CN113227535A - 用于使用同轴谐振器进行气涌检测的井下工具 - Google Patents

Abstract

一种计算机实现的系统包括与钻柱附接的井底组件中的井下工具，所述井下工具被配置为在钻井操作期间执行气体测量。井下工具包括：容纳井下工具的壳体；传感器，沿着壳体的外壁定位并包括同轴谐振器；电路，位于井下工具内部并配置成实现井下工具的通信和操作；至少一个处理器，被配置为将从传感器接收的散射参数11(S11)信号转换为介电常数值并根据介电常数值确定信号特征；存储器，用于存储由传感器收集的数据；以及传感器系统，监测在钻井操作期间产生的钻井泥浆的基线信号的变化，该变化至少部分地基于根据介电常数值确定的信号特征。当井下工具检测到气涌事件时，井下工具向地面系统提供通信。

Description

用于使用同轴谐振器进行气涌检测的井下工具

优先权要求

本申请要求于2018年12月18日提交的第62/781,345号美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开适用于用于钻探气井和油井的技术。

背景技术

在钻井操作期间，钻头可能遇到高压气区。因此，高压地层气可以进入井眼并向上行进到地表，并在此过程中经常膨胀。这种现象被称为“气涌”(或“井涌”)。气涌可能与井中工况的控制有关。例如，在钻井泥浆上提供足够的重量可以帮助将地层流体保持在地层中。在某些情况下，可以使用不同的机制或过程通过替代路线来转移气涌。例如，如果及时检测到井涌，例如通过观察泥浆罐中的液位，则可以通知钻井方关闭钻杆和地层的环空(annulus)。然而，更常见的情况是，检测到气涌为时已晚，这可能需要部署紧急程序。

一些常规的钻井操作可以使用诸如管理压力钻井(MPD)和随钻测井(LWD)工具的技术，包括中子、声学测井和感应工具。例如，MPD系统可以被视为基于等效循环压力与地层压力平衡原理的封闭系统。用于钻井操作的另一种技术是深水井涌检测(DKD)系统。然而，DKD系统需要向MPD系统馈送许多测量值。此外，此类系统的成功可能取决于测量的准确性。

LWD工具可以提供关于钻井泥浆中密度变化的信息。然而，如果钻柱在高角度或水平钻孔中滑动，密度测量的可用性和准确性可能受到影响。核磁共振(NMR)LWD工具的操作成本很高，而且对钻柱移动很敏感。鉴于水和高压气体之间的密度差异，声学LWD工具可以用于水基泥浆(WBM)。然而，声学LWD工具可能带来一些问题和挑战，包括例如消除来自测量的钻井噪音、在不影响可靠性的情况下安装发射器和接收器、以及数据处理问题。

也可以使用电阻率LWD工具，但是它们存在关于井涌检测的限制。电阻率LWD工具通常可以使用从钻铤外径(OD)中的环形天线发射的低频信号(例如，2兆赫(MHz))。例如，由于大波长和低频波信号，这些信号通常在井眼中表现出更大的不可靠性。

发明内容

本公开描述了可用于钻探气井和油井的技术。在一些实施方式中，一种计算机实现的系统包括井下工具，该井下工具包括在与钻柱附接的井底组件中。井下工具被配置为在使用钻柱的钻井操作期间执行气体测量。井下工具包括被配置为容纳井下工具的壳体。井下工具还包括沿着壳体的外壁定位的传感器。传感器包括同轴谐振器。井下工具还包括位于井下工具内部的电路。电路被配置为实现井下工具的通信和操作。至少一个处理器将从传感器接收的散射参数11(S11)信号转换为介电常数值并根据介电常数值确定信号特征。存储器存储由传感器收集的数据和由至少一个处理器确定的值。井下工具还包括传感器系统，该传感器系统监测在钻井操作期间产生的钻井泥浆的基线信号的变化。该变化至少部分地基于根据介电常数值确定的信号特征。当井下工具在钻井操作期间检测到气涌事件时，井下工具提供与地面系统的通信。

前面描述的实施方式可以使用以下来实现：计算机实现的方法；存储计算机可读指令以执行计算机实现的方法的非暂时性计算机可读介质；以及计算机实现的系统，该计算机实现的系统包括与硬件处理器互操作地耦接的计算机存储器，所述硬件处理器被配置为执行计算机实现的方法/存储在非暂时性计算机可读介质上的指令。

本说明书中描述的主题可以在特定实施方式中实现，以实现以下优点中的一个或多个。首先，可以实时识别高压气体区域，例如在预定时间段内，并且可以启动补救行动。其次，通过在井下工具中安装传感器以识别气涌，可以更快地部署紧急程序。

本说明书的主题的一个或多个实施方式的细节在具体实施方式、附图和权利要求中阐述。本主题的其他特征、方面和优点将从具体实施方式、权利要求和附图中变得清楚。

附图说明

图1是根据本公开的一些实施方式的井下工具的示例的图。

图2是根据本公开的一些实施方式的用于在钻井操作期间使用井下工具的示例方法的流程图。

图3是示出根据本公开的一些实施方式的示例计算机系统的框图，该示例计算机系统用于提供与本公开中描述的算法、方法、功能、过程、流程和程序相关联的计算功能。

各图中相同的附图标记和名称表示相同的元件。

具体实施方式

以下具体实施方式描述可以用于钻探气井和油井的技术。在不背离本公开的范围的情况下，对所公开的实施方式的各种修改、改变和置换可以被实现并且对本领域普通技术人员而言将显而易见，并且所定义的一般原理可以适用于其他实施方式和应用。在一些情况下，可以省略对于获得所描述的主题的理解而不必要的细节，以便不会用不必要的细节混淆一个或多个所描述的实施方式，并且因为这样的细节在本领域普通技术人员的技能范围内。本公开并非意在限于所描述的或示出的实施方式，而应赋予与所描述的原理和特征一致的最宽范围。

图1是根据本公开的一些实施方式的井下工具100的示例的图。井下工具100包括例如圆柱形的金属壳体102。井下工具100可以具有例如其他井底组件(BHA)随钻测井(LWD)工具的通常直径。例如，井下工具100的直径可以稍微超过钻柱104的直径，井下工具100安装在钻柱104上。

井下工具100可以是钻柱104末端处的BHA 106的一部分。BHA 106可以从钻杆(包括钻柱104)末端处的钻头延伸。BHA 106可以包括其他BHA组件108，例如钻铤、稳定器、铰刀、减震器、开孔器、钻头接头和钻头。井下工具100可以比其他BHA工具小。例如，井下工具100可以具有五到十英尺的长度。井下工具100可以是旋转或非旋转工具。

壳体102包括在壳体102的外壁上的传感器110。传感器110可以包括同轴探针，该同轴探针已经在内部短路以用作同轴谐振器。传感器110的同轴谐振器中的介电填充材料可以由石英或蓝宝石制成。

井下工具100可以包括用于实现井下工具100的通信和操作的电路。为了支持井下工具100的通信功能，电路可以包括例如微波发射器和接收器。为了支持井下工具100的操作，电路可以包括例如窄带网络分析仪。窄带网络分析仪可以测量由每个传感器110提供的一个或多个参数(例如，与反射系数相关联的散射参数11(S11))。在一些实施方式中，电路的一些功能可以由在地表处的系统执行。

井下工具100中的处理器可以将S11信号转换为介电常数值。处理器还可以分析介电常数值以确定介电常数的信号特征(signature)。可以确定介电常数的信号特征，至少部分因为以下情况：气体具有比水小得多的介电常数和比油小的介电常数。

每个传感器110(包括传感器的同轴谐振器)可以具有不同的工作频率。例如，大多数或所有传感器110可以具有不同的工作频率。在一些实施方式中，可以通过实验和实验室发现来优化频率以产生由传感器110的信号表示的优化的总体信号。

传感器系统可以控制和管理传感器110。传感器系统可以监测在钻井操作期间产生的钻井泥浆的基线信号的变化。遇到或产生的气体可以进入井眼并与钻井泥浆混合。例如，可以通过钻杆旋转和与钻井泥浆的相互作用来增加混合。在钻井操作期间，传感器110的同轴谐振器可以检测并识别由传感器110感测到的介电常数的变化(由处理器确定)。

与介电常数的变化相关联的数据可以收集在存储器中(例如，井下工具100内部的存储器)。可以收集与介电常数的变化相关联的数据(例如，不会立即传送到地表)，以免干扰其他LWD工具的数据传输。然而，在一些情况下，可以相对实时地(在指定的时间段内)进行关于与介电常数的变化和超过阈值的信号特征相关联的数据的通信。例如，如果井下工具100在钻井操作期间检测到气涌事件，可以使用优先于其他工具的信号的通信优先级通过泥浆脉冲系统来发送信号。以这种方式，可以实时传送关于气涌事件的信息，为钻井操作员提供启动井涌遏制程序或执行一些其他行动所需的时间。

取决于同轴谐振器的灵敏度，井下工具100的放置可以在BHA 106的上游或下游。如果井下工具100放置在BHA 106的上游，那么气体膨胀可以帮助混合，从而使井下工具100更容易检测介电常数变化。钻杆旋转也可以有助于混合。如果井下工具100放置在BHA 106中，则井下工具100可以独立运行。井下工具100还可以受益于由井下定位的固定装置提供的辅助，所述井下定位的固定装置例如通过曲折度增加(相同直径或不均匀直径)或通过以比钻杆更快的速度的外部旋转来增加混合。

在一些实施方式中，可以使用多个井下工具100。例如，可以在BHA 106中和BHA106的上游同时使用两个或更多个井下工具100，例如，如果需要差分测量。取决于灵敏度，井下工具100可以使用相同的频率或不同的频率。

井下工具100的形状可以变化并且可以取决于具体的操作。例如，井下工具100可以是倾斜的或者可以具有弯曲的锥形形状。不同的形状还可以允许谐振器朝向井的底部指向不同方向。

与井下工具100通信的处理器可以具有基于接收到的传输的优先级。例如，一旦检测到事件(例如，源自井下工具100)，井下工具100可以接收钻井操作的其他传输中的传输优先(preference)。

图2是根据本公开的一些实施方式的用于在钻井操作期间使用井下工具的示例方法200的流程图。为了说明的清楚，下面的描述在总体上描述了在本说明书中的其他附图的上下文中的方法200。然而，应理解，方法200在适当时可以例如由任意合适的系统、环境、软件和硬件来执行，或由系统、环境、软件和硬件的组合来执行。在一些实施方式中，方法200的各个步骤可以并行、组合、循环或以任何顺序运行。

在202处，操作井下工具，该井下工具包括在与钻柱附接的井底组件中。例如，井下工具100可以被配置为在使用钻柱104的钻井操作期间执行气体测量。井下工具100可以是BHA 106的一部分。方法200从202进行到204。

在204处，在井下工具的操作期间接收来自沿着井下工具的壳体的外壁定位的传感器的数据。传感器包括同轴谐振器。例如，传感器110可以在钻井操作期间感测并提供数据。方法200从204进行到206。

在206处，操作位于井下工具内部的电路。电路被配置为实现井下工具的通信和操作。例如，电路可以包括用于与地表上的系统通信的微波发射器和接收器。电路还可以包括窄带网络分析仪，该窄带网络分析仪被配置为测量至少包括由每个传感器110接收的反射参数S11在内的一个或多个参数。方法200从206进行到208。

在208处，使用井下工具中的至少一个处理器将从传感器接收的S11信号转换成介电常数值。例如，传感器110可以向井下工具100的电路提供信号。电路可以将信号转换为介电常数值。方法200从208进行到210。

在210处，使用至少一个处理器根据介电常数值确定信号特征。例如，电路可以将介电常数值转换为信号特征。方法200从210进行到212。

在212处，将从传感器收集的数据和由至少一个处理器确定的值存储在井下工具的存储器中。例如，可以存储而不立即传输由井下工具收集或确定的数据，以免干扰与BHA其他组件相关联的通信。方法200从212进行到214。

在214处，由井下工具的传感器系统监测在钻井操作期间产生的钻井泥浆的基线信号的变化。这些变化可以至少部分地基于根据介电常数值确定的信号特征。例如，所监测的变化可以用于确定信号特征何时指示已达到与气涌相关联的阈值。方法200从214进行到216。

在216处，当井下工具在钻井操作期间检测到超过阈值的气涌事件时，由井下工具向地面系统提供通信。例如，当检测到已达到阈值时，井下工具可以向钻井操作的操作员发送警报。在一些实施方式中，警报可以作为屏幕上的显示出现。在一些实施方式中，警报可以产生要发生的通信，例如电话呼叫、寻呼或电子邮件。在一些实施方式中，警报可以导致设备发生自动变化，例如关闭钻井操作。在216之后，方法200停止。

图3是根据本公开的一些实施方式的示例计算机系统300的框图，示例计算机系统300用于提供与本公开中描述的算法、方法、功能、过程、流程和程序相关联的计算功能。图示的计算机302旨在包括任何计算设备，例如服务器、台式计算机、膝上型/笔记本计算机、无线数据端口、智能电话、个人数据助理(PDA)、平板计算设备、这些设备内的一个或多个处理器、或任何其他合适的处理设备(包括计算设备的物理或虚拟实例(或这两者))。附加地，计算机302可以包括计算机，该计算机包括可以接受用户信息的输入设备(例如键区、键盘或触摸屏)以及输出设备，该输出设备传达与计算机302的操作相关联的信息，包括数字数据、视觉或音频信息(或信息的组合)或图形型用户界面(UI)(或GUI)。

计算机302可以用作用于执行本公开中描述的主题的计算机系统的客户端、网络组件、服务器、数据库、持久性设备或组件。所示出的计算机302与网络330可通信地耦接。在一些实施方式中，计算机302的一个或多个组件可以被配置为在包括基于云计算、本地、全局和环境的组合在内的环境中操作。

从高层面来看，计算机302是可操作用于接收、发送、处理、存储或管理与所描述的主题相关联的数据和信息的电子计算设备。根据一些实施方式，计算机302还可以包括或可通信地耦接到应用服务器、电子邮件服务器、网络服务器、缓存服务器、流传输数据服务器或服务器的组合。

计算机302可以通过网络330从客户端应用(例如，在另一台计算机302上执行)接收请求并且通过使用适当的软件应用处理接收到的请求来响应接收到的请求。此外，还可以从内部用户(例如，从命令控制台)、外部或第三方、自动化应用、实体、个人、系统或计算机向计算机302发送请求。

计算机302的每个组件可以使用系统总线303进行通信。在一些实施方式中，计算机302的任何或所有组件(硬件或软件(或硬件和软件两者的组合))可以使用应用编程接口(API)312或服务层313(或API 312和服务层313的组合)通过系统总线303彼此或与接口304(或两者的组合)交互。API 312可以包括对例程、数据结构和对象类的规范。API 312可以独立于或依赖于计算机语言，并且指的是完整的接口、单个功能或甚至一组API。服务层313向计算机302和可通信地耦接到计算机302的其他组件(无论是否示出)提供软件服务。计算机302的功能对于使用该服务层的所有服务消费者可以是可访问的。软件服务(例如由服务层313提供的软件服务)通过定义的接口提供可重用的、定义的功能。例如，接口可以是用JAVA、C++或以可扩展标记语言(XML)格式提供数据的语言编写的软件。虽然被示出为计算机302的集成组件，但备选实施方式可以将API 312或服务层313示出为相对于计算机302的其他组件和可通信地耦接到计算机302的其他组件的独立组件。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，API 312或服务层313的任何或所有部分可以被实现为另一软件模块、企业应用或硬件模块的子模块或副模块。

计算机302包括接口304。虽然在图3中示出为单个接口304，但是可以根据计算机302的特定需要、期望或特定实现而使用两个或更多个接口304。接口304由计算机302使用以用于在分布式环境中与网络330连接的其他系统(无论是否示出)进行通信。通常，接口304包括以软件或硬件(或软件和硬件的组合)编码的逻辑并且可操作用于与网络330通信。更具体地，接口304可以包括支持与通信相关联的一个或多个通信协议的软件，使得网络330或接口的硬件可操作用于在所示出的计算机302内部和外部传送物理信号。

计算机302包括处理器305。虽然在图3中示出为单个处理器305，但是可以根据计算机302的特定需要、期望或特定实现而使用两个或更多个处理器。通常，处理器305执行指令并操纵数据，以执行计算机302的操作以及本公开中描述的任何算法、方法、功能、过程、流程和程序。

计算机302还包括数据库306，数据库306可以保存用于计算机302和连接到网络330的其他组件(无论是否示出)的数据。例如，数据库306可以是存储与本公开一致的数据的内部存储器、常规数据库、或数据库。在一些实施方式中，根据计算机302的特定需要、期望或特定实现和所描述的功能，数据库306可以是两个或更多个不同数据库类型(例如，混合的内部存储器和常规数据库)的组合。尽管在图3中被示出为单个数据库306，但是根据计算机302的特定需要、期望或特定实现和所描述的功能，可以使用两个或更多个数据库(相同或组合的类型)。虽然数据库306被示出为计算机302的集成组件，但在备选实施方式中，数据库306可以在计算机302的外部。

计算机302还包括存储器307，其可以保存用于计算机302或连接到网络330的组件(无论是否示出)的组合的数据。存储器307可以存储与本公开一致的任何数据。在一些实施方式中，根据计算机302的特定需要、期望或特定实现和所描述的功能，存储器307可以是两个或更多个不同类型的存储器的组合(例如，半导体和磁存储器的组合)。尽管在图3中被示出为单个存储器307，但是根据计算机302的特定需要、期望或特定实现和所描述的功能，可以使用两个或更多个存储器307(相同或组合的类型)。虽然存储器307被示出为计算机302的集成组件，但在备选实施方式中，存储器307可以在计算机302的外部。

应用308是根据计算机302的特定需要、期望或特定实现提供功能(尤其是关于本公开中描述的功能)的算法软件引擎。例如，应用308可以用作一个或多个组件、模块或应用。此外，虽然被示出为单个应用308，但是应用308可以被实现为计算机302上的多个应用308。此外，尽管被示出为与计算机302集成，但在备选实施方式中，应用308可以在计算机302的外部。

计算机302还可以包括电源314。电源314可以包括可以被配置为用户或非用户可更换的可再充电或不可再充电电池。在一些实施方式中，电源314可以包括电力转换或管理电路(包括再充电、备用或电力管理功能)。在一些实施方式中，电源314可以包括电源插头以允许计算机302插入墙上插座或电源以例如为计算机302供电或为可充电电池充电。

可以存在与包含计算机302的计算机系统相关联或在其外部的任意数量的计算机302，每个计算机302通过网络330进行通信。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，术语“客户端”、“用户”和其他合适的术语可以适当地互换使用。此外，本公开包括许多用户可以使用一个计算机302，或者一个用户可以使用多个计算机302。

所描述的主题的实施方式可以单独或组合地包括一个或多个特征。

例如，在第一实施方式中，计算机实现的系统包括井下工具，井下工具包括在与钻柱附接的井底组件中。井下工具被配置为在使用钻柱的钻井操作期间执行气体测量。井下工具包括被配置为容纳井下工具的壳体。井下工具还包括沿着壳体的外壁定位的传感器。传感器包括同轴谐振器。井下工具还包括位于井下工具内部的电路。电路被配置为实现井下工具的通信和操作。至少一个处理器将从传感器接收的S11信号转换为介电常数值并根据介电常数值确定信号特征。存储器存储由传感器收集的数据和由至少一个处理器确定的值。井下工具还包括传感器系统，该传感器系统监测在钻井操作期间产生的钻井泥浆的基线信号的变化。这些变化至少部分地基于根据介电常数值确定的信号特征。当井下工具在钻井操作期间检测到气涌事件时，井下工具提供与地面系统的通信。

前述和其他描述的实施方式可以各自可选地包括以下特征中的一个或多个：

第一特征，可与以下特征中的任一个组合，其中井下工具的长度在五英尺到十英尺之间。

第二特征，可与前述或以下特征中的任一个组合，其中同轴谐振器的介电填充材料包括石英或蓝宝石中的一种或多种。

第三特征，可与前述或以下特征中的任一个组合，其中电路包括用于与地表上的系统通信的微波发射器和接收器。

第四特征，可与前述或以下特征中的任一个结合，其中电路包括窄带网络分析仪，所述窄带网络分析仪被配置为测量至少包括由传感器中的每一个接收的反射参数S11在内的一个或多个参数。

第五特征，可与前述或以下特征中的任一个组合，其中井下工具是旋转工具或非旋转工具。

第六特征，可与前述或以下特征中的任一个组合，其中每个传感器具有不同的工作频率。

在第二实施方式中，计算机实现的方法包括操作包括在与钻柱附接的井底组件中的井下工具。井下工具被配置为在使用钻柱的钻井操作期间执行气体测量。在井下工具的操作期间，从沿着井下工具的壳体的外壁定位的传感器接收数据。传感器包括同轴谐振器。操作位于井下工具内部的电路。电路被配置为实现井下工具的通信和操作。使用井下工具中的至少一个处理器，从传感器接收的S11信号被转换为介电常数值。根据介电常数值来确定信号特征。从传感器收集的数据和由至少一个处理器确定的值存储在井下工具的存储器中。井下工具的传感器系统监测在钻井操作期间产生的钻井泥浆的基线信号的变化。这些变化至少部分地基于根据介电常数值确定的信号特征。当井下工具在钻井操作期间检测到超过阈值的气涌事件时，井下工具向地面系统提供通信。

前述和其他描述的实施方式可以各自可选地包括以下特征中的一个或多个：

第一特征，可与以下特征中的任一个组合，其中井下工具的长度在五英尺到十英尺之间。

第二特征，可与以下特征中的任一个组合，其中同轴谐振器的介电填充材料包括石英或蓝宝石中的一种或多种。

第三特征，可与以下特征中的任一个组合，其中电路包括用于与地表上的系统通信的微波发射器和接收器。

第四特征，可与以下特征中的任一个组合，其中电路包括窄带网络分析仪，所述窄带网络分析仪被配置为测量至少包括由传感器中的每一个接收的反射参数S11在内的一个或多个参数。

第五特征，可与以下特征中的任一个组合，其中井下工具是旋转工具或非旋转工具。

第六特征，可与以下特征中的任一个组合，其中每个传感器具有不同的工作频率。

在第三实施方式中，非暂时性计算机可读介质存储一个或多个指令，所述一个或多个指令可由计算机系统执行以执行用于操作井下工具的操作，所述井下工具包括在与钻柱附接的井底组件中。井下工具被配置为在使用钻柱的钻井操作期间执行气体测量。在井下工具的操作期间，从沿着井下工具的壳体的外壁定位的传感器接收数据。传感器包括同轴谐振器。操作位于井下工具内部的电路。电路被配置为实现井下工具的通信和操作。使用井下工具中的至少一个处理器，将从传感器接收的S11信号转换为介电常数值。根据介电常数值来确定信号特征。从传感器收集的数据和由至少一个处理器确定的值被存储在井下工具的存储器中。井下工具的传感器系统监测在钻井操作期间产生的钻井泥浆的基线信号的变化。这些变化至少部分地基于根据介电常数值确定的信号特征。当井下工具在钻井操作期间检测到超过阈值的气涌事件时，井下工具向地面系统提供通信。

前述和其他描述的实施方式可以各自可选地包括以下特征中的一个或多个：

第一特征，可与以下特征中的任一个组合，其中井下工具的长度在五英尺到十英尺之间。

第二特征，可与以下特征中的任一个组合，其中同轴谐振器的介电填充材料包括石英或蓝宝石中的一种或多种。

第三特征，可与以下特征中的任一个组合，其中电路包括用于与地表上的系统通信的微波发射器和接收器。

第四特征，可与以下特征中的任一个组合，其中电路包括窄带网络分析仪，所述窄带网络分析仪被配置为测量至少包括由传感器中的每一个接收的反射参数S11在内的一个或多个参数。

第五特征，可与以下特征中的任一个组合，其中井下工具是旋转工具或非旋转工具。

本说明书中描述的主题和功能操作的实施方式可以在数字电子电路中、在有形地体现的计算机软件或固件中、在计算机硬件中实现，包括在本说明书中公开的结构及其结构等效物，或其一个或多个的组合。所描述的主题的软件实施方式可以被实现为一个或多个计算机程序，即，在有形的非暂时性计算机可读计算机存储介质上编码的计算机程序指令的一个或多个模块，以用于被数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。备选地或附加地，程序指令可以编码在人工生成的传播信号(例如，机器生成的电、光或电磁信号)中/上，所述信号被生成以对信息进行编码，以传输给合适的接收器装置，以供数据处理装置执行。计算机存储介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、随机或串行存取存储器设备、或计算机存储介质的组合。

术语“数据处理装置”、“计算机”或“电子计算机设备”(或本领域普通技术人员所理解的等效物)是指数据处理硬件并涵盖所有种类的装置、设备和用于处理数据的机器，例如包括可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。该装置还可以是或进一步包括专用逻辑电路。电路可以包括例如中央处理单元(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。在一些实施方式中，数据处理装置或专用逻辑电路(或数据处理装置或专用逻辑电路的组合)可以是基于硬件或软件的(或基于硬件和软件的组合)。该装置可以可选地包括为计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或执行环境的组合的代码。本公开包括使用具有或不具有常规操作系统(例如，LINUX、UNIX、WINDOWS、MAC OS、ANDROID或IOS)的数据处理装置。

可以以任何形式的编程语言来写计算机程序(也可以称作或描述为程序、软件、软件应用、模块、软件模块、脚本或代码)，所述编程语言包括：编译或解释语言、或者声明或程序语言，并且可以以任何形式来部署计算机程序，包括部署为单独的程序或者部署为用于计算环境的模块、组件、子例程、或者单元。计算机程序可以但无需与文件系统中的文件相对应。程序可以被存储在保存其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中、被存储在专用于所讨论的程序的单个文件中、或者被存储在多个协同文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)中。计算机程序可以被部署为在一个计算机上或者在位于一个站点或分布在多个站点并且通过通信网络互联的多个计算机上执行。尽管各图中所出示的程序的部分被示出为通过各种对象、方法或过程实施各种特征和功能的各个模块，但是在适当时程序可以替代地包括多个子模块、第三方服务、组件、库等。相反，各种组件的特征和功能可以视情况组合成单个组件。可以统计地、动态地或者统计地且动态地确定用于进行计算确定的阈值。

本说明书中描述的方法、处理和逻辑流可以由一个或多个可编程计算机来执行，所述一个或多个可编程计算机执行一个或多个计算机程序以通过操作输入数据并且生成输出来执行功能。方法、处理或逻辑流也可以由专用逻辑电路(例如CPU、FPGA或ASIC)来执行，并且装置也可以实现为专用逻辑电路(例如CPU、FPGA或ASIC)。

适合于执行计算机程序的计算机可以基于通用或专用微处理器、或这两者。通常，CPU将从存储器接收指令和数据并写入存储器。计算机的必不可少的元件是用于执行指令的CPU和用于存储指令和数据的一个或更多个存储器设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)，或可操作地耦接以便从所述一个或更多个大容量存储设备接收或向其发送数据或两者。然而，计算机不需要具有这些设备。此外，计算机可以嵌入在另一设备中，例如，移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频或视频播放器、游戏机、全球定位系统(GPS)接收机或者便携式存储设备(例如，通用串行总线(USB)闪存驱动器)，这仅是举几个例子。

适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质(暂时性或非暂时性，视情况而定)包括所有形式的永久性/非永久性或易失性/非易失性存储器、介质和存储器设备，例如包括半导体存储设备，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、相变存储器(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和闪存设备；磁性设备，例如磁带、盒式磁带、磁带盒、内部/可移动磁盘；磁光盘；以及光学存储器设备，例如，数字视频光盘(DVD)、CD-ROM、DVD+/-R、DVD-RAM、DVD-ROM、HD-DVD和BLURAY。存储器可以存储各种对象或数据，包括高速缓存器、类(class)、框架、应用、模块、备份数据、工作、网页、网页模板、数据结构、数据库表格、存储动态信息的知识库，包括参数、变量、算法、指令、规则、约束和引用。此外，存储器可以包括日志、策略、安全或访问数据以及报告文件。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入到专用逻辑电路中。

为了提供与用户的交互，本说明书中描述的主题的实施方式可以实施在计算机上，该计算机具有用于向用户显示信息的显示设备(例如，阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)或等离子监视器)和用户可以向计算机提供输入的键盘和指示设备(例如，鼠标、轨迹球或轨迹板)。还可以使用触摸屏(例如，具有压敏性的平板计算机表面、使用电容或电感测的多点触摸屏)向计算机提供输入。设备可以用于提供与用户的交互。提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈。可以以任何形式(包括声学、语音或触觉输入)接收来自用户的输入。此外，计算机可以通过向用户使用的设备发送文档和从该设备接收文档来与用户交互；例如，通过响应于从用户的客户端设备上的web浏览器所接收的请求而向该web浏览器发送web页来与用户交互。

术语“图形用户界面”或“GUI”可以以单数或复数形式使用以描述一个或多个图形用户界面以及特定图形用户界面的每一次显示。因此，GUI可以表示任何图形用户界面，包括但不限于web浏览器、触摸屏或处理信息并且高效地地向用户呈现信息结果的命令行界面(CLI)。通常，GUI可以包括多个用户界面(UI)元素，其中一些或全部与web浏览器相关联，诸如交互式字段、下拉列表和按钮。UI元素可以与web浏览器的功能相关或表示web浏览器的功能。

本说明书中描述的主题的实施方式可以被实施在计算系统中，该计算系统包括后端组件(例如，数据服务器)、或包括中间件组件(例如，应用服务器)、或包括前端组件(例如，具有用户通过其可以与本说明书中描述的主题的一些实施方式交互的图形用户界面或者Web浏览器的客户端计算机)、或者一个或更多个此类后端组件、中间件组件或前端组件的任意组合。系统的组件可以通过有线或无线数字数据通信(或数据通信的组合)的介质或任意形式(例如通信网络)互相连接。通信网络的示例包括局域网(LAN)、无线电接入网(RAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)、全球微波接入互操作性(WIMAX)、使用例如802.11a/b/g/n或802.20(或802.11x和802.20的组合)的无线局域网(WLAN)、互联网的全部或一部分、一个或多个位置处的通信系统、或通信网络的组合。网络可以在网络地址之间传输例如互联网协议(IP)分组、帧中继帧、异步传输模式(ATM)小区、语音、视频、数据、或通信类型的组合。

计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般彼此远离并且通常通过通信网络进行交互。客户端和服务器的关系通过在相应计算机上运行并且相互具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生。

集群文件系统可以是可从多个服务器访问以用于读取和更新的任何文件系统类型。锁定或一致性跟踪可能不是必需的，因为交换文件系统的锁定可以在应用层完成。此外，Unicode数据文件不同于非Unicode数据文件。

尽管本说明书包含许多具体的实现细节，但是这些不应该被解释为对可以要求保护的内容的范围的限制，而是作为可以特定于特定实现的特征的描述。本说明书中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中、单独地或在任何合适的子组合中实现。此外，尽管先前描述的特征可能被描述为在某些组合中起作用，甚至最初是这样要求保护的，但在某些情况下，可以从要求保护的组合中删除一个或多个特征组合，并且要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变体。

已经描述了本主题的特定实施方式。对于本领域技术人员显而易见的是，所描述的实施方式的其他实施方式、改变和置换在所附的权利要求的范围内。尽管在附图或权利要求中以特定顺序描述了操作，但这不应被理解为：为了实现希望的结果，要求按所示出的特定顺序或按相继的顺序来执行这些操作，或者要求执行所有所示出的操作(一些操作可以被认为是可选的)。在一些情况下，多任务或并行处理(或者多任务和并行处理的组合)可以是有利的并且视情况来执行。

此外，在先前描述的实施方式中的各种系统模块和组件的分离或集成不应被理解为在所有实施方式中要求这样的分离或集成，并且应该理解的是，所描述的程序组件和系统一般可以一起集成在单个软件产品中或封装为多个软件产品。

因此，先前描述的示例实施方式不限定或限制本公开。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，其他改变、替换和变化也是可能的。

此外，任何要求保护的实施方式被视为适用于至少计算机实现的方法；存储计算机可读指令以执行所述计算机实现的方法的非暂时性计算机可读介质；以及计算机系统，该计算机系统包括与硬件处理器互操作地耦接的计算机存储器，所述硬件处理器被配置为执行所述计算机实现的方法或存储在所述非暂时性计算机可读介质上的指令。

Claims (20)

1.一种计算机实现的系统，包括：

井下工具，包括在与钻柱附接的井底组件中，所述井下工具被配置为在使用所述钻柱的钻井操作期间执行气体测量；

其中，所述井下工具包括：

壳体，被配置为容纳所述井下工具；

传感器，沿着所述壳体的外壁定位，所述传感器包括同轴谐振器；

电路，位于所述井下工具内部，所述电路被配置为实现所述井下工具的通信和操作；

至少一个处理器，被配置为将从所述传感器接收的散射参数11(S11)信号转换为介电常数值并且根据所述介电常数值确定信号特征；

存储器，用于存储由所述传感器收集的数据和由所述至少一个处理器确定的值；以及

传感器系统，监测在所述钻井操作期间产生的钻井泥浆的基线信号的变化，所述变化至少部分地基于根据所述介电常数值确定的所述信号特征；

以及其中，当在所述钻井操作期间所述井下工具检测到气涌事件时，所述井下工具提供与地面系统的通信。

2.根据权利要求1所述的计算机实现的系统，其中，所述井下工具的长度在五英尺到十英尺之间。

3.根据权利要求1所述的计算机实现的系统，其中，所述同轴谐振器的介电填充材料包括石英或蓝宝石中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的计算机实现的系统，其中，所述电路包括用于与地表上的系统通信的微波发射器和接收器。

5.根据权利要求1所述的计算机实现的系统，其中，所述电路包括窄带网络分析仪，所述窄带网络分析仪被配置为测量至少包括由所述传感器中的每一个接收的反射参数S11在内的一个或多个参数。

6.根据权利要求1所述的计算机实现的系统，其中，所述井下工具是旋转工具。

7.根据权利要求1所述的计算机实现的系统，其中，每个传感器具有不同的工作频率。

8.一种计算机实现的方法，包括：

操作包括在与钻柱附接的井底组件中的井下工具，所述井下工具被配置为在使用所述钻柱的钻井操作期间执行气体测量；

在所述井下工具的操作期间从沿着所述井下工具的壳体的外壁定位的传感器接收数据，所述传感器包括同轴谐振器；

操作位于所述井下工具内部的电路，所述电路被配置为实现所述井下工具的通信和操作；

使用所述井下工具中的至少一个处理器将从所述传感器接收的S11信号转换为介电常数值；

使用所述至少一个处理器根据所述介电常数值来确定信号特征；

将从所述传感器收集的数据和由所述至少一个处理器确定的值存储在所述井下工具的存储器中；

由所述井下工具的传感器系统监测在所述钻井操作期间产生的钻井泥浆的基线信号的变化，所述变化至少部分地基于根据所述介电常数值确定的所述信号特征；以及

当所述井下工具在所述钻井操作期间检测到超过阈值的气涌事件时，由所述井下工具提供与地面系统的通信。

9.根据权利要求8所述的计算机实现的方法，其中，所述井下工具的长度在五英尺到十英尺之间。

10.根据权利要求8所述的计算机实现的方法，其中，所述同轴谐振器的介电填充材料包括石英或蓝宝石中的一种或多种。

11.根据权利要求8所述的计算机实现的方法，其中，所述电路包括用于与地表上的系统通信的微波发射器和接收器。

12.根据权利要求8所述的计算机实现的方法，其中，所述电路包括窄带网络分析仪，所述窄带网络分析仪被配置为测量至少包括由所述传感器中的每一个接收的反射参数S11在内的一个或多个参数。

13.根据权利要求8所述的计算机实现的方法，其中，所述井下工具是旋转工具。

14.根据权利要求8所述的计算机实现的方法，其中，每个传感器具有不同的工作频率。

15.一种存储一个或多个指令的非暂时性计算机可读介质，所述一个或多个指令由计算机系统执行以执行操作，所述操作包括：

操作井下工具，所述井下工具包括在与钻柱附接的井底组件中，所述井下工具被配置为在使用所述钻柱的钻井操作期间执行气体测量；

在所述井下工具的操作期间从沿着所述井下工具的壳体的外壁定位的传感器接收数据，所述传感器包括同轴谐振器；

操作位于所述井下工具内部的电路，所述电路被配置为实现所述井下工具的通信和操作；

使用所述井下工具中的至少一个处理器将从所述传感器接收的S11信号转换为介电常数值；

使用所述至少一个处理器根据所述介电常数值来确定信号特征；

将从所述传感器收集的数据和由所述至少一个处理器确定的值存储在所述井下工具的存储器中；

由所述井下工具的传感器系统监测在所述钻井操作期间产生的钻井泥浆的基线信号的变化，所述变化至少部分地基于根据所述介电常数值确定的所述信号特征；以及

当所述井下工具在所述钻井操作期间检测到超过阈值的气涌事件时，由所述井下工具提供与地面系统的通信。

16.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述井下工具的长度在五英尺到十英尺之间。

17.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述同轴谐振器的介电填充材料包括石英或蓝宝石中的一种或多种。

18.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述电路包括用于与地表上的系统通信的微波发射器和接收器。

19.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述电路包括窄带网络分析仪，所述窄带网络分析仪被配置为测量至少包括由所述传感器中的每一个接收的反射参数S11在内的一个或多个参数。

20.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述井下工具是旋转工具。

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