备用方向和倾斜传感器及其操作方法 |
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| 申请号 | CN201380072438.4 | 申请日 | 2013-12-06 | 公开(公告)号 | CN105008662A | 公开(公告)日 | 2015-10-28 |
| 申请人 | 开拓工程股份有限公司; | 发明人 | D·A·斯温泽尔; A·W·洛根; 刘继利; M·卡齐米; | ||||
| 摘要 | 本文所描述的实施方式总体涉及目前工业中所采用的方法和设备，该方法和设备用于提供除主方向和倾斜(D&I) 传感器 之外的、将要被收集并传送的D&I信息的备用系统。公开了包括主传感器、备用传感器和 控制器 的井下 探头 组件。主传感器包括被构造为收集与每个 正交 轴X、Y和Z相关的信息的主 加速 计和主 磁强计 。备用传感器包括被构造为收集与每个正交轴X、Y和Z相关的信息的备用加速计，该备用加速计是固态加速计。控制器与主传感器和备用传感器电通信。控制器被构造为接收和处理来自主传感器和备用传感器的信息，使得当主加速计中的一个或多个出现故障时可使用来自备用加速计的信息，其可使钻井操作尽管出现这样的故障也能够继续。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种井下探头组件，该井下探头组件包括： |
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| 说明书全文 | 备用方向和倾斜传感器及其操作方法技术领域[0001] 本发明总体涉及备用方向和倾斜(D&I)传感器和其在诸如随钻测量(measurement-while-drilling：MWD)工具的用于井下钻探的探头上的使用，并且以及操作这种备用D&I传感器的方法。 背景技术[0002] 从地下区域回收碳氢化合物依赖于钻探过程。该过程使用位于地表的具有从地表设备向感兴趣的地层或地下区域延伸的钻柱的钻探设备。钻柱可延伸至地表以下数千英尺或米。钻柱的末端包括用于钻探(或延伸)井孔的钻头。除了这种常规钻探设备之外，系统还依赖于某种钻探流体，在大多数情况下，通过钻柱内部被泵送的钻探“泥浆”冷却以及润滑钻头，然后从钻头流出并携带岩屑返回至地表。泥浆也有助于控制井底压力，并且防止碳氢化合物从地层涌入井孔，这有可能导致地表处的井喷。 [0003] 定向钻探是操纵井远离垂直面以与目标端点相交或遵循规定的路径的过程。在钻柱的末端是井底钻具组件(“bottom-hole-assembly：BHA”)，其包括：1)钻头；2)旋转可操作系统的可操纵井下泥浆马达；3)勘测设备(随钻测井(“Logging While Drilling：LWD”)和/或随钻测量(MWD”))的传感器，其用以评估井下条件以及钻进深度；4)用于遥测传向地表的数据的设备；以及5)其他控制机制，诸如平衡器或重型钻铤。BHA通过金属管道被输送到井孔内。 [0004] 作为可能的钻探活动的示例，MWD设备被用于在钻探期间以近实时模式向地表提供井下传感器和状态信息。由钻井队使用此信息来做出关于如下事项的决定：控制和操纵井，以基于包括租赁边界、现有的井的位置、地层特性以及碳氢化合物的大小和位置的众多因素来优化钻探速度和轨迹。这可包括在钻探过程期间基于从井下传感器所收集的信息在必要时故意使其偏离原先规划的井孔路径。在MWD期间获取实时数据的能力能够实现相对更经济并且更有效的钻探操作。 [0005] 在定向并笔直的(或垂直的)孔中，井的位置必须以合理的精度已知，以确保正确的井轨迹。在延伸井孔的同时，诸如压力、温度以及在三维空间中的井轨迹这样的的物理性质的评估是重要的。测量包括相对于垂直面的倾斜以及方位(罗盘导向)。测量通常在离散点处进行，按照从这些点所计算出的钻孔的一般路径。在井下MWD中，MWD工具随着井被钻探对其进行勘测，并且关于钻头的方位的信息被中继回到地表上的钻探者。测量装置通常包括：用来测量工具的倾斜(例如，垂直是0°倾斜，水平是90°倾斜)的一系列加速度计，和用来测量地球的磁场的一系列磁强计，以确定方位。典型的方向和倾斜(D&I)传感器组件由如下各项一起组成：在三个正交轴的每一个中的三个单轴加速计；和得到三个正交轴和一个通常不使用的冗余轴的两个双轴磁强计。传感器组件还包括相关的数据采集和处理电路。加速计和磁强计在三个互相正交的方向上布置，并且测量地球的磁场和地球的引力的三个互相正交的分量。加速计由悬浮在电磁场中的石英晶体组成；通过需要多少电磁力以维持晶体平衡来测量倾斜。加速计提供相对于垂直面的偏差或倾斜的测量，以及提供工具面或工具的旋转取向的测量。磁强计提供方向或磁导向，以及当BHA处于或接近垂直时它的取向的测量。这些结合的测量组协助钻探者操纵以及计算位置。在大多数情况下，每当钻杆的另一长度被添加到钻柱时，都要进行勘测并将信息发送到地表，并且由MWD的操作员进行解码并转换为钻探者需要用于勘测计算的信息。然后通过假定勘测点之间的一定的轨迹来计算BHA位置。 [0006] 在大多数的井下操作中，往往必须插入或引入仪表、传感器或测试仪器到井孔内，以便获得井孔参数及条件的信息。这样的参数可包括(但不限于)温度、压力、方向参数以及伽马辐射。在被包含在设备内的电路板上或靠近该电路板安装有各种传感器和仪表的电子组件，以获得信息。电路板可被引至或位置上青睐于承载设备的一侧。仪表由于被嵌入到设备内的壁中(并因此被完全封装)而通常受到保护。 [0007] 在MWD中，已知的MWD工具包含基本上相同的D&I传感器组件，用以勘测井孔，但可通过各种遥测方法将数据发送回地表。这样的遥测方法包括(但不限于)使用硬连线钻杆、声学遥测、光纤电缆、泥浆脉冲(MP)遥测和电磁(EM)遥测。在一些井下钻探操作中，可能存在一个以上的遥测系统，该遥测系统用于在井孔遥测系统中的一个发生故障或因其他原因不能正常工作的情况下提供备用系统。在MWD中所使用的传感器通常位于电子探头中或在包含在圆筒形盖或壳体中的仪器组件中，位于钻头附近。地面可回收的探头壳体经受恶劣的井下环境，伴有增加的温度和压力、过大的冲击和振动、以及当钻探流体流过探头时所造成的流体谐波。MWD工具的电子元件和传感器可因此很容易被损坏。 [0008] 在大多数定向钻探的当前应用中，标准的D&I传感器组件包含：用于方向测量的磁通门磁强计和用于倾斜测量的石英挠性加速计；磁强计和加速计在三个正交轴的(X、Y和Z)每一个中进行测量。在任何传感器发生故障的情况下，由于为了继续钻探所有的传感器都必须工作，所以必须拆卸工具来更换或维修发生故障的传感器。工具的拆卸涉及从井孔中取出、更换传感器或整个MWD工具、以及送回，这其中给操作员增加了相当多的时间并增加了钻井成本。D&I传感器(以及特别地，工业标准加速计)是MWD工具的高成本部件，并且在它们经受的极端环境下很容易发生故障。 [0009] MWD传感器经受多个内部和外部影响，其可能引起与它们的使用相关联的错误。一些内部影响包括校准误差、交叉轴灵敏度、温度漂移和输出噪声。外部影响包括BHA偏转、来自周围岩石中磁性矿石的地磁影响、钻柱诱发的干扰以及轴偏差。为了抵消一部分产生的影响，在传感器系统内引入各种校准补偿。误差通常被假定为正态分布在正交三元组中的所有三个传感器之间，但这可能不总是这样的情况。此外，在高温下传感器可能由于温度偏移而偏离校准值，特别是当传感器还受到冲击和振动时。随着探头被布置以及从钻孔中移出，传感器可能经历温度循环。因此，随着时间和使用可能出现校准损失，这可能会导致错误的测量结果。 [0010] 考虑到恒定温度漂移和用于传感器的这种校准的设备，WO 2012/057055描述了用以持续校准井下勘测仪器组件中的磁强计和加速计的需求。WO 2012/142566涉及用于校准来自测井工具(针对其，多个属性中的一个在测井过程中发生变化)的测井测量值的方法。可变的校准函数可以是离散的或连续的以及线性的或非线性的。WO2009/006077描述了一种能够执行现场校准、分析校准数据以及基于所检测的数据调整至少一个参数的校准方法。这些参考文献中的每一个均引入本文。 发明内容[0011] 根据本发明的一个方面,提供了一种井下探头组件，该井下探头组件包括：主传感器、备用传感器、和与该主传感器和该备用传感器进行电通信的控制器。主传感器包括被构造为收集与每个正交轴X、Y和Z相关的信息的主加速计和主磁强计。备用传感器包括被构造为收集与每个正交轴X、Y和Z相关的信息的备用加速计，该备用加速计是固态加速计。控制器被构造为接收和处理来自主传感器和备用传感器的信息，使得当一个或多个主加速计出现故障时可使用来自备用加速计的信息。 [0012] 备用传感器可进一步包括被构造为收集与每个正交轴X、Y和Z相关的信息备用磁强计，控制器可与备用磁强计电通信，并且被构造为接收和处理来自备用磁强计的信息，使得当一个或多个主磁强计发生故障时可使用来自备用磁强计的信息。控制器可被构造成向地表发送信号，以警告操作员主传感器中的一个或多个已经发生故障，并且钻探操作基于来自备用传感器的信息正在继续。 [0013] 井下探头组件可包括井下探头组件模块，该井下探头组件模块包含包封住主体的纵向延伸壳体。备用传感器可附接到该主体。备用传感器可在每个正交轴X、Y和Z中附接到主体。另选地，备用传感器中的一个或多个可在相对正交轴X、Y和Z的偏移位置附接到主体。井下探头组件模块可进一步包括位于壳体的一端的端盖结构。主体可形成端盖结构的一部分，并且可延伸至壳体的一部分内。端盖结构是被构造为分别与井下探头组件的纵向相邻模块的阴端盖结构或阳端盖结构配合的阳端盖结构或阴端盖结构。阳端盖结构和阴端盖结构的配合可使得井下探头组件模块与纵向相邻模块物理且电互连。备用传感器可固定到印刷电路板，并且该印刷电路板可附接到主体。 [0014] 备用传感器可并入在备用传感器模块中，并且该备用传感器模块可被构造用于与井下探头组件的纵向相邻模块互连。备用传感器模块可包括包封住主体的纵向延伸壳体。备用传感器可附接到该主体。备用传感器可在每个正交轴X、Y和Z中附接到主体。另选地，备用传感器中的一个或多个可在相对正交轴X、Y和Z的偏移位置附接到主体。备用传感器模块可进一步包括位于纵向延伸壳体的一端的端盖结构。端盖结构是被构造为分别与井下探头组件的纵向相邻模块的阴端盖结构或阳端盖结构配合的阳端盖结构或阴端盖结构。阳端盖结构和阴端盖结构的配合可使得备用传感器模块与纵向相邻模块物理且电互连。主体可形成端盖结构的一部分，并且可延伸至壳体的一部分内。备用传感器可固定到印刷电路板，并且该印刷电路板可附接到主体。 [0015] 主传感器和备用传感器可并入在传感器模块中。一方面，传感器模块可包括主体，主传感器可附接到该主体，并且备用传感器中的至少一个附接到主传感器中的至少一个。备用传感器可在每个正交轴X、Y和Z中附接到主传感器。另选地，备用传感器中的至少一个可在相对正交轴X、Y和Z的偏移位置附接到主传感器。备用传感器可固定到印刷电路板，并且该印刷电路板可附接到主传感器。另一方面，传感器模块可包括主体，并且主传感器和备用传感器可附接到该主体。备用传感器可在每个正交轴X、Y和Z中附接到主体。另选地，备用传感器中的一个或多个可在相对正交轴X、Y和Z的偏移位置附接到主体。备用传感器可固定到印刷电路板，并且该印刷电路板可附接到主体。备用传感器中的至少一个可在主传感器中的至少一个的背侧上附接到主体，使得备用传感器中的至少一个和主传感器中的至少一个处于相同的正交轴中。 [0016] 根据本发明的另一方面，提供了一种在井下探头组件中使用的端盖结构，该井下探头组件包括被构造为收集与每个正交轴X、Y和Z相关的信息的主加速计和主磁强计。该端盖结构包括：主体，该主体被构造为适配在并延伸到井下探头组件的模块的纵向延伸壳体的一部分内；以及备用传感器，该备用传感器从由备用加速计、备用磁强计及其组合所组成的组中选择。该备用传感器附接到主体，并且被构造为收集与每个正交轴X、Y和Z相关的信息。 [0017] 备用传感器可在每个正交轴X、Y和Z中附接到主体。另选地，备用传感器中的一个或多个可在相对正交轴X、Y和Z的偏移位置附接到主体。备用加速计可以是固态加速计。端盖结构是被构造为分别与井下探头组件的纵向相邻模块的阴端盖结构或阳端盖结构配合的阳端盖结构或阴端盖结构。阳端盖结构和阴端盖结构的配合可使得纵向相邻模块物理且电互连。备用传感器可固定到印刷电路板，并且该印刷电路板可附接到主体。 [0018] 根据本发明的另一方面，提供了一种在井下探头组件中使用的备用传感器模块，该探头组件包括被构造为收集与每个正交轴X、Y和Z相关的信息的主加速计和主磁强计。该备用传感器模块包括：包封住主体的纵向延伸壳体；以及备用传感器，该备用传感器从由备用加速计、备用磁强计及其组合所组成的组中选择。该备用传感器附接到主体，并且被构造为收集与每个正交轴X、Y和Z相关的信息。 [0019] 备用传感器可在每个正交轴X、Y和Z中附接到主体。另选地，备用传感器中的一个或多个可在相对正交轴X、Y和Z的偏移位置附接到主体。备用加速计可以是固态加速计。 [0020] 备用传感器模块可进一步包括位于纵向延伸壳体的一端的端盖结构。该端盖结构是被构造为分别与井下探头组件的纵向相邻模块的阴端盖结构或阳端盖结构配合的阳端盖结构或阴端盖结构。阳端盖结构和阴端盖结构的配合可使得备用传感器模块与纵向相邻模块物理且电互连。主体可形成端盖结构的一部分，并且延伸至壳体的一部分内。备用传感器可固定到印刷电路板，并且该印刷电路板可附接到主体。 [0021] 根据本发明的另一个方面，提供了一种用于井下探头组件的传感器模块。该传感器模块包括主传感器和备用传感器。主传感器包括被构造为收集与每个正交轴X、Y和Z相关的信息的主加速计和主磁强计。备用传感器从由备用加速计、备用磁强计及其组合所组成的组中选择。备用传感器被构造为收集与每个正交轴X、Y和Z相关的信息。备用加速计是固态加速计。 [0022] 传感器模块可进一步包括主体。一方面，主传感器可附接到该主体，并且备用传感器中的至少一个附接到主传感器中的至少一个。备用传感器可在每个正交轴X、Y和Z中附接到主传感器。另选地，备用传感器中的至少一个可在相对正交轴X、Y和Z的偏移位置附接到主传感器。备用传感器可固定到印刷电路板，并且该印刷电路板可附接到主传感器。另一方面，主传感器和备用传感器可附接到主体。备用传感器可在每个正交轴X、Y和Z中附接到主体。另选地，备用传感器中的一个或多个可在相对正交轴X、Y和Z的偏移位置附接到主体。备用传感器可固定到印刷电路板，并且该印刷电路板可附接到主体。备用传感器中的至少一个在主传感器中的至少一个的背侧上可附接到主体，使得备用传感器中的至少一个和主传感器中的至少一个处于相同的正交轴中。 [0023] 根据本发明的另一个方面，提供了一种在井下探头组件中使用的井下探头模块的主体，该井下探头组件包括被构造为收集与每个正交轴X、Y和Z相关的信息的主加速计和主磁强计，该主体包括备用传感器，所述备用传感器附接到主体上，并且被构造为收集与每个正交轴X、Y和Z相关的信息，该备用传感器从由备用加速计、备用磁强计及其组合所组成的组中选择。附图说明 [0025] 图2是根据本发明的实施方式的MWD工具的纵向截面示意图。 [0026] 图3是MWD工具的电子子组件的部件以及该电子子组件与其他部件的电子相互作用的示意性框图。 [0027] 图4是电子子组件的透视图。 [0028] 图5是示出其内部部件的电子子组件的透视图。 [0029] 图6是并入了根据本发明的一个实施方式的备用D&I传感器的阳端盖结构的透视图。 [0030] 图7是根据本发明的另一个实施方式的备用D&I传感器模块的透视图。 [0031] 图8是与D&I传感器模块连接的图7的备用D&I传感器模块的透视图。 [0032] 图9是备用D&I传感器与具有电子子组件的中央处理单元(控制器)的主D&I传感器的相互作用的示意性框图。 [0033] 图10是备用D&I传感器和主D&I传感器的操作方法的示意性流程图。 [0034] 图11是并入了根据本发明的另一个实施方式的备用D&I传感器的改进的D&I传感器模块的透视图。 [0035] 图12A是D&I传感器模块的主加速计的局部透视图，图12B是固定到图12A的D&I传感器模块的主加速计的备用加速计的局部透视图。 [0036] 图13A是D&I传感器模块的主磁强计的局部透视图，图13B是固定到图13A的D&I传感器模块的主磁强计的备用磁强计的局部透视图。 [0037] 图14A和图14B分别是固定到图11的改进的D&I传感器模块的主加速计的备用加速计的整体组装透视图和分解透视图。 [0038] 图15A和图15B分别是固定到图11的改进的D&I传感器模块的主磁强计的备用磁强计的整体组装透视图和分解透视图。 [0039] 图16是并入根据本发明的另一个实施方式的备用D&I传感器的改进的D&I传感器模块的局部透视图。 具体实施方式[0040] 本文所描述的实施方式总体涉及目前工业中所采用的这样的方法和设备，该方法和设备用于提供除来自主方向和倾斜(D&I)传感器的信息之外的要被收集并传送的方向和倾斜(D&I)信息的备用系统。虽然所公开的实施方式具有用于随钻测量(MWD)工具的用途，但是备用系统也可以在任何井下探头或者包含仪表、传感器以及其他易出故障的电子电路连接的工具中使用。 [0041] 设备概述 [0042] 参照附图，具体地参照图1，其示出了根据本发明的实施方式的用于井下钻探装置的井下探头组件7的示意图。井下钻探设备包括：具有钻台2的井架1和便于地面5中的钻杆6旋转的绞车3。钻杆6被包封在套管9内，套管9通过套管接合剂10固定在适当位置中。孔钻探流体11通过泵13被泵下钻杆6，并且在到达钻柱端部的钻头8之前穿过井下探头组件7。环形钻探流体12然后被泵回地表，并且穿过位于地表之上的防喷器(BOP)4。井下探头组件7可以是如图2中所示的MWD工具，然而，在可选实施方式中，井下探头组件 7可以是使用传感器的任何井下探头。 [0043] 参照图2，其示出了根据本发明的实施方式的MWD工具20的示意图。在示出的实施方式中，MWD工具20用于借以生成流体压力脉冲的泥浆脉冲遥测，然而，可选的MWD工具可并入本发明的备用传感器系统，例如但不限于电磁遥测MWD工具。 [0044] MWD工具20位于钻柱的钻铤21内，并且总体包含：壳体24，该壳体包封住D&I模块100或者改进的D&I传感器模块100a或100b，该模块纵向地位移并且与电池组110电子通信；以及脉冲器组件26。该脉冲器组件26驱动包含流体脉冲阀23的流体脉冲发生器30，以便生成被发送到地表并被解码的流体压力脉冲。脉冲器组件26包含与电机组件25电子通信的电子子组件28。 [0045] 电子子组件 [0046] 现在参照图4和5，电子子组件28包含壳体103，该壳体103包封住固定在托架装置(未示出)上的主电路板104。阴端盖结构121适配在壳体103的一端，阳端盖结构120适配在壳体103的另一端。电子子组件28的阴端盖结构121与MWD工具20的邻接模块(诸如电机组件25)的阳端盖结构120配合，而，电子子组件28的阳端盖结构120与MWD20的邻接模块(诸如电池组110)的阴端盖结构121配合。端盖结构120、121将电子子组件28与MWD工具的邻接模块进行物理且电连接。端盖结构120、121的一部分适配在壳体103内，并且锁住壳体103内的托架装置。端盖结构120、121可因此有利地提供附加的结构支撑，以最小化具有主电路板104和其他电子部件的托架装置的径向和轴向移动。托架装置的轴向和径向移动可导致主电路板104和其他部件的损坏，因此，端盖结构120、121可有利地限制由振动和其他井下条件所造成的损坏量。在图5中所示的实施方式中，如将要在下面进行更详细描述的，阳端盖结构120包括备用加速计125以及可选的备用磁强计(未示出)。在另选实施方式(未示出)中，阴端盖结构121可包括备用传感器，并且在另一个另选实施方式中，端盖结构120、121可以只是结构支撑，而不容纳任何备用D&I传感器。 [0047] 主电路板104包括具有焊接在板表面的电子部件的印刷电路板。如图3中所表示的，主电路板104包含数据编码器105、中央处理单元(控制器)106和存储器108，在存储器108存储有可使用来自电池组110的电力由控制器106执行的程序编码。主电路板104从主D&I传感器105以及从备用D&I传感器130接收与钻柱的方向和倾斜相关的信息，同样地从钻井条件传感器模块102接收与钻井条件的测量相关的信息。更具体地，主D&L传感器105、备用D&L传感器130和钻井条件传感器模块102各自与主电路板104电通信，并且将测量数据发送到控制器106。数据编码器105将通过控制器106接收到的信息编码为遥测数据。控制器106然后向电机组件25发送控制信号，以对应于遥测数据使用脉冲生成器30生成压力脉冲。在另选实施方式中，控制器106可发送用于发送诸如EM遥测数据的另选遥测数据的控制信号。 [0048] D&L传感器模块 [0049] 现在参照图9，D&L传感器模块100包括：主D&L传感器105，该主D&L传感器105包括用以测量倾斜的主加速计140和用以测量方位的主磁强计145；以及相关的数据采集和处理电路。对于主加速计140和主磁强计145二者，进行读数，其涉及到三个正交轴X、Y和Z中的每一个。主加速计140和主磁强计145通常位于传感器模块100中，尽可能接近真正的正交轴X、Y和Z，然而一个或多个主加速计140和主磁强计145可以有意或作为机械容差能力的结果而被定位成偏离真正的正交轴。位置偏移通常较小,例如相对于真正的正交轴偏移1或2度，然而偏移可以更大。从主加速计140和主磁强计145读取的读数被发送至控制器106(该控制器106使用校准表来将例如位置偏移或温度漂移等并入)，以提供相关的X、Y和Z读数。指示探头的方向和倾斜的相关的X、Y和Z读数作为遥测数据被发送到地面。主加速计140和主磁强计145是高精度的并且通常昂贵的工业标准传感器。 [0050] 钻井条件传感器模块 [0051] 钻井条件传感器模块102包括这样的传感器，这些传感器安装在电路板上，或者与用于进行诸如温度、压力、方向参数和伽马辐射的钻孔参数和条件的各种测量的电路板通信。这种传感器模块102是在本领域中所熟知的，并因此在这里不进行详细描述。一个或多个钻井条件传感器模块102可按需要根据传感器的类型、功能和设计者的选择被分散遍布整个井下探头组件7。 [0052] 并入了备用D&I传感器的端盖结构 [0053] 现在参照图6，其示出了并入了根据本发明的一个实施方式的备用D&I传感器130的阳端盖结构120。阳端盖结构120包括具有第一段122和第二段123的圆柱形主体。第一段122适配在井下组件模块的壳体的一部分内，诸如，如上参照图4和5所描述的电子子组件28的壳体103，或如下参照图7和8所描述的备用传感器模块180的壳体109。第二段123适配在阴端盖结构121内，并与阴端盖结构121配合，由此使其中适配有端盖结构120、 121的两个邻接模块物理且电连接。环形肩状物124提供这样的表面,壳体109或103抵接在该表面的一侧上,并且阴端盖结构121抵接在该表面的另一侧上。 [0054] 在另选实施方式中，备用D&I传感器130可附接至阴端盖结构121，而不是阳端盖结构120。并入了备用D&I传感器130的阳端盖结构120或阴端盖结构121可适配到井下探头组件7中的任何模块的端部，例如，如图5中所示的电子子组件28，或D&I传感器模块100。并入了备用D&I传感器130的阳端盖结构120或阴端盖结构121也可形成独立的备用D&I传感器模块180的一部分，如下面参照图7和8所描述的。 [0055] 图6中所示的实施方式中的备用D&I传感器130包括固定到端盖结构120的第一段122的主体上的三个备用加速计125a、125b、125c和三个备用磁强计135a、135b、135c，利用三个备用加速计125a、125b、125c和三个备用磁强计135a、135b、135c中的每一个读取与对应于D&I传感器模块100的主加速计140和主磁强计145的三个正交轴(X、Y和Z)中的一个相关的读数。备用加速计中的一个125c和备用磁强计中的一个135c被并排固定到圆形电路板126上，该圆形电路板126上位于第一段122的圆柱形主体的一端。另两个备用加速计125a、125b和备用磁强计135a、135b被固定到长方形电路板127上，该长方形电路板127上被嵌入在第一段122的主体中的长方形凹槽内。电路板126、127通过螺钉128附接到第一段122的主体。电路板126、127可驱动备用加速计125和备用磁强计135，以及充当备用加速计125和备用磁强计135的安装板。在另选实施方式中，备用加速计125和备用磁强计135可通过其他方式附接到第一段122的主体。在其他另选实施方式中，备用磁强计135可被定位成远离备用加速计125，例如在第一段122的主体内部。备用磁强计135可被定位为使得限制它们遇到的磁干扰。在另一个可选实施方式中，可只提供备用加速计125而没有备用磁强计135，或反之亦然。在另一个可选实施方式中，备用传感器130可附接到位于井下探头组件7的模块内的任何地方的主体，并且该主体不需与端盖结构120、 121连接。本发明的创新方面同样适用于诸如这些的实施方式中。端盖结构120也可配备有微处理器、信号调节电路、多通道同步采样模数转换器、串行通信接口、和规范用于电路和处理的其他特征(未示出)。模数转换器可具有可调节的数据采样率、可编程的放大器增益和数字滤波器。 [0056] 端盖结构120、121提供结构支撑以及容纳备用D&I传感器130。端盖结构120也可以通过MWD工具20的物理且电互连模块而节省空间，并因此与传统MWD工具相比，可有利地减小该MWD工具20的长度。 [0057] 备用D&I传感器模块 [0058] 现在参照图7和8，其示出了根据本发明的另一个实施方式的备用D&I传感器模块180。备用D&I传感器模块180包括壳体109，在壳体109的一端安装有阳端盖结构120并且在壳体109的另一端安装有阴端盖结构121。如图6中所示,备用D&I传感器130可并入在阳端盖结构120上，或者在阴端盖结构121(未示出)上。在MWD工具20中，备用D&I传感器模块180可纵向地与相邻的模块连接，例如，在图8中所示的实施方式中，备用D&I传感器模块180与D&I传感器模块100连接。更具体地，备用传感器模块180的阳端盖结构120与D&I传感器模块100的阴端盖结构121配合，以使得两个模块180、100物理且电互连。当备用D&I传感器模块180位于D&I传感器模块100附近时，从备用D&I传感器130和从主D&I传感器105收集的数据转换为MWD工具20的相似配置。 [0059] 在另选实施方式中，备用D&I传感器模块180可以具有不同的构造，并且无需具有端盖结构120、121。备用传感器130可附接到被容纳在备用传感器模块内的主体。本发明的创新方面同样适用于诸如这些的实施方式中。 [0060] 并入了备用D&I传感器的改进的D&I传感器模块 [0061] 现在参照图11至16，其示出了包括根据本发明的其他实施方式的备用D&I传感器130的改进的D&I传感器模块100a、100b。在所示的实施方式中，备用D&I传感器130包括备用加速计125和备用磁强计135，然而在可选实施方式中，可只提供备用加速计125而不需备用磁强计135，或者反之亦然。 [0062] 在图11至15所示的实施方式中，备用加速计125和备用磁强计135被分别直接固定到D&I传感器模块100的主加速计140和主磁强计145上，以制造出改进的D&I传感器模块100a。更具体地，两个备用加速计125a和125b被分别固定到位于改进的D&I传感器模块100a内的两个主加速计140a和140b上。第三个备用加速计(未示出)被固定到位于改进的D&I传感器模块100a内部的第三个主加速计(未示出)上。如图14A和14B中所示，备用加速计125被固定到印刷电路板141上，并且该电路板141位于主加速计140的主体上。电路板141可利用主加速计140提供信号调节并且驱动备用加速计125，以及充当备用加速计125的安装板。两个备用磁强计135a和135b分别被固定到两个主磁强计145a和145b上。主磁强计145a、145b是得到(yielding)三个正交轴和一个通常不被使用的冗余轴的标准双轴磁强计。第三备用磁强计(未示出)可被固定在改进的D&I传感器模块100a内。另选地，备用磁强计135a、135b可具有与主磁强计145a、145b相同的双轴感测。 如图15A和15B中所示，备用磁强计135被固定到印刷电路板142上，并且该电路板142位于主磁强计145的四个支撑柱143上。电路板142可利用主磁强计145提供信号调节并且驱动备用磁强计135，以及充当备用磁强计135的安装板。在另选实施方式中，备用加速计 125和磁强计135可以通过其他方式而不通过印刷电路板141、142附接到主加速计140和磁强计145上，这对于本领域的技术人员是显而易见的。 [0063] 在图16中所示的改进的D&I传感器模块100b中，备用D&I传感器130被并入D&I传感器模块100b中，然而，备用加速计125和备用磁强计135没有直接固定到主加速计140和主磁强计145上,而是取而代之位于模块主体内。在图16中所示的实施方式中，备用加速计125和备用磁强计135被并排固定在印刷电路板144上，并且该电路板144被插入到如下的表面的背侧上的模块主体的机械加工的袋内，主加速计140中的一个位于在该表面上。被固定到附加的电路板144上的附加的备用加速计125和磁强计135可设置在其他主加速计140的背侧上或者主磁强计145的背侧上。电路板144可驱动备用加速计125和磁强计135，并且充当备用加速计125和备用磁强计135的安装板。 [0064] 在另选实施方式中，备用加速计125和备用磁强计135无需在相同的电路板144上，而是可以固定到分离的电路板上，使备用加速计125设置在主加速计140的背侧上，并且备用磁强计135设置在主磁强计145的背侧上。在另一个可选实施方式中，备用加速计125和/或备用磁强计135可设置在D&I传感器模块内的任何地方，并且无需在主加速计 140和/或磁强计145的背侧上。备用磁强计135可被定位使得限制它们遇到的磁干扰。 [0065] 备用D&I传感器的操作 [0066] 备用加速计125通常是比主加速计140成本更低的传感器；备用加速计125通常不太精确，但是与在D&I传感器模块100中所使用的主加速计140相比更可靠并且更不TM容易出错。这种备用加速计125可以是固态传感器，诸如但不限于Colibrys MS8000 或TM MS9000 MEMS加速计。备用磁强计135可以是与主磁强计145相同类型的磁强计，或者它们可以是更低成本的磁强计，其通常不太精确，但是与在D&I传感器模块100中所使用的主磁强计145相比更可靠并且更不容易出错。可被用作备用磁强计135的示例性磁强计包括但不限于：来自德国Stefan Mayer Instruments的微型三轴磁通门传感器FLC 3-70、固态磁强计、质子旋进磁强计、泵送钾磁强计或其他本领域已知的磁强计。备用D&I传感器130可被定位为尽可能靠近真正的正交轴X、Y和Z。然而一个或多个备用加速计125或备用磁强计135可定位成偏离真正的正交轴，如下所详细描述的。 [0067] 在探头组件7位于井下之前，可进行校准试验以确定不同的物理和环境因素(例如，备用D&I传感器130的偏移位置和温度漂移)对传感器读数的影响。当井下探头组件7位于井下用以确定在井下操作期间探头组件的真正定向时，可通过控制器106利用来自校准试验结果的一个或多个校准表来处理从备用D&I传感器130读取的读数。例如，在改进的D&I传感器模块100a、100b中、在备用D&I传感器模块180中、在端盖结构120、121中或者在并入了备用D&I传感器130的其他结构中，可将一个或多个备用D&I传感器130定位成偏离真正的X、Y和Z正交轴。如本领域中所已知的，在校准试验期间，D&I传感器模块 100a、100b、180或端盖结构120、121被定位在校准台上的真正的正交轴X、Y和Z中。针对每一个正交轴读取来自每一个备用D&I传感器130的电压读数。可以将这些电压读数与由传感器的制造商提供的输出电压设置进行比较，以确定在所获得的电压读数与制造商针对该传感器指定的输出电压之间是否存在差异。这个电压差(如果有的话)是偏移电压(电偏移)，其对应于该特定备用D&I传感器130相对于正交轴的物理偏移。当井下探头组件7位于井下时，控制器106可被编程，以考虑针对从备用D&I传感器130获得的电压输出读数的偏移电压因素，以计算与正交轴X、Y和Z相关的视在(apparent)电压读数。可通过控制器106对该视在电压读数进行分析，并且针对诸如温度漂移的环境因素以及实时确定的每个备用D&I传感器130的真实定向对该视在电压读数进行校准；其信息可作为遥测数据发送至地表。当一个或多个传感器不在真正的正交调校(alignment)中时,传感器的电偏移与该传感器的物理偏移的链接或关联可用于来自备用D&I传感器130的数据的精确分析以及判读。这有利地提供了备用D&I传感器130的定位的灵活性,使得传感器可被加入到受限的空间区域，而不必在真正的正交调校中。在改进的D&I传感器模块100a、100b中、在备用D&I传感器模块180中、在端盖结构120、121中或者在并入了备用D&I传感器130的其他结构中可，有意地加工或制造备用D&I传感器130的位置偏移，以有助于MWD工具的布局。 可构造D&I传感器模块100a、100b、180、端盖结构120、121或包含备用D&I传感器130的其他结构，以及与场外相关联的并且然后被容易并入到现场井下探头组件7中的传感器。 [0068] 也可在井下探头组件7进入井下之前，执行备用D&I传感器130和主D&I传感器105的全交叉校准。可在温度变化下进行校准，以确定温度漂移的影响。这种校准在本领域内是已知的，例如，R.Estes等.Society of Petroleum Engineers(SPE)19546；以及美国专利公开2009/0157341，这两篇文献以引用的方式并入本文。 [0069] 现在参照图9，在操作期间，来自包含与X、Y和Z轴相关的主加速计140和与X、Y和Z轴相关的主磁强计145的主D&I传感器105的信息被过滤、放大并通过模数转换器150转换为数字信息。每个主D&I传感器105独立地从其他主D&I传感器105收集信息。但同时，来自包含与X、Y和Z轴相关的备用加速计125和与X、Y和Z轴相关的备用磁强计135的备用D&I传感器130的独立信息被过滤、放大并通过模数转换器150转换为数字信息。每个备用D&I传感器130独立地从其他备用D&I传感器130收集信息。模数转换器150可以是用于转换来自主D&I传感器105和备用D&I传感器130二者的信息的相同转换器，或者可以采用不同的数模转换器。如上面参照图3所讨论的，来自备用D&I传感器和主D&I传感器二者的数字信息被电发送至电子子组件28的主电路板104的控制器106。可连续地或间歇地从主D&I传感器105、从备用D&I传感器130或从主D&I传感器105和备用D&I传感器130二者收集信息。信息的间歇收集可节省电池电量。在当前实践中，通常开启主D&I传感器105以获取周期性勘测信息，例如在钻杆的新部分的每一个连接处。也可开启备用D&I传感器130用于这种周期性勘测，但是无需开启其用于工具面测量。 [0070] 现在参照图10，其示出了根据本发明的实施方式的包括主D&I传感器105和备用D&I传感器130的井下探头组件的操作方法的示意性流程图。在操作期间，连续地或周期地进行传感器功能性评估200。传感器功能性评估200包括现场资格审核210，其中将来自井下每个主D&I传感器105的信息与预期的读数或其他值进行比较，以确定该信息是否在预定的限制或范围内。 [0071] 如果主D&I传感器信息在预定的范围之内(通过)，则然后将主D&I传感器信息与来自每个备用D&I传感器130的信息进行比较，用于备用资格审核220。如果主D&I传感器信息在预定的范围之外(失败)，则然后通过评估与该各个主D&I传感器105的先前读数的偏差，并且将其与来自相应备用D&I传感器130的各个读数进行比较，来并针对每个主D&I传感器105进行各个传感器审核250。如果主D&I传感器105中的一个在各个传感器审核250中失败，则然后用来自相应备用D&I传感器130的信息替代有问题的传感器信息，并且进行另一个现场资格审核210a，以确定该备用信息是否在预定的范围内。 [0072] 如果该备用信息在另一个现场资格审核210a中失败，则然后向地表处的操作员发送指示定向故障的警告270，其使得必须将主D&I传感器105从井孔中取出来进行维修或者更换。如果备用信息通过了另一个现场资格审核210a，则然后向地表处的操作员发送指示该来自备用D&I传感器130的信息取代来自主D&I传感器105的信息而被利用的警告260。操作员也可以被警告关于主D&I传感器105的审核已经失败。即使只存在一个主D&I传感器105的故障，也可替代来自主D&I传感器105的信息而利用来自所有备用D&I传感器130的信息，以确保存在相对应的调校(aligned)的传感器信息。在地表处，当使用来自备用D&I传感器130的信息而不是来自主D&I传感器105的信息时，操作员将意识到需要针对精确性的更高的容差。操作员可监控备用D&I传感器信息的不确定性级别，并且如果该不确定性级别对于容差而言变得太高时，可作出决定将故障的主D&I传感器105从井孔中取出来进行更换或者维修。否则，钻井操作可继续使用来自备用D&I传感器130的信息直到预定的取出安排。 [0073] 因此，在一个或多个主D&I传感器105故障的情况下，备用D&I传感器130提供备用系统，该备用系统是有成本效益的，并且有效提供D&I测量，尽管精度较低。备用D&I传感器130可以不易损坏，并因此比主D&I传感器105更可靠。如果主D&I传感器105中的一个存在故障，则将仍需将主D&I传感器105从井孔取出来进行更换或者维修，然而因为备用D&I传感器130提供继续钻井操作所需的另选D&I信息，所以可推迟取出直到方便的时间。因此，该系统给操作员提供了关于主D&I传感器的故障的知识，以及如何在主D&I传感器故障之前执行备用D&I传感器130，以便当出现需要单独依靠备用D&I传感器130时灌注关于来自备用D&I传感器130的信息的精确性的信心。每一次取出之后，需要重新勘测，然而该重新勘测可对备用D&I传感器信息进行检查，以获取位置。作为无需取出更换故障的主D&I传感器105的结果，可减少现场时间。可持续钻井直至计划的取出井孔的安排，从而避免不必要的取出，并降低操作成本。 [0074] 在另选实施方式中(未示出)，备用传感器也可以在井下探头组件中所利用的其他传感器采用，例如，用于被包括在钻井条件传感器模块上的传感器的备用传感器。 |
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