CN103221635A - 用于远程感测的系统和方法 - Google Patents

Abstract

可以使用一系统（100）、方法以及装置来监测钻孔中的状态。井管道和套管（120）充当用于向一个或更多个井下有源传感器（124，310）递送功率的导电体对。在表面，将功率与信号隔离，以使得同一导电体对可以用于向表面传送传感器信号。在一实施例中，该传感器信号是RF信号，并且表面电子装置（112，114，118）从传感器功率解调制RF信号。

Description

用于远程感测的系统和方法

本申请要求保护2010年11月12日提交的美国临时专利申请61/413,179的权益，其全部内容通过引用而并入于此。

技术领域

本发明总体上涉及远程感测，并且更具体地说，涉及感测井下环境的压力和温度。

背景技术

在资源回收方面，可以有用的是，在远离观察者的位置监测各种状态。具体来说，可以有用的是，提供按深度对已经出于勘探或生产目的而钻出的钻孔中的温度和压力的监测。因为这种钻孔可以延伸几英里，所以其对于更换用于位于钻孔中的传感器的电源来说并不总是实用。

发明内容

本发明的一实施例的一方面包括一种用于监测钻孔中的状态的装置。井管道和套管充当用于向一个或更多个井下有源传感器递送功率的导电体对。在表面，将功率与信号隔离，以使同一导电体对可以用于向表面传送传感器信号。

本发明的一实施例的一方面包括一种用于测量表面之下的钻孔中的井下环境的状态的系统，该系统包括：源，该源被构造并设置成经由钻孔中钻柱来传送功率信号；传感器模块，该传感器模块经由钻柱与该源电连通，该传感器模块包括振荡器，该振荡器具有随着该井下环境的状态改变而改变的谐振频率，该传感器模块被构造并设置成接收来自该源的功率，并且响应于该井下环境的状态而生成传感器信号，并经由钻柱将该信号传送至表面；以及检测器，该检测器经由钻柱与传感器模块电连通，并且被构造并设置成接收传感器信号。

本发明的一实施例的一方面包括一种用于监测钻孔中的状态的系统。井管道和套管充当用于向一个或更多个井下有源传感器递送功率的导电体对。在表面和传感器中的每一个处，将功率信号与传感器信号隔离，以使同一导电体对可以用于向表面传送传感器信号。

本发明的一实施例的另一方面包括一种用于监测钻孔中的状态的方法。经由钻柱向一个或更多个井下有源传感器传送功率信号。传感器信号经由钻柱向表面传送。在表面和传感器中的每一个处，功率信号与传感器信号被隔离。

本发明的多个实施例的多个方面包括编码有计算机可执行指令的有形计算机可读介质，该计算机可执行指令用于执行任何前述方法和/或用于控制任何前述装置或系统。

附图说明

本领域技术人员在结合附图阅读下面的详细描述时，将容易地明白在此描述的其它特征，其中：

图1是根据本发明一实施例的、用于询问表面之下的钻孔中的井下环境的系统的示意性例示图；

图2是例示被设置成向井下位置的传感器提供DC功率并接受来自该传感器的输入以传送至表面的电路的电气示意图；

图3是例示用于针对远程传感器的功率和信号的传送系统的交流电流实施例的示意图；

图4是例示用于针对远程传感器的功率和信号的传送系统的直流电流实施例的示意图；

图5是根据本发明一实施例的变压器耦合系统的框图；

图6是根据本发明一实施例的传感器模块装配件的框图；

图7是根据本发明一实施例的传感器模块接口的框图；以及

图8是根据本发明一实施例的绝缘系统的框图。

具体实施方式

图1例示了用于监测地下钻孔中的状态的装置100的示例。该装置100包括用于使电磁能量传导通过钻孔的电磁传输介质，如导电线路102。本领域普通技术人员应当清楚，该导电线路102可以根据钻孔的状况而采用不同形式或实施例。由此，例如，导电线路102可以包括处于已完成的钻孔中的生产油管柱或正在建设的钻孔中的钻柱。在导电线路102顶部附近，设置有变压器104以将导电管耦接至电磁能量源。可以采用变压器104的另选耦接方法。例如，该传输线路可以直接耦接至同轴线缆或任何其它合适线缆。

在所示示例实施例中，变压器104包括铁氧体环层叠106和环绕该环缠绕的电线108。电线108包括可以耦接至信号发生器112的导线110，该信号发生器112可以被设置成在需要或希望时生成脉动或连续波信号。电线108还可以耦接至接收器114。接收器114可以被具体实施为计算机，该计算机包括用于接收来自装置100的信号以供存储、处理以及/或显示的总线。在这点上，计算机114可以设置有显示器118，该显示器118例如可以包括图形用户接口。

计算机114可以被编程为处理所接收的传感器信号以提供对所感测特征的测量结果。计算机114可以执行对所检测的信号的任何希望处理，包括但不限于：对信号的统计（例如，傅立叶）分析、信号的解卷积、与另一信号的相关等。可以被用于执行任何合适的频率检测的商业产品容易被本领域技术人员获得并且获知。另选的是，该计算机可以在存储器或可存取存储部中设置有查找表，其相互关联所接收的调制信号与钻孔中的感测状态。

在典型钻探应用中，钻孔将与被用于向钻孔提供结构性支承的钻孔套管120排成直线。该套管120经常由诸如铁的导电材料制成，在该情况下，其与线路102配合以便形成同轴传输线路，并且其不必提供任何附加导电介质。在该套管不导电的情况下，可以将导电套（未示出）设置在该套管内，以便形成同轴结构。为了维持线路102与套管120之间的间距，该装置100可以包括沿导电线路102周期性地设置的电介质环122。

该间隔体例如可以被设置为绝缘扶正器，其可以是由任何合适材料（包括但不限于尼龙或聚四氟乙烯（PTFE））形成的盘。虽然所示实施例使用同轴传输线路，但设想的是，可以采用传输线路的另选实施例，如单一导电线路、成对导电线路或波导。例如，该套管可以独自充当针对特定频率的电磁波的波导。而且，同轴线缆的多个长度可以在全部或部分线路中使用。这种同轴线缆在不能将电介质流体用于套管120内时（例如，在盐水或其它导电流体存在于套管120中时）可以特别有用。

将探针部分124定位在装置100的远端部附近。原则上，该探针部分可以位于沿传输线路长度的任何点处。实际上，可以沿该长度按间隔放置多个这种探针部分。原则上，可以使用在同轴线路上复用的波长，以允许在彼此没有干扰的情况下使用单一通信线路的多个探针。

该探针部分可以包括端口126，该端口126被设置成将来自存在于钻孔中的流体的环境压力和/或温度传送到探针中，在探针中其可以通过传感器（图1中未示出）被感测。下面，该探针例示了封隔器（packer）128和封隔器齿130。

图2是例示根据本发明的系统的一实施例的井下部分的电气示意图。RC端接器200旨在缩减或消除线路末端部的反射。从线路末端部起，功率信号的路径取决于其是DC信号还是AC信号。所施加的DC信号将采取通过高电感电感器204（其例如可以为大约1mH）并且经过二极管206的上部路径202，抵达该图右侧的DC功率输出部208。另一方面，所施加的AC将经过相对较低电感的电感器212（其例如可以为大约17μH）。AC能量经过电力变压器214和桥式整流器216，以在电路208的同一DC功率输出部生成DC功率。该传感器生成在电路218的RF传感器输入部被接受并且反向耦合至导电体对以向表面传送的信号（通常为RF信号）。

本发明人已经确定电隔离的井柱将使能关于所传播的RF信号更好地匹配井柱阻抗。另外，并且同时地，这种隔离器将使能沿管道传送AC和DC功率，以使功率在井中更深地起作用。无源功率切换方法和装置允许向井下电路和负荷选择性施加功率。

（DC）井柱隔离器的物理实现通常需要鲁棒的机械组件，其在组合成装配件时可以可靠地支持高达200000磅的井柱管道，经得住剧烈的耦合扭矩，并且经得住化学和环境滥用。

理论上，隔离器可能仅仅是在否则为实心的管道中的电介质中断。在实际实践中，这种隔离器需要利用足够间隙装配在井套管内，展示低的端至端电容，能够避开数百伏特的施加电势，并且或许更重要的是，以不会失败的置信度被井场管理方接收。内置的故障保护设计特征也可以有用，或者需要被用户接受。

根据本发明一实施例，用于DC隔离的技术包括与井管串联地插入的陶瓷或其它不导电绝缘体。这例如可以被内置至管道的4脚部（统称为“接头（sub）”）。

该陶瓷和管道部件可以被钳制在一起，并且应当在不使管道部件短路的情况下被连接在一起。可以将绝缘涂层涂敷至装配件的内外表面，作为横跨该间隙的电击穿防护。

在一实施例中，到管道的RF（传感器信号）和DC（功率）连接是通过公共连接进行的，并且信号分离在井外部电子地处理。

已经绘制并构建了多个机械拓扑。许多已经展示出电阻值太低而无法实际使用。在实践中，2000欧姆或更大的隔离值已经被证明有用。

在图3中例示了根据本发明一实施例的设置的示例。在图3的示例中，表面处生成的功率信号是递送至输入部300的AC信号。该AC信号经由可以是上面关于图1描述的铁氧体变压器类型的磁芯302耦合至导电体对。图4例示了其中功率信号为DC信号的另选方法。

如可以从图3和4看出，主要差别是变压器的使用，该变压器例如可以是以带绕铁心制成的环状铁心变压器，其在井柱管道上位于井口之下和一组RF铁氧体芯304之上。在该方法中，较少匝数构成变压器的初级侧，而井管道构成变压器的次级侧绕组。在一示例中，其可以是单匝次级侧绕组。DC隔离器方法中使用的传感器模块310和弓形簧扶正器312在这种AC应用中保持不变。

按这种方式，由电源318生成的功率信号从下变压器304提供给传感器模块310。在反方向上，传感器模块310生成向下变压器304传送的通信信号。该通信信号沿管道柱向上传导至上变压器302，并接着传送至表面系统500（如图5所示）的接收器320。该电气路径通过上变压器与下变压器的未使用侧上的管道柱接地，并且通过将表面系统和传感器模块310接地而完整化。在实践中，套管通常被接地。由此，上变压器之上的管道柱可以通过将管道柱经由井口耦接至套管而接地。下变压器304之下的管道柱可以通过将管道柱例如经由弓形弹簧扶正器312连接至套管而接地。

在一实施例中，该变压器通过将管道柱用作每一个变压器的一个绕组而形成。例如，在上变压器，来自表面系统的功率信号被传送至环绕管道柱定位的环形铁心变压器的初级侧绕组。该管道柱本身是该变压器的用于功率电路的单匝次级侧绕组。类似的是，下变压器是环绕管道柱的另一环形铁心变压器，并且对于功率电路来说，包括作为管道柱本身的初级侧绕组、和连接至传感器模块310的次级侧绕组。在该通信电路中，信号利用相同变压器来传送，尽管（与功率电路相比）每一个变压器中的初级侧绕组和次级侧绕组的角色反转。

在一实施例中，用于AC隔离的技术包括构建在并入了AC和RF磁性元件的钢管道的短路部分上的隔离器。分离的AC和RF电气连接部（分别为300、314）可以通过井口吊架316制成。用于RF信号的合适阻抗可以通过选择RF磁性材料来建立。用于AC源的合适阻抗可以通过选择AC变压器特性来建立。

在该方法中，由RF磁性元件建立的RF阻抗还受AC磁性元件的存在的影响，其表示针对RF的极高阻抗。同样地，对于从传感器组310起沿井柱向上行进的RF电流来说，可能必需提供环绕AC磁性元件至井口的电气路径。在该情况下，需要到井口的两个不同的电气连接。

实际上，功率频率例如可以在5kHz与200kHz之间。另一方面，用于数据的RF频率可以在3MHz与8MHz之间。在一实施例中，功率在1与10kHz之间的范围内提供，而数据利用频率处于15与30kHz之间的范围中的频移键控调制方案来传送。RF范围以上的功率频率理论上可用。传感器数据频率还可以在前述范围之外选择。因为功率信号和传感器信号的传送频率不同，所以可以在表面系统500处和/或在传感器模块310处利用滤波来分离它们。

作为经由钻柱的、基于变压器的功率和通信传送的结果，可能不需要电流限制或定向装置（即，用于确保电流沿管道向上或向下流动的装置）。因为不需要沿管道柱的定向功率和数据传送，所以与其在需要电流定向装置的情况下相比，趋于不太容易衰减。这又允许在传感器模块中使用低功率（例如，小于<10V）传感器。这些低功率传感器使得该系统能够整体上容忍电源与井下传感器之间的显著衰减。

图6是根据本发明一实施例的传感器模块600装配件的框图。如将清楚，传感器模块600类似于图2所示的排布结构，并且表示例示类似概念的另选方法。

传感器模块600经由运送功率信号和传感器数据信号两者的总线602连接至下变压器。低通滤波器604将低频功率信号传递至由变压器606、整流器608以及电压调节器610构成的传感器模块功率电路。将功率提供给微处理器612和一个或更多个数字计量器614，其中每一个例如可以是从Quartzdyne,Inc.of Salt Lake City,UT可获得的

计量器。这种计量器构成石英谐振器，并且通常与附随的振荡器电路和处理器（例如，频率计数器）一起封装，并且可以包括基准和温度晶体连同它们各自的振荡器电路。

来自计量器614的输出被提供给处理器612，其处理该数据并且通过频率调制器616输出通信信号。该通信信号经由总线602和下变压器反向传递至管道柱。高通滤波器618（其可以是电容器）结合低通滤波器604将通信信号与功率路径隔离。

表面系统500的充当计量器接口模块的一部分按框图形式在图7中更详细地示出。总线702与上变压器302连通。串行输入部704从电源（未示出）获取功率。MPU706管理输入的功率并且经由低通滤波器708、数字衰减器710以及功率放大器712输出该功率。功率监视器714感测输出的功率，并且将有关感测功率的数据返回至MPU706。在所示实施例中为电感器的第二低通滤波器716将功率信号传递至总线702，并且排除从传感器模块返回的更高频率数据信号。该数据信号代替地经由高通滤波器718传递至解调制器720，并由此传递至MPU706。来自MPU的输出可以经由以太网连接722或其它类型的连接传递。

图8是例示与图4所示的排布结构类似的排布结构，并且表示例示的类似概念的另选方法。如上所述，该方法利用陶瓷绝缘管道接头，以便隔离管道的一部分。一个绝缘接头形成上隔离器319，而另一绝缘接头形成下隔离器321。中间管道部分802变为用于系统中的信号和功率的传输线路。与变压器实施例类似的是，管道柱将功率信号从正好位于上陶瓷绝缘管道接头（上绝缘体319）之下的连接点传导至正好位于下陶瓷绝缘管道接头（下绝缘体321）之上的连接点。将功率信号从正好位于下绝缘体321之上的连接点提供给传感器模块/计量器装配件310。按逆向，传感器模块310生成向正好位于下绝缘体321之上的连接点传送的通信信号。该通信信号沿管道柱向上传导至正好位于上绝缘体319之下的连接点并接着传送至表面系统500。该电气路径通过将上陶瓷绝缘管道接头之上和下陶瓷绝缘管道接头之下的管道柱接地，并且通过将表面系统和传感器模块接地来完整化。在实践中，套管通常被接地。由此，上陶瓷绝缘管道接头之上的管道柱可以通过将管道柱经由井口耦接至套管而接地。下陶瓷绝缘管道接头之下的管道柱可以通过将管道柱例如经由弓形弹簧短路扶正器连接至套管而接地。

在实验测试中，本发明人布置匹配现场测试损耗的多达17000英尺的同轴线缆（即，仿真典型深井的深度）。远程全波AC功率整流器/滤波器被设置在线缆端部处，以提供用于放大传感器信号的DC功率。

低频60赫兹AC电压沿线缆向下传送。其在线缆终点处提供大约10伏特的DC（整流器/隔离器外部）。所放大的传感器信号（频率峰值）利用HF无线电检测器在表面处接收。这个步骤允许在表面处每秒钟接收超过120个读数。

在一个实施例中，诸如压力或温度的参数利用作为用于向传感器（和其它关联装置）供电和用于传输来自传感器的数据信号的路径两者的井柱硬件按很大深度测量（单独地或同时地）。同样地，该技术将同一导电系统用于功率路径和用于参数数据的信号路径两者。所施加的功率可以是按不同频率的DC和/或AC功率，以适应多个低供电远程功能或包括人工举升系统（泵）的高供电用途。

该技术使用井管道和套管作为用于将功率向下运送至远程供电传感器组或关联装置的导电体对（CP）。这利用正好在管道柱吊架（表面处）之下的磁心（变压器状）AC耦合器或绝缘管道部件319和管道柱终端部附近的用于DC应用的类似绝缘管道部件321来实现。该管道利用环形绝缘体间隔体（“扶正器”）保持在井套管中央，以使得该导电体对（管道和套管）彼此不电短路。在管道柱端部处，在下绝缘管道部件之下，应当有导电“封隔器（packer）”或弓形弹簧扶正器312或其它机构，以使与套管进行接触来完整化该电路。

如将清楚地，通过孔上电子分离/隔离功率和信号，该同一导电体对可以执行为到井口的路径，以处理来自传感器组的数据。本领域技术人员应当明白，在此使用的选择频率过滤方法用于分离功率与信号和分离功能与功能。该过程使用将关注的参数转移至低功率射频（RF）发送器的传感器。每一个发送器的载波被调制成向表面水平仪表提供嵌入数据。接着，该RF载波在表面电子装置处解调制以供使用。

在此描述的井硬件的CP排布结构的第二用途是向电潜泵（ESP）系统供电，以人工举升生产区中的流体。经由管道柱向ESP发送的功率可以被用于利用和反向去往表面仪器的RF路径相同的CP，用来自那些传感器的信号向所附接的传感器系统供电。

在一实施例中，用于命令井下的各种功能的方法可以通过利用远程阀位置处的谐振频率选择网络选择将执行各种分离的远程操作（即，多区域阀控制等）的特定功率频率来实现。

本领域技术人员应当清楚，在此描述的所公开实施例仅仅作为示例，并且将存在许多变型例。本发明仅通过权利要求书来限定，其涵盖在此描述的实施例以及对于本领域技术人员清楚的变型例。另外，应当清楚，这里在任一个实施例中示出或描述的结构性特征或方法步骤同样可以在其它实施例中使用。

Claims (15)

1.一种用于测量表面之下的钻孔中的井下环境中的状态的系统，该系统包括：

源，被构造并设置成经由钻孔中的钻柱来传送功率信号；

传感器模块，经由钻柱与该源电连通，该传感器模块包括振荡器，该振荡器具有随着井下环境中的状态的改变而改变的谐振频率，该传感器模块被构造并设置成接收来自该源的功率，并且响应于井下环境中的状态而生成传感器信号，并经由钻柱将该信号传送至表面；以及

检测器，经由钻柱与传感器模块电连通，并且被构造并设置成接收传感器信号。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

上变压器，被构造并设置成接收来自该源的功率信号并将该功率信号耦合至钻柱，并且接收来自钻柱的传感器信号并将该传感器信号耦合至检测器；和

下变压器，被构造并设置成接收来自钻柱的功率信号并将该功率信号耦合至传感器模块，并且接收来自传感器模块的传感器信号并将该传感器信号耦合至钻柱。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括：

上绝缘体，被构造并设置成将钻柱的一部分与表面电隔离；和

下绝缘体，被构造并设置成将钻柱的所述部分与钻柱的远端部电隔离，上绝缘体和下绝缘体限定用于传送功率信号和传感器信号的钻柱的导电部分的相应端部。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，该传感器模块还包括功率调节电路。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，该传感器模块还包括滤波器，该滤波器被构造并设置成分离功率信号和数据信号。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，该滤波器包括低通滤波器，该低通滤波器被构造并设置成经由功率调节电路向振荡器传递功率信号，并且其中，该传感器模块还包括：

频率调制器，被构造并设置成调制传感器信号以向检测器发送；和

高通滤波器，被构造并设置成传递所调制的传感器信号并且衰减否则将传送至检测器的功率信号的部分。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，该检测器和源共同包括表面系统，并且其中，该表面系统还包括滤波器，该滤波器被构造并设置成分离功率信号和数据信号。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，该滤波器包括低通滤波器，该低通滤波器被构造并设置成从源向功率调节电路传递功率信号，并且其中，该表面系统检测器还包括：

附加低通滤波器，被构造并设置成从功率调节电路向钻柱传递功率信号，并且衰减否则将向功率调节电路传送的传感器信号的部分；

高通滤波器，被构造并设置成衰减功率信号并向解调制器传递传感器信号，该解调制器被构造并设置成解调制传感器信号并向检测器传递所解调制的传感器信号。

9.根据权利要求1所述的系统，还包括短路电路，该短路电路定位在钻孔中传感器模块之下，并将钻柱连接至钻孔的套管。

10.一种用于测量表面之下的钻孔中的井下环境中的状态的方法，该方法包括：

经由钻孔中的钻柱来传送功率信号；

在包括振荡器并且定位在井下环境中的传感器模块处接收来自源的功率，该振荡器具有随着井下环境中的状态变化而变的谐振频率；

经由钻柱从传感器模块朝表面传送传感器信号；

在表面检测传感器信号；以及

在接收和检测期间分开功率信号和传感器信号，同时允许功率信号和传感器信号在发送期间经由钻柱行经共同路径。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，分开功率信号和传感器信号包括：基于频率来对这些信号滤波。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，分开功率信号和传感器信号包括：在发送功率信号之前对组合的功率信号与传感器信号进行低通滤波。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，分开功率信号和传感器信号包括：在在表面检测传感器信号之前对组合的功率信号与传感器信号进行高通滤波。

14.根据权利要求10所述的方法，还包括：在钻柱的在传送步骤中使用的一部分的顶部和该部分的底部处用相应的绝缘接头装配件隔离该部分。

15.根据权利要求10所述的方法，其中该功率信号和传感器信号通过一对变压器耦合至钻柱，一个变压器限定钻柱的在传送中使用的一部分的顶部，而另一变压器限定该部分的底部。

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