用于钻探系统的遥测系统、电流传感器及相关方法与流程

本申请要求于2014年5月20日提交的美国申请No.14/282,262的权益和优先权，该美国申请的全部公开内容通过参引并入本申请。

技术领域

本公开涉及遥测系统、电流传感器及相关方法，并且具体地涉及钻探系统中的遥测系统、电流传感器及相关方法。

背景技术：

地下钻探系统用于在大地地层中限定钻孔。在钻探钻孔期间，期望测量与地层相关的某些性质或者井下钻探操作的状况，并且将该信息发送至地面以进行进一步分析和/或在需要时自动调节钻探参数。随钻测量(MWD)工具和随钻测井(LWD)工具是在井下使用以获得钻探数据并将钻探数据发送至地面的钻探工具的类型。一些MWD工具和LWD工具是构造成产生进入地层并传播至地面的电磁场的电磁(EM)遥测工具。在孔中的更大深度处，EM场信号衰减和噪声会限制有意义的信号检测或完全阻止检测。

技术实现要素：

本公开的实施方式包括一种电流传感器，该电流传感器构造成检测钻探系统的钻探系统部件中的信号电流。钻探系统构造成在大地地层中形成钻孔。电流传感器包括至少部分地由磁性材料构成的磁性体。电流传感器还可以包括定位在磁性体上的至少一个励磁线圈，至少一个励磁线圈构造成检测在磁性体内经过的第一磁场。当电流传感器靠近承载信号电流的钻探系统部件定位时，通过由钻探系统部件承载的信号电流感应第一磁场。电流传感器包括至少一个驱动线圈，所述至少一个驱动线圈定位在磁性体上，至少一个驱动线圈构造成产生第二磁场。其中，当电流传感器靠近信号电流定位并且至少一个驱动线圈产生第二磁场时，电流传感器适于使得：1)第二磁场使磁性体的第二部分交替地进入和离开磁饱和，以调制在磁性体内经过的第一磁场，以及2)第一磁场的调制在至少一个励磁线圈中感应调制信号。

本公开的另一个实施方式包括一种用于钻探系统的遥测系统。该遥测系统包括接收器，该接收器包括磁性体，当接收器靠近承载信号电流的钻探系统部件时第一磁场沿着磁性体经过，接收器还包括定位在磁性体上的至少一个励磁线圈和定位在磁性体上的至少一个驱动线圈。至少一个驱动线圈构造成产生第二磁场使得当至少一个驱动线圈产生第二磁场时，由至少一个驱动线圈产生第二磁场的至少大部分在至少一个励磁线圈中产生明显电压。其中，接收器构造成使磁性体的第二部分交替地进入和离开磁饱和，由此调制至少部分地穿过至少一个励磁线圈的第一磁场并且由此在至少一个励磁线圈中感应调制信号。

本公开的另一实施方式包括一种用于沿着钻探系统的钻探系统部件传输信号电流的方法。该方法包括朝向由钻探系统部件支承的电流传感器传输信号电流。电流传感器包括磁性体、由磁性体支承的至少一个励磁线圈、以及由磁性体支承的至少一个驱动线圈。信号电流在磁性体内产生第一磁场。方法包括经由至少一个驱动线圈产生第二磁场以使磁性体的第二部分交替地进入和离开磁饱和，由此在磁性体内调制第一磁场。响应于产生步骤，当调制的第一磁场的一部分经过磁性体且经过至少一个励磁线圈的一部分时使调制的第一磁场在至少一个励磁线圈中感应调制信号。

附图说明

图1是根据本公开的实施方式的构造成在包括遥测系统的大地地层中形成钻孔的钻探系统的示意性平面图；

图2是图1中示出的钻探系统的示意性侧视图；

图3是根据本公开的实施方式的图1中示出的钻探系统和钻柱的一部分的详细侧视图，其图示了由套管支承的电流传感器；

图4是与图1和图2中示出的钻探系统的遥测系统进行电子通信的计算装置的框图；

图5是环绕图2和图3中示出的套管和钻柱的电流传感器的俯视图；

图6A是图5中示出的电流传感器的局部侧视图；

图6B是图6B中示出的电流传感器的一部分的详细侧视图；

图6C是图2和图3中示出的电流传感器的另一俯视图，其图示了沿着由信号电流和进入驱动线圈的驱动电流感应的电流传感器的磁场的产生和路径；

图6D是图6C中示出的电流传感器的局部侧视图；

图7是图5中示出的电流传感器的励磁杆的俯视图；

图8是图7中示出的励磁杆的侧视图；

图9是图5中示出的电流传感器的驱动杆的俯视图；

图10是图7中示出的励磁杆的侧视图；

图11A和图11B分别是根据本公开的另一实施方式的电流传感器的俯视图和截面图；

图12A和12B分别是根据本公开的另一实施方式的电流传感器的俯视图和截面图；以及

图13A和图13B是根据本公开的另一实施方式的电流传感器的侧视图；

图13C是图13A和图13B中示出的电流传感器的立体图；

图14是图5中示出的构造为开环传感器的电流传感器的电路的示意图；

图15是图5中示出的构造为闭环传感器的电流传感器的电路的示意图；以及

图16是图示了用于在图1至图3中示出的钻探系统中发送和接收钻探数据的方法的框图。

具体实施方式

参照图1和图2，钻探系统1构造成在钻探操作期间在大地地层3中钻出钻孔2。钻探系统1包括：钻柱6，该钻柱6用于在大地地层3中形成钻孔2；遥测系统100；以及至少一个计算装置200，所述至少一个计算装置200与遥测系统100进行电子通信。遥测系统100可以包括至少一个接收器110和遥测工具120，该遥测工具120可以发送EM遥测信号，该EM遥测信号由在钻柱中行进的电流102

(在本文中称为电流信号102)和在通向位于地面4处的接收器110的地层中的电场104(在本文中称为电场信号104)构成。信号电流102和电场信号104可以包括在其中编码的关于钻探操作的钻探数据。计算装置200可以驻留可以发起期望的解码或信号处理的例如软件应用的一个或更多个应用，并且执行用于监测和分析在钻探操作期间获得的钻探数据的各种方法，如将在下文进一步详细描述的。

本公开描述了遥测系统和提供对从钻孔2中的较低深度或沿着地面4发送的信号进行可靠检测的方法，其中，噪声可能会影响信号接收。例如，当电场信号104和电流信号102行进至地面4并穿过不同的地层类型15和16(图2)时，从钻孔2中的较深深度发送至地面4的EM信号经受衰减和噪声。在一个示例性实施方式中，遥测系统100构造成对通常被钻探操作的噪声污染的低频信号电流——比如1Hz至100Hz的信号电流——进行检测。如本领域中已知的，较低频率传播的信号比较高频率衰减得更少。然而，典型的电流传感器在较低频率下效率较低。对于本公开的电流传感器，在较低频率处的测量效率不被降低。对于井下应用，在较低频率下的更灵敏的电流检测允许来自较低钻孔深度的数据发送。对于地面应用，电流传感器30可以沿着任何导电路径使用以检测信号电流。例如，电流传感器30定位成环绕BOP(防喷器)上方或下方的信号电流，或者电流传感器30井下附接至地面套管28。在示例性实施方式中，电流传感器30可以位于BOP下方，在某种程度上的原因是：电流传感器的定位越接近井下工具，通常发现最大信号电流。在另一个实施方式中，传感器可以附接至地面套管的底部并且安装在井中。

遥测系统100可以包括信号电流102检测、或EM电场信号104检测、或信号电流102检测和电场信号104检测的组合。当可检测信号行进通过钻管时，可以使用EM信号电流检测。应当理解的是，EM信号检测通常是指电场信号检测或准静态场信号检测。在操作中，电场被检测为通常在天线电极20a与天线电极20b之间或者在天线20a或20b与连接至地面套管28或BOP 29的点之间测量的电压信号。当地层性质或噪声降低EM电压信号强度时，可以使用信号电流102检测。应当理解的是，检测EM电信号104不是用于钻探系统1中的可靠信号检测的必要组成部分。

继续参照图1和图2，钻探系统1构造成沿着钻孔轴E在大地地层3中钻出钻孔2，使得钻孔轴E至少部分地沿着竖向方向V延伸。竖向方向V是指垂直于大地地层3的地面4的方向。应当理解的是，钻柱6可以构造成用于定向钻探，由此钻孔2的全部或一部分沿水平方向H相对于竖直方向V成角度地偏移。水平方向H大体上垂直于竖向方向V，以与地面4对准或平行于地面4。本文中所使用的术语“水平的”和“竖向的”是如钻探领域中所理解的那样，并且是这样的近似。因而，水平方向H可以沿垂直于竖向方向V的任何方向扩展，例如北、东、南和西以及北、东、南和西之间的任何增量方向。此外，井下或井下位置指的是相比于钻柱6的顶端更接近钻柱6的底端的位置。因此，井下方向D(图2)是指从地面4朝向钻孔2的底端(未编号)的方向，而井上方向U(图2)是指从钻孔2的底端朝向地面4的方向。井下方向D和井上方向U对于定向钻探操作可以是曲线的。因而，钻探方向或井身轨迹按照上文指出的任何特定地理方向部分地沿竖向方向V和水平方向H(图2)延伸。

继续参照图1和图2，钻探系统1包括支承钻柱6的井架5。防喷器(BOP)29可以定位在地面处的钻孔上方。在BOP 29下方的结构可以支承BOP 29并且朝向钻孔延伸。套管28沿井下方向D延伸到地层3中。钻柱6沿着中心纵向轴线26呈长形，并且钻柱6包括顶端8和沿着中心纵向轴线26与顶端8间隔开的底端10。钻柱6还沿着与中心纵向轴线26对准的纵向方向(未编号)延伸。钻柱6包括限定钻柱6和内部通道(未编号)的多个钻柱部件，钻探泥浆沿井下方向D行进通过该内部通道。诸如顶驱或转盘的一个或更多个马达构造成使钻柱6、钻头14或钻柱6和钻头14两者旋转，以便控制钻头14的旋转速度(RPM)和钻头14上的扭矩。泵14构造成通过钻柱6中的内部通道(未示出)向下泵送钻探泥浆(泵和流体未示出)。当钻探泥浆在钻头14处离开钻柱6时，返回的钻探泥浆通过环形通道13(图3)向上朝向地面4流动，该环形通道13形成在钻柱6与大地地层3的限定钻孔2的壁(未编号)之间。可选地，在钻柱6的井下位置处可以设置有泥浆马达，以使钻头14独立于钻柱6的旋转而旋转。顶驱、转盘、泵和其他部件可以产生影响钻探现场处的信号检测的噪声。

参照图1和图2，遥测系统100包括将信号电流102传输至接收器110的遥测工具120。遥测工具120包括发送器、电源、电极和支承发送器的一部分的壳体(未示出遥测工具120的细节)。遥测工具120可以电连接至一个或更多个传感器。传感器中的一些传感器可以位于井下并连接至工具120。其他传感器可以位于地面处或地面附近，例如在井架上，并且连接至其他工具。遥测工具发送器可以包括调制器，该调制器构造成将钻探数据编码到经由发送器发送的信号中。发送器可以构造成沿着钻柱6中的导电路径传播信号电流，以在地面4处进行检测。钻柱中的电流或在例如套管28和或BOP29的钻塔位置与天线20a和/或天线20b之间或在天线对20a与20b之间的电压可以被测量用以接收来自遥测工具120的数据。钻探数据可以包括但不限于诸如倾斜、方位角和工具面数据的方向数据、地层特性、钻柱和钻头振动数据、钻压(WOB)数据和钻压扭矩(TOB)和压力数据。如下面进一步详述的，钻探数据可以通过在钻孔2中的井下位置处的传感器和/或通过位于地面4处或附近的传感器而获得。

转向图4，遥测系统100例如接收器110可以包括构造成检测信号电流102的至少一个电流传感器30(图3)。接收器110可以包括接收器部件112和解调器114。接收器部件可以包括电源、控制器和处理器、振荡器和有助于信号处理的其他部件。电流传感器30与接收器部件112进行电子通信。接收器部件可以电连接至解调器114和/或计算装置200。解调器114可以直接或间接地与计算装置进行电子通信。接收器110还可以包括天线对20a和20b，天线对20a和20b检测由遥测工具120发送的EM信号104。接收器100可以处理检测到的信号102和104，并且附加地或替代性地将检测到的信号102和104传递至计算装置200用于进一步处理。

继续参照图4，钻探系统1可以包括与遥测系统100进行电子通信的一个或更多个计算装置200。计算装置200构造成接收、处理和存储各种钻探操作信息。如图示的，计算装置可以与接收器110进行电子通信。接收器110可以接收通过电流传感器30以及天线对20a和20b获得的且从位于井下位置处的遥测工具120发送的信号102和/或信号104，和或接收从地面4处或地面4附近的位置发送的信号。

任何适当的计算装置200可以构造成驻留构造成对编码于信号102、信号104中的钻探数据进行处理并且进一步监视和分析钻探数据的软件应用。将理解的是，计算装置200可以包括任何适当的装置，其示例包括台式计算装置、服务器计算装置或诸如笔记本电脑、平板电脑或智能手机之类的便携式计算装置。在图4中图示的示例性构型中，计算装置200包括处理部分202、存储器部分204、输入/输出部分206和用户接口(UI)部分208。要强调的是，计算装置200的框图描绘是示例性的而并非旨在表明特定实施方案和/或构型。处理部分202、存储器部分204、输入/输出部分206和用户接口部分208可以耦合在一起以允许其之间的通信。应当理解的是，可以将以上部件中的任何部件在一个或更多个单独的装置和/或位置分布。

在各种实施方式中，输入/输出部分206包括计算装置200的接收器、计算装置200的发送器(勿与下面所描述的遥测工具120的部件相混淆)或用于有线连接的电子联接器或其组合。输入/输出部分206能够接收和/或提供关于与网络诸如例如因特网通信的信息。应当理解的是，发送和接收功能也可以由在计算装置200外部的一个或更多个装置来提供。例如，输入/输出部分206可以与接收器110进行电子通信。

取决于处理器的确定构型和类型，存储器部分204可以是易失性的(比如某些类型的RAM)、非易失性的(诸如ROM、闪存等)或其组合。计算装置200可以包括附加存储装置(例如，可移动存储装置和/或不可移除存储装置)，该附加存储装置包括但不限于磁带条(tape)、闪存、智能卡、CD-ROM、数字通用光盘(DVD)或其他光学存储装置、磁带盒、磁带、磁盘存储装置或其他磁性存储装置、通用串行总线(USB)兼容存储器或者可以用于存储信息并且可以被计算装置200访问的任何其他介质。

计算装置200可以包含用户接口部分208，该用户接口部分208可以包括允许用户与计算装置200通信的输入装置和/或显示器(输入装置和显示器未示出)。用户接口208可以包括输入(inputs)，所述输入提供经由例如按钮、软键、鼠标、语音致动控制器、触摸屏、计算装置200的运动、视觉提示(例如，使手在计算装置200上的摄像机前方移动)等来控制计算装置200的能力。用户接口208可以提供输出，所述输出包括视觉信息，比如经由显示器213(未示出)的一个或更多个钻探参数的多个操作范围的视觉指示。其他输出可以包括音频信息(例如，经由扬声器)、机械地(例如，经由振动机构)或其组合。在各种构型中，用户接口208可以包括显示器、触摸屏、键盘、鼠标、加速度计、运动检测器、扬声器、麦克风、相机或其任何组合。用户接口208还可以包括用于输入生物测定信息的任何适当的装置以例如要求用于访问计算装置200的特定生物信息，其中，生物信息诸如例如为指纹信息、视网膜信息、语音信息和/或面部特征信息。

示例性架构可以包括一个或更多个计算装置200，所述一个或更多个计算装置200中的每个计算装置可以经由公用通信网络与数据库(未示出)和遥测系统100进行电子通信。数据库可以与计算装置200分离，或者也可以是计算装置200的存储器部分204的部件。应当理解的是，可以设想许多适当的替代通信架构。一旦如上所述应用程序已经被安装到计算装置200上，则应用程序可以在诸如例如因特网的公用网络上的其他计算装置之间传递信息。对于实例构型，用户可以经由网络向遥测工具120的供应商的计算装置发送有关一个或更多个钻探参数的信息，或者引起至遥测工具120的供应商的计算装置的关于一个或更多个钻探参数的经由网络的信息的发送，或者替代性地经由网络向例如石油公司或石油服务公司的另一第三方的计算装置发送信息。第三方可以通过显示器查看钻探数据。此外，用户可以从计算装置200的构件部分204访问钻探数据。应当理解的是，如本文所使用的“访问”或“正访问”可以包括检索在本地计算装置的存储器部分中存储的信息、或者经由网络向远程计算装置发送指令以使该信息被发送至本地计算装置的存储器部分以用于本地访问。另外或替代性地，访问可以包括访问远程计算装置200的存储器部分中存储的信息。计算装置200可以由例如钻探场地的钻机操作者、钻探场地所有者、石油服务钻探公司和/或钻探系统部件的任何制造商或供应商，或其他服务提供商来全部或部分地操作。应当理解的是，以上阐述的各方中的每方和/或其他相关方可以操作任何数量的相应计算装置，并且可以使用包括例如广域网(WAN’S)比如互联网或局域网(LAN’S)的任何数量的网络来内部地和外部地通信。

转向图2和图3，电流传感器30可以由承载信号电流102的钻探系统部件25支承。钻探系统部件25可以是钻探系统1的任何部分或部分。例如，钻探系统部件25可以包括井架5的任何零件或部分、平台(未示出)、驱动马达、套管28、防喷器29、钻柱6及其部分(诸如例如钻管、钻铤、井底钻具组件)和井下工具。根据图示的实施方式，电流传感器30位于BOP 29下方且靠近钻柱6，使得信号电流102延伸通过电流传感器30。在替代性实施方式中，电流传感器30可以定位在井中以便由套管28支承并且围绕套管28延伸。对于近海应用，电流传感器30可以放置在井口处的海底，以便检测在海底下面的钻柱上行进的信号。

参照图5和图6A，电流传感器30可以定位成检测穿过钻探系统部件25的信号电流102。电流传感器30包括磁性体32、由磁性体32支承的至少一个励磁线圈38、以及由磁性体32支承的至少一个驱动线圈，比如第一驱动线圈40和第二驱动线圈42。根据图示的实施方式，至少一个励磁线圈38由磁性体32的第一部分支承，并且至少一个驱动线圈，比如第一驱动线圈40和第二驱动线圈42，由磁性体32的第二部分支承。

继续参照图5和图6A，磁性体32可以具有第一或场本体部件34和第二或驱动本体部件36，该第一或场本体部件34和第二或驱动本体部件36布置成限定沿方向A延伸穿过磁性体32的通道44。电流传感器30限定横向于方向A(图6A)的轴线46以及从轴线46向内间隔开的中心48。磁性体32围绕中心48沿着轴线46延伸，由此限定通道44。磁性体32还可以限定当信号电流102穿过通道44时磁场可以沿着其行进的路径。例如，路径可以沿着轴线46的一部分或全部延伸。根据图示的实施方式，场本体部件34可以限定间隙50(图5和图6B)。例如，场本体部件可以包括间隔开以限定间隙50的端部部分。驱动本体部件36可以构造成横跨间隙50。间隙50可以是在场本体部件34的部分之间延伸的物理间隙。间隙50还可以限定在穿过磁性体32的磁场BC(图6C)的路径中的中断。因而，驱动本体部件36可以横跨间隙50，以便生成针对磁场流动的路径。根据图示的实施方式，驱动本体部件36可以附接至场本体部件34，以便限定与间隙50相邻的重叠部69(参见图6B和图6C)，从而在场本体部件34与驱动本体部件36之间提供磁性路径，如将在下文进一步详细描述的。重叠部69导致第一驱动线圈40和第二驱动线圈42与轴线46之间沿方向A(或横向于轴线46的任何方向)的偏移。偏移可以通过使由驱动线圈40和42产生的磁场与励磁线圈38解耦来帮助促进信号检测。在替代性实施方式中，间隙50可以是由于一种材料至另一种材料的转变而引起的磁场的路径中的中断。例如，场本体部件34可以由第一材料形成，并且间隙50可以包括由横跨间隙50的第二材料形成的本体。场本体部件34在说明书中可以可互换地称为第一本体部件34或磁性体32的第一部分。类似地，驱动本体部件36在本说明书中可以互换地称为第二本体部件36或磁性体32的第二部分。

转向图5，磁性体32可以定形状和定尺寸为接纳钻探系统部件25。磁性体32可以具有环绕钻探系统部件25的任何适当的形状。根据图示的实施方式，当电流传感器30定位在BOP 29下方时(如图3所示)，钻柱6的纵向轴线26可以穿过通道44的中心48或靠近通道44的中心48。替代性地，电流传感器30可以构造成使得当其位于靠近BOP 29或在BOP 29上时，通道44的中心48可以偏离钻柱6的纵向轴线26。因此，磁性体32可以呈大致圆形、正方形、直线形、菱形、三角形、五边形、六边形、八边形、或绕中心48延伸的任何其他适当的形状。

继续参照图5，场本体部件34包括至少一个励磁杆(field bar)56。根据图示的实施方式，场本体部件34包括多个励磁杆56a、56b、56c、56d、56e、56f、56g和56h，所述多个励磁杆56a、56b、56c、56d、56e、56f、56g和56h互相连接以沿着轴线46延伸并且部分地限定通道44和间隙50。间隙50从励磁杆56a的端部70a和励磁杆56h的端部70b延伸。可以修改连接在一起的励磁杆56的数量，使得场本体部件34的尺寸可以被调节以适应钻探系统部件25的尺寸。例如，更多的励磁杆56可以连接在一起用于较大直径的钻探系统部件25，而对于通常具有较小直径的钻管部段或其他部件可能需要较少的励磁杆56。根据图示的实施方式，八个励磁杆56a至56h沿着轴线46连接，以便限足够定尺寸以接纳钻探系统部件的通道44。应当理解的是，可以使用多于八个的励磁杆56或少于八个的励磁杆58来限定场本体部件34。励磁杆56可以通过紧固件68或其他器件连接在一起。此外，紧固件68(图6A)允许相邻的励磁杆56在组装期间沿着钻探系统部件25相对于彼此枢转。紧固件68随后可以被紧固，以便使在重叠部69处的相邻的励磁杆56之间的间距最小化。可能期望在重叠部69中插入磁性糊料(magnetic paste)，以便使沿着磁性体32穿过重叠部69的磁场的破坏降至最低。

转向图7和图8，每个励磁杆56包括长形本体60，该长形本体60具有相对的端部62a和62b、沿方向A相对于彼此间隔开的相对的上表面64a和下表面64b、以及沿垂直于方向A的方向R间隔开的相对的侧部65a和65b。每个励磁杆56还可以限定最大截面尺寸T，该最大截面尺寸T在相对的端部62a和62b之间的位置沿方向A朝向端部62a和62b或在端部62a和62b的中点处从上表面64a延伸至下表面64b。每个励磁杆56可以限定沿方向R从侧部65a延伸至侧部65b的宽度以及沿着垂直于方向A和方向R的方向L从端部62a延伸至端部62b的长度。宽度可以根据需要在.1英寸至几英寸之间。例如，在替代性实施方式中，励磁杆56可以具有略小于钻探系统部件25的外周长的长度，使得整体式励磁杆56限定场本体部件34。每个励磁杆56限定孔口66，所述孔口66定尺寸为接纳紧固件68。紧固件68(图6A)在重叠构型中将相邻的励磁杆56连接在一起。尽管励磁杆56示出为直线形长形本体，但励磁杆56可以具有其他形状。例如，励磁杆56可以包括相对于中心48限定弧的弯曲本体。当这种弯曲本体连接在一起时，场本体部件限定更为圆形的构型。

继续参照图5，至少一个励磁线圈38沿着场本体部件34定位并且环绕场本体部件34。根据图示的实施方式，通向所有场本体部件34的部分可以包括励磁线圈38。例如，电流传感器30可以包括围绕相应的励磁杆56b、56c、56d、56e、56f、56g缠绕的多个励磁线圈38a、38b、38c、38d、38e、38f。励磁线圈38a至38f可以沿着具有接收器部件112和解调器114的电路300、400(图14和图15)串联放置。根据图示的实施方式，励磁杆56a和励磁杆56h附接至驱动本体部件36并且可以不包括励磁线圈38，以使由驱动线圈40和42以及励磁线圈38产生的磁场之间的干扰降至最低。多个励磁线圈38a至38g经由端子39b电连接至解调器114(图14和图16)。此外，39a接地至电路300。

每个励磁线圈38包括至少一个绕组层或多个绕组层。在示例性实施方式中，每个绕组层可以包括10匝至10,000匝之间。在示例性实施方式中，24规格线材可以使用在线圈中。应当理解的是，如果使用较小规格或更粗规格的线材，则每层更多或更少的匝可以用于产生期望的电阻。

场本体部件34图示为包括连接在一起以便部分地限定通道44的多个励磁杆56以及围绕场本体部件34设置的多个励磁线圈38。根据替代性实施方式，场本体部件34可以构造为相对于通道44的中心沿着轴线46延伸的整体式磁性体。例如，场本体部件34可以构造为带绕磁芯(参见图11A)或由磁性材料形成的整体式环形环(图12)。换句话说，场本体部件34可以是具有至少部分地限定通道44的形状的任何磁性结构。此外，场本体部件34还可以根据需要沿方向A限定任何适当的截面形状，以附接至钻探系统部件35。场本体部件可以由任何磁性材料制成。

返回转向图5、图6A和图6B，驱动本体部件36构造成在偏离如上所述的轴线46的位置处支承至少一个驱动线圈。根据图示的实施方式，驱动本体部件36包括至少一个驱动杆，比如第一驱动杆52和第二驱动杆54。第一驱动杆52和第二驱动杆54附接至相邻的励磁杆56a和56h且与相邻的励磁杆56a和56h重叠，以便横跨间隙50，从而在驱动杆52和54与励磁杆56a和56h之间提供潜在的磁路。第一驱动杆52和第二驱动杆54可以沿垂直于方向L的方向A堆叠(图6B)。图示的堆叠构型使第一驱动杆52和第二驱动杆54沿方向A相对于轴线46偏移，这使得相应的驱动线圈40和42相对于轴线46偏移。第一线圈40和第二线圈42可以限定相应的第一驱动线圈轴线53和第二驱动线圈轴线55。第一线圈和第二线圈可以围绕相应的轴线53和55延伸或转动，并且沿方向L沿着轴线53和轴线55延伸。第一驱动杆52和第二驱动杆54附接至相邻的励磁杆56a和56h的相应的上表面64a和下表面64b，使得第一驱动线圈40和第二驱动线圈42沿方向A彼此间隔开。此外，偏移使第一驱动线圈轴线53和第二驱动线圈轴线55沿方向A或相对于A成角度地偏移的任何方向远离轴线46间隔开。紧固件68可以将第一驱动杆52和第二驱动杆54附接至相邻的励磁杆56a和56h。紧固件68可以使在重叠部69处在驱动杆52和54与励磁杆56a和56h之间的间距最小化。可能期望在重叠部69中插入磁性糊料，以便使经过驱动本体组件36内通向场本体部件34的磁场的破坏降至最低。

转向图9和图10，每个驱动杆52和54包括长形本体70，该长形本体70具有沿方向L间隔开的相对的端部72a和72b、沿方向A相对于彼此间隔开的相对的上表面74a和下表面74b、以及沿方向R间隔开的相对的侧部78a和78b。每个驱动杆52和54限定孔口76，该孔口76的尺寸设定为接收紧固件68，该紧固件68将驱动杆52和54连接至励磁杆56a和56h。每个驱动杆52和54可以限定第二或驱动杆最大截面尺寸D，该最大截面尺寸D在相对的端部72a和72b之间在本体70的中点处或附近沿方向A从上表面74a延伸至下表面74b。第一驱动杆最大截面尺寸D1可以小于场驱动杆最大截面尺寸T。此外，第二驱动杆最大截面尺寸D2可以小于场驱动杆最大截面尺寸T。根据图示的实施方式，组合的第一驱动杆截面尺寸和第二驱动杆截面尺寸D1+D2可以小于场驱动杆最大截面尺寸T。每个驱动杆52和54可以限定沿垂直于方向A的方向R从侧部78a延伸至侧部78b的宽度以及沿垂直于方向A和R的方向L从端部72a延伸至端部72b的长度。在示例性实施方式中，驱动杆的截面面积可以小于励磁杆的截面。应当理解的是，驱动杆的截面面积可以与励磁杆的截面面积相同或大于励磁杆的截面面积。虽然驱动杆52和54示出为具有线性本体，但是驱动杆52和54可以限定其他形状，比如构造成相对于中心48限定弧的弯曲本体。

现在转向图6A和图6B，至少一个驱动线圈由驱动本体部件36支承。根据图示的实施方式，第一驱动线圈40和第二驱动线圈42以堆叠构型环绕相应的驱动杆52和54。第一驱动线圈40和第二驱动线圈42可以沿着电路300或400串联连接(图14和图15)。电路300、电路400可以包括至少电源(未示出)，该电源可以产生通过第一驱动线圈40和第二驱动线圈42的驱动电流106。此外，每个驱动线圈40和42可以沿着电路经由端子39c和39d(在图14和图15中图示为端子41c和41d)进行物理连接。应当理解的是，可以使用多于一个的电源，使得单独的驱动电流可以施加至第一驱动线圈40和第二驱动线圈42。

每个驱动线圈40和42可以包括至少一个绕组层或多个绕组层。在示例性实施方式中，每个层可以包括10匝至10,000匝之间。在示例性实施方式中，24规格线材可以使用在线圈中。应当理解的是，如果使用较小或较粗规格的线材，则每层可以使用更多或更少的匝以产生期望的电阻。

在替代性实施方式中，电流传感器可以构造成使得至少一个励磁线圈可以环绕至少一个驱动线圈(未示出)。在这样的实施方式中，尽管由至少一个驱动线圈产生的磁场在励磁线圈内部，但是由至少一个驱动线圈产生的净磁场基本上为零，并且因此如果有的话很少，电压被感应到励磁线圈中。这是由于驱动线圈产生彼此相等且相反的磁场，并且周围的励磁线圈仅测量磁性体内部的净场。因此，当至少一个驱动线圈可以由磁性体的第二部分支承时，至少一个励磁线圈可以由磁性体的第一部分和第二部分支承。在这种实施方式中，至少一个驱动本体部件可以被驱动进入和离开磁饱和，并且由此调制在至少一个励磁线圈中感应的电压。

磁性体32，例如场本体部件34和驱动本体部件36可以由磁性材料形成。通常，磁性材料具有相对高的磁导率，其可以限制和导引磁场。例如，磁性材料例如可以是任何硬的和软的含铁材料，比如包括其合金和其复合材料的铁氧体、钢、铁和/或镍。

现在转向图11A至图13B，示出了磁性体32的替代性实施方式。图11A和图11B图示了电流传感器90，该电流传感器90包括构造为带绕磁芯156的场本体部件134。驱动本体部件36包括支承相应的驱动线圈40和42的一对驱动杆52和54。可以沿带绕磁芯156的长度设置有励磁线圈38。

在图12A和图12B中示出的实施方式中，电流传感器94包括构造为连接的多个励磁杆56的第一本体部件34或者整体式本体。根据图12A和12B中示出的替代性实施方式，驱动本体部件36可以是附接至场本体部件34以横跨间隙50的环形本体80。第一驱动线圈40和第二驱动线圈42可以环绕环形本体80的相对两个侧部。在这样的实施方式中，环形本体80沿方向A偏离轴线46，并且驱动线圈40和42沿相对于轴线46和方向A成角度地偏移的方向R偏离轴线46。根据替代性实施方式，当驱动电流被供给至线圈40和42时，驱动磁场BD的至少大部分将未在励磁线圈38中产生电压，例如电动势。在该构型中，励磁线圈也可以放置在驱动线圈组件周围而不是放置在场本体部件34(未示出)上。

在如图13A至图13C所示的又一实施方式中，电流传感器96可以包括构造为偏移环形组件的磁性体232。偏移环形组件包括联接至第二或驱动环形部段86的第一或场环形部段84，该第二或驱动环形部段86相对于场环形部段84旋转约90度。场环形部段84在本体部件236处联接至驱动环形部段86。本体部件236可以循环进入和离开磁饱和。场环形部段84包括励磁线圈38，并且驱动环形部段86包括驱动线圈40。驱动线圈构造成产生磁场，其大部分未在励磁线圈38中感应电动势，部分原因在于驱动线圈40相对于场环形部段84的旋转和横向偏移。因而，驱动线圈布置成使得其磁场未在励磁线圈38中感应电压。应当理解的是，该实施方式不限于环形部件，并且可以使用任何数量的驱动本体部件和场本体部件的构型来检测信号电流102。

现在参照图6C和图6D，场本体部件34和驱动本体部件36的磁性允许磁性体32在磁场BC可以沿着磁性体32被引导而不破坏的状态与磁性体32不允许磁场BC沿着磁性体32经过——即磁场BC被中断——的状态之间重复。当磁场BC由信号电流102产生时，磁性体32的磁性以及驱动线圈40和42相对于磁性体上的励磁线圈38的布置允许磁性体32的磁性状态的控制迭代。结果是低电平、可靠的信号电流检测。

继续参照图6C和图6D，接下来将参照图6C和图6D来描述电流传感器30的操作。当电流102穿过电流传感器30时，第一磁场BC沿着磁性体32产生(图6C)。第一磁场BC沿着下述路径穿过重叠部69且穿过驱动杆52和54：该路径沿着场本体部件34中的轴线46延伸。施加驱动电流106，驱动线圈40和42在驱动本体部件36例如驱动杆52和54(图6B)内产生第二磁场BD。驱动线圈40和42相对于励磁线圈38布置成使得第二磁场的产生未在励磁线圈38中产生电压。例如，第二磁场未在励磁线圈38中感应电动势。即使第二磁场确实感应电动势，则电动势也是可忽略的。驱动电流106可以是交流电。驱动电流106的施加使驱动杆52和54循环进入和离开磁饱和。例如，驱动电流106和第二磁场BD使驱动杆52和54在1)第一阶段与2)第二阶段之间循环，其中，在第一阶段中，驱动杆52和54被磁饱和以在间隙50处的时刻在第一磁场BD的路径中引起中断，在第二阶段中，驱动杆52和54逐渐失去磁饱和，以便消除在第一阶段期间产生的路径中的中断。在第一阶段与第二阶段之间的循环使得驱动杆52和54被驱动进入和离开磁饱和，调制第一磁场BC由此产生调制的磁场BM。循环可能会以为信号电流的最高频率的至少两倍的频率发生。因此，第一磁场BC可以以为信号电流的最高频率的至少两倍的频率被调制。当调制的磁场BM在磁性体32内穿过励磁线圈38时，在励磁线圈38中产生调制信号M。例如，调制磁场BM可以在励磁线圈38中产生电压。调制信号M随后如下所述被进一步处理。交流电的替代是利用切换的直流电。

现在转向图14，电流传感器可以构造为开环信号传感器130。开环传感器130可以根据上述实施方式中的任一实施方式包括磁性体32、由场本体部件34支承的励磁线圈38、以及由驱动本体部件36支承的至少一个驱动线圈(40或42)。开环传感器130可以沿着构造成提供开环电流检测的电路300连接。电路300包括振荡器302、用于产生驱动和场时钟的计数器304、以及在端子41c和41d处连接至驱动线圈40(和/或驱动线圈42)的功率放大器306。电源(未示出)可以供给电流。计数器304可以连接至功率放大器306和解调器114。励磁线圈端子39a和39b分别连接至接地和高通滤波器308。高通滤波器可以包括电容器308a和电阻器308b。解调器114可以是根据一个实施方式的同步解调器。放大器324具有与沿着钻探系统部件25，例如靠近BOP 29的钻柱6(参见图3和图5)流动的电流成比例的输出信号。

振荡器302可以产生精确和稳定的系统时钟。计数器304包括产生具有频率F_D的驱动时钟和频率为F_D的两倍的场或检测器时钟的“除N”计数器。驱动时钟以频率F_D被施加至功率放大器306。场时钟以两(2)倍F_D的频率被施加至解调器114。

功率放大器306具有足够的电压和电流以使驱动杆52和54循环进入和离开饱和，如上所述。在图示的实施方式中，功率放大器306向驱动线圈40和42施加交流电，这驱动驱动杆52和54的饱和，如上所述。当驱动杆52和54(图6B)不处于饱和时，与信号电流102相关联的第一磁场BC为最大。当驱动杆52和54处于饱和时，磁性体32包括路径中的中断，并且第一磁场BC为最小。使驱动杆52和54循环离开和进入饱和——这使磁场BC在最小与最大之间循环——将磁场BC调制成调制磁场BM。调制磁场BM具有例如在驱动时钟的每个周期两次出现的最小值和最大值。调制磁场BM在励磁线圈38处产生调制电压输出。励磁线圈38的输出通过高通滤波器308被滤波。

解调器114包括开关312和314，开关312和314中的每个开关在第一位置与第二位置之间重复。高通滤波器308的输出随后被施加至开关312和314。当驱动杆52和54离开饱和时，开关312和314处于第一位置，当驱动杆52和54进入饱和时，开关312和开关314处于第二位置。开关312和314在分别连接至端子316和318时处于第一位置。开关312和314在分别连接至端子320和322时处于第二位置(未示出)。当驱动杆52和54分别为明确不饱和或者明确饱和时，在第一位置和第二位置之间的切换发生。

解调器114的输出被施加至放大器324。根据图示的实施方式，当驱动杆52和54进入饱和时(开关312和314可以处于第一位置)，励磁线圈38的输出信号将具有一个极性。当驱动杆52和54离开饱和时(开关312和314可以处于第二位置)，励磁线圈38的输出信号将具有相反的极性。由解调器114产生的相反极性信号可以是脉冲输出信号。放大器324包括输入326和328，分别比如反相输入和非反相输入。在图示的实施方式中，放大器构造为积分器。脉冲输出信号可以被施加至放大器324的输入326和328。如图示的，放大器324构造成例如通过限制解调器114的DC增益在固定长度的窗口上方对来自解调器114的脉冲输出信号进行积分。如上所述，电路300的输出330是将与在钻探系统部件25上流动的电流102成比例的调制信号。输出330可以被施加至接收器部件112(图4)和/或计算机处理器(图4)用于进一步的信号处理。例如，输出330可以由控制器(未示出)接收，该控制器构造成响应于接收到输出330而使处理器对输出信号330进行解码。解码输出信号的输出可以是钻探数据，其可以与在计算装置200上运行的一个或更多个分析和显示应用程序一起使用。应当理解的是，以上所描述的电路300的替代性实施方案可以用于辅助开环信号检测。沿着电路300的部件的构型可以变化，并且电路300的单个元件并非是必要的。

转向图15，电流传感器可以构造为闭环传感器230。闭环传感器230可以根据上述实施方式中的任一实施方式包括磁性体32、由场本体部件34支承的励磁线圈38、以及由驱动本体部件36支承的至少一个驱动线圈(40或42)。闭环传感器230可以沿着构造成提供闭环电流检测的电路400连接。闭环传感器电路400可以包括与上述开环电路300类似的元件。例如，电路400包括振荡器302、计数器304、功率放大器306、解调器114和构造为积分器的放大器324。在闭环构型中，放大器324构造成用于高增益。根据图示的实施方式，放大器324的输出被施加至电流源332。电流源332的输出然后被施加至励磁线圈38。电流源332应当具有相对高的输出阻抗，以避免来自励磁线圈38的信号脉冲振幅的退化。当放大器324构造成用于高增益时，可以将电流施加回励磁线圈38，其几乎等于信号电流102除以励磁线圈的总匝数。结果是在磁性体32中流动的第一磁场BC的接近但不是总的消除。使用放大器334比如电流-电压转换器产生电路400的输出信号430。输出信号430与在钻柱6上流动的电流成比例。反馈可以驱动系统朝更线性水平比如90％或更大线性驱动。

转向图16，用于使用电流传感器30检测电流102的方法500可以包括沿着钻探系统部件25的一部分安装(未示出)电流传感器30。该方法的步骤502可以包括朝向由钻探系统部件支承的电流传感器传输信号电流。在步骤504中，在磁性体内沿着由磁性体限定的路径产生第一磁场。步骤506可以包括向驱动线圈施加电流。例如，步骤506可以包括向驱动线圈施加交流电。在步骤508中，第二磁场由驱动线圈产生，以使第二部分比如驱动本体部件36交替地进入和离开磁饱和。接下来，在步骤510中，驱动本体部件36在1)第一阶段与2)第二阶段之间循环，其中，在第一阶段中，驱动本体部件36被磁饱和以便在第一磁场的路径中产生中断，在第二阶段中，驱动本体部件36是磁不饱和的，以便消除在第一阶段期间产生的路径中的中断。该方法可以包括在步骤512中通过在一段时间内使第一阶段和第二阶段重复来调制在磁性体内经过的第一磁场。在调制步骤512中，第一磁场可以以与第一阶段和第二阶段在一段时间被重复的频率成比例的方式被调制。步骤514包括当调制的第一磁场的一部分在磁性体内经过时在至少一个励磁线圈中感应调制信号。调制磁场穿过励磁线圈并且在励磁线圈中感应调制的电压。在步骤516中，调制电压信号可以被解调为与沿着钻探系统部件经过的信号电流成比例的输出信号。步骤518可以包括处理输出信号。例如，该方法可以包括解码输出信号并分析在输出信号中编码的钻探数据。对于闭环构型，该方法可以包括向励磁线圈38施加信号电流。