CN101755104A - 用于井下工具的定向传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结合定向传感器(24)的井下钻探装置。定向传感器安装在外壳(16)上，用于提供代表外壳的定向的信号，并连接在第一收发器线圈(26)上。第二收发器线圈(30)和一系列磁体(32)安装在旋转轴(18)上。当轴相对于外壳旋转时，磁体通过第一收发器线圈的经过运动产生电压，从而为传感器提供电功率，并且第一和第二收发器线圈之间的电磁耦合使信号能够从传感器发送到安装于旋转轴上的随钻测量工具上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于井下工具的定向传感器，并且特别地但不排他地涉及一种用于旋转导向工具的定向传感器，这种旋转导向工具适于结合到井下钻探装置中。
背景技术
用于结合到井下钻探装置中的旋转导向工具是已知的，其中该工具被结合到钻杆柱内，并且包括非旋转的外套筒，该外套筒具有一个或多个可伸缩的推动器，用于接合由钻探装置形成的钻井的壁，从而调整套筒相对于钻井的定向。空心轴限定了用于钻探泥浆的通道，并且可旋转地安装在套筒内，而且直接或间接地连接在用于形成钻井的钻头上，从而通过轴的旋转而产生钻头的操作。为了调整钻探装置的钻探方向，通过调整空心轴中的钻探泥浆的压力而从地面启动旋转导向工具，这又造成一个或多个推动器与钻井的壁接合，从而调整非旋转套筒相对于钻井的定向。这又调整了钻探的方向。为了有效地控制钻探的方向，必须知道一个或多个推动器相对于钻井的定向。
已知通过提供一个或多个加速计而提供井下工具的外壳相对于钻井的定向指示，加速计在连接到旋转轴上的随钻测量(MWD)工具上提供了外壳相对于垂直方向的定向指示。因为使用期间非旋转套筒上的空间不足，以及与在旋转轴和非旋转套筒之间提供功率相关的困难性/复杂性，所以通常认为必须将MWD工具和加速计安装在旋转轴上。然而，这提供了如下缺点，即由于加速计对于振动和加速度敏感，因而在轴旋转时要从安装在旋转轴上的加速计中获得信号通常非常困难或甚至不可能。结果，加速计信号以及因而外壳相对于钻井的定向指示通常只能在旋转轴静止或缓慢移动时才能获得，结果在钻探装置运行时，由于停止钻探的不期望性，定向指示信号只能以离散的间隔而不是连续地获得。
发明内容
本发明的优选实施例试图克服现有技术的一个或多个上述缺点。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于井下工具的定向指示装置，该井下工具具有第一部分和适合于相对于所述第一部分旋转的第二部分，该装置包括：
至少一个定向传感器，其适合于安装在所述第一部分上，用于提供代表所述第一部分的定向的信号；
信号发送器件，其适合于安装在所述第一部分上，并适合于连接在至少一个所述定向传感器上；和
信号接收器件，其适合于安装在所述第二部分上，并且适合于与所述信号发送器件处于电磁通信，用于接收由至少一个所述定向传感器提供的信号。
这提供了使至少一个定向传感器能够安装在井下工具的非旋转套筒上的优势。在定向传感器是加速计的情况下，则加速计信号不太容易被由旋转轴所造成的振动干扰，结果可在轴旋转时连续地使用定向传感器。通过提供与信号发送器件处于电磁通信的信号接收器件，这使定向传感器所产生的信号能够被供给连接在旋转轴上的随钻测量(MWD)工具，这又促进了信号至地面的传递。
至少一个所述定向传感器可为加速计。
至少一个所述定向传感器可为磁性传感器。
所述信号发送器件可包括至少一个传导回路，该传导回路适合于通过电磁感应而将信号发送给所述信号接收器件。
所述信号接收器件可适合于使功率能够通过电磁感应而发送给所述传感器。
这提供了定向传感器不需要单独电源的优势，这进一步提供了避免更换电源的困难和不便的优势。
信号接收器件可包括至少一个传导回路(conductive loop)。
信号接收器件还可包括被至少一个所述传导回路所包围的至少一种磁性材料。
至少一种所述磁性材料可为铁磁性材料。
信号接收器件还可包括至少一个磁体。
信号接收器件可包括至少一个天线，该天线适合于接收变化的电信号。
这提供了可使用用于将功率发送到传感器上、并且接收来自传感器的信号的单个部件的优势。
根据本发明的另一方面，提供了一种井下工具，包括：
外壳，其适合于安装在用于形成钻井的钻探装置中；
空心轴，其限定用于钻探泥浆的通道，其中所述轴的至少一部分可旋转地安装在所述外壳中；和
如上限定的定向指示装置，其中至少一个所述定向传感器和所述信号发送器件安装在所述外壳上，并且所述信号接收器件安装在所述空心轴上。
该工具还可包括至少一个钻井接合部件，该钻井接合部件安装在所述外壳上，并可相对于所述外壳而移动，以便与由结合所述井下工具的钻探装置所形成的钻井的壁接合，从而调整所述钻探装置的钻探方向。
附图说明
现在将参照附图以示例的方式而非以任何限制性的意义来描述本发明的优选实施例，其中：
图1是结合体现本发明的旋转导向工具的钻探装置的示意图；
图2是图1的旋转导向工具的第一实施例的横截面详图；
图3是图1的旋转导向工具的第二实施例的横截面详图；且
图4是图1至图3的旋转导向工具的电气部件的示意图。
具体实施方式
参照图1，结合体现本发明的旋转导向工具4的钻杆柱形式的井下钻探装置2具有安装在空心轴8上的钻头6和外壳12，空心轴8限定了用于将钻探泥浆传送至钻头6的通道10，轴8安装在外壳12上，并且外壳12限定了环形室14，该环形室14用于使钻探泥浆和钻探碎屑能够从钻头6返回至地面上。外壳12通过离合器(未显示)而连接在轴8上，用于当工具4处于其定向模式或笔直钻探模式时促使外壳12随轴8一起旋转以提高装置2的钻探效率，并且用于当工具4处于其定向钻探模式时使轴8能够相对于外壳12而旋转。在工具4的定向模式下，外壳12和轴8锁定在一起，并且可使用设于轴4或外套筒12上的随钻测量(MWD)工具上的加速计(如以下更详细所述)来监测工具4距垂直方向的角度，从而在钻探泥浆的激励(即泵的循环)之前正确地定向工具4。这通过使工具4以顺时针方向缓慢地旋转，并在地面读取角度位置直至工具4被正确定位而实现。
旋转导向工具4具有外壳16和安装在外壳16内的旋转轴18，外壳16形成钻探装置2的外壳12的一部分。一系列推动器20(图2和图3中只显示了其中一个)围绕外壳16安装在等角度地间隔开的位置处，并且可向外壳外移动，以接合钻井的壁22，从而调整钻探装置2的钻探方向。通过控制空心轴8中的钻探泥浆的压力可控制推动器20的收缩或伸出状态。
图2显示了用于指示工具4的定向的定向传感器24，例如一个或多个加速计或磁性传感器。传感器24在相对于其中一个推动器20的已知位置处安装在外壳16上。如图4中更详细地所示，第一收发器线圈26安装在外壳16上，并且通过电子处理装置28而连接在传感器24上。第二收发器线圈30和一系列永久磁体32围绕旋转轴18的周围而等角度地设置在邻近并面向外壳16的位置，使得当轴18旋转时，磁体32通过第一收发器线圈26的经过运动产生电压，以便将电功率提供给传感器24，并且第一和第二收发器线圈26，30之间的电磁耦合使得能够从传感器24获得信号，并将信号从第二收发器线圈30发送到随钻测量(MWD)工具(图1)上，随钻测量(MWD)工具安装于旋转导向工具4上游的钻探装置2的旋转轴8上。
参看图4，当旋转轴18相对于外壳16旋转时，磁体32经过第一收发器线圈26，并在第一收发器线圈26中产生电动势(EMF)。第一收发器线圈26中产生的电压通过整流器36进行整流，并且通过存储电容器38而传送给传感器24。磁体32的强度和第一及第二收发器线圈26，30之间的耦合选择成以便以旋转轴18的最小需求旋转速率提供足够的功率用于传感器24的激励。从传感器24获得的信号通过调制解调器/控制***40传送至第一收发器线圈26，之后当第二收发器线圈30随着轴18的每次旋转而靠近第一收发器线圈26经过时被发送至第二收发器线圈30。然后将信号传送到安装于钻探装置2的旋转轴8上的MWD工具34上。
现在将描述图1，2和4中所示的装置的运转。为了监测钻探装置2在轴8旋转时的钻探方向，由传感器24产生的信号提供了外壳16相对于垂直方向的定向指示，然后该信号可结合静态勘探测量(该静态勘探测量之前在轴8固定时已获得)使用以确定钻头6的位置和定向。在笔直钻探模式下，外壳12通过离合器(未显示)而锁定在轴8上，并因此随轴一起旋转。在此模式下，外套筒12锁定在轴8上，并因而在钻探期间将轴8和套筒12锁定在一起并旋转。加速计24将暴露于钻探振动下，并以一定的速度旋转。另外，整个钻探组件是“直的”，即运转以一直向前钻探，并因而没有偏转机构，且因而不需要识别套筒12相对于垂直方向定位在哪里。
然而，在定向模式中，套筒12和轴8锁定在一起。MWD加速计(未显示)或外套筒加速计24可用于监测距离垂直方向的角度，以便在启动(泵循环)之前使工具4“定向”。这通过使工具4沿顺时针方向缓慢地旋转(即慢到足以使加速计不会变得遭受过分的振动)并在地面读取角度位置直至工具4被正确定位来实现。
在定向钻探模式中，通过改变流体压力而启动旋转导向工具4，造成一个或多个推动器20从外壳16突出以与钻井的壁22相接合，这又造成钻探装置2偏离与钻井壁22结合的推动器20相对的方向。同时，离合器(未显示)造成外壳12脱离轴8，使得轴8可相对于外壳12而旋转。然后由传感器24产生的信号提供了外壳16相对于垂直方向的定向指示。
图3显示了一个备选实施例，其中图2的永久磁体32被旋转轴18上周向地缠绕的天线42所替代。天线42接收在第一收发器线圈26中产生感应电动势的交流电流，该天线42之后可利用与图4中所示的相似的电子装置28而给传感器24提供动力。周向地缠绕的天线42可永久性地或间歇地被激励，这取决于从传感器24所要求的数据的频率和功率要求。
本领域中的熟练的技术人员将会懂得，上面的实施例仅仅以示例的方式而非以任何限制性的意义进行描述，而且各种备选例和改型在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的范围内都是可行的。
Claims (12)
1.一种用于井下工具的定向指示装置，所述井下工具具有第一部分和适合于选择性地相对于所述第一部分而旋转的第二部分，所述装置包括：
至少一个定向传感器，其适合于安装在所述第一部分上，用于提供代表所述第一部分的定向的信号；
信号发送器件，其适合于安装在所述第一部分上，并适合于连接在至少一个所述定向传感器上；和
信号接收器件，其适合于安装在所述第二部分上，并且适合于与所述信号发送器件处于电磁通信，用于接收由至少一个所述定向传感器提供的信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个所述定向传感器是加速计。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，至少一个所述定向传感器是磁性传感器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述信号发送器件包括至少一个传导回路，所述传导回路适合于通过电磁感应而将信号传送给所述信号接收器件。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述信号接收器件适合于通过电磁感应而使得能够将功率发送给所述传感器。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述信号接收器件包括至少一个传导回路。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述信号接收器件还包括被至少一个所述传导回路包围的至少一种磁性材料。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，至少一种所述磁性材料是铁磁性材料。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的装置，其特征在于，所述信号接收器件还包括至少一个磁体。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述信号接收器件包括至少一个天线，所述天线适合于接收变化的电信号。
11.一种井下工具，包括：
外壳，其适合于安装在用于形成钻井的钻探装置中；
空心轴，其限定用于钻探泥浆的通道，其中所述轴的至少一部分可旋转地安装在所述外壳中；以及
根据前述权利要求中任一项所述的定向指示装置，其中至少一个所述定向传感器和所述信号发送器件安装在所述外壳上，并且所述信号接收器件安装在所述空心轴上。
12.根据权利要求11所述的工具，其特征在于，所述工具还包括至少一个钻井接合部件，所述钻井结合部件安装在所述外壳上，并可相对于所述外壳而移动，以便与由结合所述井下工具的钻探装置所形成的钻井的壁相接合，以调整所述钻探装置的钻探方向。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100623 |