采用高基数相移键控的低频电磁遥测系统技术方案

本文介绍了一种数据速率得到提高的电磁遥测系统。在一个实施例中，使用了一个ＰＳＫ数据传输系统来传输井下电磁遥测系统的数据，其中井下电磁遥测系统用于边钻井边测量（ＭＷＤ）的应用。ＭＷＤ应用现在越来越受到数据速率的束缚，因为其难以适应不断增加的需传输的数据量。提高数据速率的一种方法是增加载波频率，但这又会导致令人不快的信号衰减和失真。相反，降低载波频率虽然有信号较强的好处，但又会带来信号混叠的风险，尤其是对宽带宽的信号而言。本文则公开了，实际上可以在增加相位状态数的同时降低频率，以获得较高的数据速率，而又不会影响带宽。所公开的系统和方法可很好地提供一个强大、低功率而且数据速率得到提高的电磁遥测系统。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地层计测(formation logging)技术。更为确切地说，本专利技术涉及用于将数据由井下钻井设备(downhole drilling assembly)传输到井的表面的遥测系统。
技术介绍
现代石油钻采操作需要大量有关井下参数与条件的信息。这些信息主要包括井筒(wellbore)所横跨的地层(earth formation)的特征，以及有关钻孔(borehole)本身的大小和配置的数据。有关井下条件的信息的收集通常称为“计测(logging)”，这项工作可以通过多种方法完成。在传统油井的导线计测中，当部分或全部油井钻成时，会将一个带有地层(formation)传感器的探测器或“探针”放到井筒中，用来确定井筒所穿过的地层的某些特征。探针的上端连接着一根导线，其将探针悬挂在钻孔中。电源通过这条导线传输给探针中的传感器和仪器。类似地，探针中的仪器通过导线传输电信号，将信息传递到地表。通过导线获取井下测量数据(measurement)的一个问题是，在获取需要的井下信息前，必须将钻井设备移走或从钻孔中“取出(tripped)”。这既要费时间，又要费金钱，在油井的大部分已经钻成的情况下更是如此。在这种情况下，需要移走数千英尺的管子，并堆放在栈桥上(如果是海上的话)。通常，钻机都是以不菲的价格以日为计时单位租来的。因此，钻井的花费与完成钻井过程所需的时间直接成正比。采纳移走数千英尺的管子以插入导线计测工具的建议的代价将是非常昂贵的。因此，现在越来越重视钻井过程中的数据收集。钻井过程中的数据收集和处理使得人们不再需要移走或取出钻井设备以插入导线计测工具。这就使得钻井机根据需要进行精确的修改或修正，以取得更好的性能，同时又能减少停工时间。测量井下条件的设计包括钻井设备的移动与定位以及同时期进行钻井，这现在称为“边钻井边测量”技术，或简称为“MWD”。与之类似但更关注测量地层参数的技术则通常称为“边钻井边计测”，或简称为“LWD”。虽然MWD和LWD之间可能存在差别，二者还是经常替换使用。为了公开的目的，本文使用了更适合所述内容的术语MWD，但要了解，此处此术语包含地层参数收集以及有关钻井设备的移动和定位信息的收集的双重意义。在钻油井或其他钻孔时，通常必要或者希望确定钻头及井下马达的方向及倾角，以使钻井设备可以牵引(steer)到正确的方向。另外，还需要有有关所钻地层(strata)性质的信息，例如地层的电阻率(resistivity)、孔隙率(porosity)、密度以及伽马辐射量。此外还需要了解其他井下参数，例如钻孔基部的温度和压力。一旦在钻孔底部收集到这些信息，就需要传递到地表，供钻井机使用和分析。传感器或感测器通常位于MWD系统的钻杆柱中较低的一端。通常，MWD应用中使用的井下传感器放置在钻头旁边的圆柱钻铤(drillcollar)中。在钻井的过程中，这些传感器会持续或间歇地监测预先确定的钻井参数和地层数据，并使用某种形式的遥测技术将这些信息传输到地表检测器。在现有
中有许多种遥测系统，其试图将有关井下参数的信息传输到地表，而不需要使用导线工具。在MWD应用中广泛使用的遥测系统就是泥浆脉冲系统。遥测泥浆脉冲系统会在钻井液(有时称为“泥浆”)中创建“声”压信号，在钻井操作过程中，这些钻井液在压力的作用下流过钻杆柱。由井下传感器获得的信息是通过对泥浆流的压力脉冲的形成进行合理的定时而传输的。这些信息由地表的压力感测器和计算机进行接收和解码。在泥浆压力脉冲系统中，钻杆柱中的钻井泥浆压力是通过一种阀门和控制机制进行调制的，这种机制通常命名为脉冲发生器或泥浆脉冲发生器。这种脉冲发生器通常安装在钻头上的一个特制的钻铤上。生成的压力脉冲在泥浆中以声速穿过钻杆柱内的泥浆柱。取决于所用的钻井液的类型，压力脉冲的速度也可以大约介于3000～5000英尺/秒之间。不过，在钻杆柱内，数据的传输速率会因脉冲的扩散、失真、衰减、调制速率限制以及其他破坏力(disruptive force)(如周围噪声)而相对减慢。典型的脉冲速率大约为1脉冲/秒(1Hz)。随着感应和牵引技术的近期发展在钻井机上的应用，通过定时方式以1比特/秒的速度传输到地表的数据量严重不足。有人提出了一种可以提高数据传输速率的方法，就是使用钻杆柱的管子壁(tubingwall)中的振动来传输数据，而不是利用钻井液中的压力脉冲。不过，事实证明早期系统在数据速率超过3比特/秒的时候将变得不可靠，原因是钻杆接头(tool joint)的声音反射和管子中及钻孔的几何形状的变化。
技术实现思路
相应地，本文将介绍了一个可靠的、克服了以前各种遥测方法的缺点的井下电磁遥测系统。在优选的实施例中，将使用相移键控的电磁数据传输系统来为MWD应用传输数据。根据这个优选的实施例，配置了一个天线来传输低频电磁信号，同时配置了一个相移键控(PSK)发射器来接收表示遥测数据的数字信号，并将数字信号转换为PSK传输信号。该PSK发射器向天线提供传输信号，其PSK传输信号的载波频率只是为大约1Hz，信号星座(signal constellation)具有4个以上的相位状态。PSK传输信号也可以包括具有2个或2个以上的载波周期的码元周期的传输信号。在本专利技术的另一个实施例中，介绍了一种边钻井边计测的方法，就是使用连接着包含传感器包的钻杆柱的钻头来穿过地层钻一个孔。然后就可检测到表示地层属性的信号。然后会将这些信号提供给PSK发射器，后者会对其进行编码，从而获得使用低频载波信号进行相位调制的数字传输信号，以获得频率只是为大约1Hz且只具有4个相位状态的PSK信号。然后低频PSK信号被传输到地表。上述的系统和方法可很好地提供一个强大的低功率电磁遥测系统，而且其数据速率要高于泥浆脉冲系统及其他传统遥测系统。因此，即便不考虑不愿意因降低的数据速率而降低载波频率，还是可以相信由于降低频率而造成的任何数据速率的降低都可以通过增加相位状态数目而不增加带宽来克服。根据这些实施例，随着载波频率的降低，电磁遥测系统也可以通过使用多载波和幅度调制得到增强。附图说明接下来要通过参考以下附图，对下面的优选实施例进行更为详细的介绍，以获得对本专利技术更为详细的了解。在附图中图1为示意图，示出了可以采用电磁遥测系统的油井。图2示出了电磁遥测系统中使用的井下钻杆。图3为采用相移键控的电磁遥测系统的功能块图。图4为一个相移键控发射器的功能块图。图5为一个相移键控接收器的功能块图。图6A示出了一个示例的PSK传输。图6B示出了图6A的同相和正交分量。图7示出四相消息序列赋值。图8示出了图5中的解码器的解码规则。图9示出了频率和地层电阻率对信号衰减的影响。图10示出了示例性的相位和幅度调制信号。虽然本专利技术很容易进行各种修改并采用替换形式，但还是按照本文附图的示例提供了一些具体的实施例，此处将对其进行详细的介绍。但要明白的是，后面的附图和详细说明不会将本专利技术限制于所介绍的特定形式，相反，本专利技术包括本专利技术所附权利要求中的定义的本专利技术的精神和范围之内的所有修改、等同变换及替代。具体实施例方式MWD应用现在越来越受到数据速率的束缚，因为其难以适应不断增加的需传输的数据量。提高数据速率的一种方法是增加载波频率，但这又会带来令人本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种井下遥测系统，包括：天线，用来传输低频电磁信号；以及相移键控（ＰＳＫ）发射器，用来接收表示遥测数据的数字信号，并用来将数字信号转换为ＰＳＫ传输信号，其中ＰＳＫ发射器向天线提供传输信号，其中ＰＳＫ传输信号的载波频率 只为大约１Ｈｚ，以及其中ＰＳＫ传输信号采用相位状态超过４个的信号星座。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：保罗F罗德尼，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]