用于結合晶體共振器進行測量的系統和方法
【專利摘要】一種用于探查表面以下的井孔中的井下環(huán)境的系統、方法和設備包括：電磁能量源112，可操作地在井孔100中傳遞電磁信號；傳感器模塊124，包括無源共振電路，所述無源共振電路包括具有隨著井下環(huán)境的狀況的變化而改變的共振頻率的晶體振蕩器以響應于井孔中的井下環(huán)境的狀況反射電磁信號和調制電磁信號；以及檢測器114，可放置以接收反射的調制電磁信號。多種實施例包括功率監(jiān)視器以及被配置和安排以在觀察到施加的功率中的拐點時測量輸入頻率的電路。
【專利說明】用于結合晶體共振器進行測量的系統和方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明一般涉及遠程感測，并且更具體地涉及使用基于晶體共振器的傳感器感測溫度和/或壓力。

【背景技術】
[0002]在資源回收中，監(jiān)視遠離觀察者的位置處的各種狀況是有用的。特別地，提供監(jiān)視用于開發(fā)目的或者生產目的已經被鉆井的井孔底部處或者其附近的狀況是有用的。因為此類井孔可以延伸數公里，所以為此類監(jiān)視提供有線通信系統并不總是實際的。
[0003]美國專利N0.6766141 (Briles等)公開了一種用于遠程井下遙測的系統。遙測通信用于油井監(jiān)視并且記錄位于氣或油回收管道的底部附近的工具。調制反射被描述以用于監(jiān)視井下狀況。
[0004]如美國專利N0.6766141所描述的，射頻(RF)發(fā)生器/接收器基站與管道進行電子通信。RF頻率被描述為3Hz與30GHz之間的電磁輻射。具有反射天線的井下電子模塊接收來自所述RF發(fā)生器/接收器的輻射載波信號。電子模塊上的天線能夠具有拋物線型或其他聚焦外形。輻射載波信號接著被以調制方式反射，該調制響應于由電子模塊執(zhí)行的測量。反射的調制信號經由管道傳遞到井的表面，在此處它可以被RF發(fā)生器/接收器檢測到。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的實施例的一個方面包括:電磁能量源，可操作地在井孔中傳遞電磁信號；傳感器模塊，包括無源共振電路，所述無源共振電路包括具有隨著井下環(huán)境的狀況的變化而改變的共振頻率的晶體振蕩器以響應于井孔中的井下環(huán)境的狀況反射電磁信號和調制電磁信號；以及檢測器，可放置以接收反射的調制電磁信號。
[0006]實施例的一個方面包括檢測電磁能量源的功率級別的功率監(jiān)視器，以及被配置和安排以在檢測到的功率級別確定拐點(inflect1n)的電路元件。在實施例中，對每個確定出的拐點(inflect1n),通過確定電磁能量源的壓控共振器處的電壓輸入來確定共振頻率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]當結合附圖閱讀隨后的詳細描述時，此處描述的其他特征將會對本領域技術人員來說更加清晰。
[0008]圖1是根據本發(fā)明的實施例的用于探查位于表面以下的井孔中的井下環(huán)境的示意圖。
[0009]圖2是根據本發(fā)明的實施例的結合壓力或溫度傳感器的傳感器封裝的示意圖。
[0010]圖3是根據本發(fā)明的實施例的結合基于晶體振蕩器的傳感器的電路的示意圖。
[0011]圖3A是根據本發(fā)明的實施例的結合基于晶體振蕩器的傳感器以及電容傳感器的電路的不意圖。
[0012]圖4是根據本發(fā)明的一個或多個實施例的結合多個傳感器的封裝的示意圖；以及
[0013]圖5是根據本發(fā)明的實施例的結合功率信號監(jiān)視功能的檢測電路的示意圖。

【具體實施方式】
[0014]圖1例示了用于監(jiān)視地下井孔中的狀況的裝置100的示例。裝置100包括用于將電磁能量傳導穿過井孔的諸如導電線102之類的電磁傳遞介質。本領域技術人員應該了解，依賴井孔的狀態(tài)，導電線102可以采取不同的形式或者實施例。因此，例如，導電線102可以包括在完成的井孔中的生產油管柱(product1n tubing string)或者正在施工的井孔中的鉆柱(drillstring)。在導電線102的頂部附近，提供變換器104以將導電管道耦合到電磁能量源?？梢圆捎锰娲詈戏椒ㄌ娲儞Q器104。例如，傳輸線可以直接耦合到同軸電纜或者任何其他適合的電纜。
[0015]如示例實施例所示，變換器104包括鐵氧體環(huán)(ferrite ring)堆106以及圍繞這些環(huán)纏繞的導線108。導線108包括可以被耦合到信號發(fā)生器112的引線(lead) 110，如必需或期望，所述信號發(fā)生器112可以被配置以產生脈沖或者連續(xù)波信號。導線108可以進一步被耦合到接收器114。接收器114可以被具體化為包括總線的計算機，所述總線接收來自裝置100的用于存儲、處理和/或顯示的信號。對此，計算機114可以裝備有可以包括例如圖形用戶界面的顯示器118。
[0016]計算機114可以被編程以處理調制頻率以便提供感測到的特性的測量。計算機114可以執(zhí)行檢測到的信號的任何期望的處理，包括但不限于測量的統計分析。
[0017]在典型的鉆井應用中，將在井孔內填充用于對井孔提供結構支撐的井孔套筒120。此套筒120經常用諸如鋼的導電材料制成，在這種情況下它會與導電線102合作以形成同軸傳輸線，并且不必提供任何額外導電介質。當套筒不導電時，可以在套筒內部提供導電套管(sleeve)(未示出)以便形成同軸結構。為維持導電線102與套筒120的間隔，裝置100可以包括沿導電線102周期性放置的電介質環(huán)122。
[0018]間隔物可以例如被配置作為絕緣的扶正器(centralizer)，其可以是由包括但不限于尼龍或者聚四氟氯乙稀(PTFE)的任何合適材料形成的盤。盡管例示的實施例使用同軸傳輸線，但是也可以考慮諸如單獨傳輸線、成對傳輸線、或者波導作為同軸傳輸線的替代實施例。例如，套筒自己可以作為用于電磁波的某些頻率的波導。而且，同軸電纜的長度可以用在全部或者部分線中。當電介質流體不能在套筒120中使用時(例如，當套筒120中存在鹽水或其他導電流體時)，此類同軸電纜特別有用。
[0019]探針部分124靠近裝置100的遠端放置。原則上，探針部分可以沿著傳輸線長度在任何點處放置。實際上，許多此類探針部分可以沿著長度以一定間距放置，盡管會傾向于產生額外信號處理負擔以便微分來自多個探針的信號。原則上，將每個探針的自然共振頻率設定在不同的頻率會允許一種在同軸線上的波長復用，這可令處理簡化。
[0020]探針部分包括端口 126，其被配置為把來自于存在于井孔中的流體的環(huán)境壓力傳達給探針，在此處可以由傳感器(圖1中未示出)進行感測。探針下面例示的是封隔器(packer) 128和封隔器輪齒130。
[0021]在使用中，波形發(fā)生器112產生可變頻率正弦波，其開始時小于傳感器的共振頻率，并一直增長并超過該頻率。
[0022]探針包括具有共振電路部分的傳感器，在從源中接收到激勵時，共振電路部分會在共振頻率處最佳地操作。共振電路可以是例如包括電感和電容部件的諧振(tank)電路。
[0023]圖2中例示的實施例中，晶體共振器200充當L-C諧振電路。外殼202的結構在一端具有壓力饋入管204，其允許已經通過端口 126進入的來自井孔環(huán)境的壓力傳遞給傳感器200的內部空間206。在內部空間中，壓力被傳輸給柔性隔膜208或者其他壓力反應結構。
[0024]隔膜208的運動被傳遞給石英晶體210，或諸如磷酸鎵的其他壓電晶體。隨著壓力傳遞給石英晶體的邊緣，它的共振頻率改變。通過正確選擇晶體的面向，傳感器可以對壓力或者溫度更加敏感(例如AC切割)。對于壓力監(jiān)視，晶體應當優(yōu)先對壓力敏感并且對溫度相對不敏感(例如AT切割)。此外，為了監(jiān)視具有相對高的頻率響應的壓力變化(例如監(jiān)視聲音頻率)，晶體一般相對薄(例如0.2-2.0mm)是有用的以及典型尺寸是直徑Icm的量級。
[0025]可以提供回位彈簧機構(return spring mechanism) 214以將晶體210以及它的固定器偏置到饋入管204，并且因此傾向于令隔膜返回到自然位置。提供饋電通路216以將傳感器200耦合到傳感器電路(未示出)。
[0026]如圖3例示，傳感器200可以通過電感鐵氧體環(huán)400被耦合到傳輸線。穿過傳感器模塊的饋電通路216提供電引線402。引線402耦合圍繞鐵氧體環(huán)400的導線環(huán)。在此實施例中，振蕩器具有L-C電路特性，并且鐵氧體環(huán)本質上充當變換器以將振蕩器耦合到傳輸線。
[0027]圖3A例示了針對壓力傳感器配置的替代實施例。在此實施例中，對溫度相對不敏感晶體(例如AT切割的晶體)與環(huán)境壓力隔離，并且電容壓力響應元件404被與傳感器200’串聯提供并被暴露給環(huán)境壓力。在此配置中，當電容傳感器404與晶體傳感器404結合充當L-C諧振電路時，鐵氧體環(huán)400再一次充當變換器。晶體傳感器200’會以很大程度上依賴于電容傳感器404的電容的頻率共振。在此情況中，電容傳感器404根據在電容處感測的壓力拉動晶體振蕩器的基頻。
[0028]圖4例示了根據本發(fā)明的多個實施例的多個傳感器的封裝。大量傳感器500被放置在公共外殼502內。對每個傳感器500，存在對應的鐵氧體環(huán)400，其被放置在由例如PTFE的電介質材料制造的外殼502的部分504中。雖然通常傳感器與環(huán)的比例是一比一的比例，但是一個環(huán)也可以對應兩個或者甚至更多個傳感器。如上所述，環(huán)400將傳感器耦合到傳輸線102。傳感器又被保持在傳感器模塊的金屬塊部分506中。管道508穿入金屬塊中以便確實地安置傳感器封裝。在典型應用中，此管道可以構成生產管道(product1ntubing)本身，或者生產管柱(product1n string)的延伸。
[0029]將理解，可以將壓力傳感器和溫度傳感器組合在單個封裝內，以便可以使用溫度測量幫助解釋壓力傳感器的溫度相關的漂移。
[0030]為解釋依賴于井而不是依賴于溫度或者依賴于壓力的響應的變化，可以隨同主傳感器一起包括校準晶體傳感器。一種方法是使用與環(huán)境壓力隔離的溫度不敏感晶體，類似于在圖3A的壓力傳感器中使用的那樣。在此變型中，與壓力隔離的并且對溫度相對不敏感的晶體信號，將只對它所位于的井的特定電磁傳輸特性做出反應。因此，它的輸出可被認為僅代表井偏移，而未被其他環(huán)境因素影響。
[0031]現在參考圖5，簡要例示了與此處所述類型設備一同使用的檢測電路550的特定實施例。在所述實施例中，以周期性方式對輸入信號的頻率進行頻率掃描，并且隨著時間監(jiān)視輸入功率。當頻率掃描掃過傳感器的共振頻率時，功率會表現顯著變化,并且可以識別相應頻率。
[0032]在例示的實施例中，三角波發(fā)生器552產生驅動壓控振蕩器(VC0)554的電壓波形。在一個實施例中，三角波發(fā)生器552在諸如10Hz量級的相對低的頻率下驅動。在特定實施例中，三角波發(fā)生器在200Hz或者在10Hz到300Hz范圍內的某頻率下驅動。所述VCO可操作在相對高的頻率，例如在幾MHz量級，并且更具體地大約IMHz到大約3MHz之間的范圍可以是有用的。
[0033]VCO的輸出穿過放大器556并且傳遞給定向耦合器558。如例示的實施例中，定向耦合器558還包括功率監(jiān)視器，盡管原則上這兩個部件可以是分離的。定向耦合器的一個輸出傳遞給包括晶體振蕩器以及上述其他部件的井下傳感器臂560。第二個輸出將信號的一部分送往信號強度監(jiān)視器562，其在實施例中是AM檢測器。應該理解這僅是監(jiān)視功率的眾多方法的一種。
[0034]在信號強度監(jiān)視器562處檢測到的信號被使用微分器564相對于時間微分，以識別信號強度中的峰值(零值)，也就是信號功率中的拐點。在微分器的每個零點輸出處觸發(fā)過零檢測器566。在替代方法中，使用模擬到數字轉換器來實現同樣的功能，并且可以使用軟件模塊或者硬件和軟件模塊的組合來執(zhí)行微分和零值檢測。
[0035]抽樣保持單元568監(jiān)視過零檢測器566的輸出，在由過零檢測器566檢測到的每個零交點處抽樣三角波發(fā)生器552的輸出。以這種方式，抽樣保持單元568收集來自VCO544的輸入端的對應于晶體振蕩器傳感器的共振頻率的電壓值。
[0036]將要理解，因為對深井孔而言，用于抽樣保持單元568的從晶體振蕩器傳感器到觸發(fā)器的行程時間很大，因此系統中存在固有延遲。井孔中的每千米對應時域中略大于3微秒的時間。所述延遲可以通過基于驅動電壓的三角波的已知形狀對測得的電壓施加校正來解決。另一方面，對發(fā)生在三角波的上升邊的每個零交點，在下降邊都發(fā)生對應的零交點。在上升邊，所述延遲導致電壓讀數稍微高地偏離，并且在下降邊發(fā)生相反情況。因此，這兩個測得的電壓的平均值應該會消除延遲的影響。
[0037]依賴于用于輸入電壓的選定波形，所述單元每秒獲得大量采樣。在一個實施例中，所述單元每秒會遭遇數百次峰值功率檢測。在一個實施例中，所述單元可以被選擇性地驅動以在10Hz到IKHz范圍內執(zhí)行測量。
[0038]鑒于此影響，在一個實施例中，抽樣保持單元568輸出到平均器570，平均器570產生的電壓信號輸出會自然地傾向于消除延遲的影響。而且，平均器570會傾向于平滑由系統噪音或其他暫態(tài)效應引起的尖刺。移動的平均的時間窗口可以根據期望的靈敏度來選擇。監(jiān)視觀察到的值的變化而不是值本身是有用的。例如，大的壓力瞬態(tài)可能反映套筒缺陷或者井噴。在此應用中，平均窗口應該相對窄，例如少于I秒。另一方面，在穩(wěn)態(tài)鉆井操作期間的溫度監(jiān)視或者壓力監(jiān)視可以不需要對短時間改變的靈敏度。在這些應用中，平均窗口可以相對較長，例如數秒?？商娲兀梢允褂弥兄禐V波器來代替平均方法或者作為平均方法的附加。
[0039]作為對抽樣保持單元568的替代，定時電路可以用來測量從三角波開始到檢測到的峰值功率的間隔。因為三角波斜率可以被測得，所以激勵電壓和VCO頻率可以被計算。此方法可以是特別有用的，因為信號在井孔中的傳播延遲也被及時測量。
[0040]盡管接收器一般被描述為在表面處，但是應當理解，依賴于特定應用，它原則上可以位于地表面處、在海中的船上、或者在地或水的中間深度處。
[0041]本領域技術人員將會理解，在此描述的公開的實施例僅是舉例說明，并且存在眾多變種。當術語‘大約’被應用于范圍時，本領域普通技術人員應該明白，舉例說明，可以暗示±0-10%的變動。本發(fā)明僅通過包括在此描述的實施例以及對本領域技術人員顯而易見的變種的權利要求書來限定。
【權利要求】
1.一種用于探查表面以下的井孔中的井下環(huán)境的系統，包括: 電磁能量源，可操作地在井孔中傳遞電磁信號； 傳感器模塊，包括無源共振電路，所述無源共振電路包括具有隨著井下環(huán)境中的狀況的變化而改變的共振頻率的晶體，以使得共振電路響應于井孔中的井下環(huán)境中的狀況而返回至少一部分電磁信號； 探測器，被配置和安排以檢測電磁能量源的功率級別；以及 共振頻率識別電路，被配置和安排以基于檢測到的功率級別識別共振頻率。
2.如權利要求1所述的系統，其中共振頻率識別電路包括被配置和安排以確定檢測到的功率級別中的峰值的峰值檢測器，并且其中所述共振頻率基于所述峰值被識別。
3.如權利要求1所述的系統，其中電磁能量源被配置和安排以被驅動，以使得傳遞的電磁信號的頻率被周期性地掃描。
4.如權利要求3所述的系統，其中電磁能量源包括壓控振蕩器以及與壓控振蕩器電通信的波發(fā)生器，其中所述波發(fā)生器被配置和安排以輸出周期性變化的電壓。
5.如權利要求4所述的系統，其中波發(fā)生器被配置和安排以輸出三角波。
6.如權利要求4所述的系統，其中共振頻率識別電路包括被配置和安排以確定檢測到的功率級別中的峰值的峰值檢測器，并且其中所述共振頻率基于所述峰值被識別，還包括: 抽樣電路，被配置和安排以便對于每次檢測到的功率級別中的峰值被檢測到，測量周期性變化的電壓。
7.如權利要求6所述的系統，還包括平均電路，其與抽樣電路電通信并且被配置和安排以平均周期性變化的電壓的測量值，并且其中共振頻率基于平均測量值被確定。
8.如權利要求6所述的系統，其中峰值檢測器包括: 接收信號強度監(jiān)視器； 微分器，其關于時間將所述接收信號強度微分；以及 過零檢測器，其檢測由微分器輸出的與檢測到的功率級別中的峰值對應的零值。
9.如權利要求1所述的系統，還包括與電磁能量源、傳感器模塊、和功率監(jiān)視器電通信的定向耦合器，以使得傳遞的電磁信號穿過定向耦合器進入井孔，并且反射的調制電磁信號穿過定向耦合器進入功率監(jiān)視器。
10.如權利要求4所述的系統，其中共振頻率識別電路包括被配置和安排以確定檢測到的功率級別中的峰值的峰值檢測器，并且其中所述共振頻率基于所述峰值被識別，還包括被配置和安排以相對于變化的輸入電壓的開始測量峰值功率級別被檢測到的時間的電路。
11.一種用于探查表面以下的井孔中的井下環(huán)境的方法，包括: 在井孔中傳遞電磁信號； 使用無源共振電路響應于井孔中的井下環(huán)境中的狀況返回至少一部分電磁信號，所述無源共振電路包括具有隨著井下環(huán)境中的狀況的變化而改變的共振頻率的晶體； 檢測電磁能量源的功率級別；以及 基于所述檢測到的功率級別識別所述共振頻率。
12.如權利要求11所述的方法系統，其中所述識別包括確定檢測到的功率級別中的峰值，以及基于所述峰值識別共振頻率。
13.如權利要求11所述的方法，還包括周期性地掃描電磁信號的頻率。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述周期性地掃描包括利用三角波驅動電磁信號源。
15.如權利要求12所述的方法，還包括測量周期性變化的電壓，所述周期性變化的電壓對于每次檢測到的功率級別中的峰值被檢測到，控制傳遞。
16.如權利要求15所述的方法，還包括平均周期性變化的電壓的測量值，并且其中共振頻率基于平均測量值被確定。
17.如權利要求15所述的系統，其中檢測到的功率級別中的峰值被通過如下檢測到: 監(jiān)視接收信號強度； 關于時間將所述接收信號強度微分；以及 檢測由微分器輸出的與檢測到的功率級別中的峰值對應的零值。
【文檔編號】G01V3/30GK104204861SQ201380017749
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月27日 優(yōu)先權日:2012年3月29日
【發(fā)明者】M·C·史密森 申請人:雪佛龍美國公司