CN109790748A - 用于井下声学无线网络的双换能器通信节点及采用该通信节点的方法 - Google Patents
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Abstract
用于井下无线遥测的电声通信节点系统和方法，该系统包括：壳体(386)，用于安装到管状体(310)或与管状体管状体(310)一起安装；位于壳体内的接收器换能器(388)，接收器换能器被构造和布置成接收传播通过管状构件的声波；发送器换能器(336)和处理器，位于壳体内并且被布置成使用用于声学遥测的管状构件将声波重新发送到不同壳体中的另一个声学接收器。在一些实施例中，换能器可以是压电换能器和/或磁致伸缩换能器。壳体中还包括电源(390)，电源包括一个或多个电池。还提供了监视烃井的井下无线遥测系统和方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年11月30日提交的标题为“Dual Transducer CommunicationsNode for Downhole Acoustic Wireless Networks and Method Employing Same”的美国临时申请序列No.62/428,367以及2016年8月30日提交的标题为“CommunicationNetworks,Relay Nodes for Communication Networks,and Methods of TransmittingData Among a Plurality of Relay Nodes”的美国临时申请序列No.62/381,330的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开一般而言涉及沿着管状体(诸如钢管)的数据传输领域。更具体而言，本公开涉及沿着井筒内的管道或沿着管道或者在表面上或者在水体中传输数据。
背景技术
在石油和天然气工业中，期望从井筒(wellbore)获得数据。已经提出了若干实时数据系统。一种系统涉及使用固定在管状体的物理电缆，诸如电导体或光纤电缆。电缆可以固定到或者管道的内直径或者外直径。电缆提供硬线连接，这允许数据的实时传输以及地下条件的立即评估。另外，这些电缆允许高数据传输速率和直接向井下传感器输送电力。
还已经提出在完井期间沿着套管柱(casing string)的外侧放置物理电缆。但是，这会是困难的，因为沿着管柱放置电线需要在管道连接和磨合期间小心地将数千英尺的电缆取出并进给。另外，在完井中使用硬线需要安装特别设计的、包括用于电线的通孔的井口(well head)。
已经提出或开发了用于井下通信的各种无线技术。此类技术在业内被称为遥测。存在若干示例，其中电线的安装可能或者在技术上困难或者在经济上不切实际。在发生放射性激活爆破的情况下，或者在管状体附近的无线电波的衰减显著的情况下，无线电传输的使用也会是不切实际的或不可用的。
还建议使用声学遥测。声学遥测采用在底部钻具(bottomhole)组件或管柱底部处或附近生成的声信号。信号通过井筒管道被发送，这意味着管道成为声波的载体介质。所发送的声波由接收器检测并被转换成电信号以供分析。
在声学遥测无线网络的井下应用中，通信可靠性和范围是两个非常期望的性能问题。虽然使用具有相关联收发器的单个压电换能器提供制造优势，但设计折衷会影响性能。例如，单个换能器/收发器设计的一个主要缺点是，为了适应单个换能器设计，发送器和接收器性能都可能受损。
因而，需要用于井筒声学遥测系统的替代电声通信节点设计，其提供改进的通信性能。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于井下无线遥测系统的电声通信节点。通信节点包括：壳体，该壳体具有用于安装到管状体的表面的安装面；位于壳体内的压电接收器，该压电接收器被构造和布置成接收通过管状构件传播的声波；位于壳体内的压电发送器，该压电发送器被构造和布置成通过管状构件发送声波；实现发送和接收的电子电路；以及包括位于壳体内的一个或多个电池的电源。
在一些实施例中，电声通信节点还包括单独的电子电路，以优化压电接收器和压电发送器的性能。这些实施例可以对每个压电换能器使用完全独立的电路，或者可以使用每个压电换能器共用的部件。
在一些实施例中，压电发送器包括多个压电盘，每个压电盘具有与相邻压电盘并联连接的至少一对电极。具有多个换能器的制造被称为压电堆叠。在一些实施例中，将单个电压均等地施加到每个压电盘。在优选实施例中，将单个电压施加到整个压电堆叠。在一些实施例中，通过在施加相同电压的同时增加盘的数量来增加压电发送器的机械输出。
在一些实施例中，压电接收器包括堆叠中的多个压电盘，每个压电盘具有与相邻压电盘串联连接的至少一对电极。在一些实施例中，压电接收器包括单个压电盘，如果合适，该单个压电盘的厚度等于多个压电盘堆叠的总厚度。
在一些实施例中，压电堆叠可以装配有端部质块(mass)，例如前部质块和/或后部质块，或者其组合，以增强或调谐传输输出或接收器灵敏度。端部质块可以提供适当定时的反射以改善压电性能。而且，端部质块和堆叠可以预张紧到壳体或以其它方式预加载。预张紧(在一些文章(writings)中也称为“预加载”)可以在某些应用中提供益处，诸如精炼频率操作范围、谐振、振幅和/或谐波调整或拟合。由此，可以增强发送器或接收的压电或堆叠的输出。其它潜在的益处可以包括提高接收器灵敏度、改善机械耐久性，以及调整服务应用环境适应性以增强长期设备性能和稳定性。
在一些实施例中，壳体具有第一端和第二端，第一端和第二端中的每一个具有与其相关联的夹具，用于夹到管状体的外表面。
在另一方面，提供了一种井下无线遥测系统。井下无线遥测系统包括：沿着管状体部署的至少一个传感器；沿着管状体放置并固定到管状体的壁的至少一个传感器通信节点，该传感器通信节点与至少一个传感器电连接和/或声学通信，并被配置为从其接收信号；靠近表面放置的顶侧通信节点；沿着管状体间隔开并附连到管状体的壁的多个电声通信节点，每个电声通信节点包括：具有用于安装在管状体的表面的安装面的壳体；位于壳体内的压电接收器，该压电接收器被构造和布置成接收通过管状构件传播的声波；位于壳体内的压电发送器，该压电发送器被构造和布置成通过管状构件发送声波；实现发送和接收的电子电路；以及包括一个或多个位于壳体内的电池的电源；其中电声通信节点被配置为以基本上节点到节点的布置将从至少一个传感器通信节点接收的信号发送到顶侧通信节点。在一些实施例中，电子电路将包括具有管理遥测传输、接收、解码和编码的合适软件的微控制器或处理器。
在一些实施例中，该方法还包括从电声通信节点的压电发送器发送声信号；并且根据不同电声通信节点处的压电接收器的声学响应来确定烃井的物理参数。在一些实施例中，该方法还包括在不同时间重复这个操作，并测量声学响应的改变以确定是否已发生烃井状况的物理改变。
附图说明
本公开易于进行各种修改和替换形式，其具体示例性实现已在附图中示出并在本文中详细描述。但是，应当理解的是，本文对具体示例性实现的描述并非旨在将本公开限制于本文公开的特定形式。本公开将涵盖由所附权利要求定义的所有修改和等同物。还应当理解的是，附图不一定按比例绘制，而是将重点放在清楚地说明本发明示例性实施例的原理上。而且，某些维度可以被夸大，以帮助在视觉上传达这些原理。另外，在被认为适当的地方，标号可以在附图中重复，以指示对应或类似的元件。而且，在附图中被描绘为不同或分开的两个或更多个块或元件可以组合成单个功能块或元件。类似地，附图中示出的单个块或元件可以被实现为多个步骤或者通过多个元件协作实现。本文公开的形式通过示例而非限制的方式在附图中示出，并且其中相同的标号指类似的元件，并且其中：
图1给出了井筒的说明性、非排他性示例的侧视横截面图。井筒使用井架、钻柱和底部钻具组件形成。根据本公开，沿着钻柱放置一系列通信节点，作为遥测系统的一部分。
图2给出了已完成的井筒的说明性、非排他性示例的横截面图。说明性井筒已作为套管井(cased hole)完井而完成。根据本公开，沿着套管柱放置一系列通信节点，作为遥测系统的一部分。
图3给出了根据本公开实施例的井下无线遥测系统的说明性管状部分的透视图。根据本公开实施例的中间通信节点以远离管状部分的分解形式示出。
图4给出了图3的中间通信节点的横截面视图。该视图是沿着中间通信节点的纵轴截取的。
图5是传感器通信节点的说明性实施例的横截面图，该传感器通信节点具有位于该传感器通信节点内的传感器。该视图是沿着传感器通信节点的纵轴截取。
图6是传感器通信节点的说明性实施例的另一个横截面图，该传感器通信节点具有在该传感器通信节点外部沿着井筒定位的传感器。该视图同样是沿着传感器通信节点的纵轴截取的。
图7A是根据本公开的具有用在中间通信节点中的多个盘的发送器的示意图。
图7B是根据本公开的具有用在中间通信节点中的多个盘的接收器的示意图。
图8A图示了根据本公开的与预张紧板一起使用的阶梯式压电堆叠端部质块的俯视图和侧视图。这个压电堆叠可以是或者发送器或者接收器。
图8B图示了根据本公开的与阶梯式端部质块和压电堆叠一起使用的预张紧支撑板的俯视图和侧视图。这个压电堆叠可以是或者发送器或者接收器。
图9A图示了根据本公开的压电叠堆的3-D渲染并连接到其预张紧支撑板。这个压电堆叠可以是或者发送器或者接收器。
图9B图示了根据本公开的压电堆叠的渲染的剖视图并连接到其预张紧支撑板。这个压电堆叠可以是或者发送器或者接收器。
图10A给出了根据频率和预张紧扭矩量的接收器响应。
图10B给出了根据本公开的根据频率和预张紧扭矩量的示例性变速器响应。
图10C给出了根据本公开的根据预张紧扭矩的发送器和接收器压电堆叠在79-90kHz范围内的频率响应。
图11图示了根据本公开的用于评估压电堆叠到壳体的附连的装备的布局。
图12图示了根据本公开的附连到壳体的表现不佳的发送压电堆叠的示例。
图13是根据本公开实施例的监视具有管状体的烃井的示例性方法的概括流程图。
具体实施方式
术语
本文使用的词和短语应当被理解和解释为具有与相关领域的技术人员对那些词和短语的理解一致的含义。不旨在通过本文中术语或短语的一致使用来暗示术语或短语的特殊定义(即，与本领域技术人员所理解的普通和惯用含义不同的定义)。如果术语或短语旨在具有特殊含义(即，除技术人员理解的最宽泛含义之外的含义)，那么将在说明书中以提供该术语或短语的特殊或澄清定义的定义方式明确阐述这种特殊或澄清定义。
例如，以下讨论包含本公开中使用的若干具体术语的定义的非详尽列表(其它术语可以以本文其它地方以定义方式定义或阐明)。这些定义旨在阐明本文使用的术语的含义。相信这些术语以与其普通含义一致的方式使用，但是为了清楚起见，这里仍然指定了这些定义。
一：如本文所使用的，冠词“一”在应用于说明书和权利要求中描述的本发明的实施例和实现中的任何特征时意味着一个或多个。除非特别说明这种限制，否则“一”的使用不限制到单个特征的含义。术语“一”实体是指该实体中的一个或多个。照此，术语“一个”、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可互换使用。
大约：如本文所用，“大约”是指基于针对识别出的特定特性的典型实验误差的偏差程度。提供术语“大约”的界限(latitude)将取决于具体的上下文和特定特性，并且本领域技术人员可以容易地辨别。术语“大约”不旨在扩展或限制可能以其它方式提供特定值的等同物的程度。另外，除非另有说明，否则术语“大约”应明确地包括“确切地”，与下面关于范围和数值数据的讨论一致。
上方/下方：在本发明的代表性实施例的以下描述中，为了方便起见，在参考附图时使用诸如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等方向术语。一般而言，“上方”、“上部”、“向上”和类似术语是指沿着井筒朝着地球表面的方向，而“下方”、“下部”、“向下”和类似术语是指沿着井筒远离地球表面的方向。继续井筒中的相对方向的示例，“上部”和“下部”也可以指沿着井筒的纵向维度而不是相对于表面的相对位置，诸如在描述垂直井和水平井时。
和/或：放置在第一实体和第二实体之间的术语“和/或”意味着以下之一：(1)第一实体、(2)第二实体，以及(3)第一实体和第二实体。用“和/或”列出的多个元素应以相同的方式解释，即，如此结合的元素的“一个或多个”。除了由“和/或”子句具体识别出的元素之外，还可以可选地存在其它元素，无论它们是与具体识别出的那些元素相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，当与诸如“包括”之类的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的引用可以在一个实施例中仅指A(可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施例中仅指B(可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施例中，指A和B两者(可选地包括其它元素)。如本文在说明书和权利要求中所使用的，“或”应当被理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当分离列表中的项时，“或”或者“和/或”应被解释为包含性的，即，包括多个元素或元素列表中的至少一个，但也包括多个元素或元素列表中的多于一个，以及(可选地)其它未列出的项。只有明确指示相反的术语(诸如“只有一个”或“恰好一个”，或者，当在权利要求中使用时，“由...组成”)将指确切地包括多个元素或元素列表中的一个元素。一般而言，如本文所使用的，术语“或”仅当前面有排他性术语(诸如，“任一”、“…之一”、“仅…之一”或“确切地…之一”)时才应被解释为指示排他性替代物(即“一个或另一个但不是两个”)。
任何：形容词“任何”意味着任意数量的一个、一些或不加选择地全部。
至少：如本文在说明书和权利要求中所使用的，引用一个或多个元素的列表的短语“至少一个”应当被理解为意味着从该元素列表中的元素中的任何一个或多个选择的至少一个元素，但不一定包括在该元素列表中具体列出的每个元素中的至少一个元素，并且不排除元素列表中元素的任何组合。这个定义还允许除在短语“至少一个”所指的元素列表内具体识别出的元素之外可选地存在元素，无论它们与具体识别出的那些元素相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地“A和/或B中的至少一个”)可以在一个实施例中指至少一个，可选地包括多于一个，A，不存在B(并且可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施例中指至少一个，可选地包括多于一个，B，不存在A(并且可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施例中指至少一个，可选地包括多于一个，A以及至少一个，可选地包括多于一个，B(并且可选地包括其它元素)。短语“至少一个”、“一个或多个”和“和/或”是开放式表达，在操作中既是连接的又是分离的。例如，表达“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”、“A、B和/或C”意味着仅A、仅B、仅C、A和B一起、A和C一起、B和C一起，或者A、B和C在一起。
基于：“基于”并不意味着“仅基于”，除非另有明确说明。换句话说，短语“基于”描述“仅基于”、“至少基于”和“至少部分地基于”。
包括：在权利要求以及说明书中，所有过渡短语(诸如“包括”、“携带”、“具有”、“包含”、“涉及”、“持有”、“由……组成”等都应被理解为开放式的，即，意味着包括但不限于。只有过渡短语“由...组成”和“基本上由......组成”应分别为闭合或半闭合过渡短语，如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所阐述的。
耦合：任何形式的术语“连接”、“接合”、“耦合”、“附连”或描述元素之间的交互的任何其它术语的使用都不意味着将交互限制为元素之间的直接交互，而是还可以包括所描述的元素之间的间接交互。
确定：“确定”涵盖各种各样的动作，因此“确定”可以包括计算、处理、推导、调查、查找(例如，在表、数据库或另一种数据结构中查找)、确定等。而且，“确定”可以包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。而且，“确定”可以包括解析、选择、选定、建立等。
实施例：贯穿整个说明书对“一个实施例”、“实施例”、“一些实施例”、“一个方面”、“方面”、“一些方面”、“一些实现”、“一个实现”、“实现”或类似构造的引用都意味着结合该实施例、方面或实现描述的特定部件、特征、结构、方法或特点包括在所要求保护的主题的至少一个实施例和/或实现中。因此，在整个说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”(或“方面”或“实现”)不一定都指相同的实施例和/或实现。此外，特定特征、结构、方法或特点可以在一个或多个实施例或实现中以任何合适的方式组合。
示例性：“示例性”在本文中专门用于表示“用作示例、实例或说明”。本文被描述为“示例性”的任何实施例都不必被解释为比其它实施例优选或有利。
流程图：参考流程图可以更好地理解示例性方法。虽然为了简化说明的目的，所示出的方法被示出并描述为一系列方框，但是应该认识到的是，这些方法不受方框的次序的限制，因为在不同的实施例中，一些方框可以以不同的次序出现和/或与示出并描述的其它方框并发出现。而且，可能需要少于所有示出的方框来实现示例性方法。在一些示例中，方框可以被组合，方框可以被成多个部件，可以采用附加的方框，等等。在一些示例中，方框可以以逻辑实现。在其它示例中，处理方框可以表示由功能等效电路(例如，模拟电路、数字信号处理器电路、专用集成电路(ASIC))或其它逻辑器件执行的功能和/或动作。方框可以表示使得计算机、处理器和/或逻辑器件做出响应、执行(一个或多个)动作、改变状态和/或做出决定的可执行指令。虽然附图示出了串行发生的各种动作，但是应该认识到的是，在一些示例中，各种动作可以并发地发生、基本上串联发生，和/或在基本上不同的时间点发生。在一些示例中，方法可以被实现为处理器可执行的指令。因此，机器可读介质可以存储如果由机器(例如，处理器)执行则使机器执行方法的处理器可执行指令。
全物理：如本文所使用的，术语“全物理”、“全物理计算模拟”或“全物理模拟”是指基于影响被模拟的系统的相关响应的第一原理的数学算法。
可以：要注意的是，贯穿本申请，术语“可以”以允许的意义(即，具有可能、能够)而不是强制的意义(即，必须)使用。
可操作地连接和/或耦合：可操作地连接和/或耦合意味着用于发送或传导信息、力、能量或物质的直接或间接连接。
优化：如本文所使用的，术语“最优”、“优化”、“最优性”(以及那些术语的派生词和其它形式以及语言相关的词和短语)并不意味着在要求本发明找到最佳解决方案或做出最佳决定的意义上进行限制。虽然数学上最优的解决方案实际上可以达到所有数学上可用的可能性中的最佳解决方案，但是优化例程、方法、模型和处理的现实世界实施例可以朝着这样的目标努力而无需实际实现完美。因而，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解的是，在本发明的范围的上下文中，这些术语是更一般的。这些术语可以描述以下当中的一个或多个：1)致力于解决方案，该解决方案可以是最佳可用解决方案、优选解决方案或在一系列约束内提供具体益处的解决方案；2)不断改进；3)精炼；4)搜索目标的高点或最大值；5)进行处理，以减少惩罚函数；6)在最大化、最小化或以其它方式控制一个或多个其它因素等方面，根据竞争和/或合作利益寻求最大化一个或多个因素。
步骤的次序：还应当理解的是，除非明确相反地指出，否则在本文要求保护的包括一个以上步骤或动作的任何方法中，该方法的步骤或动作的次序不必限于说明方法的步骤或动作的次序。
范围：浓度、维度、量和其它数值数据在本文中可以以范围格式给出。应当理解的是，这种范围格式仅仅是为了方便和简洁而使用的，并且应当被灵活地解释为不仅包括明确列举为范围限制的数值，而且还包括涵盖在那个范围内的所有单独数值或子范围，好像每个数值和子范围被明确地叙述了一样。例如，大约1至大约200的范围应当被解释为不仅包括明确列举的1和大约200的限制，而且还包括诸如2、3、4等的各个尺寸，以及诸如10至50、20至100等的子范围。类似地，应当理解的是，当提供数值范围时，此类范围应被解释为提供对仅陈述该范围的下限值的权利要求限制以及对仅陈述该范围的上限值的权利要求限制的字面支持。例如，公开的数字范围10至100为陈述“大于10”(没有上限)的权利要求和陈述“小于100”(没有下限)的权利要求提供字面支持。
如本文所使用的，术语“地层(formation)”是指任何可定义的地下区域。地层可以包含任何地质地层的一个或多个含烃层、一个或多个非含烃层、上覆岩层和/或下覆岩层。
如本文所使用的，术语“烃(hydrocarbon)”是指有机化合物，其主要包括(如果不是排他的话)元素氢和碳。烃的示例包括可用作燃料或升级为燃料的任何形式的天然气、石油、煤和沥青。
如本文所使用的，术语“烃流体”是指气体或液体的烃或烃的混合物。例如，烃流体可以包括在地层条件、加工条件下或在环境条件(20℃和1atm压力)下为气体或液体的烃或烃的混合物。烃流体可以包括例如油、天然气、气体冷凝物、煤层甲烷、页岩油、页岩气以及处于气态或液态的其它烃。
如本文所使用的，当提到堆叠中压电盘的组装时，术语“串联”和“并联”考虑堆叠中的各个元件(盘)的极化。在并联堆叠中，具有一致极化的电极连接在一起。在串联堆叠中，具有相反极化的电极连接在一起。
如本文所使用的，术语“灌封”是指用环氧树脂、弹性体、硅树脂或沥青或类似化合物封装电气部件，以排除水分或蒸气。灌封部件可以或可以不气密密封。
如本文所使用的，术语“密封材料”是指可以将壳体的盖子密封到壳体的主体上以足以承受一个或多个井下条件(包括但不限于例如温度、湿度、土壤成分、腐蚀性元素、pH值和压力)的任何材料。
如本文所使用的，术语“传感器”包括任何电感测设备或量规。传感器可以能够监视或检测压力、温度、流体流、振动、电阻率或其它地层数据。可替代地，传感器可以是位置传感器。
如本文所使用的，术语“地下”是指在地球表面下方发生的地质层。
术语“管状构件”或“管状体”是指任何管，诸如套管接头、衬管的一部分、钻柱、生产管、注入管、小管接头、埋地管道、水下管道或地上管道。
如本文所使用的，术语“井筒”是指通过在地下钻孔或插入管道而制成的地下孔。井筒可以具有基本上圆形的横截面或其它横截面形状。如本文所使用的，当提及地层中的开口时，术语“井”可与术语“井筒”互换使用。
术语“区”或“感兴趣区”是指含有烃的地下地层的一部分。可可以替代地使用术语“含烃地层”。
描述
现在将通过示例进一步描述具体形式。虽然以下实施例证明了本文公开的主题的某些形式，但它们不应被解释为限制其范围，而是有助于完整的描述。
图1是说明性井场100的侧横截面图。井场100包括在地球表面101处的井架120。井场100还包括从地球表面101延伸并向下延伸到地球表面155中的井筒150。井筒150使用井架120、井架120下方的钻柱160和钻柱160下端的底部钻具组件170形成。
首先参考井架120，井架120包括从地球表面101向上延伸的框架结构121。井架120支撑钻井装备，包括行进块122、胎冠块123和旋转接头124。所谓的方钻杆(kelly)125附连到旋转接头124。方钻杆125具有与方钻杆软管126流体连通的纵向延伸的孔(未示出)。方钻杆软管126(也称为泥浆软管)是柔性的钢增强的高压软管，它将钻井液输送通过方钻杆125的孔并向下进入钻柱160。
方钻杆125包括驱动区段127。驱动区段127的横截面是非圆形的并且符合纵向延伸通过方钻杆驱动衬套(drive bushing)129的开口128。方钻杆驱动衬套129是旋转台的一部分。旋转台是机械驱动的设备，其向方钻杆125和连接的钻柱160提供顺时针(从上方看)旋转力，以促进钻探井孔105的过程。因此可以从方钻杆125向钻柱160传递线性和旋转运动。
为井架120提供平台102。平台102在地球表面101上方延伸。平台102一般支撑钻机手连同钻井装备的各种部件(诸如泵、马达、量规、涂料桶、钳子、管道起重装备和控制装备)。平台102还支撑旋转台。
应理解的是，图1中所示的平台102在某种程度上是示意性的。还应理解的是，平台102仅仅是说明性的，并且存在用于陆上和海上操作的钻机(drilling rig)和平台的许多设计。这些包括例如顶部驱动钻井系统。除非在权利要求中明确说明，否则本文提供的权利要求不受钻机的配置和特征的限制。
放置在平台102和方钻杆驱动区段127下方但在地球表面101上方的是防喷器或BOP 130。BOP 130是用于控制钻探油气井期间的压力的大型专用阀门或阀门集合。具体而言，防喷器控制在钻井过程期间从地下地层发出的波动压力。BOP 130可以包括用于隔离钻柱160后侧上的流的上部柱塞132和下部柱塞134。防喷器130还防止构成钻柱160的管接头和钻井液在发生突然压力冲击时从井筒150吹出。
如图1中所示，井筒150向下形成到地下地层155中。此外，井筒150被示为偏斜的井筒。当然，这仅仅是说明性的，因为井筒150可以是垂直井或甚至是水平井，如稍后在图2中所示。
在钻探井筒150中，第一套管柱110从表面101向下放置。这被称为表面套管110，或者在一些情况下(特别是在海上)称为导管。表面套管110通过水泥护套112固定在地层155内。水泥护套112位于表面套管110和周围地层155之间的环形区域115内。
在钻探和完成井筒150的过程期间，将提供附加的套管柱(未示出)。这些可以包括中间套管柱和最终生产套管柱。对于中间套管柱或最终生产套管，可以采用衬管，即，没有系在表面101上的套管。
如上所述，井筒150通过使用底部钻具组件170而形成。底部钻具组件170允许操作者在井筒150形成时控制或“转向”井筒150的方向或朝向。在这种情况下，底部钻具组件170被称为旋转可控钻井系统或RSS。
底部钻具组件170将包括钻头172。可以通过从平台102旋转钻柱160来转动钻头172。可替代地，可以通过使用所谓的泥浆马达174来转动钻头172。泥浆马达174机械地耦合到附近的钻头172并转动钻头172。泥浆马达174与稳定器或弯曲的短柱(sub)176一起使用以赋予钻头172角度偏差。这进而使井在期望的方位角和倾角上偏离其先前路径。
定向钻孔有几个优点。这些主要包括沿着地下地层的基本水平轴线完成井筒的能力，从而暴露出更大的地层面。这些还包括穿透不直接位于井口下方的地下地层的能力。当油储层位于市区下方或大型水体下时，这尤其有益。定向钻井的另一个好处是在单个平台上对多个井口进行分组的能力，诸如对于海上钻井。最后，定向钻井使得能够从单个井筒钻出多个侧向巷道和/或侧线，以最大化储层暴露和烃的回收。
说明性井场100还包括传感器178。在一些实施例中，传感器178是井底钻具组件170的一部分。传感器178可以是例如作为用于RSS的电子器件的一部分的位置传感器集合。可替代地或此外，传感器178可以是温度传感器、压力传感器或用于在钻井期间检测井下状况的其它传感器。可替代地，传感器还可以是感应测井或伽马射线测井或检测井下流体和/或地质的其它测井。
传感器178可以是随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)组件的一部分。观察到传感器178位于泥浆马达174上方。这允许传感器178的电子部件与由马达174、马达下方的旋转组件造成的高振动和离心力以及在钻头172处产生的地层切削作用间隔开。
在传感器178是位置传感器集合的情况下，传感器可以包括三个测斜仪传感器和三个环境加速度传感器。理想地，温度传感器和磨损传感器也将被放置在钻头172中。这些信号被输入到多路复用器中并被发送。
当井筒150被形成时，操作者可能希望评估放置在表面套管110(或其它套管柱)周围的水泥护套112的完整性。为此，业界依赖所谓的水泥键合测井。如上面所讨论的，水泥键合测井(或CBL)使用由电缆末端处的测井工具发送的声信号。测井工具包括发送器和一个或多个接收器，接收器“监听”由发送器通过周围的套管柱生成的声波。测井工具包括信号处理器，其连续测量从发送器到接收器的声音脉冲的振幅。可替代地，可以测量声波信号的衰减。
在一些情况下，键合测井将测量直接在套管后面的环形空间中的材料的声学阻抗。这可以通过共振频率衰减来完成。这种测井包括例如(德克萨斯州Sugar Land的)Schlumberger的USIT测井和(德克萨斯州休斯顿的)Halliburton的CAST-V测井。
期望实现一种井下遥测系统，该系统使操作者能够评估水泥环完整性而无需运行CBL管线。这使得操作者一旦水泥已经设置在环形区域115中或者一旦井筒150完成就立即检查水泥环完整性。附加地或可替代地，可以在井下部署一个或多个传感器(未示出)以监视各种特性，包括但不限于流体特点、温度、深度等，如本领域技术人员将清楚地理解的。
为此，井场100包括多个电池供电的中间通信节点180。电池供电的中间通信节点180可以沿着表面套管110或节点180的其它管状支撑的外表面并根据预先指定的间隔放置。电池供电的中间通信节点180被配置为以节点到节点的布置接收并随后沿着井筒150的长度中继声信号，直到顶侧通信节点182。顶侧通信节点182最靠近地球表面101放置。顶侧通信节点182被配置为接收声信号并将它们转换为电信号或光信号。顶侧通信节点182可以高于等级(grade)或低于等级。在将套管管件插入井筒之前，通常在套管管件高于等级的同时安装低于等级的通信节点。
节点还可以包括传感器通信节点184。传感器通信节点最靠近传感器178放置。传感器通信节点184被配置为与井下传感器178通信，然后使用声波发送无线信号。
图1的井场100还示出了接收器190。接收器190包括接收从顶侧通信节点182发送的信号的处理器192。可以通过诸如同轴电缆、光纤电缆、USB电缆或者其它电气或光学通信电线之类的电线(未示出)接收信号。可替代地，接收器190可以通过调制解调器、收发器或者诸如蓝牙或Wi-Fi之类的其它无线通信链路无线地从顶侧通信节点182接收最终信号。在一些实施例中，接收器190经由所谓的I类I分类导管和壳体接收电信号，用于在潜在危险环境中被认为是可接受地安全的布线。接收器190可以适当地位于电分类或电气未分类区域中。在一些应用中，可以使用无线电、红外或微波信号。
处理器192可以包括离散逻辑、各种集成电路逻辑类型中的任何一种或微处理器。无论如何，处理器192都可以结合到具有屏幕的计算机中。计算机可以具有单独的键盘194(如典型的用于台式计算机)，或者具有整体键盘(如典型的用于膝上型电脑或个人数字助理)。在一个方面，处理器192是具有具体“应用”和无线连接性的多功能“智能电话”的一部分。如所指出的，井下遥测系统的中间通信节点180通常由电池供电，因此，可以遇到系统能量限制。在系统设计和优化中必须考虑电源管理。
如上所述，图1图示了在钻井操作期间声学无线数据遥测系统的使用。如可以认识到的，声学井下遥测系统也可以在钻井时、钻井之后、井完成之后和/或其组合时使用。
图2是说明性井场200的横截面图。井场200包括穿入地下地层255的井筒250。井筒250已经完成，作为用于生产烃流体的套管井完井。井场200还包括井口260。井口260定位在地球表面201处，以控制和引导地层流体从地下地层255到地球表面201的流。
首先参考井口260，井口260可以是在井的顶部接收储层流体的任何管道或阀门的布置。在图2的布置中，井口260表示所谓的“圣诞树”型。当地下地层255具有足够的原位压力以从地层255、沿着井筒250向上并向表面201驱动产出流体时，通常使用“圣诞树”型。说明性井口260包括顶部阀262和底部阀264。
应该理解的是，井口260可以可替代地包括在表面201处的驱动泵的马达(或原动机)，而不是使用“圣诞树”型。泵进而使抽油杆集合和连接的正排量泵(未示出)在井下往复运动。泵可以是例如摇臂单元或液压活塞泵单元。可替代地，井口260还可以被配置为支撑生产管柱，该生产管具有井下电潜泵、气举阀或其它人工举升手段(未示出)。除非在权利要求中明确指出，否则本发明不受表面处的操作装备的配置的限制。
接下来参考井筒250，井筒250已经完成了一系列被称为套管的管柱。首先，表面套管210柱已胶合到地层中。水泥在井筒250的围绕套管210的环形孔215中示出。水泥处于环形护套212的形式。表面套管110(图1)的上端与下部阀264密封连接。
接下来，将至少一个中间套管柱220胶合到井筒250中。中间套管柱220与上部主阀262密封流体连通。水泥护套212再次在井筒250的孔215中示出。套管210/220和孔215中的水泥护套212的组合加强了井筒250并有助于隔离套管210/220后面的地层。
应该理解的是，井筒250可以并且通常将包括多于一个的中间套管柱。在一些情况下，中间套管柱可以是衬管。
最后，提供生产管柱230。使用衬管悬挂器231将生产管柱230悬挂在中间套管柱230上。生产管柱230是没有系在表面201上的衬管。在图2的布置中，围绕衬管230提供水泥护套232。
生产衬管230具有延伸到井筒250的端部254的下端234。为此，说井筒250完成为套管井。本领域普通技术人员将理解的是，出于生产目的，衬管230可以在固井之后被穿孔，以在衬管230的孔235与构成地下地层255的周围岩石基质之间产生流体连通。在一个方面，生产管柱230不是衬管，而是延伸回到表面的套管柱。
作为替代方案，井筒250的端部254可以包括砂筛的接头(未示出)。使用具有砾石充填的砂筛允许衬管230的孔235与周围岩石基质之间更大的流体连通，同时仍然为井筒250提供支撑。在这种情况下，井筒250将包括开槽的基管作为砂筛接头的一部分。当然，砂筛接头不会胶合到位并且不包括地下通信节点。
井筒250可选地还包括生产管240柱。生产管240从井口260向下延伸到地下地层255。在图2的布置中，生产管240终止于地下地层255的上端附近。生产封隔器241在生产管240的下端处提供，以密封管240与周围生产衬管230之间的环形区域245。但是，生产管240可以延伸到更靠近衬管230的端部234。在一些完井中，不采用生产管240。例如，当使用单孔完井时(或当使用本发明公开的技术与地表或海底管线时)，这可能发生。
还应注意的是，生产管柱230的底端234在地下地层255内基本水平地完成。这是在所谓的“紧密”或“非常规”地层中完成的井的共同朝向。水平完井不仅显著增加了井筒对生产岩石面的暴露，而且使操作者能够产生基本上横向于井筒方向的裂缝。本领域普通技术人员可以理解的是，岩石基质一般将在垂直于最小主应力方向的方向上“分开”。对于更深的井，那个方向通常基本上是垂直的。但是，本发明在垂直完井或多侧斜井中具有相同的效用。
与图1的井场100一样，图2的井场200包括利用一系列新颖通信节点的遥测系统。这同样可以是为了评估水泥护套212、232的完整性。通信节点沿着套管柱210、220、230的外直径放置。这些节点允许基于声波的原位生成的无线信号的高速传输。
节点首先包括顶侧通信节点282。顶侧通信节点282最靠近表面201放置。顶侧节点282被配置为发送和接收声信号。顶侧节点可以通过任何方便的手段与地面通信和/或处理器通信，例如但不限于直接有线、无线、声学、光纤、无线电、蜂窝或无线。
在一些实施例中，节点还可以包括位于井下、沿着系统通信路径，和/或位于顶侧或靠近顶侧的传感器通信节点284。传感器通信节点可以与一个或多个传感器进行单向、双向、被动和/或主动通信。传感器和/或传感器通信节点可以位于井筒管内侧、井筒管内部、井筒管外部、固定到井筒管，或者可以在井筒内可输送(诸如经由管柱、盘管、电缆、电线、自主地或由流体泵入)。传感器通信节点284可以放置在一个或多个传感器290附近。传感器通信节点284被配置为与一个或多个井下传感器290通信，然后使用声波和换能器以及本文公开的声学遥测系统发送与来自传感器的数据有关的无线信号。
传感器290可以是例如压力传感器、流量计或温度传感器。压力传感器可以是例如蓝宝石量规或石英量规。可以使用蓝宝石量规，因为它们被认为对于高温井下环境更加坚固。可替代地，传感器可以是用于检测环境噪声的麦克风，或用于检测微地震活动的存在的地震检波器(诸如三轴地震检波器)。可替代地，传感器还可以是流体流量测量设备(诸如旋转器)或流体成分传感器。
此外，节点包括多个地下电池供电的中间通信节点280。每个地下电池供电的中间通信节点280被配置为接收并且然后沿着井筒250的长度中继声信号。例如，地下电池供电的中间通信节点280可以利用电声换能器来接收和中继机械或声波。
地下电池供电的中间通信节点280将信号作为声波发送。声波的频率可以是例如约50kHz和500kHz之间。信号被向上输送到顶侧通信节点282，使得从节点到节点发送指示水泥完整性的信号。最后一个地下电池供电的中间通信节点280在声学上将信号发送到顶侧通信节点282。通信可以在相邻节点之间，或者可以取决于节点间距或通信范围跳过节点。优选地，在不正常运行的节点周围路由通信。
图2的井场200示出了接收器270。接收器270可以包括处理器272，其接收从顶侧通信节点282发送的信号。处理器272可以包括离散逻辑、各种集成电路逻辑类型中的任何一种或微处理器。接收器270可以包括屏幕和键盘274(或者作为键盘或者作为触摸屏的一部分)。接收器270也可以是嵌入式控制器，其既没有屏幕也没有键盘，其诸如经由无线、蜂窝调制解调器或电话线与远程计算机通信。
信号可以由处理器272通过诸如同轴电缆、光纤电缆、USB电缆或者其它电或光学通信线之类的电线(未示出)接收。可替代地，接收器270可以通过调制解调器、微波、无线电、光学或其它收发器无线地从顶侧节点282接收最终信号。接收器270还可以是可以将命令发送到顶侧节点282或直接发送到其它范围内节点(电、声、无线或以其它方式)的发送器，然后顶侧节点282或其它顶侧接收节点可以依次沿着换能器通信链向指定的井下接收节点或换能器声学地发送井下命令。
图1和2给出了可以使用声换能器接收井下遥测系统的说明性井筒150、250。在图1和2的每一个当中，绘图页面的顶部旨在朝向井底朝着表面并且绘图页面的底部朝着井的底部。虽然井通常以基本垂直的朝向完成，但应该理解的是，井也可以倾斜并且甚至水平地完成。当描述性术语“上”和“下”或“上部”和“下部”或类似术语用于参考附图时，它们旨在指示绘图页面上的位置，而不是必须在地面中定向，因为，无论井筒如何定向，本发明都具有实用性。
在图1和2中的每一个中，电池供电的中间通信节点180、280被特别设计成承受作为套管柱、钻柱或生产管的井筒150或250的相同腐蚀和环境状况(例如，高温、高压)。为此，优选的是，电池供电的中间通信节点180、280包括用于保持电子器件的密封钢壳体。在一个方面，钢材料是耐腐蚀合金。在另一方面，钢材料在组成上类似于井筒管。
现在参考图3，示出了管状体的说明性管状部分310的放大透视图，以及说明性中间通信节点380。在这个视图中，该图示描绘了钻杆管，但是应认识到的是，本公开的部件可以在套管、管线、尾纤(pig)、管柱、盘管或者可输送或可移动工具(诸如测井工具、钻孔工具、插塞、封隔器、砾石充填组件、生产组件、刺激工具或其它井下细长工具)上提供。说明性中间通信节点380被示为从管状部分310分解出384。管状部分310具有定义内孔316的细长壁314。管状部分310具有带内螺纹320的盒端318以及带外螺纹324的销端322。
如所指出的，说明性中间通信节点380被示为远离管状部分310分解。中间通信节点380被构造和布置成在选定位置处附连到管状部分310的壁314。在一个方面，所选择的管状部分310将各自在盒端318和销端322之间具有中间通信节点380。在一种布置中，中间通信节点380沿着壁314放置在任何位置，但通常不紧邻盒端318或者，可替代地，不紧邻每个管状部分310的销端322。在另一种布置中，中间通信节点380被放置在距离选择的位置(诸如沿着每个第二个或每个第三个管状部分310)。在一些情况下，中间节点间距甚至可以大于两个或三个管状接头。在其它方面，每个管状部分310可以放置多于或少于一个中间通信节点380。
在一些实施例中，图3中所示的中间通信节点380被设计为预焊接到管状部分310的壁314上。在一些实施例中，中间通信节点380被配置为通过井100、200处的机械手段(参见图1-2)选择性地可附连到管状部分/可从管状部分分离。这可以例如通过使用在套环或指定接头中提供的夹具、支架、焊接、键合来完成。环氧树脂或其它合适的声耦合剂可以用于化学键合。在任何情况下，中间通信节点310都是独立的无线通信设备，其被设计为附连到管状物的外表面。
使用利用声波的外置通信节点是有益的。例如，这种节点不会干扰管状部分310的内孔316内的流体流。另外，如果需要，可以容易地评估或调整安装和机械附连。
如图3中所示，中间通信节点380包括用于电子器件(诸如电路板、处理器、存储器模块等)的至少一部分的壳体386。壳体386支撑驻留在壳体386内的电源，电源可以是一个或多个电池，如390处示意性地示出的。壳体386还支撑被配置为用作声信号的接收器并且在388处示意性地示出的第一电声换能器、被配置为用作声信号的发送器并且在336处示意性地示出的第二电声换能器。还有电路板，它将优选地包括处理声信号的微处理器或电子模块，但在这个视图中没有示出。
中间通信节点380旨在在一个实施例中表示图1的多个中间通信节点180并在另一个实施例中表示图2的多个中间通信节点280。每个中间通信节点380中的第一和第二电声换能器388和336允许声信号或者沿着井筒向上或者沿着井筒向下从节点到节点发送。在管状部分310由碳钢形成的情况下(诸如套管或衬管)，壳体386可以由碳钢制成。这种冶金匹配避免了联轴器的电化腐蚀。
示例性图4提供了示例性图3的中间通信节点380的横截面视图。该视图沿着中间通信节点380的纵轴截取。壳体386的维度足够强以保护内部电子器件。在一个方面，壳体386具有外壁330，外壁330的厚度可以为大约0.2英寸(0.51cm)。腔体332容纳电子器件，包括(作为示例而非限制)电池390、电源线334、被配置为用作声信号的接收器的第一电声换能器388、被配置为用作声信号的发送器的第二电声换能器336，以及电路板338。电路板338将优选地包括处理声信号的微处理器或电子模块。提供第一电声接收器换能器388以将声能转换成电能，并且提供第二电声发送换能器336以将电能转换成声能。两者在附连到管状体的一侧上与外壁330声学耦合。这些换能器的发送和接收功能针对其自身目的进行了优化，并且在本公开中不被认为是可互换的。
在一些实施例中，中间通信节点380的被配置为用作发送器的第二电声换能器336还可以产生声学遥测信号。在一些实施例中，电信号被递送到第二电声换能器336，诸如通过驱动器电路。在一些实施例中，声波表示包括多个单独音调的异步信息分组。
在一些实施例中，使用多频移键控(MFSK)来完成声学遥测数据传送。通过使用众所周知的模拟和/或数字信号处理方法来调制信号中的任何外来噪声。这种噪声移除和信号增强可以涉及使用例如带通滤波器通过信号调节电路传送声信号。
由第二电声换能器336生成的信号然后穿过壳体386到达管状体310，并沿着管状体310传播到其它中间通信节点380。在一个方面，声信号由不同的通信节点经由第二电声换能器336生成，并由第一电声接收器换能器388在不同节点中接收。同一节点内的发送器和接收器换能器通常不直接在声学上相互通信。在节点内提供电子电路以连接节点内的公共换能器和接收器。节点内的处理器提供这个电气接口以继续从节点的接收器、通过节点到发送器换能器的遥测通信，以及从节点向前的声传输。在一些实施例中，电声换能器336和388可以是磁致伸缩换能器，其包括缠绕在芯周围的线圈。在另一方面，声信号可以由压电陶瓷换能器生成和/或接收。在任一情况下，电编码的数据被变换成声波，该声波通过井筒中的管状体310的壁314携带。
在一些实施例中，中间通信节点380的内部部件也可以设有保护性外层340。保护性外层340封装电子电路板338、电缆334、电池390以及换能器336和388。这个保护层可以提供附加的机械耐久性和水分隔离。中间通信节点380还可以与壳体386流体密封，以保护内部电子器件免于暴露于不期望的流体和/或保持壳体的空隙内的介电完整性。使用灌封材料可获得对内部部件的另一种保护形式，灌封材料通常但不一定与外部保护壳体(诸如钢壳体)组合。
在一些实施例中，中间通信节点380还可以可选地包括鞋342。更具体而言，中间通信节点380可以包括部署在壁330的相对端处的一对鞋342。每个鞋342提供斜面，视情况而定，这有助于防止节点380在磨合或拉出期间悬挂在外部管状体或周围地层上。鞋342还可以具有可选的减摩擦涂层、耐磨带涂层或缓冲材料(未示出)作为外层340，用于防止尖锐冲击和与钻孔的摩擦，以保护壳体内部部件免受损坏。在一些实施例中，诸如在壳体被齐平安装或反沉或以其它方式保护性封闭的情况下，斜面鞋342可能不是必需的，但是在所示实施例中，鞋也用于为管状物和壳体之间的声信号传送提供牢固的附连和接触界面。
图5提供了示例性传感器通信节点484的横截面视图。传感器通信节点484旨在在一个实施例中表示图1的传感器通信节点184，并在另一个实施例中表示图2的传感器通信节点284。这个视图是沿着传感器通信节点484的纵轴截取的。传感器通信节点484包括壳体402。壳体402被构造和布置成附连到管状部分(诸如图3的管状部分310)的外壁。在管状部分由碳钢形成的情况下(诸如套管或衬管)，壳体402优选地由碳钢制成。这种冶金匹配避免了联轴器的电化腐蚀。
壳体402的维度足够坚固以保护内部电子器件。在一个方面，壳体402具有外壁404，外壁404的厚度可以为大约0.2英寸(0.51cm)。腔体406容纳电子器件，包括(作为示例而非限制)电池408、电源线410、两个换能器412和416，以及电路板414。电路板414将优选地包括针对传输和接收处理声信号的微处理器或电子模块。提供电声换能器416作为接收器以将声能转换成电能并且在附连到管状体的一侧上与外壁404耦合。电声换能器412用作发送器以将电能转换成声能。在一个实施例中，换能器412和416经由电路板414与至少一个传感器418电连通，传感器418可以是图1的至少一个传感器174。要注意的是，在图5中，至少一个传感器418位于传感器通信节点484的壳体402内。
现在参考图6，给出了一个实施例，其中示出了至少一个传感器518驻留在传感器通信节点584的外部，诸如沿着井筒在传感器通信节点584的上方或下方。在图6中，传感器通信节点584还旨在在一个实施例中表示图1的传感器通信节点184，并在另一个实施例中表示图2的传感器通信节点284。传感器通信节点584包括壳体502，壳体502被构造和布置成附连到管状部分(诸如图3的管状部分310)的外壁。图4的鞋422和涂层420以及图5的鞋522和涂层520与图3的鞋322和涂层320类似。
在一个方面，壳体502可以具有外壁504，外壁504的厚度可以为大约0.2英寸(0.51cm)。腔体506容纳电子器件，包括(作为示例而非限制)电池508、电源线510、换能器512和516，具有处理器、存储器和电源控制部件的电路板514。电路板514将优选地包括针对传输和接收处理声信号的微处理器或电子模块。提供电声换能器516作为接收器以将声能转换成电能并且在附连到管状体的一侧上与外壁504耦合。电声换能器512被配置为发送器以将电能转换成声能。换能器512和516与电路板518电连通，并且该子系统与至少一个传感器518声学通信。提供虚线，该虚线示出了至少一个传感器518与电声换能器512和516之间的扩展连接。
在操作中，传感器通信节点584与(一个或多个)传感器电连通。这可以借助于电线、声学或借助于无线通信(诸如红外或无线电波)来实现。传感器通信节点584可以被配置为从传感器接收信号。在一些应用中，传感器还可以被配置为将信号发送到可操作或记录设备。
传感器通信节点584将来自传感器的信号作为声波发送。声波的频带可以是例如大约50kHz至大约500kHz、大约50kHz至大约300kHz、大约60kHz至大约200kHz、大约65kHz至大约175kHz、大约70kHz至大约160kHz、大约75kHz至大约150kHz、大约80kHz至大约140kHz、大约85kHz至大约135kHz、大约90kHz至大约130kHz，或大约100kHz至大约125kHz，或大约100kHz。信号由中间通信节点(诸如图4的中间通信节点380)接收。中间通信节点380进而将信号中继到另一个中间通信节点，以便从节点到节点发送指示井下状况的声波。最后一个中间通信节点380将信号发送到顶侧节点(诸如图1的顶侧节点182，或图2的顶侧节点282)。
如上所述，对于井下中间通信传输，已经确定本文所述的双换能器设计原理与单换能器通信系统相比提供改进的性能。最优选的中间通信节点(诸如本文所述)是双换能器设计。一般而言优选的设计包括与壳体或通信节点相关联的两个换能器：一个用作发送器而另一个用作接收器。可以通过以下的组合来实现声学传输性能优化：1)定制与具体换能器匹配的电阻抗；2)换能器的几何和材料选择，以最大化期望的声学质量；和/或3)针对预期的传输频带优化每个单独换能器的预张紧(预加载)。
应该理解的是，用作发送器的一个换能器实际上可以包括在单个节点处的多个发送器换能器，诸如在那个容量中服务的换能器集合中。类似地，用作接收器的一个换能器实际上可以在节点处包括多个接收器的集合。但是，为了简单和高效，对于节点处的每个发送和接收功能，利用单个换能器的双换能器设计会是优选的。双换能器设计提供了作为中间通信节点的最佳整体性能，并且通过单独优化提供扩展的有效声传输范围，但是可以使用单个电子板来操作发送器和接收器，可以期望用于发送器和接收器中每一个的单独电子电路分别单独地优化传输和接收中每一个的性能。尽管如此，在一些实施例中，一些电气部件可以共享或用于发送和接收功能两者，其中这种共享使用显著地提高了整体效率并且不过度地局部优化或者发送器或者接收器换能器性能中的任何一个。
除了改善的通信性能之外，双换能器设计还可以提供如下的高级益处：a)发送器和接收器可以被设计和用作一对有源感测设备，用于测量感兴趣的物理参数(诸如节点周围的材料、流速、套管腐蚀等)；b)发送器和接收器对可以被设计并用于为通信传感器节点本身提供高级诊断信息。
现在参考图7A，压电发送器600可以被设计为具有多个盘602、604......，其中电极并联连接，如指示相对极性的“+”和“-”符号所示。单个电压可以同等地施加到所有的盘602、604......基于压电换能器理论，这种多盘堆叠的机械振动输出由每个盘602、604......的输出的总和给出。每个盘的振动位移的振幅大致由下式给出：
Ydisk＝dp Vt0
其中dp是压电电荷常数。并行多盘堆叠的位移总振幅大致为：
Ytotal＝nYdisk＝n dpVt0
其中n是盘的数量。显然，可以通过在施加相同电压的同时增加盘的数量来增加压电堆叠的机械输出。对于所需的相同输出，更多的盘允许使用来自MFSK发生器610的较低驱动电压。
现在参考图7B，接收器700被设计为具有多个盘702、704......，其中电极串联连接或者是单个较厚的盘。当经受振幅为F0的振动力时，厚度为h的单个盘的电压输出大致由下列关系给出：
Vdisk＝gp h F0/A
其中gp是压电电压常数，并且A是盘表面。一系列多个盘的总电压输出大致为：
Vr0＝m Vdisk＝m gp h F0/A
其中m是磁盘数。理论上，厚度为L＝m h的厚盘与多个串联盘的性能相同。因此，我们可以增加单个盘的厚度或相同厚度的盘的数量，以提升接收器电压输出。在给定振动信号下具有较高电压输出时，接收器710的灵敏度增加，这将改善检测准确度或增加通信范围。
在一些压电实施例中，发送和/或接收换能器堆叠可以分别装配有端部质块606和/或706，以增强传输输出或接收器灵敏度。(一个或多个)端部质块可以帮助适当地定时反射、增强振幅特性，以改善压电性能。通过独立的发送和接收换能器，可以单独选择端部质块长度，以优化整体声学性能。例如，可以期望增加遥测频率的总带宽。端部质块长度可以被设计为在谐振压电盘谐振频率之外操作或者减小或增强谐振压电盘谐振频率。对于进一步的示例，可以减小发送端部质块长度以略微增加谐振频率，并且可以增加接收器端部质块长度以略微降低谐振频率。通过对电阻抗匹配电路和端部质块调整的组合集体调整，可以实现附加的性能定制。使用单独的发送和接收换能器，可以进行四次独立调整，而使用单个发送/接收换能器只能两次。可以调整诸如功耗、信噪比和带宽之类的性能参数以改善遥测和电池寿命。
在一些实施例中，用于发送器600(图7a)和用于接收器700(图7b)的电子电路被配置为不同的或单独的实体，以实现单独的性能优化。例如，可以为发送器600和接收器700中的每一个施加不同量或可单独调整的电感量。还可以减少串扰和接收器噪声。实验室测试已经证明了双换能器设计的显著操作益处或改进，诸如本文在典型的单个换能器设计中讨论和公开的，一些益处高达20dB或更好。但是，认识到使用单个换能器设计可能有其它益处，使得这些实施例在一些应用中有时是优选的或者在操作上是优越的或期望的。为了本文一般性描述的各种井下声学遥测目的，所提出的双发送器设计操作优势仅仅基于将如本文所述的双换能器设计与单个换能器设计(例如图7a中所示)进行比较。许多识别出的双发送器属性的益处可归因于在接收器处实现的灵敏度和噪声益处，其可通过优化压电堆叠、利用端部质块和/或预张紧来实现。通过电路阻抗匹配、利用确定的电子器件布置和/或通过使用单独的接收和发送电路系统，可以获得进一步附加的改进。
图7a和7b分别图示了端部质块606和706。根据期望，端部质块通常可以具有在工作频率或除工作频率之外的频率下提供与激励的相长干涉的长度。在质块的相对端处的声反射(包括与反射相关联的极性反转)将导致在堆叠的操作面处与下一个激励周期的相长求和(constructive summation)。示例性实施例包括发送和接收换能器上的端部质块。
在示例性实施例中，端部质块和堆叠是预张紧的(预加载或预加应力或预应变的)。在所示实施例中，堆叠被预张紧到壳体。也可以对管状物进行预张紧。预张紧可以提供多种益处或选项，诸如例如，发送堆叠的输出可以被增强，接收器灵敏度可以增加，机械耐久性可以得到改善，和/或长期设备性能可以更稳定。
如图8a中所描绘的，在示例性实施例中，所示的端部质块900制造有唇缘905，以促进预张紧支撑板920围绕端部质块居中。端部质块900的较大直径部分910是附接到压电元件的面。图8b中所示的预张紧支撑板920的直径930和940的尺寸设计成直接配合在端部质块唇缘905上。预张紧支撑板920的厚度950和直径930约束端部质块900和预张紧支撑板920的定位。
图9a和9b描绘了压电堆叠1000和端部质块1020如何可以预张紧到壳体1010的实施例。壳体切口1010表示图4中的壳体386的一小部分或图5中所示的402。图9b图示了压电堆叠1000和端部质块1020之间的明确分离。在示例性实施例中，端部质块和压电堆叠与环氧树脂或胶水声学耦合。端部质块和压电堆叠可以在安装到壳体上之前预先组装。压电堆叠和端部质块通过使用螺纹杆1040的预张紧支撑板1050预张紧到壳体并且用螺母1030固定。在示例性实施例中，到壳体的胶合附连通过完成的预张紧而固化。压电堆叠和壳体之间的胶水可以包括促进导电性的材料。
如图9a和9b中所给出的，如果所有零件都是导电的，那么预张紧支撑板1050、螺纹杆1040和1030的安装将电连接压电叠堆1000的顶部和底部电极。如图7a中所示，在双盘发送压电堆叠的情况下，那种连接可能是期望的。但是，在图7b中所示的接收器压电堆叠的情况下，那种连接将产生短路并且是不期望的。有几个选项可用于隔离那种连接。一种方法是使用非导电杆1040。另一种方法是使用导电杆1040，但是在这些杆周围使用非导电护套以防止与预张紧支撑板1050接触。还有另一种方法是在端部质块1020的顶部和预张紧支撑板1050之间结合非导电垫圈。
如图10a和10b中所示，预张紧扭矩的测试范围是20-100英寸-盎司。每条图线表示不同的重张紧力矩。已经在接收(图10a)和传送(图10b)压电堆叠上利用逐渐增加的扭矩进行了单独的测试。那些图中的图线的区别大致说明可以针对在大于起始扭矩值但小于结束扭矩值的范围内的预张紧扭矩优化发送和接收性能，其中在扭矩范围中图示了绘制的振幅处于其最高范围(诸如例如在70-90英寸-盎司范围内)的最佳范围。图10c中的数据给出了在79-90kHz频带中操作的这个结果的另一个实施例图示。如在使用多个连接进行扭矩时所典型的，顺序地拧紧每个螺母1030以逐步地施加所需的扭矩。
利用图9a/b中所示的预张紧布置在90英寸盎司的预张力扭矩下进行的测试已证明具有相当大的机械耐久性。将这些设备夹到管状物，在从大约3英尺高度反复下降后，发送和接收压电堆叠都没有观察到性能。
在示例性实施例中，组件制造确认具有端部质块、电池和电子器件的压电堆叠在安装到节点壳体中之前均根据规范起作用。例如，可以测试压电堆叠的阻抗和Dp(压电充电常数)。关键的制造步骤是将压电堆叠附连到壳体。虽然图9a/b中描述的预张紧机制降低了附连可变性，但环氧树脂混合物、表面制备和表面平整度都是会降低声学性能并因此降低制造产量的来源。在示例性实施例中，测试两个压电堆叠的附连以确认合适的性能。图11图示了使用已知质量的换能器的布置。图11中的壳体1100表示图4中的壳体386或图5中所示的402。进行了两个单独的测试：一个用于发送压电堆叠，一个用于接收器压电堆叠。为了测试发送堆叠，经由发生器/激励器1140的电激励被施加到发送堆叠1110并经由伏特计或示波器1150通过已知质量的换能器1130测量接收。为了测试接收器堆叠1120，将电激励应用于已知质量的换能器1130并测量接收器堆叠1120处的接收。设备1140和1150分别连接到已知质量的换能器1130和接收器堆叠1120。
通常，相同的物理设备可以用作发送和接收测试的已知质量的换能器。在示例性实施例中，在壳体1100上建立用于附连已知质量的换能器1130的特定位置。用弹簧夹或类似设备实现对壳体的临时附连，并且包括应用一致的声学耦合剂。可以在不移除换能器1130的情况下进行发送和接收测试。在同一壳体上移除和重新附连换能器1130的若干重复测试建立了实验可重复性带。在若干壳体上重复这种测试可以为结果建立整体实验和硬件范围。由于这种测试的性质是评估换能器堆叠1110和1120与壳体的声学附连的质量，因此频率响应的振幅是感兴趣的主要参数。
没有唯一的方法来确定接受、拒绝和基线标准。在示例性实施例中，来自设备1140的激励测试频率与预期的遥测频率一致。重复测试方法足以确定具有缺陷键的压电堆叠。图12证明了在指定的壳体中安装若干发送压电堆叠的情况，证明了安装在壳体2002中的压电堆叠的响应与其它堆叠相比在操作上是不足的。图12中所示的平均响应基于安装在沿着管柱的长度均匀间隔开的11个不同壳体中的11个压电传送堆叠的测量。与其它壳体相比，只有壳体2002显示出明显的差异。在这种特定情况下，用于开发图12的数据的所有压电堆叠在附连到它们的壳体之前被单独测试。在安装在壳体之前，堆叠之间没有识别出显著的差异。但是，在安装在壳体中之前，本文公开的方法将在没有明确测试的情况下识别出有问题的压电堆叠。所公开的方法将识别出关于压电堆叠制造和/或其在壳体中的安装的问题。
要认识到的是，虽然本文公开的许多电声换能器实施例是指“压电”型换能器，但是本文包括的电声换能器也可以或可替代地是其它机电或电动力学类型的电声换能器，诸如磁致伸缩、电致伸缩和/或超磁致伸缩换能器。这些其它类型的换能器在一些实施例中可以是合适的并且被认为包括在本公开内，并且还可以或者与压电类型的换能器(包括接收和/或发送换能器)组合使用或者替代它们。类似地，可以与本文公开的技术一起使用的传感器可以利用数字、模拟、无线、光学、热、机械、电气和/或化学类型的传感器技术，如同包括在内，以提供用于由本文公开的数据遥测系统结合到遥测中的数据，其中它们可以被发送到处理或最终用户以进行收集、进一步处理、分析和/或使用。
现在参考图13，还提供了利用所公开的技术监视具有管状体的烃井内的操作或条件的方法800。在一个方面，方法800包括以下步骤：802，提供沿着管状体定位的一个或多个传感器；804，接收来自一个或多个传感器的信号；806，经由传感器发送器将那些信号发送到附连到管状体的壁上的电声通信节点，该电声通信节点包括壳体；位于壳体内的压电接收器，接收器换能器被构造和布置成接收传播通过管状构件的声波；也位于壳体内或壳体周围的发送器换能器，发送器换能器被构造和布置成通过管状构件发送声波；控制器，对传输和接收进行排序；以及包括一个或多个位于壳体内的电池的电源；808，将电声通信节点接收的信号发送给至少一个附加的电声通信节点；以及810，将由至少一个附加的中间通信节点接收的信号发送到顶侧通信节点。在一些实施例中，方法800还包括814，提供单独的电子电路，以优化压电接收器和压电发送器的性能。
在一些实施例中，压电发送器包括多个压电盘，每个压电盘具有与相邻压电盘并联连接的至少一对电极。在一些实施例中，压电接收器包括多个压电盘，每个压电盘具有与相邻压电盘串联连接的至少一对电极。在一些实施例中，方法800还包括816，从电声通信节点的压电发送器发送声信号；以及818，根据电声通信节点的压电接收器的声学响应确定烃井的物理参数。在一些实施例中，该方法还包括在不同时间中继信息820，以及822，测量声学响应的改变，以确定是否已发生烃井状况的物理改变。
在一些方面，改进的技术包括用于井下无线遥测系统的电声通信节点，包括具有用于安装到管状体的表面的安装面的壳体，定位在壳体内的接收器换能器，换能器接收器被构造和布置成接收传播通过管状构件的声波，定位在壳体内的发送器换能器，发送器换能器被构造和布置成将接收的声波通过管状构件重新发送到另一个接收器换能器；以及包括一个或多个位于壳体内的电池的电源，为连接到发送器和接收器换能器的电子电路供电。每个通信节点包括发送器换能器和接收器换能器。换能器可以在共同的物理壳体中或在单独的相邻物理壳体中，但是即使在相邻的物理壳体中，相邻的壳体也可以被认为是用于本文目的的共同壳体。
在一些实施例中，换能器可以是压电设备，而在其它实施例中，换能器可以是磁致伸缩设备，而在还有其它实施例中，换能器可以是压电装置和磁致伸缩设备的组合。
在一些实施例中，壳体中的换能器和电子电路可以如在声学上解释的仅重复接收的声波，然后通过与那个壳体相关联的发送器重新发送接收并解释的波，非常类似于常见的无线电中继器发送器从一个通信塔到另一个通信塔串联地发送无线电波。在其它实施例中，电子电路实际上可以解码由与壳体相关联的接收器接收的声信号消息，例如以确定是否包括指令，然后将由与那个相应壳体相关联的发送器重新发送到下一个接收器或与另一个壳体相关联的另一个接收器的消息重新编码。
在以下列举的段落中给出了根据本公开的系统和方法的进一步说明性、非排他性示例。在本公开的范围内，本文所述方法的各个步骤(包括在以下列举的段落中)可以附加地或可替代地被称为“用于执行所述动作的步骤”。
工业适用性
本文所公开的装置和方法适用于井筒和管道工业，诸如但不限于石油和天然气工业以及流体处理和传输工业。据信，本文阐述的公开内容和权利要求涵盖具有独立效用的多个不同发明。虽然已经以一般化或优选形式公开了这些发明中的每一个，但是本文公开和说明的本发明的具体实施例不应被视为具有限制意义，因为许多变化是可能的。本发明的主题包括本文公开的各种元件、特征、功能和/或特性的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。类似地，在权利要求陈述“一个”或“第一”要素或其等同物的情况下，这些权利要求应当被理解为包括一个或多个此类要素的结合，既不要求也不排除两个或更多个此类要素。
据信，以下权利要求特别指出了针对所公开的发明之一的某些组合和子组合，并且是新颖且非显而易见的。可以通过在本申请的修订或者本申请或相关申请中新权利要求的给出来要求保护在特征、功能、元件和/或特性的其它组合和子组合中实施的发明。这些修订后的或新的权利要求，无论是针对不同的发明还是针对相同的发明，无论是原始权利要求的范围不同、更宽、更窄还是相同，也被认为包括在本公开的发明的主题内。
虽然已经参考特定实施例描述和说明了本发明，但是本领域普通技术人员将认识到的是，本发明适用于不一定在本文示出的变型。为此，为了确定本发明的真实范围，应仅参考所附权利要求。
Claims (30)
1.一种用于井下无线遥测系统的电声通信节点组件，包括：
壳体，具有用于安装到管状体的表面的安装面；
位于所示壳体内的接收器换能器，所述换能器接收器被构造和布置成接收通过管状构件传播的声波；
位于所述壳体内的发送器换能器，所述发送器换能器被构造和布置成将接收的声波通过管状构件重新发送到另一个接收器换能器；
位于所述壳体内的电子电路，用于与所述接收器换能器和所述发送器换能器中的每一个电连通；
处理器，经由电子电路与所述接收器换能器和所述发送器换能器中的每一个通信；以及
电源，包括位于所述壳体内的一个或多个电池，用于为发送器换能器和接收器换能器供电。
2.如权利要求1所述的组件，其中接收器换能器和发送器换能器中的至少一个是压电设备。
3.如权利要求1所述的组件，其中接收器换能器和发送器换能器中的至少一个是磁致伸缩设备。
4.如权利要求1-3所述的组件，其中电子电路重复接收到的声波，以通过发送器重新发送接收到的声波。
5.如权利要求1-3所述的组件，其中电子电路对接收到的声波进行解码，然后重新编码接收到的声波，以由发送器换能器重新发送。
6.如权利要求1-5所述的组件，其中电子电路由两个单独的电子电路组成，以优化接收器换能器和发送器换能器的性能。
7.如权利要求2所述的组件，其中压电发送器包括多个压电盘，每个压电盘具有与相邻压电盘并联连接的至少一对电极。
8.如权利要求7所述的组件，其中单个电压均等地施加到每个压电盘。
9.如权利要求7所述的组件，其中通过在施加相同电压的同时增加盘的数量来增加压电发送器的机械输出。
10.如权利要求2所述的组件，其中压电接收器包括多个压电盘，每个压电盘具有与相邻压电盘串联连接的至少一对电极。
11.如权利要求2所述的组件，其中压电接收器包括单个压电盘，所述单个压电盘的厚度等于权利要求10所述的多个压电盘的总厚度，以实现相同的灵敏度。
12.如权利要求2所述的组件，其中接收器换能器和发送器换能器中的至少一个包括端部质块。
13.如权利要求1所述的组件，其中电子电路包括用于接收换能器电路和发送器换能器电路的单独的阻抗匹配。
14.如权利要求12所述的组件，其中电子电路包括用于接收换能器电路和发送器换能器电路的单独的阻抗匹配。
15.如权利要求14所述的组件，其中共同选择端部质块和电阻抗匹配，以优化用于发送、接收和/或能量消耗的遥测参数。
16.如权利要求1所述的组件，其中壳体包括第一端和第二端，第一端和第二端中的每一个具有与其相关联的夹具，用于夹到管状体的外表面。
17.如权利要求1所述的组件，其中接收所发送的声信号的接收器换能器位于与发送换能器相同的物理壳体中。
18.如权利要求1所述的方法，其中壳体还包括用于接收器换能器和发送器换能器中的每一个的不同壳体，并且不同壳体经由电子电路与处理器电连通，并且处理器位于所述不同壳体中的至少一个不同壳体中。
19.一种利用如前述权利要求中任一项所述的方法的井下无线遥测系统，所述系统包括：
沿着管状体部署的至少一个传感器；
沿着管状体放置并固定到管状体的壁的至少一个传感器通信节点，所述传感器通信节点与所述至少一个传感器处于声学和电气通信中的至少一个，并且被配置为从其接收信号；
靠近表面放置的顶侧通信节点；
沿着管状体间隔开并附连到管状体的壁的多个电声通信节点，每个电声通信节点包括：具有用于安装到管状体的表面的安装面的壳体；位于壳体内的接收器换能器，所述接收器换能器被构造和布置成接收通过管状构件传播的声波；位于壳体内的发送器换能器，所述发送器换能器被构造和布置成通过管状构件发送声波；以及包括一个或多个位于壳体内的电池的电源，为接口到发送器换能器和接收器换能器的电子电路供电；
其中电声通信节点被配置为以基本上节点到节点的布置将从所述至少一个传感器通信节点接收的信号发送到顶侧通信节点。
20.如权利要求19所述的组件，其中接收器换能器和发送器换能器中的至少一个是压电设备。
21.如权利要求19所述的组件，其中接收器换能器和发送器换能器中的至少一个是磁致伸缩设备。
22.如权利要求19-21所述的电声通信系统，其中所述至少一个传感器通信节点被配置为向所述至少一个传感器发送信号。
23.如权利要求19-21所述的井下无线遥测系统，其中所述电子电路包括用于发送器换能器和接收器换能器中的每一个的单独电路，以分别优化接收器电路和发送器电路中的每一个的电路性能。
24.如权利要求20所述的组件，其中压电接收器换能器和压电发送器换能器中的至少一个包括端部质块。
25.一种监视具有管状体的烃井的方法，根据前述权利要求中任一项所述的消息，包括：
提供沿着管状体定位的一个或多个传感器；
接收来自所述一个或多个传感器的信号；
将所述信号经由传感器发送器发送到附连到管状体的壁的电声通信节点，所述电声通信节点包括：壳体；位于壳体内的接收器换能器，接收器换能器被构造和布置成接收传播通过管状构件的声波；位于壳体内的发送器换能器，所述发送器换能器被构造和布置成通过管状构件发送声波；接口到发送器换能器和接收器换能器的电子电路；以及包括位于所述壳体内的一个或多个电池的电源；
将由电声通信节点接收的信号发送到至少一个附加的电声通信节点；以及
将由所述至少一个附加的中间通信节点接收的信号发送到顶侧通信节点。
26.如权利要求25所述的方法，其中发送换能器和接收换能器中的至少一个是压电设备。
27.如权利要求25所述的方法，其中发送换能器和接收换能器中的至少一个是磁致伸缩设备。
28.如权利要求25-27所述的方法，还包括：
为每个换能器提供具有单独的阻抗匹配的电子电路；以及
用发送器电路的阻抗来优化接收换能器电路中的阻抗。
29.如权利要求25-28所述的方法，还包括：
从电声通信节点的发送器换能器发送声信号并在接收器换能器接收发送的声信号；以及
根据接收器换能器处的接收到的声响应确定烃井的井参数。
30.如权利要求29所述的方法，还包括在相对于之前时间不同的时间重复所述方法并且测量该先前时间与该不同时间之间声学响应的改变，以确定井参数中是否发生了改变。
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