專(zhuān)利名稱(chēng)：井下數(shù)據(jù)的地面實(shí)時(shí)處理的制作方法
背景隨著油井鉆探變得越來(lái)越為復(fù)雜，維持對(duì)盡可能多的鉆探裝備的控制的重要性日益增加。
附圖簡(jiǎn)述

圖1示出了一種用于井下數(shù)據(jù)地面實(shí)時(shí)處理的系統(tǒng)。
圖2示出了一種用于井下數(shù)據(jù)地面實(shí)時(shí)處理的系統(tǒng)的邏輯表示。
圖3示出了一種用于井下數(shù)據(jù)地面實(shí)時(shí)處理的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖。
圖4示出了傳感器模塊的方框圖。
圖5示出了可控元件模塊的方框圖。
圖6和圖7示出了到通信媒體的接口的方框圖。
圖8～14示出了用于井下數(shù)據(jù)地面實(shí)時(shí)處理的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖。
詳細(xì)描述如圖1中所示，鉆探裝備100(為了便于理解，簡(jiǎn)單地這樣稱(chēng)呼)包括井架105、井架平臺(tái)110、絞車(chē)115(由鉆繩和動(dòng)滑輪(traveling block)示意性地加以表示)、吊鉤120、轉(zhuǎn)體125、方鉆桿(Kelly joint)130、旋轉(zhuǎn)臺(tái)135、鉆桿柱(drill string)140、鉆環(huán)145、一或多個(gè)LWD工具150以及鉆頭155。由泥漿輸送管路(未在圖中加以顯示)把泥漿注入轉(zhuǎn)體。泥漿穿越方鉆桿130、鉆桿柱140、鉆環(huán)145以及一或多個(gè)LWD工具150，并且通過(guò)鉆頭155中的噴射器或噴嘴射出。然后，泥漿向上流至鉆桿柱和鉆孔160的壁之間的環(huán)形套筒。泥漿返回管路165把泥漿從鉆孔160返回，并且使其循環(huán)至泥漿池(未在圖中加以顯示)，然后回到泥漿輸送管路(未在圖中加以顯示)。鉆環(huán)145、一或多個(gè)LWD工具150以及鉆頭155的組合被稱(chēng)為底孔組件(bottomholeassembly)(或“BHA”)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，鉆桿柱由包括BHA元件在內(nèi)的從地球表面到鉆頭的所有管狀元件構(gòu)成。在旋轉(zhuǎn)鉆探過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)臺(tái)135可以向鉆桿柱提供旋轉(zhuǎn)，或者作為選擇，鉆桿柱也可經(jīng)由頂驅(qū)動(dòng)組件被旋轉(zhuǎn)。此處所使用的術(shù)語(yǔ)“耦接”，意味著間接或直接連接。于是，如果把第一設(shè)備耦接于第二設(shè)備，則該連接可以是通過(guò)直接連接，或者是通過(guò)經(jīng)由其它設(shè)備和連接的間接電連接。
沿鉆桿柱140分布多個(gè)井下傳感器模塊和井下可控元件模塊170，這一分布依賴于傳感器的類(lèi)型或井下可控元件的類(lèi)型。在鉆環(huán)145或LWD工具中放置其它井下傳感器模塊和井下可控元件模塊175。把另外的井下傳感器模塊和井下可控元件模塊180放置在鉆頭180中。并入井下傳感器模塊中的井下傳感器，如以下所討論的，包括聲傳感器、磁傳感器、重力場(chǎng)傳感器、陀螺儀、測(cè)徑器、電極、伽馬射線檢測(cè)器、密度傳感器、中子傳感器、傾斜儀(dipmeter)、阻力傳感器、成像傳感器、鉆壓傳感器、鉆扭矩傳感器、鉆彎矩傳感器、振動(dòng)傳感器、旋轉(zhuǎn)傳感器、鉆進(jìn)速率傳感器(或WOB、TOB、BOB、振動(dòng)傳感器、旋轉(zhuǎn)傳感器或沿鉆桿柱分布的鉆進(jìn)速率傳感器)，以及在測(cè)井和鉆井中有用的其它傳感器。并入在井下可控元件模塊中的井下可控元件，如以下所討論的，包括變換器(transducer)，例如聲變換器，或其它形式的發(fā)射器，例如X射線源、伽馬射線源以及中子源；以及傳動(dòng)裝置，例如閥、端口、制動(dòng)器、離合器、推進(jìn)器、緩沖節(jié)、可擴(kuò)展穩(wěn)定器、可擴(kuò)展卷軸、可擴(kuò)展尺等。為了清楚起見(jiàn)，就此處之目的而言，即使未并入主動(dòng)源(active source)的傳感器模塊也可被視為可控制元件。以上以及整個(gè)說(shuō)明書(shū)所討論的許多傳感器的優(yōu)選實(shí)施例可以包括可控的采集屬性，諸如過(guò)濾參數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍、放大、衰減、分辨率、采集的時(shí)間窗口或數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)數(shù)、采集的數(shù)據(jù)速率、平均、或數(shù)據(jù)采集與相關(guān)參數(shù)(例如方位)的同步性。對(duì)這樣的參數(shù)的控制和改變提高了單個(gè)測(cè)量的質(zhì)量，并且提供了豐富得多的數(shù)據(jù)集以供改進(jìn)的解釋。另外，任何特定傳感器模塊進(jìn)行通信的方式也可以為可控的。可以特意控制通信媒體(以下所討論的)上特定傳感器模塊的數(shù)據(jù)速率、分辨率、次序、優(yōu)先級(jí)或其它通信參數(shù)。就此處之目的而言，在這一情況下，也把傳感器視為受控元件。
傳感器模塊和井下可控元件模塊通過(guò)通信媒體190與地面實(shí)時(shí)處理器185進(jìn)行通信。通信媒體可以為導(dǎo)線、電纜、波導(dǎo)、光纖或允許高數(shù)據(jù)速率的任何其它媒體。通信媒體190上的通信可以呈例如使用Ethernet的網(wǎng)絡(luò)通信形式，其中可以單獨(dú)地或成組地對(duì)每一傳感器模塊和井下可控元件模塊進(jìn)行尋址。作為選擇，通信也可以為點(diǎn)到點(diǎn)。無(wú)論采取何種形式，通信媒體190均在鉆孔160中的設(shè)備和一或多個(gè)地面實(shí)時(shí)處理器之間提供高速數(shù)據(jù)通信。優(yōu)選地，通信和尋址協(xié)議屬于計(jì)算強(qiáng)度不大的協(xié)議類(lèi)型，以便驅(qū)動(dòng)相對(duì)最少的、專(zhuān)門(mén)用于井下通信和尋址功能的硬件需求，如以下進(jìn)一步加以討論的。
地面實(shí)時(shí)處理器185可以經(jīng)由通信媒體190或經(jīng)由另一種路由(route)與地面?zhèn)鞲衅髂K和地面可控元件模塊195進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。并入地面?zhèn)鞲衅髂K的地面?zhèn)鞲衅?，如以下所討論的，可以包括例如吊鉤負(fù)載(用于鉆壓)傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器。并入地面可控元件模塊的地面可控元件，如以下所討論的，可以包括例如針對(duì)絞車(chē)115和旋轉(zhuǎn)臺(tái)135的控制。
地面實(shí)時(shí)處理器185還可以包括終端197，終端197可具有從啞終端(dumb terminal)的能力到工作站的能力范圍的各種能力。終端197允許用戶與地面實(shí)時(shí)處理器185進(jìn)行交互，終端197可以位于地面實(shí)時(shí)處理器185的本地，也可以被遠(yuǎn)程地放置并且經(jīng)由電話、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星、因特網(wǎng)、另外的網(wǎng)絡(luò)或者它們的任意組合與地面實(shí)時(shí)處理器185進(jìn)行通信。
油井鉆探裝備還可以包括電源198。圖1中示出電源198為模糊地放置以表達(dá)這樣的想法可以把電源(a)與地面處理器一起放置在地面上；(b)放置在鉆孔中；(c)沿鉆桿柱加以分布；或采用這些配置的一個(gè)組合。如果處于在地面上，則電源可以為局部電網(wǎng)(local power grid)、發(fā)電機(jī)或電池。如果其處于鉆孔中，則電源可以為交流發(fā)電機(jī)，其可用于將流過(guò)鉆桿柱的泥漿流中的能量轉(zhuǎn)換成電能，或者其也可以是一或多個(gè)電池或其它的能量存儲(chǔ)設(shè)備?？梢允褂媚酀{流或者由用于例如設(shè)置彈簧的壓力差驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)在井下生成電能。
如圖2中的系統(tǒng)的邏輯示意圖所說(shuō)明的，高速通信媒體190提供地面?zhèn)鞲衅骱涂煽卦?95、和/或井下傳感器模塊和可控元件模塊170、175、180、地面實(shí)時(shí)處理器185之間的高速通信。在某些情況下，來(lái)自一個(gè)井下傳感器模塊或可控元件模塊215的通信可以通過(guò)另一個(gè)井下傳感器模塊或井下可控元件模塊220加以中繼。這兩個(gè)井下傳感器模塊或井下可控元件模塊215和220之間的鏈接可以為通信媒體190的一部分。相類(lèi)似，來(lái)自一個(gè)地面?zhèn)鞲衅髂K或地面可控元件模塊205的通信可以通過(guò)另一個(gè)地面?zhèn)鞲衅髂K或地面可控元件模塊210加以中繼。這兩個(gè)地面?zhèn)鞲衅髂K或地面可控元件模塊205和210之間的鏈接可以為通信媒體190的一部分。
高速通信媒體190可以為單個(gè)的通信路徑，或者其可以是一個(gè)以上的的通信路徑。例如，一個(gè)通信路徑例如電纜連接可以把地面?zhèn)鞲衅骱涂煽卦K195連接到地面實(shí)時(shí)處理器185。另一個(gè)通信路徑例如導(dǎo)線管路可以把井下傳感器和可控元件170、175、180連接到地面實(shí)時(shí)處理器185。
圖2中的通信媒體190標(biāo)有“高速”字樣。這一指示表示通信媒體190按足以允許基于來(lái)自地面?zhèn)鞲衅骱偷孛婵煽卦男盘?hào)通過(guò)地面實(shí)時(shí)處理器185對(duì)地面可控元件和井下可控元件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的速度，例如有線速度(wire-speed)，來(lái)操作?？傮w上講，高速通信媒體190按比泥漿遙測(cè)、聲音遙測(cè)或電磁(EM)遙測(cè)所提供的速率大的速率提供通信。在某些實(shí)例系統(tǒng)中，由導(dǎo)線管路提供高速通信，導(dǎo)線管路在提交本申請(qǐng)時(shí)能夠以高達(dá)約1兆比特/秒的速率傳輸數(shù)據(jù)。未來(lái)可預(yù)期得到高得多的數(shù)據(jù)率，這也落入本公開(kāi)的內(nèi)容和所附權(quán)利要求的范圍。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，通信路徑各段之間的機(jī)械連接、尋址和其它開(kāi)銷(xiāo)功能、以及其它實(shí)際實(shí)現(xiàn)因素可能相對(duì)于理想兆比特實(shí)質(zhì)地降低所獲得的實(shí)際數(shù)據(jù)率。只要有效的數(shù)據(jù)傳輸速率實(shí)質(zhì)地高于通過(guò)泥漿、聲音以及EM遙測(cè)可得的數(shù)據(jù)傳輸速率(即實(shí)質(zhì)地高于10～100Hz)，以及足以滿足此處所考慮的新的測(cè)量和控制目的，則對(duì)本申請(qǐng)的目的而言，它們被視為“高速”的。對(duì)于此處所考慮的許多測(cè)量和控制目的，1000Hz的數(shù)據(jù)速率將滿足這些要求。同樣，此處用于描述各種處理的術(shù)語(yǔ)“實(shí)時(shí)”旨在把某一操作和語(yǔ)境(contextual)定義與某些特定處理相關(guān)聯(lián)，從而處理步驟能夠充分及時(shí)地協(xié)助此處所關(guān)注的具體新測(cè)量或控制處理。例如，在按每分鐘120轉(zhuǎn)(120 PRM)旋轉(zhuǎn)鉆管以及改進(jìn)的測(cè)量處理規(guī)定了5度方位角分辨率的的情境下，在對(duì)于該5度旋轉(zhuǎn)的1/144秒期間的情境下處理步驟的“實(shí)時(shí)”系列將充分及時(shí)地發(fā)生。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，把來(lái)自傳感器的輸出按某一特定順序傳送到地面實(shí)時(shí)處理器，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，傳感器的輸出向地面實(shí)時(shí)處理的傳輸是響應(yīng)于地面實(shí)時(shí)處理器185對(duì)特定傳感器的尋址查詢而進(jìn)行的。相類(lèi)似，可以順序進(jìn)行或單個(gè)地尋址可控元件模塊的輸出。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，傳感器和地面實(shí)時(shí)處理器之間的通信經(jīng)由傳輸控制協(xié)議(TCP)、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)、或用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)。通過(guò)使用這些協(xié)議中的一或多個(gè)協(xié)議，可以把地面實(shí)時(shí)處理器本地設(shè)置在鉆井的表面，或者遠(yuǎn)程地設(shè)置在地面的任何位置。
圖2以幾種方式說(shuō)明了電源198，用標(biāo)號(hào)電源198A...E指示。例如，電源198A可以與地面實(shí)時(shí)處理器185一起位于地面，并且可以把電力提供給地面實(shí)時(shí)處理器185。另外，電源198A還可以把電力從地面提供給位于地面或接近于地面或遍及整個(gè)鉆孔的其它油井鉆探裝備。可以經(jīng)由電線或經(jīng)由高能量光纖電纜，利用位于要傳遞電力的位置處的電力轉(zhuǎn)換器，從該地面提供電力。
電源198B可以與單個(gè)地面?zhèn)鞲衅骰蚩煽卦K185處于同一位置，并且向該單個(gè)地面?zhèn)鞲衅骰蚩煽卦K185提供電力。作為選擇，電源198C可以與一個(gè)地面?zhèn)鞲衅骱涂煽卦K185處于同一位置，并且向一個(gè)以上的地面?zhèn)鞲衅骰蚩煽卦K185提供電力。
類(lèi)似地，電源198D可以與單個(gè)井下傳感器或可控元件模塊185處于同一位置，并且向該單個(gè)井下傳感器或可控元件模塊185提供電力。作為選擇，電源198E可以與一個(gè)井下傳感器和可控元件模塊185處于同一位置，并且向一個(gè)以上的井下傳感器或可控元件模塊185提供電力。
圖3中說(shuō)明的一種用于使用從井下傳感器和地面?zhèn)鞲衅魉占臄?shù)據(jù)在鉆探操作的同時(shí)對(duì)井下和地面測(cè)井進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的總的系統(tǒng)包括一或多個(gè)井下傳感器模塊305和一或多個(gè)地面?zhèn)鞲衅髂K310。從一或多個(gè)井下傳感器模塊305收集原始數(shù)據(jù)，并且將其發(fā)送于地面(框315)，其中可以將其存儲(chǔ)在地面原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器320中。相類(lèi)似，從一或多個(gè)地面?zhèn)鞲衅髂K310收集原始數(shù)據(jù)，并且可以將其存儲(chǔ)在地面原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器320中。地面原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器320可以為諸如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)的瞬時(shí)存儲(chǔ)器，也可以為諸如只讀存儲(chǔ)器(ROM)或磁或光存儲(chǔ)媒體的永久存儲(chǔ)器。
然后，實(shí)時(shí)地處理來(lái)自地面原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器320的原始數(shù)據(jù)(框325)，并且把處理過(guò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面處理過(guò)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器330中。處理過(guò)的數(shù)據(jù)用于生成控制命令(框335)。在某些情況下，該系統(tǒng)通過(guò)例如終端197向用戶340提供顯示，用戶340可影響控制命令的生成?？刂泼钣糜诳刂凭驴煽卦?45和/或地面可控元件350。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在原始數(shù)據(jù)的處理期間或之后，例如通過(guò)實(shí)時(shí)處理器185自動(dòng)地生成控制命令，并且控制命令用于控制井下可控元件345和/或地面可控元件350。
在許多情況下，控制命令會(huì)引起變化，或影響井下傳感器和/或地面?zhèn)鞲衅魉鶛z測(cè)的內(nèi)容，并且因而影響它們所產(chǎn)生的信號(hào)。從傳感器通過(guò)實(shí)時(shí)處理器到可控元件并且然后返回到傳感器的這一控制回路，允許在鉆探操作的同時(shí)對(duì)測(cè)井進(jìn)行智能控制。在許多情況下，如以下所描述的，控制回路的適當(dāng)操作要求高速的通信媒體和實(shí)時(shí)地面處理器。
一般情況下，高速通信媒體190允許把數(shù)據(jù)傳送到地面，其中可以由地面實(shí)時(shí)處理器185對(duì)其加以處理。地面實(shí)時(shí)處理器185進(jìn)而可以產(chǎn)生能夠被至少傳送到井下傳感器和井下可控元件的命令，以影響鉆探裝備的操作。地面實(shí)時(shí)處理器185可以為各種通用處理器或微處理器(例如由Intel公司制造的Pentium系列)、專(zhuān)用處理器、精減指令集計(jì)算機(jī)(RISC)處理器、甚至專(zhuān)門(mén)編程的邏輯設(shè)備中的任何一種。實(shí)時(shí)處理器可以包括基于單個(gè)微處理器的計(jì)算機(jī)，或者具有多個(gè)微處理器的功能更強(qiáng)大的機(jī)器，或者可以包括通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接在一起的多個(gè)處理器元件，其中的任何一個(gè)或全部均可以位于鉆探操作位置本地或遠(yuǎn)處。
把處理移至地面并且消除大量(如果并非全部的話)井下處理工作使得可以在某些情況下減少鉆桿柱的直徑從而產(chǎn)生比不如此做的情況的直徑小的井身，這將是合理的。這允許把給定的一套井下傳感器(以及它們的相關(guān)工具或其它設(shè)備)用于范圍更廣的各種應(yīng)用與市場(chǎng)。
另外，把大量(如果不是全部的話)處理工作放置在地面減少了在鉆井時(shí)所面臨的嚴(yán)酷環(huán)境中操作的溫度敏感部件的數(shù)目。很少有部件能夠在高溫(例如約200℃以上)下可周，并且這些部件的設(shè)計(jì)與測(cè)試是十分昂貴的。因此，希望使用盡可能少的高溫部件。
另外，把大量(如果不是全部的話)處理工作放置在地面提高了井下工具設(shè)計(jì)的可靠性，這是因?yàn)榇嬖谳^少的井下部件。而且，這樣的設(shè)計(jì)還允許把一些公共元件并入傳感器陣列中。一些部件的這一較大量的使用導(dǎo)致這些部件成本的降低。
圖4中所說(shuō)明的實(shí)例傳感器模塊400至少包括一或多個(gè)傳感器設(shè)備405以及到通信媒體的接口410(將關(guān)于圖6和7更詳細(xì)地對(duì)其加以描述)。在大多數(shù)情況下，每個(gè)傳感器設(shè)備405的輸出是模擬信號(hào)，并且通常到通信媒體的接口410是數(shù)字的。提供了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)415以進(jìn)行這一轉(zhuǎn)換。如果傳感器設(shè)備405產(chǎn)生數(shù)字輸出，或者如果到通信媒體的接口410可以通過(guò)通信媒體190傳送模擬信號(hào)，則ADC 415是不必要的。
也可以包括微控制器420。如果被包括，則微控制器420管理實(shí)例傳感器模塊400中的某些或全部其它設(shè)備。例如，如果傳感器設(shè)備405具有一或多個(gè)可控參數(shù)，諸如頻率響應(yīng)或靈敏度，則微控制器420可以被編程來(lái)控制這些參數(shù)。該控制可以基于包括在附接于微控制器420的存儲(chǔ)器中的程序設(shè)計(jì)而是獨(dú)立的；或者該控制可以是通過(guò)高速通信媒體190和到通信媒體的接口410而被遠(yuǎn)程地提供的。作為選擇，如果微控制器420不存在，則可以通過(guò)高速通信媒體190和到通信媒體的接口410提供相同類(lèi)型的控制。微控制器(如果包括的話)可以另外地處理具體傳感器或其它設(shè)備的尋址以及到高速通信媒體的接口。微控制器，諸如來(lái)自Microchip(微芯片)技術(shù)公司的PICmicro系列微控制器的成員，具有有限的(與先前所描述的實(shí)時(shí)處理器相比)，但適合于此處所給出的有限井下控制目的之能力，能夠進(jìn)行高效組裝(package)和高溫操作。
傳感器模塊400還可以包括方位傳感器425，方位傳感器425產(chǎn)生與傳感器模塊400的方位方向相關(guān)的輸出，如果把傳感器模塊耦接于鉆桿柱，則該輸出可能與鉆桿柱的方向相關(guān)。微控制器420(如果存在的話)編譯來(lái)自方位傳感器425的數(shù)據(jù)，并且通過(guò)到通信媒體的接口410和高速通信媒體190把數(shù)據(jù)發(fā)送至地面。在把來(lái)自方位傳感器425的數(shù)據(jù)提交于微控制器420之前，可能需要對(duì)其數(shù)字化。如果這樣，則將為此目的而包括一或多個(gè)額外的ADC(未示出)。在地面上，地面處理器185把方位信息和與傳感器模塊400的深度相關(guān)的其它信息相組合，以標(biāo)識(shí)地球上傳感器模塊400的位置。當(dāng)編譯了該信息時(shí)，地面處理器(或另外的處理器)可以編譯出傳感器模塊400所測(cè)量的具體鉆孔參數(shù)的良好地圖(map)。
傳感器模塊400還可以包括陀螺儀430，陀螺儀430可以提供真實(shí)的地理定位信息，而不僅僅是方位傳感器425所提供的磁定位信息。作為選擇，沿鉆管所設(shè)置的一或多個(gè)陀螺儀或磁強(qiáng)計(jì)可以提供陀螺儀每一位置處的鉆管的角速度。按與上述對(duì)來(lái)自方位傳感器的方位信息的處理方式相同的方式，處理來(lái)自陀螺儀的信息。傳感器模塊400還可以包括一或多個(gè)加速度計(jì)。這些加速度計(jì)用于補(bǔ)償陀螺儀的移動(dòng)，并且用于提供指示勘測(cè)工具的傾斜和重力工具面(tool face)的指示信息。
圖5中的所示的實(shí)例可控元件模塊500至少包括致動(dòng)器505和/或一或多個(gè)發(fā)送器設(shè)備510以及到通信媒體的接口515。致動(dòng)器505是上述致動(dòng)器之一，并且可以通過(guò)施加來(lái)自例如微控制器520的信號(hào)而被激活(activate)，微控制器520在功能上類(lèi)似于圖4中所示的微控制器420。發(fā)送器設(shè)備是一種響應(yīng)于模擬信號(hào)的施加而傳輸某種形式的能量的設(shè)備。發(fā)送器設(shè)備的一個(gè)實(shí)例是壓電聲音發(fā)送器，其通過(guò)使壓電晶體變形而把模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲能。在圖5中所示的實(shí)例可控元件模塊500中，微控制器520生成要驅(qū)動(dòng)發(fā)送器設(shè)備510的信號(hào)。一般地，微控制器生成數(shù)字信號(hào)，而發(fā)送器設(shè)備是由模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。在這些例子中，需要數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(“DAC”)525把微控制器520的數(shù)字信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)發(fā)送器設(shè)備510的模擬信號(hào)。
實(shí)例可控元件模塊500可以包括方位傳感器530或陀螺儀535，它們與以上在傳感器模塊400的描述中所描述的類(lèi)似，或者實(shí)例可控元件模塊500可以包括傾斜傳感器、工具面?zhèn)鞲衅?、振?dòng)傳感器或間隙(standoff)傳感器。
到通信媒體的接口415、515可以采取各種形式?？傮w上講，到通信媒體的接口415、515是一種簡(jiǎn)單的通信設(shè)備和協(xié)議，例如通過(guò)(a)由耐高溫的離散部件，或者(b)由耐高溫的可編程邏輯設(shè)備(PLD)，或者(c)由耐高溫的、具有先前所討論的相關(guān)有限高溫存儲(chǔ)器模塊的微控制器來(lái)構(gòu)造。
到通信媒體的接口415、515可以呈圖6中所說(shuō)明的形式。在圖6中所示的例子中，到通信媒體的接口415、515包括通信媒體發(fā)送器605，其接收來(lái)自傳感器模塊400或可控元件模塊500中的數(shù)字信息，并且將其施加于總線610。通信接收器615接收來(lái)自總線的數(shù)字信息，并且將其提供給傳感器模塊400或可控元件模塊500的其余部分。通信媒體仲裁器620仲裁對(duì)該總線的訪問(wèn)。因此，可以通過(guò)包括Ethernet的各種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接方案以及含有通信媒體仲裁器620的其它網(wǎng)絡(luò)連接方案實(shí)現(xiàn)圖6中的配置。
然而，優(yōu)選地，到通信媒體的接口415、515是如圖所示的簡(jiǎn)單的設(shè)備。其包括Manchester(曼徹斯特)編碼器705和Manchester譯碼器710。Manchester編碼器接收來(lái)自傳感器模塊400或可控元件模塊500的數(shù)字信息，并且將其施加于總線715。Manchester譯碼器710從總線715取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并且將其提供于傳感器模塊400或可控元件模塊500。可以配置總線715，使得其連接到所有傳感器模塊400和所有可控元件模塊500，在這種情況下，應(yīng)該應(yīng)用沖突避免技術(shù)。例如，可以使用時(shí)分復(fù)用方案或頻分復(fù)用方案來(lái)復(fù)用來(lái)自各種傳感器模塊400和可控元件模塊500的數(shù)據(jù)。作為選擇，可以允許沖突，并且使用各種過(guò)濾技術(shù)在地面對(duì)它們進(jìn)行挑選?？梢员粦?yīng)用于到通信媒體的接口415、515的其它簡(jiǎn)單的通信協(xié)議包括離散多頻聲協(xié)議(Discrete Multitoneprotocol)和VDSL(極高速數(shù)字訂戶線路)CDMA(碼分多址)協(xié)議。
作為選擇，每一傳感器模塊400和每一可控元件模塊500可以使用例如多導(dǎo)線電纜的單個(gè)導(dǎo)線，或者多股光纜的單股而具有到地面的專(zhuān)門(mén)連接。
針對(duì)傳感器模塊400和可控元件模塊500的整個(gè)方案，是為了簡(jiǎn)化井下處理和通信元件，以及把復(fù)雜的處理和電子設(shè)備移至地面。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在遠(yuǎn)離鉆探環(huán)境的高溫設(shè)置的位置處，例如在鉆桿柱的地面端附近進(jìn)行復(fù)雜的處理。此處，我們使用術(shù)語(yǔ)“地面處理器”來(lái)指以上所定義的實(shí)時(shí)處理器。然而，盡管在許多情況下把實(shí)時(shí)處理器完全放置在地面是優(yōu)選的，但在某些應(yīng)用中把實(shí)時(shí)處理器的部分或全部放置在地面附近，但不必放置在地面，或者放置在海床上或者海床附近，不過(guò)在所有情況下遠(yuǎn)離高溫鉆探環(huán)境，可能是有利的。
可以把圖2和3中所說(shuō)明的方法施用于鉆探應(yīng)用時(shí)的測(cè)量或鉆探時(shí)的大量測(cè)井。例如，如圖8中所圖示的，可以把所述裝置和方法施用于鉆探時(shí)的聲測(cè)井(sonic logging)。例如，如圖8中所說(shuō)明的，聲傳感器模塊805A...M發(fā)射聲能，并且感測(cè)來(lái)自其中放置了傳感器模塊的鉆桿柱的周?chē)牡貙拥穆暷?，盡管在某些應(yīng)用中聲傳感器模塊805A...M并不發(fā)射能量。在這些情況下，所檢測(cè)的聲能是由另一個(gè)源諸如鉆孔中鉆頭的動(dòng)作而生成的。傳感器模塊產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)。把原始數(shù)據(jù)發(fā)送到地面(框315)，其中把原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器(框320)。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以確定其中放置了聲傳感器模塊805A...M的鉆桿柱的周?chē)牡貙又械牟ㄋ?框810)。
壓縮波速的實(shí)時(shí)測(cè)量利用井下硬件通常是可能的，但剪切(shear)波速的實(shí)時(shí)測(cè)量或其它井下模式的聲能傳播的測(cè)量要求顯著的分析。通過(guò)把原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地移至地面，可以應(yīng)用地面實(shí)時(shí)處理器185所提供的顯著能力。把得到的處理過(guò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面處理過(guò)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器330中。在某些情況下，實(shí)時(shí)分析將指示希望改變傳感器和發(fā)送器的操作頻率，以獲得更精確或不那么模糊的測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，對(duì)地面處理過(guò)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器330中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以判斷是否應(yīng)該改變聲發(fā)送器所使用的一或多個(gè)頻率(框815)。這一處理可以產(chǎn)生提供給聲發(fā)送器模塊820(如果它們用于生成聲能)和聲傳感器模塊805A...M的命令。此外，可以向用戶340提供說(shuō)明鉆探系統(tǒng)操作時(shí)的聲測(cè)井操作的顯示。該系統(tǒng)允許用戶提供修改該操作的命令。
可以把所述裝置與方法應(yīng)用于向前查找(look-ahead)/周?chē)檎?look-around)傳感器。向前查找傳感器旨在檢測(cè)鉆頭前面的地層屬性或地層屬性方面的變化，理想的情況是鉆頭前面數(shù)十英尺。這一信息對(duì)于鉆探?jīng)Q策很重要，例如及時(shí)地識(shí)別即將振動(dòng)(seismic)的范圍和可能的高壓區(qū)，以在鉆頭遇到這樣的區(qū)域之前采取預(yù)防措施(例如，減輕(weight up)泥漿)。周?chē)檎覀鞲衅靼堰@一概念引申到下一層面，不僅僅檢測(cè)緊在鉆頭緊前的屬性，而且還檢測(cè)各側(cè)(即徑向地)數(shù)十英尺范圍的屬性。周?chē)檎覀鞲衅鞲拍钐貏e適用于通過(guò)水平域的行駛(steer)，其中，上下的屬性甚至比鉆頭前面的屬性更重要，例如在穿越特定斷層石塊和其它結(jié)構(gòu)的地球物理行駛過(guò)程中。當(dāng)周?chē)檎覀鞲衅骶哂蟹轿荒芰r(shí)，它們是非常有用的，這意味著它們產(chǎn)生很大量的數(shù)據(jù)。由于這些數(shù)據(jù)的解釋的非唯一性，所以應(yīng)該在專(zhuān)家的幫助下，在地面對(duì)它們加以解釋?？傮w上講，已經(jīng)把兩種類(lèi)型的技術(shù)用于這樣的測(cè)量(采用這兩種技術(shù)的各種組合，例如在電震動(dòng)(electroseismics)中)(1)聲音向前查找/周?chē)檎?；以?2)電磁向前查找/周?chē)檎?包括鉆孔雷達(dá)傳感器)。收集來(lái)自向前查找/周?chē)檎覀鞲衅?05A...M的信息，并且將它們轉(zhuǎn)換為原始數(shù)據(jù)，該原始數(shù)據(jù)被發(fā)送到地面(框315)。把原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中(框320)，并且對(duì)它們加以解釋(框910)。把處理過(guò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面處理數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中(框330)，以及控制例如向前查找/周?chē)檎覀鞲衅?05A...M的頻率的處理(框915)，產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)該功能的必需命令。如前所述，該系統(tǒng)向用戶340提供顯示，并且接受來(lái)自用戶的命令。
由地面實(shí)時(shí)處理器185所執(zhí)行的數(shù)據(jù)解釋處理(框910)，允許解釋與處理來(lái)對(duì)聲和電磁波的反射和模式轉(zhuǎn)換進(jìn)行標(biāo)識(shí)。地面處理允許對(duì)向前查找/周?chē)檎覀鞲衅饕约跋嚓P(guān)的發(fā)送器進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。如果向前查找/周?chē)檎覀鞲衅?05A...M是聲音設(shè)備，則可以按每秒鐘5000個(gè)樣本量級(jí)的頻率對(duì)每一信道進(jìn)行取樣。假設(shè)存在著14個(gè)這樣的信道，并且把每個(gè)信道數(shù)字化為16個(gè)比特(一個(gè)非常保守的值)。則僅針對(duì)聲音信號(hào)的數(shù)據(jù)速率為每秒140K字節(jié)。大多數(shù)所提出的電磁系統(tǒng)操作略有不同，但都可達(dá)到相類(lèi)似的有效取樣率，而組合的系統(tǒng)(EM+聲音的)將要求更高的數(shù)據(jù)速率。對(duì)于某些實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，這些估計(jì)可會(huì)低一個(gè)以上的量級(jí)。為了明確標(biāo)識(shí)所有反射器的方向和相對(duì)深度，必須采集足夠的數(shù)據(jù)。在地面而不是在井下進(jìn)行處理，使得能夠進(jìn)行這一原始處理，視需要修改數(shù)據(jù)采集參數(shù)，而且還允許這些井下數(shù)據(jù)與地面數(shù)據(jù)以及已經(jīng)可得的解釋相結(jié)合，例如基于地面地震的地球模型。在地面使用這樣的數(shù)據(jù)源組合，可以進(jìn)行更好的解釋。
類(lèi)似地，如圖10中所示，可以使用傳感器和處理的類(lèi)似配置，實(shí)現(xiàn)鉆探時(shí)的磁共振。磁共振傳感器1005A...M生成原始數(shù)據(jù)，該原始數(shù)據(jù)被數(shù)字化并且傳輸?shù)降孛?框320)。由于可得于高速通信媒體190的高數(shù)據(jù)率，傳輸于地面的原始數(shù)據(jù)可以代表整個(gè)所接收的波形而不是縮減的波形。把原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中(框320)。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(框1010)，這一分析可能具有高于傳統(tǒng)的精度，這是因?yàn)榻邮盏酱碚麄€(gè)波的原始數(shù)據(jù)，并且把處理過(guò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面處理過(guò)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中(框330)。在330處存儲(chǔ)在地面處理過(guò)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中的數(shù)據(jù)被進(jìn)一步地處理，以確定如何最好地調(diào)整所傳輸?shù)牟?框1015)。用于調(diào)整所傳輸?shù)牟ǖ奶幚?框1015)向用戶340提供顯示，并且接收用于修改調(diào)整所傳輸?shù)牟ǖ奶幚淼摹?lái)自用戶的命令(框1015)。用于調(diào)整所傳輸?shù)牟ǖ奶幚?框1015)產(chǎn)生被發(fā)送到磁共振傳感器1005A...M的、修改磁共振傳感器的性能特性的命令。
可以隨鉆探力學(xué)傳感器一起使用同樣的裝置與方法，如圖11中所圖示的。把鉆探力學(xué)傳感器1105A...M放置在鉆探裝備的不同的位置，包括放置在鉆機(jī)、鉆桿柱以及底孔組件(“BHA”)中。從鉆探力學(xué)傳感器1105A...M收集原始數(shù)據(jù)，并且將它們發(fā)送到地面(框315)。把原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中(框320)。對(duì)地面原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(框1110)，以產(chǎn)生處理過(guò)的數(shù)據(jù)，將處理過(guò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面處理過(guò)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中(框330)。地面處理過(guò)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中的數(shù)據(jù)被進(jìn)一步處理，以確定應(yīng)該對(duì)鉆探裝備進(jìn)行的調(diào)整(框1115)。調(diào)整鉆探裝備的處理(框1115)向用戶340提供顯示，然后用戶340可以向調(diào)整鉆探裝備的處理(框1115)提供命令。調(diào)整鉆探裝備的處理(框1115)提供用于調(diào)整井下可控鉆井裝備1120和地面可控鉆井裝備1125的命令。
鉆探力學(xué)傳感器可以是加速計(jì)、應(yīng)變儀、壓力變換器、以及磁力計(jì)，并且可以把它們放置在沿鉆桿柱的不同位置。把來(lái)自這些井下鉆探力學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)提供給地面實(shí)時(shí)處理器185允許實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制在沿鉆桿柱的任何一個(gè)所希望的點(diǎn)鉆探動(dòng)力學(xué)特征。這一連續(xù)的監(jiān)視，允許對(duì)鉆探參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化鉆探過(guò)程和/或減小對(duì)井下裝備的磨損。
井下鉆探力學(xué)傳感器還可以包括一或多個(gè)間隙變換器(standofftransducer)，間隙變換器通常為高頻(250KHz到1MHz)聲發(fā)射器。典型地，間隙變換器既發(fā)送聲音信號(hào)，也接收聲音信號(hào)。從聲音信號(hào)的發(fā)送到聲音信號(hào)的接收的這一時(shí)間間隔，是對(duì)間隙的指示。由于鉆孔的無(wú)規(guī)則性、來(lái)自開(kāi)鑿的干擾以及稱(chēng)為“跳周(cycle skipping)”的現(xiàn)象(其中，破壞性的干擾阻止來(lái)自聲發(fā)射地返回被檢測(cè))，對(duì)來(lái)自間隙變換器的數(shù)據(jù)的解釋可能是不明確的。替代地檢測(cè)到來(lái)自相繼周期的發(fā)射，從而導(dǎo)致射程測(cè)量的錯(cuò)誤時(shí)間以及因而的錯(cuò)誤間隙測(cè)量。把來(lái)自井下鉆探力學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鎮(zhèn)鬏敂?shù)據(jù)允許對(duì)數(shù)據(jù)的更徹底的分析，以減小跳周和這樣的處理的其它異常結(jié)果的影響。
井下鉆探力學(xué)傳感器還可以包括鉆孔成像設(shè)備，鉆孔成像設(shè)備可以是聲音、電磁(電阻和/或電介)的，或者它們可以使用中子或伽瑪射線成像。與鉆桿柱動(dòng)力學(xué)傳感器和鉆孔間隙傳感器相結(jié)合，對(duì)這一數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的解釋。使用這樣的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)間隙、泥漿密度、以及對(duì)由井下鉆探力學(xué)傳感器和其它傳感器所檢測(cè)的鉆探參數(shù)的補(bǔ)償，可以使圖像變得清晰。可以把所得到的清晰的數(shù)據(jù)用于對(duì)地層深度的更好的估計(jì)。
因此，來(lái)自間隙傳感器的鉆孔圖像和數(shù)據(jù)不僅用于其自身的地層估計(jì)，而且在處理來(lái)自其它鉆探力學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)中也是有用的。
可以隨井下測(cè)繪儀器一起使用所述系統(tǒng)與方法，如圖12中所說(shuō)明的。把來(lái)自井下測(cè)繪儀器1205A...M的原始數(shù)據(jù)發(fā)送到地面(框315)，并且將它們存儲(chǔ)在地面原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中(框320)。然后，使用原始數(shù)據(jù)確定各井下測(cè)繪儀器1205A...M的位置(框1210)。把處理過(guò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面處理過(guò)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中(框330)。調(diào)整鉆探裝備的處理(框1215)使用所述數(shù)據(jù)，其中調(diào)整潛在地影響鉆探的軌跡。調(diào)整鉆探裝備的處理可以產(chǎn)生提供于用戶340的顯示。用戶340可以輸入被處理接受來(lái)調(diào)整鉆探裝備并且用于其處理工作中。調(diào)整鉆探裝備的處理(框1215)產(chǎn)生用于井下可控鉆井裝備1220和地面可控鉆井裝備1225的命令。
這樣的井下測(cè)繪儀器和實(shí)時(shí)地面數(shù)據(jù)處理的使用提高了可以測(cè)量井下位置的精度。甚至使用完美的測(cè)繪工具(即不產(chǎn)生錯(cuò)誤的測(cè)量的測(cè)繪工具)可得的位置準(zhǔn)確性是進(jìn)行測(cè)繪的空間頻度的函數(shù)。即使使用完美的測(cè)繪工具，所得到的測(cè)繪結(jié)果也將包含錯(cuò)誤，除非連續(xù)地進(jìn)行測(cè)繪和連續(xù)地進(jìn)行解釋。由于認(rèn)識(shí)到比每厘米一次更高的頻率進(jìn)行的測(cè)繪的空間頻度對(duì)測(cè)繪的精度幾乎沒(méi)有影響，所以建議對(duì)連續(xù)的測(cè)繪進(jìn)行實(shí)際的折衷。高速通信媒體190和地面實(shí)時(shí)處理器185提供了非常高的數(shù)據(jù)速率遙測(cè)，并且允許按這一速率進(jìn)行測(cè)繪和解釋。另外，當(dāng)極高數(shù)據(jù)率遙測(cè)可得時(shí)，也可以使用其它類(lèi)型的測(cè)繪儀器。特別是，如以上針對(duì)圖4和5所討論的那樣的幾種類(lèi)型的陀螺儀可以在井下使用。
在實(shí)時(shí)壓力測(cè)量中可以應(yīng)用同樣的裝置和方法，如圖13所示。把來(lái)自壓力傳感器1305A...M的原始數(shù)據(jù)發(fā)送到地面(框315)，其中把該原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中(框320)。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以標(biāo)識(shí)在例如沿鉆桿柱或鉆孔中的某一特定點(diǎn)處的壓力特性，或者刻畫(huà)沿整個(gè)鉆桿柱或在整個(gè)鉆孔中的壓力分布(框310)。有關(guān)這些壓力參數(shù)的處理過(guò)的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在地面處理過(guò)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中(框330)，對(duì)存儲(chǔ)在地面處理過(guò)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中的數(shù)據(jù)(框330)進(jìn)行處理，以對(duì)壓力參數(shù)做出反應(yīng)(框1315)。把顯示提供給用戶340，用戶340然后可以發(fā)布影響系統(tǒng)如何響應(yīng)壓力參數(shù)的命令。對(duì)壓力參數(shù)做出反應(yīng)的處理(框1315)產(chǎn)生針對(duì)井下可控鉆井裝備1320和地面可控鉆井裝備1325的命令。
可能來(lái)自沿鉆桿柱的眾多位置的、實(shí)時(shí)壓力測(cè)量的這一近乎即時(shí)傳送，使得鉆孔和鉆探裝備特性諸如泄漏測(cè)試、流通密度的實(shí)時(shí)確定、以及根據(jù)壓力測(cè)量所確定的其它參數(shù)的眾多實(shí)時(shí)測(cè)量成為可能。
可以把所述裝置與方法用于提供對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)聯(lián)合反演(joint inversion)，如圖14中所說(shuō)明的。收集來(lái)自各種類(lèi)型的井下傳感器1405A...M的數(shù)據(jù)，并且將它們發(fā)送至地面(框315)，在該地面處把這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中(框320)，其中井下傳感器1405A...M可以包括任何以上所描述的傳感器或用于油井鉆探和測(cè)井的其它傳感器。對(duì)來(lái)自地面原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器的數(shù)據(jù)(框320)進(jìn)行處理，以聯(lián)合反演這些數(shù)據(jù)，如以下所描述的(框1410)。注意，聯(lián)合反演僅僅是可針對(duì)這些數(shù)據(jù)加以執(zhí)行的處理的類(lèi)型的一個(gè)例子，也可以把其它的分析、計(jì)算或信號(hào)處理施用于這些數(shù)據(jù)。把得到的所處理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面處理過(guò)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中(框330)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步加以處理，以調(diào)整井模型(框1415)。調(diào)整井模型的處理(框1415)向用戶340提供顯示，并且從用戶340接收影響如何調(diào)整井模型的命令。用于調(diào)整井模型(框1415)的處理產(chǎn)生施用于井模型的1420的修改?？梢园丫Ｐ?420用于對(duì)鉆探的規(guī)劃以及相繼的操作中，并且可以將其用于調(diào)整當(dāng)前進(jìn)行的或即將進(jìn)行的鉆探的規(guī)劃以及相繼的操作中。
如果通過(guò)下列關(guān)系由N個(gè)變量x1，x2，...，xN的N個(gè)函數(shù)f1，f2，...，fN把變量v1，v2，...，vN相關(guān)聯(lián)v1v2……vN=f1(x1,x2,…,xN)f2(x1,x2,…,xN)……fN(x1,x2,…,xN)]]>則把根據(jù)v1，v2，...，vN的給定值和已知函數(shù)f1，f2，...，fN確定x1，x2，...，xN的具體值的過(guò)程稱(chēng)為聯(lián)合反演。找到具體函數(shù)g1，g2，...，gN(如果它們存在的話)以便下列矩陣成立的處理，也稱(chēng)為聯(lián)合反演x1x2……xN=g1(v1,v2,…,vN)g2(v1,v2,…,vN)……gN(v1,v2,…,vN)]]>以便對(duì)于1≤k≤N，(v1，v2，...，vN)＝gk(fk(v1，v2，...，vN))代數(shù)地、有時(shí)數(shù)值地、有時(shí)使用雅可比(Jacobian)變換、更一般地使用這些技術(shù)的組合執(zhí)行這一處理。
反演的更一般的類(lèi)型的確是可能的，其中v1v2……vN=f1(x1,x2,…,xM)f2(x1,x2,…,xM)……fN(x1,x2,…,xM)]]>其中，M＞N
但在這一情況下，不存在唯一的函數(shù)集合g1，g2，...，gM。
從不同類(lèi)型傳感器所收集的數(shù)據(jù)的這樣的聯(lián)合反演，提供了一種對(duì)地層參數(shù)進(jìn)行全面分析的能力。傳統(tǒng)上，對(duì)來(lái)自MWD或LWD鉆桿柱中每一傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)的解釋。盡管這是有用的，但是對(duì)于整套測(cè)量和整套傳感器來(lái)說(shuō)，難以使用適當(dāng)?shù)念l率進(jìn)行測(cè)量以支持地層特性的全面分析。使用圖14中所說(shuō)明的系統(tǒng)，測(cè)量實(shí)時(shí)可得，而且可以將信息組合，以提供諸如以下的解釋1.作為深入地層的深度的函數(shù)的阻力(通過(guò)頻率掃描、按多軸和/或方位間隔或脈沖測(cè)量)；2.地層床的厚度(通過(guò)不同類(lèi)型測(cè)井的聯(lián)合去卷積)；3.地層的無(wú)機(jī)成份(例如，交叉標(biāo)繪多測(cè)量)。
另外，由于傳感器模塊400和可控元件模塊500可以包括局部方位和/或位置報(bào)告機(jī)制(即方位傳感器425和530以及陀螺儀430和535)，所以可以把方向偏離的檢測(cè)建入以上所描述的地層估計(jì)和機(jī)械傳感器(經(jīng)由循環(huán)或螺旋陣列中單獨(dú)詢問(wèn)的傳感器模塊和/或經(jīng)由通過(guò)鉆管旋轉(zhuǎn)的單個(gè)傳感器模塊)，并且包括關(guān)于地層估計(jì)或機(jī)械傳感器設(shè)置或索引的絕對(duì)或相對(duì)方向傳感器。因此，所有地層估計(jì)和機(jī)械數(shù)據(jù)都伴隨有實(shí)時(shí)方位信息。按例如120赫茲的感知頻率，并且按120RPM旋轉(zhuǎn)，這將提供6度的方位分辯率。使用陀螺儀，不管鉆桿柱進(jìn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn))和鉆頭回彈運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)如何(應(yīng)遠(yuǎn)低于100Hz)，井身中的傳感器位置也將是高可分辨的。
另外，使用某些類(lèi)型的(例如電磁的或聲音的)傳感器的陣列，可以以陣列的最大敏感度綜合操縱方向，從而能夠把方位測(cè)量的采集率與傳感器封裝的旋轉(zhuǎn)速率相分離(decouple)。這樣的測(cè)量要求迅速地和接近同時(shí)地從形成陣列的所有傳感器取樣。
利用位于鉆桿柱和底孔組件中的各種位置的各傳感器模塊和各可控元件模塊可得的實(shí)時(shí)和隨時(shí)方位和/或位置索引使得增強(qiáng)的地層和鉆探過(guò)程解釋和模型校正、以及實(shí)時(shí)控制動(dòng)作成為可能。作為本發(fā)明的這一實(shí)施例或其它實(shí)施例的結(jié)果的此處和一般意義下的這樣的實(shí)時(shí)控制動(dòng)作可經(jīng)由從處理器發(fā)送至傳感器或其它可控元件的控制信號(hào)而被直接執(zhí)行。但在其它實(shí)施例中，可以把地面處理器處可得的數(shù)據(jù)、或相關(guān)的解釋、顯像、近似值、或閾值/設(shè)置點(diǎn)報(bào)警或警報(bào)提供給終端(在本地或不在本地)處的人類(lèi)用戶，然后用戶進(jìn)行這樣的實(shí)時(shí)控制決定，并且通過(guò)控制信號(hào)，或者通過(guò)手工動(dòng)作(他自己的或其它人的)指示改變特定的傳感器或受控的元件。
以上所述的傳感器模塊和可控元件模塊的各種配置可用于在運(yùn)行的同時(shí)進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中。除傳感器物理特征之外，高速通信媒體190允許在對(duì)運(yùn)行速率沒(méi)有實(shí)際限制的情況下，在運(yùn)行的同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。在井完成處理(例如加固(cement))期間，通過(guò)使用被利用高速通信媒體連接到地面實(shí)時(shí)處理處理的“用后可仍的”傳感器和可控元件，可以使用同樣配置。
因此，本發(fā)明特別適用于實(shí)現(xiàn)所述目的和達(dá)到所提到的以及其中所固有的目標(biāo)。盡管已參照本發(fā)明的一些實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明、描述、限定，但是這樣的參照并不意味著對(duì)本發(fā)明的限制，也不意味著存在著這樣的限制。受益于這一公開(kāi)的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到可以在形式與功能方面對(duì)本發(fā)明進(jìn)行相當(dāng)多的修改、變更、等效。所說(shuō)明和所描述的例子并不是本發(fā)明的窮盡。因此，本發(fā)明旨在僅通過(guò)所附權(quán)利要求以及認(rèn)識(shí)到其各方面的等效的情況下的精神與范圍對(duì)本發(fā)明加以限制。
權(quán)利要求
1.一種用于控制油井鉆探裝備的系統(tǒng)，包括分布于油井鉆探裝備中的一或多個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器產(chǎn)生信號(hào)；地面處理器，經(jīng)由高速通信媒體耦接到該一或多個(gè)傳感器，以經(jīng)由該高速通信媒體接收所述信號(hào)；該地面處理器位于地球的表面上或地球的表面附近，該地面處理器包括程序，用于處理所接收的信號(hào)，并且產(chǎn)生一或多個(gè)控制信號(hào)；以及分布于油井鉆探裝備中的一或多個(gè)可控元件，該一或多個(gè)可控元件用于響應(yīng)該一或多個(gè)控制信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，該地面處理器實(shí)時(shí)地處理所接收的信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，把地面處理器相對(duì)于該一或多個(gè)傳感器本地地布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，把地面處理器相對(duì)于該一或多個(gè)傳感器遠(yuǎn)程地布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，可控元件實(shí)時(shí)地響應(yīng)控制信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該高速通信媒體具有大于泥漿遙測(cè)、聲音遙測(cè)以及電磁遙測(cè)中的至少之一所提供的數(shù)據(jù)傳送速率的數(shù)據(jù)傳送速率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該高速通信媒體具有大于或等于1000比特每秒的數(shù)據(jù)傳送速率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器包括井下傳感器和地面?zhèn)鞲衅鳌?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述油井鉆探裝備包括鉆桿柱以及其中沿鉆桿柱分布所述井下傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述可控元件包括井下可控元件和地面可控元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述油井鉆探裝備包括鉆桿柱以及其中沿鉆桿柱分布所述井下可控元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器包括井下傳感器和地面?zhèn)鞲衅鳎凰隹煽卦ň驴煽卦偷孛婵煽卦?；所述高速通信媒體包括耦接于井下傳感器和井下可控元件的井下高速通信媒體；以及耦接于地面?zhèn)鞲衅骱偷孛婵煽卦牡孛娓咚偻ㄐ琶襟w。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括通過(guò)中繼間接地耦接到通信系統(tǒng)的另外的傳感器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述高速通信媒體攜帶的通向或者來(lái)自所述傳感器和可控元件的信號(hào)具有下列通信協(xié)議中的一或多個(gè)曼徹斯特編碼、離散多頻聲、TCP、TCP/IP、UDP以及VDSL CDMA。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述高速通信媒體包括針對(duì)每個(gè)傳感器和每個(gè)可控元件的單獨(dú)的通信信道。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述高速通信媒體包括一或多條總線，每條總線連接到一或多個(gè)傳感器和可控元件；以及針對(duì)每條總線的仲裁元件，用于在連接到該總線的傳感器和可控元件之間仲裁對(duì)該總線的控制。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述程序包括對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)的一起處理。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中這樣的處理包括對(duì)這樣的數(shù)據(jù)的至少部分的聯(lián)合反演。
19.一種用于在鉆探的同時(shí)控制測(cè)井的系統(tǒng)，包括多個(gè)井下傳感器模塊，其被沿鉆桿柱的部分加以分布，并且響應(yīng)于鉆桿柱附近地層的特性、每個(gè)傳感器模塊產(chǎn)生傳感器信號(hào)；地面處理器，耦接到所述井下傳感器模塊，該地面處理器從該多個(gè)井下傳感器模塊接收傳感器信號(hào)；存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀媒體上的程序，當(dāng)在所述地面處理器上執(zhí)行該程序時(shí)，該程序處理所接收的傳感器信號(hào)，以確定所述特性以及標(biāo)識(shí)井下傳感器模塊操作中要進(jìn)行的變化，以調(diào)整對(duì)所述特性的測(cè)量；以及生成要傳送到井下傳感器模塊的信號(hào)，以反映井下傳感器模塊操作過(guò)程中要進(jìn)行的變化。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，一起處理來(lái)自所述多個(gè)井下傳感器模塊的傳感器信號(hào)，以確定所述特性。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)井下傳感器模塊形成陣列。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述調(diào)整涉及傳感器能量源參數(shù)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述參數(shù)為源功率、頻率、電壓以及電流之一。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述調(diào)整涉及傳感器采集屬性。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中，所述采集屬性涉及過(guò)濾設(shè)置、動(dòng)態(tài)范圍、放大、衰減、分辨率、采集的時(shí)間窗口或數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)數(shù)、采集的數(shù)據(jù)速率、平均、或數(shù)據(jù)采集與相關(guān)參數(shù)的同步性。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述調(diào)整涉及與來(lái)自傳感器模塊的數(shù)據(jù)的通信相關(guān)的參數(shù)。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器實(shí)時(shí)地處理所接收的傳感器信號(hào)以確定所述特性。
28.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，處理器實(shí)時(shí)地生成要傳送到井下傳感器模塊的信號(hào)。
29.根據(jù)權(quán)利要求19中所述的系統(tǒng)，還包括通信媒體，耦接到井下傳感器模塊和地面處理器，用于把傳感器信號(hào)從井下傳感器模塊傳送到地面處理器。
30.根據(jù)權(quán)利要求19中所述的系統(tǒng)，還包括多個(gè)井下可控元件模塊，其當(dāng)沿鉆桿柱的部分加以分布時(shí)，可以刺激鉆桿柱附近的地層，以展示所述特性，每個(gè)可控元件模塊響應(yīng)于控制信號(hào)；所述程序還能夠?qū)崟r(shí)地處理所接收的傳感器信號(hào)，以確定所述特性和標(biāo)識(shí)井下可控元件模塊操作過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行的變化，以更好地測(cè)量所述特性；實(shí)時(shí)地生成要傳送到井下可控元件模塊的信號(hào)，以反映井下可控元件模塊操作過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行的變化。
31.一種用于在鉆探的同時(shí)控制測(cè)井的系統(tǒng)，包括多個(gè)井下傳感器模塊，其當(dāng)沿鉆桿柱的部分加以分布，并且被作為陣列對(duì)待時(shí)，標(biāo)識(shí)鉆桿柱附近地層的特性，每個(gè)傳感器模塊產(chǎn)生傳感器信號(hào)；多個(gè)井下可控元件模塊，其當(dāng)沿鉆桿柱的部分加以分布時(shí)，可以刺激鉆桿柱附近的地層，以展示所述特性，每個(gè)可控元件模塊響應(yīng)于控制信號(hào)；地面處理器，耦接到井下傳感器模塊和井下可控元件模塊，該地面處理器用于從所述多個(gè)井下傳感器模塊接收傳感器信號(hào)并且生成針對(duì)井下可控元件模塊的控制信號(hào)；存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀媒體上的程序，當(dāng)在所述地面處理器上執(zhí)行該程序時(shí)，該程序?qū)崟r(shí)地處理所接收的傳感器信號(hào)，以確定所述特性以及標(biāo)識(shí)井下傳感器模塊操作過(guò)程中要進(jìn)行的變化，以更好地測(cè)量所述特性；以及實(shí)時(shí)生成要傳送到井下可控元件模塊的信號(hào)，以反映井下可控元件模塊操作過(guò)程中要進(jìn)行的變化。
32.根據(jù)權(quán)利要求31中所述的系統(tǒng)，還包括通信媒體，耦接到井下傳感器模塊和地面處理器，以把傳感器信號(hào)從井下傳感器模塊傳送到地面處理器。
33.一種油井鉆探系統(tǒng)，用于從地面到鉆孔鉆探油井，該系統(tǒng)包括鉆桿柱；沿鉆桿柱分布的一或多個(gè)可電力驅(qū)動(dòng)的元件；電源，該電源把電力分布到該可電力驅(qū)動(dòng)。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中，所述可電力驅(qū)動(dòng)的元件包括傳感器模塊和可控元件模塊。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中，所述電源從泥漿流中獲取能量。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中，所述電源從泥漿壓力獲取能量。
37.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中，所述電源包括一或多個(gè)電池。
38.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中，所述電源包括一或多個(gè)交流發(fā)電機(jī)。
39.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中，把所述電源布置在地面附近。
40.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中，把所述電源布置在鉆孔中。
41.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中，把所述電源沿鉆桿柱加以分布。
42.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中，在所述一或多個(gè)可電力驅(qū)動(dòng)的元件的子集的位置處或者附近的位置沿鉆桿柱分布所述電源。
43.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中，把沿鉆桿柱分布的該一或多個(gè)可電力驅(qū)動(dòng)的元件耦接到被布置在地面的處理器。
44.一種用于控制油井鉆探裝備的方法，包括從傳感器接收信號(hào)，該傳感器被布置在所布置在鉆孔中的油井鉆探裝備上；在布置在地球表面上或地球表面附近的地面處理器處處理接收的信號(hào)；生成用于控制被布置于油井鉆探裝備上的可控元件的控制信號(hào)；以及把該控制信號(hào)發(fā)送到該可控元件。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述發(fā)送包括通過(guò)另一個(gè)可控元件中繼所述控制信號(hào)。
46.一種用于控制油井鉆探裝備的方法，包括從傳感器向地面處理器發(fā)送信號(hào)，所述傳感器被布置在所布置于鉆孔中的油井鉆探裝備上；以及從地面處理器接收控制信號(hào)，所述控制信號(hào)是地面處理器處理所述信號(hào)之后生成的；所述地面處理器被布置在地球表面上或地球表面附近。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中，所述發(fā)送包括通過(guò)被布置在油井鉆探裝備上的另一個(gè)傳感器中繼所述信號(hào)。
48.一種使用提供高速通信媒體的有線鉆管進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制的系統(tǒng)，包括一或多個(gè)傳感器模塊，能夠產(chǎn)生指示被鉆探的地層和鉆探過(guò)程中的至少之一的傳感器信號(hào)，所述一或多個(gè)傳感器模塊中的每個(gè)傳感器模塊具有操作以及可使用通信協(xié)議運(yùn)作的到所述通信媒體的接口；與每個(gè)傳感器模塊相關(guān)聯(lián)的微控制器，用于控制所述傳感器的操作和所述傳感器模塊的到通信媒體的接口中的至少一個(gè)；與至少一個(gè)傳感器模塊相關(guān)聯(lián)的ADC，用于把所述傳感器模塊的傳感器信號(hào)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；以及地面處理器，用于處理來(lái)自該一或多個(gè)傳感器模塊的數(shù)字信號(hào)。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的系統(tǒng)，其中從下列之一選擇所述通信協(xié)議曼徹斯特、離散多頻聲、以及VDSLCDMA。
50.根據(jù)權(quán)利要求48所述的系統(tǒng)，其中所述通信協(xié)議可按至少1000比特每秒的速率操作。
51.根據(jù)權(quán)利要求48所述的系統(tǒng)，其中所述地面處理器實(shí)時(shí)地處理數(shù)據(jù)。
52.根據(jù)權(quán)利要求48所述的系統(tǒng)，其中所述地面處理器向一或多個(gè)傳感器模塊發(fā)布命令。
53.一種使用提供高速通信媒體的有線鉆管進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制的方法，包括提供能夠提供指示被鉆探的地層或鉆探過(guò)程的數(shù)據(jù)的一或多個(gè)傳感器模塊；提供地面處理器；所述傳感器模塊以高速度把與所述地層和鉆探過(guò)程相關(guān)的數(shù)據(jù)傳送到所述地面處理器；所述地面處理器接收所述數(shù)據(jù)；響應(yīng)于所述所接收的數(shù)據(jù)采取控制動(dòng)作，以影響所述鉆探過(guò)程或所述數(shù)據(jù)采集之一。
54.根據(jù)權(quán)利要求53中所述的方法，其中，所述接收包括處理所接收的數(shù)據(jù)。
55.根據(jù)權(quán)利要求53中所述的方法，其中，所述處理包括對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)執(zhí)行聯(lián)合反演。
56.一種與被布置在鉆孔中的鉆探裝備和提供貫穿鉆探裝備的高速通信的高速通信媒體一起使用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括實(shí)質(zhì)電子元件，其必須與鉆探裝備一起布置在鉆孔中；非實(shí)質(zhì)電子元件，其因?yàn)楦咚偻ㄐ琶襟w的存在，所以可以被布置在鉆孔中或鉆孔外；把實(shí)質(zhì)電子元件設(shè)置在鉆孔中；以及把非實(shí)質(zhì)電子元件設(shè)置在鉆孔外。
57.根據(jù)權(quán)利要求56中所述的系統(tǒng)，其中，把至少某些實(shí)質(zhì)電子元件建造為標(biāo)準(zhǔn)的。
58.根據(jù)權(quán)利要求56中所述的系統(tǒng)，其中，實(shí)質(zhì)電子元件具有必須在鉆孔中被執(zhí)行的功能；以及每個(gè)實(shí)質(zhì)電子元件包括僅執(zhí)行該功能所必需的那些部分。
59.根據(jù)權(quán)利要求56中所述的系統(tǒng)，其中，非實(shí)質(zhì)電子部件包括實(shí)時(shí)處理器。
60.根據(jù)權(quán)利要求56中所述的系統(tǒng)，其中，實(shí)質(zhì)電子部件包括傳感器。
61.根據(jù)權(quán)利要求56中所述的系統(tǒng)，其中，實(shí)質(zhì)電子元件經(jīng)由通信媒體進(jìn)行通信；以及實(shí)質(zhì)電子元件包括到通信媒體的接口。
全文摘要
公開(kāi)了一種用于控制油井鉆探裝備的方法與裝置。把一或多個(gè)傳感器分布于油井鉆探裝備中。每個(gè)傳感器產(chǎn)生信號(hào)。經(jīng)由高速通信媒體耦接到該一或多個(gè)傳感器的地面處理器經(jīng)由所述高速通信媒體從所述一或多個(gè)傳感器接收所述信號(hào)。地面處理器位于地球的表面上或地球的表面附近。地面處理器包括程序，該程序處理所接收的信號(hào)，并且產(chǎn)生一或多個(gè)控制信號(hào)。該系統(tǒng)包括一或多個(gè)分布于油井鉆探裝備中的可控元件。所述一或多個(gè)可控元件響應(yīng)所述一或多個(gè)控制信號(hào)。
文檔編號(hào)E21B47/12GK1965249SQ200580005418
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月3日
發(fā)明者保羅·F·羅德尼, 丹尼爾·D·格萊特曼, 詹姆斯·H·達(dá)德利 申請(qǐng)人:哈利伯頓能源服務(wù)公司