CN104937442A - 利用电绝缘材料的井下电磁遥测系统和相关方法 - Google Patents

Abstract

一种井下电磁遥测系统和方法，其中电绝缘材料沿井柱放置在电流发射装置或接收器上方和/或下方以便扩展所述遥测系统的范围，增大遥测速率，和/或降低井下电力要求。

Description

利用电绝缘材料的井下电磁遥测系统和相关方法

发明领域

本发明大体上涉及电磁遥测，且更特定来说涉及一种井下遥测系统，其中电绝缘材料放置在井柱的一个或多个部分周围以便扩展所述遥测系统的范围，增大遥测速率，和/或降低井下电力要求。

技术背景

出于各种目的，电磁遥测系统在井下操作中用于发射和接收电磁信号。电磁遥测发射器通过跨连接到钻杆的钻铤区段传递势差或通过经由放置在钻柱区段周围的环形线圈在钻柱上发射电流将电信号发射到钻杆中。

然而，当电磁发射器在套管内时，信号损失可能过多，这是因为钻杆上的电流跳跃到套管，因此将部分信号发射到套管，而且使部分信号沿套管短路。此外且尤其当在钻杆的任何部分与套管之间存在直接接触时，钻柱的运动可造成间断接触，且因此将非常大的噪音引进到遥测信号中。此外，因为信号朝向钻杆和/或套管上方或下方移动，所以其随着电流泄漏到钻孔附近的地层中而实质上衰减。因此，在地表或井下接收器处接收的信号可衰减到其中信噪比不足以高到允许甚至在每秒几位的数据速率下进行可靠通信的点。

鉴于前述，在所属技术领域中需要一种经济有效的方法，通过所述方法可扩展遥测系统的范围和/或防止通过泥浆接着到套管中或直接到套管中发生短路。.

附图简述

图1A和1B示出根据本发明的一个或多个示例性实施方案的钻机和电磁遥测系统10；和

图2A、2B和2C是示出根据本发明的一个或多个示例性实施方案的在电流发射装置上方和/或下方添加电绝缘材料的信号改善效果的图表。

具体实施方式

下文描述如可能用于其中电绝缘材料放置在井柱的一个或多个部分周围的井下遥测系统的本发明的说明性实施方案和相关方法。为了清楚起见，在本说明书中未描述实际实施方式或方法的所有特征。此外，本文中所描述的“示例性”实施方案是指本发明的实例。当然，应明白，在任何这种实际实施方案的开发中，必须做出诸多实施方式具体决策以实现将随实施方式变化的开发者具体目的，诸如与系统相关和业务相关约束的兼容性。此外，应明白，这种开发工作可能是复杂而耗时的，但对得益于本公开的所属技术领域的一般人员来说将是常规任务。鉴于下文描述和附图，本发明的各种实施方案和相关方法的另外方面和优点将变得显而易见。

如本文中所描述，当电磁遥测系统在井的套管区段或无套管区段内时，本发明的示例性实施方案扩展所述系统的范围。为了实现这个目的，将电绝缘材料施加于井柱以紧接在电流发射装置(例如，绝缘短节组件或环形线圈)或接收器上方和/或下方。在其它实施方案中，电绝缘材料还可以覆盖电流发射装置或接收器。因此，随着电流发射装置将电信号发射到钻杆中，电绝缘材料防止电流直接地或通过钻井泥浆跳跃到套管，因此防止或降低在其中套管不存在于发射器周围的情况下通过套管的短路和/或到地层中的电流泄漏的严重性，从而改善遥测系统的范围和/或信噪比，和/或降低系统所要的电力。此外，在其中利用井下接收器的实施方案中，电绝缘材料用于减少在下行链路操作期间从井柱到套管或地层的电流泄漏。

在某些示例性实施方案中，电绝缘材料为使用粘合底布缠绕在底部钻孔组件或钻杆周围的材料的一个或多个薄片。在其它实施方案中，例如，还可以利用电绝缘可膨胀材料或各种涂层。因此，具有和不具有套管区段的电磁遥测系统的范围大致上增加达相同电绝缘钻杆量。因此，还可以增加电磁遥测系统的数据速率而无需添加中继器。

图1A和1B示出根据本发明的一个或多个示例性实施方案的钻机12和电磁遥测系统10。如在所属技术领域中所了解，电磁遥测系统10在井下生成和/或接收电磁波。电磁遥测系统10包括底部钻孔组件14、电流发射装置16(例如，绝缘短节组件)和管道区段18(例如，其组合称为井柱)，所有上述装置向下扩展通过井22的套管20。如本文中所使用，术语“井柱”可以是指各种部署柱，举例来说，诸如钻柱、连续油管、生产油管等。在图1A和1B的示例性实施方案中，井柱为钻柱。

此外，电磁遥测系统10包括电耦合到地面参考系26的接收器24，且必要时还可以沿管道18具有一个或多个中继器(未示出)。大体来说，电磁遥测系统10通过沿管道18发射低频率电流(例如，介于约1与30Hz之间)进行通信。接着由接收器24在地表处检测与电流相关联的信号，其中测量钻机12与地面26之间的势差。如得益于本公开的所属技术领域的一般人员应了解，在这个示例性实施方案中，电磁遥测系统10可以按例如相位调制载波模式、脉冲位置调制模式或正交频分复用模式、或多种其它调制模式操作。

为了产生由电磁遥测系统10发射的电流，电流发射装置16提供在底部钻孔组件14附近(或可以形成底部钻孔组件14的部分)。在第一示例性实施方案中，电流发射装置16提供为底部钻孔组件14与管道18之间的电断路器以使井柱有效地进入大型天线中。在图1A的示例性实施方案中，绝缘短节组件用作电断路器或天线。从而，在底部钻孔组件14与管道18之间产生电势差，因此产生发射的电流。如在所属技术领域中所了解，绝缘短节组件为被设计来承受电磁遥测系统10的高扭转、弯曲、可拉伸和压缩负载的电绝缘接头。然而，如在所属技术领域中所了解，在其它实施方案中，电流发射装置16可替代地为环形线圈组件。得益于本公开的所属技术领域的一般人员将容易了解电磁遥测系统10的这些和其它方面。

仍参考图1A和1B，管道18已下降通过防喷器28向下到井22中，且通过套管20。如先前所描述，在这个示例性实施方案中，管道18为形成钻柱的部分的钻杆；然而，在其它实施方案中，管道18可以为例如用于一些其它操作的连续油管或生产油管。然而，管道18向下扩展到电流发射装置16以耦合到底部钻孔组件14。钻头30定位在底部钻孔组件14的远端处。钻头30可以通过各种方法(包括例如管道18或泥浆马达)旋转。在这个示例性实施方案中，底部钻孔组件14包括CPU(未示出)和电磁遥测发射器32，所述电磁遥测发射器32包括除处理底部钻孔组件14的其它操作外还经由电流发射装置16感测、检测和发射电磁信号所必要的电子装置，如在所属技术领域中所了解。

在电磁遥测系统10的某些示例性实施方案中，电绝缘材料34施加在钻柱的一个或多个部分(管道18或底部钻孔组件14)周围以施加在电流发射装置16上方和/或下方。在一个实施方案中，电绝缘材料34无需为完美绝缘体；相反，电绝缘材料34的电阻率不小于高于在井下操作期间使用的流体(例如，钻井泥浆)的两个量级。此外，在某些实施方案中，电绝缘材料34也没有必要持续不断地沿管道18或底部钻孔组件14。然而，电绝缘材料34可以为各种材料，举例来说，诸如可膨胀材料、注射成型涂层、带状物、套、稳定剂、高氧燃料喷射涂层、阳极化层等。所述可膨胀材料可以为例如诸如用于SwellTechnology^TM系统、通过本发明的受让人Halliburton Energy Services,Co.或Houston,Texas市售的材料。此外，可以基于泥浆类型(例如，油基或水基)选择所述可膨胀材料，使得一旦与钻井泥浆接触，所述可膨胀材料膨胀到底部钻孔组件14和/或管道18中并粘合到其。

如先前所描述，电绝缘材料34施加于井柱的一个或多个部分(即，管道18或底部钻孔组件14)周围以施加在电流发射装置16上方和/或下方。在一个实施方案中，电绝缘材料34紧接地施加在电流发射装置16上方和/或下方，如图1A及1B中所示。然而，在其它实施方案中，还可以根据要求均沿管道18放置电绝缘材料34。在某些示例性实施方案中，电绝缘材料34可以施加为随着其进入井22中而缠绕在底部钻孔组件14的一个或多个部分周围的胶带。所述电绝缘胶带可以通过用将用于造成其膨胀的相同流体(例如，钻井泥浆)弄湿而沿井柱粘合。然而，在其它实施方案中，还可以在胶带上利用粘合底布以将其粘合到井柱。示例性绝缘胶带可以为例如可膨胀材料、粘合底布橡胶、硅酮橡胶、特氟龙、聚酯薄膜、聚酸亚胺胶带、聚合物薄片(例如，聚乙烯)。然而，在某些实施方案中，聚乙烯的使用将限于约115℃，这是因为聚乙烯塑料的典型熔点为约120℃。此外，所述胶带可以1英尺到几英尺宽且零点几英寸厚(例如，1/8英寸)。

在替代实施方案中，电绝缘材料34可以形成到内直径稍大于底部钻孔组件14或管道18的公母接头外直径的套中。在一个实例中，电绝缘套将随着其进入井22中而沿井柱施加。电绝缘套可以在以各种方式(举例来说，诸如通过施加夹具或胶带以将电绝缘套保持在原位直到可膨胀材料开始膨胀为止)部署期间保持在原位。或者，电绝缘套可以足够紧凑地排列在井柱部分周围以将自身保持在原位直到膨胀开始为止。此外，电绝缘套的部分可以用钻井泥浆弄湿，因此造成所述套的部分膨胀并粘合到井柱。然而，在部署之后，随着电绝缘套与钻井泥浆接触，所述可膨胀材料接着被活化来抵着底部钻孔组件14或管道18的表面膨胀，因此粘合到其。例如，可以基于利用的钻井泥浆的类型选择所述可膨胀材料，如得益于本公开的所属技术领域的一般人员应了解。

此外，仍参考图1A和1B，电绝缘材料34还可以使用本文中所描述的方法中的任一种施加于管道18的一个或多个区段。这个实施方案将最小化在沿管道18发射期间的电流损失。在现有技术遥测系统中，朝向井柱和套管上方移动的电流趋于迁移出井柱/套管并转入地面，因此导致信号损失。然而，通过其中管道18的一个或多个部分在电流发射装置16上方绝缘的本发明的这个替代实施方案的使用，沿管道18转入地面的电流量接着减少，其增大朝向井柱上方回移并到达地表的电流量，因此导致较大振幅信号。在某些实施方案中，可以仅沿底部钻孔组件14、仅沿管道18或组合地沿底部钻孔组件14和管道18两者利用电绝缘材料34。

此外，在又一替代实施方案中，电阻流体可以抽吸到井22中以协助电隔离电磁遥测系统与套管22。这种流体可以为钻井泥浆和/或添加到所述流体的流体添加剂。在另一实施方案中，可以在无电绝缘材料34的情况下利用所述电阻流体，如得益于本公开的所属技术领域的一般人员应了解。

尽管图1A和1B中未示出，但本发明的示例性实施方案还可以用于仅可以利用井下接收器的下行链路遥测系统。如在所属技术领域中所了解，电磁遥测系统10可以包括用于接收经由管道18从地表发射的信号的接收器而非电流发射装置16。这个实施方案可以或可以不包括电磁遥测发射器32。在这些实施方案中，所述接收器可以为例如如先前所描述的绝缘短节组件或环形线圈。然而，与本文中所描述的先前实施方案不同，所述接收器将替代地接收并解码信号以便在底部钻孔组件14内执行一些操作。在这些实施方案中，在管道18的一个或多个部分周围放置电绝缘材料34将减少和/或消除从管道18到套管20或裸井地层中的电流泄漏，如得益于本公开的所属技术领域的一般人员应了解。

现参考图2A-2C的图表，现将描述在电流发射装置16上方和/或下方添加电绝缘材料34的信号改善效果。所述图表绘制沿井22的不同深度的管道18和套管20上电流，其中已施加不同长度的电绝缘材料34。图2A为在具有2,500英尺钻杆、2,500英尺套管、1英寸绝缘短节组件、1400英尺深且使用0.25欧姆米泥浆的2,800英尺井中的管道18和套管20上的电流的图。如可见，电流以使得大部分电流不再可用作信号但替代地已通过套管20有效地短路的方式非常快速地从钻杆逸出到套管20中。

图2B为在与图2A相同的井中但沿底部钻孔组件14在1英寸绝缘短节组件下方具有400英尺电绝缘材料34的管道18和套管20上的电流的图。泥浆电阻率也是0.25欧姆米。如所示，只要不存在电绝缘材料34，电流仍可快速地逸出到套管20，但总信号电平得以显著改善。图2C为沿所述井的电流的又一图，但所述井在1英寸绝缘短节组件上方具有400英尺绝缘体且在1英寸绝缘短节组件下方具有400英尺绝缘体。泥浆电阻率也是0.25欧姆米。如前述，电流快速地泄漏到为电绝缘材料34终止之处的套管20，但总信号电平也得以改善。以下图表I为可在地表处观测到的这些和其它信号电平的概述。

图表I

如所示，在第一列中出现以毫伏为单位的信号电平，在第二列中出现表示为毫伏分贝的信号电平，在第三列中出现泥浆电阻率，且在第四列中出现绝缘体的概述。尽管前述实例讨论利用发射器的实施方案，但相同类型的信噪比增益将出现于利用井下接收器的实施方案中，如得益于本公开的所属技术领域的一般人员应了解。

鉴于前述，电绝缘材料34可以按各种方式施加于井柱。例如，电绝缘材料34可以随着井柱制成施加于井柱的一个或多个部分。或者，井柱的一个或多个部分可以在井柱制成之前绝缘。此外，本发明的示例性实施方案可以用于裸井和套管井。在井的套管区段中，电绝缘材料34减少或防止从电流发射装置16到套管20中的短路。在井的开口区段中，电绝缘材料34减少或防止从井柱到地层中的电流泄漏。因此，电磁遥测系统10的井上或井下遥测范围增加达大致上等于所施加绝缘体的长度的距离且井下电力要求降低。因此，有效地提供电磁遥测，同时用套管之内和之外的遥测发射器进行钻井(或执行其它操作)。

此外，在套管井内利用的本发明的实施方案中，电流发射装置16(或接收器)下方的井柱的部分可以绝缘。然而，在沿对地层开放的井部分利用的实施方案中，电流发射装置16(或接收器)上方的井柱的部分可以绝缘。在后一实施方案中，可以确定沿裸井的地层的一个或多个导电部分的长度，且基于导电地层的长度确定电绝缘材料34的长度。如在所属技术领域中所了解，可以基于例如建造中井附近的其它井的电阻率测井确定导电地层的位置，如得益于本公开的所属技术领域的一般人员应了解。基于记载的数据以及计划的井轨迹和在某一时间钻头将超过导电地层多远(在用于钻柱的实施方案中)，所属技术领域的相同熟练人员可容易确定在电流发射装置16(或接收器)上方施加所必要的导电材料的长度。例如，如果井为垂直井且计划钻头行程扩展到12,000英尺的深度，那么电磁发射器在钻头上方200英尺处，且极易导电的地层从10,000英尺扩展到11,000英尺，接着1,800英尺的电绝缘材料34可以定位在电流发射装置16上方使得一旦电流发射装置16经过导电地层的底部(即，一旦其超过11,000英尺的深度)，那么在管道18与地层之间将始终存在电绝缘材料34。然而，在任一实施方案中，电流发射装置16或接收器(未示出)上方和/或下方的井柱的一个或多个部分也可以绝缘。

本发明的示例性方法提供一种用于在井下井中利用电磁遥测系统的方法，所述方法包括：提供包括附接到底部钻孔组件的一个或多个管道的井柱，所述底部钻孔组件包括电流发射装置或接收器中的至少一个；在所述井柱的一个或多个部分周围施加电绝缘材料；将所述底部钻孔组件部署到所述井中；使用所述底部钻孔组件进行电磁遥测操作；和利用所述电绝缘材料来减少以下项中的至少一个：从所述电流发射装置到套管的短路；或从所述井柱到所述套管或沿所述井的地层的电流泄漏。所述进行的电磁遥测操作可以为例如沿所述系统发射和/或接收电磁信号。另一方法还包括在所述井柱的一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料以紧接在所述电流发射装置或接收器上方或下方。在另一方法中，在所述井柱的一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料包括用电绝缘材料的一个或多个薄片缠绕所述井柱的一个或多个部分。

在又一方法中，在所述井柱的一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料包括在所述井柱的一个或多个部分周围定位绝缘套，所述绝缘套由电绝缘可膨胀材料组成。在另一方法中，在所述井柱的一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料包括施加以下项中的至少一个：电绝缘可膨胀材料；电绝缘注射成型涂层；电绝缘喷射涂层；或电绝缘阳极化层。在又一方法中，在所述井柱的一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料包括：确定沿所述井的地层的导电部分的长度；和基于所述确定的长度施加所述电绝缘材料。

本发明的示例性实施方案提供一种用于井下井的电磁遥测系统，所述系统包括：井柱，其包括附接到底部钻孔组件的一个或多个管道，所述底部钻孔组件包括电流发射装置或接收器中的至少一个；和电绝缘材料，其定位在所述井柱的一个或多个部分周围以减少以下项中的至少一个：从所述电流发射装置到套管的短路；或从所述井柱到所述套管或沿所述井的地层的电流泄漏。在另一实方案中，所述电绝缘材料紧接地定位在所述电流发射装置或接收器上方或下方。在又一实施方案中，所述电流发射装置为绝缘短节组件或环形线圈。在另一实施方案中，所述接收器为绝缘短节组件或环形线圈。在另一实施方案中，所述电绝缘材料为电绝缘材料的一个或多个薄片。在又一实施方案中，所述电绝缘材料为绝缘套。在另一实施方案中，所述电绝缘材料为以下项中的至少一个：电绝缘可膨胀材料；电绝缘注射成型涂层；电绝缘喷射涂层；或电绝缘阳极化层。

本发明的又一示例性方法提供一种用于在井下井中利用电磁遥测系统的方法，所述方法包括：在井柱的一个或多个部分周围施加电绝缘材料，所述井柱包括电流发射装置或接收器中的至少一个；将所述井柱部署到所述井中；和利用所述电绝缘材料来减少以下项中的至少一个：从所述电流发射装置到套管的短路；或从所述井柱到所述套管或沿所述井的地层的电流泄漏。另一方法还包括在所述井柱的一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料以紧接在所述电流发射装置或接收器上方或下方。在另一方法中，在所述井柱的一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料包括施加以下项中的至少一个：电绝缘可膨胀材料；电绝缘注射成型涂层；电绝缘喷射涂层；或电绝缘阳极化层。在又一方法中，在所述井柱的一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料包括：确定沿所述井的地层的导电部分的长度；和基于所述确定的长度施加所述电绝缘材料。

前文公开可以在各种实例中重复参考数字和/或字母。这个重复用于简便和清楚的目的且自身不指定各种所论述实施方案和/或配置之间的关系。此外，空间相对术语(诸如“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等)可以在本文中为便于描述用于描述一个元件或特征与另一元件或特征的关系，如图中所示。空间相对术语意在除涵盖图中所描绘的定向外，还涵盖在使用或操作中的设备的不同定向。例如，如果图中设备翻转，那么描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件将定向为在所述其它元件或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可涵盖上方和下方两个定向。所述设备可以以其它方式定向(旋转90°或以其它定向)且因此可以同样地解译本文中所使用的空间相对描述。

尽管已示出和描述各种实施方案和方法，但本发明不限于这些实施方案和方法且应被理解为包括如将对得益于本公开的所属技术领域的一般人员显而易见的所有修改和变化。例如，一个或多个中继器还可以形成本文中所描述的遥测系统的部分，且在这些情况下，相同发明原理将是适用的，如得益于本公开的所属技术领域的相同一般人员应了解。因此，应了解，本发明并非意在限于所公开的特定形式。相反，本发明将涵盖落在如由所附权利要求书界定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物和替代物。

Claims (17)

1.一种用于在井下井中利用电磁遥测系统的方法，所述方法包括：

提供包括附接到底部钻孔组件的一个或多个管道的井柱，所述底部钻孔组件包括电流发射装置或接收器中的至少一个；

在所述井柱的一个或多个部分周围施加电绝缘材料；

将所述底部钻孔组件部署到所述井中；

使用所述底部钻孔组件进行电磁遥测操作；和

利用所述电绝缘材料来减少以下项中的至少一个：

从所述电流发射装置到套管的短路；或

从所述井柱到所述套管或沿所述井的地层的电流泄漏。

2.根据权利要求1所述的方法，其还包括在所述井柱的一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料以紧接在所述电流发射装置或接收器上方或下方。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述井柱的所述一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料包括用电绝缘材料的一个或多个薄片缠绕所述井柱的所述一个或多个部分。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述井柱的所述一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料包括在所述井柱的所述一个或多个部分周围定位绝缘套，所述绝缘套由电绝缘可膨胀材料组成。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述井柱的所述一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料包括施加以下项中的至少一个：

电绝缘可膨胀材料；

电绝缘注射成型涂层；

电绝缘喷射涂层；或

电绝缘阳极化层。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述井柱的所述一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料包括：

确定沿所述井的所述地层的导电部分的长度；和

基于所述确定的长度施加所述电绝缘材料。

7.一种用于井下井的电磁遥测系统，所述系统包括：

井柱，其包括附接到底部钻孔组件的一个或多个管道，所述底部钻孔组件包括电流发射装置或接收器中的至少一个；和

电绝缘材料，其定位在所述井柱的一个或多个部分周围以减少以下项中的至少一个：

从所述电流发射装置到套管的短路；或

从所述井柱到所述套管或沿所述井的地层的电流泄漏。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述电绝缘材料紧接地定位在所述电流发射装置或接收器上方或下方。

9.根据权利要求7所述的系统，其中所述电流发射装置为绝缘短节组件或环形线圈。

10.根据权利要求7所述的系统，其中所述接收器为绝缘短节组件或环形线圈。

11.根据权利要求7所述的系统，其中所述电绝缘材料为电绝缘材料的一个或多个薄片。

12.根据权利要求7所述的系统，其中所述电绝缘材料为绝缘套。

13.根据权利要求7所述的系统，其中所述电绝缘材料为以下项中的至少一个：

电绝缘可膨胀材料；

电绝缘注射成型涂层；

电绝缘喷射涂层；或

电绝缘阳极化层。

14.一种用于在井下井中利用电磁遥测系统的方法，所述方法包括：

在井柱的一个或多个部分周围施加电绝缘材料，所述井柱包括电流发射装置或接收器中的至少一个；

将所述井柱部署到所述井中；和

利用所述电绝缘材料来减少以下项中的至少一个：

从所述电流发射装置到套管的短路；或

从所述井柱到所述套管或沿所述井的地层的电流泄漏。

15.根据权利要求14所述的方法，其还包括在所述井柱的一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料以紧接在所述电流发射装置或接收器上方或下方。

16.根据权利要求14所述的方法，其中在所述井柱的所述一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料包括施加以下项中的至少一个：

电绝缘可膨胀材料；

电绝缘注射成型涂层；

电绝缘喷射涂层；或

电绝缘阳极化层。

17.根据权利要求14所述的方法，其中在所述井柱的所述一个或多个部分周围施加所述电绝缘材料包括：

确定沿所述井的所述地层的导电部分的长度；和

基于所述确定的长度施加所述电绝缘材料。