[發明專利]與鉆柱遙測一起使用的地面通信裝置和方法

無效

• 申請號: 200680028938.8
• 申請日: 2006-08-04
• 公開（公告）號: CN101278102A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發明（設計）人: 李啟明;大衛·桑多索;馬克·施爾曼;羅格·馬德哈文;蘭道·P·萊伯蘭斯;約翰·A·托馬斯;約瑟夫·蒙太羅
• 申請（專利權）人: 普拉德研究及開發股份有限公司
• 主分類號: E21B17/00
• 分類號: E21B17/00;E21B47/12;E21B17/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 王新華

技術領域

本發明涉及鉆井和制造碳氫化合物井領域，且涉及井下地層特性的測量，且涉及用于井下與地面設備之間的測量和控制信息的雙向通信的鉆柱遙測，以及涉及用于鉆柱遙測與地面處理器之間的雙向通信的地面通信系統。

背景技術

鉆探的同時進行測量(MWD)和鉆探的同時進行記錄(LWD)，以及特殊鉆井方法(比如定向鉆井)的開發已經在鉆井和制造碳氫化合物井的技術領域取得了重要的進步。這些方法需要在地面與井下測量及鉆井設備之間在兩個方向上都進行通信。目前，鉆井液脈沖遙測是在鉆探的同時進行井下設備與地面之間的通信這個方面普遍商業使用的唯一技術。[除非另外地說明，全文中涉及到的“鉆探的同時”等是表示鉆柱處在鉆孔中或部分地處在鉆孔中，作為包括鉆井、間停和/或起下鉆(tripping)的整個鉆井操作的一部分，而不必要求鉆頭正在旋轉。]在鉆井液脈沖遙測技術中，數據作為壓力脈沖在鉆井液中傳輸。不過，鉆井液脈沖遙測技術具有公知的局限，包括相對較慢的通信、低的數據速率和小的可靠性。當前的鉆井液脈沖技術能夠以僅大約每秒12比特(bit)的速率發送MWD/LWD數據。在許多情況下，該速率不足以發送由LWD鉆具組(tool?string)收集的所有數據，或者限制了想要的鉆具組的結構。此外，鉆井液脈沖技術在擴大的延伸區域的鉆井中不能良好地工作。為了控制工序比如定向鉆孔和鉆具運行而通過調節鉆井液泵流速實現的從井口到井下的信號傳遞也很慢，且具有非常低的信息速率。此外，在特定的情況下，例如采用氣體或泡沫鉆井流體的欠平衡的鉆井的情況下，當前的鉆井液脈沖遙測技術不起作用。

近年來已經有各種嘗試來開發鉆井液脈沖遙測技術的可選技術，這些可選技術更快，具有更高的數據速率，并且不需要特殊類型的鉆井流體的存在。例如，已經提出了聲學遙測，其通過鉆柱傳送聲波。數據速率估算為大約比鉆井液脈沖遙測高一個數量級，但仍有限，且噪聲是個問題。聲波遙測還未實現商業化利用。另一個例子是穿過地表的電磁遙測。該技術被認為具有有限的范圍，取決于鉆孔周圍的地層的性質尤其是電阻率，并也具有有限的數據速率。

長期以來提出在鉆桿中設置用于傳送信號的電線。一些早期的針對有線的鉆柱的建議披露在：美國專利No.4126848，美國專利No.3957118和美國專利No.3807502，和出版物“Four?Different?Systems?Used?for?MWD”，W.J.Mcdonald，The?Oil?and?Gas?Journal，115-124頁，1978年4月3日。

還已經提出比如在管接頭處使用電感耦合器的構思。以下披露了在鉆柱中使用電感耦合器：美國專利No.4605268，俄羅斯聯邦公布的1997年12月18日提交的專利申請2140527，俄羅斯聯邦公布的1992年2月14日提交的專利申請2040691，和WO公開90/14497A2，以及參見：美國專利No.5052941，美國專利No.4806928，美國專利No.4901069，美國專利No.5531592，美國專利No.5278550，以及美國專利No.5971072。

美國專利6641434描述了一種有線鉆桿接頭，其在有線鉆桿技術領域對于以高的數據速率在地面站與鉆孔所處的位置之間雙向地、可靠地傳輸測量數據有顯著的進步。’434專利披露了一種低損耗的有線鉆桿接頭，其中導電層通過減少在每一個電感耦合器處的電阻損耗和通量損耗而減少了整個鉆柱長度之上的信號能量損耗。有線鉆桿接頭是耐用的，因為它在導電層中存在間隙的情況下也保持可操作。鉆柱遙測技術領域中的性能以及這些和其他進步提供了創新的機會，其中范圍、速度以及數據速率方面的現有缺點在以前已經限制了系統的性能。

當使用有線鉆桿系統時，在最上面的有線鉆桿與地面處理器之間必須有通信鏈接(除其他以外，其通常執行一個或多個以下功能：接收和/或發送數據，記錄信息，以及/或者控制去往和/或來自井下與地面設備的信息，執行計算和分析，并且與操作人員及與遠程位置進行通信)。已經建議了各種方法，其中的一些總結在美國專利7040415中，包括使用滑動環裝置，以及使用基于電磁感應或所謂變壓器作用的旋轉電耦合器。滑動環(也已知為電刷接觸表面)是公知的設計成將電流或信號從固定電線傳送到旋轉裝置的電連接器。典型地，它由支撐在非旋轉構件中(例如，支撐在方鉆桿接頭的上面部分)的在旋轉金屬環的外徑上摩擦的固定石墨或金屬觸點(電刷)構成。隨著金屬環旋轉，電流或信號通過固定電刷傳導至金屬環，形成了連接。