[发明专利]一种井中与地面信息高速有线双工通信方法及装置

说明书

技术领域

本发明专利属于油气开采领域，涉及一种钻井信息、录井信息以及随钻测量信息高速传输到地面终端，地面控制信息高速传输到井中的有线通信方法及装置，该方法和装置对泥浆钻井、气体钻井都实用。

技术背景

钻完井工程是一项隐蔽而复杂的系统工程，可以产生大量信息，而信息化则是保障钻完井工程安全、优质、低成本的必要条件。钻完井信息主要包括各类钻井录井信息和近年迅速发展的随钻测量信息。这些信息的采集可以实现在钻井的同时对钻井作业的综合评价和实时测井作业，简化了钻井作业程序，提高了钻井作业精度，节省了钻机时间，降低了成本，能够实时检测到地层变化以便及时对钻井设计予以必要的调整，最大限度地在油藏中最有价值的地带钻井，提高了油气的采收率。

按照一口井在施工作阶段分为钻前、钻中、钻后不同阶段，可以把钻井录井信息划分为三类：第一类是开钻与钻进前的信息，包括地震、地化及区域或邻区岩心等信息；第二类是钻进时的信息，包括录井信息、随钻信息；第三类是完井信息。第一类信息不需要从井中采集，第二类和第三类信息需要从井中传输到地面。随着MWD、LWD、SWD等随钻测量技术的发展，井下随钻测量参数越来越多，信息量很大。

对于钻井信息、录井信息以及随钻信息传输，目前采用的方法主要有泥浆脉冲传输法、声波传输法、电磁波传输法、有线传输法。其中，泥浆脉冲传输法、声波传输法、电磁波传输法都是属于无线传输方式。泥浆脉冲传输法是目前无线传输中现场使用的主流技术，其优点是对钻井工艺没有特殊的要求和限制，仅用钻井液流作为动力，对正常钻井作业影响很小，且通信可靠，能远距离传输，但是钻井液脉冲的传输数据速率较低，不能满足钻井作业对井下信息的传输需求，同时在气体和气液双相流体中不能采用钻井液脉冲传输方式，不能实现实时传输随钻测量数据，并且只能单工通信，下行指令传输困难，成为进一步提高整个系统控制水平和闭环实现的瓶颈；声波传输法需要解决钻井环境的噪声问题；电磁传输法在技术上有一定优势，但目前传输速率较低。

有线传输法中如果采用电缆或者光缆作为传输介质，电缆传输方式的优点是传输速率高，可双向传递信息，但其电源和信号独立传送的传输通道较为复杂，需要消耗大量的物理电缆，成本较高，同时电缆必须具备高温、高压下正常工作的能力，而且必须预防缆线弯曲折断，突破转盘钻井中的干扰，开发成本较高；使用光纤电缆很细小，成本低，但只可短时间使用，传输距离限制较大，而且光纤易在钻井泥浆中磨损掉而被冲走；有线传输如果采用特种钻杆作为传输介质，其优点是数据传输快、双向通信简单，缺点是需要在钻杆中加入缆线传输，加工特种钻杆的成本高，同时每节钻杆之间的通信传输以及密封都是技术难题，可靠性差，难以实现电力下传。

总之，目前的泥浆钻井的钻井信息、录井信息以及随钻信息传输技术尚存在不足和弱点，不能满足钻完井工程的需求。

为了进一步提高井下数据传输速率，实现井下与地面信息的双工通信，将有线钻杆与地质导向、随钻地震、井下动态诊断等新技术结合，将大大提高复杂地质条件下导向钻井的水平，满足实时闭环监控要求。

下面就回顾一下随钻信息的有线钻杆传输技术的发展历程：

近60年来，为满足井下不断增长的实时数据和能量传输所需，各国研究者一直未中断开发数据和电力传输通道的尝试表，有线钻杆传输发展主要分为三个阶段：

第一阶段：方法探索和关键组件研制阶段(1950年以前)。有线钻杆传输的研究最早是由前苏联开始的，为钻杆嵌入导线技术奠定了基础。1940年由前苏联成功钻了深1500m的世界第1口利用电钻的井。1940年，Dickson和Dennison克服了在导电介质(腐蚀性、有研磨作用的高压钻井液)中接头可靠连接的难题，并得出钻柱的动态震动对接头可靠性有害的结论；1942年D.C.Hare使用感应接头进行相邻钻柱间数据传输并获专利，长距离传送信号电力耗损高；1942年，R.T.Cloud发明一系列感应接头并申请了专利，采用磁化合金材料形槽以汇聚感应信号；但由于当时技术条件所限，关键组件性能和可靠性差，发展缓慢。

第二阶段：现场实验和改进阶段(1950年至1970年)。1963年A.H.Lord改进Hare的专利，降低需要的电能但感应接头装卸较困难；20世纪70年代，前苏联研发了有线传输系统STE，实现了几何导向的随钻测井参数连续测量的实时数据传输，采用在钻杆每个单根内直接悬吊电缆，接头处加电插头的方法，最初使用时可靠性较好，但钻过几次以后因导线老化，频繁中断，失败几率大大增加平均每千米1次)。