用于致动井下装置并从地面启动钻井工作流程的系统和方法与流程

1.实施例涉及井下通信方法和井下工具远程致动设备。具体地，但不排他地，本公开涉及一种用于与油井或气井中的工具进行井下通信的方法和用于致动该工具的设备。


背景技术：

2.测井工具，诸如电缆测井工具、mwd(随钻测量)和lwd(随钻测井)，用于获取关于受限井筒区域内部和周围的地质构造的信息。这些井下测量工具获得的信息可以用于对井内的地层和状况做出各种解释，这些解释然后可以用于制定和修改钻井程序。电缆和mwd或lwd工具能够直接或间接测量各种测量值，诸如井筒轨迹和地层特性，所述地层特性包括电阻率、密度、孔隙度、岩性、矿物学、地质结构、渗透率以及地质力学和流体特性。几十年来，电缆工具一直用于获取井下井筒和地层数据。
3.在电缆测井操作中，将包含多个传感器的工具下放到井中，并在井内的各个点获取数据，直到工具到达底部。当电缆工具被拉出井时，也获得数据。如果电缆测井工具要运行，例如在钻出裸眼井之后，首先，钻井组件必须被拉出井筒。然后，取决于井深度和数据的分辨率，电缆操作在井筒中运行也需要时间。电缆测井完成后，必须将其从井筒中拉出，并且钻井组件必须再次下入井中。由于执行电缆测井操作所花费的时间以及昂贵的传感器和包装，电缆测井是昂贵的。在电缆操作期间，井筒中的流体通常保持静止，并且井筒状况必须处于有利状态，如果需要多次测井，则在测井操作之间需要一次专用的通井操作。此外，总是存在电缆测井工具卡在孔中的风险，这可能会显著增加钻井成本。
4.顾名思义，mwd或lwd工具在钻井时实时获得测量值。当钻定向井时，mwd工具特别重要，因为mwd工具为钻井者提供了关于井轨迹的信息以及诸如工具井下振动和伽马射线工具内部温度的信息。另一方面，lwd工具获取关于井的地质特性的信息，并且可以根据地层评估要求(诸如电阻率、密度等)将lwd工具添加到底部钻具组件中，主要目的是识别潜在的含烃区域。来自mwd或lwd工具的信号通过泥浆脉冲遥测传送到地面，并在地面由压力传感器记录，然后立即解码。mwd或lwd是非常昂贵、笨重和冗长的工具，并且泥浆脉冲率通常较低(在油田中最高可达20位或秒)。mwd或lwd工具和泥浆脉冲遥测装置的电源由电池提供，并且最近由井下涡轮或交流发电机提供。如果发电涡轮安装在泥浆脉冲发生器附近和lwd工具上方，则当钻井底部钻具组件被卡住而无法收回时，发电涡轮可能会阻止lwd工具中放射性化学源的收回。应该指出的是，mwd或lwd工具通常放置在离钻头35-60英尺的地方。因此，钻井者没有任何关于钻头处井下环境的信息。
5.由于钻井者无法看到井的轨迹和井下环境，有时钻井者在黑暗中钻孔。使钻井更具挑战性的是，一旦钻井工具或仪器或装置被下放井中，就无法从地面接近它们。从地面控制这些工具或仪器或装置的常规技术包括机械方法，诸如施加钻压(wob)和旋转钻柱组件、施加压力和落球，或者液压方法，诸如流体压力循环和流动压力循环。然而，机械方法和液压方法可能会给钻井过程带来某些限制和潜在的挑战或问题。


技术实现要素：

6.最近，开发了用于钻井应用的基于射频识别(rfid)的系统。在地面用特有代码编程的rfid标签被投入井中，并随着钻井流体流流向井下。诸如旁通阀、扩孔器或封隔器的井下工具或仪器或装置与rfid读取器集成在一起。rfid读取器由电池、电子设备和封装用于保护的天线构成。当rfid标签彼此靠近时，它们被读取器的天线激励。天线不断产生rf场来
‘
监听’rfid标签。读取器能够只响应特定的识别代码而忽略其他代码，并且通过只接受特有的代码一次来消除重复操作。基于rfid的系统的最大优点在于，与通常用于启动旁通阀的程序相比，基于rfid的系统对钻柱的内径没有限制，涉及落下启动球以打开两个侧端口。另外两个球落下来关闭端口。从地面施加压力，释放所有三个球，落入下面的球捕捉笼。rfid系统能够远程启动，并且对钻柱内部没有任何限制，从而为钻井流体提供了更大的流动面积，并且允许任何测井仪器不受限制地穿过钻柱。这也使得降低了堵漏材料(lcm)损坏旁通阀下方的mwd单元或工具的风险，这可用于利用旁通阀放置在钻柱上的一个位置或多个位置，在一个深度或几个深度执行多个操作，并且避免了额外的从钻柱组件移除球或扩孔器的到地面的行程。
7.从地面致动井下工具或仪器或装置的有效方法不仅允许重新设计工作流程以提高钻井效率，还可以通过弥补关键技术差距之一、与井下致动系统实时通信并向其传送触发信号来促进钻井自动化。
8.因此，一个实施例为井下致动系统，可以从地面控制所述井下致动系统，以致动数字启动的井下装置或工具或仪器(统称为装置)。不同装置的致动使得能够执行离散的钻井工作流程。致动系统能够与井下装置无缝集成，因此不会取代现有的钻井组合。所述系统包括：第一圆柱形管道，其具有一种或多种附着到第一圆柱形管道外表面的第一材料；第二圆柱形管道，其与第一圆柱形管道同轴并且具有大于第一圆柱形管道的直径，第二圆柱形管道包括设置在第二圆柱形管道内表面上的一种或多种第二材料；其中当第一材料与第二材料接触时，第一材料产生一个或多个信号；以及一个或多个井下装置，其沿着井内部的钻柱放置，用于由井下致动系统启动、停用或配置。该系统还包括数字逻辑电路，该数字逻辑电路构造成接收一个或多个信号作为输入，并且基于该输入产生输出，该输出构造成用于井下装置的致动。
9.另一个实施例为用于井下致动的方法，可以从地面控制，以致动数字启动的井下装置。不同装置的致动使得能够执行离散的钻井工作流程。该致动系统和方法不仅允许重新设计工作流程以提高钻井效率，而且还可以通过弥合关键技术差距之一、与井下致动系统实时通信并向井下致动系统传送触发信号来促进钻井自动化。该方法包括提供第一圆柱形管道，第一圆柱形管道具有附着到第一圆柱形管道的外表面的一种或多种第一材料，提供与第一圆柱形管道同轴并且直径大于第一圆柱形管道的第二圆柱形管道，第二圆柱形管道包括设置在第二圆柱形管道的内表面上的一种或多种第二材料，其中当第一材料与第二材料接触时，第一材料产生一个或多个信号。该方法还包括沿着井内部的钻柱放置一个或多个井下装置，用于由一个或多个信号启动、停用或配置。该方法还包括通过数字逻辑电路接收一个或多个信号作为输入，并且基于该输入产生输出，该输出被配置用于井下装置的致动。
附图说明
10.参照以下实施例和附图说明，可进一步理解本发明实施例的上述方面、特征和优点。在描述附图中示出的本公开的实施例时，为了清楚起见，可以使用特定的术语。然而，本公开不旨在限于所使用的特定术语，并且应当理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似目的的等同物。
11.为了简化和清楚说明，附图示出了一般的构造方式，并且可以省略众所周知的特征和技术的描述和细节，以避免不必要地模糊对所述实施例的讨论。此外，附图中的元件不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸相对于其他元件可能被夸大，以帮助提高对实施例的理解。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
12.图1为根据一个或多个示例实施例，可以从地面控制以致动数字启动井下装置的井下致动系统的部件的示意图。
13.图2为根据一个或多个示例实施例，可以从地面控制以致动数字启动井下装置的井下致动系统的部件的示意图。
14.图3为根据一个或多个示例实施例，可以从地面控制以致动数字启动井下装置的井下致动系统的示意图。
15.图4示出了根据一个或多个示例实施例的数字启动井下装置的井下致动的示例方法。
16.图5为根据一个或多个示例实施例，可以从地面控制以致动数字启动井下装置的井下致动系统的示意图。
17.图6示出了根据一个或多个示例实施例的数字启动井下装置的井下致动的示例方法。
18.图7示出了根据一个或多个示例实施例的数字启动井下装置的井下致动的示例方法。
19.图8示出了根据一个或多个示例实施例的数字启动井下装置的井下致动的示例方法。
20.图9示出了根据一个或多个示例实施例，可以使用井下致动系统执行的示例操作。
21.图10为根据一个或多个示例实施例，可以从地面控制以致动数字启动井下装置的井下致动系统的示意图。
22.图11为根据一个或多个示例实施例，可以从地面控制以致动数字启动井下装置的井下致动系统的示意图。
具体实施方式
23.现在可参照示出实施例的附图描述本公开的方法和系统。本公开的方法和系统可以是许多不同的形式，并且不应被解释为限于所阐述的图示实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开能够彻底和完整，并且能够向本领域技术人员充分传达其范围。除非另有说明，否则术语“高温”是指125℃以上的温度。
24.图1为根据一个或多个示例实施例，可以从地面控制以致动数字启动井下装置的井下致动系统的部件的示意图。如图1所示，井下致动系统包括两个管道，管道100和管道102。管道100具有围绕其外表面涂覆或嵌入的区段104，并且管道102在内表面上、在顶端表
面和底端表面上具有多排滚珠轴承112。致动系统具有安装在管道102内部管道道100，使得管道102上的侧滚珠轴承112与管道100上的区段104接触。管道100可以夹在管道102的顶部滚珠轴承110和底部滚珠轴承114之间，其中顶部滚珠轴承110和底部滚珠轴承114通过支撑结构106、108连接到管道102。
25.图2示出了根据一个或多个示例实施例的井下致动系统的部件150的剖视图。在该实施例中，外部管道102可以连接到钻井组件，使得管道102围绕安装在管道102内部的管道100旋转。滚珠轴承110、112、114具有可忽略的摩擦力，使得当管道102随着钻井组件旋转时，管道100保持静止。在管道102旋转期间，侧滚珠轴承112在管道100上的区段104的表面上并沿着该表面移动。在钻井操作过程中，管道102的侧滚珠轴承112可以在管道100的区段104上并沿着该区段104移动多次。由于侧滚珠轴承112和管道100的厚度，钻柱组件的内径仅最小程度地减小。
26.图3示出了钻井系统200，其中井下操作系统150附接至钻柱组件210。致动系统150可以作为钻柱组件210中的钻井接头连接，或者可以作为单独的结构附接。钻井流体212流过钻柱组件210，流出钻头214，向上到达环形空间216，然后向上回到地面，环形空间216是钻柱组件210的外径和被钻穿的井下地层218之间的空间。
27.如图4所示，区段104可以在管道100周围涂覆成特定配置，该特定配置对应于触发或传送特定命令或指令至数字启动井下工具或仪器或装置所需的信号模式。当管道102围绕管道100旋转时，存储在管道100周围的区段104阵列的配置中的信息作为特定代码被传送到井下工具或仪器或装置。在一个实施例中，管道102上的侧滚珠轴承区段112由材料a制成，并且管道100上的区段104由材料b制成，其中材料a和材料b具有相反的极性或彼此尽可能远的极性。每当侧滚珠轴承112在区段104上并沿着区段104移动时，它产生如图4所示的电压峰值402。应当注意，图4中的峰值402的幅度和形状仅用于解释该方法，并且可以根据侧滚珠轴承和区段的尺寸、形状以及旋转的速度和频率而不同。电压峰值402是由于材料a和材料b之间的电荷交换而产生的。一些材料更倾向于获得电子，而一些材料更倾向于失去电子。如果材料a具有比材料b更高的极性，电子可以从材料b注入到材料a中，导致相反电荷的表面。材料a和材料b可以由诸如聚酰胺、聚四氟乙烯(ptfe)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚二甲基丙烯酰胺(pdma)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚酰亚胺、碳纳米管、铜、银、铝、铅、弹性体、特氟隆、聚酰亚胺膜(kapton)、尼龙或聚酯的材料制成。
28.也可以采用产生电压峰值的其他方法。例如，区段104可以由压电材料制成，压电材料诸如石英、硅酸镧镓、铌酸锂、氧化钛或任何其他表现出压电性的材料。在这种情况下，当侧滚珠轴承112在压电区段104的表面上并沿着它们的这些表面移动时，压电区段104受到应力。压电材料经受的这种机械应力产生电荷，导致电压峰值。钻井时由于钻柱组件的旋转而产生的持续运动使得压电区段经历受压和释放的运动，并产生电压峰值。产生电压峰值的另一种方法是使区段104由磁致伸缩材料制成，磁致伸缩材料诸如稀土磁致伸缩材料(terfenol-d)、铁稼合金(galfenol)、金属玻璃或任何其他具有磁致伸缩特性的材料。当侧滚珠轴承112在磁致伸缩区段104上并沿着磁致伸缩区段104移动时，施加到磁致伸缩区段104上的应力导致磁致伸缩材料的磁场发生变化。该感应磁场可以通过平面拾波线圈或螺线管转换成电压，该平面拾波线圈或螺线管可以与区段104一起制造。
29.图5示出了根据一个或多个实施例的井下致动系统的另一个部件500。如图5所示，
在该部件中，所产生的连续信号模式506，具有由于侧滚珠轴承112在区段104上并沿着区段104移动而产生的电压峰值，以及当侧滚珠轴承112围绕管道100的外表面旋转时的无电压时段，被模数转换器转换成数字信号，并作为输入502连接到数字逻辑电路(dlc)510。dlc 510是时序逻辑电路，其中输出504不仅是输入502的函数，而且是过去输入的序列。因此，时序电路具有状态或记忆，并且这一特征可以用于设计井下数字致动系统。
30.在一个实施例中，致动系统向井下工具或仪器或装置提供控制信号，井下工具或仪器或装置将信号中的能量转化为某种形式的运动，诸如打开或关闭阀门。时序逻辑电路可以是同步时序电路520、异步时序电路530或两者的组合。同步时序电路520具有连接到电路的所有存储元件512的输入的一个或多个时钟514，这些存储元件产生重复脉冲序列以同步所有内部状态变化。时序电路有两种类型，脉冲输出和电平输出。在脉冲输出电路中，输出在输入脉冲或时钟时序电路的时钟脉冲期间保持不变。在电平输出时序电路中，输出在输入或时钟脉冲开始时改变状态，并保持该状态直到下一个输入或时钟脉冲。异步时序电路530没有周期时钟，并且输出直接响应输入的变化而变化。异步时序电路530更快，因为它们不由时钟同步，并且处理输入的速度仅受电路中使用的逻辑门的传播延迟516的限制。数字逻辑电路520、530可以被实现为集成电路(ic)，诸如现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、复杂可编程逻辑器件(cpld)或片上系统(soc)。
31.如图5所示，在钻井过程中，信号506可以具有相同的序列，峰值电压振幅后跟随零电压或极低电压周期，因为钻柱组件以大致相同的速度沿相同方向逆时针旋转。数字逻辑电路510在给定的时间周期或帧或时隙、时钟周期或固定的旋转集合上比较信号序列，并做出启动、禁止或不执行动作的决定。如果信号模式在比较周期内相同，致动系统可以被编程为不执行动作。然而，如果旋转方向从逆时针方向改变为顺时针方向，如图6所示，则信号序列改变。致动系统的这一特征可以用于开发特有的代码序列，以致动各种井下工具或仪器或装置，并执行许多离散的钻井工作流程。更重要的是，致动系统可以从地面控制。例如，钻井过程导致侧滚珠轴承112以逆时针方向沿着区段104并在区段104上移动。如果必须改变顺序来致动井下工具或仪器或装置，那么可以停止钻井，可以将钻头提离井底，并且可以从地面顺时针方向旋转钻柱组件。顺时针方向产生的序列602不同于钻井时逆时针方向产生的序列604。致动系统中的数字逻辑电路510识别信号序列模式的差异，并向井下工具或仪器或装置发送控制信号以执行适当的动作。当钻头离开井底时，钻柱组件可以逆时针或顺时针旋转，以产生大量信号序列模式，这些信号序列模式可以被转换成井下工具或仪器或装置中的某种形式的运动。此外，在钻柱组件中的一个或多个位置可以有多个具有特有区段模式的致动系统。因此，可以从地面控制和触发大量井下工具或仪器或装置。由于代码序列对于特定的井下工具或仪器或装置或操作是特有的，因此可以执行离散的钻井工作流程，而不会影响其他井下工具或仪器或装置或操作。还可以通过重新设计工作流程来提高钻井效率，从而优化钻井效率。
32.产生特有序列的另一种方法是通过在一个或多个周期内改变钻柱组件在逆时针或顺时针两个方向上的旋转频率。旋转速度可以是i)在一个方向上先增加然后减少或者先减少然后增加，ii)逆时针方向增加，顺时针方向减少，iii)顺时针方向增加，逆时针方向减少，iv)逆时针或者顺时针方向增加或者减少的任意组合。
33.也可改变区段的大小和形状，以产生不同振幅、宽度和形状的信号。然后，这些信
号模式可用于识别钻柱组件的旋转方向。在这种情况下，数字逻辑电路可以识别旋转方向，并且在特定数量的旋转之后启动动作以致动井下工具或仪器或装置。数字逻辑电路还可以在特定数量的旋转上比较旋转方向，并触发井下工具或仪器或装置。
34.如图7所示，另一种辨别旋转方向的方法是将侧滚珠轴承112置于闩锁槽702中。侧滚珠轴承112相对于由钻柱的旋转产生的角加速度的方向移动到闩锁槽702的一侧。在闩锁槽702的一侧是圆柱滚子轴承704，例如id轴承，该轴承用作特有的标识符。当钻柱组件沿逆时针方向旋转时，侧滚珠轴承112被致动到槽702的左侧，当钻柱沿顺时针方向旋转时，侧滚珠轴承112被致动到槽702的右侧。较小id轴承的存在导致宽度较短的峰，因为id轴承与区段104接触的持续时间较短。与钻柱组件沿顺时针方向旋转相比，当钻柱组件沿逆时针方向旋转时，侧滚珠轴承112离内径轴承更远。因此，当钻柱沿逆时针方向旋转时，由于侧滚珠轴承112向上并沿着区段104移动而产生的峰值与由于id轴承向上并沿着区段104移动而产生的峰值之间的时间差t1大于钻柱沿顺时针方向旋转时的时间差t2。所得到的序列不仅由于旋转方向相反而不同，而且它们还具有特有的标识，t1和t2，这些id可以用来识别旋转方向。
35.如图8所示，也可以通过在管道100的顶部和底部设置区段104来生成特有的标识。管道100的顶部和底部夹在管道102的顶部和底部轴承之间。区段104可以涂覆在管道100的顶部和底部，使得当钻柱组件旋转时，管道102的顶部和底部轴承110沿着管道100的顶部和底部上的区段104并在区段104上移动。当钻柱组件沿逆时针和顺时针方向旋转时，所产生的序列是不同的，并且也可以用作特有地识别钻柱旋转方向的额外方法以及参照图4-7所解释的方法。然而，应当注意的是，图4至图8中所示的带有区段和id的模式仅仅是示例，还有许多模式的组合可以用来生成特有的序列。此外，信号序列的产生不需要诸如电池的电源。
36.上述致动系统可以从地面控制，并用于钻机上的多种井下操作，例如，如图9所示。这些操作在这里统称为由“数字启动的井下装置”执行的操作。一个示例是致动井下循环接头以促进钻井和井筒清洁操作。致动系统可以用于发送触发信号，以通过使套筒滑动或打开阀门来打开循环接头，从而将钻井流体直接转移到环空中。这种操作增加了环空中的钻井流体流动，并且有助于井筒清洁，还能够在环空和钻柱组件之间分流。一旦操作完成，可以发送另一个触发信号来关闭循环接头。另一个示例是在裂缝下面的选定深度处致动旁通阀，并通过旁通阀泵送堵漏材料以堵塞裂缝。在操作之后，可以通过致动系统从地面传送指令，以在一段时间之后立即关闭阀门。可以进行类似的操作来改变钻井流体或将水泥泵送到井筒中所需的深度。此外，致动系统可以用于启动或停用挡板阀和增产套筒。
37.另一个示例是致动钻井扩孔器以增加套管下方的井筒尺寸。钻井扩孔器是带有刀具的工具，位于钻头后面。钻井扩孔器用于扩大、平滑和修整井筒，以便不受任何限制地下套管或完井设备。当井下出现问题时，可以通过致动系统启动扩孔器，而不是将钻柱组件从井中拉出。然后地下扩孔器伸出并用钻头钻透。可以从地面发送另一个触发信号来缩回地下扩孔器。致动系统可以被编程以根据井筒的期望直径在几个有限的步骤中延伸或缩回扩孔器。
38.另一个示例是膨胀和缩回套管刮壁器。套管刮壁器用于清除钻井流体在内套管上留下的碎屑和污垢。当钻裸眼井段时，套管刮壁器可以与处于缩回模式的钻井组件一起运
行。刮壁器可以在任何时候(例如起钻时)扩展，以刮擦内套管或内套管中的关键区域。该致动系统也可以用于扩展和缩回膨胀式和生产或测试封隔器。扩展的封隔器密封井筒，以隔离井筒中的区域，并起到井屏障的作用。对于生产或测试封隔器，它们安装在套管井中，而膨胀式封隔器安装在裸眼井和套管井中。另一个示例是从地面通过致动系统发送命令信号来设置衬管悬挂器。
39.图10示出了根据一个或多个示例实施例的另一种井下致动系统1000。在该实施例中，致动系统1500可以安装在钻柱组件210的外部，如图10所示。管道100可以安装在管道102的外部，并且轴承112可以设置在围绕管道102的外表面形成的套筒1200中。值得注意的是，由于滚珠轴承在区段上并沿着区段移动，特别是在钻井时，会不断产生电荷。因此，这些电荷也可以通过桥式整流器从模拟信号转换为数字信号，并存储在额定用于高温的电介质电容器、陶瓷电容器、电解电容器或超级电容器中。通过将能量储存在电容器中，致动系统也可以用作电源。
40.第四次工业革命(简称4ir)技术，诸如人工智能、机器学习、大数据分析和机器人技术正在以非常快的速度发展。根据一个实施例，控制钻机1102中的井下致动装置的人工干预可以由如图11所示的智能系统1100代替。智能系统1100基于智能钻井动力学1106和智能液压系统1108执行优化的钻井操作。例如，智能钻井动力学1106和液压系统1108可以提取、分析来自钻机上各种传感器的原始数据，并将其转化为有用的信息。如果基于接收到的数据需要清洁井筒，那么这可以被传送到智能钻井系统1104，智能钻井系统1104又可以利用致动系统以所需的配置来旋转钻杆以产生特定的序列。然后，可以将这些序列转换成特定的触发信号，以打开旁通阀，将钻井流体转移到环空中，从而提高环空流速并清洁井筒。
41.一个实施例为井下致动系统，可以从地面控制，以致动数字启动的井下装置或工具或仪器。不同设备或工具或仪器的致动使得能够执行离散的钻井工作流程。致动系统是单独的系统，可以与井下工具或设备或仪器无缝集成，因此它不会取代现有的钻井组合。
42.在一个实施例中，多通道模块可以设计用于优化井下致动系统的可用空间。例如，氧化铝的高温共烧陶瓷(htcc)基板可以用于电子板。这些基板通常镀有cu、ni和au，用于焊接和引线键合。这些电子板上的电路芯片可以独立加工，最后组装成一个器件。电路板可以通过铜焊引脚上的陶瓷单列直插式封装接头(beni触点)相互连接。beni在市场上有售，是高温封装的标准技术。htcc封装具有出色的机械刚性、散热性和密封性，这是苛刻的高温应用中的重要特征。绝缘体上硅(soi)技术可以用于系统中的有源电子器件。与体硅技术相比，soi显著降低了漏电流和器件参数的变化，提高了载流子迁移率、互连之间的电迁移和介电击穿强度。碳化硅(sic)基电子器件具有优于硅基电子器件的特性，并且是热、机械和化学侵蚀性苛刻环境应用的另一候选。sic有许多多型体，但6h和4h(h＝六方)是两种最常用的多型体。硅的带隙为1.12ev，在200-225℃左右失去其pn结特性。另一方面，sic的带隙大于3ev，能够耐受高达600℃的温度。与si相比，sic的熔点也更高(1420℃对2830℃)。
43.该系统可以具有专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列(fpga)电路。与asic相比，fpga电路不需要布局、掩模或其他制造步骤，具有更简单的设计周期、更可预测的项目周期和现场可重编程性。fpga可以重复使用，并且比asic便宜。asic需要基于定制规格的设计。与asic相比，fpga的主要缺点之一是功耗高。fpga中无法控制功耗优化，而低功耗技术可以用于优化asic中的功耗。静态随机存取存储器(sram)可以重新编程。由于fpga可以容
易地重新编程，因此可以将设计加载到器件中，在系统中全速测试，并在需要时进行调试。这是板级测试的理想选择，在板级测试中，可以配置fpga来验证板或板上的部件。测试完成后，用应用逻辑重新配置fpga。然而，sram的主要优点也是其主要缺点，因为当电源关闭时，ic会丢失其编程。因此，基于sram的fpga必须在每次通电时重新编程，因此需要外部存储器来永久存储程序。当电路板空间非常宝贵时，例如在井下应用中，这是不可行的。因此，当mmd用于井下应用时，电可擦除可编程只读存储器(eeprom)是更可行的选择。eeprom的写入时间较慢，但这是可以容忍的，因为通常在启动时使用的主代码只在开发过程中修改，然后就用不管了。eeprom应该能够配置为串行接口。串行接口优于并行接口，以减少互连数量和串扰。
44.井下致动系统中的材料a和b需要耐受高温(》125℃)，并具有良好的稳定性，在多次循环后材料性能很少或没有退化，并且不应因冲击、振动或高压而受损。一些合适的材料是铜、铝、ptfe、特氟隆、聚酰亚胺膜、铅、弹性体、pdma或任何其它能产生静电的材料，或任何用于井下环境的具有类似或更好的热、机械和化学特性的材料，它们也可以沉积成薄膜。此外，如果将这些材料用于发电机为许多收发器发电，它们应该相对便宜。选择材料时，重要的是要记住这些材料具有相反的极性或相差尽可能大的极性。化学涂层可以用于进一步保护井下致动系统及其部件免受苛刻井下环境的影响。这些化学涂层可以是聚合物涂层，可以用于在传感器和电子板上提供均匀且无针孔的层。这些涂层能够长期承受高温，防止电极腐蚀，并且是优良的电介质。隔热显著延长了传感器和电子设备的寿命和耐用性。外部保护壳能够保护内部的所有部件免受环境影响，外部保护壳可以是环氧树脂、树脂基材料或任何具有良好导热性能的材料。
45.在一个实施例中，存储单元可以是用于高温的电介质电容器、陶瓷电容器、电解电容器或超级电容器。通过将能量存储在电容器中，可以向传感器、仪器和通信设备连续供电。与电池相比，电容器更容易集成到电路中，通常更便宜，可以现货购买，也更容易处理。根据一个示例实施例，存储单元包括陶瓷膜电容器、电解电容器、超级电容器、双层电容器或伪电容器之一。
46.尽管上文讨论了一些选定实施例，但本发明包括所有钻井和修井操作，包括启动和停用井下工具或仪器或装置，诸如循环接头、旁通阀、钻井扩孔器、套管刮壁器、膨胀式和测试或生产封隔器、衬管和悬挂器。此外，这里描述的实施例构成第四次工业革命(4ir)的一部分。这在上游领域具有深远的应用目标，诸如井下装置的远程致动和自动化、最低限度载人钻井平台。
47.与本公开中介绍的致动系统和方法相比，射频识别(rfid)系统具有以下缺点：rfid标签需要钻井流体流行进通过钻柱组件并流向rfid读取器，以启动或停用井下装置。当rfid标签通过rfid读取器天线向读取器发送其特有的标识号和特定的指令时，rfid标签必须处于正确的或优化的取向。一旦rfid标签从表面掉落，就无法从地面控制标签。需要沿着钻柱部署多个rfid标签，用于多次启动或停用操作。rfid读取器天线占据了钻杆中的空间，并且还可能被来自钻井流体的碎屑污染。rfid读取器天线总是打开的，因为它必须监听rfid标签信号。如果需要，不能立即停止操作，因为必须部署另一个rfid标签来停用或重置井下装置或工具或仪器。根据rfid标签到达rfid读取器附近所花费的时间来启动或停用定时。
48.可以从地面控制上述实施例中所述的井下致动系统，以实时致动数字启动的井下装置或工具。通过从地面致动不同的装置或工具，还能够实时执行离散的钻井工作流程。致动系统是单独的系统，可以与井下工具或装置无缝集成，因此它不会取代现有的钻井组合。所提出的致动系统和方法不仅允许重新设计工作流程以提高钻井效率，而且还可以通过弥合关键技术差距之一、与井下致动系统实时通信并向井下致动系统传送触发信号来促进钻井自动化。
49.致动系统为被动系统，其中来自地面的旋转用于向致动装置提供动力和传送致动信号。这也允许数字逻辑电路处于深度睡眠模式，直到从启动超低功率井下启动系统的致动系统接收到信号。定位工具和致动装置可以是钻井组件的一部分。
50.包括概述、附图简述和详细说明的说明书和所附权利要求书涉及本公开的特定特征(包括过程或方法步骤)。本领域技术人员理解，本公开包括说明书中描述的特定特征的所有可能的组合和使用。本领域技术人员理解，本公开不限于说明书中给出的实施例的描述，或者不受说明书中给出的实施例的描述的限制。
51.本领域技术人员还理解，用于描述特定实施例的术语不限制本发明的范围或宽度。在解释说明书和所附权利要求时，所有术语应该以与每个术语的上下文一致的最广泛的可能方式来解释。除非另外限定，否则说明书和所附权利要求中使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。
52.如说明书和所附权利要求书中所使用得，单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数引用，除非上下文另有明确说明。动词“包括”及其变化形式应该被解释为以非排他的方式指代元件、部件或步骤。引用的元件、部件或步骤可以与没有明确引用的其他元件、部件或步骤一起存在、使用或组合。
53.条件语言，诸如，除其他外，“能够”、“可”、“可能”或“可以”，除非另有特别说明，或在所用的上下文中另有理解，通常旨在传达某些实施可以包括，而其他实施不包括，某些特征、元素或操作。因此，这种条件语言通常不旨在暗示特征、元素或操作对于一个或多个实施是以任何方式必需的，或者一个或多个实施必须包括用于在有或没有用户输入或提示的情况下决定这些特征、元素和操作是否被包括在任何特定实施中或者将被执行的逻辑。
54.因此，所述系统和方法非常适合于实现上述目的，达到上述目的和优点，以及其他固有的目的和优点。虽然为了公开的目的已经给出了系统和方法的示例实施例，但是在用于实现期望结果的过程的细节中存在许多变化。本领域的技术人员可以容易地想到这些和其他类似的修改，并且这些修改旨在包含在所公开的系统和方法的精神以及所附权利要求的范围内。