CN101065555B - 经过套管而通信的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种通过套管传输电磁信号的系统，包括安放在套管内的工具体；在工具周围使套管磁饱和的元件；传送器，它用于从工具天线向套管外传输电磁信号，以便在套管外的装备有天线和电子线路的一个或多个传感器处接收；和在工具处探测来自套管外面传感器的电磁信号的探测器。

Description

经过套管而通信的方法和装置

技术领域

本发明涉及在套管内的工具和套管外的传感器或传感器单元之间建立无线通信的方法和装置。具体来说，本发明适用于在油气井和类似场所中或在地上或地下管道中这样方法和装置的应用。 

背景技术

传感器单元包括带有相关的电子元件的传感装置，相关的电子元件包括例如转换器、放大器、电池和微控制器，它连接到用于通信连接和充电的天线上。本发明尤其涉及围绕井筒的地层的压力测量，但是该技术应用到任何类型的地层参数的测量，例如电阻率、声学、化学等。 

在典型的油或气井中，给井筒下一钢制套管以提供实质的支撑，以防止井筒坍塌并提供层间隔离而且通过井筒在单个层之间防止流体连通。虽然钢制套管在这个应用上非常有效，但是它的确在电磁信号在井筒内和套管外的传输上制造了障碍。这些信号通常在裸眼(未加套管)井内评价围绕井筒的储层，尤其对确定烃或水的存在技术上有用。因为钢制套管制造的障碍，穿过套管的测量技术以前依赖于非电磁技术，例如声学测量和核子测量。最近，在存在钢制套管的情况下特定的电子技术被推荐。一个测量套管外地层电阻率的技术涉及放置与套管内部相接触的间隔开的电极，当电流沿着电极间的套管传输时测量泄露到地层的电流。另一种技术在US5038107中描述，其中在井筒应用中通过放置工具实现感应测量，它使套管磁饱和同时在套管内以大约2kHZ进行感应测量。 

这种后来的技术依赖于钢的AC导磁率，当被磁饱和后被减少到低值(基本上一致)。因此，尽管存在套管，感应测量信号可以穿出井筒，进入地层，并被探测和测量到返回井筒。 

最近井的长期监测变得有需要。为了实现这一点，建议在井筒的套管外布置传感器，可能在井筒周围的地层中一些距离处埋藏。US6234257和US6070662描述了在裸眼或套管井中在地层中布置传感器的技术。该传感器接着可以通过天线的方式被询问，天线与问询工具传输。

鉴于通过套管通信的困难，也被建议在套管外提供电缆以在地面和传感器之间提供通信和动力。这样的技术在US5467823和US5642051中被建议。然而，外部的缆线被认为难于安装、易于损害而且昂贵。如果缆线被断裂，与传感器不可能通信。其它的方法包括使用非传导性套管(US6515592)，或在套管上提供非传导性窗口以允许在套管内外之间的电磁通信(US6426917)。这些也被认为复杂并难于布置。WO01/62069描述了在第一管结构内提供动力和通信的动力供应装置。US6480000描述了测量和监视地质建造的电阻率的器件。 

虽然上面讨论的问题与井筒套管相关出现，类似的问题出现在布置在套管井筒内的油管上。因为油管是钢的，从油管内部向油管外部通信同样困难。也已经被建议在这个位置放置传感器。在这个应用中，除非指明，术语“套管”和“油管”同义使用。 

发明内容

本发明的目标是提供一种技术，该技术允许传感器布置在套管外，而仍然允许从套管内的通信却没有以前技术的问题。本发明通过使靠近传感器的套管磁饱和以便电磁信号在套管外和套管内的传感器之间传递实现了这个目标。通过两个分别布置在传感器单元和询问工具之间的天线之间的电磁耦合和系统确保了无线连接，该系统用于使套管磁饱和以便允许电磁信号通过钢制套管传播。 

本发明的第一个方面提供了穿过套管通信的方法，包括在套管内定位工具，例如有线传输工具；利用工具产生磁通量，该磁通量能够使在工具附近的套管磁饱和；从工具向套管的外面传输电磁信号；在安放在套管外的地层传感器处接收所传输的电磁信号；从套管外面在工具处探测电磁信号；其中该方法还包括将所传输的电磁信号叠加在所述磁通量上。 

本发明的第二方面提供了监测围绕加套管井筒的地下地层的方法，包括在套管外的地层布置地层传感器；利用传感器测量地层参数；在套管内靠近传感器处定位工具；利用按照本发明的第一个方面的方法从传感器向工具通信测得的参数。 

本发明的第三个方面穿过套管通信的装置，包括可以被布置在套管内的 工具主体；在工具附近产生能够使套管磁饱和的磁通量的部件；经由磁通量从工具向套管外传输电磁信号并在套管外面的地层传感器处接收电磁信号的传送器；在套管外面的工具处探测电磁信号的探测器；其中探测器接收从套管外的传感器传输的信号。 

传感器单元通过能够与问询工具传输的天线布置在地层或套管外后，传感器单元长期可以被问询和供电。传送器包括天线和其附属的用于产生电磁信号的电子元件。探测器包括天线和其附属的用于信号解码的电子元件。 

本发明的第四个方面提供了用于通过套管传输电磁信号的系统，它包括根据本发明的第三个方面的装置和一个或多个地层传感器，这些传感器位于套管外面，用于接收从工具传输的电磁信号和向工具传输电磁信号。 

使套管磁饱和的元件优选地包括具有高的磁导磁率的磁芯，它被布置在套管附近并能通过电线圈供给能量。磁芯优选地布置在套管内以便向套管聚集通量。 

问询天线可以沿着磁芯布置以传输和/或接收电磁信号。该信号典型地具有处于1-10kHZ范围内的频率。 

从工具天线传输的电磁信号也可以用于向传感器电子元件提供能量。 

地层传感器可以被布置在围绕井筒的地层内，套管布置在井筒内或者在沿着井筒的另一个套管内布置套管(油管)。地层传感器取决于具体应用而包括单个传感器、传感器单元、传感器系统或微型系统。 

可以使用US6234257建议的技术以便把地层传感器单元挤入裸眼井筒地层。布置完传感器后下入套管并水泥胶结。这里详细描述的套管饱和方法的优点是与地层传感器的通信连接可以通过套管被保证而不需要修正套管接头。这与其它例如需要在套管上钻孔或在套管上具有非传导性缝的技术相比这是巨大的优势。 

可供选择地，可以使用US6070662建议的技术把传感器单元通过套管挤入周围地层。在这种情况下，在布置传感器之前下入套管并水泥胶结。这里详细描述的套管饱和方法的优点是与地层传感器的通信连接可以通过套管被保证而不需要修正套管接头。这与其它例如需要在套管上钻孔或在套管上具有非传导性缝的技术相比这是巨大的优势。 

附图说明

现在将结合下面的附图描述本发明，其中： 

图1显示了根据本发明实施例的系统的示意图； 

图2显示了钢的B-H曲线图； 

图3显示了相应于图1的系统的更详细的视图；和 

图4显示了用于油管的本发明的另一个实施例。 

具体实施方式

本发明提供了在布置在井筒套管(或油管)外面的地层传感器和套管(或油管)内部的问询工具之间建立无线通信连接的技术。建议系统的一个实施例是基于添加在套管的电磁DC饱和上的电磁信号传播以便减少EM波衰减。通过使套管金属磁饱和，它的AC磁导磁率被减少到低值，一般接近一致，通过它传播高频电磁波变得可能。该技术可以用于向与地层永久接触的装置通信和装置的激活供给动力，该装置具有嵌入的电子元件和传感器，该装置布置在井筒套管(或油管)外。 

该技术适用于各种类型的地层传感器。不同的地层传感器包括压力、温度、电阻率、化学成分、套管应力和应变测量。无线通信系统的使用允许布置地下地层传感器而没有光缆限制，没有套管的修正。 

本发明的应用覆盖各种领域，例如油和气开发和生产、井筒测试和评价、水存储、气存储和废物的地下处理。 

该系统提供了用于与布置在油井套管后的永久传感器系统通信而不用出现光缆和对套管的修正。无线通信通过分别布置在传感单元和问询工具之间两个天线之间的电磁耦合来保证。传感器单元布置在地层内而问询工具布置在油井套管内。问询工具具有在它周围使套管磁饱和的元件，因此添加的电磁波的传输变得可行。 

在图1中显示了系统的原理。尽管可以应用很多技术以实现套管饱和，图1描述的技术是优选的一个。线圈10绕着高导磁性中心芯12安放。来自电流发生器13的高等级电流应用到线圈10上，导致在芯12和套管14内产生高振幅的磁通量。电流优选地是DC电流。通量循环进入芯12和套管14。芯12和套管14之间的间隙优选地通过使用特定的芯几何形状而减到最小，以便向着套管14聚集通量。当套管14被饱和，它的导磁率被减到低值，接近一致。 

导磁率通过通量密度与场强的比值给出。钢导磁率的非线性为了更好理解如图2所示。钢的导磁率随着闯过它的磁通量的数量变化。通过金属的电磁波的衰减主要由基本上相应于穿透距离的表皮深度(skin depth)公式确定。表皮深度δ由公式确定： 

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ω\μ\σ}}}$

ω表示波的角频率，μ是导磁率，σ是套管传导率。因为其导磁率和高传导率，套管传统地作为EM波的障碍。 

下面的表1显示了不同频率范围和钢导磁率的表皮深度值。 

在磁饱和状态，AC导磁率向着一致减少，因此表皮深度明显增加。EM波在钢中的穿透深度因此增加。 

通过在大量DC通量上添加高频电磁波，EM波的传输变得可以实现。在由金属套管分开的两个天线之间可以建立通信连接。与没有饱和套管的相比，可以以更高的频率和更小的衰减进行连接。 

在本发明的情况，问询天线16，通常是芯12上的另外线圈的形式，应用了高频信号。在套管传导率为大约2e+06S/m的情况下，为了穿透通常为半英寸数量级的套管厚度，工作频率可以在1到10kHZ的范围内。传输最优频率可以根据套管磁性和电性质确定。这些性质在井与井之间变化很大，因此非常需要可编程的频率。超过10kHZ的频率可以与高敏感度的天线和成熟的电子元件一起使用。天线16产生的信号穿过套管14、围绕套管14的水泥层17和围绕下套管井的地层18到达地层传感器20。 

地层传感器20是永久地布置在围绕井筒的地下地层22的小型集成装置，它具有内嵌的传感器和专用电子元件。地层传感器20包括传感元件22、保护罩26内的电子元件平台24和通信天线28。 

地层传感器20是自动的并具有集成功能，以便进行专门的任务，例如数据采集、内部数据存储和按照本发明与问询工具进行的通信。 

布置在套管后面的地层传感器的无线问询的系统的实施例如图3所示。 

工具40上装备有用于使套管磁饱和的系统。优选的系统是基于在套管周围产生足够饱和套管42的磁通量。磁饱和可以通过围绕工具内的磁芯46安放的一个或几个线圈44实现。需要大功率的电子元件来驱动线圈。驱动电子元件有利地装在井下工具上。需要的电功率从地面通过传统的有线电缆(wireline cable)传输到井下工具电子元件。该工具优选地装有垫片48以利于通量在套管内传输。该工具装配有天线50，可能也围绕同样的具有高导磁率的磁芯46安装，确保与地层传感器天线的EM连接。 

当工具接近地层传感器20，穿过套管14的两个天线50、28之间的电磁耦合有效并确保了无线传输。地层传感器20获取的数据被传输到有线工具40并向井眼上传输以进一步分析。 

同样的技术可以用于通信连接和动力传输。无线动力传输消除了在地层传感器内的内嵌电池的必要。可供选择地，在地层传感器内提供内嵌电池以便在当单元被问询的时间间隔内进行时滞测量。 

动力传输可被用于在地层传感器内重新给电池充电。 

地层传感器20可以在下套管前通过类似于US6234257描述的技术被布置在裸眼井地层内。在另一个实施例(图4所示)中，地层传感器30可以在下油管前通过类似于US6070662描述的技术被布置在下套管井60中。 

在这种情况下，建议的技术允许与放置在油井油管外的地层传感器30之间建立无线通信，如图4所示。在这种结构中，通过在地层传感器附近的周围饱和油管62建立无线连接。通过油管读取地层传感器因此变得可行。 

根据本发明的技术可以被扩展到通过任何类型的金属管道进行通信，优选井下的但是也包括地面管道。 

该技术可以在有线测井模式下实施，以便如上面所描述的周期性读取传感器或以永久的方式，问询工具永久地安放在井内并连接到地面记录单元。 

Claims (26)

1.一种穿过套管(42)通信的方法，包括

-在套管(42)内安放工具(40)；

-利用工具(40)产生磁通量，该磁通量能够使在所述工具附近的套管(42)磁饱和；

-从工具(40)向套管(42)外传输电磁信号；

-在安放在套管(42)外的地层传感器(20)处接收所传输的电磁信号；和

-在工具(40)处探测来自套管(42)外面的电磁信号；

其中该方法还包括将所传输的电磁信号叠加在所述磁通量上。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述地层传感器(20)是永久地层传感器单元。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述使套管磁饱和步骤包括在套管(42)附近安放具有高的导磁率的磁芯(46)，并通过电线圈(44)给该磁芯提供能量。

4.如权利要求3所述的方法，包括根据套管(42)安放磁芯(46)以便向着套管聚集磁通量。

5.如权利要求3所述的方法，其中所述传输电磁信号和探测电磁信号步骤是利用问询电磁天线实现。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述天线是围绕磁芯(46)安装的线圈。

7.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述电磁信号的频率是根据套管磁和电的性质选取。

8.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述电磁信号的频率在1-10kHZ的范围内。

9.如权利要求1-4中任一项所述的方法，还包括通过所传输的电磁信号向地层传感器(20)提供动力。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述动力是用于向所述地层传感器的电子元件提供动力和/或给嵌入的电池充电。

11.一种监测围绕下套管井筒的地下地层的方法，包括：

-在套管(14)外的地层(18)中安放地层传感器(20)；

-利用地层传感器(20)测量地层(18)的参数；

-在套管(14)内靠近地层传感器(20)处安放工具；和

-利用前面任何一个权利要求中所述的方法从地层传感器(20)向工具传输所测得的参数。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述地层传感器包括永久传感器单元。

13.一种穿过套管(42)通信的装置，包括

-安放在套管(42)内的工具(40)；

-在所述工具(40)附近产生能够使套管(42)磁饱和的磁通量的元件(44，46)；

-传送器，它用于经由磁通量从所述工具(40)向套管(42)外传输电磁信号，以便在套管外的地层传感器(20)处接收；和

-在所述工具(40)处探测来自套管(42)外面的电磁信号的探测器；

其中所述探测器接收从套管(42)外面的地层传感器(20)传输的电磁信号。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述地层传感器包括永久传感器单元。

15.如权利要求13所述的装置，其中所述用于使套管磁饱和的元件包括具有高的导磁率的磁芯(46)和用于向该芯供给能量的电线圈(44)。

16.如权利要求15所述的装置，其中当工具(40)安放在套管(42)内时，磁芯(46)根据套管(42)安放以便向着套管聚集磁通量。

17.如权利要求15或16所述的装置，还包括围绕磁芯(46)安装的问询线圈。

18.如权利要求17所述的装置，其中所述问询线圈用作传送器和/或接受器。

19.如权利要求13-16任何一个所述的装置，其中所述电磁信号的频率是根据套管磁和电的性质选取。

20.如权利要求13-16任何一个所述的装置，其中所述电磁信号的频率在1-10kHZ的范围内。

21.如权利要求13-16任何一个所述的装置，其中所述工具(40)通过有线电缆的方式安放在套管内。

22.一种通过套管而传输电磁信号的系统，包括如权利要求13-21任何一个所述的装置和一个或多个地层传感器(20，30)，该一个或多个地层传感器(20，30)安放在套管(14，42，62)外，用于接收从工具(40)传输的电磁信号和向工具(40)传输电磁信号。

23.如权利要求22所述的系统，其中从所述工具(40)向所述地层传感器(20)传输的电磁信号向该传感器提供动力。

24.如权利要求22所述的系统，其中所述地层传感器(20，30)包括天线(28)。

25.如权利要求22、23或24所述的系统，其中所述地层传感器(20，30)安放在围绕井筒的地层(18)内，在该井筒内布置有套管(14，42，62)。

26.如权利要求22、23或24所述的系统，其中所述地层传感器(20，30)安放在衬于布置有套管(62)的井筒中的另一个套管(60)内。

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