本申請要求2014年5月3日提交的美國臨時專利申請No.61/988,197的優(yōu)先權(quán)，該美國臨時專利申請的全部公開內(nèi)容在此通過引用的方式并入。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及與地層中的隨鉆測量(MWD)相關(guān)的井下工具領(lǐng)域，尤其涉及減小由于機械沖擊和振動而導(dǎo)致的對伽馬檢測器的損害。

背景技術(shù)：

在地層中旋轉(zhuǎn)鉆井用于形成井孔，以獲得地層中的物質(zhì)，例如碳氫化合物。旋轉(zhuǎn)鉆井涉及布置在從地面延伸的鉆柱的鉆進端上的底孔組件。鉆柱由將底孔組件連接至地面的一系列管狀構(gòu)件組成。底孔組件可以包括鉆頭，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時，鉆頭可以使地層破裂而鉆出井孔。在鉆頭上方靠近鉆頭的可以是地層和/或井孔裝置以及用于測量、記錄和/或報告與地層、井孔、底孔組件的狀態(tài)或鉆井環(huán)境的其它方面有關(guān)的信息的測量工具。

傳感器用于在鉆井期間工作，并且通常被稱為隨鉆測井(LWD)或隨鉆測量(MWD)傳感器。所述傳感器可以包括被構(gòu)造成檢測伽馬射線以評價地層特性的輻射檢測器。伽馬射線可以自然地發(fā)生(被動)，或者由地層響應(yīng)于底孔組件中的輻射源(主動)而發(fā)出。

伽馬檢測器的核心部件包括閃爍晶體(例如碘化鈉(Nal)晶體)以及與該閃爍晶體光學(xué)耦合的光電倍增管。光電倍增管的輸出可以被電子裝置檢測并轉(zhuǎn)換成所接收到的伽馬輻射的伽馬射線計數(shù)或者強度和頻率的其它測量參數(shù)。鉆頭在地層中的旋轉(zhuǎn)和鉆柱在地層中的運動導(dǎo)致物理(機械)沖擊和振動，這些物理(機械)沖擊和振動被沿著鉆柱尤其傳遞至底孔組件中的敏感電子部件，例如伽馬檢測器。所述機械沖擊和振動可能會損害該伽馬檢測器的閃爍晶體、光學(xué)耦合和電子裝置中的一個或多個。

因此，對于能夠耐受由于井下鉆井操作而導(dǎo)致的機械沖擊和振動的伽馬檢測器，存在著需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在多個方面，本公開涉及與地層中的旋轉(zhuǎn)鉆井相關(guān)的井下工具。具體地，本公開涉及減小由于機械沖擊和振動而導(dǎo)致的損害和磨損。

一個實施例包括一種用于檢測井孔內(nèi)的伽馬輻射的設(shè)備，該設(shè)備包括：被構(gòu)造成布置在井孔內(nèi)的底座；布置在底座內(nèi)的伽馬檢測器，該伽馬檢測器包括對伽馬輻射作出響應(yīng)的閃爍晶體以及被光學(xué)耦合至該閃爍晶體的光電倍增管；被構(gòu)造成從外側(cè)包圍該伽馬檢測器并具有第一端和第二端的殼體；被構(gòu)造成與所述第一端及底座機械連通的第一軸向減震器；以及被構(gòu)造成與所述第二端和底座機械連通的第二軸向減震器。該設(shè)備還可以包括布置在第一軸向減震器和所述第一端之間的第一軸向減震器適配器、以及布置在第二軸向減震器和所述第二端之間的第二軸向減震器適配器。在多個方面，軸向減震器適配器可以構(gòu)造成將軸向減震器的力均勻地分布在所述殼體的端部上或分布在所述殼體的端部的周界上。在一些方面，該設(shè)備可以包括被構(gòu)造成從外側(cè)包圍所述殼體的套管。該套管可以具有在第一端和第二端之間連續(xù)的凹進部分。該設(shè)備還可以具有側(cè)向減震器，該側(cè)向減震器被構(gòu)造成從外側(cè)包圍所述套管。該側(cè)向減震器可以包括處于第一端和第二端之間的連續(xù)通道。該連續(xù)通道可以是非直線的。該連續(xù)通道可以是所述側(cè)向減震器的凹進部分，或者是所述側(cè)向減震器中的縫隙。所述側(cè)向減震器可以包括彈性體材料。在一些方面，該彈性體材料可以包括硅樹脂。所述側(cè)向減震器可以包括波紋金屬，并且其波紋可以是以下項中的一種或多種：徑向的、縱向的或螺旋形的。在一些方面，第一軸向減震器和第二軸向減震器均可以包括彈簧。

根據(jù)本公開的另一實施例包括一種用于檢測井孔內(nèi)的伽馬輻射的設(shè)備，該設(shè)備包括：被構(gòu)造成布置在井孔內(nèi)的底座；布置在底座內(nèi)的伽馬檢測器，該伽馬檢測器包括對伽馬輻射作出響應(yīng)的閃爍晶體、被構(gòu)造成從外側(cè)包圍所述閃爍晶體并具有外側(cè)端的殼體、被光學(xué)耦合至所述閃爍晶體的光電倍增管、以及被構(gòu)造成從外側(cè)包圍所述光電倍增管并具有外側(cè)端的殼體；被構(gòu)造成與所述閃爍晶體殼體的外側(cè)端及所述底座機械連通的第一軸向減震器；以及被構(gòu)造成與所述光電倍增管殼體的外側(cè)端及所述底座機械連通的第二軸向減震器。該閃爍晶體殼體和光電倍增管殼體可以彼此相鄰。該設(shè)備還可以包括布置在第一軸向減震器和所述第一端之間的第一軸向減震器適配器、以及布置在第二軸向減震器和所述第二端之間的第二軸向減震器適配器。在多個方面，所述軸向減震器適配器可以構(gòu)造成將軸向減震器的力均勻地分布在所述殼體的端部上或者分布在所述殼體的端部的周界上。在一些方面，該設(shè)備可以包括套管，該套管被構(gòu)造成從外側(cè)包圍所述殼體。該套管可以具有在第一端和第二端之間連續(xù)的凹進部分。該設(shè)備還可以具有側(cè)向減震器，該側(cè)向減震器被構(gòu)造成從外側(cè)包圍所述套管。該側(cè)向減震器可以包括位于第一端和第二端之間的連續(xù)通道。該連續(xù)通道可以是非直線的。該連續(xù)通道可以是側(cè)向減震器的凹進部分或者是側(cè)向減震器中的縫隙。該側(cè)向減震器可以包括彈性體材料。在一些方面，該彈性體材料可以包括硅樹脂。該側(cè)向減震器可以包括波紋金屬，并且其波紋可以是以下項中的一種：徑向的、縱向的或螺旋形的。在一些方面，第一軸向減震器和第二軸向減震器均可以包括彈簧。

本公開的另一實施例包括一種用于在井孔內(nèi)執(zhí)行伽馬射線檢測操作的方法，該方法包括：緩沖對伽馬檢測器工具的軸向沖擊，該伽馬檢測器工具包括：被構(gòu)造成布置在井孔內(nèi)的底座；布置在底座內(nèi)的伽馬檢測器，該伽馬檢測器包括對伽馬輻射作出響應(yīng)的閃爍晶體、以及被光學(xué)耦合至該閃爍晶體的光電倍增管；被構(gòu)造成從外側(cè)包圍所述伽馬檢測器并具有第一端和第二端的殼體；被構(gòu)造成與第一端及所述底座機械連通的第一軸向減震器；以及被構(gòu)造成與第二端和所述底座機械連通的第二軸向減震器。該方法還可以包括：緩沖對伽馬檢測器工具的側(cè)向沖擊。該方法還可以包括：通過閃爍晶體從地層接收伽馬輻射；以及將該伽馬輻射轉(zhuǎn)換為表示伽馬計數(shù)的信號。可以在鉆井操作期間執(zhí)行緩沖所述軸向沖擊的步驟。

已相當(dāng)寬泛地總結(jié)了本公開的更重要特征的示例，以便可以更好地理解下文的其詳細描述并且可以明白它們對本領(lǐng)域的貢獻。當(dāng)然，本公開的其他特征將在下文中被描述并且其將形成所附權(quán)利要求的主題。

附圖說明

通過以下對附圖中的各種公開的實施例的詳細描述，能夠獲得對本公開的更好理解，該詳細描述僅作為示例給出，因此并非限制本發(fā)明，其中：

圖1是根據(jù)本公開的一個實施例的具有底孔組件(bottom hole assembly)的鉆井系統(tǒng)的視圖，該底孔組件被構(gòu)造成用在包括井下伽馬檢測器工具的井孔中；

圖2A是根據(jù)本公開的一個實施例的井下伽馬檢測器工具的3D視圖；

圖2B是沿著圖2A的工具的長度的剖面圖；

圖2C是圖2A的工具的3D分解圖；

圖3是根據(jù)本公開的一個實施例的、不具有側(cè)向減震器的伽馬檢測器工具的另一實施例的3D視圖；并且

圖4是根據(jù)本公開的一個實施例的使用伽馬檢測器工具的示例性方法。

具體實施方式

在各個方面，本公開涉及井下鉆井操作。具體地，本公開涉及對井下伽馬檢測器的部件的保護，該伽馬檢測器工具可能對在鉆井操作期間發(fā)生的且可能減少井下伽馬檢測器工具的運行壽命的機械沖擊和振動敏感。本發(fā)明容許不同形式的實施例。在附圖中示出并將在本文中詳細描述的具體實施例應(yīng)理解成：本發(fā)明被認為是原理的示例，并非旨在將本發(fā)明限制到本文所圖示和描述的內(nèi)容。

圖1示出了鉆井系統(tǒng)100的視圖，該鉆井系統(tǒng)100包括布置在地面120上并且在地層140中的井孔130上方的鉆機110。鉆柱150布置在井孔130中，其具有在井孔130的底部處的鉆頭160。在鉆頭160上方的是包括伽馬檢測器工具180的底孔組件170。伽馬檢測器工具180可以構(gòu)造成用于主動或被動式伽馬測量。雖然僅示出單個伽馬檢測器工具180，但鉆井系統(tǒng)可以包括多個伽馬檢測器工具180。

圖2A示出了包括底座200的伽馬檢測器工具180的3D視圖，該底座200被敞開以示出其內(nèi)部的伽馬檢測器260、270(圖2B)的殼體210。底座200可以大致為圓柱形形狀的，它被構(gòu)造成布置在井孔130中，并且包括腔體205(圖2C)，殼體210可以插入到該腔體205中。該底座包括布置在伽馬檢測器工具180的兩個相反側(cè)上的第一端201和第二端202。在一些實施例中，底座200可以由兩個半體形成，每個半體均大致為另一個半體的半殼互補件(half-shell complements)，并且被構(gòu)造成形成大致圓柱形形狀。可以通過螺釘、焊接、鉚釘或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的其它技術(shù)將底座200的兩個半體固定在一起。伽馬檢測器260、270典型地包括：閃爍體260，該閃爍體260在暴露于伽馬輻射時產(chǎn)生光子；和電子光檢測器270，該電子光檢測器270將光子轉(zhuǎn)化為表示由閃爍體260接收到的伽馬輻射的電信號。一種非限制性的閃爍體260為閃爍晶體，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會理解，可以使用適合井下操作的任何閃爍體。一種非限制性的電子光檢測器270為光電倍增管，但也可以使用適合井下操作的任何電子光檢測器，包括光電二極管和硅光電倍增器。殼體210內(nèi)的閃爍晶體260和光電倍增管270可能會被從鉆頭160傳遞至伽馬檢測器工具180的機械沖擊和振動損壞。通過減小從沿著工具180和/或底孔組件170的縱向軸線的方向到達閃爍晶體260和光電倍增管270的沖擊的量級，可以防止對閃爍晶體260、光電倍增管270或二者的損害，并增加其運行壽命。

如圖所示，通過軸向減震器251、252來提供軸向減震，該軸向減震器251、252也布置在腔體205內(nèi)并與底座200的內(nèi)部接觸。軸向減震器251、252可以構(gòu)造成通過儲存或耗散將傳遞給閃爍晶體260和光電倍增管270的振動能量來緩沖振動。雖然軸向減震器251、252被示出為彈簧，但這僅是示例性和例示性的，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，也可以使用其它適當(dāng)?shù)臏p震器，例如彈性體。第一軸向減震器(彈簧)251布置在底座200的第一端201和殼體210的第一端211之間，并且第二軸向減震器(彈簧)252布置在底座200的第二端202和殼體210的第二端212之間。彈簧251、252可以被壓縮并構(gòu)造成在緩沖通過底座200接收的機械沖擊和振動的同時將殼體210保持就位。

端部201、202也包括底座電線軸207，該底座電線軸207被構(gòu)造成允許與所述伽馬檢測器組件連接的電線通過，從而穿入底座200和/或從底座200穿出。端部201、202均可以包括彈簧止擋部203，該彈簧止擋部203被構(gòu)造成提供用于彈簧251、252的平坦表面以接觸底座200。彈簧251、252可以構(gòu)造成具有一定硬度，以吸收1000G量級的沖擊。在一些實施例中，彈簧251、252可以構(gòu)造成緩沖2500G量級的沖擊。箭頭206指示了殼體210的縱向運動路徑。一對軸向減震器適配器241、242能夠可選地分別布置在軸向減震器251、252和它們的端部211、212之間。由于彈簧被示出為圖2A中的軸向減震器，所以軸向減震器適配器241、241被稱為彈簧適配器，但彈簧的使用僅是示例性的。彈簧適配器241、242可以包括允許電線在彈簧251、252的外部和底座200之間穿過的縫隙245。彈簧適配器241、242可以構(gòu)造成將彈簧251、252的彈簧力分布到端部211、212中。在一些實施例中，閃爍晶體260和光電倍增器270均可以具有它們自己的殼體(未示出)，這兩個殼體彼此相鄰。當(dāng)使用相鄰的殼體時，閃爍晶體殼體的向外端(非相鄰端)將是第一端211，而光電倍增器殼體的向外端(非相鄰端)將是第二端212。

在一些實施例中，彈簧適配器241、242可以構(gòu)造成使彈簧力沿著末端211、211均勻地分布。在一些實施例中，彈簧適配器241、242可以構(gòu)造成將所述力主要分布在殼體210的端部211、212的周界215(圖2C)上。

殼體210能夠可選地被套管220從外側(cè)包圍(circumscribed)。套管220可以由可透過伽馬輻射的材料制成，以便不干擾伽馬射線從地層140到達閃爍晶體260。在一些實施例中，套管220可以由衰減伽馬射線的材料制成(未示出)，并包括透明(透明材料或縫隙)的允許伽馬輻射到達閃爍晶體260的狹槽或窗口(未示出)。該伽馬衰減材料可以包括鎢合金。

套管220可以在長度上比殼體210短，并且構(gòu)造成在其內(nèi)部上提供滑動表面，以便殼體210可以穿過套管220自由地滑動。套管220可以具有僅比殼體210的最大外徑稍大的內(nèi)徑。在一些實施例中，套管220的內(nèi)徑和殼體210的最大外徑之差可以約為0.02英寸(0.05cm)或更小。在一些實施例中，套管220可以是金屬的并包括內(nèi)部涂層，該內(nèi)部涂層被構(gòu)造成減小套管220和殼體210之間的摩擦。在一個非限制性實施例中，套管220可以由PTFE制成；然而，這僅是例示性和示例性的，因為可以使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的、能夠在井孔環(huán)境中提供滑動內(nèi)部表面的任何其它伽馬可透過材料。套管220可以構(gòu)造成將殼體210穩(wěn)定在底座200內(nèi)。套管220也可以減小來自與工具180和/或底孔組件170的軸線呈側(cè)向的方向上的對閃爍晶體260和光電倍增管270的沖擊。

側(cè)向減震器230可以從外側(cè)包圍該套管220。側(cè)向減震器230可以構(gòu)造成減小對閃爍晶體260和光電倍增管270的側(cè)向(徑向)沖擊。側(cè)向減震器230可以由彈性體材料(例如硅樹脂)構(gòu)成，該彈性體材料在井孔環(huán)境中保持其彈性體特性。在一些實施例中，該彈性體材料被構(gòu)造成在約-50攝氏度至約175攝氏度的溫度范圍上基本保持其吸震特性。在一些實施例中，側(cè)向減震器230可包括波紋金屬。該金屬可以具有縱向波紋、徑向波紋或螺旋形波紋。

側(cè)向減震器230可以具有縫隙235，該縫隙235被構(gòu)造成允許電線從側(cè)向減震器230的第一端到達第二端232。該縫隙可以允許電線橫穿套管220的表面(或者側(cè)向減震器230本身的變薄表面)上的側(cè)向減震器230。在一些實施例中，縫隙235可以是側(cè)向減震器230的減薄部(未示出)，而不是去除吸震材料?？p隙235可以是直線的或非直線的。在一些實施例中，縫隙235可以沿著側(cè)向減震器230的表面呈螺旋形。

圖2B示出了沿著圖2A的伽馬檢測器工具180的長度的剖面圖。殼體210的內(nèi)部被示出為：閃爍晶體260布置成緊挨著第一適配器241和第一彈簧251，并且光電倍增管270布置成緊挨著第二適配器242和第二彈簧252。彈簧適配器241、242具有允許來自殼體210電線穿過的中心軸247。中心軸247與彈簧251、252的中心及底座電線軸207對準(zhǔn)。

圖2C示出了圖2A的伽馬檢測器工具180的分解圖?？梢钥吹綒んw210的周界215。在一些實施例中，彈簧251、252的彈簧力可以通過彈簧適配器241、242而集中在周界215上。使彈簧力集中在周界215上可以減少被傳遞到閃爍晶體260和光電倍增管270中的沖擊和振動。

圖3示出了伽馬檢測器工具180的另一實施例的3D視圖，其中去除了底座200的一部分。在本實施例中，不存在側(cè)向減震器230。套管220包括凹進區(qū)域325(被示出為直線的，但它也可以為非直線的)，以允許電線在套管220和底座200之間穿過。該凹進區(qū)域325與彈簧適配器341、342的凹進區(qū)域345對齊。彈簧適配器341、342類似于彈簧適配器241、242；然而，凹進區(qū)域325取代了縫隙245。因而，沿著底座200和殼體210之間的縫隙穿過的電線不需要與通過任一底座電線軸207從殼體210穿過的電線混合。

雖然針對伽馬工具描述了上述設(shè)備，但可以想到的是，上述這些減震措施可以與希望從機械沖擊和振動隔離的其它井下工具一起使用?？梢酝ㄟ^采用所述軸向減震器、側(cè)向減震器、套管和軸向減震器適配器中的一個或多個來消除或衰減沖擊和振動。

圖4示出了在鉆井操作期間評估地層140中的伽馬射線發(fā)射的方法400的流程圖。鉆井操作可以包括鉆進、鉆前準(zhǔn)備和鉆后清理。在步驟410中，可以將伽馬射線檢測器工具180降入地層140中。可以在鉆頭160正在破碎地層140的一部分的同時進行該降入過程。在步驟420中，通過工具180接收來自地層140的伽馬輻射。在步驟430中，可以通過工具180將伽馬輻射轉(zhuǎn)換為表示伽馬計數(shù)的電信號。在步驟440中，該伽馬計數(shù)信息可以被記錄和/或傳輸至地面120。工具180可以包括圖2A-2C或圖3所示的特征和部件中的一些或所有。在步驟450中，可以將工具180升出井孔130。在步驟460中，可以通過彈簧251、252來緩沖軸向沖擊和振動。在步驟470中，可以通過側(cè)向減震器230來緩沖側(cè)向沖擊和振動。在一些實施例中，步驟470是可選的?？梢栽诓襟E410-450中的任一個、一些或所有步驟期間執(zhí)行步驟460和470中的任一個或兩者。

雖然已詳細描述了本公開的實施例，但根據(jù)上文所述的優(yōu)選實施例，其并非旨在限制到例如對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言很明顯的變型。

本公開的前述公開和說明是例示性和說明性的，并且，在不偏離本公開的精神的情況下，可以對所圖示的設(shè)備和系統(tǒng)的細節(jié)及操作的構(gòu)造和方法進行各種修改。