多通道井下电磁遥测的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明整体总体上涉及使用电磁(EM)遥测的井下随钻测量(MffD)，具体涉及发送并接收多通道井下EM遥测的方法和装置。
【背景技术】
[0002]从地下区域开采碳氢化合物依靠钻井眼的处理。该处理包括位于地面的钻井装置以及从该地面装置延伸到地层或所关注的地下区域的钻柱。该钻柱可延伸到地面下方上千英尺或米。钻柱的终端端部包括用于钻出(或延伸)井眼的钻头。除了上述传统的钻井装置外，系统还依靠一些钻井液系统，很多情况下是钻井“泥浆”，其从钻杆的内侧栗送，冷却并润滑钻头，然后从钻头排出，将岩石碎肩带回到地面。泥浆也帮助控制井底压力(bottom
hole pressure)，并防止碳氢化合物从地层流入井眼，该流入能够潜在地在地面处引起爆
m
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[0003]定向钻井是将井导向离开竖直方向从而与目标端点相交或沿着预定路径的处理。在钻柱的终端端部为井底组件(或BHA)，其包括I)钻头；2)旋转导向系统的可导向井下泥浆马达；3)测绘装置(随钻测井仪(LWD)和/或随钻测量(MffD)的传感器，其用于随着钻井处理而评估井下状况；4)用于将数据遥测到地面的装置；以及5)其它控制处理装置，诸如稳定器或重钻铤。BHA通过金属管(钻杆)的柱传送到井眼。MffD装置被用于在钻井的同时以近乎实时的模式将井下传感器和状态信息提供到地面。这个信息被钻井队用于作出关于控制并导向井的决定，从而基于多个因素优化钻井速度和轨迹，这些因素包括钻场边界、现存的井、地层性能、碳氢化合物的多少和位置等。这可以包括基于在钻井处理中从井下传感器收集到的信息，按照需要从计划的井眼路径进行有意偏离。MffD的获得实时数据的能力使得可以获得相对更为经济并且更为有效的钻井操作。
[0004]在MffD中，当前使用的MffD工具主要包括相同的传感器封装以测绘井眼，但是通过各种遥测方法将数据发回到地面。这种遥测方法包括但不限于使用硬连线的钻杆、声遥测、光缆、泥浆脉冲(MP)遥测和电磁(EM)遥测。
[0005]EM遥测涉及电磁波的生成，该电磁波通过井眼周围的地层行进，该波在地面被检测。BHA金属管通常用作EM遥测工具的偶极天线，通过由通常设置在BHA内的绝缘接头或连接器(“间隙短节”)将钻柱分为两个导电区段，BHA的底部和上方的每个钻柱钻杆各自形成用于该偶极天线的导体。在EM遥测系统中，甚低频交流电流被驱动穿过间隙短节。该短节在其中心接头处被电隔离(“非导电”)，有效地在钻柱的最底部和包括直到地面的所有钻杆的顶部之间形成绝缘断口(“间隙”)。低频AC电压和磁接收被以时间/编码顺序控制以激励大地并且在地面和钻柱顶部之间生成可测量的电压差。穿过该间隙而生成的EM信号在地面被检测到，并作为从钻探机到绕着钻场定位的多个接地杆的电势差而测量。
[0006]有利地，EM系统能够在没有连续的流体柱的情况下发送数据；因此当没有泥浆流动的时候它是很有用的。这之所以有利是因为EM信号在钻井工作人员增加新钻杆的同时可以发送定向测绘数据。
[0007]然而，EM传输在穿过地层的长距离上会剧烈地衰减，其中，较高频率信号比较低频率信号衰减得快，因此EM遥测倾向于需要相对大量的电力，这样信号可以在地面上被检测到。
[0008]与在电信工业所研发的相类似，MffD遥测方法依赖于数字信号的调制。通常，信号通过各种标准调制技术来调制。周期波形的三个关键参数为其振幅(“体积”)、其相位(“定时”)和其频率(“音高”)。这些特性中的任意可以根据低频信号来修改，从而获得调制后的信号。频移键控(FSK)是频率调制方案，其中，数字信息通过对载波的离散频率改变来发送。最简单的FSK是二进制FSK(BFSK)。BFSK使用离散频率的对来发送二进制(O和I)信息。幅移键控(ASK)通过改变载波的振幅来传送数据；相移键控(PSK)通过改变或调制基准信号(载波)的相位来传送数据。已知将不同的调制技术的组合。例如，幅移键控和相移键控组合是通过改变或调制基准信号(或载波)的振幅和相位这两者来传送数据的数字调制方案。非对称相移键控(APSK)将幅移键控(ASK)和相移键控(PSK)组合来增大符号集。
[0009]调制方案的选择使用了有限数量的不同信号来表示数字数据。PSK使用了有限数量的相位，每各个相位都被赋予了唯一模式的二进制数字。通常，各个相位对相同数量的比特编码。各个比特模式形成由具体相位表示的符号。特别地针对调制器所使用的符号集而特别设计的解调器确定所接收到的信号的相位，并将其映射回其表示的符号，因此恢复原始数据。这需要接收器能够将所接收到的信号与基准信号比较。
【发明内容】
[0010]根据本发明的一个方面，提供一种电磁(EM)遥测方法，该方法包括以下步骤:将井下数据编码为单个数据流；将单个数据流分开为多个单独数据流；使用所选择的数字调制技术将各个单独数据流转换为对应的分开波形，其中各个波形的频率和相位中的至少一个被赋予唯一的值或者唯一的非交叠范围值；将各个单独波形组合为组合波形；并且从井下位置发送包含该组合波形的电磁(EM)遥测载波。该方法可以还包括:在地面位置接收载波，放大该载波，对该载波应用带通滤波器，并且使用单独波形所赋予的的唯一值来从该载波过滤出各个单独波形；将各个单独波形解调为对应的单个数据流；并且将分开的数据流组合为单个数据流。因此，单个数据流可以被解码回到井下数据并被显示。
[0011]所选择的数字调制技术可以选自由如下这些组成的组:幅移键控(ASK)、相移键控(PSK)、以及频移键控(FSK)。具体地，该数字调制技术可以为PSK (或者BFSK或QFSK)，且各个波形的仅频率可以被赋予唯一值。
[0012]该载波可以是模拟信号，并且解调步骤可以应用于模拟载波，在这种情况下，单独数据流是模拟的并且被转换为数字数据流。另选地，载波可以是模拟的并且该方法可以还包括在从载波分离出单独数据流之前将模拟的载波转换为数字信号。
[0013]根据本发明的另一个方面，提供一种电磁(EM)遥测系统，该系统包括井下遥测工具，该井下遥测工具包括间隙短节(gap sub)组件；EM载波频率信号发生器，其用于生成穿过该间隙短节组件的电隔离的间隙的EM载波；以及能够与该信号发生器通信的电子子组件。该电子子组件包括井下处理器和存储器，该存储器包括编码器程序代码。这个编码器程序代码能够由井下处理器执行来执行包括以下步骤的方法:将井下数据编码为单个数据流；将该单个数据流分离为多个单独数据流；使用所选择的数字调制技术将各个单独数据流转换为对应的单独波形，其中各个波形的频率和相位中的至少一方被赋予唯一的值或者唯一的非交叠范围值；将各个单独波形组合为组合波形；以及向所述信号发生器发送控制信号以发送包括该组合波形的EM遥测载波。
[0014]井下遥测工具可以还包括定向和倾斜传感器模块以及钻井状况传感器模块，它们都能够与该处理器通信。
[0015]所述系统还可以包括被构造成接收载波的地面接收器；以及能够与该地面接收器通信的解码器。该解码器包括地面处理器和存储器，该存储器包括能够由该地面处理器执行来执行包括以下步骤的方法的解码器程序代码:使用单独波形的所赋予的唯一值来从载波滤波出各个单独波形；将各个