备用方向和倾斜传感器及其操作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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，通过钻柱内部被栗送的钻探“泥浆”冷却以及润滑钻头，然后从钻头流出并携带岩肩返回至地表。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。
[0003]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楽马达；3)勘测设备(随钻测井(“Logging While Drilling:LffD")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。
[0004]作为可能的钻探活动的示例，MffD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MffD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。
[0005]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MffD中，MffD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MffD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。
[0006]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。
[0007]在MffD中，已知的MffD工具包含基本上相同的D&I传感器组件，用以勘测井孔，但可通过各种遥测方法将数据发送回地表。这样的遥测方法包括(但不限于)使用硬连线钻杆、声学遥测、光纤电缆、泥浆脉冲(MP)遥测和电磁(EM)遥测。在一些井下钻探操作中，可能存在一个以上的遥测系统，该遥测系统用于在井孔遥测系统中的一个发生故障或因其他原因不能正常工作的情况下提供备用系统。在MffD中所使用的传感器通常位于电子探头中或在包含在圆筒形盖或壳体中的仪器组件中，位于钻头附近。地面可回收的探头壳体经受恶劣的井下环境，伴有增加的温度和压力、过大的冲击和振动、以及当钻探流体流过探头时所造成的流体谐波。MffD工具的电子元件和传感器可因此很容易被损坏。
[0008]在大多数定向钻探的当前应用中，标准的D&I传感器组件包含:用于方向测量的磁通门磁强计和用于倾斜测量的石英挠性加速计；磁强计和加速计在三个正交轴的(X、Y和Z)每一个中进行测量。在任何传感器发生故障的情况下，由于为了继续钻探所有的传感器都必须工作，所以必须拆卸工具来更换或维修发生故障的传感器。工具的拆卸涉及从井孔中取出、更换传感器或整个MffD工具、以及送回，这其中给操作员增加了相当多的时间并增加了钻井成本。D&I传感器(以及特别地，工业标准加速计)是MffD工具的高成本部件，并且在它们经受的极端环境下很容易发生故障。
[0009]MffD传感器经受多个内部和外部影响，其可能引起与它们的使用相关联的错误。一些内部影响包括校准误差、交叉轴灵敏度、温度漂移和输出噪声。外部影响包括BHA偏转、来自周围岩石中磁性矿石的地磁影响、钻柱诱发的干扰以及轴偏差。为了抵消一部分产生的影响，在传感器系统内引入各种校准补偿。误差通常被假定为正态分布在正交三元组中的所有三个传感器之间，但这可能不总是这样的情况。此外，在高温下传感器可能由于温度偏移而偏离校准值，特别是当传感器还受到冲击和振动时。随着探头被布置以及从钻孔中移出，传感器可能经历温度循环。因此，随着时间和使用可能出现校准损失，这可能会导致错误的测量结果。
[0010]考虑到恒定温度漂移和用于传感器的这种校准的设备，WO 2012/057055描述了用以持续校准井下勘测仪器组件中的磁强计和加速计的需求。WO 2012/142566涉及用于校准来自测井工具(针对其，多个属性中的一个在测井过程中发生变化)的测井测量值的方法。可变的校准函数可以是离散的或连续的以及线性的或非线性的。W02009/006077描述了一种能够执行现场校准、分析校准数据以及基于所检测的数据调整至少一个参数的校准方法。这些参考文献中的每一个均引入本文。
【发明内容】
[0011]根据本发明的一个方面，提供了一种井下探头组件，该井下探头组件包括:主传感器、备用传感器、和与该主传感器和该备用传感器进行电通信的控制器。主传感器包括被构造为收集与每个正交轴χ、γ和Z相关的信息的主加速计和主磁强计。备用传感器包括被构造为收集与每个正交轴Χ、γ和Z相关的信息的备用加速计，该备用加速计是固态加速计。控制器被构造为接收和处理来自主传感器和备用传感器的信息，使得当一个或多个主加速计出现故障时可使用来自备用加速计的信息。
[0012]备用传感器可进一步包括被构造为收集与每个正交轴Χ、Υ和Z相关的信息备用磁强计，控制器可与备用磁强计电通信，并且被构造为接收和处理来自备用磁强计的信息，使得当一个或多个主磁强计发生故障时可使用来自备用磁强计的信息。控制器可被构造成向地表发送信号，以警告操作员主传感器中的一个或多个已经发生故障，并且钻探操作基于来自备用传感器的信息正在继续。
[0013]井下探头组件可包括井下探头组件模块，该井下探头组件模块包含包封住主体的纵向延伸壳体。备用传感器可附接到该主体。备用传感器可在每个正交轴Χ、γ和Z中附接到主体。另选地，备用传感器中的一个或多个可在相对正交轴X、Y和Z的偏移位置附接到主体。井下探头组件模块可进一步包括位于壳体的一端的端盖结构。主体可形成端盖结构的一部分，并且可延伸至壳体的一部分内。端盖结构是被构造为分别与井下探头组件的纵向相邻模块的阴端盖结构或阳端盖结构配合的阳端盖结构或阴端盖结构。阳端盖结构和阴端盖结构的配合可使得井下探头组件模块与纵向相邻模块物理且电互连。备用传感器可固定到印刷电路板，并且该印刷电路板可附接到主体。
[0014]备用传感器可并入在备用传感器模块中，并且该备用传感器模块可被构造用于与井下探头组件的纵向相邻模块互连。备用传感器模块可包括包封住主体的纵向延伸壳体。备用传感器可附接到该主体。备用传感器可在每个正交轴x、Y和Z中附接到主体。另选地，备用传感器中的一个或多个可在相对正交轴x、Y和Z的偏移位置附接到主体。备用传感器模块可进一步包括位于纵向延伸壳体的一端的端盖结构。端盖结构是被构造为分别与井下探头组件的纵向相邻模块的阴端盖结构或阳端盖结构配合的阳端盖结构或阴端盖结构。阳端盖结构和阴端盖结构的配合可使得备用传感器模块与纵向相邻模块物理且电互连。主体可形成端盖结构的一部分，并且可延伸至壳体的一部分内。备用传感器可固定到印刷电路板，并且该印刷电路板可附接到主体。
[0015]主传感器和备用传感器可并入在传感器模块中。一方面，传感器模块可包括主体，主传感器可附接到该主体，并且备用传感器中的至少一个附接到主传感器中的至少一个。备用传感器可在每个正交轴X、Y和Z中附接到主传感器。另选地，备用传感器中的至少一个可在相对正交轴X、Y和Z的偏移位置附接到主传感器。备用传感器可固定到印刷电路板，并且该印刷电路板可附接到主传感器。另一方面，传感器模块可包括主体，并且主传感器和备用传感器可附接到该主体。备用传感器可在每个正交轴x、Y和Z中附接到主体。另选地，备用传感器中的一个或多个可在相对正交轴X、Y和Z的偏移位置附接到主体。备用传感器可固定到印刷电路板，并且该印刷电路板可附接到主体。备用传感器中的至少一个可在主传感器中的至少一个的背侧上附接到主体，使得备用传感器中的至少一个和主传感器中的至少一个处于相同的正交轴中。
[0016]根据本发明的另一方面，提供了一种在井下探头组件中使用的端盖结构，该井下探头组件包括被构造为收集与每个正交轴x、Y和Z相关的信息的主加速计和主磁强计。该端盖结构包括:主体，该主体被构造为适配