用于井筒操作的选择性接合井下工具的装置、系统和方法与流程

用于井筒操作的选择性接合井下工具的装置、系统和方法
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2020年1月30日提交的美国临时申请序列号62/968,074的权益，该申请的全部内容通过援引并入本文。
技术领域
2.本发明涉及用于执行井下操作的装置、系统和方法，尤其涉及被配置用于确定其在井筒中的井下位置并且基于该确定而自激活以完成井下操作的装置、以及相关的系统和方法。


背景技术：

3.最近，已经开发了包括用于分级井处理的井筒处理管柱的井筒处理设备。井筒处理管柱可用于在井内形成多个隔离区并且包括可打开端口系统，该系统允许选择性地进入每个这样的隔离区。处理管柱包括承载多个外部环形封隔器的管状管柱，这些封隔器可以设置在孔洞中以在其间、在管柱与井筒壁之间的环空中形成隔离区，无论是套管井还是裸眼井。穿过管柱壁的可打开端口位于封隔器之间并提供管柱内孔与隔离区之间的连通。这些端口可选择性地打开、并且包括位于其上的套筒，该套筒具有形成在套筒内直径中的可密封底座。通过发射塞子，例如球、飞镖等，塞子可以密封端口套筒的底座，并且可以增大塞子后面的压力，以驱动该套筒穿过管柱从而打开端口并进入到隔离区。每个套筒中的底座可以被形成为接受选定直径的塞子，但允许更小直径的塞子穿过。这样，可以通过发射特定大小的塞子来选择性地打开端口，该塞子被选择用来密封该端口的底座。
4.然而，不幸的是，这样的井筒处理系统往往受限于可以进入的区的数量。特别地，关于井筒管的内直径的限制(通常是由于井本身的内直径)限制了可以安装在任何一根管柱中的不同大小的底座的数量。例如，如果井直径决定了井中最大的套筒底座最多可以接受33/4"塞子，则井处理管柱通常将被限制为大致11个套筒，因此处理只能在11个级中完成。因此，期望一种井筒处理系统，该井筒处理系统允许在整个管柱上使用相同大小的套筒底座，从而井筒处理系统可以具有更多级。此外，如果管柱中的套筒底座彼此相同，则套筒底座不必以任何特定顺序来安装。
5.在一些情况下，塞子被配置用于在完井操作期间来密封井筒，比如在区中穿过开放端口进行水力压裂。橡胶和其他弹性材料通常用作可设定塞子中的密封件。本领域的普遍问题是密封件在设定期间的不希望的变形，以及随后的变形，这两者都是由于密封材料的挤出造成的。在轴向压缩下，在常规密封环中可能穿过压缩设定机构的压缩环中或周围的任何间隙发生挤出。这种挤出可能导致密封件变形、断裂或侵蚀，由此折损密封件的完整性，从而可能导致不希望的泄漏。
6.因此，本披露旨在解决上述问题。


技术实现要素：

7.根据本披露的广泛方面，提供了一种方法，该方法包括：将装置部署到管柱的通道中；通过该装置中的磁力计来测量x轴上的x轴磁场、y轴上的y轴磁场、和z轴上的z轴磁场，该z轴平行于该装置的行进方向，并且该x轴和y轴与该z轴正交且彼此正交；生成以下中的一个或多个：基于该x轴磁场的x轴信号、基于该y轴磁场的y轴信号、和基于该z轴磁场的z轴信号；以及监测该x轴、y轴和z轴信号中的一个或多个以检测变化；以及分析该变化以检测该管柱中的至少一个特征，其中，该变化是由以下中的一个引起的：该装置中的第一磁体相对于该装置中的第二磁体的移动；该装置接近该至少一个特征，该至少一个特征中的每个特征都是磁性特征；以及该至少一个特征接近该装置中的第三磁体。
8.在一些实施例中，该变化是由该第一磁体相对于该第二磁体的移动引起的，并且该变化包括该z轴信号的变化，并且分析包括：确定该z轴信号的变化是否大于或等于预定阈值幅度。
9.在一些实施例中，分析包括：在确定该z轴信号的变化大于或等于该预定阈值幅度时，确定在该z轴信号变化期间该y轴信号是否在基线窗口内。
10.在一些实施例中，分析包括：在确定该z轴信号的变化大于或等于该预定阈值幅度时，确定在该z轴信号的最大变化期间该y轴信号是否在基线窗口内。
11.在一些实施例中，分析包括：在确定该y轴信号在该基线窗口内时，确定该y轴信号在该基线窗口内的时间是否超过阈值时间跨度。
12.在一些实施例中，该方法包括：至少部分地基于该x轴信号来调整该y轴信号的基线。
13.在一些实施例中，该第一磁体和该第二磁体为稀土磁体。
14.在一些实施例中，该第一磁体嵌入该装置的第一可缩回突出部中，第二磁体嵌入该装置的第二可缩回突出部中，该第一可缩回突出部和第二可缩回突出部定位在该装置的外表面上的大约相同的轴向位置处，并且该至少一个特征包括缩窄部。
15.在一些实施例中，该第一可缩回突出部和第二可缩回突出部在方位角上间隔大约180
°
，并且该y轴平行于该第一可缩回突出部和第二可缩回突出部的缩回方向。
16.在一些实施例中，该变化是由该装置接近该至少一个特征引起的，并且其中，监测包括：使用下式来计算环境磁场m：其中，x是该x轴信号的幅度，y是该y轴信号的幅度，而c和d分别是该x轴信号和y轴信号的调整常数，并且，该变化包括环境磁场的变化。
17.在一些实施例中，分析包括：确定该变化是否落入该至少一个特征之一的参数分布曲线内。
18.在一些实施例中，该参数分布曲线包括最小磁场阈值，并且确定该变化是否落入该参数分布曲线包括：确定该环境磁场是否大于或等于该最小磁场阈值。
19.在一些实施例中，该参数分布曲线包括最大磁场阈值，并且，确定该变化是否落入该参数分布曲线包括：在确定该环境磁场大于或等于该最小磁场阈值时开启计时器；在开启该计时器之后监测该环境磁场以确定该环境磁场是否小于该最小磁场阈值或大于该最
大磁场阈值；以及在确定该环境磁场小于该最小磁场阈值或大于该最大磁场阈值后停用该计时器，以提供在该计时器的开启与该计时器的停用之间经过的时间。
20.在一些实施例中，该参数分布曲线包括最小时间跨度和最大时间跨度，并且，确定该变化是否落入该参数分布曲线内包括：确定所经过的时间是否在该最小时间跨度与该最大时间跨度之间。
21.在一些实施例中，该变化是由该至少一个特征接近该第三磁体引起的，并且监测包括：使用以下来计算该第三磁体的磁场m：其中，x是该x轴信号的幅度，y是该y轴信号的幅度，z是该z轴信号的幅度，而p、q、和r分别是x轴信号、y轴信号和z轴信号的调整常数，并且该变化包括该第三磁体的磁场变化。
22.在一些实施例中，分析包括：确定该变化是否落入该至少一个特征之一的参数分布曲线内。
23.在一些实施例中，该参数分布曲线包括最小磁场阈值，并且确定该变化是否落入该参数分布曲线包括：确定该第三磁体的磁场是否大于或等于该最小磁场阈值。
24.在一些实施例中，该参数分布曲线包括最大磁场阈值，并且，确定该变化是否落入该参数分布曲线包括：在确定该第三磁体的磁场大于或等于该最小磁场阈值时开启计时器；在开启该计时器之后监测该第三磁体的磁场以确定该第三磁体的磁场是否小于该最小磁场阈值或大于该最大磁场阈值；以及在确定该第三磁体的磁场小于该最小磁场阈值或大于该最大磁场阈值后停用该计时器，以提供在该计时器的开启与该计时器的停用之间经过的时间。
25.在一些实施例中，该参数分布曲线包括最小时间跨度和最大时间跨度，并且，确定该变化是否落入该参数分布曲线内包括：确定所经过的时间是否在该最小时间跨度与该最大时间跨度之间。
26.在一些实施例中，该至少一个特征中的每个是磁性特征或更厚特征(thicker feature)。
27.在一些实施例中，该至少一个特征中的每个是磁性特征，并且其中，该至少一个特征中的第一特征具有第一参数分布曲线，并且该至少一个特征中的第二特征具有第二参数分布曲线，该第一参数分布曲线与该第二参数分布曲线不同。
28.在一些实施例中，该方法包括：在检测到该至少一个特征之一时，进行以下之一或二者：将计数器增量；以及确定该装置在该管柱中的位置。
29.在一些实施例中，该方法包括：在部署该装置之前，设定目标位置；在将该计数器增量和/或确定该位置之后，将该计数器或该位置与该目标位置进行比较，以确定该计数器或该位置是否已到达该目标位置；以及在确定该计数器或位置已经到达该目标位置时，激活该装置。
30.在一些实施例中，激活该装置包括：致动该装置的接合机构。
31.在一些实施例中，该方法包括：至少部分地基于由该装置中的加速度计测量的该装置的加速度来确定该行进的距离。
32.在一些实施例中，至少部分地基于由该装置中的陀螺仪测量的该装置的旋转来确定该距离。
33.根据本披露的另一广泛方面，提供了一种井下工具，该井下工具包括：第一支撑环，该第一支撑环具有：在第一端处的第一面；在第二端处的第一椭圆面，该第一面和该第一椭圆面具有在其间延伸的第一间隙；以及第二支撑环，该第二支撑环具有：在第一端处的第二面；在第二端处的第二椭圆面，该第二椭圆面与该第一椭圆面相邻并且被配置为配合地抵靠该第一椭圆面，该第二面和该第二椭圆面具有在其间延伸的第二间隙，该第一支撑环和第二支撑环可从初始位置扩张至扩张位置，其中，与该初始位置相比，在该扩张位置时，该第一间隙和第二间隙加宽。
34.在一些实施例中，该第一支撑环包括：第一短边，该第一短边具有第一短边长度；以及第一长边，该第一长边具有第一长边长度，该第一长边长度大于该第一短边长度，并且该第一面和该第一椭圆面各自从该第一短边延伸至该第一长边；并且该第二支撑环包括：第二短边，该第二短边具有第二短边长度；以及第二长边，该第二长边具有第二长边长度，该第二长边长度大于该第二短边长度，并且该第二面和该第二椭圆面各自从该第二短边延伸至该第二长边。
35.在一些实施例中，该第二长边长度等于或大于该第一长边长度。
36.在一些实施例中，该第二短边长度等于或大于该第一短边长度。
37.在一些实施例中，该第二长边长度小于该第一长边长度。
38.在一些实施例中，该第二短边长度小于该第一短边长度。
39.在一些实施例中，该第一间隙位于该第一短边处或附近。
40.在一些实施例中，该第二间隙位于该第二短边处或附近。
41.在一些实施例中，该第二短边与该第一长边相邻；并且该第二长边与该第一短边相邻。
42.在一些实施例中，该第一间隙与该第二间隙在方位角上偏离。
43.在一些实施例中，该第一面和第二面之一或二者是圆形的。
44.在一些实施例中，该第一椭圆面相对于该第一面倾斜了在大约1
°
至大约30
°
范围内的角度。
45.在一些实施例中，存在以下中的一个或多个：该第一短边长度为该第一长边长度的大约10％至大约30％；该第一短边长度为该第二短边长度的大约18％至大约38％；并且该第一短边长度为该第二长边长度的大约3％至大约23％。
46.在一些实施例中，存在以下中的一个或多个：该第二短边长度为该第二长边长度的大约10％至大约30％；该第二短边长度为该第一短边长度的大约18％至大约38％；并且该第二短边长度为第一长边长度的大约3％至大约23％。
47.在一些实施例中，在该扩张位置时，该第一支撑环的至少一部分与该第二支撑环径向地偏离。
48.在一些实施例中，在该扩张位置时，该第一间隙的体积小于该第二间隙。
49.在一些实施例中，该井下工具包括：锥体和环形密封件，并且其中，该第一支撑环、该第二支撑环和该密封件支撑在该锥体的外表面上，该密封件与该第一面相邻。
50.在一些实施例中，该井下工具包括：非激活位置，在该非激活位置时，该环形密封
件以及该第一支撑环和第二支撑环处于该锥体的第一轴向位置，并且该第一环和第二环处于该初始位置；以及激活位置，其中环形密封件和第一和第二支撑环处于锥体的第二轴向位置，并且第一和第二支撑环处于扩张位置，其中，该第二轴向位置的外直径大于第一轴向位置的外直径，并且该环形密封件在该激活位置时的外直径大于在该非激活位置时。
51.在一些实施例中，该第一短边长度为该环形密封件的轴向长度的大约6％至大约26％。
52.在一些实施例中，该第二长边长度为该环形密封件的轴向长度的大约109％至大约129％。
53.在一些实施例中，其中，该第一支撑环和第二支撑环各自具有相应的截头圆锥形内表面，用于配合地抵靠该锥体的外表面。
54.在一些实施例中，该第一支撑环和第二支撑环之一或二者包括可溶解材料。
附图说明
55.现在将参见所附的简化的、图解的、未按比例绘制的附图通过示例性实施例来描述本发明。附图中提供的任何尺寸仅出于展示性目的而提供，并不限制由权利要求限定的本发明。在附图中：
56.图1a是根据本披露一个实施例的多级井的示意图。
57.图1b是根据本披露另一实施例的多级井的示意图，其中该井包括一个或多个缩窄部。
58.图1c是根据本披露又一实施例的多级井的示意图，其中该井包括一个或多个磁性特征。
59.图1d是根据本披露又一实施例的多级井的示意图，其中该井包括一个或多个更厚特征。
60.图2a是根据本披露实施例的飞镖的示意性轴向截面视图。
61.图2b是根据本披露另一实施例的飞镖的示意性轴向截面视图，其中该飞镖包括突出部。
62.图2c是根据本披露的又一实施例的飞镖的示意性轴向截面视图，其中该飞镖具有嵌入其中的磁体。图2a至图2c在本文中可以统称为图2。
63.图3a是根据本披露一个实施例的飞镖的示意性轴向截面视图，展示了飞镖中的磁体及其对应的磁场。为简单起见，省去了图3a的飞镖的一些部分。
64.图3b和图3c分别是图3a所示的飞镖的示意性轴向截面视图和示意性侧向截面视图，展示了当磁体处于与图3a的飞镖中的磁体不同的位置时飞镖中的磁体的磁场。图3a、图3b和图3c在本文中可以统称为图3。
65.图4是根据本披露一个实施例的当飞镖穿过通道行进时如由飞镖的磁力计测得的随时间而变的磁通量的x轴、y轴和z轴分量的示例性图形表示。
66.图5a是根据本披露一个实施例的、被示为处于非激活位置的飞镖的示意性轴向截面视图。
67.图5b是图5a的区域“a”的放大视图，示出了完好的安全隔板。
68.图6a是根据本披露一个实施例的、图5a的、被示为处于激活位置时的飞镖的示意
性轴向截面视图。
69.图6b是图6a的区域“b”的放大视图，显示破裂的安全隔板。
70.图7a、图7b和图7c分别是根据本发明一个实施例的、被示为处于非激活位置的飞镖的接合机构和锥体的侧剖视图、侧视平面图和透视图。图7a至图7c在本文中可以统称为图7。
71.图8a、图8b和图8c分别是图7的、没有示出锥体时接合机构的侧视图、侧分解视图和透视图。图8a至图8c在本文中可以统称为图8。
72.图9a、图9b和图9c分别是根据本发明一个实施例的、图7的被示为处于激活位置的接合机构和锥体的侧截面视图、侧平面视图和透视图。图9a至图9c在本文中可以统称为图9。
73.图10a、图10b和图10c分别是图9的、没有示出锥体时接合机构的侧视图、分解侧视图和立体视图。图10a至图10c在本文中可以统称为图10。
74.图11a是根据一个实施例的、图8的接合机构的第一支撑环的立体视图。
75.图11b是根据一个实施例的、图10的接合机构的第一支撑环的立体视图。图11a和图11b在本文中可以统称为图11。
76.图12a是根据一个实施例的、图8的接合机构的第二支撑环的立体视图。
77.图12b是根据一个实施例的、图10的接合机构的第二支撑环的立体视图。图12a和图12b在本文中可以统称为图12。
78.图13是根据一个实施例的用于确定飞镖在井筒中的位置的方法的流程图。
79.图14是根据另一实施例的用于确定飞镖在井筒中的位置的方法的流程图。
80.图15是根据又一实施例的用于确定飞镖在井筒中的位置的方法的流程图。
具体实施方式
81.在描述本发明时，本文未定义的所有术语均具有其通常的本领域公认的含义。在以下描述是本发明的特定实施例或特定用途的范围内，其旨在仅是展示性的，而不是对要求保护的发明的限制。以下描述旨在涵盖包含在本发明的精神和范围内的所有替代、修改和等效物，如所附权利要求中所定义的。
82.一般而言，本文披露的方法用于将装置部署到延伸穿过地下地层的井筒中，并且使用该装置的自主操作来进行井下操作，该井下操作可以涉及或不涉及井下工具的致动。在一些实施例中，该装置是不受束缚的物体，其大小被确定为行进穿过管柱中的通道(例如，管柱的内孔)和各种工具。该装置也可以称为飞镖、塞子、球或棒、并且可以采用不同的形式。该装置可以被泵送到管柱中(即，与流体一起被推入井中)，但在一些实施例中，可能不需要泵送来使该装置移动穿过管柱。
83.在一些实施例中，该装置被部署到通道中、并且被配置为在其在通道中行进时自主地实时监测其位置，并且在确定它已经到达通道中的给定目标位置时自主地操作以启动井下操作。在一些实施例中，该装置呈初始非激活位置被部署到通道中并且保持这种状态直到该装置已经确定它已经到达通道中的预定目标位置。一旦它到达预定目标位置，该装置就被配置为选择性地自激活进入激活位置以实行井下操作。仅举几个示例，井下操作可以是以下中的一种或多种：刺激操作(例如压裂操作或酸化操作)；由井下工具进行的操作
(例如，井下阀的操作、封隔器的操作、单发工具的操作、或射孔枪的操作)；井下障碍物的形成；流体转向(例如，压裂液转向周围地层)；多级井的特定级的加压；井下工具套筒的偏移；井下工具的驱动；以及在井下工具中安装止回阀。刺激操作包括使用刺激流体(比如酸、水、油、co2和/或氮气)在有或没有支撑剂的情况下对地层进行刺激。
84.在一些实施例中，预选目标位置是通道中的以下位置，该位置从通道中的目标工具向上，以由此允许装置确定其即将到达目标工具。通过确定其实时位置，该装置可以在预计其到达井下的目标工具时自激活。在一些实施例中，目标位置可以是相对于例如井筒的表面开口向下的特定距离。在其他实施例中，目标位置是通道中从目标工具向上某处的井下位置。
85.如本文所披露的，在一些实施例中，该装置可以基于与通道中的一个或多个特征的物理接触和/或物理接近度性来监测和/或确定其位置。该一个或多个特征中的每一个可以是或不是通道中工具的一部分。例如，通道中的特征可能是几何形状(例如缩窄部)的变化、物理特性(例如管柱中的材料差异)的变化、磁性的变化、管柱中的材料密度变化等。在替代性实施例或额外的实施例中，该装置可以通过在该装置行进穿过通道时检测磁通量的变化来监测和/或确定其井下位置。在替代性实施例或额外的实施例中，该装置可以通过至少部分地基于该装置的加速度数据计算该装置已经行进的距离来监测和/或确定其在通道中的位置。
86.在一些实施例中，该装置包括本体、控制模块、和致动机构。在非激活位置时，装置的本体可传送穿过通道到达目标位置。该控制模块被配置用于确定该装置是否已经到达目标位置，并且在这种确定时，使致动机构操作以将装置转换为激活位置。在装置用于致动目标工具的实施例中，处于其激活位置的装置可以通过部署接合机构与目标工具接合来致动目标工具、和/或在管柱中邻近于目标工具形成密封以阻止流体流过，例如以将流体转向到地下地层中。
87.在一些实施例中，在非激活位置时，该装置被配置为穿过井下缩窄部(例如，阀座或管连接器)，由此允许该装置用于例如使用该装置的多级应用中与相同大小的底座结合，使得该装置可以选择性地被配置为接合特定的底座。该装置和相关方法可以用于处理流体的分级注入，其中流体被注入井筒的一个或多个选定层段中，而其他层段是封闭的。在一些实施例中，管柱沿其长度具有多个端口接头，并且该装置被配置为接触和/或检测沿着管柱的至少一些特征的存在以确定其即将到达目标工具(例如目标端口接头)。根据这样的确定，该装置自激活以打开目标端口接头的端口，使得处理流体可以穿过该打开的端口注入以处理可通过该端口进入的地下地层。
88.本文所述的装置和方法可以用于各种钻孔条件，包括裸眼井、套管井、竖直井、水平井、直井或斜井。
89.参见图1a，根据一些实施例，多级(“多级”)井20包括井筒22，该井筒穿过一个或多个地下地层(例如，含烃地层)。在一些实施例中，井筒22可以由管柱24加衬或支撑。管柱24可以用水泥固定至井筒22(这样的井筒通常被称为“套管井”井筒)；或者管柱24可以通过封隔器固定到地层(这样的井筒通常被称为“裸眼”井筒)。通常，井筒22延伸穿过一个或多个区或级。在图1a所示的示例性实施例中，井筒22具有五个级26a、26b、26c、26d、26e。在其他实施例中，井筒22可以具有更少或更多的级。在一些实施例中，井20可以包含多个井筒，每
个井筒都具有与所展示管柱24类似的管柱。在一些实施例中，井20可以是注入井或生产井。
90.在一些实施例中，可以在井20中、在其级26a、26b、26c、26d、26e中沿特定方向(例如，沿从井筒22的趾部t到井筒22的跟部h的方向)按顺序地进行或者可以不以特定方向或顺序进行多级操作，这取决于特定的多级操作。
91.在所展示的实施例中，井20包括位于各个级26a、26b、26c、26d、26e中的井下工具28a、28b、28c、28d、28e。每个工具28a、28b、28c、28d、28e可以是各种各样井下工具中的任何一种，例如阀(循环阀、套管阀、套筒阀等)、阀座组件、止回阀、塞子组件等，取决于具体实施例。此外，所有工具28a、28b、28c、28d、28e可能不一定相同，并且工具28a、28b、28c、28d、28e可以包括不同工具(例如，套管阀、塞子组件、止回阀等)的混合和/或组合。
92.每个工具28a、28b、28c、28d、28e可以由装置10选择性地致动，该装置(在所展示的实施例中为飞镖)被部署穿过管柱24的内部通道30。通常，飞镖10具有非激活位置，以允许飞镖相对自由地穿过通道30并且穿过一个或多个工具28a、28b、28c、28d、28e，并且飞镖10具有激活位置，在该激活位置时，例如，飞镖被变换以接合工具28a、28b、28c、28d或28e中的选定工具(“目标工具”)或者以其他方式固定在选定的井下位置，例如以进行特定的井下操作。接合井下工具可以包括以下中的一个或多个：与井下工具进行物理接触、无线通信和着陆(或“被捕捉”)。
93.在图1a所示的所展示的实施例中，飞镖10从地表e处的井筒22开口部署到管柱24的通道30中并且沿着通道30沿井下方向f行进直至飞镖10确定其即将到达目标工具、例如工具28d(如下文进一步描述)而从其初始非激活位置变换为激活位置(如下文进一步描述的)并接合目标工具28d。应注意的是，飞镖10可以从除了地表e之外的位置部署。例如，飞镖10可以通过井下工具释放。作为另一示例，飞镖10可以在传送机构上向井下运行，然后被释放到井下从而不受束缚地进一步向下行进。
94.在一些实施例中，每一级26a、26b、26c、26d、26e具有一个或多个特征40。任一特征40可以是工具本身28a、28b、28c、28d、28e的一部分、或者可以定位在相应级26a、26b、26c、26d、26e内的其他地方，例如在距该级内的工具限定的距离处。在一些实施例中，特征40可以是另一井下工具、比如端口接头，其与工具28a、28b、28c、28d、28e分开并且定位在相应的级内。在一些实施例中，特征40可以定位在相邻的工具之间或位于相邻工具之间的中间位置处、比如在管柱的相邻部段之间的连结部处。在一些实施例中，级26a、26b、26c、26d、26e可以包含多个特征40，而另一级可以不包含任何特征40。在一些实施例中，特征40可以沿着通道30的长度均匀/规则地或不均匀/不规则地分布。如本领域技术人员可以了解的是，其他构型也是可能的。在一些实施例中，特征40在管柱24中的井下位置是在部署飞镖10之前已知的，例如通过井筒22的井图。
95.在一些实施例中，飞镖(dart)10实时地自主确定其井下位置、保持非激活位置穿过目标工具28d之前的(多个)工具(例如28a、28b、28c)、并在到达目标工具28d之前变换为激活位置。在一些实施例中，飞镖10通过与目标工具之前的一个或多个特征40物理接触来确定其在通道内的井下位置。在替代性实施例或额外的实施例中，当飞镖10与目标工具之前的一个或多个特征40非常接近时，飞镖10通过检测该一个或多个特征40的存在来确定其井下位置。在替代性实施例或额外的实施例中，飞镖10通过在飞镖行进穿过通道30时检测磁场和/或磁通量的变化来确定其井下位置。在替代性实施例或额外的实施例中，飞镖10通
过基于该飞镖的实时加速度数据计算飞镖已经行进的距离来确定其井下位置。上述实施例可以单独使用或组合使用以确定飞镖的(实时)井下位置。从上述两个或更多个实施例获得的结果可以关联，以更准确地确定飞镖的井下位置。下文将详细描述各种实施例。
96.图2a中示出了飞镖10的示例性实施例。在所展示的实施例中，飞镖10包括本体120、控制模块122、致动机构124。本体120具有接合区段126。本体120具有前导端140和尾端142，致动机构124、接合区段126和控制模块122位于这两端之间。本体120被配置为在飞镖10处于非激活位置时允许飞镖(包括接合区段126)自由行进穿过通道30和其中的特征40。在其非激活位置，飞镖10的最大外直径d1小于特征40的内直径以允许飞镖10穿其而过。当飞镖10处于激活位置时，接合区段126通过致动机构124变换，例如以使得遇到的下一个工具(即目标工具)接合该接合区段126以捕捉飞镖10。例如，当激活时，接合区段126被部署为使其外直径大于d1和目标工具中的底座的内直径。
97.在一些实施例中，控制模块122包括控制器123、存储器模块125和电源127(用于对飞镖10的一个或多个部件供电)。在一些实施例中，控制模块122包括以下中的一个或多个：磁力计132、加速度计134、和陀螺仪136，下文将详细描述它们的功能。
98.在一些实施例中，控制器123包括以下中的一个或多个：微控制器、微处理器、现场可编程门阵列(fpga)或中央处理单元(cpu)，其接收关于飞镖位置的反馈并生成(多个)适当的信号以传输到致动机构124。在一些实施例中，控制器123使用在存储的程序控制下操作的基于微处理器的装置(即，存储或嵌入在存储器模块的程序存储器中的固件或软件)来进行与本文所述的飞镖相关联的功能和操作。根据其他实施例，控制器123可以呈可编程装置(例如fpga)和/或专用硬件电路的形式。上述实施例的具体实施细节将在本领域技术人员的理解范围内。在一些实施例中，控制器123被配置用于执行一个或多个软件、固件或硬件组件或功能以进行以下中的一个或多个：分析加速度数据和陀螺仪数据；使用加速度数据和陀螺仪数据来计算距离；以及基于与特征的物理接触和/或与特征的接近度，来分析磁场信号和/或磁通量信号以检测、标识和/或识别管柱中的特征40。
99.在一些实施例中，飞镖10是可编程的以允许操作者选择在飞镖进行自激活所处向下的目标位置。飞镖10被配置为使得控制器123可以在制造期间或在部署到井中之前由操作者现场赋予和/或编程上目标位置信息。在一些实施例中，飞镖10可以在制造期间被预编程并且随后由操作者现场重新编程为具有不同的目标位置信息。在一些实施例中，控制模块122被配置为具有通信接口，例如，用于连接通信电缆的端口或用于接收(发送)射频信号的无线端口(例如射频或rf端口)，用于将控制器123编程或配置为具有目标位置信息。在一些实施例中，当控制器123设置在比如铝和/或镁包壳等rf屏蔽包壳内时，可以使用对包壳的磁场、声音和/或振动的调制来与控制器123通信以编程目标位置。在一些实施例中，控制模块122被配置为具有通信接口和/或包括用户接口，该通信接口联接(无线或电缆连接)至输入装置(例如，计算机、平板电脑、智能手机等)，该用户接口用于以信息来询问操作者并且处理来自操作者的输入，以配置飞镖和/或与飞镖或控制模块相关的功能。例如，控制模块122可以被配置具有输入端口，该输入端口包括一个或多个用目标位置信息设定的用户可设定开关。控制模块122的其他构型是可能的。
100.在一些实施例中，目标位置信息包括管柱24中的、飞镖10在自激活之前穿过的特征40的特定数量。例如，飞镖10可以被编程为具有指定了数字“五”的目标位置信息，使得飞
镖保持不激活直到控制器123记录五次计数，这指示了飞镖已经穿过五个特征40，并且飞镖在到达其路径中的下一个(第六个)特征之前自激活。在此实施例中，第六特征为目标工具。在替代性实施例中，目标位置信息包括管柱中目标工具的实际特征数量。例如，如果目标工具是管柱中的第六特征，则可以将飞镖10编程为具有指定了数字“六”的目标位置信息，并且在这种情况下，控制器123被配置为从目标位置信息的数量中减去一并在飞镖10穿过五个特征之后自激活。
101.在一些实施例中，控制器维持所记录的每个特征的计数(例如通过基于电子的计数器)，并且该计数可以存储在飞镖10的存储器125(易失性或非易失性存储器)中。因此，控制器123记录飞镖10何时穿过特征40并相应地更新计数，由此基于该计数来确定飞镖的井下位置。当飞镖10确定计数(基于所记录的特征40的数量)与编程到飞镖中的目标位置信息相匹配时，飞镖自激活。
102.在其他实施例中，目标位置信息包括距离地表e的特定距离，在该距离处飞镖10将自激活。例如，可以将飞镖编程为具有指定了“100米”距离的目标位置信息，从而使飞镖保持非激活状态，直到控制器123确定飞镖10已经在通道30中行进100米。当控制器123确定飞镖已经到达目标位置时，飞镖10自激活。在此实施例中，目标工具是飞镖自激活之后其路径中的下一个工具。
103.在一些实施例中，井图可以存储在存储器125中，并且控制器123可以参考井图来帮助确定飞镖的实时位置。
104.物理接触
105.图1b展示了与图1a的多级井20类似的多级井20a，但是井20a的每级26a、26b、26c、26d、26e中的至少一个特征是缩窄部50，即，内直径小于管柱的周围部段的轴向区段。缩窄部50的内直径的大小被确定为使得飞镖在其非激活位置时可以穿过该缩窄部，但飞镖的至少一部分与缩窄部50物理接触以便穿其而过。每个缩窄部50的内直径在整个管柱中可以是基本上相同的。在一些实施例中，缩窄部50可以是阀座、或是管柱相邻部段或相邻工具之间的连结部。
106.图2b示出了飞镖100的示例性实施例，该飞镖被配置为物理地接触通道中的一个或多个特征以确定飞镖相对于目标位置的井下位置。飞镖100具有本体120、控制模块122、致动机构124、和接合区段126，它们与上文关于图2a中的飞镖10描述的相同编号的部件相同或相似。参考这两个图1b和图2b，在一些实施例中，飞镖100包括一个或多个可缩回突出部128，这些可缩回突出部位于本体120上以在飞镖穿过通道30中的缩窄部50时被该缩窄部作用在其上，例如被按压。在所展示的实施例中，突出部128被示为处于伸出(或未被按压)位置，在该伸出位置时，突出部128从本体120的外表面径向地向外延伸以提供有效外直径d2，该有效外直径大于飞镖100处于非激活位置时本体120的最大外直径d1。最大外直径d1小于缩窄部50的内直径以允许在飞镖100非激活时该飞镖穿过缩窄部。飞镖100被配置为使得外直径d2略微大于通道30中的缩窄部50的内直径。当飞镖100穿过缩窄部50时，突出部128被缩窄部的内表面按压到缩回位置，由此飞镖100可以不受阻碍地穿过缩窄部50。在实施例中，突出部128是弹簧偏置的或以其他方式被配置为从本体120径向地向外伸出(即，伸出位置)，以在突出部穿过缩窄部50时被缩窄部按压时缩回(即缩回位置)，并且在穿过缩窄部之后从本体120径向地向外弹回并重新伸出反馈至伸出位置。在一些实施例中，突出部128允
许控制模块122记录和计数飞镖100穿过缩窄部50的每个实例，这将在下文更详细地描述。
107.突出部128定位在本体120上的前导端140与尾端142之间的某处。在实施例中，前导端140的直径小于d1，使得飞镖100初始地容易地穿过缩窄部50，从而当突出部128接近缩窄部时，允许飞镖100更居中地定位并且与缩窄部基本上同轴。虽然突出部128在图2中被示为与接合区段126轴向地间隔开，但是可以理解的是，在其他实施例中，飞镖100可以被配置为使得突出部128与接合区段126重合或重叠。
108.在一些实施例中，飞镖100使用基于与通道30中的一个或多个缩窄部50的物理接触的电子感测来确定该飞镖是否已经到达目标位置。在此实施例中，每个突出部128具有嵌入其中的磁体130，并且控制模块122被配置用于检测与磁体130相关的磁场和/或通量的变化，该变化由磁体的移动引起。
109.在一些实施例中，磁体130可以由被磁化并产生其自身持久磁场的材料制成。在一些实施例中，磁体130可以是至少部分地由一种或多种铁磁材料形成的永磁体。可用于本文所述的磁体130的适合的铁磁材料可以包括例如铁、钴、稀土金属合金、陶瓷磁体、铝镍钴合金、稀土磁体(例如，钕磁体和/或钐-钴磁体)。可用于磁体130的各种材料可以包括已知为co-neticnetic的那些材料，其中的每一种都包含约80％的镍、15％的铁，其余的是铜、钼和/或铬。在关于图2和图3描述的实施例中，磁体130是稀土磁体。每个磁体130可以具有任何形状，包括例如柱体、矩形棱柱体、立方体、球体、其组合、或不规则形状。在一些实施例中，飞镖100中的所有磁体在形状和大小方面是基本上相同的。
110.在图2b和图3所展示的实施例中，控制模块122包括磁力计132(其可以是三轴磁力计)，该磁力计被配置用于检测三个轴(即x轴、y轴和z轴)上的磁通量的幅度。三轴磁力计是可以测量由外部磁场引起的各向异性磁阻变化的装置。使用磁力计测量磁场和/或磁通量可以允许实现定向和矢量特定感测。此外，由于它不按照楞次定律的原理操作，因此磁力计不需要移动来测量磁场和/或磁通量。磁力计甚至在静止时也可以检测磁场。在一些实施例中，如图3最佳所示，磁力计132定位在或围绕飞镖100的中心纵轴线，使得磁力计的z轴基本上平行于飞镖的行进方向(即，方向f)。在所展示的实施例中，磁力计的x轴和y轴基本上与方向f正交，并且x轴和y轴基本上与z轴正交且彼此正交。在所展示的实施例中，y轴基本上平行于突出部128被按压时磁体130移动的方向。在进一步实施例中，当突出部128没有被按压时，磁力计132被定位成与每个磁体130基本上等距。
111.虽然飞镖100可以以仅一个突出部128操作，但在一些实施例中，飞镖可以包括两个或更多突出部128，这些突出部在飞镖的外表面上在方位角上间隔开，即在飞镖本体120的大约相同的轴向位置处，以提供确证数据来帮助控制器123区分飞镖穿过缩窄部50与穿过通道30中的单纯不规则处。例如，当飞镖穿过缩窄部50时，两个或多个突出部128的按压几乎同时发生，使得控制器123将该事件记录为缩窄部，因为所有突出部几乎同时被按压。相反，当飞镖穿过管柱内表面上的不规则处(例如，隆起或撞击处)时，多个突出部中可能仅一个或两个突出部被按压，使得控制器123不会将该事件记录为缩窄部50，因为不是所有的突出部几乎同时被按压。因此，在飞镖中包括多个突出部128可以帮助控制器123区分通道中的不规则处与实际缩窄部。
112.参见图2b和图3所示的示例性实施例，飞镖100具有两个突出部128，每个突出部具
有嵌入其中的磁体130。磁体130在方位角上间隔开大约180
°
、并且定位在飞镖100的本体120上大约相同的轴向位置处。每个磁体130是具有以下两个相反磁极(北极(n)和南极(s))和对应磁场m的永磁体。在一些实施例中，飞镖100中的磁体130被定位成使得磁体130的相同磁极面向彼此。例如，如所展示实施例中所示，磁体130定位在飞镖100中，使得磁体的北极n径向地向内，而磁体130的南极s径向地向外。在其他实施例中，北极n可以径向地面向外，而南极s径向地面向内。可以理解的是，在其他实施例中，飞镖100可以具有更少或更多的突出部和/或磁体，并且每个突出部可以具有多于一个嵌入其中的磁体，并且磁体130的其他磁极取向是可能的。
113.图3a示出了当突出部(其中磁体的至少一部分设置在其中)处于突出部未被按压的伸出位置时磁体130相对于彼此的位置。图3b和图3c示出了当突出部处于例如突出部被缩窄部50按压时的缩回位置时磁体130相对于彼此的位置。为清楚起见，图3中省去了飞镖100的一部分。
114.参见图2b和图3，当突出部128被按压并且其中的磁体130径向地向内移动了一定距离时(例如图3b和图3c所示)，磁体130的移动改变飞镖100内的磁场矢量的梯度。当磁体130的相对位置改变时，与磁体130相关联的磁场m也会改变。例如，当突出部128和其中的磁体130从伸出位置(图3a)移动到缩回位置(图3b和图3c)时，磁体130的位置相对于彼此改变(即，磁体130之间的距离减小)。在图3b和图3c所示的所展示实施例中，当突出部被按压时，磁体130的北极n更靠近彼此。磁体130之间缩短的距离使得对应的磁场m发生变化，在此情况下，磁场发生失真。磁体130的磁场的变化(例如，失真)可以通过使用磁力计132测量x轴、y轴和z轴中的每一个中的磁通量来检测。
115.基于由磁力计132检测到的磁通量，磁力计可以生成一个或多个信号。在一些实施例中，控制器123被配置用于处理由磁力计132生成的信号以确定由磁力计132检测到的磁场和/或磁通量的变化是否由缩窄部50引起，并且基于该确定，控制器123可以通过计数飞镖遇到的缩窄部50的数量、和/或参考管柱的井图中缩窄部50的已知位置和所计数的缩窄部数量来确定飞镖相对于目标位置和/或目标工具的井下位置。在一些实施例中，控制器123使用计数器来维持对控制器记录的缩窄部数量的计数。
116.图4示出了由磁力计132生成的信号的示例性曲线图400。在曲线图400中，随着飞镖100沿管柱向下行进，随时间测量的磁通量的x轴分量、y轴分量和z轴分量分别用线402、404、406表示，它们分别对应于图3中指示的x轴方向、y轴方向和z轴方向。在一些实施例中，磁力计132在飞镖100行进时连续测量这三个轴上的磁通量分量。当飞镖100在通道中没有任何干扰地自由移动时，磁力计132分别检测x轴、y轴和z轴中的每一个的基线磁通量402a、404a、406a。在所展示的实施例中，x轴分量的基线402a约为-10500.0μt；y轴分量的基线404a约为300.0μt；z轴分量的基线406a约为-21300.0μt。在一些实施例中，由磁力计132检测到的磁通量的x轴分量402、y轴分量404和z轴分量406中的每一个可以对控制器123提供不同类型的信息。
117.在一个示例中，磁通量的z轴分量406与基线406a的幅度变化可以指示飞镖穿过缩窄部50。在一些实施例中，z轴分量406与磁体130移动的距离相关联，这帮助控制器123基于检测到的磁通量相对于基线406a的幅度来确定z轴上的磁通量变化是由管柱中的缩窄部50还是单纯的不规则处(例如，随机冲击处或隆起)引起的。
118.在另一示例中，检测到的磁通量的y轴分量404可以帮助控制器123区分飞镖100穿过缩窄部50与单纯的井下噪音。在一些实施例中，y轴分量404帮助控制器123标识并忽略由不对称磁场波动引起的信号。当突出部没有几乎同时被按压时发生不对称的磁场波动，这很可能在飞镖100在通道中遇到不规则处时发生。当磁场波动不对称时，在y轴404上检测到的磁通量偏离基线404a。相反，当飞镖100穿过缩窄部时，其中所有的突出部几乎同时被按压，使得磁体130的径向向内移动基本上同步，所产生的磁体130的磁场波动基本上对称。当所产生的磁场波动基本上对称时，测得的磁通量404的y轴分量与基线404a相同或靠近，因为磁体130的磁场失真在y轴上基本上相互抵消。
119.z轴分量406和y轴分量404一起为控制器123提供必要的信息，以确定飞镖100是已经穿过缩窄部50还是仅仅是通道中的不规则处。基于在z轴和y轴中检测到的磁通量相对于基线值406a、404a的变化，控制器123可以确定磁体130是否已经移动了足够的距离，从而考虑井下任何噪声(例如不对称磁场波动)，将该变化认可为是由缩窄部而不是由不规则处引起的。
120.在一些实施例中，检测到的磁通量的x轴分量402不归因于磁体130的移动，而是归因于管柱中材料的任何剩余磁化。剩余磁化对磁通量的y轴分量404具有类似的影响并且可以将y轴分量移出其检测阈值窗口。通过监测x轴分量402，控制器123可以使用x轴分量信号来动态调整y轴分量的基线404a，以补偿剩余磁化的影响和/或校正与剩余磁化相关的任何磁通量读数误差。
121.在一些实施例中，控制器123监测磁通量信号以标识飞镖穿过缩窄部50。具体参见图4，当至少一个磁体130沿如图3所示的y轴方向移动时，即当至少一个突出部被按压时，可以由磁力计来检测z轴分量406相对于基线406a的磁通量变化，并且z轴磁通量的这种变化例如由脉冲410、412、414和416示出。当检测到z轴分量的变化时，控制器123检查当z轴的变化处于其最大值(即，z轴信号中脉冲的峰值或谷值，例如图4中的脉冲410、412、414和416的幅度)时磁通量的y轴分量404是否在基线404a处或附近，以确定两个突出部是否基本上同时被按压，如上所述。在一些实施例中，如果z轴脉冲的最大值大于预定阈值幅度，则控制器123可以仅检查y轴磁通量信号404。控制器123可以将z轴磁通量信号中低于预定阈值幅度的任何变化视为噪音而忽略。
122.图4中的点420和422是检测到的磁通量的y轴分量404的基线读数(与z轴脉冲的最大值(即，分别为点410和412)基本上同时出现)的示例。y轴分量中的“基线读数”是指在基线404a处或与基线404a靠近(即，在基线404a周围的预定窗口内)的信号。应注意的是，在基线读数420、422之前或之后立即检测到的y轴磁通量404的正或负变化可能是由于一个或多个突出部恰好在(多个)其他突出部之前被按压引起的，因为飞镖100在穿过缩窄部时可能不能在通道中完全居中。
123.在一些实施例中，当z轴信号中的脉冲最大值与y轴信号中的基线读数重合(例如，y轴信号404中的点420和z轴信号406中的脉冲410波谷的组合；以及y轴信号404中的点422和z轴信号406中的脉冲波谷412的组合)时，控制器123可以推断飞镖100已经穿过缩窄部50。在y轴上的基线读数与在z轴上检测到的磁通量变化基本重合的一些实施例中，控制器123可以被配置为仅当基线读数至少持续预定的阈值时间跨度(例如，10μs)时才认可基线读数，并且如果基线读数短于预定时间段，则拒绝基线读数，即为噪音。这可以帮助控制器
123区分噪音与由飞镖穿过缩窄部获得的实际读数。
124.当飞镖100穿过通道中的不规则处而不是缩窄部50时，通常仅一个突出部被按压，这导致了不对称的磁场波动。这样的事件由z轴磁通量信号406的变化指示，例如由脉冲414和416中的每一个所示，其与y轴磁通量404相对于基线404a的正或负变化一致，例如分别由脉冲424和426中的每一个所示。因此，当控制器123检测到z轴磁通量相对于基线406a的变化而且看到y轴磁通量与基线404a基本上同时偏离超过预定窗口时，控制器123可以忽略y轴信号和z轴信号的这种变化并将该事件视为噪音。
125.图13是流程图，展示了根据一个实施例的用于经由物理接触来确定飞镖100的实时位置的示例性过程500。在步骤502中，将飞镖100的控制器123编程为具有期望的目标位置，该目标位置可以是数字或距离。在步骤504中，将飞镖100部署到管柱中。在步骤506中，随着飞镖100沿着管柱向下行进，磁力计132连续测量x轴、y轴和z轴上的磁通量并将其信号发送至控制器123，使得控制器123可以监测所有这三个轴上的磁通量。
126.在一些实施例中，在步骤508中，控制器123使用检测到的磁通量的x轴信号来调整y轴信号的基线，如上所述。在步骤510中，控制器123连续检查z轴磁通量信号的变化。如果z轴信号没有变化，则控制器继续监测磁通量信号(步骤506)。如果z轴信号有变化，则控制器123将该变化与预定阈值幅度进行比较(步骤512)。如果z轴信号的变化低于阈值幅度，则控制器123忽略该事件(步骤514)并继续监测磁通量信号(步骤506)。
127.如果z轴信号的变化等于或高于阈值幅度，则控制器123检查当z轴信号脉冲变化处于其最大值时y轴信号是否为基线读数(即，y轴信号在预定基线窗口内)(步骤516)。如果y轴信号不在基线窗口内，则控制器123忽略该事件(步骤514)并继续监测磁通量信号(步骤506)。如果y轴信号在基线窗口内，则控制器123检查y轴基线读数是否持续了至少阈值时间跨度(步骤518)。如果y轴基线读数持续小于阈值时间跨度，则控制器123忽略该事件(步骤514)并继续监测磁通量信号(步骤506)。如果y轴基线读数持续了至少阈值时间跨度，则控制器123将该事件记录为穿过缩窄部50并将计数器增量(例如，加一)(步骤520)。在步骤520中，控制器123还可以基于计数器的数字和井图上缩窄部50的已知位置来确定飞镖的当前井下位置。
128.控制器123接着进行到步骤522，其中控制器123检查更新后的计数器数字或所确定的飞镖的当前位置是否已经到达预编程的目标位置。如果控制器确定飞镖已经到达目标位置，则控制器123向致动机构124发送激活飞镖100的信号(步骤524)。如果控制器确定飞镖尚未到达目标位置，则控制器123继续监测磁通量信号(步骤506)。
129.环境感测
130.在一些实施例中，飞镖不需要物理接触来监测其在通道30中的位置。当飞镖行进穿过管柱时，飞镖周围的磁场由于多种原因会发生变化：例如管柱中的剩余磁化、管柱的厚度变化、横穿管柱的不同类型的地层(例如，铁氧体土壤)等。在一些实施例中，通过监测飞镖周围环境的磁场变化，可以实时确定飞镖的井下位置。
131.图1c展示了与图1a的多级井20类似的多级井20b，但是井20b的每一级26a、26b、26c、26d、26e中的至少一个特征是磁性特征60。磁性特征60包括铁磁材料、或以其他方式被配置为具有与管柱24的周围部段的磁性不同的磁性。“不同的”磁性可以是指较弱的磁场(或其他磁性)或较强的磁场(或其他磁性)。在一个示例中，磁性特征60可以包括磁体以使
该磁性特征60的磁性与周围管部段的磁性不同。在另一示例中，磁性特征60可以包括管柱24中的“更厚”特征，例如连结部，因为连结部通常比周围部段更厚并且因此包含比周围部段更多的金属材料。管柱连结部间隔开已知的距离，因为它们沿着管柱24间歇地定位以连接相邻的管部段。在又一示例中，磁性特征60可以包括工具28a、28b、28c、28d、28e中的任何个，因为工具可以包含更多的金属材料(即，工具可以具有比其周围部段更厚的金属材料)或由具有与管柱的周围部段不同磁性的材料形成。
132.在一些实施例中，参见图1c和2a所示，飞镖10的磁力计132被配置用于在飞镖10沿着管柱24向下行进时连续感测磁力计的环境磁场和/或磁通量，并因此向控制器123发送一个或多个信号。当飞镖10沿着管柱向下行进时，随着飞镖10接近每个磁性特征60、与之重合、和经过其，磁力计132测量的磁场和/或磁通量的强度会由于管柱中磁性特征60的影响而变化。在一些实施例中，可以在一个或多个磁性特征60中设置磁体，以帮助进一步区分磁性特征60的磁性与周围管柱部段的磁性，这可以增强可由磁力计132检测的磁场和/或磁通量。
133.基于由磁力计132生成的信号，控制器123检测并记录飞镖10何时接近管柱中的磁性特征60，使得控制器123可以在任何给定时间确定飞镖的井下位置。例如，磁力计的信号变化可以指示飞镖10附近存在磁性特征60。在一些实施例中，磁力计132测量定向磁场、并且被配置用于在飞镖10沿方向f行进时测量x轴方向和y轴方向上的磁场。在图2a所示的所展示实施例中，磁力计132定位在飞镖10的中心纵轴处，这可以帮助将磁力计的测量灵敏度方向不对称性最小化。磁力计132的x轴和y轴基本上与方向f正交且彼此正交。
134.在一些实施例中，磁力计周围环境的磁场m(“环境磁场”)可以通过以下来确定：其中x是磁力计132检测到的磁场的x轴分量，c是x轴分量的调整常数，y是磁力计132检测到的磁场的y轴分量，而d是y轴分量的调整常数。常数c和d的目的是补偿飞镖中的任何部件和/或材料对磁力计在围绕磁力计周边的xy平面内均匀感测的能力的影响。常数c和d的值取决于飞镖10的部件和/或构型并且可以通过实验来确定。当在等式1中使用适当的常数c和d时，所计算的环境磁场m与飞镖10相对于管柱24绕其中心纵向轴线的任何旋转无关，因为考虑了磁力计的x轴与y轴之间的测量灵敏度的任何不平衡。在计算环境磁场m时仅考虑由磁力计检测到的磁场的x轴分量和y轴分量可以帮助减少所计算的环境磁场m中的噪音(例如，将z轴分量的任何影响最小化)。
135.控制器123解释由磁力计132在x轴和y轴上提供的磁场和/或磁通量信号，以在飞镖10行进时检测飞镖环境中的磁性特征60。在一些实施例中，每个磁性特征60被配置用于提供可由磁力计检测到的在预定最小值(“最小m阈值”)与预定最大值(“最大m阈值”)之间的磁场强度。此外，可以选择磁性特征60的磁性强度和/或长度，使得当飞镖10在管柱中以给定速度行进时，磁力计132可以检测磁性特征60的磁场，其值在最小m阈值与最大m阈值之间持续预定最小值(“最小时间跨度”)与预定最大值(“最大时间跨度”)之间的时间段。例如，对于磁性特征，最小m阈值为100mt，最大m阈值为200mt，最小时间跨度为0.1秒，最大时间跨度为2秒。共同地，每个磁性特征60的最小m阈值、最大m阈值、最小时间跨度和最大时间跨度构成该特定磁性特征的参数分布曲线。
136.当飞镖10不靠近磁性特征60时，控制器123基于来自磁力计132的x轴信号和y轴信
号确定的磁场m的幅度可以波动但低于最小m阈值。当飞镖10接近管柱中具有不同磁性的物体(例如，磁性特征60)时，检测到的磁场m的幅度改变并且可以升高到高于最小m阈值。在一些实施例中，当检测到的磁场m落在最小m阈值与最大m阈值之间持续最小时间跨度与最大时间跨度之间的时间段时，控制器123将该事件标识为在磁性特征60的参数分布曲线内并且将该事件记录为飞镖穿过磁性特征60。控制器123可以使用计时器来跟踪当磁场m停留在最小与最大m阈值之间时经过的时间。
137.在一些实施例中，管柱24中的所有磁性特征60具有相同的参数分布曲线。在其他实施例中，一个或多个磁性特征60具有不同的参数分布曲线，使得当飞镖10穿过一个或多个磁性特征60时，磁力计132检测到的磁场和/或磁通量的变化与变化可与飞镖穿过管柱中其他磁性特征时检测到的变化进行区分。在一些实施例中，管柱中的至少一个磁性特征具有第一参数分布曲线，并且管柱中其余磁性特征中的至少一个磁性特征具有第二参数分布曲线，其中第一参数分布曲线与第二参数分布曲线不同。
138.通过记录管柱中存在磁性特征60，控制器123可以通过将检测到的磁性特征60与其在井图上的已知位置交叉参照、或通过计数飞镖10遇到的磁性特征的数量(或具有特定参数分布曲线的磁性特征的数量)来实时确定飞镖的井下位置。在一些实施例中，控制器123的计数器维持检测到的磁性特征60的计数。控制器123将飞镖10的当前位置与目标位置进行比较，并且在确定飞镖已经到达目标位置时，控制器123向致动机构124发出将飞镖变换为激活位置的信号。
139.图14是流程图，展示了用于确定飞镖10在多级井20b中的井下位置的示例性过程600。在步骤602中，将飞镖10编程为具有期望的目标位置。然后将飞镖10部署在管柱中(步骤604)。飞镖10的磁力计132连续测量x轴、y轴和z轴上的磁场和/或磁通量(步骤606)并将x轴信号、y轴信号和(可选地)z轴信号发送至控制器123。至少基于x轴信号、y轴信号以及常数c和d，控制器123使用上面的等式1来确定环境磁场m(步骤608)。如果飞镖10不靠近磁性特征，则环境磁场m的幅度可能会波动，但通常低于最小m阈值。随着环境磁场m基于从磁力计132接收到的信号连续更新，控制器123监控环境磁场m的实时值以查看环境磁场m是否升高到高于最小m阈值(步骤610)。
140.如果环境磁场m保持低于最小m阈值，则控制器123不做任何事情并继续解释来自磁力计132的x轴信号和y轴信号(步骤608)。如果环境磁场m升高到高于最小m阈值，则控制器123开启计时器(步骤612)。控制器123继续运行计时器(步骤614)，同时监测磁场m以检查实时环境磁场m是否在最小m阈值与最大m阈值之间(步骤616)。如果环境磁场m停留在最小m阈值与最大m阈值之间，则控制器123继续运行计时器(步骤614)。如果环境磁场m落在最小与最大m阈值之外，则控制器123停用计时器(步骤618)。接着，控制器123检查步骤612中计时器的开启时间与步骤618中计时器的结束时间之间经过的时间是否在最小时间跨度与最大时间跨度之间(步骤620)。如果经过的时间不在最小时间跨度和最大时间跨度之间，则控制器123忽略该事件(步骤622)并继续监测磁场m(步骤608)。如果经过的时间在最小时间跨度和最大时间跨度之间，则控制器123将该事件记录为飞镖穿过磁性特征并将计数器增量(步骤624)。在步骤624中，控制器123还可以基于计数器的数量和井图上磁性特征的已知位置来确定飞镖10的当前井下位置。
141.控制器123接着进行到步骤626，其中控制器123检查更新后的计数器数字或所确
定的飞镖10的当前位置是否已经到达预编程的目标位置。如果控制器确定飞镖已经到达目标位置，则控制器123向致动机构124发送激活飞镖10的信号(步骤628)。如果控制器确定飞镖10尚未到达目标位置，则控制器123继续监测环境磁场m(步骤608)。
142.接近度感测
143.图2c示出了飞镖200的示例性实施例，该飞镖被配置用于在不与管柱物理接触的情况下确定其相对于目标位置的井下位置。飞镖200具有本体120、控制模块122、致动机构124、和接合区段126，它们与上文关于图2a中的飞镖10描述的相同编号的部件相同或相似。在一些实施例中，飞镖200包括磁体230，并且磁体230可以具有与上文关于图2b中的磁体130描述的那些相同或相似的特性。在所展示的实施例中，磁体230嵌入飞镖200的本体120中、并且刚性地安装在飞镖中，使得无论飞镖如何运动，磁体230相对于本体120都是静止的。
144.图1d展示了与图1a的多级井20类似的多级井20c，但是井20c的每一级26a、26b、26c、26d、26e中的至少一个特征是更厚特征70。更厚特征70是管柱24中厚度增大(或金属材料量增加)的区段，例如管柱连结部和/或任一工具28a、28b、28c、28d、28e。特征70的井下位置经由例如部署飞镖200之前的井图而得知。在其他实施例中，特征70是与上文关于图1c描述的磁性特征60相同或相似的磁性特征。
145.参见图1d和图2c，飞镖200的磁力计132被配置用于在飞镖200沿着管柱24向下行进时连续测量磁体230的磁场和/或磁通量，并因此向控制器123发送一个或多个信号。当飞镖200沿着管柱向下行进时，磁体230的磁场强度和/或磁通量可能受到飞镖环境(例如，与不同材料的接近度和/或管柱中材料的厚度)的影响。在一些实施例中，飞镖200的磁力计132被配置用于在飞镖200接近每个特征70、与之重合、和经过其时检测磁体磁场和/或磁通量的强度由于管柱中磁性特征70的影响发生的变化(例如，失真)。在其他实施例中，除了增加的厚度之外或替代于此，一个或多个特征70可以具有磁性，当飞镖200接近这类特征时，这可以增强可由磁力计132检测到的磁场和/或磁通量。通过在飞镖200沿着通道30行进时监测磁体230的磁场和/或磁通量的变化，可以实时确定飞镖200的井下位置。
146.在一些实施例中，基于由磁力计132生成的信号，控制器123检测并记录飞镖200何时靠近管柱中的特征70，使得控制器123可以在任何给定时间确定飞镖的井下位置。例如，磁力计的信号变化可以指示飞镖200附近存在特征70。在一些实施例中，磁力计132被配置用于在飞镖200沿f方向行进时测量磁力计132看到的磁体230的磁场和/或磁通量的x轴分量、y轴分量和z轴分量。在图2c所示的所展示实施例中，磁力计132定位在飞镖200的中心纵轴处，其z轴平行于方向f，并且其x轴和y轴基本上与z轴正交且彼此正交。
147.在此实施例中，磁力计132所感测到的磁体230的磁场m可以通过如下确定：其中x是磁力计132检测到的磁场的x轴分量；p是x轴分量的调整常数；y是磁力计132检测到的磁场的y轴分量；q是y轴分量的调整常数；z是磁力计132检测到的磁场的z轴分量；而r是z轴分量的调整常数。使用等式2计算的磁场m提供了对磁力计132沿磁体230的方向看到的矢量特定磁场和/或磁通量的测量。在所展示的实施例中，从磁力计132到磁体230的矢量由箭头vm表示。在一些实施例中，常数p、q和r至少部分地基于以下中的一个或多个
来确定：磁体230的磁强度，飞镖200的尺寸；飞镖200内的部件的构型；以及飞镖材料的穿透性。在一些实施例中，常数p、q和r通过计算和/或实验来确定。
148.通过监测磁力计132处的磁场强度(即，在方向vm上)，可以检测磁体磁场的失真。在一些实施例中，控制器123解释由磁力计132在x轴、y轴和z轴上提供的磁场和/或磁通量信号，以在飞镖200行进时检测飞镖环境(即，磁体230附近)中的特征70。在一些实施例中，基于来自磁力计的信号，控制器使用等式2实时地确定磁场m的值并检查磁场m的值的变化。在一些实施例中，当飞镖200与特征70重合时，磁力计检测到的磁体230的磁场更强，因为当飞镖200在特征中时对磁体的磁场吸收和/或偏转比在管柱24的周围较薄部段中更少。当飞镖200离开特征70并进入管柱的较薄区段时，磁体230的磁场变得较弱。在此实施例中，控制器123可以检查磁场m的增大以标识飞镖进入特征70中，和对应的磁场m减小以确认飞镖从该特征离开而进入管柱的较薄区段中。在其他实施例中，控制器123可以检测磁场m从初始增大的进一步增大，这可以指示飞镖从特征70离开而进入管柱的更厚区段中。
149.取决于其材料和构型，每个特征70可以使磁体230的磁强度增大，其中增大的磁场的幅度在最小值(“最小m阈值”)与最大值(“最大m阈值”)之间。此外，可以选择特征70的长度，使得当飞镖200在管柱中以给定速度行进时，可检测到由特征70引起的磁场增大持续了最小值(“最小时间跨度”)与最大值(“最大时间跨度”)之间的时间段。例如，对于特征70，最小m阈值为100mt，最大m阈值为200mt，最小时间跨度为0.1秒，最大时间跨度为2秒。共同地，每个特征70的最小m阈值、最大m阈值、最小时间跨度和最大时间跨度构成该特定特征的参数分布曲线。
150.当飞镖200不靠近特征70时，控制器123基于来自磁力计132的x轴信号、y轴信号和z轴信号确定的磁场m的幅度可以波动但低于最小m阈值。当飞镖200接近管柱中的特征70时，检测到的磁场m的幅度升高到高于最小m阈值。在一些实施例中，当检测到的磁场m落在最小m阈值与最大m阈值之间持续最小时间跨度与最大时间跨度之间的时间段时，控制器123将该事件标识为在特征70的参数分布曲线内并且将该事件记录为飞镖穿过特征70。控制器123可以使用计时器来跟踪当磁场m停留在最小与最大m阈值之间时经过的时间。
151.在一些实施例中，管柱24中的所有特征70具有相同的参数分布曲线。在其他实施例中，一个或多个特征70具有不同的参数分布曲线，使得当飞镖200穿过一个或多个特征70时，由磁力计132检测到的磁场和/或磁通量的变化可与飞镖穿过管柱中的其他特征时检测到的变化进行区分。在一些实施例中，管柱中的至少一个特征70具有第一参数分布曲线，并且管柱中剩余特征中的至少一个特征70具有第二参数分布曲线，其中第一参数分布曲线与第二参数分布曲线不同。
152.通过记录飞镖穿过管柱中的一个或多个特征70，控制器123可以通过将检测到的特征70与其在井图上的已知位置交叉参照、或通过计数飞镖200遇到的特征70的数量(或具有特定参数分布曲线的特征70的数量)来实时确定飞镖200的井下位置。在一些实施例中，控制器123的计数器维持检测到的特征70的计数。控制器123将飞镖200的当前位置与目标位置进行比较，并且在确定飞镖已经到达目标位置时，控制器123向致动机构124发出将飞镖变换为激活位置的信号。
153.图15是流程图，展示了用于确定飞镖200在多级井20c中的井下位置的示例性过程700。在步骤702中，将飞镖200编程为具有期望的目标位置。然后将飞镖200部署在管柱中
(步骤704)。飞镖200的磁力计132连续测量x轴、y轴和z轴上的磁场和/或通量(步骤706)并将x轴信号、y轴信号和z轴信号发送至控制器123。基于x轴信号、y轴信号和z轴信号以及常数p、q和r，控制器123使用上面的等式2来确定磁场m(步骤708)。如果飞镖200不靠近特征70，则磁场m的幅度可能会波动但通常低于最小m阈值。随着磁场m基于从磁力计132接收到的信号连续更新，控制器123监控磁场m的实时值以查看磁场m是否升高到高于最小m阈值(步骤710)。
154.如果磁场m保持低于最小m阈值，则控制器123不做任何事情并继续解释来自磁力计132的x轴信号、y轴信号、和z轴信号(步骤708)。如果磁场m升高到高于最小m阈值，则控制器123开启计时器(步骤712)。控制器123继续运行计时器(步骤714)，同时监测磁场m以检查实时磁场m是否在最小m阈值与最大m阈值之间(步骤716)。如果磁场m停留在最小m阈值与最大m阈值之间，则控制器123继续运行计时器(步骤714)。如果磁场m落在最小与最大m阈值之外，则控制器123停用计时器(步骤718)。接着，控制器123检查步骤712中计时器的开启时间与步骤718中计时器的结束时间之间经过的时间是否在最小时间跨度与最大时间跨度之间(步骤720)。如果经过的时间不在最小时间跨度和最大时间跨度之间，则控制器123忽略该事件(步骤722)并继续监测磁场m(步骤708)。如果经过的时间在最小时间跨度和最大时间跨度之间，则控制器123将该事件记录为飞镖穿过特征70并将计数器增量(步骤724)。在步骤724中，控制器123还可以基于计数器的数字和井图上特征70的已知位置来确定飞镖200的当前井下位置。
155.控制器123接着进行到步骤726，其中控制器123检查更新后的计数器数字或所确定的飞镖200的当前位置是否已经到达预编程的目标位置。如果控制器确定飞镖已经到达目标位置，则控制器123向致动机构124发送激活飞镖200的信号(步骤728)。如果控制器确定飞镖200尚未到达目标位置，则控制器123继续监测磁场m(步骤708)。
156.基于加速度的距离计算
157.在一些实施例中，可以通过分析飞镖的加速度数据来确定飞镖的实时井下位置。参见图2，根据一个实施例，飞镖10、100、200可以包括加速度计134，其可以是三轴加速度计。加速度计134在飞镖穿过通道30时测量飞镖的加速度。使用收集到的加速度数据，可以通过在任何给定时间对飞镖的加速度进行二次积分来计算飞镖10、100、200行进的距离。例如，一般而言，可以通过以下等式来计算在任何给定时间t的距离s：s(t)＝s0+∫
t
ν(t)dt＝s0+ν0t+∫
t
∫
τ
a(τ)dτdt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(等式3)其中v是飞镖的速度，a是飞镖的加速度，而τ是时间。
158.当飞镖沿直线行进并且沿着直线行进路径测量飞镖的加速度a时，可以使用等式3。然而，飞镖典型地不会沿直线行进穿过通道30，使得测得的加速度受到地球重力(1g)的影响。如果不考虑重力的影响，基于检测到的加速度、用公式3计算的距离s可能不准确。在一些实施例中，飞镖10、100、200包括陀螺仪136以通过测量飞镖的旋转来帮助补偿重力的影响。在部署飞镖10、100、200之前，当飞镖静止时，获取陀螺仪136的读数并且根据陀螺仪读数来确定初始重力矢量(例如，1g)。在部署之后，陀螺仪136在飞镖向井下行进时连续测量飞镖10、100、200的旋转，并且使用初始重力矢量来调整旋转测量值。然后，为了将重力考虑在内，由加速度计134测量的实时加速度用调整后的旋转测量值进行校正，以提供经校正的加速度。代替检测到的加速度，使用经校正的加速度来计算飞镖行进的距离。
159.例如，为了简化计算，将初始重力矢量设定为常数，用于调整陀螺仪136在飞镖运动时进行的旋转测量值。此外，当飞镖10、100、200沿方向f移动时，由加速度计134测量的加速度的z轴分量(其中z轴平行于f方向)由调整后的旋转测量值进行补偿，以生成经校正的加速度ac。使用经校正的加速度ac，可以如下来计算飞镖在给定时间t的速度v：ν(t)＝ν0+∫
tac
(t)dt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(等式4)其中ac(t)是在时间t时的经校正加速度，而vo是飞镖的初始速度。在一些实施例中，vo为零。接着基于使用公式4计算的速度v，可以如下来计算飞镖在时间t时行进的距离s：s(t)＝s0+∫
τ
ν(τ)dτ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(等式5)
160.进一步地，用经校正的加速度ac使用等式4和5计算出的距离s的误差可能随着加速度的幅度增大而增大。因此，在一些实施例中，如上所述的由磁力计132检测到的磁场和/或磁通量的变化可以用于确证目的，以校正使用来自加速度计134和陀螺仪136的数据计算的距离s的任何误差，以便更准确地确定飞镖的实时井下位置。
161.在一些实施例中，将控制器123至少部分地基于加速度和旋转数据所确定的飞镖的实时井下位置与目标位置进行比较。当控制器123确定飞镖10、100、200已经到达目标位置时，控制器123向致动机构124发送实行飞镖的激活以例如进行井下操作的信号。
162.飞镖致动机构
163.图5a示出了具有致动机构的飞镖300的一个实施例，该致动机构被配置用于在飞镖的控制器确定飞镖已经到达目标位置时将飞镖变换为激活位置。在图5a和图5b中，飞镖300被示为处于非激活位置。为简单起见，图5a中未示出飞镖300的控制模块和磁体等一些部件。飞镖300包括致动机构224，该致动机构具有第一壳体250和第二壳体254，该第一壳体中限定了静液压室260、活塞252，该第二壳体中限定了大气室264。静液压室260容纳不可压缩流体，而大气室264容纳大约大气压下的可压缩流体(例如，空气)。在其他实施例中，大气室是真空的。
164.活塞252的一端轴向延伸到静液压室260中，并且活塞252的外表面与室260的内表面之间的界面例如通过o形环262流体地密封。活塞252被配置为可相对于第一壳体250以伸缩方式轴向地滑动移动；但是，当静液压室260填充有不可压缩流体时，活塞252的这种轴向运动受到限制。活塞252具有内部流动路径256，并且如图5b中更清楚地示出，当飞镖300处于非激活位置时，流动路径256的一端被阀258流体地密封。阀258控制这些室260、264之间的流体连通。在所展示的实施例中，阀258是安全隔板。安全隔板258在完好时(如图5b所示)通过阻止流体流经流动路径256来阻止室260、264之间的流体连通。在图5a所示的示例性实施例中，致动机构224包括刺穿构件270，该刺穿构件可操作来将安全隔板258破裂。当飞镖300没有被激活时，如图5b所示，刺穿构件270与安全隔板258相邻但不接触。
165.在图5a所示的实施例中，飞镖300包括定位在飞镖的接合区段226处的接合机构266。接合机构266可从非激活位置致动到激活位置。致动机构224被配置用于选择性地致动接合机构266以将机构266转换为激活位置，从而将飞镖置于激活位置。在所展示的实施例中，接合机构266包括支撑在活塞252外表面上的可扩张滑块266。第一壳体250具有与滑块266相邻的截头锥形端268，用于配合地接合滑块。截头锥形端268在本文中还被称为锥体268。当滑块266处于如图5a所示的非激活(或“初始”)位置时，滑块266缩回且不与锥体268
接合。当被激活时，滑块266通过接合锥体268而径向地向外扩张，如下文更详细描述的。
166.在接收到来自飞镖控制器的激活信号时，致动机构224操作以通过打开阀258来致动接合机构266。在一些实施例中，致动机构224包括爆炸箔起爆器(efi)和推进物，该爆炸箔起爆器在接收到激活信号时被激活，该推进物由efi启用以驱动刺穿构件270进入安全隔板258以将其破裂。如本领域技术人员可以了解的是，驱动刺穿构件270以将安全隔板258破裂的其他方式是可能的。
167.图6a示出了根据一个实施例的处于其激活位置的飞镖300。如图6a和图6b所示，安全隔板258被刺穿构件270破裂。一旦安全隔板258破裂，流动路径256就畅通无阻。流动路径256的畅通在静液压室260与大气室264之间建立流体连通，由此来自室260的不可压缩流体可以经由流动路径256和端口272流到室264以平衡室260、264中的压力。压力的均衡使活塞252进一步轴向地延伸到静液压室260中，这进而使第一壳体250连同锥体268轴向地朝向滑块266偏移，从而使锥体在滑块下方滑动(进一步)，由此迫使滑块径向地向外扩张而将接合机构266置于激活(或“扩张”)位置。在一些实施例中，一旦接合机构266被激活，飞镖300就被置于激活位置。
168.在一些实施例中，接合机构266被配置为使得其在非激活(或初始)位置时的有效外直径小于管柱和管柱中的特征的内直径。在激活(或扩张)位置时，接合机构266的有效外直径大于管柱24中的特征(例如，缩窄部50)的内直径。当被激活时，接合机构266可以接合该特征，使得被激活的飞镖300可以被该特征捕捉。在该特征是井下工具并且飞镖300被该工具捕捉的情况下，飞镖可以充当塞子，并且该工具可以通过从地表e对管柱施加流体压力而被飞镖致动，以使得飞镖300上方的压力增大到足以移动工具的部件(例如，使套筒偏移)。
169.虽然在一些实施例中，被激活的飞镖300被配置为作为管柱24中的塞子来操作，这可能对井筒处理有用，但是飞镖在井下持续存在可能不利地影响流体(例如生产流体)穿过管柱24的回流。因此，在一些实施例中，飞镖300可以随着回流朝向地表e而移出。在替代实施例中，飞镖300可以包括可响应于回流而打开的阀(例如单向阀)、或可在飞镖的塞子功能完成之后的某个时间打开的旁通端口。在其他实施例中，飞镖300的至少一部分由可在井下条件下溶解的材料形成。例如，飞镖的一部分(例如，本体120)可以由可溶于碳氢化合物的材料形成，使得该部分在暴露于生产流体的回流时溶解。在另一个示例中，飞镖的可溶解部分可能在高于特定温度下或在与水长时间接触后等而故障。在此实施例中，例如，在碳氢化合物生产期间的一定停留时间之后，大部分飞镖被溶解而仅留下小的部件，比如控制模块、磁体等，这些部件可以随着回流采出液一起浮出水面。替代性地，被激活的飞镖300可以钻出。
170.图7至图10示出了替代性接合机构366。代替滑块，接合机构366包括密封件310(比如弹性体密封件)、第一支撑环330、和第二支撑环350，它们都支撑在锥体268的外表面上或替代性地支撑在活塞252的外表面(如图5所示)上。为简单起见，在图7至图10中，示出了接合机构366，而未示出飞镖300的其他部件。接合机构366具有图7(有锥体268)和图8(没有锥体268)所示的初始位置以及图9(有锥体268)和图10(没有锥体268)所示的扩张位置。在一些实施例中，当飞镖300处于非激活位置时，接合机构366处于初始位置，并且当飞镖处于激活位置时，接合机构366处于扩张位置。
171.在所展示的实施例中，密封件310是具有外表面312和内表面314的环形密封件，该内表面限定了用于接纳锥体268的一部分穿其而过的中心开口。在一些实施例中，密封件310的内表面是截头锥形的，用于配合地抵靠锥体268的外表面。密封件310可径向地扩张以允许密封件310可从锥体268的第一轴向位置滑动地移动至锥体268的第二轴向位置，其中第二轴向位置的外直径大于第一轴向位置的外直径。在一些实施例中，密封件310由弹性材料形成，该弹性材料可扩张以适应第二轴向位置的较大外直径，同时维持与锥体268的外表面的抵接接合(例如图9a所示)。在所展示的实施例中，第一支撑环330设置在密封件310与第二支撑环350之间。
172.进一步参见图11和图12，每个支撑环330、350具有相应外表面332、352和相应内表面334、354，该内表面限定了用于接纳锥体268的一部分穿其而过的中心开口。在一些实施例中，每个环330、350的内表面334、354可以是截头锥形的，用于配合地抵靠锥体268的外表面。第一支撑环330和第二支撑环350可径向地扩张，以允许这些环可从锥体268的第一轴向位置滑动地移动至第二轴向位置，其中第二轴向位置的外直径大于第一轴向位置。为了允许径向扩张适应第二轴向位置的较大外直径，第一支撑环330和第二支撑环350各自具有相应的间隙336、356，当分别对内表面334、354施加径向向外的力时，间隙可以加宽，由此增大中心开口的大小和每个环330、350的有效外直径。当间隙336、356加宽时(例如图11b和图12b所示)，内表面334、354可以保持与锥体268的外表面抵接接合(例如图9a所示)。在一些实施例中，第一支撑环330和第二支撑环350定位在锥体268上，使得间隙336、356在方位角上彼此偏离。在一个实施例中，例如图8c和图10c所示，间隙336、356在方位角上间隔开大约180
°
。
173.在一些实施例中，第一支撑环330和/或第二支撑环350的轴向长度围绕环的圆周是基本上均匀的。在一些实施例中，第一支撑环330的轴向长度可以小于、大约等于、或大于第二支撑环350的轴向长度。
174.在所展示的实施例中，第一支撑环330的轴向长度围绕其圆周而变化。在所展示的实施例中，如图8、图10和图11中最佳所示，第一支撑环330具有短边338和长边340，其中长边340具有比短边338更长的轴向长度。第一支撑环330的第一端具有在短边338与长边340之间延伸的第一面342；并且其第二端具有在短边338与长边340之间延伸的椭圆面344。在一些实施例中，第一环330围绕其圆周的轴向长度从短边338到长边340逐渐增大、并且相应地从长边340到短边338逐渐减小，以限定一端上的第一面342和另一端上的椭圆面344。在示例性实施例中，椭圆面344的平面相对于第一面342的平面倾斜了大约1
°
至大约30
°
的角度。在一些实施例中，椭圆面344相对于第一面342的平面倾斜了大约5
°
。在一些实施例中，第一环330的间隙336定位在短边338处或附近，以将间隙336的轴向长度最小化。虽然在所展示的实施例中第一面342被示为大致圆形，但是在其他实施例中第一面342的形状可以不是圆形。
175.在所展示的实施例中，第二支撑环350的轴向长度围绕其圆周而变化。在所展示的实施例中，如图8、图10和图12中最佳所示，第二支撑环350具有短边358和长边360，其中长边360具有比短边358更长的轴向长度。第二支撑环350的第一端具有在短边358与长边360之间延伸的第二面362；并且其第二端具有在短边358与长边360之间延伸的椭圆面364。在一些实施例中，第二环350围绕其圆周的轴向长度从短边358到长边360逐渐增大、并且相应
地从长边360到短边358逐渐减小，以限定一端上的第二面362和另一端上的椭圆面364。在示例性实施例中，椭圆面364的平面相对于第二面362的平面倾斜了大约1
°
至大约30
°
的角度。在一些实施例中，椭圆面364相对于第二面362倾斜了大约5
°
。在一些实施例中，第二环350的间隙356定位在短边358处或附近，以将间隙356的轴向长度最小化。虽然在所展示的实施例中第二面362被示为大致圆形，但是在其他实施例中第二面362的形状可以不是圆形。
176.在一些实施例中，第二环350的长边360的轴向长度大于、大约等于、或小于第一环330的长边340的轴向长度。在一些实施例中，第二环350的短边358的轴向长度大于、大约等于、或小于第一环330的短边338的轴向长度。在一些实施例中，第二环350的短边358的轴向长度可以小于、大约等于、或大于第一环330的长边340的轴向长度。在示例性实施例中，第一支撑环330的短边338的轴向长度为：长边340的轴向长度的大约10％至大约30％；第二支撑环350的短边358的轴向长度的大约18％至大约38％；第二支撑环350的长边360的轴向长度的大约3％至大约23％。在示例性实施例中，第一支撑环330的短边338的轴向长度为密封件310的轴向长度的大约6％至大约26％。在一些实施例中，第二支撑环350的长边360的轴向长度为密封件310的轴向长度的大约109％至大约129％。在其他实施例中，第二支撑环350的短边358的轴向长度为：长边360的轴向长度的大约10％至大约30％；第一支撑环330的短边338的轴向长度的大约18％至大约38％；第一支撑环330的长边340的轴向长度的大约3％至大约23％。如本领域技术人员可以了解的是，其他构型也是可能的。
177.参见图7至图10，在一些实施例中，椭圆面344、364被配置为在第一环和第二环彼此接合时彼此配合地抵接以限定第一环与第二环之间的椭圆界面380。在一些实施例中，第一环330和第二环350布置在接合机构366中，使得第一环330的短边338被定位成与第二环350的长边360相邻；并且第二环350的短边358被定位与第一环330的长边340相邻。在一些实施例中，如图8c和图10c所展示的，间隙336、356分别定位在第一支撑环330的短边338和第二支撑环350的短边358处，使得间隙336、356分别与长边360、340在方位角上对准并且在方位角上偏离大约180
°
。
178.当飞镖300处于非激活位置时，接合机构处于初始位置，如图7和图8所示，其中密封件310、第一支撑环330和第二支撑环350支撑在活塞252上(图5a)、或支撑在锥体268的第一轴向位置上。在一些实施例中，第二环350被定位成与活塞252的肩部274(图5a)相邻(并且可以与之抵靠)，使得第二面362面向肩部274。肩部274限制接合机构366沿朝向前导端140的方向进行轴向移动。在一些实施例中，密封件310的内表面314、第一环330的内表面334、和/或第二环350的内表面354的至少一部分分别可以抵靠锥体268的外表面。在一些实施例中，密封件310和环330、350相对于彼此同心地定位在锥体上。在初始位置时，接合机构366的有效外直径小于管柱中的特征(即，缩窄部)的内直径，由此允许飞镖300沿管柱不受干扰地向下行进。在一些实施例中，在初始位置时，密封件310的外表面312具有外直径di，并且第一环330的外表面332和第二环350的外表面352各自具有有效外直径dir。第一环330和第二环350的外直径dir在一些实施例中可以相同、并且在其他实施例中可以不同。在一些实施例中，密封件310的外直径di略微大于第一环330和第二环350的外直径dir。在一些实施例中，外直径di和dir小于管柱中的特征的内直径。在非激活位置时，间隙336、356各自具有初始宽度。
179.为了将接合机构366转换为扩张位置，例如通过如操作上文关于飞镖300所述的致动机构224，来将锥体268轴向地推向接合机构。当第二环350抵靠活塞252的肩部274(图5a)时，锥体268相对于接合机构366的轴向移动将接合机构366从锥体的第一轴向位置滑动地偏移至锥体的第二轴向位置，其中第二轴向位置的外直径大于第一轴向位置的外直径。当接合机构366接合锥体268的较大外直径时，锥体从第一轴向位置到第二轴向位置的外直径增大分别对密封件310的内表面314、第一环330的内表面334、和第二环350的内表面354施加了力。由于锥体268的截头锥形外表面和形状配合的内表面314、334、354，对密封件310和环330、350施加的力可以是径向向外的力和轴向压缩力的组合。在一些实施例中，所施加的力使密封件310径向地扩张，并且第一环330的间隙336和第二环350的间隙356加宽以适应锥体的较大直径部分，由此将接合机构366置于扩张位置。
180.在扩张位置时，如图9和图10所示，密封件310、第一支撑环330、和第二支撑环350支撑在锥体268的第二(较大外直径)轴向位置上。在一些实施例中，密封件310的内表面314、第一环330的内表面334、和/或第二环350的内表面354的至少一部分分别可以抵靠锥体268的外表面。在扩张位置时，接合机构366的有效外直径大于管柱中的特征(即，缩窄部)的内直径，从而允许飞镖300被飞镖路径中的下一个特征捕捉。
181.在一些实施例中，在扩张位置时，密封件310的外表面312的外直径de大于在初始位置时的外直径di。在扩张位置时，环330、350的间隙336、356加宽，如图10c、图11b和图12b中最佳所示，使得每个间隙336、356中的宽度大于它们相应的初始宽度(如图8c、图11a和图12a所示)。间隙336、356的加宽可以增大第一环330和第二环350的有效外直径。第一环330和第二环350在扩张状态下的有效外直径用“der”表示。环330、350的外直径der大于初始位置时的外直径dir。第一环330和第二环350的外直径der在一些实施例中可以相同、并且在其他实施例中可以不同。在一些实施例中，密封件310的外直径de略微大于第一环330和第二环350的外直径der。在扩张位置时，外直径de、der之一或二者大于管柱中的至少一个特征的内直径。
182.在一些实施例中，如图10a中最佳所示，向锥体268的较大外直径部分偏移迫使密封件310抵靠第一环330的第一面342、和/或迫使第一环330的椭圆面344抵靠第二环350的椭圆面364。椭圆面344、364的接合形成这些环330、350之间的椭圆界面380。当在轴向压缩下时，椭圆界面380可以使环330、350相对于彼此径向地偏离，这可以帮助将跨环的长边340到长边360之间的有效外直径der最大化。环330、350的径向偏离可以使得环变得相对于彼此偏心定位。如图10c中最佳所示，环330、350尤其在扩张位置时一起为密封件310提供结构支撑。在一些实施例中，密封件310围绕其圆周的大部分由第一环330和第二环350的材料的组合轴向长度支撑。未被第一环和第二环的组合支撑的密封件310部分是与间隙336、356在方位上对准的密封件区域。与第二环350的间隙356对准的密封件310区域由第一环330(例如，第一环330的长边340)支撑。
183.如图10中最佳所示，其中间隙336、356分别位于环330、350的短边338、358处或附近，并且其中环330、350被布置成使得每个短边338、358被定位成与另一环的长边360、340相邻，每个环330、350的最长轴向区段在加宽的间隙356、336处为另一环提供结构支撑。当环如此布置时，与间隙336、356在方位上对准的密封件310区域也与环330、350的最长轴向区段(即，分别为长边360、340)对准。
184.在一些实施例中，在短边338的长度小于短边358的长度的情况下，加宽的间隙336在轴向上比加宽的间隙356短，即使间隙336、356的周向宽度可能大致相同。因此，间隙336的体积小于间隙356。通过如上所述来配置和布置环330、350并将密封件310放在第一环330上，可以将扩张的密封件310可以被挤出到其中的空间量最小化，而不折损环330、350对密封件的整体支撑。将扩张的密封件310的挤出量最小化可以帮助减少对密封件的可能影响其密封功能的结构损坏。
185.在一些实施例中，第一支撑环330和/或第二支撑环350可以由以下中的一种或多种制成：金属，比如铝；以及合金，比如黄铜、钢、镁合金等。在一些实施例中，第一支撑环330和/或第二支撑环350至少部分地由比如可溶解镁合金等可溶解材料制成。
186.虽然接合机构266、366已经在上文关于不受束缚的飞镖进行了描述，但可以可以了解的是，本文披露的接合机构还可以用于其他井下工具(包括通过线缆、连续油管、或本领域技术人员已知的其他方法传送至管柱中的系绳装置)中。
187.在其他实施例中，飞镖的接合机构可以是可伸缩挡块、弹性囊、封隔器等。例如，代替滑块或环形密封件，飞镖可以包括可伸缩挡块，其从本体120径向地向外突出、但是在飞镖处于非激活时可塌缩以允许飞镖挤过非目标缩窄部。当飞镖被激活时，背部支撑件(例如，图5a中的第一壳体250的一部分)抵靠挡块移动，使得挡块不再能够塌缩。挡块在不塌缩时的有效外直径大于缩窄部的内直径。因此，当飞镖非激活时，挡块可以塌缩以允许飞镖穿过缩窄部，并且可以在穿过缩窄部之后径向地向外重新伸出。当飞镖被激活时，挡块不会塌缩，并且飞镖因此可以接合目标工具的缩窄部，因为飞镖不能穿其而过。以此方式，可以对飞镖施加流体压力来致动目标工具，如上所述。在一些实施例中，飞镖的突出部128(参见图2b)用作可伸缩挡块。在其他实施例中，可伸缩挡块与突出部128分开。
188.在另一示例性实施例中，展开元件可以是弹性囊，其外直径大于缩窄部的内直径。在实施例中，囊的外直径大于飞镖本体120的其余部分，使得当飞镖穿过每个缩窄部时仅囊必须挤过每个缩窄部。囊可以弹性地向内塌缩，以允许飞镖穿过缩窄部并且可以在穿过缩窄部之后恢复其形状。囊可以由本领域技术人员已知的可用于井下条件的各种弹性材料形成。当飞镖被激活时，囊不再能塌缩。例如，这可以通过囊限定飞镖的大气室来实现，并且由于在致动机构被激活之后不可压缩流体从静液压室进入囊中，使得囊变得不可塌缩。当囊展开(即，非塌缩)时，并且接着飞镖可以接合其井下目标工具的缩窄部，因为展开的囊不再能够挤过缩窄部。以此方式，可以对飞镖施加流体压力来致动目标工具，如上所述。在一些实施例中，囊充当飞镖的突出部128(参见图2)并且稀土磁体130嵌入囊中。在其他实施例中，囊与突出部128分开。
189.应注意的是，前述装置、系统和方法不需要管柱或井筒中的任何电子器件或电源进行操作。因此，管柱可以在装置部署之前进入井筒中，因为不涉及电池充电、部件损坏等问题。并且，管柱本身在安装之前几乎不需要特殊准备，因为其中的所有特征(即，工具、套筒等)可以是基本上相同的、可以互换、和/或可以不按特定顺序安装在管柱中。此外，甚至在管柱安装到井下之后，可以容易地确定特征的数量，虽然可能在下入之前就知道。
190.根据本披露的广泛方面，提供了一种方法，该方法包括：在飞镖静止时测量飞镖的初始旋转；随着飞镖行进穿过由管柱限定的井下通道时测量飞镖的加速度和旋转；使用初始旋转来调整该旋转以提供经校正旋转；使用经校正旋转来调整加速度以提供经校正的加
速度；以及对经校正的加速度进行两次积分，以获得距离值。
191.在一些实施例中，该方法包括将该距离值与目标位置进行比较，并且如果该距离值与目标位置相同，则激活飞镖。
192.根据本披露的另一广泛方面，提供了一种方法，该方法包括：随着飞镖行进穿过由管柱限定的井下通道，检测磁场或磁通量的变化；基于磁场或磁通量的变化来确定飞镖相对于目标位置的位置。
193.在一些实施例中，磁场或磁通量的变化是由飞镖中的磁体的移动引起的。
194.在一些实施例中，磁场或磁通量的变化是由飞镖接近或穿过管柱中的特征引起的。
195.在一些实施例中，磁场或磁通量的变化具有x轴分量、y轴分量、和z轴分量。
196.在一些实施例中，磁体的移动是由管柱中的缩窄部引起的。
197.在一些实施例中，该方法包括：在确定飞镖的位置与目标位置相同时激活飞镖。
198.在一些实施例中，该方法包括：将激活的飞镖接合井下工具。
199.在一些实施例中，激活飞镖包括：展开飞镖的展开元件。
200.在一些实施例中，该方法包括：通过将所展开的展开元件与井下管柱中从目标位置向下的缩窄部接合，来在通道内形成流体密封。
201.根据本披露的另一广泛方面，提供了一种飞镖，该飞镖包括：本体；在该本体中的控制模块；在该本体中的加速度计，该加速度计与该控制模块通信并且被配置用于测量该飞镖的加速度；在该本体中的陀螺仪，该陀螺仪与该控制模块通信并且被配置用于测量该飞镖的旋转；其中，该控制模块被配置用于基于该飞镖的加速度和旋转来确定该飞镖相对于目标位置的位置。
202.根据本披露的另一广泛方面，提供了一种飞镖，该飞镖包括：本体；在该本体内的控制模块；在该本体中的磁力计，该磁力计与控制模块通信并且被配置用于测量磁场或磁通量；其中，该控制模块被配置为基于测得的磁场或磁通量来标识磁场或磁通量的变化，并且基于该变化来确定该飞镖相对于目标位置的位置。
203.在一些实施例中，该磁场或磁通量具有x轴分量、y轴分量、和z轴分量。
204.在一些实施例中，该飞镖包括在该本体中的稀土磁体。
205.在一些实施例中，该飞镖包括一个或多个从该本体径向地向外延伸的可缩回突出部；以及嵌入该一个或多个可缩回突出部中的每一个中的稀土磁体。
206.在一些实施例中，该飞镖包括致动机构，并且该控制模块被配置用于在该位置与目标位置相同时激活该致动机构。
207.在一些实施例中，该致动机构包括可在该致动机构激活时展开的展开元件。
208.在一些实施例中，该展开元件被配置为在被展开时径向地扩张。
209.在一些实施例中，该展开元件在未被展开时是可塌缩的并且在被展开时是不可塌缩的。术语解释
210.除非上下文另有明确要求，否则在全篇描述中，“包括”“包含”等应理解为包含性的含义，而不是排他性或穷举性的含义；也就是说，“包括但不限于”的意义；“连接”、“联接”或其任何变型意指两个或更多个元件之间的任何直接或间接的连接或联接；这些元件之间
的联接或连接可以是物理的、逻辑的或其组合；“本文”、“上文”、“下文”及类似含义的词语在用于描述本说明书时均指本说明书整体，而不是本说明书的任何特定部分；“或”在提及具有两个或更多个项的列表时涵盖了对该词的所有以下解释：列表中的任何项、列表中的所有项以及列表中的项的任何组合；单数形式“一个”“一种”和“该”还包括任何适当的复数形式的含义。
211.在上文提及部件的情况下，除非另有说明，否则提及该部件应被解释为包括作为该部件的等效物(即，在功能上等效)的、发挥所描述部件的功能的任何部件，包括与在所展示的示例性实施例中发挥该功能的所披露结构在结构上不同的部件。
212.先前对所披露实施例的描述是提供来使本领域的任何技术人员能够制造或使用本发明。对这些实施例的各种修改将是本领域技术人员容易了解的，并且在不背离本发明的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以适用于其他实施例。因此，本发明不旨在局限于本文所示的实施例，而是应被赋予与权利要求一致的全部范围。通篇描述的各种实施例的元件的所有结构和功能等效物(是本领域普通技术人员已知或以后将知晓的)旨在被权利要求的元件所涵盖。此外，本文披露的任何内容都不旨在奉献给公众，无论这种披露内容是否在权利要求中明确叙述。因此，旨在将以下所附权利要求和之后引入的权利要求解释为包括可以合理地推断出的所有此类修改、排列、添加、省略、和子组合。权利要求的范围不应受实例中阐述的优选实施例的限制，而应被给予与整体描述一致的最广泛的解释。