井下传感器接口 【技术领域】
文中所述的实施方式涉及用于油田钻井应用中的井下的传感器。特别的， 将特别 详细的说明用于电气联接这种传感器的接口。背景技术
在油田工业中， 钻井应用中常常使用多种耦接到井下设备的传感器， 以在给定的 过程中提供关于井或设备的信息。例如， 监控温度、 压力和其它井况， 同时读取与设备自身 有关的信息。这些设备读取的信息可以包括钻井应用中监测到的给予设备的负载和 / 或压 力。
井下设备可以包括井下牵引器， 例如， 驱动井下工具穿过油田中水平或高度偏移 的钻井。 在这种方式下， 工具可以放置在钻井需要的位置而不用理会这类井的非竖直属性。 例如， 往复式或 “被动式” 牵引器可以被应用， 其可以用于使用驱动锚分离邻接的探测器， 从 而互换的耦接井壁。也就是， 探测器可选的用锚固定在钻孔中保护井壁并进一步以尺蠖状 态穿过钻井。可选的， “主动式” 或 “连续式” 移动牵引器使用其上具有驱动牵引部件的牵引 臂。这种驱动牵引部件包括轮、 凸轮、 垫、 导轨或链。使用这种牵引器， 驱动牵引部件可以在 钻孔中连续移动包括接口， 因而驱动牵引器穿过钻井。
不考虑所选择的牵引器配置方式， 牵引器， 连同几千磅的设备一起， 可以被拉入钻 井几千英尺以在井下的井的需要的位置实施操作。 在这种实施的整个过程中使用上文所提 及的传感器来监控井和 / 或设备的状态是有特殊好处的。例如， 当设备在钻井中的位置越 来越深时， 牵引器装置的负载可以接近一个超过牵引器负载能力的水平。 因此， 监控负载可 以在执行这种操作的过程中扮演一个非常重要的角色。因此， 负载传感器可以结合到牵引 器装置中。
不过是否加载， 压力或其它被监测的状况， 传感器很可能处于常规的拉紧测量状 态。通常， 这包括传感器和微处理器之间通信的四条导线的使用。这些导线包括两根出口 导线， 一根用于供电， 另一根用于接地。 同样具有两根输出导线以在传感器和微处理器之间 进行数据传输。
在井下牵引器中可利用的空间带来额外的费用。也就是， 钻井可能具有小于 12 英 寸的直径以用于工作。因此， 牵引器的外形是最小的。结果， 牵引器的个体的特征也同样要 减小尺寸。同样的情况可能发生在所用关联牵引器的设备上。实际上， 甚至在井下中使用 的导线的量都必须保持最小值。 例如， 当井下传感器如上文所述被使用时， 井下微处理器可 以靠近传感器放置。在这种情况下， 导线的量将被保持在最小值。在是特别有利的在井下 传感器很可能使用大量导线的情况下， 通常是四根， 如上文所述。
不幸的是， 即使当微处理器和传感器之间的距离相对较短时， 大量的导线仍可能 存在于这个距离中。例如， 传感器和微处理器之间不大于 4 英寸的分隔仍带来最少 16 英寸 的导线， 因为传感器所用的大量导线。 结果， 很多牵引器装置因为保存空间而无法使用井下 传感器。这种情况特别存在于需要改进以容纳这种传感器的装置中。发明内容 一种用于使用在钻井井下的电子组件被描述。 所述组件包括处理器和从那里发出 的电源线。同样还具有测量有关钻井状态的传感器。因此， 还设置有耦接传感器和电源线 的接口以允许处理器和传感器之间通过电源线进行电力和数据传输。
附图说明
图 1 是使用井下传感器接口实施方式的井下组件的侧剖视图 ；
图 2 是图 1 中井下传感器接口显示电源线和多线耦接的透视图 ；
图 3A 是图 1 中井下装置的示意表示， 焦点在图 2 中耦接件的电气特性 ；
图 3B 是由图 1 中井下接口实施的电气应用程序流程实施方式的结构图 ；
图 4 是图 1 中使用在油田钻井中的井下组件的整体透视图 ；
图 5 是使用井下传感器接口的实施方式的概要框图。 具体实施方式
参照特定的井下设备而说明井下传感器接口的实施方式。实际上， 焦点集中在使 用传感器接口的实施方式的井下牵引器装置。特别的， 在本申请的很多附图中描述的是往 复式井下牵引器组件。然而， 很多类型的井下设备可以使用耦接到传感器接口的实施方式 的传感器， 如此处所述。井下传感器接口的实施方式被配置为同时联接常规的井下传感器 的多线部分和微处理器的单一电源线。 这样， 数据和电力可以同时通过电源线传输， 以此减 少使用在组件中的线路总量。 结果， 任何数量的井下设备都可以安装传感器， 安装方式采用 通过此处实施例所给出的减少电线需求的优点的方式。特别的， 主动和 / 或干涉设备例如 牵引器、 套管偏移组件和其它常常缺乏传感器特征的设备可以通过此处接口实施方式的传 感器能力更容易的适应或改造。
现在参见附图 1， 井下传感器接口 100 的实施方式包含在往复式牵引器 400 的轴 115 中， 靠近其井下探测器 175( 参见附图 4)。传感器 103 接口 100 一端耦接传感器多线接 头 102， 所述多线接头在下文中详细描述。接口 100 的另一端耦接井下微处理器 104 的电 源线 101， 井下微处理器 104 配置用来指令和解释来自传感器 103 的信号。因此， 井下传感 器接口 100 允许以这种方式提供单独整体电源线 101 与多线接头 102 接口， 允许微处理器 104 和传感器 103 之间进行有效的电力和数据通讯。
使用所述井下传感器接口 100 允许传感器 103 和微处理器 104 之间导线总量保持 最少。也就是说， 所有多线接头 102， 数量大约是 4 条， 不用在传感器 103 和微处理器 104 之 间的总体长度上运行。如下所述， 这通过以下技术获得， 即电压变换到频率信号， 该频率信 号通过电源线 101 传输到微处理器 104 同时电力沿着同一条线 101 传输到传感器 103。
如附图 1 所示， 微处理器 104 包含在轴 115 中， 相对于传感器 103 位于探测器 175 的相对侧， 大约几英尺距离。因此， 鉴于如下所述的探测器 175 的机械加工并以及有限的可 用空间量， 用于传感器和微处理器 104 之间电气耦接的单一电源线 101 特别具有优势。然 而， 如下所述， 即使在微处理器 104 放置在更靠近传感器 103 的其它实施方式中， 布线减少 也将具有重要的价值。在另外的实施方式中， 微处理器 104 和传感器 103 定位更加彼此靠近， 最初大约小 于 3 英寸距离， 但配置为允许相对于彼此改变位置。这将是有利的， 例如， 井下设备倾向于 一定程度的变形的情况下。同样的， 在传感器 103 是一定程度上对压力变化产生物理响应 的压力传感器的情况下， 也是有利的。无论如何， 在此实施方式中， 传感器 103 和微处理器 104 之间的电源线 101 配置为可伸长的盘卷以允许特征件 (103， 104) 相对于彼此改变位置。 这种耦接类型可见于美国专利 US6396414。 即使位置互相靠近， 使用多线来提供这种通信对 于上述盘卷构造来说也是一项重大挑战。因此， 在传感器 103 和微处理器 104 之间的使用 单一电源线 101 可以更容易地允许采用有效的盘卷配置。
继续参见附图 1， 牵引器探测器 175 的结构和与传感器 103 的关系将被详细描述。 也就是， 如图所示， 传感器 103 配置成监测由活塞 110 限定的腔室 122 中的压力。合在一 起， 所述特征件 (103， 110， 122) 作为力监测机构， 可以用来调节探测器 175 和钻井 180 的壁 部 185 之间的物理相互作用。也就是， 如图所示， 探测器 175 装备有弓簧 144， 所述弓簧包 括抓取鞍 124， 以在耦接到活塞 110 的臂 135 被促动的过程中抓取壁 185。然而， 在任何给 出的位置处井 180 的直径可能会影响抓取鞍 124 和壁 185 之间的结合部产生的力的大小。 因此， 如下所述， 传感器 103、 活塞 110 和腔室 122 可以使用以监测这种力帮助减少弓簧 144 欠扩张和探测器 175 滑移的可能性。相似的， 这些特征 103， 110， 122 可以使用以帮助减少 弓簧 144 以破坏弓簧 144 或壁 185 的方式发生过度扩张的可能性 ( 并且包括避免通过将弓 簧 144 沉入壁 185 而无法移动 )。 继续参见附图 1， 传感器 103 是一种如常规螺线管或换能器的压力传感器。 如所述 的， 传感器 103 配置来监测腔室 122 中的压力变化。例如， 当牵引器 400 移动穿过井时， 在 井 180 的直径减少的地方， 弓簧 144 上的力增加 ( 参见附图 4)。如此， 活塞 110 被强制朝着 腔室 122 移动以增加其中的液压力。如所注意到的， 这种情况以可以被传感器 103 监测的 方式发生。例如， 腔室中的压力可以在 20000-40000psi 附近。与这个压力相关的信息可以 最终由微处理器 104 记录并解释以粗略地确定通过弓簧 144 传输的力的大小。因此， 在适 用的地方， 当监测到的力大于或小于预先确定的可接受的值时， 可以执行正确的动作。
如上所述， 信息可用被采用以控制通过弓簧 144 传输的力的大小从而减少在牵引 过程中对井壁 185 的破坏。例如， 一旦得到的信息指示力超出了预先确定的量， 则处理器 104 可以被采用以引导流体通过传统组件从腔室 122 中释放出来。 以这种方式， 活塞 110 上 的压力， 和最终通过弓簧 144 传输的力， 可以被减少。
同时参见附图 4， 井下探测器 175 是大型往复式牵引器装置 400 的一部分， 该牵引 装置 400 同样包括上井探测器 475。当通过地层 195 驱动时， 探测器 175， 475 一起可交换地 接合井 180 的壁 185， 牵引几千磅的设备负载。当探测器 175， 475 中的一个接合壁 185 以做 尺蠖状运动时， 可以采用预先确定量的力， 例如， 大约 5000psi。以这种方式， 在探测器 175， 475 的工作行程中， 足够的， 但不是破坏性的数量的力通过锚固弓簧 144 传输。
在上述的一个实施方式中， 一旦传感器 103 监测到力大于预先确定的值， 大约 5000psi， 微处理器 104 可以实现从腔室 122 中排泄或释放流体。相同的， 一旦小于大约 5000psi 的力被监测到， 微处理器 104 可以引导向腔室 122 加压或填充。 总之， 通过弓簧 144 的力为大约 4800psi 到 5200psi 之间的窗口可以在给定的探测器 175， 475 的工作行程期间 或接合期间被保持。
在上述实施例中， 工作行程表示给定的探测器 175， 475 借助弓簧 144 传递的力锚 固到井壁 185 上的时间期间。这种锚固力最终由微处理器 104 通过传感器 103 并通过接口 100 监测。在牵引器 100 往复过程中的其它时间里， 然而， 给定的探测器 175， 475 可以有意 地被允许相对井壁 185 滑动。在这种 “返回” 行程中， 可接受的压力阀值可以不同。然而， 压力仍然可以被微处理器 104 通过传感器 103 和接口 100 在这个时间内监测。
现在继续参见附图 2， 同时参见附图 1， 其描述了井下传感器接口 100 的透视图。 接 口封装件可以在长度上小于大约两英寸， 在高度上小于大约半英寸。因此， 传感器接口 100 足够小以包含到轴 115 内的靠近牵引器 400 的探测器 157 的位置 ( 同样参见附图 4)。另 外， 给定的井下环境， 接口 100 可以被定级为工作温度大于大约 150℃。
传感器接口 100 安装有引线连接器 275， 如图所示。 假设传感器 103 可以包括多线 引线 102， 正如传统应变测量传感器所共有， 可以装备引线连接器 275 用于这种多线耦接。 如附图 2 所示， 多线引线 102 可以包括两根输入引线 205， 一根用于电源而另一根用于地线。 另外， 可以设置两根输出引线 207 用于向井上传输通过传感器 103 得到的数据。引线连接 器配置成适合所有的这种引线 102。
传感器接口同样包括用于容纳井下电路 200 的中心壳体 250。电路 200 配置用来 有效地将上述的多线引线 102 的性质转化为单线方案 ( 即通过电源线 101)。如此， 使用的 导线的量可以减少， 如上所述的。 电路 200 实现转换的方式将在下面通过参考附图 3A 和 3B 进行详细描述。 在示出的实施方式中， 电路 200 可以配置成适配来自电源线 101 的最高 20V 的电压。另外， 如电路 200 所控制， 最高 1.5MHz 的频率信号可以在电源线 101 上传输回井 上。 继续参见附图 2， 传感器接口包括电源线耦接件 225， 该耦接件在其中接收电源线 101。耦接件 225 允许电源线 101 和电路 200 进行电子接口， 如上所述。因此， 来自电源线 101 的电力可以向井下传输， 超过电路 200， 经过输入引线 205 并最后到达附图 1 中的传感 器 3。相似的， 从传感器 103 获得的数据最终通过电源线 101 传送回井上。
现在参见附图 3A， 其显示了图 1 中组件的示意图。特别的， 描述了传感器接口 100 的电子耦接件。也就是， 如上所述， 电压 ( 参见箭头 325) 通过电源线 101 供应并导向到传 感器 103。 根据供应的电压的量， 接口 100 可以用来调低通过多线引线 102 供应并送往传感 器 103 的电压 ( 参见箭头 350)。
加电的传感器 103 可以使用在如附图 1 所示的井下环境中， 例如用于监控压力。 根 据此时由传感器 103 得到的传感器信息， 电压可以通过多线引线 102 传回并由接口 100 处 理。这种情况下， 传感器接口 100 可以将这种基于电压的信号转换成为频率 ( 即箭头 300 处的 Hz)。因此， 尽管电压沿同一线路 101 同时输入 ( 参见箭头 325)， 由传感器 103 监测到 的与井下状态有关的信息也能通过电源线 101 传送回来。这样， 组件使用过程中所需的导 线量减少。
继续参见图 3B， 显示了图 3B 中井下传感器接口 100 的电子应用程序的框图。例 如， 从 “传感器” 开始， 送达的店里进行调节， 正如框图 “电源调节” 中所示。更具体地说， 在 一个实施方式中， 超出大约 10V 的电压被调低到不超过大约 5V( 到传感器 )。 通电的传感器 可以跟着获得读数， 例如压力。例如， 在传统的应变测量传感器设置中， 20000-40000PIS 的 压强可以被读取为 200-400mV。随着该信息被监测到， 可以变换成较小的电压量程， 如在框
图中 “运算放大器变量增益” 所示。
在一个实施方式中， 采用 “运算放大器变量增益” 的将读取的较大 mV 读数转换为 0-2.5V 的量程。随后， 可以实施频率调制， 如框图 “频率调制” 所示。例如， 读取的电压可以 转换为频率。在一个实施方式中， 采用了调制应用程序之后所用的频率范围大约从 50KHz 到 1.5MHz。无论如何， 一旦调制， 频率信息可以通过电源线传回 ( 如框图中标明 “直流耦 合” )。因此， 这些频率读取可以被微处理器获得并且处理， 如上详细描述。
现在参见附图 4， 图中示出用在油田 490 的井 180 中的图 1 所示井下组件的整体透 视图。如图所示， 井 180 穿过多种地层 195， 495。使用图 1 中的组件的牵引器 400 通过常 用的钢缆 450 从油田 490 的表面开始铺设。当然， 也可以采用其它形式的井进出线缆。如 图 4 所示， 几千英尺长的这种钢缆 450 可以从布线设备 425 延伸， 通过井头 430 并到达牵引 器 400， 如图所示。设备包括常用的布线卡车 415， 所述布线卡车配置用来容纳从中抽出钢 缆 450 的滚筒 417。在显示的实施方式中， 控制设备 419 同样以卡车 415 的形式提供， 以指 导钢缆 450 铺设以及相关牵引。
往复式牵引器 400 使用具有文中所述传感器和接口的井下探测器 175， 该往复式 牵引器 400 在向所示位置传输井下工具 460 例如测井工具时， 可以进行特别适配。例如， 所 述位置可能是一个相对难以到达的位置， 例如地面几千英尺下的平行井部分， 如图所示。 在 这种环境下， 被牵引器 400 牵引的负载量可能会超过几千磅并随着牵引器 400 继续深入到 井 180 中持续增加。因此， 借助上文详细描述的组件监测拉伸和 / 或压力对井 180 和牵引 器 400 有显著的好处。因此， 如上所述减少布线以容纳传感器和接口的优势可以为持续井 下操作带来显著的好处。在翻新牵引器或其它设备以容纳调整传感器和接口时， 恰好就是 这种情况。
现在参见附图 5， 描述了概括说明使用井下传感器接口的实施方式的流程图。 也就 是， 传感器可以是较大组件的一部分， 该较大组件如 515 所示和以上参照图 4 所述， 铺设在 井下。如 530 所表示的， 电力可以通过单一的电源线沿着一个方向供给， 例如， 从井下微处 理器发出并朝向传感器接口。 这种电力可以调节到预先确定的水平并且随后传感器被使用 来监测井或设备自身的状况， 如 545 和 560 所示。
如所注意的， 传感器可以使用以监测所述组件的状况， 如 560 所表示。这在上文中 被很详细的描述， 其中在井下过程中使用传感器监测通过弓簧输入给牵引器的压力。 然而， 传感器同样可以监测井自身的状况。 例如， 在另一个实施方式中， 传感器可以是测井工具的 一部分。
现在继续参见附图 5， 由传感器获得的信息可以转换为频率信息， 如 575 所表示。 因此， 此信息可以通过相同的电源线以相反于如上所述电力输入的方向送回， 如 590 所表 示的。因此， 进入传感器接口和从传感器接口发出的布线量被保持在最小值。
上述实施方式允许传感器包含在可用空间最小的井下组件中。 这通过使用一种传 感器接口来实现， 这种传感器使得采用基于应变测量的传感器所需的布线量最小。这样的 实施方式对于使用传统上无法为传感器功能留下空间因此可能需要改造的牵引器和其他 组件具有特别的好处。
前述的描述通过参照本发明的优选实施方式给出。 本领域技术人员可以在不有意 离开本发明主旨的情况下对所述结构和操作方法进行改变和变换。例如， 压力传感器之外的应变测量传感器， 例如拉力监测器可以使用如上所述的传感器接口。 无论如何， 前述的描 述并不能理解为仅适用于所描述和显示在所附的附图中的特定结构， 而应理解为与下述权 利权利要求书一致并支持下述权利要求， 其具有最完整和最客观的保护范围。