多通道井下電磁遙測(cè)的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明整體總體上涉及使用電磁(EM)遙測(cè)的井下隨鉆測(cè)量(MffD)，具體涉及發(fā)送并接收多通道井下EM遙測(cè)的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]從地下區(qū)域開(kāi)采碳?xì)浠衔镆揽裤@井眼的處理。該處理包括位于地面的鉆井裝置以及從該地面裝置延伸到地層或所關(guān)注的地下區(qū)域的鉆柱。該鉆柱可延伸到地面下方上千英尺或米。鉆柱的終端端部包括用于鉆出(或延伸)井眼的鉆頭。除了上述傳統(tǒng)的鉆井裝置外，系統(tǒng)還依靠一些鉆井液系統(tǒng)，很多情況下是鉆井“泥漿”，其從鉆桿的內(nèi)側(cè)栗送，冷卻并潤(rùn)滑鉆頭，然后從鉆頭排出，將巖石碎肩帶回到地面。泥漿也幫助控制井底壓力(bottom
hole pressure)，并防止碳?xì)浠衔飶牡貙恿魅刖?，該流入能夠潛在地在地面處引起?br>m
O
[0003]定向鉆井是將井導(dǎo)向離開(kāi)豎直方向從而與目標(biāo)端點(diǎn)相交或沿著預(yù)定路徑的處理。在鉆柱的終端端部為井底組件(或BHA)，其包括I)鉆頭；2)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的可導(dǎo)向井下泥漿馬達(dá)；3)測(cè)繪裝置(隨鉆測(cè)井儀(LWD)和/或隨鉆測(cè)量(MffD)的傳感器，其用于隨著鉆井處理而評(píng)估井下?tīng)顩r；4)用于將數(shù)據(jù)遙測(cè)到地面的裝置；以及5)其它控制處理裝置，諸如穩(wěn)定器或重鉆鋌。BHA通過(guò)金屬管(鉆桿)的柱傳送到井眼。MffD裝置被用于在鉆井的同時(shí)以近乎實(shí)時(shí)的模式將井下傳感器和狀態(tài)信息提供到地面。這個(gè)信息被鉆井隊(duì)用于作出關(guān)于控制并導(dǎo)向井的決定，從而基于多個(gè)因素優(yōu)化鉆井速度和軌跡，這些因素包括鉆場(chǎng)邊界、現(xiàn)存的井、地層性能、碳?xì)浠衔锏亩嗌俸臀恢玫?。這可以包括基于在鉆井處理中從井下傳感器收集到的信息，按照需要從計(jì)劃的井眼路徑進(jìn)行有意偏離。MffD的獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的能力使得可以獲得相對(duì)更為經(jīng)濟(jì)并且更為有效的鉆井操作。
[0004]在MffD中，當(dāng)前使用的MffD工具主要包括相同的傳感器封裝以測(cè)繪井眼，但是通過(guò)各種遙測(cè)方法將數(shù)據(jù)發(fā)回到地面。這種遙測(cè)方法包括但不限于使用硬連線(xiàn)的鉆桿、聲遙測(cè)、光纜、泥漿脈沖(MP)遙測(cè)和電磁(EM)遙測(cè)。
[0005]EM遙測(cè)涉及電磁波的生成，該電磁波通過(guò)井眼周?chē)牡貙有羞M(jìn)，該波在地面被檢測(cè)。BHA金屬管通常用作EM遙測(cè)工具的偶極天線(xiàn)，通過(guò)由通常設(shè)置在BHA內(nèi)的絕緣接頭或連接器(“間隙短節(jié)”)將鉆柱分為兩個(gè)導(dǎo)電區(qū)段，BHA的底部和上方的每個(gè)鉆柱鉆桿各自形成用于該偶極天線(xiàn)的導(dǎo)體。在EM遙測(cè)系統(tǒng)中，甚低頻交流電流被驅(qū)動(dòng)穿過(guò)間隙短節(jié)。該短節(jié)在其中心接頭處被電隔離(“非導(dǎo)電”)，有效地在鉆柱的最底部和包括直到地面的所有鉆桿的頂部之間形成絕緣斷口(“間隙”)。低頻AC電壓和磁接收被以時(shí)間/編碼順序控制以激勵(lì)大地并且在地面和鉆柱頂部之間生成可測(cè)量的電壓差。穿過(guò)該間隙而生成的EM信號(hào)在地面被檢測(cè)到，并作為從鉆探機(jī)到繞著鉆場(chǎng)定位的多個(gè)接地桿的電勢(shì)差而測(cè)量。
[0006]有利地，EM系統(tǒng)能夠在沒(méi)有連續(xù)的流體柱的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)；因此當(dāng)沒(méi)有泥漿流動(dòng)的時(shí)候它是很有用的。這之所以有利是因?yàn)镋M信號(hào)在鉆井工作人員增加新鉆桿的同時(shí)可以發(fā)送定向測(cè)繪數(shù)據(jù)。
[0007]然而，EM傳輸在穿過(guò)地層的長(zhǎng)距離上會(huì)劇烈地衰減，其中，較高頻率信號(hào)比較低頻率信號(hào)衰減得快，因此EM遙測(cè)傾向于需要相對(duì)大量的電力，這樣信號(hào)可以在地面上被檢測(cè)到。
[0008]與在電信工業(yè)所研發(fā)的相類(lèi)似，MffD遙測(cè)方法依賴(lài)于數(shù)字信號(hào)的調(diào)制。通常，信號(hào)通過(guò)各種標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制技術(shù)來(lái)調(diào)制。周期波形的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)為其振幅(“體積”)、其相位(“定時(shí)”)和其頻率(“音高”)。這些特性中的任意可以根據(jù)低頻信號(hào)來(lái)修改，從而獲得調(diào)制后的信號(hào)。頻移鍵控(FSK)是頻率調(diào)制方案，其中，數(shù)字信息通過(guò)對(duì)載波的離散頻率改變來(lái)發(fā)送。最簡(jiǎn)單的FSK是二進(jìn)制FSK(BFSK)。BFSK使用離散頻率的對(duì)來(lái)發(fā)送二進(jìn)制(O和I)信息。幅移鍵控(ASK)通過(guò)改變載波的振幅來(lái)傳送數(shù)據(jù)；相移鍵控(PSK)通過(guò)改變或調(diào)制基準(zhǔn)信號(hào)(載波)的相位來(lái)傳送數(shù)據(jù)。已知將不同的調(diào)制技術(shù)的組合。例如，幅移鍵控和相移鍵控組合是通過(guò)改變或調(diào)制基準(zhǔn)信號(hào)(或載波)的振幅和相位這兩者來(lái)傳送數(shù)據(jù)的數(shù)字調(diào)制方案。非對(duì)稱(chēng)相移鍵控(APSK)將幅移鍵控(ASK)和相移鍵控(PSK)組合來(lái)增大符號(hào)集。
[0009]調(diào)制方案的選擇使用了有限數(shù)量的不同信號(hào)來(lái)表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。PSK使用了有限數(shù)量的相位，每各個(gè)相位都被賦予了唯一模式的二進(jìn)制數(shù)字。通常，各個(gè)相位對(duì)相同數(shù)量的比特編碼。各個(gè)比特模式形成由具體相位表示的符號(hào)。特別地針對(duì)調(diào)制器所使用的符號(hào)集而特別設(shè)計(jì)的解調(diào)器確定所接收到的信號(hào)的相位，并將其映射回其表示的符號(hào)，因此恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。這需要接收器能夠?qū)⑺邮盏降男盘?hào)與基準(zhǔn)信號(hào)比較。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種電磁(EM)遙測(cè)方法，該方法包括以下步驟:將井下數(shù)據(jù)編碼為單個(gè)數(shù)據(jù)流；將單個(gè)數(shù)據(jù)流分開(kāi)為多個(gè)單獨(dú)數(shù)據(jù)流；使用所選擇的數(shù)字調(diào)制技術(shù)將各個(gè)單獨(dú)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的分開(kāi)波形，其中各個(gè)波形的頻率和相位中的至少一個(gè)被賦予唯一的值或者唯一的非交疊范圍值；將各個(gè)單獨(dú)波形組合為組合波形；并且從井下位置發(fā)送包含該組合波形的電磁(EM)遙測(cè)載波。該方法可以還包括:在地面位置接收載波，放大該載波，對(duì)該載波應(yīng)用帶通濾波器，并且使用單獨(dú)波形所賦予的的唯一值來(lái)從該載波過(guò)濾出各個(gè)單獨(dú)波形；將各個(gè)單獨(dú)波形解調(diào)為對(duì)應(yīng)的單個(gè)數(shù)據(jù)流；并且將分開(kāi)的數(shù)據(jù)流組合為單個(gè)數(shù)據(jù)流。因此，單個(gè)數(shù)據(jù)流可以被解碼回到井下數(shù)據(jù)并被顯示。
[0011]所選擇的數(shù)字調(diào)制技術(shù)可以選自由如下這些組成的組:幅移鍵控(ASK)、相移鍵控(PSK)、以及頻移鍵控(FSK)。具體地，該數(shù)字調(diào)制技術(shù)可以為PSK (或者BFSK或QFSK)，且各個(gè)波形的僅頻率可以被賦予唯一值。
[0012]該載波可以是模擬信號(hào)，并且解調(diào)步驟可以應(yīng)用于模擬載波，在這種情況下，單獨(dú)數(shù)據(jù)流是模擬的并且被轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。另選地，載波可以是模擬的并且該方法可以還包括在從載波分離出單獨(dú)數(shù)據(jù)流之前將模擬的載波轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種電磁(EM)遙測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括井下遙測(cè)工具，該井下遙測(cè)工具包括間隙短節(jié)(gap sub)組件；EM載波頻率信號(hào)發(fā)生器，其用于生成穿過(guò)該間隙短節(jié)組件的電隔離的間隙的EM載波；以及能夠與該信號(hào)發(fā)生器通信的電子子組件。該電子子組件包括井下處理器和存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器包括編碼器程序代碼。這個(gè)編碼器程序代碼能夠由井下處理器執(zhí)行來(lái)執(zhí)行包括以下步驟的方法:將井下數(shù)據(jù)編碼為單個(gè)數(shù)據(jù)流；將該單個(gè)數(shù)據(jù)流分離為多個(gè)單獨(dú)數(shù)據(jù)流；使用所選擇的數(shù)字調(diào)制技術(shù)將各個(gè)單獨(dú)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的單獨(dú)波形，其中各個(gè)波形的頻率和相位中的至少一方被賦予唯一的值或者唯一的非交疊范圍值；將各個(gè)單獨(dú)波形組合為組合波形；以及向所述信號(hào)發(fā)生器發(fā)送控制信號(hào)以發(fā)送包括該組合波形的EM遙測(cè)載波。
[0014]井下遙測(cè)工具可以還包括定向和傾斜傳感器模塊以及鉆井狀況傳感器模塊，它們都能夠與該處理器通信。
[0015]所述系統(tǒng)還可以包括被構(gòu)造成接收載波的地面接收器；以及能夠與該地面接收器通信的解碼器。該解碼器包括地面處理器和存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器包括能夠由該地面處理器執(zhí)行來(lái)執(zhí)行包括以下步驟的方法的解碼器程序代碼:使用單獨(dú)波形的所賦予的唯一值來(lái)從載波濾波出各個(gè)單獨(dú)波形；將各個(gè)