專利名稱：在套管鉆井中利用遠(yuǎn)程傳感器對巖層壓力進(jìn)行測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體涉及確定在被井孔穿過的地下巖層中的各參數(shù)，特別涉及在套管裝在井孔中之后，通過穿過套管壁與安裝套管之前布置在巖層中的遙感器通訊來進(jìn)行確定。
相關(guān)技術(shù)描述當(dāng)今油井工作和生產(chǎn)需要對井孔的各種參數(shù)進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測。保證穩(wěn)定生產(chǎn)的最關(guān)鍵的參數(shù)是儲存壓力，也稱為巖層壓力。對諸如儲油層壓力之類參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測能夠指出巖層壓力在一段時間內(nèi)變化，對預(yù)測地下巖層的產(chǎn)量和壽命是必要的。典型地，包括壓力的巖層參數(shù)可用測井電纜巖層測試工具(wireline formation testingtool)進(jìn)行監(jiān)測，如在美國專利No.3,934,468；4,860,581；4,936,139和5,622,223中所述的工具。
轉(zhuǎn)讓給Schlumberger技術(shù)公司，即本發(fā)明的受讓人的‘468專利描述了一種細(xì)長的管形體，該管形體布置在無套管的井孔中以檢測所關(guān)心的巖層區(qū)域。該管形體具有一密封墊，與該密封墊相對的第二井接合墊和一系列液壓驅(qū)動器強(qiáng)迫該密封墊與巖層區(qū)域的井孔密封接合。該管形體備有一包括一可動探頭的流體導(dǎo)入裝置，該裝置通過密封墊的中心孔與巖層流體通訊并獲取巖層流體的樣本。這樣的流體通訊和取樣允許收集巖層參數(shù)數(shù)據(jù)，包括巖層壓力，但并不局限于巖層壓力。‘468專利的可動探頭特別適合于測試表現(xiàn)出不同的和未知的能力和穩(wěn)定性的巖層區(qū)域。
也轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的‘581和‘139專利公開了提供許多功能的由標(biāo)準(zhǔn)件組合的巖層測試工具，這些功能包括在無套管的井孔中進(jìn)行巖層壓力測量和取樣。這些專利描述的工具可在工具的單個行程內(nèi)在多個巖層區(qū)進(jìn)行測量和取樣。
轉(zhuǎn)讓給Western Atlas International公司的‘505專利同樣公開了一種巖層測試工具，該工具能在許多巖層區(qū)域測量由一無套管井孔穿過的巖層的壓力和溫度，并收集各種流體樣本。
轉(zhuǎn)讓給Halliburton公司的‘223專利公開了另一種用于從無套管井孔中的所關(guān)心區(qū)域抽取巖層流體的測井電纜巖層測試工具(wirelineformation testing tool)。該工具采用一種可膨脹的壓封器，并且據(jù)說可操作以就地確定被抽吸的流體的類型和飽和壓力，和有選擇地收集基本上不含泥漿濾液的流體樣本。
每個前述的專利的限制是，其中所述的巖層測試工具只有在該工具置于井孔中并與所關(guān)心巖層區(qū)物理接觸時才能獲取巖層數(shù)據(jù)。
也轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利申請No.09/019466描述了一種方法和設(shè)備，該方法和設(shè)備用于在進(jìn)行鉆井操作時將智能數(shù)據(jù)傳感器，如壓力傳感器，從鉆柱的鉆鋌中布置到井孔外的地下巖層中。如‘466申請中所述，數(shù)據(jù)傳感器在油井的鉆井階段的定位是通過或者射、鉆、液壓強(qiáng)迫或者其他方法將傳感器布置到巖層中來實現(xiàn)的，該‘466申請的全部內(nèi)容結(jié)合在本文中并作為參考。
‘466申請還公開了用于在布置完很久以后，特別通過利用傳感器中的伽馬射線尖頭信號標(biāo)記確定這種數(shù)據(jù)傳感器位置的裝置的使用。這些伽馬射線尖頭信號標(biāo)記發(fā)射出獨特的放射性“特征訊號”，這些“特征訊號”很容易與局部各地下巖層的伽馬射線背景輪廓或特征訊號對照，從而幫助確定巖層中每個傳感器的位置。
在完井階段某個時期，一系列套管裝在井孔中。當(dāng)井孔已經(jīng)鑲有套管并且套管已經(jīng)注水泥后，如果必要，則不再可能從井孔內(nèi)與套管外單個遙感器進(jìn)行電磁波通訊。如果沒有與布置在加套井孔外的巖層中的數(shù)據(jù)傳感器通訊的有效裝置，則數(shù)據(jù)傳感器不能被使用。因此，對在井孔生產(chǎn)壽命期間提供連續(xù)巖層監(jiān)測能力的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳感器來說，必須重新建立與數(shù)據(jù)傳感器的通訊。此外，為了使與數(shù)據(jù)傳感器的通訊最優(yōu)選，在井孔加套并注水泥后必須識別各傳感器的位置。
上述專利‘468、‘581、‘139、‘505和‘223中所述的工具和方法并不是有意要用在加套的井孔中，并且通常不能永久地連接到井孔或巖層上。然而，有意用在加套井孔中的巖層測試工具和方法在現(xiàn)有技術(shù)中也是公知的，例如由美國專利No.5,065,619；5,195,588和5,692,565所述示例。
轉(zhuǎn)讓給Halliburton Logging Service股份有限公司的‘619專利公開了一種裝置，該裝置用于測試井孔中套管后的巖層壓力，該井孔穿過該巖層。一“支承底板”可由液壓作用從一測井電纜巖層測試機(jī)(wireline formation tester)的一側(cè)伸出以與套管壁接觸，并且一測試探頭可由液壓作用從該測試機(jī)的另一側(cè)伸出。該探頭包括一個圍繞的密封環(huán)，該密封環(huán)形成密封以不與支承底板對面的套管壁接觸。一小塊成形炸藥位于該密封環(huán)中心，以在套管和周圍的水泥層(如果存在的話)上打孔。巖層流體通過孔和密封環(huán)流入流送管線，以便輸送到壓力傳感器和一對流體控制和取樣箱。
也轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的‘588專利通過提供用于堵塞套管孔的裝置改進(jìn)了在套管上打孔以接近套管后面巖層的巖層測試機(jī)。特別是，‘588專利公開了一種工具，當(dāng)仍放置在造孔位置的同時該工具能堵塞孔。通過堵塞及時關(guān)閉孔可防止井孔流體流入巖層中和/或巖層剝蝕形成巨大損失的可能性。它也可能防止巖層流體不加控制地流入井孔中，這在如氣體侵入的情況下是有害的。
也轉(zhuǎn)讓給Schlumberger技術(shù)公司的‘565專利描述了一種用于對加套井孔后面的巖層進(jìn)行取樣的進(jìn)一步改進(jìn)的設(shè)備和方法，其中該發(fā)明采用一柔性鉆柱來制造比用成形炸藥制造出來的更均勻的套管孔。由于成形炸藥產(chǎn)生的孔不均勻，從而難以堵塞，常常需要固體塞和非固體密封材料，所以均勻的孔提供了使套管適當(dāng)堵塞的更大可靠性。因此，該柔性柱提供的均勻孔增加了用塞子密封套管的可靠性。然而，一旦孔被堵塞，如果不重復(fù)成孔工序，則無法與巖層通訊。即使那樣，也只有在巖層測試機(jī)放置在井孔中并且套管孔保持打開時才可能形成這種巖層通訊。
為了克服相關(guān)技術(shù)的問題和缺陷，本發(fā)明的主要目的是提供一種用于穿過加套井孔的套管壁和水泥層與遠(yuǎn)程布置的數(shù)據(jù)傳感器重新建立通訊的方法和設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于確定地下巖層中的每個這種數(shù)據(jù)傳感器相對套管壁的位置的方法和設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于在一個或一組數(shù)據(jù)傳感器附近的給無套管井孔加襯套的套管壁和水泥層中制造孔的方法和設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于將天線與該套管壁保持密封關(guān)系地安裝在制造出的孔中以與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳感器或多個傳感器通訊的方法和設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于將指令信號發(fā)送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳感器并通過安裝的天線從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳感器接收數(shù)據(jù)信號以檢測井孔的方法和設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種采用微波諧振腔并可定位在井孔內(nèi)以通過安裝的天線與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳感器通訊的數(shù)據(jù)接收器。
本發(fā)明的概述上述目的和其他各種目的與優(yōu)點可通過這樣的方法和設(shè)備實現(xiàn)，即該方法和設(shè)備允許在套管安裝在井孔中后，與一個在套管被安裝在布置的深度之前遠(yuǎn)程布置在由該井孔穿過的地下巖層中的數(shù)據(jù)傳感器通訊。通訊是這樣建立的，即通過將天線安裝該套管壁中，然后將數(shù)據(jù)接收器插入到加套的井孔內(nèi)以通過天線與數(shù)據(jù)傳感器通訊，以接收由數(shù)據(jù)傳感器檢測到并發(fā)送的巖層數(shù)據(jù)信號。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，數(shù)據(jù)傳感器在地下巖層中的位置是在天線被安裝之前被識別的，所以天線可安裝在數(shù)據(jù)傳感器位置附近的套管壁孔中。同樣可取的是，數(shù)據(jù)傳感器備有發(fā)射特征訊號的裝置，從而允許通過檢測該特征訊號來識別數(shù)據(jù)傳感器的位置。在這方面，該數(shù)據(jù)傳感器最好備有一個用于發(fā)射尖頭信號標(biāo)記(pip tag)特征訊號的伽馬射線pip tag。數(shù)據(jù)傳感器的位置是這樣識別的，即首先建立該井孔的，然后利用伽馬射線裸眼井測井圖和數(shù)據(jù)傳感器的尖頭信號標(biāo)記(pip tag)特征訊號確定數(shù)據(jù)傳感器的深度，然后利用伽馬射線探測器和尖頭信號標(biāo)記(pip tag)特征訊號確定數(shù)據(jù)傳感器相對井孔的方位。該方位最好用校準(zhǔn)的伽馬射線探測器確定。
天線最好用測井電纜工具安裝在套管內(nèi)的孔中并密封。該測井電纜工具包括用于識別數(shù)據(jù)傳感器相對井孔方位的裝置、用于將該工具旋轉(zhuǎn)到被識別的方位的裝置、用于在識別的方位穿過套管和水泥層鉆出或用其他方式制造出孔的裝置，和用于將天線與套管保持密封關(guān)系地安裝在孔中的裝置。
數(shù)據(jù)接收器最好用電纜插入到加套的井孔中，其包括一微波諧振腔。
在另一方面，本發(fā)明設(shè)想利用一具有鉆鋌和鉆頭的鉆柱鉆井孔。該鉆柱具有一數(shù)據(jù)傳感器，該數(shù)據(jù)傳感器適于在選取的與井孔交叉的地下巖層中遠(yuǎn)程定位以檢測并發(fā)送代表各種巖層參數(shù)的數(shù)據(jù)信號。在井孔完全加套前，數(shù)據(jù)傳感器從鉆鋌運(yùn)動到選取的地下巖層中。在套管安裝到井孔中以后，將天線安裝在形成于該套管壁中的孔中。隨后將一數(shù)據(jù)接收器插入到加套的井孔中通過天線與數(shù)據(jù)傳感器通訊，以接收由數(shù)據(jù)傳感器檢測并發(fā)送的巖層數(shù)據(jù)信號。
在另一方面，本發(fā)明設(shè)想采用一鉆鋌，該鉆鋌包括一具有檢測裝置的工具，該檢測裝置可從工具內(nèi)的縮進(jìn)位置運(yùn)動到井孔外地下巖層內(nèi)的布置位置。該檢測裝置具有適合于檢測選取的巖層參數(shù)并提供代表檢測到的巖層參數(shù)的輸出數(shù)據(jù)信號的電路。當(dāng)鉆鋌和工具相對所關(guān)心的地下巖層定位于理想的位置時，該檢測裝置從工具內(nèi)的縮進(jìn)位置運(yùn)動到遠(yuǎn)離鉆柱并位于井孔外的所關(guān)心的地下巖層中。當(dāng)套管安裝到井孔中后，地下巖層中數(shù)據(jù)傳感器的位置被識別，并且天線安裝在穿過套管壁并與數(shù)據(jù)傳感器位置附近的套管保持密封關(guān)系的橫向孔中。然后將一接收裝置插入到加套的井孔中，并且電啟動該檢測裝置的電路，使該檢測裝置對選取的巖層參數(shù)進(jìn)行檢測，并發(fā)送代表檢測到的巖層參數(shù)的數(shù)據(jù)信號。然后用接收裝置接收發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。
在另一方面，本發(fā)明包括一個適于連接在鉆柱中并具有一傳感器插孔的鉆鋌。一遠(yuǎn)程智能傳感器位于該鉆鋌的傳感器插孔內(nèi)，并具有用于檢測選取巖層的參數(shù)、接收指令信號、和發(fā)送代表檢測到的巖層數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)信號的電路。該遠(yuǎn)程智能傳感器適于從傳感器插孔到井孔外地下巖層內(nèi)的位置橫向布置。在套管安裝在井孔中之后，用一個裝置安裝用于與智能傳感器通訊的天線，該裝置也適于在該智能傳感器附近的套管壁中造孔，并將天線與套管壁保持密封關(guān)系地插入到制造出的孔中。還提供了一數(shù)據(jù)接收器，該數(shù)據(jù)接收器適于插在井孔中并具有一電路，該電路用于在天線安裝好后通過天線發(fā)送指令信號，和通過天線從遠(yuǎn)程智能傳感器接收巖層數(shù)據(jù)信號。
有利的是，數(shù)據(jù)接收器的發(fā)送和接收電路適合于發(fā)送頻率為F的指令信號，并接收頻率為2F的數(shù)據(jù)信號，而遠(yuǎn)程智能傳感器的接收和發(fā)送電路適合于接收頻率為F的指令信號，并發(fā)送頻率為2F的數(shù)據(jù)信號。
有利的是，遠(yuǎn)程智能傳感器包括一個用于在一時間段內(nèi)獲取巖層數(shù)據(jù)的電子儲存電路。該遠(yuǎn)程智能傳感器的數(shù)據(jù)檢測電路最好包括用于將巖層數(shù)據(jù)輸入給該電子儲存電路的裝置和一個線圈控制電路，該線圈控制電路用于接收該電子儲存電路的輸出，并啟動該遠(yuǎn)程智能傳感器的接收和發(fā)送電路，使其將代表檢測到的巖層數(shù)據(jù)的信號從該遠(yuǎn)程智能傳感器的布置位置發(fā)送到該數(shù)據(jù)接收器的發(fā)送和接收電路中。
各附圖的簡要說明為使本發(fā)明上述特征、優(yōu)點和目的獲得的方式得到詳細(xì)理解，下面通過參考附圖中展示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例來更詳細(xì)地描述上面簡要總結(jié)的本發(fā)明，這些附圖作為該說明書的一部分。
然而，應(yīng)該注意，附圖只表示本發(fā)明的典型實施例，因此不能認(rèn)為是對本發(fā)明的范圍的限制，因為本發(fā)明也可通過其它其他等效的實施例來實施。
各附圖中

圖1是井孔中的鉆柱截面的正視圖，其示出了一鉆鋌和一遠(yuǎn)程定位的數(shù)據(jù)傳感器，該傳感器從鉆鋌進(jìn)入所關(guān)心的地下巖層；圖2是套管已經(jīng)裝在井孔中之后地下巖層的剖視圖，一天線安裝在穿過程布置的數(shù)據(jù)傳感器附近的套管壁和水泥層的孔中；圖3是一個一位于套管內(nèi)的并帶有上下旋轉(zhuǎn)工具和中間天線安裝工具的測井電纜巖層測試工具(wireline formation testing tool)的示意圖；圖4是沿圖3中4-4線取的下旋轉(zhuǎn)工具的示意圖；圖5是一個在所選取井孔深度取的橫向輻射面，以將數(shù)據(jù)傳感器尖頭信號標(biāo)記的伽馬射線特征訊號與地下巖層背景的伽馬射線特征訊號對照；圖6是一個用于在套管中形成一孔并將一天線安裝在該孔中以便與該數(shù)據(jù)傳感器通訊的工具的剖面示意圖；圖6A是在該天線安裝工具中使用的一對導(dǎo)板之一，導(dǎo)板用于傳送在套管穿孔的柔性軸；圖7是圖6所示工具工作順序的流程圖；圖8是一個用于在套管上打孔的另外一種工具的剖面圖；圖9A-9C是表示在套管孔中安裝一天線實例連續(xù)剖面圖；圖9D是裝配于套管孔中的第二天線實施例的剖面圖；圖10是該天線安裝工具的下部，特別是圖9A-9C所示天線實施例用的天線盒和安裝機(jī)構(gòu)的詳細(xì)剖面圖；圖11是放置于套管內(nèi)用于通過穿過套管壁孔安裝的天線與遠(yuǎn)程布置的數(shù)據(jù)傳感器通訊的數(shù)據(jù)接收器的示意圖，并且示出了該數(shù)據(jù)接收器微波諧振腔中的電場和磁場；圖12是該數(shù)據(jù)接收器共振頻率相對微波諧振腔長度的曲線；圖13是與該數(shù)據(jù)傳感器通訊的數(shù)據(jù)接收器的示意圖，并且包括該數(shù)據(jù)接收器電路的方框圖；圖14是數(shù)據(jù)傳感器電路方框圖；圖15是表示數(shù)據(jù)傳感器和數(shù)據(jù)接收器之間的數(shù)據(jù)信號發(fā)送定時的脈沖寬度調(diào)制圖。
優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述現(xiàn)在參見各附圖，首先參見附圖1，本發(fā)明涉及利用一個帶有鉆鋌12和鉆頭14的鉆柱DS鉆造井孔WB。鉆鋌具有許多智能數(shù)據(jù)傳感器16，在鉆井期間，傳感器由鉆鋌攜帶插入井孔中。如下將要詳細(xì)描述的那樣，數(shù)據(jù)傳感器16具有其中集成的用于檢測所選取的巖層參數(shù)的電子儀器和電子電路，和用于接收選取的指令信號并提供代表被檢測的巖層參數(shù)的數(shù)據(jù)輸出信號的電子電路。
每個數(shù)據(jù)傳感器16都適合用于從其在鉆鋌12上的縮進(jìn)或儲存位置18布置到與井孔WB相交的選取的地下巖層20內(nèi)的遠(yuǎn)程位置以檢測并發(fā)送代表所選取的巖層的各種參數(shù)的數(shù)據(jù)信號，例如巖層壓力，溫度和穿透性。這樣，當(dāng)鉆鋌12由鉆柱DS定位在相對地下巖層20的理想位置時，數(shù)據(jù)傳感器16在推進(jìn)器或液壓頂桿的力或其它起源于鉆鋌并作用在數(shù)據(jù)傳感器上的等效力的作用下運(yùn)動到井孔WB外的地下巖層20中的布置位置。這種受力運(yùn)動詳細(xì)描述在美國專利申請No.09/019466中的關(guān)于帶有布置系統(tǒng)的鉆鋌的正文中。
如由希望的巖層數(shù)據(jù)的水平所確定的，在各種井孔深度處可放置希望數(shù)量的這種傳感器。只要井孔保持打開，或未裝套管，則布置的數(shù)據(jù)傳感器可直接與包含數(shù)據(jù)接收器的鉆鋌、井下儀或測井電纜工具通訊，這一點在‘466申請中也有描述，以將表示巖層參數(shù)的數(shù)據(jù)發(fā)送給該數(shù)據(jù)接收器上的儲存模塊臨時儲存，或通過數(shù)據(jù)接收器直接發(fā)送給地面。
在井完成期間的某一時刻，將井孔完全加套管，并且通常用水泥將套管固定在位置上。從這一時刻開始，就不再可能與布置在井孔WB外的巖層20中的數(shù)據(jù)傳感器16正常通訊了。因此，必須穿過給該井孔加襯的套管壁和水泥層(如果存在水泥層)與所布置的數(shù)據(jù)傳感器重新建立通訊。
現(xiàn)在參見圖2，通過在套管壁24和水泥層26中產(chǎn)生孔22，然后將天線28安裝在該套管壁中的孔22中并且密封來重新建立通訊。然而，為了獲得最佳通訊，天線28應(yīng)該位于靠近布置的數(shù)據(jù)傳感器的地方。為了產(chǎn)生有效的電磁通訊，最好天線處于與巖層中的各自數(shù)據(jù)傳感器或許多傳感器相距10-15cm的范圍內(nèi)。因此，必須識別各數(shù)據(jù)傳感器相對加套的井孔的位置。
數(shù)據(jù)傳感器位置的識別為了能識別各數(shù)據(jù)傳感器的位置，各數(shù)據(jù)傳感器配備有用于發(fā)射各自特征訊號的裝置。更具體地說，各數(shù)據(jù)傳感器配備有用于發(fā)射尖頭信號標(biāo)記(pip-tag)特征訊號的伽馬射線尖頭信號標(biāo)記(pip-tag)21。該尖頭信號標(biāo)記(pip-tag)是一個類似紙材的小帶，其浸滿放射性溶液并位于傳感器16中，以發(fā)射出伽馬射線。
然后通過一個兩步法識別每個數(shù)據(jù)傳感器的位置。首先，利用伽馬射線裸眼井測井圖和已知的數(shù)據(jù)傳感器的尖頭信號標(biāo)記(pip-tag)特征訊號確定數(shù)據(jù)傳感器的深度，該伽馬射線裸眼井測井圖是在布置完數(shù)據(jù)傳感器后為井孔創(chuàng)建的。由于尖頭信號標(biāo)記(pip-tag)21的放射性射線會引起數(shù)據(jù)傳感器區(qū)域內(nèi)局部環(huán)境中的伽馬射線背景增加，因此該數(shù)據(jù)傳感器可在該裸眼井測井圖識別出。因此，與傳感器之上和之下的巖層區(qū)域相比，在數(shù)據(jù)傳感器處該裸眼井測井圖上的背景伽馬射線是不同的。這就可幫助識別數(shù)據(jù)傳感器的垂直深度和位置。
然后，利用伽馬射線探測器和數(shù)據(jù)傳感器的尖頭信號標(biāo)記(pip-tag)特征訊號確定該數(shù)據(jù)傳感器相對井孔的方位。如下面一種多功能測井電纜工具的正文中所述，可用一校準(zhǔn)的伽馬射線探測器確定方位。
天線28最好用一測井電纜工具安裝在套管內(nèi)的孔22中并密封。在圖3和4中整體標(biāo)為30的測井電纜工具是一種執(zhí)行許多功能的復(fù)雜裝置，其包括上下旋轉(zhuǎn)工具34，36和一個中間天線安裝工具38。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會注意到，盡管此處的說明限制于一測井電纜工具的實施例，但工具30對至少某些其作為鉆柱組件或工具的設(shè)想目的是同樣有效的。
測井電纜工具30由一測井電纜或纜繩31放下，測井電纜或纜繩長度決定了工具30在井孔中的深度?？捎蒙疃葍x來測量纜繩在一支承機(jī)構(gòu)，例如一槽輪上的移動量，從而可按在現(xiàn)有技術(shù)中公知的方式得出測井電纜工具的深度。按這種方式，測井電纜工具30處于數(shù)據(jù)傳感器16的深度處。測井電纜工具30的深度也可由電、核或其他傳感器測量，該傳感器將深度與前面在井孔中進(jìn)行的測量關(guān)聯(lián)起來，或者與井孔中的套管長度關(guān)聯(lián)起來。纜繩31還提供了一種用于通過電纜傳導(dǎo)的電流與地面上的控制和處理設(shè)備通訊的裝置。
該測井電纜工具還包括上下旋轉(zhuǎn)工具34、36形式的裝置，當(dāng)測井電纜工具被降低到由數(shù)據(jù)傳感器位置識別過程第一步確定的合適的數(shù)據(jù)傳感器深度位置后，該裝置使測井電纜工具30旋轉(zhuǎn)到識別的方位。如通過圖3和4的上旋轉(zhuǎn)工具34所展示的一種簡單旋轉(zhuǎn)工具的實施例包括圓筒形主體40，該圓筒形體帶有一套兩個共面驅(qū)動輪42、44，驅(qū)動輪穿過該主體的一側(cè)伸出。驅(qū)動輪液壓支撐活塞46以傳統(tǒng)方式把驅(qū)動輪壓靠在套管上。因此，液壓活塞46的伸展使壓緊輪48與套管內(nèi)壁接觸。由于套管24是用水泥澆注在井孔WB中，從而固定在巖層20上的，因此當(dāng)壓緊輪48已經(jīng)與套管內(nèi)壁接觸后，活塞46的繼續(xù)伸展迫使驅(qū)動輪42，44壓靠在與該壓緊輪相對的套管內(nèi)壁上。
每個旋轉(zhuǎn)工具的兩個驅(qū)動輪分別通過一個諸如齒輪45a，45b之類的一齒輪傳動鏈由電動司服馬達(dá)50驅(qū)動。初級齒輪45a連接到該馬達(dá)的輸出軸上與之一起旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)力通過次級齒輪45b發(fā)送給驅(qū)動輪42、44，并且當(dāng)驅(qū)動輪42、44繞該套管24的內(nèi)壁“爬行”時，驅(qū)動輪和套管內(nèi)壁之間的摩擦使測井電纜工具30旋轉(zhuǎn)。這種驅(qū)動作用是由上下旋轉(zhuǎn)工具34、36實現(xiàn)的，以使整個電纜測井組件30在套管24內(nèi)繞該套管的縱軸線旋轉(zhuǎn)。
天線安裝工具38包括一個用于識別數(shù)據(jù)傳感器16相對井孔WB的方位的并呈校準(zhǔn)的伽馬射線探測器形的裝置32，從而用于該數(shù)據(jù)傳感器位置識別過程的第二步。如前面示出的那樣，校準(zhǔn)的伽馬射線探測器32可用于探測其探測區(qū)內(nèi)的任何東西的放射特征訊號。在鉆井工業(yè)中公知的校準(zhǔn)伽馬射線探測器配備有屏蔽材料，該屏蔽材料位于除探測器窗口小開口區(qū)域外的鉈-活性碘化鈉晶體上。該開口區(qū)是弧形的，并且其結(jié)構(gòu)是狹窄的以便可精確地識別數(shù)據(jù)傳感器的方位。
因此，在馬達(dá)50的輸出扭矩作用下測井電纜工具30在套管24內(nèi)旋轉(zhuǎn)360度角顯示了在任何放置測井電纜工具或更具體地為放置校準(zhǔn)的伽馬射線探測器的特定深度處的橫向輻射特性圖。通過將該校準(zhǔn)伽馬射線探測器放置于數(shù)據(jù)傳感器16的深度處，該橫向輻射特性圖包括相對于測量基準(zhǔn)線的數(shù)據(jù)傳感器的伽馬射線特征訊號。該測量基準(zhǔn)線與檢測到的對應(yīng)于各局部巖層的背景的伽馬射線量有關(guān)。如圖5所示，每個數(shù)據(jù)傳感器16的尖頭信號標(biāo)記(pip tag)都在該基準(zhǔn)線的頂部處產(chǎn)生一個強(qiáng)信號，并且識別數(shù)據(jù)傳感器所處的方位。以這種方式，天線安裝工具38可非常接近地對準(zhǔn)相關(guān)的數(shù)據(jù)傳感器。
如將要描述的那樣，工具38的進(jìn)一步操作由圖7的流程圖順序示出。此時，測井電纜工具30處于合適的深度，且指向合適的方位，如圖7中方框800所示，并且被放置于合適的位置以便在被識別的數(shù)據(jù)傳感器16附近的套管24和水泥層26中鉆出或用其它方法加工出橫向孔22。為此，本發(fā)明采用了一種對同樣轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利No.5,692,565所述的巖層取樣工具進(jìn)行改進(jìn)后的工具。專利‘565的整個內(nèi)容結(jié)合在本文中并作用參考。
套管成孔和天線安裝圖6表示一個用于在套管24中加工出橫向孔并安裝天線的成孔工具38的實施例。工具38位于測井電纜工具30內(nèi)上下旋轉(zhuǎn)工具34、36之間，并且具有一包圍內(nèi)殼體214的圓筒形體217和相關(guān)零部件。固定活塞215按常規(guī)方式由液壓驅(qū)動，迫使工具壓封器217b抵靠在套管24的內(nèi)壁上，從而在天線安裝工具38和套管24和起穩(wěn)定作用的工具30之間形成一壓封密封，如圖7中方框801所示。
圖3示意性地示出了液壓壓封器組件41形式的壓封器217b的替換方案，其包括一個處于一支承板上的密封墊，該密封墊可由液壓活塞帶動與套管24保持密封接觸。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該注意到，其他等效的裝置同樣適合用于在天線安裝工具38和欲被成孔區(qū)域的套管之間形成密封。
再參見圖6，如下面將要詳細(xì)說明的那樣，內(nèi)殼體214由殼體傳動活塞216支承以便在圓筒形體217內(nèi)沿該圓筒形體軸線運(yùn)動。殼體214包括三個子系統(tǒng)即用于使套管成孔的裝置；用于測試套管壓力密封的裝置；及用于將一天線安裝在該孔中的裝置。內(nèi)殼體214通過傳動活塞216的運(yùn)動可使該內(nèi)殼體的三個子系統(tǒng)中的每一個的零部件定位在被密封的套管孔區(qū)域。
內(nèi)殼體214的第一個子系統(tǒng)包括柔性軸218，該柔性軸通過匹配的導(dǎo)板242傳送，導(dǎo)板之一示出于圖6A中。鉆頭219通過柔性軸218由驅(qū)動馬達(dá)220驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，該馬達(dá)由馬達(dá)支架221固定。馬達(dá)支架221由與連接到馬達(dá)支架221上的螺母221a嚙合的螺紋軸223連接到傳動馬達(dá)222上。這樣，傳動馬達(dá)222使螺紋軸223旋轉(zhuǎn)，從而使驅(qū)動馬達(dá)220相對內(nèi)殼體214和套管24向上和向下運(yùn)動。驅(qū)動馬達(dá)220向下運(yùn)動對該柔性軸218施加一向下的力，從而增加了鉆頭219穿過套管24的穿透率。形成于導(dǎo)板242中的J-形導(dǎo)管243將該作用在軸218上的向下力轉(zhuǎn)換為鉆頭219處的橫向力，并且還可防止軸218在作用到鉆頭上的推力載荷作用下發(fā)生彎曲。當(dāng)鉆頭在套管中鉆孔時，它可加工出一個清潔均勻一致的孔，該孔比由成形炸藥加工成的孔更可取。該鉆孔工作由圖7中方框802表示。套管鉆孔完成后，通過使傳動馬達(dá)222反轉(zhuǎn)而使鉆頭219退回。
內(nèi)殼體214的第二子系統(tǒng)涉及套管壓力密封的測試。為此，殼體移動活塞216借助通過纜繩31的電路從地面控制設(shè)備接收能量，以使內(nèi)殼體214向上移動使壓封器217c運(yùn)動到殼體217的孔附近。然后啟動壓封器放置活塞224b以迫使壓封器217c抵靠在殼體217的內(nèi)壁上，在套管孔和流送管線224之間形成一密封通道，如方框803所示。然后可按常規(guī)方式測量巖層壓力，如果需要也可進(jìn)行流體取樣，如方框804所示。一旦合適的測量和取樣完成，撤回活塞224b以使壓封器217c縮回，如方框805所示。
圖8表示一個用于在套管中鉆孔的替換裝置，其包括一個將鉸接驅(qū)動軸332提供的扭矩轉(zhuǎn)換為鉆頭331的扭矩的直角齒輪箱330。借助由通過流送管線333輸送的流體驅(qū)動的液壓活塞(未示出)將推力施加給鉆頭331。該液壓活塞按常規(guī)方式驅(qū)動，以通過適于沿通道335滑動的支承件334使齒輪箱330在鉆頭331的方向運(yùn)動。一旦套管孔加工完成，就用液壓活塞將齒輪箱330和鉆頭331從該孔中撤出。
然后驅(qū)動殼體傳動活塞16，使內(nèi)殼體214進(jìn)一步向上移動，以使天線盒226對齊到殼體孔上，如方框806所示。然后驅(qū)動天線定位活塞225，使天線28從天線盒226進(jìn)入套管孔中。天線定位順序具體表示在圖9A-9C和10中。
首先參見圖9A-9C，天線28包括為套管孔中整個組件設(shè)計的兩個次級零部件即管形套176和錐形體177。管形套176是由一種設(shè)計為可承受惡劣的井孔環(huán)境的彈性材料制成的，并且包含一個穿過其尾端的圓柱形孔和一個穿過其前端的小直徑錐形孔。該管形套還備有一個用于限制天線向套管孔中移動的范圍的尾端凸緣178，和在用于幫助增加套管孔處壓力密封的開槽區(qū)域之間的中間肋片179。
圖10為天線盒226附近天線安裝組件的細(xì)節(jié)剖視圖。安裝活塞225包括外活塞171和內(nèi)活塞180。用兩步過程將該天線安裝于套管孔中。首先，在安裝過程期間，驅(qū)動活塞171和180以使其通過諧振腔181，并將天線28壓入套管孔中。這一過程使已經(jīng)部分插入在天線盒226內(nèi)管形套176尾端孔中的錐形天線體177和管形套176向套管孔22運(yùn)動，如圖9A所示。如圖9B所示，當(dāng)尾端凸緣178與套管24的內(nèi)壁接合時，外活塞171停止，但繼續(xù)作用在活塞組件上的液壓力使該內(nèi)活塞180克服彈簧組件182的彈性力，向前穿過管形套176尾端的圓筒形孔。按這種方式，錐形體177全部插入管形套176中，如圖9C所示。
錐形天線體177配備有細(xì)長的天線銷針177a，錐形絕緣套177b和外絕緣層177c，如圖9C所示。天線銷針177a的每一端都延伸超出套管孔的寬度，以便接收數(shù)據(jù)傳感器16發(fā)出的數(shù)據(jù)信號，并將該信號傳遞給井孔中的數(shù)據(jù)接收器，這一點將在下面詳細(xì)說明。絕緣套177b在靠近天線銷針的前端的部分是錐形的，以在管形套176前端的錐形孔中形成一楔形緊配合，從而在天線/套管孔界面處提供一壓封密封。
圖10所示的天線盒226儲存有許多天線28并在安裝過程中供給天線。當(dāng)一天線28安裝在一套管孔中之后，活塞組件225完全撤回并且另一天線由推送組件183的彈簧186強(qiáng)迫向上運(yùn)動。按這種方式，可將許多天線安裝在套管24中。
圖9D示出了一替換的天線結(jié)構(gòu)。在該實施例中，天線銷針312永久地處于絕緣套314中，而該絕緣套又永久地處于安裝錐316中。絕緣套314是圓柱形的，而安裝錐316具有一錐形外表面和一個處于其中的圓柱形孔，該孔的尺寸便于接收套314的外直徑。安裝套318具有一錐形內(nèi)孔，該內(nèi)孔的尺寸便于接收該安裝錐316的外錐面，套318的外表面稍稍帶有一點錐度，所以可使其易于插入到套管孔22中。通過對錐316和套318施加的相對的力可獲得金屬對金屬的過盈配合，因此可將天線組件310密封在套管孔22中。通過相對的液壓驅(qū)動活塞在圖9D中箭頭所示方向施加力將迫使套318的外表面膨脹，錐316的內(nèi)表面收縮，從而在天線組件用的套管孔或開口孔22處形成金屬環(huán)式接觸密封。
安裝完的天線的整體性，或者是圖9A-9C所示結(jié)構(gòu)的天線，或圖9D所示結(jié)構(gòu)的天線或本發(fā)明同樣適應(yīng)的其他結(jié)構(gòu)的天線，可再次通過利用傳動活塞216移動內(nèi)殼體214，使測量壓封器217c移動到殼體217內(nèi)的橫向孔上，并利用活塞224b重新安裝壓封器而進(jìn)行測試，如圖7中方框808所示。如圖中方框809所示，用一下降活塞或類似物降低流動線路壓力，然后跟監(jiān)控通過流送管線的壓力泄漏。在采用一下降活塞的地方，當(dāng)下降活塞停止工作后，泄漏將會通過流動線路壓力上升到高于下降壓力而顯示出來。一旦壓力測試完成，固定活塞215撤回，從而將工具38和測井電纜工具30與套管壁松開，如圖中方框810所示。此時，工具30可再定位于套管中用于安裝其它天線，或從井孔中卸除。
數(shù)據(jù)接收器當(dāng)天線28安裝好并合適地密封就位后，一個含有數(shù)據(jù)接收器60的測井電纜工具插入加套的井孔中以便通過天線28與數(shù)據(jù)傳感器16保持通訊。數(shù)據(jù)接收器60包括通過天線28將指令信號發(fā)送給智能數(shù)據(jù)傳感器16的發(fā)射電路和通過天線從該智能數(shù)據(jù)傳感器16接收巖層數(shù)據(jù)信號的接收電路。
更具體地，參見圖11，套管24內(nèi)的數(shù)據(jù)接收器60和位于套管外的數(shù)據(jù)傳感器16之間的通訊，在一優(yōu)選實施例中是通過兩個小的環(huán)形天線14a和14b實現(xiàn)的。該天線植入在已經(jīng)由天線安裝工具38放置于套管孔22內(nèi)的天線組件28中。第一天線回路14a與套管軸線平行，第二天線回路14b與套管軸線垂直。因此第一天線14a對垂直于套管軸線的磁場敏感，而第二天線14b對平行于套管軸線的磁場敏感。
數(shù)據(jù)傳感器16也稱為靈敏的插塞，在一優(yōu)選實施例中其包括兩個類似的環(huán)形天線15a和15b。該環(huán)形天線具有與環(huán)形天線14a和14b相同的相互定向關(guān)系。然而如圖11所示，環(huán)形天線15a和15b串聯(lián)連接，所以這兩種環(huán)形天線結(jié)合起來對由環(huán)形天線14a和14b發(fā)射的磁場的兩個方向都是敏感的。
在套管內(nèi)的工具中的數(shù)據(jù)接收器采用一個具有一個適用于在緊靠在套管壁24的內(nèi)表面上的窗口64的微波諧振腔62。該微波諧振腔的曲率半徑與套管內(nèi)半徑相同或非常相近，所以該窗口表面區(qū)域的大部分與該內(nèi)套管壁接觸。除窗口64前部緊靠的鉆孔22外，該套管可有效地封閉微波諧振腔62。這種定位可通過采用與上面關(guān)于測井電纜工具30中所述相似的零部件來實現(xiàn)，例如旋轉(zhuǎn)工具，伽馬射線探測器和定位活塞。(此處沒有提供對這種數(shù)據(jù)接收器定位的進(jìn)一步描述)通過將窗口64與套管孔22對齊，例如微波能量之類的能量可通過套管中的孔中射入并通過天線射出，從而在檢測微波諧振腔62和數(shù)據(jù)傳感器天線15a和15b之間提供一個雙向通訊裝置。
從微波諧振腔的通訊是以對應(yīng)于特定共振模式的頻率F提供的，而從數(shù)據(jù)傳感器的通訊是以該頻率的兩倍或2F的頻率獲得的。微波諧振腔尺寸的選擇為使其具有接近2F的共振頻率。相關(guān)的電場和磁場70、72表示于圖11中，以幫助使該微波諧振腔磁場模型形象化。在一優(yōu)選實施例中，圓柱形諧振腔62具有5cm的半徑和大約30cm的垂直寬度。使用柱坐標(biāo)系(z，ρ，φ)表示該微波諧振腔中任何物理位置。在該微波諧振腔中激發(fā)的電磁場(EM)具有一個帶有分量Ez，Eρ和Eφ的電場和一個帶有分量Hz，Hρ和Hφ的磁場。
在發(fā)射模式中，諧振腔62由從傳送器振蕩器74和功率放大器76通過連接78供給的微波能量激發(fā)的，連接78是連接到數(shù)據(jù)接收器60的諧振腔62頂端的電偶極子上的同軸線。
在接收模式中，在諧振腔62中按頻率2F產(chǎn)生的微波能量可由連接到調(diào)諧到2F的接收器放大器82上的垂直磁偶極子80檢測到。
公知的事實是，微波諧振腔具有兩個基本的共振模式。第一個稱為橫磁式或“TM”(Hz＝0)，而第二個稱為橫電式或簡稱為“TE”(Ez＝0)。這兩種模式是正交的，不但可由頻率差別區(qū)分開，而且可通過位于該諧振腔中用于激發(fā)或檢測這兩種模式的電偶極子或磁偶極子的物理定向區(qū)分開，這即是本發(fā)明用于將按頻率F激發(fā)的信號與按頻率2F激發(fā)的信號區(qū)分開的特征。共振時，當(dāng)諧振腔內(nèi)電磁場EM的頻率接近共振頻率時，諧振腔表現(xiàn)出高Q值，或阻尼損失效果，當(dāng)諧振腔內(nèi)電磁場EM的頻率與諧振腔共振頻率不同時，諧振腔表現(xiàn)出非常低的Q值，從而提供了每種模式的附加放大，和不同模式之間的隔離。
TM和TE模式的電場(E)分量和磁場(H)分量的數(shù)學(xué)表達(dá)式由下列條件給出對于TM模式Ez＝λni2/R2Jn(λni/Rρ)cos(nφ)cos(mπz/L)Eρ＝-m∏λni/LRJn’(λni/Rρ)cos(nφ)sin(mπz/L)Eφ＝nm∏/LρJni(λni/Rρ)sin(nφ)sin(mπz/L)Hz＝0Hρ＝j(luò)nk/ρ(ε/μ)1/2Jn(λni/Rρ)sin(nφ)cos(mπz/L)Hφ＝-jnkλni/R(ε/μ)1/2Jn’(λni/Rρ)cos(nφ)cos(mπz/L)共振頻率FTMnim＝c/2((λni/πR)2+(m/L)2)1/2；對于TE模式Ez＝0Eρ＝-jnk/ρ(μ/ε)1/2Jn(σni/Rρ)sin(nφ)sin(mπz/L)Eφ＝j(luò)kσni/R(μ/ε)1/2Jn’(σni/Rρ)cos(nφ)sin(mπz/L)Hz＝σni2/R2Jn(σni/Rρ)cos(nφ)sin(mπz/L)Hρ＝mπσni/LRJn’(σni/Rρ)cos(nφ)cos(mπz/L)Hφ＝-nmπ/LρJn(σni/Rρ)sin(nφ)cos(mπz/L)共振頻率FTEnim＝c/2((σ1/πR)2+(m/L)2)1/2；其中Q＝阻尼系數(shù)；n，m＝表示方位(φ)分量和垂直(z)分量共振頻率的無窮級數(shù)特征的整數(shù)；i＝方程根序列；c＝光在真空中的速度；μ，ε＝分別是諧振腔介質(zhì)的磁特性和介電特性；F＝頻率；ω＝2πF；k＝波數(shù)＝(ω2με+iωμσ)1/2；
R，L＝分別為諧振腔的半徑和長度；Jn＝序列為n的Bessel函數(shù)；Jn’＝δJn/δρ；λn＝為Jn(λni)＝0的根；σni＝為Jn(σni)＝0的根。
諧振腔的尺寸(R和L)選取為使FTEnim＝c/2((σ1/∏R)2+(m/L)2)1/2＝2FTMnim＝c((λni/πR)2+(m/L)2)1/2。
FTMnim的一個解是選取對應(yīng)n＝0，i＝1，m＝0，λ01＝2.40483的TM模式，其對應(yīng)于最低的TM頻率模式(降低頻率使諧振腔阻尼損失降低)。這種選擇產(chǎn)生了如下結(jié)果Ez＝λ012/R2J0(λ01/Rρ)Eρ＝0Eφ＝0Hz＝0Hρ＝0Hφ＝-jkλ01/R(ε/μ)1/2J0’(λ01/Rρ)FTM010＝c/2λ01/πR。
FTEnim的一個解是選取對應(yīng)n＝2，i＝1，m＝1，σ21＝3.0542的TM模式。這一選擇與上面TM010的方式選擇正交，并為TE模式產(chǎn)生等于TM010頻率2倍的頻率。由這種TE模式選擇可得出下列結(jié)果Ez＝0Eρ＝-j2k/ρ(μ/ε)1/2J2(σ21/Rρ)sin(2φ)sin(πz/L)Eφ＝j(luò)kσ21/R(μ/ε)1/2J2’(σ21/Rρ)cos(2φ)sin(πz/L)Hz＝σ212/R2J2(σ21/Rρ)cos(2φ)sin(πz/L)Hρ＝∏σ21/LRJ2’(σ21/Rρ)cos(2φ)cos(πz/L)Hφ＝-2∏/LρJ2(σ21/Rρ)sin(2φ)cos(πz/L)FTE211＝c/2((σ21/πR)2+(1/L)2)1/2。
TM模式可或者由垂直電偶極子(Ez)或者由水平磁偶極子(垂直回路Hφ)激發(fā)，而TE方式可由垂直磁偶極子(水平回路Hz)激發(fā)。
在圖12中，2FTM010和FTE211是作為諧振腔長度L的函數(shù)繪制的，其中諧振腔半徑R＝5cm。對于L≌28cm，TE模式的共振頻率為TM模式的兩倍，對給出的諧振腔尺寸，共振頻率確定如下FTM010＝494MHz，F(xiàn)TE211＝988MHz。
受益于本發(fā)明公開相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會注意到，對于諧振腔形狀、尺寸和填充材料的變化，共振頻率的準(zhǔn)確值可能與上述不同。還應(yīng)該懂得，前述兩種模式只是共振模式的一種可能組合，原則上講，存在可從中進(jìn)行選擇的無窮多的組合。在任何情況下，對本發(fā)明可取的頻率范圍處于100MHz到10GHz的范圍內(nèi)。還應(yīng)該懂得，在不偏離本發(fā)明的精神實質(zhì)的情況下，該頻率范圍可拓寬超出該優(yōu)選頻率范圍。
公知的是可通過將一電偶極子、磁偶極子、孔(即導(dǎo)電表面上的絕緣槽)或它們的組合適當(dāng)置于諧振腔中或諧振腔外表面上來激發(fā)諧振腔。例如，耦合環(huán)形天線14a和14b可由電偶極子或一簡單的孔取代。數(shù)據(jù)傳感器環(huán)形天線也可由單個電偶極子和/或磁偶極子和/或孔或它們的組合取代。
圖13示出本發(fā)明的一示意圖，其包括數(shù)據(jù)接收電路的方框圖。如上所述，可調(diào)諧的微波振蕩器74按頻率F工作，從而驅(qū)動連接在數(shù)據(jù)接收器60一側(cè)中心附近的電偶極子78上的微波功率放大器76。該電偶極子與z軸對齊以提供與TM010模式的Ez分量最大的耦合(下面的方程(1)(ρ＝0，Ez最大))。
為了確定振蕩器頻率F是否調(diào)諧到諧振腔62的TM010共振頻率，水平磁偶極子88，即對HφTM010(下面的方程(2))敏感的小垂直回路，通過一同軸線連接到開關(guān)81上，并經(jīng)過開關(guān)81連接到調(diào)諧到F的微波接收放大器90上。借助于反饋83調(diào)節(jié)頻率F直到在調(diào)諧接收器90中接收到最大信號為止。
EZTM010＝λ012/R2J0(λ01ρ/R) (1)HφTM010＝-jkλ01/R(ε/μ)1/2J0’(λ01ρ/R)(2)F＝cλ01/2πR (3)HZTE211＝σ212/R2J2(σ21ρ/R)sin(2φ)cos(πz/L)(4)2F＝c/2((σ21ρ/R)2+(1/L)2)1/2(5)
為了將該諧振腔調(diào)諧到TE211模式的頻率2F，通過借助于和數(shù)據(jù)傳感器16一起使用的二極管19類似的二極管對通過開關(guān)85從振蕩器74過來的頻率為F的信號進(jìn)行檢波可在調(diào)諧電路84中產(chǎn)生一2F調(diào)諧信號。調(diào)諧器84的輸出通過一同軸線連接到垂直磁偶極子86上，即一個對TM211(上面的方程(4))的Hz敏感的小水平回路，以便按頻率2F激發(fā)TE211模式。一類似的水平磁偶極子80，即一個也對TM211(方程(4))的Hz敏感的小水平回路，連接到一個調(diào)諧到2F的微波接收電路82上。接收電路82的輸出連接到馬達(dá)控制器92上，該控制器92驅(qū)動一個使活塞96運(yùn)動的電動機(jī)94，以便以對于可調(diào)諧諧振腔已知的方式改變諧振腔的長度，直到接收到最大的信號并且接收器82調(diào)諧好為止。對本技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員很明顯，單個環(huán)形天線可取代連接到電路82和84兩者上的環(huán)形天線80和86。
假設(shè)諧振腔62的窗口64已經(jīng)位于數(shù)據(jù)傳感器16的方向上，并且包含環(huán)形天線14a和14b的天線28或其他等效的通訊裝置已經(jīng)合適地安裝在套管孔22中，則一旦TM頻率F和TE頻率2F都調(diào)諧好，就可開始測量操作過程。如果數(shù)據(jù)接收器60定位為使天線28與微波諧振腔62的垂直中心大致對齊，則對TE211模式可獲得最大的耦合。在這方面，應(yīng)該注意到，HφTM010與z坐標(biāo)無關(guān)，但HzTE211在z＝L/2時最大。
巖層數(shù)據(jù)測量與獲得巖層數(shù)據(jù)測量和獲得順序是用振蕩器74、功率放大器76和電偶極子78把微波能量激發(fā)到諧振腔62而開始的。該微波能量通過天線組件28中的耦合環(huán)形天線14a和14b耦合連接到數(shù)據(jù)傳感器或靈敏的插塞環(huán)形天線15a和15b上。按這種方式，微波能量以頻率F發(fā)射到套管的外面，頻率F由振蕩器頻率確定并且表示在圖15定時曲線的120處。如上所述，頻率F可在100MHz到10GHz的范圍內(nèi)選擇。
再次參見圖13，一旦靈敏的插塞16受到發(fā)射的微波能量激發(fā)，則位于靈敏的插塞內(nèi)的接收器環(huán)形天線15a和15b以2F或原始頻率的兩倍的頻率將電磁波輻射回來，如圖15中121處所示。一低閾值二極管19連接在環(huán)形天線15a和15b之間。在正常情況下，特別是在“休眠”模式下，電子開關(guān)17打開，以使功率消耗最少。當(dāng)環(huán)形天線15a和15b由發(fā)射的電磁微波場觸發(fā)時，在環(huán)形天線15a和15b中感應(yīng)出電壓，從而產(chǎn)生流過天線的電流。但二極管19只允許電流向一個方向流動。這種非線性去除了以基頻F感應(yīng)的電流，并產(chǎn)生基頻為2F的電流。在這期間，該微波腔62也用作一接收器并且連接到調(diào)諧到2F的接收器放大器82上。
更具體地，參見圖14，當(dāng)調(diào)諧到2F的數(shù)據(jù)傳感器檢測電路100檢測到超過固定閾值的信號時，靈敏的插塞數(shù)據(jù)傳感器16從休眠狀態(tài)進(jìn)入激活狀態(tài)。其電路切換到獲取和發(fā)送模式，并且控制器102被觸發(fā)。在緊接控制器102的指令后的時刻，壓力表104檢測到的壓力信息，或由合適的檢測器檢測到的其他信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并且由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)儲存電路106儲存。然后控制器102通過將壓力表數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號來觸發(fā)發(fā)送順序，該串行數(shù)字信號通過接收器線圈控制電路108使開關(guān)17接通和斷開。
可采用各種數(shù)據(jù)發(fā)送方案。為便于展示，圖15示出了一脈沖寬度調(diào)制發(fā)送方案。通過在一預(yù)定的時間Ts內(nèi)使開關(guān)17斷開和接通而發(fā)送一同步波形來開始發(fā)送順序。字節(jié)1和0對應(yīng)于一類似的波形，但帶有不同的“接通/斷開”時間順序(T1和T0)。由數(shù)據(jù)傳感器按2F發(fā)送回來的信號只有在開關(guān)17斷開時才發(fā)送。因此一些獨特的時間波形被圖13所示工具電路的數(shù)字譯碼器110接收并解碼。在圖15中這些波形以參考號碼122，123和124表示。形狀122被譯成一同步指令；123譯成字節(jié)1；而124譯成字節(jié)0。
當(dāng)壓力表或其他數(shù)字信息已經(jīng)被檢測到并儲存在數(shù)據(jù)接收電路中后，斷開工具功率輸送器。不再向目標(biāo)數(shù)據(jù)傳感器提供能量，因此傳感器切換到“休眠”模式，直到數(shù)據(jù)接收工具啟動下一個獲取步驟為止。位于數(shù)據(jù)傳感器內(nèi)部的小電池112在獲取和發(fā)送期間給相應(yīng)的電路提供電力。
本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該注意到，一旦遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳感器，例如這里所述的優(yōu)選“靈敏的插塞”的實施例，已經(jīng)布置在井孔巖層中并通過如在裸眼井中鉆井時的壓力測量等測量提供了數(shù)據(jù)獲取能力后，較理想的是在套管已經(jīng)被安裝入該井孔中之后繼續(xù)使用這些數(shù)據(jù)傳感器。這里公開的本發(fā)明描述了一種用于與套管后的數(shù)據(jù)傳感器通訊的方法和裝置，允許在井生產(chǎn)期間使用這些數(shù)據(jù)傳感器繼續(xù)監(jiān)控巖層參數(shù)，例如壓力、溫度和滲透性。
本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還應(yīng)該注意到，本發(fā)明最通常的用途可能是和6 3/4英寸的鉆柱一起用在8 1/2英寸的井孔內(nèi)。為在放置數(shù)據(jù)傳感器16時獲得最優(yōu)化并保證成功，必須模擬并估算幾個相關(guān)參數(shù)。這些參數(shù)包括巖層穿透阻力對所需要的巖層穿透深度；布置“射槍”系統(tǒng)參數(shù)和要求對在鉆鋌中可獲得的空間；數(shù)據(jù)傳感器(“插塞”)速度對沖擊減速度；其他。
對于大于8 1/2英寸的井孔來說，幾何要求不是非常嚴(yán)格?？稍谠摬贾孟到y(tǒng)中采用較大的數(shù)據(jù)傳感器，特別是在穿透阻力降低的較淺深度處。因此可以想象得到，對于大于8 1/2英寸的井孔來說，數(shù)據(jù)傳感器尺寸將會更大；將容納更多的電特性；可在離井孔更大的距離上進(jìn)行通訊；并能進(jìn)行多種測量，例如抵抗力，核磁共振探頭，加速儀功能；還能作為離井孔更遠(yuǎn)處的傳感器的數(shù)據(jù)中繼站。
然而，可以預(yù)見到未來小型化的零部件的發(fā)展將可能減少或消除與井孔大小有關(guān)的各種限制。
根據(jù)上述內(nèi)容，很明顯，本發(fā)明可很好地適用于實現(xiàn)上述所有的各目的和在本文所公開的裝置中固有的其他目的。
如本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可容易清楚的，在不偏離本發(fā)明的精神實質(zhì)或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可容易地以其他特定形式實現(xiàn)。因此本發(fā)明的實施例只能作為說明性的而不是限制性的。本發(fā)明的范圍由后續(xù)各權(quán)利要求限定，而不是由上面的描述限定，因此在各權(quán)利要求等效物的含義和范圍內(nèi)的所有變化都應(yīng)該包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于在套管已經(jīng)被裝入井孔中后與數(shù)據(jù)傳感器通訊的方法，該傳感器在安裝套管之前已經(jīng)遠(yuǎn)程布置在由該井孔穿過的地下巖層中，該方法包括下列步驟(a)將一天線安裝在套管壁中；及(b)將一數(shù)據(jù)接收器插入到加套的井孔中以通過天線與數(shù)據(jù)傳感器通訊，以接收由數(shù)據(jù)傳感器檢測并發(fā)送的巖層數(shù)據(jù)信號。
2.一種用于在套管已經(jīng)被裝入井孔中后與數(shù)據(jù)傳感器通訊的方法，該傳感器在安裝套管之前已經(jīng)遠(yuǎn)程布置在由該井孔穿過的地下巖層中，該方法包括下列步驟(a)識別數(shù)據(jù)傳感器在地下巖層中的位置；(b)在靠近數(shù)據(jù)傳感器位置的套管壁中制造出一孔；(c)將一天線插裝在套管壁的孔中；(d)將一數(shù)據(jù)接收器插入到天線附近的加套井孔中以通過天線與數(shù)據(jù)傳感器通訊，以接收由數(shù)據(jù)傳感器檢測并發(fā)送的巖層數(shù)據(jù)信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于，該數(shù)據(jù)傳感器備有用于發(fā)射特征訊號的裝置，通過檢測該特征訊號識別數(shù)據(jù)傳感器的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于，該數(shù)據(jù)傳感器配備有用于發(fā)射尖頭信號標(biāo)記(pip tag)特征訊號的伽馬射線尖頭信號標(biāo)記(pip tag)，識別數(shù)據(jù)傳感器位置的步驟包括下列步驟利用伽馬射線裸眼井測井圖和數(shù)據(jù)傳感器的尖頭信號標(biāo)記(piptag)特征訊號確定數(shù)據(jù)傳感器的深度；及用伽馬射線探測器和尖頭信號標(biāo)記(pip tag)特征訊號確定數(shù)據(jù)傳感器相對井孔的方位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的方法，其特征在于，數(shù)據(jù)傳感器的方位是利用校準(zhǔn)的伽馬射線探測器確定的。
6.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于，天線是用測井電纜工具安裝在套管孔中的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6中所述的方法，其特征在于，該數(shù)據(jù)接收器包括一微波諧振腔。
8.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于，識別數(shù)據(jù)傳感器位置的步驟包括識別數(shù)據(jù)傳感器相對井孔的深度和方位的步驟。
9.一種測量地下巖層參數(shù)的方法，包括下列步驟(a)用帶有鉆鋌和鉆頭的鉆柱在地下巖層中鉆出一井孔，鉆鋌具有可從鉆鋌內(nèi)的縮進(jìn)位置運(yùn)動到井孔外地下巖層內(nèi)的布置位置的檢測裝置，該檢測裝置中具有適于檢測選取的巖層參數(shù)并提供代表檢測到的巖層參數(shù)的輸出信號的電路；(b)當(dāng)鉆鋌位于相對所關(guān)心的地下巖層的理想位置時，把檢測裝置從工具內(nèi)的縮進(jìn)位置運(yùn)動到井孔外所關(guān)心的地下巖層內(nèi)的布置位置；(c)將套管安裝在井孔內(nèi)；(d)識別數(shù)據(jù)傳感器在地下巖層中的位置；(e)在靠近數(shù)據(jù)傳感器的位置在套管壁中制造出一個孔并將天線安裝在該孔中；(f)將一接收裝置插入到加套的井孔中；(g)電啟動檢測裝置，使檢測裝置檢測選取的巖層參數(shù)并發(fā)送代表被檢測到的巖層參數(shù)的數(shù)據(jù)信號；(h)用接收裝置接收來自檢測裝置的數(shù)據(jù)輸出信號。
10.一種用于從數(shù)據(jù)傳感器獲取加套井孔中的數(shù)據(jù)信號的設(shè)備，該傳感器在套管安裝在井孔中之前已經(jīng)遠(yuǎn)程地布置在由該井孔穿過的地下巖層中，該設(shè)備包括(a)適于安裝在孔中的天線，該孔形成于安裝在井孔中的套管壁上；及(b)適于插入到加套的井孔中的數(shù)據(jù)接收器，該數(shù)據(jù)接收器用于通過所述天線與數(shù)據(jù)傳感器通訊，從而接收由數(shù)據(jù)傳感器發(fā)送的巖層數(shù)據(jù)信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的設(shè)備，還包括(c)用于識別數(shù)據(jù)傳感器在地下巖層中的位置的裝置；(d)用于在數(shù)據(jù)傳感器位置附近制造出套管壁孔的裝置；(e)用于將所述天線安裝在套管壁孔中的裝置。
12.一種用于從地下巖層中獲取數(shù)據(jù)的設(shè)備，其包括(a)一數(shù)據(jù)傳感器，其適于從放置在井孔中的鉆柱的鉆鋌中遠(yuǎn)程定位到選取的與該井孔交叉的地下巖層內(nèi)的布置位置，以檢測并發(fā)送代表該巖層的至少一個參數(shù)的數(shù)據(jù)信號；(b)用于在套管安裝于井孔中后識別數(shù)據(jù)傳感器在地下巖層中的位置的裝置；(c)用于與所述數(shù)據(jù)傳感器通訊的天線；(d)用于將所述天線安裝在靠近數(shù)據(jù)傳感器位置的套管壁孔中的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12中所述的設(shè)備，其特征在于，所述數(shù)據(jù)傳感器備有用于發(fā)送特征訊號的裝置，該特征訊號可由所述位置識別裝置使用。
14.根據(jù)權(quán)利要求12中所述的設(shè)備，其特征在于，所述數(shù)據(jù)傳感器備有一個用于發(fā)送一尖頭信號標(biāo)記(pip tag)特征訊號的伽馬射線尖頭信號標(biāo)記(pip tag)，所述位置識別裝置包括用于確定所述數(shù)據(jù)傳感器深度的伽馬射線裸眼井測井圖；用于確定所述數(shù)據(jù)傳感器相對井孔的方位的伽馬射線探測器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14中所述的設(shè)備，其特征在于，所述伽馬射線探測器是一個校準(zhǔn)的伽馬射線探測器。
16.根據(jù)權(quán)利要求12中所述的設(shè)備，其特征在于，所述天線安裝裝置包括測井電纜工具。
17.根據(jù)權(quán)利要求16中所述的設(shè)備，其特征在于，所述測井電纜工具包括用于識別數(shù)據(jù)傳感器相對井孔的方位的裝置；用于使測井電纜工具旋轉(zhuǎn)到識別的方位的裝置；用于在識別的方位制造出一個通過該套管和水泥層的孔的裝置；用于將所述天線安裝在該套管中的孔中的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求12中所述的設(shè)備，還包括一數(shù)據(jù)接收器，該數(shù)據(jù)接收器適于定位在該并所述天線附近的加套井孔中以通過所述天線與所述數(shù)據(jù)傳感器通訊，從而接收由所述數(shù)據(jù)傳感器發(fā)送的巖層數(shù)據(jù)信號。
19.一種用于與數(shù)據(jù)傳感器建立通訊的設(shè)備，該傳感器位于由加套井孔穿過的地下巖層中，該設(shè)備包括用于識別數(shù)據(jù)傳感器在巖層中的位置的裝置；用于在被識別的數(shù)據(jù)傳感器位置附近的套管中制鉆孔的裝置；用于與數(shù)據(jù)傳感器通訊的天線；用于將所述天線插裝在套管的套管孔中的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19中所述的設(shè)備，還包括一個適于運(yùn)動通過加套井孔的殼體，所述位置識別裝置、所述鉆孔裝置、所述天線和所述天線插入裝置裝載在該殼體中。
21.根據(jù)權(quán)利要求20中所述的設(shè)備，其特征在于，所述殼體懸吊在可使所述殼體在井孔中上升和下降的測井電纜上。
22.根據(jù)權(quán)利要求20中所述的設(shè)備，其特征在于，數(shù)據(jù)傳感器發(fā)射獨特的放射性信號，所述位置識別裝置包括用于確定數(shù)據(jù)傳感器的深度的裸眼井放射測井圖；裝載于所述殼體內(nèi)用于確定數(shù)據(jù)傳感器相對井孔的方位的放射探測器。
23.根據(jù)權(quán)利要求20中所述的設(shè)備，其特征在于，所述殼體中具有一橫向孔，所述設(shè)備還包括用于使所述殼體相對加套井孔旋轉(zhuǎn)以使所述殼體內(nèi)的孔基本上位于數(shù)據(jù)傳感器方位的裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求23中所述的設(shè)備，其特征在于，所述成孔裝置包括用于使所述殼體固定在加套井孔中的基本上固定的位置上的裝置；裝載于所述殼體內(nèi)用于在井孔的套管中造孔的鉆孔裝置；裝載于所述殼體內(nèi)用于啟動所述鉆孔裝置的裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求24中所述的設(shè)備，其特征在于，鉆孔裝置包括適于在套管上鉆孔的鉆頭；用于使鉆頭相對該套管旋轉(zhuǎn)以在其中造孔的裝置；連接在所述殼體上的裝置，該裝置用向橫切井孔的鉆頭施加力以當(dāng)轉(zhuǎn)動裝置使鉆頭轉(zhuǎn)動時驅(qū)動鉆頭穿過套管。
26.根據(jù)權(quán)利要求20中所述的設(shè)備，其特征在于，所述天線插入裝置包括裝載于所述殼體內(nèi)用于儲存許多適于與數(shù)據(jù)傳感器通訊的天線的裝置；用于將一根天線運(yùn)動到準(zhǔn)備插入到孔中的位置上的裝置；用于強(qiáng)迫一根天線通過所述殼體中的孔進(jìn)入套管孔的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在加套井孔內(nèi)與數(shù)據(jù)傳感器建立通訊的方法和設(shè)備,該傳感器在套管安裝在井孔中之前已經(jīng)遠(yuǎn)程布置在由井孔穿過的地下巖層中。該通訊是通過將天線安裝在加套井的孔中建立的。本發(fā)明還涉及一種方法和設(shè)備,該方法和設(shè)備用于制造套管壁孔,然后將天線與該套管壁保持密封關(guān)系地插入到孔中。一數(shù)據(jù)接收器插入在加套井孔中用于通過天線與該數(shù)據(jù)傳感器通訊,以接收數(shù)據(jù)傳感器檢測并傳送的巖層數(shù)據(jù)信號。
文檔編號E21B47/12GK1249392SQ99117979
公開日2000年4月5日 申請日期1999年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月18日
發(fā)明者R·奇格勒內(nèi), J·R·塔巴諾 申請人:施盧默格控股有限公司