JP6518342B2 - 地下坑井におけるダウンホール特性の測定値を得るための方法および装置 - Google Patents

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本出願は、米国仮特許出願第６２／１５５，２１９号、出願日２０１５年４月３０日、標題「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＯＢＴＡＩＮＩＮＧ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＳ ＯＦ ＤＯＷＮＨＯＬＥ ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ ＩＮ Ａ ＳＵＢＴＥＲＲＡＮＥＡＮ ＷＥＬＬ」の利益および優先権を主張し、この出願全体が参照として本出願に組み込まれる。

本発明の実施形態は、概して、地下坑井に沿ったダウンホール特性の測定値を得るための方法および装置に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、非繋留型の浮力制御および／または抗力制御装置、および坑井に沿った物理的、化学的、地質的および構造的特性を測定するための装置の使用方法に関する。

地下坑井に沿ったダウンホール特性の測定は、坑井の掘削、完成、運転、廃止にとって重要である。これらの坑井は、地下リザーバから炭化水素を回収し、地下リザーバに流体を注入し、地下リザーバの状態を監視するために使用することができる。

ダウンホール特性は、坑井の寿命の様々な段階における、坑井孔に沿った物理的、化学的、地質的および構造的特性に関連する。例えば、ダウンホール特性には、限定されるものではないが、圧力、差圧、温度、ダウンホール流体内に存在する水または塩水の割合である「含水率」、ダウンホール流体内の油、塩水またはガスの体積分率、ガス凝縮物の露点のレベル／場所／深度、坑井に沿った液体凝縮物、油または塩水、油相、塩水相またはガス相の流速、周囲の岩層から坑井への油、塩水またはガスの流入速度、掘削泥の密度または粘性、および周囲の岩層への掘削泥の侵入深さ、掘削壁に残存する可能性のあるマッドケーキの厚さまたは粘調度、または被覆率、水または塩水混合物の化学組成、炭化水素の化学組成、例えば密度または粘度を含むダウンホール流体の物理的特性、多相流動様式、濁度、吸収、屈折率または蛍光などの炭化水素または塩水の光学的特性、蛍光トレーサ、ケーシングまたはプロダクションチュービングの腐食またはスケールの量またはタイプ、腐食またはスケール成長の速度、坑井に添加される可能性がある腐食防止化学物質またはスケール防止化学物質の有無または濃度、従来はキャリパーによって測定されたであろうプロダクションチュービングまたはボアホール内の開放断面、等方性または異方性であり得る周囲の岩石の音響特性または弾性特性、例えば等方性または異方性であり得る周囲の岩石の抵抗特性または誘電特性を含む周囲の岩石の電気的特性、周囲の岩石の密度、周囲の岩石の破砕の有無、およびこれらの破砕の存在量、配向および開口度、周囲の岩石の総空隙率または空隙タイプおよび各空隙タイプの存在量、周囲の岩石の鉱物組成、周囲の岩石の粒子サイズまたは粒子サイズおよび形状の分布、周囲の岩石の空隙サイズまたは空隙サイズおよび形状の分布、周囲の岩石の絶対浸透性、周囲の岩石の相対浸透性、周囲の岩石中の流体の濡れ性、表面上の流体の接触角、および坑井または周囲の岩石に沿った流体界面の表面張力が含まれる。これらの特性は、従来では、坑井に沿った深度または線形距離の関数として（またはこれらと共に変化するものとして）測定されるか、または測定ツールの展開後の時間などの別の特性、または深度の代用物としての圧力で変化する。

坑井に沿ったダウンホール特性は、従来、繋留型採掘ツールを用いて測定され、ツールはケーブルに吊り下げられ、例えば採掘トラックまたはクレーンに取り付けられたウィンチを使用して、坑井孔の中に降下される。従来の繋留型採掘ツールは、例えばコイルドチュービングを使用して坑井孔に押し込まれるか、またはトラクターまたは他の類似の駆動機構を用いて坑井に沿って押され、または引かれることもある。従来の繋留型採掘ツールおよびそれに取り付けられたケーブルまたは配線は、一般に大型であり、展開および運転に特殊な車両または機器および専門の乗員技術者を必要とする。特殊車両および／または他の大型機器を動員し、遠隔地の坑井に乗員技術者を送る必要があるため、坑井採掘に伴う費用が増加し、必要なデータを得る上で望ましくない遅延を招く可能性がある。

ダウンホールデータを取得するための別の従来の方法は、センサストリングとして機能する光ファイバケーブル、またはダウンホールセンサの有線ネットワークを使用する。これらの光ファイバケーブルおよび有線ネットワークを坑井に沿って展開し、ワイヤラインツールにおいて実用的な期間よりも長期間にわたってデータ収集を行う。しかしながら、これらのセンサから記録されたデータは、一般的に、温度、圧力または歪み、および音響データに制限される。このような有線測定装置のネットワークを展開するコストは高く、長いダウンホールケーブルを展開するために坑井の運転を停止してオフラインにする必要がある。

したがって、専門の採掘乗員、車両または機器を動員する必要がなく、一人の個人、好ましくは分野の非専門技術者によって展開され得る、坑井に沿ったダウンホール特性を測定するための小型の非繋留型ダウンホールセンサおよび使用方法が必要とされている。また、採掘中に坑井をオフラインにしたり、坑井内の生産を停止したり、坑井を破壊したり、坑井に沿って圧力を制御するための噴出防止装置（ＢＯＰ）および潤滑システムを展開する必要のない、坑井に沿って展開することができる非繋留型ダウンホールセンサを使用した坑井採掘が必要とされている。また、坑井に沿った物理的、化学的、地質的、および構造的特性を測定するための幅広い種類のセンサを担持することができ、従来の繋留型ダウンホールセンサに関連するコストの一部で展開することができる、非繋留型ダウンホールセンサが必要とされている。

従来の繋留型掘削ツールでは、坑井に沿ったツールの位置は、スリックラインケーブル、ワイヤラインケーブル、コイルドチュービングまたは他の繋留にかかわらず、坑井に沿ってツールを吊り下げ、引っ張り、または押し込む、繋留の長さによって制御される。対照的に、本発明の様々な実施形態によれば、坑井に沿った非繋留型ツールまたは装置の位置は、ダウンホール流体がツールまたは装置に及ぼす力によって制御される。これらの力には浮力と抗力がある。浮力は、装置と周囲の流体（液体であれガスであれ、それらの混合物であれ）との間の密度の差によって生じる力である。この力は、より重い流体に囲まれた場合には装置を上方に加速（上昇）させ、より軽い流体に囲まれた場合には下方に加速（降下）させる。

抗力は、装置と周囲の流体（液体であれガスであれ、それらの混合物であれ）との間の速度の差によって生じる力である。抗力は、周囲の流体の速度に合わせて装置を加速または減速させる働きをする。抗力は、装置の形状、抗力係数によって捕捉される因子、装置のサイズ、および装置が流動に与えるプロファイルの尺度である、リファレンス領域によって捕捉される因子に依存する。抗力は、装置の速度と周囲の流体の速度との間の差にも依存する。大きな抗力を有する装置は、周囲の流体と共に移動する傾向があり、小さな抗力を有する装置は、周囲の流体に逆らって移動する（すなわち、周囲の流体よりも速くまたは遅く移動する）、より大きな能力を有する。

本発明の実施形態は、坑井に沿った非繋留型装置の位置が、装置の浮力を調整することによって制御され得ることを提供する。また、実施形態は、坑井内に流体の流れがある場合（例えば、坑井の掘削中に掘削泥が循環している場合、または水力破砕中に破砕流体が坑井内に押し込まれる場合、または炭化水素が坑井外に生成されている場合）、装置の抗力を調整することによって、非繋留型装置の位置が制御可能であることを提供する。実施形態は、車輪、脚またはプロペラを使用する移動に比べて、浮力および抗力を調整することによって移動に必要な装置内の蓄積エネルギーがはるかに少ないことをさらに提供する。したがって、本発明の様々な実施形態による浮力制御および／または抗力制御装置は、従来技術において使用されているように車輪、脚またはプロペラを使用して移動する装置よりも小さく、より安価であり得る。

したがって、本発明の実施形態は、坑井に沿った１つ以上の物理的、化学的、地質的または構造的特性を測定するように構成された、非繋留型の浮力制御および／または抗力制御装置を提供するために作成された。

作動中、少なくとも１つの実施形態による、非繋留型の浮力制御装置および／または抗力制御装置は、地下坑井の上面で展開され、回収される。以下に記載される本発明の様々な実施形態によれば、坑井の上面とは、地表面、坑井ヘッドまたは坑井内の液体の頂部に近い位置を指し、これらは地表面よりもいくらか低い可能性がある。

以下に記載される本発明の様々な実施形態によれば、装置は繋留されていないため、装置が展開されてから坑井孔から回収されるまで装置を表面に取り付けているケーブル、ワイヤライン、スリックライン、ロープ、ストリング、ファイバ、ワイヤまたはコイルドチュービングを有していない。本明細書で論じるように、本発明の様々な実施形態では、電力または通信を提供し、また展開されてから坑井の上面に戻るまで装置の移動を生じさせる、装置に設けられた１つ以上のセンサへの表面からの実体のある接続は提供されない。少なくとも１つの実施形態によれば、装置は静止状態に留まるために坑井内の１つ以上の物体に取り付けられてもよいが、装置が移動するときには何にも取り付けられない。少なくとも１つの実施形態によれば、装置は、坑井の上面における展開または回収の際にテザーまたは別の実体のある物体に取り付けられるかまたは把持されてもよい。

地下坑井は、例えば、特定（ｘ、ｙ、ｚ）の点または東、北、深度（または標高）の点と交差する曲線として表現され得る３次元空間における軌道に従う。この軌道は、坑井が掘削された時点で慎重に測定および決定され、坑井の軌道に沿った距離にその測定値を関連付けることによってダウンホール測定の位置を決定することができる。スリックライン、ワイヤラインおよびコイルドチュービングで展開される装置のような繋留型測定装置の場合、テザーの長さは、測定が行われる坑井の軌道に沿った距離の主要な測定値を提供する。次に、表面下における測定値の（ｘ、ｙ、ｚ）座標が、テザーの長さに等しい坑井に沿った距離における坑井の軌跡の（ｘ、ｙ、ｚ）座標によって決定される。非繋留型装置の場合、坑井孔内の坑井孔またはケーシングまたはチュービングは、非繋留型装置が坑井に沿って移動するときに非繋留型装置に力を及ぼし、非繋留型装置が坑井孔の軌道をたどるようにし、非繋留型装置による測定は坑井の軌跡に沿った位置で行われる。しかし、非繋留型の測定値が得られた坑井の軌道に沿った場所を決定するために表面で測定できるテザーの長さはない。したがって、非繋留型装置では、テザーの長さ以外の何らかの特性を計測し、既知の坑井の軌道と組み合わせて使用して、表面下での測定位置を決定しなければならない。

特許請求の範囲に記載されている本発明の実施形態は、例えば、物流および運転の遅延がより少なく、従来のツールおよび方法よりはるかに低いコストで、坑井内のダウンホール特性の測定値を得ることを含む、従来の繋留型坑井採掘ツールを超える自明ではない利点を提供する。

少なくとも１つの実施形態によれば、地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器が提供され、非繋留型機器は、ハウジングと、地下坑井に沿ってデータを測定するように構成された１つ以上のセンサとを含む。データは、地下坑井に沿った１つ以上の物理的、化学的、地質的または構造的特性を含む。非繋留型機器は、データを測定する１つ以上のセンサを読み取って測定データを記憶するように構成されたプロセッサと、測定データを地下坑井の外部に配置された受信機に送信するように構成された送信機とをさらに含む。さらに、非繋留型機器は、非繋留型機器の浮力および抗力の少なくとも１つを制御して、地下坑井に沿って非繋留型機器の位置を制御するように構成された、コントローラを含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のプロセッサは、地下坑井内の非繋留型機器の１つ以上のセンサのための測定パラメータを定義する命令を含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のセンサは、非繋留型装置に作用する圧力を測定して、非繋留型装置が地下坑井に沿って配置される位置を決定するように構成された、位置センサを含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のセンサは、非繋留型機器が地下坑井に沿った最後の位置から移動している時間を計算して、地下坑井に沿って非繋留型装置が配置される位置を決定するように構成された、位置センサを含む。少なくとも１つの実施形態では、位置センサは、経過時間の計算と、非繋留型装置の直径、非繋留型装置の密度および地下坑井内の流体の密度、地下坑井に沿った流体の流速、地下坑井の軌跡、および地下坑井の寸法、例えばその直径などの寸法を利用する、地下坑井に沿った非繋留型装置の速度の計算とを含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のセンサは、非繋留型機器が地下坑井に沿ってケーシングカラーまたはチュービングカラーを通過するときを検出し、地下坑井内で通過するケーシングカラーまたはチュービングカラーの数をカウントし、地下坑井に沿って非繋留型装置が位置する位置を決定するように構成されたケーシングカラー検出器またはチュービングカラー検出器を含む、位置センサを含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のセンサは、地下坑井内の１つ以上のダウンホール流体の１つ以上のダウンホール特性を測定するように構成されたダウンホール特性センサを含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、コントローラは、非繋留型機器の浮力および抗力の少なくとも一方を変化させるように構成されたアクチュエータを含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、アクチュエータは、１つ以上のプロセッサからの電気信号によってコントローラが起動すると、非繋留型機器の浮力および抗力の少なくとも一方を変化させるように構成されている。

少なくとも１つの実施形態によれば、非繋留型機器は、重りと、非繋留型機器の浮力および抗力の少なくとも一方を変化させるために、非繋留型機器に対して重りを固定および解放する重り固定手段とをさらに含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のセンサは、非繋留型機器が地下坑井内を降下および上昇するにつれてデータを測定するように構成されている。

少なくとも１つの実施形態によれば、コントローラは、少なくとも１つのフィンと、少なくとも１つのフィンを展開および格納して、地下坑井内を流れる流体内で非繋留型機器の抗力をそれぞれ増加および減少させる制御手段とを含む。

別の実施形態によれば、地下坑井に沿った特性を測定する方法が提供される。方法は、地下坑井に沿った非繋留型装置の動きをプログラムするステップであって、地下坑井に沿った非繋留型装置の位置は、地下坑井のデータ測定時に非繋留型装置の浮力および非繋留型装置の抗力の少なくとも一方を変化させることによって制御され、データが地下坑井内の１つ以上の物理的、化学的または構造的特性、または地下坑井における装置の力学または位置のうちの１つを備えるステップと、非繋留型装置が坑井内に降下するように、プログラムした非繋留型装置を地下坑井内に解放するステップとを含む。方法は、非繋留型装置が浮力および抗力のうちの少なくとも一方を変化させて地下坑井内を上昇した後、非繋留型装置を地下坑井から回収するステップと、地下坑井における非繋留型装置の降下および非繋留型装置の上昇の少なくとも一方の間に、地下坑井のデータを測定し記録するステップとをさらに含む。さらに、方法は、記録されたデータを外部プロセッサにダウンロードするステップと、坑井の軌道を用いて、データが測定された非繋留型装置の１つ以上の位置を決定するステップとを含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、地下坑井は、坑井ヘッドにおいて、坑井ヘッドの外側の圧力を超える圧力を有する。

少なくとも１つの実施形態によれば、地下坑井は、非繋留型装置が地下坑井にある間の少なくとも一部の時間に、ダウンホールから流体を生産している生産坑井である。

少なくとも１つの実施形態によれば、地下坑井は、生産された流体はスクリーンを通過するが非繋留型機器を通過しない、生産された流体の流れに配置されたスクリーンを含む。

別の実施形態によれば、地下坑井に沿って特性を測定するための非繋留型機器が提供される。非繋留型機器は、ハウジングと、地下坑井に沿ってデータを測定するように構成された１つ以上のセンサであって、データが地下坑井に沿った物理的、化学的または構造的特性の１つ以上を含む、センサと、データを測定する１つ以上のセンサを制御し、測定データを記憶するように構成された１つ以上のプロセッサであって、１つ以上のプロセッサの各々が、地下坑井内の非繋留型機器の１つ以上のセンサのための測定パラメータを定義する命令を含む、プロセッサとを含む。非繋留型機器は、測定データを地下坑井の外部に配置された受信機に送信するように構成された送信機と、非繋留型機器の浮力を制御して地下坑井に沿って非繋留型機器の位置を制御するように構成されたコントローラであって、非繋留型機器の外面に取り付けられた重りと、非繋留型機器の外面に対して重りを固定および解放して、地下坑井に沿った非繋留型機器の位置を制御するための重り固定手段とを備えるコントローラとをさらに含む。さらに、機器は、実行されると非繋留型機器に様々なステップを行わせるコンピュータ可読命令が記憶された１つ以上のプロセッサと通信する、非一時的コンピュータ可読媒体を含む。例えば、ステップは、地下坑井に沿った非繋留型装置の動きをプログラムするステップであって、地下坑井に沿った非繋留型装置の位置が、地下坑井内のデータを測定する際に非繋留型装置の浮力を変化させることによって制御される、ステップと、非繋留型装置が地下坑井内へ降下するように、プログラムされた非繋留型装置を地下坑井内に解放するステップとを含む。さらに、ステップは、非繋留型装置がその浮力を変化させて地下坑井内を上昇した後に、非繋留型装置を地下坑井から回収するステップと、地下坑井における非繋留型装置の降下および非繋留型装置の上昇の少なくとも一方の間に、地下坑井のデータを測定し記録するステップとを含む。このステップは、記録されたデータを外部プロセッサにダウンロードするステップをさらに含む。

本発明の様々な目的、利点および特徴は、添付の図面を参照しつつ以下の実施形態の説明から明らかになるであろう。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の発明を実施するための形態、添付の特許請求の範囲および添付の図面に関してよりよく理解される。しかしながら、図面は本発明の様々な実施形態のみを示し、したがって、他の有効な実施形態も同様に含み得るため、本発明の範囲を限定するものと見なすべきではないことに留意されたい。

本発明の一実施形態による非繋留型測定装置を示す。

本発明の一実施形態による非繋留型測定装置を示す。

本発明の一実施形態による非繋留型測定装置を示す。

本発明の一実施形態による地下坑井に沿って特性を測定する方法を示す。

本発明の利点および特徴、ならびにそれらを達成する方法は、添付の図面と関連して以下に説明される実施形態を参照することによって明らかになるであろう。しかしながら、本発明は以下に開示される実施形態に限定されず、様々な異なる形態で実施されてもよい。本発明の実施形態は、本発明の開示を完全にし、当業者に本発明の範囲を十分に示すためにのみ提供される。

図面の簡略化および明瞭化のために、図面は一般的な構成方法を示しており、本発明の記載された実施形態の説明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、周知の特徴および技術の説明および詳細は省略される場合がある。加えて、図面の要素は必ずしも縮尺通りに描かれていない。例えば、図面の要素のいくつかの寸法は、本発明の実施形態の理解を向上させるのを助けるために、他の要素に対して誇張されている場合がある。同様の参照符号は、明細書全体にわたって同様の要素を指す。

以下、添付された図面を参照して、本発明の多様な実施形態を詳細に説明する。

少なくとも１つの実施形態によれば、地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器が提供され、非繋留型機器は、ハウジングと、地下坑井に沿ってデータを測定するように構成された１つ以上のセンサとを含む。データは、地下坑井に沿った１つ以上の物理的、化学的、地質的または構造的特性を含む。非繋留型機器は、データを測定する１つ以上のセンサを読み取って測定データを記憶するように構成されたプロセッサと、測定データを地下坑井の外部に配置された受信機に送信するように構成された送信機とをさらに含む。さらに、非繋留型機器は、非繋留型機器の浮力および抗力の少なくとも１つを制御して、地下坑井に沿って非繋留型機器の位置を制御するように構成された、コントローラを含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、コントローラは、プロセッサからの電気信号によって起動されると、浮力および抗力の少なくとも一方に変化を引き起こすアクチュエータを含む。別の実施形態では、コントローラは、化学的または機械的プロセスを含み、例えば、一定時間後の重量の崩壊、坑井に沿った特定の位置に対応する温度での化合物の状態変化（および関連する密度変化）、または坑井に沿った特定の位置に対応する圧力での機械的結合の圧縮または破壊によって、プロセッサからの電気信号とは無関係に、浮力および抗力の少なくとも一方に変化を引き起こす。プロセッサは、地下坑井内の非繋留型機器の１つ以上のセンサのための測定パラメータを定義する命令を含む。少なくとも１つの実施形態によれば、非繋留型機器は、機器の残りの部分よりも高密度の重りと、重りを非繋留型機器に対して固定および解放する重り固定手段とを含み、機器の浮力を変化させて地下坑井に沿って機器の位置または運動の方向を制御する。

少なくとも１つの実施形態では、コントローラは、非繋留型機器に取り付けられた少なくとも１つのフィンと、少なくとも１つのフィンを展開および格納するための制御手段とを含み、少なくとも１つのフィンが展開されると、坑井に沿った流れからの機器への抗力が増加し、少なくとも１つのフィンが格納されると、坑井に沿った流れからの機器への抗力が減少するようになる。一実施形態では、機器は、生産される流体の坑井に沿って上向きの流れにもかかわらず少なくとも１つのフィンが格納されたときに、坑井内で降下するのに十分重く、一方で少なくとも１つのフィンが展開されるときに増加する抗力は、機器を坑井内で上昇させるのに十分である。

一実施形態では、機器は、その軌道を降下から上昇へと変化させるために、例えば少なくとも１つのフィンを展開することによる抗力と、例えば重量を下げることによる浮力の両方を変化させる。

少なくとも１つの他の実施形態によれば、地下坑井に沿った１つ以上の特定の位置で特性を測定する方法が提供される。少なくとも１つの実施形態によれば、この方法は、地下坑井に沿った非繋留型装置の動きをプログラムするステップを含む。地下坑井に沿った非繋留型装置の運動方向は、一定の条件が発生したときに非繋留型装置の浮力または抗力を変化させることによって制御される。少なくとも１つの実施形態によれば、条件は、例えば、坑井に沿ってプログラムされた距離に到達すること、坑井内で一定の垂直方向深度に到達すること、一定の時間の経過または一定の外部状態の検出を含む。この方法は、非繋留型装置が地下坑井を降下するように、プログラムされた非繋留型装置を地下坑井に解放するステップと、非繋留型装置が浮力を変化させおよび／または抗力を変化させ、地下坑井を上昇した後、地下坑井から非繋留型装置を回収するステップとをさらに含む。さらに、この方法は、地下坑井における非繋留型装置の降下および非繋留型装置の上昇の少なくとも１つの間に、地下坑井のデータを測定し記録するステップと、記録されたデータを外部プロセッサにダウンロードするステップとを含む。この測定データは、例えば、地下坑井に沿った１つ以上の物理的、化学的、地質的または構造的特性、または流体または流れの特性が推測される坑井内における非繋留型装置自体の力学を含む。さらに、少なくとも１つの実施形態によれば、この方法は、地下坑井に沿った位置にデータを関連付けるステップを含む。好ましい実施形態では、複数の測定値が記録され、地下坑井に沿ったそれぞれの位置に関連付けられる。

少なくとも１つの他の実施形態によれば、地下坑井に沿った動作のために非繋留型装置をプログラムするステップと、取得されるセンサ測定値、センサ測定値が取得される位置または時間、非繋留型装置が浮力を変化させるおよび／または抗力を変化させる条件を特定するステップとを含む、地下坑に沿った特性を測定する方法が提供される。地下坑井に沿った非繋留型装置の位置は、プログラムされた距離に達する、特定の時間が経過する、または非繋留型装置の外側の物理的、化学的、地質的または構造的な特性の測定などの特定の条件が発生したときに非繋留型装置の浮力および抗力を変化させることによって制御される。この方法は、非繋留型装置が地下坑井を降下するように、プログラムされた非繋留型装置を地下坑井に解放するステップと、非繋留型装置が浮力または抗力を変化させ、地下坑井を上昇した後、地下坑井から非繋留型装置を回収するステップとをさらに含む。さらに、この方法は、地下坑井における非繋留型装置の降下および非繋留型装置の上昇の少なくとも一方の間に、地下坑井に沿ったデータを測定し記録するステップと、記録されたデータを外部プロセッサにダウンロードするステップとを含む。この測定データは、例えば、地下坑井に沿った１つ以上の物理的、化学的、地質的または構造的特性、または流体または流れの特性が推測される坑井内における非繋留型装置自体の力学を含む。さらに、この方法は、坑井の軌道に基づく測定位置およびその軌道上の位置を制約する第２の測定値にデータを関連付けるステップを含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器が提供される。非繋留型機器は、ハウジングと、地下坑井に沿ってデータを測定するように構成された１つ以上のセンサとを含む。データは、地下坑井に沿った１つ以上の物理的、化学的、地質的または構造的特性を含む。非繋留型機器は、データを測定する１つ以上のセンサを制御し、また測定データを記憶するように構成された１つ以上のプロセッサをさらに含む。プロセッサは、地下坑井内の非繋留型機器の１つ以上のセンサのための測定パラメータを定義する命令を含む。非繋留型機器は、測定データを地下坑井の外部に配置された受信機に送信するように構成された送信機と、非繋留型機器の浮力および抗力の少なくとも一方を制御して、地下坑井に沿って非繋留型機器の位置を制御するように構成されたコントローラとをさらに含む。機器は、実行されると非繋留型機器にデータを収集するステップと、地下坑井に沿って非繋留型装置の移動方向を変えるステップを行わせるコンピュータ可読命令が記憶された１つ以上のプロセッサと通信する、非一時的コンピュータ可読媒体をさらに含む。地下坑井に沿った非繋留型装置の移動方向は、プログラムされた距離に到達する、一定の時間が経過する、または非繋留型装置の外側の物理的、化学的、地質的または構造的条件の測定値などの一定の条件が発生したときに、非繋留型装置の浮力および抗力の少なくとも一方を変化させることによって制御される。この方法は、非繋留型装置が地下坑井を降下するように、プログラムされた非繋留型装置を地下坑井に解放するステップと、非繋留型装置が浮力および抗力の少なくとも一方を変化させ、地下坑井内を上昇した後、地下坑井から非繋留型装置を回収するステップとをさらに含む。さらに、この方法は、地下坑井における非繋留型装置の降下および非繋留型装置の上昇の少なくとも一方の間に、地下坑井に沿ったデータを測定し記録するステップと、記録されたデータを外部プロセッサにダウンロードするステップとを含む。データは、地下坑井に沿った１つ以上の物理的、化学的または構造的特性、または坑井の内容の特性が決定される、坑井に沿った装置の運動の記録を含む。

一実施形態では、非繋留型装置は、誘導検出器によって、ケーシングジョイントまたはチュービングジョイントの端部の間の隙間を検出する。誘導検出器は、２つの同一の短いソレノイドコイルのワイヤを含み、コイルは同一の半径、長さおよび巻数を有し、共通の軸を有するように非繋留型装置上に配置されている。コイルは、典型的には、非繋留型装置と同じ半径を有し、その２つの端部に配置される（円筒形の非繋留型装置の場合）。電気的には、コイルはブリッジ構成で接続され、例えばコイルは直列に配置され、ブリッジの一方の側を形成し、ブリッジの他方の側は、直列の２つの等しい抵抗によって形成される。ブリッジは、典型的には１００Ｈｚ〜１ＭＨｚ（好ましくは３ｋＨｚ）の周波数で駆動され、差動増幅器はブリッジの不均衡度を測定する。ブリッジの駆動周波数は、できるだけ高くなるように選択されるが、各コイルからパイプへの誘導結合がパイプ内の非繋留型装置の位置にかかわらず同じであるように、坑井内の流体中の電磁波の表皮深さは坑井の半径よりもはるかに大きく（例えば、１０００倍大きく）なければならない。

少なくとも１つの実施形態によれば、コイルが、等しい直径のチュービングまたはケーシング部分のような長い均一な金属パイプ内にある場合、パイプへのコイルの誘導結合は等しく、パイプ内のコイルの位置またはパイプに対するそれらの共通軸の傾きにかかわらず、それらのインダクタンスは互いに等しい。この場合、差動増幅器によって検出される信号はないか、または非常に小さい信号である。一方のコイルがパイプ部分の間の隙間に近接している場合のように、一方のコイルが他方よりもわずかに大きな直径のパイプ内にある場合、そのインダクタンスは他方よりわずかに大きくなり、ブリッジのバランスが崩れ、差動増幅器によって大きな振幅信号が検出されるであろう。マイクロコントローラは、差動増幅器からの信号の振幅を（例えば、アナログ−デジタル変換器を使用して）測定し、この信号の振幅が大きいときに、一方のコイルまたは他方のコイルがパイプ部分の間の隙間の近くにあることが分かる。マイクロコントローラは、このような隙間をいくつ通過したかを把握し、各パイプジョイントの長さの記録（坑井を構築するときに記録されるか、またはケーシングカラーロケータロギングツールを坑井内で実行することによってマッピングしてもよい）を使用して、自身の深度を決定する。隙間の間を通過するとき、非繋留型装置は、加速度計または慣性航法装置の測定値に基づく推測航法によってパイプ端部の間の自身の位置を補間する。

一実施形態では、非繋留型装置は、機器が坑井内にある間の少なくとも一部の時間、ダウンホールから流体を生産する生産坑井に沿って、または坑井ヘッドに圧力を含み、圧力が坑井ヘッドの外側の周囲圧力を超えている（またはその可能性がある）加圧された坑井に沿って、測定値を得るために使用される。この実施形態では、非繋留型装置は、坑井の上部にある「クリスマスツリー」バルブアセンブリを通して挿入および回収される。クリスマスツリーの上部は、一般に、生産中に閉じられる「スワブバルブ」であるが、ワイヤラインツールのクリーニングまたは稼動のため、生産チュービングにアクセスするように開かれている。スワブバルブの下はＴ字接合であり、生産された液体を生産工場へ運ぶために「プロダクションウィング」がクリスマスツリーから水平に延在する。「プロダクションウィングバルブ」は通常、生産中に開かれているが、閉めるとプロダクションウィングを通る流れを遮る。プロダクションウィングの下で、「マスタバルブ」は通常、生産中に開かれているが、流体が坑井を上ってくるのを遮るために閉めることができる。一実施形態によれば、このようなクリスマスツリーを有する坑井で非繋留型装置を展開および回収するために、２つのコンポーネントが追加される。第１に、生産された流体を通過させるが、非繋留型装置を通過させないスリットを有するスクリーンまたは短いパイプ部分が、スワブバルブを通してクリスマスツリーに挿入され、プロダクションウィング外への流れを可能にするが、非繋留型装置がプロダクションウィングを抜け出さないようにする。第２に、音響検出器のようなセンサがプロダクションウィングの近くのクリスマスツリーに取り付けられ、例えば非繋留型装置からの音響伝達を検出することによって、プロダクションウィング内の非繋留型装置の存在を検出する。非繋留型装置の展開を開始するために、マスタバルブおよびプロダクションウィングバルブが閉じられる。非繋留型装置は、後ろが閉じられたスワブバルブを通して挿入される。その後、マスタバルブが開かれ、非繋留型装置が坑井内に落下することが可能になる。生産中に測定を行う場合は、プロダクションウィングバルブを開き、生産を再開することができる。センサが表面に戻ると、センサはマスタバルブとスワブバルブの間に閉じ込められ、スクリーンによって、プロダクションアームから出るのを防ぐ。センサがプロダクションアームの近くに存在することを検出すると、マスタバルブおよびプロダクションアームバルブが閉じられ、スワブバルブが開かれ、この時点で非繋留型装置がスワブバルブを通してクリスマスツリーから持ち上げられる。

図１は本発明の一実施形態による非繋留型測定装置を示す。図１に示すように、非繋留型測定装置１００（以下、「装置１００」という）は、２つの半球１０５、１１０を互いに固定することができる縁部を有する２つの半球１０５、１１０を備えるハウジングを含む。少なくとも１つの実施形態によれば、ハウジングの２つの半球１０５、１１０は、ハウジング（１０１、１０２）の２つの半球を互いにねじ込むことができるようにねじ切りされた縁部１１５を有する。当業者であれば、ハウジングの２つの半球１０５、１１０を互いに取り外し可能に固定するために他の固定手段を使用することもできることを理解するであろう。

図１にさらに示すように、本発明の少なくとも１つの実施形態によるハウジングは、ハウジングの２つの半球１０５、１１０の間に配置され、ハウジングの２つの半球１０５、１１０が互いに固定されているときに、ハウジング内の内部空洞を外部圧力または坑井内の要素（例えば、１つ以上のダウンホール流体）による損傷から保護するために、その間にシールを提供するシール１２０、例えばＯリングをさらに含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、ハウジングの２つの半球１０５、１１０のねじを緩め、１つ以上のコネクタ１３０を介して１つ以上のプロセッサ１２５にケーブルを接続し、各々を装置１００の内部空洞に収容し、装置１００をプログラムし、装置１００によって測定されたダウンホール特性データをダウンロードする。ハウジングの２つの半球１０５、１１０のねじを緩める間に、装置１００の内部空洞に同じく収容されているバッテリ１３５も交換または再充電することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、バッテリ１３５は、装置１００の内側または外側に配置されたアンテナ（図示せず）を介して誘導結合または近接場磁気共鳴結合を使用して無線で充電されてもよい。アンテナは、非限定的な例として、例えばコイル、平面スパイラルアンテナまたはヘリカルアンテナであってもよい。同じアンテナを使用して、マイクロコントローラをプログラムし、記憶されたデータをセンサから質問器に無線で転送することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置１００のハウジングの内部空洞は、装置１００の周囲の外圧が装置１００が坑井内にさらに降下するにつれて増加するか、または装置１００が坑井を通って上昇するにつれて減少する場合でも、実質的に周囲圧力以下に維持される。

少なくとも１つの実施形態によれば、ハウジングの２つの半球１０５、１１０および装置１００の内部内容物が、装置１００の平均密度が坑井内の１つ以上のダウンホール流体の平均密度よりも低くなるような重量を有することにより、坑井に沿った１つ以上のダウンホール流体に装置１００を浮かせることを可能にする。

少なくとも１つの実施形態によれば、ハウジングの２つの半球１０５、１１０は、例えば非磁性ステンレス鋼材料製であるが、これに限定されない。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置１００のハウジング１０５、１１０は、装置１００に強度を与えるため、および装置１００が坑井に沿って移動するときに装置１００上の抗力の正確な予測を容易にするために、球形である。ハウジングの２つの半球１０５、１１０を接合することによって形成されるような、球状物体上の異なる流れ条件下での抗力は、他の形状についてはそれほどではないが、公開された文献で広範に測定され公表されている。別の実施形態によれば、ハウジング１０５、１１０は、装置１００に強度を与えるため、製造を容易にするため、および所与の直径について装置１００の内部空洞の容積を増加させるために、円筒形状である。ハウジング１０５、１１０の直径は、それが動作するケーシング、チュービングまたは穴の直径よりも小さい。

少なくとも１つの実施形態によれば、ハウジング１０５、１１０は、装置１００が坑井内を上下に移動するときに装置１００の向きを維持する復元力を有するように、その内部に密度の不均一な分布を有する。少なくとも１つの実施形態によれば、装置１００は、装置１００が坑井内を移動するときに軽い端部が地下坑井の上面に向かって配置され、重い端部が地下坑井の底面に向かって配置されるように、重い端部と軽い端部とを有するように構成される。別の実施形態によれば、ハウジング１０５、１１０内の重量は、ハウジングが優先配向を有しないように分布し、これによりハウジングが坑井に沿った流体の動揺に応答して偏りのない動きをすることが可能になる。

図１にさらに示すように、本発明の少なくとも１つの実施形態による装置１００は、装置１００の浮力を制御することによって地下坑井に沿った装置１００の動きを制御するコントローラ１４０を含む。少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のダウンホール流体が静止している坑井において、装置１００の降下は、装置１００が、坑井内の１つ以上のダウンホール流体の平均密度よりも高い平均密度を有する（すなわち、負の浮力を有する）ことによって達成され、装置１００の上昇は、装置１００が、坑井内の１つ以上のダウンホール流体の平均密度よりも低い平均密度を有する（すなわち、正の浮力を有する）ことによって達成される。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のダウンホール流体が上向きに移動する流体である坑井において（例えば、炭化水素が表面下の炭化水素のリザーバから表面に流れる生産時、または掘削泥がドリルストリングの外側の表面に戻る掘削時）、装置１００は、装置１００が１つ以上の上向きに流れるダウンホール流体の流れに対向して坑井内に降下するために、１つ以上の上向きに流れるダウンホール流体の平均密度よりも高い平均密度を有する。この場合、装置１００が坑井に降下することから坑井を上昇することへの方向の変化は、上向きに流れるダウンホール流体の流れによって生成される追加の抗力のため、装置１００の平均密度をダウンホール流体の平均密度よりもはるかに大きく変化させて、ダウンホール流体の平均密度よりも少し大きくすることによって達成することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のダウンホール流体が下向きに移動する流体である坑井（例えば、掘削中のドリルストリング内）において、装置１００は、装置１００が１つ以上の下向きに流れるダウンホール流体の流れと共に坑井内に降下するため、１つ以上の下向きに流れるダウンホール流体の平均密度よりも小さいか、またはわずかに大きい平均密度を有する必要がある。この場合、装置１００が坑井に降下することから坑井を上昇することへの方向の変化は、装置１００の平均密度をダウンホール流体の平均密度よりもはるかに小さく変化させて、下向きに流れるダウンホール流体の流れにより生成される力に対向して上昇させることによって達成することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、多相流（すなわち、油と水または油、天然ガスと水、または天然ガスと水のような少なくとも２つの混合されていない流体を有する流れ）を有する坑井において、装置１００は、その平均密度を、十分に大きなパッケージで坑井を上っている相の少なくとも１つよりも小さいか、または同等にすることによって坑井を上昇する。例えば、水とガスとの交互のスラグが坑井を上る流れにおいて、装置１００は、装置１００が水スラグ中を上昇するように、水相よりも低密度の平均密度を有することによって坑井を上昇する。

少なくとも１つの実施形態によれば、コントローラ１４０は重り１４５、例えば鉄製重りを含むが、本発明の実施形態はこれに限定されない。一実施形態では、重りは、Ｂｒｕｃｅ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｃｏｒｐ（ｗｗｗ．ｂｒｕｃｅｄｉａｍｏｎｄ．ｃｏｍ／ｆｒａｃ）が１．６ｇ／ｃｃの密度を有する水溶解性フレックボールを作るのに使用しているような水溶解性ポリマー製であり、重りが坑井内に永久的に残ることはない。重り１４５は、装置１００のハウジングの２つの半球１０５、１１０のうちの１つの外面、例えば底の外面に取り外し可能に固定される。このような向きでは、重り１４５の重量によって装置１００は坑井内の１つ以上のダウンホール流体よりも高い密度を有し、それによって装置１００は坑井内の１つ以上のダウンホール流体内へ降下する。少なくとも１つの実施形態によれば、コントローラ１４０が装置１００のハウジングの２つの半球１０５、１１０のうちの１つの外面から重り１４５を解放することによって、坑井内の１つ以上のダウンホール流体の上面に向かって装置１００を上昇させる。したがって、コントローラ１４０は、装置１００の浮力を制御することができる。

図１にさらに示すように、装置１００のコントローラ１４０は、装置１００のハウジングの２つの半球１０５、１１０の一方の外面に重り１４５を固定し、またそこから重り１４５を解放するための重り固定手段１５０をさらに含む。少なくとも１つの実施形態によれば、重り固定手段１５０は、例えば、スイッチング装置または１つ以上の磁石１５５、１６０のうちの１つを含むが、これに限定されない。スイッチング装置１５５、１６０は、非限定的な例として、例えば磁束スイッチング装置を含み、１つ以上の磁石は、非限定的な例として、切替え可能な永久磁石または永久電磁石のうちの１つを含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、切替え可能な永久磁石は、アクチュエータおよび永久磁石を含む。アクチュエータは永久磁石を回転させるため、永久磁石の磁束経路は、重り１４５を装置１００のハウジング１０５、１１０の外面に連結するか、または連結しないかのいずれかである。

少なくとも１つの実施形態によれば、スイッチング装置１５５、１６０は、磁束スイッチング装置であり、ワイヤのコイル１６５であって例えば、２つの安定した経路の間で永久磁石の磁束を切替えるように励磁され、重り１４５と装置１００のハウジング１０５、１１０の外面との間の接続を制御する、ワイヤのコイル１６５を含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、図１に示すように、永久電磁石１５５は、並列に接続された２つの永久磁石を含み、一方の永久磁石１５５は、例えばサマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）などの材料で作られ、より高い保磁力または磁化方向を逆転させる抵抗を有し、一方で第２の磁石１６０は、例えばアルニコＶなどの材料で作られ、より低い保磁力またはその磁化方向を逆転させる抵抗を有するため、分極方向を容易に変化させることができる。少なくとも１つの実施形態によれば、２つの永久磁石１５５、１６０のサイズおよび材料は、それらが本質的に同じ磁気的強度（すなわち残留磁化）を有するように選択される。さらに、ワイヤのコイル１６５は、低保磁力磁石（すなわち、図１に例示する実施形態で示す第２の磁石１６０）に巻き付けられる。別の実施形態では、コイル１６５は、コイル１６５によって生成される磁場によって再分極されないように、したがってその磁場に含まれることによる影響を受けないように、高保磁力磁石を選択しているため、磁石１５５、１６０の両方に巻き付けられる。別の実施形態では、全てが同じ低保磁力材料（Ａｌｎｉｃｏ Ｖなど）および同じ寸法の偶数個（２個以上）の磁石が存在する。コイル１６５は、磁石の半分だけがコイル１６５によって分極を調整されるように、これらの磁石の半分に巻き付けられる。全ての磁石を同じ低保磁力材料で作る利点は、磁場を相殺する分極状態での正確な磁場相殺を確実にするために、再分極および非再分極される磁石の磁気強度を一致させる問題を単純化することである。磁場を相殺するように設計された分極状態の磁場を正確に相殺することができないと、重りを解放できなくなる可能性がある。

大きな電流（例えば２０アンペア）の短い（例えば２００マイクロ秒）パルスが一方向でワイヤのコイル１６５に印加されると、低保磁力磁石（すなわち、図１に例示する実施形態に示す第２の磁石１６０）は、高保磁力磁石（図１に例示する実施形態に示す第１のマグネット１５５）と同じ方向で永久的に分極され、磁束線は磁束チャネル１７０を通ってハウジング１０５、１１０の外側へ延び、そこで重り１４５を装置１００に引き付ける。少なくとも１つの実施形態によれば、磁束チャネル１７０は、高い透磁率を有する材料、例えば鉄で作られる。

電流がワイヤのコイル１６５に反対方向に印加されると、低保磁力磁石１６０を高保磁力磁石１５５とは反対の方向に永久的に分極させるため、磁束は２つの磁石１５５、１６０およびエンドピースを通ってループ状に進むが、実質的にこれらの部分の外側に延びることはなく、重り１４５を装置１００に保持する力を除去し、重り１４５を装置１００から自由に落下させることを可能にする。その結果、装置１００は坑井内を上昇する。

関連分野の当業者であれば、重りを保持および解放する他の手段があることを理解するであろう。そのような手段は全て本発明の範囲内にある。例えば、他の実施形態では、装置１００のコントローラ１４０は、電流を印加して重り１４５とハウジングとの間のカップリングを介して融解する熱を発生させ、電流を印加してソレノイドのような機械的装置にエネルギーを供給して、重り１４５を解放し、または電流を遮断して、重り１４５を保持するソレノイドまたは電磁石のような機械的装置を消勢し、各々が重り１４５を装置１００から落下させる。

関連技術の当業者であれば、重りを落下させるステップは、装置の浮力を変化させるための１つの方法に過ぎず、装置の浮力を変化させることができる他の方法があることを認識するであろう。浮力を変化させるこれらの他の方法も本発明の範囲内である。例えば、浮力を変化させる他の方法には、例えば、化学反応を引き起こすことによって、または電気化学的プロセスを使用してバラストタンク内にガスを発生させ液体を移動させることによって、または、機械的プランジャを使用して液体を押し出すことによって、またはポンプを使用して液体を汲み出すことによって、コンパートメントまたはバラストタンクから液体を排出するステップを含む。別の実施形態では、浮力は、装置に取り付けられ、かつ材料の体積は変化するが質量が同じままであるように相変化（例えば、溶融または凍結）を経るようにする、材料片によって変化する。材料は装置内に配置されているため、体積の変化は装置の全体積の変化を引き起こす。例えば、一実施形態では、材料は、坑井内のダウンホール流体と接触するコンプライアントな容器に収容され（すなわち完全に剛性のハウジング内に収容されてはいない）、相変化が起こって材料が膨張または収縮すると、容器も膨張または収縮し、装置の全体的な体積が増減するようになる。本発明の実施形態は、深度と共に温度が上昇するように、坑井内に自然の地熱温度勾配が存在することを提供する。このように、本発明の実施形態に従って、融解時に膨張し、凍結時に収縮する材料から装置の一部を作ることにより、装置は坑井の底部近くでより軽くなり（最終的に装置を上昇させる）、坑井の上部でより重くなる（最終的に装置を降下させる）。材料の相変化温度および外部環境と材料との間の熱伝導率は、装置が特定の深度の間で行ったり来たりするように選択される。一実施形態では、装置内の電子コントローラは、例えばペルチェ接合部を介して材料に追加の加熱または冷却を加えて、相変化が起こるとき、したがって浮力変化が起こるときをさらに制御する。一実施形態では、相変化材料はパラフィンワックスである（パラフィンワックスは一般に４６〜６８℃の融点を有し、融解時に約１５％の体積増加を受ける［Ｕｋｒａｉｎｃｚｙｋ、“Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｆｉｖｅ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｐａｒａｆｉｎ Ｗａｘｅｓ ａｓ Ｌａｔｅｎｔ Ｈｅａｔ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｃｈｅｍ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｑ．、２４（２）１２９−１３７（２０１０）］。

少なくとも１つの実施形態によれば、坑井内の１つ以上のダウンホール流体の密度、粘度、速度および流動様式を考慮し、装置１００がその中で動作するパイプ、ケーシング、または穴の直径に関して、所望の降下率および上昇率を達成するためにハウジングの直径およびその浮力変化前後の装置密度を最適化する。当業者であれば、装置１００の重量を増加させると、装置がより急速に降下するか、またはよりゆっくりと上昇する傾向があることを認識するであろう。同様に、装置１００の直径を大きくすると、装置１００は周囲の流れに一層密接に結合する傾向があり、装置１００は、坑井内の流れとは逆に移動するのではなく周囲の流れと共に移動する傾向がある。これは、装置１００の直径がパイプ直径の約２５％以上というかなりの割合である場合に特に当てはまる。

したがって、本発明の様々な実施形態による装置１００の制御された移動は二方向性であり、装置１００が展開された後に装置１００は坑井を下り、ダウンホール流体が装置１００を地下坑井の上面に戻すようにコントローラが浮力または抗力を変化させた後に坑井を上る。地下坑井を上下に移動することは、坑井の軌道に沿って、その軌道の浅いまたは深い（それぞれの）端部に向かって移動することを指すことが理解される。

図１にさらに示すように、装置１００は、少なくとも１つの実施形態によれば、装置１００が坑井を降下および上昇するに従って坑井に沿ったダウンホール特性を測定するための１つ以上のセンサを含む。例えば、１つ以上のセンサは、坑井の１つ以上の物理的、化学的および構造的特性を測定するように構成される。坑井の物理的、化学的および構造的特性には、限定されるものではないが、温度、圧力、ダウンホール流体内に存在する水または塩水の量である「含水率」、ダウンホール流体内の塩水の体積分率および炭化水素の体積分率、油相、水相およびガス相の流速、周囲の岩層から坑井への油、水およびガスの流入速度、塩水混合物の化学組成、炭化水素の化学組成、例えば密度または粘度を含む炭化水素の物理的特性、多相流動様式、ケーシングまたはプロダクションチュービング上の腐食またはスケールの量、腐食またはスケール蓄積の速度、坑井に添加される可能性のある腐食防止剤またはスケール防止剤の有無、従来カリパーによって測定されるであろうプロダクションチュービングまたはボアホール内の開放断面、等方性または異方性であり得る周囲の岩層の音響特性または弾性特性、例えば等方性または異方性であり得る周囲の岩石の抵抗特性または誘電特性を含む周囲の岩石の電気的特性、周囲の岩石の密度、周囲の岩石における破砕の有無、およびこれらの破砕の存在量、配向および開口度、周囲の岩石の総空隙率または空隙タイプおよび各空隙タイプの存在量、周囲の岩石の鉱物組成、周囲の岩石の粒子サイズまたは粒子サイズおよび形状の分布、周囲の岩石の空隙サイズまたは空隙サイズおよび形状の分布、周囲の岩石の絶対透水性、周囲の岩石の相対浸透性、周囲の岩石の流体の濡れ性、および周囲の岩石における流体界面の表面張力が含まれる。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のセンサは、坑井に沿って装置の位置を測定するように構成された位置センサ１７５を含む。一実施形態では、位置センサは圧力センサであり、装置１００に作用する圧力を測定し、坑井に沿ってまたは坑井内の１つ以上のダウンホール流体内に装置１００が配置される深度を決定し、圧力と深度との間の関係は、理論的計算、実験室実験および現地試験のうちの１つから決定される。

別の実施形態によれば、１つ以上のセンサは、装置１００が坑井内に降下している時間を計算するように構成された位置センサ１７５を含み、時間と深度の関係は、理論的計算、実験室実験および現地試験のうちの１つから決定される。

別の実施形態によれば、位置センサ１７５は、装置（１００）が坑井内のケーシングカラーまたはチュービングカラーを通過するときを検出するように構成され、坑井内を通過してきたケーシングカラーまたはチュービングカラーの数をカウントし続けるケーシングカラー検出器またはチュービングカラー検出器であり、坑井内の装置１００の深度を決定する。特に、ケーシングカラーまたはチュービングカラーの存在は、ケーシングカラーまたはチュービングカラーにおける追加のパイプ厚さに基づいて検出されるか、またはケーシングカラーまたはチュービングカラーのパイプジョイント間の隙間に基づいて検出されるか、または例えば誘導式、電磁気式または音響式手段によって決定されたケーシングカラーまたはチュービングカラーにおけるパイプジョイントの大径に基づいて検出され、装置１００の深度は、通過したケーシングカラーまたはチュービングカラーの数に基づいて計算され、随意により、最後のケーシングカラーまたはチュービングカラーが通過した後の時間、圧力および加速度計データを含むグループから選択される少なくとも１つに基づいて、ケーシングカラーまたはチュービングカラーの間が補間される。少なくとも１つの実施形態によれば、ケーシングカラー検出器トランスデューサまたはチュービングカラー検出器トランスデューサは、対象の物理的特性を、測定可能な電気信号に変換するための、以下に説明する１つ以上のトランスデューサである。

別の実施形態によれば、ケーシングまたはチュービングジョイント端部またはカラー検出からの絶対基準点を、慣性航行データまたは加速度計データと組み合わせて、パイプジョイント内またはカラー間の装置１００の位置を補間する。カラーは、個々のパイプまたはケーシングジョイント（すなわち、パイプ部分）をつなぎ合わせる。これらの位置は、坑井の設計からよく知られているか、またはカラーを検出するワイヤラインツールによって正確に調査することができる。坑井に沿った位置は、測定された静水圧から決定することもできる。位置を決定するこの方法は、特に坑井内の１つ以上のダウンホール流体の密度プロファイル（すなわち、密度対深度）が不確かである場合、慣性航法によるカラー検出の組み合わせに比べて正確ではないが、実装がより簡易であり、裸孔（無管）のようにカラーが存在しない場合に機能させることができる。少なくとも１つの実施形態によれば、坑井に沿った位置は、装置１００の予測速度に基づいて、装置１００が移動している経過時間によっても決定される。これは、装置１００の速度の不確かさのため、坑井に沿った位置を決定する最も不正確な方法である。位置推定または坑井内の位置の決定は、検出可能なランドマークの深度をマッピングし、これらのランドマークを検出するように構成された検出器を装置１００に設けることによって支援される。例えば、ビーコンまたはＲＦＩＤタグを坑井内の既知の位置に配置して、位置決定を支援する。別の例では、チュービング直径または周囲の岩層の特性の変化のような便利な特徴が使用される。一実施形態によれば、装置１００は、複数の位置情報源を統合して、位置予測における最大の正確度を提供し、ミッション失敗のリスクを最小限に抑える。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置１００の速度は、装置１００を収容している坑井またはパイプの壁からの音響ドップラ後方散乱を使用して決定される。ダウンホール流体に対する装置１００の速度は、装置と、装置１００の前面対背面のダウンホール流体との相対速度とを比較することによって決定され、両方向の音響ドップラ後方散乱測定によって決定される。坑井ダウンホール流体に対する装置１００の速度は、第１のトランスデューサが送信機であり第２のトランスデューサが受信機である場合と、第１のトランスデューサが受信機であり第２のトランスデューサが送信機である場合の、２つの超音波トランスデューサ間行程の音響時間の差を測定する超音波エコーロケーションによっても決定される。坑井ダウンホール流体に対する装置１００の速度は、２つのトランスデューサ間の直接的な音響伝搬時間と、トランスデューサ間の第２の伝搬経路に沿った音響伝搬時間との差からも計算され、この差も装置１００を収容するボアホールまたはパイプの内面を反映する。この計算には、各トランスデューサから内面までの距離を知っている必要があり、これは各センサから内面および戻りの音響往復伝搬時間を測定することによって決定される。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置１００の水平方向（または坑井の軸に対して垂直）の位置は、装置１００のハウジング１０５、１１０の表面上のアレイによって放射され、また装置１００を収容するパイプ、チュービング、ケーシングまたはボアホールの内面によって装置１００に反射される音響信号の二方向伝搬時間を測定することによって決定される。あるいは、装置１００の外側表面付近の誘導コイルは、パイプ内に誘導される渦電流から感知する損失に基づいて、金属パイプの内壁までの距離を測定する。装置１００の加速度および短時間の位置変化は、装置１００に取り付けられた加速度計または慣性航法システムから計算される。しかしながら、このような測定はドリフトの影響を受けやすいため、長期にわたって安定した位置情報については他の方法を頼らざるをえない。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置１００は、一定の測定量における一定の条件が達成されたときに、浮力または抗力を変化させ、表面への帰還を開始する。測定される量は、例えば、限定されるものではないが、（１）現在の時間または経過時間が特定の時間以上になるときに浮力または抗力の変化が引き起こされる時間、（２）圧力が特定の圧力以上になるときに浮力または抗力の変化が引き起こされる圧力、（３）深度が特定の深度以上になるときに浮力または抗力の変化が引き起こされる深度、（４）温度が特定の温度以上になるときに浮力または抗力の変化が引き起こされる温度、（５）装置１００の外側の流体の誘電特性または伝導性を測定し、これらの特性が、装置１００の外側の流体が例えばガス凝縮物蒸気、油、塩水、乾燥ガス、液体、蒸気、またはガスであることを示す範囲内であるときに浮力または抗力が変化するような、センサ外側の流体特性が対象の流体に対応する範囲内であることが測定されるときに浮力または抗力の変化が引き起こされる流体の性質であってもよい。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のセンサ１７５は、坑井内の１つ以上のダウンホール流体の１つ以上のダウンホール特性を測定するように構成されたダウンホール特性センサを含む。１つ以上のダウンホール特性には、坑井内の１つ以上のダウンホール流体の密度または粘度が含まれるが、これに限定されない。一実施形態では、センサは、限定されるものではないが、その動作を作動および感知するために必要な回路と共に、圧電音叉のような機械的振動子を含む。この機械的振動子は、そのプロングまたは機械的に活性な部分と、その周りの流体の境界層との相互作用を通じて流体を直接探査する。現場または実験室での較正を通じて、装置の時間または周波数領域での動作の応答は、限定されるものではないが、粘性、密度、圧縮性および誘電率などの流体の物理的特性に直接相関する可能性がある。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のセンサ１７５は、装置の加速度を測定するように構成された加速度計を含む。この加速度データは、流動様式、またはベースとなる坑井への１つ以上の構成成分（例えば、油、水、ガスなど）の流入の存在のいずれか１つに関する。流動様式または坑井への流入は、装置１００が受ける加速のパターンに特徴的な効果を有し、これらのパターンを検出して流動様式を決定し、流入量を定量化することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のセンサ１７５は、坑井内の１つ以上のダウンホール流体の化学的特性を測定するように構成された化学センサを含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のセンサ１７５は、各々、例えば対象の物理的特性を測定可能な電気信号に変換する、１つ以上のトランスデューサ（図示せず）を含む。対象の物理的特性には、限定されるものではないが、例えば坑井内の１つ以上のダウンホール流体の密度、粘度、速度、乱流、流動様式、温度、または化学組成が含まれる。対象の物理的特性には、例えば、限定されるものではないが、腐食の程度、スケール蓄積、丸みからの歪み、穴の直径、パイプの直径、マッドケーキの厚さ、マッドケーキの被覆率、パイプの結合位置、坑井内または坑井内のチュービングまたはケーシングパイプの内側にあるパイプジョイント端部の位置も含まれる。対象の物理的特性には、例えば、限定されるものではないが、坑井内の装置１００の深度、位置、または横方向の位置、速度、または加速度も含まれる。対象の物理的特性には、坑井内のセメントの状態、硬化状態または完全性が含まれてもよい。対象の物理的特性には、例えば、限定されるものではないが、坑井付近の岩層の電気的、音響的、機械的、組成的特性、流体の含有量、密度、または流動特性も含まれる。対象の物理的特性には、例えば、限定されるものではないが、装置１００における圧力または装置１００間の距離も含まれてもよい。対象の物理的特性には、例えば、限定されるものではないが、マイクロ波または誘導信号など、近くの装置１００または近くの固定された送信機から送信された電磁信号の強度が含まれていてもよく、これらの信号は周囲の流体、坑井または岩層の特性を確認するために送信される。

少なくとも１つの実施形態によれば、対象の物理的特性には、限定されるものではないが、例えば、坑井の直径、坑井の断面積、装置１００から坑井内の岩面、パイプ表面、チュービング表面、またはケーシング表面までの粗さまたは距離が含まれてもよい。

これらの物理的特性は、ボールの表面上のアレイによって放射され、センサを収容するパイプ、チュービング、ケーシングまたはボアホールの内面によってセンサに反射される、音響伝搬時間または音響信号の性質を測定することによって決定され得る。これらの物理的特性の測定は、例えば、坑井内のスケール蓄積の量を決定して、スケール防止処理を適用するかどうか、坑井を清掃するかどうか、または坑井内のパイプ、チュービングまたは他の機械部品を交換するかどうかを決める際に有益であろう。別の例では、これらの測定は、坑井内の腐食量を決定して、腐食防止剤を塗布するかどうか、または坑井内のパイプまたはチュービングを交換するかどうかを決めるために有用である。このような測定は、坑井内のパイプまたはチュービングまたは他の機械部品を、スケールまたは腐食のためにいつ交換する必要があるかを予測するためにも有用である。別の例では、これらの測定は、ケーシング内の接合に必要なセメントの量を決定するために、ボアホールの寸法を測定するため、また、セメントまたは掘削泥が岩層内に失われる原因となる大きな晶洞、孔隙、カルス形状または流出ゾーンがあるかどうかを評価するため、また、地下岩層の安定性を評価して、特定の岩石層がケーシングを必要とするかどうかを決めるために有用である。一般に、坑井内の寸法（すなわち、坑井内のボアホールまたはパイプ、チュービングまたはケーシングの寸法）を測定する場合、少なくとも１つの実施形態による装置１００の１つ以上のセンサは、カリパーログ（または坑井ディメンションログ）と同様に使用することができるが、生産中の坑井を操作するために、ワイヤラインの乗員や表面をサポートする車両を動員するコストがかからず、坑井を破壊したり、噴出防止装置（ＢＯＰ）や潤滑システムを使用する必要性がない。加えて、装置１００の１つ以上のセンサは、バルブ、バイパス、パイプベンド、およびパイプ間またはパイプと岩層との間の環など、ワイヤラインのカリパーツールが入れない、坑井内のより小さな狭窄部を通過する。

少なくとも１つの実施形態によれば、物理的特性値には、ケーシングおよびセメント間、またはセメントおよび坑井周辺の岩層間の界面の音響特性または弾性特性が含まれる。これらの特性は、典型的には、従来の繋留型測定装置を使用して、ボールから音響信号を発出し、その信号がケーシング、セメントおよび／または岩層の間の界面から反射するか、または界面に沿って伝搬されることによって決定される。本発明の様々な実施形態によれば、装置１００は、これらの信号の伝搬時間、伝播経路、振幅および位相を記録して、セメントとケーシングまたは岩層との間の付着強度を示し、付着強度は、岩層間の圧力隔離、坑井の制御および坑井の一般的な安全性を確実にするために重要な特性である。

少なくとも１つの実施形態によれば、測定された物理的特性値には、限定されるものではないが、坑井内の上昇流速、坑井内の１つ以上の流体の上昇流速または体積分率、岩面からまたは坑井内のパイプまたはチュービングまたはケーシングの穿孔または穴から坑井内への流入、坑井内の１つ以上の流体のまたは坑井内の流体の組み合わせの密度および／または粘度が含まれる。流速（上向きおよび坑井内への両方）、異なる流体の体積分率、および流体の物理的特性（密度および粘度など）は、坑井内を昇降するときの装置１００の位置の時間歴を測定するか、または同等に、坑井を通る装置１００の経路および速度を測定することによって決定することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、坑井に沿った装置１００の速度は、関連分野の当業者によく知られている理論的計算および実験研究によると、装置１００と１つ以上のダウンホール流体との密度差、１つ以上のダウンホール流体の粘度、および坑井内の垂直流速に関係する。少なくとも１つの実施形態によれば、この関係は、特に、２つの異なる密度（すなわち、浮力変化の前後）で装置１００の１つ以上のセンサ１７５で速度が測定されるときに、坑井を通って動く装置１００の速度から、坑井内の１つ以上のダウンホール流体の粘度、流速および密度を決定するために利用され得る。密度、粘度および流速の計算をより良好に制約するため、異なる密度の複数の装置１００が坑井内に展開される。装置１００の密度が多相流内の特定の流体相の密度と一致すると、装置１００は、その流体相に留まる傾向があり、流れの中のその特定の相の力学に関する情報をもたらす。一旦測定されると、装置１００の速度を用いて、装置１００と周囲のダウンホール流体との密度差、ダウンホール流体の粘度、装置１００の密度に最もよく一致するダウンホール流体相の速度および／または装置１００を含む１つ以上のダウンホール流体のエマルジョンの速度、密度および粘度を推測してもよい。流速、粘度および密度を測定するための用途には、例えば、限定されるものではないが、坑井内の底穴の圧力および人為的な揚力システムを最適化して、表面への油またはガスの回収を最大にするか、または望まれない水や塩水が坑井に入るのを防ぐことが含まれる。流れの密度を知ることは、坑井内で生産されたダウンホール流体の中の水の割合である含水率または水の滞留の良好な指標でもある。坑井に沿った含水率対距離のマッピングによって、水が坑井に入る場所を明らかにし、水の破過を止め、逆転させる力を導くことができる。

深度による流速の変化を測定することにより、深度の関数として坑井への流入量を計算することが可能になる。流入が発生しているポートを装置１００が通過すると、その経路はポートからはずれる。したがって、深度の関数として坑井内の装置１００の水平位置を追跡することは、流入の尺度ももたらす。坑井への流入を測定する用途には、最適な炭化水素回収のために、水平坑井を設置する深度や、垂直坑井を完成させる深度を決めること、穿孔または水力破砕作業が成功したことを検証し、リワークするかどうかを決めること、将来の破砕のために最適なパラメータを決定するために、一定の水力破砕設計に対する地面の反応を測定すること、モデル予測と比較するために実際の流入データを提供することによって、リザーバモデルを改善することが含まれる。

少なくとも１つの実施形態によれば、（加速度計または慣性航法システムによって測定されるような）装置１００の加速度は、流動様式または流れにおける乱流の量も示す。坑井に沿った位置の関数として坑井内の流動様式および乱流の量を知ることは、人為的な揚力パラメータおよび圧力低下を調整して、生産を最適化し、ダウンホールシステムの寿命を最大にするのに役立つ。

図１にさらに示すように、少なくとも１つの実施形態による装置１００は、装置１００の動作を制御する１つ以上のプロセッサ１２５と、装置１００および装置１００に収容された電気部品に電力を供給するバッテリ１３５と、ハウジング１０５、１１０の２つの半球が互いに固定されておらずハウジングが開かれているときに装置１００をプログラムし、装置１００によって測定されたダウンホール特性データをダウンロードするために使用される１つ以上のコネクタ１３０とをさらに含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のプロセッサ１２５は、１つ以上のプロセッサ１２５によって動作可能な、そこに記憶された１つ以上のコンピュータプログラムを有する非一時的コンピュータ可読記憶媒体（図示せず）を含み、装置１００の動作を制御し、装置１００の１つ以上のセンサ１７５によって測定されたダウンホール特性を記憶する。１つ以上のコンピュータプログラムは、１つ以上のプロセッサ１２５によって実行されると、装置１００の坑井内への降下を制御し、装置１００が坑井内に降下するにつれて坑井のダウンホール特性を測定し、装置１００のハウジング１０５、１１０の２つの半球の一方の外面からの重り１４５の解放を制御し、装置１００が地下坑井の上面に向かって坑井を上昇するに従って坑井のダウンホール特性を測定する、一連の動作を１つ以上のプロセッサ１２５に実行させる命令のセットを含むことができる。装置１００が地下坑井の上面に戻ると非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された測定値が抽出され、装置１００を開き、外部コンピュータを１つ以上のコネクタ１３０に接続することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、測定計画がプロセッサ１２５にプログラムされ、測定計画は１つ以上のセンサ１７５が行う測定のタイプおよび位置を含む。一実施形態では、この測定計画は装置１００が展開される前にプロセッサ１２５にプログラムされる。少なくとも１つの実施形態によれば、装置１００は、一旦展開されると、収集されたデータ値に基づいてまたは展開後の任意の通信に基づいて測定計画を変更しないが、別の実施形態によれば、装置１００の測定計画は、収集されたデータ値に応じてまたは展開後の通信に基づいてリアルタイムで変更される。

少なくとも１つの実施形態によれば、１つ以上のコネクタ１３０は、非限定的な例として、有線接続、例えばシリアルコネクタまたはＵＳＢコネクタである。少なくとも１つの他の実施形態によれば、１つ以上のプロセッサ１２５は、送信機１８０をさらに含み、１つ以上のプロセッサ１２５を外部コンピュータまたはデバイスに無線で接続し、装置１００に対する動作命令を受信し、装置１００によって測定されたダウンホール特性データをダウンロードする。一実施形態では、無線送信機１８０は、データおよび動作パラメータの無線周波数無線転送を可能にするＢｌｕｅｔｏｏｔｈまたはＸｂｅｅ無線モジュールのうちの１つとして構成されている。一実施形態では、無線送信機１８０は、光通信を可能にするＬＥＤおよび光検出器またはフォトトランジスタ、または誘導通信を可能にするワイヤのコイルを含む。本発明の様々な実施形態によれば、装置１００と外部コンピュータとの間の無線通信は、有線通信接続よりも好ましい。

少なくとも１つの実施形態によれば、当業者は、本発明の様々な実施形態の１つ以上のプロセッサを参照して本明細書に記載されたメモリなどの、例えばデータ記憶容量を有する集積回路の形態のような様々なタイプのメモリがコンピュータによって読み取り可能であることを認識するであろう。コンピュータ可読媒体の例には、限定されるものではないが、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）またはＥＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリなどの消去可能で電気的にプログラム可能な読み取り専用メモリなどの不揮発性ハードコード型媒体、フラッシュドライブ、メモリスティックおよび他の新しいタイプのメモリなどの記録可能なタイプの媒体、ならびにデジタルおよびアナログ通信リンクなどの伝送タイプの媒体が含まれ得る。例えば、このような媒体は、動作命令、ならびに上述の機器および方法ステップに関する命令を含み、コンピュータ上で動作させることができる。当業者であれば、このような媒体は、例えばソフトウェアを含むコンピュータプログラム製品を記憶するように記した場所の代わりに、またはそれに加えて、他の場所にあってもよいことを理解するであろう。当業者であれば、上述した様々なソフトウェアモジュールまたは電子部品は、電子ハードウェア、ソフトウェアまたはこれら２つの組み合わせによって実装および維持され、このような実施形態は、本発明の実施形態によって企図されることが理解されるであろう。

図２は、本発明の一実施形態による非繋留型測定装置を示す。図２では、装置２００の構成要素がより見やすくなるように、組立図（右側）、展開図および断面図（左側）で装置２００を２回示す。装置２０５、２１０のハウジングの２つの部分は、例えば、非限定的な例として、装置が坑井内を上昇するのに十分な浮力を提供するシンタクチックフォームで作られる。一実施形態では、ハウジング２０５、２１０の内部および外部は全て実質的に周囲圧力にある。バッテリ２１５および制御およびデータロギング電子回路２２０も周囲圧力にあり、液体または対応しているポッティング材料によって取り囲まれている。一実施形態によれば、装置２００のハウジング２０５、２１０の内部空洞は、非限定的な例として、非導電性液体、例えば鉱油またはヒマシ油、または非導電性な対応する固体、例えばシリコーングリースまたはシリコーンゴムで満たされており、さらにハウジング２０５、２１０の少なくとも一部は、装置２００の内部空洞に圧力補強を提供するように適合される。

少なくとも１つの実施形態によれば、センサ２２５、２３０は、坑井内の流体の特性を測定する。光通信リンク（図示せず）は、センサ測定値を得るための深度または時間、および浮力を変化させて表面に戻る深度または時間に関する命令を用いて、装置２００をプログラムすることを可能にする。浮力は様々な方法で変化させてもよい。一実施形態では、磁石２３５は、隣接するコンパニオンマグネットの磁場を打ち消す制御電子回路２２０からの電気信号によって極性が反転し、装置２００から重り２４０を解放させる。装置２００が表面に戻ると、装置２００からデータがダウンロードされる。一実施形態では、データは光通信リンクを介してダウンロードされ、データは装置２００内の発光ダイオード２４５によって送信され、データは装置２００内のフォトトランジスタ２５０によって受信される。

図３は、本発明の一実施形態による非繋留型測定装置を示す。下部の画像は装置の側面図を示し、上部の画像は装置の軸に沿った断面図を示す。装置３００は、制御回路およびデータロギング電子回路と共にバッテリを含む制御モジュール３０５と、ペリカンフック３１５によって制御モジュール３０５に取り付けられた重り３１０と、展開可能なフィン３２０を有する浮揚アセンブリとを含む。電子的に作動する解放装置３２５は、ペリカンフック３１５を解放または繋ぎ留める。電子的に作動する解放装置３２５がペリカンフック３１５を離れると、重り３１０は制御モジュール３０５から解放され、装置の全体的な浮力を変化させる。浮揚アセンブリのフィン３１０は、制御モジュール３０５によって電子的または機械的に作動され、装置の抗力を調整する。示されているように、フィン３１０は展開位置にあり、制御モジュール３０５の直径を超えて延出し、坑井内を流れ、また装置の抗力を増加させる増加したプロファイルを呈する。フィン３１０が格納されると、フィン３１０は制御モジュール３０５の直径を超えて延出しないため、追加の抗力をほとんど生じさせない。フィン３１０を展開または格納することによって、制御モジュール３０５は、装置の抗力を調整することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置はまた、腐食防止剤またはスケール防止化学物質で満たされた容積と、測定された量の化学物質を分配するように構成されたディスペンサと、化学物質が特定の条件下、例えば坑井内の特定の場所、時間、深度、または化学物質を分配する必要性を示す特定のセンサ読み取り値を得ることに応じて分配されるようにするコントローラとを含む。本発明の実施形態は、スケール抑制剤が数ｐｐｍでスケールを制御することができ、２−メルカプトエチルスルフィドなどの化学物質が５００ｐｐｂでＣＯ_２腐食を制御することができるため、非繋留型装置によって必要な少量を運び分配することができる（例えば、３５ＭＭｓｃｆｄを生産するガス井では、５３ｂｂｌ／ｄの水が純粋な化学物質を４ｍｌ／日必要とする）。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置は、地下坑井での動作の代わりに、またはそれに加えて、ライザーまたはパイプラインの傾斜部分または垂直部分で動作する。一実施形態では、装置は、腐食、スケール、定常水の存在、および／または腐食に寄与する生物の存在など、パイプライン特性の測定を行う。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置は、坑井の側面（または水平部分）が掘削される前に垂直部分で動作し、装置によって収集されたデータを使用して、計画された側面を掘削するか、計画された側面の軌跡、深度、長さ、またはマップビュー位置などの掘削パラメータを調整するかを決定する。一実施形態では、この装置は、例えば、周囲の岩層の水圧破砕に対する感受性、または周辺の岩層における破砕の存在、または周辺の岩層における炭化水素の存在のようなダウンホール特性をさらに測定する。一実施形態では、側面を掘削して坑井を完成させるかどうかの決定は、少なくとも部分的に、坑井の垂直部分で非繋留型装置によって行われるリザーバ間隔におけるダウンホール特性の測定に基づいて行われる。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置は、永久または書き換え可能なＲＦＩＤタグの形態の１つ以上のタイプのトレーサまたは様々なサイズおよび組成の物理的または化学的に区別可能な粒子を担持するリザーバを有する。非繋留型装置は、本発明の様々な実施形態によれば、特定の温度、圧力、または化学的遭遇などの所定のイベントで、または非繋留型装置が動かなくなっているか、またはそのバッテリがなくなりそうなときに、特定のトレーサをリリースするようにプログラムすることができる。これらのトレーサは、流体の流れによって表面まで移動し、無線インテロゲータ、光学式、音響式、または磁気式検出ツールおよび／または撮像ツールなどの特殊なツールを使用して表面で検出することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置は、書き換え可能なＲＦＩＤタグおよびアンテナを担持するリザーバを有するため、近距離または遠距離の電波または誘導結合を使用してＲＦＩＤタグを無線で書き換えることができる。アンテナは、無線通信プラットフォームに応じて、コイルアンテナまたはスパイラルアンテナ、ヘリカルアンテナ、ダイポールアンテナまたはパッチアンテナとすることができる。非繋留型装置は、前の段落で説明したように、事前に定義されたイベントでタグの特定の量または全てをリリースするようにプログラムし、検出することができる。この方法では、センサボールは、半連続測定を行うために長時間にわたって坑井の特定の場所に留まるようにプログラムすることができ、データパッケージはより短い時間間隔で表面に送ることができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置は、ダウンホールに置かれた永久センサのバッテリを再充電し、そこから情報を取得するために使用される。永久センサとセンサボールとの間の電力伝達および通信は、電極の一時的なハードコンタクトなどのいくつかの手段を介して、または近距離または遠距離の無線周波数電磁波／場、誘導結合、または音響波または圧力波を使用して無線で実現することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置は、所望の波長帯域の光、電磁気または音響源と、入射の光、電磁気、または音響信号の強度を測定することができる光学、電磁気または音響検出器アレイとを利用して、光学撮像、電磁気撮像または音響撮像を実施する。一実施形態では、光源または電磁源、または音響源および／または受信機または受信機アレイを回転させて、広視野画像を取得する。一実施形態では、受信信号強度は複数の波長で測定され、流体および岩石の種類、特性および組成を区別するのに有用なスペクトル情報を提供する。

少なくとも１つの実施形態によれば、非繋留型装置は流体試料を採取するための流体入口を有し、流体残留泥および岩片から微細なメッシュフィルタを用いて濾過する。一実施形態では、バルブは、その場分析のために、流体を様々なセンサ（例えば、粘度、密度、誘電率、音響波伝搬、蛍光、光学吸収）に導く。一実施形態では、さらなる実験室分析のために、流体をリザーバ内に密封する。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置は、光学撮像のための光源および光学カメラをさらに含む。この装置は、音響撮像のための音響源および音響センサアレイをさらに含む。装置は、流体試料を採取するためのフィルタを備えた１つ以上の流体入口をさらに含み、１つ以上の流体入口は、収集された流体をその場分析のための１つ以上のセンサに導き、またはリザーバに導いて実験室分析のために流体を密封する。少なくとも１つの実施形態によれば、装置は、１つ以上のマイクロ流体チャネルをさらに含み、相分離を実施し、収集された流体の温度および圧力を制御する。装置は、収集された流体の電気的、光学的、および機械的特性を測定する基底付きラボオンチップをさらに含む。

少なくとも１つの実施形態によれば、装置は、１つ以上のタイプのトレーサを永久または書き換え可能なＲＦＩＤタグまたは物理的または化学的に区別可能な様々なサイズおよび組成の粒子の形態で保持するリザーバをさらに含む。ＲＦＩＤタグなどの特定のトレーサは、事前に定義されたイベントに基づいてリリースすることができる。トレーサは、流体の流れによって表面まで移動する。トレーサは特殊なツールを使用して表面で検出される。収集されたデータの全部または一部は、書き換え可能なＲＦＩＤタグに書き込まれる。ＲＦＩＤタグに記憶されたデータはテレメトリを使用して検索することができる。

少なくとも１つの実施形態によれば、地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型装置が提供される。非繋留型装置は、ハウジングと、１つ以上の永久ダウンホールセンサと通信するテレメトリシステムと、永久センサとの通信を制御し、検索されたデータを記憶するように構成された１つ以上のプロセッサとを含む。非繋留型装置は、検索されたデータを地下坑井の外部に配置された受信機に送信するように構成された送信機と、非繋留型装置の浮力を制御して地下坑井内の非繋留型装置の位置を制御するように構成されたコントローラであって、非繋留型機器の外面に取り付けられた重りと、非繋留型機器の外面に対して重りを固定および解放して地下坑井に沿った非繋留型装置の位置を制御するための重り固定手段とを含むコントローラとをさらに含む。さらに、非繋留型装置は、実行されると非繋留型装置に様々なステップを実行させるコンピュータ可読命令を記憶させた１つ以上のプロセッサと通信する、非一時的コンピュータ可読媒体を含む。例えば、ステップは、地下坑井内の非繋留型装置の動きをプログラムするステップであって、地下坑井内の非繋留型装置の位置が、地下坑井内のデータを測定する際に非繋留型装置の浮力を変化させることによって制御される、ステップと、非繋留型装置が地下坑井内へ降下するように、プログラムされた非繋留型装置を地下坑井内に解放するステップとを含んでもよい。ステップは、非繋留型装置がその浮力を変化させて地下坑井内を上昇した後に、非繋留型装置を地下坑井から回収するステップと、地下坑井における非繋留型装置の降下および非繋留型装置の上昇の少なくとも一方の間に、地下坑井内の永久センサからのデータを通信し記録するステップとをさらに含んでもよい。ステップは、記録されたデータを外部プロセッサにダウンロードするステップをさらに含んでもよい。

少なくとも１つの実施形態によれば、非繋留型装置はバッテリを含み、センサバッテリ充電器回路電極とのハードコンタクトを確立するか、センサバッテリ充電器回路に誘導結合するか、センサバッテリ充電器回路に容量結合するか、センサバッテリ充電器回路に近接磁界磁気共鳴結合するかの１つによって、永久ダウンホールセンサのバッテリを充電する。

図４は、地下坑井に沿った特性を測定する方法を示す。少なくとも１つの実施形態によれば、方法は、地下坑井に沿った非繋留型装置の動きをプログラムするステップ（ステップ４１０）であって、地下坑井に沿った非繋留型装置の位置は、地下坑井のデータ測定時に非繋留型装置の浮力および非繋留型装置の抗力の少なくとも一方を変化させることによって制御され、データが地下坑井内の１つ以上の物理的、化学的または構造的特性または地下坑井における装置の力学または位置を備えるステップと、非繋留型装置が坑井内へ降下するように、プログラムした非繋留型装置を地下坑井内へ解放するステップ（ステップ４２０）とを含む。方法は、非繋留型装置が浮力および抗力のうちの少なくとも一方を変化させて地下坑井内を上昇した後、非繋留型装置を地下坑井から回収するステップ（ステップ４３０）と、地下坑井における非繋留型装置の降下および非繋留型装置の上昇の少なくとも一方の間に、地下坑井のデータを測定し記録するステップ（ステップ４４０）とをさらに含む。さらに、方法は、記録されたデータを外部プロセッサにダウンロードするステップ（ステップ４５０）と、坑井の軌道を用いて、データが測定された非繋留型装置の１つ以上の位置を決定するステップ（ステップ４６０）とを含む。

本明細書で使用される用語は、本発明を限定するものではなく、実施形態を説明するために提供される。本明細書を通じて、単数形は、文脈が他に明白に示さない限り、複数形を含む。本明細書で使用される用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、上記の構成要素、ステップ、動作および／または装置に加えて、別の構成要素、ステップ、動作および／または装置の存在および追加を排除するものではない。

本発明の実施形態は、開示された要素を適切に備える、含む、または本質的に構成することができ、開示されていない要素がない場合に実施することができる。例えば、特定のステップを単一のステップに組み合わせることができることは、当業者によって認識され得る。

本明細書および特許請求の範囲で使用される用語および言葉は、典型的な意味または辞書の定義に限定されるものとして解釈されるべきではなく、発明者が発明を実施するために知っている最良の方法を記述するために用語の概念を適切に定義することができることによるルールに基づいて、本発明の技術的範囲に関連する意味および概念を有すると解釈されるべきである。

明細書および特許請求の範囲に「第１の」、「第２の」、「第３の」および「第４の」などの用語がある場合、同様の要素を区別するために使用され、必ずしも特定の順番または時系列を表すものではない。このように使用される用語は、本明細書に記載された本発明の実施形態が、例えば、本明細書に例示または記載された順序以外の順序で動作可能であるような適切な状況下において交換可能であることを理解されたい。同様に、方法が一連のステップを備えるものとして本明細書に記載されている場合、本明細書に提示されるステップの順序は、必ずしもそのようなステップが実行される唯一の順序ではなく、記述されたステップのあるものは省略されている可能性がある、および／または本明細書に記載されていない特定の他のステップが方法に追加される可能性がある。

単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」には、文脈上明確に指示されていない限り、複数の指示対象が含まれる。

本明細書および添付の特許請求の範囲で使用する「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「有する（ｈａｓ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」という言葉およびその全ての文法的な変形は、それぞれ、追加的な要素またはステップを除外しない自由で無制限の意味を有することが意図されている。

本明細書で使用される場合、明細書および特許請求の範囲において、「左（ｌｅｆｔ）」、「右（ｒｉｇｈｔ）」、「前（ｆｒｏｎｔ）」、「後（ｂａｃｋ）」、「上（ｔｏｐ）」、「下（ｂｏｔｔｏｍ）」、「上（ｏｖｅｒ）」、「下（ｕｎｄｅｒ）」などの用語がある場合、記述目的のために使用されており、必ずしも永久的な相対的な位置を記述するためではない。このように使用される用語は、本明細書に記載された本発明の実施形態が、例えば、本明細書に図示されているかまたは他の方法で記載されたものとは異なる向きで動作することができるような適切な状況下において交換可能であることを理解されたい。本明細書で使用する「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は、電気的または非電気的な方法で直接的または間接的に接続されていると定義される。互いに「隣接する（ａｄｊａｃｅｎｔ ｔｏ）」と本明細書で説明されるオブジェクトは、フレーズが使用される文脈に適切なように、互いに物理的に接触しているか、互いに近接しているか、または互いに同じ一般的な領域またはエリア内にある。本明細書の「一実施形態による（ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ａｎ ｅｍｂoｄｉｍｅｎｔ）」というフレーズの出現は、必ずしも全てが同じ実施形態を指すとは限らない。

範囲は、本明細書では、ある特定のおよその値からおよび／または別の特定のおよその値までとして表現されてもよい。このような範囲が表される場合、別の実施形態は、上記範囲内の全ての組み合わせと共に、ある特定の値からおよび／または他の特定の値までであることが理解されるべきである。

本発明を詳細に説明したが、本発明の原理および範囲から逸脱することなく、様々な変更、置換、および代替を行うことができることを理解されたい。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの適切な法的同等物によって決定されるべきである。

Claims (16)

1. 地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器であって、
   互いに取り外し可能に固定された２つの半球によって特徴づけられるハウジングと、
   前記地下坑井に沿ったデータを測定するように構成された１つ以上のセンサであって、前記データが前記地下坑井に沿った１つ以上の物理的、化学的、地質的もしくは構造的特性または前記機器の力学を備える、１つ以上のセンサと、
   前記データを測定する前記１つ以上のセンサを読み取って、測定データを記憶するように構成された１つ以上のプロセッサと、
   前記地下坑井の外部に配置された受信機に前記測定データを送信するように構成された送信機と、
   前記非繋留型機器の浮力および前記非繋留型機器の抗力のうちの少なくとも一方を制御して、前記地下坑井に沿った前記非繋留型機器の位置を制御するように構成されたコントローラと
   を特徴とし、
   前記１つ以上のセンサは、前記非繋留型機器に作用する圧力を測定して、前記非繋留型機器が前記地下坑井に沿って配置される位置を決定するように構成された、位置センサを備え、
   前記１つ以上のプロセッサは、前記地下坑井内の非繋留型機器の前記１つ以上のセンサのための測定パラメータを定義する命令を備える、地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器。
2. 前記位置センサは、前記非繋留型機器が前記地下坑井に降下されている時間を計算して、前記非繋留型機器が前記地下坑井に沿って配置される場所を決定するように構成されたものである、請求項１に記載の地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器。
3. 前記位置センサは、前記非繋留型機器が前記地下坑井に沿ってケーシングカラーまたはチュービングカラーを通過するときを検出して、前記地下坑井内において通過する前記ケーシングカラーまたは前記チュービングカラーの数をカウントし、前記非繋留型機器が前記地下坑井に沿って位置付けられている位置を決定するように構成されたケーシングカラー検出器またはチュービングカラー検出器を含む、請求項１又は２に記載の地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器。
4. 前記１つ以上のセンサが、前記地下坑井内の１つ以上のダウンホール流体の１つ以上のダウンホール特性を測定するように構成されたダウンホール特性センサを備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器。
5. 前記コントローラは、前記非繋留型機器の浮力および抗力の少なくとも一方を変化させるように構成されたアクチュエータを備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器。
6. 前記アクチュエータは、前記コントローラが前記１つ以上のプロセッサからの電気信号によって起動されるとき、前記非繋留型機器の前記浮力および前記抗力の少なくとも一方を変化させるように構成されている、請求項５に記載の地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器。
7. 重りと、
   前記非繋留型機器の浮力および抗力の少なくとも一方を変化させるために前記非繋留型機器に対して前記重りを固定および解放する重り固定手段と
   をさらに特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器。
8. 前記非繋留型機器が前記地下坑井内を降下および上昇するときに、前記１つ以上のセンサが前記データを測定するように構成されている、請求項７に記載の地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器。
9. 前記コントローラが、少なくとも１つのフィンと、前記少なくとも１つのフィンを展開および格納して、前記地下坑井内を流れる流体内で前記非繋留型機器の前記抗力をそれぞれ増加および減少させる制御手段とを備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器。
10. 前記位置センサは、前記非繋留型機器が前記地下坑井に沿ってケーシングまたはチュービングジョイント間の隙間を通過するときに、前記ケーシングまたはチュービングジョイント間の隙間を感知するように構成され、前記地下坑井内で通過した前記隙間の数をカウントして、前記非繋留型機器が前記地下坑井に沿って位置付けられる位置を決定するようにさらに構成された検出器を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器。
11. 地下坑井に沿った特性を測定するための方法であって、
    前記地下坑井に沿った非繋留型機器の動きをプログラムするステップであって、該非繋留型機器は互いに取り外し可能に固定された２つの半球によって特徴づけられるものであり、前記地下坑井に沿った前記非繋留型機器の位置が、前記地下坑井内のデータを測定する際に前記非繋留型機器の浮力および前記非繋留型機器の抗力のうちの少なくとも一方を変化させることによって制御され、前記データが前記坑井内の１つ以上の物理的、化学的もしくは構造的特性または前記地下坑井内の前記非繋留型機器の力学または位置のうちの１つを備える、ステップと、
    前記非繋留型機器が前記地下坑井内に降下するように、前記プログラムされた非繋留型機器を前記地下坑井内に解放するステップと、
    前記非繋留型機器が前記浮力および前記抗力のうちの少なくとも一方を変化させ、前記地下坑井内を上昇した後に、前記地下坑井から前記非繋留型機器を回収するステップと、
    前記地下坑井における前記非繋留型機器の降下および前記非繋留型機器の上昇の少なくとも一方の間に、前記地下坑内で前記データを測定し記録するステップであって、前記データの一部は、前記非繋留型機器に作用する圧力を測定して、前記非繋留型機器が前記地下坑井に沿って配置される位置を決定するように構成された位置センサによって測定されるものであるステップと、
    記録された前記データを外部プロセッサにダウンロードするステップと
    を特徴とする、地下坑井に沿った特性を測定する方法。
12. 前記坑井の軌道を用いて、前記データが測定された前記非繋留型機器の１つ以上の位置を決定するステップ
    をさらに特徴とする、
    請求項１１に記載の地下坑井に沿った特性を測定する方法。
13. 前記地下坑井が、坑井ヘッドにおいて前記坑井ヘッドの外側の圧力を超える圧力を有する、請求項１１又は１２に記載の地下坑井に沿った特性を測定する方法。
14. 前記地下坑井が、前記非繋留型機器が前記地下坑井にある間の少なくとも一部の時間に、ダウンホールから流体を生産している生産坑井である、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の地下坑井に沿った特性を測定する方法。
15. 前記地下坑井が、前記生産された流体の流れに配置されたスクリーンを備え、前記生産された流体は前記スクリーンを通過するが前記非繋留型機器を通過しない、請求項１４に記載の地下坑井に沿った特性を測定する方法。
16. 地下坑井に沿った特性を測定するための非繋留型機器であって、
    互いに取り外し可能に固定された２つの半球によって特徴づけられるハウジングと、
    前記地下坑井に沿ってデータを測定するように構成された１つ以上のセンサであって、前記データが前記地下坑井に沿った１つ以上の物理的、化学的または構造的特性を備えたものであり、前記１つ以上のセンサは、前記非繋留型機器に作用する圧力を測定して、前記非繋留型機器が前記地下坑井に沿って配置される位置を決定するように構成された位置センサを備えたものである１つ以上のセンサと、
    前記データを測定する前記１つ以上のセンサを制御し前記測定データを記憶するように構成された１つ以上のプロセッサであって、前記１つ以上のプロセッサの各々が、前記地下坑井内の前記非繋留型機器の前記１つ以上のセンサのための測定パラメータを定義する命令を備える、プロセッサと、
    前記地下坑井の外部に配置された受信機に前記測定データを送信するように構成された送信機と、
    前記非繋留型機器の浮力を制御して、前記地下坑井に沿った前記非繋留型機器の位置を制御するように構成されたコントローラであって、前記非繋留型機器の外面に取り付けられた重りと、前記非繋留型機器の外面に対して前記重りを固定および解放して、前記地下坑井に沿った前記非繋留型機器の位置を制御する重り固定手段とを備える、コントローラと、
    コンピュータ可読命令が記憶された前記１つ以上のプロセッサと通信する非一時的コンピュータ可読媒体であって、
    前記地下坑井に沿った前記非繋留型機器の動きをプログラムするステップであって、前記地下坑井に沿った前記非繋留型機器の位置が、前記地下坑井内の前記データを測定する際に前記非繋留型機器の前記浮力を変化させることによって制御される、ステップと、
    前記非繋留型機器が前記地下坑井内に降下するように、プログラムされた前記非繋留型機器を前記地下坑井内に解放するステップと、
    前記非繋留型機器が前記浮力を変化させて前記地下坑井内を上昇した後に、前記非繋留型機器を前記地下坑井から回収するステップと、
    前記地下坑井における前記非繋留型機器の降下および前記非繋留型機器の上昇の少なくとも一方の間に、前記地下坑井の前記データを測定し記録するステップと、
    前記記録されたデータを外部プロセッサにダウンロードするステップと
    を前記非繋留型機器に実行時に行わせる、非一時的コンピュータ可読媒体と
    を特徴とする非繋留型機器。

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