專利名稱：井底通信裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及井底通信裝置和使用井底通信裝置的方法。
背景技術(shù)：
發(fā)電在井底鉆探環(huán)境中是持續(xù)的挑戰(zhàn)。從地面?zhèn)鬟f電能通常是不太實(shí)際的。因此， 通常使用井下發(fā)電裝置例如泥漿馬達(dá)。盡管這種裝置通常結(jié)合在鉆柱的末端處，但對于沿著鉆柱分布的中繼裝置來說，泥漿馬達(dá)通常在尺寸和功率輸出方面太大。因此，需要能夠沿著鉆柱安裝和產(chǎn)生電能的發(fā)電裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了井底通信裝置及使用該井底通信裝置的方法。本發(fā)明的一個方面提供了一種井底通信裝置，包括第一能量收集裝置、與第一能量收集裝置通信的井底收發(fā)器、與第一能量收集裝置通信的蓄能器以及微控制器。所述微控制器管控第一能量收集裝置、收發(fā)器和蓄能器之間的通信。該方面可具有多個實(shí)施例。所述井底通信裝置可包括與微控制器和井底收發(fā)器通信的傳感器。傳感器可與微控制器以有線方式或無線方式通信。所述井底通信裝置可包括第二能量收集裝置。第二能量收集裝置可與所述傳感器通信。所述井底收發(fā)器可與遠(yuǎn)離第一井底收發(fā)器的第二井底收發(fā)器通信。第一能量收集裝置可以是基本上連續(xù)的發(fā)電器?；旧线B續(xù)的發(fā)電器可以是從以下組中選擇的一種或多種摩擦生電式發(fā)電器、電磁發(fā)電器和熱電發(fā)電器。第一能量收集裝置可以是散發(fā)性(sporadic)的發(fā)電器。散發(fā)性的發(fā)電器可以是壓電發(fā)電器。蓄能器可以是從以下組中選擇的一種或多種液氣蓄能器、彈簧蓄能器、電化電池、蓄電池、可充電電池、鉛酸電磁、電容器和強(qiáng)制器。微控制器可被構(gòu)造用于調(diào)節(jié)從蓄能器的功率釋放。微控制器可估計(jì)存儲在蓄能器中的現(xiàn)有能量。井底收發(fā)器可從以下組中選擇 電收發(fā)器、液壓收發(fā)器和聲收發(fā)器。本發(fā)明的另一方面提供了一種鉆探控制系統(tǒng)，包括井底通信裝置和至少一個轉(zhuǎn)發(fā)器。所述井底通信裝置包括第一能量收集裝置、與第一能量收集裝置通信的第一井底收發(fā)器、與第一能量收集裝置通信的第一蓄能器、第一微控制器以及與微控制器和第一井底收發(fā)器通信的傳感器。第一微控制器管控第一能量收集裝置、第一井底收發(fā)器和第一蓄能器之間的通信。轉(zhuǎn)發(fā)器包括第二能量收集裝置、與第二能量收集裝置通信的第二井底收發(fā)器、與第二能量收集裝置通信的第二蓄能器以及第二微控制器。第二微控制器管控第二能量收集裝置、第二井底收發(fā)器和第二蓄能器之間的通信。該方面可具有多個實(shí)施例。鉆探控制系統(tǒng)可包括井上通信裝置。所述井上通信裝置可包括電源以及與電源電耦合的接收器。井上通信裝置可包括電耦合到電源的發(fā)射器。 井底通信裝置可包括與微控制器電耦合的接收器。本發(fā)明的另一方面提供了一種井底鉆探的方法。所述方法包括以下步驟提供井底部件；提供至少一個轉(zhuǎn)發(fā)器；提供井上部件；從傳感器獲得鉆探數(shù)據(jù)；將鉆探數(shù)據(jù)從井底部件傳輸?shù)剿鲋辽僖粋€轉(zhuǎn)發(fā)器中的第一個轉(zhuǎn)發(fā)器；將鉆探數(shù)據(jù)傳遞到任何隨后的轉(zhuǎn)發(fā)器；以及將鉆探數(shù)據(jù)從所述至少一個轉(zhuǎn)發(fā)器中的最后一個轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸?shù)骄喜考?。井底部件包括第一能量收集裝置；與第一能量收集裝置通信的第一井底收發(fā)器；與第一能量收集裝置通信的第一蓄能器；第一微控制器；以及與第一微控制器和第一井底收發(fā)器通信的傳感器。第一微控制器管控第一能量收集裝置、第一井底收發(fā)器和第一蓄能器之間的通信。 所述至少一個轉(zhuǎn)發(fā)器包括第二能量收集裝置；與第二能量收集裝置通信的第二井底收發(fā)器；與第二能量收集裝置通信的第二蓄能器；以及第二微控制器。第二微控制器管控第二能量收集裝置、第二井底收發(fā)器和第二蓄能器之間的通信。所述井上部件包括電源以及電耦合到電源的接收器。


為了更全面地理解本發(fā)明的特征和期望目標(biāo)，請參看下面結(jié)合附圖所作的詳細(xì)描述，其中，在所有的附圖中，相同的附圖標(biāo)記均表示相應(yīng)的部件，附圖包括圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的可應(yīng)用本發(fā)明的井場系統(tǒng)。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的用于井底組件與井上通信裝置之間的通信的總體布局。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的井底通信裝置。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了井底通信裝置和使用井底通信裝置的方法。本發(fā)明的一些實(shí)施例可用于井場系統(tǒng)中。井場系統(tǒng)圖1示出了可應(yīng)用本發(fā)明的井場系統(tǒng)。井場可以是陸地上的或海底上的。在該示例性系統(tǒng)中，井眼11以眾所周知的方式通過旋轉(zhuǎn)鉆井形成在地下的地層中。本發(fā)明的多個實(shí)施例也可使用定向鉆探，這將在下面進(jìn)行描述。鉆柱12懸置在井眼11內(nèi)，且具有井底組件(BHA) 100，所述井底組件100在其下端包括鉆頭105。地面系統(tǒng)包括定位在井眼11上方的平臺和鉆塔組件10，所述組件10包括轉(zhuǎn)臺16、方鉆桿(kelly)17、鉤18和旋轉(zhuǎn)接頭19。鉆柱12通過轉(zhuǎn)臺16轉(zhuǎn)動，所述轉(zhuǎn)臺由未示出的裝置驅(qū)動，且在鉆柱的上端處接合方鉆桿17。鉆柱12通過方鉆桿17和旋轉(zhuǎn)接頭 19懸置于加裝到游動滑車(也未示出)的鉤18，所述旋轉(zhuǎn)接頭19允許鉆柱相對于鉤轉(zhuǎn)動。 眾所周知，可替代性地使用頂驅(qū)系統(tǒng)。在該實(shí)施方式的示例中，地面系統(tǒng)還包括儲存在形成于井場處的坑27中的鉆井流體或泥漿26。泵四經(jīng)由旋轉(zhuǎn)接頭19中的端口將鉆井流體沈給送到鉆柱12的內(nèi)部，從而，使得鉆井流體如方向箭頭8所示地向下流經(jīng)鉆柱12。鉆井流體經(jīng)由鉆頭105中的端口排出鉆柱12，然后通過鉆柱的外側(cè)與井壁之間的環(huán)形區(qū)域向上循環(huán)，如方向箭頭9所示。以該眾所周知的方式，鉆井流體潤滑鉆頭105，并在它返回到坑27以再循環(huán)時將巖屑上送到地面。示出的實(shí)施例的井底組件100包括隨鉆測井(LWD)模塊120、隨鉆測量(MWD)模塊130、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(roto-steerable system)和馬達(dá)以及鉆頭105。LffD模塊120如現(xiàn)有技術(shù)中所公知的那樣容納在一種特殊類型的鉆鋌中，且可包含一種或多種現(xiàn)有類型的測井工具。還可以理解，可采用一個以上的LWD和/或MWD模塊， 例如如圖中的附圖標(biāo)記120A所示(在整個申請中，對附圖標(biāo)記120的位置處的一個模塊的描述同樣適用于附圖標(biāo)記120A的位置處的一個模塊)。LWD模塊具有用于測量、處理和儲存信息以及用于與地面儀器通信的能力。在本實(shí)施例中，LffD模塊包括壓力測量裝置。MWD模塊130也如現(xiàn)有技術(shù)中所公知的那樣容納在一種特殊類型的鉆鋌中，且可包含一個或多個用于測量鉆柱和鉆頭的特性的裝置。MWD工具還包括用于向井底系統(tǒng)產(chǎn)生電能的裝置(未示出)。這通?？砂ㄓ摄@井流體流驅(qū)動的泥漿渦輪發(fā)電機(jī)(也稱作“泥漿馬達(dá)”)，可以理解，也可采用其他電能和/或電池系統(tǒng)。在本實(shí)施例中，MWD模塊包括以下類型的測量裝置中的一種或多種鉆壓測量裝置、扭矩測量裝置、振動測量裝置、沖擊測量裝置、粘滑測量裝置、方向測量裝置和傾斜測量裝置。該系統(tǒng)的特別有利的應(yīng)用是與受控導(dǎo)向或“定向鉆探”相結(jié)合。在該實(shí)施例中，設(shè)有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向子系統(tǒng)150(圖1)。定向鉆探有意地使井眼偏離自然所取的路徑。換言之，定向鉆探對鉆柱進(jìn)行導(dǎo)向，使得鉆柱沿期望的方向行進(jìn)。定向鉆探例如在海底鉆探中是有利的，這是因?yàn)樗軌蚴乖S多井從單個平臺鉆探。定向鉆探還使得能夠進(jìn)行通過儲層的水平鉆探。水平鉆探能夠使更長的井眼穿過儲層， 這增大了井的產(chǎn)率。定向鉆探系統(tǒng)還可用于垂直鉆探操作中。通常，鉆頭會由于穿過的地層的不可預(yù)測的特性或鉆頭105經(jīng)受的力的變化而偏離計(jì)劃的鉆探軌跡。當(dāng)出現(xiàn)這種偏離時，定向鉆探系統(tǒng)可用于將鉆頭105帶回到計(jì)劃軌跡上?，F(xiàn)有的定向鉆探方法包括使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(“RSS”)。在RSS中，鉆柱從地面轉(zhuǎn)動，且井底裝置使得鉆頭105沿期望方向鉆探。轉(zhuǎn)動鉆柱大大地降低了鉆柱在鉆探過程中擱淺或卡住的發(fā)生。用于在地中鉆探偏斜井眼的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆探系統(tǒng)通?？煞譃椤爸赶蚴姐@頭”系統(tǒng)或“推靠式鉆頭”系統(tǒng)。在指向式鉆頭系統(tǒng)中，鉆頭I05的轉(zhuǎn)動軸線偏離新井孔的走向上的井底組件的局部軸線。井孔根據(jù)由上、下穩(wěn)定器接觸點(diǎn)和鉆頭105限定的常規(guī)三點(diǎn)幾何關(guān)系延伸。與鉆頭 105和下穩(wěn)定器之間的有限距離關(guān)聯(lián)的鉆頭軸線的偏斜角度導(dǎo)致要產(chǎn)生的曲線所需的非共線的條件。具有許多種可實(shí)現(xiàn)此點(diǎn)的方式，包括在井底組件中的與下穩(wěn)定器接近的點(diǎn)處的固定彎曲部或分布在上、下穩(wěn)定器之間的鉆頭驅(qū)動軸的撓曲。在其理想化的形式下，鉆頭 105不需要向側(cè)旁切割，這是因?yàn)殂@頭軸線在彎曲井孔的方向上連續(xù)地轉(zhuǎn)動。指向式鉆頭型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的多種示例以及它們?nèi)绾尾僮髅枋鲇诿绹鴮＠暾埞_No. 2002/0011359 ； 2001/0052428 和美國專利 No. 6，394，193 ；6，364，034 ；6，244，361 ；6，158，529 ；6，092，610 ； 以及 5，113,953 中。在推靠式鉆頭旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中，通常不具有特別確定的機(jī)構(gòu)來使鉆頭軸線偏離局部井底組件軸線；相反，必需的非線性條件通過使上、下穩(wěn)定器中的任一個或兩者沿一個方向施加偏心力或移位實(shí)現(xiàn)，所述方向優(yōu)選相對于孔的延伸方向定向。此外，具有許多種可實(shí)現(xiàn)此點(diǎn)的方式，包括不轉(zhuǎn)動的(相對于井眼)偏心穩(wěn)定器(基于位移的方法)和沿期望的導(dǎo)向方向向鉆頭105施加力的偏心致動器。而且，導(dǎo)向通過在鉆頭105與至少兩個其他接觸點(diǎn)之間產(chǎn)生非共線性實(shí)現(xiàn)。在其理想化的形式下，鉆頭105需要向旁側(cè)切割，以產(chǎn)生彎曲的井孔。推靠式鉆頭型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的多個示例和它們?nèi)绾尾僮髅枋鲇诿绹鴮＠?No. 5，265，682 ；5，553，678 ；5，803，185 ；6，089，332 ；5，695，015 ；5，685，379 ；5，706，905 ； 5，553，679 ；5，673，763 ；5，520，255 ；5，603，385 ；5，582，259 ；5，778，992 ；5，971，085 中。井底裝置圖2示出了用于井底組件100與井上通信裝置202之間的通信的總體布局。井底通信裝置204定位在井底組件100內(nèi)或接近井底組件100。井底通信裝置可從井底組件100 和/或鉆頭105中的傳感器接收信息。在一些實(shí)施例中，井底通信裝置204可與沿著鉆柱 12的一個或多個轉(zhuǎn)發(fā)器206、208通信，所述轉(zhuǎn)發(fā)器將通信中繼到井上通信裝置202。井底控制裝置204和轉(zhuǎn)發(fā)器206、208中的每個均可是自供電且無線通信的獨(dú)立裝置。井上通信裝置202、井底通信裝置204和轉(zhuǎn)發(fā)器206、208之間的距離可根據(jù)鉆探環(huán)境和使用的通信技術(shù)和協(xié)議變化。在一些實(shí)施例中，轉(zhuǎn)發(fā)器206、208大約每隔一英尺、每隔兩英尺、每隔三英尺、每隔四英尺、每隔五英尺、每隔六英尺、每隔七英尺、每隔八英尺、每隔九英尺、每隔十英尺、每隔十五英尺、每隔二十英尺、每隔二十五英尺等距離設(shè)置。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的井底通信裝置300。井底裝置300包括能量收集裝置302、收發(fā)器304、蓄能器306、微控制器308和傳感器310。這些部件中的每個部件可彼此直接地或間接地(即，通過一個或多個其他部件)通信。一個或多個能量收集裝置302可被提供給井底環(huán)境下產(chǎn)生的能量。能量收集裝置 302可以是基本上連續(xù)的發(fā)電器和/或散發(fā)性的發(fā)電器?；旧线B續(xù)的發(fā)電器從基本上恒定的源、例如溫度和機(jī)械力采集能量。例如，基本上連續(xù)的發(fā)電器可以是熱電發(fā)電器，所述熱電發(fā)電器通過使用塞貝克效應(yīng)利用溫差產(chǎn)生電能。包括p-n結(jié)(例如，包括碲化鉍)的薄的熱電發(fā)電器可以能安裝在鉆柱上的條帶或環(huán)形成。在熱電發(fā)電器的一側(cè)，通過鉆柱在井眼11中的轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的摩擦生熱。流過鉆柱的泥漿冷卻熱電發(fā)電器的另一側(cè)，從而產(chǎn)生 溫差。在另一實(shí)施例中，基本上連續(xù)的發(fā)電器可以是機(jī)械式發(fā)電器，例如由泥漿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的電磁渦輪機(jī)。泥漿馬達(dá)在多個公開物中被描述，例如，作者為G. Robello Samuel 的 Downhole Drilling Tools :Theory & Practice for Engineers & Students 288-333(2007) ；Standard Handbook of Petroleum & Natural Gas Engineering 4-276-4-299(William C. Lyons & Gary J. Plisga eds. 2006)；以及作者為 1 Yakov A. GelfRat 等人的Advanced DrillinR Solutions :Lessons from the FSU 154-72(2003) 基本上連續(xù)的發(fā)電器也可以是摩擦生電式發(fā)電器，所述摩擦生電式發(fā)電器通過接觸和分離不同的材料產(chǎn)生電能。不同的材料可根據(jù)摩擦電序選擇，所述摩擦電序基于在材料與另一物體接觸時的電荷分離的極性對材料進(jìn)行排序。摩擦電序中的材料包括玻璃、石英、云母、尼龍、鉛、鋁(前面的材料從最佳地產(chǎn)生正電荷到至少產(chǎn)生正電荷排序)、鋼(不帶電)、聚乙烯(甲基丙烯酸甲酯)、琥珀、丙烯酸樹脂、聚苯乙烯、樹脂、硬質(zhì)橡膠、鎳、紅銅、硫磺、黃銅、銀、金、鉬、醋酸鹽、合成橡膠、聚酯、苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯基、硅、 聚四氟乙烯和硅橡膠(前面的材料從至少產(chǎn)生負(fù)電荷到最佳地產(chǎn)生負(fù)電荷排序)。摩擦生電可通過在摩擦電序中選擇彼此遠(yuǎn)離的材料而可被最大化。摩擦電可通過將一種材料連接到旋轉(zhuǎn)裝置例如泥漿馬達(dá)產(chǎn)生。在另一實(shí)施例中，一種摩擦帶電材料可安裝在環(huán)的內(nèi)側(cè)，所述環(huán)適于在鉆柱轉(zhuǎn)動時在鉆柱上滑動。另一摩擦帶電材料可安裝在鉆柱的外部?！獋€或多個能量收集裝置302也可以是散發(fā)性的發(fā)電器，例如壓電發(fā)電器。當(dāng)施加應(yīng)力時，壓電材料產(chǎn)生電能。合適的壓電材料包括塊磷鋁礦(AIPO4)、蔗糖、石英(SiO2)、 羅謝爾鹽(KNaC4H4O6 · 4H20)、黃晶(Al2-SiO4(F, 0H)2)、電氣石礦、磷酸鎵(GaPO4)、蘭克賽 (La3Ga5SiO14)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鉛(PbTiO3)、鋯鈦酸鉛(Pb [ZrxTi1 JO3,0 < χ < 1)、硝酸鉀(KNbO3)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鎢酸鈉(Na2WO3)、Ba2NaNb05、Pb2KNb5015、聚偏氟乙烯(-(CH2CF2)n-)、鈮酸鉀鈉和鉍鐵氧體(BiFeO3)。壓電材料可位于鉆柱中的任何位置處，這是因?yàn)檎麄€鉆柱在鉆探過程中經(jīng)受沖擊和振動。特別合適的位置包括鉆柱、井底組件100、鉆頭105的外側(cè)，或各個鉆柱部件之間的連接器內(nèi)。收發(fā)器304可以是任何能夠發(fā)射和/或接收數(shù)據(jù)的裝置。這種裝置例如包括在極低頻(ELF)、超低頻(SLF)、特低頻(ULF)、甚低頻(VLF)、低頻(LF)、中頻(MF)、高頻(HF)或甚高頻(VHF)范圍下操作的無線電裝置；在特高頻(UHF)、超高頻(SHF)或極高頻(EHF)范圍下操作的微波裝置；在遠(yuǎn)紅外、中紅外或近紅外范圍下操作的紅外線裝置；可見光裝置、 紫外線裝置、X-射線裝置和gamma射線裝置。收發(fā)器304可以附加性地或替代性地通過聲波或超聲波或經(jīng)由鉆井流體(例如，泥漿)中的脈沖序列發(fā)射和/或接收數(shù)據(jù)。泥漿通信系統(tǒng)公開于美國專利公開No. 2006/0131030中，該專利公開通過引用包括在本說明書中。合適的系統(tǒng)可從美國的德克薩斯州的舒格蘭的斯倫貝謝(Schlumberger)技術(shù)公司的商標(biāo)為 P0WERPULSE 的產(chǎn)品獲得。在另一實(shí)施例中，鉆柱的金屬(例如鋼)可用作通信的管道。蓄能器306可以是液氣蓄能器、彈簧蓄能器、電化電池、蓄電池、可充電電池、鉛酸電磁、電容器和/或強(qiáng)制器。液氣蓄能器利用現(xiàn)有電能(例如，來自散發(fā)性的發(fā)電器或基本上連續(xù)的發(fā)電器) 泵送流體(例如，使氣體或液體進(jìn)入壓力罐中)。當(dāng)在隨后的時間點(diǎn)需要電能時，被加壓的流體用于向渦輪機(jī)提供動力，以產(chǎn)生電能。在另一實(shí)施例中，壓縮彈簧增設(shè)到液氣蓄能器中的壓力罐，以向膜片提供壓力，所述膜片向罐中的流體提供基本上恒定的壓力。在另一實(shí)施例中，蓄能器是電化電池，例如蓄電池、可充電電池或鉛酸電池。電化電池由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電動勢(電壓)?？沙潆婋姵氐氖纠ㄣU硫酸蓄電池、堿性電池、鎳鎘(NiCd)電池、鎳氫(NiH2)蓄電池、鎳金屬氫化物電池(NiMH)、鋰離子(Li-ion)電池、鋰離子聚合物(Li-ion polymer)電池等。電容器在一對稱作“板”的導(dǎo)體之間的電場中儲存能量。強(qiáng)制器或“補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)”通過“旋轉(zhuǎn)”轉(zhuǎn)子儲存電能，所述轉(zhuǎn)子隨后可用于在需要動力時轉(zhuǎn)動電機(jī)。強(qiáng)制器描述于美國專利No. 4，200，831中。微控制器308可以是能夠執(zhí)行以下功能中的一種或多種功能的任何硬件和/或軟件裝置(i)控制能量收集裝置302和/或蓄能器306的操作(例如，電能產(chǎn)生)；(ii)處理來自收發(fā)器304和/或傳感器310的數(shù)據(jù)；以及(iii)控制傳感器310與收發(fā)器304之間的通信。微控制器308可包括集成的中央處理單元(CPU)、存儲器(例如，隨機(jī)存取存儲器(RAM)、程序存儲器)和/或能夠執(zhí)行輸入和/或輸出的外圍裝置。存儲器可存儲執(zhí)行上述任務(wù)的一個或多個程序。微控制器308可包括其他結(jié)構(gòu)特征、例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時器(例如，可編程的計(jì)時器)、時間處理單元(TPU)、脈寬調(diào)制器和/或通用異步接收器/發(fā)射器 (UART)。微控制器308可支持中斷，以處理部件例如能量收集裝置302、收發(fā)器304、蓄能器 306和/或傳感器310中產(chǎn)生的事件。中斷可包括錯誤、異常事件，例如超過指定值的傳感
器值等。微控制器308也可控制位于鉆頭105和/或井底組件100內(nèi)和/或鄰近鉆頭105 和/或井底組件100的一個或多個導(dǎo)向裝置(未示出)。導(dǎo)向裝置的選擇性動作可指引鉆頭和/或推動鉆頭，以沿期望方向鉆井。微控制器308可估計(jì)儲存在蓄能器306中的能量。用于估計(jì)儲存的能量的各種方法描述于美國專利 No. 5，565，759 ；6，191，556 ；6，271，647 ；6，449，726 ；6，538，449 ； 6，842，708 ；6，870，349 ；7，295，129 ；和 7，439，745 ；和美國專利公開 No. 2001/0001532 ； 2007/0029974 ；和 2008/0004839 中。微控制器308也可以調(diào)節(jié)從蓄能器306和/或能量收集裝置302的功率流，以保持期望的性能水平和/或持續(xù)時間。例如，微控制器308可選擇性地啟動和/或關(guān)斷收發(fā)器304和/或傳感器310，以保存電能。微控制器308可執(zhí)行一個或多個電能配置計(jì)劃，以基于可從蓄能器306和/或能量收集裝置302獲得的電能量調(diào)節(jié)來自收發(fā)器304和/或傳感器310的信號的頻率和/或傳輸功率。例如，如果蓄能器306具有大約180秒的電能，能量收集裝置302每分鐘產(chǎn)生大約20秒的電能，傳感器310和收發(fā)器304需要大約30秒的電能來獲得和發(fā)射數(shù)據(jù)，則微控制器308可每隔兩分鐘給傳感器310和收發(fā)器304供電，以保持足夠的電能。微控制器308還可例如通過在從傳感器310接收到所需的數(shù)據(jù)之后啟動收發(fā)器優(yōu)化傳感器310和收發(fā)器304的操作，以保存電能。井底控制裝置204可與轉(zhuǎn)發(fā)器206、208和井上通信裝置202同步，以保存電能。例如，每個裝置中的微控制器308可選擇性地以確定的時間間隔(例如，每隔一分鐘、每隔兩分鐘等)給傳感器310和/或收發(fā)器304供電，以發(fā)射和接收數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施例中，井上收發(fā)器連續(xù)地被供電，這是因?yàn)樵撗b置通?？蛇B接到持久電源例如線電壓和/或變壓器， 但對于轉(zhuǎn)發(fā)器206、208和井底通信裝置204，仍可使傳輸與指定時間相協(xié)調(diào)。傳感器310可包括一個或多個裝置，例如三軸線式加速計(jì)和/或磁力計(jì)傳感器，以探測井底組件100的傾度和方位角。傳感器310也可提供地層特性或鉆探動態(tài)數(shù)據(jù)給控制單元。地層特性可包括從超聲成像裝置或核成像裝置、例如美國專利公開No. 2007/0154341 中公開的那些裝置收集的相鄰地層的信息，該專利公開的內(nèi)容通過引用包括在本說明書中。鉆探動態(tài)數(shù)據(jù)可包括井底組件100的振動、加速度、速度和溫度的測量結(jié)果。傳感器310和微控制器308可通過各種有線或無線裝置或標(biāo)準(zhǔn)通信耦合。標(biāo)準(zhǔn)的示例包括并行端口或串行端口、通用串行總線(USB)、USB 2.0、火線(Firewire)、以太網(wǎng)、 千兆位以太網(wǎng)、IEEE 802.11(" Wi_Fi〃 )等。傳感器310可通過能量收集裝置302和/或第二能量收集裝置供電(即，能量收集裝置302以外的能量收集裝置)供電。第二能量收集裝置可以是在此描述的任何能量收集裝置。傳感器310可被散發(fā)性供電，因?yàn)榭色@得足夠的電能。
轉(zhuǎn)發(fā)器206、208可包括與井底通信裝置204類似的部件。這些部件可包括能量收集裝置302、收發(fā)器304、蓄能器306和微處理器308。在許多實(shí)施例中，轉(zhuǎn)發(fā)器206、208不包括傳感器310，但這種實(shí)施例仍處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)發(fā)器206、208可在產(chǎn)生輸出信號之前放大輸入信號和/或整形和/或重定時輸入信號。轉(zhuǎn)發(fā)器的特性可根據(jù)輸入信號的特性變化，這是因?yàn)檎魏椭囟〞r通常僅對數(shù)字信號是合適的。在一些實(shí)施例中，轉(zhuǎn)發(fā)器206、208將以不同的頻率發(fā)送和接收，以避免干擾。轉(zhuǎn)發(fā)器206、208可沿井上和/或井下方向傳遞數(shù)據(jù)。井上控制裝置202可包括與井底通信裝置204類似的部件。這些部件可包括收發(fā)器304和微處理器308。在許多實(shí)施例中，井上控制裝置202不包括傳感器310、能量收集裝置302、蓄能器306，但這種實(shí)施例也處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。井上控制裝置202還可包括附加建模裝置，所述附加建模裝置用于計(jì)算鉆柱的軌跡和監(jiān)測相對于期望軌跡的任何偏差。這種建模裝置可經(jīng)由通信技術(shù)、例如電話線、衛(wèi)星鏈路、移動電話服務(wù)、以太網(wǎng)、WLAN、DSL等連接到另外的建模裝置、數(shù)據(jù)庫等。通過引用加入所有專利、公開的專利申請以及其他在此公開的參考文獻(xiàn)整體上通過引用包括在本說明書中。等同替換本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到或能夠在僅利用常規(guī)實(shí)驗(yàn)的情況下獲得此處描述的本發(fā)明的特定的實(shí)施例的許多等同替換。這種等同替換意欲由權(quán)利要求涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種井底通信裝置，包括第一能量收集裝置；與第一能量收集裝置通信的井底收發(fā)器； 與第一能量收集裝置通信的蓄能器；以及微控制器，其中，所述微控制器管控第一能量收集裝置、收發(fā)器和蓄能器之間的通信。
2.如權(quán)利要求1所述的井底通信裝置，其特征在于，所述井底通信裝置還包括 與微控制器和井底收發(fā)器通信的傳感器。
3.如權(quán)利要求2所述的井底通信裝置，其特征在于，傳感器與微控制器以有線方式通
4.如權(quán)利要求2所述的井底通信裝置，其特征在于，傳感器與微控制器以無線方式通
5.如權(quán)利要求2所述的井底通信裝置，其特征在于，所述井底通信裝置還包括第二能量收集裝置，其中，第二能量收集裝置與所述傳感器通信。
6.如權(quán)利要求1所述的井底通信裝置，其特征在于，所述井底收發(fā)器與遠(yuǎn)離第一井底收發(fā)器的第二井底收發(fā)器通信。
7.如權(quán)利要求1所述的井底通信裝置，其特征在于，第一能量收集裝置是基本上連續(xù)的發(fā)電器。
8.如權(quán)利要求7所述的井底通信裝置，其特征在于，基本上連續(xù)的發(fā)電器是從以下組中選擇的一種或多種摩擦生電式發(fā)電器、電磁發(fā)電器和熱電發(fā)電器。
9.如權(quán)利要求1所述的井底通信裝置，其特征在于，第一能量收集裝置是散發(fā)性的發(fā)電器。
10.如權(quán)利要求9所述的井底通信裝置，其特征在于，散發(fā)性的發(fā)電器是壓電發(fā)電器。
11.如權(quán)利要求1所述的井底通信裝置，其特征在于，所述蓄能器是從以下組中選擇的一種或多種液氣蓄能器、彈簧蓄能器、電化電池、蓄電池、可充電電池、鉛酸電磁、電容器和強(qiáng)制器。
12.如權(quán)利要求1所述的井底通信裝置，其特征在于，微控制器被構(gòu)造用于調(diào)節(jié)從蓄能器的功率釋放。
13.如權(quán)利要求1所述的井底通信裝置，其特征在于，微控制器估計(jì)存儲在蓄能器中的現(xiàn)有能量。
14.如權(quán)利要求1所述的井底通信裝置，其特征在于，井底收發(fā)器從以下組中選擇電收發(fā)器、液壓收發(fā)器和聲收發(fā)器。
15.一種鉆探控制系統(tǒng)，包括井底通信裝置，所述井底通信裝置包括第一能量收集裝置；與第一能量收集裝置通信的第一井底收發(fā)器；與第一能量收集裝置通信的第一蓄能器；第一微控制器，其中，第一微控制器管控第一能量收集裝置、第一井底收發(fā)器和第一蓄能器之間的通信；以及與微控制器和第一井底收發(fā)器通信的傳感器；以及至少一個轉(zhuǎn)發(fā)器，所述轉(zhuǎn)發(fā)器包括第二能量收集裝置；與第二能量收集裝置通信的第二井底收發(fā)器； 與第二能量收集裝置通信的第二蓄能器；以及第二微控制器，其中，第二微控制器管控第二能量收集裝置、第二井底收發(fā)器和第二蓄能器之間的通信。
16.如權(quán)利要求15所述的鉆探控制系統(tǒng)，其特征在于，所述鉆探控制系統(tǒng)還包括 井上通信裝置，所述井上通信裝置包括電源；以及與電源電耦合的接收器。
17.如權(quán)利要求16所述的鉆探控制系統(tǒng)，其特征在于，井上通信裝置還包括 電耦合到電源的發(fā)射器。
18.如權(quán)利要求17所述的鉆探控制系統(tǒng)，其特征在于，井底通信裝置還包括 與微控制器電耦合的接收器。
19.一種井底鉆探的方法，包括 提供井底部件，所述井底部件包括第一能量收集裝置；與第一能量收集裝置通信的第一井底收發(fā)器； 與第一能量收集裝置通信的第一蓄能器；第一微控制器，其中，第一微控制器管控第一能量收集裝置、第一井底收發(fā)器和第一蓄能器之間的通信；以及與第一微控制器和第一井底收發(fā)器通信的傳感器； 提供至少一個轉(zhuǎn)發(fā)器，所述轉(zhuǎn)發(fā)器包括 第二能量收集裝置；與第二能量收集裝置通信的第二井底收發(fā)器； 與第二能量收集裝置通信的第二蓄能器；以及第二微控制器，其中，第二微控制器管控第二能量收集裝置、第二井底收發(fā)器和第二蓄能器之間的通信；提供井上部件，所述井上部件包括 電源；以及電耦合到電源的接收器； 從傳感器獲得鉆探數(shù)據(jù)；將鉆探數(shù)據(jù)從井底部件傳輸?shù)剿鲋辽僖粋€轉(zhuǎn)發(fā)器中的第一個轉(zhuǎn)發(fā)器； 將鉆探數(shù)據(jù)傳遞到任何隨后的轉(zhuǎn)發(fā)器；以及將鉆探數(shù)據(jù)從所述至少一個轉(zhuǎn)發(fā)器中的最后一個轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸?shù)骄喜考?br> 全文摘要
本發(fā)明提供了井底通信裝置及使用該井底通信裝置的方法。本發(fā)明的一個方面提供了一種井底通信裝置，包括第一能量收集裝置、與第一能量收集裝置通信的井底收發(fā)器、與第一能量收集裝置通信的蓄能器以及微控制器。所述微控制器管控第一能量收集裝置、收發(fā)器和蓄能器之間的通信。
文檔編號E21B7/08GK102272406SQ200980153549
公開日2011年12月7日 申請日期2009年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日
發(fā)明者F·J·沙克拉, P·勞登, S·科特索尼斯 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司