CN107109927A - 基于斯通利波的管道遥测术 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下遥测井系统，其通过对斯通利波上的信号进行编码而在管状管道内以高速率传输数据。用于斯通利模式的遥测装置在短管接头处加以实施，所述短管接头以不同间距插入在所述管状物之间。每个遥测装置包括斯通利换能器，所述斯通利换能器可以充当发射器、接收器或中继器。所述斯通利遥测装置发射和接收构成所述信号的载波的所述斯通利波。所述斯通利遥测装置可以由板载电池或经由某一远程电源来供电。

Description

基于斯通利波的管道遥测术

技术领域

本公开总体涉及井下通信，并且更具体地说涉及一种使用斯通利波来进行井下遥测的系统和方法。

附图简述

图1A示出根据本公开的某些说明性实施方案的具有斯通利波遥测装置的管柱的区段；

图1B-1D示出根据本公开的某些说明性实施方案的用于用对称地相对的换能器接收斯通利波的各种电路；

图2A和图2B示出带套筒的钻孔中的斯通利波的大的幅度；

图3示出定位在填充有钻井流体的钻孔内的钢质芯轴，所述钢质芯轴在研究期间模制而成，所述研究被实施来确定芯轴内的斯通利波如何随泥浆特性衰减；

图4示出建模研究期间使用的边界条件；

图5和图6示出建模的结果；

图7是示出根据本公开的某些实施方案的管道的斯通利波速度的曲线图；

图8是示出根据本公开的某些说明性实施方案的有关斯通利波传播的Q(等式3)的曲线图；

图9-11是描绘根据本公开的某些实施方案的各种管道的各种透射系数的曲线图；

图12示出根据本公开的某些实施方案的短跳遥测系统中使用的管状物；

图13示出根据本公开的某些说明性实施方案的具有吸收器的斯通利波中继器；

图14是根据本公开的某些说明性实施方案的单一斯通利波中继器的基本概念图；

图15和图16分别是根据本公开的某些说明性实施方案的全双工和半双工中继器的概念图；并且

图17示出根据本公开的某些说明性实施方案的其中可以应用本公开的钻井环境。

具体实施方式

下文描述了本公开的说明性实施方案和相关方法，其可以被采用于用于基于斯通利波的管道遥测术的井系统和方法中。为了清楚起见，本说明书中并未描述实际实现方式或方法的所有特征。当然，将了解，在任何这类实际实施方案的开发中，必须作出众多实现方式特定的决策来实现开发者的将随实现方式而变化的特定目标，诸如遵从系统相关和商业相关的约束。此外，将了解，这种开发工作可能是复杂而费时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言将是常规任务。本公开的各种实施方案和相关方法论的另外的方面和优点将通过对以下描述和附图的考虑而变得显而易见。

如本文所述，本公开涉及用于使用斯通利波载波信号来实施井下遥测操作的系统和方法。在一般化实施方案中，多个斯通利波遥测装置沿着管柱定位。斯通利波遥测装置可以实施为发射器、接收器或中继器。每个斯通利波遥测装置包括多个换能器，所述换能器用于发射和/或接收斯通利波。在遥测操作期间，斯通利波换能器在彼此之间传送斯通利波的上行链路或下行链路通信。

图1A示出根据本公开的某些说明性实施方案的具有斯通利波遥测装置的管柱的区段。应注意，为简单起见仅示出一个斯通利波遥测装置，但是可以将两个或更多个遥测装置用在本文描述的实施方案中。如图1A所示，井下井系统通过对填充有钻井流体的管状物10中传送的斯通利模式声波的载波上的信号进行编码而在所述管状物内传输数据。管状物10可以包括任何数目管柱的部分，所述管柱包括例如钻井、测井、或随钻测井(“LWD”)管柱。虽然图1A中未示出，但是管状物10是沿着在地层内延伸的钻孔定位。

在这个说明性实施方案中，斯通利波遥测装置12在短管接头(例如，钻环)处加以实施，所述短管接头以不同间距插入在管状物/管道接头之间。每个斯通利波遥测装置12可以充当用于实现上行链路或下行链路通信的发射器、接收器或收发器。然而，在以下描述中，遥测装置将被描述为发射器或接收器(而非收发器)。当充当收发器时，遥测装置12在本文中被称为“中继器”。斯通利波遥测装置12彼此轴向分开。在某些实施方案中，斯通利波遥测装置之间的距离可以是10-40米的距离，由此所述系统适合作为短跳遥测系统。

每个斯通利波遥测装置12包括管状壳体14，以及换能器16a-16d，所述换能器充当斯通利波发射器或接收器，在径向上以正交于中继器12的轴线的对称对而在空间上彼此分开，从而形成发射器-接收器对。斯通利波遥测装置12还可以包括用于使斯通利波衰减、反射或引导所述斯通利波的元件。如下文将更详细描述，斯通利波发射器/接收器对还可以是中继器对，所述中继器对在空间上沿着管状物10的轴线分开，以便于延长在上面可以遥测信号的距离和/或提供双模通信能力。斯通利遥测装置12发射和接收构成信号的载波的斯通利波。斯通利遥测装置12可以由板载电池或经由某一远程电源(未示出)来供电。

在某些说明性实施方案中，斯通利遥测装置12由多个换能器16a-16d组成，所述换能器可以是安装在管状壳体14的内壁4上的方位角上分布的压电或磁致伸缩(由诸如terfenol的材料组成)元件。换言之，换能器16a-16d在径向上彼此以正交于遥测装置12的轴线的对称对分开。虽然示出了四个换能器，但是本文描述的任何实施方案中可以利用更多或更少的换能器。在某些实施方案的操作期间，换能器元件16a-16d以同步方式启动来以同步方式(发射)或接收斯通利信号。

在启动之后，斯通利波在管状物10内传送至下一个斯通利波遥测装置12，在其中，所述斯通利波将被检测和重新发射。斯通利遥测装置12的一个优点是任何横向噪声18都将通过将来自相对的换能器16a-16d的信号减去来自动地消除，这就是为什么所述换能器如前文所描述相对于彼此要定位在相对取向上的原因。与其他声波模式相比较，使用斯通利波的一个优点是斯通利波尤其是在钢管中通常具有声模式的最小衰减。另一个优点是可以容易地生成具有高于其他声模式的幅度的幅度的斯通利波。

图1B示出根据本公开的说明性实施方案的用于用一对对称相对的换能器接收斯通利波的电路的实例。操作原理如下：斯通利波将用相同信号对换能器16a和16b两者施加相同压力，同时对管状壳体14产生的跨轴冲击将在两个元件中诱导近似相等且符号相反的噪声。通过将输出引导至与管状壳体14(即，用于换能器的壳体)具有共同接地的加法放大器15，对由换能器16a、16b接收的信号的斯通利波分量求和，同时大致上消除由冲击诱导的噪声。

现参考图1C，示出了用于接收斯通利波的更精密的布置。在这种情况下，两个对角相对的换能器对16a、16b和16c、16d用于形成发射器。为每个换能器对16a、16b和16c、16d复制与图1B中一样的电路，借此所述换能器的输出分别馈送到放大器15a和15b中。此外，换能器16a、16b的输出馈送至信号处理电路17。信号处理电路17可以包括一个或多个模数转换器。如果仅存在一个模数转换器，那么必须包括多路复用器来在两个信号之间进行切换，并且多路复用器必须以足够的速率在来自换能器对16a、16b的两个输入之间切换，使得换能器对的抽样之间的相对时移不会使处理过的信号显著劣化。

仍然参考图1C，信号处理可以像对两个换能器对的输出求和一样简单。更一般而言，信号处理可以包括从换能器对之一选择信号作为对斯通利波的比来自其他换能器对的信号更干净的表示。这可以通过以下方式来完成：使用对斯通利波遥测信号的频带的了解，并且注意来自每个换能器对的信号中处于所述频带中的信号功率相对于处于所述频带之外的功率，并且针对每个对，将这些功率之比视作是信噪比的度量。具有最高信噪比的信号是选自处理模块。

图1D中示出了用于传输斯通利波的合适的布置。放大器15用相同信号驱动对称安置的换能器对16a、16b。放大器与管状壳体14(即，用于换能器的壳体)共享共同接地。如果存在超过两个换能器，那么相对于钻环，它们全部应当用相同信号驱动。此外，如本公开稍后所描述，发射与接收之间的切换可以使用电子开关和控制逻辑(例如，信号调节器和控制模块)来完成。

由于可适于标准管状物/管道套件，本文描述的说明性实施方案要求比有线管道更少的专用资本投入和更少的后勤工作。说明性遥测系统依赖于斯通利波，所述斯通利波在相同的频率范围内比压缩波或剪切波更强且传送更远。如图1所示，由壁挂式换能器16a-16d产生斯通利波，从而使得管状壳体14的中心对泥浆流开放并且可供干预。图2A和图2B获自“A Study of Sonic Logging in a Cased Borehole”，S.K.Chang，A.H.Everhart，1983年9月的Journal of Petroleum Technology，Society of Petroleum Engineers ofAIME，第1745页–第1750页，所述图示出不具有套筒的开放钻孔中的斯通利波的大的幅度。然而，应注意，本文描述的实施方案并不限于不带套筒的井孔；而是，使用图2A和图2B的图来说明斯通利波在其在钢质管状物内传播时的强度。

图2A和图2B是套筒与钻孔之间的结合不良的带套筒的钻孔的相似物理模型(2A)和分析模型(2B)中的信号幅度的微震波曲线(microseismogram)。地层是如在Chang和Everhart中所描述的环氧树脂和沙子的混合物。微震波曲线通过观察沿着缆线安装的五个不同声传感器(传感器之间存在恒定间距)的输出来获得。纵座标与传感器之间的物理间距成比例，而横座标是时间(传感器隔开约3英寸)。观察到的信号幅度还被绘制为对每条迹线具有相同敏感度的纵坐标。声源在介于20KHz与50KHz之间时具有较大的功率。根据此图，相当明显的是，斯通利分量远远强于剪切分量和套筒分量，而压缩分量甚至不是可见的。

建模研究被实施来确定芯轴内的斯通利波如何随泥浆特性衰减。在所述研究中，分析了在具有粘性流体(钻井泥浆)和钢质芯轴的钻孔中传播的低频(介于5Hz至100Hz之间)斯通利波的衰减和分散。图3示出了这种建模情形。在此处，钢质芯轴被示出沿着地层定位在钻孔22内，钻孔22填充有钻井流体24。

在研究期间，在三个不同边界处用边界条件产生系数矩阵M(12x12)。边界是如图4所示介于内流体24与钢质芯轴20的内表面之间(1)；介于钢质芯轴20的外表面与外流体24之间(2)；并且介于外流体24与地层之间(3)。在这些边界处满足四个边界条件：(1)径向位移的连续性，(2)径向应力的连续性，(3)轴向位移的连续性；以及(4)轴向应力的连续性。

在产生系数矩阵之后，计算轴向波数。流体声速和密度分别是1500m/s和1000kg/m³。钢质芯轴的压缩(p)、剪切速度(s)和密度是5600m/s、3000m/s和7800kg/m³。地层的压缩(p)、剪切速度(s)和密度是3670m/s、2170m/s和2400kg/m³。钢质芯轴20的内径和外径分别是4.276和7英寸。钻孔22的半径是9英寸。然后计算钻井流体的动态粘度。

图5和图6示出建模的结果。在图5中，示出了轴向波数k的虚数部分对流体-钢-流体-地层模型的频率。图6示出了粘度对频率。模型会反射居于穿过地层的含流体钻孔的中心的含有流体的钢管的斯通利波。对波数的实数和虚数部分的了解允许人们就具有各种反射器的各种各样的假定实施方案而对信号传播进行建模。波速是弧频除以波数的实数部分，因此有可能从波数的虚数部分和波速获得分析斯通利波遥测系统所需的所有信息；波数的虚数部分与波数的实数部分相关并且(有待进行简短定义的)Q如下：

ki[ω]＝kr[ω]/(2*Q[ω])，

等式(1)，

可替代地，波数的虚数部分通过以下等式与速度相关：

ki[ω]＝ω/(2*Q[ω]*v[ω])，

等式(2)。

在等式1-2中，ω是频率(弧频)，kr是波数的实数部分，ki是波数的虚数部分，v是速度，[ω]用于指示变量是ω的函数。衰减提供对信号可以传播多远的指示。Q被定义为：

Q[ω]＝-(1/π)(ΔA[ω]/A[ω])，

等式(3)

其中A[ω]是波在频率ω下的幅度，并且ΔA[ω]是在波传播一个周期时的幅度的变化。一旦已知kr和ki，就可以计算有关各种类型的反射器的波传播特征，这将是对钻柱中的传播进行建模所需的，因为每个工具接头处都存在直径的变化。一般而言，人们需要了解kr和ki不仅随着频率的变化而变化，而且随着管道的内径、管道的外径、钻孔的直径、管道中的声音的速度以及钻井泥浆中的声音的速度的变化而变化。然而，具有钻井环境中可实现的任何范围的内和外管道直径以及钻孔大小的系统的传播特征存在很小变化，只要管道统一即可。

根据本公开的说明性实施方案，上述研究可用于获得对斯通利波遥测系统的能力的初步理解。当执行类似的分析直到20KHz频率时获得更深入的理解，并且当管道接头或管道截面中的其他干扰物被包括在内时，对透射和反射进行详细的计算。

图7和图8是根据本公开的某些实施方案分别示出各种管状物的斯通利波速度和有关斯通利波传播的Q的曲线图。图7示出有关具有图例中所指示的特性的钻孔中的钻管在介于1KHz与20KHz频率之间时的以米/秒计的斯通利波速度。这些特性包括：流体中的波速＝1,500m/s；流体密度＝1,000kg/m³；流体粘度＝1,000cp；管道材料中的压缩速度＝5,600m/s；管道材料中的剪切波速度＝3,000m/s；管道材料的密度＝7,800kg/m³；管道ID＝4.276英寸；管道OD＝7英寸；地层压缩速度＝3,670m/s；并且地层剪切波速度＝2,170m/s。图8示出在相同条件下的斯通利波传播的Q。

图7和图8的图因模型存在数值计算上的困难而有点不合规范。类似地，一些参数并不是正常钻孔操作典型所有的(管道明显厚于大多数钻管并且地层密度高于典型地层)。这么做是出于数值稳定性考虑。处于典型操作范围之外的参数实际上对斯通利波速度和Q影响很小。

连同以下关系一起使用来自图7和图8的波特性来计算穿过由两个管道接头连结的管道区段的斯通利波的透射系数：

以及

其中Tf₁是从具有内部面积a₁的管道到具有内部面积a₂的管道的透射系数；Tf₂是从具有内部面积a₂的管道到具有内部面积a₁的管道的透射系数；Rf₁是在内部面积为a₁的管道中传送的波被内部面积为a₂的管道反射出去的反射系数；并且Rf₂是在内部面积为a₂的管道中传送的波被内部面积为a₁的管道反射出去的反射系数。术语f在Tf₁，Tf₂，Rf₁和Rf₂中指代“前向”传送波，也就是说，波在指定方向上传送。针对在相反方向上传送的波，可以写出类似关系。“b”将用于这些术语。

当将这些结果组合，并且将传播考虑在内时，可以计算传播经过工具接头(即，管道的一个跨段与另一个跨段之间的连接部)时多次反射的影响，并且可以显示，对于连续节点i和i+1，复合特性通过以下等式给出：

以及

其中

并且假定z是沿着系统的偏移坐标，并且在位置z_i和z_i+1处发生了直径变化。还假定管道是足够厚的，以致于管道的外径对斯通利波的传播的影响很小，这是钻柱中的斯通利波遥测系统的任何实施方案的良好的近似。

这些关系使得有可能将管道接头处反射的影响与仅因为传播所致的影响进行比较。由于沿着钻孔传播的斯通利波会因钻孔中存在裂缝而迅速衰减，可以假设在钻管内传播的斯通利波将会因管道接头处内径的变化而在管道接头处发生严重衰减。事实证明并非如此。参考图9，示出了有关管道的10m区段的透射系数的实数部分、虚数部分和大小，其中每端都具有管道接头和10KHz的频率，所述实数部分、虚数部分和大小随着面积不同于管道中的面积的管道接头中的区域的长度的变化而变化。在图10中，对于10m区段，在1KHz下，管道的ID为2.375”，管道接头的ID为3.289”，并且管道接头的区域的长度在0.00254m至1m之间变化。应清楚的是，管道接头对信号的相位具有全面的影响，并且对大小可以具有某种影响。

在这种情况下，由于总衰减随管道接头的长度而显著增加，斯通利波将衰减约0.3倍到0.5倍。进一步的研究揭示总衰减的增加与存在管道接头的事实无关，而是归因于系统随管道接头长度的增加而产生的总增加。甚至在1KHz下，这都是明显的，如图11所示，其中绘制了从1KHz直到20KHz的在每端由0.00254m(0.1”)的管道接头连结的管道的100m跨段的透射。根据此图，应清楚的是，斯通利波遥测术在没有中继器的情况下无法在长距离内维持。然而，在没有中继器的情况下将斯通利波用于短跳遥测术(在数十米内，例如，10-40米)是可行的。

因此，在本公开的某些说明性实施方案中，可以使用短跳遥测系统来例如遥测从钻头内或其上方的一点经过泥浆马达或旋转导向装置而到达泥浆马达或旋转导向装置上方的模块的信息。所述短跳遥测系统还可以用于将在泥浆马达或旋转导向装置内收集的信息传递至泥浆马达或旋转导向装置上方的模块。可以遥测的信息的类型涉及例如泥浆马达或旋转导向装置的状况、钻头的状况、钻井振动、转矩、钻压、弯曲、泥浆特性或地层特性。

图12中示出了根据本公开的用在短跳遥测系统中的管状物的一个说明性实施方案的元件。在此处，以其个别部分示出了管状物1200，其包括第一中继器(即，具有发射器和接收器的收发器)1202、干预管状物或装置1204和第二中继器1206(共同形成“管状壳体”)。第一中继器1202和第二中继器1206由沿着管状物1200的内壁1210定位的换能器1208a-1208d组成，所述换能器适合于发射和接收斯通利波。此外，换能器1208a-1208d可以被设置成处于一个模式并被操作来使得发射和/或接收是同步的。因此，在下行链路操作期间，例如，第一中继器1202可以发射斯通利波，使其穿过干预管状物1204，在所述干预管状物处，所述斯通利波被第二中继器1206接收。一旦被接收，第二中继器1206就对信号进行解码，处理所述信号和/或将所述信号重新传输至另一个中继器，或者可替代地将所述信号往回重新传输至第一中继器1202。

如上所述，斯通利波遥测系统在不利用中继器的情况下无法在长距离内操作。在大多数但并非所有情况下存在的固有特性是利用大量中继器的其他遥测系统是高等待时间的，也就是说，传输数据时存在大延迟，甚至是在为连续传输获得了合适的数据速率的情况下。这归因于需要在每个中继器处接收信息分组并且将其从接收器附近的位置重新传输出去。即使在不同于所接收的信号的频带的频带下，重新传输实时地受到轻微的影响，也非常难以获得发射器与接收器之间的合适的隔离来允许同时操作两者。

在本公开的某些说明性实施方案中，一种解决方案是接收信息分组，对其进行解码并且之后重新传输所述信息分组。这具有消除引入到所接收的信号中的噪声的优点，但是这要在牺牲系统等待时间的代价下实现。虽然这在某些应用中可能是可忍受的，但是其他应用更多可能要求速度。因此，下文描述本公开的替代实施方案。

斯通利波具有可以利用来解决系统等待时间问题的特性。如将由受益于本公开的本领域普通技术人员所理解，斯通利波被多孔介质吸收。通常会在声测井中观察到这种效应，如在“Stoneley-wave attenuation and dispersion in permeable formations”，Andrew N.Norris，Geophysics，第54卷，第3期(1989年3月)：第330页–第341页中所论述。因此，在本文描述的某些实施方案中，这种相同的效应被利用来隔离斯通利波遥测中继器中的发射器和接收器。图13中示出了这种中继器的实施方案，所述图是容纳在短节中的单一中继器的截面图。中继器1300可以是双向的或仅在一个方向上传递信号。此外，中继器1300如稍后将描述可以是全双工的或半双工的。

中继器1300包括具有第一端和第二端的管状壳体1302。在某些实施方案中，中继器1302可以容纳在钻环的区段中。换能器1304a-1304d沿着中继器1300的内壁1306安装在所述中继器的两端上。换能器1304a-1304d如先前所描述可以被布置用于同步操作。对于双向能力，换能器1304a-1304d可以是收发器，诸如压电或磁致伸缩装置，或者单独的元件可以专用于上行链路和下行链路操作。换能器1304a-1304d使用例如接线1310来彼此通信耦合。如下文将更详细描述，电子器件和功率模块1312也沿着接线1310耦合以便于提供各种功能，例如像，斯通利波信号的放大、滤波和/或处理。

在本公开的某些说明性实施方案中，内壁1306衬有斯通利波吸收器1308，例如像，柔顺且多孔的材料。斯通利波吸收器1308的多孔和柔顺特性使得有可能接收斯通利波遥测信号，提升其幅度并且实时地执行简单的滤波或处理，并且在同一个方向上重新传输信号，而不会使接收器饱和。斯通利波吸收器1308定位在处于管状物1302的第一端处的换能器1304a、1304b与处于其第二端处的换能器1304c、1304d之间。斯通利波吸收器1308可以结合到管状物1302的内壁1306或从管状物1302内的套筒悬挂下来。

在某些实施方案中，多孔材料还是可渗透的，也就是说，孔隙是连通的。所述多孔材料可以由诸如以下各项的物质组成：氟橡胶、羧基丁腈、氯丁橡胶、或包括硅橡胶的大量其他橡胶。所述多孔材料应当被制作成使得其是多孔的，从而使得贯穿大部分材料的孔隙是连通的，并且具有足够大小的被流失的循环材料或泥浆微粒封堵的孔是最少的。多孔包含物的说明性平均直径将处于约0.1mm至约0.5mm的范围内。多孔材料可以通过以下方式来制作：开始分配由橡胶制成的球体、椭圆体或类似成型的物体并且将其融合。与钻环材料的杨氏模量相比较，用孔隙耦合的橡胶的非常低的杨氏模量应当会使其成为斯通利波的良好的吸收器。例如，氟橡胶的杨氏模量为约4.6M Pa，而典型的钻环材料的杨氏模量大约为300,000m Pa(例如，6140钢)。

图14是根据本公开的某些说明性实施方案的单一斯通利波中继器的基本概念图。在此处，斯通利波中继器包括换能器，所述换能器形成接收器1402和发射器1404。斯通利波吸收器1406定位在发射器1404与接收器1402之间。此外，信号调节器通信地耦合在接收器1402与发射器1404之间以便于调节由接收器1402接收的斯通利波信号，并且之后将已调节的信号发送至发射器1404，在所述发射器处，所述信号被重新发射。例如，信号调节器1408可以放大斯通利波信号，对其进行滤波(例如，噪声)或以其他方式处理所述斯通利波信号。

图15和图16分别是根据本公开的某些说明性实施方案的全双工和半双工中继器的概念图。图15和图16示出上行链路模式和下行链路模式两者。图15示出可以同时进行上行链路和下行链路通信的全双工操作，而图16的半双工实施方案仅可以在给定时间在上行链路或下行链路模式下通信。在图15中，虽然存在两个斯通利波吸收器1506，但是实际上，上行链路和下行链路模式两者共同存在单一吸收器1506。

在图15中，上行链路和下行链路模式在隔离的频带下操作。类似于图14的实施方案，斯通利波中继器1500包括上行链路接收器1502a、信号调节器1508a、斯通利波吸收器1506以及发射器1504a。斯通利波中继器1500还包括下行链路接收器1502b、信号调节器1508b、斯通利波吸收器1506以及发射器1504b。如前所述，信号调节器1508a、1508b对上行链路和下行链路斯通利波信号进行调节。在全双工系统中，吸收器防止上行链路干预其自身并且防止下行链路干预其自身。上行链路和下行链路通过在宽间隔的频带内操作所述上行链路和下行链路并利用标准滤波技术来彼此隔离。因此，斯通利波中继器1500可以在上行链路或下行链路模式下操作。

在图16中，半双工斯通利波中继器1600包括许多与先前实施方案相同的部件。斯通利波吸收器1606再次防止上行链路干预其自身并且防止下行链路干预其自身。在上行链路模式下，一端上的换能器是接收器1602a，并且另一端上的换能器是发射器1604b。当中继器1600在下行链路模式下操作时，换能器改变角色。也就是说，在上行链路模式中充当接收器的换能器现在充当发射器1604b，并且在上行链路模式中充当发射器的换能器现在充当接收器1602b。模式之间的切换使用控制模块1610来执行。可能存在用于上行链路与下行链路之间的切换的若干种手段。例如，在信号电平高于预指定阈值的情况下，控制模块可以控制第一输入。

图17示出根据本公开的某些说明性实施方案的其中可以应用本公开的钻井环境。钻井环境包括钻井平台1724，所述钻井平台支撑井架1715，所述井架具有用于升高和降低钻柱1732的游车1717。在将钻柱1732降低穿过转台1722时，钻柱方钻杆1720支撑所述钻柱的其余部分。转台1722使钻柱1732旋转，从而使钻头1740转动。随着钻头1740的旋转，所述钻头产生穿过各个地层1748的钻孔1736。泵1728使钻井流体循环：穿过进给管道1726而到达方钻杆1720，往井下穿过钻柱1732的内部，穿过钻头1740中的孔口，经由钻柱1732周围的环空1734而回到表面，并且进入到保留坑1730中。钻井流体将切屑从钻孔1736输送到坑1730中并且帮助维持钻孔1736的完整性。各种材料可以用于钻井流体，包括油基流体和水基流体。

如所示，测井工具1746可以整合到钻头1740附近的井底组件中。随着钻头1740使钻孔1736延伸穿过地层1748，测井工具1746可以收集与各种地层特性相关的测量结果，以及工具取向和各种其他钻井状况。测井工具1746中的每一个可以采取钻环的形式，即，提供重量和刚性来辅助钻井过程的厚壁管状物。

此外，如本文所述，多个斯通利波遥测装置1738a-1738e可以沿着钻柱1732定位以便于实施井下遥测操作。在所示实施方案中，遥测装置1738a-1738e是中继器。斯通利波中继器1738a-1738e可以容纳在钻环中，所述钻环将钻柱1732的多个区段连接在一起。在遥测操作期间，如本文先前所述，可以使用斯通利波中继器1738a-1738e在上行链路或下行链路方向上传送测井或其他测量结果。作为实例，本文描述的基于斯通利波的技术可以将测井测量结果传达给表面接收器1730和/或从表面接收命令。此外，在其他实施方案中，遥测装置1738a-1738e可以仅为发射器或接收器，从而允许在发射器-接收器对之间进行单向通信。

本文描述的实施方案进一步涉及以下段落中的任一个或多个：

1.一种用于井下遥测术的井系统，所述井系统包括管柱，所述管柱适于沿着在地层内延伸的钻孔定位；以及多个斯通利波遥测装置，所述斯通利波遥测装置沿着管柱定位以在彼此之间传送斯通利波。

2.如段落1所述的井系统，其中斯通利波遥测装置沿着管柱在钻环内定位。

3.如段落1或2中任一项所述的井系统，其中斯通利波遥测装置是接收器、发射器或中继器。

4.如段落1-3中任一项所述的井系统，其中斯通利波中继器各自包括：管状壳体；处于管状壳体的第一端处的至少一个换能器；以及处于管状壳体中与第一端相对的第二端处的至少一个换能器。

5.如段落1-4中任一项所述的井系统，其中处于管状壳体的第一端和第二端处的换能器各自包括两个径向相对的换能器。

6.如段落1-5中任一项所述的井系统，其中两个换能器是同步的。

7.如段落1-6中任一项所述的井系统，其中换能器是压电或磁致伸缩元件。

8.如段落1-7中任一项所述的井系统，其中斯通利波遥测装置是中继器；并且井系统是短跳遥测系统。

9.如段落1-8中任一项所述的井系统，其中斯通利波中继器彼此隔开10-40米的距离。

10.如段落1-9中任一项所述的井系统，其还包括斯通利波吸收器，所述斯通利波吸收器定位在处于管状壳体的第一端处的至少一个换能器与处于其第二端处的至少一个换能器之间。

11.如段落1-10中任一项所述的井系统，其中斯通利波吸收器结合到管状壳体的内壁。

12.如段落1-11中任一项所述的井系统，其中斯通利波吸收器是沿着管状壳体的内壁定位的套筒。

13.如段落1-12中任一项所述的井系统，其中斯通利波吸收器包括多孔材料。

14.如段落1-13中任一项所述的井系统，其还包括信号调节器，所述信号调节器通信地耦合在处于管状壳体的第一端处的至少一个换能器与处于其第二端处的至少一个换能器之间，其中信号调节器被配置来执行斯通利波信号的放大、滤波或处理中的至少一项。

15.如段落1-14中任一项所述的井系统，其中井系统是全双工遥测系统。

16.如段落1-15中任一项所述的井系统，其中井系统是半双工遥测系统；并且井系统还包括控制模块，所述控制模块通信地耦合在处于管状壳体的第一端处的至少一个换能器与处于其第二端处的至少一个换能器之间，从而使斯通利波中继器在上行链路模式与下行链路模式之间切换。

17.一种用于井下遥测术的方法，所述方法包括使用第一遥测装置来沿着在定位在地层中的钻孔内延伸的管柱传输斯通利波；以及在沿着管柱定位的第二遥测装置处接收斯通利波，从而使用第一遥测装置和第二遥测装置来实施遥测操作。

18.如段落17所述的方法，其中遥测装置是发射器、接收器或中继器。

19.如段落17或18所述的方法，其中第一中继器和第二中继器各自包括多个换能器；并且所述方法还包括使用换能器来同时传输或接收斯通利波。

20.如段落17-19中任一项所述的方法，其中接收斯通利波还包括将噪声从所接收的斯通利波中消除。

21.如段落17-20中任一项所述的方法，其中消除噪声包括将来自形成第二遥测装置的部分的径向相对的换能器的信号减去。

22.如段落17-21中任一项所述的方法，其中接收斯通利波还包括放大所接收的斯通利波。

23.一种用于井下遥测术的方法，所述方法包括使用斯通利波作为载波信号来进行井下遥测操作。

24.如段落23所述的方法，其还包括使用斯通利载波信号来执行短跳遥测操作。

25.如段落23或24所述的方法，其中实施全双工遥测操作。

26.如段落23-25中任一项所述的方法，其中实施半双工遥测操作。

虽然已示出和描述各种实施方案和方法论，但是本公开并不限于这类实施方案和方法论并且将被理解成包括对于本领域技术人员而言将显而易见的所有修改和变化。因此，应理解，本公开的实施方案并不意在限于所公开的特定形式。而是，意在覆盖落在如由随附权利要求书限定的本公开的精神和范围内的所有修改、等效形式和替代物。

Claims (26)

1.一种用于井下遥测术的井系统，所述井系统包括：

管柱，所述管柱适于沿着在地层内延伸的钻孔定位；以及

多个斯通利波遥测装置，所述斯通利波遥测装置沿着所述管柱定位以在彼此之间传送斯通利波。

2.如权利要求1所述的井系统，其中所述斯通利波遥测装置沿着所述管柱在钻环内定位。

3.如权利要求1所述的井系统，其中所述斯通利波遥测装置是接收器、发射器或中继器。

4.如权利要求3所述的井系统，其中所述斯通利波中继器各自包括：

管状壳体；

处于所述管状壳体的第一端处的至少一个换能器；以及

处于所述管状壳体的与所述第一端相对的第二端处的至少一个换能器。

5.如权利要求4所述的井系统，其中处于所述管状壳体的所述第一端和所述第二端处的所述换能器各自包括两个径向相对的换能器。

6.如权利要求5所述的井系统，其中所述两个换能器是同步的。

7.如权利要求4所述的井系统，其中所述换能器是压电或磁致伸缩元件。

8.如权利要求1所述的井系统，其中：

所述斯通利波遥测装置是中继器；并且

所述井系统是短跳遥测系统。

9.如权利要求8所述的井系统，其中所述斯通利波中继器彼此隔开10-40米的距离。

10.如权利要求4所述的井系统，其还包括斯通利波吸收器，所述斯通利波吸收器定位在处于所述管状壳体的所述第一端处的所述至少一个换能器与处于其所述第二端处的所述至少一个换能器之间。

11.如权利要求10所述的井系统，其中所述斯通利波吸收器结合到所述管状壳体的内壁。

12.如权利要求10所述的井系统，其中所述斯通利波吸收器是沿着所述管状壳体的内壁定位的套筒。

13.如权利要求10所述的井系统，其中所述斯通利波吸收器包括多孔材料。

14.如权利要求10所述的井系统，其还包括信号调节器，所述信号调节器通信地耦合在处于所述管状壳体的所述第一端处的所述至少一个换能器与处于其所述第二端处的所述至少一个换能器之间，其中所述信号调节器被配置来执行斯通利波信号的放大、滤波或处理中的至少一项。

15.如权利要求10所述的井系统，其中所述井系统是全双工遥测系统。

16.如权利要求10所述的井系统，其中：

所述井系统是半双工遥测系统；并且

所述井系统还包括控制模块，所述控制模块通信地耦合在处于所述管状壳体的所述第一端处的所述至少一个换能器与处于其所述第二端处的所述至少一个换能器之间，从而使所述斯通利波中继器在上行链路模式与下行链路模式之间切换。

17.一种用于井下遥测术的方法，所述方法包括：

使用第一遥测装置来沿着在定位在地层中的钻孔内延伸的管柱传输斯通利波；以及

在沿着所述管柱定位的第二遥测装置处接收所述斯通利波，从而使用所述第一遥测装置和所述第二遥测装置来实施遥测操作。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述遥测装置是发射器、接收器或中继器。

19.如权利要求18所述的方法，其中：

所述第一中继器和所述第二中继器各自包括多个换能器；并且

所述方法还包括使用所述换能器来同时传输或接收所述斯通利波。

20.如权利要求17所述的方法，其中接收所述斯通利波还包括将噪声从所述接收的斯通利波中消除。

21.如权利要求20所述的方法，其中消除所述噪声包括将来自形成所述第二遥测装置的部分的径向相对的换能器的信号减去。

22.如权利要求17所述的方法，其中接收所述斯通利波还包括放大所述接收的斯通利波。

23.一种用于井下遥测术的方法，所述方法包括使用斯通利波作为载波信号来进行井下遥测操作。

24.如权利要求23所述的方法，其还包括使用所述斯通利载波信号来执行短跳遥测操作。

25.如权利要求23所述的方法，其中实施全双工遥测操作。

26.如权利要求23所述的方法，其中实施半双工遥测操作。