CN108138565A - 用于增强短跳通信的具有高磁导率材料的环形环的收发器 - Google Patents

Abstract

一种形成短跳通信收发器的方法包括在导电工具主体中产生环形腔，所述环形腔由环绕所述工具主体的表面间隙电磁耦接至外部工具表面。所述方法还包括将具有高磁导率的材料定位在所述环形腔中。所述方法还包括将来自电子模块的电引线耦接至所述表面间隙的相对侧。所述方法还包括操作所述电子模块以通过驱动或感测跨所述表面间隙的电压信号来进行短跳遥测。

Description

用于增强短跳通信的具有高磁导率材料的环形环的收发器

背景技术

在石油和天然气工业中，各种传感器系统或套装已被开发用于放置在钻头上或钻头附近。在钻头接近或进入地层时，这种传感器允许表征地下地层，从而最小化不必要的钻探。而且，钻头的轨迹可响应于表征而被调整。然而，为了有效地使用这种传感器并进行这种调整，感测数据必须被传送至地面。

通常在井底钻具组件中具有可经由井底钻具组件中的其他工具之间的内部工具总线与地面通信的遥测子系统。然而，遥测子系统由泥浆马达和/或转向组件与钻头分离，由于在这些单元内产生的高转矩、高应力和高相对转速，泥浆马达和/或转向组件不允许以标准方式安装工具总线线路。

这种情况需要一种“短跳”(short-hop)遥测系统来桥接井下钻头传感器和井底钻具组件的有线工具总线之间的通信间隙。已经提出了各种系统用于这种短跳通信，包括在井底钻具组件中使用电磁场和电流。这些系统可能过于复杂和昂贵。

附图说明

因此，本文公开了在包含高导磁率材料环的环形腔上采用表面间隙的各种短跳通信系统和方法。在对各种公开的实施方案的以下具体实施方式中，将参考附图，其中：

图1是说明性钻井环境的背景视图；

图2是包括两个环形收发器的说明性短跳通信系统的外部视图；

图3是说明性增强短跳通信收发器的外部视图；

图4是具有螺纹组件的说明性增强短跳通信收发器的部分分解截面图；

图5是具有卡扣组件的说明性增强短跳通信收发器的截面图；和

图6是形成增强短跳通信收发器的说明性方法的流程图。

然而，应理解，附图及其具体实施方式中给出的具体实施方案不限制本公开。相反，它们为普通技术人员提供了基础以识别在所附权利要求的范围内与一个或多个给定实施方案一起涵盖的替代形式、等同物和修改。

符号和命名法

贯穿以下具体实施方式和权利要求使用某些术语来指代特定的系统部件和配置。如本领域普通技术人员应认识到，公司可通过不同名称来引用部件。本文档不旨在区分名称不同但功能相同的部件。在以下讨论和权利要求中，术语“包括”以开放式方式使用，因此应解释为意指“包括但不限于......”。此外，术语“耦接”旨在意指间接或直接的电或物理连接。因此，在各种实施方案中，如果第一装置耦接至第二装置，则该连接可通过直接电连接、通过经由其他装置和连接进行的间接电连接、通过直接物理连接或通过经由其他装置和连接进行的间接物理连接进行。

具体实施方式

在背景技术中确定的问题至少部分地由使用收发器的短跳通信的系统和方法来解决，所述收发器包括在包含高磁导率材料的环形腔上的表面间隙。这种配置可使环形天线能够被替换，从而保持其灵敏度和结构优势，而不需要易受损坏的天线线圈绕组。短跳收发器包括钢制工具主体内的腔和腔内的磁芯。环绕工具主体的表面间隙将腔电磁耦接至工具的表面。这种设计的效率与环形收发器类似，但更简单且更可靠。

使用这种短跳收发器的所公开的系统和方法根据其被采用的背景而被最好地理解。因此，图1示出钻井操作期间的井。钻井平台2配备有支撑升降机6的井架4。井的钻取通过由“工具”接头连接在一起以形成钻柱8的一系列钻管来执行。升降机6悬挂通过旋转台12降低钻柱8的钻杆10。连接至钻柱8的下端的是钻头14。使钻头14旋转并且通过使用钻头14附近的井下马达25来完成钻井。

称为泥浆的钻井液由泥浆再循环设备20以高压力和高体积泵送通过供应管22、通过方钻10，并且向下通过钻柱8，以通过钻头14中的喷嘴或喷口排出。泥浆然后经由形成于钻柱8的外部和钻孔壁17之间的环形空间向上返回钻孔、通过防喷器，并进入地面上的泥浆坑24中。在地面，钻井泥浆被清洁并且然后由再循环设备20再循环。

井下传感器31位于钻柱8中，在钻头14上或其附近且处于马达25下方。传感器31可包括测量井下传感器31的位置和定向的导航仪器。可包括测井随钻(LWD)数据的所感测的数据由短跳收发器26、27跨越马达25传输至声学遥测子系统28、传输至声学遥测接收器29，并且最终传输至地面的数据处理系统50，该数据处理系统可由电缆49耦接至钻井设备。数据处理系统50包括具有软件(由可移动信息存储介质52表示)的内部数据存储装置和存储器，与执行软件的一个或多个处理器内核。软件将系统配置为经由一个或多个输入/输出装置(诸如键盘54和显示器56)与用户交互。除其他之外，系统50还处理从采集模块38接收的数据并生成代表性显示。

声学遥测子系统28以钻柱的管壁中的声振动形式发射从短跳收发器27接收的遥测信号，且声学遥测接收器29可耦接至方钻10。一个或多个中继器30可沿钻柱设置以接收并重发遥测信号。中继器30可包括声学遥测接收器和声学遥测发射器两者。关于图2-6详细描述短跳收发器26、27。

图2是包括两个环形短跳收发器202、204的短跳通信系统200的外部视图。两个短跳收发器202、204都可作为发射器和接收器操作。为了清楚起见，短跳收发器202将在以下实例中被描述为环形短跳发射器，并且短跳收发器204被描述为环形短跳接收器。当交流电流被提供至芯周围的绕组时，环形短跳发射器202操作。绕组中的变化电流引起芯中的变化磁场，这反过来引起钻柱206中的沿马达和/或转向组件的导电主体穿过的电流。电流沿钻柱206流动，其中一部分电流辐射至周围地层中并且返回至环形发射器202的相对侧上的钻柱，并且剩余的电流继续流入钻柱206中通过环形短跳接收器204且超过其。电流引起环形短跳接收器204的芯中的变化磁场，这反过来引起在短跳接收器204的绕组中测量的变化电压。

由于绕组，环形短跳收发器202、204承受过度的组装和维护成本。具体而言，绕组在井下环境的高温、高压、高振动条件下相对容易损坏。此外，每当环形短跳收发器202、204发生故障时，都难以修理或更换。

图3是说明性增强短跳通信收发器300的外部视图。短跳收发器300不包括线圈绕组或用以保护线圈绕组的壳体，并且因此与钻柱304相对齐平。地面间隙302包括短跳收发器的表面中的裂缝，该裂缝可填充有绝缘体(诸如聚醚醚酮(PEEK))或另一电阻性塑料(其在外径处将收发器主体306的两侧与钻柱304电分离)。在至少一个实施方案中，表面间隙包括作为液体被注入短跳收发器300的环形腔中的材料，因此呈现腔的形状，但是随着时间的推移，该材料硬化为固体。如下所述，虽然绝缘，但是可在间隙上提供电位差Vt。图4中示出环形腔。

图4是具有螺纹组件的说明性增强短跳通信收发器400的部分分解截面图。短跳收发器400包括在主体402的内径和外径之间具有环形腔404的导电主体402。导电主体402可以是井底钻具组件中的钻铤。环形腔404相对于主体402是周向的，并且因此出现在与钻柱的圆柱轴线平行的截面的两侧。在组装期间，环形腔404可形成于主体402的第一部分上，并且环形腔404的中心可被制成比端部更浅，以便当完全组装时将环形腔404部分地分为两个壳体：用于高磁导率材料410的一个壳体和用于称为电子壳体414的电子模块412的另一壳体。在各种实施方案中，电子壳体414可耦接至高磁导率材料410壳体或者可与高磁导率材料410壳体分离。

短跳收发器400还包括环形腔404中的高磁导率材料环410，诸如铁氧体、高导磁合金或金属玻璃。环410相对于主体402也是周向的，并且在组装期间可形成为滑入环形腔404中的单件或在环形腔404内围绕主体402的第一部分组装的多件。

环形腔404由环绕主体402的表面间隙408电磁耦接至短跳收发器400的外表面406。在组装期间，可通过将液体电阻性塑料插入环形腔404的一个或多个部分中来填充表面间隙302。塑料可围绕环410并且硬化，因此封装环410，并且还将主体402的两侧电分离。

短跳收发器400还包括电子壳体414内的电子模块412，并且电子模块412可包括形成于电路板上的电路元件。使用诸如电线的引线将包括在电子模块412中的电压源416耦接至表面间隙408的相对侧。导电主体402内的电线通道418可促进这种耦接。在组装短跳收发器400期间，电子模块412可在密封环形腔404并且耦接主体402的部分之前被预组装并且放置在电子壳体414中。如图所示，当螺纹配合时，电子壳体414腔与环410壳体解耦接。电子模块412可采用频分复用来沿钻柱并发感测和发送电流，并且可在两者之间交替。接收信号和发射信号各自可包括超过1kHz的载波频率。载波频率也可小于100kHz。在载波频率下，在至少一个实施方案中，在表面间隙408的相对侧之间提供超过1欧姆的阻抗。

在组装期间，可使用螺纹组件耦接工具主体402的两个部分。当耦接时，环形腔404被密封以防止井下条件干扰高磁导率材料410和电子模块412。其他组件可用于耦接，并且图5示出卡扣组件。

图5是说明性增强短跳通信收发器500的截面图，该收发器包括与图4的短跳收发器相同的部件，但不同的是包括卡扣组件510而不是螺纹组件。具体而言，卡扣组件510包括卡扣或闩锁，该卡扣或闩锁将覆盖环形腔506的外部收发器主体502耦接至其中产生形成环形腔506的凹槽的内部收发器主体508。O形环504可促进短跳收发器500的内部和外部部分的安置。可使用关于图6描述的方法形成图3-5的短跳收发器。

图6是开始于602并结束于612的形成增强短跳通信收发器的说明性方法600的流程图。在604处，在导电工具主体中产生环形腔。例如，可形成管状主体的一端附近的外部凹槽，诸如短跳收发器的内部部分，并且凹槽可包括环形肩部。在管状主体的端部，可设置螺纹或卡扣组件，以用于耦接至另一管状主体，即短跳收发器的外部部分。

在606处，具有高磁导率的材料(诸如上述材料)定位在环形腔中。高磁导率材料可形成环，或者可被组装以形成环。例如，导电套管可由使套管与肩部分离的绝缘体固定在肩部上的合适位置。接下来，螺纹连接器可覆盖环形腔，并且当完全配合时，环绕收发器主体的表面间隙可保留在套管和螺纹连接器之间。接下来，表面间隙可由包括上述材料的绝缘环填充。环形腔由表面间隙电磁耦接至外部工具表面。螺纹连接器可覆盖容纳电子模块的第二环形腔。

在608处，来自电子模块的电引线耦接至表面间隙的相对侧。引线耦接至包括在电子模块中的电压源，以跨表面间隙提供电位差。在载波频率下，工具可在间隙的相对两侧之间具有超过1欧姆的阻抗。

在610处，操作电子模块以通过驱动或感测跨表面间隙的电压信号来进行短跳遥测。因此，在发射器中，电流回路由围绕腔的工具主体形成。电流回路引起接收器的芯中的变化磁场，这反过来引起跨接收器的表面间隙测量的变化电压。然而，与上述环形系统不同，由于缺少相对脆弱的线圈绕组和绕组的壳体，所公开的系统更简单且更可靠。

在至少一个实施方案中，形成短跳通信收发器的方法包括在导电工具主体中产生环形腔，该环形腔由环绕工具主体的表面间隙电磁耦接至外部工具表面。方法还包括将具有高磁导率的材料定位在环形腔中。方法还包括将来自电子模块的电引线耦接至表面间隙的相对侧。方法还包括操作电子模块以通过驱动或感测跨表面间隙的电压信号来进行短跳遥测。

在另一实施方案中，短跳通信收发器包括具有环形腔的导电工具主体，所述环形腔由环绕工具主体的表面间隙电磁耦接至外部工具表面。收发器还包括环形腔中的高磁导率材料环。收发器还包括电子模块，其耦接在表面间隙的相对侧之间以感测接收信号并发送用于与另一收发器通信的发射信号。

在另一实施方案中，短跳通信系统包括井底钻具组件，该井底钻具组件包括泥浆马达和具有导电主体的其他管状部件。该系统还包括处于泥浆马达的相对侧上的第一通信收发器和第二通信收发器。通信收发器中的至少一个包括：具有环形腔的导电主体，所述环形腔由环绕导电主体的表面间隙电磁耦接至外部工具表面；环形腔中的高磁导率材料环；和电子模块，其耦接在表面间隙的相对侧之间以感测接收信号并发送用于与另一通信收发器通信的发射信号。

以下特征可被结合到各种实施方案中。高磁导率材料可形成环。电压信号可包括1kHz与100kHz之间的载波频率。在载波频率下，工具可在间隙的相对两侧之间具有超过1欧姆的阻抗。所述形成可包括在管状主体的一端附近形成外部凹槽，所述凹槽包括环形肩部；由将套管与至少一个肩部分离的绝缘体将导电套管固定在肩部上的适当位置；和将管状主体的端部螺接至螺纹连接器。当完全螺接时，可在套管和螺纹连接器之间保留表面间隙。绝缘环可填充表面间隙。螺纹连接器可覆盖容纳电子模块的第二环形腔。导电工具主体可以是井底钻具组件中的钻铤，并且井底钻具组件可包括另一收发器。电子模块可在感测和发送之间交替。电子模块可采用频分复用进行并发感测和发送。接收信号和发送信号各自可包括1kHz与100kHz之间的载波频率。在该载波频率下，工具可在表面间隙的相对侧之间提供幅值超过1欧姆的阻抗。环可包括铁氧体。

虽然已经关于有限数量的实施方案描述了本公开，但是本领域技术人员应从其中认识到许多修改和变化。意图是所附权利要求覆盖所有这些修改和变化。

Claims (20)

1.一种形成短跳通信收发器的方法，其包括：

在导电工具主体中产生环形腔，所述环形腔由环绕所述工具主体的表面间隙电磁耦接至外部工具表面；

将具有高磁导率的材料定位在所述环形腔中；

将来自电子模块的电引线耦接至所述表面间隙的相对侧；和

操作所述电子模块以通过驱动或感测跨所述表面间隙的电压信号来进行短跳遥测。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述高磁导率材料形成环。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电压信号包括1kHz与100kHz之间的载波频率。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在所述载波频率下，所述工具在所述间隙的相对侧之间具有幅值超过1欧姆的阻抗。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述产生包括：

在管状主体的一端附近形成外凹槽，所述凹槽包括环形肩部；

用将导电套管与至少一个肩部分离的绝缘体将所述套管固定在所述肩部上的适当位置；

将所述管状主体的所述端部螺接至螺纹连接器，其中当完全螺接时，在所述套管和所述螺纹连接器之间保留表面间隙。

6.根据权利要求5所述的方法，其中绝缘环填充所述表面间隙。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述螺纹连接器覆盖容纳所述电子模块的第二环形腔。

8.一种短跳通信收发器，其包括：

具有环形腔的导电工具主体，所述环形腔由环绕所述工具主体的表面间隙电磁耦接至外部工具表面；

所述环形腔中的高磁导率材料环；

电子模块，其耦接在所述表面间隙的相对侧之间以感测接收信号并发送用于与另一收发器通信的发射信号。

9.根据权利要求8所述的收发器，其中所述导电工具主体是井底钻具组件中的钻铤，并且其中所述井底钻具组件包括所述另一收发器。

10.根据权利要求8所述的收发器，其中所述电子模块在感测和发送之间交替。

11.根据权利要求8所述的收发器，其中所述电子模块采用频分复用进行并发感测和发送。

12.根据权利要求8所述的收发器，其中所述接收信号和所述发射信号各自包括1kHz与100kHz之间的载波频率。

13.根据权利要求12所述的收发器，其中在所述载波频率下，所述工具在所述表面间隙的相对侧之间提供幅值超过1欧姆的阻抗。

14.根据权利要求8所述的收发器，其中所述环包括铁氧体。

15.一种短跳通信系统，其包括：

井底钻具组件，其包括泥浆马达和具有导电主体的其他管状部件；

处于所述泥浆马达的相对侧上的第一通信收发器和第二通信收发器，其中所述通信收发器中的至少一个包括：

具有环形腔的导电主体，所述环形腔由环绕所述导电主体的表面间隙电磁耦接至外部工具表面；

所述环形腔中的高磁导率材料环；

电子模块，其耦接在所述表面间隙的相对侧之间以感测接收信号并发送用于与另一通信收发器通信的发射信号。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述电子模块在感测和发送之间交替。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述电子模块采用频分复用来并行感测和发送。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述接收信号和所述发射信号各自包括1kHz与100kHz之间的载波频率。

19.根据权利要求18所述的系统，其中在所述载波频率下，所述工具在所述表面间隙的相对侧之间提供幅值超过1欧姆的阻抗。

20.根据权利要求15所述的系统，其中所述环包括铁氧体。