用於鑽柱中的實時通訊的設備和方法
2023-07-27 11:52:11
專利名稱：用於鑽柱中的實時通訊的設備和方法
用於鑽柱中的實時通訊的設備和方法
相關申請的交叉引用
本申請要求於2010年8月6日申請的美國申請號61/371563的優先權，其全文通 過引用併入於此。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 件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件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)之間的傳導件；
圖7是示出了布置在相鄰的鑽杆部分之間、以提供這些鑽杆部分之間的實時的數 據和電力通訊的圖4的通訊連接件的線條簡圖；以及
圖8是鑽柱的線條簡圖，其包括在每個鑽杆連接部處的數據通訊連接件，該通訊 連接件構造成在BHA與地表之間提供實時通訊。
具體實施方式
本發明涉及鑽杆中的實時通訊。鑽杆的一個實施方式包括許多串聯的管，在這些 管的連接端部之間布置有通訊裝置，其中所述通訊裝置提供相鄰的管之間的直接的數據通 訊連接件。
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。這裡所披露的該設備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的傳導件的直接路徑。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。在另一個方面中，通訊連接器154可以布置在構成鑽管116 的鑽杆部分之間的每個接頭處以在整個鑽管116範圍內提供實時通訊，從而在鑽頭與地表設備(比如控制器190)之間提供實時通訊。參照圖4-6描述鑽頭與BHA之間的直接的實時數據通訊，並且參照圖4-8描述沿著鑽管的直接的實時數據通訊。
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之間的傳導件(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1) 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具有適合於使傳導件(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， 以便於傳導件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。
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。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，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。
仍然參見圖5，在將通訊連接件400布置在銷部502中之前，傳導件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來將傳導件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。傳導件528從電路530穿過通訊連接件400中的孔 420延伸，以便於傳導件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。一旦傳導件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。然後將傳導件528連接到電路540。傳導件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，傳導件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件522，528和541從鑽頭510到BHA 的直接連接。傳導件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，傳導件可以從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。一旦所有的傳導件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的傳導件541連接到延伸至BHA130的傳導件。在一個方面中，該可自動收回裝置600包括連接到傳導件541的連接器602。連接到包括收回裝置608的存儲線軸606的傳導件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，傳導件604將縮回到線軸606中。連接至BHA130以及從BHA130引出的傳導件連接到連接器620。
圖7是示出了布置 在相鄰的鑽杆部之間、以在這些鑽杆部之間提供實時數據和電力通訊的圖4的通訊連接件的線條簡圖。圖7示出了第一鑽杆部710，在其上端處具有銷連接部或銷端部712。該銷端部710包括腔體714和從該腔體714延伸到在該鑽杆部710中鑽出的管道716的通道720。第二鑽杆部740包括箱形部742，該箱形部742進一步包括腔體744，該腔體744與鑽杆部710的腔體714互補。腔體中的通道750提供了通向鑽杆部 740中的管道746的出入路徑。在圖7中，所示出的鑽杆部740的箱形端部742連接到鑽杆部710的銷部分712。正如參照圖5所述的，通訊連接件400布置在腔體714和744中。 但是，在將鑽杆部740連接到鑽杆部710之前，在管道716中延伸的傳導件718連接到連接器728，並且傳導件724從連接器728穿過通訊連接件400中的所述孔420延伸。此外，傳導件724連接到箱形部742的腔體744中的連接器752。穿過鑽杆部740中的管道746延伸的傳導件748連接到連接器752以完成鑽杆部710中的傳導件718與鑽杆部740中的傳導件748之間的直接連接。另外的鑽杆部可以以鑽杆部710和740連接成形成鑽柱的方式連接，正如參照圖8所描述的。此外，在一些應用中，將傳感器760和用於處理來自於這些傳感器的測量結果信號的電路762布置在一個或兩個鑽杆部710和740中是理想的。在這些情況下，來自於傳感器760和/或電路762的信號可以經由傳導件718和748傳輸到地表或BHA。
圖8是鑽柱800的線條簡圖，其包括串聯連接的鑽杆部或管810a，810b，810(r·· 810η。為了形成鑽柱800，第一鑽杆部810a連接到BHA。然後將下一鑽杆部810b連接到鑽杆部810a，其中通訊連接件仳如連接件400)以正如參照圖7所述的方式布置在鑽杆部810a的銷端820a與鑽杆部810b的箱形端部830b之間。當進行鑽進時，將另外的鑽杆部， 比如鑽杆部810c…810η以這裡所述的方式連接。因此，在串聯連接的鑽杆部之間始終存在經由傳導件850a，850b，850c等的直接連接。
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
1.一種鑽柱,包括具有第一端部和第二端部的第一構件；具有第一端部和第二端部的第二構件，該第二構件連接到所述第一構件，從而在第一管的第一端部與第二管的第二端部之間形成通道；以及在所述第一構件與第二構件之間的所述通道中的通訊裝置，所述通訊裝置包括管道， 該管道構造成允許自第一管引出的傳導件通過，以在第一構件與第二構件之間提供直接的信號通訊。
2.根據權利要求1所述的鑽柱，其中所述第一構件的第一端部包括第一腔體，所述第二構件的第二端部包括第二腔體，所述通訊裝置布置在所述第一腔體和第二腔體中。
3.根據權利要求2所述的鑽柱，其中所述通訊裝置包括在所述第一腔體中的第一部分、在所述第二腔體中的第二部分和在所述第一部分與第二部分之間的第三部分，其中第三部分的外部尺寸大於第一部分和第二部分的外部尺寸，其中所述管道在第一部分和第二部分外側延伸穿過所述第三部分。
4.根據權利要求3所述的鑽柱，還包括穿過所述管道的傳導件、連接到第一腔體中的所述傳導件的第一連接器、以及連接到第二腔體中的所述傳導件的第二連接器。
5.根據權利要求1所述的鑽柱，還包括在所述第一構件中的、連接到所述第一連接器的第一傳導件和在所述第二構件中的、連接到所述第二連接器的第二傳導件，以便於在所述第一構件與第二構件之間提供直接通訊。
6.根據權利要求5所述的鑽柱,其中所述第一傳導件布置在如下之一中(i)第一構件的壁的內側和(ii)穿過所述第一構件的孔中；所述第二傳導件布置在如下之一中(i)第二構件的壁的內側和(i i )穿過所述第二構件的孔。
7.根據權利要求1所述的鑽柱，其中所述第一構件和第二構件以如下方式之一連接 螺紋式連接和插入式連接。
8.根據權利要求1所述的鑽柱，其中所述通訊裝置包括雙線軸，其中第一線軸布置在第一構件的第一端部中，第二線軸布置在第二裝置的第二端部中。
9.根據權利要求1所述的鑽柱，其中所述通訊裝置在第一構件的第一端部中提供了壓力密封的第一腔體，並且在第二構件的第二端部中提供了壓力密封的第二腔體。
10.根據權利要求4所述的鑽柱，還包括連接到穿過所述管道的所述傳導件的可收回裝置，其中所述可收回裝置構造成能夠使第一構件和第二構件的其中之一螺紋連接到另一個上。
11.根據權利要求1所述的鑽柱，還包括與第一和第二構件串聯連接的多個構件，該多個構件之間的每個連接部都進一步包括通訊裝置，該通訊裝置提供了從地表位置到鑽進組件的通訊連接。
12.一種提供穿過鑽柱的通訊的方法，包括將第一構件的第一端部連接到第二構件的第二端部以形成連接部，該連接部包括貫穿的通道；將通訊裝置布置在所述連接部中，所述通訊裝置包括構造成允許傳導件從中穿過的管道；以及使傳導件穿過所述管道以提供第一構件與第二構件之間的直接通訊連接。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述第一構件的第一端部包括第一腔體，所述第二構件的第二端部包括第二腔體，所述通訊裝置布置在所述第一腔體和第二腔體中。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述通訊裝置包括在所述第一腔體中的第一部分、在所述第二腔體中的第二部分和在所述第一部分與第二部分之間的第三部分，其中第三部分的外部尺寸大於第一部分和第二部分的外部尺寸，其中所述管道 在第一部分和第二部分外側延伸穿過所述第三部分。
15.根據權利要求14所述的方法，還包括將第一連接器連接到第一腔體中的所述傳導件，並將第二連接器連接到第二腔體中的所述傳導件。
16.根據權利要求15所述的方法，還包括將第一連接器連接到在第一構件中延伸的傳導件，以及將第二連接器連接到在第二構件中延伸的傳導件，以提供所述第一構件與第二構件之間的端對端通訊。
17.根據權利要求16所述的鑽柱,其中所述第一傳導件布置在如下之一中(i)第一構件的壁的內側和(ii)穿過所述第一構件的孔中；所述第二傳導件布置在如下之一中(i) 第二構件的壁的內側和(i i )穿過所述第二構件的孔。
18.根據權利要求12所述的鑽柱，其中所述第一構件和第二構件以如下方式之一連接螺紋式連接和插入式連接。
19.根據權利要求12所述的方法，其中所述通訊裝置包括雙線軸，其中第一線軸布置在第一構件的第一端部中，第二線軸布置在第二裝置的第二端部中。
20.根據權利要求12所述的方法，其中所述通訊裝置在第一構件的第一端部中提供壓力密封的第一腔體，並且在第二構件的第二端部中提供壓力密封的第二腔體。
21.根據權利要求15所述的方法，還包括將一裝置連接到穿過所述管道的所述傳導件，其中所述裝置構造成能夠使第二構件通過轉動連接到第一構件。
全文摘要
根據一個實施方式製造的鑽杆包括多個串聯的管，其中通訊裝置放置在這些管的連接端之間，其中所述通訊裝置在相鄰的管之間提供了直接的數據通訊連接。
文檔編號E21B47/12GK103069108SQ201180038711
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