利用電絕緣材料的井下電磁遙測(cè)系統(tǒng)和相關(guān)方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】利用電絕緣材料的井下電磁遙測(cè)系統(tǒng)和相關(guān)方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明大體上涉及電磁遙測(cè)，且更特定來(lái)說(shuō)涉及一種井下遙測(cè)系統(tǒng)，其中電絕緣 材料放置在井柱的一個(gè)或多個(gè)部分周?chē)员銛U(kuò)展所述遙測(cè)系統(tǒng)的范圍，增大遙測(cè)速率，和/ 或降低井下電力要求。 技術(shù)背景
[0002] 出于各種目的，電磁遙測(cè)系統(tǒng)在井下操作中用于發(fā)射和接收電磁信號(hào)。電磁遙測(cè) 發(fā)射器通過(guò)跨連接到鉆桿的鉆鋌區(qū)段傳遞勢(shì)差或通過(guò)經(jīng)由放置在鉆柱區(qū)段周?chē)沫h(huán)形線 圈在鉆柱上發(fā)射電流將電信號(hào)發(fā)射到鉆桿中。
[0003] 然而，當(dāng)電磁發(fā)射器在套管內(nèi)時(shí)，信號(hào)損失可能過(guò)多，這是因?yàn)殂@桿上的電流跳躍 到套管，因此將部分信號(hào)發(fā)射到套管，而且使部分信號(hào)沿套管短路。此外且尤其當(dāng)在鉆桿的 任何部分與套管之間存在直接接觸時(shí)，鉆柱的運(yùn)動(dòng)可造成間斷接觸，且因此將非常大的噪 音引進(jìn)到遙測(cè)信號(hào)中。此外，因?yàn)樾盘?hào)朝向鉆桿和/或套管上方或下方移動(dòng)，所以其隨著電 流泄漏到鉆孔附近的地層中而實(shí)質(zhì)上衰減。因此，在地表或井下接收器處接收的信號(hào)可衰 減到其中信噪比不足以高到允許甚至在每秒幾位的數(shù)據(jù)速率下進(jìn)行可靠通信的點(diǎn)。
[0004] 鑒于前述，在所屬技術(shù)領(lǐng)域中需要一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，通過(guò)所述方法可擴(kuò)展遙 測(cè)系統(tǒng)的范圍和/或防止通過(guò)泥漿接著到套管中或直接到套管中發(fā)生短路。.
[0005] 附圖簡(jiǎn)述
[0006] 圖1A和1B示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方案的鉆機(jī)和電磁遙測(cè)系統(tǒng) 10 ;和
[0007] 圖2A、2B和2C是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方案的在電流發(fā)射裝 置上方和/或下方添加電絕緣材料的信號(hào)改善效果的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0008] 下文描述如可能用于其中電絕緣材料放置在井柱的一個(gè)或多個(gè)部分周?chē)木?遙測(cè)系統(tǒng)的本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施方案和相關(guān)方法。為了清楚起見(jiàn)，在本說(shuō)明書(shū)中未描述實(shí) 際實(shí)施方式或方法的所有特征。此外，本文中所描述的"示例性"實(shí)施方案是指本發(fā)明的實(shí) 例。當(dāng)然，應(yīng)明白，在任何這種實(shí)際實(shí)施方案的開(kāi)發(fā)中，必須做出諸多實(shí)施方式具體決策以 實(shí)現(xiàn)將隨實(shí)施方式變化的開(kāi)發(fā)者具體目的，諸如與系統(tǒng)相關(guān)和業(yè)務(wù)相關(guān)約束的兼容性。此 外，應(yīng)明白，這種開(kāi)發(fā)工作可能是復(fù)雜而耗時(shí)的，但對(duì)得益于本公開(kāi)的所屬技術(shù)領(lǐng)域的一般 人員來(lái)說(shuō)將是常規(guī)任務(wù)。鑒于下文描述和附圖，本發(fā)明的各種實(shí)施方案和相關(guān)方法的另外 方面和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。
[0009] 如本文中所描述，當(dāng)電磁遙測(cè)系統(tǒng)在井的套管區(qū)段或無(wú)套管區(qū)段內(nèi)時(shí)，本發(fā)明的 示例性實(shí)施方案擴(kuò)展所述系統(tǒng)的范圍。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，將電絕緣材料施加于井柱以緊 接在電流發(fā)射裝置（例如，絕緣短節(jié)組件或環(huán)形線圈）或接收器上方和/或下方。在其它 實(shí)施方案中，電絕緣材料還可以覆蓋電流發(fā)射裝置或接收器。因此，隨著電流發(fā)射裝置將電 信號(hào)發(fā)射到鉆桿中，電絕緣材料防止電流直接地或通過(guò)鉆井泥漿跳躍到套管，因此防止或 降低在其中套管不存在于發(fā)射器周?chē)那闆r下通過(guò)套管的短路和/或到地層中的電流泄 漏的嚴(yán)重性，從而改善遙測(cè)系統(tǒng)的范圍和/或信噪比，和/或降低系統(tǒng)所要的電力。此外， 在其中利用井下接收器的實(shí)施方案中，電絕緣材料用于減少在下行鏈路操作期間從井柱到 套管或地層的電流泄漏。
[0010] 在某些示例性實(shí)施方案中，電絕緣材料為使用粘合底布纏繞在底部鉆孔組件或鉆 桿周?chē)牟牧系囊粋€(gè)或多個(gè)薄片。在其它實(shí)施方案中，例如，還可以利用電絕緣可膨脹材料 或各種涂層。因此，具有和不具有套管區(qū)段的電磁遙測(cè)系統(tǒng)的范圍大致上增加達(dá)相同電絕 緣鉆桿量。因此，還可以增加電磁遙測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率而無(wú)需添加中繼器。
[0011] 圖1A和1B示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方案的鉆機(jī)12和電磁遙測(cè) 系統(tǒng)10。如在所屬技術(shù)領(lǐng)域中所了解，電磁遙測(cè)系統(tǒng)10在井下生成和/或接收電磁波。電 磁遙測(cè)系統(tǒng)10包括底部鉆孔組件14、電流發(fā)射裝置16 (例如，絕緣短節(jié)組件）和管道區(qū)段 18 (例如，其組合稱(chēng)為井柱），所有上述裝置向下擴(kuò)展通過(guò)井22的套管20。如本文中所使 用，術(shù)語(yǔ)"井柱"可以是指各種部署柱，舉例來(lái)說(shuō)，諸如鉆柱、連續(xù)油管、生產(chǎn)油管等。在圖1A 和1B的示例性實(shí)施方案中，井柱為鉆柱。
[0012] 此外，電磁遙測(cè)系統(tǒng)10包括電耦合到地面參考系26的接收器24,且必要時(shí)還可以 沿管道18具有一個(gè)或多個(gè)中繼器（未示出）。大體來(lái)說(shuō)，電磁遙測(cè)系統(tǒng)10通過(guò)沿管道18 發(fā)射低頻率電流（例如，介于約1與30Hz之間）進(jìn)行通信。接著由接收器24在地表處檢 測(cè)與電流相關(guān)聯(lián)的信號(hào)，其中測(cè)量鉆機(jī)12與地面26之間的勢(shì)差。如得益于本公開(kāi)的所屬
技術(shù)領(lǐng)域的一般人員應(yīng)了解，在這個(gè)示例性實(shí)施方案中，電磁遙測(cè)系統(tǒng)10可以按例如相位 調(diào)制載波模式、脈沖位置調(diào)制模式或正交頻分復(fù)用模式、或多種其它調(diào)制模式操作。
[0013] 為了產(chǎn)生由電磁遙測(cè)系統(tǒng)10發(fā)射的電流，電流發(fā)射裝置16提供在底部鉆孔組件 14附近（或可以形成底部鉆孔組件14的部分）。在第一示例性實(shí)施方案中，電流發(fā)射裝置 16提供為底部鉆孔組件14與管道18之間的電斷路器以使井柱有效地進(jìn)入大型天線中。在 圖1A的示例性實(shí)施方案中，絕緣短節(jié)組件用作電斷路器或天線。從而，在底部鉆孔組件14 與管道18之間產(chǎn)生電勢(shì)差，因此產(chǎn)生發(fā)射的電流。如在所屬技術(shù)領(lǐng)域中所了解，絕緣短節(jié) 組件為被設(shè)計(jì)來(lái)承受電磁遙測(cè)系統(tǒng)10的高扭轉(zhuǎn)、彎曲、可拉伸和壓縮負(fù)載的電絕緣接頭。 然而，如在所屬技術(shù)領(lǐng)域中所了解，在其它實(shí)施方案中，電流發(fā)射裝置16可替代地為環(huán)形 線圈組件。得益于本公開(kāi)的所屬技術(shù)領(lǐng)域的一般人員將容易了解電磁遙測(cè)系統(tǒng)10的這些 和其它方面。
[0014] 仍參考圖1A和1B，管道18已下降通過(guò)防噴器28向下到井22中，且通過(guò)套管20。 如先前所描述，在這個(gè)示例性實(shí)施方案中，管道18為形成鉆柱的部分的鉆桿；然而，在其它 實(shí)施方案中，管道18可以為例如用于一些其它操作的連續(xù)油管或生產(chǎn)油管。然而，管道18 向下擴(kuò)展到電流發(fā)射裝置16以耦合到底部鉆孔組件14。鉆頭30定位在底部鉆孔組件14 的遠(yuǎn)端處。鉆頭30可以通過(guò)各種方法（包括例如管道18或泥漿馬達(dá)）旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)示例 性實(shí)施方案中，底部鉆孔組件14包括CPU (未示出）和電磁遙測(cè)發(fā)射器32,所述電磁遙測(cè)發(fā) 射器32包括除處理底部鉆孔組件14的其它操作外還經(jīng)由電流發(fā)射裝置16感測(cè)、檢測(cè)和發(fā) 射電磁信號(hào)所必要的電子裝置，如在所屬技術(shù)領(lǐng)域中所了解。
[0015] 在電磁遙測(cè)系統(tǒng)10的某些示例性實(shí)施方案中，電絕緣材料34施加在鉆柱的一個(gè) 或多個(gè)部分（管道18或底部鉆孔組件14)周?chē)允┘釉陔娏靼l(fā)射裝置16上方和/或下方。 在一個(gè)實(shí)施方案中，電絕緣材料34無(wú)需為完美絕緣體；相反，電絕緣材料34的電阻率不小 于高于在井下操作期間使用的流體（例如，鉆井泥漿）的兩個(gè)量級(jí)。此外，在某些實(shí)施方案 中，電絕緣材料34也沒(méi)有必要持續(xù)不斷地沿管道18或底部鉆孔組件14。然而，電絕緣材料 34可以為各種材料，舉例來(lái)說(shuō)，諸如可膨脹材料、注射成型涂層、帶狀物、套、穩(wěn)定劑、高氧燃 料噴射涂層、陽(yáng)極化層等。所述可膨脹材料可以為例如諸如用于Swell Technology?系統(tǒng)、 通過(guò)本發(fā)明的受讓人Halliburton Energy Services, Co?或Houston, Texas市售的材料。 此外，可以基于泥漿類(lèi)型（例如，油基或水基）選擇所述可膨脹材料，使得一旦與鉆井泥漿 接觸，所述可膨脹材料膨脹到底部鉆孔組件14和/或管道18中并粘合到其。
[0016] 如先前所描述，電絕緣材料34施加于井柱的一個(gè)或多個(gè)部分（即，管道18或底部 鉆孔組件14)周?chē)允┘釉陔娏靼l(fā)射裝置16上方和/或下方。在一個(gè)實(shí)施方案中，電絕緣 材料34緊接地施加在電流發(fā)射裝置16上方和/或下方，如圖1A及1B中所示。然而，在其 它實(shí)施方案中，還可以根據(jù)要求均沿管道18放置電絕緣材料34。在某些示例性實(shí)施方案 中，電絕緣材料34可以施加為隨著其進(jìn)入井22中而纏繞在底部鉆孔組件14