CN104204861A - 用于结合晶体共振器进行测量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于探查表面以下的井孔中的井下环境的系统、方法和设备包括：电磁能量源112，可操作地在井孔100中传递电磁信号；传感器模块124，包括无源共振电路，所述无源共振电路包括具有随着井下环境的状况的变化而改变的共振频率的晶体振荡器以响应于井孔中的井下环境的状况反射电磁信号和调制电磁信号；以及检测器114，可放置以接收反射的调制电磁信号。多种实施例包括功率监视器以及被配置和安排以在观察到施加的功率中的拐点时测量输入频率的电路。

Description

用于结合晶体共振器进行测量的系统和方法

技术领域

本发明一般涉及远程感测，并且更具体地涉及使用基于晶体共振器的传感器感测温度和/或压力。

背景技术

在资源回收中，监视远离观察者的位置处的各种状况是有用的。特别地，提供监视用于开发目的或者生产目的已经被钻井的井孔底部处或者其附近的状况是有用的。因为此类井孔可以延伸数公里，所以为此类监视提供有线通信系统并不总是实际的。

美国专利No.6766141(Briles等)公开了一种用于远程井下遥测的系统。遥测通信用于油井监视并且记录位于气或油回收管道的底部附近的工具。调制反射被描述以用于监视井下状况。

如美国专利No.6766141所描述的，射频(RF)发生器/接收器基站与管道进行电子通信。RF频率被描述为3Hz与30GHz之间的电磁辐射。具有反射天线的井下电子模块接收来自所述RF发生器/接收器的辐射载波信号。电子模块上的天线能够具有抛物线型或其他聚焦外形。辐射载波信号接着被以调制方式反射，该调制响应于由电子模块执行的测量。反射的调制信号经由管道传递到井的表面，在此处它可以被RF发生器/接收器检测到。

发明内容

本发明的实施例的一个方面包括：电磁能量源，可操作地在井孔中传递电磁信号；传感器模块，包括无源共振电路，所述无源共振电路包括具有随着井下环境的状况的变化而改变的共振频率的晶体振荡器以响应于井孔中的井下环境的状况反射电磁信号和调制电磁信号；以及检测器，可放置以接收反射的调制电磁信号。

实施例的一个方面包括检测电磁能量源的功率级别的功率监视器，以及被配置和安排以在检测到的功率级别确定拐点(inflection)的电路元件。在实施例中，对每个确定出的拐点(inflection)，通过确定电磁能量源的压控共振器处的电压输入来确定共振频率。

附图说明

当结合附图阅读随后的详细描述时，此处描述的其他特征将会对本领域技术人员来说更加清晰。

图1是根据本发明的实施例的用于探查位于表面以下的井孔中的井下环境的示意图。

图2是根据本发明的实施例的结合压力或温度传感器的传感器封装的示意图。

图3是根据本发明的实施例的结合基于晶体振荡器的传感器的电路的示意图。

图3A是根据本发明的实施例的结合基于晶体振荡器的传感器以及电容传感器的电路的示意图。

图4是根据本发明的一个或多个实施例的结合多个传感器的封装的示意图；以及

图5是根据本发明的实施例的结合功率信号监视功能的检测电路的示意图。

具体实施方式

图1例示了用于监视地下井孔中的状况的装置100的示例。装置100包括用于将电磁能量传导穿过井孔的诸如导电线102之类的电磁传递介质。本领域技术人员应该了解，依赖井孔的状态，导电线102可以采取不同的形式或者实施例。因此，例如，导电线102可以包括在完成的井孔中的生产油管柱(production tubing string)或者正在施工的井孔中的钻柱(drillstring)。在导电线102的顶部附近，提供变换器104以将导电管道耦合到电磁能量源。可以采用替代耦合方法替代变换器104。例如，传输线可以直接耦合到同轴电缆或者任何其他适合的电缆。

如示例实施例所示，变换器104包括铁氧体环(ferrite ring)堆106以及围绕这些环缠绕的导线108。导线108包括可以被耦合到信号发生器112的引线(lead)110，如必需或期望，所述信号发生器112可以被配置以产生脉冲或者连续波信号。导线108可以进一步被耦合到接收器114。接收器114可以被具体化为包括总线的计算机，所述总线接收来自装置100的用于存储、处理和/或显示的信号。对此，计算机114可以装备有可以包括例如图形用户界面的显示器118。

计算机114可以被编程以处理调制频率以便提供感测到的特性的测量。计算机114可以执行检测到的信号的任何期望的处理，包括但不限于测量的统计分析。

在典型的钻井应用中，将在井孔内填充用于对井孔提供结构支撑的井孔套筒120。此套筒120经常用诸如钢的导电材料制成，在这种情况下它会与导电线102合作以形成同轴传输线，并且不必提供任何额外导电介质。当套筒不导电时，可以在套筒内部提供导电套管(sleeve)(未示出)以便形成同轴结构。为维持导电线102与套筒120的间隔，装置100可以包括沿导电线102周期性放置的电介质环122。

间隔物可以例如被配置作为绝缘的扶正器(centralizer)，其可以是由包括但不限于尼龙或者聚四氟氯乙稀(PTFE)的任何合适材料形成的盘。尽管例示的实施例使用同轴传输线，但是也可以考虑诸如单独传输线、成对传输线、或者波导作为同轴传输线的替代实施例。例如，套筒自己可以作为用于电磁波的某些频率的波导。而且，同轴电缆的长度可以用在全部或者部分线中。当电介质流体不能在套筒120中使用时(例如，当套筒120中存在盐水或其他导电流体时)，此类同轴电缆特别有用。

探针部分124靠近装置100的远端放置。原则上，探针部分可以沿着传输线长度在任何点处放置。实际上，许多此类探针部分可以沿着长度以一定间距放置，尽管会倾向于产生额外信号处理负担以便微分来自多个探针的信号。原则上，将每个探针的自然共振频率设定在不同的频率会允许一种在同轴线上的波长复用，这可令处理简化。

探针部分包括端口126，其被配置为把来自于存在于井孔中的流体的环境压力传达给探针，在此处可以由传感器(图1中未示出)进行感测。探针下面例示的是封隔器(packer)128和封隔器轮齿130。

在使用中，波形发生器112产生可变频率正弦波，其开始时小于传感器的共振频率，并一直增长并超过该频率。

探针包括具有共振电路部分的传感器，在从源中接收到激励时，共振电路部分会在共振频率处最佳地操作。共振电路可以是例如包括电感和电容部件的谐振(tank)电路。

图2中例示的实施例中，晶体共振器200充当L-C谐振电路。外壳202的结构在一端具有压力馈入管204，其允许已经通过端口126进入的来自井孔环境的压力传递给传感器200的内部空间206。在内部空间中，压力被传输给柔性隔膜208或者其他压力反应结构。

隔膜208的运动被传递给石英晶体210，或诸如磷酸镓的其他压电晶体。随着压力传递给石英晶体的边缘，它的共振频率改变。通过正确选择晶体的面向，传感器可以对压力或者温度更加敏感(例如AC切割)。对于压力监视，晶体应当优先对压力敏感并且对温度相对不敏感(例如AT切割)。此外，为了监视具有相对高的频率响应的压力变化(例如监视声音频率)，晶体一般相对薄(例如0.2-2.0mm)是有用的以及典型尺寸是直径1cm的量级。

可以提供回位弹簧机构(return spring mechanism)214以将晶体210以及它的固定器偏置到馈入管204，并且因此倾向于令隔膜返回到自然位置。提供馈电通路216以将传感器200耦合到传感器电路(未示出)。

如图3例示，传感器200可以通过电感铁氧体环400被耦合到传输线。穿过传感器模块的馈电通路216提供电引线402。引线402耦合围绕铁氧体环400的导线环。在此实施例中，振荡器具有L-C电路特性，并且铁氧体环本质上充当变换器以将振荡器耦合到传输线。

图3A例示了针对压力传感器配置的替代实施例。在此实施例中，对温度相对不敏感晶体(例如AT切割的晶体)与环境压力隔离，并且电容压力响应元件404被与传感器200’串联提供并被暴露给环境压力。在此配置中，当电容传感器404与晶体传感器404结合充当L-C谐振电路时，铁氧体环400再一次充当变换器。晶体传感器200’会以很大程度上依赖于电容传感器404的电容的频率共振。在此情况中，电容传感器404根据在电容处感测的压力拉动晶体振荡器的基频。

图4例示了根据本发明的多个实施例的多个传感器的封装。大量传感器500被放置在公共外壳502内。对每个传感器500，存在对应的铁氧体环400，其被放置在由例如PTFE的电介质材料制造的外壳502的部分504中。虽然通常传感器与环的比例是一比一的比例，但是一个环也可以对应两个或者甚至更多个传感器。如上所述，环400将传感器耦合到传输线102。传感器又被保持在传感器模块的金属块部分506中。管道508穿入金属块中以便确实地安置传感器封装。在典型应用中，此管道可以构成生产管道(production tubing)本身，或者生产管柱(production string)的延伸。

将理解，可以将压力传感器和温度传感器组合在单个封装内，以便可以使用温度测量帮助解释压力传感器的温度相关的漂移。

为解释依赖于井而不是依赖于温度或者依赖于压力的响应的变化，可以随同主传感器一起包括校准晶体传感器。一种方法是使用与环境压力隔离的温度不敏感晶体，类似于在图3A的压力传感器中使用的那样。在此变型中，与压力隔离的并且对温度相对不敏感的晶体信号，将只对它所位于的井的特定电磁传输特性做出反应。因此，它的输出可被认为仅代表井偏移，而未被其他环境因素影响。

现在参考图5，简要例示了与此处所述类型设备一同使用的检测电路550的特定实施例。在所述实施例中，以周期性方式对输入信号的频率进行频率扫描，并且随着时间监视输入功率。当频率扫描扫过传感器的共振频率时，功率会表现显著变化，并且可以识别相应频率。

在例示的实施例中，三角波发生器552产生驱动压控振荡器(VCO)554的电压波形。在一个实施例中，三角波发生器552在诸如100Hz量级的相对低的频率下驱动。在特定实施例中，三角波发生器在200Hz或者在100Hz到300Hz范围内的某频率下驱动。所述VCO可操作在相对高的频率，例如在几MHz量级，并且更具体地大约1MHz到大约3MHz之间的范围可以是有用的。

VCO的输出穿过放大器556并且传递给定向耦合器558。如例示的实施例中，定向耦合器558还包括功率监视器，尽管原则上这两个部件可以是分离的。定向耦合器的一个输出传递给包括晶体振荡器以及上述其他部件的井下传感器臂560。第二个输出将信号的一部分送往信号强度监视器562，其在实施例中是AM检测器。应该理解这仅是监视功率的众多方法的一种。

在信号强度监视器562处检测到的信号被使用微分器564相对于时间微分，以识别信号强度中的峰值(零值)，也就是信号功率中的拐点。在微分器的每个零点输出处触发过零检测器566。在替代方法中，使用模拟到数字转换器来实现同样的功能，并且可以使用软件模块或者硬件和软件模块的组合来执行微分和零值检测。

抽样保持单元568监视过零检测器566的输出，在由过零检测器566检测到的每个零交点处抽样三角波发生器552的输出。以这种方式，抽样保持单元568收集来自VCO 544的输入端的对应于晶体振荡器传感器的共振频率的电压值。

将要理解，因为对深井孔而言，用于抽样保持单元568的从晶体振荡器传感器到触发器的行程时间很大，因此系统中存在固有延迟。井孔中的每千米对应时域中略大于3微秒的时间。所述延迟可以通过基于驱动电压的三角波的已知形状对测得的电压施加校正来解决。另一方面，对发生在三角波的上升边的每个零交点，在下降边都发生对应的零交点。在上升边，所述延迟导致电压读数稍微高地偏离，并且在下降边发生相反情况。因此，这两个测得的电压的平均值应该会消除延迟的影响。

依赖于用于输入电压的选定波形，所述单元每秒获得大量采样。在一个实施例中，所述单元每秒会遭遇数百次峰值功率检测。在一个实施例中，所述单元可以被选择性地驱动以在100Hz到1KHz范围内执行测量。

鉴于此影响，在一个实施例中，抽样保持单元568输出到平均器570,平均器570产生的电压信号输出会自然地倾向于消除延迟的影响。而且，平均器570会倾向于平滑由系统噪音或其他暂态效应引起的尖刺。移动的平均的时间窗口可以根据期望的灵敏度来选择。监视观察到的值的变化而不是值本身是有用的。例如，大的压力瞬态可能反映套筒缺陷或者井喷。在此应用中，平均窗口应该相对窄，例如少于1秒。另一方面，在稳态钻井操作期间的温度监视或者压力监视可以不需要对短时间改变的灵敏度。在这些应用中，平均窗口可以相对较长，例如数秒。可替代地，可以使用中值滤波器来代替平均方法或者作为平均方法的附加。

作为对抽样保持单元568的替代，定时电路可以用来测量从三角波开始到检测到的峰值功率的间隔。因为三角波斜率可以被测得，所以激励电压和VCO频率可以被计算。此方法可以是特别有用的，因为信号在井孔中的传播延迟也被及时测量。

尽管接收器一般被描述为在表面处，但是应当理解，依赖于特定应用，它原则上可以位于地表面处、在海中的船上、或者在地或水的中间深度处。

本领域技术人员将会理解，在此描述的公开的实施例仅是举例说明，并且存在众多变种。当术语‘大约’被应用于范围时，本领域普通技术人员应该明白，举例说明，可以暗示±0-10％的变动。本发明仅通过包括在此描述的实施例以及对本领域技术人员显而易见的变种的权利要求书来限定。

Claims (17)

1.一种用于探查表面以下的井孔中的井下环境的系统，包括：

电磁能量源，可操作地在井孔中传递电磁信号；

传感器模块，包括无源共振电路，所述无源共振电路包括具有随着井下环境中的状况的变化而改变的共振频率的晶体，以使得共振电路响应于井孔中的井下环境中的状况而返回至少一部分电磁信号；

探测器，被配置和安排以检测电磁能量源的功率级别；以及

共振频率识别电路，被配置和安排以基于检测到的功率级别识别共振频率。

2.如权利要求1所述的系统，其中共振频率识别电路包括被配置和安排以确定检测到的功率级别中的峰值的峰值检测器，并且其中所述共振频率基于所述峰值被识别。

3.如权利要求1所述的系统，其中电磁能量源被配置和安排以被驱动，以使得传递的电磁信号的频率被周期性地扫描。

4.如权利要求3所述的系统，其中电磁能量源包括压控振荡器以及与压控振荡器电通信的波发生器，其中所述波发生器被配置和安排以输出周期性变化的电压。

5.如权利要求4所述的系统，其中波发生器被配置和安排以输出三角波。

6.如权利要求4所述的系统，其中共振频率识别电路包括被配置和安排以确定检测到的功率级别中的峰值的峰值检测器，并且其中所述共振频率基于所述峰值被识别，还包括：

抽样电路，被配置和安排以便对于每次检测到的功率级别中的峰值被检测到，测量周期性变化的电压。

7.如权利要求6所述的系统，还包括平均电路，其与抽样电路电通信并且被配置和安排以平均周期性变化的电压的测量值，并且其中共振频率基于平均测量值被确定。

8.如权利要求6所述的系统，其中峰值检测器包括：

接收信号强度监视器；

微分器，其关于时间将所述接收信号强度微分；以及

过零检测器，其检测由微分器输出的与检测到的功率级别中的峰值对应的零值。

9.如权利要求1所述的系统，还包括与电磁能量源、传感器模块、和功率监视器电通信的定向耦合器，以使得传递的电磁信号穿过定向耦合器进入井孔，并且反射的调制电磁信号穿过定向耦合器进入功率监视器。

10.如权利要求4所述的系统，其中共振频率识别电路包括被配置和安排以确定检测到的功率级别中的峰值的峰值检测器，并且其中所述共振频率基于所述峰值被识别，还包括被配置和安排以相对于变化的输入电压的开始测量峰值功率级别被检测到的时间的电路。

11.一种用于探查表面以下的井孔中的井下环境的方法，包括：

在井孔中传递电磁信号；

使用无源共振电路响应于井孔中的井下环境中的状况返回至少一部分电磁信号，所述无源共振电路包括具有随着井下环境中的状况的变化而改变的共振频率的晶体；

检测电磁能量源的功率级别；以及

基于所述检测到的功率级别识别所述共振频率。

12.如权利要求11所述的方法系统，其中所述识别包括确定检测到的功率级别中的峰值，以及基于所述峰值识别共振频率。

13.如权利要求11所述的方法，还包括周期性地扫描电磁信号的频率。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述周期性地扫描包括利用三角波驱动电磁信号源。

15.如权利要求12所述的方法，还包括测量周期性变化的电压，所述周期性变化的电压对于每次检测到的功率级别中的峰值被检测到，控制传递。

16.如权利要求15所述的方法，还包括平均周期性变化的电压的测量值，并且其中共振频率基于平均测量值被确定。

17.如权利要求15所述的系统，其中检测到的功率级别中的峰值被通过如下检测到：

监视接收信号强度；

关于时间将所述接收信号强度微分；以及

检测由微分器输出的与检测到的功率级别中的峰值对应的零值。