CN101408101B - 井筒遥测系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种在表面控制单元与井下工具之间传递信号的混合遥测系统。井下工具通过钻柱布置在穿透地下地层的井筒中。所述混合遥测系统包括井口连接器、井下连接器和操作性地与井口连接器和井下连接器相连的电缆。所述井口连接器可操作性地与钻柱遥测系统相连用于在其间进行通信。所述井下连接器可操作性地与井下工具相连用于在其间进行通信。

Description

井筒遥测系统和方法

相关申请

本申请是于2005年9月16日提交的序号为11/228,111的美国申请的部分继续申请，所述申请的整体内容在此作为参考而被引用。

技术领域

本发明涉及用于井筒作业的遥测系统。更具体地来讲，本发明涉及用于向井下作业提供动力和/或用于在可置于穿透地下地层的井筒中的表面控制单元与井下工具之间传递信号的遥测系统。

背景技术

从地下地层中获得碳氢化合物涉及在土中布置钻孔工具。从钻探设备将钻孔工具钻入土中以产生井筒，碳氢化合物穿过这个井筒传递。在钻井过程中希望收集钻井作业和地下地层的信息。在表面和/或井下系统的不同表面设有传感器，以除了别的以外生成井筒、地层和作业情况方面的数据。对这些数据进行收集和分析，以做出钻孔作业和地层方面的决定。

遥测系统用于井筒作业的分析和控制，并允许从可位于现场的表面控制台或遥控表面控制台进行分析和控制。所收集的信息允许对钻孔系统进行更有效的控制并且还提供对地层特性和影响钻孔的其它因素的分析有用的信息。此外，这些信息还可用于确定想要的钻孔路径、最佳的条件或者在其它对钻孔过程有利的方面。

不同的遥测工具允许对不同的数据进行测量和测井，并允许将这种数据传输到表面控制系统。可在钻柱中布置随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)元器件以收集想要的信息。一直以来采用不同的方法以将数据和/或动力信号从表面传递到布置在钻柱中的测量和测井元器件。例如，这些方法可包括美国专利No.5517464中所描述的泥浆脉冲遥测技术、美国专利No.6641434中所描述的有线钻管以及其它方法。

虽然在用于井筒作业的遥测装置中已经取得了发展和进步，但对提供另外的可靠性和遥测能力仍有需求。像其它任何井筒装置一样，遥测装置有时也会出故障。此外，遥测装置所提供的动力也可能会不足以为想要的井筒作业提供动力。而且，通常难以将通信线路穿过某些井下工具，如随钻震击器。再者，用在钻柱的动力和/或数据传输线路中的联接器往往暴露在严酷的环境中，包括压力和温度的变化以及极端压力和温度，这样就会提高这些传输系统的故障率。

因此，仍需要提供能够穿过钻柱和/或井下工具的多个部分的遥测系统。在一些情况下，需要向现有的遥测系统和/或现有系统的旁路部分提供冗余。还需要这种系统提供简单而可靠的操作并且与多种工具和底部钻具组件(BHA)兼容。优选这些技术还提供以下一个或多个优点，即增加的速度、得到改进的信号、减小的衰减、增加的可靠性、增加的数据速率、对井下工具的元器件的保护、减小的钻孔时间损失、易于接近遥测系统元器件、浅层元器件与深层元器件之间的同步、多功能性、更高的频率含量、减小的延迟和与遥测系统元器件间的距离、增加的动力容量和/或诊断能力。

发明内容

一方面，本发明涉及一种在表面控制单元与井下工具之间传递信号的混合遥测系统，井下工具通过钻柱布置在穿透地下地层的井筒中。所述系统包括可操作性地与钻柱遥测系统相连的用于在其间进行通信的井口连接器、可操作性地与井下工具相连的用于在其间进行通信的井下连接器以及操作性地与井口连接器和井下连接器相连的电缆。

在另一方面，本发明涉及一种用于在表面控制单元与井下工具之间传递信号的井场的混合通信系统，井下工具通过钻柱布置在穿透地下地层的井筒中。该系统包括设置在钻柱中的钻柱遥测系统，所述钻柱遥测系统操作性地与表面单元相连用于在其间传递信号；和至少一个可操作性地与钻柱遥测系统和井下工具相连用于在其间传递信号的混合遥测系统，其中所述混合遥测系统包括可操作性地与钻柱遥测系统相连的用于在其间进行通信的井口连接器、可操作性地与井下工具相连的用于在其间进行通信的井下连接器以及操作性地与井口连接器和井下连接器相连的电缆。

在再一个面，本发明涉及一种通过混合遥测系统在表面控制单元和井下工具之间传递信号的方法，井下工具通过钻柱布置在穿透地下地层的井筒中。这种方法包括：操作性地将混合遥测系统的井下端连接到井下工具以与其保持通信联系；将钻柱遥测系统定位在钻柱中距离井下工具一定的距离处；操作性地将混合遥测系统的井口端连接到钻柱遥测系统以与其保持通信联系；以及通过混合遥测系统在该表面控制单元与井下工具之间传递信号。

通过下文中对本发明的描述以及所附的权利要求书，可以清楚本发明的其它方面和优点。

附图说明

图1示出了设有井筒通信系统的井场系统。

图2示出了现有技术中有线钻管遥测系统的一部分。

图3A示出了根据本发明的一个实施例的表面遥测子系统。

图3B示出了根据本发明的另一个实施例的表面遥测子系统。

图4示出了根据本发明的一个实施例的遥测套件。

图5A示出了根据本发明的一个实施例的井筒通信系统的一部分。

图5B示出了根据本发明的另一个实施例的井筒通信系统的一部分。

图6A示出了根据本发明的一个实施例的井筒通信系统的一部分。

图6B示出了根据本发明的另一个实施例的井筒通信系统的一部分。

图7是根据本发明的一个实施例的井场系统的示意图。

图8是如图7所示实施例的井场系统的示意图。

图9是如图7所示实施例的井场系统的示意图。

图10是根据本发明的一个实施例的井场系统的示意图。

图11是根据本发明的另一个实施例的井场系统中的井下部分的示意图。

图12是根据本发明的另一个实施例的井场系统的示意图。

具体实施方式

在下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。为了实现一致性，在这些附图中使用类似的附图标号表示类似的元件。

在下文对本发明的多个实施例进行的详细描述中，对大量的具体细节进行了阐述，以便提供对本发明的更加全面地理解。然而，对于本领域的技术人员明显的是：本发明的实践可不受这些具体细节的限制。在其它实例中，没有对众所周知的技术特征进行详细描述，以避免使本说明书变得冗长。

图1示出了井场系统1的示例，本发明利用这种井场系统可取得良好效果。井场系统1包括表面系统2、井下系统3和表面控制单元4。钻孔11通过旋转钻井形成。不过，从本公开获益的本领域的技术人员将会意识到：本发明还可用在常规的旋转钻孔(如基于泥浆电机的定向钻孔)之外的钻孔用途中，而且它们的用途并不仅限于陆基钻探设备。此外，还可利用不同类型的钻孔系统，如顶部驱动、方钻杆或者其它系统。

井下系统3包括钻柱12，钻柱12悬挂在钻孔11中并且在其下端具有钻头15。表面系统2包括位于钻孔11上方的陆基平台和吊架组件10，该钻孔11穿透次表地层F。钻柱12由旋转转盘16转动，转盘16在钻柱12的上端与方钻杆17接合。钻柱12通过方钻杆17和旋转接头19悬挂在吊钩18上，吊钩18附在动滑轮(未示出)上，旋转接头19允许钻柱相对于吊钩18旋转。

该表面系统还包括储存在池27中的钻探液或泥浆26，池27在井场形成。泵29通过旋转接头19中的口将钻探液26输送到钻柱12的内部，这样就致使钻探液26穿过钻柱12向下流动。钻探液26通过钻头15中的口离开钻柱12，然后穿过钻柱的外部与钻孔壁之间的区域向上循环，钻柱12的外部与钻孔壁之间的这个区域称为环带。钻探液26以这种方式将钻头15润滑，并在返回池27中进行再循环时将地层钻粉向上带到该表面。

钻柱12还包括钻头15附近的井下工具或底部钻具组件(BHA)，统称为30。BHA30包括具有测量、处理和存储信息以及与表面通信能力的元器件。因此BHA30除了其它部件之外还可包括至少一个测量工具，如随钻测井(LWD)和/或随钻测量(MWD)工具，以确定和传递包围钻孔11的地层F的一种或多种特性，如地层电阻率(或导电率)、天然辐射、密度(γ射线或中子)、孔隙压力以及其它特性。MWD可构造成产生和/或以其它方式为不同的井下系统提供电力，并且还可以包括不同的测量和传输元器件。测量工具还可以布置在沿着钻柱12的其它位置。

测量工具还可包括通信元器件，如泥浆脉冲遥测工具或系统，以与表面系统2进行通信联系。通信元器件适于向该表面发送信号并从该表面接收信号。例如，通信元器件可包括发送器，这种发送器产生信号，如电信号、声音信号或电磁信号，这种信号表示所测得的钻井参数。所产生的信号由转换器或类似的装置在该表面接收，这种转换器由参考号31表示并且是表面通信线路(一般用14表示)的元器件，这种元器件将收到的信号转换成想要的电信号，以进行进一步的处理、存储、加密、传输和利用。本领域中熟练的技术人员会理解可采用多种遥测系统，如有线钻管、电磁遥测或其它已知的遥测系统。

通信线路可设置在表面控制单元4与井下系统3之间，以对钻井作业进行操作和/或从位于钻柱12中的传感器收集信息。在一个示例中，井下系统3与表面控制单元4通过表面系统2进行通信联系。典型地将信号传输到表面系统2，然后通过表面通信线路14从表面系统2传递到表面控制单元4。或者，如果设有电磁遥测(未示出)，可利用电磁遥测将信号直接从井下钻孔工具通过通信线路5传递到表面控制单元4。另外的遥测系统，如泥浆脉冲、声音、电磁、地震和其它已知的遥测系统也可结合到井下系统3中。

表面控制单元4可将命令(例如通过通信线路5或表面通信线路14)发送回井下系统3，以激活和/或控制BHA30的或位于钻柱12中的其它工具中的一个或多个元器件，并进行不同的井下作业和/或调节。在此方式中，表面控制单元4然后可以操作表面系统2和/或井下系统3。对钻孔作业的操作可通过手工进行或自动进行。

如图1所示，井场系统1设有井筒通信系统33。井筒通信系统33包括多个有线钻管(WDP)，这些WDP连接在一起以形成WDP遥测系统58，以穿过钻柱12传输信号。或者，WDP遥测系统58可以是无线系统，该无线系统延伸并穿过利用导电信号的多个钻管。典型地将信号从BHA30通过有线钻管遥测系统58传递到表面遥测子系统45。如图所示，表面遥测子系统45位于WDP遥测系统58的井口端。不过，在一些情况下，表面遥测子系统45也可位于方钻杆17的上方或与之相邻。此处所提及的信号可以是通信和/或动力信号。

图2示出了任选WDP遥测系统的详细部分，该WDP遥测系统可用作示于图1的WDP遥测系统。WDP遥测系统可以是美国专利No.6641434中所描述的系统，该专利的全部内容通过引用结合于本文中。如图2所示，WDP40会典型地包括位于一端的第一接合元件41和位于另一端的第二接合元件42。接合元件41和42构造成穿过钻柱12的两个相邻的元器件之间的界面传输信号，例如，这两个相邻的元器件是WDP40的两个长度。可利用现有技术中已知的任何方式来进行穿过这个界面的信号传输，包括但并不仅限于感应、导电、光学、有线或无线传输。

WDP40可包括内导管43，该内导管43容纳内置电缆44。因此，可在钻柱12中使用多个操作性地连接的WDP40的长度，以沿着钻柱12的任何想要的长度传输信号。在此方式中，信号可在井场系统1的表面控制单元4与布置在钻孔11中的一个或多个工具包括MWD和LWD之间传递。

图3A更详细地示出了示于图1的表面遥测子系统45。表面遥测子系统45操作性地连接到WDP遥测系统58，以与其保持通信联系。然后表面遥测子系统45操作性地连接到表面控制单元4(图1)。表面遥测子系统45可位于钻柱12的顶部或其附近，并且可包括与表面控制单元4交换信号的发送器和/或接收器(如图3B中的发送器/接收器48)和/或与一个或多个表面控制单元4保持通信联系的表面系统2的一个或多个元器件。如图所示，表面遥测子系统45可与表面单元进行无线通信。

或者，如图3B所示，井场系统1的表面遥测子系统45a可包括可通过电缆47的方式连接到表面控制单元4(图1)的滑环和/或旋转变压器、发送器/接收器48、它们的组合和/或现有技术中已知的其它任何装置。根据构造和其它因素，表面遥测子系统45a可布置在井下系统3的上部分中、井场系统1的表面系统2中或者它们之间的界面中。该表面遥测子系统操作性地与WDP遥测系统58和表面控制单元4(图1)连接。

表面遥测子系统(45，45a)中的任何一种构造可设有无线和/或固定线路传输能力，以与表面控制单元4进行通信联系。这些构造还可包括用于WDP诊断、储存器、传感器和/或发电机的硬件和/或软件。

参看图4，该图示出了遥测套件50的一个示例。遥测套件包括终端52和终端54，以操作性地连接传输元件(一般用56表示)以在它们之间传输信号。终端52和54中的一个或两者都可包括子系统或者可包括钻柱的一个或多个元器件的构造(如轴环、钻管、子系统或工具)，以使元器件会操作性地连接到传输元件56。

传输元件56与终端52和54之间的操作性连接是可逆的。例如，终端52可位于井口端且终端54可位于井下端，如图所示。或者，当设有端口连接件以建立与相邻装置的连接时，可将这些终端变换，以使终端54位于井口端且终端52位于井下端。在钻柱12的特别段的构成期间或之后，可逆连接有利于传输元件56在钻柱12中的布置。

通过遥测套件50和/或由遥测套件50进行的传输可以是感应传输、导电传输、光学传输、有线传输或无线传输。传输模式并不是对遥测套件50进行限制，所以除非另有说明，此处所描述的示例可与任何传输模式一起使用。

如图所示，优选该遥测套件50包括在这些终端之间延伸的电缆56a。不过，在一些情况下，不需要电缆。例如在一些情况下，可以使用专业管道56b。如导电管道的专业管道可以在这些终端之间传递信号。在一些情况下，可在这些终端之间进行无线传输。可以使用其它设备，如能够穿过地层和/或套件传递信号的电磁通信系统，以在终端52和54之间传输信号。

在将电缆56a用作传输元件56时，电缆可以是现有技术中已知的任何型号，包括但并不仅限于有线七芯电缆、同轴电缆和单芯电缆。这种电缆还可包括一种或多种导体和/或一种或多种光纤(如单模、多模光纤或现有技术中已知的其它任何光纤)。电缆可用于有利地绕过布置在BHA30中的稳定装置、震击器和重量。有利的是具有一种电缆，这种电缆能够耐受钻井环境，并且可支持连接和拆卸电缆的场地终端器。

终端52和54可构造成通过与邻接元器件的操作性连接传导信号。终端54可用于操作性地连接到井下工具或BHA。可设有界面以与其进行操作性连接。这些终端可直接或通过一个或多个另外的元器件与布置在井下的井下遥测子系统(未在图4中示出)进行界面连接。终端52可构造成操作性地连接到WDP遥测系统58。

在一个示例中，这些终端或一个终端可构造成通过如连接杆来支撑遥测套件50的其它不同元器件的重量，并且在与电缆一起使用以支撑电缆并与电缆连接时可包括电气和/或机械机构，而允许通过这种机构的传输。这些终端或一个终端还可以包括界面，以操作性地连接到WDP遥测系统58(图1)。也希望在这些终端或一个终端中和/或遥测套件50中布置其它装置，如电缆调制解调器、一种或多种传感器、时钟、处理器、储存器、诊断程序、发电机和/或能够进行井下作业的其它装置。

这些终端或一个终端，例如在与用作传输元件56的电缆一起使用时，可包括闩，以可逆地将电缆端锁定，而且还会进行构造以传递信号。这种闩的可逆锁定机构可以是现有技术中已知的任何型号，且可构造成在电缆的足够张力拉动时松开。

在电缆并不用作传输元件56时，希望在终端54中包括通孔构造，以允许井下元器件的连接。在第二终端54中还可布置电缆调制解调器、一种或多种传感器、储存器、诊断程序和/或发电机。

遥测套件50可构造成包括钻管的一个或多个标准长度和/或传输元件56。套件的长度是可变的。长度的变化可通过切割或卷绕传输元件56的超过操作性地连接终端52和54所要求的距离的部分或者通过延伸并穿过不同数量的钻管来实现。在传输元件56包括电缆的一种构造中，终端52和54可包括线轴或类似的构造，以将多余的电缆卷绕。

可将线轴或类似的构造偏置，以在电缆上施加和/或保持想要的压力，这样就会有利地保护电缆不会由于终端52与54之间的距离的变化而受到损坏。这样的构造有利于允许电缆的次最佳长度用于特别的传输长度并且允许使用标准长度的电缆以横穿不同的距离。在与电缆或其它非管道传输元件56a一起使用时，在遥测套件50的终端52与54之间还可布置一个或多个钻管。这种钻管可用于保护布置在它们之间的传输元件56和/或容纳那里的元器件。

可对遥测套件50进行布置以横穿WDP遥测系统的至少一部分。通过横穿WDP系统的一部分，可将WDP系统的至少一部分排除并且由遥测套件50替代。在一些情况下，遥测套件50与现有的WDP系统重叠，以提供冗余。该冗余可用于对通信的更多保障和/或用于诊断的目的。例如，这种构造还有利地提供用于诊断WDP长度的系统，这种诊断通过提供用于信号传输的替代系统来进行，以将穿过遥测套件50传输的信号与穿过WDP遥测系统的重叠部分传输的信号进行比较。穿过遥测套件50传输的信号与穿过WDP遥测系统的重叠部分传输的信号之间的差异可用于在一个或多个WDP中识别传输缺陷和/或定位传输缺陷。而且，这些差异还可用于在遥测套件50中识别传输缺陷和/或定位传输缺陷。

遥测套件50可延伸并穿过钻柱12和/或井下工具的不同部分中的一个或多个钻管。不同的元器件、工具或装置可置于这些钻管的一个或多个中。遥测套件50可以以这种方式与BHA和/或钻柱的部分重叠并包含用于测量、遥测、动力或其它井下功能的元器件。

图5A和图5B示出了位于有线钻管遥测系统58和井下工具的不同部分周围的一个或多个遥测套件50，以在它们之间传递信号。在所示出的示例中，这些遥测套件50上设有电缆56a。遥测套件50可位于钻柱12中和/或BHA30的上部分中。图5A示意性地示出了示于图1中的井筒通信系统33的井下部分。如图5A所示，WDP遥测系统58通过遥测套件50a和50b操作性地连接到BHA30。遥测套件50a，50b布置在WDP58的下面。

遥测套件50a，50b通过多种操作连接可操作性地连接到WDP遥测系统58和/或BHA30。如图所示，该操作连接可以是遥测子系统60、遥测适配器62和/或具有通信线路的另外的钻管64，该通信线路用于从这些套件或一个套件将信号传递到WDP遥测系统58和/或井下工具。遥测子系统60适于与BHA30中的不同元器件连接，以与其保持通信联系。遥测子系统60可设有处理器，以对穿过它的信号进行分析。

另外的钻管64设有通信装置和处理器，以分析信号并与遥测套件50a，50b保持通信联系。遥测适配器62适于连接到WDP遥测系统58，以与其保持通信联系。除了别的之外，不同的操作连接还运行以作为WDP遥测系统58、BHA30与其它元器件之间的界面，以使在它们之间能够进行通信联系。操作连接可包括WDP和/或非WDP诊断程序、传感器、时钟、处理器、储存器和/或发电机。作为选择，操作连接62、64和60可适于连接到WDP遥测系统的一种或多种型号。

上遥测套件50a的终端52通过遥测适配器62操作性地连接到WDP遥测系统58。WDP遥测系统和/或遥测套件50a可包括一种或多种复示器子系统(未示出)，以对穿过遥测套件50和WDP遥测系统58传输的信号进行放大、再生和/或调制、解调。

在图5A的示例中示出了两个遥测套件50a和50b。在使用多个遥测套件50时，可在遥测套件50之间布置另外的一个或多个钻管64，钻管64包含如测量工具和/或传感器子系统64这样的工具。下遥测套件50b的下终端54操作性地连接到井下工具的井下遥测子系统60。井下遥测子系统60是遥测套件50b与位于BHA30中的一个或多个工具之间的操作连接的一个元器件。井下遥测子系统60与这些工具之间的通信可使用工具之间的标准化语言，如信号协议，或者可具有不同的语言，并且在它们之间有适配器以进行转换。如图5A所示，井下遥测子系统60可位于BHA30中，以使下遥测套件50b横穿BHA30的上部分。或者，井下遥测子系统60可位于钻柱12与BHA30之间，以使操作性连接的下遥测套件50b布置在钻柱12中BHA30的上方。

井下遥测子系统60可操作性地连接到的工具可包括一个或多个LWD、MWD、旋转式可转向系统(RSS)、电动机、稳定装置和/或典型地位于BHA30中的其它井下工具。通过绕过一个或多个这样的元器件，这种工具就不需要建立穿过这些元器件的通信线路。在一些情况下，绕过某些元器件的能力可降低某些成本并提高性能，这些元器件如随钻震击器、稳定装置和其它重量钻管。

如图5B所示，遥测套件50可延伸穿过钻柱12的一部分、在WDP遥测系统58的下面并进入BHA30的上部分。通过绕过BHA30的上部分，遥测套件50用于横穿由这些元器件所占据的钻柱12的部分。

如图5B所示，一个或多个操作连接件可结合到遥测套件50中。遥测适配器62功能性地置于遥测套件50中，以提供与WDP系统58的通信连接。类似地，虽然所示出的遥测子系统60是与遥测套件分开的项目，但遥测子系统60可与遥测套件50成一体。

井下遥测子系统60布置在BHA30中并操作性地连接到布置在BHA30的下部分中的一个或多个元器件(未示出)(如LWD、MWD、旋转式可转向系统、电动机和/或稳定装置)。或者，井下遥测子系统60可位于不同工具如BHA30的LWD/MWD工具的上方或位于它们之间，并且操作性地连接到遥测套件50和BHA30的工具上。如前所述，井下遥测子系统60操作性地连接到遥测套件50的终端54并且可与遥测套件50的终端54成一体。

虽然图5A和图5B示出了在井筒通信系统中放置遥测套件50的具体构造，但可以理解，一个或多个遥测套件50可位于一个或多个钻环中。这些遥测套件或一个遥测套件50可延伸并穿过钻柱12的一部分和/或井下工具的一部分。优选将遥测套件50定位，以在有线钻管遥测系统58与井下元器件之间提供通信线路。遥测套件50可以以这种方式绕过可能阻碍通信的装置和/或在钻柱12和/或井下工具的部分之间提供有效线路。

参看图6A和图6B，这些图提供了示出遥测套件50的另外的构造。在图6A和图6B所示出的示例中，遥测套件50并不要求线56a。遥测套件50具有专业管道56b，这种专业管道56b替代了用在图5A和图5B中的遥测套件50的线传输元件56a(如电缆)。例如，这种专业钻管可以是具有金属部分的导电钻管，该金属部分在终端之间延伸。这种金属部分适于在终端之间传递信号。利用金属管道在终端之间传递信号的技术的示例在美国专利No.4953636和No.4095865中公开。至少一个遥测套件50操作性地连接到钻柱12的WDP遥测系统58，以使信号可在表面遥测子系统(图1中的45)与BHA30之间传递。

如图6A所示，遥测套件50位于WDP遥测系统58与BHA30之间。遥测适配器62操作性地将WDP遥测系统58连接到遥测套件50的终端52。井下遥测子系统60连接到遥测套件50的井下终端54或与其成一体。井下遥测子系统60在遥测套件50与BHA30的一个或多个元器件之间形成操作连接。

如前所述，可将遥测套件50布置，以使其横穿BHA30的上部分并操作性地连接到布置在BHA30的下部分中的一个或多个工具。穿过将专业钻管用作传输元件56的示例传递的信号将典型地传导性传递，不过，终端52和54可构造成将信号传递到相邻的钻柱12的元器件。

图6A中所示出的示例示出了横穿BHA30的一部分的遥测套件50。不过，如有需要，该遥测套件50可横穿WDP遥测系统58的至少一部分和/或BHA30。

参看图6B，遥测套件50位于WDP遥测系统58的上方。遥测套件50的井下终端54通过遥测适配器62操作性地连接到WDP遥测系统58。遥测套件50的井口终端52在其上端操作性地连接到表面遥测子系统(图1中的45)。可在遥测套件50与表面遥测子系统45之间放置另外的遥测适配器62以在它们之间传递信号。表面遥测子系统45可与遥测套件50的上终端52和/或遥测适配器成一体。WDP遥测系统58通过遥测子系统60的方式在其井下端操作性地连接到BHA30，如前面所述。

在不同的构造中希望将井下系统的这些子系统45，60和/或遥测适配器62构造成包括一个或多个发送器和/或传感器，以保持与表面控制单元4的单向或双向通信。在不同的构造中希望将子系统45，60和/或遥测适配器62操作性地连接到遥测套件50、WDP遥测系统58或专业(如导电)管道的一端或两端。一种或多种不同的操作连接器可与遥测套件50如相邻的终端的部分和/或WDP遥测系统58和/或BHA30的部分成一体或与之分开。可以构思出不同的遥测套件50与一种或多种WDP遥测系统58、BHA30和/或操作连接的不同组合。例如，具有电缆的遥测套件50可位于WDP遥测系统58的井口，如图6B所示。

图7-10示出了具有井场通信系统33a的井场系统700。图7-10顺次示出了一种用于组装井场通信系统33a的技术。除了井下系统包括BHA(井下工具)30a、布置在钻柱12中的混合遥测系统702和操作性地连接到其上的钻柱遥测系统742(图8-10)以外，井场系统700与图1所示出的井场系统大致相同。在这种构型中，信号可通过混合遥测系统702和钻柱遥测系统742在BHA30a与表面控制单元4之间进行传递。

首先参见图7，井下钻孔工具已经钻入次表地层中以产生井筒11。钻孔工具已经被移除，套管706已经进入到井筒11中并且被紧固在适当的位置处。端部具有钻头15的BHA30a已经被钻入到带有套管的井筒11中。除了设有配套的BHA连接器730以外，BHA30a可与本文中前面所述的BHA30是相同的。该配套的BHA连接器730优选适于在被附接到其上时可释放地与相应配套的连接器相连。BHA连接器730可位于BHA30a的井口端用于接收配套的连接器。BHA连接器730也可位于BHA30a内，从而使得混合遥测系统702的一部分横穿BHA30a的一部分。

BHA30a上设有用于收集数据的传感器710。这些传感器优选是具有高分辨率的MWD/LWD传感器，例如当前的LWD系统。BHA30a还具有遥测收发器720。如图中所示，遥测收发器720位于BHA30a的上端，BHA连接器730操作性地连接到遥测收发器720上面。BHA连接器730还操作性地连接到混合遥测系统702上面，用于在BHA30a与混合遥测系统702之间传递信号。例如，当处于适当位置处时，来自传感器710的数据从BHA30a传输至混合遥测系统702。遥测收发器720可与上文中所述的遥测子系统60是相同的。

在引入钻管739时形成钻柱12并且BHA30a被钻入到井筒11中。通过增加钻管739以形成钻柱12，BHA30a顺着套管706向下并且达到所需深度。在钻头15到达套管靴711处时，BHA30a典型地停止。虽然图7-11中示出了位于部分带有套管的井筒中的遥测系统，但是所述遥测系统可被用在带有套管的井筒中或被用在不带套管的井筒中(图1)。

这时，混合遥测系统702利用绞车系统704可伸入到钻柱12中。绞车系统704将混合遥测系统702下放进入到钻柱12中，并且泥浆被泵送进入到钻柱12中从而推动混合遥测系统702达到适当的位置处。这样的绞车配置系统的示例在行业领域中是以公知的。例如，可以使用由Schlumberger提供的地槽测井条件(TLC)系统。

混合遥测系统702包括电缆708，位于所述电缆相应端部的是井下连接器734和井口连接器738。混合遥测系统702可与前文中所述的遥测套件相同。如图7所示，混合遥测系统702位于钻柱12中，并且在其井下端处操作性地连接到BHA30a。混合遥测系统702的井口端在组装过程的该步骤中受到绞车系统的提升机707的支承。

连接器734，738可与前文中所述的终端52，54相同。优选地，连接器734，738可释放地与电缆708的端部相连从而与相邻的元器件操作相连。井下连接器734例如可被闩锁在适当的位置处。在转让给本发明的受让人的美国专利申请No.2005/10087368中对闩锁系统的一个示例进行了描述。井下连接器734可例如采用电感耦合而被操作性地连接到相邻的元器件。井下连接器734例如可以是可在泥浆中进行工作的湿式连接器，其与BHA连接器730配合连接从而形成井下或BHA湿式连接装置736。湿式连接器可被用以允许所述连接装置在任何井产流体的环境下都能起到作用。

如图7所示，混合遥测系统702通过湿式连接装置736可释放地与BHA30a相连。湿式连接装置736中的BHA连接器730被操作性地连接到BHA30a中的遥测模块720(或遥测子系统60)。因此，连接装置736允许将混合遥测系统702选择性地连接到BHA30a上从而在其间进行通信。

电缆708从井下连接器734延伸至井口连接器738。电缆708的长度可根据需要进行改变。典型地，如图7-10所示，电缆708为套管706的长度。优选地，在电缆708中保持足够的松弛度，从而有利于遥测系统进行操作。电缆708可与前文中所述的电缆56a相同。电缆708在钻柱12内可以是松弛的，或者可沿钻柱12被紧固住。在转让给本发明的受让人的美国专利申请No.10/907419中对用于将电缆紧固在适当位置处的技术的示例进行了描述。

在一个示例中，电缆708可以是用于通过混合遥测系统702进行通信的光纤电缆。在使用光纤电缆的情况下，可使用光电和电光转换器(图中未示出)以在光学混合遥测系统702与相邻的电气元器件之间传输信号。例如，BHA30a中的遥测模块上可设有用于将信号传输至混合遥测系统702的光纤电缆的光电转换器，并且电光转换器可被设置在井口遥测系统例如钻柱遥测系统742(如下文中所述)中，用于接收来自混合遥测系统702的信号。

在组装过程中，可能所希望的是通过利用井口连接器738将电缆夹在一定的表面位置处而支承电缆708的重量。电缆708例如可悬挂在专用的跨接结构上。电缆708还可被夹到在最接近所述表面处受到钻管支承的搭接子系统740上。搭接子系统740可搁置在钻柱12的顶部钻管中，所述钻管通过滑动件(图中未示出)而被支承在旋转转盘16(如图1中所示)上。

现在参见图8，电缆708被切断且与井口连接器738相端接。井口连接器738可以与井下连接器734或者例如快速连接器是相同的。优选地，井口连接器738可释放地将混合遥测系统702的井口端与相邻的元器件相连以在其间进行通信。如图8中所示，准备井口连接器738以操作性地将混合遥测系统702连接到钻柱遥测系统742(或中继站)上，从而使得钻柱遥测系统742经由混合遥测系统702与BHA30a进行通信。

如图中所示，钻柱遥测系统742包括遥测适配器745和遥测单元747。遥测适配器745可以与前文中所述的遥测适配器62是相同的，用于操作性地将钻柱遥测系统742连接到混合遥测系统702上以在其间进行通信。钻柱遥测系统742上可设有一个或更多个遥测适配器745或直接通信线路系统。附加的直接通信线路系统可与已公知的导向工具技术相类似，装备在其底端用以接收快速连接装置和电子装置从而将有线线路遥测术转换成MWD遥测结果的形式。

遥测适配器745上可设有用于与井口连接器738配合相连的钻柱遥测连接器741。钻柱遥测连接器745可位于钻柱遥测系统742的井下端，或者位于钻柱遥测系统742内，从而使得混合遥测系统702的一部分横穿钻柱遥测系统742的一部分。井口和钻柱连接器操作性地将混合遥测系统702连接到钻柱遥测系统742上以在其间进行通信。

钻柱遥测系统742上可设有一个或更多个遥测单元747。如图中所示，遥测单元747是泥浆脉冲遥测单元。然而，应该意识到：遥测单元747可以是任何类型的遥测系统，例如泥浆脉冲、声音、电磁、声学、MWD工具、钻管或其它能够发送信号至表面单元4或接收来自表面单元4的信号的遥测系统。

在如图8和9所示的组装过程中，钻柱遥测系统742被提升机(图中未示出)提升到钻台之上并且表面降低到搭接子系统740上。钻柱遥测连接器741随后与井口连接器738相连以使信号流过。优选地，所述连接器被可释放地连接，从而使得它们能够根据需要而被移除。相对于前文中所述的井下连接器734而言，井口连接器738可利用闩锁机构而被操作性地连接到钻柱12上。

钻柱遥测系统742可选择性地沿钻柱12进行设置。可调节电缆708的长度和钻管的数量，从而使得钻柱遥测系统742位于所需位置。混合遥测系统702还可在钻柱遥测系统742、钻柱12和/或BHA30a中或周围根据需要被设置和紧固在适当的位置处。

一旦位于如图10所示的位置处，通过将附加的钻管739附接到钻柱遥测系统742的顶部上，可照常使用井场系统进行钻孔。使用泥浆泵系统749将泥浆泵送通过井场。泥浆泵系统749可以与如图1所示的泥浆泵系统相同的方式进行操作。然后，BHA30a可钻入土中并且受到如前所述的旋转驱动。

BHA30a与钻柱遥测系统742之间的混合遥测系统702现在位于所述表面下面的井筒中。一旦井下传感器延伸超出套管靴的范围，就开始收集数据。随后，数据可被发送通过BHA30a并且到达混合遥测系统702。信号然后可从混合遥测系统702输送至钻柱遥测系统742。然后，信号从钻柱遥测系统742输送至表面单元4。来自钻柱遥测系统742的信号现在可在所述表面处被表面传感器750检测到并且被表面单元4进行解码。通过反向进行这个过程，信号还可从表面单元4被发送回BHA30a。优选地，所述系统允许在正常的钻井作业过程中进行这种通信。

图11示出了图10所示的使用备用钻柱遥测系统742a的井场系统的井下部分。除图示钻柱遥测系统为由一系列有线或无线钻管(WDPs)749制成的有线钻管(WDP)遥测系统之外，图11大致与图10相同。

WDP遥测系统742a可与如前文所述的具有WDPs 40的WDP遥测系统58是相同的。WDP遥测系统742a可与所述表面按照与前文中所述的WDP遥测系统58相同的方式相连通。如图中所示，钻柱遥测系统742a还包括遥测适配器745a。遥测适配器745a可与如前文所述的具有钻柱连接器739的遥测适配器745和/或62是相同的。

在图11示出的示例性方法中，混合遥测系统702被装配在钻柱12中从而使钻柱遥测系统742a与BHA30a中的各种元器件(例如MWD/LWD工具)相连。井下连接器734可被装配在钻柱12中并且经由BHA连接器730被操作性地连接到BHA30a。通过采用如前文中所述的TLC技术将混合遥测系统702的井下端打入钻管内径，混合遥测系统702被装配好。该连接过程造成电缆连接器与遥测子系统60的BHA连接器730闩锁和固定在一起。所述电缆的顶部与钻柱遥测系统742a相端接或准备进行连接。

然后，一个或更多个WDPs40可被加到钻柱12的顶部上面，从而形成钻柱遥测系统742a。优选地，遥测适配器745a位于WDP 40中或附近钻柱遥测系统742a的井下端处。井口连接器738操作性地与遥测适配器745a的钻柱连接器741相连。然后再加上一个或更多个WDPs40以完成整个组装过程。

在装配过程中，有可能布置任意数量的WDPs。整个钻柱可以是WDPs。然而，所希望的是：使用有限数量的WDPs，从而使得所述WDPs可以保持位于表面附近。在WDP可靠性成为关注的情况下，所希望的是：减少WDPs的数量，并且延长混合遥测系统的长度以跨过钻柱的剩余部分。在这些情况下，可使用给定数量的WDPs以支持与BHA中的工具/传感器间的高速双向通信。所希望的是：在井的顶部使用数量相对较少的有线钻管(即1000英尺(304.8公里))，并使电缆延伸穿过钻柱的剩余部分从而达到BHA。该混合遥测系统可延伸穿过一个或更多个WDPs。在这些情况下，可提供多余的或重复的遥测系统。

再回到图10，在本发明的另一可选实施例中，除遥测单元747(即图10中所示出的泥浆脉冲遥测单元)之外，钻柱遥测系统742可包括一个或更多个WDPs40。因此，在这个实施例中，钻柱遥测系统742可包括图10中所示出的遥测单元747与图11中所示出的WDP遥测系统742a的组合。例如，一旦遥测单元747位于钻柱遥测系统742中，那么然后可将一个或更多个WDPs设置在钻柱遥测系统742中遥测单元747的顶部上面，从而使得钻柱遥测系统742的上部部段中包括一个或更多个WDPs。另一种可选方式是，可将一个或更多个WDPs设置在钻柱遥测系统742中遥测单元747下面，从而使得钻柱遥测系统742的下部部段中包括一个或更多个WDPs。

图12示出了图10所示的井场系统的另一实施例。除图示混合遥测系统702包括一系列有线或无线钻管(WDPs)749之外，图12大致与图10相同。因此，与其说电缆连接混合遥测系统702的下端与混合遥测系统702的上端，不如说所述系列的WDPs 749操作性地连接到两端上。例如，位于BHA30a附近的一个WDP 749与BHA30a相连，而位于钻柱遥测系统742附近的另一个WDP 749与钻柱遥测系统742相连。因此，包括WDPs 749的混合遥测系统702可以在BHA30a与钻柱遥测系统742之间中继传送数据。

钻柱遥测系统可延伸所需部分的钻柱。根据钻柱遥测系统的所需长度，可调整WDPs的数量和常规钻管的数量，从而在井筒中所需的位置处提供所需长度的WDPs。如结合图5A-6B所述，有线钻管或混合遥测系统的一个或更多个部段可与一个或更多个套件或混合遥测系统结合使用，从而获得所需的构造。

整个通信系统优选被构造以支持用于在BHA与所述表面之间进行双向通信的非常高的数据速率。混合遥测系统可适于与任何BHA构造一起进行工作。混合遥测系统还可被构造以使得它提供总体上更简单的钻井组件。一个典型的BHA可包括钻进震击器、大重量钻管、钻铤、大量跨接结构和/或MWD/LWD工具。

在一些示例中，混合遥测系统可被布置在钻柱中并且如前文所述，传感器延伸至套管靴。另一种可选方式是，可使用带有预安装好的连接器和搭接子系统的预定长度的电缆预制混合遥测系统。在这样的预制情况下，井下传感器的位置将与电缆的长度相匹配。还有可能的是：预制出混合遥测系统，从而使得所有或部分的混合遥测系统被紧固在适当的位置处。例如，可能所希望的是：将电缆附接到钻柱的内表面上。在另一示例中，可能所希望的是：可释放地或不可释放地将连接器紧固在适当的位置处。

通过简单地反向进行所述组装过程，混合遥测系统可被选择地取回。在一些示例中，可使用打捞工具以达到穿过钻柱内径并且取回井下元器件。通过进行打捞可取回钻柱遥测系统、混合遥测系统和/或BHA的全部或一部分。这些元器件上可设有打捞头(图中未示出)，从而有利于进行取回过程，如本领域已公知地。

优选地，对井场系统的构造进行最优化，从而在不干扰钻井装置操作的情况下提供低衰减和高数据速率。可以使用BHA至混合遥测系统至钻柱遥测系统至表面单元的构造以传送更复杂的井下指令例如在钻井装置上执行的液压参数(即流量、压力、时间)的变化，其中衰减减小允许更高的频率含量。根据应用情况，所希望的是：根据井深、井下条件或其它因素，而在钻柱遥测系统中使用一定类型的遥测单元。例如，在一些示例中，可优选使用通常受到衰减限制的MWD遥测术，即钻管中的声波。

可匹配混合遥测系统的长度以有助于衰减和数据速率。这样的信号衰减可以限制深度范围和当前MWD系统的传输速度。此外，混合遥测系统可被构造以通过允许更高的通常受到衰减限制的泥浆遥测频率而加速进行MWD传输。

所希望的是：将钻柱遥测系统定位在更接近所述表面的位置处从而避免产生恶劣的井下条件。混合遥测系统可位于钻柱中以跨过所述系统暴露于恶劣条件下的部分。例如，混合遥测系统位于流动泥浆的钻柱中，从而使得BHA元器件例如遥测子系统、电源、高密度存储器以及其它元器件可被紧固在BHA内，其中它们与井下条件相隔离或不受井下条件的影响。混合遥测系统可位于井筒的暴露部分或易损部分中，从而通过使暴露于高温和高压条件下的元器件的数量减至最小程度而改进可靠性。混合遥测系统还可用在具有急弯的井中，从而跨过所述工具受到明显弯曲的部分并且有助于提供更长的寿命和/或更好的可靠性。

钻柱遥测系统还可是可从钻井工具中取回的，从而使得通过允许在钻柱遥测系统下面进行机械后退从而允许容易地接近钻柱遥测系统。钻柱遥测系统可被设置在井筒的带套管的部分内，从而减小被卡住的可能性。可使用打捞工具移除所述钻柱遥测系统，从而降低打孔成本的损失。优选地，钻柱遥测系统保持在钻孔的垂直部段中从而有利于将其移除。

还可使用钻柱遥测系统以在位于钻柱遥测系统内部的较浅的时钟(图中未示出)和与BHA内的井下传感器一起进行设置的较深的时钟(图中未示出)之间提供同步作用。在进行钻井作业时例如在地震时可使用。所述时钟还可用于通过测井电缆和湿连接系统在表面时钟(图中未示出)与较浅的时钟之间提供同步作用。在钻柱遥测系统位于相对较浅的深度处时，可在表面单元与钻柱遥测系统之间采用快速连接装置。例如可采用该连接装置从而进行导向操作。优选地，钻柱遥测系统的减小的深度可被用以允许更快地通过测井电缆从钻井装置达到钻柱遥测系统。

如图7-11所示，混合遥测系统被设置在BHA与钻柱遥测系统之间。然而，混合遥测系统可被设置在钻柱和BHA的不同位置处，如图5A-6B所示。例如，混合遥测系统的一部分可延伸进入到BHA和/或钻柱遥测系统的一部分中。混合遥测系统还可连接到表面上并且提供冗余的遥测系统。附加的遥测单元还可位于BHA中。多个混合遥测系统、电缆、连接器或其它功能部件可被设置在井筒通信系统中的冗余和/或单独的位置处。

除非另有说明，遥测套件、WDP、遥测子系统、遥测适配器、混合遥测系统、钻柱遥测系统和/或此处所描述的不同示例中的其它元器件可布置在钻柱中的任何位置，并考虑到相互之间的关系。而且，在相同的井场系统1中将遥测套件50与电缆56a结合或不与电缆56a结合可能是有利的。此处所描述的特定构造和排列并不意在是全面性的，而是仅代表采用所描述的技术的有限数量的构造。

虽然通过参考有限数量的实施例对本发明进行了描述，但从本公开中受益的本领域中熟练的技术人员会理解还能够设计出其它实施例，而并不脱离此处所描述的本发明的范围。因此，本发明的范围应仅由所附的权利要求书进行限定。

Claims (24)

1.一种在表面控制单元与井下工具之间传递信号的混合遥测系统，井下工具通过钻柱布置在穿透地下地层的井筒中，所述系统包括：

可操作性地与钻柱遥测系统相连的用于在其间进行通信的井口连接器；其中所述钻柱遥测系统包括有线钻管，所述有线钻管包括位于其每个接头的各端的利用感应传输进行信号传输的接合元件；

可操作性地与井下工具相连的用于在其间进行通信的井下连接器；以及

操作性地与井口连接器和井下连接器相连的电缆；

其中所述电缆与所述有线钻管的至少一个接头重叠。

2.根据权利要求1所述的遥测系统，其中所述井口连接器可释放地与所述钻柱遥测系统相连。

3.根据权利要求2所述的遥测系统，其中所述井口连接器是可与所述钻柱遥测系统中的相应的快速断开连接器配套连接的快速断开连接器。

4.根据权利要求1所述的遥测系统，其中所述井下连接器可释放地与所述井下工具相连。

5.根据权利要求4所述的遥测系统，其中所述井下连接器是可与所述井下工具的相应的湿式连接器配套连接的湿式连接器。

6.根据权利要求1所述的遥测系统，其中所述电缆是测井电缆。

7.根据权利要求1所述的遥测系统，其中所述混合遥测系统可被布置通过钻柱从而与所述井下工具相连。

8.根据权利要求1所述的遥测系统，其中所述混合遥测系统通过钻柱可取回从而从钻柱中被移除。

9.根据权利要求1所述的遥测系统，其中所述电缆是光纤电缆。

10.一种用于在表面控制单元与井下工具之间传递信号的井场的混合通信系统，井下工具通过钻柱布置在穿透地下地层的井筒中，该系统包括：

设置在钻柱中的钻柱遥测系统，所述钻柱遥测系统包括有线钻管，并操作性地与表面单元相连用于在其间传递信号；其中所述有线钻管包括位于其每个接头的各端的利用感应传输进行信号传输的接合元件；和

至少一个可操作性地与钻柱遥测系统和井下工具相连用于在其间传递信号的混合遥测系统，所述混合遥测系统包括：

可操作性地与钻柱遥测系统相连的用于在其间进行通信的井口连接器；

可操作性地与井下工具相连的用于在其间进行通信的井下连接器；以及

操作性地与井口连接器和井下连接器相连的电缆；

其中所述钻柱遥测系统包括用于在钻柱遥测系统与混合遥测系统之间形成接口的遥测适配器；

其中所述混合遥测系统的一部分延伸穿过所述钻柱遥测系统的一部分。

11.根据权利要求10所述的混合通信系统，进一步包括用于向表面单元发送信号和接收来自表面单元的信号的遥测单元。

12.根据权利要求10所述的混合通信系统，其中所述钻柱遥测系统包括遥测单元。

13.根据权利要求10所述的混合通信系统，进一步包括用于在井下工具与混合遥测系统之间形成接口的遥测子系统，所述遥测子系统位于井下工具中。

14.根据权利要求13所述的混合通信系统，其中所述遥测子系统具有用于操作连接井下连接器的BHA连接器。

15.根据权利要求10所述的混合通信系统，进一步包括井下工具中的用于收集数据的至少一个传感器。

16.根据权利要求15所述的混合通信系统，其中所述至少一个传感器包括MWD工具和LWD工具中的一种。

17.根据权利要求10所述的混合通信系统，其中所述混合遥测系统的一部分延伸穿过井下工具。

18.一种通过混合遥测系统在表面控制单元和井下工具之间传递信号的方法，井下工具通过钻柱布置在穿透地下地层的井筒中，所述方法包括：

操作性地将混合遥测系统的井下端连接到井下工具以与其保持通信联系；

将钻柱遥测系统定位在钻柱中距离井下工具一定的距离处，所述钻柱遥测系统包括有线钻管；其中所述有线钻管包括位于其每个接头的各端的利用感应传输进行信号传输的接合元件；并且所述钻柱遥测系统的一部分延伸穿过所述混合遥测系统的一部分；

在所述钻柱遥测系统中布置遥测适配器，所述遥测适配器用于在钻柱遥测系统与混合遥测系统之间形成接口；

经由所述遥测适配器操作性地将混合遥测系统的井口端连接到钻柱遥测系统以与其保持通信联系；以及

通过混合遥测系统在该表面控制单元与井下工具之间传递信号。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述传递信号的步骤包括通过混合遥测系统和钻柱遥测系统在表面控制单元和井下工具之间传递信号。

20.一种用于在表面控制单元与井下工具之间传递信号的井场的混合通信系统，井下工具通过钻柱布置在穿透地下地层的井筒中，该系统包括：

设置在钻柱中的钻柱遥测系统，所述钻柱遥测系统布置在井下，并操作性地与表面单元相连用于在其间传递信号；和

至少一个可操作性地与钻柱遥测系统和井下工具相连用于在其间传递信号的混合遥测系统，所述混合遥测系统包括多个连接在一起以形成钻管遥测系统的有线钻管；其中每个有线钻管在其每端包括利用感应传输进行信号传输的接合元件；

其中所述钻柱遥测系统包括用于在钻柱遥测系统与混合遥测系统之间形成接口的遥测适配器；

其中所述混合遥测系统的一部分延伸穿过所述钻柱遥测系统的一部分。

21.根据权利要求20所述的混合通信系统，进一步包括用于向表面单元发送信号和接收来自表面单元的信号的遥测单元。

22.根据权利要求20所述的混合通信系统，进一步包括用于在井下工具与混合遥测系统之间形成接口的遥测子系统，所述遥测子系统位于井下工具中。

23.根据权利要求20所述的混合通信系统，进一步包括井下工具中的用于收集数据的至少一个传感器。

24.根据权利要求23所述的混合通信系统，其中所述至少一个传感器包括MWD工具和LWD工具中的一种。

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