CN104220696A - 结合晶体谐振器的测量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于询问表面下的钻孔内的井下环境的一种系统、方法和设备包括电磁能的源，其可操作以在钻孔中传送电磁信号，传感器模块，其包括谐振频率随着井下环境中的状况的改变而变化以反映该电磁信号的无源谐振器，该无源谐振器响应于钻孔中的井下环境中的状况生成谐波频率，以及可放置以接受返回的电磁信号的探测器。实施例包括滤波器，以传递谐振电路的谐振频率的谐波，以及被配置并且安排来测量谐波信号的频率的电路。

Description

结合晶体谐振器的测量的系统和方法

技术领域

本发明通常涉及远程感测，并且更具体地涉及使用基于晶体谐振器的传感器来感测温度和/或压力。

背景技术

在资源开采中，有用的是，在远离观测者的位置处监测多种状况。特别是，可能有用的是提供对于位于钻孔(borehole)底部或者靠近钻孔底部处的状况的监测，其中钻孔是出于勘探或生产的目而被钻探的。由于该钻孔可能延伸数英里，提供对于这种监测的有线通信系统并非总是实际的。

发明内容

本发明实施例的一个方面包括电磁能的源，其可操作以在钻孔中发送电磁信号；传感器模块，其包括无源谐振电路，所述无源谐振电路包括具有谐振频率的晶体，该谐振频率随着井下环境状况的变化而改变，从而响应于钻井中井下环境状况返回激励信号的谐波。

实施例的一个方面包括探测单元，其探测返回的电磁信号的一部分，所述返回的电磁信号的一部分位于包括晶体的谐振频率的谐波的频率范围内。

实施例的一个方面包括定向耦合器，其被配置和安排来将所述电磁能从源发送到钻孔并且将所返回的电磁信号传递给探测电路，所述探测电路包括滤波器，所述滤波器选择谐振频率的谐波并将滤波信号发送到鉴别器(discriminator)，所述鉴别器将鉴别信号输出给频率计数器。

实施例的一个方面包括定向耦合器，其被配置和安排来将所述电磁能从源发送到钻孔并且将所返回的电磁信号的一部分传递给探测电路，该探测电路包括滤波器，所述滤波器选择谐振频率的谐波并将滤波信号发送到超外差接收机。

附图说明

在这里所描述的其他特征对于本领域技术人员来说，在结合附图阅读以下详细说明书时将会更加明显，其中:

图1是根据本发明的实施例用于询问(interrogate)表面下的钻孔中的井下环境的系统的示意图；

图2是根据本发明的实施例的结合压力或者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和电容式传感器的电路的示意图；

图4是根据本发明的一个或者多个实施例的结合多个传感器的封装的示意图；

图5是根据本发明的实施例的将激励频率信号与谐振频率信号及其谐波相比较的振幅与频率的关系图；

图6是根据本发明的实施例的结合定向偶合器，滤波器以及鉴别器来产生数字脉冲以用于测量谐振频率的探测电路的示意图；以及

图7是根据本发明的实施例结合超外差探测器以用于测量谐振频率的探测电路的示意图。

具体实施方式

图1示出了装置100的示例，其用于监测表面下钻孔中的状况。装置100包括电磁透射介质(例如导电线路102)，其用于通过钻孔来传导电磁能。本领域技术人员应该理解到导电线路102可以采取不同的形式或者不同的实施例，其取决于钻孔的状态。因而，例如，导电线路102可以包括在已完成的钻孔中的生产油管柱(productiontubing string)或在建中的钻孔中的钻柱(drill string)。在导电线路102的顶部附近，设置变压器104以将导电导管(conductive pipe)耦合到电磁能的源。可以使用变压器104的替代耦合方法。例如，间隙接头(gap sub)(即，包括电绝缘特性的管接头(tubing sub)组件)与油管柱结合可以形成传输线，该传输线可以直接耦合到同轴电缆或任何其它合适的电缆。

在所示的示例实施例中，变压器104包括铁氧体环(ferrite ring)106的堆叠，以及绕在环周围的线108。线108包括导线110，其可以被耦合到可以被配置来产生连续波信号的振荡器112。线108可以进一步耦合到接收机114。接收机114可以实施为计算机，所述计算机包括从装置100接收信号用于存储，处理和/或显示的总线。在这方面，计算机114可以设置有显示器118，其可以包括例如图形用户接口。

计算机114可以被编程来处理所述返回信号以提供对于感测特性的测量。计算机114可以对所探测的信号执行任何期望的处理，包括但不限于对于调制振动频率的统计(例如，傅立叶)分析、信号的去卷积、与另一信号相关等。商业产品容易获得并且对于本领域技术人员来说是已知的，其可以用于执行任何合适的频率探测。可替代地，计算机可以在存储器或者可访问的储存装置中设置有查找表，其将接收到的频率与感测的井眼状况进行相关。

在典型的钻探应用中，钻孔将衬有钻孔外壳120，其被用于向钻孔提供结构支撑。该外壳120通常由导电材料如钢制成，在这种情况下所述外壳将与所述线路102配合，以便形成同轴传输线，并且不必提供任何附加的导电介质。当该外壳不导电时，导电套管(sleeve)(未示出)可以被设置在外壳中，以便形成同轴结构。为了保持线路102和外壳120之间的间距，装置100可以包括沿着导电线路102周期性地布置的电介质环122。

垫片可以被配置成，例如绝缘的定心装置(centralizer)，其可以是由任何合适材料形成的盘，该合适材料包括但不限于尼龙或聚四氟乙烯(PTFE)。虽然所示实施例利用同轴传输线，但是应该想到，可以使用传输线的替代实施例，例如单个导电线路，成对的导电线路，或波导。例如，外壳可以单独地为特定频率的电磁波充当波导。此外，同轴电缆的长度可以用于全部或部分线路。当电介质流体不能在外壳120内使用的时候(例如，当咸水或其他导电流体存在于外壳120中时)，这样的同轴电缆可能是特别有用的。

探针部分124位于装置100的远端附近。原则上，探针部分可以位于沿着传输线长度的任何点上。实际上，多个这样的探针部分可以沿着长度方向间隔放置，尽管这可能会为将信号从若干探针区分出来造成额外的信号处理负担。将每个探针的自然谐振频率设置在不同频率上，原则上可以允许一种波长在同轴线路上的多路复用，其可以简化处理。

该探针部分包括端口126，其被配置将钻孔中存在的流体的环境压力传送(communicate)到探针中去，在探针中该环境压力可以被传感器感测到(在图1中未示出)。下面示出了探针的封隔器(packer)128和封隔器齿(packer teech)130。

在使用时，振荡器112产生的电磁信号(正弦波)通过所述传输线发送到探针124。

该探针包括传感器，该传感器包括谐振电路部分，其在接收到处于或者接近谐振频率的激励信号时，晶体将在谐振频率上谐振，并进一步产生更高频率的谐波。这些谐波被电子地传送到传输线。

图2所示的实施例中包括基于晶体的谐振传感器200。壳体(housing)202的结构在一端具有压力馈入管204，其允许通过端口126进入的来自钻孔环境的压力传导到传感器200的内部空间206中。在内部空间中，压力被传导到柔性隔膜(flexible diaphragm)208或其它形式的压力反应结构。

所述隔膜208的运动被传导到石英晶体210、或其它压电晶体如磷酸镓。随着压力被传导到石英晶体的边缘，石英晶体的谐振频率发生变化。通过正确选择晶体所述面的方向，可以使得传感器可以对于压力或者温度(例如，AC切割)更加敏感。对于压力监测，晶体应该优先地对于压力敏感，但对于温度相对较不敏感(例如AT切割)。此外，一些晶体切割更适合用于产生谐波。

复位弹簧机构214可以被设置以朝向所述馈入管204偏置(bias)晶体210及其固定件，从而会使隔膜容易返回到中间位置。设置馈电通路(electrical feed through)216以将传感器200耦合到传感器电路(未示出)。

传感器200可以经由电感式铁氧体环400耦合到传输线，如图3所示。电导线402被设置成穿过所述传感器模块的馈电通路216。导线402耦合环绕铁氧体环400的线环。在此实施例中，铁氧体环实际上充当变压器来将信号耦合到传输线。

图3A示出了涉及压力传感器配置的替代实施例。在该实施例中，相对地对于温度不敏感的晶体(例如，AT切割晶体)与环境压力相隔离，并且电容式压力响应元件404与传感器200'串联设置并且暴露于环境压力。在该配置中，铁氧体环400再次用作变压器。晶体传感器200'以很大程度上取决于电容式传感器404的电容的频率发生谐振。在这种情况下，电容式传感器的作用是根据在电容器处所感测到的压力来提取(pull)晶体谐振器的基频。因此，晶体的谐波也会迁移。

图4示出根据本发明的实施例的传感器的封装。多个传感器500布置在公共壳体502内。对于每个传感器500都存在相应的铁氧体环400，其布置在由电介质材料(例如PTFE)制成的壳体502的部分504内。虽然通常传感器和环的比例是一比一，但是传感器和环的比例也可能是二比一或者更多。如上所述，环400将所述传感器耦合到所述传输线102。进而，该传感器被保持在传感器模块的金属块部分506中。管508被拧入到金属块中，以便明确地定位传感器封装。在典型的应用中，该管可以构成生产管本身，或者生产柱的延伸。

应理解的是，有可能将压力和温度传感器组合在单个封装中，以便可以使用温度测量来帮助解决压力传感器的与温度相关的漂移问题。

为了解决响应的变化是与井(well)相关的，而不是与温度或者压力相关的这个问题，可以包括主传感器以及校准晶体传感器。在该方法中，所述校准传感器处于与压力和温度传感器不同的独立频率上。所得到的传感器与井阻抗(well impedance)隔离，消除了与井相关的效应。

另一种方法是使用与环境压力隔离开来的对温度不敏感的晶体，其与在图3中所使用的压力传感器类似。在该变体中，与压力隔离并且对温度较不敏感的晶体信号将仅对该晶体信号位于其中的井的特定电磁传输特性做出反应。因此，该晶体信号的输出被认为仅代表该井的位移，而不受其它环境因素影响。

发明人已经确定了监视测量信号的更高次谐波是有用的，而不是主测量信号。关于这一点，本发明人已经发现，在峰值谐振测量中，所述信号可能难于从系统的噪声和/或非谐振响应中识别和分离。尤其是在激励频率不完全等于谐振频率时，这会导致传感器的相对较低的功率响应。例如，如图5所示意性示出的，激励频率600接近谐振频率602。如图所示，两个峰值具有非常不同的振幅。在实际中，它们有可能相差不到0.1％。举例来说，接收机可能需要能够将3.00056W的信号和3W的信号区分开，其中3.00056W的信号代表处于谐振频率的峰值振幅，3W的信号代表处于非谐振频率的系统正常电抗。而且，因为额外噪声以及扫描速率相对传输线延迟的限制，其受误差的影响。

可以选择振荡器来确保在更高次谐波处的强响应。特别是，A-T切割晶体在奇次谐波(例如，3次谐波604、5次谐波606、7次谐波(未示出)等)处具有良好响应。

参照图5，当传感器受到激励频率600的激发，即使该激励频率并不完全在谐振频率上，也会产生处于谐振频率602的返回信号，连同其谐波。应用具有导通范围(pass range)608的带通滤波器可以去除在基频602和激励频率600处探测到的功率，并且衰减包括5次谐波在内的更高次谐波，其中导通范围608包括三次谐波604。作为示例，带通滤波器可以被选择成导通宽度为约1k赫兹的范围，虽然可以理解的是该宽度至少部分依赖于要监测的谐振频率。可替代地，因为较高次谐波相比于三次谐波是自然衰减的，因此高通滤波器610能够通过衰减包括基频602在内的低频来达到相似的结果。在任一种方法中，对三次谐波的探测相对于对于信号功率的探测来说都是简化了的。然后可将探测到的谐波频率与要测量的特性直接相关。

一旦已经对信号滤波来突出谐波，有许多方法来探测该信号。在第一种方法中，如图6所示，激励源650产生频率处于或者接近传感器谐振频率的振荡。如将认识到的，激励信号可以是可编程的或扫描频率振荡。可替代地，一旦谐振频率被确定，可能有用的是，使用所确定的频率作为频率反馈回路中的激励源的控制输入，以确保该输入保持接近所述谐振频率。

激励信号通过定向耦合器652并被发送到发生基波和谐波谐振的传感器654并且信号沿钻孔向上返回。定向耦合器将所返回的信号传递到高通滤波器656，该高通滤波器656被选择成通过基频信号的所期望的谐波并同时衰减基频。在一个实施例中，高通滤波器656可以替换为带通滤波器，该带通滤波器进一步衰减所期望的谐波以外的谐波。

滤波信号由鉴别器658处理，其可以任选地包括放大器和/或自动增益控制(AGC)功能。该鉴别器用于将DC平均信号电平与瞬时信号进行比较。在一个实施例中，该功能是通过集成电容器和比较器来提供的。

鉴别器658输出对应于传感器的谐振频率的谐波的数字脉冲的方波(或基本上为方波)，并且该脉冲由计数器660来测量。在一个实施例中，计数器可以是频率计数器，例如那些可以从加州的AgilentTechnologies of Santa Clara获得的计数器。可替代地，微处理器可以提供计数功能。在一个实施例中，计数器能够在MHz范围内计数，并且特别是在1-5MHz范围，并且更特别的是大约3MHz。该输出可以是例如每秒的计数(Hz)、或者一秒的给定部分中的计数，的信号并且可以为数字形式。对于其它实施例，频率输出可以通过校准公式被转换为工程单位。

在另一种方法中，如图7所示，激励源680产生输入信号，其接近或等于所述传感器的谐振频率。如上所述，输入可以被扫描或以其它方式驱动，以确保其能够通过谐振频率区域。

定向耦合器682将激励信号传递到传感器684，在那里所述激励信号被调制并且返回到表面。然后，定向耦合器682将调制信号传递到带通或高通滤波器686，其以类似于前述实施例的方式选择性地通过传感器684的谐振频率中被选择的谐波。滤波器686的输出与本地振荡器688的输出在外差混频器690处混频。该组合信号接着传递至接收机692进行探测。

该接收机692可以例如是FM中频(IF)接收机，其具有例如10.7MHz的特征中频。在该实施例中，本地振荡器被配置和安排提供10.7MHz的信号以用于与谐波混频以产生在接收机692的中频处的输出。通常，接收机可以被配置成产生与传感器684的谐波频率的偏差成比例的模拟电压变化。FM接收机692的接收信号强度指示器(RSSI)可以被用作提供对于激励源680的反馈控制。在一个实施例中，接收机的输出电压V_out用于驱动电流环路发射机以将系统输出发送到数据收集设备，例如SCADA系统或可编程逻辑控制器。例如，4到20毫安的发射机可以用于各种实施例中。

要理解的是，可以得到市场上可买到的FM接收机，其包括在单个封装中的本地振荡器、混频器、接收电路和RSSI硬件。可替代地，所述部件中的一些或者所有元件例如，RSSI，FM鉴别器、自动增益控制等)可以被单独实现并且可被定制设计为在所接收的频率下进行操作。

在使用滤波器来选择谐波的实施例中，使用信号分离器以及对应的带通滤波器来允许选择多个不同的频率范围可能是有用的。在该方法中，每个范围可以被认为是与位于钻孔中的多个传感器中的被选择的一个传感器对应的信道。在这点上，组中的每个传感器应该被设计成在不同谐振频率上从每个其它传感器返回其调制信号，使得各自的信号可以被容易地分离开。尽管接收机通常被描述成位于表面，明显的是其主要位于地球表面，在海上的船上，或者处于泥土或者水的中等深度，其取决于具体的应用。

本领域技术人员应该理解，这里所描述的公开实施例仅仅作为示例，并且将存在许多变体。当词语“约”被施加到范围时，本领域的普通技术人员将理解，通过示例的方式，可以暗示±10％的变化。本发明仅受权利要求的限制，该权利要求涵盖此处描述的实施例以及对本领域的技术人员而言明显的变体。

Claims (20)

1.一种用于询问表面下的钻孔中的井下环境的系统，包括

电磁能的源，可操作为在所述钻孔中传送电磁信号；

传感器模块，包括具有谐振频率随着所述井下环境的状况的变化而改变的无源谐振电路，使得谐振电路响应于所述钻孔中的所述井下环境的状况返回所述电磁信号的至少一部分以及所述谐振频率的谐波；

探测器，可放置来接收所述电磁信号的返回部分，所述探测器包括用于衰减处于所述谐振频率的信号并且传递处于所述谐振频率的谐波的信号的滤波器。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括被配置并且被安排以在对应于所述谐波频率的频率处输出数字计数的电路。

3.根据权利要求2所述的系统，其中被配置并且被安排输出数字计数的所述电路包括鉴别器，所述鉴别器被配置并且被安排来将平均信号电平的直流部分与瞬时信号相比较并且输出数字脉冲。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述鉴别器包括集成电容器以及比较器。

5.根据权利要求3所述的系统，其中所述鉴别器还包括放大器和自动增益控制。

6.根据权利要求3所述的系统，其中被配置并且被安排输出数字计数的所述电路还包括与所述鉴别器进行电子通信的计数器，并且所述计数器被配置并且被安排关于时间对输出数字脉冲进行计数以测量谐波的频率。

7.根据权利要求2所述的系统，还包括与电磁能的源、传感器模块，以及探测器进行电子通信的定向耦合器，使得所传送的电磁信号通过所述定向耦合器到达所述钻孔，并且所返回的调制电磁信号通过所述定向耦合器到达所述探测器。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述滤波器包括带通滤波器或者高通滤波器。

9.根据权利要求1所述的系统，还包括超外差接收机。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述超外差接收机还包括接收信号强度指示器，并且所述接收信号强度指示器的输出被用作电磁能的源的控制输入。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制输入控制所传送电磁信号的频率和信号强度中的一者或者两者。

12.根据权利要求9所述的系统，其中所述超外差接收机包括频率调制的中频接收机，并且所述系统还包括：

本地振荡器；以及

与所述本地振荡器、所述滤波器、以及所述接收机进行电子通信的混频器，所述本地振荡器被配置并且被安排向所述混频器输出处于接收机中频的信号，所述混频器被配置并且被安排将处于接收机中频的信号与处于谐振频率的谐波的信号混频，并且将混频的，频率转换的信号传送给接收机。

13.根据权利要求9所述的系统，还包括与电磁能的源、所述传感器模块以及所述接收机进行电子通信的定向耦合器，使得所传送的电磁信号通过所述定向耦合器传递到所述钻孔并且所返回的电磁信号通过所述定向耦合器传递到所述接收机。

14.根据权利要求9所述的系统，其中所述滤波器包括带通滤波器或者高通滤波器。

15.根据权利要求1所述的系统，还包括将所述探测器的模拟输出转换为数字输出。

16.一种用于询问表面下的钻孔中的井下环境的方法，包括：

在所述钻孔中传送电磁信号；

响应于钻孔中的井下环境的状况将所述电磁信号的至少一部分连同传感器模块的谐振频率的谐波一起返回，所述传感器模块包括无源谐振电路，所述谐振频率随着井下环境中的状况的变化而改变；

利用探测器接收所述电磁信号的返回部分；以及

对所接收的信号进行滤波以衰减处于在所述谐振频率的信号，并且传递处于所述谐振频率的谐波的信号。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括将平均信号电平的直流部分与瞬时信号进行比较，并且作为响应输出数字脉冲，所输出的数字脉冲对应于所述谐波频率。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述滤波包括对所接收的信号使用带通滤波器或者高通滤波器进行滤波。

19.根据权利要求16所述的方法，还包括监测所接收的信号强度并且在所接收的信号强度的基础上控制所述电磁信号的源。

20.根据权利要求19所述的方法，其中控制包括控制所传送的电磁信号的频率和信号强度中的一者或者两者。