用于鉆探系統的遙測系統、電流傳感器及相關方法與流程

本申請要求于2014年5月20日提交的美國申請No.14/282,262的權益和優先權，該美國申請的全部公開內容通過參引并入本申請。

技術領域

本公開涉及遙測系統、電流傳感器及相關方法，并且具體地涉及鉆探系統中的遙測系統、電流傳感器及相關方法。

背景技術：

地下鉆探系統用于在大地地層中限定鉆孔。在鉆探鉆孔期間，期望測量與地層相關的某些性質或者井下鉆探操作的狀況，并且將該信息發送至地面以進行進一步分析和/或在需要時自動調節鉆探參數。隨鉆測量(MWD)工具和隨鉆測井(LWD)工具是在井下使用以獲得鉆探數據并將鉆探數據發送至地面的鉆探工具的類型。一些MWD工具和LWD工具是構造成產生進入地層并傳播至地面的電磁場的電磁(EM)遙測工具。在孔中的更大深度處，EM場信號衰減和噪聲會限制有意義的信號檢測或完全阻止檢測。

技術實現要素：

本公開的實施方式包括一種電流傳感器，該電流傳感器構造成檢測鉆探系統的鉆探系統部件中的信號電流。鉆探系統構造成在大地地層中形成鉆孔。電流傳感器包括至少部分地由磁性材料構成的磁性體。電流傳感器還可以包括定位在磁性體上的至少一個勵磁線圈，至少一個勵磁線圈構造成檢測在磁性體內經過的第一磁場。當電流傳感器靠近承載信號電流的鉆探系統部件定位時，通過由鉆探系統部件承載的信號電流感應第一磁場。電流傳感器包括至少一個驅動線圈，所述至少一個驅動線圈定位在磁性體上，至少一個驅動線圈構造成產生第二磁場。其中，當電流傳感器靠近信號電流定位并且至少一個驅動線圈產生第二磁場時，電流傳感器適于使得：1)第二磁場使磁性體的第二部分交替地進入和離開磁飽和，以調制在磁性體內經過的第一磁場，以及2)第一磁場的調制在至少一個勵磁線圈中感應調制信號。

本公開的另一個實施方式包括一種用于鉆探系統的遙測系統。該遙測系統包括接收器，該接收器包括磁性體，當接收器靠近承載信號電流的鉆探系統部件時第一磁場沿著磁性體經過，接收器還包括定位在磁性體上的至少一個勵磁線圈和定位在磁性體上的至少一個驅動線圈。至少一個驅動線圈構造成產生第二磁場使得當至少一個驅動線圈產生第二磁場時，由至少一個驅動線圈產生第二磁場的至少大部分在至少一個勵磁線圈中產生明顯電壓。其中，接收器構造成使磁性體的第二部分交替地進入和離開磁飽和，由此調制至少部分地穿過至少一個勵磁線圈的第一磁場并且由此在至少一個勵磁線圈中感應調制信號。

本公開的另一實施方式包括一種用于沿著鉆探系統的鉆探系統部件傳輸信號電流的方法。該方法包括朝向由鉆探系統部件支承的電流傳感器傳輸信號電流。電流傳感器包括磁性體、由磁性體支承的至少一個勵磁線圈、以及由磁性體支承的至少一個驅動線圈。信號電流在磁性體內產生第一磁場。方法包括經由至少一個驅動線圈產生第二磁場以使磁性體的第二部分交替地進入和離開磁飽和，由此在磁性體內調制第一磁場。響應于產生步驟，當調制的第一磁場的一部分經過磁性體且經過至少一個勵磁線圈的一部分時使調制的第一磁場在至少一個勵磁線圈中感應調制信號。

附圖說明

圖1是根據本公開的實施方式的構造成在包括遙測系統的大地地層中形成鉆孔的鉆探系統的示意性平面圖；

圖2是圖1中示出的鉆探系統的示意性側視圖；

圖3是根據本公開的實施方式的圖1中示出的鉆探系統和鉆柱的一部分的詳細側視圖，其圖示了由套管支承的電流傳感器；

圖4是與圖1和圖2中示出的鉆探系統的遙測系統進行電子通信的計算裝置的框圖；

圖5是環繞圖2和圖3中示出的套管和鉆柱的電流傳感器的俯視圖；

圖6A是圖5中示出的電流傳感器的局部側視圖；

圖6B是圖6B中示出的電流傳感器的一部分的詳細側視圖；

圖6C是圖2和圖3中示出的電流傳感器的另一俯視圖，其圖示了沿著由信號電流和進入驅動線圈的驅動電流感應的電流傳感器的磁場的產生和路徑；

圖6D是圖6C中示出的電流傳感器的局部側視圖；

圖7是圖5中示出的電流傳感器的勵磁桿的俯視圖；

圖8是圖7中示出的勵磁桿的側視圖；

圖9是圖5中示出的電流傳感器的驅動桿的俯視圖；

圖10是圖7中示出的勵磁桿的側視圖；

圖11A和圖11B分別是根據本公開的另一實施方式的電流傳感器的俯視圖和截面圖；

圖12A和12B分別是根據本公開的另一實施方式的電流傳感器的俯視圖和截面圖；以及

圖13A和圖13B是根據本公開的另一實施方式的電流傳感器的側視圖；

圖13C是圖13A和圖13B中示出的電流傳感器的立體圖；

圖14是圖5中示出的構造為開環傳感器的電流傳感器的電路的示意圖；

圖15是圖5中示出的構造為閉環傳感器的電流傳感器的電路的示意圖；以及

圖16是圖示了用于在圖1至圖3中示出的鉆探系統中發送和接收鉆探數據的方法的框圖。

具體實施方式

參照圖1和圖2，鉆探系統1構造成在鉆探操作期間在大地地層3中鉆出鉆孔2。鉆探系統1包括：鉆柱6，該鉆柱6用于在大地地層3中形成鉆孔2；遙測系統100；以及至少一個計算裝置200，所述至少一個計算裝置200與遙測系統100進行電子通信。遙測系統100可以包括至少一個接收器110和遙測工具120，該遙測工具120可以發送EM遙測信號，該EM遙測信號由在鉆柱中行進的電流102

(在本文中稱為電流信號102)和在通向位于地面4處的接收器110的地層中的電場104(在本文中稱為電場信號104)構成。信號電流102和電場信號104可以包括在其中編碼的關于鉆探操作的鉆探數據。計算裝置200可以駐留可以發起期望的解碼或信號處理的例如軟件應用的一個或更多個應用，并且執行用于監測和分析在鉆探操作期間獲得的鉆探數據的各種方法，如將在下文進一步詳細描述的。

本公開描述了遙測系統和提供對從鉆孔2中的較低深度或沿著地面4發送的信號進行可靠檢測的方法，其中，噪聲可能會影響信號接收。例如，當電場信號104和電流信號102行進至地面4并穿過不同的地層類型15和16(圖2)時，從鉆孔2中的較深深度發送至地面4的EM信號經受衰減和噪聲。在一個示例性實施方式中，遙測系統100構造成對通常被鉆探操作的噪聲污染的低頻信號電流——比如1Hz至100Hz的信號電流——進行檢測。如本領域中已知的，較低頻率傳播的信號比較高頻率衰減得更少。然而，典型的電流傳感器在較低頻率下效率較低。對于本公開的電流傳感器，在較低頻率處的測量效率不被降低。對于井下應用，在較低頻率下的更靈敏的電流檢測允許來自較低鉆孔深度的數據發送。對于地面應用，電流傳感器30可以沿著任何導電路徑使用以檢測信號電流。例如，電流傳感器30定位成環繞BOP(防噴器)上方或下方的信號電流，或者電流傳感器30井下附接至地面套管28。在示例性實施方式中，電流傳感器30可以位于BOP下方，在某種程度上的原因是：電流傳感器的定位越接近井下工具，通常發現最大信號電流。在另一個實施方式中，傳感器可以附接至地面套管的底部并且安裝在井中。

遙測系統100可以包括信號電流102檢測、或EM電場信號104檢測、或信號電流102檢測和電場信號104檢測的組合。當可檢測信號行進通過鉆管時，可以使用EM信號電流檢測。應當理解的是，EM信號檢測通常是指電場信號檢測或準靜態場信號檢測。在操作中，電場被檢測為通常在天線電極20a與天線電極20b之間或者在天線20a或20b與連接至地面套管28或BOP 29的點之間測量的電壓信號。當地層性質或噪聲降低EM電壓信號強度時，可以使用信號電流102檢測。應當理解的是，檢測EM電信號104不是用于鉆探系統1中的可靠信號檢測的必要組成部分。

繼續參照圖1和圖2，鉆探系統1構造成沿著鉆孔軸E在大地地層3中鉆出鉆孔2，使得鉆孔軸E至少部分地沿著豎向方向V延伸。豎向方向V是指垂直于大地地層3的地面4的方向。應當理解的是，鉆柱6可以構造成用于定向鉆探，由此鉆孔2的全部或一部分沿水平方向H相對于豎直方向V成角度地偏移。水平方向H大體上垂直于豎向方向V，以與地面4對準或平行于地面4。本文中所使用的術語“水平的”和“豎向的”是如鉆探領域中所理解的那樣，并且是這樣的近似。因而，水平方向H可以沿垂直于豎向方向V的任何方向擴展，例如北、東、南和西以及北、東、南和西之間的任何增量方向。此外，井下或井下位置指的是相比于鉆柱6的頂端更接近鉆柱6的底端的位置。因此，井下方向D(圖2)是指從地面4朝向鉆孔2的底端(未編號)的方向，而井上方向U(圖2)是指從鉆孔2的底端朝向地面4的方向。井下方向D和井上方向U對于定向鉆探操作可以是曲線的。因而，鉆探方向或井身軌跡按照上文指出的任何特定地理方向部分地沿豎向方向V和水平方向H(圖2)延伸。

繼續參照圖1和圖2，鉆探系統1包括支承鉆柱6的井架5。防噴器(BOP)29可以定位在地面處的鉆孔上方。在BOP 29下方的結構可以支承BOP 29并且朝向鉆孔延伸。套管28沿井下方向D延伸到地層3中。鉆柱6沿著中心縱向軸線26呈長形，并且鉆柱6包括頂端8和沿著中心縱向軸線26與頂端8間隔開的底端10。鉆柱6還沿著與中心縱向軸線26對準的縱向方向(未編號)延伸。鉆柱6包括限定鉆柱6和內部通道(未編號)的多個鉆柱部件，鉆探泥漿沿井下方向D行進通過該內部通道。諸如頂驅或轉盤的一個或更多個馬達構造成使鉆柱6、鉆頭14或鉆柱6和鉆頭14兩者旋轉，以便控制鉆頭14的旋轉速度(RPM)和鉆頭14上的扭矩。泵14構造成通過鉆柱6中的內部通道(未示出)向下泵送鉆探泥漿(泵和流體未示出)。當鉆探泥漿在鉆頭14處離開鉆柱6時，返回的鉆探泥漿通過環形通道13(圖3)向上朝向地面4流動，該環形通道13形成在鉆柱6與大地地層3的限定鉆孔2的壁(未編號)之間。可選地，在鉆柱6的井下位置處可以設置有泥漿馬達，以使鉆頭14獨立于鉆柱6的旋轉而旋轉。頂驅、轉盤、泵和其他部件可以產生影響鉆探現場處的信號檢測的噪聲。

參照圖1和圖2，遙測系統100包括將信號電流102傳輸至接收器110的遙測工具120。遙測工具120包括發送器、電源、電極和支承發送器的一部分的殼體(未示出遙測工具120的細節)。遙測工具120可以電連接至一個或更多個傳感器。傳感器中的一些傳感器可以位于井下并連接至工具120。其他傳感器可以位于地面處或地面附近，例如在井架上，并且連接至其他工具。遙測工具發送器可以包括調制器，該調制器構造成將鉆探數據編碼到經由發送器發送的信號中。發送器可以構造成沿著鉆柱6中的導電路徑傳播信號電流，以在地面4處進行檢測。鉆柱中的電流或在例如套管28和或BOP29的鉆塔位置與天線20a和/或天線20b之間或在天線對20a與20b之間的電壓可以被測量用以接收來自遙測工具120的數據。鉆探數據可以包括但不限于諸如傾斜、方位角和工具面數據的方向數據、地層特性、鉆柱和鉆頭振動數據、鉆壓(WOB)數據和鉆壓扭矩(TOB)和壓力數據。如下面進一步詳述的，鉆探數據可以通過在鉆孔2中的井下位置處的傳感器和/或通過位于地面4處或附近的傳感器而獲得。

轉向圖4，遙測系統100例如接收器110可以包括構造成檢測信號電流102的至少一個電流傳感器30(圖3)。接收器110可以包括接收器部件112和解調器114。接收器部件可以包括電源、控制器和處理器、振蕩器和有助于信號處理的其他部件。電流傳感器30與接收器部件112進行電子通信。接收器部件可以電連接至解調器114和/或計算裝置200。解調器114可以直接或間接地與計算裝置進行電子通信。接收器110還可以包括天線對20a和20b，天線對20a和20b檢測由遙測工具120發送的EM信號104。接收器100可以處理檢測到的信號102和104，并且附加地或替代性地將檢測到的信號102和104傳遞至計算裝置200用于進一步處理。

繼續參照圖4，鉆探系統1可以包括與遙測系統100進行電子通信的一個或更多個計算裝置200。計算裝置200構造成接收、處理和存儲各種鉆探操作信息。如圖示的，計算裝置可以與接收器110進行電子通信。接收器110可以接收通過電流傳感器30以及天線對20a和20b獲得的且從位于井下位置處的遙測工具120發送的信號102和/或信號104，和或接收從地面4處或地面4附近的位置發送的信號。

任何適當的計算裝置200可以構造成駐留構造成對編碼于信號102、信號104中的鉆探數據進行處理并且進一步監視和分析鉆探數據的軟件應用。將理解的是，計算裝置200可以包括任何適當的裝置，其示例包括臺式計算裝置、服務器計算裝置或諸如筆記本電腦、平板電腦或智能手機之類的便攜式計算裝置。在圖4中圖示的示例性構型中，計算裝置200包括處理部分202、存儲器部分204、輸入/輸出部分206和用戶接口(UI)部分208。要強調的是，計算裝置200的框圖描繪是示例性的而并非旨在表明特定實施方案和/或構型。處理部分202、存儲器部分204、輸入/輸出部分206和用戶接口部分208可以耦合在一起以允許其之間的通信。應當理解的是，可以將以上部件中的任何部件在一個或更多個單獨的裝置和/或位置分布。

在各種實施方式中，輸入/輸出部分206包括計算裝置200的接收器、計算裝置200的發送器(勿與下面所描述的遙測工具120的部件相混淆)或用于有線連接的電子聯接器或其組合。輸入/輸出部分206能夠接收和/或提供關于與網絡諸如例如因特網通信的信息。應當理解的是，發送和接收功能也可以由在計算裝置200外部的一個或更多個裝置來提供。例如，輸入/輸出部分206可以與接收器110進行電子通信。

取決于處理器的確定構型和類型，存儲器部分204可以是易失性的(比如某些類型的RAM)、非易失性的(諸如ROM、閃存等)或其組合。計算裝置200可以包括附加存儲裝置(例如，可移動存儲裝置和/或不可移除存儲裝置)，該附加存儲裝置包括但不限于磁帶條(tape)、閃存、智能卡、CD-ROM、數字通用光盤(DVD)或其他光學存儲裝置、磁帶盒、磁帶、磁盤存儲裝置或其他磁性存儲裝置、通用串行總線(USB)兼容存儲器或者可以用于存儲信息并且可以被計算裝置200訪問的任何其他介質。

計算裝置200可以包含用戶接口部分208，該用戶接口部分208可以包括允許用戶與計算裝置200通信的輸入裝置和/或顯示器(輸入裝置和顯示器未示出)。用戶接口208可以包括輸入(inputs)，所述輸入提供經由例如按鈕、軟鍵、鼠標、語音致動控制器、觸摸屏、計算裝置200的運動、視覺提示(例如，使手在計算裝置200上的攝像機前方移動)等來控制計算裝置200的能力。用戶接口208可以提供輸出，所述輸出包括視覺信息，比如經由顯示器213(未示出)的一個或更多個鉆探參數的多個操作范圍的視覺指示。其他輸出可以包括音頻信息(例如，經由揚聲器)、機械地(例如，經由振動機構)或其組合。在各種構型中，用戶接口208可以包括顯示器、觸摸屏、鍵盤、鼠標、加速度計、運動檢測器、揚聲器、麥克風、相機或其任何組合。用戶接口208還可以包括用于輸入生物測定信息的任何適當的裝置以例如要求用于訪問計算裝置200的特定生物信息，其中，生物信息諸如例如為指紋信息、視網膜信息、語音信息和/或面部特征信息。

示例性架構可以包括一個或更多個計算裝置200，所述一個或更多個計算裝置200中的每個計算裝置可以經由公用通信網絡與數據庫(未示出)和遙測系統100進行電子通信。數據庫可以與計算裝置200分離，或者也可以是計算裝置200的存儲器部分204的部件。應當理解的是，可以設想許多適當的替代通信架構。一旦如上所述應用程序已經被安裝到計算裝置200上，則應用程序可以在諸如例如因特網的公用網絡上的其他計算裝置之間傳遞信息。對于實例構型，用戶可以經由網絡向遙測工具120的供應商的計算裝置發送有關一個或更多個鉆探參數的信息，或者引起至遙測工具120的供應商的計算裝置的關于一個或更多個鉆探參數的經由網絡的信息的發送，或者替代性地經由網絡向例如石油公司或石油服務公司的另一第三方的計算裝置發送信息。第三方可以通過顯示器查看鉆探數據。此外，用戶可以從計算裝置200的構件部分204訪問鉆探數據。應當理解的是，如本文所使用的“訪問”或“正訪問”可以包括檢索在本地計算裝置的存儲器部分中存儲的信息、或者經由網絡向遠程計算裝置發送指令以使該信息被發送至本地計算裝置的存儲器部分以用于本地訪問。另外或替代性地，訪問可以包括訪問遠程計算裝置200的存儲器部分中存儲的信息。計算裝置200可以由例如鉆探場地的鉆機操作者、鉆探場地所有者、石油服務鉆探公司和/或鉆探系統部件的任何制造商或供應商，或其他服務提供商來全部或部分地操作。應當理解的是，以上闡述的各方中的每方和/或其他相關方可以操作任何數量的相應計算裝置，并且可以使用包括例如廣域網(WAN’S)比如互聯網或局域網(LAN’S)的任何數量的網絡來內部地和外部地通信。

轉向圖2和圖3，電流傳感器30可以由承載信號電流102的鉆探系統部件25支承。鉆探系統部件25可以是鉆探系統1的任何部分或部分。例如，鉆探系統部件25可以包括井架5的任何零件或部分、平臺(未示出)、驅動馬達、套管28、防噴器29、鉆柱6及其部分(諸如例如鉆管、鉆鋌、井底鉆具組件)和井下工具。根據圖示的實施方式，電流傳感器30位于BOP 29下方且靠近鉆柱6，使得信號電流102延伸通過電流傳感器30。在替代性實施方式中，電流傳感器30可以定位在井中以便由套管28支承并且圍繞套管28延伸。對于近海應用，電流傳感器30可以放置在井口處的海底，以便檢測在海底下面的鉆柱上行進的信號。

參照圖5和圖6A，電流傳感器30可以定位成檢測穿過鉆探系統部件25的信號電流102。電流傳感器30包括磁性體32、由磁性體32支承的至少一個勵磁線圈38、以及由磁性體32支承的至少一個驅動線圈，比如第一驅動線圈40和第二驅動線圈42。根據圖示的實施方式，至少一個勵磁線圈38由磁性體32的第一部分支承，并且至少一個驅動線圈，比如第一驅動線圈40和第二驅動線圈42，由磁性體32的第二部分支承。

繼續參照圖5和圖6A，磁性體32可以具有第一或場本體部件34和第二或驅動本體部件36，該第一或場本體部件34和第二或驅動本體部件36布置成限定沿方向A延伸穿過磁性體32的通道44。電流傳感器30限定橫向于方向A(圖6A)的軸線46以及從軸線46向內間隔開的中心48。磁性體32圍繞中心48沿著軸線46延伸，由此限定通道44。磁性體32還可以限定當信號電流102穿過通道44時磁場可以沿著其行進的路徑。例如，路徑可以沿著軸線46的一部分或全部延伸。根據圖示的實施方式，場本體部件34可以限定間隙50(圖5和圖6B)。例如，場本體部件可以包括間隔開以限定間隙50的端部部分。驅動本體部件36可以構造成橫跨間隙50。間隙50可以是在場本體部件34的部分之間延伸的物理間隙。間隙50還可以限定在穿過磁性體32的磁場BC(圖6C)的路徑中的中斷。因而，驅動本體部件36可以橫跨間隙50，以便生成針對磁場流動的路徑。根據圖示的實施方式，驅動本體部件36可以附接至場本體部件34，以便限定與間隙50相鄰的重疊部69(參見圖6B和圖6C)，從而在場本體部件34與驅動本體部件36之間提供磁性路徑，如將在下文進一步詳細描述的。重疊部69導致第一驅動線圈40和第二驅動線圈42與軸線46之間沿方向A(或橫向于軸線46的任何方向)的偏移。偏移可以通過使由驅動線圈40和42產生的磁場與勵磁線圈38解耦來幫助促進信號檢測。在替代性實施方式中，間隙50可以是由于一種材料至另一種材料的轉變而引起的磁場的路徑中的中斷。例如，場本體部件34可以由第一材料形成，并且間隙50可以包括由橫跨間隙50的第二材料形成的本體。場本體部件34在說明書中可以可互換地稱為第一本體部件34或磁性體32的第一部分。類似地，驅動本體部件36在本說明書中可以互換地稱為第二本體部件36或磁性體32的第二部分。

轉向圖5，磁性體32可以定形狀和定尺寸為接納鉆探系統部件25。磁性體32可以具有環繞鉆探系統部件25的任何適當的形狀。根據圖示的實施方式，當電流傳感器30定位在BOP 29下方時(如圖3所示)，鉆柱6的縱向軸線26可以穿過通道44的中心48或靠近通道44的中心48。替代性地，電流傳感器30可以構造成使得當其位于靠近BOP 29或在BOP 29上時，通道44的中心48可以偏離鉆柱6的縱向軸線26。因此，磁性體32可以呈大致圓形、正方形、直線形、菱形、三角形、五邊形、六邊形、八邊形、或繞中心48延伸的任何其他適當的形狀。

繼續參照圖5，場本體部件34包括至少一個勵磁桿(field bar)56。根據圖示的實施方式，場本體部件34包括多個勵磁桿56a、56b、56c、56d、56e、56f、56g和56h，所述多個勵磁桿56a、56b、56c、56d、56e、56f、56g和56h互相連接以沿著軸線46延伸并且部分地限定通道44和間隙50。間隙50從勵磁桿56a的端部70a和勵磁桿56h的端部70b延伸。可以修改連接在一起的勵磁桿56的數量，使得場本體部件34的尺寸可以被調節以適應鉆探系統部件25的尺寸。例如，更多的勵磁桿56可以連接在一起用于較大直徑的鉆探系統部件25，而對于通常具有較小直徑的鉆管部段或其他部件可能需要較少的勵磁桿56。根據圖示的實施方式，八個勵磁桿56a至56h沿著軸線46連接，以便限足夠定尺寸以接納鉆探系統部件的通道44。應當理解的是，可以使用多于八個的勵磁桿56或少于八個的勵磁桿58來限定場本體部件34。勵磁桿56可以通過緊固件68或其他器件連接在一起。此外，緊固件68(圖6A)允許相鄰的勵磁桿56在組裝期間沿著鉆探系統部件25相對于彼此樞轉。緊固件68隨后可以被緊固，以便使在重疊部69處的相鄰的勵磁桿56之間的間距最小化。可能期望在重疊部69中插入磁性糊料(magnetic paste)，以便使沿著磁性體32穿過重疊部69的磁場的破壞降至最低。

轉向圖7和圖8，每個勵磁桿56包括長形本體60，該長形本體60具有相對的端部62a和62b、沿方向A相對于彼此間隔開的相對的上表面64a和下表面64b、以及沿垂直于方向A的方向R間隔開的相對的側部65a和65b。每個勵磁桿56還可以限定最大截面尺寸T，該最大截面尺寸T在相對的端部62a和62b之間的位置沿方向A朝向端部62a和62b或在端部62a和62b的中點處從上表面64a延伸至下表面64b。每個勵磁桿56可以限定沿方向R從側部65a延伸至側部65b的寬度以及沿著垂直于方向A和方向R的方向L從端部62a延伸至端部62b的長度。寬度可以根據需要在.1英寸至幾英寸之間。例如，在替代性實施方式中，勵磁桿56可以具有略小于鉆探系統部件25的外周長的長度，使得整體式勵磁桿56限定場本體部件34。每個勵磁桿56限定孔口66，所述孔口66定尺寸為接納緊固件68。緊固件68(圖6A)在重疊構型中將相鄰的勵磁桿56連接在一起。盡管勵磁桿56示出為直線形長形本體，但勵磁桿56可以具有其他形狀。例如，勵磁桿56可以包括相對于中心48限定弧的彎曲本體。當這種彎曲本體連接在一起時，場本體部件限定更為圓形的構型。

繼續參照圖5，至少一個勵磁線圈38沿著場本體部件34定位并且環繞場本體部件34。根據圖示的實施方式，通向所有場本體部件34的部分可以包括勵磁線圈38。例如，電流傳感器30可以包括圍繞相應的勵磁桿56b、56c、56d、56e、56f、56g纏繞的多個勵磁線圈38a、38b、38c、38d、38e、38f。勵磁線圈38a至38f可以沿著具有接收器部件112和解調器114的電路300、400(圖14和圖15)串聯放置。根據圖示的實施方式，勵磁桿56a和勵磁桿56h附接至驅動本體部件36并且可以不包括勵磁線圈38，以使由驅動線圈40和42以及勵磁線圈38產生的磁場之間的干擾降至最低。多個勵磁線圈38a至38g經由端子39b電連接至解調器114(圖14和圖16)。此外，39a接地至電路300。

每個勵磁線圈38包括至少一個繞組層或多個繞組層。在示例性實施方式中，每個繞組層可以包括10匝至10,000匝之間。在示例性實施方式中，24規格線材可以使用在線圈中。應當理解的是，如果使用較小規格或更粗規格的線材，則每層更多或更少的匝可以用于產生期望的電阻。

場本體部件34圖示為包括連接在一起以便部分地限定通道44的多個勵磁桿56以及圍繞場本體部件34設置的多個勵磁線圈38。根據替代性實施方式，場本體部件34可以構造為相對于通道44的中心沿著軸線46延伸的整體式磁性體。例如，場本體部件34可以構造為帶繞磁芯(參見圖11A)或由磁性材料形成的整體式環形環(圖12)。換句話說，場本體部件34可以是具有至少部分地限定通道44的形狀的任何磁性結構。此外，場本體部件34還可以根據需要沿方向A限定任何適當的截面形狀，以附接至鉆探系統部件35。場本體部件可以由任何磁性材料制成。

返回轉向圖5、圖6A和圖6B，驅動本體部件36構造成在偏離如上所述的軸線46的位置處支承至少一個驅動線圈。根據圖示的實施方式，驅動本體部件36包括至少一個驅動桿，比如第一驅動桿52和第二驅動桿54。第一驅動桿52和第二驅動桿54附接至相鄰的勵磁桿56a和56h且與相鄰的勵磁桿56a和56h重疊，以便橫跨間隙50，從而在驅動桿52和54與勵磁桿56a和56h之間提供潛在的磁路。第一驅動桿52和第二驅動桿54可以沿垂直于方向L的方向A堆疊(圖6B)。圖示的堆疊構型使第一驅動桿52和第二驅動桿54沿方向A相對于軸線46偏移，這使得相應的驅動線圈40和42相對于軸線46偏移。第一線圈40和第二線圈42可以限定相應的第一驅動線圈軸線53和第二驅動線圈軸線55。第一線圈和第二線圈可以圍繞相應的軸線53和55延伸或轉動，并且沿方向L沿著軸線53和軸線55延伸。第一驅動桿52和第二驅動桿54附接至相鄰的勵磁桿56a和56h的相應的上表面64a和下表面64b，使得第一驅動線圈40和第二驅動線圈42沿方向A彼此間隔開。此外，偏移使第一驅動線圈軸線53和第二驅動線圈軸線55沿方向A或相對于A成角度地偏移的任何方向遠離軸線46間隔開。緊固件68可以將第一驅動桿52和第二驅動桿54附接至相鄰的勵磁桿56a和56h。緊固件68可以使在重疊部69處在驅動桿52和54與勵磁桿56a和56h之間的間距最小化。可能期望在重疊部69中插入磁性糊料，以便使經過驅動本體組件36內通向場本體部件34的磁場的破壞降至最低。

轉向圖9和圖10，每個驅動桿52和54包括長形本體70，該長形本體70具有沿方向L間隔開的相對的端部72a和72b、沿方向A相對于彼此間隔開的相對的上表面74a和下表面74b、以及沿方向R間隔開的相對的側部78a和78b。每個驅動桿52和54限定孔口76，該孔口76的尺寸設定為接收緊固件68，該緊固件68將驅動桿52和54連接至勵磁桿56a和56h。每個驅動桿52和54可以限定第二或驅動桿最大截面尺寸D，該最大截面尺寸D在相對的端部72a和72b之間在本體70的中點處或附近沿方向A從上表面74a延伸至下表面74b。第一驅動桿最大截面尺寸D1可以小于場驅動桿最大截面尺寸T。此外，第二驅動桿最大截面尺寸D2可以小于場驅動桿最大截面尺寸T。根據圖示的實施方式，組合的第一驅動桿截面尺寸和第二驅動桿截面尺寸D1+D2可以小于場驅動桿最大截面尺寸T。每個驅動桿52和54可以限定沿垂直于方向A的方向R從側部78a延伸至側部78b的寬度以及沿垂直于方向A和R的方向L從端部72a延伸至端部72b的長度。在示例性實施方式中，驅動桿的截面面積可以小于勵磁桿的截面。應當理解的是，驅動桿的截面面積可以與勵磁桿的截面面積相同或大于勵磁桿的截面面積。雖然驅動桿52和54示出為具有線性本體，但是驅動桿52和54可以限定其他形狀，比如構造成相對于中心48限定弧的彎曲本體。

現在轉向圖6A和圖6B，至少一個驅動線圈由驅動本體部件36支承。根據圖示的實施方式，第一驅動線圈40和第二驅動線圈42以堆疊構型環繞相應的驅動桿52和54。第一驅動線圈40和第二驅動線圈42可以沿著電路300或400串聯連接(圖14和圖15)。電路300、電路400可以包括至少電源(未示出)，該電源可以產生通過第一驅動線圈40和第二驅動線圈42的驅動電流106。此外，每個驅動線圈40和42可以沿著電路經由端子39c和39d(在圖14和圖15中圖示為端子41c和41d)進行物理連接。應當理解的是，可以使用多于一個的電源，使得單獨的驅動電流可以施加至第一驅動線圈40和第二驅動線圈42。

每個驅動線圈40和42可以包括至少一個繞組層或多個繞組層。在示例性實施方式中，每個層可以包括10匝至10,000匝之間。在示例性實施方式中，24規格線材可以使用在線圈中。應當理解的是，如果使用較小或較粗規格的線材，則每層可以使用更多或更少的匝以產生期望的電阻。

在替代性實施方式中，電流傳感器可以構造成使得至少一個勵磁線圈可以環繞至少一個驅動線圈(未示出)。在這樣的實施方式中，盡管由至少一個驅動線圈產生的磁場在勵磁線圈內部，但是由至少一個驅動線圈產生的凈磁場基本上為零，并且因此如果有的話很少，電壓被感應到勵磁線圈中。這是由于驅動線圈產生彼此相等且相反的磁場，并且周圍的勵磁線圈僅測量磁性體內部的凈場。因此，當至少一個驅動線圈可以由磁性體的第二部分支承時，至少一個勵磁線圈可以由磁性體的第一部分和第二部分支承。在這種實施方式中，至少一個驅動本體部件可以被驅動進入和離開磁飽和，并且由此調制在至少一個勵磁線圈中感應的電壓。

磁性體32，例如場本體部件34和驅動本體部件36可以由磁性材料形成。通常，磁性材料具有相對高的磁導率，其可以限制和導引磁場。例如，磁性材料例如可以是任何硬的和軟的含鐵材料，比如包括其合金和其復合材料的鐵氧體、鋼、鐵和/或鎳。

現在轉向圖11A至圖13B，示出了磁性體32的替代性實施方式。圖11A和圖11B圖示了電流傳感器90，該電流傳感器90包括構造為帶繞磁芯156的場本體部件134。驅動本體部件36包括支承相應的驅動線圈40和42的一對驅動桿52和54。可以沿帶繞磁芯156的長度設置有勵磁線圈38。

在圖12A和圖12B中示出的實施方式中，電流傳感器94包括構造為連接的多個勵磁桿56的第一本體部件34或者整體式本體。根據圖12A和12B中示出的替代性實施方式，驅動本體部件36可以是附接至場本體部件34以橫跨間隙50的環形本體80。第一驅動線圈40和第二驅動線圈42可以環繞環形本體80的相對兩個側部。在這樣的實施方式中，環形本體80沿方向A偏離軸線46，并且驅動線圈40和42沿相對于軸線46和方向A成角度地偏移的方向R偏離軸線46。根據替代性實施方式，當驅動電流被供給至線圈40和42時，驅動磁場BD的至少大部分將未在勵磁線圈38中產生電壓，例如電動勢。在該構型中，勵磁線圈也可以放置在驅動線圈組件周圍而不是放置在場本體部件34(未示出)上。

在如圖13A至圖13C所示的又一實施方式中，電流傳感器96可以包括構造為偏移環形組件的磁性體232。偏移環形組件包括聯接至第二或驅動環形部段86的第一或場環形部段84，該第二或驅動環形部段86相對于場環形部段84旋轉約90度。場環形部段84在本體部件236處聯接至驅動環形部段86。本體部件236可以循環進入和離開磁飽和。場環形部段84包括勵磁線圈38，并且驅動環形部段86包括驅動線圈40。驅動線圈構造成產生磁場，其大部分未在勵磁線圈38中感應電動勢，部分原因在于驅動線圈40相對于場環形部段84的旋轉和橫向偏移。因而，驅動線圈布置成使得其磁場未在勵磁線圈38中感應電壓。應當理解的是，該實施方式不限于環形部件，并且可以使用任何數量的驅動本體部件和場本體部件的構型來檢測信號電流102。

現在參照圖6C和圖6D，場本體部件34和驅動本體部件36的磁性允許磁性體32在磁場BC可以沿著磁性體32被引導而不破壞的狀態與磁性體32不允許磁場BC沿著磁性體32經過——即磁場BC被中斷——的狀態之間重復。當磁場BC由信號電流102產生時，磁性體32的磁性以及驅動線圈40和42相對于磁性體上的勵磁線圈38的布置允許磁性體32的磁性狀態的控制迭代。結果是低電平、可靠的信號電流檢測。

繼續參照圖6C和圖6D，接下來將參照圖6C和圖6D來描述電流傳感器30的操作。當電流102穿過電流傳感器30時，第一磁場BC沿著磁性體32產生(圖6C)。第一磁場BC沿著下述路徑穿過重疊部69且穿過驅動桿52和54：該路徑沿著場本體部件34中的軸線46延伸。施加驅動電流106，驅動線圈40和42在驅動本體部件36例如驅動桿52和54(圖6B)內產生第二磁場BD。驅動線圈40和42相對于勵磁線圈38布置成使得第二磁場的產生未在勵磁線圈38中產生電壓。例如，第二磁場未在勵磁線圈38中感應電動勢。即使第二磁場確實感應電動勢，則電動勢也是可忽略的。驅動電流106可以是交流電。驅動電流106的施加使驅動桿52和54循環進入和離開磁飽和。例如，驅動電流106和第二磁場BD使驅動桿52和54在1)第一階段與2)第二階段之間循環，其中，在第一階段中，驅動桿52和54被磁飽和以在間隙50處的時刻在第一磁場BD的路徑中引起中斷，在第二階段中，驅動桿52和54逐漸失去磁飽和，以便消除在第一階段期間產生的路徑中的中斷。在第一階段與第二階段之間的循環使得驅動桿52和54被驅動進入和離開磁飽和，調制第一磁場BC由此產生調制的磁場BM。循環可能會以為信號電流的最高頻率的至少兩倍的頻率發生。因此，第一磁場BC可以以為信號電流的最高頻率的至少兩倍的頻率被調制。當調制的磁場BM在磁性體32內穿過勵磁線圈38時，在勵磁線圈38中產生調制信號M。例如，調制磁場BM可以在勵磁線圈38中產生電壓。調制信號M隨后如下所述被進一步處理。交流電的替代是利用切換的直流電。

現在轉向圖14，電流傳感器可以構造為開環信號傳感器130。開環傳感器130可以根據上述實施方式中的任一實施方式包括磁性體32、由場本體部件34支承的勵磁線圈38、以及由驅動本體部件36支承的至少一個驅動線圈(40或42)。開環傳感器130可以沿著構造成提供開環電流檢測的電路300連接。電路300包括振蕩器302、用于產生驅動和場時鐘的計數器304、以及在端子41c和41d處連接至驅動線圈40(和/或驅動線圈42)的功率放大器306。電源(未示出)可以供給電流。計數器304可以連接至功率放大器306和解調器114。勵磁線圈端子39a和39b分別連接至接地和高通濾波器308。高通濾波器可以包括電容器308a和電阻器308b。解調器114可以是根據一個實施方式的同步解調器。放大器324具有與沿著鉆探系統部件25，例如靠近BOP 29的鉆柱6(參見圖3和圖5)流動的電流成比例的輸出信號。

振蕩器302可以產生精確和穩定的系統時鐘。計數器304包括產生具有頻率F_D的驅動時鐘和頻率為F_D的兩倍的場或檢測器時鐘的“除N”計數器。驅動時鐘以頻率F_D被施加至功率放大器306。場時鐘以兩(2)倍F_D的頻率被施加至解調器114。

功率放大器306具有足夠的電壓和電流以使驅動桿52和54循環進入和離開飽和，如上所述。在圖示的實施方式中，功率放大器306向驅動線圈40和42施加交流電，這驅動驅動桿52和54的飽和，如上所述。當驅動桿52和54(圖6B)不處于飽和時，與信號電流102相關聯的第一磁場BC為最大。當驅動桿52和54處于飽和時，磁性體32包括路徑中的中斷，并且第一磁場BC為最小。使驅動桿52和54循環離開和進入飽和——這使磁場BC在最小與最大之間循環——將磁場BC調制成調制磁場BM。調制磁場BM具有例如在驅動時鐘的每個周期兩次出現的最小值和最大值。調制磁場BM在勵磁線圈38處產生調制電壓輸出。勵磁線圈38的輸出通過高通濾波器308被濾波。

解調器114包括開關312和314，開關312和314中的每個開關在第一位置與第二位置之間重復。高通濾波器308的輸出隨后被施加至開關312和314。當驅動桿52和54離開飽和時，開關312和314處于第一位置，當驅動桿52和54進入飽和時，開關312和開關314處于第二位置。開關312和314在分別連接至端子316和318時處于第一位置。開關312和314在分別連接至端子320和322時處于第二位置(未示出)。當驅動桿52和54分別為明確不飽和或者明確飽和時，在第一位置和第二位置之間的切換發生。

解調器114的輸出被施加至放大器324。根據圖示的實施方式，當驅動桿52和54進入飽和時(開關312和314可以處于第一位置)，勵磁線圈38的輸出信號將具有一個極性。當驅動桿52和54離開飽和時(開關312和314可以處于第二位置)，勵磁線圈38的輸出信號將具有相反的極性。由解調器114產生的相反極性信號可以是脈沖輸出信號。放大器324包括輸入326和328，分別比如反相輸入和非反相輸入。在圖示的實施方式中，放大器構造為積分器。脈沖輸出信號可以被施加至放大器324的輸入326和328。如圖示的，放大器324構造成例如通過限制解調器114的DC增益在固定長度的窗口上方對來自解調器114的脈沖輸出信號進行積分。如上所述，電路300的輸出330是將與在鉆探系統部件25上流動的電流102成比例的調制信號。輸出330可以被施加至接收器部件112(圖4)和/或計算機處理器(圖4)用于進一步的信號處理。例如，輸出330可以由控制器(未示出)接收，該控制器構造成響應于接收到輸出330而使處理器對輸出信號330進行解碼。解碼輸出信號的輸出可以是鉆探數據，其可以與在計算裝置200上運行的一個或更多個分析和顯示應用程序一起使用。應當理解的是，以上所描述的電路300的替代性實施方案可以用于輔助開環信號檢測。沿著電路300的部件的構型可以變化，并且電路300的單個元件并非是必要的。

轉向圖15，電流傳感器可以構造為閉環傳感器230。閉環傳感器230可以根據上述實施方式中的任一實施方式包括磁性體32、由場本體部件34支承的勵磁線圈38、以及由驅動本體部件36支承的至少一個驅動線圈(40或42)。閉環傳感器230可以沿著構造成提供閉環電流檢測的電路400連接。閉環傳感器電路400可以包括與上述開環電路300類似的元件。例如，電路400包括振蕩器302、計數器304、功率放大器306、解調器114和構造為積分器的放大器324。在閉環構型中，放大器324構造成用于高增益。根據圖示的實施方式，放大器324的輸出被施加至電流源332。電流源332的輸出然后被施加至勵磁線圈38。電流源332應當具有相對高的輸出阻抗，以避免來自勵磁線圈38的信號脈沖振幅的退化。當放大器324構造成用于高增益時，可以將電流施加回勵磁線圈38，其幾乎等于信號電流102除以勵磁線圈的總匝數。結果是在磁性體32中流動的第一磁場BC的接近但不是總的消除。使用放大器334比如電流-電壓轉換器產生電路400的輸出信號430。輸出信號430與在鉆柱6上流動的電流成比例。反饋可以驅動系統朝更線性水平比如90％或更大線性驅動。

轉向圖16，用于使用電流傳感器30檢測電流102的方法500可以包括沿著鉆探系統部件25的一部分安裝(未示出)電流傳感器30。該方法的步驟502可以包括朝向由鉆探系統部件支承的電流傳感器傳輸信號電流。在步驟504中，在磁性體內沿著由磁性體限定的路徑產生第一磁場。步驟506可以包括向驅動線圈施加電流。例如，步驟506可以包括向驅動線圈施加交流電。在步驟508中，第二磁場由驅動線圈產生，以使第二部分比如驅動本體部件36交替地進入和離開磁飽和。接下來，在步驟510中，驅動本體部件36在1)第一階段與2)第二階段之間循環，其中，在第一階段中，驅動本體部件36被磁飽和以便在第一磁場的路徑中產生中斷，在第二階段中，驅動本體部件36是磁不飽和的，以便消除在第一階段期間產生的路徑中的中斷。該方法可以包括在步驟512中通過在一段時間內使第一階段和第二階段重復來調制在磁性體內經過的第一磁場。在調制步驟512中，第一磁場可以以與第一階段和第二階段在一段時間被重復的頻率成比例的方式被調制。步驟514包括當調制的第一磁場的一部分在磁性體內經過時在至少一個勵磁線圈中感應調制信號。調制磁場穿過勵磁線圈并且在勵磁線圈中感應調制的電壓。在步驟516中，調制電壓信號可以被解調為與沿著鉆探系統部件經過的信號電流成比例的輸出信號。步驟518可以包括處理輸出信號。例如，該方法可以包括解碼輸出信號并分析在輸出信號中編碼的鉆探數據。對于閉環構型，該方法可以包括向勵磁線圈38施加信號電流。