[发明专利]用于将信息从井中的井下钻柱传输到地表的旋转式脉冲发生器和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于将信息从井中的井下位置传输到地表的旋转式脉冲发生器和方法，例如在用于钻出油井的钻柱中所使用的泥浆脉冲遥测系统中使用的旋转式脉冲发生器和方法。

背景技术

在地下钻井、例如天然气、石油或地热钻井中，通过地球深处的地层钻出钻孔。通过将钻头连接到被称为“钻管”的长管的部段从而形成通常被称为“钻柱”的组件而形成这样的钻孔，所述钻柱从地表延伸到钻孔的底部。钻头旋转使得它前进到地球中，由此形成钻孔。在旋转钻井中，通过在地表处旋转钻柱而旋转钻头。在定向钻井中，通过耦合到钻头的井下泥浆马达旋转钻头；钻柱的剩余部分在钻井期间不旋转。在可转向钻柱中，泥浆马达与钻头的中心线成微小的角弯曲从而产生侧向力，所述侧向力引导钻头的路径偏离直线。在任何情况下，为了润滑钻头并且冲洗来自它的路径的钻屑，地表上的活塞泵泵送被称为“钻井泥浆”的高压流体通过钻柱中的内部通道并且通过钻头排出。钻井泥浆然后通过形成于钻柱与钻孔的表面之间的环形通道流动到地表。

取决于钻井操作，流动通过钻柱的钻井泥浆的压力将典型地在1,000和25,000psi之间。另外，在钻头处有大压降使得流动到钻柱的外部的钻井泥浆的压力明显小于在钻柱的内部流动的钻井泥浆的压力。因此，钻柱内的部件受到大压力。另外，钻柱的部件也受到来自钻井泥浆的磨损和磨耗，以及钻柱的振动。

包括钻头的钻柱的远端被称为“井底组件”。在“随钻测量”(MWD)应用中，井底组件中的感测模块提供关于钻井的方向的信息。该信息例如可以用于控制钻头在可转向钻柱中前进的方向。这样的传感器可以包括感测方位角的磁力计和感测倾斜和工具面的加速度计。

在以往，通过停止钻井、去除钻柱并且将使用钢丝绳线缆将传感器下降到钻孔中、然后在已进行测量之后收回钢丝绳线缆而获得关于井中的状况的信息、例如关于正在钻通的地层的信息。该方法被称为钢丝绳测井。最近，感测模块已被包含到井底组件中从而当钻井在进行时为钻井操作者提供关于钻井操作的一个或多个方面的基本实时信息。在“随钻测井”(LWD)应用中，提供信息关于的钻井方面包括正在钻通的地层的特性。例如，电阻率传感器可以用于发射并且然后接收传播通过围绕传感器的地层的高频波长信号(例如，电磁波)。通过比较发射和接收信号，可以确定关于信号传播通过的地层的性质、例如它是包含水还是烃的信息。其它传感器与磁共振成像(MRI)结合使用。另外的其它传感器包括用于确定地层的天然放射性的伽玛闪烁器，以及用于确定地层的孔隙率和密度的核探测器。在传统LWD和MWD系统中，电功率由泥浆流动驱动的涡轮机供应。最近，已开发出包含到井底组件中以提供电功率的电池模块。

在LWD和MWD系统中，由传感器收集的信息必须传输到地表，在地表处它可以被分析。这样的数据传输典型地使用被称为“泥浆脉冲遥测术”的技术实现。在泥浆脉冲遥测系统中，来自传感器模块的信号典型地井底组件的基于微处理器的数据编码器中被接收和处理，所述编码器数字地编码传感器数据。控制模块中的控制器然后致动也包含到井底组件中的脉冲发生器，所述脉冲发生器在钻井泥浆的流动内生成包含编码信息的压力脉冲。压力脉冲由各种特性限定，包括幅度(压力的最大和最小值之间的差值)、持续时间(压力增加期间的时间间隔)、形状和频率(每个单位时间的脉冲的数量)。已开发各种编码系统，其使用一个或多个压力脉冲特性表示二进制数据(即，位1或0)，例如0.5秒持续时间的压力脉冲表示二进制1，而1.0秒持续时间的压力脉冲表示二进制0。压力脉冲沿着向下流动到钻头的钻井泥浆柱传播，在钻头处它们由基于应变计的压力换能器感测。来自压力换能器的数据然后由钻机操作人员解码和分析。

已尝试各种技术以便在钻井泥浆中生成压力脉冲。一种技术涉及将脉冲发生器包含到钻柱中，在所述钻柱中钻井泥浆流动通过由定子形成的通道。在被称为泥浆警报器的一种类型的脉冲发生器中，典型地邻近定子布置的转子连续地旋转使得转子叶片交替地增加和减小它们阻塞定子通道的量，由此在钻井流体中生成脉冲。在另一种类型的脉冲发生器中，转子振荡使得转子叶片交替地增加和减小它们阻塞定子通道的量，由此在钻井流体中生成脉冲。振荡型脉冲发生器阀在美国专利第6,714,138号(Turner等人)和第7,327,634号(Perry等人)中被公开，上述每个专利通过引用完整地被合并于此。