CN115151706A - 用于井下操作的信号可透过管 - Google Patents
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Abstract
本文公开了用于与井下管柱一起使用的信号可透过管和执行器可透过管。该信号可透过管包括：管连接器，该管连接器被构造成接合和连接到不同的井下管并且由金属形成；信号可透过部分，该信号可透过部分连接到该管连接器并且由复合材料形成；以及传感器、执行器和发射器中的至少一者，该至少一者被布置在该信号可透过部分内并且至少部分地被该复合材料包围，其中该信号可透过部分的该复合材料被选择为对于能够由该至少一个传感器、执行器和/或发射器检测或由其发射的信号的特性是可透过的。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年2月27日提交的美国申请序列号62/982320的更早提交日期的权益，该美国申请的全部公开内容以引用方式并入本文。
背景技术
1.技术领域
本发明整体涉及用于使传感器沿管柱分布，并且通过天线段的电绝缘沿井下柱对传感器数据进行电磁遥测的井下操作和系统。
2.相关技术的描述
在地下深处钻出钻孔以用于许多应用，诸如二氧化碳封存、氢储存、地热生产以及油气勘探和生产。在所有这些应用中，钻出钻孔，使得它们穿过位于地表下方的地层(例如，封存箱)中所包含的材料(例如，气体或流体)或允许触及该材料。可将不同类型的工具和仪器设置在钻孔中以执行各种任务和测量。
各种传感器可用于钻井操作期间的测井和测量(例如，随钻测量和随钻测井)。此类传感器可被配置成发射和/或接收特定的量子粒子和/或电磁辐射，以使得能够调查井下条件。一些此类传感器可被配置成使用可能受钻柱本身影响的某些参数来操作，并且因此测量结果和日期可能受钻柱的影响。因此，减少钻柱对钻井操作中使用的测量装置和传感器的影响和作用可能是有利的。
发明内容
本文公开了用于在井下条件下以高分辨率实现自适应和定向量子粒子滤波和测量，并且通过系统嵌入式电磁遥测(EM)系统以高数据速率将测量数据传输到地面的系统和方法。可在设计中引入振动补偿和阻尼元件，以提高测量的分辨率并且保护钻柱和传感器免受井下操作引起的振动。
根据一些实施方案，提供了与井下管柱一起使用的信号可透过管。该信号可透过管包括：管连接器，该管连接器被构造成接合和连接到不同的井下管并且由金属形成；信号可透过部分，该信号可透过部分连接到管连接器并且由复合材料形成；以及传感器、执行器和发射器中的至少一者，该至少一者被布置在信号可透过部分内并且至少部分地被复合材料包围，其中信号可透过部分的复合材料被选择为对于能够由至少一个传感器、执行器和/或发射器检测或由其发射的信号的特性是可透过的。
井下管柱被定义为井筒构造的一部分和/或钻柱的一部分。井筒构造的部分和钻柱的部分能够通过利用信号可透过管技术彼此相互作用，以作为物联网(IoT)系统的一部分来收集和交换信息。
根据一些实施方案，提供了与井下管柱一起使用的信号可透过管。该信号可透过管包括：管连接器，该管连接器被构造成接合和连接到不同的钻井管并且由金属形成；和信号可透过部分，该信号可透过部分连接到管连接器并且由复合材料形成，该复合材料被选择为对于传感器的特性是可透过的。
根据一些实施方案，提供了用于井下操作的执行器可透过管。该执行器可透过管包括：管连接器，该管连接器被构造成接合和连接到不同的井下管并且由金属形成；和执行器可透过部分，该执行器可透过部分连接到管连接器并且由复合材料形成，该复合材料被选择为对于执行器的特性是可透过的。在本公开的上下文中，执行器被定义为被配置成发射信号的设备。执行器可透过设备或材料被定义为相对于由执行器产生的信号是可透过的或至少部分可透过的设备或材料。
根据一些实施方案，提供了用于执行井下操作的钻柱。钻柱包括多个钻井管和连接到多个钻井管中的至少一个钻井管的信号可透过管。信号可透过管包括：管连接器，该管连接器被构造成接合和连接到至少一个钻井管并且由金属形成；信号可透过部分，该信号可透过部分连接到管连接器并且由复合材料形成；和传感器，该传感器被布置在信号可透过部分之中或之上的至少一个信号可透过部分上，其中信号可透过部分的复合材料被选择为对于传感器的特性是可透过的。
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详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将变得显而易见，其中类似的元件具有类似的编号，附图中：
图1是可以采用本公开的实施方案的用于执行井下操作的系统的示例；
图2是根据本公开的实施方案的结合有信号可透过管的钻柱的示意图；
图3是根据本公开的实施方案的信号可透过管的示意图；
图4是根据本公开的实施方案的信号可透过管的一部分的截面图；
图5是根据本公开的实施方案的信号可透过管的一部分的截面图；
图6是根据本公开的实施方案的信号可透过管的一部分的截面图；
图7是根据本公开的实施方案的信号可透过管的示意图；
图8是根据本公开的实施方案的信号可透过管的示意图；并且
图9是根据本公开的实施方案的信号可透过管的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于执行井下操作的系统的示意图。如图所示，该系统为钻井系统10，该钻井系统包括钻柱20，该钻柱具有钻井组件90(也称为井底钻具组合(BHA))，该钻井组件在穿透地层60的钻孔26中输送。钻孔26的至少一部分可用套管24或尾管(未示出)稳定。钻井系统10包括常规井架11，该常规井架竖立在底板12上，该底板支撑旋转台14，该旋转台由原动机(诸如电动马达(未示出))以期望的旋转速度旋转。钻柱20包括钻井管22诸如钻管，该钻管从旋转台14向下延伸到钻孔26中。碎裂设备50(诸如附接到BHA 90的端部的钻头)在其旋转时使地质地层碎裂以钻出钻孔26。钻柱20联接到地面装备，诸如用于通过滑轮23经由方钻杆接头21、转环28和管线29来举升、旋转和/或推动(包括但不限于)绞车30的系统。在一些实施方案中，地面装备可以包括顶部驱动装置(未示出)。在钻井操作期间，操作绞车30以控制钻压，钻压影响钻进速率。绞车30的操作在本领域中是众所周知的，因此在本文不再详细描述。
在钻井操作期间，来自源或泥浆坑31的合适的钻井液32(也称为“泥浆”)在压力下由泥浆泵34循环通过钻柱20。钻井液31经由波动消除器36、流体管线38和方钻杆接头21进入钻柱20中。钻井液31在钻孔底部51处通过碎裂设备50中的开口排出。钻井液31通过钻柱20和钻孔26之间的环形空隙27沿井孔向上循环，并且经由回流管线35返回到泥浆坑32。流体管线38中的传感器S1提供关于流体流速的信息。与钻柱20相关联的地面扭矩传感器S2和传感器S3分别提供关于钻柱的扭矩和旋转速度的信息。另外的传感器可被配置在地面处(例如，作为钻井系统10的一部分和/或设置在井下)，并且可包括但不限于气体层析传感器，该气体层析传感器被配置成在使钻井液循环的同时监测钻井液31的气体含量和组成。一些此类传感器可配置有比使用BHA嵌入式传感器的通路检测和经由电磁遥测的传输(秒)更长的响应时间(分钟)。另外，使用与管线29相关联的一个或多个传感器来提供钻柱20的钩负荷以及与钻孔26的钻井有关的其他期望参数。该系统还可包括定位在钻柱20和/或BHA90上的一个或多个井下传感器70。
在一些应用中，仅通过使钻管22从地面旋转来使碎裂设备50旋转。然而，在其他应用中，使用设置在钻井组件90中的钻井马达55(例如泥浆马达)来使碎裂设备50旋转和/或叠加或补充钻柱20的旋转。在任一种情况下，对于给定的地层和给定的钻井组件，碎裂设备50进入地层60的钻进速率(ROP)在很大程度上取决于钻压和钻头旋转速度。在图1的实施方案的一个方面，钻井马达55经由设置在轴承组件57中的驱动轴(未示出)联接到碎裂设备50。当钻井液31在压力下通过钻井马达55时，钻井马达55使碎裂设备50旋转。轴承组件57支撑碎裂设备50的径向力和轴向力、钻井马达的下推力以及来自所施加的钻压的反应性向上负荷。联接到轴承组件57和/或其他合适位置的稳定器58充当钻井组件90或其部分的扶正器。
一个或多个地面控制单元40可被配置成从井下传感器70和设备经由放置在流体管线38中的换能器43诸如压力换能器接收信号，以及从传感器S1、S2、S3(和其他地面传感器)、钩负荷传感器、RPM传感器、扭矩传感器、井下传感器和系统中使用的任何其他传感器接收信号，并且根据提供给地面控制单元40的已编程的指令来处理此类信号。地面控制单元40可被配置成在一个或多个相关联的显示器/监视器42上显示由钻机现场的操作人员用来控制钻井操作的期望的钻井参数和其他信息。地面控制单元40可包括计算机；存储器，该存储器用于存储计算机中的处理器可访问的数据、计算机程序、模型和算法；记录器，诸如磁带单元、存储器单元等，该记录器用于记录数据；以及其他外围设备。地面控制单元40还可包括由计算机用来根据已编程的指令来处理数据的仿真模型。地面控制单元被配置成响应通过合适的设备(诸如，键盘)输入的用户命令。地面控制单元40可被配置成在出现某些不安全的或不期望的操作条件时激活警报44。
钻井组件90还包含其他传感器和设备或工具，用于提供与围绕钻孔的地层有关的多种测量结果以及用于沿着期望的路径钻出钻孔26。此类设备可包括用于测量钻头附近和/或钻头前方或BHA 90周围的地层电阻率、电导率或介电常数的设备；用于测量地层伽马射线强度的伽马射线设备；用于测量响应于从BHA 90中包括的核发射器(未示出)发射到地层60的辐射而来自地层60的核辐射(诸如α射线、β射线、γ射线、x射线，量子粒子)的核设备；用于测量响应于从BHA 90中包括的声学发射器或执行器(未示出)发射到地层60的声能而来自地层60的声波的声学设备；用于测量响应于从BHA 90发射到地层60中的静态和动态磁场的核磁信号的NMR设备；和用于确定钻柱的倾斜度、方位角和位置的设备。
根据本文所述的实施方案制作的这种测量设备64可联接在任何合适的位置(包括下部启动子组件或转向单元62上方)处，以用于估计或确定在碎裂设备50附近或前方或在其他合适位置处的地层性质，诸如但不限于地层电阻率。又如，可适当地放置测斜仪74和伽马射线设备76，以用于分别确定BHA的倾斜度和地层伽马射线强度。可使用任何合适的测斜仪和伽马射线设备。另外，可利用诸如磁力仪或陀螺仪设备的方位角设备(未示出)来确定钻柱方位角。此类设备是在本领域已知的，因此在本文不再详细描述。在上述示例性配置中，钻井马达55经由轴来向碎裂设备50传递动力，该轴还使钻井液能够从钻井马达55传递到碎裂设备50。在钻柱20的替代实施方案中，钻井马达55可联接在电阻率测量设备64下方或任何其他合适的位置处。
仍然参考图1，其他随钻测井(LWD)装置(在此总体上由标号77表示)，诸如用于测量地层孔隙度、渗透性、密度、岩石性质、流体性质等的装置，可以置于钻井组件90中的适当位置处，以提供用于评估沿钻孔26的地下地层的信息。此类设备可包括但不限于温度测量工具、压力测量工具、钻孔直径测量工具(例如，卡尺)、声学工具、核工具、核磁共振工具以及地层测试和采样工具。
上述设备将数据发射到井下遥测系统72，该井下遥测系统继而将所接收的数据沿井孔向上发射到地面控制单元40。井下遥测系统72还从地面控制单元40接收信号和数据，并将此类接收到的信号和数据传输到适当的井下设备。在一个方面，可使用泥浆脉冲遥测系统在钻井操作期间在井下传感器70和设备和地面装备之间传送数据。放置在流体管线38(例如，泥浆供应管线)中的换能器43可被配置成响应于井下遥测系统72所发射的数据来检测泥浆脉冲。
换能器43可被配置成响应于泥浆压力变化而生成电信号，并将此类信号经由导体45发射到地面控制单元40。在其他方面，可使用任何其他合适的遥测系统用于在地面与BHA90之间进行双向数据通信(例如，下行链路和上行链路)，这些遥测系统包括但不限于声学遥测系统、电磁遥测系统、光学遥测系统、可在钻柱或钻孔中利用无线联接器或中继器的有线管遥测系统。可通过连接钻管段来构成有线管遥测系统，其中每个管段都包括沿着管延伸的数据通信链路(诸如电线)。管段之间的数据连接可通过任何合适的方法进行，这些方法包括但不限于硬电连接或光连接、感应、电容、共振耦合(诸如电磁共振耦合)或定向耦合方法。在使用连续油管作为钻管22的情况下，数据通信链路可沿着连续油管延伸的侧面。
到目前为止所描述的钻井系统涉及那些利用钻管将钻井组件90输送到钻孔26中的钻井系统，其中通常通过控制绞车的操作来从地面控制钻压。然而，大量当前钻井系统，特别是用于钻探高度偏斜钻孔和水平钻孔的钻井系统，都利用连续油管来将钻井组件输送到井下。在此类应用中，有时在钻柱中部署推进器来在钻头上提供期望的力。另外，当利用了连续油管时，并不通过旋转台旋转油管，而是通过合适的注入器将油管注入钻孔中，同时井下马达(诸如钻井马达55)使碎裂设备50旋转。对于海上钻井，使用海上钻机或船只来支撑钻井装备，包括钻柱。
仍然参考图1，可提供电阻率工具64，其包括例如多根天线，包括例如发射器66a或66b或和接收器68a或68b。电阻率可以是在作出钻井决定时感兴趣的一种地层性质。本领域技术人员将理解，其他地层性质工具可与电阻率工具64一起使用或代替该电阻率工具。
尾管钻井可以是用于提供碎裂设备的一种配置或操作，因为与常规钻井相比具有若干优点，因此在油气工业中变得越来越有吸引力。在标题为“用于在单程期间钻出钻孔、设置尾管并固结钻孔的装置和方法”(Apparatus and Method for Drilling a Borehole,Setting a Liner and Cementing the Borehole During a Single Trip)的共同拥有的美国专利号9004195中示出和描述了此类构造的一个示例，该专利全文以引用方式并入本文。重要的是，尽管钻进速率相对较低，但由于尾管在钻探钻孔的同时下钻，因此减少了将尾管对准目标的时间。这在膨胀的地层中可能是有益的，在这种地层中，钻井的收缩会阻碍尾管的安装。此外，在耗尽且不稳定的油层中使用尾管进行钻探，可最大程度地降低因钻孔塌陷而卡住管或钻柱的风险。
尽管图1是关于钻井操作示出和描述的，但是本领域技术人员将理解，尽管具有不同的部件，但是类似的构造可以用于执行不同的井下操作。例如，如本领域已知的，可使用电缆、有线管、尾管钻井、扩眼、连续油管和/或其他构造。此外，可采用生产配置用于从地层提取材料和/或向地层中注入材料。因此，本公开不限于钻井操作，而是可用于任何适当或期望的一个或多个井下操作。
钻管或BHA通常由刚性金属材料制成，该刚性金属材料能够有效地将扭矩从一个管区段传递到另一个管区段。虽然此类机械强度高的管或BHA区段有利于钻井，但此类管或BHA材料可能影响井下系统的传感器和探头的操作和效率。例如，此类金属管或BHA区段可能阻挡或以其他方式干扰传感器(例如，发射型传感器)，该传感器通过发射器(例如利用执行器的发射器)将能量或信号发射或投射到钻柱外部的区域(即，进入井下地层或钻孔壁)。
例如，钻管或BHA区段可由可能干扰磁性传感器(诸如磁力仪)的磁性材料制成。又如，钻管或BHA区段可由对由传感器感测的信号具有有限透过性的材料制成。例如，钻管或BHA区段可由对以下项具有有限透过性的材料制成：电磁能(例如，因为钻管或BHA区段由导电材料或具有高磁导率的材料制成)、声能(例如，因为钻管或BHA区段由具有高密度的材料制成)、核能(例如，因为钻管或BHA区段由对核辐射具有有限透过性的材料制成)和/或NMR信号(例如，因为钻管或BHA区段由导电材料或具有高磁导率的材料制成)。
一种可行的解决方案是包括对此类传感器属性(例如，电磁波、核辐射、静电场或磁场、声能、成像技术等)可透过的钻管的段或部分。通常，此类可透过段或部分在结构上比金属钻管弱，并且因此必须对此进行适当的考虑。然而，如本文所述，公开了结构坚固的钻管构造，其能够实现钻井操作和有效的传感器操作两者。此外，具有信号可透过段或部分的钻管可以是电隔离的(例如，不导电的)，因此消除了对传感器操作的这种额外干扰。
因此，根据本公开的一些实施方案，描述了非磁性钻管工具接头(例如，非磁性金属钻管工具接头)、碳纤维复合物和不导电玻璃/芳族聚酰胺或陶瓷纤维复合物钻柱元件的组合。这种多属性钻管段可提供成本有效和高分辨率的测量。此类测量可以是射线型传感器测量，包括但不限于α射线、β射线、γ射线、x射线和其他量子粒子传感器，包括所有振幅和/或频率的电磁辐射传感器，如本领域技术人员将理解的。可与本公开的实施方案一起采用的各种其他传感器包括但不限于声学传感器和NMR传感器。本文所述的实施方案可应用于随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)应用和探测。通过使用由信号可透过材料诸如不导电材料提供的电绝缘，可使用电磁遥测(例如，通过偶极天线间隙接头)。此外，本文所述的实施方案可提供低重量、高灵活性以成为钻柱的一部分，并且能够实现具有马达或旋转可导向系统(RSS)的高构建速率应用。
现在转向图2，示出了根据本公开的实施方案的钻柱200的示意图。钻柱200可用于诸如结合图1所示和所述的钻井系统中。钻柱200包括在钻柱200的远端或井底端处的诸如钻头202的碎裂设备。钻头是井底钻具组件204的一部分，如图所示，该井底钻具组件包括电子接头206和转向接头208。从井底钻具组件204沿井孔向上的是信号可透过管210、电力和电子传感器接头212、遥测接头214和金属钻管216。
在一些实施方案中，信号可透过管210、电子传感器接头212和遥测接头214可以是井底钻具组件204的一部分，该井底钻具组件设置在一系列金属钻管216的端部上，如本领域技术人员将理解的。在一些实施方案中，两个或更多个信号可透过管210可被包括在钻柱200和/或BHA 204中，其中它们可用于容纳传感器或提供遥测装置，如本文更详细描述的。
在该例示性实施方案中，信号可透过管210由多种材料构造以提供传感器可透过性和灵活性。第二传感器接头212可以是金属接头，其具有可能不受金属壳体影响的一个或多个探头或其他类型的传感器。在一些实施方案中，信号可透过管210和/或传感器接头212可包括电子器件或其他控制元件，如本领域技术人员将理解的。遥测接头214可被配置用于通过遥测向/从地面传输信息和/或命令。在一些实施方案中，金属钻管216可被配置成作为遥测天线操作或发挥作用。
信号可透过管210可配置有管连接器，以使得能够连接到信号可透过管210的沿井孔向上的传感器接头212和从信号可透过管210沿井孔向下定位的井底钻具组件204的一部分(例如，连接到电子接头206或转向接头208)。在管连接器之间，使用一种或多种信号可透过材料来形成传感器壳体，该传感器壳体至少部分地对信号可透过管210的传感器被配置来检测的信号可透过(例如，对来自传感器接头的发射器或执行器的辐射或发射可透过，或对由传感器接头的传感器接收的辐射或发射可透过)。信号可透过管210可包括安装或布置在接头内部(即，容纳在壳体内)和/或嵌入在接头结构的材料内(即，嵌入在壳体的材料内)的一个或多个传感器。
信号可透过管210可至少部分地由坚固的、不导电的、非磁性的和/或其他信号可透过材料制成。这种强度允许在钻井操作期间在钻柱200内使用信号可透过管210。也就是说，信号可透过管210的强度允许重量和/或扭矩从信号可透过管210的井上侧传递到信号可透过管210的井下侧。此外，信号可透过管210的材料的不导电性质可提供相对于信号可透过管210的井上元件和井下元件之间的电磁中断、隔离和/或分离。最后，信号可透过材料使得能够在信号可透过管210内有效地使用和操作传感器，而不干扰、衰减或阻挡信号。信号的干扰、衰减或阻挡可能存在于钻管的典型金属接头或段中。如本文所提及的，信号可透过管210可以是作为钻柱200的一部分的改良钻井管，并且因此不仅仅是井底钻具组件的典型电子器件或其他接头或模块。
因此，信号可透过管210是钻柱200的包括传感器或发射器/执行器的段，并且信号可透过管210的一部分对于特定传感器被配置来检测的能量或信号(例如，EM辐射、声音、α射线、β射线、γ射线、x射线、量子粒子等)是可透过的。作为信号可透过管210的钻井管的电绝缘使得能够利用用于电磁遥测(偶极天线间隙接头)的复合钻管。此外，这种复合钻井管使得钻柱能够在高灵活性下实现低重量，以用于具有马达或旋转可导向系统(RSS)的高构建速率应用。
在一些实施方案中，信号可透过管210的相对两端上的管连接器可由高强度磁性或非磁性钢(或其他金属)制成。这些管连接器能够与钻柱的其他段接合，诸如通过标准API螺纹工具接头或定制的连接件，如本领域技术人员将理解的。
根据一些实施方案，信号可透过管210的一部分由超高强度复合材料制成，该超高强度复合材料是刚性的并且足以承受在管连接器的夹紧元件处的高夹紧和弯曲负荷。该部分可被称为信号可透过管的高强度部分。在一些实施方案中，这种复合材料对于传感器特性(例如，特定波长、声波、电感测、量子粒子等)可以是低透过或不可透过的。信号可透过中间部分可通过导电低射线可透过的极高机械强度纤维(例如，碳纤维)和不导电高射线可透过的高机械强度纤维(例如，玻璃纤维)的混合编织过渡区连接到高强度复合材料段。
根据一些实施方案，信号可透过管的一部分由复合材料制成，该复合材料是刚性的并且足以在操作期间作为钻井管的一部分操作(即，可传递扭矩和重量并且经受各种井下条件和钻井条件，诸如振动、旋转、温度、钻井液等)，而且对于传感器特性(例如，波长、声能、量子粒子等)也是可透过的。在一些非限制性实施方案中，与信号可透过管的管连接器和/或高强度部分相比，信号可透过管的该信号可透过部分可具有减小的直径。在其他实施方案中，信号可透过部分的直径可与管连接器和/或高强度部分(例如，3垫式稳定器的几何形状)的直径相同或其具有比管连接器和/或高强度部分的直径更大的直径。
除了信号可透过管的主要部分(即，信号可透过部分、高强度部分和管连接器)之外，可任选地提供附加部分以用于不同主要部分之间的接合。例如，夹具组件可布置在信号可透过部分与高强度部分之间和/或高强度部分与管连接器之间。另外，在一些实施方案中，多个不同的信号可透过部分可沿着信号可透过管布置，在此类不同部分之间具有连接件。
信号可透过部分可包括一个或多个传感器。在一些构造中，传感器可嵌入信号可透过部分的复合材料中。在一些实施方案中，另选地或与嵌入式构造组合，一个或多个传感器模块可布置在信号可透过部分内(即，容纳在信号可透过部分内)。在一些实施方案中，不管是嵌入的还是容纳的，信号可透过部分都可包括特定可透过材料的“窗口”，其对于信号可透过部分的特定传感器或传感器的属性是可透过的。
电气布线和/或连接件可嵌入在多部分钻井管的各个部分内，并且可被配置成电连接信号可透过管的传感器、传感器元件和/或其他电子器件。此外，在一些实施方案中，电气连接件可被布置成从一个管连接器延伸到另一个管连接器，从而允许与信号可透过管的上方和下方两者的钻柱部分的电气连接，同时保持基本上电隔离的信号可透过管。
现在转向图3，示出了根据本公开的实施方案的信号可透过管300的示意图。信号可透过管300可以是钻井管(例如，图1所示的钻井管22)、套管(例如，图1所示的套管24)、尾管、或其他类型的井下管、或如本领域技术人员将理解的这些项中的任一项的区段。
例如，图3所示的信号可透过管300可沿着用于地下地层中的钻井操作的钻柱布置。也就是说，在一些实施方案中，信号可透过管300可沿着如图1所示的钻柱或井底钻具组件布置，并且是结合其讨论的钻井管之一。在一些实施方案中，信号可透过管300可布置在钻柱的井底钻具组件上方(沿井孔向上)。
信号可透过管300包括被布置在信号可透过管300的相对两端的第一管连接器302和第二管连接器304。第一管连接器302可被构造成在信号可透过管300的第一侧或第一端上连接到井下柱(例如，金属钻柱管)的不同井下管或井底钻具组件区段，并且第二管连接器304可被构造成在信号可透过管300的第二侧或第二端上连接到钻柱的不同井下管或井底钻具组件区段。在第一管连接器302和第二管连接器304之间的是信号可透过部分306。信号可透过部分306通过朝向信号可透过管300的第一端的第一高强度部分308连接到第一钻井连接器302，并且通过朝向该信号可透过管的第二端的第二高强度部分310连接到第二钻井连接器。
在一些非限制性实施方案中，第一管连接器302和第二管连接器304可由非磁或低磁/不导电或低导电性材料(例如，奥氏体不锈钢或钛)形成。例如，第一管连接器302和第二管连接器304可由磁导率接近1，例如低于10，诸如低于5或甚至2(例如，磁导率低于1.5)的材料形成。在此类实施方案中，第一管连接器302和第二管连接器304的此类材料可确保信号可透过管300的磁隔离。
此外，高强度部分308、310和信号可透过部分306的材料可由非磁或低磁/不导电或低导电性材料制成。例如，高强度部分308、310可由磁导率接近1，例如低于10，诸如低于5或甚至2(例如，低于1.5)的材料形成。例如，在一些实施方案中，高强度部分308、310可由碳基材料(例如，碳纤维复合物)或非碳材料形成。此外，例如，在一些实施方案中，信号可透过部分306可由信号可透过材料形成，诸如聚醚酮酮或聚醚醚酮(PEKK、PEEK)、高强度铝、钛、合成纤维复合物，包括但不限于陶瓷、玻璃、芳族聚酰胺、玄武岩纤维、嵌入环氧化物或聚醚酮中的纤维、多层钛套管/合成纤维复合物、阳极化钛网/合成纤维复合物、低导电性纤维复合物，其嵌入低导电性粘合剂、热固性粘结剂、热塑性粘结剂或弹性体粘结剂等中。
在该例示性实施方案中，信号可透过部分306是信号可透过管300的圆柱形段或部分。也就是说，整个信号可透过部分306可提供围绕信号可透过管300的轴线Ax的360°角的可透过性(即，在相对于轴线Ax的径向方向上)。信号可透过部分306在轴向上的两端处连接或以其他方式附接到第一高强度部分308和第二高强度部分310。该连接可通过不同材料的编织复合纤维、夹具、紧固件、粘结件、焊接件、线、过盈配合件、它们的组合、和/或如本领域技术人员将理解的其他连接器/紧固件和机构来实现。在一些实施方案中，信号可透过部分306与第一高强度部分308和第二高强度部分310之间的连接可被确定或其基于对用于形成各个部分的材料的选择。
有利地，如图3所示，高强度部分306、308、310可具有小于第一管连接器302和第二管连接器304的外径的外径。由于这些部件/结构(例如，部分306、308、310以及第一管连接器302和第二管连接器304)可具有变化的直径(未示出)，因此可为部分306、308、310中的每一者以及第一管连接器302和第二管连接器304限定最大外径和最小外径。在此类具有可变外径的构造中，部分306、308、310可具有小于第一管连接器302和第二管连接器304的最大外径的最大外径或最小外径。在一个实施方案中，管连接器302、304中的一者或两者可被构造、布置和/或成形为用作稳定器以在钻孔内引导和稳定信号可透过管300。在另选实施方案中，部分306、308、310可具有大于第一管连接器302和第二管连接器304的外径的外径。第一管连接器302和第二管连接器304也可具有小于部分306、308、310的最大外径的最大外径或最小外径。在一个实施方案中，部分306、308、310中的一个或多个部分可被构造、布置和/或成形为用作稳定器以在钻孔内引导和稳定信号可透过管300。
信号可透过部分306的材料可被选择为对于一种或多种类型的传感器是可透过的。例如，该材料可被选择为对于单一量子粒子类型和/或特定频带(例如，夸克、轻子、玻色子、x射线、γ射线、α射线、β射线、任何振幅和频率的电磁辐射、声能、静磁场或电场、和/或其他辐射)或对于多种类型的量子粒子、辐射、和/或其他信号是可透过的。用于发射和接收此类量子粒子的传感器可被容纳在信号可透过部分306内，诸如被布置在信号可透过部分306的材料下面/内部的传感器模块内。也就是说，在一些实施方案中，信号可透过部分306可以是形成信号可透过管300的一部分的中空圆柱体，并且可具有安装在其中的传感器模块。此外，信号可透过部分306(与高强度部分308、310和管连接器302、304一起)可限定允许钻井液或其他流体从其通过的内部流体路径。
在一些实施方案中，部分306、308、310中的一个或多个部分可具有低质量密度(例如，比钢更低的质量密度或比管连接器302、304更低的质量密度)和/或低刚度(例如，比钢更低的刚度或比管连接器302、304更低的刚度)。例如，聚醚酮酮或聚醚醚酮(PEEK、PEKK)、高强度铝、钛、合成纤维复合物，包括但不限于陶瓷、玻璃、芳族聚酰胺、玄武岩纤维、嵌入环氧化物或聚醚酮中的纤维、多层钛套管/合成纤维复合物、阳极化钛网/合成纤维复合物、低导电性纤维复合物，其嵌入低导电性粘合剂、热固性粘结剂、热塑性粘结剂或弹性体粘结剂等中，它们全部具有比钢更低的质量密度和/或更低的刚度。在此类构造中，信号可透过管300可用作阻尼元件或隔离器，以与如果由金属(诸如钢)制成的相同接头相比，更有效地阻尼或隔离井下振动(例如，阻尼横向、轴向或扭转振荡，诸如高频扭转振荡，也称为HFTO，诸如高于30Hz或50Hz的扭转振荡)。阻尼或隔离井下振动和/或振荡有助于增加井下装备的寿命，并且同时增加安装在BHA中的原本将遭受振动和/或振荡的传感器的准确度和精度。
现在转向图4，示出了根据本公开的实施方案的信号可透过管400的一部分的示意性截面图。信号可透过管400可类似于图3所示的信号可透过管，并且可表示钻井管、尾管、套管或其他井下管，如本领域技术人员将理解的。信号可透过管400包括作为信号可透过管400的一部分的信号可透过部分402。信号可透过部分402由对一个或多个信号可透过的材料形成，该一个或多个信号可由发射器/执行器生成并且/或者由容纳或布置在信号可透过部分402内的传感器404(例如，量子传感器)接收。此外，信号可透过部分402的材料可被选择为承受井下操作的条件(例如，温度、压力、振动、重量、扭矩等)，并且因此保护布置在其中的传感器。信号可透过部分402的材料可被选择为承载机械负荷(例如，在钛管表面上嵌入图形化耦合设备阵列(CCD))。
在该例示性实施方案中，信号可透过管400包括被安装或布置在其中的各种不同配置的传感器。尽管在图4中以特定布置示出，但本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可采用各种组合或单一的传感器和/或不同的布置/配置。也就是说，图4的图示和布置仅仅是例示性的而不是限制性的。在该例示性实施方案中，信号可透过管400包括被安装在信号可透过部分402内的三种不同类型的传感器。
如图所示，第一传感器404被布置为环形结构，其被安装或以其他方式定位在信号可透过部分402的内部表面之内或之上。第一传感器404可在轴向方向Ax上延伸信号可透过部分402的整个轴向长度。第一传感器404可被配置成在径向方向Rx上通过信号可透过部分402的材料发射和/或接收一种或多种类型的信号。径向方向Rx可以是朝向信号可透过管400穿过的地层的方向。
另选地或除此之外，第二传感器406与第一传感器404类似地布置，但其是不在信号可透过部分402的整个圆周上延伸的部分环形结构。在一些配置中，部分环形的第二传感器406可相对于信号可透过部分402的材料直接附接、安装或定位，并且本图示仅用于说明目的。
另选地或除此之外，第三传感器408被布置在信号可透过管400的流动路径410内和信号可透过部分402内，使得流过流动路径410(例如，基本上轴向方向)的流体围绕第三传感器408流动(例如，在信号可透过部分402和第三传感器408之间的空间中)。第三传感器408可以是被安装或布置在信号可透过部分402内的传感器模块的一部分，如本领域技术人员将理解的。在一些此类实施方案中，钻井液可流过流动路径410并且围绕第三传感器408。
另选地或除此之外，第四传感器412被布置在信号可透过部分402的材料内或完全被其包围。信号可透过部分402可包括被安装或布置在信号可透过部分402内(例如，容纳在信号可透过部分402内)并且/或者与信号可透过部分402的材料直接接触(例如，与信号可透过材料和复合材料直接接触)的第四传感器412。
第四传感器412可仅部分地与第四传感器412的材料直接接触(例如，仅第四传感器412的一部分可与信号可透过部分402的材料直接接触)，或者第四传感器412可完全与信号可透过部分402的材料直接接触(例如，与信号可透过部分402的复合材料直接接触)。在一些实施方案中，除了接头结构的材料(例如，接头结构的复合材料)之外，第四传感器412的一个或多个表面的任何部分不与任何事物接触。信号可透过部分402可包括嵌入在接头结构的材料内(例如，嵌入在壳体的材料内)的第四传感器412。也就是说，在一些实施方案中，第四传感器412可完全嵌入信号可透过部分402的材料内。
现在转向图5至图6，示出了根据本公开的实施方案的信号可透过管的变型和/或另选构造。此类构造使用的材料可能不像某些材料那样可透过，但可提供附加的特征。例如，在一些此类实施方案中，信号可透过管可由诸如钨或铅的高密度材料形成。在此类实施方案中，可采用量子镜或用于电磁波或声波的镜来提高量子传感器的方向分辨率。
在一些实施方案中，量子传感器可具有例如1米或更大的长度，并且可实现地层性质的高分辨率，并且可用于导出地层的3D图像，包括例如方向化学成分图。任选地，在源和/或量子镜之间使用双间隙或多间隙(x-间隙)屏幕可实现量子分光镜测量。
转向图5，示出了根据本公开的实施方案的信号可透过管500的一部分的示意性截面图。信号可透过管500可类似于图3所示的信号可透过管，并且可表示钻井管、尾管、套管或其他井下管，如本领域技术人员将理解的。信号可透过管500包括作为信号可透过管500的一部分的信号可透过部分502。信号可透过部分502由对一个或多个量子粒子或其他电磁辐射和/或对可由发射器/执行器(未示出)生成和/或由被容纳或布置在信号可透过部分502内的传感器504接收的声辐射或核辐射可透过的材料形成。此外，信号可透过部分502的材料可被选择为承受井下操作的条件(例如，温度、压力等)，并且因此保护布置在其中的传感器。信号可透过部分502的材料可被选择为承载机械负荷(例如，在钛管表面上嵌入图形化耦合设备阵列(CCD))。
在该实施方案中，传感器504包括量子传感器阵列506。如本文所用，词语“量子”在广义上被使用和理解，并且包括已知以能量量子传递的任何传递能量，诸如但不限于核能、电磁能、声能等。在一个非限制性示例中，量子传感器阵列506可被配置为1米长的多量子传感器阵列。传感器504还包括相对于量子传感器阵列506布置的晶体508，并且可在晶体508内形成或存在双间隙或x间隙屏幕510。
在一些实施方案中，量子背衬屏蔽件512可相对于量子传感器阵列506与晶体508相对地布置。为了将量子辐射和/或粒子聚焦到量子传感器阵列506，量子镜514被布置在信号可透过部分502的相对侧上，并且被布置为通过晶体508将量子辐射和/或粒子反射和引导到量子传感器阵列506。量子镜514也包括相应的量子背衬屏蔽件516。
现在转向图6，示出了根据本公开的实施方案的信号可透过管600的一部分的示意性截面图。信号可透过管400可类似于图3所示的信号可透过管，并且可表示钻井管、尾管、套管或其他井下管，如本领域技术人员将理解的。信号可透过管600包括作为信号可透过管600的一部分的信号可透过部分602。
信号可透过部分602由对一个或多个量子粒子可透过的材料形成，该一个或多个量子粒子包括可由被容纳或布置在信号可透过部分602内的传感器604生成和/或接收的电磁辐射、核辐射或声辐射。此外，信号可透过部分602的材料可被选择为承受井下操作的条件(例如，温度、压力、振动、负荷等)，并且因此保护布置在其中的传感器。信号可透过部分502的材料可被选择为承载机械负荷(例如，在钛管表面上嵌入图形化耦合设备阵列(CCD))。
在该实施方案中，传感器604包括量子传感器阵列606。在一个非限制性示例中，量子传感器阵列606可被配置为1米长的多量子传感器阵列。传感器604还包括相对于量子传感器阵列606布置的晶体608，并且可在晶体608内形成或存在或附着有双间隙或x间隙屏幕610。在该实施方案中，执行器612被提供和配置用于量子传感器阵列606的自适应移动。执行器612可以是压电执行器、高频电磁体、生物执行器或如本领域技术人员将理解的其他类型的执行器。
为了将量子辐射和/或粒子聚焦到量子传感器阵列606，量子镜614被布置在信号可透过部分602的相对侧上，并且被布置为通过晶体608将量子辐射和/或粒子反射和引导到量子传感器阵列606。量子镜614也包括相应的量子背衬屏蔽件616，以将来自量子传感器阵列606的量子能量与可透过管600的圆周的至少一部分屏蔽开。如图所示，量子镜614和量子背衬屏蔽件616可由一种材料制成，以提供在一个方向的屏蔽和到另一个方向(例如，相反的方向)的聚焦两者。
在一些非限制性配置中，执行器612可被配置成产生动力。例如，在钻柱构造中，执行器612可以是压电执行器，其被配置成将振动和机械能转换为电力，该电力可用于为量子传感器部件供电。类似地，不同类型的执行器可被配置成将流体流动、温差、机械运动等转换成电力，该电力可用于为传感器和相关电子器件供电并且/或者被分配给其他井下电气系统。
现在转向图7，示出了根据本公开的实施方案的信号可透过管700的示意图。信号可透过管700可沿着用于地下地层中的钻井操作的钻柱布置。例如，信号可透过管700可沿着如图1所示的钻柱布置，并且是结合其讨论的钻井管之一。在一些实施方案中，信号可透过管700可布置在钻柱的井底钻具组件上方(沿井孔向上)。在其他实施方案中，信号可透过管700可以是沿井孔向下设置的尾管或套管的段，或者可以是任何其他类型的井下管的一部分或段，如本领域技术人员将理解的。
信号可透过管700包括被布置在信号可透过管700的相对两端的第一管连接器702和第二管连接器704。第一管连接器702可被构造成在信号可透过管700的第一侧或第一端上连接到井下柱的另一个井下管(例如，金属钻柱管)或井底钻具组件的区段(例如，金属井底钻具组件区段)，并且第二管连接器704可被构造成在信号可透过管700的第二侧或第二端上连接到钻柱的钻井管或井底钻具组件区段。在第一管连接器702和第二管连接器704之间的是信号可透过部分706、第一高强度部分708和第二高强度部分710。第一高强度部分708在第一端处连接到第一管连接器702，并且第二高强度部分710在第二端处连接到第二管连接器704。
与上面的描述类似，第一管连接器702和第二管连接器704可由非磁或低磁/不导电或低导电性材料(例如，奥氏体不锈钢)形成。例如，第一管连接器702和第二管连接器704可由磁导率接近1，例如低于10，诸如低于5或甚至2(例如，低于1.5)的材料形成。另选地或除此之外，信号可透过部分706和高强度部分708、710中的一者或多者可由非磁或低磁/不导电或低导电性材料(例如，复合材料)形成。例如，信号可透过部分706和高强度部分708、710可由电导率低于钢的电导率的材料形成，诸如比钢的电导率低100倍、1000倍或10000倍。在此类实施方案中，第一管连接器702和第二管连接器704的此类材料可确保信号可透过管700的磁和/或电隔离。
在该实施方案中，如例示性示出的，信号可透过部分706、第一高强度部分708和第二高强度部分710基本上是一体的。也就是说，形成高强度部分708、710的材料在第一管连接器702和第二管连接器704之间基本上不间断地延伸。信号可透过部分706基本上是信号可透过管700的高强度部分的一部分。在该例示性实施方案中，信号可透过部分706包括一个或多个信号可透过窗口712。信号可透过窗口712可以是嵌入到高强度材料中的信号可透过材料的元件，其中高强度材料从第一管连接器702连续延伸到第二管连接器704。
高强度部分708、710和信号可透过部分706的材料可由非磁或低磁/不导电或低导电性材料制成，并且基本上由相同的材料(即，高强度材料)制成。信号可透过窗口712因此被嵌入在这种材料中。例如，在一些实施方案中，高强度部分708、710和大部分信号可透过部分706可由碳基材料(例如，碳纤维)形成。此外，信号可透过窗口712可由信号可透过材料形成，诸如合成纤维，包括但不限于芳族聚酰胺、聚醚醚酮(PEEK)、玄武岩等。
在该例示性实施方案中，如所指出的，信号可透过部分706包括嵌入在信号可透过管700的材料内的一个或多个信号可透过窗口712。信号可透过窗口712可被布置在信号可透过管700的一个或多个传感器附近(例如，如图4所示布置)。可为信号可透过部分706内的每个信号可透过窗口712和相应的一个或多个传感器选择形状、尺寸、几何结构、相对于工具轴的取向等。此外，在一些非限制性实施方案中，传感器或传感器的一部分可嵌入信号可透过窗口712的材料中。
信号可透过窗口712的材料可被选择为对于一种或多种类型的传感器是可透过的。例如，该材料可被选择为对于单一量子粒子(例如，x射线、γ射线、α射线、β射线和/或其他电磁辐射、声辐射等)或对于多种类型的量子辐射或粒子是可透过的。
现在转向图8，示出了根据本公开的实施方案的信号可透过管800的示意性截面图。信号可透过管800可基本上类似于上文结合图7所示和所述的信号可透过管，并且可以是钻井管、尾管、套管或其他井下管的段。信号可透过管800包括被布置在信号可透过管800的相对两端的第一管连接器802和第二管连接器804。在第一管连接器802和第二管连接器804之间的是具有信号可透过窗口812的信号可透过部分806、第一高强度部分808和第二高强度部分810。与图7所示和所述类似，信号可透过部分806、第一高强度部分808和第二高强度部分810与在管连接器802、804之间基本上连续延伸的高强度材料基本上是一体的。
如图所示，在该实施方案中，每个信号可透过窗口812包括嵌入式传感器814。嵌入式传感器814可以是各种类型的，诸如用于电场和/或磁场的传感器，其将受益于信号可透过管800的材料的电属性和/或磁属性。另选地或除此之外，嵌入式传感器814可对核辐射和/或声波敏感。嵌入式传感器可包括或结合有传感器/检测器的一个或多个组合，诸如磁场传感器(磁力仪)和/或重力传感器(加速度计)与对电磁场、声波和/或核辐射敏感的一个或多个传感器组合。这种组合可使得能够感测或检测各个方向上的地层性质并确定此时感测的方向。有利地，根据这样的数据集，可确定钻孔周围地层的图像。在另选实施方案中，一个或多个信号可透过窗口812可包括转发器、中继器、接收器、发射器、执行器、应答器中的一者或多者，它们可单独地或组合地用于从或向沿井孔向下的一个位置向或从沿井孔向下的另一个位置，或者从或向沿井孔向下的一个位置向或从地面处的位置发射、接收、中继或应答信号。本领域技术人员将理解，转发器、中继器、接收器或应答器将包括被配置成接收待发射、待中继或待应答的信号的传感器。
在一个非限制性实施方案中，传感器814可对振动敏感，诸如加速度计、振动传感器或类似物。振动敏感传感器可连接到执行器(未示出)，该执行器被配置成执行并且基于振动敏感传感器的测量结果来阻尼或减小振动。另选地或除此之外，信号可透过管800中的窗口812可填充有减振材料，诸如弹性体。在一个非限制性实施方案中，振动敏感传感器和/或执行器可至少部分地被包括(例如，嵌入)在窗口812内的减振材料内。
传感器814(包括检测器、转发器、中继器、接收器、发射器、执行器、应答器等)可通过电连接件818电连接到控制器816。如图8所示，电连接件818可终止在信号可透过管800内。另选地或除此之外，该电连接件可终止于信号可透过管的端部，以便连接到在信号可透过管800上方或下方连接到信号可透过管800的接头、管、管道或BHA区段的对应电连接件(例如，通过连接器、接触环、用于电感、电容或电磁谐振耦合的装置等)。
电连接件818可向传感器814提供电力和/或数据通信，诸如在传感器814和控制器816之间并且/或者向/从信号可透过管800外部的位置提供电力和/或数据通信。电连接件818可包括金属导管。例如，电连接件818可包括电线或总线或更复杂的布置结构(例如，电路，诸如柔性电路线束或柔性电路板)。在一个非限制性实施方案中，一个以上的传感器可通过从电连接件818分支的多个电线821连接到电连接件818，以向或从传感器814提供电力和/或数据。又如，更复杂的布置结构可包括诸如放大器、模数转换器、电阻器、电容器、电感器等的附加部件。
在一些实施方案中，电连接件818可被安装或布置在信号可透过管800的复合材料或信号可透过管800的壁内，并且/或者与信号可透过管800的复合材料或信号可透过管800的壁直接接触。电连接件818可仅部分地与信号可透过管800的复合材料或信号可透过管800的壁直接接触(例如，仅电连接件818的一部分可与信号可透过管800的复合材料或信号可透过管800的壁直接接触)，或者电连接件818可完全与信号可透过管800的复合材料或信号可透过管800的壁直接接触。在这样的实施方案中，除了信号可透过管800的材料或信号可透过管800的壁之外，电连接件818的一个或多个表面的任何部分不与任何事物接触。
在一些实施方案中，电连接件818可嵌入信号可透过管800的复合材料或信号可透过管800的壁中。例如，诸如电线、线束或电路板的电连接件可通过真空注射处理、手工铺设、湿压成型、拉挤成型或缠绕嵌入到信号可透过管800的复合材料或信号可透过管800的壁中。在一些实施方案中，并且如图所示，可提供传感器830，其包括嵌入到信号可透过管800的复合材料或信号可透过管800的壁中的电线、线束或电路板的至少一部分。例如，可布置和配置电导管以有效地充当电极，诸如用于测量电压和/或电流的电极。在一个实施方案中，如果信号可透过管800用作电磁遥测工具，则管连接器802、804可充当电磁遥测工具的电极。另选地，单独的电极(未示出)可被包括在信号可透过管800中。
有利地，电磁遥测工具的电极可通过电连接件818连接，以经由可连接到或包括在控制器816中的电压源或功率源(未示出)来提供用于对电磁遥测工具的电极提供和/或控制功率或电压差的手段。如本领域中已知的，电磁遥测工具受益于电极之间的大距离，其中电极之间的材料不导电或导电性低(例如，导电性比电极的材料低，例如导电性比电极的材料低100或10000倍)。这可通过部分808、810和806中的一者或多者容易地实现。例如，由不导电或低导电性材料隔开的金属电极的距离可大于10cm，诸如大于1m。换句话讲，由不导电或低导电性材料隔开的金属电极的距离可大于信号可透过管800的长度的30％、50％或甚至70％。
另选地，在一些实施方案中，电线可在信号可透过管800的复合材料或信号可透过管800的壁内缠绕成一个或多个线匝832(图8中所示)，以有效地充当天线线圈830或天线环形线圈840(图8及其插图)，诸如嵌入信号可透过管800的复合材料或信号可透过管800的壁中和/或被其包围的线圈/环形线圈。在这种方法中，信号可透过管800或信号可透过管800的壁可包括磁性材料或芯845，诸如硬磁性材料或软磁性材料(例如铁氧体)，其被布置和配置成引导由流过天线线圈830和/或天线环形线圈840的电流产生的磁场线。控制器816可进一步连接到各种其他电子器件，以使得能够对在传感器814处获得的数据和/或信息进行存储、传输和/或处理。另选地，在一些实施方案中，控制器816可被直接配置成存储、传输和/或处理从传感器814获得的数据和/或信息(例如，控制器816可包括电子存储介质、处理器、收发器等)。
图8所示的构造也示出了高强度部分808、810和相应的管连接器802、804之间的连接。在该例示性实施方案中，高强度部分808、810和相应的管连接器802、804之间的连接是通过夹紧机构820、822来实现的。夹紧机构820、822可固定地连接到高强度部分808、810和相应的管连接器802、804中的一者或两者。另选地或除此之外，高强度部分808、810和相应的管连接器802、804之间的连接可通过焊接或紧固来实现，以形成刚性和固定连接的信号可透过管800。由夹紧机构820、822(或其他类型的附接机构)提供的连接具有足够的结构强度，以使得能够将扭矩和重量从一个部分传递到另一个部分，并且因此使得能够由信号可透过管800是其一部分的钻柱使用主动钻井操作。
因为信号可透过管800可以是钻柱的一部分，所以信号可透过管800限定了从其穿过的流动路径824。信号可透过管800的流动路径824穿过第一管连接器802、第一高强度部分808、信号可透过部分806、第二高强度部分810和第二管连接器804。如上文所讨论的，钻井泥浆可通过信号可透过管800输送。因此，在操作期间，钻井泥浆可直接接触管连接器802、804；高强度部分808、810和传感器部分806的材料。也就是说，在一些实施方案中，传感器部分806可直接形成包括流动路径824的信号可透过管800的一部分。
尽管上文结合钻柱段(例如，钻井管)或其他井下管的传感器和信号可透过部分进行了描述，但这种描述不是限制性的。例如，上述传感器可与执行器组合并且/或者由执行器代替，并且可透过部分可以是用于形成执行器可透过井下管的执行器可透过部分。在此类实施方案中，执行器可以是压电执行器/传感器、高频电磁体、磁致伸缩执行器、生物执行器等。在一些此类实施方案中，执行器可在传感器位移/移动期间提供传感器位移补偿或提供相长干涉或相消干涉条件。此外，在一些实施方案中，可采用具有波场固有频率的波操纵器(例如，拐角、间隙、双间隙等)。在一些此类示例中，可对测量的波形和预测的波形进行比较，其中预测的波形具有执行器频率，并使用干涉范围的自适应筛选。执行器可透过管的可透过部分对于相应执行器的特性或属性可以是可透过的。
此外，在一些实施方案和构造中，信号可透过管可连接到执行器可透过管以形成钻柱的一部分。在一些此类实施方案中，执行器可透过管的执行器可被选择和配置成与信号可透过管的传感器干涉或以其他方式相互作用。电致伸缩(压电效应)是电非导体或电介质的属性，其使得它们在施加电场的情况下非常快地改变形状。采用磁致伸缩效应的设备也可将磁能转换为动能，反之亦然，以用于高频应用。不同类型的执行器(例如，压电执行器、高频电磁体、磁致伸缩执行器、生物执行器等)可用于操纵函数的概率以将测量结果从测量本身断开(即，量子纠缠)并且/或者可用于以限定的频率向/从地层发射/吸收限定的量子粒子。这可通过图6中示出和描述的实施方案或其变体的具体实施来实现。
可与本公开的实施方案一起采用的复合管连接器的一种选择在2019年3月5日公布的名称为“用于间隙接头或内部间隙的复合隔离接头”(Composite Isolation Jointfor Gap Sub or Internal Gap)的美国专利号10221632中提出，该专利全文并入本文。一些不导电复合材料可具有比导电复合物更低的强度，如碳纤维基复合物。根据本公开的一些实施方案，高强度导电复合材料可连接到不锈钢套环或连接器，例如，非磁性钢套环或连接器，并且导电复合物可单独地连接到不导电复合物段。此类单独的连接可为井下应用提供增加的机械强度和抗振性。
现在转向图9，示出了根据本公开的实施方案的可与信号可透过管900一起采用的另选连接件的示意图。信号可透过管900可以是任何类型的井下管，包括但不限于钻井管、尾管和套管。在图9中，信号可透过管900包括被布置在信号可透过管900的相对两端的第一管连接器902和第二管连接器904。在第一管连接器902和第二管连接器904之间的是信号可透过部分906。在信号可透过部分906与第一管连接器902和第二管连接器904之间形成有形过渡部908(例如“冠状”形状)，其包括信号可透过部分906与第一管连接器902或第二管连接器904接触的一个或多个接触区域，其中该一个或多个接触区域不垂直于和/或不平行于工具的长度轴线(Ax)，以提供改进的扭矩传递。有形过渡部908可提供例如复合物和阳极化钛套环之间或导电复合物和不导电复合物之间的连接。冠状或其他几何形状的过渡部908可为诸如粘合剂的粘结材料提供增大的过渡部表面积，并且可为信号可透过管900增加灵活性和高频扭转振动(HFTO)阻尼功能。
如上文所讨论的，本公开的实施方案涉及信号可透过管。信号可透过管可包括被安装在或嵌入信号可透过管的材料内的传感器。有利地，本文所述的实施方案可在井下操作中提供改进的感测，而不需要沿着钻柱的单独的传感器接头或部件。此外，有利地，本文所述的实施方案使得能够沿着钻柱将一个或多个传感器定位在任何期望的位置处，因为信号可透过管作为钻柱本身的一部分起作用，并且因此使得能够在钻井操作期间向井下传递扭矩和其他力。
此外，有利地，根据一些实施方案，非磁性钻管工具接头、碳纤维复合物和不导电玻璃纤维复合物钻柱元件的组合实现了成本有效和高分辨率的射线测量(例如，α射线、β射线、γ射线、x射线和其他量子粒子)。这种信号可透过管使得能够进行相对简单和成本有效的随钻测量和/或随钻测井探头设计。此外，如上文所讨论的，信号可透过管可提供电绝缘，并且因此使得能够使用电磁遥测(即，信号可透过管可作为偶极天线间隙接头操作)。此外，根据一些实施方案，信号可透过部分和高强度部分的材料能够实现钻柱的低重量、高灵活性段，这能够实现高构建速率操作。
虽然已参考具体附图描述了本文所述的实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可做出各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，将进行许多修改以使特定的仪器、情形或材料适应本公开的教导内容。因此，预期的是，本公开不限于所公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入所附权利要求或可能实施方案的以下描述的范围内的所有实施方案。
实施方案1：一种用于井下操作的信号可透过管，该信号可透过管包括：管连接器，该管连接器被构造成接合和连接到不同的井下管并且由金属形成；信号可透过部分，该信号可透过部分连接到该管连接器并且由复合材料形成；以及传感器、执行器和发射器中的至少一者，该至少一者被布置在该信号可透过部分内并且至少部分地被该复合材料包围，其中该信号可透过部分的该复合材料被选择为对于能够由该至少一个传感器、执行器和/或发射器检测或由其发射的信号的特性是可透过的。
实施方案2：根据任一前述实施方案所述的信号可透过管，其中该传感器嵌入在该复合材料内。
实施方案3：根据任一前述实施方案所述的信号可透过管，其中该信号可透过部分至少部分地由以下项中的一项制成：芳族聚酰胺、玄武岩、玻璃、陶瓷、纤维复合物，和嵌入粘合剂、热固性粘结剂、热塑性粘结剂、弹性体粘结剂、环氧聚醚酮酮和聚醚醚酮中的至少一者中的纤维。
实施方案4：根据任一前述实施方案所述的信号可透过管，其中该金属的磁导率小于10。
实施方案5：根据任一前述实施方案所述的信号可透过管，其中该信号可透过部分的至少一部分具有比该金属的电导率低的电导率。
实施方案6：根据任一前述实施方案所述的信号可透过管，其中该信号可透过部分包括在该信号可透过部分的外壁中的窗口。
实施方案7：根据任一前述实施方案所述的信号可透过管，其中电导管被布置在该复合材料内。
实施方案8：根据任一前述实施方案所述的信号可透过管，其中该电导管是天线、环形线圈和电极中的至少一者的一部分。
实施方案9：根据任一前述实施方案所述的信号可透过管，其中该电导管是被布置在该复合材料内的电路的一部分。
实施方案10：根据任一前述实施方案所述的信号可透过管，其中该信号可透过管还包括磁力仪。
实施方案11：根据任一前述实施方案所述的信号可透过管，其中该至少一个传感器、执行器和发射器被配置成感测或发射电磁信号、声信号和核信号中的至少一者。
实施方案12：根据任一前述实施方案所述的信号可透过管，其中该复合材料是低导电性材料，并且相应发射器的信号被配置成通过电磁遥测来发射信息。
实施方案13：一种制造用于井下操作的信号可透过管的方法，该方法包括：将管连接器连接到信号可透过部分以形成该信号可透过管，其中该管连接器被构造成连接到不同的井下管，其中该管连接器由金属形成，并且其中该信号可透过部分由复合材料形成；以及将传感器、执行器和发射器中的至少一者布置在该信号可透过部分内，该至少一个传感器、执行器或发射器至少部分地被该复合材料包围，其中该信号可透过部分的该复合材料被选择为对于能够由该至少一个传感器、执行器和/或发射器检测或由其发射的信号的特性是可透过的。
实施方案14：根据任一前述实施方案所述的方法，其中该传感器嵌入在该复合材料内。
实施方案15：根据任一前述实施方案所述的方法，其中该信号可透过部分至少部分地由以下项中的一项制成：芳族聚酰胺、玄武岩、玻璃、陶瓷、纤维复合物，和嵌入粘合剂、热固性粘结剂、热塑性粘结剂、弹性体粘结剂、环氧聚醚酮酮和聚醚醚酮中的至少一者中的纤维。
实施方案16：根据任一前述实施方案所述的方法，其中该金属的磁导率小于10。
实施方案17：根据任一前述实施方案所述的方法，其中该信号可透过部分的至少一部分具有比该金属的电导率低的电导率。
实施方案18：根据任一前述实施方案所述的方法，其中该信号可透过部分包括在该信号可透过部分的外壁中的窗口。
实施方案19：根据任一前述实施方案所述的方法，其中电导管被布置在该复合材料内。
实施方案20：根据任一前述实施方案所述的方法，其中该复合材料是低导电性材料，并且该相应发射器的该信号被配置成通过电磁遥测来发射信息。
为了支持本文的教导内容，可使用各种分析部件，包括数字系统和/或模拟系统。例如，如本文所提供的和/或与本文所述的实施方案一起使用的控制器、计算机处理系统和/或地质导向系统可包括数字系统和/或模拟系统。这些系统可具有诸如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(例如，有线、无线、光学或其他)、用户界面、软件程序、信号处理器(例如，数字或模拟)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装置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非暂态计算机可读介质上的计算机可执行指令集来实现，该非暂态计算机可读介质包括存储器(例如，ROM、RAM)、光学介质(例如，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，致使计算机实现本文所述的方法和/或过程。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、分析和其他功能。处理后的数据(诸如已实现的方法的结果)可作为信号经由处理器输出接口发射到信号接收设备。信号接收设备可以是用于将结果呈现给用户的显示监视器或打印机。另选地或除此之外，信号接收设备可为存储器或存储介质。应当理解，将结果存储在存储器或存储介质中可将存储器或存储介质从先前状态(即，不包含结果)转换到新状态(即，包含结果)。此外，在一些实施方案中，如果结果超过阈值，则可从处理器向用户界面发射警报信号。
此外，可包括各种其他部件，并要求它们提供本文教导内容的各方面。例如，可包括传感器、发射器、接收器、收发器、天线、控制器、光学单元、电单元和/或机电单元以支持本文所讨论的各个方面或支持本公开以外的其他功能。
在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)，术语“一个”、“一种”和“该”以及类似指代的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非在本文另外指明或与上下文明显地矛盾。此外，应当指出的是，本文的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来将一个元素与另一个元素区分开。与数量结合使用的修饰语“约”包含所陈述的值并且具有由上下文决定的含义(例如，其包括与特定数量的测量相关联的误差度)。
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本公开的一部分而固有地包括在内。
本公开的教导内容可用于多种井操作。这些操作可涉及使用一种或多种处理剂来处理地层、地层中驻留的流体、钻孔和/或钻孔中的装备，诸如生产管材。处理剂可以是液体、气体、固体、半固体、以及它们的混合物的形式。例示性的处理剂包括但不限于压裂液、酸、蒸汽、水、盐水、防腐剂、粘固剂、渗透性调节剂、钻井泥浆、乳化剂、破乳剂、示踪剂、流动性改进剂等。例示性的井操作包括但不限于水力压裂、增产、示踪剂注入、清洁、酸化、蒸汽注入、注水、固井等。
虽然已参考各种实施方案描述了本文所述的实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可做出各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，将进行许多修改以使特定的仪器、情形或材料适应本公开的教导内容。因此，预期的是，本公开不限于作为设想用于实现所描述的特征的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。
因此，本公开的实施方案不应被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
Claims (15)
1.一种用于井下操作的信号可透过管(210)，所述信号可透过管(210)包括：
管连接器，所述管连接器被构造成接合和连接到不同的井下管并且由金属形成；
信号可透过部分(306)，所述信号可透过部分(306)连接到所述管连接器并且由复合材料形成；以及
传感器(404)、执行器(612)和发射器中的至少一者，所述至少一者被布置在所述信号可透过部分(306)内并且至少部分地被所述复合材料包围，其中所述信号可透过部分(306)的所述复合材料被选择为对于能够由所述至少一个传感器(404)、执行器(612)和/或发射器检测或由其发射的信号的特性是可透过的。
2.根据权利要求1所述的信号可透过管(210)，其中所述传感器(404)嵌入在所述复合材料内。
3.根据任一前述权利要求所述的信号可透过管(210)，其中所述信号可透过部分(306)至少部分地由以下项中的一项制成：芳族聚酰胺、玄武岩、玻璃、陶瓷、纤维复合物，和嵌入粘合剂、热固性粘结剂、热塑性粘结剂、弹性体粘结剂、环氧聚醚酮酮和聚醚醚酮中的至少一者中的纤维。
4.根据任一前述权利要求所述的信号可透过管(210)，其中所述金属的磁导率小于10。
5.根据任一前述权利要求所述的信号可透过管(210)，其中所述信号可透过部分(306)的至少一部分具有比所述金属的电导率低的电导率。
6.根据任一前述权利要求所述的信号可透过管(210)，其中所述信号可透过部分(306)包括在所述信号可透过部分(306)的外壁中的窗口。
7.根据任一前述权利要求所述的信号可透过管(210)，其中电导管被布置在所述复合材料内，优选地，其中所述电导管是天线、环形线圈和电极中的至少一者的一部分，或者是被布置在所述复合材料内的电路的一部分，优选地，其中所述信号可透过管(210)还包括磁力仪。
8.根据任一前述权利要求所述的信号可透过管(210)，其中所述至少一个传感器(404)、执行器(612)和发射器被配置成感测或发射电磁信号、声信号和核信号中的至少一者。
9.根据任一前述权利要求所述的信号可透过管(210)，其中所述复合材料是低导电性材料，并且相应发射器的信号被配置成通过电磁遥测来发射信息。
10.一种制造用于井下操作的信号可透过管(210)的方法，所述方法包括：
将管连接器连接到信号可透过部分(306)以形成所述信号可透过管(210)，其中所述管连接器被构造成连接到不同的井下管，其中所述管连接器由金属形成，并且其中所述信号可透过部分(306)由复合材料形成；以及
将传感器(404)、执行器(612)和发射器中的至少一者布置在所述信号可透过部分(306)内，所述至少一个传感器(404)、执行器(612)或发射器至少部分地被所述复合材料包围，
其中所述信号可透过部分(306)的所述复合材料被选择为对于能够由所述至少一个传感器(404)、执行器(612)和/或发射器检测或由其发射的信号的特性是可透过的。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述传感器(404)嵌入在所述复合材料内。
12.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中所述信号可透过部分(306)至少部分地由以下项中的一项制成：芳族聚酰胺、玄武岩、玻璃、陶瓷、纤维复合物，和嵌入粘合剂、热固性粘结剂、热塑性粘结剂、弹性体粘结剂、环氧聚醚酮酮和聚醚醚酮中的至少一者中的纤维。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中所述信号可透过部分(306)的至少一部分具有比所述金属的电导率低的电导率。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中所述信号可透过部分(306)包括在所述信号可透过部分(306)的外壁中的窗口。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中所述复合材料是低导电性材料，并且所述相应发射器的所述信号被配置成通过电磁遥测来发射信息。
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