利用电绝缘材料的井下电磁遥测系统和相关方法
【专利说明】利用电绝缘材料的井下电磁遥测系统和相关方法 发明领域
[0001] 本发明大体上涉及电磁遥测，且更特定来说涉及一种井下遥测系统，其中电绝缘 材料放置在井柱的一个或多个部分周围以便扩展所述遥测系统的范围，增大遥测速率，和/ 或降低井下电力要求。 技术背景
[0002] 出于各种目的，电磁遥测系统在井下操作中用于发射和接收电磁信号。电磁遥测 发射器通过跨连接到钻杆的钻铤区段传递势差或通过经由放置在钻柱区段周围的环形线 圈在钻柱上发射电流将电信号发射到钻杆中。
[0003] 然而，当电磁发射器在套管内时，信号损失可能过多，这是因为钻杆上的电流跳跃 到套管，因此将部分信号发射到套管，而且使部分信号沿套管短路。此外且尤其当在钻杆的 任何部分与套管之间存在直接接触时，钻柱的运动可造成间断接触，且因此将非常大的噪 音引进到遥测信号中。此外，因为信号朝向钻杆和/或套管上方或下方移动，所以其随着电 流泄漏到钻孔附近的地层中而实质上衰减。因此，在地表或井下接收器处接收的信号可衰 减到其中信噪比不足以高到允许甚至在每秒几位的数据速率下进行可靠通信的点。
[0004] 鉴于前述，在所属技术领域中需要一种经济有效的方法，通过所述方法可扩展遥 测系统的范围和/或防止通过泥浆接着到套管中或直接到套管中发生短路。.
[0005] 附图简述
[0006] 图1A和1B示出根据本发明的一个或多个示例性实施方案的钻机和电磁遥测系统 10 ;和
[0007] 图2A、2B和2C是示出根据本发明的一个或多个示例性实施方案的在电流发射装 置上方和/或下方添加电绝缘材料的信号改善效果的图表。
【具体实施方式】
[0008] 下文描述如可能用于其中电绝缘材料放置在井柱的一个或多个部分周围的井下 遥测系统的本发明的说明性实施方案和相关方法。为了清楚起见，在本说明书中未描述实 际实施方式或方法的所有特征。此外，本文中所描述的"示例性"实施方案是指本发明的实 例。当然，应明白，在任何这种实际实施方案的开发中，必须做出诸多实施方式具体决策以 实现将随实施方式变化的开发者具体目的，诸如与系统相关和业务相关约束的兼容性。此 外，应明白，这种开发工作可能是复杂而耗时的，但对得益于本公开的所属技术领域的一般 人员来说将是常规任务。鉴于下文描述和附图，本发明的各种实施方案和相关方法的另外 方面和优点将变得显而易见。
[0009] 如本文中所描述，当电磁遥测系统在井的套管区段或无套管区段内时，本发明的 示例性实施方案扩展所述系统的范围。为了实现这个目的，将电绝缘材料施加于井柱以紧 接在电流发射装置（例如，绝缘短节组件或环形线圈）或接收器上方和/或下方。在其它 实施方案中，电绝缘材料还可以覆盖电流发射装置或接收器。因此，随着电流发射装置将电 信号发射到钻杆中，电绝缘材料防止电流直接地或通过钻井泥浆跳跃到套管，因此防止或 降低在其中套管不存在于发射器周围的情况下通过套管的短路和/或到地层中的电流泄 漏的严重性，从而改善遥测系统的范围和/或信噪比，和/或降低系统所要的电力。此外， 在其中利用井下接收器的实施方案中，电绝缘材料用于减少在下行链路操作期间从井柱到 套管或地层的电流泄漏。
[0010] 在某些示例性实施方案中，电绝缘材料为使用粘合底布缠绕在底部钻孔组件或钻 杆周围的材料的一个或多个薄片。在其它实施方案中，例如，还可以利用电绝缘可膨胀材料 或各种涂层。因此，具有和不具有套管区段的电磁遥测系统的范围大致上增加达相同电绝 缘钻杆量。因此，还可以增加电磁遥测系统的数据速率而无需添加中继器。
[0011] 图1A和1B示出根据本发明的一个或多个示例性实施方案的钻机12和电磁遥测 系统10。如在所属技术领域中所了解，电磁遥测系统10在井下生成和/或接收电磁波。电 磁遥测系统10包括底部钻孔组件14、电流发射装置16 (例如，绝缘短节组件）和管道区段 18 (例如，其组合称为井柱），所有上述装置向下扩展通过井22的套管20。如本文中所使 用，术语"井柱"可以是指各种部署柱，举例来说，诸如钻柱、连续油管、生产油管等。在图1A 和1B的示例性实施方案中，井柱为钻柱。
[0012] 此外，电磁遥测系统10包括电耦合到地面参考系26的接收器24,且必要时还可以 沿管道18具有一个或多个中继器（未示出）。大体来说，电磁遥测系统10通过沿管道18 发射低频率电流（例如，介于约1与30Hz之间）进行通信。接着由接收器24在地表处检 测与电流相关联的信号，其中测量钻机12与地面26之间的势差。如得益于本公开的所属
技术领域的一般人员应了解，在这个示例性实施方案中，电磁遥测系统10可以按例如相位 调制载波模式、脉冲位置调制模式或正交频分复用模式、或多种其它调制模式操作。
[0013] 为了产生由电磁遥测系统10发射的电流，电流发射装置16提供在底部钻孔组件 14附近（或可以形成底部钻孔组件14的部分）。在第一示例性实施方案中，电流发射装置 16提供为底部钻孔组件14与管道18之间的电断路器以使井柱有效地进入大型天线中。在 图1A的示例性实施方案中，绝缘短节组件用作电断路器或天线。从而，在底部钻孔组件14 与管道18之间产生电势差，因此产生发射的电流。如在所属技术领域中所了解，绝缘短节 组件为被设计来承受电磁遥测系统10的高扭转、弯曲、可拉伸和压缩负载的电绝缘接头。 然而，如在所属技术领域中所了解，在其它实施方案中，电流发射装置16可替代地为环形 线圈组件。得益于本公开的所属技术领域的一般人员将容易了解电磁遥测系统10的这些 和其它方面。
[0014] 仍参考图1A和1B，管道18已下降通过防喷器28向下到井22中，且通过套管20。 如先前所描述，在这个示例性实施方案中，管道18为形成钻柱的部分的钻杆；然而，在其它 实施方案中，管道18可以为例如用于一些其它操作的连续油管或生产油管。然而，管道18 向下扩展到电流发射装置16以耦合到底部钻孔组件14。钻头30定位在底部钻孔组件14 的远端处。钻头30可以通过各种方法（包括例如管道18或泥浆马达）旋转。在这个示例 性实施方案中，底部钻孔组件14包括CPU (未示出）和电磁遥测发射器32,所述电磁遥测发 射器32包括除处理底部钻孔组件14的其它操作外还经由电流发射装置16感测、检测和发 射电磁信号所必要的电子装置，如在所属技术领域中所了解。
[0015] 在电磁遥测系统10的某些示例性实施方案中，电绝缘材料34施加在钻柱的一个 或多个部分（管道18或底部钻孔组件14)周围以施加在电流发射装置16上方和/或下方。 在一个实施方案中，电绝缘材料34无需为完美绝缘体；相反，电绝缘材料34的电阻率不小 于高于在井下操作期间使用的流体（例如，钻井泥浆）的两个量级。此外，在某些实施方案 中，电绝缘材料34也没有必要持续不断地沿管道18或底部钻孔组件14。然而，电绝缘材料 34可以为各种材料，举例来说，诸如可膨胀材料、注射成型涂层、带状物、套、稳定剂、高氧燃 料喷射涂层、阳极化层等。所述可膨胀材料可以为例如诸如用于Swell Technology?系统、 通过本发明的受让人Halliburton Energy Services, Co?或Houston, Texas市售的材料。 此外，可以基于泥浆类型（例如，油基或水基）选择所述可膨胀材料，使得一旦与钻井泥浆 接触，所述可膨胀材料膨胀到底部钻孔组件14和/或管道18中并粘合到其。
[0016] 如先前所描述，电绝缘材料34施加于井柱的一个或多个部分（即，管道18或底部 钻孔组件14)周围以施加在电流发射装置16上方和/或下方。在一个实施方案中，电绝缘 材料34紧接地施加在电流发射装置16上方和/或下方，如图1A及1B中所示。然而，在其 它实施方案中，还可以根据要求均沿管道18放置电绝缘材料34。在某些示例性实施方案 中，电绝缘材料34可以施加为随着其进入井22中而缠绕在底部钻孔组件14