CN111527283B - 用于操作和维护井下无线网络的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本文公开了用于操作和维护井下无线网络的方法和系统。所述方法和系统使用诸如水听器之类的井下工具作为井下无线网络的一部分。井下工具可以被用于例如对井下无线网络执行维护、克服和/或纠正沿着网络的通信错误、更新和重新编程井下无线网络中的通信节点、确定附近地质地层、储层、流体和管的特点，和/或充当井下无线网络的替代节点或顶侧节点。

Description

用于操作和维护井下无线网络的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年12月29日提交的标题为“Method and System forOperating and Maintaining a Downhole Wireless Network”的美国临时申请序列No.62/611,864的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及用于操作和维护井下无线网络的方法和系统。特别地，本公开涉及使用井下工具来替换、修复、维护和/或优化井下无线网络中的通信节点，并且使得能够在地面与井下通信节点之间进行高效通信的方法和系统。此外，本公开涉及使用井下工具来感测和控制与井下设备相关的操作的方法和系统。

背景技术

在石油和天然气工业中，已经引入了各种通信系统来监视井下状况和碳氢化合物生产操作。例如，已经提出了各种有线和无线技术来从井下环境收集数据并将其传输到地面的操作人员。

作为示例，已经提出了诸如井下无线网络之类的无线遥测系统。无线遥测系统可以包括各种通信节点的网络，这些通信节点彼此交换信息以管理井筒内的数据通信。一些无线遥测系统使用无线电传输进行操作。但是，在某些井筒环境中或在井筒内的某些操作期间，使用无线电传输可能是不切实际的或不可用的。其它无线遥测系统可以使用经由音调传输介质传输诸如振动之类的声学信号的声学无线网络。在任一系统中，通常都存在在井筒内沿着管状构件的长度间隔开的多个通信节点。

在无线遥测系统的整个操作寿命中，网络的可靠性和准确性可能会遇到困难。例如，如果一个或多个通信节点变得无响应或无法正确地将信号传输到下一个节点，那么网络会被切断。作为另一个示例，由于井筒内的不断变化和不可预测的状况，网络会变得不太可靠。即，井筒内的声学状况会受到地层变化、胶结变化、井筒内变化的流体成分、压裂操作和/或烃生产操作的影响。声学状况的变化会影响节点之间经由声学传输正确通信的能力。此外，影响一个或多个节点的电源故障、机械故障和/或编程软件故障会影响网络的效率。

因此，需要用于辅助诊断井下无线网络中的错误的方法和系统，和/或需要用于辅助井下无线网络的可靠操作和维护的方法和系统。另外，需要用于修理或弥合(heal)已开始不可靠地运行或已被切断的井下无线网络的方法和系统。

背景参考文献可以包括(i)美国专利No.5,924,499；6,462,672；6,899,178；6,909,667；6,912,177；7,228,902；7,249,636；7,477,160；8,115,651；9,557,434；9,631,485；9,759,062；9,816,373；9,863,222；9,879,525；10,100,635；以及10,132,149；(ii)美国专利申请公开No.2008/0030365；2015/0292319；2015/0300159；2015/0354351；2016/0076363；2016/0215612；2018/005819；2018/0058198；2018/0058202；2018/0058203；2018/0058204；2018/0058205；2018/0058206；2018/0058207；2018/0058208；2018/0058209；2018/0066510；以及(iii)美国专利申请序列No.15/666334，所有这些的全部公开内容都通过引用并入本文。

发明内容

公开了一种操作井下无线网络的方法。井下无线网络包括沿着井筒间隔开并且附接到井筒内的一个或多个管的多个通信节点。每个通信节点被配置为沿着井筒从节点到节点以声频传输数据分组。将包括通信设备的井下工具下降到井筒中。井下工具用作井下无线网络的一部分。

根据另一方面，公开了一种井下无线网络。井下无线网络包括沿着井筒间隔开并且附接到井筒内的一个或多个管的多个通信节点。每个通信节点被配置为沿着井筒从节点到节点以声频传输数据分组。将包括通信设备的井下工具下降到井筒中。井下工具用作井下无线网络的一部分。

附图说明

图1是已经作为套管井完井(cased hole completion)完成的说明性井筒的侧视横截面视图。一系列通信节点沿着套管管柱放置，作为井筒中的井下遥测系统的一部分。

图2A是示例性通信节点的示意图。图2B是沿着节点的纵轴截取的示例性通信节点的横截面视图。

图3A是切断的井下无线网络的图示，而图3B是使用水听器重新连接切断的井下无线网络的图示。

图4是可以在本文描述的方法和系统中使用的说明性超声水听器。

图5是本文描述的方法的说明性实施例的流程图。

具体实施方式

现在将描述本发明的各种具体实施例、版本和示例，包括为了理解要求保护的发明的目的而在本文中采用的优选实施例和定义。虽然下面的详细描述给出了具体的优选实施例，但是本领域技术人员将认识到的是，这些实施例仅仅是示例性的，并且可以以其它方式来实践本发明。为了确定侵权，本发明的范围将指所附权利要求中的任何一个或多个，包括它们的等同物以及与所列举的内容等同的要素或限制。对“发明”的任何引用可以指由权利要求书限定的一个或多个但不一定是全部发明。

术语

下文定义本文所用的各种术语。在以下未对权利要求中使用的术语进行定义的范围内，应赋予相关领域技术人员对于该术语所给出的最广泛的可能的定义，如在至少一个印刷出版物或授权专利中反映的。

冠词“该”、“一”和“一个”不一定仅限于一个，而是包括性和开放性的，以可选地包括多个这样的要素。

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。

如本文所使用的，放置在第一实体和第二实体之间的术语“和/或”意味着(1)第一实体、(2)第二实体，以及(3)第一实体和第二实体中的一个。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“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”)。

如本文所使用的，“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。

如本文所使用的，“任何”意味着任意数量的一个、一些或不加选择地全部。

如本文所使用的，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。

如本文所使用的，“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”。

如本文所使用的，“耦合”是指元件之间的相互作用，并不意味着将相互作用限制为元件之间的直接相互作用，并且还可以包括所描述的元件之间的间接相互作用。耦合可以包括其它术语，诸如“连接”、“接合”、“附接”或任何其它合适的术语。

如本文所使用的，“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/或实施。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。

如本文所使用的，“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。

如本文中所使用的，“套管(casing)”是指相对大直径的管(相对于用于钻探特定井筒的钻柱的钻管的直径)，其通过将套管区段以首尾相连的构造耦合来组装，该构造位于先前钻探的井筒中并在井筒完成后保留在井筒中，以密封井筒内地下岩层的壁面。此外，术语“套管”还包括井筒套管和套管区段以及井筒衬管和衬管区段。

如本文所使用的，“水泥”是指最初可流动的材料，其随后变硬以由此将管柱密封并固定在井中，或在井中形成密封或堵塞。水泥可以基本上由水泥材料组成和/或可以包括各种其它类型的材料(例如，环氧树脂、其它聚合物、弹性体、树脂材料、惰性填料、可溶胀材料等)。水泥可以用于密封两个管柱之间的环空(annulus)和/或水泥可以用于密封管柱和地层表面之间的环空，或填充套管或井筒。

如本文所使用的，术语“通信节点”可以用于指顶侧通信节点、中间通信节点和/或传感器通信节点。

如本文所使用的，术语“导管”是指形成物理通道的管状构件，通过该物理通道来输送某些东西。导管可以包括管、歧管、管子等中的一种或多种，或包含在管状构件中的液体。

如本文所使用的，术语“确定”涵盖各种各样的动作，并且可以包括计算(calculating)、估算(computing)、处理、推导、调查、查找(例如，在表、数据库或其它数据结构中查找)，、认定等。确定还可以指解决、选择、选定、建立等。

如本文所使用的，术语“流体”是指气体、液体以及气体和液体的组合，以及其中气体是流体的主要成分的气体和固体的组合，以及其中液体是流体的主要成分的液体和固体的组合。

如本文所使用的，术语“流体流量测量”是指测量一个或多个流体流量参数，包括但不限于速度、体积、压力、电阻率、振动、压降、温度、阻抗、衰减、密度、粘度、流量类型等中的一个或多个。此类测量可以被用于确定例如流体粘度、流体成分、相分数、横截面上的流和相的环形分布、流速等。

如本文所使用的，术语“流量”是指流体的流(current)或流(stream)。流量可以被理解为每单位时间通过一个点的流体的量。影响流量的因素可以包括但不限于压力(例如，流量与管道两端的压力差成正比)、长度(例如，流量与管道的长度成反比)、粘度(例如，流量与流体的粘度成反比)、流体的温度、流体密度、流体的可压缩性、流体的相数(即，单相或多相)、流体的摩擦力和化学特性。

如本文所使用的，术语“地层”是指任何可定义的地下区域。地层可以包含一个或多个含烃层、一个或多个非含烃层、任何地质地层的上覆岩层和/或下伏岩层。

如本文所使用的，术语“烃”是指主要但非排他地包括氢和碳元素的有机化合物。烃一般分为两类：脂族烃，也称为直链烃，和环状烃，也称为闭环烃。虽然烃一般包含氢和碳元素，但在一些实施例中，烃还可以包括少量其它元素或化合物，诸如但不限于卤素、金属元素、氮、氧、硫。含烃材料的示例包括任何形式的天然气、石油、煤炭和沥青。

如本文所使用的，术语“可冷凝的烃”是指在大约15℃和一个大气压下冷凝的那些烃。可冷凝的烃可以包括例如碳数大于3的烃的混合物。

如本文所使用的，术语“烃流体”是指为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下、在处理条件下或在环境条件下(即，在大约20℃和1个大气压下)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、煤层气、页岩油、热解油和其它呈气态或液态的烃。

如本文所使用的，“烃勘探”是指与确定地下区域中的烃的位置相关的任何活动。烃勘探通常是指通过获取与地下地层相关的测量数据以及数据的相关模型以识别烃聚集的潜在位置来获得测量结果所进行的任何活动。因而，烃勘探可以包括获取测量数据、对测量数据进行建模以形成地下模型，以及确定地下烃储层的可能位置。测量数据可以包括地震数据、重力数据、电磁数据、地球化学数据等。在一些实施例中，烃勘探活动还可以包括钻探勘探井、获得岩心样本或其它流体样本以及从岩心或流体样本获取测量数据。

如本文所使用的，“烃开发”是指与地下区域中的烃的开采规划和/或获取烃相关的任何活动。烃开发通常是指为计划从地下地层获取和/或生产烃以及相关数据建模以识别优选的开发方案和方法而进行的任何活动。例如，烃开发可以包括对地下地层进行建模和生产周期的开采计划、确定和计划要使用的装备以及从地下地层开采烃时要使用的技术等。

如本文所使用的，“烃生产”是指与从地下位置(诸如井或其它开口)提取烃相关的任何活动。烃生产活动可以指在完成完井之后为形成井筒而进行的任何活动以及井内或井上的任何活动。因而，烃的生产活动不仅包括一次烃的开采，而且还包括二次或三次生产技术，诸如注入气体或液体以增加驱动压力、移动烃或通过例如化学、水力压裂井筒以促进流量增加来处理烃、井服务、测井以及其它井和井筒处理。

如本文所使用的，“水听器”包括用于检测和/或传输声波的任何类型的仪器。

如本文所使用的，“受监视的区段”和“多个受监视的区段”是指沿着管状构件的包括传感器和/或关注区域的位置。

如本文中所使用的，“不受监视的区段”和“多个不受监视的区段”是指沿着管状构件的不包括传感器和/或不是关注区域的位置。

如本文所使用的，“多边井系统”是指具有从井口向下延伸到地表地层的主井筒或母井筒以及在地下位置与主井筒或母井筒相交的至少一个分支井筒的井筒系统。侧向钻孔也可以从另一侧向钻孔延伸。

如本文所使用的，术语“多区流体生产井”或“多区生产井”是指包括至少两个生产区的烃生产井。

如本文所使用的，术语“近实时”和“实时”可互换使用并且指在事件的发生和处理数据的使用之间，诸如为了显示或反馈和控制目的，由自动数据处理或网络传输而引入时间延迟的系统和方法。例如，近实时或实时显示将当前时间减去处理时间处存在的事件或情况描绘为几乎直播时间事件。关于“近实时”或“实时”的时间延迟可以是几毫秒到几分钟、几毫秒到几秒、或几秒到几分钟的量级。

如本文所使用的，术语“最优”、“优化”、“最优性”、“优化性”(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、模型和处理的实际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。

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和/或换能器，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“生产的流体”和“生产流体”是指从地下地层中移除的液体和/或气体。生产的流体可以包括烃流体和非烃流体。例如，生产的流体可以包括天然气、热解页岩油、合成气、煤的热解产物、二氧化碳、硫化氢和水(包括蒸汽)。

如本文所使用的，术语“生产套管”包括衬管或沿着所关注区域固定在井筒中的任何其它管状体。

如本文所使用的，术语“生产优化”是指可以用于提高烃流体生产效率、烃流体生产率、烃类流体回收、产气/油比、烃流体相、生产装置(plant)的利用以实现更高的产量的任何方法、装置、控制设备、阀门、化学品、度量、数据分析和/或系统；水切割，修井等。生产优化可以是实时生产优化，包括部分或完全自动化，和/或控制设置的优化。生产优化可以通过例如但不限于通过使用水垢、石蜡、沥青质和/或腐蚀中一个或多个的抑制剂来防止或抑制水垢、石蜡、沥青质和/或腐蚀来化学地实现；使用例如消泡剂、乳化剂、发泡剂、流动改进剂、示踪染料和/或水澄清剂、酸化等延长矿田寿命；使用例如溶解器、清洁剂、清除剂、吸附剂、水驱、CO₂驱等化学方法恢复或改善流动性能；使用例如泵(包括但不限于电动潜水泵、气举、水平地面泵、海底升降系统、脱水泵系统、地热泵系统、工业泵系统等)机械地，例如但不限于人工举升；气/水注入优化；油管尺寸优化；射孔优化；氮循环；等等。在某些情况下，生产优化可以包括密封漏失区。

生产优化可以包括但不限于以下当中的一个或多个：沿着井筒的长度均衡储层流入物，部分地阻塞流，通过降低跨越所选择区间(例如，诸如水平井的跟部)的环形速度来延迟水或气体穿透，调整来自例如过压或欠压的生产井的各个区(包括多区生产井的一个或多个区)的流量，减缓水和/或气体侵蚀并且通过均衡沿着井筒长度的压降来减少旁路储备的量，例如，以便促进油和气体均匀地流过地层，使得水和气体的到达被延迟并且是同时的。生产优化可以使用例如但不限于一个或多个控制设备来完成，包括例如流入控制设备(ICD)，其可以用于管理注入井中的流体流出。ICD可以被放置在注入井和生产井中；或更多远程致动的井下阀门，以关闭或减少来自一个或多个井生产区的流体流；流出物控制设备、阀门和对应的致动设备、井筒隔离设备(包括例如工具密封件、封隔器、水泥塞、桥塞)、化学控制设备等。

“范围”：数值数据，诸如浓度、维度、量等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，公开的数值范围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“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。

如本文中所使用的，术语“传感器”包括任何感测设备或量规，诸如电气设备或量规。传感器可以能够监视和/或检测和/或测量流体流量参数，包括例如但不限于压力、压力降、温度、流体流量、流体类型、体积流量、流体速度、振动、电阻率、阻抗、衰减或其它流体流量数据。可替代地，传感器可以是位置或地点传感器。

如本文所使用的，术语“地下”是指出现在地球表面以下的区域。例如，地下可以在任何海拔高度或一定海拔高度范围内的任何一块土地的顶表面之下，无论是高于、低于还是等于海平面，和/或位于任何一块水的地面之下，无论是高于、低于还是等于海平面。

如本文所使用的，并且除非另有说明，否则术语“表面”是指在任何海拔高度或一定海拔高度范围内的任何一块土地的顶表面，无论是高于、低于还是等于海平面，和/或位于任何一块水的地面之下，无论是高于、低于还是等于海平面。

如本文所使用的，如本文所使用的术语“顶侧通信节点”是指可以位于顶侧、靠近表面的通信节点。顶侧通信节点可以是虚拟顶侧通信节点，其可以位于地下或井下，并且可以用作顶侧节点。虚拟顶侧通信节点可以位于例如包括但不限于垂直区段的底部的位置，例如，在偏离区段的开始处，例如，以便与多区井的多区水平区段进行通信。可以使用例如但不限于无线连接(例如，RF无线连接)、电缆、光纤电缆等中的一个或多个将数据带到表面，例如，放置到位于表面的接收器中。

如本文所使用的，术语“管状构件”或“管状体”或“地下管道”是指任何管道，诸如接头或套管、衬管的一部分、钻柱、产品管、注入管、管道接头、地下管线、水下管线或地上管线。

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。

如本文所使用的，术语“井数据”可以包括地震数据、电磁数据、电阻率数据、重力数据、测井数据、岩心样本数据及其组合。井数据可以从存储器或从井筒中、井筒周围或与井筒相关联的装备获得。井数据还可以包括与安装在井筒内或井筒附近的装备相关联的数据以及井筒装备的配置。例如，井数据可以包括管状构件的组成、管状构件的厚度、管状构件的长度、组成和/或井筒内、其附近或周围的其它流体特性、地层特性和/或与井筒相关的其它合适特性。

如本文所使用的，术语“区”或“关注区”是指包含烃的地层的一部分。关注区还可以包括将被隔离的包含盐水或可用水的地层。

描述

稳健的声学遥测感测和遥测可以使用通信和感测路径的组合，包括使用管作为波导从顶部(例如，在井口)到一个或多个低于等级的金属管或管道的通信。取决于应用和井下条件，从包含流体或混合相的管内部连通远离流体的一个或多个套管也可以有利于声学遥测节点。本文公开的方面使用超声声学遥测技术来执行从有线线路设备到管上的节点的双向通信。另外，从管道内部到壳体外部的设备的这种连通可以被用于表征金属管状物，水泥、泥、沙和其它介质的中间介质。在流体中使用超声通信设备还可以桥接或完成当前位置上方、下方、上方和下方的声学网络。

根据所公开的方面，有线线路设备可以包括高速、长距离超声水听器。水听器可以在大约50kHz和大约1MHz之间的频率范围内操作。水听器可以有利地用于通过超声遥测与在管状构件(诸如生产管或套管管状物)内部或外部的一个或多个井下通信节点进行双向通信。通信可以包括通信节点与水听器之间的双向通信，或者水听器发起和/或控制与通信节点的遥测。

本发明涉及诸如井下无线网络之类的井下遥测系统的使用，并且特别地，涉及用于操作和维护此类网络的方法和系统。井下无线网络采用沿着井筒中的管状构件间隔开的一系列通信节点。通信节点操作，以如本文进一步描述的节点到节点的方式无线地传输数据的分组(例如，传感器值、诊断信息、日志条目或关于井筒内的一个或多个条件的其它信息)，并且将信息从地下传递到顶侧。在网络的整个使用寿命中，可能会出现网络无法正常运行的情况。例如，两个或更多个节点之间可以存在通信故障。作为另一个示例，随着时间的流逝，井筒中的声学环境可以改变。此外，可能需要对节点进行重新编程或更新以更加准确和可靠。本方法和技术提供了用于在井下无线网络上执行维护、用于克服和/或校正沿着网络的通信错误以及用于对网络中的节点进行更新、重新编程和/或充电的手段。

在一个实施例中，包括水听器的井下工具可以用于从通信已经丢失或切断的网络的一部分获得数据。例如，该方法可以包括检测井下无线网络中的通信错误；识别不再传输数据的一个或多个通信节点；通过井筒将井下工具降低到不再传输数据的通信节点的位置；从不再传输的通信节点下方的通信节点收集数据；以及使用井下工具将数据传输到地面。在一些实施例中，所述方法和系统还可以包括使用井下工具来诊断故障通信节点的错误。如果错误是由于节点的编程问题引起的，那么井下工具可以将新程序传输到故障通信节点以纠正错误。

水听器可以用于其它目的，诸如：将新软件加载到通信节点上以改变或以其它方式改善其功能；甚至在不更新软件本身的情况下优化通信设置，以表征钻井或生产流体；和/或感测和/或控制井下工具，诸如套筒、阀、流量控制器，这些工具被配备为经由超声遥测进行通信。

可以参考附图来进一步理解本发明的方法和技术，这在下面进一步描述。在某些图中(诸如图1)，绘图页的顶部应朝着地球地面，而绘图页的底部应朝着井底。虽然通常以基本垂直的朝向完成井，但是应该理解的是，井也可以是倾斜和/或水平地完成的(如图1中所示)。因此，当参考附图或权利要求使用描述性术语“上”和“下”或“上部”和“下部”或类似术语时，它们旨在指示在附图页面上或相对于井描述的相对位置，并且不一定是在地面上的绝对朝向，因为无论井筒如何定向，本发明的至少一些实施例都具有实用性。因此，本发明可以在垂直完成的井，水平完成的井或多边偏斜井中具有相同的效用，如本文进一步所述。

还可以参考流程图(诸如图5中的流程图)更好地理解本文描述的本方法和技术。虽然为了简化说明的目的，在图5中可以将所示出的方法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顺序的限制，因为一些方框可以以不同的次序发生和/或与所显示和描述的其它方框同时进行。而且，实现示例性方法的各种实施例可能需要少于全部示出的方框。方框可以组合或分离为多个部件。此外，附加和/或替代方法可以采用本文未示出的附加方框。虽然附图图示了串行发生的各种动作，但是应该认识到的是，各种动作可以串行、基本上并行和/或在基本上不同的时间点发生。

图1是说明性井场100的侧面横截面视图。井场100包括渗透到地下地层155中的井筒150。井筒150已经完成，作为用于生产烃流体的套管井完井(cased-hole completion)。井场100还包括井口160。井口160位于地表地面101处，以控制和引导地层流体从地下地层155流到地面101。

井口160可以是在井的顶部接收储层流体的任何管道或阀门布置。在图1的布置中，井口160是所谓的圣诞树型。当地下地层155具有足够的原地压力以将采出流体(production fluid)从地层155驱动，向上延伸至井筒150并到达地面101时，通常使用圣诞树型。说明性的井口160包括顶部阀162和底部阀164。在一些情况下，这些阀被称为“主阀”。也可以使用其它阀门。在海底环境中，井口还可以包括海下立管总成(riser package)(未示出)。

应该理解的是，代替使用圣诞树型，井口160可以可替代地在地面101处包括驱动泵的马达(或原动机)。泵进而使抽油杆集合和连接的正排量泵(未显示)在井下往复运动。泵可以是例如摇梁单元或液压活塞泵单元。仍然可替代地，井口160可以被构造为支撑具有井下电动潜水泵、气体提升阀或其它人工提升手段(未示出)的一连串生产管。除非在权利要求中明确指出，否则本发明不受地面处的生产装备的构造的限制。

图1中的井筒150已用一系列管柱(称为套管)完成。首先，将表面套管110管柱固结到地层中。在井筒150的围绕表面套管110的环形孔115中示出了水泥。水泥为环形护套112的形式。表面套管110具有与下部阀164密封连接的上端。

接下来，将套管120的至少一个中间管柱固结到井筒150中。套管120的中间管柱与上主阀162密封流体连通。再次在井筒150的孔115中示出了水泥护套112。套管110/120和水泥护套112在孔115中的组合加强了井筒150，并有助于隔离套管110/120后面的地层。

应理解，井筒150可以并且通常将包括多于一个中间套管120管柱。在一些情况下，中间套管管柱可以是衬管。取决于监管要求和任何相邻地层中迁移流体的存在，其中一些中间套管管柱可以只部分固结到位。

最后，提供生产管柱130。使用衬管悬挂器131将生产管柱130从中间套管管柱120悬挂。生产管柱130是不绑回到地面101的衬管。优选地，所有生产衬管130都被固结到位。在图1的布置中，沿着衬管130的整个长度在衬管130周围提供水泥护套132。

生产衬管130具有延伸到井筒150的端部154的下端134。因此，井筒150被称为是作为套管井(cased-hole well)来完成的。在图1中，生产衬管130延伸穿过地层155的水平部分190。井筒150的水平部分190通常延伸数百英尺。例如，水平部分190可以延伸超过250英尺，或者超过1000英尺，或者甚至超过5000英尺。延伸井筒150的水平部分190如此大的距离显著增加了井筒150对地层155的暴露。

地层155可以是任何含烃地层。但是，在一些实施例中，地层可以是具有良好固结但渗透性差的碳酸盐或砂岩地层，或者可以是具有低渗透性的页岩地层。例如，在一些实施例中，地层的渗透率可以小于100毫达西(“mD”)、或小于50mD、或小于10mD、或小于1mD。如图1所示，以所谓的“致密”或“非常规”地层完井的井通常是水平完成的。水平完井不仅显著增加了生产岩面对井筒的暴露程度，而且使操作人员能够产生与井筒方向基本横向的裂缝。本领域普通技术人员可以理解，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，该方向通常基本上是垂直的。虽然图1图示了水平完成的井，但是本领域技术人员将理解，本方法和技术在优化其它井布置(例如，垂直完成的井或多边斜井)中的增产操作中将具有相同的效用。

图1中所示的井筒150已穿孔159，用于压裂操作。即，作为完井过程的一部分，对套管进行了穿孔，从而通过套管和围绕套管的水泥护套射出了侧向孔，以允许烃类流体流入井筒。可以使用各种技术来产生穿孔。常用技术使用井筒工具，该工具包括射孔枪和可选的压裂塞。井筒工具可以是有线线路工具，也可以是自主工具(即，不需要有线线路并且不机械地拴系到井筒外部的装备的工具)。

井筒150包括在三个分开的区102、104和106中提供的穿孔159的集合。每个区可以具有任何长度，但是一般每个区可以表示例如高达大约200英尺，或高达100英尺或高达50英尺的长度。一般而言，每个区的长度可以取决于多个因素，诸如该区中岩石材料的类型、该区的渗透率、该区的孔隙率和/或该区中的烃流体组成。如下文进一步所述，本文所述的方法和技术可以用于确定期望压裂区的最优长度和间距。虽然仅示出了穿孔159的三个集合，但是应该理解的是，水平部分190在附加区中可以具有穿孔159的更多集合。

图1的井筒150还具有注入管140管柱。注入管140从井口160向下延伸至地下地层155。在图1的布置中，注入管140在地下地层155的上端附近终止。在操作中，操作人员可以分别并顺序地刺激和处理每个区102、104和106。因此，应理解的是，注入管140可以被拉动通过井筒150的水平部分，使得注入流体可以根据需要分别并顺序地被注入通过区域102、104和106中的穿孔159。

封隔器141在注入管140的下端处提供。当通过穿孔159的集合注入诸如酸和/或压裂流体之类的注入流体时，设置封隔器141。当是时候将注入管140移动到不同区或将其从井筒150完全移除时，封隔器141将被释放。

在准备生产烃时，操作人员可能希望通过进行酸化操作来刺激地层155。这用于沿着井孔115的壁和进入井筒附近区域(地层155内靠近生产套管130的区域)两者清除残留的钻井泥浆。酸化操作可以通过将酸性溶液注入井筒并穿过穿孔来完成。当地层包含碳酸盐岩时，使用酸化溶液特别有利。因此，在一些实施例中，操作人员可以将浓甲酸或其它酸性组合物注入井筒中，并将流体引导至所选择的关注区域中。酸有助于溶解碳酸盐物质，从而打开多孔通道，烃类流体可以通过这些通道流入井筒。此外，酸还有助于溶解可能侵入地层的钻井泥浆。酸化可以单独进行，或者作为压裂操作的补充，诸如在压裂操作之前或之后。

在一些实施例中，操作人员可能希望压裂地层155。这是通过在高压力下将压裂流体通过穿孔159注入地层155来完成的。压裂过程沿着地层155产生裂缝108，以增强进入生产套管130中的流体流量。在地层的自然或水力诱发的裂缝平面垂直的情况下，水平完成的井筒(部分190)允许生产套管130与多个裂缝平面相交。水力压裂操作通常包括以高压力和高速率将粘性流体(通常为剪切稀化非牛顿凝胶或乳状液)注入地层中，以致储层岩石破裂并形成裂缝网络。压裂流体通常与粒状支撑剂材料(例如，沙子、陶瓷珠或其它粒状材料)混合。在释放水力压力之后，支撑剂用于使裂缝保持开放。裂缝和注入的支撑剂的组合有助于增加已处理储层的流量。

虽然图1图示了已经通过水力压裂操作压裂的井，但是本领域技术人员将理解的是，本方法和技术将在维护和操作未经历水力压裂操作的井筒中的井下无线网络方面具有同等的效用。

在图1的井场100处提供了井下遥测系统。遥测系统使用沿着井筒中的导管和/或管的长度布置的一系列通信节点180。在一些实施例中，通信节点可以沿着垂直和/或水平部署的套管管柱110、120和/或130的外径放置或定位。在一些实施例中，通信节点可以凹入管体内、在管体内的内部、在管接头的横截面端处、和/或定位在管通孔内部，及其组合。例如，通信节点可以放置在每个管接头或套管接头上，或者可以沿着每个第二或每个第三管接头放置在所选择的位置。在一些实施例中，一些管接头接收两个或更多个通信节点。

优选地，通信节点180是独立的无线通信设备，其被设计为附接到导管或管状构件的外表面，但是也可以附接到内表面、端面(例如，在连接件的横截面端面)、嵌入导管或管状构件的壁内，或其组合。使用外部放置的使用声波的通信节点有很多好处。例如，这样的节点将不会减小导管或管状构件的有效内径，该有效内径会干扰随后的组件或管穿过导管或管状构件的内孔。另外，可以容易地评估和调整通信节点到外表面的安装和机械附接。

通信节点被设计为附接到导管或管状构件(诸如套管或管道)的壁。例如，可以将通信节点预焊接到导管或管状构件的壁上。可替代地，可以使用诸如环氧树脂之类的粘合剂来胶合通信节点。在一些实施例中，可以优选的是，将通信节点配置为通过井场处的机械手段选择性地附接到导管或管状构件和/或从导管或管状构件可拆卸。例如，这可以通过使用夹具来完成。例如，可以使用夹紧系统，该夹紧系统将允许钻探或服务公司在管状体进入井筒时沿着管状体机械地连接/断开通信节点。

在图1的布置中，通信节点180可以表示多个地下通信节点180。每个地下通信节点180被配置为沿着井筒150的长度接收并随后传输数据分组，诸如从地下地层155直到地面101。每个数据分组包括多个音调，在优选实施例中，这些音调是以选择的声频脉动的。优选地，声频在大约50kHz至大约1MHz之间、从大约50kHz至大约500kHz、从大约60kHz至大约250kHz、从大约65kHz至大约200kHz、从大约70kHz至大约175kHz、从大约75kHz至大约150kHz、从大约80kHz至大约125kHz、从大约85kHz至大约115kHz，或从大约87kHz至大约100kHz。音调可以是指定持续时间的脉冲，或者可替代地可以是不确定的、连续的或不确定的持续时间。

通信节点还包括一个或多个顶侧通信节点182。在图1中，仅示出了一个顶侧通信节点；但是，在一些实施例中，可以使用两个或更多个顶侧通信节点。顶侧通信节点182被放置成最靠近地面101。顶侧节点182被配置为从最上面的地下通信节点180接收数据分组。因此，通过多个通信节点180以节点到节点的布置将数据分组从地下传递到顶侧通信节点182。顶侧通信节点182通常被配置为从多个通信节点180接收数据分组并将数据分组转换成电和/或光信号，然后将其中继到地面101处的接收器170。顶侧通信节点182可以在等级以上(即，在地面上方)或在等级以下(即，在地面以下)。在优选实施例中，顶侧通信节点182实际上连接到井口160。

井场100图示了接收器170。接收器170包括处理器172，处理器172接收从一个或多个顶侧通信节点182发送的信号。处理器172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170还可以包括屏幕和键盘174(或者作为小键盘或者作为触摸屏的一部分)。接收器170也可以是既没有屏幕也没有键盘的嵌入式控制器，其经由蜂窝调制解调器、卫星、Wi-Fi、电话线或其它通信手段与远程计算机通信。一方面，处理器172可以是具有针对所公开的方面的一个或多个应用以及无线连接性的多功能“智能电话”的一部分。

信号可以由接收器170通过电线(未示出)(例如，同轴电缆、光纤电缆、USB电缆或其它电气或光学通信线)接收。可替代地，接收器170可以通过调制解调器或收发器或其它无线通信链路无线地从顶侧节点182接收信号。在一些实施例中，接收器170可以经由所谓的1类、1区导管，即，由NFPA 497和API 500定义的用于电线的壳体，来接收电信号，以在电分类区域中操作。可替代地，可以经由电磁(RF)无线连接将数据从顶侧节点传输到接收器。在一些实施例中，也可以或可替代地使用红外或微波信号。

然后，从各种通信节点获得的信号和嵌入其中的数据可以被井筒操作人员用来监视和/或优化井筒的烃开发或烃生产操作。例如，所获得的信号和数据对于增强烃的操作可以是有益的，诸如优化增产操作(stimulation operation)，如下文进一步所述。

图1中的通信节点180可以具有各种配置，诸如图2A中所示的通信节点255或图2B中所示的通信节点200。一般而言，通信节点包括支撑一个或多个电源的细长体和电声换能器。电声换能器与收发器相关联，该收发器接收以声频传输的数据分组，并以与接收到的声频相同或不同的频率将分组重新传输到下一个通信节点。因此，每个节点中的电声换能器允许使用声波振动将数据分组在井筒之间逐节点发送。有益地，地下通信节点不要求电线或电缆将数据或其它信息传输到地面。

图2A是示例性通信节点255的图。通信节点255可以包括壳体260以及中央处理单元(“CPU”)270；存储器275，其可以包括将由CPU 270执行的指令或软件；一个或多个编码部件285；一个或多个解码部件290；电力部件295；和/或一个或多个感测部件280；所有这些都经由总线216进行通信。

电力部件295通常被配置为向通信节点255内的部件提供电力。电力部件可以包括一个或多个电池、电容器、超级电容器、燃料电池或其它能量存储部件。电池和/或燃料电池可以是或可以不是可再充电的。

CPU 270可以是任何通用CPU，但是可以使用其它类型的CPU体系架构，只要CPU270支持本文所述的通信节点的操作即可。在一个或多个实施例中，CPU 270可以是片上系统(“SOC”)、可编程片上系统(“PSOC”)、数字信号处理器(“DSP”)、专用集成电路(“ASIC”)、微处理器、微控制器、单个处理器、多个处理器(包括不同类型/速度)、离散处理器、现场可编程门阵列(“FPGA”)和/或其它类似处理器的设备。另外，通信节点可以包括时钟，或者CPU270可以包括和/或以不同的有效时钟速度进行操作，诸如低频和/或高频。有效时钟速度是在包括适用的时钟倍增器或时钟分频器之后处理器操作的时钟速度。CPU 270可以根据公开的方面和方法来执行各种逻辑指令。例如，CPU 270可以执行机器级指令，以根据本文公开的方面和方法来执行处理。

存储器275可以包括随机存取存储器(“RAM”)，诸如静态RAM(“SRAM”)、动态RAM(“DRAM”)、同步DRAM(“SDRAM”)等，只读存储器(“ROM”)，诸如可编程ROM(“PROM”)、可擦PROM(“EPROM”)、电子可擦PROM(“EEPROM”)、NAND闪存、NOR闪存等。

为了管理通信，通信节点255使用壳体260内的一个或多个编码部件285和一个或多个解码部件290。可以包括一个或多个换能器的编码部件285可以被部署在壳体260内并且可以被配置为在音调传输介质上生成声学音调和/或诱发声学音调。可以包括一个或多个换能器的一个或多个解码部件290可以被部署在壳体260内并且可以被配置为从音调传输介质接收声学音调。编码部件285和解码部件290可以包括存储在存储器中并用于执行声学音调的生成或声学音调的解码的指令。在一个或多个实施例中，编码部件285和解码部件290可以使用相同的换能器。

一个或多个感测部件280可以被配置为获得感测数据(诸如测量数据)并且将该数据传送到换能器以用于传送到其它通信节点。举例来说，感测部件280可以被配置为获得压力测量、温度测量、流体流量测量、振动测量、电阻率测量、电容测量、应变测量、声学测量、增产和/或水力压裂特性测量、化学测量、位置测量和/或其它合适的测量。参考图2B描述合适的感测部件的附加示例。

图2B提供了通信节点200的另一个示例性配置，并且示出了沿着其纵轴的通信节点200的横截面视图。通信节点200包括壳体210，诸如流体密封的壳体。如上所述，壳体210被设计为附接到井筒导管或管状构件的接头的外壁。通信节点可以被特别设计为承受井筒的腐蚀和环境条件(例如，高温、高压)。例如，通信节点可以包括用于保持电子器件(例如，电池和/或电声换能器)的钢制的、流体密封的壳体。在一些实施例中，钢材是抗腐蚀合金。在一些实施例中，可以期望使通信节点的壳体与导管或管状构件的壳体冶金匹配，以帮助避免在耦合处的电偶腐蚀。

壳体210包括外壁212。壁212的维度被确定为保护用于通信节点200的内部电子器件免受井筒流体和压力的影响。在一些实施例中，壁212可以具有小于0.5英寸的厚度，例如从0.01英寸至0.5英寸的厚度，或从大约0.01英寸至大约0.4英寸的厚度，或从0.1英寸至大约0.3英寸，或大约为0.2英寸(0.51cm)的厚度。壳体210可选地还具有保护性外层225。保护性外层225位于壁212的外部，并为电子器件提供附加的薄保护层。在一些实施例中，可以期望用被设计为增强所公开的遥测系统中的换能器的声学响应的一种或多种材料制成的壁212。这可以通过选择壁212的材料和/或厚度以与遥测系统预期使用的频率一致或互补来实现。例如，包括壁212的一个或多个材料层的厚度可以被选择为在给定穿过材料的声音的声速的情况下是波长的一部分。

通信节点200可以具有适用于井下环境的任何尺寸。例如，当通信节点沿着管状体驻留时，其长度可以是大约12至16英寸。通信节点的壳体210的长度可以是8至10英寸，并且每个相对的鞋状物250的长度可以是2至5英寸。另外，通信节点的宽度可以是大约1英寸，高度可以是大约1英寸。通信节点的底部可以具有大致与管状体的曲率匹配的凹形轮廓。

在壁212内形成孔205。孔205容纳电子器件，诸如电池230、电源线235、收发器240和电路板245。电路板245将优选地包括处理接收到的数据分组的微处理器或电子模块。提供电声换能器242以将声能转换成电能(或反之亦然)，并且在附接到管状体的一侧上与外壁212耦合。换能器242可以与一个或多个传感器232和/或234电连通。

传感器可以是例如压力传感器、温度传感器或麦克风，或者如本文或参考图2A所述的任何其它传感器。传感器232和/或234通过短电线或通过印刷电路板245将信号发送到收发器240。使用电声换能器242将来自传感器232的信号转换成声学音调，然后将其作为一个或多个数据分组由收发器240发送。例如，传感器将测量一条数据，诸如温度测量、应变测量、声学噪声数据、地震检波器数据等，然后换能器将这条数据(例如，温度)转换成代表数据的一系列声学音调。然后，收发器将声学音调作为一个或多个数据分组发送到下一个通信节点上。

在图2B中，传感器232驻留在通信节点200的壳体210内。但是，在一些实施例中，可以没有传感器232，而是传感器234可以驻留在通信节点200的外部。外部传感器可以沿着井筒在通信节点200上方或下方。在图2B中，提供了虚线，示出了传感器234与电声换能器242之间的扩展连接。

虽然图2B图示了与通信节点200相关联的传感器，但是在图1所示的网络中，不要求所有通信节点180都拥有传感器或与传感器相关联。即，一些通信节点180可以具有传感器，而其它通信节点可以没有并且可以简单地用于沿着井筒上下传输信息。

返回图2B，通信节点200还可选地包括鞋状物250。例如，节点200可以包括布置在壁212的相对端的一对鞋状物250。每个鞋状物250提供斜面，该斜面有助于防止节点200在磨合或拉出期间视情况悬挂在外部管状体或周围的地层上。鞋状物可以具有保护性外层222和在外层222下方的可选的缓冲材料。

如图2B中所看到的，通信节点具有独立电源230。独立电源230可以是例如电池或燃料电池。具有驻留在通信节点的壳体内的电源避免使电连接穿过壳体的需要，这会损害流体隔离。在一些实施例中，电源可以是可再充电电源，诸如可再充电电池。

每个通信节点的内部部件可以包括封装所述内部部件的保护层。这个保护层可以提供附加的机械耐久性和防潮性。通信节点也可以被流体密封在壳体内，以保护内部电子设备免于暴露于不期望的流体和/或在壳体的空隙内保持介电完整性。内部电子器件的一种保护形式是使用灌封材料。

如以上参考图1、图2A和图2B所描述的，每个通信节点可以具有以声频发送和接收数据分组的能力，因此井下无线网络能够在节点到节点布置中从地下到地面传输数据。在一些实施例中，使用多频移键控(“MFSK”)调制方法来完成声学遥测数据传输。虽然MFSK非常适合用于本文所述的井下无线网络，但其用途仅作为示例，并不旨在进行限制。即，已知数字数据调制的各种替代形式是可用的，例如，频移键控(“FSK”)、多频信令、相移键控、脉冲位置调制和开/关键控。

因此，由通信节点内的电换能器生成的音调穿过通信节点的壳体到达管状体(诸如生产或套管管柱)，并沿着管状体传播到其它通信节点。然后，将每个音调在节点到节点布置中沿着井筒向上重新传输，直到到达顶部通信节点和井操作人员。重新传输的信号表示由第一感测通信节点最初传输的相同传感器数据。

在一些实施例中，可以由(一个或多个)磁致伸缩换能器生成和接收以声频传输的数据分组，该磁致伸缩换能器包括缠绕在芯上作为收发器的线圈。在一些实施例中，以声频传输的数据分组是由压电陶瓷换能器生成和接收的。在任一种情况下，电编码的数据都以声频传输，该声频通过井筒中管状体的壁来被携带。

沿着管状件的声学遥测的特征在于多路径传输或持续几毫秒并且可能持续数十到数百毫秒的混响。因此，几毫秒持续时间的传输的音调确定了附加毫秒时间段内的主要接收频率。优选地，通信节点通过在与音调的混响时间对应的时间段内接收或“监听”接收到的音调来确定所传输的频率，该时间段通常长于音调的传输时间。具体而言，音调的传输时间应当足够长，以使音调的频谱在相邻音调的频率处具有可忽略的能量，并且监听时间必须足够长，以使多路径传输的振幅大大降低。例如，音调的传输时间的持续时间可以是大约5-10毫秒(ms)，然后在发送下一个音调之前，发送器可以保持静音状态大约20-30ms。但是，接收器会使用长混响时间来监听音调的传输时间和等待时间的总和，以确定每个传输的频率，从而使频率确定更加确定。有利的是，通过短时间传输并利用多路径来延长期间可以检测到传输的频率的监听时间来减少传输数据所需的能量。附加地或可替代地，可以采用其它策略和技术来改善包括数据分组的音调的可听度，诸如受声谱约束的检测、时域选择性检测和滑动字母。例如，在共同拥有的美国专利No.10,167,716和美国专利申请No.15/666,348中可以更全面地描述这些策略，其每一个的公开内容都通过引用整体并入本文。

例如，如上所述，可以采用MFSK调制，其中从16个音调的字母中选择数据分组中的每个音调，以使其表示4位信息。例如，在50ms的监听时间下，数据速率为每秒80位。

数据分组中的音调被选择为信号可在高于环境和电子噪声被检测到的频带内，远离发送器节点至少两个节点，从而如果一个节点发生故障，那么可以通过直接在其上方和下方的最近邻居之间传输数据来绕过它。例如，音调可以在大约50kHz至大约1MHz、大约50kHz至大约500kHz、大约60kHz至大约250kHz、大约65kHz至大约200Hz、大约70kHz至大约175kHz、大约75kHz至大约150kHz、大约80kHz至大约125kHz、大约85kHz至大约115kHz或大约87kHz至大约100kHz的频带内以一定的周期均匀地间隔开。

优选地，节点采用“跳频”方法，其中最后传输的音调不被立即重用。这防止扩展的混响被误认为是相同频率下第二个传输的音调。例如，在MFSK调制方案中，使用17个音调来表示数据；但是，最后使用的音调被排除在外，因此在任何时候实际上只有16个音调可供区段使用。

可以通过使用众所周知的常规模拟和/或数字信号处理方法来减轻数据分组的音调中的任何外来噪声。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来输送音调。

返回图1，每个通信节点与特定的导管或管状构件相关联，并且可以与特定的管道接头相关联。管道的接头进而沿着井筒具有已知的位置或深度。每个数据分组可以包括一个或多个节点标识符，以指示该数据分组起源于何处、哪个节点是预期的接收者，和/或哪个节点是该数据分组中输送的信息的最终目的地。数据分组从地下的通信节点180按节点到节点被中继到一个或多个顶侧节点182和接收器170上。

照此，数据分组至少具有最初传输信号的地下通信节点的标识符(诸如发送节点和/或接收节点的节点标识号(ID))。当数据分组到达地面处的接收器时，对信号进行处理。这涉及识别数据分组源自哪个通信节点，然后确定该通信节点沿着井筒的位置。

数据分组还可以包括从与通信节点相关联的一个或多个传感器获得的数据。如上所述，通信节点可以包含一个或多个传感器或与一个或多个传感器相关联。传感器可以是例如流体速度测量设备、温度传感器、压力传感器、流体密度传感器、麦克风、超声传感器、多普勒频移传感器、化学传感器、成像传感器、阻抗传感器、衰减传感器、流体电阻率传感器和/或其它有用类型的传感器。一般而言，传感器向收发器提供读数，使用电声换能器将这些读数转换成音调，然后由收发器作为数据分组的一部分发送。因此，通信节点可以被配置为从相关联的传感器接收读数，并且传输指示传感器取得的读数的数据分组。

为了节省电力，通信节点可以被配置为以各种模式进行操作，诸如睡眠模式和运行模式。例如，通信节点可以包括睡眠模式，该睡眠模式是低功率、无响应的节能状态。睡眠模式可以是低能量模式，其限制通信节点接收所传输的数据分组的可用性。运行模式可以是涉及以活动模式或监听模式中的一个或多个来运行处理器的操作模式。监听模式可以涉及监视接收到的数据分组，而活动模式可以涉及传输数据分组、获得测量数据和/或存储来自传感器的测量数据。

通信节点还可以与其它通信设备(除了其它通信节点之外)通信。例如，通信节点可以被配置为能够与诸如水听器或其它井下工具之类的通信设备进行通信。通信设备可以利用低频信号或高频信号与通信节点进行通信，并且可以用于与通信节点交换数据或指令。低频通信节点可以被配置为以小于或等于(≤)200kHz、≤100kHz、≤50kHz或≤20kHz的频率进行传输和/或接收。特别地，低频通信节点可以被配置为以在大约100Hz与大约20kHz之间、或者在大约1kHz与大约20kHz之间、或者在大约5kHz与大约20kHz之间的范围内的频率进行传输和/或接收。其它配置可以包括低频通信节点，该低频通信节点可以被配置为以大约100Hz至大约200kHz之间、或大约100Hz至大约100kHz之间、或者大约1kHz至大约200kHz、或者大约1kHz至大约100kHz、或者大约5kHz至大约100kHz、或者大约5kHz至大约200kHz之间的范围内的频率进行传输和/或接收。通信节点还可以包括高频通信节点，该高频通信节点被配置为以大于(>)20kHz、>50kHz、>100kHz或>200kHz的频率进行传输和/或接收。而且，高频通信节点可以被配置为以大于大约20kHz至大约1MHz、或者大于大约20kHz至大约750kHz、或者大于大约20kHz至大约500kHz之间的范围内的频率进行传输和/或接收。其它配置可以包括高频通信节点，该高频通信节点可以被配置为以大于大约100kHz至大约1MHz、或者大于大约200kHz至大约1MHz之间、或者大于大约100kHz至大约750kHz之间、或者大于大约200kHz至大约750kHz之间、或者大于大约100kHz至大约500kHz，或者大于大约200kHz至大约500kHz之间的范围内的频率进行传输和/或接收。

当沿着井下无线通信网络存在故障时，可以期望从网络获得数据并且还修复网络。这个故障可以是由于节点上的软件编程错误，或者可以是硬件故障。故障可以是仅涉及几个节点的局部故障，或者可以是影响许多节点的区域性故障。当两个或更多个通信节点在一定次数的尝试(例如，三个或四个、或五个或更多个失败的通信尝试)之后不彼此通信时，会发生局部故障的示例。

在一些情况下，当井筒内的声学环境发生变化时，可能还需要重新评估整个系统。例如，井内的固井、压裂和/或注入可以更改井内的声学环境。而且，随着时间的流逝，简单地生产烃会更改井内的声学环境。然后，环境的改变可以导致沿着管状构件的声学条件的改变，这会影响通信节点之间的通信的可靠性和准确性。因此，可能需要对网络内的通信节点进行重新编程以改变其功能。例如，可以对通信节点进行重新编程以滤除当网络首次被放置时不存在的背景噪声(例如，生产噪声)。

本方法和系统使用包括通信设备的井下工具来修复网络、维护网络、优化网络或帮助收集来自网络各个部分的数据，在一方面，该部分可以包括网络的被切断的一部分。例如，井下工具可以包括相关联的信号接收器。信号接收器可以被配置为当井下工具经过井筒中的节点时从各种通信节点接收数据信号。

如上所述，本方法和技术可以用于操作和维护井下无线网络，诸如参考图1、2A和2B描述的那些。例如，图5是根据本技术的实施例的示例性流程图500。流程图500是用于操作和维护井下无线网络的方法和系统。一般而言，该方法可以包括检测井下无线网络中的故障，并使用诸如水听器之类的通信设备来纠正错误和/或绕过井下无线网络中的故障通信节点。应该理解的是，图5仅仅代表井下环境中使用水听器的一种方式，并且水听器的其它用途也不应排除在所公开方面的范围之外。

虽然在图5中未示出，但是该方法可以首先包括提供如本文所述的井下无线网络。网络可以包括一系列通信节点，这些通信节点附接到井筒中的管，其中相邻的通信节点被配置为通过经由管传输的声学信号进行通信。

一旦提供了井下无线网络，该方法就可以包括操作井下无线网络以将数据信号从地下传送到地面。在方框502处，在井下无线网络中检测到通信故障。当在井筒的某个点(或深度)以下不再接收到数据信号时，操作人员可以识别出通信故障。照此，操作人员可以得出以下结论：或者(a)井筒或套管发生故障或破裂，或者(b)网络中的一个或多个通信节点发生故障。在一些实施例中，井下无线网络可以与井下工具共享故障信息，以加快对特定故障的检测和/或促进改善的缓解。

在方框504处，识别错误的位置。识别错误的位置可能需要检查数据分组以识别可以确定已经从其传输了数据分组的最深的通信节点(即，离地面最远的通信节点)。例如，参考图3A，可以分析在顶侧接收到的数据分组，以确定节点24是从其接收数据分组的最深通信节点。因此，操作人员可以确定在节点25处存在通信错误。

在方框506处，可以将井下工具(例如，通信设备)降低到井筒中至错误的位置。例如，可以将包含通信设备的井下工具插入到井筒中。井下工具可以使用作业管柱(例如，盘管管柱(coiled tubing string)、节理作业管柱(jointed working string)、钢丝(slickline)或电线)进入井筒，或者可以是无线的自主工具。因此，井下工具可以经由管柱、盘管、有线线路、电气有线线路自动地或通过流体泵入而在井筒内输送。在一些实施例中，可以使用诸如图4所示的井下工具。

在优选实施例中，井下工具允许与地下通信节点进行双向通信。例如，井下工具可以是长距离超声水听器，其以大约50kHz至大约1MHz、大约50kHz至大约500kHz、大约60kHz至大约250kHz、大约65nmkHz至大约200kHz、大约70kHz至大约175kHz、大约75kHz至大约150kHz、大约80kHz至大约125kHz、大约85kHz至大约115kHz或大约87kHz至大约100kHz的频率操作。在一些方面，井下工具可以在包括非重叠频带的多个频带中通信，以支持与各种类型的设备的通信。出于性能或可靠性的原因，对多个频带的这种使用还可以实现在多个信道上的并行接收和/或传输。附加地或可替代地，一个或多个频带可以被用于感测操作，而另一个或多个频带可以被用于通信。

优选地，井下工具通过生产管柱下降并且能够与井筒套管外部的通信节点通信。在这种情况下，井下工具应当被设计和配置为使其能够通过水泥、泥浆、管(即，管道和/或套管)的层以及地层连通。

在图4中图示了可以使用的示例性井下工具400。井下工具包括容纳压电换能器和传感器416、电源414、双向通信收发器412和电子板410的壳体408。可替代地，井下工具可以经由结合到有线线路电缆406中的电力电缆由地面电源(未示出)供电。在一方面，壳体保持一个或多个压电换能器和传感器416，其可以围绕壳体定位或定位在壳体内并且定向成面向上、下和/或侧向。电子板410提供换能器接口、控制电子器件、信号生成/处理、数据和遥测系统诊断以及数据记录功能。井下工具可以经由可以连接到卡车接口单元404的有线线路电缆406下降到井筒中。卡车接口单元404然后可以具有到控制计算机402的无线或有线连接。

返回图5，在方框506处，将包括通信设备的井下工具降低到井筒中至错误的位置。可选地，在方框508处，可以使用井下工具来诊断或排除与通信节点一起发生的错误的类型。例如，井下工具可以确定错误是由于电源故障510、机械故障514、或者编程/软件故障518引起的。

如果确定错误是由电源故障510或通信节点中的电池电量不足引起的，那么可以使用井下工具尝试为故障节点中的电池充电。例如，在方框512处，可以使用井下工具对电池进行无线再充电。可替代地，可以确定将不同的井下工具放到井筒中，该井筒可以通过穿过套管壁发送的电磁脉冲/波来对通信节点中的电池进行再充电。

如果确定错误是由编程或软件故障518引起的，那么井下工具可以用于对故障通信节点进行重新编程。例如，在方框520处，井下工具可以将新的程序/软件代码无线地传输到故障节点。当井筒内的声学条件已改变时，这可以是有用的，从而需要对通信节点进行重新编程，以便以不同的频率传输数据分组或使用不同的频率键、定时、配置参数等。

在一些实施例中，可以确定错误是不能修复的机械错误514(例如，通信节点的收发器的机械故障)。类似地，可以确定电力故障510或软件/编程故障518是不能修复的。在这样的情况下，在方框516处，可以通过桥接功能节点之间的间隙来使用井下工具来修复网络。参考图3B，可以将井下工具降低到井下以靠近故障节点，即节点25和26。然后可以使用井下工具从节点27收集数据并将数据向上传输到节点24，然后可以通过井下无线网络将数据从节点24传输到地面。可替代地，井下工具可以从节点27收集数据，并通过有线线路将数据向上传输到地面，或使用井下工具的低频能力将数据声学地传输到地面。参考图5，一旦将工具从井筒移除(如果在有线线路上)并且采取了必要的补救措施，那么在方框522处就可以从井筒生产烃流体。

如本文所述，即使网络内的一个或多个通信节点已经开始发生故障，本方法和系统也可以用于操作井下无线网络。另外，本发明的方法和系统可以附加地用于对网络内的节点进行重新编程，以使得它们能够再次正确地操作。以这种方式，本方法和系统可以被用于“弥合”受损的井下无线网络。这可以是有利的，因为它可以允许从网络的正常运行部分(否则可能会被切断)收集数据。此外，一旦将通信节点放置在其上的套管已经胶结到位，就很难甚至不可能物理访问这些节点并对其进行修理。照此，本发明的方法和系统可以提供用于无线地纠正一些问题并允许故障通信节点再次正常运行的手段。

在一些实施例中，井下工具可以被用于维护和/或优化井下无线网络。例如，即使通信节点当前正在正常工作，井下工具也可以用于对一个或多个通信节点进行重新编程以提供新的功能。可以将通信节点重新编程为与新的无线传感器相关联，并因此被编程为从新传感器传输数据信号。可以指示通信节点以不同的频率接收和/或传输、使用不同的频率密钥等。井下工具可以使用健康检查算法来查询通信节点以分析其状态。例如，可以执行这个操作以确定其当前的软件负载、感测或估计剩余的电池寿命、确定井筒特定部分中的声学通信的效果等。因此，井下工具可以用于优化通信节点的通信设置，即使软件本身未更新。可以结合概要分析或基于通信节点收集的数据来完成这种优化，该数据表明在可预见的将来通信降级或故障的风险增加。当声学条件随时间改变时，井下工具可以对网络进行预防性维护，以使网络保持在给定的性能或可靠性标准下运行。

根据本公开的其它方面，井下工具可以通过将数据分组直接传输到所选择的通信节点来充当替代的顶侧节点，可能跳过沿着网络到该点的数据分组的多次传输。可替代地，井下工具可以通过假设其身份或通过以其它方式替换通信节点的通信能力来临时替换通信节点。由于为每个通信节点指派了唯一的标识符，因此通过井下工具临时采用通信节点的身份，可以维持井下无线网络的完整性，而无需重新配置部分或全部网络，从而节省了网络中的通信节点的大量时间和精力。这也延长了节点到节点通信网络的寿命。

已经发现，如本文所公开的水听器对于在井下无线网络内实现双向通信特别有用。已经发现水听器通过两层或多层水泥、管、泥浆或地层与通信节点进行声学通信。水听器内部的电声换能器耦合到水听器的外壁，该外壁具有在声学上有利的厚度(例如，给定通过水听器壁材料的声速，通信频带中的频率的波长的一部分)。这种放置允许有利的通信，通常不是全向方式。水听器可以与400英尺外的节点进行通信，从而使得能够直接访问井筒的单个部分中的多个通信节点。由于声学无线网络中的典型通信节点被设计为仅与相邻的通信节点进行通信，因此具有大约50英尺至大约120英尺的有限范围，因此如本文实现的水听器可以在井下无线网络内提供附加的通信功能。因此，水听器可以用作已建立的井下无线网络中的附加参与者。水听器还可以使用其超声波遥测能力来表征生产或阻隔管，并且可以用于获得关于钻井流体或生产流体的信息。管和/或流体的这种表征还可以用于选择传输和/或遥测设置以增强网络通信。最后，水听器可以用于与井下工具进行通信和/或控制井下工具，诸如套筒、阀门和/或流量控制器，它们同样配备有超声遥测功能。

所公开的方面可以有益地用于多边井系统中，其中井下无线网络的至少一部分部署在其一个或多个侧向分支内。包括水听器在内的井下工具或者可以与上部完井(通过电线连接到地面)一起运行，或者作为工具管柱的一部分运行，其中水听器将停在侧向分支的交界处，并从安装在侧向分支中的通信节点中检索数据。

所公开的方面也可以在压裂操作期间使用。通信节点可以安装在一个或多个压裂室内，水听器安装在-插塞研磨管柱中。当到达插塞后，水听器与相邻压裂室内的通信节点通信，并获得处理压力/温度信息，这对于在压裂操作期间实时接收数据可以是有价值的。研磨管柱继续铣出压裂插塞、移至下一个压裂插塞，并重复相同的步骤。

使用本文公开的诸如水听器之类的井下工具的优点在于，它允许与无线网络中的通信节点直接通信，否则将无法听见。水听器允许更多的远距离节点以比正常情况更低的振幅进行传输，从而节省大量能量并延长远距离节点的使用寿命。水听器还可以用于跳过处于睡眠状态的节点的区段，并直接与具有期望数据的节点通信。因为水听器直接连接到地面，因此水听器可以充当替代的顶侧节点。这也延长了节点到节点通信网络的寿命。水听器还可以传输使一个或多个通信节点进入睡眠状态或唤醒状态所需的命令。相对于使通信节点本身向其它节点发出睡眠/唤醒命令，这也节省了大量时间和精力。所公开的方面允许与否则剩余能量太少以至于不能与无线网络的其余部分进行通信的节点进行通信。这使得能够检索否则会丢失的传感器数据。此外，所公开的方面允许经由绕过多个中间节点来进行更快的数据检索，否则，不使用水听器就需要进行数据检索。

应当理解的是，前述仅仅是本发明具体实施例的详细描述，并且在不脱离本发明的范围的前提下，可以根据这里的公开内容对所公开的实施例进行多种改变、修改和替代。因此，前面的描述并不意味着限制本发明的范围。更确切地说，本发明的范围仅由所附权利要求及其等同物确定。还可以预期的是，在本示例中实施的结构和特征可以彼此更改、重新布置、替换、删除、重复、组合或添加。照此，对于本领域技术人员显而易见的是，对本文所述实施例的许多修改和变化是可能的。如所附权利要求所定义的，所有这样的修改和变化都意图落入本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种操作井下无线网络的方法，所述井下无线网络包括沿着井筒间隔开并且附接到井筒内的一个或多个管的多个通信节点，其中每个通信节点被配置为沿着井筒从节点到节点以声频传输数据分组，所述方法包括：

检测井下无线网络中的通信错误，其中在地面上未接收到来自所述多个通信节点中的一个或多个通信节点的数据分组；

识别造成通信错误的通信节点的位置；

将包括通信设备的井下工具下降到井筒中至错误的位置；

将数据分组从比错误的位置更低的通信节点传输到井下工具；以及

将数据分组从井下工具传输到地面。

2.如权利要求1所述的方法，其中每个通信节点包括：

密封的壳体；

驻留在壳体内的电声换能器和相关联的收发器，其中收发器被配置为将数据分组传输到井筒中的另一个通信节点，每个数据分组包括(i)最初传输信号的地下通信节点的标识符和(ii)与井筒相关的信息；以及

驻留在壳体内的独立电源，为收发器提供电力。

3.如权利要求1所述的方法，其中通信节点被间隔开，使得管中的管道的每个接头支撑至少一个通信节点。

4.如权利要求1所述的方法，其中一个或多个传感器驻留在所述通信节点中的至少一个通信节点的壳体内。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述通信节点中的所述至少一个通信节点内的电声换能器将来自所述一个或多个传感器的信号转换成用于相关联的收发器的声学音调。

6.如权利要求1所述的方法，其中井下工具包括水听器。

7.如权利要求6所述的方法，其中水听器是超声水听器。

8.如权利要求6所述的方法，其中水听器以50至1000kHz范围内的频率传输信号。

9.如权利要求1所述的方法，其中井下工具经由有线线路将数据分组传输到地面或从地面传输数据分组。

10.如权利要求1所述的方法，其中井下工具经由长距离超声声学传输将数据分组传输到地面或从地面传输数据分组。

11.如权利要求1所述的方法，还包括：

将井下工具定位到与造成通信错误的通信节点相邻的一个或多个通信节点的通信范围内；

由井下工具从通信错误位置的一侧的第一通信节点接收数据分组；以及

由井下工具将数据分组传输到通信错误位置的另一侧的第二通信节点。

12.如权利要求11所述的方法，还包括：

使用井下工具确定通信错误的错误类型。

13.如权利要求1所述的方法，还包括：

使用井下工具，从井筒中的一个或多个传感器接收信息；以及

将信息传输到地面。

14.如权利要求1所述的方法，还包括：

使用井下工具，从井筒中的一个或多个设备接收信息；以及

将信息传输到地面。

15.如权利要求14所述的方法，其中将信息传输到地面包括：在不使用所述多个通信节点中的任何一个通信节点的情况下，将信息传输到地面。

16.如权利要求1所述的方法，还包括：

使用井下工具，将信息和命令中的一个传输到井筒中的一个或多个设备。

17.如权利要求1所述的方法，还包括：

使用井下工具，确定所述多个通信节点中的一个或多个通信节点的性能特点；以及

使用井下工具，将指令传输到所述多个通信节点中的所述一个或多个通信节点，以改善其性能。

18.如权利要求1所述的方法，还包括：

使用井下工具，确定储层、地层、管、井筒中的流体和管中的流体中的一个或多个的特点。

19.如权利要求17所述的方法，还包括：

使用井下工具，将更新后的指令集传输到所述多个通信节点中的一个或多个。

20.如权利要求19所述的方法，其中更新后的指令集利用新的滤波器对通信节点进行重新编程，以更好地滤除背景噪声。

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