CN101210490A - 井眼工具之间的无线遥测 - Google Patents

Abstract

一种无线遥测系统，用于在底孔组件(“BHA”)中跨有线通信间隙提供信号通信，该底孔组件具有由该有线通信间隙分离开的上部部分和下部部分，该系统的一个实施例包括：位于上部部分中的上部收发器，其与地表遥测系统进行信号通信；以及位于下部部分中的下部收发器，其与钻井工具进行信号通信，上部收发器和下部收发器彼此之间通过无线感应式遥测进行信号通信。各收发器可包括天线，该天线位于钻铤的内腔中，并靠近钻铤的薄壁段。薄壁段可包括与内腔的基本内径相比增大了的内径和与钻铤的基本外径相比减小了外径中的一个或多个。

Description

井眼工具之间的无线遥测

相关申请的交叉参考

本发明申请要求申请日为2006年12月28日的美国临时申请No.60/882,358的优先权。该临时申请的全部内容在此作为参考。

技术领域

本发明总体涉及钻井眼作业，更特别地，本发明涉及一种用于井下钻井工具之间的无线通讯的系统和方法。

背景技术

为了精确定位井眼，钻机必须具有关于钻井组件的位置和运动以及地下地层的精确而实时的信息，并有能力去控制钻井组件。为了实现这些目的，底孔组件(“BHA”)通常包括随钻测量(“MWD”)和随钻测井(“LWD”)技术和系统的各种组合。通常，MWD系统收集诸如钻井组件的倾角和倾斜数据，而LWD系统收集用于地层评价的地层特性数据。为方便起见，后面将包括LWD和MWD系统的仪器组合称为MWD系统。底孔组件通常还包括钻井工具，如导向系统。

MWD系统和/或导向系统通常有线连接到地表遥测系统，用于向地表传输包括井下获得的数据的信号，并从地表接收指令信号。典型的地表遥测系统使用泥浆脉冲遥测。在该方法中，由旋转阀组成的调制器影响泥浆柱中的连续压力波。通过改变信号的相位(调频)并检测这些变化，可在地表和井下工具之间传输信号。通常调制器和接收器位于地表处(例如泥浆泵排出管线中)和BHA中，这样能在地表和BHA之间可以传输数据和指令。

已经知道，有时不能将BHA的全部范围有线连接来通过有线链接装置将数据传输到地表遥测系统。当一个或多个BHA部分在实践上不能进行有线连接时将发生这种情况。BHA中存在有线通信间隙的一个普通实例就是在旋转导向钻井系统中。在这些系统中，BHA包括泥浆马达。泥浆马达通常不能可行地提供有线连接以在地表遥测系统和钻井工具之间传输数据，其中钻井工具提供倾斜数据和/或导向控制。一个解决办法是在泥浆马达上方设置各种传感器和工具，用于与地表遥测系统进行连接。然而，这种方案不能提供用于精确的井位的所需数据。其他工具-包括但不限于扩眼钻头、过滤器、稳定器以及钻铤一也会在BHA中造成有线通信间隙。这些有线通信间隙严重限制了BHA的配置选择以及精确控制和定位井眼的能力。

因此，希望提供一种无线遥测系统，其能克服现有MWD系统的缺陷。进一步还希望提供一种无线遥测系统，用于在井眼工具和系统之间的通信。还希望提供一种弥合BHA中的有线通信间隙的无线遥测系统。

发明内容

因此，提供一种无线遥测系统和方法，用于弥合位于井眼中的工具或系统之间的有线通信间隙。在一个实施例中，一种无线遥测系统用于在至少两个井眼工具之间提供通信，该系统包括：第一收发器，其与第一井眼工具进行信号通信；以及第二收发器，其与第二井眼工具进行信号通信，第一和第二收发器彼此之间通过无线感应式遥测进行信号通信。

无线遥测系统的一个实施例用于在底孔组件(BHA)中跨有线通信间隙提供信号通信，该底孔组件具有由该有线通信间隙分离开的上部部分和下部部分，该系统包括：位于上部部分中的上部收发器，其与地表遥测系统进行信号通信；以及位于下部部分中的下部收发器，其与钻井工具进行信号通信，上部收发器和下部收发器彼此之间通过无线感应式遥测进行信号通信。

一种弥合底孔组件中的有线通信间隙的方法，该有线通信间隙分离开上部部分和下部部分，上部部分包括地表遥测系统，下部部分包括钻井工具，该方法的一个实施例包括如下步骤：提供上部收发器，其与地表遥测系统进行信号通信；提供下部收发器，其与钻井工具进行信号通信；以及在上部收发器和下部收发器之间通过无线感应式遥测进行通信。

在一些实施例中，收发器可包括天线，该天线位于钻铤的内腔中，并靠近钻铤的薄壁段。薄壁段可包括与内腔的基本内径相比增大了的内径和与钻铤的基本外径相比减小了外径中的一个或多个。

前面概括了本发明的特点和技术优点，为更好地理解本发明下面将详细描述本发明。本发明的附加的特征和优点将在随后描述，这些描述形成本发明的权利要求的主题。

附图说明

下面将参考附图对本发明的具体实施例进行详细描述，借此更好地理解本发明的前述和其他特点，其中：

图1为本发明的井眼工具无线遥测系统的实施例的示意图；

图2为使用收发器作为转发器的井眼工具无线遥测系统实施例的示意图；

图3为本发明的井眼工具无线遥测系统的截面图；

图4A和4B为本发明的心轴式收发器安装的实施例的示意图；以及

图5为本发明的收发器的实施例的截面图。

具体实施例

关于附图，这里图示的部件没有必要按比例图示，相同或类似的部件在所有几个附图中都使用相同的参考标记。

作为这里使用的术语，“上”和“下”、“上部”和“下部”及其他类似术语表示相对于一给定点或给定部件的相对位置，这里使用这些术语是为了更清楚地描述本发明实施例的一些部件。通常，这些术语涉及一参考点，钻井作业开始的地表为最高点，井的总深度为最低点。

图1为本发明的井眼工具无线遥测系统实施例的示意图，总体用附图标记10表示。无线遥测系统10包括第一和第二通信链接装置12a和12b，它们彼此进行信号通信。各通信链接装置或收发器包括用于发射和接收信号的天线、相关的电子设备及电路、以及电源。收发器12在500Hz～10KHz的频率范围内可使用感应式遥测。

各收发器12与井眼工具进行信号通信，用于在二者之间接收和/或传输数据。井眼工具的实例包括但不限于井眼测量装置、地层特性测量系统、导向系统以及用于与地表通信的地表遥测系统。

收发器12与底孔组件(“BHA”)14连接。BHA14通过钻柱16与地表18连接。BHA14根据特定的钻井作业可包括多种工具、测量装置以及附件。测量装置包括但不限于天线、电源、传感器、检测器等，用于获取关于地层特性、井眼状况(例如压力、温度)以及定位(例如倾角、倾斜)的数据。

图1所示的BHA14具有通常的底孔组件的常规结构。BHA14包括下部部分6和上部部分8，下部部分6和上部部分8被一形成有线通信间隙的非通线段4分离开。下部部分6包括钻头20，该钻头与旋转导向工具22及系统连接。钻井导向工具22正如本领域中所知的那样，获得定位数据如倾角和倾斜，并提供对钻头20的作业控制。导向工具22与第二或底部的收发器12b有线连接，如箭头24所示，用于与收发器12b相互交换载有数据的信号。数据可包括要被传输到地表18的倾角和倾斜信息，或者是从地表18传输到导向工具22的导向指令。

在BHA14内部连接在收发器12b上方的是一个或多个不提供有线连接的装置，总体由附图标记26表示。非通线装置26包括但不限于泥浆马达、过滤器、挠性环(flex collar)、钻铤以及扩眼钻头。图1所示的BHA14包括泥浆马达26a和过滤器26b。

上部部分8包括地层评价工具28，如电磁阻抗工具，用于获取与周围地层特性有关的数据。工具28到地表遥测系统30为硬连线(箭头24)。收发器12a通过线路(箭头24)与地表遥测系统30通信连接。地表遥测系统30也可合并在评价工具28中。地表遥测系统30图示为泥浆脉冲遥测系统，用于向地表控制器32传输数据并接收来自地表控制器32的数据，如箭头33。然而，应该认识到地表遥测系统30也可包括与地表通信的其他装置，包括硬接线或通过周围地层进行信号传输。

参考图1描述无线遥测系统10的工作原理。BHA14包括被有线通信间隙分离开的下部部分6和上部部分8。下部部分6包括至少一个钻井工具，图示作为导向系统22，其与下部或第二收发器12b进行信号通信，如箭头24表示，用于在二者之间交换信号。上部部分8包括至少上部或第一收发器12a，其通过有线链接装置24与地表遥测系统30进行信号通信。第一和第二收发器12a、12b如箭头34所示彼此进行无线通信。

现在参考附图2，这里图示了另一个井眼工具无线遥测系统10的实例。图2所示的系统10示出了用作转发器的收发器12b。在图示中，钻井工具22包括短程发射器，该短程发射器以定期间隔广播倾角和倾斜数据。由于钻井工具22的通信范围不能穿越非通线段4，因此下部收发器12b起到转发器的作用，以提供从工具22到上部收发器12a的数据通信。在该图示中，非通线段4包括泥浆马达26a、过滤器24b和挠性环26c。

图3为井眼工具无线遥测系统10的截面图。BHA14包括由非通线段4分离开的下部部分6和上部部分8。下部部分6包括钻头20和下部收发器12b。下部收发器12b包括天线40、集成电源以及测斜仪43。测斜仪43可作为综合钻井工具或导向系统的一部分，或作为独立的传感器。收发器12b将来自测斜仪43的数据传递至上部收发器12a。应该认识到下部部分6可包括其他未图示在该图中的测量或可控制工具。

图示的收发器12b包括天线40，该天线位于钻铤36的壁上。在钻铤上安装天线40这一作法将钻铤对天线阻抗的影响降到最低。另外，钻铤天线40有利于大面积天线的使用，由此在传输时提高天线磁矩(moment)并增强信号。钻铤安装式的天线还可使用更高的载波频率从而提供高比特率。总之，相比于心轴式收发器天线，钻铤安装式的天线可提高传输距离。

非通线段4图示为泥浆马达22a。正如简述的那样，出于实用性和可靠性的目的，马达22a不为下部部分6和上部部分8的系统提供有线连接。

如图3所示，上部收发器12a图示为设置在钻铤36的内腔38中的心轴式工具。提供一个或多个定中心器50来限制收发器12a相对于钻铤36的轴向运动，并衰减运动的震动。收发器12a与图示为泥浆脉冲调制器的地表遥测系统30进行信号通信。天线40与相应的电子设备及电路42可操作地连接，其中电子设备及电路42可被封装到耐压壳体内。收发器12a还可包括适于与坐底管鞋(landing shoe)46连接的插入器44。在图3所示实施例中，槽口48穿透钻铤36形成，从而使得钻铤对传输到天线40的信号和从天线40传出的信号的影响最小化。坐底管鞋46和收发器12a相互隔开，这样当收发器12a落定时，天线40被定位在靠近槽口48的位置上。应该认识到，收发器12a可与地层评价测量工具进行有线或无线信号通信，并且/或者设置在地层评价测量工具中，这从其他附图中也可以看出。

图3所示的系统10包括第一心轴式收发器12a和钻铤安装式的第二收发器12b。应该认识到两个收发器也可都为钻铤安装式或心轴式收发器。

图4A为本发明的无线收发器12的心轴式实施例的示意图。收发器12包括与电子设备及电路段42连接的天线40。收发器12设置在钻铤36的内腔38内，而天线40定位成接近钻铤36的收发器段52。收发器12也可如参考图3描述的那样定位在钻铤36中。

电子设备及电路段42包括设置在耐压壳体中的信号处理设备、电源以及通信电子设备。收发器12可从工具总线获取电源或包括专用电池。收发器12可包括实施全数字解调处理的可变率数据(BPSK或OPSK)调制解调器。该遥测为感应式的，以便不依赖于泥浆。然而，该遥测也会与地层电阻率有关，这样0.2Ohm-m以下的电阻率将在最大范围内大大削弱信号(图1和2中的箭头34)。所述实施例的载波频率在500Hz和10KHz之间，比特率可调高至400bps。可以相信，接近600Hz的载波频率对于内部天线来说是优选的，因为钻铤对天线阻抗和信号削弱的影响最小，同时允许提供100bps的传输速度。为适应变化的地层电阻率和井下噪声，在井下可利用两个收发器动态调节比特率。这可通过交换每个消息的SNR信息并调整下一个消息的比特率、使得SNR处于可接受限度内来实现。对于外部天线来说，2KHz可能是优选的。

钻铤36具有基本内径54和基本外径56。收发器段52包括薄壁或壁厚减小部分58，以减小钻铤对传输信号的影响。在图4A的实施例中，薄壁段58通过相对于基本内径增大收发器段52的内径54而形成，如附图标记60处所示。这有利于利用能用于钻铤尺寸的最大外径天线40。

图4B中图示了薄壁段58的另一实施例。在该实施例中，基本外径56沿收发器段52减小，如图中附图标记62处所示。减小收发器段52的外径62，使得薄壁段凹进而不会接触井眼的壁。

图5为本发明的收发器12的截面图。收发器12为心轴式工具，位于钻铤36的内腔38中。天线40位于靠近收发器段52处。薄壁段58具有如图4A所示内径增大的部分。天线40与电子设备及电路42连接。该收发器12与地表遥测30有线连接。

从上面对本发明的特定实施例的详细描述可知，本发明公开了一种新颖的用于弥合底孔组件中的通信间隙的系统。虽然这里详细介绍了本发明的特定实施例，但这只是用于说明本发明的各个特征和方面，并不意味着限制本发明的保护范围。可以想见，包括但不限于这里已经提出的这些可行变形，在不超出本发明的权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以对公开的实施例进行不同的替代、改变和/或修改。

Claims (23)

1.一种无线遥测系统，用于在至少两个井眼工具之间提供通信，该系统包括：

第一收发器，其与第一井眼工具进行信号通信；以及

第二收发器，其与第二井眼工具进行信号通信，第一和第二收发器彼此之间通过无线感应式遥测进行信号通信。

2.根据权利要求1所述的系统，其中第一井眼工具为地表遥测系统。

3.根据权利要求2所述的系统，其中地表遥测系统为泥浆脉冲系统。

4.根据权利要求1所述的系统，其中第一收发器包括天线，该天线被设置在钻铤的壁中。

5.根据权利要求1所述的系统，其中第一收发器包括天线，该天线位于钻铤的内腔中。

6.根据权利要求1所述的系统，其中第一收发器包括天线，该天线位于第一井眼工具的壁中，第二收发器包括天线，该天线被设置于第二井眼工具的壁中。

7.根据权利要求1所述的系统，其中第一收发器包括天线，该天线位于钻铤的内腔中，并靠近钻铤的薄壁段。

8.根据权利要求7所述的系统，其中钻铤的薄壁段包括与钻铤的基本内径相比增大了的内径。

9.根据权利要求7所述的系统，其中薄壁段包括与钻铤的基本外径相比减小了的外径。

10.根据权利要求8所述的系统，其中薄壁段包括与钻铤的基本外径相比减小了的外径。

11.一种无线遥测系统，用于在底孔组件中跨有线通信间隙提供信号通信，该底孔组件具有由该有线通信间隙分离开的上部部分和下部部分，该系统包括：

位于上部部分中的上部收发器，其与地表遥测系统进行信号通信；以及

位于下部部分中的下部收发器，其与钻井工具进行信号通信，上部收发器和下部收发器彼此之间通过无线感应式遥测进行信号通信。

12.根据权利要求11所述的系统，其中钻井工具包括测量传感器和导向系统中的至少一个。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，

底孔组件的上部部分包括钻铤，该钻铤具有内腔和薄壁段；并且，

上部收发器包括天线，天线被设置在该内腔中并靠近薄壁段。

14.根据权利要求13所述的系统，其中该薄壁段包括与钻铤的基本内径相比增大了的内径。

15.根据权利要求13所述的系统，其中该薄壁段包括与基本外径相比减小了的外径。

16.根据权利要求14所述的系统，其中该薄壁段包括与基本外径相比减小了的外径。

17.一种弥合底孔组件中的有线通信间隙的方法，该有线通信间隙分离开上部部分和下部部分，上部部分包括地表遥测系统，下部部分包括钻井工具，该方法包括如下步骤：

提供上部收发器，其与地表遥测系统进行信号通信；

提供下部收发器，其与钻井工具进行信号通信；以及

在上部收发器和下部收发器之间通过无线感应式遥测进行通信。

18.根据权利要求17所述的方法，其中有线通信间隙包括泥浆马达。

19.根据权利要求17所述的方法，其中无线感应式遥测的频率范围大约在500Hz～10KHz。

20.根据权利要求17所述的方法，其中上部收发器包括天线，天线位于上部部分的内腔中，并靠近上部部分的薄壁段。

21.根据权利要求20所述的方法，其中该薄壁段包括与上部部分的壁的基本内径相比增大了的内径和与上部部分的壁的基本外径相比减小了的外径中的至少一个。

22.根据权利要求17所述的方法，其中下部收发器包括天线，天线位于下部部分的内腔中，并靠近上部部分的薄壁段。

23.根据权利要求20所述的方法，其中下部收发器包括天线，天线位于下部部分的内腔中，并靠近上部部分的薄壁段。

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