CN116157581A - 井下传感器设备以及相关系统、设备和方法 - Google Patents

井下传感器设备以及相关系统、设备和方法 Download PDF

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CN116157581A CN202180060641.4A CN202180060641A CN116157581A CN 116157581 A CN116157581 A CN 116157581A CN 202180060641 A CN202180060641 A CN 202180060641A CN 116157581 A CN116157581 A CN 116157581A
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肯尼斯·R·埃文斯
J·T·汤森德
J·哈伯纳尔
胡安·米格尔·比伦
C·施安多夫
C·万帕蒂
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Abstract

一种井下传感器设备可包括固定电路板的结构体。结构体可被配置成插入钻柱上的工具中的凹部中。井下传感器设备可包括耦接到电路板的一个或多个传感器以及位于结构体上的盖。井下传感器设备可还包括数据端口，该数据端口电耦接到电路板并且被配置成将数据从这些传感器传输到外部装置。井下传感器设备可包括螺纹元件，该螺纹元件被配置成拧入工具中的凹部中的互补螺纹中。井下传感器设备可被配置成在空闲条件下操作。井下传感器设备可将来自至少两个传感器的读数与阈值井下条件进行比较，并且当来自该至少两个传感器的读数满足或超过阈值井下条件时开始正常操作。

Description

井下传感器设备以及相关系统、设备和方法
优先权声明
本申请要求2020年7月31日提交的“井下传感器设备以及相关系统、设备和方法(Downhole Sensor Apparatus and Related Systems,Apparatus,and Methods)”的美国专利申请序列号16/945,428的提交日期的权益。
技术领域
本公开的实施方案总体上涉及钻地操作。特别地，本公开的实施方案涉及井下传感器以及相关系统、设备和方法。
背景技术
井筒钻探操作可涉及在通常称为钻柱的长的管柱的端部处使用钻地工具。钻地工具可用于钻穿地层，诸如岩石、泥土、沙子、焦油等。在一些情况下，钻地工具可被配置成钻穿可存在于井筒中的附加元件，诸如水泥、套管(例如井筒套管)、废弃或损失的装备(例如落鱼(fish)、垃圾等)、封隔器等。在一些情况下，钻地工具可被配置成钻穿塞子(例如压裂塞、桥塞、水泥塞等)。在一些情况下，塞子可包括卡瓦或其它类型的锚固件，并且钻地工具可被配置成钻穿塞子以及任何卡瓦、锚固件和塞子的其它部件。
钻柱和/或钻地工具可包括被配置成捕获和/或存储在井下获取的信息的传感器。井下信息可包括环境特性，诸如井下温度、压力等。在一些情况下，井下信息可包括操作测量值，诸如钻压(WOB)、旋转速度(RPM)、流体流动速率等。在一些情况下，井下信息可包括地层特性，诸如岩性、孔隙率、强度等。
可实时地或在稍后的时间收集和/或分析井下信息。例如，可通过随钻测井(LWD)或随钻测量(MWD)操作来收集井下信息。井下信息可使得操作员能够做出决定，诸如要使用的钻地工具的类型、操作决定、起下钻决定、路径决定等。在一些情况下，井下信息可被收集在数据库中，该数据库被配置成预测和/或模拟未来的钻地操作。
发明内容
本公开的一些实施方案可包括井下传感器设备。井下传感器设备可包括固定电路板的结构体。结构体可被配置成插入钻柱上的工具中的凹部中。井下传感器设备可还包括耦接到电路板的一个或多个传感器。井下传感器设备还可包括位于结构体上的盖。井下传感器设备可还包括穿过盖设置的数据端口。数据端口可电耦接到电路板并且被配置成将数据从一个或多个传感器传输到外部装置。井下传感器设备还可包括螺纹元件，该螺纹元件被配置成拧入工具中的凹部中的互补螺纹中。螺纹元件可被配置成将结构体固定到工具。
本公开的另一个实施方案可包括钻地工具。钻地工具可包括位于钻地工具中的凹部。钻地工具可还包括固定电路板的传感器结构体。传感器结构体可设置在钻地工具中的凹部中。钻地工具还可包括耦接到电路板的一个或多个传感器。钻地工具可还包括电耦接到电路板的数据传送装置。数据传送装置可被配置成将数据从一个或多个传感器传输到外部装置。钻地工具还可包括位于传感器结构体上的盖。传感器结构体可定位在盖和钻地工具之间。钻地工具可还包括螺纹元件，该螺纹元件被配置成将盖固定到钻地工具。
本公开的另一个实施方案可包括控制井下工具上的传感器设备的方法。该方法可包括在空闲条件下操作传感器设备。该方法可还包括以一定时间间隔捕获来自至少两个传感器的读数。该方法还可包括将来自至少两个传感器的读数与阈值井下条件进行比较。当来自至少两个传感器的读数满足或超过阈值井下条件时，该方法可包括开始传感器设备的正常操作条件。
附图说明
虽然说明书最后附有特别指出并清楚地要求保护本公开的实施方案的权利要求书，但是在结合附图阅读时，从本公开的某些实施方案的下列描述中可以容易地确定本公开的实施方案的各种优点，其中：
图1示出了根据本公开的实施方案的钻地系统；
图2示出了根据本公开的实施方案的传感器组件的实施方案的分解图；
图3示出了根据本公开的实施方案的图2中示出的传感器组件的实施方案的剖视图；
图4示出了根据本公开的实施方案的传感器组件的实施方案的分解图；
图5示出了根据本公开的实施方案的传感器结构体的实施方案的透视图；
图6示出了根据本公开的实施方案的传感器结构体的实施方案的平面图；
图7示出了根据本公开的实施方案的传感器组件的示意图；并且
图8示出了根据本公开的实施方案的传感器组件的控制序列的流程图。
具体实施方式
本文呈现的图示并不意味着是任何特定钻地工具或其部件的实际视图，而仅是用于描述例示性实施方案的理想化表示。附图不一定按比例绘制。
如本文所用，术语“钻地工具”是指并且包括井筒在地下地层中形成或放大期间用于钻孔的任何类型的钻头或工具。例如，钻地工具包括固定切削刃钻头、牙轮钻头、冲击钻头、岩心钻头、偏心钻头、双心钻头、扩孔钻、铣削钻、刮刀钻头、混合式钻头(例如，与固定切削元件组合的滚动部件)和本领域已知的其他钻头和工具。钻地工具还可包括工具控制部件，诸如定向组件、稳定器、马达、转向垫等。
如本文所用，参考给定参数含义的术语“基本上”意指且包括在本领域技术人员将理解的程度上满足给定的参数、性质或条件，同时偏差程度小，诸如在可接受的制造公差内。例如，基本上满足的参数可以是至少约90％满足，至少约95％满足，至少约99％满足或甚至至少约100％满足。
如本文所用，诸如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”等的关系术语，一般是为了清楚和方便地理解本公开和附图而使用，并且不暗示或依赖于任何特定的偏好、取向或顺序，除非上下文另有明确指示。
如本文所用，术语“和/或”意指且包括一个或多个相关联的列出项目的任何和所有组合。
如本文所用，术语“竖直”和“横向”是指如图所示的取向。
图1示出了钻地系统100。钻地系统100可包括钻柱102。钻柱102可包括耦接在一起的钻管的多个区段以形成长的钻管柱。钻柱102的前端可包括底部孔组件104(BHA)。BHA104可包括部件，诸如马达106(例如，泥浆马达)、一个或多个扩孔钻108和/或稳定器110以及钻地工具112诸如钻头。BHA 104还可包括电子器件，诸如传感器114、模块116和/或工具控制部件118。钻柱102可插入到钻孔120中。当钻柱102前进通过地层122时，钻孔120可由钻地工具112形成。工具控制部件118可被配置成控制钻地工具112的操作情况。例如，工具控制部件118可包括转向部件，该转向部件被配置成改变钻地工具112相对于钻柱102的角度，从而改变钻柱102的推进方向。工具控制部件118可被配置成从地表处的操作员接收指令并且基于指令执行动作。在一些实施方案中，控制指令可从井下在工具控制部件118内导出，诸如在闭环系统中等。
传感器114可被配置成收集关于井下条件的信息，诸如温度、压力、振动、流体密度、流体粘度、切屑密度、切屑尺寸、切屑浓度等。在一些实施方案中，传感器114可被配置成收集关于地层的信息，诸如地层组合物、地层密度、地层几何形状等。在一些实施方案中，传感器114可被配置成收集关于钻地工具112的信息，诸如工具温度、刀具温度、刀具磨损、钻压(WOB)、钻头扭矩(TOB)、钻柱旋转速度(RPM)、在钻地工具112处的钻井流体压力、在钻地工具112处的流体流动速率等。
由传感器114收集的信息可由模块116处理、存储和/或传输。例如，模块116可以以原始数据(诸如电压(例如，0VDC-10VDC、0VDC-5VDC等)、电流(例如，0mA-20mA、4mA-20mA等)或电阻(例如，电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻等))的形式从传感器114接收信息。模块116可处理原始传感器数据，并且可通过使用通信网络协议传输原始传感器数据来在通信网络上将数据传输到地表。通信网络可包括例如通信线路、泥浆脉冲遥测仪、电磁遥测仪、有线钻杆等。在一些实施方案中，模块116可被配置成用原始传感器数据进行计算，例如，使用诸如温度、压力等传感器测量值计算钻井流体的粘度，或使用诸如切屑浓度、切屑密度、WOB、地层密度等传感器测量值计算钻地工具112的穿透速率。
在一些实施方案中，井下信息可传输到地表处的操作员或传输到地表处的计算装置。例如，井下信息可通过显示器、打印输出等提供给操作员。在一些实施方案中，井下信息可被传输到计算装置，该计算装置可处理信息并且以适用于操作员的不同格式向操作员提供信息。例如，范围之外的测量值可以以警报、警示灯、报警等形式提供，一些信息可以以显示器、电子表格等形式提供，而在直到执行进一步计算才有用的其他信息可被处理，并且计算的结果可以以显示器、打印输出、电子表格等提供。
在一些实施方案中，井下信息可存储在传感器114或模块116中，并且当钻地工具112和/或钻柱102从孔中起钻时由操作员下载。在一些情况下，传感器114和/或模块116可定位在钻地工具112和/或钻柱102的难以连接模块116之间的布线(诸如网络或功率布线)的区域中。因此，可能难以给传感器114和/或模块116供电并访问存储在传感器114和模块116中和/或由传感器和模块测量的井下信息。
在一些情况下，传感器114和/或模块116可包括内部功率存储装置，诸如电池、电池组、功率单元等。在一些情况下，传感器114和/或模块116可包括被配置成处理和存储井下信息的内部存储装置和/或处理器。具有内部功率存储装置和/或数据存储装置的传感器114和/或模块116可能需要额外考虑。例如，内部功率存储装置可具有存储在其中的有限量的功率。因此，如果内部功率存储装置耗尽其中存储的功率，则相关联的传感器114和/或模块116可在传感器114和/或模块116从钻孔120移除之前停止收集井下信息。在一些情况下，访问存储在内部功率存储装置中的井下信息可能是困难的。例如，用于传感器114和/或模块116的数据存储装置可定位在相关联的井下工具内。井下工具和/或壳体、覆盖物等可保护敏感的电子器件(诸如，数据存储装置)免受井下条件的影响，该井下条件可包括高温、高压、碎屑、腐蚀性液体等。因此，访问井下信息可能需要在将井下工具从钻孔120移除之后将传感器114和/或模块116从井下工具移除，这可能需要额外的时间和/或复杂的工具和/或操作员来完成。此外，将传感器114和/或模块116从井下工具移除可能增加传感器114和/或模块116中的一者或多者在移除过程期间可能被损坏的机会，这可能导致井下信息被破坏或丢失。
本公开的实施方案可包括被配置成承受井下条件并且将数据传输到外部装置而无需从井下工具移除的自包含传感器或模块。此外，本公开的实施方案可包括被配置成延长自包含传感器或模块的内部功率存储装置的使用寿命的节能元件和程序。
图2示出了自包含传感器组件200的实施方案的分解图。自包含传感器组件200可被配置成插入到井下工具202中，诸如钻头、井下扩孔钻、扩孔钻、稳定器、泥浆马达、随钻测量(MWD)子组件、随钻测井(LWD)子组件等。自包含传感器组件200可包括传感器结构体204、盖206、数据端口208和锁定环210。
传感器结构体204可包括传感器板224(例如，电路板)。传感器板224可容纳一个或多个传感器，诸如加速度计、压力传感器、温度传感器、振动传感器、应变仪、陀螺仪、陀螺测试仪、磁力计等。一个或多个传感器可围绕传感器板224布置，使得可基于传感器读数测量和/或计算多个不同类型的信息。例如，多个加速度计的布置可使得传感器板224能够测量和/或计算操作元素，诸如旋转速度、倾斜角、方位角、方位角加速度、切向加速度、横向加速度等。例如，在2020年7月31日提交的名称为“传感器布置及相关方法和系统(SENSORARRANGEMENTS AND ASSOCIATED METHODS AND SYSTEMS)”(代理人案卷号1684-P15457US(64BSG-508018-US))的美国专利申请16/945,471中描述了捕获不同类型信息的传感器布置和方法的一些示例。在一些实施方案中，多个不同类型的传感器可被包括在同一传感器板224上。例如，传感器板224可包括多个加速度计、以及一个或多个压力传感器、温度传感器、振动传感器、应变仪、陀螺仪、陀螺测试仪和/或磁力计。
在一些实施方案中，传感器板224可包括处理器和存储器存储装置，该处理器和存储器存储装置被配置成处理和/或存储由一个或多个传感器收集(例如，感测、检测、测量等)的数据。例如，处理器和存储器存储装置可被配置成处理来自一个或多个传感器的原始数据并且存储所得到的井下信息。在一些实施方案中，处理器和存储器存储装置可将原始传感器信息存储在诸如数据库或阵列中，使得处理器可在从存储器存储装置提取原始数据之后根据原始传感器信息来计算井下信息。在一些实施方案中，处理器可以是被配置成在数据从传感器板224传输到外部装置之后计算井下信息的外部装置的一部分。
在一些实施方案中，传感器板224可包括功率存储装置，诸如电池、电容器等。在一些实施方案中，传感器板224可包括功率连接件，诸如引线、导线、端子、接线柱、插头等，这些功率连接件被配置成将传感器板224连接到远程电源，诸如电池或电池组。
传感器结构体204可被配置成向传感器板224提供结构支撑。例如，传感器结构体204可基本上围绕传感器板224。在一些实施方案中，传感器结构体204和传感器板224可基本上是圆形的，使得传感器结构体204可以是基本上围绕传感器板224的环形结构体。传感器结构体204可在传感器板224的顶表面和底表面的上方和下方延伸得多于附接到传感器板224的表面的任何半导体器件。例如，如果抵靠基本上平坦的表面放置，则传感器结构体204可以是传感器结构体204和传感器板224接触基本上平坦的表面的唯一部分。在一些实施方案中，传感器结构体204可包括附加结构件，诸如图6所示的支撑和/或安装支架，以向传感器板224提供进一步的支撑和保护。在一些实施方案中，传感器结构体204可被配置成完全封装传感器板224。
在一些实施方案中，传感器结构体204可被配置成使传感器板224相对于井下工具202取向。例如，传感器结构体204可被配置成设置在井下工具202中的凹部218中。传感器结构体204可搁置抵靠在井下工具202的凹部218内的凹部基部226上。凹部基部226可被配置成与传感器结构体204的底表面242交接，使得凹部基部226限定传感器结构体204相对于井下工具的径向位置。传感器结构体204可包括键表面230，该键表面被配置成将传感器结构体204取向在凹部218内。例如，凹部218可包括互补的取向键228，该取向键被配置成与传感器结构体204中的键表面230交接。如图2所示，取向键228和键表面230可在其他情况的圆形表面中是互补的平坦(例如，平面或直的)表面。在一些实施方案中，取向键228和键表面230可以是互补的突起部和凹槽，诸如键和键槽。
在一些实施方案中，取向键228和键表面230可被配置成仅允许传感器结构体204以单个取向插入凹部218中。在一些实施方案中，取向键228和键表面230可被配置成仅允许传感器结构体204以选择数量的取向(诸如两个取向、四个取向等)中的一个取向插入到凹部218中。例如，取向键228和键表面230可允许传感器结构体204以彼此偏移180度的两个取向插入到凹部218中。在一些实施方案中，取向键228和键表面230可允许传感器结构体204以彼此偏移90度的四个取向中的一个取向插入凹部218中。
在一些实施方案中，取向键228和凹部基部226可以是被配置成限定传感器结构体204和任何相关联的传感器相对于井下工具202的取向和/或位置的校准表面。取向键228与键表面230和/或凹部基部226与传感器结构体的底表面242之间的接口可确定与传感器结构体204相关联的传感器的精度。例如，一些传感器测量值可能受到传感器相对于井下工具202的取向和/或位置的影响。在一些实施方案中，取向键228、键表面230、凹部基部226和/或底表面242中的任一者中的公差误差可转移到来自相关联的传感器的测量值中。
控制传感器板224的取向可使得其上的传感器能够测量井下工具202的特定特性，诸如取向、旋转速度、振动、扭矩、倾斜等。例如，相对于井下工具202以特定取向定位若干传感器可使得传感器之间的差异能够用于计算井下工具202的特定特性，如例如在2020年7月31日提交的名称为“传感器布置及相关方法和系统(SENSOR ARRANGEMENTS ANDASSOCIATED METHODS AND SYSTEMS)”(代理人案卷号1684-P15457US(64BSG-508018-US))的美国专利申请16/945,471中所述的。
盖206可被配置成搁置抵靠传感器结构体204的顶表面。盖206可将传感器结构体204固定在井下工具202中的凹部218内。例如，盖206可将传感器结构体204夹在盖206的基部232与凹部基部226之间。盖206可被配置成将传感器板224与井下环境分开。例如，井下环境可包括高温、高压、碎屑和流体(例如，油、水、钻井泥浆、侵蚀性流体、腐蚀性流体等)。盖206可由被配置成承受井下环境并且保护传感器板224免受井下环境可能损坏传感器板224和/或其部件的元素影响的材料形成。
在一些实施方案中，盖206可被配置成将井下环境的一种或多种元素传递到传感器板224。例如，盖206可将压力从井下环境传递到传感器板224。传感器板224上的压力传感器可测量通过盖206传递的压力。例如，盖206可被配置成充当在外部压力下变形的隔膜，直到盖206两侧的压力均衡。在一些实施方案中，盖206可被配置成使得盖206的一部分被配置成相对于传感器板224移动。盖206的可移动部分可移入或移出盖206，以均衡盖206的该部分的每侧的压力。传感器板224上的压力传感器可测量形成在盖206和井下工具202的凹部218之间的腔302(图3)中的压力、或者传感器板224周围的区域中的压力。当盖206或盖206的一部分的每侧的压力均衡时，传感器板224周围的压力可与井下压力基本上相同。
盖206可包括围绕基部232的一个或多个密封凹槽234。密封凹槽234可被配置成接收一个或多个密封件，这些密封件被配置成在盖206与井下工具202中的凹部218的壁之间形成密封。该一个或多个密封件可被配置成基本上防止流体流入和/或流出腔302。
盖206可在盖206的基部232中包括一个或多个凹部240。在一些实施方案中，凹部240可被配置成与取向键228和/或键表面230交接，以相对于传感器结构体204和/或井下工具202定位盖206。例如，凹部240可包围由凹部218的取向键228和传感器结构体204的键表面230限定的区域，使得凹部240可基本上防止盖206相对于传感器结构体204和井下工具202旋转。
盖206可包括孔214。孔214可被配置成接收数据端口208。数据端口208可穿过盖206耦接到传感器板224。例如，数据端口208可连接到从传感器板224延伸的导线或引线。在一些实施方案中，数据端口208可连接到连接器，诸如引脚连接器、锁定连接器、终端连接器、高速串行外围接口(高速spi)等。在一些实施方案中，数据端口208可诸如通过射频发射器和/或接收器无线地连接到传感器板224。
在一些实施方案中，数据端口208可被配置为传感器板224的数据访问端口。例如，数据端口208可操作地连接到传感器板224，诸如连接到传感器板224中的处理器或存储器装置。数据端口208可被配置成使得能够穿过盖206连接到传感器板224，而不需要将自包含传感器组件200从井下工具202移除。例如，数据端口208可包括连接器，该连接器被配置成接收来自外部源(诸如计算机、平板计算机、网络连接、服务器、控制器等)的有线连接，诸如网络连接(例如，以太网、RJ45、RJ11、RJ12、RS485等)或串行连接(例如，DB9、RS-232、通用串行总线(USB)等)。
在一些实施方案中，数据端口208可被配置成从传感器板224无线地传输数据。例如，数据端口208可以是无线接收器和/或发射器。数据端口208可被配置成在无线协议(诸如，2G、3G、4G、5G、RFID、WIFI等)下传输数据。例如，数据端口208可接收井下信息和/或原始传感器数据，诸如存储在传感器板224的存储器装置中的数据。
在一些实施方案中，数据端口208可被配置成从外部装置(例如，计算机、平板计算机、网络、服务器、云等)接收数据，诸如配置数据、编程数据、固件、更新等。例如，数据端口208可被配置成从外部装置接收数据且将数据推送到传感器板224中。在一些实施方案中，该数据可改变传感器板224的操作，诸如操作序列、转换传感器读数的方法、存储传感器读数的方法等。在一些实施方案中，该数据可校正软件问题，诸如软件补丁、错误修复等。在一些实施方案中，该数据可配置传感器板224以用于在不同类型的操作中操作，诸如用于放置在不同类型的工具上、放置在钻柱的不同部分中、在不同操作中使用工具等。在一些实施方案中，数据可以是校准系数和/或记录的数据。
在一些实施方案中，盖206可包括在孔214上的可移除插头236。例如，在数据端口208被插入到盖206的孔214中之后，插头236可被安装到孔214中。插头236可被配置成保护数据端口208免受井下环境的影响，类似于盖206提供给传感器板224的保护。插头236可被配置成被移除以实现从外部装置与数据端口208的连接。例如，在插头236被移除的情况下，如上所述的有线连接可连接到数据端口208。在一些实施方案中，移除插头236可使得数据端口208能够将可靠无线信号发送到外部装置和/或从外部装置接收可靠无线信号，如上所述。
在一些实施方案中，插头236可包括其它集成装置，诸如传感器。例如，插头236可包括压力传感器。在一些实施方案中，插头236可以是可移除的压力换能器，该压力换能器被配置成测量压力并且同时保护数据端口208免受井下环境的影响。在一些实施方案中，压力换能器可通过数据端口208耦接到传感器板224。在一些实施方案中，压力换能器可无线地耦接到传感器板224。在一些实施方案中，压力换能器可耦接到另一传感器模块。在一些实施方案中，压力换能器可以是基本上独立的。
在一些实施方案中，盖206可包括盖206的区域，该区域被配置成对射频透明(例如，RF透明、RF窗口等)。例如，盖206的至少一部分可由对射频基本上透明的材料形成。射频透明材料是射频场或信号可穿透而不损失用于加热的能量或反射离开材料的材料，诸如聚四氟乙烯(例如，PTFE、
Figure BDA0004113793000000111
)、石英、玻璃材料、高温聚醚醚酮(PEEK)等。在一些实施方案中，盖206可完全由射频透明材料形成。射频透明材料可以使发射器和/或接收器能够通过盖206发送和/或接收无线电信号。
在一些实施方案中，数据端口208可以以在没有插头236的情况下承受井下环境的方式形成。例如，数据端口208可由被配置成承受井下环境的材料形成。在一些实施方案中，数据端口208可包括被配置成保护导电元件的连接的类型，诸如覆盖连接或无线连接。
盖206可包括在密封凹槽234上的脊238。锁定环210可被配置成搁置抵靠脊238，从而将盖206固定在井下工具202的凹部218中。锁定环210可包括螺纹212，该螺纹被配置成与井下工具202中的互补螺纹216交接。例如，一旦传感器结构体204和盖206被设置在井下工具202的凹部218中，锁定环210可以使凹部218中的螺纹216与锁定环210的螺纹212接合。锁定环210可被拧入凹部218中，直到锁定环210与盖206的脊238接合。
锁定环210可具有与脊238上方的盖206的直径基本相同或大于该直径的内径。例如，锁定环210可被配置成越过盖206的顶部部分以搁置在脊238上。
在一些实施方案中，锁定环210可被配置成拧紧到井下工具202的凹部218的螺纹216中，而不接触盖206的脊238。例如，盖206可被配置成在锁定环210被固定之后相对于井下工具202和锁定环210移动。锁定环210可被配置成防止盖206离开凹部218，同时允许盖206在凹部218内移动。这种移动可以使盖206能够均衡井下环境与腔302(图3)之间的压力，如上所述。
锁定环210可包括由锁定环210表面上的一个或多个谷222分开的一个或多个脊220。脊220和谷222可围绕锁定环210的外周以某种图案布置。脊220和谷222可被配置成由工具(诸如套筒、扳手、螺丝刀等)接合，以从井下工具202拧紧和/或松开锁定环210。
锁定环210可使得传感器结构体204和盖206能够相对于彼此并相对于井下工具202以特定取向安装。如上所述，传感器结构体204可包括键表面230，该键表面被配置成限制传感器结构体204和传感器板224相对于井下工具202的取向。数据端口208可穿过盖206中的孔214安装。在一些实施方案中，孔214可能需要布置在传感器板224的特定部分上，以实现数据端口208与传感器板224之间的连接。在一些实施方案中，导线可从传感器板224延伸穿过孔214以连接到数据端口208。相对于传感器板224多次转动盖206(以诸如拧入盖206中)可能导致导线多次扭转，这可能导致导线和/或传感器板224在导线连接到传感器板224的地方损坏。锁定环210可使得传感器结构体204和盖206能够设置到井下工具202中的凹部218中，其中传感器结构体204和/或盖206相对于彼此并相对于井下工具202的扭转最小。
在一些实施方案中，传感器结构体204可单独地固定在凹部218中。例如，传感器结构体204可通过摩擦配合(例如，压配合、过盈配合等)，通过粘合剂(例如，环氧树脂、胶等)或其他物理化学过程(例如，硬钎焊、焊接、软钎焊等)个体地固定在凹部218中。
图3示出了自包含传感器组件200的剖视图。传感器结构体204可搁置抵靠井下工具202的凹部基部226。盖206的基部232可搁置抵靠传感器结构体204的顶表面。传感器结构体204可固定在盖206与井下工具202之间。传感器板224可固定到传感器结构体204。
在一些实施方案中，传感器结构体204可具有大于传感器板224的高度，使得盖206的基部232可接触传感器结构体204而不接触传感器板224或其任何部件。在一些实施方案中，盖206可在盖206与传感器板224和/或凹部基部226之间形成腔302。在一些实施方案中，腔302可允许传感器板224的部分或其部件在传感器结构体204上方延伸而不接触盖206。在一些实施方案中，腔302可被配置成收纳可能需要额外空间的电气部件，诸如电池、发射器等。在一些实施方案中，如上所述，腔302可允许盖206均衡井下环境和腔302之间的压力，使得传感器板224上的压力传感器可测量井下环境的压力。
在一些实施方案中，盖206可包括结合到盖206中的电池304。例如，盖206可围绕电池304形成。在一些实施方案中，电池304可形成为盖206的一部分，诸如包括嵌入到盖206中的多个电池单元。在一些实施方案中，盖206可包括一个或多个腔，该一个或多个腔被配置成在其中接收电池304和/或固定电池304。
在一些实施方案中，电池304可被配置成连接到从传感器板224延伸到盖206中的引线或导线。在一些实施方案中，盖206可被配置成诸如通过盖206中被配置成电耦接到传感器板224上的互补电连接的电触点、引脚、插座等将电池304电耦接到传感器板224。
盖206可在盖206的基部232中包括一个或多个密封凹槽234。密封件308可布置在密封凹槽234内。密封件308可被配置成在盖206的基部232与井下工具202之间形成密封。例如，密封件308可由弹性材料形成，诸如聚合物、橡胶等。在一些实施方案中，密封件308可以是环形圈，诸如0形圈、D形圈等。密封件308可被配置成基本上防止流体或碎屑从井下环境进入腔302。
数据端口208可插入到盖206中的孔214中。插头236可在孔214中设置在数据端口208上方。在一些实施方案中，插头236可通过螺纹接合件306固定。插头236可被配置成基本上防止井下存在的流体和/或碎屑接触、干扰、被捕获入和/或堵塞数据端口208。
插头236可在插头236的顶部部分中包括工具接口310。工具接口310可被配置成接收工具，诸如螺钉头、梅花头、内六角头、螺栓头等。工具接口310可使得手动工具或动力工具能够在安装和/或移除插头时与插头236交接，使得插头可在工具的帮助下被拧入或拧出。工具接口310可使得插头236能够被容易地移除以在与传感器板224交接时快速地访问数据端口208。
插头236可包括一个或多个密封凹槽314。一个或多个密封件312(诸如0形圈、D形圈等)可设置在密封凹槽314中。该一个或多个密封件312可被配置成在插头236与盖206之间形成密封。例如，该一个或多个密封件312可基本上防止井下流体或碎屑进入数据端口208。
图4示出了自包含传感器组件400的实施方案。自包含传感器组件400可安装在诸如钻头、扩孔钻、回扩孔钻、稳定器等井下工具402的柄部408附近。井下工具402可包括进入到井下工具402中的凹部414。凹部414可被配置成接收自包含传感器组件400。例如，凹部414可具有与自包含传感器组件400互补的形状，诸如圆形形状、键接特征、互补螺纹等，如上所述。
自包含传感器组件400可包括被配置成支撑和/或固定传感器板224的传感器结构体404。如上所述，传感器板224可容纳一个或多个传感器，诸如加速度计、压力传感器、温度传感器、振动传感器、应变仪、陀螺仪、陀螺测试仪、磁力计等。该一个或多个传感器可围绕传感器板224布置，使得可基于传感器读数测量和/或计算多个不同类型的信息。例如，多个加速度计的布置可使得传感器板224能够测量和/或计算操作元素，诸如旋转速度、倾斜角、方位角、方位角加速度、切向振动、横向振动等。在一些实施方案中，多个不同类型的传感器可被包括在同一传感器板224上。例如，传感器板224可包括多个加速度计、以及一个或多个压力传感器、温度传感器、振动传感器、应变仪、陀螺仪、陀螺测试仪和/或磁力计。
在一些实施方案中，传感器板224可包括处理器和存储器存储装置，该处理器和存储器存储装置被配置成处理和/或存储由一个或多个传感器收集(例如，感测、检测、测量等)的数据。例如，处理器和存储器存储装置可被配置成处理来自一个或多个传感器的原始数据并且存储所得到的井下信息。在一些实施方案中，处理器和存储器存储装置可将原始传感器信息存储在诸如数据库或阵列中，使得处理器可在从存储器存储装置提取原始数据之后根据原始传感器信息来计算井下信息。
传感器结构体404可被配置成向传感器板224提供结构支撑。例如，传感器结构体404可基本上围绕传感器板224。在一些实施方案中，传感器结构体404和传感器板224可基本上是圆形的，使得传感器结构体404可以是基本上围绕传感器板224的环形结构体。在一些实施方案中，传感器结构体404可包括附加结构件，诸如图6所示的支撑和/或安装支架，以向传感器板224提供进一步的支撑和保护。
在一些实施方案中，传感器结构体404可被配置成使传感器板224相对于井下工具402取向。例如，传感器结构体404可被配置成设置在井下工具402中的凹部414中。传感器结构体404可包括键接特征，该键接特征被配置成将传感器结构体404取向在凹部414内，如图5中进一步详细描述的。
盖406可被配置成搁置抵靠传感器结构体404的顶表面。盖406可将传感器结构体404固定在井下工具402中的凹部414内。例如，盖406可将传感器结构体404夹在盖206与凹部414的基部之间。盖406可被配置成将传感器板224与井下环境分开。例如，盖406可由被配置成承受井下环境并且保护传感器板224免受井下环境可能损坏传感器板224和/或其部件的元素影响的材料形成。
盖406可包括围绕盖406的一个或多个密封凹槽416。密封凹槽416可被配置成接收一个或多个密封件，这些密封件被配置成在盖406与井下工具402中的凹部414的壁之间形成密封。该一个或多个密封件可被配置成基本上防止流体进入凹部414中。
盖406可包括连通特征418。在一些实施方案中，连通特征418可以是被配置成接收数据端口208(图2)的孔。数据端口208可穿过盖406中的连通特征418耦接到传感器板224。例如，数据端口208可连接到从传感器板224延伸的导线或引线。在一些实施方案中，数据端口208可被连接到连接器，诸如引脚连接器、锁定连接器、终端连接器等。在一些实施方案中，数据端口208可诸如通过射频发射器和/或接收器无线地连接到传感器板224。
在一些实施方案中，连通特征418可以是盖406的区域，该区域被配置成对射频透明(例如，RF透明、RF窗口等)。例如，盖406的至少一部分可由对射频基本上透明的材料形成。射频透明材料是射频场或信号可穿透而不损失用于加热的能量或反射离开材料的材料，诸如聚四氟乙烯(例如，PTFE、
Figure BDA0004113793000000151
)、石英、玻璃材料等。在一些实施方案中，盖406可完全由射频透明材料形成。射频透明材料可使发射器和/或接收器能够通过盖406发送和/或接收无线电信号。例如，传感器板224可包括被配置成发送和/或接收无线电信号的射频发射器、接收器、换能器等。在一些实施方案中，传感器板224可通过盖406将井下数据传输到外部装置，诸如计算机、平板计算机、服务器、控制器、模块、其它传感器组件等。在一些实施方案中，传感器板224可通过盖406接收射频信号，诸如操作命令、数据传输、配置、更新等。
在一些实施方案中，盖406可包括多个连通特征418。例如，盖406可包括被配置成接收数据端口208(图2)的孔和盖406的被配置成对射频透明的区域。在一些实施方案中，数据端口208可穿过盖406中的孔耦接到传感器板224，并且无线发射器和/或接收器可被配置成通过盖406发射和/或接收无线信号。例如，无线发射器和/或接收器可被配置成在井下工具402在井下时与钻柱的其他元件(诸如传感器、传感器模块、控制部件等)无线地通信。数据端口208可被配置成通过与计算装置的硬连线连接传达更大容量的数据，诸如记录数据、校准数据、软件和/或固件更新等。
盖406可包括被配置成将盖406固定到井下工具402上的螺纹412。例如，井下工具402可在凹部414中包括互补螺纹。螺纹412可接合凹部414中的螺纹并且将盖406固定到凹部414中。盖406可在传感器结构体404之后被拧入凹部414中，使得传感器结构体404可被固定在盖406与井下工具402之间。盖406可被配置成相对于凹部414旋转以接合螺纹412。在一些实施方案中，盖406可包括交接特征420，该交接特征被配置成使得工具能够与盖406交接并且旋转盖406。在一些实施方案中，交接特征420可以是盖406的表面中被配置成与互补工具交接的一个或多个凹部、孔或脊。
自包含传感器组件400可包括电池组410。在一些实施方案中，电池组410可被配置成容纳在盖406内。例如，盖406可在盖406内限定腔，诸如腔302(图3)。电池组410可容纳在盖406和传感器板224之间的腔内。在一些实施方案中，电池组410的尺寸和形状可设定成使得电池组410与腔的尺寸基本相同。在一些实施方案中，电池组410的尺寸和形状可设定成使得电池组410仅部分地填充腔。
在一些实施方案中，电池组410可以是可再充电电池组。在一些实施方案中，电池组410可被配置成在自包含传感器组件400中被再充电和重复使用。例如，电池组410可在使用之间充电，并且在自包含传感器组件400被第二次设置在井下之前重新安装在自包含传感器组件400中。在一些实施方案中，电池组410可被配置成在自包含传感器组件400从钻孔起钻之后被再充电并且被转移到不同的自包含传感器组件400。在一些实施方案中，电池组410可被配置成在即将将井下工具402设置到钻孔中之前被充电，使得电池组410可以充满电的方式进入钻孔，而不是在运输和/或组装期间失去电量。
在一些实施方案中，可通过启用和/或停用传感器组件400和/或传感器组件400的部件来保存电池组410的电量。例如，传感器组件400的一个或多个部件可通过数据端口208被启用。在一些实施方案中，到数据端口208的连接可启用传感器组件400的一个或多个部件，并且到数据端口208的连接的丢失可停用传感器组件400的一个或多个部件。在一些实施方案中，传感器组件400的一个或多个部件可通过开关被启用。例如，诸如磁性开关等无线开关可被配置成启用和/或停用传感器组件400的一个或多个部件。例如，操作员可在数据传送期间启用传送数据所需的部件，并且一旦数据传送完成则停用这些部件。
图5示出了传感器结构体404的实施方案。传感器结构体404可包括被配置成围绕传感器板224的侧壁502。侧壁502可包括一个或多个对准特征506。对准特征506可被配置成将传感器板224相对于传感器结构体404以特定取向固定。例如，对准特征506可包括互补的对准凸片和/或凹槽。在一些实施方案中，对准特征506可包括安装硬件，诸如螺钉、螺母、螺纹凹部、销等。
侧壁502可包括从侧壁502的外表面延伸的键接特征504。键接特征504可被配置成将传感器结构体404相对于井下工具402(图4)以特定取向固定。例如，凹部414可包括互补特征，该互补特征被配置成接合键接特征504，一旦键接特征504与凹部414中的互补特征接合，则基本上防止传感器结构体404相对于井下工具402旋转。
在一些实施方案中，键接特征504和互补特征可被配置成仅当传感器结构体404接近凹部414的底部部分时彼此接合。例如，当传感器结构体404被插入凹部414中时，传感器结构体404可在凹部414内自由旋转。在一些实施方案中，当盖406被拧入凹部414中时，传感器结构体404可与盖406一起旋转。当传感器结构体404接近凹部414的底部时，键接特征504可与凹部414中的互补特征接合。键接特征504和互补特征可基本上阻止传感器结构体404的任何旋转，使得传感器结构体404可相对于井下工具402处于预定取向。在一些实施方案中，键接特征504和/或互补特征可被配置成当盖406需要不超过一圈(例如，旋转360度)来降至最低点和/或完全接合侧壁502的顶表面508时接合，从而将传感器结构体404固定在盖406与凹部414的底部之间。
在一些实施方案中，允许传感器结构体404在被插入凹部414中时相对于井下工具402旋转可使得布线(诸如功率布线、数据传输布线(例如，到数据端口的布线)等)能够在传感器结构体404和盖406之间延伸，而不会在安装期间引起过度的导线扭转。避免布线的过度扭转可减少和/或防止布线、传感器板224和/或传感器元件的过早失效。
图6示出了传感器结构体600的平面图。传感器结构体600的特征可结合到上述传感器结构体204或传感器结构体404中。传感器结构体600可被配置成将传感器板224固定在传感器结构体600的侧壁604内。传感器结构体600可包括对准特征506，该对准特征被配置成以特定取向将传感器板224固定到传感器结构体600。例如，对准特征506可包括被配置成接收螺纹紧固件的一个或多个螺纹孔。螺纹紧固件可被配置成穿过螺纹孔将传感器板224固定到传感器结构体600。在一些实施方案中，对准特征506可包括一个或多个销或脊和/或互补凹部或凹槽。
传感器结构体600可包括一个或多个键接特征608。键接特征608可被配置成相对于井下工具202、402以特定取向固定传感器结构体600，如上所述。图6示出了在侧壁604的相反两侧包括两个平坦表面的传感器结构体600的实施方案。侧壁604可具有环形形状或环形状。这两个平坦表面可被配置成接合井下工具202、402中的凹部218、414中的对应平坦表面，从而基本上防止传感器结构体600相对于井下工具202、402旋转。在一些实施方案中，键接特征608可包括一个或多个突起部，诸如以上关于图5描述的键接特征504。该一个或多个突起部可被配置成接合凹部218、414中的对应凹部或凹槽，从而基本上防止传感器结构体600相对于井下工具202、402旋转。
在一些实施方案中，传感器结构体600可包括孔606。在一些实施方案中，孔606可被配置成为附加的键接特征。例如，孔606可被配置成接收从井下工具202、402突出的销。在一些实施方案中，孔606可被配置成允许布线在传感器板224的前侧与传感器板224的后侧之间穿过。在一些实施方案中，孔606可被配置成容纳电子装置，诸如传感器、数据连接件、插头等。例如，一些传感器(诸如温度传感器)可能需要与传感器板224隔离以捕获准确读数。在一些实施方案中，传感器结构体600可将数据连接件或插头固定到传感器结构体600的侧壁604中，使得数据连接件或插头以特定位置及/或取向定位在侧壁604中且由侧壁604支撑。
传感器结构体600可包括横跨由侧壁604限定的开放区域延伸的一个或多个支架602。支架602可在侧壁604的部分之间延伸，从而通过传感器结构体600的中心部分连接侧壁604的这些部分。支架602可增加传感器结构体600的强度，从而为传感器板224提供增加的支撑。在一些实施方案中，支架602可被配置成向传感器板224的背面和从其延伸的任何部件提供更大的保护。例如，支架602可被配置成在传感器板224和/或其任何部件接触凹部218、414的底部之前接触凹部218、414的底部。
在一些实施方案中，传感器610可耦接到支架602中的一个或多个支架。传感器610可被配置成测量传感器结构体600和/或相关联的支架602的机械特性，诸如应变、弯曲力、压缩力、张力等。例如，传感器610可以是应变仪。由传感器610测量的机械特性可被解释以确定井下环境的特性，诸如压力。例如，当井下环境中的压力增加时，传送到传感器结构体600的应力可能增加。增加的应力然后可与井下压力的增加相关联。在一些实施方案中，由传感器610测量的机械特性可被解释以识别环境和/或操作因素，诸如突然的加速或减速、冲击、工具应变、工具应力等。例如，井下工具202、402中的应力可被传输到传感器结构体600并且由传感器610测量。在一些实施方案中，由传感器610测量的机械特性可用于确定传感器结构体600中的应力水平。检测传感器结构体600中的应力水平可使得处理器或用户能够确定何时基本上达到传感器结构体600的应力极限或磨损极限。
图7示出了传感器板224和相关部件的示意图。传感器板224可包括处理器706和存储器存储装置708。存储器存储装置708可被配置成存储用于处理器706的指令。在一些实施方案中，存储器存储装置708可被配置成存储来自耦接到传感器板224的传感器710的读数。
在一些实施方案中，处理器706可被配置成控制传感器板224的特征，诸如取样速率、开始和/或停止数据记录；传输和/或接收数据和/或指令等。例如，一旦处理器706确定传感器板224和相关联的井下工具202、402在井下，则处理器706可开始记录数据。处理器706可周期性地从传感器板224的一个或多个传感器710收集数据。当传感器710返回与井下条件一致的值时，处理器706可确定传感器板224和相关联的井下工具202、402在井下并且开始记录来自传感器710的数据。
在一些实施方案中，处理器706可被配置成用由传感器710提供的原始传感器数据执行计算。例如，处理器可从一个或多个加速度计收集数据并且确定井下工具202、402的操作参数，诸如旋转速度、钻头方向、倾斜、方位等，如例如在2020年7月31日提交的名称为“传感器布置及相关方法和系统(SENSOR ARRANGEMENTS AND ASSOCIATED METHODS ANDSYSTEMS)”(代理人案卷号1684-P15457US(64BSG-508018-US))的美国专利申请16/945,471中描述的。在一些实施方案中，处理器706可从被配置成测量传感器结构体600的机械特性的传感器(诸如上述传感器610)计算井下特性和/或工具特性。在一些实施方案中，处理器706可控制原始传感器数据的传送及存储，诸如以将原始传感器数据提供到用于执行计算及转换的单独处理器及/或计算装置的方式，将原始传感器数据组织成阵列、数据库等。
传感器板224可耦接到电源702，诸如电池304或电池组410。电源702可被配置成向传感器板224、处理器706、传感器710和/或直接或间接耦接到传感器板224的任何其他部件供电。在一些实施方案中，电源702可以是外部电源，使得电源702不直接附接到传感器板224。例如，电源702可如上所述位于盖206、406中，并且通过布线电耦接到传感器板224。在一些实施方案中，电源702可直接耦接到传感器板224。例如，电源702可以是直接软钎焊到传感器板224的部件。在一些实施方案中，传感器板224可包括直接耦接到传感器板224的电池接收器。电池接收器可被配置成接收电池，诸如纽扣电池，以充当电源702。
传感器板224可耦接到数据传送装置704，诸如数据端口208、发射器、接收器等，如上文所述。数据传送装置704可被配置成从传感器板224传送数据和/或向该传感器板传送数据。例如，数据传送装置704可被配置成将传感器数据从传感器板224传送到钻柱或井下工具202、402的另一部件。在一些实施方案中，数据传送装置704可被配置成将传感器数据传送到与钻柱分离的计算装置。在一些实施方案中，数据传送装置704可被配置成从钻柱或井下工具202、402的另一部件接收传感器数据。在一些实施方案中，数据传送装置704可被配置成从外部计算机接收数据，诸如设置数据、固件更新、编程更新、传感器配置等。
在一些实施方案中，数据传送装置704可以是被配置成通过有线连接或终端连接耦接到传感器板224的外部装置。例如，如以上关于图2和图3所述，数据端口208可穿过盖206、406耦接到传感器板224。在一些实施方案中，数据传送装置704可直接耦接到传感器板224。例如，数据传送装置704可以是位于传感器板224上的发射器和/或接收器。发射器和/或接收器可被配置成通过盖206、406发射和/或接收信号，诸如射频信号。例如，盖206、406是射频透明部分(例如，连通特征418、RF透明盖、RF窗口等)，如以上关于图2和图4所描述的。
传感器板224可包括定时装置712，诸如定时时钟。在一些实施方案中，定时装置712可被配置成向处理器706提供触发。处理器706可被配置成对不同触发执行特定命令。例如，在处理器706已经开始记录数据之前，处理器706可被配置成在较长的时间间隔内监测特定传感器710，以确定传感器板224和相关联的井下工具202、402是否在井下。较长的时间间隔可由来自定时装置712的触发提供。在一些实施方案中，当处理器706正在记录数据时，可能需要协调一些传感器测量值。例如，可能需要基本上同时测量一些传感器测量值，以便于使用来自多于一个传感器710的传感器测量值来进行计算。定时装置712可向处理器706提供触发，使得当处理器706接收到来自定时装置712的触发时，可从每个相关联的传感器710进行测量。
在一些实施方案中，定时装置712可直接耦接到传感器板224。例如，定时装置712可以是直接软钎焊到传感器板224的部件。在一些实施方案中，定时装置712可以是通过布线或端子电耦接到传感器板224的远程装置。在一些实施方案中，定时装置712可集成到处理器706中(例如，嵌入在处理器706中)。
图8示出了传感器板224的启动序列800。启动序列800可被配置成使得传感器板224能够在传感器板224不在感兴趣区域(诸如井下)中时节省功率。例如，当传感器板224和相关联的自包含传感器组件200、400以及井下工具202、402在储存中、转运到钻井现场和/或耦接到钻柱时，启动序列800可基本上防止传感器板224进行数据记录和捕获大量数据。节省功率可使传感器板224能够包括较小的电源702和/或延长自包含传感器组件200、400的使用寿命。
传感器板224可保持在空闲模式，如动作802中所示。在空闲模式中，处理器706可在睡眠或低功率模式下操作。在睡眠或低功率模式中，处理器706可仅监测传感器板224的少量传感器710且可不使用来自传感器710的传感器数据执行任何计算。当传感器板224上的加速度计中的一个或多个加速度计检测到自包含传感器组件200、400的移动时，触发可在动作804中开始处理器706中的启动序列。在一些实施方案中，该一个或多个加速度计可通过开关开始启动序列。例如，当加速度计检测到自包含传感器组件200的移动时，加速度计可接合开关，诸如继电器、限位开关等，该开关可基于加速度计的输出而切换，而不处理加速度计的输出。然后，开关可开始处理器706的启动序列。在一些实施方案中，其他类型的传感器可触发启动序列。例如，压力传感器、温度传感器、陀螺仪、陀螺测试仪、磁力计等可用于触发启动序列。
触发可在动作806中启动定时装置712。定时装置712可被配置成以一定的时间间隔向处理器706提供触发。在一些实施方案中，该时间间隔可以是在约15秒与约1小时之间，诸如在约1分钟与约30分钟或约15分钟之间。
在动作808中，来自定时装置712的触发可致使处理器706从一个或多个传感器710进行测量。测量值可对应于被确定为指示自包含传感器组件200、400和相关联的井下工具202、402是否位于井下的特征。例如，传感器710可包括温度传感器、压力传感器、加速度计、陀螺仪、陀螺测试仪、磁力计等。在一些实施方案中，处理器706可被配置成从约一个传感器710与约十个传感器710之间(诸如，约两个传感器710与约五个传感器710之间，或约三个传感器710)进行测量。
一旦处理器706在动作808中从一个或多个传感器710进行测量，处理器706可在动作810、812和814中根据测量值计算一个或多个井下指标。例如，处理器706可在动作810中计算旋转速度、在动作812中计算温度以及在动作814中计算压力。在一些实施方案中，处理器706可计算其他井下指标，诸如加速度的标准偏差、旋转速度的标准偏差、加速模式、振动、倾斜、方位角等。处理器706可计算约一个井下指标和约十个井下指标之间，诸如约两个井下指标和约四个井下指标之间，或者约三个井下指标。
在动作816中，处理器706可确定在动作810、812和814中计算出的哪些井下指标高于相关联的阈值。每个井下指标的阈值可以是在井下环境中预期的值，这些值不是在井下环境之外的普通值。处理器706可将超过阈值的井下指标的数量相加。
然后，处理器706可将超过阈值的井下指标的数量与在动作818中计算的井下指标的总数进行比较。如果超过阈值的井下指标的数量小于计算的井下指标的数量，则可在动作824中重置加速度计触发，并且处理器可返回到动作802中的空闲模式。在一些情况下，井下指标中的一个或多个井下指标可以高于阈值，而其它值不高于阈值。例如，如果井下工具202、402被放置在太阳下，则温度测量值可以高于阈值，而压力测量值可保持低于阈值并且旋转速度可基本上为零。
如果所有计算的井下指标超过阈值，则可在动作820处重新进行测量持续阈值时间量。阈值时间量可以在约10秒和约1分钟之间，诸如约30秒。如果所计算的井下指标中的一个或多个井下指标在阈值时间量期间下降到阈值以下，则可在动作824中重置加速度计触发，并且处理器可返回到动作802中的空闲模式。如果所有计算的井下指标超过阈值持续阈值时间量，则处理器706可在正常操作条件下开始操作，并且在动作822中开始记录传感器值。
在一些实施方案中，不同的权重可被应用于不同的井下指标。例如，当井下工具不位于井下时，诸如旋转速度或压力等一些井下指标不太可能超过阈值。在一些实施方案中，如果较高权重的井下指标超过阈值，则可在动作820处重新进行测量持续阈值时间量。如果较高权重的井下指标在阈值时间量期间下降到阈值以下，则可在动作824中重置加速度计触发，并且处理器可返回到动作802中的空闲模式。如果较高权重的井下指标超过阈值持续阈值时间量，则处理器706可在正常操作条件下开始操作，并且在动作822中开始记录传感器值。
本公开的实施方案可使得能够从安装在井下工具上的电隔离的传感器结构体捕获数据，而无需将传感器结构体从井下工具移除。不移除传感器结构体可使得能够更快地访问存储在传感器结构体中的数据，这可允许更早地做出操作决定。较早的决定可提高井筒的生产率和/或减少与钻孔相关的材料和工时的数量。不移除传感器结构体还可降低在拆卸和重新组装期间损坏传感器结构体的风险。这可以使传感器结构体能够重复使用，从而降低与更换零部件相关的成本。
本公开的实施方案可延长电隔离的传感器结构体的使用寿命。减少传感器结构体的功率使用可使得传感器结构体能够在井下的更多起下钻中使用。降低功率使用还可允许使用较小的电源，从而减小传感器结构体的成本和尺寸。
本公开的非限制性实施方案可包括：
实施方案1：一种井下传感器设备，所述井下传感器设备包括：结构体，所述结构体承载电路板，所述结构体被配置成插入钻柱上的工具中的凹部中；一个或多个传感器，所述一个或多个传感器耦接到所述电路板；盖，所述盖位于所述结构体上；数据端口，所述数据端口穿过所述盖设置，所述数据端口电耦接到所述电路板并且被配置成将数据从所述一个或多个传感器传输到外部装置；和固定元件，所述固定元件被配置成接合所述工具中的所述凹部中的互补特征，所述固定元件被配置成将所述结构体固定到所述工具。
实施方案2：根据实施方案1所述的井下传感器设备，其中所述盖包括所述固定元件。
实施方案3：根据实施方案1或实施方案2所述的井下传感器设备，其中所述盖包括靠近所述盖的基部的脊。
实施方案4：根据实施方案3所述的井下传感器设备，其中所述固定元件包括与所述结构体和所述盖分离的锁定环，其中所述锁定环被配置成接触所述盖的所述脊并且将所述盖和所述结构体固定到所述工具。
实施方案5：根据实施方案1至4中任一项所述的井下传感器设备，其中所述结构体包括键接特征，所述键接特征被配置成相对于所述工具以特定取向固定所述结构体和所述电路板。
实施方案6：根据实施方案1至5中任一项所述的井下传感器设备，其中所述数据端口包括被配置成接收外部有线连接的连接器。
实施方案7：根据实施方案1至6中任一项所述的井下传感器设备，其中所述数据端口包括被配置成将所述数据无线地发射到所述外部装置的无线发射器。
实施方案8：根据实施方案1至7中任一项所述的井下传感器设备，其中所述盖包括延伸穿过所述盖的孔。
实施方案9：根据实施方案8所述的井下传感器设备，其中所述数据端口穿过所述盖设置在所述孔中。
实施方案10：一种钻地工具，所述钻地工具包括：凹部，所述凹部位于所述钻地工具中；传感器结构体，所述传感器结构体固定电路板，所述传感器结构体设置在所述钻地工具中的所述凹部中；一个或多个传感器，所述一个或多个传感器耦接到所述电路板；盖，所述盖位于所述传感器结构体上，其中所述传感器结构体定位在所述盖和所述钻地工具之间；固定元件，所述固定元件被配置成将所述盖固定到所述钻地工具。
实施方案11：根据实施方案10所述的钻地工具，所述钻地工具还包括电耦接到所述电路板的数据传送装置，所述数据传送装置被配置成将数据从所述一个或多个传感器传输到外部装置，其中所述数据传送装置包括无线发射器。
实施方案12：根据实施方案11所述的钻地工具，其中所述盖包括射频透明材料。
实施方案13：根据实施方案10至12中任一项所述的钻地工具，所述钻地工具还包括电耦接到所述电路板的数据传送装置，所述数据传送装置被配置成将数据从所述一个或多个传感器传输到外部装置，其中所述数据传送装置包括被配置成接收有线连接器的数据端口。
实施方案14：根据实施方案13所述的钻地工具，其中所述数据传送装置设置在所述盖中。
实施方案15：根据实施方案10至14中任一项所述的钻地工具，所述钻地工具还包括耦接到所述传感器结构体的传感器，所述传感器被配置成测量所述传感器结构体的一个或多个机械特性。
实施方案16：一种控制井下工具上的传感器设备的方法，所述方法包括：在空闲条件下操作所述传感器设备；以一定时间间隔捕获来自至少一个传感器的读数；将来自所述至少一个传感器的读数与阈值井下条件进行比较；以及当来自所述至少一个传感器的所述读数满足或超过所述阈值井下条件时，开始所述传感器设备的正常操作条件。
实施方案17：根据实施方案16所述的方法，其中所述读数中的至少一个读数包括旋转速度读数。
实施方案18：根据实施方案16或实施方案17所述的方法，其中所述至少一个传感器包括至少三个传感器。
实施方案19：根据实施方案16至18中任一项所述的方法，其中所述读数中的至少一个读数包括计算的井下条件。
实施方案20：根据实施方案16至19中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：检测来自加速度计的加速度；在检测到所述加速度之后启动计时器；以及在启动所述计时器之后以所述时间间隔捕获来自所述至少一个传感器的所述读数。
上面描述的并在附图中示出的本公开的实施方案并不限制本发明的范围，因为这些实施方案仅仅是本发明的实施方案的示例，本发明的范围由所附权利要求书及其法律等同物限定。任何等效实施方案都旨在落在本公开的范围内。实际上，根据所述描述，本文示出和描述的那些修改之外的本公开的各种修改(诸如所描述的元件的替代有用组合)，对于本领域技术人员来说将变得显而易见。这种修改和实施方案也旨在落入所附权利要求书及其法律等同物的范围内。

Claims (20)

1.一种井下传感器设备，所述井下传感器设备包括：
结构体，所述结构体承载电路板，所述结构体被配置成插入钻柱上的工具中的凹部中；
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器耦接到所述电路板；
盖，所述盖位于所述结构体上；
数据端口，所述数据端口穿过所述盖设置，所述数据端口电耦接到所述电路板并且被配置成将数据从所述一个或多个传感器传输到外部装置；和
固定元件，所述固定元件被配置成接合所述工具中的所述凹部中的互补特征，所述固定元件被配置成将所述结构体固定到所述工具。
2.根据权利要求1所述的井下传感器设备，其中所述盖包括所述固定元件。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的井下传感器设备，其中所述盖包括靠近所述盖的基部的脊。
4.根据权利要求3所述的井下传感器设备，其中所述固定元件包括与所述结构体和所述盖分离的锁定环，其中所述锁定环被配置成接触所述盖的所述脊并且将所述盖和所述结构体固定到所述工具。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的井下传感器设备，其中所述结构体包括键接特征，所述键接特征被配置成相对于所述工具以特定取向固定所述结构体和所述电路板。
6.根据权利要求1所述的井下传感器设备，其中所述数据端口包括被配置成接收外部有线连接的连接器。
7.根据权利要求1、2或6中任一项所述的井下传感器设备，其中所述数据端口包括被配置成将所述数据无线地发射到所述外部装置的无线发射器。
8.根据权利要求1、2或6中任一项所述的井下传感器设备，其中所述盖包括延伸穿过所述盖的孔。
9.根据权利要求8所述的井下传感器设备，其中所述数据端口穿过所述盖设置在所述孔中。
10.一种钻地工具，所述钻地工具包括：
凹部，所述凹部位于所述钻地工具中；
传感器结构体，所述传感器结构体固定电路板，所述传感器结构体设置在所述钻地工具中的所述凹部中；
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器耦接到所述电路板；
盖，所述盖位于所述传感器结构体上，其中所述传感器结构体定位在所述盖和所述钻地工具之间；和
固定元件，所述固定元件被配置成将所述盖固定到所述钻地工具。
11.根据权利要求10所述的钻地工具，所述钻地工具还包括电耦接到所述电路板的数据传送装置，所述数据传送装置被配置成将数据从所述一个或多个传感器传输到外部装置，其中所述数据传送装置包括无线发射器。
12.根据权利要求11所述的钻地工具，其中所述盖包括射频透明材料。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的钻地工具，所述钻地工具还包括电耦接到所述电路板的数据传送装置，所述数据传送装置被配置成将数据从所述一个或多个传感器传输到外部装置，其中所述数据传送装置包括被配置成接收有线连接器的数据端口。
14.根据权利要求13所述的钻地工具，其中所述数据传送装置设置在所述盖中。
15.根据权利要求10至12中任一项所述的钻地工具，所述钻地工具还包括耦接到所述传感器结构体的传感器，所述传感器被配置成测量所述传感器结构体的一个或多个机械特性。
16.一种控制井下工具上的传感器设备的方法，所述方法包括：
在空闲条件下操作所述传感器设备；
以一定时间间隔捕获来自至少一个传感器的读数；
将来自所述至少一个传感器的读数与阈值井下条件进行比较；以及
当来自所述至少一个传感器的所述读数满足或超过所述阈值井下条件时，开始所述传感器设备的正常操作条件。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述读数中的至少一个读数包括旋转速度读数。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个传感器包括至少三个传感器。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述读数中的至少一个读数包括计算的井下条件。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，所述方法还包括：
检测来自加速度计的加速度；
在检测到所述加速度之后启动计时器；以及
在启动所述计时器之后以所述时间间隔捕获来自所述至少一个传感器的所述读数。
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