专利名称：定位仪的制作方法
技术领域：
本申请涉及一种用于确定在井下套管中的工具的位置的定位仪。
背景技术：
当在井下套管中运行工具时，会经常需要知晓工具的具体位置。特别当运行不同类型的检验仪或测井仪时，知晓在检验或测井期间做出的每次观测的确切的位置会是非常重要的。出于这个和多个其他原因，作出了许多尝试来开发能够确定工具当位于井下时的位置的设备。已知用来确定井下工具的位置的设备被称为“套管接箍定位器”。通常，定位器包括一个或多个磁体以及一个或多个当经过接箍或套管的特征时用来测量磁通量和电通量变化的线圈，所述特征显著到足够导致可测的变化。该设备因而仅能逐个接箍地而不是在两个接箍之间确定工具的位置，并且为测量通量的不同，设备必须在套管中以显著的速度移动。另一种“套管接箍定位器”包括一个或多个用来测量在套管接箍中残留或自然发生的磁力的线圈形式的磁通门磁强计(flux gate magnetometer) 0然而，为了确定工具在接箍之间的位置，必须使用线缆深度(wireline depth) 0如US6768299中所示，“套管接箍定位器”也可以包括一个用来测量由磁体产生的磁场强度变化的磁强计。“套管接箍定位器”也可以包括多个磁强计来实现不同的检测模式，从而一个磁强计检测接箍并且其他磁强计检测工具的方向以便控制工具的钻头的方向。
发明内容
本发明的目的是全部或部分克服现有技术中的上述不足与缺陷。更具体地，目的是提供一种可替代的能够确定工具相对于一已知参考点例如井口的确切位置的定位仪。因此，目的是提供一种能够确定甚至在沿套管长度的两个接箍之间的位置的仪
ο以上目的以及其他许多将从下面的描述中可见的目的、优点和特征，由根据本发明的解决方案通过用来确定在井下套管中的位置的定位仪实现，该定位仪具有纵向仪器轴并且包括-检测单元，包括-用于产生磁场的第一磁体，-配置在第一平面内和与第一磁体相距第一距离的用于测量磁场的大小和/或方向的第一传感器，用于检测磁场的变化，以及-配置在相同的第一平面内和沿所述轴与第一传感器相距第二距离的用于测量磁场的大小和/或方向的第二传感器，也用于检测磁场的变化，其中传感器检测磁场的大小和/或方向中的变化，磁体具有基本上与纵向仪器轴横截的磁场源轴。当仪器具有磁体和两个传感器这两者时，仪器的定位独立于仪器的速度。由传感器执行的测量可被处理为仪器的速度的相当精确的估计并由而得到其位置的相当精确的估计。因此，不需要额外的仪器来确定位置，并且位置还能在两个套管接箍之间被确定。当仪器具有两个相互之间以一距离放置的传感器时，第一传感器的测量能与第二传感器的测量比较，这导致仪器的当前位置的更精确的估计，并且依赖于位置的后续操作能因而被更精确地确定。定位仪可以进一步包括第二磁体，第一传感器相对于第一磁体的纵向延伸以第一角度放置，并且第二传感器具有相对于第二磁体的纵向延伸的第一距离和角度。在一个实施例中，这些传感器可以被放置在距离磁体相同的距离上。这些传感器可以是各向异性的磁阻传感器。通过使用各向异性磁阻传感器，传感器的测量可以与仪器的速度无关。定位仪可以进一步包括第二磁体，第二传感器相对于第二磁体以一位置安排，该位置与第一传感器相对于第一磁体安排的位置相同，好像第一传感器和磁体被平行移位一样，并且磁体可以被安排在与第一和第二传感器相同的第一平面内。通过在相同的平面内配置传感器，可以获得仪器的更精确的位置。另外，第一距离可以与第二距离相等。此外，第一和第二传感器可以安排在磁体的一侧并且多个传感器可以安排在第一平面内的另一侧。所述磁体可以安排在板的一侧，并且另外的磁体可以安排在板的另一侧从而磁体的两个互斥的磁极相对。板可以由非导电或非磁性材料制成，例如瓷、陶瓷、云母、玻璃、塑料或它们的组合。仪器可以包括多个磁体，每个磁体安排于传感器的外部，因此第一磁体安排在第一传感器的外部，并且第二磁体安排于第二传感器的外部。另外，该至少一个磁体可以是永久磁体或电磁体。每个传感器可以测量磁场或场矢量的大小和方向，即场的强度和/或方向。仪器可以是具有外壁的圆柱体形状，并且检测单元可以安排在仪器的内部并被外
壁包围。磁体可以具有矩形形状或圆柱体形状。两个传感器之间的距离可以在5到150mm之间，优选在5到IOOmm之间，更优选在 10到50mm之间，并且甚至更优选在10到30mm之间。此外，定位仪可以包括根据上述说明的第二检测单元。另外，在仪器中的检测单元之间的距离可以在IOOmm到IOOOOmm之间，优选在 IOOOmm 到 5000mm 之间。该发明也涉及一种如上文描述的检测单元。另外，该发明涉及一种基于从定位仪获得的测量确定工具位置的方法，包括以下步骤通过第一传感器在一个时间周期内多次测量磁场的大小和/或方向，通过第二传感器测量磁场的大小和/或方向，以及
比较来自第一传感器的测量和来自第二传感器的测量以计算工具的速度。另外，该发明涉及一种如上文描述的方法，其中测量磁场的大小和/或方向的步骤在一个时间周期内被多次执行，并且其中比较来自传感器的测量的步骤在这个时间周期后被执行。该仪器可以在测量期间移动。另外，该发明涉及如上文描述的定位仪的用途。此外，该发明涉及包括定位仪和用来处理由传感器测量的磁场数据的计算单元的定位系统。最后，该发明涉及包括定位仪和例如井下拖拉器(tractor)的驱动工具的井下系统。
该发明及其很多优点将参考示例性附图作如下更详细的描述，这些附图为了示例的目的示出一些非限制性实施例，其中图1示出根据本发明的定位仪的剖面视图，图2示出仪器的另一个实施例，图3示出仪器的又一个实施例，图4A示出仪器的又一个实施例，图4B示出仪器的又一个实施例，图5示出磁体的剖面视图，图6示出仪器的一个实施例的顶端的剖面视图，图7示出与驱动单元连接的定位仪，图8示出在定位仪经过两个套管接箍的同时获得的测量曲线图，以及图9示出来自两个传感器的测量的曲线图，以及图10示出在套筒(sleeve)改变位置之前和之后获得的测量的曲线图。所有这些附图都是高度示意性的并且不需要按比例，并且它们仅示出那些为阐明本发明所必须的部分，其他部分被省略或仅仅被暗示。
具体实施例方式本发明涉及用来在井下执行操作前确定一井下工具的位置或用来定位阀、环形障碍(annular barrier)、套筒、补丁、套管中的泄漏或任何导致磁场显著变化的其他特征的位置的定位仪1，定位仪1也可以有利地被用于检测泄漏或阀，因为阀和泄漏两者都会导致磁场中的显著变化，并且同时估计泄漏或阀的位置。如果井下要被定位的特征不会导致磁场中的显著变化或如果需要关于例如阀的情况的进一步信息，定位仪1能与检验仪或其他测井仪相关联地使用。如果要被定位的特征不会导致显著变化，定位仪1也能与钻井工具、用于设定塞的设定工具、用于插入衬板或补丁的工具或类似类型的井下工具相关联地使用。如果这些井下工具需要井下位置来执行在井中的特定操作，例如侧钻，井下工具也可以与定位仪1连接。
如图1所示，定位仪1包括一个检测单元2。检测单元2包括磁体4和8个传感器 5、6。这些传感器5、6被放置，从而在磁体4的每一边放置4个传感器。传感器5、6以相互之间相距轴向距离d2并在板8上的相同平面7内安排。传感器5、6以相距被放置在相同的板8上的磁体4第一距离Cl1安排。在图1中，板8是一电路板。定位仪1具有基本上圆柱体形状，并且检测单元2被安排在它的中心，沿着仪器的长度延伸。板8被紧固在仪器1的外壁上。当仪器1沿套管向下移动3时，磁场依赖周围环境变化，并且当仪器移动时传感器5、6检测磁力线的方向θ。通过执行基本上连续的方向和/或大小的测量，在仪器1经过在两个接箍或接头之间的套管3的部分的同时测量小的变化。小的变化可以是由套管3贯穿其整个长度在厚度上的轻微不准确或套管可能具有变化的密度的情况导致的。传感器也能检测是否在磁场没有变化发生，即是否套管的厚度沿着测量的距离没有变化或仪器已经停止。每个传感器5、6测量相同的变化，但是存在由于传感器之间的距离导致的测量之间时间的不同。来自传感器5、6的数据被求卷积，并且从卷积的最大值，可以推论何时第一传感器5经过与第二传感器6相同的位置，等等。在第一和第二传感器经过相同的位置的时间之间的期间被命名为Δ Τ,并且因为在第一传感器5和第二传感器6之间的距离d2是已知的，能够通过如下方程计算定位仪1的速度
权利要求
1.一种用来确定在井下套管(3)中的位置的定位仪(1)，所述定位仪具有纵向的仪器轴并包括检测单元0)，包括用于产生磁场的第一磁体(3)，安排于第一平面(7)内并与第一磁体相距第一距离(dl)的第一传感器(5)，用来检测磁场的变化，以及安排于第一平面并沿着纵向的仪器轴与第一传感器相距第二距离(业)的第二传感器(6)，也用来检测磁场的变化，其中传感器检测磁场的大小和/或方向的变化，磁体具有基本横截于纵向的仪器轴的磁场源轴。
2.根据权利要求1的定位仪，进一步包括第二磁体，第一传感器相对于第一磁体的纵向延伸以第一角度(a)放置，并且第二传感器具有相对于第二磁体的纵向延伸的第一距离和角度(a)。
3.根据权利要求1的定位仪，进一步包括第二磁体，第二传感器相对于第二磁体以一位置安排，该位置与第一传感器相对于第一磁体安排的位置相同，好像第一传感器和磁体被平行移位一样，其中磁体被安排在与第一和第二传感器相同的第一平面内。
4.根据前述任一项权利要求的定位仪，其中第一和第二传感器安排于磁体的一侧，并且多个传感器安排于第一平面中的另一侧。
5.根据前述任一项权利要求的定位仪，其中磁体安排在板(8)的一侧，并且另外的磁体安排在板的另一侧，从而磁体的两个互斥的磁极相对。
6.根据前述任一项权利要求的定位仪，其中所述定位仪包括多个磁体，每个磁体被安排于传感器的外部。
7.根据前述任一项权利要求的定位仪，其中至少一个磁体是永久磁体或电磁体。
8.根据前述任一项权利要求的定位仪，其中每个传感器测量在该传感器内的磁场的大小和/或方向(Θ)。
9.根据前述任一项权利要求的定位仪，其中两个传感器之间的距离在5到150mm之间， 优选在5到IOOmm之间，更优选在10到50mm之间，并且甚至更优选在10到30mm之间。
10.一种根据前述任一项权利要求的检测单元。
11.一种用于基于从根据前述任一项权利要求的定位仪获得的测量确定工具的位置的方法，包括以下步骤通过第一传感器在一个时间周期内多次测量磁场的大小和/或方向，通过第二传感器测量磁场的大小和/或方向，以及比较来自第一传感器的测量和来自第二传感器的测量以计算工具的速度。
12.根据权利要求11的方法，其中测量磁场的大小和/或方向的步骤在一个时间周期内被多次执行，并且其中比较来自传感器的测量的步骤在这个时间周期后被执行。
13.根据权利要求11或12的方法，其中所述定位仪在测量期间移动。
14.根据权利要求1-9中任一项的定位仪的井下或在井中的用途。
15.一种包括根据权利要求1-9中任一项的定位仪和用来处理在传感器中测量的磁场数据的计算单元的定位系统。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定在井下套管中的位置的定位仪。所述定位仪具有纵向的仪器轴(A)并且包括检测单元(2)，该检测单元包括用来产生磁场(14)的第一磁体(4)，安排在第一平面内并距第一磁体第一距离的用于检测磁场变化的第一传感器(6)，和安排在第一平面内并沿着所述轴距第一传感器(6)第二距离的也用来检测磁场变化的第二传感器(5)。
文档编号E21B47/09GK102597420SQ201080049030
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月29日 优先权日2009年10月30日
发明者J·哈伦德贝克, M·弗兰克 申请人:韦尔泰克有限公司