无内部引线的水听器的制作方法

本公开描述了一种新的传感器构造，并且更具体地是描述了一种水听器配置，在一个实施方案中，这种水听器配置可以用于随钻测井(lwd)系统。

发明背景

水听器和其它压力脉冲传感器存在许多应用。水听器的一个常见用途是用于声纳检测装置，像用于检测潜艇的那些装置。水听器使用变换器将压力波(例如，声音)转换为电信号。水听器现在用于许多环境。它们目前用于各种领域，诸如在深海中测量地震活动，和在油井中测量流体特性。虽然如所描述的传感器将在它们在油井中的使用的上下文中论述，但是它们可以在将使用典型的水听器的任何环境中并且在之前因传统的水听器的脆弱性而无法使用这种传统的水听器来研究的一些环境中使用。

不幸的是，传统的水听器和其它压力传感器是脆弱的。它们通常不会很好地响应于低频压力波，并且会对携带传感器的工具的移动敏感。脆弱性和工具移动敏感性问题在任何环境中都不期望，但是在常常存在工具移动、冲击和振动、温度极限和腐蚀性泥浆流的油井或井下环境中尤其有害。另外，在井下信号传输系统中使用压力传感器的情况下，极不期望缺乏低频响应，因为已知压力脉冲在低频下衰减得少得多，并且因此低频信号可被传输更大距离。因此，提供一种稳健且对环境波动不太敏感的压力传感器将是本领域的显着改进。

当结合附图考虑以下详细描述时，可以获得对各种公开的系统和方法实施方案的更好理解。

附图简述

图1是根据说明性实施方案的随钻测井环境的示意图；

图2是根据说明性实施方案的测井环境的示意图；

图3是根据说明性实施方案的圆柱形水听器；

图4是根据说明性实施方案的被封闭在稳定护套中的圆柱形水听器；

图5是图3的水听器和图4的稳定护套的剖切图；

图6和图7是图3的水听器的电连接的放大图；

图8示出了根据一个说明性实施方案的位于稳定圆柱上的开口的一种分布；

图9示出了如透过稳定护套看到的图3的水听器。

详细描述

以下论述针对本发明的各种实施方案。附图不一定按比例绘制。各实施方案的某些特征可以夸张比例或以在某种程度上示意性的形式示出，并且为清楚和简明起见，可不示出常规元件中的一些细节。尽管这些实施方案中的一个或多个可以是优选的，但是所公开的实施方案不应被解释为或以其它方式用于限制本公开(包括权利要求)的范围。应完全认识到，以下论述的实施方案的不同教示可单独地或以任何合适组合用来产生期望结果。另外，本领域的技术人员将会理解，以下描述具有广泛应用，并且对任何实施方案的论述仅意味着作为该实施方案的示例，而不旨在暗示本公开(包括权利要求)的范围限于这个实施方案。

在整个以下描述和权利要求中使用某些术语指代特定的特征或部件。如本领域的技术人员将了解，不同的人会用不同名称指代相同的特征或部件。本文档不打算区分名称不同但结构或功能相同的部件或特征。

在以下论述中和在权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放性方式使用，并且因此应当被解释为表示“包括但不限于”。使用“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”和这些术语的变型是为方便，但不需要对部件的任何特定取向。

本文论述的水听器可以在用于确定井下环境中的性质的各种上下文中使用。举例来说，它可包括在工具中，用于接收从表面作为压力脉冲传输的信号，它可在传感器中使用，用于监测在井筒中形成压力波的地震信号，它可包括在钻柱中，用于监测在钻井期间的动态压力波。实施方案可以用于确定随钻测井(lwd)环境、有线或其它测井环境、以及海洋地震和声纳环境中的性质。构想其它应用，包括非钻井的应用。

图1是根据说明性实施方案的随钻测井环境100的示意图。lwd也可称为随钻测量(mwd)。钻井平台5被配备有井架10，井架支撑起重机15。钻机操作人员使用钻杆20钻出油井或天然气井以用于生产或勘探。起重机15悬吊于顶部驱动器25上，顶部驱动器在其降低钻柱20以使钻柱穿过井口30时旋转钻柱20。连接到钻柱20的下端的是钻头35。借助使用在钻头35附近的井下马达或使用顶部驱动器25，或者借助两种方法，旋转钻头35并且通过旋转钻柱20完成钻井。

在一个实施方案中，再循环设备40通过流动管线80将钻井泥浆或其它流体泵送到井架10。流动管线80沿着井架10向上延行，并且通过立管81和柔性方钻软管82来连接到顶部驱动器25上的转节83，从而允许流体被泵送通过顶部驱动器25并进入下方钻柱20。使流体在高压力和体积下向下输送穿过钻柱20以通过钻头35中的喷嘴或喷口而出现。然后，钻井流体经由形成在钻柱20的外部与井孔壁50之间的环带向上往回行进通过防喷器(未示出)和返回管线45，进入地面上的贮留池55、储层或其它封闭容器。在地面上，可以清洁钻井流体，并且随后通过再循环设备40再循环。可以利用钻井流体来将钻屑从井筒基底运送到地面，并且平衡lwd环境100中的岩层中的静水压力。

井底组件60(即，钻柱20的最下部分)可以包括厚壁管状元件，其被称为钻环，它增加了重量、稳定性和刚性而有助于钻井过程。这些钻环的厚壁使它们可有用于容纳仪器、工具和lwd传感器。例如，在实施方案中，图1的井底组件60或井工具包括传感器系统65和通信与控制模块70。传感器系统65包括一个或多个水听器72，以及必要支持电路。

可从各种井底组件60传感器、通信与控制模块70(遥测模块)收集关于地层性质或各种钻井参数、工具配置和读数的数据，并且例如在内部30存储器中存储数据。另外，可通过有线通信、无线通信、磁力通信、地震通信或泥浆遥测来将数据的一些或全部传输到地面。

通信信号可由地面接收器84接收，被转换成适当格式，并且由一个或多个计算或通信装置(诸如计算机75)处理成数据。计算机75可以包括执行软件的处理器，所述软件可以存储在便携信息存储介质80(诸如拇指驱动器、cd、dvr，或者安装好的计算机存储器，诸如硬盘、随机存取存储器、磁性ram(mram)或其它形式非易失性存储器)上。计算机75还可经由输入装置91(诸如键盘、鼠标指针和鼠标按钮、麦克风或其它装置)接收用户输入来处理和解码接收到的信号。所得到的传感和遥测数据可进一步通过计算机75分析和处理，以便在计算机监视器90或一些其它形式显示装置或输出端(诸如像手持智能电话或平板电脑的移动设备)上生成有用信息显示。例如，钻井人员可以采用lwd环境100的系统来获得和查看关于井下物质的信息。

图2是根据说明性实施方案的测井环境200的示意图。测井环境200可以包括可用于提供传感器工具、系统和方法的任何数量工具、装置、位置、系统和设备。测井环境200可以包括储层201。储层201是可包括天然资源(诸如原油、天然气或其它碳氢化合物)的指定区域、位置或三维空间。储层201可以包括任何数量地层、表面状况、环境、结构或组成。在实施方案中，利用传感器确定储层201和穿透储层的井筒203的性质和测量。例如，一个或多个水听器72可以用于测量储层201和井筒203中的性质，如以上参考图1所述的。可以在井下、在现场、在场外、在可移动的位置处、在总部、利用固定计算装置、利用无线装置或通过在实时或离线处理中使用远程计算机的数据网络执行利用测量到的性质的处理或计算。

可以利用通过检查井筒203确定的数据和信息执行用于储层201的勘探或生产的测量、分析或动作。井筒203可以钻出并配置有储层201以从地层提取井筒流体或气体。井筒203的尺寸、形状、方向和深度可以基于各个状况和可用估计自然资源而变化。井筒203可以包括任何数量支撑结构或材料、发散路径、地面设备等等。

本公开描述了一种用于lwd或mwd系统的压力传感器，即，水听器。图3示出了可用于井下工具的水听器300的一个实例。水听器300是圆柱形水听器，并且包括圆柱形基底302。基底302被镀覆有外部电极304和内部电极308。在这个实施方案中，带镀层的电极留有绝缘区域310，在这种情况下，这个绝缘区域是用于分开电极304、308的不带镀层的基底材料的间隙，这将参考图6和图7更完整地解释。

基底302可由压电材料形成。压电材料可以选自任何本领域公认的压电材料(天然或人造)。根据一个实施方案，压电材料选自选自以下各项中的一种或多种：压电陶瓷、压电聚合物或压电晶体材料，包括但不限于石英、pmn-pt晶体、基于pzn-pt张弛振荡器的晶体等等。

电极304、308可通过任何适当制造方法粘附到基底，适当制造方法包括但不限于电镀，包括电镀和无电镀覆：沉积，包括气相沉积、离子镀覆、溅射沉积、激光表面合金化和化学气相沉积；热喷涂层，包括燃烧火炬、电弧和等离子体喷涂。如本文所使用，将电极304、308施加到压电基底材料302将被称为金属化。

电极304、308包括选自任何本领域公认的电极材料中的金属电极材料。根据一个实施方案，电极材料选自以下各项中的一种或多种：银、金、镍、钴、锡、铬、钒、铜、锌和其合金。

图4示出了包围如图3所示的水听器300的稳定护套400。护套400是由包围水听器300的绝缘壳体410制成。如本文所使用，“绝缘壳体”是指绝缘材料圆柱，水听器搁置在这个圆柱内。如本文所使用，“稳定护套”是指与端帽402组合的绝缘壳体410。用金属端帽402来封闭.绝缘壳体410的端部。可通过将端帽402紧固到绝缘壳体410来形成水听器稳定护套400。在一个实施方案中，通过在绝缘圆柱上设置螺纹并拧紧端帽以紧固端帽，将端帽402附接到绝缘圆柱410。

绝缘壳体410可由任何本领域公认的绝缘材料制成。根据一个实施方案，绝缘壳体410是由一种或多种陶瓷材料制成。该绝缘壳体的材料需要是不导电且坚固的，以便防止对包封的水听器300的损坏。

端帽402可由导电材料(优选地是金属)制成。根据一个实施方案，端帽材料选自以下各项中的一种或多种：不锈钢、黄铜、可伐合金、银、金、镍、钴、锡、铬、钒、铜、锌和其合金。

图5是带有护套的水听器400沿线5-5的剖切图。如图5中可以看出，水听器300被放置在绝缘壳体410内部，并且当端帽402被紧固到壳体410时，形成回路并且使水听器300在端帽402之间保持稳定。无需内部引线，并且外部引线(未示出)可附接到一个或多个端帽402。稳定护套400包围听水器300，并且减小压电圆柱形基底302上的应力。

如图6和图7中可以看出，金属端帽402沿着镀覆在圆柱形基底302的相应端部上的电极材料接触电极304、308。绝缘区域310分别将端帽402与另一电极308或304分开。如本文所使用，术语“绝缘”，“被绝缘的”和“绝缘的”是指防止或减少热量、电力或声音从一个位置传送、传递或泄漏到另一位置的材料或这种材料的缺乏。

绝缘区域310可以是电极304或308的镀覆材料中的间隙，其形成了使得电极之间仅圆柱形基底302接触金属端帽402的绝缘区域。在未示出于附图中的替代实施方案中，间隙区域310可以包括额外绝缘材料，以便防止电极之间接触。额外绝缘材料可以选自任何本领域公认的绝缘体。根据一个实施方案，绝缘体选自聚合物绝缘体、喷雾泡沫、塑料、清漆、油漆等等。

图8示出了稳定护套400，其由绝缘壳体410和端帽402构成。绝缘壳体设有开口415。开口415减小通过该稳定护套的阻抗，从而允许压电圆柱302直接地感受到流体压力。开口的形状和分布基于进入到水听器的流体与该绝缘壳体的强度之间的平衡，使得该绝缘壳体不会在使用期间断裂。根据一个实施方案，开口占据少于绝缘圆柱的表面积的50％，例如小于表面积的40％，例如小于表面积的30％。

图9提供了如透过壳体410看到的听水器300的视图。虽然针对圆柱形水听器来描述了水听器，但是可以如所描述的相同方式来构造其它非圆柱形水听器。水听器可以是允许在沿循着水听器的边缘的电极材料与端帽之间形成接触的任何形状。替代形状包括球形、正方形、矩形或任何其它本领域公认的形状。

当一个或多个带有护套的水听器400包括在图1的井底组件60的井底传感系统65中时，传感器系统65可以测量流体压力变化，这可提供关于地震事件、钻井位置、地层机械性质、井间勘定、声纳、泄漏检测和流动产生噪声检测的信息。

根据一个实施方案，带有护套的水听器400可以电耦合到一个或多个额外带有护套的水听器，以便形成阵列。

本发明的其它实施方案可以包括替代变型。在完全了解上述公开内容时，这些和其它变化和修改将对本领域的技术人员变得显而易见。随附权利要求旨在被解释为涵盖所有这样的变化和修改。