将数据检测装置送入地下岩层中的装置和方法

摘要

一种用于将数据检测装置配置到地下地质岩层中,以便间断或连续地从地下岩层中采集数据和将该数据传递给远程数据接收器的装置和方法。在一优选实施例中,枪管和燃烧室采用非线性布置方式,从而提供一种用于将子弹形数据检测装置发射到所关心的岩层中的类似于枪的装置。该数据检测装置一旦布置于所关心的岩层基体内,就将监测岩层状况和传送数据,以便用于优化钻井和生产活动。

说明书

发明领域

广义上讲，本发明涉及对关心的地下地质岩层的监测，更具体地讲，本发明涉及将一弹射数据监测装置弹射到关心的地下地质岩层中以便能进行监测的弹射配置。

发明背景

钻井可以开采在地壳的地下地质岩层中的碳氢化合物和其它材料的自然沉积物。细长的井钻入地下并从地面或水面(例如海洋)的钻机指向地下目标位置。在普通的“旋转钻”操作中，钻机使钻杆柱旋转，该钻杆柱由连接在一起以形成钻杆柱的钢钻杆管接头构成。该钻杆柱用于使底部孔组件(BHA)和与钻杆柱底端相连的钻头旋转。在钻井操作过程中，利用泵输送通常称为钻井泥浆的钻井液，并在钻杆柱内部向下循环通过BHA、井下工具和钻头泵。该钻井泥浆从钻杆柱和有套筒或无套筒的井筒之间的环形空间流回地面。

在钻井过程中，应当仔细控制钻井泥浆的重量，以便保证钻机的安全和井的质量。钻井泥浆密度经常用增重剂进行调节，该增重剂用于使钻井泥浆的密度保持在某一有利范围内。在钻井过程中，泥浆密度的有利范围至少部分取决于岩层孔内的流体压力。泥浆的密度应当足够与岩层压力保持静压平衡，以便使该井稳定并防止岩层流体进入井筒。不过，过大的泥浆密度将导致钻井泥浆或井筒流体进入岩层中，从而可能破坏岩层并由于流体从井筒流失而引起井控问题。在钻井操作过程中，获得并分析岩层数据例如压力和温度是很有利的。

在油井进入开采阶段后，获得可靠的岩层数据也是很有利的。监测岩层压力和温度井将该岩层数据与被测产物和其它地面数据相组合，将使工程技术人员能更好地实现油流的优化生产，从而设计成能进行最大井下开采。工程技术人员还可以将从相邻的生产井和注入井采集的数据联系起来，从而分析和预测通过在关心的岩层中已形成的井而生产或流出的储存物的运动和损耗。

检测岩层的现有技术通常包括采用可回收的岩层检测工具。普通的岩层检测工具能够在测井电缆或钻杆柱上运转，以便通过将岩层检测器定位在井中关心的岩层附近并对有关条件进行监测而采集岩层数据。在无套筒井中的岩层条件可以用电缆岩层检测工具监测，该工具例如如美国专利No.3934468、4860581、4893505、4936139和5622223所述。这些方法将消耗大量的钻机时间，用于从井中取出钻杆柱，并将岩层检测工具伸入井筒中至关心的岩层处，以便获得岩层数据，然后将该岩层检测器从井中收回，为了进一步钻井或生产，钻杆柱或生产管必须再放入井中。而且，可用普通岩层检测工具获得的数据仅在可回收岩层检测器靠近关心的岩层时才能获得。

还有用于有套筒的井筒中的岩层检测工具和方法，例如美国专利No.5065619、5195588和5692565所述。用于有套筒的井中的岩层检测器的固有问题是：这些工具大部分需要补充或插上套筒射孔，以便能进行岩层流体压力的直接测量。

正如无套筒的井中工作的岩层检测器一样，用于有套筒的井筒的岩层检测器也是可回收的，并且该岩层检测器的运行需要进行昂贵的钻杆下钻，且岩层数据仅在岩层检测器位于关心的岩层附近时才能获得。

申请日为1999年4月16日的、序列号为No.09/293859的美国专利申请介绍了一种抗冲击且可配置的岩层数据检测装置，该装置可配置在选定岩层中，以便通过向数据接收器进行无线数据传输，从而提供间断或连续的岩层数据。该申请被本文引用作为参考。申请日为1999年12月10日的、序列号为No.09/458764的美国专利申请介绍了一种用于该配置的推进物，该申请被本文引用作为参考。本发明还涉及该数据检测装置在关心的岩层中的有效配置，以便通过向数据接收器进行RF、电磁波或遥测传输而间断或连续地采集和传送岩层数据。用于该目的的可配置数据检测装置还如美国专利No.6028534和6070662所述，这些文献的内容也被本文引用作为参考。

本发明的一个目的是提供一种将数据检测装置从井下工具中配置到所关心的地下地质岩层内的方法和工具，以便不管在井筒中有电缆还是钻杆，都能进行间断或连续的岩层数据监测，从而不需要仅为了使用岩层检测器而从井中起下钻具，或者使这种需要达到最小。

本发明的另一目的是提供一种用于通过电缆或钻杆而在井下配置数据检测装置的方法和装置。

本发明的另一目的是提供一种用于在关心的地下地质岩层中配置数据检测装置的方法和装置，以便进行间断或连续的岩层数据监测，并优化井下生产或注井操作，从而使监测岩层中的储存物的消耗最优化。

本发明的另一目的是提供一种用于能持久和可再用的、用于将数据检测装置配置到所关心的地下地质岩层中的构件，通过该构件，能可靠地使子弹形的数据检测装置产生很高g的加速力，从而保证该数据检测装置充分穿透和配置到岩层的岩石基体中。

本发明的另一目的是提供一种数据检测装置钻铤推进枪，它能承受在深井中遇到的高压和高温，并在该高压和高温下工作，且能承受通过采用高能化学推进剂而产生的极高压力和温度，以便将数据检测装置推入岩层的岩石中。

本发明的另一目的是提供一种数据检测装置钻铤推进枪，它能承受由于弹射发射和碰撞所产生的高g加速力和由于数据检测装置的发射和碰撞所产生的温度和压力，不会变形、损坏或失效。

本发明的另一目的是提供一种配置数据检测装置的方法和装置，以便以令人满意的深度径向穿透到目标岩层岩石基体中，并且不会干涉随后的井下工作，或者在随后的井下工作时不会损坏数据检测装置。

发明概述

在本发明中，通过一种将数据检测装置配置到目标地质岩层中以便从该地下岩层中采集数据的方法和装置，可以实现上述目的和其它目的及优点。

本申请所述的“数据检测装置”优选是包括：一壳体，该壳体中有腔室，用于强行推进到地下岩层中；以及一数据传感器，该数据传感器布置于壳体的腔室内，用于检测岩层参数，例如压力、温度、电阻率、γ射线、密度和中子辐射。优选是，壳体中有第一孔，用于在该装置位于地下岩层中时使地下岩层中存在的流体特性与数据传感器连通，从而使数据传感器能检测流体的至少一个特性。优选是，该数据检测装置还包括一天线，该天线布置于腔室内，用于传送表示由该数据传感器检测的流体特性的信号。

本申请中所述的“类似枪”包括但不局限于一个用于使物体加速以使该物体从孔的端头移出的装置。在此所述的“类似子弹”包括但不局限于物体的形状为具有尖顶、锥形或尖点的柱形端头或头部。“不成一直线”的意思是枪管的轴线与燃烧室的轴线形成一钝角或一锐角。当燃烧室并不是很容易找到轴线时，“不成一直线”的意思是燃烧室的质心不与枪管的轴线相交或重合。

在钻井和井下生产时提供实时岩层数据是很有利的。在钻井时获得实时岩层压力能够使钻工和地质学家在“宏观”水平上预测岩层压力(当从多个不同的源例如一排数据检测装置提供数据时)，并能够使油田工程师在“微观”水平上预测钻井液和岩层压力。利用这些预测，钻工和工程师可以识别和进行钻井泥浆的重量和组分的合适变化，从而提高钻井速率和提高安全性。利用遥控配置的数据检测装置，可以获得和监测实时岩层数据，以便有效进行油田管理，而不需要仅为了使用普通的岩层检测器来采集井下“急射(snapshots)”状态而损失昂贵的钻探时间。

本发明的钻铤推进枪在钻杆部分内，用于通过使用推进剂组分而将数据检测装置强行推进到地下岩层中。该配置装置有类似于枪的枪管。该枪管设计成安装类似于子弹的数据检测装置，并且通过点火。将该数据检测装置直接引入配置通道中。该钻铤推进枪有燃烧室，用于安装推进剂和点火组件。该点火组件设计成能引起推进剂反应，从而产生极高的压力和温度。当该数据检测装置对准一选定表面时，由推进剂点火和燃烧而产生的巨大气体膨胀使得该数据检测装置沿枪管的轴线快速加速并射入岩层侧壁中。推进剂的点火可以通过有线、RF或其它电磁或遥测传输而进行遥控。

优选是，本发明的钻铤推进枪包括一隔层，例如一自裂片，使该枪管与燃烧室隔开。该自裂片设计成仅当燃烧室内的压力达到预定值时破碎。因此，该自裂片能防止数据检测装置沿枪管的有限长度过早运动，从而使得该数据检测装置的总发射效率更高，以便穿透岩层。

优选是，钻铤推进枪还包括一喷口帽，该喷口帽起到使枪管内部与井筒内的钻井泥浆或其它流体隔开的牺牲隔层(sacrificial barrier)的作用。该喷口帽设计成使枪管内部相对于钻井泥浆密封，直到在配置时该喷口帽由数据检测装置击碎。优选是，该牺牲隔层破碎成大量小碎片，各小碎片能够悬浮在钻井泥浆内并通过钻井泥浆排出，从而防止与该数据检测装置的配置产生干扰干扰该井的后续功能。

在一优选实施例中，枪管与钻杆柱的中心轴线偏离，并引导数据检测装置从该枪管沿钻杆柱的半径径向向外从该钻杆柱的近似中心的部分发射到所关心的岩层中的相邻岩石基体中。在一特别优选的实施例中，该枪管并不与燃烧室成一直线，以便能使该方法和装置用于空间有限的环境中，例如在细长的钻杆柱中。从钻铤推进枪中发射的弹射物类似于美国专利申请序列号No.09/019466所述的数据检测装置，该文献被本文参引。

枪管和燃烧室部件能够在将数据检测装置配置到岩层中时保证钻铤推进枪能幸存而不会失效。该装置的燃烧室用于安装化学推进剂和对化学推进剂进行点火，且不会受到井筒流体的干涉。该化学推进剂可以保存在燃烧室内的装置中，该化学推进剂自身能保存，一直到点火。该推进剂能在长时间暴露在井内的高温和高压下而有效保存且不会退化。如上所述，用于从钻铤推进枪中推动数据检测装置的推进剂优选是如申请日为1999年12月10日的美国专利序列号No.09/458764所述，该文献为本文参引。

在一优选实施例中，钻铤推进枪能够在整个井中将多个数据检测装置配置在所关心的多个区域。因此，尽管本说明书重点介绍的是用于配置单个数据检测装置的方法和装置，但是应当知道，该钻铤推进枪可以有一排列基本相同的装置，每个装置都能独立进行数据检测装置的配置或与其它装置一起进行配置。本发明可以在单个细长的井下工具中提供一排列超过一打的基本类似的配置装置，以避免为了配置各数据检测装置而不得不将电缆或钻杆柱从井中抽出。

优选是，本发明的钻铤推进枪包括用于接收和解释指令的电子设备，该指令用于在选定的深度和方向控制数据检测装置的配置。该装置可以与一个或多个定位系统配合，该定位系统包括但不局限于一个可从钻铤推进枪的侧壁延伸的辅助导向板(back up shoe)和一个在井筒内的进行角度定向的工具。

附图简述

通过参考本发明如附图所示的优选实施例，可更详细地了解或从本发明详细说明中了解获得本发明的上述特征，优点和目的的方式。

不过，应当知道，附图所示仅仅是本发明的典型实施例，不能作为对其范围的限制，因为本发明也可以有其它等效实施例。

图1是包含于钻铤内的钻铤推进枪的视图，它随后将配置本发明的数据检测装置；

图2是本发明的布置于钻铤内的钻铤推进枪的剖视图，用于在选定的地下岩层中配置数据检测装置；

图3所示为在本发明的钻铤推进枪优选实施例中，枪管相对于燃烧室和点火器的布置结构的剖视图，该点火器凸出到燃烧室中；

图4是本发明的钻铤推进枪的点火器组件的局部剖视图；以及

图5是本发明的钻铤推进枪的压力释放组件及相关部件的局部剖视图。

发明详述

图1所示为在钻铤12内的钻铤推进枪10，该钻铤12在钻杆中，该钻杆伸入到钻出的井筒内。钻铤推进枪10有一孔22，通过从该钻铤推进枪10中发射，子弹形数据检测装置从该孔22中射出。如图所示，配置好的数据检测装置24已经从该钻铤推进枪10配置到所关心的岩层中的岩层基体20中。

图2所示为本发明的钻铤推进枪10的剖视图。如图所示，枪管32基本定向在井筒的横截面平面内，该平面通常与井筒的深度轴线垂直。本领域技术人员可知，数据检测装置从井筒的轴线径向向外横向埋入并不必须与井筒的轴线垂直，也可以多种角度插入所关心的合适岩层中。

枪管32终止于钻铤12的壁上的孔22处。配置时，数据检测装置在离开钻铤12时经过孔22。枪管32的空心内部沿其长度方向基本均匀，其大小能安装和临时储存数据检测装置24。喷口帽34使该枪管32的空心内部38与在钻杆柱和井筒内壁之间的环形区域内的钻井泥浆26(或其它流体，例如填充流体)隔开。该喷口帽34设计成能承受由井内的钻井泥浆柱(或其它流体)施加在钻铤推进枪10上的任何静压力，但是它在受到加速的数据检测装置24的冲击或在刚好要进行数据检测装置24的配置之前的快速运动的气体的冲击时将破碎。陶瓷材料例如氧化铝非常适于该用途。也可选择该喷口帽为金属的，这样它能够通过数据检测装置的射出而被刺穿，并将以最小的能量损失而“脱落”。

燃烧室42用于安装或存储推进剂，该推进剂类似于美国专利申请序列号No.09/458764中所述的。燃烧室42设置有装载推进剂的空间，该推进剂与点火组件52紧密接触，而该点火组件52有布置于燃烧室42内的点火器58。点火组件52点燃装载于燃烧室42内的推进剂，从而使燃烧室42内的气体快速膨胀，达到等于或大于100000磅每平方英寸的压力。通过点燃推进剂产生的压力提供了加速、发射和配置数据检测装置24的驱动力。该加速的数据检测装置24从枪管32中开始运动，并通过破碎的喷口帽34到达孔22的外部，基本埋入岩层基体20中。

在一优选实施例中，燃烧室42通过自裂片36与枪管32隔开。自裂片36是一种工程压力膜，它设计成在由于推进剂的点火而导致的气体膨胀的过程中，在压力达到预定的压力界限值时破碎并释放压力。通过延迟数据检测装置在枪管32内的加速起动直到燃烧室42内的压力达至足以使自裂片36破碎的压力界限值，该自裂片36能够改善数据检测装置的配置。自裂片36在预定大小的压力下破碎，因此，与如果燃烧室42一开始就与枪管32流体连通的情况相比，将使得自裂片36和数据检测装置24之间的枪管32部分更快地增压。该更快增压导致数据检测装置24在枪管32的空心内部38中更快加速或瞬时加速，从而使该数据检测装置24在从钻铤推进枪10中发射时有更大的出口速度。在本发明中采用其它用于保持数据检测装置直到燃烧室内达到合适压力值的装置例如安全销或牺牲螺纹(sacrificial thread)也是很有利的。

如图1所示，钻铤推进枪10包含于钻铤12内，该钻铤12在钻头14上面的钻杆柱内。当钻井泥浆在井中流动时，它必须经过钻杆柱和钻头14，在提高钻杆柱和井筒之间的环形区域返回地面。

图2表示一个通过钻头推进枪10的通道28，以便使钻井泥浆流向钻头14以润滑该钻头14、使钻井岩屑悬浮并将它们带到地面以除去。在钻铤12的整个长度上，通道28与钻铤推进枪10的燃烧室42和枪管32分隔开。

图3表示了枪管32和燃烧室42的优选结构的剖视图。假设钻铤的标准外径是6.75英寸，能够水平容纳于钻铤内的枪管32的最大长度是大约5英寸。从弹射物考虑，与数据检测装置的长度(2.5至4英寸)相比，即使是更大直径的钻铤，能容纳于钻铤12内的枪管的长度还是相当小。在普通的枪装置中，枪管部分相当长，燃烧室通常与枪管成一直线。不过，在例如本发明中包含有数据检测装置的短枪管结构中，数据检测装置的加速最好是由通过推进剂点火而提供的高压气体在接近绝热膨胀的情况下进行，力由此传递给数据检测装置。还希望具有近似绝热膨胀，以便能使由推进剂气体传递给数据检测装置24的力最大。这需要使本发明的燃烧室42并不与枪管32成一直线，如图2和3所示，以便将枪管32和燃烧室42都装入钻铤12内的有限空间中。图3表示本发明的钻铤推进枪10的燃烧室42基本不与枪管32成一直线，从而使枪管32部分的长度最大，通过该枪管32，数据检测装置24可以在使喷口帽34破碎和通过孔22从钻铤12中发射之前加速。

图4所示为点火组件52的基本剖视图，该点火组件52可密封且可拆卸地布置在形成于钻铤12的壁上的点火组件孔50中。点火组件52通过电接头54控制，当遥控起动时，该电接头54激发凸出到燃烧室42(图4中未示出)内的点火器58。在优选实施例中，点火器58包含少量的高能化学炸药(charge)，该高能化学炸药通过热源或机械冲击/振动而激发。热源(以及机械冲击)可以通过例如由电接头54提供的电信号触发或产生。一旦高能化学炸药被激发，推进剂开始燃烧，并产生高压气体。

图5所示为压力释放组件62的剖视图，该压力释放组件62可密封且可拆卸地布置在形成于钻铤12内的压力释放组件孔60中。该压力释放组件62的目的是提供在数据检测装置不成功配置后释放仍残留在燃烧室42中的截留压力。当化学推进剂变潮湿或者有其它问题时，因推进剂点火产生的压力可能不会导致自裂片36破碎。这时，可以使用压力释放组件62以可控制的方式安全释放在燃烧室42内的截留压力。压力释放组件62和点火组件52的拆除使得能进入燃烧室，以便清洁和维修，或者加入测定量的化学推进剂。压力释放组件62和点火组件52的优选布置方式如图2所示，但是需要时这两组件的位置可以交换。

普通的弹射原理有助于确定钻铤推进枪10的数据检测装置的基本弹射参数。需考虑的设计设计约束条件包括：数据检测装置能足够穿透特定岩石所需的速度和重量；保证数据检测装置直线飞行的长度/横截面积比率以及数据检测装置为获得最优穿透深度而具有的前端形状。因此，该数据检测装置24基本为子弹形，且它为环绕其轴线的细长形状，以便部分满足前述的第二约束条件(足以直线穿透)。

钻铤推进枪10可以用传送器/接收器组合进行遥控。在钻铤推进枪10中的接收器可以接收通过射频(RF)或其它电磁装置发出的指令，或者接收通过泥浆遥测系统发出的指令。这些将数据和指令传输给井筒内的遥控装置的装置和方法是现有技术中已知的。通过遥控传送器或接收器来以RF信号传输需要使天线成为钻铤推进枪10的一部分，这样的用于控制目的的天线必须加以保护以免受燃烧室压力和温度的损害，并防止受到任何冲击力。

数据检测装置24包括一基本子弹形的壳体，该子弹形壳体装备有包封的数据传感器，用于指示所关心的地下岩层的一个或多个特性。数据检测装置包括传送器，该传送器用于将表示传感器所指示的特性的信号传递给遥控数据接收器。数据检测装置可以包括接收器，该接收器用于接收远程传送的信号，数据检测装置利用该接收的信号来确定将岩层数据传送给遥控接收器的最优传送频率。

本领域技术人员应当知道，虽然本说明书涉及的是一种通过在钻杆柱的钻铤中制成的钻铤推进枪进行数据检测装置的配置的装置，但本发明还可以考虑通过电缆工具(wireline tool)进行智能传感器装置24的配置。

与目前的工作方式相反，本发明能够间断或连续地获得岩层压力和温度数据以及其它岩层分析数据(例如电阻率、γ射线、密度和中子测量值)，同时还在所关心的岩层进行钻井或生产流体。这样的优点是能够在钻井过程中更早且更好地确定相关的钻井泥浆重量和组分，而不需要为了使普通的岩层检测器运转而高成本地使钻杆柱从井中抽出或下到井中。一旦数据检测装置利用本发明遥控配置，就可以在钻井的同时间断或连续地获得准确的岩层数据，这一特征对于目前已知的钻井技术来说是不可能的。

要与数据检测装置的传输允许，对透入岩层的压力的监测就可连续进行。当然，该特征还取决于在钻铤和配置的智能遥感器中的传送器/接收器电路之间的传输连接特性。在本发明的范围内还可以考虑，遥控数据检测装置一旦配置到岩层中，优选是它以电池、燃料电池或其它能源的形式储存能量，并可以在相当长的一段时间内提供岩层数据。还可以考虑采用可更换的或辅助的能源储存装置，它安装在配置好的数据检测装置内，并暴露在井筒中，以便定期补充能源，以支持该数据检测装置进行连续的数据传送。

如上所述，显然，本发明能够达到上述目的和特征，同时还能达到本文所述装置所固有的其它目的和特征。

如本领域技术人员所知，在不脱落本发明的精神和基本特征的情况下，可以很容易地以其它特定形式实现本发明。因此，本发明的实施例仅是为了说明，而不是用于限制本发明。本发明的范围由后续权利要求确定，而不是由前述说明书确定，因此，在各权利要求的等效范围及含义内的所有变化形式都将包含于本发明中。