CN1573011A - 使用连接于钻井保护套上的传感器来获取地层信息的方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于获取有关地层、保护套、或者在保护套内部的流体的信息的方法、装置和系统，使用了一个询问装置以及一个或多个连接在一个钻井中的保护套上的传感装置。所述询问装置设置在所述钻井内部，并且优选地是在其内部可以移动。设置并固定在保护套的一个开口上的传感装置包括一个外壳和与电子电路系统相关联的一个传感器。所述传感装置的外壳典型地是适合于为保护套的所述开口提供液压密封。询问装置和传感装置以无线方式交流。
Description
技术领域
本发明涉及一种获取有关地质层组或者穿过地质层组的井的信息的方法、装置和系统。尤其是，本发明涉及在位于带套钻井中的询问工具与连接在保护套上的传感器之间进行信息和能量交换的方法、装置和系统。
背景技术
从地质层组中抽取石油和天然气通常是这样完成，即，穿过地下层组来钻取井孔，以达到含有碳氢化合物的区域，然后使用生产技术来通过钻取出的井孔将碳氢化合物送至地面。为了防止井孔塌陷，井孔通常装备有钢管，这种钢管被称为保护套或者衬套，它们浇铸在钻孔壁上。一旦它们被放置到位，保护套和衬套就会阻止直接触及所述地层，并且因此阻止或防止对地层的重要特性进行测定，比如流体压力和电阻系数。因为这个原因，钻井的测井工作通常在保护套被设置到位之前进行。
为了优化储层的损耗，非常期望在一个持久的基础上，能够在油井的大部分寿命中监测井中不同深度处的温度、压力和其它地层参数。关于钻井完整性的有价值信息能够通过连续监测诸如油井倾角和保护套厚度这样的参数而获得。一种实施这种监测的通常途径包括将传感器连接到保护套的外面，通过电缆将传感器相互连接以从地质层组表面提供遥感勘测和能量，并且将传感器和电缆浇铸在适当位置。这样一种系统已经在Rayssiguier等人的美国专利No.6378610中被描述。这种系统具有很多明显的缺点，比如保护套的安装很复杂，并且失效的元件不可能被替换。另外一种监控系统在Brockman等人的美国专利申请No.2001/0035288中被描述，该专利申请公开了用于穿过保护套壁经由电感耦合器交换信息和能量的方法。然而，这些耦合器需要对保护套进行大范围的修改，并且不适合于现场安装。在Ciglenec等人的美国专利No.6,070,662中公开了用于与埋置在地质层组中的传感器进行交流的方法，但是这种方案需要在保护套安装之前将传感器放置到位。Aronstam等人的美国专利No.6,443,228中描述了在井孔流体中的设备与埋置在钻井壁中的设备之间交换信息和能量的方法，但是该专利没有考虑由于保护套或衬套的存在而引发的问题。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供获取有关地质层组或者穿过地质层组的井的信息的方法、装置和系统。
本发明的另一个目的是提供在位于带套钻井中的询问工具与连接在保护件上的传感器之间进行信息和能量交换的方法、装置和系统。
本发明的其它目的是提供在位于带套钻井中的询问工具与连接在保护套上的传感器之间在不使用电缆并且没有显著改变保护套的情况下进行信息交流的方法、装置和系统。
根据本发明的目的，提供了一种询问装置和一种传感装置。所述传感装置(要么在保护套安装在钻井之前被安装在保护套或者衬套的外表面，要么在保护套被浇铸在适当位置之后被插入到保护套上的一个开口中)包括一个外壳和一个与电路系统相连的传感器。所述询问装置设置在所述钻井内(并且可以在其内部移动)。在一个实施例中，所述询问装置实际上是一个环状铁心变压器，它包括一个细长导体，该导体的周围环绕着由高导磁率材料制成的芯体，并且承载着线圈。设置并固定在所述保护套上的一个开口内的所述传感装置包括一外壳、与电子电路系统和一个电极相关联的一个传感器。所述电极通过一种绝缘材料与所述保护套隔绝，所述传感装置的外壳最好适合于为所述保护套上的开口提供液压密封。
在所述环状铁心变压器的线圈中循环的交流电在所述变压器铁心中感应出一个磁通量，这导致了在所述导体相对的两端形成电压差。相应地，所述电压差又会引起电流在至少一个回路中流动，这个回路包含所述变压器中的所述导体、所述井孔流体、所述传感装置，以及所述保护套。由所述电极收集的电流可以在所述传感装置内部进行调整，以给所述电路系统和所述传感器提供能量。通过对在所述询问装置中的所述变压器线圈内循环的电流进行调制，信息可以被从所述变压器送往所述传感装置，所述传感装置拾取并解调这些信号。同样，所述传感装置可以通过调节施加在所述传感装置的电极与所述保护套之间的电压差而将信息发送给所述询问装置。在所述询问装置的所述线圈中感应出来的电流可以被解调以测定所传输的信息。
在另一个实施例中，所述传感装置和所述询问装置包括它们之间的一个磁耦合，当所述传感装置和所述询问装置彼此设置得非常接近的时候，该磁耦合就可进行工作。优选地，所述磁耦合通过用于所述询问装置的至少一个螺管式线圈(该询问装置的主轴大体上平行于所述钻井的轴线)以及用于所述传感装置的至少一个螺管式线圈来实现(该询问装置的主轴大体上平行于所述钻井的轴线)，因此在它们之间提供一个松散连接的变压器接口。所述询问装置和传感装置以无线的方式在它们之间的磁耦合上方进行交流。
在本发明的一个优选实施例中，当所述询问装置被设置得与所述传感装置非常接进的时候，一个交流电流就在所述询问装置的线圈中循环以在所述钻井的局部区域中产生磁通量，这个局部区域与所述询问装置和传感装置邻近。这个磁通量的一部分被所述传感器的线圈收集，造成电流流过所述传感器线圈。流过所述传感器线圈的电流会横跨一负载阻抗感应出了一个电压信号。通过调制在所述询问工具的线圈中循环的电流，信息能够从所述询问工具送往所述传感装置。同样，通过调制所述传感装置的线圈的所述负载阻抗(或者通过调制在所述传感装置的线圈中循环的电流)，信息能够从所述传感装置送往所述询问工具。
优选的是，本发明中的系统包括沿着所述保护套的长度方向设置的多个传感装置，以及至少一个询问装置，这些询问装置可以移动通过所述钻井。优选的是，本发明中的方法包括沿着所述保护套的长度方向设置多个传感装置，移动所述询问装置通过所述钻井，并且使用所述询问装置向所述传感装置发送信号，以及所述传感装置获得关于所述地层的信息，并且将这个信息以无线的方式提供给所述询问装置。
对于本领域技术人员来讲，通过参考与附图相结合的详细描述，本发明的其它目的和优点将变得明显。
附图说明
图1是一个示意图，展示了一个在地层钻井内的本发明中系统的实施例。
图2是一个部分示意性剖视图，展示了一个本发明中系统的实施例，并且图示了一个在询问模式下的询问装置和一个在接收模式下的传感装置中的电流。
图3是一个部分示意性剖视图，展示了图2所示本发明中系统的实施例，并且图示了在发送模式下的传感装置和在接收模式下的询问装置中的电流。
图4是一个部分示意性剖视图，展示了根据本发明的传感装置的另一个实施例。
图5是一个部分示意性剖视图，展示了本发明中系统的另一个实施例，并且图示了在信息从所述询问装置交流到一个传感装置过程中由询问装置产生的磁通量。
图6是一个部分示意性剖视图，展示了图5所示本发明中系统的实施例，并且图示了在信息从所述传感装置交流到一个询问装置过程中由传感器产生的磁通量。
图7是一个部分示意性剖视图，展示了图5所示本发明中系统的实施例，并且图示了一个用于在所述传感器和传感装置的关联电路系统与钻井流体之间进行液体隔离(以及钻井流体同所述地层之间进行液体隔离)的遥测机构。
图8是一个部分示意性剖视图，展示了根据本发明的传感装置的另一个实施例。
图9是一个示意图，展示了本发明中系统的另外一个替代性实施例。
具体实施方式
参考图1，可以看到一个典型的石油生产设施的高度示意图。一个钻塔10在地层11之上。一个钻井13贯穿所述地层，钻井13具有一个至少部分地在其中延伸的保护套12。该保护套12盛装有一种流体16，这种流体16比如可以包括钻探泥浆或者储层流体。一个工具18从钻塔10或者从绞盘(未示出)延伸到所述保护套中。
本发明中系统的一个实施例20被展示在图1中，该实施例包括一个询问器或者询问装置23以及一个传感装置27，其中询问器或者询问装置23被结合到工具18上，或者它们是工具18的一部分。在这个实施例中，询问装置23在所述钻井的保护套12内部是可以移动的，而所述传感装置27一般是如下面所描述的那样被固定在保护套12上。根据本发明，本发明中的系统20包括至少一个询问装置23和至少一个传感装置27。在某些实施例中，本发明中的系统20包括至少一个询问装置23和沿着所述保护套长度方向布置的多个传感装置27。
如图2和图3所示，在本发明的某些实施例中，询问装置23实际上是一个环状铁心变压器，它包括一个细长导体(杆或者管)33，该细长导体的周围环绕着由高导磁率材料形成的芯体34，该芯体34承载着一个导电线圈35。磁芯34可以被固定在一个沟槽内(未示出)，该沟槽形成于导体33上，并且被封装在一种绝缘材料中用于进行机械和化学保护。优选的是，线圈35与导体33隔绝开。优选的是，询问装置23是一个经由电线、滑线(slick line)或者螺旋导管进行运输的工具。这样，细长导体33的长度一般在一英尺到几英尺之间，尽管如果需要的话它可以更长或者更短。作为一种选择，所述询问装置可以嵌入到一个钻杆、钻套、生产管道、或者其它完井上的永久或者临时安装组件中。不管怎样，优选的是，询问装置23适合于通过现有技术中众多遥测方案的任何一种来同地面设备(未示出)进行交流，并且可以使用电导体、光纤、泥柱脉冲(mud column pulsing)、或者其它介质来实现同样的目的。作为一种选择，询问装置23可以包括诸如本地存储器(未示出)这样的数据存储装置，用于存储从传感器收回的数据。当询问装置23被收回到地层10的表面时，所述存储器中的内容可以被卸载出来。
在图2中，本发明中传感装置的实施例27被图示为位于并且固定在保护套12上的一个开口41内，该实施例27包括一外壳47、与电子电路系统49和一个或多个电极50(示出一个)相关联的一个或多个传感器48(示出一个)。外壳47可以是由相同或不同的材料制成的几个部分的组合件，这些材料包括但不局限于金属、陶瓷和人造橡胶。根据包含在传感装置27内的传感器48的类型，外壳47可以包括一个或多个孔(未示出)，这些孔允许地层或钻井的流体同传感器48发生接触。电极50通过一个绝缘体51与所述保护套隔绝开，绝缘体51可以是传感装置27的整体式组成部分。优选的是，传感装置27的外壳47、电极50以及绝缘体51均适合于为保护套12上的开口41提供液压密封。优选的是，电极50和绝缘体51均与保护套12的内表面平齐，因此允许设备在所述钻井内不受阻碍地运动。
优选的是，传感器48和电子电路系统49能够实现多种功能。尤其是，每一个传感器48最好能感知所述保护套周围地层10的一个或多个特性(比如压力、温度、电阻率、流体成分、流体特性等等)，或者保护套12本身的一个或多个特性(比如倾角、机械压力等等)。感知操作可以是连续进行，定时进行，或者只是在询问器23发出命令时进行。如果感知操作是连续进行的或者定时进行的，那么传感装置27可以将其所获得的信息存储在存储器(可以是相关联电路系统49的一部分)中，直到该传感装置被所述询问装置询问。当被询问时，优选的是，与传感器48关联的电路系统49具有将由传感器48获得的信息电子传输(通过电极50)给询问器23的功能，这些将在后面进行描述。如果需要的话，传感装置27可以编入一个独特的代码来向询问器23明确地标明其本身。
根据本发明的一个方面，在某些实施例中，询问装置23或者包含用于在线圈35中产生交流电的装置，或者结合到像这样的一个交流电发生器上。当交流电在所述环状铁心变压器的线圈35中流动时，会在变压器铁心34中感应出一个磁通量，导致在导体33相对的两端(比如铁心34的上面和下面)形成电压差。电压差反过来又造成电流像图2所示那样流动，产生了三种不同类别的电流回路。第一回路包括导体33和保护套12内部的导电流体16，导电流体16将电流传导回导电体33。第二回路包括导体33、保护套12内部的导电流体16、以及所述保护套。在第二回路中，电流经由流体16返回到导体33。对本发明的目的最有影响的第三回路是这样一种回路，它包括所述变压器的导体33、流体16、以及传感装置27的电极50。通过根据本领域技术人员所了解的任何方式对在询问装置23中所述变压器的线圈35中流通的电流进行调制，信息可以从询问装置23送往传感装置27，传感装置27收集并解调该信号。用于被电极50接收的电流的返回路径或者是从传感装置27经由地层11、保护套12、以及流体16并且返回到导体33，和/或是经由一个专门的接地导体(未示出)从电路系统49到外壳47，到保护套12，并且经由流体16返回到导体33。
根据本发明的某些实施例的一个方面，被电极50收集的电流可以被电路系统49整流，以给电路系统49和传感器48提供能量。如果被电极50收集的电流过于微弱以至于不能直接给电路系统49和传感器48提供能量，那么电流会在一个能量储存元件中积聚一段合适的时间，这样的能量储存元件比如是电容、超级电容或者电池组。当积聚的电荷足够进行其正确操作的时候，电子电路系统49就可以被激活。
根据本发明的这些实施例的另一个方面，传感装置27可以通过以任何已知技术来调节电压差(由电子电路系统49产生的)从而发送信息给询问装置23，这个电压差是由传感装置27在该传感装置27的电极50与保护套12之间施加的。电流回路的最终类别在图3中示出，其中第一回路包括电极50、流体16、保护套12，并且返回到传感装置27(经由外壳47等)，第二回路包括电极50、流体16、所述询问装置的导体33，并且通过流体16、保护套12和传感装置27返回。导体33承载的电流会导致在磁芯34中产生一磁通量，该磁通量反过来在询问装置23的线圈35中感应出一个电流。为了测定所传输的信息，可以感知并且解调所述线圈中的电流。
本领域有经验的人应该能知道，通过固定在保护套12上的传感装置27并且具有一个相对于所述保护套绝缘的电极50，以及通过如上面描述的询问装置23，当所述询问装置中的磁芯34直接面对电极50时，询问装置23将不会检测到由传感装置27产生的信号；也就是说，遥测传递功能显现出一个窄哑点(a sharp null)。因此，传感装置27可以用作一个指示器，其目的在于确定或者分辨出沿着所述钻井具有特殊利害关系的地方，因为所述传感装置的位置可以被精确设置，这是通过移动询问装置23经过传感装置27并且记录窄哑点的位置而实现的，这个窄哑点紧跟着发生一个相位逆转。
现在参考图4，图4展示了本发明中传感装置的第二实施例137。该传感装置137包括一个外壳147，两个传感器148a、148b，一个电子电路系统149，一个电极150，以及一个绝缘体151，该绝缘体151用于将所述电极相对于保护套12隔绝开，并且在保护套12与传感装置137的内部之间形成液压密封。如图4所示，传感装置137的外壳147被安装在保护套12的外表面上，而电极150和绝缘体151与保护套12的内表面平齐。利用这种几何构造，将会明白传感装置137最好在所述钻井的保护套被安装之前被连接到保护套12上。也将会明白传感装置137可以像图2和图3中的传感装置27那样以同样的方式发挥作用。
在某些实施例中，优选的是，本发明中的系统包括多个传感装置27或者137以及至少一个询问装置23。所述传感装置可以沿着保护套12的长度方向设置，和/或在所述保护套的不同方位上。优选的是，所述询问装置移动通过所述钻井。
在本发明的一个替代性实施例中，见图5和图6，询问装置223包括一个细长主体(杆或管)233，它支撑着一个导电线圈234。优选的是，线圈234被如图所示那样设置成其主轴平行于所述钻孔的轴线。如果因为机械强度或者其它原因主体233由诸如金属这样的导电性材料制成，那么由线圈234产生的磁通量(如下面详细描述的那样)将会导致涡电流在细长主体233内部流动(循环)。这些涡电流会在不对本发明的工作过程产生贡献的情况下消耗能量，因此优选的是，通过加入一个由高导磁率材料(比如铁氧体)制成的套管235来将其减少，所述套筒如图所示那样介于线圈234与主体233之间。优选的是，线圈234与主体233隔绝开。询问装置223可以是一个经由电线、滑线或者螺旋导管进行运输的工具。这样，细长主体233的长度一般在一英尺到几英尺之间，尽管如果需要的话它可以更长或者更短。作为一种选择，询问装置223可以嵌入到一个钻杆、钻环、生产管道、或者其它完井上的永久或者临时安装组件中。不管怎样，询问装置223可以适合于通过现有技术中众多遥测方案的任何一种来同地面设备(未示出)进行交流，并且可以使用电导体、光纤、泥浆(柱)脉冲、或者其它介质来实现同样的目的。作为一种选择，询问装置223可以包括诸如本地存储器(未示出)这样的数据存储装置，用于存储从传感器收回的数据。当询问装置223被收回到地层10的表面时，所述存储器中的内容可以被卸载出来。
本发明的这个实施例中的传感装置227被图示为位于并且固定在保护套12上的一个开口241内，该传感装置227包括一个外壳247、与电子电路系统249相关联的一个或多个传感器248(示出一个)、以及一个线圈250，该线圈250包括由一绝缘线251围绕一圆柱体252(比如所示出的绕线架)缠绕的几个绕组，所述圆柱体由高导磁率材料(比如铁氧体)制成。优选的是，传感器线圈250尽可能与保护套12的内表面平齐，并且如所示出的那样被设置成其主轴平行于所述钻孔的轴线。外壳247可以是由相同或不同的材料制成的几个部分的组合件，这些材料包括但不局限于金属、陶瓷和人造橡胶。根据包含在传感装置227内的传感器248的类型，外壳247可以包括一个或多个孔(未示出)，这些孔允许地层(或钻井)的流体同传感器248发生接触。优选的是，传感装置227并不延伸到所述钻井的内部，并且因此允许设备在所述钻井内部不受阻碍地运动。
优选的是，传感器248和电子电路系统249能够实现多种功能。尤其是，每一个传感器248最好能感知所述保护套周围地层10的一个或多个特性(比如压力、温度、电阻率、流体成分、流体特性等等)，以及/或者保护套12本身的一个或多个特性(比如倾角、机械压力等等)。感知操作可以连续进行，可以定时进行，或者只是在询问装置223发出命令时进行。如果感知操作连续进行或者定时进行，那么传感装置227可以将其获得的信息存储在存储器(可以是相关联电路系统249的一部分)，直到所述传感转置被询问装置223询问。当被询问时，优选的是，与传感器248关联的电路系统249具有将由传感器248获得的信息电子传输(通过传感器线圈250)给询问装置223的功能，这些将在后面进行描述。如果需要的话，传感装置227可以编入一个独特的代码，来向询问装置223明确地标明其本身。
根据本发明的这个实施例的另一个方面，询问装置223或者包含用于调制其线圈234中的电流的装置，或者结合到像这样的一个调制电流发生器上。通过根据一个数据信号(它从询问装置223送往传感转置227)来调制所述询问装置的线圈234中的电流，磁通量在所述钻井的局部区域处的回路中循环，这个局部区域如图5所示与询问装置223相邻。当询问装置223被设置在这个局部区域的时候，由询问装置线圈234产生的循环的磁通量在传感器线圈250中感应出调制电流。从本质上说，询问装置线圈234和传感器线圈250组成了一个松散连接的变压器。在传感器线圈250中的调制电流感应出一个横跨一负载阻抗253的经调制电压，该负载阻抗253连接于传感器线圈250上。电子电路系统249解调经调制的电压信号以恢复数据信号。需要注意的是，现有技术中所熟知的众多电流调制(以及相应的解调)方案中的任意一种都可以用来将信息以数据信号的形式传送，从询问装置223送往传感装置227。在本发明的这个实施例的一个优选方案中，信息被调制到一个载波信号上，通过这个载波信号，在所述询问装置线圈中的电流被强迫以100KHz等级的频率进行振荡。
根据本发明的一个方面，在传感器线圈250中产生的电流可以被电路系统249整流，以给电路系统249和传感器248提供能量。如果在传感器线圈250中产生的电流过于微弱以至于不能直接给电路系统249和传感器248提供能量，那么电流会在一个能量储存元件中积聚一段合适的时间，这样的能量储存元件比如是电容、超级电容或者电池。当积聚的电荷足够进行其正确操作时，电子电路系统249就可以被激活。
根据本发明的另一个方面，传感装置227可以发送信息给询问装置223，这通过控制一个电开关254的操作来实现，如图5所示，电开关254横跨传感器线圈250连接。当开关254闭合时，在线圈250中感应出来的电流处于不受阻拦状态；这个电流会引起一个磁场，这个磁场抵消(或者削弱)了在绕线架252附近的碰撞磁场。发生在所述钻井中靠近传感装置227的局部区域处的这个在所述碰撞磁场中的扰动，会在询问装置223的线圈234中感应出小的信号电流调制。在线圈234中的电流调制会在询问装置223中感应出了一个经调制的电压信号。当开关254断开时，传感装置227的线圈250不再产生抵消磁场，并且因此没有在询问装置223的线圈234中感应出小的信号电流调制以及在询问装置223中感应出相应的经调制电压信号。因此，通过以一个编码序列(就像通过一个数据信号来指令)来选择性地连通或者断开开关254，并且解调在询问装置线圈234中感应出的小的信号电流调制以恢复数据信号，被数据信号编码的信息被从传感装置227送往询问装置223。
在图6中展示了这个实施例的一个替代性方案，传感装置227’可以发送信息给询问装置223，这通过调整电子电路系统249使之包含用于将调制电流注入传感器线圈250中的装置来实现。通过根据一个数据信号(它从传感装置227’送往询问装置223)来调制传感器线圈250中的电流，磁通量在所述钻井的局部区域处的回路中进行循环，这个局部区域如图6所示与传感装置227’相邻。当询问装置223被设置在这个局部区域的时候，由传感器线圈250产生的循环磁通量会在询问装置线圈234中感应出调制电流。从本质上说，传感器线圈250和询问装置线圈234组成了一个松散连接的变压器。在询问装置线圈234中的调制电流感应出一个横跨一负载阻抗(未示出)的经调制电压信号，所述负载阻抗连接于询问装置线圈234上。询问装置223解调经调制的电压以恢复数据信号。需要注意的是，在现有技术中所熟知的众多电流调制(以及相应的解调)方案中的任意一种都可以用来将信息以数据信号的形式传送，从传感装置227/227’送往询问装置223。在这个实施例的一个优选方案中，信息被调制到一个载波信号上，通过这个载波信号，在传感器线圈250中的电流被强迫以100KHz等级的频率进行振荡。
本领域技术人员应该知道，线圈234和/或线圈250的所述结构以及注入所述线圈中的电流的相对振幅和相对相位都是能够调整的，以便抵消(或者加强)在所述钻井特定区域的磁场。举个例子，询问装置223可以包括一对线圈，这对线圈沿着它们的共用主轴以一个微小间隙分离开。在这种结构中，所述两个线圈能够被相反的电流(例如围绕所述共用主轴在相反方向上流动的电流)驱动，以在所述缝隙与传感装置227(或者227’)的线圈250相平齐(比如直接面对)时，在遥测的转移功能中产生一个窄哑点。因此，传感装置227可以用作一个指示器，其目的在于确定或者分辨出沿着所述钻井具有特殊利害关系的地方，因为所述传感装置的位置可以被精确设置，这是通过移动询问装置223经过传感装置227并且记录窄哑点的位置而实现的，这个窄哑点后面紧跟着发生一个相位逆转。
如图7所示，优选的是，导体252和传感器线圈250被设置在材料256的内部，材料256提供了一个液压密封来防止任何钻井流体进入到由外壳247确定的凹腔内，在这个凹腔内除了传感器248以外还设置有负载阻抗253，并且该负载阻抗253与电路系统249相关联(并且还在外壳247与地层如此处所描述的那样进行流体连通的情况下，防止流体在所述地层与钻井之间流体)。如果密封材料256具有导电性，那么如所示那样，导体252和传感器线圈250通过一个绝缘体258与密封材料256隔绝开。此外，优选地是提供一个外罩259，来保护传感器线圈250不受位于所述钻井中的流体(以及其它钻井设备)的影响。需要注意的是，在一个替代性实施例中，采用传感器248来感应所述钻井流体的特性，采用(或者省略)密封材料256来在所述钻井与由传感器外壳247确定的凹腔之间形成流体连通，在所述传感器外壳247中设置有与之相关联的传感器。
现在参考图8，图中展示了本发明的传感装置的另外一个实施例327。该传感装置327包括一个外壳347，两个传感器348a、348b，一个电子电路系统349，以及一个线圈350，该线圈350包括由一绝缘线351围绕一圆柱体352(比如所示出的绕线架)缠绕的几个绕组，所述圆柱体352由高导磁率材料(比如铁氧体)制成。如图8所示，传感装置327的外壳347被安装在保护套12的外表面上，而传感器线圈350尽可能与保护套12的内表面平齐，并且被设置成其主轴平行于所述钻孔的轴线。利用这种几何构造，将会明白的是传感装置327最好在所述钻井的保护套被安装之前被连接到保护套12上。还将会明白的是传感装置327可以像图5和图6中的传感装置227和227’那样以同样的方式发挥作用。
本发明的系统可以包括多个传感装置227(227’)或327以及至少一个询问装置223。所述传感装置可以沿着保护套12的长度方向设置，和/或在所述保护套的不同方位上。所述询问装置可以移动通过所述钻井。
根据本发明的方法的某些实施例，多个传感装置沿着所述保护套的长度方向设置，所述询问装置移动通过所述保护套，所述询问装置用于给所述传感装置发送信号，并且所述传感装置获取关于地层的信息(或者是在被询问之前，而且/或者是在被询问之后)，并且将这个信息以无线方式提供给所述询问装置。
根据本发明的方法的另一个实施例，至少一个传感装置沿着所述保护套的长度方向被设置在所述钻井的一个预期位置处，并且利用由所述传感装置提供给所述询问装置的无线信号变化来精确地沿着所述钻井定位所述预期位置。尤其是，通过移动所述询问装置经过所述传感装置并且记录窄哑点信号的位置，这个窄哑点后面紧跟着发生一个相位逆转，有利害关系的位置(也就是设置所述传感装置的位置)就可以被精确地分辨出来。
在图9中展示了本发明装置的另外一个替代性实施例。在图9中，一个地层11被一个钻井13穿过，该钻井具有一个至少部分地在其中延伸的保护套12。图中示出具有一个线圈434的询问装置423，其连接于生产管道500上。询问装置423使用一个或多个连接电缆402与地面联系，这些电缆给所述装置供应能量并且利用传统的电子或光学方法提供在装置与地面之间的遥测能力。传感装置427被图示为位于并且固定在保护套12上的一个开口内，并且结合有线圈450。一个封隔器504被用来将保护套12内部的在该封隔器上面和下面的区域液体隔离开。与与前面讨论过的相同方式，能量和数据可以在询装置423与传感装置427之间进行交换。与前面描述过的本发明系统的其它实施例比较，询问装置423不易于在保护套12内发生移动。与Rayssiguier等人的美国专利No.6378610中的系统相比，这个实施例的一个显著优势在于传感装置427可以在生产管道500被安装之前被设置到位(并且连接有询问装置423)，并且系统在不需要复杂的并且是具有潜在失败倾向的钻井用“湿连接”类型的连接器的情况下允许能量和数据在询问装置423与传感装置427之间进行交换。本领域技术人员应该理解，多个不同的传感装置427可以与单独一个询问装置423相关联，询问装置和传感装置的多重套系可以与单独一个生产管道设计相关联，可以使用多个封隔器504，尤其是当多重生产区同时完成的时候，并且这些封隔器可以被设置在所述询问装置和传感装置的上面或下面。
在此已经描述和图示了使用连接于钻井上的保护套的传感器来获取地层信息的系统、方法和装置的实施例。尽管已经描述了本发明的特定实施例，但是并不意味着本发明被限制于此，因为希望本发明的范围像本技术领域所允许的以及说明书所介绍的那样宽。因此，尽管已经通过参考一个特殊的询问装置和特殊传感装置对本发明进行了描述，但是其它询问装置和传感装置也可以使用。举个例子，询问装置可能采用多个环状线，来将在所述钻孔流体中流动的电流集中。尤其是，磁芯可以用作扼流器来抑制在所述导体的特殊部分上方形成电流。同样，替代环状铁心变压器，可以在所述导体的表面上使用一个电极对，以便产生一个电压差和相关电流。此外，所述询问装置和/或传感装置可以采用多个螺旋线圈来改善它们之间的磁耦合。同样，替代螺旋线圈，可以使用任何其它磁耦合装置。而且，替代利用所述传感线圈的两个接线端作为用于所述传感装置的负载阻抗的不同输入装置，所述传感线圈的一个接线端可以接地，并且所述传感线圈的另一个接线端被用作用于所述传感装置的负载阻抗的单端输入装置。还有，针对所述传感装置而言，应该知道诸如序列号为No.10/163784的美国专利申请中所公开的各种其它种类传感装置也可以使用。除了保护套和衬套，所述传感装置可以在任何类型的钻井设备中应用，比如砂筛。尽管本发明中的系统可以在盛装有导电流体的钻井设备中应用，但是本系统也能够在非导电流体中工作。在描述过的第一个实施例中，它有可能涉及以接近100的因子来增加工作频率。因此本领域中那些熟练技术人员将会明白，在不脱离所附权利要求的范围的条件下，还可以对本发明进行其它改进。
Claims (42)
1、一种适合于附着在一个钻井装置上的传感设备，所述钻井装置位于由该钻井装置横穿的一个地层中，该传感设备包括：
a)一外壳，该外壳适合于与所述钻井装置发生接触；
b)一传感器，该传感器能够感知所述地层、所述钻井装置以及所述钻井装置内的流体中的至少一种的状态，以及
c)电路系统，连接到所述传感器上，该电路系统产生了与所述传感器感知到的所述状态特征相关的一个无线信号，并且其中所述无线信号适合于将信息交流到一个询问装置中，该询问装置被设置在所述钻井装置内部。
2、根据权利要求1所述的传感装置，还包括：
d)一电极，该电极适合于与所述钻井装置中的流体电接触；以及
e)在所述电极与外壳之间的绝缘材料；并且其中：
所述钻井装置能够导电，并且所述电路系统通过在所述电极与钻井装置之间感应出一个电压差从而产生一个无线信号。
3、根据权利要求2所述的传感装置，其中：
所述外壳、电极和绝缘材料在所述流体与地层之间提供了一个液压密封。
4、根据权利要求2所述的传感装置，其中：
所述电极和绝缘材料在所述流体与地层之间提供了一个液压密封。
5、根据权利要求2所述的传感装置，其中：
所述外壳、电极和绝缘材料适合于与所述钻井装置的表面平齐。
6、根据权利要求2所述的传感装置，其中：
所述电路系统在所述电极与外壳或者钻井装置之间施加了一个交流电压差。
7、根据权利要求2所述的传感装置，其中：
所述电路系统包括一个给所述传感器提供能量的整流器。
8、根据权利要求2所述的传感装置，其中：
所述传感器感知所述地层的温度、压力、电阻率、流体成分以及流体特性中的至少一种。
9、根据权利要求2所述的传感装置，还包括：
一第二传感器，它感知所述地层和钻井装置中至少一个的状态，该第二传感器被结合到所述电路系统上。
10、根据权利要求2所述的传感装置，其中：
所述外壳安装在所述钻井装置的一个外表面上。
11、根据权利要求1所述的传感装置，其中：
所述无线信号利用在所述钻井装置的局部区域中的磁通量进行表示，该局部区域与所述传感装置邻近。
12、根据权利要求11所述的传感装置，其中：
所述电路系统包括至少一个螺管线圈，一个调制电流通过该螺管线圈被注入，以由此感应出所述磁通量。
13、根据权利要求12所述的传感装置，其中：
所述至少一个螺管线圈适合与所述钻井装置的一个内表面邻近。
14、根据权利要求12所述的传感装置，其中：
所述钻井装置具有一个纵轴，并且所述至少一个螺管线圈这样定位，即其主轴大体上平行于所述钻井装置的所述纵轴。
15、根据权利要求12所述的传感装置，其中：
所述电路系统包括一个横跨所述至少一个螺管线圈结合起来的电开关，以及用于选择性地连通和断开所述电开关的装置，该电开关的连通和断开是为了产生所述调制电流，来由此感应出所述磁通量。
16、根据权利要求12所述的传感装置，其中：
所述电路系统包括用于将调制电流注入到所述至少一个螺管线圈中以因此感应出所述磁通量的装置。
17、根据权利要求12所述的传感装置，其中：
所述电路系统将一个交流电流注入到所述至少一个螺管线圈中。
18、根据权利要求12所述的传感装置，其中：
所述至少一个螺管线圈围绕着一个由高导磁率材料制成的主体缠绕。
19、根据权利要求11所述的传感装置，其中：
所述电路系统包括一个给所述传感器提供能量的整流器。
20、根据权利要求11所述的传感装置，其中：
所述传感器感知所述地层的温度、压力、电阻率、流体成分以及流体特性中的至少一种。
21、根据权利要求11所述的传感装置，还包括：
一第二传感器，它感知所述地层和所述钻井装置中至少一个的状态，所述第二传感器被联结在所述电路系统上。
22、根据权利要求11所述的传感装置，其中：
所述外壳被安装在所述钻井装置的一个外表面上。
23、一种用于获取有关地层信息的装置，该地层被一个钻井装置横穿，该钻井装置上固定有至少一个传感装置，所述传感装置感知所述地层、所述钻井装置以及所述钻井装置内的流体中的至少一种的状态，该信息获取装置包括：
一个可在所述钻井装置中移动的询问装置，当它移动到所述至少一个传感装置附近的位置时，它适合与所述至少一个传感装置进行无线信号交流，所述无线信号与被所述传感装置感知的所述状态的测定结果有关。
24、根据权利要求23所述的装置，其中：
所述询问装置包括一个细长导体，一个由高导磁率材料制成的芯体，以及一个导电线圈，所述芯体围绕在所述细长导体的一部分的周围，所述导电线圈缠绕在所述高导磁率材料的周围。
25、根据权利要求24所述的装置，其中：
所述磁芯被固定在所述细长导体上。
26、根据权利要求23所述的装置，其中：
所传感装置在一个电极与所述钻井装置之间感应出一个电压差。
27、根据权利要求26所述的装置，其中：
所述询问装置适合于产生一个电流信号，该电流信号被迫在所述流体中流动，并且
所述电极适合于感知所述电流信号。
28、根据权利要求23所述的装置，其中：
所述询问装置包括一个由一细长主体承载的导电线圈。
29、根据权利要求28所述的装置，其中由高导磁率材料制成的一个芯体围绕在所述细长导体的一部分的周围，并且介于所述细长导体与导电线圈之间。
30、根据权利要求29所述的装置，其中：
所述芯体被固定在所述细长主体上。
31、根据权利要求28所述的装置，其中：
所述询问装置在接收到所述无线信号时处理一个在所述导电线圈中感应出来的调制电流信号。
32、根据权利要求28所述的装置，其中：
所述询问装置通过将一个调制电流信号注入到所述导电线圈中以在所述钻井装置的局部区域中产生磁通量而产生出无线信号，所述局部区域与所述询问装置邻近。
33、根据权利要求28所述的装置，其中：
所述钻井装置具有一根纵轴，并且所述导电线圈这样定位，即其主轴大体上平行于所述钻井装置的所述纵轴。
34、根据权利要求28所述的装置，还包括：
电路系统，用于接收从所述至少一个传感装置交流到所述询问装置的无线信号，并且处理所接收的无线信号以复原其中的编码信息。
35、一种用于获取有关地层信息的系统，所述地层被一个具有钻井装置的钻井横穿，该系统包括：
a)一个根据权利要求1到22任意一项所述的传感装置；以及
b)一个适合于接收由所述传感装置产生的无线信号的询问装置。
36、根据权利要求35所述的系统，其中，所述询问装置被连接到安装于所述钻井装置内部的生产管道上。
37、根据权利要求35所述的系统，其中，所述询问装置包括一个根据权利要求23到34任意一项所述的装置。
38、根据权利要求37所述的系统，其中，所述询问装置产生一个无线的唤醒信号，这个信号被所述传感装置接收到。
39、根据权利要求35所述的系统，还包括多个根据权利要求1到22任意一项所述的传感装置，这些传感装置沿着所述钻井装置间隔布置。
40、一种识别地层中具有利害关系的地方的方法，所述地层被一个钻井装置横穿，该方法包括：
a)在所述具有利害关系的地方将一个位置指示器固定到所述钻井上，所述至少一个位置指示器包括一个与所述钻井接触的外壳，以及能够在所述钻井装置的局部区域中产生一个无线信号的电路系统，所述局部区域与所述至少一个位置指示器邻近；
b)利用所述位置指示器产生所述无线信号；
c)将一个检测装置移动通过所述钻井装置并且经过所述位置指示器，所述检测装置适合于接收所述无线信号；
d)通过发现所述无线信号中的窄哑点而辨别出所述有利害关系的地方。
41、一种询问被固定在一钻井装置上的传感装置的方法，该方法包括：
a)将一个询问装置装置定位在所述传感装置邻近处；
b)利用所述传感装置与所述询问装置装置之间的一个松散连接的变压器接口，实现在它们之间交流一个无线信号；
c)产生一个即将在钻孔上面获得的所述无线信号的指示。
42、一种在地层中传输信息的方法，该地层被一个钻井装置横穿，所述钻井装置具有至少一个固定在所述钻井装置上的传感装置，并且所述传感装置延伸进入所述地层中，所述至少一个传感装置包括与所述钻井装置接触的外壳，一个能够感知所述地层、所述钻井装置以及所述钻井装置内的流体中至少一种的状态的传感器，以及连接到所述传感器上的电路系统，所述电路系统能够产生一个无线信号，这个无线信号与被所述传感装置所感知的所述状态的测定结果有关，其中，所述第一无线信号利用在所述钻井装置的一个区域中的磁通量进行表示，所述方法包括：
a)将一个询问装置装置定位在所述传感装置邻近处；
b)接收所述无线信号，这个无线信号由所述传感装置产生，并且与所述询问装置装置处的状态有关；
c)产生一个即将在钻孔上面获得的所述无线信号的指示。
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