CN107810308A - 用于改进的电磁遥测的大地参考 - Google Patents

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Abstract

本文描述一种用于与井下设备一起使用的具有大地参考的电磁(EM)遥测系统。具有大地参考的EM遥测系统的实施方案包括：井下收发器，所述井下收发器包括编码的信号发送器；井下传感器，所述井下传感器被设置来监测所述井下设备，所述井下传感器耦接到所述收发器；编码的信号接收器；参考接收器，所述参考接收器与所述编码的信号接收器间隔开并且可通信地耦接到所述编码的信号接收器；以及大地电压模块，所述大地电压模块耦接到所述编码的信号接收器和所述参考接收器中的一个。所述大地电压模块可通信地耦接到所述编码的信号接收器和所述参考接收器以分别接收可包括大地噪音的编码信号和参考信号。所述大地电压模块使所述编码信号和所述参考信号同步，将所述参考信号从所述编码信号减去并且输出不含大地噪音的信号。

Description

用于改进的电磁遥测的大地参考
公开背景
相关申请
本申请要求2015年8月3日提交的美国临时申请号62/200,425的优先权，所述美国临时申请的全部内容以引用方式并入本申请。
公开领域
本公开总体涉及用于电磁(EM)遥测的系统和方法。本公开具体地涉及在钻探、随钻测量(MWD)和/或随钻测井(LWD)操作期间用于EM遥测的大地参考。
背景
电磁(EM)遥测是在钻探应用中从井底钻具组件(BHA)到井筒表面通信的方法。例如，发送和接收钻探动态数据的能力可允许加快钻探，而发送和接收信息评估数据(诸如随钻测量(MWD)数据和/或随钻测井(LWD)数据)的能力可允许准确的井定位以最大化储层价值。EM遥测系统通常在1Hz与50Hz之间的频率下，并且在具有来自有限数量的通信信道的标称处于3比特/秒与12比特/秒之间的数据速率下操作。
像许多通信技术一样，EM遥测的一个目的是在存在噪音的情况下，提供稳健编码的通信信号和高的数据速率。在EM遥测系统中使用的通信信号可通过由通信信号的强度与噪音信号的强度之间的比给定的信噪比(SNR)表征。通常，改进SNR对应于通信技术的改进的准确性，所述通信技术的改进的准确性可用来设计具有更高的有效数据速率、更多的信道、更低的比特误码率等的通信系统。
EM遥测系统中的一个噪音源是大地噪音。已知的是，地磁脉动激发地球内的从mHz到Hz频率带的大地电流，并且大气源(例如，闪电和/或天电)激发高于Hz带的大地电流。实际上，已知大地电流的振幅相对于频率相反地增加。大地电流激发作为噪音由EM遥测系统的接收器测量的电磁场。大地噪音信号因此使常规EM遥测系统的SNR降级。因此，存在对用于改进EM遥测系统的SNR的系统和方法的需要。更具体地，存在对用于在存在大地噪音的情况下改进EM遥测系统的SNR的系统和方法的需要。
附图简述
本公开的各种实施方案将从下文给出的具体实施方式和从本公开的各种实施方案的附图更加全面地理解。在附图中，相似的参考数字可指示相同或功能上类似的元件。在下文中参照附图详细描述各实施方案，在附图中：
图1是并入本公开的EM遥测系统的基于陆地的钻探系统的平面图；
图2是具有本公开的EM遥测系统的基于海洋的开采系统的平面图；
图3是本公开的EM遥测系统的井下收发器的平面图；
图4是本公开的EM遥测系统的表面组件的平面图；
图5是本公开的EM遥测系统的参考组件的平面图；
图6是使用大地参考的EM遥测的方法的流程图；并且
图7是本公开的EM遥测系统的计算机的框图。
具体实施方式
本公开可以重复各种实例或附图中的元件符号和/或字母。此重复是为了简单和清楚起见，并且本身并不决定所讨论的各种实施方案和/或配置之间的关系。此外，为便于描述，在本文中可使用诸如在下面、下方、下部、上方、上部、井上、井下、上游、下游等空间相对术语来描述如所示出的一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系，向上方向是朝对应附图的顶部，并且向下方向是朝对应附图的底部，井上方向是朝井筒的表面，井下方向是朝井筒的底端。除非另有说明，否则空间相对术语意图包含除附图中所描绘的定向之外的在使用中或操作中的装备的不同定向。例如，如果附图中的装备翻转过来，那么描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件将随后被定向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以包含上方和下方这两个定向。可以其它方式来定向装备(旋转90度或以其他定向)，且可以同样地相应解释本文所使用的空间相对描述词。
此外，尽管附图可描绘水平井筒或垂直井筒，但除非另有指示，否则本领域技术人员应理解，根据本公开的装备同样很好地适合于在具有其他定向的井筒中使用，所述井筒包括垂直井筒、斜井筒、多边井筒等。同样，除非另外指出，尽管附图可描绘陆上操作，但本领域技术人员应理解，根据本公开的装备同样很好地适合于在海上操作中使用并且反之亦然。此外，除非另外指出，尽管附图可描绘下套管井，但本领域技术人员应理解，根据本公开的装备同样很好地适合于在裸井操作中使用。
通常，在一个或多个实施方案中，提供EM遥测系统，其中大地参考用来改进在钻探、随钻测井(LWD)、随钻测量(MWD)、开采或其他井下操作期间使用EM遥测发送和接收的编码信号的信噪比(SNR)。参考信号使用位于距EM遥测系统的发送器和接收器相当大的距离(例如，10km)的参考组件测量。大地噪音电压信号基于参考信号确定并且从接收的编码信号减去，从而取消接收的编码信号中的大地噪音的至少一部分。这改进了接收的编码信号的SNR，其进而促进准确和快速解调和解码接收的编码信号并且可有助于改进的EM遥测系统相对于常规EM遥测系统具有更高的可靠性和更快的整体数据速率。
转向图1和图2，示出井筒钻探和开采系统10的部分截面的正视图，所述井筒钻探和开采系统10用来从延伸通过位于地球表面16下面的油气地层14中的各种地球岩层的井筒12开采碳氢化合物。井筒12可由单一或多个孔12a、12b......12n(在图2中示出)形成，从而延伸到地层14中，并且可设置在任何定向上，诸如图2中示出的水平井筒12b。
钻探和开采系统10包括钻机或井架20。钻机20可包括起重装备22、游车24和转环26以用于提升和下降套管、钻杆、盘管、开采管、其他类型的管或管柱或其他类型的运送载具30(诸如钢缆、钢丝等)。在图1中，运送载具30是大致管状的、由端到端耦接在一起的多个钻杆接头形成的轴向延伸的钻柱，而在图2中，运送载具30是支撑如下文描述的完井组件的完井管。钻机20可包括方钻杆32、旋转台34和与在井筒12内旋转和/或平移管柱30关联的其他设备。对于一些应用而言，钻机20还可包括顶部驱动单元36。
钻机20可如图1所示位于井口40附近或诸如在如图2中所示海上布置的情况下与井口40间隔开。一个或多个压力控制装置42(诸如防喷器(BOP)和与钻探或开采井筒关联的其他设备)还可在井口40或系统10中的其他地方被提供。
对于海上操作，如图2中所示，无论是钻探还是开采，钻机20可安装在油或气平台44(诸如如图所示的海上平台、半潜式平台、钻探船等(未示出))上。尽管图2的系统10被示出为基于海洋的开采系统，但是图2的系统10可被部署在陆地上。同样地，尽管图1的系统10被示出为基于陆地的钻探系统，但是图1的系统10可被部署在海上。在任何情况下，对于基于海洋的系统，一个或多个海底管道或立管46从平台44的甲板50延伸到海底井口40。管柱30从钻机20向下延伸通过海底管道46和BOP 42并且进入井筒12。
工作或服务流体源52可将工作流体58以泵送的方式供应至管柱30的上端并且流动通过管柱30。工作流体源52可供应在井筒操作中利用的任何流体，包括但不限于钻井液、水泥浆液、酸化液、液态水、蒸汽或一些其他类型的流体。
井筒12可包括设置在其中的地下设备54，例如像钻头和井底钻具组件(BHA)、完井组件或一些其他类型的井筒工具。
井筒钻探和开采系统10可通常表现为具有管系统56。出于本公开的目的，管系统56可包括附接到前述诸如管柱30和管道46的套管、立管、油管、钻柱、完井或开采管柱、接头、头部或任何其他管、管件或设备，以及管、套管和管柱可部署在其中的井筒和分支井筒。在这方面，管系统56可包括胶结在井筒12中的一个或多个套管柱60，诸如图1中所示的表面的、中间的和开采套管60。根据情况，环空62在邻近的管状部件集合(诸如同心的套管柱60或管柱30的外部)的壁与井筒12或套管柱60的内侧壁之间形成。
在地下设备54用于钻探并且运送载具30是钻柱的情况下，钻柱30的下端可包括井底钻具组件(BHA)64，所述井底钻具组件(BHA)64可在远端承载钻头66。在钻探操作期间，当钻头66旋转时钻压(WOB)被施加，从而使钻头66能够沿朝向目标区的预定路径接合地层14和钻探井筒12。通常，钻头66可与钻柱30一起从具有顶部驱动器36或旋转台34的钻机20开始旋转和/或与BHA 64内的井下泥浆马达68一起旋转。工作流体58可被泵送至钻柱30的上端并且流动通过钻柱30的纵向内部70，通过井底钻具组件64并且从在钻头66中形成的喷嘴离开。在井筒12的底端72处，钻井液58可与地层切屑、地层流体和其他井下流体和碎屑混合。钻井液混合物然后可向上流动通过环空62以使地层切屑和其他井下碎屑返回至表面16。
井底钻具组件64和/或钻柱30可包括各种其他工具，包括电源69、机械接头71(诸如定向钻探接头)和测量设备73(诸如随钻测量(MWD)和/或随钻测井(LWD)器械、传感器、电路或其他设备)以提供关于井筒12和/或地层14的信息(诸如来自井筒12的测井或测量数据)。来自工具的测量数据和其他信息可使用电信号、声学信号或可在钻机20处被转换成电信号的其他遥测技术进行通信以便(除了其他之外)监测钻柱30、井底钻具组件64和关联的钻头66的性能以及监测井底钻具组件64所经受的环境的条件。
参考图2，其中地下设备54被示出为完井设备，设置在井筒12的大致水平部分中的是下部完井组件74，所述下部完井组件74包括各种工具，诸如定向和对准子组件76、封隔器78、防砂筛管组件110、封隔器112、防砂筛管组件114、封隔器116、防砂筛管组件118和封隔器120。
从下部完井组件74向井下延伸的是一个或多个通信电缆122(诸如传感器或电力电缆)，所述电缆经过封隔器78、112和116并且可操作地与一个或多个电气装置124(其与下部完井组件74关联)(诸如邻近防砂筛管组件110、114、118定位或定位在地层14的砂面处的传感器，或用来操作井下工具的井下控制器或致动器或流体流动控制装置)关联。电缆122可作为通信介质操作以在下部完井组件74与上部完井组件125之间发送功率或数据等。
在这方面，在管柱30的下端处设置在井筒12中的是上部完井组件125，所述上部完井组件包括各种工具，诸如封隔器126、伸缩接头128、封隔器100、流体流动控制模块102和锚定组件104。
从上部完井组件125向井上延伸的是经过封隔器126、100并且延伸至表面16的一个或多个通信电缆106，诸如传感器电缆或电力电缆。电缆106可作为通信介质操作以在表面控制器(未图示)与上部完井组件125和下部完井组件74之间发送功率或数据等。
被示出部署在图1和图2中的是根据一些实施方案的使用电容性电极的电磁(EM)遥测系统80。在一个或多个实施方案中，EM遥测系统80包括具有对电极83和井下收发器89的表面组件81。EM遥测系统80允许在表面组件81与井下收发器89之间通信。例如，EM遥测系统80可允许在耦接到表面组件81的控制和/或数据获取模块与耦接到井下收发器89的井下设备和/或传感器之间通信。在一个或多个实施方案中，EM遥测系统80可以是双向的，也就是说表面组件81和井下收发器89中的一者或两者可在给定时间处被配置为EM遥测系统80的发送器和/或接收器。在更进一步的这类实施方案中，任何合适的双工技术可被利用，诸如时分双工、频分双工等。在一个或多个实施方案中，EM遥测系统80可以是单向的。
编码信号90(如图1和图2中所描绘)是在表面组件81与井下收发器89之间承载信息的时变的电磁场。例如，编码信号90可承载由一个或多个井下工具获取的测量值和/或测井数据，所述数据被发送至表面以供进一步处理。因为编码信号90可在钻探操作期间发送和接收，所以EM遥测系统80适于钻探、随钻测量(MWD)和/或随钻测井应用。例如，编码信号90可承载用于钻探工具的测量数据、测井数据和/或指令，诸如用于定向钻探应用的方向。在一个或多个实施方案中，由编码信号90承载的信息可以呈数字和/或模拟格式。因此，任何合适的数字和/或模拟编码和/或调制方案可被采用来在井下收发器89与表面组件81之间实现可靠、安全和/或高速的通信。在一个或多个实施方案中，编码和调制方案可包括脉冲宽度调制、脉冲位置调制、开关键控、振幅调制、频率调制、单边带调制、频移键控、相移键控(例如，二进制相移键控和/或M进制相移键控)、离散多音正交频分多路复用等。在一个或多个实施方案中，编码信号90可具有处于1Hz与50Hz之间的频率范围和处于3比特每秒与12比特每秒之间的标称数据速率。
当EM遥测系统80与井下收发器89作为发送器和表面组件81作为接收器一起操作时，编码信号90通过跨井下收发器89中的间隙施加电压信号来生成。例如，间隙可将钻头66与钻柱30电绝缘开。更通常地，间隙将系统10的电耦接到井口40的部分与系统10的电耦接到地层14的部分电绝缘开。在一个或多个实施方案中，所施加的电压信号可具有大约3V(例如，标称处于0.5V与5V之间)的强度。编码信号90通过地球和钻柱30传播到表面组件81。在表面处，对电极83测量对应于编码信号90的电压信号，电压信号基于对电极83与井口40之间的差分电压确定。测量的电压信号被解调和/或解码以恢复由编码信号90承载的信息。在一个或多个实施方案中，所测量的电压信号可具有大约10μV的强度。类似地，当EM遥测系统80与表面组件81作为发送器和井下收发器89作为编码信号90的接收器一起操作时，编码信号90通过在对电极83与井口40之间施加电压信号来发送。跨井下收发器中间隙的对应电压信号被测量、解调和/或解码以恢复由编码信号90承载的信息。
尽管编码信号90理想地在没有噪音的情况下被发送和接收，但是在实践中接收的电压信号是有噪音的。EM遥测系统80中噪音的一个来源是大地噪音，其在图1和图2中被描绘为大地噪音信号92。大地噪音由大地电流激发，所述大地电流由地磁脉动和/或大气脉动(例如，雷电和/或天电)激发。大地电流横跨宽的频率范围。来自地磁脉动的大地电流横跨从1mHz到几Hz(例如，1mHz到10Hz)的频率，并且大气脉动横跨高于1Hz(例如，100Hz)的频率。已知与大地电流相关联的磁场在空间上缓慢地变化，并且可在大距离(例如，至少10km)上被假设是恒定的或近似恒定的。
因为大地电流在空间上是缓慢变化的，所以减轻大地噪音的一种方式是利用大地参考技术。在大地参考中，期望信号(诸如编码信号90)在一个位置处被检测，并且参考信号(诸如参考信号94)在远离这个位置的距离处测量。所检测的信号和参考信号被同步并且将参考信号(和/或参考信号的传递函数)从检测的信号减去。在近似相同的大地噪音信号出现在检测的信号和参考信号两者中并且因此在减去操作期间被取消的情况下，所产生的信号几乎不含大地噪音。例如，在激发极化应用中已经采用用来减轻大地噪音的大地参考。然而，在激发极化应用中，期望信号是在井下和井筒的表面部件之间不承载任何编码信息的周期性交流(AC)信号。
为了在EM遥测系统80中获得大地参考，参考组件85被设置在远离表面组件81和井下收发器89的位置处。参考组件85的传感器87被配置来基于由大地电流激发的电磁场的一个或多个部件测量参考信号94。在一个或多个实施方案中，传感器87可被配置来测量由大地电流激发的磁场的强度和/或方向。在一个或多个实施方案中，传感器87可被配置来测量平行于地球表面的激发的磁场的部件。在一个或多个实施方案中，传感器87可被配置来测量激发的磁场和激发的电场两者的部件。在一个或多个实施方案中，参考组件85可包括同步和/或通信能力以便将参考信号94发送至表面组件81，如在下文参考图5所论述。
在一个或多个实施方案中，参考组件85可定位在距表面组件81大约10km处(例如，5km与20km之间)。将参考组件85定位在距表面组件81这种相对大的距离处利用如下事实：已知由大地电流激发的磁场在空间上缓慢地变化并且可在许多千米的距离上被假设是恒定的或近似恒定的。将参考组件85定位在距表面组件81相对较大的距离处提供若干优点，包括容许井下收发器89在地球内的较大侧向距离上移动(例如，为了到达长的水平井而高达5km)以及减少编码信号90与由参考组件85测量的参考信号94之间的相关性。也就是说，因为将参考信号94从所接收的编码信号90减去，所以参考信号94与编码信号90相关是非期望的。
尽管井下收发器89不限于特定类型或配置，但是图3示出井下收发器89的一个实施方案。在一个或多个实施方案中，井下收发器89可被配置为EM遥测系统80的编码信号发送器。在更进一步的这类实施方案中，井下收发器89可包括控制器310，所述控制器310包括编码器311、调制器312和发送器313。在一个或多个实施方案中，井下收发器89可另外地和/或可替代地被配置为EM遥测系统80的编码信号接收器。在更进一步的这类实施方案中，控制器310可包括解码器314、解调器315和接收器316。在一个或多个实施方案中，编码器311可耦接到一个或多个井下数据源诸如井下设备330和/或井下传感器340，并且可通过输入接口322从所述数据源接收模拟和/或数字数据。编码器311可将接收的数据转换成比特流，调制器312可将比特流转换成模拟和/或数字符号，并且发送器313可将所述符号转换成对应于解码信号90的电压信号。在一个或多个实施方案中，解码器311可对传入数据执行各种操作，包括源编码、交织、加密、信道编码、卷积编码等。在一个或多个实施方案中，调制器312可根据多种调制方案调制传入的比特流，所述调制方案包括脉冲宽度调制、脉冲位置调制、开关键控、振幅调制、频率调制、单边带调制、频移键控、相移键控(例如，二进制相移键控和/或M进制相移键控)、离散多音正交频分多路复用等。在井下收发器89中的间隙332之间施加电压信号。如图3中所描绘，根据图1，间隙332将钻头66与钻柱30电绝缘开。然而，应理解，间隙332可将其他井下部件(诸如钢缆30)与上部完井组件125分开，如图2中所描绘。模拟地，在井下收发器89被配置为EM遥测系统80的接收器的情况下，解码器314、解调器315和接收器316可操作来测量间隙332上的电压信号并且解调/解码测量的电压信号以通过输出接口324向一个或多个井下工具提供输出模拟和/或数字数据。
在一个或多个实施方案中，井下传感器340可与井下设备330关联、耦接到所述井下设备330和/或以其他方式被设置来监测所述井下设备330并且可通过控制器310向表面组件81发送与井下设备330相关联的信息(例如，测量值和/或测井数据)。在一个或多个实施方案中，井下设备330可通过控制器310从表面组件81接收指令。在一些实施方案中，井下设备330可包括钻探设备、随钻测井(LWD)设备、随钻测量(MWD)设备、开采设备等。在一些实施方案中，井下传感器340可包括一个或多个温度传感器、压力传感器、应变传感器、pH传感器、密度传感器、粘度传感器、化学组合物传感器、放射性传感器、电阻率传感器、声学传感器、电势传感器、机械传感器、核磁共振测井传感器、重力传感器、压力传感器、固定长度线传感器、光学跟踪传感器、流体计量传感器、加速度集成传感器、速度定时传感器、里程表、磁特征跟踪传感器、光学特征跟踪传感器、电特征跟踪传感器、声学特征跟踪传感器、航位推算传感器、地层传感器、定向传感器、阻抗类型传感器、直径传感器等。
尽管表面组件81不限于特定类型或配置，但是图4示出表面组件81的一个实施方案。在一个或多个实施方案中，表面组件81可被配置为EM遥测系统80的编码信号发送器。在更进一步的这类实施方案中，表面组件81可包括控制器410，所述控制器410包括编码器411、调制器412和发送器413，如上文参考图3所描绘。在一个或多个实施方案中，表面组件81可另外地和/或可替代地被配置为EM遥测系统80的编码信号接收器。在更进一步的这类实施方案中，表面组件81可包括控制器410，所述控制器410包括解码器414、解调器415和/或接收器416。由解码器414、解调器415和接收器416对所接收的数据执行的功能通常反映由图3中描绘的编码器311、调制器312和发送器313执行的功能。因此，例如，解码器414可执行一些解码、去交织、信号解码、卷积解码等。控制器410还可包括输入接口422和输出接口424以用于传达分别发送至各种数据源或数据汇集器(诸如控制和/或数据收集模块、用户接口等)的数据或从所述各种数据源或数据汇集器接收的数据。
表面组件81包括对电极83。对电极83由发送器413和/或接收器416使用以测量对应于编码信号90的电压信号。对电极83由发送器413和/或接收器416使用以测量对电极83与井口40之间的电压信号和/或在对电极83与井口40之间施加电压信号。电线440将控制器410耦接到井口40，使得在对电极83与井口40之间的电势差可由发送器413施加和/或由接收器416测量。在一些实施方案中，对电极83被放置在距井口40十米或更多米处。在一个或多个实施方案中，对电极83可使用任何合适的耦接机构(诸如电流性耦接、电容性耦接等)电耦接到地球地层430和/或其中的流体。例如，电流性对电极可包括通过电化学反应电耦接到地球的金属桩、多孔钵、废弃的井口或油钻机等。电容性对电极可包括用电绝缘阻挡层(例如，氧化的和/或阳极氧化的表面)涂覆的电容器板(例如，金属板)，所述电容器板通过在阻挡层上形成的电场电耦接到地球地层430。在一些实例中，对电极83可包括被布置以便改进SNR、可靠性(例如，通过提供冗余性)等的多个电流性和/或电容性对电极。
在一个或多个实施方案中，表面组件81可包括大地电压模块417和/或耦接到大地电压模块417以便调节由对电极83接收的电压信号。在一个或多个实施方案中，大地电压模块417可包括一个或多个模拟和/或数字信号处理器、存储器模块、存储模块和/或用于与参考组件85通信的通信接口(诸如天线450)。在一个或多个实施方案中，大地电压模块417可包括用于与参考组件85同步的同步模块，如下文参考图5所论述。在一个或多个实施方案中，大地电压模块417可被配置来从接收器416接收检测的信号(诸如编码信号90)，所述检测的信号包括期望的编码信息和非期望的大地噪音92。大地电压模块417还可被配置来从参考组件85接收参考信号94，参考信号94与大地噪音92相关联。在更进一步的这类实施方案中，大地电压模块417可被配置来使编码信号90和参考信号94同步并且将参考信号94(和/或参考信号的传递函数)从编码信号90减去。在近似相同的大地噪音信号92出现在编码信号90和参考信号94两者中并且因此在减去操作期间被取消的情况下，所产生的信号几乎不含大地噪音。大地电压模块417可向解调器415和/或解码器414输出所产生的信号以恢复由所接收的编码信号90承载的信息(例如，来自MWD或LWD工具的数据和/或来自定向钻探工具的指令)。尽管大地电压模块417被描绘为包括在表面组件81中，但是应理解，大地电压模块417可与表面组件81间隔开，耦接到参考组件85和/或包括在参考组件85中，和/或以其他合适的方式设置在EM遥测系统80中。
尽管参考组件85不限于特定类型或配置，但是图5示出参考组件85的一个实施方案。在一个或多个实施方案中，参考组件85可被配置为EM遥测系统80的参考接收器。在更进一步的这类实施方案中，参考组件85可包括传感器87，所述传感器包括一个或多个磁场传感器530。如图5中所描绘，磁场传感器530被配置为正交的水平磁场传感器对。也就是说，第一磁场传感器532测量平行于地球表面、沿第一轴线的第一磁场分量，并且第二磁场传感器534测量也平行于地球表面但沿垂直于第一轴线的第二轴线的第二磁场分量。磁场传感器530可包括用于感测沿一个或多个轴线的磁场的任何合适的装置，包括感应传感器、磁强计等。在一个或多个实施方案中，参考组件85可包括数据获取模块510。数据获取模块510耦接到传感器87以从磁场传感器530等接收信号并且处理所述信号并且生成参考信号。例如，数据获取模块510可包括一个或多个模拟和/或数字信号处理器、存储器模块、存储模块和/或用于与表面组件81通信的通信接口(诸如天线540)。在一个或多个实施方案中，参考组件85可包括用于与表面组件81(诸如在图4中所描绘的表面组件81的控制器410)同步的同步模块。同步模块可被配置来实现全球定位系统(GPS)同步、基于电缆的同步、无线同步等。在一个或多个实施方案中，参考组件85可被耦接来通过无线链路(诸如卫星链路或无线电链路(例如，2G、3G、GSM和/或CDMA无线电链路))、电缆链路(例如，以太网链路)等与表面组件81通信。在一个或多个实施方案中，通信链路可用于向表面组件81实时传输参考信号。
图6示出根据一些实施方案使用大地参考的EM遥测的方法600的简化图。根据与图1-5一致的一些实施方案，EM遥测系统80可执行方法600以便减轻由大地噪音引起的干扰。更具体地，当表面组件被配置来接收由井下收发器(诸如井下收发器89)发送的编码信号时，大地电压模块(诸如图4中描绘的大地电压模块417)可执行方法600。
在步骤610处，阻抗张量被估算。在一个或多个实施方案中，阻抗张量是频域阻抗张量并且根据对大地电场和磁场时间序列数据的时频处理和分析进行估算。阻抗张量表征频域大地磁场与频域大地电场之间的关系，所述频域大地磁场由参考组件(诸如参考组件85)测量，所述频域大地电场处于对电极(诸如对电极83)与井口(诸如井口40)之间。更具体地，根据下列方程式，用元素Zij表示的阻抗张量使参考组件处的大地磁场与大地电场相关：
根据下列方程式，大地电场与在对电极83与井口40之间测量的大地电压信号Vt相关：
在上述方程式中，l是对电极83与井口40之间的距离。在一个或多个实施方案中，阻抗张量可在发送编码信号90之前被估算或计算。在一个或多个实施方案中，在不发送或接收编码信号的情况下，阻抗张量可通过同时地测量大地电压信号Vt和参考组件85处的磁场来估算。基于同时地测量的数据，阻抗张量元素Zij可根据对大地电场和磁场时间序列数据的时频处理和分析进行估算。(例如，参见K.Vozoff的The Magnetotelluric Method inthe Exploration of Sedimentary Basins,Geophysics，第37卷，第1期，第98-141页(1972)。)
在步骤620处，编码信号90被接收。在一个或多个实施方案中，接收的编码信号对应于在发送编码信号90期间在对电极83与井口40之间测量的电压Vm。在一个或多个实施方案中，电压信号Vm可在存在包括大地噪音信号Vt的一个或多个噪音信号92的情况下测量。所测量的电压信号可以模拟和/或数字格式表示。所测量的电压信号由信噪比(SNR)表征，所述信噪比(SNR)通过将编码信号90的强度除以各种噪音信号92的强度来测量。
在步骤630处，参考信号94从参考组件(诸如参考组件85)接收。在一个或多个实施方案中，参考信号94可基于对参考组件处磁场的强度和方向的测量值以及时频处理和分析。参考信号94可通过无线或有线链路接收。参考信号94可以模拟和/或数字格式表示。在一个或多个实施方案中，参考信号94可包括磁场的平行于地球表面的二维分量的测量值。在步骤630期间接收的参考信号94的定时可使用任何合适的同步技术(诸如，如先前论述的GPS同步技术)与在步骤620期间接收的电压Vm同步。
在步骤640处，接收的编码信号90中的大地噪音92使用参考信号94取消。在一个或多个实施方案中，将参考信号94转换成大地电压信号Vt并且从测量的电压信号Vm减去。在一个或多个实例中，其中参考信号94包括在参考组件处测量磁场参考信号94通过将乘以阻抗张量元素Zij并且使用之前关于步骤610讨论的公式按距离l缩放来转换成Vt。过程640的输出是根据下列方程式计算的去噪音的电压信号Vd：
Vd＝Vm-Vt
通常，因为大地噪音信号Vt至少部分地被取消，所以去噪音的电压信号Vd相对于测量的电压信号Vm有改进的SNR。例如，大地噪音信号强度可在期望的频率处(例如，编码信号的频率，其在一些实施方案中可处于1Hz与50Hz之间)处于1μV与100μV之间，而表面16处的编码的信号强度可低于1mV。因此，减去参考信号94可相对于不采用大地噪音消除技术的EM遥测系统提供10％或以上的大幅SNR改进。
在步骤650处，去噪音的电压信号Vd被解调和/或解码以恢复编码信号90中承载的信息。由于在步骤640处的大地噪音消除，去噪音的电压信号Vd相对于原始测量的电压信号具有改进的SNR。因此，在一个或多个实施方案中，根据方法600操作的解调器和解码器可比常规EM遥测系统更可靠地和/或更快地生成输出数据。解调和解码过程通常反映由井下收发器应用的处理步骤以生成编码的信号90。在一个或多个实施方案中，编码和调制方案(以及对应的解码和解调方案)可包括脉冲宽度调制、脉冲位置调制、开关键控、振幅调制、频率调制、单边带调制、频移键控、相移键控(例如，二进制相移键控和/或M进制相移键控)、离散多音正交频分多路复用等。在一个或多个实施方案中，步骤620–650可连续地执行(例如，在环路中按序列地执行或同时地执行)以使用具有大地参考的EM遥测系统80连续地接收数据。
前述方法中的任一者在井筒中的各种步骤中可能特别有用。因此，在一个或多个实施方案中，井筒可被钻探，并且在钻探期间或在钻探暂停期间，可生成关于设置在井筒中的井下设备的信息。井下设备可选自由如下各项组成的组：钻探设备、随钻测井(LWD)设备、随钻测量(MWD)设备和开采设备。同样地，在一个或多个实施方案中，井下开采设备可设置在井筒中，并且在开采操作期间，可生成关于设置在井筒中的井下设备的信息。所述信息可利用一个或多个传感器生成，所述一个或多个传感器设置在井筒中并且选自由如下各项组成的组：温度传感器、压力传感器、应变传感器、pH传感器、密度传感器、粘度传感器、化学组合物传感器、放射性传感器、电阻率传感器、声学传感器、电势传感器、机械传感器、核磁共振测井传感器、重力传感器、压力传感器、固定长度线传感器、光学跟踪传感器、流体计量传感器、加速度集成传感器、速度定时传感器、里程表、磁特征跟踪传感器、光学特征跟踪传感器、电特征跟踪传感器、声学特征跟踪传感器、航位推算传感器、地层传感器、定向传感器、阻抗类型传感器和直径传感器。
图7是示例性计算机系统700的框图，在所述示例性计算机系统700中，本公开的实施方案可适用于使用大地参考执行EM遥测技术。例如，如上文所描述的图6的方法600的操作步骤和/或图3的控制器310的部件，图4的控制器410和/或大地电压模块417可使用系统700实现。系统700可以是计算机、电话、个人数字助理(PDA)或任何其他类型的电子装置。这种电子装置包括各种类型的计算机可读介质和用于各种其他类型的计算机可读介质的接口。如图7中所示，系统700包括永久性存储装置702、系统存储器704、输出装置接口706、系统通信总线708、只读存储器(ROM)710、处理单元712、输入装置接口714和网络接口716。
总线708共同地表示可通信地连接系统700的多个内部装置的全部系统、外围设备和芯片组总线。例如，总线708将处理单元712与ROM 710、系统存储器704和永久性存储装置702通信地连接在一起。
处理单元712从这些各种存储器单元检索要执行的指令和要处理的数据，以便执行本公开的过程。处理单元在不同实现方式中可以是单一处理器或多核处理器。
ROM 710存储系统700的处理单元712和其他模块需要的静态数据和指令。另一方面，永久性存储装置702是读写存储器装置。这一类装置是即使在系统700关闭时也存储指令和数据的非易失性存储器单元。本公开的一些实现方式使用大容量存储装置(诸如磁盘或光盘以及其对应的盘驱动器)作为永久性存储装置702。
其他实现方式使用可移除存储装置(诸如软盘、闪存驱动器以及其对应的盘驱动器)作为永久性存储装置702。像永久性存储装置702一样，系统存储器704是读写存储器装置。然而，不像存储装置702，系统存储器704是易失性读写存储器，诸如随机存取存储器(RAM)。系统存储器704存储处理器在运行时需要的指令和数据。在一些实现方式中，本公开的过程存储在系统存储器704、永久性存储装置702和/或ROM 710中。例如，根据一些实现方式，各种存储器单元基于现有管柱设计包括用于计算机辅助管柱设计的指令。处理单元712从这些各种存储器单元检索要执行的指令和要处理的数据，以便执行一些实施方案的过程。
总线708还分别连接到输入装置接口714和输出装置接口706。输入装置接口714使用户能够将信息通信至系统700并且选择命令。与输入装置接口714一起使用的输入装置例如包括字母数字的QWERTY或T9键盘、麦克风和定点装置(也被称为“光标控制装置”)。输出装置接口706例如能够显示由系统700生成的图像。与输出装置接口706一起使用的输出装置例如包括打印机和显示装置，诸如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)。一些实现方式包括作为输入装置和输出装置两者的装置(诸如触摸屏)。应理解，本公开的实施方案可使用包括用于能够与用户交互的各种类型的输入装置和输出装置中的任一者的计算机实现。这类交互可包括向用户的反馈或来自用户的反馈，所述反馈呈不同形式的感官反馈，包括但不限于视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈。另外，来自用户的输入可以包括但不限于声音输入、语言输入或触觉输入的任何形式接收。另外地，与用户的交互可包括通过上文描述的接口向用户发送例如呈文档形式的不同类型的信息和从用户接收所述不同类型的信息。
而且，如图7所示，总线708还通过网络接口716将系统700耦接到公用或私用网络(未示出)或网络的组合。这种网络可例如包括局域网(LAN)(诸如内联网)或广域网(WAN)(诸如互联网)。系统700中的任一个部件或全部部件可结合本公开使用。
上文所描述的这些功能可在数字电子电路中、在计算机软件、固件或硬件中实现。这些技术可使用一个或多个计算机程序产品实现。可编程处理器和计算机可被包括在移动装置中或作为移动装置被封装。这些过程和逻辑流程可由一个或多个可编程处理器或由一个或多个可编程逻辑电路执行。通用和专用计算装置和存储装置可通过通信网络互连。
一些实现方式包括电子部件，诸如微处理器、将计算机程序指令存储在机器可读或计算机可读的媒体(可替代地被称为计算机可读存储介质、机器可读介质、或机器可读存储介质)中的存储装置和存储器。这类计算机可读介质的一些实例包括RAM、ROM、只读压缩盘(CD-ROM)、可记录压缩盘(CD-R)、可重写压缩盘(CD-RW)、只读数字多用途盘(例如，DVD-ROM、双层DVD-ROM)、多种可记录/可重写DVD(例如，DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW等)、闪存存储器(例如，SD卡、小型SD卡、微型SD卡等)、磁和/或固态硬盘驱动器、只读和可记录盘、超密度光盘、任何其他光学或磁性介质和软盘。计算机可读介质可存储可由至少一个处理单元执行的计算机程序并且包括指令集以便执行各种操作。计算机程序或计算机代码的实例包括诸如由编译器产生的机器代码、和包括由计算机、电子部件或微处理器使用解释器执行的高级代码的文件。
虽然上述论述主要是指执行软件的微处理器或多核处理器，但是一些实现方式由一个或多个集成电路(诸如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA))执行。在一些实现方式中，这类集成电路执行存储在电路本身上的指令。因此，如上文所描述，图6的方法600的操作的步骤可使用系统700或具有处理电路或包括存储在其中的指令(所述指令在由至少一个处理器执行时，致使处理器执行与这些方法相关的功能)的计算机程序产品的任何计算机系统实现。
如在本说明书和本说明书的任何权利要求中使用的，术语“计算机”、“服务器”、“处理器”和“存储器”都是指电子装置或其他技术装置。这些术语不包括人或人群。如本文所用，术语“计算机可读介质”和“计算机可读媒体”通常是指以计算机可读形式存储信息的有形、物理和非暂态电子存储介质。
本说明书中描述的主题的实施方案可在计算系统中实现，所述计算系统包括后端部件(例如，数据服务器)；中间件部件(例如，应用程序服务器)；前端部件(例如，具有用户可用来与本说明书描述的主题的实现方式进行交互的图形用户界面或网络浏览器的客户端计算机)；或一个或多个这种后端、中间或前端部件的任何组合。系统部件可通过任何数字数据通信形式或媒体(例如，通信网络)而互连。通信网络实例包括局域网(LAN)和广域网(WAN)、跨网(例如，互联网)、以及对等网络(例如，自组对等网络)。
计算系统可包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离，并且通常通过通信网络交互。客户端与服务器的关系由于在相应的计算机上运行且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序而产生。在一些实施方案中，服务器将数据(例如，网页)传输到客户端设备(例如，为了向与客户端设备交互的用户显示数据并从所述用户接收用户输入)。在客户端设备处生成的数据(例如，用户交互结果)可在服务器处从客户端设备接收。
应当理解，所公开的在过程中的步骤的任何具体顺序或层级是示例性方法的说明。基于设计偏好，应当理解，可对过程中的步骤的具体顺序或层级重新排序，或执行所有所示步骤。所述步骤中的一些可以同时执行。例如，在某些环境中，多任务和平行处理可为有利的。此外，上述实施方案中的各种系统部件的分离不应理解为在所有实施方案中要求这种分离，而应理解，所描述的程序部件和系统通常可一起整合在单个软件产品中或封装到多个软件产品中。
此外，本文所描述的示例性方法可通过包括处理电路的系统或包括指令的计算机程序产品实现，所述指令在由至少一个处理器执行时，致使处理器执行本文所描述的任何方法。
因此，已经描述了具有大地参考的EM遥测系统。用于与井下设备一起使用的具有大地参考的EM遥测系统的实施方案包括：井下收发器，所述井下收发器包括编码的信号发送器；井下传感器，所述井下传感器被设置来监测井下设备，所述井下传感器耦接到收发器；编码的信号接收器；参考接收器，所述参考接收器与编码的信号接收器间隔开并且可通信地耦接到编码的信号接收器；以及大地电压模块，所述大地电压模块耦接到编码的信号接收器和参考接收器中的一个。同样地，用于与井筒中的从表面延伸的井下设备一起使用的电磁(EM)遥测系统已经被描述并且可通常包括：传感器，所述传感器定位在井筒中并且被设置来监测井下设备；设置在井筒中的井下收发器，所述井下收发器包括编码信号发送器；编码的信号接收器，所述编码的信号接收器邻近表面设置；参考接收器，所述参考接收器邻近表面设置并且与编码的信号接收器间隔开，所述参考接收器可通信地耦接到编码的信号接收器；以及大地电压模块，所述大地电压模块耦接到编码的信号接收器或参考接收器中的一个。
对于任何前述实施方案，系统可以单独地或彼此组合地包括以下要素中的任一个：井下设备选自由如下各项组成的组：钻探设备、随钻测井(LWD)设备、随钻测量(MWD)设备和开采设备；传感器选自由如下各项组成的组：温度传感器、压力传感器、应变传感器、pH传感器、密度传感器、粘度传感器、化学组合物传感器、放射性传感器、电阻率传感器、声学传感器、电势传感器、机械传感器、核磁共振测井传感器、重力传感器、压力传感器、固定长度线传感器、光学跟踪传感器、流体计量传感器、加速度集成传感器、速度定时传感器、里程表、磁特征跟踪传感器、光学特征跟踪传感器、电特征跟踪传感器、声学特征跟踪传感器、航位推算传感器、地层传感器、定向传感器、阻抗类型传感器和直径传感器；参考接收器通过无线通信发送器可通信地耦接到编码的信号接收器；参考接收器通过电缆可通信地耦接到编码的信号接收器；参考接收器与编码的信号接收器隔开大约10km；参考接收器与编码的信号接收器隔开5km与20km之间；参考接收器使用全球定位系统(GPS)同步与编码的信号接收器同步；编码的信号接收器耦接到对电极；所述对电极包括电流性电极；所述对电极包括电容性电极；编码信号包括与井下设备相关的传感器信息；编码信号使用脉冲宽度调制、脉冲位置调制、开关键控、振幅调制、频率调制、单边带调制、频移键控、相移键控、离散多音和正交频分多路复用中的至少一者编码；参考信号包括与大地电流相关的传感器信息；参考信号基于由大地电流激发的磁场的强度和方向确定；参考信号基于在平行于地球表面平面的二维平面中的磁场的强度和方向确定；参考接收器耦接到交叉的磁场传感器对；参考接收器耦接到一个或多个感应传感器；参考接收器耦接到一个或多个磁强计；参考信号乘以阻抗张量并且按在表面组件与井口之间的距离缩放以确定大地电压信号；阻抗张量在发送和接收编码信号之前被估算；大地电压模块将大地电压信号从编码信号减去以取消编码信号中的大地噪音。
已经描述了用于从井下收发器接收信息的方法。所述方法的实施方案可包括接收编码信号，接收参考信号，使用参考信号取消接收的编码信号中的大地噪音，以及恢复来自编码信号的信息。编码信号在第一位置处测量，并且参考信号与编码信号在与第一位置间隔开的第二位置处同步地测量。所述方法的其他实施方案可包括检测井筒中的井下设备，生成关于井下设备的信息，发送包括所生成的信息的编码信号，接收编码信号，接收参考信号，使用参考信号取消所接收的编码信号中的大地噪音，以及恢复来自编码信号的信息。
对于前述实施方案，方法可以单独地或彼此组合地包括以下步骤中的任一个：在第一位置处测量编码信号，并且在与第一位置间隔开的第二位置处同步地测量参考信号与编码信号；钻探井筒并且在井筒内生成关于井筒内井下设备的信息；将井下开采设备部署在井筒中并且在井筒内生成关于井下开采设备的信息；所述信息包括随钻测量数据和随钻测井数据中的一个或多个；第一位置与第二位置隔开大约10km；第一位置与第二位置隔开5km与20km之间；参考信号通过无线链路接收；参考信号通过电缆接收；使用全球定位系统(GPS)同步使参考信号与编码信号同步；编码信号从对电极接收；所述对电极包括电流性电极；所述对电极包括电容性电极；编码信号使用脉冲宽度调制、脉冲位置调制、开关键控、振幅调制、频率调制、单边带调制、频移键控、相移键控、离散多音和正交频分多路复用中的至少一者编码；参考信号基于由大地电流激发的磁场的强度和方向确定；参考信号基于在平行于地球表面平面的二维平面中的磁场的强度和方向确定；使用交叉的磁场传感器对确定磁场的强度和方向；磁场传感器；使用一个或多个感应线圈确定磁场的强度和方向；使用一个或多个磁强计确定磁场的强度和方向；参考信号乘以阻抗张量并且按第一位置与井口之间的距离缩放以确定大地电压信号；并且阻抗张量在接收编码信号之前被估算；将大地电压从所接收的编码信号减去。
虽然前述公开内容涉及本公开的特定实施方案，但是各种修改对本领域的技术人员是显而易见的。所附权利要求书的范围和精神内的全部变化旨应由前述公开涵盖。

Claims (20)

1.一种用于与井下设备一起使用的电磁(EM)遥测系统，所述系统包括：
井下收发器，所述井下收发器包括编码的信号发送器；
井下传感器，所述井下传感器被设置来监测所述井下设备；
编码的信号接收器；
参考接收器，所述参考接收器与所述编码的信号接收器间隔开并且可通信地耦接到所述编码的信号接收器；以及
大地电压模块，所述大地电压模块耦接到所述编码的信号接收器或所述参考接收器中的一个。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述井下传感器耦接到所述收发器。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述编码的信号接收器和所述参考接收器邻近所述表面设置。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述传感器选自由如下各项组成的组：温度传感器、压力传感器、应变传感器、pH传感器、密度传感器、粘度传感器、化学组合物传感器、放射性传感器、电阻率传感器、声学传感器、电势传感器、机械传感器、核磁共振测井传感器、重力传感器、压力传感器、固定长度线传感器、光学跟踪传感器、流体计量传感器、加速度集成传感器、速度定时传感器、里程表、磁特征跟踪传感器、光学特征跟踪传感器、电特征跟踪传感器、声学特征跟踪传感器、航位推算传感器、地层传感器、定向传感器、阻抗类型传感器和直径传感器。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述参考接收器通过无线通信发送器可通信地耦接到所述编码的信号接收器。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述参考接收器通过电缆可通信地耦接到所述编码的信号接收器。
7.如权利要求5所述的系统，其中所述参考接收器与所述编码的信号接收器隔开大约10km。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述编码的信号接收器耦接到对电极。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述对电极包括电流性电极。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述对电极包括电容性电极。
11.如权利要求8所述的系统，其还包括编码的信号，所述编码的信号包括与所述井下设备相关的传感器信息。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述编码信号使用脉冲宽度调制、脉冲位置调制、开关键控、振幅调制、频率调制、单边带调制、频移键控、相移键控、离散多音和正交频分多路复用中的至少一者编码。
13.如权利要求11所述的系统，其还包括参考信号，所述参考信号包括与大地电流相关的传感器信息。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述参考信号基于由所述大地电流激发的磁场的强度和方向确定。
15.如权利要求13所述的系统，其中所述参考信号基于在平行于地球表面平面的二维平面中的所述磁场的强度和方向确定。
16.如权利要求14所述的系统，其中所述参考接收器耦接到交叉的磁场传感器对。
17.一种用于从井下收发器接收信息的方法，所述方法包括：
接收编码信号，所述编码信号在第一位置处测量；
接收参考信号，所述参考信号与所述编码信号在与所述第一位置间隔开的第二位置处同步地测量；
使用所述参考信号取消所述编码信号中的大地噪音；以及
恢复来自所述编码信号的所述信息。
18.如权利要求17所述的方法，其还包括使用全球定位系统(GPS)同步使所述编码信号与所述参考信号同步。
19.如权利要求17所述的方法，其还包括使所述参考信号乘以阻抗张量并且使所述参考信号按所述表面组件与井口之间的距离缩放以确定大地电压信号。
20.如权利要求19所述的方法，其还包括将所述大地电压信号从所述编码信号减去以取消所述编码信号中的大地噪音。
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