CN104271881A - 利用发电涡轮机的泥浆脉冲遥测机构 - Google Patents
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Abstract
一种为钻井系统产生泥浆脉冲的方法和装置，包括：产生通过所述钻井系统的泥浆流，以及利用发电机构在所述泥浆流中产生至少一个压力脉冲。
Description
技术领域
本发明各方面涉及泥浆脉冲遥测系统。更具体地，本发明各方面涉及利用发电涡轮机的泥浆脉冲遥测机构。
背景技术
传统的泥浆脉冲遥测系统，通过置于井下环境泥浆流中的特殊设计的泥浆脉冲装置，在流经井下钻井系统的泥浆中产生压力脉冲。这些传统的泥浆脉冲遥测系统使用特殊设计的转子，其允许以及然后限制泥浆流。由这些特殊设计的转子产生的所述压力脉冲可以编码信息，所述信息可以例如在井口位置被接收及解调。此解调的数据可以包含与井下地层参数和钻井进度相关的信息。
其他的系统可以用于提供从井下环境至井口环境的通信。这样的系统可以包括电磁系统、声学系统或有线系统。每一个此类传统的系统具有固有困难。这些固有困难包括高成本，降低的可靠性以及为完成所需功能的复杂的井下钻柱布置。
发明内容
发电涡轮机已经广泛用于为井下工具中的电子系统产生电能，所述涡轮机使用泥浆流的液压动力。提出使用现有的发电涡轮机作为遥测发射机同时产生电能。所述信息可以通过BHA(底部钻具组合)内的另一个或多个工具上的压力传感器被解调。所述转子转速变化的幅度可以被优化至一个相对低的水平，以便不影响对工具的合适的电能供应。此外，调制的频谱可以与下行链路和传送至地面的MWD泥浆脉冲处于不同的频谱下。
进一步地，一种为钻井系统产生泥浆脉冲的方法包括：产生通过所述钻井系统的泥浆流，以及利用发电机构在所述泥浆流中产生至少一个压力脉冲。本文描述的各方面并不限于该特定的实施例，因为其他的替换性实施例也是适用的。
附图说明
图1是使用具有电力负载的发电模块的泥浆脉冲遥测机构的系统框图。
图2是使用具有两个定子绕组的发电模块的泥浆脉冲遥测机构的系统框图。
图3是根据描述的一个方面的用于产生、发送和接收泥浆脉冲遥测信号的方法；以及
图4是井下钻柱的布置。
具体实施方式
应该理解，下面的公开提供了许多不同的实施例或示例，以实施多个实施例的不同特征。下文描述部件和布置的具体的示例以简化本公开。当然，这些仅仅是示例而并非旨在进行限制。此外，本公开可在不同的示例中重复附图标记和/或字母。这种重复是为了简要和清楚的目的，其本身并不指定所讨论的各实施例和/或结构之间的关系。而且，在本文描述中，所述地层中第一特征在第二特征上方或之上可以包括以直接接触的形式形成第一特征和第二特征的实施例，还可以包括附加特征可形成在第一特征和第二特征之间使得第一特征和第二特征没有直接接触的实施例。
根据本公开，描述了一种具有相应的井眼和装置的井场，以便描述本申请的一个(但非限制性的)实施例。为此目的，井场处的装置可以根据现场遇到的情况而变化。
一示例性井场系统被示意性示于图4中，其中上文所述的部件被包含于在此所述的较大系统内。所述井场包括井110。钻柱105可以自钻机101延伸进入储层115的地层区域。所述钻柱105使用遥测系统100从井下至地面传递数据。在所示实施例中，所述遥测系统100是泥浆脉冲遥测系统。所述泥浆脉冲遥测系统的细节参看图1和2被描述。
尽管以泥浆脉冲遥测进行说明，但钻柱105可以附加使用任何类型的遥测系统或任何遥测系统的组合，例如电磁、声学和/或有线钻杆。然而在所公开的实施例中，使用所述泥浆脉冲遥测系统。底部钻具组合(“BHA”)悬置于所述钻柱105的端部。在一个实施例中，所述底部钻具组合包括多个随钻测量或随钻测井井下工具125，如附图标记6a和6b所示。例如，一个多个多井下工具6a和6b可以是随钻地层压力工具。
在钻柱105的井下端部处使用的随钻测井(“LWD”)工具可以包括厚壁外壳，通常被称为钻铤，并且可以包括一个或多个数量的测井装置。所述随钻测井工具可以适用于测量、处理和/或存储信息，以及与配置于井场的地面处的设备进行通信。
与所述钻柱一起使用的随钻测量(“MWD”)工具可以包括一个或多个下面的测量工具：调制器，钻压测量装置，扭矩测量装置，振动测量装置，冲击测量装置，粘滑测量装置，方向测量装置以及倾角测量装置，和/或任何其他装置。
由底部钻具组合或其他工具和传感器以及钻柱105进行的测量，可被发送至计算系统185进行分析。例如，泥浆脉冲可以被用于将由一个或多个井下工具6a和6b执行的地层测量结果传送至计算系统185。
计算系统185可以被配置为集合了多个模型(例如储层模型)以及用于获取并处理来自井下部件的数据，而且由随钻测量数据确定储层115中的井底位置。储层模型及井间干扰测试(cross well interference testing)的例子可以在下面的参看文献中找到：“Interpreting an RFT-Measured PulseTest with a Three-Dimensional Simulator”，Lasseter,T.，Karakas,M.和Schweitzer,J.，SPE 14878,1988年3月；“Design,Implementation,andInterpretation of a Three-Dimensional Well Test in the Cormorant Field,NorthSea”，Bunn,G.F.和Yaxley,L.M.，SPE 15858，1986年10月；“Layer PulseTesting Using a Wireline Formation Tester”，Saeedi,J.和Standen,E.，SPE16803，1987年9月；“Distributed Pressure Measurements Allow EarlyQuantification of Reservoir Dynamics in the Jene Field”，Bunn,G.F.，Wittman,M.J.，Morgan,W.D.和Curnutt,R.C.，SPE 17682，1991年3月；“A FieldExample of Interference Testing Across a Partially Communicating Fault”，Yaxley,L.M.和Blaymires,J.M.，SPE 19306，1989年；“Interpretation of a PulseTest in a Layered Reservoir”，Kaneda,R.，Saeedi,J.和Ayestaran,L.C.，SPE19306，1991年12月。
钻机101或类似外观/功能的装置可以用于在井内移动钻柱105，所述井钻入储层的地层(总体上以附图标记115表示)。钻柱105可以通过钻柱105的多个连接的钻杆(其中一个以附图标记120表示)伸入地层中。包括钻柱105的钻杆在结构上可以与常规钻杆类似，例如如授予Enderle的发明名称为“Two-Step,a Low Torque，Wedge Thread for Tubular Connector”、授权日为2001年8月7日的美国专利6,174,001中所述，在此通过参引方式将该专利全文包含于本文，并且钻杆可以包括与每一钻杆120相关联的线缆，所述线缆用作通信渠道。
位于钻柱105的底端处的底部钻具组合可以包括一个组件或者一串井下工具。在所图示的例子中，井下工具钻柱105可以包括与其底端连接的测井工具125。如本描述中使用的，术语“测井工具或一串这些工具”可以包括至少一个或多个随钻测井工具(“LWD”)、地层评估工具、地层采样工具和其他能够测量储层115的地层和/或井的特性的工具。
设置于钻机101附近的多个部件可用于操作整个系统的各部件。这些部件将针对它们在钻井110中的用途被解释，以便更好地对其理解。钻柱105可以被用于向井110底部转动和推进钻头116，以便增加井的长度(深度)。在钻井110的过程中，泵130从储槽140或洼坑中提升钻井液(泥浆)135，并将泥浆135在压力下排出，流经立管145和柔性管150或软管，然后流经顶部驱动器115并且进入钻杆105内的内部通道。泥浆135可以是水基或油基的，通过钻头116中的流路或喷嘴(未单独示出)离开钻杆105，其中，它冷却和润滑所述钻头116，并将由钻头116产生的钻屑通过环形空间提升至地面。
如果测井工具125未预先安装，当井110被钻至选定深度时，所述测井工具125可以被定位于杆105的底端处。测井工具125可以在所述杆105位于所述井110内时，通过将测井井下工具125沿杆105泵送或者通过另外方式通过将测井井下工具125沿杆105移动而被定位。测井工具125可以然后被连接至位于钻柱105的端部处的适配器接头160，并且可以移动穿过(例如在所图示的实施例中)井110的一高度倾斜部分165，而高度倾斜部分165使用铠装电缆来移动测井井下工具125时是难以达到的。
在测井操作过程中，泵130可以被操作以提供流体流来操作测井井下工具125中的一个或多个涡轮机，以提供电能来操作测井工具125中的某些装置。当向井110下钻或从井110起钻时，(打开或关闭所述泥浆泵130时)可能难以提供流体流。因此，电能可以通过其他方式提供给所述测井工具125。例如，电池可以被用于向所述测井井下工具125提供电能。在一个实施例中，所述电池可以是可充电电池，并且可以通过流体流动时的涡轮机进行充电。所述电池可以被定位于所述测井工具125中的一个或多个的外壳内。驱动所述测井工具125的其他的结构和方法可以被使用，包括但不限于一次性电源使用的电池。
当测井工具125通过移动钻杆105而沿井110移动时，信号可以通过各种装置被检测到，其中，所述装置的非限制性的示例可以包括电阻率测量装置、体积密度测量装置、孔隙度测量装置、地层捕获截面测量装置170、伽玛射线测量装置175和地层流体采样工具610、710、810，所述地层流体采样工具可以包括地层压力测量装置6a和/或6b。所述信号可以沿钻柱105被传递至地面。
用于从钻杆105向地面计算机185或配置用于接收、分析和/或传递数据的其他部件通信的装置和系统可以包括：可以连接于钻柱105的端部和顶部驱动器155之间的第二适配器接头190，其可以用于提供与接收单元195的通信通道，以用于从测井井下工具125接收的信号。接收单元195可以连接至地面计算机185，以提供两者间的数据通路，该数据通路可以是双向数据通路。
虽然未示出，但是钻柱105还可以通过方钻杆连接至转盘，并且可以悬置于游动滑车或挂钩以及附加的水龙头。所述水龙头可以通过所述挂钩悬置于所述钻机101，并且所述方钻杆可以连接于所述水龙头，以使所述方钻杆可以相对于所述水龙头旋转。所述方钻杆可以是任何与方钻杆套管配合的具有一组多边形连接或花键外表面型的结构，从而转盘的驱动可以转动所述方钻杆。
钻柱105的上端可连接于方钻杆，例如将钻柱105通过螺纹再连接至方钻杆，并且转盘可以转动方钻杆，从而转动与其连接的钻柱105。
尽管未示出，但钻柱105可包括一个或多个稳定钻铤。稳定钻铤可内置于或连接于钻柱105，其中，稳定钻铤可用于与井110的壁接触及向其施加力。这可以使稳定钻铤能够防止钻杆柱105偏离井110的期望方向。例如，在钻井过程中，钻柱105可能在井110内“摇晃”，从而使钻柱105偏离井110的期望方向。这个摇晃动作对钻柱105、设于其中的部件、以及与其连接的钻头116同样可能是不利的。稳定钻铤可以用于最小化(如果不是完全克服)钻柱105的摇晃动作，从而可增加在井场执行的钻井的效率和/或增加井场部件的总体寿命。
上面提供的系统可采用旋转导向系统(“RSS”)或工具，以当钻井系统在地质层中前进时对其进行导向。在另一个实施例中，根据需要，所述系统还可以提供其他的用于钻井的定向系统。
在图示的实施例中，一些井下工具配备有发电模块，其具有流体流涡轮机以向所述工具提供三相交流电能。连接于所述发电涡轮机的电力负载可以影响涡轮机的转速。涡轮机转速的变化会引起所述钻柱中的泥浆压力的变化。通过控制所述泥浆压力的变化，图示实施例通信链路从配备有涡轮机的井下工具至配备有压力传感器的一个或多个其他井下工具或井口装置被建立。从而，所提供的结构允许在井眼中的底部钻具组合内从一个位置至另一个的通信链路。此外，当旋转导向钻井工具和MWD工具被通常称为涡流钻井装置的泥浆马达分隔开时，所描述的系统可以用于旋转导向钻井工具和MWD工具之间的通信。此方法可以布署为随钻通信链路。作为例子，图1和2图示了泥浆压力遥测机构的系统图的例子，其中，一个系统使用电力负载控制所述压力调制，而另一个系统使用控制绕组。
在一些应用中，井下工具之间或井下环境与井口环境之间使用有线通信路径。然而，在一些情况下，有线通信是不可能的，并且工具之间或井下环境与井口环境之间的无线通信被利用。现有很多商业通信系统，在油气工业领域通常叫做短中继段(short hop)。当前的商业短中继段系统使用电感应方法或声音。通常，利用两个短中继段模块，一个位于分隔模块下方，一个位于分隔模块上方，以提供期望范围间的通信链路。
发电涡轮机已经广泛用于为井下工具中的电子控制系统产生电能，所述涡轮机使用泥浆流的液压动力。在此情况中，涡轮机速度可与泥浆流的速度成比例，然而，涡轮机转速可受连接于涡轮机的电力负载的影响。当有恒定的泥浆流时，涡轮机转速的变化导致压力变化。如果一工具通过使用涡轮机将消息信息调制到流体流上，所述消息信息可以被另一工具上或井口环境处的压力传感器解调。
参考图1，示出了泥浆脉冲遥测机构的例子。在图1中，所述系统使用电力负载来控制作用于所述泥浆流上的压力调制。在图2中，图示的所述系统使用受控绕组来控制作用于所述泥浆流上的压力调制。
参考图1，示出了利用发电涡轮机的泥浆脉冲遥测机构200。如图所示，泥浆流202被引导穿过例如随钻测量(“MWD”)工具204。在此图示的实施例中，压力传感器206用于确定通过MWD工具204的泥浆流202的压力。压力传感器206可以安装到钻铤的内侧或外侧。
泥浆流202继续通过MWD工具204流至位于井下的泥浆马达208。泥浆流202继续流过发电模块(“PGM”)210。发电模块210是使用所述泥浆流202来为与之连接的部件提供电能的单元。如图所示，所述PGM 210可以是旋转导向系统(“RSS”)工具214的一部分。在可替换的配置方式中，PGM 210可以是独立的装置，而不被包含到RSS工具214中。在图示的实施例中，用于发电模块210的涡轮机被控制，使得涡轮机的旋转引起泥浆流中的压力波动。在图1中，涡轮机转速通过与之连接的电子装置212来被控制。在此特定的实施例中，通过与电力负载连接或断开而控制所述涡轮机。所述电力负载可以是任何类型的可变载荷装置，并且所述连接和断开的方式不限于开关，而是可以是其他类型的电能电子控制策略。由于负载的变化，涡轮机转子的转速相应地变化，从而产生压力变化。接通和切断一个电力负载能够产生代表二进制数字的高和低压力值。
参考图2，提供了第二示例性实施例。在此第二示例性实施例中，示出了利用发电涡轮机的泥浆脉冲遥测机构300。如图所示，泥浆流320被引导穿过例如随钻测量(“MWD”)工具304。在此图示实施例中，压力传感器306用于确定通过MWD工具304的泥浆流302的压力。
泥浆流302继续通过MWD工具304流至位于井下的泥浆马达308。泥浆流302继续流过达到发电模块(“PGM”)310。发电模块310是使用泥浆流202为与之连接的部件提供电能的单元。如图所示，PGM 310可以是旋转导向系统(“RSS”)工具314的一部分。在可替换结构形式中，PGM 310可以是独立的装置，而不被包含到RSS工314中。在此图示实施例中，所述涡轮机被构造为具有两个定子绕组312和316，例如，一绕组用于三相发电，而控制绕组用于转子速度的控制。在此示例性实施例中，通过向所述控制定子绕组中施加变化的电流，可以产生施加于所述流体上的所述压力变化。电流的不同将引起涡轮机以不同的速率驱动，从而在所述泥浆流中产生脉冲。
所述压力变化可用于调制有用信息，所述有用信息被从底部钻具组合(“BHA”)内的一工具发送至另外一个或多个工具，以及从井下环境发送至井口环境。转子转速变化的幅度可以被优化到一个相对低的水平，这不影响对工具的合适的电能供应；另外，当所述钻井泥浆脉冲系统向地面发送信息时，调制的频谱可以被设计为处于与井下测量不同的频谱下。
参考图3，示出了通过使用了发电涡轮机的泥浆脉冲遥测机构产生压力脉冲的方法400。在步骤402，泥浆流被建立遍布整个系统。所述泥浆流将是压力脉冲从第一位置被传输至第二位置或多个位置的媒介。传输可以是从第一工具至第二工具，或者从井下环境至远离井下环境的位置，其中所述远离井下环境的位置可以是深度上升、深度下降或与原深度相等的位置处。在步骤404，钻井参数或测量出的地层参数被确定从第一位置至第二位置传输。所述数据还可以是所需的、并不直接与钻井参数或测量出的地层参数相关的其他通信；因此，本描述不应理解为进行限制。在步骤406，所述数据可以进入一个装置并被编码，使得所述参数被数字化进行传输。在步骤408，例如根据步骤406中所需的编码产生压力脉冲，其中，所述发电涡轮机向遍布于系统302建立的泥浆流施加力。在步骤410，所述压力脉冲在第二位置被接收。在步骤412，所接收到的数据可被解调。
在一个示例性实施例中，公开了一种为钻井系统产生泥浆脉冲的方法，包括：产生通过钻井系统的泥浆流；以及利用发电机构在所述泥浆流中产生至少一个压力脉冲。
在另一个示例性实施例中，所述方法可以这样实现：在接收装置处接收所述至少一个压力脉冲。
在另一个示例性实施例中，所述方法可以这样实现：在产生所述至少一个压力脉冲之前，测量钻井参数和地层参数中的至少一个；以及调制钻井参数和地层参数中的至少一个的测量数据，使得所述至少一个压力脉冲对应于被调制的数据的至少一部分。
在另一个示例性实施例中，所述方法可以这样实现：通过发电机构在所述泥浆流中产生所述至少一个压力脉冲，所述发电机构具有至少一个控制绕组和至少一个发电绕组。
在另一个示例性实施例中，所述方法可以这样实现：发电机构被包含于旋转导向井下工具中。
在另一个示例性实施例中，所述方法可以这样实现：发电机构的速度与泥浆流的速度成比例。
在另一个示例性实施例中，公开了一种装置，其包括被配置为驱动钻井泥浆以在钻井泥浆流中产生压力脉冲的发电机构。
在另一个示例性实施例中，提供了所述装置，其中，所述发电机构具有至少两个绕组。
在另一个示例性实施例中，提供了所述装置，其中，所述绕组中的至少一个是发电绕组，所述至少两个绕组中的第二绕组是控制绕组。
在进一步的示例性实施例中，所述发电机构被配置为旋转导向系统工具的一部分。
在另一个示例性实施例中，所述装置这样实现：所述发电机构是至少一个发电涡轮机。
在另一个示例性实施例中，所述装置具有至少两个绕组，所述绕组是三相发电绕组。
尽管已经参看有限数量的实施例公开了本发明的各方面，但受益于本公开的本领域技术人员将认识到对其进行的多种修改和变型。所附的权利要求意在覆盖落入本发明的真正精神和范围内的这种修改和变型。
Claims (15)
1.一种为钻井系统产生泥浆脉冲的方法，包括：
产生通过钻井系统的泥浆流；以及
利用发电机构在所述泥浆流中产生至少一个压力脉冲。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
通过接收器接收所述至少一个压力脉冲，所述接收器包括被配置成测量压力变化的装置。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在产生所述至少一个压力脉冲之前，测量有关钻井参数、诊断信息和地层参数的至少一个数据值；以及
调制所述至少一个数据值，使得所述至少一个压力脉冲对应于被调制的数据值的至少一部分。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述泥浆流中产生所述至少一个压力脉冲包括：使泥浆流过发电机构，所述发电机构包括至少一个控制绕组和至少一个发电绕组。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述泥浆流中产生所述至少一个压力脉冲包括：使泥浆流过发电机构，所述发电机构具有受控的可变电力负载。
6.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：
在一位置处接收被调制的数据值，所述位置远离产生所述至少一个压力脉冲的地点。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发电机构的速度与所述泥浆流的速度成比例。
8.一种装置，包括：
被配置为驱动钻井泥浆以在钻井泥浆流中产生压力脉冲的发电机构。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述发电机构包括至少两个绕组。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述绕组中的至少一个是发电绕组，并且所述绕组中的至少一个是控制绕组。
11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述发电机构被配置为旋转导向系统、LWD或MWD工具的一部分。
12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述发电机构包括至少一个发电涡轮机。
13.根据权利要求9所述的装置，其中，所述至少两个绕组是三相发电绕组。
14.根据权利要求8所述的装置，其中，所述发电机构具有受控的可变电力负载。
15.根据权利要求8所述的装置，其中，所述受控的电力负载可以是具有增加和降低负载值的控制策略的任何类型的可变电力负载。
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