用于钻井构造的声学位置测量系统 【技术领域】
本发明一般涉及钻井构造领域，尤其涉及用于钻井构造的声学位置测量系统。
【发明背景】
各种行业都要求形成地下钻井，诸如采矿、液态与气态油气提取、取水和勘探各类其它矿物资源或地下结构特征。
在钻井的任一方面，其所需的朝向可能为垂直、水平或任一其它朝向，以实现事故发生时所需的钻具定位。另外，事故情况可能要求钻井保留在特定“目标”地质构造如岩层、煤层或其它界定地下结构的一个或多个边界内和/或与之对准。在这些情况下、必须检测与目标构造和相邻构造之间边界的距离，以便引导钻井过程，把钻井保持在目标构造内。
钻井一般由钻机形成，钻机转动钻具组而转动钻具组远端的钻头；或者只转动钻具组以改变钻井方向，在这些情况下，钻头例如由位于或靠近钻具组端部的水力或电力马达部件提供动力。钻具组还可以包括一弯头部件，以便于操纵和/或另外转动钻头。
【发明内容】
本发明提供一种用于钻井构造的声学位置测量系统，它明显消除或减少了至少某些与先前用于钻井构造位置测量系统的系统有关的缺点与问题。
根据本发明一特定实施例，声学位置测量系统包括一声学发射机，它能把声波发入目标构造里的地下钻井。声波配置成从靠近目标构造的边界构造部分反射回来，反射的声波包含从边界反射的声波。该系统包括一能接收反射声波的声学接收机，还包括与声学接收机电耦合的电子装置部分。该电子装置部分能处理反射的声波，并根据反射声波的一个或多个特征产生数据输出，指明声学位置测量系统相对于目标构造边界的位置。
根据另一实施例，一种应用声学位置测量系统确定钻件所需位置的方法，包括用声学发射机把声波发入目标构造中的地下钻井。声波从接近目标构造的边界构造反射。该方法包括用声学接收机接收从钻井的反射的声波。该反射的声波包含从边界构造反射的声波。本方法还包括用耦合到声学接收机的电子装置部分处理反射的声波，并用该电子装置部分根据反射声波的某一特征产生数据输出，该数据输出指明该声学位置测量系统在目标构造中的位置。
本发明诸特定实施例的技术优点包括一用于钻井构造的声学位置测量系统，它用声学技术发送和接收声波，以确定钻头在形成钻井期间在目标构造内的位置，结果可在目标构造内保持水平或其它延长的钻井，避免渗入邻近的构造。因而可减少形成钻井所需的时间与费用。另通过把钻井精心地定位在目标构造的有利部分内，显著地增强了钻井提取所需材料的能力。
本发明诸特定实施例的另一技术优点包括一用于钻井构造的声学位置测量系统，它可以处理收到的地下声波，以确定该系统在目标构造内的位置。在该实施例中，该位置测量系统可测定和传送钻探系统与地面的相对位置，或者若系统位置小于离边界的规定距离，可传送报警，因而无须在地面上用附加的元件和资源来处理收到的声波，可用低带宽链路与地面通信。
本领域的技术人员通过下面的附图、描述和如权利要求，很容易明白其它技术优点。另外，虽然上面列举了诸特定优点，但诸实施例可以包括所有、部分或不包括列举的优点。
附图简介
为了更全面地理解本发明诸特定实施例及其优点，现在参照以下结合附图所作的描述，其中：
图1示出本发明一实施例对煤层或其它目标构造作导向钻探的系统；
图2示出本发明一实施例配备声学发射机与声学接收机的声学位置测量系统；
图3示出本发明一实施例的声学位置测量系统的电子设备部件；
图4示出本发明一实施例的声学位置测量系统的极距图；和
图5示出本发明一实施例的一例方法，用于利用声学位置测量系统测定钻探件的期望位置。
发明的详细描述
图1示出本发明一实施例的系统10，用于在定界的地质构造和其它合适的构造内作导向钻探。本例的构造为厚度不足10英尺的煤层。可以理解，本发明适用于钻探其它合适的构造、斜坡和/或其它合适厚度的构造。
系统10包括地面的旋转钻机或其它合适的钻机和从钻机伸出的钻具组12，钻机转动或控制钻具组12形成钻井18。在一实施例中，钻具组12包括旋转锥形钻头20，钻具组12旋转时，钻头20钻入地下煤层26而形成钻井18。期望的钻井取向一般平行于被钻构造地边界。钻具组12包括弯道/马达部件14，在钻探液循环时转动钻头20。钻探液沿钻具组20泵运，排出钻头20的喷口，向马达提供动力并润滑钻头20，清除构造钻屑，在钻井18内提供流体静压水头。
钻具组12还包括传感器部件22和发射机部件15，后者包括各种帮助钻探的电子器件。在一特定实施例中，传感器部件包括测量与钻探(MWD)器件、一个或多个记录工具和一声学位置测量系统23。传感器部件22和发射机部件15由一个或多个本机电池组或产生的动力或来自地面的电缆供电。传感器部件22和发射机部件15及其诸元件，通过合适的电缆和/或无线链路诸如钻井泥浆(mud)脉冲或射频与地面通信。发射机15把传感器件22收集、产生或处理的信息传到地面。在诸特定实施例中，传感器部件22能把此类信息传到地面。
在图示实施例中，在煤层26中钻出钻井18，煤层26以上下边界层28与29为界，上下边界层28与29可能是砂石、页岩、灰石或其它合适的岩石和/或矿层。
图2详细示出本发明一实施例的传感器部件22的声学位置测量系统23。如下面所详述的，声学位置测量系统23提供定位反馈，使操作员或钻探制导系统可使钻具组12保持在煤层26内期望的位置和/或防止钻具组12离开煤层26。
参照图2，声学位置测量系统23包括声学发射机34、声学换能器接收机32和电子装置36。发射机34用各种方式装在和/或位于传感器部件22上，如在诸实施例中，发射机34与传感器部件22齐平安装。如图所示，发射机34也可在传感器部件22上对准成行，或者直线间隔或围绕传感器部件22周边交错排列。发射机34能把声波发入传感器件22周边交错排列。发射机34能把声波发入传感器部件22周围的钻井壁内，可以每秒、每隔几秒多次发射声波。若钻具组12在声波连发之间旋转，声波最终将沿传感器部件22四周方向传播(绕声学位置测量系统23成360度)。声波发射间隔取决于钻具组12的转速，发射机34发射的声波的频率与声音钻井记录使用的频率相似，举个例说，可以使用频率为1.0赫～2.0兆赫的声波。声波应在钻探环境中可以辨别，在构造中传播良好，在边界层提供最大或合适幅值的反射信号。在注重高分辨度的场合，可使用更高的频率。在有些实施例中，发射机用机械方法发射声波。这里的“声波”包括一种或多种声波。
声学位置测量系统23的接收机32在图示实施例中齐平地装在传感器部件30上，但其它实施例包括以其它方式装在传感器部件30上的接收机32。如前面对发射机34讨论的那样，接收机32可以对准成行，在钻具组12转动期间接收从围绕声学位置测量系统23所有方向反射的声波。在诸实施例中，各接收机32的间距可以是发射机34产生的声波波长的几分之一或几倍(如波长的一半)。有些实施例应用压电或其它合适的技术，一般把声学位置测量系统23的接收机32与发射机34组合起来。发射机34发射的声波从煤层或其它目标构造的边界(如图1中煤层26的上下边界28与29)反射，接收机32接收从钻井18内反射的声波。
接收机32和发射机34各自与电子装置36电耦合。这里的“各自”指至少一个分组物件中的任一物件。电子装置36控制发射机34把声信号发入钻井18并处理反射的或返回的信号，以提供系统在钻井内的定位信息。在一实施例中，定位信息可以是声学位置测量系统23与某一边界诸如下面要详述的图1中煤层26上下边界28或29的距离。在另一实施例中，定位信息可以是该系统是否在规定的边界范围内，诸如一、二英尺范围内。
电子装置36组合使用模拟信号放大与滤波和数字信号处理(DSP)或其它技术作这种测定，因而可包括在媒体中编码的逻辑，诸如执行编程指令的编程任务。媒体可以是存贮媒体、通用处理器、数字信号处理器、ASIC、FPGA等。电子装置36还可计算或处理其它数据，这有助于测定声学位置测量系统23与特定边界的距离。电子装置36还可把原始数据发到地面作处理。
图3示出本发明一实施例用于处理反射的声波的电子装置36，包括放大器54、移相器56、组合器58、放大器60、带通滤波器62、定向传感器38、计时器40、处理器64和通信端口66。
接收机32接收反射的声波连同钻井18里出现的其它声学噪声。组合的反射声波加任何收到的声学噪声经放大器54放大，传到移相器56，移相器56对接收机32收到的声波引入已知的相移量。这一过程能帮助接收机32最大程度地接收需要的信号而减少接收收到的不需要的噪声。
举例说，从图1中煤层26边界28或29反射的声波，以收到的声波主要正弦分量的不同相位角到达各接收机32。当反射的声波到达接收机32a时，波的主要正弦分量与它到达接收32b时处于不同的相位(对接收机32c也一样)。因此，为使所有反射的声波进入同一相位角，移相器56把已知的相移量引入其各自接收机所收到的波的主要正弦分量里。
移相器56a把一定相移量引入接收机32a接收的所需声波的主要正弦分量中，而移相器56b把不同的相移量引入接收机32b接收的声波的主要正弦分量中，使接收机32a和32b接收的声波成为同相。相应地，移相器56c把不同的相移量引入由接收机32c接收的声波的主要正弦分量中，使波的主要正弦分量进入声波被移相器56a和56b移相的主要正弦分量的相位。移相器56引入的相移量之差与声学位置测量系统23的各别接收机32之间的距离有关。引入相移能增强对反射声波的主要正弦分量的接收能力，因为各接收机接收的波现在与其它接收机接收的波处于同相，因而增大了反射声波诸主要正弦分量之和的幅值。应该理解，为了使收到的波的每个主要正弦分量都进入同相，一个或多个移相器56可以不必对其各自的接收机32接收的反射声波都引入相移。
在由各个接收机接收的声波加噪声通过放大器54和移相器56之后，组合器58把它们组合成一个信号，再由放大器60放大该组合信号。带通滤波器(BPF)62滤除接收机32拾取的不需要的频率和/或噪声，这些不需要的频率一般都是不同于发射机34所发射的声波主要正弦分量频率的频率。BPF62可以设置成只通过这些需要的频率，尽量衰减其它频率。
也可用其它技术或设备来减小或滤除接收机32接收的不需要的噪声，例如BPF的功能可以这样来实现：在模/数转换器中对信号数字化，然后在数字信号处理器中运用众所周知的方法对得到的数据流作数字滤波。另举一例，为了减少钻井里不希望的噪声，在测量系统工作时，可以减慢或停止钻具组转动。钻头也可从钻探地面倒退。另可减慢或停止钻探液循环，以减少不希望的噪声。
信号通过BPF62后，电子装置的处理器64根据发射声波与接收被接收机32接收的反射声波之间所花的时间量，计算声学位置测量系统23到目标构造边界(如图1中煤层26的边界28)的距离。这种距离是该时间量的一半与发射和反射的声波通过其运行的地下材料的平均声音传播速度的乘积。
接收机32接收的反射声波的幅值，部分与通过声波的材料和声波反射的边界构造的声学衰减特性有关。另外，在构造边界反射的发射能量部分是目标构造同构成边界构造的相邻构造的密度差的直接函数，例如直接构成煤层边界的材料(即页岩、砂石、石灰石等)，其密度约为水密度的2.6～2.8倍，而煤层内的密度约为水密度的1.4倍，因而这两个区域的密度比约为2∶1。
这些材料随声频变化的任一声学特性，还有助于选择被声学位置测量系统诸发射机发射的声波的频率。这种频率的选择，例如可以以尽量最小化发射机34所发射的声波主要正弦分量的声学衰减为基础。
定向传感器38为声学位置测量系统23确定定向参考位置，这一测定可以是例如声学位置测量系统23或接收机32在特定时刻的旋转位置(由局部重力垂线测得的度数)。定向传感器38还确定其它定向位置，诸如其它实施例中声学位置测量系统23的倾斜度。该信息连同电子装置36测定的距离信息都可传给地面操作员，这种通信可用电缆、钻井泥浆(mud)脉冲、电磁脉冲或本领域技术人员已知的其它技术实现，也可用图1所示的独立的发射机部件15实现。在有些实施例中，定向传感器38可包含在与传感器部件22分开的钻具组部件12里。
计时器40能在特定时刻激励与去激发射机34和放大器54，以尽量最少化接收噪声或虚假信号和/或避免发射机34、放大器54和电子装置部分36其它元件可能的电饱和或烧坏。如在发射声波时，计时器40可在一时窗期内和之后去激放大器54，接着在预期声波从图1的煤层26边界28或29反射后被接收的时窗内激励放大器54。这一过程能减少放大和处理其它周围岩层反射的声波的可能性，还能减少放大器54和电子装置部分36其它元件因放大和处理来自钻井内不需要的声波或噪声而发生电饱和和/或烧坏的可能性。
处理器64把它产生的距离信息与定向传感器38产生的定向信息组合起来，这种信息经通信端口66传给操作员或自动化钻探制导系统。该信息能使操作员或自动化钻探制导系统把钻具组保持在目标构造内期望的相对位置，例如若操作员或自动化钻探制导系统接收的距离与定向信息表明钻具组比预期的更接近目标构造边界，则操作员或自动化钻探制导系统就沿另一方向引导钻具组，使它保持在目标构造中央。
能以任一方法向地面操作员显示距离与定向信息。一例这样的显示是示出两个数字的模拟显示，一个数字代表声学位置测量系统23的接收机32的转动位置，另一数字代表接收机32在该转动位置到目标构造边界的距离。操作员用该信息操纵钻探件，以保持在煤层内的中心位置。声学位置测量系统的定向信息(即旋转与倾斜位置)与距离信息和声学位置测量系统与钻头之间的距离相结合，以确定钻头离煤层某一特定边界有多远。当声学位置测量系统位于煤层边界一定范围内时，电子装置36还可向地面发信号。电子装置36还可以确定并指示该声学位置测量系统正在逼近的边界构造。
定向与距离信息还可用来绘制周围岩层的极距图。图4示出本发明一实施例的极距图70。电子装置36或其它设备也可根据电子装置36提供的距离信息和定向传感器38提供的定向信息绘制这种图。极距图可以不断地实时更新，可在地下绘制，可在地面的目视显示器诸如计算机显示器上显示。
参照图4，极距图70示出从钻具组的声学位置测量系统沿一个方向到目标构造边界最近点(PCA)和沿相反方向到目标构造边界PCA74的距离。若希望相对于以极距图70为基础的方面保持目标构造内的中心位置，则操作员或自动化钻探制导系统需要图示的对称型极距图70(如与PCA72和PCA74接近等距离)。若极距图示出到一个PCA的距离小于到另一PCA的距离，为使钻具定位在煤层中心，操作员或自动化钻探制导系统可操纵钻具组离开更接近钻具组的PCA所表示的方向。
图5示出本发明一实施例的一例方法，可用声学位置确定系统测定钻探件期望的位置。该方法在步骤100开始，用声学发射机把声波发入一目标构造，诸如一煤层。声波从接近目标构造的边界构造诸如图1的边界层28与29反射。诸实施例包括用多台声学发射机发射多个声波。步骤102包括用声学接收机接收反射的声波，反射的声波包括步骤100发射的声波从该边界构造的反射。诸实施例包括用多台声学接收机接收多个反射的声波。
步骤104包括用耦接声学接收机的电子装置部分处理反射的声波。这种处理可包括用耦合到声学接收机的放大器放大反射的声波。计时器在规定的时间对发射声波后的规定持续时间改变该放大器的功能，以防放大器被发射的波和“近场”回波饱和，另可减少输入放大器的噪声能量。在用多台声学接收机接收多个反射声波的诸实施例中，该方法包括用电子装置部分对至少一个反射声波的主要正弦分量作移相，使各反射声波的主要正弦分量对准其它反射声波的主要正弦分量。电子装置部分的一个或多个移相器可实现这种相移。在有些实施例中，诸发射的声波经组合而生成一信号，该信号在放大之前和/或之后还可用带通滤波器、数字信号处理和/或其它方法滤波，以便尽量最小化接收带外噪声能量。
步骤106包括基于反射的声波产生数据输出，以便指示声学位置测量系统在目标构造中的位置，诸如该声学位置测量系统与边界构造的距离。诸特定实施例包括用定向传感器检测该系统的定向位置，此时数据输出可包括从系统到边界构造的定向位置和距离。步骤108包括向地面设备传送数据输出，这种传送可通过合适的电缆和/或无线链路实现，诸如钻探液压脉动或电磁发射。
虽已详细描述了本发明，但可向本领域的技术人员提出各种变化和修正，因此本发明包括落在所附如权利要求范围内的这些变化和修正。