井下数据的地面实时处理的制作方法

专利名称：井下数据的地面实时处理的制作方法
井下数据的地面实时处理本申请是申请日为2005年2月28日、申请号为200580005418. 0、发明名称为“井 下数据的地面实时处理”的发明专利申请的分案申请。背景随着油井钻探变得越来越为复杂，维持对尽可能多的钻探装备的控制的重要性日 益增加。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种与被布置在钻孔中的钻探装备和提供贯穿钻 探装备的高速通信的高速通信媒体一起使用来进行数据采集和控制的系统，该系统包括 实质电子元件，其必须与钻探装备一起布置在钻孔中；非实质电子元件，其因为高速通信媒 体的存在，所以可以被布置在钻孔中或钻孔外；把实质电子元件设置在钻孔中；以及把非 实质电子元件设置在钻孔外。附图简述

图1示出了一种用于井下数据地面实时处理的系统。图2示出了一种用于井下数据地面实时处理的系统的逻辑表示。图3示出了一种用于井下数据地面实时处理的系统的数据流图。图4示出了传感器模块的方框图。图5示出了可控元件模块的方框图。图6和图7示出了到通信媒体的接口的方框图。图8 14示出了用于井下数据地面实时处理的系统的数据流图。详细描述如图1中所示，钻探装备100 (为了便于理解，简单地这样称呼)包括井架105、井 架平台110、绞车115(由钻绳和动滑轮(traveling block)示意性地加以表示)、吊钩120、 转体 125、方钻杆(Kelly joint) 130、旋转台 135、钻杆柱(drill string) 140、钻环 145、一 或多个LWD工具150以及钻头155。由泥浆输送管路(未在图中加以显示)把泥浆注入转 体。泥浆穿越方钻杆130、钻杆柱140、钻环145以及一或多个LWD工具150，并且通过钻头 155中的喷射器或喷嘴射出。然后，泥浆向上流至钻杆柱和钻孔160的壁之间的环形套筒。 泥浆返回管路165把泥浆从钻孔160返回，并且使其循环至泥浆池(未在图中加以显示)， 然后回到泥浆输送管路(未在图中加以显示)。钻环145、一或多个LWD工具150以及钻头 155的组合被称为底孔组件(bottomholeassembly)(或“BHA”)。在本发明的一个实施例 中，钻杆柱由包括BHA元件在内的从地球表面到钻头的所有管状元件构成。在旋转钻探过 程中，旋转台135可以向钻杆柱提供旋转，或者作为选择，钻杆柱也可经由顶驱动组件被旋 转。此处所使用的术语“耦接”，意味着间接或直接连接。于是，如果把第一设备耦接于第二 设备，则该连接可以是通过直接连接，或者是通过经由其它设备和连接的间接电连接。沿钻杆柱140分布多个井下传感器模块和井下可控元件模块170，这一分布依赖 于传感器的类型或井下可控元件的类型。在钻环145或LWD工具中放置其它井下传感器模块和井下可控元件模块175。把另外的井下传感器模块和井下可控元件模块180放置在钻头180中。并入井下传感器模块中的井下传感器，如以下所讨论的，包括声传感器、磁传感 器、重力场传感器、陀螺仪、测径器、电极、伽马射线检测器、密度传感器、中子传感器、倾斜 仪(dipmeter)、阻力传感器、成像传感器、钻压传感器、钻扭矩传感器、钻弯矩传感器、振动 传感器、旋转传感器、钻进速率传感器(或WOB、TOB、BOB、振动传感器、旋转传感器或沿钻杆 柱分布的钻进速率传感器)，以及在测井和钻井中有用的其它传感器。并入在井下可控元件 模块中的井下可控元件，如以下所讨论的，包括变换器(transducer)，例如声变换器，或其 它形式的发射器，例如X射线源、伽马射线源以及中子源；以及传动装置，例如阀、端口、制 动器、离合器、推进器、缓冲节、可扩展稳定器、可扩展卷轴、可扩展尺等。为了清楚起见，就 此处之目的而言，即使未并入主动源(active source)的传感器模块也可被视为可控制元 件。以上以及整个说明书所讨论的许多传感器的优选实施例可以包括可控的采集属性，诸 如过滤参数、动态范围、放大、衰减、分辨率、采集的时间窗口或数据点计数、采集的数据速 率、平均、或数据采集与相关参数(例如方位)的同步性。对这样的参数的控制和改变提高 了单个测量的质量，并且提供了丰富得多的数据集以供改进的解释。另外，任何特定传感器 模块进行通信的方式也可以为可控的。可以特意控制通信媒体(以下所讨论的)上特定传 感器模块的数据速率、分辨率、次序、优先级或其它通信参数。就此处之目的而言，在这一情 况下，也把传感器视为受控元件。传感器模块和井下可控元件模块通过通信媒体190与地面实时处理器185进行通 信。通信媒体可以为导线、电缆、波导、光纤或允许高数据速率的任何其它媒体。通信媒体 190上的通信可以呈例如使用Ethernet的网络通信形式，其中可以单独地或成组地对每一 传感器模块和井下可控元件模块进行寻址。作为选择，通信也可以为点到点。无论采取何 种形式，通信媒体190均在钻孔160中的设备和一或多个地面实时处理器之间提供高速数 据通信。优选地，通信和寻址协议属于计算强度不大的协议类型，以便驱动相对最少的、专 门用于井下通信和寻址功能的硬件需求，如以下进一步加以讨论的。地面实时处理器185可以经由通信媒体190或经由另一种路由(route)与地面传 感器模块和地面可控元件模块195进行数据通信。并入地面传感器模块的地面传感器，如 以下所讨论的，可以包括例如吊钩负载(用于钻压)传感器和转速传感器。并入地面可控 元件模块的地面可控元件，如以下所讨论的，可以包括例如针对绞车115和旋转台135的控 制。地面实时处理器185还可以包括终端197，终端197可具有从哑终端(dumb terminal)的能力到工作站的能力范围的各种能力。终端197允许用户与地面实时处理器 185进行交互，终端197可以位于地面实时处理器185的本地，也可以被远程地放置并且经 由电话、蜂窝网络、卫星、因特网、另外的网络或者它们的任意组合与地面实时处理器185 进行通信。油井钻探装备还可以包括电源198。图1中示出电源198为模糊地放置以表达这 样的想法可以把电源(a)与地面处理器一起放置在地面上；(b)放置在钻孔中；(c)沿钻 杆柱加以分布；或采用这些配置的一个组合。如果处于在地面上，则电源可以为局部电网 (local power grid)、发电机或电池。如果其处于钻孔中，则电源可以为交流发电机，其可 用于将流过钻杆柱的泥浆流中的能量转换成电能，或者其也可以是一或多个电池或其它的能量存储设备。可以使用泥浆流或者由用于例如设置弹簧的压力差驱动的涡轮机在井下生成电能。如图2中的系统的逻辑示意图所说明的，高速通信媒体190提供地面传感器和可 控元件195、和/或井下传感器模块和可控元件模块170、175、180、地面实时处理器185之 间的高速通信。在某些情况下，来自一个井下传感器模块或可控元件模块215的通信可以 通过另一个井下传感器模块或井下可控元件模块220加以中继。这两个井下传感器模块或 井下可控元件模块215和220之间的链接可以为通信媒体190的一部分。相类似，来自一 个地面传感器模块或地面可控元件模块205的通信可以通过另一个地面传感器模块或地 面可控元件模块210加以中继。这两个地面传感器模块或地面可控元件模块205和210之 间的链接可以为通信媒体190的一部分。高速通信媒体190可以为单个的通信路径，或者其可以是一个以上的的通信路 径。例如，一个通信路径例如电缆连接可以把地面传感器和可控元件模块195连接到地面 实时处理器185。另一个通信路径例如导线管路可以把井下传感器和可控元件170、175、 180连接到地面实时处理器185。图2中的通信媒体190标有“高速”字样。这一指示表示通信媒体190按足以 允许基于来自地面传感器和地面可控元件的信号通过地面实时处理器185对地面可控元 件和井下可控元件进行实时控制的速度，例如有线速度(wire-speed)，来操作。总体上讲， 高速通信媒体190按比泥浆遥测、声音遥测或电磁(EM)遥测所提供的速率大的速率提供通 信。在某些实例系统中，由导线管路提供高速通信，导线管路在提交本申请时能够以高达 约1兆比特/秒的速率传输数据。未来可预期得到高得多的数据率，这也落入本公开的内 容和所附权利要求的范围。应该认识到，通信路径各段之间的机械连接、寻址和其它开销 功能、以及其它实际实现因素可能相对于理想兆比特实质地降低所获得的实际数据率。只 要有效的数据传输速率实质地高于通过泥浆、声音以及EM遥测可得的数据传输速率(即 实质地高于10 100Hz)，以及足以满足此处所考虑的新的测量和控制目的，则对本申请的 目的而言，它们被视为“高速”的。对于此处所考虑的许多测量和控制目的，1000Hz的数据 速率将满足这些要求。同样，此处用于描述各种处理的术语“实时”旨在把某一操作和语境 (contextual)定义与某些特定处理相关联，从而处理步骤能够充分及时地协助此处所关注 的具体新测量或控制处理。例如，在按每分钟120转(120PRM)旋转钻管以及改进的测量处 理规定了 5度方位角分辨率的的情境下，在对于该5度旋转的1/144秒期间的情境下处理 步骤的“实时”系列将充分及时地发生。在本发明的一个实施例中，把来自传感器的输出按某一特定顺序传送到地面实时 处理器，在本发明的其它实施例中，传感器的输出向地面实时处理的传输是响应于地面实 时处理器185对特定传感器的寻址查询而进行的。相类似，可以顺序进行或单个地寻址可 控元件模块的输出。在本发明的一个实施例中，传感器和地面实时处理器之间的通信经由 传输控制协议(TCP)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)、或用户数据报协议(UDP)。通过 使用这些协议中的一或多个协议，可以把地面实时处理器本地设置在钻井的表面，或者远 程地设置在地面的任何位置。图2以几种方式说明了电源198，用标号电源198Α···Ε指示。例如，电源198Α可以 与地面实时处理器185 —起位于地面，并且可以把电力提供给地面实时处理器185。另外，电源198A还可以把电力从地面提供给位于地面或接近于地面或遍及整个钻孔的其它油井钻探装备。可以经由电线或经由高能量光纤电缆，利用位于要传递电力的位置处的电力转 换器，从该地面提供电力。电源198B可以与单个地面传感器或可控元件模块185处于同一位置，并且向该单 个地面传感器或可控元件模块185提供电力。作为选择，电源198C可以与一个地面传感器 和可控元件模块185处于同一位置，并且向一个以上的地面传感器或可控元件模块185提 供电力。类似地，电源198D可以与单个井下传感器或可控元件模块185处于同一位置，并 且向该单个井下传感器或可控元件模块185提供电力。作为选择，电源198E可以与一个井 下传感器和可控元件模块185处于同一位置，并且向一个以上的井下传感器或可控元件模 块185提供电力。图3中说明的一种用于使用从井下传感器和地面传感器所收集的数据在钻探操 作的同时对井下和地面测井进行实时控制的总的系统包括一或多个井下传感器模块305 和一或多个地面传感器模块310。从一或多个井下传感器模块305收集原始数据，并且将其 发送于地面(框315)，其中可以将其存储在地面原始数据储存器320中。相类似，从一或 多个地面传感器模块310收集原始数据，并且可以将其存储在地面原始数据储存器320中。 地面原始数据储存器320可以为诸如随机存取存储器(RAM)的瞬时存储器，也可以为诸如 只读存储器(ROM)或磁或光存储媒体的永久存储器。然后，实时地处理来自地面原始数据储存器320的原始数据(框325)，并且把处 理过的数据存储在地面处理过的数据储存器330中。处理过的数据用于生成控制命令(框 335)。在某些情况下，该系统通过例如终端197向用户340提供显示，用户340可影响控制 命令的生成。控制命令用于控制井下可控元件345和/或地面可控元件350。在本发明的 一个实施例中，在原始数据的处理期间或之后，例如通过实时处理器185自动地生成控制 命令，并且控制命令用于控制井下可控元件345和/或地面可控元件350。在许多情况下，控制命令会引起变化，或影响井下传感器和/或地面传感器所检 测的内容，并且因而影响它们所产生的信号。从传感器通过实时处理器到可控元件并且然 后返回到传感器的这一控制回路，允许在钻探操作的同时对测井进行智能控制。在许多情 况下，如以下所描述的，控制回路的适当操作要求高速的通信媒体和实时地面处理器。一般情况下，高速通信媒体190允许把数据传送到地面，其中可以由地面实时处 理器185对其加以处理。地面实时处理器185进而可以产生能够被至少传送到井下传感器 和井下可控元件的命令，以影响钻探装备的操作。地面实时处理器185可以为各种通用处 理器或微处理器(例如由Intel 公司制造的Pentium 系列)、专用处理器、精减指令集 计算机(RISC)处理器、甚至专门编程的逻辑设备中的任何一种。实时处理器可以包括基于 单个微处理器的计算机，或者具有多个微处理器的功能更强大的机器，或者可以包括通过 网络连接在一起的多个处理器元件，其中的任何一个或全部均可以位于钻探操作位置本地 或远处。把处理移至地面并且消除大量(如果并非全部的话)井下处理工作使得可以在某 些情况下减少钻杆柱的直径从而产生比不如此做的情况的直径小的井身，这将是合理的。 这允许把给定的一套井下传感器(以及它们的相关工具或其它设备)用于范围更广的各种应用与市场。
另外，把大量(如果不是全部的话)处理工作放置在地面减少了在钻井时所面临 的严酷环境中操作的温度敏感部件的数目。很少有部件能够在高温(例如约200°C以上) 下可用，并且这些部件的设计与测试是十分昂贵的。因此，希望使用尽可能少的高温部件。另外，把大量(如果不是全部的话)处理工作放置在地面提高了井下工具设计的 可靠性，这是因为存在较少的井下部件。而且，这样的设计还允许把一些公共元件并入传感 器阵列中。一些部件的这一较大量的使用导致这些部件成本的降低。图4中所说明的实例传感器模块400至少包括一或多个传感器设备405以及到通 信媒体的接口 410 (将关于图6和7更详细地对其加以描述)。在大多数情况下，每个传感 器设备405的输出是模拟信号，并且通常到通信媒体的接口 410是数字的。提供了模拟数 字转换器(ADC) 415以进行这一转换。如果传感器设备405产生数字输出，或者如果到通信 媒体的接口 410可以通过通信媒体190传送模拟信号，则ADC 415是不必要的。也可以包括微控制器420。如果被包括，则微控制器420管理实例传感器模块400 中的某些或全部其它设备。例如，如果传感器设备405具有一或多个可控参数，诸如频率 响应或灵敏度，则微控制器420可以被编程来控制这些参数。该控制可以基于包括在附接 于微控制器420的存储器中的程序设计而是独立的；或者该控制可以是通过高速通信媒体 190和到通信媒体的接口 410而被远程地提供的。作为选择，如果微控制器420不存在，则 可以通过高速通信媒体190和到通信媒体的接口 410提供相同类型的控制。微控制器(如 果包括的话)可以另外地处理具体传感器或其它设备的寻址以及到高速通信媒体的接口。 微控制器，诸如来自Microchip (微芯片)技术公司的PICmicro 系列微控制器的成员，具 有有限的(与先前所描述的实时处理器相比)，但适合于此处所给出的有限井下控制目的 之能力，能够进行高效组装(package)和高温操作。传感器模块400还可以包括方位传感器425，方位传感器425产生与传感器模块 400的方位方向相关的输出，如果把传感器模块耦接于钻杆柱，则该输出可能与钻杆柱的方 向相关。微控制器420(如果存在的话)编译来自方位传感器425的数据，并且通过到通信 媒体的接口 410和高速通信媒体190把数据发送至地面。在把来自方位传感器425的数据 提交于微控制器420之前，可能需要对其数字化。如果这样，则将为此目的而包括一或多个 额外的ADC(未示出)。在地面上，地面处理器185把方位信息和与传感器模块400的深度 相关的其它信息相组合，以标识地球上传感器模块400的位置。当编译了该信息时，地面处 理器(或另外的处理器)可以编译出传感器模块400所测量的具体钻孔参数的良好地图 (map)ο传感器模块400还可以包括陀螺仪430，陀螺仪430可以提供真实的地理定位信 息，而不仅仅是方位传感器425所提供的磁定位信息。作为选择，沿钻管所设置的一或多个 陀螺仪或磁强计可以提供陀螺仪每一位置处的钻管的角速度。按与上述对来自方位传感器 的方位信息的处理方式相同的方式，处理来自陀螺仪的信息。传感器模块400还可以包括 一或多个加速度计。这些加速度计用于补偿陀螺仪的移动，并且用于提供指示勘测工具的 倾斜和重力工具面(tool face)的指示信息。图5中的所示的实例可控元件模块500至少包括致动器505和/或一或多个发送 器设备510以及到通信媒体的接口 515。致动器505是上述致动器之一，并且可以通过施加来自例如微控制器520的信号而被激活(activate)，微控制器520在功能上类似于图4中 所示的微控制器420。发送器设备是一种响应于模拟信号的施加而传输某种形式的能量的 设备。发送器设备的一个实例是压电声音发送器，其通过使压电晶体变形而把模拟电信号 转换成声能。在图5中所示的实例可控元件模块500中，微控制器520生成要驱动发送器 设备510的信号。一般地，微控制器生成数字信号，而发送器设备是由模拟信号驱动的。在 这些例子中，需要数字模拟转换器(“DAC”)525把微控制器520的数字信号输出转换成驱 动发送器设备510的模拟信号。实例可控元件模块500可以包括方位传感器530或陀螺仪535，它们与以上在传感 器模块400的描述中所描述的类似，或者实例可控元件模块500可以包括倾斜传感器、工具 面传感器、振动传感器或间隙(standoff)传感器。到通信媒体的接口 415、515可以采取各种形式。总体上讲，到通信媒体的接口 415、515是一种简单的通信设备和协议，例如通过(a)由耐高温的离散部件，或者(b)由耐 高温的可编程逻辑设备(PLD)，或者(c)由耐高温的、具有先前所讨论的相关有限高温存储 器模块的微控制器来构造。到通信媒体的接口 415、515可以呈图6中所说明的形式。在图6中所示的例子中， 到通信媒体的接口 415、515包括通信媒体发送器605，其接收来自传感器模块400或可控元 件模块500中的数字信息，并且将其施加于总线610。通信接收器615接收来自总线的数字 信息，并且将其提供给传感器模块400或可控元件模块500的其余部分。通信媒体仲裁器 620仲裁对该总线的访问。因此，可以通过包括Ethernet的各种传统的网络连接方案以及 含有通信媒体仲裁器620的其它网络连接方案实现图6中的配置。然而，优选地，到通信媒体的接口 415、515是如图所示的简单的设备。其包括 Manchester (曼彻斯特)编码器705和Manchester译码器710。Manchester编码器接收来 自传感器模块400或可控元件模块500的数字信息，并且将其施加于总线715。Manchester 译码器710从总线715取数字数据，并且将其提供于传感器模块400或可控元件模块500。 可以配置总线715，使得其连接到所有传感器模块400和所有可控元件模块500，在这种情 况下，应该应用冲突避免技术。例如，可以使用时分复用方案或频分复用方案来复用来自各 种传感器模块400和可控元件模块500的数据。作为选择，可以允许冲突，并且使用各种过 滤技术在地面对它们进行挑选。可以被应用于到通信媒体的接口 415、515的其它简单的通 信协议包括离散多频声协议(Discrete Multitoneprotocol)和VDSL(极高速数字订户线 路)CDMA (码分多址)协议。作为选择，每一传感器模块400和每一可控元件模块500可以使用例如多导线电 缆的单个导线，或者多股光缆的单股而具有到地面的专门连接。针对传感器模块400和可控元件模块500的整个方案，是为了简化井下处理和通 信元件，以及把复杂的处理和电子设备移至地面。在本发明的一个实施例中，在远离钻探环 境的高温设置的位置处，例如在钻杆柱的地面端附近进行复杂的处理。此处，我们使用术语 “地面处理器”来指以上所定义的实时处理器。然而，尽管在许多情况下把实时处理器完全 放置在地面是优选的，但在某些应用中把实时处理器的部分或全部放置在地面附近，但不 必放置在地面，或者放置在海床上或者海床附近，不过在所有情况下远离高温钻探环境，可 能是有利的。
可以把图2和3中所说明的方法施用于钻探应用时的测量或钻探时的大量测 井。例如，如图8中所图示的，可以把所述装置和方法施用于钻探时的声测井(sonic logging)。例如，如图8中所说明的，声传感器模块805A…M发射声能，并且感测来自其中 放置了传感器模块的钻杆柱的周围的地层的声能，尽管在某些应用中声传感器模块805A… M并不发射能量。在这些情况下，所检测的声能是由另一个源诸如钻孔中钻头的动作而生 成的。传感器模块产生原始数据。把原始数据发送到地面(框315)，其中把原始数据存储 在地面原始数据储存器(框320)。对原始数据进行处理以确定其中放置了声传感器模块 805A…M的钻杆柱的周围的地层中的波速(框810)。压缩波速的实时测量利用井下硬件通常是可能的，但剪切(shear)波速的实时测 量或其它井下模式的声能传播的测量要求显著的分析。通过把原始数据实时地移至地面， 可以应用地面实时处理器185所提供的显著能力。把得到的处理过的数据存储在地面处理 过的数据储存器330中。在某些情况下，实时分析将指示希望改变传感器和发送器的操 作频率，以获得更精确或不那么模糊的测量。为了实现这一点，对地面处理过的数据储存器 330中的数据进行处理，以判断是否应该改变声发送器所使用的一或多个频率(框815)。 这一处理可以产生提供给声发送器模块820(如果它们用于生成声能)和声传感器模块 805A…M的命令。此外，可以向用户340提供说明钻探系统操作时的声测井操作的显示。该 系统允许用户提供修改该操作的命令。可以把所述装置与方法应用于向前查找(look-ahead) /周围查找(look-around) 传感器。向前查找传感器旨在检测钻头前面的地层属性或地层属性方面的变化，理想的 情况是钻头前面数十英尺。这一信息对于钻探决策很重要，例如及时地识别即将振动 (seismic)的范围和可能的高压区，以在钻头遇到这样的区域之前采取预防措施(例如，减 轻(weight up)泥浆)。周围查找传感器把这一概念引申到下一层面，不仅仅检测紧在钻 头紧前的属性，而且还检测各侧(即径向地)数十英尺范围的属性。周围查找传感器概念 特别适用于通过水平域的行驶(steer)，其中，上下的属性甚至比钻头前面的属性更重要， 例如在穿越特定断层石块和其它结构的地球物理行驶过程中。当周围查找传感器具有方位 能力时，它们是非常有用的，这意味着它们产生很大量的数据。由于这些数据的解释的非唯 一性，所以应该在专家的帮助下，在地面对它们加以解释。总体上讲，已经把两种类型的技 术用于这样的测量(采用这两种技术的各种组合，例如在电震动(electroseismics)中) (1)声音向前查找/周围查找；以及(2)电磁向前查找/周围查找(包括钻孔雷达传感器)。 收集来自向前查找/周围查找传感器905A…M的信息，并且将它们转换为原始数据，该原始 数据被发送到地面(框315)。把原始数据存储在地面原始数据储存器中(框320)，并且对 它们加以解释(框910)。把处理过的数据存储在地面处理数据储存器中(框330)，以及控 制例如向前查找/周围查找传感器905A…M的频率的处理(框915)，产生实现该功能的必 需命令。如前所述，该系统向用户340提供显示，并且接受来自用户的命令。由地面实时处理器185所执行的数据解释处理(框910)，允许解释与处理来对声 和电磁波的反射和模式转换进行标识。地面处理允许对向前查找/周围查找传感器以及相 关的发送器进行动态控制。如果向前查找/周围查找传感器905A…M是声音设备，则可以 按每秒钟5000个样本量级的频率对每一信道进行取样。假设存在着14个这样的信道，并 且把每个信道数字化为16个比特(一个非常保守的值)。则仅针对声音信号的数据速率为每秒140K字节。大多数所提出的电磁系统操作略有不同，但都可达到相类似的有效取样 率，而组合的系统(EM+声音的)将要求更高的数据速率。对于某些实现来说，这些估计可 会低一个以上的量级。为了明确标识所有反射器的方向和相对深度，必须采集足够的数据。 在地面而不是在井下进行处理，使得能够进行这一原始处理，视需要修改数据采集参数，而 且还允许这些井下数据与地面数据以及已经可得的解释相结合，例如基于地面地震的地球 模型。在地面使用这样的数据源组合，可以进行更好的解释。
类似地，如图10中所示，可以使用传感器和处理的类似配置，实现钻探时的磁共 振。磁共振传感器1005Α···Μ生成原始数据，该原始数据被数字化并且传输到地面(框320)。 由于可得于高速通信媒体190的高数据率，传输于地面的原始数据可以代表整个所接收的 波形而不是缩减的波形。把原始数据存储在地面原始数据储存器中(框320)。对原始数据 进行分析(框1010)，这一分析可能具有高于传统的精度，这是因为接收到代表整个波的原 始数据，并且把处理过的数据存储在地面处理过的数据储存器中(框330)。在330处存储 在地面处理过的数据储存器中的数据被进一步地处理，以确定如何最好地调整所传输的波 (框1015)。用于调整所传输的波的处理(框1015)向用户340提供显示，并且接收用于修 改调整所传输的波的处理的、来自用户的命令(框1015)。用于调整所传输的波的处理(框 1015)产生被发送到磁共振传感器1005Α···Μ的、修改磁共振传感器的性能特性的命令。可以随钻探力学传感器一起使用同样的装置与方法，如图11中所图示的。把钻探 力学传感器1105Α···Μ放置在钻探装备的不同的位置，包括放置在钻机、钻杆柱以及底孔组 件(“ΒΗΑ”)中。从钻探力学传感器1105Α... M收集原始数据，并且将它们发送到地面(框 315)。把原始数据存储在地面原始数据储存器中(框320)。对地面原始数据储存器中的 原始数据进行分析(框1110)，以产生处理过的数据，将处理过的数据存储在地面处理过的 数据储存器中(框330)。地面处理过的数据储存器中的数据被进一步处理，以确定应该对 钻探装备进行的调整(框1115)。调整钻探装备的处理(框1115)向用户340提供显示， 然后用户340可以向调整钻探装备的处理(框1115)提供命令。调整钻探装备的处理(框 1115)提供用于调整井下可控钻井装备1120和地面可控钻井装备1125的命令。钻探力学传感器可以是加速计、应变仪、压力变换器、以及磁力计，并且可以把它 们放置在沿钻杆柱的不同位置。把来自这些井下钻探力学传感器的数据提供给地面实时处 理器185允许实时监视和控制在沿钻杆柱的任何一个所希望的点钻探动力学特征。这一连 续的监视，允许对钻探参数进行调整，以优化钻探过程和/或减小对井下装备的磨损。井下钻探力学传感器还可以包括一或多个间隙变换器(standofftransducer)，间 隙变换器通常为高频(250KHz到IMHz)声发射器。典型地，间隙变换器既发送声音信号，也 接收声音信号。从声音信号的发送到声音信号的接收的这一时间间隔，是对间隙的指示。由 于钻孔的无规则性、来自开凿的干扰以及称为“跳周(cycle skipping) ”的现象(其中，破 坏性的干扰阻止来自声发射地返回被检测)，对来自间隙变换器的数据的解释可能是不明 确的。替代地检测到来自相继周期的发射，从而导致射程测量的错误时间以及因而的错误 间隙测量。把来自井下钻探力学传感器的数据传输到地面传输数据允许对数据的更彻底的 分析，以减小跳周和这样的处理的其它异常结果的影响。井下钻探力学传感器还可以包括钻孔成像设备，钻孔成像设备可以是声音、电磁 (电阻和/或电介)的，或者它们可以使用中子或伽玛射线成像。与钻杆柱动力学传感器和钻孔间隙传感器相结合，对这一数据进行更好的解释。使用这样的数据，通过对间隙、泥浆 密度、以及对由井下钻探力学传感器和其它传感器所检测的钻探参数的补偿，可以使图像 变得清晰。可以把所得到的清晰的数据用于对地层深度的更好的估计。因此，来自间隙传感器的钻孔图像和数据不仅用于其自身的地层估计，而且在处 理来自其它钻探力学传感器的数据中也是有用的。可以随井下测绘仪器一起使用所述系统与方法，如图12中所说明的。把来自井下 测绘仪器1205A…M的原始数据发送到地面(框315)，并且将它们存储在地面原始数据储 存器中(框320)。然后，使用原始数据确定各井下测绘仪器1205Α···Μ的位置(框1210)。 把处理过的数据存储在地面处理过的数据储存器中(框330)。调整钻探装备的处理(框 1215)使用所述数据，其中调整潜在地影响钻探的轨迹。调整钻探装备的处理可以产生提 供于用户340的显示。用户340可以输入被处理接受来调整钻探装备并且用于其处理工作 中。调整钻探装备的处理(框1215)产生用于井下可控钻井装备1220和地面可控钻井装 备1225的命令。这样的井下测绘仪器和实时地面数据处理的使用提高了可以测量井下位置的精度。甚至使用完美的测绘工具(即不产生错误的测量的测绘工具)可得的位置准确性是进 行测绘的空间频度的函数。即使使用完美的测绘工具，所得到的测绘结果也将包含错误，除 非连续地进行测绘和连续地进行解释。由于认识到比每厘米一次更高的频率进行的测绘的 空间频度对测绘的精度几乎没有影响，所以建议对连续的测绘进行实际的折衷。高速通信 媒体190和地面实时处理器185提供了非常高的数据速率遥测，并且允许按这一速率进行 测绘和解释。另外，当极高数据率遥测可得时，也可以使用其它类型的测绘仪器。特别是， 如以上针对图4和5所讨论的那样的几种类型的陀螺仪可以在井下使用。在实时压力测量中可以应用同样的装置和方法，如图13所示。把来自压力传感器 1305Α…M的原始数据发送到地面(框315)，其中把该原始数据存储在地面原始数据储存器 中(框320)。对原始数据进行处理，以标识在例如沿钻杆柱或钻孔中的某一特定点处的压 力特性，或者刻画沿整个钻杆柱或在整个钻孔中的压力分布(框310)。有关这些压力参数 的处理过的数据被存储在地面处理过的数据储存器中(框330)，对存储在地面处理过的数 据储存器中的数据(框330)进行处理，以对压力参数做出反应(框1315)。把显示提供给 用户340，用户340然后可以发布影响系统如何响应压力参数的命令。对压力参数做出反应 的处理(框1315)产生针对井下可控钻井装备1320和地面可控钻井装备1325的命令。可能来自沿钻杆柱的众多位置的、实时压力测量的这一近乎即时传送，使得钻孔 和钻探装备特性诸如泄漏测试、流通密度的实时确定、以及根据压力测量所确定的其它参 数的众多实时测量成为可能。可以把所述装置与方法用于提供对来自多个传感器的数据的实时联合反演 (joint inversion)，如图14中所说明的。收集来自各种类型的井下传感器1405Α···Μ的数 据，并且将它们发送至地面(框315)，在该地面处把这些数据存储在地面原始数据储存器 中(框320)，其中井下传感器1405Α…M可以包括任何以上所描述的传感器或用于油井钻 探和测井的其它传感器。对来自地面原始数据储存器的数据(框320)进行处理，以联合反 演这些数据，如以下所描述的(框1410)。注意，联合反演仅仅是可针对这些数据加以执行 的处理的类型的一个例子，也可以把其它的分析、计算或信号处理施用于这些数据。把得到的所处理的数据存储在地面处理过的数据储存器中(框330)。对数据进一步加以处理，以 调整井模型(框1415)。调整井模型的处理(框1415)向用户340提供显示，并且从用户 340接收影响如何调整井模型的命令。用于调整井模型(框1415)的处理产生施用于井模 型的1420的修改。可以把井模型1420用于对钻探的规划以及相继的操作中，并且可以将 其用于调整当前进行的或即将进行的钻探的规划以及相继的操作中。如果通过下列关系由N个变量Xl，x2，…，个函数f1;f2，…，fN把变量V1, V2, ".,Vn相关联<formula>formula see original document page 12</formula>则把根据V1, V2,…，Vn的给定值和已知函数f2，…，fN确定X1, X2,…，Xn的 具体值的过程称为联合反演。找到具体函数gl，&，…，gN(如果它们存在的话)以便下列 矩阵成立的处理，也称为联合反演<formula>formula see original document page 12</formula>以便对于 1 ≤ k ≤ N，(vi; V2,…，vN) = gk(fk(vi; v2,…， VN))代数地、有时数值地、有时使用雅可比(Jacobian)变换、更一般地使用这些技术 的组合执行这一处理。反演的更一般的类型的确是可能的，其中<formula>formula see original document page 12</formula>其中，M > N但在这一情况下，不存在唯一的函数集合gl，g2,…，gM。从不同类型传感器所收集的数据的这样的联合反演，提供了一种对地层参数进行 全面分析的能力。传统上，对来自MWD或LWD钻杆柱中每一传感器的数据进行单独的解释。 尽管这是有用的，但是对于整套测量和整套传感器来说，难以使用适当的频率进行测量以支持地层特性的全面分析。使用图14中所说明的系统，测量实时可得，而且可以将信息组 合，以提供诸如以下的解释1.作为深入地层的深度的函数的阻力(通过频率扫描、按多轴和/或方位间隔或 脉冲测量)；2.地层床的厚度(通过不同类型测井的联合去卷积)；3.地层的无机成份(例如，交叉标绘多测量)。另外，由于传感器模块400和可控元件模块500可以包括局部方位和/或位置报 告机制(即方位传感器425和530以及陀螺仪430和535)，所以可以把方向偏离的检测建入 以上所描述的地层估计和机械传感器(经由循环或螺旋阵列中单独询问的传感器模块和/ 或经由通过钻管旋转的单个传感器模块)，并且包括关于地层估计或机械传感器设置或索 引的绝对或相对方向传感器。因此，所有地层估计和机械数据都伴随有实时方位信息。按 例如120赫兹的感知频率，并且按120RPM旋转，这将提供6度的方位分辩率。使用陀螺仪， 不管钻杆柱进动(旋转)和钻头回弹运转状态如何(应远低于100Hz)，井身中的传感器位 置也将是高可分辨的。另外，使用某些类型的(例如电磁的或声音的)传感器的阵列，可以以阵列的最 大敏感度综合操纵方向，从而能够把方位测量的采集率与传感器封装的旋转速率相分离 (decouple)。这样的测量要求迅速地和接近同时地从形成阵列的所有传感器取样。利用位于钻杆柱和底孔组件中的各种位置的各传感器模块和各可控元件模块可 得的实时和随时方位和/或位置索引使得增强的地层和钻探过程解释和模型校正、以及实 时控制动作成为可能。作为本发明的这一实施例或其它实施例的结果的此处和一般意义下 的这样的实时控制动作可经由从处理器发送至传感器或其它可控元件的控制信号而被直 接执行。但在其它实施例中，可以把地面处理器处可得的数据、或相关的解释、显像、近似 值、或阈值/设置点报警或警报提供给终端(在本地或不在本地)处的人类用户，然后用户 进行这样的实时控制决定，并且通过控制信号，或者通过手工动作(他自己的或其它人的) 指示改变特定的传感器或受控的元件。以上所述的传感器模块和可控元件模块的各种配置可用于在运行的同时进行测 量的过程中。除传感器物理特征之外，高速通信媒体190允许在对运行速率没有实际限制 的情况下，在运行的同时进行测量。在井完成处理(例如加固(cement))期间，通过使用被 利用高速通信媒体连接到地面实时处理处理的“用后可扔的”传感器和可控元件，可以使用 同样配置。因此，本发明特别适用于实现所述目的和达到所提到的以及其中所固有的目标。 尽管已参照本发明的一些实例对本发明进行了说明、描述、限定，但是这样的参照并不意味 着对本发明的限制，也不意味着存在着这样的限制。受益于这一公开的本领域普通技术人 员将会意识到可以在形式与功能方面对本发明进行相当多的修改、变更、等效。所说明和 所描述的例子并不是本发明的穷尽。因此，本发明旨在仅通过所附权利要求以及认识到其 各方面的等效的情况下的精神与范围对本发明加以限制。
权利要求
一种与被布置在钻孔中的钻探装备和提供贯穿钻探装备的高速通信的高速通信媒体一起使用来进行数据采集和控制的系统，该系统包括实质电子元件，其必须与钻探装备一起布置在钻孔中；非实质电子元件，其因为高速通信媒体的存在，所以可以被布置在钻孔中或钻孔外；把实质电子元件设置在钻孔中；以及把非实质电子元件设置在钻孔外。
2.根据权利要求1中所述的系统，其中， 把至少某些实质电子元件建造为标准的。
3.根据权利要求1中所述的系统，其中，实质电子元件具有必须在钻孔中被执行的功能；以及 每个实质电子元件包括仅执行该功能所必需的那些部分。
4.根据权利要求1中所述的系统，其中， 非实质电子部件包括实时处理器。
5.根据权利要求1中所述的系统，其中， 实质电子部件包括传感器。
6.根据权利要求1中所述的系统，其中，实质电子元件经由通信媒体进行通信；以及 实质电子元件包括到通信媒体的接口。
全文摘要
公开了一种用于控制油井钻探装备的方法与装置。把一或多个传感器分布于油井钻探装备中。每个传感器产生信号。经由高速通信媒体耦接到该一或多个传感器的地面处理器经由所述高速通信媒体从所述一或多个传感器接收所述信号。地面处理器位于地球的表面上或地球的表面附近。地面处理器包括程序，该程序处理所接收的信号，并且产生一或多个控制信号。该系统包括一或多个分布于油井钻探装备中的可控元件。所述一或多个可控元件响应所述一或多个控制信号。
文档编号E21C25/00GK101832130SQ20101014453
公开日2010年9月15日 申请日期2005年2月28日 优先权日2004年3月3日
发明者丹尼尔·D·格莱特曼, 保罗·F·罗德尼, 詹姆斯·H·达德利 申请人:哈利伯顿能源服务公司