钻井时采集地层数据的方法和设备

本发明主要涉及深井例如用于开采石油产品的深井的钻进，特别是涉及在 进行钻井时地下地层数据象地层压力、地层渗透率和类似参数的采集。

在油井描述服务中，一部分标准地层评价参数主要涉及油藏压力和油藏岩 石的渗透率。现在采集作业主要是利用“地层测试器”工具通过电缆测井或者 通过钻杆测试来获得这些参数。这两种类型的测量方法均可应用于“裸眼井” 或者“下套管井”，它们均需要一个辅助的“起下钻作业”，例如：从井眼中 起出钻柱，把一个地层测试器下入到井眼内以采集数据，取出地层测试器后再 把钻柱下入到井眼内，用于进一步的钻进。因为以这种方式进行起下钻作业消 耗大量的钻时，通常只有在绝对地需要地层数据情况下才进行起下钻作业，或 者只有当换钻头或者其它原因时才进行起下钻作业。

在钻井过程中，获得的“实时”油藏地层数据是非常有价值的。钻井时获 得的实时地层压力将允许钻井工程师或者钻井工作者能更旱地确定钻井液比 重、组成以及钻进参数，从而使钻进工作安全进行。同样也希望获得实时地层 数据，以便精确控制钻头钻压与地层压力变化以及渗透率的变化之间的关系， 从而使得钻井作业可以在最高效率下进行。

因此，希望提供这样一种钻井方法和设备，使得当带有钻铤、钻头和其它 钻井构件的钻柱仍保持在井眼内时，也能够从感兴趣的地下区域采集地层参 数，因此消除或者减少了只是为了确定这些地层参数而把地层测试器下入到井 眼内的起下钻作业。也希望提供这样一种钻井方法和设备，该方法和设备在钻 进还在进行时就能够采集地层数据例如象压力、温度和渗透率等等，这种数据 采集方法和设备可以与所有已知的井眼钻进方法一起使用。

为了满足工业上长久以来的迫切需要，本发明的主要目的是提供一种采集 地下地层数据的新的方法和设备，其中采集地下地层数据与井眼钻井作业一起 进行，而不需要在井眼中进行起下钻作业。

本发明的另一个目的是提供一种在钻井作业时采集地下地层数据的新的 方法和设备。

本发明的另一个目的是提供一种井眼的钻进在进行时采集地下地层数据 的方法和设备。

本发明的另一个目的是提供一种采集地下地层数据的新的方法和设备，其 中把一个遥控数据传感器/发射器定位在井眼附近的地下地层，选择性地激励遥 控数据传感器用于对地层数据进行检测、记录和发射以及选择性地接收由钻杆 系统发射来的地层数据，从而显示给钻井人员。

本发明的另一个目标是提供一种新的方法和设备，其中利用一个或者多个 遥控“智能”地层数据传感器，该传感器把基本上是实时的地层数据发射到钻 铤或者探测棒内的数据接收器，该钻铤或者探测棒是钻柱的一个构件，能够把 接收到的数据通过钻柱发射到地面设备从而显示给钻井人员。

上述的目标以及其它不同的目的和优点通过一个方法和设备来实现，该方 法中包括一个井眼的钻进，该井眼具有一个带有钻铤的钻柱，钻铤上连接有一 个钻头。钻铤具有一个地层数据接收器和一个或者多个遥控数据传感器，该遥 控数据传感器能够检测和记录地层数据例如象温度、压力渗透率等等，以及用 于发射代表所检测的地层数据的信号。当钻铤接近一个选定的地下地层例如象 一个油藏地层时，激励该钻铤设备从而把至少一个数据传感器向外展开并越过 井眼从而定位在地下地层内，用于根据命令进行检测和发射地层数据。由数据 传感器发射的地层数据信号由装置在钻铤上的接收器电路接收，进一步通过钻 柱发射到地面设备例如象显示地层数据的钻井控制台。通过检测和显示的地层 数据的变化，钻井人员能够快速有效地调整井下工况例如象钻井液比重和组 成、钻压和其它变量，从而对钻井作业的安全和效率进行控制。

智能数据传感器可以通过任何合适的手段定位在地层内。例如，一个液压 动力柱塞利用足够液压力可以把传感器从钻铤内推进到地层内，从而穿过地层 足够的深度用于检测地层数据。作为可以选择的一种情况，通过一个传感器激 励器，钻铤内的设备可以展开向外或者向着侧向钻进进入地层，从而把传感器 定位在一个侧向的钻孔内。作为另外一种可以选择的情况是，一个装置在钻铤 上的推进动力系统可以被激励从而通过足够的力发射传感器从而侧向穿过并越 过井眼。无论地层定位方法是什么，该传感器都被封装以防止传感器进入地层 内时破坏传感器。

为了实现地层数据的采集和发射，该传感器包括一个电源系统，该电能系 统可以是一个蓄电池系统或者是一个与装置在钻铤上的一个动力筒耦合形成 的感应交流电系统。该传感器内的一个微集成电路片系统促使传感器电路完成 数据存储、处理选定地层参数或者其它参数的测量过程、把记录的数据发射到 装置在钻铤上的一个地层数据存储器。在动力筒内由地层数据电路对地层数据 信号进行处理变成可以通过钻柱或者任何其它合适的数据发射系统发射到地 面的形式，因此这些数据信号可以在钻机的控制台显示给钻井人员，并且通常 由钻井人员进行控制。钻井过程中能够获知实时的或者依据钻井人员所选定频 率的井下数据的变化，因此促使钻井操作能够按照任意一点上的地层参数及时 进行修正。

按照本发明，提供了如下的方法和设备：

1.一种在钻井时采集地下地层数据的方法，包括：

(a)钻进一个井眼，该井眼具有一个带有钻铤的钻柱，钻铤上连接有一个 钻头，钻铤具有一个数据传感器，该传感器被遥控定位在井眼所穿过的的选定 的地下地层内；

(b)从钻铤内把数据传感器移动到选定的地下地层，用于检测地层数据；

(c)发射来自数据传感器代表地层数据的信号；以及

(d)接收发射的地层数据信号，从而确定不同的地层参数。

2.在钻井时从地下地层连续采集数据的方法，包括下列步骤：

(a)钻进一个井眼，该井眼具有一个带有钻铤的钻柱，钻铤上连接有一个 钻头，该钻头由钻柱旋转并与地层接触，钻铤具有地层数据接收装置和地层数 据检测装置，该数据检测装置可以从钻头内的一个回缩位置相对于钻头越过井 壁移动到一个展开位置从而与地下地层结合，数据检测装置适于检测地层数据 并提供一个地层数据输出，该输出可以由地层数据接收装置接收；

(b)把数据检测装置从回缩位置越过井壁移动到地下地层内的展开位置， 与地下地层结合而检测地层数据；

(c)从数据检测装置发射代表地层数据的信号；以及

(d)由地层数据接收装置接收发射的地层数据信号，从而确定不同的地层 参数。

3.在钻井从地下地层连续采集数据的方法，包括下列步骤：

(a)钻进一个井眼，该井眼具有一个带有钻铤的钻柱，钻铤上连接有一个 钻头，该钻头由钻柱旋转并与地层接触，钻铤具有地层数据接收装置和地层数 据检测装置，该数据检测装置可以从钻头内的一个回缩位置相对于钻头越过井 壁移动到一个展开位置从而与地下地层结合，数据检测装置适于检测地层数据 并提供一个地层数据输出，该输出可以由地层数据接收装置接收；

(b)中断井眼钻井作业；

(c)把数据检测装置从回缩位置越过井壁移动到地下地层内的展开位置， 与地下地层结合而检测地层数据；

(d)继续井眼钻井作业；

(e)从数据检测装置发射代表地层数据的信号；以及

(f)移动钻铤从而把数据接收装置定位在与数据检测装置最接近的位置 上；

(g)由地层数据接收装置接收发射的地层数据信号，从而确定不同的地层 参数。

4.在钻井时连续从地下地层采集数据的方法，包括下列步骤：

(a)钻进一个井眼，该井眼具有一个带有钻铤的钻柱，钻柱上连接有一个 钻头，钻铤具有一个探测棒，该探测棒包括地层数据检测装置，该数据检测装 置可以从钻头内的一个回缩位置相对于钻头越过井壁移动到一个展开位置从而 与地下地层结合，数据检测装置具有电子电路从而适于检测地层数据并提供一 个代表所检测的地层参数的数据输出，探测棒具有一个用于接收数据输出信号 的数据接收装置；

(b)把钻铤和探测棒放置到所感兴趣的地层的目的位置，把数据检测装置 从回缩位置向外越过井壁移动到地下地层内的展开位置；

(c)用电激励检测装置的电子电路，导致检测装置检测所选定的地层数 据；

(d)使得检测装置发射代表检测的地层参数的数据输出信号；以及

(e)由地层数据接收装置接收检测装置发射的数据输出信号。

5.一种在钻井作业过程中检测地层数据的方法，包括下列步骤：

(a)把至少一个遥控数据传感器定位在井眼穿过的地下地层内用于检测至 少一个地层参数，以及发射代表该地层参数的数据信号；

(b)发射一个激励信号给遥控数据传感器，控制该传感器检测一个地层参 数，并发射至少一个代表该地层参数的数据信号；

(c)在井眼钻井作业中接收来自遥控数据传感器的数据信号。

6.一种在钻井时从该井眼穿过的地下地层中采集选定数据的设备，包括：

(a)一个钻铤，连接在一个钻柱上，在钻柱下端具有一个钻头；

(b)位于钻铤内的一个探测棒，该探测棒具有一个发射和接收信号的电子 电路，所说的探测棒具有一个传感器插孔；

(c)位于所说的探测棒的传感器插孔内的遥控智能传感器，该传感器具有 用来检测所选定数据的电子传感器电路，具有接收所说的探测棒的发射和接收 电路所发射的信号的电子电路，具有把地层数据信号发射到所说的探测棒的发 射和接收电路的电子电路；以及

(d)在所说的探测棒内的装置，用于把所说的遥控智能传感器从传感器插 孔越过井壁侧向展开进入地下地层。

上面述及的本发明的特征、优点和目的可以按照下面方式获得和详细理 解。简述如上的本发明的说明书将通过参考如图中的一个最佳实施例进行描 述，附图是作为说明书的一部分。

然而，应该能够理解附图只是说明本发明的一个典型的实施例，因此不能 认为是对其范围的限制，本发明可以适用于其它同样有效的实施例。

图1表示位于井眼内的一个钻铤的图，该钻铤带有一个依据本发明的一个 数据传感器/发射器探测棒部分。

图2表示钻铤的数据传感器/发射器示意图，其中包括一个液压动力系统用 于把遥控数据传感器/发射器从井眼内插入到选定的地下地层。

图3表示一个具有动力筒的钻铤的示意图，其中包括一个用于接收来自遥 控数据传感器/发射器的地层数据信号的电子电路。

图4示意地表示一个遥控传感器电子线路示意方框图，该传感器从正在钻 进井眼内定位到所选定的地下地层，该传感器检测一个获知多个地层数据例如 象压力、温度和岩石渗透率，把数据存入内存，在命令的控制下把存储的数据 发射到钻铤的动力筒的电路内。

图5示意地表示遥控数据传感器/发射器的接收器线圈电路的电子电路的 方框图；以及

图6示意地表示脉冲波期调制的传播时序图。

参考附图首先参考图1～3，一个钻铤作为一个钻进井眼的钻柱的一个构件 用标记10表示，表示了本发明的最佳实施例。该钻铤包括一个探测棒12，该探 测棒12具有一个动力筒14，该动力筒14包含着图3中的发射器/接收器电路。钻 铤10还包括一个压力表16，该压力表16具有一个压力传感器18，通过一个钻铤 通道20与井眼压力相通。该压力表检测一个选定地下地层深度处周围的压力， 用于检验遥控传感器的压力校准。代表井眼周围压力的电子信号通过压力表1 发射到动力筒14内的电路，从而完成遥控传感器的压力校准，遥控传感器在该 井深伸展开。钻铤10还包括一个或多个容纳遥控传感器24的遥控传感器插孔 22，用于把遥控传感器24定位于一个选定的感兴趣的地下地层，该地层由该井 眼钻穿。

遥控传感器24是一个封装的“智能”传感器，该传感器从钻铤进入井眼周 围的地层内的一个位置，用于检测地层参数例如象压力、温度、岩石渗透率、 孔隙度、导电特性和电容常数以及其它常数。该传感器恰当地封装在一个传感 器壳体内，该壳体具有足够的强度能够抵抗住该传感器从钻铤内侧向嵌入井眼 周围的地层时产生的破坏。本领域的普通技术人员将能够理解，这样的侧向嵌 入移动不一定垂直于井眼，而可以与以一定的入射角进入所需要的地层层位。 展开传感器可以通过下式一种方式获知几种方式的结合来实现：(1)钻入井壁， 然后把传感器放置到地层内；(2)通过液压或者机械穿透装置把封装的传感器刺 入或者压入到地层内；或者(3)通过推进炸弹把封装的传感器射入地层。

如图2所示，一个液压动力柱塞30用于展开传感器24，从井眼向外把传感 器穿入地下地层内到达一个位置，使得传感器检测地层参数。为了展开传感 器，钻铤带有一个内圆柱孔26，在该孔内定位着一个活塞件28，该活塞件28 具有一个柱塞30，设置该柱塞使得其与封装的智能传感器构成驱动关系。活塞 28与液压相连通，该液压通过一个液压供给通道36连接到液压系统34的一个活 塞室28。动力筒14选择性地激励液压系统使得遥控传感器可以由如上所述的该 地层深度处的井眼周围的压力来校正，遥控传感器然后从插孔22越过井壁进入 到地层内，因此地层压力参数将不会受到井眼周围压力的影响。

参考图3，钻铤10的动力筒14包括至少一个发射器/接收器线圈38，该线圈 38具有一个发射器功率驱动装置40，该装置40为一个功率放大器，其频率F由 振荡器42确定。钻铤探测棒部分包括一个调谐接收器放大器，设置该放大器在 2F的频率接收信号，其中该2F的频率是由如上所述的“智慧炸弹”式的遥控传 感器24发射到钻铤探测棒部分的。

参考图4，通过一个44的方框图来表示遥控“智慧炸弹式传感器”的电子 电路，该电路至少包括一个发射器/接收器线圈46，或者频率接收天线，该电路 的接收器包括一个从探测器48到控制电路52的一个输出电路50。该控制电路52 的一个控制输出电路54与压力表56相连接因此压力表的信号被导入一个模拟- 数字转换器(“ADC”)/内存58，该内存58通过导线62接收来自压力表的信号 通过导线64接收来自控制电路52的控制信号。一个电池66包括在遥控传感器电 路44内，通过导线68、70和72与传感器不同的电路相连接。ADC/内存电路58的 一个内存输出电路74连接到接收器线圈控制电路76。接收器线圈控制电路76的 作用是作为一个驱动器电路，通过导线78由发射器/接收器线圈46把数据发射到 探测棒12。

参考图5，一个下限二极管80连接穿过Rx线圈控制电路76。在正常作业状 态下，特别是在休眠或者“睡觉”模式下，电子开关82断开以减少能量消耗。 当接收器线圈控制电路76被钻铤发射的电磁场激励时，接收器线圈控制电路内 产生感应电流和电压。然而在该点上二极管80只是允许电流沿着一个方向流 动。这种非线性关系把图6中84所示的感应电流的基频F变成基频2F，以及使得 电磁波84的频率加倍变成如图6所示的电磁波。

在完成发射的整个过程中，如图3所示发射器/接收器线圈38也用作一个接 收器，并连接到一个接收器放大器43上，该放大器调谐在2F频率。当接收的信 号的振幅最大时，遥控传感器24位于最适于在钻铤和遥控传感器之间进行发射 信号的最近似位置。

假设智能遥控传感器或者也称为“智慧炸弹”已经被放置到被监测地层的 内部，与钻井作业相关的发射和采集电子功能的顺序如下所述：

带有采集传感器的钻铤定位在最接近遥控传感器24的位置上。从钻铤的发 射器/接收器线圈38发射一个图6中84所示的频率F的电磁波从而打开遥控传感 器也就是目标传感器，控制该传感器从而发回编码的识别信号。该电磁波启动 遥控传感器的电子电路进入采集和发射模式，从而在遥控传感器的深度上获得 压力数据和其它所代表所选定地层参数的数据以及传感器的识别码。目标传感 器的存在可以通过从该目标传感器散射回的反射波来探测到，该反射波的频率 为2F，如图6中的86所示。同时采集压力表数据(压力、温度)和其它选定的地 层参数，遥控传感器的电子电路把这些数据转换成一个或者多个系列数字信 号。该数字信号或者可能只是信号从遥控传感器通过发射器/接收器线圈发射回 钻铤。这通过把数据的每一个单独的位同步和编码成一个特别的时序，在该时 序内，频率将在F和2F之间进行切换。当采集到稳定的压力和温度读数数据并发 射到装置在钻铤10上的电路后，数据采集和发射中止。

无论何时启动上述时序，位于钻铤内或者钻铤的探测棒内的发射器/接收器 线圈38由发射器功率驱动器或者放大器40提供能量。从钻铤发射一个频率为F 的电磁波，其频率由振荡器42决定，如图6中的84所示。频率F可以在100KHz 到500KHz之间选择。一旦目标传感器进入了钻铤发射器的影响范围，该智慧炸 弹内的接收器线圈46通过接收器线圈控制电路76和接收器发射器线圈辐射回对 初始频率加倍的电磁波。

与当今的操作不同，本发明使得压力数据和其它的地层参数在钻进的同时 就可以得到。从而允许钻井人员能够及时确定钻井液比重和组成以及其它参 数，而不必只是为下入一个地层测试器仪器而对钻柱进行起下钻作业。本发明 只需很少的时间完成对地层的测量；一旦一个传感器被展开，钻进时就可以获 得地层数据，这些特征对于已知的钻井技术是不可能的。

钻穿地层的井眼的实时压力监测也可以通过来自压力传感器18的压力数 据来实现。该特征当然取决于钻铤内的动力筒和任何展开的智能遥控传感器内 的发射器/接收器电路之间的连接关系。

遥控传感器的输出也可以在标准地层测试过程中通过电缆工具读出。本发 明的该特征允许除了采集实时地层数据外还可以通过测井工具的电子电路来采 集状态变化的地下地层数据，这些实时地层数据可以在钻进时用本发明的方法 来获得。

通过把智能遥控传感器24定位在井眼环境的上方，至少在采集的初始阶段 井眼效应不会对压力测量产生影响。因为利用就地传感器而不需要流体的流 动，因此可以在非渗透的岩石内测量地层压力。本领域的普通技术人员能够理 解，本发明同样适用于几个地层参数例如象渗透率、导电特生、电容常数、岩 石强度和其它参数，不只限于地层压力的测量。

而且，在本发明的保护范围内，遥控传感器一旦被展开，在几乎整个钻井 时间内均可作为地层数据源。为此，每一个传感器的位置必须被确定。因此， 在一个实施例中，遥控传感器将包括有放射性“示踪”(pip-tags)剂，通过一 个伽玛射线检测工具或者在测井工具管柱内带有陀螺仪的探测棒可识别该示踪 剂。

如前所述，很明显本发明适于获得上述的所有目标和特点，以及公开的设 备中固有的所有其它的目标和特点。

对本领域的普通技术人员来说，很显然，本发明可以用其它特定的形式来 实现而不偏离本发明的精神和实质特点。本发明的实施例只是说明性的而不是 限制性的。本发明的范围由权利要求书以及所有权利要求书包含的等同内容或 者等同含义的所有改变来确定，而不是由前述的说明书来确定。

本申请要求临时申请(provisional application)号为No.60/048254、申请日 为1997年6月2日之申请的优先权，这里将参考该临时申请。