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CN107075912A - 牙轮电阻率传感器 - Google Patents

牙轮电阻率传感器 Download PDF

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CN107075912A
CN107075912A CN201480082800.0A CN201480082800A CN107075912A CN 107075912 A CN107075912 A CN 107075912A CN 201480082800 A CN201480082800 A CN 201480082800A CN 107075912 A CN107075912 A CN 107075912A
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CN
China
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antenna
bit
loop antenna
drill bit
cone
Prior art date
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Application number
CN201480082800.0A
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English (en)
Inventor
R·T·海
B·都德睿希
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Halliburton Energy Services Inc
Original Assignee
Halliburton Energy Services Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Halliburton Energy Services Inc filed Critical Halliburton Energy Services Inc
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Abstract

根据本公开的实施方案，钻井系统包括牙轮钻头，所述牙轮钻头具有牙轮以及设置在所述牙轮中以用于检测指示所述地下地层、人造结构或者对象的目标、电阻率或边界的磁波或电磁波的至少一个环形天线。所述钻井系统可利用所述环形天线来确定所述钻头正穿过其钻探的地下地层的电阻率测量结果。所述牙轮中的所述天线的位置可实现提高的前瞻性和瞻顾性测量。另外，所述牙轮中的所述天线的所述位置可促进各向异性电阻率测量从而有助于使所述钻柱操纵到所述地下地层的所希望的部分中。

Description

牙轮电阻率传感器
技术领域
本公开总体上涉及钻井操作，并且更具体地涉及用于使用牙轮钻头对地层进行电阻率测量的系统和方法。
发明背景
烃类，诸如油和气体，常见地从可位于陆上或者海上的地下地层获得。从地下地层去除烃类中涉及的地下操作和工艺的发展典型地涉及许多不同步骤，例如像在所希望的井场处钻探井筒，处理所述井筒以便优化烃类的生产，以及执行必要步骤来生产并处理来自地下地层的烃类。
现代钻井操作要求精确的操纵控制和操作来使钻孔陷入薄层烃类储层中，同时避免不合乎希望的地层。此类操纵操作可要求钻孔起始于总体上竖直的轨迹并且在其接近于特定地层边界时转换成水平轨迹，以便陷入所希望的地层中。生成电磁波的工具可用来研究周围地层以便获得地层边界，但是在长距离处，由于典型地层中多个层的存在以及远离钻孔的低工具灵敏度，工具识别地层边界的效果有限。尽管电阻率传感器可设置在钻柱的井底钻具组件(BHA)中，但由于深度延迟，凭借BHA中的传感器将井筒精确布置到薄层储层中总体上仍然是困难的。缺乏准确的深度地层测量使得难以足够早地识别钻孔的地层边界以便有效地陷入所希望的地层中。
附图简述
为了更完全地理解本公开和其特征与优点，现结合附图来参阅以下描述，附图中：
图1是根据本公开的实施方案的两个牙轮钻头的透视图，其示出环形天线待设置在钻头上的各个位置；
图2是根据本公开的实施方案的其上设置有环形天线的两个牙轮的示意性透视图；
图3是根据本公开的实施方案的牙轮中设置有环形天线的牙轮钻头的示意性剖视图；
图4是根据本公开的实施方案的设置在图3的牙轮中的环形天线的示意性剖视图；
图5是根据本公开的实施方案的设置在图3的牙轮中的天线短截线的示意性剖视图；
图6是根据本公开的实施方案的设置在图3的牙轮中的滑环组件的示意性剖视图；
图7是根据本公开的实施方案的耦接到仪器接头的图3的钻头的示意性剖视图；
图8是根据本公开的实施方案的利用其中设置有环形天线的牙轮钻头的钻井系统的示意图；
图9是根据本公开的实施方案的利用其中设置有环形天线的牙轮钻头的钻井系统的框图；
图10是例示根据本公开的实施方案的具有一根接收天线的牙轮钻头的灵敏度测量的一系列图；
图11是例示根据本公开的实施方案的具有一根接收天线的牙轮钻头的灵敏度测量的一系列图；
图12是例示根据本公开的实施方案的具有一根接收天线的牙轮钻头的灵敏度测量的一系列图；
图13是例示根据本公开的实施方案的具有一根发送天线和一根接收天线的牙轮钻头的灵敏度测量的一系列图；
图14是例示根据本公开的实施方案的具有一根发送天线和一根接收天线的牙轮钻头的灵敏度测量的一系列图；
图15是例示根据本公开的实施方案的具有一根发送天线和一根接收天线的牙轮钻头的灵敏度测量的一系列图；
图16是例示根据本公开的实施方案的具有一根发送天线和一根接收天线的牙轮钻头的灵敏度测量的一系列图；并且
图17是例示根据本公开的实施方案的具有一根发送天线和一根接收天线的牙轮钻头的灵敏度测量的一系列图。
具体实施方式
本文详细描述本公开的说明性实施方案。为了清晰，并非实际实现形式的所有特征都在本说明书中进行描述。当然，应了解，在任何这种实际实施方案的开发中，必须做出大量实现方式特定的决策来实现开发人员的特定目标，诸如符合系统相关约束和业务相关约束，所述目标在不同实现方式间将有所不同。此外，应了解，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但是仍将是受益于本公开的本领域一般技术人员的常规任务。此外，以下实例决不应被理解为限制或限定本公开的范围。
根据本公开的某些实施方案可涉及钻井系统，所述钻井系统使用其中设置有环形天线的牙轮钻头来实现待根据钻头进行的某些测量。例如，钻井系统可利用设置在牙轮钻头中的一根或多根天线来实现地下地层的电阻率测量。两根天线总体上用来进行此类电阻率测量。一根或多根天线充当基于供应给发送天线的电流将电磁能发送到地层中的发送器。一根或多根天线充当接收或截获反射出地层的电磁能的一部分的接收器并且输出来自发送阶段的电压和相位差以供测量。
根据钻头进行电阻率测量对于实现恰当的“前瞻性”和“瞻顾性”电阻率感测可能是重要的。前瞻性感测是指在降低钻井系统以钻探井筒时钻井系统检测位于钻头之前的位置处的地层的某些特性的能力。瞻顾性感测是指钻井系统检测围绕井筒被钻探部分的位置处的地层特性的能力。
现有系统典型地利用构建到设置在钻柱的井底钻具组件(BHA)内的随钻测井(LWD)或随钻测量(MWD)模块中的电阻率感测系统。此类模块位于钻柱中的钻头上方，并且因此直到钻头已经被移动到超过所述点才会达到钻头正钻探到井筒中的深度。例如在一些实例中，LWD或MWD模块中的感测设备直到钻头已经在那里钻探约5至6小时之后才可能会达到钻头正钻探到其中的深度。此时间差在钻探斜井时可能会更加糟糕。MWD/LWD模块中的现有电阻率传感器典型地不具有用来执行电阻率测量以便基于所述测量提供在钻井进程中作出实时变化所需的所希望的前瞻性和瞻顾性测量结果的天线中的视野深度。然而，在本发明的实施方案中，用来执行这些测量的天线可直接位于钻头处。从此位置天线不再需要如此大的视野深度，并且因此可提供借以实时调整钻井参数的更准确的前瞻性和瞻顾性电阻率测量结果。
并且，设置在牙轮钻头中的一根或多根天线可用来检测钻柱穿过其下降的地层的电阻率。电阻率测量可告知改变钻井进程或调整各种其他钻井参数以便更有效地钻井的某些决策。由于地层中的每种材料具有特定电阻率，因此电阻率测量可为钻井操作者提供有关地层材料的信息。
电阻率测量还可提供有关地层中各向异性的量的信息。也就是说，地层可包括不同类型的岩石层、沙层、页岩层和其他材料层。层在厚度以及它们延伸的方向上可不同。在一些钻井操作中可能合乎希望的是确定地层的各向异性方向。各向异性方向是指钻柱可穿过地层行进以使得其快速地穿过若干不同层的地层的方向。在一些地层中，这可以是大致竖直方向，而在其他地层中其可以是更偏斜的方向。在各向异性方向上进行钻井可使钻井系统能够更有效地穿过地层以便找出所希望的地层区段进行生产。当找出所希望的地层时，可能合乎希望的是随后在一定方向(例如，各向异性方向)上操纵钻头从而使钻柱的较大部分与地层对齐。
牙轮钻头的几何结构可能特定适合用于收集用来确定地下地层中的各向异性的电阻率测量结果。确切地，此类型钻头上的牙轮在其延伸到井筒中时往往被安装在相对于钻头本身的轴线的倾斜取向上。通过在钻头的倾斜牙轮部分中提供环形天线，环形天线可提供不同深度地层的电阻率测量结果以及围绕钻头的地层的不同径向位置。可解释这些测量结果以确定可指示各向异性的地层电阻率的变化。另外，可使用设置在牙轮钻头中的少到刚好一个环形天线来执行此类测量。
牙轮钻头中的天线的其他应用可包括使用钻头中的电阻率传感器作为磁或电磁测距系统。这种测距感测是指检测钻井系统距地层或附近目标的边界的远近。例如，可在钻头处利用电磁或磁测距以便遵循现有钻孔或者在井喷的情况下贯穿现有钻孔以便钻探减压井。在其他操作中，电磁或磁测距可实现钻柱与地层边界的相对操纵或者地层电阻率值，以便使钻柱维持在含油区域中而不是含水层中行进。通过设置在牙轮钻头中的天线进行这些测量可给予操作者更多的空间来在试图贯穿井时做出调整或者遵循油层边界。
如以上所提及的，一个或多个环形天线可设置在牙轮钻头中。牙轮钻头可包括设置在其中的一个或多个牙轮，所述一个或多个牙轮可旋转耦接到钻头的静止部分(例如，轴颈臂)以便更有效地从地层切掉岩石。也就是说，牙轮可被附接到轴颈臂，其方式为使得牙轮能够相对于钻头的轴颈臂旋转。牙轮钻头(插入和臼齿变型两者)典型地被认为是固定刀头(诸如聚晶金刚石复合片(PDC)钻头)的廉价替代。另外，在一些岩石类型中，运行牙轮钻头比运行PDC钻头更具经济效益。因此，具有传感器和其他仪器的PDC钻头是提供任何所希望的前瞻性、瞻顾性电阻率测量结果的相对昂贵的方式。所公开的牙轮钻头总体上比固定刀头制造某些井筒并且在其内操作更加便宜。本文所公开的实施方案提供一种牙轮钻头，其具有设置在钻头的牙轮部分中的环形天线，以便根据钻头执行特定类型的电阻率或磁测距测量。
在所公开系统的一些实施方案中，牙轮钻头可刚好包括接收环形天线。例如，设置在钻井系统(例如，BHA)的上部部分中的发送天线可将电磁波发送到地层中，并且设置在牙轮钻头中的环形天线可从地层截获所述波以便提供测量结果。这可使系统能够提供在接近钻柱底部的点处的电阻率检测，而无需在可替换的钻头部分中设置额外的电子部件。
在其他实施方案中，牙轮钻头包括发送发送环形天线和接收环形天线两者。可能合乎希望的是将这些发送和接收环形天线相对于彼此定位在钻头内的某些位置中。例如，发送和接收天线可相对于彼此设置在正交取向上。也就是说，环形天线中的一个所定向的平面可大致垂直于另一个环形天线所定向的平面。因为电磁波能够从发送器传播到地层中而不是从发送天线径直穿过接收器，所以此正交传感器布置可增大电阻率的动态测量范围。
发送天线和/或接收天线在牙轮钻头中的不同布置可促进适用于钻探不同类型地层的电阻率测量。如以下详细描述的，一些传感器布置可实现围绕钻头的小局部范围内非常高灵敏度的电阻率测量，而其他传感器布置可实线具有更大范围但分辨率较低的测量。另外，一些传感器布置可提供钻头一侧上的更详细的电阻率测量(例如，方位角测量)。此类布置可特别适合用于钻探地层，其中合乎希望的是集中在地层中的一个岩石区上。
图1例示一对牙轮钻头10，其沿着牙轮钻头10的不同点处配备有感测部件。确切地，这些感测部件可包括环形天线，所述环形天线围绕牙轮钻头10的某些位置12设置以便提供所希望的电阻率测量或磁测距测量结果。这些位置12可包括但不限于钻头10的牙轮14、钻头10的侧表面16上、或者围绕钻头10的底座的圆周18。
尽管每个牙轮钻头10中例示三个牙轮14，但此类钻头10的其他实施方案可包括一至六个或者更多个牙轮14。此类牙轮钻头10上的某些位置12可提供适于布置环形天线的几何结构。例示的实施方案示出用于环形偶极电磁波天线的若干可能的但未限制的位置12。具体地，天线可沿着围绕钻头10的牙轮14中的一个的环12A设置。因为当在钻头10上施加力时，来自井底的对钻头10的外力确实可能不会直接冲击钻头10的所述部分，所以此位置12A可以是放置倾斜或离轴环形天线的特别合乎希望的位置。另外，如以上所提及的，天线在此位置12A中的倾斜取向可使钻井系统能够使用设置在牙轮14上的单个环形天线对地层进行各向异性测量。在一些实施方案中，牙轮14的最外的环位置12A可表示提供其上放置的增强的耐用性和生存性的环形天线的位置。
应注意除牙轮14上的环12A之外，可利用钻头上的其他位置12。例如，在其他实施方案中，环形天线可设置在钻头柄(12B)上、围绕钻头的主体(12C)、和/或围绕钻头10的流动喷嘴。
在一些实施方案中，多个环形天线可设置在牙轮14的相同外面20上，此面20被设计来在钻井操作过程中接触井筒的井底以便推进井筒。在钻头10的此类实施方案中，多个环形天线中的每一个可突出不同的直径，这是因为可形成在牙轮14中以供根据所希望的位置12A插入天线的凹槽或者适应牙轮14上的设计来与其他牙轮14啮合的铣成齿。因此，由于用来适应相邻牙轮14的入齿和凹槽的定位，钻头面20上的一些天线可具有不同的大小。然而，只要设置在其特定位置12中的天线中的每一根的直径是已知的，这些位置12就可充当天线站点以供电阻率传感器提供测距或邻近度感测。
图2例示另一个实施方案，其示出可用于将天线24放置在牙轮钻头10上的其他位置12D。在示意图中，示出以某些环形路径12D放置天线24的牙轮钻头10的两个代表性牙轮14。未例示牙轮齿以便提供简化图。如图所示，每个环形路径12D可主要切过牙轮14的直径26，从而遵循总体上循着牙轮14的外面20的形状。当路径12D到达牙轮14的圆形面28时，其随后可沿着围绕面28的圆周路径30成环以便完成线圈。在沿着此圆周路径30的某一点处，沿着线圈的天线24中可存在缺口32以将天线导线连接到天线24。然而，应注意在其他实施方案中天线24中的缺口32可发生在沿着天线路径12D的任何所希望的点处。
现在已经描述了用于所公开的钻头系统的环形天线24在牙轮14上的一般布置，将提供钻头系统部件的更详细描述。图3示意性地例示可存在于牙轮钻头10中的牙轮14和柄50的剖视图。如图所示，牙轮14可突出上述用于执行所希望的电阻率测量的环形天线24。确切地，环形天线24围绕牙轮14的背部部分52(与牙轮14的撞击井筒的部分相对)圆周地设置。然而，应注意在其他实施方案中，天线14可沿着牙轮14的其他直径设置并且可未必遵循圆形路径，这取决于牙轮天线或者钻头体上的天线的所希望的一般路径方向的几何结构。非圆形路径可例如通过使天线围绕齿插入件布线(这可形成更加不规则的环形路径)或者使天线围绕杆布线(这由于杆形状的原因而可以是更加卵形的)形成。总体上，尽管所有天线可具有环形路径，这意味着天线的起点和终点将至少部分地围绕某一路径成环并且总体上返回到接近天线的另一端的起始点的位置。
在一些实施方案中，钻头10可包括杆50、牙轮14、连接到平衡活塞或隔膜(未示出)的静水压平衡通道54、轴颈臂56、牙轮滑环和电子组件58、滚珠轴保持环60、滚珠轴承保持器(未示出)和保持销62。杆50可为牙轮14提供结构支撑并且可将例示的牙轮14耦接到钻头10的其他类似牙轮14。滚珠轴承保持环60和滚珠轴承保持器可用来使轴承在轴颈臂56与牙轮14之间固持在位，从而允许牙轮14在钻井过程中相对于轴颈臂56旋转。穿过杆50的静水压平衡通道54可提供用于将油从隔膜泵按制定路线输送至保持环60中的滚珠轴承的路径。保持销62可使压力平衡通道54与钻头10外的压力密封以便在将轴承组装到钻头10中之后使通道54维持在静水压下。额外的O形环密封件64可设置在轴颈臂56与牙轮14之间。
设置在牙轮14中的环形天线24可包括用于将天线导线的相对端连接到用来执行电阻率或磁测距计算的其他电子部件的两个端部66(仅一个可见)。端部66中的每一个可通过牙轮14耦接到相应导线68，所述相应导线68可在环形天线24与其他电子部件之间发送电子信号。如图所示，这些导线68可穿过牙轮14的牙轮滑环和电子组件58布线。例如，牙轮14可包括通道72，所述通道72被机加工到牙轮14中并且密封到其内以便促进用于导线68从环形天线24引向牙轮滑环和电子组件58的路径。通道72可包括形成在通道72的端部中插塞74，所述插塞74否则将延伸出牙轮14。应注意例示的实施方案是具有用于进行电阻率和其他测量的嵌入式环形天线24的牙轮14的一个实例，并且在其他实施方案中可存在其他类型、形状和布置的牙轮14。
如以下详细描述的牙轮滑环和电子组件58可使信号能够从旋转的牙轮14发送至相对静止的轴颈臂56。在一些实施方案中，牙轮滑环和电子组件58可包括设计来滤波和/或放大或者以其他方式更改发送至或来自环形天线24的信号。额外的导线70可耦接到牙轮滑环和电子组件58与牙轮14相对的端部并且用来进一步向钻头10附接到其的井底钻具组件(BHA)上方发送去往或来自另一个电子组件的信号。为此，这些导线70可穿过已经存在的压力平衡通道54。因为不必对额外的通道进行机加工以携载导线70穿过杆50，所以这可简化牙轮钻头10的组装。
图4例示环形天线24置于牙轮14的边缘内的天线组件110的剖视图。应注意天线组件110的其他布置可用来使所公开的环形天线24包含在牙轮14的其他实施方案内。在例示的实施方案中，天线组件110包括环形天线24、聚焦元件92、模制部件112(例如，灌注材料)和铁氧体棒114。
聚焦元件92可以是环形天线24的设置在形成在主体116中的凹槽中的径向聚焦元件92。径向聚焦元件92可有助于聚焦电磁场并且为环形天线24提供防腐保护。径向聚焦元件92还可为环形天线24提供某种结构支撑。聚焦元件92可由金属制成并且在一些实施方案中可涂布有电介质以防止其允许涡旋流流遍牙轮14的背面52。在其他实施方案中，可通过使用3D金属打印机来打印主体116内的聚焦元件92使聚焦元件92与牙轮14的主体116成整体。在其他实施方案中，聚焦元件92可以是未绝缘的并且与牙轮主体116电接触。
在例示的实施方案中，环形天线24是中空管。然而，在其他实施方案中，环形天线24可包括实心管。环形天线24可由金属制成，所述金属诸如钛、铜、银、金属合金或者某种其他导电材料。在一些实施方案中，环形天线24可由层叠材料制成，所述层叠材料诸如不锈钢的具有更高导电性的一层覆盖的另一种材料的核心。例如，覆盖层可由铜、银、石墨烯、碳纳米管或者任何其他合适导体构造而成。覆盖层基于环形天线24的预期操作最小频率可覆盖有所希望的厚度。除了核心和覆盖层之外，一些环形天线24还可涂布有电介质层以防止天线上的电流并且降低特别是在牙轮14损坏的情况下牙轮14电流短路的任何可能性。因此，电介质涂层可为环形天线24提供冗余的保护层。电介质涂层可包括一层聚醚醚酮(PEED)诸如Arlon 1000、聚四氟乙烯(PTFE)、尼龙、特氟龙或者某种其他合适绝缘体。
通常来说，传统牙轮钻头中使用的材料由制造相对廉价的高强度金属(诸如铁基合金钢)制成。然而，在一些实施方案中，牙轮主体116和/或钻头体可由非磁性材料制成，所述非磁性材料诸如P550、或铬镍铁合金、钛、镍钴合金钢或者某种其他非磁性金属或金属合金。通过由非磁性材料制造牙轮和/或钻头体，有可能降低天线24在通过注入到环形天线24中的AC电流激励将电磁波驱动到其周围环境中时将经历的电感。牙轮14的一些实施方案还可突出从主体116延伸以便切入地层中的插入件118。此类插入件118可由任何合乎希望的硬质材料形成，所述硬质材料诸如具有非磁性黏结料(除纯钴之外)的多晶金刚石复合片(PDC)或碳化钨插入件。如果牙轮主体116是非磁性的，如以上所描述，那么天线组件110可受益于围绕环形天线24的至少一部分设置的铁氧体(例如，铁氧体棒114)或其他高磁性可渗滤材料。此铁氧体棒114可增强由流动穿过环形天线24的电流生成的H场强(磁场强度)。这实际上可增大电感而使其返回到信号的磁路所更希望的大小。因而，根据所希望的频率，如果以所希望的频率调谐天线24的共振和/或诸如通过由含铁材料制造牙轮来在环形天线24中添加铁氧体或者其他含铁材料，那么可能合乎希望的是对钻头使用一些含铁部分。
例示的模制材料112可用来填满天线组件110的部件之间的空间，以便防止钻屑和流体进入天线区。在一些实施方案中，模制材料112可包括注塑模制到围绕环形天线24、铁氧体棒114的空间中并且抵靠聚焦元件92的塑性材料(例如，环氧树脂、陶瓷、橡胶、尼龙、特氟龙或PEEK)。在其他实施方案中，模制材料112可被构造为稍后被插入以填充牙轮14内的额外区的固体部分。可使用的来自模制材料112的其他材料包括橡胶或者任何其他非导电材料。
图5和图6例示可存在于牙轮14中的部件的更详细视图。例如，图5集中在环形天线24的一个端部130的天线标杆插入点上。例示的实施方案包括如上所述的两根导线68。如剖视图所示，导线68中的一根连接到天线端部130，而另一根延伸到朝向另一个环形天线端部(未示出)的面中。应注意尽管环形天线24的一个端部130处仅示出一个插入点，但类似布置可存在于环形天线24的相对端。导线68可以是任何所希望类型的导体。这些导线68可被布线至牙轮14的止推轴承区中的滑环，如以下所详细描述。在一些实施方案中，环形天线24的一个端部可地接到牙轮主体116，以使得只有一根绝缘导线68被连接到环形天线24的另一个端部以通过天线输送电流。然而，此技术可能会限制控制电流的流动路径的能力并且因此限制环形天线24内的电磁辐射的方向。尽管例示为平行导线68，但耦接到环形天线24的端部的两根导线68可设置在双股电线(诸如双绞电缆或同轴电缆)内。
如以上所提及的，导线68可遵循穿过牙轮14的主体116的路径预加工或预形成的通道72。通道72可在形成主体116的底座金属的浇铸、3D打印或者放电机加工(EDM)构造过程中形成。在其他实施方案中，通道72可被钻探为进入主体116中的洞。在此类实例中，可能希望使通道72彼此相对超过以确保通道72与彼此的完全贯穿132。通道72可形成路径以便于导线68从牙轮14的滑环部分横越至环形天线端部130。
在构造牙轮14的过程中，可能合乎希望的是使用流体诸如润滑流体替换来自通道72的所有空气，以使得压力补偿活塞或隔膜可用来在钻头被下降到井筒中时使牙轮流体润滑区内的流体与外部井筒压力保持压力平衡。这可允许旋转密封件在平衡压力情形下操作，由此提高旋转密封件的寿命。对穿过通道72的空气的这种替代还可通过使用填充材料134(诸如固化塑料或陶瓷环氧树脂、橡胶或塑料注塑)灌注路径来实现。在此情况下，流体连通路径可形成在通道72与牙轮轴承区之间，所述牙轮轴承区已经与如上所述的牙轮14的压力平衡系统处于流体连通。
如图所示，导线68可遵循由通道72限定的路径以便连接到天线端部130。天线端部130可包括大致垂直于环形天线24本身突出的天线短截线136。在一些实施方案中，导线68可通过接头耦接到天线短截线136。然而，在例示的实施方案中，导线68的裸导线部分可通过形成在天线端部130内的焊接凹槽138直接焊接到天线短截线136。
在一些实施方案中，天线短截线136可被安置到电绝缘标杆载体140中。此载体140可由例如PEEK材料或者某种其他类型的可加工塑料制成。载体140可包括其上的密封件142以防止钻井液进入天线组件110或通道72的背侧。具有电介质绝缘涂层的保持器盖144，诸如上述聚焦元件92，可用来使环形天线24固持在位。保持器盖144可通过形成在其中的安装槽145安装在牙轮14中。保持器盖144随后可由小螺栓或其他紧固件(未示出)紧固。在其他实施方案中，保持器盖144可通过任何其他合乎希望的紧固方法(包括但不限于钎焊、焊接或胶合)紧固到牙轮14。其他灌注材料134可设置在保持器盖144与环形天线24之间的空间中以便填满组件并且还有助于将保持器盖144绑定到牙轮14。
图6详细例示轴颈臂56与牙轮14之间的界面，集中在除其他部件之外的牙轮滑环和电子组件58上。通过通道72从环形天线24布线的导线68可馈送到紧固(例如，螺接)至牙轮主体116的接头150中。导线68随后可馈送到用于每根导线68的单独导体环152。弹簧触头154可围绕相应导体环152中的每一个设置以容许弹簧触头154与导体环152之间的电接触。因此，当牙轮14在钻井过程中相对于轴颈臂56旋转时，电接触可被维持在环形天线24的导线68与钻头10的轴颈臂侧上的电气部件之间。
弹簧触头154可耦接到非导电弹簧载体156。弹簧载体156可由PEEK(诸如Arlon1000)构造而成，这是因为所述PEEK是不导电的可加工塑料，尽管在其他实施方案中也可使用其他材料。弹簧载体156可沿着轴颈臂56的止推轴承面157设置并且通过紧固件、螺纹或化学粘合工艺紧固到轴颈臂56以确保弹簧载体156不会相对于轴颈臂56旋转。弹簧载体156的这种不合乎希望的旋转将导致绝缘导线158引向远离弹簧载体156而断裂。弹簧载体156还可包括其上设置的密封件160，用于维持轴颈臂56与弹簧载体156之间的空间中的所希望的压力。在一些实施方案中，弹簧载体156还可配备有设置在可旋转滑环部件与静止弹簧载体156之间的滑动片载体162。弹簧触头154可在沿着弹簧载体156的滑环弹簧紧固件点164处紧固到弹簧载体156。
应注意可利用若干其他技术来实现跨以不同速度旋转(或者在此情况下一个静止而另一个旋转)的两个主体的电气传输。例如，在一些实施方案中，系统可利用两个电线圈的电感耦合来像互感器一样相互诱导电能从一个线圈至另一个线圈。在其他实施方案中可使用其他形式的滑环。另外，可使用环形线圈耦接，在其中形成内部电气触点以促进在两个环形线圈之间施加能量耦合的局部回路电流。然而，例示的滑环实施方案可特别适合用于牙轮钻头10以提供所希望大小约束内的相对明显的连接。
根据井下或预延伸的可选择天线配置，引向远离弹簧载体156的绝缘导线158可相当于接收天线或发送天线。在环形天线24被配置来操作为接收天线的实施方案中，额外的电子部件可设置在轴颈臂56中以在钻头10处实现电信号的处理。如图所示，导线158可穿过馈通接头(或压力盖罩)166到达轴颈臂56中的电路板168。电路板168可包括带通滤波器、用来增强所感测信号强度的预放大或放大器电路、以及可改善被选择性调谐或固定成传感器系统发送器的发送频率的接收天线的反应的阻抗匹配电路。在一些实施方案中，电路板168还可包括数字电路，所述数字电路可被利用来将从导线158发送的所感测模拟信号转换成待递送至传感器控制器的数字回波信号。
在一些实施方案中，组件可包括承载所有导体引线远离电路板168的屏蔽的传感器电缆170。传感器电缆170中的引线可承载去往和来自电路板168的电力、地线和传感器信号。传感器电缆170在穿过额外的压力盖罩172时可沿着路径或通道174行进穿过钻头10(例如，穿过图3的压力平衡通道54)到达分离的传感器控制器系统以供进一步处理。以下将详细描述传感器控制器。
在例示的实施方案中，电路板168总体上设置在形成在压力盖罩166与172之间的压力容器176中。盖罩166和172可包括维持容器176内所希望的压力以支持电路板168上的电子设备的正常运作的密封件。
应注意在轴颈臂56的此位置使用电子设备(确切地电路板168)是任选的。在其他实施方案中，可能合乎希望的是通过设置在钻头10中的导线68和158而无需任何介入电子处理将来自环形天线24的信号从环形天线24一直发送到传感器控制器。然而，通过在钻头10中包括这些小型辅助电子设备(例如，电路板168)，可能提高来自天线的传感器信号的信噪比，所述信噪比否则将在从钻头10至传感器控制器的距离内变差。因此，可能合乎希望的是使用电路板168中的AC/DC转换器来在钻头10的此部分处(如果空间容许)数字化所接收的传感器信号，因为这种数字化可提高传感器的准确度。数字滤波器根据需要还可包括在电路板168中，以便进一步优化所接收的信号。然而，应注意此类信号滤波器可在稍后任意时刻沿着从钻头10至传感器控制器的位流应用而不会发生由于距离导致的信号保真度丢失。
尽管具有上述电子设备的电路板168被例示在钻头10的轴颈臂部分中，但在其他实施方案中电路板168可在传感器信号传递穿过滑环之前被设置在牙轮14内的位置178处。在另外其他的实施方案中，电路板168和对应电子设备可与环形线圈一起设置在牙轮14中，所述环形线圈能够通过局部回路电流与进一步向钻头10上方设置或者设置在BHA的另一部分上的另一个环形线圈通信。在此类实施方案中，例示的滑环组件可能是不必要的，这是因为经处理传感器信号能够被从牙轮14直接传达到传感器控制器。
现在已经总体上描述了用来将来自环形天线24的传感器信号通过牙轮钻头10传达的部件，将提供用来在牙轮14与传感器控制器之间传达这些信号的部件的详细描述。传感器控制器可在钻头10中或在近钻头接头中。
图7是根据本公开的方面的具有环形天线24的牙轮钻头10的图，其中用于环形天线24的相关联传感器控制器190位于耦接到钻头10的螺纹端部194的仪器接头192中。像上述钻头10一样，环形天线24位于旋转耦接到轴颈臂56的牙轮14中。并且，钻头10可包括用于将来自牙轮14内的环形天线24的传感器信号发送到轴颈臂56中以及滤波和/或数字化信号的滑环和电子组件58。轴颈臂56可从耦接到钻头10的钻头体198的支腿196延伸，并且可通过导线或电缆170可通信地耦接到传感器控制器190和相关联电子设备200。在其他实施方案中，包含环形天线24的牙轮钻头10还可包括其中的一些或所有相关联电子设备200，而不是将其包含在外部位置诸如接头192中。
在所示实施方案中，电缆170的第一部分将滑环和电子组件58耦接到支腿196上的接头202，并且电缆170的第二部分将钻头体198上的接头204耦接到另一个接头206。当支腿196被耦接到钻头体198时，接头202可被定位成与接头204对准，并且可有助于将支腿196从钻头体198移除，尽管支腿196并不一定是可移除的。当支腿196与钻头体198成整体时，接头202和204可被省略，并且单根连续的电缆170可从滑环和电子组件58穿过支腿196和钻头体198延伸到接头206。
接头206可提供界面以通过电缆170将环形天线24可移除地耦接到仪器接头192中的传感器控制器190。在所示实施方案中，接头206可包括柱塞式接头206，其中接头206的凹形部分被耦接到电缆170并且还通过钻头体198的内腔209中的锁环/凹槽接合208耦接到钻头10。相反，接头206的凸形部分通过电缆210耦接到传感器控制器190和其他相关联电子设备200，通过保持器环和紧固件212耦接到接头192并且被对准以当仪器接头192耦接到钻头10时与凹形部分接合。凸形和凹形部分相对于钻头10和接头192的相对位置可被切换，正如凸形和凹形部分分别耦接到钻头10和仪器接头192的方式那样。同样地，其他接头类型和配置是可能的，包括位于钻头体198的内腔214外部的电感耦合。
在所示实施方案中，相关联电子设备200可包括传感器控制器190以及位于密封外壳218内的电源216。密封外壳218可保护相关联电子设备200免于穿过接头192的内部钻孔220的钻井液流，如以下将详细描述。传感器控制器190和电源216均可通过电缆210耦接到接头206。电源216可包括储能元件(诸如电池组)或发电元件(诸如涡轮机)等。
例如在一些实施方案中，电源216可包括发电机，所述发电机包括具有附接到其外表面并且定位在对应线圈内的交变极性的永磁体的涡轮机。穿过内部钻孔220的钻井液流可致使涡轮机旋转并且产生由于永磁体的交变极性而有待在线圈内生成的电流。在某些实例中，电源216可包括储能元件，诸如可再充电电池组或超级电容器，其被耦接到线圈以便存储由线圈生成的能量并且当涡轮机不旋转时将所存储能量提供给γ射线检测器。在某些实施方案中，相关联电子设备200还可包括耦接到电源216的高压电源，通过所述高压电源将来自电源216的电力从线圈直接地或者通过储能元件从线圈间接地供应给环形天线24或者钻头10中的其他电子部件。在本公开的范围内可使用其他类型、组合和配置的发电机和存储元件，包括耦接到中心轴发电机的叶片涡轮机。另外，本文所描述的发电机可被适配用于上述钻头10中。
来自电源216的电力可通过电缆210和170提供给环形天线24和/或滑环和电子组件58。在某些实施方案中，电源216可耦接到电缆210和170并且因此可通过高压电源222耦接到天线和相关联钻头电子设备。传感器控制器190可执行以下中的一些或所有：通过电缆170和210从天线24接收传感器信号；存储、处理和/或发送所接收传感器测量结果至另一个控制单元；以及通过电缆170和210将控制信号发送到环形天线24和/或钻头电子设备。如本文所用，控制单元可包括装置，所述装置包含可通信地耦接到非暂态计算机可读存储装置的至少一个处理器，所述非暂态计算机可读存储装置包含一组指令，所述一组指令在被处理器执行时致使其进行某些行动。示例性处理器包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或者配置来解释和/或执行程序指令和/或处理数据的任何其他数字或模拟电路。
在某些实施方案中，相关联电子设备200可包括其他电气元件，诸如至少一个附加传感器。在所示实施方案中，至少一个附加传感器包括陀螺仪224和磁力仪226，它们两者均被耦接到传感器控制器190。传感器控制器190可从环形天线24、陀螺仪224和磁力仪226中的所有接收测量结果。当在环形天线24处进行测量时，来自陀螺仪224和磁力仪226的测量结果可识别接头192和钻头10的旋转取向。在某些实施方案中，传感器控制器190可通过将这些测量结果与钻头10的对应旋转取向相关联来处理从环形天线24接收到的测量结果。
在某些实施方案中，相关联电子设备200还可包括通信系统，用于允许传感器控制器190将环形天线24的所接收和/或经处理测量结果发送至另一个控制单元以供存储或处理。在所示实施方案中，通信系统可包括耦接到传感器控制器190的通信界面228以及耦接到所述界面228并且定位在接头192的外表面上的环形线圈230。环形线圈230可以是可用来使用经调制电磁(EM)信号形成短距离遥测系统以便于双向数据传输的一对环形线圈中的一个，同时另一个环形线圈远离环形线圈230一定的短距离(诸如30英尺)定位或者定位在钻柱中的另一点处。钻柱中的所述另外的点可包括围绕井口的表面位置，以用于长距离遥测系统的EM遥测的方式。还可使用接近井口的地线中的电极以及从井口和电极延伸到地面EM收发器的导线在地面上采用其他方法以进行双向通信。尽管示出短距离EM遥测系统，但在其他实施方案中可使用其他类型的通信系统，包括接头被集成到接头192中的有线通信系统，其他长距离或短距离遥测系统，使用听觉、扭矩或泥浆脉冲通信机构，或者两个或更多个遥测系统的组合。遥测系统的组合可同时并行地实现或者以从一个遥测格式到另一个遥测格式的转化方法实现，所述转化方法诸如将EM或听觉短距离遥测转化成去往和/或来自地面的泥浆脉冲长距离遥测。
图8是根据本公开的方面的结合用于电阻率或磁测距检测(未示出)的牙轮钻头10、环形天线24的示例性钻井系统270的图。钻井系统270可包括定位在地面274处的钻井平台272。在所示实施方案中，地面274包括地层276的包含一个或多个岩石层或岩层278的顶部，并且钻井平台272可与地面274相接触。在其他实施方案中，诸如在场外钻井操作中，地面274可通过一定体积的水与钻井平台272分离。吊杆280可由钻井平台272支撑并且具有用于使钻柱284上升和下降通过由钻头10产生的井筒286的行进块282。
钻头10可被耦接到钻柱284并且由井下电机和/或旋转台、方钻杆对钻柱284的旋转驱动或者通过顶部驱动进行驱动。在所示实施方案中，钻头10通过包含用于钻头10中的环形天线24的相关联电子设备的仪器接头192耦接到钻柱284。所述相关联电子设备包括与上述那些类似的短距离EM遥测系统的环形线圈230。在其他实施方案中，可使用钻头10，其中相关联电子设备位于钻头10中。泵可通过进料管道将钻井液循环到方钻杆，向井下通过钻柱284的内部，通过钻头10中的孔口，经由围绕钻柱284的环290回到地面，并且进入保持坑中。钻井液将钻屑从井筒286输送到坑中，并且帮助保持井筒286的完整性。
钻井系统270还可包括在钻头10附近耦接到钻柱284的井底钻具组件(BHA)292。BHA 292可包括各种井下测量工具和传感器，诸如LWD/MWD工具294以及遥测系统296和井下电机298。与仪器接头192中的环形线圈230对应的环形线圈300可位于BHA 292的控制单元内并且耦接到所述控制单元，并且可在BHA 292与仪器接头192之间形成EM遥测信道302。在所示实施方案中，环形线圈300被耦接到LWD/MWD工具294，尽管这种配置是不需要的。
LWD/MWD工具294可包括不同类型的传感器，所述不同类型的传感器可收集总体上围绕工具294和BHA 292的地层276的测量结果。在某些实施方案中，LWD/MWD工具294可包括耦接到传感器的控制单元(未示出)，所述控制单元从传感器接收测量结果并对其进行存储、处理测量结果和/或将这些测量结果发送到钻井系统中的不同控制单元。在所示实施方案中，环形线圈300可被耦接到LWD/MWD工具294内的控制单元，并且控制单元可将环形线圈300看作LWD/MWD工具294中的另一个传感器并且将通过环形线圈300接收的信号看作环形线圈300的对应测量结果。因为通过环形线圈300接收的信号相当于由环形天线24生成的电信号，所以LWD/MWD工具294的控制单元可有效地将环形天线24看作LWD/MWD工具294的电阻率传感器，即使检测器位于钻头10中也同样如此。
井下电机298可包括井下泥浆电机，所述井下泥浆电机响应于穿过钻柱284的钻井液流生成转矩并且将所述转矩施加给钻头10。在所示实施方案中，井下电机298还包括致使钻头10相对于钻柱284以一定角度钻探的弯折外壳304。在某些实施方案中，弯折外壳304可以是可调整的，使得可在井下改变钻井角度，从而允许在钻井工艺过程中“操纵”钻头10。在其他实施方案中，除了电机298和弯折外壳304之外或者替代地可使用分离的操纵工具或装置来操纵钻头10。例如，当钻头10处的转矩由旋转台或顶部驱动通过钻柱284而不是通过电机298生成时，指向钻头和推动钻头类型的旋转式可操纵系统中的一个或多个可用来改变钻头10的角度。钻头10可被操纵来贯穿包含烃类的地层278中的一个，避免某些所不希望的层或地层主体，遵循现有钻孔，或者贯穿现有钻孔以在井喷的情况下钻探减压井。
BHA 292的工具和传感器可被可通信地耦接到遥测系统296。遥测系统296自身可包括控制单元(未示出)并且可将来自BHA 292的测量结果和信号传送至地面接收器305和/或从地面接收器305接收命令。遥测系统296可包括泥浆脉冲遥测系统、听觉遥测系统、有线通信系统、无线通信系统、或者任何其他类型的通信系统，这将由本领域的普通技术人员鉴于本公开所了解。在某些实施方案中，在BHA 292处获得的测量结果中的一些或所有还可被存储以用于稍后在地面检索。
在某些实施方案中，钻井系统270可包括定位在地面处的地面控制单元306。在某些实施方案中，地面控制单元306可提供在井筒286内的控制单元处不可获得的附加供能，诸如允许地面处的用户与地面控制单元306交互的键盘和监测器。地面控制单元306可被可通信地耦接到地面接收器305并且可通过地面接收器305从BHA 292接收测量结果和信号和/或将命令发送到BHA 292。由于地面没有大小约束，地面控制单元306典型地比位于井下的控制单元具有更大的处理能力。
当使用钻井系统270时，钻头10可旋转并且使井筒286延伸穿过地层276位于钻头10前方的一部分。钻头10内的电阻率检测器(例如，环形天线24)可检测地层276位于钻头10前方或侧面的部分的电阻率并且生成对应的电信号，如以上所描述。此对应的电信号可包括前瞻性和瞻顾性测量结果，所述前瞻性和瞻顾性测量结果可由钻井系统内的一个或多个控制单元处理以便确定地层276的部分的至少一个特性。示例性特性包括所述部分的几何结构、所述部分的成分、以及所述部分内的两个岩层之间的边界的位置和取向。在某些实施方案中，所述特性在被确定时可用来作出关于钻井系统270的操作的决策。例如，如果所述部分的特性包括地层之间的边界位置，那么所述决策可包括用电机298改变钻头10的钻井角度或者在边界交叉之前停止钻井工艺。
图9是根据本公开的方面的钻井系统270的框图，并且例示钻井系统270的控制单元和电气元件。如以上所提及的，这些控制单元和电气元件可用来生成、发送、存储和/或处理来自钻头10的前瞻性和瞻顾性测量结果。钻井系统270的例示图还包括可存在于电气元件之间以促进前瞻性或瞻顾性测量结果的生成、发送、存储和/或处理的通信信道和信号。如可见的，钻头10包括可耦接到仪器接头192内的传感器控制器190和其他电子设备的环形天线24和任选的相关联电子设备。
在一些实施方案中，可能合乎希望的是最小化牙轮钻头10的牙轮14内所存在的电子设备的数目。这可降低钻头中的牙轮14的成本(其可能被损坏或者需要被更换)，同时维持相对昂贵的电子设备物品远离牙轮14以使得它们在钻头10由于钻井而腐蚀的过程中不会被使用。这在选择设置在牙轮14中的环形天线24用作发送天线时可能是特别有用的。在此情况下，可能合乎希望的是将用于发送环形天线24的所有支持电子设备定位在传感器控制器190中而不是钻头10中。相反，在此类实施方案中，具有嵌入的环形天线24的牙轮14(或者整个钻头10)可被设计为可在一定数量地使用钻头10之后被丢弃并且随后被替换的物品。在环形天线24将要用作接收器的实施方案中，具有环形天线24的牙轮14可以是可被替换的一次性部分，而轴颈臂56内的牙轮滑环和电子组件58的至少部分可重新用于新的钻头10。
因此，图9中例示的布局表示钻井系统270的一个实施方案，而在其他实施方案中可利用所例示部件的其他布置。在例示的布置中，钻井系统270包括允许环形天线24在发送器或接收器之间选择性切换的任选配置。确切地，此配置可包括电路部件(例如，电路板168)、发送器直通通路330、发送器/接收器切换机构332和滑环334。在一些实施方案中，电路板168可包括滤波器、预放大或其他放大器、数字化仪、取向传感器或它们的某种组合。另外，滑环334可配备有基于在滑环334处获得的测量结果检测牙轮14的角度位置的任选的角度位置传感器。与地层或者钻头10的其他牙轮相比，这些位置和取向传感器的其他布置可在钻头10内被利用来确定牙轮14的独立和相应距离以及取向。
如图所示，钻头10的牙轮滑环和电子组件58可通过多条控制线耦接在一起，所述多条控制线可包括在部件之间布线的导体。例如，发送器/接收器切换器332可通过三条线耦接到电路板168，所述三条线可包括电源线336、地线338和信号线340。类似地，发送器/接收器切换器332可通过两条线(用来携载去往或来自环形天线24的信号的信号线342和地线344)耦接到发送器直通通路330。进一步地，电路板168可通过两条线(用来携载去往或来自环形天线24的电信号的信号线346和地线348)耦接到滑环334。再进一步地，发送器直通通路330可通过两条线(用来携载去往或来自环形天线24的电信号的信号线350和地线352)耦接到滑环334。电路板168和发送器直通通路330还可通过用来将发送器/接收器332的状态传达至这些部件的控制线354耦接到发送器/接收器切换器332。
如图所示，发送器/接收器切换器332还可通过三条线耦接到传感器控制器190，所述三条线可包括电源线356、地线358和信号线360。所述三条线可存在于从钻头10延伸到仪器接头192的上述传感器电缆170内。电源线336和356可将来自电源(例如，位于传感器控制器190中)的电流传输至电路板168并且分别传输至发送器/接收器切换器332。根据环形天线24的操作状态，信号线360、340、342、346和350以及地线358、338、344、348和352可促进来自传感器控制器190的电流穿过环形天线24的流动、或者从环形天线24到传感器控制器190的流动。
发送器/接收器切换器332可用来基于来自传感器控制器190的信号切换环形天线24的操作模式。确切地，发送器/接收器切换器可基于环形天线24的所希望的操作模式通过控制线354向电路板168并且向发送器直通通路330提供控制信号。在一些实施方案中，另一根导线可从传感器控制器190延伸到发送器/接收器切换器332以便用信号通知此切换功能。在其他实施方案中，DC电压偏置可被施加(例如，在电源线356两端)来执行发送器/接收器切换器332。在一些实施方案中，切换器332可包括用来实现电子设备的配置以使得环形天线24充当发送器或接收器的固态继电器、场效应晶体管(FET)、机械继电器或者某种其他切换装置。用于执行切换器332的信号可总体上由传感器控制器190管理，所述传感器控制器190包含处理器、存储器、从钻柱硬布线或者由电池组/电容器本地生成或供应的电源。
应注意在任何给定时间可使用具有多个不同的发送频率的多个发送器和接收器以便选择性地控制所希望的测量的种类。例如，如果在水平井筒中存在低于传感器的地层边界，那么可能合乎希望的是使用当环形线圈的焦点扫过井筒的下侧时被选择性打开的发送器和接收器的组合以便在所希望的关注方向上更好地专注于测量。天线24可在钻头10旋转并且所希望的环形天线24进入范围内时被同步激活。这可节省电力以便不会消耗扫过洞的电阻率测量没有问题的其他部分的能量。在其他实施方案中，可采用使用环形天线位置和频率进行的各种天线之间的信号的选择性定相以便在所希望的方向上产生聚焦的合成孔径来检测特定方向上的更高反应。
在另一个实施方案中，传感器可用来检测嵌入在附近地层中的高度导电的人造结构或人造对象，诸如另一个井筒的套筒或衬垫或者相邻井中的丢失的洞内钻柱。电阻率传感器可通过改变频率或者选择钻头10上的某些天线24来选择性调谐以提高对此类人造结构或对象而不是地层特性的检测。例如，用于测量地层电阻率的适当的反应频率可能未必是用于检测地层中的套筒结构的最佳频率。
在其他实施方案中，环形天线24可包括呈天线绕组形式的多个线圈，所述多个线圈可使天线24能够在较低频率下更有效地操作以实现更深的穿透深度。绕组层可高达大致60,000线圈以实现非常低频率的发送。在此情况下，天线导线将可能必须是典型地绕在钻头牙轮14或钻头体之上的极细磁导线。
在操作中，当环形天线24将被操作为发送器时，传感器控制器190可用信号通知发送器/接收器切换器332以便根据需要对电路板168和发送器直通通路330进行配置。例如，因为环形天线24正在发送而不是正在接收，所以电路板168可能不需要滤波并数字化任何传感器信号。传感器控制器190从这里可输出电信号穿过发送器直通通路330并且输出到环形天线24，以使得环形天线24可将所希望的信号发送到正被钻探的地层中。
当环形天线24将被操作为接收器时，传感器控制器190可用信号通知发送器/接收器切换器332以便根据需要对电路板168和发送器直通通路330进行配置。例如，切换器332可用信号通知电路板168以便为即将到来的传感器信号提供所希望的传感器滤波、放大和/或数字化。信号(例如，反射出地层的经发送信号的一部分)从这里可通过环形天线24被接收、通过电路板168上的电子设备被处理、并且被引向传感器控制器190以用于进一步处理。在通过线圈24发送或接收信号的过程中，设置在钻头10上的其他传感器(例如，取向传感器或角度位置传感器)可用来在环形天线24正采集或发射信号的同时测量关于钻头操作的其他因素。
在环形天线24正充当接收器的实施方案中，可能合乎希望的是向地面安装的控制单元提供所收集的电阻率测量结果，如以上所描述。为此，例示的钻井系统270可包括耦接到传感器控制器190的附加部件。如以上所描述的，传感器控制器190可被耦接到仪器接头192的环形线圈，并且传感器控制器190可在接头192与BHA 292之间的双向短距离EM遥测信道302上发送来自环形天线24的经处理或原始测量结果。此发送可被引向BHA 292内的控制单元，如以下将描述，或者可通过BHA 292被引向地面控制单元如中间装置。其他实施方案可包括其他通信信道、机构和配置，包括传感器控制器190与BHA 292之间的有线通信以及传感器控制器190与地面控制单元之间的直接通信路径。
如图所示，传感器控制器190可使用BHA 292内的长距离遥测系统364将测量结果发送到地面遥测收发器362。具体地，传感器控制器190可通过短距离遥测信道302将测量结果发送到BHA 292，并且BHA 292可在遥测系统364与地面收发器362之间的单一(单向，在此情况下向上)或双重(双向)遥测信道上传达测量结果。图8的地面控制单元306可从地面收发器362接收测量结果。在其他实施方案中，地面控制单元306可在这些控制单元被移除到地面之后从传感器控制器190或者某种其他井下控制单元接收测量结果。地面控制单元306可处理所接收测量结果以便确定地层相当于所接收测量结果的一个或多个特性。在某些实施方案中，经确定特性可用于在地面控制单元306处运行的钻井控制程序中以便作出钻井决策(类似于以上所描述的那个)并且生成相当于钻井决策的控制信号。如果在BHA 292定位在井下时作出决策，那么所生成的控制信号可通过遥测信道364传输到BHA 292的井下操纵控制器366。
如先前论述的，当传感器控制器190已经从钻头10接收到前瞻性测量结果时，传感器控制器190可存储所接收的测量结果、进一步处理并且随后存储所接收的测量结果以便确定地层的一部分的特性和/或将所接收的或处理的测量结果发送到上述地面控制单元306。在某些实施方案中，传感器控制器190可根据所接收的测量结果确定地层的所述部分的特性并且随后基于作为指令存储在耦接到传感器控制器190的处理器的存储装置中的所确定的特性和决策算法自动作出钻井决策。例如，如果所确定的特性是地层边界在地层的部分内的位置，那么传感器控制器190可通过短距离遥测模块302向电机井下操纵控制器366输出致使电机或旋转式可操纵工具改变钻头10的角度和方向的控制信号。这可使得能够基于从牙轮电阻率传感器接收到的数据在更加合乎希望的方向上操纵井筒，诸如通过使钻孔操纵到经检测的产油层中或者通过维持与地层边界的固定距离来维持产油层内的井筒位置。
如上所述，用于钻头内环形天线24的相关联的电子设备可位于钻头外部，诸如位于仪器接头中，或者位于钻头中。将相关联的电子设备定位在钻头外部可降低钻头的成本并且允许相关联的电子设备在初始钻头在钻井工艺过程中磨损之后由新的钻头重新使用。因为典型的钻井操作磨损掉许多钻头，所以这是特别有益的。然而，当相关联的电子设备位于钻头外部时，新的钻头将需要被校准成相关联的电子设备以便优化由钻头内天线接收器进行的测量。
已经描述了具有设置在牙轮14中的环形天线24的钻井系统270的物理布局，以下提供天线传感器的操作中所使用的计算的详细描述。可使用以下参量方程1描述一根或多根天线24在牙轮钻头10中的位置。方程1用来描述x-y平面中的圆，其中θ表示围绕环形天线24的长度的角度位置并且其中ρ表示环形天线24的半径。
可能合乎希望的是描述中心沿着任何轴线在三维上从钻头10的中心处的位置偏移的环形天线24。例如，如果环形天线24被定位成与钻头10的中心轴线距离径向距离，那么这可通过方程1中描述的沿着x或y轴线中的一条偏移的圆的中心来模拟。另外，如果环形天线24被定位在钻头上方或下方，那么这可通过在z轴线上偏移的圆的中心来模拟。应注意将环形天线24定位在钻头10下方在一些实施方案中可能是不可接受的。然而，如果在贯通钻头测井工具的背景下使用，那么环形天线24可至少暂时定位在钻头10下方。进一步地，应注意坐标系和轴线可定位在沿着钻柱的长度的任意点处。无论环形天线24相对于经选择的坐标系的相对定位的位置如何，可更新表示由环形天线24形成在其中的圆的方程以便反映沿着轴线中的任意一条的转变。例如，在环形天线24从z轴线偏移沿着x轴线的一定距离l的给定实施方案中，方程可更新如下。
除了在坐标系中适当地定位圆的中心之外，可能合乎希望的是基于设置在牙轮14上的环形天线24的相对角度位置提供方程的角度调整。为了实现所述角度调整，天线方程可在y轴线上旋转，使得其以与轴颈臂56相同的角度倾斜，所述角度是对于给定钻头10已知的角度α。为了以此方式旋转天线方程，可应用以下旋转矩阵以便于围绕y轴线旋转，从而生成以下方程3。在以下方程中，α表示轴颈臂56与钻头10的中心纵向轴线的角度，θ表示围绕环形天线24的角度位置，并且ρ表示环形天线24的半径。类似的旋转矩阵可适用于围绕x轴线或z轴线的旋转。
在一些实施方案中，钻头10可包括设置在其上的若干环形天线24。相反，任何合乎希望数目的环形天线24可设置在具有任何数目的牙轮14的钻头10上。可根据如以上所提供的那些类似方程对这些环形天线24进行建模。在一些实施方案中，多个环形天线24可在彼此相关的位置处围绕钻头10设置。例如，钻头10可包括三根天线24，每根天线设置在三牙轮钻头的相应牙轮14上。另外，这些环形天线24可包括相对于钻头纵向轴线相同半径和角度的轴颈臂56。然而，应注意假设钻头构造中没有对称性，以下方程可被处理成支持任何半径和取向的环形天线24。
方程3中提供的表述可出于标绘目的被翻译成简易参量方程。例如，环形天线24可定位在x-z平面中，其中y轴线位于线圈的中心。在此实例中，轴颈臂56和环形天线24的角度位置根据α＝0.5π定义。为了标绘此环形天线24，可使用以下参量方程。
x＝cos(θ)*cos(0.5π)
y＝sin(θ)
z＝-cos(θ)*sin(0.5π) (4)
对于上述具有相同适当半径和与钻头轴线的角度的三个环形天线24的三牙轮钻头，另外两个环形天线24可远离彼此大致旋转120度。为了对这些线圈进行建模，可应用两个附加的旋转矩阵来将上述圆旋转到这些其他平面中。所述另外两个方程可通过向方程3应用z轴线旋转矩阵来获得。在以下方程中，β表示牙轮14围绕钻头10的z轴线的角度位置。
方程5是可用来对具有环形天线24的牙轮14相对于钻头10的轴线的角位置θ、半径ρ、倾斜角α以及围绕钻头10的轴线定位的牙轮14的角β的任何环形天线24进行建模的一般方程。使β等于牙轮14围绕钻头10的z轴线的任何角度位置可允许方程5变成置于钻头10的牙轮14上的任何环形天线24的一般表述。因此，三牙轮钻头可突出成以下角度的环形天线24。
β1＝0°＝0弧度
弧度
弧度
每个角度β表示围绕环形天线24定位在其中的钻头10的中心轴线的角度位置。这些β值对于牙轮钻头10的其他实施方案可能不同。例如，如果钻头10具有4个牙轮14、那么每个牙轮14包括环形天线24，那么方程可包括沿着围绕钻头轴线360度或2π弧度定位的4个β。
如以上所论述的，这些方程表示可用来根据本发明技术对设置在牙轮钻头10的牙轮14上的环形天线24的位置和取向进行建模的一组一般化笛卡儿坐标系。这些方程可形成配置来将电磁能发送到井地层中的天线以及配置来接收从地层反射回的电磁能的天线的电感耦合的基础。使用这些方程，可能合乎希望的是检查来自不同的接收天线和发送天线的反应差，如以下所详细论述。例如，可能合乎希望的是比较来自使用单根发送天线的任何两根接收天线的反应以及来自使用两根发送天线的单根接收天线的反应，而钻头10在井筒中静止并且同时钻头10旋转。
给定收发器天线在空间中的任何给定点处的灵敏度可被定义为与总接收信号相比给定点的导电率的相对变化因素。一般地，天线可从相关联灵敏区接收其大部分信号。因此，空间中的给定点的灵敏度可通过扰乱所述特定点的导电率并且记录接收信号的变化来获得。确切地，空间中的给定点的灵敏度可由以下方程6表示。
在方程6中，S(x,y,z)表示坐标系(x,y,z)中的环形天线24的灵敏度，V(σ)表示针对导电率分布σ所接收的电压，Δσ(x,y,z)表示仅在点(x,y,z)处为非零值的微扰项；以及Δσ是微扰项的大小。由于3维(3D)灵敏度图可能难以形象化，因此2D灵敏度图和对应的1D灵敏度图总体上用来例示环形天线的灵敏度。这些图可根据以下方程提供。
S(y,z)＝S(x,y,z)沿着x的积分
S(x,z)＝S(x,y,z)沿着y的积分
S(x,y)＝S(x,y,z)沿着z的积分 (7)
S(x)＝S(x,y,z)沿着y和z的双积分
S(y)＝S(x,y,z)沿着x和z的双积分
S(z)＝S(x,y,z)沿着x和y的双积分 (8)
灵敏度研究已经被执行来比较环形天线24设置在牙轮钻头10上的若干不同位置的灵敏度。研究总体上集中在环形天线24的导电灵敏度上。然而，所公开的环形天线系统还对介质的介质常数敏感，所述环形天线系统也可用来解出介电常数。还可能同时确定环形天线24的导电灵敏度和介电常数，如在现有导线电介质工具中所执行。
某些环形天线位置在灵敏度研究过程中被考虑。返回到图1，例示的钻头10突出设置在研究中所考虑的某些位置处的环形天线24。更确切地，钻头10可包括定位在以下位置中的每一个处的环形天线24：A1、A2、B1、B2和C。这些位置在图1中被如下指定。A1对应于若干环形天线390中的设置在牙轮14中的一个的12A位置中的一个。A2对应于若干环形天线392中的设置在牙轮14中的另一个的12A位置中的一个。B1对应于设置在12B位置中的两个牙轮14之间的一个中的环形天线394。B2对应于设置在另一个12B位置中的环形天线396，这个位置直接邻近牙轮14中的一个定位。C对应于围绕钻头10设置在12C位置中的环形天线398。
如图所示，12A定位的环形天线390和392可彼此大致成120度定位，如围绕钻头10的z轴线400所测量。用于灵敏度研究的环形天线390和392各自可具有相同的半径。在例示的实施方案中，12B定位的环形天线394和396可彼此大致成90度，如围绕z轴线400所测量。尽管这些位置A1、A2、B1、B2和C用于本发明的研究，可以类似的方式利用和研究其他位置以便确定发送天线和接收天线执行所希望的功能的适当钻头位置。
图10例示图，其示出作为接收器定位在位置A1处的环形天线的2D和1D灵敏度，如在灵敏度研究过程中所测量。类似地，图11例示图，其示出作为接收器定位在位置B1处的环形天线的2D和1D灵敏度。图12例示图，其示出作为接收器定位在位置C处的环形天线的2D和1D灵敏度。应注意这些图10-12所示的天线布置和钻头取向是仅出于例示目的使用的适当位置。在图10-12中，单次1MHz频率激励用来驱动电线。地层的电阻率假定为10Ωm。
图10示出收发器天线的灵敏度分布和轴向灵敏度分布两者均包含在天线位置的1-2英寸内。这由2D图430中的相对接近钻头10定位的黑暗部分、以及对应的1D图432所示的高灵敏度测量结果所指示。另外，x-y灵敏度图430C和x-z灵敏度图430B例示钻头一侧、特别是牙轮与天线一起延伸的侧面上的更高灵敏度。因此，此位置A1展现出相对高的方位灵敏度。此方位灵敏度在其中确定钻头一侧上的电阻率是重要的某些背景中可能是合乎希望的。使用在A1位置中的接收天线的布置可尤其适用于非常肤浅的和方位电阻率测量结果。
图11示出收发器天线的灵敏度分布和轴向灵敏度分布两者均包含在天线位置约1-2英寸内，其类似于图10。这由2D图434中的相对接近钻头10定位的黑暗部分、以及对应的1D图436所示的高灵敏度测量结果所指示。然而，由于设置在B1位置中的天线具有更小的天线大小，因此径向方向(即，约钻头的z轴线)上的灵敏度总体上比来自A1的灵敏度肤浅。
图12示出收发器天线的灵敏度分布和轴向灵敏度分布两者均包含在天线位置约5英寸内，其比图10和图11大得多。这由2D图438中的进一步远离钻头10延伸的黑暗部分、以及对应的1D图440所示的更宽间隔的灵敏度测量结果所指示。另外，例示的天线的C布置产生方位对称的灵敏度分布，如x-y平面2D图438C中所指示，这意味着所述灵敏度分布在围绕钻头的z轴线的所有方向上总体上相同。因此，此特定天线配置不存在方位灵敏度。因此，此C布置配置可更加适用于更深且非方位感测应用。
图13例示图，其示出两根天线(发送器-接收器)线圈系统的2D和1D灵敏度，其中一个环形天线定位在位置A1处，而另一根天线定位在位置A2处，如在灵敏度研究过程中所测量。类似地，图14例示图，其示出两根天线(发送器-接收器)线圈系统的2D和1D灵敏度，其中一个环形天线定位在位置A1处，而另一根天线定位在位置B1处。图15例示图，其示出两根天线(发送器-接收器)线圈系统的2D和1D灵敏度，其中一个环形天线定位在位置A1处，而另一根天线定位在位置C处。进一步地，图16例示图，其示出两根天线(发送器-接收器)线圈系统的2D和1D灵敏度，其中一个环形天线定位在位置B1处，而另一根天线定位在位置B2处。再进一步地，图17例示图，其示出两根天线(发送器-接收器)线圈系统的2D和1D灵敏度，其中一个环形天线定位在位置B1处，而另一根天线定位在位置C处。应注意，由于电磁互易性，发送器和接收器的角色在这些实施方案中的每一个中可互换而不会影响例示的灵敏度分布。如前所述，这些图13-17所示的天线布置和钻头取向是仅出于例示目的使用的适当位置。
图13示出A1-A2配置的灵敏度以两条光线的形状被倾斜聚焦，其具有约2-3英寸的调查深度。这由2D图442中的接近钻头10的两侧定位的黑暗部分、以及对应的1D图444所示的两个峰值灵敏度测量结果所指示。由于A1-A2实施方案中的双方位灵敏度焦点，此配置可能不适用于方位电阻率测量。
图14示出A1-B1配置的灵敏度以两条光线的形状被倾斜聚焦，其具有约2-3英寸的调查深度，其类似于图13。这由2D图446中的接近钻头10的两侧定位的黑暗部分、以及对应的1D图448所示的两个峰值灵敏度测量结果所指示。然而，两条光线处于不同的轴向位置并且具有不同的长度，如由1D图448所例示的大小峰值组合以及y-z平面2D图446A中的黑暗部分的不同大小和延伸所例示。这是部分由于设置在A1和B1位置中的天线的不同相应大小所致，以及由于这些天线以距钻头的z轴线不同距离放置所致。并且，由于双方位灵敏度聚焦，此A1-B1配置可能不适用于方位解读。
图15示出A1-C配置的灵敏度相对较深(5-10英寸)，其中具有某种小的方位灵敏度。这由2D图450中的相对远离钻头10的不同侧面的黑暗部分所指示，所述黑暗部分在钻头的一侧上比在另一侧上延伸到更大的深度。此配置可适用于对泥浆体积(例如，对超过泥浆被泵送通过钻头到达的地层)作出稳定的电阻率测量。然而，轴向电阻率测量的分辨率总体上局限于A1-C配置。
图16示出B1-B2配置的灵敏度以三条方位光线的形状被聚焦，其具有仅约1-2英寸的调查深度。这由2D图454中的相对接近钻头10的三侧定位的黑暗部分、以及对应的1D图456所示的多峰值灵敏度测量结果所指示。尽管方位分辨率由于覆盖大致120度角的三条聚焦光线的原因而可能较低，但此配置可适用于进行肤浅的方位读取。
图17示出B1-C配置的灵敏度分布为大致1-2英寸深。这由2D图458中的总体上接近钻头10定位的黑暗部分、以及对应的1D图460所示的高峰值灵敏度测量结果所指示。此配置示出其他配置中的最大方位灵敏度，如由聚焦在x-y平面2D图458C以及y轴线1D图460A所示的钻头的一侧上的高灵敏度所示。因此，B1-C配置可特别适用于在方位灵敏度比调查深度更重要的情况下使用。
如图10-17的图所示，通常在视野深度与可通过设置在牙轮钻头10中的天线执行的测量分辨率之间存在权衡。例如，以上参照图10所描述的A1传感器布置在距钻头相对小的距离内具有相对高的灵敏度大小。因此，此传感器布置可生成具有相对高的分辨率并且具有低视野深度的电阻率测量结果。相比之下，以上参照图15所描述的A1-C传感器布置在距钻头相对大的距离内具有相对低的灵敏度大小。因此，此传感器布置可生成在大的视野深度内并且具有相对低分辨率的电阻率测量结果。根据地层的类型和有待收集的所希望的测量结果，可选择具有合适天线布置的钻头以供操作。
以下示出的表1列举针对图13-17的配置所测量的从发送器到接收器的直接信号大小。确定具有1Amp激励的单匝天线的这些信号大小，以及天线与铁氧体衬垫114(如以上参照图4所论述)之间的0.1英寸间隔。应注意表1中所列举的所有电压大到足以使用标准测量系统进行检测和测量，所述标准测量系统典型地对高达大致10nV是灵敏的。
配置 A1-A2 A1-B1 A1-C B1-B2 B1-C
电压大小 180.21μV 13.71μV 32.63μV 45.10μV 42.18μV
表1
上述环形天线可由电压控制的或者电流控制的电路驱动。在一些实施方案中，控制电路可使用单频、多频或者具有任意瞬态信号的脉冲激励来驱动天线。可根据时间或者根据频率进行测量。就时间测量而言，可记录接收天线(或收发器)上的感应电压或感应电流。所接收信号的相位可被称为发送器或者任何其他任意时钟。在不可获得相位同步的情况下，只可使用幅值数据进行解读。可通过将所接收信号与解读表中的那些比较来执行解读。在一些实施方案中，解读表可通过对天线进行建模或者在实验室背景下进行实验构造而成。
就时间测量而言，解读表可根据以下方程9所提出的进行构造。在此方程中，Ri表示序数i的电阻率并且Vi(t1)表示序数i的对应于时间t1的电压。测量时间可基于所希望的调查深度进行选择。也就是说，就肤浅测量而言，经选择时间可较小。就深度测量而言，经选择时间可更大。
Ri→Vi(t1) (9)
就频率测量而言，解读表可根据以下方程10-12所提出的进行构造。在方程10中，Ci(f1)是序数i的对应于频率f1的复合电流或电压测量结果。Ai(f1)是序数i的对应于频率f1的电流或电压大小测量结果。Pi(f1)是序数i的对应于频率f1的电流或电压相位测量结果。测量频率可基于所希望的调查深度进行选择。也就是说，就肤浅测量而言，经选择频率可较大。就深度测量而言，经选择频率可更小。可利用来进行测量的示例性频率范围包括100kHz-10GHz。当电流保持恒定时，信号大小与频率的平方成比例。信号的衰减可随频率按指数增大。因此，对于给定的电阻率测量，可存在最佳工作频率。
Ri＝Ci(f1) (10)
Ri＝Ai(f1) (11)
Ri＝Pi(f1) (12)
上述解读表可通过将牙轮钻头置于充满不同盐度水的水槽中来实验性地计算。随后可使用单独的流体电阻率测量装置进行电阻率测量Ri以获得每个盐度值。随后可进行对应的测量Vi(t1)、Ci(f1)、Ai(f1)、以及Pi(f1)，并且将结果存储在表中。此表稍后可用来使用上述测量值中的任一个来回算以获得Ri。此计算总体上称为反解。
在一些实施方案中，可使用迭代格式而不是反解以便校准并解出电阻率测量结果。在迭代格式中，在每次迭代下由于在输入测量空间中的游动会获得Ri的更好估量。当测量结果与建模测量结果之间的失配达到所希望的更低阈值时，迭代可终止。
本文所公开的实施方案包括：
A.一种系统，其包括用于穿过地下地层钻探井筒的牙轮钻头。所述牙轮钻头包括轴颈臂、可旋转地耦接到所述轴颈臂的牙轮、以及第一环形天线，所述第一环形天线被设置在所述牙轮中以检测指示所述地下地层或者所述地下地层中的人造结构或对象的目标、电阻率或边界的磁能或电磁能。
B.一种钻井系统，其包括牙轮钻头，所述牙轮钻头包括牙轮和至少一个环形天线，所述至少一个环形天线被设置在所述牙轮中以用于检测来自地下地层或者人造结构或对象的磁能或电磁能。所述钻井系统还包括传感器控制器，所述传感器控制器被设置在所述牙轮钻头的外部并且被通信耦接到所述至少一个环形天线以便从所述至少一个环形天线接收指示所述监测到的磁能或电磁能的信号。
C.一种方法，其包括旋转牙轮钻头的牙轮以便钻探到地下地层中。所述方法还包括通过设置在所述牙轮中的第一环形天线接收从所述地下地层或者人造结构或对象发散的磁能或电磁能的至少一部分。
实施方案A、B和C中的每一个可具有组合的下面另外的要素中的一个或多个：元素1：还包括第二环形天线，其被设置在所述牙轮钻头中以充当用于所述第一环形天线的发送器或接收器。元素2：其中所述牙轮钻头还包括围绕所述轴颈臂设置的钻头柄，其中所述第二环形天线设置在所述钻头柄上。元素3：其中所述牙轮钻头还包括用于将所述牙轮钻头耦接到另一个钻井部件的主体，其中所述第二环形天线围绕所述主体的圆周设置。元素4：其中所述第一环形天线形成围绕所述牙轮的面的圆周路径。元素5：其中所述第一环形天线以总体上循着所述牙轮的外面以及沿着围绕所述牙轮的相对面的圆周路径的环形的形状切过所述牙轮的直径。元素6：其中所述牙轮钻头还包括设置在所述牙轮与所述轴颈臂之间的滑环组件，以及电耦接在所述第一天线的相对端与所述滑环组件之间的一对导线。元素7：其中所述牙轮钻头还包括设置在所述牙轮钻头中以用于接收和处理通过所述第一天线输出的信号的电子组件。元素8：其中所述电子组件设置在所述轴颈臂中。元素9：其中所述牙轮钻头还包括穿过所述轴颈臂设置的压力平衡通道以及穿过所述压力平衡通道布线以携载指示所述地下地层或者穿过所述牙轮钻头的人造结构或对象的所述目标、电阻率或边界的信号的电缆。元素10：其中所述牙轮钻头还包括围绕所述牙轮中的所述第一环形天线设置的聚焦元件和铁氧体部件。元素11：其中所述牙轮钻头包括三个牙轮并且其中所述第一天线设置在所述三个牙轮中的一个中。
元素12：其还包括耦接到所述牙轮钻头的仪器接头，其中所述传感器控制器设置在所述仪器接头中。元素13：其还包括将所述仪器接头耦接到设置在所述仪器接头上方的井底钻具组件(BHA)模块的短距离遥测系统。元素14：其还包括通信耦接到所述传感器控制器以便基于从所述至少一个环形天线接收到的所述信号调整所述钻井系统的操纵的井下操纵控制器。元素15：其中所述牙轮钻头还包括用于在所述信号到达所述传感器控制器之前滤波和/或数字化来自所述至少一个环形天线的所述信号的电子组件。
元素16：其还包括通过第二环形天线将电磁能发送到所述地下地层中。元素17：其还包括输出指示所述截获的磁能或电磁能的信号；通过传感器控制器接收所述信号；以及确定所述地下地层的一部分的电阻率并且基于所述确定的电阻率通过所述传感器控制器输出控制信号。
尽管已详细描述本公开及其优点，但应理解，可在不脱离如由所附权利要求书限定的本公开的精神和范围的情况下，在本文中进行各种改变、替代和更改。

Claims (20)

1.一种系统，其包括：
牙轮钻头，其用于穿过地下地层钻探井筒，其中所述牙轮钻头包括：
轴颈臂；
牙轮，其可旋转地耦接到所述轴颈臂；以及
第一环形天线，其被设置在所述牙轮中以检测指示所述地下地层或者所述地下地层中的人造结构或对象的目标、电阻率或边界的磁能或电磁能。
2.如权利要求1所述的系统，其还包括第二环形天线，其被设置在所述牙轮钻头中以充当用于所述第一环形天线的发送器或接收器。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述牙轮钻头还包括围绕所述轴颈臂设置的钻头柄，其中所述第二环形天线设置在所述钻头柄上。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述牙轮钻头还包括用于将所述牙轮钻头耦接到另一个钻井部件的主体，其中所述第二环形天线围绕所述主体的圆周设置。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述第一环形天线形成围绕所述牙轮的面的圆周路径。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述第一环形天线以总体上循着所述牙轮的外面以及沿着围绕所述牙轮的相对面的圆周路径的环形的形状切过所述牙轮的直径。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述牙轮钻头还包括设置在所述牙轮与所述轴颈臂之间的滑环组件，以及电耦接在所述第一天线的相对端与所述滑环组件之间的一对导线。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述牙轮钻头还包括设置在所述牙轮钻头中以用于接收和处理通过所述第一天线输出的信号的电子组件。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述电子组件设置在所述轴颈臂中。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述牙轮钻头还包括穿过所述轴颈臂设置的压力平衡通道以及穿过所述压力平衡通道布线以携载指示所述地下地层或者穿过所述牙轮钻头的人造结构或对象的所述目标、电阻率或边界的信号的电缆。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述牙轮钻头还包括围绕所述牙轮中的所述第一环形天线设置的聚焦元件和铁氧体部件。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述牙轮钻头包括三个牙轮并且其中所述第一天线设置在所述三个牙轮中的一个中。
13.一种钻井系统，其包括：
牙轮钻头，其包括牙轮和至少一个环形天线，所述至少一个环形天线被设置在所述牙轮中以用于检测来自地下地层或者人造结构或对象的磁能或电磁能；以及
传感器控制器，其被设置在所述牙轮钻头的外部并且被通信耦接到所述至少一个环形天线以便从所述至少一个环形天线接收指示所述监测到的磁能或电磁能的信号。
14.如权利要求13所述的钻井系统，其还包括耦接到所述牙轮钻头的仪器接头，其中所述传感器控制器设置在所述仪器接头中。
15.如权利要求14所述的钻井系统，其还包括将所述仪器接头耦接到设置在所述仪器接头上方的井底钻具组件(BHA)模块的短距离遥测系统。
16.如权利要求13所述的钻井系统，其还包括通信耦接到所述传感器控制器以便基于从所述至少一个环形天线接收到的所述信号调整所述钻井系统的操纵的井下操纵控制器。
17.如权利要求13所述的钻井系统，其中所述牙轮钻头还包括用于在所述信号到达所述传感器控制器之前滤波和/或数字化来自所述至少一个环形天线的所述信号的电子组件。
18.一种方法，其包括：
旋转牙轮钻头的牙轮以便钻探到地下地层中；以及
通过设置在所述牙轮中的第一环形天线接收从所述地下地层或者人造结构或对象发散的磁能或电磁能的至少一部分。
19.如权利要求18所述的方法，其还包括通过第二环形天线将电磁能发送到所述地下地层中。
20.如权利要求18所述的方法，其还包括：
输出指示所述截获的磁能或电磁能的信号；
通过传感器控制器接收所述信号；以及
确定所述地下地层的一部分的电阻率并且基于所述确定的电阻率通过所述传感器控制器输出控制信号。
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