声信号增强设备、系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]在井下声遥测系统中，携载信息的信号经由压缩波从底部钻具总成(BHA)沿着钻柱传输至地球表面。这些信号由地面上的传感器(诸如加速度计)接收。当钻管在超过公称面积的范围内接触井壁时，信号功率由于被周围地层吸收而损耗。在钻水平井时，损耗可能尤为明显，因为接触面积可能相对较大。
【附图说明】
[0002]图1是根据本发明的各种实施方案的设备的方框图。
[0003]图2图示根据本发明的各种实施方案的图1中所示的设备的两个不同构造。
[0004]图3图示根据本发明的各种实施方案的如可在水平钻井操作期间使用的图1中所示的设备的另一构造。
[0005]图4图示根据本发明的各种实施方案的设备和系统。
[0006]图5图示本发明的随钻系统实施方案。
[0007]图6是图示根据本发明的各种实施方案的数个方法的流程图。
[0008]图7是根据本发明的各种实施方案的包括特定机器的制品的方框图。
【具体实施方式】
[0009]被称作搅拌器(例如，泥浆马达)的装置有时用在延伸到达水平井中以通过打破地层与钻柱之间的摩擦力而增强钻井操作效率。但是，由搅拌产生的振动通常干扰泥浆脉冲遥测通信，诸如随钻测量(MWD)、随钻测井(LWD)或随钻地层评估(FEWD)操作期间使用的数据的通信。因此，被称作减振器的另一装置常用在钻柱中以减小由搅拌器建立的锤频率(振动)的谐波。即，减振器用于吸收并且消散钻柱中的冲击负载来为资料获取提供更稳定的平台。实例包括可从路易斯安那州Lafayette的Stabil Drill公司购得的井下减振器；和可从德克萨斯州Houston的Schlumberger Oilfield Services购得的减振器。
[0010]为了解决尤其这些挑战中的一些，发明者已发现一种机构，其可用于通过在钻井操作期间将钻柱与井壁之间的一些静态摩擦力改变为动态摩擦力而减小静态摩擦力。这种机构(其包括流体脉冲源和减振器的非传统组合)将在本文中被命名为遥测增强装置(TED)。
[0011]TED的一个组件是流体脉冲源(FPS)(诸如单螺杆(Moineau)马达)或一些其它类型的正排量泵(诸如渐进式空腔泵)，其被控制或内在地设计来沿着附接的钻柱按相对较低频率(诸如在一些实施方案中小于100个周期/秒)建立振动。虽然传统的单螺杆马达(包括泥浆马达)用于给钻柱中钻头供电，但是在TED的各种实施方案中的FPS通过使马达内的流体穿过流体出口孔将旋转运动转换为压力脉冲。当流体(例如，钻井流体或“泥浆”)流移动经过转子的轴时，转子在其旋转时来回移动。当轴直接与孔对准时，流体流显著减小。当轴移至侧面时，流体可更自由地流动，这是因为存在针对流体的较小阻力。
[0012]可在图1的分解截面中查看这种活动，其详解作为FPS操作的单螺杆马达94中马达轴90的移动。此处可见当流体96流动穿过马达94且旋转轴90来回振荡时(在图中从右向左移动(由大的黑色箭头指示))，安装在马达94末端上的孔98将至少部分被阻挡且随后开启。
[0013]所得压力脉冲通过减振器(其也安装在钻柱中作为TED的部分)的非传统使用而转换为钻柱的轴向运动。在各种实施方案中，通过来自FPS的基频压力脉冲激发减振器，其用于增大钻柱中轴向振动的振幅，而非减小它们。为了增强操作，可选择基频来激发减振器内的一个或更多个共振模以在钻柱中引发更大的振动。
[0014]FPS和减振器(作为TED操作)的这种非传统组合的净效应是使钻柱从井壁脱离，TED操作的基频被选择在相关声遥测通信系统的操作通信频率范围外。由于TED的操作频率可被选择为远低于声遥测通信中所使用的频率，所以钻柱中所引发的振动不会干扰声遥测系统操作。
[0015]本文中公开的机构可能在许多钻井操作中非常有用，包括滑动和水平钻井操作。现将描述可用作这些操作的一部分的数个可行的钻柱构造，其每个包括一个或更多个TED。
[0016]图1是根据本发明的各种实施方案的设备100的方框图。此处可见钻机102被安置在钻柱108上方，钻头126用于钻进地层114中以制作钻孔112。
[0017]在钻柱108的这个构造110中，FPS 126和减振器128组合以形成TED 132。相关的遥测通信系统包括声遥测发射器122和声遥测接收器136。一个或更多个声遥测转发器134也可形成声遥测系统的部分。
[0018]在一些实施方案中，可通过将TED 132定位为尽可能靠近声遥测发射器122而最好地增强遥测系统通信。因此，在一些实施方案中，其可用于组装钻柱108，使得当钻柱108被垂直安置在钻孔112中时，最靠近钻头126的声遥测发射器122位于TED 132正下方。在其它配置中，诸如当TED 132被安装在发射器122与MWD/LWD/FEWD减振器118之间时(见例如，图2中的构造220)，来往于MWD/LWD/FEWD减振器118的数据和命令的通信可使用发射器122与MWD/LWD/FEWD减振器118之间的短传电磁遥测、短传声遥测或有线通信实现。
[0019]控制器142和传感器116可包括设备100的一部分。因此，在一些实施方案中，TED 132的操作由控制器142控制，该控制器142可能经由通信线144直接耦合至TED 132或经由包括发射器122和接收器136的声遥测系统间接耦合至TED 132。控制器142可在TED 132内部或其可被MWD/LWD/FEWD减振器118容纳以经由短传遥测与TED 132通信。
[0020]一个或更多个传感器116，诸如旋转、加速度、定向、应力/应变、陀螺、钻压、钻角、转矩和其它传感器可用于向控制器142指示钻柱108的卡钻存在。当这些指示被提供给控制器142时，可由控制器142发送信号至FPS 126，导致FPS 126操作以增大钻柱108的振动。类似地，当卡钻指示不存在时，控制器142可发布命令至FPS 126以减小钻柱108的振动。
[0021]图2图示根据本发明的各种实施方案的图1中所示的设备100的两个额外构造220,230ο在第一构造220中，多个TED 132被附接至钻柱108且形成其部分。此处，控制器142位于地面166上，其中TED 132被部署在声遥测发射器122上方及下方。
[0022]在第二构造230中，再次使用多个TED 132。但是，在这种情况下，TED 132被部署在至少一个转发器134上方及下方。
[0023]此外，构造230中的控制器142附接至钻柱108，在这个情况下形成MWD/LWD/FWED减振器118的部分。因此，构造230是自主构造的实例一钻柱108与地层114之间卡钻摩擦力F的指示250 (可能由传感器116直接提供)被传达至形成钻柱108的部分的控制器142，且一个或更多个TED 132可用于通过在特定位置增大钻柱108中的振动而选择性地减轻条件。卡钻的指示250也可由控制器142从由传感器116提供的信号导出，如本领域一般技术人员众所周知。
[0024]在构造220中附接至MWD/LWD/FWED减振器118的传感器116可包括声传感器。这个传感器可安装在所示的位置中或MWD/LWD/FWED减振器118与下TED 132 (即，最靠近MWD/LWD/FWED减振器118的TED 132)之间的任意位置上且用于监控信号路径传输率。下TED 132与传感器116之间的信号路径的传输率特性本身并不特别重要，但是可用作下TED132附近(包括下TED 132上方的区域)的传输率的指示。
[0025]许多其它构造(包括构造220、230的组合)是可行的。现将描述可用于垂直和水平钻井操作的构造。
[0026]因此，图3图示根据本发明的各种实施方案的如可在水平钻井操作期间使用的图1中所示的设备100的另一个构造340。在这种情况下，多个TED 132成对部署以围绕多个转发器134。至少一个TED 132已附接至钻柱108，使得其位于抵靠地层114的卡钻预期发生的点。以此方式，当由传感器116将卡钻的指示250提供至控制器142的输入连接344时，控制器142可经由通信线144施加信号至其输出连接342，以增大由一个或更多个TED132导致的振动。如上所述，经由通信线144来往于控制器142发信号可直接或间接发生。因此，许多实施方案可实现。
[0027]例如，图4图示根据本发明的各种实施方案的设备100和系统464。在此，系统464可包括一个或更多个设备100，其如上所述在一个或更多个构造中或在一个或更多个构造组合中使用。在各种实施方案中，设备100的不同部分可分布至系统464内的不同位置。
[0028]例如，结合系统