[發明專利]在絕緣短節上的隔離環

有效

• 申請號: 201380043282.7
• 申請日: 2013-07-31
• 公開（公告）號: CN104956239B
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: M.米勒;C.麥克唐納;M.多恩
• 申請（專利權）人: 通用電氣能源油田技術公司
• 主分類號: G01V3/12
• 分類號: G01V3/12
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 李強,肖日松

技術領域

本公開大體涉及石油和天然氣勘探領域中的用于在鉆井的同時進行測量("MWD")應用中的技術，并且更具體而言涉及電磁("EM")遙測中的隔離技術。

背景技術

對于地下無線遙測應用，超低頻(ULF)電磁(EM)波是優選的傳輸機制，因為ULF波能夠通過地球巖層傳播長距離。在典型的地下遙測應用中，期望的遙測信息以數字編碼成數據包且作為ULF載波的經調制的"脈沖"而發送。通過使用功率放大器來在聯接到地球介質上的兩個傳輸電極之間產生時變電壓勢而將經調制的電流注入地球介質來在物理上促進載波的傳輸。電極間隔開，使得引起的電流橫穿地球介質的區段，從而產生相關聯的電場和磁場能量，這些能量作為時變波前鋒而輻射通過地球介質。

根據傳統的EM遙測系統，鉆柱的下部部分典型地與上部部分電隔離開，使得電隔離的下部部分可用作天線，以通過地球巖層將ULF載波發送到地面或從地面接收ULF載波。天線所進行的發送和接收通過位于電隔離點下面的下部鉆柱部分中的收發器內的電路實現。收發器傳統上置于剛好位于電隔離點下面的天線短節(sub)中。在接收模式中，收發器連接到用作與地面電隔離開的天線的下部鉆柱部分上。收發器可因而接收通過地球巖層傳播自地面的EM波。在發送模式中，收發器的意圖是想使用整個鉆柱作為天線來進行發送。但是，收發器傳播的EM波被迫通過經過周圍的地球介質而"跳過"電隔離點。這樣做時，EM波因而被迫傳播通過地球介質，在這里，它們可被地面天線接收。EM系統可因此使得鉆柱上的工具可通過調制到轉送的載波上的編碼數據包而與地面相互通信。

為了構造成天線的下部鉆柱部分良好地工作，下部部分應當理想地與上部部分盡可能完全地電隔離開。在完全電隔離方面的任何損失將使下部鉆柱開始損失其作為天線的特性，從而降低EM系統通過地球巖層通信的效果。對盡可能完全的電隔離的這個需求由于地球巖層的高阻抗的"現實"而放大，載波在正常運行模式中必須通過地球巖層。為了促進通過地球巖層的穩定可靠的波傳播(并且減少波通過鉆柱的上部部分傳播到地面的損失)，電隔離的阻抗必須對應地甚至更高。但是，將理解到，在實踐中，很少可實現完全電隔離。大多數運行隔離將"損失"達一定程度。EM遙測中的鉆柱的電隔離的目標因而是將"損失"最大程度地減少到接近"沒有損失"。

進一步的"現實"是，鉆柱上的收發器發送的EM波可能與發送自地面的對應部分相比而較弱。在工具柱上的收發器可獲得的局部功率有限。因而，與地面發送相比，由于鉆柱的上部部分和下部部分之間的不良隔離產生的任何波傳播損失都可能導致工具柱收發器的發送的效果更加降低。

鉆柱的上部和下部部分的電隔離通常由在期望隔離處將"絕緣短節(gap sub)"技術布置在鉆柱中而實現。絕緣短節技術提供隔離結構來盡可能完全地在絕緣短節技術的上方和下方的鉆柱的部分之間阻止通過鉆柱的任何導電。

本公開在之前的段落中使用用語"絕緣短節技術"，因為在備選的實現中，鉆柱的上部部分和下部部分的電隔離可使用不同的布置實現。例如，電隔離可通過在鉆柱上的一個或多個位置上使用單個集成的電中斷件，其中這樣的電中斷件集成在管狀鉆環鉆環內的工具上且是連續的。在其它布置中，電隔離可通過單獨的但協作的電中斷件而實現：在管狀鉆環上的一個(或多個)電中斷件加上在設置于鉆環內部的工具結構內的一個(或多個)單獨的電中斷件。本公開涉及后面的(單獨的但協作的)布置，并且特別涉及鉆環本身的電隔離。

作為進一步解釋，鉆柱通常在期望隔離點處和周圍包括設置于中空圓柱形外鉆環內部的操作井下工具結構。鉆環大體表示由非磁性材料(通常不銹鋼)制成的級聯中空管柱。在這種布置中，通常有利的是，在工具和鉆環本身中進行單獨的但是協作的物理電中斷，以便實現整個鉆柱的整個電隔離。

在鉆環的內部，提供"內部間隙(gap)"，其通常剛好定位在轉發器工具的上方。內部間隙電隔離開在內部間隙下面的鉆環內部與內部間隙上方的鉆環內部。如所提到的那樣，本公開不涉及內部間隙。

在鉆環本身上，提供"絕緣短節"，其包括插入包括鉆環的級聯中空管中的中空管。鉆環的級聯連接部傳統上為銷和箱螺紋連接部，并且鉆環本身在傳統上為非磁性材料(通常為不銹鋼)。絕緣短節因而傳統上為非磁性管，其在任一端部處具有銷和箱連接部，銷和箱連接部構造成在期望位置處插入類似地連接的非磁性鉆環管的級聯柱中。將理解到，鉆環本質上且本身為整個鉆柱的一部分。因此，在功能上，絕緣短節電隔離開絕緣短節上方和下方的鉆環(且因此，作為擴展，整個鉆柱)的部分。