CN107110993A - 旋转导向工具中的伽马检测传感器 - Google Patents

Abstract

根据本公开的实施方案，提供了旋转导向工具和伽马传感器组件。这些***可包括闪烁检测传感器，所述闪烁检测传感器安装在耦接至所述旋转导向工具的旋转驱动轴和/或电子插件的压力套筒组件中。所述传感器可各自安装在相应压力套筒内的大气压环境中。所述压力套筒可各自随所述驱动轴和所述电子插件旋转。所述***的基于探测器的布置可促进在所述旋转导向工具的旋转部分处进行的相对较高灵敏度测量。这可允许在所述旋转导向工具的所述旋转部分处确定定向伽马测量和批量伽马测量。

Description

旋转导向工具中的伽马检测传感器

技术领域

本公开一般涉及旋转导向工具，且更具体地涉及用于将伽马辐射传感器封装在旋转导向工具的旋转部分中的***和方法。

背景技术

通常从可能位于陆上或近海的地下地层获得烃类物，诸如石油和天然气。在从地下地层中移除烃类物中涉及的地下操作的开发以及过程通常涉及许多不同步骤，诸如，例如在期望井位钻井筒、处理井筒以优化烃类物的生产，并进行从地下地层生产并处理烃类物的必要步骤。

为了各种目的(包括勘探钻井以定位不同自然资源的地下沉积物、提取这些沉积物的采矿操作，以及安装地下公用设施的建设项目)而建立井筒。通常垂直钻井筒通过地下地层。然而，在许多应用中，期望钻具有垂直偏离或水平几何形状的井筒。用于钻水平垂直偏离和其它复杂钻孔的众所周知的技术是定向钻井。定向钻井通常以钻孔的方法为特点，其特征在于，地球中钻孔的路线的至少一部分处于除了严格垂直外的方向，即轴与垂直平面成角度(称为“垂直偏离”)，并且被导向在方位平面中。

各种选项可用于为钻井工具提供导向能力，以控制并改变井筒的方向。例如，定向钻井也可用“旋转导向”钻井***来完成，其中整个钻杆管柱从地表旋转，这又使得井底钻具组件(BHA)旋转，该井底钻具组件包括钻头，连接至钻杆管柱的端部。在旋转导向钻井***中，当钻具通过由转向装置在期望方向(直接或间接地)被指向或推动而转向时，钻柱可旋转。一些旋转导向钻井***包括相对于钻柱不旋转的部件，以便为期望方向提供参考点并为转向装置提供安装位置。其它旋转导向钻井***可“完全旋转”。旋转导向钻井***可为定向钻井操作提供相对较高转向精度。

定向钻井通常涉及在钻井时控制并改变井筒的方向。通常，定向钻井的目标是通过钻柱到达目标地下目的地或地层内的位置。旋转导向***中的井下传感器可用于评估钻井通过的地层，以便确定应进行的旋转导向工具的方向改变。一些井下工具利用伽马检测传感器，这些传感器被设计测量从地下地层发射的天然伽马辐射量。这样的信息可能是有用的，因为油层和含油的地层通常会比生产力较低的地层排放更多的伽马辐射。不幸的是，伽马检测传感器通常容纳在钻柱的非旋转部分中，或者位于钻头的远处，使得难以使快速方向决定基于所感测的伽马辐射。

附图说明

为了更全面地了解本公开及其特征和优点，现在参考结合附图进行的以下描述，其中：

图1是根据本公开的实施方案的具有旋转导向工具的钻井***的示意图；

图2是根据本公开的实施方案的旋转导向工具的部件的局部剖面侧视图；

图3是根据本公开的实施方案的图2的旋转导向工具的部件的透视图；

图4是根据本公开的实施方案的图2和图3的旋转导向工具的伽马感测部分的截面侧视图；

图5是根据本公开的实施方案的图3和图4的旋转导向工具的部件的前剖面视图；

图6是根据本公开的实施方案的具有用于促进方位伽马测量的两个屏蔽部件的图3的伽马感测部的示意截面图；

图7是根据本公开的实施方案的具有用于促进方位伽马测量的四个屏蔽部件的图3的伽马感测部的示意截面图；和

图8是示出根据本公开的实施方案的用于操作旋转导向工具的伽马感测部件的方法的过程流程图。

具体实施方式

本文详细描述本公开的说明性实施方案。为了清楚起见，在本说明书中没有描述实际实施方式的所有特征。当然，应理解，在任何这样的实际实施方案的开发中，必须做出许多实施方式具体的决定来实现开发者的具体目标，诸如遵守与***相关和业务相关的约束，这些约束将在一个实施方式与另一实施方式间变化。此外，应理解，这样的开发工作可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员，这将是常规任务。此外，以下实施例决不应被视为限制或限定本公开的范围。

根据本公开的某些实施方案可涉及以下***和方法：其用于在旋转导向工具的旋转部分中感测伽马辐射，以在钻井时测量地层的自然伽马辐射。这种旋转导向工具通常用于进行定向钻井操作。定向钻井通常涉及在钻井时控制并改变井筒的方向。通常，定向钻井的目标是通过钻柱到达目标地下目的地或地层内的位置。例如，可控制钻井方向以将井筒导向期望目标目的地，以水平地控制井筒以将其保持在期望产油层内，或者校正与期望或预定路径的不希望或不期望偏离。在钻井操作期间，经常对井筒的方向进行调整，以适应计划的方向变化或补偿井筒的意外或不希望的偏转。

地层中自然发射的伽马辐射可提供对通过旋转导向工具钻穿的地层的组成和可取性的了解。因此，期望进行伽马射线测量，以便在钻井时通知关于控制和改变井筒的方向的决定。许多旋转导向工具根本没有伽马检测功能。其它现有的旋转导向工具可与设置在钻柱中更高位置以进行旋转伽马测量的地层评估工具(带有伽马传感器)一起工作。然而，为了基于伽马测量做出更好的地理导向决定，可能期望经由钻头处或附近的伽马检测传感器进行这些测量。钻头附近的测量可允许最准确和最快的导向决定，以用于继续钻穿期望地层或避开某些类型的地层。然而，目前，在钻头附近具有伽马传感器的任何工具都具有位于钻柱的非旋转部分中的这些传感器。

所公开的实施方案涉及此等工具的旋转导向工具和伽马传感器部分，其被设计为解决这些缺点。本文公开的***可包括闪烁检测传感器，该闪烁检测传感器安装在耦接至旋转导向工具的旋转驱动轴和/或电子插件的压力套筒组件中。传感器可各自安装在被设计为提供大气压环境的相应压力套筒中。压力套筒可各自随驱动轴和电子插件旋转。下面描述的***的布置可促进在旋转导向工具的旋转部分处进行相对较高灵敏度测量。

在一些实施方案中，所公开的伽马传感器部分可用于基于经由布置在旋转导向工具的驱动轴周围的伽马检测传感器收集的感测到的伽马辐射量而在旋转导向工具的旋转部分处进行批量伽马测量。在其它实施方案中，伽马传感器部分可配备一个或多个屏蔽部件(例如，钨屏蔽件)，该屏蔽部件可被定位在各个探测器包装的伽马检测传感器周围的可用空间中。屏蔽部件可防止某些伽马检测传感器检测从井筒内的某些方向发射的伽马辐射。因此，可利用伽马传感器部分的这种布置来确定在旋转导向工具的旋转部分处的方位(即定向)伽马测量。

现在转向附图，图1示出根据本公开的各方面的通常指定为10的定向钻井***。关于勘探和/或回收诸如石油和天然气的地下烃沉积物的钻井操作，讨论了许多公开的概念。然而，所公开的概念不限于此，且可应用于其它钻井操作。为此，本公开的各方面不一定限于图1中呈现的布置和部件。例如，在不脱离本公开的预期范围和精神的情况下，本文呈现的许多特征和方面可应用于水平钻井应用和垂直钻井应用中。

图1中示出的定向钻井***10包括由钻台14支撑的塔架或“井架”12。钻台14可支撑以期望转速驱动以向钻柱18提供旋转力的旋转台16。钻柱18(其可包括钻杆部分20)从旋转台16向下延伸至定向井筒22中。如图所示，井筒22可沿多维路径或“轨迹”行进。图1的井筒22的底部24的三维方向由指向矢量26表示。

钻头28通常附连至钻柱18的井下远端。当旋转(例如经由旋转台16)时，钻头28可操作以分解并大体上瓦解地质构造30。钻柱18可例如经由通过滑轮***(未示出)的方钻杆接头34、旋转件36和管线38耦接至“绞车”起重设备32。绞车32可包括各种部件，诸如滚筒、一个或多个电动机、减速齿轮、主制动器和辅助制动器。在钻井操作期间，在一些实施方案中，绞车32可***作以控制钻头28上的重量和钻柱18进入井筒22的穿透速率。绞车32的操作通常是公知的，因此在这里没有详细描述。

在钻井操作期间，合适的钻井液(通常称为“泥浆”)40可在压力下由液压“泥浆泵”44循环而从泥浆坑42出来并进入井筒22中通过钻柱18。钻井液40可包括例如水基泥浆、油基泥浆、合成基泥浆以及气态钻井液。钻井液40可经由流体导管(通常称为“泥浆管线”)46和方钻杆接头34从泥浆泵44穿过进入钻柱18中。钻井液40可在井筒底部24处通过钻头28中的开口或喷嘴排出，并且通过钻柱18和井筒22的壁之间的环形件48朝向表面在“井口”方向循环。当钻井流体40接近旋转台16时，它可经由返回管线50排放至泥浆坑42中。适当地部署在井筒22的表面上的各种表面传感器52可单独操作或与部署在井筒22内的井下传感器一起操作，以提供关于各种钻井相关参数的信息，诸如流体流速、钻头重量和吊钩负载等。

表面控制单元54可经由传感器或变换器56(其可放置在流体管线46上)从表面和井下传感器和装置接收信号。表面控制单元54可操作以根据提供至表面控制单元54的编程指令来处理这样的信号。表面控制单元54可经由一个或多个输出装置58(诸如显示器、计算机监视器、扬声器、灯等)向操作人员呈现期望的钻井参数和其它信息(其由操作人员用于控制钻井操作)。表面控制单元54可包含计算机、用于存储数据的存储器、数据记录器和其它已知和下文开发的***装置。表面控制单元54还可包括模型并且可根据编程指令处理数据，并且响应通过合适输入装置60(其可以是键盘、触摸屏、麦克风、鼠标、操纵杆等的性质)输入的用户命令。

在本公开的一些实施方案中，旋转钻头28附接在井底钻具组件(BHA)62的远端处。在所示实施方案中，BHA 62可耦接在钻柱18的钻头28和钻杆部分20之间。BHA 62可包括旋转导向工具，该旋转导向工具在图1中大致表示为64，具有用以提供关于地层30和井下钻井参数的信息的各种传感器。旋转导向工具64中的传感器可包括但不限于用于测量钻头附近的地层电阻率的装置、用于测量地层伽马射线强度的伽马射线装置、用于确定钻柱的倾斜度和方位角的装置，和用于测量井下钻井液压力的压力传感器。旋转导向工具64还可包括用于测量冲击、振动、扭矩、遥测等的附加/替代感测装置。上述装置可将数据发射至井下发射器66，该井下发射器又将数据向井口发射至表面控制单元54。在一些实施方案中，BHA 62还可包括随钻测量(MWD)***或随钻测井(LWD)***。

在一些实施方案中，泥浆脉冲遥测技术可用于在钻井操作期间从井下传感器和装置传送数据。在其它实施方案中，***10可利用电磁遥测、声学遥测和有线钻杆遥测等。放置在泥浆供应管线46中的变换器56可响应于由井下发射器66发射的数据来检测泥浆脉冲。变换器56又可响应于泥浆压力变化产生电信号，并将这些信号发射至表面控制单元54。在其它实施方案中，可利用诸如电磁和/或声学技术或已知或以下开发的任何其它合适技术的其它遥测技术。作为实施例，可使用硬连线钻杆在表面和井下装置之间进行通信。在另一实施例中，可使用所描述的技术的组合。如图1所示，表面发射接收器68可使用例如所描述的任何发射技术(诸如泥浆脉冲遥测技术)与井下工具通信。这可实现表面控制单元54和下述的井下工具之间的双向通信。

根据本公开的各方面，旋转导向工具64可包括设置在旋转导向工具64的旋转部分中的伽马检测传感器。类似技术可用于在钻头28附近的其它井下部件(例如，定向钻头附近的BHA 62)的旋转部分中提供伽马检测传感器。通过将伽马检测传感器放置在靠近钻头的井下***的可旋转部分中，伽马检测传感器可在靠近钻头28的位置处提供在井下地层内检测到的伽马辐射的相对精确的测量。因此，可基于所检测的伽马辐射相对快速地进行控制旋转导向工具64的轨迹，以将井筒22推进到地层30的期望区域中。

图2是所公开的旋转导向工具64的实施方案的更详细说明。除了其它之外，旋转导向工具64还可包括驱动轴90、电子插件组件92和伽马传感器组件94。当旋转导向工具64在使用时，驱动轴90可耦接在图1的钻柱18和钻头28之间。在一些实施方案中，驱动轴90可包括在其一端形成的钻柱连接件96(用于将旋转导向工具64耦接至钻柱)。

电子插件组件92可包括设置在各种电子装置100周围的壳体98，所述电子装置可用于处理来自井下感测部件的信号和/或控制旋转导向工具64的操作。电子装置100可包括一个或多个处理器部件、存储器部件、存储部件，和设计为用于执行与旋转导向感测和控制相关的各种指令的其它部件。例如，电子装置100可包括信号处理器，该信号处理器被编程为接收指示由伽马传感器组件94从地层发射的伽马辐射的检测量的信号。此外，电子装置100可包括一个或多个处理器，该处理器被编程为执行用于基于从表面接收的信号和/或从伽马传感器组件94接收的信号输出控制信号以调整旋转导向工具64的轨迹的指令。此外，电子装置100可包括存储部件，该存储部件用于存储在一段时间内经由伽马传感器组件94检测的伽马辐射量的对数。电子插件组件92内可能还存在其它电子装置100。

电子插件组件(或插件)92的壳体98可用作用于将电子装置100保持在期望压力下的压力容器。将插件92保持在该期望压力(例如，大气压)下可促进在旋转导向工具64沿井筒向下设置时设置在其中的电子装置100的操作。在一些实施方案中，壳体98的壁可相对较厚，以便适应插件92的期望内部压力。驱动轴90可延伸通过形成于电子插件92中的孔。插件92可(例如，经由连接部件101)耦接至驱动轴90，从而使插件92能够响应于用于转动钻头的驱动轴90的旋转而旋转。

伽马传感器组件94可以是与保持电子装置100的插件组件92完全分离的部件。伽马传感器组件94可以是包括设置在其中的一个或多个伽马检测传感器102的基于探测器的组件。术语“探测器”可指与其它传感器分开包含的封装传感器。伽马检测传感器102可被成形为沿旋转导向工具64的轴线104纵向对准的细长管。如图所示，伽马检测传感器102可围绕驱动轴90(其延伸通过伽马传感器组件94)的周边周向地设置。

如下面详细描述，伽马传感器组件94还可包括用于将各个伽马检测传感器102隔离在期望压力下的压力套筒组件106。在压力套筒组件106中使用的探测器的壁可比插件92的壳体98相对更薄。除了由压力套筒组件106限定的各个探测器的壁之外，伽马传感器组件94也可设置在旋转导向工具64的壳体108中。虽然壳体108通常不被构造为用作压力容器，但该壳体108可用于保持插件电子装置以及传感器设备。

伽马传感器组件94可耦接至驱动轴90和/或耦接至插件组件92，以便可响应于驱动轴90的旋转而旋转。为此，伽马传感器组件94可包括用于将伽马传感器组件94固定至插件92的远端和/或驱动轴90的外周边的连接器部件110。在其它实施方案中，连接器的不同类型或布置可用于将伽马传感器组件94耦接至驱动轴90和/或插件组件92。如图所示，驱动轴90可延伸通过形成于伽马传感器组件94中的孔。

在目前公开的实施方案中，伽马传感器组件94可响应于驱动轴90的旋转而旋转，且伽马传感器组件94可设置在与旋转导向工具64一起使用的钻头附近。例如，在所示的实施方案中，伽马传感器组件94可位于插件组件92和设计为与钻头耦接的驱动轴90的端部之间。旋转导向工具64的其它实施方案可包括沿工具64的长度相对于彼此构成工具64的部件的其它相对布置。

所公开的旋转导向工具64可使用位于靠近钻头处的伽马传感器组件94来实现对来自地层的伽马辐射的更有效实时测量。此外，通过使伽马传感器组件94能够与驱动轴90一起旋转，所公开的工具64可用于使用位于工具64的端部的相对精确伽马传感器组件94提供定向伽马测量以及批量伽马测量。基于探测器的设计还可在伽马检测传感器102之间提供最小化厚度(且因此提供密度)。由于较少材料被阻挡进入伽马辐射，所以这种减小的密度可增加各个伽马检测传感器102的灵敏度。此外，减小厚度可允许使用有效空间布置将更多伽马检测传感器102设置在组件中。这可最终增加可通过伽马传感器组件收集的伽马传感器数据的数量和质量。

图3示出具有耦接至插件组件92的端部130的伽马传感器组件94的旋转导向工具64的更详细实施方案，其中驱动轴90延伸通过其中。如图所示，伽马检测传感器102可设置在构成压力套筒组件106的各个压力套筒132中。

当与更传统基于插件的设计相比时，这种基于探测器的设计可有助于提高伽马检测传感器102的压力等级。即，伽马检测传感器102可设置在压力套筒组件106的各个压力套筒132中的每个中，而不是伽马检测传感器102全部都设置在较大插件壳体98上。插件92可利用相对厚壁壳体98，以便将较大压力容器(插件92)保持在期望压力下。然而，由于压力套筒132的体积较小(与插件92相比)，所以各个包含的伽马检测传感器102可各自经由尺寸较小的壁厚的压力套筒132保持在期望大气压力下。因此，伽马检测传感器102可被布置为使得较少材料设置在传感器102和来自地层的伽马辐射之间，使得能够经由伽马检测传感器102进行更敏感数据测量。

此外，基于探测器的设计可提供对旋转导向工具64的一个或多个伽马检测传感器102的相对容易的进入以进行服务、维护、修理等。这是因为伽马检测传感器102可设置在较大电子插件组件92的外部。不用操作人员打开插件92的压力容器壳体98，而是操作人员可只是从伽马传感器组件94移除非加压壳体(例如，图2中的108)以进入各个伽马检测传感器102。因此，操作人员可在伽马检测传感器102上进行评估、修理和任何其它期望的服务，而不必拆卸电子插件组件92。

设置在压力套筒组件106中的伽马检测传感器102的基于探测器的布置也可有助于简化旋转导向工具64的组装过程，因为伽马检测传感器102不必装配在保持电子装置100的插件92。实际上，伽马传感器组件94的一些实施方案可重新装配到具有插件92和驱动轴90(但没有或限制的伽马传感器部件)的现有旋转导向工具上。为此，伽马传感器组件94可设置在工具的电子插件92附近的现有旋转导向工具的驱动轴90上方。然后，伽马传感器组件94可(例如，使用将连接部件110耦接至端部130的螺栓)固定至插件92的端部130。电连接和其它连接可在连接部件110和插件组件92的端部130之间构成。

如图所示，伽马传感器组件94可配备螺栓134或者设置在一端处的连接部件110和另一端处的另一连接部件136(或端盖)之间的一些其它连接器机构。螺栓134通常可用于将压力套筒132和端盖136固定至电子插件92。连接部件/端盖136也可用于将伽马传感器组件94耦接至钻头(未示出)。其它类型的连接器(例如电气)和流体管线可设置在伽马传感器组件94的两个连接部件110和136之间，以在插件组件92的部件和钻头的部件(或旋转导向工具的其它零件)之间提供期望连通。

图5示出用于在旋转导向工具64中采集伽马辐射读数的伽马传感器组件94的截面图。如图所示，伽马传感器组件94可包括相对于轴线104设置在驱动轴90的相对侧上的至少两个伽马检测传感器102。每个伽马检测传感器102都可设置在相应的压力套筒132中，如上所述。在所示实施方案中，压力套筒组件106的每个压力套筒132可配备密封地设置在压力套筒132的每个端部处的端盖136的一部分，以便将压力套筒132密封在期望压力下。

伽马检测传感器102可包括设计为当由电离辐射(在本实施方案中具体是伽马辐射)激励时发射能量的闪烁体传感器。在一些实施方案中，伽马检测传感器102可各自包括耦接至闪烁体的光电倍增管(PMT)。在其它实施方案中，伽马检测传感器102可各自包括耦接至闪烁体的盖革弥勒(GM)管以用于检测来自地层的伽马辐射。在一些实施方案中可期望使用PMT传感器，因为这些类型的伽马检测传感器102可在相对较高压差(例如井下压力)下操作。此外，PMT传感器当前是以具有截面积(例如，大约1英寸的直径)(其可容易地装配到所公开的压力套筒组件106的压力套筒132中，而不会影响传感器的压力等级)的尺寸生产。即，PMT传感器的尺寸被设计为放置在压力套筒132中，而不需要具有相对较大直径和随后较大壁厚的压力套筒。相反，PM传感器可允许压力套筒132的相对较小壁厚，从而降低伽马检测传感器102周围的材料的密度，并确保伽马检测传感器102的高有效灵敏度。

在所示实施方案中，伽马检测传感器102可包括PMT传感器。在这些传感器中，光电倍增管晶体152可设置在伽马检测传感器102中，并且该晶体152可响应于吸收伽马射线的传感器而发光。在一些实施方案中，伽马检测传感器102可包括用于感测从晶体152发射的光并输出指示所检测的伽马辐射的信号的光检测器。在其它实施方案中，伽马检测传感器102可包括能够从传感器102向外移动的光纤或类似类型的缆线。伽马传感器组件94可包括通过连接部件110而形成的通路154，该通路通向每个相应的伽马检测传感器102，以便促进来自伽马检测传感器102的传感器信号传送至插件组件中的电子装置。

伽马检测传感器102可在所公开的伽马传感器组件94中具有任何期望长度。通常，具有较长长度的检测传感器102可以比相同直径和较短长度的传感器高的灵敏度进行操作。具体而言，根据传感器类型，晶体152的长度尺寸156与直径尺寸158的较高比率可通常与传感器的较高灵敏度相关，达到一定极限。例如，给出最大灵敏度的晶体长度与直径的长宽比在PMT中可以是约6比1。因此，可能期望用尽可能长的伽马检测传感器102构建伽马传感器组件94。如图所示，伽马检测传感器102可被布置为与压力套筒组件106内的轴线104成纵向对准。

图5示出在垂直于旋转导向工具64的纵向轴线104的方向截取的旋转导向工具64的剖视图。在所示实施方案中，伽马传感器组件94包括多个伽马检测传感器102。可期望在伽马传感器组件94内布置尽可能多的伽马检测传感器102，以便增加对井筒环境中的批量伽马辐射的整体工具敏感性。

由于布置伽马传感器组件94的空间的限制，所示实施方案可包括四个伽马检测传感器102，每个伽马检测传感器各自设置在相应的压力套筒132中。压力套筒132可围绕轴线104以彼此90度的角度布置在压力套筒组件106中。压力套筒132可围绕驱动轴90的周边周向定位。在其它实施方案中，各个伽马检测传感器102的其它数量和相对布置可用于旋转导向工具64的所公开伽马传感器组件94。

在所示实施方案中，伽马传感器组件94还可包括一个或多个电连接器170，这些电连接器设置在连接器部件110上，以在可选择地耦接至插件组件92的各种电线之间提供期望通信连接。例如，电连接器170可包括六针连接器。电缆可耦接至一个或多个电连接器170，以在例如插件组件92和位于旋转导向工具64下方的液压致动单元之间提供控制连通。这些连接器170连同液压线路134可促进旋转导向工具64的相对容易的组装或改装，这是因为它们允许旋转伽马传感器组件94被添加在旋转导向工具64的任何两个部件之间(例如，靠近钻头)，同时仍然在这些部件之间提供所需连接。

如上所述，可期望使用旋转导向工具64中的伽马传感器组件94来提供相对敏感的伽马测量。这可使用所公开的基于探测器的伽马传感器设计以多种方式来实现。具体而言，在组件内的伽马检测传感器102的数量增加时，整个旋转导向工具64的伽马测量灵敏度可增加。此外，由于伽马检测传感器102和地层之间的材料量(即套筒或壳体厚度)的减少，所以测量灵敏度可增加。基于探测器的检测组件利用压力套筒132的明显更薄壳体以及设置在压力套筒132上方的可能另一壳体(与插件组件92的相对厚壁的壳体98相对)。低压套筒厚度可设计在适当压力等级下，这允许更好地测量批量伽马测量的灵敏度。

压力套筒132的减小厚度可减小伽马传感器组件94内的空间限制。空间限制的这种减少可促进使用更灵敏的PMT(如图所示)，而不是GM管。此外，由压力套筒组件106吸收的减小空间可使得能够整体地使用更多的伽马检测传感器102，从而进一步提高测量灵敏度。

增加伽马传感器组件94的灵敏度可导致提高识别地下地层的精度。这可增加旋转导向工具64的可靠性，以及减少在钻井时评估地层所需的时间。减少的评估时间可使操作人员或控制器能够作出更快转向决定来调整并改善井筒位置。此外，如上所述，伽马传感器组件94可设置在靠近旋转导向工具64的钻头处，从而使得***能够在钻井操作期间精确地识别靠近钻头的位置的地层。此外，伽马传感器组件94可随驱动轴90旋转，并且因此，可提供考虑从地层内的所有方向检测的伽马辐射的期望类型的测量。

在一些实施方案中，各个伽马检测传感器102可不能确定伽马射线从哪个方向发射。相反，伽马检测传感器102能够检测伽马射线与闪烁体晶体的碰撞。因此，当伽马射线到达闪烁体晶体的概率基于伽马射线的行进方向有差异时，可统计地确定伽马射线源的方向。该概率差可通过屏蔽或衰减伽马射线在特定方向到达伽马检测传感器102来实现。

图6示出伽马传感器组件94的一个实施方案，其中一个伽马检测传感器102经由屏蔽部件180在两侧被屏蔽。屏蔽部件180可以是由钨形成的板或其它插件，或者是可衰减伽马射线的一些其它材料。屏蔽部件180可用于缩小可经由伽马检测传感器102检测的伽马射线182的方位方向的范围。

如图6所示，屏蔽的伽马检测传感器102能够更容易地检测来自伽马检测传感器102周围的一定方向或旋转角度范围的伽马射线182。可相对于伽马检测传感器102从相对侧或相对角度范围184发射的伽马射线通常可被屏蔽部件180以及驱动轴90阻挡到达传感器。因此，屏蔽部件180可促进经由屏蔽的伽马检测传感器102对伽马辐射的方位(或定向)测量。在旋转导向工具围绕轴线旋转伽马传感器组件94时，可随工具在井筒内的旋转部分的感测深度和/或取向来评估定向伽马测量。

图7示出使用设置在相邻伽马检测传感器102之间的多个屏蔽部件180的伽马传感器组件94的另一实施方案。应注意，伽马传感器组件94内的伽马检测传感器102的基于探测器的布置可促进这样的屏蔽插件180的放置，而不用将大量散装添加至包装的传感器组件94。实际上，如图所示，所有屏蔽部件180都可大体上装配在旋转导向工具的壳体108内(在伽马检测传感器102之间的位置中)。这些屏蔽部件180的任何期望数量或布置可用于提供期望定向伽马测量。

在一些实施方案中，屏蔽部件180可移除地设置在伽马传感器组件94内，同时旋转导向工具被构造在车间位置处或在井场的表面处。在其它实施方案中，屏蔽部件180可被设计为在旋转导向工具位于井下时选择地致动到位。例如，屏蔽部件180可初始地定位在与伽马传感器组件94相邻的旋转导向工具的另一部件内，并且这些屏蔽部件180可从该位置液压致动至伽马检测传感器102之间的位置。可基于要获得的所需类型的伽马测量来控制屏蔽部件180至传感器102之间的位置的该致动。即，当要求批量伽马测量时，控制部件可将屏蔽部件180致动至远离伽马检测传感器102的位置。同样，当要求定向伽马测量时，控制部件可将一个或多个屏蔽部件180致动至伽马检测传感器102之间的位置中，以提供方位屏蔽。

所公开的旋转导向工具64可获得伽马辐射传感器数据，并且根据如图8所示的方法190使用该数据来评估地层。应注意，方法190的某些部分可作为计算机或软件程序(例如，代码或指令)来实施，所述计算机或软件程序可由插件组件92中的电子处理器执行，以执行方法190的一个或多个步骤。此外，程序(例如，代码或指令)可存储在包括至少一个有形非暂时计算机可读介质(其至少共同地存储这些指令或程序)的任何合适的制品中，诸如设置在电子插件组件92中的存储器部件或存储部件。

方法190可包括将伽马检测传感器相对于彼此保持在固定位置(框192)，并且耦接在电子插件组件的端部和钻头之间。方法190还可包括响应于驱动轴旋转而使电子插件和伽马检测传感器旋转(框194)。此外，方法190可包括经由传感器检测从地下地层发射的伽马辐射(框196)，并且将指示从传感器检测的伽马辐射的信号提供至插件组件中的电子装置(框198)。

在接收到信号时，电子装置可基于在一段时间内相对于旋转导向工具在所有方向上采集的信号来确定批量伽马测量(框200)。当伽马检测传感器(例如，PMT)具有较低灵敏度时，这种类型的数据采集可能相对容易实施，因为在工具旋转时在信号中提供的计数量可能太低而不能提供立即反馈。为了确定批量伽马测量，电子装置可在相对较长采样周期内从每个传感器接收信号，并在所有方向上平均测量。这可有助于解决由于传感器的慢速计数引起的任何信号波动。虽然批量伽马测量是来自各个方向的平均测量，但是钻工可查看辐射水平变化的趋势，以便决定在何处停止工具以根据需要进行更具体的定向测量。批量伽马测量可产生总传感器测量的相对较高的组合计数率(或灵敏度)。

在其它实施方案中，在接收到信号时，电子装置可在旋转导向工具旋转时确定定向伽马测量(框202)。可使用具有较高灵敏度(例如，计数率)的伽马检测传感器来进行相对精确的定向伽马测量。为了确定特定方向上的伽马测量，旋转导向工具可包括用于在工具旋转时确定定向测量的一个或多个传感器。该定向测量可被跟踪并记录为传感器组件相对于旋转导向工具的壳体(例如，大致静止的外壳体)上的参考点的角度。可针对围绕工具的轴线布置的不同角度区域进行定向伽马测量。这些角度区域可以许多方式布置，诸如使用轴线周围的多个等尺寸的区域，或者使用多个不规则尺寸的较大和较小区域。电子装置可解释插件组件和参考点之间的相对旋转。

在确定批量伽马测量(200)或定向伽马测量(202)之后，电子装置组件可将测量存储在工具上(框204)。在一些实施方案中，电子装置组件可输出用于控制旋转导向工具的偏转或其它操作参数的控制信号(框206)，以(例如，响应于定向伽马测量)改变工具通过地层的轨迹。在其它实施方案中，电子装置组件可生成指示伽马测量(批量或定向)的信号并将其输出至遥测模块，以用于将信号传送至表面控制部件。从这里，信号可向表面的操作人员提供记录，并且在某些情况下，信号可用于控制钻柱和旋转导向工具的旋转速度。

本文公开的实施方案包括：

A.一种用于钻取井筒通过地下地层的旋转导向工具，旋转导向工具包括：驱动轴、压力套筒组件，和伽马检测传感器。驱动轴延伸通过旋转导向工具以用于转动钻头。压力套筒组件设置在钻头附近并且耦接至驱动轴并且可响应于驱动轴的旋转而旋转。伽马检测传感器布置在压力套筒组件内以用于感测从地下地层发射的伽马辐射。

B.一种用于旋转导向工具的旋转伽马感测部分，其中旋转伽马感测部分包括：多个伽马检测传感器、连接器部件，和压力套筒组件。多个伽马检测传感器用于检测从地下地层发射的伽马辐射。连接器部件耦接至多个伽马检测传感器以用于将多个伽马检测传感器相对于彼此保持在固定位置，并且用于将旋转伽马感测部分耦接至旋转导向工具的可旋转部件。连接器部件包括通过其中形成的孔以容纳延伸通过旋转导向工具的驱动轴。压力套筒组件包括经由连接器部件彼此耦接的多个压力套筒，其中多个伽马检测传感器中的每个都设置在多个压力套筒中的相应一个中。多个伽马检测传感器、压力套筒组件和连接器部件可响应于驱动轴的旋转而绕轴线旋转。

C.一种用于操作旋转导向工具的方法包括：将多个传感器相对于彼此保持在固定位置并且耦接至旋转导向工具的可旋转部件。方法还包括响应于驱动轴转动旋转导向工具的钻头而使电子插件和多个传感器旋转。此外，方法包括经由多个传感器检测从地下地层发射的伽马辐射。此外，方法包括将指示从多个传感器检测到的伽马辐射的信号提供至设置在旋转导向工具的电子插件中的电子装置。

实施方案A、B和C中的每个都可具有组合的一个或多个以下附加要素：要素1：其中压力套筒包括探测器。要素2：其中伽马检测传感器包括光电倍增管、盖革弥勒(GM)管或可装配在探测器中的另一伽马检测传感器。要素3：其中压力套筒组件包括用于将伽马检测传感器保持在大气压力下的压力套筒。要素4：还包括布置在压力套筒组件内的多个伽马检测传感器。要素5：其中压力套筒组件包括围绕驱动轴周向布置的多个压力套筒，其中多个压力套筒中的每个都保持多个伽马检测传感器中的相应一个，并且其中压力套筒相对于驱动轴布置在纵向上。要素6：还包括连接器部件，所述连接器部件设置在压力套筒组件的远端处，以用于将多个伽马检测传感器中的每个都相对于彼此保持在固定位置，并且能够使套筒组件响应于驱动轴的旋转而旋转。要素7：还包括插件组件，所述插件组件包括设置在电子装置周围的第一壳体，其中插件组件可响应于驱动轴的旋转而旋转，其中套筒组件耦接在插件组件和钻头之间。要素8：还包括设置在套筒组件周围的第二壳体，其中第一壳体的厚度大于第二壳体的厚度。要素9：还包括电连接器，所述电连接器耦接在套筒组件和插件组件之间，以在液压致动单元和插件组件的电子装置之间提供电连通。要素10：还包括可移除屏蔽部件，所述可移除屏蔽部件设置在伽马检测传感器附近以缩小伽马检测传感器的方位检测范围。

要素11：其中每个多个压力套筒的壁具有小于可旋转部件的壳体厚度的厚度。要素12：其中多个伽马检测传感器围绕轴线周向布置。要素13：还包括设置在多个伽马检测传感器之间的一个或多个屏蔽部件，以使多个伽马检测传感器中的至少一个的方位检测范围变窄。要素14：还包括形成在连接器部件中的一个或多个电连接器。要素15：还包括从连接器部件延伸的一个或多个流体管线。

要素16：还包括：基于在一段时间内经由多个传感器检测到的指示在相对于旋转导向工具的所有方向上从地下地层发射的伽马辐射的信号来确定批量伽马测量。要素17：还包括将一个或多个屏蔽部件致动至多个传感器之间的位置中，和基于指示相对于旋转导向工具在所有方向上从地下地层发射的伽马辐射的信号来确定定向伽马测量。

虽然已经详细描述了本公开及其优点，但是应理解，在不脱离由权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可在本文中进行各种改变、替换和更改。

Claims (20)

1.一种用于钻取井筒通过地下地层的旋转导向工具，其包括：

驱动轴，其延伸通过所述旋转导向工具以用于转动钻头；

压力套筒组件，其设置在所述钻头附近并且耦接至所述驱动轴并且可响应于所述驱动轴的旋转而旋转；和

伽马检测传感器，其布置在所述压力套筒组件内以用于感测从所述地下地层发射的伽马辐射。

2.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其中所述压力套筒包括探测器。

3.根据权利要求2所述的旋转导向工具，其中所述伽马检测传感器包括光电倍增管、盖革弥勒(GM)管或可装配在所述探测器中的另一伽马检测传感器。

4.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其中所述压力套筒组件包括用于将所述伽马检测传感器保持在大气压力下的压力套筒。

5.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其还包括布置在所述压力套筒组件内的多个伽马检测传感器。

6.根据权利要求5所述的旋转导向工具，其中所述压力套筒组件包括围绕所述驱动轴周向布置的多个压力套筒，其中所述多个压力套筒中的每个都保持所述多个伽马检测传感器中的相应一个，并且其中所述压力套筒相对于所述驱动轴布置在纵向上。

7.根据权利要求5所述的旋转导向工具，其还包括连接器部件，所述连接器部件设置在所述压力套筒组件的远端处，以用于将所述多个伽马检测传感器中的每个都相对于彼此保持在固定位置，并且能够使所述套筒组件响应于所述驱动轴的旋转而旋转。

8.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其还包括插件组件，所述插件组件包括设置在电子装置周围的第一壳体，其中所述插件组件可响应于所述驱动轴的旋转而旋转，其中所述套筒组件耦接在所述插件组件和所述钻头之间。

9.根据权利要求8所述的旋转导向工具，其还包括设置在所述套筒组件周围的第二壳体，其中所述第一壳体的厚度大于所述第二壳体的厚度。

10.根据权利要求8所述的旋转导向工具，其还包括电连接器，所述电连接器耦接在所述套筒组件和所述插件组件之间，以在液压致动单元和所述插件组件的所述电子装置之间提供电连通。

11.根据权利要求1所述的旋转导向工具，其还包括可移除屏蔽部件，所述可移除屏蔽部件设置在所述伽马检测传感器附近以缩小所述伽马检测传感器的方位检测范围。

12.一种用于旋转导向工具的旋转伽马感测部分，其中所述旋转伽马感测部分包括：

多个伽马检测传感器，其用于检测从地下地层发射的伽马辐射；

连接器部件，其耦接至所述多个伽马检测传感器以用于将所述多个伽马检测传感器相对于彼此保持在固定位置，并且用于将所述旋转伽马感测部分耦接至所述旋转导向工具的可旋转部件，其中所述连接器部件包括通过其中形成的孔以容纳延伸通过所述旋转导向工具的驱动轴；和

压力套筒组件，其包括经由所述连接器部件彼此耦接的多个压力套筒，其中所述多个伽马检测传感器中的每个都设置在所述多个压力套筒中的相应一个中；

其中所述多个伽马检测传感器、所述压力套筒组件和所述连接器部件可响应于所述驱动轴的旋转而绕轴线旋转。

13.根据权利要求12所述的旋转伽马感测部分，其中所述多个压力套筒中的每个的壁都具有小于所述可旋转部件的壳体厚度的厚度。

14.根据权利要求12所述的旋转伽马感测部分，其中所述多个伽马检测传感器围绕所述轴线周向地布置。

15.根据权利要求12所述的旋转伽马感测部分，其还包括一个或多个屏蔽部件，所述一个或多个屏蔽部件设置在所述多个伽马检测传感器之间以缩小所述多个伽马检测传感器中的至少一个的方位检测范围。

16.根据权利要求12所述的旋转伽马感测部分，其还包括形成于所述连接器部件中的一个或多个电连接器。

17.根据权利要求12所述的旋转伽马感测部分，其还包括从所述连接器部件延伸的一个或多个流体管线。

18.一种用于操作旋转导向工具的方法，其包括：

将多个传感器相对于彼此保持在固定位置并且耦接至所述旋转导向工具的旋转部件；

响应于驱动轴转动所述旋转导向工具的钻头而使所述电子插件和所述多个传感器旋转；

经由所述多个传感器检测从地下地层发射的伽马辐射；和

将指示从所述多个传感器检测到的伽马辐射的信号提供至设置在所述旋转导向工具的电子插件中的电子装置。

19.根据权利要求18所述的方法，其还包括基于在一段时间内经由所述多个传感器检测到的指示在相对于所述旋转导向工具的所有方向上从所述地下地层发射的所述伽马辐射的所述信号来确定批量伽马测量。

20.根据权利要求18所述的方法，其还包括将一个或多个屏蔽部件致动至所述多个传感器之间的位置中；和基于指示相对于所述旋转导向工具在给定方向上从所述地下地层发射的所述伽马辐射的信号来确定定向伽马测量。