用于具有特定空间约束的工具的几何可配置的多芯电感器和方法

摘要

本发明公开了一种电感器、井下工具及其制造方法。多个环形铁磁芯可以被布置来形成铁磁多芯阵列，经由所述铁磁多芯阵列缠绕了计算出的一系列线匝。所述阵列可以在某些允许的几何结构内结构化为优选的几何形状以便用在井下工具内。所述芯阵列可以采用任何实践形式，包括正方形、矩形、六边形、圆形等等，只要缠绕在给定芯周围的所有线圈的磁通量在所述芯内产生在所述芯内沿相同方向流动的磁通量即可。

说明书

技术领域

本公开大体上涉及油田设备，且具体地说涉及用于在地下钻井、完井、检修和评估井筒的井下工具、钻井以及相关系统和技术。

背景

在钻井、完井、检修或评估油井或气井井筒等期间，遇到可能需要提供测量数据或执行其它操作的情形。可以沿着例如钻柱、井底钻具组件或有线电缆携带测井工具，并且将其下降至井筒中以用于在各个井筒深度进行和传达测量和/或执行其它功能，测井工具可以具有可以包括仪器、检测器、电路等的一个或多个装置。

例如，可以在钻井操作期间实时地进行测量。这种技术可以称作随钻测量(“MWD”)或随钻测井(“LWD”)。可以通过钻柱或环空内的流体使用各种遥测技术传达测量数据和其它信息，并在地面将其转换为电信号。

井下工具通常还可以提供流体流动路径以支持各种操作。由于固有的大小限制，井下工具可能具有有限的横截面积以提供期望的功能性，同时需要较大的组件或装置，包括电感器。

附图简述

在下文参考附图详细描述了实施方案，附图中：

图1是根据实施方案的测井系统的部分横截面的块级立面图，示出了通过井中的缆线悬挂并且并入有井下工具的测井工具；

图2是根据实施方案的随钻测井系统的部分横截面的块级立面图，示出了用于在地下钻孔的钻柱和钻头以及沿着钻柱携带的井下工具；

图3是根据一个或多个实施方案的呈平面2x2阵列正方形布置的四芯电感器的简化平面图，所述电感器可以在图1或图2的系统中使用；

图4是根据一个或多个实施方案的呈平面2x3阵列矩形布置的六芯电感器的简化平面图，所述电感器可以在图1或图2的系统中使用；

图5是根据一个或多个实施方案的呈平面3x3阵列正方形布置的九芯电感器的简化平面图，所述电感器可以在图1或图2的系统中使用；

图6是根据一个或多个实施方案的呈平面网格状正方形布置的十三芯电感器的简化平面图，所述电感器可以在图1或图2的系统中使用；

图7是根据一个或多个实施方案的呈平面网格状大体上圆形布置的十七芯电感器的简化平面图，所述电感器可以在图1或图2的系统中使用；

图8是根据一个或多个实施方案的呈平面六边形布置的六芯电感器的简化平面图，所述电感器可以在图1或图2的系统中使用；

图9是根据一个或多个实施方案的呈平面八边形布置的八芯电感器的简化平面图，所述电感器可以在图1或图2的系统中使用；

图10是根据一个或多个实施方案的呈三维立体布置的四芯电感器的简化左侧立面图，所述电感器可以在图1或图2的系统中使用；

图11是图10的四芯三维立体电感器的简化正面立面图，右侧示出为纵向横截面被切除；

图12是根据一个或多个实施方案的呈三维八边形布置的十六芯电感器的简化平面图，所述电感器可以在图1或图2的系统中使用；

图13是图12的十六芯三维八边形电感器的简化立面图；

图14是根据一个或多个实施方案的呈平面2x2阵列布置的四芯电感器的平面图，示出了在各个芯的面向内和面向外的部分周围形成的用以提供额外电感的额外绕组；

图15是根据一个或多个实施方案的呈平面3x3阵列布置的九芯电感器的平面图，示出了在各个芯的面向外的部分周围形成的用以提供额外电感的额外绕组；以及

图16是根据实施方案的用于生产多芯电感器的方法的流程图。

详细描述

本公开在各个实例中可以重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简单和清楚起见，并且本身不指示所讨论的各种实施方案和/或配置之间的关系。此外，在本文中为了便于描述，可以使用空间相对术语(诸如“在…下方”、“在…之下”、“下部”、“在…之上”、“上部”、“井上”、“井下”、“上游”、“下游”等)来描述如图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。所述空间相对术语意图包含除了图中所示定向之外的在使用中或操作中的设备的不同定向。

图1示出了根据一个或多个实施方案的测井系统的示例性立面图。图1所示的系统由数字10标识，其通常指测井系统。

测井电缆11可以将外壳12悬挂在井筒13中。可以通过如图2所示的钻柱上的钻头钻出井筒13，并且井筒13可以衬有套管19和水泥环20。外壳12可以具有保护外壳，其可以是流体密封的、耐压的并且在使用期间支撑和保护内部组件。外壳12可以包围一个或多个测井系统以产生可用于分析井筒13或用于确定井筒13所定位的地层21的性质的数据。也可以提供其它井下工具。

在一个或多个实施方案中，可以提供测井工具100以用于提供任何数量的井筒检查、分析或操作。其它类型的工具18也可以包括在外壳12中。外壳12还可以包围电源15。可以将来自测井工具100和其它工具18的输出数据流提供至定位于外壳12中的多路复用器16。外壳12还可以包括具有上行链路通信装置、下行链路通信装置、数据发射器和数据接收器的通信模块17。根据一个或多个实施方案，外壳12可以包括如下文更详细描述的一个或多个电感器200。

测井系统10可以包括滑轮25，其可以用于将测井电缆11引导至井筒13中。电缆11可以卷绕在电缆盘26或卷筒上以用于储存。电缆11可以与外壳12连接，并被放出或收入以使外壳12在井筒13内上升和下降。电缆11中的导体可以与定位于地面的设备连接，该设备可以包括DC电源27以向工具电源15，具有上行链路通信装置、下行链路通信装置、数据发射器和接收器的地面通信模块28，地面计算机29，测井显示器31以及一个或多个记录装置32提供电力。滑轮25可以通过合适的检测器布置连接至地面计算机29的输入以提供外壳深度测量信息。地面计算机29可以提供测井显示器31和记录装置32的输出。地面测井系统10可以收集随深度而变的数据。可以并入记录装置32以记录随井筒深度而变的所收集数据。

图2示出了根据一个或多个实施方案的随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)系统的示例性立面图。图2所示的系统由数字22标识，其通常指钻井系统。LWD系统22可以包括陆地钻机23。然而，本公开的教导可以令人满意地与海上平台、半潜船、钻井船或任何其它钻井系统结合使用，以令人满意地形成延伸穿过一个或多个井下地层21的井筒13。

钻机23和相关联的控制系统50可以定位于接近井口24处。钻机23还可以包括旋转台38、旋转驱动马达40以及与钻柱32的操作相关联的其它设备。环空66可以限定在钻柱32的外部与井筒13的内径之间。

井底钻具组件90可以包括井下泥浆马达。井底钻具组件90和/或钻柱32还可以包括提供关于井筒13的信息，诸如来自底部井筒60的测井或测量数据的各种其它工具。测量数据和其它信息可以使用随钻测量技术使用电信号或可以在井表面转换为电信号的其它遥测技术传达，以便尤其监测钻柱32、井底钻具组件90和相关联的旋转钻头92的性能。

井底钻具组件90和/或钻柱32还可以包括提供关于井筒13的测井或测量数据和其它信息的各种井下工具。这个数据和信息可以由控制系统50监测。在一个或多个实施方案中，可以提供外壳100以容纳用于执行任何数量的井筒检查、分析或操作的工具。另外，其它各种类型的MWD或LWD工具18可以包括在底部钻具组件90中。

具体地说，根据下文更详细描述的一个或多个实施方案，可以在外壳100内提供包括MWD、LWD仪器、检测器、电路或其它工具的装置。外壳100可以被定位为井底钻具组件90的一部分或沿钻柱32的其它位置。此外，可以提供多个外壳100。尽管结合钻井系统20进行了描述，但是外壳100可以用于任何适当的系统并且沿着任何类型的绳索携带。外壳100可以用于容纳仪器、工具、检测器、电路或任何其它合适的装置。根据一个或多个实施方案，外壳100可以包括如下文更详细描述的一个或多个电感器200。

图3是根据一个或多个实施方案的四芯多芯电感器200的简化平面图。图3的电感器200具有大体平面的布局，并且布置在特征为2x2形状的铁磁芯205的阵列201中。如本文所使用，术语阵列和网格广泛地指芯的一般位置布置以允许共享绕组。每个铁磁芯205可以具有大体环形形状，限定了在其中沿着轴线209形成的孔隙207。然而，适当时也可以使用其它合适形状的铁磁芯。环形芯205可以由各种材料和工艺制造，主要包括铁氧体、铁粉和叠片芯。另外，环形芯205可以具有圆形横截面、矩形横截面或其它横截面形状。

可以看出，第二和第三铁磁芯205b、205c各自放置在第一铁磁芯205a附近，使得它们的相应轴线209a-209c不是同轴的，即，芯并未形成单一的叠片芯。电导线220可以缠绕在芯周围，从而形成穿过第一孔隙和第二孔隙207a、207b而缠绕在第一芯和第二芯205a、205b周围的第一线圈230a，以及穿过第一孔隙和第三孔隙207a、207c而缠绕在第一芯和第三芯205a、205c周围的第二线圈230b。当沿着导线220施加电流时，如箭头270所示，在芯205内产生磁通量，如双箭头274所示。

在一个或多个实施方案中，铁磁芯205被布置在阵列201内并且缠绕导线220以经由阵列201内的邻近芯205对形成线圈230，以便产生一种布置，由此在导线220中施加电流时，缠绕在阵列201中的给定芯205周围的所有线圈230操作来产生在给定芯205内沿相同方向流动的磁通量。出于这个理由，在图3的阵列中，没有缠绕导线220来形成穿过第二孔隙和第三孔隙207b、207c的线圈。取决于将缠绕这种线圈的方向，这种布置将必然导致芯205b或芯205c内的磁通量消除。

根据一个或多个实施方案，大体环形的铁磁第四芯205d可以安置在第三芯205c附近，使得第四轴线209d不与第三轴线209c同轴，第四芯205d具有在其中沿着第四轴线209d形成的第四孔隙207d。导线229可以形成穿过第三孔隙和第四孔隙207c、207d而缠绕在第三芯和第四芯205c、205d周围的第三线圈230c。

如图4所示，第四芯205d也可以放置在第二芯205b附近以形成正方形的2x2阵列201。在这个布置中，导线220可以形成穿过第四孔隙和第二孔隙207d、207b而缠绕在第四芯和第二芯205d、205b周围的第四线圈230d。

如下文所示，阵列201的各种布置可以是可能的，从而允许使电感器200的形状更扁平，以便例如不超过某一高度，具有固定的宽度和/或长度，或者具有套筒状形状，由此其它部件可以安置在电感器200的中心内。

例如，图4示出了根据一个或多个实施方案的具有铁磁芯205的2x3阵列配置的平面阵列201的简化电感器200。每个芯205可以沿轴线209限定孔隙207。在六个铁磁芯205周围缠绕电导线220以便形成七个公共线圈230。电流线由箭头270指示，并且磁通量线由双箭头274指示。

类似地，图5示出了根据一个或多个实施方案的具有铁磁芯205的3x3阵列配置的平面阵列201的简化电感器200。每个芯205可以沿轴线209限定孔隙207。在九个铁磁芯205周围缠绕电导线220以便形成十二个公共线圈230。电流线由箭头270指示，并且磁通量线由双箭头274指示。

具有含有更多数量的铁磁芯205的阵列201的电感器是可能的。图6示出了根据一个或多个实施方案的具有十三个铁磁芯205的平面网格201的简化电感器200。每个芯205可以沿轴线209限定孔隙207。在十三个铁磁芯205周围缠绕电导线220以便形成十六个公共线圈230。电流线由箭头270指示，并且磁通量线由双箭头274指示。

图7示出了根据一个或多个实施方案的具有十七个铁磁芯205的平面网格201的简化电感器200。每个芯205可以沿轴线209限定孔隙207。在十七个铁磁芯205周围缠绕电导线220以便形成二十个公共线圈230。电流线由箭头270指示，并且磁通量线由双箭头274指示。

根据一个或多个实施方案，具有多边形形状的电感器200是可能的，其可以包括或可以不包括中空内部。例如，图8示出了根据一个或多个实施方案的具有铁磁芯205的六边形配置的平面阵列201的简化电感器200。每个芯205可以沿轴线209限定孔隙207。在六个铁磁芯205周围缠绕电导线220以便形成六个公共线圈230。电流线由箭头270指示，并且磁通量线由双箭头274指示。

图9示出了根据一个或多个实施方案的具有铁磁芯205的八边形配置的平面阵列201的简化电感器200。每个芯205可以沿轴线209限定孔隙207。在八个铁磁芯205周围缠绕电导线220以便形成八个公共线圈230。电流线由箭头270指示，并且磁通量线由双箭头274指示。

到此所示的实施方案的特征是大体平面的阵列201。然而，在一个或多个实施方案中，铁磁芯205的阵列201可以是三维的。例如，图10是特征为三维立体形状的具有四个铁磁芯205和四个公共绕组230的电感器200的左侧立面图且图11是所述电感器200的正面立面图。在图10和图11的实施方案中，芯205a和205d可以沿着轴线209a同轴，并且芯205b和205c可以沿着轴线209b同轴。

图12和图13示出了另一个三维实施方案。图12是特征为垂直布置的芯205的双堆叠的八边形电感器200的简化平面图且图13是所述八边形电感器200的简化立面图。尽管在这个布置中提供了16个芯205和二十四个公共绕组230，但也可以添加额外的堆叠。图12和图13的实施方案可以有利地允许在电感器200的中间提供用于钻井液等的大的流动路径。

到此所示实施方案已被简化，因为未示出处于铁磁芯205周围的导线220的单个绕组。根据一个或多个实施方案，除了缠绕在铁磁芯205对周围的公共绕组230之外，每个芯205可以包括用于产生额外阻抗的导线220的个别绕组。例如，参考图14，示出了四个铁磁芯205的2x2平面阵列201。每个芯205包括两个公共绕组230，处于芯205的面向外的部分周围的个别绕组232以及处于芯205的面向内的部分周围的个别绕组234，所有绕组都由电导线220形成。

在一些实施方案中，由于阵列的几何结构、线规、匝数/线圈数和/或孔隙大小，在芯205的面向内的部分周围包括个别绕组可能是不切实际的。例如，参考图15，示出了九个铁磁芯205的3x3平面阵列201。每个芯205包括两个或三个公共绕组230，以及处于芯205的面向外的部分周围的个别绕组232，所有绕组都由电导线220形成。在示例性布置中为面向内的个别绕组提供的空间不足。

图16是概述根据实施方案的用于形成多芯电感器的方法300的流程图。在步骤302处，可以确定井下工具的各种几何结构约束和大小约束，诸如外壳100(图2)、其它部件、印刷电路板等的尺寸。

参考图14和图16，在步骤306处，可以通过例如计算、模拟或实验来确定电感器200的特性，包括铁磁芯205的材料和尺寸、公共线圈230的数量和每个公共线圈230的匝数、导线220的规格以及每个芯205的个别匝数232、234，以提供期望的电感并且仍然满足工具的几何结构约束。如本文所公开的，多个环形铁磁芯可以被布置来形成铁磁多芯网格或阵列，可以经由所述铁磁多芯网格或阵列缠绕计算出的一系列线匝。该阵列可以在某些允许的几何结构内结构化为特定设计的形状，使得电感器可以例如被制造得更扁平或“准平面”，部件不得超过某一高度，或者安置为固定宽度并因此更长或更高。阵列中的芯的最大数量没有限制。而且，阵列可以采用任何实践形式，包括正方形、矩形、六边形等等，只要缠绕在给定芯周围的两个或两个以上线圈的磁通量操作来产生在芯内在相同方向上的磁通量流即可。在一个或多个实施方案中，每个芯提供相同的匝数，以便在整个阵列上维持均匀的通量密度分布。

在步骤310处，提供大体环形的铁磁第一芯205，第一芯205具有在其中沿着第一轴线209形成的第一孔隙207。可以将具有在其中沿着第二轴线形成的第二孔隙的大体环形的铁磁第二芯安置在第一芯附近，使得第二轴线不与第一轴线同轴。类似地，可以将具有在其中沿着第三轴线形成的第三孔隙的大体环形的铁磁第三芯安置在第一芯附近，使得第三轴线不与第一轴线同轴，并且可以将具有在其中沿着第四轴线形成的第四孔隙的大体环形的铁磁第四芯安置在第三芯附近，使得第四轴线不与第三轴线同轴。类似地安置剩余芯205以形成阵列201。

在步骤314处，可以缠绕电导线220以形成穿过第一孔隙和第二孔隙207处于第一芯和第二芯205周围的第一公共线圈230，穿过第一孔隙和第三孔隙207处于第一芯和第三芯205周围的第二公共线圈230，以及穿过第三孔隙和第四孔隙207处于第三芯和第四芯205周围的第三公共线圈230。也可以用穿过第二孔隙和第四孔隙207处于第二芯和第四芯205周围的导线220来缠绕第四公共线圈230。导线220在适当时也可以在芯205周围形成单独的匝232、234。

鉴于传统的环形电感器将单个铁磁芯用于其构造，从而迫使部件的整体几何结构遵循其形状，本文公开的电感器可以使用几个相对较小的环形芯，以便产生具有等效电特性但是对其几何结构增加了三维可配置性的电感器。这在设计底盘印刷电路板时可以特别有益，底盘印刷电路板经常在开始时被指定以符合高度和宽度约束，以便包括在具有有限的大小约束的井下工具内。

此外，通过使用单根导线，在给定电路内插入根据本公开的电感器可以方便地限于两点。这个特征可以对替代地实现电串联的多个离散的单芯电感器提供优点，其中为了实现相同目的每个电感器需要单独焊接到印刷电路板。

如本文所述，电感器200可以导致电路空间的合理性得到改善，从而导致每单位体积的功率密度更高，这在井下工具中的功率转换器和其它电路中可能特别有用，在井下工具中容纳空间的可用性通常被约束为最低限度。电感器200可以由易于获得的现成部件构造，因此减少了可能必须设计和订购定制芯的状况数量，从而加速了构造并降低了成本。

总之，已经描述了电感器、井下工具和用于形成电感器的方法。电感器的实施方案大体上可以具有：大体环形的铁磁第一芯，所述第一芯具有在其中沿着第一轴线形成的第一孔隙；大体环形的铁磁第二芯，所述第二芯具有在其中沿着第二轴线形成的第二孔隙，所述第二芯安置在所述第一芯附近，使得所述第二轴线不与所述第一轴线同轴；大体环形的铁磁第三芯，所述第三芯具有在其中沿着第三轴线形成的第三孔隙，所述第三芯安置在所述第一芯附近，使得所述第三轴线不与所述第一轴线同轴；以及电导线，所述电导线形成穿过所述第一孔隙和所述第二孔隙而缠绕在所述第一芯和所述第二芯周围的第一线圈，以及穿过所述第一孔隙和所述第三孔隙而缠绕在所述第一芯和所述第三芯周围的第二线圈，所述导线并未形成穿过所述第二孔隙和所述第三孔隙而缠绕在所述第二芯和所述第三芯周围的线圈。所述电感器的实施方案大体上还可以具有：至少四个大体环形的铁磁芯的非同轴阵列；以及电导线，所述电导线形成经由所述阵列内的邻近芯对而缠绕的线圈以便产生一种布置，由此在所述导线中施加电流时，缠绕在所述阵列中的给定芯周围的所有线圈操作来产生在所述给定芯内沿相同方向流动的磁通量。井下工具的实施方案大体上可以具有：外壳；至少四个大体环形的铁磁芯的非同轴阵列，所述铁磁芯安置在所述外壳内；以及电导线，所述电导线安置在所述外壳中并且形成经由所述阵列内的邻近芯对而缠绕的线圈以便产生一种布置，由此在所述导线中施加电流时，缠绕在所述阵列中的给定芯周围的所有线圈操作来产生在所述给定芯内沿相同方向流动的磁通量。方法的实施方案大体上可以包括：提供具有在其中沿着第一轴线形成的第一孔隙的大体环形的铁磁第一芯；将具有在其中沿着第二轴线形成的第二孔隙的大体环形的铁磁第二芯安置在所述第一芯附近，使得所述第二轴线不与所述第一轴线同轴；将具有在其中沿着第三轴线形成的第三孔隙的大体环形的铁磁第三芯安置在所述第一芯附近，使得所述第三轴线不与所述第一轴线同轴；将具有在其中沿着第四轴线形成的第四孔隙的大体环形的铁磁第四芯安置在所述第三芯附近，使得所述第四轴线不与所述第三轴线同轴；以及缠绕电导线以形成穿过所述第一孔隙和所述第二孔隙处于所述第一芯和所述第二芯周围的第一线圈，穿过所述第一孔隙和所述第三孔隙处于所述第一芯和所述第三芯周围的第二线圈，以及穿过所述第三孔隙和所述第四孔隙处于所述第三芯和所述第四芯周围的第三线圈。

前述实施方案中的任一者可以单独或彼此组合地包括以下元件或特征中的任一者：大体环形的铁磁第四芯，所述第四芯具有在其中沿着第四轴线形成的第四孔隙，所述第四芯安置在所述第三芯附近，使得所述第四轴线不与所述第三轴线同轴；所述导线形成穿过所述第三孔隙和所述第四孔隙而缠绕在所述第三芯和所述第四芯周围的第三线圈；所述第四芯安置在所述第二芯附近，使得所述第四轴线不与所述第二轴线同轴；所述导线形成穿过所述第四孔隙和所述第二孔隙而缠绕在所述第四芯和所述第二芯周围的第四线圈；所述第一轴线平行于所述第四轴线；所述第二轴线平行于所述第三轴线；所述第一轴线垂直于所述第二轴线；所述第一轴线平行于所述第二轴线；大体环形的铁磁第四芯，所述第四芯具有在其中沿着第四轴线形成的第四孔隙，所述第四芯安置在所述第一芯附近，使得所述第四轴线不与所述第一轴线同轴；大体环形的铁磁第五芯，所述第五芯具有在其中沿着第五轴线形成的第五孔隙，所述第五芯安置在所述第一芯附近，使得所述第五轴线不与所述第一轴线同轴；所述导线形成穿过所述第一孔隙和所述第四孔隙而缠绕在所述第一芯和所述第四芯周围的第三线圈，以及穿过所述第一孔隙和所述第五孔隙而缠绕在所述第一芯和所述第五芯周围的第四线圈；所述阵列的特征是多边形形状；所述阵列是大体平面的；以及缠绕所述导线以形成穿过所述第二孔隙和所述第四孔隙处于所述第二芯和所述第四芯周围的第四线圈。

本公开的摘要仅用于向读者提供一种根据粗略阅读迅速地确定技术公开内容的性质和要点的方式，并且它仅仅表示一个或多个实施方案。

虽然已详细示出各种实施方案，但是本公开不限于所示实施方案。本领域技术人员可以想到对以上实施方案的修改和调整。此类修改和调整在本公开的精神和范围内。