分安装在所述槽内。该槽至少沿凸块部的一侧横向延伸。管状主体与设在井眼内的钻柱相连。探头有选择性地延伸以便与井壁接触来采集地层信息。探头也可以在钻井时有选择性地收缩到该凸块部的凹入位置以便岩屑自由沿所述槽流经探头。

本发明的第七方面所述的方法包括给管状主体安装一个带有可松开盖子的可移动探头的步骤。这种盖子设计为当探头从收缩位置向外延伸时松开。管状主体与钻柱相连，并且钻柱设在井眼内。探头从收缩位置有选择性地延伸以便让盖子松开，并使探头与井壁接触来采集地层信息。探头也可以在钻井时有选择性地收缩以保护探头。

本发明的第八方面所述的方法包括给管状主体安装一个带有可移动的探头，和相对于探头径向安装的一个可移动辅助支撑的步骤。该辅助支撑设计在遇到预定的剪切荷载时用于在预选位置剪切。管状主体与钻柱相连，并且钻柱设在井眼内。探头有选择性地延伸以便与井壁接触来采集地层信息，并且探头在钻井时有选择性地收缩以保护探头。辅助支撑有选择性地以相对于探头径向延伸到与井壁接触，以补充让探头与井壁接触。辅助支撑也可以在钻井时根据需要有选择地收缩。一旦辅助支撑收缩失灵，一个至少与预先设计的一样大的剪切力施加在辅助支撑上使该辅助支撑在预定位置剪切。

附图说明

为了仔细了解上面所述的本发明的特征和优点，对上面简要概括的发明的更具体的描述可以参考附图阐明的实施例。但是，值得注意的是附图只说明本发明典型的实施例，因此不能认为构成对其范围的限制，因为该发明可允许其他同样有效的实施例。

图1是常规井架和能利用本发明优势的钻柱；

图2A是按照本发明一个方面的采集地层信息的仪器的一个实施例的侧视图；

图2B是采集地层信息的仪器的另一实施例的侧视图；

图3-6是图2A和图2B所示实施例的仪器的简易截面图；

图7A是采集地层信息的仪器的第三实施例的侧视图；

图7B-7C是图7A所示实施例的仪器的侧视图；

图8是采集地层信息的仪器的第四实施例的侧视图；

图9是图8所示实施例的仪器的部分剖面图；

图10A是采集地层信息的仪器的第四实施例的侧视图；

图10B是图1 0A所示实施例的仪器的截面图；

图11A是按照本发明(带有岩屑通道的稳定器叶片)的另一方面的采集地层信息的仪器的稳定器叶片的截面视图；

图11B是图11A所示的稳定器叶片的截面视图；

图11C是图11A所示的稳定器叶片局部平面图；

图12类似图11B所示的稳定器叶片的截面视图，但是没有岩屑通道或者探头凹进空间；

图13A-13B是当探头从收缩位置移至伸展位置时探头释放护盖时，根据本发明的第三方面的采集地层信息的仪器上稳定器叶片内探头的系列截面视图；

图14-15是图13A-13B所示的护盖的另一种变型的截面视图；

图16A-16B是仪器的辅助支撑移动到伸展位置时，根据本发明的第四方面的采集地层信息的仪器的局部轴向截面和径向截面视图；

图17A-17B是仪器的辅助支撑部分被剪切后移动到收缩位置时的轴向截面和径向截面图；

图18是如图16A-16B所示具有另一辅助支撑的钻柱仪器的截面图；

图18A是图18中所示辅助支撑局部放大的详细图；

图19是如图18所示具有另一辅助支撑的钻柱局部立体图；

具体实施方式

如图1显示的是可以利用本发明优点的常规钻机和钻柱。陆上钻井平台和井架系统110位于穿过地层F的井眼W上面。在如图所示的实施例中，井眼W是以众所周知的旋转钻井方式形成的。但是，鉴于本公开文本披露的优点，本领域普通技术人员可意识到本发明还适用于定向钻井以及旋转钻井应用，而不局限于陆上钻机。

钻柱112悬于油井W内，并包括在它的底端的钻头115。钻柱112由转盘116旋转，以没有显示的方式加电。转盘由位于钻柱上方末端的方形钻柱117驱动。钻柱112是通过方形钻柱117和水龙头119悬挂在吊钩118上，吊钩与可移动的滑轮相连(没有标出)，该水龙头使得钻柱相对于吊钩旋转。

钻井液或钻井泥浆126存放在井场边的泥浆池127中。泥浆泵129将钻井泥浆126通过水龙头119中的一个端口送到钻柱112内部，使钻井泥浆如箭头109所示方向通过钻柱112向下流动。钻井泥浆126通过钻头115上的出口流出钻柱112。然后通过钻柱和井壁之间的环空部分向上循环，如箭头132所示。在这种方式下，钻井泥浆对钻头115起润滑作用，并且将钻屑带出地面，返回泥浆池127用于再循环。

在钻头115附近(换句话说，就是钻头上面的几节钻铤内)，钻柱112还包括一个井底组合系统，通常指100所示部分。井底组合系统包括测量、处理和存储信息以及与地面进行通信等。组合系统100还包括承担不同测量任务的钻铤130、地面和本地通信装置150。

图1中，钻柱112还装有稳定器接箍300。这种稳定器接箍用于防止钻柱在井下旋转时摇晃或者偏心，造成与设计钻眼轨迹方向(如，垂直直线方向)偏离。这种偏离会在该段钻柱以及钻头上产生额外能够加速磨损的横向作用力。这种问题可以通过对井眼内钻头，在某种程度上是对钻柱进行扶正来克服。现有技术中关于扶正器的实例包括管道保护器和其他仪器，还有稳定器。本发明应用了这些和其它仪器，尽管在文中只作概括描述。

图2A显示了一种采集井眼W穿过的地层信息的钻井仪器10。在本发明的第一方面，仪器10包括用于连接设在井眼W内钻柱的管状主体12，如图1所示。管状主体12沿其限定一轴向延伸部20的轴向部设置有一个或多个凸块14，16，18。这里使用的“凸块”一词涵盖了仪器10从管状主体12向外伸出的部分，包括通过接触井壁W将管状主体稳定和扶正的“肋片”、“叶片”、“凸块”、“翼片”(所有这些术语均可互换)。

探头22安装在管状主体12上轴向延伸部20内的第一定位点24或其附近，管状主体在此位置的轴向延伸部20内截面积最小。探头22可以在伸缩位置之间按现有技术中从所周知的方式移动。管状主体12上还装有一个液压或电动装置(图中没有标出)，用于驱动探头22在其伸缩位置之间运动。伸展位置允许探头22接合井壁W(如图4所示)，以便采集目的地层信息；收缩位置用于保护钻井过程中探头(如图11B)。第6,230,557号美国专利介绍了可以利用的一种液压驱动装置的实例，该装置共同转让给本专利的受让人。

如图2A、图2B所示，仪器10由两段构成，即保护段PS和扶正段CS。两段共同提高了仪器10的可靠性和它提供的测量结果质量。

保护段PS的主要目的是保护探头12免受钻屑、岩屑、与井壁W的撞击的机械损伤、磨损和环空中循环的流体导致的腐蚀。众所周知，例如在井内循环的钻井泥浆126等流体的速度会直接影响到泥饼的厚度和完整性。即，速度越高，泥饼的封堵能力越低。其结果又导致井壁W附近的地层压力局部增加，也称之为“动态增压”。这种影响大大降低了仪器10中探头22测量的地层压力精度。为了减少井内循环流体和操作仪器对速度的影响，在保护段PS仪器10的截面积优选达到最小(如图4所示)，从而加大环空中较大通流面积，降低探头22周围流体的速度。

仪器10的一种典型运行方式是向探头12施加高接触力。所以在扶正段CS中的凸块14、16、18上安装一个或多个辅助支撑，如辅助活塞(图5所示)或者辅助支撑板(图6所示)，以便在伸缩位置之间运动(下面再介绍)，是可能的，通常也是可取的。这些设备可选择地安装在保护段PS上的凸块内，尽管这样做目前并不是最佳方式。众所周知，辅助支撑如现有技术中所述的靠液压或者机械驱动。第2003/0098156 A1号美国专利申请介绍了一种合适的液压驱动装置，该申请共同转让给本发明的受让人。

图2A是仪器10带有两个扶正段CS的例子，图2B是仪器10只带有一个扶正段CS的例子。扶正段CS的主要作用是让井W中仪器10居中以保证探头22移动到伸展位置时密封性。扶正段剖面类似于常规螺旋叶片式稳定器，其作用是在旋转钻井时减少仪器的振动，同时也减少扭矩和阻力。图3是三叶片式扶正段CS截面图。四叶片式或五叶片式也是可以的。

根据本发明该方面的不同实施例，仪器10的管状主体12可以是一钻铤、装有多根肋片或叶片来稳定钻柱的稳定器(旋转或不旋转)、或者是装有多根肋片或叶片来扶正钻柱的扶正器。

如图2A中所示的实施例，管状主体12表面有一个凸块14，界定基本跨过轴向延伸部20的长度的第一根肋片。管状主体12还装有限定第二、第三根肋片的凸块16、18，每根肋片的长度小于第一根肋片14的长度的一半。第二和第三根肋片16、18分布在轴向延伸部20的中点的相对侧。第一定位点在轴向延伸部20的中点。

管状主体12还可以装有第四根肋片，其基本跨过轴向延伸部的长度，与第一根肋片径向相对(如图7A-7B所示)。

在图2A所示的实施例中，第一根肋片14的末端附近呈螺旋状，其末端中间为轴向直线状。在不同实施例中，每根肋片可以是呈螺旋状的，或者是倾斜的，也可以是轴向直线形(如图7A所示)中的一种。而且，一根或多根肋片的厚度可以随其长度变化而变化(如图10A所示)。

参照图4，探头22还包括一个设在环形密封内的导管23或者“封隔器”25，以及一个在与导管23进行流体连通时测量地层性质的传感器。该传感器可以是在探头伸展后紧贴井壁W时用于测量地层孔隙压力的压力传感器。

根据图11A-11C所示特定实施例，第一定位点24位于轴向延伸部20内的肋片14上，探头22至少部分装在第一定位点24(如图2A所示)或者其附近形成的沟槽内的孔洞28a/28b内。探头22收缩后，肋片14径向延伸超过收缩的探头22，以便探头在肋片内凹进一段距离D。沟槽26的宽度尺寸设计成紧密限定探头22(或封隔器25)的一部分，沟槽从探头开始沿肋片14一侧与钻柱旋转(假设旋转钻井，如箭头27所示)方向相反横向延伸(通常水平)，具体如图11A和11C所示。在这种方式下，钻井时岩屑可以通过沟槽26自由流过探头22。这也许和图12中所显示的没有沟槽或者探头凹进深度D的情况下肋片14′有所不同，图中显示了导致阻碍探头22在孔洞上部28a移动的岩屑30堆积。

如图13-15所示，本发明的仪器中还包括一个安装在探头22周围可以松开地固定的盖子32，用以确保钻井过程中探头22从孔洞上部28a首次移动到其最大伸展位置之前得到保护。在这种方式下，探头通过探头驱动装置(图中没有标出)移动到其最大伸展位置(如图13B所示)时盖子32从探头上松开，并将探头定位成与井壁W接合以采集地层F的信息。这种盖子使用可钻的材料做成的。

根据本发明的典型实施例，探头22基本呈圆柱形，并在凸块(如肋片14)上的孔洞28a/28b之间移动，这些凸块沿仪器10的部分管状主体12形成。具有连续圆柱形侧壁的盖子32，其侧壁大小与探头收缩时在探头22和孔洞28a壁之间形成的环形空间紧密配合(如图13A所示)。

在另一实施例中，如图14所示，在凸块上的孔洞28a上部内壁形成了第一个环形凹槽，而在盖子32′的外壁上形成了第二个环形凹槽。当盖子固定在探头上时，两个凹槽形成了一个螺旋形空间。在该螺旋空间内安放一个剪切环34，以保证可松开地固定的盖子32′嵌入孔洞28a。

另外，如图15所示，肋片14上的孔洞28a壁上形成了环形凹槽29，盖子32″侧壁装有其一端与环形凹槽29相配合的可剪切的环形法兰33。

对于图16-19，本发明的仪器10也可以包括在管状主体12上装一个水平(径向)相对于探头22(同样将图4与图5-6对比)的一个辅助支撑40，并可以在伸缩位置之间移动。该辅助支撑40设计成在预先确定位置遇到预计的剪切负载时剪切掉。如上所述，管状主体上还装有一个辅助支撑驱动装置，使辅助支撑在伸缩位置之间移动。当辅助支撑伸展时，通过增加井壁与辅助支撑接触的表面积，从而增大了经仪器10传递到探头22上的作用力，伸展位置有利于探头与井壁充分接触。收缩位置在钻井时用于保护辅助支撑。

如图16-17所示的实施例中，辅助支撑40包括一个装在管状主体12上孔眼41中的活塞体42，可在伸缩位置之间运动。辅助支撑还装有一个活塞头44，至少部分固定在活塞体42上的钻孔内，可在伸缩位置之间运动。活塞头44设计成在预定位置遇到预计的剪切负载时剪切掉。

活塞头44的剪切设计可以通过材料选择来完成。例如活塞头可以使用一种具有较低剪切强度的材料。可用的材料包括铝合金和取向性绞合合成材料。剪切可以通过腐蚀和/或通过剪切破坏来实现。

活塞头44的剪切(牺牲)设计可以独立完成，也可以与材料选择结合来完成通过机械配合。例如，活塞头44包括内部用金属和合成材料护套48构成的中心基座46。在这种情况下，中心基座需要凹槽与合成材料做成的护套形成机械配合。这种凹槽还可以作为优先剪切破坏点。因此它们将会减少活塞头44的承载截面积。中心基座也应该用可钻碎的材料，因为当活塞头损坏时井眼中大的碎片破碎或卷起。

更特别的是，合成材料做成的护套48的末端外径大，形成一个具有台肩49(如图16B所示)的蘑菇头50。台肩49具有径向凹槽，为岩屑流动提供了通道，从而减少了当活塞头移动到其收缩位置时岩屑在蘑菇头50和管状主体12之间堵塞的可能性。

值得注意的是，本领域普通技术人员可理解，即便辅助支撑40完全推出，活塞42仍然保持凹入仪器10的管状主体12。仅仅让活塞头44伸出仪器表面。活塞体42包括在仪器10内“干净的”液压部分与井眼中泥浆之间的所有密封表面。一旦出现仪器10卡在井眼W中的故障，仪器可以被轻易提起，使得活塞头44受到剪切破坏(如图17A-17B所示)，活塞主体42不会损坏，也不会破坏液压部分的密封。由于活塞头材料是可钻碎的，所以即使有大的碎片也不会影响钻井过程。

图16A-16B显示辅助支撑40的推靠臂完全推出情况下的轴向和径向截面。而且活塞体42完全伸出也不会超过管状主体12的外径。图17A-17B显示在活塞体42完全收缩状态下，没有活塞头44已受到剪切的部分。

当仪器10安置好，而且需要回收，活塞头42取决于它的伸出量以及井壁W的光滑程度具有几种损坏方式。如果活塞头仅仅伸出一部分，即仅仅稍微大于仪器10的外径，那么当仪器移动时活塞材料仅仅受到井壁的磨损而磨蚀。在直径较大的井眼中，或者在井壁非常粗糙的井眼中，活塞头44会在仪器回收时剪切成大的碎片，因为在活塞基座周围可能出现大的力矩，很可能活塞头会碰到井壁上的大块凸起或者类似障碍物。

如上所述，活塞头44的材料可以根据其强度、弹性、抗磨损和抗腐蚀性来选择。最简单的方法是用低强度金属，如铝合金。另一种方法是使用取向绞合合成材料。这种方法可以根据活塞头的可压性或者剪切性能来彼此独立地实现。由于具有这种特性，在通常情况下活塞头的抗压性可以做得非常强，剪切能力也可以做得相对弱，以便它在受到电缆或者钻杆一定拉力时能够破坏。

再看图18-19，活塞头44′可以设计成在辅助支撑40′上的活塞体42′内损坏，而不是在辅助支撑受到剪切、磨损或腐蚀后。这种方法是通过连接活塞头44′和活塞体42′的剪切销52，以及一块铰接在销51处提供轴向力并在受到超过预计的剪切阈值时(即与井壁W非平滑接触)发生剪切的板或者“底板”50来完成的。

根据优选的收缩方法，销接底板50′轴向定向(如图19所示)，而不是径向(如图18所示)，以提供所需的力来剪切销52。如果仪器10的旋转是首选方法，那么铰接底板50应该用如图18所示的定向。如果优选方法为轴向提起仪器，那么铰接底板50′应该用如图19所示的定向。尽管这种方法较复杂，但相对于以前所述的方法的优点是在井中不会留下大块碎片。

从前面的说明可知，对本发明的首选或其他替代装置形式可以进行各种修改和变更，而不背离其真正的精神。

本说明仅旨在阐释，不应理解为有限制作用。本发明的范围应仅通过所附权利说明书的语言来确定。权利要求书中“包括”一词意思是“至少包括”，因此权利要求书中所列的内容是开放性的。除非有明确的除外规定，否则“一”和“一个”以及其他单数形式的术语也包括其复数形式。

Claims (38)

1.一种采集井眼穿过的地层信息的仪器，包括：连接设在井眼内的钻柱的管状主体，沿其限定一轴向延伸部的轴向部设有一个或多个凸块；在该主体轴向延伸部内的第一定位点或附近装在该主体上的一个探头，该处轴向延伸部的截面积最小，探头可以在伸缩位置之间移动；和装在仪器上的一个驱动装置，用于使探头在其伸缩位置之间移动，伸展位置用于与井壁接合并且采集地层信息，收缩位置用于钻井时保护探头。

2.根据权利要求1所述的仪器，其中该管状主体是一钻铤。

3.根据权利要求1所述的仪器，其中该管状主体是一个装有多根肋片的用于稳定钻柱的稳定器。

4.根据权利要求1所述的仪器，其中该管状主体是一个装有多根肋片的用于使钻柱居中的扶正器。

5.根据权利要求1所述的仪器，其中该管状主体装有第一根肋片以及第二根和第三根肋片，第一根肋片基本跨过轴向延伸部的长度，第二根和第三根肋片的长度分别小于第一根长度的1/2，并且第二根和第三根肋片分别设置在该轴向延伸部中点的相对侧，并且第一定位点位于该轴向延伸部的中点。

6.根据权利要求5所述的仪器，其中该管状主体还装有与第一根径向相反的第四根肋片，其基本跨过该轴向延伸部的长度。

7.根据权利要求5所述的仪器，其中第一根肋片在其末端附近呈螺旋状，在其末端中间是轴向直线状。

8.根据权利要求5所述的仪器，其中肋片是螺旋的、倾斜的和轴向直线状中的一种。

9.根据权利要求5所述的仪器，其中肋片中的一个或多个的厚度随长度变化而变化。

10.根据权利要求1所述的仪器，其中探头包括设在环型密封内的导管。

11.根据权利要求1所述的仪器，其中驱动装置使用液压流体推动探头。

12.根据权利要求1所述的仪器，其中驱动装置使用电力推动探头。

13.根据权利要求10所述的仪器，还包括一个在与导管流体连通时测量地层性质的传感器。

14.根据权利要求13所述的仪器，其中传感器是测量地层孔隙压力的压力传感器。

15.根据权利要求1所述的仪器，其中第一定位点位于轴向延伸部内的凸块上，探头至少有一部分装在第一定位点或附近的凸块中形成的沟槽内，该凸块径向超过收缩的探头，以便探头收缩时，该探头凹入凸块内，沟槽的宽度尺寸设计成紧密限定部分探头，并从探头沿凸块一侧水平延伸，因而钻井时井下岩屑自由沿沟槽流过探头。

16.根据权利要求15所述的仪器，其中沟槽逆时针方向从探头水平延伸。

17.根据权利要求1所述的仪器，还包括一个可以松开地固定的盖子，用以确保钻井过程中在探头首次移动到其伸展位置之前得到保护并且探头通过驱动装置移动到其伸展位置时，盖子从探头上松开，并将探头定位成与井壁接合以采集地层信息。

18.根据权利要求17所述的仪器，其中探头基本呈圆柱形，并被携带用于在沿部分主体形成的凸块中的孔洞内移动，盖子具有连续圆柱形的侧壁，其大小设计成在探头收缩时与探头和孔洞壁之间形成的环形空间紧密配合。

19.根据权利要求18所述的仪器，其中在凸块上的孔洞壁内形成第一个环形凹槽，而在盖子的侧壁上形成第二个环形凹槽，当盖子固定在探头上时两个凹槽对准形成了一个螺旋形空间，该螺旋形空间内安放有一个剪切环，以保证将盖子可松开固定在凸块上的孔洞中。

20.根据权利要求18所述的仪器，其中凸块上的孔洞壁内形成一个环形凹槽，盖子侧壁在其一端装有一个适用于与环形凹槽相配合的具有剪切力的环形法兰。

21.根据权利要求1所述的仪器，还包括水平相对于探头安装在管状主体上的辅助支撑，可在可伸缩位置之间移动，该辅助支撑设计成在遇到预定的剪切荷载时在预选位置剪切掉，管状主体上还装有一个辅助支撑驱动装置，用于使辅助支撑在伸缩位置之间移动，伸展位置有助于探头与井壁接合，收缩位置有助于钻井时保护辅助支撑。

22.根据权利要求1所述的仪器，其中探头基本呈圆柱形，并被携带用于在凸块中的孔洞内移动。

23.根据权利要求15所述的仪器，其中探头呈圆柱形，并在仪器上凸块中的孔洞内移动，孔洞穿过沟槽。

24.根据权利要求22所述的仪器，其中辅助支撑包括一个用于在伸缩位置之间移动的安装在仪器上孔洞中的活塞体和用于在伸缩位置之间移动的至少有一部分装在活塞体上的一个钻孔上的活塞头，该活塞头设计成在遇到预定的剪切荷载时剪切掉。

25.根据权利要求2 4所述的仪器，其中活塞头包括一种具有较低剪切强度的材料。

26.根据权利要求25所述的仪器，其中活塞头材料为铝合金。

27.根据权利要求25所述的仪器，其中活塞头材料为取向性绞合合成材料。

28.根据权利要求24所述的仪器，其中活塞头设计为通过磨蚀来剪切。

29.根据权利要求24所述的仪器，其中活塞头设计为通过剪切破坏来剪切。

30.根据权利要求24所述的仪器，其中活塞头包括由金属和合成材料的外护套构成的中心基座。

31.根据权利要求30所述的仪器，其中中心基座中形成有凹槽以便与合成材料的护套接合。

32.根据权利要求31所述的仪器，其中凹槽可以作为优先剪切破坏点。

33.根据权利要求31所述的仪器，其中合成材料的护套的末端直径大，形成一个具有台肩的蘑菇头。

34.根据权利要求33所述的仪器，其中具有径向凹槽，为岩屑流动清理台肩提供了通道，从而减少了当活塞头移动到其收缩位置时岩屑在蘑菇头和仪器之间堵塞的可能性。

35.一种采集井眼穿过的地层信息的方法，包括以下步骤：

使管状主体沿其限定一轴向延伸部的轴向部安装有一个或多个凸块，以及在该管状主体上该轴向延伸部内的第一定位点或附近安装有可移动的探头，该处轴向延伸部截面积最小；

将管状主体与钻柱连接；

将钻柱下入井中；

选择性地将探头延伸以使其与井壁接触来采集地层信息，并在钻井时收缩探头以保护探头。

36.根据权利要求35所述的方法，其中凹块中形成有槽，该槽至少沿该凸块部的一侧横向延伸，可移动探头至少有部分安装在该槽内，所述选择性地延伸的步骤包括选择性地延伸探头以使其与井壁接触来采集地层信息，在钻井时将探头收缩到该凹块部分的凹入位置，以便岩屑自由流经探头。

37.根据权利要求35所述的方法，其中该可移动的探头具有一个可松开的盖子，盖子通过探头从收缩位置向外延伸而松开，这种方法还包括从收缩位置有选择性地延伸探头以便让盖子松开，并使探头与井壁接触来采集地层信息，在钻井时使探头收缩到收缩位置以保护探头。

38.根据权利要求35所述的方法，还包括：

给管状主体装有径向相对于探头定位的一个可移动的辅助支撑，该辅助支撑设计成在遇到预定的剪切荷载时在预选位置剪切掉；

选择性地伸展辅助支撑以便使其径向相对于探头与井壁接合以补充使探头接合井壁，钻井时根据需要收缩辅助支撑，一旦辅助支撑收缩失灵，一个至少与预先设计的一样大的剪切力施加在辅助支撑上使该辅助支撑在预定位置剪切掉。

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