CN102076931B - 孔底钻具以及从孔底钻具发送数据的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在地球岩层(208，300)中钻井孔(204，301)的孔底钻具BHA(202)，包括冲击钻头(208)、适合于撞击所述钻头(208)的冲击机构、用于测量物理量并且将其转换为电信号的至少一个传感器(226，228，230，232，234)和用于把所述电信号转换为数字信号的转换装置(237)，以及一种用于从位于井孔(204，301)中的这种孔底钻具(202)发送数据的方法，所述孔底钻具(202)和所述方法其特征在于，通过在钻井期间控制所述冲击机构和由所述冲击机构对所述钻头(208)给予的两次冲击之间的时段来编码数字信号，并且通过由所述冲击机构对所述钻头(208)给予的冲击所产生的波来发送编码的数字信号。一种包括所述孔底钻具(202)的系统。

Description

孔底钻具以及从孔底钻具发送数据的方法和系统

技术领域

本发明涉及孔底钻具(bottom-hole assembly)，孔底钻具用于在地球岩层钻井孔，包括冲击钻头和适合于撞击所述钻头的冲击机构。此外，本发明涉及一种从位于地球岩层的钻井中的这种孔底钻具发送数据的方法。本发明还涉及一种从位于地球岩层的钻井中的孔底钻具发送数据的系统。

背景技术

当在地球岩层中打钻时，以往都知道借助于设置在孔底钻具中的各种传感器来测量井孔(如油井)中的多个“井下”参数或数值。孔底钻具是包括钻头的单元，并且被连接到钻柱的底端，从而其位于井孔的底部。所述传感器适当地设置在钻头后面很短的距离处。从传感器产生的数据可以被存储在孔底钻具中提供的存储器中，以供以后在把钻柱从钻井抽出时检索这些数据，或者这些数据可以被编码并且经由某种传输系统发送到地面。对于操作者来说，有益的是在钻井操作期间在地面接收所述数据，而不用等待从井孔中抽出钻柱。

此外，孔底钻具可以包括用来控制钻头的控制单元以及其它电子或机械设备。孔底钻具可以装备有不同类型的钻头和相关设备，例如冲击钻头及其冲击机构，冲击机构直接位于钻头后面，通常被称作“锤(hammer)”。钻柱向冲击机构和钻头发送必要的进给力和旋转，还有用于所述冲击机构的压缩流体，例如压缩空气或液体。冲击机构可以包括适合于直接撞击钻头撞击面的活塞。由于冲击机构跟随钻头降到井孔中，所以使用这种孔底钻具的钻井方法被称作“潜孔(down-the-hole)”钻井。

与上述不同，在顶锤(top-hammer)钻井中，冲击机构位于钻机上，即在井孔之外。

孔底钻具还可以包括旋转钻头，其装备有旋转的切削元件。

存在用于从位于孔底钻具的传感器向地面发送数据的若干已知方法。用于从孔底钻具传输数据的常用方法是泥浆脉冲遥测技术。泥浆脉冲遥测技术可以被划分为三类：连续波遥测、正脉冲遥测和负脉冲遥测。在连续波遥测中，来自井下传感器的数据通过钻管内的钻探泥浆(浆)以正弦波发送。数据包含在这种波的相位变化而不是幅度变化中。

在正脉冲遥测中，通过暂时阻碍钻管内的泥浆流动以产生可以在地面上检测到的压力增加来发送来自井下传感器的数据。

负脉冲遥测总体上与正脉冲遥测相同，但是代替压力增加，压力下降被用于编码数据的传输。不管使用哪种方法，在地面上，由地面泥浆压力换能器来检测所产生的波。然而，泥浆脉冲遥测技术表现出相当大的数据速率限制并且要求足够的泥浆。

用于从孔底钻具传输数据的另一方法是电子脉冲遥测技术。通过钻柱中的电压差，沿着所述钻柱生成低频率波的图案。与连续波泥浆脉冲遥测技术类似，通过相位改变，把数据调制成这些波，并且在地面上检测这些波。然而，当钻井特别是钻深井孔时，当信号可能在某些地球岩层中迅速地损失强度并且在几千英尺深就变得不可检测时，电子脉冲遥测术不能达到目的。

依照用于从孔底钻具传输数据的又一方法，使用一种系统，其中把电线内置到钻柱的每个管内。电线把电信号直接携带到地面。在各管之间，线缆彼此电感连接。这种系统相对于上述系统有希望实现更大的数据传输速率，无论是从孔底钻具向地面，还是从地面向孔底钻具。然而，这种系统造价昂贵，这是因为所使用的特殊钻管相对生产常规钻管更加昂贵。另外，这种系统并非完全可靠。如果单个管或在两个管之间的单个连接出现故障，那么整个系统就出现故障。

GB 2 238 782公开了一种声波遥测技术系统，其中提供了一种设备，用于进行沿着钻柱的声波遥测。所述设备包括适合于产生用于表示被测数量的电信号的传感器，用于把所述电信号转换为二进制数字形式的装置，以及多个锤，所述锤被布置成通过利用钻柱冲击而连续地驱使发送连续的二进制数字。每个锤适合于在两个相反方向之一上向钻柱给予冲击，在一个方向上的冲击表示数字一而在相反方向上的冲击表示数字零。

WO 99/19751公开了一种遥测系统，其中例如通过改变位于井孔中的钻柱的旋转速率来调制所述钻柱的应力和/或运动，以便沿着所述钻柱向井口和井下发送数据。

上述大部分用于从孔底钻具向地面发送数据的系统和方法的缺点在于在数据传输期间必须中断钻井，或者至少中断钻井以便能够以可接受的质量标准进行数据传输。这些中断是费时的并且增加了钻井施工的成本。另外的缺点是数据传输速率的限制以及数据传输的较差质量。

发明内容

本发明的目的是从位于地球岩层的井孔中的孔底钻具中提供更有效的数据传输。

通过提供如在所附权利要求1限定的方法以及通过提供如在所附权利要求6中所限定的孔底钻具来实现本发明的上述目的。

在此，提供了从位于地球岩层的井孔中的孔底钻具的有效数据传输。通过钻井动作来执行数据的编码和传输，从而当钻头作用于井孔中的地球岩层时在钻井操作期间仍然能发送来自孔底钻具的数据，并且不要求中断钻井以使得能够或便于数据传输。此外，通过本发明，增加了数据传输速率并且提高了数据传输和被传送数据的质量。所述数据可以包括关于由在孔底钻具中包括的传感器所测量的一个或若干量的信息。传感器可以位于钻头中，或者在钻头后面在钻头和钻柱之间，例如在非磁性管形构件内。借助于适当传感器测量的量可以是扭矩、钻压WOB(即钻头头部上的压力)、温度、伽马幅射、磁场、地球磁场矢量的方向、重力加速度的方向等。

至少一个传感器可以包括用于把电信号转换为数字信号的转换装置。

依照本发明方法和孔底钻具的优选实施例，电信号被转换成的数字信号是二进制数字信号。由于在数字电子电路中实现简单，二进制数系的使用是高效的。然而，也可以使用其它数系。

依照本发明方法的优选实施例，当电信号被转换为二进制数字信号时，通过控制冲击机构撞击钻头以在冲击之间生成不同的时段来执行所述编码，其中第一组时段表示数字零，而第二组时段表示数字一。在此，提供了用于生成数字一和零的高效且不复杂的方式以及用于把在检测波中包含的一与零相区分的高效方式。

依照本发明方法的进一步优选实施例，第一组时段短于第二组时段，或者反之。通过此实施例，易于相互区分在检测波中包含的一和零。

依照本发明方法的另一优选实施例，通过由冲击机构对钻头给予的冲击所产生并且在地球岩层中传播的地震波来发送编码的数字信号。经由地球岩层借助于地震波传输数据是有益的，这是因为其不依赖于钻柱的传输质量，并且不要求用于检测地震波的检测器位于钻机上。

依照本发明方法的又一优选实施例，通过由冲击机构对钻头给予的冲击所产生并且沿着连接有孔底钻具的钻柱传播的声波来发送编码的数字信号。这也是借助于波的高效传输。

可以组合地或者独立地执行通过地震波的传输和通过声波的传输。

依照本发明的孔底钻具的优选实施例，转换装置适合于把电信号转换为二进制数字信号，并且控制装置适合于通过控制冲击机构撞击钻头以在冲击之间生成不同的时段来执行编码，其中第一组时段表示数字零，而第二组时段表示数字一。

依照本发明孔底钻具的进一步优选实施例，控制装置适合于把第一组时段设置为短于第二组时段，或者反之。

依照本发明的孔底钻具的另一优选实施例，冲击机构包括相对于钻头可移动并且适合于撞击钻头的活塞，并且控制装置包括用于调整所述活塞移动的至少一个控制构件以控制由所述活塞对钻头给予的冲击和在冲击之间的时段。一个或多个控制构件可以在制造过程中置于钻头外壳中，或者可以在稍后时候再添加。

依照本发明的孔底钻具的又一优选实施例，孔底钻具包括用于激励控制装置的激励装置，其中激励装置适合于从机械能中生成电能，其中机械能例如来源于机械应力、移动、变形和振动。激励装置可以采用一个或若干压电元件的形式。这里是依照高效和不复杂方式激励的孔底钻具的电气设备，并且压电元件只需要有限的空间。不需要到地面上的能源的连接，或者容纳在孔底钻具中的电池电源，电池电源必须被再充电并且会需要在孔底钻具中的较大空间。

本发明的上述目的通过提供一种用于从位于地球岩层的井孔中的孔底钻具发送数据的系统而得以实现，其中孔底钻具包括在权利要求6到10中任何一个所提及的部件，并且在系统中包括用于检测在钻井期间由冲击机构对钻头给予的冲击所产生的波的检测器装置。

依照本发明的系统的优选实施例，所述系统包括被连接到检测器装置的第二转换装置，并且第二转换装置适合于把通过所述检测器装置检测的波所发送的编码数字信号解码为经解码的数字信号。

依照本发明的系统的进一步优选实施例，检测器装置包括用于检测由冲击机构对钻头给予的冲击所产生并且在地球岩层中传播的地震波的装置。所述装置可以采用位于地面上的、用来检测地震波的地震检波器的形式。

依照本发明的系统的另一优选实施例，所述系统包括孔底钻具所连接的钻柱，并且检测器装置包括用于检测由冲击机构对钻头给予的冲击所产生并且沿着所述钻柱传播的声波的装置。用于检测声波的装置可以采用各种声传感器的形式，包括压力、速度和加速度传感器，并且加速度传感器可以采用两轴或三轴加速计的形式。

本发明的系统可以包括用于检测地震波的装置和用于检测声波的装置两者或者包括所述装置之一。

孔底钻具例如可以包括在EP 0 834 559 A2中公开的潜孔钻头和冲击机构，其中通过旋转钻柱来实现钻头的旋转。

优选地，本发明还可以与在WO01/75288A1中公开的方法组合，所述方法借助位于地面上用于地震波检测的地震检波器在钻井期间确定钻头的位置。

依照本发明的方法、孔底钻具和系统的进一步优选实施例和优点根据从属权利要求和优选实施例的详细说明将显现出来。

附图说明

为了示例性目的，现将更详细地通过实施例并且参考附图来描述本发明，其中：

图1是示出依照本发明的方法的各方面的流程图；

图2是依照本发明的孔底钻具的实施例的示意性部分剖视图；并且

图3是示出依照本发明的系统的实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出了图示本发明的方法的各方面的流程图，所述方法用于从位于地球岩层的井孔中的孔底钻具BHA发送数据，其中BHA包括至少一个传感器、冲击钻头和冲击机构，所述冲击机构包括用于在钻井期间撞击钻头冲击面的压缩空气驱动的活塞。

在步骤102，测量例如扭矩的物理量，并且所述物理量借助于传感器被转换为电信号。在步骤104，借助于包括处理器装置的控制单元把电信号转换为二进制数字信号，并且在步骤106把所述二进制数字信号存储在存储装置中以用于将来的传输。然而，也可以在不进行存储的情况下进行该方法。

当到达从BHA发送二进制数字信号的时间时，在步骤108，通过在地面上测量由活塞冲击所生成的地震波的频率，来检测冲击机构的当前工作冲击频率，即活塞对钻头的冲击面的冲击频率，并且把测量的波频率存储在地面上的接收单元的存储装置中。

为了表明相关数据正在传输，控制单元控制冲击机构延长在由冲击机构向钻头给予的两次冲击之间的时段，延长的时段表示数字一，并且在步骤110，所述控制单元控制冲击机构生成六个这种延长的时段。在六个延长的时段之后，控制单元控制冲击机构把在两次冲击之间的时段缩短为减小的或“短”时段，其短于延长的时段并且表示数字零，并且生成六个这种短时段。这些短时段可以对应于冲击机构的当前“工作”时段。通过发送由包含六个“一”和六个“零”的冲击序列所生成的初始波序列，以下被称作分界符，在地面上的接收单元可以把此波序列与任何其它波序列相区分，所述其它波序列源于这样的任何冲击序列，其中在冲击之间的时段由于冲击机构的工作频率的通常变化而改变，并且因此向接收单元通知发送了相关的数据块。

如果该机构的工作频率是40Hz，则两次冲击之间的工作时段是25ms，在这种情况下，它与“短”时段相同，并且延长的时段可以是27ms。在这种情况下，由此把时段延长2ms以生成延长的时段，但是任何其它适当的延长也是可以的。一种可能性还是减少用于执行编码的工作时段，并且“短”时段由此短于工作时段。用以执行本发明的编码的、机构的其它频率变化也是可以的。

在生成第一分界符之后，在步骤112，控制单元通过控制冲击机构和两次冲击之间的时段来编码由“一”和“零”序列表示的二进制数字信号，使得把每个数字一编码为延长的时段并且把每个数字零编码为短时段。在编码来源于传感器的整个二进制数字信号之后，在步骤114，执行对应于步骤110测量的测量，即控制单元控制冲击机构生成包括六个延长的时段跟着六个短时段的第二分界符。第一分界符、编码的二进制数字信号和第二分界符形成数据块。通过第二分界符，向接收单元通知完成了相关数据的传输。自然地，本发明可以使用若干其它代码来生成分界符并且形成数据块，例如4B5B，其是数据通信行代码的已知形式。

在编码和传输数据块之后，在步骤116，通过用于测量由冲击机构生成的地震波频率的接收单元再次检测工作冲击频率，并且在步骤118，把在编码和传输之后测量的波频率与在编码过程之前测量的存储的测量电波频率相比较。如果在这两个测量的波频率之间的差在确定的水平x以上，那么这表明在数据传输期间工作冲击频率已经改变得太多并且编码和发送的数据被认为是不可靠的。从而忽视发送的数据并且再次编码和发送二进制数字信号，即重复步骤108到118。如果在两个测量的波频率之间的差在确定的水平x之下，那么工作冲击频率中的任何变化低得令人满意从而发送的数据被认为是可靠的。

在正常情况下，冲击机构的工作冲击频率通常在20和40Hz之间改变，但是在极端情况下可能在15和100Hz之间改变，并且可依照本发明编码和发送的数据块的长度是依赖于冲击频率的稳定性的并且受其限制。当冲击机构以一定频率工作时，例如40Hz，在没有任何实质频率偏移的情况下，仍然可能存在大约1ms的频率变化，并且当分别对二进制一和零设置时段之间的差时必须考虑此“局部”频率变化，使得把用于表示数字一的时段与用于表示数字零的时段相区分。由于在一定工作频率存在频率变化，所以由属于第一组时段的量或第一范围的量来表示数字零，并且由属于第二组时段的量或第二范围的量来表示数字一。

在步骤120，包括处理装置并且被连接到用于检测地震波的检测器装置的接收单元，把由所述地震波发送并且由检测器装置检测的编码数字信号解码为经解码的数字信号，并且例如在计算机显示器上向操作者呈现来自经解码的数字信号的数据。在钻井操作期间，执行从BHA202发送数据，而没有任何中断。

图2示意地示出了依照本发明的孔底钻具BHA 202的实施例，用于在地球岩层206中钻井孔204。BHA 202包括冲击钻头208和冲击机构，所述冲击机构包括压缩空气控制的活塞210。钻头208和活塞210容纳在管状外壳212中并且钻头208和活塞在外壳212的轴方向上相对于外壳212可移动。活塞210具有适合于撞击钻头208的冲击面216的头部214，和第一驱动面218，第一驱动面218面向由外壳212的内壁和第一驱动面218所限定的腔室220。活塞210还设置有第二驱动面219，在钻井期间连续地对所述第二驱动面219加压。BHA 202可连接到钻柱222，并且钻柱222向冲击机构和钻头208传输旋转。

BHA 202还包括位于外壳212和钻柱222之间的非磁性管形构件224，其中管形构件224容纳用于测量温度的温度传感器226、用于测量伽马幅射的辐射传感器228、用于测量磁场的传感器230、用于测量地球磁场矢量的方向的传感器232、用于测量BHA 202扭矩的传感器和用于测量重力加速度方向的传感器234。钻头208装备有用于感测钻压WOB的传感器。每个传感器适合于把测量的量转换为电信号。管形构件224还容纳具有处理器的控制单元236、用于把任何电信号转换为二进制数字信号的转换装置237和用于存储由所述传感器测量的量的存储装置。管形构件224还可以容纳其它设备。控制单元236适合于控制冲击机构。

上述的腔室220装备有阀238并且活塞210的移动由阀238控制，作为选择，阀238把第一驱动面218连接到压力源或低压。控制单元236适合于控制采用致动器形式的控制构件240，它适合于作用于阀238来调整活塞210的移动以控制由活塞210对钻头208给予的冲击以及在由冲击机构给予的冲击之间的时段。

经由控制构件240和阀238，控制单元236适合于通过控制冲击机构撞击钻头208以在冲击之间生成不同的时段来编码用于表示由传感器226-234测量的物理量的数字信号，其中第一组时段表示数字零，而第二组时段表示数字一。第一组时段短于第二组时段。BHA 202还包括容纳在管形构件224中的压电元件242，用于激励控制单元236、控制构件240和诸如传感器之类的BHA的附加设备。压电元件242从机械能中生成电能。控制单元236适合于执行结合图1所公开的方法的不同方面。

图3示意地示出了依照本发明的用于从位于地球岩层300的井孔301中的BHA 202发送数据的系统的实施例。如上所述，所述系统包括被连接到常规钻机303、BHA 202的钻柱302，其中所述BHA 202被连接到钻柱302的底端；还包括位于地面上采用地震检波器304形式的检测器装置304，其用于检测在钻井期间由冲击机构对钻头208给予的冲击所产生并且经由地球岩层304传播的地震波。从而，检测器装置304接收对应于发送的数据块的地震波。所述系统包括接收单元306，其包括CPU并且被连接到检测器装置304。接收单元306包括第二转换装置308，其适合于把借助检测器装置304检测的波所发送的编码数字信号解码为经解码的数字信号。接收单元306装备有用于存储经解码的数字信号的存储装置310和用于向操作者呈现来自所述经解码的数字信号的数据的显示器312。

应当理解，本发明不限于以上公开的实施例，并且在不脱离如所附权利要求限定的发明范围的情况下可以修改系统、BHA和方法的特征。例如，冲击机构和钻头可以具有其它设计，并且以上公开实施例中的位于管形构件中的设备可以位于钻头或外壳中。

Claims (14)

1.一种用于从位于地球岩层（206，300）的井孔（204，301）中的孔底钻具（202）发送数据的方法，其中所述孔底钻具（202）包括至少一个传感器（226，228，230，232，234）、冲击钻头（208）和适合于撞击所述钻头（208）的冲击机构，通过所述传感器（226，228，230，232，234）来测量物理量并且将其转换为电信号，所述电信号被转换为数字信号，所述方法包括以下步骤： 

-通过在钻井期间控制所述冲击机构以及由所述冲击机构对所述钻头（208）给予的两次冲击之间的时段来编码所述数字信号，并且 

-通过由所述冲击机构对所述钻头（208）给予的冲击所产生的波来发送编码的数字信号。 

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电信号被转换为二进制数字信号，并且通过控制所述冲击机构撞击所述钻头（208）以产生所述冲击之间的不同的时段来执行所述编码，其中第一组时段表示数字零，而第二组时段表示数字一。 

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一组时段短于所述第二组时段，或者反之。 

4.如权利要求1到3中任何一个所述的方法，其特征在于，所述编码的数字信号通过由所述冲击机构对所述钻头（208）给予的冲击所产生并且在地球岩层（206，300）中传播的地震波来发送。 

5.如权利要求1到3中任何一个所述的方法，其特征在于，所述编码的数字信号通过由所述冲击机构对所述钻头（208）给予的冲击所产生并且沿着所述孔底钻具（202）所连接到的钻柱（222，302）传播的声波来发送。 

6.一种用于在地球岩层（206，300）中钻井孔（204，301）的孔底钻具（202），包括冲击钻头（208）、适合于撞击所述钻头（208）的冲击机构、用于测量物理量并且将其转换为电信号的至少一个传感器（226，228，230，232，234）和用于把所述电信号转换为数字信号的转换装置（237），其特征在于，所述孔底钻具（202）包括用于控制所述冲击机构以及由所述冲击机构对所述钻头（208）给予的两次冲击之间的时段的控制装置，并且在于，所述控制装置适合于通过在钻井期间控制所述冲击机构以及由所述冲击机构对所述钻头（208）给予的两次冲击之间的时段来编码所述数字信号，借此编码的数字信号通过由所述冲击机构对所述钻头（208）给予的冲击所产生的波来发送。 

7.如权利要求6所述的孔底钻具，其特征在于，所述转换装置（237）适合于把所述电信号转换为二进制数字信号，并且所述控制装置适合于通过控制所述冲击机构撞击所述钻头（208）以生成所述冲击之间的不同的时段来执行所述编码，其中第一组时段表示数字零，而第二组时段表示数字一。 

8.如权利要求7所述的孔底钻具，其特征在于，所述控制装置适合于把所述第一组时段设置为短于所述第二组时段，或者反之。 

9.如权利要求6到8中任何一个所述的孔底钻具，其特征在于，所述冲击机构包括相对于所述钻头（208）可移动并且适合于撞击所述钻头（208）的活塞（210），并且在于，所述控制装置包括至少一个控制构件（240），用于调整所述活塞的移动以控制由所述活塞对所述钻头（208）给予的冲击和所述冲击之间的时段。 

10.如权利要求6到8中任何一个所述的孔底钻具，其特征在于，所述孔底钻具（202）包括用于激励所述控制装置的激励装置（242），其中所述激励装置（242）适合于从机械能中生成电能。 

11.一种用于从位于地球岩层（206，300）的井孔（204，301）中的孔底钻具（202）发送数据的系统，其中所述系统包括孔底钻具（202），其特征在于，所述孔底钻具（202）包括如在权利要求6到10中任何一个所提及的特征，并且在于，所述系统包括检测器装置，用于检测在钻井期间由所述冲击机构对所述钻头（208）给予的冲击所产生的波。 

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述系统包括被连接到所述检测器装置的第二转换装置（308），并且在于，所述第二转换装置（308）适合于把通过由所述检测器装置（304）检测的波所发送的编码数字信号解码为经解码的数字信号。 

13.如权利要求11或12所述的系统，其特征在于，所述检测器装置（304）包括装置（304）用来检测由所述冲击机构对所述钻头（208）给予的冲击所产生并且在地球岩层（206，300）中传播的地震波。 

14.如权利要求11到12中任何一个所述的系统，其特征在于，所述系统包括所述孔底钻具（202）所连接到的钻柱（222，302），并且在于，所述检测器装置包括用于检测由所述冲击机构对所述钻头（208）给予的冲击所产生并且沿着所述钻柱（222，302）传播的声波的装置。 

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