专利名称：井下数据传输的装置和方法
技术领域：
本公开涉及用于井筒作业的遥测系统和方法。更具体而言，本公开涉及用于在地面设备和井下工具之间传输信号的井筒遥测系统和方法。
背景技术：
相关申请本专利要求美国临时专利申请No.60/716,180的申请日的利益，该申请的整个公开被结合于此以作参考。
背景可以钻井以定位和生产烃、矿物或水。钻柱和井下工具通常由一系列管子组成，这些管子可通过螺纹连接在一起以形成在其下端具有钻头的长管。当钻井工具前进时，钻井泥浆从地面泥浆池中通过一个或多个通道泵入钻井工具并泵出钻头。流出钻头的泥浆流回地面以被返回到泥浆池，并可以通过钻井工具重新循环。以这种方式，钻井泥浆冷却了钻井工具，把钻屑和其它碎屑带离钻井工具，并把钻屑和其它碎屑沉入泥浆池。众所周知，除了由泵入井筒的泥浆执行的冷却和清洗操作之外，泥浆还形成了沿井筒排列的泥饼，这除了其它功能外还减少了钻柱和地下岩层之间的摩擦。
在钻井作业期间，在底部钻具组合(它可以包括多个部件)和基于地面的处理设备和/或其它地面装置之间的通信可以利用遥测系统来执行。通常，这样的遥测系统使得能够在底部钻具组合与地面装置之间传送功率、数据、命令和/或任何其它信号或信息。因此，遥测系统使得例如与井筒和/或底部钻具组合的状况有关的数据能够被传送到地面装置以用于进一步处理、显示等，并且还使得底部钻具组合的作业能够经由从地面装置发送到底部钻具组合的命令和/或其它信息被控制。
各种井筒遥测系统可以用于建立期望的通信性能。这样系统的例子包括如美国专利No.5,517,464所述的泥浆脉冲遥测系统、如美国专利No.6,641,434所述的有线钻杆井筒遥测系统、如美国专利No.5,624,051所述的电磁井筒遥测系统、如PCT专利申请No.WO2004085796所述的声学井筒遥测系统，它们全部以其整体被结合于此以作参考。使用数据传送或通信装置(例如与传感器耦合的收发器)的更多例子也已经被用于在底部钻具组合和地面设备之间传送功率和/或数据。
遥测系统通常包括把由底部钻具组合(例如组成底部钻具组合的一个或多个部件)获取的数据传输到地面系统或设备。利用这些系统，通常数据被收集并组织成包，所述包可以被称为帧，它包含一个数据点或多个数据点。这些数据通常以恒定或连续的数据流向井口(uphole)传输。例如，从各个部件收集的一组数据被聚集成帧并传送到地面。来自一个帧的数据被持续发送到地面，直到来自那个帧的所有数据都被发送为止。包含来自各种部件的交错数据的一系列帧通常被向井口发送到地面。对于给定组的帧重复上述过程和/或可以持续地重复(例如直到电源被关掉)。遥测部件或系统通常具有实际的限制(例如带宽)，这限制了数据速率和/或在给定时间周期内可以向井口传输的数据量。因此，从底部钻具组合向地面发送数据和/或在地面接收数据经常存在延迟。另外，重复的数据通常消耗了有限可用的遥测带宽，从而减慢或妨碍了与关键信息和/或重要事件相关的数据传输。
发明内容
正如在下面的详细描述中所述的，这里所述的示例方法和装置使得遥测系统能够以更高效的方式和/或以一种便于数据流的方式传输数据帧。特别是，某些数据的传输可以响应于特殊事件的检测或激活而被触发。进一步，下面所述的示例方法和装置可以有选择地把数据或帧的传输区分优先次序，以使与特殊事件(例如与有问题的井下状况相关的告警)相关的信息比许多已知遥测系统所可能的更有效地(例如更快地)或更高效地(例如通过可用带宽的更好利用)向井口发送。另外，下面所述的示例方法和装置可以用于实现和促进井下和/或地面实时传输决策。
根据一个公开的实例，一种在井筒的井下位置和与井筒相关的地面位置之间传输数据的方法，通过至少一个井下部件来测量井下数据，并且生成包含至少一部分井下数据的数据帧。该示例方法也可以响应于与特殊事件对应的至少一些井下数据而改变分配给至少一个井下部件的遥测带宽，并且通过分配给至少一个井下部件的遥测带宽而把至少一些井下数据传输到地面位置。
在另一个公开的实例中，一种在井筒的井下位置和与井筒相关的地面位置之间传输数据的装置，包括遥测部件，该遥测部件被配置成响应于与特殊事件对应的至少一些井下数据而改变分配给至少一个井下部件的遥测带宽。该遥测部件也可以通过分配给至少一个井下部件的遥测带宽而把至少一些井下数据传输到地面位置。
在又一个公开的实例中，一种在井筒的井下位置和与井筒相关的地面位置之间传输数据的方法，周期性地生成多个第一类型的数据帧以在井下位置和地面位置之间传输。该方法还包括响应于检测到的特殊事件而产生第二类型的数据帧，并异步地传输第二类型的数据帧。
图1是部分以横截面方式的示例井场的示意图，该示例井场具有地面系统或设备和底部钻具组合，该底部钻具组合从钻塔处被配置并通过在其中具有遥测系统的钻柱伸入到井筒中。
图2是描述在底部钻具组合和地面系统或设备之间传输数据的示例方法的流程图。
图3描述了包含在底部钻具组合和地面系统或设备之间传输的数据的一系列示例帧。
图4A是描述由底部钻具组合收集的特殊数据帧的示例图表。
图4B是描述从图4A的示例数据帧中提取以用于传输到地面系统或设备的特殊数据的一个示例图表。
图4C是从图4A的示例数据帧中提取以用于传输到地面系统或设备的特殊数据的另一个示例图表。
图5A和5B是描述由数据的标识领先的特殊数据的示例图表，所述数据标识可被可选地包括在用于传输到地面系统或设备的图4A的示例数据帧中。
具体实施例方式
某些实例在上面所述的附图中示出并且在下面进行详细描述。在描述这些实例时，相似或相同的附图标记用来标识共同或类似的部件。为了清楚和/或简明起见，附图未必是按比例绘制的，并且附图的某些图可以按比例放大或用示意图来示出。
图1描述了一个示例井场系统1，它可以有利地结合这里描述的示例遥测设备和方法。在所说明的实例中，井筒11可以由公知的旋转钻井工艺、基于泥浆马达的定向钻井、或任何其它合适的钻井工艺或多个工艺形成。进一步，虽然示例系统1被描述为利用一个基于陆地的钻塔实现，但是这里所述的示例方法和装置也可结合基于非陆地的钻塔使用。更进一步，虽然图1的示例系统1被描述为包括井下钻井工具，但是任何其它合适的井下工具，例如测井电缆、挠性管、套管钻井、完井或其它具有与地面系统或设备通信的遥测系统的井下工具都可以用作替代。
图1的示例井场系统1包括一个井下工具或底部钻具组合(BHA)，它通过钻柱12悬挂在井筒11中并且在其下端具有钻头15。示例系统1包括一个基于陆地的平台和放置在井筒11上方的井架组合10，井筒11穿过了地下岩层F。系统1还包括钻井液或泥浆26，它被储存在井场上形成的池子27中。钻井液26通过泥浆泵(未示出)泵入钻柱12的内部，从而使得钻井液26向下流动穿过钻柱12。钻井液26通过钻头15的端口流出钻柱12，并且随着钻井液26被返回池27以用于重新循环而把岩层碎屑向上带到地面。
BHA3包括能够执行各种井下功能的几个部件。在图1的示例系统1中，BHA3包括随钻测量(MWD)部件16、遥测部件18、随钻测井(LWD)部件20、岩层评价部件22、以及旋转可转向(RS)部件24。然而，这些部件或不同部件的一个或多个的任何组合都可用作替代。
地面系统或设备5可以使用任何期望的硬件和/或软件的组合来实施。例如，个人计算机平台、工作站平台等可以存储在计算机可读介质(例如磁性或光学硬盘、随机存取存储器等)上，并且执行一个或多个软件例程、程序、机器可读代码或指令等，以执行这里描述的操作。另外地或作为选择，地面设备5可以使用诸如下面的专用硬件或逻辑来执行这里描述的功能或操作，例如专用集成电路、配置的可编程逻辑控制器、离散逻辑、模拟电路、无源电气部件等。
更进一步，虽然地面设备5在图1的实例中被描述为相对较接近钻塔，但是整个地面设备5的某一部分可以可选择地位于相对远离钻塔的位置。例如，地面设备5可以通过一个或多个无线或硬连线的通信链路(未示出)的任何组合被可操作地和/或可通信地耦合到井筒遥测部件18。这样的通信链路可以包括使用任何期望的通信协议通过分组交换网络(例如因特网)、硬连线电话线路、蜂窝通信链路和/或其它基于射频的通信链路等的通信。
遥测部件18可以用于在BHA3和地面系统或设备5之间传送信号。任何期望类型的遥测部件或遥测部件的组合可以被使用，例如泥浆脉冲遥测部件、电磁遥测部件、有线钻杆遥测部件、声学遥测部件、可回收的测井电缆感应耦合等。MWD部件16可用于获得井下测量结果，例如方向、倾角、钻压、伽马射线和/或任何其它测量结果，并把那些测量结果通过遥测部件18发送到地面设备5。
正如所述，岩层评价部件22是一个具有探头23的岩层测试或取样部件，用于与岩层F建立流体连通并且把流体吸入岩层评价部件。对流体可以进行各种测量，并且与其相关的数据可以通过遥测部件18被传输到地面。
LWD部件20可以用于获得测量结果并收集井下数据，例如电阻率、核子、伽马射线、孔隙度、密度、音速、地震、声学等。通过LWD部件20获得的测量结果可以被存储在LWD部件20内的存储单元(未示出)中，以使当LWD部件20被回收到地面时，与测量结果相关的数据可以被下载到处理单元、计算机等以进行分析。可选择地或另外地，由LWD部件20收集的至少一些测量结果或一部分数据可以通过部件18传输到地面。
RS部件24或任何其它合适的部件可以用于在期望的方向上操纵钻头15。以这种方式，BHA3可以沿着期望的路线或路径前进到期望的井下位置。RS部件24也可以收集数据，这些数据通过遥测部件18被传输或传送到地面。
更一般而言，BHA3可以由另外的和/或不同的部件组成，并且由这些部件收集的数据可以在这些部件之间(例如在传输到地面之前)传送或传输和/或存储在一个或多个井下的位置(例如在与BHA3相关的一个或多个装置或部件内)。此外，BHA3的一个或多个部件可以包括一个或多个处理器或处理单元(例如微处理器、专用集成电路等)以操作和/或分析由这些部件收集的数据。
数据流可以由BHA3的部件产生，并且可以在部件内被操作和/或缓冲。遥测部件18可以有选择地收集、聚集或获取数据，并基于例如预定的帧定义从一个或多个部件生成数据帧，和/或由遥测部件18获取的数据可以利用具有自定义数据流(例如数据流包含表示在数据流内信息或数据被安排或组织的方式的信息)的一个帧或多个帧进行传送。自定义数据流的使用使得数据帧能够被解码而不必参考预定的帧格式。
除了有选择地获得数据并从与BHA3相关的各种部件产生帧以外，遥测数据18还可以有选择地在特定时间、以特定的顺序或序列等发送生成的帧到地面设备5，以达到期望的结果。例如，正如下面更详细描述的，包含与特殊事件相关的信息的某些帧可以在优先的基础上进行传送，把与特殊事件相关的信息没有延迟地传送到地面将是有利的。特别是，在一些情况下，即使在特殊事件信息被收集或以别的方式被获得的时间之前其它帧中的数据被收集或以别的方式被获得，包含这种特殊事件信息的帧也可以在一个或多个其它帧之前被传送。
虽然图1的示例系统1被描述为具有一个地面设备5和一个带有五个特定部件的底部钻具组合3的单个井场，但是在一个或多个井场的一个或多个地面设备可以与这里描述的示例装置和方法结合使用，其中每一个可以使用井下部件的任何期望组合。在地面设备5和井下工具3之间数据或信息的传输或传送可以使用多种技术中的任何一种来执行。例如，地面设备5可以向底部钻具组合3的一个或多个部件发送命令以响应于从底部钻具组合3接收的信息。另外，底部钻具组合3和地面设备5之间的通信可以是同时的、交错的、连续的、和/或间歇的。
操作者或其他人通常位于地面设备5处或在其附近以在井场监视(例如通过一个显示从井下接收到数据的视频监视器)作业。通常，操作者看到一个显示来自各种井下和地面部件的一组数据的屏幕，所述数据可以是持续更新的。操作者或其它人可以可选择地位于世界上遥远的(例如离开钻塔现场)任何地方。在那种情况下，在遥远位置和井场之间的通信可以使用硬连线和/或无线通信系统的任何组合来进行。例如，这样的通信可以使用电话线路、因特网通信链路、蜂窝通信链路、卫星通信链路等的任何期望的组合来进行。
图2是描述在底部钻具组合(例如图1的底部钻具组合3)和地面系统或设备(例如图1的地面系统或设备5)之间传输数据的示例过程或方法的流程图。在讨论图2的示例方法之前，应该理解图2中所述的各种操作可以通过软件、机器可读指令、代码等进行。这样的软件、机器可读指令或代码可以被存储在计算机可读介质(例如磁性存储介质、光学存储介质等)上并由处理器(例如微处理器)执行以进行图2中所述的一个或多个操作。进一步，如果需要的话，图2中所述的一个或多个操作可以自动或手动执行，操作的顺序可以改变，一个或多个操作可以被除去，和/或这些操作与图2中所述的那些相比可以被再分成另外的或不同的块。
现在详细转向图2，示例过程一开始配置BHA3的部件以使得能够以期望的方式进行数据收集和/或传输(块200)。特别是，组成BHA3的每个部件可以被配置成以特定速率或频率采集数据和/或以特定方式存储所采集的数据(例如把数据存储在收集数据的部件中、在另一个部件中等)。另外，其它规范或参数例如测量系数可以基于诸如泥浆类型、孔尺寸、岩层类型等之类的井筒状况而被设定或配置。任何遥测部件(例如图1的遥测部件)可以被配置以生成并传输一组预定或智能组成的帧。这样的帧配置或设置确定了数量、类型、频率、帧顺序(例如传送某些类型的帧的次序)、数据从各种井下部件被收集并被置于帧中的频率和顺序或次序等。
正如下面更详细描述的，预定或智能帧组成可以适合于便于某些类型的信息高效且快速地传送到地面。例如，与特殊事件相关的信息可以用以迅速方式传送到地面的特殊构成的帧来传送，所述特殊事件例如是需要由监视钻井过程或作业的人立即注意的那些井下状况(例如警报或告警状况、问题、钻井时的地层压力信息等)。
紧随着井下部件的配置(块200)，一个或多个井下部件收集或测量井下数据(块210)。这样收集的数据可以被存储在收集数据的部件中和/或在另一个部件或多个其它井下部件中(块212)。在块212，数据可以根据上述的帧配置被传送到一个或多个遥测部件(例如遥测部件18)。
在正常运行期间，数据流可以通过每个井下部件(例如井下部件18、20、22和24中的一个或多个)测量或收集。如上所述，这样测量或收集的数据可以被存储在收集数据的部件和/或其它井下部件内。接着根据在块200建立的预定或智能组成的帧配置，遥测部件(例如遥测部件18)从一个或多个井下部件中有选择地收集或聚集在块210处收集或测量的至少一些数据(块220)。
紧随着在块220处的数据收集，图2的示例方法确定是否发生了特殊事件(块230)。特殊事件可以是发生没规律的事件(例如非周期性的事件、不重现的事件或状况等)。例如，与井下部件之一相关的错误或故障，诸如高温、岩层压力读数等之类的预定数据的收集，某些井下部件的激活(例如作为一个或多个地面命令的结果)，和/或一个特殊数据帧可以与在块230的特殊事件相关联。
在另一个实例中，特殊事件可以是期望数据在优先的基础上向井口传输的重现的或周期性的事件。例如，特殊事件可以对应于特定的测量结果，例如随钻测量的地层压力，这就是在周期性的基础上取得的。通常，这样的测量是在钻柱未在旋转时进行的，例如在连接的过程中，并且遥测的全部带宽可以专用于传输来自随钻测量的岩层压力的数据。
当一些预定的标准满足时，响应于由一个或多个井下部件为了告警而对遥测部件的中断可以在块230处确定特殊事件的发生。遥测部件的这种中断可以被实施以使各种井下部件向遥测部件(例如遥测部件18)发送信号以表明发生了特殊事件。可选择地或另外地，遥测部件可以被配置成向井下部件发送询问(例如轮询)以请求或检测特殊事件的发生。在一个实例中，在块230处特殊事件的检测可以使得包含岩层评价信息或要被传输或传送到地面设备或系统的数据的数据帧的传送能够基本上紧随着由岩层评价部件(例如图1的岩层评价部件22)测量或收集的岩层评价信息或数据。
如果在块230处检测到特殊事件的发生，那么示例方法将与特殊事件相关联的一些或全部特殊数据收集或安排在一个特殊数据帧或多个特殊数据帧内(块240)。在特殊数据帧内安排特殊数据可以基于在块200处建立的配置参数。在块240处已经将特殊数据收集在一个特殊数据帧或多个特殊数据帧之后，特殊数据帧可以根据块200的配置被传送或传输到地面(块250)。在块250处特殊数据帧已经被发送到地面之后，控制返回到块210，以使得测量/数据收集和传送过程能够重复。特殊数据帧中的所有数据可以在如图2所述的特殊数据帧传输之前被收集，或者可选择地，数据可以根据需要被收集以用于传输，从而提供最当前的数据以用于传输。
如果该示例方法确定在块230处没有特殊事件发生，那么该方法继续发送正常(即非特殊的)重复的数据帧(例如周期性传输的数据帧)(块252)。控制接着回到块210以使得该方法能够重复井下数据的收集或测量以及传输。
如上所述，特殊事件可以由这里描述的示例装置和方法手动和/或自动触发。特殊事件的信令或断言在一些实施方式中可以是时间有限的，以使在某一预定时间周期后传送与特殊事件相关的信息的需要可以期满。另外地或可选择地，特殊事件被断言为需要进一步处理的持续时间可以基于任务的完成或其它事件，比如使用一个部件来进行测量。进一步，可以断言特殊事件触发的持续时间可以基于用于特殊事件的其它随后的触发而手动和/或自动地改变(例如增加/减少)。
图3是包含在底部钻具组合和地面系统或设备之间传输的数据的示例系列帧的示意图。图3的示例系列数据帧表示图2的示例过程可以发送特殊数据(图2的块250)到地面设备或系统的方式。在图3的实例中，三种类型的数据帧(表示为数据帧1、2和3)以使得包含特殊数据的特殊数据帧(表示为特殊数据帧1和2)高效并迅速地传送到地面的方式来传送或传输。虽然三种类型的数据帧在图3的实例中进行了描述，但是应该认识到，更多或更少类型的数据帧可以用作替代。
在图3的实例中，该配置(例如在图2的块200的配置)规定首先发送类型1的一个数据帧(261)，接着是类型2的一个数据帧(262)，接着是类型3的五个数据帧(263a-e)。在一个实例中，数据帧1(261)表示勘测帧。当钻井和泥浆流动停止时，安排工具进行与BHA的方向和倾角相关的测量是通常的惯例。这提供了BHA方向和倾角的更准确的测量。一旦重新启动了泥浆泵，就可以安排MWD工具把勘测帧传输到地面。
在另一个实例中，数据帧类型2(262)可以表示包括BHA中每个工具状态字的效用帧。在一个特定实例中，状态帧可以包括与BHA周围井筒中温度相关的数据。
在另一个实例中，数据帧类型3(263a-e)可以表示来自BHA中一个或多个工具的数据。MWD工具可以轮询各个工具以获得每个的数据点，并接着在数据帧中传输至少一些收集的数据。接着MWD工具可以通过再次轮询BHA中的一个或多个工具来重复该过程，并接着收集和传输至少一些收集的数据。这样的数据流的重复可以无限地继续。
该配置还规定一旦检测到特殊事件的发生(例如在图2的块230)和收集到特殊数据帧(例如在图2的块240)，特殊数据帧在优先的基础上通过遥测部件(例如部件18)被传送或传输到地面设备(例如地面设备5)，这直接跟随着类型3的数据帧的传输完成。特别是，特殊数据帧1271a可以在类型3的第二数据帧(263b)被传输的同时被收集或形成，这样，特殊数据帧1(271a)直接跟随着类型3的第二数据帧(263b)的传输完成被传输到地面设备。
在一个实例中，特殊数据帧1271a-b可以对应于随钻测量的岩层压力。因为这种类型数据的相对重要性和BHA中其它工具的相对不活动性，MWD工具在优先的基础上传输特殊数据帧1271a。MWD工具可以传输第二特殊数据帧1271b，从而表示特殊数据的连续流。例如，第二特殊数据帧1271b可以表示来自随钻测量的岩层压力的连续数据。MWD工具可以重复特殊数据帧1和连续数据，直到特殊事件不再持续。例如，MWD工具可以持续传输特殊数据帧1，直到随钻测量的岩层压力被完成并且数据已被传输到地面为止。一旦完成特殊事件，MWD工具就可以恢复传输数据帧3 263c。
特殊数据帧中的数据可以对应于来自其它类型工具的数据。例如，来自地震接收器、地面到井筒应用中的电磁传感器的数据以及来自旋转可转向系统的反馈都可以形成特殊数据帧。特殊数据帧可以包括来自多于一种测量的数据的组合。不偏离本发明范围的特殊数据帧的其它实例对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
特殊数据帧2 272可以在类型3的第四数据帧263d的传输过程中形成，并且因此直接跟随类型3的第四数据帧263d的传输来进行传输。特殊数据帧2可以对应于需要由操作者注意的告警或警报。例如，特殊数据帧2 272可以对应于特定工具的状态的改变。在另一个实例中，特殊数据帧2 272可以对应于在预期范围以外的特定测量，比如钻头温度或井筒压力。告警或警报状况的其它例子对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
因此，特殊数据帧1和2(271a-b，272)在优先的基础上被传输到地面。在一个实例中，特殊数据帧基本上一完成特殊帧的形成就立即传输。在另一个实例中，特殊数据帧的传输甚至在整个特殊帧形成之前就开始了。因此，特殊数据帧的第一部分可以在数据帧的剩余部分正在收集和编辑时被传输。
图4A是描述根据配置(图2的块200)通过底部钻具组合(例如图1的BHA3)收集的特殊数据的实例的示例图表。如图4A所示，从多个井下部件收集特殊数据帧(例如在图2的块240)以响应于特殊事件的发生。在图4A的示例图表中的数据如在例如遥测部件(例如图1的遥测部件18)中所定义的来配置。在图4A的实例中，已经收集了井下部件1、2、3和4的数据以响应于检测到的特殊事件。
图4B和4C是描述从图4A的示例特殊数据帧中提取以用于传输到地面系统或设备(例如图1的地面系统或设备5)的特殊数据的图表。在图4B的特定实例中，每行表示传输到地面的一个字。这样，图4B示出了一个同步字、一个部件标识字、以及4个表示来自所标识部件(在这个例子中为部件1)的数据的数据字。紧随着来自第一部件的数据的是第二部件标识字和来自所标识的第二部件的数据。
在图4C中，部件1的数据A、D、E和H已经被提取以用于传送或传输到地面设备(例如图1的地面设备或系统5)。优选地但不是必须地，所提取的数据以它出现在图4A的示例图表中的顺序(即从顶到底)传送以便于在地面上识别数据(例如数据的来源)。所提取的数据也可以伴有或可以包括一个标识符以标识数据和/或收集所提取数据的部件的类型。帧也可以以一个同步字和帧标识符开始，以将传送所提取数据的帧标识为特殊帧。
尽管图4B的示例图表将同步信息和帧标识符描述为一个字，但是多个字也可用作替代。而且，虽然图4B的实例中的数据被描述为作为单个数据点传输，但是数据可以可选择地或另外地以使用任何一种未压缩或压缩的数据格式发送。
图4C是从图4A的示例数据帧中提取以用于传输到地面系统或设备的特殊数据的另一个示例图表。在图4C的实例中，与部件(例如部件1)相关的所提取的数据或信息可以根据该特殊事件和/或多个特殊事件的需要而被发送到地面。
图5A和5B是描述由数据的标识领先的特殊数据的示例图表，所述数据标识可以被可选地包括在用于传输到地面系统或设备的特殊数据帧中。在图5A的示例编码方案中，在每个数据值305之前是由相应部件号302(即与收集的数据相关的部件)组成的标识符和测量标识符304(例如B’、C’、F’、M’等)。
在图5B的示例编码方案中，发送部件标识符306，之后是包括测量标识符304和数据值305的字。这样，测量标识符(例如B’、F’、C’、M’等)可以如图5B所示被发送以标识各个数据点，并且消除了对于每个数据值或点包括部件标识符的需要。进一步，图5A和5B的示例帧编码方案消除了以特定次序或顺序(例如预定的帧顺序)发送数据以使得能够在地面设备或系统识别对应于数据的部件的需要。因此，利用图5A和5B的示例编码方案，井下部件可以根据需要发送数据到地面以使得操作者能够以及时的方式作出关键的决策。
更一般地，用来生成数据帧的编码方案可以在井筒中起下钻(tripping)之前被定义，通过特殊的下行链路和/或基于大约同时进行测量的部件的数目在井下被构造或定义，和/或在部件在井下时被修改。
不管把数据传送到地面设备的数据帧编码方案(例如数据组织、格式化的方式等)如何，该地面设备检索所提取的数据，并利用编码算法或方案的知识来识别数据。一旦该地面设备识别了数据，那么该地面设备能够操作或以别的方式分析或处理数据，例如，数据可以被实时提供(例如显示)给操作者。以这种方式，操作者可以例如通过向一个或多个井下部件发送命令来对一些或所有数据作出响应。
在作业中，操作者可以按照在图3所示的示例数据帧传输方案中所述的次序接收数据。例如，操作者可以接收与数据帧类型1相关的数据，它表示来自诸如产生固定勘测数据的勘测工具之类的多个部件之一的数据。一旦传送或传输了数据帧类型1，那么数据帧类型2传送来自诸如MWD部件、LWD部件等之类的一个或多个部件在有规律的(例如周期性的)基础上可能不需要的数据。一旦来自数据帧类型2的数据已经被传送到地面，那么与数据帧类型3相关的数据接着被传送到地面。
如图3所述，多个数据帧类型3被传送到地面，其中每组数据帧类型3包括随着钻井过程的前进新采集的数据。类型3的数据帧可以包含测量和/或其它数据。另外，类型3的数据帧在大小上是有限的，这样可能需要多于一个的这种帧以传输较大部分的数据。例如，来自一个或多个部件的一组数据可以以一个或多个帧向井口发送。
由于告警或特殊事件，特殊数据帧在一系列类型3的数据帧之间发送。结果，包含例如需要地面上的操作者紧急注意的信息或井下数据的特殊数据帧可以向井口传送。相反，由于由一些已知系统使用的向井口通信技术的等待时间，这些系统可能丢失这样的特殊事件数据。可选择地或另外地，这些已知的系统可以响应于系统的复位而仅仅向井口发送这样的特殊事件数据，和/或在非特殊数据帧(例如类型3的数据帧)中散布这样的特殊数据，从而产生可用遥测带宽的无效率的使用。再者，与上述通信技术对比，这里描述的示例装置和方法能够使得特殊事件一发生就形成和传输特殊数据帧。这样的数据帧按照所需被发送，并且通常直接紧跟在另一个数据帧(例如预定的数据帧类型)传输完成后，以便与特殊事件相关的信息被尽可能快地提供给地面的操作者。
前述的示例装置和方法可以以许多方式进行修改以达到相同或相似的结果。例如，特殊数据帧可以利用这里描述的技术从地面传送到井下部件和/或从井下部件传送到地面。此外，这里描述的示例装置可以被手动和/或自动地激活以执行期望的操作。激活可以按照期望和/或基于产生的数据、检测到的状况和/或来自井下作业的结果分析而进行。
从一个或多个井下部件到地面的数据的选择性通道可用于操作带宽。换句话说，分配给各种井下部件的遥测部件的通信带宽可以随着特殊事件被检测到而改变或修改，以及包含与其相关的信息的特殊数据帧在其它预定的数据帧将以别的方式被传输到地面的时间异步地(例如如所需要的和/或当特殊事件发生时)传输到地面。换句话说，特殊数据帧的优先传输使得特殊数据能够乱序地(即以不同于所有井下数据被收集的次序的次序或顺序)传输到地面，以使特殊数据可以提前于或者在先于收集特殊数据时收集的数据之前被发送。特殊事件可以从地面(例如通过操作者手动地和/或经由软件自动地)触发和/或特殊事件(例如预定的一组条件)一发生就经由一个或多个井下部件触发。向井下发送的信息可以利用任何期望的下行链路方法传送到例如一个或多个井下工具或部件。
在一些实施方式中，一些井下部件将不时地向地面发送或多或少的信息(例如在站测井期间)。代替具有固定的带宽分配，这里描述的示例方法和设备可以根据井下作业条件改变分配给井下部件的遥测带宽，以充分利用可用遥测带宽。例如，在特殊事件的情况下，具有与特殊事件相关的信息的一个或多个部件被使能以迅速传输(例如临时接收到的附加遥测带宽)到地面以进行进一步处理(例如使得地面上的操作者能够采取响应的行动)。进一步，遥测带宽分配的这种变化可以响应于由一个或多个操作者的需要或请求而进行改变。更进一步，在一个或多个井下部件失效的情况下，不然由这些部件使用的遥测带宽可以代替地由剩余工作的井下部件使用。
前面的描述和所提供的示例装置和方法因此仅仅是为了说明的目的，并且不应被解释为限制。因此，尽管在这里描述了某些装置和方法，但是本专利的覆盖范围不限于此。相反，本专利覆盖了在字面上或者按照等同原则完全落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。进一步，在权利要求书内的“包括”打算是指“至少包括”，以使在权利要求中所述的元素列表是开放的组。“一”、“一个”和其它单数术语打算包括它们的复数形式，除非明确排除。
权利要求
1.一种在井筒的井下位置和与该井筒相关的地面位置之间传输数据的方法，该方法包括通过至少一个井下部件来测量井下数据；生成包含至少一部分井下数据的数据帧；响应于与特殊事件对应的至少一些井下数据而改变分配给至少一个井下部件的遥测带宽；以及通过分配给至少一个井下部件的遥测带宽而把至少一些井下数据传输到地面位置。
2.如权利要求1所述的方法，其中改变分配给至少一个井下部件的遥测带宽并将至少一些井下数据传输到地面位置包括生成特殊数据帧，并在优先的基础上将特殊数据帧传输到地面位置。
3.如权利要求2所述的方法，其中在优先的基础上将特殊数据帧传输到地面位置包括在周期性传输的数据帧之间传输特殊数据帧。
4.如权利要求3所述的方法，其中周期性传输的数据帧是相同类型的数据帧。
5.如权利要求1所述的方法，其中生成包含至少一些井下数据的数据帧包括利用标识信息对数据帧进行编码。
6.如权利要求1所述的方法，其中生成数据帧包括生成数据帧以把来自在配置遥测部件过程中定义的预定帧的数据包括进来。
7.如权利要求1所述的方法，其中特殊事件响应于命令。
8.如权利要求1所述的方法，其中生成包含至少一些井下数据的数据帧包括把至少一个井下装置标识符与在至少一些井下数据内的每个数据点相关联。
9.如权利要求1所述的方法，其中特殊事件对应于需要由操作者立即注意的事件。
10.一种在井筒的井下位置和与该井筒相关的地面位置之间传输数据的装置，该装置包括遥测部件，其被配置成响应于与特殊事件对应的井下数据而改变分配给至少一个井下部件的遥测带宽，以及通过分配给至少一个井下部件的遥测带宽而把至少一些井下数据传输到地面位置。
11.如权利要求10所述的装置，其中改变分配给至少一个井下部件的遥测带宽并将至少一些井下数据传输到地面位置包括生成特殊数据帧，并在优先的基础上将特殊数据帧传输到地面位置。
12.如权利要求11所述的装置，其中在优先的基础上将特殊数据帧传输到地面位置包括在周期性传输的数据帧之间传输特殊数据帧。
13.如权利要求12所述的装置，其中周期性传输的数据帧是相同类型的数据帧。
14.如权利要求10所述的装置，其中特殊事件响应于命令。
15.如权利要求10所述的装置，其中遥测部件被配置成通过把至少一个井下装置标识符与在至少一些井下数据内的每个数据点相关联来生成包含至少一些井下数据的数据帧。
16.如权利要求10所述的装置，其中特殊事件对应于需要由操作者立即注意的事件。
17.一种在井筒的井下位置和与该井筒相关的地面位置之间传输数据的方法，该方法包括生成多个第一类型的数据帧以在井下位置和地面位置之间传输；生成第二类型的数据帧以响应于检测到特殊事件；以及在优先的基础上传输至少一个第二类型的数据帧。
18.如权利要求17所述的方法，其中第一类型的数据帧包括重复的数据帧，以及第二类型的数据帧包括特殊数据帧。
19.如权利要求17所述的方法，其中特殊事件响应于命令。
20.如权利要求17所述的方法，其中特殊事件对应于需要由操作者立即注意的事件。
21.如权利要求17所述的方法，其中特殊事件与至少一个警报或告警状况相关。
22.如权利要求17所述的方法，其中在优先的基础上传输至少一个第二类型的数据帧包括将来自井下位置的第二类型的数据帧传输到地面位置。
全文摘要
公开了用于在地面设备和井下工具之间传输信号的示例井筒遥测系统和方法。一种示例方法通过下述在井筒的井下位置和与该井筒相关的地面位置之间传输数据通过至少一个井下部件来测量井下数据，并生成包含至少一部分井下数据的数据帧。该示例方法响应于与特殊事件对应的至少一些井下数据而改变分配给至少一个井下部件的遥测带宽，并通过分配给至少一个井下部件的遥测带宽而把至少一些井下数据传输到地面位置。
文档编号E21B47/12GK1932239SQ20061014222
公开日2007年3月21日 申请日期2006年9月11日 优先权日2005年9月12日
发明者S·B·梅塔 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司