CN104520534A

CN104520534A - 发电通讯装置

Info

Publication number: CN104520534A
Application number: CN201380040901.7A
Authority: CN
Inventors: E·伍德; Z·徐; 徐阳; D·杰拉德
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2033-05-28
Also published as: CA2878205C; AR091652A1; CA2878205A1; CN104520534B; US9927547B2; US20140002089A1; WO2014007923A1

Abstract

一种自供电的井眼通讯组件，其包括具有第一电极电势的第一电极部件和具有不同于第一电极电势的第二电极电势的第二电极部件。当将第一电极和第二电极放置在至少部分为电解质的井眼流体中时，第一电极和第二电极形成电化学电池。电化学电池可操作地布置成产生电流和电压，电流和电压中的至少一项构造成直接传送有关井眼状态、井眼性能或井眼参数中的至少一种的信息。本申请还包括一种通讯的方法。

Description

发电通讯装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年7月2日提交的美国申请号No.61/667122的优先权，上述被要求优先权的申请的全部内容通过引用参考而被结合到本文中。

背景技术

随着系统变得更加先进，在井下钻进和完井工业中，与井下组件的通讯越来越重要。尤其是对于能够达到四万英尺或更深的深度的所谓大位移井来说，即使在借助于传统方法(例如控制线信号传输)进行通讯可行的情况下，与井下组件的通讯也变得困难。其它方案也使得使用这些传统技术变得不符合要求、效率低、或不可行。除通讯之外，许多井下组件，例如套筒、阀和其它可致动部件以及传感器，必须被提供动力才能运行。供给蓄电池或其它动力源、以及实现足够的井下稳固是井下操作者面临的另一挑战。因此，该工业将欣然接受用于井下通讯和发电两者的先进技术和可替代方案。

发明内容

一种自供电的井眼通讯组件，其包括：具有第一电极电势的第一电极部件；具有第二电极电势的第二电极部件，所述第二电极电势不同于第一电极电势；当布置在至少部分地为电解质的井眼流体中时，第一电极和第二电极形成电化学电池，其中，电化学电池可操作地布置成用于产生电流和电压，并且电流和电压中的至少一项构造成直接传送有关井眼状态、井眼性能或井眼参数中至少一种的信息。

一种通讯方法，其包括：在井眼流体中设置具有第一电极电势的第一电极、以及具有第二电极电势的第二电极，以便形成电化学电池，所述第二电极电势不同于第一电极电势；在第一电极和第二电极之间生成电流或电压；并且，用电流或电压直接进行有关井眼性能、井眼状态或井眼参数的信息的通讯。

附图说明

下面的描述在任何情况下都不应被认为是具有局限性的。借助参照附图的内容，同样的元件用相同的附图标记表示：

图1示意性示出了根据本文公开的一个实施例的井下通讯系统；

图2示意性示出了根据本文公开的另一个实施例的井下通讯系统；

图3是图2的自供电通讯和/或传感器装置的放大图(其管柱是未示出的部分)；和

图4是大体上沿图3中线4-4剖取的装置的截面视图。

具体实施方式

这里参照附图通过举例和非限制性方式给出了所披露的装置和方法的一个或多个实施的详细描述。

图1示意性地描绘了布置成向井下位置传送数据和信号以及从井下位置传送数据和信号的系统10。该系统10包括位于井眼14中的管状管柱12。管柱12包括具有不同标准电极或化学电势的一对电极部件、一对套筒或一对部分16和18，这使得，当被设置在电解质流体中时，所述电极部件16和18形成一种由于出现化学反应或相互作用而能够进行电气操作的系统(例如，在此被称作电化学电池或原电池)。在图1的实施例中，电源20接合在电极部件16和18之间，但是，由于存在电绝缘体或间隔部22，因此没有形成回路，所述电绝缘体或间隔部通过断开部件16和18的导电连接而建立了开路(为此，也可以包括开关，这将在下文论述)。但是，由于部件16和18的电极电势不同，当它们被布置在电解质流体中时、例如盐水中时，形成电化学电池或原电池来产生电流I。

电化学电池有效地形成自供电井下通讯组件24，自供电井下通讯组件可用于经由电流I传送数据或信号。例如，数据可以从各种井下传感器(例如，用于测量温度、压力、pH、含水量等的传感器)或设备(例如，阀、封隔器、套筒等设备)获取。例如，可以根据已知的EM(电磁)遥测技术或其它传输技术，来发送、接收和分析电流I，以便从装置24将信息以电流的形式传输通过附图标记为26的泥土至通讯装置28，所述通讯装置可以测量(例如，借助电极阵列或类似的装置)与电流I相关的电流或电压电势。该装置28可以连接回井头30或其它位置(例如，计算机终端)，在该位置处，钻孔操作者可以利用通过通讯组件24与其通讯的信息监测和/或控制井下活动。在该实施例中包括电源22，用以提供根据EM遥测技术发送信号所必需的任何附加电力，原因在于，基于穿过泥土26的距离和/或其组成，装置24提供的电流在任何瞬间可能不足以与装置28有效地通讯。由于组件24连续地产生电流(只要它浸没在适合的电解质流体中)，那么，即使包括了电源22，但组件24不仅有利地有助于产生用于上述通讯目的的电流，而且还额外起到向电源22涓流充电的作用，即，在电源22是可充电蓄电池或蓄电池组的时候。例如，电源22可以不充电运行，并且仅仅从组件24充电。组件24(和/或电源22)也可以用来提供用于致动传感器、致动阀或进行其它井下电气任务的电力。

在所示的实施例中，部件16可以由套筒、接头、板等部件形成，所述套筒、接头、板等部件由碳(例如，结合石墨烯或碳纤维、纳米管等材料)、钴、镍、钛、铜、钢(即，典型长度的管)等材料制成，或由具有更高电极电势的其它材料制成，或由包括上述材料中的至少一种材料的组合体制成，而部件18可以是由铝、镁、锌、铬等材料，或电活性相对更大或具有相对更低标准电极电势的材料制成的套筒、接头、板等部件形成，或者所述部件18可为上述多种材料的组合体。当然，电极电势不同的材料的任何其它组合也可以用于制作电化学电池。

可替换地和/或另外地，也可以与电源22一起包括开关32，开关和电源耦合在部件16和18之间。打开开关32，将停用电化学电池，由此不产生电流I。相反地，关闭开关32，会将部件16和18耦联在一起，由此电化学电池能够如上所述运行。在一个实施例中，只包括电源22，系统10如上所述运行。在另一个实施例中，只包括开关32，通过交替地打开和关闭开关32来控制部件16和18之间提供的相对恒定的电流I。根据开关32的开/关状态，装置28将检测到一定电流或检测不到电流。通过将检测到电流/电压设置为'1'、而将没有检测到电流/电压设置为'0'，可以将信息以二进制的形式从组件24传输到装置28。可利用来自组件24的电力控制开关32的操作(例如，通过充电电容器，类似于车辆的风挡刮水器组件)。

在一个实施例中，井下盐水中已知的或所估计的盐或电解液浓度(例如，3％NaCl)以及由部件16和18形成的电化学电池产生的变化电流可用于计算通讯组件24附近流动的水的百分比或比率。也就是说，当更大浓度的盐水(相对于油而言)用于电化学电池时，所产生的电流/电压将增大。有利地，在该实施例中，除用于上述发电和实现通讯之外，组件24额外地还能感测井下状态。

图2至4中示出的系统100布置成执行上述三项任务：即，产生电流/电压、感测井下状态、和使用电流/电压以进行信息通讯(特别地，信息对应于所感测的状态)。该系统100包括下入井眼104中的管状管柱102。管柱102包括用于对有关井眼104的信息进行监测和/或通讯的一个或更多个自供电通讯和/或感测装置106。图中显示了两个这样的装置，其附图标记为106a和106b，不过这两个装置统称为装置106。在下面更详细地论述的一个实施例中，装置106感测井眼104中的性能、状态或参数，并且借助于用于感测的所述装置产生用于对与所感测信息对应的信息进行通讯的电力。在下面更详细地论述的一个实施例中，所感测的性能涉及井眼104中流体的组成。

装置106包括安装在本体112上的多个第一电极108和多个第二电极110。电极108和110通过本体112本身导电地耦合在一起，或者借助于本体112中的导体导电地耦合在一起。通过选择由具有不同电极电势的材料制成的电极108和110、并将电极108和110浸没在井眼104中存在的流体中，可以形成电化学电池。也就是说，在存在电解质流体的情况下，负电势值更大的电极或位于电解性更大的流体中的电极(即，阳极)将向正电势值更大的电极或位于电解性更小的流体中的电极(即，阴极)传送电子。应当明白，可以使用任何具有不同电极电势的材料，对于阳极而言可以使用例如铝、锌、镁等材料，对于阴极而言可以使用例如碳(例如，包括具有石墨、石墨烯或碳纤维、纳米管等材料的复合体)、钴、镍、钛、铜、钢等材料。可替换地，应当指出，电极108和110可以由相同的材料形成，但是浸没它们的流体的电解性能可以不同。电池或电化学电池可以通过析氢、氧还原或其它化学过程运行，根据上述形成的电池或电化学电池的例子包括但不限于下列：空气电池，例如Al-空气电池、Al-碳(石墨、金属化石墨或金属包覆石墨、带有碳微结构或纳米结构的复合物等材料)电池、Mg-空气电池、Mg-碳(石墨、金属化石墨或金属包覆石墨、带有碳微结构或纳米结构的复合物等材料)电池、Zn-空气电池、Zn-碳(石墨、金属化石墨或金属包覆石墨、带有碳微结构或纳米结构的复合物等材料)电池、Fe-空气电池、Fe-碳(石墨、金属化石墨或金属包覆石墨、带有碳微结构或纳米结构的复合物等材料)电池；Li-空气电池；金属-金属电池，例如Al-Fe电池、Al-Ni电池、Al合金(例如，6000)-Al合金(例如，2000，7000)电池、Al-Zn电池、Li-金属电池；浓差电池，例如Al-Al(在不同的电解液中)电池、Cu-Cu(在不同的电解液中)电池、Zn-Zn(在不同的电解液中)电池；或它们的混合或组合型电池，例如串联或并联耦合在一起的不同类型的上述电池或其它电池、用于产生电力向另一种类型电池充电以存储和/或分配电力的一种类型蓄电池、串联或并联布置的微原电池等电池。由于氧气在井下不容易得到，依靠氧还原的蓄电池可以具有设置在充有氧气或空气的腔室中的阴极，或者可以供给其它氧源，例如氯酸钾与二氧化锰混合时的分解反应。

利用对电极之间产生的电流和/或与之相关联的电压的测量，装置106可以检测流体的性能，即电解性能。也就是说，更高电压的形成表明布置了电极108和110的流体或流体组分能够更好地转送电子。例如，浸没在重烃基流体组分中的电极将对应于极低的电压或完全无电压，而浸没在重盐(brine-heavy)流体组分中的电极对将具有可测量的明显的电压。如另一示例，电压也是pH值的函数，尤其是在流体组分碱性很高(例如，pH超过10)或者酸性很高(例如，pH不到4)的情况下。以这样的方式，当固井剂明显比井眼中存在的井下泥浆以及其它流体(为解释方便，被称为"泥浆"，不过应当明白，其可以包括盐水、油等流体的任何组合)碱性更高(例如，pH约为13)时，可以监测固井作业。同样，当用于井下处理的酸具有明显小于周围泥浆的pH时，可以监测酸化作业。例如，可以监测沿着井眼104的长度的酸或固井剂的处理，例如，通过首先检测第一装置106(例如装置106a)处的固井剂/酸的存在，然后检测随后的装置106(例如装置106b)处的固井剂/酸的存在，诸如此类方法。

有利地，这是正是产生能够使装置106感测井下性能、状态或参数的工艺。因而，所产生的电流和/或电压与井下性能、状态或性能相关，并且所述电流和/或电压可以用于直接传送与之相关的信息。例如，如图3所示，能够感测电压的伏特计或其它传感器114可以跨至少一对电极108和110进行耦合。如上所述，与传感器114连通的电压的变化程度能够传送与在井眼104或其中流体中一些所感测的性能相关的信息。

此外，已经感测和传送与井下性能、状态或参数相关的信息的所述电流/电压还可以用来向至少一个其它机构115提供动力、激发所述其他机构或与所述其他机构进行通讯。例如，机构115可以是另一通讯装置，例如发送器、转发器、天线、EM遥测组件等装置，例如用于向地面上的钻孔操作者传递有关井下性能、状态或参数的信息。在一个实施例中，机构115尤其为声波发送器或超声波发送器、转发器、天线或用于能够以声波或超声波方式传送信号的其它组件。例如，在一个实施例中，机构115(图2显示了其中两个机构)各为用于接收信号并且转发所接收信号的信号转发器，例如以无线、声波、超声波等方式。通过包括沿着井眼104布置的信号转发器形式的多个机构115，可以将信号(例如来自装置106的信号)传递给任何所要求的位置，例如，井头或其它钻孔操作者位置(例如，计算机终端)。

机构115还可以是传感器，例如，用于检验由装置106感测的信息。例如，由于井下流体中的电压增大或减小可能对应于一个以上的事件，所以可以包括pH传感器以检验pH，因而可以检验固井剂是否在装置106处，可以包括电阻率传感器以有助于检验装置106处的油/水浓度等等。如另一示例，可以包括与感测的信息无关、但与对完井、生产或其它井下作业来说同样重要的信息相关的传感器。例如，机构115可以是用于(例如)在压裂作业期间感测地质或地震数据的地震检波器。在使用地震检波器的情况下，使装置106与管柱102分开，或者以其他方式使装置106与管柱102中的振动隔离是重要的。套筒、阀和其它可致动装置也可以经由装置106产生的电力操作，并且在某些事件发生时可以被自动激发，例如，在水浓度被检测到太高的情况下，流入控制阀关闭而停止从紧邻装置106的区域的生产。如上所述，装置106提供了与井下组件(例如机构115)以及地面进行通讯的手段，尤其是在其它手段(例如控制线数据传输)在(例如)大位移井中不可行或成本较高的时候。

在井眼的高度偏斜或水平区段中存在层流或塞柱流的环境中，井下流体中组分的不同密度将使流体组分自然地分离。例如，图2至4描绘了在井眼104的偏斜部分122中与第二流体组分118(密度更大)在流体边界120处在竖向上分离的第一流体组分116(密度较低)。例如，由于水(盐水)比油密度大，油将浮在水上面，从而类似于流体组分116浮在组分118上面。流体组分116和118的性能将改变浸没在各流体组分中的电极之间的电压电势，所述电压电势由装置106(或与之一起设置的传感器)测量。

在一个实施例中，电极108和110布置成电耦合对(例如，每对108a/110a、108b/110b、108c/110c、108d/110d等电耦合对之间连接电线，传感器114中的一个传感器测量每对电极之间的电压，如图3所示)，每对的电极位于绕装置106大致相同的转动位置上。实际上，每对形成其自己的电化学电池，这样装置106可以包括电化学电池或原电池的阵列。这些电耦合对用基本数字108和110后面跟着的相对应的字母标识符(例如，a、b、c、d等字母)标记。通过测量每对电耦合对之间的电压并且评估这些电耦合对在不同范围记录电压的百分比，能够搜集流体组分116和118的性能。例如，浸没在重烃基流体组分中的电极对将对应于极低电压或完全无电压，而浸没重盐流体组分中的电极对将具有可测量的明显的电压。在该构造中，具有较高电压的电耦合对的百分比将对应于含水的流体的比率，即含水量或水与油的比率。例如，在图2和3的实施例中，流体边界120的位置使得：所示八对电极中的两对电极(用'a'和'h'标识)位于边界120下方的流体组分118中，而其它电极对位于边界120上方的流体组分116中。因而，在该例子中，应当确定，流体组分118包括井眼104中紧邻装置106的流体的总组成的较少部分。当然，可以包括任何数量的电极或电极对，例如，对流体组分116和118的比率提供可变的精确度。另外，沿着管柱102的长度可以包括多个装置106，用于确定井眼流体的含水量或其它性质和/或井眼104中不同位置上的流体组分。应当指出，电极108和/或110中仅有一种电极需要为多个。例如，在另一个实施例中，电极108用共用阴极(例如，完全或部分的环，或其它形状)替换，传感器114中的一些传感器耦合在该共用阴极和每个电极110(作为阳极)之间。这种构造将形成如上所述而基本相同的操作(例如，即使在所有都与一个共用电极配对的时候，设置在流体组分116中的电极110中的一些电极产生的电压与设置在流体组分118中的电极110中的一些电极产生的电压不同)。

作为另一个例子，电压也是pH的函数，尤其是在流体组分碱性很高(例如，pH超过10)或者酸性很高(例如，pH不到4)的情况下。这样，当固井剂明显比井眼中存在的井下泥浆及其它流体碱性更高(例如，pH约为13)时，可以监测固井作业。同样，当用于井下处理的酸具有明显小于周围泥浆和流体的pH时，可以监测酸化作业。在这些实施例中，产生较高电压的电极对的百分比对应于已经经固井操作或已经经酸化处理的装置106的百分比和/或位置。应当明白，电极108和110可以定位在其它布局或位置中，例如，在管状管柱内部，竖直地而不是水平地定位，以便识别流体柱中的不同组分，等操作。

当然，根据本发明，可以使用上述实施例的任意组合。在一个实施例中，装置106a和106b的本体112由具有不同电极电势的材料制成，并且(例如)大体上布置成如有关图1所述的电极部件16和18所述的那样。可替换地来说，图1的电化学电池中的每个电极部件16和18可以布置成装置106中的一个装置。也就是说，基本上，这将提供较大的电化学电池，或在每个较大电化学电池的电极上提供具有较小电化学电池的蓄电池。这样，图1的构造不仅能够用于向地面通讯，例如，根据EM遥测技术使用穿过泥土26的电流，而且还将感测有关紧邻其每个电极的井下性能的特定信息(该信息当然被传送到地面)。如最后所论述的，有利的是，这将提供一种系统，其产生自己的电力，感测相关的井下性能、状态或参数，以及还对有关这些性能、状态或参数的信息进行通讯。

虽然已经参照示例性实施方式对发明进行了描述，但是本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明的范围的前提下可以做出各种修改并且其元件可以替换为各种等同元件。另外，在不脱离其实质范围的前提下可以做出许多修改以使特殊的情况或材料适应本发明的精神。因此，本发明并不旨在局限于作为设计成用于实施本发明的最佳模式所披露的特定的实施例，而是，本发明将包括落入权利要求范围内的所有实施方式。而且，在附图和说明书中已经披露了本发明的示例性实施方式，尽管可能已经使用了特定的术语，但是，除非另有说明，否则这些术语仅仅是作用一般描述性意义使用，并不是出于限制的目的，因而本发明的范围不局限于此。此外，“第一”、“第二”等术语的使用并不表示任何顺序或重要性，“第一”、“第二”等术语而是被用来将一个元件与另一个元件区分开来。此外，术语“一”的使用并不表示对数量的限制，而是表示存在至少一个所提及的对象。

Claims

1.一种自供电的井眼通讯组件，其包括：

具有第一电极电势的第一电极部件；和

具有第二电极电势的第二电极部件，所述第二电极电势不同于第一电极电势，当所述第一电极和第二电极被布置在至少部分为电解质的井眼流体中时，所述第一电极和第二电极形成电化学电池；

其中，电化学电池可操作地布置成产生电流和电压，电流和电压中的至少一项构造成直接传送有关井眼状态、井眼性能或井眼参数中的至少一种的信息。

2.根据权利要求1所述的井眼通讯组件，其中，井眼状态、井眼性能或井眼参数由所述自供电的井眼通讯组件感测，并由响应于井眼状态、井眼性能或井眼参数的不同值或品质而变化的电流或电压反映。

3.根据权利要求2所述的井眼通讯组件，其中，井眼状态、井眼性能或井眼参数与井眼流体的组成有关。

4.根据权利要求3所述的井眼通讯组件，其中，井眼流体的组成由至少第一流体组分和第二流体组分限定，所述组成由系统通过比较实际测量到的第一值的电压和第二值的电压来感测，所述第一值表示电化学电池理论上仅用于第一流体组分中的情况，所述第二值表示电化学电池理论上仅用于第二流体组分中的情况。

5.根据权利要求4所述的井眼通讯组件，其中，井眼流体包括盐水和油，当井眼流体包括的油的浓度比水高时，电压相对较小。

6.权如利要求3所述的井眼通讯组件，其中，所述组成包括泥浆，以及固井剂或酸，相比存在泥浆的情况，在存在固井剂或酸时电压较高。

7.一种包括多个根据权利要求1所述的自供电的井眼通讯组件的系统，多个自供电的井眼通讯组件布置在井眼中的不同位置上。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述自供电的井眼通讯组件设置在井眼中的不同轴向位置处。

9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述自供电的井眼通讯组件设置在井眼中的不同旋转位置处。

10.根据权利要求9所述的系统，所述系统包括具有多个所述自供电的井眼通讯组件的装置，其中，所述自供电的井眼通讯组件中的各组件的第一电极和第二电极成对地布置，以便感测不同旋转位置上的井眼性能、井眼状态或井眼参数。

11.根据权利要求1所述的井眼通讯组件，其中，第一电极或第二电极中的至少一种电极形成电化学装置的本体，所述电化学装置包括至少一个第三电极部件和至少一个第四电极部件，用于形成次级电化学电池。

12.根据权利要求11所述的井眼通讯组件，其中，所述次级电化学电池可操作地布置成产生次级电压或电流，所述次级电压或电流的值响应于井眼性能、井眼状态或井眼参数的变化而变化。

13.根据权利要求1所述的井眼通讯组件，其中，电流和电压还向与所述井眼通讯组件耦合的至少一个其它机构提供电力。

14.根据权利要求13所述的井眼通讯组件，其中，所述至少一个其它机构为可操作地布置成检验或验证有关井眼性能、井眼状态或井眼参数的信息的传感器。

15.根据权利要求13所述的井眼通讯组件，其中，所述至少一个其它机构为可操作地布置成感测至少一种其它井眼性能、井眼状态或井眼参数的传感器。

16.根据权利要求15所述的井眼通讯组件，其中，所述传感器为用于感测地震数据或地质数据的地震检波器。

17.根据权利要求13所述的井眼通讯组件，其中，所述至少一个其它机构为阀、套筒或其它可致动部件。

18.根据权利要求17所述的井眼通讯组件，其中，所述阀、套筒或其它可致动部件响应于井眼状态、井眼性能或井眼参数满足预定情形而由所述井眼通讯组件自动触发。

19.根据权利要求13所述的井眼通讯组件，其中，所述至少一个其它机构为通讯装置、发送器、转发器、天线或包括上述通讯装置、发送器、转发器、天线中的至少一种的组合。

20.根据权利要求19所述的井眼通讯组件，所述井眼通讯组件包括沿着井眼的多个机构，并且所述多个机构可操作地布置成从井下位置向井头或操作者位置传递信息。

21.根据权利要求19所述的井眼通讯组件，其中，所述至少一个其它机构是声波或超声波信号传输系统的一部分。

22.一种通讯方法，其包括：

在井眼流体中设置具有第一电极电势的第一电极和具有第二电极电势的第二电极，以便形成电化学电池，所述第二电极电势不同于第一电极电势；

在第一电极和第二电极之间生成电流或电压；并且

用电流或电压直接对有关井眼性能、井眼状态或井眼参数的信息进行通讯。

23.根据权利要求22所述的方法，所述方法还包括：用电流或电压向至少一个其它机构供电。

24.根据权利要求22所述的方法，其中，井眼性能、井眼状态或井眼参数与井眼流体的组成有关，并且电化学电池可操作地布置成响应于流体组成变化而改变电流或电压的值，所述方法还包括：基于电流或电压的值，感测所述井眼性能、井眼状态或井眼参数中的至少一种。