用于深井的测量装置和钻井装置

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的测量装置和 根据权利要求16所述的钻井装置。

EP 0 102 672 B1已经公开了一种连接在深井钻柱上的测量装置， 其具有用于测量相关数据的电动操作测量单元，这种测量装置设计 成通过钻柱来提供电能。这种测量装置将土壤性质转换成电信号， 并驱动进入到土壤中，以进行土壤调查研究。由于测量装置设于钻 柱的末端，因此对于已知的测量装置而言，只能记录测量过的数据， 这些数据与围绕在钻柱末端的测量头周围的土壤区域相关。不可能 利用已知的测量装置来记录高于井筒底部以上的测量数据。

本发明的一个目的是研制出根据权利要求1的前序部分所述的 测量装置。

上述目的通过权利要求1的特征部分来实现。

原则上，这种测量装置可设于钻杆的任何所需位置。测量装置 可直接设置在钻头单元附近，从而可从井筒底部提取测量数据。在 一个钻杆上布置多个测量装置也是易于实现的。为了测量相关的数 据，可通过钻柱为测量装置提供电能。通过相同的方式将数据或信 号从测量装置传输至地面。在这种情况下，在地面设有计算装置， 测量装置电连接在计算装置上。在这种情况下，电连接首先用于从 测量装置至地面的数据传输或信号传输，其次还可用于传输控制命 令。

测量装置具有用于容纳并从而保护单个功能单元的恒定外壳。 为了能将其集成到钻柱或钻杆上或者将其连接在钻杆部分上，外壳 在其两端具有螺旋接头。这种螺旋接头最好具有内螺纹，使得外壳 从连接观点来看而对应于衬套。

测量装置的功能单元可具有相关的变换器，尤其是变压器，其 将测量单元所记录的测量信号进行转换，使得计算装置能正确地识 别具有与所供电能不同频率的转换信号。此外，计算装置还可设计 成使测量信号来源于测量单元的能量消耗。

根据应用情况，测量单元可具有多个用于记录各种数据的测量 仪器。在这种情况下，原则上可使用所有已知的测量和/或分析方法， 在这种情况下，当然要根据井筒中的条件来提供与相对应的稳健设 计。此外，单个的测量仪器可为模块化的设计，因此，根据需要， 如果测量装置用于不同的应用，那么一种测量仪器就可被另一种测 量仪器取代。

原则上，可将测量单元的传感器设于外壳的外侧，从而可从在 外侧流经外壳的介质中提取测量数据。然而，为了保护测量单元、 尤其是传感器或测量数据的拾取器，可行的方案是在外壳的流路径 中提供传感器。为了引导待研究的介质经过测量单元的传感器，提 供了至少一个电动操作泵，其流体连通式地连接在测量单元上。在 这方面，根据需要，为了将待研究的介质转移到环形空间或钻柱中， 最好将电动操作的两通阀设于测量单元的附近。

关于上述泵而言，可行的方案是提供至少一个过滤器和/或阀。 连接在上游的过滤器可较大程度地防止泵和/或传感器受到负面影 响。由于上游阀的原因，如果出于某些原因不想执行测量，并且没 有介质将到达测量装置时，通往泵的流路径能被密封起来是很重要 的。

虽然本发明可在钻探过程中提取测量数据，但是，原则上它还 可中断钻探操作达很短一段时间间隔，并在井筒底部区域进行介质 采样。出于这个目的，测量装置具有电动操作的、尤其是电动液压 操作的封隔器。提供了这种封隔器，以用于将环形空间分成高于封 隔器的部分和低于封隔器的部分。在这种情况下，这两个部分实际 上是密封的。在插入状态下，封隔器没有突出到外壳之外，或者只 是在很小程度上突出到外壳之外。在缩回的状态下，封隔器抵靠在 井筒壁上。为了达到实际的密封功能，封隔器具有多个封隔器部分， 其至少在插入状态下彼此至少部分地重叠。

为了一旦在封隔器缩回时提取试样，必须中断井筒泥浆的循环。 由于泥浆停滞，组成泥浆的悬浮颗粒可能下沉，并沉淀在封隔器的 上部。这在重新插入封隔器时可能会产生困难。为了消除这个问题， 在封隔器上方提供了尤其是电动操作式的润滑剂供给装置，在封隔 器部分处于缩回状态下或者当封隔器部分缩回时，通过该供给装置 可将一层润滑剂涂覆于封隔器部分的上侧。在这种情况下，这层润 滑剂首先可用作保护层，其次可用作滑动层，其有利于将封隔器重 新插入到外壳中。

如果在封隔器处于缩回状态下时井筒泥浆沉降到上部分，那么 这可能对封隔器造成极大的负载。出于这个原因，本发明提供了泵， 其设计成在封隔器的缩回状态下可降低封隔器下方的环形空间的高 度。在这方面，外壳通向测量装置的流入孔在这种情况下设在封隔 器的下方，而外壳的流出孔则位于封隔器的上方。

由于各种驱动的可能性，可行的方案是根据需要来提供电动操 作的控制单元，以便驱动功能单元。如果需要，在地面可通过计算 装置来驱动这种控制单元，在计算装置中显示、计算并处理测量数 据。

设置在地面的发电机通常用于为测量装置提供能量。为了确保 即使在发电机发生操作故障时测量装置也能运转，测量装置具有用 于应急电源的能量存储装置。最后，这种能量存储装置是设于外壳 中的充电电池。

以下将参照附图来描述本发明的示例性实施例，其中：

图1显示了导入到井筒中的钻柱的示意图，

图2显示了钻管的管端的示意图，

图3显示了部分衬套的示意图，

图4显示了部分钻管的横截面图，

图5显示了部分钻管的详图，

图6显示了衬套的详图，

图7显示了旋拧入衬套中的钻管的局部示意图，和

图8显示了根据本发明的测量装置的示意图。

图1显示了钻井装置1的示意图。钻井装置1具有设置在地面 的钻头2，以及在钻探状态下定位在井筒4中的钻柱3。钻头单元5 定位在钻柱3的下端。在所示的典型实施例中，通过导体7与定位 在地面上的计算装置8相连的测量装置6直接定位在钻头单元5的 上方。测量装置6可在钻探过程中记录测量数据，之后可通过计算 装置8直接计算这些测量数据。

在这种情况下，钻柱3本身包括大量的交替地设置的钻管10和 衬套11。所讨论的这类钻管10可具有长达10米或更长的长度，而 用于深井的钻柱3可具有几千米的长度。

图2和图4所示的详图显示了钻管10的一部分。钻管10具有 由导电材料制成的钻管体12。至少一条管状电导体7a穿过钻管体12， 所述管状电导体7a在末端、更准确地说是在两端与设在钻管体12上 的管状接触型接头13相连接，管状导体7a和管状接触型接头13与 钻管体12是电绝缘的。尤其如图4所示，管状导体7a固定在钻管的 内侧14上。出于这个目的，在钻管内侧14上设有用于管状导体7a 的纵向凹槽15。在这种情况下，凹槽15是燕尾槽。然而，理论上， 任何其它的凹槽形状也都是可行的。凹槽15平行于钻管10的中心 轴线而延伸。在这种情况下，凹槽15的深度大于管状导体7a的外径。 管状导体7a通过绝缘体16而保持在凹槽15中。除了其用于固定的 功能之外，绝缘体16还具有电绝缘功能。除了绝缘体16以外，管 状导体7a还具有导体绝缘体17，其在管状导体7a的整个长度上延 伸。如进一步从图4中可看出，电绝缘层18气相沉积在钻管内侧14 的整个表面上，并且还覆盖凹槽15和管状导体7a。绝缘层18施加 在钻管内侧14的整个表面上。

管状接触型接头13设于钻管10管端的前面19上。在这种情况 下，即使以下没有更详细描述，但在钻管体12的两端当然都设有相 应的管状接触型接头13。管状接触型接头13具有圆周设计，并且具 有接触环的形式。此外，管状接触型接头13设置在绝缘环20上， 而绝缘环20承靠在前面19上。由弹性材料制成的绝缘环20具有用 于容纳管状接触型接头13的环形槽21。在这种情况下，环形槽21 比管状接触型接头13的高度更深。

此外，在这种情况下，管状接触型接头13在远离前面19的方 向上、即在朝向衬套11的方向上承受弹簧负荷，衬套11连接在钻 管10上。

上面设有外螺纹23的销22定位在钻管10的两个管端。在其末 端与钻管外侧25相融合的台肩24定位在具有外螺纹23的销22之 间。周向密封件26定位在台肩24和外螺纹23之间的过渡部位，在 这种情况下，周向密封件26是O形环。作为密封件26的替代或者 作为所述密封件之外的附加密封，还可在台肩24上设置环形密封件。

图4和图6所示的详图显示了衬套11的一部分。衬套11具有 由导电材料制成的衬套体27。衬套电导体7b穿过衬套体27，并且 在末端、更精确地说是在衬套体的两端连接在衬套接触型接头28上， 即使这并没有特别显示出。衬套导体7b和衬套接触型接头28与衬 套体27电绝缘。

衬套导体7b固定在衬套内侧29上。出于这个目的，在衬套体27 的衬套内侧29上设有纵向凹槽30。凹槽30具有与凹槽15相同的设 计。此外，凹槽30平行于衬套11的中心轴线而延伸。图中并没有 显示衬套导体7b经由绝缘体而铸入凹槽30中，并且受到导体绝缘 体的保护。此外，如同钻管内侧14的情形一样，在衬套内侧29上 气相沉淀了电绝缘层31，所述绝缘层31也覆盖了衬套导体7b。

尤其如在图6中所示，衬套接触型接头28设于前面台肩32上。 台肩32定位在内螺纹33和衬套内侧29之间。衬套接触型接头28 具有圆周式的设计，并且设置在绝缘环20上，绝缘环20承靠在台 肩32上。绝缘环20就类型和设计而言对应于钻管10上所设的绝缘 环20，即具有用于容纳衬套接触型接头28的环形槽21，该环形槽21 比衬套接触型接头28的高度更深。此外，衬套接触型接头28在远 离台肩32的方向上承受弹簧负荷。弹簧负荷可针对接触型接头13，28 来设计，使得一个或多个弹簧、例如小螺旋压缩弹簧可作用在接触 型接头的相应下侧上。此外，弹簧舌尖可设于相应的接触型接头上。 弹簧舌尖原则上可以指向内和/或指向外，在这种情况下，向外指向 的弹簧舌尖可突出到实际的接触型接头之外，并实现电接触。

在这种情况下，周向密封件35定位在衬套体27的外前面34上。 外前面34定位在内螺纹33和衬套外侧36之间。

上述钻管10和衬套11以及管状导体7a和衬套导体7b一起形成 了借助于钻柱3来进行传输的两极能量和数据传输系统。在这种情 况下，一极由包括钻管体12和衬套体27的钻柱体形成，而另一极 由导体7形成，导体7包括管状导体7a和衬套导体7b以及接触型接 头13和28。根据本发明的系统还提供了钻柱3以及两极可根据需要 而延伸扩展的优点，这是因为钻管10通过螺纹连接在衬套11上， 因此一方面经由接触型接头13，28，并且另一方面经由钻管体12及 衬套体27的材料而形成了电连接。

通过设于第一钻管10上的滑环集电器(没有显示)为导体7供应 能量，并从该导体7中分接出数据。滑环集电器连接在管状导体7a 上，并与钻管体12绝缘。滑环集电器又连接在计算装置8上，而钻 柱体形成接地连接。

图8显示了测量装置6的示意图。在这种情况下，测量装置6 连接在钻柱3的最后钻管10上。在这种情况下，测量装置6具有电 动操作的测量单元40，利用该测量单元可测量与岩石状态、井筒泥 浆或所获得原料相关的数据。在这种情况下，通过上述导体7可为 测量装置6提供电能。在这种情况下，即使没有特别显示出，测量 装置6当然也具有对应于接触型接头13，28的接触型接头，以及导体 7的延长线。

测量装置6具有其中可容纳测量单元40和其它功能单元的外壳 41，以下将更详细地解释这些功能单元。在任何情况下，外壳41在 其两端都具有用于连接钻杆和钻头5的螺旋接头42，43。螺旋接头 42，43对应于衬套11的螺旋接头。然而，原则上提供其它螺旋接头 也是可行的，尤其是那些具有外螺纹的接头。最后，唯一重要的是， 测量装置6可集成在钻柱3上。

测量装置6具有变换器44，其用于对测量单元40所记录的测量 信号进行转换，以便之后将其传送到计算装置8上。图中没有显示 测量单元40可具有多个不同的测量仪器，用于记录各种与相关介质 有关的数据。单个的测量仪器应该具有模块化的设计，因此可根据 需要来更换测量仪器。在所示的典型实施例中，传感器或测量数据 的拾取器设于外壳41中的流路径45中。然而，原则上也可通过外 壳41中的外孔将测量数据的拾取器向外引向环形空间中。

此外，提供了电动操作的泵46，其经由流路径45而为测量单元 40提供待研究的介质。为了将待研究的介质根据需要而转移到环形 空间中或经由钻柱3传输，在测量单元40上方设有带至少一个两通 阀的电动操作式阀单元47。出于这个目的，在外壳41上设有相应的 流出孔48。在这种情况下，至少一个过滤器49和阀单元50连接在 泵46的上游。阀单元50用于密封在外壳41上所设的流入孔51。

此外，还提供了一种电动液压式的封隔器52。这种封隔器52具 有图中未详细示出的多个封隔器部分。在封隔器52的插入状态下， 如图8中所示，封隔器部分至少部分地彼此重叠。封隔器52总体上 设计成在缩回状态下，它可将环形空间分成上部和下部，并且在处 理过程中至少基本上将这些封隔器部分密封起来。润滑剂供给装置53 直接位于封隔器52上方，用于为缩回状态下的封隔器部分的上侧提 供一层润滑剂。润滑剂供给装置53可电动操作或机械式操作。如果 当封隔器部分缩回时启动润滑剂供给，那么机械式操作的润滑剂供 给装置最好机械式地连接在封隔器52上。

此外，在这种情况下，测量装置6具有用于驱动单个功能单元 的控制单元54，以及能量存储装置55(如果有必要)。

此外，上述功能单元当然并不必以所示的顺序进行布置。只要 测量装置6的操作不会导致问题，那么也可以选择其它的布置。然 而必需注意，封隔器52定位在下方流入孔51和上方流出孔48之间， 以便可以通过泵46来降低在缩回的封隔器52下方的环形空间的水 平高度。

此外，形成流路径45并具有通孔的钻杆部分定位在外壳41中， 该通孔使钻柱3或其中的开孔与钻头单元5相通。此外，流出孔48 和流入孔51与形成流路径45的钻杆部分相通。在这种情况下，关 闭该通孔的止回阀56定位在该钻杆部分的末端。所述止回阀56具 有电驱动装置(未显示)。

图中没有详细显示测量装置6的各单独功能单元都电连接在上 述两极上，就测量单元40或控制单元54而言，这可实现电能供给 以及可与计算装置8进行数据交换。

除了其中钻杆通向测量装置6的外壳41的上述实施例之外，原 则上测量装置6还可具有通道管部分，其在两端连接在钻柱上，或 者一端连接在钻柱上而另一端连接在钻头单元5上。之后，介质经 过外壳中的相应流路径，并且在处理过程中为了分析的目的还经过 测量单元40。在这种情况下，也可采取措施，使已测量过的介质输 出至钻杆或者进入环形空间内。在这种情况下，就需要相应的通向 钻杆的阀单元。

本发明可实现在钻探之前、过程中和之后持续地测量井筒中的 介质状态。数据可在计算装置8中即时地进行计算。这样，就可以 毫无延迟地识别例如钻探过程中的水文变化，并且还可即时地进行 采样。出于这个目的，在所示实施例中，在封隔器52缩回的同时， 止回阀56封闭底部的钻管。一旦阀单元47关闭了流出孔48，泵46 然后就将介质通过钻杆而传送到地面。