[发明专利]经过套管而通信的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及在套管内的工具和套管外的传感器或传感器单元之间建立无线通信的方法和装置。具体来说，本发明适用于在油气井和类似场所中或在地上或地下管道中这样方法和装置的应用。 

背景技术

传感器单元包括带有相关的电子元件的传感装置，相关的电子元件包括例如转换器、放大器、电池和微控制器，它连接到用于通信连接和充电的天线上。本发明尤其涉及围绕井筒的地层的压力测量，但是该技术应用到任何类型的地层参数的测量，例如电阻率、声学、化学等。 

在典型的油或气井中，给井筒下一钢制套管以提供实质的支撑，以防止井筒坍塌并提供层间隔离而且通过井筒在单个层之间防止流体连通。虽然钢制套管在这个应用上非常有效，但是它的确在电磁信号在井筒内和套管外的传输上制造了障碍。这些信号通常在裸眼(未加套管)井内评价围绕井筒的储层，尤其对确定烃或水的存在技术上有用。因为钢制套管制造的障碍，穿过套管的测量技术以前依赖于非电磁技术，例如声学测量和核子测量。最近，在存在钢制套管的情况下特定的电子技术被推荐。一个测量套管外地层电阻率的技术涉及放置与套管内部相接触的间隔开的电极，当电流沿着电极间的套管传输时测量泄露到地层的电流。另一种技术在US5038107中描述，其中在井筒应用中通过放置工具实现感应测量，它使套管磁饱和同时在套管内以大约2kHZ进行感应测量。 

这种后来的技术依赖于钢的AC导磁率，当被磁饱和后被减少到低值(基本上一致)。因此，尽管存在套管，感应测量信号可以穿出井筒，进入地层，并被探测和测量到返回井筒。 

最近井的长期监测变得有需要。为了实现这一点，建议在井筒的套管外布置传感器，可能在井筒周围的地层中一些距离处埋藏。US6234257和US6070662描述了在裸眼或套管井中在地层中布置传感器的技术。该传感器接着可以通过天线的方式被询问，天线与问询工具传输。

鉴于通过套管通信的困难，也被建议在套管外提供电缆以在地面和传感器之间提供通信和动力。这样的技术在US5467823和US5642051中被建议。然而，外部的缆线被认为难于安装、易于损害而且昂贵。如果缆线被断裂，与传感器不可能通信。其它的方法包括使用非传导性套管(US6515592)，或在套管上提供非传导性窗口以允许在套管内外之间的电磁通信(US6426917)。这些也被认为复杂并难于布置。WO01/62069描述了在第一管结构内提供动力和通信的动力供应装置。US6480000描述了测量和监视地质建造的电阻率的器件。 

虽然上面讨论的问题与井筒套管相关出现，类似的问题出现在布置在套管井筒内的油管上。因为油管是钢的，从油管内部向油管外部通信同样困难。也已经被建议在这个位置放置传感器。在这个应用中，除非指明，术语“套管”和“油管”同义使用。 

发明内容

本发明的目标是提供一种技术，该技术允许传感器布置在套管外，而仍然允许从套管内的通信却没有以前技术的问题。本发明通过使靠近传感器的套管磁饱和以便电磁信号在套管外和套管内的传感器之间传递实现了这个目标。通过两个分别布置在传感器单元和询问工具之间的天线之间的电磁耦合和系统确保了无线连接，该系统用于使套管磁饱和以便允许电磁信号通过钢制套管传播。 

本发明的第一个方面提供了穿过套管通信的方法，包括在套管内定位工具，例如有线传输工具；利用工具产生磁通量，该磁通量能够使在工具附近的套管磁饱和；从工具向套管的外面传输电磁信号；在安放在套管外的地层传感器处接收所传输的电磁信号；从套管外面在工具处探测电磁信号；其中该方法还包括将所传输的电磁信号叠加在所述磁通量上。 

本发明的第二方面提供了监测围绕加套管井筒的地下地层的方法，包括在套管外的地层布置地层传感器；利用传感器测量地层参数；在套管内靠近传感器处定位工具；利用按照本发明的第一个方面的方法从传感器向工具通信测得的参数。 

本发明的第三个方面穿过套管通信的装置，包括可以被布置在套管内的 工具主体；在工具附近产生能够使套管磁饱和的磁通量的部件；经由磁通量从工具向套管外传输电磁信号并在套管外面的地层传感器处接收电磁信号的传送器；在套管外面的工具处探测电磁信号的探测器；其中探测器接收从套管外的传感器传输的信号。 

传感器单元通过能够与问询工具传输的天线布置在地层或套管外后，传感器单元长期可以被问询和供电。传送器包括天线和其附属的用于产生电磁信号的电子元件。探测器包括天线和其附属的用于信号解码的电子元件。