[发明专利]孔底钻具以及从孔底钻具发送数据的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及孔底钻具(bottom-hole assembly)，孔底钻具用于在地球岩层钻井孔，包括冲击钻头和适合于撞击所述钻头的冲击机构。此外，本发明涉及一种从位于地球岩层的钻井中的这种孔底钻具发送数据的方法。本发明还涉及一种从位于地球岩层的钻井中的孔底钻具发送数据的系统。

背景技术

当在地球岩层中打钻时，以往都知道借助于设置在孔底钻具中的各种传感器来测量井孔(如油井)中的多个“井下”参数或数值。孔底钻具是包括钻头的单元，并且被连接到钻柱的底端，从而其位于井孔的底部。所述传感器适当地设置在钻头后面很短的距离处。从传感器产生的数据可以被存储在孔底钻具中提供的存储器中，以供以后在把钻柱从钻井抽出时检索这些数据，或者这些数据可以被编码并且经由某种传输系统发送到地面。对于操作者来说，有益的是在钻井操作期间在地面接收所述数据，而不用等待从井孔中抽出钻柱。

此外，孔底钻具可以包括用来控制钻头的控制单元以及其它电子或机械设备。孔底钻具可以装备有不同类型的钻头和相关设备，例如冲击钻头及其冲击机构，冲击机构直接位于钻头后面，通常被称作“锤(hammer)”。钻柱向冲击机构和钻头发送必要的进给力和旋转，还有用于所述冲击机构的压缩流体，例如压缩空气或液体。冲击机构可以包括适合于直接撞击钻头撞击面的活塞。由于冲击机构跟随钻头降到井孔中，所以使用这种孔底钻具的钻井方法被称作“潜孔(down-the-hole)”钻井。

与上述不同，在顶锤(top-hammer)钻井中，冲击机构位于钻机上，即在井孔之外。

孔底钻具还可以包括旋转钻头，其装备有旋转的切削元件。

存在用于从位于孔底钻具的传感器向地面发送数据的若干已知方法。用于从孔底钻具传输数据的常用方法是泥浆脉冲遥测技术。泥浆脉冲遥测技术可以被划分为三类：连续波遥测、正脉冲遥测和负脉冲遥测。在连续波遥测中，来自井下传感器的数据通过钻管内的钻探泥浆(浆)以正弦波发送。数据包含在这种波的相位变化而不是幅度变化中。

在正脉冲遥测中，通过暂时阻碍钻管内的泥浆流动以产生可以在地面上检测到的压力增加来发送来自井下传感器的数据。

负脉冲遥测总体上与正脉冲遥测相同，但是代替压力增加，压力下降被用于编码数据的传输。不管使用哪种方法，在地面上，由地面泥浆压力换能器来检测所产生的波。然而，泥浆脉冲遥测技术表现出相当大的数据速率限制并且要求足够的泥浆。

用于从孔底钻具传输数据的另一方法是电子脉冲遥测技术。通过钻柱中的电压差，沿着所述钻柱生成低频率波的图案。与连续波泥浆脉冲遥测技术类似，通过相位改变，把数据调制成这些波，并且在地面上检测这些波。然而，当钻井特别是钻深井孔时，当信号可能在某些地球岩层中迅速地损失强度并且在几千英尺深就变得不可检测时，电子脉冲遥测术不能达到目的。

依照用于从孔底钻具传输数据的又一方法，使用一种系统，其中把电线内置到钻柱的每个管内。电线把电信号直接携带到地面。在各管之间，线缆彼此电感连接。这种系统相对于上述系统有希望实现更大的数据传输速率，无论是从孔底钻具向地面，还是从地面向孔底钻具。然而，这种系统造价昂贵，这是因为所使用的特殊钻管相对生产常规钻管更加昂贵。另外，这种系统并非完全可靠。如果单个管或在两个管之间的单个连接出现故障，那么整个系统就出现故障。

GB 2 238 782公开了一种声波遥测技术系统，其中提供了一种设备，用于进行沿着钻柱的声波遥测。所述设备包括适合于产生用于表示被测数量的电信号的传感器，用于把所述电信号转换为二进制数字形式的装置，以及多个锤，所述锤被布置成通过利用钻柱冲击而连续地驱使发送连续的二进制数字。每个锤适合于在两个相反方向之一上向钻柱给予冲击，在一个方向上的冲击表示数字一而在相反方向上的冲击表示数字零。

WO 99/19751公开了一种遥测系统，其中例如通过改变位于井孔中的钻柱的旋转速率来调制所述钻柱的应力和/或运动，以便沿着所述钻柱向井口和井下发送数据。

上述大部分用于从孔底钻具向地面发送数据的系统和方法的缺点在于在数据传输期间必须中断钻井，或者至少中断钻井以便能够以可接受的质量标准进行数据传输。这些中断是费时的并且增加了钻井施工的成本。另外的缺点是数据传输速率的限制以及数据传输的较差质量。

发明内容

本发明的目的是从位于地球岩层的井孔中的孔底钻具中提供更有效的数据传输。

通过提供如在所附权利要求1限定的方法以及通过提供如在所附权利要求6中所限定的孔底钻具来实现本发明的上述目的。