專利名稱：井底組件的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及在地表面設(shè)備與設(shè)置在鉆入地下結(jié)構(gòu)層的鉆孔中的鉆井工具之間傳送信號(hào)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在地下結(jié)構(gòu)中鉆鉆孔的鉆具組的下部典型地稱為井底組件。通常，井底組件包括在鉆孔中進(jìn)行各種下井操作的鉆井工具。為了控制鉆井工具的操作經(jīng)常需要傳送指示到一或幾個(gè)這些鉆井工具。例如，該井底組件可以包括旋轉(zhuǎn)的可控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能定向地在結(jié)構(gòu)層中鉆鉆孔。為設(shè)定被鉆鉆孔的方向與傾斜度，從地面位置發(fā)送一指令到旋轉(zhuǎn)的可控制系統(tǒng)。
在另一例子中，該底井組件可以包括各種結(jié)構(gòu)層評(píng)估工具，諸如設(shè)計(jì)以測(cè)量結(jié)構(gòu)層參數(shù)的鉆井時(shí)的測(cè)井(LWD)工具或鉆井時(shí)的測(cè)量(MWD)工具。某些結(jié)構(gòu)層評(píng)估工具，諸如美國(guó)專利申請(qǐng)NO.20050109538中描述的鉆井時(shí)結(jié)構(gòu)層壓力工具，也可以用于使用延伸以接觸結(jié)構(gòu)層的探頭測(cè)量壓力。用于這種操作，使探頭中的壓力瞬時(shí)地低于結(jié)構(gòu)層的壓力以將結(jié)構(gòu)層流體吸入探頭中。一旦探頭穩(wěn)定在結(jié)構(gòu)層壓力，縮回該探頭。這些結(jié)構(gòu)層評(píng)估工具典型地要求從地表面位置傳送指令到鉆井工具。典型地，使用遙測(cè)系統(tǒng)將指令送到鉆井工具，諸如控制通過(guò)鉆具鉆泥漿流以產(chǎn)生壓力脈沖的泥漿脈沖系統(tǒng)。這通常要求手動(dòng)調(diào)節(jié)表面泥漿水泵的速率，可持續(xù)幾分鐘并干擾鉆井工藝的過(guò)程。
MWD工具典型地設(shè)置適合于與地表面設(shè)備溝通的遙測(cè)元件。該遙測(cè)元件可以是泥漿脈沖、電磁(EMAG)、聲學(xué)或其它遙測(cè)裝置。在包括具有EMAG遙測(cè)的MWD工具的情況中，該MWD-EMAG遙測(cè)工具使用較低頻率的EMAG波以從下井位置到地表面位置的溝通。一種典型的MWD-EMAG遙測(cè)工具包括具有絕緣間隙和產(chǎn)生跨該絕緣間隙的調(diào)制電壓的電路的鉆井裝置接頭。例如，見(jiàn)美國(guó)專利NO.4348672。如果MWD-EMAG遙測(cè)工具包括在井底組件中，則跨越絕緣間隙的電壓造成在MWD-EMAG遙測(cè)工具附近沿鉆具組的大的電流。某些電流典型地也經(jīng)過(guò)地線流動(dòng)并產(chǎn)生弱電場(chǎng)，用兩個(gè)或多個(gè)埋入地下的電極在地表面監(jiān)測(cè)該電場(chǎng)。
MWD-EMAG遙測(cè)工具可以構(gòu)造成以通過(guò)在地表面產(chǎn)生的電流從地表面接收信號(hào)。如果該MWD-EMAG遙測(cè)工具能與這些鉆井工具溝通則這些接收的信號(hào)可以被傳送到井底組件中的其它鉆井工具。對(duì)于要在MWD-EMAG遙測(cè)工具和其它鉆井工具間形成的內(nèi)或外線的線路的一種可能性是能傳送信號(hào)。但是，有時(shí)候在井底組件中的鉆井工具之間本布線是不可能或不實(shí)際的。例如，在包括旋轉(zhuǎn)的可控制系統(tǒng)的井底組件中，泥漿電動(dòng)機(jī)可以放置在MWD-EMAG遙測(cè)工具與旋轉(zhuǎn)的可控制系統(tǒng)之間。由于泥漿電動(dòng)機(jī)軸在高速旋轉(zhuǎn)同時(shí)安裝到(鉆井裝置)接頭和/或鉆井裝置鉆頭，因此將電線穿過(guò)泥漿電動(dòng)機(jī)并將電線連接到泥漿電動(dòng)機(jī)下的工具將是十分困難的。需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭以進(jìn)行電線的連接，但是這種旋轉(zhuǎn)接頭不大可能是可靠的。通過(guò)泥將電動(dòng)機(jī)傳送的其它方法可能是復(fù)雜的(例如，見(jiàn)美國(guó)專利NO.5160925)同時(shí)可能不能獲得標(biāo)準(zhǔn)的市售電動(dòng)機(jī)。
還有其它一些可能是麻煩或不可能以在MWD-EMAG遙測(cè)工具與井底組件中的其它鉆井工具之間形成內(nèi)或外電線線路的例子。例如，一種典型的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的可控制系統(tǒng)具有一個(gè)控制單元，它在包括控制單元的鉆井裝置接頭繞控制單元旋轉(zhuǎn)的同時(shí)被保持對(duì)地靜止的。這種情況中，進(jìn)行從MWD-EMAG遙測(cè)工具到鉆井裝置接頭和控制單元的電連接將是十分困難的。旋轉(zhuǎn)的鉆井裝置接頭和對(duì)地靜止的控制單元之間的連接要求一種旋轉(zhuǎn)的連接，該旋轉(zhuǎn)的連接在鉆孔環(huán)境中不大可能是可靠的。在純機(jī)械的硬件，諸如底擴(kuò)孔鉆和罩，被放置在MWD-EMAG遙測(cè)工具之間的情況中，這些機(jī)械硬件看起來(lái)也必須以電線連接。
在另一個(gè)例子中，井底組件可能包括具有一排用以監(jiān)測(cè)地震波的小型地震儀或水聽(tīng)聲器，這些地震傳感器(小型地震儀或水聽(tīng)聲器)典型地要求沿鉆具組相隔60到70英尺放置同時(shí)僅當(dāng)鉆具組是靜止時(shí)以及泥漿泵關(guān)閉時(shí)能夠獲得數(shù)據(jù)，例如，如在美國(guó)專利NO.6308137中所描述的。如果它能與LWD工具溝通則在此情況中MWD-EMAG遙測(cè)工具可能是有用的。例如，該MWD-WMAG遙測(cè)工具可以監(jiān)測(cè)LWD地震測(cè)量的要求的狀態(tài)，即，靜止的鉆具組和無(wú)泥漿循環(huán)，并能將此傳送到LWD工具中的地震傳感器，因此該地震傳感器可以進(jìn)行測(cè)量。但是，在MWD-EMAG遙測(cè)工具與LWD工具中的每個(gè)地震傳感器之間布置進(jìn)行信號(hào)傳輸連線所需要的長(zhǎng)的電線將是不實(shí)際的。
根據(jù)前述，在許多情況中將要求具有無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)以便在MWD-EMAG遙測(cè)工具與其它井底組件的鉆井工具之間傳輸信號(hào)或者作為其它通信系統(tǒng)，如布線系統(tǒng)，的備用線路。已經(jīng)在井底組件中使用無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)。在一個(gè)例子中，如美國(guó)專利NO.6057784所描述的，使用圍繞鉆井裝置接頭卷繞的線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)。在另一個(gè)例子中，如美國(guó)專利NO.5359324和NO.5467832中所描述的，使用外部安裝鉆井裝置接頭上的環(huán)形線圈形成變壓器耦合。這些無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)很好地工作，但添加任一型式到MWD-EMAG遙測(cè)工具和其它鉆井工具上，諸如旋轉(zhuǎn)的可控系統(tǒng)，在井底組件中可能顯著增加井底組件的成本，增加井底組件的長(zhǎng)度，以及添加到井底組件上的元件可能易損壞，能使EMAG遙測(cè)系統(tǒng)和鉆井工具之間溝通且無(wú)這些缺點(diǎn)的無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)可能是的益的。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及用于跨越置于經(jīng)地下結(jié)構(gòu)層鉆的鉆孔中的井底組件傳播信號(hào)的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)。該無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)包括在井底組件中的第一點(diǎn)處的絕緣間隙，至少一個(gè)測(cè)量磁場(chǎng)的在井底組件中第二點(diǎn)處的磁場(chǎng)傳感器，以及調(diào)制跨過(guò)絕緣間隙的電壓的回路，其中該電壓產(chǎn)生導(dǎo)致磁場(chǎng)的沿井底組件的軸向電流。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及包括無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)的井底組件，該遙測(cè)系統(tǒng)包括能跨越井底組件傳播信號(hào)的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)。該井底組件包括位于井底組件中的第一鉆井工具中的絕緣間隙以及至少一個(gè)位于井底組件中的第二鉆井工具處的磁場(chǎng)傳感器。該磁場(chǎng)傳感器構(gòu)造成以測(cè)量第二鉆井工具處的磁場(chǎng)。該井底組件還包括跨越絕緣間隙連接的，調(diào)制跨越該絕緣間隙的電壓的回路，其中電壓的調(diào)制產(chǎn)生沿井底組件的產(chǎn)生磁場(chǎng)的軸向電流。
還是在另一方面，本發(fā)明涉及跨越置于經(jīng)地下結(jié)構(gòu)層鉆的鉆孔中的井底組件傳播信號(hào)的方法。該方法包括產(chǎn)生跨越在井底組件中第一點(diǎn)處的隔離間隙的電壓同時(shí)調(diào)制跨越間隙產(chǎn)生的電壓，其中該電壓產(chǎn)生沿井底組件的軸向電流與磁場(chǎng)。該方法還包括使用一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器測(cè)量井底組件中第二點(diǎn)處的磁場(chǎng)。
本發(fā)明的其它特征與優(yōu)點(diǎn)從以下描述和所附權(quán)利要求將顯而易見(jiàn)。


圖1A是從鉆架通過(guò)鉆具組進(jìn)入井孔展開(kāi)的鉆井工具的示意圖。
圖1B是更詳細(xì)表示井底組件的圖1A的鉆井工具的一部分的示意圖。
圖2A是圖1B的鉆井工具的一部分的示意圖，它表示井底組件表示經(jīng)其通過(guò)的電流的軸向流動(dòng)。
圖2B是表示經(jīng)其通過(guò)的電流徑向流動(dòng)的圖1B的鉆井工具一部分的示意圖。
圖3A是圖1B的鉆井工具一部分的示意圖，說(shuō)明井底組件中EMAG遙測(cè)工具處信號(hào)的接收。
圖3B是圖1B的鉆井工具一部分的示意圖，說(shuō)明信號(hào)從EMAG遙測(cè)工具到井底組件中其它鉆井工具的傳播。
圖4是圖1B的鉆井工具的徑向橫剖面，它是沿表示放置在鉆井工具的鉆井裝置接頭中的磁場(chǎng)傳感器的線4-4取的。
圖5A表示先前技術(shù)的旋轉(zhuǎn)的可控系統(tǒng)的剖視圖。
圖5B是圖1A的鉆井工具一部分的縱向剖面視圖，它表示設(shè)置磁場(chǎng)傳感器和磁插片的旋轉(zhuǎn)的可控系統(tǒng)。
圖5C是圖5B的鉆井工具一部分的水平剖視圖，它是沿表示磁插片的線5C-5C取的。
圖5D是示于圖5C中和橫剖面的變型。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)地參照幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，如附圖中說(shuō)明的，描述本發(fā)明。在下面的描述中，為了提供本發(fā)明的透徹的理解，陳述了許多特定的細(xì)節(jié)。但是，對(duì)于技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而沒(méi)有這些特定細(xì)節(jié)的某些或全部。在其它例子中，為了沒(méi)有不必要的模糊本發(fā)明不詳細(xì)地描述眾所周知的特征和/或過(guò)程步驟。參照附圖和以下討論可以更好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)。
圖1A表示從地表面108處的井架106懸吊在地下結(jié)構(gòu)層104中的鉆孔102中的井底組件100。該井底組件100通過(guò)鉆管被懸吊在鉆孔102中。另一種選擇，該井底組件100可以通過(guò)螺旋管等懸吊在鉆孔102中。對(duì)于鉆井操作，在鉆孔102中懸吊井底組件100的裝置必須提供鉆泥漿的管路。在一個(gè)例子中，鉆管110允許井底組件100在鉆孔102內(nèi)平移和旋轉(zhuǎn)。在另一例子中，鉆管110和井底組件100構(gòu)成可用于推進(jìn)鉆孔102的鉆具組115。
該井底組件100包括一個(gè)鉆具刀頭118和若干將鉆具刀頭118連接在一起的鉆具接頭120。鉆具接頭120的每一個(gè)可以包括一或幾個(gè)適合于進(jìn)行一或幾個(gè)下井操作的工具(或工具的部分)。技術(shù)人員將理解井底組件的構(gòu)形根據(jù)要進(jìn)行的下井的工作可能有很多變化。在本內(nèi)容中，能在井底組件中的鉆井工具之間無(wú)線溝通的主要元件將被集中關(guān)注。
井底組件100包括一個(gè)電磁(EMAG)遙測(cè)工具122，它利用EMAG波以從地表面系統(tǒng)124接收信號(hào)并傳輸信號(hào)到表面系統(tǒng)124。這些EMAG波典型的是低頻的。在那里可能或不可能是在EMAG遙測(cè)工具122和鉆具接頭120之間一一對(duì)應(yīng)的。也就是，EMAG遙測(cè)工具122可以包含在單個(gè)的鉆具接頭120以內(nèi)，或者EMAG遙測(cè)工具122的多個(gè)元件可以跨越多個(gè)鉆具接頭120被分布。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，將EMAG遙測(cè)工具122表示成包含在單個(gè)的鉆具接頭內(nèi)，該EMAG遙測(cè)工具122可以是分立的工具或者可以是測(cè)量的同時(shí)鉆孔(MWD)的工具的一個(gè)元件，諸如在美國(guó)專利NO.4876511和NO.4968940中描述的那些。
鉆井組件100也包括構(gòu)造成執(zhí)行一或多個(gè)下井操作的一個(gè)或多個(gè)鉆井工具，例如，工具126、128、和130。這些工具包括，但不局限于，鉆井時(shí)測(cè)井(LMD)工具、MWD工具和定向鉆井工具，例如旋轉(zhuǎn)的可控系統(tǒng)。工具126、128、和130包含在鉆具接頭120內(nèi)同時(shí)可能位于EMAG遙測(cè)工具122的上面或下面。最好是，在一或幾個(gè)工具之間提供溝通，特別當(dāng)在EMAG遙測(cè)工具122與鉆井工具126、128和130之間形成硬布線信號(hào)傳輸線路是不實(shí)際或不可能的情況中。EMAG遙測(cè)工具122無(wú)線地傳播從地表面系統(tǒng)124接收的信號(hào)到工具126、128、和130的任何一個(gè)。該EMAG遙測(cè)工具122可以從地表面系統(tǒng)124徑鉆管110，如由信號(hào)傳輸連線125a指示的，或經(jīng)結(jié)構(gòu)層104，如由信號(hào)傳輸連線125b指示的，接收信號(hào)。EMAG遙測(cè)工具122也可以從工具126、128、和130的任可一個(gè)接收信號(hào)并可以將這些信號(hào)傳輸?shù)降乇砻嫦到y(tǒng)124或者工具126、128、和130的另一個(gè)。
圖1B表示井底組件100的放大視圖。在此放大視圖中，EMAG遙測(cè)工具122包括一個(gè)絕緣間隙132。該絕緣間隙132可以簡(jiǎn)單地是在鉆具接頭兩部分之間連接處的絕緣涂層。但是，本發(fā)明不局限于實(shí)施絕緣間隙132的方法。例如，在美國(guó)專利申請(qǐng)系列NO.2005/0167098中描述EMAG遙測(cè)的絕緣間隙的幾個(gè)例子。根據(jù)要傳輸?shù)姐@井工具的信號(hào)通過(guò)跨越絕緣間隙132的調(diào)制電壓EMAG遙控工具122與一鉆井工具，例如，工具128溝通?？缭浇^間隙132的電壓造成很大的軸向電流，例如，達(dá)10或10以上安培，該電流沿鉆具組115流動(dòng)。該軸向電流主要在鉆具接頭120的外面產(chǎn)生水平的磁場(chǎng)。通過(guò)在接受鉆井工具，例如，工具128，處的一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器134直接測(cè)量該磁場(chǎng)。該接受的鉆井工具辯認(rèn)從測(cè)量的磁場(chǎng)傳輸?shù)男盘?hào)。
圖2A表示在充滿具有小的或沒(méi)導(dǎo)電性的油基泥漿或其它流體的鉆孔102中的絕緣間隙132。直箭頭200代表沿鉆具組115的電流的軸向流動(dòng)。環(huán)形箭頭202代表由鉆具組115中軸向電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。油基泥漿趨于將鉆具組115與結(jié)構(gòu)層104電絕緣，除去鉆具組115與結(jié)構(gòu)層104之間有牢固的實(shí)際接觸的地方。幾乎EMAG遙測(cè)工具122以下的全部電流通過(guò)鉆具刀頭118進(jìn)入結(jié)構(gòu)層104。因此，EMAG遙測(cè)工具122與鉆具刀頭118之間的電流在幅值上保持大致的恒定。在遙測(cè)工具122以上，電流經(jīng)過(guò)鉆具組115接觸結(jié)構(gòu)層104的許多地方返回到鉆具組115。這些接觸點(diǎn)可以包括穩(wěn)定器刀片(未表示)或者簡(jiǎn)單地是許多處于靠住結(jié)構(gòu)層104的鉆具管。
圖2B表示充滿水基泥漿或其它具有導(dǎo)電性的流體的鉆孔l02中的絕緣間隙132。軸向箭頭204代表沿鉆具組115流動(dòng)的軸向電流。環(huán)形箭頭206代表由鉆具組115中的軸向電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。因?yàn)樗酀{是導(dǎo)電的，所以它允許經(jīng)向電流沿鉆具組115的長(zhǎng)度流入結(jié)構(gòu)層104，如徑向箭頭208表示的。電流也可以從結(jié)構(gòu)層104流入鉆具組115，如徑向箭頭210表示的。在EMAG遙測(cè)工具122以下，鉆具組以上的電流近似線性地降低同時(shí)在鉆具刀頭118的表面是小的。在EMAG遙測(cè)工具122以上，鉆具組115上的電流初始時(shí)近似線性地降低，但最終與從EMAG遙測(cè)工具122軸向測(cè)量的距離(d)按e-d/δ指數(shù)地降低，式中δ為表皮深度。該表皮深度是電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播的距離，這樣它減一個(gè)1/e＝0.368的量。在米制中表皮深度由下式給出∫=1πfμ0σ---(1)]]>式中f是頻率，μ0＝4π·10-7H/m，而σ是結(jié)構(gòu)層的導(dǎo)電性。結(jié)構(gòu)層的導(dǎo)電性通常處在從0.001S/m到5S/m的范圍內(nèi)。在10HZ的工作頻率處，分別對(duì)于結(jié)構(gòu)層電阻率的此范圍該表皮深度是5千米到72米的范圍。
對(duì)于油基泥漿(圖2A)和水基油漿(圖2B)二者，一個(gè)強(qiáng)的電流沿著EMAG遙測(cè)工具122與鉆具刀頭118之間的鉆具組115流動(dòng)。該軸向電流還在鉆孔102的開(kāi)口部分116中的EMAG遙測(cè)工具122的上面流動(dòng)一大的距離。但是，鉆具組115與加固鉆孔部份(圖1A中的112)的實(shí)際接觸可能造成電短路，并因而限制開(kāi)孔部分116以上鉆具組115上的軸向電流的流動(dòng)。在絕緣間隙132的任一側(cè)上沿鉆具組115的電壓基本上是恒定的因?yàn)殂@具接頭120和鉆具管110具有很高的導(dǎo)電性，典型地大小是106S/m。因此，在某些情況中，可能難以在鉆具組115的不同位置放置測(cè)量電壓的無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)。一種耐用的無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)典型地使用鉆具組115上的軸向電流而不是沿鉆具組115的電壓從EMAG遙測(cè)工具122傳送信號(hào)到鉆井工具。
沿鉆具組115的軸向電流I(Z)主要在鉆具接頭120的外面產(chǎn)生水平的磁場(chǎng)，由下式給出B(r)=μ0I(z)2πr---(2)]]>式中，r是從鉆具組115的縱軸測(cè)量的半徑。此磁場(chǎng)可以用一位于一或幾個(gè)鉆具接頭120的一或幾個(gè)磁場(chǎng)傳感器134直接測(cè)量。可以使用在鉆孔條件下能可靠測(cè)量磁場(chǎng)的任何傳感器。
回到圖1A，EMAG遙測(cè)工具122調(diào)制鉆具組115上的軸向電流以便傳送指令和/或數(shù)據(jù)到其它鉆井工具，諸如工具126、128、和130。頻率和/或調(diào)制約定對(duì)于EMAG遙測(cè)工具122與其它鉆井工具之間的通信以及EMAG遙測(cè)工具122與地表面系統(tǒng)124之間的通信可能是不同的。例如，EMAG遙測(cè)工具122與地表面系統(tǒng)124之間的通信可能在第一頻率，例如，1Hz(以提供地表面通信的足夠的信噪比)，處運(yùn)行，而EMAG遙測(cè)系統(tǒng)工具122與鉆井工具之間的通信可以在第二頻率，例如，10Hz處運(yùn)行。EMAG遙測(cè)工具122與不同鉆井工具之間的通信也可以在不同頻率處運(yùn)行。使用放置在接收位置處的鉆具接頭120的外面或里面的磁場(chǎng)傳感器134可以測(cè)量與軸向電流相關(guān)的水平磁場(chǎng)。
圖3A表示在EMAG遙測(cè)工具122處信號(hào)的接收。該信號(hào)可以從地表面系統(tǒng)通過(guò)任意信號(hào)傳輸線路(圖1A中的125a、125b)被傳送。為了說(shuō)明的目的，可以假設(shè)信號(hào)的傳送包括由箭頭300代表的傳輸電流到包括絕緣間隙132的鉆具接頭120。該鉆具接頭120上的電流產(chǎn)生跨越絕緣間隙132的小的電壓。EMAG遙測(cè)工具122包括由302代表的回路，該回路跨越絕緣間隙132連接并可操作以改變跨越絕緣間隙132的阻抗。EMAG遙測(cè)工具122包括回路303用以處理接收的信號(hào)。應(yīng)該注意在EMAG鉆具接頭120的外面表示回路303以便于本發(fā)明的理解。通常，回路303將安裝在EMAG鉆具接頭120內(nèi)。在說(shuō)明的例子中，回路303包括一個(gè)高增益、低噪聲的放大器304、一個(gè)模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器306、一個(gè)處理器、及存儲(chǔ)器310。技術(shù)人員將理解回路303可以用其它等效接收回路代替。
地表面系統(tǒng)(圖1A中的124)最好根據(jù)要傳輸?shù)姐@井工具的信號(hào)產(chǎn)生電流。例如，經(jīng)過(guò)鉆管110或結(jié)構(gòu)層(圖1A中的104)將該電流傳輸?shù)桨ń^緣間隙132的鉆具接頭120。EMAG鉆具接頭120上的該電流產(chǎn)生跨越絕緣間隙132的小的電壓?；芈?02被轉(zhuǎn)換到開(kāi)放的狀態(tài)因此跨越絕緣間隙132的阻抗是極高的?？缭浇^緣間隙132的電壓被送進(jìn)到高增益、低噪聲放大器304的輸入。高增益、低噪聲放大器304的輸出送入A/D轉(zhuǎn)換器306。A/D轉(zhuǎn)換器306的輸出由處理器308分析，該處理器解碼接收的信號(hào)并將結(jié)果加載到存儲(chǔ)器310中?，F(xiàn)在加載到存儲(chǔ)器310中的信號(hào)可以傳播到鉆井工具。
圖3B說(shuō)明信號(hào)從EMAG遙測(cè)工具122到鉆井工具，例如，工具128，的傳播。在絕緣間隙132處接收信號(hào)并加載到存儲(chǔ)器(圖3A中的310)之后，到放大器(圖3A中的304)的輸入被轉(zhuǎn)換到開(kāi)放位置因此對(duì)絕緣間隙132的功率的后續(xù)應(yīng)用不破壞靈敏的接收回路。處理器308編碼接收的信號(hào)并將編碼的信號(hào)送進(jìn)到數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器312。來(lái)自D/A轉(zhuǎn)換器312的模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率放大器314以產(chǎn)生跨越絕緣間隙132的電壓。該電壓導(dǎo)致沿EMAG鉆具接頭120的大的軸向電流。以A/D轉(zhuǎn)換器316采樣該電壓并類似地監(jiān)測(cè)該電流。以優(yōu)化功率的使用，基于絕緣間隙300的負(fù)載阻抗處理器308可以調(diào)節(jié)傳送功率放大器314的信號(hào)。電流沿鉆具組115產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，由接收工具中的磁場(chǎng)傳感器134監(jiān)測(cè)該磁場(chǎng)。
磁場(chǎng)傳感器可以放在鉆具接頭的外面或里面。圖4表示具有壁402的鉆具接頭400的橫剖面。該鉆具接頭400包括一個(gè)用作鉆井泥漿通道的環(huán)形空間406以及用作電子器件404的壓力殼。在壁402的外面形成一或多個(gè)凹陷的腔410用以放置一或多外磁場(chǎng)傳感器412。該磁場(chǎng)傳感器412與鉆具接頭400內(nèi)的電子器件溝通。在磁場(chǎng)傳感器412與腔410內(nèi)的電子器件404溝通。在磁場(chǎng)傳感器412與腔410之間形成壓力密封件413。例如，可以由O型環(huán)提供壓力密封件413。該磁場(chǎng)傳感器412允許在它是最強(qiáng)的鉆具接頭400的表面處的水平磁場(chǎng)的測(cè)量。例如，該磁場(chǎng)傳感器412可以是單軸磁強(qiáng)計(jì)，諸如磁通磁強(qiáng)計(jì)，具有其朝向水平方向的靈敏度軸以便最大化信號(hào)強(qiáng)度?？梢允褂玫膫鞲衅鞯钠渌影?，但不局限于，霍爾效應(yīng)傳感器和磁阻傳感器。
單個(gè)的磁場(chǎng)傳感器412監(jiān)測(cè)水平磁場(chǎng)和地球磁場(chǎng)。如果鉆具接頭400旋轉(zhuǎn)，地球的磁場(chǎng)將產(chǎn)生在旋轉(zhuǎn)鉆具接頭400的頻率處的附加信號(hào)，因此，如果使用單個(gè)磁場(chǎng)傳感器412監(jiān)測(cè)來(lái)自EMAG遙測(cè)工具的信號(hào)，此附加信號(hào)分量必須使用信號(hào)適調(diào)程序從磁場(chǎng)傳感器412去除。例如，可以獨(dú)立地測(cè)量鉆具接頭400的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在下井信號(hào)處理器中可以減去在旋轉(zhuǎn)頻率處的信號(hào)?？梢詮奈挥阢@具接頭400內(nèi)的加速度計(jì)得到鉆具接頭的旋轉(zhuǎn)頻率。
但是，如果使用位于鉆具接頭400的相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)磁場(chǎng)傳感器412可以較容易從地球的磁場(chǎng)去除附加信號(hào)。假如磁場(chǎng)傳感器412的敏感軸對(duì)準(zhǔn)相同的方向，來(lái)自兩個(gè)磁場(chǎng)傳感器412的兩個(gè)信號(hào)和將度量地球的磁場(chǎng)，或者任何其它的恒定的外磁場(chǎng)，同時(shí)其差僅度量水平磁場(chǎng)。因此，可以使用差值測(cè)量接收來(lái)自EMAG遙測(cè)工具的沒(méi)有來(lái)自地球的磁場(chǎng)污染的信號(hào)。
在某些情況中，難以將磁場(chǎng)傳感器安裝到鉆具接頭外表面上或者將安裝到鉆具接頭的外表面上的磁場(chǎng)傳感器與位于鉆具接頭內(nèi)的電子器件連接。在這些情況中，可能最好將磁場(chǎng)傳感器放置在鉆具接頭內(nèi)。
圖5A表示動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)的可控系統(tǒng)500的橫剖面。在美國(guó)專利NO.5265682與NO.5520255中提供另一旋轉(zhuǎn)的可控系統(tǒng)的例子。圖5A的旋轉(zhuǎn)的可控系統(tǒng)具有一個(gè)控制引導(dǎo)或偏置裝置503的對(duì)地靜止的控制裝置502。此對(duì)地靜止的控制裝置502被安裝到鉆具接頭504的軸上并在每一端連接到軸承505上。這就允許鉆具接頭504繞控制裝置502旋轉(zhuǎn)同時(shí)控制裝置502保持對(duì)地靜止。由于這種機(jī)械構(gòu)形，就難以從控制裝置502布線到鉆具接頭504。因此，如果磁場(chǎng)傳感器放置在鉆具接頭504的外面，就可能需要一種復(fù)雜和可能不可靠的改進(jìn)型將傳感器連接到控制裝置502內(nèi)的電子器件。在此情況中，可能有利的是將磁場(chǎng)傳感器安裝到對(duì)地面靜止的控制裝置502內(nèi)并使用磁場(chǎng)傳感器以接收來(lái)自EMAG遙測(cè)工具的信號(hào)。
設(shè)鉆具接頭504具有內(nèi)半徑a以及外半徑b。對(duì)于r≥b，沿鉆具504的軸向電流I(z)產(chǎn)生由以上式(2)給出的水平磁場(chǎng)B。由環(huán)線506表示此水平磁場(chǎng)。在低頻時(shí)，軸向電流均勻地分布在整個(gè)鉆具接頭504壁(即對(duì)于a≤r≤b)的橫截而上。電流深入到導(dǎo)電的鉆具接頭504的表皮深度δC由下式給出δc＝(πfμ0μ′σc)-1/2(3)式中μ′，是鉆具接頭的相對(duì)導(dǎo)磁率以及σc是鉆具接頭的導(dǎo)電率。對(duì)于非磁性鋼，σc≈1.4×106S/m以及μ′＝1。在f＝10Hz時(shí)，表皮深度是13厘米，此深度值遠(yuǎn)厚于典型的鉆具接頭壁。對(duì)于μ′＝100的磁性鋼，表皮深度是大約4厘米。因此，軸向電流完全深入到鉆具接頭504的壁。
但是，這不意味與軸向電流相關(guān)的磁場(chǎng)(B)深入到鉆具接頭的內(nèi)部中。對(duì)于r＜a，對(duì)水平對(duì)稱的鉆具接頭該磁場(chǎng)是零。這遵循麥克斯威爾方程。通過(guò)判定積分 式中左邊的積分是對(duì)半徑r＜a的整個(gè)圓 得出的而左邊的積分是對(duì)那個(gè)圓的整個(gè)橫截面積 得出的。在鉆具接頭內(nèi)電流磁通量， ，是零，因?yàn)檩S向電流僅在鉆具接頭壁上流動(dòng)。因此，這樣得出鉆具接頭內(nèi)B＝0。如果鉆具接頭是稍不對(duì)稱的，例如在一側(cè)上機(jī)械加工一個(gè)缺口，某些磁場(chǎng)可能深入到控制裝置中，但典型地是小的。還有，從鉆具接頭壁的厚度去除太多的材料可能負(fù)面影響鉆具接頭的強(qiáng)度，這一點(diǎn)是典型地不希望。
如圖5B和5C所示，通過(guò)在鉆具接頭504的外面添加具有高的導(dǎo)磁率(μ′＝□1)的磁插片可以在鉆具接頭504的里面感應(yīng)磁場(chǎng)。一種合適的磁性材料可以是，例如，mu-金屬，可以形成為與鉆具接頭504的曲率匹配的“C”形，并放置在鉆具接頭的外表面上的空心槽509中。高導(dǎo)磁率插片508的典型尺寸可以是1到6英寸長(zhǎng)、0.05到0.5英寸厚、并帶30度-180度的弧度。由于高的導(dǎo)磁率，該磁插片508聚集磁場(chǎng)線并破壞鉆具接頭504的水平對(duì)稱性而不影響鉆具接頭的強(qiáng)度?？梢詫⒑铣傻拇艌?chǎng)看成原始或最初的水平磁場(chǎng)的疊加，如圖5C中的506所示，而二級(jí)偶極磁場(chǎng)如圖5c中511所示。
參照?qǐng)D5c，二級(jí)磁場(chǎng)在鉆具接頭504內(nèi)產(chǎn)生非零的磁場(chǎng)。由于遙測(cè)信號(hào)的頻率比較低，例如，1-20Hz，鉆具接頭504材料中的表皮深度典型地是大于鉆具接頭504的壁厚。因此，二級(jí)磁場(chǎng)深入到時(shí)地靜止的控制裝置502中，磁場(chǎng)傳感器具510放置在該處。最好是，鉆具接頭504是非磁性的以增加導(dǎo)磁率的非對(duì)稱性并增加表皮深度。位于對(duì)地靜止的控制裝置502中的磁場(chǎng)傳感器502能監(jiān)測(cè)二級(jí)磁場(chǎng)。最好是，磁場(chǎng)傳感器位于鉆具接頭504上的磁性材料508的下面。當(dāng)鉆具接頭504旋轉(zhuǎn)且控制裝置502保持對(duì)地靜止時(shí)，磁場(chǎng)傳感器510的信號(hào)可以由鉆具接頭504的旋轉(zhuǎn)速率來(lái)調(diào)制?？梢詮钠渌鼫y(cè)量確定旋轉(zhuǎn)速率并可選擇地由信號(hào)適調(diào)來(lái)抑制或去除，如上所述。
圖5D表示圖5B和圖5c所示技術(shù)的變型。該變型是在鉆具接頭504的壁中的一個(gè)開(kāi)口514中安裝一個(gè)具有高導(dǎo)磁率的磁插片512。該磁插片512跨越鉆具有接頭504的壁厚延伸并在對(duì)地靜止子控制裝置502內(nèi)產(chǎn)生二級(jí)磁場(chǎng)，516所指的。該磁插片512可以完全由磁性材料制成，或可以罩在在磁性材料中。為保持鉆具接頭514的內(nèi)和外之間的壓力差，該磁插件512必須形成一個(gè)壓力隔板，例如，這可以通過(guò)使用O型環(huán)密封件來(lái)實(shí)現(xiàn)并用螺紋將磁插件512擰在鉆具接頭504的壁中。
本發(fā)明典型地提供以下優(yōu)點(diǎn)?？梢詿o(wú)需對(duì)EMAG遙測(cè)工具有和鉆井工具明顯的硬件改型以能夠在EMAG遙測(cè)工具和鉆井工具之間作無(wú)線通信。對(duì)于鉆井工具，改型可以簡(jiǎn)單地包括鉆具接頭的外面添加磁性材料并在鉆具有接頭的里面添加磁場(chǎng)傳感器或者在鉆具接頭的壁中添加小型磁場(chǎng)傳感器。該EMAG遙測(cè)系統(tǒng)依賴于由沿鉆具組調(diào)制的軸向電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的測(cè)量?，F(xiàn)有的EMAG遙測(cè)系統(tǒng)可以基于監(jiān)測(cè)在線圈或變壓器中感應(yīng)的電動(dòng)力(EMF)，例如在美國(guó)專利NO.4899112中描述的。EMF正比于磁場(chǎng)的變化率，因此正比于頻率。因此，這種系統(tǒng)在由典型的EMAG遙測(cè)工具產(chǎn)生的很低頻率(1-20Hz)處可能是很低的效率。為了有效，它們通常必須工作在1千赫芝到100千赫芝的頻率處。上述EMAG遙測(cè)系統(tǒng)可以是對(duì)有線通信系統(tǒng)的備用或者可以用作初級(jí)通信系統(tǒng)。
盡管已經(jīng)對(duì)有關(guān)的有限數(shù)實(shí)施例作了描述，但得益于此內(nèi)容的技術(shù)人員將意識(shí)到在不偏離此處公開(kāi)的本發(fā)明的范圍下可以創(chuàng)造其它的實(shí)施例。因而，本發(fā)明的范圍應(yīng)該僅由所附權(quán)利要求來(lái)限制。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)，用于穿過(guò)井底組件傳播信號(hào)，該井底組件置于經(jīng)地下結(jié)構(gòu)層鉆的鉆孔中，包括在井底組件第一點(diǎn)處的絕緣間隙；處在井底組件中第二點(diǎn)處測(cè)量磁場(chǎng)的至少一個(gè)磁場(chǎng)傳感器；以及調(diào)制跨越絕緣間隙的電壓的回路；其中該電壓產(chǎn)生沿井底組件的導(dǎo)致磁場(chǎng)的軸向電流。
2.權(quán)利要求1的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)，還包括從表面位置到接收信號(hào)的絕緣間隙的信號(hào)傳輸線路。
3.權(quán)利要求2的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)，其中根據(jù)信號(hào)回路調(diào)制電壓。
4.權(quán)利要求1的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)，其中磁場(chǎng)傳感器的輸出包括與井底組件中鉆井工具的工作有關(guān)的信息。
5.權(quán)利要求4的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)，其中鉆井工具從包括鉆井時(shí)測(cè)量的工具、鉆井時(shí)測(cè)井的工具、以及定向鉆井工具的組中選擇。
6.權(quán)利要求1的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)，其中磁場(chǎng)傳感器從包括磁通磁力計(jì)、霍爾效應(yīng)傳感器，和磁阻傳感器組中選擇。
7.權(quán)利要求4的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)，其中鉆井工具位于井底組件中的第二點(diǎn)處。
8.權(quán)利要求4的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)，還包括安裝在鉆井工具的外表面上在鉆井工具內(nèi)產(chǎn)生非零磁場(chǎng)的磁場(chǎng)性材料。
9.權(quán)利要求8的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)，其中磁場(chǎng)傳感器位于鉆井工具的里面并在磁性材料的下面。
10.權(quán)利要求4的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)，還包括安裝在鉆井工具的壁中的開(kāi)口中的磁性材料。
11.權(quán)利要求8的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)，其中磁場(chǎng)傳感器位于鉆井工具的里面并在磁性材料的下面。
12.權(quán)利要求4的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)，其中至少兩個(gè)磁場(chǎng)傳感器位于鉆井工具的相對(duì)側(cè)處以測(cè)量磁場(chǎng)。
13.一種井底組件，其包括能傳播跨越井底組件的信號(hào)的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)，包括位于井底組件中的第一鉆井工具中的絕緣間隙；位于井底組件中的第二鉆井工具中的至少一個(gè)磁場(chǎng)傳感器，該磁場(chǎng)傳感器構(gòu)成為以測(cè)量第二鉆井工具處的磁場(chǎng)；以及跨越絕緣間隙連接的回路，其調(diào)制跨越絕緣間隙的電壓；其中電壓的調(diào)制產(chǎn)生沿井底組件的產(chǎn)生磁場(chǎng)的軸向電流。
14.權(quán)利要求13的井底組件，還包括從地表面位置到接收信號(hào)的絕緣間隙的信號(hào)傳輸線路。
15.權(quán)利要求14的井底組件，其中回路根據(jù)信號(hào)調(diào)制電壓。
16.權(quán)利要求13的井底組件，其中磁場(chǎng)傳感器的輸出包括有關(guān)井底組件中第二鉆井工具工作的信息。
17.權(quán)利要求16的井底組件，其中第一鉆井工具從包括鉆井時(shí)測(cè)量的工具和鉆井時(shí)測(cè)井的工具的組中選擇。
18.權(quán)利要求16的井底組件，其中第二鉆井工具從包括鉆井時(shí)測(cè)量工具、鉆井時(shí)測(cè)井的工具和定向鉆具工具的組中選擇。
19.權(quán)利要求13的井底組件，其中磁場(chǎng)傳感器從包括磁通力計(jì)、霍爾效應(yīng)傳感器、和磁阻傳感器的組中選擇。
20.權(quán)利要求16的井底組件，還包括安裝在第二鉆井工具的外表面上，在第二鉆井工具內(nèi)產(chǎn)生非零磁場(chǎng)的磁性材料。
21.權(quán)利要求20的井底組件，其中磁場(chǎng)傳感器放置在第二鉆井工具內(nèi)以及磁性材料的下面。
22.權(quán)利要求21的井底組件，其中鉆井工具是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的可控系統(tǒng)而磁場(chǎng)傳感器處在旋轉(zhuǎn)的可控制系統(tǒng)的對(duì)地靜止的元件中。
23.權(quán)利要求16的井底組件，還包括安裝在第二鉆井工具的壁中的一個(gè)開(kāi)口中的磁性材料。
24.權(quán)利要求23的井底組件，其中磁場(chǎng)傳感器處在第二鉆井工具里面且在磁性材料的下面。
25.權(quán)利要求24的井底組件，其中第二鉆井工具是一旋轉(zhuǎn)的可控系統(tǒng)同時(shí)磁場(chǎng)傳感器處在旋轉(zhuǎn)的可控系統(tǒng)的一個(gè)對(duì)地靜止的元件中。
26.權(quán)利要求13的井底組件，其中至少兩個(gè)磁場(chǎng)傳感器位于第二鉆井工具的相對(duì)側(cè)處以測(cè)量磁場(chǎng)。
27.跨越置于通過(guò)地下結(jié)構(gòu)層鉆的鉆孔中的井底組件傳播信號(hào)的方法，包括產(chǎn)生跨越在井底組件中的第一點(diǎn)處的絕緣間隙的電壓；調(diào)制跨越絕緣間隙產(chǎn)生的電壓，其中電壓產(chǎn)生沿鉆孔組件的軸向電流和磁場(chǎng)；以及使用一或幾個(gè)磁場(chǎng)傳感器測(cè)量井底組件中第二點(diǎn)處的磁場(chǎng)。
28.權(quán)利要求27的方法，還包括接收絕緣間隙處的信號(hào)。
29.權(quán)利要求28的方法，其中調(diào)制電壓包括根據(jù)信號(hào)調(diào)制電壓。
30.權(quán)利要求27的方法，還包括使用一或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器的輸出控制鉆井工具的工作。
31.權(quán)利要求27的方法，還包括從一或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器的輸出中去除地球磁場(chǎng)的部分。
32.權(quán)利要求31的方法，其中去除(地球磁場(chǎng)的)部分包括獨(dú)立地測(cè)量井底組件中鉆具接頭的旋轉(zhuǎn)同時(shí)從一或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器的輸出減去鉆具接頭的旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
一種用于跨越置于經(jīng)過(guò)地下結(jié)構(gòu)層鉆的鉆孔中的井底組件傳播信號(hào)的無(wú)線電磁遙測(cè)系統(tǒng)包括井底組件中第一點(diǎn)處的絕緣間隙，在井底組件第二點(diǎn)處測(cè)量磁場(chǎng)的至少一個(gè)磁場(chǎng)傳感器，以及調(diào)制跨越絕緣間隙的電壓的回路，其中該電壓產(chǎn)生沿井底組件的導(dǎo)致磁場(chǎng)的軸向電流。
文檔編號(hào)E21B47/12GK1975106SQ20061013182
公開(kāi)日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2006年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月11日
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