CN101424170A - 取心工具、岩心搬运组件和搬运岩心的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种取心工具、岩心搬运组件和搬运岩心的方法。该取心工具包括带有取心孔和岩心容器的外壳。取心钻头安装在工具外壳内，并且通过一系列可旋转地连接的延伸连接臂，可以在缩回和伸出位置之间移动。另一组连接臂在取心和排出位置之间旋转所述取心钻头。取心工具还可以包括一个多柱岩心存储箱，其具有在存储柱之间传送岩心或岩心夹持器的移位器。取心工具可以用来在操作中测量岩心长度，并且有助于取回具有比传统井壁取心工具取回的岩心更大的长度和直径的岩心。

Description

取心工具、岩心搬运组件和搬运岩心的方法

技术领域

本公开总体涉及油气井钻进和随后进行的井周围的地下地层的勘察。更具体地，本公开涉及从地层获得和搬运岩心样本的装置和方法。

背景技术

通常向地下或海床钻井来发现石油、天然气以及收集在地壳的地质地层中的其它希望的物质的天然储藏。通常由连接到“钻柱”下端的钻头来钻出井。钻井液或“泥浆”通常被通过钻柱向下泵入到钻头。钻井液润滑并冷却钻头，在钻柱和井壁之间的环空中将钻屑携带回到地面上。

一旦到达感兴趣的地层，钻井者经常通过使用井下地层评价工具对地层和它含有的物质进行勘察。一些类型的地层评价工具形成钻具的一部分，并且在钻井的过程中使用。这些工具例如被称为“随钻测井”(“LWD”)工具或者“随钻测量”(“MWD”)工具。MWD通常指测量钻头轨迹和井眼温度和压力，而LWD指测量地层参数或性质，比如电阻、孔隙度、渗透率和声速，还包括其他参数。比如地层压力的实时数据允许钻井公司在钻井过程中确定钻井泥浆的大约重量和成分，并决定大约的钻速和钻上重量。尽管对于本领域技术人员来说，LWD和MWD具有不同的含义，但这种区别与本公开没有密切关系，因此本公开对这两个术语并不作区分。此外，当钻头在地层中实际切削时，LWD和MWD是不必要运行的。例如，LWD和MWD可以发生在钻井过程中断期间，比如当钻头短暂停下来进行测量，此后恢复钻井。在钻井间歇的中断期间进行的测量仍被认为是“随钻”的，因为它们并不要求钻柱从井眼中移开或“起钻”。

其他的地层评价工具有时在钻井完成后使用。通常，这些工具用线缆下入到井中来进行电子通信和电力传输，因此通常被称为“线缆”工具。一般来说，线缆工具被下入井中，因此它能够在期望深度测量地层性质。

一种线缆工具被称为“地层测试工具”。术语“地层测试工具”用于描述能从地层将流体抽取到井下工具的地层评价工具。实际上，地层测试工具可以包括许多地层评价功能，比如执行测量(即流体压力和温度)、处理数据和/或提取和储存地层流体样本的能力。因此，在本公开中，术语地层测试工具包括从地层将流体抽取到井下工具进行评价的井下工具，不管工具是否储存样本。美国专利No.4,860,581和No.4,936,139展示并描述了地层测试工具的例子，二者都被转让给本申请的受让人。

在地层测试操作期间，井下流体通常被抽到井下工具中，并被测量、分析、收集和释放。在流体(通常是地层流体)被收集(有时被称为“流体取样”)的情况下，流体是通常被抽入取样室并运输到地面，以进行进一步的分析(通常在实验室)。当流体被抽入工具中时，通常进行井下流体的各种测量来确定地层性质和条件，比如地层流体压力、地层的渗透率和地层流体的泡点。渗透率指的是地层的流动势。高渗透率对应低的流体流动阻力。起泡点指的是溶解气从地层流体中产生气泡的流体压力。例如在做出开发决策时，这些和其它性质可能是重要的。

另一种通常通过线缆进入井筒中的井下工具被称为“取心工具”。与主要用于收集流体样本的地层测试工具不同，取心工具用于获得地层岩石的样本。

典型的取心工具包括中空的钻头，这被称为“取心钻头”，钻头向前进入地层壁中，从而可以把称为“岩心样本”的样本从地层中取出。随后岩心样本可以被运送到地面，在地面对其进行分析来评价尤其是储集层储存能力(称为孔隙度)和构成地层的物质的渗透率，地层孔隙中包含的流体和矿藏的化学和矿物组分，和/或地层物质的束缚水的含量。由岩心样本的分析获得的信息也可以用于做出开发决策。

井下取心操作通常分为两类：轴向取心和井壁取心。“轴向取心”或传统取心包括施加轴向力使取心钻头向前进入井的底部。通常，这种操作在将钻柱从井眼移开或者“起钻”之后进行，而且在钻柱端部旋转取心钻头被下入井中，该旋转取心钻头有用来容纳岩心样本的中空内部。在受让予BakerHughes的美国专利No.6,006,844中给出了轴向取心工具的一个示例。

作为对比，在“井壁取心”中，取心钻头从井下工具径向伸出，并且被向前推进穿过钻出的井眼侧壁。在井壁取心的过程中，通常不能用钻柱使取心钻头旋转，钻柱也不能提供驱动钻头进入地层所需的钻上重量。相反，取心工具自身必须既产生使得取心钻头旋转的扭矩，又产生驱动取心钻头进入地层中所需的轴向力，该轴向力被称为钻上重量(“WOB”)。井壁取心的另一个挑战涉及井眼尺寸的限制。可用空间被井眼的直径限制。必须有足够的空间来容纳驱动取心钻头的装置，并且必须有足够的空间来抽出并储存岩心样本。通常的侧壁岩心样本直径为大约1.5英寸(大约3.8cm)，长度小于3英寸(大约7.6cm)，但是尺寸可以随着井眼的尺寸改变。美国专利No.4,714,119和No.5,667,025都展示并描述了井壁取心工具的示例，二者都被转让给本申请的受让人。

井壁取心工具面临多个挑战。为了储存多个岩心样本，取心钻头通常可旋转地安装在工具内部，以便其能够在取心位置和排出位置之间移动，其中在取心位置，钻头定位成与地层接合，并且在排出位置，岩心样本可以被排出钻头进入岩心样本容器。然而，驱动取心钻头的已知机构过于复杂，并且对使用它们的恶劣环境过于敏感。例如授予Georgi的美国专利No.5,439,065公开了一种井壁取心装置，具有铰销的钻头箱容纳在板上形成的导向槽内。导向槽被成形为既能旋转取心钻头又能使其伸出进入地层。在这个例子中，槽对固体物质的阻塞敏感，比如岩石或其他可能进入工具的碎片，并且当钻头伸出进入地层时WOB将变化。

另外，井壁取心工具储存岩心样本的区域是有限的。No.5,439,065专利显示了允许单个岩心样本柱被储存在工具内的容器。更进一步的，常规取心工具不能可靠地从地层打断岩心样本。

发明内容

按照本公开的特定方面，本发明提供了用于地层中形成的井眼中的取心工具，具有适于悬挂在井眼内选定深度的工具外壳。取心孔形成在工具外壳上，并且岩心容器设置在工具外壳内。钻头外壳设置在工具外壳内，并且取心钻头安装在钻头外壳内部并包括切削端。钻头马达工作与取心钻头连接，并适于旋转取心钻头。一系列可旋转地连接的延伸连接臂具有可旋转地连接到钻头外壳的第一端，以及在缩回和伸出位置之间移动取心钻头的第二端。致动器工作与一系列延伸连接臂的第二端连接，并适于在缩回和伸出位置之间驱动取心钻头。

根据另一个方面，本发明提供一种取心工具，用于在地层中形成的标称直径在6.5英寸和17.5英寸之间的井眼中，具有悬挂在井眼内选定深度的工具外壳、形成在工具外壳上的取心孔，以及设置在工具外壳内的岩心容器。钻头外壳设置在工具外壳内，并且在排出位置和取心位置之间可旋转地连接到工具外壳，其中在排出位置，岩心钻头对准岩心容器，在取心位置，岩心钻头对准工具外壳上的取心孔。取心钻头安装在钻头外壳内部并包括一个切削端。钻头马达工作与取心钻头连接，并适于旋转取心钻头。致动器工作连接到钻头，并适于在缩回和伸出位置之间驱动取心钻头，其中缩回和伸出位置之间的距离至少为2.25英寸。

根据另外的方面，本发明提供一种岩心存储装置，用于具有携带岩心钻头的钻头外壳的取心工具，包括具有至少第一和第二存储柱的岩心容器，其近端离钻头外壳较近并且远端离钻头外壳较远。近端移位器设置在靠近容器近端，并且可以在第一位置和第二位置之间移动，其中在第一位置，近端移位器对准第一存储柱的近端，在第二位置，近端移位器对准第二存储柱的近端。第一传送器定位于与第一存储柱同轴，并适于从取心钻头到近端移位器传送岩心。

根据进一步的其它方面，本发明提供一种在用于地层中形成的井眼的取心工具中搬运多个岩心的方法，包括提供取心钻头组件，并提供具有第一和第二存储柱的容器。第二存储柱容纳一系列层叠的岩心夹持器。该方法还包括将至少一个岩心夹持器与取心钻头对准，并捕获在至少一个岩心夹持器中的当前岩心。然后当前岩心被传送到第一存储柱。

根据更进一步的其它方面，本发明提供一种在用于地层中形成的井眼的取心工具中搬运岩心样本的方法，其中搬运活塞与第一岩心夹持器接合。测量相应于搬运活塞第一位置的第一距离。岩心样本被捕获，而且搬运活塞伸出到第二位置，从而推进岩心。测量相应于搬运活塞第二位置的第二距离，通过第一距离和第二距离可以确定第一岩心的长度，并且岩心长度被显示。

附图说明

为了更完全的理解公开的方法和装置，应参考在附图中显示了更多细节的实施例，其中：

图1是包括取心工具的线缆装置的示意图；

图2是图1中取心工具模块的放大示意图；

图3是取心工具模块的横截面示意图，其具有在排出位置的取心钻头；

图4是是取心工具模块的横截面示意图，其具有在取心位置的钻头外壳，而且取心钻头缩回；

图5是取心工具模块的横截面示意图，其具有在伸出位置的取心钻头；

图6是钻头外壳在切断位置的横截面示意图；

图7A是图1中取心工具模块的取心装置的侧视图；

图7B是如图7A所示的取心装置的平面图；以及

图8是取心钻头的横截面的部分侧视图。

应当理解，附图不必按比例绘制，而且公开的实施例有时示意性地示出并且为局部示图。在特定的情况下，省略了对于理解公开的方法和装置不必要的细节或致使其他细节难以理解的细节。当然，应当理解，本公开不限于此处说明的特定实施例。

具体实施方式

本公开涉及从地层获取岩心样本的装置和方法。在一些实施例中，井壁取心工具包括利用连接臂能够在排出位置和取心位置之间运动的取心钻头。在其他的实施例中，井壁取心工具包括能够在多个存储柱中搬运和储存岩心的存储区。在相关的实施例中，提供了传送机构，其在取心钻头和存储区之间运输岩心。在另外的实施例中，井壁取心工具还可以旋转取心钻头到切断位置以协助从地层打断岩心样本。此处公开的装置和方法可以用于“线缆”和“随钻”两种应用中。

根据本公开的一个实施例，图1显示了从钻机100布置到井眼105中的线缆装置101的示意图。线缆装置101包括取心工具103。取心工具103图示为具有取心组件125，该取心组件125包括具有取心钻头121的取心钻头组件120。取心工具103还包括储存岩心样本的存储区124和关联的致动机构123。存储区124配置为接收岩心样本，可以包括或不包括套筒、罐筒或其他夹持器。可以提供至少一个支撑臂122，以在取心钻头121运行时在井眼(未显示)内稳定工具103。

线缆装置101还可以包括执行其他功能的附加***。图1显示了一个这样的附加***，作为通过现场接头104工作连接到取心工具103的地层测试工具102。地层测试工具102可以包括从地层测试工具102伸出的探头111，以与地层F流体连通。工具101可以包括支持活塞112，以帮助推动探头111与井眼侧壁接触，并在井眼中稳定工具102。图1显示的地层测试工具102还包括抽吸样本流体通过该工具的泵114，以及储存流体样本的样本室113。图1中只是示意性地显示了这些组件的位置，并且也可以位于除了显示的位置以外的其他位置。该工具也可以包括其它组件，比如电源模块、液压模块、流体分析器模块以及其它装置。

图1中的装置被表示为具有工作连接在一起的多个模块。然而，该设备也可以部分地或者完全地是一个整体。例如，如图1所示，地层测试工具102可以是一体的，取心工具放在通过现场接头104工作连接的一个单独模块中。可替代地，取心工具可以整个包括在装置101的整体外壳内。

井下工具常常包括多个模块(即，工具的实现不同功能的多个部分)。此外，可以把一个以上的井下工具或组件接合在同一个线缆上，在同一次线缆运行中完成多个井下作业任务。通常用“现场接头”比如图1中的现场接头104来把各模块连接起来。例如，通常在地层测试工具的一个模块的顶端采用一种类型的连接器，而在其底端采用第二种类型的连接器。顶端和底端的连接器被制作成彼此工作配合。通过使用具有类似的连接器设置的模块和工具，所有的模块和工具都可以端部对端部地连接成线缆装置。现场接头可以提供电连接、液压连接以及流体管线连接，这取决于线缆上的工具的需要。电连接通常既提供电力又提供通信能力。

在实际应用中，线缆工具通常包括多种不同的部件，其中有些可以由两个或更多模块构成(例如，地层测试工具的样品模块和泵送模块)。在本公开中，使用“模块”来描述可以连接在线缆装置中的任何独立工具或单个工具模块。“模块”描述线缆装置的任何部分，不管该模块是一个较大的工具的一部分还是其自身是一个单独的工具。也应该注意到，在本领域中有时使用术语“线缆工具”描述整个线缆装置，包括组成该装置的所有单个工具。在本公开中，使用“线缆装置”这个术语是为了防止与组成线缆装置的单个工具有任何混淆(例如，取心工具、地层测试工具和NMR工具都可以包括在单个的线缆装置中)。

图2是取心工具103的致动机构的放大示意图。如上所述，取心工具103包括具有取心钻头121的取心组件125。液压取心马达130工作连接以可旋转地驱动取心钻头121，以便其能够切入地层F并获得岩心样本。

为了驱动取心钻头121进入地层，必须在其旋转的同时将其压入地层中。因此，取心工具103向取心钻头121施加钻上重量(WOB)(即，将取心钻头121压入地层中的作用力)和扭矩。图2示意性地描绘了施加两种力的机构。例如，WOB可以通过为交流(AC)、无刷直流(DC)或其他电源的马达132以及控制装置134产生。控制装置134可以包括液压泵136、反馈流量控制(“FFC”)阀138以及活塞140。马达132给液压泵136提供动力，而来自泵136的液压流体的流量则由FFC阀138调节。液压流体的压力驱动活塞140以将WOB施加到取心钻头121上，如下面更详细的描述那样。

扭矩可以通过为AC、无刷DC或其他电源的另一个马达142以及齿轮泵144来提供。第二马达142驱动齿轮泵144，该齿轮泵144将液压流体的流量供给水力取心马达130。而水力取心马达130又将扭矩传给取心钻头121，使得取心钻头121旋转。

尽管上面给出了施加WOB和扭矩的特定例子，但是可以使用产生这种力的任何已知的机构而不脱离本公开的范围。美国专利No.6,371,221和No.7,191,831都公开了可以用于产生WOB和扭矩的机构的其他例子，二者都被转让给本申请的受让人，并通过引用合并到这里。

图3-6更详细地显示了取心工具103。取心工具103包括沿纵轴152延伸的工具外壳150。工具外壳150定义了取心孔154，通过该取心孔岩心样本被取回。取心组件125和存储区124设置在工具外壳150的内部。

取心组件125包括可以可旋转地连接到工具外壳150上的钻头外壳156(如图7A和7B中最佳地显示的)。取心钻头121安装在可滑动地设置在钻头外壳156中的取心钻头组件120内。取心钻头121安装在取心钻头组件120中，以便在钻头外壳156和取心钻头组件120内旋转。因此，取心钻头121在钻头外壳156内既可以轴向滑动又可以旋转。取心马达130也安装在钻头外壳156上，并工作连接到取心钻头121上以旋转该钻头。尽管这里显示的取心马达130为液压马达，但是应当意识到，也可以使用能够旋转取心钻头121的任何形式的马达或机构。

提供了一个或多个旋转连接臂，以相对于工具外壳150可旋转地安装钻头外壳156。如图7A和7B中最佳地显示的，取心组件125包括成对的第一或上部旋转连接臂160和成对的第二或下部旋转连接臂162。各上部旋转连接臂160包括可旋转地连接到钻头外壳156的第一端164和可旋转地连接到工具外壳150的第二端166。同样地，各下部旋转连接臂162包括可旋转地连接到钻头外壳156的第一端168和可旋转地连接到工具外壳150的第二端170。如在这里使用的，术语“可旋转地耦接”或“可旋转地连接”是指两个工具部件之间的连接，允许一个部件相对于另一个部件旋转或枢转运动，但是不允许一个部件相对于另一个部件滑动或直线运动。

分别如图3和图4所示，旋转连接臂160、162定位并设计成允许钻头外壳156从排出位置到取心位置相对于工具外壳150旋转，其中在排出位置，取心钻头121基本上平行于工具外壳纵轴152延伸，并且在取心位置，钻头外壳156旋转以便取心钻头基本上垂直于纵轴152延伸。当钻头外壳156处于排出位置时，取心钻头121的取心腔对准存储器124。相反地，当钻头外壳156处于如图4所示的取心位置时，取心钻头121的取心腔对准工具外壳150上形成的取心孔154。这里使用的术语“对准”是指由两个部件(比如取心钻头121的取心腔和存储器124或取心孔154)定义的空隙或空间基本上对齐。

第一或旋转活塞172工作连接到钻头外壳156以在排出和取心位置之间旋转钻头外壳156。如图3-6所示，旋转活塞172通过中间连接臂174连接到钻头外壳156。当活塞172从图3所示的伸出位置移动到图4所示的缩回位置时，钻头外壳156从排出位置到取心位置围绕旋转连接臂160、162旋转。中间连接臂174也可以提供便利的方式，使液压流体从一个或多个液压流动管路176到取心马达130连通。

一系列可旋转地连接的延伸连接臂连接到取心钻头组件120的一部分，例如推力环，以提供基本上为常数的WOB。如图7A和7B中最佳地显示的，一系列延伸连接臂包括轭180，该轭180适于连接到第二或延伸活塞182(图3-6)。成对的随动机构184在销186处可旋转地连接到轭180。成对的摇臂188可旋转地安装在钻头外壳156上，以围绕相关联的销190转动。各摇臂188包括在销194处可旋转地连接到相关联的随动机构连接臂184的第一段192和第二段196。剪式支撑臂198可旋转地连接到各摇臂。更具体地说，每个剪式支撑臂198包括在销200处可旋转地连接到摇臂第二段196的钻头臂199，并在销202处可旋转地连接到取心钻头组件120的取心钻头121。各剪式支撑臂198还包括架臂204，该架臂204具有在销206处可旋转地连接到钻头臂199的第一端和在销208处可旋转地连接到钻头外壳156的第二端。在图示的实施例中，该一系列连接臂包括轭180、随动机构184、摇臂188和剪式支撑臂198。然而，该一系列延伸连接臂也可以包括另外的或更少的可旋转地彼此连接的部件，而不脱离本公开和权利要求的范围。

通过如图所示的一系列延伸连接臂，第二活塞182的运动将在图4所示的缩回位置和图5所示的伸出位置之间操作取心钻头组件120以及取心钻头121。第二活塞182可以以图4所示的缩回位置开始。当第二活塞182朝向图5所示的伸出位置运动时，它推动轭180和随动机构连接臂184在如图7A所示的顺时针方向旋转摇臂188。当摇臂188顺时针方向旋转时，它闭合剪式支撑臂198，从而驱动取心钻头组件120到伸出位置(或如图7A所示的朝左边)。通过如图7A所示来定位销202、206，当剪式支撑臂198闭合时，剪式支撑臂198发挥了机械优点。更具体地，当剪式支撑臂闭合时，该一系列延伸连接臂空载的数量基本上保持常数，从而将近似常数百分比的活塞力传递给取心钻头121。因此，在取心钻头121和取心装置120行程的整个范围内，系列延伸连接臂产生了更稳定的钻上重量。

由前面的描述还应当意识到，取心钻头121的延伸基本上与钻头外壳156的转动无关。第一个活塞172和中间连接臂174独立于第二活塞182和用于延伸取心钻头121的一系列延伸连接臂。因此，第一活塞172和第二活塞182可以基本上彼此无关地***作，可以允许取心工具103有附加的功能。例如，尽管工具外壳150或工具的其他结构产生了任意间隙，不管钻头外壳156在什么位置，取心钻头121任何时候都可以伸出。因此，当钻头外壳156保持在如上所述的排出和取心位置之间的某个方位时，可以沿对角面获得岩心样本。

尽管第一活塞172和第二活塞182可以独立操作，但是活塞中一个的操作可以影响或相反需要另一个活塞的合作。在钻头外壳156转动期间，例如，第二活塞182可以断电或以例如抖动的某种方式来控制，以使第二活塞182可能施加的与这种转动相反的阻力减到最小。然而，旋转连接臂和延伸连接臂的主要功能可能彼此独立地完成。

旋转连接臂160、162还可以允许钻头外壳156附加转动，以处于切断位置帮助将岩心样本从地层分离。当取心钻头121充分伸出以便完全切入地层时，它通常如图5所示，基本上垂直于纵轴152定位。然而，地层钻头121形成的岩心样本，仍然可以可靠地附着于地层。要帮助分离岩心样本，钻头外壳156还可以旋转一个附加量到如图6所示的切断位置。已经发现，大约7度的附加角位移就足以从地层切断岩心样本。通常，需要的附加角位移小于7度，大概为0.25度到2度。第一旋转连接臂160和第二旋转连接臂162可以被定位成有利于在取心和切断位置之间的附加转动围绕转动中心进行，转动中心基本上与取心钻头121末端的切削端一致。

取心工具103还包括有效搬运和储存多个岩心样本的***。因此，存储区124可以包括至少具有第一和第二存储柱222、224的岩心容器220，第一和第二存储柱的大小能够接收适于夹持岩心样本的岩心夹持器226。在图示的实施例中，显示的各存储柱222、224保持了6个岩心夹持器226，然而，根据存储区124的尺寸，存储柱的大小可以保持多于或少于6个岩心夹持器。例如，各存储柱的大小可以保持多达25个岩心夹持器226。岩心容器220定义了离钻头外壳156较近的近端228和离钻头外壳156较远的远端230。

可以提供移位器232、234，以在存储器柱222、224之间移动岩心夹持器。在图示的实施例中，移位器232连接到岩心容器近端228，并且移位器232包括适于握住岩心夹持器226外部的指。移位器232安装在轴236上，并可以从第一位置到第二位置旋转，其中在第一位置，移位器232对准第一存储柱222的近端，在第二位置，该移位器对准第二存储柱224的近端。另一个移位器234连接到岩心容器远端230，并且同样可以从第一位置到第二位置旋转，其中在第一位置，移位器234对准第一存储柱222的远端，在第二位置，该移位器对准第二存储柱224的远端。

提供第一传送器，以在取心钻头121从伸出位置到缩回位置移动时，将空的夹持器从近端移位器232传送到并进入取心钻头121。在图示的实施例中，第一个传送器包括搬运活塞240，比如滚珠丝杠活塞，其被定位成与容器第一存储柱222同轴，而且当钻头外壳156处于排出位置时，活塞还与取心钻头121同轴。岩心转移管252可以在取心钻头121和近端移位器232之间延伸，以便于在它们之间传送岩心夹持器。搬运活塞240包括夹具，比如夹具刷244，其适于与岩心夹持器侧壁内表面接合。因此，当移到伸出位置时，搬运活塞240可以延伸进入并通过取心钻头121。当从近端移位器232移动到取心钻头121时，位于搬运活塞240末端的夹具刷244可以握住岩心夹持器。

取心钻头121可以配置为在钻头内保持岩心样本和/或岩心夹持器，直到其被卸下。在图8所示的实施例中，取心钻头121包括在其顶部具有切削齿302的取心轴300。取心轴300通过止推轴承306连接到推力环304。推力环304再连接到取心外壳156。岩心夹持器308设置在取心轴300内部，并包括岩心爪，比如一个或多个凸起310。在Hill等人的美国专利申请No.2004/0140126A1中更详细地公开了关于凸起310的其他细节以及替换物，将该申请通过引用合并到此。保持件312可以连接到岩心夹持器308的远端，这样允许岩心在第一方向移动进入岩心夹持器308，而防止岩心反向移动，从而将岩心保持在岩心夹持器308内。在Reid、Jr.等人的美国专利申请No.2005/0133267A1中公开了示例性的保持件，将该申请通过引用合并到此。提供了一个或多个近端保持件，比如保持臂314，以防止岩心夹持器308向近端方向移动。保持臂314具有如图8所示的正常位置，其中臂314向内延伸，以阻碍岩心夹持器向近端方向移动。臂314可以选择性地从箭头315方向偏转到收回位置(未显示)，以允许岩心夹持器308朝近端方向移动。转移管252可以包括致动调整片316，其尺寸确定为能够与臂314接合，并移动其到缩回位置。因此，按照图示的实施例，当取心钻头121沿箭头318方向朝转移管252移动时，保持臂314将自动移到缩回位置，从而允许岩心夹持器308通过转移管252前进到存储区124。

搬运活塞240也可以将岩心夹持器从取心钻头121推到近端移位器232和/或第一存储柱222的近端。在图示的实施例中，搬运活塞240可以包括足部242，其尺寸确定为与多数岩心样本的截面积或岩心夹持器的外径相啮合。搬运活塞240可以移动到伸出位置，且在该伸出位置穿过钻头和/或通过近端移位器232，并且部分地进入第一存储柱222的近端，从而将岩心夹持器从取心钻头121传送到近端移位器232和/或第一存储柱232。因此，设置在取心钻头121内并保持最近获得的岩心样本的岩心夹持器可以由搬运活塞240从取心钻头121转移到近端移位器232和/或第一存储柱。

在另一个实施例中(未显示)，搬运活塞240将空的岩心夹持器从近端移位器232向上转移并进入转移管252，并可以在那里被固定。可以在转移管252内部设置夹头或其他的阻挡装置(未显示)，以将岩心夹持器从搬运活塞240剥离。在这个实施例中，搬运活塞240也可以将岩心从取心钻头121推到固定在转移管252内的岩心夹持器。搬运活塞还可以转移设置在转移管252内部的岩心夹持器，并通过搬运活塞240从转移管252到近端移位器232和/或第一存储柱保持最近获得的岩心样本。由于在该实施例中取心钻头121内没有提供岩心夹持器，取心钻头更优选地包括用于接收岩心的不旋转的岩心夹持器。

可以提供第二传送器，比如举升活塞250，将岩心夹持器226从远端移位器234推到第二存储柱224。如图3-6所示，举升活塞250与第二存储柱224同轴，并适于从缩回位置移动到伸出位置，其中活塞穿过远端移位器234并部分进入第二储存室224中。当其移到伸出位置，举升活塞250将设置在远端移位器234内的岩心夹持器转移到第二存储器224的远端。

在操作中，搬运装置可以用于在存储区124和取心钻头121之间传送岩心夹持器，并将岩心夹持器存储在多个相邻的存储柱内。在获得第一个岩心样本之前，容器220的第一和第二存储柱222、224可以被空岩心夹持器填充，包括位于第一存储柱222近端的第一岩心夹持器226a和位于第一存储柱222远端的第二岩心夹持器226b。另外，第三岩心夹持器226c设置在第二存储柱224远端，第四岩心夹持器226d设置在第二存储柱224近端。附加的空岩心夹持器设置在取心钻头121内部，并适于接收将形成的第一岩心。

取心钻头121可以***作来获得储存在当前岩心夹持器的岩心样本，并且钻头外壳156可以回到排出位置。然后搬运活塞240可以伸出，以便足部242与设置在取心钻头121内的当前岩心接合。搬运活塞240进一步延伸将当前岩心夹持器从取心钻头121传送到容器220，以便当前岩心夹持器靠近第一存储柱222的近端。搬运活塞240更进一步延伸将当前岩心夹持器***第一存储柱近端，以便其与第一岩心夹持器226a接合，从而将第一存储柱222远端方向的第一系列层叠的岩心夹持器推到从它们的远端排出第二岩心夹持器226b。远端移位器234可以设置成对准第一存储柱，从而以接收排出的岩心夹持器226b。

然后，近端移位器234可以旋转以对准第二存储柱224，并且举升活塞250可以延伸，以将第二岩心夹持器226b***第二存储柱远端。当第二岩心夹持器226b被***第二存储柱224中时，第二系列层叠岩心夹持器的全部沿第二存储柱224被推到近端方向，从而从第二存储柱224近端排出第四岩心夹持器226d。近端移位器232可以定位成对准第二存储柱224，从而接收排出的第四岩心夹持器226d。这时，搬运活塞240可以至少部分地缩回以便从近端移位器232离开。近端移位器232可以旋转到对准第一存储柱222，从而将第四岩心夹持器226d转移到靠近第一存储柱222的近端。

搬运活塞240可以再次延伸，直到夹具244与第四岩心夹持器226d接合。然后搬运活塞240可以缩回，以将第四岩心夹持器226d从容器220转移到取心钻头121。当从取心钻头121排出时，第四岩心夹持器226d从搬运活塞剥离，从而保持取心钻头内能接收下一个岩心样本。上述步骤可以重复到各岩心夹持器都容纳了岩心样本。具有岩心样本的岩心夹持器顺序储存在容器220内部，最早的或第一个样本最终位于第二存储柱224的近端，并且最后的或最近的岩心样本位于第一存储柱222的近端。尽管这里图示和描述了搬运和储存岩心的一个方法，但是应当意识到，可以使用其他搬运/储存岩心的方法，而不脱离本公开的范围。

取心工具103可以包括一个或多个探测从地层获得的样本岩心的存在和/或地球物理性质的传感器。例如，工具103可以包括地球物理性质测量单元，其通过工具总线连接到遥测单元，从而将数据发送到位于地面的数据采集和处理装置。地球物理性质测量单元可以是γ射线探测单元、核磁共振(NMR)传感器、电磁传感器或其他的装置。在Fujisawa等人的美国专利申请No.2007/0137894中提供了关于地球物理性质测量单元的其他细节，通过引用合并到此。

这里公开的取心工具103也允许测量从地层获得的岩心样本的长度。在一个示例性的实施例中，岩心样本的长度可以在常规的岩心夹持器搬运、岩心接收和岩心储存操作期间获得，当使用罐筒做岩心夹持器时，例如，当活塞240与设置在近端移位器232内的空岩心夹持器接合时，可以获得搬运活塞的基线或第一位置。然后搬运活塞240可以向上收回，直到罐筒位于取心钻头121内。如上所述，然后取心钻头121旋转到取心位置，并***作以接收岩心。随后，取心钻头121旋转回到排出位置，而且然后搬运活塞240可以延伸到将罐筒和岩心样本从钻头排出。搬运活塞240不断延伸，直到具有岩心样本的罐筒位于近端移位器232内，在这时可以得到搬运活塞的第二位置。然后岩心长度可以通过第一位置(或基线)和第二位置之间的差确定。然后岩心长度可以根据需要传输和显示。尽管图示的实施例在确定岩心长度期间使用了活塞的特定位置，在操作期间活塞的其他位置或获得工具其他部件的位置，可以用来确定岩心长度。

通过探测活塞经受的阻力的相对增量，工具可以探测何时搬运活塞240处于第一和第二位置。对于第一和第二位置，夹头或其他的机械装置可以限制罐筒的进一步前进，这将增加活塞240的载荷。因此通过监视产生测试信号的活塞马达的当前拉力，可以确定第一和第二位置。在一个实施例中，可以提供搬运活塞240作为滚珠丝杠活塞，以连接到具有旋转装置的马达，在这种情况下，第一和第二距离可以根据活塞定位需要的马达转数来确定。如果第一岩心长度小于预定界限，则该方法还可以包括取第二岩心，在这种情况下第二岩心的长度可以用类似的方式确定。尽管上述实施例监测马达当前拉力来识别活塞第一和第二位置，但例如位置传感器的其他装置可以用来确定活塞何时处于第一和第二位置。

按照本公开的另一个方面，取心工具103能够取得相对于井眼标称直径具有相当大的长度和直径的岩心样本。很多井眼形成的标称直径为大约6.5英寸到17.5英寸。因此，井下工具的外径受到限制，这也限制了从地层获得的岩心样本的尺寸和直径。上述的取心工具103可以具有小于大约5.25英寸的外径。通过利用独立的取心钻头支撑，例如上述的延伸连接，与滑动导向板相抵靠，钻头的行程长度对于给定的工具直径可以达到最大。例如，在外径小于大约5.25英寸的工具中，取心钻头可以伸入地层的距离至少为大约2.25英寸，并且更优选达到大约3.0英寸。取心钻头121可以具有至少为大约1.0英寸的内径，并且更优选大约1.5英寸。另外，通过提高井下工具的电动机效率或给井下工具提供更大功率，可以获得更大直径的岩心样本，例如具有大约2.0英寸的直径的岩心样本。

使用体积大的岩心对于评价储层可以是很有利的。例如，对于岩心样本进行的一个测试是流动性试验。该试验可以提供获得岩心的地层岩石的孔隙度和渗透率值。这些数值经常用于与其他的地层评价数据一起估计从特定井中产出的潜在的碳氢化合物的数量。然而应当意识到，流动性试验结果的准确性通常对于样本的体积很敏感。因此，井壁取心工具103提供的岩心样本，长度高达大约3.0英寸(比现有技术的井壁取心工具所提供的岩心增加大于50％)，在岩心样本的末端被修剪后具有增加的可试验体积。通过这样做，对岩心样本进行分析的结果可能更精确，从而提供了对油气储量的更好估计。

另外，提供具有大约1.5英寸的直径(比现有技术的井壁取心工具所提供的岩心增加大约50％)的岩心样本，进一步将岩心体积增加了125％。而且，实验室设备通常是为1.5和2.0英寸岩心设计的，并且很少为1.0英寸岩心设计。目前，现有技术的井壁取心工具提供的岩心被叠放以符合为更大岩心设计的试验器。相反，被井壁取心工具103提供的岩心可以在容易地在可用的设备中被测试。

尽管这里描述的上述装置和方法用于线缆工具环境下，但它们也适用于随钻工具。可能希望用MWD或LWD工具获得岩心样本，因此上述方法和装置可以很容易地与这种工具一起使用。本公开的特定方面也可以用于不同的取心应用，比如轴向取心。

尽管只阐明了一些特定实施例，但是对于本领域技术人员来说，通过上面的描述，显然可以进行替换和修改。这些和其他替换应该是等同的并在本公开和权利要求的精神和范围内。

Claims (26)

1、一种用于在地层中形成的井眼的取心工具，包括：

适于悬挂在井眼内选定深度的工具外壳；

形成在所述工具外壳上的取心孔；

设置在所述工具外壳内的岩心容器；

设置在所述工具外壳内的钻头外壳；

安装在取心钻头组件内的取心钻头，所述取心钻头组件可移动地设置在所述钻头外壳内；

工作连接到所述取心钻头并适于旋转所述取心钻头的钻头马达；

一系列可旋转地连接的延伸连接臂，具有可旋转地连接到所述钻头外壳的第一端和可旋转地连接到所述取心钻头组件的第二端；以及

第一致动器，工作连接到所述一系列延伸连接臂，并适于在缩回位置和伸出位置之间驱动所述取心钻头。

2、根据权利要求1所述的取心工具，其中，所述一系列延伸连接臂包括剪式支撑臂。

3、根据权利要求2所述的取心工具，其中，所述一系列延伸连接臂包括随动机构连接臂。

4、根据权利要求3所述的取心工具，其中，所述一系列延伸连接臂还包括摇臂，所述摇臂可旋转地安装在所述钻头外壳上，并具有可旋转地连接到所述随动机构连接臂的第一段和可旋转地连接到所述剪式支撑臂的第二段。

5、根据权利要求1所述的取心工具，其中，所述取心钻头延伸进入地层至少2.25英寸。

6、根据权利要求1所述的取心工具，还包括：

旋转连接臂，其具有可旋转地连接到所述外壳的第一端和可旋转地连接到所述钻头外壳的第二端，用以在排出位置和取心位置之间旋转所述钻头外壳，其中，在所述排出位置，所述取心钻头对准岩心容器，并且在所述取心位置，所述取心钻头对准所述工具外壳上的取心孔；

第二旋转连接臂，其具有可旋转地连接到所述外壳的第一端和可旋转地连接到所述钻头外壳的第二端，从而进一步控制所述钻头外壳在所述排出位置和所述取心位置之间的转动；以及

第二致动器，其工作连接到所述钻头外壳，并适于在所述排出位置和所述取心位置之间驱动所述钻头外壳。

7、根据权利要求6所述的取心工具，其中，所述第二活塞独立于所述第一活塞驱动。

8、一种用于在地层中形成的井眼的取心工具，包括：

适于悬挂在井眼内的工具外壳，所述井眼的标称直径在6.5英寸和17.5英寸之间；

形成在所述工具外壳上的取心孔；

设置在所述工具外壳内的岩心容器；

钻头外壳，其设置在所述工具外壳内，并在排出位置和取心位置之间可旋转地连接到所述工具外壳，其中，在所述排出位置，所述取心钻头对准所述岩心容器，并且在所述取心位置，所述取心钻头对准所述工具外壳上的取心孔；

安装在所述钻头外壳内并包括切削端的取心钻头；

工作连接到所述取心钻头并适于旋转所述取心钻头的钻头马达；以及

第一致动器，其工作连接到所述取心钻头，并适于在缩回位置和伸出位置之间驱动所述取心钻头，其中，所述缩回位置和所述伸出位置之间的距离至少为2.25英寸。

9、根据权利要求8所述的取心工具，其中，所述缩回位置和所述伸出位置之间的距离至少为2.75英寸。

10、根据权利要求8所述的取心工具，其中，所述钻头的切削端的内径大约等于或大于1.5英寸。

11、根据权利要求8所述的取心工具，其中，所述工具外壳通过线缆悬挂到所述井眼中。

12、根据权利要求8所述的取心工具，还包括第二致动器，其工作连接到所述钻头外壳，并适于旋转所述钻头外壳。

13、一种取心工具的岩心搬运组件，所述取心工具具有携带取心钻头的钻头外壳，所述组件包括：

包括至少第一存储柱和第二存储柱的岩心容器，所述岩心容器具有离所述钻头外壳较近的近端以及具有远端；

靠近所述容器近端设置的近端移位器，所述近端移位器能在第一位置和第二位置之间移动，其中，在所述第一位置，所述近端移位器对准所述第一存储柱的近端，在所述第二位置，所述近端移位器对准所述第二存储柱的近端；以及

基本上与取心钻头轴对齐的第一传送器，其中，所述第一传送器还适于将岩心从所述取心钻头传送到所述近端移位器。

14、根据权利要求13所述的岩心搬运组件，还包括靠近所述容器远端设置的远端移位器，所述远端移位器能在第一位置和第二位置之间移动，其中，在所述第一位置，所述远端移位器对准所述第一存储柱的远端，在所述第二位置，所述远端移位器对准所述第二存储柱的远端。

15、根据权利要求13所述的岩心搬运组件，其中，所述第一传送器包括岩心夹持器搬运活塞，其具有适于与空岩心夹持器接合的夹具，以及适于与岩心夹持器和岩心之一接合的足部。

16、根据权利要求15所述的岩心搬运组件，其中，所述夹具包括刷。

17、根据权利要求13所述的岩心搬运组件，还包括基本上与所述容器第二存储柱对齐设置的第二传送器，适于将岩心夹持器从所述第二存储柱推动到所述近端移位器。

18、根据权利要求13所述的岩心搬运组件，还包括设置在所述第一存储柱和所述第二存储柱中至少一个中的多个岩心夹持器，并且所述多个岩心夹持器适于接收岩心。

19、根据权利要求18所述的岩心搬运组件，其中，所述多个岩心夹持器中至少一个是套筒和罐筒中的一个。

20、根据权利要求18所述的岩心搬运组件，其中，所述多个岩心夹持器中至少一个包括保持件。

21、根据权利要求13所述的岩心搬运组件，其中，所述取心工具是侧壁取心工具，并且所述取心外壳能在取心位置和排出位置之间移动。

22、一种在用于地层中形成的井眼中的取心工具中搬运岩心的方法，所述方法包括：

提供具有取心钻头的取心钻头组件；

提供具有第一存储柱和第二存储柱的容器，所述第二存储柱容纳至少一个第一岩心夹持器；

将所述至少一个岩心夹持器与所述取心钻头对准；

将第一岩心捕获在所述至少一个岩心夹持器中；以及

将所述第一岩心传送到所述第一存储柱内。

23、根据权利要求22所述的方法，还包括：

在所述第一存储柱中提供至少一个第二岩心夹持器；以及

将所述至少一个第二岩心夹持器从所述第一存储柱传送到所述第二存储柱内。

24、根据权利要求22所述的方法，其中，将所述至少一个岩心夹持器与所述取心钻头对准的步骤包括：

将所述第一岩心夹持器从所述第二存储柱传送到所述取心钻头和在所述容器和所述取心钻头之间延伸的岩心转移管中的一个。

25、一种在用于地层中形成的井眼中的取心工具中搬运岩心的方法，所述方法包括：

将搬运活塞延伸到第一位置，在所述第一位置中，所述搬运活塞与第一岩心夹持器接合；

测量相应于所述搬运活塞的第一位置的第一距离；

捕获所述岩心；

将所述搬运活塞延伸到第二位置，从而推动所述岩心；

测量相应于所述搬运活塞的第二位置的第二距离；

通过所述第一距离和所述第二距离确定所述第一岩心的长度；以及

显示所述岩心的长度。

26、根据权利要求25所述的方法，其中，所述搬运活塞由马达和滚珠丝杠驱动，并且所述第一距离和所述第二距离通过马达的转数来确定。

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