用于使得磁测距应用中的井下井底钻具组件绝缘的系统和方法

专利名称：用于使得磁测距应用中的井下井底钻具组件绝缘的系统和方法
用于使得磁测距应用中的井下井底钻具组件绝缘的系统和 方法技术领域
本发明总体上涉及钻井操作，更具体地，涉及钻井操作期间使用的测距系统和方法。
背景技术：
在定向钻井操作中，可能希望监测井底钻具组件(BHA)钻过地层时该井底钻具组 件的方向、和/或物体、结构的位置和/或本领域已知的其它地层属性。在超深井眼的钻 进、海上钻井操作和/或本领域已知的各种其它钻井操作中，尤其如此。过去，已经提供了 如下的测距系统，该测距系统使用了钢缆(wireline)上的测距装置。在一种常规测距方法 中先停止钻井操作；将钢缆引入到正在钻进的井眼中；启动测距装置；从该井眼中移走钢 缆；然后重新开始钻井操作。这种常规方法非常耗时，因为每当需要测距操作时，就需要停 止钻井操作。在另一个实例中，钢缆可以位于第一井眼中，并在钻第二井眼时使用上述测距 装置来引导BHA。然而，例如，在诸如超深钻井操作的许多情形中，为钢缆钻出第一井眼可能 是不切实际的。在其它情形中，钢缆可能无法靠近第一井眼。发明内容
因此，需要一种用于钻井操作的、改进的测距系统和方法。


当结合附图来阅读以下详细描述时，将能最好地理解本发明的各个方面。要强调 的是，根据业界的标准做法，本文的各种特征件没有按比例绘制。事实上，为了便于清楚地 讨论，所述各种特征件的尺寸可以任意放大或缩小。
图1a和图1b是立体图，示出了电磁信号穿过地层的传播的实施例。
图2a是流程图，示出了用于提供钻柱或井底钻具组件(BHA)上的测距系统的方法 的实施例。
图3a是示出了钻柱或BHA轮廓曲线(profile)的实施例的图。
图3b是侧视图，示出了利用图3a中的钻柱或BHA轮廓曲线而设计出的、BHA上的 测距系统的实施例。
图4a是侧视图，示出了 BHA上的测距系统的实施例。
图4b是一张表，示出了设计该图4a中的BHA所用的数据的实施例。
图4c是曲线图，示出了图4a中的BHA在60RPM下的“模态形状(mode shape)”的 实施例。
图5a是立体图，示出了测距装置接触构件的实施例。
图5b是侧视图，示出了图5a的测距装置接触构件上的锯齿状分段的实施例。
图5c是立体图，示出了不具有锯齿状分段的、图5a和图5b中的测距装置接触构件的实施例。
图6是立体图，示出了绝缘体构件的实施例。
图7是流程图，示出了用于执行测距操作的方法的实施例。
图8是立体图，示出了钻柱的一部分，在该钻柱上定位有多个测距装置，所述多个 测距装置被多个绝缘体构件分离或“隔离”，并将电磁信号传播到地层中。
图9是立体图，示出了包括非导电套筒形式的绝缘体构件的钻柱,该绝缘体构件 位于所述钻柱上，并允许电磁信号传播到地层中以准确执行测距操作。
图10是立体图，示出了钻柱，包括具有细长非导电套筒形式的绝缘体构件的钻 柱，该绝缘体构件用于使从钻柱突出的导电结构绝缘。
图11是立体图，示出了包括导电窗的钻柱的实施例，该导电窗被绝缘体套筒构件 包围，以将该导电窗构件与导电环构件隔离。
具体实施方式
本发明的测距系统旨在利用如下的测距系统来替换常规的钢缆系统和方法，该测 距系统设置在钻柱或井底钻具组件(BHA)上，从而可以在钻井期间执行测距操作，而不需要 中断钻井过程，也不需要第二井眼。
在本发明的一实施例中，公开了一种测距系统，该测距系统构成钻柱的井底钻具 组件(BHA)的一部分。在钻井操作期间，该测距系统利用如下的测距装置这些测距装置可 以包括发送器和/或接收器或两者，它们使电磁信号穿过地层、在发送器和接收器之间传 播。为了使电磁信号穿过地层传播，必须在测距装置和地层之间建立电接触。尤其是，每个 测距装置可操作成例如，通过控制该电磁信号的强度、该信号的方向性以及本领域中已知 的各种其它信号属性来控制勘探深度。在一个实施例中，可通过相对于地面对天线进行定 位来控制该信号的方向及其强度。可以专门选择所述多个测距装置的间距以及它们沿着钻 柱的各个地层接触点，以便还实现其它操作参数。换言之，这些导电接触点可以影响磁测距 操作的结果。
图1a和图1b示出了与位于地层104中的钻柱102相关联的测距系统100。钻柱 102包括测距装置，该测距装置包括具有发送接触点106a的环106以及具有接收接触点 108a的环108。该环106和环108例如可以包括诸如金属的导电材料。环106和108由绝 缘环110分离并分别连接到电源112。图1a和图1b描绘了 当在环106与地层104之间、 在环108与地层104之间存在电接触并且对环106和108供电时，电磁信号114穿过地层 104、在发送接触点106a与接收接触点108a之间传播。本领域的技术人员将会理解，尽管 接触点106或108可以描述为用于发送或接收的点，但接触点也可用来接收电磁信号或发 送电磁信号或者既发送又接收，这取决于所采用的具体测距装置。
在图1a中，发送接触点106a和接收接触点108a彼此隔开，从而，它们之间的电磁 流路径相对较深地进入到地层104中。相比之下，在图1b中，发送接触点106a和接收接 触点108a彼此更近，从而，进入到地层104中的电磁流路径相对较浅(例如，与图1a中的、 发送接触点106a和接收接触点108a引起的电磁流路径相比)。因此，可以对发送接触点 106a与接收接触点108a的间距进行选择，以控制要进行的测距操作的参数。然而，本领域 的技术人员将会理解，例如，在执行诸如海上钻井操作或超深钻井操作等的钻井操作中，已经发现，随着用于钻出井眼的钻柱的长度增加，钻柱“下沉(sag)”，并且钻柱中的谐波响应 效应显著增大，所有这些都可能导致钻柱与地层在测距装置部件之间的位置处的非期望的 接触，这会阻碍测距装置准确地执行测距操作。换言之，随着钻柱102的长度增加，变得更 难以控制钻柱与地层在测距装置的发送接触点106a和接收接触点108a之间的位置处的接 触。本领域的技术人员将会理解，位于发送接触点和接收接触点之间的这些中间接触点会 影响电磁信号114的电流路径，并因此影响测距操作的有效性。为了便于描述，该术语“测 距装置”包括利用与地层的接触来将电磁信号传播到地层中以进行测距的任何装置。这种 测距装置可以包括磁测距传感器和/或本领域已知的各种其它测距设备。
为了更好地控制钻柱与地层之间的非期望的接触，在本发明的一个方面，沿着钻 柱102定位有多个绝缘体构件(参见图3b中的绝缘体构件316)。优选地，基于对钻柱102执 行的建模和仿真方法来选择这些绝缘体构件的定位，并且该方法可用于将钻柱与地层104 的预期接触点映射到一系列变量上。这些绝缘体构件防止钻柱102的多个部分与地层104 接触，由此控制钻柱102与地层104之间的导电接触，从而可以使用测距装置来进行准确的 测距操作。换言之，这些绝缘体构件防止在钻柱102与地层104之间形成导电路径(除了钻 柱102上的、为测距装置而选择的预定点之外)，这是因为已经发现，钻柱102与地层104 在测距装置106和108之间的、非期望的接触将使该测距系统“短路”，或者将妨碍该测距装 置最有效地发送和接收电磁信号的能力。
因此，在本发明的如图2a所示的一个实施例中，提供了为钻柱提供测距系统的方 法200。该方法200起始于方框202，在该方框202中，确定在特定地层中钻出所期望的井 眼所需的钻井要求。这些钻井要求可以包括多个地层特性、地层深度、地层构造、多个地层 温度、多个地层压力、和/或本领域已知的各种其它钻井要求。在一个实施例中，所述确定 钻井要求的步骤包括以下项中的至少一个估算所期望的井眼深度、所期望的井眼方向、所 期望的井眼倾斜度、所期望的井眼直径、和/或本领域已知的各种其它井眼参数。
然后，该方法200进行到方框204，在方框204中，确定沿着钻柱对测距装置进行定 位的期望位置。在一个实施例中，该期望位置包括作为所述BHA的一部分的测距装置的位 置。在一个实施例中，在方框204中确定该期望位置的步骤包括例如，针对测距电磁信号 的期望的传播路径，确定诸如天线和接收器等的测距装置所需的、沿着钻柱的间距要求。在 一个实施例中，确定该期望位置的步骤包括选定所述多个测距装置与井眼的侧面之间的 多个期望的接触点。
然后，该方法200进行到方框206，在方框206中，选定具体的钻井操作所需的钻柱 或BHA部件并进行建模。在一个实施例中，选择钻柱或BHA部件的各种参数，例如每个部件 的长度、每个部件的当量刚度、和/或本领域已知的各种其它部件参数。
然后，该方法200进行到方框208，在方框208中，对所建模的钻柱或BHA在钻井 操作期间的响应进行仿真，并产生钻柱或BHA轮廓曲线。在方框208处，对如下的一系列参 数进行仿真，例如旋转速度、钻头上的重量、井眼的倾斜度、剪切力、力矩、倾角、挠曲度、侧 向力、和/或本领域已知的各种其它参数。在一个实施例中，在方框208处进行的仿真还可 以包括在该方法200的方框202中确定的地层特性。在一个实施例中，产生了如图3a所示 的钻柱或BHA轮廓曲线300。如下文中进一步详细讨论的，该钻柱或BHA轮廓曲线300指 示了钻柱与钻进到地层中的井眼的壁之间的预期接触点。在一个实施例中，所述对响应进行仿真的步骤包括仿真所述BHA对以下项中的至少一个的响应预期的环境、方向性、倾斜 度、钻头上的重量、和/或本领域已知的各种其它BHA响应。
然后，该方法200进行到方框210，在该方框210中，评估所述钻柱或BHA轮廓曲 线，以确定钻柱与地层之间的预期的接触点(例如，钻柱与钻进到地层中的井眼的壁之间的 预期的接触点)。在一个实施例中，评估所述钻柱或BHA轮廓曲线的步骤包括评估以下项中 的至少一个预期的倾角、多个预期的挠曲剪切力、或者所述钻柱或BHA上的预期的弯曲力矩。
然后，该方法200进行到方框212，在该方框212中，选择至少一个绝缘体构件，并 在方框210中确定的预期的接触点处将该绝缘构件应用到钻柱或BHA，在这些接触点处，希 望该绝缘构件使钻柱或BHA与地层绝缘。在一个实施例中，选定绝缘体构件的步骤包括确 定以下项中的至少一个该绝缘体的尺寸、该绝缘体的形状、多个BHA部件的功能、和/或本 领域已知的各种其它绝缘体构件参数。在一个实施例中，该方法还包括基于所确定的接触 点，将绝缘体构件应用到钻柱。在一个实施例中，该方法还包括在所确定的每个接触点处， 将绝缘体构件应用到钻柱。在一个实施例中，应用所述绝缘体构件的步骤包括将绝缘材料 模制在钻柱外周的至少一部分上。在一个实施例中，应用所述绝缘体构件的步骤包括将预 制的由绝缘材料形成的扶正器(centralizer)附接到钻柱。
在另一个实施例中，可以确定所述钻柱或BHA的谐波响应。图4c示出了图4a所 示的钻柱(被建模以产生图4b所示的数据)在60RPM的频率下工作的模态形状。确定该谐 波响应使得可以选定钻柱或BHA与地层之间的可能需要应用所述绝缘体构件的、另外的预 期接触点。具体地，一旦已经构建了模型或物理上的钻柱或BHA，并且已经确定了实现该系 统的电磁测距要求所需的绝缘体构件的位置，则能够以与初始评估相同的方式来评估该系 统的谐波频率响应。在一个实施例中，所述评估谐波频率的步骤包括基于钻井期间、所述 BHA在井眼中的预期谐波响应来确定钻柱与井眼之间的另外的预期接触点。在一个实施例 中，该方法还包括基于通过确定预期的谐波响应而确定的接触点，将绝缘体构件应用到钻 柱。在一个实施例中，所述评估谐波频率的步骤还包括在一系列的钻头速度上评估谐波频 率。
参照图3a，该图示出了使用上述方法产生的钻柱或BHA轮廓曲线300。水平线302a 和302b表示正在钻进的井眼的壁。细长阴影形状304表示包括内径304a和外径304b的 钻柱或BHA。虚线306表示所期望的测距装置位置，即，钻柱上的测距装置与井眼的壁之间 的、期望的“导电”接触点。虚线308表示当执行测距操作时、钻柱或BHA与井眼的壁之间 的预期的接触点，即，预计所述钻柱或BHA将使测距装置“短路”或“接地”的地方。
在一个实施例中，钻柱或BHA与井眼的壁之间的(例如图3a的虚线308表示的)预 期的接触点是绝缘体构件将优选联接到(例如，模制到)钻柱上的地方。使用该钻柱或BHA 轮廓曲线，可以构造出如下的钻柱或BHA :在操作期间，该钻柱或BHA将仅在钻柱的端部处 以及在所述测距装置(这些测距装置抵靠井眼的壁)的期望的导电接触点处接触地层。
在一个实施例中，一旦通过在进行建模的步骤206中包括所建模的绝缘体而选定 了预期的接触点，则该步骤206就可以第二次执行或以迭代的方式执行。同样，一旦通过在 进行仿真的步骤208中包括绝缘体而选定了预期的接触点，则该步骤208就可以第二次执 行或以迭代的方式执行，从而允许对具有位于适当位置的绝缘体的钻柱或BHA进行仿真。以这种方式，可以针对测距装置的位置来进一步优化绝缘体的放置。
本领域的技术人员将会理解，至少上述步骤206和208中的前述建模和仿真必须 用计算机系统来执行。在一个实施例中，该计算机系统包括经由系统总线互连的至少一个 处理器、存储器、一个或多个I/o设备、以及显示器。该存储器中可以存储有可由所述处理 器执行的、用于实现根据本文描述的实施例的建模和仿真系统的软件指令。应理解的是，该 计算机系统可以经由适当的网络连接而连接到一个或多个公共网络和/或私人网络。还应 理解的是，包括上述建模和仿真系统的软件指令可以从CD-ROM或其它适当的存储介质中 加载到该存储器中。因此，图2a所示的方法的至少一部分步骤是利用计算机系统来执行 的。诸如监视器或打印机的显示器可用来产生如图3a、图3b、图4a和图4c所示的图像以 及如4d所示的数据，以允许构建与本文执行的建模相一致的系统。
图3b示出了 BHA 310，该BHA 310包括使用图3a的BHA轮廓曲线300而构建的测 距系统。BHA 310包括具有多个测距装置314的钻柱312，所述多个测距装置314以如图3a 的BHA轮廓曲线300中所期望和指示的方式定位。如上所述，这些测距装置314能够操作成 提供与地层的导电接触。测距装置314可以包括突起、套筒、环、稳定器、扶正器、耐磨带、传 感器、和/或本领域已知的各种其它测距装置部件。在一个实施例中，这些测距装置314根 据图3a的BHA轮廓曲线300上的虚线306而定位在钻柱上。为了便于描述，测距装置314 可以包括能够在钻柱与钻进到地层中的井眼的壁之间建立电磁导电路径的任何结构。此 外，虽然这样的结构可以联接到钻柱，但它们也可以是钻柱的一体部分。在一个实施例中， 测距装置314的导电接触可以仅仅是钻柱本身与地层之间的接触点，例如钻柱上的连接接 头。
在钻柱312上、在测距装置314之间包括多个绝缘体构件316。在一个实施例中， 这些绝缘体构件316设置在钻柱上的如下位置所进行的建模表明，在这些位置处，由于例 如钻柱下沉、因钻头318上的重量的力而产生的钻柱弯曲、和/或钻柱312本身的谐波(例 如，当钻柱312旋转时，它经历了导致该钻柱变形并呈现波浪形状的临界频率，如图3a所 示)，在钻柱与井眼的壁之间存在接触。在一个实施例中，绝缘体构件316根据图3a的BHA 轮廓曲线300上的虚线308而定位在钻柱312上。
本领域的技术人员将会理解，许多钻井情形是唯一的，并且可能需要特定的BHA、 井眼、地层、方向性、钻井速度等，从而，可以在每次钻井操作之前执行上述建模方法，以确 定钻柱上的哪些位置应安装绝缘体构件。
现在参照图5a和图5b，示出了用于测距装置的接触构件500的一个实施例。该接 触构件500可用于增强测距装置与地层之间的联接。如图所示的接触构件500包括圆柱形 基部502，该圆柱形基部502限定有圆柱形通道504以及外表面506，该圆柱形通道504延 伸穿过圆柱形基部502，该外表面506在圆柱形基部502上与圆柱形通道504相对。多个接 触特征件508从圆柱形基部502的外表面506以彼此见隔开的取向延伸，使得在各对接触 构件508之间限定多个通道510。在一个实施例中，每个接触特征件508均包括多个彼此间 隔开的锯齿状分段508a。在一个实施例中，接触特征件508的其它部分可以是锯齿状的，所 述其它部分诸例如是接触特征件508的与通道510相邻的边缘。在操作中，通道510例如 允许泥浆、地层流体、和/或其它井眼流体转移经过所述测距装置，而接触特征件508的锯 齿状分段508a提供了与井眼壁的电接触。虽然图5a和图5b中示出了测距装置接触构件500的一种可能的形状/构造，但它仅仅是示例性的，而且，本领域的技术人员将会理解，各 种其它形状/构造也落入本发明的范围内。例如，可以提供非扇形的、连续圆环型的接触特 征件508，以代替图5a所示的扇环型的接触特征件508。在另一个实施例中，可以提供分别 模制的螺旋片型的接触特征件508，如图5c所示。可以修改图5c的实施例，以提供分别模 制的直片型的接触特征件508。同样，接触构件500包括如图3b所示的、彼此间隔开的片件 或突起。此外，可以使用本文所公开的实施例的任意组合来提供测距装置接触构件500。
现在参照图6,示出了绝缘体构件600。绝缘体构件600优选包括具有外表面的圆 柱形基部602,该外表面具有从圆柱形基部602的外表面以彼此间隔开的取向而延伸的多 个接触构件604，从而在各对接触构件604之间限定多个通道606。在操作中，这些通道606 例如允许泥浆、地层流体、和/或其它井眼流体沿着井眼转移经过该绝缘体构件600。虽然 图6中示出了绝缘体构件的一种可能的形状/构造，但它仅仅是示例性的，并且，本领域的 技术人员将会理解，各种其它形状和/或构造也落入本发明的范围内。例如，为了代替图6 所示的直片型的接触构件604，可以提供扇环型的接触构件(类似于图5a所示的接触特征 件508)，可以提供非扇形的、连续圆环型的接触构件，可以提供分别模制的螺旋片型的接触 构件(类似于图5c所示的接触特征件508)，可以使用分别模制的直片型的接触构件和/或 本文公开的实施例的任意组合来提供绝缘构件600。
在一个实施例中，所述绝缘体构件可以由各种材料形成，例如环氧树脂、具有强度 增强添加剂(例如，纤维)陶瓷的环氧树脂、玻璃纤维复合材料、塑料、Kevlar'具有抗磨添 加剂的聚醚酮醚(PEEK)、和/或本领域已知的各种其它材料。在一个实施例中，绝缘体构件 由在所述建模方法期间选定的预期接触点处被模制到钻柱上的碳纤维环氧树脂形成。本领 域的技术人员将会理解，任何非导电材料均适合于形成该绝缘体构件。此外，虽然所述绝缘 体构件被描述为模制在钻柱上，但也可以构思出其它的附接形式。同样，可根据特定应用的 需要来选择所述绝缘体构件的形状。在一个示例中，所述绝缘体构件可以是细长的，以覆盖 钻柱的一部分。在另一个示例中，所述绝缘体构件可以包括具有半球形径向横截面形状的 基本圆环形状，其可以成形为球状，可以形成为径向延伸的片件，或可以用本领域已知的各 种形状来成形。在一个实施例中，所述绝缘体构件可以包括一个或多个稳定器片(例如，如 图3b和图4a所示)。
现在参照图7，示出了使用钻柱进行测距操作的方法700。在一个实施例中，可以 在钻柱执行钻井操作的同时执行测距操作。该方法700起始于方框702，在方框702中，提 供包括BHA的钻柱，该BHA具有钻头。如上所述，该钻柱设置有一个或多个测距装置以及一 个或多个绝缘体构件。然后，该方法700进行到方框704，在方框704中，利用所述钻柱来钻 出井眼。然后，该方法700进行到方框706，在方框706中，利用所述钻柱来进行测距操作。 然后，该方法700进行到方框708，在方框708中，在测距操作期间，利用附接到所述钻柱的 测距装置(例如，扶正器)而在钻柱与井眼的壁之间形成导电接触。该导电接触允许电磁流 或电磁信号穿过地层而传播并用于执行测距操作。然后，该方法700进行到方框710，在方 框710中，在测距操作期间，利用附接到所述钻柱的绝缘体构件来阻止钻柱与井眼的壁之 间的接触。通过阻止钻柱与井眼之间的接触并利用测距装置与井眼的壁之间的导电接触， 允许进行准确的测距操作，如上所述。
现在，将描述多个钻柱或BHA测距系统，这些钻柱或BHA测距系统包括测距装置和绝缘体构件，并且可以用来执行上述方法700。然而，下文讨论的系统仅仅是示例性的，并 且，本领域的技术人员将会理解，未示出的各种构造也落入本发明的范围内。
现在参照图8，示出了测距系统800，该测距系统800可以根据上文参照图7讨论 的方法700而工作。如上所述，在钻柱、BHAjP /或本领域已知的其它钻井装置上可以包括 测距系统800。测距系统800包括钻柱802，该钻柱802具有由绝缘环808分开的测距装置 环804和测距装置环806。每个测距装置环804和806均联接到电源805。电源805可以 局部地装载在该钻柱上或设置在其表面处。在一个实施例中，测距装置环804和806例如 可以包括诸如金属的导电材料。测距装置接触构件810联接到测距装置环804，而测距装置 接触构件812联接到测距装置环806。在一个实施例中，测距装置接触构件810和812根据 上文讨论的方法200而定位在钻柱802上。这样，测距装置接触构件810和812可以在钻 柱802上彼此隔开，以提供预定的定位以及地层电流811到地层813中的深度。多个绝缘 体构件814联接到钻柱802。在一个实施例中，绝缘体构件814是根据上文讨论的方法200 而定位在该钻柱上的绝缘体构件。在测距操作期间，测距装置接触构件810和812在接触 点810a和812a处与地层813 (例如，正在钻进的井眼的壁)导电接触，而绝缘体构件814可 以在方法200中确定的预期接触点处与地层813 (例如，正在钻进的井眼的壁)接触，以提 供非导电接触，该非导电接触确保了地层电流811不会因为钻柱802与地层813之间的接 触而“短路”。
现在参照图9，示出了测距系统900，该测距系统900可以根据上文参照图7讨论 的方法700而工作。如上所述，在钻柱、BHAjP /或本领域已知的其它钻井装置上可以包括 测距系统900。测距系统900包括钻柱902，该钻柱902具有绝缘环904。一对测距装置接 触点906和908在钻柱902上位于绝缘构件904的两个相反侧。在一个实施例中，根据上 文讨论的方法200来获得测距装置接触点906和908在该钻柱上的位置。测距装置接触点 906和908可以提供预定的定位以及地层电流910到地层912中的深度。绝缘体构件904 根据上文讨论的方法200而定位在该钻柱上。在测距操作期间，钻柱902变形(优选地，基本 上如方法200中的建模和仿真所预测的)，从而在测距装置接触点906和908处与地层912 (例如，正在钻进的井眼的壁)导电接触，而绝缘体构件904可以在方法200中确定的预期接 触点处与地层912 (例如，正在钻进的井眼的壁)接触，以提供非导电接触，该非导电接触确 保了地层电流910不会因为钻柱902与地层912之间的接触而“短路”。
现在参照图10，示出了测距系统1000，该测距系统1000可以根据上文参照图7讨 论的方法700而工作。如上所述，在钻柱、BHAjP /或本领域已知的其它钻井装置上可以包 括测距系统1000。测距系统1000包括钻柱1002，该钻柱1002具有由绝缘环1002分开的 测距装置环1004和测距装置环1006。每个测距装置环1004和1006均联接到电源1008。 电源1008可以局部地装载在该钻柱上或设置在其表面处。在一个实施例中，测距装置环 1004和1006例如可以包括诸如金属的导电材料。测距装置接触构件1010联接到测距装置 环1004，而测距装置接触构件1012联接到测距装置环1006。在一个实施例中，测距装置接 触构件1010和1012根据上文讨论的方法200而定位在该钻柱上。这样，测距装置接触构 件1010和1012可以在钻柱1002上彼此隔开，以提供预定的定位以及地层电流1014到地 层1016中的深度。连续的绝缘体构件套筒1018联接到钻柱1002。在一个实施例中，绝缘 体构件套筒1018根据上文讨论的方法200而定位在该钻柱上。在测距操作期间，测距装置接触构件1010和1012在接触点IOlOa和1012a处与地层1016 (例如，正在钻进的井眼的 壁)导电接触，而绝缘体构件套筒1018可以在方法200中确定的一个或多个预期接触点处 与地层1016 (例如，正在钻进的井眼的壁)接触，以提供非导电接触，该非导电接触确保了 地层电流1014不会因为钻柱1002与地层1016之间的接触而“短路”。
现在参照图11，示出了测距系统1100，该测距系统1100可以根据上文参照图7讨 论的方法700而工作。如上所述，在钻柱、BHAjP /或本领域已知的其它钻井装置上可以包 括测距系统1100。测距系统1100包括钻柱1102，该钻柱1102具有联接到该钻柱1102的 绝缘体构件套筒1104。测距装置导电窗构件1106被包括在绝缘体构件套筒1104上并定 位成与绝缘体构件套筒1104的外周表面邻接。在一个实施例中，绝缘体构件套筒1104和 测距装置导电窗构件1106根据上文讨论的方法200而定位在该钻柱上。在测距操作期间， 钻柱1102可以变形(如方法200中的建模和仿真所预测的)，从而在钻柱1102上的测距装 置接触点1110以及导电窗构件1106上的测距装置接触点1102处与地层1108(例如，正在 钻进的井眼的壁)导电接触，而绝缘体构件套筒1104可以在方法200中确定的一个或多个 预期接触点处与地层1108 (例如，正在钻进的井眼的壁)接触，以提供非导电接触，该非导 电接触确保了钻柱1102上的测距装置接触点1110与测距装置导电窗构件1106上的测距 装置接触点1112之间的地层电流不会因为钻柱1102的其它部分与地层1108之间的接触 而“短路”。在一个实施例中，图11所示的测距系统1100的构造尤其可用于允许方位角测 距操作的方位角接触。
因此，已经描述了如下系统和方法针对诸如磁测距的特定钻井操作，确定钻柱或 BHA上的测距装置与地层之间的多个期望的导电接触点，然后对该钻井操作进行仿真，以确 定绝缘体构件沿着所述钻柱或BHA的定位，以驱动或以其它方式促进钻柱或BHA与地层之 间仅在所述多个期望的导电接触点处的接触。在一个实施例中，上述系统和方法允许选择 绝缘体构件(例如，绝缘体构件的数量、绝缘体构件的定位、绝缘体构件的尺寸、绝缘体构件 的形状等)，以使钻柱或BHA的选定部分与井眼的壁接触，从而促进测距装置在特定的导电 接触点处与地层的导电接触。对于给定的、具有期望的导电接触点的钻柱，上述系统和方法 还允许绝缘体构件的数量最少化，或针对测距系统部件的定位和操作而优化。
本领域的技术人员将会理解，这种系统的一个目标是利用钻井操作的物理实体和 定向要求来平衡对传感器及其特定功能的需要。因此，给定执行钻井操作所需的钻柱或 BHA，上述系统和方法允许优化该测距系统的所有方面，从而选定用于放置绝缘体的最小需 求。
本领域的技术人员将会理解，这里使用的术语“钻柱”可以包括钻杆、接头、BHA以 及可附接于其上的任何其它工具。这里使用的术语“井底钻具组件”可以包括钻头、钻环、 稳定器等。
已经描述了一种用于钻出井眼的方法，该方法包括确定在特定地层中钻出所期 望的井眼所需的多个钻井要求；确定沿着钻柱放置传感器的期望位置，所述钻柱包括井底 钻具组件；通过选定井底钻具组件部件、每个井底钻具组件部件的实际长度以及每个部件 的当量刚度来对井底钻具组件(BHA)进行建模；对所建模的BHA在特定地层中钻出井眼期 间的响应进行仿真；评估该井眼中的BHA轮廓曲线，以确定钻柱与井眼之间的预期的接触 点；以及选定绝缘体，该绝缘体将应用到所述接触点中的至少一个。在一个实施例中，所述确定多个钻井要求的步骤包括评估其中要钻出井眼的环境，该环境包括以下项中的至少一 个多个地层特性、地层深度、地层构造、多个地层温度、以及多个地层压力。在一个实施例 中，所述确定多个钻井要求的步骤包括以下项中的至少一个估算所期望的井眼深度、所期 望的井眼方向、所期望的井眼倾斜度、所期望的井眼直径。在一个实施例中，所述确定期望 位置的步骤包括选定传感器部件之间沿着钻柱的间距。在一个实施例中，所述确定期望 位置的步骤包括选定传感器部件与井眼的侧面之间的多个期望的接触点。在一个实施例 中，这些传感器是磁测距传感器。在一实施例中，这些磁测距传感器包括发送器和接收器。 在一个实施例中，所述磁测距传感器包括能够与井眼的壁接触的导电扶正器(conductive centralizers)。在一个实施例中,所述井底钻具组件包括钻头。在一个实施例中，所述对响 应进行仿真的步骤包括仿真所述BHA对以下项中的至少一个的响应预期的环境、方向性、 倾斜度、或钻头上的重量。在一个实施例中，评估所述BHA轮廓曲线的步骤包括评估以下项 中的至少一个预期的倾角、多个预期的挠曲剪切力、或BHA上的预期的弯曲力矩。在一个 实施例中，该方法还包括评估所述BHA在预期的钻井条件下的谐波频率，以确定多个另外 的绝缘要求。在一个实施例中，所述选定绝缘体的步骤包括确定以下项中的至少一个绝缘 体的尺寸、绝缘体的形状、或多个BHA部件的功能。在一个实施例中，该方法还包括基于所 确定的接触点来将绝缘体应用到钻柱。在一个实施例中，该方法还包括在所确定的每个接 触点处将绝缘体应用到钻柱。在一个实施例中，所述应用绝缘体的步骤包括将绝缘材料模 制在钻柱外周的至少一部分上。在一个实施例中，所述应用绝缘体的步骤包括将预制的由 绝缘材料形成的扶正器附接到钻柱。在一个实施例中，所述评估谐波频率的步骤还包括基 于钻井期间、所述BHA在井眼中的预期谐波响应来确定钻柱与井眼之间的另外的预期接触 点。在一个实施例中，该方法还包括基于通过确定预期的谐波响应而确定的接触点，将绝 缘体构件应用到钻柱。在一个实施例中，所述评估谐波频率的步骤还包括在一系列的钻头 速度上评估谐波频率。
已经描述了一种用于钻井眼的方法，该方法包括提供包括井底钻具组件的钻柱， 该井底钻具组件具有钻头；利用所述钻柱来钻出井眼；利用所述钻柱来进行电磁信号传播 操作；利用附接到所述钻柱的扶正器而在钻柱与井眼的壁之间形成导电接触；以及，利用 附接到所述钻柱的绝缘体来阻止钻柱与井眼的壁之间的接触。在一个实施例中，所述绝缘 体增强了电磁传播操作。在一个实施例中，该方法还包括如下步骤确定在井眼的钻进期 间、井底钻具组件与井眼的侧面之间的预期接触点；以及，在所述预期接触点处将绝缘体附 接到井底钻具组件。在一个实施例中，选择钻柱上的各个扶正器和绝缘体的附接点，以增强 磁测距操作。在一个实施例中，利用所述钻柱来进行磁测距操作的步骤包括确定发送器和 接收器之间的间距要求。在一个实施例中，选择所述间距要求以控制磁测距操作的勘探深 度。在一个实施例中，选择所述间距要求以控制磁测距操作的方向性。在一个实施例中，选 择被附接到钻柱上的所述绝缘体的位置，以控制磁测距操作的勘探深度。在一个实施例中， 选择被附接到钻柱上的绝缘体的位置，以控制磁测距操作的方向性。在一个实施例中，利用 绝缘体的步骤包括使BHA与井眼的侧面之间的意外接地最小化。
已经描述了用于在地层中钻井眼的系统，该系统包括钻柱，该钻柱包括具有钻头 的井底钻具组件；与地层导电接触的多个彼此隔开的扶正器，所述扶正器安装在所述钻柱 上；以及安装到该钻柱上的多个绝缘体，所述绝缘体与地层非导电接触。在一个实施例中，所述绝缘体被模制到钻柱上。在一个实施例中，所述绝缘体由碳纤维环氧树脂或玻璃纤维、 纤维加强的环氧树脂或非导电材料形成。在一个实施例中，所述绝缘体包括多个稳定器片。 在一个实施例中，所述绝缘体具有形状为半球形的径向横截面区域。在一个实施例中，所述 绝缘体是圆环形的。在一个实施例中，所述稳定器与钻柱一体地形成。
已经描述了一种用于在地层中钻井眼的系统，该系统包括钻柱，该钻柱包括具有 钻头的井底钻具组件；沿着该钻柱定位的多个彼此隔开的传感器，所述传感器包括发送器、 接收器和稳定器，其中，所述稳定器与地层导电接触；以及多个绝缘体，所述多个绝缘体安 装到钻柱上，所述绝缘体与地层非导电接触。
用于钻井眼的方法包括提供包括井底钻具组件的钻柱，该井底钻具组件具有钻 头；选定沿着钻柱的、希望该钻柱与井眼壁导电接触的点；选定沿着钻柱的、希望该钻柱避 免与井眼壁导电接触的点；以及，将绝缘体放置在钻柱上，以在钻柱位于井眼中时促使所选 定的导电点与井眼壁接触。在一个实施例中，该方法还包括如下步骤将绝缘体放置在钻柱 上的、被选定为需要与井眼壁隔离的那些点处。在一个实施例中，所述电磁传播操作是磁测 距操作。
本领域的技术人员将会理解，虽然已经针对磁测距操作描述了本发明，但本发明 的系统和技术也适用于其它类型的操作，这取决于地层与钻柱之间的、受控的导电接触。
权利要求
1.一种用于在钻柱上提供测距系统的方法，包括如下步骤确定在地层中钻出井眼所需的多个钻井要求；确定钻柱上的多个测距装置接触位置，其中，所述钻柱包括井底钻具组件(BHA);使用多个钻柱部件的详细资料来对所述钻柱进行建模；使用所述多个钻井要求对所建模的钻柱在地层中钻出井眼期间的响应来进行仿真，以产生钻柱轮廓曲线；评估所述钻柱轮廓曲线，以确定所述钻柱与所述井眼之间的至少一个接触点，所述至少一个接触点在所述钻柱上位于所述多个测距装置接触位置之间；以及确定绝缘体构件，并将所述绝缘体构件定位在所述至少一个接触点附近。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定多个钻井要求的步骤包括确定以下项中的至少一个确定多个地层特性；确定地层深度；确定地层构造；确定多个地层温度；以及确定多个地层压力。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定多个钻井要求的步骤包括确定以下项中的至少一个所期望的井眼深度；所期望的井眼方向；所期望的井眼倾斜度；以及所期望的井眼直径。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定多个测距装置接触位置的步骤包括确定所述钻柱上的所述多个测距装置接触位置之间的间距。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定多个测距装置接触位置的步骤包括确定多个测距装置与所述井眼的相应侧部之间的多个期望的接触点。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对响应进行仿真的步骤包括仿真所述BHA对以下项中的至少一个的响应预期的环境；方向性；倾斜度；以及钻头上的重量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，评估所述钻柱轮廓曲线的步骤包括评估以下项中的至少一个预期的倾角；多个预期的挠曲剪切力；以及所述钻柱上的预期的弯曲力矩。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括评估所述钻柱在多个预期的钻井条件下的多个谐波频率，以确定多个另外的绝缘体构件要求。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述选定绝缘体构件的步骤包括选定以下项中的至少一个所述绝缘体的尺寸；所述绝缘体的形状；以及多个钻柱部件的功能。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括对所述钻柱上的每个相应的接触点提供至少一个绝缘体构件，使得所述至少一个绝缘体构件定位在所述钻柱上的多个测距装置接触位置之间。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括将所述钻柱定位在井眼中；以及使用所述多个测距装置执行测距操作。
12.—种测距系统,包括钻柱，所述钻柱包括井底钻具组件(BHA)；多个测距装置，所述多个测距装置以彼此隔开的取向被牢固地定位在所述钻柱上，并且所述多个测距装置能够操作成与地层导电接触；至少一个绝缘体构件，所述至少一个绝缘体构件在所述钻柱上被定位在所述多个测距装置之间，并且所述至少一个绝缘体构件能够操作成与所述地层非导电接触。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个绝缘体构件被模制到所述钻柱上。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个绝缘体构件包括碳纤维环氧树脂、碳纤维玻璃纤维、纤维加强的环氧树脂、以及非导电材料。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个绝缘体构件包括多个稳定器片。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个绝缘体构件包括半球形的径向横截面区域。
17.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个绝缘体构件具有圆环形状。
18.根据权利要求12所述的系统，其中，所述多个测距装置与所述钻柱一体地形成。
19.一种用于钻井眼的方法，包括提供钻柱，所述钻柱包括井底钻具组件(BHA)；对钻柱操作进行仿真，其中，所述仿真包括确定所述钻柱上的多个地层导电点；以及确定所述钻柱上的、位于所述多个地层导电点之间的至少一个地层绝缘点；将测距装置定位在所述钻柱上的所述多个地层导电点中的每一个上；将至少一个绝缘体构件定位在所述钻柱上的所述至少一个地层绝缘点上；以及使用所述测距装置执行测距操作，其中，在所述测距操作期间，所述至少一个绝缘体构件提供与所述地层的壁的绝缘接触。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述仿真还包括使用多个钻井要求和多个钻柱部件详细资料来对钻井操作进行仿真。
全文摘要
一种测距系统，该测距系统包括具有井底钻具组件(BHA)的钻柱。多个测距装置以彼此隔开的取向被定位在该钻柱上，并且能够操作成提供与地层的导电接触。至少一个绝缘体构件在钻柱上被定位在所述多个测距装置之间，并能够操作成提供与地层的非导电接触。在钻井操作期间，所述多个测距装置提供与地层的导电接触，而所述至少一个绝缘体构件提供与地层的非导电接触，从而在钻井的同时增强了测距操作。还提供了一种用于对钻柱的响应进行建模和仿真的方法，以选定沿着该钻柱的、用于对绝缘体构件进行定位的位置。
文档编号G01V3/12GK103003720SQ201180025314
公开日2013年3月27日 申请日期2011年5月20日 优先权日2010年5月21日
发明者约翰·K·斯奈德, 迈克尔·D·芬克 申请人:哈利伯顿能源服务公司