本公開一般涉及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，且更具體地涉及用于將伽馬輻射傳感器封裝在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的旋轉(zhuǎn)部分中的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

通常從可能位于陸上或近海的地下地層獲得烴類物，諸如石油和天然氣。在從地下地層中移除烴類物中涉及的地下操作的開發(fā)以及過程通常涉及許多不同步驟，諸如，例如在期望井位鉆井筒、處理井筒以優(yōu)化烴類物的生產(chǎn)，并進(jìn)行從地下地層生產(chǎn)并處理烴類物的必要步驟。

為了各種目的(包括勘探鉆井以定位不同自然資源的地下沉積物、提取這些沉積物的采礦操作，以及安裝地下公用設(shè)施的建設(shè)項目)而建立井筒。通常垂直鉆井筒通過地下地層。然而，在許多應(yīng)用中，期望鉆具有垂直偏離或水平幾何形狀的井筒。用于鉆水平垂直偏離和其它復(fù)雜鉆孔的眾所周知的技術(shù)是定向鉆井。定向鉆井通常以鉆孔的方法為特點(diǎn)，其特征在于，地球中鉆孔的路線的至少一部分處于除了嚴(yán)格垂直外的方向，即軸與垂直平面成角度(稱為“垂直偏離”)，并且被導(dǎo)向在方位平面中。

各種選項可用于為鉆井工具提供導(dǎo)向能力，以控制并改變井筒的方向。例如，定向鉆井也可用“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向”鉆井系統(tǒng)來完成，其中整個鉆桿管柱從地表旋轉(zhuǎn)，這又使得井底鉆具組件(bha)旋轉(zhuǎn)，該井底鉆具組件包括鉆頭，連接至鉆桿管柱的端部。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中，當(dāng)鉆具通過由轉(zhuǎn)向裝置在期望方向(直接或間接地)被指向或推動而轉(zhuǎn)向時，鉆柱可旋轉(zhuǎn)。一些旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)包括相對于鉆柱不旋轉(zhuǎn)的部件，以便為期望方向提供參考點(diǎn)并為轉(zhuǎn)向裝置提供安裝位置。其它旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)可“完全旋轉(zhuǎn)”。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)可為定向鉆井操作提供相對較高轉(zhuǎn)向精度。

定向鉆井通常涉及在鉆井時控制并改變井筒的方向。通常，定向鉆井的目標(biāo)是通過鉆柱到達(dá)目標(biāo)地下目的地或地層內(nèi)的位置。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中的井下傳感器可用于評估鉆井通過的地層，以便確定應(yīng)進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的方向改變。一些井下工具利用伽馬檢測傳感器，這些傳感器被設(shè)計測量從地下地層發(fā)射的天然伽馬輻射量。這樣的信息可能是有用的，因為油層和含油的地層通常會比生產(chǎn)力較低的地層排放更多的伽馬輻射。不幸的是，伽馬檢測傳感器通常容納在鉆柱的非旋轉(zhuǎn)部分中，或者位于鉆頭的遠(yuǎn)處，使得難以使快速方向決定基于所感測的伽馬輻射。

附圖說明

為了更全面地了解本公開及其特征和優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參考結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，其中：

圖1是根據(jù)本公開的實施方案的具有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的鉆井系統(tǒng)的示意圖；

圖2是根據(jù)本公開的實施方案的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的部件的局部剖面?zhèn)纫晥D；

圖3是根據(jù)本公開的實施方案的圖2的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的部件的透視圖；

圖4是根據(jù)本公開的實施方案的圖2和圖3的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的伽馬感測部分的截面?zhèn)纫晥D；

圖5是根據(jù)本公開的實施方案的圖3和圖4的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的部件的前剖面視圖；

圖6是根據(jù)本公開的實施方案的具有用于促進(jìn)方位伽馬測量的兩個屏蔽部件的圖3的伽馬感測部的示意截面圖；

圖7是根據(jù)本公開的實施方案的具有用于促進(jìn)方位伽馬測量的四個屏蔽部件的圖3的伽馬感測部的示意截面圖；和

圖8是示出根據(jù)本公開的實施方案的用于操作旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的伽馬感測部件的方法的過程流程圖。

具體實施方式

本文詳細(xì)描述本公開的說明性實施方案。為了清楚起見，在本說明書中沒有描述實際實施方式的所有特征。當(dāng)然，應(yīng)理解，在任何這樣的實際實施方案的開發(fā)中，必須做出許多實施方式具體的決定來實現(xiàn)開發(fā)者的具體目標(biāo)，諸如遵守與系統(tǒng)相關(guān)和業(yè)務(wù)相關(guān)的約束，這些約束將在一個實施方式與另一實施方式間變化。此外，應(yīng)理解，這樣的開發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗時的，但是對于受益于本公開的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，這將是常規(guī)任務(wù)。此外，以下實施例決不應(yīng)被視為限制或限定本公開的范圍。

根據(jù)本公開的某些實施方案可涉及以下系統(tǒng)和方法：其用于在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的旋轉(zhuǎn)部分中感測伽馬輻射，以在鉆井時測量地層的自然伽馬輻射。這種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具通常用于進(jìn)行定向鉆井操作。定向鉆井通常涉及在鉆井時控制并改變井筒的方向。通常，定向鉆井的目標(biāo)是通過鉆柱到達(dá)目標(biāo)地下目的地或地層內(nèi)的位置。例如，可控制鉆井方向以將井筒導(dǎo)向期望目標(biāo)目的地，以水平地控制井筒以將其保持在期望產(chǎn)油層內(nèi)，或者校正與期望或預(yù)定路徑的不希望或不期望偏離。在鉆井操作期間，經(jīng)常對井筒的方向進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)計劃的方向變化或補(bǔ)償井筒的意外或不希望的偏轉(zhuǎn)。

地層中自然發(fā)射的伽馬輻射可提供對通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆穿的地層的組成和可取性的了解。因此，期望進(jìn)行伽馬射線測量，以便在鉆井時通知關(guān)于控制和改變井筒的方向的決定。許多旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具根本沒有伽馬檢測功能。其它現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具可與設(shè)置在鉆柱中更高位置以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)伽馬測量的地層評估工具(帶有伽馬傳感器)一起工作。然而，為了基于伽馬測量做出更好的地理導(dǎo)向決定，可能期望經(jīng)由鉆頭處或附近的伽馬檢測傳感器進(jìn)行這些測量。鉆頭附近的測量可允許最準(zhǔn)確和最快的導(dǎo)向決定，以用于繼續(xù)鉆穿期望地層或避開某些類型的地層。然而，目前，在鉆頭附近具有伽馬傳感器的任何工具都具有位于鉆柱的非旋轉(zhuǎn)部分中的這些傳感器。

所公開的實施方案涉及此等工具的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和伽馬傳感器部分，其被設(shè)計為解決這些缺點(diǎn)。本文公開的系統(tǒng)可包括閃爍檢測傳感器，該閃爍檢測傳感器安裝在耦接至旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸和/或電子插件的壓力套筒組件中。傳感器可各自安裝在被設(shè)計為提供大氣壓環(huán)境的相應(yīng)壓力套筒中。壓力套筒可各自隨驅(qū)動軸和電子插件旋轉(zhuǎn)。下面描述的系統(tǒng)的布置可促進(jìn)在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的旋轉(zhuǎn)部分處進(jìn)行相對較高靈敏度測量。

在一些實施方案中，所公開的伽馬傳感器部分可用于基于經(jīng)由布置在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的驅(qū)動軸周圍的伽馬檢測傳感器收集的感測到的伽馬輻射量而在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的旋轉(zhuǎn)部分處進(jìn)行批量伽馬測量。在其它實施方案中，伽馬傳感器部分可配備一個或多個屏蔽部件(例如，鎢屏蔽件)，該屏蔽部件可被定位在各個探測器包裝的伽馬檢測傳感器周圍的可用空間中。屏蔽部件可防止某些伽馬檢測傳感器檢測從井筒內(nèi)的某些方向發(fā)射的伽馬輻射。因此，可利用伽馬傳感器部分的這種布置來確定在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的旋轉(zhuǎn)部分處的方位(即定向)伽馬測量。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，圖1示出根據(jù)本公開的各方面的通常指定為10的定向鉆井系統(tǒng)。關(guān)于勘探和/或回收諸如石油和天然氣的地下烴沉積物的鉆井操作，討論了許多公開的概念。然而，所公開的概念不限于此，且可應(yīng)用于其它鉆井操作。為此，本公開的各方面不一定限于圖1中呈現(xiàn)的布置和部件。例如，在不脫離本公開的預(yù)期范圍和精神的情況下，本文呈現(xiàn)的許多特征和方面可應(yīng)用于水平鉆井應(yīng)用和垂直鉆井應(yīng)用中。

圖1中示出的定向鉆井系統(tǒng)10包括由鉆臺14支撐的塔架或“井架”12。鉆臺14可支撐以期望轉(zhuǎn)速驅(qū)動以向鉆柱18提供旋轉(zhuǎn)力的旋轉(zhuǎn)臺16。鉆柱18(其可包括鉆桿部分20)從旋轉(zhuǎn)臺16向下延伸至定向井筒22中。如圖所示，井筒22可沿多維路徑或“軌跡”行進(jìn)。圖1的井筒22的底部24的三維方向由指向矢量26表示。

鉆頭28通常附連至鉆柱18的井下遠(yuǎn)端。當(dāng)旋轉(zhuǎn)(例如經(jīng)由旋轉(zhuǎn)臺16)時，鉆頭28可操作以分解并大體上瓦解地質(zhì)構(gòu)造30。鉆柱18可例如經(jīng)由通過滑輪系統(tǒng)(未示出)的方鉆桿接頭34、旋轉(zhuǎn)件36和管線38耦接至“絞車”起重設(shè)備32。絞車32可包括各種部件，諸如滾筒、一個或多個電動機(jī)、減速齒輪、主制動器和輔助制動器。在鉆井操作期間，在一些實施方案中，絞車32可被操作以控制鉆頭28上的重量和鉆柱18進(jìn)入井筒22的穿透速率。絞車32的操作通常是公知的，因此在這里沒有詳細(xì)描述。

在鉆井操作期間，合適的鉆井液(通常稱為“泥漿”)40可在壓力下由液壓“泥漿泵”44循環(huán)而從泥漿坑42出來并進(jìn)入井筒22中通過鉆柱18。鉆井液40可包括例如水基泥漿、油基泥漿、合成基泥漿以及氣態(tài)鉆井液。鉆井液40可經(jīng)由流體導(dǎo)管(通常稱為“泥漿管線”)46和方鉆桿接頭34從泥漿泵44穿過進(jìn)入鉆柱18中。鉆井液40可在井筒底部24處通過鉆頭28中的開口或噴嘴排出，并且通過鉆柱18和井筒22的壁之間的環(huán)形件48朝向表面在“井口”方向循環(huán)。當(dāng)鉆井流體40接近旋轉(zhuǎn)臺16時，它可經(jīng)由返回管線50排放至泥漿坑42中。適當(dāng)?shù)夭渴鹪诰?2的表面上的各種表面?zhèn)鞲衅?2可單獨(dú)操作或與部署在井筒22內(nèi)的井下傳感器一起操作，以提供關(guān)于各種鉆井相關(guān)參數(shù)的信息，諸如流體流速、鉆頭重量和吊鉤負(fù)載等。

表面控制單元54可經(jīng)由傳感器或變換器56(其可放置在流體管線46上)從表面和井下傳感器和裝置接收信號。表面控制單元54可操作以根據(jù)提供至表面控制單元54的編程指令來處理這樣的信號。表面控制單元54可經(jīng)由一個或多個輸出裝置58(諸如顯示器、計算機(jī)監(jiān)視器、揚(yáng)聲器、燈等)向操作人員呈現(xiàn)期望的鉆井參數(shù)和其它信息(其由操作人員用于控制鉆井操作)。表面控制單元54可包含計算機(jī)、用于存儲數(shù)據(jù)的存儲器、數(shù)據(jù)記錄器和其它已知和下文開發(fā)的外圍裝置。表面控制單元54還可包括模型并且可根據(jù)編程指令處理數(shù)據(jù)，并且響應(yīng)通過合適輸入裝置60(其可以是鍵盤、觸摸屏、麥克風(fēng)、鼠標(biāo)、操縱桿等的性質(zhì))輸入的用戶命令。

在本公開的一些實施方案中，旋轉(zhuǎn)鉆頭28附接在井底鉆具組件(bha)62的遠(yuǎn)端處。在所示實施方案中，bha62可耦接在鉆柱18的鉆頭28和鉆桿部分20之間。bha62可包括旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在圖1中大致表示為64，具有用以提供關(guān)于地層30和井下鉆井參數(shù)的信息的各種傳感器。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64中的傳感器可包括但不限于用于測量鉆頭附近的地層電阻率的裝置、用于測量地層伽馬射線強(qiáng)度的伽馬射線裝置、用于確定鉆柱的傾斜度和方位角的裝置，和用于測量井下鉆井液壓力的壓力傳感器。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64還可包括用于測量沖擊、振動、扭矩、遙測等的附加/替代感測裝置。上述裝置可將數(shù)據(jù)發(fā)射至井下發(fā)射器66，該井下發(fā)射器又將數(shù)據(jù)向井口發(fā)射至表面控制單元54。在一些實施方案中，bha62還可包括隨鉆測量(mwd)系統(tǒng)或隨鉆測井(lwd)系統(tǒng)。

在一些實施方案中，泥漿脈沖遙測技術(shù)可用于在鉆井操作期間從井下傳感器和裝置傳送數(shù)據(jù)。在其它實施方案中，系統(tǒng)10可利用電磁遙測、聲學(xué)遙測和有線鉆桿遙測等。放置在泥漿供應(yīng)管線46中的變換器56可響應(yīng)于由井下發(fā)射器66發(fā)射的數(shù)據(jù)來檢測泥漿脈沖。變換器56又可響應(yīng)于泥漿壓力變化產(chǎn)生電信號，并將這些信號發(fā)射至表面控制單元54。在其它實施方案中，可利用諸如電磁和/或聲學(xué)技術(shù)或已知或以下開發(fā)的任何其它合適技術(shù)的其它遙測技術(shù)。作為實施例，可使用硬連線鉆桿在表面和井下裝置之間進(jìn)行通信。在另一實施例中，可使用所描述的技術(shù)的組合。如圖1所示，表面發(fā)射接收器68可使用例如所描述的任何發(fā)射技術(shù)(諸如泥漿脈沖遙測技術(shù))與井下工具通信。這可實現(xiàn)表面控制單元54和下述的井下工具之間的雙向通信。

根據(jù)本公開的各方面，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64可包括設(shè)置在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的旋轉(zhuǎn)部分中的伽馬檢測傳感器。類似技術(shù)可用于在鉆頭28附近的其它井下部件(例如，定向鉆頭附近的bha62)的旋轉(zhuǎn)部分中提供伽馬檢測傳感器。通過將伽馬檢測傳感器放置在靠近鉆頭的井下系統(tǒng)的可旋轉(zhuǎn)部分中，伽馬檢測傳感器可在靠近鉆頭28的位置處提供在井下地層內(nèi)檢測到的伽馬輻射的相對精確的測量。因此，可基于所檢測的伽馬輻射相對快速地進(jìn)行控制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的軌跡，以將井筒22推進(jìn)到地層30的期望區(qū)域中。

圖2是所公開的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的實施方案的更詳細(xì)說明。除了其它之外，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64還可包括驅(qū)動軸90、電子插件組件92和伽馬傳感器組件94。當(dāng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64在使用時，驅(qū)動軸90可耦接在圖1的鉆柱18和鉆頭28之間。在一些實施方案中，驅(qū)動軸90可包括在其一端形成的鉆柱連接件96(用于將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64耦接至鉆柱)。

電子插件組件92可包括設(shè)置在各種電子裝置100周圍的殼體98，所述電子裝置可用于處理來自井下感測部件的信號和/或控制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的操作。電子裝置100可包括一個或多個處理器部件、存儲器部件、存儲部件，和設(shè)計為用于執(zhí)行與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向感測和控制相關(guān)的各種指令的其它部件。例如，電子裝置100可包括信號處理器，該信號處理器被編程為接收指示由伽馬傳感器組件94從地層發(fā)射的伽馬輻射的檢測量的信號。此外，電子裝置100可包括一個或多個處理器，該處理器被編程為執(zhí)行用于基于從表面接收的信號和/或從伽馬傳感器組件94接收的信號輸出控制信號以調(diào)整旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的軌跡的指令。此外，電子裝置100可包括存儲部件，該存儲部件用于存儲在一段時間內(nèi)經(jīng)由伽馬傳感器組件94檢測的伽馬輻射量的對數(shù)。電子插件組件92內(nèi)可能還存在其它電子裝置100。

電子插件組件(或插件)92的殼體98可用作用于將電子裝置100保持在期望壓力下的壓力容器。將插件92保持在該期望壓力(例如，大氣壓)下可促進(jìn)在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64沿井筒向下設(shè)置時設(shè)置在其中的電子裝置100的操作。在一些實施方案中，殼體98的壁可相對較厚，以便適應(yīng)插件92的期望內(nèi)部壓力。驅(qū)動軸90可延伸通過形成于電子插件92中的孔。插件92可(例如，經(jīng)由連接部件101)耦接至驅(qū)動軸90，從而使插件92能夠響應(yīng)于用于轉(zhuǎn)動鉆頭的驅(qū)動軸90的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。

伽馬傳感器組件94可以是與保持電子裝置100的插件組件92完全分離的部件。伽馬傳感器組件94可以是包括設(shè)置在其中的一個或多個伽馬檢測傳感器102的基于探測器的組件。術(shù)語“探測器”可指與其它傳感器分開包含的封裝傳感器。伽馬檢測傳感器102可被成形為沿旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的軸線104縱向?qū)?zhǔn)的細(xì)長管。如圖所示，伽馬檢測傳感器102可圍繞驅(qū)動軸90(其延伸通過伽馬傳感器組件94)的周邊周向地設(shè)置。

如下面詳細(xì)描述，伽馬傳感器組件94還可包括用于將各個伽馬檢測傳感器102隔離在期望壓力下的壓力套筒組件106。在壓力套筒組件106中使用的探測器的壁可比插件92的殼體98相對更薄。除了由壓力套筒組件106限定的各個探測器的壁之外，伽馬傳感器組件94也可設(shè)置在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的殼體108中。雖然殼體108通常不被構(gòu)造為用作壓力容器，但該殼體108可用于保持插件電子裝置以及傳感器設(shè)備。

伽馬傳感器組件94可耦接至驅(qū)動軸90和/或耦接至插件組件92，以便可響應(yīng)于驅(qū)動軸90的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。為此，伽馬傳感器組件94可包括用于將伽馬傳感器組件94固定至插件92的遠(yuǎn)端和/或驅(qū)動軸90的外周邊的連接器部件110。在其它實施方案中，連接器的不同類型或布置可用于將伽馬傳感器組件94耦接至驅(qū)動軸90和/或插件組件92。如圖所示，驅(qū)動軸90可延伸通過形成于伽馬傳感器組件94中的孔。

在目前公開的實施方案中，伽馬傳感器組件94可響應(yīng)于驅(qū)動軸90的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，且伽馬傳感器組件94可設(shè)置在與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64一起使用的鉆頭附近。例如，在所示的實施方案中，伽馬傳感器組件94可位于插件組件92和設(shè)計為與鉆頭耦接的驅(qū)動軸90的端部之間。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的其它實施方案可包括沿工具64的長度相對于彼此構(gòu)成工具64的部件的其它相對布置。

所公開的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64可使用位于靠近鉆頭處的伽馬傳感器組件94來實現(xiàn)對來自地層的伽馬輻射的更有效實時測量。此外，通過使伽馬傳感器組件94能夠與驅(qū)動軸90一起旋轉(zhuǎn)，所公開的工具64可用于使用位于工具64的端部的相對精確伽馬傳感器組件94提供定向伽馬測量以及批量伽馬測量。基于探測器的設(shè)計還可在伽馬檢測傳感器102之間提供最小化厚度(且因此提供密度)。由于較少材料被阻擋進(jìn)入伽馬輻射，所以這種減小的密度可增加各個伽馬檢測傳感器102的靈敏度。此外，減小厚度可允許使用有效空間布置將更多伽馬檢測傳感器102設(shè)置在組件中。這可最終增加可通過伽馬傳感器組件收集的伽馬傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量。

圖3示出具有耦接至插件組件92的端部130的伽馬傳感器組件94的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的更詳細(xì)實施方案，其中驅(qū)動軸90延伸通過其中。如圖所示，伽馬檢測傳感器102可設(shè)置在構(gòu)成壓力套筒組件106的各個壓力套筒132中。

當(dāng)與更傳統(tǒng)基于插件的設(shè)計相比時，這種基于探測器的設(shè)計可有助于提高伽馬檢測傳感器102的壓力等級。即，伽馬檢測傳感器102可設(shè)置在壓力套筒組件106的各個壓力套筒132中的每個中，而不是伽馬檢測傳感器102全部都設(shè)置在較大插件殼體98上。插件92可利用相對厚壁殼體98，以便將較大壓力容器(插件92)保持在期望壓力下。然而，由于壓力套筒132的體積較小(與插件92相比)，所以各個包含的伽馬檢測傳感器102可各自經(jīng)由尺寸較小的壁厚的壓力套筒132保持在期望大氣壓力下。因此，伽馬檢測傳感器102可被布置為使得較少材料設(shè)置在傳感器102和來自地層的伽馬輻射之間，使得能夠經(jīng)由伽馬檢測傳感器102進(jìn)行更敏感數(shù)據(jù)測量。

此外，基于探測器的設(shè)計可提供對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的一個或多個伽馬檢測傳感器102的相對容易的進(jìn)入以進(jìn)行服務(wù)、維護(hù)、修理等。這是因為伽馬檢測傳感器102可設(shè)置在較大電子插件組件92的外部。不用操作人員打開插件92的壓力容器殼體98，而是操作人員可只是從伽馬傳感器組件94移除非加壓殼體(例如，圖2中的108)以進(jìn)入各個伽馬檢測傳感器102。因此，操作人員可在伽馬檢測傳感器102上進(jìn)行評估、修理和任何其它期望的服務(wù)，而不必拆卸電子插件組件92。

設(shè)置在壓力套筒組件106中的伽馬檢測傳感器102的基于探測器的布置也可有助于簡化旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的組裝過程，因為伽馬檢測傳感器102不必裝配在保持電子裝置100的插件92。實際上，伽馬傳感器組件94的一些實施方案可重新裝配到具有插件92和驅(qū)動軸90(但沒有或限制的伽馬傳感器部件)的現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具上。為此，伽馬傳感器組件94可設(shè)置在工具的電子插件92附近的現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的驅(qū)動軸90上方。然后，伽馬傳感器組件94可(例如，使用將連接部件110耦接至端部130的螺栓)固定至插件92的端部130。電連接和其它連接可在連接部件110和插件組件92的端部130之間構(gòu)成。

如圖所示，伽馬傳感器組件94可配備螺栓134或者設(shè)置在一端處的連接部件110和另一端處的另一連接部件136(或端蓋)之間的一些其它連接器機(jī)構(gòu)。螺栓134通常可用于將壓力套筒132和端蓋136固定至電子插件92。連接部件/端蓋136也可用于將伽馬傳感器組件94耦接至鉆頭(未示出)。其它類型的連接器(例如電氣)和流體管線可設(shè)置在伽馬傳感器組件94的兩個連接部件110和136之間，以在插件組件92的部件和鉆頭的部件(或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的其它零件)之間提供期望連通。

圖5示出用于在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64中采集伽馬輻射讀數(shù)的伽馬傳感器組件94的截面圖。如圖所示，伽馬傳感器組件94可包括相對于軸線104設(shè)置在驅(qū)動軸90的相對側(cè)上的至少兩個伽馬檢測傳感器102。每個伽馬檢測傳感器102都可設(shè)置在相應(yīng)的壓力套筒132中，如上所述。在所示實施方案中，壓力套筒組件106的每個壓力套筒132可配備密封地設(shè)置在壓力套筒132的每個端部處的端蓋136的一部分，以便將壓力套筒132密封在期望壓力下。

伽馬檢測傳感器102可包括設(shè)計為當(dāng)由電離輻射(在本實施方案中具體是伽馬輻射)激勵時發(fā)射能量的閃爍體傳感器。在一些實施方案中，伽馬檢測傳感器102可各自包括耦接至閃爍體的光電倍增管(pmt)。在其它實施方案中，伽馬檢測傳感器102可各自包括耦接至閃爍體的蓋革彌勒(gm)管以用于檢測來自地層的伽馬輻射。在一些實施方案中可期望使用pmt傳感器，因為這些類型的伽馬檢測傳感器102可在相對較高壓差(例如井下壓力)下操作。此外，pmt傳感器當(dāng)前是以具有截面積(例如，大約1英寸的直徑)(其可容易地裝配到所公開的壓力套筒組件106的壓力套筒132中，而不會影響傳感器的壓力等級)的尺寸生產(chǎn)。即，pmt傳感器的尺寸被設(shè)計為放置在壓力套筒132中，而不需要具有相對較大直徑和隨后較大壁厚的壓力套筒。相反，pm傳感器可允許壓力套筒132的相對較小壁厚，從而降低伽馬檢測傳感器102周圍的材料的密度，并確保伽馬檢測傳感器102的高有效靈敏度。

在所示實施方案中，伽馬檢測傳感器102可包括pmt傳感器。在這些傳感器中，光電倍增管晶體152可設(shè)置在伽馬檢測傳感器102中，并且該晶體152可響應(yīng)于吸收伽馬射線的傳感器而發(fā)光。在一些實施方案中，伽馬檢測傳感器102可包括用于感測從晶體152發(fā)射的光并輸出指示所檢測的伽馬輻射的信號的光檢測器。在其它實施方案中，伽馬檢測傳感器102可包括能夠從傳感器102向外移動的光纖或類似類型的纜線。伽馬傳感器組件94可包括通過連接部件110而形成的通路154，該通路通向每個相應(yīng)的伽馬檢測傳感器102，以便促進(jìn)來自伽馬檢測傳感器102的傳感器信號傳送至插件組件中的電子裝置。

伽馬檢測傳感器102可在所公開的伽馬傳感器組件94中具有任何期望長度。通常，具有較長長度的檢測傳感器102可以比相同直徑和較短長度的傳感器高的靈敏度進(jìn)行操作。具體而言，根據(jù)傳感器類型，晶體152的長度尺寸156與直徑尺寸158的較高比率可通常與傳感器的較高靈敏度相關(guān)，達(dá)到一定極限。例如，給出最大靈敏度的晶體長度與直徑的長寬比在pmt中可以是約6比1。因此，可能期望用盡可能長的伽馬檢測傳感器102構(gòu)建伽馬傳感器組件94。如圖所示，伽馬檢測傳感器102可被布置為與壓力套筒組件106內(nèi)的軸線104成縱向?qū)?zhǔn)。

圖5示出在垂直于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的縱向軸線104的方向截取的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的剖視圖。在所示實施方案中，伽馬傳感器組件94包括多個伽馬檢測傳感器102?？善谕谫ゑR傳感器組件94內(nèi)布置盡可能多的伽馬檢測傳感器102，以便增加對井筒環(huán)境中的批量伽馬輻射的整體工具敏感性。

由于布置伽馬傳感器組件94的空間的限制，所示實施方案可包括四個伽馬檢測傳感器102，每個伽馬檢測傳感器各自設(shè)置在相應(yīng)的壓力套筒132中。壓力套筒132可圍繞軸線104以彼此90度的角度布置在壓力套筒組件106中。壓力套筒132可圍繞驅(qū)動軸90的周邊周向定位。在其它實施方案中，各個伽馬檢測傳感器102的其它數(shù)量和相對布置可用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的所公開伽馬傳感器組件94。

在所示實施方案中，伽馬傳感器組件94還可包括一個或多個電連接器170，這些電連接器設(shè)置在連接器部件110上，以在可選擇地耦接至插件組件92的各種電線之間提供期望通信連接。例如，電連接器170可包括六針連接器。電纜可耦接至一個或多個電連接器170，以在例如插件組件92和位于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64下方的液壓致動單元之間提供控制連通。這些連接器170連同液壓線路134可促進(jìn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的相對容易的組裝或改裝，這是因為它們允許旋轉(zhuǎn)伽馬傳感器組件94被添加在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的任何兩個部件之間(例如，靠近鉆頭)，同時仍然在這些部件之間提供所需連接。

如上所述，可期望使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64中的伽馬傳感器組件94來提供相對敏感的伽馬測量。這可使用所公開的基于探測器的伽馬傳感器設(shè)計以多種方式來實現(xiàn)。具體而言，在組件內(nèi)的伽馬檢測傳感器102的數(shù)量增加時，整個旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的伽馬測量靈敏度可增加。此外，由于伽馬檢測傳感器102和地層之間的材料量(即套筒或殼體厚度)的減少，所以測量靈敏度可增加?；谔綔y器的檢測組件利用壓力套筒132的明顯更薄殼體以及設(shè)置在壓力套筒132上方的可能另一殼體(與插件組件92的相對厚壁的殼體98相對)。低壓套筒厚度可設(shè)計在適當(dāng)壓力等級下，這允許更好地測量批量伽馬測量的靈敏度。

壓力套筒132的減小厚度可減小伽馬傳感器組件94內(nèi)的空間限制?？臻g限制的這種減少可促進(jìn)使用更靈敏的pmt(如圖所示)，而不是gm管。此外，由壓力套筒組件106吸收的減小空間可使得能夠整體地使用更多的伽馬檢測傳感器102，從而進(jìn)一步提高測量靈敏度。

增加伽馬傳感器組件94的靈敏度可導(dǎo)致提高識別地下地層的精度。這可增加旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的可靠性，以及減少在鉆井時評估地層所需的時間。減少的評估時間可使操作人員或控制器能夠作出更快轉(zhuǎn)向決定來調(diào)整并改善井筒位置。此外，如上所述，伽馬傳感器組件94可設(shè)置在靠近旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64的鉆頭處，從而使得系統(tǒng)能夠在鉆井操作期間精確地識別靠近鉆頭的位置的地層。此外，伽馬傳感器組件94可隨驅(qū)動軸90旋轉(zhuǎn)，并且因此，可提供考慮從地層內(nèi)的所有方向檢測的伽馬輻射的期望類型的測量。

在一些實施方案中，各個伽馬檢測傳感器102可不能確定伽馬射線從哪個方向發(fā)射。相反，伽馬檢測傳感器102能夠檢測伽馬射線與閃爍體晶體的碰撞。因此，當(dāng)伽馬射線到達(dá)閃爍體晶體的概率基于伽馬射線的行進(jìn)方向有差異時，可統(tǒng)計地確定伽馬射線源的方向。該概率差可通過屏蔽或衰減伽馬射線在特定方向到達(dá)伽馬檢測傳感器102來實現(xiàn)。

圖6示出伽馬傳感器組件94的一個實施方案，其中一個伽馬檢測傳感器102經(jīng)由屏蔽部件180在兩側(cè)被屏蔽。屏蔽部件180可以是由鎢形成的板或其它插件，或者是可衰減伽馬射線的一些其它材料。屏蔽部件180可用于縮小可經(jīng)由伽馬檢測傳感器102檢測的伽馬射線182的方位方向的范圍。

如圖6所示，屏蔽的伽馬檢測傳感器102能夠更容易地檢測來自伽馬檢測傳感器102周圍的一定方向或旋轉(zhuǎn)角度范圍的伽馬射線182。可相對于伽馬檢測傳感器102從相對側(cè)或相對角度范圍184發(fā)射的伽馬射線通?？杀黄帘尾考?80以及驅(qū)動軸90阻擋到達(dá)傳感器。因此，屏蔽部件180可促進(jìn)經(jīng)由屏蔽的伽馬檢測傳感器102對伽馬輻射的方位(或定向)測量。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具圍繞軸線旋轉(zhuǎn)伽馬傳感器組件94時，可隨工具在井筒內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部分的感測深度和/或取向來評估定向伽馬測量。

圖7示出使用設(shè)置在相鄰伽馬檢測傳感器102之間的多個屏蔽部件180的伽馬傳感器組件94的另一實施方案。應(yīng)注意，伽馬傳感器組件94內(nèi)的伽馬檢測傳感器102的基于探測器的布置可促進(jìn)這樣的屏蔽插件180的放置，而不用將大量散裝添加至包裝的傳感器組件94。實際上，如圖所示，所有屏蔽部件180都可大體上裝配在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的殼體108內(nèi)(在伽馬檢測傳感器102之間的位置中)。這些屏蔽部件180的任何期望數(shù)量或布置可用于提供期望定向伽馬測量。

在一些實施方案中，屏蔽部件180可移除地設(shè)置在伽馬傳感器組件94內(nèi)，同時旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具被構(gòu)造在車間位置處或在井場的表面處。在其它實施方案中，屏蔽部件180可被設(shè)計為在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具位于井下時選擇地致動到位。例如，屏蔽部件180可初始地定位在與伽馬傳感器組件94相鄰的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的另一部件內(nèi)，并且這些屏蔽部件180可從該位置液壓致動至伽馬檢測傳感器102之間的位置?？苫谝@得的所需類型的伽馬測量來控制屏蔽部件180至傳感器102之間的位置的該致動。即，當(dāng)要求批量伽馬測量時，控制部件可將屏蔽部件180致動至遠(yuǎn)離伽馬檢測傳感器102的位置。同樣，當(dāng)要求定向伽馬測量時，控制部件可將一個或多個屏蔽部件180致動至伽馬檢測傳感器102之間的位置中，以提供方位屏蔽。

所公開的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具64可獲得伽馬輻射傳感器數(shù)據(jù)，并且根據(jù)如圖8所示的方法190使用該數(shù)據(jù)來評估地層。應(yīng)注意，方法190的某些部分可作為計算機(jī)或軟件程序(例如，代碼或指令)來實施，所述計算機(jī)或軟件程序可由插件組件92中的電子處理器執(zhí)行，以執(zhí)行方法190的一個或多個步驟。此外，程序(例如，代碼或指令)可存儲在包括至少一個有形非暫時計算機(jī)可讀介質(zhì)(其至少共同地存儲這些指令或程序)的任何合適的制品中，諸如設(shè)置在電子插件組件92中的存儲器部件或存儲部件。

方法190可包括將伽馬檢測傳感器相對于彼此保持在固定位置(框192)，并且耦接在電子插件組件的端部和鉆頭之間。方法190還可包括響應(yīng)于驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)而使電子插件和伽馬檢測傳感器旋轉(zhuǎn)(框194)。此外，方法190可包括經(jīng)由傳感器檢測從地下地層發(fā)射的伽馬輻射(框196)，并且將指示從傳感器檢測的伽馬輻射的信號提供至插件組件中的電子裝置(框198)。

在接收到信號時，電子裝置可基于在一段時間內(nèi)相對于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在所有方向上采集的信號來確定批量伽馬測量(框200)。當(dāng)伽馬檢測傳感器(例如，pmt)具有較低靈敏度時，這種類型的數(shù)據(jù)采集可能相對容易實施，因為在工具旋轉(zhuǎn)時在信號中提供的計數(shù)量可能太低而不能提供立即反饋。為了確定批量伽馬測量，電子裝置可在相對較長采樣周期內(nèi)從每個傳感器接收信號，并在所有方向上平均測量。這可有助于解決由于傳感器的慢速計數(shù)引起的任何信號波動。雖然批量伽馬測量是來自各個方向的平均測量，但是鉆工可查看輻射水平變化的趨勢，以便決定在何處停止工具以根據(jù)需要進(jìn)行更具體的定向測量。批量伽馬測量可產(chǎn)生總傳感器測量的相對較高的組合計數(shù)率(或靈敏度)。

在其它實施方案中，在接收到信號時，電子裝置可在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具旋轉(zhuǎn)時確定定向伽馬測量(框202)?？墒褂镁哂休^高靈敏度(例如，計數(shù)率)的伽馬檢測傳感器來進(jìn)行相對精確的定向伽馬測量。為了確定特定方向上的伽馬測量，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具可包括用于在工具旋轉(zhuǎn)時確定定向測量的一個或多個傳感器。該定向測量可被跟蹤并記錄為傳感器組件相對于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的殼體(例如，大致靜止的外殼體)上的參考點(diǎn)的角度。可針對圍繞工具的軸線布置的不同角度區(qū)域進(jìn)行定向伽馬測量。這些角度區(qū)域可以許多方式布置，諸如使用軸線周圍的多個等尺寸的區(qū)域，或者使用多個不規(guī)則尺寸的較大和較小區(qū)域。電子裝置可解釋插件組件和參考點(diǎn)之間的相對旋轉(zhuǎn)。

在確定批量伽馬測量(200)或定向伽馬測量(202)之后，電子裝置組件可將測量存儲在工具上(框204)。在一些實施方案中，電子裝置組件可輸出用于控制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的偏轉(zhuǎn)或其它操作參數(shù)的控制信號(框206)，以(例如，響應(yīng)于定向伽馬測量)改變工具通過地層的軌跡。在其它實施方案中，電子裝置組件可生成指示伽馬測量(批量或定向)的信號并將其輸出至遙測模塊，以用于將信號傳送至表面控制部件。從這里，信號可向表面的操作人員提供記錄，并且在某些情況下，信號可用于控制鉆柱和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的旋轉(zhuǎn)速度。

本文公開的實施方案包括：

a.一種用于鉆取井筒通過地下地層的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具包括：驅(qū)動軸、壓力套筒組件，和伽馬檢測傳感器。驅(qū)動軸延伸通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具以用于轉(zhuǎn)動鉆頭。壓力套筒組件設(shè)置在鉆頭附近并且耦接至驅(qū)動軸并且可響應(yīng)于驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。伽馬檢測傳感器布置在壓力套筒組件內(nèi)以用于感測從地下地層發(fā)射的伽馬輻射。

b.一種用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的旋轉(zhuǎn)伽馬感測部分，其中旋轉(zhuǎn)伽馬感測部分包括：多個伽馬檢測傳感器、連接器部件，和壓力套筒組件。多個伽馬檢測傳感器用于檢測從地下地層發(fā)射的伽馬輻射。連接器部件耦接至多個伽馬檢測傳感器以用于將多個伽馬檢測傳感器相對于彼此保持在固定位置，并且用于將旋轉(zhuǎn)伽馬感測部分耦接至旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的可旋轉(zhuǎn)部件。連接器部件包括通過其中形成的孔以容納延伸通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的驅(qū)動軸。壓力套筒組件包括經(jīng)由連接器部件彼此耦接的多個壓力套筒，其中多個伽馬檢測傳感器中的每個都設(shè)置在多個壓力套筒中的相應(yīng)一個中。多個伽馬檢測傳感器、壓力套筒組件和連接器部件可響應(yīng)于驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)而繞軸線旋轉(zhuǎn)。

c.一種用于操作旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的方法包括：將多個傳感器相對于彼此保持在固定位置并且耦接至旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的可旋轉(zhuǎn)部件。方法還包括響應(yīng)于驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的鉆頭而使電子插件和多個傳感器旋轉(zhuǎn)。此外，方法包括經(jīng)由多個傳感器檢測從地下地層發(fā)射的伽馬輻射。此外，方法包括將指示從多個傳感器檢測到的伽馬輻射的信號提供至設(shè)置在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的電子插件中的電子裝置。

實施方案a、b和c中的每個都可具有組合的一個或多個以下附加要素：要素1：其中壓力套筒包括探測器。要素2：其中伽馬檢測傳感器包括光電倍增管、蓋革彌勒(gm)管或可裝配在探測器中的另一伽馬檢測傳感器。要素3：其中壓力套筒組件包括用于將伽馬檢測傳感器保持在大氣壓力下的壓力套筒。要素4：還包括布置在壓力套筒組件內(nèi)的多個伽馬檢測傳感器。要素5：其中壓力套筒組件包括圍繞驅(qū)動軸周向布置的多個壓力套筒，其中多個壓力套筒中的每個都保持多個伽馬檢測傳感器中的相應(yīng)一個，并且其中壓力套筒相對于驅(qū)動軸布置在縱向上。要素6：還包括連接器部件，所述連接器部件設(shè)置在壓力套筒組件的遠(yuǎn)端處，以用于將多個伽馬檢測傳感器中的每個都相對于彼此保持在固定位置，并且能夠使套筒組件響應(yīng)于驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。要素7：還包括插件組件，所述插件組件包括設(shè)置在電子裝置周圍的第一殼體，其中插件組件可響應(yīng)于驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，其中套筒組件耦接在插件組件和鉆頭之間。要素8：還包括設(shè)置在套筒組件周圍的第二殼體，其中第一殼體的厚度大于第二殼體的厚度。要素9：還包括電連接器，所述電連接器耦接在套筒組件和插件組件之間，以在液壓致動單元和插件組件的電子裝置之間提供電連通。要素10：還包括可移除屏蔽部件，所述可移除屏蔽部件設(shè)置在伽馬檢測傳感器附近以縮小伽馬檢測傳感器的方位檢測范圍。

要素11：其中每個多個壓力套筒的壁具有小于可旋轉(zhuǎn)部件的殼體厚度的厚度。要素12：其中多個伽馬檢測傳感器圍繞軸線周向布置。要素13：還包括設(shè)置在多個伽馬檢測傳感器之間的一個或多個屏蔽部件，以使多個伽馬檢測傳感器中的至少一個的方位檢測范圍變窄。要素14：還包括形成在連接器部件中的一個或多個電連接器。要素15：還包括從連接器部件延伸的一個或多個流體管線。

要素16：還包括：基于在一段時間內(nèi)經(jīng)由多個傳感器檢測到的指示在相對于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的所有方向上從地下地層發(fā)射的伽馬輻射的信號來確定批量伽馬測量。要素17：還包括將一個或多個屏蔽部件致動至多個傳感器之間的位置中，和基于指示相對于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在所有方向上從地下地層發(fā)射的伽馬輻射的信號來確定定向伽馬測量。

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