[发明专利]自动下行线路系统

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种下行线路系统以及一种传递下行线路信号 的方法。

背景技术

通常在地面上钻井以获取聚集在地壳地质构造中的碳氢化合物和 其它有用材料的自然沉积物。典型地使用一个连接在钻柱下端的钻头 钻井。钻井以穿过含有聚集材料的地下结构，获取材料。

在钻柱的底端是一个“底部井筒组件”(“BHA”)。BHA包括连 同传感器、控制机构和所需的电路的钻头。一个典型的BHA包括测量构 造和构造中含有的流体的不同特性的传感器。BHA还包括测量该BHA方 向和位置的传感器。

钻井操作由位于地表的一个操作员控制。通过一个旋转台或位于 地表的驱动钻柱以合适的比率旋转，操作员控制钻头载荷 (weight-on-bit)和其它钻井的操作参数。

钻井控制的另一方面与钻井流体相关联，叫做“泥浆”。泥浆是 通过钻柱从地表泵送到钻头的流体。该泥浆用于冷却和润滑钻头，以 及将钻屑携带到地表。小心地控制泥浆的密度以将井孔里的流体压力 保持在合适的大小。

为了使操作员得知BHA的传感器的测量值，以及操作员可以控制钻 头的方向，位于地表的操作员和BHA之间的信息传递是必需的。“下行 线路”就是从地表到BHA的信息传递。基于BHA的传感器收集的数据， 操作员可以发送一个命令到BHA。一个通常的命令是指示BHA改变钻井 的方向。

同样，“上行线路”是从BHA到地表的信息传递。典型地上行线路 传递BHA的传感器收集的数据。例如，通常操作员了解BHA的方位是很 重要的。于是，BHA的传感器收集的方位数据通常被传递到地表。上行 线路的信息传递还可用于确认下行线路命令被正确理解。

一个通常的信息传递方法被称为“泥浆脉冲遥测技术”。泥浆脉 冲遥测技术是一种传递信息的方法，其或者在下行线路中或者在上行 线路中在泥浆中制造压力和/或流量脉冲，这些脉冲可以被位于接收位 置的传感器探测。例如，在下行线路操作中，泵入到钻柱的泥浆的压 力或流量的变化可以被BHA的传感器探测到。脉冲的形式，例如频率和 振幅，可以被传感器探测到以及被解释，这样BHA可以理解命令。

泥浆脉冲遥测技术在钻井领域是公知的。现有技术的下行线路包 括暂时中断钻井操作，这样位于地表的泥浆泵可以循环开关以产生脉 冲。钻井操作必须被中断，因为钻头需要不断流动的泥浆以更好的工 作。于是，钻井必须终止而泥浆泵循环工作。

图1A表示了现有技术的泥浆脉冲遥测技术系统100。该系统100包 括一个泥浆泵102，其从地表泵送泥浆到BHA112，以及从BHA回到地表。 一个典型的钻台具有多个泥浆泵，它们共同泵送泥浆。泥浆泵是正向 位移泵，其可在任何压力下以不变的流量泵送泥浆。这些泵由一个泵 102示意地表示出。

泥浆储存箱104中的泥浆通过泵102被泵送到一个竖管108中，然后 向下流经钻柱110到达位于BHA112的底端的钻头114。泥浆流经钻头114 的端口(未示出)而离开钻柱110，在那里冷却和润滑钻头114。当泥 浆向上流经环形空间116时，还携带钻屑到地表。一旦到达地表，泥浆 流经一个泥浆回路118回到泥浆储存箱104。下行线路操作包括使泵102 循环地开关以在泥浆中产生脉冲。BHA的传感器探测脉冲以及作为指令 中断脉冲。

另一种现有技术的下行线路技术表示在图1B中。该下行线路信号 系统120是从竖管108到泥浆回路118的一个通路。通过允许一些泥浆流 经钻井系统来操作该系统120。替代流经钻柱(图1A中的钻柱)、BHA (图1A中的112)和回流经过环形空间(图1A中的116)，从竖管108直 接流进泥浆回路118的泥浆具有相对小的摩擦。流经旁路系统120流进 BHA(未示出)的泥浆流量的数量减少了。

旁路系统120包括一个截流阀124。在正常操作过程中，截流阀124 关闭以防止任何物质流过旁路系统120。在正常操作过程中泥浆泵102 的全部输出流进BHA(未示出)中。当操作员想要发送一个指令到BHA (未示出)时，可以通过持续地打开和关闭截流阀124来产生一个下行 线路信号。通过使一部分泥浆流经通道120，截流阀124的打开和关闭 在流到BHA(未示出)的泥浆流量中产生波动。这些脉冲被BHA(未示 出)的传感器探测和中断。旁路系统120可以包括流量限制器122、126 来帮助调节流经系统120的流量。