專利名稱：與鉆柱遙測一起使用的地面通信裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鉆井和制造碳?xì)浠衔锞I(lǐng)域，且涉及井下地層特性的測 量，且涉及用于井下與地面設(shè)備之間的測量和控制信息的雙向通信的鉆柱 遙測，以及涉及用于鉆柱遙測與地面處理器之間的雙向通信的地面通信系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
鉆探的同時進(jìn)行測量(MWD)和鉆探的同時進(jìn)行記錄(LWD)，以及 特殊鉆井方法(比如定向鉆井)的開發(fā)已經(jīng)在鉆井和制造碳?xì)浠衔锞?技術(shù)領(lǐng)域取得了重要的進(jìn)步。這些方法需要在地面與井下測量及鉆井設(shè)備 之間在兩個方向上都進(jìn)行通信。目前，鉆井液脈沖遙測是在鉆探的同時進(jìn) 行井下設(shè)備與地面之間的通信這個方面普遍商業(yè)使用的唯一技術(shù)。[除非另 外地說明，全文中涉及到的"鉆探的同時"等是表示鉆柱處在鉆孔中或部 分地處在鉆孔中，作為包括鉆井、間停和/或起下鉆(tripping)的整個鉆 井操作的一部分，而不必要求鉆頭正在旋轉(zhuǎn)。]在鉆井液脈沖遙測技術(shù)中， 數(shù)據(jù)作為壓力脈沖在鉆井液中傳輸。不過，鉆井液脈沖遙測技術(shù)具有公知 的局限，包括相對較慢的通信、低的數(shù)據(jù)速率和小的可靠性。當(dāng)前的鉆井 液脈沖技術(shù)能夠以僅大約每秒12比特(bit)的速率發(fā)送MWD/LWD數(shù)據(jù)。 在許多情況下，該速率不足以發(fā)送由LWD鉆具組(tool string)收集的所 有數(shù)據(jù)，或者限制了想要的鉆具組的結(jié)構(gòu)。此外，鉆井液脈沖技術(shù)在擴(kuò)大 的延伸區(qū)域的鉆井中不能良好地工作。為了控制工序比如定向鉆孔和鉆具 運(yùn)行而通過調(diào)節(jié)鉆井液泵流速實(shí)現(xiàn)的從井口到井下的信號傳遞也很慢，且 具有非常低的信息速率。此外，在特定的情況下，例如采用氣體或泡沫鉆 井流體的欠平衡的鉆井的情況下，當(dāng)前的鉆井液脈沖遙測技術(shù)不起作用。近年來己經(jīng)有各種嘗試來開發(fā)鉆井液脈沖遙測技術(shù)的可選技術(shù)，這些可選技術(shù)更快，具有更高的數(shù)據(jù)速率，并且不需要特殊類型的鉆井流體的 存在。例如，已經(jīng)提出了聲學(xué)遙測，其通過鉆柱傳送聲波。數(shù)據(jù)速率估算 為大約比鉆井液脈沖遙測高一個數(shù)量級，但仍有限，且噪聲是個問題。聲 波遙測還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化利用。另一個例子是穿過地表的電磁遙測。該技術(shù) 被認(rèn)為具有有限的范圍，取決于鉆孔周圍的地層的性質(zhì)尤其是電阻率，并 也具有有限的數(shù)據(jù)速率。長期以來提出在鉆桿中設(shè)置用于傳送信號的電線。 一些早期的針對有線的鉆柱的建議披露在美國專利No. 4126848,美國專利No.3957118和 美國專利No.3807502，和出版物"Four Different Systems Used forMWD"， W.J. Mcdonald, The Oil and Gas Journal, 115-124頁，1978年4月3日。還已經(jīng)提出比如在管接頭處使用電感耦合器的構(gòu)思。以下披露了在鉆 柱中使用電感耦合器美國專利No.4605268，俄羅斯聯(lián)邦公布的1997年 12月18日提交的專利申請2140527，俄羅斯聯(lián)邦公布的1992年2月14 日提交的專利申請2040691，和WO公開90/14497A2，以及參見美國專 利No.5052941,美國專利No.4806928,美國專利No.4901069,美國專利 No.5531592,美國專利No.5278550，以及美國專利No.5971072。美國專利6641434描述了一種有線鉆桿接頭，其在有線鉆桿技術(shù)領(lǐng)域 對于以高的數(shù)據(jù)速率在地面站與鉆孔所處的位置之間雙向地、可靠地傳輸 測量數(shù)據(jù)有顯著的進(jìn)步。'434專利披露了一種低損耗的有線鉆桿接頭，其 中導(dǎo)電層通過減少在每一個電感耦合器處的電阻損耗和通量損耗而減少 了整個鉆柱長度之上的信號能量損耗。有線鉆桿接頭是耐用的，因?yàn)樗?導(dǎo)電層中存在間隙的情況下也保持可操作。鉆柱遙測技術(shù)領(lǐng)域中的性能以 及這些和其他進(jìn)步提供了創(chuàng)新的機(jī)會，其中范圍、速度以及數(shù)據(jù)速率方面 的現(xiàn)有缺點(diǎn)在以前己經(jīng)限制了系統(tǒng)的性能。當(dāng)使用有線鉆桿系統(tǒng)時，在最上面的有線鉆桿與地面處理器之間必須 有通信鏈接(除其他以外，其通常執(zhí)行一個或多個以下功能接收和/或發(fā) 送數(shù)據(jù)，記錄信息，以及/或者控制去往和/或來自井下與地面設(shè)備的信息， 執(zhí)行計(jì)算和分析，并且與操作人員及與遠(yuǎn)程位置進(jìn)行通信)。已經(jīng)建議了 各種方法，其中的一些總結(jié)在美國專利7040415中，包括使用滑動環(huán)裝置， 以及使用基于電磁感應(yīng)或所謂變壓器作用的旋轉(zhuǎn)電耦合器。滑動環(huán)(也已知為電刷接觸表面)是公知的設(shè)計(jì)成將電流或信號從固定電線傳送到旋轉(zhuǎn) 裝置的電連接器。典型地，它由支撐在非旋轉(zhuǎn)構(gòu)件中(例如，支撐在方鉆 桿接頭的上面部分)的在旋轉(zhuǎn)金屬環(huán)的外徑上摩擦的固定石墨或金屬觸點(diǎn) (電刷)構(gòu)成。隨著金屬環(huán)旋轉(zhuǎn)，電流或信號通過固定電刷傳導(dǎo)至金屬環(huán)， 形成了連接。已知為旋轉(zhuǎn)變壓器的基于感應(yīng)(變壓器作用)的旋轉(zhuǎn)電耦合器，提供 了對于基于旋轉(zhuǎn)與固定電路之間的傳導(dǎo)的滑動環(huán)和觸點(diǎn)電刷的另一選擇， 所以直接接觸已無必要。變壓器繞組包括固定線圈和旋轉(zhuǎn)線圈，兩者都與 旋轉(zhuǎn)軸同心。任一個線圈都能用作初級繞組而另一個用作次級繞組。這些類型的用于地面通信的方法伴隨著復(fù)雜的電動機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用 具有特定的局限和缺點(diǎn)，且在本發(fā)明目的中，其一是提供一種系統(tǒng)，用于 信號在最上面的有線鉆桿與地面處理器之間的雙向通信，能夠提高效率和 可靠性。本文闡述的鉆孔和測量技術(shù)領(lǐng)域中的另一個方面涉及井位的安全，以 及在可能被分類為危險(xiǎn)地區(qū)的地點(diǎn)不使用電力運(yùn)輸線地向旋轉(zhuǎn)裝置提供 動力的問題?，F(xiàn)有技術(shù)具有特定的局限。例如，通過驅(qū)動鉆井流體而提供 動力的鉆井液渦輪，其建造和維護(hù)都相對較復(fù)雜和昂貴。當(dāng)鉆井操作必須 因?yàn)楦鼡Q電池而中斷時普通電池的使用可能會成問題。因此本發(fā)明的另一 個目的是提供一種與旋轉(zhuǎn)鉆柱有關(guān)的安全、有效和可靠的電力源。發(fā)明內(nèi)容己經(jīng)認(rèn)識到無線地面通信可能用于鉆柱遙測系統(tǒng)和地面處理器(參見，例如，美國專利No.7040415)之間的通信。不過，其中該可能會有利 地實(shí)現(xiàn)的方式迄今還沒有實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的一種形式針對用于鉆地表孔的操作中，使用鉆機(jī)；鉆柱， 所述鉆柱的上端可與鉆機(jī)機(jī)械連接和并從所述鉆機(jī)可懸掛；以及鉆柱上的 井下設(shè)備。提供一種用于井下設(shè)備與地表面處的處理器子系統(tǒng)之間的雙向 通信的系統(tǒng)，包括有線鉆桿段，該有線鉆桿段包括至少鉆桿組成的鉆柱 的上部分，并形成井下設(shè)備與鉆桿的鉆柱頂部之間的雙向通信鏈路的至少 一部分；鉆柱的驅(qū)動柱部分，可與最上面的有線鉆桿機(jī)械可連接；可與所述驅(qū)動柱部分機(jī)械可連接的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，用于旋轉(zhuǎn)鉆柱；安裝在鉆柱的驅(qū)動 柱部分上的第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)，用于與鉆柱接合旋轉(zhuǎn)；電纜，所述電 纜電聯(lián)接在最上面地有線鉆桿的頂部接頭與第一收發(fā)器子系統(tǒng)之間；和第 二無線收發(fā)器子系統(tǒng)，所述第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)與井口處理器子系統(tǒng)連 接，該第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)與第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)雙向通信。[如這里 所用，鉆柱的"驅(qū)動柱"部分包括連接在鉆柱的最上面的鉆桿之上的所有 接頭、方鉆桿、頂部驅(qū)動器等。在描述的該實(shí)施例中，最上面的鉆桿也是 鉆柱的最上面的有線鉆桿。]盡管在一些情況下，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中可以使用單根線，但電 纜包括多條線，比如線對。在這種實(shí)施例形式中，有線鉆桿段在每一個桿 的接頭處都具有電感耦合器，且該電纜通過電感耦合器電聯(lián)接到所述最上 面的有線鉆桿的頂部接頭。此外，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，第一收 發(fā)器子系統(tǒng)包括第一天線子系統(tǒng)，且第二收發(fā)器子系統(tǒng)包括第二天線子系 統(tǒng)。每個天線子系統(tǒng)可以包括多個天線。天線可以相對驅(qū)動柱處于在不同 的方位上。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，鉆柱的驅(qū)動柱部分包括方鉆桿，且在該實(shí) 施例的形式中，鉆柱的驅(qū)動柱部分還包括方鉆桿與最上面的有線鉆桿之間 的保護(hù)接頭(saversub)。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，鉆柱的驅(qū)動柱部分 包括頂部傳動接頭，且驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括與頂部傳動接頭相接合的頂部驅(qū)動 器。在該實(shí)施例的形式中，鉆柱的驅(qū)動柱部分還包括頂部傳動接頭與所述 最上面的有線鉆桿之間的保護(hù)接頭。在本發(fā)明的實(shí)施例中，第一天線子系統(tǒng)的天線和第一無線收發(fā)器子系 統(tǒng)安裝在鉆柱的驅(qū)動柱部分上基本上相同的位置處，而在另一實(shí)施例中， 第一天線子系統(tǒng)的天線與至少部分所述第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)安裝在鉆 柱的驅(qū)動柱部分上各自不同的位置處。根據(jù)本發(fā)明的另一形式中，提供用于產(chǎn)生由第一收發(fā)器子系統(tǒng)使用的 電力的發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)包括安裝在鉆柱的驅(qū)動柱部分上的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)構(gòu) 件和安裝在鉆機(jī)(drillingrig)的固定部分上的固定發(fā)電機(jī)構(gòu)件。在本發(fā)明 的這種形式的實(shí)施例中，固定發(fā)電機(jī)構(gòu)件包括磁體環(huán)，而旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)構(gòu)件 包括至少一個定子線圈。旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)構(gòu)件和固定發(fā)電機(jī)構(gòu)件密切靠近地設(shè)置以使得來自磁體環(huán)的磁通量與該至少一個定子線圈交叉。通過以下參考附圖的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加 容易理解。


圖1是其中能夠使用本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)的視圖，部分地以示意圖形 式且部分地以方塊圖形式表示。圖2是用于地面通信接頭與地面計(jì)算機(jī)之間地雙向無線通信的現(xiàn)有配 置的視圖，部分地以方塊圖表示。圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的雙向地面通信子系統(tǒng)的橫截面示意 圖，部分地以方塊圖表示。圖4是根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的雙向地面通信子系統(tǒng)的橫截面示意 圖，部分地以方塊圖表示。圖5是根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的雙向地面通信子系統(tǒng)的橫截面示意 圖，部分地以方塊圖表示。圖6是根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的雙向地面通信子系統(tǒng)的橫截面示意 圖，部分地以方塊圖表示。圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的電力發(fā)電子系統(tǒng)的視圖。圖8是根據(jù)本發(fā)明的圖7所示的電力發(fā)電子系統(tǒng)的分解圖。圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖7和8所示的電力發(fā)電子系統(tǒng)的示意圖， 部分地以方塊圖表示。
具體實(shí)施方式
圖l表示可以采用本發(fā)明的井位系統(tǒng)。井位可以在陸上或者海上。在 該示例系統(tǒng)中，鉆孔11通過以公知方式旋轉(zhuǎn)鉆井而形成在地下的地層中。 鉆井可以為已知的可選地為基于鉆井液電動機(jī)的定向鉆井。鉆柱12懸掛在鉆孔11以內(nèi)并具有井下組件100，該井下組件100包 括在其下端的鉆頭105。地面系統(tǒng)包括位于井下11之上的平臺和鉆塔組件 10，該組件IO包括旋轉(zhuǎn)工作臺16，方鉆桿17，吊鉤18和旋轉(zhuǎn)接頭19。 鉆柱12通過由未示出的裝置供給能量的旋轉(zhuǎn)工作臺16驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)工作臺與鉆柱上端處的方鉆桿n相接合。通過方鉆桿n和允許鉆柱相對吊鉤旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)接頭19，鉆柱12懸掛在連接到游動滑車(也沒有示出) 上的吊鉤18上。如公知的那樣，可選地可使用頂部驅(qū)動系統(tǒng)。在本實(shí)施例的示例中，地面系統(tǒng)還包括存儲在形成于井位處的凹坑27 中的鉆井流體或鉆井液26。泵29將鉆井流體26經(jīng)由旋轉(zhuǎn)接頭19的端口 輸送到鉆柱12的內(nèi)部，使得鉆井流體向下流過鉆柱12，如方向箭頭8所 示。鉆井流體經(jīng)由鉆頭105中的端口流出鉆柱12，然后經(jīng)過鉆柱外部與鉆 孔壁之間的環(huán)形狀區(qū)域循環(huán)向上，如方向箭頭9所示。在該公知方式中， 鉆井流體潤滑鉆頭15并在它返回到凹坑27以便再循環(huán)時將地層的巖屑運(yùn) 送到地面。如本技術(shù)領(lǐng)域公知的那樣，傳感器可設(shè)置在井位周圍以收集有關(guān)井位 操作以及井位狀況的數(shù)據(jù)，優(yōu)選地實(shí)時收集。例如，這種地面?zhèn)鞲衅骺梢?設(shè)置來測量參數(shù)比如立管壓力、吊鉤載荷、深度、地面扭矩、轉(zhuǎn)速以及其 他。所示實(shí)施例的井下組件100包括接口接頭110，鉆探的同時進(jìn)行記錄 (LWD)模塊120，鉆探的同時進(jìn)行測量(MWD)模塊130，用于定向鉆 井的旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)向系統(tǒng)和電動機(jī)150，以及鉆頭105。LWD模塊120容納在特殊類型的鉆鋌(drill collar)中，如本領(lǐng)域所 公知的那樣，并可以包含一個或多個已知類型的記錄工具。(還參見上述公開的美國專利申請序列號_[文件號19.DST])，與本申請恰好同一日期提交并屬于與本申請相同的受讓人。)LWD模塊包括用于測量、處 理和存儲信息的能力，以及用于與地面設(shè)備通信的能力。LWD模塊可包 括例如一個或多個以下類型的測量地層性質(zhì)的記錄裝置電阻率測量裝 置，定向電阻率測量裝置，聲波測量裝置，核測量裝置，核磁共振測量裝 置，壓力測量裝置，地震測量裝置，成像裝置，以及地層采樣裝置。MWD模塊130也容納在特殊類型的鉆鋌中，如本領(lǐng)域所公知的那樣， 并可以包含一個或多個用于測量鉆柱和鉆頭的性質(zhì)的裝置。MWD工具還 可以包括用于給井下系統(tǒng)發(fā)電的裝置。這通?？梢园ㄓ摄@井流體流提供 動力的鉆井液渦輪發(fā)電機(jī)，盡管也可以采用其他的動力和/或電池系統(tǒng)。 MWD模塊可包括例如一個或多個以下類型的測量裝置鉆上重量測量裝置，扭矩測量裝置，振動測量裝置，沖擊測量裝置，粘滑測量裝置，方向 測量裝置，以及傾度測量裝置。在圖l的系統(tǒng)中，采用了鉆柱遙測系統(tǒng)，在所示的實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括從地面接頭185延伸到井下組件中的接口接頭110的電感耦合有線鉆 桿180的系統(tǒng)。根據(jù)包括鉆柱長度的因素，中繼接頭或轉(zhuǎn)發(fā)器可以每隔一 段距離地設(shè)置在有線鉆桿的柱中， 一個例子表示在182。其也可以設(shè)有傳感器的中繼接頭在上述參考的共同待審的美國專利申請序列號_(文件19.0410/11)有進(jìn)一步的說明，該申請與本申請恰好在同一日期提交， 并屬于與本申請相同的受讓人。接口接頭110提供LWD和MWD模塊與鉆柱遙測系統(tǒng)之間的通信電 路的接口，在該實(shí)施例中，該鉆柱遙測系統(tǒng)包括具有電感耦合器的有線鉆 桿。接口接頭110，其也可以設(shè)有傳感器，在上述參考的共同審理中的美 國專利申請序列號_ (文件19.0410/11)有進(jìn)一步的說明。在有線鉆柱的頂部，可設(shè)置另一個接口接頭185，并在這種情況下用 作地面接頭。如上所述，例如，在美國專利7040415中，有線鉆桿可以與 電子子系統(tǒng)聯(lián)接，該電子子系統(tǒng)隨著方鉆桿17 —起旋轉(zhuǎn)并包括與記錄和 控制單元4的天線和收發(fā)器雙向通信的收發(fā)器和天線，該記錄和控制單元 在本實(shí)施例中實(shí)施井口處理器子系統(tǒng)。在關(guān)于此的實(shí)施例中，接口接頭185 可包括有線保護(hù)接頭(后面將要說明)，且收發(fā)器30的電子裝置安裝在方 鉆桿上或鉆柱的其他部分上，如將要說明的那樣。在圖1中，通信鏈路175 示意性地表示在電子裝置子系統(tǒng)30與記錄和控制單元4的天線之間。因 此，圖1的配置提供了從記錄和控制單元4通過通信鏈路175至地面接頭 185，通過有線鉆桿遙測系統(tǒng)至井下接口 110以及井下組件的構(gòu)件(同樣 其反向)用于雙向操作的通信鏈路。如參考的共同待審美國申請序列號_(文件19.0410/11)，雖然在一個井位只顯示了一個記錄和控制單元4，但也可以橫跨一個或多個井 位設(shè)置一個或多個地面單元。這些地面單元可以用有線或無線鏈路經(jīng)由一 個或多個通信線路鏈接到一個或多個地面接口 。地面接口與地面系統(tǒng)之間 的通信拓?fù)淇梢允屈c(diǎn)到點(diǎn)，點(diǎn)到多點(diǎn)或多點(diǎn)到點(diǎn)。有線連接包括使用任何 類型的電纜(使用任何類型的協(xié)議(串行的，以太網(wǎng)，等)的電線)和光纖。無線技術(shù)可以是任何種類的標(biāo)準(zhǔn)無線通信技術(shù)，比如IEEE 802.11規(guī) 范，Bluetooth, zigbee或者任何非標(biāo)準(zhǔn)的RF或者使用任何種類的調(diào)制方 案的光通信技術(shù)，比如FM， AM， PM， FSK， QAM， DMT， OFDM，等 與任何種類的數(shù)據(jù)復(fù)用技術(shù)比如TDMA， FDMA， CDMA,等相結(jié)合。圖2顯示一種類型的能夠用于圖1的電子裝置30的無線收發(fā)器子系 統(tǒng)電子裝置。也可以參考美國專利7040415。來自/去往最上面的有線鉆桿 的頂部接頭的電感耦合器的信號與WDP調(diào)制解調(diào)器聯(lián)接。WDP調(diào)制解調(diào) 器221反過來與無線調(diào)制解調(diào)器231聯(lián)接。還設(shè)置電池250和電源255以 供給調(diào)制解調(diào)器電力。其他可能更優(yōu)選的發(fā)電裝置在下文說明。記錄和控 制單元也有例如具有無線調(diào)制解調(diào)器的收發(fā)器。WDP地面調(diào)制解調(diào)器適用于與井下組件中的一個或多個調(diào)制解調(diào)器， 轉(zhuǎn)發(fā)器或其他接口經(jīng)由有線鉆桿遙測系統(tǒng)通信。優(yōu)選地，調(diào)制解調(diào)器提供 雙向通信。調(diào)制解調(diào)器與位于井下工具中的另一個調(diào)制解調(diào)器或轉(zhuǎn)發(fā)器或 其他接頭通信。任何種類的數(shù)字和模擬調(diào)制方案都可以使用，比如雙相， 頻移鍵控(FSK)，正交相移鍵控(QPSK)，正交幅度調(diào)制(QAM)，離散 多頻聲(DMT)，等。這些方案可以與任何種類的數(shù)據(jù)復(fù)用技術(shù)比如時分 復(fù)用(TDM)，頻分復(fù)用(FDM)，等結(jié)合使用。調(diào)制解調(diào)器可以包括用 于鉆桿診斷法和井下工具診斷法的功能。盡管表示了單個的地面處理器，但可以理解的是可以在多個位置以記 錄/控制單元形式設(shè)置復(fù)數(shù)個地面處理器，以有線和/或無線收發(fā)器連接， 其還可以進(jìn)一步理解成能夠利用本文提到的任何通信模式，并且也可以利 用數(shù)據(jù)的壓縮和/或加密。每一個單元都可以具有其自己的天線和/或共用 的天線。天線可以設(shè)置在最適宜的位置和最適宜的定向以使信號強(qiáng)度和質(zhì) 量最優(yōu)化。還可以實(shí)現(xiàn)去向/來自遙遠(yuǎn)位置的通信，包括經(jīng)由衛(wèi)星的通信。圖3表示本發(fā)明的一個實(shí)施例，其中特定的保護(hù)接頭340設(shè)置在方鉆 桿350與最上面的有線鉆桿181之間。保護(hù)接頭340在其與最上面的有線 鉆桿的電感耦合器189電聯(lián)接的下端處具有電感耦合器341。連接到電感 耦合器341的電纜315穿過密封端口引出保護(hù)接頭340，并在方鉆桿350 的外表上延伸到收發(fā)器子系統(tǒng)330，該收發(fā)器子系統(tǒng)包括天線335。在保 護(hù)接頭340上的電纜的引出位置，可以設(shè)置連接器346。沿著方鉆桿350的外部延伸的電纜可以密封在方鉆桿中的槽中，且例如由環(huán)氧或PEEK材 料保護(hù)。可在收發(fā)器子系統(tǒng)電子裝置處設(shè)置另一個連接器。電纜315設(shè)有 至少一個線對。在圖4的實(shí)施例中，保護(hù)接頭440和方鉆桿450具有內(nèi)電纜，且驅(qū)動 柱包括在方鉆桿450上面的特定的頂部接頭470，在該頂部接頭上安裝了 無線收發(fā)器子系統(tǒng)430。在該實(shí)施例的形式中，保護(hù)接頭440和方鉆桿450 每一個都在兩端處具有電感耦合器，其中電纜(再一次，而且自始至終， 優(yōu)選地包括至少一個線對)，以441和451表示，在每一個的兩端部之間 延伸?？梢岳斫獾氖强蛇x地在接頭處使用其他類型的聯(lián)接器。安裝在方鉆 桿450上面的特定的頂部接頭470隨著鉆柱旋轉(zhuǎn)。在該例中，頂部接頭470 在其下端處具有電感耦合器，和與無線收發(fā)器子系統(tǒng)430聯(lián)接的內(nèi)電纜 470。在圖3和4的實(shí)施例中，無線收發(fā)器子系統(tǒng)電子裝置以及相關(guān)聯(lián)的天 線，在鉆柱的驅(qū)動柱部分上的一個通常的位置上，但也可以理解為具有鄰 接的或分離的天線的部分和所有的電子裝置可以在多個位置處。例如，在 圖5的實(shí)施例中，特定的地面接頭590在其下端具有電感耦合器，其中以 591表示的內(nèi)部布線延伸到電子裝置530。在該例中，無線收發(fā)器子系統(tǒng) 電子裝置530，或至少其一部分，安裝在特定的地面接頭590的內(nèi)部。接 頭中的電子裝置的內(nèi)部封裝的例子表示在上述參考的美國專利申請?zhí)?(文件19.0410/11)中，與本申請恰好在同一日期提交，并屬于與本申請 相同的受讓人。在本實(shí)施例中，天線535 (以及，如果想要的話， 一部分 相關(guān)聯(lián)的電子裝置)安裝在方鉆桿550上并與剩余的電子裝置530經(jīng)由電 纜531聯(lián)接，該電纜，在本實(shí)施例中，在密封端口或連接器處引出特定的 接頭590，并能以如上所述的相同方式容納在方鉆桿中的槽中。如果想要 的話，電子裝置530與天線/電子裝置535之間的雙向鏈路可傳送數(shù)字化信 號。在該實(shí)施例中，可以理解的是接頭590和一部分方鉆桿550至少一部 分時間可以在鉆井液平面以下，但天線/電子裝置535將在鉆井液平面以 上。圖5表示隨方鉆桿旋轉(zhuǎn)的多個天線，可以理解的是旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動柱上的 方位冗余天線會使無線鏈路的啞點(diǎn)或薄弱點(diǎn)最小化。同樣的也可應(yīng)用到其 他實(shí)施例中。此外，無線收發(fā)器子系統(tǒng)的多個天線可能是有利的。圖6表示與頂部驅(qū)動器605結(jié)合使用的本發(fā)明的一個實(shí)施例。在圖6 的例子中，與最上面的有線鉆桿181聯(lián)接的保護(hù)接頭440，在兩個端部處 具有通過電纜441連接的電感耦合器，如圖4和5的實(shí)施例中那樣。頂部 傳動接頭690設(shè)置在頂部驅(qū)動器605和保護(hù)接頭440之間，且該實(shí)施例的 無線收發(fā)器子系統(tǒng)630安裝在頂部傳動接頭690上。此外在該實(shí)施例中， 頂部傳動接頭在其下端處具有電感耦合器，和從電感耦合器延伸到子系統(tǒng) 630的內(nèi)電纜691。不過，可以理解的是可以使用外電纜，如圖3的實(shí)施 例中的那樣，或者可以分離電子裝置和/或天線，如圖5的實(shí)施例中的那樣。圖7—9表示本發(fā)明的實(shí)施方式，其中在井位的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上設(shè)置了安 全和可靠的電源，其可用于例如給無線收發(fā)器子系統(tǒng)30供電和/或其他應(yīng) 用。在該實(shí)施例中，磁體環(huán)710操作用作固定發(fā)電機(jī)構(gòu)件并安裝在以705 表示的鉆機(jī)的固定部分上，例如鄰近方鉆桿或頂部驅(qū)動器的安裝件上。地 面接頭720 (其可以是例如圖3 — 6的一個地面接頭)包括定子725 (圖8 和9)，整流器726，充電電路727，和可充電電池728 (圖9)，其特別用 于給第一收發(fā)器子系統(tǒng)30供電。定子725具有一個或多個定子線圈，并 與磁體環(huán)成環(huán)形對準(zhǔn)，且與其緊密靠近以使得定子725隨著鉆柱的驅(qū)動柱 部分旋轉(zhuǎn)時來自磁體環(huán)的通量與一個或多個定子交叉。磁體環(huán)，在該實(shí)施 例中，包括以交替極性布置的磁體。來自定子的交流電由整流器726整流， 其輸出直流電，直流電輸入到充電電路727，充電電路727的輸出接著給 可充電電池728充電。在本實(shí)施例中，電池給第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)30 供電，并也可以給例如測量和/或通信的其他電路供電。此外，可以理解的 是發(fā)電機(jī)的輸出和/或整流器可以，如果想要的話，用來直接給設(shè)備的電路 和子系統(tǒng)供電。已經(jīng)關(guān)于多個特定優(yōu)選實(shí)施例說明了本發(fā)明，但本發(fā)明的主旨和范圍 內(nèi)的變更對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是可以想到的。例如，盡管圖3 — 6顯示了 耦合器的各種組合，內(nèi)部和外部電纜，電子裝置部分的內(nèi)部和/或外部安裝， 保護(hù)接頭和/或特定的地面接頭的使用等的組合，但可以理解的是其他的組 合也是可能的，在由權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)是可以預(yù)料的。同樣，盡管有 線鉆桿子系統(tǒng)是鉆柱遙測系統(tǒng)的一個優(yōu)選實(shí)施例，但是可以認(rèn)識到，也可 以使用的例子是聲學(xué)鉆柱遙測技術(shù)的其他鉆柱遙測技術(shù)形式，在這種情況下傳感器子系統(tǒng)可以設(shè)置在鉆柱遙測子系統(tǒng)的頂部以轉(zhuǎn)換成電信號或由 電信號轉(zhuǎn)換。此外，可以理解的是利用了鉆柱的運(yùn)動(包括旋轉(zhuǎn)或振動) 的其他技術(shù)，可以用來在鉆柱的區(qū)域內(nèi)發(fā)電。
權(quán)利要求
1. 用于在鉆地表孔的操作中使用的系統(tǒng)，使用鉆機(jī)；鉆柱，所述鉆柱具有通常為這樣的上端，在所述上端可與鉆機(jī)機(jī)械地連接并可從鉆機(jī)懸掛；以及鉆柱上的井下設(shè)備，該系統(tǒng)用于井下設(shè)備與地表面處的處理器子系統(tǒng)之間的雙向通信，包括有線鉆桿段，該有線鉆桿段包括鉆桿的鉆柱的至少上部，并形成井下設(shè)備與鉆桿的鉆柱的頂部之間的雙向通信鏈路的至少一部分；鉆柱的驅(qū)動柱部分，與最上面的有線鉆桿機(jī)械地連接；與所述驅(qū)動柱部分機(jī)械連接的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，用于旋轉(zhuǎn)所述鉆柱；安裝在鉆柱的所述驅(qū)動柱部分上的第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)，用于與鉆柱接合在一起旋轉(zhuǎn)；電纜，電聯(lián)接在所述最上面的有線鉆桿的頂部接頭與所述第一收發(fā)器子系統(tǒng)之間；和第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)，所述第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)與井口處理器子系統(tǒng)連接，該第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)與第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)雙向通信。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述電纜包括多條線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述有線鉆桿段在每一個桿的接頭處 具有電感耦合器，且其中所述電纜通過電感聯(lián)接器電聯(lián)接到所述最上面的 有線鉆桿的頂部接頭。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述第一收發(fā)器子系統(tǒng)包括第一天線 子系統(tǒng)，而所述第二收發(fā)器子系統(tǒng)包括第二天線子系統(tǒng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述第一天線子系統(tǒng)包括多個天線。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述第二天線子系統(tǒng)包括多個天線。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中鉆柱的所述驅(qū)動柱部分包括方鉆桿。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括具有方鉆桿襯套的 旋轉(zhuǎn)工作臺，該襯套與所述方鉆桿接合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中鉆柱的所述驅(qū)動柱部分包括頂部傳動 接頭。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括與所述頂部傳 動接頭接合的頂部驅(qū)動器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中鉆柱的所述驅(qū)動柱部分還包括所 述方鉆桿與所述最上面的有線鉆桿之間的保護(hù)接頭。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中鉆柱的所述驅(qū)動柱部分還包括所 述頂部傳動接頭與所述最上面的有線鉆桿之間的保護(hù)接頭。
13. 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述第一天線子系統(tǒng)的天線和所 述第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)安裝在鉆柱的所述驅(qū)動柱部分上基本相同的位 置處。
14. 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述第一天線子系統(tǒng)的天線和所 述第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)的至少一部分安裝在鉆柱的所述驅(qū)動柱部分上 各自不同的位置處。
15. 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述第一天線子系統(tǒng)包括在鉆柱 的所述驅(qū)動柱部分上的不同方位處的多個天線。
16. 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述第二天線子系統(tǒng)包括多個間 隔開的天線。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括用于產(chǎn)生由所述第一收發(fā)器子 系統(tǒng)使用的電力的發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)包括安裝在鉆柱的所述驅(qū)動柱部分 上的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)構(gòu)件和安裝在鉆機(jī)的固定部分上的固定發(fā)電機(jī)構(gòu)件。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中所述固定發(fā)電機(jī)構(gòu)件包括磁體環(huán)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)構(gòu)件包括至少一 個定子線圈。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)構(gòu)件和固定發(fā)電 機(jī)構(gòu)件緊密靠近地設(shè)置以使得來自所述磁體環(huán)的磁通量與所述至少一個 定子線圈交叉。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng)，還包括由所述發(fā)電機(jī)充電的可充電電 池，所述電池存儲由所述第一收發(fā)器子系統(tǒng)使用的所述電力。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，還包括由所述發(fā)電機(jī)充電的可充電電 池，所述電池存儲由所述第一收發(fā)器子系統(tǒng)使用的所述電力。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中所述可充電電池安裝成與所述第一收發(fā)器子系統(tǒng)相結(jié)合以便與鉆柱接合在一起旋轉(zhuǎn)。
24. 用于在鉆地表孔的操作中使用的系統(tǒng)，在該操作中使用鉆機(jī); 鉆桿的鉆柱，所述鉆柱具有通常為這樣的上端，所述上端可與鉆機(jī)機(jī)械地 連接并可從所述鉆機(jī)懸掛；鉆柱的驅(qū)動柱部分，可與所述鉆柱的最上面的 鉆桿機(jī)械地連接；以及可與所述鉆柱機(jī)械地連接以便旋轉(zhuǎn)所述驅(qū)動柱及鉆 柱的驅(qū)動機(jī)構(gòu)；該系統(tǒng)用于在驅(qū)動柱區(qū)域中產(chǎn)生電力，包括發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)包括安裝在所述驅(qū)動柱上以便與其一起旋轉(zhuǎn)的 旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)構(gòu)件；和安裝在鉆機(jī)的固定部分上的固定發(fā)電機(jī)構(gòu)件，所述旋 轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)構(gòu)件在所述驅(qū)動柱區(qū)域中產(chǎn)生電力。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24的系統(tǒng)，其中所述固定發(fā)電機(jī)構(gòu)件包括磁體環(huán)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)構(gòu)件包括至少一 個定子線圈。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26的系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)構(gòu)件和固定發(fā)電 機(jī)構(gòu)件緊密靠近地設(shè)置以使得來自所述磁體環(huán)的磁通量與所述至少一個 定子線圈交叉。
28. 根據(jù)權(quán)利要求24的系統(tǒng)，還包括由所述發(fā)電機(jī)充電并安裝在所 述驅(qū)動柱上的可充電電池。
29. 根據(jù)權(quán)利要求24的系統(tǒng)，還包括鉆井遙測子系統(tǒng)，形成鉆柱上 的井下設(shè)備與井口處理器子系統(tǒng)之間的通信鏈路的至少一部分；且其中來 自所述發(fā)電機(jī)的所述電力適于向所述通信鏈路提供電力。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27的系統(tǒng)，還包括鉆井遙測子系統(tǒng)，形成鉆柱上 的井下設(shè)備與井口處理器子系統(tǒng)之間的通信鏈路的至少一部分；且其中來 自所述發(fā)電機(jī)的所述電力適于向所述通信鏈路提供電力。
31. 根據(jù)權(quán)利要求24的系統(tǒng)，還包括用于井下設(shè)備與地表面處的處理器子系統(tǒng)之間的雙向通信的系統(tǒng)，包 括有線鉆桿段，該有線鉆桿段包括至少鉆桿的鉆柱的上部，并形成井下 設(shè)備與鉆桿的鉆柱頂部之間的雙向通信鏈路的至少一部分；安裝在鉆柱的 所述驅(qū)動柱部分上的第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)，用于與鉆柱接合在一起旋 轉(zhuǎn)，所述第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)與所述有線鉆桿段聯(lián)接；和第二無線收發(fā) 器子系統(tǒng)，所述第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)與所述進(jìn)口處理器子系統(tǒng)聯(lián)接，所述第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)與所述第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)雙向通信；且其中來自所述的發(fā)電機(jī)的所述電力適于由所述第一收發(fā)器子系統(tǒng)使用。
32. —種用于在鉆地表孔的操作中使用的方法，在該操作中使用 鉆機(jī)；鉆柱，所述鉆柱具有通常為這樣的上端，所述上端可與鉆機(jī)機(jī)械地 連接并從所述鉆機(jī)可懸掛，以及鉆柱上的井下設(shè)備，該方法用于井下設(shè)備 與地表面處的處理器子系統(tǒng)之間進(jìn)行雙向通信，包括以下步驟提供鉆柱遙測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括鉆桿的鉆柱的至少上部并形成井下設(shè)備與鉆桿的鉆柱的頂部之間的雙向通信鏈路的至少一部分；提供鉆柱的驅(qū)動柱部分，該驅(qū)動柱部分可與最上面的鉆桿機(jī)械地連接；提供驅(qū)動機(jī)構(gòu)，該驅(qū)動機(jī)構(gòu)可與所述驅(qū)動柱部分機(jī)械地連接，用于旋 轉(zhuǎn)所述鉆柱；提供第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)，該第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)安裝在鉆柱的 所述驅(qū)動柱部分上，用于與鉆柱接合在一起旋轉(zhuǎn)；提供電纜，該電纜在所述最上面的鉆桿的頂部接頭處、電聯(lián)接所述鉆 柱遙測系統(tǒng)和所述第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)之間；以及提供第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)，該第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)與所述井口處 理器子系統(tǒng)聯(lián)接，所述第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)與所述第一無線收發(fā)器子系 統(tǒng)雙向通信。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，還包括在鉆柱頂部周圍提供傳感器的 步驟，所述傳感器用于測量與鉆井操作相關(guān)的參數(shù)，且來自所述傳感器的 信號與所述電纜聯(lián)接。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中所述提供所述傳感器的步驟包括 提供至少一個傳感器，該至少一個傳感器選自溫度傳感器、壓力傳感器、 鉆井液流速傳感器、噪聲傳感器、振動傳感器、扭矩傳感器、加速度傳感 器和旋轉(zhuǎn)傳感器組成的組。
35. 根據(jù)權(quán)利要求32的方法，還包括加密信號的步驟，所述信號在 所述第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)和所述第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)之間雙向通信。
36. 根據(jù)權(quán)利要求32的方法，還包括壓縮信號的步驟，所述信號在所述第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)和所述第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)之間雙向通信。
37. —種用于在鉆地表孔的操作中使用的方法，在該操作中使用鉆機(jī)；鉆桿的鉆柱，所述鉆柱具有通常為這樣的上端，所述上端可與鉆機(jī) 機(jī)械地連接并可從所述鉆機(jī)懸掛；鉆柱的驅(qū)動柱部分，可與所述鉆柱的最 上面的鉆桿機(jī)械地連接；和可與所述鉆柱機(jī)械地連接以便旋轉(zhuǎn)驅(qū)動柱及鉆 柱的驅(qū)動機(jī)構(gòu)；該方法用于在驅(qū)動柱區(qū)域中產(chǎn)生電力，包括以下步驟-提供具有第一構(gòu)件的發(fā)電單元，該第一構(gòu)件安裝在所述驅(qū)動柱上以便 與其一起運(yùn)動；和根據(jù)所述第一構(gòu)件的運(yùn)動在所述驅(qū)動柱的區(qū)域中產(chǎn)生電力。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中所述產(chǎn)生電力，步驟包括根據(jù)所 述第一構(gòu)件的振動產(chǎn)生電力。
39. 據(jù)權(quán)利要求37的方法，還包括在鉆機(jī)的固定部分上安裝第二構(gòu) 件，且其中所述產(chǎn)生電力的步驟包括根據(jù)所述第一構(gòu)件相對所述第二構(gòu)件 的相對運(yùn)動產(chǎn)生電力。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述相對運(yùn)動包括所述第一構(gòu)件 相對于所述第二構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
一種用于井下設(shè)備與地表面處的處理器子系統(tǒng)之間的雙向通信系統(tǒng)，包括有線鉆桿段，該有線鉆桿至少包括鉆桿組成的鉆柱的上面部分，并形成井下設(shè)備與鉆桿組成的鉆柱頂部之間的雙向通信的至少一部分；鉆柱的驅(qū)動柱部分，與最上面的有線鉆桿機(jī)械連接；與所述驅(qū)動柱部分機(jī)械連接的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，用于旋轉(zhuǎn)鉆柱；安裝在鉆柱的驅(qū)動柱部分上的第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)(185)，用于與鉆柱聯(lián)合旋轉(zhuǎn)；電纜，電聯(lián)接在最上面的有線鉆桿的頂部接頭與第一收發(fā)器子系統(tǒng)之間；和第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)(110)，所述第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)(110)與井口處理器子系統(tǒng)連接，該第二無線收發(fā)器子系統(tǒng)與第一無線收發(fā)器子系統(tǒng)雙向通信。
文檔編號E21B17/02GK101278102SQ200680028938
公開日2008年10月1日 申請日期2006年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月4日
發(fā)明者蘭道·P·萊伯蘭斯, 大衛(wèi)·桑多索, 李啟明, 約瑟夫·蒙太羅, 約翰·A·托馬斯, 羅格·馬德哈文, 馬克·施爾曼 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司