CN1997915A - 井下信号源 - Google Patents

Abstract

一种信令装置包括磁体和可相对该磁体移动的屏蔽体。该屏蔽体可在其中磁体较外露的第一位置、和其中磁体较屏蔽的第二位置之间相对该磁体移动。该装置可包括同步信号源、井下传感器信号源、和/或用于响应于来自任何源的信号调制磁场的装置。一种使用该信令装置来定位底部钻井组合的方法包括：移动屏蔽体以调制由磁体产生的磁场，感应该磁场的调制，并用所收集的信息确定该底部钻井组合的位置。BHA可以用相移或振幅测量结果来定位。检测经调制磁场的接收器可在地面上或地面下。

Description

井下信号源

技术领域

本发明一般涉及使用低频磁场从一个位置向另一位置发信号的方法和装置。本发明可用于在钻井操作中从靠近钻头的位置向地面接收器、或向在同一井中的钻柱内不同位置处的接收器、或向另一井中的接收器发送信号。下面详细描述本发明的这些和其它特征。

背景技术

通常，当需要从地下地层产出碳氢化合物时，从地表钻井直至它与所期望的地层相交。如图1所示，典型的钻井操作需要地面操作系统50、可包含挠性管或组装长度的常规钻杆的工作钻柱100、以及底部钻井组合(BHA)200。地面系统50通常包括在井的地面12处的钻机10，用以支承钻柱100。BHA 200被附于工作钻柱100的最下端。操作系统50置于与井相邻的地面12上，且通常包括置于向下延伸至地层20的钻孔18的顶端的井口。钻孔18从地面16向钻孔底部30延伸、并且可包括在其上部区域中的套管22。

地层的产量在垂直方向和水平方向均可以变化很大。例如，在图1中，地层21可以是生产层(地层)，而它上面的地层20可以是非生产层。通常在开始孔井操作之前使用各种技术来绘制目标地层，且钻井操作的一个目的在于引导钻头以使其留在目标地层。因此，在许多井中，钻孔的下部会从垂直方向偏离、甚至会达到一个基本上水平的方向。在这些情况中，期望将井钻成使钻孔18保持在生产层21内。

类似地，有时期望引导钻井以使该井平行于另一口井。如在蒸汽辅助重力排储(SAGD)钻井中，其中通过一对平行井之一注入的蒸汽使得井附近的地层变暖，从而降低地层流体的粘性并使它们排入第二口井。因此，第二口井用作生产井、并通常被钻成它位于注入井的下方。

作为这一偏斜、定向或水平钻井的结果，钻头可在井口和钻孔底部之间穿过一个相当大的横向距离。因为这个原因，并且因为常常不能精确地知道钻孔的弯曲程度，要知道钻孔底部的真实垂直深度也变得困难。因此，为了增大成功穿透目标地层的可能性，最好尽可能精确地跟踪钻头的位置。

特别需要在钻井期间准确地定位底部钻井组合的位置，从而能在钻井进行的同时进行校正。在钻头穿过地层时确定其位置、和将该信息从井下位置传送至地面是迄今为止尚未完全解决的两个重要问题。这两个目标都因钻井操作本身而变得更困难，钻井操作至少涉及快速流体流动、运动机件和振动。

各种方法进行常规的组合以实现这些目标。陀螺仪和各种类型的传感器已用于跟踪钻头移动和/或钻头位置。电磁(EM)遥测技术是一种用于向地面或向另一井上位置传送信息的技术。其它传输技术涉及将钻柱用作信号载体的泥浆脉冲或声音信令。然而，当前的技术并不是很准确或快速，并且能导致BHA的位置的错误计算。因此，需要提供一种用于确定钻头在地下地层中的位置的技术，它能消除或至少显著减少通常与公知钻头跟踪技术相关联的问题、限制和缺点。

发明的较佳实施例的归纳

本发明提供使用低频磁场从一个位置向另一位置发信号的方法和装置。本发明具有许多应用，并可用于例如在钻井期间定位底部钻井组合的位置。本发明可用于在钻井操作中从钻头附近的位置向地面的接收器、或向在同一口井中钻柱内的不同位置处的接收器，或向另一口井中的接收器发信号。本发明还可用于在地面产生可在井下位置处检测到的信号，或用作用于低频通信的遥测发送器。

在某些实施例中，本发明的装置被特别用作从钻头位置发送信号的工具，该信号能在地面检测到、并用于确定钻头的位置。本发明避免了现有设备的缺陷，并且提供了另一种用于确定BHA的位置的方法。在较佳实施例中，本发明包括将一信令装置放置在钻头上、并在整个钻井过程中跟踪其位置。为了使这种方法起作用，信号源必须甚至对于深井和延展井也足够强和稳定。

在某些实施例中，提供了同步信号和使用所述同步信号，并将其用于磁体所产生的磁场的控制调制。控制磁场的调制可包括：将同步信号的频率加倍、取绝对值或平方。经调制的磁场能由接收器感测，该接收器可以检测所述同步信号和所述经调制磁场之间的相移、或所述经调制磁场中的振幅变化。可以有多个与所述底部钻井组合分开的接收器，并且这些接收器可置于地面或地面以下。

在可选实施例中，本发明还可用于在地面产生可在井下位置处检测到的信号。

在本发明的某些实施例中，信号源可以是与由高渗透率软磁合金制成的屏蔽体结合在一起使用的稀土永磁体。通过精确地控制该屏蔽体的运动，永磁体可以用作可通过地面的磁力计跟踪的精确振荡信号源，用于BHA的准确位置监控。在可选实施例中，屏蔽体的运动的频率和/或相位等可用公知数字编码方案响应于由井下仪器获取的数据来调制，从而将信号源转换成能将LWD数据传送至地面接收器的发送器。

在某些实施例中，本发明包括磁体、以及可在其中所述磁体相对外露的第一位置和其中所述磁体相对屏蔽的第二位置之间相对于所述磁体移动的屏蔽体。该磁体可以是电磁体。本系统还可包括用于提供同步信号的装置、和用于响应于该同步信号控制屏蔽体的移动、以调制由该磁体产生的磁场的装置。用于控制屏蔽体移动的装置可包括用于将同步信号加倍、取绝对值和/或平方的装置。本装置还可以包括生成信号的井下传感器、和用于响应于来自井下传感器的信号来调制磁场的装置。

因此，以上归纳的本发明的各个实施例包括使它们能克服现有装置系统和方法的各种问题的特征和优点的组合。上述各种特性以及其它特征对于本领域的技术人员而言将在参照附图阅读本发明的较佳实施例的下列详细描述之后显而易见。

应理解，本发明在用于说明目的的钻井背景下进行描述，且本发明不限于所描述的特定钻孔，可以理解本发明可以用于各种钻孔。

附图简要说明

为了更详细地描述本发明的较佳实施例，现在将参照附图，其中：

图1是在地下井中包括底部钻井组合(BHA)的钻柱的部分横截面的示意性正视图；

图2是根据本发明一较佳实施例的信号源的简化立体图；

图3是结合于井下工具中的图2的信号源的横截面图；

图4和5是根据第一可选实施例的信号源分别在关闭和打开位置中的端视图；

图6是可在本发明的某些实施例中使用的电缆包管的简图；

图7是示出磁化对温度的相关性的曲线图，其中M_s是饱和磁化；

图8是示出结合有根据本发明的信号源的系统的一个实施例的示意图；以及

图9A-D是示出发送信号(A)、平方后的同一信号(B)、滤波后的方波信号(C)，以及通过原始信号(D)的一个周期对所有三个模式的比较。

较佳实施方式的详细描述

在以下讨论和权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放的方式使用，因此应解释成指“包括，但不限于…”。同样，对“上”或“下”的引用是为了便于描述，其中“上”表示朝向钻孔的地面、而“下”表示朝向钻孔的底部。另外，在以下讨论和权利要求书中，有时指出某些部件或元件被“电连接”。这表示部件被直接或间接地连接成在它们之间可传送电流或信号。

根据本发明，稀土永磁体的强磁矩与由高渗透率软磁合金制成的屏蔽体一起使用。通过精确地控制屏蔽体的移动，永磁体转变成可通过地面的磁力计跟踪的精确振荡信号源，用于BHA的准确位置监控。或者，屏蔽体的运动的频率和/或相位等可通过公知的数字编码方案用由井下仪器所获取的数据来调制，从而将信号源转换成可将LWD数据传送至地面接收器的发送器。

参看图2和3，根据本发明的信号源10的一个较佳实施例包括：永磁体12、磁屏蔽体14、以及用于相对磁体12移动屏蔽体14的驱动机构16。如箭头26所指示的，磁屏蔽体14可以轴向地滑入和滑出，与磁体12周围啮合。驱动机构16啮合屏蔽体14的一端，并提供推动和缩回屏蔽体所需的动力。现在特别地参看图3，信号源10与驱动装置30一起最好安装在圆柱形钻环20内部。以此方式形成的组件最好具有贯穿其中的中心孔22，从而钻环可包括在钻柱内。

在图2和3中所示的实施例中，磁体12通常是圆柱形的而屏蔽体14同样包括圆柱形外壳。屏蔽体14最好包括端盖17和直径稍大于磁体12的外径的圆柱形内表面15。屏蔽体14最好可在其中磁体12分别外露和屏蔽的第一和第二位置之间移动。

在图3中，屏蔽体14被示为处于磁体12部分外露和部分屏蔽的中间位置。箭头26的长度示出屏蔽体14的大致移动范围。当屏蔽体14沿磁体12的长度移动时，磁体12外露的部分变化。相应地，从磁体12发出的磁场随着屏蔽体14减少而变化。当磁体12全部在屏蔽体15中时，从工具100发出的磁场将最小。在某些实施例中，屏蔽体14相对于磁体12的移动可进行控制以产生延伸到工具之外的磁场的正弦调制。类似地，屏蔽体14的移动可进行控制，以使得磁场以锯齿方式、或根据任一较佳功能或调制循环。

在图4和5所示的可选实施例中，屏蔽由两个或多个部分圆周部分40、42组成。部分40和42最好被配置成它们可靠在一起以形成一个包围磁体13圆周的屏蔽体。

在又一实施例中，如图6中所示，屏蔽体能包括两个或多个同心圆柱形外壳，每一外壳通常具有50处所示的配置，并且每一外壳具有从贯穿其中的多个纵向槽52。磁体被置于最里面的外壳中。当同心外壳定位成每一外壳中的槽都与其它外壳中的槽对准时，则磁体外露。类似地，当外壳定位成槽不对准时，则磁体屏蔽。

可以理解，本文所示的配置仅仅是对可配置磁性材料和屏蔽体的方式的说明。本领域技术人员将理解该工具的部件的各种其它配置。

磁体

为了具有最高可用磁能，最好是诸如Nd/Fe/B和Sm/Co等基于稀土的永磁体。具有超过200KJ/m³的磁能(BxH)_max的Nd/Fe/B磁体是当今可用的最强磁体。Sm/Co磁体通常具有约150KJ/m³的较低磁能。

如所公知的，永磁体由铁磁材料制成。铁磁材料的特性之一是称为居里温度的临界温度(T_c)的存在。在此温度以上，铁磁材料失去其磁化并变成顺磁性。此转换是在温度范围内逐渐进行的；即使在磁体的温度到达其居里温度之前，磁体也开始失去其磁化。这一性状能通过给出图7所示的温度关系曲线的分子场理论来说明。因此，如果永磁体要在井下环境中维持其磁化的80％，则它必须在不高于0.7×Tc的温度下工作，其中Tc是居里温度。对于Sm₂Co₁₇，Tc为700-800℃，而对于Nd₂Fe₁₄B，Tc为300-350℃。因此，对于井底温度高的深井，最好是Sm₂Co₁₇磁体。

屏蔽体

为了调制永磁体的强度，屏蔽体14最好由诸如Mumetal(Ni/Fe/Cu/Mo)或超透磁合金等具有高磁导率的软磁合金制成。在本领域中公知各种合适的软磁金属，包括具有高磁导率并提供高衰减的CO-NETIC AA^、和具有使其对涉及强磁场的应用特别有用的高饱和感应额定值的NETIC S3-6^。NETICS3-6和CO-NETIC AA是地址为740N.Thomas Drive，Bensenville，IL 60106的Magnetic Shield Inc.的商标。在需要在极强场中实现极高衰减比的实施例中，可能最好使用该两种合金。在这些实例中，NETIC S3-6合金最好离场源最近地放置以防止CO-NETIC AA饱和。适用于屏蔽体14的其它金属包括但不限于，来自美国的地址为4737 Darrah Street，Philadelphia PA 19124的AmunealManufacturing Corp.的Amumetal和Amunickel。

电动机

用于相对磁体12移动屏蔽体14的动力最好由装在钻环20内的驱动装置30来提供。驱动装置30最好是电动机，但也可以是任何其它合适的机械驱动设备。可以理解，取决于选定电源的类型，有必要提供传动装置等以允许驱动装置30驱动屏蔽体14的期望移动，不管该移动是旋转、平移还是其它。

井下发送器的使用

如上所述，本文所公开的这种发送器的一种较佳使用是作为井下绝对定位系统的场源。这种系统的目的是允许底部钻井组合的精确定位。这可通过使用当前信号源以产生非常稳定、并与地面时钟精确同步的超低频信号(0.1Hz-0.01Hz，取决于深度而定，深度越深所需频率越低)来实现。发送器本身可以是本文所公开的发送器类型或是大电磁体。高度稳定的同步信号使得在非常窄的带宽中工作成为可能，这又使得接收具有最小噪声的信号并改善所取得遥测的质量成为可能。

当本发明用于帮助例如定位底部钻井组合时，它最好定位于与BHA相邻的钻柱中。当前信令设备可以不与BHA物理接触，但BHA和信令装置之间的距离越大，关于BHA的位置的信息就越不精确。因为信号源的精确定位是通过相移和振幅测量的组合实现的，所以在本实施例中定时特别重要。

在其它实施例中，井下信号源不必与同步信号同步。当需要在地面产生可在井下位置检测的信号时，或者当系统用作低频通信的遥测发送器时，可使用这种类型的系统。在其它实施例中，三个或多个表面传感器的阵列可在使用或不使用同步源的情况下用三角测量技术来定位信号源。

尽管有频率稳定性要求，也不必把精确的时钟带(200小时以上约1毫秒为佳)到井下。但是，在某些实施例中，井下时钟较佳。在图8所示的一个实施例中，精确时钟100位于在地面。时钟100用于同步包括根据本发明的井下信号源的系统。在图8所示的实施例中，时钟100与地面正弦波发送器112电连接，该发送器112又与地面天线114电连接。时钟100可以是原子钟、从GPS系统获得的时钟、振荡器的过度控制系统、或任何其它合适的精确时钟。

仍参看图8，来自地面天线114的信号118通过土地发送、并在井下接收器120处被接收。来自井下接收器120的接收信号最好通过前置放大器122进入数模转换器，然后通过使用接收信号来同步井下系统的信号处理装置。在一较佳实施例中，信号处理装置包括将平方算法和低通滤波器应用于接收信号的CPU124。CPU124还实现驱动井下系统时钟的控制逻辑。低通滤波器的输出最好发送至数模(D/A)转换器126。D/A转换器126的输出最好由放大器放大，然后用于控制驱动装置30。在使用电磁体的实施例中，D/A转换器的输出可用于对电磁体起作用，最好是通过放大。

无论驱动信号的源如何，信号源10最终产生包括可变磁场的信号130。信号130由最好包括142、144、146、148中至少两个接收器的阵列的传感器140检测。传感器140可以或可以不位于天线114附近。如果使用地面同步源，则接收信号130的相位和/或振幅可用于定位信号源。定时引起的误差可通过使用数字锁相回路或其它合适的装置来减小。在可选实施例中，信号130的频率和/或相位可被调制成将信号从钻孔底部发送至地面，比如，指示由井下传感器和/或MWD设备所进行的测量的信号。

时钟100最好用于在要通过井下发送器发送的信号的频率的一半上生成正弦波(图9A)。在可选实施例中，时钟信号可直接导入钻柱，并感应为底部钻井组合中绝缘间隙上的电场、或通过任何其它电流感应装置感应。众所周知，如果对正弦信号取平方，则所取得的信号只包含基本信号的偶次谐波。特别地，整流过的正弦波的傅里叶级数表示由等式(1)给出并在图9B中示出。

$\left|\sin (\mathrm{\ω}\·t)\right|=\frac{2}{\mathrm{\π}}-\frac{2}{\mathrm{\π}}\·\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2}{{(2\·n)}^2-1}\·\cos (2\·n\·\mathrm{\ω}\·t)---\left(1\right)$

不论是使用模拟电子设备还是数字电子设备来执行该过程，概念都是相同的：取接收信号的绝对值(或取其平方)并对其低通滤波(图9C)。所得信号的基频正好是地面发送器基频的两倍。如果需要，该信号将包含可从井下滤出的较高次谐波(谐波的次越高，则此信号在通过土地传播回地面时就衰减得越多)。图8示出主要用数字电子设备来实现较佳过程的一种可能方法。应理解，需要时可用模拟功能代替数字功能，但是因为所使用的频率很低，所需信号处理在当前技术的能力范围内。

图9A-D单独示出并一起(9D)示出导致适用于本发明的较佳信号处理的波形。可以理解，在本发明中可使用任何其它同步信号源或其它信号处理技术，并且该信号不必是正弦的。

优点

与交流电供电的有源偶极子源相比，新的信号源将更强、更稳定并且更准确。本信号源能用于在钻井时精确地定位BHA。它还可用于在电缆测井操作中通过减小与由热膨胀引起的电缆伸长、粘贴/互粘电缆工具等相关的误差来提高深度基准。通过与数字编码方案结合，本信号源还可用作将井下工具和/或地层数据发送至地面接收器的发送器，从而提供一个用于LWD的附加通信通道。

虽然已公开并描述了某些较佳实施例，但可以理解可对其进行各种修改而不偏离本发明的范围。例如，可改变磁体和屏蔽体的类型、大小和配置。类似地，可变更或改变屏蔽体相对于磁体的移动模式。就权利要求包括步骤的依次描述范围而言，将理解那些步骤不必依次完成，并且不必在开始另一步骤之前完成一个步骤。

Claims (24)

1.一种井下工具，包括：

磁体；以及

可相对所述磁体移动的屏蔽体。

2.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述磁体包括永磁体且所述磁屏蔽体可在第一位置和第二位置之间相对所述磁体移动，在所述第一位置，所述磁体相对外露，在所述第二位置，所述磁体相对被屏蔽。

3.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述磁体包括电磁体。

4.如权利要求1所述的工具，其特征在于，还包括用于提供同步信号的装置，和用于响应于所述同步信号控制所述屏蔽体的移动、以调制由所述磁体产生的磁场的装置。

5.如权利要求4所述的工具，其特征在于，所述用于控制的装置包括用于将所述同步信号的频率加倍的装置。

6.如权利要求1所述的工具，其特征在于，还包括产生信号的井下传感器，和用于响应于来自所述井下传感器的所述信号来调制由所述磁体产生的磁场的装置。

7.如权利要求1所述的工具，其特征在于，还包括产生传感器信号的井下传感器，所述屏蔽体可响应于所述传感器信号移动以调制由所述磁体产生的磁场。

8.一种低频磁信令设备，包括：

永磁体；以及

可相对于所述磁体移动的磁导屏蔽体。

9.一种在井中定位底部钻井组合的方法，包括：

a)提供与所述底部钻井组合耦合的信令设备，所述信令设备包括磁体和可相对于所述磁体移动的屏蔽体；

b)移动所述屏蔽体以调制由所述磁体产生的磁场；

c)检测所述磁场调制；并

d)用步骤c)中收集的信息来确定所述底部钻井组合的位置。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括提供同步信号，并用所述同步信号来控制由所述屏蔽体对由所述磁体产生的磁场的调制。

11.如权利要求10所述的工具，其特征在于，还包括响应于所述同步信号来控制所述调制。

12.如权利要求11所述的工具，其特征在于，所述控制步骤包括将所述同步信号的频率加倍。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤c)包括检测所述同步信号和所述经调制磁场之间的相移。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤c)包括检测所述经调制磁场中的振幅变化。

15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括提供与所述底部钻井组合隔开的多个接收器，其中所述步骤c)包括用所述传感器来检测所述调制。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述接收器位于地面以下。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述接收器位于地面处。

18.一种在井中定位底部钻井组合的方法，包括：

a)提供与所述底部钻井组合耦合的信令设备，所述相邻设备包括磁体和可相对于所述磁体移动的屏蔽体；

b)提供同步信号；

c)用所述同步信号来控制通过响应于所述信号移动所述屏蔽体由所述磁体产生的磁场的调制；

d)检测所述磁场调制；并

e)用步骤d)中收集的信息来确定所述底部钻井组合的位置。

19.如权利要求18所述的工具，其特征在于，所述步骤c)将所述同步信号的频率加倍。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述步骤e)包括检测所述同步信号和所述经调制磁场之间的相移。

21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述步骤e)包括检测所述经调制磁场中的振幅变化。

22.如权利要求1 8所述的方法，其特征在于，还包括提供多个与所述底部钻井组合分开的接收器，其中所述步骤e)包括用所述接收器来检测所述调制。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述接收器位于地面以下。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述接收器位于地面处。

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