CN1154251C - 用于由电磁波传输信息的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于从钻通至少部分被金属管(4；23，24；31)罩住的地质结构层(3)的井(1；20)中传输信息的方法和系统。该方法包含把由电磁波操作的收发信机(E)放到该井中，电磁波由偶极子(P1-P2)注入电信号产生。偶极子被电连接到用于引导传输波的金属管。在本方法中，由具有低电阻率的某些结构层(3a，3b；25；30)的传输衰减被鉴别，并然后至少有相对于该低电阻率层设置的部分电绝缘的金属管。

Description

用于由电磁波传输信息的方法和系统

本发明涉及从地面下的钻井到地面的信息传输领域。更具体而言，本发明论及用于在钻井底部与地面之间传输信息的优选方法，该井或已被钻凿并投入生产，或在钻凿的过程中。

各种各样用于在井底与地面之间传输信息的系统已被知道，例如用井内环流流体中的泥浆脉动。然而，已知这种类型的传输具有在可压缩流体中不能正确运转或根本不运转的缺点，可压缩流体如气体或充气的液体，或当环流通道中存在有障碍物干扰流体时，如地下马达，阀门或喷嘴。此外，这种系统在钻柱的生产和操纵的期间明显不起作用。

用由安置在井中金属管道引导的电磁波传输的系统也是已知的。这种传输系统在本申请人的FR 2681461中被更详细地描述，在此援引作为参考。电磁(EM)传输的工作特性随环绕井的地质结构层的平均电阻率而定。如果某些层的电阻率不适当，如具有某些沉积的，第三纪的，陆缘的岩石如北海或墨西哥湾的岩石的情况，衰减能够沿井变得过大，这使得在多数海上钻井中不可能使用这种设备，除非可能接受被传输信息流中的急剧衰减。

因而，本发明涉及用于从钻通地质结构层的井传输信息的方法，结构层至少部分被金属管罩住，这种方法包含在该井中安置由制导电磁波操作的收发信机，电磁波由偶极子的注入电信号产生，偶极子与用于引导被传输波的金属管电连接。按照本方法，由具有低电阻率的某些结构层的传输衰减被鉴别，而且至少有对着该低电阻率层放置的部分电绝缘的金属管。

考虑到该电磁传输的最少特点，更具体而言传输距离和/或信息流速率，借助于数学模型可能确定待绝缘的最小长度。

绝缘能通过安装预先覆盖绝缘材料层的管子获得。

在一种变型中，绝缘可以通过将水泥类型的绝缘材料放入管子和结构层之间环形空间中相对该结构层的适当位置而获得。

收发机可以被安置在靠近生产管道的下端，以便传输海床或底部测量或对海床或底部设备的指令。

该收发机也可被安置在靠近钻柱的下端以便传输海床或钻凿参数，或跟踪或位置测量。

本发明还涉及用于从钻入地质结构层的井中传输信息的系统，结构层至少部分被金属管罩住，系统包含在该井中借助引导电磁波操作的收发机，电磁波由偶极子注入电信号产生，而偶极子与用于引导传输波的金属管电连接。在系统中，至少有些对着低电阻率层放置的金属管具有用于与该结构层电绝缘的装置。

被绝缘的管子可以覆盖绝缘材料层。绝缘层可能不覆盖管子的整个长度。

在系统中，绝缘装置可由填充在管子和导电的结构层之间的环形空间的绝缘材料构成，而该绝缘材料是液体成份凝固的结果。

收发机可以被包含于生产管道的端部。

收发机也可以被包含于钻柱的端部。

按照本发明的系统能应用于具有海底井口的海洋钻井装置。

在这一应用中，压井管线可由海床到地面从外部被电绝缘。

本发明在下文中针对非限制性实施例并参照附图被较详细地描述，在附图中表示：

图1用图解表示本发明对生产中的井的实现。

图2在钻井期间本发明的实施例。

图3一种钻凿的变型。

图4外部覆盖电绝缘材料的套管部件实例的剖面图。

图5信号的衰减随钻凿深度及所横过结构层电阻率变化的实例。

图1展示已被钻凿直到地质区2的井1，地质区2通常具有至少一层构成含待开采流出物的蓄池。在目前情况下，位于层2和地面之间的岩石层3使电磁波衰减，使得不可能有效地使用已知的电磁波传输方法。作为联机测量的结果，有可能证实层3a和3b具有远远低于20Ω·m电阻率，例如几个Ω·m或甚至低于1Ω·m。然而，区域3c具有超过20Ω·m的电阻率，例如盐层，它是在钻凿时经常被遇到的。在使用按照本发明的方法钻井以前，实际上总是可能获得电阻率记录(作为深度的函数记录)，例如通过从地震分布图及在该区域钻井的记录推断它。图5中的曲线a是这种曲线的实例。在电磁波沿钻杆及所讨论的井套管传播的数学模型的基础上，这个数据使我们能计算电磁信号在传输点E和接收点R之间的衰减。所用的模型，例如是P.Degauque和R.Grudzinski在石油工程师学会(SPE)钻井工程1987年6月上的文章中所描述的类型。在这个计算的基础上，在钻凿之前，对沿发射机下降全长在地面将接收到或应接收到的信号电平进行确定。图5中的曲线b示出这种信号的实例。在钻井期间所获得的信号将被记录并被实时地与根据预测记录所计算的信号比较，因而使得有可能调整不同地质层的实际位置以及其电阻率的实际数值。这只有通过了解由发射机传送的电流才可能，这正是所讨论的发射机的情况。

了解到对于所需的信息流速率在发射机E和接收器R之间的最大的容许衰减，就可能精确地确定待覆盖的套管的长度，首先选择使低电阻率区域，例如图5中500至1000m之间的区域绝缘。

在图5中，在先前确定的曲线a和b的基础上，另外两条曲线c和d被示出：

曲线c表示在套管外部相对于在500至1000m之间周围结构层有完善电绝缘情况下沿井所获得的信号。衰减减少约35dB，与所考虑的传播参数相适应(在这种情况载波频率为5Hz)。

曲线d表示在仅有套管本体被绝缘情况下沿井所获得的信号。对于合用的传播模型，这相当于考虑套管的完善绝缘在27m的范围内以及随后有0.5m长度的电传导。总衰减增量于是约24dB。

借助于这种方法并且了解待获得的信息流速率，在技术上将可能确定并装配对期望的传输所需要的套管。

应该注意本方法将不会改变，如果电磁信号被安置在井底的发射机与地面之间的收发机转发，尤其是如果后者被放置在井的露出部分。

需指出信息流速率Df按下列公式计算

Df＝ΔF log₂(1+S/B)

其中ΔF为有效调制带宽，S为信号及B为在有效频带中的噪声。

传输由图1，2及3中的发射机E产生。发射机E调制极低频率的波，该频率被选得比较低以便传播能进行。更可取的是，传输方式使用1至10Hz频率的波。在实施例中，这种载波频率的波通过以适合于载波频率的计时使相位突变0-π，被调制成待传输信息的函数。其他的调制方式不超越本发明的范围也可以使用。调制速率约为1比特/秒，但可以随传输需要的变化而被修改。在用于海床装置譬如阀门的指示和命令的情形中，将可能使用适合于最大容许误码率的长度编码。作为随特殊情况而变化，编码可能或不可能与检测器码或误差校正码譬如循环冗余码相联系。

由发射机E传输的波被地面处的接收器R接收，R的一个极被接到井口而另一个极被安置在地中离井口适当距离处。实际上，E和R本身也可以构成发射机和接收器。电的发送/接收装置E可有利于按照在US-A-5394141中所描述的技术来安排，在此援引作为参考。还可参考Lous Soulier和Michel Lemaitre提交给于1993年2月23-25日在阿姆斯特丹的石油工程师学会/国际钻井承包商协会(SPE/IADC)钻井会议的出版物SPE/IADC。

在图1中，第一管4(地面管)被放置在井1中并通常在地面结构层3a中它的全部长度上涂上水泥。井口5被安装在地面管道上使它可能容纳其他工程的或生产管道的上端，以及安全阀。第二套管6从地面管道系统或管头4放下进入钻孔或井7并且直到蓄池2的盖上。井7和套管6之间的环形空间通常用水泥充填，至少填充达到前面的管道系统，在目前情况为地面管道4的系统。功能为提升流出物到地面的生产管道8穿过确保相对于环绕管道8的环形空间的蓄池区域的密封的封隔器9。在管道的较低部分安装了发射机E。对于EM的传输，偶极子的极点P₁和P₂可以通过封隔器9与金属套管6形成的接触以及安置在管道8中位置较高处的刃形定中心装置所提供的接触构成。在某些情况下，考虑到通常较小的环形空间及井的几何结构，上头的接触通过管道与套管6的接触直接形成。相对发射机的绝缘耦联器11可用于套管6中供将较低处的接触点P1与较高处的接触点P2隔开用。然而，当为了发送或接收天线使用所谓的长偶极子结构时，该绝缘耦联器是不需要的。在这种情况下，需要确保极点P2距P1充分远并且在套管6与管道8之间在极点间的长度上不能有任何接触。

按照本发明，发射机E的性能特征通过将套管6与高导电地质结构层3b电绝缘而被改进。这种绝缘用区域12表示。重要的是应注意区域3c不必电绝缘，已知它具有适当的电阻率以致不引起造成损害的衰减，例如超过约20Ω·m。在这个实例中，地面区域3a对良好的传输是不利的。作为信息流需要的函数，地面管道4也将被与结构层3a(用区域13表示)绝缘开。

在本发明中，管道相对于岩石区域的绝缘可以通过用绝缘的或近于绝缘的层覆盖管道的外壁获得。因而，按照本发明所要求的电绝缘是相对自然状态的，因为具有20Ω·m以上电阻率的岩石区域是充分“绝缘”的。此外，绝缘并不一定在导电层的全部厚度高度上连续。管子，套管或管道按照本领域中已知的名称并被API(美国石油研究院)标准化，在它们的两端包含拧到管子上或与管子构成整体的外螺纹和套环，管子具有相应的内螺纹以便能相互装配这些管子以形成套管。更可取的是，绝缘层将仅被附着在外螺纹(它显然必须不被覆盖)和套环之间管子的本体上。因而，靠近螺纹的薄层将被螺旋拧紧装置的夹头毁坏，并且甚至可以对支承套管或固定夹头造成损害。绝缘层可以是加注陶瓷的环氧树脂涂层，例如用作在近海结构，管道和钻杆，上的抗腐蚀保护类型的涂层。它也可以是等离子体沉积的陶瓷层，沥青，最好与聚氨酯混合，塑料片，例如聚乙烯、聚氯乙烯，吹喷到管子上的树脂和砂的混合物，充满玻璃纤维的缠绕管体的覆盖层。按照本申请的要求所有覆盖层应充分绝缘，即引起漏电阻高出传播线路的特征电阻很多，能够在不超出本发明的范围适用。实际上该特性电阻是几毫欧姆，以致为了获得装置的良好效率它将足以使每个套管段具有约1欧姆的径向绝缘电阻。

按照本发明，凭借使用绝缘材料粘合高传导区域，如环状区域3a和3b，使管道电绝缘也是可能的。用已知的配方对着给定的地质区将熟料水泥放进适当的位置是本领域中已知的环流法。因而，该惯用方法将被使用供安置绝缘材料或改善有关低电阻率区的导电率用。

图2用图解说明在利用其一端装有钻井工具22的钻柱21的帮助进行钻凿井20期间按照本发明的传输系统的情况。为了传输钻凿，轨迹，γ射线，温度，压强及其他参数，收发机E通常位于较低部分。井1在这种情况下被套管23和中间套管24在表面被封罩住。区域25具有过度衰减E和R之间电磁波传输的低电阻率。按照本发明，绝缘管元件被设置在26处用于封罩23并设置在27处用于封罩24。在一种变型中，在一种变型中，在套管23和结构层之间的环形空间及在套管24和结构层之间的环形空间将用绝缘的水泥充填。因而，由区域25的低电阻率造成的衰减将被极显著地降低，使容量或E的传输速度增大同样的数量。在这个系统中，天线由发射机E的绝缘接头和钻井工具22之间的那部分钻柱来实现。在这种情况，由发射机E所传输的信号将从E衰减直至绝缘或伪绝缘区27，并且随后从区域26至地面接收器R。考虑不同套管和结构层的电特性的数学传播模型使得有可能预先决定绝缘区26和27的最小长度以便能保证传输。

应注意到包含在套管23中的套管24的管子部分不需要绝缘。

图3表示在钻柱21中放置发射机E的一种变型以及本发明应用在带有海底井口29的海上钻井的情况的实例。按常规，在带有海底井口的钻凿或操作的情况中，接收机R将位于海的底部，其接收极之一连接到海底井口，而由一片金属构成的另一个极，例如锚37，位于离井口几十米处。海面和海底之间的通信既可由声发送器也可由沿着套管装备的导线来实行。紧靠着海床的土壤30通常在地质上是“年轻的”而且一般具有低电阻率。所以按照本发明，海面套管31在对应于结构层30的高度上被绝缘是有利的。为了创造“长偶极子”，发射机E在这里是位于预定电缆长度32的末端。电缆凭借钻杆内部的支架33被固定，并电连接到位于远离钻杆21的发射机。井口29凭借海上竖井管35被连接到浮动钻井支架。压井管线或阻塞线36基本上平行沿着竖井管从井口通至浮动支架。这可能对耦合海床天线37与海面用的线路36的电绝缘是有利的，并从而达到海面接收，即在导线36末端处的浮动支架接收。

显然在图3中描述的长偶极子的配置适用于所有其他钻井结构中而不仅是在近海处的情况。在使用充气的泥浆乃至泡沫状物处的操作的情况中，EM传输是唯一可能的传输作为按照本发明改善的结果而且具有改善的性能特性。

图4示出可用于罩住在电阻率过低的区域所钻的孔或井的管子元件40的剖面。钢管体41通过热轧获得。在两端在削出外螺纹42和43。具有内螺纹45的套圈44被拧到一端上。绝缘覆盖物(按照在上文所给的定义)被沉积在中心区48上。46和47区留下来未涂以使拧螺丝的自动装置的夹头能直接接触管子的钢铁，而且这也适用于套管悬挂架的有关的弯管。

在拧紧的前后，很明显套管的外表面可能完全绝缘。然而，这种操作引起许多操作上的问题。这在实用上和经济上都是不希望有的。这是为什么本发明，它不需要完全绝缘，是非常有利的。

因而，本发明具有利用电磁波传输的所有优点，而且还使得有可能在准备开采的井和正被钻凿的井中都改善性能特征。这也使得更广泛的使用EM传输成为可能，特别在深的近海地区。

因而被覆盖的管子还能更有效地被阴极保护，因为用于阴极生产的待注入电流将被降低，而且将只通到未覆盖位置，这从而需要抵抗电腐蚀的电保护电势。因而，覆盖物能帮助水泥粘附到管子上。

Claims (14)

1.用于从钻通地质结构层和至少部分被金属管罩住的井中传输信息的方法，该方法包含把利用引导电磁波操作的收发信机放进该井中适当的位置，电磁波由偶极子注入电信号产生，偶极子电导连接到用于引导传输波的金属管，其特征在于，鉴别由具有低电阻率的某些结构层产生的传输衰减，而且至少部分与该具有低电阻率的结构层相对设置的金属管具有与该结构层的电绝缘。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于考虑到该电磁传输的最少特点，特别是传输距离和/或信息流速率，借助于数学模型来确定待绝缘的最小长度。

3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于绝缘是由将预先用绝缘材料层覆盖的管子放到适当的位置而获得。

4.按照权利要求1或2的方法，其特征在于绝缘是靠将水泥类型的绝缘材料放入管子和结构层之间的环形空间中相对于某些结构层的适当位置而获得。

5.按照权利要求1或2的方法，其特征在于为了传输海床测量或指令给海床设备，所述收发机被安置在紧靠着生产管道的下端。

6.按照权利要求1或2的方法，其特征在于为了传输海床或钻凿参数或位置参数，所述收发机被安置在紧靠着钻柱的下端。

7.用于从在地质结构层并至少部分被金属管罩住的钻井中传输信息的系统，该系统包含在井中由引导电磁波操作收发信机，电磁波由偶极子注入电信号产生，偶极子电连接到用于引导传输波的金属管，其特征在于，至少有些相对于对着低电阻率结构层设置的金属管具有用于与该结构层相电绝缘的装置。

8.按照权利要求7的系统，其特征在于所述绝缘管都覆盖有绝缘材料层。

9.按照权利要求8的系统，其特征在于该绝缘层并未完全覆盖管子的整个长度。

10.按照权利要求7的系统，其特征在于所述绝缘装置包含填充在管子和导电的结构层之间环形空间的绝缘材料，该材料是液体成分凝固的结果。

11.按照权利要求7至10之一的系统，其特征在于所述收发机被包含于生产管道的端部。

12.按照权利要求7至10之一的系统，其特征在于所述收发机被包含于钻柱的端部。

13.按照权利要求7至10之一的系统，其中，所述系统应用于具有海底井口的海上钻井装置。

14.按照权利要求7至10之一的系统，其中压井管线是由海床至地面从外部被电绝缘的。

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