用于提供探头和传感器之间的通信的设备和方法

专利名称：用于提供探头和传感器之间的通信的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种提供探头和传感器之间的通信的设备。更具体地， 但是以限制的方式，本发明涉及一种设备和方法，其提供位于钻环的 中心孔中的探头和位于钻环壁中的传感器电子设备之间的通信。
背景技术：
在钻井过程中，操作员发现有必要掌握地下区域的地质属性。不 论该区域是否包含碳氢化合物，了解多种储层的具体特征和特性对于 矿区的经济开采是必要的。获得地层的地质信息的一种方法是降下导 线上的探头。该探头可以包含多种传感器，诸如电阻、伽马射线、伽 马密度、中子孔隙度、压力等。如本领域的普通技术人员所应认识到 的，在钻探操作的间歇中在裸井情况下，或者在井包含井框支架的情 况下在后期钻探应用中，可以降下探头。这些类型的操作通常被称为
另一现有技术是在实际钻探操作期间使用传感器。业界常用的两
种技术是随钻测井(LWD)和随钻测量(MWD)装置。LWD和MWD 装置都使用收集特定类型信息的传感器，并且其中该信息被传输到井 下处理器。而井下处理器将该信息传送到地面。传送媒介可以是将井 下处理器电连接到地面处理器的电缆。可替换地，传送媒介可以是井 中的流体柱，并且其中井下设备包含传送被编码的液压脉冲的振动阀， 所述液压脉冲将在地面被解码。
典型地，MWD传感器被放置在位于钻环的中心孔中的圆柱探头 中。这些传感器不受周围钻环的钢的影响，并且能够在钻探时连续进 行测量。然而，某些LWD传感器和某些新一代的MWD传感器可能受
到周围钻环的强烈影响，并且必须位于钻环的外壁中。受钻环影响的LWD/MWD测量的例子是电阻、环空压力、伽马密度，并且天然伽马 射线在某种程度上也受到影响。钻探操作经常利用MWD和LWD测量 系统。在这些情况中，传感器可位于安置在钻环中心孔中的探头中， 并且位于钻环的外壁中。结果，这些传感器系统之间需要某种形式的 通信以协调测量功能并且将数据传送到地面。
现有技术需要位于钻环的中心孔中的探头和位于环壁中的传感器 包含有线连接。然而，有线连接是非常成问题的。因此，需要环传感 器和探头之间的无线链路。更具体地，需要一种位于钻环内孔中的 LWD/MWD探头和位于钻环壁中的传感器电子设备之间的电磁(EM) 通信。此处公开的本发明将满足这些和许多其他的需要。

发明内容
公开了一种用于使传感器与探头通信的设备。该设备包括传感 器装置，其被安置在管柱中的凹口中，用于收集特性信息和处理该信 息；第一调制解调器装置，其用于将来自传感器装置的信息调制为信 号；和传感器天线，其电连接到第一调制解调器装置，用于生成电磁 波。该设备进一步包括探头天线，其同心地布置在管柱中，用于接 收电磁波；和第二调制解调器装置，其用于将电磁波解调为信息。
在一个优选实施例中，传感器装置可以测量如下属性电阻；伽 马射线；或者压力。传感器装置可以包括用于收集模拟信号并且生成 数字记录的电路。在一个优选实施例中，传感器天线和探头天线的操 作频率范围在10000赫兹和100000赫兹之间。在最优选的实施例中， 调制解调器装置和探头装置之间的连接是通用异步接收机/发射机 (UART)接口，并且UART的协议是RS 232标准。而且，在一个实 施例中，在探头天线和传感器天线的轴向方向上存在一些重叠。
在最优选的实施例中，在探头的外围周围布置探头天线，并且在内管柱周围布置传感器天线。可以使其中一个天线的长度大于另一个 天线的长度，使得天线之间的电磁耦合对两个天线的轴向不对准不太 敏感。这使得将探头安置在环中心孔中更加容易。井孔可以包含液柱， 并且其中探头驱动流体阀，该流体阀传送表示被测属性的流体压力脉 冲。
还公开了一种方法，其用于使位于管柱中的传感器与同心布置在 管柱中的探头通信。该方法包括提供位于管柱中的传感器；通过传 感器生成读数；并且将该读数传送到第一调制解调器装置。下一步， 将该读数转换为调制信号，并且将该调制信号引导至位于管柱中的管 柱天线，并且利用管柱天线响应来自传感器的读数生成电磁信号。
该方法包括利用位于探头中的探头天线接收传播的波；和在第 二调制解调器装置中将电磁波(信号)解调为读数。将该读数传送到 位于探头中的探头电子模块。在一个优选实施例中，传感器测量电阻、 伽马射线或者压力的特性。通过传感器生成读数的步骤可以包括收集 电路中的模拟信号和由该模拟信号生成数字记录。
在第二实施例中，公开了一种用于使传感器与控制单元通信的设 备。该设备包括壳体，其包含传感器，第一壳体中具有开口；和探 头，其可滑动地布置在开口中。该设备包括第一电路装置，其布置 在壳体中，用于接收传感器生成的读数并且生成输出读数；第一调制 解调器装置，其与第一电路装置电连接，用于解调输出读数；和壳体 天线，其与第一调制解调器装置电连接，用于生成调制的电磁波。
第二实施例进一步包括探头天线，其布置在探头周围，用于接 收调制的电磁波；第二调制解调器装置，其与探头天线电连接，用于 将电磁波转换为输出读数；和第二电路装置，其与第二调制解调器装 置电连接并且被安置在探头中，用于处理输出读数并且将其记录为数 字记录。在优选实施例中，探头天线可以生成调制的电磁波，并且其
中壳体天线可以接收该调制的电磁波。第二电路装置可以生成输出命 令，该输出命令由第二调制解调器装置接收，并且其中第二调制解调 器装置调制输出命令，该输出命令由探头天线接收，用于生成调制的 电磁波，而该调制的电磁波将由壳体天线接收。
在一个优选实施例中，探头天线布置在探头的周边周围，并且探 头天线包括非金属线圈管；绕线圈管的天线绕组；和覆盖天线绕组的 非金属护罩。而且，壳体天线可以包括邻近内凹口的非金属线圈管； 天绕绕组，其布置在非金属线圈管周围；和非金属护罩，其覆盖天线 绕组。
如前面提及的，由于探头和传感器电子设备位于分离的密封压力 壳体中，因此它们之间的有线连接是成问题的。本发明的优点在于， 其允许在不使用导线的情况下在探头和传感器电子设备之间双向传输 数据。无线通信链路克服了现有技术的问题，并且消除了在野外在探 头和环电子设备之间连接导线的复杂性。
另一优点在于，所公开的方法和设备允许一种简单且较清洁的野 外工具组装，并且其中在野外不需要进行有线连接。而且，所公开的 方法的另一优点在于，当使一个天线的轴向长度延伸以提供两个天线 的轴向对准的较大的公差时，对环孔内部的探针的轴向不对准的敏感 度下降。又一优点在于，在探头和环之间的布线不需要压力馈送。
本发明的一个特征在于，该设备使用电磁辐射建立通信链路。另 一特征在于，探头和钻环器械完全处于分离的压力容器中，减小了一 个压力容器出现泄漏时两个设备均被淹没的风险。又一特征在于，在 流过钻环中心的流体中存在较少的机械侵入。


图1是本发明的最优选的实施例的透视框图。
图2A是钻环电子设备的一个优选实施例的框图。 图2B是探头电子设备的一个优选实施例的框图。
图3A是钻环电子设备的最优选的实施例的框图。
图3B是探头电子设备的最优选的实施例的框图。
图4是作为轴向天线间距的函数的信号衰减的曲线图。
图5是关于三个发射机功率电平的，作为轴向天线间距的函数的，
对于10dB信噪比(SNR)，在10000赫兹操作频率下的可用带宽的曲线图。
图6是关于三个发射机功率电平的，作为轴向天线间距的函数的， 对于10dB信噪比(SNR)，在100000赫兹操作频率下的可用带宽的 曲线图。
图7是关于三个发射机功率电平的，作为轴向天线间距的函数的， 对于30dB信噪比(SNR)，在10000赫兹操作频率下的可用带宽的曲 线图。
图8是关于三个发射机功率电平的，作为轴向天线间距的函数的， 对于30dB信噪比(SNR)，在100000赫兹操作频率下的可用带宽的 曲线图。
图9A是与环天线同心对准的探头天线的示意图。
图9B是高于环天线的中心的探头天线的中心的示意图。
图9C是低于环天线的中心的探头天线的中心的示意图。
图9D是与环天线轴向分离的探头天线的示意图。
图10是优选的天线构造实施例的局部剖视图。
具体实施例方式
现在参考图1，现将描述本发明的最优选的实施例的透视框图。 如图1中示出的，诸如钻环的管状构件2环布置在井孔4中。钻环2 具有内直径部分6，并且其中通常是圆柱形的探头8可滑动地布置在内 直径部分6中。钻环2可以连接到用于钻井的钻头。探头8可以起作 用地与MWD工具或者LWD工具(未示出)关联。如本领域的普通技 术人员应认识到的，MWD工具可以产生压力脉冲，其复制数字编码传
输，由此允许将井下数据传送到地面。MWD和LWD工具在商业上可 从Baker Hughes Inc.获得。还应当注意，探头8可以通过在工业中称为 电线的硬连线电缆连接，并且其中电信号的传输路径是电线。压力脉 冲阀由标记9标出。
图1示出了该设备，该设备总体上标识为10，并且其中设备10 由两个调制解调器电子模块和两个天线组成。更具体地，第一调制解 调器电子模块12和探头天线14位于探头8中。探头天线14位于探头 8的外周上、非传导套管16下面。该非传导套管16保护探头天线14 免受流过钻环2的内直径部分6的钻探流体。
设备10进一步包括位于钻环2中的钻环天线20 (有时被称为管 天线20)和第二调制解调器电子模块18环。钻环天线20位于钻环2 的内直径部分上的凹口 22中。该凹口 22填充有非传导材料，其覆盖 钻环天线20并保护它免受流过钻环2内部的钻探流体。由于覆盖探头 天线14的套管16和覆盖钻环天线20的凹口材料是非传导的，因此电 磁(EM)信号可以在两个天线之间传递，并且允许在探头电子设备24 和传感器电子设备26之间建立无线数据通信链路。探头电子设备24 允许利用第一调制解调器电子模块12进行数据的处理、存储和双向传 送。传感器电子设备26收集从多种类型的可用的井下传感器接收到的 信息，诸如电阻、伽马射线、压力等，并且传感器电子设备26进一步 允许利用第二调制解调器电子模块18双向传送该数据。
在最优选的实施例中，设备系统10的第一调制解调器电子模块 12和第二调制解调器电子模块18将使用相同的电子设计。这允许将相 同的调制解调器模块用于井下工具中的任一位置。调制解调器电子模 块和井下工具系统的剩余部分之间的连接将利用通用异步接收机发射 机(UART)接口。因此，传感器电子设备26将使用UART芯片，并 且探头电子设备24也将使用UART芯片。电子模块和调制解调器模块 之间的接口将使用RS-232串行通信标准，如探头电子设备24和第一调制解调器电子模块12之间的链路27a，以及传感器电子设备26和第 二调制解调器电子模块18之间的RS-232链路27b。在该配置中，设备 10用作简单的调制器-解调器(调制解调器)，其跨越EM链路传输 UART接口的传送数据和接收数据信号。UART接口上的信号电平将是 +5￥逻辑电平，允许调制解调器模块(即调制解调器电子模块12、 18) 直接连线到嵌在大部分微处理器中的标准UART。
在钻环内孔中传播的EM信号的衰减可以是特别高的。结果，按 照本发明的教导，应存在探头天线14和钻环天线20某些轴向重叠。 在最优选的实施例中，探头天线14和钻环天线20将与位于相同平面 中的天线的轴向中心点共轴，如在图1中看到的。该配置减少了 EM信 号的衰减并且为通过设备系统10传送的数据提供可能的最低错误率。
现在参考图2A，现将描述钻环电子设备的一个优选实施例的框 图。应当注意，不同附图中出现的相同的标记表示相同的元件。更具 体地，传感器32将收集数据，诸如地层流体的电阻。传感器32还可 以收集关于地层的伽马射线计数、井孔压力和本领域的普通技术人员 公知的其他属性的信息。传感器32在物理上位于钻环中。传感器32 可以包括用于收集模拟信号并生成记录的电路装置。传感器32收集的 数据被传送到环传感器电子设备34，并且其中环传感器电子设备34包 括处理器，其用于接收传感器生成的读数，处理来自传感器32的数据 信号，并且生成数字输出。然后将数字数据发送到调制解调器36 (有 时被称为收发机36)。
如在图2A看到的，调制解调器装置36包括比特帧生成器37，该 比特帧生成器37接收数字数据并且为调制器38格式化串行数据流， 而调制器38将该信号输送到发射机放大器40。该模拟信号又被输送到 天线42，其中天线42是无线电频率转换器。天线42是导线线圈，并 且该天线将向可在图2B中看到的接收天线发射电磁波。
现在参考图10，示出了天线的一个优选实施例的剖面图。按照本 发明的教导，该天线缠绕在由非金属或非传导材料制成的线圈管上，诸如纤维玻璃或者聚醚醚酮(PEEK)。如图10中示出的，探头8被 布置在钻环2中。该视图示出了绕钻环2布置的非金属线圈管120，以 及布置在钻环2的外周上的天线绕组122。如图10中看到的，非金属 护罩124覆盖和屏蔽天线绕组122。
图10还示出了探头天线绕组126，其绕非金属线圈管128放置。 图10进一步示出了用于覆盖天线绕组126的非金属护罩130。将天线 导线缠绕在该类型的线圈管上通过使天线与环和探头的传导材料隔开 而减少了涡电流损耗并且提高了天线效率。该天线是在不使用如软铁 或铁氧体的软铁磁材料的情况下构造的。软铁磁材料典型地用于通过 线圈绕组集中磁场并且增加两个天线之间的电感耦合。消除对用于增 强天线之间的电感耦合的铁磁材料的需要简化了天线的构造，并且还 允许在环天线和探头天线之间使用相当大的间隙(诸如在图IO中看到 的"G")。两个天线之间的这个间隙提供了流下到环中心的钻探流体 的路径。
而且，使用软铁磁材料在两个天线之间引导和集中磁场的现有技 术装置需要两个线圈的相对精确的轴向对准，以便该装置适当地工作。 在最优选的实施例中，本发明的天线是由铜制造的。在该天线设计中， 消除对这些铁磁材料的需要允许线圈对准的较大的公差，并且使系统 更能容许两个天线的轴向不对准。
回到图2A，此处描述的系统也是双向的。因此，天线42也可以 接收电磁波并且将模拟信号引导至调制解调器装置36，并且特别地， 引导至接收机放大器44。因此，作为结果的信号通过接收机放大器44 被放大。然后，在解调器46中将该信号解调并转换为数字信号。然后 将该解调的信号传送到比特/帧同步器47，同步机47格式化串行数据 流，并且随后该数字数据流被传送到环传感器电子模块34。该数字信号可以是用于査询传感器32的命令，在该情况中传感器32可以获取 读数，并且其中传感器32将收集数据并且将该数据发送到环传感器电 子模块34。利用天线42生成对应的电磁波的过程与前面描述的相同。
现在参考图2B，现将描述包括探头调制解调器装置48 (有时被称 为收发机48)的探头电子装置的一个优选实施例的框图。天线50将接 收通过天线42生成的电磁波(见图2A)，并且其中天线50是在构造 上与天线42相似的无线电频率转换器。回到图2B，天线50电连接到 调制解调器装置48，并且其中调制解调器装置48在构造上与前面提及 的调制解调器装置36相似。调制解调器装置48包括接收机放大器52， 其从天线50接收信号并且将模拟信号放大。接着，接收机放大器52 将该信号输送到解调器54。然后将解调的信号传送到比特/帧同步器 55，该同步器格式化串行数据流，并且随后该数字数据流被传送到探 头电子模块56。然后，可以包括用于存储和处理该数据的处理器的探 头电子模块56可将该数据发送到控制单元58。控制单元5S可以位于 地面。控制单元58可以经由硬连线(诸如电线电缆)与探头电子模块 56通信，或者可以经由MWD或LWD技术传送压力脉冲，如前面描 述的。在最优选的实施例中，天线50是如前面参考图IO描述的导线 线圈，在优选实施例中其使用铜导线。
根据本发明的教导，通信可以是双向的。因此，探头电子模块56 可以向调制解调器装置48发送信号。应当理解，操作员可以通过控制 单元58开始该传输。更具体地，调制解调器装置48的比特/帧生成器 59从探头电子模块56接收数字数据并且为调制器60格式化串行数据 流，调制器60将调制数据流，并且其中调制的模拟信号可随后被引导 至发射机放大器62以便放大。然后将调制的信号数据发送到天线50， 天线50生成将由图2A中看到的天线42接收的电磁信号。
现在参考图3A，现将描述钻环电子设备的最优选的实施例的框 图。在该实施例中，传感器装置70收集诸如电阻测量结果、伽马射线计数、和/或压力读数的信息，并且接着将该信息引导至钻环传感器电子模块72。如前面提及的，钻环传感器电子模块72包含用于收集、存 储和处理来自传感器70的信息的处理器。钻环传感器电子装置72进 一步包含UART74，并且其中UART74将并行数字信息转换为串行数 据流。
串行数据流被引导至第一调制解调器装置76，并且其中第一调制 解调器装置76有时还被称为收发机76。第一调制解调器装置76包含 UART 78， UART 78基于RS-232标准协议从UART 74接收数字数据 流，而UART 78将该信号引导至调制器80，并且其中调制器80可以 是如本领域的普通技术人员理解的频移键控调制方案或者开关键控方 案。然后将调制的信号引导至发射机放大器82，发射机放大器将该调 制的信号放大以便由天线84传输。天线84具有与前面讨论的天线相 似的构造，其生成表示由传感器70收集的信息的电磁波信号。
根据本发明的教导，该设备是双向的。因此，天线84可以接收传 播的电磁信号，并且其中接收的信号被引导至接收机放大器86，而接 收机放大器将该模拟信号放大并且引导至解调器88。接收的电磁信号 可以是用于传感器获取样本读数的命令。依赖于如前所述的发射机的 调制方案，解调器S8可以使用频移键控方法或者开关键控方法。然后 将解调的信号引导至UART78，以便基于RS-232标准协议将串行数据 传送到环传感器电子模块72上的UART 74。然后处理器可以传递命令 以便传感器70获得读数。然后可获取读数，并且其中该读数然后可被 发送到如前面描述的探头。
现在参考图3B，现将描述探头电子设备的最优选的实施例的框 图。如图3A的讨论中提及的，天线84将生成电磁信号，并且其中EM 信号将由天线90拾取。天线90具有与前面讨论的天线相似的构造。 而该信号将被引导至调制解调器装置91 (有时还被称为收发机91)。 更具体地，该信号被引导至接收机放大器92，并且其中接收机放大器92随后将该模拟信号放大并且将其引导至解调器94。依赖于发射调制 方案，解调器94可以是频移键控调制方案或者开关键控方案。解调器 94随后将该信号引导至UART 96。在调制解调器装置91和探头电子模 块98之间将存在硬连线连接。更具体地，探头电子模块98包含UART 100， UART 100从UART 96芯片接收数字串行通信，并且其中使用 RS-232标准。探头电子模块98中包含处理器，并且UART100可以将 串行数据流转换为并行数据流以便由处理器处理。探头电子模块98可 以与控制单元102通信，并且其中通信路径可以是硬连线连接，或者 可以是压力脉冲遥测类型的系统，如前面提及的。
根据本发明的教导，该系统是双向的。因此，操作员可以从控制 单元102生成信号，而该信号被发送到探头电子模块98。然后UART 100 将该串行数据流串行传送到调制解调器装置91。更具体地，该串行数 据流将由UART96接收，而UART96将该信号引导至调制器104。调 制器104可以使用频移键控调制或者开关键控。然后，该调制的信号 被引导至发射机放大器106以便放大。然后可将该模拟信号传送到天 线90，并且其中天线90将生成EM信号，如前面描述的，而EM信号 将由天线84接收。
现在参考图4，示出了所接收的信号的衰减相对于天线的轴向分 离的经验结果。注意，图4到8中绘出的经验结果利用四英寸长的天 线。在图4中，对于100 Hz、 1.0 kHz、 10.0 kHz和100 kHz的操作频 率，计算了相对于共轴情况的所接收的信号的衰减。用于所示情况的 天线的轴向长度是4英寸。天线轴向间距是从一个天线的中心到第二 个天线的中心的水平距离，如下面的公开内容中更加全面解释的。如 图4中示出的，在钻环内孔中传播的信号的衰减是严重的。随着天线 的中心到中心的轴向间距的增加，信号电平每英尺下降约200 dB。结 果，在天线的中心到中心的轴向间距小于天线的总长度的情况下，无 线链路的操作是最优选的。这提供了两个天线的一些轴向重叠，并且 使信号衰减最小。
设备系统10提供良好的数据传输所需的功率量也已被分析。分析了两种情况。第一种情况是，提供用于10dB信噪比(SNR)的带宽量作为轴向天线间距的函数。对于最高性能的同步数据通信系统，典型地需要10 dB的SNR。图5和6中示出了两个操作频率的10 dB结果。 注意，水平轴的天线轴向间距表示从一个天线的中心到第二个天线的 中心的距离。如图中示出的，利用合理的发射机功率电平和天线间距 可以实现良好的性能。这两个图还示出了钻环孔内部的高衰减率的影 响。使发射机功率增加IO倍仅提供额外的1到2英寸的天线间距。
参考图7和8，已被分析的第二种情况是，提供用于30 dB SNR 的带宽量作为轴向天线间距的函数。对于30 dB的SNR，可以为无线 链路采用简单得多的异步数据通信系统。图7和8给出了两个操作频 率的30 dB的结果。如预期的，将SNR要求从10 dB增加到30 dB仅 使所需的天线间距减少约1英寸。经验表明，使用工作在10 kHz的1 mW发射机，6英寸的间距将提供SNR为10 dB的1000 Hz的信号带 宽。对于30 dB SNR，在1 mW， 1000 Hz的带宽点，该间距从6英寸 减少到4.9英寸(如图7中看到的)。这仅减少了l.l英寸。
基于测试结果，已经发现，可以以相对低的功率实现无线系统链路。大约lmW的功率电平将提供足够的性能。而且，对于最优选的实 施例，轴向天线间距应使两个天线存在一些重叠。
测试还表明，信号衰减不会随操作频率显著增加。结果，可以使该设备的操作频率高达10 kHz或100 kHz。增加操作频率具有使系统 不受钻探操作机械地引发的噪声的影响的优点。应在高于5kHz的频率 实际上消除机械引发的噪声。
一种简单稳健的异步通信系统可以在不损害系统性能的情况下用 于设备10的链路。对异步链路的高的SNR要求将仅使所允许的轴向天
线间距的有效范围减少约1英寸。简单的异步系统将减少模块电子设 备的复杂性和尺寸，并且还提供简单的用户接口。用于该设备的最优选的系统是标准的RS-232串行传输协议。这允许将简单的UART用于 对电子模块的接口。
除了允许使用简单的异步通信系统之外，提供高的SNR还允许使 用简化的调制方案。尽管可以在该系统中使用由通信系统使用的任何 标准调制方案，但是诸如频移键控(FSK)或者开关键控(OOK)的 简单的调制方案可用于所公开的调制解调器。这些调制方案相比于较 高性能的调制方案，诸如相移键控(PSK)、多相移键控(MPSK)、 多幅度相移键控(MAPSK)等，实现起来复杂性较低，并且可以在轴 向天线间隔减小较小的情况下给出相似的性能，而不增加所需的发射 机功率。
在探头在钻环孔内部的轴向放置可以随着某些不确定性而变化的 应用中， 一个或所有两个天线的长度可以延伸以降低系统性能对探头 天线和环天线的轴向不对准的敏感度。图9示出了此构思。如图中示 出的，可以使探头天线的长度长于环天线。在该配置中，探头在钻环 中心孔中的轴向位置可以在显著较大的区间上变化。只要存在两个天 线的一些重叠，两个天线之间的耦合将足以提供良好的系统性能。通 过相似的方式，可以使环天线的长度长于探头天线。恰如图9中示出 的情况，只要在环天线和探头天线之间存在一些重叠，则天线之间的 耦合对于良好的性能而言是足够的。
现在参考图9A，图9A是与环天线202居中对准的探头天线200 的示意图。更具体地，探头天线200布置在探头8周围，并且环天线 202布置在环2的内部部分的周围，如前面提及的。如所示出的，探头 天线200的天线绕组的长度长于环天线的天线绕组的长度，并且其中 探头天线200以两个天线的中心对准的方式被安置在环孔中。
在图9B中，示出了高于环天线的中心的探头天线的中心的示意
图。换言之，探头天线200被安置在环孔中，探头天线200的中心高 于环天线202。然而，应当注意，在图9B中示出的位置，仍不存在轴 向间隔，而是示出了探头天线200和环天线202之间的轴向重叠。现 在参考图9C，示出了低于环天线202的中心的探头天线200的中心的 示意图。图9C还示出了轴向重叠。在图9D中，示出了从环天线202 轴向隔开距离"L"的探头天线的示意图。图9D示出了探头天线200 和环天线202之间不存在轴向重叠的情况。因此，如图9D中示出的， 随着距离"L"增加，信号衰减增加。然而，根据本发明的教导，通过 具有延伸的探头天线绕组(诸如图9A中示出的)，所公开的实施例允 许探头天线200相对于环天线202的较大的不对准。换言之，在处理 与环和探头的变化的长度和用于将探头安置在环孔内部的硬件的位置 相关联的问题时，使探头天线延伸允许两个天线的较大的不对准。
尽管已经通过具体实施例描述了本发明，但是可以预见到，本发 明的变化和修改毫无疑问地对于本领域的技术人员是显而易见的。因 此，所附权利要求应被解释为涵盖落在本发明的真实精神和范围内的 所有这种变化和修改。
权利要求
1.一种用于在管柱中无线通信井下环境的特性的设备，所述管柱同心地安置在井孔中，所述设备包括传感器装置，其安置在所述管柱中的凹口中，用于收集所述特性的信息和处理所述信息；传感器电子模块，其电连接到所述传感器装置；第一调制解调器装置，用于调制来自所述传感器模块的所述信息；传感器天线，其电连接到所述第一调制解调器装置，用于生成调制的电磁波；探头，其同心地安置在所述管柱中；探头天线，其布置在所述探头中，用于接收所述调制的电磁波和生成输出；第二调制解调器装置，用于解调从所述传感器装置接收到的所述电磁波。
2. 如权利要求l所述的设备，进一步包括探头电子模块，其电连 接到所述第二调制解调器装置。
3. 如权利要求2所述的设备，其中所述传感器装置包括用于收集 模拟信号和生成记录的电路装置。
4. 如权利要求2所述的设备，其中所述传感器天线和所述探头天 线的操作频率范围是在1000赫兹和100000赫兹之间。
5. 如权利要求4所述的设备，其中所述第一调制解调器装置和所 述传感器电子模块之间的连接是通用异步接收机/发射机(UART)接n 。
6. 如权利要求5所述的设备，其中所述UART接口的协议是RS 232标准。
7. 如权利要求6所述的设备，其中存在所述探头天线和所述传感器天线的一些轴向重叠。
8. 如权利要求7所述的设备，其中所述探头是具有外周边的圆柱 形构件，并且所述探头天线同心地布置在所述探头的所述外周边周围。
9. 如权利要求8所述的设备，其中所述传感器天线布置在所述管 柱周围。
10. 如权利要求9所述的设备，其中所述探头天线具有第一轴向 长度，并且所述传感器天线具有第二轴向长度，并且其中所述探头天 线的所述第一轴向长度长于所述传感器天线的所述第二轴向长度，以 减小对所述两个天线的轴向不对准的敏感度。
11. 如权利要求9所述的设备，其中所述探头天线具有第一轴向 长度，并且所述传感器天线具有第二轴向长度，并且其中所述传感器 天线的所述第二轴向长度长于所述探头天线的所述第一轴向长度，以 减小对所述两个天线的轴向不对准的敏感度。
12. 如权利要求13所述的设备，其中所述管柱中包含有流体柱， 并且其中所述探头电子模块驱动流体阀，所述流体阀传送表示从所述 传感器装置收集的信息的流体压力脉冲。
13. —种用于使位于管柱中的传感器与同心布置在该管柱中的探 头通信的方法，所述方法包括在所述管柱中提供所述传感器；从所述传感器生成读数；将所述读数传送到第一调制解调器装置； 将所述读数调制到载波上以产生调制信号；将所述调制信号引导至位于所述管柱中的管柱天线；利用所述管柱天线响应来自所述传感器的所述读数生成电磁信号；利用位于所述探头中的探头天线接收所述电磁信号； 在所述探头中的第二调制解调器装置中将所述电磁信号解调为所 述读数；将所述读数传送到位于所述探头中的探头电子模块。
14. 如权利要求13所述的方法，其中所述传感器选自电阻传感器、 伽马射线传感器或压力传感器。
15. 如权利要求14所述的方法，其中从所述传感器生成所述读数 的步骤包括，收集电路中的模拟信号并且从所述模拟信号生成记录。
16. 如权利要求14所述的方法，其中所述管柱天线和所述探头天 线的操作频率范围是在10000赫兹和100000赫兹之间。
17. 如权利要求16所述的方法，其中所述第二调制解调器装置和 所述探头电子模块之间的电连接是通用异步接收机/发射机(UART)。
18. 如权利要求17所述的方法，其中所述UART接口的协议是 RS 232标准。
19. 如权利要求18所述的方法，其中所述探头天线布置在所述探 头的所述外周边周围，并且所述管柱天线布置在所述管柱的内部部分 周围。
20. 如权利要求19所述的方法，其中所述探头天线具有第一长度， 并且所述管柱天线具有第二长度，以便形成所述探头天线和所述管柱 天线之间的轴向重叠。
21. 如权利要求19所述的方法，其中所述探头天线的所述轴向长度长于所述管柱天线的所述轴向长度，以减少对所述两个天线的轴向 不对准的敏感度。
22. 如权利要求19所述的方法，其中所述管柱天线的轴向长度长 于所述探头天线的轴向长度。
23. —种用于使传感器与井孔中的探头通信的无线系统，包括 壳体，其同心地安置在所述井孔中，所述壳体包含所述传感器并且其内具有开口，并且其中所述探头可滑动地布置在所述开口中；第一处理器装置，其布置在所述壳体中，用于接收由所述传感器生成的读数并且生成输出读数；第一调制解调器装置，其与所述第一处理器装置电连接，用于调制所述输出读数；壳体天线，其与所述第一调制解调器装置电连接，用于生成调制的电磁波；探头天线，其布置在所述探头的外周边周围，用于接收所述调制 的电磁波；第二调制解调器装置，其与所述探头天线电连接，用于将所述调 制的电磁波解调为所述输出读数；第二处理器装置，其与所述第二调制解调器装置电连接并且安置 在所述探头中，用于处理所述输出读数并且将其记录为数字记录。
24. 如权利要求23所述的设备，其中所述探头天线可以生成调制 的电磁波，并且其中所述壳体天线可以接收所述调制的电磁波。
25. 如权利要求24所述的设备，其中所述第二处理器装置生成输 出命令，所述输出命令由所述第二调制解调器装置接收，并且其中所述第二调制解调器装置调制由所述探头天线传送的作为调制的电磁波 的所述输出命令。
26. —种用于从探头到位于井孔中的管柱的无线通信的设备，所 述设备包括探头调制器电子模块，其位于所述探头中，所述探头调制解调器 电子模块将数字信号转换为调制信号；探头天线，其电连接到所述探头调制器电子模块，所述探头天线 生成复制所述调制信号的电磁波；环天线，其位于所述管柱中，所述环天线能够接收所述电磁波；环解调器电子模块，其电连接到所述环天线，所述环调制解调器 电子模块将接收的电磁波解调为所述数字信号。
27. 如权利要求26所述的设备，其中所述探头天线的长度是第一 长度，并且所述环天线的长度是第二长度；并且其中所述探头天线的所述长度长于所述环天线的所述长度。
28. 如权利要求27所述的设备，其中所述探头天线布置在所述探 头的外周边周围，并且其中所述探头天线包括非金属线圈管；缠绕在所述线圈管周围的天线绕组；和覆盖所述 天线绕组的非金属护罩。
29. 如权利要求28所述的设备，其中所述环天线布置在所述管柱 中的内部凹口周围，并且其中所述环天线包括邻近所述内部凹口的 非金属线圈管；在所述非金属线圈管周围的天线绕组；和覆盖所述天 线绕组的非金属护罩。
30. 如权利要求29所述的设备，其中所述环天线和所述探头天线 的操作频率范围是在10000赫兹和100000赫兹之间，并且所述探头天 线的发射机功率范围在1瓦特和0.001瓦特之间。
全文摘要
图1示出一种用于井下环境的无线数据通信系统。该系统包括壳体，其包含传感器(26)，该传感器安置在管柱(2)中，用于收集信息和处理信息；调制器(18)，用于将来自传感器的信息调制为模拟信号；和传感器天线(20)，其电连接到第一调制器，用于生成调制的电磁波。该系统进一步包括探头壳体(16)，其同心地布置在管柱中；和探头天线(14)，用于从传感器接收信号并用来生成输出。
文档编号G01V3/00GK101208618SQ200680022844
公开日2008年6月25日 申请日期2006年6月20日 优先权日2005年6月23日
发明者威廉·D·弗拉纳根 申请人:阿尔蒂玛实验室公司