[发明专利]用于测量和钻探控制的双向钻柱遥测技术

说明书

技术领域

本发明涉及钻探和生产碳氢化合物井的技术领域，并涉及井底地层性质的测量，以及涉及井底与地面设备之间的测量和控制信息的双向通信。

背景技术

随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)的出现，以及特殊钻井方法比如定向钻井的地面控制的发展，已经在钻井和生产碳氢化合物井的技术领域取得了重要的进步。这些方法需要在地面与井底测量及钻井设备之间在两个方向上都进行通信。目前，泥浆脉冲遥测技术是在钻井的同时进行井底设备与地面之间的通信这个方面普遍商业使用的唯一技术。[除非另外地说明，全文中涉及到的“钻井的同时”或“随钻”等是表示钻柱处在钻井中或部分地处在钻井中，作为包括钻井、中止和/或起下钻(tripping)的整个钻井操作的一部分，而不必要求钻头正在旋转。]在泥浆脉冲遥测技术中，数据作为压力脉冲在钻井液中传输。不过，泥浆脉冲遥测技术具有公知的局限，包括相对较慢的通信，低的数据速率和差的可靠性。当前的泥浆脉冲遥测技术仅能够以大约每秒12位(bit)的速率发送MWD/LWD数据。在许多情况下，该速率不足以发送由LWD下井仪器串(tool string)收集的所有数据，或者在想要的下井仪器串的构造方面存在限制。此外，泥浆脉冲技术在延伸到达的井孔中不能良好地工作。为了控制工序比如定向钻井和钻具运行而通过调节泥浆泵流实现从井上到井底的信号传递也很慢，且具有非常低的信息速率。此外，在特定的情况下，例如采用气体或泡沫钻探流体的欠平衡的钻井情况下，当前的泥浆脉冲遥测技术不起作用。

近年来已经有各种尝试来开发泥浆脉冲遥测技术的替代技术，这些技术更快，具有更高的数据速率，并且不需要特殊类型的钻探流体的存在。

例如，已经提出了声学遥测，其通过钻柱发送声波。数据速率估算为大约比泥浆脉冲遥测高一个数量级，但仍有限，且噪声是个问题。声学遥测还未实现商业化利用。另一个例子是穿过地表的电磁遥测。该技术被认为具有有限的范围，取决于钻井周围的地层的性质尤其是电阻系数，并也具有有限的数据速率。

长期以来提出在钻杆中设置用于传送信号的电线。一些早期的针对有线的钻柱的建议披露在：U.S.专利No.4126848，U.S.专利No.3957118和U.S.专利No.3807502和出版物“用于MWD的四个不同的系统”(“FourDifferent Systems Used for MWD”)，W.J.Mcdonald，The Oil and Gas Journal，115-124页，1978年4月3日。

还已经提出比如在管接头处使用感应耦合器的构思。以下文献披露了在钻柱中使用感应耦合器：U.S.专利No.4605268，俄罗斯联邦公布的1997年12月18日提交的专利申请2140527，俄罗斯联邦公布的1992年2月14日提交的专利申请2040691，以及WO出版物90/14497A2，以及参见：U.S.专利No.5052941，U.S.专利No.4806928，U.S.专利No.4901069，U.S.专利No.5531592，U.S.专利No.5278550，以及U.S.专利No.5971072。

U.S.专利6641434描述了一种有线钻管接头，其在有线(wired)钻杆技术领域对于以高的数据速率在地面站与钻井所处的位置之间双向地、可靠地传输测量数据有显著的进步。’434专利披露了一种低损耗的有线钻管接头，其中导电层通过减少在每一个感应耦合器处的电阻损耗和通量损耗而减少了整个钻柱长度之上的信号能量损耗。有线钻管接头是耐用的，因为它在导电层中存在缝隙的情况下也保持可操作。钻柱遥测技术领域中的性能以及这些和其他进步在以下方面提供了创新的机会：应用范围、速度以及数据速率方面的现有缺点在以前已经限制了系统的性能。

本发明的其中一个目的是利用与先进双向钻柱遥测技术的协同配合，提供改进的测量和地层测井操作，以及钻井参数的改进控制和优化，迄今为止这些都由于各种原因而不能实现。

发明内容

本发明具有这样的特征，这些特征尤其充分利用了钻柱遥测技术中的新近进步。有利地，在其实施例中，基本上采用了实时双向通信，以改进钻井(以及中止和起下钻)工序过程中的测量和控制，从而实现改进的操作和决策。