CN102272406B - 井底通信装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了井底通信装置及使用该井底通信装置的方法。本发明的一个方面提供了一种井底通信装置，包括：第一能量收集装置、与第一能量收集装置通信的井底收发器、与第一能量收集装置通信的蓄能器以及微控制器。所述微控制器管控第一能量收集装置、收发器和蓄能器之间的通信。

Description

井底通信装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及井底通信装置和使用井底通信装置的方法。
背景技术
发电在井底钻探环境中是持续的挑战。从地面传递电能通常是不太实际的。因此，通常使用井下发电装置例如泥浆马达。尽管这种装置通常结合在钻柱的末端处，但对于沿着钻柱分布的中继装置来说，泥浆马达通常在尺寸和功率输出方面太大。因此，需要能够沿着钻柱安装和产生电能的发电装置。
发明内容
本发明提供了井底通信装置及使用该井底通信装置的方法。
本发明的一个方面提供了一种井底通信装置，包括：第一能量收集装置、与第一能量收集装置通信的井底收发器、与第一能量收集装置通信的蓄能器以及微控制器。所述微控制器管控第一能量收集装置、收发器和蓄能器之间的通信。
该方面可具有多个实施例。所述井底通信装置可包括：与微控制器和井底收发器通信的传感器。传感器可与微控制器以有线方式或无线方式通信。
所述井底通信装置可包括第二能量收集装置。第二能量收集装置可与所述传感器通信。所述井底收发器可与远离第一井底收发器的第二井底收发器通信。
第一能量收集装置可以是基本上连续的发电器。基本上连续的发电器可以是从以下组中选择的一种或多种：摩擦生电式发电器、电磁发电器和热电发电器。第一能量收集装置可以是散发性(sporadic)的发电器。散发性的发电器可以是压电发电器。
蓄能器可以是从以下组中选择的一种或多种：液气蓄能器、弹簧蓄能器、电化电池、蓄电池、可充电电池、铅酸电磁、电容器和强制器。微控制器可被构造用于调节从蓄能器的功率释放。微控制器可估计存储在蓄能器中的现有能量。井底收发器可从以下组中选择：电收发器、液压收发器和声收发器。
本发明的另一方面提供了一种钻探控制系统，包括：井底通信装置和至少一个转发器。所述井底通信装置包括：第一能量收集装置、与第一能量收集装置通信的第一井底收发器、与第一能量收集装置通信的第一蓄能器、第一微控制器以及与微控制器和第一井底收发器通信的传感器。第一微控制器管控第一能量收集装置、第一井底收发器和第一蓄能器之间的通信。转发器包括：第二能量收集装置、与第二能量收集装置通信的第二井底收发器、与第二能量收集装置通信的第二蓄能器以及第二微控制器。第二微控制器管控第二能量收集装置、第二井底收发器和第二蓄能器之间的通信。
该方面可具有多个实施例。钻探控制系统可包括井上通信装置。所述井上通信装置可包括：电源以及与电源电耦合的接收器。井上通信装置可包括电耦合到电源的发射器。井底通信装置可包括与微控制器电耦合的接收器。
本发明的另一方面提供了一种井底钻探的方法。所述方法包括以下步骤：提供井底部件；提供至少一个转发器；提供井上部件；从传感器获得钻探数据；将钻探数据从井底部件传输到所述至少一个转发器中的第一个转发器；将钻探数据传递到任何随后的转发器；以及将钻探数据从所述至少一个转发器中的最后一个转发器传输到井上部件。井底部件包括：第一能量收集装置；与第一能量收集装置通信的第一井底收发器；与第一能量收集装置通信的第一蓄能器；第一微控制器；以及与第一微控制器和第一井底收发器通信的传感器。第一微控制器管控第一能量收集装置、第一井底收发器和第一蓄能器之间的通信。所述至少一个转发器包括：第二能量收集装置；与第二能量收集装置通信的第二井底收发器；与第二能量收集装置通信的第二蓄能器；以及第二微控制器。第二微控制器管控第二能量收集装置、第二井底收发器和第二蓄能器之间的通信。所述井上部件包括电源以及电耦合到电源的接收器。
附图说明
为了更全面地理解本发明的特征和期望目标，请参看下面结合附图所作的详细描述，其中，在所有的附图中，相同的附图标记均表示相应的部件，附图包括：
图1示出了根据本发明的一个实施例的可应用本发明的井场系统。
图2示出了根据本发明的一个实施例的用于井底组件与井上通信装置之间的通信的总体布局。
图3示出了根据本发明的一个实施例的井底通信装置。
具体实施方式
本发明提供了井底通信装置和使用井底通信装置的方法。本发明的一些实施例可用于井场系统中。
井场系统
图1示出了可应用本发明的井场系统。井场可以是陆地上的或海底上的。在该示例性系统中，井眼11以众所周知的方式通过旋转钻井形成在地下的地层中。本发明的多个实施例也可使用定向钻探，这将在下面进行描述。
钻柱12悬置在井眼11内，且具有井底组件(BHA)100，所述井底组件100在其下端包括钻头105。地面系统包括定位在井眼11上方的平台和钻塔组件10，所述组件10包括转台16、方钻杆(kelly)17、钩18和旋转接头19。钻柱12通过转台16转动，所述转台由未示出的装置驱动，且在钻柱的上端处接合方钻杆17。钻柱12通过方钻杆17和旋转接头19悬置于加装到游动滑车(也未示出)的钩18，所述旋转接头19允许钻柱相对于钩转动。众所周知，可替代性地使用顶驱系统。
在该实施方式的示例中，地面系统还包括储存在形成于井场处的坑27中的钻井流体或泥浆26。泵29经由旋转接头19中的端口将钻井流体26给送到钻柱12的内部，从而，使得钻井流体如方向箭头8所示地向下流经钻柱12。钻井流体经由钻头105中的端口排出钻柱12，然后通过钻柱的外侧与井壁之间的环形区域向上循环，如方向箭头9所示。以该众所周知的方式，钻井流体润滑钻头105，并在它返回到坑27以再循环时将岩屑上送到地面。
示出的实施例的井底组件100包括随钻测井(LWD)模块120、随钻测量(MWD)模块130、旋转导向系统(roto-steerable system)和马达以及钻头105。
LWD模块120如现有技术中所公知的那样容纳在一种特殊类型的钻铤中，且可包含一种或多种现有类型的测井工具。还可以理解，可采用一个以上的LWD和/或MWD模块，例如如图中的附图标记120A所示(在整个申请中，对附图标记120的位置处的一个模块的描述同样适用于附图标记120A的位置处的一个模块)。LWD模块具有用于测量、处理和储存信息以及用于与地面仪器通信的能力。在本实施例中，LWD模块包括压力测量装置。
MWD模块130也如现有技术中所公知的那样容纳在一种特殊类型的钻铤中，且可包含一个或多个用于测量钻柱和钻头的特性的装置。MWD工具还包括用于向井底系统产生电能的装置(未示出)。这通常可包括由钻井流体流驱动的泥浆涡轮发电机(也称作“泥浆马达”)，可以理解，也可采用其他电能和/或电池系统。在本实施例中，MWD模块包括以下类型的测量装置中的一种或多种：钻压测量装置、扭矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置、粘滑测量装置、方向测量装置和倾斜测量装置。
该系统的特别有利的应用是与受控导向或“定向钻探”相结合。在该实施例中，设有旋转导向子系统150(图1)。定向钻探有意地使井眼偏离自然所取的路径。换言之，定向钻探对钻柱进行导向，使得钻柱沿期望的方向行进。
定向钻探例如在海底钻探中是有利的，这是因为它能够使许多井从单个平台钻探。定向钻探还使得能够进行通过储层的水平钻探。水平钻探能够使更长的井眼穿过储层，这增大了井的产率。
定向钻探系统还可用于垂直钻探操作中。通常，钻头会由于穿过的地层的不可预测的特性或钻头105经受的力的变化而偏离计划的钻探轨迹。当出现这种偏离时，定向钻探系统可用于将钻头105带回到计划轨迹上。
现有的定向钻探方法包括使用旋转导向系统(“RSS”)。在RSS中，钻柱从地面转动，且井底装置使得钻头105沿期望方向钻探。转动钻柱大大地降低了钻柱在钻探过程中搁浅或卡住的发生。用于在地中钻探偏斜井眼的旋转导向钻探系统通常可分为“指向式钻头”系统或“推靠式钻头”系统。
在指向式钻头系统中，钻头105的转动轴线偏离新井孔的走向上的井底组件的局部轴线。井孔根据由上、下稳定器接触点和钻头105限定的常规三点几何关系延伸。与钻头105和下稳定器之间的有限距离关联的钻头轴线的偏斜角度导致要产生的曲线所需的非共线的条件。具有许多种可实现此点的方式，包括在井底组件中的与下稳定器接近的点处的固定弯曲部或分布在上、下稳定器之间的钻头驱动轴的挠曲。在其理想化的形式下，钻头105不需要向侧旁切割，这是因为钻头轴线在弯曲井孔的方向上连续地转动。指向式钻头型旋转导向系统的多种示例以及它们如何操作描述于美国专利申请公开No.2002/0011359；2001/0052428和美国专利No.6,394,193；6,364,034；6,244,361；6,158,529；6,092,610；以及5,113,953中。
在推靠式钻头旋转导向系统中，通常不具有特别确定的机构来使钻头轴线偏离局部井底组件轴线；相反，必需的非线性条件通过使上、下稳定器中的任一个或两者沿一个方向施加偏心力或移位实现，所述方向优选相对于孔的延伸方向定向。此外，具有许多种可实现此点的方式，包括：不转动的(相对于井眼)偏心稳定器(基于位移的方法)和沿期望的导向方向向钻头105施加力的偏心致动器。而且，导向通过在钻头105与至少两个其他接触点之间产生非共线性实现。在其理想化的形式下，钻头105需要向旁侧切割，以产生弯曲的井孔。推靠式钻头型旋转导向系统的多个示例和它们如何操作描述于美国专利No.5,265,682；5,553,678；5,803,185；6,089,332；5,695,015；5,685,379；5,706,905；5,553,679；5,673,763；5,520,255；5,603,385；5,582,259；5,778,992；5,971,085中。
井底装置
图2示出了用于井底组件100与井上通信装置202之间的通信的总体布局。井底通信装置204定位在井底组件100内或接近井底组件100。井底通信装置可从井底组件100和/或钻头105中的传感器接收信息。在一些实施例中，井底通信装置204可与沿着钻柱12的一个或多个转发器206、208通信，所述转发器将通信中继到井上通信装置202。井底控制装置204和转发器206、208中的每个均可是自供电且无线通信的独立装置。井上通信装置202、井底通信装置204和转发器206、208之间的距离可根据钻探环境和使用的通信技术和协议变化。在一些实施例中，转发器206、208大约每隔一英尺、每隔两英尺、每隔三英尺、每隔四英尺、每隔五英尺、每隔六英尺、每隔七英尺、每隔八英尺、每隔九英尺、每隔十英尺、每隔十五英尺、每隔二十英尺、每隔二十五英尺等距离设置。
图3示出了根据本发明的一个实施例的井底通信装置300。井底装置300包括能量收集装置302、收发器304、蓄能器306、微控制器308和传感器310。这些部件中的每个部件可彼此直接地或间接地(即，通过一个或多个其他部件)通信。
一个或多个能量收集装置302可被提供给井底环境下产生的能量。能量收集装置302可以是基本上连续的发电器和/或散发性的发电器。基本上连续的发电器从基本上恒定的源、例如温度和机械力采集能量。例如，基本上连续的发电器可以是热电发电器，所述热电发电器通过使用塞贝克效应利用温差产生电能。包括p-n结(例如，包括碲化铋)的薄的热电发电器可以能安装在钻柱上的条带或环形成。在热电发电器的一侧，通过钻柱在井眼11中的转动所产生的摩擦生热。流过钻柱的泥浆冷却热电发电器的另一侧，从而产生温差。
在另一实施例中，基本上连续的发电器可以是机械式发电器，例如由泥浆马达旋转的电磁涡轮机。泥浆马达在多个公开物中被描述，例如，作者为G.Robello Samuel的Downhole Drilling Tools：Theory & Practice for  Engineers & Students 288-333(2007)；Standard Handbook of Petroleum &  Natural Gas Engineering 4-276-4-299(William C.Lyons & Gary J.Plisga eds.2006)；以及作者为1 Yakov A.Gelfgat等人的Advanced Drilling Solutions： Lessons from the FSU 154-72(2003)。
基本上连续的发电器也可以是摩擦生电式发电器，所述摩擦生电式发电器通过接触和分离不同的材料产生电能。不同的材料可根据摩擦电序选择，所述摩擦电序基于在材料与另一物体接触时的电荷分离的极性对材料进行排序。摩擦电序中的材料包括：玻璃、石英、云母、尼龙、铅、铝(前面的材料从最佳地产生正电荷到至少产生正电荷排序)、钢(不带电)、聚乙烯(甲基丙烯酸甲酯)、琥珀、丙烯酸树脂、聚苯乙烯、树脂、硬质橡胶、镍、红铜、硫磺、黄铜、银、金、铂、醋酸盐、合成橡胶、聚酯、苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯基、硅、聚四氟乙烯和硅橡胶(前面的材料从至少产生负电荷到最佳地产生负电荷排序)。摩擦生电可通过在摩擦电序中选择彼此远离的材料而可被最大化。
摩擦电可通过将一种材料连接到旋转装置例如泥浆马达产生。在另一实施例中，一种摩擦带电材料可安装在环的内侧，所述环适于在钻柱转动时在钻柱上滑动。另一摩擦带电材料可安装在钻柱的外部。
一个或多个能量收集装置302也可以是散发性的发电器，例如压电发电器。当施加应力时，压电材料产生电能。合适的压电材料包括：块磷铝矿(AIPO4)、蔗糖、石英(SiO2)、罗谢尔盐(KNaC4H4O6·4H2O)、黄晶(Al2-SiO4(F，OH)2)、电气石矿、磷酸镓(GaPO4)、兰克赛(La3Ga5SiO14)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅(Pb[ZrxTi1-x]O3，0＜x＜1)、硝酸钾(KNbO3)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、钨酸钠(Na2WO3)、Ba2NaNbO5、Pb2KNb5O15、聚偏氟乙烯(-(CH2CF2)n-)、铌酸钾钠和铋铁氧体(BiFeO3)。
压电材料可位于钻柱中的任何位置处，这是因为整个钻柱在钻探过程中经受冲击和振动。特别合适的位置包括：钻柱、井底组件100、钻头105的外侧，或各个钻柱部件之间的连接器内。
收发器304可以是任何能够发射和/或接收数据的装置。这种装置例如包括：在极低频(ELF)、超低频(SLF)、特低频(ULF)、甚低频(VLF)、低频(LF)、中频(MF)、高频(HF)或甚高频(VHF)范围下操作的无线电装置；在特高频(UHF)、超高频(SHF)或极高频(EHF)范围下操作的微波装置；在远红外、中红外或近红外范围下操作的红外线装置；可见光装置、紫外线装置、X-射线装置和gamma射线装置。收发器304可以附加性地或替代性地通过声波或超声波或经由钻井流体(例如，泥浆)中的脉冲序列发射和/或接收数据。泥浆通信系统公开于美国专利公开No.2006/0131030中，该专利公开通过引用包括在本说明书中。合适的系统可从美国的德克萨斯州的舒格兰的斯伦贝谢(Schlumberger)技术公司的商标为POWERPULSETM的产品获得。在另一实施例中，钻柱的金属(例如钢)可用作通信的管道。
蓄能器306可以是液气蓄能器、弹簧蓄能器、电化电池、蓄电池、可充电电池、铅酸电磁、电容器和/或强制器。
液气蓄能器利用现有电能(例如，来自散发性的发电器或基本上连续的发电器)泵送流体(例如，使气体或液体进入压力罐中)。当在随后的时间点需要电能时，被加压的流体用于向涡轮机提供动力，以产生电能。
在另一实施例中，压缩弹簧增设到液气蓄能器中的压力罐，以向膜片提供压力，所述膜片向罐中的流体提供基本上恒定的压力。
在另一实施例中，蓄能器是电化电池，例如蓄电池、可充电电池或铅酸电池。电化电池由化学反应产生电动势(电压)。可充电电池的示例包括铅硫酸蓄电池、碱性电池、镍镉(NiCd)电池、镍氢(NiH2)蓄电池、镍金属氢化物电池(NiMH)、锂离子(Li-ion)电池、锂离子聚合物(Li-ionpolymer)电池等。
电容器在一对称作“板”的导体之间的电场中储存能量。
强制器或“补偿脉冲发电机”通过“旋转”转子储存电能，所述转子随后可用于在需要动力时转动电机。强制器描述于美国专利No.4,200,831中。
微控制器308可以是能够执行以下功能中的一种或多种功能的任何硬件和/或软件装置：(i)控制能量收集装置302和/或蓄能器306的操作(例如，电能产生)；(ii)处理来自收发器304和/或传感器310的数据；以及(iii)控制传感器310与收发器304之间的通信。
微控制器308可包括集成的中央处理单元(CPU)、存储器(例如，随机存取存储器(RAM)、程序存储器)和/或能够执行输入和/或输出的外围装置。存储器可存储执行上述任务的一个或多个程序。微控制器308可包括其他结构特征、例如模数转换器、定时器(例如，可编程的计时器)、时间处理单元(TPU)、脉宽调制器和/或通用异步接收器/发射器(UART)。
微控制器308可支持中断，以处理部件例如能量收集装置302、收发器304、蓄能器306和/或传感器310中产生的事件。中断可包括错误、异常事件，例如超过指定值的传感器值等。
微控制器308也可控制位于钻头105和/或井底组件100内和/或邻近钻头105和/或井底组件100的一个或多个导向装置(未示出)。导向装置的选择性动作可指引钻头和/或推动钻头，以沿期望方向钻井。
微控制器308可估计储存在蓄能器306中的能量。用于估计储存的能量的各种方法描述于美国专利No.5,565,759；6,191,556；6,271,647；6,449,726；6,538,449；6,842,708；6,870,349；7,295,129；和7,439,745；和美国专利公开No.2001/0001532；2007/0029974；和2008/0004839中。
微控制器308也可以调节从蓄能器306和/或能量收集装置302的功率流，以保持期望的性能水平和/或持续时间。例如，微控制器308可选择性地启动和/或关断收发器304和/或传感器310，以保存电能。微控制器308可执行一个或多个电能配置计划，以基于可从蓄能器306和/或能量收集装置302获得的电能量调节来自收发器304和/或传感器310的信号的频率和/或传输功率。例如，如果蓄能器306具有大约180秒的电能，能量收集装置302每分钟产生大约20秒的电能，传感器310和收发器304需要大约30秒的电能来获得和发射数据，则微控制器308可每隔两分钟给传感器310和收发器304供电，以保持足够的电能。微控制器308还可例如通过在从传感器310接收到所需的数据之后启动收发器优化传感器310和收发器304的操作，以保存电能。
井底控制装置204可与转发器206、208和井上通信装置202同步，以保存电能。例如，每个装置中的微控制器308可选择性地以确定的时间间隔(例如，每隔一分钟、每隔两分钟等)给传感器310和/或收发器304供电，以发射和接收数据。在一些实施例中，井上收发器连续地被供电，这是因为该装置通常可连接到持久电源例如线电压和/或变压器，但对于转发器206、208和井底通信装置204，仍可使传输与指定时间相协调。
传感器310可包括一个或多个装置，例如三轴线式加速计和/或磁力计传感器，以探测井底组件100的倾度和方位角。传感器310也可提供地层特性或钻探动态数据给控制单元。地层特性可包括从超声成像装置或核成像装置、例如美国专利公开No.2007/0154341中公开的那些装置收集的相邻地层的信息，该专利公开的内容通过引用包括在本说明书中。钻探动态数据可包括井底组件100的振动、加速度、速度和温度的测量结果。
传感器310和微控制器308可通过各种有线或无线装置或标准通信耦合。标准的示例包括：并行端口或串行端口、通用串行总线(USB)、USB2.0、火线(Firewire)、以太网、千兆位以太网、IEEE 802.11(″Wi-Fi″)等。
传感器310可通过能量收集装置302和/或第二能量收集装置供电(即，能量收集装置302以外的能量收集装置)供电。第二能量收集装置可以是在此描述的任何能量收集装置。传感器310可被散发性供电，因为可获得足够的电能。
转发器206、208可包括与井底通信装置204类似的部件。这些部件可包括能量收集装置302、收发器304、蓄能器306和微处理器308。在许多实施例中，转发器206、208不包括传感器310，但这种实施例仍处于本发明的范围内。
转发器206、208可在产生输出信号之前放大输入信号和/或整形和/或重定时输入信号。转发器的特性可根据输入信号的特性变化，这是因为整形和重定时通常仅对数字信号是合适的。在一些实施例中，转发器206、208将以不同的频率发送和接收，以避免干扰。转发器206、208可沿井上和/或井下方向传递数据。
井上控制装置202可包括与井底通信装置204类似的部件。这些部件可包括收发器304和微处理器308。在许多实施例中，井上控制装置202不包括传感器310、能量收集装置302、蓄能器306，但这种实施例也处于本发明的范围内。
井上控制装置202还可包括附加建模装置，所述附加建模装置用于计算钻柱的轨迹和监测相对于期望轨迹的任何偏差。这种建模装置可经由通信技术、例如电话线、卫星链路、移动电话服务、以太网、WLAN、DSL等连接到另外的建模装置、数据库等。
通过引用加入
所有专利、公开的专利申请以及其他在此公开的参考文献整体上通过引用包括在本说明书中。
等同替换
本领域的技术人员将认识到或能够在仅利用常规实验的情况下获得此处描述的本发明的特定的实施例的许多等同替换。这种等同替换意欲由权利要求涵盖。

Claims (10)

1.一种井底通信装置，包括：
第一能量收集装置；
与第一能量收集装置通信的第一井底收发器；
与第一能量收集装置通信的蓄能器；以及
微控制器，其中，所述微控制器管控第一能量收集装置、第一井底收发器和蓄能器之间的通信，估计蓄能器中的能量，以及调节从蓄能器的功率流，所述微控制器执行电能配置计划，以基于蓄能器的能量调节来自第一井底收发器的信号的频率和/或传输功率。
2.如权利要求1所述的井底通信装置，其特征在于，所述井底通信装置还包括：
与微控制器和第一井底收发器通信的传感器。
3.如权利要求2所述的井底通信装置，其特征在于，传感器与微控制器以有线方式通信。
4.如权利要求2所述的井底通信装置，其特征在于，传感器与微控制器以无线方式通信。
5.如权利要求2所述的井底通信装置，其特征在于，所述井底通信装置还包括：
第二能量收集装置，其中，第二能量收集装置与所述传感器通信。
6.如权利要求1-5中任一所述的井底通信装置，其特征在于，所述第一井底收发器与远离第一井底收发器的第二井底收发器通信。
7.如权利要求1-5中任一所述的井底通信装置，其特征在于，第一能量收集装置是基本上连续的发电器。
8.如权利要求7所述的井底通信装置，其特征在于，基本上连续的发电器是从以下组中选择的一种或多种：摩擦生电式发电器、电磁发电器和热电发电器。
9.如权利要求1-5中任一所述的井底通信装置，其特征在于，第一能量收集装置是散发性的发电器。
10.一种井底钻探的方法，包括：
提供井底部件，所述井底部件包括：
第一能量收集装置；
与第一能量收集装置通信的第一井底收发器；
与第一能量收集装置通信的第一蓄能器；
第一微控制器，其中，第一微控制器管控第一能量收集装置、第一井底收发器和第一蓄能器之间的通信；以及
与第一微控制器和第一井底收发器通信的传感器；
提供至少一个转发器，所述转发器包括：
第二能量收集装置；
与第二能量收集装置通信的第二井底收发器；
与第二能量收集装置通信的第二蓄能器；以及
第二微控制器，其中，第二微控制器管控第二能量收集装置、第二井底收发器和第二蓄能器之间的通信；
提供井上部件，所述井上部件包括：
电源；以及
电耦合到电源的接收器；
从传感器获得钻探数据；
将钻探数据从井底部件传输到所述至少一个转发器中的第一个转发器；
将钻探数据传递到任何随后的转发器；
将钻探数据从所述至少一个转发器中的最后一个转发器传输到井上部件；以及
利用第一微控制器来估计第一蓄能器中的能量，调节从第一蓄能器的功率流，以及执行电能配置计划，以基于第一蓄能器的能量调节来自第一井底收发器的信号的频率和/或传输功率。
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