用於鑽井構造的聲學位置測量系統的製作方法
2023-05-22 15:37:46
專利名稱：用於鑽井構造的聲學位置測量系統的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及鑽井構造領域，尤其涉及用於鑽井構造的聲學位置測量系統。
背景技術：
各種行業都要求形成地下鑽井，諸如採礦、液態與氣態油氣提取、取水和勘探各類其它礦物資源或地下結構特徵。
在鑽井的任一方面，其所需的朝向可能為垂直、水平或任一其它朝向，以實現事故發生時所需的鑽具定位。另外，事故情況可能要求鑽井保留在特定「目標」地質構造如巖層、煤層或其它界定地下結構的一個或多個邊界內和/或與之對準。在這些情況下、必須檢測與目標構造和相鄰構造之間邊界的距離，以便引導鑽井過程，把鑽井保持在目標構造內。
鑽井一般由鑽機形成，鑽機轉動鑽具組而轉動鑽具組遠端的鑽頭；或者只轉動鑽具組以改變鑽井方向，在這些情況下，鑽頭例如由位於或靠近鑽具組端部的水力或電力馬達部件提供動力。鑽具組還可以包括一彎頭部件，以便於操縱和/或另外轉動鑽頭。
發明內容
本發明提供一種用於鑽井構造的聲學位置測量系統，它明顯消除或減少了至少某些與先前用於鑽井構造位置測量系統的系統有關的缺點與問題。
根據本發明一特定實施例，聲學位置測量系統包括一聲學發射機，它能把聲波發入目標構造裡的地下鑽井。聲波配置成從靠近目標構造的邊界構造部分反射回來，反射的聲波包含從邊界反射的聲波。該系統包括一能接收反射聲波的聲學接收機，還包括與聲學接收機電耦合的電子裝置部分。該電子裝置部分能處理反射的聲波，並根據反射聲波的一個或多個特徵產生數據輸出，指明聲學位置測量系統相對於目標構造邊界的位置。
根據另一實施例，一種應用聲學位置測量系統確定鑽件所需位置的方法，包括用聲學發射機把聲波發入目標構造中的地下鑽井。聲波從接近目標構造的邊界構造反射。該方法包括用聲學接收機接收從鑽井的反射的聲波。該反射的聲波包含從邊界構造反射的聲波。本方法還包括用耦合到聲學接收機的電子裝置部分處理反射的聲波，並用該電子裝置部分根據反射聲波的某一特徵產生數據輸出，該數據輸出指明該聲學位置測量系統在目標構造中的位置。
本發明諸特定實施例的技術優點包括一用於鑽井構造的聲學位置測量系統，它用聲學技術發送和接收聲波，以確定鑽頭在形成鑽井期間在目標構造內的位置，結果可在目標構造內保持水平或其它延長的鑽井，避免滲入鄰近的構造。因而可減少形成鑽井所需的時間與費用。另通過把鑽井精心地定位在目標構造的有利部分內，顯著地增強了鑽井提取所需材料的能力。
本發明諸特定實施例的另一技術優點包括一用於鑽井構造的聲學位置測量系統，它可以處理收到的地下聲波，以確定該系統在目標構造內的位置。在該實施例中，該位置測量系統可測定和傳送鑽探系統與地面的相對位置，或者若系統位置小於離邊界的規定距離，可傳送報警，因而無須在地面上用附加的元件和資源來處理收到的聲波，可用低帶寬鏈路與地面通信。
本領域的技術人員通過下面的附圖、描述和如權利要求，很容易明白其它技術優點。另外，雖然上面列舉了諸特定優點，但諸實施例可以包括所有、部分或不包括列舉的優點。
附圖簡介為了更全面地理解本發明諸特定實施例及其優點，現在參照以下結合附圖所作的描述，其中
圖1示出本發明一實施例對煤層或其它目標構造作導向鑽探的系統；圖2示出本發明一實施例配備聲學發射機與聲學接收機的聲學位置測量系統；圖3示出本發明一實施例的聲學位置測量系統的電子設備部件；圖4示出本發明一實施例的聲學位置測量系統的極距圖；和圖5示出本發明一實施例的一例方法，用於利用聲學位置測量系統測定鑽探件的期望位置。
發明的詳細描述圖1示出本發明一實施例的系統10，用於在定界的地質構造和其它合適的構造內作導向鑽探。本例的構造為厚度不足10英尺的煤層。可以理解，本發明適用於鑽探其它合適的構造、斜坡和/或其它合適厚度的構造。
系統10包括地面的旋轉鑽機或其它合適的鑽機和從鑽機伸出的鑽具組12，鑽機轉動或控制鑽具組12形成鑽井18。在一實施例中，鑽具組12包括旋轉錐形鑽頭20，鑽具組12旋轉時，鑽頭20鑽入地下煤層26而形成鑽井18。期望的鑽井取向一般平行於被鑽構造的邊界。鑽具組12包括彎道/馬達部件14，在鑽探液循環時轉動鑽頭20。鑽探液沿鑽具組20泵運，排出鑽頭20的噴口，向馬達提供動力並潤滑鑽頭20，清除構造鑽屑，在鑽井18內提供流體靜壓水頭。
鑽具組12還包括傳感器部件22和發射機部件15，後者包括各種幫助鑽探的電子器件。在一特定實施例中，傳感器部件包括測量與鑽探(MWD)器件、一個或多個記錄工具和一聲學位置測量系統23。傳感器部件22和發射機部件15由一個或多個本機電池組或產生的動力或來自地面的電纜供電。傳感器部件22和發射機部件15及其諸元件，通過合適的電纜和/或無線鏈路諸如鑽井泥漿(mud)脈衝或射頻與地面通信。發射機15把傳感器件22收集、產生或處理的信息傳到地面。在諸特定實施例中，傳感器部件22能把此類信息傳到地面。
在圖示實施例中，在煤層26中鑽出鑽井18，煤層26以上下邊界層28與29為界，上下邊界層28與29可能是砂石、頁巖、灰石或其它合適的巖石和/或礦層。
圖2詳細示出本發明一實施例的傳感器部件22的聲學位置測量系統23。如下面所詳述的，聲學位置測量系統23提供定位反饋，使操作員或鑽探制導系統可使鑽具組12保持在煤層26內期望的位置和/或防止鑽具組12離開煤層26。
參照圖2，聲學位置測量系統23包括聲學發射機34、聲學換能器接收機32和電子裝置36。發射機34用各種方式裝在和/或位於傳感器部件22上，如在諸實施例中，發射機34與傳感器部件22齊平安裝。如圖所示，發射機34也可在傳感器部件22上對準成行，或者直線間隔或圍繞傳感器部件22周邊交錯排列。發射機34能把聲波發入傳感器件22周邊交錯排列。發射機34能把聲波發入傳感器部件22周圍的鑽井壁內，可以每秒、每隔幾秒多次發射聲波。若鑽具組12在聲波連發之間旋轉，聲波最終將沿傳感器部件22四周方向傳播(繞聲學位置測量系統23成360度)。聲波發射間隔取決於鑽具組12的轉速，發射機34發射的聲波的頻率與聲音鑽井記錄使用的頻率相似，舉個例說，可以使用頻率為1.0赫～2.0兆赫的聲波。聲波應在鑽探環境中可以辨別，在構造中傳播良好，在邊界層提供最大或合適幅值的反射信號。在注重高分辨度的場合，可使用更高的頻率。在有些實施例中，發射機用機械方法發射聲波。這裡的「聲波」包括一種或多種聲波。
聲學位置測量系統23的接收機32在圖示實施例中齊平地裝在傳感器部件30上，但其它實施例包括以其它方式裝在傳感器部件30上的接收機32。如前面對發射機34討論的那樣，接收機32可以對準成行，在鑽具組12轉動期間接收從圍繞聲學位置測量系統23所有方向反射的聲波。在諸實施例中，各接收機32的間距可以是發射機34產生的聲波波長的幾分之一或幾倍(如波長的一半)。有些實施例應用壓電或其它合適的技術，一般把聲學位置測量系統23的接收機32與發射機34組合起來。發射機34發射的聲波從煤層或其它目標構造的邊界(如圖1中煤層26的上下邊界28與29)反射，接收機32接收從鑽井18內反射的聲波。
接收機32和發射機34各自與電子裝置36電耦合。這裡的「各自」指至少一個分組物件中的任一物件。電子裝置36控制發射機34把聲信號發入鑽井18並處理反射的或返回的信號，以提供系統在鑽井內的定位信息。在一實施例中，定位信息可以是聲學位置測量系統23與某一邊界諸如下面要詳述的圖1中煤層26上下邊界28或29的距離。在另一實施例中，定位信息可以是該系統是否在規定的邊界範圍內，諸如一、二英尺範圍內。
電子裝置36組合使用模擬信號放大與濾波和數位訊號處理(DSP)或其它技術作這種測定，因而可包括在媒體中編碼的邏輯，諸如執行編程指令的編程任務。媒體可以是存貯媒體、通用處理器、數位訊號處理器、ASIC、FPGA等。電子裝置36還可計算或處理其它數據，這有助於測定聲學位置測量系統23與特定邊界的距離。電子裝置36還可把原始數據發到地面作處理。
圖3示出本發明一實施例用於處理反射的聲波的電子裝置36，包括放大器54、移相器56、組合器58、放大器60、帶通濾波器62、定向傳感器38、計時器40、處理器64和通信埠66。
接收機32接收反射的聲波連同鑽井18裡出現的其它聲學噪聲。組合的反射聲波加任何收到的聲學噪聲經放大器54放大，傳到移相器56，移相器56對接收機32收到的聲波引入已知的相移量。這一過程能幫助接收機32最大程度地接收需要的信號而減少接收收到的不需要的噪聲。
舉例說，從圖1中煤層26邊界28或29反射的聲波，以收到的聲波主要正弦分量的不同相位角到達各接收機32。當反射的聲波到達接收機32a時，波的主要正弦分量與它到達接收32b時處於不同的相位(對接收機32c也一樣)。因此，為使所有反射的聲波進入同一相位角，移相器56把已知的相移量引入其各自接收機所收到的波的主要正弦分量裡。
移相器56a把一定相移量引入接收機32a接收的所需聲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機32b接收的聲波的主要正弦分量中，使接收機32a和32b接收的聲波成為同相。相應地，移相器56c把不同的相移量引入由接收機32c接收的聲波的主要正弦分量中，使波的主要正弦分量進入聲波被移相器56a和56b移相的主要正弦分量的相位。移相器56引入的相移量之差與聲學位置測量系統23的各別接收機32之間的距離有關。引入相移能增強對反射聲波的主要正弦分量的接收能力，因為各接收機接收的波現在與其它接收機接收的波處於同相，因而增大了反射聲波諸主要正弦分量之和的幅值。應該理解，為了使收到的波的每個主要正弦分量都進入同相，一個或多個移相器56可以不必對其各自的接收機32接收的反射聲波都引入相移。
在由各個接收機接收的聲波加噪聲通過放大器54和移相器56之後，組合器58把它們組合成一個信號，再由放大器60放大該組合信號。帶通濾波器(BPF)62濾除接收機32拾取的不需要的頻率和/或噪聲，這些不需要的頻率一般都是不同於發射機34所發射的聲波主要正弦分量頻率的頻率。BPF62可以設置成只通過這些需要的頻率，儘量衰減其它頻率。
也可用其它技術或設備來減小或濾除接收機32接收的不需要的噪聲，例如BPF的功能可以這樣來實現在模/數轉換器中對信號數位化，然後在數位訊號處理器中運用眾所周知的方法對得到的數據流作數字濾波。另舉一例，為了減少鑽井裡不希望的噪聲，在測量系統工作時，可以減慢或停止鑽具組轉動。鑽頭也可從鑽探地面倒退。另可減慢或停止鑽探液循環，以減少不希望的噪聲。
信號通過BPF62後，電子裝置的處理器64根據發射聲波與接收被接收機32接收的反射聲波之間所花的時間量，計算聲學位置測量系統23到目標構造邊界(如圖1中煤層26的邊界28)的距離。這種距離是該時間量的一半與發射和反射的聲波通過其運行的地下材料的平均聲音傳播速度的乘積。
接收機32接收的反射聲波的幅值，部分與通過聲波的材料和聲波反射的邊界構造的聲學衰減特性有關。另外，在構造邊界反射的發射能量部分是目標構造同構成邊界構造的相鄰構造的密度差的直接函數，例如直接構成煤層邊界的材料(即頁巖、砂石、石灰石等)，其密度約為水密度的2.6～2.8倍，而煤層內的密度約為水密度的1.4倍，因而這兩個區域的密度比約為2∶1。
這些材料隨聲頻變化的任一聲學特性，還有助於選擇被聲學位置測量系統諸發射機發射的聲波的頻率。這種頻率的選擇，例如可以以儘量最小化發射機34所發射的聲波主要正弦分量的聲學衰減為基礎。
定向傳感器38為聲學位置測量系統23確定定向參考位置，這一測定可以是例如聲學位置測量系統23或接收機32在特定時刻的旋轉位置(由局部重力垂線測得的度數)。定向傳感器38還確定其它定向位置，諸如其它實施例中聲學位置測量系統23的傾斜度。該信息連同電子裝置36測定的距離信息都可傳給地面操作員，這種通信可用電纜、鑽井泥漿(mud)脈衝、電磁脈衝或本領域技術人員已知的其它技術實現，也可用圖1所示的獨立的發射機部件15實現。在有些實施例中，定向傳感器38可包含在與傳感器部件22分開的鑽具組部件12裡。
計時器40能在特定時刻激勵與去激發射機34和放大器54，以儘量最少化接收噪聲或虛假信號和/或避免發射機34、放大器54和電子裝置部分36其它元件可能的電飽和或燒壞。如在發射聲波時，計時器40可在一時窗期內和之後去激放大器54，接著在預期聲波從圖1的煤層26邊界28或29反射後被接收的時窗內激勵放大器54。這一過程能減少放大和處理其它周圍巖層反射的聲波的可能性，還能減少放大器54和電子裝置部分36其它元件因放大和處理來自鑽井內不需要的聲波或噪聲而發生電飽和和/或燒壞的可能性。
處理器64把它產生的距離信息與定向傳感器38產生的定向信息組合起來，這種信息經通信埠66傳給操作員或自動化鑽探制導系統。該信息能使操作員或自動化鑽探制導系統把鑽具組保持在目標構造內期望的相對位置，例如若操作員或自動化鑽探制導系統接收的距離與定向信息表明鑽具組比預期的更接近目標構造邊界，則操作員或自動化鑽探制導系統就沿另一方向引導鑽具組，使它保持在目標構造中央。
能以任一方法向地面操作員顯示距離與定向信息。一例這樣的顯示是示出兩個數字的模擬顯示，一個數字代表聲學位置測量系統23的接收機32的轉動位置，另一數字代表接收機32在該轉動位置到目標構造邊界的距離。操作員用該信息操縱鑽探件，以保持在煤層內的中心位置。聲學位置測量系統的定向信息(即旋轉與傾斜位置)與距離信息和聲學位置測量系統與鑽頭之間的距離相結合，以確定鑽頭離煤層某一特定邊界有多遠。當聲學位置測量系統位於煤層邊界一定範圍內時，電子裝置36還可向地面發信號。電子裝置36還可以確定並指示該聲學位置測量系統正在逼近的邊界構造。
定向與距離信息還可用來繪製周圍巖層的極距圖。圖4示出本發明一實施例的極距圖70。電子裝置36或其它設備也可根據電子裝置36提供的距離信息和定向傳感器38提供的定向信息繪製這種圖。極距圖可以不斷地實時更新，可在地下繪製，可在地面的目視顯示器諸如計算機顯示器上顯示。
參照圖4，極距圖70示出從鑽具組的聲學位置測量系統沿一個方向到目標構造邊界最近點(PCA)和沿相反方向到目標構造邊界PCA74的距離。若希望相對於以極距圖70為基礎的方面保持目標構造內的中心位置，則操作員或自動化鑽探制導系統需要圖示的對稱型極距圖70(如與PCA72和PCA74接近等距離)。若極距圖示出到一個PCA的距離小於到另一PCA的距離，為使鑽具定位在煤層中心，操作員或自動化鑽探制導系統可操縱鑽具組離開更接近鑽具組的PCA所表示的方向。
圖5示出本發明一實施例的一例方法，可用聲學位置確定系統測定鑽探件期望的位置。該方法在步驟100開始，用聲學發射機把聲波發入一目標構造，諸如一煤層。聲波從接近目標構造的邊界構造諸如圖1的邊界層28與29反射。諸實施例包括用多臺聲學發射機發射多個聲波。步驟102包括用聲學接收機接收反射的聲波，反射的聲波包括步驟100發射的聲波從該邊界構造的反射。諸實施例包括用多臺聲學接收機接收多個反射的聲波。
步驟104包括用耦接聲學接收機的電子裝置部分處理反射的聲波。這種處理可包括用耦合到聲學接收機的放大器放大反射的聲波。計時器在規定的時間對發射聲波後的規定持續時間改變該放大器的功能，以防放大器被發射的波和「近場」回波飽和，另可減少輸入放大器的噪聲能量。在用多臺聲學接收機接收多個反射聲波的諸實施例中，該方法包括用電子裝置部分對至少一個反射聲波的主要正弦分量作移相，使各反射聲波的主要正弦分量對準其它反射聲波的主要正弦分量。電子裝置部分的一個或多個移相器可實現這種相移。在有些實施例中，諸發射的聲波經組合而生成一信號，該信號在放大之前和/或之後還可用帶通濾波器、數位訊號處理和/或其它方法濾波，以便儘量最小化接收帶外噪聲能量。
步驟106包括基於反射的聲波產生數據輸出，以便指示聲學位置測量系統在目標構造中的位置，諸如該聲學位置測量系統與邊界構造的距離。諸特定實施例包括用定向傳感器檢測該系統的定向位置，此時數據輸出可包括從系統到邊界構造的定向位置和距離。步驟108包括向地面設備傳送數據輸出，這種傳送可通過合適的電纜和/或無線鏈路實現，諸如鑽探液壓脈動或電磁發射。
雖已詳細描述了本發明，但可向本領域的技術人員提出各種變化和修正，因此本發明包括落在所附如權利要求範圍內的這些變化和修正。
權利要求
1.一種聲學位置測量系統，其特徵在於包括能把聲波發射入目標構造內地下鑽井的聲學發射機，聲波配置成從接近目標構造的邊界構造反射；能接收反射的聲波的聲學接收機，反射的聲波包含從邊界構造反射的聲波；和電氣耦合到聲學接收機的電子裝置部分，它能處理反射的聲波；和基於反射的聲波的特徵產生數據輸出，指示聲學位置測量系統在目標構造內的位置。
2.如權利要求1所述的聲學位置測量系統，其中數據輸出包括聲學位置測量系統到邊界構造的距離。
3.如權利要求1所述的聲學位置測量系統，其特徵在於，電子裝置部分還包括能向地面設備傳送數據輸出的發射機。
4.如權利要求1所述的聲學位置測量系統，其中電子裝置部分包括一放大器，而處理反射的聲波包括放大該反射的聲波。
5.如權利要求1所述的聲學位置測量系統，其特徵在於還包括能接收多個反射的聲波的多臺聲學接收機，其中多臺聲學接收機耦合到電子裝置部分，而且該電子裝置部分還能對至少一個反射的聲波的主要正弦分量作移相，使各反射的聲波的主要正弦分量對準其它反射的聲波的主要正弦分量；和基於反射的聲波產生數據輸出。
6.如權利要求5所述的聲學位置測量系統，其特徵在於還包括一能組合反射的聲波而產生一信號的組合器，其中數據輸出以所述信號為基礎。
7.如權利要求6所述的聲學位置測量系統，其特徵在於還包括一能對所述信號濾波以阻斷帶外聲波的帶通濾波器。
8.如權利要求1所述的聲學位置測量系統，其特徵在於還包括一能檢測聲學位置測量系統的定向位置的定向傳感器，其中數據輸出包括定向位置、從聲學位置測量系統到邊界構造的距離和系統是否位於規定的邊界構造範圍內的指示。
9.如權利要求8所述的聲學位置測量系統，其中若所述系統位於規定的範圍內，電子裝置部分還能產生一報警並傳給地面設備。
10.如權利要求4所述的聲學位置測量系統，其特徵在於還包括一計時器，它在發射聲波後在規定的時刻能激勵接收機的放大器達規定的持續時間。
11.一種用聲學位置測量系統對鑽探件確定期望的位置的方法，其特徵在於包括用聲學發射機把聲波發射入目標構造內的地下鑽井，其中聲波從接近目標構造的邊界構造反射；用聲學接收機接收從鑽井內反射的聲波，其中反射的聲波包含從邊界構造反射的聲波；用耦合到聲學接收機的電子裝置部分處理反射的聲波；和根據反射的聲波用電子裝置部分產生數據輸出，所述數據輸出指示聲學位置測量系統在目標構造內的位置。
12.如權利要求11所述的方法，其中數據輸出包含從聲學位置測量系統到邊界構造的距離。
13.如權利要求11所述的方法，其特徵在於還包括用發射機向地面設備傳送數據輸出。
14.如權利要求11所述的方法，其中處理反射的聲波包括用耦合到聲學接收機的放大器放大反射的聲波。
15.如權利要求11所述的方法，其特徵在於還包括用多臺聲學接收機接收多個反射的聲波；用電子裝置部分對至少一個反射的聲波的主要正弦分量作移相，使各反射的聲波的主要正弦分量對準其它反射的聲波的主要正弦分量；和基於反射的聲波用電子裝置部分產生數據輸出。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於還包括組合反射的聲波而產生一信號，其中數據輸出以所述信號為基準。
17.如權利要求16所述的方法，其特徵在於還包括用帶通濾波器對所述信號濾波以阻斷帶外聲波。
18.如權利要求11所述的方法，其特徵在於還包括用定向傳感器檢測聲學位置測量系統的定向位置，其中數據輸出包括定向位置和從聲學位置測量系統到邊界構造的距離以及所述系統是否位於規定的邊界構造範圍的指示。
19.如權利要求18所述的方法，其特徵在於還包括若所述系統位於規定的範圍內，就產生一報警並傳給地面設備。
20.如權利要求14所述的方法，其特徵在於還包括在發射聲波後的規定時刻用計時器激勵放大器並持續規定的時間。
21.一種用聲學位置測量系統對鑽探件測定期望的位置的方法，其特徵在於包括用聲學發射機把聲波發射入目標構造內的地下鑽井，其中聲波從接近目標構造的邊界構造反射；用聲學接收機接收從鑽井內反射的聲波，其中反射的聲波包含從邊界構造反射的聲波；和其中反射的聲波指示聲學位置測量系統在目標構造內的位置。
22.一種聲學位置測量系統，其特徵在於包括多臺聲學發射機，每臺都能把聲波發射入目標構造內的地下鑽井，聲波配置成從接近目標構造的邊界構造反射；多臺聲學接收機，每臺都能接收反射的聲波，反射的聲波包含從邊界構造反射的聲波；電氣耦合到各聲學接收機的電子裝置部分，它能放大每個反射的聲波；對至少一個反射的聲波的主要正弦分量作移相，使各反射的聲波的主要正弦分量對準其它反射的聲波的主要正弦分量；組合反射的聲波而產生一信號；對所述信號作濾波以阻斷具有不需要頻率的聲波；檢測聲學位置測量系統的定向位置；根據所述信號產生數據輸出，其中數據輸出指示聲學位置測量系統在目標構造的位置；和把數據輸出傳給地面設備。
全文摘要
一種聲學位置測量系統(23)與方法，包括能把聲波發射入目標構造(26)內地下鑽井(18)的聲學發射機，聲波配置成從接近目標構造的邊界構造(28、29)反射。該系統包括能接收反射的聲波的聲學接收機。反射的聲波包含從邊界構造反射的聲波。系統還包括電氣耦合到聲學接收機的電子裝置部分，它能處理反射的聲波，並基於反射的聲波的特徵產生數據輸出，指示聲學位置測量系統在目標構造內的位置。
文檔編號E21B47/026GK1633543SQ03804051
公開日2005年6月29日 申請日期2003年2月18日 優先權日2002年2月19日
發明者J·A·祖帕尼克, M·H·裡愛爾, R·M·老羅克德 申請人:Cdx天然氣有限公司