可展開式傳感器裝置及方法
2023-12-09 21:00:31
專利名稱：可展開式傳感器裝置及方法
本申請是1998年2月5日提交的美國專利申請序號09/019,466的部分繼續申請，它對1997年6月2日提交的美國臨時申請No.60/048,254要求了優先權。
本發明概括地講涉及井眼所穿過的地下地層中的不同參數的測定，更具體而言，涉及利用遙控展開的傳感器所進行的這類測定方法。
現代的油井操作生產涉及到對各種地下地層參數進行連續的監測。標準地層評價的一個方面就與儲油層壓力和儲油巖層的滲透性等參數有關。對例如儲油層壓力和滲透性等參數進行連續監測能夠顯示一段時期內地層壓力的變化，對於預測地下地層的生產能力和使用期非常必要。現代的操作通過利用「地層測試器」工具進行電纜測井或者通過鑽杆試驗來得到這些參數。兩種測量方法在「裸井」或「套管井」情況下都可使用，並且需要一個追加的「行程」，換句話說，要從井眼中拆掉鑽柱，將地層測試器伸入井眼中以便獲取地層數據，並且在取出地層測試器後，將鑽杆重新伸入井眼中以便繼續鑽井。因此，地層參數，包括壓力通常利用電纜地層測試工具來監測，例如美國專利No.3,934,468、4,860,581、4,893,505、4,936,139和5,622,223中所述的這些工具。
專利』468已轉讓給Schlumberger Technoloy Corporation，也就是本發明的受讓人，它描述了一種加長管狀體，可置於無套管井眼中測試所關心的地層區域。管狀體具有一個密封墊和一組液壓傳動器，密封墊通過與其相對的第二油井配合墊與地層區域的井眼形成密封配合。管狀體帶有一個流體導入裝置，它包括一個移動式探測器，通過密封墊上的中心開口與地層流體連通並取樣。這樣的流體連通和取樣就使得能夠採集地層參數數據，包括但並不限於地層壓力。專利』468的移動式探測器特別適用於測試顯示出不同的未知的能力或穩定性的地層區域。
專利』581和』139也轉讓給了本發明的受讓人，它公開一種組合式地層測試工具，這種工具為無套管井眼提供了多種功能，包括地層壓力測定和取樣。這些專利描述的工具能在單個行程內在多個地層區域進行測定和取樣。
專利』505屬於Western Atlas International Inc.，同樣公開了一種能在多個地層區域測定無套管井眼所穿過的地層的壓力和溫度並進行流體取樣的地層測試工具。
專利』223屬於Halliburton Company，公開了另一種用於在無套管井眼中從所關心的區域取出地層流體的電纜地層測試工具。這種工具使用了一種膨脹式封隔器，據說能夠在原地測定所取出的流體的類型和起泡點壓力，並且能選擇地採集基本不含泥漿濾液的流體試樣。
在上述專利』468、』581、』139、』505和』223中所述的工具和方法並非用於套管井眼，而且一般並非永久地與井眼或地層相連。然而，用於套管井眼的地層測試工具和方法在本領域內眾所周知，實例見於美國專利No.5,065,619、5,195,588和5,692,565中。
專利′619已轉讓給Halliburton Logging Services，Inc.，它公開了一種用於測試位於穿過地層的油井中的套管後面的地層壓力的裝置。一個「推靠臂」液壓地從電纜地層測試器的一側延伸以便與套管壁接觸，而一個測試探測器液壓地從測試器的另一側延伸。探測器包括一個環繞著的密封圈，密封圈壓著與推靠壁相對的套管壁形成密封。少量聚能裝藥位於密封圈的中心以便穿過套管和可能存在的環繞的粘質層。地層流體通過穿孔和密封圈形成流線以便傳送至壓力傳感器和一對流體處理和取樣槽。
專利′588也已轉讓給本發明的受讓人，它通過提供一種用於堵塞套管穿孔的裝置從而改進了穿過套管以進入套管後面的地層的地層測試器。更具體而言，專利′588公開了一種工具，它能堵塞穿孔，同時這種工具仍處於穿孔所處的位置。通過堵塞方法而及時關閉穿孔這種做法可以防止井眼流體大量漏入地層中以及/或者地層降級的可能性。它還能防止地層流體不受控制地進入井眼中，這可能非常有害，比如氣體的侵入。
專利′565也已轉讓給Schlumberger Technology Corporation，它描述了一種用於對套管井眼後面的地層取樣的進一步改進的裝置及方法，在於該發明利用一種柔性鑽柱而非聚能裝藥來產生更加均勻的套管穿孔。均勻的穿孔能夠更加可靠地保證套管被正確地堵塞，因為成形鑿巖機形成的非均勻穿孔難以堵塞，通常需要固態塞子和非固態密封劑。因此，柔性鑽柱所形成的均勻穿孔提高了利用塞子來密封住套管的可靠性。然而一旦套管穿孔被堵塞住。如果不重複穿孔過程，就無法與地層連通。甚至在這種情況下，也只有當地層測試器位於井眼中並且套管穿孔保持打開時才可以實現這種地層連通。
因此每個上述專利都具有局限性，因為其中所述的地層測試工具不管是用於裸井或者是套管井，都只有在電纜工具置於井眼中並與所關心的地層區域保持物理接觸時，才能採集地層數據。由於「進出油井」以便使用此類地層測試器，耗費大量價格不菲的鑽井時間，因此通常在地層數據必須需要的情況下才這樣去做，或者在鑽柱因需更換鑽頭或其它原因而要進出時才這樣做。
在鑽井工作期間，實時地得到儲油地層數據將非常有價值。在鑽井時實時獲得的地層壓力使得鑽井工程師或鑽井工人在做出決策時可以儘早地考慮鑽井泥渣的重量和成分以及穿孔參數從而提高鑽井的安全性。另外，也要求獲得實時的儲油地層數據以便能夠根據地層壓力變化和滲透性變化來精確控制鑽頭重量，從而使鑽井操作以最高效率進行。
因此要求提供一種用於鑽井的方法及裝置，它能在鑽柱及其鑽鋌、鑽頭和其它鑽井部件留在井眼中的同時，從所關心的地下區域獲得各種地層數據，從而不再或者很少再需要僅僅為了將地層測試器伸入井眼中以測定這些地層數據而使鑽井設備進出井眼。
本發明的另一個目的是提供一種適用於展開在地層中的智能數據傳感器的堅固結構，從而使傳感器可以在展開過程中可靠地置於較高重力之下而能保持持續的功能完整性。
本發明的另一個目的是提供一種此類傳感器的結構，從而使傳感器在展開過程中可以可靠地置於燃燒引起的推進力的高壓高溫之下。
本發明的另一個目的是提供一種操作此類傳感器的裝置及方法，從而使傳感器適於安全度過槍狀展開機構的發射過程而不會發生變形、損傷或故障。
本發明的另一個目的是提供一種操作此類傳感器的裝置及方法，從而使傳感器能夠承受地下巖層中的衝擊而不會發生變形、損傷或故障。
本發明的另一個目的是提供一種操作此類傳感器的裝置及方法，從而使傳感器能夠在地層中基本沿直線地穿透令人滿意的深度。
本發明的另一個目的是提供一種操作此類傳感器的裝置及方法，從而使傳感器能夠透過巖層進行射頻通訊。
上述目的及各種其它目的和優點通過一種用於從地下地層採集數據的裝置來實現，它包括一個外殼，外殼中具有一個腔室，並能適用於承受進入地下地層的強迫推進力。數據傳感器置於外殼的腔室中。外殼具有一個第一出入口，用於在該裝置置於地下地層中時將存在於地下地層中的流體的屬性參數傳送至數據傳感器，從而使數據傳感器至少能檢測到流體的至少一種屬性參數。
在一個優選實施方案中，外殼大致為子彈狀，包括一個基本由一種第一材料構成的前端部分和一個基本由一種第二材料構成的後端部分。在一個特別優選的實施方案中，第一材料為鎢合金而第二材料為氧化鋯基陶瓷。外殼的前端部分用於保證裝置能安全度過進入地層的展開過程而不會發生功能故障。外殼的後端部分用於在使用展開裝置的至少一種方法時保護位於外殼腔室中的組件免受所遇到的高溫和高壓。外殼沿與穿過前端部分和後端部分的縱向軸線垂直的第一平面分開，前端部分和後端部分各具有相對的空腔，當前端部分和後端部分連在一起時空腔合成外殼的腔室。在一個特別優選的實施方案中，外殼還能適用於在裝置的展開期間承受沿其縱向軸線的至少為85,000克的重力。
優選實施方案還包括一個膜盒，膜盒位於外殼的腔室中，用於盛放數據傳感器和相關電子設備。膜盒從前端部分的腔室延伸至後端部分的腔室中，膜盒從而橫跨第一平面並將外殼的前端和後端部分合成一體。膜盒沿穿過膜盒縱向軸線的第二平面分開以便於將數據傳感器放入其中，並且至少部分由鈦合金構成。膜盒中還帶有一個第二出入口，並且膜盒置於外殼的腔室中以便使第二出入口與第一出入口鄰近，從而在裝置置於地下地層中時能通過第一和第二出入口將地層流體屬性參數傳至數據傳感器。
數據傳感器優選地適用於檢測至少地層壓力和溫度。多個離散的傳感器可以置於膜盒中以便檢測各種其它地層參數。
優選實施方案還包括一個天線，它位於外殼腔室中，用於發送表示數據傳感器所檢測到的流體屬性參數或其它地層屬性參數的信號，並用於接收來自遠程發送源的信號來啟動數據傳感器。在膜盒內，天線優選地位於腔室的後端部分中而數據傳感器則位於腔室的前端部分中。
本發明還可概括為一種測定地下地層屬性參數的方法。外殼帶有一個用於顯示地下地層屬性參數的傳感器和一個用於發送表示傳感器所顯示的屬性參數的信號的天線。外殼中有一個出入口，用於在外殼插入地下地層中時將存在於地下地層中的流體的屬性參數傳送至傳感器。外殼置於位於穿過地下地層的井眼中的測井下井儀內。由測井下井儀施力以便將外殼從鑽柱移入地下地層中。然後至少一種地層屬性參數由傳感器檢測到，並由用天線將表示地層屬性參數的信號從外殼中發送出。
本發明還可進一步概括為一種包括給大致為子彈狀的外殼裝上一個傳感器、一個接收器和一個發送器的各個步驟的方法，其中傳感器用於顯示地下地層的屬性參數，接受器用於接收遠程發送的信號，而發送器用於發送表示傳感器所顯示的屬性參數的信號、外殼中有一個出入口，用於在外殼插入地下地層中時將存在於地下地層中的流體的屬性傳送至傳感器。外殼置於位於穿過地下地層的井眼中的鑽柱內。由鑽柱施力以便將外殼從鑽柱移入地下地層中。傳感器由發送至接收器的遠程信號啟動，從而由傳感器檢測到地層屬性參數。然後用發送裝置將表示地層屬性參數的信號發送出去。
向外殼所施加的力可為燃燒引起的推進力、機械力或其它任何適宜的力。
為了使本發明的上述特徵、優點和目的實現方式得到更詳細的理解，可通過參照附圖中所示的它的優選實施方案對上文中簡便概述的本發明進行更為具體的描述。
然而應當指出，附圖只是示出了本發明的一個典型實施方案，因而並不能認為是對其範圍進行限制，因為本發明也可容許其它同樣有效的實施方案。
在圖中
圖1是根據本發明在從鑽鋌中將傳感器裝置展開之後置於井眼中的鑽鋌的示意圖；圖2概略示出了具有一個用於從井眼將智能傳感器裝置強迫插入選定的地下地層中的液壓供能系統的鑽鋌；圖3是一個電子方塊圖，概略示出了其中具有一個動力盒的鑽鋌，動力盒帶有用於接收來自遠程展開的地層傳感器裝置的地層數據信號的電路；圖4是一個電子方塊圖，概略示出了智能傳感器裝置，它能檢測一種或多種地層數據如壓力、溫度和巖層滲透性、將數據存儲於存儲器中，並且在得到指令時將所存儲的數據發送至圖3所示的鑽鋌的動力盒的電路；圖5是一個電子方塊圖，概略示出了智能傳感器裝置的接收器繞組電路；圖6是一個傳送時序圖，示出了鑽鋌與遠程展開的傳感器裝置之間的射頻通訊的脈衝寬度調製；圖7是本發明的智能傳感器裝置的詳圖，為剖視圖；圖8A為傳感器裝置的外殼的後端部分的剖視圖；圖8B為外殼的前端部分的剖視圖；而圖9為傳感器裝置的內電子設備膜盒的正交投影，四分之三剖開。
也已轉讓給本發明的受讓人的美國專利申請No。09/019,466中描述了一種方法及裝置，用於在進行鑽井操作的同時，將包括數據傳感器如壓力傳感器的智能傳感器裝置從鑽鋌展開至井眼後面的地下地層中。現在就對′466申請的方法及裝置進行描述，因為它們與本發明有關。首先請參照圖1-3，鑽鋌為鑽井所用的鑽柱的一個組件，概括地用10來表示，它代表了′466申請的發明的優選實施方案。鑽鋌帶有一個具有一個動力盒14(參見圖2)的大徑圓柱部分12，動力盒14包括圖3中所示的發送器/接收器電路。鑽鋌10還帶有一個壓力計16，壓力計16的壓力傳感器18通過鑽鋌通路20置於井眼壓力之下。壓力計檢測選定地下地層深度處的周圍流體靜力井眼壓力並用於檢驗智能傳感器裝置的壓力校準。表示周圍井眼壓力的電子信號通過壓力計16傳送至動力盒14的電路，動力盒14又完成在特定井眼深度處展開的智能傳感器裝置的壓力校準、鑽鋌10還帶有一個或多個遠程傳感器容座22，每個客座22要安放有至少一個有待於置於所鑽井眼穿過的選定地下地層中的智能傳感器裝置24。
傳感器裝置24包括封裝的數據傳感器，它們被從鑽鋌移至孔眼周圍的地層中的位置上，以便檢測地層參數其中包括如壓力、溫度、巖層滲透性、多孔性、傳導性，以及介電常數。數據傳感器恰當地封裝於具有充分的結構一致性的傳感器殼體中，以便在從鑽鋌移至橫向嵌入井眼周圍的地下地層的過程中抵抗損傷，下文中將對此進行進一步描述。
本領域的技術人員能理解這種橫向嵌入運動無需垂直於井眼，而是可以通過多角度的衝擊而嵌入所需地層位置中來完成。傳感器的展開可利用以下方法的一種或幾種的組合來實現(1)在孔眼壁上鑽孔並將傳感器置於地層中；(2)利用液壓或機械穿孔裝置將封裝好的傳感器衝入或壓入地層中；(3)利用「點水」或燃燒引起的推進裝料將封裝好的傳感器射入地層中。
圖2示出了液壓供能衝頭30，在一個實施方案中用它來展開傳感器裝置24並穿入地下地層中向外離井眼足夠深的位置以便檢測地層中的選定參數。為展開傳感器，鑽鋌裝有一個內圓孔26，內圓孔26中置放著具有衝頭30的活塞構件28，衝頭30處於驅動智能傳感器裝置24的位置。活塞28處於通過供壓通路36來自液壓系統34與活塞腔32連通的液壓之下。液壓系統由動力盒14選擇地啟動，以便使遠程傳感器可在展開之前與地層深度處的周圍井眼壓力校準，如上文所示，然後可以從客座22移入井眼壁後面的地層中從而使地層壓力參數不會受到井眼的影響。
現在參看圖3，鑽鋌10的動力盒14包括至少一個發送器/接收器線圈38，發送器/接收器線圈38具有一個為頻率F由振蕩器42決定的功率放大器形式的發送器動力驅動裝置40。鑽鋌動力盒還帶有調諧接收器放大器43，它用於接收將由智能傳感器24，也稱做「智能錐形體」，發送至鑽鋌的頻率為2F的信號，下文中將對此進行描述。
圖4以概括標為44的方塊圖的形式示出了傳感器裝置24的電路原理，該電路包括至少一個發送器/接收器線圈46，如射頻(「RF」)天線，其接收器從探測器48向控制器電路52提供輸出50。控制器電路的一個控制輸出54被送至壓力計或壓力傳感器56以便使壓力計輸出信號將會傳至模數轉換器(「ADC」)/存儲器58，它通過導線62接收來自壓力計的信號並且還通過導線64接收來自控制器電路52的信號。電池66包括在傳感器裝置電路44之內，並通過電源線68、70和72與傳感器的各種電路組件相連接。ADC/存儲器電路58的存儲器輸出74被送至接收器線圈控制電路76。接收器控制電路76通過導線78用做發送器/接收器線圈46向鑽鋌12傳送數據的驅動電路。
現在參看圖5，示出了低閾二極體80，它連接於接收器控制電路76的兩端。在正常情況下，特別是在休眠或「靜止」方式下，電路子開關82打開，最大程度地減小動力消耗。當接收器線圈控制電路76由鑽鋌傳送的電磁場啟動時，在接收器線圈控制電路中感應出電壓和電流。然而，在這裡，二極體80隻會允許電流單向流過。這種非線性將圖6中84所示的感應電流的基頻F變為基頻為2F的電流，換句話說，為電磁發送器波84的頻率的兩倍，如接收器波86所示。
在整個發送序列中，發送器/接收器線圈38，如圖3所示，也用做接收器並與已調諧至2F頻率的接收器放大器43相連。當接收到的信號幅值最大時，這就顯示傳感器裝置24已接近於在鑽鋌和遠程展開的傳感器裝置之間的最優傳送方式。
傳感器只有當多種約束條件得以滿足時才可能成功地將電子傳感器裝置24以衝擊式展開於巖層中。為成功展開，傳感器裝置必須能順利地度過發射過程和巖層中的衝擊過程而不會發生大的變形、外部破損、或者內部組件的解體；能保證穿過油井地層中通常會遇到的各種儲油巖層；能穿過巖層並向井眼中的數據處理設備進行射頻或其它無線通訊。
現在參看圖7，示出的智能傳感器裝置24包括外殼110、外殼中具有腔室112，並能適於經受進入地下地層(如圖1中概括所示)的強迫推進力。數據傳感器114和相關電子設備按下文中進一步描述的方式置於外殼110的腔室112中。外殼中具有第一出入口116，用於在傳感器裝置24置於地下地層中時將存在於地下地層中的流體的屬性參數傳送至數據傳感器114，從而使數據傳感器至少能檢測到流體的一種屬性參數。
根據應用場合和外殼110內數據傳感器的類型，前端部分110b中可有多個出入口116，它們位於頭錐體後方並儘可能靠近前方以便使其免受傳感器裝置24的後部處的井眼的影響。通過這些出入口，可以進行各種測定。其中包括如液體和固體的化學分析、孔的流體壓力以及抵抗性測定等。這些出入口優選地覆蓋有其中帶有小濾網孔的金屬帶，如圖8B中虛線所示的帶131，或者多孔敷層如陶瓷敷層。利用多個此類出入口與單個出入口相比，可以降低因地層中出入口堵塞而引起不能工作的可能性。對於只包括加速計的傳感器裝置或用於核磁共振測定的傳感器裝置而言，不需要出入口或者開口，它們也在本發明的考慮之內。
基本彈道學原理有助於確定傳感器裝置24的發射體參數，如為實現充分的穿入而需要的速度和重量，為確保直線前進而要求的長度/橫截面比率，以及最佳穿入深度所需前端形狀。因此外殼110大致為子彈狀，並繞軸線B-B伸長以便部分滿足上述第二約束條件(充分地直線穿入)。
與包括單件固體材料的標準發射體不同，包括傳感器及相關電子設備的子彈狀裝置如裝置24需要至少一個較大的裝配開口。因此，外殼110沿與穿過前端部分110b和後端部分110a的其縱向軸線B-B相垂直的第一平面A-A分開。兩外殼部分各具有相對的空腔112b和112a，如圖7、8A和8B所示，當前段部分與後端部分連在一起時空腔合成外殼的腔室112。
除了上面討論的發射體參數之外，外殼110必須滿足外殼整體剛性的要求。現在外殼前端部分110b優選的是鎢-鎳-鐵合金，它能滿足上述順利通過發射/衝擊的約束條件。這樣外殼110在展開過程中就適於經得起傳感器裝置24沿其縱向軸線B-B所承受的較高重力(85,000克或更高)。
對於多組件外殼如外殼110來說，展開發射和衝擊的衝擊波通過彈性係數不同的材料之間的接觸面積來傳遞。這就可能產生通過外殼部分110a和110b(它們基本上由不同的材料構成)的衝擊波反射，並且可能導致局部材料失效或各部分分開。為了減小接觸面積處的局部應力並更好地實現衝擊波的傳遞，設計了一種封裝好的內部結構，如圖9所示。
整個數據傳感器和電子設備裝置，除天線之外，在分開的鈦合金膜盒118內置於空腔128中。這種膜盒具有兩個功能，第一，它通過將各零件有效地組合成為一個實體構件從而對空腔128內的易碎電子設備和數據傳感器零件起到支承和保護作用。第二，它起到前端和後端外殼部分110b、110a的支撐的作用，外殼部分沿同一根縱向軸線(軸線B-B)對中，而它們各自的垂直後、前表面在平面A-A處形成受控的接觸。因此整個衝擊力的一部分由內側膜盒118傳遞並緩衝。
膜盒118裝有外螺紋部分126，以便牢牢將其分別固定於外殼部分110b和110a的腔室112b和112a中的互補內螺紋部分127a、127b上，如圖7、8A和8B所示。在腔室112中還具有適當的封裝措施以防止流體意外進入電子部分中。
如上所述，數據傳感器114安放於置於外殼110的腔室中的膜盒118內。膜盒118從前端部分110b的腔室112b延伸至後端部分110a的腔室112a中，從而使膜盒橫跨第一平面A-A並將外殼110的前端和後端部分合成一體。膜盒基本沿穿過膜盒的縱向軸線(當置於空腔128中時，即為軸線B-B)的第二平面C分開以便於將數據傳感器放入其中。膜盒118的分開部分還包括相應的互補的前側和後側組件，在圖9中概括標為133和135，用於在安放於腔室112中之前使膜盒的分開部分正確嚙合並對準。
膜盒中還帶有一個第二出入口120，並且置於外殼110的腔室112中從而使第二出入口與第一出入口116鄰近，如圖7所示。這使得當傳感器置於地下地層中時能通過第一和第二出入口將地層流體屬性參數傳至數據傳感器114。數據傳感器114優選地適用於檢測至少地層壓力和溫度，而且可包括多個離散的傳感器。
為了通過射頻信號與遠程地點通訊，還必須有一個天線來構成傳感器裝置的一部分。這種天線需要得到保護以防燃燒室的壓力和溫度，假設傳感器裝置通過燃燒引起的推進力(換句話說，「點火」)展開的話，以及防止所有的衝擊力。為了滿足所有這些約束條件，設計了一種由轉變硬化氧化鋯(「TTZ」)陶瓷製成的射頻半透明後蓋。因此圖7示出的智能傳感器裝置24帶有天線122，天線122位於後端腔室部分112a中，用於發送表示數據傳感器114所檢測到的流體屬性參數的信號，並用於接收來自遠程發射源如鑽鋌的信號來啟動數據傳感器。天線122包括發送器/接收器線圈46，如圖4中概略表示。
操作方法現在對智能傳感器裝置24的展開和操作方法進行總結。智能傳感器裝置包括一個大致為子彈狀的外殼110，外殼110裝有封裝好的數據傳感器114以及一個接收器和一個發送器，其中數據傳感器114用於顯示地下地層的屬性參數，接收器用於接收遠程發送的信號，而發送器用於發送表示傳感器所顯示的屬性參數的信號。傳感器裝置24置於位於穿過地下地層的井眼內的鑽柱的鑽鋌中。
本發明還考慮由電纜工具展開智能傳感器24，儘管以下描述限於從鑽柱的鑽鋌中展開。
由鑽柱施力以使裝置24從鑽鋌移至地下地層中。一旦智能傳感器裝置，或者也稱做「智能錐形體」，處於待要檢測的地層內部，發送與探測電子設備與鑽井操作一起共同進行工作的順序如下將裝有探測傳感器的鑽鋌(或其它測井下井儀裝置)置於靠近智能傳感器裝置24的位置。頻率為F的電磁波，如圖6中84所示，從鑽鋌發送器/接收器線圈38發送出以便「接通」智能傳感器裝置，也稱做靶子，並使傳感器裝置感應以便送回一個標識編碼信號。電磁波激發遠程展開的傳感器裝置的電子設備進入探測和發送模式，在遠程傳感器裝置高度處就可得到表示選定的地層參數的壓力數據和其它數據以及傳感器的標識碼。
在一個特定實施方案中，智能傳感器裝置24進行地層壓力測定。為此功能，壓力/溫度傳感器被置於電子設備膜盒118的前部。該傳感器與地層流體之間的液壓連通通過連通出入口116和120實現。壓力傳感器和連通出入口周圍的內部空間充滿著非傳導性液壓流體。實際的液壓孔，出入口116包括一個由陶瓷或者金屬過濾材料製成的過濾器。這樣既可以在展開過程中限制填充流體損失，又可以在一旦地層流體與出入口開口接觸時用做過濾器。
靶子，即遠程傳感器的存在與否，由頻率為2F的從靶子散射回來的反射波檢測，如圖6的發送時序圖中的86所示。同時可以探測到壓力計數據(壓力和溫度)和其它選定的地層參數，並且傳感裝置24的電子設備將所檢測到的地層數據轉換成一個或多個串行數位訊號。這種或這些數位訊號，視情況而定，通過天線122中的發送器/接收器線圈46從遠程展開的傳感器裝置24送回鑽鋌。這通過使每位數據同步並編碼成特定時間序列而實現，在這個過程中散射頻率將在F和2F之間變換。
例如，時間序列88被看作是持續時間為TS的同步指令。時間序列90、92分別被看作持續時間為T1和T0的位1和位0。在已經得到穩定的壓力和溫度讀數並已成功傳送至鑽鋌10上的電路之後，就終止數據的探測和傳送。
只要上述序列一旦開始，位於鑽鋌中的發送器/接收器線圈38就由發送器動力驅動裝置或放大器40供能。電磁波以頻率F從鑽鋌上發送，頻率F由振蕩器42表徵，如圖6的84的時序圖所示。頻率F可以在從100KHz到500MHz的範圍內選定。靶子一進入鑽鋌發送器的影響區域，位於智能錐形體24的天線中的接收器線圈46就會通過接收器線圈控制電路76和發送器線圈46發射回二倍於原始頻率的電磁波。
與現有的操作方法相比，本發明使得可在鑽井的同時得到壓力數據和其它地層參數，因而將使鑽井人員在鑽井過程中做出決策時能儘早考慮鑽井泥渣的重量和成分以及其它參數，而無需為了運行地層測試器而使鑽柱進出鑽井。本發明需要很短的時間來進行實際的地層測定。一旦遠程傳感器展開，就可在鑽井的同時得到數據，這個特徵是根據已知的鑽井技術中所不可能實現的。
只要可以得到來自壓力傳感器18的壓力數據，也就可以實現對穿入的井眼地層的時變壓力進行檢測。這個特徵當然要依賴於鑽鋌的動力盒內的發送器/接收器電路與任何展開的智能遠程傳感器的通訊聯繫情況。
在標準測井操作過程中，智能傳感器裝置的輸出也可通過電纜測井工具讀取。本發明的這個特徵使得除了現在已能在鑽井的同時從地層中獲得實時的地層數據之外，還能利用測井工具的電子設備得到地下地層的數據變化情況。
通過將智能傳感器裝置24遠程地置於遠離井眼周圍附近的位置，那麼至少在數據採集的初期，所進行的壓力測定不會受到井眼的影響。由於利用原地的傳感器來獲得地層壓力不需要液體運動，因而就可以測定非滲透性巖層的地層壓力。本領域的技術人員將會理解，本發明同樣適用於測定若干地層參數，如滲透性、傳導性、介電常數、巖層強度及其它等，而並不限於測定地層壓力。
另外，在本發明的考慮範圍之內，遠程傳感器一旦展開，就可長時間地提供地層數據的原始資料。為此，要求相應傳感器的位置可以確定。因此，在一個實施方案中，遠程傳感器將包括放射性「脈衝標籤」，它們能通過伽馬射線傳感器或探測器，以及鑽柱中的迴轉儀裝置來測定。迴轉儀裝置有助於測定地層中的每個展開的傳感器的位置和各自空間位置。
由上文可以看出，顯然本發明能良好地適用於實現上文中所述的所有目的和特徵以及本文中所公開的裝置所固有的其它目的和特徵。
本領域的技術人員很容易看出，本發明可以方便地以其它具體形式生產而不會背離其精神和本質特徵。因此，本發明的實施方案僅僅可以看成示例性的，而非限制性的。本發明的範圍由下面的權利要求而非以上描述來表示，由此處於權利要求等價的意義和範圍之內的所有變化都應包括在其中。
權利要求
1.一種用於將傳感器遠程展開至地下地層中以便從地層中採集數據的裝置，包括一個外殼，外殼中具有一個腔室並且適用於承受進入地下地層的強迫推進力；並且所述外殼中具有一個第一出入口，用於使存在於地下地層中的流體的屬性參數與腔室連通，從而使位於所述腔室中的傳感器能檢測到流體的至少一種屬性參數。
2.權利要求1的裝置，還包括一個位於所述外殼的腔室中的膜盒，所述膜盒中安放有傳感器以便檢測地層的至少一種屬性參數。
3.權利要求2的裝置，其中所述外殼沿與穿過前端部分和後端部分的軸線垂直的第一平面分開，前端部分和後端部分各具有相對的空腔，當前端和後端部分連在一起時兩空腔合成所述外殼的腔室；並且所述膜盒從前端部分的腔室延伸至後端部分的腔室中，從而使所述膜盒橫跨第一平面並將所述外殼的前端和後端部分合為一體。
4.權利要求1的裝置，其中所述外殼適用於在裝置的展開過程中承受沿其縱向軸線的至少為85,000克的重力。
5.權利要求2的裝置，其中所述膜盒至少部分由鈦合金構成。
6.權利要求3的裝置，其中所述外殼的前端部分基本由鎢合金構成。
7.權利要求3的裝置，其中所述外殼的後端部分適用於保護位於所述外殼的腔室內的組件免受裝置展開的過程中所遇到的高溫和高壓。
8.權利要求7的裝置，其中所述外殼的後端部分基本由氧化鋯基陶瓷構成。
9.一種用於測定地下地層的屬性參數的方法，包括以下步驟給外殼裝上用於顯示地下地層的屬性參數的傳感器和用於發送表示傳感器所顯示的屬性參數的信號的天線，外殼中具有一個出入口，用於在外殼插入地下地層中時將存在於地下地層中的流體屬性參數與傳感器連通；將外殼置於位於穿過地下地層的井眼中的測井下井儀內由測井下井儀施力以便將外殼從鑽柱移入地下地層中；用傳感器檢測地層屬性參數；以及用天線將表示地層屬性參數的信號發送出去。
10.權利要求9的方法，其中施加於外殼上的力為燃燒引起的推進力。
11.權利要求10的方法，其中施加於外殼上的力基本為機械力。
全文摘要
本發明提供了一種用於從地下地層採集數據的裝置及方法。所用到的外殼中具有一個腔室,並適用於承受進入地下地層的強制推進力。數據傳感器置於外殼的腔室中。外殼中具有一個第一出入口,用於在裝置置於地下地層中時使存在於地下地層中的流體的屬性參數與數據傳感器連通,從而使數據傳感器檢測到流體的至少一種屬性參數。
文檔編號E21B47/01GK1271056SQ0010678
公開日2000年10月25日 申請日期2000年4月17日 優先權日1999年4月16日
發明者R·西格勒尼克, L·E·雷德 申請人:施盧默格控股有限公司