CN1251408A - 设有穿入探头的地层压力测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量与井孔相交的地层参数之装置和方法,本发明考虑使用一可在井孔内移动的工具体。驱动装置被工具体所携带,驱动装置推动探头在井孔内的缩回位置与穿入井孔壁的伸出位置之间移动,从而使探头嵌入地层。当探头移动到伸出位置上时,这种探头适合于在井孔壁上形成密封,而且这种探头内还设置有用于测量被探头所嵌入地层之参数的装置。

Description

设有穿入探头的地层压力测量装置及其测量方法

本发明总的涉及用于开采石油产品的深井钻进，尤其涉及在钻进过程中收集地下岩层的压力数据。

目前，油井的钻进在很大程度上依赖于对不同钻井参数的连续监测。确保安全钻井所需的一个最关键的输入参数就是地层压力。目前，在钻井过程中尚无对地层压力进行测量的情况；而仅测量环形空间内的压力。现在已经有许多不同的电缆工具被使用，例如公知的“地层检测器”，这种装置将压力传感器连接到与井孔相交的地下岩层内。这种地层检测器的操作需要一个“往返行程”，换言之，就是先将钻杆组从井孔中取出，将地层检测器插入到井孔内，以收集地层数据，在将地层检测器收回后，可能还要将钻杆组插回到井孔内以继续钻井。由于以这种方式“往返于钻井内(tripping the well)”需要很长的安装时间，而且成本很高，所以一般仅在绝对需要地层数据的情况下或出于更换钻头及其它的原因例如已达到所需深度，已经完成钻杆组下入井中或从井中取出时才使用电缆地层检测器。

在钻井过程中，基于“实时(real time)”的蓄油岩层的压力数据之可用性是安全钻井的一个重要参数。一般仅根据钻头深度和钻进速度来调整用于控制井孔压力的钻井泥浆比重。钻进过程中获得的实时地层压力可使钻井工程师或钻井工人尽量提前地确定钻井泥浆比重和成分的改变及钻探参数的改变，以在钻井过程中形成更安全的条件。

实时蓄油岩层数据的可用性也要求能够根据地层压力的变化和渗透性的变化精确控制钻头的泥浆比重，从而以最高效率进行钻井作业。

因此，本发明提供一种钻井的方法和装置，当钻杆组及其钻杆、钻头和其它钻井部件已存在于井孔内时，本发明的方法和装置能够从一感兴趣的地下区域收集地层数据，例如压力数据，从而消除或减少仅仅为将地层检测器插入到井孔内测量地层压力而使钻井设备往返于井孔中的需求。

因此，本发明的一个目的是提供一种在钻井过程中收集地下岩层数据的新颖方法和装置，这种方法和装置无需钻杆组往返于井孔内。

本发明的另一目的是提供一种高效收集地下岩层数据的方法和装置，从而减少钻杆组卡在井孔内的可能性并减少或消除钻杆组工作的中断(次数)。

本发明的再一目的是提供一种通过使一探头从井孔工具(例如钻杆或电缆探头)移动到一伸出位置而嵌入地层的新颖方法和装置。

本发明的又一目的是提供一种在其移动而嵌入地层时能够在井孔壁上大体形成密封的探头。

公知的由电缆输送的地层检测器设置有一环形的橡胶密封垫，该探头的喷嘴通过该密封垫被压在井孔壁上。在围绕该密封垫区域形成局部密封后，就形成了通过探头的液压联通，从而测量地层压力。除非这些密封垫受到很好的保护，否则这种密封垫很快就会在通常的钻井条件下损坏。

而且，密封垫的完整性决定于是否存在钻用泥浆和为井孔壁衬层的“泥饼”。在钻井过程中，泥浆通过井孔壁与钻杆组之间的环形空间循环，这样就减少了在井孔壁上形成有效密封的泥浆饼的量。

因此，本发明的另一目的是提供一种测量地层参数例如压力的方法和装置，在该方法和装置中无需使用弹性体密封垫或类似物以对压力联通探头的四周实现一液压密封，而且在钻井过程中当井孔壁的泥浆衬层范围减小时，也可以在井孔壁上形成密封。

本发明的目的及优点可由测量与井孔相交的地下岩层之参数的装置来实现。本发明的装置采用一可在井孔内移动的工具体。驱动装置通过工具体携带，该驱动装置可推动一探头在井孔内的一缩回位置与穿过井孔壁的一伸出位置之间移动，从而使探头嵌入地层。当探头移动到伸出位置上时，探头可在井孔壁处大体形成密封，而且探头还包括一测量装置，该装置用于测量探头所嵌入地层的参数。

在本发明的一个实施例中，测量装置包括一通道，该通道从一邻近探头前部的开口处延伸到探头内的一测量交汇点处，从而将地层流体输送到测量交汇点处。一传感器通过该测量交汇点与探头的所述通道联通，以测量地层参数。

所述的传感器可以是一压力传感器，该压力传感器通过测量交汇点与探头之通道联通以测量地层压力。这样，测量装置就可以包括一液压界面，例如一隔膜，以将地层流体的压力传递给传感器，而不是将地层流体输送到传感器。

传感器可设置于探头内或其它装置内，例如设置于驱动装置或工具体内。传感器还可以设置于探头、驱动装置或工具体内的不同位置上。

本发明可应用于钻井过程中及电缆工作过程中，因此工具体可以是设置于钻杆组内的钻杆或在井孔内悬挂于电缆上的电缆探头。

驱动装置最好包括一由液压流体驱动的液压活塞，从而使探头在缩回位置与伸出位置之间移动。在一个实施例中，探头与液压活塞构成一个整体式结构。

最好，探头包括一前部，该前部最好被制造成可减少驱动装置将探头移动到伸出位置所需力的形状。为此，该前部最好为锥形，而且其锥斜角不大于45°。

在本发明的一个实施例中，探头除包括一前部外还包括一后部，而且探头还在前部与后部之间设置有一锥形部分，从而当探头从缩回位置移动到伸出位置上时，在井孔壁处基本形成密封。

在另一实施例中，本发明的探头最好包括一前部、一后部及一介于前部与后部之间的锥形部分，从而当探头移动到伸出位置时，在井孔壁上形成密封；该探头内还包括一通过锥形部分延伸的通道，该通道用于测量地层的参数。该通道从位于探头的锥形部分之前的一开口处延伸到探头之锥形部分之后的一测量交汇点处，从而当探头移动到伸出位置上时，可将地层流体输送到测量交汇点处。

在又一实施例中，本发明的探头包括一第一部件，该第一部件包括一设置于其内的第一缸孔和一锥形外表面。驱动装置推动该第一部件使第一部件缩回井孔内的位置与使第一部件伸出的位置之间移动，在其伸出位置上，锥形外表面至少部分穿入井孔壁。本实施例的探头还包括一设置于第一缸孔内的第二部件，第二部件包括一锥形的前部和一设置于其内的第二缸孔。第二部件上的一个开口与第二缸孔联通。驱动装置推动该第二部件在一第二部件缩回井孔内的位置与一第二部件伸出的位置之间通过第一缸孔移动，在其伸出位置上，锥形前部嵌入地层，而且所述的开口位于第一部件之外。本实施例的探头还包括一设置于第二缸孔内的第三部件，该第三部件内至少包括所述通道的一部分。驱动装置推动该第三部件通过第二缸孔在一关闭通道的位置及一开启通道的位置之间移动，在开启位置上，地层流体可通过用于测量地层参数的开口流入所述通道内。

另外，本发明还提供一种方法，该方法包括通过井孔将一工具体移动到与井孔相交的所需地层之深度处的步骤。所述的工具体装配有一探头，该探头包括一锥形部分和一流体联通装置。另一步骤要求将探头从井孔内的一缩回位置移动到穿入井孔壁并嵌入地层的一伸出位置上，从而使探头的锥形部分在井孔壁上大体形成密封。该方法还包括通过探头内的流体联通装置使来自地层的流体与一传感器联通以测量地层参数的步骤。

现参照图示的最佳实施例对本发明作出具体的说明，从而清楚地理解本发明的上述特征、优点及其所要达到的目的。

但也应该知道：附图仅示出了本发明的一般实施例，因此并非是对本发明的限制，因为本发明也包括其它等效的实施例。

在附图中：

图1为根据本发明的钻杆组之一部分定位于钻孔内的示意图，该钻杆组包括有钻杆和驱动装置，该驱动装置能够移动探头并使其嵌入地下岩层；

图2为设置有液压驱动装置的钻杆之一部分的示意图，该液压驱动装置可迫使探头在钻杆内的缩回位置和一嵌入选定地下层的伸出位置之间移动；

图3A-3D分别为探头的一个实施例在缩回位置、中间位置和伸出位置上及当探头处于伸出位置上时，通过探头内的通道测量地层参数(例如压力)的剖视图；

图4A、4D和4E分别为第二实施例的探头在缩回位置和伸出位置上及当探头处于伸出位置上时，通过探头内的通道测量地层参数的剖视图；

图4B为沿图4A中的剖示线4B-4B的剖视图；

图4C为一与图4B相似的剖视图，在该图中为第二实施例的探头位于中间位置上；

图5A-5C分别为第三实施例的探头在缩回位置和伸出位置上及当探头处于伸出位置上时通过探头内的通道测量地层参数的剖视图；

图6为一曲线图，该曲线示出了在给定探头半径a0的情况下探头的穿入深度d与穿入力Fp之间的关系。

如图1所示，本发明涉及一种用于测量与井孔WB相交的地下岩层12之参数的装置，例如测量地下岩层12的压力。在一最佳实施例中，这种装置采用了一种钻杆10式的工具体(tool body)，该工具体适于通过井孔WB移动，钻杆10被连接在钻杆组DS内并设置于井孔内。当然，这种装置也适用于其它的工具体内，例如一悬挂于电缆上的电缆探测装置。

钻杆10包括由附图标记14表示的驱动装置，该驱动装置可推动探头16在井孔内的缩回位置与贯穿井孔壁的伸出位置之间移动，从而使探头嵌入地层。探头的伸出位置已在图1、3C、3D、4D、4E、5B和5C的本发明不同实施例中示出，其情况还将在下文中作进一步说明。可借助于下述驱动装置之一或其组合实现探头16的移动：液压活塞部件，机械杠杆部件，轴驱动装置，或类似的配置方法。

图2示出了探头16及设置于钻杆10内的驱动装置14的一个实施例，其中液压柱塞20用于推动探头16在图2所示的缩回位置与图1所示的伸出位置之间移动，以检测地层12的压力。柱塞20必须对探头16施加一个足够的推进力，以使探头从井孔WB向外穿入地下岩层足够的深度，从而使探头在井孔流体影响不大的情况下测量地层压力。探头被设计成可穿过衬砌在井孔壁31上的泥浆层30而进入井下地层12几英寸，如图3D所示，其范围最好在一英寸至三英寸之间。然而本发明为实现其目的，探头只需充分贯穿泥浆层，以在泥浆层的地层侧设置一个检测口，例如下述的探头开口48。

参照图2，为产生这种穿入动作，钻杆10内设置有一内缸孔26，该缸孔内设置有一活塞部件18，活塞部件18包括一柱塞20，柱塞20与封装的探头16以传动关系相连接。活塞18受到液压力，该液压力从液压系统经一液压流体供给通道29与活塞腔22联通。该液压系统有选择地由动力筒(power cartridge)34驱动，其中动力源34也由钻杆10来携带。

钻杆还设置有压力传感器36，该传感器通过钻杆通道38和40承受井孔压力。压力传感器36在所选地下岩层之深度上感受周围井孔压力，并用于测量钻杆组与井孔之间环形空间内钻用泥浆的压力。表示周围井孔压力的电信号从压力传感器36传递给动力筒34内的电路，接下来，或者将环形空间内的泥浆压力存储起来或者以公知的方式传送到地面，例如通过泥浆脉冲遥测计。

图3A-3D更详细地示出了探头16的一个实施例及驱动装置14的不同于图2的实施例。探头设置有一前部或尖部42、一后部或尾部44及一介于前部与后部之间的锥形部分46。前部被制造成可减少驱动装置14将探头压入地层12所需力的形状。探头的形状，尤其是其锥形部分46的形状能够保证探头与井孔壁31处的地层之间不依赖于衬砌井壁31的泥浆层30之尺寸地基本形成液压密封，从而无需设置一外部密垫或密封垫。这样，当探头移动到伸出位置上时，探头16就可在井孔WB的壁31处单独形成密封。

一接口48设置于前部42与锥部46之间的加长圆柱形探头部分49上。接口48也可位于更靠近锥形部分46的位置上或设置于前部42上，但就目前而言，图3A-3D所示的位置是最佳的。包括加长部分50a和偏置部分50b的通道50从开口48处经锥形部分46延伸到后部44的压力会合处52，用于使进入开口48的地层12压力与压力会合处联通。通道50还经过活塞体70越过压力会合处52延伸到后壁60，其目的如下所述。

探头16还包括位于后部44的压力传感器54，该传感器通过压力会合处52与探头的通道50联通，用于测量探头所嵌入的地层之压力。该压力传感器可设置于探头内，如图3A-3D所示，但其也可设置于其它位置，例如设置于钻杆10内或驱动装置14内，如图2中的标记54’所示。压力传感器54最好为转让给本发明的受让人的美国专利申请09/019,466中所述的那种传感器，该专利的全部内容在本说明书中参考引用。这样，压力传感器54就具有检测和记录压力数据的能力，并将代表这些压力数据的信号传送到设置于钻杆10内的数据接收装置55的接收电路，用于以本领域公知的方式通过钻杆组DS进一步传送，例如通过泥浆脉冲遥测计传送。尽管传感器54在本文中仅用于处理压力数据，但本发明还考虑利用这种传感器检测、记录并传送表示其它地层参数的数据，例如温度和渗透性。这种传感器仅需设置于流体流动通道内与地层流体接触的某一位置上，换言之，就是设置于一测量会合处，以使传感器获得所需的地层参数数据。

本领域的技术人员还应该理解：传感器54可通过电路与数据接收装置55连接，例如通过从传感器经使探头移动的活塞之柱塞或活塞体穿过活塞移动所通过的缸孔并通过钻杆10之主体内的通道延伸的导线而与接收装置55连接。这种方式的布线其长度应允许探头16的移动，并可允许活塞横过于钻杆。

除了象通道50这样的通道外，本发明还考虑使用其它的流体联通装置。例如，本发明考虑使用各种不同的液压连接装置，象设置于探头表面之一开口上的隔膜，或薄片其设置有一传感器，例如一连接于其上的应变仪或压电晶体，以表示出地层流体的参数，例如压力。本领域的普通技术人员应该理解：这些液压连接装置可与类似于通道50这样的一个通道组合，用于传递象地层流体压力这样的参数。

如上所述，图3A-3D示出了一驱动装置14的第二实施例，该装置用于在一缩回位置与一伸出位置之间移动探头。圆柱形的活塞体70设置于缸孔72内并与探头16相连接，用于迫使探头在液压动力的作用下沿缸孔72的轴线移动。活塞70和探头16最好被制造成一基本整体式结构。换言之，一个实施例中的活塞和探头尽可能由一块材料制成。

图3A示出了处于缩回位置上的探头，该位置是钻杆10进出井孔WB所需的位置。在该位置上，井孔内的钻进流体自由进入缸孔72的前部并对缸孔加压，并对向外增大的活塞环部分74施加一个力，该活塞环部分74支承着O形圈76，以密封缸孔的前部。作用于活塞环部分74上的力使探头-活塞部件保持位于缸孔72之内部的深处，并抵靠在缸孔的后壁78上。另外为此目的，也可采用可松开的定位器将活塞70固定于后壁78上。

可由通常处于关闭状态的开启阀61借助信号导体62以液压方式驱动活塞70。该信号导体使源于动力筒34的控制信号与开启阀61连通，用源于液压系统28的液压流体通过通道29对隔离的缸孔区域80加压。缸孔区域80被向外增大的活塞环部分82隔开，该活塞环部分82支承着O形圈84。进入隔离区域80的液压流体之压力对活塞环部分82产生一个侧向力，若该侧向力大于井孔流体作用于活塞环部分74、前部42和锥形部分46上的侧向力，从而使活塞-探头部件向地层12移动，并与井孔WB的泥浆层30及壁31接触，如图3B所示。

当活塞70穿过缸孔72移动时，随着活塞的后壁90移离缸孔72的后壁78，隔离区域80被打开。当活塞-探头部件通过缸孔72移动时，前部42依次与泥浆层30、井孔壁31和地层12接合。所说的前部42最好为锥形的，并具有较小的锐角β，角β为45°或小于45°，具体如下所述。该锐角有利于探头16在由液压系统28和驱动装置14的通道29产生的液压动力的作用下进入地层12。

当探头16移入地层时，在缸孔72之前部区域内的井孔流体则通过活塞环部分74及携带的密封件76的移动而被排出。通道98允许井孔流体从缸孔区域96连续排出，如图3C所示，当活塞体70被移动至与向里增大的缸孔环部分100接合后，缸孔区域96就会被隔开，其中环形部分100支承着O形环102。

图3C示出了探头已移动到伸出位置上的情形，其中锥形部分46液压密封在井孔壁31处，以防止井孔流体在接合区域流入地层。这种密封在锥形部分46的周围形成于泥浆层30、井孔壁31和地层12的交界处。

一旦通过使探头处于伸出位置而实现嵌入地层12，那么下一步骤就是打开探头内的通道，以使地层流体进入探头。参照图3C，在探头的伸出位置处，活塞70已基本通过缸孔72，以使形成于环形部分82与74之间的隔离区域92定位，从而与通道94联通，通道94与阀63相连。接着，阀63开启，以允许液压流体从通道29进入通道94、区域92、通道104及隔离区域110，其中隔离区域110形成于向里凸出的活塞环部分106与向外凸出的销环部分112之间，活塞环部分106用于支承O形环108，而销环部分112用于支承O形环114。隔离区域110内的高压产生一个作用于销环部分112上的力，该力将销51移向活塞通道50的后壁60，如图3D所示。当产生这种情况时，地层流体就会通过接口48和通道的偏置部分50b被吸入探头的通道部分50a内。

销51一般在可压缩螺旋弹簧120的弹力作用下抵靠在通道50的前部，以与通道的偏置部分50b接触，如图3A-3C所示。销51向后的移动将压缩弹簧120，如图3D所示，并打开与通道50的压力会合处，从而使地层流体充满与压力传感器54相连通的通道50。在压力测量过程中实际流入通道50内的流体量很小。因此，可以迅速地测出通道内的最终的封住压力。如上所述，传感器54将压力数据传送给接收装置55，以进一步传送给地面上的设备。

一旦收集到所需的地层压力数据或其它数据，就可通过开启液压系统28中的释放阀(未示出)而使液压通道29内的压力得以降低。由于阀61和63处于开启状态，因此降低了活塞通道部分50a之隔离区域及钻杆缸孔72内液压流体的压力，从而产生两种动作。首先，当被环形部分112及106隔开的通道部分50a内之压力降低时，弹簧120的势能将会在某一点上对环形部分112施加的一个力大于液压流体的合力。当产生这种情况时，弹簧120将在其自身能量的作用下伸开，以使销51返回如图3C所示的位置。这种返回动作具有排出通道50内地层流体的作用。

第二，当介于缸孔后壁78、活塞后壁90与环形部分82之间的缸孔72区域内的压力降低时，在某一点上由该压力产生的作用于活塞70上的向前的侧向力将会降低到低于隔离区域96内井孔流体作用于活塞上的向后的侧向力。而井孔流体作用于活塞环部分82上的力必须克服由探头嵌入泥浆层30和地层12内而产生的作用于探头16上的附着力。因此，缸孔72后部的压力必须明显降低于井孔压力，以将探头(活塞)16从其伸出位置上拉回并使活塞返回到图3A所示的缩回位置。本领域的技术人员应该知道：作用于缸孔区域96内的压力可通过设置另外一条通向该区域的液压流通道来补充，该通道可由阀来控制，以确保足够的压力作用于活塞70上，从而使探头16从地层内退出。

图4A-4E示出了本发明之探头及驱动装置的第二实施例。本实施例中的探头216包括第一部件218，该部件内设置有第一缸孔220。第一探头部件218被设置得可在钻杆10内滑动，这一点将在下文中作进一步说明。第一缸孔220基本为圆筒形且具有一可变的直径，同时，在第一部件的圆柱形后部219区域内其直径较大，而在第一部件的锥形前部222内其直径较小。前部222的锥形外表面适用于在井孔壁31处基本形成密封，从而起到与探头16之锥形部分46相同的作用。

本实施例的探头还设置有第二探头部件224，该部件可在第一缸孔220内滑动，而且该部件内还设置有第二缸孔226。第二缸孔226也为圆筒形且其直径是可变的，在第二探头部件224的圆柱形后部228内直径较大，而在第二探头部件224的圆柱形前部230内直径较小。第二探头部件224还设置有锥形的前部231，该锥形前部42起到与探头16的前部相同的作用。

设置第三探头部件232，该部件可在第二缸孔226内滑动，而且该部件内还设置有第三缸孔234。第三缸孔234被用作疏导地层流体之通道的一部分，用于测量譬如地层压力这样的参数，这将在下文中作进一步说明。

包括顺序阀的驱动装置214及一系列设置于钻杆10和探头216内的流动管道和通道使第一、第二和第三探头部件按照一预定的顺序在伸出位置与缩回位置之间移动。图4B为钻杆10及探头216沿图4A之剖示线4B-4B的剖视图。这样，以剖面形式示出的探头216设置于钻杆10的缸孔235内。第一探头部件218设置有径向凸出的部件238a和238b，这两个部件可在缸孔235的沟槽236a和236b内滑动。这样，径向凸出的部件238a和238b可迫使探头216，尤其是第一探头部件218在预定的高度上沿缸孔235的轴线相对钻杆10线性移动。

部件238a和238b分别与液压柱塞240a和240b连接，而柱塞240a和240b又分别与活塞242a和242b连接。液压流体从液压系统28经一信号控制阀(未示出)被导入并联的固定管路244a、244b、压力腔246a和246b内并因此向前推动活塞242a，242b，柱塞240a，240b和部件238a，238b。这种动作促使第一探头部件218向地层12移动。

如上所述，第二探头部件224设置于第一缸孔220内。第二探头部件224在后部228与前部230的交界处形成一径向延伸的环形部件225，该环形部件225与第一缸孔220密封接合。开口环或卡扣环240设置于一靠近第一探头部件218之后端242的沟槽内。间隔环244在开口环240与环形部件225之间定位于缸孔220内，并且其直径大致等于环形部件225的直径。这样，当腔室246a、246b被液压系统加压时，开口环240与间隔环244的组合可使第二探头部件224于第一探头部件218一起向前移动。

当探头216被驱动装置214向前推动时，其前部231在由开口环240传递的力作用下首先钻入地层壁31以嵌入地层内。当前部231嵌入地层12之后，第一探头部件218的锥形前部222立刻嵌入泥浆层30和井孔壁31。该前部222的锥形外表面从其前部边缘向锥形表面与后部219的交界处扩展。当锥形部分222穿过井孔壁31时，这种扩展具有明显扩大嵌入地层12之探头的前部表面面积的作用，从而增加腔室246a、246b及固定管路244a、244b中的压力。用于控制液压流体输送到并联固定管路244a、244b内的控制阀(未示出)可检测上述压力的增加，并当压力达到一预定值时关闭该流路。这样，就使第一探头部件218向前移动到锥形部件222基本嵌入井孔壁31但未完全穿过井孔壁的位置点上。图4C示出了锥形部分222与井孔壁31接合的位置，从而使探头216与井孔壁形成密封以防止流体在穿入点横过井孔壁流动。

接下来的步骤是将第二探头部件224从相对第一探头部件218缩回的位置，如图4C所示，推进到伸出的位置上，从而使前部231位于锥形部分222的更前方，如图4D所示。参照图4D，这种推入是通过用液压系统28中的液压流体对固定管路248加压而实现的。液压流体通过固定管路248传送到增压腔250内以对其加压。

间隔环244装配有O形圈以使间隔环244与第一探头部件的后部219及第二探头部件后部228的外部圆柱表面密封接合。环形部件225还包括一用于与后部219密封接合的O形圈。从而使腔室225被密封，而且该腔室内的加压液压流体对环形部件225施加一个向前的推进力，该力促使第二探头部件224向前经过第一探头部件218进入地层12内。

探头216顺序操作的下一步骤就是第三探头部件232的缩回。参照图4D，一旦第二探头部件224到达由缸孔220所限定的向前行程的边界，那么腔室250内的液压流体的压力就会升高。在一预定的位置上，腔室250内的压力将达到足以使与流通管248相连的顺序阀(未示出)向通道252打开一条流动通路的水平，从而将液压流体输送到腔室254(见图4E)内并对第三探头部件232施加一个向后的力，从而顶推该部件在第二缸孔226内向后移动。当第三探头部件232从图4D的伸展位置移动到图4E的缩回位置上时，第二探头部件224的圆筒形延长部分256完全与第二缸孔234接合。当产生上述情况时，源于地层12的流体经过口257被吸入由缸孔260形成的流体通道258内。接着，地层流体通过滤网261顺序流入环形空间262、环形通道264、缸孔266、缸孔234、缸孔268、腔室270及流通管271。压力传感器274在测量会合处272与流通管271相连接，用于读取表示地层流体压力的数据并将这些数据传送至地面。

一旦完成合适的压力数据或其它数据的读取工作，操作探头216的程序被反向以将探头置于其在井孔和钻杆10内的缩回位置上。参照图4E，回缩管路276被源于液压系统28的液压流体加压，以使第三探头部件232之后的环形腔278增压。腔室278内的压力对第三探头部件232的径向增大之后部233施加一个力，该力向前将部件232顶入缸孔260内。这种第三探头部件的前移具有使缸孔260内的地层流体向后通过口257排出的作用。

一旦部件232返回到其前部位置，如图4D所示，它就不能再向前移动，而且腔室278内的压力也开始升高。腔室278与第二探头部件224内的通道280和282流体连通。当腔室278内的压力达到一预定的水平时，顺序阀215开启，从而使流体从腔室278经通道280、282流入腔室284，接着流入通道286、288，最后流入环形腔室290，如图4D所示。腔室290内的流体压力对第二探头部件224施加一个力，该力在第一缸孔220内将部件224向后顶推到图4C的缩回位置。当第二探头部件到达缩回位置时，其抵靠到间隔环244，而且腔室290内的压力也将升高。当达到一预定的压力值时，顺序阀215关闭流经通道282的液压流体流，密封住腔室290，从而使第二探头部件224通过压力锁定在缩回位置上。

缩回程序中的下一步骤是第一探头部件218的缩回。为此，并联的回缩管路292a和292b被源于液压系统28的液压流体加压。这种作用使腔室294a和294b增压，并产生一个向后顶推活塞242a、242b的力，而且将第一探头部件218拉回图4A和4B的缩回位置上，此时，可以重新开始钻井作业。

图5A-5C示出了本发明之探头及驱动装置的第三实施例。本实施例中的探头316包括第一部件318，该部件内设置有第一缸孔320。第一探头部件318可在钻杆10内滑动，如下所述。第一缸孔320基本为圆筒形并且具有变化的直径，在第一探头部件的圆柱形后部319和纵向中心部分321内具有较大的直径，而在第一探头部件的锥形前部分322内具有较小的直径。如上述的实施例之描述，前部322的锥形外表面适合于在井孔壁31上形成密封，并起到与探头16的锥形部分46及探头216的锥形部分222相同的作用。

第二探头部件324可在第一缸孔320内滑动，而且该部件内还设置有第二缸孔326。与第一缸孔320不同，第二缸孔326为圆筒形并具有不变的直径。第二部件324还设置有锥形的前部331，该前部331起到与探头16之前部42及探头216之前部231相同的作用。

第三探头部件332可在第二缸孔326内滑动，该探头部件332内形成有第三缸孔334。第三缸孔334被用作一用来疏导地层中流体的通道的一部分，以用于测量譬如地层压力这样的参数，如下所述。

驱动装置314包括顺序阀及一系列设置于钻杆10和探头316内的流通管和通道，该装置314按照一预定的顺序在伸出位置与缩回位置之间分别推动第一、第二和第三探头部件。第一探头部件318设置有径向加大的后部319，该后部被安置得可沿钻杆10内的缸孔336密封地滑移。这样，后部319就可迫使探头316尤其是第一探头部件318沿缸孔336之轴线作线性移动。如上所述，第二探头部件324设置于第一缸孔320内。具体而言，后部328形成一径向延伸的环形部件或环件，该环形部件与第一缸孔320密封接合。使探头316动作的第一步骤为将第二探头部件324从图5A所示的缩回位置推动到图5B所示的伸出位置。这种推动可通过用源于液压系统28的液压流体对固定管路344加压得以实现。液压流体通过固定管路344输送到形成于钻杆10内的腔室350，并对该腔室加压。环形部件328包括一用于与第一缸孔320密封接合的O形图。这样，腔室内的加压液压流体就会对环形部件328产生一个向前的推力，该推力向前顶推第二探头部件324通过第一探头部件318进入地层12中。

缸孔320在前部锥形部分322和中央部分321之交界处附近的台肩323处缩小为一直径较小的部分。在驱动装置314向前推动第二探头部件324的过程中，环形部件328运动在某一位置上与台肩323接合。当环形部件328与台肩323接合时，第一探头部件328被继续膨胀的腔室350内的压力向前推动。第一探头部件318还被腔室350内的流体向前顶推，从而进入后部319的后壁与钻杆10之间的未密封空间内。

前部331在驱动装置314传递的力作用下首先接合地层12并钻穿地层壁31嵌入地层中。在前部331嵌入地层12之后，第一探头部件318的前端锥形部分322嵌入泥浆层30及井孔壁31内，如图5B所示。

前部322的外表面锥角从其前部边缘向该锥形表面与中央部分319的交界处扩张。当前部322穿过井孔壁31时，这种扩张具有使推入地层12内的探头之前表面面积显著增大的作用，从而使腔室350和固定管路344内的压力增加。一控制液压流体输送到固定管路344内的控制阀(未示出)可检测这种压力的增加，并当压力达到一预定值时关闭流路。这样，第一探头部件318被向前推动到锥形部分322基本嵌入井孔壁31但并未完全穿过井孔壁的位置上。图5B示出了锥形部分322嵌入井孔壁31的位置，从而使探头316与井孔壁一起形成密封以防止流体在穿入位置上横过井孔壁而流出。

顺序操作探头316的下一步骤为第三探头部件332的缩回。为此，柔性导管300从腔室350的后壁延伸至将导管与第二探头部件324连接起来的接头部分301处，导管的一段已在图5D中具体示出。导管300通过流通管302向加压腔室354内导入液压流体。腔室354内的压力对第三探头部件332施加一个向后的力，以在第二缸孔326内向后顶推该部件。当将第三探头部件232从图5B的伸出位置推至图5C的缩回位置上时，第二探头部件324的圆筒形延伸部分356与缸孔334完全接合。当此发生时，源于地层12的流体通过口357被吸入由侧向通道360、缸孔362、腔室364、分支通道366、缸孔334、缸孔368及流通管304形成的流体通道内。如图5D所示，流通管304也由柔性导管300来引导。参照图5C，压力传感器374在测量交汇点372与流通管304相连接，以读取表示地层流体压力的数据并将这些数据传送至地面。

一旦完成合适的压力数据或其它数据的读取工作，操作探头316的程序就被反向地使探头置于其在井孔和钻杆10内的缩回位置上。设置于导管300(见图5D)内的回缩管路305被源于液压系统28的液压流体加压，从而使位于第三探头部件332之后的环形腔室378增压。腔室378内的压力对部件332之径向增大的后部333产生一个向前朝缸孔362顶推部件332的力。这种使第三探头部件向前的作用还具有将腔室364内的地层流体通过口357反向排出的作用。

一旦部件332返回至其前部位置上，如图5B所示，下一步骤就是将第一探头部件318从其伸出位置上缩回。为此，回缩管路392被源于液压系统28的液压流体加压。该动作使腔室394增压，并产生一个向后顶推第一探头部件318的力，并使第一探头部件返回至缩回的位置上。当其返回到缩回位置上时，第一探头部件的台肩323对环形部件328施加一个至少使第二探头部件324部分脱离地层12的力。

缩回程序中的最后一个步骤是使第二探头部件324从相对第一探头部件伸出的位置上缩回。为此，液压流体从液压系统28经流通管306输送到增压腔390。增压腔390内的流体压力对第二探头部件324产生一个力，该力在第一缸孔320内将部件324向后顶推至图5A的缩回位置上。在该位置上，探头完全位于钻杆10内，并可重新开始钻进作业。

如上所述，探头16的前部最好被制造成可减小驱动装置将探头移动到伸出位置所需力的形状。具体而言，其前部可以是锥倾角β不大于45°的锥形。对于前部锥角β小于45°的探头而言，其前部被认为是“锐利”的，因此围绕前部之尖端的速度场将是圆柱放射形(cylindrically radial)。具有锐利前部之探头的嵌入压力P_P ^锐利为：

其中pc＝柱形气穴压力(cylindrical cavitation)，

β＝锥斜角(见图3A)，

ψ＝交界处的摩擦角。

在本说明书中所用的气穴压力是指由具有锥形前部的穿入探头所产生的空腔能够自由生成时的压力。该气穴压力对于钝头工具(β＞45°)而言被表征为球形气穴压力，而对于锐利的工具(β＜45°)而言被表征为圆柱形气穴压力。由于穿入压力与气穴压力成正比，因此可以考虑压力度量(压力比效果)。故，可将穿入压力定义为：

其中q＝考虑了原岩应力之加强效应的自由应力(磅/英寸²或牛顿/毫米²)；

∏p＝无量纲的穿入压力。

由上式，穿入力(磅或牛顿)可被写成： $\mathrm{Fp}=\mathrm{\π}{a}_0^{2}q{\mathrm{\Π}}_P,$

其中a₀＝穿入物体(探头16、216、316)的标定半径(英寸或毫米)。无单位的穿入压力∏p为几个岩层参数的函数，这些参数包括杨氏(Young’s)弹性模量、泊松(Poisson’s)比、单轴压缩强度、内摩擦角及膨胀角。

图6为一无摩擦材料的理想化曲线，该曲线示出了使一圆柱形物体产生穿入所需的力Fp与穿入深度d的演变情况。本领域的技术人员应该理解：为便于说明，假设探头基本为圆柱形，但本发明不局限于此。力Fp可通过圆柱形探头的横截面积与所穿入岩层的单轴压缩强度(沿穿入轴线)的乘积所度量，而穿入深度d通过探头的半径a₀度量。对于一般蓄油岩层的力-深度之穿入关系可在无原岩应力的情况下被计算出来。在图6中绘出了上边界和下边界，其对应于一个表征岩石非弹性体积变化之参数的两个极值。穿入力在整个穿入深度内的变化标记为“过渡时期”，这种变化不取决于任何模式，但表示了一种力-深度穿入关系在探头前部正穿入地层的一穿入深度范围(力Fp随深度的增加而迅速增加)内和在探头前部完全穿入地层内的一穿入深度范围内(力F基本不变)之间的估计值。

对各种不同前部锥角和一般岩层参数值的穿入压力之分析表明了，对于交界摩擦角(ψ＜30°)的真实值而言，钝头工具的无单位穿入压力大于锐利工具的无单位穿入压力。实际上，穿入井下封闭地层即高度压缩地层(例如在现代油井内遇到的低于地面数千英尺的地层)的钝头探头必须克服的最大穿入阻力(压力)，可能是非封闭地层之压缩强度的20倍。作用于一锐利工具上的力，例如作用于一设置有45°或更小锥角的锥形前部之探头上的力在准静态穿入过程中相当小。

本领域的技术人员及受益于本发明的人员应该理解：如上所述，通过使用具有穿入探头的钻进工具，就可以在钻进过程中直接、快速、可靠地得到测量结果。由于探头在缩回位置上时位于钻杆(或其它配置工具，例如电缆探头)之腔体内并使其与钻井环境隔开，因此可提高探头的可靠性。此外，本发明的探头可在一个行程内的几个井孔深度上反复用于检测地层压力或其它参数。

鉴于上述的说明，本发明显然能够实现所有上述的目的和特征及其它目的和特征。

本领域的技术人员应该清楚：在不脱离本发明的保护范围或基本特征范围内，可以其它特定的形式实施本发明。例如，可为探头的通道设置一液压连接件，从而采集地层流体的样本。而且本发明的探头还可以其它体现本发明之优点的不同结构被实施。

因此，本发明的实施例仅是说明性的，并非是限制性的。本发明的保护范围由所附的权利要求书来限定，而不是由前面的说明来限定，因此所有落入本发明保护范围内的变化及等同替换也是本发明的一部分。

Claims (38)

1、一种用于测量与井孔相交的地下岩层之参数的装置，其包括：

一工具体，可在井孔内移动；

驱动装置，支承于所说的工具体上；

一探头，该探头可被所说的驱动装置推动，以在井孔内的一缩回位置与穿入井孔壁的一伸出位置之间移动，从而使所说的探头嵌入地层，当所述探头移动到伸出位置上时，该探头可在井孔壁上形成密封，所述探头内设置有用于测量探头所嵌入的地层之参数的装置。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述测量装置包括一通道，该通道从邻近所述探头之前部的一开口延伸到设置于所述探头、驱动装置和工具体之一内的一测量交汇点处，以将流体从地层传送到测量交汇点。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括一传感器，该传感器通过测量交汇点与所述探头的通道联通，以测量地层参数。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述传感器为一压力传感器，该传感器通过测量交汇点与所述探头内的通道联通，以测量地层内的流体压力。

5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述工具体为设置于钻杆组内的一个钻杆。

6、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的工具体为一悬挂于井孔内的电缆探头。

7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的驱动装置包括一由液压流体驱动的液压活塞，以所述探头在缩回位置与伸出位置之间移动。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述探头与液压活塞构成一整体式结构。

9、根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的探头前部被制造成可减少所述驱动装置将所述探头移动到伸出位置所需推动力的形状。

10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述的前部为锥形。

11、根据权利要求10所述的装置，其特征在于：所述前部的锥角不大于45°。

12、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的传感器设置于所述的探头内。

13、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的传感器设置于所述的驱动装置内。

14、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的传感器设置于所述的工具体内。

15、根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的探头还包括：

一后部；

一锥形部分，当所述探头从缩回位置移动到伸出位置上时，该锥形部分用于在井壁上基本形成密封。

16、根据权利要求15所述的装置，其特征在于：当所述的探头移动到伸出位置上时，所述的锥形部分位于所述前部与所述后部之间。

17、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的探头包括多个部件。

18、根据权利要求17所述的装置，其特征在于：所述测量装置包括一通道，而所述的探头包括：

一第一部件具有一设置其内的第一缸孔，一锥形的外表面而且所述驱动装置可推动该第一部件在井孔内之一第一部件的缩回位置和一第一部件的伸出位置之间移动，在伸出位置上，第一部件的外表面至少部分穿入井孔壁；

一第二部件设置于第一缸孔内，所述第二部件具有一其中的第二缸孔，其还包括一前部，一与所述第二缸孔联通的开口，所述驱动装置可推动该第二部件通过第一缸孔在一第二部件于第一孔内的缩回位置与一第二部件的伸出位置之间移动，其中在伸出位置上，其前部穿入地层，而且所述开口位于第一部件之外；和

一第三部件设置于第二缸孔内，该部件内至少包括所述通道的一部分，所述驱动装置可推动该第三部件通过第二缸孔在一使通道关闭的位置与一使通道开启的位置之间移动，当通道开启时，地层流体可通过所述开口流入所述通道内，以测量地层参数。

19、根据权利要求18所述的装置，其特征在于：所述的前部为锥形。

20、一种用于测量地下岩层参数的探头，其包括：

一主体，该主体可在井孔工具上的一缩回位置与一穿入井孔壁并嵌入地层的伸出位置之间移动，所述的井孔工具设置于与地层相交的井孔内；所述的主体包括：

一锥形部分，用于当所述探头移动到伸出位置上时，在井孔壁上形成密封；和

设置于所述主体内的用于地层流体的联通装置，以当所述探头移动到伸出位置上时，该装置使地层流体与一测量交汇点联通。

21、根据权利要求20所述的探头，其特征在于：所述的主体包括多个部件。

22、根据权利要求21所述的探头，其特征在于：所述的流体联通装置包括一通道，而所述的探头主体包括：

一第一部件，该部件包括一锥形部分及一设置于其中的第一缸孔，所述驱动装置可推动该第一部件在井孔内第一部件的缩回位置和使所述锥形部分至少部分穿入井孔壁并在井孔壁上基本形成密封的第一部件的伸出位置之间移动；

一设置于第一缸孔内的第二部件，该部件包括一设置于其中的第二缸孔和一前部及一与第二缸孔联通的开口，该驱动装置可推动该第二部件通过第一缸孔在一第二部件在井孔内的缩回位置与一第二部件的伸出位置之间移动，在伸出位置上，所述前部穿入地层，而所述开口定位于第一部件之外；和

一设置于第二缸孔内的第三部件，该部件内设置有所述通道，所述驱动装置可推动该部件在关闭所述通道的一位置和开启所述通道的一位置之间通过第二缸孔而移动，当所述通道开启时，地层流体可通过开口流到所述通道内用于测量地层参数。

23、根据权利要求22所述的探头，其特征在于：所述前部为锥形。

24、一种用于测量与井孔相交的地下岩层之参数的方法，其包括以下步骤：

通过井孔将一工具体移动到所需地层的深度处，所述携带一探头的工具体包括：一锥形部分和设置于探头内的流体联通装置；

将所述探头从在井孔内的一缩回位置移动到穿入井孔壁并嵌入地层的一伸出位置上，从而使探头的锥形部分在井孔壁上基本形成密封；

通过探头内的流体联通装置使地层流体与一传感器联通，以测量地层参数。

25、根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述的流体联通装置包括一通道，而所述的探头还包括：一前部和一后部，当所述探头移动到伸出位置上时，所述锥形部分位于前部与后部之间，而且当所述探头移动到伸出位置上时，所述探头内的通道通过锥形部分延伸。

26、根据权利要求25所述的方法，其特征在于：当所述探头移动到伸出位置上时，探头内的所述通道从探头之锥形部分前部的一开口延伸到探头之锥形部分之后的一测量交汇点。

27、根据权利要求26所述的方法，其特征在于：所述传感器通过测量交汇点与探头内的通道联通，以测量地层的参数。

28、根据权利要求27所述的方法，其特征在于：所述传感器为一个通过测量交汇点与探头内的通道联通的压力传感器以用于测量地层流体的压力。

29、根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述的工具体为一设置于钻杆组内的钻杆。

30、根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述的工具体为一悬挂于井孔内的电缆探头。

31、根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述探头通过一液压活塞在缩回位置与伸出位置之间移动，所述液压活塞被工具体携带并由工具体内的液压流体驱动。

32、根据权利要求31所述的方法，其特征在于：所述探头与液压活塞构成一个整体式结构。

33、根据权利要求31所述的方法，其特征在于：所述探头的前部被制造成可减小所述液压活塞将探头穿入井孔壁并嵌入地层所需力的形状。

34、根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述传感器设置于所述的探头内。

35、根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述的传感器设置于一液压活塞部件内，液压活塞部件由工具体携带并由工具体内的液压流体驱动，以使探头在缩回位置与伸出位置之间移动。

36、根据权利要求24所述的方法，其特征在于：将探头从缩回位置移动到伸出位置的步骤包括以下步骤：

将一设有锥形部分和一第一缸孔的第一探头部件从一第一探头部件在井孔内的缩回位置移动到一第一探头部件的伸出位置上，在该伸出位置上，锥形部分至少部分穿入井孔壁并在井孔壁上大体形成密封；和

将一设有第二缸孔、一前部和一与第二缸孔联通的开口的第二探头部件在第一缸孔内从一第二探头部件的缩回位置移动到一第二探头部件的伸出位置上，在该伸出位置上，所述前部穿入地层并且所述开口定位于第一部件之外。

37、根据权利要求36所述的方法，其特征在于：所述探头的流体联通装置包括一通道，而且还包括将一其内设置有所述通道的第三探头部件从一使通道关闭的位置移动到一使通道开启的位置上的步骤，以使地层流体通过所述开口流到通道内，从而测量地层参数。

38、根据权利要求36所述的方法，其特征在于：所述第二探头部件的前部为锥形。

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