CN112020595B - 用于井下系统的封闭模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于在井下测量感兴趣参数的装置，该装置包括被配置为设置在形成于地层中的钻孔中的井下部件和被配置为可移除地连接到井下部件的至少一个模块。至少一个模块至少部分地封闭被配置为测量感兴趣参数的传感器。至少一个模块至少部分地封闭用于无线通信的通信装置。

Description

用于井下系统的封闭模块

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月5日提交的美国专利申请号15/912154的权益，该申请全文以引用方式并入本文。

背景技术

定向钻井通常用于油气勘探和生产操作。定向钻井通常使用传感器模块和/或用于改变钻头的方向的导向组件来实现。定向钻井组件的一种类型涉及所谓的“非旋转套筒”，该“非旋转套筒”包括用于抵靠钻孔壁生成力的装置或使穿过非旋转套筒的驱动轴弯曲的装置。在此类应用中，非旋转套筒通常由轴承支撑，该轴承允许套筒相对于地层保持相对静止。套筒的静止位置允许将相对静止的力施加到钻孔壁以产生导向方向。

定向钻井组件通常依赖于在井下测量各种参数的传感器模块。传感器模块可向操作者提供信号，该操作者继而可控制用于抵靠钻孔壁生成力的装置。当前传感器模块通常内置于钻井组件中。传感器模块的测试、验证和维护需要高度熟练的技术人员消耗时间，并且常常需要工具级拆卸。

发明内容

本发明公开了一种用于在井下测量感兴趣参数的装置，该装置包括被配置为设置在形成于地层中的钻孔中的井下部件和被配置为可移除地连接到井下部件的至少一个模块。至少一个模块至少部分地封闭被配置为测量感兴趣参数的传感器。至少一个模块至少部分地封闭用于无线通信的通信装置。

本发明还公开了一种在井下操作中测量感兴趣参数的方法，该方法包括将井下部件设置在地层中，以及将模块可移除地连接到井下部件。模块至少部分地封闭被配置为测量感兴趣参数的传感器和用于无线通信的通信装置。感兴趣参数由传感器感测，并且数据I通过通信装置传送。数据为基于感兴趣参数的。

附图说明

在本说明书结束时的权利要求书中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。通过以下结合附图的具体实施方式，本发明的前述和其他特征和优点将变得显而易见，在附图中：

图1描绘了钻井和/或测量系统的实施方案；

图2描绘了用于钻井系统的导向组件的实施方案，该导向组件包括安装在非旋转套筒上的模块；

图3描绘了图2的导向组件，其中模块从非旋转套筒移除；

图4A和图4B是被配置为结合在导向系统中的模块的透视图；

图5是图4A和图4B的模块的剖视图；

图6是图4A和图4B的模块的剖视图；

图7描绘了用于钻井系统的导向组件的实施方案，该导向组件包括安装在非旋转套筒上的模块和能量传输/接收装置；

图8是图7的导向组件的模块的透视图；

图9是设置在图7的导向组件的模块中的辅助装置的近距离视图，该辅助装置被配置为在非旋转套筒中的模块内部从导向组件的与非旋转套筒旋转地脱离的旋转部分接收能量；

图10是图9的导向组件的模块的剖视图；并且

图11描绘了井下部件的实施方案，该井下部件包括传感器模块、用于无线通信的通信装置、储能装置和能量传输/接收装置。

具体实施方式

本文描述了用于穿过地层定向钻井的设备、系统和方法。定向钻井装置或系统的实施方案包括被配置为结合在井下部件中的独立模块，该井下部件可包括基本上非旋转的套筒。模块是气密地密封的并且是模块化的，即，该独立模块可以容易地更换为其他模块以减少周转时间。根据示例性方面，独立模块可安装在井下部件或基本上非旋转的套筒上和/或从该井下部件或该基本上非旋转的套筒移除，而不必电断开模块或以其他方式影响系统的其他部件，诸如井下部件、定向钻井装置、基本上非旋转的套筒和/或导向系统。为此，在一个实施方案中，独立模块包括无线通信能力，以允许操作独立模块的部件，而不需要独立模块和其他部件(诸如基本上非旋转的套筒、导向系统或测量工具)之间的任何物理电连接件，诸如连接器。

独立模块容纳并至少部分地封闭或封装各种部件中的一个或多个部件，以促进或执行诸如导向、通信、测量和/或其他功能。在一个实施方案中，独立模块容纳并至少部分地封闭偏置装置(例如，缸和活塞组件)，该偏置装置可被致动以影响钻井方向的变化。独立模块可包括储能装置(例如，电池、可再充电电池、电容器、超级电容器或燃料电池)。在一个实施方案中，独立模块可容纳能量传输/接收装置，该能量传输/接收装置被配置为向模块中的部件供应能量，诸如电能。能量传输/接收装置可例如经由与由于驱动轴或钻柱的其他部件的旋转而生成的磁场的电感耦合来发电。

图1示出了钻井、勘探、生产、测量(例如，测井)和/或地质导向系统10的示例性实施方案，该系统包括钻柱12，该钻柱被配置为设置在穿透地层16的钻孔14中。尽管钻孔14在图1中被示出为具有恒定的直径和方向，但钻孔并不限于此。例如，钻孔14可具有变化的直径和/或方向(例如，方位角和倾斜度)。钻柱12由例如管、多个管段或连续油管制成。系统10和/或钻柱12包括钻井组件(包括例如钻头20和导向组件24)，并且可包括各种其他井下部件或组件(诸如测量工具30和通信组件)，这些井下部件或组件中的一个或多个井下部件或组件可统称为底部钻具组合(BHA)18。可包括测量工具以用于执行测量方案，诸如随钻测井(LWD)应用和随钻测量(MWD)应用。传感器可设置在沿着钻孔钻柱的一个或多个位置处，例如设置在BHA 18中、设置在钻柱12中、设置在测量工具30中(诸如测井探测器)，或设置为分布式传感器。

钻柱12驱动穿透地层16的钻头20。使用一个或多个泵将井下钻井液(诸如钻井泥浆)泵送穿过地表组件22(包括例如井架、转盘或顶部驱动器、连续油管筒和/或立管)、钻柱12和钻头20，并穿过钻孔14返回到地表。

导向组件24包括被配置为对钻头20的部件进行导向。在一个实施方案中，导向组件24包括一个或多个偏置元件26，该一个或多个偏置元件被配置为被致动以向钻头20施加侧向力以实现方向上的变化。一个或多个偏置元件26可以容纳在模块28中，该模块可移除地附接到导向组件24中的套筒(未单独标记)。

各种类型的传感器或感测装置可结合在系统和/或钻柱中。例如，传感器(诸如磁力计、重力仪、加速度计、陀螺传感器以及其他方向和/或位置传感器)可结合到导向组件24中或单独的部件中。各种其他传感器可结合到导向组件中和/或测量工具30中。测量工具的示例包括电阻率工具、γ射线工具、密度工具或卡尺。

可用于执行测量的装置的其他示例包括温度或压力测量工具、脉冲中子工具、声学工具、核磁共振工具、地震数据采集工具、声阻抗工具、地层压力测试工具、流体采样和/或分析工具、取芯工具、测量操作数据(诸如振动相关数据，例如加速度、振动、诸如钻压之类的重量、诸如钻头扭矩之类的扭矩、穿透速率、深度、时间、旋转速度、弯曲、应力、应变)的工具、它们的任何组合、和/或能够提供关于地层16、钻孔14和/或操作的信息的任何其他类型的传感器或装置。

其他类型的传感器可包括沿着钻柱的离散传感器(例如，应变传感器和/或温度传感器)或包括在一定距离处的一个或多个传输器、接收器或收发器的传感器系统，以及具有沿着系统10分布的各种离散传感器或传感器系统的分布式传感器系统。需注意，本文所述的传感器的数量和类型是示例性的，并非旨在进行限制，因为可采用任何合适类型和配置的传感器来测量属性。

处理单元32与系统10的部件以可操作通信的方式连接，并且可位于例如地表位置处。处理单元32还可作为井下电子器件42的一部分至少部分地结合在钻柱12或BHA 18中，或者根据需要以其他方式设置在井下。钻柱12的部件可经由任何合适的通信方案(诸如泥浆脉冲遥测、电磁遥测、声学遥测、有线链路(例如，硬连线钻管或连续油管)、无线链路、光学链路或其他)连接到处理单元32。处理单元32可被配置为执行功能，诸如控制钻井和导向、(例如，向BHA 18和/或模块28和从其)传输和接收数据、处理测量数据和/或监测操作。在一个实施方案中，处理单元32包括处理器34、用于与井下部件通信的通信和/或检测构件36，以及用于存储数据、模型和/或计算机程序或软件40的数据存储装置(或计算机可读介质)38。其他处理单元可包括在系统10中的不同位置处的两个或更多个处理单元，其中处理单元中的每个处理单元包括处理器、通信装置和数据存储装置中的至少一者。

图2和图3示出了用于在定向钻井中使用的导向组件50的实施方案。导向组件50可结合到系统10中(例如，在BHA 18中)，或者可以是被配置为执行钻井操作的任何其他系统的一部分。导向组件50包括被配置为例如通过顶部驱动器(未示出)从地表旋转的驱动轴52，该顶部驱动器可以是地表组件22的一部分，或者可以在井下(例如，通过泥浆马达或涡轮(也未示出)作为BHA 18的一部分。驱动轴52可在一端经由例如钻头盒连接器56连接到崩解装置，诸如钻头54。与钻头54结合或代替该钻头的崩解装置可包括适于崩解岩石地层的任何其他装置，包括但不限于电脉冲装置(也被称为放电装置)、喷射钻井装置或冲击锤。

驱动轴52可在崩解工具和驱动轴52之间的另一端和/或同一端处经由诸如销箱连接件之类的合适的管柱连接件连接到井下部件58，诸如测量工具30、泥浆马达(未示出)、提供与地表组件22的通信的通信工具、在井下生成电力以驱动BHA 18中的其他工具(诸如井下电子器件42)的发电机(未示出)、测量工具30(包括传感器，诸如地层评估传感器或操作传感器)、扩孔钻(例如，下扩孔钻，未示出)、导向组件24、50或钻柱12中的管段。当在崩解装置和导向组件50之间的驱动轴52的下端处连接时，一些井下部件58(诸如测量工具)可受益于靠近崩解装置的位置。

导向组件50还包括环绕驱动轴52的一部分的套筒60。套筒60可包括一个或多个偏置元件62，该一个或多个偏置元件可被致动以控制钻头54和钻柱12的方向。偏置元件的示例包括诸如缸、活塞、楔形元件、液压枕、可扩展肋元件、刀片等之类的装置。

套筒60经由轴承61或另一合适的机构安装在驱动轴上，使得套筒60至少在一定程度上与驱动轴52或其他旋转部件旋转地脱离。例如，套筒60连接到轴承61(例如泥浆润滑轴承)，该轴承可以是任何类型的轴承，包括但不限于接触轴承，诸如滑动接触轴承或滚动接触轴承、轴颈轴承、滚珠轴承或衬套。套筒60可被称为“非旋转套筒”或“缓慢旋转的套筒”，其被定义为在至少一定程度上与导向组件50的旋转部件旋转地脱离的套筒或其他部件。在钻井期间，由于套筒60和驱动轴52之间的摩擦(例如，由轴承61生成的摩擦)，套筒60可以不是完全静止的，而是可以与驱动轴52相比更低的旋转速度旋转。与驱动轴52相比，套筒60可具有缓慢的旋转移动或不具有旋转移动(例如，当偏置元件62与钻孔壁接合时)，或者可独立于驱动轴52旋转(通常，套筒60以比驱动轴52低得多的速率旋转)，尤其是当偏置元件62被有源接合时。

例如，尽管驱动轴52可在约100至约600转每分钟(r.p.m.)之间旋转，套筒60可以小于约2r.p.m.旋转。因此，套筒60相对于驱动轴52为基本上非旋转的，并且因此在本文中被称为基本上非旋转或非旋转的套筒，而与其实际旋转速度无关。在一些情况下，偏置元件62可由弹簧元件(未示出)(诸如卷簧或弹簧垫圈(例如锥形弹簧垫圈))支撑以与地层接合，即使当偏置元件62未被有源供电时也是如此。

在一个实施方案中，偏置元件62(或多个元件)被配置为接合钻孔壁并且通过轴承61向驱动轴52提供侧向力分量，以使驱动轴52和钻头54改变方向。一个或多个偏置元件62连接到非旋转套筒60以向钻孔壁(也被称为“推动钻头”)施加相对静止的力或使驱动轴52偏转，从而导致旋转驱动轴52的弯曲方向产生导向方向(也被称为“指向钻头”)。

由于非旋转套筒60相对于地层16显著较慢地旋转或根本不旋转，因此偏置元件62以及因此施加到钻孔壁的力具有与驱动轴52的较快旋转相比相对较慢地变化的方向。这允许施加到钻孔壁的力保持期望的导向方向，与偏置元件62与驱动轴52一起旋转的情况相比，其变化小得多。这样，与其中偏置元件62与驱动轴52一起旋转的系统相比，实现和/或保持期望的导向方向所需的电力显著更低。因此，利用非旋转套筒60允许以相对低的电力需求操作导向系统。

套筒60可以是导向组件50的模块化部件。在各方面，套筒60可以安装在导向组件50上和从该导向组件移除，而不必电断开套筒或以其他方式影响导向系统的其他部件。另外，套筒60还包括被配置为封闭或容纳一个或多个部件以有利于导向功能的一个或多个模块64。每个模块64是机械和电独立的和模块化的，因为模块64可以在不影响模块64或导向组件50中的部件的情况下附接到套筒60和从该套筒移除。

例如，每个模块64包括机械附接特征部(诸如夹紧元件(未示出)，例如用于热夹紧的装置、包括形状记忆合金的装置、压力配合装置或锥形配合装置)或螺钉孔66，它们允许模块64利用可移除的固定机构(诸如螺钉、螺栓、螺纹、磁体或夹紧元件(例如机械夹紧元件、热夹紧元件、包括形状记忆合金的夹紧元件、压力配合元件、锥形配合元件和/或它们的任何组合))固定地连接到套筒60。此外，在另一示例中，模块64可以利用可移除的固定机构(诸如螺钉、螺栓、螺纹、磁体或夹紧元件(例如机械夹紧元件、热夹紧元件、包括形状记忆合金的夹紧元件)、压力配合元件、锥形配合元件或它们的任何组合)固定地连接到套筒60，而无需任何不可移除的固定元件。

每个模块64可至少部分地封闭一个或多个偏置元件62，并且可包括一种类型的偏置元件62或多种类型的偏置元件62。需注意，每个模块64可包括相应的偏置元件62和相关联的控制器，从而允许每个偏置元件62被独立地操作。

在图2和图3所示的实施方案中，套筒60包括周向布置(例如，以相同的角距离分开)的三个模块64。然而，套筒60不限于此，并且可包括单个模块64或任何合适数量的模块64。而且，一个或多个模块64可定位在任何合适的位置或配置处。

每个模块64和/或套筒60可包括密封部件以允许将模块64气密地密封到套筒60，以便防止流体流过套筒60的壁。另选地，模块64可在不将模块64密封到套筒60的情况下附接到套筒60，例如在除上述机械附接部之外没有任何流体密封元件的情况下。

在一个实施方案中，每个模块64被配置为在没有物理电连接件(诸如电线或电缆)的情况下与模块64外部的部件通信。因此，可安装和移除模块64，而不必连接或断开除机械附接部之外的任何电连接件或其他连接件。例如，如图2和图3所示，每个模块64可配备有天线68和合适的电子器件，以在模块64中的一个或多个模块上的钻柱的其他部件或天线68处向一个或多个天线69传输以及从该一个或多个天线接收信号。

因此，即使当模块64与套筒60分离时，其也可作为封闭单元进行处理。因此，由于模块64可以是气密封闭的单元，因此它们可以例如被测试、验证、校准、维护和/或修理，或者其可以交换数据(下载或上传)，而无需将模块64附接到套筒60，或者简单地例如通过使用常规高压垫圈进行清洁。在钻井作业期间或准备该钻井作业时，可在未正常工作时进一步更换模块64以快速修理导向组件50。也就是说，可以通过从BHA 18或导向组件24的外周边触及BHA 18或导向组件24来更换模块64。这允许在不断开管柱连接件的情况下更换模块64。

特别地，可在不断开导向组件的上端和/或下端处的管柱连接件的情况下并且不从BHA 18或钻柱12拆卸导向组件24的情况下更换模块64。特别地，可在导向组件24连接(例如，经由一个或多个钻柱连接件机械地连接到BHA 18或钻柱12的至少一部分)的同时更换模块64。更换的模块可被送到现场外修理和维护设施，以用于进一步调查和维护，而无需运送导向组件50或将导向组件50与BHA 18或钻柱12的至少一部分断开。即，测试、验证、校准、数据传递(上传或下载数据)、维护和修理可在模块级而不是工具级上完成。这允许快速更换模块以修理组件并运送相对小的模块，而不是完整的井下钻井工具。

另外，示例性实施方案允许从导向组件24的外周边快速更换模块以在导向组件24仍然物理地连接到BHA 18和/或钻柱12的同时影响修理。快速更换模块以修理导向组件24和选择运送相对小的模块而不是完整的井下钻井工具的能力和/或在导向组件24仍然物理地连接到BHA 18和/或钻柱12(例如，经由管柱连接器)的同时快速更换模块以修理组件的能力是有利于显著降低操作成本的主要有益效果。

如所指出的那样，模块64中的一个或多个模块可被配置为在部件(诸如管段、BHA18、钻头20、驱动轴52或其他井下部件58)或另一部件中的另一模块处与通信装置(诸如天线69和/或电感耦合装置)无线通信。虽然本文相对于天线描述了本发明，但应当理解，天线也可以是电感耦合装置、电磁耦合装置、电磁谐振耦合装置、声学耦合装置、和/或它们的组合、或本领域已知的用于无线通信的其他装置。根据示例性方面，可以任何合适的频率(诸如介于500Hz至100GHz之间的频率)利用传递数据的任何合适的方法或协议，包括但不限于蓝牙、ZigBee、LoRA、无线LAN、DECT、GSM、UWB和UMTS。井下钻井工具(诸如导向工具)的旋转部分和非旋转部分之间的无线通信在例如US20100200295和US6540032中进行了描述，这两个专利全文以引用方式并入本文。

虽然与模块64通信的天线68被示出为位于模块64的外周边处，但它们也可安装在其他位置处，诸如但不限于内部，例如模块64的内表面或模块64的端壁。当将天线69安装在驱动轴52上时，例如靠近套筒60或在该套筒内，并且当天线68与驱动轴52中或该驱动轴上的天线69相距相对小的距离时，例如当在组装导向组件50时天线68在天线69上方滑动时，通信装置(诸如，内表面处的天线68)的位置可有利于与驱动轴52的通信。模块64中的一个或多个模块还可被配置为与套筒60上的其他模块64通信，例如，以协调偏置元件62的致动。例如，每个模块64提供通信接口以与其他模块64和/或BHA 18的其他段至少部分地无线通信。

模块64之间的通信也可经由驱动轴52、非旋转套筒60、模块64中的一个模块、或任何其他井下部件58内的通信模块(未示出)执行，该通信模块从模块64中的一个模块接收信息并且将该信息、或经处理的、放大的或以其他方式修改的信息、或不同的信息传输到其他模块64中的至少一个模块。根据示例性方面，通信模块还可用于模块64之间以及模块和其他井下部件之间的通信。通信接口和/或模块可由模块64中的储能装置(例如，电池、可再充电电池、电容器、超级电容器或燃料电池)和/或由非旋转套筒60或模块64中的能量接收装置供电，该能量接收装置可从导向组件50内部接收能量。例如，能量接收装置可在模块64中从外部电源(诸如驱动轴52内的电感电力装置)接收能量。电感电力装置的一个实施方案是电感变压器。下文进一步讨论了电感电力装置的其他实施方案。

图4A和图4B示出了模块64的透视图。如图所示，在一个实施方案中，模块64包括外壳70，该外壳具有被配置为可移除地附接(例如，经由螺钉、螺栓、螺纹、磁体或夹紧元件(例如机械夹紧元件、热夹紧元件、包括形状记忆合金的夹紧元件)、压力配合元件、锥形配合元件或它们的任何组合)到套筒60的壁中的对应形状的切口(未单独标记)的形状。模块64可具有等于或类似于套筒60的厚度的厚度，从而形成壁的一部分。另选地，模块64可具有小于套筒60的厚度的厚度，并且可安装在形成在套筒壁中的凹陷部(未单独标记)处。模块64的厚度的尺寸可被设定成容纳包括在模块64中的各种零件和部件，如下文进一步讨论的。模块64也可以是弯曲的以便适形于套筒60的弯曲，该套筒通常为圆柱形的。任选地，模块64可由舱口盖(未单独标记)覆盖。

外壳70可以是经由开口(诸如开孔或端口)可触及的一体部分，还可包括多个外壳部件(诸如下外壳部件72)，该下外壳部件可以是单个一体外壳部件或具有多个外壳部件。上外壳部件74也可以是单个一体外壳部件或具有多个外壳部件，并且可经由永久接合(例如，通过焊接、胶粘、钎焊、粘附)或可移除的接合(例如，螺钉、螺栓、螺纹、磁体或夹紧元件(例如机械夹紧元件、热夹紧元件、包括形状记忆合金的夹紧元件)、压力配合元件、锥形配合元件或它们的任何组合)附接到下外壳部件72。需注意，术语“上”和“下”并非旨在规定模块64相对于例如钻柱、套筒或钻孔的任何特定取向。

如图4A和图4B所示，外壳70、下外壳部件72和/或上外壳部件74可由多个段76制成。例如，外壳70被分成多个段76，该多个段可容纳不同的部件并且可以可移除地(诸如通过螺钉、螺栓、螺纹、磁体、或夹紧元件(例如机械夹紧元件、热夹紧元件、包括形状记忆合金的夹紧元件)、压力配合元件、锥形配合元件或它们的任何组合)或永久性地(诸如通过焊接、胶粘、钎焊或粘附)接合在一起。

图5和图6示出了可容纳在模块64中的部件的示例。需注意，这些部件并不限于图5和图6所示的那些，并且还不限于所示的具体取向、形状和位置。每个部件可以任何合适的方式固定。例如，模块64可包括成形为适形于待设置在其中的相应装置的凹陷部。在一个实施方案中，装置可经由上外壳部件72和/或一个或多个面板封装并固定在适当位置。在另一实施方案中，装置可经由端口或开孔(诸如在上外壳部件和下外壳部件之间)安装到模块64中。装置也可单独地设置在段76中。

在图5和图6的示例中，模块64包括偏置元件62、天线68和用于执行与导向、通信、电源、处理等相关的功能的各种装置。此类装置可包括电源装置、电力存储装置、数据存储装置、偏置控制装置、通信装置以及电子器件，诸如一个或多个控制器/处理器、或数据存储装置。以下讨论了可容纳在模块64中的装置的示例，然而模块64和构成的装置不限于此。

模块64还可包括用于操作偏置元件62的控制机构。控制机构的示例包括液压泵和/或液压控制的致动器、以及马达，诸如电动马达。

在图5和图6的示例中，模块64包括用于控制偏置元件62的偏置控制组件(例如，液压活塞组件)，该偏置控制组件包括泵(其包括马达80(诸如电动马达)和线性运动装置84(诸如主轴驱动装置或滚珠螺杆驱动装置))。任选地，在马达80和线性运动装置84之间可以包括齿轮(未示出)以增加马达80的旋转移动和线性运动装置84的线性移动的效率。线性运动装置84经由例如利用工作流体(诸如液压油)的液压联轴器86耦合到偏置元件62。另外或另选地，阀(未示出)可由控制器88控制以引导工作流体经由液压联轴器86向偏置元件62施加适当的压力。任选地，可包括线性可变差动变压器(LVDT)(未示出)以监测、确认和/或测量偏置构件的移动和/或接合量。如上所述，结合偏置元件62的操作利用非旋转套筒60允许以相对低的电力需求操作导向系统。例如，模块64的特征在于低电力静止(静压)液压以降低总体电力需求。

为了控制偏置元件62的力和位置，模块64包括可包括数据存储装置的控制电子器件或控制器88。控制器88通过控制泵、马达80、线性运动装置84和/或一个或多个阀(未单独标记)中的至少一者来控制偏置控制组件的操作。模块64可以包括一个或多个方向传感器或与该一个或多个方向传感器通信(例如，经由天线68)，以测量BHA 18或BHA 18的零件(诸如测量工具30、导向组件50和/或钻头54)的方向特性。在一个实施方案中，方向传感器被配置为检测或估计套筒60的方位角方向、工具面方向或倾斜度。方向传感器的示例包括弯曲传感器、加速度计、重力仪、磁力计和陀螺传感器。

任何其他合适的传感器可包括在可能受益于靠近钻头的位置的模块中或与模块通信。此类传感器的示例包括地层评估传感器，诸如但不限于测量电阻率、γ、密度、厚度和/或化学性质的传感器、或测量操作数据(诸如时间、钻井液属性、温度、压力、振动相关数据(例如加速度、诸如钻压之类的重量、诸如钻头扭矩之类的扭矩、深度、穿透速率、旋转速度、弯曲、应力、应变))的传感器、和/或能够提供关于地层、钻孔和/或操作的信息的任何其他类型的传感器或装置。

可包括在模块64中的另一部件是压力补偿装置，诸如压力补偿器90。在该示例中，压力补偿器90被封装在模块64内，可移动或柔性的并且暴露于流体压力的表面除外。压力补偿器90可用于提供可等于模块64外部的流体压力或与该流体压力相关的参考压力和/或提供补偿流体体积。可向运动装置84和/或马达80提供参考压力以便相对于参考压力产生压力差，从而引导工作流体经由液压联轴器86向偏置元件62施加适当的压力。另选地或除此之外，补偿流体体积可用于补偿响应于移动的运动装置84或马达80而变化的流体填充体积。

在另一实施方案中，运动装置84和/或马达80相对于机械屏障(诸如机械肩部)移动，该机械屏障防止运动装置84在至少一个方向上的运动。在又一实施方案中，补偿流体体积可取自有限体积的可压缩流体，诸如气体，例如空气。因此，如果运动装置84和/或马达80正在相对于防止在至少一个方向上的运动的机械屏障移动，并且补偿流体体积取自有限体积的可压缩流体(诸如气体，例如空气)，则配置可在没有压力补偿器90的情况下操作。

用于至少部分地进行无线通信的通信装置可封闭在模块64中。通信装置包括天线68或用于无线传输/接收信息的其他装置(诸如电感耦合装置、电磁耦合装置、电磁谐振耦合装置、声学耦合装置等)、以及电子器件，诸如可包括数据存储装置的通信控制器92。在该示例中，天线68设置在外壳70的外表面处或其附近，使得当组装时，天线68位于模块64的外径处或其附近。天线68可以是贴片天线、环形天线、分形天线、偶极天线或任何其他合适类型的天线。

通信装置可使用任何合适的协议或介质进行通信。例如，通信装置可使用电磁波(例如，选自介于约500Hz和约100GHz之间的频率的电磁波，例如，选自介于约100kHz和约30GHz之间的频率的电磁波)进行数据传输。在另一示例中，通信装置可使用声学调制(例如，选自介于100Hz和100kHz之间的频率的声波)进行数据传输，或者可使用光学调制进行数据传输。

通信装置可与例如钻柱或BHA的另一段通信到套筒60上的一个或多个其他模块、到其他井下部件58中的一个或多个其他模块或到崩解装置54。例如，通信装置可与一个或多个其他模块64通信以协调偏置元件62的操作。另外，通信装置可充当继电器、中继器、放大器或处理装置，以将通信转发到另一通信装置。

通信控制器92连接到通信装置以向其他控制器发送和/或从它们接收命令、数据和其他通信。为了估计或甚至同步钻柱和套筒60之间的相对旋转位置，模块64中可包括专用传感器(诸如磁力计(例如，磁通门或霍尔传感器))或用于检测瞬时旋转位置的其他装置(例如，能量传输/接收装置96的永磁体的不变量)。

容纳在模块64中的部件可经由储能装置94(诸如电池、电容器、超级电容器、燃料电池和/或可再充电电池)供电。

除了或替代储能装置94，模块64可包括能量传输/接收装置96以提供电力来控制导向方向并执行其他功能。使用能量传输/接收装置96，可经由沿着钻柱12延伸到储能装置(未示出)(诸如在BHA的旋转部分内布置的电池、可再充电电池、电容器、超级电容器或燃料电池)或将一种能量形式(例如振动、诸如钻井液的流动之类的流体流动、诸如驱动轴52和非旋转套筒60之间的相对运动之类的零件的相对运动/旋转)转换成另一能量形式(例如，电能、电池内的化学能或它们的任何组合)的能量转换器的导体(也未示出)，将能量传输到地表组件22和/或从该地表组件接收该能量。井下使用的通常已知的能量转换器是例如将流体流动转换成机械零件的旋转的涡轮、用于将机械零件的旋转转换成电能的发电机(generator)/发电机(dynamo)、用于将电能转换成电池化学能的充电装置。如果出于除提供能量之外的其他原因在井下提供能量，则这些能量转换器有时被称为能量收集装置。。

在一个实施方案中，能量传输/接收装置96包括封闭在模块64内的一个或多个线圈(例如，能量收集线圈)。线圈被定位成使得它们位于由安装在驱动轴52上或其他合适位置处的一个或多个磁性装置生成的磁场内。

在一个实施方案中，磁性装置包括一个或多个磁体98(图3)，诸如附接到驱动轴52或其他旋转部件并与其一起旋转的电磁体(例如，线圈，诸如缠绕在磁性材料周围的线圈)或永磁体或两者的组合，从而生成由能量传输/接收装置96的线圈接收的交变磁场。电磁体可包括旋转驱动轴52上的一个或多个导电线圈。可将电流施加到导电线圈以生成磁场。施加到导电线圈的电流可被调制以产生调制磁场，该调制磁场可用于通信和/或可允许能量传递到模块中，即使当驱动轴52未旋转(或驱动轴52和套筒60之间至少基本上不存在相对旋转)时。

本文所述的能量传输/接收装置96通过分离器将磁能传输到封装单元(例如，能量收集线圈)中。在一个实施方案中，磁能耦合通过由磁性装置生成并改变由辅助装置接收的主磁场来实现。辅助装置可以是安装在相对于由磁性装置产生的时变或交变磁场的适当方向和位置上的一个或多个静止线圈。以此方式，机械能被直接转换成电能。

能量传输/接收装置96可包括能量控制器100，该能量控制器可包括数据存储装置，以用于控制模块中的部件的电力供应，和/或以控制储能装置94的充电和再充电。能量控制器100可包括整流器以由所接收的电能生成DC电流，该DC电流将由能量控制器100提供给模块64内的其他电子器件。能量控制器100可以是不同的控制器，或者可被配置为控制模块中的多个部件，诸如能量传输/接收装置96、用于无线通信的通信装置(诸如天线68)和/或偏置元件62。因此，能量控制器100、通信控制器92和用于控制偏置元件62的控制器88中的一者或多者实际上可以是视情况具有各种控制功能的相同或不同的控制装置或控制电路。即，本公开的范围不限于实现哪个控制功能的位置。

在一个实施方案中，辅助装置包括设置在主磁场中的另一磁性装置。辅助装置可被配置为通过主磁场旋转或以其他方式移动和/或生成二次磁场。

图7至图10示出了被配置为定位在主磁场中的辅助磁性装置的示例。在该示例中，辅助磁性装置包括设置在模块64内部或连接到该模块的辅助轴102。辅助轴102由轴承或另一合适的机构支撑，使得辅助轴102能够响应于由随驱动轴52旋转的磁体98产生的主磁场而独立于套筒和模块64旋转。辅助轴102的特征可在于磁体、电线圈或被附接以允许扭矩从主磁场传递到二次磁场的其他装置。二次磁场可由例如永磁体、涡流装置、电线圈和/或磁滞材料产生。如图10所示，辅助轴能够可操作地连接到交流发电机装置104以将机械能转换成可提供给各种部件的电能，例如，以向马达80提供电力和/或对储能装置充电。任选地，齿轮箱(未示出)(包括齿轮（也未示出)，例如行星齿轮)可连接在辅助轴102和交流发电机装置104之间以实现更有效的能量传递。

本文所述的模块改善并有利于施加方向力(例如，经由偏置元件)以控制钻井组件的方向。在一个实施方案中，模块被配置为容纳有源偏置机构，诸如经由控制器有源控制的活塞、杠杆和垫。在另一实施方案中，偏置机构可由无源机构(诸如弹簧)支撑，例如，以接合地层，即使在失去有源控制偏置机构的能力的情况下。无源元件和有源元件均可被限制。例如，偏置元件62可由弹簧部分地通电。如果储能装置94的储能容量变得太小而无法提供通信和主动的地层接合，则偏置元件62可仅由弹簧供电或作为有源偏置元件的附属件通电。

图11描绘了根据示例性实施方案的另一方面的井下部件958。井下部件958可以是BHA 18的一部分(诸如测量工具30或任何其他井下部件958，该井下部件经由合适的管柱连接件1112(诸如销箱连接件)可操作地连接到钻柱12)。井下部件958可包括内孔1109，其中钻井液1108(通常被称为泥浆)流过该内孔以供应到井下部件958或其他井下部件以用于润滑、连通、切屑移除、钻孔稳定和/或冷却目的。

井下部件958在上端和下端处具有管柱连接件1112，类似于图2中的钻头盒连接件56。另选地，井下部件958可包括标准井下管柱连接件，例如如图11所示的标准销箱管柱连接件。井下部件958还可包括一个或多个模块1101，该一个或多个模块包括用于感测感兴趣参数的传感器或探针1102。感兴趣参数可以是操作参数，诸如但不限于BHA 18的至少一部分的方向(例如，与倾斜度、方位角或工具面相关)、地球磁场的一个或多个分量、重力场、井下部件958的旋转速度、穿透速率或深度、井下部件958的重量(例如，与钻压相关)、扭矩(例如，与钻头扭矩相关)、弯曲、应力或应变、切屑参数(诸如切屑量、切割密度、切割尺寸或切屑的化学组成)、振动相关参数(例如，与加速度相关)、存在于孔1109中或地层16和井下部件958之间的环状物1111内的泥浆的泥浆属性(例如，与泥浆压力、泥浆温度、泥浆速度、泥浆声速或泥浆内的化学组分相关)、或地层参数，诸如但不限于地层16或地层流体的压力或温度参数、核参数(例如，与地层16的自然γ活动或中子散射相关)、地层16的密度、渗透性或孔隙度、地层16的电参数(例如，与电阻率、电导率或介电常数相关)、地层16的声学参数(例如，与声波的声速或减速或行进时间相关)，并且可以包括采样装置，诸如用来从地层16中采取样本(例如泥浆样本、地层流体样本、岩芯样本)的探针。

因此，传感器1102可包括：方向传感器(倾斜仪、磁力计、重力仪、陀螺仪)、用于确定井下穿透速率的传感器、用于确定力、重量、扭矩、应力、应变、弯曲和/或振动的力、应力、应变、弯曲或加速度传感器、压力或温度传感器、流率或流体速度传感器、声速传感器、用于确定化学组成的传感器(例如，质谱仪，气体、流体或离子色谱仪)、用于核辐射(例如，α、β或γ辐射)的传感器、核磁共振传感器、电传感器、磁传感器或电磁传感器、声学传感器或它们的任何组合中的一者。

传感器1102可以是单个感测元件(例如，温度探针)或传输器-接收传感器系统的至少一部分，该传输器-接收传感器系统包括将信号传输到待测量的系统(诸如地层或泥浆)中的传输器和在该信号受到待测量的系统影响之后接收该信号的接收器，其中所接收的信号允许导出感兴趣参数中的一个或多个参数。传输-接收传感器系统可分布在超过一个模块1101上，其中至少一个传输器设置在一个模块1101中，并且至少一个接收器设置在类似于传输器所在的模块1101的另一模块中。此外，传感器1102可以是分布式传感器系统的一部分，该分布式传感器系统具有设置在多个模块1101中的多个离散传感器或传感器系统，该多个模块沿着钻柱12分布在各种井下部件58中。

模块1101还可包括用于无线通信的通信装置1104，诸如本文相对于图2至图5所讨论的那些。用于无线通信的通信装置1104允许从和/或到可以位于模块1101外部的用于无线通信的另一通信装置1110进行通信。例如，通信装置1110可位于BHA 18内的同一井下部件958或不同井下部件内的模块1101外部，该不同井下部件可通过一个或多个管柱连接件(诸如管柱连接件1112)与井下部件958分开。另选地或另外，通信装置1110可设置在可类似于模块1101的第二模块中。当为了修理或维护目的将模块1101从井下部件958拆卸时，通信装置1110甚至可包括在井下部件958外部的测试、验证或校准装置中。通信装置1104允许传送由控制器1103(其可包括数据存储装置)基于传感器1102的感测产生的数据和/或从模块1101外部接收数据(诸如包括指令、命令或校准数据的数据)，该数据可由控制器1103处理以操作传感器1102。

模块1101是机械和电独立的和模块化的，因为模块1101可以在不影响模块1101或井下部件958中的部件的情况下附接到井下部件958和从该井下部件移除。例如，每个模块1101包括机械附接特征部(诸如夹紧元件(未示出)，例如用于热夹紧的装置、包括形状记忆合金的装置、压力配合装置或锥形配合装置)或螺纹或螺钉孔，它们允许模块1101利用可移除的固定机构(诸如螺钉、螺栓、螺纹、磁体或夹紧元件或它们的任何组合)固定地连接到井下部件958。例如，模块1101包括外壳(未单独标记)，该外壳具有被配置为可移除地附接(例如，经由螺钉、螺栓、螺纹、磁体或夹紧元件(例如机械夹紧元件、热夹紧元件、包括形状记忆合金的夹紧元件)、压力配合元件、锥形配合元件或它们的任何组合)到井下部件958的壁中的对应形状的切口(未单独标记)的形状。例如，模块1101可利用可移除的固定机构固定地连接到井下部件958，而无需任何不可移除的固定元件。

在一实施方案中，模块1101可以通过不是管柱连接件1112的连接件连接到井下部件958。因此，即使当模块1101与井下部件958分离时，其也可作为封闭单元进行处理。因此，由于模块1101可以是气密封闭的单元，因此其可以例如被测试、验证、校准、维护、修理，或者其可以交换数据(下载或上传)，而无需将模块1101附接到井下部件958，或者简单地例如通过使用常规高压垫圈进行清洁。在钻井作业期间或准备该钻井作业时，可在未正常工作时进一步更换模块1101以快速修理井下部件958。

在一实施方案中，可以通过从BHA 18或井下部件958的外周边触及BHA 18或井下部件958来更换模块1101。这允许在不断开管柱连接件的情况下更换模块1101。根据示例性方面，可在不断开图11中的井下部件958的上端和/或下端处的管柱连接件1112的情况下并且不从BHA 18或钻柱12拆卸井下部件958的情况下更换模块1101。进一步根据示例性方面，可在井下部件58连接(例如，经由一个或多个管柱连接件机械地连接到BHA 18或钻柱12的至少一部分)的同时更换模块1101。

例如，可以从井下部件958的外周边快速更换模块1101以在井下部件958仍然物理地连接到BHA 18和/或钻柱12的同时修理井下部件958。更换的模块可被送到现场外修理和维护设施，以用于进一步调查和维护，而无需运送井下部件958或将井下部件958的管柱连接件1112或1102与BHA 18或钻柱12断开。即，测试、验证、校准、数据传递(下载或上传)、维护和修理可在模块级而不是工具级上完成。快速更换模块以修理井下部件958和选择运送相对小的模块而不是完整的井下钻井工具的能力和/或在井下部件仍然物理地连接到BHA18和/或钻柱12的同时快速更换模块以修理井下部件的能力是主要有益效果，特别是在多于一个模块1101设置在井下部件958中的情况下，并且有助于实现操作成本的显著降低。

仍然参考图11，模块1101还可包括储能装置1105，该储能装置被配置成为传感器1102、控制器1103和通信装置1104中的一者或多者的操作存储能量。储能装置1105可以是可再充电的，以允许在修理和维护周期期间和/或在井下部件58的井下操作期间对储能装置1105再充电。就此而言，模块1101还可包括能量接收装置1107，该能量接收装置从模块1101外部的能量传输装置1106无线地接收能量。由能量传输装置1106传输的能量可取自钻井液1108(例如，通过使用涡轮)或机械零件在井下部件958或BHA 18内的运动，诸如但不限于钻柱12的旋转(例如通过利用非旋转套筒与旋转磁体和电感变压器或电感电力装置相结合，如上文相对于非旋转套筒60中的图5中的能量传输/接收装置96所讨论的，或与旋转部分和非旋转部分之间的机械耦合相结合)、或井下部件的振动(例如，通过利用由BHA 18的振动激励的振荡质量)。

另选地，由能量传输装置1106传输的能量可经由沿着钻柱12的电连接件(诸如电线，将井下BHA 18与地表处的地表组件22连接的电连接件)从地表处的能量源提供，或者在井下在钻柱12中经由沿着钻柱12的电连接件(诸如电线，将井下BHA 18与井下能量源连接的电连接件)提供。在又一另选的实施方案中，由能量传输装置1106传输的能量由储能装置(诸如未包括在模块1101中的电池、可再充电电池、电容器或超级电容器或燃料电池)提供。能量传输装置1106可以设置在BHA 18内的同一井下部件958或不同井下部件内的模块1101外部，该不同井下部件可以通过一个或多个管柱连接件(诸如管柱连接件1112)与井下部件958分开。

当为了修理或维护目的将模块1101从井下部件958拆卸时，能量传输装置1106甚至可包括在测试、验证、校准、修理或维护装置中。可在井下使用的用于无线传输/接收能量的能量传输/接收装置在本领域中是已知的，并且可利用电感耦合器、电感电力装置、电感变压器、可移动磁体、机械耦合或磁性耦合。

在另选的实施方案中，图11示出了包括一个或多个模块1101′的井下部件958，该一个或多个模块包括类似于用于感测感兴趣参数的传感器1102的传感器或探针1102′。模块1101′和模块1101的差别在于模块1101′设置在井下部件958的孔1109内，而模块1101设置在井下部件958的外表面(未单独标记)中的腔或凹陷部(也未单独标记)中。例如，可通过使用一个或多个定中心器(未示出)使模块1101′在孔1109中居中。由传感器1102′感测的感兴趣参数可与由传感器1102感测的那些相同或类似。像模块1101一样，模块1101′是机械和电独立的和模块化的，因为模块1101′可以在不影响模块1101′或井下部件58中的部件的情况下附接到井下部件958和从该井下部件移除。

模块1101′还可包括用于无线通信的通信装置1104′(诸如模块1101的通信装置1104)、控制器1103′(诸如模块1101的控制器1103)、类似于模块1101的储能装置1105的储能装置1105′、从模块1101′外部的能量传输装置1106′无线地接收能量的能量接收装置1107′，类似于模块1101的能量传输/接收装置1106/1107。因此，通过利用至少传感器1102′和通信装置1104′进行无线通信，模块1101′可被设置成不具有任何物理电连接件，诸如电线、连接器或类似物。这允许模块不具有电连接点，诸如电气出口或入口(例如，插头、插头插座、插座或类似物)。这可能对模块的可靠性具有很大影响，因为电气出口或入口通常是井下零件的缺点，特别是如果需要密封模块的内部使其免受在典型井下环境中可能出现的高压外部流体的影响。

本文所述的测量设备和天线配置可用于执行钻井操作的各种方法中。方法的示例包括控制导向系统或传感器模块的部件，该导向系统或传感器模块包括设置在本文讨论的非旋转套筒模块中的部件。该方法可结合系统10和/或模块64、1101、1101′执行，但不限于此。该方法包括下文所述的一个或多个阶段。在一个实施方案中，该方法包括以所述顺序执行所有阶段。然而，可省略某些阶段、可添加阶段，或者可改变阶段的顺序。

在第一阶段中，将连接到钻柱的钻井组件部署到钻孔中，例如，作为LWD或MWD操作的一部分。在第二阶段中，通过经由地表或井下装置旋转驱动轴和钻头来操作钻井组件。在一个实施方案中，驱动轴被非旋转套筒环绕，该非旋转套筒包括容纳并至少部分地封闭一个或多个偏置元件的一个或多个模块。在另一实施方案中，一个或多个模块包括在BHA的旋转部分中。每个模块中的一个或多个部件经由储能装置和/或能量传输/接收装置(诸如接收交变磁场的线圈、电感耦合器、电感变压器、电感电力装置、可移动磁体、机械耦合、或将来自钻井液流、驱动轴的旋转或BHA的振动的机械能转化成为偏置元件的控制装置、传感器和/或致动装置供电的电能的磁性耦合)供电。在第三阶段，执行模块和钻柱的其他部件之间的通信。例如，模块与钻柱的另一部分(诸如，第二模块、MWD工具或其他井下部件)通信，例如，以提供与地表的通信、传送传感器数据(诸如，钻柱方向和位置)或协调偏置元件的操作。每个模块还可以无线地通信，以协调多个模块中的多个偏置元件或传感器的操作。

在第四阶段，操作传感器或偏置元件以感测感兴趣参数，或控制和导向钻井组件。例如，每个模块包括控制器，该控制器可从地表或井下处理装置(例如，地表处理单元，参见图1)接收通信或命令以致动偏置元件，例如，以接触钻孔壁，或者控制感测感兴趣参数或将基于感测到的感兴趣参数生成的数据存储到数据存储装置。被操作以导向钻井组件的偏置元件或未被操作以导向钻井组件的附加/另选偏置元件(未示出)(例如，相应地，扩孔钻的刀片或稳定器刀片或可扩展稳定器)可初始由有源元件(例如，致动器)或无源元件(例如，弹簧)扩展或致动，以增加偏置元件和钻孔壁之间的摩擦。

例如，偏置元件和钻孔壁之间的摩擦可增加到接近或甚至高于轴承的摩擦的水平，从而产生套筒相对于钻孔壁的旋转的初始阻力，并且因此引发驱动轴和非旋转套筒之间的相对旋转。例如，偏置元件和钻孔壁之间的摩擦可增加到允许钻孔壁和非旋转套筒之间的初始夹持的水平，并且因此引发驱动轴和非旋转套筒之间的相对旋转。

被配置为被初始扩展或致动以增加非旋转套筒和钻孔壁之间的摩擦的此类偏置元件可以是滑动垫、通电辊、弹簧、刀片或旋转杠杆中的至少一者。被配置为被初始扩展或致动以增加非旋转套筒和钻孔壁之间的摩擦的偏置元件可以是需要外部能量供应的有源元件或可在没有外部能量供应的情况下被致动或扩展的无源元件，诸如例如弹簧。如果偏置元件的初始扩展或致动由有源元件提供，则由有源元件扩展/致动偏置元件所需的能量可由储能装置(诸如电容器、超级电容器、电池、燃料电池或可再充电电池)提供。此类储能装置还可用于为模块内的控制器或传感器通电。

由一个或多个偏置元件的初始致动或扩展引起的初始较高摩擦引起驱动轴和套筒的相对旋转，以允许通过能量接收装置接收能量，该能量接收装置接收从钻柱的旋转能量转换的能量。然后，所接收的能量用于操作偏置元件、控制器、电子器件、传感器，或对储能装置充电。储能装置还可以在导向组件的操作期间由能量接收装置重新装载。然后操作一个或多个偏置元件以控制钻井组件的方向。

在第五阶段，从钻孔移除钻井工具，并且从钻井组件拆卸包括偏置元件、传感器和/或电子器件(诸如用于无线通信的通信装置和/或用于无线传输和/或接收能量的能量传输/接收装置)的模块。模块将被运送到远程位置以进行清洁、验证、校准、维护、数据传递(下载或上传)或修理。在这些活动期间，用于无线通信的通信装置、储能装置和/或能量传输/接收装置允许至少部分地操作模块，或与模块无线通信。例如，在清洁、验证、校准、数据传递(下载或上传)、维护或修理期间的一些或所有步骤可在没有物理连接件(诸如到模块的电连接器)的情况下完成。这允许模块不具有电连接点，诸如电气出口或入口(例如，插头、插头插座、插座或类似物)。这可能对模块的可靠性具有很大影响，因为电气出口或入口通常是井下零件的缺点，特别是如果需要密封模块的内部使其免受在典型井下环境中可能出现的高压外部流体的影响。

在第六阶段，至少类似于在第五阶段期间从钻井组件拆卸的模块的另一模块将被安装到已经准备并且通过清洁、验证、校准、维护、数据传递(下载或上传)或修理中的一者或多者准备好部署在井下的钻井组件中。由于模块的模块化，不需要利用进一步的措施或程序来确保在该步骤期间模块或其他井下零件的密封。因此，在钻井现场不需要密封处理。这允许更短的组装持续时间并最终降低操作成本。

本文所述的实施方案提供了许多优点。实施方案的优点包括通过在无需任何物理电连接器的情况下向包括偏置元件或传感器的模块提供电力和/或通信来简化对导向组件或测量工具的组装、修理、维护、测试、验证、数据传递(下载或上传)和校准。例如，通过允许在不影响其他导向组件或钻柱部件的情况下移除和更换模块来简化导向组件的维护，无需执行复杂的程序来组装和拆卸导向组件的套筒，无需通过物理电连接器将模块连接到导向组件或将该模板与该导向组件断开，并且无需高度熟练的人员。模块的模块性提供相对简单的模块更换并改善周转时间。其他优点包括较低的系统复杂性、较高的可靠性和较低的寿命周期成本、以及较短的总体工具和/或套筒长度。

下面示出了前述公开的一些实施方案：

实施方案1：一种用于在井下测量感兴趣参数的装置，该装置包括被配置为设置在形成于地层中的钻孔中的井下部件和被配置为可移除地连接到井下部件的至少一个模块。至少一个模块至少部分地封闭被配置为测量感兴趣参数的传感器。至少一个模块至少部分地封闭用于无线通信的通信装置。

实施方案2：根据任一前述实施方案所述的装置，其中通信装置能够操作以与至少一个模块外部的装置通信。

实施方案3：根据任一前述实施方案所述的装置，其中至少一个模块还包括：控制器，该控制器能够操作以控制感兴趣参数的测量、所测量的感兴趣参数的处理和所测量的感兴趣参数的存储中的至少一者。

实施方案4：根据任一前述实施方案所述的装置，其中通信装置被配置为至少部分地无线传输感兴趣参数。

实施方案5：根据任一前述实施方案所述的装置，其中所述传感器是方向传感器、地层评估传感器和用于测量操作数据的传感器中的至少一者。

实施方案6：根据任一前述实施方案所述的装置，其中模块通过螺钉、螺栓、螺纹、磁体和夹紧装置中的至少一者可移除地连接到井下部件。

实施方案7：根据任一前述实施方案所述的装置，其中至少一个模块通过夹紧装置连接到井下部件，该夹紧装置包括机械夹紧装置、热夹紧装置、形状记忆合金装置、压力配合装置和锥形配合装置中的至少一者。

实施方案8：根据任一前述实施方案所述的装置，还包括设置在至少一个模块中的储能装置，该储能装置被配置为向通信装置和传感器中的至少一者提供能量。

实施方案9：根据任一前述实施方案所述的装置，其中至少一个模块是密封的。

实施方案10：根据任一前述实施方案所述的装置，其中用于无线通信的通信装置包括天线、电感耦合装置、电磁耦合装置、电磁谐振耦合装置、声学耦合装置中的至少一者。

实施方案11：根据任一前述实施方案所述的装置，还包括能量传输装置和能量接收装置，该能量接收装置被至少部分地封闭在模块中，该能量传输装置将能量至少部分地无线传输到能量接收装置。

实施方案12：根据任一前述实施方案所述的装置，还包括设置在至少一个模块中的储能装置，该储能装置被配置为存储由能量接收装置接收的能量。

实施方案13：根据任一前述实施方案所述的装置，其中能量传输装置包括天线、电感变压器、永磁体、电磁体和线圈中的至少一者。

实施方案14：根据任一前述实施方案所述的装置，其中能量传输装置和能量接收装置中的至少一者还包括能够操作以将机械能转换成电能的交流发电机装置。

实施方案15：根据任一前述实施方案所述的装置，其中井下部件包括内孔，至少一个模块被布置在井下部件的内孔中。

实施方案16：根据任一前述实施方案所述的装置，其中井下部件包括具有腔的外表面，至少一个模块被布置在腔中。

实施方案17：一种在井下操作中测量感兴趣参数的方法，该方法包括将井下部件设置在地层中，以及将模块可移除地连接到井下部件。模块至少部分地封闭被配置为测量感兴趣参数的传感器和用于无线通信的通信装置。感兴趣参数由传感器感测，并且数据I通过通信装置传送。数据为基于感兴趣参数的。

实施方案18：根据任一前述实施方案所述的方法，其中传送数据包括将数据传送到模块外部的装置。

实施方案19：根据任一前述实施方案所述的方法，还包括通过能量传输装置和能量接收装置向模块至少部分地无线提供能量，该能量接收装置设置在模块中。

实施方案20：根据任一前述实施方案所述的方法，其中可移除地连接模块包括与螺钉、螺栓、螺纹、磁体和夹紧装置中的至少一者可移除地连接。

与本文的教导内容相结合，可以使用各种分析和/或分析部件，包括数字和/或模拟子系统。系统可具有诸如处理器、存储介质、存储器、输入部、输出部、通信链路(例如，有线、无线、脉冲泥浆、光学或其他)、用户界面、软件程序、信号处理器之类的部件以及其他此类部件(诸如电阻器、电容器、电感器等)，用于以本领域熟知的若干方式中的任一种来提供对本文所公开的设备和方法的操作和分析。可以认为，这些教导内容可以但不必结合存储在计算机可读介质上的计算机可执行指令集来实现，该计算机可读介质包括存储器(ROM、RAM)、光学介质(CD-ROM)或磁性介质(例如，磁盘、硬盘驱动器)或任何其他类型的介质，这些计算机可执行指令在被执行时，致使计算机实现本发明的方法。除了本公开中所描述的功能之外，这些指令还可提供系统设计者、所有者、用户或其他此类人员认为相关的装备操作、控制、数据收集和分析以及其他功能。

本领域技术人员应当认识到，各种部件或技术可提供某些必要的或有益的功能或特征。因此，支持所附权利要求及其变型形式可能需要的这些功能和特征被认为是作为本文的教导内容的一部分和公开的本发明的一部分而固有地包括在内。

虽然已参考示例性实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可作出各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可作出许多修改以使特定的仪器、情形或材料适应本发明的教导内容。因此，本发明并不旨在限于作为实施本发明的最佳设想模式而公开的特定实施方案。

Claims (15)

1.一种用于在井下测量感兴趣参数的装置，所述用于在井下测量感兴趣参数的装置包括：

井下部件(58/958)，所述井下部件经由一个或多个钻柱连接件机械地连接到底部钻具组合或钻柱的至少一部分，所述井下部件被配置为设置在形成于地层(16)中的钻孔(14)中；

至少一个模块(28/64/101)，所述至少一个模块被配置为可移除地连接到所述井下部件(58/958)，所述至少一个模块(28/64/101)至少部分地封闭被配置为测量所述感兴趣参数的传感器(1102)，所述至少一个模块(28/64/101)至少部分地封闭用于无线通信的第一通信装置(1104/1110)，并且所述至少一个模块至少部分地封闭偏置装置，所述偏置装置能够被致动以影响钻井方向的变化；以及

第二通信装置，布置在钻孔中并且被配置用于无线通信，其中第一通信装置被配置为从第二通信装置接收数据以及向第二通信装置传输数据，

其中所述模块能够从所述井下部件移除，而无需断开钻柱连接件，并且无需将井下部件从底部钻具组合或钻柱拆卸。

2.根据权利要求1所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，其中所述第一通信装置(1104/1110)能够操作以从所述至少一个模块(28/64/101)外部的所述第二通信装置接收数据以及向所述第二通信装置发送数据。

3.根据权利要求1所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，其中所述至少一个模块(28/64/101)还包括：控制器(88/1103)，所述控制器能够操作以控制所述感兴趣参数的所述测量、所测量的感兴趣参数的处理和所测量的感兴趣参数的存储中的至少一者。

4.根据权利要求1所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，其中所述第一通信装置(1104/1110)被配置为至少部分地无线传输所述感兴趣参数。

5.根据权利要求1所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，其中所述传感器(1102)是方向传感器(1102)、地层评估传感器(1102)和用于测量操作数据(40)的传感器(1102)中的至少一者。

6.根据权利要求1所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，其中所述至少一个模块(28/64/101)通过螺钉、螺栓、螺纹、磁体(98)和夹紧装置中的至少一者可移除地连接到所述井下部件(58/958)。

7.根据权利要求6所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，其中所述至少一个模块(28/64/101)通过所述夹紧装置连接到所述井下部件(58/958)，所述夹紧装置包括机械夹紧装置、热夹紧装置、形状记忆合金装置、压力配合装置和锥形配合装置中的至少一者。

8.根据权利要求1所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，还包括：设置在所述至少一个模块(28/64/101)中的储能装置(94/1105)，所述储能装置(94/1105)被配置为向所述第一通信装置(1104/1110)和所述传感器(1102)提供能量。

9.根据权利要求1所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，其中所述至少一个模块(28/64/101)是密封的。

10.根据权利要求1所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，其中所述第一通信装置(1104/1110)和所述第二通信装置中的至少一个包括天线(68/69)、电感耦合装置、电磁耦合装置、电磁谐振耦合装置、声学耦合装置中的至少一者。

11.根据权利要求1所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，还包括：能量传输装置(96/1106)和能量接收装置(96/1107)，所述能量接收装置(96/1107)被至少部分地封闭在所述至少一个模块(28/64/101)中，所述能量传输装置(96/1106)将能量至少部分地无线传输到所述能量接收装置(96/1107)。

12.根据权利要求11所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，还包括：设置在所述至少一个模块(28/64/101)中的储能装置(94/1105)，所述储能装置(94/1105)被配置为存储由所述能量接收装置(96/1107)接收的能量。

13.根据权利要求11所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，其中所述能量传输装置(96/1106)包括天线(68/69)、电感变压器、永磁体(98)、电磁体和线圈中的至少一者。

14.根据权利要求11所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，其中所述能量传输装置(96/1106)和所述能量接收装置(96/1107)中的至少一者还包括能够操作以将机械能转换成电能的交流发电机装置(104)。

15.根据权利要求1所述的用于在井下测量感兴趣参数的装置，其中所述井下部件(58/958)包括内孔(1109)和具有腔的外表面，所述至少一个模块(28/64/101)被布置在所述井下部件(58/958)的所述内孔(1109)和所述腔中的至少一者中。