專利名稱：用于使得磁測距應用中的井下井底鉆具組件絕緣的系統(tǒng)和方法
用于使得磁測距應用中的井下井底鉆具組件絕緣的系統(tǒng)和 方法技術領域
本發(fā)明總體上涉及鉆井操作，更具體地，涉及鉆井操作期間使用的測距系統(tǒng)和方法。
背景技術：
在定向鉆井操作中，可能希望監(jiān)測井底鉆具組件(BHA)鉆過地層時該井底鉆具組 件的方向、和/或物體、結構的位置和/或本領域已知的其它地層屬性。在超深井眼的鉆 進、海上鉆井操作和/或本領域已知的各種其它鉆井操作中，尤其如此。過去，已經提供了 如下的測距系統(tǒng)，該測距系統(tǒng)使用了鋼纜(wireline)上的測距裝置。在一種常規(guī)測距方法 中先停止鉆井操作；將鋼纜引入到正在鉆進的井眼中；啟動測距裝置；從該井眼中移走鋼 纜；然后重新開始鉆井操作。這種常規(guī)方法非常耗時，因為每當需要測距操作時，就需要停 止鉆井操作。在另一個實例中，鋼纜可以位于第一井眼中，并在鉆第二井眼時使用上述測距 裝置來引導BHA。然而，例如，在諸如超深鉆井操作的許多情形中，為鋼纜鉆出第一井眼可能 是不切實際的。在其它情形中，鋼纜可能無法靠近第一井眼。發(fā)明內容
因此，需要一種用于鉆井操作的、改進的測距系統(tǒng)和方法。


當結合附圖來閱讀以下詳細描述時，將能最好地理解本發(fā)明的各個方面。要強調 的是，根據業(yè)界的標準做法，本文的各種特征件沒有按比例繪制。事實上，為了便于清楚地 討論，所述各種特征件的尺寸可以任意放大或縮小。
圖1a和圖1b是立體圖，示出了電磁信號穿過地層的傳播的實施例。
圖2a是流程圖，示出了用于提供鉆柱或井底鉆具組件(BHA)上的測距系統(tǒng)的方法 的實施例。
圖3a是示出了鉆柱或BHA輪廓曲線(profile)的實施例的圖。
圖3b是側視圖，示出了利用圖3a中的鉆柱或BHA輪廓曲線而設計出的、BHA上的 測距系統(tǒng)的實施例。
圖4a是側視圖，示出了 BHA上的測距系統(tǒng)的實施例。
圖4b是一張表，示出了設計該圖4a中的BHA所用的數據的實施例。
圖4c是曲線圖，示出了圖4a中的BHA在60RPM下的“模態(tài)形狀(mode shape)”的 實施例。
圖5a是立體圖，示出了測距裝置接觸構件的實施例。
圖5b是側視圖，示出了圖5a的測距裝置接觸構件上的鋸齒狀分段的實施例。
圖5c是立體圖，示出了不具有鋸齒狀分段的、圖5a和圖5b中的測距裝置接觸構件的實施例。
圖6是立體圖，示出了絕緣體構件的實施例。
圖7是流程圖，示出了用于執(zhí)行測距操作的方法的實施例。
圖8是立體圖，示出了鉆柱的一部分，在該鉆柱上定位有多個測距裝置，所述多個 測距裝置被多個絕緣體構件分離或“隔離”，并將電磁信號傳播到地層中。
圖9是立體圖，示出了包括非導電套筒形式的絕緣體構件的鉆柱,該絕緣體構件 位于所述鉆柱上，并允許電磁信號傳播到地層中以準確執(zhí)行測距操作。
圖10是立體圖，示出了鉆柱，包括具有細長非導電套筒形式的絕緣體構件的鉆 柱，該絕緣體構件用于使從鉆柱突出的導電結構絕緣。
圖11是立體圖，示出了包括導電窗的鉆柱的實施例，該導電窗被絕緣體套筒構件 包圍，以將該導電窗構件與導電環(huán)構件隔離。
具體實施方式
本發(fā)明的測距系統(tǒng)旨在利用如下的測距系統(tǒng)來替換常規(guī)的鋼纜系統(tǒng)和方法，該測 距系統(tǒng)設置在鉆柱或井底鉆具組件(BHA)上，從而可以在鉆井期間執(zhí)行測距操作，而不需要 中斷鉆井過程，也不需要第二井眼。
在本發(fā)明的一實施例中，公開了一種測距系統(tǒng)，該測距系統(tǒng)構成鉆柱的井底鉆具 組件(BHA)的一部分。在鉆井操作期間，該測距系統(tǒng)利用如下的測距裝置這些測距裝置可 以包括發(fā)送器和/或接收器或兩者，它們使電磁信號穿過地層、在發(fā)送器和接收器之間傳 播。為了使電磁信號穿過地層傳播，必須在測距裝置和地層之間建立電接觸。尤其是，每個 測距裝置可操作成例如，通過控制該電磁信號的強度、該信號的方向性以及本領域中已知 的各種其它信號屬性來控制勘探深度。在一個實施例中，可通過相對于地面對天線進行定 位來控制該信號的方向及其強度。可以專門選擇所述多個測距裝置的間距以及它們沿著鉆 柱的各個地層接觸點，以便還實現其它操作參數。換言之，這些導電接觸點可以影響磁測距 操作的結果。
圖1a和圖1b示出了與位于地層104中的鉆柱102相關聯(lián)的測距系統(tǒng)100。鉆柱 102包括測距裝置，該測距裝置包括具有發(fā)送接觸點106a的環(huán)106以及具有接收接觸點 108a的環(huán)108。該環(huán)106和環(huán)108例如可以包括諸如金屬的導電材料。環(huán)106和108由絕 緣環(huán)110分離并分別連接到電源112。圖1a和圖1b描繪了 當在環(huán)106與地層104之間、 在環(huán)108與地層104之間存在電接觸并且對環(huán)106和108供電時，電磁信號114穿過地層 104、在發(fā)送接觸點106a與接收接觸點108a之間傳播。本領域的技術人員將會理解，盡管 接觸點106或108可以描述為用于發(fā)送或接收的點，但接觸點也可用來接收電磁信號或發(fā) 送電磁信號或者既發(fā)送又接收，這取決于所采用的具體測距裝置。
在圖1a中，發(fā)送接觸點106a和接收接觸點108a彼此隔開，從而，它們之間的電磁 流路徑相對較深地進入到地層104中。相比之下，在圖1b中，發(fā)送接觸點106a和接收接 觸點108a彼此更近，從而，進入到地層104中的電磁流路徑相對較淺(例如，與圖1a中的、 發(fā)送接觸點106a和接收接觸點108a引起的電磁流路徑相比)。因此，可以對發(fā)送接觸點 106a與接收接觸點108a的間距進行選擇，以控制要進行的測距操作的參數。然而，本領域 的技術人員將會理解，例如，在執(zhí)行諸如海上鉆井操作或超深鉆井操作等的鉆井操作中，已經發(fā)現，隨著用于鉆出井眼的鉆柱的長度增加，鉆柱“下沉(sag)”，并且鉆柱中的諧波響應 效應顯著增大，所有這些都可能導致鉆柱與地層在測距裝置部件之間的位置處的非期望的 接觸，這會阻礙測距裝置準確地執(zhí)行測距操作。換言之，隨著鉆柱102的長度增加，變得更 難以控制鉆柱與地層在測距裝置的發(fā)送接觸點106a和接收接觸點108a之間的位置處的接 觸。本領域的技術人員將會理解，位于發(fā)送接觸點和接收接觸點之間的這些中間接觸點會 影響電磁信號114的電流路徑，并因此影響測距操作的有效性。為了便于描述，該術語“測 距裝置”包括利用與地層的接觸來將電磁信號傳播到地層中以進行測距的任何裝置。這種 測距裝置可以包括磁測距傳感器和/或本領域已知的各種其它測距設備。
為了更好地控制鉆柱與地層之間的非期望的接觸，在本發(fā)明的一個方面，沿著鉆 柱102定位有多個絕緣體構件(參見圖3b中的絕緣體構件316)。優(yōu)選地，基于對鉆柱102執(zhí) 行的建模和仿真方法來選擇這些絕緣體構件的定位，并且該方法可用于將鉆柱與地層104 的預期接觸點映射到一系列變量上。這些絕緣體構件防止鉆柱102的多個部分與地層104 接觸，由此控制鉆柱102與地層104之間的導電接觸，從而可以使用測距裝置來進行準確的 測距操作。換言之，這些絕緣體構件防止在鉆柱102與地層104之間形成導電路徑(除了鉆 柱102上的、為測距裝置而選擇的預定點之外)，這是因為已經發(fā)現，鉆柱102與地層104 在測距裝置106和108之間的、非期望的接觸將使該測距系統(tǒng)“短路”，或者將妨礙該測距裝 置最有效地發(fā)送和接收電磁信號的能力。
因此，在本發(fā)明的如圖2a所示的一個實施例中，提供了為鉆柱提供測距系統(tǒng)的方 法200。該方法200起始于方框202，在該方框202中，確定在特定地層中鉆出所期望的井 眼所需的鉆井要求。這些鉆井要求可以包括多個地層特性、地層深度、地層構造、多個地層 溫度、多個地層壓力、和/或本領域已知的各種其它鉆井要求。在一個實施例中，所述確定 鉆井要求的步驟包括以下項中的至少一個估算所期望的井眼深度、所期望的井眼方向、所 期望的井眼傾斜度、所期望的井眼直徑、和/或本領域已知的各種其它井眼參數。
然后，該方法200進行到方框204，在方框204中，確定沿著鉆柱對測距裝置進行定 位的期望位置。在一個實施例中，該期望位置包括作為所述BHA的一部分的測距裝置的位 置。在一個實施例中，在方框204中確定該期望位置的步驟包括例如，針對測距電磁信號 的期望的傳播路徑，確定諸如天線和接收器等的測距裝置所需的、沿著鉆柱的間距要求。在 一個實施例中，確定該期望位置的步驟包括選定所述多個測距裝置與井眼的側面之間的 多個期望的接觸點。
然后，該方法200進行到方框206，在方框206中，選定具體的鉆井操作所需的鉆柱 或BHA部件并進行建模。在一個實施例中，選擇鉆柱或BHA部件的各種參數，例如每個部件 的長度、每個部件的當量剛度、和/或本領域已知的各種其它部件參數。
然后，該方法200進行到方框208，在方框208中，對所建模的鉆柱或BHA在鉆井 操作期間的響應進行仿真，并產生鉆柱或BHA輪廓曲線。在方框208處，對如下的一系列參 數進行仿真，例如旋轉速度、鉆頭上的重量、井眼的傾斜度、剪切力、力矩、傾角、撓曲度、側 向力、和/或本領域已知的各種其它參數。在一個實施例中，在方框208處進行的仿真還可 以包括在該方法200的方框202中確定的地層特性。在一個實施例中，產生了如圖3a所示 的鉆柱或BHA輪廓曲線300。如下文中進一步詳細討論的，該鉆柱或BHA輪廓曲線300指 示了鉆柱與鉆進到地層中的井眼的壁之間的預期接觸點。在一個實施例中，所述對響應進行仿真的步驟包括仿真所述BHA對以下項中的至少一個的響應預期的環(huán)境、方向性、傾斜 度、鉆頭上的重量、和/或本領域已知的各種其它BHA響應。
然后，該方法200進行到方框210，在該方框210中，評估所述鉆柱或BHA輪廓曲 線，以確定鉆柱與地層之間的預期的接觸點(例如，鉆柱與鉆進到地層中的井眼的壁之間的 預期的接觸點)。在一個實施例中，評估所述鉆柱或BHA輪廓曲線的步驟包括評估以下項中 的至少一個預期的傾角、多個預期的撓曲剪切力、或者所述鉆柱或BHA上的預期的彎曲力矩。
然后，該方法200進行到方框212，在該方框212中，選擇至少一個絕緣體構件，并 在方框210中確定的預期的接觸點處將該絕緣構件應用到鉆柱或BHA，在這些接觸點處，希 望該絕緣構件使鉆柱或BHA與地層絕緣。在一個實施例中，選定絕緣體構件的步驟包括確 定以下項中的至少一個該絕緣體的尺寸、該絕緣體的形狀、多個BHA部件的功能、和/或本 領域已知的各種其它絕緣體構件參數。在一個實施例中，該方法還包括基于所確定的接觸 點，將絕緣體構件應用到鉆柱。在一個實施例中，該方法還包括在所確定的每個接觸點處， 將絕緣體構件應用到鉆柱。在一個實施例中，應用所述絕緣體構件的步驟包括將絕緣材料 模制在鉆柱外周的至少一部分上。在一個實施例中，應用所述絕緣體構件的步驟包括將預 制的由絕緣材料形成的扶正器(centralizer)附接到鉆柱。
在另一個實施例中，可以確定所述鉆柱或BHA的諧波響應。圖4c示出了圖4a所 示的鉆柱(被建模以產生圖4b所示的數據)在60RPM的頻率下工作的模態(tài)形狀。確定該諧 波響應使得可以選定鉆柱或BHA與地層之間的可能需要應用所述絕緣體構件的、另外的預 期接觸點。具體地，一旦已經構建了模型或物理上的鉆柱或BHA，并且已經確定了實現該系 統(tǒng)的電磁測距要求所需的絕緣體構件的位置，則能夠以與初始評估相同的方式來評估該系 統(tǒng)的諧波頻率響應。在一個實施例中，所述評估諧波頻率的步驟包括基于鉆井期間、所述 BHA在井眼中的預期諧波響應來確定鉆柱與井眼之間的另外的預期接觸點。在一個實施例 中，該方法還包括基于通過確定預期的諧波響應而確定的接觸點，將絕緣體構件應用到鉆 柱。在一個實施例中，所述評估諧波頻率的步驟還包括在一系列的鉆頭速度上評估諧波頻 率。
參照圖3a，該圖示出了使用上述方法產生的鉆柱或BHA輪廓曲線300。水平線302a 和302b表示正在鉆進的井眼的壁。細長陰影形狀304表示包括內徑304a和外徑304b的 鉆柱或BHA。虛線306表示所期望的測距裝置位置，即，鉆柱上的測距裝置與井眼的壁之間 的、期望的“導電”接觸點。虛線308表示當執(zhí)行測距操作時、鉆柱或BHA與井眼的壁之間 的預期的接觸點，即，預計所述鉆柱或BHA將使測距裝置“短路”或“接地”的地方。
在一個實施例中，鉆柱或BHA與井眼的壁之間的(例如圖3a的虛線308表示的)預 期的接觸點是絕緣體構件將優(yōu)選聯(lián)接到(例如，模制到)鉆柱上的地方。使用該鉆柱或BHA 輪廓曲線，可以構造出如下的鉆柱或BHA :在操作期間，該鉆柱或BHA將僅在鉆柱的端部處 以及在所述測距裝置(這些測距裝置抵靠井眼的壁)的期望的導電接觸點處接觸地層。
在一個實施例中，一旦通過在進行建模的步驟206中包括所建模的絕緣體而選定 了預期的接觸點，則該步驟206就可以第二次執(zhí)行或以迭代的方式執(zhí)行。同樣，一旦通過在 進行仿真的步驟208中包括絕緣體而選定了預期的接觸點，則該步驟208就可以第二次執(zhí) 行或以迭代的方式執(zhí)行，從而允許對具有位于適當位置的絕緣體的鉆柱或BHA進行仿真。以這種方式，可以針對測距裝置的位置來進一步優(yōu)化絕緣體的放置。
本領域的技術人員將會理解，至少上述步驟206和208中的前述建模和仿真必須 用計算機系統(tǒng)來執(zhí)行。在一個實施例中，該計算機系統(tǒng)包括經由系統(tǒng)總線互連的至少一個 處理器、存儲器、一個或多個I/o設備、以及顯示器。該存儲器中可以存儲有可由所述處理 器執(zhí)行的、用于實現根據本文描述的實施例的建模和仿真系統(tǒng)的軟件指令。應理解的是，該 計算機系統(tǒng)可以經由適當的網絡連接而連接到一個或多個公共網絡和/或私人網絡。還應 理解的是，包括上述建模和仿真系統(tǒng)的軟件指令可以從CD-ROM或其它適當的存儲介質中 加載到該存儲器中。因此，圖2a所示的方法的至少一部分步驟是利用計算機系統(tǒng)來執(zhí)行 的。諸如監(jiān)視器或打印機的顯示器可用來產生如圖3a、圖3b、圖4a和圖4c所示的圖像以 及如4d所示的數據，以允許構建與本文執(zhí)行的建模相一致的系統(tǒng)。
圖3b示出了 BHA 310，該BHA 310包括使用圖3a的BHA輪廓曲線300而構建的測 距系統(tǒng)。BHA 310包括具有多個測距裝置314的鉆柱312，所述多個測距裝置314以如圖3a 的BHA輪廓曲線300中所期望和指示的方式定位。如上所述，這些測距裝置314能夠操作成 提供與地層的導電接觸。測距裝置314可以包括突起、套筒、環(huán)、穩(wěn)定器、扶正器、耐磨帶、傳 感器、和/或本領域已知的各種其它測距裝置部件。在一個實施例中，這些測距裝置314根 據圖3a的BHA輪廓曲線300上的虛線306而定位在鉆柱上。為了便于描述，測距裝置314 可以包括能夠在鉆柱與鉆進到地層中的井眼的壁之間建立電磁導電路徑的任何結構。此 外，雖然這樣的結構可以聯(lián)接到鉆柱，但它們也可以是鉆柱的一體部分。在一個實施例中， 測距裝置314的導電接觸可以僅僅是鉆柱本身與地層之間的接觸點，例如鉆柱上的連接接 頭。
在鉆柱312上、在測距裝置314之間包括多個絕緣體構件316。在一個實施例中， 這些絕緣體構件316設置在鉆柱上的如下位置所進行的建模表明，在這些位置處，由于例 如鉆柱下沉、因鉆頭318上的重量的力而產生的鉆柱彎曲、和/或鉆柱312本身的諧波(例 如，當鉆柱312旋轉時，它經歷了導致該鉆柱變形并呈現波浪形狀的臨界頻率，如圖3a所 示)，在鉆柱與井眼的壁之間存在接觸。在一個實施例中，絕緣體構件316根據圖3a的BHA 輪廓曲線300上的虛線308而定位在鉆柱312上。
本領域的技術人員將會理解，許多鉆井情形是唯一的，并且可能需要特定的BHA、 井眼、地層、方向性、鉆井速度等，從而，可以在每次鉆井操作之前執(zhí)行上述建模方法，以確 定鉆柱上的哪些位置應安裝絕緣體構件。
現在參照圖5a和圖5b，示出了用于測距裝置的接觸構件500的一個實施例。該接 觸構件500可用于增強測距裝置與地層之間的聯(lián)接。如圖所示的接觸構件500包括圓柱形 基部502，該圓柱形基部502限定有圓柱形通道504以及外表面506，該圓柱形通道504延 伸穿過圓柱形基部502，該外表面506在圓柱形基部502上與圓柱形通道504相對。多個接 觸特征件508從圓柱形基部502的外表面506以彼此見隔開的取向延伸，使得在各對接觸 構件508之間限定多個通道510。在一個實施例中，每個接觸特征件508均包括多個彼此間 隔開的鋸齒狀分段508a。在一個實施例中，接觸特征件508的其它部分可以是鋸齒狀的，所 述其它部分諸例如是接觸特征件508的與通道510相鄰的邊緣。在操作中，通道510例如 允許泥漿、地層流體、和/或其它井眼流體轉移經過所述測距裝置，而接觸特征件508的鋸 齒狀分段508a提供了與井眼壁的電接觸。雖然圖5a和圖5b中示出了測距裝置接觸構件500的一種可能的形狀/構造，但它僅僅是示例性的，而且，本領域的技術人員將會理解，各 種其它形狀/構造也落入本發(fā)明的范圍內。例如，可以提供非扇形的、連續(xù)圓環(huán)型的接觸特 征件508，以代替圖5a所示的扇環(huán)型的接觸特征件508。在另一個實施例中，可以提供分別 模制的螺旋片型的接觸特征件508，如圖5c所示?？梢孕薷膱D5c的實施例，以提供分別模 制的直片型的接觸特征件508。同樣，接觸構件500包括如圖3b所示的、彼此間隔開的片件 或突起。此外，可以使用本文所公開的實施例的任意組合來提供測距裝置接觸構件500。
現在參照圖6,示出了絕緣體構件600。絕緣體構件600優(yōu)選包括具有外表面的圓 柱形基部602,該外表面具有從圓柱形基部602的外表面以彼此間隔開的取向而延伸的多 個接觸構件604，從而在各對接觸構件604之間限定多個通道606。在操作中，這些通道606 例如允許泥漿、地層流體、和/或其它井眼流體沿著井眼轉移經過該絕緣體構件600。雖然 圖6中示出了絕緣體構件的一種可能的形狀/構造，但它僅僅是示例性的，并且，本領域的 技術人員將會理解，各種其它形狀和/或構造也落入本發(fā)明的范圍內。例如，為了代替圖6 所示的直片型的接觸構件604，可以提供扇環(huán)型的接觸構件(類似于圖5a所示的接觸特征 件508)，可以提供非扇形的、連續(xù)圓環(huán)型的接觸構件，可以提供分別模制的螺旋片型的接觸 構件(類似于圖5c所示的接觸特征件508)，可以使用分別模制的直片型的接觸構件和/或 本文公開的實施例的任意組合來提供絕緣構件600。
在一個實施例中，所述絕緣體構件可以由各種材料形成，例如環(huán)氧樹脂、具有強度 增強添加劑(例如，纖維)陶瓷的環(huán)氧樹脂、玻璃纖維復合材料、塑料、Kevlar'具有抗磨添 加劑的聚醚酮醚(PEEK)、和/或本領域已知的各種其它材料。在一個實施例中，絕緣體構件 由在所述建模方法期間選定的預期接觸點處被模制到鉆柱上的碳纖維環(huán)氧樹脂形成。本領 域的技術人員將會理解，任何非導電材料均適合于形成該絕緣體構件。此外，雖然所述絕緣 體構件被描述為模制在鉆柱上，但也可以構思出其它的附接形式。同樣，可根據特定應用的 需要來選擇所述絕緣體構件的形狀。在一個示例中，所述絕緣體構件可以是細長的，以覆蓋 鉆柱的一部分。在另一個示例中，所述絕緣體構件可以包括具有半球形徑向橫截面形狀的 基本圓環(huán)形狀，其可以成形為球狀，可以形成為徑向延伸的片件，或可以用本領域已知的各 種形狀來成形。在一個實施例中，所述絕緣體構件可以包括一個或多個穩(wěn)定器片(例如，如 圖3b和圖4a所示)。
現在參照圖7，示出了使用鉆柱進行測距操作的方法700。在一個實施例中，可以 在鉆柱執(zhí)行鉆井操作的同時執(zhí)行測距操作。該方法700起始于方框702，在方框702中，提 供包括BHA的鉆柱，該BHA具有鉆頭。如上所述，該鉆柱設置有一個或多個測距裝置以及一 個或多個絕緣體構件。然后，該方法700進行到方框704，在方框704中，利用所述鉆柱來鉆 出井眼。然后，該方法700進行到方框706，在方框706中，利用所述鉆柱來進行測距操作。 然后，該方法700進行到方框708，在方框708中，在測距操作期間，利用附接到所述鉆柱的 測距裝置(例如，扶正器)而在鉆柱與井眼的壁之間形成導電接觸。該導電接觸允許電磁流 或電磁信號穿過地層而傳播并用于執(zhí)行測距操作。然后，該方法700進行到方框710，在方 框710中，在測距操作期間，利用附接到所述鉆柱的絕緣體構件來阻止鉆柱與井眼的壁之 間的接觸。通過阻止鉆柱與井眼之間的接觸并利用測距裝置與井眼的壁之間的導電接觸， 允許進行準確的測距操作，如上所述。
現在，將描述多個鉆柱或BHA測距系統(tǒng)，這些鉆柱或BHA測距系統(tǒng)包括測距裝置和絕緣體構件，并且可以用來執(zhí)行上述方法700。然而，下文討論的系統(tǒng)僅僅是示例性的，并 且，本領域的技術人員將會理解，未示出的各種構造也落入本發(fā)明的范圍內。
現在參照圖8，示出了測距系統(tǒng)800，該測距系統(tǒng)800可以根據上文參照圖7討論 的方法700而工作。如上所述，在鉆柱、BHAjP /或本領域已知的其它鉆井裝置上可以包括 測距系統(tǒng)800。測距系統(tǒng)800包括鉆柱802，該鉆柱802具有由絕緣環(huán)808分開的測距裝置 環(huán)804和測距裝置環(huán)806。每個測距裝置環(huán)804和806均聯(lián)接到電源805。電源805可以 局部地裝載在該鉆柱上或設置在其表面處。在一個實施例中，測距裝置環(huán)804和806例如 可以包括諸如金屬的導電材料。測距裝置接觸構件810聯(lián)接到測距裝置環(huán)804，而測距裝置 接觸構件812聯(lián)接到測距裝置環(huán)806。在一個實施例中，測距裝置接觸構件810和812根據 上文討論的方法200而定位在鉆柱802上。這樣，測距裝置接觸構件810和812可以在鉆 柱802上彼此隔開，以提供預定的定位以及地層電流811到地層813中的深度。多個絕緣 體構件814聯(lián)接到鉆柱802。在一個實施例中，絕緣體構件814是根據上文討論的方法200 而定位在該鉆柱上的絕緣體構件。在測距操作期間，測距裝置接觸構件810和812在接觸 點810a和812a處與地層813 (例如，正在鉆進的井眼的壁)導電接觸，而絕緣體構件814可 以在方法200中確定的預期接觸點處與地層813 (例如，正在鉆進的井眼的壁)接觸，以提 供非導電接觸，該非導電接觸確保了地層電流811不會因為鉆柱802與地層813之間的接 觸而“短路”。
現在參照圖9，示出了測距系統(tǒng)900，該測距系統(tǒng)900可以根據上文參照圖7討論 的方法700而工作。如上所述，在鉆柱、BHAjP /或本領域已知的其它鉆井裝置上可以包括 測距系統(tǒng)900。測距系統(tǒng)900包括鉆柱902，該鉆柱902具有絕緣環(huán)904。一對測距裝置接 觸點906和908在鉆柱902上位于絕緣構件904的兩個相反側。在一個實施例中，根據上 文討論的方法200來獲得測距裝置接觸點906和908在該鉆柱上的位置。測距裝置接觸點 906和908可以提供預定的定位以及地層電流910到地層912中的深度。絕緣體構件904 根據上文討論的方法200而定位在該鉆柱上。在測距操作期間，鉆柱902變形(優(yōu)選地，基本 上如方法200中的建模和仿真所預測的)，從而在測距裝置接觸點906和908處與地層912 (例如，正在鉆進的井眼的壁)導電接觸，而絕緣體構件904可以在方法200中確定的預期接 觸點處與地層912 (例如，正在鉆進的井眼的壁)接觸，以提供非導電接觸，該非導電接觸確 保了地層電流910不會因為鉆柱902與地層912之間的接觸而“短路”。
現在參照圖10，示出了測距系統(tǒng)1000，該測距系統(tǒng)1000可以根據上文參照圖7討 論的方法700而工作。如上所述，在鉆柱、BHAjP /或本領域已知的其它鉆井裝置上可以包 括測距系統(tǒng)1000。測距系統(tǒng)1000包括鉆柱1002，該鉆柱1002具有由絕緣環(huán)1002分開的 測距裝置環(huán)1004和測距裝置環(huán)1006。每個測距裝置環(huán)1004和1006均聯(lián)接到電源1008。 電源1008可以局部地裝載在該鉆柱上或設置在其表面處。在一個實施例中，測距裝置環(huán) 1004和1006例如可以包括諸如金屬的導電材料。測距裝置接觸構件1010聯(lián)接到測距裝置 環(huán)1004，而測距裝置接觸構件1012聯(lián)接到測距裝置環(huán)1006。在一個實施例中，測距裝置接 觸構件1010和1012根據上文討論的方法200而定位在該鉆柱上。這樣，測距裝置接觸構 件1010和1012可以在鉆柱1002上彼此隔開，以提供預定的定位以及地層電流1014到地 層1016中的深度。連續(xù)的絕緣體構件套筒1018聯(lián)接到鉆柱1002。在一個實施例中，絕緣 體構件套筒1018根據上文討論的方法200而定位在該鉆柱上。在測距操作期間，測距裝置接觸構件1010和1012在接觸點IOlOa和1012a處與地層1016 (例如，正在鉆進的井眼的 壁)導電接觸，而絕緣體構件套筒1018可以在方法200中確定的一個或多個預期接觸點處 與地層1016 (例如，正在鉆進的井眼的壁)接觸，以提供非導電接觸，該非導電接觸確保了 地層電流1014不會因為鉆柱1002與地層1016之間的接觸而“短路”。
現在參照圖11，示出了測距系統(tǒng)1100，該測距系統(tǒng)1100可以根據上文參照圖7討 論的方法700而工作。如上所述，在鉆柱、BHAjP /或本領域已知的其它鉆井裝置上可以包 括測距系統(tǒng)1100。測距系統(tǒng)1100包括鉆柱1102，該鉆柱1102具有聯(lián)接到該鉆柱1102的 絕緣體構件套筒1104。測距裝置導電窗構件1106被包括在絕緣體構件套筒1104上并定 位成與絕緣體構件套筒1104的外周表面鄰接。在一個實施例中，絕緣體構件套筒1104和 測距裝置導電窗構件1106根據上文討論的方法200而定位在該鉆柱上。在測距操作期間， 鉆柱1102可以變形(如方法200中的建模和仿真所預測的)，從而在鉆柱1102上的測距裝 置接觸點1110以及導電窗構件1106上的測距裝置接觸點1102處與地層1108(例如，正在 鉆進的井眼的壁)導電接觸，而絕緣體構件套筒1104可以在方法200中確定的一個或多個 預期接觸點處與地層1108 (例如，正在鉆進的井眼的壁)接觸，以提供非導電接觸，該非導 電接觸確保了鉆柱1102上的測距裝置接觸點1110與測距裝置導電窗構件1106上的測距 裝置接觸點1112之間的地層電流不會因為鉆柱1102的其它部分與地層1108之間的接觸 而“短路”。在一個實施例中，圖11所示的測距系統(tǒng)1100的構造尤其可用于允許方位角測 距操作的方位角接觸。
因此，已經描述了如下系統(tǒng)和方法針對諸如磁測距的特定鉆井操作，確定鉆柱或 BHA上的測距裝置與地層之間的多個期望的導電接觸點，然后對該鉆井操作進行仿真，以確 定絕緣體構件沿著所述鉆柱或BHA的定位，以驅動或以其它方式促進鉆柱或BHA與地層之 間僅在所述多個期望的導電接觸點處的接觸。在一個實施例中，上述系統(tǒng)和方法允許選擇 絕緣體構件(例如，絕緣體構件的數量、絕緣體構件的定位、絕緣體構件的尺寸、絕緣體構件 的形狀等)，以使鉆柱或BHA的選定部分與井眼的壁接觸，從而促進測距裝置在特定的導電 接觸點處與地層的導電接觸。對于給定的、具有期望的導電接觸點的鉆柱，上述系統(tǒng)和方法 還允許絕緣體構件的數量最少化，或針對測距系統(tǒng)部件的定位和操作而優(yōu)化。
本領域的技術人員將會理解，這種系統(tǒng)的一個目標是利用鉆井操作的物理實體和 定向要求來平衡對傳感器及其特定功能的需要。因此，給定執(zhí)行鉆井操作所需的鉆柱或 BHA，上述系統(tǒng)和方法允許優(yōu)化該測距系統(tǒng)的所有方面，從而選定用于放置絕緣體的最小需 求。
本領域的技術人員將會理解，這里使用的術語“鉆柱”可以包括鉆桿、接頭、BHA以 及可附接于其上的任何其它工具。這里使用的術語“井底鉆具組件”可以包括鉆頭、鉆環(huán)、 穩(wěn)定器等。
已經描述了一種用于鉆出井眼的方法，該方法包括確定在特定地層中鉆出所期 望的井眼所需的多個鉆井要求；確定沿著鉆柱放置傳感器的期望位置，所述鉆柱包括井底 鉆具組件；通過選定井底鉆具組件部件、每個井底鉆具組件部件的實際長度以及每個部件 的當量剛度來對井底鉆具組件(BHA)進行建模；對所建模的BHA在特定地層中鉆出井眼期 間的響應進行仿真；評估該井眼中的BHA輪廓曲線，以確定鉆柱與井眼之間的預期的接觸 點；以及選定絕緣體，該絕緣體將應用到所述接觸點中的至少一個。在一個實施例中，所述確定多個鉆井要求的步驟包括評估其中要鉆出井眼的環(huán)境，該環(huán)境包括以下項中的至少一 個多個地層特性、地層深度、地層構造、多個地層溫度、以及多個地層壓力。在一個實施例 中，所述確定多個鉆井要求的步驟包括以下項中的至少一個估算所期望的井眼深度、所期 望的井眼方向、所期望的井眼傾斜度、所期望的井眼直徑。在一個實施例中，所述確定期望 位置的步驟包括選定傳感器部件之間沿著鉆柱的間距。在一個實施例中，所述確定期望 位置的步驟包括選定傳感器部件與井眼的側面之間的多個期望的接觸點。在一個實施例 中，這些傳感器是磁測距傳感器。在一實施例中，這些磁測距傳感器包括發(fā)送器和接收器。 在一個實施例中，所述磁測距傳感器包括能夠與井眼的壁接觸的導電扶正器(conductive centralizers)。在一個實施例中,所述井底鉆具組件包括鉆頭。在一個實施例中，所述對響 應進行仿真的步驟包括仿真所述BHA對以下項中的至少一個的響應預期的環(huán)境、方向性、 傾斜度、或鉆頭上的重量。在一個實施例中，評估所述BHA輪廓曲線的步驟包括評估以下項 中的至少一個預期的傾角、多個預期的撓曲剪切力、或BHA上的預期的彎曲力矩。在一個 實施例中，該方法還包括評估所述BHA在預期的鉆井條件下的諧波頻率，以確定多個另外 的絕緣要求。在一個實施例中，所述選定絕緣體的步驟包括確定以下項中的至少一個絕緣 體的尺寸、絕緣體的形狀、或多個BHA部件的功能。在一個實施例中，該方法還包括基于所 確定的接觸點來將絕緣體應用到鉆柱。在一個實施例中，該方法還包括在所確定的每個接 觸點處將絕緣體應用到鉆柱。在一個實施例中，所述應用絕緣體的步驟包括將絕緣材料模 制在鉆柱外周的至少一部分上。在一個實施例中，所述應用絕緣體的步驟包括將預制的由 絕緣材料形成的扶正器附接到鉆柱。在一個實施例中，所述評估諧波頻率的步驟還包括基 于鉆井期間、所述BHA在井眼中的預期諧波響應來確定鉆柱與井眼之間的另外的預期接觸 點。在一個實施例中，該方法還包括基于通過確定預期的諧波響應而確定的接觸點，將絕 緣體構件應用到鉆柱。在一個實施例中，所述評估諧波頻率的步驟還包括在一系列的鉆頭 速度上評估諧波頻率。
已經描述了一種用于鉆井眼的方法，該方法包括提供包括井底鉆具組件的鉆柱， 該井底鉆具組件具有鉆頭；利用所述鉆柱來鉆出井眼；利用所述鉆柱來進行電磁信號傳播 操作；利用附接到所述鉆柱的扶正器而在鉆柱與井眼的壁之間形成導電接觸；以及，利用 附接到所述鉆柱的絕緣體來阻止鉆柱與井眼的壁之間的接觸。在一個實施例中，所述絕緣 體增強了電磁傳播操作。在一個實施例中，該方法還包括如下步驟確定在井眼的鉆進期 間、井底鉆具組件與井眼的側面之間的預期接觸點；以及，在所述預期接觸點處將絕緣體附 接到井底鉆具組件。在一個實施例中，選擇鉆柱上的各個扶正器和絕緣體的附接點，以增強 磁測距操作。在一個實施例中，利用所述鉆柱來進行磁測距操作的步驟包括確定發(fā)送器和 接收器之間的間距要求。在一個實施例中，選擇所述間距要求以控制磁測距操作的勘探深 度。在一個實施例中，選擇所述間距要求以控制磁測距操作的方向性。在一個實施例中，選 擇被附接到鉆柱上的所述絕緣體的位置，以控制磁測距操作的勘探深度。在一個實施例中， 選擇被附接到鉆柱上的絕緣體的位置，以控制磁測距操作的方向性。在一個實施例中，利用 絕緣體的步驟包括使BHA與井眼的側面之間的意外接地最小化。
已經描述了用于在地層中鉆井眼的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括鉆柱，該鉆柱包括具有鉆頭 的井底鉆具組件；與地層導電接觸的多個彼此隔開的扶正器，所述扶正器安裝在所述鉆柱 上；以及安裝到該鉆柱上的多個絕緣體，所述絕緣體與地層非導電接觸。在一個實施例中，所述絕緣體被模制到鉆柱上。在一個實施例中，所述絕緣體由碳纖維環(huán)氧樹脂或玻璃纖維、 纖維加強的環(huán)氧樹脂或非導電材料形成。在一個實施例中，所述絕緣體包括多個穩(wěn)定器片。 在一個實施例中，所述絕緣體具有形狀為半球形的徑向橫截面區(qū)域。在一個實施例中，所述 絕緣體是圓環(huán)形的。在一個實施例中，所述穩(wěn)定器與鉆柱一體地形成。
已經描述了一種用于在地層中鉆井眼的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括鉆柱，該鉆柱包括具有 鉆頭的井底鉆具組件；沿著該鉆柱定位的多個彼此隔開的傳感器，所述傳感器包括發(fā)送器、 接收器和穩(wěn)定器，其中，所述穩(wěn)定器與地層導電接觸；以及多個絕緣體，所述多個絕緣體安 裝到鉆柱上，所述絕緣體與地層非導電接觸。
用于鉆井眼的方法包括提供包括井底鉆具組件的鉆柱，該井底鉆具組件具有鉆 頭；選定沿著鉆柱的、希望該鉆柱與井眼壁導電接觸的點；選定沿著鉆柱的、希望該鉆柱避 免與井眼壁導電接觸的點；以及，將絕緣體放置在鉆柱上，以在鉆柱位于井眼中時促使所選 定的導電點與井眼壁接觸。在一個實施例中，該方法還包括如下步驟將絕緣體放置在鉆柱 上的、被選定為需要與井眼壁隔離的那些點處。在一個實施例中，所述電磁傳播操作是磁測 距操作。
本領域的技術人員將會理解，雖然已經針對磁測距操作描述了本發(fā)明，但本發(fā)明 的系統(tǒng)和技術也適用于其它類型的操作，這取決于地層與鉆柱之間的、受控的導電接觸。
權利要求
1.一種用于在鉆柱上提供測距系統(tǒng)的方法，包括如下步驟確定在地層中鉆出井眼所需的多個鉆井要求；確定鉆柱上的多個測距裝置接觸位置，其中，所述鉆柱包括井底鉆具組件(BHA);使用多個鉆柱部件的詳細資料來對所述鉆柱進行建模；使用所述多個鉆井要求對所建模的鉆柱在地層中鉆出井眼期間的響應來進行仿真，以產生鉆柱輪廓曲線；評估所述鉆柱輪廓曲線，以確定所述鉆柱與所述井眼之間的至少一個接觸點，所述至少一個接觸點在所述鉆柱上位于所述多個測距裝置接觸位置之間；以及確定絕緣體構件，并將所述絕緣體構件定位在所述至少一個接觸點附近。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述確定多個鉆井要求的步驟包括確定以下項中的至少一個確定多個地層特性；確定地層深度；確定地層構造；確定多個地層溫度；以及確定多個地層壓力。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述確定多個鉆井要求的步驟包括確定以下項中的至少一個所期望的井眼深度；所期望的井眼方向；所期望的井眼傾斜度；以及所期望的井眼直徑。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述確定多個測距裝置接觸位置的步驟包括確定所述鉆柱上的所述多個測距裝置接觸位置之間的間距。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述確定多個測距裝置接觸位置的步驟包括確定多個測距裝置與所述井眼的相應側部之間的多個期望的接觸點。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述對響應進行仿真的步驟包括仿真所述BHA對以下項中的至少一個的響應預期的環(huán)境；方向性；傾斜度；以及鉆頭上的重量。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，評估所述鉆柱輪廓曲線的步驟包括評估以下項中的至少一個預期的傾角；多個預期的撓曲剪切力；以及所述鉆柱上的預期的彎曲力矩。
8.根據權利要求1所述的方法，還包括評估所述鉆柱在多個預期的鉆井條件下的多個諧波頻率，以確定多個另外的絕緣體構件要求。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述選定絕緣體構件的步驟包括選定以下項中的至少一個所述絕緣體的尺寸；所述絕緣體的形狀；以及多個鉆柱部件的功能。
10.根據權利要求1所述的方法，還包括對所述鉆柱上的每個相應的接觸點提供至少一個絕緣體構件，使得所述至少一個絕緣體構件定位在所述鉆柱上的多個測距裝置接觸位置之間。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括將所述鉆柱定位在井眼中；以及使用所述多個測距裝置執(zhí)行測距操作。
12.—種測距系統(tǒng),包括鉆柱，所述鉆柱包括井底鉆具組件(BHA)；多個測距裝置，所述多個測距裝置以彼此隔開的取向被牢固地定位在所述鉆柱上，并且所述多個測距裝置能夠操作成與地層導電接觸；至少一個絕緣體構件，所述至少一個絕緣體構件在所述鉆柱上被定位在所述多個測距裝置之間，并且所述至少一個絕緣體構件能夠操作成與所述地層非導電接觸。
13.根據權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個絕緣體構件被模制到所述鉆柱上。
14.根據權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個絕緣體構件包括碳纖維環(huán)氧樹脂、碳纖維玻璃纖維、纖維加強的環(huán)氧樹脂、以及非導電材料。
15.根據權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個絕緣體構件包括多個穩(wěn)定器片。
16.根據權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個絕緣體構件包括半球形的徑向橫截面區(qū)域。
17.根據權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個絕緣體構件具有圓環(huán)形狀。
18.根據權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述多個測距裝置與所述鉆柱一體地形成。
19.一種用于鉆井眼的方法，包括提供鉆柱，所述鉆柱包括井底鉆具組件(BHA)；對鉆柱操作進行仿真，其中，所述仿真包括確定所述鉆柱上的多個地層導電點；以及確定所述鉆柱上的、位于所述多個地層導電點之間的至少一個地層絕緣點；將測距裝置定位在所述鉆柱上的所述多個地層導電點中的每一個上；將至少一個絕緣體構件定位在所述鉆柱上的所述至少一個地層絕緣點上；以及使用所述測距裝置執(zhí)行測距操作，其中，在所述測距操作期間，所述至少一個絕緣體構件提供與所述地層的壁的絕緣接觸。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述仿真還包括使用多個鉆井要求和多個鉆柱部件詳細資料來對鉆井操作進行仿真。
全文摘要
一種測距系統(tǒng)，該測距系統(tǒng)包括具有井底鉆具組件(BHA)的鉆柱。多個測距裝置以彼此隔開的取向被定位在該鉆柱上，并且能夠操作成提供與地層的導電接觸。至少一個絕緣體構件在鉆柱上被定位在所述多個測距裝置之間，并能夠操作成提供與地層的非導電接觸。在鉆井操作期間，所述多個測距裝置提供與地層的導電接觸，而所述至少一個絕緣體構件提供與地層的非導電接觸，從而在鉆井的同時增強了測距操作。還提供了一種用于對鉆柱的響應進行建模和仿真的方法，以選定沿著該鉆柱的、用于對絕緣體構件進行定位的位置。
文檔編號G01V3/12GK103003720SQ201180025314
公開日2013年3月27日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權日2010年5月21日
發(fā)明者約翰·K·斯奈德, 邁克爾·D·芬克 申請人:哈利伯頓能源服務公司