CN104246126A - 用于监测井下流体的系统和方法 - Google Patents

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CN104246126A CN201280070165.5A CN201280070165A CN104246126A CN 104246126 A CN104246126 A CN 104246126A CN 201280070165 A CN201280070165 A CN 201280070165A CN 104246126 A CN104246126 A CN 104246126A
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Abstract

在一个方面，本发明提供一种井下监测系统，其中包括一件或多件井下设备、例如井下测井工具(112)以及用于得到接近传感器的井下流体的物理和化学参数的至少一个谐振传感器(12)。在另一方面，本发明提供一种用于检测井下流体的材料性质的方法，该方法包括将谐振LCR(112)传感器放置在一件井下设备中，井下获取传感器读数，将传感器读数传送给读取器装置，并且分析传感器读数。

Description

用于监测井下流体的系统和方法
一般来说，本发明涉及化学、物理和生物传感器，以及更具体来说，涉及供描述井下流体特性中使用的高选择性热健壮化学、物理和生物传感器。
背景技术
准确描述油田储层流体的能力在含烃储层的勘探和生产阶段期间具有正效益。在生产期间，从储层移开的流体组成的井特定知识能够为储层建模和管理产生有价值的信息。发现能够永久部署在井身中并且能够用来监测储层流体特性随时间的变化的传感器技术，会是有利的。这种传感器技术可提供更准确数据供输入储层模型中，而无需破坏性的单独井测试。该技术还可部署在生产测井工具中，以自动地执行井下流体分析。
基于流体的各种介电性质的测量的流体分析有希望作为用于准确确定流体的化学(例如组成相关特性)和物理(例如粘度、密度、温度、极性)特性的部件。这种方法可提供优于诸如光谱学、核磁共振光谱法和电阻率之类的常规分析技术的优点，因为流体、例如井下流体可使用附连到与烃生产井关联的一个或多个特征(例如测井工具（well logging tool）)的传感器就地表征。可通过就地探测流体的各种介电性质，而不是通过使用常规分析技术(其会要求井取样以及取样流体的远程分析，并且伴随基于分析结果的决策中的显著延迟)，来更有效和更详细地确定井下流体特性。基于井下流体的各种介电性质的测量的流体分析能够提供与流体成分的分子组成、流体成分的烃链长度、含烃流体饱和或者未饱和的程度以及流体的极性等等有关的信息。因为基于流体的各种介电性质的测量的流体分析没有涉及光谱学，所以与涉及光探针技术的井下流体监控系统中相比，传感器积垢不太成问题。
按传统，应用阻抗谱学（impedance spectroscopy）、即一种已知形式的介电流体分析，以表征材料性能的基本方面。在阻抗谱学中，材料定位在传感器的电极之间，并且对于从几分之一赫兹(Hz)至数十千兆赫兹(GHz)的大频率范围来探测。虽然阻抗谱学在材料表征、细胞分析和粒子筛选方面是有用工具，但是其在用于分析物的痕量级的检测的实际传感器中的适用性通过已知测量配置中的低灵敏度以及对所涉及的大频率范围的极长获取时间而受到限制。
谐振传感器在化学、物理和生物感测应用中证明是有用的。基于产生谐振谱的多变量分析的电感器-电容器-电阻器(LCR)结构的谐振传感器尚未表明在对烃勘探和生产活动是非常关键的井下环境中是有用的。
因此，化学、生物和物理检测领域中仍然存在对于可用于井下环境中并且提供高灵敏度、有利信噪比、高选择性、高精度和高数据获取速度的组合的传感器的未满足需要。
发明内容
在一个实施例中，提供一种井下系统，其包括井下设备以及用于得到井下流体的物理和化学参数的至少一个谐振传感器。
在一备选实施例中，提供一种用于检测井下流体的材料性质的方法，其包括将至少一个谐振LCR传感器放置在井下设备中，井下获取传感器读数，将传感器读数传送给读取器装置，并且分析传感器读数。
在又一个实施例中，提供一种井下流体监测系统，其包括井下设备以及包含感测材料的至少一个谐振LCR传感器。
以上较为广泛地概述了本发明的实施例的特征，使得可以更好地理解下面对本发明的详细描述。下面将描述本发明的附加特征和优点，其形成本发明权利要求的主题。
为了更全面了解本发明及其优点，现在参照以下结合附图的描述。
附图说明
图1是示出按照本发明的一实施例、结合感测系统的缆绳测井组合件的示意图。
图2A和图2B示出可按照本发明的一个或多个实施例使用的LCR传感器的方面。
图3A和图3B示出可按照本发明的一个或多个实施例使用的谐振传感器的实施例。
图4A示意示出与图3A和图3B的传感器关联的电磁场。
图4B示意表示出按照本发明的一个或多个实施例的传感器的阻抗的实部的两个参数和阻抗的虚部的两个参数。
图5A和图5B示出常规阻抗谱学和谐振RFID感测在相移(图5A)和频移(图5B)方面的比较。
图6A示出按照本发明的一个或多个实施例的传感器的测量信号中的相对噪声的比较。
图6B示出使用可按照本发明的一个或多个实施例使用的谐振阻抗传感器所测量的传感器响应的信噪比。
图6C示出使用常规阻抗谱学所测量的传感器响应的信噪比。
图7A-7C示出作为非谐振传感器的幅度(图7A)、相位(图7B)与频率和谐振传感器的实阻抗与频率(图7C)、对七个不同电容器值的复阻抗响应。
图8A和图8B通过绘制谐振频移与电容常数相比非谐振幅值的校准曲线(图8A)并且通过绘制作为与非谐振幅值相比的介电常数的变化的函数的谐振频移的信噪比、示出操作谐振阻抗传感器相对于常规阻抗谱学中使用的传感器的优点。
图9示出按照本发明的一实施例、用于检测井下流体的材料性质的过程步骤。
图10示出按照本发明的一实施例、用于检测在不同温度下的井下流体的材料性质的过程步骤。
具体实施方式
本发明的实施例针对用于具有高灵敏度、选择性、精度、信噪比和数据获取速度的检测的系统和方法。本发明的实施例利用如下原理：单独化学和生物种将具有不同介电性质，那些性质将响应温度变化而改变，并且那些性质可在使用谐振传感器、例如谐振LCR传感器作为探针从流体储层去除的过程流体的上下文中有效地探测。按照本发明的实施例，不是将常规阻抗谱学用于跨从几分之一赫兹(Hz)至数十千兆赫兹(GHz)的大频率范围进行扫描，而是谐振电感器-电容器-电阻器(LCR)传感器可用来以跨较窄频率范围的高信噪比快速获取谱数据。不是测量材料的宽阻抗响应，本发明的实施例而是通过将感测区域放置成接近构成谐振电路的电极，来增强用于感测和表征过程流体的能力。因此，过程流体的介电、维度、电荷转移和其它性质可通过过程流体与谐振传感器电路的接近性所造成的谐振传感器电路的电子性质中引起的变化来检测。
一般参照附图，将会理解，说明是为了便于描述本发明的具体实施例，而不是意在将本发明局限于此。
参照图1，示出作为缆绳测井组合件100的一部分的感测系统110，其包括至少一个谐振传感器、例如谐振LCR传感器。虽然示为在陆地的井中实现，但是应当理解，本发明的实施例也可适用于离岸海底井。测井又称作钻井测井，是进行钻井所穿透的地质岩层的详细记录(井记录)的实施。记录可基于带到表面的样本的视觉检验(地质记录)或者基于降入孔中的仪器进行的物理测量(物理记录)。缆绳记录是一种类型的地质记录。
缆绳记录通常是使用电动仪器来推断性质并且进行与钻探和生产操作有关的判定的岩层性质的详细测量的产物。在缆绳测量中，测井工具112在缆绳116上降入开放井身114中。一旦下降到感兴趣间隔的底部，则在从井身移开传感器时进行测量。进行这个操作，以尝试将线缆(其可具有伸展的趋势)上的张力尽可能保持恒定，以用于深度相关性和/或目的。存在对这种实践的例外，其中在某些不利环境中，工具电子器件在降低工具并且然后在将工具沿井身上拉的同时记录测量所需的时间期间可能无法经受住井身的下段中的温度。在这类情况下，“向下记录”测量可在工具降落到井身时进行，并且然后在从井身收回测井工具时重复进行。
当测井工具穿过井身时，连续记录大多数缆绳测量。但是，某些流体取样和压力测量工具要求工具在测量期间是静止的，从而增加工具或缆绳线缆可能在沿井身的一个或多个点被粘住的机会。
随钻测井(LWD)工具按照与缆绳测井工具极为相同的方式进行测量，但是测量由井底组合件的底部附近的独立工具进行，并且向下(当井变深时)记录而不是从井身底部向上记录。
图2A示出谐振传感器系统110的谐振LCR传感器组件108(本文中有时简单地称作谐振传感器)。这类谐振传感器的特征在于包括电感LA、电容CA和电阻RA组件的等效电路。接近传感器的流体的不同环境条件、例如电导率、介电常数和温度对等效电路的不同组件产生单独作用。这些单独作用可与谐振阻抗谱的谱特征相关，并且通过传感器的多变量响应来解析。
谐振LCR传感器组件108可按照多种方式来配置。例如，传感器的感测元件的几何结构包括线圈、多个电极、叉指电极阵列以及本领域已知的其它配置。
在预期高导电流体的电导率测量的实施例中，惰性保护层可施加到传感器上，以将导电介质与一个或多个谐振传感器感测元件分隔。
通常，谐振LCR传感器的LA、CA和RA组件由设置在传感器基板上的导电材料制成。在谐振LCR传感器的LA、CA和RA组件中有用的导电材料的非限制性示例包括不锈钢、铜、银、铂、铝以及本领域已知的其它适当导电材料。
适合于用作谐振传感器基板的材料的非限制性示例包括介电材料，例如陶瓷、玻璃、石英、硅、有机聚合物以及本领域已知的其它材料。在一个实施例中，谐振传感器基板包括有机聚合物聚(对苯二甲酸亚乙酯)。
在一个或多个实施例中，附加温度敏感组件结合到传感器等效电路中，以促进并且改进温度效应。这类附加温度敏感组件的非限制性包括电容器、电阻器和集成电路存储器芯片。集成电路存储器芯片还可存储校准和其它参数传感器数据，并且这类数据可在传感器操作之前、期间和之后是可用的。
在一个实施例中，本发明提供传感器响应的温度调制谱测量。传感器响应的温度调制谱测量改进不同流体的传感器测量的精度和选择性。这种改进起源于被监测流体的复介电常数(ε'r – j ε''r)的温度灵敏度以及复介电常数(ε'r – j ε''r)的变化与传感器的谐振阻抗谱的变化的相关性。被监测流体的复介电常数的实部ε'r又称作流体的介电常数。被监测流体的复介电常数的虚部ε''r与流体的电导率(σ)成正比。表1示出不同材料的ε'r的不同温度相关性的非限制性示例。
表1
材料 ε'r的温度相关性(-100 × dε'r/dT (˚C)
十二烷 0.12
甲烷 0.217
水 36
感测系统110中使用的传感器的两个示范和非限制性实施例在图3A和图3B中示出。如图3A所示，感测系统110包括传感器12，其是包括电感器-电容器-电阻器传感器(LCR)的谐振电路。LCR传感器包括与LCR电路的电感L、电容C和电阻R的性质相关的至少三个温度相关系数。LCR电路的至少三个温度相关响应系数的每个彼此相差至少大约5%。
传感器天线18包括设置在基板(本文中有时称作传感器基板)上的电极，以及天线还构成传感器的谐振电路。在一些实施例中，感测材料14施加到谐振电路上。通过将感测材料14施加到谐振电路上，电路的阻抗响应将改变。传感器12可以是有线传感器或无线传感器。传感器12还可包括耦合到谐振天线18的存储器芯片16，其中谐振天线18本身耦合到基板20。存储器芯片16可包括其上存储的制造、用户、校准和/或其它数据。存储器芯片16可以是集成电路(IC)装置，并且它可包括使用互补金属氧化物半导体(CMOS)过程所制造的RF信号调制电路以及非易失性存储器。RF信号调制电路组件包括二极管整流器、电源电压控制、调制器、解调器、时钟发生器和可选的其它组件。在一个实施例中，所使用的谐振传感器包括与传感器基板相接触的一个或多个传感器电极，其中传感器基板和传感器电极具有基本上不同的温度响应系数。
图3B示出由参考标号21所表示的传感器12的一备选实施例，其中包括感测材料14的补充传感器23附连于天线18和集成电路(IC)存储器芯片16，以改变传感器阻抗响应。在另一个实施例中(未示出)，补充传感器可附连于没有IC存储器芯片的天线，并且改变传感器阻抗响应。补充传感器的非限制性示例是叉指传感器、电阻传感器和电容传感器。图3A和图3B所示的谐振传感器可用于检测单独化学和生物种，并且可用来监测井下环境中遇到的流体的大量化学和物理参数。
关于传感器、例如12和21的使用和构成的其它细节可见于2010年12月23日提交的美国专利申请序号12/977599，通过引用将其完整地结合到本文中。在美国专利No.7911345中描述互补传感器的论述，通过引用将其结合到本文中。
在一个实施例中，RFID标签(例如13.56 MHz RFID标签)可如图4A所示来使用。在感测系统110的操作期间，可获取传感器天线18的阻抗Z(f)以及存储器芯片16上存储的数字传感器校准参数。天线18的谐振阻抗Z(f)的测量以及来自存储器芯片16的数字数据的读取/写入经由RFID传感器天线18与读取器24(图2B)的拾取线圈22(图2B)之间的互感耦合或者经由直接布线来执行。在一个实施例中，本发明提供一种井下监测系统，其包括谐振LCR传感器，其中包括在多个预定频率范围的一个或多个可操作的存储器芯片，从而形成RFID传感器。在一个实施例中，RFID传感器工作在从1 kHz至50000 GHz的频率范围。在另一个实施例中，RFID传感器工作在从5 kHz至500 GHz的频率范围。在又一个实施例中，RFID传感器工作在从10 kHz至50 GHz的频率范围。在一个实施例中，RFID传感器工作在125 kHz的频率、134 kHz的频率或者13.5 MHz的频率。
谐振阻抗传感器、例如图3A和图3B所示的传感器对感兴趣参数的响应的起源在图4A和图4B中进一步示出。由谐振阻抗传感器系统110、例如图2B所示的系统所生成的电磁场25从传感器天线18的平面发出并且进入周围井下环境，其中电磁场与周围井下环境中存在的流体进行交互。从传感器到流体的能量的性质和量取决于流体的介电性质。从谐振阻抗传感器到周围环境的流体的能量传递改变传感器所产生的电磁场的特性，并且传感器所产生的电磁场的特性的这类变化能够与流体的一个或多个性质相关。因此，流体的一个或多个生物、化学和/或物理参数可在井下环境中使用本发明的一个或多个实施例来探测。当井下环境比较导电时，保护层14可包含在传感器系统，以将周围井下环境的导电介质与谐振天线18分隔。在一个实施例中，井下环境中存在的比较导电种类(液体或固体)的特性能够使用本发明所提供的一个或多个实施例来执行。
在一个实施例中，包括传感器12的谐振阻抗传感器系统包括拾取线圈22，并且用来确定接近井下环境中的传感器的流体的一个或多个参数。在另一个实施例中，包括传感器12的谐振阻抗传感器系统包括电流耦合读取器，并且用来确定接近井下环境中的传感器的流体的一个或多个参数。在一组备选实施例中，包括传感器21的谐振阻抗传感器系统110包括拾取线圈22和/或电流耦合读取器，并且用来确定接近井下环境中的传感器的流体的一个或多个参数。在一个实施例中，读取器配置成经过扫频来读取信号。在另一个实施例中，读取器配置成经过时间分辨扫描（time-resolved sweep）来读取信号。在又一个实施例中，读取器配置成经过衰荡检测（ring-down detection）来读取信号。
在一个实施例中，井下监测系统包括一件或多件设备(例如测井工具、钻探单元、钻探流体输送单元或者光感测单元)和谐振传感器21(图3B)，其配置成监测接近井身中使用的设备的井下流体的物理和化学参数。在一个实施例中，通过监测如根据互补传感器23所感测的电磁场25的特性所探测的感测材料14的性质的变化，来执行感测。在一个实施例中，传感器提供对接近传感器的井下流体的温度的响应，其中对温度的响应基本上与传感器对接近传感器的井下流体的一个或多个化学特性的响应无关。
如所述，在采用谐振传感器、例如12或21来提供高导电井下流体的测量的系统中，将天线18与井下环境分隔的保护层14防止传感器电短接以及传感器谐振的损失。通常，保护层14设置在天线18上，并且本文中有时称作感测膜或感测材料。这类谐振阻抗传感器对井下流体的化学和/或生物参数的响应取决于井下流体的介电性质的变化，和/或取决于产生于感测膜与井下流体之间的接触、将传感器的天线与井下流体分隔的感测膜的介电和维度性质的变化。如本领域的技术人员将会理解，感测膜与井下流体之间的接触可情变感测膜的介电和维度性质中的任一个或两者。适当的感测膜可基于膜介电和/或维度性质对于设法在井下流体中检测的一个或多个分析物的灵敏度来选择。多种适当分析物特定和/或分析物选择性感测膜是本领域的技术人员已知的。在一个实施例中，感测膜的分析物感应变化作为通过传感器天线18的线圈匝数之间的膜区域中的感测膜电阻和电容的变化所造成的谐振阻抗传感器电路的阻抗的变化来检测。能够依靠这类变化来提供单独谐振阻抗传感器对各种井下环境的响应的高级分集。在这个意义上，本发明创造了采用单个谐振阻抗传感器来替代用来测量井下流体的特性的多个常规传感器的机会。
参照图4A和图4B，传感器中生成的电磁场25从传感器天线18(图4A)的平面向外延伸。电磁场25通过接近传感器的一个或多个材料的介电性质的变化来影响，因为能量从传感器传递到井下环境的一个或多个成分，例如包括水和甲烷的井下流体。在一个实施例中，可监测谐振阻抗传感器电路(例如天线18)的复阻抗参数(例如Fp、Zp、F1和F2(图4B))的变化。复阻抗参数由图4B示出，并且包括Fp、即复阻抗的实部的频率以及Zp、即复阻抗的实部的幅值。F1和F2分别是复阻抗的虚部的调谐和反谐振频率。通过将主成分分析(PCA)应用于整个阻抗谱或者多个所选特征、例如Fp、F1、F2、Zp等，采用单个传感器来抑制干扰。如本领域的技术人员将会理解，主成分分析是可用于分析传感器响应的谱特征的多变量分析技术的非限制性示例。可用于这个目的的多变量分析技术的其它示例包括独立成分分析(ICA)、线性差别分析(LDA)和灵活差别分析(FDA)。
在一个实施例中，感测系统110配置成供样本池中使用。能够与没有包括谐振传感器、而是包括能够探测池中包含的流体的介电性质的基于非谐振电极的传感器的类似配置的系统进行比较。比较了池中的样本流体的介电常数的变化对两种类型的传感器的作用，以及这些比较的结果突出了伴随本发明的各个实施例的一部分优点。不同介电常数的流体引入配置有谐振传感器或者基于非谐振电极的传感器的样本池中，以及监测传感器的阻抗响应。然后能够实现谐振传感器和非谐振电极传感器的感测性能的比较。在这类比较中，能够确定来自两种传感器类型的信噪比(SNR)和检测极限(DL)。
对于使用单独谐振增强多变量传感器的选择性分析物量化，谐振传感器的复阻抗谱如图4B所示来测量。来自阻抗的所测量实部和虚部的若干参数可从传感器测量来计算。所计算参数的示例包括阻抗的实部的最大数的频率(Fp)、阻抗的实部的幅值(Zp)、阻抗的虚部的谐振频率(F1)以及阻抗的虚部的反谐振频率(F2)。还能够计算附加参数(例如零电抗频率和质量因数)。但是，已经发现Fp、F1、F2和Zp的使用对于选择性感测是足够的。通过例如改变流体(其介电性质被探测)的温度来改变执行测量的温度，传感器可不同地响应各分析物和/或所感测干扰。通过应用全阻抗谱或者从其中计算的参数的多变量分析，分析物的量化和干扰的抑制可使用单独传感器来执行。
图5A示出来自采用介电常数(ε)的范围从大约25至大约80的解决方案的常规阻抗谱学的实验相移测量。图5B示出采用图5A所示的解决方案(ε)的验证实验的结果，示出阻抗谱的相移测量和谐振阻抗传感器的谐振的峰值偏移。从所收集数据的分析能够观察到，常规阻抗谱学测量的信号具有比按照本发明的一个或多个实施例所使用的谐振传感器要大许多的相对噪声。为了评估传感器响应的信噪比(SNR)，数据如图6B和图6C所示来处理。与常规阻抗谱学(图6C)相比，谐振传感器的一实施例提供了对Δε的最小测量范围的信噪比(SNR)(图6B)的至少100倍增强，其中具有介电常数确定的检测极限的对应改进。图6A示出当液体流经传感器以获得两组测量(谐振和非谐振)时的原始数据轨迹。
为了比较具有理想电容响应的传感器的实施例的性能，还在空气中采用非谐振和谐振模式的、不同值(1 pF、5 pF、10 pF、20 pF、47 pF、100 pF和250 pF)的电容器进行测量。结果在图7A-7C中示出。非谐振响应示为幅值(图7A)和相位(图7B)，以及谐振传感器响应示为实阻抗(图7C)。在严格电容驱动系统中，相位(图7B)的响应在90度比较平坦，并且没有表明与电容的相关性。
在图8A和图8B中比较作为电容的函数的、非谐振和谐振传感器的响应。因为没有看到相位与电容的响应之间的相关性(图7B)，所以对非谐振传感器(图8A)仅分析幅值。图8B中绘制的SNR比较表明，谐振传感器具有比非谐振传感器明显要高的SNR。
如先前所述，本发明的实施例背后的基本原理之一在于，单独化学品将呈现不同的介电性质，并且那些性质将响应温度变化而按照不同方式改变。通过人工控制温度或者通过利用钻探过程中存在的自然温度差，本发明的实施例结合用于使井下过程流体暴露于变化温度的技术。在一个实施例中，通过使用已知加热方法、包括稳态加热或动态加热，在测量系统流动池中引起不同温度。在一个实施例中，不同温度从井身的不同位置的被监测自然温度变化来提供。例如，在海底钻探中，过程流体从核心极热(100℃-200℃)出现。过程液体当它在管道中从海底上升时进行冷却，因为海底的环境温度很冷(5℃-30℃)。这在将流体带到表面时提供自然温度梯度。在一个实施例中，不同温度从温度是不同的不同特殊位置的被监测温度变化来提供。
在本发明的实施例中，利用谐振阻抗谱学，即监测过程流体的基本物理性质的直接测量方法。这种测量方法不要求使用诸如载气、试剂或流体之类的消耗品。此外，这种测量方法不要求人工干预。另外，这种测量方法不要求如用于井下测量的许多现有仪器和技术所要求的放射性系统组件。
在本发明的实施例中，流动池用于人工温度控制。在这类实施例中，测量将在滑流中进行。在本发明的实施例中，对光流体透明度的需要不太重要。在这类实施例中，测量技术包括不要求光流体透明度的技术。这类技术对表面积垢不太敏感，并且不要求任何窗口。在本发明的实施例中，测量技术包括提供信号到流体中的不同穿透深度(其取决于传感器换能器、例如传感器线圈的设计)的技术。用于降低对表面积垢的传感器灵敏度的一种方式是增加信号穿透深度。因此，所测量的性质表示整体性质，并且表面积垢变得无关紧要。在一个实施例中，这类测量技术包括通过使电极之间的距离为最大或者增加感测线圈的间距和直径以提供对积垢的不敏感性，来设计具有充分穿透深度的传感器换能器。在一个实施例中，由本发明所提供的方法包括采用对传感器表面积垢不敏感的至少一个谐振LCR传感器来获得传感器读数。
在一个实施例中，通过跨LCR谐振器的谐振频率的预计范围扫描频率来执行谐振阻抗的测量。例如，如果LCR谐振器具有大约10 MHz的谐振频率，则这个谐振器的谐振阻抗的测量通过扫描从大约8 MHz至大约12 MHz的频率来执行。
在一个实施例中，通过LCR谐振器的脉冲激励，之后接着记录谐振器响应所产生的衰荡模式，并且进行所记录模式的傅立叶变换以计算实和虚谱，来执行谐振阻抗的测量。例如，如果LCR谐振器具有大约10 MHz的谐振频率，则通过采用单个脉冲0.1-10 ps脉冲宽度或者0.1-10 ps脉冲宽度的脉冲序列向谐振器施以脉冲，记录谐振器响应所产生的衰荡模式，并且进行所记录模式的傅立叶变换以计算实和虚谱，来执行这个谐振器的谐振阻抗的测量。
具体参照图9，接下来将描述按照本发明的一实施例、用于检测井下流体的材料性质的方法。在步骤200，谐振多变量传感器安装在井下设备中，其然后被井下放置。井下设备可以是测井设备，例如缆绳测井组合件。备选地，井下设备可以是井的钻探和后续修整中使用的钻探设备。
在步骤205，采用谐振多变量传感器井下获取读数。这个步骤205能够进行多次，并且在不同环境条件下进行。不同环境条件可包括例如温度和压力。换言之，步骤205能够在钻孔中的许多不同位置进行，在井下工具移动的同时或者在它是静止的同时。读数或测量可在井下发现的多相流体中执行。这类多相流体可包括例如气体、油、水和沙。最后，在步骤210，分析来自谐振多变量传感器的结果。
在一些实施例中，多变量传感器是LCR传感器、表面声波传感器、厚度剪切模式传感器。
具体参照图10，接下来将描述按照利用传感器响应的温度调制谱测量的本发明的一实施例、用于检测井下流体的材料性质的方法。在步骤300，谐振多变量传感器安装在井下设备中，其然后被井下放置。井下设备可以是测井设备，例如缆绳测井组合件。备选地，井下设备可以是井的钻探和后续修整中使用的钻探设备。
在步骤305，传感器响应在一个温度T1下测量，之后接着在步骤310、在第二温度T2的传感器响应的测量。其它附加温度也能够用于传感器响应的测量。在不同温度下的测量提供测量被监测流体的复介电常数(ε’r-j ε”r)的温度相关性以及将这些变化与传感器的谐振阻抗谱的变化相关的能力(步骤315)。在步骤320，还计算被监测流体的复介电常数的实部ε'r，并且还计算被监测流体的复介电常数的虚部ε''r，以提供关于所测量流体的性质的信息。在一个实施例中，所提供的方法可用来得到传感器读数，从而提供非光学透明流体的特性，例如非光学透明原油-水混合物的含水量(例如重量百分比水)。
虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当易于理解，本发明并不局限于这类所公开实施例。本发明而是能够修改为结合前面没有描述的任何数量的变化、变更、替换或等效布置，但是它们与本发明的精神和范围一致。例如，虽然在最初可隐含单一性的方面描述了实施例，但是应当理解，可利用多个组件。另外，虽然描述了本发明的各个实施例，但是要理解，本发明的方面可以仅包含所述实施例的一部分。相应地，本发明不能被看作受到前面描述限制，而仅由所附权利要求书的范围来限制。

Claims (23)

1. 一种井下监测系统，包括：
井下设备；以及
至少一个谐振传感器，用于得到井下流体的物理和化学参数。
2. 如权利要求1所述的系统，其中，所述井下设备包括缆绳测井组合件或钻探设备。
3. 如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个谐振传感器包括谐振LCR传感器。
4. 如权利要求3所述的系统，其中，所述谐振LCR传感器包括在多个预定频率范围的一个或多个可操作的、形成RFID传感器的存储器芯片。
5. 如权利要求4所述的系统，其中，所述RFID传感器工作在从1 kHz至50000 GHz、从5 kHz至500 GHz或者从10 kHz至50 GHz的频率范围中。
6. 如权利要求5所述的系统，其中，所述RFID传感器工作在125 kHz的频率、134 kHz的频率或者13.5 MHz的频率。
7. 如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个谐振传感器配置成有线或无线地提供信号。
8. 如权利要求1所述的系统，包括用于从所述至少一个谐振结构来读取信号的读取器，其中所述读取器配置成经过扫频、时间分辨扫描或衰荡检测来读取信号。
9. 如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个谐振传感器配置成进行滑流中的测量。
10. 如权利要求1所述的系统，其中，所述谐振传感器包括传感器基板以及与所述传感器基板的表面相接触的传感器电极，其中所述传感器基板和传感器电极具有基本上不同的温度响应系数。
11. 一种用于检测井下流体的材料性质的方法，包括：
将至少一个谐振LCR传感器放置在井下设备中；
井下获取传感器读数；
将所述传感器读数传送给读取器装置；以及
分析所述传感器读数。
12. 如权利要求11所述的方法，其中，所述放置包括将至少一个谐振LCR传感器放置在缆绳测井组合件或钻探设备中。
13. 如权利要求11所述的方法，其中，所述传感器提供对接近所述传感器的井下流体的温度的响应，其中对所述温度的所述响应基本上与所述传感器对接近所述传感器的所述井下流体的一个或多个化学特性的响应无关。
14. 如权利要求13所述的方法，其中，所述传感器包括传感器基板以及与所述传感器基板的表面相接触的传感器电极，其中所述传感器基板和传感器电极具有基本上不同的温度响应系数。
15. 如权利要求11所述的方法，其中，所述传送包括将所述传感器读数传送给配置成经过扫频、时间分辨扫描或衰荡检测来读取信号的读取器装置。
16. 如权利要求11所述的方法，其中，所述获取包括获取滑流中的传感器读数。
17. 如权利要求11所述的方法，其中，所述获取包括在不同温度下获取传感器读数。
18. 如权利要求17所述的方法，其中，所述在不同温度下获取传感器读数包括：
经过稳态加热或动态加热来引起流动池中的不同温度；或者
在井身中的不同深度获取传感器读数。
19. 如权利要求11所述的方法，其中，所述获取包括无需使用消耗品、人工干预或者放射性系统组件而获取传感器读数。
20. 如权利要求11所述的方法，其中，所述传感器读数提供非光学透明流体的特性。
21. 如权利要求11所述的方法，其中，所述获取包括采用对积垢不敏感的至少一个谐振LCR传感器来获取传感器读数。
22. 一种井下流体监测系统，包括：
井下设备；以及
包括感测膜的至少一个谐振LCR传感器。
23. 如权利要求22所述的井下流体监测系统，其中，所述传感器包括从由陶瓷、玻璃、石英、硅和有机聚合物所组成的组中选取的传感器基板。
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