CN108291442B - 井下电磁遥测接收器 - Google Patents
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Abstract
一种用于将数据从井下工具传输到地面位置的方法，包括使用井眼中的所述井下工具测量所述井眼中的属性。套管定位在所述井眼内，并且所述井下工具定位在所述套管的至少一部分下方。使用所述井下工具生成数字帧。所述数字帧包括对应于所述属性的信息。所述数字帧被编码以将所述信息叠加到载波信号上。所述载波信号被转换成跨所述井下工具中的绝缘层产生的电压差。所述电压差使得电流流经地下地层并进入所述井下工具上方的所述套管中。使用至少部分地位于所述套管内或至少部分地位于所述套管周围的传感器来检测由流经所述套管的所述电流产生的磁通量。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年10月23日提交的美国临时专利申请序列号62/245,741以及于2015年12月18日提交的美国专利申请序列号14/974,882的优先权。这两个专利申请通过引用并入本文。
背景技术
利用电磁(“EMAG”)遥测技术向井口传输数据的井下随钻测量(“MWD”)工具包括位于工具上部和工具下部之间的电绝缘层(例如陶瓷、硬塑料、橡胶)。这通常集成在钻铤的永久连接内。为了将该数据流从井眼内传送到地面位置，使用编码方法：通常，选择预定的载波频率并且叠加PSK或QPSK编码以定义位模式。该编码信号被应用作为工具上部和下部之间的电压差。由于该电压差，产生了流过地下地层的电流。更具体地，电流从工具的下部流出到地下地层中，并且以几乎半椭圆的形状向工具的上部折弯回去。由上部收集到的电流通过向下流经该上部的导电材料而返回到下部。
为了在地面接收信号，两个金属桩在地面位置被打入地下地层中。由于地面岩层具有一定的电阻率，因此当一些电流到达该桩时，桩之间会产生电压差。该电压差被施加到地面计算机的采集系统上，使得计算机系统可以解码该电压差以恢复从井眼中的井下工具传输的数据流。然而，有时地下地层可能包括具有非常高电阻率或非常低电阻率的一个或多个层，这可能大大限制了电流从中穿过并到达桩。由此，信号(例如电压差)可能在地面桩处太弱，并且数据可能不会在地面位置处恢复。
发明内容
提供本发明内容是为了介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本发明内容既不意在识别所要求保护主题的关键或必要特征，也不意在用来帮助限制所要求保护主题的范围。
公开了一种用于从井下工具向地面位置传输数据的方法。该方法包括使用井眼中的井下工具测量井眼中的属性。套管定位在该井眼内，并且井下工具定位在套管的至少一部分下方。使用井下工具生成数字帧。数字帧包括对应于该属性的信息。数字帧被编码以将该信息叠加到载波信号上。载波信号被转换成跨井下工具中的绝缘层产生的电压差。电压差使得电流流经地下地层并进入井下工具上方的套管中。使用至少部分地位于套管内或至少部分地位于套管周围的传感器来检测由流经套管的电流产生的磁通量。
在另一个实施方案中，该方法包括将井下工具伸入到第一井眼中。使用该第一井眼中的井下工具测量属性。使用井下工具生成数字帧。数字帧包括对应于该属性的信息。数字帧被编码以将该信息叠加到载波信号上。载波信号被转换成跨井下工具中的绝缘层产生的电压差。电压差使得电流流经地下地层并进入第二井眼中的套管中。使用传感器检测由流经第二井眼中的套管的电流产生的磁通量，该传感器定位在由该套管限定的孔中，在套管中，在与该套管耦接的套管靴中，在套管外部，或者在套管靴外部。
在另一个实施方案中，该方法包括将井下工具伸入到第一井眼中。使用该第一井眼中的井下工具测量属性。使用井下工具生成数字帧。数字帧包括对应于该属性的信息。数字帧被编码以将该信息叠加到载波信号上。载波信号被转换成跨井下工具中的绝缘层产生的电压差。电压差使得电流流经地下地层。使用位于偏离第一井眼的第二井眼中的传感器来检测由该电流产生的磁通量。
在另一个实施方案中，该方法包括将井下工具伸入到具有位于其中的套管的第一井眼中。使用该第一井眼中的井下工具测量属性。使用井下工具生成数字帧。数字帧包括对应于该属性的信息。数字帧被编码以将该信息叠加到载波信号上。载波信号被转换成跨井下工具中的绝缘层产生的电压差。电压差使得电流流经地下地层并进入第二井眼中的第二套管中。使用至少部分地位于第二套管内或至少部分地位于第二套管周围的传感器来检测由流经第二套管的电流产生的磁通量。由传感器检测到的数据被传输到位于第一井眼中的第一套管中或其周围的接收器。使用定位于第一井眼中的第一套管径向外侧的缆线将数据从接收器传输到地面位置处的计算机。
还公开了一种用于从井眼中的井下工具向地面位置传输数据的系统。该系统包括测量井眼中的属性，生成包括与该属性相对应的信息的数字帧，并且编码该数字帧以将该信息叠加到载波信号上的井下工具。载波信号被转换成跨井下工具中的绝缘层产生的电压差。电压差使得电流流经地下地层并进入井下工具上方的套管中。传感器至少部分地定位在套管内或至少部分地定位在套管周围。传感器检测由流经套管的电流产生的磁通量。
附图说明
所附附图并入本说明书并且构成本说明书的一部分，其说明本教义的实施方案，且连同描述一起用来解释本教义的原理。在图中：
图1示出了根据一个实施方案的位于井眼中的井下工具和传感器的截面图。
图2示出了根据一个实施方案的传感器的第一实施方案(“第一传感器)的透视图。
图3-5示出了根据一个实施方案的至少部分地位于井眼中的套管靴内的第一传感器的截面图。
图6示出了显示出传感器的第二实施方案(“第二传感器”)的井下工具的截面图。
图7示出了根据一个实施方案的定位于井眼中的套管或套管靴径向外侧的第二传感器的截面图。
图8A和图8B示出了根据一个实施方案的至少部分地定位在套管中，在套管靴中或套管短节内的第二传感器的截面侧视图和截面顶视图。
图9A和图9B示出了根据一个实施方案的位于第一井眼中的井下工具以及位于第二井眼中的第一和/或第二传感器的截面图。
图10示出了根据一个实施方案的位于第一井眼中的井下工具以及位于第二井眼中的第三传感器的截面图。
图11示出了根据一个实施方案的位于第二井眼中的第三传感器的放大截面图。
图12A示出了根据一个实施方案的位于第一井眼中的井下工具以及位于偏离第一井眼的第二井眼中的第二传感器的截面图。
图12B示出了根据一个实施方案的天线和提供发射器和接收器之间的耦合的AC磁通量。
图13示出了根据一个实施方案的一种用于使用电磁遥测将数据从井眼中的井下工具传输到地面位置的方法的流程图。
图14示出了根据一个实施方案的计算系统的示意图。
具体实施方式
现在详细参考多个实施方案，其实例在附图中图示。在以下详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻的了解。然而，本领域的技术人员将明白，在不具有这些具体细节的情况下也可实践本发明。在其他情况下，众所周知的方法、规程、组件、电路以及网络并未进行详细描述，以便不会不必要地混淆实施方案的方面。
还应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应该受这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，在不脱离本发明的范围的前提下，可将第一对象或步骤称为第二对象或步骤，并且类似地，可将第二对象或步骤称为第一对象或步骤。第一对象或步骤和第二对象或步骤分别都是对象或步骤，但它们不应被视为同一对象或步骤。
本文中本发明的描述中使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而不意在限制本发明。如本发明的说明书和所附权利要求中所用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”和“该/所述”也意在包括复数形式。还应当理解，如本文所使用的术语“和/或”是指并且包含一个或多个相关联的所列项目的任何和所有可能的组合。还应理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其分组的存在或添加。此外，如本文所使用，可以将术语“如果”解释为意指“当……时”或“在……之后”或“响应于确定”或“响应于检测”，这取决于上下文。
现在将注意力转向根据一些实施方案的处理过程、方法、技术和工作流程。本文所公开的处理过程、方法、技术和工作流程中的一些操作可进行组合和/或一些操作的顺序可改变。
图1示出了根据一个实施方案的具有位于其中的井下工具130和传感器150的井眼110的截面图。井眼110可以在地下地层112中钻探。套管116可以定位于井眼110的壁的径向内侧。水泥层114可以径向位于套管116和井眼110的壁之间，以将套管116固定就位。如图所示，套管116从地面位置100向下延伸到地面位置100与井眼110的底部111之间的点。套管靴118可以耦接到套管116的下端。
井下工具130可以使用钻柱132下降到井眼110中。井下工具130可以包括随钻测井(“LWD”)工具134和/或随钻测量(“MWD”)工具136。在井眼110正在被钻探或在随后的任何时间，LWD工具134可被配置为测量一个或多个地层属性和/或物理属性。在井眼110正在被钻探或在随后的任何时间，MWD工具136可被配置为测量一个或多个物理属性。地层属性可以包括电阻率，密度，孔隙率，声速，γ射线等。物理属性可以包括压力，温度，井径，井眼轨迹，钻压，钻头扭矩，振动，冲击，粘滑等。LWD工具134将其测量结果传递给MWD工具136。然后，MWD工具136可以对来自其自身和LWD工具134的数据组进行分组，并且在适当的编码之后准备好用于传输到地面位置100的数据流。
井下工具130还可以包括位于井下工具130的上部与井下工具130的下部之间的电绝缘层140。绝缘层140可定位在LWD工具134内，MWD工具136内或井下工具130中的其他地方。在一个实施方案中，井下工具130的上部可以经由螺纹连接与井下工具130的下部接合，并且绝缘层140可以是螺纹连接的表面，靠近螺纹连接的井下工具130的外表面，靠近螺纹连接的井下工具130的内表面或其组合上的涂层。绝缘层140可以是或包括塑料，橡胶，陶瓷，玻璃纤维或其组合。
井下工具130可使用电磁遥测将来自井眼110内的数据(例如地层属性，物理属性等)传输至地面位置100处的计算机系统102。为了将数字数据流从井眼110内传输到地面位置100，使用了编码方法。更具体地，选择预定的载波频率，并且叠加PSK或QPSK编码以定义位模式。该编码信号被应用作为井下工具130上部和下部之间跨绝缘层140的电压差。由于井下工具130的下部和上部之间的电压差，产生了流经地下地层112的电流142。电流142从井下工具130的下部流出到地下地层112中，并且以几乎半椭圆的形状向井下工具130的上部折弯回去。由上部收集到的电流142通过向下流经井下工具130的上部的导电材料而返回到下部。
井下工具130可以施加恒定幅度的电流，而电压可以相对于地下地层112的视在电阻进行调整。电流142的至少一部分可以从地下地层112流入套管116中。如箭头143所示，该部分电流然后可以向下流经套管116。如箭头144所示，电流142的至少一部分可以从套管116流到套管116内部的钻柱132。如箭头145所示，该部分电流然后可以向下流经钻柱132。
一个或多个传感器(示出一个：150)可以位于井眼110中。更具体地，传感器150可以至少部分地定位于套管116或套管靴118内或其外表面上。在另一个实施方案中，传感器150可以定位于套管116或套管靴118径向外侧并且与套管116或套管靴118轴向对齐。传感器150可以是电磁接收器。传感器150可以将检测到的信息经由缆线或电线314传送至地面系统
图2示出了根据一个实施方案的图1中所示的传感器150的第一实施方案(在本文中被称为“第一传感器150-1”)。第一传感器150-1可以包括铁磁层压材料构成的环形主体(即，环或螺旋线圈)200。如上面所讨论的，主体200可以定位在套管116或套管靴118的至少一部分内或周围。铁磁体可以是或包括例如钴，铁，氧化铁或其组合。然而，本文中也考虑其他铁磁材料。
电线202可缠绕主体200的至少一部分圆周。电线202可用于测量由流经套管116、套管靴118、钻柱132或其组合的电流产生的进入到环形主体200中的磁通量。磁通量测量值可以与在该轴向位置处流经套管116、套管靴118、钻柱132或其组合的总电流成正比。电线202的末端之间的测量比例可以至少部分地取决于围绕主体200的电线202的匝数。主体200和电线202的至少一部分可以被可变形的绝缘体(未示出)包围。绝缘体可以由例如塑料或橡胶制成。
如下面更详细讨论的，井下数据中继发射器320(见图3)的处理器可以能够处理检测磁通量的传感器150-1的输出，以恢复由井下130使用的带宽中的AC信号，以通过绝缘层140传输信号。井下数据中继发射器320的处理器还可以通过应用用于PSK或QPSK解码的逆处理来解码数字信号。处理器还可以通过验证诸如帧标识符、校验和、比特数之类的帧元素来验证数字帧的有效性。然后，井下数据中继发射器320的处理器可以将该帧中继发射到地面计算机102。该帧可以与接收到的帧相同，或被修改以添加来自井下数据中继发射器320的处理器的补充信息。然后，井下电子设备可以确保编码(例如，PSK或QPSK)使信号适应线缆314，这确保到由地面计算机102驱动的地面系统的链路。由此，计算机系统102可以能够解码数据(例如，地层属性，物理属性等)。
图3-5示出了根据一个实施方案的至少部分地位于套管靴118内的第一传感器150-1。套管靴118可以包括第一上部118-1和第二下部118-2。套管靴的上部118-1可以经由第一螺纹连接与套管116的下端耦接，并且套管靴的上部118-1可以经由第二螺纹连接与套管靴的下部118-2耦接。在另一个实施方案中，套管靴的上部118-1可以经由紧配合(例如在图4中围绕绝缘材料的区域306)与套管靴的下部118-2耦接。
可钻孔材料120可以存在于套管靴118的孔中。这种材料可以是金属的(例如铝)。可钻孔材料120可以便于引导进入井眼110(例如，当将套管116伸入到井眼110中时)。这些可钻孔材料120可以初始存在于图4和图5的套管靴118中。
第一挖槽300可以至少部分地设置在套管靴118内。如图所示，第一挖槽300可以定位在套管靴的上部118-1和下部118-2之间。尽管未示出，但在其他实施方案中，第一挖槽300可限定在套管116内或限定在套管116与套管靴的上部118-1之间。第一传感器150-1可以至少部分地定位于第一挖槽300内。第一挖槽300中围绕传感器150-1和套管的上部118-1和下部118-2的空间可以填充有不导电的填充元件121。填充元件121可以是柔软且可成形的材料，例如橡胶或软塑料。填充元件121可以保护传感器150-1不受井眼110中的流体的影响。填充元件121可以围绕传感器150-1。
如图3所示，套管靴的上部118-1可以包括从其向下延伸从而限定第一挖槽300的外径向壁的轴向突起302。在突起302与套管靴的下部118-2之间可以存在间隙304。如图4所示，在另一个实施方案中，轴向突起302可以是套管靴的下部118-2的一部分并且从其向上延伸以限定第一挖槽300的外径向壁。在该实施方案中，绝缘插件306可以定位在套管靴的上部118-1和下部118-2之间。间隙304可以存在于内表面处。绝缘插件306可防止电流通过套管靴118中位于第一挖槽300的径向外侧的路径向下流动。电流可以代之以通过套管靴118中位于第一挖槽300径向内侧或在钻柱132内的路径向下流动。利用这种设计，在套管116中向下流动的电流143(参见图1)可以经由泄漏电流144切换/转换到钻柱132中成为电流145。这种切换可能主要发生在传感器150-1的上方。
第一传感器150-1可以被配置为测量由流经从第一传感器150-1径向内侧的路径的电流143、145所产生的磁通量。尽管未示出，但是在一些实施方案中，在套管靴的上部118-1和下部118-2之间可以不存在间隙304。相反，套管靴的上部118-1和下部118-2的内表面可以彼此接触。这种重叠可以是紧密配合或者配备有螺纹以将套管靴的上部118-1和下部118-2保持在一起。在诸如图4所示的实施方案中，绝缘插件306可以是电绝缘的。绝缘可以通过重叠区域中的玻璃或陶瓷涂层获得。在其他实施方案中，可以使用塑料或橡胶。
在至少一个实施方案中，第二挖槽310可以形成在套管116或套管靴118中。第二挖槽310可以定位得比第一挖槽300略高(即，更靠近井眼110的起始点)。第二挖槽310可以轴向延伸并且可以被包括在充当支脚的局部加厚段的一个翼片中。如图所示，第二挖槽310可以形成于套管靴的上部118-1中。井下数据中继发射器320的至少一部分可以定位在第二挖槽310内。一个或多个线缆或电线312(图4)可以耦接到第一挖槽300中的第一传感器150-1和第二挖槽310中的井下数据中继发射器320并在其中间延伸。线缆312可以将与磁通量测量成正比的信号(电流)传输到第二挖槽310中的井下数据中继发射器320。
第二挖槽310中的井下数据中继发射器320可以包括被配置为向第二挖槽310中的其他电组件提供电力的电源或调节器。电力可以由电池或通过从地面位置100处的电源向下延伸的线缆或电线提供。第二挖槽310中的井下数据中继发射器320还可以包括具有处理器(CPU)和存储器的数字单元，以控制来自第一挖槽300中的传感器150-1的数据采集。数字单元还可以将测量中的数据格式化为将要传输到地面位置100的遥测帧，如下面更详细讨论的。存储器可以包括软件，传感器150-1的校准信息等。在一些实施方案中，可以将诊断数据存储在存储器中用于稍后检索。处理器可以管理数据采集的时间基准。时间基准可以相对于地面计算机102的井上时钟重新同步化。一些数据可以在地面计算机102和井下数据中继发射器320的CPU之间交换。
第二挖槽310中的井下数据中继发射器320还可以包括被配置成将线缆312中的与磁通量测量成正比的信号转换为数字数据流的模数转换器(“ADC”)。在一些实施方案中，模拟滤波器可以位于传感器150-1与ADC之间以从信号中去除噪声，来避免由于在用于遥测的有用频率带宽之外的信号所引起的混叠和潜在的ADC饱和。数字数据流可以被解码以恢复由井下工具130发送的数字帧。井下数据中继发射器320还可以包括遥测电子系统，该遥测电子系统被配置为确保通过线缆314向/从在地面位置100处的计算机系统102正确传输和接收信号。遥测电子系统可以是线缆314和处理器之间的硬线接口。
在至少一个实施方案中，当将单个介质用于两个功能时，滤波器可以位于通往地面位置100的线缆314内，以正确地叠加供电和遥测信号。到达和来自地面位置100的链路可以是线缆314，而返回可以通过套管116。井下数据中继发射器320还可以包括线缆314与挖槽310中的其余电子设备之间的滤波器，用于恢复经由线缆314从地面系统102提供的电力，同时允许沿着相同的线缆314进行适当的遥测。遥测可以是单向的(朝向地面)或双向的。
现在参考图5，在至少一个实施方案中，套管靴118可具有径向穿过其形成的一个或多个开口500。开口500可具有矩形、圆形或任何其它形状的横截面形状。如图所示，开口500可以彼此周向偏移并且与第一挖槽300和/或第一传感器150-1轴向对齐。开口500可防止(或限制)由于钻柱132中的轴向电流的存在而产生的高磁通圆周线。这种磁通圆周线的存在可以通过影响由传感器150-1(或150-2)检测到的磁通量来降低对在钻柱132中向下流动的电流的敏感度。开口500可以以图3所示的设计来实现。
图6示出了根据一个实施方案的显示图1中的传感器150的第二实施方案(在本文中被称为“第二传感器150-2”)的井的截面图，图7示出了位于套管116或套管靴118径向外侧的第二传感器150-2的透视图。第二传感器150-2可以是磁力计。第二传感器150-2可以位于套管116径向外侧(例如，距离大约1mm到大约10cm)。第二传感器150-2可以被配置为测量由向下流经套管116、套管靴118、钻柱132或其组合的电流产生的磁通量β。传感器150-2的测量轴线可以沿着套管116的切线方向定向。该测量可能受到第二传感器150-2与套管116和/或套管靴118之间的距离的影响。对于这种应用，套管116和套管靴118在第二传感器150-2的深度附近的材料可以是非磁性的(例如，接近于1的磁导率)。这种材料不能被磁化，从而降低了产生第二传感器150-2的DC饱和的风险。
图8A和图8B示出了根据一个实施方案的至少部分地定位在套管短节119内的第二传感器150-2的截面侧视图和截面顶视图。如图所示，挖槽800可被限定在套管短节119内。尽管未示出，但是在另一个实施方案中，挖槽800可以被限定在套管116或套管靴118中。第二传感器150-2可以定位于挖槽800内。挖槽800可以被包括在套管短节119的整体式稳定器的一个翼片801中。套管短节119和容纳挖槽800的壳体可以处于非磁性钢中，以允许由在套管116和钻柱132中流动的电流产生的磁通量穿透到挖槽800中并且允许传感器150-2来检测对应的磁通量。此外，挖槽800可以被包括在小压力壳体802内，使得井下数据中继发射器320处于常压室中。壳体802可以由非磁性钢或具有非磁性的低磁导率的任何材料制成。示例性材料可以包括塑料，橡胶和陶瓷。壳体802可以从套管短节119径向向外。它可以插入支脚801的凹槽803中。如此，由在套管116和钻柱132中向下流动的电流产生的大部分磁通量可以由传感器150-2感测。
井下数据中继发射器320还可以定位在挖槽800或压力壳体801内。第一线缆312可以耦接到第二传感器150-2及挖槽800中的井下数据中继发射器320的采集系统(滤波器和ADC)，并在其之间延伸。第一线缆312可以将磁通量测量传输到挖槽800中的井下数据中继发射器320。缆线314然后可以将来自挖槽800中的井下数据中继发射器320的数据传输到地面位置100处的计算机系统102。在一个实施方案中，线缆314可以与套管116组合以允许电流交换。套管116可以被认为是井下数据中继发射器320和地面系统102的一些电子器件的接地。包括线缆314的该电路允许井下数据中继发射器320与地面系统102之间的遥测。这种遥测可以是向上遥测或双向的。地面系统102可以将供电叠加在包括线缆314的电路中的遥测信号上，从而允许井下数据中继发射器320利用该电力运行。
图9A示出了根据一个实施方案的定位在第一井眼110-1中的井下工具130以及定位在第二井眼110-2中的第一传感器150-1和/或第二传感器150-2。第一井眼110-1的一部分可以衬有套管116-1。当多个井眼110-1、110-2被彼此紧密靠近钻探时，第一和/或第二传感器150-1、150-2可以定位在与井下工具130不同的井眼中。如本文所使用的，“紧密靠近”是指小于或等于50米的横向距离。
第二井眼110-2中的套管116-2可以延伸第二井眼110-2的长度。如上所讨论的，第一传感器150-1和/或第二传感器150-2可至少部分地定位在套管116-2或套管靴118-2内或其周围。从第一井眼110-1中的井下工具130发射的电流142的至少一部分可以被接收并向上流经第二井眼110-2中的套管116-2。在套管116-2中向上流动的该部分电流146可以通过地下地层112以电流线147返回到套管116-1。然后，该电流可以向下通过套管116-1和钻柱132流向间隙140，分别如线143和145所示。
第一和/或第二传感器150-1、150-2可以被配置为测量由流经套管116-2、套管靴118-2的电流产生的磁通量。该数据然后可以经由第二井眼110-2中的线缆314被向上传输到地面位置处的计算机系统102。线缆314可以定位在围绕套管116-2的水泥板内部。线缆314可以在第二井眼内。在这种情况下，可以在安装和固井套管116-2之后，将线缆314下降到第二井眼110-2中。耦合器(未示出)可以允许传感器150-1、150-2与线缆314之间的互连。该耦合器可以包括电子器件，以确保传感器和地面系统102之间的恰当互连和通信。在图9A所示的实施方案中，第二井眼110-2中的传感器150-1或150-2可以以这样的深度位于套管段或安装于套管116-2中的套管短节119内，该深度使得距离D2小于D1。D1可表示井眼110-1中的套管靴118-1的深度与井眼110-2的套管靴118-2之间的距离。D2可以表示传感器150-1、150-2与第二井眼110-2中的套管靴118-2之间的距离。D2＝Ka*D1。Ka可以从约0.0.25至约1.25。
在图9B所示的实施方案中，第二井眼110-2的深度类似于第一井眼110-1的套管段116-1的深度。在这种情况下，传感器150-1和150-2可以安装在第二井眼110-2中距离套管靴118-2D4处，使得D4＝Kb*D3。D3可表示地面位置100与第二井眼110-2的底部和/或套管靴118-2之间的距离。D4可表示传感器150-1、152-2与第二井眼110-2的底部和/或套管靴118-2之间的距离。Kb可以从约0至约0.25。
图10示出了根据一个实施方案的定位在第一井眼110-1中的井下工具130以及定位在第二井眼110-2中的第三传感器150-3。第二井眼110-2可以配备有套管116-2。当多个井眼110-1、110-2被彼此紧密靠近钻探时，第三传感器150-3可以定位在与井下工具130不同的井眼中。第三传感器150-3可以在电缆、线缆等上被下降到第二井眼110-2中。第三传感器150-3可被下降到第二井眼110-2中位于第二井眼110-2的起始点之下和套管靴118-2之上的位置。例如，第三传感器150-3可以下降至从起始点到套管靴118的距离的大约50％至大约90％或大约60％至大约80％的位置。这可以允许第三传感器150-3在电流跳跃或返回到第一井眼110-1中的套管116-1(如147所示)之前感测流经第二井眼110-2中的套管116-2的电流146。电流143、145通过第一井眼110-1的套管116-1和钻柱132向下朝向间隙140返回。在另一个实施方案中，第三传感器150-3可以定位在套管鞋118下方。
图11示出了根据一个实施方案的位于第二井眼110-2中的第三传感器150-3的放大视图。第三传感器150-3可以是电缆测井仪的一部分。第三传感器150-3可以包括具有一个或多个第一臂(示出两个：1102)和与其耦接的一个或多个第二臂(示出两个：1104)的主体1100。第一臂1102可以彼此周向偏移，并且第二臂1104可以彼此周向偏移。第一臂1102可以相对于第二臂1104轴向偏移(例如，上方)。当将第三传感器150-3下井时，第一臂1102和第二臂1104可以折叠在第三传感器150-3的主体1100上。当处于所需位置时，第一臂1102和第二臂1104可径向向外致动并与套管116-2(或者在其他实施方案中的套管靴118-2)接触。
第一臂1102和第二臂1104每个可以包括被配置为与套管116接触的电极1106。第一臂1102和第二臂1104每个还可以包括位于电极1106和主体1100之间的电绝缘体1108。电线1110可穿过或围绕电绝缘体1106以将来自套管116-2的本地电压传输至第三传感器150-3的井下工具130的采集系统。可以确定第一臂1102与第二臂1104之间的电压差。然后可以通过电缆或线缆1120将该电压差传输到地面位置100处的计算机系统102。电压差与向上流向套管116-2的电流146成正比。电压差与由井下工具130通过间隙140传输的电压具有相同的模式。数据的解码可以由第三传感器150-3或连接到有线线缆1120的地面系统102从该电压模式执行。
图12A示出了根据一个实施方案的定位在第一井眼110-1中的井下工具130以及定位在偏离第一井眼110-1的第二井眼110-3中的第二传感器150-2。第二井眼110-3可以在已经安装在第一井眼110-1中的套管116的套管靴118附近的点处偏离第一井眼110-1。第二井眼110-3可以具有比第一井眼110-1更小的直径并且可以从套管靴118钻出。可以在套管116已经在第一井眼110-1中安装并且固井(此时第一井眼110-1的深度为D3)后钻探第二井眼110-3。在钻探第二井眼110-3时，第一井眼110-1可具有深度D3。第一井眼110-1和第二井眼110-3可相对于彼此以小于或等于约10度的角度1208取向。
下中继器1201可以位于第二井眼110-3内。下中继器1201可以为圆柱形形状，其主轴平行于第二井眼110-3。在至少一个实施方案中，下中继器1201可以位于地下地层112的层113下方，该层113其极大地衰减了向上流经地下地层112的电流。层113的电阻率可以小于或等于第一预定量，或者大于或等于第二预定量。第一预定量可以是大约1Ωm，并且第二预定量可以是大约1000Ωm。因此，层113可以大大衰减从井下工具130发射的穿过层113的电流148和149，使得位于层113上方的传感器可能不能够充分地感测合成电流143和145。
下中继器1201可以被配置为测量电流142的磁通量。下中继器1201可以配备有两个传感器150-2。多个传感器150-2安装在与中继器1201主轴线垂直的平面中，并且在该平面中它们自身之间也相互垂直。传感器150-2感测由在钻铤中流动的电流145以及在由磁线150限定的环内通过的一些电流线142产生的磁场线151。传感器150-2的输出被作为矢量求和以获得总幅度。该矢量和可以用作输出，来解码由井下工具130经由间隙140传输的信号。从解码的信号中，可以恢复数字帧。
该数字数据可以经由线缆或电线1200从下中继器1201传输到位于第二井眼110-3中的电磁中继器1202。电磁中继器1202然后可以(例如，无线地)将数据传输到电磁上部接收器1204，电磁上接收器1204至少部分地位于第一井眼110-1中的套管116或套管靴118内或其周围。然后可以通过电线或线缆1206将数据从电磁上部接收器1204传输到地面位置100处的计算机系统102。电磁传输可以基于使用卷绕天线，其轴线几乎平行于设备安装的井眼(例如，用于电磁中继器1202的井眼110-3和用于上部接收器1204的井眼110-1)。这种卷绕天线可以与用于感应测井工具的天线类似。频率可以在大约200Hz到大约2000Hz之间。
图12B示出了根据一个实施方案的天线1200和提供发射器1202和接收器1204之间的耦合的AC磁通量。发射器1202和接收器1204之间的这种耦合不依赖于这两个器件之间的金属结构的存在。它也可能对地层电阻率的依赖有限。这样，通信系统可以是双向的。
为了在井眼110-1中适当地实施，井眼110-1可钻至深度D3。然后可以安装套管116并固井。套管116包括接收器1204。接收器1204可以安装在套管靴118附近或套管鞋118处。线缆1206也可以存在于围绕套管116的水泥板内部。然后，小型钻头和相关联的钻柱可以下降到套管井眼110-1中。恰好在套管靴118的下方开始钻探。小钻柱以侧钻新井眼110-3的方式操作。第三井眼110-3可以不与第一井眼110-1对齐。通过使用滑动模式的弯曲马达可以获得对第三井眼110-3的侧钻。当第三井眼110-3被钻至其深度时，小钻井系统可以来自第三井眼110-1。
然后，具有中间线缆1200的中继器1201、1202可以下降到第三井眼110-3中。组件1200、1201、1202的这种安装可以使用管材(未示出)或线缆(未示出)来执行，并且在安装之后取回。在安装期间，可以使用电磁接收器1202处的锚固件将组件1200、1201、1202保持在井眼110-3中的适当位置。
可将水泥注入或挤入第三井眼110-3中。然后，可以使用包括井下工具130的钻井系统开始钻探第一井眼110-1。
图13示出了根据一个实施方案的一种用于使用电磁遥测将数据从井眼110中的井下工具130传输到地面位置100的方法1300的流程图。该方法1300可以使用上面讨论的任何实施方案来执行。该方法1300可以通过将井下工具130伸入到井眼110中开始，如在1302处。井眼110可具有定位在其中的套管116。井下工具130可以定位在套管116的至少一部分的下方。
一旦井下工具130在井眼110中，该方法1300然后可以包括使用该井下工具130(例如，MWD工具134或LWD工具136)测量一个或多个属性，如在1304处。这些属性可以是或包括上面所讨论的任何物理属性或地层属性。
该方法1300然后可以包括生成包括对应于所测量的属性的数字信息的数字帧以及帧标识符和帧校验和，如在1306处。该方法1300还可以包括对数字帧进行编码以将数字信息叠加在AC载波信号上，如在1308处。更具体地，数字帧可以是在QPSK之后的结束IE，以将数字信息叠加在AC载波信号上。该方法1300还可以包括将编码的AC载波信号转换成跨井下工具130中的绝缘层140产生的AC电压差，如在1310处。AC电压差可能使得AC电流142流过地下地层112。AC电流142的至少一部分可以流入井眼110中位于井下工具130上方的套管116中。AC电流然后可以朝向井下工具130中的绝缘层140向下流经套管116。流经套管116或套管靴118的AC电流可以产生AC磁通量。
该方法1300还可以包括使用传感器150-1、150-2来检测和测量由套管116或套管靴118中的AC电流产生的AC磁通量，该传感器150-1、150-2至少部分地位于套管116或套管靴118内或其周围，如在1312处。该方法1300然后可以包括处理来自传感器150-1、150-2的磁通量测量值，以使用井下数据中继发射器320的第一计算机系统来解码和恢复数字帧，如在1314处。处理磁通量测量值可以包括对测量值进行滤波以去除噪声，避免混叠和ADC饱和，并将测量值从模拟转换为数字，并且从AC载波恢复数字数据。
输出测量值可以是数字形式。更具体的，输出测量值可以是或包括数字遥测帧。在一个实施方案中，遥测帧可以是以下形式：帧标识，数据1，数据2，数据3，数据4，数据5，数据6，校验和，帧结束模式。数据1可以是来自传感器150的磁通量测量值，数据2可以是来自另一传感器的磁通量测量值，数据3可以是井下温度测量值，数据4可以是馈送到电源的井下电压，数据5可以是由ADC执行的错误检查，并且数据6可以是获取磁通量测量的时间。
该方法1300还可以包括将恢复的数字帧传输到地面位置100处的计算机系统102，如在1316处。这种传输可以通过井眼110中(例如，在围绕套管116的水泥中)的电线或线缆314完成。在地面位置100处的计算机系统102可以接收输出测量值(例如，遥测帧)，验证帧的有效性，并且将帧解码为数字字以恢复帧中的数据(例如，在1302处测量的属性)。计算机系统102还可以提供将在井下传输的附加电力和/或向井下传输时钟同步信息。
在一些实施方案中，本公开的方法可以由计算系统执行。图14图示了根据一些实施方案的这种计算系统1400的实例。计算系统1400可以包括计算机或计算机系统1401A，其可以是单独的计算机系统1401A或分布式计算机系统的布置。计算机系统1401A可以是地面位置100处的计算机系统102或井下工具130中的井下数据中继发射器320。计算机系统1401A包括一个或多个分析模块1402，其被配置为根据一些实施方案执行各种任务，诸如本文公开的一种或多种方法。为了执行这些各种任务，分析模块1402独立地执行，或者与一个或多个处理器1404(其连接到一个或多个存储介质1406)协同执行。处理器1404也连接到网络接口1407，以允许计算机系统1401A通过数据网络1409与一个或多个另外的计算机系统和/或计算系统(诸如1401B、1401C和/或1401D)通信(注意，计算机系统1401B、1401C和/或1401D可以共享或不共享与计算机系统1401A相同的体系结构，并且可以位于不同的物理位置，例如，计算机系统1401A和1401B可以位于处理设施中，同时与位于一个或多个数据中心中和/或位于不同大陆上的不同国家的一个或多个计算机系统(例如1401C和/或1401D)通信)。计算机系统1401B可以是地面位置100处的计算机系统102或井下工具130中的井下数据中继发射器320。
处理器可包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统、可编程集成电路、可编程门阵列或另一种控制或计算装置。
存储介质1406可以被实现为一个或多个计算机可读或机器可读存储介质。注意，尽管在图14的示例实施方案中存储介质1406被描绘为在计算机系统1401A内，但是在一些实施方案中，存储介质1406可以分布在和/或跨计算系统1401A的多个内部和/或外部机箱和/或额外的计算系统。存储介质1406可以包括一个或多个不同形式的存储器，包括半导体存储器装置，诸如动态或静态随机存取存储器(DRAM或SRAM)、可擦除和可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除和可编程只读存储器(EEPROM)和闪存，磁盘，诸如固定磁盘、软盘和可移动磁盘，其他磁介质，包括磁带，光学介质，诸如光盘(CD)或数字视频盘(DVD)，
，或其他类型的光存储，或其他类型的存储介质。应指出，以上所讨论的指令可提供在计算机可读或机器可读存储介质上，或者可替换地，可提供在分布在具有可能多个节点的大系统中的多个计算机可读或机器可读存储介质上。此类计算机可读或机器可读储存介质或多个介质被视为是制品(或制造制品)的一部分。制品或制造制品可指代任何制造的单个部件或多个部件。存储介质或多个介质可位于运行机器可读指令的机器中，或者位于可从其通过网络下载机器可读指令以供执行的远程位点处。
在一些实施方案中，计算系统1400包含一个或多个遥测模块1408。在计算系统1400的实例中，计算机系统1401A包括该遥测模块1408。在一些实施方案中，可以使用单个遥测模块来执行本文公开的方法1300的一个或多个实施方案。在其他实施方案中，可以使用多个遥测模块来执行本文的方法1300。
应该理解的是，计算系统1400仅仅是计算系统的一个实例，并且计算系统1400可以具有比所示更多或更少的组件，可以结合未在图14的示例实施方案中描绘的附加组件，并且/或者计算系统1400可以具有图14中描绘的组件的不同配置或布置。图14中所示的各种组件可以以硬件，软件或硬件和软件两者的组合来实现，包括一个或多个信号处理和/或专用集成电路。
此外，本文描述的处理方法中的步骤可以通过在信息处理装置中运行一个或多个功能模块来实现，信息处理装置诸如是通用处理器或专用芯片，诸如ASIC，FPGA，PLD或其它适当的设备。这些模块，这些模块的组合，和/或它们与通用硬件的组合都包括在本发明的保护范围内。
为了解释的目的，前面的描述已经参照具体实施方案进行了描述。然而，上面的示例性讨论无意穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。此外，说明和描述本文描述的方法的元素的顺序可以被重新排列，和/或两个或更多个元素可以同时发生。所述实施方案被选择和描述，是为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，以由此使本领域技术人员能够最好地利用本发明和具有适于所预期的具体用途的各种修改的各种实施方案。
Claims (9)
1.一种用于从井眼中的井下工具向地面位置传输数据的方法，包括：
使用所述井眼中的井下工具测量井眼中的属性，其中，套管定位在所述井眼内，并且其中所述井下工具定位在所述套管的至少一部分下方；
使用所述井下工具生成数字帧，其中所述数字帧包括对应于所述属性的信息；
编码所述数字帧以将所述信息叠加到载波信号上；
将所述载波信号转换为跨所述井下工具中的绝缘层产生的电压差，其中所述电压差使得电流流经地下地层并进入所述井下工具上方的所述套管中；以及
使用至少部分地位于所述套管内或至少部分地位于所述套管周围的传感器来检测由流经所述套管的所述电流产生的磁通量，
其中，所述传感器至少部分地定位在所述套管或耦接到所述套管的套管靴中的第一周向挖槽中，
其中，所述传感器包括环形铁磁体，所述环形铁磁体具有缠绕在其圆周的至少一部分周围的电线，
并且其中，限定所述第一周向挖槽的外径向壁限定轴向间隙，所述轴向间隙使得所述电流流经定位于所述传感器径向内侧的所述套管或所述套管靴的一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述属性包括物理属性或地层属性。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述井下工具耦接到钻柱，并且其中所述电流的一部分流经所述钻柱。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述套管包括套管靴，并且其中所述传感器至少部分地定位在所述套管靴内或至少部分地定位在所述套管靴周围。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述传感器包括环形铁磁体，所述环形铁磁体具有缠绕在其圆周的至少一部分周围的电线。
6.根据权利要求1所述的方法，其中处理器至少部分地定位在所述套管或所述套管靴中的第二挖槽中，并且其中所述处理器被配置成从所述传感器的输出恢复所述数字帧。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括使用所述井眼中的线缆将所述数字帧从所述处理器传输到地面位置。
8.一种用于从井眼中的井下工具向地面位置传输数据的系统，包括：
井下工具，其被配置成：
测量井眼中的属性；
生成包括对应于所述属性的信息的数字帧；
编码所述数字帧以将所述信息叠加到载波信号上；以及
将所述载波信号转换为跨所述井下工具中的绝缘层产生的电压差，其中所述电压差使得电流流经地下地层并进入所述井下工具上方的套管中；以及
传感器，所述传感器至少部分地定位在所述套管内或至少部分地定位在所述套管周围，
其中，所述传感器被配置成检测由流经所述套管的所述电流产生的磁通量，
其中，所述套管包括套管靴，所述套管靴限定具有定位在其中的所述传感器的周向挖槽，
并且其中，限定所述周向挖槽的外径向壁限定轴向间隙，所述轴向间隙使得所述电流流经定位于所述传感器径向内侧的所述套管或所述套管靴的一部分。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述井下工具包括定位在其中的第一计算机系统，其中所述第一计算机系统被配置成生成所述数字帧。
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