專利名稱：調(diào)整鉆壓/鉆頭扭矩傳感器偏壓的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明概括來說涉及鉆井方法和設(shè)備以及利用該方法和設(shè)備用于鉆井的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
油井(也被稱為“井眼”或“井筒”)用鉆柱進(jìn)行鉆出，鉆柱包括具有鉆井組件(也被稱為“底部鉆具組合”或“BHA”)的管狀元件。底部鉆具組合通常包括提供與關(guān)于鉆井操作(“鉆井參數(shù)”)、底部鉆具組合性能(“底部鉆具組合參數(shù)”)的各種參數(shù)和關(guān)于井眼周圍的地層的參數(shù)(“地層參數(shù)”)有關(guān)的的信息的裝置和傳感器。鉆頭附著于底部鉆具組合的底端。通過旋轉(zhuǎn)鉆柱和/或通過底部鉆具組合中的鉆井馬達(dá)(也被稱為“泥漿馬達(dá)”)而旋轉(zhuǎn)鉆頭，以便破碎巖層而鉆出井眼。很多井眼是沿著起伏的軌跡鉆出的。例如，單個井眼可以包括 穿過不同類型的巖層的一個或更多個豎直區(qū)段、偏斜區(qū)段和水平區(qū)段。當(dāng)鉆井過程從軟地層(例如沙)到堅硬地層(例如頁巖)進(jìn)行，或者相反時，鉆機(jī)的機(jī)械鉆速(ROP)發(fā)生變化，可能導(dǎo)致(減少或增大)鉆頭的過大波動或振動(側(cè)向上或扭轉(zhuǎn)方向上)。典型地，通過控制鉆頭的鉆壓(WOB)和轉(zhuǎn)速(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)或“RPM”)，來控制機(jī)械鉆速，以便控制鉆頭波動。鉆壓通過控制地面上的起吊載荷進(jìn)行控制，而每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)則通過控制地面上的鉆柱轉(zhuǎn)動和/或通過控制底部鉆具組合的鉆井馬達(dá)速度來進(jìn)行控制。通過這樣的方法控制鉆頭波動和機(jī)械鉆速，需要地面上的鉆井系統(tǒng)或操作人員采取行動。這樣的地面動作對鉆頭波動的影響實(shí)質(zhì)上不是即時進(jìn)行的。其根據(jù)井眼深度，所述的影響在延遲一段時間后才會顯現(xiàn)出來。

發(fā)明內(nèi)容
在許多方面，本發(fā)明涉及對用于鉆井的設(shè)備上的傳感器負(fù)載偏壓進(jìn)行調(diào)整的方法和設(shè)備。依照本發(fā)明的一個實(shí)施例可以包括用于調(diào)整傳感器偏壓的設(shè)備，該設(shè)備包括傳感器本體，該傳感器本體包括配置成與一偏壓調(diào)整裝置可操作地耦合的上部分；配置成附著于鉆柄的下部分；和設(shè)置在所述下部分和上部分之間的傳感部分，其中，傳感部分包括至少一個測力計，所述測力計配置成指示鉆柄上力的大小。依照本發(fā)明的另一個實(shí)施例可以包括用于調(diào)整傳感器偏壓的方法，其包括選擇輸入到傳感器的力輸入，所述力輸入使傳感器指示所希望的偏壓，傳感器設(shè)置在鉆柄的空腔內(nèi)，并且至少部分地由固定元件環(huán)繞，其中，所述力輸入是通過一偏壓調(diào)整裝置施加于傳感器的多個力輸入中的一個。本發(fā)明的更重要的特征的例子是相當(dāng)寬泛地概述的，目的在于，更好地理解其后的詳細(xì)說明書，以及更好地明白這些特征對本領(lǐng)域技術(shù)的貢獻(xiàn)。


為了更詳細(xì)地理解本發(fā)明，結(jié)合所附的視圖，參考下文實(shí)施例的詳細(xì)描述，其中同樣的元件賦予同樣的數(shù)字，其中
圖I顯示了可以利用依照本發(fā)明的一個實(shí)施例的一鉆頭的示例性鉆井系統(tǒng)的簡圖，該鉆頭制作有調(diào)整的鉆壓/鉆頭扭矩偏壓；圖2顯示了依照本發(fā)明的一個實(shí)施例的鉆頭示意性詳圖；圖3顯示了帶有依照本發(fā)明的一個實(shí)施例的鉆頭調(diào)整裝置的示例性鉆柄的簡圖；圖4顯示了依照本發(fā)明的一個實(shí)施例的示例性鉆頭調(diào)整裝置的簡圖；圖5顯示了用于依照本發(fā)明的鉆頭調(diào)整裝置的電子儀器的實(shí)施例的等效電路圖；圖6顯示了依照本發(fā)明的一個實(shí)施例的用于調(diào)整鉆壓偏壓/鉆頭扭矩傳感器偏壓的方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
·
在許多方面，本發(fā)明涉及用于調(diào)整用于鉆井的設(shè)備上的傳感器負(fù)荷偏壓的方法和設(shè)備。在許多方面，本發(fā)明尤其涉及用于調(diào)整用于鉆井的設(shè)備上的傳感器負(fù)荷偏壓的方法和設(shè)備。圖I是可以利用依照本發(fā)明制造的鉆頭的示例性鉆井系統(tǒng)100的示意圖。圖I顯示出井眼110具有其中安裝有套管112的上區(qū)段111和用鉆柱118鉆出的下區(qū)段114。所示的鉆柱118包括管狀元件116，底部鉆具組合(BHA)130附連在管狀元件116的底端?？赏ㄟ^聯(lián)接鉆管區(qū)段來組成管狀元件116，或者管狀元件116可以是盤繞管材。所示的鉆頭150附連于底部鉆具組合130的底端,用于破碎巖層119,從而鉆出選定直徑的井眼110。所示的鉆柱118從地面167處的鉆機(jī)180輸送至井眼110中。為便于解釋，所示的示例性的鉆機(jī)180為陸上鉆機(jī)。在此披露的設(shè)備和方法也可以用于在水下鉆井的海洋鉆機(jī)。可以利用耦合于鉆柱118的轉(zhuǎn)盤169或頂驅(qū)(未顯示)使鉆柱118旋轉(zhuǎn)，由此旋轉(zhuǎn)底部鉆具組合130，從而使鉆頭150旋轉(zhuǎn)以鉆出井眼110。一鉆井馬達(dá)155 (也被稱為“泥漿馬達(dá)”)可以設(shè)置在底部鉆具組合130中，以旋轉(zhuǎn)鉆頭150。可以單獨(dú)使用鉆井馬達(dá)155來旋轉(zhuǎn)鉆頭150，或者通過鉆柱118疊加鉆頭的旋轉(zhuǎn)。一控制單元(或控制器)190，其可以是基于計算機(jī)的單元，其可以放置在地面167，以接收和處理鉆頭150中的傳感器以及底部鉆具組合130中的傳感器傳遞的信息，并控制底部鉆具組合130中各種裝置和傳感器的選定操作。在此，術(shù)語“信息”可以指原始數(shù)據(jù)、處理后的數(shù)據(jù)或信號。在一個實(shí)施例中，地面控制器190可以包括處理器192、用于存儲信息的信息存儲裝置(或計算機(jī)可讀介質(zhì))194、算法和計算機(jī)程序196。信息存儲裝置194可以是任何合適的裝置，包括但不限于，只讀存儲器(ROM)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、閃存、磁帶、硬盤、和光盤。在鉆井過程中，鉆井流體179在壓力下從其源被泵送到管狀元件116中。鉆井流體在鉆頭150的底部排出，經(jīng)由鉆柱118與井眼110的內(nèi)壁143之間的環(huán)形空間(也稱為“環(huán)空”)返回到地面。仍然參照圖1，鉆頭150包括端面部分(或底部部分)151。在鉆井過程中，端面部分151或它的一部分面對鉆頭前面或井眼底部的地層。一方面，鉆頭150包括在端面部分151上的一個或更多個襯墊160，所述襯墊160在鉆井過程中可調(diào)整地(也被稱為“可選擇地〃或“可控地”)從端面部分151伸出。襯墊160在此也被稱為“可伸展襯墊”、“可伸出襯墊”或“可調(diào)整襯墊”。在進(jìn)行井眼110的鉆制過程中，可以利用底部鉆具組合130和/或鉆頭150中的適當(dāng)?shù)闹聞友b置(或致動單元)155來致動襯墊160。底部鉆具組合130可以進(jìn)一步包括一個或更多個井下傳感器(共同用數(shù)字175標(biāo)記)。傳感器175可以包括任何數(shù)量和任何類型的傳感器，包括但不限于，通常被稱為隨鉆測量(MWD)傳感器或隨鉆測井(LWD)傳感器的傳感器以及提供有關(guān)底部鉆具組合130的性能、例如鉆頭旋轉(zhuǎn)(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)或“RPM”)、刀面、壓力、振動、潤動、彎曲和黏滑運(yùn)動的信息的傳感器。底部鉆具組合130可以進(jìn)一步包括構(gòu)造成控制襯墊160的操作并用于至少部分地處理來自傳感器175的信息的控制單元(或控制器)170?？刂破?70尤其可以包括對來自傳感器175的信號進(jìn)行處理的電路(例如，對信號進(jìn)行放大和數(shù)字化處理)、對數(shù)字化信號進(jìn)行處理的處理器172 (例如微處理器)、信息存儲裝置174 (例如固態(tài)存儲器)和計算機(jī)程序176。處理器172可以處理數(shù)字化信號、控制襯墊160的操作、處理來自井下其他傳感器的信息、控制其他井下裝置和傳感器，并且經(jīng)由雙路遙測單元188與控制器190通訊信息。在一個方面，控制器170可以調(diào)整襯墊160的延長，以控制鉆頭波動或鉆速，提高鉆井效率，延長鉆頭150的壽命。增大襯墊的延伸度可以減少鉆頭對地層的切削齒出刃度或減少牙輪的切削深度。減少切削齒出刃度，可以引起扭轉(zhuǎn)波動或側(cè)向波動、機(jī)械鉆速、渦動、黏滑運(yùn)動、彎矩、振動等的減少，這反過來又導(dǎo)致鉆更光滑的孔，并引起鉆頭150和底部鉆具組合130上的應(yīng)力的減小，從而延長底部鉆具組合和鉆頭的壽命。對于相同的鉆壓和每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，當(dāng)鉆入軟地層(例如砂層)時，鉆速通常比鉆入堅硬地層(例如頁巖)時高。從軟地層過渡到堅硬地層，由于鉆速的下降，可能導(dǎo)致側(cè)向波動過大，而從堅硬地層過渡到軟地層，由于鉆速的升高，可能導(dǎo)致鉆頭中的 扭轉(zhuǎn)波動過大。所以，當(dāng)從軟地層過渡到堅硬地層時，控制鉆頭的波動，是所希望的，反之亦然?？梢曰谝粋€或更多個參數(shù)控制襯墊的延長，所述參數(shù)包括但不限于壓力、刀面、鉆速、渦動、振動、扭矩、彎矩、黏滑運(yùn)動、和巖石類型。通過自動、有選擇地調(diào)整襯墊延長，使系統(tǒng)100能夠控制鉆頭的扭轉(zhuǎn)波動和側(cè)向波動、鉆速及鉆頭和底部鉆具組合的其他物理參數(shù)，但不用改變地面上的鉆壓或鉆頭每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。圖2以透視圖顯示了本發(fā)明的鉆地回轉(zhuǎn)式鉆頭150。該示例性鉆頭150顯示帶有一鉆柄248,其固定于一任選的延長部250上,該延長部可以直接固定于鉆頭本體244。鉆柄248可以包括用于附連于鉆柱(未顯示)的帶螺紋的蓋228。鉆柄248還包括縱向孔240，其貫穿鉆柄248并部分地延伸至鉆頭本體244中。如圖2所示，延長部250可以包括兩個或更多個分開部分270、272或元件，它們可以繞鉆頭本體244的公扣接頭部分(未顯示)組裝并固定在一起。焊接坡口 274可以沿著該延長部250的兩個或更多個分開部分270、272之間的每個交接面設(shè)置，以便于兩個或更多個分開部分270、272沿著焊接坡口 274焊接在一起。換句話說，延長部250的兩個分開部分270、272可以繞鉆頭本體244的公扣接頭部分(未顯示)通過在每個縱向延伸的焊接坡口274中形成的至少一個焊縫(未顯示)固定在一起。在另外的實(shí)施例中，兩個分開部分270、272可以通過除了焊縫(未顯示)之外或替代焊縫的釬焊焊料、型鐵和機(jī)械緊固裝置中的一種或更多種固定在一起。在一些實(shí)施例中，鉆頭150也可以沒有延長部250。如圖3所示，一設(shè)備300可用來調(diào)整鉆頭150的鉆壓偏壓/鉆頭扭矩傳感器偏壓。設(shè)備300包括鉆柄248，其顯示帶有大小可以接收鉆壓/鉆頭扭矩調(diào)整裝置330的空腔320。在一些實(shí)施例中，可以在移除偏壓調(diào)整裝置(未顯示)之后，在柄248上方安裝一蓋228。圖4顯示了示例性的鉆頭調(diào)整裝置330。鉆頭調(diào)整裝置330可以包括上部分410、傳感器部分420和下部分430。上部分410可以包括O形環(huán)凹槽440。上部分410可操作地連接于一連桿450，所述連桿450配置成可操作地連接于一臨時加載工具或偏壓調(diào)整裝置(未顯示)。在一些實(shí)施例中，連桿450可以包括用于連接于偏壓調(diào)整裝置(未顯示)的螺紋部分460或者用于將連桿450錨固于偏壓調(diào)整裝置(未顯示)的替換構(gòu)造。鉆頭調(diào)整裝置330的上部分、傳感器部分和下部分可以用拉伸屈服極限超過由偏壓調(diào)整裝置(未顯示)所施加的最大預(yù)期拉伸并且熱膨脹系數(shù)與鉆柄248相類似的彈性材料形成。在一些實(shí)施例中，下部分430的一部分或全部可以是帶有螺紋的，或者其他方式配置成可錨固的，以在空腔320底部形成與鉆柄248的連接。在一些實(shí)施例中，為了固定調(diào)整裝置330，可以將可凝固介質(zhì)，例如環(huán)氧樹脂，添加到空腔320中。當(dāng)使用可凝固介質(zhì)時，可以將O形環(huán)放入到O形環(huán)凹槽440中，以防止可凝固介質(zhì)從空腔320的底部行進(jìn)到上部分410的頂部。環(huán)氧樹脂的使用僅僅是示例性的和說明性的，當(dāng)然可以使用其他物質(zhì)和裝置將調(diào)整裝置330固定在空腔320中，所述其他物質(zhì)和裝置包括但不限于，機(jī)械夾具和響應(yīng)于電能或電磁能的可凝固介質(zhì)。傳感器部分420可以包括力響應(yīng)傳感器和相關(guān)的用于估算偏壓調(diào)整裝置(未顯示)施加于鉆頭調(diào)整裝置330上的扭矩和/或壓縮/拉伸的量的電子儀器。力響應(yīng)傳感器可以包括但限于下列中的一個或更多個(i)壓阻應(yīng)變儀，和(ii)偏轉(zhuǎn)元件。傳感器部分420還可以包括用于確定來自偏壓調(diào)整裝置(未顯示)的偏壓調(diào)整度的電子儀器，如圖5所 /Jn ο圖5顯示了包括在傳感器部分420中的電子儀器500的電路圖。在該示例性實(shí)施例中，電子儀器500包括扭矩電橋510和壓縮電橋520，所述扭矩電橋和壓縮電橋均由四個電阻兀件組成。在一些實(shí)施例中，扭矩電橋510和壓縮電橋520的電阻兀件的電阻值之一可以以配置成分別指示鉆頭扭矩扭矩偏壓和鉆壓壓縮/拉伸偏壓的量的至少一個力響應(yīng)傳感器為基礎(chǔ)。扭矩電橋510可以利用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的典型電橋電路結(jié)構(gòu)形成，并沿著該扭矩電橋510的一組對角連接于正基準(zhǔn)輸入530和負(fù)基準(zhǔn)輸入540以及沿著電橋扭矩計510的剩下的一組對角連接于正信號輸出550和負(fù)信號輸出560。在一個實(shí)施例中，扭矩電橋510配置成在鉆頭扭矩偏壓大約為零時是電平衡的。類似地，壓縮電橋520可以利用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的典型電橋電路結(jié)構(gòu)形成，并沿著該壓縮電橋520的對角連接于正基準(zhǔn)輸入530和負(fù)基準(zhǔn)輸入540以及沿著壓縮電橋520的剩下的一組對角連接于正信號輸出570和負(fù)信號輸出580。在一個實(shí)施例中，壓縮電橋520配置成在鉆壓偏壓大約為零時是電平衡的。電橋電路的使用僅僅是示例性的和說明性的，依照本發(fā)明的實(shí)施例可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的許多平衡電路來實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，扭矩電橋和壓縮電橋可以使用不同的組的基準(zhǔn)輸入。在一些實(shí)施例中，電橋510、520可以用來將鉆壓偏壓/鉆頭扭矩偏壓調(diào)整至除了大約零之外的希望值。圖6顯示了依照本發(fā)明的一個實(shí)施例的示例性方法600。在方法600中，在步驟610，在鉆柄248上形成空腔320，該空腔的大小制作為用于容納鉆頭調(diào)整裝置330。然后，在步驟620，可以將可凝固介質(zhì)注入到空腔320的底部中。在步驟630，可將鉆頭調(diào)整裝置330插入到空腔320中。在步驟640，可以將可凝固介質(zhì)注入，以至少部分地覆蓋偏壓調(diào)整裝置330的頂部。在步驟650，將連桿450可操作地連接于一偏壓調(diào)整裝置，所述偏壓調(diào)整裝置配置成對連桿450施加下列中的一種(i )扭矩，(ii )壓縮力，和(iii )張力。在步驟660，向鉆頭調(diào)整工具330的電子儀器500供電。在步驟670，通過偏壓調(diào)整裝置(未顯示)向鉆頭調(diào)整裝置330施加作用力，直到電橋輸出(扭矩電橋510、壓縮電橋520，或根據(jù)需要，兩者都有)達(dá)到所希望的值(一般為大約零值)。以及，在步驟680，可以在可凝固介質(zhì)已經(jīng)凝固后，移除偏壓調(diào)整裝置，從而將鉆頭調(diào)整裝置330固定到鉆柄248內(nèi)。在一些實(shí)施例中，如果鉆柄248具有預(yù)先成形的、大小可容納鉆頭調(diào)整裝置330的空腔320，則可以不執(zhí)行步驟610。在一些實(shí)施例中，替換步驟620和640中的一個步驟或兩者的可凝固介質(zhì)的注入，鉆頭調(diào)整裝置330可以通過機(jī)械止擋或夾具固定在空腔320中。在一些實(shí)施例中，該方法可以包括，在移除偏壓調(diào)整裝置(未顯示)之后，在鉆柄248上安裝一蓋228的步驟。雖然上述公開內(nèi)容只指向本發(fā)明的一個實(shí)施方式，但是，各種修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員都是顯而易見的。目的在于，所有變形都包括在上述公開內(nèi)容中?！?br> 權(quán)利要求
1.一種用于調(diào)整傳感器偏壓的設(shè)備，其包括 傳感器本體，該傳感器本體包括 上部分，該上部分配置成與偏壓調(diào)整裝置可操作地耦合； 下部分，該下部分配置成附連于鉆柄；和 設(shè)置在所述下部分和上部分之間的傳感部分，其中，傳感部分包括至少一個測力計，所述測力計配置成指示鉆柄上作用力的大小。
2.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，還包括 一桿，該桿的一端連接于傳感器本體的所述上部分，而該桿的另一端配置成附連于一偏壓調(diào)整裝置。
3.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，還包括 用于將傳感器本體固定在鉆柄內(nèi)的固定元件。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述固定元件至少為下列之一(i)夾具，(ii)可凝固介質(zhì)，和(iii)環(huán)氧樹脂。
5.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中，所述作用力包括下列中的至少一種(i)壓縮力，(ii)張力，和(iii)扭矩。
6.一種用于調(diào)整傳感器偏壓的方法，包括 將一傳感器放置在鉆柄中的空腔內(nèi)； 將偏壓調(diào)整裝置可操作地耦合于傳感器； 將多個力輸入施加于傳感器；和 選擇多個力輸入中的力輸入，在所選擇的力輸入下，傳感器指示所希望的偏壓。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括 在鉆柄中形成一空腔。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括 用固定元件將傳感器固定在空腔內(nèi)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括 在固定所述傳感器之后移除偏壓調(diào)整裝置。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，對于固定元件，使用下列中的至少一種(i)夾具，(ii)可凝固介質(zhì)，和(i i i )環(huán)氧樹脂。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述傳感器包括 傳感器連桿和傳感器本體。
12.如權(quán)利要求6所述的方法，使用一連桿以可操作地耦合所述偏壓調(diào)整裝置和傳感器。
13.如權(quán)利要求6所述的方法，對于多個力輸入，使用下列中的至少一種(i)壓縮力，(ii)張力，和(iii)扭矩。
14.一種用于調(diào)整傳感器偏壓的方法，其包括 選擇輸入到傳感器的力輸入，所述力輸入使傳感器指示所希望的偏壓，所述傳感器設(shè)置在鉆柄的空腔內(nèi)，并且至少部分地由固定元件環(huán)繞，其中，所述力輸入是通過一偏壓調(diào)整裝置施加于傳感器的多個力輸入中的一個。
全文摘要
用于調(diào)整鉆頭中鉆壓/鉆頭扭矩傳感器偏壓的設(shè)備和方法。該設(shè)備可包括至少部分地設(shè)置在鉆柄的空腔中的鉆頭調(diào)整裝置。鉆頭調(diào)整裝置包括用于估算鉆壓/鉆頭扭矩偏壓的電子儀器和傳感器。該方法包括調(diào)整鉆頭的鉆壓/鉆頭扭矩傳感器偏壓。該方法可包括調(diào)整鉆頭調(diào)整裝置上的力，以調(diào)整鉆壓/鉆頭扭矩傳感器偏壓。該方法還可以包括，在實(shí)現(xiàn)所希望的鉆壓/鉆頭扭矩傳感器偏壓之后，將鉆頭調(diào)整裝置固定在鉆柄空腔內(nèi)。
文檔編號E21B44/00GK102884281SQ201180022865
公開日2013年1月16日 申請日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者T·T·鄭, E·沙利文 申請人:貝克休斯公司