用於在鑽頭與鑽進組件之間進行實時通訊的設備和方法
2023-10-06 18:19:29 1
專利名稱：用於在鑽頭與鑽進組件之間進行實時通訊的設備和方法
技術領域：
本發明總體上涉及鑽頭，其包括傳感器，所述傳感器用於提供連接到所述鑽頭的鑽進組件中的元件的各種測量值，並且提供與連接到所述鑽頭的鑽進組件中的元件的測量和/或處理數據的通訊。
背景技術：
油井(井孔)通常是利用鑽柱鑽出的，所述鑽柱包括管狀構件，所述管狀構件具有鑽進組件(也稱作井底鑽具組合或者「BHA」)，所述鑽進組件帶有連接到其底端的鑽頭。使所述鑽頭轉動以使地層碎裂來鑽出所述井孔。所述BHA包括用於提供關於與鑽進操作、BHA的行為和正被鑽探的井孔周圍的地層(地層參數)相關的多種參數的信息的裝置和傳感器。多種傳感器，比如壓力傳感器、傾角計、敏感伽瑪射線傳感器等等，嵌入在鑽頭中用於提供關於各種鑽進和地層參數的信息。來自於鑽頭傳感器的數據通常存儲在鑽頭中的存儲器裝置中，在將鑽頭從井孔移出之後找回該數據用於進一步處理和使用。在鑽進井孔的同時將鑽頭傳感器數據和/或處理過的數據從鑽頭中的電路傳輸到BHA和/或地表——即實時地——是理想的，因為鑽頭一般沒有足夠的空間用於容納處理大量數據的電子電路。BHA通常包括可以處理大量傳感器數據的處理器，因此在BHA中處理鑽頭數據是經濟的。還有，鑽頭承受比BHA的某些部件更大的振動和推力，更希望將這些處理器定位在此處。本發明提供了一種用於在鑽頭與連接到鑽頭的另一個裝置(比如BHA)之間進行實時的數據和電力通訊的設備和方法。
發明內容
根據一個實施方式做出的設備包括鑽頭，所述鑽頭具有在其端部上的腔體和布置在所述腔體中的通訊裝置，其中所述通訊裝置包括第一部分和第二部分，其中第二部分的外部尺寸大於第一部分的外部尺寸，其中所述第二部分包括構造成允許自鑽頭引出的傳導體延伸到鑽頭外部位置的通道，以便於提供自所述鑽頭引出的傳導體與鑽頭外部元件的直接連接。這裡所披露的該設備的某些特徵的示例是相當概略性的，以便於可以更好地理解接下來的詳細描述。當然，存在下文披露的該設備和方法的附加特徵，它們將構成所附權利要求的主題。
為了詳細地理解本發明，應該結合附圖參照如下的詳細描述，在這些附圖中相似的兀件一般用相似的附圖標記表不，其中圖1是鑽進系統的示意圖，該鑽進系統包括其上連接有鑽頭的BHA以及在鑽頭與BHA之間的通訊設備；圖2是示例性鑽頭的軸測圖，其示出了傳感器在鑽頭中的布置以及連接到鑽頭頸部的相應的通訊連接件(communication links)；圖3是圖2的鑽頭的柄部的軸測線條簡圖，其示出了用於處理鑽頭傳感器信號的電子電路在柄部的頸部中的布置；圖4是通訊連接件的軸測圖，其構造成容納電子電路並且提供用於在所述鑽頭與所述BHA之間的直接數據和電力連接的通路；圖5是示出了根據本發明的一個實施方式的布置在鑽頭與連接到鑽頭的另一個工具(比如BHA)之間的圖4的通訊連接件的線條簡圖；以及圖6示出了一種可自動縮回的裝置，其可以用在通訊裝置中用於連接鑽頭與另一個裝置(比如BHA)之間的傳導體。
具體實施例方式本發明涉及鑽頭在使用中時鑽頭與連接到鑽頭的裝置或工具之間的實時通訊。本發明可以有不同形式的各種實施方式。這些圖示出以及文字內容描述了本發明的特殊實施方式，其中應該理解的是所披露的內容被認為是這裡所披露的原理的示例，其不旨在將本發明限制到這裡所圖示和描述的內容中。圖1是示例性鑽進系統100的示意圖，其可以使用這裡披露的用於在鑽進井孔中使用的鑽頭和數據通訊裝置。圖1示出了井孔110，該井孔包括其中安裝有套管112的上部111和利用鑽柱118正在鑽進的下部114。所述鑽柱118包括在其底端攜帶鑽進組件130(也稱做底部鑽具組合或「BHA」)的管狀構件116。所述管狀構件116可以通過將鑽杆節段連接起來而形成或者其可以是連續油管。鑽頭150連接到BHA130的底端，以用於使巖石地層碎裂以在地層119中鑽出具有選定直徑的井孔110。沒有示出的裝置包括諸如推進器、穩定器、定心器之類的裝置以及諸如用於使鑽進組件以所需的方向轉向的轉向單元之類的裝置。術語「井孔」和「井眼」這裡用作同義詞。圖中示出了將鑽柱118從地表167處的鑽塔180輸送到井孔110中。圖1中示出的示例性鑽塔180為了便於解釋是陸上鑽塔。這裡所披露的該裝置和方法還可以與用於鑽進海上井孔的鑽塔一起使用。在地表處的連接到鑽柱118的轉盤169或頂部驅動器(未示出)可以用於使鑽柱118轉動，從而使鑽進組件130和鑽頭150轉動來鑽出井孔110。還可以設置鑽進電機155 (也稱作「井下動力鑽具」)來使鑽頭轉動。BHA130中的控制單元(或控制器)170可以構造成接收並處理來自於鑽頭150中的傳感器160和鑽進組件130中的傳感器175的數據，並且控制鑽進組件130中各種裝置和傳感器的選定操作。所述控制器170可以包括處理器172(比如微處理器)、數據存儲裝置174和由所述處理器170使用來處理來自於傳感器160和175的數據的程序176。另外，可以是基於計算機系統的控制器190可以布置在地表167處，以用於接收和處理由鑽頭中的傳感器和鑽進組件130中的傳感器175傳輸的數據並且用於控制鑽進組件130中的各種裝置和傳感器的選定操作。在一個實施方式中，地表控制器190可以包括處理器192、用於存儲數據的數據存儲裝置(或計算機可讀介質)194以及電腦程式196。所述數據存儲裝置174和194可以是任何合適的裝置，包括但不局限於只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、快閃記憶體、磁帶、硬碟和光碟。為了鑽出井孔，在壓力下將鑽進流體從源179泵送到管狀構件116中。BHA中的遙測單元188 在BHA與地表控制器190之間提供雙向通訊。在鑽進期間，鑽進流體在鑽頭150的底部處排出並且經由鑽柱118與井孔110內壁之間的環形空間(也稱作「環空」)返回到地表。
仍然參見圖1，鑽頭——比如鑽頭150——通常包括在其頂端處的螺紋銷連接部， 其連接到BHA130的底部處的箱形端部。所述箱形端部包括與鑽頭銷連接部上的螺紋互補的內螺紋。使箱形端部與銷端部配合提供了 BHA與鑽頭150之間的固定連接。這種連接不利於提供自鑽頭150到BHA130的傳導體的直接路徑。因此，在鑽頭150與BHA130中的數據總線之間沒有提供電學通訊，或者在一些情況下，在箱形端部處和銷連接部的頸部處使用電連接環，當箱形端部與銷端部配合時該連接環彼此接觸，從而在鑽頭150與BHA130之間提供電學路徑。在圖1中示出的結構中，經由通訊連接件154提供了鑽頭150與BHA130 之間的直接數據和電力連接。參照圖4-6描述示例性通訊連接件154的細節。
圖2示出了示例性鑽頭150的透視圖。為了解釋這裡描述的概念的目的，所示出的該鑽頭150是roc (聚晶金剛石複合片)鑽頭。但是，對於本發明的目的，可以使用任何其他類型的鑽頭。所示出的鑽頭150包括鑽頭本體212，鑽頭本體212包括頭端部212a和柄部212b。所述頭端部212a包括多個刮刀輪廓部(或者輪廓件)214a，214b，...214η。沿著每個輪廓部布置有多個切削裝置。例如，所示出的輪廓部214η含有切削裝置216a-216m。 所示出的所有輪廓部在鑽頭150的底部215處終止。每個切削裝置具有切削表面或者切削元件，比如切削裝置216a的元件216a』——其在鑽進井孔期間、鑽頭150轉動時接合巖石地層。鑽頭150包括具有外螺紋212d的頸部或銷連接部212c。BHA經由箱形部分連接到銷部212c，所述箱形部分具有與螺紋212d —致的內螺紋。布置在鑽頭本體中的一個或多個傳感器——比如傳感器240a，240b，240c——產生測量信號，該信號可以由鑽頭150中的電路處理並且傳輸到BHA130或者如參照圖3-6更詳細描述的那樣由直接通訊連接件154(圖1)傳輸到BHA。
圖3示出了圖2中示出的鑽頭150的柄部212b和銷部212c的透視效果立體圖。 柄部212b包括貫通孔310，所述孔310用於將鑽進流體313供應到鑽頭150的頭端部212a (圖2)。頸部212c的上端312包括凹入部分318，該凹入部分318用於在其中容納通訊連接件154 (圖1)和用於處理來自於鑽頭150中的各個傳感器240a，240b，240c (統稱為傳感器240)的信號的電子器件250。頸部312上的螺紋319如上所述將鑽頭150連接到鑽進組件130 (圖1)。對傳感器240供電以及來自於傳感器240的測量信號可以經由布置在柄部212b中的所述孔332中的、在這些傳感器240與凹入部分318的底部318a之間的傳導體(電的、光纖等等)242在凹入部分318之間通訊。
圖4是構造成在兩個連接構 件(包括但不限於鑽頭150和BHA130 (圖1)以及相鄰的鑽杆部分)提供直接通訊連接件的示例性通訊裝置或通訊連接件400的透視圖。所示出的通訊連接件400配置為雙線軸(double spool)，其包括下部402和上部404。在一個方面中，下部和上部402，404可以彼此呈鏡像，如圖4中所示。所示出的下部402包括下凹槽或者第一凹入部412a、中間凹槽或第二凹入部412b和上凹槽或第三凹入部412c。類似地， 所述上部404包括下凹入部414a、中間凹入部414b和上凹入部414c。在示出的實施方式中，中間凹入部412b和414b彼此抵靠並且可以製成具有相同或不同的尺寸。在一個方面 中，中間凹入部412b的外部尺寸或外徑422b大於下凹入部412a的外徑422a，同時中間凹 入部414b的外徑424b大於下凹入部414a的外徑424a。在一個實施方式中，中間凹入部 412b和414b構造成包含電路和處理器，所述處理器構造成處理由鑽頭150(圖2和3)中的 傳感器240產生的信號。凹入部412a，412c，414a和414c構造成包含單獨的密封件，比如 O形環，其構造成在一端處流體密封通訊連接件400使其與第一構件(比如鑽頭150)隔開， 且在第二端部處流體密封流體密封通訊連接件400使其與連接構件(比如BHA130的端部處 (圖O的箱形端部)隔開。一個或多個孔——比如孔420——可以從中間凹入部412b的凸 緣表面434b (在圖中看不到)到中間凹入部414b的凸緣表面444b地形成。所述孔420具 有適合於使傳導體(比如電導體和光纖)經其穿過的尺寸。在一個結構中，孔420的位置在 直徑422a和424a外側，以便於傳導體可以直接從下凹入部412a下方延伸到孔420，然後從 所述孔420延伸到下凹槽414a上方的位置,正如參照圖5更詳細描述的。在一個實施方式 中，下部402的底面435具有防止轉動的特徵，這將在工具560的箱形端部562螺紋連接到 銷部502上時防止通訊連接件400轉動。示例性的防止轉動的特徵可以是底面435的交替 的多個表面高度(比如橫跨直徑424a的表面所示出的)和/或底面435的非圓形(例如橢圓 形、六角形、矩形)幾何形狀。在該示例中，具有防止轉動的特徵的線軸部402首先連接到鑽 頭，然後所述工具的箱形端部連接到鑽頭的銷，同時與所述線軸連接或配合。
圖5示出了組件500，其中鑽頭510的銷部502連接到工具560的箱形端部562， 通訊連接件400的一部分402布置在鑽頭510的銷部502內，另一部分404布置在所述工 具560的箱形端部562內，以在鑽頭510與工具560之間提供直接的通訊連接。布置在相鄰 的構件之間、被構造成在相鄰的構件之間提供直接通訊連接的、包括但不限於裝置400的 通訊連接件或裝置可以稱作「通訊接頭(communication sub)」或者「接頭」。所述相鄰的構 件可以是任何合適的構件，包括但不限於兩個管狀構件，比如鑽杆部分、鑽頭和BHA、BHA和 管、以及兩個井下工具。
在圖5中示出的結構中，示出了銷部502包括凹槽512，所述凹槽512具有下部或 者較小的凹槽512a (其具有直徑dl)和上部或者較大的凹槽512b (其具有直徑d2)。箱形 端部562包括與銷部502相同的凹槽結構。如圖所示，箱形端部562包括凹槽572，所述凹槽 572具有下部或較小的凹槽572a (其具有直徑dl)和上部或者較大的凹槽572b (其具有直 徑d2)。為了形成所述組件500，將密封構件514a布置在凹槽412a中，將密封構件514c布 置在通訊連接件400的凹槽412c中。然後將通訊連接件400的下部402布置在凹槽512a 內部以便於密封件514a抵靠著凹槽512a的壁516a密封凹槽412a，密封件514c抵靠著凹 槽512b的壁516b密封凹槽412c。這確保了通訊接頭400的下部402在銷連接部中氣密地 緊固。
仍然參見圖5，在將通訊連接件400布置在銷部502中之前，傳導體522 (電線、光 纖等等)經由鑽頭510中的管道或腔體524從鑽頭510中的傳感器520延伸到銷部中的腔 體512中。可以使用連接器526來將傳導體522連接到布置在通訊連接件400的下部402 的中間凹槽412b中或周圍的電路530。傳導體528從電路530穿過通訊連接件400中的孔 420延伸，以便於傳導體528如下面所述地能夠用於連接到凹入部414b和/或BHA130中的 電路540。一旦傳導體522穿過所述孔420延伸，通訊連接件400的下部402可以布置在腔體512中。然後將傳導體528連接到電路540。傳導體541然後從所述電路穿過箱形部 562中的孔或管道568延伸到BHA。替代性地或者附加地，傳導體522從鑽頭510可以經由 孔420和孔568延伸至Ij BHA130。這種結構提供了傳導體522，528和541從鑽頭510到BHA 的直接連接。傳導體522，528和541根據情況可以將大量數據傳輸到BHA中的合適電路和 處理器。此外，傳導體可以從BHA130延伸到電路530，540和傳感器520以提供電力並且提 供與這些元件的雙向通訊。鑽頭510與BHA130之間的直接通訊消除了對於鑽頭中的電池 的需要以及專用電子電路的使用——包括微處理器，因為這些元件可以布置在具有更大可 用空間、並且相比於鑽頭更不易于振動的BHA部分中。一旦所有的傳導體已經根據需要布 設好，則將工具560的箱形端部562螺紋連接到銷部502上。密封件572a和572c分別提 供箱形端部562與下凹槽414a和上凹槽414c之間的氣密的連接。
圖6示出了示例性可自動收回裝置600，其可以用於將來自通訊連接件400的傳導 體541連接到延伸至BHA130的傳導體。在一個方面中，該可自動收回裝置600包括連接到 傳導體541的連接器602。連接到包括收回裝置608的存儲線軸606的傳導體604纏繞在 凹入部414b周圍，使得當箱形端部562螺紋連接到銷部502上時，傳導體604將縮回到線 軸606中。連接至BHA130以及從BHA130引出的傳導體連接到連接器620。
為了說明和解釋的目的前面的描述涉及特殊實施方式。但是，對於本領域技術人 員顯而易見的是在不脫離這裡所披露的概念和實施方式的範圍和精髓的前提下可以對上 面闡述的實施方式作出多個修改和變化。如下的權利要求旨在解釋成包括所有的這些修改 和變化。
權利要求
1.一種用在井孔中的設備，包括 鑽頭; 連接到所述鑽頭的工具，其中在所述鑽頭與所述工具之間形成腔體；以及 在所述腔體中的通訊裝置，所述通訊裝置包括貫穿的管道，所述管道能夠實現所述鑽頭與所述工具之間的直接通訊。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述腔體包括在所述鑽頭中的第一腔體和在所述工具中的第二腔體。
3.根據權利要求2所述的設備，其中所述通訊裝置包括布置在所述鑽頭中的所述第一腔體中的第一部分和布置在所述工具中的第二腔體中的第二部分。
4.根據權利要求3所述的設備，其中所述第二部分的外部尺寸大於所述第一部分的外部尺寸，並且其中所述管道形成在所述第二部分中。
5.根據權利要求3所述的設備，其中所述第二部分構造成密封所述第一腔體和所述第二腔體。
6.根據權利要求3所述的設備，其中所述通訊裝置還包括布置在所述工具中的所述第二腔體中的第三部分，其中所述第一部分、第二部分和第三部分形成雙線軸，其構造成提供壓力密封的第一腔體和壓力密封的第二腔體。
7.根據權利要求1所述的設備，還包括穿過所述管道布置在所述鑽頭與所述工具之間的通訊連接件。
8.根據權利要求7所述的設備，還包括在所述鑽頭中的傳感器，當使用所述鑽頭鑽進井孔時，所述傳感器提供與所關注參數相關的信號。
9.根據權利要求3所述的設備，還包括在所述通訊裝置的所述第一部分中的電路，所述電路構造成處理來自於所述鑽頭中的所述傳感器的信號，並且其中所述通訊連接件連接到所述第一部分中的所述電路和所述第二部分中的電路。
10.根據權利要求1所述的設備，其中所述第一腔體在所述鑽頭的銷部中，所述第二部分在所述工具的箱形部分中。
11.根據權利要求7所述的設備，還包括可收回裝置，其連接到穿過所述管道的傳導體，其中所述可收回裝置構造成能夠使所述工具可轉動地連接到所述鑽頭。
12.—種執行井孔操作的方法，包括 將在上部處具有第一腔體的鑽頭連接到在下端處具有第二腔體的工具，以在所述鑽頭與所述工具之間形成公共腔體；以及 將通訊裝置布置在所述公共腔體中，所述通訊裝置包括管道，所述管道能夠使傳導體在所述鑽頭與所述工具之間延伸以在所述鑽頭與所述工具之間提供直接通訊。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述通訊裝置包括布置在所述鑽頭中的所述第一腔體中的第一部分和布置在所述鑽頭中的所述第一腔體中和所述工具中的第二腔體中的第二部分。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述第二部分的外部尺寸大於所述第一部分的外部尺寸，並且其中所述管道形成在所述第二部分中。
15.根據權利要求14所述的方法，還包括在所述鑽頭中的所述第一腔體與所述通訊裝置之間提供壓力密封，以及在所述工具中的所述第二腔體與所述通訊裝置之間提供壓力密封。
16.根據權利要求14所述的方法，其中所述通訊裝置還包括布置在所述工具中的所述第二腔體中的第三部分，並且其中所述第一部分、第二部分和第三部分形成雙線軸，所述雙線軸構造成在所述第一腔體與所述鑽頭之間提供壓力密封，並且在所述通訊裝置與所述工具之間提供壓力密封。
17.根據權利要求12所述的方法，還包括使通訊連接件穿過所述管道在所述鑽頭與所述工具之間延伸。
18.根據權利要求17所述的方法，還包括在所述鑽頭中提供傳感器，當使用所述鑽頭鑽進井孔時所述傳感器提供與所關注參數相關的信號。
19.根據權利要求18所述的方法，還包括在所述第一部分中提供電路，所述電路構造成處理來自於所述鑽頭中的所述傳感器的信號並將所述通訊連接件連接到所述第一部分中的所述電路和所述工具中的電路。
20.根據權利要求12所述的方法，其中所述第一腔體在所述鑽頭的銷部中，所述第二部分在所述工具的箱形部分中。
21.根據權利要求12所述的方法，還包括將一裝置連接到穿過所述管道的傳導體，所述裝置構造成能夠通過使所述工具轉動到所述鑽頭上而將所述工具連接到所述鑽頭上。
全文摘要
根據一個實施方式製造的裝置，包括鑽頭，所述鑽頭具有在其端部處的腔體和布置在所述腔體中的通訊裝置，其中所述通訊裝置包括第一部分和第二部分，其中所述第二部分的外部尺寸大於所述第一部分的外部尺寸，其中所述第二部分包括管道，所述管道構造成提供傳導體的從所述鑽頭到所述鑽頭外部的位置的通道以便於從所述鑽頭到所述鑽頭外部的元件提供直接的連接。
文檔編號E21B17/02GK103069107SQ201180038707
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月8日 優先權日2010年8月6日
發明者T·T·鄭, E·沙利文 申請人:貝克休斯公司