用于提供探头和传感器之间的通信的设备和方法技术

图１示出一种用于井下环境的无线数据通信系统。该系统包括：壳体，其包含传感器（２６），该传感器安置在管柱（２）中，用于收集信息和处理信息；调制器（１８），用于将来自传感器的信息调制为模拟信号；和传感器天线（２０），其电连接到第一调制器，用于生成调制的电磁波。该系统进一步包括：探头壳体（１６），其同心地布置在管柱中；和探头天线（１４），用于从传感器接收信号并用来生成输出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种提供探头和传感器之间的通信的设备。更具体地， 但是以限制的方式，本专利技术涉及一种设备和方法，其提供位于钻环的 中心孔中的探头和位于钻环壁中的传感器电子设备之间的通信。
技术介绍
在钻井过程中，操作员发现有必要掌握地下区域的地质属性。不 论该区域是否包含碳氢化合物，了解多种储层的具体特征和特性对于 矿区的经济开采是必要的。获得地层的地质信息的一种方法是降下导 线上的探头。该探头可以包含多种传感器，诸如电阻、伽马射线、伽 马密度、中子孔隙度、压力等。如本领域的普通技术人员所应认识到 的，在钻探操作的间歇中在裸井情况下，或者在井包含井框支架的情 况下在后期钻探应用中，可以降下探头。这些类型的操作通常被称为另一现有技术是在实际钻探操作期间使用传感器。业界常用的两种技术是随钻测井(LWD)和随钻测量(MWD)装置。LWD和MWD 装置都使用收集特定类型信息的传感器，并且其中该信息被传输到井 下处理器。而井下处理器将该信息传送到地面。传送媒介可以是将井 下处理器电连接到地面处理器的电缆。可替换地，传送媒介可以是井 中的流体柱，并且其中井下设备包含传送被编码的液压脉冲的振动阀， 所述液压脉冲将在地面被解码。典型地，MWD传感器被放置在位于钻环的中心孔中的圆柱探头 中。这些传感器不受周围钻环的钢的影响，并且能够在钻探时连续进 行测量。然而，某些LWD传感器和某些新一代的MWD传感器可能受到周围钻环的强烈影响，并且必须位于钻环的外壁中。受钻环影响的LWD/MWD测量的例子是电阻、环空压力、伽马密度，并且天然伽马 射线在某种程度上也受到影响。钻探操作经常利用MWD和LWD测量 系统。在这些情况中，传感器可位于安置在钻环中心孔中的探头中， 并且位于钻环的外壁中。结果，这些传感器系统之间需要某种形式的 通信以协调测量功能并且将数据传送到地面。现有技术需要位于钻环的中心孔中的探头和位于环壁中的传感器 包含有线连接。然而，有线连接是非常成问题的。因此，需要环传感 器和探头之间的无线链路。更具体地，需要一种位于钻环内孔中的 LWD/MWD探头和位于钻环壁中的传感器电子设备之间的电磁(EM) 通信。此处公开的本专利技术将满足这些和许多其他的需要。
技术实现思路
公开了一种用于使传感器与探头通信的设备。该设备包括传感 器装置，其被安置在管柱中的凹口中，用于收集特性信息和处理该信 息；第一调制解调器装置，其用于将来自传感器装置的信息调制为信 号；和传感器天线，其电连接到第一调制解调器装置，用于生成电磁 波。该设备进一步包括探头天线，其同心地布置在管柱中，用于接 收电磁波；和第二调制解调器装置，其用于将电磁波解调为信息。在一个优选实施例中，传感器装置可以测量如下属性电阻；伽 马射线；或者压力。传感器装置可以包括用于收集模拟信号并且生成 数字记录的电路。在一个优选实施例中，传感器天线和探头天线的操 作频率范围在10000赫兹和100000赫兹之间。在最优选的实施例中， 调制解调器装置和探头装置之间的连接是通用异步接收机/发射机 (UART)接口，并且UART的协议是RS 232标准。而且，在一个实 施例中，在探头天线和传感器天线的轴向方向上存在一些重叠。在最优选的实施例中，在探头的外围周围布置探头天线，并且在内管柱周围布置传感器天线。可以使其中一个天线的长度大于另一个 天线的长度，使得天线之间的电磁耦合对两个天线的轴向不对准不太 敏感。这使得将探头安置在环中心孔中更加容易。井孔可以包含液柱， 并且其中探头驱动流体阀，该流体阀传送表示被测属性的流体压力脉 冲。还公开了一种方法，其用于使位于管柱中的传感器与同心布置在 管柱中的探头通信。该方法包括提供位于管柱中的传感器；通过传 感器生成读数；并且将该读数传送到第一调制解调器装置。下一步， 将该读数转换为调制信号，并且将该调制信号引导至位于管柱中的管 柱天线，并且利用管柱天线响应来自传感器的读数生成电磁信号。该方法包括利用位于探头中的探头天线接收传播的波；和在第 二调制解调器装置中将电磁波(信号)解调为读数。将该读数传送到 位于探头中的探头电子模块。在一个优选实施例中，传感器测量电阻、 伽马射线或者压力的特性。通过传感器生成读数的步骤可以包括收集 电路中的模拟信号和由该模拟信号生成数字记录。在第二实施例中，公开了一种用于使传感器与控制单元通信的设 备。该设备包括壳体，其包含传感器，第一壳体中具有开口；和探 头，其可滑动地布置在开口中。该设备包括第一电路装置，其布置 在壳体中，用于接收传感器生成的读数并且生成输出读数；第一调制 解调器装置，其与第一电路装置电连接，用于解调输出读数；和壳体 天线，其与第一调制解调器装置电连接，用于生成调制的电磁波。第二实施例进一步包括探头天线，其布置在探头周围，用于接 收调制的电磁波；第二调制解调器装置，其与探头天线电连接，用于 将电磁波转换为输出读数；和第二电路装置，其与第二调制解调器装 置电连接并且被安置在探头中，用于处理输出读数并且将其记录为数 字记录。在优选实施例中，探头天线可以生成调制的电磁波，并且其中壳体天线可以接收该调制的电磁波。第二电路装置可以生成输出命 令，该输出命令由第二调制解调器装置接收，并且其中第二调制解调 器装置调制输出命令，该输出命令由探头天线接收，用于生成调制的 电磁波，而该调制的电磁波将由壳体天线接收。在一个优选实施例中，探头天线布置在探头的周边周围，并且探 头天线包括非金属线圈管；绕线圈管的天线绕组；和覆盖天线绕组的 非金属护罩。而且，壳体天线可以包括邻近内凹口的非金属线圈管； 天绕绕组，其布置在非金属线圈管周围；和非金属护罩，其覆盖天线 绕组。如前面提及的，由于探头和传感器电子设备位于分离的密封压力 壳体中，因此它们之间的有线连接是成问题的。本专利技术的优点在于， 其允许在不使用导线的情况下在探头和传感器电子设备之间双向传输 数据。无线通信链路克服了现有技术的问题，并且消除了在野外在探 头和环电子设备之间连接导线的复杂性。另一优点在于，所公开的方法和设备允许一种简单且较清洁的野 外工具组装，并且其中在野外不需要进行有线连接。而且，所公开的 方法的另一优点在于，当使一个天线的轴向长度延伸以提供两个天线 的轴向对准的较大的公差时，对环孔内部的探针的轴向不对准的敏感 度下降。又一优点在于，在探头和环之间的布线不需要压力馈送。本专利技术的一个特征在于，该设备使用电磁辐射建立通信链路。另 一特征在于，探头和钻环器械完全处于分离的压力容器中，减小了一 个压力容器出现泄漏时两个设备均被淹没的风险。又一特征在于，在 流过钻环中心的流体中存在较少的机械侵入。附图说明图1是本专利技术的最优选的实施例的透视框图。图2A是钻环电子设备的一个优选实施例的框图。 图2B是探头电子设备的一个优选实施例的框图。图3A是钻环电子设备的最优选的实施例的框图。图3B是探头电子设备的最优选的实施例的框图。图4是作为轴向天线间距的函数的信号衰减的曲线图。图5是关于三个发射机功率电平的，作为轴向天线间距的函数的，对于10dB信噪比(SNR)，在10000赫兹操作频率下的可用带宽的曲线图。图6是关于三个发射机功率电平的，作为轴向天线间距的函数的， 对于10dB信噪比(S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在管柱中无线通信井下环境的特性的设备，所述管柱同心地安置在井孔中，所述设备包括：　　　　传感器装置，其安置在所述管柱中的凹口中，用于收集所述特性的信息和处理所述信息；　　　　传感器电子模块，其电连接到所述传感器装置；　　　　第一调制解调器装置，用于调制来自所述传感器模块的所述信息；　　　　传感器天线，其电连接到所述第一调制解调器装置，用于生成调制的电磁波；　　　　探头，其同心地安置在所述管柱中；　　　　探头天线，其布置在所述探头中，用于接收所述调制的电磁波和生成输出；　　　　第二调制解调器装置，用于解调从所述传感器装置接收到的所述电磁波。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：威廉D弗拉纳根，
申请(专利权)人：阿尔蒂玛实验室公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]