CN104737036A - 增强材料的调查 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了用于增强井孔、管、通道等中流体的测量的系统、工具和方法。该系统、工具和方法可以涉及一种电磁测量工具，其包括被配置为发射电磁能的发射天线、被配置为接收电磁能的接收天线以及具有负折射率的超材料元件。超材料元件可以聚焦电磁能。电磁系统可以包括邻近流体或与流体接触地设置的一个或多个天线，电磁能可以经由发射天线发射，以及可以用接收天线接收电磁能，以测量流体的特性。

Description

增强材料的调查
技术领域
本发明总体涉及用于使用电磁能来调查流体的特性的方法和系统，以及更特别地而非限制地涉及用于测量井眼流体的一个或多个特性、多相流的特性、生产流体的特性、管线/通道中的流体流的特性、地球地层中的流体的特性等的调查方法与系统。仅通过实例，所描述的方法和系统可以被用于增强材料内所发射的电磁能的穿透以增强调查深度，并且在一些实例中，所增强的调查可以被用于井眼中以增强对井眼和/或流进/流出井眼的流体的所述一个或多个特性的测量。
背景技术
当前，各种工具和设备被用于井眼和管线/通道内以测量在其中流动的流体的特性。确定诸如流速、不同相的百分比/比率、相的体积流率等的井眼和管线/通道中流动的多相混合物的流特性可以被用于确定诸如井眼/管线/通道中输送的或地球地层等中包含的油相、水相、气相、固相的相含量，验明沿井眼/管线/通道等的位置等处的相的存在/数量，等等。
射频(“RF”)天线、微波天线等已经被用作多相流计量系统的一部分。例如，美国专利第7,624,652号和美国专利第8,224,588号公开了诸如多个电偶极天线的电磁天线的使用，用于多相流的相分数和/或水传导率的测量。美国专利第6,915,707号公开了具有充当用于提供多相流的电容率测量结果的微波谐振式传感器的集成机械结构的多相流传感器管段，其测量结果可以被用于确定多相流的特性/多相流的相(机械结构还起用于提供流率测量的压差元件的作用)。
发射-接收电磁天线已被开发用于多相流相分数和/或含水率的测量(参见，例如美国专利第7,908,930号和美国专利公开第20110267074号)，以及用于层析成象的流体成像(参见，例如美国专利第5,485,743号)，和/或用于基于多普勒感测(参见，例如英国专利第2 359 435号和美国专利第7,712,380号)或互相关测量(参见，例如美国专利第7,908,930号)的相速度的测量。RF/微波反射探针和/或发射天线也已经被用于测量多相流的水传导率(参见，例如美国专利第6,831,470号)。电磁系统也已经被用于调查地层流体，例如，欧洲专利/专利申请EP2 015 109号中所描述的。一种用于确定井下地层的特性的装置可以包括具有能够通过地层传播电磁波的多个发射机与接收机的阵列。此外，电磁调查系统可以被用于调查包含在或输送在液体中的固体相/流体相的特性。为了所有目的，上面所引用专利的内容通过参考被合并于本文中。
发明内容
在本公开的一个实施例中，提供了一种用于测量在诸如例如井孔、管线、管、通道等的通道中流动的流体的、包含在地球地层中的流体的特性以及包含在流体中的固体的特性的电磁测量系统。在该实施例中，超材料用于充当透镜并且将电磁能聚焦到流体中，使得能够确定流体的特性。在本发明的各个方面，超材料透镜在流体/流体流中/内提供电磁调查。流体/流体流可以是多相混合物，并且超材料电磁调查系统可以被用于获得多相流的特性、多相流的相、多相的相的组成等。在本发明的实施例中，超材料可以包括具有负折射率的材料。在本发明的一些方面，超材料的折射率的幅度可以与正被调查的流体的折射率的幅度相匹配。
在本公开的一个实施例中，提供了一种用于增强用于调查通道、井孔、管等中的流体的特性的电磁系统的感测特性的方法，其中，超材料被用于增大调查深度和/或增大电磁系统的灵敏度。
附图说明
结合附图描述本公开：
图1示出根据本发明的一个实施例的包含偶极天线和超材料透镜的用于调查流体的电磁系统；
图2(a)-(d)示出非超材料聚焦电磁系统和图1中所述的超材料聚焦系统的通过建模确定的管道中所产生的场分布；
图3示出根据本发明的一个实施例的当系统包括常规材料和超材料时对图1的电磁系统来说能量如何沿垂直于管道的方向随半径消散；
图4示出根据本发明的一个实施例的包含超材料元件的用于调查管道中的流体的电磁系统；
图5示出根据本发明的一个实施例的用于使用超材料元件调查管道中流体的特性的电磁系统；
图6A-C示出根据本发明的实施例的用在电磁系统中的超材料透镜的实例；以及
图7是使用超材料来增强管道中流体/流体流的特性的电磁测量的方法的流类型说明。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的参考标号。此外，可以通过参考标号后面的破折号和区分相似部件的第二标号来区分相同类型的各个部件。如果在说明书中仅使用第一参考标号，则该描述可应用于具有相同第一参考标号而不考虑第二参考标号的任一相似部件。
具体实施方式
以下描述仅提供优选的示例性实施例，不旨在限制本公开的范围、可应用性或配置。相反地，以下对优选的示例性实施例的描述将向本领域技术人员提供能够实现优选的示例性实施例的描述。可以理解，可以对元件的功能和布置进行各种改变而不背离所附权利要求中所提出的精神和范围。
下面描述中给出了具体细节，以提供对实施例的彻底理解。然而，本领域普通技术人员将理解，在没有这些具体细节的情况下也可以实现实施例。例如，为了不以不必要的细节使实施例难于理解，可以以方框图方式显示回路。在其他例子中，为了避免使实施例难于理解，可不显示众所周知的回路、过程、算法、结构以及技术的不必要的细节。
此外，注意到，实施例可以被描述为一个过程，该过程被描绘为流程图、流程示意图、数据流程示意图、结构示意图或方框示意图。尽管流程图可以将操作描述为顺序的过程，但是，能并行或同时执行许多操作。此外，可以重新安排操作的顺序。过程在完成其操作时终止，但是过程可以具有未包括在图中的另外的步骤。过程可以对应于方法、函数、工序、子例程、子程序等。当过程对应于函数时，其终止对应于函数返回至调用函数或主函数。
此外，如本文中所公开的，术语“存储介质”可以表示一个或多个用于存储数据的设备，包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁性RAM、磁芯存储器、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存设备和/或用于存储信息的其他机器可读介质。术语“计算机可读介质”包括但不限于便携的或固定的存储设备、光学存储设备、无线通道和各种其它能够存储、包含或携带指令和/或数据的介质。
此外，可通过硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或它们的任意组合来实现实施例。当以软件、固件、中间件或微码实现时，用于执行必要任务的程序代码或代码段可以被存储在诸如存储介质的机器可读介质中。处理器可以执行必要的任务。代码段可以表示工序、函数、子程序、程序、例行程序、子例行程序、模块、软件包、类、或指令、数据结构或程序语句的任意组合。可以通过传递和/或接收信息、数据、自变量、参数或存储内容将一个代码段耦合至另一个代码段或硬件电路。可以经由包括存储器共享、消息传递、令牌传递、网络传输等任意合适的手段来传递、转发或传输信息、自变量、参数、数据等。
超材料被定义为周期结构或非周期结构的宏观复合材料，其作用归于蜂窝结构和化学成分。超材料可以具有对射频(“RF”)和微波电磁场以及其他场的设计的、非自然出现的响应。超材料元件或透镜在其操控近场并导致由不受衍射限制的分辨率的意义上是完美的/有利的。例如，在空气中具有近似于负一(-1)的值的折射率的一片材料(即，折射率＝1)将来自源(S)的电磁辐射聚焦至映像(I)。在这种配置中，具有亚波长厚度的透镜的超材料元件/透镜能够被用于将RF和微波电磁辐射聚焦到流体中。
为了增强使用电磁(“EM”)能来调查流体的多相计量系统的灵敏度的范围，本发明的某些实施例涉及对电磁场分布的修改。为了这个说明书的目的，术语多相计量系统、流体传感器、流量传感器、多相流量计(“MPFM”)等可以被用于描述使用EM能来调查/测量流体的特性的传感器系统，其中，该流体可以被包含在井眼、管、管线、通道和/或类似物中。
在诸如多相流测量系统的EM流体调查/测量中，在足够高的RF/微波频率下，所测量的传输或反射(或散射)的响应在其调查的灵敏度区域覆盖或深度内直接地或间接地与多相流体的复电容率(相当于相对电容率和传导率)有关。假定水具有大约80的电容率，油具有大约2.2的电容率以及气体具有大约1的电容率，并且水具有像100S/m一样高的传导率，油具有大约0的传导率以及气体具有0的传导率，则该测量主要对含水率和水传导率敏感。水和油的介电性能通常呈现源自许多源的多个弛豫。低频下的界面效应是尤其突出的，并且能够使介电信号的解释有问题。然而，低频信号具有最大的穿透深度。在较高的频率下，界面极化的混淆效应从信号中消失，并且显著简化了在相分数方面对介电响应的解释。然而，在高频率下，辐射的穿透深度显著地更小，因此RF/微波感测系统仅可以测量/调查感测系统/将EM辐射发射至流体中的天线附近的一部分流体/附属于感测系统/将EM辐射发射至流体中的天线的一部分流体。
在某些方面，RF/微波感测系统中的每个发射机/接收机天线能被认为是非常近似于理想的偶极子。同样地，来自发射机/接收机天线的辐射场将按1/r3减弱，其中，r是离天线的径向距离。对于围绕管外围安装有多个天线的系统(例如，诸如在如美国专利第5,485,743号中所公开的层析成像系统中，或如美国专利公布第20110267074号中所公开的两发射机两接收机补偿微分测量系统中)，场的穿透的深度由发射机和接收机的间隔的组合以及由与仪器的本底噪声相比的信号强度所确定，仪器的本底噪声是频率依赖的。
通常，RF/微波流测量系统的最高频率在1至10千兆赫(“GHz”)的水平上。在这些类的频率下，调查的深度在高的体电导率下(在高含水率下、在高盐度和/或高温下)是低的。同样地，在包含呈现显著含水率的流的井眼或管中，使用EM辐射来探测整个井眼/管的横截面常常是不可能的。
在本发明的实施例中，超材料被用于扩展尤其是较高频率下的EM系统的灵敏度范围，在该较高频率下界面极化的影响消失。相比之下，简单地增大发射功率将不解决调查深度的问题，因为信号随距离的降低比率将保持不变。在任何情况下，可用的功率实际上是有限的，并且对于碳氢化合物工业中的地面的/海底的应用，低功率需求在系统竞争优势和易于实现固有安全方面有利的。
最广义地，超材料是具有非自然出现的特性的材料。在本文中，术语超材料一般被用于指具有负折射率的一类材料和/或是左手式或双否定的材料。此外，在本发明的一些方面，具有在空间上被设计的电容率的材料还可以被用在MPFM中。前者材料的特点是具有负相对电容率和负相对磁导率。
在本发明的一个实施例中，可以使用其电容率和磁导率在共振时处于负状态的共振器阵列来创建超材料，并且只要共振器尺寸的大小远小于将被用在MPFM中的EM的波长。在这种配置中，能够制造具有恰当的平均特性的材料。后述材料(该材料具有空间上被设计的电容率)是更容易制造的、是宽带的，但不呈现用左手材料可实现的“完美透镜化”。然而，低剖面轮廓透镜能够由具有空间上设计的电容率的材料制成，并且这些是梯度透镜的RF等同物。除了这些材料之外，在一些实施例中，所结合的右手特性与左手特性能够被设计成带状线波导天线，其能够被设计为具有定向的能力。
在一个实施例中，负折射率材料/透镜可以被用于操控EM流传感器的近场以获得“完美的”透镜，即，不受衍射极限限制的透镜。在一些实施例中，EM流传感器包括尺寸显著小于传播EM能量的波长的透镜。
在一个实施例中，将超材料的柱面透镜设置为插在RF/微波流感测系统的发射机/接收机天线与井眼、管线、通道和/或类似物中的正被调查的流体之间，使得将自天线所发出的EM辐射聚焦到沿或横跨井眼、管或通道轴线的平面。因此，在这种实施例中，取代如在之前的EM流体传感器中所发现的场强1/r3的下降，提供1/r2的下降，其提供关于调查的灵敏度/深度的显著不同。一般地，这类下降对于r>>a是有效的，其中，a是偶极子的长度。使用这种透镜，在本发明的实施例中，对于EM流体感测系统，产生了对于给定能量输出的穿透深度的显著提高。
提供针对流体感测中使用的RF频率的传统透镜将需要尺寸显著的透镜，即，显著地大于在其中包含流体的井眼或管的直径。然而，在本发明的实施例中，负折射率材料被用于透镜，其具有为正沿传播方向发射的EM能量的波长的几分之一的尺寸。这允许设计出能够被用在通常所使用的管线和井眼内的聚焦EM流传感器。
图1示出了根据本发明的一个实施例的包括偶极天线和超材料透镜的用于调查流体的电磁系统。电磁系统30包含偶极天线33和超材料36。为了便于直观化等，未显示用于系统的电源和其他机构。电磁系统30设置在工具本体39上，该工具本体设置在通道40内，所述通道40可以包括井眼套管、管线、管和/或类似物。流体45被包含在通道40内，并且由电磁系统30所调查。流体45可以包含来自井眼的多相混合物、碳氢化合物、生产流体和/或类似物。
图2(a)-(d)示出了非超材料聚焦电磁系统和图1中所述的超材料聚焦系统的通过建模确定的通道中所产生的场分布。在图2中，为了展示本发明的一个实施例的操作，多相流体被建模为具有值为8的电容率(例如，诸如将被发现用于具有含水率～40％的油为连续相的油/水混合物)，工具本体被建模为具有值为3的电容率(例如，陶瓷材料)以及超材料具有相对磁导率μr＝-2.2+0.001i和相对电容率εr＝-2.2+0.001i。因此，超材料的有效折射率是：n＝-2.2。图2示出了针对4GHz频率的场分布的最终的计算结果。
在图2中，示出了垂直于通道的平面中和针对4GHz频率的2D场的计算结果。在图2(a)和(b)中，场针对其中用具有相对电容率＝3的材料取代超材料透镜(代替超材料层/透镜)的图1的电磁系统建模。图2(c)和(d)示出了使用超材料层/透镜形成图1的电磁系统的场分布的模拟结果。图2(a)和(c)是时间平均的功率通量的(在相同的尺度下)图。图2(b)和(d)是针对电场Ez的(也具有同样尺度的)图。空间尺度用毫米(mm)表示。
在图2(a)中绘制了时间平均的功率通量，以及在图2(b)中绘制了来自相同计算结果的Ez。在图2(a)中，示出了通过邻近传导平面所修改的期望的偶极子场。在图2(c)和2(d)中，引入超材料并且观察非常清楚的聚焦效果。
图3示出了根据本发明的一个实施例的当系统包括常规材料和超材料时对图1的电磁系统来说能量如何沿垂直于通道的方向随半径消散。曲线50示出了对包括与偶极天线耦合的常规材料的图1的电磁系统来说的功率通量随半径的变化，以及曲线55示出了对包含超材料透镜的图1的电磁系统来说的功率通量随半径的变化。曲线52示出具有和不具有超材料透镜的电磁系统的功率通量随半径的变化，因为在离偶极天线的这些距离处，功率通量重叠。
虽然提供了模拟/计算结果以示出本发明的实施例的效果，但是，可以理解，超材料层，由于为共振层可以仅有效地"透镜效果地作用"/聚焦一个或小范围的频率。同样地，能够按本发明的多个方面设计超材料层，以每次影响一个极化。因此，在本发明的多个方面中，具有单层的超材料透镜可以被配置为影响、聚焦例如仅1GHz的纵向信号。在某些实施例中，可以设计多个层和/或单层内的多个部分以使RF/微波流感测系统能够独立地影响/处理不同的频率和/或极化。同样地，在一些实施例中，RF/微波流感测系统能够被调校为分别聚焦不同的频率/极化，以产生可以被调校以适于井眼/管和/或其中的流体的输出。
图4示出了根据本发明的一个实施例的包含超材料元件的用于调查通道中的流体的电磁系统。如图4中所示的，在本发明的一个实施例中，电磁系统包括与超材料层63耦合的多个偶极天线60。在每个天线充当收发机(在其自身上发射和接收)的情况下，系统中的偶极天线60的最小数目为单对偶极天线60或单个偶极天线60。偶极天线60能够绕着工具本体66设置(例如，天线号1至4)和/或设置在可操作臂67的末端处(例如，天线号5至6)以在通道69的相同和/或不同的横截面上标出通道69中的流体61的电容率分布。
工具本体66和可操作臂67可以是用于将电磁系统引入到通道69中的工具的一部分。在其他实施例中，电磁系统可以与通道的壁耦合以调查流体61和/或可以通过通道69中的窗口等调查流体61。
在本发明的一个实施例中，进行多个EM发射/反射测量(测量的最小数目为一个，测量在一个发射机和一个接收机之间进行或由充当收发机的单个天线、即既充当发射机又充当接收机的天线进行)。在示例性的图(图4)中，可以进行天线1-5、2-6、3-7和4-8之间的发射测量以勘测不同方位角处的半径上的流体电容率。诸如天线5-6、6-7、7-8和8-5之间的那些测量的其他EM发射测量组合也能勘测套管壁区域附近的流体电容率。还可以进行近场测量1-2、2-3、3-4和4-1，以勘测井眼中央区域附近的流体电容率。在某些方面，每个调查深度增强天线(例如，图4中的天线号1-8)可以充当收发机，以通过反射测量来沿其灵敏度轨迹勘测流体混合物的电容率(相分数)。在某些方面，每个调查深度增强天线可以充当多普勒感测收发机，并且可以通过反射/散射测量沿其灵敏度轨迹勘测流体的速度。发射/接收/收发机天线的调查的深度通过使用不同的超材料层和/或部件可以是可变的和/或可操控的。
图5示出根据本发明的一个实施例的用于使用超材料元件调查通道中流体的特性的电磁系统。所描绘的电磁系统包括具有被安排在包含流体72的通道的外围壁76周围的(多个)超材料层73的多个偶极天线70(仅通过实例，例如，图中的八个描绘的天线)。通道可以包括管、管线、井眼完井装置(作为井下永久流量计的一部分)、内有多相混合物流动的上部管段(地面/海底)和/或类似物。
在本发明的实施例中，对于井下永久的和/或上部永久的/周期的多相流测量，如图5中所示的，具有(多个)超材料层的多个偶极天线(仅通过实例，例如，图中八个所描绘的天线)能够被安排在作为井下永久流量计的一部分的井眼完井装置的外围周围或在作为上部的(地面/海底的)多相流量计的一部分的管段的外围周围。在本发明的实施例中，能通过使用具有感测深度增强超材料的天线进行尤其是管中央区域周围的流混合物电容率分布的改进的层析成像测量(因此，相分数的改进的层析成像测量)。正如其他电层析成像系统，可以进行多个EM发射/反射测量，例如，(针对8天线系统的)天线1-2、2-3、3-4、…、7-8；1-3、2-4、3-5、4-6、6-8、…、1-5、2-6、3-7、4-8之间的发射测量。例如，如美国专利公布第20110267074号中所公开的，补偿的微分测量协议(单个或多个2-Tx/2-Rx组合)能够被用于进一步改进测量系统的短期稳定性和长期稳定性。
在其他实施例中，具有感测深度增强或感测分辨率(比波长更小)增强和(多个)可操控超材料层和/或部件的EM天线能够被用于感测/测量井眼/管中流体的反射特性、来自(多个)多普勒收发机天线测量的流速和/或类似物。在一个实施例中，可以部署具有(多个)超材料层的单个或多个可变感测深度和/或可变感测方向的多普勒收发机天线，以勘测出不同深度/方向处和/或井眼/管线中流动的流体的一个宽的流体传导率(因此，在大范围的含水率、盐度和温度)范围上的(多个)流速分布特性。
在本发明的某些方面，例如，感测分辨率增强天线使得能够测量小于用于感测的EM能量的波长的湿气流液膜厚度。在一些实施例中，可以将天线安装在井孔或管的相同和/或不同横截面中。在这种实施例中，可以在井孔或管的相同和/或不同横截面中进行发射/反射/多普勒/共振测量，包括针对管或井眼中流体的通行时间(流速)和3D层析成像术成像的互相关测量。
在一些实施例中，可以与诸如基于毫米波和/或包括基于太赫层析成像的方法的太赫频率测量技术的那些技术的其他更高频率的EM测量技术一起使用该发明的测量增强深度的根本方法。此外，在一些实施例中，由经过超材料透镜作用的EM信号所提供的RF/微波感测的增强深度可以被用于稳健的混合物的电容率和/或传导率(相分数)测量，并且能够与伽玛射线或X射线比重计结合使用以及与多能量伽玛射线或多能量X射线系统结合使用以确定管/井眼/通道中流体的特性。在一些实施例中，超材料天线可以与诸如文丘里管、文丘里量计、文丘里喷嘴等的压差设备结合使用，该设备可以被用于确定流体的流动特性。
在一个实施例中，本公开提供了一种用于测量管、井眼等中流体的特性的电磁测量工具。电磁测量工具可以包括工具本体和与该工具本体耦合并被配置用于邻近流体流放置的天线。在某些方面，天线可以包括被配置为发射电磁能的至少一个发射机、被配置为接收电磁能的至少一个接收机以及具有负折射率的超材料元件，该超材料元件将电磁能聚焦到流体中。
仅通过实例，在一些实施例中，透镜可以具有大约1mm与大约30mm之间的厚度和/或可以有具有大约13cm与17cm之间的半径的半圆的横截面或结构。在一个实施例中，超材料元件的折射率的绝对值可基本上等于流体的折射率的绝对值。超材料元件可以基于电磁能的极化聚焦电磁能。仅通过实例，电磁测量工具可以是核磁共振扫描器、偶极天线阵列介电扫描器、多相流量计等。在一些实施例中，超材料元件可以包括尺寸小于聚焦电磁波的波长的共振器阵列，以及至少一个共振器的磁导率和电容率在一频率范围上可以是负的。
该系统可以包括包含处理器和存储器的计算设备。计算设备可以被配置为处理流体的特性。该系统还可以包括被配置为在被测量的流体内部署一个或多个流体传感器的部署设备。在其他实施例中，传感器可以设置在管、通道、井眼等的周围，并且可与管、通道、井眼等中的流体接触，而且可设置在管、通道、井眼等的壁的周围或内。该系统还可以包括与计算设备通信耦合的天线。天线可包括被配置为发射一个或多个频率的电磁能的至少一个发射机。天线还可以包括被配置为接收电磁能并向计算设备提供与电磁波相关的信息以测量井孔/地层流体的特性的至少一个接收机。天线还可以包括具有聚焦电磁能的负折射率的超材料元件。
在又一实施例中，本公开提供了一种增强电磁测量工具的测量的方法。该方法可以包括提供具有被配置为发射电磁能的发射机、被配置为接收电磁能的接收机以及包含负折射率的超材料元件的电磁测量工具，该超材料元件聚焦电磁能。该方法还可以包括邻近流体放置电磁测量工具，以及经由发射机发射电磁能。该方法还可以包括用接收机接收电磁能以测量包含流体的固体/岩层的或流体的特性。
在一些实施例中，超材料元件可聚焦在大约20MHz与大约50GHz之间的范围内的电磁能。在另一个实施例中，超材料元件可聚焦在大约20MHz与大约4GHz之间的范围内的电磁能。在一些实施例中，负折射率可以是大约-1与大约-20之间的值。在另一实施例中，该负折射率可以是大约-1与大约-4之间的值。超材料元件可以基于电磁能的极化聚焦电磁能。在一个实施例中，超材料元件聚焦第一频率范围内所发射的电磁能，并且该方法另外包括在发射机顶上设置另外的超材料元件，该另外的超材料元件聚焦不同于第一频率范围的第二频率范围内所发射的电磁能。
本发明的实施例可以使用电介质的特性来将来自发射机的电磁信号聚焦到正被测量的流体中。电介质特性通常呈现可以来自几个源的多个弛豫。当以低频率自发射机发射能量时，面间极化效应可以是突出的，并且可以使电介质信号的解释有问题。然而，以低频发射可以提供增大的流体内的电磁能的穿透深度。相比之下，自发射机发射高频能量可以降低面间极化的效应，并且因此可以简化对电介质响应的解释。然而，以高频发射可以降低电磁能的穿透深度，使得测量主要地或基本上被限于正被调查的流体的外层/外部分。换句话说，所发射的频率越高，解释越简单，而所发射的频率越低，穿透的深度越大。因此，经常在下述之间存在折衷：(i)以足够高的频率进行测量使得面间极化效应被最小化并且容易地根据重要的参数解释电介质测量；以及(ii)电磁能的发射或穿透的深度。
此外，在一些配置中，用于流体调查/测量的发射机可以非常接近理想的偶极子。同样地，近场(即，在天线的几个波长内；在1GHz处，新鲜水中的波长将接近3cm)中所发射的电磁能的辐射场强可能按距离相应发射机的半径的三次方下降(例如，近场辐射强度与半径的三次方成反比(1/r3)，其中，r表示离相应偶极发射机的径向距离)。近场辐射强度的急剧下降可能限制可被提供以增大电磁能的穿透深度的功率。因此，仅功率的增大可能不足以增大电磁能的穿透或发射深度。相反地，电磁能的穿透深度可以经由对可用功率的更高效的利用来增强。
远场中所发射的电磁能的辐射场强(即，多于几个天线波长)可能按距相应发射机的半径的二次方(例如，1/r2)下降。
在离天线的距离r处的功率强度在一个维度上可以近似于下面的公式(比尔定律)：
I＝I0exp(-βr)·f(r,θ,φ)
其中，I0表示天线处的功率，exp(-βr)表示具有β吸收系数的比尔定律，以及f(r,θ,φ)为场分布模式。对于近场中的偶极天线，f∝1/r3，以及在远场中，f∝1/r2。当增加了超材料结构时，可以如下述公式中所显示的修改函数f：
I＝I0exp(-βr)·meta(f(r,θ,φ))
超材料可以允许设计函数meta()，以便使用光学变换理论按所需方式塑造近场。可以通过在天线顶上设置包含超材料的透镜来增大发射至管、通道、井眼等中的流体中的电磁能(例如，电磁波)的穿透深度。超材料透镜可以设置在发射机和/或接收机顶上，并且担任共振层以聚焦所发射的能量并且增大发射至流体的能量的发射或穿透深度，这由此增强在接收机处所接收的和随后由计算装置所计算的信号。在一些实施例中，非共振的超材料可以被用于聚焦所发射的能量并且增大发射至流体中的能量的发射或穿透深度。
超材料透镜可包括尺寸小于所聚焦的电磁波的波长的共振器阵列，并且至少一个共振器的磁导率和电容率在共振频率下或在一频率范围内可以是负的，以便聚焦电磁波。超材料透镜可以将所发射的能量聚焦到跨过管、通道、井眼等的平面，和/或可以增大辐射场强，使得所发射的电磁能按距离相应发射机的半径的平方而不是三次方(例如，辐射场强可以与半径的平方成反比(1/r2)，其中，r表示离相应发射机的径向距离)下降。这个增大的场强对于给定的功率输出，在电磁能的穿透或发射深度方面提供了显著的增强。
超材料透镜包括负折射率，其允许透镜为所发射的电磁波长的一小部分。仅通过实例，在一些实施例中，超材料透镜的负折射率值在大约-0.5与大约-6之间，并且更一般地在大约-1与大约-4之间。超材料透镜可以是左手的，或双负材料，这意味着该材料的特点是具有负相对电容率和负相对磁导率。如之前所描述的，超材料透镜可以是包括电容率(ε)和磁导率(μ)在共振处或一些定义的非共振频率下成为负的共振器阵列的合成的或工程材料。在一些实施例中，电容率(ε)、磁导率(μ)和/或有效的折射率可以在大约-2与大约-20之间(以及在一些实施例中在大约-5与-15之间)，其可匹配或非常接近将被测量的岩层、流体或结构的绝对电容率，并且由此优化电磁能的发射。换句话说，电磁测量系统的超材料元件的折射率在数字上可以匹配正被调查的流体的折射率(例如，平均含水率的流混合物折射率正被调查和/或测量；即，折射率的绝对值可以匹配)，以便最小化电磁测量系统与流体或包含流体的地层之间的阻抗不匹配。例如，超材料可以被设计为具有接近-10的折射率以在数字上匹配接近+10的流体或地层的折射率(即，两个折射率的绝对值都接近10)。
在一些实施例中，这些共振器的尺寸小于所发射的波长，并且在一些方面可以小于所发射波长的1/10，并且被配置使得超材料透镜包括所需的特性。例如，超材料透镜可以被配置为增强和/或聚焦诸如大约1GHz(例如，在大约950MHz与大约1.05GHz之间)的所需频率范围内发射的电磁能。同样地，在1GHz附近所发射的电磁能将被聚焦，并且虽然以较低或较高频率发射的电磁能基本保持不受影响，但是管/通道/井孔内的电磁能的发射或穿透的深度增加。同样地，超材料透镜可以被配置为用所需极化(例如，纵向极化)增强和/或聚焦所发射的电磁能，使得虽然用其他极化所发射的电磁能(例如，横向极化)本质上保持不受影响，但是用基本相当的极化所发射的电磁能被聚焦。在一些实施例中，超材料透镜包括极化和频率过滤的组合。
图6A-C示出根据本发明的实施例的用在电磁系统中的超材料透镜的实例。可以用标准的金属和电介质建造超材料RF透镜。早期的超材料设备被构建为导线(负μ)和开口环式共振器(负ε)的阵列。可以在PCB(印制电路板)上制作这些结构并组装为3D结构。已经制造了包括“卷绕式”的电介质和金属、纳米杆、加载的波导等的其他结构。在图中示出了这种超材料透镜的实例。图6B示出板上的开口环式共振器和导线，以及图6A和6C示出被堆叠以制造平坦透镜的共振器与导线的这种板。
具有负折射率的超材料透镜的使用可以允许天线的近场被操控，以便获得“完美”透镜或者换句话说不受衍射极限限制的透镜。该含义是尺寸显著小于波长的透镜能够被构建、放置在天线顶上、邻近天线设置、并且被耦合至/设置在管、通道、井眼等内/附近。此外，超材料透镜可以降低有效天线的大小，提供定向的增强等。
现在参考图7，如下面所提供的，示出了增强邻近流体/流体流设置的电磁测量系统的测量的方法1100的一个实施例。
方法1100可以描述在地面之上发生的测量过程和/或数据收集应用。在框1110处，提供了具有诸如本文中所描述的那些的超材料元件或透镜的电磁测量系统。在框1120处，邻近于或在流体或流体流中设置电磁测量系统。流体可以包括井眼流体、多相混合物、碳氢化合物等。流体流可以是管内的流体流、流体内的悬浮液、岩层内的流体等。在框1130处，通过超材料元件或透镜将电磁能发射至流体或流体流中。在框1140处，用电磁测量系统接收电磁信号或能量。在框1150处，可以处理电磁信号或能量以确定流体或流体流的一个或多个特性。
电磁测量系统可以包括电源、用于将EM辐射引导到流体中并接收通过流体发射的EM辐射的一个或多个天线/收发机和/或其他部件。
在流体/流体流的调查中，上面所描述的超材料特性、折射率匹配和/或频率范围等可以用于增强岩石中的地层流体和/或流体流的电磁调查。可以由超材料透镜将NMR和/或电磁信号聚焦到流体和/或流体流内以增大调查深度。例如，电磁信号可以被聚焦通过管等或通过管中的窗以调查其中的流体。在其他方面，可以将电磁测量系统设置在流体/流体流内。在又一其他方面，流体/流体流可以位于地球地层内，以及电磁测量系统可以附属于地球地层设置以确定流体/流体流的特性。仅通过实例，电磁测量系统可以包括使用超材料透镜将EM信号聚焦到流体管/通道/井孔或地球地层中以确定管/通道/井孔中或地球地层中流体的特性的NMR系统。
已经描述了几个实施例，本领域技术人员将意识到，可以使用各种修改、可选的结构和等同而不背离本发明的精神。此外，为了避免使本发明不必要地难于理解，未描述许多众所周知的过程和元件。因此，上述描述不应当被认为是限制本发明的范围。
虽然提供了值的范围，但可以理解，还具体地公开了那个范围的上限与下限之间的每个中间值，除非上下文中另有清楚地指示，所述值精确至下限单位的十分之一。包含设定范围中的任意设定值或中间值与那个设定范围中的任意其他设定值或中间值之间的每个较小的范围。这些较小范围的上限和下限可以被独立地包括在或排除在该范围中，并且在其中包含上下边界值的一个、不包含上下边界值或包含两个边界值的较小范围中的每个范围也被包含在本发明内，服从设定范围内任意明确排除的边界。其中设定范围包括一个或两个边界值、排除那些被包括的边界值中的任一个或两个的范围也被包括。
如在本文中和所附的权利要求中所使用的，单数形式“一个”和“所述”包括复数指示物，除非上下文清楚地指示其他方式。因此，例如，关于“过程”包括多个这种过程，以及关于“设备”包括关于一个或多个设备和对本领域技术人员已知的其等同物等。
同样地，当词“包括”、“包含”被用在这个说明书中以及下面的权利要求时旨在指定设定特征、整数、部件或步骤的存在，但是它们并不排除一个或多个其他特征、整数、部件、步骤、行为或组的存在或增加。

Claims (40)

1.一种用于测量井孔、管、通道或地球地层中的流体的特性的电磁测量系统，包括：
天线，包括：
至少一个发射机，其被配置为发射电磁能；
至少一个接收机，其被配置为接收所述电磁能；以及
具有负折射率的超材料元件，所述超材料元件被配置为将所述电磁能聚焦到所述流体中。
2.根据权利要求1所述的电磁测量系统，其中，所述流体是在所述井孔、管、通道或地球地层中流动的流体。
3.根据权利要求2所述的电磁测量系统，其中，所述流体包括从由油、水、多相流体和气体组成的组中选择的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的电磁测量系统，其中，所述超材料元件包括在一个频率范围上具有负相对电容率和负相对磁导率的材料。
5.根据权利要求1所述的电磁测量系统，其中，所述超材料元件包括设置在所述天线的顶部上的透镜。
6.根据权利要求1所述的电磁测量系统，其中，所述超材料元件包括涂覆于所述天线上的涂层。
7.根据权利要求5所述的电磁测量系统，还包括：
外壳，其设置在超材料透镜上，其中，所述外壳被配置为接触所述井孔、管或通道的壁。
8.根据权利要求5所述的电磁测量系统，其中，所述透镜未设置在所述接收机之上。
9.根据权利要求5所述的电磁测量系统，其中，所述透镜具有大约1mm与大约13mm之间的厚度。
10.根据权利要求5所述的电磁测量系统，其中，超材料透镜具有半径在大约5cm与大约10cm之间的半圆形结构。
11.根据权利要求1所述的电磁测量系统，其中，所述超材料元件沿垂直于所述井孔、管或通道的纵向轴线的平面聚焦电磁能。
12.根据权利要求1所述的电磁测量系统，其中，所述天线还包括第二超材料元件，所述第二超材料元件聚焦一个频率范围内的电磁能，所述频率范围不同于由所述超材料元件所聚焦的电磁能的频率范围。
13.根据权利要求1所述的电磁测量系统，其中，所述超材料元件的折射率的绝对值大致等于所述流体的折射率的绝对值。
14.根据权利要求1所述的电磁测量系统，其中，所述天线与所述流体接触或设置在所述流体内。
15.根据权利要求1所述的电磁测量系统，其中，所述天线设置在所述井孔、管或通道内。
16.根据权利要求14所述电磁测量系统，其中，所述天线与所述地球地层接触。
17.根据权利要求1所述的电磁测量系统，其中，流体的特性包括包含在所述流体内或由所述流体所传输的固体的特性。
18.一种用于测量流体的特性的系统，所述系统包括：
计算设备，其包括处理器和存储器，所述计算设备被配置为测量井孔的特性；
天线，包括：
至少一个发射机，其被配置为发射一个或多个电磁能；
至少一个接收机，其被配置为接收所述电磁能并且向所述计算设备提供与电磁波相关的信息，以测量所述井孔的特性；以及
具有负折射率的超材料元件，其被配置为在使用中将所述电磁能聚焦到所述流体中。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述负折射率的绝对值与所述流体的折射率的绝对值匹配。
20.一种增强用于感测流体的特性的电磁测量系统的测量的方法，包括：
提供电磁测量系统，所述电磁测量系统包括：
发射机，其被配置为发射电磁能；
接收机，其被配置为接收所述电磁能；以及
具有负折射率的超材料元件，所述超材料元件聚焦所述电磁能；邻近于所述流体或在所述流体内放置所述发射机和/或所述接收机；
经由所述发射机发射电磁能；
用所述接收机接收所述电磁能；以及
处理所接收的电磁能的特性，以测量所述流体的特性。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所接收的电磁能的特性包括所接收的电磁能的幅度、相位和频率中的至少一种。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述超材料元件能与所述发射机一起操作，以聚焦所述电磁能。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述超材料元件聚焦由所述发射机所发射的电磁能。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述超材料元件聚焦大约20MHz与大约50GHz之间的范围内的电磁能。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述超材料元件聚焦大约20MHz与大约4GHz之间的范围内的电磁能。
26.根据权利要求20所述的方法，其中，所述负折射率具有大约-1与大约-20之间的值。
27.根据权利要求20所述的方法，其中，所述负折射率具有大约-1与大约-4之间的值。
28.根据权利要求20所述的方法，还包括：配置所述超材料元件，使得所述超材料元件的折射率的绝对值大致等于所述流体的折射率的绝对值。
29.根据权利要求20所述的方法，其中，所述超材料元件基于所述电磁能的极化聚焦所述电磁能。
30.根据权利要求20所述的方法，其中，所述超材料元件聚焦第一频率范围内所发射的电磁能；以及其中，所述方法还包括：
在所述发射机上设置另外的超材料元件，所述另外的超材料元件聚焦不同于所述第一频率范围的第二频率范围内所发射的电磁能。
31.根据权利要求20所述的方法，其中，所述超材料元件包括与所述发射机和所述接收机分离的透镜。
32.根据权利要求20所述的方法，其中，所述超材料元件包括超材料涂层。
33.根据权利要求20所述的方法，其中，所述电磁测量系统包括核磁共振扫描器、偶极天线电介质扫描器或多相流量计。
34.根据权利要求20所述的方法，其中，所述超材料元件包括尺寸小于所聚焦的电磁波的波长的共振器阵列，且至少一个共振器的磁导率和电容率在共振频率下为负。
35.一种电磁设备，作为流测量系统的一部分，包括一个或多个发射机天线和一个或多个接收机和/或一个或多个收发机，其中，电磁“活性”材料被嵌入在至少一个发射机和所述接收机和/或所述收发机之间，使得在所述接收机和/或收发机处存在信号的增强。
36.一种电磁设备，作为流测量系统的一部分，包括一个或多个发射机天线和一个或多个接收机和/或一个或多个收发机，其中，所述天线中的一个或多个包含具有空间变化的电容率的材料。
37.一种电磁设备，作为流测量系统的一部分，包括一个或多个发射机天线和一个或多个接收机和/或一个或多个收发机，其中，所述天线中的一个或多个使用波导或具有右手和左手元件的其他材料。
38.根据权利要求35至75中任一项所述的设备，其中，所述系统被设计为部署在井中或最上面(陆地、平台、海底)。
39.根据权利要求38所述的设备，其中，所述井是为了勘探油、或用于将物质注入到油田中、或用于从油田提取和/或传输流体、或用于监测油田内的液流或气流的井。
40.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述电磁“活性”材料包括超材料。
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