CN106574497A - 钻机遥测系统 - Google Patents

Abstract

一种钻柱通信系统包括：一个或多个管段，联接至管段的包括通信子天线的通信子部件，以及与该通信子天线通信的漏馈天线。

Description

钻机遥测系统

相关申请的交叉参考

本申请主张2014年7月30日提交的第14/446987号美国专利申请的权益，第14/446987号美国专利申请全部内容通过引用结合在此。

背景技术

烃的勘探和生产通常需要将钻孔深深钻入地表。钻孔提供对可能包含油或气储藏的地质形成层的接入。

钻井操作需要诸如钻机、钻井工人以及支持服务等资源。这些资源可能是非常昂贵的。此外，如果钻井操作在海上进行时这些费用将更高。因此，需要通过有效的钻凿钻孔来控制费用。

可以通过不同的方法测量效率。在一种方法中，以能够多快钻凿钻孔来测量效率。然而，过快地钻凿钻孔可能导致问题的产生。如果以高钻进速度钻凿钻孔而造成损坏设备的高可能性，则资源将因停工和修理而浪费。此外，尝试过快钻凿钻孔可能导致异常的钻井事件，其会减慢钻井过程。

在钻井期间可能发生许多类型的问题，例如回旋和粘滑。粘滑与钻柱在钻井时的结合和释放有关并且会造成钻柱的扭转振荡。粘滑可能导致对钻头的损坏，并且在一些情况下，导致钻柱的故障。

一种用来将实际状况从井下位置传递到地面的方法为利用泥浆脉冲遥测。泥浆脉冲遥测是随钻测量工具所使用的常见数据传输方法。这类工具通常包括操作为根据待传输的数字信息来限制钻井泥浆(浆料)的流动的阀。这样产生表示该信息的压力波动。压力波动在钻井流体内朝向地面传播，在地面处它们由压力传感器所接收。另一种用来传递信息的方法可以利用电磁(EM)遥测系统。

然而，在一些情况下，EM的带宽和泥浆脉冲遥测系统可能不足以以及时的方式提供模型所需的所有数据。在一些情况下，替代地使用有线管作为遥测系统。

发明内容

根据一个实施例，公开了一种钻柱通信系统，其包括：一个或多个管段，联接至管段的包括通信子天线的通信子部件，以及与该通信子天线通信的漏馈天线。

在另一个实施例中，公开了一种在井下位置和地面计算装置之间进行信息通信的方法，其包括：通过遥测系统从井下位置向地面子部件传输信号；从该地面子部件无线地传输该信号或由该信号形成的信号；以及使用漏馈天线接收该信号或由该信号形成的信号。

在另一个实施例中，公开了一种钻柱通信系统，其包括：一个或多个钻管段；联接至钻管段的包括通信子天线的通信子部件；以及与该通信子天线通信的多个漏馈天线。

附图说明

现在参照附图，其中将相同的元件在若干个附图中进行相同的编号：

图1为示出了从事钻井操作的钻机的示意图；

图2是示出了根据一个实施例的系统的钻机的简化版本；以及

图3是示出了漏馈天线的剖开透视图。

具体实施方式

如上所述，当钻井时，需要与井下设备保持持续的通信。当钻井或起下井下设备(例如钻管)进出时，升降机或顶驱上下移动并移动钻柱部件。在这种时候，对于从钻柱的遥测系统向计算装置提供通信是有利的。根据一个实施例，需要无线通信系统，例如提供广域局域网(WLAN)以在添加钻管的同时允许通信。WLAN发送器和接收器可以布置为使得在钻机的每个位置处能够进行良好的数据传输。这是有挑战的，因为钻机塔通常由钢建造。应当理解，还可以使用其它无线标准和频率，诸如例如蓝牙。

通过垂直地沿在井架处或其附近的至少部分的钻机塔安装漏馈，可以解决连接问题。本文使用的“垂直”指的是相对于水平大于45°。相对的发送器/接收器可以随着钻柱旋转或不随着钻柱旋转。还可以围绕地面子部件布线漏馈以使发送器和接收器在地面子部件的每个旋转位置上相反。使用漏馈的一个可能的优点为能够在地面实现对井下设备的可靠通信，而在钻井或起下钻的同时不需要沿钻机上下移动导线。这尤其有利于有线管遥测，因为与使用类似泥浆脉冲或EM(电磁)遥测的其它遥测系统相比数据速率要高得多。利用对井下工具的持续的通信，能够检测井涌、粘滑以及其它危险情况并立即做出反应。

图1为示出了从事钻井操作的钻机1的示意图。钻井流体31，也被称为钻井泥浆，由泵12循环通过钻柱9、向下通过底部孔组件(BHA)10、通过钻头11，并通过在钻柱9和钻孔壁16之间的环状空间15返回至地面。BHA 10可以包括任意数量的传感器模块17、20、22，该传感器模块可以包括地层评价传感器和方向传感器。传感器模块17、20、22可以测量关于例如钻柱经受的张力或污染、温度、压力等中的任意的信息。

尽管未示出，应当理解，钻机1可以包括联接至钻柱9的钻柱操纵机构，该钻柱操纵机构促使钻柱9钻孔进入地表。术语“钻柱操纵机构”涉及用来操作钻柱9的设备和系统。钻柱操纵机构的非限制示例包括用于支撑钻柱9的“提升系统”、用于旋转钻柱9的“旋转装置”、用于泵送钻井泥浆通过钻柱9的的“泥浆泵”、用于限制钻柱9的振动的“主动振动控制装置”，以及用于将钻柱9内部的泥浆流转向的“流转向器装置”。术语“钻头上重力”涉及施加在BHA 10上的力。钻头上重力包括钻柱的重力和由泥浆流冲击BHA 10所造成的一定量的力。

BHA 10还包含通信装置19，在一个实施例中，通信装置19可以诱导在钻井流体31中的压力波动或将电磁脉冲引入钻柱9。压力波动或脉冲，分别通过钻井流体31或钻柱9传播到地面，并在地面处由传感器18检测并输送至控制单元24。传感器18连接至流量线13并且可以为压力换能器，或者可选地，可以是流量换能器。在另一个实施例中，通信装置19可以提供电信号，该电信号可以由有线管遥测系统携载至地面。

在一个实施例中，控制单元24可以包括编程或存储钻柱9的物理特征的模型的其它装置。例如，在一个实施例中，控制单元24包括一个或多个模拟钻柱9中扭转振荡的模型。

在一个实施例中，通信装置19从传感器模块17、20、22接收数据并将该信息足够快地提供给控制单元24以有效地确定模型参数。

根据本发明的一个实施例，BHA 10包括处理器21。

图1还包括多个漏馈天线25。仅需要一个天线，并且其长度可以如天线25a和25b的差别所示出的那样改变。

如上所述，当钻井、起下钻或添加管时，钻井工人可能需要访问井下信息。对于许多井操作，起下钻可能是必需的，这些井操作涉及改变底部孔组件的配置，例如替换钻头、添加泥浆马达或者添加随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)工具。起下钻可能耗费许多小时，这取决于钻凿已经行进的深度。在起下钻(甚至添加管)期间维持与井下工具通信的能力可以使各种NWD和LWD测量得以在以其它方式将浪费的时间期间执行。在起下钻期间维持通信还可以及时警告失去循环或其它潜在问题，从而使得能够及时进行校正动作。在钻井时或至少在转动钻柱时还能够传输数据，而无需从旋转部件向钻机上的非旋转部件额外传递。关于安全性这也是有利的，因为不存在用于数据电缆的连接器，其在易爆炸环境中可能有风险成为点火源。

根据一个实施例，提供适配器子部件，其将在顶部管段处接收的信号转换为射频信号。该信号由漏馈天线25接收并提供给，例如控制单元24(或其它计算装置)以用于进一步的处理。适配器子部件30在图2中最佳示出，并且应当理解为附接至顶部8或钻管的顶部段中的一个。适配器子部件30可以连接至转环27或另一此类装置。

参照图1和图2，随着转环27上下移动并因此子部件30和管段8上下移动(如箭头36所指示)，子部件30的位置相对于钻机1移动。在钻机1上提供漏馈天线25允许从子部件30接收信号而不管其位置如何。子部件30可以包括转换器34和天线32。天线32向漏馈天线25提供信号并从其接收信号。转换器34将由天线32接收的信号转换为用于通过管段8传输的格式(例如，其将该信号转换为有线管传输系统中使用的信号)，反之亦然。

图3示出了漏馈天线25的示例。漏馈天线25可以由同轴电缆40形成，该同轴电缆具有由电介质46和屏蔽层44环绕的内导体48。其屏蔽层44的小部分42的小部分被剥去以允许射频(RF)信号逃逸/进入。充当扩展天线的漏馈还可以被称为辐射电缆。

为了支持本文的教导，可以使用各种分析部件，包括数字和/或模拟系统。例如，控制器24和处理器21可以包括数字或模拟系统。该系统可以具有诸如处理器、存储介质、内存、输入、输出、通信链路(有线、无线、光学或其它的)、用户接口、软件程序、信号处理器(数字或模拟)以及其它此类部件(诸如电阻器、电容器、电感器和其它器件)，以本领域公知的若干方式中的任一种提供本文所公开的设备和方法的操作和分析。可以认为，这些教导可以但并不必需与存储在计算机可读介质上的一组计算机可执行指令结合实施，所述计算机可读介质包括内存(ROM、RAM)、光学介质(CD-ROM)或磁介质(磁盘、硬盘驱动器)，或在执行时使得计算机实施本发明方法的任何其它类型。除了本公开所描述的功能外，这些指令可以用于设备运行、控制、数据收集和分析、以及系统设计者、操作员、所有者、用户或其它此类人员视为相关的其它功能。

此外，可以包含各种其它部件并按要求提供本文教导的方面。例如，为了支持本文讨论的各种方面或支持超出本公开的其它功能，可以包括电源(例如，发电机、远程电源以及电池中的至少一个)、真空供应、压力供应、冷却部件、加热部件、原动力(诸如平移力、推进力或旋转力)、磁体、电磁体、传感器、电极、发射器、接收机、收发器、天线、控制器、光学单元、机械单元(诸如减震器、减振器或液压推进器)、电气单元或机电单元。

实施例的元件以冠词“一个”(a或an)进行介绍。该冠词旨在表示有一个或多个该元件。术语“包括”及“具有”旨在为开放式的，使得除了所列的元件之外可以有附加的元件。当用于列举至少两个元件时，术语“或”旨在表示任何元件或元件的组合。

应当明白，各种部件或技术可以提供某些必要或有利的功能或特征。相应地，这些为了支持所附权利要求和其变型所需的功能和特征，被认为是被内在包含作为本文教导的一部分和所公开的本发明的一部分。

尽管已参照示例性实施例描述了本发明，应当理解，可以做出各种改变且可用等价物替代其元件而不背离本发明的范围。此外，可以领会许多改型以将具体设备、情况或材料适应于本发明的教导而不背离其实质范围。因此，本发明并不旨在局限于公开为用于实现本发明所构想的最佳模式的具体实施例，而是旨在使本发明包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (14)

1.一种钻柱通信系统，所述系统包括：

一个或多个管段；

联接至所述管段的包括通信子天线的通信子部件；以及

与所述通信子天线通信的漏馈天线。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述漏馈天线被竖直地布置。

3.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括：

钻机；

其中所述漏馈天线物理地附接至所述钻机。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述漏馈天线被竖直地布置。

5.一种在井下位置和地面计算装置之间进行信息通信的方法，其包括：

从所述井下位置通过遥测系统向地面子部件传输信号；

从所述地面子部件无线地传输所述信号或由所述信号形成的信号；以及

使用漏馈天线接收所述信号或由所述信号形成的信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述漏馈天线被竖直地布置。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述漏馈天线附接至钻机。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述漏馈天线被竖直地布置。

9.一种钻柱通信系统，所述系统包括：

一个或多个钻管段；

联接至所述钻管段的包括通信子天线的通信子部件；以及

与所述通信子天线通信的多个漏馈天线。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述漏馈天线被竖直地布置。

11.根据权利要求10所述的系统，其进一步包括：

钻机；

其中所述漏馈天线物理地连接至所述钻机。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述漏馈天线被竖直地布置。

13.根据权利要求9所述的系统，其中所述钻管段为有线管段。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述钻管段为有线管段。