本发明涉及用于在用于提取地层流体的井中进行无缆双向数据传输的系统，所述地层流体例如为碳氢化合物。

背景技术：

用于提取地层流体的井可以被认为与具有大致圆形截面的管道类似，或者换句话说，与长管类似。目前，存在有用于从井底以及向井底、更特别地从井底设备以及向井底设备进行双向数据传输的不同的已知系统，所述井底设备在下文中被称为“井下工具”。当前系统主要基于：

-所谓的“泥浆脉冲发生器”技术，其基于在钻井操作中的所有钻井操作期间通过井中所存在的钻井液以规定顺序所产生的压力脉冲的传输。

-所谓的“有线管”技术，该所谓的“有线管”技术包括一种特殊类型的有线杆，对于所述有线杆而言，通过设置在杆自身之间的连接螺纹上的接触元件来确保邻近的杆之间的电连续性。因此，根据该“有线管”技术，数据在有线连接件上进行传输。

-所谓的声学遥测技术，其基于声波沿着钻杆的传输。

-所谓的“穿过地面”技术，其基于穿过地面的电磁传输。

这些技术中的每一种技术都具有一些缺点。

“泥浆脉冲发生器”技术因为“泥浆脉冲发生器”在正确接收信号之前可能需要多次传输该信号而实际上具有传输速度限制以及可靠性限制。这种技术的传输能力取决于钻井液的特性以及这种流体的循环流率。

“有线管”技术由于线杆非常昂贵而成本很高，此外，每当需要向钻柱添加杆时，有线连接被中断，从而在这些操作期间防止了从井底以及向井底通信。

声学遥测技术由于钻头的工作噪声或者由于井相对于完全竖向的偏差而在传输中具有潜在误差。

“穿过地面”技术由于被用于能够覆盖千米量级的传输距离的低频率而具有非常低的传输速度(其等于“泥浆脉冲发生器”技术的传输速度)并且由于穿过具有不同电磁传播特性的多个地层而具有可靠性问题。

技术实现要素：

本发明的目的是避免上述缺点并且特别是设计用于在用于提取地层流体的井中进行双向数据传输的系统，该系统能够确保大量的数据能够实时传输以及从井底传输数据和向井底传输数据的连续性，该系统独立于钻柱的操作状况、独立于存在于井中的钻井液且独立于这种流体的循环流率。

根据本发明的这个目的和其他目的通过制造如在权利要求1中所阐述的用于在用于提取地层流体的井中进行双向数据传输的系统而实现。

用于在用于提取地层流体的井中进行双向数据传输的系统的另外特征是从属权利要求的目的。

附图说明

通过参照所附示意性附图的以示例给出而非出于限制的目的的以下描述，根据本发明的用于在用于提取地层流体的井中进行双向数据传输的系统的特征和优点将变得更清楚，在附图中：

-图1是用于提取碳氢化合物的钻井装置的示意图，该钻井装置包括根据本发明的用于双向数据传输的系统；

-图2a和图2b是根据本发明的用于双向数据传输的系统的第一实施方式和第二实施方式的两个示意性局部截面图；

-图3a和图3b是被容置在如在图2a中的杆中的通信模块的第一实施方式的两个示意图；图3c是被容置在如在图2a中的杆中的通信模块的第二实施方式的示意图，特别地，图3a是沿着与杆本身的轴线平行的平面的截面图，而图3b和图3c是沿着与杆本身的轴线垂直的平面的两个截面图；

-图4a和图4b是被容置在保护壳中的通信模块的第三实施方式的两个示意图，所述保护壳被应用于如在图2b中的杆的外壁；图4c是被容置在如在图2a中的杆中的通信模块的第四实施方式的示意图，特别地，图4a是沿着与杆本身的轴线平行的平面的截面图，而图4b和图4c是沿着与杆本身的轴线垂直的平面的两个截面图；

-图5是表示设置有发射金属板和接收金属板并被容置在同一杆柱的两个杆中的两个通信模块的示意图，图5还图示了所述两个模块之间的电流线的示例；

-图6a是表示连接至多个传感器的通信模块的框图；

-图6b是表示用作中继器的通信模块的框图；

-图6c是表示用作再生器的通信模块的框图；

-图7是表示用于图5的构型的模型的电路图；

-图8是表示设置有发射线圈和接收线圈并被容置在同一杆柱的两个杆中的两个通信模块的示意图，图8还图示了所述两个模块之间的磁场流线的示例；

-图9是表示如图8的那些通信模块的两个通信模块之间的磁场的强度分布的图表。

具体实施方式

特别参照图1，示意性地示出了用于提取地层流体的通用井，所述地层流体如例如为碳氢化合物。该井总体上用附图标记10来表示。

井10通过钻井装置利用根据本发明的用于在井中进行双向数据传输的系统而获得。用于双向数据传输的这种系统包括多个杆11、12，所述多个杆11、12以连续的方式彼此连接以形成杆柱，该杆柱从地面延伸至井10的底部。

杆柱可以是钻柱或者甚至是在井10的生产步骤期间所使用的完井柱。

所述多个杆11、12可以包括多个钻杆或完井杆11以及多个连接杆或互连杆12，连接杆或互连杆12也被称为是具有比钻杆或完井杆11的长度短的长度的遥测子件。

连接杆12沿着杆柱以一个或更多个钻杆或完井杆11的预定间距定位在两个钻杆或完井杆11之间。

优选地，遥测子件12沿着杆柱以三个钻杆或完井杆的间距定位。在这种情况下，彼此相互连接的三个钻杆或完井杆的组通常被称为立架。

杆11、12可以是中空的且具有大致圆形截面。钻头13或者其他挖掘工具或钻井工具可以连接至杆柱的下端部。

杆柱能够与多个所谓的MWD(“随钻测量”)式传感器14相关联，所述多个传感器14可以沿着柱定位并且特别是定位在井10的底部处。这种MWD式传感器14配置成用于连续检测与在井中循环的流体相关且与井10周围的岩层相关的多个参数。这些MWD式传感器14可以例如是密度传感器或电阻率传感器，所述密度传感器或电阻率传感器配置成分别对钻井液等的密度的值和电阻的值进行连续测量。此外，杆柱可以与安全装置或其他远程受控的井仪器(未图示出)相关联。

用于在用于提取地层流体的井10中进行双向数据传输的系统包括多个通信模块20，所述多个通信模块20沿着杆柱以预定距离定位且配置成用于从井的底部传输信号以及向井的底部传输信号。

优选地，沿着杆柱的两个通信模块20之间的距离被包括在1m至100m之间。

优选地，通信模块20可以被容置在形成于如在图2a中图示出的相应的杆11、12上的分隔部的内部。

在杆柱包括钻杆或完井杆11以及连接杆或互连杆12的情况下，通信模块20优选地被容置在形成于连接杆或互连杆12中的分隔部的内部。

替代性地，通信模块20可以被容置在位于如在图2b中图示出的被应用于杆11的外壁的保护壳17中的分隔部的内部。

根据本发明，每个通信模块20包括：

-至少一个金属板21、22、35，所述至少一个金属板21、22、35选自：

-发射金属板21；

-接收金属板22；

-收发器金属板35；

-电子处理和控制单元23，该电子处理和控制单元23例如包括微处理器，该电子处理和控制单元23配置成用于对要借助于所述至少一个金属板21、35所发射的信号或借助于所述至少一个金属板22、35所接收的信号进行处理；

-一个或更多个供电电池24，所述一个或更多个供电电池24用以向金属板21、22、35以及电子处理和控制单元23馈电。

有利地，在每个通信模块20中，金属板21、22、35与应用有相应的通信模块20的杆11、12或保护壳17的金属体电隔离。

以这种方式，避免了金属板21、22、35与杆11、12的金属体之间的电接触。

优选地，金属板21、22、35是弧形形状的。

在本发明的特定实施方式中，每个通信模块20包括两个发射金属板21和/或两个接收金属板22。

在通信模块20包括收发器金属板35的情况下，接收操作和发射操作即使是同时的也以合适的不同频带执行。这使得对于所占据的同一空间而言能够增大板的尺寸，从而改善发射和接收的效率。

除了如在图3a、图3b和图3c中图示出的所述至少一个金属板21、22、35之外，每个通信模块20还可以包括至少一个发射线圈25和至少一个接收线圈26，所述至少一个发射线圈25和所述至少一个接收线圈26相对于彼此同轴并且相对于与所述至少一个发射线圈25和所述至少一个接收线圈26相关联的杆11、12的纵向轴线同轴。

具体地，所述至少一个发射线圈25具有很少的匝数——例如大约为数十个——和大直径的导体、例如直径大于1mm的导体，以使流动通过导体本身的电流最大且因此使与该电流成比例的磁场最大并且以使功率损耗最小。

另一方面，所述至少一个接收线圈26具有大量匝数、例如大约为几千匝，以在实际可达到的极限内包含信号放大的增益并且改善放大的性能。

优选地，所述至少一个发射线圈25和所述至少一个接收线圈26如在图3a、图3b和图3c中图示出的相对于彼此叠置，以包含沿着与所述至少一个发射线圈25和所述至少一个接收线圈26相关联的杆11、12的纵向轴线所占据的空间。

因此，传输系统的两个连续的通信模块20之间的通信可以利用通过一个模块的发射金属板21或收发器金属板35被注入到泥浆中并由下一个模块的接收金属板22或收发器金属板35所捕获的电流而进行，以及/或者利用由一个模块的线圈25所产生并由下一个模块的线圈26所连系的磁场而进行。

在任何情况下，通信模块20可以配置成用作发射器和/或接收器和/或中继器和/或再生器。

特别地，在单个通信模块20配置成用作信号发射器的情况下，例如如在图6中的那样，电子处理和控制单元23配置成获取来自传感器14的检测数据或者用于安全装置和其他井下工具的控制信号并对来自传感器14的检测数据或者用于安全装置和其他井下工具的控制信号进行处理。在这种情况下，电子处理和控制单元23包括：数据获取模块27，其配置成创建待被发送的数据包；编码模块28，其用以对这种数据包进行编码；调制电路29，其用于对与已编码的数据包相对应的信号进行调制；以及输出放大电路30，其用于对已调制的信号进行放大并且向发射金属板21或收发器金属板35和/或发射线圈25馈电。

相应地，在配置成用作信号接收器的通信模块20中，电子处理和控制单元23包括：输入放大电路31，该输入放大电路31用于对由接收金属板22或收发器金属板35和/或由接收线圈26所接收的信号进行放大；解调电路32，该解调电路32用于这种已接收且已放大的信号；以及解码模块33，该解码模块33用于已解调的信号。

在配置成用作信号中继器的通信模块20中，如例如在图6b中的那样，电子处理和控制单元23包括：输入放大电路31，该输入放大电路31用于对由接收金属板22或收发器金属板35或者由接收线圈26所接收的信号进行放大；再调制电路34，所述再调制电路34用于以与所接收的信号的载波频率不同的载波频率对要被再发射的信号进行再调制；以及输出放大电路30，该输出放大电路30用于对已再调制的信号进行放大。以模拟方式所执行的对载波的这种修改对于使通信模块20免受下述串扰现象而言是必要的：该串扰现象为在信息传递中产生的不可避免的问题。

在配置成用作信号再生器的通信模块20中，如例如在图6c中的那样，电子处理和控制单元23包括：输入放大电路31，该输入放大电路31用于对由接收金属板22或收发器金属板35或者由接收线圈26所接收的信号进行放大；解调电路，该解调电路用于这种已接收且已放大的信号；解码模块33，该解码模块33用于已解调的信号；编码模块28，该编码模块28用于先前已解码的信号；调制电路29，该调制电路29用于以与所接收的信号的载波频率不同的载波频率对要被再发射的信号进行再调制(以使通信模块20免受下述串扰现象：该串扰现象为在信息传递中产生的不可避免的问题)；以及输出放大电路30，该输出放大电路30用于对已再解调的信号进行放大。

具体地，待被传输的数据被组织在例如介于10比特与100千比特之间的可变长度的包中。每个数据包可以例如经受用于对数据进行压缩的源编码过程和/或经受用以减小误码率的信道编码过程。调制电路29将信号数据包转换成具有适用于在井10内进行传输的特性的合适的信号。

所使用的调制的示例是DQPSP(差分四相相移键控)，根据DQPSP而产生具有一定载波频率f——例如被包括在1kHz与30kHz之间——的正弦信号，该正弦信号的相位根据长度为2比特的每个序列的值而改变，因此该相位可以具有四个值，例如(π/4、3/4π、-π/4、-3/4π)。每对比特可以映射在正弦曲线的绝对相位中或者映射在相对于与先前对的比特相对应的正弦曲线的相对相位移位(差分QPSK)中。后一种选项是优选的，因为这使得在下一个通信模块中反向解调过程更简单，这是因为由于由缺少估计值所引入的误差可以通过现有技术领域中已知的技术消除而使这将对评估频率f的精确值而言不是必要的。波形还可以通过合适的平方根升余弦(rrcos)频率滤波器来滤波，以便以相同的传输速率限制信号的占有频带。

因此所获得的已调制的电压信号通过能够供应电流的输出放大电路30被放大成处于具有例如被包括在1V与100V之间的值的电压下，所述电流的峰值例如被包括在0.1A与10A之间。

下一个通信模块20的输入放大电路31将流动通过接收金属板22或收发器金属板35的电流转化为峰值为几伏的电压信号，此外，这些输入放大电路31适于接收金属板22或收发器金属板35的阻抗，从而防止至下一个装置的输入中的电压通过“分流”效应而衰减。

为了对通过金属板21、22、35所实施的传输方法进行解释，我们考虑由包括有发射金属板21的第一通信模块20MC1至包括有接收金属板22的第二通信模块20MC2进行传输的示例情况，如在图5中图示出的实例中的那样。关于该构型的考虑可以被应用于在两个收发器金属板35之间或者在发射金属板21与收发器金属板35之间进行传输的情况。图5的构型由在图7中图示出的电路图示意性表示，在图7中，以下各项被考虑在内：

-接地参考是由在该图中被认为是理想导体的杆11、12的金属体给出的，该金属体通常由不锈钢制成；

-Vi表示沿着井10的纵向轴线变化的电势；

-Ii表示沿着井10的纵向轴线变化的电流；

-V0表示由发射金属板21所产生的电势；

-Zi,A表示与沿纵向方向即平行于井10的纵向轴线流动的电流相反的无穷小的“纵向”阻抗；

-Zi,B表示与沿径向方向即垂直于井10的纵向轴线的流相反的无穷小的“径向”阻抗。

具体地，能够认为的是，Zi,A＝zi,AdL，并且Zi,B＝zi,B/dL，其中：

-dL是Zi,A和Zi,B分别所指的无穷小部分的物理长度；以及

-Zi,A和Zi,B是杆-板组件的每单位长度的“特定阻抗”，其取决于这种组件的几何形状以及对应的特定电子参数(传导率、介电常数)。

第一模块MC1的发射金属板21将由承载待被传输的数据的信息信号所调制的可变电流注入到围绕杆柱的流体中。

电流流动通过流体、在存在壳体的情况下通过壳体、并且通过井10周围的岩层，以便然后通过与板相关联的钢杆11、12返回至发射金属板21的接地参考。

这种电流中的一部分到达第二通信模块MC2的接收金属板22。这样的电流被放大、并且然后由电子处理和控制单元获取以提取被包含在电流中的信息，或者直接地被再次放大以便再传输至第三通信模块。

在图7的电路图中，第一通信模块MC1的电子处理和控制单元由电压幅值为VTX的发生器表示，而发射金属板21由节点PT表示。电压幅值为VTX的发生器通过发射金属板PT与上述流体的一部分耦合，这种耦合用阻抗ZT1模拟。流体的这一部分还具有下述阻抗ZT2：该阻抗ZT2使由发射金属板所产生的电流的部分朝向地面分流或者朝向杆的金属体——发射金属板21被应用至该金属体——分流。

第二通信模块MC2的接收金属板在图7的电路图中由节点PR表示，这种接收金属板22与上述流体的所述部分耦合，这种耦合用阻抗ZR1模拟。流体的这一部分还具有下述阻抗ZR2：该阻抗ZR2源自电流的靠近接收金属板朝向地面或者朝向杆的金属体——发射金属板21被应用至该金属体——的部分。接着，接收金属板连接至第二通信模块的电子处理和控制单元，该电子处理和控制单元特别示意性表示为下述低阻抗输入电流放大器ZIN(接近于零)：该低阻抗输入电流放大器ZIN实际上对通过接收金属板的电流信号进行放大，从而获得包含有所接收的信息的电压信号VRX。

在发射金属板21和接收金属板22为柱状弧形形状的情况下，所述板本身与在杆柱周围的流体耦合的效率基本上取决于这种弧状部的纵向部分的长度以及由该弧状部所形成的角度。这种长度越大且角度越接近360°，则上述耦合的效率将越大。

优选地，在通信模块20除了包括金属板21、22、35之外还包括发射线圈和接收线圈的情况下，柱状弧形不必形成360°的完整角度，以避免在线圈激励期间在金属板21、22、35上诱导的寄生电流。

只要涉及到通过发射线圈25和接收线圈26在两个通信模块之间传输信号，我们则会考虑到将图8和图9的示意图作为示例。特别地，图9表示了由发射线圈25产生并与接收线圈26连系的磁场线。

如可以观察到的，线圈在与杆柱的杆11、12同轴的构型中的布置使得能够使与接收线圈26连接的磁场通量最大。实际上，接收线圈26大致上封围由铁磁性钢制成的杆11、12的整个周向范围，其中，磁场通量的大部分被限制在该整个范围内。因此，在接收线圈26的端子处的有用信号包含由发射线圈25从在前面的接收线圈的位置所产生的磁场的所有磁场分布的贡献。

通过已经进行的描述，本发明的目的的用于在用于提取地层流体的井中进行双向数据传输的系统的特征是清楚的，正如相关优点也是清楚的。

朝向分布在井中的传感器的检测表面的传输安全地、廉价地且大致实时地进行，从而允许对井底参数进行连续实时监测，并且因此，由于从预知参数中检测到异常和变化的情况下立即进行干预的可能性而允许在钻井期间增加安全性。

实际上，通过对数据实时管理和分析，能够立即识别到交叉的地层的变化以及井相对于计划的轨迹的变化，从而允许更快地做出操作决定并且允许干预纠正措施。

根据本发明的传输系统还使得能够即使在防喷器(BOP)被关闭的井控制步骤期间或者在受管理的压力钻井的应用中的所有应用期间获得所有的井底数据。

即使在存在循环损失的情况下数据也是连续传输的。不再需要使操作——该操作用以向自动井底设备赋予命令来设定或校正钻井轨迹——减慢。传输大量数据的能力保持了较高的钻井推进速度，使得能够在清晰度高于当前标准的情况下对表面进行实时钻井测量的同时发送测井曲线，其中，有最终替换当前电缆测井曲线的可能性。

沿着整个钻柱具有传感器的可能性允许对沿着井的整个轴线的参数——如压力、温度、拉伸载荷和压缩载荷、扭转和弯曲——进行测量。这例如使得能够有效地防止和解决柱卡住、冲刷识别等事件。

应用领域主要涉及油井的钻井步骤，但是这并不排除也在生产步骤期间的用途。实际上，该数据传输系统可以既结合在钻柱内又结合在完井柱内，并且在任何情况下在能够从井底或者从沿着管的中间点发送或接收数据的所有状况中既结合在钻柱内又结合在完井柱内。

最后，清楚的是，因此所构思的用于在用于提取地层流体的井中进行双向数据传输的系统可以具有若干的改型和变型，所述若干的改型和变型中的所有改型和变型由本发明涵盖；此外，所有的细节可以由技术等同元素代替。实际上，所使用的材料以及尺寸根据技术要求而可以是任何内容。最后，这种数据传输方法的应用应当被认为是能够既被扩展到陆上井又被扩展到海上井。