[发明专利]井下测量传输系统及方法

说明书

本文描述了一个遥测系统和操作方法。遥测系统包括一个位于泥浆马达下方并与钻头连接的近钻头组件以及一个位于泥浆马达上方的遥测组件。近钻头组件测量钻孔的倾角，地层的自然伽马射线，地层的电阻率以及一系列机械钻探性能参数等各项参数。测量结果以电磁信号从近钻头组件传送到与位于泥浆马达上方的遥测组件，然后通过泥浆脉冲信号传送到地面。该系统特别适用于定向钻井的精确控制。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年5月1日提交的，申请号为62/492,707的美国临时专利申请的优先权。该申请通过引用合并于此。

技术领域

本发明通常涉及一种井下测量传输系统及方法。

技术背景

在石油和天然气勘探、采矿勘探或河床穿越等钻井工作中经常需要利用井下传感器与地面通信。通常这些传感器位于钻头上方一定距离处，用于测量地质参数、位置信息及钻井环境参数。传感器获得的这些信息可以用于评估地层、控制钻井方向及监测钻井环境以获得最佳钻井性能。

例如，随钻测量(MWD)系统通常使用井下测量工具来测量各种参数和特性，例如钻孔的倾角和方位角、地层电阻率、地层的自然伽马射线等。这些测量数据通过泥浆脉冲遥测或电磁(EM)遥测实时发送到地面。本文中，泥浆指的是用于钻井的钻井液。

泥浆脉冲遥测装置控制液压阀将上述数据编码成钻柱内泥浆流的压力脉冲。脉冲通过泥浆柱传播到地面，并由地面上专用设备接收并解码以获得其中的数据。通过这种方式，泥浆脉冲遥测装置可以使地面设备实时精确地接收和处理井下传感器获得的测量数据。

电磁遥测使用钻柱(即钻杆和将钻头连接到钻机的钻铤的集合)作为天线，通过地层传输相对较低频率(例如约10Hz)的电磁信号。此信号由地面上的高灵敏度接收器检测到。为了形成天线，钻柱在一个合适的位置处通过高电阻装置(在本领域中称为间隙接头构件(gap sub))形成绝缘间隙将两侧的钻柱绝缘。

遥测探头通常位于井底钻具组合(BHA)内靠近间隙接头构件处。遥测探头包含一个电源，一个或多个传感器以及用于驱动遥测的必要电子器件。遥测探头与间隙接头构件的一端连接并施加电磁信号。此电磁信号通过低电阻的地层(而非高电阻间隙)传输至地面，并可由地面上的高灵敏度接收器检测接收。

为承受恶劣的钻井环境，遥测探头由本身具有导电性的高强度金属制成。为确保遥测探头本身不提供用于传输电流的导电路径，遥测探头还包含绝缘间隙，在本领域中通常称为间隙节(gap joints)。

在MWD系统中，首选的数据测量位置是钻头的位置。然而现有的井下测量工具通常位于钻井泥浆马达和钻头上方相当大的距离处(例如钻头上方40至200英尺)。因此，实际的数据测量位置偏离优选的数据测量位置相当大的距离，例如偏离钻头上方40至200英尺。

这种偏差的数据测量位置可能导致显著的测量误差和/或延迟，并且可能导致钻孔过程出错。因此，钻柱经常需要回撤以修正钻井轨迹，并且可能需要用水泥封塞关闭不正确的钻井点。

在水平井完井中经常需要将井眼的井下部分水平延伸到目标地层内(而非垂直穿过目标地层)并保证不会穿过其边界。因此，在水平井完井中，需要精确控制钻井过程以保持适当的钻孔轨迹，避免沿规划的水平路径的轨迹偏差和波动，以避免在后期可能发生的完井问题。这种轨迹偏差和波动可能是由在偏离最优位置处测量方向参数引起的过度校正造成的。

除了避免上述问题并精确控制井眼轨迹的钻孔的倾斜度，近钻头测量也有益于获得钻孔附近地层的某些特征或性质，特别是可用于轨迹控制的特征或性质。例如，具有已知特征(例如从以前的钻井记录已知)和已知位置(例如在目标地层之上的已知距离处)的一层页岩可以作为一个“标记”地层用于保持钻孔轨迹，例如决定在何处弯曲钻孔以确保钻孔在目标地层内延伸。“标记”页岩可以通过其相对高水平的天然放射性来检测。具有高盐水饱和度的“标记”砂岩地层可以通过其相对低的电阻率来检测。