井下岩石力学特性工具、组件和方法与流程

井下岩石力学特性工具、组件和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求2019年9月4日提交的意大利专利申请no.102019000015584的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及油井钻探，更具体地，涉及一种用于测量选定的井下岩石力学特性的测试工具、测试组件和方法。


背景技术：

4.收集岩芯样本用于实验室分析是有用的，特别是在勘探井中。这种井地层样本可以提供有用的特性数据，其可以用于例如评估井筒稳定性。
5.在这方面，对于油气操作，通常在勘探和生产的各个阶段从地层中采集岩芯样本。岩芯样本是有用的，因为它们提供了井地层的真实样本，地质学家可以从该真实样本分析井的特性。通常在探井、评估井、生产井或注入井的钻井期间采集岩芯样本。在这方面，岩心样本可以根据井计划以固定的时间间隔采集，也可以在工程师或地质学家需要数据来做决定时临时采集。
6.图1a示出了地层100的常规布置，其中已经钻探了井101。可以期望在井101的端部区域102处采集岩芯样本，例如在第一岩芯样本位置103处，或在远离井101的端部102并且进入井101的侧壁的位置处，例如在第二岩芯样本位置104处。通常，可以从第一岩芯样本位置或第二岩芯样本位置中的任一个采集的岩芯样本105被带到地表用于分析。在这方面，图1b示出了一种已知的岩芯采样工具106的布置，其位于钻柱107内但不在其端部处。钻柱107具有钻头108，并且可以从与钻头108间隔开的岩芯采样位置109采集一个或更多个岩芯样本。钻探可以停止一段时间以取回岩芯样本，然后继续。
7.在取芯工具的领域中有许多商业产品。例如，油田服务公司baker hughes提供了一种常规的取芯工具ht30(rtm)max core barrel system(最大岩芯筒系统)，该系统可以收集与井方向同向的大岩芯样本并且将它们取回到地表用于分析。另一油田服务公司halliburton提供了侧壁取芯工具rsct(rtm)，该工具从井的侧壁获取岩芯样本，并且取回它们用于分析。不同的公司还提供了岩芯样本分析设备，用在固定的实验室中并且也用于在井场测试岩芯样本。在这方面，epslog的wombat岩芯分析工具用于测量岩芯上的性质，并且可以在实验室中或在井场使用。
8.以常规方式采集用于测试的岩芯样本存在若干问题。首先，当将岩芯样本从地层中去除并且将其运输到地表时，即使不将岩芯样本带到远离井场的实验室，岩芯样本也不再处于在其自然位置处所处于的原始张力状态。这可能对井筒稳定性模型的质量产生不利影响，井筒稳定性模型可以由对岩芯样本的分析生成。此外，岩芯样本经常被损坏和/或过度破裂，以至于无法对样本进行分析。这增加了非生产时间，因为必须获得另一样本。
9.特别是如果实验室离采样区几千公里，则在取回样本并且将其运输到实验室用于
测试时也涉及巨大的成本和时间。必须小心地取回和运输样本以保持其完整性，这再次涉及时间和费用。此外，在获取、运输和分析岩芯样本时，其它操作会被延误。
10.与所有油田作业一样，从安全角度考虑，期望减少涉及手工劳动的步骤数量。取芯操作通常需要取芯工具的运行，其包括构建整个钻柱，以及然后通过断开整个钻柱来取回岩芯样本。钻柱的构建和断开通常都是劳动密集的和具有潜在危险的活动。此外，运输岩芯样本用于分析可能存在物流安全问题。因此，从安全角度考虑，期望减少所构建的钻柱和所运输的岩芯样本的数量。
11.本发明试图解决这些问题中的一个或更多个。
12.在这方面，通常由对岩芯样本分析而计算出的岩石特性参数，包括单轴(或另外称为“无侧限”)抗压强度(ucs)和内摩擦角(f)。ucs是材料强度的量度，并且在工业标准词汇表-斯伦贝谢油田词汇表(schlumberger oilfield glossary)-中定义为材料的直立圆柱形样本在无侧限条件下能够承受的最大轴向压缩应力－侧限应力为零。也称为材料的单轴抗压强度，这是因为仅沿样本的一个轴线-纵轴线施加压缩应力。内摩擦角(f)是衡量单位岩石或单位土壤承受剪切应力的能力。它是在法向力和当响应于剪切应力刚发生失效时获得的合力之间测量的角度。摩擦系数等于内摩擦角的正切值。
13.在地层处于张力状态下，例如在巨大的压力下，期望在原位测量ucs和f，即在其经受应力的位置处。如上所述，岩芯样本的去除具有缺点，这是因为在样本从地层中去除之后局部环境的变化将改变样本的张力状态，这会破坏所执行的测量。
14.本发明旨在克服上述关于岩芯采样和ucs和f的确定的问题，特别是对于经受张力状态的地层。


技术实现要素：

15.根据本发明的第一方面，提供了一种用于在地层的测试部位上执行井下岩石特性测试的井下工具，该工具包括至少一个表面处理刀具和至少一个测试刀具，其中，至少一个表面处理刀具被配置为用于从测试部位和工具之间去除碎屑，以准备至少一个测试刀具与测试部位的接合。该工具允许井下岩石特性测试的执行不以传统方式获取地层的测试样本并且将其带到地表以待测试而进行。这具有显著的优点，包括使样本保持在其原始张力状态，确保样本在测试之前不被损坏和/或过度破裂，通过不需要将样本带到地表来增加有效时间，通过不需要使工具在钻塔地点处操纵岩芯样本并且使工具驶入井中并且从井中驶出以取回样本来改进操作的安全性。
16.优选地，至少一个表面处理刀具还被配置为去除测试部位的层。这允许从测试部位去除碎屑/泥饼，使得其可以通过测试刀具有效地测试。可替换地，表面处理刀具可以去除测试部位的层，以便去除在钻井期间已经被钻头损坏的地层的损坏或破裂区域。这允许移除不期望被测试的地层，并且为测试刀具在其上执行测试的适当测试部位清理空间。
17.优选地，至少一个表面处理刀具被预先设定为去除基本上20mm深的层。在这点上，当使用121/4英寸(31.1cm)的钻头时，去除大约20mm的地层通常足以去除不适于用测试刀具执行测试的任何损坏的地层。可达到的深度将根据钻头的尺寸和所钻探或测试的相应井径而变化。
18.优选地，至少一个测试刀具基本上是钝的，用于执行内摩擦角测试。基本上钝的刀
具允许执行内摩擦角测试，该内摩擦角测试通常需要在岩芯样本被去除并且被带到地表的情况下执行。
19.优选地，至少一个测试刀具基本上是锋利的，用于执行无侧限抗压强度测试。锋利刀具允许在井下执行无侧限抗压强度测试，而不是去除岩芯样本并且将其带到地表以执行无侧限抗压强度测试。
20.优选地，至少一个测试刀具包括用于执行无侧限抗压强度测试的锋利刀具和用于执行内摩擦角测试的钝刀具。使用锋利刀具和钝刀具允许在井下执行无侧限抗压强度测试和内摩擦角测试，而不是将岩芯样本带到地表以对地层执行无侧限抗压强度测试和内摩擦角测试。
21.优选地，表面处理刀具被配置为移动通过第一圆形路径，用于执行表面处理。表面处理刀具通过圆形路径的移动允许清理待由测试工具测试的区域。此外，当表面处理刀具由马达驱动时，由于马达可以转动轴(表面处理刀具布置到该轴上)，使得表面处理刀具以圆形路径切削，因此圆形路径的旋转运动相对容易且可以可靠地实现，而无需另外的联动装置或轨道来使刀具移动通过各种形状。
22.优选地，测试刀具被配置为移动通过第二圆形路径，用于执行内摩擦角测试或单轴(无侧限)抗压强度测试中的一种或更多种。测试刀具通过第二圆形路径的移动实现与已由表面处理刀具清理的待测试的圆形路径相同的圆形路径，或实现由表面处理刀具切削出的较大圆形路径内的待测试的较小圆形路径。
23.方便地，第二圆形路径在第一圆形路径的圆周内。这允许测试刀具的路径仅测试已经被表面处理刀具清除碎屑或清除破裂地层的地层。这导致所期望的地层的更精确的测试。
24.优选地，锋利刀具和钝刀具集成到一个测试刀具中。这使得一个测试刀具能够执行内摩擦角测试和无侧限抗压强度测试。这提供了优于锋利刀具和钝刀具分开的构造的优点。例如，不需要承载每种类型刀具的附加部件。减少部件的数量在易于制造和增加可靠性方面具有益处。优选地，测试刀具具有斜切的成型切削刃。
25.方便地，至少一个表面处理刀具包括多个表面处理刀具，并且至少一个测试刀具包括多个测试刀具。这允许更快速的表面处理和/或同时测试多个区域，和/或获取更精确的结果，这是因为沿着测试刀具的旋转轴线的测量力和切削扭矩的值可以从每一个测试刀具取得并且被平均，或不一致的数据可以被去除，从而导致更可靠的测试。多个表面处理刀具的使用减小了每一个单独的表面处理刀具上的应力。
26.方便地，至少一个表面处理刀具和至少一个测试刀具被安装成用于相对运动，使得它们交替地可定位在主动切削状态和被动缩回状态中。这允许表面处理刀具和测试刀具在切削状态和缩回状态之间可移动，使得表面处理和测试可依次地进行。优选地，井下工具还被配置为使得至少一个表面处理刀具能够选择性地从工具的用于去除碎屑的第一位置移动到工具的用于允许至少一个测试刀具执行测试的第二位置。这允许在不需要将新的工具驶入井中、或甚至移动钻柱以将另一工具提供到地层的情况下，使工具既执行表面处理也执行测试。这节省了执行测试操作的时间。
27.方便地，井下工具还被配置为使得至少一个测试刀具能够选择性地从用于使至少一个表面处理刀具去除碎屑的所述第一位置移动到用于使至少一个测试刀具执行测试的
所述第二位置。这允许在不需要将新的工具驶入井中、或甚至移动钻柱以将另一工具提供到地层的情况下，使工具既执行表面处理还执行测试。这节省了执行测试操作的时间。
28.优选地，至少一个表面处理刀具和至少一个测试刀具通过机械联动装置连接，使得表面处理刀具从刀具的第一位置到刀具的第二位置的移动引起测试刀具从第一位置到第二位置的移动。机械联动装置的使用允许表面处理刀具和测试刀具布置在一个工具中，而不是布置在bha内的不同工具中，在该情况下，在表面处理刀具处理好表面之后，钻柱和bha需要移动，以将测试刀具带到测试部位以执行测试。
29.方便地，至少一个表面处理刀具和至少一个测试刀具被配置为通过液压活塞布置相对于彼此移动。液压活塞布置的使用提供了使刀具相对于彼此移动的可靠手段。
30.井下工具还优选地包括岩芯钻头，岩芯钻头被配置为将至少一个表面处理刀具和至少一个测试刀具平移到测试部位。这允许两种类型的刀具被安装在单个部件上，即，岩芯钻头可以被平移到测试部位，而不是单独地平移每一个刀具。这可以提供支撑基座，刀具可以从该支撑基座突出以执行表面处理和测试。
31.优选地，岩芯钻头在测试部位相对于井的轴向方向以某一角度平移。方便地，岩芯钻头在测试部位沿基本上垂直于井的轴向方向的方向平移。这使得表面处理刀具和测试刀具与地层成直角。
32.根据本发明的另一方面，提供了一种井下工具组件，其包括如上限定的工具，该组件包括承载结构，在该承载结构内，工具的部件可以与井环境隔离，承载结构内的环境的一个或更多个特性可调节以与井环境的特性匹配。通过确保工具、特别是工具的密封件或其它精密部件不暴露于可能损坏工具的危险条件，承载结构内的特性的调节允许特性的平衡，以确保工具的安全和精确的操作。
33.优选地，一个或更多个特性包括压力和温度中的一个或更多个。这些特性的变化会显著影响部件的有效性。压力和温度的平衡或管理确保了工具按照期望操作。
34.方便地，岩芯钻头被配置为从承载结构内移动到承载结构外。这允许岩芯钻头能够平移到测试部位以执行表面处理或测试。
35.井下工具组件还优选地包括补偿器，该补偿器被配置为将流体泵入或泵出承载结构，使得承载结构的内部压力与承载结构的局部外部压力平衡。这通过确保内部压力不会变得危险和/或损坏或影响工具的部件来确保工具的安全和精确的操作。
36.井下组件还优选地包括用于将组件抵靠井内部支撑的可部署的固定手段。这提供了一种固定件，可以对其施加力，也可对其进行测量，以执行表面处理或地层的测试。在没有固定手段的情况下，工具能够在井筒中移动，使得难以执行所需的表面处理或测试。
37.优选地，固定手段包括用于抵靠井壁支承以在测试操作期间产生固定作用的一个或更多个靴部部件。靴部部件提供用于稳定工具的固定。
38.井下工具组件可以方便地进一步包括用于连接到井底组件的钻管或工具的连接手段。这允许井下工具被组装在钻柱中以用于行驶到测试部位。井下工具在钻柱中的组装允许井下工具定位在使得该井下工具能够在钻管的每一位置之间执行添加在钻探操作中的测试的位置处，例如在整个钻探操作中根据需要的位置处来执行。此外，这允许井下工具连接到bha中的其它部件和工具，允许其直接到达其它测量装置之后，例如，其它可能是获取岩石特性数据的期望位置。
39.井下工具组件还优选地包括动力模块，该动力模块将动力传递到马达，以用于将岩芯钻头平移到测试部位。这提供了用于将岩芯钻头平移到测试部位的可靠系统的优点，并且确保了当需要时可以将岩芯钻头移动到测试部位。
40.优选地，动力模块是电池。这提供了不依赖于泥浆通过系统的循环来转动涡轮以驱动马达的优点，从而允许在没有循环的位置执行测试。此外，电池的使用允许在没有来自地表的连续电源供给的情况下布置工具，这会具有显著的缺点，并且在实践中是不可靠的。
41.井下工具组件可以方便地进一步包括至少一个力传感器，该至少一个力传感器被配置为确定在至少一个表面处理刀具处的第一力。使用力传感器的优点在于能够实现反作用力的测量，以确认表面处理刀具已经与待清理的碎屑/泥饼接合，或它已经与地层接合，从而允许表面处理刀具的精确移动以准备用于测试的测试部位。
42.井下工具组件还优选地包括至少一个力传感器和至少一个扭矩传感器，至少一个力传感器和至少一个扭矩传感器被配置为确定在至少一个测试刀具处的第二力和扭矩测量值。这提供了能够使用沿着测试刀具的旋转轴线的被测量的力和测量的切削扭矩来确定内摩擦角或无侧限抗压强度的优点。
43.井下工具组件还方便地包括处理手段，该处理手段用于根据沿测试刀具的旋转轴线的第二力和测量的切削扭矩计算内摩擦角或无侧限抗压强度。这允许工具能够在不必发送数据以便在地表处理的情况下直接计算内摩擦角或无侧限抗压强度。这具有许多优点，因为传输到地表可能是有问题的，这是因为传输可能花费大量的时间，并且在传输期间由于噪声或干扰数据可能经常丢失或质量降低。工具内的数据处理克服了这些缺点。此外，处理的数据的量可以显著小于原始力数据，并且因此处理的数据的传输可以比原始力数据的传输快。可替换地，存储的原始数据或处理的数据可以在运行期间被存储在工具中，并且在运行结束时当工具被取回到地表时从工具中被下载。
44.根据本发明的另一方面，提供了一种在井筒内的测试部位上执行岩石特性测试的方法，该方法包括以下步骤：将如上限定的井下工具或井下工具组件布置在井中；将至少一个表面处理刀具平移到测试部位，以便去除位于平移路径上的碎屑；将至少一个测试刀具平移到测试部位；以及将测试刀具与测试部位接合。该方法允许执行井下岩石特性测试，而不是以传统方式获取地层的测试样本并且将其带到地表以待测试。这具有显著的优点，这些优点包括将样本保持在其原始张力状态，确保样本在测试之前不被损坏和/或过度破裂，通过不需要将样本带到地表来增加有效时间，通过不需要使工具在钻塔地点处操纵岩芯样本并且不必将工具驶入井中并且从井中驶出来取回样本来提高操作的安全性。
45.优选地，一旦在井下定位在测试部位处，则工具组件是压力平衡的，使得一个或更多个测量部件被封装在被加压以匹配局部环境压力的外壳内。通过确保工具、特别是工具的密封件或其它精密部件不暴露于可能损坏或不利地影响工具的危险条件，工具内的压力平衡有助于工具的安全和精确操作。
46.该方法还优选地包括以下步骤：将钝刀具与测试部位接合；以及测量沿着钝刀具的旋转轴线的力和切削扭矩。这提供了可以用于计算岩石特性的测量值，特别是它们可以用于计算内摩擦角。
47.该方法还优选地包括以下步骤：将锋利刀具与测试部位接合；以及测量沿锋利刀具的旋转轴线的力和切削扭矩。这提供了可以用于计算岩石特性的测量值，特别是它们可
以用于计算无侧限抗压强度。
48.该方法还优选地包括以下步骤：从使用钝刀具获得的测量值计算内摩擦角。这提供了以下优点；不需要去除岩芯样本并且随后将岩芯样本运输到地表用于分析，以确定内摩擦角。
49.该方法还优选地包括以下步骤：从使用锋利刀具获得的测量值计算单轴(无侧限)抗压强度。这提供了以下优点：不需要去除芯样本并且随后将岩心样本运输到地表用于分析，以确定单轴(无侧限)抗压强度。
50.根据本发明的另一方面，提供了一种用于如上限定的井下工具、井下工具组件或方法的刀具，其中，刀具具有斜切的成型切削刃，使得成型切削刃可以执行钝刀具和锋利刀具两者的功能。优选地，斜面的半径在0.1mm和0.5mm之间。
附图说明
51.现在将通过示例并且参考附图来描述本发明的实施例，其中：
52.图1a示出了已经在地层中钻出的井的现有技术的布置的示意图；
53.图1b示出了现有技术的钻柱的示意图，该钻柱包括已经在地层中钻出的井中的已知的岩芯采样工具；
54.图2示出了根据本发明的实施例的岩石特性工具(rct)的示意图，该rct被组装在井底组件内并且被定位在井内；
55.图3a示出了根据本发明的实施例的rct的岩芯钻头的前端视图；
56.图3b示出了图3a的岩芯钻头以及被定位在井内并且被操作以从测试部位去除碎屑的rct的侧视图；
57.图4示出了根据本发明的实施例的岩芯钻头；
58.图5a示出了根据本发明的另一实施例的岩芯钻头；
59.图5b示出了可替换实施例，其中岩芯钻头通过倾斜凸轮推进；
60.图5c示出了可替换实施例，其中岩芯钻头通过经由蜗轮连接的第二电动机推进；
61.图5d示出了可替换实施例，其中岩芯钻头通过钻头保持器推进，该钻头保持器通过螺旋凸轮连接到岩芯钻头；
62.图5e示出了可替换实施例，其中岩芯钻头通过连接到第二电动机的蜗轮推进；
63.图5f示出了可替换实施例，其中岩芯钻头通过液压布置推进；
64.图5g示出了可替换实施例，其中各个刀具通过由蜗轮驱动的活塞推进；
65.图5h示出了可替换实施例，其中每一个刀具具有专用的液压致动器；
66.图6示出了根据本发明的实施例的rct组件的示意图；
67.图7示出了图6的rct的主要部件的两个视图；
68.图8示出了图7所示的rct的横截面图；
69.图9a示出了根据本发明的一个方面的rct，rct根据本发明驶入井中运行以在地层的测试部位上执行测试；
70.图9b示出了图9a的rct，rct定位在测试部位以在地层上执行测试；
71.图10a示出了锋利刀具的示例的侧视图；
72.图10b示出了图10a的锋利刀具的示例的前视图；
73.图10c示出了图10a的锋利刀具的示例的俯视图；
74.图10d示出了图10a的锋利刀具的示例的等距视图；
75.图11a示出了钝刀具的示例的侧视图；
76.图11b示出了图11a的钝刀具的示例的前视图；
77.图11c示出了图11a的钝刀具的示例的俯视图；
78.图11d示出了图11a的钝刀具的示例的等距视图；
79.图12a示出了斜切刀具的示例的侧视图；
80.图12b示出了图12a的斜切刀具的示例的前视图；以及
81.图12c示出了图12a的斜切刀具的示例的俯视图。
具体实施方式
82.如上所述，图1a和图1b涉及用于从地层采集岩芯样本以在地表进行分析的已知装置。
83.相反，本发明涉及一种分析井下岩石特性的方法，还涉及一种可以用于执行该方法的岩石特性工具(rct)和组件。
84.在这点上，如图2的示意性布置所示，岩石特性工具(rct)200被配置为作为井底组件(bha)201的一部分运行到井中。在所描述的实施例中，rct200被配置为定位在距钻头202大约35米－45米处。根据钻柱的构造、待钻的地层和待采集的数据，可以使用距钻头更大或更短的距离。在这点上，在bha201后会有几百到几千米的钻柱。除钻头202之外，bha201通常包括随钻测量(mwd)工具204，随钻测井(lwd)工具205和/或位于钻头202后的其它设备。
85.在所描述的实施例中，rct200是独立模块，然而应当理解，rct200可以集成在bha201的另一个部件中，例如mwd工具204或lwd工具205。
86.在rct200是独立模块的情况下，rct200被配置为使得它可以连接到钻柱203的其它部件。这通常通过标准螺纹连接来实现，然而也可使用本领域已知的任何其它连接方式。
87.类似地，rct200被配置为使得其在使用中被定位在钻柱中和井中时可以通信。为了允许来自地表的通信，本实施例的rct200可以使用泥浆脉冲遥测技术。应当理解，rct200可以使用任何已知的通信技术以与地表通信，包括例如有线钻杆。
88.rct200包括图3a所示的岩芯钻头300，与现有技术的装置相比，该岩芯钻头不从地层去除岩芯样本。相反，岩芯钻头300包括一个或更多个表面处理刀具301和一个或更多个测试刀具302。表面处理刀具301用于去除堆积在井的内壁上的碎屑层303，如图3b所示。这些碎屑可以包括但不限于来自钻井泥浆的颗粒，这些颗粒作为涂层沉积在井筒内侧，通常称为泥饼。表面处理刀具301被配置为切穿碎屑303并且揭露实际地层304的表面，即井筒，测试刀具302可在其上执行测试。在这方面，图3b示出了表面处理刀具301如何清除碎屑，使得测试刀具302位于地层的表面。
89.当使用31.1cm的钻头时，表面处理刀具可以附加地切入地层304中，例如大约20mm，以去除地层的一部分，该部分地层可能已经被钻孔操作损坏或以某种方式受到不利影响。这允许测试刀具302对未损坏的并且更真实的代表性地层执行测试，以提供更精确和可靠的结果。在这点上，表面处理刀具301从测试部位清除碎屑，然后测试刀具302将在该测试部位执行测试。表面处理刀具301可以清理较大的区域，例如大的圆形区域，并且测试刀
具302被配置为在更集中的区域处与地层304接合，例如在已经被表面处理刀具301清理的较大的清理区域内的较小的圆形区域。
90.在图3a所描述的实施例中，表面处理刀具301和测试刀具302安装在同一岩芯钻头300上，并且每一个都可以在需要时被选择使用。rct200可以被配置为允许通过被动的构造或主动的构造来选择所期望的刀具，即表面处理刀具301或测试刀具302。
91.在这一点上，被动地构造的rct200允许在刀具301、302之间进行选择和切换，而无需专用的致动器，通常使用已经存在于rct200中的齿轮布置来提供旋转。rct200的驱动机构可以仅具有单个马达，并且该齿轮布置可以包括减速齿轮和/或逆转齿轮构造，以允许表面处理刀具301和测试刀具302以不同转速/扭矩顺时针旋转，并且以不同转速/扭矩逆时针旋转。如参考图3a所理解的，在该构造中，表面处理刀具301布置为使得在沿方向a旋转时能有效地执行其表面处理切削，并且在沿方向b旋转时不能有效地执行其表面处理切削。另一方面，测试刀具302在沿方向b旋转时能有效地执行其测试切削或刮擦，并且在沿方向a旋转时不能有效地执行其测试切削或刮擦。
92.在当前描述的实施例中，岩芯钻头300因此可以通过旋转方向a有效地切穿碎屑303，以使表面处理刀具301与待去除的碎屑303接合。一旦岩芯钻头300前进到图3b所示的位置，岩芯钻头300的旋转方向可以改变为方向b，从而使测试刀具302沿它们执行其期望功能所需的方向旋转。当沿这些刀具接合地层或碎屑所需的方向进行旋转时，每组刀具可以略微突出。扭转弹簧(未示出)可以帮助确保在需要时使一对刀具伸出，而不是另一对。
93.在利用扭转弹簧布置的这种其它实施例中，表面处理刀具301可以布置为在第一构造中突出超过测试刀具302，并且在第二构造中测试刀具302可以突出超过表面处理刀具301。
94.测试刀具302的刀片可以被配置为，当岩芯钻头300沿第一方向旋转时，向地层提供基本上钝的切削刃，当岩芯钻头300沿与第一方向相反的第二方向旋转时，向地层提供基本上锋利的切削刃。
95.在这一点上，钝的切削刃需要允许测量内摩擦角(f)，而锋利的切削刃需要允许测量无侧限抗压强度(ucs)。
96.图4示出了rct组件的一部分的横截面图，该rct组件包括主动机构，该主动机构用于将表面处理刀具401和测试刀具402分别移动到岩芯钻头400的前部以准备进行表面处理或测试。岩芯钻头400通常通过齿轮403、404、405可旋转。
97.在这方面，主动机构包括第一螺杆406a和第二螺杆406b。第一螺杆和第二螺杆406a、406b各自具有相应的螺旋螺纹部分407a、407b，这些螺旋螺纹部分407a、407b布置为使得第一螺杆406a沿方向c的顺时针旋转和线性平移引起第二螺杆406b沿方向d的逆时针旋转和线性平移。岩芯钻头400通常通过马达408通过齿轮403、404、405可旋转。第一螺杆406a通过马达409可旋转，由于先前描述的相互接合的螺旋螺纹部分407a、407b的布置，马达409不需要驱动第二螺杆406b。第一螺杆406a附接到表面处理刀具401，第二螺杆406b附接到测试刀具402。可以调节所需的螺纹的螺距，轴的长度等以满足要求。所描述的装置用于在需要刀具时将每一个刀具401、402移动到位，并且在不需要它们时缩回刀具401、402。所描述的实施例仅示出了一个表面处理刀具401和一个测试刀具402，然而应当理解，可以使用任何数量的表面处理刀具401和测试刀具402。
98.第一螺杆406a和第二螺杆406b的机械驱动的伸出和缩回同样可以由电动或液压驱动的布置代替。
99.图5a示出了可以用于rct组件(例如图4的rct组件)的岩芯钻头500的可替换实施例。在该实施例中，岩芯钻头500使用主动机构将表面处理刀具501和测试刀具502移入和移出位置。岩芯钻头500具有中芯轴503，该中芯轴在第一端连接到第一插入件504，并且在相对端连接到液压驱动活塞505。插入件504容纳表面处理刀具501，并且被配置为能够相对于岩芯钻头500的其余部分沿方向e移动，以将表面处理刀具501带到前方以供使用。测试刀具502安装在岩芯钻头500的臂507中。当已经使用了表面处理刀具501并且期望将测试刀具502带到前方时，可以通过液压活塞向后移动并且通过弹簧506将插入件504偏压回到缩回位置来使插入件504缩回。作为液压活塞布置的可替换方案，插入件504的移动可以由其它合适的机构控制和驱动，例如电气手段。
100.图5a中描述的实施例仅示出了一个表面处理刀具501和一个测试刀具502，然而应当理解，可以改造该实施例，以提供多个相应的表面处理刀具501和测试刀具502中。一种改造是，在插入件上提供多个表面处理刀具501，并且类似地在岩芯钻头500的本体上提供多个测试刀具502。可替换的改造是提供多个插入件，每一个插入件承载一个或更多个表面处理刀具501。可以理解，分别安装在插入件504和岩芯钻头500上的表面处理刀具501和测试刀具可以颠倒，即，测试刀具502安装在插入件504上，并且表面处理刀具安装在岩芯钻头500的臂507上。
101.此外，测试刀具502可以设置有与前面参考图3所述类似的刀片结构，即，当岩芯钻头500沿第一方向旋转时，向地层提供钝的切削刃，当岩芯钻头500沿与第一方向相反的第二方向旋转时，向地层提供锋利的切削刃。
102.可替换地，该构造可以包括三个单独且不同的刀具，或三组刀具。第一组刀具是表面处理刀具，第二组是用于测量内摩擦角(f)的钝刃刀具，第三组是用于测量单轴抗压强度(ucs)的锐刃刀具。表面处理刀具可以安装在岩芯钻头的臂上，如前所述。钝刃刀具和锐刃刀具可以安装在单独的第一插入件和第二插入件上，该第一插入件和第二插入件可以利用与参考图5a描述的实施例类似的装置彼此独立地移动。
103.不管哪种刀具部署方法，通过反转岩芯钻头的旋转和/或通过将不同的刀具带到前部，在相同的岩芯钻头上，与钝刀具和锋利刀具连同使用表面处理刀具，实现了待测试地层的相同的总体面积，以确定ucs和f。
104.图5b－5h示出了用于将岩芯钻头和刀具从工具内移出以便它们可以在井筒上执行其功能的可替换实施例。在这些实施例中，为了便于参考，岩芯钻头以及表面处理刀具和测试刀具分别标记为500、501和502，但是应当理解，图5b－5h的实施例不限于图5a的实施例的特定特征。
105.图5b示出了机电子系统，其中使用第一电动机508旋转刀具501、502。岩芯钻头500的移动通过第二电动机509移动倾斜凸轮510来实现。第二电动机509可以通过蜗轮511连接到倾斜凸轮510，或通过任何其它合适的连接，以将第二电动机509的旋转输出转换成倾斜凸轮510沿方向f的平移运动，这导致岩芯钻头500沿方向e的平移运动。
106.图5c示出了另一可替换实施例，其中，岩芯钻头500通过第二电动机509a移动，该第二电动机与连接到岩芯钻头500的蜗轮511a结合。如图5c所示，第二电动机509a布置为也
移动驱动刀具501、502的第一电动机508a，使得岩芯钻头500和第一电动机508a通过第二电动机509a和蜗轮511a一起被移动到位。应当理解，选择蜗轮511a以将来自第二电动机509a的旋转运动转换成岩芯钻头500和第一电动机508a的平移运动，然而也可以使用任何合适的机构。
107.图5d示出了另一可替换实施例，其中第一电动机508b连接到岩芯钻头500，以驱动(即旋转)刀具501、502，并且第二电动机509b连接到钻头保持器512，该钻头保持器是布置为保持或包围岩芯钻头500的一部分的支撑构件。钻头保持器512与螺旋凸轮513接合，使得钻头保持器512通过第二电动机509b的旋转将引起岩芯钻头500的平移运动。该实施例允许岩芯钻头500的平移前进和岩芯钻头500的旋转。
108.图5e示出了可替换实施例，其中第一电动机508c通过钻头保持器512c连接到岩芯钻头500。在该实施例中，当钻头保持器512c由第一电动机508c旋转时，岩芯钻头500旋转。第二电动机509c用于通过驱动连接到岩芯钻头500的蜗轮511c来推进岩芯钻头500。
109.图5f示出了作为机电和液压系统的可替换实施例。在该实施例中，第一电动机508d连接到岩芯钻头500d以提供岩芯钻头500d的旋转。岩芯钻头500d通过液压活塞被平移，其中第二电动机509d驱动蜗轮511d，该蜗轮进而在第一液压缸515内移动第一活塞514。第一液压缸515连接到岩芯钻头500d内的类似的第二液压缸516。第二液压缸516内的相应的第二活塞517被固定，然而，岩芯钻头500d布置为相对于固定的第二活塞517自由移动。当第一液压缸515内的第一活塞514移动时，液压流体被泵送到第二液压缸516的一侧并且被泵送出第二液压缸516的另一侧，迫使岩芯钻头500d围绕固定的第二活塞517向外或向内平移。
110.图5g示出了另一可替换实施例，其中各种刀具(即表面处理刀具501和测试刀具502)定位在被支撑在可滑动结构518上的各个专用钻头上。可滑动结构518可以被由电动机520驱动的蜗轮519或任何其它合适的手段控制。刀具501、502可以通过旋转马达521旋转，并且使用推进马达522被向前平移，在本实施例中该推进马达推进致动器523，以通过使用蜗轮524与正确的刀具501、502接触。
111.可替换地，可滑动结构518可以是可旋转的圆盘传送带，在这种情况下，图5g所示的蜗轮519将被合适的布置代替以使圆盘传送带旋转，从而可以选择正确的刀具501、502。
112.图5h示出了针对每一个刀具使用专用的液压致动器的可替换实施例。图5h所示的实施例仅使用两个刀具501、502，然而应了解，在此实施例中可以使用任何数量的刀具，其中针对每一个刀具设置对应的专用的液压致动器。参考图5h，第一刀具501具有专用的第一液压致动器525，该液压致动器是活塞缸布置，由此液压流体可以在压力下被泵送到缸的一侧，以引起活塞向外平移，并且因此使刀具501向外平移。当刀具501缩回时，液压流体可以被泵送到活塞的另一侧，以沿相反方向移动活塞，从而使缩回刀具。为第二刀具502单独地提供相同的布置。该实施例允许每一个刀具501、502被单独地控制，并且还提供了这样的实施例，其中工具本体不需要像在以上图5a中示出的实施例中那样被分成多个部分。
113.现在参考图6，该图示出了具有岩芯钻601的rmt组件600的示意图，该岩芯钻可以包括根据先前描述的任何构造的岩芯钻。不管岩芯钻头601上的刀具的构造如何，环绕系统设计成在地层ucs和f的测量期间提供局部环境稳定性。在这点上，环绕系统包括以外壳602形式的承载结构，用于将内部部件与外部钻井泥浆环境隔离并将它们浸入液压油中。补偿
器603保持结构602内的压力与外部压力匹配。
114.图7a、7b和8更详细地示出了图6的组件。在这点上，rct组件600提供测量系统、用于岩芯钻头601的伸出和缩回的手段以及提供在地层测量期间产生的对力的支承和阻尼的特征。岩芯钻头601可以是任何先前提及的岩芯钻头构造。承载结构可以包括第一马达和齿轮箱单元702，第二马达和齿轮箱单元703，线性引导件704，楔形元件705和岩芯钻头支撑件706。这些特征提供了机构，该机构用于将第一马达或第二马达和齿轮箱单元702、703的旋转运动转换成平移运动以向前移动岩芯钻头601，从而在地层上执行测试。承载结构还包括衬套/轴承707和动态密封件，它们确保在不泄漏流体的情况下岩芯钻头601的旋转运动。此外，电连接器708、709被联接以提供动力并且控制马达和传感器。承载结构还包括用于连接补偿器603并且允许用油初始地填充承载结构的液压连接器。
115.液压补偿器603被配置为平衡组件的内部环境，使得该内部环境与承载结构外部的环境基本匹配，即，保持组件内部的润滑油的压力与环形空间中的泥浆压力相等。液压补偿器通过将流体泵送到承载结构中或从承载结构中抽出流体以补偿rct操作时的深度的变化、环境温度的变化和/或内部体积的变化来实现这一点，在推进岩芯钻头601的操作期间，该深度、环境温度和内部体积发生变化。
116.当组件处于平衡的稳定的状态时，系统允许刮擦地层以确定ucs和f。刮擦优选以圆形运动执行，这与从井中取出的岩芯样本上的传统线性刮擦相反。
117.图10a－10d和图11a－11d分别示出了示例的锋利刀具和钝刀具的各种视图。
118.图10a示出了具有切削刃1010的锋利刀具1000的示例的侧视图。图10b、10c和10d示出了锋利刀具1000的前视图、俯视图和等距视图。图11a示出了钝刀具1100的示例的侧视图，并且图11b、11c和11d示出了钝刀具1100的前视图、俯视图和等距视图。图10a－10c示出了锋利刀具1000的典型尺寸，图11a－11c示出了使用31.1cm钻头时钝刀具1100的典型尺寸。应当理解，当使用其它尺寸的钻头时，尺寸将变化，并且这些明确的尺寸仅是合适的尺寸的示例。
119.作为具有不同的锋利刀具和不同的钝刀具的可替换方案，可以提供既可用作锋利刀具又可用作钝刀具的单个刀具。这通过提供具有斜切的成型切削刃的刀具来实现。图12a－12c示出了这种斜切刀具1200的示例。刀具1200可以执行锋利刀具和钝刀具两者的功能。斜面1210的半径可以适当地在0.1mm到0.5mm的范围内。例如，可以使用0.1mm、0.3mm或0.5mm的斜面。
120.当如上所述地使用单个刀具时，可以以良好的精度获得ucs和f两者的估计值，同时减少执行测试所需的测量时间。此外，通过消除将锋利刀具和钝刀具移入和移出它们各自位置的需要，简化了工具。
121.运行工具
122.因此，本发明涉及一种可安装在井下组件(距钻头大致35m－45m)处的钻柱中的模块。为了获得ucs和f的测量值，工具组件依次执行以下主要功能：
123.a)等待有效激活命令：
124.该装置通常处于低耗模式，其中仅激活负责通过例如一连串适当编码的压力波或通过数据通信系统(如果在钻柱中存在的话)检测来自地表的有效激活命令的模块；
125.在检测到这样的命令时，负责此的模块基于预定标准(例如并且作为最小条件：检
查钻柱未旋转)检查其有效性
126.如果激活命令有效，则模块使系统进入操作模式，否则它返回到等待激活命令的模式
127.b)将系统固定/支撑在井的内壁上：
128.系统在操作模式中执行的第一功能是抽出靴部，该靴部通过支承抵靠井壁而产生用于随后的切削和刮擦操作的固定作用
129.合适的传感器和/或电流测量确定操作已经正确地完成，以便因此进行下一个功能，或如果是否定的，则中断该过程
130.c)对井壁的表面的处理(切削)：
131.测量子系统(或多个子系统)致使岩芯钻头驶出并且旋转，以便进行表面处理
132.岩芯钻头穿过使工具与壁分离的泥浆层并且与地层接触，接触由适配在工具内的相应负载感应元件(load cell)所指示的力的快速增加来指示
133.一旦形成接触，岩芯钻头就向前移动(旋转)到预定深度(例如，当使用31.1cm的钻头时大致为20mm的量级)，从而去除钻头已经穿过的地层的潜在损坏层
134.在取出岩芯钻头的情况下结束操作
135.d)“刮擦”操作：
136.使用适当的机构，测量子系统(或多个子系统)将处理表面的刀具更换为刮擦刀具，以测量ucs(锋利刀具)和f(钝刀具)
137.岩芯钻头再次驶出，与先前“处理好的”地层的壁接触
138.根据预定程序，岩芯钻头在可变深度和长度上连续执行刮擦操作
139.在岩芯钻头返回的情况下结束操作
140.e)在重新进入壳体的包封时从壁释放：
141.锁定系统致使靴部缩回
142.f)在它们原始张力状态下被测量的地层参数(ucs和f)的处理：
143.系统基于预定的编码处理测量值
144.系统在内部存储器中制成记录并且可能与地表通信(如果通信系统可用)
145.g)待机等待下一个激活命令：
146.系统进入低耗模式，等待新的激活命令。
147.在段落d)中描述的“刮擦”操作以类似于常规实验室工具(例如epslog的wombat)的操作原理进行：使用用于两种不同测量的两组适当成形的刀具拆除岩石的确定量(体积)，以测量其ucs和f。
148.除了不同的测量条件(以高压和高温为特征的井底相对于实验室，因此为环境温度和环境压力)之外，区别这两个(井下测量部件相对于实验室工具)的主要区别是在地层上执行刮擦的机械作用的方式，在前者部件的情况下是圆形的，而在后者中是线性的。
149.本发明的可能实施例提供了两个相邻的测量子系统的使用，一个用于确定ucs，一个用于确定f。优选地，这些系统靠近在一起以确保它们在同一地层中的两个点处测量两个参数。
150.为了在测量期间确保更大的稳定性，可以在井的内壁上提供一个或更多个固定/支撑系统。这些系统用于在测量工具与地层相互作用时与测量工具产生的力发生作用。
151.另外的部件还具有确保系统正常工作和确保系统具有正确动力的目的，在所提出的解决方案中，将其设想为电池。
152.现在参考图9a和图9b描述在井901中的点处执行测试以确定地层900的ucs和f的方法。
153.根据前述任一实施例的rct902设置在距钻头904约35m－45m的井下组件903中，并且进入井901到达期望位置905以执行岩石特性测试，即执行测试以确定ucs和f。然后通过来自地表的泥浆脉冲遥测技术与rct902通信，以从低功耗模式唤醒rct902。rct902随后将靴部延伸到井901中，该靴部产生力，rct902可以承受该力以对井901执行测试。rct902内的传感器确定靴部是否已经被适当地设定，以进入处理地层以用于测试并且对地层执行测试的步骤。
154.地层的处理
155.如果靴部已经被适当地设定，则rct902的测量子系统致使岩芯钻头(图9a和图9b中未示出)从承载结构中驶出并且旋转以进行表面处理，即去除泥饼/碎屑层。在去除碎屑层之后，岩芯钻头将最终与地层接触。rct902通过由适配在rct902内的负载感应元件指示的力的快速增加来检测岩芯钻头何时已经接触地层。然后，岩芯钻头可以推进到地层中的预定的距离(通常大约20mm)，以去除地层的潜在受损或受干扰的层，当钻探井的该部分时，钻头已经穿过该层。然后岩芯钻头被撤回，以便保留一部分地层准备测试。
156.rct902具有刀具和机构的前述构造中的一种，以在刀具所处的最前部之间进行切换。通过使用该机构，表面处理刀具缩回并且测试刀具被带到前部。然后使岩芯钻头上的测试刀具与待测试的地层接触。然后，测试刀具可以对地层执行刮擦操作以确定ucs和/或f。测试刀具根据预定的程序或例程来执行该操作，该例程被预定并且被预编程到工具中或以命令的形式从地表发送到工具。
157.数据采集和传输
158.当在刮擦测试期间已经收集了所需的数据时，可以在rct902中处理该数据，或可以通过泥浆脉冲遥测技术或另一通信手段将该数据发送到地表，在那里可以处理该数据以进行评估。rct902也将所记录的数据存储在其内部工具存储器中，并且可能与时间、温度、振动数据等一起存储，当从井中取回工具并且拆卸bha时，可以在地表下载该内部工具存储器以产生高质量数据。
159.重新测试或撤回
160.如果需要，可以执行更多的刮擦测试，否则岩芯钻头和支撑靴部从地层缩回到承载结构中。通常，rct902然后将进入低功耗模式并且等待新的激活命令。
161.在此公开的本发明提供了一种分析岩石特性的方法以及一种可以用于执行该方法的岩石特性工具(rct)和组件。
162.因此，本发明的方法、工具和组件提供了以下优点：
163.通过在钻探阶段在它们的原始张力状态下直接在井的内壁上测量地层ucs和f参数的可能性来改进井筒稳定性模型；
164.获得比取芯更多的特性的可能性，特别是比在通常不取芯的环境中；
165.由于避免取芯操作的可能性而降低成本；
166.通过降低非生产时间来降低成本，这首先归功于以下方面：
167.不减慢钻探工作，这是因为设想本发明将在更换钻杆时使用，并具有主动循环功能；
168.不会由于测量地层ucs和f而使等待时间延长，这是因为通过本发明在现场直接获取和存储的值例如在每次更换钻头之后都是可用的；以及
169.提高了操作安全性，这是因为避免了与从井中获得井下岩芯以及它们随后的操纵/移动和所有实验室活动相关的所有动作。
170.在这一点上，本发明的工具可以用于通过直接容纳在模块内的一个或更多个测量装置在它们的原始张力状态下直接测量井下地层ucs和f参数，该模块可以安装在井下组件中的钻柱中。
171.该工具可以从地表通过例如一系列适当编码的压力波或通过数据通信系统(如果在管柱中存在的话)来激活。
172.在接收到激活命令时，系统以完全独立的模式工作，在更换钻杆所需的时间内连续地执行设想的操作和测量，而无需操作者的任何动作，并且确保操作的安全。
173.此外，在现场记录并且保存的数据可以例如在每次更换钻头之后可用，或如果钻杆中存在数据通信系统则实时可用。
174.无侧限抗压强度和内摩擦角的计算可以通过使用与在地表测试岩石特性的现有技术的系统(例如wombat系统)中相同的理论来实现。本发明具有由于改进了井筒稳定性模型而产生的成本降低以及减少非生产时间的进一步益处。