[发明专利]多通道井下电磁遥测的方法和装置

说明书

技术领域

本发明整体总体上涉及使用电磁(EM)遥测的井下随钻测量(MWD)，具体涉及发送并接收多通道井下EM遥测的方法和装置。

背景技术

从地下区域开采碳氢化合物依靠钻井眼的处理。该处理包括位于地面的钻井装置以及从该地面装置延伸到地层或所关注的地下区域的钻柱。该钻柱可延伸到地面下方上千英尺或米。钻柱的终端端部包括用于钻出(或延伸)井眼的钻头。除了上述传统的钻井装置外，系统还依靠一些钻井液系统，很多情况下是钻井“泥浆”，其从钻杆的内侧泵送，冷却并润滑钻头，然后从钻头排出，将岩石碎屑带回到地面。泥浆也帮助控制井底压力(bottomholepressure)，并防止碳氢化合物从地层流入井眼，该流入能够潜在地在地面处引起爆裂。

定向钻井是将井导向离开竖直方向从而与目标端点相交或沿着预定路径的处理。在钻柱的终端端部为井底组件(或BHA)，其包括1)钻头；2)旋转导向系统的可导向井下泥浆马达；3)测绘装置(随钻测井仪(LWD)和/或随钻测量(MWD)的传感器，其用于随着钻井处理而评估井下状况；4)用于将数据遥测到地面的装置；以及5)其它控制处理装置，诸如稳定器或重钻铤。BHA通过金属管(钻杆)的柱传送到井眼。MWD装置被用于在钻井的同时以近乎实时的模式将井下传感器和状态信息提供到地面。这个信息被钻井队用于作出关于控制并导向井的决定，从而基于多个因素优化钻井速度和轨迹，这些因素包括钻场边界、现存的井、地层性能、碳氢化合物的多少和位置等。这可以包括基于在钻井处理中从井下传感器收集到的信息，按照需要从计划的井眼路径进行有意偏离。MWD的获得实时数据的能力使得可以获得相对更为经济并且更为有效的钻井操作。

在MWD中，当前使用的MWD工具主要包括相同的传感器封装以测绘井眼，但是通过各种遥测方法将数据发回到地面。这种遥测方法包括但不限于使用硬连线的钻杆、声遥测、光缆、泥浆脉冲(MP)遥测和电磁(EM)遥测。

EM遥测涉及电磁波的生成，该电磁波通过井眼周围的地层行进，该波在地面被检测。BHA金属管通常用作EM遥测工具的偶极天线，通过由通常设置在BHA内的绝缘接头或连接器(“间隙短节”)将钻柱分为两个导电区段，BHA的底部和上方的每个钻柱钻杆各自形成用于该偶极天线的导体。在EM遥测系统中，甚低频交流电流被驱动穿过间隙短节。该短节在其中心接头处被电隔离(“非导电”)，有效地在钻柱的最底部和包括直到地面的所有钻杆的顶部之间形成绝缘断口(“间隙”)。低频AC电压和磁接收被以时间/编码顺序控制以激励大地并且在地面和钻柱顶部之间生成可测量的电压差。穿过该间隙而生成的EM信号在地面被检测到，并作为从钻探机到绕着钻场定位的多个接地杆的电势差而测量。

有利地，EM系统能够在没有连续的流体柱的情况下发送数据；因此当没有泥浆流动的时候它是很有用的。这之所以有利是因为EM信号在钻井工作人员增加新钻杆的同时可以发送定向测绘数据。

然而，EM传输在穿过地层的长距离上会剧烈地衰减，其中，较高频率信号比较低频率信号衰减得快，因此EM遥测倾向于需要相对大量的电力，这样信号可以在地面上被检测到。

与在电信工业所研发的相类似，MWD遥测方法依赖于数字信号的调制。通常，信号通过各种标准调制技术来调制。周期波形的三个关键参数为其振幅(“体积”)、其相位(“定时”)和其频率(“音高”)。这些特性中的任意可以根据低频信号来修改，从而获得调制后的信号。频移键控(FSK)是频率调制方案，其中，数字信息通过对载波的离散频率改变来发送。最简单的FSK是二进制FSK(BFSK)。BFSK使用离散频率的对来发送二进制(0和1)信息。幅移键控(ASK)通过改变载波的振幅来传送数据；相移键控(PSK)通过改变或调制基准信号(载波)的相位来传送数据。已知将不同的调制技术的组合。例如，幅移键控和相移键控组合是通过改变或调制基准信号(或载波)的振幅和相位这两者来传送数据的数字调制方案。非对称相移键控(APSK)将幅移键控(ASK)和相移键控(PSK)组合来增大符号集。

调制方案的选择使用了有限数量的不同信号来表示数字数据。PSK使用了有限数量的相位，每各个相位都被赋予了唯一模式的二进制数字。通常，各个相位对相同数量的比特编码。各个比特模式形成由具体相位表示的符号。特别地针对调制器所使用的符号集而特别设计的解调器确定所接收到的信号的相位，并将其映射回其表示的符号，因此恢复原始数据。这需要接收器能够将所接收到的信号与基准信号比较。

发明内容