CN1944953B - 确定管子中位置的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种确定管子中的位置的方法和装置，为每个井、交叉地层的管线或其它流体传输线中的管接头(14)的位置和相关特征提供了精确的测定。该系统包括在每个管中或井套中的接头上的被动式或主动式无线电识别装置(30)。一个管线工具(24)包括一个无线电发射机和接收机(28)，发射机在为谐振识别装置而选定的频率上发射，每个装置的谐振响应由井管工具中的接收机探测，通过连到工具上的电缆将响应信号传到地面。

Description

确定管子中位置的方法和装置

本分案申请是基于申请号为00801574.0号、申请日为2000年4月4日、发明名称为：确定管子中位置的方法和装置的中国专利申请的分案申请。

参照有关的专利申请

本申请主张1998年8月28日提交的美国临时专利申请系列号No.60/098284的权益。

技术领域

本发明关于探测井、气和油管线及类似物的中间点的装置，尤其是关于采用安装在井或管子各点上的无线电频率响应装置的系统。一个探测器插入管子中并探测响应装置，该响应装置安装成将位置或深度和其它信息传回到地面的台站或沿管子传输。本发明可提供信息储存，在该装置从井或管子中收回时一起下载。

背景技术

由于在井中感兴趣的地层常常处于一个相当窄带区内，因此精确测量钻井深度的要求是很严格的。钻井后的井中常下一个套子，在井套和钻孔的井之间用水泥浇注，从而密封和稳定井孔。为了接近感兴趣的地层(油层、气、水等)，在井套和水泥上均在需要的深度上打孔，井套和水泥用来防止不需要的流体与井中的感兴趣的流体混合和流动(如具有油的水等等)。

因此，为了避免不需要的流体吸入井中和/或漏掉井中感兴趣的地层，需要严格地在井的精确的深度上开孔。在油和气井的情况下，这些井延伸到地表面以下数千英尺，使井的深度的测量精度在几英尺之内就提出了一个很困难的问题。美国专利No.5279366的1～4列，对本发明的背景技术中提到问题进行了详细的讨论，这里提出作为进一步背景技术。

因此，在过去，为了测定或测出井的精确深度以用于所要求的井开孔或其它目的，已研制了多种装置和系统。如磁共振成像(MRI)、伽玛射线探测和其它的原理已用来使探测器降到井套中，从而确定它在井内的位置和深度。然而在过去，还没有一个系统和装置能提供使操作者精确确定井中工具深度所要求的精度。对于井来说，进行粗略地测量、对于工具来说探测它在井套中的错误地点是很容易的，因此不必进行计算和测量。由于一般的井套管子的长度约为30英尺，可以看出，在探测一点位置时的误差将会使开孔枪或其它工具完全错过感兴趣的地层。

本专业技术人员均知道，先有技术的限制延伸到其它类型的管线或类似件，它不仅限于通常垂直的井孔。例如，检查交错地区的油、气或其它管线的标准方法是“刮”管线、亦即通常用一气动装置将一个机械装置(所谓的“刮管器”)穿过该管线。该“刮管器”可以探测管线状态的各种信息，这些信息在某些井管点上回收之前储存在装置内。然而，管线中的任何瑕疵和其它问题必须辨别其位置，这项操作中所用的机械“刮管器”没有确定它们在管线中的位置的装置。而它们的位置必须由站台上的工人沿管子从外部进行探测、或在“刮管器”穿过管线时沿管线从外部探测，测出“刮管器”在某一时间、在沿管线的各点上的通路。通过知道管中收集信息的时间，和“刮管器”在各点上的通过的时间，可以直接确定不正常结构的位置。

然而，可以看出，由于“刮管器”通过管线的通道的探测是在沿管线的相当少的几个离开很长的点上确定的，因此确定这些管线上各种不正常结构的精确位置或感兴趣的点可能是困难的。因此当检查已收回的“刮管器”的记录时，可能就不能够将管线中感兴趣的一些点的位置限定到小于管线的数百英尺、或者还比数百英尺还要大一些。

因此，可以看出，需要有一种系统能完全识别井内各点上的井中工具的位置和深度。该系统包括多个被动或主动或无线电频率响应装置，它们安装在井套的多个点或所有点上。每个装置最好做成或调整成能提供独特的单个信号。提供一个井中工具以装置接收的合适的频率来传输低功率的和/或具有方向的信号，然后该装置响应井中工具提供相应信号。该响应信号穿过导线向上送给地面上的矿井操作人员，它可精确确定井中工具在井中的位置或深度。另外，这些信息可以储存在井下的工具内，在工具回收后用以下载到计算机或其它合适的读取装置中。

还可以看出，进一步需要有一种系统，它能完全识别穿过一个管线或类似件的工具的位置，并能记录与工具穿过该管线的时间相对应的各点的位置。该系统可采用主动或被动式无线电频率响应装置，得出的信息储存在管线中的工具内，从而在工具从管线中回收时回收这些信息。

下面将讨论本发明人知道的相关技术与本发明的差异和区别。

1986年2月25日授予James G.Wilson等、名称为“将磁标示件放在无环套井孔上的方法”的美国专利No.4572293描述了通过将一个或多个电磁铁放在井套内使井套磁极化，并激活该电磁铁，从而在井套或管子内的电磁铁位置上加上永久磁场。该磁极化区可用普通的磁读数的井套环定位器探测出。Wilson等人的方法没有公开如本发明的方法和装置提供的任何测量或确定一个装置在交错地区或其它流体管线中的位置的手段。

1986年12月16日授予Rudolf Polzer、名称为“可编程的电感连接的应答机”描述了一种被动式无线电识别装置(PRID)，该装置包括一个调制由合适的发射机启动的响应信号的记忆器。Polzer描述了将响应的应答机放置在一个移动目标上例如一个轨道车上，起动的发射机静止安装。这种构造与本发明完全相反，本发明的应答装置是静止的，启动发射机安装在移动的井孔或管线的“刮管”工具内。另外，Polzer没有象本发明那样建议用它的发明来确定井套内或其它流体管线内的深度或其它特性。

1989年2月28日授予Gary K.Baird的、名称为“三个电磁井套套管的定位器”美国专利No.4808925描述了一种探测管子或井口井套接头的电磁装置。这种装置提供了一种特殊形状的环形磁场，该磁场的磁力影响铁合金的井套和井套接头。装在该装置中的探测器探测与在它穿过每个井套接头时的磁场变化一样的磁场的变化。Baird没有提及探测接头的磁场差异，而在探测时每个接头仿佛基本是相同的，操作者不能精确确定井套中的位置和装置的位置。为了确定位置，必须计算每个接头，Baird的装置不能提供任何其它的信息。Baird没有象本发明那样公开任何确定刮管工具在交错区或不是垂直的流体管线中的精确位置的任何手段。

1994年1月18日授予Patrick L.Scholes的、名称为“在带井套的井中的钢丝绳操作的深度控制”的美国专利No.5279366，描述了在井套中采用电磁和放射性位置标识器。该探测装置能探测高能辐射(伽玛射线)和电磁异常，从而易于确认用适当连通的任何一个单独的系统测出的井深。Scholes的这项专利对井深控制和确定的问题及解决该问题的重要性提供了极好的说明，这一点如上面提到的本发明的背景中公开部分的相同。然而，Scholes并未提供沿井套长度的不同接头或其它位置之间的辨别装置、也未提供做到这一点的任何无线电频率响应装置。另外，Scholes并未提到除垂直管线外的确定工具位置的任何形式，而本系统可用于通常是垂直的或不是垂直指向的任何流体管线上。

1994年11月8日授予Marin D.Kilgore的、名称为“光滑管线的井套和管子接头定位装置和相关方法”描述了一种可用于光滑管线、如单丝金属(monofilament metal)或不带任何电信号的其它管线的装置。该装置依赖整体的磁异常探测器来探测管子或井套接头。当探测一个接头时，该装置驱动贴靠井套内表面的阻力产生结构，在该装置通过接头时，在管线的表面上拉力暂时加大而记录下阻力。因此，Kilgore的装置仅可用于向上拉过管子时的情况，而没有采用任何无线电频响装置。Kilgore的装置不能在不是垂直的管线上工作，而本发明的系统可在无论什么方向的任何流体管线中使用。

1995年10月10日授予Sanjar Ghaem等的、名称为“小型动力源和使用它的RF终端”的美国专利No.5457447描述了一种无线电频率(RF)装置，该装置提供询问信号并接收来自该询问信号的响应。该装置可由一个或多个电源、包括普通蓄电池、太阳或红外电池等供电。然而Ghaem等未提及用于它们的RF终端装置的响应设备。而本发明采用一个RF发射机和放在井下工具、管线的刮管工具或类似件上的接收器，本发明还使用了被动或主动式谐振应答装置，它由井或管线工具的RF发射和应答器装置启动，谐振应答装置不是Ghaem等的公开的部分。

1996年3月5日授予John R.Tuttle的、名称为“用无线电频率(RF)通讯操作的电动邮票、或邮政或运输卡片”描述了一种小型的非常薄的接收机和发射机，它包括一个调制发射信号以提供某些特殊信息、如轨迹等的记忆芯片。Tuttle的公开中提供了为装置供电的薄板电池，并包括由其它装置的传输信号启动的“睡眠”和“醒来”电路。本发明并不要求任何特殊形式的电池的整体的电源，但在接收到附近发射机发出的信号时能引起响应。本装置可以包括需要电能的活性电路，然而也可由采用井或管子内的流体作电解液的电化学装置来发电。Tuttle装置不是一个谐振装置。

1997年5月6日授予Michael L.Connell等的、名称为“卷成的管子接头的定位器和方法”的美国专利No.5626192描述了一种管子，它降到井中，串联成用来定位管子接头。按照该专利的公开，该装置包括通常沿轴向形成的流体通道和一个探测每个接头的质量增大的电磁接头探测器。当探测到一个接头时，横向阀打开，穿过该装置的流体阻力减小并产生一个压降，该压降信息传到地面。Connell等的装置仅探测每个接头，而不能探测不同接头之间的差异。而本发明的装置可提供在井套或流体管线中不同接头之间的差异的装置。

1998年2月24日授予Timothy M.Price等的、名称为“井套接头探测器”的美国专利No.5720345描述了一种磁异常探测器，它如上面讨论的先有技术的其它装置一样，可探测穿过管子或井套接头的磁通量的变化。该探测器还可测量井孔下运行的距离，这些距离与通过的接头的数量有关。然而，Price等不能提供不同井套和管子接头之间的区别来精确地确定在某一点上通过的是那一个接头。另外象其它磁异常探测器一样，为了在电磁能量中产生尖峰脉冲而产生探测信号，该装置穿过井套的移动速度必须很小。本发明的主动和被动式RF系统可在垂直的、水平的或其它方向的各种类型、即铁磁合金或其它材料的流体管线上在任何合适的速度上工作。

1980年7月23日授予英国气体公司的、名称为“速度和/或距离的测量”描述了一种装置，它在铁合金的管子的井中产生电磁异常，然后探测装置通过时的异常。因此该装置可以通过测量产生电磁异常之间的时间和由装置的另一部分探测的两个已知构件之间的距离，来测出它通过管子的速度。正如上面讨论的利用电磁原理和装置的其它装置一样，英国气体公司的装置不能在产生的电磁异常之间进行区别，仅能算出沿管子长度的电磁异常的总数和提供以电磁异常发生器和探测器之间的距离为基础的距离测量。在英国气体公司的专利公告中没有公开RF装置、也未公开不在垂直的井孔中应用。

1994年5月11日公告的、申请人为Michael L.Smith、名称为“用于缓冲设备的管套位置传感装置及其相关方法”的欧州专利公报No.412535描述了一种装置，该装置用于电磁探测管道或接头套，用以逐步打开和关闭鼓风阀的鼓风压力密封件。因此本文不必、也没有教导在沿管道长度的不同接头之间进行区别的任何装置。Smith注意到管道测量不能仅由测距仪完成，这是因为管子的长度和每个接头的啮合螺纹的长度有少量的变化，这是本发明要解决的问题。另外，本系统宜用于通常垂直的井孔中，也可用于水平的或其它方向的气体或其它流体的管线中。

1995年5月3日公告的、申请人为Halliburton公司、名称为“定位井中管状接头的方法”的欧州专利公报No.651132描述了一种装置，它一旦探测到接头就对管壁加上一横向压力。该装置的增大的阻力增大了装置从管中上升所加在管线上的拉力，因此可在不需要在管中的装置和地面之间提供电连接的情况下探测接头，在该欧州专利公报中描述的装置与上面已讨论的美国专利No.5361838所描述的相同。可以看出在上面的讨论中注意到的差异和区别在这里也适用。

最后，1996年9月4日公告的、申请人为Halliburton公司的、名称为“在井中设定阻挡构件所用的方法和装置”描述了一种装置，它采用一般的电磁异常探测装置来探测管子或井套接头，将该阻挡件放置在管子或井套内从而使阻挡构件不放在接头上。本文没有必要、也没有教导用于不同接头之间进行区别的装置，对Halliburton的装置来说，所有的必须做到的是确定阻挡构件或密封件将不直接放置在接头上。

在上述发明和专利中，可以看出，没有一个或它们的联合描述了如本文主张的发明。

发明内容

本发明包括一种方法和装置，用于确定在管子或类似件中的位置、探测油、气和其它钻井或管子中的管子或井套的接头和在接头之间进行区别。该系统包括一个被动式无线电识别装置(PRID)或一个主动式装置，它安装在每个管子或井套接头上，井或管线工具包括无线电频率发射机和接收机。工具的发射机提供恒定的发射信号、该信号被衰减或进行方向性调制成仅由最近的管子或井套接头上的识别装置接收。当该装置接收到来自工具的发射信号时，识别装置调谐到发射一响应信号，该响应信号由工具的接收机接收。然后接收机接收的信号沿工具和地面之间的导线向上传送，在地面上进行处理。另外，工具还可包括记录收到的信息的装置，在工具回收到地面或管线的接口点时可下载这些信息。

有关每个无线电识别装置的信息可以储存在地面上，操作者可以确定任何时间上的井孔中工具的位置和已录入计算机或信息系统的其它特性、如管子或井套的尺寸、预先录入和进入该系统的地质特征和任何特殊点上的地层情况以及在该点上的井深等等。另外，本系统宜用于通常水平的流体(油、气、水等)管线及通常垂直的井孔中，也可用于可能出现的既不水平、又不垂直的管子上。本发明还可利用识别装置提供相互不同的信号，从而使井孔中的工具能在每个装置之间，因而与特殊装置相关的接头及预先测出那个位置上的物理特性之间进行区别。

在本发明中可以采用在探测到特殊频率时响应的被动式无线电识别装置(PRID)，本发明的方法和装置还可采用主动式装置，即要求操作电能的装置。本发明提供了蓄电池式的电能，在响应装置或响应装置和工具上提供两块不同的金属，井或管道内的流体用作该装置的电解液。

因此，本发明的主要目的在于提供一种改进的方法和装置来确定管子或类似物中的位置，它采用了井孔或管线工具中的无线电频率发射机和接收机，装在管子或井套中的每个接头上的被动式无线电识别装置(PRID)或主动式装置。

在本发明的另一个目的中，提供了一种改进的管线位置确定方法和装置，它可包括在地面或管线外部的如计算机那样的信息储存和回收系统，井孔或管线工具在探测到无线电频率识别装置时将信号传到该系统中。

本发明的另一个目的是提供一种改进的管线位置确定方法和装置，它可利用具有记录装置的工具，记录工具在穿过管子的通路期间探测到的信息，并在工具回收时下载工具记录装置的信息。

本发明的进一步目的是提供一种改进的管线位置确定方法和装置，它的计算机和其它信息系统按与每个井和管子中的识别装置有关的事实编制程序，这些事实包括装在井中的每个识别装置上的地层或地质特征、管子或井套的直径、在管子或井套中的每个识别装置之间的距离等等。

本发明的一个附加的目的是提供一种改进的管线位置的确定方法和装置，它的识别装置可以相互进行区别，从而使该工具区别连在井或管子的已知位置上的特殊的识别装置。

本发明还有一个目的是提供一种改进的管线位置的确定方法和装置，它可利用放置在每根管子或井套接头之间的弹性密封件来使每个识别装置固定定位。

本发明的又一目的是提供一种改进的管线位置的确定方法和装置，它可利用主动的RF识别装置，该装置可利用电化学电源的电能，该电化学电源是由RF装置和/或工具中的不同金属和用作电解液的井或管道中的流体构成的。

本发明的一个目的是提供改进的构件和设计，在为达到上述目的做成的装置中，该装置是便宜而可靠的，并且能完全有效地完成它的预定目的。

本发明的技术方案如下：

本发明的基本的技术方案提供一种井，该井包括：管子，所述管子具有多个段；多个连接接头，每个所述段之间具有所述多个连接接头中的一个连接接头；以及多个无线电频率识别装置，所述多个无线电频率识别装置中的每个分别安装在所述多个段中的一个不同的段中。

本发明的第一优选的方案是：在基本方案的基础上，所述管子是套管。

本发明的第二优选方案是：在第一优选方案的基础上，所述套管由水泥固定在钻孔中。

本发明的第三优选方案是：在第一优选方案的基础上，所述多个无线电频率识别装置中的每个分别被安装在所述多个段中的所述一个不同的段中的中间点处。

本发明的第四优选方案是：在基本方案的基础上，所述多个无线电频率识别装置中的每个分别安装在多个连接接头中的一个不同的连接接头上。

本发明的第五优选方案是：在基本方案的基础上，所述井还包括位于所述连接接头处的密封件。

本发明另外的技术方案如下：

根据本发明，提供一种确定流体管线中的位置的方法，包括下列步骤：(a)提供一个包括无线电频率发射机和接收机的管中工具，(b)再提供由接收机接收到的、记录信号的记录装置，(c)还提供多个无线电识别装置，这些无线电识别装置在接收到来自无线电频率发射机的信号时响应并发射一个响应信号给无线电频率发射机的接收机，(d)将无线电识别装置以预定的间隔安装在管线内，(e)使管中工具穿过管线，(f)在具有发射机的管中工具通过管线中的每个无线电识别装置时，由管中工具的发射机逐个地触发每个无线电识别装置的响应，和(g)用记录装置记录无线电识别装置的响应。

优选地，包括的步骤有：(a)沿管线提供多个接头，和(b)在管线的每个接头上安装一个无线电识别装置。

优选地，包括的步骤有：(a)将每个无线电识别装置安装在一个O形圈上，和(b)将具有一个无线电识别装置的O形圈安装在管线的每个接头上。

优选地，包括的步骤有：(a)为每个无线电识别装置提供一个封闭的环状天线，(b)通过包住一部分环状天线来环绕该无线电识别装置，(c)确定环状天线的尺寸，以将它紧密贴合在管线的四周内，(d)将环状天线和由其环绕的无线电识别装置装在管线内。

优选地，包括的步骤有：(a)提供多个其形状做成能紧密贴合在管线内的、能透过无线电频率的套筒，(b)将一个无线电识别装置安装在每个套筒内，和(c)将每个装有无线电识别装置的套筒以预定间隔装在管线内。

优选地，包括的步骤有：(a)提供多个形状做成能紧密贴合在管线内的、能透过无线电频率的套筒，(b)再为每个无线电识别装置提供封闭的环状天线，(c)确定每个环状天线的尺寸，使它们能紧密地贴合在相应一个套筒的四周内，(d)用一个相应的环状天线环绕每个无线电识别装置，(e)将一个环状天线和由它环绕的无线电识别装置安装在每个套筒内，和(f)将具有无线电识别装置和环状天线的套筒安装在管线的预定位置上。

优选地，采用记录装置记录无线电识别装置的响应的步骤还包括下列步骤：(a)将记录装置安装在远离管中工具的位置上，(b)在记录装置和管中工具之间提供连通线，和(c)由连通线将响应发送到位于远距离上的记录装置上。

优选地，利用记录装置记录无线电识别装置的响应的步骤还包括下列步骤：(a)将记录装置安装在管中工具内，(b)从管线中收回管中工具，和(c)下载管中工具记录装置的响应。

优选地，包括为每个无线电识别装置提供蓄电池电能的步骤。

优选地，包括的步骤有：(a)在管线内为每个无线电识别装置提供第一和第二电化学反应的不同的金属，(b)将第一和第二不同的金属电连接到该无线电识别装置上，(c)由在第一和第二不同金属之间提供流体流来分开该第一和第二不同金属，和(d)通过将第一和第二不同金属电连接到无线电识别装置上，流体放置在第一和第二金属件之间，利用流体的电解特性来为无线电识别装置通过电化学方式产生电能。

根据本发明，提供一种用以确定流体管线中的位置的装置，包括：一个用以穿过该管线的管中工具，上述管中工具包括一个无线电发射机和接收机，记录由上述接收机接收的信号的记录装置；和多个以预定间隔放置在管线内的无线电识别装置，这些装置在上述发射机通过管线而从上述无线电发射机接收到一个信号时，响应并发送一响应信号到上述无线电频率发射机的上述接收机上。

优选地，管线包括多个沿管线均匀间隔的接头，还包括安装在每个上述接头上的弹性的O形圈，每个上述O形圈包括安置在其中的一个上述无线电识别装置。

优选地，包括安置在每个上述O形圈中的封闭的环状天线，每个上述环状天线环绕着一个上述无线电识别装置。

优选地，管线包括多个接头，还包括周向安置在管线的每个接头上的封闭的环状天线，每个上述环状天线环绕一个上述无线电识别装置。

优选地，以预定间隔安装在管线内的能透过无线电频率的套筒，套筒紧密地配合在管线内，每个上述套筒包括安置在其中的一个无线电识别装置。

优选地，周向安置在每个上述套筒内的封闭的环状天线，每个上述环状天线环绕着放置在每个上述套筒内的一个上述无线电识别装置。

优选地，上述记录装置包括装在管线工具和管线外部的数据记录装置，它包括延伸在管中工具和上述记录装置之间的连通线。

优选地，上述记录装置包括安装在管线工具内的数据记录装置，该装置用于在具有上述数据记录装置的管中工具从管线中回收后，将数据从上述数据记录装置中下载下来。

优选地，无线电识别装置是要求电能的主动式装置，每个上述装置包括一个蓄电池。

优选地，上述无线电识别装置是需要电能的主动式装置，每个上述无线电识别装置包括电连接到其上的第一和第二电化学反应的不同的金属，和每个上述不同的金属由管线中的流体相互分开，通过流体和上述第一和第二不同金属的相应的电化学反应的电解特性，而为上述每个无线电识别装置产生电化学电能。

在阅读下面的说明和附图中可以更加清楚本发明的这些和其它目的。

附图说明

图1是部分井套和接头的透视图，接头中包括装在其中的无线电识别装置，井下工具包括用于与该装置连通的无线电收发装置。

图2是已钻出的井和井套的概略示图，它示出本发明的一个实施例的一般的操作情况、和与本发明的地面和地面构件相连通的情况。

图3是装有本发明的无线电频率识别装置的管线的一侧透视图。

图4是用于本发明的无线电频率识别装置和环状天线的透视图。

图5是可装在管中的套筒的透视图，该套筒包括图4的识别装置和环形天线。

图6是装有本发明的识别装置和环状天线的管的断开的剖面图，图中包括装在环中和探测工具上的不同金属的电化学能源发生装置。

图7是类似于图6的垂直剖视图，但不同的金属装在天线环上。

在所有附图中，同样的参考数字表示相应的特征。

具体实施方式

本发明关于确定油、气和其它具有连接的井套的钻井、和具有交错地区管线的管子或类似件、以及其它不垂直的气、油、水和其它流体井和管线中的位置的方法和装置。本发明能提供井套或管子内的井或管子工具的精确位置的确定、以及在工具位置上井或管子的相关特征。

图1提供了由多段12形成的井套或管子10的透视的剖视图，每段12之间具有一个接头14，它具有外螺纹连接端16和带内螺纹的、与两个端部16固定在一起的匹配套筒18。这种接头14通常在每个井套或管段12的每个连接端16之间包括至少一个较小的间隙20，在接头14组装时，在间隙20内放置一个弹性的O形圈22。位于电缆26的下端的如图1所示的井下工具24，既用于支撑井套10内的工具24，也用于工具24和地面之间的电能和通讯，这一点如图2所示，并且下面将进一步讨论。

井下工具24包括一个无线电频率发射机和接收机28，如图中的虚线所示。一个无线电频率识别装置30采用密封、埋设或其它方式装在管子或井套10的每个连接接头14上，从而将装置30装在每个接头14上的弹性的O形圈密封件22上。该无线电频率识别装置30可以是被动式无线电频率识别装置(称作为“PRID”)。这种PRID是一般的并具有零售工业的商业保险、信息库保险等等，它通常包括一块固态印刷电路，其结构做成在接收到来自合适频率和强度的无线电发射的无线电射频能量时能发生响应。这种装置在并不需要任何附加的能源，接收到的来自发射机的能量就为该装置提供了足够的能量，只要它接收到合适的发射信息，就可以微弱的和/或周期性的应答发射进行应答。

另外，该应答装置30可以是要求独立电源(如蓄电池或其它电源装置)的主动式装置。这种装置也是一般的，它可以做成在接收到无线电频率信号之前实际上不需要电能，在收到信号时给它供电，以产生应答发射信号。

包装在井下工具24内的收发机28也是一般的，它提供合适频率的无线电频率发射信号以触发某接头14位置上的PRID或主动式装置30。收发机28还包括一个用以接收PRID或主动式装置30的应答信号的接收机，为了使收发机28发射的信号不与来自PRID或主动式装置30的接收的信号干扰，提供的应答信号频率不同于收发机28使用的发射频率。收发机28的发射机和天线系统最好做成能提供相当微弱的信号，该信号可由离收发机28相当靠近(如1英寸或差不多的距离)的PRID或主动式装置30探测到并应答。

另外，收发机28的天线可以做成能提供较高方向性的信号，例如径向极化或屏蔽以仅提供很窄的发射场图，从而使收发机28发射的信号仅基本在收发机28和井下工具24的水平方向辐射。这样，收发机28将不会在其穿过的井套管10的通路的任何一点上触发多于一个的PRID或主动式装置30，并与应答的PRID或主动式装置30的确切深度保持在很近、如几英寸的距离上。另外，接收天线可以仅提供精确的很窄的无线电接收频带。

图2提供了包括其中装有井套10的一个钻井32的直立的视图。电缆26从一般的电缆装置34(包括一个卷轴和/或其它的电缆26的伸缩装置，使电源和信号与电缆26连通的因此连到下端的井下工具24上的普通装置)，井下工具24安置在特殊的接头14a上，在该接头14a上装有专用的PRID或主动式装置30a。收发机28发射的无线电频率触发PRID或主动式装置30a的响应，使装置30a按来自收发机28的发射频率响应，并以不同的频率发出一个响应信号，响应装置30发射的不同频率由井下工具24中的收发机28的接收机部分探测到，并中继到电缆装置34，从而在地面上进行处理。

在许多情况下，伸到下部的井孔的工具24和从井孔中缩回的工具24所用的缆绳26不是电缆。因此，这种不用电缆的工具24在其中包括记录装置，记录装置记录的数据在工具从井孔或管道中收回后，下载到遥远的计算机和数据库中。这种记录数据的井下工具是一般的，它们已用于井和管道工业中。

通常，为了确定特殊地质结构(如不渗透岩石、油和气储层等)，钻井在安装井套之前要“测井”。测出的信息及其它信息、如井套的直径和尺寸、井的名称和/或编号和井深等输入信息储存和检索系统的数据库，该数据库通常是包含合适的应用程序的计算机36。

因此，当井下工具24沿着组装的井套10的深度通过每个接头14、14a上的PRID或主动式装置30、30a时，每个装置30、30a与一个信号响应，该信号中继到地面并最终输入计算机。通过对井中工具24向下穿过井套10所通过的PRID或主动式装置30、30a“计数”，将每个连续的PRID30、30a与预先测量的数据相比较，计算机36可示出井下工具24在井套10中的位置状态。作为一个例子，预先测出的数据可以指出一个油层位于地下12000和12200英尺之间。在每个井套段12的长度为已知时，计算机仅需要通过井套段12的长度来分出地层的深度，从而确定多少井套段12(因此多少个具有相关的PRID或主动式装置30的接头14)位于地面和所需要的地层之间。这就可以使井套10在所需要的地层上精确地开孔，确保使所需要的物质具有良好的流动而不具有不需要的物质(如水等)的任何混合物。

可以看出，每个PRID或主动式装置30、30a可以做成能提供有区别的、独特的响应信号，如果需要的话，可以为本发明所用的多个PRID或主动式装置30提供至少为多种不同的响应信号。这种装置可以做成提供不同的频率响应，和/或在一些情况下为使每个装置提供响应调制(振辐、频率、脉冲)，从而提供不同的响应。

这样，每个PRID或主动式装置30、30a等可以沿井管或井套10安装，它们中的每个均提供不同的响应信号。与每个PRID相对应的不同的响应输入计算机，因此，可以得到每个独立的PRID或主动式装置30、30a的确切位置。这一点在该系统错过一个或多个沿管套10安装的装置30的响应时是很重要的。在这样一种情况下，如果装置30、30a等提供同样的响应信号，错过的、如两个PRID或主动式装置的响应信号将会导致在井下工具24的深度确定中相差约60英尺。通过使每个PRID提供不同的响应信号，计算机30能确定任何已知的PRID或主动式装置的精确位置，即使一个或多个沉井套10的装置发出的响应信号未收到也没有问题。

还可进一步看出，沿井套10的每个PRID或主动式装置30提供单独的和不同的响应信号并不是绝对必需的。例如准备5个不同的响应信号，安装成以重复形式相互隔开的5个井套段、如1、2、3、4、5；1，2，3，4，5等采用相同的响应信号，将可为井管或井套10内的井下工具24的定位提供足够的解决方案，即使1个或2个、或甚至达4个连续的PRID或主动式装置30的响应未能收到也没有问题。因此，用本发明可以提供每个接头14上的井下工具24的精确定位。

在对图1和2所示的井就这一点进行讨论的同时，可以看出，本发明不仅限于用在通常垂直的钻井和类似件上。本发明的用以确定管线中位置的方法可用在其它的管线环境中，如所要求的水平交错地区的气、油或其它流体管线中、或任何管线方向的环境中。

作为交错地区的管线中使用的例子，这种管线通常用来在各点之间传输油、气等流体。时时刻刻地监视这些管线的内部是必要的，这通常是由一种被称作“刮管器”的自动工具来完成的，这种“刮管器”穿过管线(通常在管线的一侧相对于该工具增大压力使其被吹过管线)。这种工具可以包括探测管线内各种裂缝的装置，但不能包括任何确定它们在管线中的位置的装置。因此，沿管线配置的工人测出“刮管器”通过的时间，再沿着管线走到另一点以重复进行处理。当“刮管器”从管线中回收时，由其中的一般的数据记录装置记录的数据下载到某种形式的数据回收装置(如计算机和数据库)上。在“刮管器”中的数据记录装置记录的管中的时间差异被记录下来并与工人记录的“刮管器”在沿管线各点上的通路所测出的时间相比较。

可以看出，通过插入通路各点上的时间，记录管线异常的任何点上的“刮管器”的位置，这仅是一个非常大约的概念。因此，如果需要进行更详细的监视和/或修理而缩小该位置的范围，可能是既费时又费钱的。另外，这种系统仅因为裂缝位置不能精确确定可导致用比绝对需要长得多的管线来进行不必要的置换。

本系统通过在管线内的各个确定位置上安装一系列的PRID或主动式无线电频率装置而提供了一种解决上述问题的办法。这种PRID或主动式装置可以某种程度上以上述对于井套管或管子的方式装在管线的接头上、或根据需要安装在管线的其它区域上。该“刮管器”可以包括一个发射机和一个接收机，它们类似于如上所述可用于井下工具的普通装置，发射机装置发送一个连续的信号，在“刮管器”穿过管线时由每个无线电频率装置接收该信号。这些装置在它们由“刮管器”中的发射机触发时提供响应信号，“刮管器”中的接收机接收响应信号，“刮管器”中的一般的记录装置储存来自PRID或主动式装置的位置信号，这一点与上面描述的本身装有记录装置的井下工具相同。

包括来自PRID或其它主动式响应装置的响应信号的记录装置储存的数据在“刮管器”回收后下载，并进行检查，从而确定在管线中是否有裂缝和其它异常情况。如果注意到在管线数据中有异常，可以通过记下那个位置上的PRID或主动式装置的信号，相当容易而精确地确定它的位置或异常位置的任何一侧。为了确保解决问题，工人们可以在不必花大量时间和努力来研究相当长的有问题的管线和/或置换大量的管线的情况下按需要修理有问题的部分。

提供一根单独的、相当短的、装有应答装置的管子是符合要求的，该管子可以按要求加到现有的管线上。在图3中示出剖视的这样一个装置38或“代用品”。该“代用品”装置38包括在其一端的内螺纹部分40和与内螺纹部分40相对的端部的外螺纹部分42，这使该代用品装置38可以装在两段管子之间，起到一个它们之间的接头的作用。该代用品装置38特别做成能通过提供绕装置38的内部周向的内槽或通道44来在其中安装一个PRID或主动式装置。该通道44可以包括埋入其中的PRID或其它的主动式无线电频率响应装置30，能透过无线频率的材料(如弹性橡胶或弹性材料、塑料等等)装在槽或通道44内，用以将PRID或主动式装置30固在槽内。这样，可以制成一系列的这样的“代用品”接头38，每个均包括一个PRID或主动式装置30，它们按需要安装在管线区域内。可以看出，图3中的代用品接头38示出的是带螺纹的连接端40和42，按照接头安装的管线的构形和需要，可以提供其它连接装置(如法兰等等)，这均不超出本发明的范围。

正如上面提到的，应答装置(PRID或主动式装置)的信号强度不必特别大，这是因为管线工具中的接收机离被动式或主动式应答装置总是相当靠近。然而，在某些情况下，特别是在PRID不具有补充的电能而仅依靠发射信号提供的电磁能的情况下，可能需要有附加的信号强度。因此，可以要求提供一些增强PRID接收信号的装置。图4公开了一种这种装置，其中PRID或主动式装置30包括一个与其装在一起的环状天线48。该环形天线48做成紧密贴合在管线、井套等的相应部分或接头内，图4的环状天线48安装在图3的代用品接头38部分内。

环状天线48还包括围绕着PRID或主动式装置30的包带或环绕部分50，相当大的环状天线48(与PRID或其它装置30本身的小型天线相比较)能够在发射机穿过管子中该点时接收到较大强度的信号，因为在发射机通过期间，它完全包围着发射机。环状天线的环绕构件50形成的包带环绕着PRID或主动式装置30，因此向装置30再次辐射接收的信号，因此可为装置30提供比没有辅助环状天线48时要强得多的信号。

在某些情况下，在管线或管子中的接头位置上安装PRID或其他无线电频率响应装置30可能是不可能或不方便的，因此，图5示出了一种将这样一个响应装置30安装在管线或管子的某个中间点处的装置，而不需要专用的管子构件。图5示出一个由可透过无线电的材料(塑料等)制成的套筒52，它可安装在管线内。套筒52包括装在其中的PRID或主动式应答装置30，还可包括一环状天线48。在图4中的应答装置30和环状天线48的情况下，天线48可以包括环绕PRID或主动式装置30的较小的环50，从而提供上面描述的好处。该应答装置30和环状天线48可以在制造时封装在塑料套筒52的壁中。

正如已提到的，应答装置30可是两种类型的，一种是PRID、或被动式无线电频率识别装置，它不需要任何附加形式的电能。然而，另一类型的、即主动式应答装置要求某种形式的电能来提供应答的无线电频率传输。因此，这种装置也需要有某种形式的电源。如果需要的话可以提供普通的蓄电池，该蓄电池的长寿命可由主动式装置中的“睡眠”电路来做到，采用这种电路在不接收无线电信号时，要求的电能实际上减少到0。

然而，本发明还可包括能为主动应答装置产生电能的其它装置，如图6和7所示。在两个图中，示出了分别为22a和22b的O形环，它们装在管段12a、12a和12b、12b之间的相应间隙20a和20b中，该O形环由分别为14a和14b的管接头包围。图6还示出一部分装在管子12a内的管子或井下工具24a。图6中的槽或间隙20a包括第一电化学反应金属件54，井或管线工具24a包括放置到其外表面上的第二电化学反应金属件56。两个金属件54和56由两种不同的金属、如铜和锌等等构成，它们具有不同的电解容量。

流过管线或井孔井套12a的流体58通常具有一些导电性并用作不同金属54和56的电解液。(为清楚起见，在图6的间隙20a中未示出流体58)。因此，在两种金属54和56之间产生了电位差，它可以用来提供少量的主动式无线电装置(图6和7中未示出，在其它图中概略示出)进行工作所需要的电能。可以看出，在图6和7中未示出电连接件，这些电连接件是一般的，在先有技术中是公知的。

作为一个例子，第一电连接器可以连接在主动式应答装置的一个终端和第一不同的金属件54之间，工具24a的外表面和应答装置第二终端之间的电连接，作为在应答装置的第二终端和管线工具24a的第二金属件56之间的相互接地的连接器。不同金属54和56的电解反应和至少稍有电解的反应液58，由于工具24a和应答装置的第二终端之间的电连接，在两个金属件54和56之间产生越过应答装置的电流。

图7示出在图6的组件上的变化情况，两个不同的金属件54a和56a均装在管子12的壁内的组件接头上形成的间隙20b中。穿过管线的流体58(为清楚起见图7中未示出)流过其周围并流过两个金属件54a和56a，因而用作两个之间的电解液。两个金属件54a和56a可以象用到这类装置上的蓄电池那样电连接到一个主动式无线电识别装置的终端上。然而，由于提供了两个电化学上不同的金属件54a和56a(或图6中的54，56)来产生一定量的电能，这些电能足以满足本发明所用的主动式无线电识别装置的用电需要。

总之，本发明的用以确定管线中的位置的方法和装置提供了一种非常必需的系统，它能容易而精确地确定具有带接头的井套的、钻出的油、气和其它井的井下工具的位置、或管线中管线工具或“刮管器”的位置。本系统相当简单而坚固耐用，所用的PRID或主动式装置具有很长的使用寿命和很大的可靠性。每个PRID或主动式装置埋设在每根井套或管子接头上的弹性的O形圈(橡胶、Teflon，trn等)中，这就在将它们精确定位在每个接头上的同时为它们提供了保护。将预先测出的井的特征、如地质特征、各种感兴趣的地层的深度、井名和/或编号、所用井套的直径等等均输入数据库，这就为地面操作人员提供了确定采用适当行动和在井套开孔的工具定位、或其它井中操作中所必需的所有信息。

对本专业技术人员来说应该看到，本发明可用于任何类型的管子或井套中、在炼油厂、化学厂、油和气的管线、地下水系统或任何需要知道穿过特殊的管子系统中的一根管子的工具或仪器的确切位置的任何系统中可以见到的垂直或水平方向的管道中。采用井或管线工具内自身含有的普通的记录装置，使本发明能采用毋需电子或其它通过管子的连通的“光滑”型工具，因此本系统提供了井中的钻孔器和操作器、管线操作器和具有类似系统的其它操作件，它们非常需要迅速、容易和比较便宜地确定井中的井下工具的精确位置和为精确操作而预先测出的信息定位的有关情况。

可以看出，本发明不仅限于上述实施例，而应包含下列权利要求范围内的任何和所有的实施例。

Claims (6)

1.一种井，包括：

管子，所述管子具有多个段；

多个连接接头，每个所述段之间具有所述多个连接接头中的一个连接接头；以及

多个无线电频率识别装置，所述多个无线电频率识别装置中的每个分别安装在所述多个段中的一个不同的段中。

2.根据权利要求1所述的井，其特征在于，所述管子是套管。

3.根据权利要求2所述的井，其特征在于，所述套管由水泥固定在钻孔中。

4.根据权利要求2所述的井，其特征在于，所述多个无线电频率识别装置中的每个分别被安装在所述多个段中的所述一个不同的段中的中间点处。

5.根据权利要求1所述的井，其特征在于，所述多个无线电频率识别装置中的每个分别安装在所述多个连接接头中的一个不同的连接接头上。

6.根据权利要求1所述的井，其特征在于，所述井还包括位于所述连接接头处的密封件。

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