专利名称：可径向调节的井下设备及其方法
技术领域：
本发明通常涉及油田钻井工具，更具体地说涉及具有可径向调节模块(module)的测井设备。
背景技术：
通常采用比如电缆、测井电缆、平直管线(slickline)、钻杆或挠性油管(coiled tubing)等控制管缆传到井眼的电子测量装置对油井或气井进行勘查，以确定一种或多种地质、岩石物理、地球物理和油井采油特性(“重要参数”)。适于进行这种勘查的工具一般称为地层评估工具。这些工具使用电气、声波、核子和/或磁能来激励井眼内的地层和流体并测量地层和流体的反应。把井下仪器完成的测量结果传回至地面。在很多情况下，需要多次行程或测井操作来收集必要的数据。
本领域的熟练技术人员都知道，用一些工具在与井眼基本同心的位置收集第一组数据，而在与井眼基本偏心的位置收集第二组数据。通常，工具在控制管缆上的位置是静止或固定的。因此，需要两次或多次的测井操作来收集两种类型的数据，即使一种工具能收集两种类型的数据。本领域还人所共知，一些测井操作可利用一个包件中的一打或更多的不同测量工具。这些工具中的每一个都要求相对于井眼的不同位置(例如相对于井眼轴线的径向位置)和/或彼此之间不同的实际定向。
仅仅是举例并非限制本发明的范围和应用，提到一种核磁共振(“NMR”)仪，例如美国专利申请系列号09/997,451(“’451申请”)所描述的，其与本申请具有相同的受让人且其内容全部引入本文作为参考。′451申请描述了一种可在小直径井眼中心位置和大直径井眼分散位置操作的NMR仪。NMR仪仅仅是很多通常在地面重装在不同径向位置(例如对准、定向等)以在井下完成不同任务(例如收集不同类型的数据)的多用途仪器的代表。
本发明致力于解决传统油井工具的这些和其它缺点。
发明内容
本发明提供一种工具系统，其具有至少一个可置于相对于参照目标选定位置的模块。选定位置可以是相对于井眼轴线的径向位置或相对于邻近模块的选定定向(例如方位、倾斜度)。该工具系统适于用在位于重要地下岩层上的钻机上。在一个实施例中，工具系统经由测井电缆传送到底部井眼并且包括一个或多个容纳适于测量重要参数的测量设备的模块。在一个实施例中，装有测量设备的模块设有定位设备。定位设备构造为调节相关的模块和/或将其保持在相对于参照点或目标(例如井眼轴线或邻近布置的井下设备)的选定径向位置。定位设备在收到指令信号时和/或自动地以闭环型式就地调节模块的径向位置。所述选定的径向位置的保持或调节不受相邻模块(一个或多个)的径向位置的制约。典型的定位设备包括多个可独立调节的定位元件和相关的驱动组件。驱动组件和定位元件构造为提供固定或可调节的径向位移和/或相对于井壁的固定或大小可调节的力。该工具系统经由提供双向数据/指令信号交换的遥测设备与地面设备(例如控制器)保持通信。
在本发明的另一实施例中，定位设备适于为模块提供相对于邻近模块的选定定向。例如，定位设备可包括由适合的机构驱动的旋转接头(swivel)，其将第一模块定向在相对于第二模块的选定倾斜度。旋转接头还可构造为将第一模块设定在相对于第二模块的选定方位或者设定既有相对方位又有倾斜度。在本发明的又一实施例中，定位设备适于提供震击力。例如，定位设备的定位元件适于通过对井壁诱发稳定或脉冲径向力将象地层取样工具之类的设备震击为自由状态。
在一个使用声波测井仪(acoustic tool)的运行方式中，声波测井仪由工具模块传入井眼直到声波测井仪定位在裸眼井段附近。需要时，声波测井仪设在相对于井眼轴线的中心位置以进行声波测井。在声波测井完成后，启动一个或多个定位设备将声波测井仪置于相对于井眼的基本偏心或分散的径向位置。所述分散位置例如可以将声波测井仪声耦合至井壁并能进行校验炮(check-shot)测量。在数据收集期间，控制器可构造为通过例如将数据与预定模型相比较来对测量结果进行分析。在完成声波测井和采取校验炮数据测量(在同一测井操作中)后，可将测井仪定位在井眼下套管的区域。在该位置，定位设备将声波测井仪设在基本同心的位置以收集各种数据，例如有关水泥与套管胶结的数据。
已对本发明较重要的特点示例作了概略描述(即使是相当的概括)也能更好地理解以下对其详细的描述以及理解这些示例对现有技术描述所起的作用。当然，本发明还有其它特点将在下文中进行描述，它们将构成所附权利要求的主要内容。
为了更详细地理解本发明，应当结合附图参考以下优选实施例的详细描述，图中图1是使用适于用在测井作业中可径向调节模块的系统的一个实施例示意图；图2示出根据本发明所制定位设备的一个实施例剖面图；图3A是置于裸眼井段的可径向调节模块的正面示意图；图3B是置于井眼下套管段的可径向调节模块的正面示意图；图3C是根据本发明所制设有震击设备的一个实施例的模块正面示意图；图3D是定位元件另一实施例的正面示意图；图3E是定位元件又一实施例的正面示意图；图4概略示出根据本发明布置的一个实施例，其中定位工具构造为调节测量设备的径向位置。
具体实施例方式
首先参考图1，图中示出地面钻机10，其位于重要的地下岩层12上。钻机10可以是陆上或海上油井采油/构造设施的一部分。形成于钻机10下面的井眼14包括下套管段16和裸眼井段18。在某些情况下(例如钻井、完井、修井等期间)，进行测井作业来收集与地层12和井眼14相关的信息。通常，工具系统100经由控制管缆110传送到井下以测量与井眼14和/或地层12有关的一个或多个重要参数。下面所用的术语“控制管缆”包括电缆、测井电缆、平直管线、钻杆、挠性油管以及适于将工具传入井眼的其它设备。工具系统100可包括一个或多个模块102a，b，每个模块具有一个工具或多个工具104a，b，用来完成一项或多项井下任务。术语“模块”应当理解为例如探头(sonde)或接头之类的设备，其适于封闭、容纳或者其他支承将要用到井眼里的设备。尽管图中示出了两个邻近布置的模块102a，b和两个相关的工具104a，b，但是应当理解，也可以使用或多或少的数量。
在一个实施例中，工具104a是适于测量一个或多个与地层或井眼有关重要参数的地层评估工具。应当理解，术语地层评估工具包括测量设备、传感器以及主动或被动收集与地层各种性质有关数据的其它类似设备、提供与工具定向和运动方向有关信息的方向传感器、提供与储层流体性质有关信息和评估储层条件的地层测试传感器。地层评估传感器可包括用于确定地层电阻率、介电常数和碳氢化合物是否存在的电阻率传感器、用于确定地层声波孔隙度和地层中地层界面的声波传感器、用于确定地层密度、核子孔隙度以及某些岩石性质的核子传感器、用于确定地层孔隙度和其它岩石物理性质的核磁共振传感器。方向和位置传感器优选包括一个或多个加速度计和一个或多个回转仪或磁力计的组合。加速度计优选沿着三个轴线进行测量。地层测试传感器收集地层流体样品并且确定地层流体的性质，包括物理性质和化学性质。对地层的压力测量提供了有关储层性质的信息。
在某些实施例中，工具系统100可包括遥测装备150、局部或井下控制器152和井下动力源154。遥测装置150为在地面控制器112和工具系统100之间交换数据信号以及将控制信号从地面处理器112发送至工具系统100提供双向通信。
在一个典型但非限制性的实施例中，第一模块102a包括构造为测量第一重要参数的工具104a，而第二模块102b包括构造为测量与第一重要参数相同或不同的第二重要参数的工具104b。为了完成它们的指定任务，工具104a和104b可能需要处于不同的位置。这些位置可以参照比如井眼、井壁和/或其它邻近布置的工具之类的目标。另外，术语“位置”意味着包含径向位置、倾斜度和方位定向。仅是为了方便，井眼纵轴(“井眼轴线”)将用作参考轴线描述工具104a，b的相对径向定位。其它目标或点也可用作参考系来描述相对于该参考系的运动或位置。此外，在某些情况下，工具104a，b的任务可在与井眼相关的作业期间改变。一般地说，工具104a可适于根据一个或多个选择的因素完成选定的任务。这些因素可包括，但并不限于深度、时间、地层特性的改变以及其它工具任务的变化。
根据本发明的一个实施例，模块102a和102b分别各设有定位设备140a、140b。定位设备140构造为将模块102保持在相对于参考位置(例如井眼轴线)选定的径向位置。定位设备140还在收到地面指令信号时和/或自动地以闭环型式调节模块102的径向位置。保持或调节所述选定的径向位置不受邻近井下设备(例如测量工具、探头、模块、接头或其它类似装备)径向位置的制约。铰接元件，例如将模块102连接至工具系统100的柔性接头156提供一定弯曲度或枢转度，以适应相邻模块和/或其它装备(例如处理器探头或其它设备)之间的径向定位差异。在其它实施例中，定位设备中的一个或多个具有固定的定位元件。
根据一个实施例，定位设备140包括本体142，该本体具有多个圆周间隔布置在本体142周围的定位元件144(a，b，c)。元件144(a，b，c)适于在延伸位置和缩回位置之间独立地运动。延伸位置可以是固定距离或是可调节的距离。适合的定位元件144(a，b，c)包括肋条、垫片、活塞、凸轮、膨胀气囊或其它适于接合比如井壁或套管内部表面的设备。在某些实施例中，定位元件144(a，b，c)可以构造为相对于井眼暂时将工具锁定或锚定在固定位置和/或使工具能沿着井眼运动。
驱动组件146(a，b，c)用来移动元件144(a，b，c)。驱动组件146(a，b，c)的典型实施例包括机电系统(例如连接至机械联动装置的电动机)、液压传动系统(例如供给压缩流体的活塞-缸装置)或其它适合在延伸和缩回位置之间移动元件144(a，b，c)的系统。驱动组件146(a，b，c)和元件144(a，b，c)可以构造为提供相对于井壁的固定或大小可调节的力。例如，在定位模式，启动驱动组件146(a，b，c)可将工具定位在选定的径向对准或位置。然而，施加于井壁的力并非大到阻止工具沿着井眼的运动。在锁定模式，启动驱动组件146(a，b，c)可在元件144(a，b，c)和井壁之间产生足够高的摩擦力，以致基本上阻止其相对运动。在某些实施例中，偏动元件(未示出)可用来将定位元件144(a，b，c)保持在预定的参考位置。在一个典型的构型中，偏动元件(未示出)将定位元件144(a，b，c)保持在延伸位置，这将为模块提供中心定位。在这个构型中，激励驱动组件克服偏动元件的偏动力而将一个或多个定位元件移至规定的径向位置，这将为模块提供分散的定位。在另一典型的构型中，偏动元件可将定位元件保持在定位设备壳体内的缩回状态。可以看出，这种布置将减小模块的横截面外形，例如降低模块陷入在井眼内被限制的危险。
激励定位设备140和驱动组件146(a，b，c)可通过井下动力源(例如电池或闭环液压流体源)或通过由合适的导管(比如控制管缆120)传送能量流(例如电能或压缩流体)的地面动力源。另外，尽管所示一个驱动组件(例如驱动组件146a)与一个定位元件144(例如定位元件144a)成对，但是其它实施例也可使用一个驱动组件移动两个或更多的定位元件。
现参考图3A和3B，图中示出分别置于油井裸眼井段18和下套管段16中典型的地层评估工具系统200。该工具系统200包括多个用于测量重要参数的模块或接头。所示典型的模块202通过柔性元件156连接至上工具段204和下工具段206。在一个典型的实施例中，模块202支承声波测井仪208。当处于裸眼井段18时，声波测井仪208可通过启动定位元件140a和140b设在分散的位置(即径向偏心位置)。这个分散或径向偏移位置基本上与沿着上/下工具串(tool string)段204和206或在其中的井下设备(例如测量设备和传感器)径向位置无关。也就是说，上或下工具串段204和206可具有与模块202处于不同径向位置的地层评估传感器和测量设备。在这个分散或径向偏移的位置，声波测井仪可用来收集数据，比如校验炮数据。在某些情况下，沿着井壁以行星方式移动模块202是有利的。应当理解，这种运动可以通过连续地改变定位元件的延伸/缩回距离来完成。
在图3B中，所示声波测井仪202在井眼14的下套管段16中。在这个下套管段16，激励定位元件140a，b将声波测井仪208带入相对于井眼14的中心位置或同心位置。在上述位置或对准状态，声波测井仪可构造为测量或评估套管16A和水泥16B之间的胶结力。定位元件140a，b的这种重新对准可通过局部发出的指令信号或从地面发送的指令信号进行触发。
现参考图3c，在本发明的另一实施例中，工具300可包括收集和测试地层流体的流体取样工具302。通常，这种工具包括取样管304，其与井壁15相接合并通过诱发真空或负压将井眼流体吸入取样室(未示出)中。在某些情况下，在完成取样后，遗留在管304内的残余真空压力防止工具302移出井壁15。通常，欲要使工具300自由需要改变施加到上面悬挂工具300的控制管缆306的张力。根据本发明的一个实施例，该工具包括定位元件308a，b，该定位元件在激励时通过诱发对井壁15的稳定或脉冲径向力F震击地层取样工具而获得自由。
现参考图3D，图中示出定位设备320的另一实施例，该定位设备使用了延伸元件322有选择地弯曲柔性元件324(比如弓形弹簧)。柔性元件324设有弓形表面，其可沿着井壁326拖动，以减小被损坏和/或被卡在井眼328中的然险。现参考图3E，图中示出定位设备330，其向模块332提供相对于另一模块(比如相邻模块334)的定向。在图3E的实施例中，在不接合井壁(未示出)的条件下对模块332的位置进行调节。相反，在一个实施例中，驱动机构338启动连接接头340。连接接头340适于在第一模块332和第二模块334之间提供一个或多个铰接度。典型的相对运动包括第一和第二模块332、334之间的相对平移运动、相对旋转运动和方位旋转。因而，连接接头340使第一和第二模块332、334能具有不同的径向位置(例如非同心工具或纵向中心线)、不同的倾斜度以及不同方位方向的位置。合适的驱动机构包括但不限于电动机和液压马达以及由压缩流体(例如气体或油)供能的液压活塞。连接接头340可包括旋转装置和其它合适的铰接元件。
现参考图4，图中概略示出本发明的一个实施例，其构造为在测井作业期间测量地层的数据。由测井电缆(未示出)传送的工具系统400包括一个或多个地层评估工具402a、402b等。每个工具402a、402b包括相关的定位设备404a、404b。在一个实施例中，控制器406构造为操纵定位设备404a，b从而控制工具402a、402b的径向定位。控制器406优选包含一个或多个处理信号和数据以及执行控制功能的微处理器或微控制器，存储程序指令、模型(可以是交互模型)和数据的固态存储器以及其它必要的控制电路。微处理器控制各种传感器的操作，在井下传感器之间提供通信以及经由双向遥测系统408在工具系统400和地面控制器410之间提供双向数据和信号通信。
为方便起见，只是示出一个控制器406。然而应当理解，也可以使用多个控制器。例如，可以使用井下控制器来收集、处理数据并将数据传送至地面控制器，地面控制器再对数据进一步处理并将合适的控制信号传送至井下。也可以使用其它分开数据处理任务和产生控制信号的变型。这样，控制器能自主地(例如半闭环或闭环操作)或交互地操作。在某些实施例中，控制器可在收到地面指令时重新对准定位元件和/或利用预编程数据(例如象深度等油井外形数据)重新对准定位元件。在某些情况下，也可使用动态径向位置以通过例如调节测量设备402a，b的位置修正影响数据测量的因素来优化数据的收集。以外，控制器406也可利用静态或动态更新的模型来评估测量设备402a，b所收集的数据质量并且发出重新对准定位元件的指令信号以修正或优化数据测量结果。控制器406也可构造为从其它井下设备(例如传感器和测量设备)收集数据。来自这些其它评估工具412的数据(例如方位、工具面定向、倾斜度)也可用来修正和/或优化数据收集过程。
现参考图3A，B，在一种作业方式中，工具包100被传送到井眼14中，直到工具包定位靠近裸眼井段18。井眼12可包括垂直段、倾斜段或偏斜段以及任何水平段。在一个实施例中，测量设备208构造为声波测井仪。对于声波测井，测量设备208相对于井眼轴线设在中心位置。在完成声波测井后，地面控制器112和/或井下控制器207启动一个或多个定位设备204a，b将工具208置于相对于井眼14基本偏心或分散的径向位置。这种分散的位置可将声波测井仪置于与井眼14的壁直接接触。这种直接接触提供能收集校验炮测量结果的声耦合。在数据收集期间，控制器112、207可构造为通过例如将数据与预定模型相比较来分析测量结果。基于这种比较，控制器112、207可根据需要发出指令信号来调节工具208的径向位置以改进测量数据的质量。因此，例如控制器可通过调节定位工具对井眼偏斜段的工具定向进行补偿从而将该工具保持在选定的偏心径向位置。在完成声波测井并取得校验炮数据测量结果(在同一测井操作中)后，工具208可定位在井眼的下套管段16中。在该位置，控制器112、207可操纵定位设备140a，b将声波测井仪208对准在基本同心的位置以收集不同的数据，例如与水泥和套管胶结相关的数据。应当理解，控制器112、207可独立或与地面处理器或地面人员412配合工作。此外，在某些实施例中，定位元件不用井下控制器便能直接从地面控制。
因此应当理解，根据本发明某些实施例所制模块可在一个测井操作期间将测量设备定位在第一径向位置以测量第一重要参数，然后将测量设备定位在第二径向位置以测量第二重要参数等。一般地说，在某些实施例中，本发明人公开了一种井下工具，其有选择地定位以能完成可能相关或不相关的各种井下任务。
尽管前述公开内容指向本发明的优选实施例，但是各种改进对于本领域的熟练技术人员来说仍是一目了然。例如，测井电缆仅是一种合适的传送机构。其它合适的设备包括平直管线、挠性油管(金属或复合材料)以及钻柱。应当认为，在所附权利要求的范围和精神范围内各种变型都包含在前述公开内容内。
权利要求
1.一种在井眼内进行井下作业的方法，包括(a)将具有邻近连接至第二模块的第一模块的工具传入井眼，该第一模块具有可选择调节的定位设备；和(b)启动定位设备，有选择地径向相对于参照点定位第一模块，该第一模块的相对位置与第二模块的相对位置不同。
2.根据权利要求1所述的方法，其中参照点是井眼轴线，而选定位置是选自于以下之一的径向位置(i)基本上相对于井眼轴线偏心；和(ii)基本上相对于井眼轴线同心。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括用控制器控制定位设备。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括根据以下之一调节定位设备(i)预编程的数据；(ii)动态更新的模型；和(iii)由连接至控制器的传感器所提供的数据信号。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括将第一模块连接至选自于以下之一的控制管缆(i)测井电缆；(ii)平直管线；(iii)挠性油管；(iv)钻柱和(v)电缆。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在第一模块中设置测量工具。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括在操纵测量工具时沿着井眼移动第一模块。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括正在操纵测量工具时调节第一模块的位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其中测量工具通过以下至少一种方式进行测量(i)电阻率，(ii)NMR，(iii)核子，(iv)地层流体取样，和(v)声波。
10.根据权利要求6所述的方法，还包括(a)在井眼的第一段中操作测量工具；(b)将测量工具移至井眼的第二段；(c)启动定位设备，将第一模块定位在井眼第二段的选定位置；和(d)在井眼的第二段中操作测量工具。
11.根据权利要求1所述的方法，其中第二模块是参照点。
12.一种用于地层井眼中的装置，包括(a)控制管缆；(b)在控制管缆上传送的第一模块；(c)在邻近第一模块的控制管缆上传送的第二模块；(d)与第一模块相关联的定位设备，该定位设备适于有选择地调节相关模块相对于第二模块的位置。
13.根据权利要求12所述的装置，其中定位设备参照井眼的轴线操作，而且选定位置是选自于以下之一的径向位置(i)基本上相对于井眼轴线偏心；和(ii)基本上相对于井眼轴线同心。
14.根据权利要求12所述的装置，还包括置于第一模块中的测量工具，该测量工具适于测量以下之一(i)电阻率，(ii)NMR，(iii)核子，(iv)地层流体取样，和(v)声波。
15.根据权利要求12所述的装置，其中定位设备适于在第一模块沿着井眼移动的同时保持选定位置。
16.根据权利要求12所述的装置，其中第一模块具有相对于第二模块的选定定向。
17.根据权利要求12所述的装置，还包括构造为控制定位设备的控制器。
18.根据权利要求17所述的装置，其中控制器构造为根据以下之一定位第一模块(i)预编程标准；(ii)动态更新的标准；和(iii)来自与控制器通信的传感器信号。
19.根据权利要求12所述的装置，其中定位设备构造为正在操作第一模块时改变第一模块的位置。
20.根据权利要求12所述的装置，其中控制管缆选自于以下之一(i)测井电缆；(ii)平直管线；(iii)挠性油管；(iv)钻柱和(v)电缆。
21.根据权利要求12所述的装置，其中定位设备适于将置于第一模块中的测量工具从井壁中脱离。
全文摘要
一种对井眼进行测井的方法包括启动定位设备以相对于比如井眼轴线之类的参照点或目标或者邻近布置的井下设备来调节模块的位置。对于井眼(14)，一种典型的定位设备(140A、140B)可将比如声波设备之类的测量工具(104A、104B)设置为连续的径向位置(例如相对于井眼轴线基本上同心或基本上偏心)。在一个实施例中，模块包括测量工具以测量不同的重要参数(例如声波测井数据、校验炮数据测量、水泥与套管的胶结)。对于邻近的井下设备，定位设备可在模块(102A、102B)和相邻的井下设备之间提供选定的相对定向(例如方位、倾斜度、径向位移)。定位设备也可适于将震击力施加到井壁上以释放井下设备。
文档编号E21B17/00GK1751168SQ200480004462
公开日2006年3月22日 申请日期2004年2月17日 优先权日2003年2月18日
发明者小E·弗罗斯特, O·G·恩格斯, R·迪弗吉奥 申请人:贝克休斯公司