專利名稱：用于由電磁波傳輸信息的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及從地面下的鉆井到地面的信息傳輸領域。更具體而言，本發明論及用于在鉆井底部與地面之間傳輸信息的優選方法，該并或已被鉆鑿并投入生產，或在鉆鑿的過程中。
各種各樣用于在井底與地面之間傳輸信息的系統已被知道，例如用井內環流流體中的泥漿脈動。然而，已知這種類型的傳輸具有在可壓縮流體中不能正確運轉或根本不運轉的缺點，可壓縮流體如氣體或充氣的液體，或當環流通道中存在有障礙物干擾流體時，如地下馬達，閥門或噴嘴。此外，這種系統在鉆柱的生產和操縱的期間明顯不起作用。
用由安置在井中金屬管道引導的電磁波傳輸的系統也是已知的。這種傳輸系統在本申請人的FR 2681461中被更詳細地描述，在此援引作為參考。電磁(EM)傳輸的工作特性隨環繞井的地質結構層的平均電阻率而定。如果某些層的電阻率不適當，如具有某些沉積的，第三紀的，陸緣的巖石如北海或墨西哥灣的巖石的情況，衰減能夠沿井變得過大，這使得在多數海上鉆井中不可能使用這種設備，除非可能接受被傳輸信息流中的急劇衰減。
因而，本發明涉及用于從鉆通地質結構層的井傳輸信息的方法，結構層至少部分被金屬管罩住，這種方法包含在該井中安置由制導電磁波操作的收發信機，電磁波由偶極子的注入電信號產生，偶極子與用于引導被傳輸波的金屬管電連接。按照本方法，由具有低電阻率的某些結構層的傳輸衰減被鑒別，而且至少有對著該低電阻率層放置的部分電絕緣的金屬管。
考慮到該電磁傳輸的最少特點，更具體而言傳輸距離和/或信息流速率，借助于數學模型可能確定待絕緣的最小長度。
絕緣能通過安裝預先覆蓋絕緣材料層的管子獲得。
在一種變型中，絕緣可以通過將水泥類型的絕緣材料放入管子和結構層之間環形空間中相對該結構層的適當位置而獲得。
收發機可以被安置在靠近生產管道的下端，以便傳輸海床或底部測量或對海床或底部設備的指令。
該收發機也可被安置在靠近鉆柱的下端以便傳輸海床或鉆鑿參數，或跟蹤或位置測量。
本發明還涉及用于從鉆入地質結構層的井中傳輸信息的系統，結構層至少部分被金屬管罩住，系統包含在該井中借助引導電磁波操作的收發機，電磁波由偶極子注入電信號產生，而偶極子與用于引導傳輸波的金屬管電連接。在系統中，至少有些對著低電阻率層放置的金屬管具有用于與該結構層電絕緣的裝置。
被絕緣的管子可以覆蓋絕緣材料層。絕緣層可能不覆蓋管子的整個長度。
在系統中，絕緣裝置可由填充在管子和導電的結構層之間的環形空間的絕緣材料構成，而該絕緣材料是液體成份凝固的結果。
收發機可以被包含于生產管道的端部。
收發機也可以被包含于鉆柱的端部。
按照本發明的系統能應用于具有海底井口的海洋鉆井裝置。
在這一應用中，壓井管線可由海床到地面從外部被電絕緣。
本發明在下文中針對非限制性實施例并參照附圖被較詳細地描述，在附圖中表示
圖1用圖解表示本發明對生產中的井的實現。
圖2在鉆井期間本發明的實施例。
圖3一種鉆鑿的變型。
圖4外部覆蓋電絕緣材料的套管部件實例的剖面圖。
圖5信號的衰減隨鉆鑿深度及所橫過結構層電阻率變化的實例。
圖1展示已被鉆鑿直到地質區2的井1，地質區2通常具有至少一層構成含待開采流出物的蓄池。在目前情況下，位于層2和地面之間的巖石層3使電磁波衰減，使得不可能有效地使用已知的電磁波傳輸方法。作為聯機測量的結果，有可能證實層3a和3b具有遠遠低于20Ω·m電阻率，例如幾個Ω·m或甚至低于1Ω·m。然而，區域3c具有超過20Ω·m的電阻率，例如鹽層，它是在鉆鑿時經常被遇到的。在使用按照本發明的方法鉆井以前，實際上總是可能獲得電阻率記錄(作為深度的函數記錄)，例如通過從地震分布圖及在該區域鉆井的記錄推斷它。圖5中的曲線a是這種曲線的實例。在電磁波沿鉆桿及所討論的井套管傳播的數學模型的基礎上，這個數據使我們能計算電磁信號在傳輸點E和接收點R之間的衰減。所用的模型，例如是P.Degauque和R.Grudzinski在石油工程師學會(SPE)鉆井工程1987年6月上的文章中所描述的類型。在這個計算的基礎上，在鉆鑿之前，對沿發射機下降全長在地面將接收到或應接收到的信號電平進行確定。圖5中的曲線b示出這種信號的實例。在鉆井期間所獲得的信號將被記錄并被實時地與根據預測記錄所計算的信號比較，因而使得有可能調整不同地質層的實際位置以及其電阻率的實際數值。這只有通過了解由發射機傳送的電流才可能，這正是所討論的發射機的情況。
了解到對于所需的信息流速率在發射機E和接收器R之間的最大的容許衰減，就可能精確地確定待覆蓋的套管的長度，首先選擇使低電阻率區域，例如圖5中500至1000m之間的區域絕緣。
在圖5中，在先前確定的曲線a和b的基礎上，另外兩條曲線c和d被示出曲線c表示在套管外部相對于在500至1000m之間周圍結構層有完善電絕緣情況下沿井所獲得的信號。衰減減少約35dB，與所考慮的傳播參數相適應(在這種情況載波頻率為5Hz)。
曲線d表示在僅有套管本體被絕緣情況下沿井所獲得的信號。對于合用的傳播模型，這相當于考慮套管的完善絕緣在27m的范圍內以及隨后有0.5m長度的電傳導。總衰減增量于是約24dB。
借助于這種方法并且了解待獲得的信息流速率，在技術上將可能確定并裝配對期望的傳輸所需要的套管。
應該注意本方法將不會改變，如果電磁信號被安置在井底的發射機與地面之間的收發機轉發，尤其是如果后者被放置在井的露出部分。
需指出信息流速率Df按下列公式計算Df＝ΔF log2(1+S/B)其中ΔF為有效調制帶寬，S為信號及B為在有效頻帶中的噪聲。
傳輸由圖1，2及3中的發射機E產生。發射機E調制極低頻率的波，該頻率被選得比較低以便傳播能進行。更可取的是，傳輸方式使用1至10Hz頻率的波。在實施例中，這種載波頻率的波通過以適合于載波頻率的計時使相位突變0-π，被調制成待傳輸信息的函數。其他的調制方式不超越本發明的范圍也可以使用。調制速率約為1比特/秒，但可以隨傳輸需要的變化而被修改。在用于海床裝置譬如閥門的指示和命令的情形中，將可能使用適合于最大容許誤碼率的長度編碼。作為隨特殊情況而變化，編碼可能或不可能與檢測器碼或誤差校正碼譬如循環冗余碼相聯系。
由發射機E傳輸的波被地面處的接收器R接收，R的一個極被接到井口而另一個極被安置在地中離井口適當距離處。實際上，E和R本身也可以構成發射機和接收器。電的發送/接收裝置E可有利于按照在US-A-5394141中所描述的技術來安排，在此援引作為參考。還可參考Lous Soulier和Michel Lemaitre提交給于1993年2月23-25日在阿姆斯特丹的石油工程師學會/國際鉆井承包商協會(SPE/IADC)鉆井會議的出版物SPE/IADC。
在圖1中，第一管4(地面管)被放置在井1中并通常在地面結構層3a中它的全部長度上涂上水泥。井口5被安裝在地面管道上使它可能容納其他工程的或生產管道的上端，以及安全閥。第二套管6從地面管道系統或管頭4放下進入鉆孔或井7并且直到蓄池2的蓋上。井7和套管6之間的環形空間通常用水泥充填，至少填充達到前面的管道系統，在目前情況為地面管道4的系統。功能為提升流出物到地面的生產管道8穿過確保相對于環繞管道8的環形空間的蓄池區域的密封的封隔器9。在管道的較低部分安裝了發射機E。對于EM的傳輸，偶極子的極點P1和P2可以通過封隔器9與金屬套管6形成的接觸以及安置在管道8中位置較高處的刃形定中心裝置所提供的接觸構成。在某些情況下，考慮到通常較小的環形空間及井的幾何結構，上頭的接觸通過管道與套管6的接觸直接形成。相對發射機的絕緣耦聯器11可用于套管6中供將較低處的接觸點P1與較高處的接觸點P2隔開用。然而，當為了發送或接收天線使用所謂的長偶極子結構時，該絕緣耦聯器是不需要的。在這種情況下，需要確保極點P2距P1充分遠并且在套管6與管道8之間在極點間的長度上不能有任何接觸。
按照本發明，發射機E的性能特征通過將套管6與高導電地質結構層3b電絕緣而被改進。這種絕緣用區域12表示。重要的是應注意區域3c不必電絕緣，已知它具有適當的電阻率以致不引起造成損害的衰減，例如超過約20Ω·m。在這個實例中，地面區域3a對良好的傳輸是不利的。作為信息流需要的函數，地面管道4也將被與結構層3a(用區域13表示)絕緣開。
在本發明中，管道相對于巖石區域的絕緣可以通過用絕緣的或近于絕緣的層覆蓋管道的外壁獲得。因而，按照本發明所要求的電絕緣是相對自然狀態的，因為具有20Ω·m以上電阻率的巖石區域是充分“絕緣”的。此外，絕緣并不一定在導電層的全部厚度高度上連續。管子，套管或管道按照本領域中已知的名稱并被API(美國石油研究院)標準化，在它們的兩端包含擰到管子上或與管子構成整體的外螺紋和套環，管子具有相應的內螺紋以便能相互裝配這些管子以形成套管。更可取的是，絕緣層將僅被附著在外螺紋(它顯然必須不被覆蓋)和套環之間管子的本體上。因而，靠近螺紋的薄層將被螺旋擰緊裝置的夾頭毀壞，并且甚至可以對支承套管或固定夾頭造成損害。絕緣層可以是加注陶瓷的環氧樹脂涂層，例如用作在近海結構，管道和鉆桿，上的抗腐蝕保護類型的涂層。它也可以是等離子體沉積的陶瓷層，瀝青，最好與聚氨酯混合，塑料片，例如聚乙烯、聚氯乙烯，吹噴到管子上的樹脂和砂的混合物，充滿玻璃纖維的纏繞管體的覆蓋層。按照本申請的要求所有覆蓋層應充分絕緣，即引起漏電阻高出傳播線路的特征電阻很多，能夠在不超出本發明的范圍適用。實際上該特性電阻是幾毫歐姆，以致為了獲得裝置的良好效率它將足以使每個套管段具有約1歐姆的徑向絕緣電阻。
按照本發明，憑借使用絕緣材料粘合高傳導區域，如環狀區域3a和3b，使管道電絕緣也是可能的。用已知的配方對著給定的地質區將熟料水泥放進適當的位置是本領域中已知的環流法。因而，該慣用方法將被使用供安置絕緣材料或改善有關低電阻率區的導電率用。
圖2用圖解說明在利用其一端裝有鉆井工具22的鉆柱21的幫助進行鉆鑿井20期間按照本發明的傳輸系統的情況。為了傳輸鉆鑿，軌跡，γ射線，溫度，壓強及其他參數，收發機E通常位于較低部分。井1在這種情況下被套管23和中間套管24在表面被封罩住。區域25具有過度衰減E和R之間電磁波傳輸的低電阻率。按照本發明，絕緣管元件被設置在26處用于封罩23并設置在27處用于封罩24。在一種變型中，在一種變型中，在套管23和結構層之間的環形空間及在套管24和結構層之間的環形空間將用絕緣的水泥充填。因而，由區域25的低電阻率造成的衰減將被極顯著地降低，使容量或E的傳輸速度增大同樣的數量。在這個系統中，天線由發射機E的絕緣接頭和鉆井工具22之間的那部分鉆柱來實現。在這種情況，由發射機E所傳輸的信號將從E衰減直至絕緣或偽絕緣區27，并且隨后從區域26至地面接收器R。考慮不同套管和結構層的電特性的數學傳播模型使得有可能預先決定絕緣區26和27的最小長度以便能保證傳輸。
應注意到包含在套管23中的套管24的管子部分不需要絕緣。
圖3表示在鉆柱21中放置發射機E的一種變型以及本發明應用在帶有海底井口29的海上鉆井的情況的實例。按常規，在帶有海底井口的鉆鑿或操作的情況中，接收機R將位于海的底部，其接收極之一連接到海底井口，而由一片金屬構成的另一個極，例如錨37，位于離井口幾十米處。海面和海底之間的通信既可由聲發送器也可由沿著套管裝備的導線來實行。緊靠著海床的土壤30通常在地質上是“年輕的”而且一般具有低電阻率。所以按照本發明，海面套管31在對應于結構層30的高度上被絕緣是有利的。為了創造“長偶極子”，發射機E在這里是位于預定電纜長度32的末端。電纜憑借鉆桿內部的支架33被固定，并電連接到位于遠離鉆桿21的發射機。井口29憑借海上豎井管35被連接到浮動鉆井支架。壓井管線或阻塞線36基本上平行沿著豎井管從井口通至浮動支架。這可能對耦合海床天線37與海面用的線路36的電絕緣是有利的，并從而達到海面接收，即在導線36末端處的浮動支架接收。
顯然在圖3中描述的長偶極子的配置適用于所有其他鉆井結構中而不僅是在近海處的情況。在使用充氣的泥漿乃至泡沫狀物處的操作的情況中，EM傳輸是唯一可能的傳輸作為按照本發明改善的結果而且具有改善的性能特性。
圖4示出可用于罩住在電阻率過低的區域所鉆的孔或井的管子元件40的剖面。鋼管體41通過熱軋獲得。在兩端在削出外螺紋42和43。具有內螺紋45的套圈44被擰到一端上。絕緣覆蓋物(按照在上文所給的定義)被沉積在中心區48上。46和47區留下來未涂以使擰螺絲的自動裝置的夾頭能直接接觸管子的鋼鐵，而且這也適用于套管懸掛架的有關的彎管。
在擰緊的前后，很明顯套管的外表面可能完全絕緣。然而，這種操作引起許多操作上的問題。這在實用上和經濟上都是不希望有的。這是為什么本發明，它不需要完全絕緣，是非常有利的。
因而，本發明具有利用電磁波傳輸的所有優點，而且還使得有可能在準備開采的井和正被鉆鑿的井中都改善性能特征。這也使得更廣泛的使用EM傳輸成為可能，特別在深的近海地區。
因而被覆蓋的管子還能更有效地被陰極保護，因為用于陰極生產的待注入電流將被降低，而且將只通到未覆蓋位置，這從而需要抵抗電腐蝕的電保護電勢。因而，覆蓋物能幫助水泥粘附到管子上。
權利要求
1.用于從鉆通地質結構層和至少部分被金屬管罩住的井中傳輸信息的方法，該方法包含把利用引導電磁波操作的收發信機放進該井中適當的位置，電磁波由偶極子注入電信號產生，偶極子電導連接到用于引導傳輸波的金屬管，其特征在于由具有低電阻率的某些結構層的傳輸衰減被鑒別，而且至少有相對于該低電阻率層設置的部分電絕緣的金屬管。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于考慮到該電磁傳輸的最少特點，特別是傳輸距離和/或信息流速率，借助于數學模型來確定待絕緣的最小長度。
3.按照權利要求1或2的方法，其特征在于絕緣是由將預先用絕緣材料層覆蓋的管子放到適當的位置而獲得。
4.按照權利要求1或2的方法，其特征在于絕緣是靠將水泥類型的絕緣材料放入管子和結構層之間的環形空間中相對于某些結構層的適當位置而獲得。
5.按照上述的權利要求之一的方法，其特征在于為了傳輸海床測量或指令給海床設備，所述收發機被安置在緊靠著生產管道的下端。
6.按照權利要求1至4之一的方法，其特征在于為了傳輸海床或鉆鑿參數或位置參數，所述收發機被安置在緊靠著鉆柱的下端。
7.用于從在地質結構層并至少部分被金屬管罩住的鉆井中傳輸信息的系統，該系統包含在井中由引導電磁波操作收發信機，電磁波由偶極子注入電信號產生，偶極子電連接到用于引導傳輸波的金屬管，其特征在于至少有些相對于低電阻率放置的金屬管具有相對于該結構層的電絕緣裝置。
8.按照權利要求7的系統，其特征在于所述絕緣管都覆蓋有絕緣材料層。
9.按照權利要求8的系統，其特征在于該絕緣層并未完全覆蓋管子的整個長度。
10.按照權利要求7的系統，其特征在于所述絕緣裝置包含填充在管子和導電的結構層之間環形空間的絕緣材料，該材料是液體成分凝固的結果。
11.按照權利要求7至10之一的系統，其特征在于所述收發機被包含于生產管道的端部。
12.按照權利要求7至10之一的系統，其特征在于所述收發機被包含于鉆柱的端部。
13.按照權利要求7至12之一的系統對具有海底井口的海上鉆井裝置的應用。
14.按照權利要求13的應用，其中壓井管線是由海床至地面從外部被電絕緣的。
全文摘要
本發明涉及用于從鉆通至少部分被金屬管(4;23,24;31)罩住的地質結構層(3)的井(1;20)中傳輸信息的方法和系統。該方法包含把由電磁波操作的收發信機(E)放到該井中,電磁波由偶極子(P1－P2)注入電信號產生。偶極子被電連接到用于引導傳輸波的金屬管。在本方法中,由具有低電阻率的某些結構層(3a,3b;25;30)的傳輸衰減被鑒別,并然后至少有相對于該低電阻率層設置的部分電絕緣的金屬管。
文檔編號E21B47/12GK1251480SQ9912315
公開日2000年4月26日 申請日期1999年10月25日 優先權日1998年10月23日
發明者L·蘇利耶 申請人:大地服務公司