井下作业系统的制造方法与工艺

本发明涉及一种井下作业系统，所述井下作业系统用于操作井下驱动单元和测井工具并且借助于缆线/钢丝将测井数据从至少一个测井工具传输到地面数据获取系统。此外，本发明涉及一种井下工具。

背景技术：
现代石油钻探和生产作业需要大量与井下参数和状态相关的信息。这种信息典型地包括由井眼所横跨的地球地层的特性以及与井眼自身的尺寸和构型有关的数据。能够使用若干方法执行与井下状态相关的信息采集，通常被称为“测井”。在传统的油井缆线测井方法中，当井或者井的一部分已被钻探时，容纳地层传感器的探针被降到井眼中并用于确定由井眼所横跨的地层的某些特性。探针的上端附接至将该探针悬挂在井眼中的导电缆线。通过导电缆线将电能传输到探针中的传感器和仪器上。类似地，探针中的仪器借助于经由缆线所传输的电信号与地面（设备）进行信息交互。替代的测井方法是在钻井过程中采集数据。在钻井过程中采集和处理数据使得不必移除或移动钻井组件以插入缆线测井工具。因此能够在使井下作业时间最少的同时允许钻具按照需求做出精确的修正或矫正以优化性能。用于在钻井的同时测量井下状态（包括钻井组件的移动和位置）的设计已公知为“随钻测量”技术或“MWD”。典型地，用在MWD应用中的井下传感器定位在靠近钻头定位的柱形钻铤中。MWD系统然后采用遥测系统，在此遥测系统中，通过传感器获得的数据被传输至位于地面上的收发器。在现有技术中存在许多遥测系统，这些遥测系统试图在不需要使用缆线的情况下将与井下参数有关的信息向上传输至地面。在这些遥测系统中，泥浆脉冲系统是在MWD应用中使用最广泛的一种遥测系统。遥测系统的泥浆脉冲系统在在钻井作业期间在压力下经钻井钻柱循环的钻井流体中产生“声”压信号。通过适当地设置在泥浆流中形成的压力脉冲的时间来传输由井下传感器获取的信息。通过位于地面处的压力换能器和计算机来接收和解码该信息。泥浆脉冲系统的一个问题是用于增加量的信息的数据传输速率不足快。泥浆脉冲系统的一替代解决方案是使用用于将测井工具降到井眼中的缆线。已经通过使用离散的多音调制（DMT）开发了经由缆线进行的数据传输。这种系统典型地包括：地面收发器、电缆和经由电缆联接到地面收发器的井下收发器。井下收发器使用DMT调制与地面收发器通信，从而在分配给上行通信的一组频率子信道上传输遥测信息。地面收发器可同样地使用DMT调制与地下收发器通信，从而在分配给下行通信的一组频率子信道上传输信息。上行和下行通信子信道的数量优选是可变的，并优选能够根据系统的操作模式改变。这允许在井下设备的编程和构建期间将附加的子通道分配给下行通信，并且在正常测井操作期间将附加的子通道分配给上行通信。但是，井下作业越来越需要对井下作业系统供给更多的电能。使用能够在井眼中来回移动的驱动单元、在一个井下作业系统中使用一种或多种测井技术、以及典型地使用若干不同的供电工具以变换或维持井均显著地增加了对井下供电的需求。当供电缆线的电能增加时，由于增大了供电电压而使噪音水平增大，因此需要更高的数据传输电压来借助于DMT进行数据传输。在已知的系统中仅增加数据传输电压导致在数据传输系统的电子装置中散发更多的热量，这在井下作业工具中是普遍存在的问题，因为在井下环境中进行热传递几乎不可能。在已知系统中，热耗散的增加限制了高速传输数据同时为井下作业系统提供高电能的能力。在油和气工业中，信息是是否获得利益的关键。关于碳氢化合物储层中的碳氢化合物的位置和迁移模式的信息越多，就越可能在该储层的最优位置挖掘该储层，并且利用其全部潜能。为此，程序上需要创建新的且更复杂的传感器布置结构，并且将其放置在缆线探针中，这样，传统的缆线遥测技术的信息承载能力将变得不够。此外，由于井下作业系统中对电能的需求增大，期望具有如下的通信技术：该技术能够同时支持井下传感器与地面装置之间的高速通信，同时向井下作业单元提供高电能。

技术实现要素：
本发明的目的是全部地或部分地克服现有技术中的上述缺点和缺陷。更具体地，本发明的目的是提供一种改进的井下作业系统，所述井下作业系统用于操作井下驱动单元和至少一个测井工具，并且将数据从测井工具传输到地面。通过根据本发明的解决方案能够完成从以下的说明中将变得显而易见的上述目的以及多个其它目的、优点和特性，本发明涉及一种井下作业系统，所述井下作业系统用于操作井下驱动单元和测井工具并且借助于缆线将测井数据从至少一个测井工具传输到地面数据获取系统，所述系统包括：-地面收发器，-缆线，-井下收发器，-测井工具，以及-驱动单元，其中，所述井下收发器经由所述缆线联接到所述地面收发器且使用正交频分复用技术与所述地面收发器通信，以经由所述缆线传输数据，并且通过借助于晶体管电桥调制传输到所述缆线的脉宽调制（PWM）信号来通过缆线为所述驱动单元和至少一个测井工具供电，同时通过所述缆线向所述驱动单元和至少一个测井工具供电。在一个实施例中，所述缆线可以是单芯电缆（monocable）。在另一实施例中，可以通过交流信号电压来调制数据传输信号，所述交流信号电压优选大于30伏、甚至更优选大于40伏、甚至更优选大于50伏。此外，调制单元可借助于电容耦合联接到供电电路。另外，可以借助于晶体管电桥对所传输的信号的增益进行脉宽调制。在一个实施例中，调制单元可借助于电容耦合联接到供电电路。此外，在电流消耗/实际电流为至少4安培、优选至少6安培、更优选至少8安培、甚至更优选至少10安培时，在地面处施加到所述缆线的供电电压可以是至少600伏、优选至少800伏、更优选至少1000伏、甚至更优选至少1200伏。此外，所述缆线可以至少是10千米长、优选至少15千米长、更优选至少20千米长。本发明还涉及一种井下工具，其中可以通过晶体管电桥对信号电压进行脉宽调制。此外，调制单元可借助于电容耦合联接到供电电路。最后，在电流消耗为至少4安培、优选至少6安培、更优选至少8安培、甚至更优选至少10安培时，施加到所述井下工具的电压可以是至少400伏、优选至少500伏、更优选至少600伏、甚至更优选至少700伏。附图说明以下将参考示意附图详细说明本发明及其许多优点，这些示意附图仅为了说明的目的而示出一些非限制性实施例，其中：图1示出了根据本发明的用于井下作业以及井和地层特性的测量的井下作业系统，图2示出了在根据本发明的井上计算机和井下作业系统之间的数据传输的示意图，图3示出了使用缆线的数据传输步骤的示意图，图4示出了根据本发明的调制器电路的电路图，图5示出了根据本发明的井下作业工具，图6示出了根据本发明的调制器电路的示意图，图7示出了单芯电缆的剖面图。所有的附图都是高度示意的，并不一定按比例绘制，并且它们只示出为了解释本发明所必需的那些部分，其他部分被省略或仅提及。具体实施方式图1示出了井下作业系统100，其用于操作驱动单元5和测井工具4且经由缆线2将数据从测井工具4传输到地面。井下工具钻柱6被示出为经由缆线2从钻机或船101没入井中。船101包括吊车形式的下降装置103。下降装置103经由缆线2连接到井下工具钻柱6，从而将井下工具钻柱6下降到井眼104的套管102中。图2是井下作业系统100的示意图，该井下作业系统用于操作井下的驱动单元5和测井工具4，并且借助于缆线2将测井数据从至少一个测井工具传输到地面数据获取系统105。系统100包括地面收发器1，其用于经由缆线2向经由缆线2联接到地面收发器的井下收发器3发送数据，以及经由缆线2接收来自于该井下收发器3的数据，其中，井下收发器借助于正交频分复用技术与地面收发器通信，以通过借助于晶体管电桥调制输送至所述缆线的脉宽调制（PWM）信号来经由所述缆线2传输数据，同时通过晶体管电桥对信号电压进行脉宽调制。这使得在井下不存在高热耗散风险的情况下能够同时进行通过缆线的高电能和高数据传输。井下工具钻柱6包括驱动单元5，该驱动单元用于借助于与井眼104的套管102接合的轮子51来在井眼104中导航工具钻柱6。工具钻柱6还包括用于测量特性信息的测井工具4。测井工具4可测量关于井眼104周围的地层的特性信息、与井眼104的套管102或者其它井下结构（如阀或者套管102的加强件）的状态相关的信息。井下作业系统100包括驱动单元5和至少一个测井工具4，两者均经由缆线2供电。因为当开采油井时，时间是非常重要的因素，特别是对于近海油井来说，由于运行油钻机和船的成本极高，因此总是需要特别认真地考虑井中的作业时间。使用井下电力工具、如清洁工具来进行井下作业并且通过驱动单元5在井眼104中导航这些工具被越来越广泛地使用，并且这需要高电能，因此需要向井下工具钻柱6提供高电压。此外，还广泛使用若干井下测井工具4，所述测井工具用于测量与井眼104周围的地层或者套管102相关的特性信息，并且存在多种从这种测井工具传输数据的方法。在包含电力工具的工具钻柱6与包含测井工具的工具钻柱之间进行转换是费时且非常昂贵的，因此应避免这样的转换。由于当向缆线2施加高电压时噪音水平增加，因此在以高传输速率传输测井数据的同时操作耗电工具存在问题。然而，根据本发明使用正交频分复用调制技术（OFDM）经由缆线2传输数据能够同时进行高传输速率的数据传输和供给高电压。因此，根据本发明的井下作业系统100能够避免数据传输速率和井下供电之间的折中。驱动单元5需要高电压以能够令人满意地作业，并且当使用非常长的缆线（典型地长于10千米，并且在一些情况下超过15千米）工作时，由于在地面处所施加的电压的高耗损，当在井下需要高电压时，在地面供给的电压必须很高。例如，如果在井下需要600伏的电压，则由于耗损可能必须在地面处施加1200伏的电压。因此，在井下作业系统中使用高电压工作需要在地面处供给高电压V2，结果是需要高信号电压V1，从而在高数据传输速率的情况下确保足够大的信噪比。因此，根据本发明的井下作业系统100可典型地使用由高交流信号电压V1所调制的数据传输信号S1，例如，信号电压为50伏，供电电压为1200伏。如果所需的供电电压V2较低，则较低的信号电压即足够，且反之亦然。图3示出了使用缆线2传输数据的简化示意图。测井工具4提供比特流，借助于包括诸如数模转换器（DAC）、正交振幅调制器（QAM）和/或脉宽调制器（PWM）之类的部件的电路将该比特流转换为模拟信号，然后经由缆线2传输该模拟信号。在地面处，从缆线2中接收模拟信号，然后借助于包括诸如数模转换器（DAC）、正交振幅调制器（QAM）和/或脉宽调制器（PWM）之类的部件的电路将模拟信号变回为数字比特流，然后将数字信号传输到处理装置，诸如计算机。图4示出了根据本发明的电路的更详细的示意图，该电路调制井下工具钻柱6中的信号，该电路可位于测井工具4中或工具钻柱6中的其它位置，且在一端电连接至缆线2，且在另一端电连接至工具4。工具4经由工具接口301和工具接口数字信号处理器（DSP）302连接至调制电路300。工具接口DSP302可选地经由通用异步接收发送装置（UART）连接到调制电路300。调制电路300包括为了两个目的而连接到工具接口DSP302的调制DSP303，首先，当接收来自于工具4的信号（即，测井数据）时，调制DSP303将信号的快速傅里叶反变换（IFFT）传输（Tx）到传输电路304，然后进一步传输到信号调节装置305，然后再进一步朝缆线2传输。其次，调制DSP303的作用是当接收（Rx）来自于缆线2的信号时，来自于缆线的信号经由接收信号调节308到达放大器307，并且通过模数转换器（ADC）被转换。接着，通过调制DSP303使用快速傅里叶变换（FFT）和QAM对接收到的信号进行转换，以将该信号转变为传输至工具接口DSP302以及进一步传输至工具4的该信号的比特流，从而控制该工具。如图4所示，调制电路300的传输部件303、304、305可与调制电路的接收部件303、306、307、308并行连接。图5示出了调制单元400的实施例，调制单元400包括供给调制电压的DC/DC转换器401以及晶体管半波电桥402，所述晶体管半波电桥能够通过接收来自晶体管DSP403的控制信号来调制传输至缆线2的脉宽调制（PWM）信号。通过电容耦合404使得调制单元400免受高供电电压影响。在此类型的电路中使用电容耦合404的优点在于，该电容耦合的典型替代方案是感应耦合。感应耦合具有如下井下缺点：由于与电容耦合404相比，工具钻柱6所需的电流大，因此在井下散发更多热量，此外，适用于高电流的感应耦合（的体积）比电容耦合大，这对于井下设备而言也是缺点。通过使用PWM调制晶体管电桥402，可以避免使用线性放大器或近似线性放大器。当（诸如在高端音频放大器中）需要非常平滑的信号时，通常优选使用线性放大器。然而，线性放大器与PWM调制晶体管电桥相比散发更多的热量，这在井下设备中是不利的，特别是当调制高电压时（由于缆线的高损耗而在长缆线上需要这样的高电压），诸如使用50V的信号电压V1调制600V的供电电压V2，使用晶体管半波电桥402将供电电压V2从575V调制到625V。晶体管电桥402接收来自于晶体管DSP403的PWM调制控制信号。信号电压V1通过DC/DC转换器401提供且被接地连接406接地，诸如连接到工具4的壳体或底座上。当利用根据本发明的井下作业系统100进行井下作业时，在地面处供给到缆线2的供电电压V2是很高的，在电流消耗至少为4安培、优选至少6安培、更优选至少8安培、甚至更优选至少10安培时，供电电压V2优选至少600V、更优选至少800V、甚至更优选至少1000V、最优选至少1200V。需要上述的高电压从而操作驱动单元5，也称为井下牵引器。井下牵引器典型地用于导航长的工具钻柱6，诸如在图6中示出的，该工具钻柱6包括测井工具4和其它工具，诸如冲击工具、清洁工具、铣削工具等，因此该井下牵引器需要大量电能来同时操作所有或若干工具以及驱动单元5。在本发明的一个实施例中，缆线2至少为10千米长、优选至少15千米长、更优选至少20千米长。本发明对于如下情形尤其重要：当使用很长的缆线2时，由于长缆线中的高信号耗损，为了在井下获得高的功率输出，增加了使用高电压工作的需求。图6示出了井下工具200，其可附接至缆线2并且包括连接到测井工具4和驱动单元5的调制单元400。图7示出了单芯电缆21的剖面图。单芯电缆21包括由柔性管状绝缘层24如特氟纶层包围的内导体，其中该绝缘层24由外层25包围，外层25经常称为护套或护套层。在护套25外部，绕电缆缠绕包括多个回流导体23的管状导电罩。该管状导电罩有时也被称为电缆的保护罩，因为其保护电缆。此外，如图7中示出的单芯电缆包括两个包含多个回流导体23的保护罩层；一层沿一个方向缠绕，一层沿另一方向缠绕（在图7中未示出），使得当电缆被扭转时，一层松弛同时一层缠紧，这加强了电缆。在其它的单芯电缆中，不同的同轴遮蔽层起回流导体的作用。当在井下环境中工作时，使用单芯电缆21与多股电缆相比具有一些重要优点。在油和气的开采设备中广泛使用单芯电缆21，因此能够在试图使用根据本发明的井下作业系统100的工作现场提供简单便宜的接入。此外，当开发近海井作业场地、特别是深水井作业场地时，井的安全性取决于井眼与海水之间的压力保护。该压力保护典型地包括用于在缆线作业期间密封井的润滑油注射头。该润滑油注射头的尺寸与需要被密封的电缆的厚度成比例，电缆越厚，润滑油注射头就越难密封井，另外，除了所述困难以往，这还增加了电缆和润滑油注射头两者的成本。此外，润滑油注射头将一部分润滑油泄漏到海水环境中，这种泄漏也与电缆的厚度成比例，因此越厚的电缆将导致对海水环境的更多污染。流体或井流体是指任意类型的可存在于井下油井或者气井中的流体，诸如天然气、油、油基泥浆、原油、水等。气体是指任意类型的在井、完井或裸井中存在的气体成分，油是指任意类型的油成分，诸如原油、含油流体等。气体、油以及水流体因此均可包含除气体、油和/或水之外的其它元素或物质。套管是指用在井下的与油或天然气生产有关的任意类型的管、管道、管状件、衬套、钻柱等。在工具不可全部没入套管中的情况下，井下牵引器可用于将工具全部推至井中的位置。井下牵引器是任意类型的能够在井下井中推进或牵拉工具的驱动工具，诸如Well虽然以上已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了说明，但是对于本领域的技术人员而言，在不脱离由下述的权利要求所限定的本发明的情况下明显可以设想若干修改。