專利名稱：井下遙測系統(tǒng)和方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明通常涉及一種鉆柱遙測系統(tǒng)，尤其是，本發(fā)明涉及一種通過鉆柱傳輸信號的有線鉆桿遙測系統(tǒng)和技術(shù)。
背景技術(shù)：
井下系統(tǒng)，比如隨鉆測量(MWD)系統(tǒng)和隨鉆測井(LWD)系統(tǒng)，由于它們能夠提供井眼狀態(tài)和/或地層性質(zhì)的實時信息而具有很高的價值。這些井下測試可用于在鉆井過程中作出決定或者用于利用尖端的鉆井技術(shù)，比如地質(zhì)導向技術(shù)。這些技術(shù)很大程度上依賴于對井眼和所鉆周圍地層的即時了解。因此，能夠以最小的時間延時由MWD/LWD工具向地面發(fā)送大量的數(shù)據(jù)和由MWD/LWD工具向地面發(fā)送指令是很重要的?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了大量的用于這樣通訊的遙測技術(shù)，包括有線鉆桿(WDP)遙測技術(shù)。
在鉆柱內(nèi)安置導線的想法已經(jīng)出現(xiàn)了一段時間。例如，授權(quán)給Denison的美國專利US4,126,848公開了一種鉆桿遙測系統(tǒng)，其中利用電纜從井底向鉆柱內(nèi)的中間位置傳輸信息，如授權(quán)給Dickson，Jr等的美國專利US3,696,332中所描述的具有絕緣導電體和使用環(huán)形電接觸連接器的專用鉆桿被用于從中間位置向地面?zhèn)鬏斝畔?。授?quán)給Basarygin等的俄羅斯聯(lián)邦專利RU2,140,537C1同樣公開了一種具有順序連接到上部WDP系統(tǒng)的下部電纜系統(tǒng)的混合遙測鉆柱系統(tǒng)。
授權(quán)給Barry等美國專利US3,957,118公開了一種用于不用電纜連接的鉆桿節(jié)管內(nèi)的鉆柱遙測系統(tǒng)的可釋放電纜和鎖緊系統(tǒng)。授權(quán)給Heilhecker等的美國專利US3,807,502，以及授權(quán)給Veneruso的美國專利US4,806,928和US4,901,069同樣公開了一種用于在具有常規(guī)的無線鉆桿的鉆柱內(nèi)安裝電導線(即電纜)的方法和裝置。
授權(quán)給Hare的美國專利US2,379,800，Wellhausen的歐洲專利申請EP399,987以及Konovalov等的俄羅斯聯(lián)邦專利RU2,040,691都公開了一種具有WDP并使用電感耦合器的信號傳輸系統(tǒng)。Hall的國際專利申請WO02/06716也公開了一種通過一連串使用電感耦合器的WDP的節(jié)管來傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。
對于井下鉆井操作，使用大量的鉆桿節(jié)管來在地面方鉆桿(或者可選擇地是，頂部驅(qū)動鉆機上的動力旋轉(zhuǎn)接頭)與鉆頭之間形成一連串。這一連串的鉆桿節(jié)管基本上構(gòu)成了鉆柱的主體(盡管鉆柱包括其它部件，諸如MWD工具、LWD工具、鉆鋌、扶正器、彎接頭、泥漿馬達、鉆頭盒和鉆頭)。一口1500英尺(5472m)的井一般具有500節(jié)鉆桿節(jié)管，每一節(jié)鉆桿節(jié)管的長度為30英尺(9.14m)。在WDP操作中，一些或全部鉆桿節(jié)管——特別是通過嵌在他們的壁內(nèi)——可具有導線以形成相互連接的有線鉆桿(“WDP”)節(jié)管，以在地面與鉆具之間提供一通信線路。利用500節(jié)鉆桿節(jié)管，同樣被簡單地稱作“桿”或“管”，具有1000個管端/臺肩被“形成”或者被通過螺紋旋轉(zhuǎn)連接到其它節(jié)管、管、接頭等(可選擇的是，“管件”)。這些管的每一根可具有通信耦合器，比如電感耦合器，特別是環(huán)心變壓器。
鉆柱內(nèi)連接的全部數(shù)目增加了對WDP系統(tǒng)的可靠性。一種商用鉆井系統(tǒng)被期望具有約500小時或更多的系統(tǒng)故障之間的最小平均時間(MTBF)。如果WDP系統(tǒng)內(nèi)的一個有線連接發(fā)生故障，那么通信線路就會失效，從而整個遙測系統(tǒng)會失效。因此，在15,000英尺(5472m)深的井中具有500個WDP節(jié)管，每一個WDP應當具有至少250,000小時(28.5年)的MTBF，以使整個系統(tǒng)具有500小時的MTBF。這意味著每一WDP節(jié)管應當具有少于4×10-6每小時的故障率。這種需要超出了目前的WDP技術(shù)。因此，如果不是必要的，理想的是提前指出WDP系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)生故障的可能性。
從而，需要擁有一種能夠繞過WDP相關故障的遙測系統(tǒng)。
還需要擁有一種使用WDP技術(shù)的與無線鉆柱段(如無線鉆桿)相結(jié)合的遙測系統(tǒng)，特別是這樣的無線鉆柱段已經(jīng)使用時。
還需要有一種能夠在地面或者在地面附近進行無線通信的遙測系統(tǒng)以降低對鉆柱的上部內(nèi)的有線系統(tǒng)的依賴。

發(fā)明內(nèi)容
在某些術(shù)語在全篇的描述中被首次使用時對其做了定義，同時該描述中所使用的某些其它術(shù)語在下面進行定義“通信”意思是能夠傳導或者攜載信號；“通信連接”意思是兩個相鄰管件之間的連接，比如相鄰的適配器接頭，信號可以通過該連接進行傳輸；“通信線路”意思是多個通信連接的管件，比如相互連接的WDP節(jié)管或者由電纜連接的適配器接頭(adapter sub)，用于將信號傳輸一段距離(“通信線路”和“通信通道”在這里具有同樣的意思而進行使用)；“地面計算機”意思是計算機，地面接收器，和/或處理信號所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的其它部件；“遙測系統(tǒng)”意思是至少一個通信線路加上測試、傳輸、和顯示/記錄從井眼或者通過井眼獲得的數(shù)據(jù)所需的其它部件，例如地面計算機、MWD/LWD工具、通信接頭、和/或路由器。
一方面，本發(fā)明提供一種用于鉆柱的電纜通信線路，其包括至少兩個在鉆柱內(nèi)以一定距離分隔開的適配器接頭，所述的距離超過了三節(jié)相互連接的鉆桿節(jié)管的長度。電纜連接著兩個適配器接頭以便在它們之間傳輸信號。
在一個優(yōu)選實施例中，電纜通信線路的每一適配器接頭包括位于其端部中間的通信耦合器，以及以距該通信耦合器一定軸向距離分隔開的內(nèi)部環(huán)形槽。電纜帶有一對沿電纜順序連接的接頭連接器。每一接頭連接器具有補充通信耦合器，因此，接頭連接器的補充通信耦合器與適配器接頭的通信耦合器的對齊在適配器接頭和接頭連接器之間建立通信。通信耦合器和補充通信耦合器優(yōu)選為電感耦合器。第二對接頭連接器同樣地與第二適配器接頭結(jié)合。以這種方式，信號可以在電纜和鉆柱之間進行傳輸。
每一適配器接頭優(yōu)選包括以距通信耦合器一定軸向距離分隔開的內(nèi)部環(huán)形槽。每一接頭連接器優(yōu)選具有用于結(jié)合一個適配器接頭的內(nèi)部環(huán)形槽并將其補充通信耦合器定位在與該一個適配器接頭的通信耦合器對齊的位置的閂鎖器。
還可優(yōu)選的是，每一接頭連接器的閂鎖器包括具有至少一個用于結(jié)合一個適配器接頭的內(nèi)部環(huán)形槽的鎖銷的鎖定爪。所述的鎖銷以一定的軸向距離同每一接頭連接器的補充通信耦合器分隔開。因此，當電纜布置在鉆柱內(nèi)時，通過鎖銷與一個適配器接頭的環(huán)形槽的結(jié)合使接頭連接器的補充通信耦合器與適配器接頭的通信耦合器對齊并建立它們之間的通信。鎖定爪優(yōu)選包括一棘爪栓。
本發(fā)明的電纜通信線路用于鉆柱中是有利的，其中多個WDP節(jié)管在兩個適配器接頭之間的鉆柱內(nèi)相互連接從而形成一管道通信線路。在這一應用中，電纜通信線路形成了管道通信線路的可替換通路，以通過鉆柱傳輸信號，因此，管道通信系統(tǒng)(即WDP系統(tǒng))內(nèi)的故障可以被繞過。
電纜通信線路還可有利的用在鉆柱內(nèi)，其中鉆柱的無線段設置在兩個適配器接頭之間。以這種方式，電纜通信線路形成了通過鉆柱的無線段傳輸信號的通路，從而無線段被轉(zhuǎn)換成電纜段。鉆柱的無線段可包括一個或多個無線鉆桿節(jié)管，或者一個或多個無線實用接頭。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于設置在井眼內(nèi)并具有多個構(gòu)成第一通信線路的WDP節(jié)管的鉆柱的遙測系統(tǒng)。每一WDP節(jié)管在其每一端部或端部附近具有通信的第一耦合器，以及連接該通信的第一耦合器的第一電纜。所述的鉆柱還包括一對在鉆柱內(nèi)以一定距離分隔開的適配器接頭，所述的距離超過了三節(jié)相互連接的鉆桿節(jié)管的長度。每一適配器接頭在其中一個適配器接頭的端部或端部附近具有通信的第二耦合器，并適用于連接設置在鉆柱內(nèi)的第二電纜以便第二電纜連接所述的兩個適配器接頭從而形成第二通信線路。適配器接頭中的至少一個被連接在鉆柱內(nèi)，以便它的通信的第二耦合器相鄰于一個WDP節(jié)管的通信的第一耦合器，從而將一個適配器接頭連接到一個WDP節(jié)管以在它們之間進行通信。以這種方式，第一通信線路可被連接，以與第二通信線路進行通信從而通過鉆柱傳輸信號。
在本發(fā)明的遙測系統(tǒng)的實施例中，一個適配器接頭連接在鉆柱內(nèi)的兩個WDP節(jié)管之間，所以一部分第一通信線路可由第二通信線路繞過?？蛇x擇的是，一個適配器接頭可連接在一個WDP節(jié)管與鉆柱的無線段之間，從而鉆柱的無線段可通過第二通信線路而被轉(zhuǎn)換成電纜段。在可選擇的實施例中，鉆柱的無線段可包括一節(jié)或多節(jié)無線鉆桿節(jié)管和/或無線實用接頭。
可優(yōu)選的是，WDP節(jié)管的通信的第一耦合器和適配器接頭的通信的第二耦合器為電感耦合器。
本發(fā)明遙測系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施例試圖并適用于與鉆柱內(nèi)的第二電纜一起使用，以連接一對適配器接頭，從而形成與第一通信線路進行通信的第二通信線路。為了這一目的，每一適配器接頭包括一個位于通信的第二耦合器中間的通信的第三耦合器，以及以距通信的第三耦合器一定軸向距離分隔開的內(nèi)部環(huán)形槽。第二電纜具有一對順序設置的接頭連接器，并且每一接頭連接器具有通信的第四耦合器，因而，接頭連接器的通信的第四耦合器與一個適配器接頭的通信的第三耦合器的對齊建立了第一通信線路與第二通信線路之間的通信。以這種方式，信號可以在第二電纜和鉆柱之間進行傳輸。通信的第三耦合器和通信的第四耦合器優(yōu)選為電感耦合器。
每一適配器接頭優(yōu)選包括以距通信的第三耦合器一定軸向距離分隔開的內(nèi)部環(huán)形槽。每一接頭連接器優(yōu)選具有用于結(jié)合一個適配器接頭的內(nèi)部環(huán)形槽并將其通信的第四耦合器定位在與一個結(jié)合的適配器接頭的通信的第三耦合器對齊的位置的閂鎖器。
優(yōu)選的是，每一接頭連接器的閂鎖器包括具有至少一個用于結(jié)合其中一個適配器接頭的內(nèi)部環(huán)形槽的鎖銷的鎖定爪。所述的鎖銷以一定的軸向距離同每一接頭連接器的通信的第四耦合器分隔開。因此，當電纜布置在鉆柱內(nèi)時，通過鎖銷與適配器接頭的環(huán)形槽的結(jié)合使接頭連接器的通信的第四耦合器與結(jié)合的適配器接頭的通信的第三耦合器對齊，并在它們之間建立通信。鎖定爪優(yōu)選包括一棘爪栓。
本發(fā)明的遙測系統(tǒng)試圖使用多個在鉆柱內(nèi)以一定距離分隔開的適配器接頭(即不僅僅為兩個)，所述的距離超過了三節(jié)相互連接的鉆桿節(jié)管的長度。每一適配器接頭用于連接—在優(yōu)選實施例中包括—設置在鉆柱內(nèi)的第二電纜，以便第二電纜能夠連接至少兩個適配器接頭以形成第二通信線路。至少其中一個適配器接頭連接在鉆柱內(nèi)，以便它的通信的第二耦合器相鄰于一個WDP節(jié)管的通信的第一耦合器，從而將該一個適配器接頭連接到該一個WDP節(jié)管，以在它們之間進行通信。因此，第一通信線路可被連接以與第二通信線路進行通信。
在一個優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的遙測系統(tǒng)還包括設置在鉆柱下段的測試工具，用于處理由測試工具所獲得的處理數(shù)據(jù)的地面計算機，設置在鉆柱的上段內(nèi)或上方的用于與地面計算機進行通信的第一通信接頭，以及設置鉆柱的下段用于與測試工具進行通信的第二通信接頭。第一通信線路具有至少一部分位于井下通信接頭與地面通信接頭之間的有效的通信連接。第二電纜可設置在鉆柱內(nèi)并穿過一對適配器接頭連接，從而形成與第一通信線路進行通信的第二通信線路。第二通信線路也具有至少一部分在第二通信接頭與第一通信接頭之間的有效的通信連接。
這一實施例的意圖是，測試工具，如MWD/LWD工具，還可用做適配器接頭。
在遙測系統(tǒng)的各種實施例中，第一通信接頭設置在在(轉(zhuǎn)盤驅(qū)動)鉆柱內(nèi)的方鉆桿的下方；在(轉(zhuǎn)盤驅(qū)動)鉆柱內(nèi)的方鉆桿的上方；在支承著(頂部驅(qū)動)鉆柱的動力旋轉(zhuǎn)接頭的下方；或者在支承著(頂部驅(qū)動)鉆柱的動力旋轉(zhuǎn)接頭之內(nèi)。如果設置在鉆柱內(nèi)方鉆桿的上方，第一通信接頭可包括旋轉(zhuǎn)變壓器或滑動環(huán)。第一通信接頭還可以包括，在各種應用中，與第一通信線路有線通信的第一無線接收器。第一無線接收器優(yōu)選由與地面計算機有線通信的第二無線接收器進行補充，并且第一和第二無線接收器適用于它們之間的無線通信。第二無線接收器可設置在連接在泥漿池與井眼之間的泥漿返回管線內(nèi)。
另一方面，本發(fā)明遙測系統(tǒng)的第一通信接頭包括與第一通信線路有線通信的WDP調(diào)制解調(diào)器，與WDP調(diào)制解調(diào)器有線通信的無線調(diào)制解調(diào)器，以及向調(diào)制解調(diào)器提供電力的電源。所述的電源可包括一塊或多塊電池。
又一方面，本發(fā)明提供一種用于具有多個相互連接的鉆桿節(jié)管的鉆柱的遙測系統(tǒng)，該鉆桿節(jié)管懸掛于井架上并與轉(zhuǎn)矩施加機構(gòu)結(jié)合以在其上旋轉(zhuǎn)。測試工具由鉆桿節(jié)管懸掛以獲取井眼數(shù)據(jù)，井下通信接頭由鉆桿節(jié)管懸掛以通過鉆桿節(jié)管與測試工具進行通信，并且鉆頭限定在鉆柱的下端。該系統(tǒng)包括用于處理測試工具所獲得的數(shù)據(jù)的地面計算機，以及設置在由轉(zhuǎn)矩施加機構(gòu)所結(jié)合的一部分鉆柱的下方的鉆柱內(nèi)以與地面計算機進行無線通信的地面通信接頭。(至少部分地)通過鉆桿節(jié)管，地面通信接頭與井下通信接頭通信。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面的優(yōu)選實施例中，地面通信接頭包括第一無線接收器，并且所述的遙測系統(tǒng)還包括設置在連接于泥漿池與井眼之間的泥漿返回管線內(nèi)的第二無線接收器。所述的第二無線接收器與地面計算機有線通信連接。井下通信接頭可以多種方式，包括泥漿脈沖遙測、電磁遙測、管道聲波遙測、以及有線線路，與地面通信接頭通信。這樣一個有線線路的示例通過使用順序連接的用于至少一些鉆桿節(jié)管的WDP節(jié)管而實現(xiàn)，所述的WDP節(jié)管具有第一通信線路從而在井下通信接頭與地面通信接頭之間提供至少一部分有效通信連接。
在特殊的實施例中，本發(fā)明的遙測系統(tǒng)還包括一種用于形成與第一通信線路通信的第二通信線路的裝置。在這一實施例中，每一WDP節(jié)管具有在其兩端或附近的通信的第一耦合器，和連接通信的第一耦合器的第一電纜。第二通信線路形成裝置優(yōu)選包括一對在鉆柱內(nèi)的以一定距離分隔開的適配器接頭，所述的距離超過了三節(jié)相互連接的鉆桿節(jié)管的長度。每一適配器接頭在其至少一端或附近具有通信的第二耦合器。所述適配器接頭用于連接設置在鉆柱內(nèi)的第二電纜—本發(fā)明也試圖—以便第二電纜連接該一對適配器接頭以形成第二通信線路。至少一個適配器接頭連接在鉆柱內(nèi)以便它的通信的第二耦合器相鄰于一個WDP節(jié)管的通信的第一耦合器，從而將該一個適配器接頭連接到該一個WDP節(jié)管，以在它們之間進行通信。以這種方式，第一通信線路可被連接，以與第二通信線路進行通信，從而通過鉆柱傳輸信號。
這一實施例的意圖是，測試工具，如MWD/LWD工具，還可用做適配器接頭。
本發(fā)明還優(yōu)選每一適配器接頭包括在通信的第二耦合器中間的通信的第三耦合器。第二電纜具有一對順序設置的接頭連接器。每一接頭連接器具有通信的第四耦合器，因而，接頭連接器的通信的第四耦合器與適配器接頭的通信的第三耦合器的對齊在它們之間建立通信。
另一方面，本發(fā)明提供一種井下鉆井方法，其包括如下步驟利用鉆柱鉆一井眼，在鉆井的同時利用設置在鉆柱內(nèi)的測試工具獲取井眼數(shù)據(jù)，并且通過由至少兩個由超過三節(jié)相互連接的鉆桿節(jié)管長度的距離在鉆柱內(nèi)分隔開的適配器接頭所限定的通信線路，將所獲得的井眼數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婢?。電纜連接適配器接頭以在適配器接頭之間傳輸信號。
在特別的實施例中，本發(fā)明的井下鉆井方法還包括通過由多個相互連接的WDP節(jié)管所限定的另一通信線路將所獲得的井眼數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婢鄣牟襟E，以及通過由與相互連接的WDP節(jié)管有線通信連接的地面通信接頭所限定的第三通信線路，將所獲得的井眼數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婢鄣牟襟E。地面通信接頭將所獲得的井眼數(shù)據(jù)從相互連接的WDP節(jié)管傳輸?shù)降孛嬗嬎銠C以進行處理，并且為了這一目的使用了一個或多個無線接收器。
還有另一方面，本發(fā)明涉及一種井下鉆井方法，其包括利用鉆柱鉆一井眼，在鉆井的同時利用設置在鉆柱內(nèi)的測試工具獲取井眼數(shù)據(jù)，并且通過由多個WDP節(jié)管所限定的第一通信線路和由至少一對通過第二電纜連接的用于在該一對適配器接頭之間傳輸信號的分隔開的適配器接頭所限定的第二通信線路將所獲得的井眼數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婢邸?br> 這一鉆井方法的特別實施例中，所述的傳輸步驟包括使用第二通信線路以繞過一部分第一通信線路。可選擇的是，所述的傳輸步驟可以包括使用第二通信線路以將鉆柱的無線段轉(zhuǎn)換成電纜段。
另一方面，本發(fā)明提供了一種鉆井方法，其包括利用其上設置有多個適配器接頭的鉆柱鉆一井眼的步驟。鉆柱內(nèi)的連續(xù)的適配器接頭被至少四節(jié)相互連接的有線鉆桿節(jié)管所分隔。適配器接頭和有線鉆桿節(jié)管共同限定了第一通信線路。在鉆井的同時利用設置在鉆柱內(nèi)的測試工具獲取井眼數(shù)據(jù)，并且通過第一通信線路將所獲得的井眼數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婢?。當發(fā)現(xiàn)第一通信線路內(nèi)存在故障時，就將電纜設置在鉆柱內(nèi)以形成第二通信線路。所述的電纜具有一對沿著電纜順序連接的分隔開的適配器接頭，以與各對連續(xù)的適配器接頭建立通信，因而，通過這一通信形成了第二通信線路。第二通信線路繞過了一對連續(xù)適配器接頭之間的相互連接的有線鉆桿節(jié)管。
在根據(jù)這一方法的本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，無論兩個連續(xù)的適配器接頭之間的部分鉆柱內(nèi)是否出現(xiàn)故障，都會作出一個決定。當確定了兩個連續(xù)的適配器接頭之間的部分鉆柱內(nèi)沒有出現(xiàn)故障時，電纜在鉆柱內(nèi)移動以在兩個接頭連接器和其它相應的各對連續(xù)的適配器接頭之間建立通信，直到故障的位置得到確認。一旦故障得到確認，比如通過在起下鉆柱期間更換有線鉆桿的有故障的節(jié)管而將故障排除。
本發(fā)明的其它方面結(jié)合下面的描述、附圖、和權(quán)利要求書將會變得很明顯。


圖1A為具有遙測系統(tǒng)的鉆柱的正視圖，根據(jù)本發(fā)明的一方面，該遙測系統(tǒng)包括管道通信線路和電纜通信線路；圖1B為圖1A中部分鉆柱的詳細視圖，其特別示出了使用電纜通信線以繞過管道通信線路內(nèi)的故障；圖1C為另一鉆柱結(jié)構(gòu)的詳細部分的視圖，其特別示出了使用電纜通信線路以將鉆柱的無線段轉(zhuǎn)換成電纜段從而沿著它們傳輸信號；圖2A為根據(jù)本發(fā)明的一方面的與適配器接頭結(jié)合從而形成電纜通信線路的電纜傳輸連接器接頭的局部剖視正視圖；圖2B為與圖2A相類似的視圖，除了適配器接頭配置有電子儀器以在井眼內(nèi)執(zhí)行某種功能之外，該電子儀器比如為信號調(diào)制解調(diào)器；圖3為形成鉆柱的有線鉆桿(WDP)節(jié)管的局部剖視的詳細正視圖；圖4為根據(jù)圖3的與另一管件的陽螺紋端結(jié)合的WDP節(jié)管的陰螺紋端的局部剖視的詳細正視圖；圖5為圖4所示的陰螺紋端和陽螺紋端在鉆柱內(nèi)結(jié)合(即連接)后的詳細截面圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明的一方面應用在遙測系統(tǒng)中的電感旋轉(zhuǎn)耦合器的剖面圖；圖7A為根據(jù)本發(fā)明的一方面的地面通信線路的示意圖；圖7B為根據(jù)本發(fā)明的另一方面的井下通信線路的示意圖；圖8為根據(jù)本發(fā)明的一方面具有遙測系統(tǒng)的鉆柱的正視圖，該遙測系統(tǒng)包括管道通信線路、電纜通信線路、和無線通信線路；以及圖9為根據(jù)本發(fā)明的一方面的井下鉆井方法的判定流程圖；圖10為根據(jù)本發(fā)明的一方面的井下鉆井方法的判定流程圖。
具體實施例方式
圖1A描述了使用依據(jù)本發(fā)明的一方面的遙測系統(tǒng)100的鉆柱6。鉆柱6包括相互連接的管件(下面進行詳細描述)，該管件借助游車(未示出)和大鉤18而懸掛于井架和平臺組件10。鉆柱6的上端由方鉆桿17、鉆柱上的最上部的管件所限定，其由包括旋轉(zhuǎn)方鉆桿和整個鉆柱6的轉(zhuǎn)盤16的常規(guī)扭矩施加裝置接合。旋轉(zhuǎn)接頭19將大鉤18與方鉆桿17相連，并可以相對于大鉤旋轉(zhuǎn)方鉆桿和鉆柱6。
鉆柱的下端由鉆穿地層F以產(chǎn)生井眼7的鉆頭15所限定。鉆頭被連接以與在上述的旋轉(zhuǎn)鉆井結(jié)構(gòu)中的鉆柱6一起旋轉(zhuǎn)。
另外，鉆柱6還可以使用“頂部驅(qū)動”結(jié)構(gòu)(也是眾所周知的)，其中動力旋轉(zhuǎn)接頭旋轉(zhuǎn)鉆柱，而不是方鉆桿和轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆柱。本領域的技術(shù)人員可以理解，“滑動”鉆井操作還可以利用公知的Moineau型泥漿馬達而進行，該馬達將從泥漿池向下泵入穿過鉆柱6的鉆井泥漿的液壓能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)鉆頭的轉(zhuǎn)矩。還可以通過相關領域公知的“旋轉(zhuǎn)控制”系統(tǒng)來進行鉆井操作。本發(fā)明的各個方面適于這些結(jié)構(gòu)的每一種結(jié)構(gòu)，并不局限于旋轉(zhuǎn)鉆井操作，盡管為了解釋的目的，這里將對這些設備和方法進行描述。
現(xiàn)在參看圖1A-1C和圖2A，鉆柱遙測系統(tǒng)100包括具有至少在鉆柱內(nèi)的兩個分隔開的適配器接頭(adpter sub)(例如9a，9b，9c)的電纜通信線路5b和在它們之間傳輸信號的連接兩個適配器接頭9a、9b的電纜112。特別參看圖2A-2B，電纜通信線路5b的每一適配器接頭(僅以標記9表示)包括位于其兩端中間的通信耦合器114，以及以預定的軸向距離d1同通信耦合器114隔開的內(nèi)部環(huán)形槽116。通信耦合器114是有線連接，以通過電纜115進行通信，并使適配器接頭9也作為管道通信線路5a(在下面做進一步的描述)內(nèi)的部件。
電纜112包括承重的保護皮113和至少一對沿其長度的導線112a和112b。電纜112通過機械連接和通信連接也載有一對分隔開的并通過電纜保護皮113以及通信導線112a、112b而相互順序連接的基本上圓筒型的接頭連接器118。每一接頭連接器118具有由電纜導線112a、112b連接的補充通信耦合器(complementingcommunicative coupler)120，和具有至少一個鎖銷124的鎖定爪122，所述的鎖銷124通過盤簧126而朝外偏斜，以結(jié)合一個適配器接頭9的環(huán)形槽116。本領域的技術(shù)人員可以理解，其它公知的用于將電纜傳輸工具主動地結(jié)合到鉆柱內(nèi)的管件的機械裝置也可以被有利地使用。比如Huber等的美國專利US5,971,072中所公開的棘爪栓機構(gòu)，Vneneruso的美國專利US4,901,06中所公開的帶鍵錨固系統(tǒng)，以及其它公知的鎖緊裝置(如摩擦閘/鎖，輥式閘，磁鎖定器)。
所述的鎖定爪優(yōu)選使用通過施加一定的力來使其結(jié)合和脫離的“棘爪”栓。在結(jié)合的情況下，所需的力由電纜112和接頭連接器118的重力來提供。在脫離的情況下，所需的力由安裝在地面的卡車、拖車或者平臺上的電纜裝置所施加的電纜112上的牽引力來提供。
鎖銷124沿著接頭連接器118以距離補償通信耦合器120預定的軸向距離d1分隔開。在這一結(jié)構(gòu)中，當電纜112設置在鉆柱內(nèi)以在適配器接頭9內(nèi)下入一個或多個接頭連接器118時，一個接頭連接器118的鎖銷124與一個適配器接頭9的環(huán)形槽9的結(jié)合，使接頭連接器的補償通信耦合器120與一個適配器接頭9的通信耦合器114在垂向上對齊，從而在適配器接頭9和接頭連接器118之間建立通信。以這種方式，信號可以在電纜112與包含適配器接頭9的鉆柱6之間進行傳輸。通信耦合器114和補償通信耦合器120優(yōu)選為電感耦合器，該耦合器是本領域所公知的(也可以參看下面的相關描述)。
本領域的技術(shù)人員和受益于本公開的技術(shù)人員可以理解，通過僅僅使用電纜112的被動的定位也能形成有效的通信。換句話說，使用將接頭連接器118定位在適配器接頭9內(nèi)的主動的鎖緊裝置不是本發(fā)明的必要特征，盡管優(yōu)選使用這種裝置。
圖2B示出了設有電子儀器組件119以執(zhí)行一個或多個功能的接頭連接器118，所述功能比如為轉(zhuǎn)換、信號放大、阻抗匹配、或者信號調(diào)制/解調(diào)。
現(xiàn)在特別參看圖1B，電纜通信線路5b可有利地用在鉆柱6內(nèi)，在鉆柱內(nèi)，多個WDP節(jié)管8在兩個適配器接頭9a、9b之間的鉆柱內(nèi)相互連接，以形成管道通信線路5a。在該應用中，電纜通信線路5b形成了可替換的管道通信線路5a的通路，以通過鉆柱6傳輸信號。因而，當管道通信系統(tǒng)(即WDP系統(tǒng))內(nèi)的故障出現(xiàn)在WDP節(jié)管8f處時，鉆柱遙測通過形成這里所描述的電纜通信線路5b而得以維持。
圖1C示出了有利地用在鉆柱內(nèi)的電纜通信線路5b，在鉆柱內(nèi)，鉆柱6的無線段NW設置在兩個適配器接頭9a、9b之間。以這種方式，電纜通信線路5b形成了通過鉆柱的無線段NW傳輸信號的通路，從而無線段被轉(zhuǎn)換成電纜段。鉆柱的無線段可包括一個或多個標準的(即無線的)鉆桿節(jié)管4，或者可選擇的是，一個或多個無線實用接頭，比如鉆鋌、扶正器、振擊器、彎接頭等。以這種方式，電纜通信線路(在這里也稱作第二通信線路)形成了一“混合”遙測系統(tǒng)。
現(xiàn)在，將對由多個有線鉆桿(WDP)接頭形成的管道通信線路(在這里也稱作第一通信線路)5a進行更加詳盡的描述。一種類型的WDP節(jié)管，如由Boyle等發(fā)明、受讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利申請US2002/0193004所公開的WDP節(jié)管，使用通信的第一耦合器—優(yōu)選電感耦合器—以傳輸穿過WDP節(jié)管的信號。根據(jù)Boyle等發(fā)明的專利申請中的WDP內(nèi)的電感耦合器包括變壓器，該變壓器具有由高磁導率、低損耗的材料制成的圓環(huán)柱心，所述的材料比如為超透磁合金(其為鎳鐵合金，用于特別的高初始磁導率和適用于低能級的信號變壓器應用)。由多匝絕緣導線構(gòu)成的線圈纏繞在圓環(huán)柱心上以形成環(huán)心變壓器。在一種結(jié)構(gòu)中，環(huán)心變壓器由橡膠或其它絕緣材料所密封，并且裝配好的變壓器凹入到位于鉆桿連接處的槽中。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3-5，其中示出了WDP節(jié)管210，其在陰螺紋端222的各自的端部241或附近和陽螺紋端232的端部234或附近具有通信的第一耦合器221、231。第一電纜214穿過管道213以按照下面將要詳細描述的方式連接通信的第一耦合器221、231。
WDP節(jié)管210設有加長管狀柄211，該管狀柄具有軸向筒212、陰螺紋端222、陽螺紋端232、以及從陰螺紋端222延伸到陽螺紋端232的第一電纜214。第一電流回路電感耦合器221(即環(huán)心變壓器)和相類似的第二電流回路電感耦合器231分別設置在各自的陰螺紋端222和陽螺紋端232。第一電流回路電感耦合器221、第二電流回路電感耦合器231和第一電纜214共同提供穿過每一WDP節(jié)管長度的通信管道。在兩個WDP節(jié)管之間的結(jié)合面上的電感耦合器(或者通信連接)220被示為由WDP節(jié)管210的第一電感耦合器元件221和來自相鄰的管件(其可以是另一個WDP節(jié)管，或者上述的適配器接頭9a)的第二電流回路電感耦合器元件231’構(gòu)成。本領域的技術(shù)人員可以認識到，在遙測系統(tǒng)100的某些實施例中，電感耦合器元件可以由起類似通信功能的其它裝置來代替，比如，Denison的美國專利US4,126,848所公開的直流電接觸連接。
圖4和圖5詳盡地描述了圖3中的電感耦合器或通信連接220。陰螺紋端222包括內(nèi)螺紋223和具有第一槽225的環(huán)形內(nèi)接觸臺肩224，在第一槽225內(nèi)設有第一環(huán)心變壓器226。環(huán)心變壓器226與電纜214連接。同樣，相鄰的有線管件(如另一個WDP節(jié)管或適配器接頭9a)的陽螺紋端232’包括外螺紋233’和具有第二槽235’的環(huán)形內(nèi)接觸管端234’，在第二槽235’內(nèi)設有第二環(huán)心變壓器236’。第二環(huán)心變壓器236’與相鄰的管件9a的第二電纜214’相連接。槽225和235’可以由高導電率、低磁導率的材料(如銅)包覆，以提高電感耦合的效率。
當WDP節(jié)管的陰螺紋端222與相鄰的管件(如另一個WDP節(jié)管或適配器接頭9a)的陽螺紋端232’組裝在一起時就形成了一個通信連接。圖5示出了一部分結(jié)合面的截面，其中，一對相對的電感耦合器元件(即環(huán)心變壓器226、236’)鎖接在一起，從而在有效的通信線路內(nèi)形成一個通信連接。這一截面圖還示出了封閉的環(huán)形通路240和240’分別包圍著環(huán)心變壓器226和236’，并且管道213和213’形成了用于內(nèi)部電纜214和214’的通路，所述的電纜連接著兩個設置在每一WDP節(jié)管兩端的電感耦合器元件。
上述的電感耦合器包括形成有雙環(huán)的電耦合器。雙環(huán)耦合器利用陽螺紋端和陰螺紋端的內(nèi)臺肩作為電觸點。在陽螺紋端和陰螺紋端結(jié)合時，內(nèi)臺肩在極限壓力下開始結(jié)合，以確保陽螺紋端與陰螺紋端之間的電的連續(xù)性。利用設置在槽內(nèi)的環(huán)心變壓器，在連接的金屬內(nèi)感應出電流。在一定的頻率(如100khz)下，這些電流由于皮膚深度效應(skin depth effect)而被限定在槽的表面。陽螺紋端和陰螺紋端構(gòu)成了各自變壓器的第二回路，并且這兩個第二回路通過配合的內(nèi)臺肩表面而背對背地連接在一起。
雖然圖3-5描述了特定的通信耦合器的類型，本領域的技術(shù)人員可以理解，各種耦合器都可以用于穿過相互連接的管件的信號的通信。例如，該系統(tǒng)可包含如Hall申請的國際專利申請WO02/06716所描述的磁耦合器。也可預見其它系統(tǒng)和/或耦合器。
為了簡明起見，在圖3中，適配器接頭9a、9b之間的分隔被示為僅一節(jié)WDP，也就是30英尺(9.144m)。然而，本領域的技術(shù)人員可以理解，這樣的分隔常常被限定為多個相互連接的WDP節(jié)管，并且在一個實施例中，其長度接近1000英尺(304.8m)。一串這種長度的WDP節(jié)管被認為在不需要中繼器接頭或增強器接頭來增強穿越很長距離的通信信號的情況下可進行工作，但是本發(fā)明能夠很好的適用于并試圖使用這些所需的中繼器。除了適配器接頭可具有不同于標準的30英尺(9.44m)接頭長度的長度-尤其是將長度縮短為3英尺(0.914m)之外-以及除了適配器接頭適于按照上面參照附圖2A和2B所描述的與第二電纜112結(jié)合之外，適配器接頭本身很類似于這里所述的WDP節(jié)管。此外，設置在鉆柱內(nèi)的測試工具M，如MWD工具和LWD工具，也可以具有與適配器接頭相同的功能，使電纜如電纜112(如下所述)直接連接到一個或多個測試工具M。
至少在各自的陽螺紋端232′的端部234′和陰螺紋端222’的端部241′處或者其附近，圖3中的每一適配器接頭9a、9b具有通信的第二耦合器231′、221′。適配器接頭適用于連接設置在鉆柱6內(nèi)的第二電纜112，以便第二電纜112連接該對適配器接頭以形成第二通信線路5b，如上所述。其意圖是，僅僅按照需要來形成第二通信線路，比如為了“跳過”或繞過第一通信線路內(nèi)的故障，或者為了在什么也不存在的一部分鉆柱內(nèi)形成通信線路。
因此，圖2A-B所示的本發(fā)明遙測系統(tǒng)的實施例中，一個適配器接頭9連接在鉆柱6內(nèi)的兩個WDP節(jié)管8之間，因而一部分由相互連接的WDP節(jié)管(并包括適配器接頭9)所限定的第一通信線路5a可被由電纜有線適配器接頭所限定的第二通信線路5b繞過?？蛇x擇的是，一個適配器接頭9可連接在一個WDP節(jié)管與鉆柱的無線段之間(參看如圖1C)，從而鉆柱的無線段可通過第二通信線路而被轉(zhuǎn)換成電纜段。在可選擇的實施例中，鉆柱的無線段可包括一節(jié)或多節(jié)無線鉆桿節(jié)管和/或無線實用接頭。
本發(fā)明的有創(chuàng)造性的遙測系統(tǒng)試圖使用多個優(yōu)選在鉆柱內(nèi)以上述的1000英尺(304.8m)的分隔間距設置的適配器接頭9(即不僅僅是兩個)。每一適配器接頭9適用于連接設置在鉆柱內(nèi)6的第二電纜112，如上參照附圖2A-B所進行的描述。以這種方式，分隔開的適配器接頭具有兩個作用(1)由WDP節(jié)管所限定的第一通信線路5a內(nèi)的管道；以及(2)在需要的時候作為適于繞過或跳過如一個或多個有故障的第一通信線路5a內(nèi)的WDP節(jié)管的“跨接器”(“jumper”)。
在最主要的實施例中(參看圖1A)，遙測系統(tǒng)100還包括一個或多個設置在鉆柱6下段的稱為底部鉆具組合(BHA)200的測試工具M。其還可以包括用于處理由測試工具M所獲得的處理數(shù)據(jù)的地面計算機2，以及設置在鉆柱的上段(方鉆桿17的上方)內(nèi)或上方的用于與地面計算機2進行通信的第一通信接頭70。第一通信接頭70也被稱作地面通信接頭，其還通過本領域所公知的連接方式與第一通信線路5a和第二通信線路5b進行通信。遙測系統(tǒng)100還包括設置于鉆柱6的下段、剛好在BHA200上方的第二通信接頭80，該通信接頭還被稱作井下通信接頭，用于與(至少)測試工具M進行通信。第一通信線路5a具有至少一部分在井下通信接頭80和地面通信接頭70之間的有效的通信連接。第二電纜112可設置在鉆柱6內(nèi)并連接穿過一對適配器接頭9，從而形成被連接用于與第一通信線路5a進行通信的第二通信線路5b(或者它的一部分)。因此，第二通信線路5b具有至少一部分在井下通信接頭80與地面通信接頭70之間的有效的通信連接，比如用于繞過或補充通信線路5a。
在遙測系統(tǒng)的各個實施例中，第一(或地面)通信接頭70根據(jù)四種結(jié)構(gòu)中的一種結(jié)構(gòu)而設置在(轉(zhuǎn)盤驅(qū)動)鉆柱6內(nèi)的方鉆桿17的下方；在(轉(zhuǎn)盤驅(qū)動)鉆柱6內(nèi)的方鉆桿17的上方；在支承著(頂部驅(qū)動)鉆柱(未示出)的動力旋轉(zhuǎn)接頭的下方；或者在支承著(頂部驅(qū)動)鉆柱(未示出)的動力旋轉(zhuǎn)接頭之內(nèi)。如果設置在鉆柱內(nèi)方鉆桿的上方，第一通信接頭可包括滑動環(huán)或者旋轉(zhuǎn)變壓器，以在旋轉(zhuǎn)鉆柱6與遙測系統(tǒng)100的固定地面部件之間傳輸信號。
除了轉(zhuǎn)盤16和旋轉(zhuǎn)接頭19由支承和旋轉(zhuǎn)鉆柱的動力旋轉(zhuǎn)接頭替換之外，頂部驅(qū)動鉆柱類似于圖1A所示的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動鉆柱6。
滑動環(huán)(也稱作電刷接觸面)為用于將電流或信號從固定的導線傳送到旋轉(zhuǎn)裝置的眾所周知的電連接器。通常，其包括安裝在非旋轉(zhuǎn)部件1(如在旋轉(zhuǎn)接頭19內(nèi))內(nèi)的固定石墨或金屬觸頭(電刷)，所述的石墨或金屬觸頭摩擦旋轉(zhuǎn)的金屬環(huán)(如設置在方鉆桿17上部)的外直徑。在金屬旋轉(zhuǎn)時，電流或信號通過固定電刷傳輸?shù)叫纬蛇B接的金屬環(huán)。如果需要一個以上的電流回路，可沿著旋轉(zhuǎn)軸線層疊設置多個環(huán)/電刷組件。
根據(jù)旋轉(zhuǎn)回路和固定回路之間的傳導，稱作旋轉(zhuǎn)變壓器的根據(jù)電感(變換器作用)的旋轉(zhuǎn)電耦合器具有滑動環(huán)和接觸電刷的交替。因此，不直接接觸對于出現(xiàn)在電感旋轉(zhuǎn)耦合器中的變換器作用是必要的。圖6示出了安裝在固定殼體1內(nèi)的固定回路72與安裝在方鉆桿17上的旋轉(zhuǎn)回路(其包括通信線路5a和/或5b)之間的典型的電感旋轉(zhuǎn)耦合器的簡化剖面。變壓器繞組包括固定線圈74和旋轉(zhuǎn)線圈76，二者與旋轉(zhuǎn)軸線同軸。任一個都可以用作主線圈，而另一個線圈用作副線圈。固定組件包括變壓器鐵芯，除鐵芯具有限定形狀以適于容納旋轉(zhuǎn)部件的內(nèi)部77和外部88之外，其類似于常規(guī)的電力變壓器，并由堆疊的硅鐵片或者其它合適的磁性“軟”材料制成。中空軸容納在軸的一端具有連接旋轉(zhuǎn)線圈和旋轉(zhuǎn)回路的導線。
如上所述，鉆柱6通常包括設置在鉆頭15附近的底部鉆具組合(BHA)200。BHA200可具有測試、處理和存儲信息的能力，以及通過井下通信接頭80與地面(如MWD/LWD工具)通信的能力。一種具有阻抗確定能力的測試工具M的示例在美國專利US5,339,037中做了詳細的描述。
一種來自BHA200的表示一種或多種測試結(jié)果的信號利用井下通信接頭80從測試工具M沿著鉆柱6向上傳輸。所述的傳輸可通過常規(guī)的手段，比如泥漿脈沖遙測、電磁遙測、和管道聲波遙測來獲得，或者更可取的是通過這里所描述的通信線路5a、5b來獲得。所傳輸?shù)男盘栍傻孛嫱ㄐ沤宇^70接收，在特定的實施例中，地面通信接頭70使用與方鉆桿17連接的裝置，比如滑動環(huán)或旋轉(zhuǎn)變壓器1，以在旋轉(zhuǎn)接頭19內(nèi)從旋轉(zhuǎn)回路向固定回路傳輸信號。變壓器的固定回路或者滑動環(huán)通過有線連接，比如電纜3，而連接到地面計算機2以進行處理和存儲/顯示。地面計算機2也與測試工具M通信，并利用合適的直接向下返回到鉆柱6的信號控制測試工具M。利用上述的穿過鉆柱6的通信線路5a、5b，旋轉(zhuǎn)變壓器或滑動環(huán)的旋轉(zhuǎn)回路同樣連接到井下通信接頭80。
圖7A示出了具有地面無線通信線路而不是有線耦合器的可替換的遙測系統(tǒng)100a的示意圖。遙測系統(tǒng)100a基本上與圖1A中的遙測系統(tǒng)100相同，除地面通信接頭70a可操作地連接到方鉆桿17上，代替具有旋轉(zhuǎn)耦合器或者滑動環(huán)的地面通信接頭70。在這一實施例中，無線連接3a存在于地面計算機2a和地面通信接頭70a之間。利用前述的通信線路5a、5b，地面通信接頭70a可操作地連接到井下通信接頭80a。
地面通信接頭70a包括與第一通信線路5a有線通信的WDP調(diào)制解調(diào)器315，與WDP調(diào)制解調(diào)器315有線通信的無線調(diào)制解調(diào)器325，以及向調(diào)制解調(diào)器提供電力的電源310。所述的電源可包括一塊或多塊電池305。
地面通信接頭70a優(yōu)選為短適配器接頭，或WDP地面通信接頭，其在無線通信線路與管道通信線路(這里也稱作第一通信線路)5a之間提供了一個接口。
WDP調(diào)制解調(diào)器315能夠在地面通信接頭70a與WDP系統(tǒng)的管道通信線路5a之間通信。無線調(diào)制解調(diào)器325能夠利用無線連接3a在地面通信接頭與地面計算機之間通信。WDP調(diào)制解調(diào)器和無線調(diào)制解調(diào)器通過高速線路(high-speed link)320可操作地連接起來。地面通信接頭70a和地面計算機2a都具有各自的利用無線連接3a能夠在它們之間無線地發(fā)射和接受信號的無線接收器325t、2t。
圖7B示意性地示出了使用本發(fā)明的一方面的常規(guī)的井下通信接頭80a。接頭80a包括用于通過管道通信線路5a、5b與地面通信接頭70a進行通信的WDP調(diào)制解調(diào)器95。WDP調(diào)制解調(diào)器95是有線的，其用于與總線網(wǎng)接口105進行高速通信，該接口又順次可通信地與BHA200連接。電源90向井下通信接頭80a供應電力，并可包括一塊或多塊電池85。
由圖7A和圖7B共同表示的遙測系統(tǒng)能夠使地面處的無線通信線路(這里也稱作第三通信線路)與井眼內(nèi)的管道和/或電纜通信線路一起使用。
圖8示出了遙測系統(tǒng)100b的另一實施例，其中，地面通信接頭70b設置在通過轉(zhuǎn)距應用機構(gòu)進行結(jié)合的一部分鉆柱下方(如在轉(zhuǎn)盤16的下方)的鉆柱內(nèi)，以與地面計算機2b進行無線通信。地面通信接頭70b包括第一無線接收器71，并且遙測系統(tǒng)還包括設置在泥漿池92與井眼之間的泥漿返回管線90內(nèi)的第二無線接受器91。理想的是接收器91盡可能的靠近鉆柱6設置，接收器91沿著泥漿返回管線90放置是不必要的。因此，可替換的位置，比如立管或者套適配器接頭附近，可同樣有利地使用。第二無線接收器91通過電纜3b與地面計算機2b有線通信。井下通信接頭80b以多種方式，包括常規(guī)的泥漿脈沖遙測和有線連接—尤其是根據(jù)通信線路5a、5b，而與地面通信接頭70b進行通信。
本發(fā)明還提供有一種使用上述的有優(yōu)點的遙測系統(tǒng)的井下鉆井方法。因此，特別參照附圖9并一般的結(jié)合其它附圖，該方法400包括如下步驟利用鉆柱6鉆一井眼(步驟410)，在鉆井的同時利用設置在鉆柱6內(nèi)的測試工具M獲取井眼數(shù)據(jù)(步驟430)，并且通過電纜通信線路5b將所獲得的井眼數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婢?步驟490)。如上所述，電纜通信線路5b由至少兩個設置在鉆柱6內(nèi)的分隔開的適配器接頭9和連接適配器接頭以在適配器接頭之間傳輸信號(步驟420)的電纜112所限定。
井下鉆井方法400還包括通過由多個相互連接的WDP節(jié)管8所限定的另一通信線路5a將所獲得的井眼數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婢鄣牟襟E(步驟440“是”到步驟450)，以及通過由與相互連接的WDP節(jié)管8有線通信的地面通信接頭70/70a/70b所限定的第三通信線路將所獲得的井眼數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婢鄣牟襟E(步驟500)。地面通信接頭70/70a/70b將所獲得的井眼數(shù)據(jù)從相互連接的WDP節(jié)管8傳輸?shù)降孛嬗嬎銠C2/2a以進行處理，并且為了這一目的可使用一個或多個無線接收器71、91(參考圖8)。
一旦第一通信線路5a出現(xiàn)故障(步驟460)，通過使用第二通信線路5b以繞過一部分第一通信線路5a(步驟470)而進行傳輸步驟490，或者可選擇的是，將鉆柱的無線段NW轉(zhuǎn)換成電纜段(步驟480)。
WDP系統(tǒng)內(nèi)故障可通過第一通信線路5a傳輸一個信號，然后測量信號以測定電壓和/或電流、和阻抗而得到確認。通過分析阻抗，可以確定故障的位置。尤其是，阻抗可具有波動或強烈的共振，這就表示出現(xiàn)了故障。所接收的信號還可在時域內(nèi)被測試。通過顯示信號傳播的距離，可以分析發(fā)射和接收之間的信號延遲以確定故障的位置。這一信息還可以用于確定發(fā)生故障WDP節(jié)管的數(shù)量。
圖10以及總體上的其它附圖，還以井下鉆井方法600的方式示出了本發(fā)明另一方面。利用具有多個設置在鉆柱內(nèi)的適配器接頭9的鉆柱6鉆一井眼(步驟610)。鉆柱內(nèi)連續(xù)的適配器接頭由至少四個相互連接的有線鉆桿節(jié)管8所分隔。適配器接頭9和有線鉆桿節(jié)管8一起限定了第一通信線路5a(步驟620)。在鉆井的同時利用設置在鉆柱6內(nèi)的測試工具M獲得井眼數(shù)據(jù)(步驟630)，將所獲得的井眼數(shù)據(jù)由第一通信線路5a傳送到地面井眼(步驟640)。
當探測到第一通信線路5a出現(xiàn)故障(步驟650是)時，由于不能與測試工具M通信，電纜112設置在鉆柱6內(nèi)以形成第二通信線路5b(步驟660)。電纜112具有一對沿著電纜順序連接的分隔開的接頭連接器118，以建立與相應一對連續(xù)的適配器接頭9的通信，比如鉆柱6內(nèi)最低的一對適配器接頭。以這種方式，通過這種通信形成了第二通信線路5b。換句話說，一對接頭連接器118可通信地連接到一對相應的適配器接頭9，如這里所作的詳細描述。第二通信線路5b繞過了該對連續(xù)的適配器接頭9之間的相互連接的有線鉆桿節(jié)管8。
無論由電纜112連接的這對連續(xù)的適配器接頭9之間的部分鉆柱內(nèi)是否出現(xiàn)故障，之后都會作出一個決定(步驟670)。當確定了這對電纜連接的連續(xù)的適配器接頭之間的部分鉆柱內(nèi)沒有出現(xiàn)故障時(步驟670否)，電纜在鉆柱內(nèi)移動以建立在該對接頭連接器與其它相應對連續(xù)的適配器接頭之間的通信，直到故障的位置得到確定?？蓛?yōu)選的是，電纜移動以便繞過連續(xù)的適配器接頭9之間的每一串連續(xù)的相互連接的有線鉆桿節(jié)管。一旦故障得到確定，比如通過測試信號的不成功的返回，在起下鉆柱6期間，通過更換有線鉆桿的有故障的節(jié)管8而將故障排除(步驟690)。
權(quán)利要求
1.一種用于鉆柱的電纜通信線路，其包括鉆柱內(nèi)的以一定距離分隔開的至少兩個適配器接頭，所述的距離超過了三個相互連接的鉆桿節(jié)管的長度；以及連接著所述兩個適配器接頭以用于在它們之間進行信號傳輸?shù)碾娎|。
2.如權(quán)利要求1所述的電纜通信線路，其中每一適配器接頭包括位于其端部中間的通信耦合器，并且電纜具有一對順序設置的接頭連接器，每一接頭連接器具有補充通信耦合器，從而，接頭連接器的補充通信耦合器與適配器接頭的通信耦合器的對齊在它們之間建立了通信。
3.如權(quán)利要求2所述的電纜通信線路，其中每一適配器接頭還包括以距通信耦合器預定軸向距離分隔開的內(nèi)部環(huán)形槽，并且每一接頭連接器還具有用于結(jié)合一個適配器接頭的內(nèi)部環(huán)形槽并將其補充通信耦合器定位在與所述一個適配器接頭的通信耦合器對齊位置的閂鎖器。
4.如權(quán)利要求3所述的電纜通信線路，其中每一接頭連接器的閂鎖器包括具有至少一個用于結(jié)合一個適配器接頭的內(nèi)部環(huán)形槽的鎖銷的鎖定爪，所述的鎖銷以預定的軸向距離同每一接頭連接器的補充通信耦合器分隔開，從而，當電纜布置在鉆柱內(nèi)時，通過鎖銷與一個適配器接頭的環(huán)形槽的結(jié)合使接頭連接器的補充通信耦合器與所述一個適配器接頭的通信耦合器對齊并建立它們之間的通信。
5.如權(quán)利要求4所述的電纜通信線路，其中所述的鎖定爪包括一棘爪栓。
6.如權(quán)利要求2所述的電纜通信線路，其中所述的通信耦合器和補充通信耦合器為電感耦合器。
7.如權(quán)利要求1所述的電纜通信線路，其中多個有線鉆桿節(jié)管在兩個適配器接頭之間的鉆柱內(nèi)相互連接從而形成一管道通信線路，因而，電纜通信線路形成了管道通信線路的替換通路，以通過鉆柱傳輸信號。
8.如權(quán)利要求1所述的電纜通信線路，其中鉆柱的無線段設置在兩個適配器接頭之間，從而電纜通信線路形成了通過鉆柱的無線段傳輸信號的通路。
9.如權(quán)利要求8所述的電纜通信線路，其中鉆柱的無線段包括一個或多個無線鉆桿節(jié)管。
10.如權(quán)利要求8所述的電纜通信線路，其中鉆柱的無線段包括一個或多個無線實用接頭。
11.一種用于設置在井眼內(nèi)的鉆柱的遙測系統(tǒng)，其包括多個在鉆柱內(nèi)的構(gòu)成第一通信線路的有線鉆桿節(jié)管，每一有線鉆桿節(jié)管在其每一端部或端部附近具有通信的第一耦合器，以及連接通信的第一耦合器的第一電纜；和一對在鉆柱內(nèi)以一定距離分隔開的適配器接頭，所述的距離超過了三節(jié)相互連接的鉆桿節(jié)管的長度，每一適配器接頭在至少一個適配器接頭的端部或端部附近具有通信的第二耦合器，并適用于連接設置在鉆柱內(nèi)的第二電纜，以便第二電纜連接所述的一對適配器接頭從而形成第二通信線路，其中的一個適配器接頭被連接在鉆柱內(nèi)，以便它的通信的第二耦合器相鄰于一個有線鉆桿節(jié)管的通信的第一耦合器，從而將該一個適配器接頭連接到該一個有線鉆桿節(jié)管，以在它們之間進行通信，因而，第一通信線路可被連接，用于與第二通信線路進行通信，以通過鉆柱傳輸信號。
12.如權(quán)利要求11所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的一個適配器接頭連接在鉆柱內(nèi)的兩個有線鉆桿節(jié)管之間，從而一部分第一通信線路可由第二通信線路繞過。
13.如權(quán)利要求11所述的遙測系統(tǒng)，其中一個適配器接頭連接在一個有線鉆桿節(jié)管與鉆柱的無線段之間，從而鉆柱的無線段可通過第二通信線路而被轉(zhuǎn)換成電纜段。
14.如權(quán)利要求13所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的鉆柱的無線段包括一節(jié)或多節(jié)無線鉆桿節(jié)管。
15.如權(quán)利要求13所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的鉆柱的無線段包括一節(jié)或多節(jié)無線實用接頭。
16.如權(quán)利要求11所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的有線鉆桿節(jié)管的通信的第一耦合器和適配器接頭的通信的第二耦合器為電感耦合器。
17.如權(quán)利要求11所述的遙測系統(tǒng)，其還包括設置在鉆柱內(nèi)的第二電纜，其用于連接一對適配器接頭，以形成與第一通信線路通信的第二通信線路。
18.如權(quán)利要求17所述的遙測系統(tǒng)，其中每一適配器接頭包括一個位于通信的第二耦合器中間的通信的第三耦合器，并且第二電纜具有一對順序設置的接頭連接器，每一接頭連接器具有通信的第四耦合器，因而，接頭連接器的通信的第四耦合器與所述一個適配器接頭的通信的第三耦合器的對齊建立了第一通信線路與第二通信線路之間的通信。
19.如權(quán)利要求18所述的遙測系統(tǒng)，其中每一適配器接頭還包括以距通信的第三耦合器預定軸向距離分隔開的內(nèi)部環(huán)形槽，并且每一接頭連接器還具有用于結(jié)合一個適配器接頭的內(nèi)部環(huán)形槽并將其通信的第四耦合器定位在與該結(jié)合的適配器接頭的通信的第三耦合器對齊位置的閂鎖器。
20.如權(quán)利要求18所述的遙測系統(tǒng)，其中每一接頭連接器的閂鎖器包括具有至少一個用于結(jié)合其中一個適配器接頭的內(nèi)部環(huán)形槽的鎖銷的鎖定爪，所述的鎖銷以預定的軸向距離同每一接頭連接器的通信的第四耦合器分隔開，由此，當電纜布置在鉆柱內(nèi)時，通過鎖銷與適配器接頭的環(huán)形槽的結(jié)合使接頭連接器的通信的第四耦合器與該結(jié)合的適配器接頭的通信的第三耦合器對齊并在它們之間建立通信。
21.如權(quán)利要求20所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的鎖定爪具有一棘爪栓。
22.如權(quán)利要求18所述的遙測系統(tǒng)，其中通信的第三耦合器和通信的第四耦合器優(yōu)選為電感耦合器。
23.如權(quán)利要求11所述的遙測系統(tǒng)，其包括多個在鉆柱內(nèi)以一定間隔分隔開的適配器接頭，每一適配器接頭用于連接設置在鉆柱內(nèi)的第二電纜，以便第二電纜能夠連接至少兩個適配器接頭以形成第二通信線路，其中一個適配器接頭連接在鉆柱內(nèi)以便它的通信的第二耦合器相鄰于有線鉆桿節(jié)管的通信的第一耦合器，從而將所述一個適配器接頭連接到有線鉆桿節(jié)管，以在它們之間進行通信，因此，第一通信線路可被連接以與第二通信線路進行通信。
24.如權(quán)利要求23所述的遙測系統(tǒng)，還包括設置在鉆柱內(nèi)的第二電纜，用于連接所述一個適配器接頭和至少另一適配器接頭以形成與第一通信線路進行通信的第二通信線路。
25.如權(quán)利要求11所述的遙測系統(tǒng)，還包括設置在鉆柱下段的測試工具；用于處理由測試工具所獲得的數(shù)據(jù)的地面計算機；設置在鉆柱的上段內(nèi)或上方的用于與地面計算機進行通信的第一通信接頭；以及設置在鉆柱的下段用于與測試工具進行通信的第二通信接頭；第一通信線路，其具有至少一部分位于井下通信接頭與地面通信接頭之間的有效的通信連接。
26.如權(quán)利要求25所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的測試工具還可以為適配器接頭。
27.如權(quán)利要求25所述的遙測系統(tǒng)，其還包括設置在鉆柱內(nèi)并連接穿過所述一對適配器接頭的第二電纜，從而形成被連接用于與第一通信線路進行通信的第二通信線路，第二通信線路還具有至少一部分在井下通信接頭與地面通信接頭之間的有效的通信連接。
28.如權(quán)利要求25所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的第一通信接頭在鉆柱內(nèi)設置在方鉆桿下方。
29.如權(quán)利要求25所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的第一通信接頭在鉆柱內(nèi)設置在方鉆桿上方。
30.如權(quán)利要求25所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的第一通信接頭設置在支承著鉆柱的動力旋轉(zhuǎn)接頭的下方。
31.如權(quán)利要求25所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的第一通信接頭設置在支承著鉆柱的動力旋轉(zhuǎn)接頭之內(nèi)。
32.如權(quán)利要求29所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的第一通信接頭包括旋轉(zhuǎn)變壓器。
33.如權(quán)利要求29所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的第一通信接頭包括滑動環(huán)。
34.如權(quán)利要求25所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的第一通信接頭包括與第一通信線路有線通信的第一無線接收器。
35.如權(quán)利要求34所述的遙測系統(tǒng)，還包括與地面計算機有線通信的第二無線接收器，第一和第二無線接收器適用于它們之間的無線通信。
36.如權(quán)利要求35所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的第二無線接收器設置在連接在泥漿池與井眼之間的泥漿返回管線內(nèi)。
37.如權(quán)利要求25所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的第一通信接頭包括與第一通信線路有線通信的有線鉆桿調(diào)制解調(diào)器；與有線鉆桿調(diào)制解調(diào)器有線通信的無線調(diào)制解調(diào)器；以及向調(diào)制解調(diào)器提供電力的電源。
38.如權(quán)利要求37所述的遙測系統(tǒng)，其中所述的電源具有一塊或多塊電池。
39.一種井下鉆井方法，其包括步驟利用鉆柱鉆一井眼；在鉆井的同時利用設置在鉆柱內(nèi)的測試工具獲取井眼數(shù)據(jù)；并且通過由以超過三節(jié)相互連接的鉆桿節(jié)管長度的距離在鉆柱內(nèi)分隔開的至少兩個適配器接頭和連接適配器接頭以在適配器接頭之間傳輸信號的電纜所限定的通信線路將所獲得的井眼數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婢邸?br> 40.如權(quán)利要求39所述的方法，還包括通過由多個相互連接的有線鉆桿節(jié)管所限定的另一通信線路將所獲得的井眼數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婢鄣牟襟E。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，還包括通過由與相互連接的有線鉆桿節(jié)管有線通信連接的地面通信接頭所限定的第三通信線路將所獲得的井眼數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婢鄣牟襟E，地面通信接頭將所獲得的井眼數(shù)據(jù)從相互連接的有線鉆桿節(jié)管傳輸?shù)降孛嬗嬎銠C以進行處理。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其中所述地面通信接頭使用無線接收器以將所獲得的井眼數(shù)據(jù)傳送到地面計算機。
43.一種井下鉆井方法，其包括步驟利用具有多個設置在其內(nèi)的適配器接頭的鉆柱鉆一井眼，連續(xù)的適配器接頭被至少四節(jié)相互連接的有線鉆桿節(jié)管分隔開，適配器接頭和有線鉆桿節(jié)管共同限定了第一通信線路；在鉆井的同時利用設置在鉆柱內(nèi)的測試工具獲取井眼數(shù)據(jù)；通過第一通信線路將所獲得的井眼數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婢?；當發(fā)現(xiàn)第一通信線路內(nèi)存在故障時，在鉆柱內(nèi)設置電纜，該鉆柱具有一對沿著電纜順序連接的分隔開的適配器接頭以與相應對連續(xù)的適配器接頭建立通信，從而通過該通信形成第二通信線路，該通信繞過了所述一對連續(xù)適配器接頭之間的相互連接的多個有線鉆桿節(jié)管。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，還包括步驟確定該對連續(xù)的適配器接頭之間的部分鉆柱內(nèi)是否出現(xiàn)故障；當確定了兩個連續(xù)的適配器接頭之間的部分鉆柱內(nèi)沒有出現(xiàn)故障時，在鉆柱內(nèi)移動電纜以在該對接頭連接器和其它相應對連續(xù)的適配器接頭之間建立通信，直到故障的位置得到確定；以及排除故障。
全文摘要
一種用于鉆柱的電纜通信線路包括鉆柱內(nèi)分隔開的適配器接頭和連接著所述適配器接頭以便在它們之間進行信號傳輸?shù)碾娎|。所述的電纜通信線路可以為適配器接頭之間的鉆柱內(nèi)的相互連接的鉆桿節(jié)管，以形成管道通信線路，由此電纜通信線路為管道通信線路建立了一個通路以通過鉆柱傳輸信號。電纜通信線路還可以是適配器接頭之間設置的鉆柱的無線段，從而電纜通信線路建立了通過鉆柱的無線段傳輸信號的通路。電感耦合器優(yōu)選用于穿過適配器接頭和有線鉆桿節(jié)管進行通信。電纜通信線路的另一方面在地面井眼或地面井眼附近使用無線接收器。
文檔編號E21B47/12GK1609410SQ20041008705
公開日2005年4月27日 申請日期2004年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月22日
發(fā)明者B·W·博伊勒, N·帕科拉特, J·-M·哈徹, R·胡廷, R·馬德哈范, J·瓊德特 申請人:施盧默格海外有限公司