井下遥测系统和方法
技术领域
本发明通常涉及一种钻柱遥测系统，尤其是，本发明涉及一种通过钻柱传输信号的有线钻杆遥测系统和技术。
背景技术
井下系统，比如随钻测量(MWD)系统和随钻测井(LWD)系统，由于它们能够提供井眼状态和/或地层性质的实时信息而具有很高的价值。这些井下测试可用于在钻井过程中作出决定或者用于利用尖端的钻井技术，比如地质导向技术。这些技术很大程度上依赖于对井眼和所钻周围地层的即时了解。因此，能够以最小的时间延时由MWD/LWD工具向地面发送大量的数据和由MWD/LWD工具向地面发送指令是很重要的。现在已经发展了大量的用于这样通讯的遥测技术，包括有线钻杆(WDP)遥测技术。
在钻柱内安置导线的想法已经出现了一段时间。例如，授权给Denison的美国专利US4,126,848公开了一种钻杆遥测系统，其中利用电缆从井底向钻柱内的中间位置传输信息，如授权给Dickson，Jr等的美国专利US3,696,332中所描述的具有绝缘导电体和使用环形电接触连接器的专用钻杆被用于从中间位置向地面传输信息。授权给Basarygin等的俄罗斯联邦专利RU2,140,537C1同样公开了一种具有顺序连接到上部WDP系统的下部电缆系统的混合遥测钻柱系统。
授权给Barry等美国专利US3,957,118公开了一种用于不用电缆连接的钻杆节管内的钻柱遥测系统的可释放电缆和锁紧系统。授权给Heilhecker等的美国专利US3,807,502，以及授权给Veneruso的美国专利US4,806,928和US4,901,069同样公开了一种用于在具有常规的无线钻杆的钻柱内安装电导线(即电缆)的方法和装置。
授权给Hare的美国专利US2,379,800，Wellhausen的欧洲专利申请EP399,987以及Konovalov等的俄罗斯联邦专利RU2,040,691都公开了一种具有WDP并使用电感耦合器的信号传输系统。Hall的国际专利申请WO02/06716也公开了一种通过一连串使用电感耦合器的WDP的节管来传输数据的系统。
对于井下钻井操作，使用大量的钻杆节管来在地面方钻杆(或者可选择地是，顶部驱动钻机上的动力旋转接头)与钻头之间形成一连串。这一连串的钻杆节管基本上构成了钻柱的主体(尽管钻柱包括其它部件，诸如MWD工具、LWD工具、钻铤、扶正器、弯接头、泥浆马达、钻头盒和钻头)。一口1500英尺(5472m)的井一般具有500节钻杆节管，每一节钻杆节管的长度为30英尺(9.14m)。在WDP操作中，一些或全部钻杆节管——特别是通过嵌在他们的壁内——可具有导线以形成相互连接的有线钻杆(“WDP”)节管，以在地面与钻具之间提供一通信线路。利用500节钻杆节管，同样被简单地称作“杆”或“管”，具有1000个管端/台肩被“形成”或者被通过螺纹旋转连接到其它节管、管、接头等(可选择的是，“管件”)。这些管的每一根可具有通信耦合器，比如电感耦合器，特别是环心变压器。
钻柱内连接的全部数目增加了对WDP系统的可靠性。一种商用钻井系统被期望具有约500小时或更多的系统故障之间的最小平均时间(MTBF)。如果WDP系统内的一个有线连接发生故障，那么通信线路就会失效，从而整个遥测系统会失效。因此，在15,000英尺(5472m)深的井中具有500个WDP节管，每一个WDP应当具有至少250,000小时(28.5年)的MTBF，以使整个系统具有500小时的MTBF。这意味着每一WDP节管应当具有少于4×10-6每小时的故障率。这种需要超出了目前的WDP技术。因此，如果不是必要的，理想的是提前指出WDP系统内的发生故障的可能性。
从而，需要拥有一种能够绕过WDP相关故障的遥测系统。
还需要拥有一种使用WDP技术的与无线钻柱段(如无线钻杆)相结合的遥测系统，特别是这样的无线钻柱段已经使用时。
还需要有一种能够在地面或者在地面附近进行无线通信的遥测系统以降低对钻柱的上部内的有线系统的依赖。
发明内容
在某些术语在全篇的描述中被首次使用时对其做了定义，同时该描述中所使用的某些其它术语在下面进行定义：
“通信”意思是能够传导或者携载信号；
“通信连接”意思是两个相邻管件之间的连接，比如相邻的适配器接头，信号可以通过该连接进行传输；
“通信线路”意思是多个通信连接的管件，比如相互连接的WDP节管或者由电缆连接的适配器接头(adapter sub)，用于将信号传输一段距离(“通信线路”和“通信通道”在这里具有同样的意思而进行使用)；
“地面计算机”意思是计算机，地面接收器，和/或处理信号所传输的数据的其它部件；
“遥测系统”意思是至少一个通信线路加上测试、传输、和显示/记录从井眼或者通过井眼获得地数据所需的其它部件，例如地面计算机、MWD/LWD工具、通信接头、和/或路由器。
一方面，本发明提供一种用于钻柱的电缆通信线路，其包括至少两个在钻柱内以一定距离分隔开的适配器接头，所述的距离超过了三节相互连接的钻杆节管的长度。电缆连接着两个适配器接头以便在它们之间传输信号。
在一个优选实施例中，电缆通信线路的每一适配器接头包括位于其端部中间的通信耦合器，以及以距该通信耦合器一定轴向距离分隔开的内部环形槽。电缆带有一对沿电缆顺序连接的接头连接器。每一接头连接器具有补充通信耦合器，因此，接头连接器的补充通信耦合器与适配器接头的通信耦合器的对齐在适配器接头和接头连接器之间建立通信。通信耦合器和补充通信耦合器优选为电感耦合器。第二对接头连接器同样地与第二适配器接头结合。以这种方式，信号可以在电缆和钻柱之间进行传输。
每一适配器接头优选包括以距通信耦合器一定轴向距离分隔开的内部环形槽。每一接头连接器优选具有用于结合一个适配器接头的内部环形槽并将其补充通信耦合器定位在与该一个适配器接头的通信耦合器对齐的位置的闩锁器。
还可优选的是，每一接头连接器的闩锁器包括具有至少一个用于结合一个适配器接头的内部环形槽的锁销的锁定爪。所述的锁销以一定的轴向距离同每一接头连接器的补充通信耦合器分隔开。因此，当电缆布置在钻柱内时，通过锁销与一个适配器接头的环形槽的结合使接头连接器的补充通信耦合器与适配器接头的通信耦合器对齐并建立它们之间的通信。锁定爪优选包括一棘爪栓。
本发明的电缆通信线路用于钻柱中是有利的，其中多个WDP节管在两个适配器接头之间的钻柱内相互连接从而形成一管道通信线路。在这一应用中，电缆通信线路形成了管道通信线路的可替换通路，以通过钻柱传输信号，因此，管道通信系统(即WDP系统)内的故障可以被绕过。
电缆通信线路还可有利的用在钻柱内，其中钻柱的无线段设置在两个适配器接头之间。以这种方式，电缆通信线路形成了通过钻柱的无线段传输信号的通路，从而无线段被转换成电缆段。钻柱的无线段可包括一个或多个无线钻杆节管，或者一个或多个无线实用接头。
另一方面，本发明提供一种用于设置在井眼内并具有多个构成第一通信线路的WDP节管的钻柱的遥测系统。每一WDP节管在其每一端部或端部附近具有通信的第一耦合器，以及连接该通信的第一耦合器的第一电缆。所述的钻柱还包括一对在钻柱内以一定距离分隔开的适配器接头，所述的距离超过了三节相互连接的钻杆节管的长度。每一适配器接头在其中一个适配器接头的端部或端部附近具有通信的第二耦合器，并适用于连接设置在钻柱内的第二电缆以便第二电缆连接所述的两个适配器接头从而形成第二通信线路。适配器接头中的至少一个被连接在钻柱内，以便它的通信的第二耦合器相邻于一个WDP节管的通信的第一耦合器，从而将一个适配器接头连接到一个WDP节管以在它们之间进行通信。以这种方式，第一通信线路可被连接，以与第二通信线路进行通信从而通过钻柱传输信号。
在本发明的遥测系统的实施例中，一个适配器接头连接在钻柱内的两个WDP节管之间，所以一部分第一通信线路可由第二通信线路绕过。可选择的是，一个适配器接头可连接在一个WDP节管与钻柱的无线段之间，从而钻柱的无线段可通过第二通信线路而被转换成电缆段。在可选择的实施例中，钻柱的无线段可包括一节或多节无线钻杆节管和/或无线实用接头。
可优选的是，WDP节管的通信的第一耦合器和适配器接头的通信的第二耦合器为电感耦合器。
本发明遥测系统的一个优选实施例试图并适用于与钻柱内的第二电缆一起使用，以连接一对适配器接头，从而形成与第一通信线路进行通信的第二通信线路。为了这一目的，每一适配器接头包括一个位于通信的第二耦合器中间的通信的第三耦合器，以及以距通信的第三耦合器一定轴向距离分隔开的内部环形槽。第二电缆具有一对顺序设置的接头连接器，并且每一接头连接器具有通信的第四耦合器，因而，接头连接器的通信的第四耦合器与一个适配器接头的通信的第三耦合器的对齐建立了第一通信线路与第二通信线路之间的通信。以这种方式，信号可以在第二电缆和钻柱之间进行传输。通信的第三耦合器和通信的第四耦合器优选为电感耦合器。
每一适配器接头优选包括以距通信的第三耦合器一定轴向距离分隔开的内部环形槽。每一接头连接器优选具有用于结合一个适配器接头的内部环形槽并将其通信的第四耦合器定位在与一个结合的适配器接头的通信的第三耦合器对齐的位置的闩锁器。
优选的是，每一接头连接器的闩锁器包括具有至少一个用于结合其中一个适配器接头的内部环形槽的锁销的锁定爪。所述的锁销以一定的轴向距离同每一接头连接器的通信的第四耦合器分隔开。因此，当电缆布置在钻柱内时，通过锁销与适配器接头的环形槽的结合使接头连接器的通信的第四耦合器与结合的适配器接头的通信的第三耦合器对齐，并在它们之间建立通信。锁定爪优选包括一棘爪栓。
本发明的遥测系统试图使用多个在钻柱内以一定距离分隔开的适配器接头(即不仅仅为两个)，所述的距离超过了三节相互连接的钻杆节管的长度。每一适配器接头用于连接—在优选实施例中包括—设置在钻柱内的第二电缆，以便第二电缆能够连接至少两个适配器接头以形成第二通信线路。至少其中一个适配器接头连接在钻柱内，以便它的通信的第二耦合器相邻于一个WDP节管的通信的第一耦合器，从而将该一个适配器接头连接到该一个WDP节管，以在它们之间进行通信。因此，第一通信线路可被连接以与第二通信线路进行通信。
在一个优选实施例中，本发明的遥测系统还包括设置在钻柱下段的测试工具，用于处理由测试工具所获得的处理数据的地面计算机，设置在钻柱的上段内或上方的用于与地面计算机进行通信的第一通信接头，以及设置钻柱的下段用于与测试工具进行通信的第二通信接头。第一通信线路具有至少一部分位于井下通信接头与地面通信接头之间的有效的通信连接。第二电缆可设置在钻柱内并穿过一对适配器接头连接，从而形成与第一通信线路进行通信的第二通信线路。第二通信线路也具有至少一部分在第二通信接头与第一通信接头之间的有效的通信连接。
这一实施例的意图是，测试工具，如MWD/LWD工具，还可用做适配器接头。
在遥测系统的各种实施例中，第一通信接头设置在：在(转盘驱动)钻柱内的方钻杆的下方；在(转盘驱动)钻柱内的方钻杆的上方；在支承着(顶部驱动)钻柱的动力旋转接头的下方；或者在支承着(顶部驱动)钻柱的动力旋转接头之内。如果设置在钻柱内方钻杆的上方，第一通信接头可包括旋转变压器或滑动环。第一通信接头还可以包括，在各种应用中，与第一通信线路有线通信的第一无线接收器。第一无线接收器优选由与地面计算机有线通信的第二无线接收器进行补充，并且第一和第二无线接收器适用于它们之间的无线通信。第二无线接收器可设置在连接在泥浆池与井眼之间的泥浆返回管线内。
另一方面，本发明遥测系统的第一通信接头包括与第一通信线路有线通信的WDP调制解调器，与WDP调制解调器有线通信的无线调制解调器，以及向调制解调器提供电力的电源。所述的电源可包括一块或多块电池。
又一方面，本发明提供一种用于具有多个相互连接的钻杆节管的钻柱的遥测系统，该钻杆节管悬挂于井架上并与转矩施加机构结合以在其上旋转。测试工具由钻杆节管悬挂以获取井眼数据，井下通信接头由钻杆节管悬挂以通过钻杆节管与测试工具进行通信，并且钻头限定在钻柱的下端。该系统包括用于处理测试工具所获得的数据的地面计算机，以及设置在由转矩施加机构所结合的一部分钻柱的下方的钻柱内以与地面计算机进行无线通信的地面通信接头。(至少部分地)通过钻杆节管，地面通信接头与井下通信接头通信。
根据本发明的这一方面的优选实施例中，地面通信接头包括第一无线接收器，并且所述的遥测系统还包括设置在连接于泥浆池与井眼之间的泥浆返回管线内的第二无线接收器。所述的第二无线接收器与地面计算机有线通信连接。井下通信接头可以多种方式，包括泥浆脉冲遥测、电磁遥测、管道声波遥测、以及有线线路，与地面通信接头通信。这样一个有线线路的示例通过使用顺序连接的用于至少一些钻杆节管的WDP节管而实现，所述的WDP节管具有第一通信线路从而在井下通信接头与地面通信接头之间提供至少一部分有效通信连接。
在特殊的实施例中，本发明的遥测系统还包括一种用于形成与第一通信线路通信的第二通信线路的装置。在这一实施例中，每一WDP节管具有在其两端或附近的通信的第一耦合器，和连接通信的第一耦合器的第一电缆。第二通信线路形成装置优选包括一对在钻柱内的以一定距离分隔开的适配器接头，所述的距离超过了三节相互连接的钻杆节管的长度。每一适配器接头在其至少一端或附近具有通信的第二耦合器。所述适配器接头用于连接设置在钻柱内的第二电缆—本发明也试图—以便第二电缆连接该一对适配器接头以形成第二通信线路。至少一个适配器接头连接在钻柱内以便它的通信的第二耦合器相邻于一个WDP节管的通信的第一耦合器，从而将该一个适配器接头连接到该一个WDP节管，以在它们之间进行通信。以这种方式，第一通信线路可被连接，以与第二通信线路进行通信，从而通过钻柱传输信号。
这一实施例的意图是，测试工具，如MWD/LWD工具，还可用做适配器接头。
本发明还优选每一适配器接头包括在通信的第二耦合器中间的通信的第三耦合器。第二电缆具有一对顺序设置的接头连接器。每一接头连接器具有通信的第四耦合器，因而，接头连接器的通信的第四耦合器与适配器接头的通信的第三耦合器的对齐在它们之间建立通信。
另一方面，本发明提供一种井下钻井方法，其包括如下步骤：利用钻柱钻一井眼，在钻井的同时利用设置在钻柱内的测试工具获取井眼数据，并且通过由至少两个由超过三节相互连接的钻杆节管长度的距离在钻柱内分隔开的适配器接头所限定的通信线路，将所获得的井眼数据传输到地面井眼。电缆连接适配器接头以在适配器接头之间传输信号。
在特别的实施例中，本发明的井下钻井方法还包括通过由多个相互连接的WDP节管所限定的另一通信线路将所获得的井眼数据传输到地面井眼的步骤，以及通过由与相互连接的WDP节管有线通信连接的地面通信接头所限定的第三通信线路，将所获得的井眼数据传输到地面井眼的步骤。地面通信接头将所获得的井眼数据从相互连接的WDP节管传输到地面计算机以进行处理，并且为了这一目的使用了一个或多个无线接收器。
还有另一方面，本发明涉及一种井下钻井方法，其包括利用钻柱钻一井眼，在钻井的同时利用设置在钻柱内的测试工具获取井眼数据，并且通过由多个WDP节管所限定的第一通信线路和由至少一对通过第二电缆连接的用于在该一对适配器接头之间传输信号的分隔开的适配器接头所限定的第二通信线路将所获得的井眼数据传输到地面井眼。
这一钻井方法的特别实施例中，所述的传输步骤包括使用第二通信线路以绕过一部分第一通信线路。可选择的是，所述的传输步骤可以包括使用第二通信线路以将钻柱的无线段转换成电缆段。
另一方面，本发明提供了一种钻井方法，其包括利用其上设置有多个适配器接头的钻柱钻一井眼的步骤。钻柱内的连续的适配器接头被至少四节相互连接的有线钻杆节管所分隔。适配器接头和有线钻杆节管共同限定了第一通信线路。在钻井的同时利用设置在钻柱内的测试工具获取井眼数据，并且通过第一通信线路将所获得的井眼数据传输到地面井眼。当发现第一通信线路内存在故障时，就将电缆设置在钻柱内以形成第二通信线路。所述的电缆具有一对沿着电缆顺序连接的分隔开的适配器接头，以与各对连续的适配器接头建立通信，因而，通过这一通信形成了第二通信线路。第二通信线路绕过了一对连续适配器接头之间的相互连接的有线钻杆节管。
在根据这一方法的本发明的优选实施例中，无论两个连续的适配器接头之间的部分钻柱内是否出现故障，都会作出一个决定。当确定了两个连续的适配器接头之间的部分钻柱内没有出现故障时，电缆在钻柱内移动以在两个接头连接器和其它相应的各对连续的适配器接头之间建立通信，直到故障的位置得到确认。一旦故障得到确认，比如通过在起下钻柱期间更换有线钻杆的有故障的节管而将故障排除。
本发明的其它方面结合下面的描述、附图、和权利要求书将会变得很明显。
附图说明
图1A为具有遥测系统的钻柱的正视图，根据本发明的一方面，该遥测系统包括管道通信线路和电缆通信线路；
图1B为图1A中部分钻柱的详细视图，其特别示出了使用电缆通信线以绕过管道通信线路内的故障；
图1C为另一钻柱结构的详细部分的视图，其特别示出了使用电缆通信线路以将钻柱的无线段转换成电缆段从而沿着它们传输信号；
图2A为根据本发明的一方面的与适配器接头结合从而形成电缆通信线路的电缆传输连接器接头的局部剖视正视图；
图2B为与图2A相类似的视图，除了适配器接头配置有电子仪器以在井眼内执行某种功能之外，该电子仪器比如为信号调制解调器；
图3为形成钻柱的有线钻杆(WDP)节管的局部剖视的详细正视图；
图4为根据图3的与另一管件的阳螺纹端结合的WDP节管的阴螺纹端的局部剖视的详细正视图；
图5为图4所示的阴螺纹端和阳螺纹端在钻柱内结合(即连接)后的详细截面图；
图6为根据本发明的一方面应用在遥测系统中的电感旋转耦合器的剖面图；
图7A为根据本发明的一方面的地面通信线路的示意图；
图7B为根据本发明的另一方面的井下通信线路的示意图；
图8为根据本发明的一方面具有遥测系统的钻柱的正视图，该遥测系统包括管道通信线路、电缆通信线路、和无线通信线路；以及
图9为根据本发明的一方面的井下钻井方法的判定流程图；
图10为根据本发明的一方面的井下钻井方法的判定流程图。
具体实施方式
图1A描述了使用依据本发明的一方面的遥测系统100的钻柱6。钻柱6包括相互连接的管件(下面进行详细描述)，该管件借助游车(未示出)和大钩18而悬挂于井架和平台组件10。钻柱6的上端由方钻杆17、钻柱上的最上部的管件所限定，其由包括旋转方钻杆和整个钻柱6的转盘16的常规扭矩施加装置接合。旋转接头19将大钩18与方钻杆17相连，并可以相对于大钩旋转方钻杆和钻柱6。
钻柱的下端由钻穿地层F以产生井眼7的钻头15所限定。钻头被连接以与在上述的旋转钻井结构中的钻柱6一起旋转。
另外，钻柱6还可以使用“顶部驱动”结构(也是众所周知的)，其中动力旋转接头旋转钻柱，而不是方钻杆和转盘旋转钻柱。本领域的技术人员可以理解，“滑动”钻井操作还可以利用公知的Moineau型泥浆马达而进行，该马达将从泥浆池向下泵入穿过钻柱6的钻井泥浆的液压能转化为旋转钻头的转矩。还可以通过相关领域公知的“旋转控制”系统来进行钻井操作。本发明的各个方面适于这些结构的每一种结构，并不局限于旋转钻井操作，尽管为了解释的目的，这里将对这些设备和方法进行描述。
现在参看图1A-1C和图2A，钻柱遥测系统100包括具有至少在钻柱内的两个分隔开的适配器接头(adpter sub)(例如9a，9b，9c)的电缆通信线路5b和在它们之间传输信号的连接两个适配器接头9a、9b的电缆112。特别参看图2A-2B，电缆通信线路5b的每一适配器接头(仅以标记9表示)包括位于其两端中间的通信耦合器114，以及以预定的轴向距离d1同通信耦合器114隔开的内部环形槽116。通信耦合器114是有线连接，以通过电缆115进行通信，并使适配器接头9也作为管道通信线路5a(在下面做进一步的描述)内的部件。
电缆112包括承重的保护皮113和至少一对沿其长度的导线112a和112b。电缆112通过机械连接和通信连接也载有一对分隔开的并通过电缆保护皮113以及通信导线112a、112b而相互顺序连接的基本上圆筒型的接头连接器118。每一接头连接器118具有由电缆导线112a、112b连接的补充通信耦合器(complementingcommunicative coupler)120，和具有至少一个锁销124的锁定爪122，所述的锁销124通过盘簧126而朝外偏斜，以结合一个适配器接头9的环形槽116。本领域的技术人员可以理解，其它公知的用于将电缆传输工具主动地结合到钻柱内的管件的机械装置也可以被有利地使用。比如Huber等的美国专利US5,971,072中所公开的棘爪栓机构，Vneneruso的美国专利US4,901,06中所公开的带键锚固系统，以及其它公知的锁紧装置(如摩擦闸/锁，辊式闸，磁锁定器)。
所述的锁定爪优选使用通过施加一定的力来使其结合和脱离的“棘爪”栓。在结合的情况下，所需的力由电缆112和接头连接器118的重力来提供。在脱离的情况下，所需的力由安装在地面的卡车、拖车或者平台上的电缆装置所施加的电缆112上的牵引力来提供。
锁销124沿着接头连接器118以距离补偿通信耦合器120预定的轴向距离d1分隔开。在这一结构中，当电缆112设置在钻柱内以在适配器接头9内下入一个或多个接头连接器118时，一个接头连接器118的锁销124与一个适配器接头9的环形槽9的结合，使接头连接器的补偿通信耦合器120与一个适配器接头9的通信耦合器114在垂向上对齐，从而在适配器接头9和接头连接器118之间建立通信。以这种方式，信号可以在电缆112与包含适配器接头9的钻柱6之间进行传输。通信耦合器114和补偿通信耦合器120优选为电感耦合器，该耦合器是本领域所公知的(也可以参看下面的相关描述)。
本领域的技术人员和受益于本公开的技术人员可以理解，通过仅仅使用电缆112的被动的定位也能形成有效的通信。换句话说，使用将接头连接器118定位在适配器接头9内的主动的锁紧装置不是本发明的必要特征，尽管优选使用这种装置。
图2B示出了设有电子仪器组件119以执行一个或多个功能的接头连接器118，所述功能比如为转换、信号放大、阻抗匹配、或者信号调制/解调。
现在特别参看图1B，电缆通信线路5b可有利地用在钻柱6内，在钻柱内，多个WDP节管8在两个适配器接头9a、9b之间的钻柱内相互连接，以形成管道通信线路5a。在该应用中，电缆通信线路5b形成了可替换的管道通信线路5a的通路，以通过钻柱6传输信号。因而，当管道通信系统(即WDP系统)内的故障出现在WDP节管8f处时，钻柱遥测通过形成这里所描述的电缆通信线路5b而得以维持。
图1C示出了有利地用在钻柱内的电缆通信线路5b，在钻柱内，钻柱6的无线段NW设置在两个适配器接头9a、9b之间。以这种方式，电缆通信线路5b形成了通过钻柱的无线段NW传输信号的通路，从而无线段被转换成电缆段。钻柱的无线段可包括一个或多个标准的(即无线的)钻杆节管4，或者可选择的是，一个或多个无线实用接头，比如钻铤、扶正器、振击器、弯接头等。以这种方式，电缆通信线路(在这里也称作第二通信线路)形成了一“混合”遥测系统。
现在，将对由多个有线钻杆(WDP)接头形成的管道通信线路(在这里也称作第一通信线路)5a进行更加详尽的描述。一种类型的WDP节管，如由Boyle等发明、受让给本发明的受让人的美国专利申请US2002/0193004所公开的WDP节管，使用通信的第一耦合器—优选电感耦合器—以传输穿过WDP节管的信号。根据Boyle等发明的专利申请中的WDP内的电感耦合器包括变压器，该变压器具有由高磁导率、低损耗的材料制成的圆环柱心，所述的材料比如为超透磁合金(其为镍铁合金，用于特别的高初始磁导率和适用于低能级的信号变压器应用)。由多匝绝缘导线构成的线圈缠绕在圆环柱心上以形成环心变压器。在一种结构中，环心变压器由橡胶或其它绝缘材料所密封，并且装配好的变压器凹入到位于钻杆连接处的槽中。
现在转到图3-5，其中示出了WDP节管210，其在阴螺纹端222的各自的端部241或附近和阳螺纹端232的端部234或附近具有通信的第一耦合器221、231。第一电缆214穿过管道213以按照下面将要详细描述的方式连接通信的第一耦合器221、231。
WDP节管210设有加长管状柄211，该管状柄具有轴向筒212、阴螺纹端222、阳螺纹端232、以及从阴螺纹端222延伸到阳螺纹端232的第一电缆214。第一电流回路电感耦合器221(即环心变压器)和相类似的第二电流回路电感耦合器231分别设置在各自的阴螺纹端222和阳螺纹端232。第一电流回路电感耦合器221、第二电流回路电感耦合器231和第一电缆214共同提供穿过每一WDP节管长度的通信管道。在两个WDP节管之间的结合面上的电感耦合器(或者通信连接)220被示为由WDP节管210的第一电感耦合器元件221和来自相邻的管件(其可以是另一个WDP节管，或者上述的适配器接头9a)的第二电流回路电感耦合器元件231’构成。本领域的技术人员可以认识到，在遥测系统100的某些实施例中，电感耦合器元件可以由起类似通信功能的其它装置来代替，比如，Denison的美国专利US4,126,848所公开的直流电接触连接。
图4和图5详尽地描述了图3中的电感耦合器或通信连接220。阴螺纹端222包括内螺纹223和具有第一槽225的环形内接触台肩224，在第一槽225内设有第一环心变压器226。环心变压器226与电缆214连接。同样，相邻的有线管件(如另一个WDP节管或适配器接头9a)的阳螺纹端232’包括外螺纹233’和具有第二槽235’的环形内接触管端234’，在第二槽235’内设有第二环心变压器236’。第二环心变压器236’与相邻的管件9a的第二电缆214’相连接。槽225和235’可以由高导电率、低磁导率的材料(如铜)包覆，以提高电感耦合的效率。
当WDP节管的阴螺纹端222与相邻的管件(如另一个WDP节管或适配器接头9a)的阳螺纹端232’组装在一起时就形成了一个通信连接。图5示出了一部分结合面的截面，其中，一对相对的电感耦合器元件(即环心变压器226、236’)锁接在一起，从而在有效的通信线路内形成一个通信连接。这一截面图还示出了封闭的环形通路240和240’分别包围着环心变压器226和236’，并且管道213和213’形成了用于内部电缆214和214’的通路，所述的电缆连接着两个设置在每一WDP节管两端的电感耦合器元件。
上述的电感耦合器包括形成有双环的电耦合器。双环耦合器利用阳螺纹端和阴螺纹端的内台肩作为电触点。在阳螺纹端和阴螺纹端结合时，内台肩在极限压力下开始结合，以确保阳螺纹端与阴螺纹端之间的电的连续性。利用设置在槽内的环心变压器，在连接的金属内感应出电流。在一定的频率(如100khz)下，这些电流由于皮肤深度效应(skin depth effect)而被限定在槽的表面。阳螺纹端和阴螺纹端构成了各自变压器的第二回路，并且这两个第二回路通过配合的内台肩表面而背对背地连接在一起。
虽然图3-5描述了特定的通信耦合器的类型，本领域的技术人员可以理解，各种耦合器都可以用于穿过相互连接的管件的信号的通信。例如，该系统可包含如Hall申请的国际专利申请WO02/06716所描述的磁耦合器。也可预见其它系统和/或耦合器。
为了简明起见，在图3中，适配器接头9a、9b之间的分隔被示为仅一节WDP，也就是30英尺(9.144m)。然而，本领域的技术人员可以理解，这样的分隔常常被限定为多个相互连接的WDP节管，并且在一个实施例中，其长度接近1000英尺(304.8m)。一串这种长度的WDP节管被认为在不需要中继器接头或增强器接头来增强穿越很长距离的通信信号的情况下可进行工作，但是本发明能够很好的适用于并试图使用这些所需的中继器。除了适配器接头可具有不同于标准的30英尺(9.44m)接头长度的长度-尤其是将长度缩短为3英尺(0.914m)之外-以及除了适配器接头适于按照上面参照附图2A和2B所描述的与第二电缆112结合之外，适配器接头本身很类似于这里所述的WDP节管。此外，设置在钻柱内的测试工具M，如MWD工具和LWD工具，也可以具有与适配器接头相同的功能，使电缆如电缆112(如下所述)直接连接到一个或多个测试工具M。
至少在各自的阳螺纹端232′的端部234′和阴螺纹端222’的端部241′处或者其附近，图3中的每一适配器接头9a、9b具有通信的第二耦合器231′、221′。适配器接头适用于连接设置在钻柱6内的第二电缆112，以便第二电缆112连接该对适配器接头以形成第二通信线路5b，如上所述。其意图是，仅仅按照需要来形成第二通信线路，比如为了“跳过”或绕过第一通信线路内的故障，或者为了在什么也不存在的一部分钻柱内形成通信线路。
因此，图2A-B所示的本发明遥测系统的实施例中，一个适配器接头9连接在钻柱6内的两个WDP节管8之间，因而一部分由相互连接的WDP节管(并包括适配器接头9)所限定的第一通信线路5a可被由电缆有线适配器接头所限定的第二通信线路5b绕过。可选择的是，一个适配器接头9可连接在一个WDP节管与钻柱的无线段之间(参看如图1C)，从而钻柱的无线段可通过第二通信线路而被转换成电缆段。在可选择的实施例中，钻柱的无线段可包括一节或多节无线钻杆节管和/或无线实用接头。
本发明的有创造性的遥测系统试图使用多个优选在钻柱内以上述的1000英尺(304.8m)的分隔间距设置的适配器接头9(即不仅仅是两个)。每一适配器接头9适用于连接设置在钻柱内6的第二电缆112，如上参照附图2A-B所进行的描述。以这种方式，分隔开的适配器接头具有两个作用：(1)由WDP节管所限定的第一通信线路5a内的管道；以及(2)在需要的时候作为适于绕过或跳过如一个或多个有故障的第一通信线路5a内的WDP节管的“跨接器”(“jumper”)。
在最主要的实施例中(参看图1A)，遥测系统100还包括一个或多个设置在钻柱6下段的称为底部钻具组合(BHA)200的测试工具M。其还可以包括用于处理由测试工具M所获得的处理数据的地面计算机2，以及设置在钻柱的上段(方钻杆17的上方)内或上方的用于与地面计算机2进行通信的第一通信接头70。第一通信接头70也被称作地面通信接头，其还通过本领域所公知的连接方式与第一通信线路5a和第二通信线路5b进行通信。遥测系统100还包括设置于钻柱6的下段、刚好在BHA200上方的第二通信接头80，该通信接头还被称作井下通信接头，用于与(至少)测试工具M进行通信。第一通信线路5a具有至少一部分在井下通信接头80和地面通信接头70之间的有效的通信连接。第二电缆112可设置在钻柱6内并连接穿过一对适配器接头9，从而形成被连接用于与第一通信线路5a进行通信的第二通信线路5b(或者它的一部分)。因此，第二通信线路5b具有至少一部分在井下通信接头80与地面通信接头70之间的有效的通信连接，比如用于绕过或补充通信线路5a。
在遥测系统的各个实施例中，第一(或地面)通信接头70根据四种结构中的一种结构而设置：在(转盘驱动)钻柱6内的方钻杆17的下方；在(转盘驱动)钻柱6内的方钻杆17的上方；在支承着(顶部驱动)钻柱(未示出)的动力旋转接头的下方；或者在支承着(顶部驱动)钻柱(未示出)的动力旋转接头之内。如果设置在钻柱内方钻杆的上方，第一通信接头可包括滑动环或者旋转变压器，以在旋转钻柱6与遥测系统100的固定地面部件之间传输信号。
除了转盘16和旋转接头19由支承和旋转钻柱的动力旋转接头替换之外，顶部驱动钻柱类似于图1A所示的转盘驱动钻柱6。
滑动环(也称作电刷接触面)为用于将电流或信号从固定的导线传送到旋转装置的众所周知的电连接器。通常，其包括安装在非旋转部件1(如在旋转接头19内)内的固定石墨或金属触头(电刷)，所述的石墨或金属触头摩擦旋转的金属环(如设置在方钻杆17上部)的外直径。在金属旋转时，电流或信号通过固定电刷传输到形成连接的金属环。如果需要一个以上的电流回路，可沿着旋转轴线层叠设置多个环/电刷组件。
根据旋转回路和固定回路之间的传导，称作旋转变压器的根据电感(变换器作用)的旋转电耦合器具有滑动环和接触电刷的交替。因此，不直接接触对于出现在电感旋转耦合器中的变换器作用是必要的。图6示出了安装在固定壳体1内的固定回路72与安装在方钻杆17上的旋转回路(其包括通信线路5a和/或5b)之间的典型的电感旋转耦合器的简化剖面。变压器绕组包括固定线圈74和旋转线圈76，二者与旋转轴线同轴。任一个都可以用作主线圈，而另一个线圈用作副线圈。固定组件包括变压器铁芯，除铁芯具有限定形状以适于容纳旋转部件的内部77和外部88之外，其类似于常规的电力变压器，并由堆叠的硅铁片或者其它合适的磁性“软”材料制成。中空轴容纳在轴的一端具有连接旋转线圈和旋转回路的导线。
如上所述，钻柱6通常包括设置在钻头15附近的底部钻具组合(BHA)200。BHA200可具有测试、处理和存储信息的能力，以及通过井下通信接头80与地面(如MWD/LWD工具)通信的能力。一种具有阻抗确定能力的测试工具M的示例在美国专利US5,339,037中做了详细的描述。
一种来自BHA200的表示一种或多种测试结果的信号利用井下通信接头80从测试工具M沿着钻柱6向上传输。所述的传输可通过常规的手段，比如泥浆脉冲遥测、电磁遥测、和管道声波遥测来获得，或者更可取的是通过这里所描述的通信线路5a、5b来获得。所传输的信号由地面通信接头70接收，在特定的实施例中，地面通信接头70使用与方钻杆17连接的装置，比如滑动环或旋转变压器1，以在旋转接头19内从旋转回路向固定回路传输信号。变压器的固定回路或者滑动环通过有线连接，比如电缆3，而连接到地面计算机2以进行处理和存储/显示。地面计算机2也与测试工具M通信，并利用合适的直接向下返回到钻柱6的信号控制测试工具M。利用上述的穿过钻柱6的通信线路5a、5b，旋转变压器或滑动环的旋转回路同样连接到井下通信接头80。
图7A示出了具有地面无线通信线路而不是有线耦合器的可替换的遥测系统100a的示意图。遥测系统100a基本上与图1A中的遥测系统100相同，除地面通信接头70a可操作地连接到方钻杆17上，代替具有旋转耦合器或者滑动环的地面通信接头70。在这一实施例中，无线连接3a存在于地面计算机2a和地面通信接头70a之间。利用前述的通信线路5a、5b，地面通信接头70a可操作地连接到井下通信接头80a。
地面通信接头70a包括与第一通信线路5a有线通信的WDP调制解调器315，与WDP调制解调器315有线通信的无线调制解调器325，以及向调制解调器提供电力的电源310。所述的电源可包括一块或多块电池305。
地面通信接头70a优选为短适配器接头，或WDP地面通信接头，其在无线通信线路与管道通信线路(这里也称作第一通信线路)5a之间提供了一个接口。
WDP调制解调器315能够在地面通信接头70a与WDP系统的管道通信线路5a之间通信。无线调制解调器325能够利用无线连接3a在地面通信接头与地面计算机之间通信。WDP调制解调器和无线调制解调器通过高速线路(high-speed link)320可操作地连接起来。地面通信接头70a和地面计算机2a都具有各自的利用无线连接3a能够在它们之间无线地发射和接受信号的无线接收器325t、2t。
图7B示意性地示出了使用本发明的一方面的常规的井下通信接头80a。接头80a包括用于通过管道通信线路5a、5b与地面通信接头70a进行通信的WDP调制解调器95。WDP调制解调器95是有线的，其用于与总线网接口105进行高速通信，该接口又顺次可通信地与BHA200连接。电源90向井下通信接头80a供应电力，并可包括一块或多块电池85。
由图7A和图7B共同表示的遥测系统能够使地面处的无线通信线路(这里也称作第三通信线路)与井眼内的管道和/或电缆通信线路一起使用。
图8示出了遥测系统100b的另一实施例，其中，地面通信接头70b设置在通过转距应用机构进行结合的一部分钻柱下方(如在转盘16的下方)的钻柱内，以与地面计算机2b进行无线通信。地面通信接头70b包括第一无线接收器71，并且遥测系统还包括设置在泥浆池92与井眼之间的泥浆返回管线90内的第二无线接受器91。理想的是接收器91尽可能的靠近钻柱6设置，接收器91沿着泥浆返回管线90放置是不必要的。因此，可替换的位置，比如立管或者套适配器接头附近，可同样有利地使用。第二无线接收器91通过电缆3b与地面计算机2b有线通信。井下通信接头80b以多种方式，包括常规的泥浆脉冲遥测和有线连接—尤其是根据通信线路5a、5b，而与地面通信接头70b进行通信。
本发明还提供有一种使用上述的有优点的遥测系统的井下钻井方法。因此，特别参照附图9并一般的结合其它附图，该方法400包括如下步骤：利用钻柱6钻一井眼(步骤410)，在钻井的同时利用设置在钻柱6内的测试工具M获取井眼数据(步骤430)，并且通过电缆通信线路5b将所获得的井眼数据传输到地面井眼(步骤490)。如上所述，电缆通信线路5b由至少两个设置在钻柱6内的分隔开的适配器接头9和连接适配器接头以在适配器接头之间传输信号(步骤420)的电缆112所限定。
井下钻井方法400还包括通过由多个相互连接的WDP节管8所限定的另一通信线路5a将所获得的井眼数据传输到地面井眼的步骤(步骤440：“是”到步骤450)，以及通过由与相互连接的WDP节管8有线通信的地面通信接头70/70a/70b所限定的第三通信线路将所获得的井眼数据传输到地面井眼的步骤(步骤500)。地面通信接头70/70a/70b将所获得的井眼数据从相互连接的WDP节管8传输到地面计算机2/2a以进行处理，并且为了这一目的可使用一个或多个无线接收器71、91(参考图8)。
一旦第一通信线路5a出现故障(步骤460)，通过使用第二通信线路5b以绕过一部分第一通信线路5a(步骤470)而进行传输步骤490，或者可选择的是，将钻柱的无线段NW转换成电缆段(步骤480)。
WDP系统内故障可通过第一通信线路5a传输一个信号，然后测量信号以测定电压和/或电流、和阻抗而得到确认。通过分析阻抗，可以确定故障的位置。尤其是，阻抗可具有波动或强烈的共振，这就表示出现了故障。所接收的信号还可在时域内被测试。通过显示信号传播的距离，可以分析发射和接收之间的信号延迟以确定故障的位置。这一信息还可以用于确定发生故障WDP节管的数量。
图10以及总体上的其它附图，还以井下钻井方法600的方式示出了本发明另一方面。利用具有多个设置在钻柱内的适配器接头9的钻柱6钻一井眼(步骤610)。钻柱内连续的适配器接头由至少四个相互连接的有线钻杆节管8所分隔。适配器接头9和有线钻杆节管8一起限定了第一通信线路5a(步骤620)。在钻井的同时利用设置在钻柱6内的测试工具M获得井眼数据(步骤630)，将所获得的井眼数据由第一通信线路5a传送到地面井眼(步骤640)。
当探测到第一通信线路5a出现故障(步骤650：是)时，由于不能与测试工具M通信，电缆112设置在钻柱6内以形成第二通信线路5b(步骤660)。电缆112具有一对沿着电缆顺序连接的分隔开的接头连接器118，以建立与相应一对连续的适配器接头9的通信，比如钻柱6内最低的一对适配器接头。以这种方式，通过这种通信形成了第二通信线路5b。换句话说，一对接头连接器118可通信地连接到一对相应的适配器接头9，如这里所作的详细描述。第二通信线路5b绕过了该对连续的适配器接头9之间的相互连接的有线钻杆节管8。
无论由电缆112连接的这对连续的适配器接头9之间的部分钻柱内是否出现故障，之后都会作出一个决定(步骤670)。当确定了这对电缆连接的连续的适配器接头之间的部分钻柱内没有出现故障时(步骤670：否)，电缆在钻柱内移动以建立在该对接头连接器与其它相应对连续的适配器接头之间的通信，直到故障的位置得到确定。可优选的是，电缆移动以便绕过连续的适配器接头9之间的每一串连续的相互连接的有线钻杆节管。一旦故障得到确定，比如通过测试信号的不成功的返回，在起下钻柱6期间，通过更换有线钻杆的有故障的节管8而将故障排除(步骤690)。