[发明专利]备用方向和倾斜传感器及其操作方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及备用方向和倾斜(D&I)传感器和其在诸如随钻测量(measurement-while-drilling：MWD)工具的用于井下钻探的探头上的使用，并且以及操作这种备用D&I传感器的方法。

背景技术

从地下区域回收碳氢化合物依赖于钻探过程。该过程使用位于地表的具有从地表设备向感兴趣的地层或地下区域延伸的钻柱的钻探设备。钻柱可延伸至地表以下数千英尺或米。钻柱的末端包括用于钻探(或延伸)井孔的钻头。除了这种常规钻探设备之外，系统还依赖于某种钻探流体，在大多数情况下，通过钻柱内部被泵送的钻探“泥浆”冷却以及润滑钻头，然后从钻头流出并携带岩屑返回至地表。泥浆也有助于控制井底压力，并且防止碳氢化合物从地层涌入井孔，这有可能导致地表处的井喷。

定向钻探是操纵井远离垂直面以与目标端点相交或遵循规定的路径的过程。在钻柱的末端是井底钻具组件(“bottom-hole-assembly：BHA”)，其包括：1)钻头；2)旋转可操作系统的可操纵井下泥浆马达；3)勘测设备(随钻测井(“Logging While Drilling：LWD”)和/或随钻测量(MWD”))的传感器，其用以评估井下条件以及钻进深度；4)用于遥测传向地表的数据的设备；以及5)其他控制机制，诸如平衡器或重型钻铤。BHA通过金属管道被输送到井孔内。

作为可能的钻探活动的示例，MWD设备被用于在钻探期间以近实时模式向地表提供井下传感器和状态信息。由钻井队使用此信息来做出关于如下事项的决定：控制和操纵井，以基于包括租赁边界、现有的井的位置、地层特性以及碳氢化合物的大小和位置的众多因素来优化钻探速度和轨迹。这可包括在钻探过程期间基于从井下传感器所收集的信息在必要时故意使其偏离原先规划的井孔路径。在MWD期间获取实时数据的能力能够实现相对更经济并且更有效的钻探操作。

在定向并笔直的(或垂直的)孔中，井的位置必须以合理的精度已知，以确保正确的井轨迹。在延伸井孔的同时，诸如压力、温度以及在三维空间中的井轨迹这样的的物理性质的评估是重要的。测量包括相对于垂直面的倾斜以及方位(罗盘导向)。测量通常在离散点处进行，按照从这些点所计算出的钻孔的一般路径。在井下MWD中，MWD工具随着井被钻探对其进行勘测，并且关于钻头的方位的信息被中继回到地表上的钻探者。测量装置通常包括：用来测量工具的倾斜(例如，垂直是0°倾斜，水平是90°倾斜)的一系列加速度计，和用来测量地球的磁场的一系列磁强计，以确定方位。典型的方向和倾斜(D&I)传感器组件由如下各项一起组成：在三个正交轴的每一个中的三个单轴加速计；和得到三个正交轴和一个通常不使用的冗余轴的两个双轴磁强计。传感器组件还包括相关的数据采集和处理电路。加速计和磁强计在三个互相正交的方向上布置，并且测量地球的磁场和地球的引力的三个互相正交的分量。加速计由悬浮在电磁场中的石英晶体组成；通过需要多少电磁力以维持晶体平衡来测量倾斜。加速计提供相对于垂直面的偏差或倾斜的测量，以及提供工具面或工具的旋转取向的测量。磁强计提供方向或磁导向，以及当BHA处于或接近垂直时它的取向的测量。这些结合的测量组协助钻探者操纵以及计算位置。在大多数情况下，每当钻杆的另一长度被添加到钻柱时，都要进行勘测并将信息发送到地表，并且由MWD的操作员进行解码并转换为钻探者需要用于勘测计算的信息。然后通过假定勘测点之间的一定的轨迹来计算BHA位置。

在大多数的井下操作中，往往必须插入或引入仪表、传感器或测试仪器到井孔内，以便获得井孔参数及条件的信息。这样的参数可包括(但不限于)温度、压力、方向参数以及伽马辐射。在被包含在设备内的电路板上或靠近该电路板安装有各种传感器和仪表的电子组件，以获得信息。电路板可被引至或位置上青睐于承载设备的一侧。仪表由于被嵌入到设备内的壁中(并因此被完全封装)而通常受到保护。