背景

出于多種原因，獲悉地下地層的材料特性可以是有利的。例如，確定地層的電阻率可用于估計地層中烴儲藏的量和位置并確定用于提取此類烴類的最有效策略。可使用鉆柱測井工具確定此類地層特性--例如發(fā)射器和接收器天線--其在隨鉆測量(mwd)應用中部署。這些工具通常容納在直接機器加工到鉆柱鉆鋌(drillstringcollar)中的狹槽或凹槽內。通過容納在鉆柱內的線槽將導電線引導到工具(例如，用于在發(fā)射器線圈中使用)。由于鉆柱鉆鋌中固有的空間約束，將通常由兩個或更多個測井工具共享單個線槽。

附圖簡述

因此，附圖和以下描述中公開可安裝在鉆鋌上的線軸天線，其具有線圈和鐵氧體狹槽和用于每個此類天線的專用線槽。在附圖中：

圖1是鉆井環(huán)境的示意圖。

圖2是隨鉆測量(mwd)工具的透視圖。

圖3是具有傾斜線圈狹槽的線軸天線的透視圖。

圖4是具有傾斜線圈狹槽的線軸天線的側視圖。

圖5是具有正交線圈狹槽的線軸天線的側視圖。

圖6a-6b分別是線軸天線的前視圖和后視圖。

圖7a-7b是單個線軸的殼體的透視圖。

圖8a-8b分別是線圈狹槽和脊的透視圖和剖面圖。

圖9a-9b分別是鐵氧體狹槽和脊的透視圖和剖面圖。

圖10是天線工具組件的剖面圖。

圖11是天線工具組件的放大剖面圖。

然而，應理解，在附圖和詳細描述中給出的具體實施方案并不限制本公開。相反，它們?yōu)槠胀夹g人員辨識與一個或多個給出的實施方案一起涵蓋在所附權利要求的范圍中的替代形式、等同物和修改提供了基礎。

詳述

可安裝在鉆鋌上的線軸天線的所公開示例實施方案具有外表面和內表面，線圈和鐵氧體狹槽分別在所述外表面和內表面上形成。線軸組件是可容易地安裝和從鉆柱鉆鋌移除的自備天線。另外，線軸包括相對廉價的非導電材料(例如，聚醚醚酮(peek))。因此，相比于直接機器加工到鉆鋌中的天線，所公開線軸天線為井下測量應用提供成本有效且易于更換的解決方案。此外，由于天線自備在線軸內并且未機器加工到鉆鋌中，在鉆鋌內可獲得額外空間，并且因此，可將額外部件加裝到鉆鋌中。這些額外部件可包括但不限于用于向鉆鋌內的每個線軸天線供應導電線的專用線槽。對于天線“專用”的線槽是將導電線引導到和引導出該天線而不是其他天線的線槽。線槽的專用性質確保一個線槽的缺口(例如，由于鉆井液滲透)不導致對由其他線槽服務的天線的損傷。

圖1是說明性鉆井環(huán)境100的示意圖。鉆井環(huán)境100包括鉆井平臺102，所述鉆井平臺102支撐具有用于升起和降低鉆柱108的游動滑車106的井塔104。頂部驅動電機110在鉆柱108被降低到井孔112中時支撐并轉動所述鉆柱108。鉆柱的旋轉單獨地或與井下電機的操作結合驅動鉆頭114擴展井孔112。鉆頭114是井底組件(bha)116的一個部件，所述井底組件116還可包括旋轉轉向系統(tǒng)(rss)118和穩(wěn)定器120(或一些其他形式的轉向組件)以及鉆鋌和測井儀器。泵122通過進料管道將鉆井液循環(huán)到頂部驅動110，向井下穿過鉆柱108的內部，穿過鉆頭114中的孔，通過圍繞鉆柱108的環(huán)帶回到地面，并且進入儲料坑(retentionpit)124中。鉆井液將來自井孔112的地層樣品--即，鉆粉運送至儲料坑124中，并且有助于維持井孔的完整性。可在任何合適的時間和位置從鉆井液中提取地層樣品，諸如從儲料坑124。然后可在合適的表層實驗室(surface-levellaboratory)或其他設施(未具體示出)處分析地層樣品。當鉆井時，可利用套管柱113穩(wěn)定井孔112的上部分同時井孔112的下部分保持打開(無套管的)。

bha116中的鉆鋌通常是為鉆井過程提供重量和剛性的厚壁鋼制管段。如下文詳細描述的，線軸天線安裝在鉆鋌上并且鉆鋌包括專用線槽以便在線軸天線與控制天線的處理邏輯(例如，計算機控制的發(fā)射器或接收器)之間引導導電線。bha116通常還包括具有用于測量工具定向的儀器(例如，多部件磁強計和加速度計)的導航工具和具有遙測發(fā)射器和接收器的控制潛進器(controlsub)?？刂茲撨M器根據(jù)從地表接收的命令協(xié)調各種測井儀器、轉向機構和鉆井電機的操作，并且按需向地表提供遙測數(shù)據(jù)流，以便傳達相關測量值和狀態(tài)信息。對應的遙測接收器和發(fā)射器位于鉆井平臺102上或靠近鉆井平臺102以便完成遙測鏈路。一種類型的遙測鏈路是基于調節(jié)鉆井液的流動以便形成沿著鉆柱傳播的壓力脈沖(“泥漿脈沖遙測或mpt”)，但其他已知遙測技術是合適的。由控制潛進器獲得的大量數(shù)據(jù)可存儲在存儲器中用于以后檢索，例如，當bha116實際返回到地表時。

地表接口126充當用于通過遙測鏈路進行通信和用于與平臺102上的各種傳感器和控制機構進行通信的集線器。數(shù)據(jù)處理單元(圖1中示為平板計算機128)通過有線或無線鏈路130與地表接口126通信，從而收集并處理測量數(shù)據(jù)以生成所采集數(shù)據(jù)和衍生模型的記錄和其他視覺表示，以便于用戶分析。數(shù)據(jù)處理單元可采取許多合適的形式，包括以下一個或多個：嵌入式處理器、臺式計算機、膝上型計算機、中央處理設施以及云中的虛擬計算機。在每種情況下，非瞬態(tài)信息存儲介質上的軟件可將處理單元配置來執(zhí)行所需處理、建模和顯示生成。數(shù)據(jù)處理單元還可包括存儲裝置以便存儲，例如，通過泥漿脈沖遙測或任何其他合適的通信技術從bha116中的工具接收的數(shù)據(jù)。公開范圍不限于數(shù)據(jù)處理單元的這些特定實例。

圖2是隨鉆測量(mwd)工具200的透視圖。工具200包括鉆鋌202、穩(wěn)定器204、具有傾斜線圈狹槽的線軸天線206、208、210以及具有正交線圈狹槽的線軸天線212。下文詳細解釋線圈狹槽的傾斜和正交定向。鉆鋌202可形成井底組件(bha)的一部分，諸如圖1中所示的bha116。穩(wěn)定器204具有大于定位在穩(wěn)定器204之間的線軸天線206、208、210、212的直徑的直徑，從而限制鉆柱與井孔壁碰撞對線軸天線造成的影響。盡管圖2的工具200中示出四個線軸天線，但可在單個工具中部署任何合適數(shù)量的線軸天線。

圖3是說明性線軸天線300的透視圖。線軸天線300由非導電材料構成，諸如--但不限于--耐高溫塑料、聚合物和/或彈性體(例如，peek)。使用任何合適的技術制造線軸天線300，包括已知的三維打印技術，其中描述線軸天線的數(shù)字設計文件(例如，計算機輔助設計(cad)文件)由三維打印機使用來制造線軸天線。在一些實施方案中，線軸天線300包括彼此聯(lián)接形成圓柱體的兩個半圓柱形殼體302a、302b，但公開范圍不限于這個特定構造。利于聯(lián)接的孔(例如，孔304)可用于將殼體聯(lián)接在一起--例如，使用螺釘或榫釘。線圈狹槽306a和脊306b圍繞線軸天線300的外表面形成多個環(huán)路，如圖所示。在一些實施方案中，線圈狹槽306a與線軸天線300的外表面平齊，并且脊306b升起高于外表面。在其他實施方案中，諸如附圖中所示的那些，脊306b與外表面平齊，并且線圈狹槽306a凹陷低于外表面。線圈狹槽306a和脊306b的精確尺寸可改變，但在至少一些實施方案中，狹槽是1.27cm寬和0.3175cm深，并且脊是0.127cm寬。在圖3中所示的說明性實施方案中，線圈狹槽306a和脊306b相對于線軸天線300的縱軸線傾斜。由于在線軸天線300的外表面上形成的線圈狹槽306a和脊306b的橢圓性質，不指定特定傾斜角，但可相對于非橢圓狹槽和脊指定這種傾斜角，諸如下文參考圖4示出和描述的那些。

線圈狹槽306a容納導電線并利于導電線構成環(huán)路為線圈，以允許電磁信號的發(fā)射和/或接收。脊306b防止導電線的環(huán)路之間的接觸，使得線材保持適用于天線應用的環(huán)路構造。通過一個或多個線軸內線槽將導電線引導到和引導出線圈狹槽306a，下文參考圖10-11示出并描述。為了便利使用設置在脊306b內的導電線線圈的通信，在線軸天線300的內表面上形成鐵氧體狹槽308。下文詳細示出并描述鐵氧體狹槽308。線軸天線300還包括突出310，其與線軸天線300所安裝的鉆鋌配合，以便固定天線300相對于鉆鋌的位置。突出310從線軸天線300的內表面上升并朝向天線300的縱軸線伸出。在一些實施方案中，突出310的一部分(例如，一半)形成在殼體302a上，并且一半形成在殼體302b上，但可設想其他構造。在一些實施方案中，當從線軸天線300的內表面朝向天線300的縱軸線測量時，突出310具有大致1cm的最大高度。在一些實施方案中，突出310具有大致0.5cm的寬度和大致4cm的長度。公開范圍不限于本文所述的突出310的具體參數(shù)。

在一些實施方案中，線軸天線300的厚度(即，內表面與外表面之間的距離)是大致1.27cm，并且線軸天線300的長度是大致32.5cm。這些參數(shù)可針對天線的不同部分并針對不同天線組件改變。

圖4是具有傾斜線圈狹槽的線軸天線400的側視圖。線軸天線400包括配合殼體402a、402b。線圈狹槽404a和脊404b在線軸天線400的外表面上形成。如數(shù)字406指示，線圈狹槽404a和脊404b相對于線軸天線400的縱軸線傾斜大致120度角。在其他實施方案中，線圈狹槽404a和脊404b可以任何其他合適的角度定向。定位在線圈狹槽404a內的導電線(即，線圈)的傾斜角指定當電流穿過線圈時生成的電磁場的方向。類似地，如本領域普通技術人員已知的，鑒于鐵氧體的磁導率顯著大于空氣的磁導率(即，鐵氧體一般具有相對較高的磁導率)，鐵氧體狹槽在線軸天線的內表面上的位置(如下文所述)影響由線圈生成的磁場的方向。因此，若必要可調整線圈和鐵氧體狹槽的位置以便產生具有所需特性的電磁場。

圖5是具有正交線圈狹槽的線軸天線500的側視圖。線軸天線500包括使用螺釘504彼此聯(lián)接的配合殼體502a、502b。線圈狹槽506a和脊506b在線軸天線500的外表面上形成。線圈狹槽506a和脊506b與線軸天線500的縱軸線正交。線軸天線300、400和500(圖3-5)的操作原理是相同的，但使用不同線圈狹槽形狀和傾斜角度導致不同電磁場特性。因此，若需要可調整線圈狹槽的形狀和傾斜角以便產生具有所需特性的電磁場。

圖6a和6b分別示出線軸天線600的前端和后端。參考圖6a，線軸天線600具有外表面602和內表面604。線軸天線600還包括線軸內線槽606(其充當離開線軸壁的出口并在下文更詳細描述)，導電線通過所述線槽606被引導到和引導出在外表面602上形成的線圈狹槽。在至少一些實施方案中，導電線穿過線軸內線槽608。導電線從線軸內線槽608聯(lián)接到鉆鋌組件的另一個部分。線軸天線600還包括突出610。如上所述，突出610與鉆鋌配合，這樣使得線軸天線600保持固定在原位。圖6b示出分別具有外表面602和內表面604的線軸天線600的后端。盡管圖6b中將線軸天線600的后端描述為不包括突出或線軸內線槽，但在至少一些實施方案中，后端可包括這些特征中的任一者或兩者。例如，在一些實施方案中，線軸天線600的前端可如圖6a中所示包括線軸內線槽和突出，而后端包括與鉆鋌的一個不同部分配合的突出。在其他實施方案中，突出可定位在后端處而非前端處。在其他實施方案中，線軸內線槽可定位在后端處并且突出定位在前端處。設想所有此類變化形式并且因此落入本公開的范圍內。

圖7a-7b分別是線軸天線的說明性配合殼體700a、700b的透視圖。更具體地，圖7a-7b示出配合殼體700a、700b的內表面。殼體700a包括在其外表面上形成的線圈狹槽702a和脊702b。殼體700a還包括在其內表面上形成的多個鐵氧體狹槽704a和脊704b，如圖所示。鐵氧體狹槽704a的尺寸可基于所需電磁場改變，但在至少一些實施方案中，鐵氧體狹槽704a具有大致1cm的寬度。在一些實施方案中，鐵氧體狹槽704a與殼體700a的內表面平齊，而脊704b延伸超過殼體700a的內表面。在此類實施方案中，脊704b具有大致2.5mm的高度，但可設想其他高度。在其他實施方案中，脊704b與殼體700a的內表面平齊，而鐵氧體狹槽704a凹陷在殼體700a的內表面中。在此類實施方案中，鐵氧體狹槽704a具有大致2.5mm的深度，但可設想其他深度。任何和所有此類變化形式落入本公開的范圍內。

在一些實施方案中，鐵氧體狹槽704a和脊704b占據(jù)的內表面的區(qū)域與線圈狹槽702a和脊702b占據(jù)的外表面的區(qū)域是相背對的，如圖所示。在一些實施方案中，線圈狹槽702a和脊702b占據(jù)的外表面區(qū)域的寬度703比線圈狹槽704a和脊704b占據(jù)的內表面區(qū)域的寬度705窄。殼體700a包括榫釘銷孔706、712和螺釘孔708、710，其如圖所示進行定位，使得它們與聯(lián)接到殼體700b的對應榫釘和螺釘配合。如上所述，在一些實施方案中，鐵氧體狹槽可被布置使得它們的長度與線圈狹槽在外表面上延伸的方向正交。在一些實施方案中，鐵氧體狹槽中的至少一些的長度與線軸的縱軸線平行延伸。

現(xiàn)在參考圖7b，殼體700b在許多方面類似于殼體700a。殼體700b包括在其外表面上的線圈狹槽702a和脊702b和在其內表面上的鐵氧體狹槽704a和脊704b。狹槽和脊的尺寸和形狀類似于殼體700a中的那些，并且為了簡潔起見此處不再重復。殼體700b還包括螺釘孔714、720，兩者類似于孔304(圖3)在于它們接納螺釘或等效緊固裝置以便與殼體700a上的對應孔(例如，螺釘孔)聯(lián)接。殼體700b還包括榫釘銷孔716、718，兩者接納榫釘或等效緊固裝置以便與殼體700a上的對應孔(例如，榫釘孔)聯(lián)接。

圖8a-8b分別是線圈狹槽和脊的詳細透視圖和剖面圖。確切地說，圖8a示出在線軸天線的外表面上形成的多個線圈狹槽800和脊802的透視圖。線軸內線槽804表示線軸天線的殼體彼此聯(lián)接的位置。線軸內線槽804還允許導電線從第一線圈狹槽800轉換到第二相鄰線圈狹槽800(例如，在圍繞第一線圈狹槽800完成完全環(huán)路后)。圖8b示出單個線圈狹槽800和相鄰脊802的剖面圖。如圖所示，在至少一些實施方案中，線圈狹槽800和脊802在圓角804處相遇。圓角804改善對于將要設置在線圈狹槽800內的線圈的保持強度。

圖9a-9b分別是鐵氧體狹槽和脊的詳細透視圖和剖面圖。確切地說，圖9a示出鐵氧體狹槽900和脊902的一部分的透視圖，并且圖9b示出其剖面圖。如同線圈狹槽和脊，鐵氧體狹槽900和脊902在圓角904處相遇。

圖10是天線工具組件1000的剖面圖，所述天線工具組件1000包括安裝在鉆鋌上的線軸天線，其通過專用鉆鋌線槽將導電線引導到和引導出線軸天線的線圈狹槽。具體地，組件1000包括鉆鋌1002、線軸天線1004、鐵氧體脊1006和鐵氧體狹槽1008、線圈脊1010和線圈狹槽1012、抗流體層1014(例如，環(huán)氧樹脂、樹脂)、保護套1016、與接收狹槽1020配合的突出1018、線軸內線槽1022、1024、1026和1028、適配器1030以及專用鉆鋌線槽1032。如圖所示，線軸天線1004安裝在鉆鋌1002的凹陷部分上以便允許由抗流體層1014和套筒1016保護線軸天線，并且使得安裝件(包括套筒1016)的總直徑小于穩(wěn)定器204(圖2)的直徑。以此方式，使線軸天線受到保護而免于與井孔壁碰撞。鐵氧體狹槽1008包括使用合適環(huán)氧樹脂或樹脂材料聯(lián)接到狹槽1008的鐵氧體條。額外的環(huán)氧樹脂或樹脂材料可作為鐵氧體條與鉆鋌1002的主體之間的層施加。線圈狹槽1012包括導電線，但圖10中未明確示出導電線，以便使各種特征(包括狹槽1012和線軸內線槽1022、1024、1026、1028和1032)可容易觀察。當工具1000定位在井下時，由合適的環(huán)氧樹脂或樹脂材料構成并在本領域已知的抗流體層1014保護線軸天線1004和適配器1030不被鉆井液滲透。也在本領域普遍已知的保護套1016保護線軸天線和適配器1030不受機械損傷但不可實質上防止流體侵入。盡管圖10僅示出與接收狹槽1020配合的單個突出1018，但在一些實施方案中，可使用多個此類突出和接收狹槽并且可如所需將其定位。

使用多個線軸內線槽在線圈狹槽1012與適配器1030之間引導導電線。確切地說，從鉆鋌線槽1032提供導電線，穿過適配器1030，穿過抗流體層1014，并且進入線軸內線槽1028。在一些實施方案中，然后從線軸內線槽1028引導導電線，穿過線軸內線槽1022并到線圈狹槽1012，在線圈狹槽1012處將導電線圍繞線軸天線1004的外表面盤繞。在此類實施方案中，然后通過線軸內線槽1024、1026將導電線引導回到線軸內線槽1028，此后使線材穿過適配器1030至鉆鋌線槽1032。在其他實施方案中，從線軸內線槽1028引導導電線穿過線軸內線槽1026和1024至線圈狹槽1012。使線材圍繞線軸天線1004盤繞并且然后通過線軸內線槽1022引導回到線軸內線槽1028。線材接著穿過適配器1030至鉆鋌線槽1032。

圖11是天線工具組件1000的放大剖面圖。如圖所示，專用鉆鋌線槽1032在適配器1030與端口1034之間引導導電線，線材穿過所述端口1034聯(lián)接到鉆柱bha的其他部件。盡管圖11中示出單個的線軸天線和專用線槽組合，但若鉆鋌內空間可允許，可在單個鉆鋌上部署任何合適數(shù)量的線軸天線和對應的專用鉆鋌線槽。

本領域技術人員在完全了解以上公開內容后將清楚眾多其他變化和修改。所附權利要求書意圖被解釋為涵蓋全部此類變化、修改和等效物。另外，術語“或”應以包括在內的含義解釋。

本公開包括多個實施方案。這些實施方案中的至少一些涉及一種用于在井下環(huán)境中發(fā)射和接收信號的可安裝在鉆鋌上的天線，其包括線軸，其具有內表面和外表面，所述內表面和外表面中的每一個限定多個狹槽；導電線，其設置在所述線軸的所述外表面上的所述多個狹槽中；以及鐵氧體，其設置在所述線軸的所述內表面上的所述多個狹槽中。此類實施方案可以各種方式補充，包括通過以任何序列并以任何組合添加以下概念中的任何概念：其中所述線軸包括非導電材料；其中所述內表面上的所述狹槽中的至少一個的長度平行于所述線軸的縱軸線；其中所述導電線是線圈；其中所述線圈的縱軸線相對于所述線軸的縱軸線傾斜；其中所述線圈的縱軸線與所述線軸的縱軸線重合；其中在所述內表面上形成的所述狹槽中的至少一個具有在某一方向上定向的長度，所述方向垂直于在所述外表面上形成的所述狹槽的長度定向的方向；其中所述線軸包括多個線軸內線槽，其朝向和遠離所述外表面上的所述狹槽引導所述導電線，所述線軸內線槽設置在所述內表面與外表面之間；其還包括脊，所述脊相鄰于所述外表面上的所述狹槽中的一個設置，并且其中所述脊和所述狹槽中的所述一個在圓角處相遇；并且其中在所述內表面上形成的所述狹槽占據(jù)比由所述外表面上的所述狹槽占據(jù)的要大的總面積。

額外的實施方案涉及一種用于測量地層的特性的系統(tǒng)，其包括：鉆鋌；線軸，其安裝在所述鉆鋌上；導電線，其定位在所述線軸的外表面上形成的狹槽中；鐵氧體，其定位在所述線軸的內表面上形成的狹槽中；以及突出，其位于所述線軸的所述內表面上，所述突出與所述鉆鋌配合，以便維持所述線軸相對于所述鉆鋌的位置。此類實施方案可以各種方式補充，包括通過以任何序列并以任何組合添加以下概念中的任何概念：其中在所述內表面上形成的所述狹槽中的至少一個比在所述外表面上形成的所述狹槽要寬；其中在所述內表面上形成的所述狹槽由脊彼此分離，并且其中在所述內表面上形成的狹槽中的至少一個在圓角處與所述脊中的至少一個相遇；并且其還包括脊，所述脊相鄰于在所述外表面上的所述狹槽中的一個，其中所述脊在圓角處與在所述外表面上的所述狹槽中的所述一個相遇。

額外的實施方案涉及一種用于制造線軸天線的方法，其包括：獲得描述所述線軸天線的數(shù)字設計文件；以及使用三維打印機以根據(jù)所述數(shù)字設計文件制造所述線軸天線，其中所述所制造線軸天線包括相對的半圓柱形殼體、在所述線軸天線的外表面上的多個線圈狹槽以及在所述線軸天線的內表面上的多個鐵氧體狹槽。此類實施方案可以各種方式補充，包括通過以任何序列并以任何組合添加以下概念或步驟中的任何概念或步驟：其中使用所述三維打印機以制造所述線軸天線包括使用非導電材料；其中所述非導電材料是聚醚醚酮(peek)；其中所述所制造線軸天線包括在所述內表面上的突出，所述突出朝向所述線軸天線的縱軸線凸起；其中所述所制造線軸包括一個或多個線軸內線槽，其位于所述多個線圈狹槽中的一個與所述線軸天線的與所述線軸天線的縱軸線正交的平面重合的表面上的出口之間；并且其中所述所制造線軸包括相鄰于所述多個線圈狹槽的多個脊，并且其中所述多個脊在圓角處與所述多個線圈狹槽相遇。