感應(yīng)測(cè)井傳感器的制造方法
【專利摘要】本文提供了可以改進(jìn)對(duì)瞬時(shí)信號(hào)的敏感度的設(shè)備和方法。舉例來說，本文提供了一種用于井下測(cè)量的電磁傳感器，其包含多個(gè)扇區(qū)(例如，四個(gè)四分體)。每一四分體可包含磁芯，所述磁芯由具有高初始磁導(dǎo)率的材料形成，以提高對(duì)瞬時(shí)信號(hào)的敏感度。還提供一種用于連續(xù)波感應(yīng)工具的傳感器，并且所述傳感器可包含由具有高初始磁導(dǎo)率的材料形成的磁芯。由具有高機(jī)械可靠性的材料形成每一扇區(qū)磁芯可使得所述對(duì)應(yīng)傳感器的所述磁芯柔韌并富有彈性，并且不易破碎和破裂。此外，所述對(duì)應(yīng)傳感器可具有增強(qiáng)的敏感度、相對(duì)于溫度變化的更大的敏感度穩(wěn)定性和高機(jī)械可靠性。
【專利說明】感應(yīng)測(cè)井傳感器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求均通過本申請(qǐng)的相同發(fā)明人在2013年10月24日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?1/895，095的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)和在2014年1月23日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?4/522，411的美國(guó)專利申請(qǐng)的提交日期的權(quán)益，其以引用的方式均并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開總體上涉及用于使用磁場(chǎng)傳感器和磁場(chǎng)發(fā)射器的電磁測(cè)井儀的系統(tǒng)、方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0004]電磁測(cè)井，并且更加具體地，電磁感應(yīng)測(cè)井，可以用于確定地層的電氣特性。保持油氣的儲(chǔ)集巖的導(dǎo)電性通常遠(yuǎn)低于保持間隙水的非儲(chǔ)集巖，并且因此，測(cè)量地層的導(dǎo)電率或者電阻率可以對(duì)石油、煤氣或者水的存在提供有用的指導(dǎo)。這種測(cè)量還可以用于發(fā)現(xiàn)在巖石地層之間的地層界面的位置。在鉆井的同時(shí)對(duì)地層界面的相對(duì)于鉆井軌跡的位置的認(rèn)識(shí)可以用于執(zhí)行地質(zhì)導(dǎo)向以調(diào)節(jié)井眼軌跡。
[0005]瞬時(shí)電磁感應(yīng)測(cè)井可以使用可逆的磁偶極子在地層中生成瞬時(shí)電流以便研究地層的電氣特性。例如，地下測(cè)井儀可以由磁發(fā)射器和感應(yīng)磁傳感器接收器組成。發(fā)射器可以用作磁偶極子并且作為可切換磁源或者由開關(guān)電流驅(qū)動(dòng)的感應(yīng)線圈。該儀器可以下降并且用于電磁感應(yīng)測(cè)井。當(dāng)磁偶極子迅速導(dǎo)通或者斷開時(shí)，瞬時(shí)電流在周圍巖石地層中被感應(yīng)。這些電流朝外擴(kuò)散并且隨著電流的巖石電阻率的交叉變化而改變。由于電流朝外擴(kuò)散，所以它們反過來又會(huì)感應(yīng)到可能在接收器傳感器中檢測(cè)到的磁場(chǎng)。檢測(cè)到的信號(hào)的處理可以生成地層的剖面形狀
[0006]現(xiàn)有的感應(yīng)傳感器通常將鐵氧體用作它們磁芯的一部分。鐵氧體是由鐵的混合氧化物和一種或者多種其它材料組成的陶瓷化合物。鐵氧體具有鐵磁特性。感應(yīng)傳感器使用具有低矯頑力的為“軟”磁材料的芯材料。對(duì)于低矯頑力材料而言，磁通量在非常低的磁場(chǎng)強(qiáng)度下被感應(yīng)到并且所述材料保持非常少的磁化。相反，硬磁材料需要高強(qiáng)度磁場(chǎng)來改變它們的磁通量并且硬磁材料保持磁化。硬磁材料用于永磁體。
[0007]接收器傳感器的敏感度相對(duì)于瞬時(shí)信號(hào)的增加可以導(dǎo)致精確度的增加。因此仍然需要更好的技術(shù)來實(shí)施電磁感應(yīng)測(cè)井，并且更加具體地，需要增加傳感器的敏感度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本文提供了可以提高用于檢測(cè)瞬時(shí)信號(hào)的傳感器的敏感度的設(shè)備和方法。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種包括電磁傳感器的設(shè)備，該電磁傳感器包括多個(gè)扇區(qū)。扇區(qū)中的每一個(gè)扇區(qū)包括由低電磁損耗材料形成的磁芯，該材料相較于鐵氧體材料還具有高初始磁導(dǎo)率。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種制造電磁傳感器的方法，該電磁傳感器包括多個(gè)扇區(qū)中的磁芯。磁芯包含至少一層相較于鐵氧體材料具有高初始磁導(dǎo)率的材料。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種提供將具有配置有多個(gè)扇區(qū)的電磁傳感器的測(cè)井工具設(shè)置到井孔中以通過使用測(cè)井工具來執(zhí)行瞬時(shí)感應(yīng)測(cè)量的方法。該方法的電磁傳感器包括由多個(gè)扇區(qū)的至少一些扇區(qū)中的相較于鐵氧體材料具有高初始磁導(dǎo)率的材料形成的磁芯。
【附圖說明】
[0011]以下附圖形成本說明書的一部分，并且包括于進(jìn)一步說明本要求保護(hù)的主題的特定方面，并且不應(yīng)該用于限制或者限定本要求保護(hù)的主題。本要求保護(hù)的主題可以通過結(jié)合本文所提出的各個(gè)實(shí)施例的說明，參照這些附圖中的一個(gè)或者多個(gè)而更好理解。因此，通過參照結(jié)合對(duì)應(yīng)附圖所作的以下說明可以獲得對(duì)本實(shí)施例及其進(jìn)一步特征和優(yōu)點(diǎn)更加全面的理解，其中相同附圖標(biāo)記可以表示相同元件，其中:
[0012]圖1是根據(jù)一些實(shí)施例的用于執(zhí)行井下測(cè)量的、與鉆桿和鉆頭關(guān)聯(lián)設(shè)置的測(cè)井工具的不意圖；
[0013]圖2示出了根據(jù)一些實(shí)施例的具有由具有高初始磁導(dǎo)率的材料形成的芯的電磁傳感器的扇區(qū)的視圖；
[0014]圖3示出了根據(jù)一些實(shí)施例的形成四分圓的四個(gè)扇區(qū)(如圖2所示)的可能配置；
[0015]圖4示出了用于圖1的測(cè)井工具的電磁傳感器的單個(gè)四分體(或者天線)的曲線圖，其繪出了根據(jù)材料相對(duì)磁導(dǎo)率的單個(gè)四分體Z敏感度；
[0016]圖5示出了根據(jù)一些實(shí)施例的電磁傳感器的四個(gè)扇區(qū)的磁芯部分的第一配置；
[0017]圖6示出了根據(jù)一些實(shí)施例的電磁傳感器的四個(gè)扇區(qū)的磁芯部分的第二配置，其中每個(gè)磁芯在第一方向(例如，與電磁傳感器的Z軸平行)上“切片”；
[0018]圖7示出了根據(jù)一些實(shí)施例的電磁傳感器的四個(gè)扇區(qū)的磁芯部分的第三配置，其中每一個(gè)磁芯在第二方向(例如，垂直于電磁傳感器的Z軸)上“切片”；
[0019]圖8示出了根據(jù)一些實(shí)施例的電磁傳感器的四個(gè)扇區(qū)的磁芯部分的第四配置，其中每一個(gè)磁芯在第一方向和第二方向上“切片”；
[0020]圖9示出了根據(jù)一些實(shí)施例的制造用于井下測(cè)量的電磁傳感器的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖；以及
[0021]圖10示出了一種用于使用根據(jù)一些實(shí)施例配置的電磁傳感器執(zhí)行井下瞬時(shí)感應(yīng)測(cè)量的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
[0022]符號(hào)和術(shù)語(yǔ)
[0023]以下整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中使用某些術(shù)語(yǔ)來指代特定系統(tǒng)部件和配置。本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白，相同部件可以由不同名稱來指代。本文本無意區(qū)分名稱不同而功能相同的部件。在以下討論中和在權(quán)利要求書中，術(shù)語(yǔ)“包括(including)(等等)”和“包括(comprising)(等等)”是以開放式方式使用，且因此應(yīng)被解釋為意味著“包括但不限于”。另夕卜，術(shù)語(yǔ)“親合(couple)”、“被親合(coupled)”或“親合(couples)”旨在意味著間接或直接電或機(jī)械連接。因此，如果第一裝置耦合到第二裝置，那么所述連接可以通過直接電或機(jī)械連接或通過間接電或機(jī)械連接經(jīng)由其它裝置和連接或者通過感應(yīng)式或電容式耦合來進(jìn)行。
[0024]另外，如本公開中所使用，當(dāng)在基線條件下引用材料的磁導(dǎo)率時(shí)，術(shù)語(yǔ)“初始磁導(dǎo)率(initial permeability)”或“初始磁導(dǎo)率(initial magnetic permeability)”(由符號(hào)μ:指代)將可互換地使用。初始磁導(dǎo)率是指物質(zhì)(即，材料)與特定幾何形狀無關(guān)的某個(gè)物理特性或關(guān)于由所述材料制成的傳感器的其它可變因素。材料的磁導(dǎo)率以及材料的初始磁導(dǎo)率是指測(cè)量物質(zhì)對(duì)其占據(jù)的區(qū)域中的磁通量的影響的量。材料的磁導(dǎo)率可以基于材料的溫度或其它因素而從其初始磁導(dǎo)率(例如，磁導(dǎo)率的基線值)而改變。命名為“用于使用正弦電流對(duì)材料的ac磁導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法”的美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A772中提供了在受控外界條件下不同材料的磁導(dǎo)率。當(dāng)比較不同材料的初始磁導(dǎo)率時(shí)，外界變量(例如，溫度、幾何形狀、磁激發(fā)等)保持一致。如下文更詳細(xì)地解釋，對(duì)于給定形狀的傳感器，具有較高初始磁導(dǎo)率的材料對(duì)磁通量的影響大于具有較低初始磁導(dǎo)率的相當(dāng)量的材料。術(shù)語(yǔ)“對(duì)瞬時(shí)信號(hào)的感測(cè)”可以包括檢測(cè)瞬時(shí)信號(hào)、識(shí)別瞬時(shí)信號(hào)、對(duì)瞬時(shí)信號(hào)作出響應(yīng)或等等。術(shù)語(yǔ)“高初始磁導(dǎo)率、高溫穩(wěn)定性或高機(jī)械可靠性中的至少一者”或等等可以包括全部這三種特性或少于這三種特性。術(shù)語(yǔ)“高初始磁導(dǎo)率”是指具有高于鐵氧體材料的較高初始磁導(dǎo)率的材料。術(shù)語(yǔ)“高溫穩(wěn)定性”是指即使當(dāng)形成傳感器的磁芯的材料由于溫度變化經(jīng)歷其相對(duì)磁導(dǎo)率變化時(shí)，所述傳感器仍然維持對(duì)測(cè)量的相對(duì)較窄范圍的敏感度。術(shù)語(yǔ)“高機(jī)械可靠性”是指即使當(dāng)經(jīng)歷惡劣(有時(shí)候極端)的操作環(huán)境時(shí)，傳感器的磁芯仍然被制造為維持其操作效力。
【具體實(shí)施方式】
[0025]圖式的前述描述是為了方便讀者而提供。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，實(shí)施例不限于圖式中示出的精確設(shè)置和配置。另外，圖式不一定按比例繪制，且為了清楚和簡(jiǎn)明起見，可以在比例上放大或以概括或示意形式夸大示出某些特征。相同或類似部分可以用相同或類似參考數(shù)字標(biāo)記。
[0026]雖然本文描述了各個(gè)實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)明白的是，本公開涵蓋可以在多種環(huán)境中體現(xiàn)的許多發(fā)明概念。結(jié)合附圖閱讀的示例性實(shí)施例的以下詳述僅僅是說明性的且不應(yīng)被視為限制本發(fā)明的范圍，因?yàn)榘ū竟_中的所有可能實(shí)施例和發(fā)明環(huán)境將是不可能的或不切實(shí)際的。在閱讀本公開之后，本發(fā)明的許多替代實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言將是顯而易見的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書和其等同物確定。
[0027]下文對(duì)本發(fā)明的說明性實(shí)施例進(jìn)行描述。為了清楚起見，本說明書中不一定描述實(shí)際實(shí)施方式的所有特征。在任何這樣的實(shí)際實(shí)施例的改進(jìn)中，可能需要作出許多實(shí)施方式所特有的決定以實(shí)現(xiàn)在不同實(shí)施方式中可能有所不同的設(shè)計(jì)所特有的目標(biāo)。將理解的是，這樣的改進(jìn)努力是可能復(fù)雜而又耗時(shí)的，但是對(duì)于獲益于本公開的本領(lǐng)域一般技術(shù)人員來說仍然是例行任務(wù)。
[0028]例如，傳感器的由鐵氧體形成的芯可能不及另一種材料或另一些材料形成的芯敏感。此外，易碎并易斷裂的鐵氧體芯可能會(huì)損壞這種傳感器的結(jié)構(gòu)完整性，并且傳感器可能不能正常工作。然而，本文提供了具有由帶高初始磁導(dǎo)率的材料形成的磁芯的傳感器，并且該傳感器的磁芯可能不易碎且不易斷裂(例如，相較于具有由鐵氧體形成的芯的傳感器)。此外，該傳感器包括具有由高初始磁導(dǎo)率的材料形成的磁芯，該傳感器可以具有增強(qiáng)的敏感度和更大的敏感度穩(wěn)定性(例如，相較于具有鐵氧體形成的芯的傳感器)。作為一個(gè)實(shí)例，如本文中所描述的由非晶帶形成的磁芯可能不易碎，并且可以提供增強(qiáng)的敏感度和更大的敏感度穩(wěn)定性。通過使用非晶帶芯(或多個(gè)芯)而不使用鐵氧體芯(或多個(gè)芯)，傳感器可在鉆井環(huán)境中能夠更好地耐受振動(dòng)和/或沖擊，以及由于敏感度提高而提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。具有多個(gè)芯的傳感器可以用于收集多個(gè)可以組合和/或用于進(jìn)一步計(jì)算的測(cè)量結(jié)果。例如，傳感器的每個(gè)芯可以被配置用作整個(gè)傳感器的天線。在一個(gè)實(shí)施例中，具有四個(gè)四分體扇區(qū)(其中每個(gè)具有一個(gè)芯)的傳感器將提供四個(gè)天線，并且可以優(yōu)于單一的天線傳感器。如上所述，相較于具有較低磁導(dǎo)率的幾何上相同的芯，具有高磁導(dǎo)率的芯在一個(gè)區(qū)域中將可用的磁通放大得更多，從而為磁通量測(cè)量結(jié)果提供增加的傳感器敏感度(參見圖4)。
[0029]根據(jù)一些實(shí)施例，電磁傳感器可以配置成近似沒有頂部和底部，例如沒有垂直于圓柱形軸的兩個(gè)平面端部的類圓柱形(參見圖3)。具有該形狀的傳感器可以被劃分成扇區(qū)，即，周向延伸部分，并且每?jī)蓚€(gè)相鄰的扇區(qū)之間間隔隔開，這種間隔的線平行于圓柱形軸延伸。為了簡(jiǎn)便起見，本公開將主要涉及這樣的實(shí)施例:傳感器的配置包括呈上述圓柱形形狀的四個(gè)扇區(qū)(例如，四分體)。為了方便起見，傳感器的扇區(qū)也可以被稱為一個(gè)圓的扇區(qū)。需要確保的是，受益于本公開的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到傳感器的扇區(qū)也可以是半圓形的(半個(gè)圓)，六分體(圓的六分之一)和八分體(圓的八分之一)等。此外，傳感器的扇區(qū)的大小也可以不相等(例如，而不是屬于相等的圓周范圍)，而是具有不同的互補(bǔ)尺寸并一起形成一個(gè)圓(或其部分)。例如，可以有其中每個(gè)覆蓋120度圓周的兩個(gè)扇區(qū)和其中每個(gè)覆蓋60度圓周的兩個(gè)扇區(qū)，四個(gè)扇區(qū)總共覆蓋360度，即整個(gè)圓。在另一個(gè)實(shí)例中，可以有多個(gè)不覆蓋整個(gè)圓并且可以包括相鄰扇區(qū)之間的間隙的扇區(qū)。
[0030]圖1示出了用于井下測(cè)量，如井下瞬時(shí)感應(yīng)測(cè)量的測(cè)井工具100。測(cè)井工具100可以在隨鉆測(cè)井(LWD)和類似的活動(dòng)(例如測(cè)量或隨鉆測(cè)量(MWD))的情形下使用。測(cè)井工具100可以包括接收器子組件120和發(fā)射器子組件140。測(cè)井工具100還可以包括間隔件，另一個(gè)LWD子組件或位于接收器子組件120和發(fā)射器組件140之間的其他子組件。該間隔件或其他子組件通常示出為元件130，并且在該實(shí)例中，提供了限定在發(fā)射器140和接收器120之間的距離。測(cè)井工具100可安裝或耦合至鉆桿110和鉆頭150。鉆頭150可以安裝在距離測(cè)井工具100較遠(yuǎn)的井下處，如發(fā)射器140和鉆頭150之間的橢圓形所示。在一些實(shí)施例中，測(cè)井工具100可以與測(cè)井電纜(未示出)相關(guān)聯(lián)。在圖1中，測(cè)井工具100包括元件120、130和140。鉆桿110和鉆頭150不具體為測(cè)井儀100的某個(gè)部分，但是，在操作中，它們被耦合至測(cè)井工具100。與此相反，元件120、130和140被認(rèn)為形成鉆桿110的一部分，并且除了它們的測(cè)井功能，還可以作為鉆桿110的整體部分(或元件120、130和140可以被認(rèn)為是裝在執(zhí)行鉆桿110的功能的管道段中)。
[0031]接收器子組件120可以包括至少一個(gè)電磁傳感器，諸如電磁傳感器121。電磁傳感器121可以是感應(yīng)測(cè)井傳感器、單軸傳感器(例如，單軸感應(yīng)測(cè)井傳感器)或多軸傳感器(例如，多軸感應(yīng)測(cè)井傳感器)中的至少一種。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)理解的是，本公開的原理以類似于本文討論的多軸傳感器的方式也適用于單軸傳感器。
[0032]具體地，電磁傳感器121可以是用于井下瞬時(shí)感應(yīng)測(cè)量的多軸瞬時(shí)感應(yīng)傳感器。更具體地，電磁傳感器121可以是用于瞬時(shí)信號(hào)的感測(cè)的三軸瞬時(shí)感應(yīng)(例如，寬帶感應(yīng)式)傳感器。電磁傳感器121可沿著三個(gè)相互正交的并置軸(稱為X軸、y軸和z軸)響應(yīng)于瞬時(shí)信號(hào)。在使用中z軸可變(例如，隨著該工具的方向變化)，但是其沿測(cè)井工具100的長(zhǎng)度行進(jìn)的軸保持恒定，如圖1所示。
[0033]參照?qǐng)D2-3，電磁傳感器121(圖1中示出)可以包括多個(gè)周向延伸的部分(扇區(qū)200)，其周向地圍繞鉆桿110(圖1中示出)可選擇性地彼此間隔分開。應(yīng)注意的是，這些部分(扇區(qū)200)之間的間隔范圍可以從非常小的間距到比較大的間距變化。并不必須在圖3中按比例繪出該間隔。如所示，電磁傳感器121可以為利用寬帶感應(yīng)的三軸瞬時(shí)感應(yīng)傳感器。例如，電磁傳感器121可以在很寬的帶寬上從約IHz到200kHz以上的范圍運(yùn)行，包括響應(yīng)于寬帶脈沖及同時(shí)在較寬頻帶上運(yùn)行。
[0034]繼續(xù)參照?qǐng)D2-3，電磁傳感器121可以包括多個(gè)扇區(qū)200，如，四個(gè)扇區(qū)200。四個(gè)扇區(qū)200中的每一個(gè)也可以稱為天線或直角扇形天線。如圖3的示意圖300中所示，四個(gè)扇區(qū)200可以一起形成一個(gè)基本上呈圓柱形的形狀，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，還可以有其它形狀和變化(如，多于或少于4個(gè)扇區(qū))。在該示例性實(shí)施例中，各扇區(qū)200均設(shè)置為跨越位于基本上呈圓柱形的形狀的相對(duì)側(cè)的一個(gè)扇區(qū)，該扇區(qū)可以稱為相對(duì)扇區(qū)。在該示例性直角扇形扇區(qū)實(shí)施例中，正好有兩對(duì)相對(duì)扇區(qū)。
[0035]如圖2中所示，電磁傳感器121的四個(gè)扇區(qū)200中的每一個(gè)都可以包括磁芯210和多個(gè)線圈或繞組(如，220和240)。在所示實(shí)施例中，線圈220和240通過屏蔽件230彼此間隔。在該不例中，磁芯210由具有尚初始磁導(dǎo)率的材料形成。磁芯210同樣制造為使得它具有尚機(jī)械可靠性。部分地基于形成磁芯210的材料的特性，該實(shí)施例的電磁傳感器121同樣保持了高溫穩(wěn)定性。如本公開中所使用，由于傳感器(如，121)的各扇區(qū)(如，200)包含已經(jīng)包裹有一個(gè)或多個(gè)線圈(如，220、240)的芯(如，210)，且各線圈可能彼此屏蔽(如，通過屏蔽件230)，因此傳感器(如，121)的扇區(qū)(如，200)可以與扇區(qū)(如，200)的芯(如，210)有所區(qū)別。如本文所討論，制造為具有尚初始磁導(dǎo)率的芯有利于提尚傳感器敏感度。尚溫穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅鞯囊环N特性，其使得形成芯的材料的磁導(dǎo)率的變化在不同的可能在井下操作時(shí)遭遇的操作溫度下不會(huì)對(duì)傳感器敏感度造成顯著變化。以下將相對(duì)于溫度變化更詳細(xì)地討論材料的磁導(dǎo)率變化的方面(如，其初始磁導(dǎo)率的變化)。高機(jī)械可靠性是指制造的芯210的一種特性，其使得芯不易碎，且不易發(fā)生由于振動(dòng)和其它惡劣操作條件導(dǎo)致的破裂。如上所述，術(shù)語(yǔ)“高初始磁導(dǎo)率、高溫穩(wěn)定性或高機(jī)械可靠性中的至少一者”或等等可以包括這三種特性中的全部或少于這三種特性。根據(jù)本公開的一些實(shí)施例，磁芯210可以為薄型四分之一圓柱形芯(如，四分體)，其厚度遠(yuǎn)小于其軸向長(zhǎng)度和圓周范圍。
[0036]如所示，扇區(qū)200可以包括至少一個(gè)纏繞在磁芯210的一部分上的用于感應(yīng)瞬時(shí)信號(hào)的線圈或繞組。例如，扇區(qū)200可以包括多個(gè)線圈，如兩個(gè)線圈220、240等，如圖2所示，線圈220、240可在相應(yīng)彼此正交的方向上纏繞在磁芯210的部分上以感應(yīng)瞬時(shí)信號(hào)(如，沿著相應(yīng)的正交軸)。換句話說，扇區(qū)200可以包括橫向(周向)繞組或線圈240以及軸向繞組或線圈220。相對(duì)橫向繞組或線圈(如，相對(duì)扇區(qū)的相應(yīng)線圈)可以利用一個(gè)或多個(gè)外露引線(未示出)相互連接。相對(duì)扇區(qū)的這對(duì)線圈配置為對(duì)于橫向軸的一個(gè)軸中的瞬時(shí)信號(hào)敏感。第二組相對(duì)扇區(qū)(在實(shí)例性四分體實(shí)施例中)配置為對(duì)于另外一個(gè)橫向軸中的瞬時(shí)信號(hào)敏感，從而使得兩對(duì)相對(duì)扇區(qū)橫向繞組或線圈在電磁傳感器121中產(chǎn)生兩個(gè)正交橫向軸(如，X軸和y軸)。四個(gè)扇區(qū)200的所有四個(gè)軸向繞組或線圈可以利用一個(gè)多個(gè)引線(未示出)相連以對(duì)于軸向傳感器軸(如，z軸)中的瞬時(shí)信號(hào)敏感。此外，互繞梳式屏蔽件230可以用于抑制每個(gè)扇區(qū)200的繞組之間的電容相互作用。屏蔽件230還可具有一個(gè)或多個(gè)引線(未示出)，以在不形成跨越所有四個(gè)屏蔽件的閉合回路的情況下與其它扇區(qū)的屏蔽件連接。雖然該實(shí)施例使用了橫向和軸向繞組，但是也可以使用圍繞芯的其他可能線圈繞組(如，傾斜線圈等)。
[0037]更具體地參考磁芯210的材料，納米磁性材料可以提供用于具有兩種前述特性的芯和最終具有第三特性的傳感器，即，芯將具有高初始磁導(dǎo)率和高機(jī)械可靠性兩者以允許制造具有高溫穩(wěn)定性的傳感器。如果納米磁性材料的磁導(dǎo)率高于鐵氧體材料，那么納米磁性材料被視為具有高磁導(dǎo)率。例如，納米磁性材料(例如，下文描述的納米磁性帶狀材料)的相對(duì)磁導(dǎo)率可以為約10,000或更大，其高于通常在100到1,000的范圍中的鐵氧體材料的低到中等相對(duì)磁導(dǎo)率。應(yīng)注意，納米磁性材料可以為各向異性并且可以展現(xiàn)出大范圍的磁導(dǎo)率。例如，特定的納米磁性材料在平行于帶長(zhǎng)度的方向上可以具有約20，000的相對(duì)磁導(dǎo)率且在垂直于帶長(zhǎng)度的方向上可以具有約10，000的相對(duì)磁導(dǎo)率。根據(jù)一些實(shí)施例，具有相對(duì)較高磁導(dǎo)率的材料可以是具有介于近似10，000與近似20，000之間(包括10，000和20，000)的相對(duì)磁導(dǎo)率的材料。
[0038]根據(jù)一些實(shí)施例，使用由納米磁性材料制成的一個(gè)或多個(gè)芯(例如，210)組裝的傳感器(例如，121)的特性與使用鐵氧體材料的芯組裝的傳感器相比可以具有高溫(或熱)穩(wěn)定性。圖4示出了說明傳感器敏感度對(duì)材料相對(duì)磁導(dǎo)率的曲線圖的對(duì)數(shù)本質(zhì)的曲線圖400。例如，具有納米磁性材料的芯的傳感器的敏感度的變化可以小于具有鐵氧體材料的芯的傳感器的敏感度隨著溫度變化的變化。即，如果溫度變化導(dǎo)致從初始磁導(dǎo)率變化使得芯的磁導(dǎo)率降低2倍，那么納米磁性材料可以將材料相對(duì)磁導(dǎo)率從20，000降低到10，000并且維持高水準(zhǔn)的敏感度。相比之下，如果溫度變化導(dǎo)致鐵氧體材料相對(duì)磁導(dǎo)率從其初始磁導(dǎo)率下降2倍，那么鐵氧體材料可以將相對(duì)磁導(dǎo)率從1000降低到500，如圖4的曲線圖400中所示，敏感度有更顯著的降低。
[0039]由所公開的納米磁性材料制成的芯(例如，210)由于具有任何以下特性而可以被視為具有高機(jī)械可靠性:脆性不及鐵氧體材料;柔軟、易于加工且與鐵氧體材料相比在鉆井環(huán)境中不易于損壞；由于鉆井環(huán)境中的振動(dòng)和/或震動(dòng)而不易于遭受運(yùn)行特性的損失。
[0040]鑒于某些納米磁性材料的上述所需特性，形成扇區(qū)200的磁芯210的材料可以是這種納米磁性材料。在一些實(shí)施例中，形成磁芯210的材料可以是納米磁性帶狀材料。例如，納米磁性帶狀材料可以近似三十微米厚且多達(dá)幾厘米寬。在一些實(shí)施例中，形成磁芯210的材料可以是納米晶體材料(又稱為納米晶體帶狀材料或簡(jiǎn)稱為納米晶體帶)。在一些實(shí)施例中，形成磁芯210的材料可以是納米非晶材料(又稱為納米非晶帶狀材料或非晶帶狀材料或簡(jiǎn)稱為非晶帶)。在一些實(shí)施例中，形成磁芯210的材料可以是非鐵氧體材料。在一些實(shí)施例中，形成磁芯210的材料可以具有介于約10,000到約20,000之間(包括10,000和20,000)的相對(duì)磁導(dǎo)率和對(duì)應(yīng)的高初始磁導(dǎo)率。
[0041 ]在一些實(shí)施例中，某種其它材料或其它材料與所公開材料的組合可以用來形成磁芯210。其它材料可以是具有可以與所公開材料的特性互補(bǔ)的兩種或兩種以上前述材料的特性的材料。因此，這種材料組合可以更好地滿足高初始磁導(dǎo)率、高溫穩(wěn)定性和高機(jī)械可靠性的至少三種特性以生產(chǎn)磁芯(例如，210)并且最終生產(chǎn)根據(jù)所公開實(shí)施例的傳感器(例如，121)。例如，納米磁性材料可以被制造為納米磁性帶狀材料，且一種類型的納米磁性帶狀材料可以是納米非晶材料，而第二種類型的納米磁性帶狀材料可以是納米晶體材料。因此，磁芯210可以由均是納米磁性帶狀材料和納米非晶材料等的材料形成。
[0042]具有約20，000的相對(duì)磁導(dǎo)率的非晶帶是由得克薩斯州休斯頓克雷路16840號(hào)113套間的納米結(jié)構(gòu)&非晶材料(Nanostructured&Amorphous Materials)公司制造。這種非晶帶是可以用來形成四分體扇區(qū)200的磁芯210的非晶帶的一個(gè)實(shí)例。這種非晶帶可以具有以下物理特性:約1.56T的飽和感應(yīng)、約410°C的居里溫度、約535°C的晶體溫度、約27x10—6的飽和磁致伸縮、約960kg/mm2的硬度Hv、約7.18g/cm3的密度和約130yQ-cm的電阻率。另外，這種非晶帶可以具有以下特性:鐵基、約76&七％到8(^%的？6、2(^%到243七％的3丨+8的組合物、約30 土 5μηι的帶厚度和約5mm到約50mm的帶寬度。
[0043]值得注意的是，符合本發(fā)明原理的未在本申請(qǐng)中討論的其它材料可以用于形成電磁傳感器121的每個(gè)扇區(qū)200的芯。例如，可以使用具有高初始磁導(dǎo)率的任何材料。作為另一個(gè)實(shí)例，可以使用具有高初始磁導(dǎo)率、高溫穩(wěn)定性或高機(jī)械可靠性中至少一項(xiàng)的任何材料。使用非晶帶、更普遍的納米磁性材料、非鐵氧體材料或等等可以提高電磁傳感器121對(duì)瞬時(shí)信號(hào)的敏感度。
[0044]如上面大致所論述的，在電磁學(xué)中，磁導(dǎo)率是衡量材料支撐在其內(nèi)部磁場(chǎng)形成的能力的量度。換句話說，它是材料響應(yīng)于所施加的磁場(chǎng)獲得的磁化程度。磁導(dǎo)率通常由希臘字母μ表示。磁導(dǎo)率常數(shù)(W)，又稱為磁常數(shù)或真空磁導(dǎo)率，具有確定的值μο = 43?Χ 10—7H.πι―1。材料的相對(duì)磁導(dǎo)率是特定材料的磁導(dǎo)率和磁導(dǎo)率常數(shù)μο的比值。如在本公開中使用的，初始磁導(dǎo)率是指“基線”磁導(dǎo)率。例如，初始磁導(dǎo)率是指在由操作條件引起磁導(dǎo)率發(fā)生變化前在制造條件下在制造時(shí)間點(diǎn)的磁導(dǎo)率。類似地，初始磁導(dǎo)率是指制造后工具空轉(zhuǎn)時(shí)的磁導(dǎo)率(例如，未在操作環(huán)境中發(fā)生變化)。如本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所理解的以及在本公開全文中說明的，給定材料的磁導(dǎo)率會(huì)受到溫度、取向、濕度等改變的影響。材料的初始磁導(dǎo)率可以表示Syi = PoXyr(注意:若所有其他因素保持不變，磁導(dǎo)率μ和μ1是相等的)。
[0045]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)理解電磁傳感器對(duì)磁場(chǎng)的敏感度與芯的敏感度是成比例的，相應(yīng)地芯的敏感度是芯的有效磁導(dǎo)率Kff和芯的幾何形狀的函數(shù)。如上所述，初始磁導(dǎo)率是指基線值;井下工具的傳感器的芯材料的相對(duì)磁導(dǎo)率在操作中會(huì)由于溫度等的改變而改變。這些關(guān)系可以按下述來表示:
[0046]方程I敏感度=yrffX面積
[0047]方程2 Mf = Hyr,幾何形狀)
[0048]其中，yeff是芯的有效磁導(dǎo)率(有時(shí)候被稱為形狀磁導(dǎo)率)并會(huì)受到溫度的影響，面積是芯的橫截面積，垂直于被感應(yīng)的磁場(chǎng)方向。此外，對(duì)于由鐵氧體材料制成的芯，有效磁導(dǎo)率對(duì)溫度有強(qiáng)相關(guān)性。由于這個(gè)原因，由溫度相關(guān)性引起的遠(yuǎn)離初始磁導(dǎo)率的變化會(huì)導(dǎo)致芯敏感度相對(duì)于其在制造時(shí)的敏感度發(fā)生顯著變化。因此，操作溫度改變會(huì)導(dǎo)致傳感器敏感度的顯著變化。在操作時(shí)間接收機(jī)的敏感度的這些顯著變化會(huì)進(jìn)一步給接收機(jī)校準(zhǔn)帶來挑戰(zhàn)。
[0049]非鐵氧體帶狀材料(例如，納米磁性帶狀材料)具有比鐵氧體材料高大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)的初始磁導(dǎo)率。由于這個(gè)原因，由這種非鐵氧體材料形成的芯的敏感度幾乎完全取決于該芯的幾何形狀。因此，對(duì)于非鐵氧體帶狀材料，該種傳感器敏感度對(duì)溫度具有很小的相關(guān)性。操作中敏感度因井下溫度改變而僅略微變化的傳感器會(huì)因此使得接收機(jī)的校準(zhǔn)更容易O
[0050]圖4示出了用于電磁傳感器的單個(gè)扇區(qū)(或天線)的曲線圖400，其繪出了根據(jù)材料相對(duì)磁導(dǎo)率的每平方米(m2)單個(gè)扇區(qū)(例如，圖2中示出的四分體扇區(qū))Ζ敏感度。該圖是使用所述四分體扇區(qū)的敏感度的有限元分析模擬產(chǎn)生的。一般來說，用于井下測(cè)井使用時(shí)，鐵氧體材料的芯的相對(duì)磁導(dǎo)率可為300，并如圖4中在410處圖示的產(chǎn)生1.11 Om2的單四分體Z敏感度。對(duì)于這種鐵氧體材料，隨著溫度的改變，所述相對(duì)磁導(dǎo)率可能增大至接近500，并且如圖4的曲線圖400所預(yù)測(cè)的，單四分體Z敏感度將增大至大約1.2m2，增大了大約8%。這種由于溫度改變帶來的敏感度變化可能需要進(jìn)行測(cè)量以校準(zhǔn)地層信號(hào)的幅度。
[0051]相反，根據(jù)圖4的曲線圖400，由非鐵氧體帶狀材料制造的可以具有更高相對(duì)磁導(dǎo)率的芯可以具有更高的敏感度。例如，由納米結(jié)構(gòu)&非晶材料公司制造的如上所述非晶帶形成的芯可以具有最小的相對(duì)磁導(dǎo)率20，000。此外，非鐵氧體材料可以具有較高的居里溫度，因而具有相對(duì)于溫度更穩(wěn)定的磁導(dǎo)率。如圖4的曲線圖400所示，具有相對(duì)磁導(dǎo)率20 ,000的材料可以產(chǎn)生單四分體Z敏感度1.332m2，比使用具有相對(duì)磁導(dǎo)率300的鐵氧體材料形成的芯產(chǎn)生的敏感度提高了約20%。圖400的420示出了該提高的敏感度。盡管假設(shè)可通過將該非晶帶的磁導(dǎo)率減半至10，000對(duì)磁導(dǎo)率產(chǎn)生顯著改變，該假設(shè)使得敏感度只降低了約
0.5%，使得相對(duì)于從初始磁導(dǎo)率的變化該敏感度遠(yuǎn)比鐵氧體材料的敏感度更加穩(wěn)定。應(yīng)理解，在實(shí)際中，該非晶帶的磁導(dǎo)率的變化將不超過其初始磁導(dǎo)率的約10 % (在25°C_150°C的溫度范圍)，使得使用該材料的芯的傳感器將在不同井下操作溫度下保持較高敏感度。圖1-2中所示的電磁傳感器121可能能夠在約二十五kpsi的壓力和約150 °C的溫度下適當(dāng)?shù)貓?zhí)行其設(shè)計(jì)功能。
[0052]因此，圖1-3中電磁傳感器121的各個(gè)扇區(qū)200的芯可以由具有高初始磁導(dǎo)率和高機(jī)械可靠性的至少一種的材料形成，以便制造高溫穩(wěn)定性和高機(jī)械可靠性的傳感器。例如，可以使用結(jié)合圖4討論的非鐵氧體材料或非鐵氧體帶狀材料、或納米磁性帶狀材料、或非晶帶。事實(shí)上，電磁傳感器121的芯可以由非晶帶而不是鐵氧體形成，這是由于鐵氧體芯可能易碎、易于破裂，然而帶芯(如，非晶帶芯等)可能更容易彎曲、更加柔韌，因而可能沒有這種問題。另外，如上所述，取代鐵氧體磁芯使用帶芯可以提高傳感器敏感度、增強(qiáng)傳感器敏感度的穩(wěn)定性。例如，通過使用帶芯而非鐵氧體芯，可以提高各扇區(qū)200的瞬時(shí)信號(hào)敏感度，因而提高電磁傳感器121整體的敏感度。通過使用非晶帶或其它納米磁性材料，例如，在降低各線圈或繞組中的需求匝數(shù)的同時(shí)，可提高敏感度，這可以增加電磁傳感器121的帶寬。提高瞬時(shí)信號(hào)敏感度可以提高LWD測(cè)量、數(shù)據(jù)精確度、以及資源使用率、速度及效率。
[0053]雖然可能在敏感度和其它方面有所提高，值得注意的是，納米磁性材料(或其它具有上述三種特性的材料)有可能有幾分導(dǎo)電性，這可使得在納米磁性材料(或其它這種材料)處于變化的外部磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)部渦電流。導(dǎo)電磁芯中的渦電流可引起雜散信號(hào)，其可能影響精確LWD或類似測(cè)量/數(shù)據(jù)的獲取。
[0054]圖5-8示出了用于減少或消除這種渦流效應(yīng)的技術(shù)和設(shè)置。具體地，為了消除或抑制渦電流的影響，扇區(qū)200(和其他扇區(qū)的每個(gè)其他磁芯)的磁芯210(圖2)可以通過使用不同的切割技術(shù)劃分成子扇區(qū)，其可被稱為被小扇區(qū)。圖6-8示出了各種磁芯幾何形狀，其中磁芯(610、710和810)已切片或切塊成多個(gè)小扇區(qū)。每個(gè)磁芯510、610、710和810代表先前討論的芯210的不同實(shí)施例。例如，每個(gè)芯510、610、710和810可以被配置為用在多扇區(qū)傳感器，諸如傳感器121中。圖5示出了在電磁傳感器(例如，傳感器121)中使用的四個(gè)芯510的實(shí)施例的視圖500，其中用于四個(gè)扇區(qū)中的每一個(gè)的每個(gè)芯510配置為單一件(S卩，不分成小扇區(qū))。例如，單個(gè)圓柱形芯可以先構(gòu)造為單個(gè)件(未示出)，通過將磁性帶的帶條進(jìn)行分層來形成交織有環(huán)氧膠帶的多層帶的圓柱體，然后將該圓柱形芯切割成四分體扇區(qū)以形成四個(gè)芯510。圖6示出了顯示在電磁傳感器(例如，傳感器121)中使用的芯的一個(gè)實(shí)施例的視圖600，其中用于每個(gè)四分體扇區(qū)的每個(gè)芯610(例如，切片)縱向平行于主傳感器z軸而分離。(該主傳感器z軸在圖1中示出，但沒有在圖5-8中示出；其對(duì)應(yīng)于由芯610的四分體形成的圓柱體的軸)。例如，可以以類似于上述圖5中所描述的方式如圖6中所示來構(gòu)造配置芯，但是將所得四分體芯部610切割為軸向(S卩，如圖6中所示的水平方向)帶條。圖7示出了顯示在電磁傳感器(例如，傳感器121)中使用的芯710的一個(gè)實(shí)施例的視圖700，其中用于每個(gè)四分體扇區(qū)的每個(gè)芯710周向環(huán)繞主傳感器z軸而分離成許多薄片。在另一實(shí)例中，圖7的芯710可以通過構(gòu)造多個(gè)(例如，十一個(gè))具有交織有環(huán)氧膠帶的磁性帶的單獨(dú)的短(例如，十毫米長(zhǎng))圓柱體，層疊得到的短圓柱體以形成長(zhǎng)圓柱體，并將所得的長(zhǎng)圓柱體切割成四分體扇區(qū)部分以形成芯710而形成。圖8示出了表示適于電磁傳感器(例如，121)中使用的芯810的實(shí)施例的視圖800，其中每個(gè)四分體扇區(qū)部分的每個(gè)芯810均在軸向方向(如圖6)和圓周方向(如圖7)上分離(例如，切塊)以形成圖塊。例如，芯810可以以類似于圖6或7所述的構(gòu)造方式進(jìn)行構(gòu)造，但是制造附加的交叉切口來將材料切成方塊。在切塊后，如圖6-8中示出，小芯扇區(qū)可以耦合在一起(例如，使用非導(dǎo)電材料，例如非導(dǎo)電環(huán)氧膠帶或非導(dǎo)電環(huán)氧樹脂作為膠)。當(dāng)與非導(dǎo)電材料耦合在一起的小扇區(qū)的該設(shè)置配置為電磁傳感器(例如，傳感器121)時(shí)，可以抑制在用于每個(gè)扇區(qū)200的每個(gè)四分體扇區(qū)的磁芯中產(chǎn)生的渦流。此外，針對(duì)芯610、710和810所討論的小芯扇區(qū)的設(shè)置可以最低限度地影響電磁傳感器121的磁特性。應(yīng)注意，芯扇區(qū)的裝配可以不限于芯510、610、710和810的設(shè)置。例如，可以結(jié)合這些切割技術(shù)的組合以產(chǎn)生用于一個(gè)扇區(qū)或多個(gè)扇區(qū)的芯，通過不同的切割技術(shù)將這些扇區(qū)結(jié)合為單個(gè)傳感器。另外，芯810的“圖塊”可以不直接放置在不同芯810層處的圖塊頂部，并可以相對(duì)于磁性帶狀材料的下一內(nèi)層交錯(cuò)。顯然，如果圖塊相對(duì)于芯810內(nèi)的不同層而交錯(cuò)，那么在將磁性帶狀材料分層前會(huì)出現(xiàn)將至少一部分切割成小扇區(qū)的情況。
[0055]返回到圖1，電磁傳感器(MS)121可以發(fā)送數(shù)據(jù)(例如，感測(cè)到的瞬時(shí)信號(hào)、與感測(cè)瞬時(shí)信號(hào)相關(guān)的數(shù)據(jù)等)到接收器子組件120的內(nèi)部處理部件(未示出)，接收器子組件120的內(nèi)部處理部件實(shí)質(zhì)上類似于其他測(cè)井和井下測(cè)量工具(和子組件)的內(nèi)部處理部件。接收器子組件120的內(nèi)部處理部件可以包括，但不限于，以下任何:軟件、硬件、中間件、固件、部件、處理器(例如，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和控制裝置)、控制器、存儲(chǔ)器、另一個(gè)傳感器(例如輔助或輔助傳感器)、總線接口、總線、接收器、采集實(shí)體(例如，用于處理獲取的瞬時(shí)信號(hào)或與獲取的瞬時(shí)信號(hào)相關(guān)的數(shù)據(jù)的軟件和硬件)、網(wǎng)絡(luò)、前置放大器、終端等。內(nèi)部處理部件相對(duì)于接收器子組件120還可以是遠(yuǎn)程或本地的，并以這樣的方式配置為接收和處理來自諸如圖1中所示的電磁傳感器121的數(shù)據(jù)，如本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員鑒于本公開內(nèi)容的理解。另外，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員將理解，用于內(nèi)部處理部件的零件的列表和設(shè)置并非是詳盡的，而且也是可能變化的。例如，一種變型可以是內(nèi)部處理部件包括一些而不是所有所列出的零件，而另一種變型可以是包括多個(gè)零件(例如，多個(gè)存儲(chǔ)器)的內(nèi)部處理部件。
[0056]繼續(xù)參照?qǐng)D1，接收器子組件120還可包括屏蔽傳感器(BS)122。屏蔽傳感器122可用于濾出由來自于發(fā)射器子組件140并沿著鉆桿110傳播的信號(hào)引起的非所需“桿信號(hào)”。屏蔽傳感器122置于發(fā)射器子組件140與電磁傳感器121之間，以幫助識(shí)別和濾出任何可能會(huì)被電磁傳感器121記錄的桿信號(hào)。屏蔽傳感器122可并置(例如:具有協(xié)調(diào)的軸向取向)在帶有電磁傳感器121的鉆桿110上，并與電磁傳感器121具有相當(dāng)?shù)膫鞲衅髅舾卸?。屏蔽傳感?22可與電磁傳感器121相似(或相同)，例如:在結(jié)構(gòu)、敏感度及/或功能上相似，并且可以認(rèn)為上述關(guān)于電磁傳感器121的討論適用于屏蔽傳感器122。例如，屏蔽傳感器122可為感應(yīng)測(cè)井傳感器、單軸傳感器或多軸傳感器中的至少一種。更具體地說，屏蔽傳感器122可為用于沿著X軸、y軸和z軸(優(yōu)選地，與電磁傳感器121的X軸、y軸和z軸并置)感測(cè)瞬時(shí)信號(hào)的三軸瞬時(shí)感應(yīng)(寬帶感應(yīng)型)傳感器。而且，屏蔽傳感器122可包括多個(gè)扇區(qū)，例如類似于圖2的四分體扇區(qū)200的四個(gè)扇區(qū)。屏蔽傳感器122的四個(gè)四分體扇區(qū)中的每一個(gè)都可包括由具有高初始磁導(dǎo)率的材料形成的磁芯?；蛘撸纬尚镜牟牧峡删哂懈叱跏即艑?dǎo)率和高機(jī)械可靠性中的至少一項(xiàng)，以制備一種具有高溫穩(wěn)定性和高機(jī)械可靠性的傳感器(例如:屏蔽傳感器122)。這些特性中的任一項(xiàng)都可提高對(duì)瞬時(shí)信號(hào)的敏感度。屏蔽傳感器122的四分體扇區(qū)中的每一個(gè)都可包括一個(gè)或多個(gè)線圈，例如，類似于圖2的線圈220和線圈240的兩個(gè)線圈，并且相應(yīng)的線圈可繞著用于感測(cè)瞬時(shí)信號(hào)的磁芯的部分在相互正交的方向上纏繞。另外，屏蔽傳感器122可將數(shù)據(jù)(例如:感測(cè)到的瞬時(shí)信號(hào)、與感測(cè)到的瞬時(shí)信號(hào)相關(guān)的數(shù)據(jù)等等)發(fā)送到上述討論的子組件120的內(nèi)部部件上。因此，根據(jù)本公開的一些實(shí)施例，接收器子組件120可包括兩個(gè)三軸電磁傳感器(例如:電磁傳感器121和屏蔽傳感器122)，其中三軸電磁傳感器可被隔開，例如，被隔開大約10英尺。這兩個(gè)三軸電磁傳感器可與至少一個(gè)非導(dǎo)電套管(未示出)并置在一起，并由其圍繞。
[0057]繼續(xù)參照?qǐng)D1，發(fā)射器子組件140可包括發(fā)射器(TX) 141、電流脈沖發(fā)生器(CP) 142以及其他部件(O) 143。發(fā)射器141可為感應(yīng)測(cè)井發(fā)射器、單軸發(fā)射器或多軸發(fā)射器中的至少一種。例如，發(fā)射器141可為沿著X軸、y軸和z軸發(fā)射的三軸發(fā)射器。發(fā)射器141可類似于電磁傳感器121，例如，各自都可具有結(jié)構(gòu)上的相似性。發(fā)射器141可接收來自于電流脈沖發(fā)生器142的數(shù)據(jù)。發(fā)射器141還可將數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)射器子組件140的內(nèi)部部件(未示出)上。發(fā)射器子組件140的內(nèi)部部件可類似于其他子組件的內(nèi)部部件，并可包括以下任何:軟件、硬件、中間件、固件、部件、處理器、控制器、存儲(chǔ)器、另一發(fā)射器、總線接口、總線、一個(gè)或多個(gè)電流脈沖發(fā)生器142(例如:x軸電流脈沖發(fā)生器、y軸電流脈沖發(fā)生器以及z軸電流脈沖發(fā)生器)、偶極數(shù)字轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)等等。與其他子組件一樣，發(fā)射器子組件的內(nèi)部部件相對(duì)于發(fā)射器子組件140可以是遠(yuǎn)程的或本地的，并以這樣的方式配置為接收和處理來自于發(fā)射器子組件140的數(shù)據(jù)。另外，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員將理解，本內(nèi)部部件的零件列表和設(shè)置并非是詳盡的，而且，如上面所說明的那樣，也是可能變化的。
[0058]在運(yùn)行中，測(cè)井工具100可通過發(fā)射器子組件140來沿著三個(gè)發(fā)射軸(X軸、y軸和z軸)依次產(chǎn)生交替的磁偶極子。例如，響應(yīng)于脈沖發(fā)生器142所生成的電流，發(fā)射器子組件140可沿著這三個(gè)軸中的每一個(gè)依次產(chǎn)生交替的磁偶極子。發(fā)射器子組件140引起的偶極子反轉(zhuǎn)可在周圍的地下地層中產(chǎn)生電流。這些電流向外擴(kuò)散，并且其與地層中的電阻率結(jié)構(gòu)的碰撞可被接收器子組件120的電磁傳感器121和/或屏蔽傳感器122感測(cè)出來。作為實(shí)例，交替的磁偶極子可在約為六微秒的期間內(nèi)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，以生成散逸入地下地層中的電流，并且電磁傳感器121和/或屏蔽傳感器122(甚至可能更多的傳感器)可在這些電流逸出的時(shí)候感測(cè)到它們。因此，可對(duì)這些電流穿過地層界面的哪部分進(jìn)行推斷，也可對(duì)到地層的距離進(jìn)行計(jì)算，另外，還可進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向。
[0059]如先前提及，渦電流可以產(chǎn)生在經(jīng)歷變化磁場(chǎng)的導(dǎo)電材料中。在本即時(shí)公開的情形中，這些渦電流可以產(chǎn)生阻礙獲得精確測(cè)量結(jié)果的雜散信號(hào)。關(guān)于直接討論，在操作中，由發(fā)射器子組件140產(chǎn)生的偶極子反轉(zhuǎn)可以在鉆桿110中產(chǎn)生渦電流，所述渦電流可以由電磁傳感器121和/或屏蔽傳感器122感測(cè)(作為雜散信號(hào))。屏蔽算法可以用來(例如，使用來自屏蔽傳感器122的信息)抑制這些雜散桿信號(hào)并且提取指示地層的電阻率結(jié)構(gòu)的地層信號(hào)。另外，電磁傳感器121和/或屏蔽傳感器122可以下列方式構(gòu)造:具體來說通過將這些傳感器的磁芯劃分為如結(jié)合圖5-8中描述的小扇區(qū)來抑制或消除由鉆桿110中的瞬時(shí)渦電流感應(yīng)的雜散信號(hào)。電磁傳感器121和/或屏蔽傳感器122還可以被構(gòu)造為允許整套三軸傳感器對(duì)的精確和穩(wěn)定匹配，并且允許使用前述屏蔽算法來抑制來自于鉆桿110中的渦電流的雜散信號(hào)。
[0060]圖9是根據(jù)一些實(shí)施例的示出了制造用于井下測(cè)量的電磁傳感器(或其部分)(例如圖1的電磁傳感器121和/或屏蔽傳感器122)的方法900的流程圖。在910處，可以由至少一層材料產(chǎn)生磁芯，所述材料具有高初始磁導(dǎo)率。根據(jù)一些其它實(shí)施例，材料還可以具有高機(jī)械可靠性以產(chǎn)生高溫穩(wěn)定性和/或高機(jī)械可靠性的傳感器。每一個(gè)這樣的特性可以提高傳感器可靠地測(cè)量瞬時(shí)信號(hào)的能力。產(chǎn)生磁芯可以包括將多層納米磁性帶狀材料與環(huán)氧樹脂耦合在一起。根據(jù)一些實(shí)施例，產(chǎn)生磁芯可以包括將多層非晶帶與環(huán)氧樹脂耦合在一起。另夕卜，本文已結(jié)合圖2-8討論了具有前述特性的各種材料，且任何這樣的材料均可以代替或與結(jié)合納米磁性帶狀材料/非晶帶。在920處，可以將磁芯可選擇地分離(例如，切片或切塊)為多個(gè)條帶或圖塊。分離為條帶或圖塊可以有效地減小如上文討論的渦電流。在930處，可以將切割部分分層并且使用粘附構(gòu)件(例如環(huán)氧樹脂(例如，不導(dǎo)電環(huán)氧樹脂膠帶或膠水))將其彼此附接。在940處，可以將芯分離為如上文討論的多個(gè)扇區(qū)。將磁芯分離為多個(gè)扇區(qū)可以包括將磁芯分離為四個(gè)四分體(例如，分別如至少圖2到3的元件200和圖5到8的元件510、620、710和810處所示的四分體扇區(qū))。在950處，可以將至少一個(gè)線圈纏繞每一個(gè)四分體扇區(qū)的每一個(gè)磁芯的一部分以感測(cè)瞬時(shí)信號(hào)。例如，多個(gè)線圈可以在彼此正交的方向上纏繞每一個(gè)四分體扇區(qū)的每一個(gè)磁芯的部分以如上所述感測(cè)瞬時(shí)信號(hào)。纏繞多個(gè)線圈可以包括在彼此正交的方向上纏繞兩個(gè)線圈(例如，圖2的線圈220、240)。
[0061]方法900可以包括各種修改，包括另外的、更少的或不同的步驟。另外，電磁傳感器121和/或屏蔽傳感器122可以被機(jī)械地構(gòu)造以允許在不拆卸圖1的測(cè)井工具100的情況下組裝和/或維護(hù)特定的傳感器。方法900可以被修改為合并與這種構(gòu)造/組裝相關(guān)聯(lián)的步驟。
[0062]圖10是根據(jù)一些實(shí)施例的示出了用于執(zhí)行井下瞬時(shí)感應(yīng)測(cè)量的方法1000的流程圖。在1010處，可以提供測(cè)井工具(例如，圖1的測(cè)井工具100)，且測(cè)井工具可以包括具有至少一個(gè)軸的傳感器(例如，圖1的電磁傳感器121和/或屏蔽傳感器122)。傳感器可以包括多個(gè)扇區(qū)(例如，圖2到3的四分體扇區(qū)200)。每一個(gè)扇區(qū)可以包括由具有高初始磁導(dǎo)率的材料形成的磁芯，所述高初始磁導(dǎo)率的特性可以提高對(duì)瞬時(shí)信號(hào)的敏感度(例如，參照關(guān)于圖4的討論)。根據(jù)一些實(shí)施例，材料還可以具有高機(jī)械可靠性以允許具有高溫穩(wěn)定性和/或高機(jī)械可靠性的傳感器。在1020處，可以將測(cè)井工具設(shè)置在井眼內(nèi)。在1030處，可以使用測(cè)井工具執(zhí)行瞬時(shí)感應(yīng)測(cè)量。方法1000可以包括各種修改，包括另外的、更少的或不同的步驟。例如，關(guān)于測(cè)井工具/傳感器，每一個(gè)扇區(qū)可以包括纏繞磁芯的一部分的至少一個(gè)線圈，所述線圈可以用于感測(cè)瞬時(shí)信號(hào)。例如，如上所述，多個(gè)線圈(例如，圖2的線圈220、240)可以在彼此正交的方向上纏繞磁芯的部分以感測(cè)瞬時(shí)信號(hào)。
[0063]根據(jù)本文中所述和所示的原理和示例性實(shí)施例，將會(huì)認(rèn)識(shí)到，在不偏離這些原理的情況下，可以有序并且詳細(xì)地修改示例性實(shí)施例。例如，該原理可以適用于單軸傳感器而不僅僅是多軸傳感器。單軸傳感器可以是感應(yīng)測(cè)井傳感器。例如，單軸傳感器可包含至少一個(gè)由具有高初始磁導(dǎo)率以改進(jìn)對(duì)瞬時(shí)信號(hào)的敏感度的材料形成的芯。該材料還可以具有高機(jī)械可靠性。該材料可以是納米磁性材料、納米磁性帶狀材料、納米晶體材料、非晶帶或非鐵氧體材料中的至少一種。該材料的相對(duì)磁導(dǎo)率可以是約10，000至約20,000或在大約10，000至大約20，000的范圍內(nèi)中的至少一個(gè)。事實(shí)上，根據(jù)本公開的原理，單軸傳感器可以包括或使用帶芯(復(fù)數(shù)個(gè))，諸如，如本文所述的非晶帶芯。
[0064]返回到單軸傳感器的芯，單軸傳感器可包括多個(gè)扇區(qū)，其中每個(gè)扇區(qū)包括由具有高初始磁導(dǎo)率以改進(jìn)瞬時(shí)信號(hào)敏感度的材料形成的磁芯。此外，磁芯可被分成多個(gè)小扇區(qū)，而小扇區(qū)可以由非導(dǎo)電環(huán)氧樹脂耦合在一起。例如，單軸傳感器可包括多個(gè)類似圖2-3的四分體扇區(qū)200的扇區(qū)，但并沒有在圖2中示出線圈220、240中的一個(gè)或兩個(gè)?；蛘?，單軸傳感器可不同于圖2-3所示出的，但是仍包含至少一個(gè)由具有高初始磁導(dǎo)率以改進(jìn)對(duì)瞬時(shí)信號(hào)的敏感度的材料形成的芯。
[0065]本實(shí)施例的原理可以適用在各種情況下，諸如，但不限于隨鉆測(cè)井(LWD)工具、測(cè)井工具、油藏監(jiān)控工具、在外層空間內(nèi)或在非接地體(例如，月球著陸器上的工具)上使用的工具、電阻率工具、表面地球物理測(cè)量工具、用于地質(zhì)導(dǎo)向的工具、用于多振動(dòng)環(huán)境的工具(例如，車禍監(jiān)視器)或者通過套管使用的工具(例如，通過使用可切換的磁體以磁化管件，然后再使用磁化管來感應(yīng)磁場(chǎng))。此外，盡管在本文中就瞬時(shí)信號(hào)對(duì)電磁傳感器121進(jìn)行討論，但是本實(shí)施例的原理可以適用于其他情況下并且可以不涉及瞬時(shí)信號(hào)。例如，本實(shí)施例的原理可適用于連續(xù)波感應(yīng)工具的傳感器。事實(shí)上，電磁傳感器121可以很容易地用于連續(xù)波感應(yīng)工具，該連續(xù)波感應(yīng)工具使用單個(gè)或多個(gè)頻率連續(xù)正弦波來測(cè)量地層電阻率。例如，對(duì)于連續(xù)波感應(yīng)工具的傳感器的磁芯可以由具有高初始磁導(dǎo)率的帶狀材料形成，并且因此，用于連續(xù)波感應(yīng)工具的傳感器的磁芯可以是，如上文所述，由鐵氧體形成的更柔韌并不易脆的芯。此外，如上文所述，形成用于連續(xù)波感應(yīng)工具的傳感器的磁芯的材料也可提供具有高溫穩(wěn)定性和/或高機(jī)械可靠性的傳感器。該材料可以是納米磁性材料、納米磁性帶狀材料、納米晶體材料、非晶帶或非鐵氧體材料中的至少一種。該材料的相對(duì)磁導(dǎo)率可以是約10,000至約20,000或在大約10,000至大約20,000的范圍內(nèi)中的至少一個(gè)。事實(shí)上，根據(jù)本公開的原理，用于連續(xù)波感應(yīng)工具可以包括或使用帶芯(復(fù)數(shù)個(gè))，諸如本文所述的非晶帶芯。使用帶芯(多個(gè))也可提供增加的敏感度和更高的敏感度穩(wěn)定性。
[0066]另外，上述討論集中在特定實(shí)施例，但也可以預(yù)期其他配置方式。具體地，即使在本文中使用諸如“在一個(gè)實(shí)施例中”、“在另一個(gè)實(shí)施例中”等的表達(dá)，這些短語(yǔ)表示一般引用實(shí)施例的可能性，而不意在將本公開限于特定的實(shí)施例結(jié)構(gòu)。本文中使用的這些術(shù)語(yǔ)可以參考可與其他實(shí)施例組合的相同或不同的實(shí)施例。一般而言，本文引用的任何實(shí)施例與本文引用的其他實(shí)施例中的任何一個(gè)或多個(gè)自由組合，并且不同實(shí)施例的任何數(shù)量的特征可彼此結(jié)合，除非另有說明。
[0067]類似地，雖然參考了以特定順序執(zhí)行的具體操作對(duì)實(shí)例過程進(jìn)行了描述，但可將眾多的修改應(yīng)用到這些過程以得到本公開的眾多可選實(shí)施例。例如，可選實(shí)施例可包括使用少于所有所公開的操作的過程、使用附加操作的過程、以不同順序使用相同操作的過程以及其中組合、細(xì)分或者改變了本文所公開的各個(gè)操作的過程。
[0068]本公開可以包括可由各個(gè)實(shí)施例提供的各種益處和優(yōu)點(diǎn)的描述。可以通過不同的實(shí)施例提供一個(gè)、一些、全部或不同的益處或優(yōu)點(diǎn)。
[0069]考慮到可以從如本文描述的實(shí)例性實(shí)施例中可容易得到諸多有用的變化，所以該詳述僅意在為說明性的而非限制本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明所要求保護(hù)的，是落入權(quán)利要求書范圍之內(nèi)的所有實(shí)施方式、以及所有這些實(shí)施方式的等同物。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種設(shè)備，其包括: 電磁傳感器，其包括多個(gè)扇區(qū)，其中每個(gè)扇區(qū)包括由具有高初始磁導(dǎo)率的材料形成的磁芯，所述材料包括納米磁性材料、納米磁性帶狀材料、納米晶體材料、非晶帶或非鐵氧體材料中的至少一種。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電磁傳感器具有以下特性中的至少一者:高溫穩(wěn)定性和高機(jī)械可靠性。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電磁傳感器包括感應(yīng)測(cè)井傳感器、單軸傳感器或多軸傳感器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中每一扇區(qū)進(jìn)一步包括纏繞其磁芯的一部分的至少一個(gè)線圈。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述多個(gè)扇區(qū)中的至少一個(gè)扇區(qū)進(jìn)一步包括兩個(gè)線圈，所述兩個(gè)線圈在彼此正交的相應(yīng)方向上纏繞其磁芯的一部分。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括設(shè)置在所述兩個(gè)線圈之間的屏蔽件。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，對(duì)于每一扇區(qū)，形成其磁芯的所述材料具有范圍在10000至20000的相對(duì)磁導(dǎo)率。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述多個(gè)扇區(qū)選自:兩個(gè)半圓、四個(gè)四分體、六個(gè)六分體、八個(gè)八分體、多個(gè)相同大小的扇區(qū)，以及包括至少兩個(gè)不同大小的多個(gè)扇區(qū)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，對(duì)于每一扇區(qū)，所述磁芯包括通過非導(dǎo)電材料耦合的多個(gè)子扇區(qū)。10.—種制造電磁傳感器的方法，其包括: 由至少一層具有高初始磁導(dǎo)率的材料形成磁芯，所述材料包括納米磁性材料、納米磁性帶狀材料、納米晶體材料、非晶帶或非鐵氧體材料中至少一種;和 將所述磁芯分成多個(gè)部分，其中所述部分可以用于形成所述電磁傳感器的多個(gè)扇區(qū)。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述傳感器具有以下特性中的至少一者:高溫穩(wěn)定性和高機(jī)械可靠性。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其進(jìn)一步包括:將至少一個(gè)線圈纏繞在所述磁芯的每一部分，以產(chǎn)生用于所述電磁傳感器的扇區(qū)。13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中形成所述磁芯包括:使用非導(dǎo)電環(huán)氧樹脂將多層納米磁性帶狀材料粘附在一起。14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其進(jìn)一步包括:對(duì)于每一扇區(qū)，將所述磁芯分為多個(gè)子扇區(qū)以及將所述子扇區(qū)與非導(dǎo)電材料耦合在一起。15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述多個(gè)扇區(qū)選自:兩個(gè)半圓、四個(gè)四分體、六個(gè)六分體、八個(gè)八分體、多個(gè)相同大小的扇區(qū)，以及包括至少兩個(gè)不同大小的多個(gè)扇區(qū)。16.一種方法，其包括: 提供包括傳感器的測(cè)井工具，所述傳感器包括多個(gè)扇區(qū)，其中每個(gè)扇區(qū)包括由具有高初始磁導(dǎo)率的材料形成的磁芯，所述材料包括納米磁性材料、納米磁性帶狀材料、納米晶體材料、非晶帶或非鐵氧體材料中的至少一種； 將所述測(cè)井工具設(shè)置在鉆井孔內(nèi)；以及 使用所述測(cè)井工具執(zhí)行瞬時(shí)感應(yīng)測(cè)量。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述傳感器具有以下特性中的至少一者:高溫穩(wěn)定性和高機(jī)械可靠性。18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中每一扇區(qū)進(jìn)一步包括纏繞其磁芯的一部分的至少一個(gè)線圈。19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，對(duì)于每一扇區(qū)，所述磁芯包括通過非導(dǎo)電材料親合在一起的多個(gè)子扇區(qū)。20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，對(duì)于每一扇區(qū)，所述磁芯包括使用非導(dǎo)電環(huán)氧樹脂粘附在一起的多層納米磁性帶狀材料。
【文檔編號(hào)】E21B47/26GK106062309SQ201480058351
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2014年10月24日
【發(fā)明人】A·瑞德曼, S·W·弗格安格, S·A·莫里斯, J·F·霍克, Y·劉
【申請(qǐng)人】貝克休斯公司