油田井井下无人机的制作方法

本公开总体上涉及用于提取碳氢化合物(诸如油气)的地下井的勘测。更具体地，本公开的实施例涉及一种井下潜航器，其用于各种流体和地下井的特性的现场测量。

背景技术：

地下井可以钻入地表以获取具有碳氢化合物的地理地层中储存的流体。这些地理地层可以包含或称之为“储层”。关于井中的流体和井的性质的信息对于正确描述储层以及进行最佳钻孔和生产操作以有效地提取碳氢化合物是至关重要的。井可以具有竖直、偏斜和水平段的组合，这些组合使得对井的勘测既困难又费时。例如，可以通过使用来自地面的机械运输工具来勘测井，诸如连续油管(即，柔性集成井管)。但是，连续油管的使用受到井孔尺寸的限制，并且更重要的是，可能会被锁定到井的几何结构上。用于勘测井的其他方法可以包括线缆运输井牵引器，线缆运输井牵引器受到井孔的不规则性(例如，井孔尺寸的增大或减小影响牵引器臂)和井的几何结构限制。

技术实现要素：

用于勘测井的现有技术，诸如通过连续油管、线缆(钢丝或电线)或者与线缆或与连续油管组合的油井牵引器而运输到井眼中的生产测井仪等，由于多种因素而可能会限制井眼的进入，这些因素诸如为井眼的长度、井眼的轨迹和倾角以及井眼尺寸(例如，内部直径或井孔尺寸)。通过现有技术这些因素以及其他现场环境因素可能会限制和制约进入和勘测整个井眼。

本公开的实施例包括一种用于勘测地下井的无人潜航器(有时称为“无人机”)。有利的是，无人潜航器能够通过使用机载推进单元和动力单元而不论取向如何(即竖直、偏斜或水平)都能进入井的所有段，因此取消了使用连续油管、线缆或从地面延伸的相关设备。此外，无人潜航器可以推进穿过井而没有与钻孔壁直接接触。当无人潜航器浸没在井中时，无人潜航器还可以能够给动力单元的电池充电以延长数据收集(即，测量值的获取)的持续时间。

在一个实施例中，提供了一种无人潜航器，其包括主体和多个推进单元，该多个推进单元中的每一个具有推进器和能枢转地联接至主体的臂。该无人潜航器还包括测量单元、具有处理器和存储器的控制单元。当无人潜航器静止时，多个推进单元中的每一个构造成测量井中的流体的流速。在一些实施例中，测量单元包括分布式温度传感(dts)系统。在一些实施例中，测量单元包括分布式声学传感(das)系统。在一些实施例中，测量单元包括数字温度探测器、数字压力探测器或它们的组合。在一些实施例中，无人潜航器包括定位单元，该定位单元具有用于基于卫星的导航系统的接收器。在一些实施例中，无人潜航器包括动力单元，该动力单元包括可充电电池。在一些实施例中，多个推进单元中的至少一个推进单元与发电机相联接，使得发电机将相应推进器的旋转转换成电能以对可充电电池充电。在一些实施例中，无人潜航器包括数据存储单元，该数据存储单元包括非易失性存储器。在一些实施例中，无人潜航器包括微控制器单元，该微控制器单元具有微控制器和存储器。在一些实施例中，无人潜航器包括相机，该相机与主体联接。

在另一实施例中，提供了一种勘测井的方法。该方法包括将无人潜航器定位在井中的测量位置处。该无人潜航器包括主体和多个推进单元，该多个推进单元中的每一个具有推进器和能枢转地联接至主体的臂。该无人潜航器还包括测量单元、具有处理器和存储器的控制单元。该方法还包括在测量位置处使用推进单元中的至少两个推进单元来测量井中流动的流体的流速。在一些实施例中，该方法包括在测量位置处测量井中的温度和压力。在一些实施例中，测量位置是第一测量位置，并且该方法包括将无人潜航器移动至第二测量位置。在一些实施例中，该方法包括在移动期间测量井中的温度和压力。在一些实施例中，该方法包括在第二测量位置处使用推进单元中的至少两个推进单元来测量井中流动的流体的流速。在一些实施例中，无人潜航器包括动力单元，该动力单元包括可充电电池。在一些实施例中，该方法包括通过将多个推进单元中的一个推进单元的各个推进器的旋转转换为电能来对可充电电池进行充电。在一些实施例中，在测量位置处使用推进单元中的至少两个推进单元来测量井中流动的流体的流速，该测量包括使推进单元中的至少两个推进单元枢转，使得至少两个推进单元中的各个推进器响应于流体的流动而旋转。在一些实施例中，无人潜航器包括数据存储单元，该数据存储单元包括非易失性存储器。在一些实施例中，该方法包括在非易失性存储器中存储流速测量值。

在另一个实施例中，提供了一种勘测井的方法。该方法包括将无人潜航器插入井的井眼中。该无人潜航器包括多个推进单元，该多个推进单元中的每一个具有推进器和能枢转联接至主体的臂。该方法还包括将无人潜航器移动至井中的测量位置，并且在该测量位置处使用推进单元中的至少两个推进单元来测量井中流动的流体的流速。在一些实施例中，测量位置在井的生产部。在一些实施例中，在测量位置处使用推进单元中的至少两个推进单元来测量井中流动的流体的流速包括使推进单元中的至少两个推进单元枢转，使得至少两个推进单元中的各个推进器响应于流体的流动而旋转。

附图说明

图1是根据本公开实施例的用于勘测井的无人潜航器的图；

图2是根据本公开实施例的图1的无人潜航器的组件图；

图3是根据本公开实施例的用于勘测井的无人潜航器的操作图；并且

图4是根据本公开实施例的使用无人潜航器用于勘测井的流程框图。

具体实施方式

参照示出本公开实施例的附图来更加全面地描述本公开。然而，本公开可以以许多不同形式实施并且不应被解释为局限于所示出的实施例。相反的是，提供这些实施例使得本公开将是彻底且完整的，并将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。

本公开实施例包括一种用于勘测地下井的无人潜航器。无人潜航器可以插入井中并且可以在井中的测量位置处和当穿过井时以及位于井时获取测量值。无人潜航器可以包括推进单元，该推进单元具有推进器(螺旋桨)和臂，该臂以能枢转的方式附接至潜航器的主体。当无人潜航器静止时(即，当推进单元没有动力时)，推进单元的推进器可以用于测量流体的流速。该无人潜航器可以包括测量单元(用于测量温度、压力和梯度)、控制单元、微控制器单元、动力单元以及定位单元。在一些实施例中，可以通过基站从地面远程控制无人潜航器或者无人潜航器可以在井中自主移动。在获取测量值之后，无人潜航器可以通过跟随从井中流出的流体而离开井。

根据本公开实施例，图1描述了用于勘测地下井的无人潜航器100。可以理解的是，例如，无人潜航器100可以包括设计用于能够潜入水、油、气以及具有水、油、气的任何组合的混合物中的组件。另外，无人潜航器100可以包括设计成可承受井下条件(例如，温度和压力)并且在该井下条件下操作的组件。

如图1所示，无人潜航器100可以包括主体102、相机104以及推进单元106。主体102可以部分包围或完全包围无人潜航器100的多个组件，这些组件的细节将在下文描述。主体102可以大体上为椭圆形，或者在其他实施例中可以为矩形。在一些实施例中，主体102和推进单元106的尺寸可以设定成使无人潜航器100能够插入并穿越通过井的井眼，所述井包括井的竖直段、水平段和偏斜段。在一些实施例中，无人潜航器100可以具有约2-3/8英寸(60.34毫米)的宽度，约2-3/8英寸(60.34毫米)的长度和约2-3/8英寸(60.34毫米)的高度。

在一些实施例中，如图1所示，无人潜航器100可以包括四个推进单元106。推进单元106可以推动无人潜航器100通过流体，并且如下文所述，当无人潜航器100静止时，推进单元106可以用于测量流体的流速。每个推进旋转器106可以包括推进器108、与推进器108联接的电动机(未示出)、以及臂110。推进器108可以通过臂110与主体102相联接。臂110可以以能枢转的方式附接至主体102，使得每个推进单元106可以绕轴线枢转以定位相应的推进器108。臂110可以通过电动万向节或其他能使推进单元106旋转的组件以能枢转的方式附接。

当无人潜航器静止(即，当推进单元106没有动力时)时，无人潜航器100可以将推进单元中的两个枢转进流体流(依赖于井的水平到竖直(h/v)结构)中，使得可以根据已知技术(例如，基于推进器在流体流中旋转时的转数和接触区域的截面积)通过根据流体流中旋转器的旋转来确定流速的测量值。

在一些实施例中，推进单元106可以各自包括发电机或与发电机相联接，该发电机将推进器108的旋转转换为电能。在这样的实施例中，用于测量流速的两个推进器的旋转还可以提供电能以给无人潜航器的电池充电。

相机104可以拍摄无人潜航器100周围区域(例如，无人潜航器前方的区域)的静态图像、视频或两者。相机104可以用于提供无人潜航器100的路线的视觉确认、井的视觉检查以及其他视觉操作。在一些实施例中，相机104可以拍摄静态图像、视频或两者。在这样的实施例中，相机104可以在无人潜航器获取测量值之前用于提供井段中测量位置的视觉确认。

图2描述了无人潜航器100的各种组件，尽管应当理解的是，为了清楚起见可以省略一些组件。无人潜航器100的其他实施例可以包括未在图2中示出的附加组件。如图2所示，无人潜航器100可以包括测量单元200、定位单元202、控制单元204、微控制器单元206、动力单元208和数据存储单元210。

测量单元200可以包括用于测量温度、压力、梯度以及其他适合参数的一个或多个测量组件。例如，在一些实施例中，测量单元200可以包括分布式温度传感(dts)系统212、分布式声学传感(das)系统214、数字温度和压力探测器216。可以理解的是，分布式温度传感(dts)系统212可以包括本领域中已知的组件，以使得能够使用光纤作为线性传感器来测量温度。还可以理解的是，分布式声学传感(das)系统214可以包括本领域中已知的组件，以使得能够使用光纤和声频信号来测量温度用以测量温度变化。数字温度和压力探测器216可以使用本领域已知的组件(诸如压电传感器)数字地测量温度和压力。

定位单元202可以包括接收器220，接收器220用于与基于卫星的导航系统(诸如，全球定位系统(gps)、全球卫星导航系统(格洛纳斯)(glonass))进行通信。在一些实施例中，如本领域已知的，定位单元202可以包括套管接箍定位器(ccl)、伽马射线测井仪或它们的组合。可以理解的是，ccl和伽马射线测井仪可以用于确定井眼中的深度。在一些实施例中，定位单元202可以包括陀螺仪。定位单元202可以使用这些组件中的一个或多个来确定无人潜航器100的位置。该位置可以被无人潜航器100的其他单元使用，诸如控制单元204。该位置可以被传输到地面处的计算机以远程控制无人潜航器100。

如图2所示，控制单元204可以包括无线应答器224。无线应答器可以通过适合的无线通信协议和技术与地面上的计算机无线通信(例如，接收和发送)，以能够远程控制无人潜航器。无线应答器可以从地面上的基站接收远程遥控命令，并且可以给基站发送有关无人潜航器100的数据(诸如潜航器100的位置等)。在这样的实施例中，可以从基站远程控制无人潜航器100以使无人潜航器100移动通过井。例如，基站的操作员可以查看井的轨迹数据并且将无人潜航器100移动到井中的测量位置。在这样的实施例中，基站的操作员还可以通过无人潜航器100控制测量值的获取，诸如通过在测量位置启动测量值的获取。

可以理解的是，控制单元可以包括处理器226和相关的存储器228。控制单元的处理器可以包括一个或多个处理器，并且可以包括微处理器、专用集成电路(asic)或它们的任意组合。在一些实施例中，处理器226可以包括一个或多个精简指令集(risc)处理器，诸如那些实现高级risc机器(arm)指令集的处理器。另外，处理器226可以包括单核处理器和多核处理器。控制单元的存储器228可以包括一个或多个非暂时性计算机可读存储介质，可以包括易失性存储器(诸如随机存取存储器(ram)和通过微控制器可访问的非易失性存储器(诸如只读存储器(rom)。

在一些实施例中，无人潜航器100在井中时可以自主移动(也称为“自导化”)而不需要来自基站的命令。例如，在一些实施例中，当失去与地面上的基站的连接时，无人潜航器100可以使用自主操作。在这样的实施例中，控制单元204可以包括用于控制无人潜航器100通过井的运动的控制逻辑。在一些实施例中，控制单元可以包括井的偏差勘测(即，包括倾斜度和方位角)以能够实现坐标设定。控制单元204还可以包括存储的路线计划，该路线计划提供通过井的路线。例如，所存储的路线计划可以包括航路点(例如，坐标)、井轨迹数据、井尺寸或其他数据或它们的组合，其能够使无人潜航器自主地跟随路线通过井中的井眼。另外，在一些实施例中，存储的路线计划可以包括测量位置(例如，基于坐标)，测量位置表示无人潜航器100可以停止移动并获取测量值的位置。在一些实施例中，在自主操作期间控制单元204可以使用通过定位单元202获取的位置。

在一些实施例中，控制单元204可以监测动力单元208的电池并确定剩余的电池电量、无人潜航器100的剩余运行持续时间或两者。在这样的实施例中，控制单元204可以将剩余的电池电量、无人潜航器100的剩余运行持续时间或两者均传输给基站。在一些实施例中，当剩余的电池电量低于阈值量或无人潜航器100的剩余运行持续时间低于阈值量时，控制单元204可以传输警报。

微控制器单元206可以包括微控制器230和相关的存储器232。微控制器单元206可以控制无人潜航器100的运动和其他功能。微控制器单元的微控制器206可以执行存储在微控制器单元的存储器232中的各种模块，并且向无人潜航器100提供诸如用于移动的命令。微控制器单元的存储器232(可以包括一个或多个非暂时性计算机可读存储介质)可以包括通过微控制器可访问的易失性存储器(诸如随机存取存储器(ram)和非易失性存储器(诸如只读存储器(rom)。例如，微控制器单元的存储器232可以存储用于提供无人潜航器100的功能的可执行计算机代码。

动力单元208可以包括电池234。在一些实施例中，为了为无人潜航器100和无人潜航器100的组件供电，将诸如电池定位在无人潜航器100的主体中为无人潜航器100的操作和潜行提供电能。在一些实施例中，动力单元208可以包括多个电池。在这样的实施例中，动力单元208可以包括为无人潜航器100的其他单元供电的单独电池，例如为测量单元200供电。在一些实施例中，动力单元208中的电池可以为可充电式。例如，如本文所讨论的，电池可以使用从单元106的推进器的机械旋转转换而来的电来充电。在一些实施例中，电池可以包括镍基电池(例如，镍镉或镍金属氢化物)、锂基电池(锂离子、锂聚合物等)或其他适合的电池。

数据存储单元210可以包括非易失性存储介质236。例如，在一些实施例中，非易失性存储介质可以为固态存储器。数据存储单元210可以被无人潜航器100的其他单元访问，诸如测量单元200和控制单元204等。例如，数据存储单元210可以存储通过测量单元200获取的测量值。在这样的实施例中，数据存储单元210可以存储测量值直到无人潜航器被回收到地面为止。例如，在地面上，例如可以通过以下方式将测量值从数据存储单元210的一个或多个非易失性存储介质复制到计算机：计算机与无人潜航器100之间的有线连接或者移除数据存储单元210以连接或插入计算机中。

图3描述了示出根据本公开实施例的在地下井的段302中从事流体测量的无人潜航器100的操作的环境300。在一些实施例中，井段302可以位于生产井中的通过现有的连续油管方法或其他技术来达成可能十分困难、昂贵且费时的井段。段302可以代表井的水平段。可以理解的是，无人潜航器100可以测量井的其他段，包括井的竖直段、井的偏斜段等等。段302可以是井的套管段或裸眼段。在一些实施例中，在勘测井时无人潜航器100可以在井的套管段和裸眼段之间移动。

在一些实施例中，无人潜航器100可以与基站304相关联，并且在一些实施例中，无人潜航器100可以与基站304通信。在一些实施例中，操作员306可以通过基站304与无人潜航器100通信。在一些实施例中，无人潜航器100可以通过基站304由操作员306远程驾驶。例如，操作员306可以监测由定位单元202确定的无人潜航器100的位置，并且将无人潜航器100远程控制到井中的测量位置。

在其他实施例中，无人潜航器100可以从事自主操作。在一些实施例中，自主操作可以基于由无人潜航器100所存储的路线、位置或它们的组合。在这样的实施例中，例如，无人潜航器100可以使用定位单元202来提供数据以用于自主操作。例如，无人潜航器100可以使用一个或多个测量位置(例如，基于坐标)作为路线上的航路点来自主地穿过井。

如图3所示，无人潜航器100可以穿过井到位于井段302中的测量位置308。有利的是，无人潜航器不与井眼壁相接触来移动穿过井。在穿过井期间，测量单元200在穿过井到测量位置308的同时，测量单元200可以用于连续性或周期性地获取温度测量值、压力测量值或它们的任意组合。可以理解的是，可以根据来自先前执行的测井操作的测井记录以及基于测井停止在相等基础上的生产分段来确定测量位置308。

在到达测量位置308时，无人潜航器100可以停止移动并保持静止(即，不使用推进单元106)一个时间段以获取井段302中流体(其流动由箭头310描述)的测量值。例如流体可以是水、油、气体或它们的任何组合。在测量位置308处，无人潜航器100可以使用两个推进单元来测量流体310的流速。无人潜航器100可以将两个推进单元枢转到流体流(依赖于井的水平到竖直(h/v)结构)中，从而可以根据已知技术根据流体流中的推进器的旋转来确定流速的测量值。另外，在一些实施例中，用于测量流速的两个推进器的旋转可以提供电能，以通过与每个推进器相联接的发电机来为动力单元208的电池充电。无人潜航器100可以在测量位置308处获取附加测量值。例如，除了在穿过井到测量位置308期间连续地或周期性地获取的那些测量值之外，测量单元200还可以用于获取温度测量值、压力测量值、梯度测量值或它们的任意组合。

在测量位置308处获取测量值之后，无人潜航器可以前进至另一个测量位置或者离开井。例如，存在附加的测量位置，无人潜航器可以远程或自主移动到下一个测量位置。如果不存在其他测量位置，则无人潜航器100可以离开井。在这种情况下，无人潜航器可以远程或自主地移动到能够通过流出井的流体离开井的井段。在一些实施例中，无人潜航器可以使用推进单元106来辅助离开井(例如，如果流体流不足以将无人潜航器100从井中移出)。

图4是根据本公开实施例的使用本文中所描述的无人潜航器来勘测井的过程400的框图。初始，无人潜航器可以进行启动程序(步骤402)。例如，启动可以包括给无人潜航器供电、初始化无人潜航器的电子组件等。例如，可以初始化诸如测量单元、定位单元、相机等电气组件以确保适当操作。

接下来，可以将无人潜航器插入到井中(步骤404)。在一些实施例中，在插入无人潜航器器期间，可以关闭井。然后，在通过无人潜航器勘测期间，井可以保持关闭，或者可以进行生产。在插入到井中之后，无人潜航器可以通过重力移动到井眼的最低段(步骤406)。例如，定位单元、测量单元或两者可以用于判断无人潜航器何时位于井的最低段。

在到达井的最低段之后，无人潜航器在获取测量值的同时穿过井到测量位置(步骤408)。例如，无人潜航器在移动通过井的同时可以连续地或周期性地获取温度、压力和梯度测量值。测量位置可以在井的生产段中，使得无人潜航器从井中的初始位置移动至生产段。

在到达测量位置后，无人潜航器可以停止推进(即，通过停止对推进单元的供电)并且在测量位置处获取测量值(步骤410)。例如，如本公开中所讨论的，无人潜航器可以使用推进单元的推进器在测量位置处测量流体的流速。另外，无人潜航器在测量位置处可以获取温度测量值、压力测量值以及梯度测量值。同样如本公开中描述的，无人潜航器利用被流体旋转的推进器对动力单元中的电池进行充电。在这样的实施例中，无人潜航器可以停止移动一个时间段。这个时间段可以是足以获取一个或多个流速测量值的时间段或者将电池充电至特定充电水平的时间段。例如，在停止无人潜航器后，直到获得一个或多个流速测量值，其他电池充电至特定充电水平(例如，一定百分比的电池电量)，才可以继续推进无人潜航器。在获取流速测量值后，可以将用于测量流速的推进单元枢转回到适合位置以用于推进无人潜航器。

在获取测量值后，可以确定附加的测量位置(判定步骤412)。例如，在一些实施例中，无人潜航器可以存储井的一个或多个段中的测量位置的列表，以使得能够确定附加的测量位置。这样的测量位置可以在通过无人潜航器存储的井的路线或地图上指定。另外地，或者可替代的是，远程控制无人潜航器的操作员可以访问井的一个或多个段中的测量位置的列表，并且可以使用该列表来确定附加的测量位置。

如果确定了附加的测量位置，则无人潜航器可以穿过井到达下一个测量位置(步骤414)。例如，在一些实施例中，无人潜航器可以移动至井段中附加的测量位置或者移动至井的不同段以获取附加的测量值。同样，在穿过井至下一个测量位置的同时，无人潜航器可以连续地或周期性地获取温度、压力和梯度测量值。如本文所述，在到达下一个测量位置后，无人潜航器可以停止并获取测量值(步骤410)，并且继续进行直到确定没有附加的测量位置为止(判定步骤412)。

如果确定没有附加的测量位置(判定步骤412)，则无人潜航器可以通过跟随流出井的流体离开井(步骤416)。例如，在一些实施例中，无人潜航器可以远程或自主地移动至能够离开井的井段。例如，无人潜航器可以移动至向地面敞开的井眼。在一些实施例中，无人潜航器可以使用推进单元来辅助离开井(例如，如果流体流不足以使得无人潜航器离开井)。

鉴于此描述，本公开的各个方面的进一步修改和替代实施例对于本领域的技术人员将是显而易见的。因此，该描述应解释为仅为说明性的，并且是为了教导本领域的技术人员实施本公开中描述的实施例的执行的一般方式。应当理解的是，本公开中示出和描述的形式将视为实施例的示例。可以替代本公开中示出和描述的那些元件和材料，可以颠倒或省略部件和过程，并且可以独立利用某些特征，在受益于本描述之后，所有这些对于本领域的技术人员将是显而易见的。在不脱离如所附权利要求书中所描述的本发明的要旨和范围的情况下，可以对本公开中所描述的要素进行改变。本公开中使用的标题仅用于组织目的，并不意味着用于限制说明书的范围。

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