CN1975106B - 井底组件的无线电磁遥测系统及方法 - Google Patents

Abstract

井底组件的无线电磁遥测系统及方法，一种用于跨越置于经过地下结构层钻的钻孔中的井底组件传播信号的无线电磁遥测系统包括井底组件中第一点处的绝缘间隙，在井底组件第二点处测量磁场的至少一个磁场传感器，以及调制跨越绝缘间隙的电压的回路，其中该电压产生沿井底组件的导致磁场的轴向电流。

Description

井底组件的无线电磁遥测系统及方法

技术领域

本发明总的涉及在地表面设备与设置在钻入地下结构层的钻孔中的钻井工具之间传送信号的方法和系统。

背景技术

在地下结构中钻钻孔的钻具组的下部典型地称为井底组件。通常，井底组件包括在钻孔中进行各种下井操作的钻井工具。为了控制钻井工具的操作经常需要传送指示到一或几个这些钻井工具。例如，该井底组件可以包括旋转的可控制系统，该系统能定向地在结构层中钻钻孔。为设定被钻钻孔的方向与倾斜度，从地面位置发送一指令到旋转的可控制系统。

在另一例子中，该底井组件可以包括各种结构层评估工具，诸如设计以测量结构层参数的钻井时的测井(LWD)工具或钻井时的测量(MWD)工具。某些结构层评估工具，诸如美国专利申请NO.20050109538中描述的钻井时结构层压力工具，也可以用于使用延伸以接触结构层的探头测量压力。用于这种操作，使探头中的压力瞬时地低于结构层的压力以将结构层流体吸入探头中。一旦探头稳定在结构层压力，缩回该探头。这些结构层评估工具典型地要求从地表面位置传送指令到钻井工具。典型地，使用遥测系统将指令送到钻井工具，诸如控制通过钻具钻泥浆流以产生压力脉冲的泥浆脉冲系统。这通常要求手动调节表面泥浆水泵的速率，可持续几分钟并干扰钻井工艺的过程。

MWD工具典型地设置适合于与地表面设备沟通的遥测元件。该遥测元件可以是泥浆脉冲、电磁(EMAG)、声学或其它遥测装置。在包括具有EMAG遥测的MWD工具的情况中，该MWD-EMAG遥测工具使用较低频率的EMAG波以从下井位置到地表面位置的沟通。一种典型的MWD-EMAG遥测工具包括具有绝缘间隙和产生跨该绝缘间隙的调制电压的电路的钻井装置接头。例如，见美国专利NO.4348672。如果MWD-EMAG遥测工具包括在井底组件中，则跨越绝缘间隙的电压造成在MWD-EMAG遥测工具附近沿钻具组的大的电流。某些电流典型地也经过地线流动并产生弱电场，用两个或多个埋入地下的电极在地表面监测该电场。

MWD-EMAG遥测工具可以构造成以通过在地表面产生的电流从地表面接收信号。如果该MWD-EMAG遥测工具能与这些钻井工具沟通则这些接收的信号可以被传送到井底组件中的其它钻井工具。对于要在MWD-EMAG遥测工具和其它钻井工具间形成的内或外线的线路的一种可能性是能传送信号。但是，有时候在井底组件中的钻井工具之间本布线是不可能或不实际的。例如，在包括旋转的可控制系统的井底组件中，泥浆电动机可以放置在MWD-EMAG遥测工具与旋转的可控制系统之间。由于泥浆电动机轴在高速旋转同时安装到(钻井装置)接头和/或钻井装置钻头，因此将电线穿过泥浆电动机并将电线连接到泥浆电动机下的工具将是十分困难的。需要一个旋转接头以进行电线的连接，但是这种旋转接头不大可能是可靠的。通过泥将电动机传送的其它方法可能是复杂的(例如，见美国专利NO.5160925)同时可能不能获得标准的市售电动机。

还有其它一些可能是麻烦或不可能以在MWD-EMAG遥测工具与井底组件中的其它钻井工具之间形成内或外电线线路的例子。例如，一种典型的动力驱动旋转的可控制系统具有一个控制单元，它在包括控制单元的钻井装置接头绕控制单元旋转的同时被保持对地静止的。这种情况中，进行从MWD-EMAG遥测工具到钻井装置接头和控制单元的电连接将是十分困难的。旋转的钻井装置接头和对地静止的控制单元之间的连接要求一种旋转的连接，该旋转的连接在钻孔环境中不大可能是可靠的。在纯机械的硬件，诸如底扩孔钻和罩，被放置在MWD-EMAG遥测工具之间的情况中，这些机械硬件看起来也必须以电线连接。

在另一个例子中，井底组件可能包括具有一排用以监测地震波的小型地震仪或水听声器，这些地震传感器(小型地震仪或水听声器)典型地要求沿钻具组相隔60到70英尺放置同时仅当钻具组是静止时以及泥浆泵关闭时能够获得数据，例如，如在美国专利NO.6308137中所描述的。如果它能与LWD工具沟通则在此情况中MWD-EMAG遥测工具可能是有用的。例如，该MWD-WMAG遥测工具可以监测LWD地震测量的要求的状态，即，静止的钻具组和无泥浆循环，并能将此传送到LWD工具中的地震传感器，因此该地震传感器可以进行测量。但是，在MWD-EMAG遥测工具与LWD工具中的每个地震传感器之间布置进行信号传输连线所需要的长的电线将是不实际的。

根据前述，在许多情况中将要求具有无线遥测系统以便在MWD-EMAG遥测工具与其它井底组件的钻井工具之间传输信号或者作为其它通信系统，如布线系统，的备用线路。已经在井底组件中使用无线遥测系统。在一个例子中，如美国专利NO.6057784所描述的，使用围绕钻井装置接头卷绕的线圈产生电磁感应。在另一个例子中，如美国专利NO.5359324和NO.5467832中所描述的，使用外部安装钻井装置接头上的环形线圈形成变压器耦合。这些无线遥测系统很好地工作，但添加任一型式到MWD-EMAG遥测工具和其它钻井工具上，诸如旋转的可控系统，在井底组件中可能显著增加井底组件的成本，增加井底组件的长度，以及添加到井底组件上的元件可能易损坏，能使EMAG遥测系统和钻井工具之间沟通且无这些缺点的无线遥测系统可能是的益的。

发明内容

在一个方面，本发明涉及用于跨越置于经地下结构层钻的钻孔中的井底组件传播信号的无线电磁遥测系统。该无线电磁遥测系统包括在井底组件中的第一点处的绝缘间隙，至少一个测量磁场的在井底组件中第二点处的磁场传感器，以及调制跨过绝缘间隙的电压的回路，其中该电压产生导致磁场的沿井底组件的轴向电流。

在另一个方面，本发明涉及包括无线电磁遥测系统的井底组件，该遥测系统包括能跨越井底组件传播信号的无线电磁遥测系统。该井底组件包括位于井底组件中的第一钻井工具中的绝缘间隙以及至少一个位于井底组件中的第二钻井工具处的磁场传感器。该磁场传感器构造成以测量第二钻井工具处的磁场。该井底组件还包括跨越绝缘间隙连接的，调制跨越该绝缘间隙的电压的回路，其中电压的调制产生沿井底组件的产生磁场的轴向电流。

还是在另一方面，本发明涉及跨越置于经地下结构层钻的钻孔中的井底组件传播信号的方法。该方法包括产生跨越在井底组件中第一点处的隔离间隙的电压同时调制跨越间隙产生的电压，其中该电压产生沿井底组件的轴向电流与磁场。该方法还包括使用一个或多个磁场传感器测量井底组件中第二点处的磁场。

本发明的其它特征与优点从以下描述和所附权利要求将显而易见。

附图说明

图1A是从钻架通过钻具组进入井孔展开的钻井工具的示意图。

图1B是更详细表示井底组件的图1A的钻井工具的一部分的示意图。

图2A是图1B的钻井工具的一部分的示意图，它表示井底组件表示经其通过的电流的轴向流动。

图2B是表示经其通过的电流径向流动的图1B的钻井工具一部分的示意图。

图3A是图1B的钻井工具一部分的示意图，说明井底组件中EMAG遥测工具处信号的接收。

图3B是图1B的钻井工具一部分的示意图，说明信号从EMAG遥测工具到井底组件中其它钻井工具的传播。

图4是图1B的钻井工具的径向横剖面，它是沿表示放置在钻井工具的钻井装置接头中的磁场传感器的线4-4取的。

图5A表示先前技术的旋转的可控系统的剖视图。

图5B是图1A的钻井工具一部分的纵向剖面视图，它表示设置磁场传感器和磁插片的旋转的可控系统。

图5C是图5B的钻井工具一部分的水平剖视图，它是沿表示磁插片的线5C-5C取的。

图5D是示于图5C中和横剖面的变型。

具体实施方式

现在将详细地参照几个优选实施例，如附图中说明的，描述本发明。在下面的描述中，为了提供本发明的透彻的理解，陈述了许多特定的细节。但是，对于技术人员是显而易见的可以实现本发明而没有这些特定细节的某些或全部。在其它例子中，为了没有不必要的模糊本发明不详细地描述众所周知的特征和/或过程步骤。参照附图和以下讨论可以更好地理解本发明的特征和优点。

图1A表示从地表面108处的井架106悬吊在地下结构层104中的钻孔102中的井底组件100。该井底组件100通过钻管被悬吊在钻孔102中。另一种选择，该井底组件100可以通过螺旋管等悬吊在钻孔102中。对于钻井操作，在钻孔102中悬吊井底组件100的装置必须提供钻泥浆的管路。在一个例子中，钻管110允许井底组件100在钻孔102内平移和旋转。在另一例子中，钻管110和井底组件100构成可用于推进钻孔102的钻具组115。

该井底组件100包括一个钻具刀头118和若干将钻具刀头118连接在一起的钻具接头120。钻具接头120的每一个可以包括一或几个适合于进行一或几个下井操作的工具(或工具的部分)。技术人员将理解井底组件的构形根据要进行的下井的工作可能有很多变化。在本内容中，能在井底组件中的钻井工具之间无线沟通的主要元件将被集中关注。

井底组件100包括一个电磁(EMAG)遥测工具122，它利用EMAG波以从地表面系统124接收信号并传输信号到表面系统124。这些EMAG波典型的是低频的。在那里可能或不可能是在EMAG遥测工具122和钻具接头120之间一一对应的。也就是，EMAG遥测工具122可以包含在单个的钻具接头120以内，或者EMAG遥测工具122的多个元件可以跨越多个钻具接头120被分布。为简化起见，将EMAG遥测工具122表示成包含在单个的钻具接头内，该EMAG遥测工具122可以是分立的工具或者可以是测量的同时钻孔(MWD)的工具的一个元件，诸如在美国专利NO.4876511和NO.4968940中描述的那些。

钻井组件100也包括构造成执行一或多个下井操作的一个或多个钻井工具，例如，工具126、128、和130。这些工具包括，但不局限于，钻井时测井(LMD)工具、MWD工具和定向钻井工具，例如旋转的可控系统。工具126、128、和130包含在钻具接头120内同时可能位于EMAG遥测工具122的上面或下面。最好是，在一或几个工具之间提供沟通，特别当在EMAG遥测工具122与钻井工具126、128和130之间形成硬布线信号传输线路是不实际或不可能的情况中。EMAG遥测工具122无线地传播从地表面系统124接收的信号到工具126、128、和130的任何一个。该EMAG遥测工具122可以从地表面系统124径钻管110，如由信号传输连线125a指示的，或经结构层104，如由信号传输连线125b指示的，接收信号。EMAG遥测工具122也可以从工具126、128、和130的任可一个接收信号并可以将这些信号传输到地表面系统124或者工具126、128、和130的另一个。

图1B表示井底组件100的放大视图。在此放大视图中，EMAG遥测工具122包括一个绝缘间隙132。该绝缘间隙132可以简单地是在钻具接头两部分之间连接处的绝缘涂层。但是，本发明不局限于实施绝缘间隙132的方法。例如，在美国专利申请系列NO.2005/0167098中描述EMAG遥测的绝缘间隙的几个例子。根据要传输到钻井工具的信号通过跨越绝缘间隙132的调制电压EMAG遥控工具122与一钻井工具，例如，工具128沟通。跨越绝间隙132的电压造成很大的轴向电流，例如，达10或10以上安培，该电流沿钻具组115流动。该轴向电流主要在钻具接头120的外面产生水平的磁场。通过在接受钻井工具，例如，工具128，处的一个或多个磁场传感器134直接测量该磁场。该接受的钻井工具辩认从测量的磁场传输的信号。

图2A表示在充满具有小的或没导电性的油基泥浆或其它流体的钻孔102中的绝缘间隙132。直箭头200代表沿钻具组115的电流的轴向流动。环形箭头202代表由钻具组115中轴向电流产生的磁场。油基泥浆趋于将钻具组115与结构层104电绝缘，除去钻具组115与结构层104之间有牢固的实际接触的地方。几乎EMAG遥测工具122以下的全部电流通过钻具刀头118进入结构层104。因此，EMAG遥测工具122与钻具刀头118之间的电流在幅值上保持大致的恒定。在遥测工具122以上，电流经过钻具组115接触结构层104的许多地方返回到钻具组115。这些接触点可以包括稳定器刀片(未表示)或者简单地是许多处于靠住结构层104的钻具管。

图2B表示充满水基泥浆或其它具有导电性的流体的钻孔l02中的绝缘间隙132。轴向箭头204代表沿钻具组115流动的轴向电流。环形箭头206代表由钻具组115中的轴向电流产生的磁场。因为水基泥浆是导电的，所以它允许经向电流沿钻具组115的长度流入结构层104，如径向箭头208表示的。电流也可以从结构层104流入钻具组115，如径向箭头210表示的。在EMAG遥测工具122以下，钻具组以上的电流近似线性地降低同时在钻具刀头118的表面是小的。在EMAG遥测工具122以上，钻具组115上的电流初始时近似线性地降低，但最终与从EMAG遥测工具122轴向测量的距离(d)按e^-d/δ指数地降低，式中δ为表皮深度。该表皮深度是电磁波在导电介质中传播的距离，这样它减一个1/e＝0.368的量。在米制中表皮深度由下式给出：

$\∫=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\πf}{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\σ}}}---\left(1\right)$

式中f是频率，μ₀＝4π·10^-7H/m，而σ是结构层的导电性。结构层的导电性通常处在从0.001S/m到5S/m的范围内。在10HZ的工作频率处，分别对于结构层电阻率的此范围该表皮深度是5千米到72米的范围。

对于油基泥浆(图2A)和水基油浆(图2B)二者，一个强的电流沿着EMAG遥测工具122与钻具刀头118之间的钻具组115流动。该轴向电流还在钻孔102的开口部分116中的EMAG遥测工具122的上面流动一大的距离。但是，钻具组115与加固钻孔部份(图1A中的112)的实际接触可能造成电短路，并因而限制开孔部分116以上钻具组115上的轴向电流的流动。在绝缘间隙132的任一侧上沿钻具组115的电压基本上是恒定的因为钻具接头120和钻具管110具有很高的导电性，典型地大小是106S/m。因此，在某些情况中，可能难以在钻具组115的不同位置放置测量电压的无线遥测系统。一种耐用的无线遥测系统典型地使用钻具组115上的轴向电流而不是沿钻具组115的电压从EMAG遥测工具122传送信号到钻井工具。

沿钻具组115的轴向电流I(Z)主要在钻具接头120的外面产生水平的磁场，由下式给出：

$B\left(r\right)={\mathrm{\μ}}_0\frac{I_{\left(z\right)}}{2\mathrm{\πr}}---\left(2\right)$

式中，r是从钻具组115的纵轴测量的半径。此磁场可以用一位于一或几个钻具接头120的一或几个磁场传感器134直接测量。可以使用在钻孔条件下能可靠测量磁场的任何传感器。

回到图1A，EMAG遥测工具122调制钻具组115上的轴向电流以便传送指令和/或数据到其它钻井工具，诸如工具126、128、和130。频率和/或调制约定对于EMAG遥测工具122与其它钻井工具之间的通信以及EMAG遥测工具122与地表面系统124之间的通信可能是不同的。例如，EMAG遥测工具122与地表面系统124之间的通信可能在第一频率，例如，1Hz(以提供地表面通信的足够的信噪比)，处运行，而EMAG遥测系统工具122与钻井工具之间的通信可以在第二频率，例如，10Hz处运行。EMAG遥测工具122与不同钻井工具之间的通信也可以在不同频率处运行。使用放置在接收位置处的钻具接头120的外面或里面的磁场传感器134可以测量与轴向电流相关的水平磁场。

图3A表示在EMAG遥测工具122处信号的接收。该信号可以从地表面系统通过任意信号传输线路(图1A中的125a、125b)被传送。为了说明的目的，可以假设信号的传送包括由箭头300代表的传输电流到包括绝缘间隙132的钻具接头120。该钻具接头120上的电流产生跨越绝缘间隙132的小的电压。EMAG遥测工具122包括由302代表的回路，该回路跨越绝缘间隙132连接并可操作以改变跨越绝缘间隙132的阻抗。EMAG遥测工具122包括回路303用以处理接收的信号。应该注意在EMAG钻具接头120的外面表示回路303以便于本发明的理解。通常，回路303将安装在EMAG钻具接头120内。在说明的例子中，回路303包括一个高增益、低噪声的放大器304、一个模-数(A/D)转换器306、一个处理器、及存储器310。技术人员将理解回路303可以用其它等效接收回路代替。

地表面系统(图1A中的124)最好根据要传输到钻井工具的信号产生电流。例如，经过钻管110或结构层(图1A中的104)将该电流传输到包括绝缘间隙132的钻具接头120。EMAG钻具接头120上的该电流产生跨越绝缘间隙132的小的电压。回路302被转换到开放的状态因此跨越绝缘间隙132的阻抗是极高的。跨越绝缘间隙132的电压被送进到高增益、低噪声放大器304的输入。高增益、低噪声放大器304的输出送入A/D转换器306。A/D转换器306的输出由处理器308分析，该处理器解码接收的信号并将结果加载到存储器310中。现在加载到存储器310中的信号可以传播到钻井工具。

图3B说明信号从EMAG遥测工具122到钻井工具，例如，工具128，的传播。在绝缘间隙132处接收信号并加载到存储器(图3A中的310)之后，到放大器(图3A中的304)的输入被转换到开放位置因此对绝缘间隙132的功率的后续应用不破坏灵敏的接收回路。处理器308编码接收的信号并将编码的信号送进到数/模(D/A)转换器312。来自D/A转换器312的模拟信号驱动功率放大器314以产生跨越绝缘间隙132的电压。该电压导致沿EMAG钻具接头120的大的轴向电流。以A/D转换器316采样该电压并类似地监测该电流。以优化功率的使用，基于绝缘间隙300的负载阻抗处理器308可以调节传送功率放大器314的信号。电流沿钻具组115产生一个磁场，由接收工具中的磁场传感器134监测该磁场。

磁场传感器可以放在钻具接头的外面或里面。图4表示具有壁402的钻具接头400的横剖面。该钻具接头400包括一个用作钻井泥浆通道的环形空间406以及用作电子器件404的压力壳。在壁402的外面形成一或多个凹陷的腔410用以放置一或多外磁场传感器412。该磁场传感器412与钻具接头400内的电子器件沟通。在磁场传感器412与腔410内的电子器件404沟通。在磁场传感器412与腔410之间形成压力密封件413。例如，可以由O型环提供压力密封件413。该磁场传感器412允许在它是最强的钻具接头400的表面处的水平磁场的测量。例如，该磁场传感器412可以是单轴磁强计，诸如磁通磁强计，具有其朝向水平方向的灵敏度轴以便最大化信号强度。可以使用的传感器的其它例子包括，但不局限于，霍尔效应传感器和磁阻传感器。

单个的磁场传感器412监测水平磁场和地球磁场。如果钻具接头400旋转，地球的磁场将产生在旋转钻具接头400的频率处的附加信号，因此，如果使用单个磁场传感器412监测来自EMAG遥测工具的信号，此附加信号分量必须使用信号适调程序从磁场传感器412去除。例如，可以独立地测量钻具接头400的旋转，同时在下井信号处理器中可以减去在旋转频率处的信号。可以从位于钻具接头400内的加速度计得到钻具接头的旋转频率。

但是，如果使用位于钻具接头400的相对侧上的两个磁场传感器412可以较容易从地球的磁场去除附加信号。假如磁场传感器412的敏感轴对准相同的方向，来自两个磁场传感器412的两个信号和将度量地球的磁场，或者任何其它的恒定的外磁场，同时其差仅度量水平磁场。因此，可以使用差值测量接收来自EMAG遥测工具的没有来自地球的磁场污染的信号。

在某些情况中，难以将磁场传感器安装到钻具接头外表面上或者将安装到钻具接头的外表面上的磁场传感器与位于钻具接头内的电子器件连接。在这些情况中，可能最好将磁场传感器放置在钻具接头内。

图5A表示动力驱动的旋转的可控系统500的横剖面。在美国专利NO.5265682与NO.5520255中提供另一旋转的可控系统的例子。图5A的旋转的可控系统具有一个控制引导或偏置装置503的对地静止的控制装置502。此对地静止的控制装置502被安装到钻具接头504的轴上并在每一端连接到轴承505上。这就允许钻具接头504绕控制装置502旋转同时控制装置502保持对地静止。由于这种机械构形，就难以从控制装置502布线到钻具接头504。因此，如果磁场传感器放置在钻具接头504的外面，就可能需要一种复杂和可能不可靠的改进型将传感器连接到控制装置502内的电子器件。在此情况中，可能有利的是将磁场传感器安装到对地面静止的控制装置502内并使用磁场传感器以接收来自EMAG遥测工具的信号。

设钻具接头504具有内半径a以及外半径b。对于r≥b，沿钻具504的轴向电流I(z)产生由以上式(2)给出的水平磁场B。由环线506表示此水平磁场。在低频时，轴向电流均匀地分布在整个钻具接头504壁(即对于a≤r≤b)的横截而上。电流深入到导电的钻具接头504的表皮深度δC由下式给出：

δ_c＝(πfμ₀μ′σ_c)^-1/2     (3)

式中μ′，是钻具接头的相对导磁率以及σc是钻具接头的导电率。对于非磁性钢，σ_c≈1.4×10⁶S/m以及μ′＝1。在f＝10Hz时，表皮深度是13厘米，此深度值远厚于典型的钻具接头壁。对于μ′＝100的磁性钢，表皮深度是大约4厘米。因此，轴向电流完全深入到钻具接头504的壁。

但是，这不意味与轴向电流相关的磁场(B)深入到钻具接头的内部中。对于r＜a，对水平对称的钻具接头该磁场是零。这遵循麦克斯威尔方程。通过判定积分式中左边的积分是对半径r＜a的整个圆得出的而左边的积分是对那个圆的整个横截面积得出的。在钻具接头内电流磁通量，

，是零，因为轴向电流仅在钻具接头壁上流动。因此，这样得出钻具接头内B＝0。如果钻具接头是稍不对称的，例如在一侧上机械加工一个缺口，某些磁场可能深入到控制装置中，但典型地是小的。还有，从钻具接头壁的厚度去除太多的材料可能负面影响钻具接头的强度，这一点是典型地不希望。

如图5B和5C所示，通过在钻具接头504的外面添加具有高的导磁率(μ′＝□1)的磁插片可以在钻具接头504的里面感应磁场。一种合适的磁性材料可以是，例如，mu-金属，可以形成为与钻具接头504的曲率匹配的“C”形，并放置在钻具接头的外表面上的空心槽509中。高导磁率插片508的典型尺寸可以是1到6英寸长、0.05到0.5英寸厚、并带30度-180度的弧度。由于高的导磁率，该磁插片508聚集磁场线并破坏钻具接头504的水平对称性而不影响钻具接头的强度。可以将合成的磁场看成原始或最初的水平磁场的叠加，如图5C中的506所示，而二级偶极磁场如图5c中511所示。

参照图5c，二级磁场在钻具接头504内产生非零的磁场。由于遥测信号的频率比较低，例如，1-20Hz，钻具接头504材料中的表皮深度典型地是大于钻具接头504的壁厚。因此，二级磁场深入到时地静止的控制装置502中，磁场传感器具510放置在该处。最好是，钻具接头504是非磁性的以增加导磁率的非对称性并增加表皮深度。位于对地静止的控制装置502中的磁场传感器502能监测二级磁场。最好是，磁场传感器位于钻具接头504上的磁性材料508的下面。当钻具接头504旋转且控制装置502保持对地静止时，磁场传感器510的信号可以由钻具接头504的旋转速率来调制。可以从其它测量确定旋转速率并可选择地由信号适调来抑制或去除，如上所述。

图5D表示图5B和图5c所示技术的变型。该变型是在钻具接头504的壁中的一个开口514中安装一个具有高导磁率的磁插片512。该磁插片512跨越钻具有接头504的壁厚延伸并在对地静止子控制装置502内产生二级磁场，516所指的。该磁插片512可以完全由磁性材料制成，或可以罩在在磁性材料中。为保持钻具接头514的内和外之间的压力差，该磁插件512必须形成一个压力隔板，例如，这可以通过使用O型环密封件来实现并用螺纹将磁插件512拧在钻具接头504的壁中。

本发明典型地提供以下优点。可以无需对EMAG遥测工具有和钻井工具明显的硬件改型以能够在EMAG遥测工具和钻井工具之间作无线通信。对于钻井工具，改型可以简单地包括钻具接头的外面添加磁性材料并在钻具有接头的里面添加磁场传感器或者在钻具接头的壁中添加小型磁场传感器。该EMAG遥测系统依赖于由沿钻具组调制的轴向电流产生的磁场的测量。现有的EMAG遥测系统可以基于监测在线圈或变压器中感应的电动力(EMF)，例如在美国专利NO.4899112中描述的。EMF正比于磁场的变化率，因此正比于频率。因此，这种系统在由典型的EMAG遥测工具产生的很低频率(1-20Hz)处可能是很低的效率。为了有效，它们通常必须工作在1千赫芝到100千赫芝的频率处。上述EMAG遥测系统可以是对有线通信系统的备用或者可以用作初级通信系统。

尽管已经对有关的有限数实施例作了描述，但得益于此内容的技术人员将意识到在不偏离此处公开的本发明的范围下可以创造其它的实施例。因而，本发明的范围应该仅由所附权利要求来限制。

Claims (29)

1.一种无线电磁遥测系统，用于穿过井底组件传播信号，该井底组件置于经地下结构层钻的钻孔中，包括：

在井底组件第一点处的绝缘间隙；

处在井底组件中第二点处的至少一个磁场传感器；

调制跨越绝缘间隙的电压的回路，所述电压产生沿着所述井底组件的轴向电流，该轴向电流导致感应磁场；以及

安装在所述井底组件中的钻井工具的外表面上的磁性材料，其使得所述感应磁场在所述钻井工具内部非零。

2.权利要求1的无线电磁遥测系统，还包括从表面位置到接收信号的绝缘间隙的信号传输线路。

3.权利要求2的无线电磁遥测系统，其中所述回路调制电压。

4.权利要求1的无线电磁遥测系统，其中磁场传感器的输出包括与井底组件中钻井工具的工作有关的信息。

5.权利要求4的无线电磁遥测系统，其中钻井工具从包括钻井时测量的工具、钻井时测井的工具、以及定向钻井工具的组中选择。

6.权利要求1的无线电磁遥测系统，其中磁场传感器从包括磁通磁力计、霍尔效应传感器，和磁阻传感器组中选择。

7.权利要求4的无线电磁遥测系统，其中钻井工具位于井底组件中的第二点处。

8.权利要求1的无线电磁遥测系统，其中磁场传感器位于钻井工具的里面并在磁性材料的下面。

9.权利要求4的无线电磁遥测系统，还包括安装在钻井工具的壁中的开口中的磁性材料。

10.权利要求4的无线电磁遥测系统，其中至少两个磁场传感器位于钻井工具的相对侧处以测量磁场。

11.一种井底组件，其包括能传播跨越井底组件的信号的无线电磁遥测系统，包括：

位于井底组件中的第一钻井工具中的绝缘间隙；

位于井底组件中的第二钻井工具中的至少一个磁场传感器，该磁场传感器构成为以测量第二钻井工具处的感应磁场；

跨越绝缘间隙连接的回路，其调制跨越绝缘间隙的电压，其中电压的调制产生沿井底组件的轴向电流，该轴向电流在第二钻井工具处感应引起磁场；以及

安装在所述第二钻井工具的外表面上的磁性材料，其使得所述感应磁场在所述第二钻井工具内部非零。

12.权利要求11的井底组件，还包括从地表面位置到接收信号的绝缘间隙的信号传输线路。

13.权利要求12的井底组件，其中回路根据信号调制电压。

14.权利要求11的井底组件，其中磁场传感器的输出包括有关井底组件中第二钻井工具工作的信息。

15.权利要求14的井底组件，其中第一钻井工具从包括钻井时测量的工具和钻井时测井的工具的组中选择。

16.权利要求14的井底组件，其中第二钻井工具从包括钻井时测量工具、钻井时测井的工具和定向钻具工具的组中选择。

17.权利要求11的井底组件，其中磁场传感器从包括磁通力计、霍尔效应传感器、和磁阻传感器的组中选择。

18.权利要求11的井底组件，其中磁场传感器放置在第二钻井工具内以及磁性材料的下面。

19.权利要求18的井底组件，其中钻井工具是一个旋转的可控系统而磁场传感器处在旋转的可控制系统的对地静止的元件中。

20.权利要求14的井底组件，还包括安装在第二钻井工具的壁中的一个开口中的磁性材料。

21.权利要求20的井底组件，其中磁场传感器处在第二钻井工具里面且在磁性材料的下面。

22.权利要求21的井底组件，其中第二钻井工具是一旋转的可控系统同时磁场传感器处在旋转的可控系统的一个对地静止的元件中。

23.权利要求11的井底组件，其中至少两个磁场传感器位于第二钻井工具的相对侧处以测量磁场。

24.跨越置于通过地下结构层钻的钻孔中的井底组件传播信号的方法，包括：

提供布置在所述井底组件的外表面上的磁性材料；

产生跨越在井底组件中的第一点处的绝缘间隙的电压；

调制跨越绝缘间隙产生的电压，使得电压产生沿钻孔组件的轴向电流，该轴向电流在所述井底组件内部的第二点处感应引起非零磁场；以及

测量井底组件内部的第二点处的非零感应磁场。

25.权利要求24的方法，还包括接收绝缘间隙处的信号。

26.权利要求25的方法，其中调制电压包括根据信号调制电压。

27.权利要求24的方法，还包括使用一或多个磁场传感器的输出控制钻井工具的工作。

28.权利要求24的方法，还包括从一或多个磁场传感器的输出中去除地球磁场的部分。

29.权利要求28的方法，其中去除地球磁场的部分包括独立地测量井底组件中钻具接头的旋转同时从一或多个磁场传感器的输出减去钻具接头的旋转。

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