CN109477379B - 使用由矩阵连接的温度传感器模块沿井眼感测温度的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于沿井眼感测温度的装置(100)，包括：包括多个温度传感器模块(120)的管道(110)，该多个温度传感器模块设置在沿管道内侧的位置处，具有随温度变化的电特性；以及包括多根导线和所述多个温度传感器模块的电网络(115)，其中导线和多个温度传感器模块被配置为矩阵，通过该矩阵，导线包括第一组导线和不同的第二组导线，并且第一组的每根导线通过不同的温度传感器模块与第二组的每根导线电连接一次，使得每个温度传感器模块能够通过包括第一组的第一导线和第二组的第二导线的一对导线单独电连接。

Description

使用由矩阵连接的温度传感器模块沿井眼感测温度的装置和 方法
技术领域
本发明总体上涉及沿井眼感测温度。更具体地说，本发明涉及使用由矩阵连接的温度传感器模块沿井眼感测温度的方法和装置，并且涉及包含所述装置的井，以及校准所述装置的方法。
背景技术
钻井的目的多种多样，通常与烃类的勘探或抽提有关。在井的钻取、测试、完成、生产、暂停和废弃阶段，可以使用各种井记录工具和方法从井中获得数据。这些数据能够用于许多原因，诸如优化储层的产量或在同一储层中设计更多的井。井的开发模型和从地层开口进入井中的流量能够极大地促进有目标地开采储层。
从井内不同地层收集与体积流量和压力相关的数据对勘探和抽提尤为重要。目前用于记录体积流量和压力的工具和方法会成本高昂且复杂，然而应优选地以尽可能少的技术和程序限制以及要求收集准确、高分辨率的数据。
收集沿着井眼的温度监测数据会有助于确定进入井内的流体的类型和流量。例如，在给定位置进入井内的油通常具有升温效应，而进入井内的水具有更大的升温效应。另一方面，气体通常具有冷却效应，就像通常用于在井寿命结束时平衡和压井的重质流体一样。通常，当这些流体的流量较大时，这些升温和降温效应会被放大。
目前，用于沿井眼精确感测温度的最常用工具是基于光纤的分布式温度传感器(DTS)系统。这些系统通常依赖于来自沿着井眼延伸的光纤长度方向的位置的后向散射光中包含的信息(诸如，其频率、飞行时间和光照度)，来推断由于导致后向散射的局部环境而产生的光线的局部温度变化。DTS系统能够采用高水平的敏感性和准确度来提供沿着光纤长度的、乃至大约1米的空间分辨率的连续温度分布。然而，产生光并将光耦合到光纤中并感测和分析后向散射光以产生温度数据的询问器单元通常必须设置在井的表面，通常通过采油树(Christmas tree)耦合。因此，必须延伸进入井内的光纤长度会相当长。例如，当在4000m深度(从钻机的转盘测量的深度，MDRT)的100m井段上进行试井时，需要大于4km的光纤长度测试仅100m的井。此外，由于封隔器或抵靠井眼表面的其他环形密封件通常用于隔离测试中(例如，在钻杆测试(DST)期间)的井段，需要光纤电缆穿透或延伸跨越封隔器，这会使DTS系统、封隔器的设计显著复杂化，并显著增加测试成本。
由斯伦贝谢向市场推出的现有技术DTS系统的替代是WellWatcher Fl uxTM数字温度阵列(http://www.slb.eom/～/media/Files/completions/productsh eets/wellwatcher/wellwatcher flux ps.pdf)。在这个系统中，并非使用光纤，而是沿着1/4英寸(6.35mm)直径的管道的长度间隔设置小型化、气密密封的电阻温度传感器阵列。管道再通过在井口处的采油树连接，并且在每个温度传感器阵列设置的控制电子器件经由RS-485连接提供在阵列处感测的温度数据的数字读数。当温度传感器阵列设置在1/4英寸(6.35mm)直径的管道中时，温度传感器产生管道的较大直径部分，其外径至少为17mm，长度至少为400mm。
在具有这类结构和操作的这种数字温度阵列中，包含温度传感器和控制电子器件的较大段被焊接到管道上，这意味着制造这种数字温度阵列的过程会很复杂，需要许多不同的组件以及单独构并且连接在一起的步骤。需要在管道的每个扩大部分提供大量复杂的控制电子器件，以试图实现具有期望准确度的自主传感器，这会导致传感器模块体积庞大，并且使其自身不适合于用于在井下的危险环境中(特别是在裸眼配置中)可靠操作的传感器模块的小型化或加固。单个数字传感器模块的使用不仅容易导致传感器的漂移，而且容易导致单个测量和基准电子器件的漂移，并且会导致来自传感器模块的温度数据相互之间的不希望的漂移。此外，由于管道较大外径的延伸段，这使得数字温度阵列变得复杂且难以制造、安装和使用，并且在井中相对脆弱。由于延伸段具有较大外径，导致阵列也难以在较小的空间中安装，并且难以密封。例如，跨越封隔器安装这种类型的数字温度阵列会特别困难。
发明内容
发明人注意到，铂电阻传感器经常用于温度测量需要高水平准确度的地方，但是还注意到，在这种传感器中，特别难以将对冲击的坚固性与高水平的重复性、准确度以及低漂移结合起来。
正是在这个背景下设计出了本发明。
从一个方面来看，本发明提供了用于沿井眼感测温度的装置，包括：管道，该管道包括多个温度传感器模块，该多个温度传感器模块设置在沿管道内侧的位置处，具有随温度变化的电特性；以及电网络，该电网络包括多根导线和所述多个温度传感器模块，其中，导线和多个温度传感器模块被配置为矩阵，通过该矩阵，导线包括第一组导线和不同的第二组导线，并且第一组的每根导线通过不同的温度传感器模块与第二组的每根导线电连接一次，使得每个温度传感器模块能够通过包括来自第一组的第一导线和来自第二组的第二导线的一对导线单独电连接。
通过使用用于连接温度传感器模块的矩阵布置，大量的温度传感器将通过使用矩阵的导线耦合并被唯一寻址或测量。这对于实现大量的温度传感器测量特别有用，能够在管道的长的长度上实现高空间分辨率或灵敏度，其中在管道中设置有限数量的导线。例如，对于典型的19导线芯，能够耦合到多达90个温度传感器，并通过连接导线对的组合进行测量。此外，矩阵的使用允许实现组成温度传感器的简单模拟寻址(通过切换适当的导线对)和在连接温度传感器的导线上仅使用在温度传感器模块本身处的简单电子组件以及在耦合到电网络的控制模块处的简单电子组件接收指示感测的温度的响应信号，并且控制模块被配置为接收并处理与温度传感器模块相关联的电信号。结果，用于沿具有矩阵切换布置的井眼感测温度的装置能够被制成足够坚固耐用，以在井眼的危险环境中可靠地操作，并且甚至能够承受例如来自用于在井中产生穿孔的枪点火的压力冲击波。此外，坚固的装置能够有成本效益地制造，并且使用能够装配在管道内的小的、简单的组件，使管道的外部轮廓平滑，便于装置的制造及其在井中的安装。
在实施例中，并非管道中设置的所有导线都被连接作为矩阵。例如，可以设置19根导线，但是少于90个温度传感器模块可以连接在管道中的导线之间，使得管道中的并非所有导线形成完全相配的或连接的矩阵。然而，导线的子集将形成这样的矩阵。
在实施例中，温度传感器模块包括至少部分由至少一个具有随温度变化的电特性的半导体元件提供的温度传感器。在实施例中，温度传感器被配置为每个具有两个p-n结的硅带隙温度传感器，在使用中，在不同的电流密度下操作，以通过确定两个p-n结之间的电压差来推断温度，该电压差与绝对温度成比例。在其它实施例中，其中，半导体元件是二极管。在实施例中，二极管是恒流二极管或恒压二极管。
在实施例中，至少一个或每个温度传感器模块包括单个电子组件。也就是说，提供灵敏度的温度传感器模块的功能组件在实施例中仅由单个电子组件提供，然而，温度传感器模块也可以包括其他非电子组件，诸如封装和电互连，它们在功能上对温度敏感性没有贡献。在实施例中，至少一个或每个温度传感器模块包括单个无源电子部件。在这些实施例中，单个电子组件是半导体元件，诸如提供温度敏感性的二极管。温度传感器模块可以包括其他非电子组件，诸如提供互连的电子组件，以及模块的封装。使用单个电子组件来提供装置的温度敏感组件的温度敏感性有助于将温度敏感模块安装在小外径管道(低至3-14mm的管道)中，同时还允许管道的外径在沿着温度传感器模块的整个或至少一部分长度的位置以及管道中远离温度传感器模块的位置处保持平滑和相对恒定。小外径管道中安装单个电子组件温度传感器模块也使得装置的制造更便宜，并且相对容易加工和制造(不需要制造更大直径的组件并将其焊接到管道上)，并且也便于安装。
在实施例中，单个电子组件在任何轴上的最大物理范围小于7mm，优选小于5mm，更优选小于4mm，甚至更优选小于3mm。例如，单个半导体温度传感器的使用使得能够使用非常小的温度敏感元件，也允许温度传感器模块很小。这允许模块以空间有效的方式容易地嵌入管道中。在实施例中，单个电子组件具有非常低的质量(不包括外部封装和互连)，可选地小于1g，可选地小于500mg，可选地小于250mg，可选地小于150mg，可选地小于50mg，提供包括单个的低质量的电子组件的温度传感器模块以提供温度敏感性，这提供了非常坚固的装置，因为组件的低质量导致它们能够承受例如来自于用于产生穿孔的枪开火的更高的加速度。此外，小的、低质量的组件的结构完整性相对较高。因此，能够在射孔枪的两端、沿射孔枪和/或围绕射孔枪设置装置，并且能够承受射孔枪的点火，并且在装药点火后可靠地继续操作以提供温度传感器数据。
在实施例中，装置被配置为仅使用每个温度传感器模块的温度敏感半导体元件或每个温度敏感半导体元件的温度敏感性来推断所述温度传感器模块的温度。在这个意义上，在这些实施例中，不需要提供其它组件来有助于温度感测，并且半导体元件直接用于感测温度。
在特别有利的实施例中，装置包括温度传感器模块，该温度传感器模块基本上由二极管形式的单个电子组件提供(然而也可以提供其他非电子组件，诸如封装和互连)，这些温度传感器模块嵌入管道内侧并连接导线矩阵，并在温度传感器模块的感测位置处提供管道的温度敏感性。
在实施例中，半导体元件是恒流二极管(也称为限流二极管)，或者可替换地，常规(“恒压”)二极管，例如小信号或肖特基二极管。在使用常规二极管的实施例中，二极管两端的电压降保持相对恒定，与电流的小变化无关。然而，这些二极管两端的电压降取决于温度(例如，典型的硅二极管具有约2mV/K的温度系数)。因此，如果向它们提供恒定电流，它们两端测量的电压会随温度而变化，因此能够用来测量二极管的温度，这将指示温度传感器位置处管道周围的环境。替换地，可以使用恒流二极管，当被提供相对恒定的电压时允许电流随温度变化。正是这种通常不希望的效应使得它们能够通过测量流经其中的电流而被用作温度传感器。这里，使用如下所述的方法能够补偿由于导线电阻率引起的电压降。
已经发现半导体二极管具有足够合适的温度敏感性，可用于提供管道中热特性(其可以是诸如相对温度(监测变化)的温度特性或温度传感器局部位置处的绝对温度)的指示。二极管是容易获得的小组件，因此能够容易地安装在小直径管道内，坚固，因此它们能够承受压力冲击波和温度循环，并且性能可重复且可靠。半导体温度传感器的使用允许提供用于测量井眼中温度的坚固装置，该装置被设置成能够承受例如由射孔枪开火时聚能射孔弹点火引起的压力冲击波。因此，装置能够在射孔枪两端、沿射孔枪和/或围绕射孔枪安装，并与射孔枪一起延伸进入井内，从而提供有价值的揭示关于射孔产生后流体流动特性和枪有效性的信息的温度测量结果。此外，半导体温度传感器的使用允许小传感器模块嵌入到小直径管道，允许管道被制造成具有小直径而且平滑的外轮廓，而没有任何凸起，以便于将装置安装在射孔枪周围的受限环形空间中，并跨越井眼中环形密封件或位于井眼中环形密封件的下方。
在实施例中，温度传感器模块各自还包括电阻温度计，诸如电阻温度设备或温度计(可选地是铂电阻温度计)，其中，装置被配置为使得每个电阻温度计的温度敏感性被用于推断管道在该温度传感器位置处被暴露的环境的热特性(可以是诸如相对温度(监测变化)的温度特性或温度传感器局部位置处的绝对温度)。
在实施例中，温度传感器各自还包括晶体振荡器，每个晶体振荡器具有随温度变化的电振荡频率。在实施例中，晶体振荡器是石英晶体。
在实施例中，温度传感器模块各自包括二极管，该二极管被布置成阻塞电流流回通过矩阵中的温度传感器模块。在实施例中，阻塞二极管是低反向漏电流二极管，可选地在装置的操作电压下以及25摄氏度的温度下具有小于50nA的反向漏电流。在温度传感器模块包括至少部分由至少一个具有随温度变化的电特性的半导体元件提供的温度传感器的情况下，在实施例中，低反向漏电流二极管提供每个温度传感器模块的温度敏感性。当测量单个温度传感器模块的温度时，特别是在温度传感器模块通过如本文所述布置成矩阵的电网络连接的情况下，使用低反向漏电流二极管能够有利于防止不希望的电流流动。
在实施例中，管道包括至少10根导线的矩阵，优选至少15根导线，更优选至少18根导线，并且特别是19根导线。在实施例中，管道包括沿其长度的6个温度传感器模块，优选至少16个模块，更优选至少19个模块，更优选至少30个模块，还更优选至少60个模块，更优选至少80个模块。使用按照本发明的矩阵布置中布置的温度传感器模块有助于在一段管道内和沿着一段管道提供大量的温度传感器模块，这些模块可以由单个或多个控制模块或控制子模块提供服务。这能够提供敏感性和非常高的空间分辨率，或者能够在非常长的距离上进行感测。
在实施例中，装置还包括管道内的通信工具，以实现沿管道的数据通信，例如，可以设置附加的导线(多个导线)以实现控制模块之间的通信，或者实现与井内其他设备的通信。
在实施例中，装置还包括控制模块，该控制模块经由电网络电连接到多个温度传感器模块，并且该控制模块被配置为在使用中在导线对的组合中周期性地切换以电连接并且推断在每个温度传感器处的温度。在实施例中，控制模块包括一个或更多个继电器，该继电器被布置成在使用中在成对导线的组合中进行切换，其中继电器可选地是机电继电器或半导体开关。这样，控制模块能够使用矩阵通过连接的温度传感器自动切换并从连接的温度传感器进行测量。
在实施例中，控制模块被配置为基于温度传感器中的电流或跨温度传感器的电压对温度变化的已知灵敏度，并通过测量温度传感器中的电流和/或跨温度传感器的电压随时间推移的变化，推断每个温度传感器模块的热特性(其可以是诸如相对温度(监测变化)的温度特性或在温度传感器局部位置处的绝对温度)。
在实施例中，温度传感器被配置为在使用中编码并向控制模块传输指示温度传感器的温度敏感电特性的数字信号，并且其中，控制模块被配置为在使用中使用所接收的数字信号来确定每个温度传感器处感测的温度。在实施例中，多个(并且可选地是所有的)温度传感器模块被配置为使用相同的导线向控制模块传输数字信号。在实施例中，控制模块被配置为测量与温度传感器模块相关联的数字信号，以能够推断半导体元件的温度和管道在该半导体元件的位置处被暴露的环境。半导体温度敏感元件的局部感测的电特性的数字编码允许简单、可靠以及有效的手段来捕获温度信息并将温度信息从温度传感器模块传送到控制模块，而感测的温度信息不会受到例如导线的电阻的温度敏感性的影响。因此，如果温度传感器模块编码并向控制模块传输代表感测的温度的数字信号，则不需要校准矩阵中导线的影响。因此，装置对噪声和误差的敏感性较低。
在实施例中，控制模块被配置为测量与温度传感器模块相关联的模拟电流和/或电压，以能够推断温度传感器模块的温度和管道在该温度传感器模块的位置处被暴露的环境。对包括控制模块处的温度传感器模块的电路的电特性的模拟感测，例如使用矩阵寻址温度传感器模块，提供了优良和有效的温度测量手段，并且还允许温度传感器模块具有简单的结构，避免了对任何本地数字组件的需求，并且特别适合与控制模块中的公共基准一起使用。
在实施例中，装置还包括校准工具，该校准工具被配置为补偿将温度传感器模块连接到控制模块的电网络中的导线的电阻，并且优选地还补偿这些导线的电阻率的温度依赖性，其中可选地，校准工具被设置为控制模块的一部分。在实施例中，校准工具被配置为在使用之前，通过到每个传感器的导线的测量的电阻(至少2个已知温度)来确定各个传感器导线的电阻和温度系数，从而实现该电阻补偿。各个传感器导线的这些电阻和温度系数作为校准数据存储在校准工具中。在使用中，校准工具被配置为使用先前的校准数据和导线段的已知温度来计算在某个时间点到传感器的导线的电阻。因此，在施加到温度传感器上的电压受到导线上的电压降的影响并且这将影响温度测量的准确度的情况下，提供上述校准工具能够补偿导线的电阻和由此产生的电压降。这使得控制电子器件能够远离温度传感器模块设置，这允许温度传感器模块的尺寸保持较小，允许在小直径管道内设置温度传感器模块，同时保持平滑、无凸起的管道外部轮廓。在实施例中，上述校准工具的组件可以设置在表面上或者被配置为使得可以由校准工具的组件或者与校准工具一起工作的其他数据处理工具在表面上对数据执行某些操作，诸如数据处理。
在实施例中，控制模块还包括用作测量在温度传感器模块中的至少两个或每个温度传感器模块的电压和/或电流的基准的公共基准信号发生器。在实施例中，公共基准信号发生器是基准电压源。在控制模块处提供公共基准信号用于比较从温度传感器模块接收的信号(与在每个温度传感器模块局部提供多个基准信号发生器相反，其中基准信号会由于例如温差和漂移而遭受局部变化)提供高的传感器间准确度和稳定性以及低漂移。它还能够更容易地检测传感器之间温度的相对变化。在井下环境中，特别是在升高的温度下，随着时间推移基准和测量电路的漂移通常会比传感器本身的漂移对温度读数准确度的影响更大，提供公共基准和测量电路消除了这种漂移对传感器间准确度的影响。
在温度传感器模块包括晶体振荡器的情况下，在实施例中，公共基准信号发生器是由多个(可选地所有的)温度传感器公共的基准晶体振荡器在控制模块处产生的基准振荡电信号。在实施例中，装置被配置为在使用中，通过将从晶体振荡器温度传感器获得的信号与从基准晶体振荡器获得的信号进行比较来确定每个晶体振荡器温度传感器处的温度变化。可选地，温度传感器模块被配置为向控制模块发送脉冲，脉冲长度由传感器x次振荡的时间和使用基准振荡器测量的脉冲长度确定。也能够使用相反的方法，采用基于基准发送的脉冲。
在实施例中，管道填充并封装非导电液体(可选地是油)，并且可选地，其中管道包括压力平衡工具(可选地包括波纹管或柔性囊)，其被配置为用于将管道中的内部压力与周围环境均衡。在实施例中，管道中的温度传感器模块被包裹在灌装化合物中。将温度传感器模块设置在液体填充的并且可选地压力平衡的管道中和/或包裹在灌装化合物中，诸如环氧树脂或热固性塑料或硅橡胶中，增加了保护，例如防止机械冲击和压力冲击波，并且对于半导体温度传感器组件，能够帮助承受由枪点火聚能射孔弹引起的压力冲击波，例如在井测试期间形成穿孔。
在实施例中，管道是金属的，优选不锈钢、双相或超双相不锈钢、镍合金、钛或钛合金中的一种。
在实施例中，在管道中的其中至少一个温度传感器模块，优选温度传感器模块中的至少50％，更优选至少90％，并且特别是100％的位置处，管道外径在3mm至14mm的范围内，可选地在6mm至10mm的范围内。因此，在这些实施例中应当清楚的是，本发明旨在提供用于测量小直径管道中井下温度的装置。
在实施例中，管道的外径在管道中温度传感器模块中的至少一个或所有温度传感器模块的位置处和在管道中远离至少一个或所有温度传感器模块的位置处是相同的。在实施例中，在管道中其中至少一个温度传感器模块，优选温度传感器模块的至少50％，更优选至少90％，特别是100％的位置处，管道的外径不增加。“在位置处”是指管道在温度传感器模块的长度或部分长度上的位置。在实施例中，在管道中温度传感器模块中的至少一个温度传感器模块，优选在温度传感器模块的至少50％、更优选至少90％、特别是100％的位置处，管道的外部轮廓不变。在实施例中，管道的外径沿着管道基本保持恒定。通过这一点我们的意思是，由于温度传感器模块的存在或不存在，管道的外径沿管道长度既不增加也不减小。当然，这并不排除由于管道中设置的一些其他组件而外径增加。在实施例中，温度传感器模块被配置为沿着管道提供管道外径的平滑轮廓。通过提供平滑的轮廓，管道和装置能够更容易地安装在井中。根据这些实施例，能够避免由于提供温度传感器模块而使管道中的形状和外部尺寸隆起和变化。这有助于将温度感测装置安装在井中，并且允许该装置容易地布署在更受限的空间中并密封，这有助于跨越封隔器安装。平滑的外径管道甚至允许温度传感器阵列夹在枪上，该枪被设置成一旦点火，就可以在井和套管中产生穿孔。平滑的外径管道通过使用半导体元件作为温度传感器来实现，该温度传感器会很小，并且通过在管道中远离温度传感器模块的位置处提供控制模块中的大部分控制电子器件来实现。这允许温度传感器阵列能够更容易、更高效和更成本有效地制造，并缩短了客户的制造生产周期。
在实施例中，提供了多个控制模块，其中各个控制模块控制温度传感器模块组，并且控制模块链接到一个或更多个主控制模块。
在实施例中，温度传感器模块在管道中以0.05至100米范围(更优选为0.25至10米)的间隔距离间隔开，和/或其中包含温度传感器模块的管道长度在0.25至10000米之间，更优选1至1000米，更优选10至200米。在管道中设置多个温度传感器模块允许选择间距以给出适当的、并且适当地高或低的空间分辨率。
在实施例中，包含温度传感器模块的管道被布置成环或螺旋，以围绕井装置的管状元件延伸。根据该实施例，能够提供依赖于围绕管状元件(例如，钻子、测试或生产、套管或衬管柱)的方位角的温度敏感性，这可以提供例如产品进入井眼或套管的流入方向的指示。在枪周围布置这样的装置能够在开火后(其中装置足够坚固以承受冲击)，提供关于枪成功开火和形成井眼穿孔的信息。
在实施例中，所述装置还包括电源，该电源被配置为向装置提供操作电力用于在使用中感测井眼中的温度，其中电源被布置为在使用中作为井内电源。在实施例中，电源包括一个或更多个初级电池单元、次级电池单元和/或井下发电机。在实施例中，电源可以在井中更换，例如电池或发电机可以使用钢丝绳或连续管道更换。
在实施例中，装置被配置为在使用中从井中较高的位置供电，可选地从表面供电，并且可选地经由电感或电容耦合供电。
在实施例中，装置还包括无线数据通信模块，其耦合到装置以用于感测井眼中的温度，并且被布置成在使用中，可选地使用继电器或中继器，沿着井无线发送指示由装置在井眼中感测到的温度的信号。无线通信模块可以无线地、通过单独的无线连接、或者通过有线连接地以及可选地物理地耦合到装置。在实施例中，无线数据通信模块被配置为声学和/或电磁地传输所述信号。根据这些实施例，用于感测温度的装置能够提供作为井下自主系统，其中不需要提供用于提供电源和/或通信能力的电缆。通过提供本地电源和无线通信能力，用于温度感测的装置能够容易地安装在深井中的井下，而不必通过密封元件等延伸数公里的电缆到表面。通过启用数据捕获和恢复而不必恢复硬件，可以选择在使用后丢弃井下设备。替代地或另外地，该设备可以被配置为存储和/或发送传感器数据。可以仅将传感器数据存储很短的周期，诸如长达1秒或1分钟、1小时或1天，例如为了缓冲的目的，或者替代地或另外地，可以将传感器数据存储更长的周期，诸如至少一天、至少一个月、至少一年、至少2年或至少5年，以便长期数据存储和随后通过有线连接或通过物理取回无线恢复或部分恢复。
在实施例中，所述装置的无线数据通信模块还被布置成接收用于控制所述装置的操作的控制信号。可选地，装置无线数据通信模块可以进一步包括无线接收器或被布置成接收用于控制装置操作的控制信号的收发器。无线接收器或收发器可以作为上述无线通信模块的一部分，或者作为无线控制信号接收器/收发器模块可以与上述无线控制模块分开地设置在装置中。装置的操作可以由接收的信号控制。控制可以包括对数据采集、数据传输的控制，和/或对传感器的加热或冷却的控制(如下文更详细描述的)。
从另一个方面来看，本发明提供了一种井包括具有如根据本发明的上述方面和实施例所述的用于感测井的井眼中温度的装置的井装置，该装置被布置成感测井眼中的温度。在实施例中，井装置包括管状元件和环形密封设备，该环形密封设备设置在井的表面下方至少100米处、并且位于井眼或井眼的套管和管件之间。环形密封设备是在两个管件(或管件和井眼)之间密封的设备，诸如抛光的钻孔密封组件或封隔器元件。密封组件可以与套管或衬管中的抛光孔接头相关联。封隔器元件可以是在封隔器、桥塞或衬管悬挂器中的一部分，尤其是封隔器或桥塞。环形密封设备被布置成例如密封井套管和测试或生产管柱之间的流体流。在这方面，温度感测装置可用于地层下接近层的井的生产区，用于感测由于例如产品和其它流体的流动而引起的温度变化，而不是为了另一目的而用于靠近井口感测那里的温度。
在实施例中，用于感测井眼中温度的装置完全设置在环形密封设备下方。在实施例中，用于感测井眼中温度的装置的管道不延伸跨越环形密封设备。在实施例中，用于感测井眼中温度的装置的管道设置在环形密封设备下方并延伸跨越环形密封设备，并且其中用于感测温度的装置的控制模块设置在环形密封设备下方的井眼中。在这方面，用于感测井眼中温度的设备可以设置在环形密封设备下方作为自供电单元操作的完全自主的系统，而不必提供跨越环形密封设备(例如从表面)的电源和/或通信电缆。在实施例中，用于感测井眼中的温度的装置的管道设置在环形密封设备下方并延伸跨越环形密封设备，并且其中，用于感测温度的装置的控制模块设置在环形密封设备上方的井眼中。该装置仍然可以作为井下自主系统。
在实施例中，用于感测井眼中温度的装置的控制模块位于管道的端部，可选地位于管道最靠近表面的端部，可选地位于环形密封设备下方。
在实施例中，井装置包括管状元件，并且其中用于感测井眼中温度的装置的管道沿着和/或围绕管状元件延伸。在实施例中，管状元件通常是管状的钻柱、测试柱、完井柱、生产柱、注入柱、修复柱、观察柱、悬挂柱、废弃柱、套管柱、压裂柱、砾石充填柱、筛管或衬管中的一种。管柱可以包括多个元件，例如管道、阀门、套环、接头等，其中一些次要元件可能不是管件。在实施例中，管道被夹紧到井中的管状元件上，通过该夹紧可以理解为包括通过其它手段固定，例如通过缠绕、捆扎、螺栓连接、胶粘。在实施例中，装置部署在井中的钢丝绳或连续管道上，并且可选地设置和/或悬挂在井中。装置可以在井中部署一段延长的时间，可选地至少6个月，可选地至少1年，可选地至少2年，可选地最多5年，以监测井的温度。来自装置的数据能够推断流量，并且能够用于识别流体的类型和流体进入的位置，并且当用于监测屏障时能够确定是否存在泄漏。
在实施例中，管道被夹紧并延伸跨越射孔枪或多个枪。在该实施例中，用于感测井眼中温度的装置能够与枪一起延伸，并且由于其足够坚固可以承受压力冲击波，该装置被布置成在使用枪给井穿孔之前、期间和之后提供温度感测信息。该装置或多个装置可以沿着多个独立激活的射孔枪部署，从而在每个射孔枪激活时提供关于变化的井下条件的信息。
在实施例中，用于感测井眼中温度的装置能够延伸进入井中，使得装置的管道位于管柱元件(诸如，井的管道、射孔枪、筛管、载体、接头或封隔器)上的凹槽中。
在实施例中，装置能够部署在井中的屏障处，例如封隔器、桥塞、胶合剂、树脂或刚性或柔性屏障材料。来自装置的数据能够用来确认屏障的完整性，通常会有与任何泄漏相关联的温度变化。装置可以围绕屏障、在屏障之上、之下和/或之内布署。
在实施例中，用于感测井眼中的温度的装置能够部署在海底井中。这对于具有存储器和/或无线能力的实施例特别有利，因为与使用电缆的监测系统相关联的附加复杂性、成本和风险在海底井中尤其显著。
从另一个方面来看，本发明提供了如关于上述方面和实施例所述的校准装置的方法，该方法包括：确定与装置的每个温度传感器相关联的各个电路的电阻特性，并补偿该电路电阻以隔离温度传感器的电特性对温度变化的响应。以这种方式，能够补偿导线的电阻及其温度敏感性，例如，在长线路端部测量常规二极管的电压降，以及沿着线路的电压降(以及其温度敏感性)变得显著的情况下。对于被配置为用作温度传感器的恒流二极管，该方法还允许补偿在控制器处提供的电压和施加在传感器两端的实际电压之间的差，这允许精确的温度测量。
从另一个方面来看，本发明提供了一种如关于上述方面和实施例所述的装置的操作方法，以确定其温度传感器的热特性，该方法包括：主动加热和/或冷却管道中的至少一个温度传感器；以及在加热和/或冷却期间和/或加热和/或冷却之后监测传感器或每个传感器的温度变化率。在实施例中，该方法还包括，基于温度的变化，或基于温度的变化率，或在加热期间和/或之后产生传感器温度变化的功率，推断管道在温度传感器的位置处被暴露的环境的温度或流体特性(诸如，流量或井内组分流体类型的标识)。在实施例中，主动加热管道中的至少一个温度传感器包括通过施加流经于此的电流自加热传感器。在实施例中，通过施加电流通过与温度传感器模块相关联的电阻器或电阻来加热装置的至少一个温度传感器。以这种方式，温度传感器模块的温度敏感性及其对温度变化(例如，通过主动加热传感器，或通过感测环境温度变化)的相对或绝对响应能够用于指示和提供可用于推断井的操作条件的信息。例如，当油进入井中时，可能会有热效应，以及当水进入井中时，可能会有更大的热效应。相反，当气体进入井中时，通常会有冷却效应。所测量的温度可以是进入井内的流体的温度，或者是环域或钻孔内的组合流体的温度。温度以及加热速率和冷却速率的变化能够用来推断井内流体的流量和成分。另外，传感器的主动加热能够进一步帮助识别流体类型，因为传感器上的加热将受到周围流体的热质量的影响，特别是在低流量和静态条件下。
装置能够用于井寿命的不同阶段中的至少一个阶段，包括钻井、测试、完成、生产/注入、压裂、修井、观察、悬挂以及废弃，以感测沿井眼的温度并推断流体特性。装置特别适合于部署在套管或衬管或筛管的外部，或砾石充填层内，或套管或裸眼井内的管件上。装置可用于监测井或储层的生产或注入、内部横向流动或流体处理。
在本专利中，在管道的上下文中使用“跨越(across)”，在适当的情况下，它可以被解释为越过、沿着或围绕，也就是说，它可以延伸部分、整个或延伸超过相关管件的长度，和/或以环或螺旋缠绕所述管件。
附图说明
将针对具体实施例参考附图更详细描述本发明的各方面，其中：
图1示出了根据本发明各方面的包括半导体温度传感器的用于感测井眼中温度的装置的实施例的示意图；
图2示出了图1所示装置在海底井中典型布署的示意图；
图3示出了根据使用本地基准的另一个实施例的用于构造和操作如图1所示的装置的半导体温度传感器模块和控制模块以感测温度、寻址传感器模块以及处理和从中恢复温度信息的装置的布置的示意图；
图4示出了根据使用公共基准的另一个实施例的用于构造和操作如图1所示的装置的半导体温度传感器模块和控制模块以感测温度、寻址传感器模块以及处理和从中恢复温度信息的装置的布置的示意图；
图5示出了根据另一实施例的用于将半导体温度传感器模块连接到控制模块以使用布置为矩阵的第一和第二组导线从其接收模拟信号的装置的布置的示意图；
图6示出了根据一个实施例的其中半导体温度传感器由二极管提供的装置的布置的示意图，并连接到控制模块以使用布置为矩阵的第一和第二组导线从控制模块接收模拟信号；
图7是示出了上述关于图1-图6描述的用于确定沿经验的温度的装置的操作方法的过程流程图。
具体实施方式
现在参考图1，根据本发明各方面的实施例提供了用于感测井眼中温度的装置100。如将参照图2更详细地解释，装置100将被放置在井眼中，例如在试井期间，以感测其中的温度并将由此感测到的温度传送到表面。
装置100包括管道110，管道110包括设置在沿着管道110内部位置处的多个温度传感器模块120a、120b、120c...120n。如下文将更详细解释的，温度传感器模块120a、120b、120c...120n各自包括具有随温度变化的电特性的温度传感器。
在实施例中，管道110是金属的，优选不锈钢、双相或超双相不锈钢、镍合金、钛或钛合金中的一种。在实施例中，管外径在3mm至14mm的范围内。较小直径的管道(诸如，6mm(1/4英寸)的管道)可用于正常部署。如果需要更坚固的系统(诸如，承受射孔套管枪的压力冲击波)可以使用更大直径的管道，诸如10mm(3/8英寸)的管道。
管道110用非导电油111填充并封装以用于保护温度传感器模块120a、120b、120c...120n，特别是免受压力冲击波。管道110包括波纹管112，波纹管112被配置为用作压力平衡工具，以将管道中的内部压力与周围环境均衡。为了提供进一步保护免受压力冲击波(例如来自枪)和免受周围环境，温度传感器模块120a、120b、120c120n被包裹在聚氨酯树脂或其它合适的灌装化合物中，诸如热固性塑料、环氧树脂或硅酮或橡胶凝胶。
从图1的示意图中能够看出，只要所有温度传感器模块120a、120b、120c...120n不会导致管道110需要在传感器的位置处具有更大的直径以容纳它们，管道110的外部轮廓沿着管道110的长度基本保持恒定。相反，温度传感器模块120a、120b、120c...120n被容纳在管道内侧。在实施例中，管道轮廓可以由于其他原因(例如，存在其他组件，或者允许其他组件连接到管道110)而变化，但是通常温度传感器模块120至少不会导致管道110的外部轮廓或直径变化。
温度传感器模块120a、120b、120c...120n电连接到电网络115以在使用中允许测量温度传感器的相应电特性以推断其热特性。装置100还包括经由电网络115电连接到温度传感器模块120a、120b、120c...120n的控制模块130。控制模块130被布置成在使用中接收并处理与温度传感器模块120a、120b、120c...120n相关联的电信号以便能够推断其温度以及管道在该温度传感器模块的位置处被暴露的环境。电阻加热元件(未示出)可以沿着温度传感器模块120a、120b、120c...120n设置在管道110中，以加热正在使用的温度传感器模块120a、120b、120c...120n以便测量例如井眼中周围流体流动的加热或冷却效应。在没有提供单独加热元件的情况下，可以使用其它合适的机制(诸如，通过施加高电流通过半导体感测元件进行的自加热)加热温度传感器模块120a、120b、120c...120n。
装置100还包括电源140和通信模块150，它们与控制模块130一起设置在模块外壳160中。模块外壳160设置在管道110的端部，并且管道110耦合到模块外壳160。模块外壳160可具有多于一种长度的包含从其延伸的温度传感器模块的管道110。例如，模块外壳160可能已经承载了从其相对侧延伸的管道110，使得其设置在装置100的中部，以用于感测沿井眼的温度。在所示的实施例中，提供了单个控制模块130。在替代实施例中，可以提供多个控制模块，其中各个控制模块控制温度传感器模块组，并且控制模块可以链接到一个或更多个主控制模块。
电源140耦合到控制模块130、经由控制模块130耦合到温度传感器模块120a、120b、120c...120n以及耦合到通信模块150，并且被配置为在使用中向其提供操作电源。电源140被布置成在使用中被设置为井内使用的电源(即，为井中的装置在本地产生功率或向其提供功率，优选地没有到远程电源的任何有线链接)，并且被设置为包括多个初级电池单元(诸如，锂基电池单元)的电池，该电池提供足以在装置100整个使用寿命期间为装置100供电的容量。替代地或另外地，在其他实施例中，电源140还可以包括次级可充电电池和/或井下发电单元，诸如涡轮。电池可以是在高温锂亚硫酰氯电池(lithium thionyl chloridebattery)和硫化氯化锂电池(lithium sulphuryl chloride battery)中的至少一种。高温电池是可在85℃以上(并且有时在100℃以上)操作的电池。更进一步，在其他实施方式中，装置100可替代地或附加地被配置为在使用中从无线耦合(例如，经由电感或电容耦合)的远程电源供电，使得可能需要或可能不需要提供井下电源140。在使用中，远程电源可以位于井中较高的位置，或者位于表面。
通信模块150被配置为在使用中例如向表面发送指示由装置的一个或更多个温度传感器模块120a、120b、120c...120n在井眼中感测到的温度的信号。指示井眼中感测到的温度的传输信号可以立即代表测量的温度(无论是绝对温度还是相对温度)，这意味着控制模块130已经执行了用于评估温度数据的处理，然而在表面可能仍然需要进一步处理温度数据以改进或分析结果。可选地，指示井眼中感测到的温度的传输信号可以处于更“原始”的形式，并且需要在表面进行进一步处理，以便揭示测量的温度(无论是绝对温度还是相对温度)。
通信模块150是无线数据通信模块，其被布置为在使用中沿着井无线传输指示由装置在井眼中感测到的温度的信号。
优选地，无线信号使得它们能够在障碍物位置固定时穿透障碍物，诸如，塞子或所述环形密封设备。因此，优选地，无线信号以以下形式中的至少一种来传输：电磁(EM)、声学、编码压力脉冲和感应耦合管。
信号可以是数据或控制信号，它们不需要采用相同的无线形式。因此，这里针对不同类型的无线信号安排的选项独立地适用于数据和控制信号。控制信号能够控制包括传感器的井下设备。来自传感器的数据可以响应于控制信号而被传输。此外，数据采集和/或传输参数，诸如采集和/或传输速率或分辨率，可以使用合适的控制信号来改变。
EM/声学和编码压力脉冲使用井、井眼或地层作为传输介质。EM/声学或压力信号可以从井或从表面发送。如果设置在井中，EM/声学信号能够通过任何环形密封设备传播，然而对于某些实施例，它可以间接传播，例如围绕任何环形密封设备传播。
电磁和声学信号是特别优选的——它们能够通过/经过环形密封设备或环形屏障传输，而无需特殊的感应耦合管件基础设施，并且对于数据传输，能够传输的信息量通常比编码压力脉冲更高，尤其是来自井的诸如数据的接收信息。
因此，通信设备可以包括声学通信设备，并且无线控制信号包括声学控制信号和/或通信设备可以包括电磁通信设备并且无线控制信号包括电磁控制信号。
类似地，所使用的发射器和接收器与所使用的无线信号的类型对应。例如，如果使用声学信号，则使用声学发射器和接收器。
因此，EM/声学或压力无线信号能够作为无线信号传送相对较长的距离，发送至少200m(可选地大于400m或更长)，这明显优于其他短距离信号。包括电感耦合管件的实施例通过一体的导线和电感耦合的组合提供了这种优点/效果。取决于井的长度，传播的距离可能要长得多。
控制信号以及可选的其它信号可以以无线形式从环形密封设备上方发送到环形密封设备下方。同样，信号可以以无线形式从环形密封设备下方发送到环形密封设备上方。
信号中的数据和命令可以通过其他手段中继或传输。因此，无线信号可以被转换成其他类型的无线或有线信号，并且可选地通过相同的或其他手段(诸如，液压的、电气的和光纤线路)来中继。在一个实施例中，信号可以通过电缆传输第一距离(诸如，超过400m)，然后经由声学或EM通信传输较小距离(诸如200m)。在另一个实施例中，它们使用编码压力脉冲传输500m，然后使用液压管线传输1000m。
因此，尽管除了无线手段之外，非无线手段也可以用于传输信号，但是优选的配置优先使用无线通信。因此，虽然信号传播的距离取决于井的深度，但无线信号(包括继电器，但不包括任何非无线传输)通常传播超过1000m或超过2000m。优选实施例还使信号通过无线信号(包括继电器，但不包括非无线装置)的方式传输了从井表面到装置距离的至少一半。
不同的无线信号可以用在同一个井中，用于从井朝向表面的通信，以及用于从表面进入井的通信。
因此，无线信号可以被直接或间接地(例如，利用任何环形密封设备上方和/或下方的井内继电器)发送到通信设备。可以从表面或从在井内任何环形密封设备上方的任何点处的钢丝绳/连续管道(或牵引机)运行探针发送无线信号。对于某些实施例，探针可以安置成相对靠近任何环形密封设备，例如距离其小于30m，或者小于15m。
现在将依次简要描述上述无线信号传输技术。
感应耦合管件
在使用感应耦合管件的情况下，通常有至少十个的(经常是更多的)各个长度的感应耦合管件在使用中联结在一起，以形成一串感应耦合管件。它们有一体的导线，并且可以由诸如钻杆管子或套管的管件形成。在相邻长度之间的每个连接处都有电感耦合。可以使用的感应耦合管件可以由NOV提供，从属于
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品牌。
编码压力脉冲
压力脉冲包括使用正和/或负压力变化和/或管件和/或环形空间中流体的流量变化，从/到井/钻孔内、从/到在井/钻孔内的另一位置以及井/钻孔表面中的至少一项进行通信的方法。
编码压力脉冲是这样的压力脉冲，其中调制方案已经被用于编码压力或流量变化内的命令和/或数据，并且换能器被用于井/钻孔内以检测和/或产生改变，和/或电子系统被用于井/钻孔内以编码和/或解码命令和/或数据。因此，利用井内/钻孔电子接口的压力脉冲在本文中被定义为编码压力脉冲。
在使用编码压力脉冲发送控制信号的情况下，可以使用各种调制方案来编码数据，诸如压力变化率、开/关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、脉宽调制(PWM)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)、幅移键控(ASK)，也可以使用调制方案的组合，例如OOK-PPM-PWM。编码压力调制方案的数据速率通常较低，通常小于10bps，并且可能小于0.1bps。在本文中定义的编码压力脉冲的优点是，它们能够被发送到电子接口，并且可以提供比发送到机械接口的压力脉冲更大的数据速率和/或带宽。
编码压力脉冲能够在静态或流动的流体中受到感应，并且可以通过直接或间接测量压力和/或流量的变化来检测。流体包括液体、气体和多相流体，并且可以是静态控制流体，和/或从井中产生的或注入井中的流体。
声学的
声学信号和通信可以包括通过井结构的振动传输，该井结构包括管件、套管、衬管、钻杆、钻铤、管道、盘管、抽油杆、井下工具；经由流体(包括通过气体)的传输包括通过井的未加套管部分、管件内以及环形空间内的流体传输；通过静态或流动流体的传输；通过钢丝绳、滑线或盘条的机械传输；通过大地传播；通过井口设备传输。通过结构和/或通过流体的通信是优选的。
声学传输可以是处于亚声波(<20Hz)、声波(20Hz-20kHz)和超声波频率(20kHz-2MHz)。优选地，声学传输是声波(20Hz-20kHz)。
声学信号和通信可以包括频移键控(FSK)和/或相移键控(PSK)调制方法，和/或这些方法的更高级衍生物，诸如正交相移键控(QPSK)或正交幅度调制(QAM)，并且优选地结合扩频技术。它们通常适于自动调谐声学信号频率和方法，以适应井条件。
声学信号和通信可以是单向的或双向的。压电、移动线圈换能器或磁致伸缩换能器可用于发送和/或接收信号。
EM
电磁(EM)(有时称为准静态(QS))无线通信通常在以下频段：(基于传播特性选择)
sub-ELF(extremely low frequency，极低频)<3Hz(通常高于0.01Hz)；
ELF 3Hz至30Hz；
SLF(超低频)30Hz至300Hz；
ULF(特低频)300Hz至300Hz；以及，
VLF(甚低频)3kHz至30kHz。
上述频率的一个例外是使用管子作为波导的EM通信，特别是但不限于当管子充气时，在这种情况下，根据管子尺寸、管子中的流体和通信范围通常可以使用30kHz至30GHz的频率。管子中的流体优选不导电。US 5,831,549描述了一种遥测系统，涉及气体填充管状波导中的千兆赫传输。
sub-ELF和/或ELF优选用于从井到表面的通信(例如，超过100m的距离)。对于更多本地通信，例如小于10m，优选VLF。这些范围使用的术语由国际电信联盟(ITU)定义。
EM通信可以包括通过以下一种或更多种方式传输数据：在细长构件上施加调制的电流并使用大地作为回路；在一根管件中传输电流，并在第二根管件中提供返回路径；使用第二井作为电流路径的一部分；近场或远场传输；在井金属制品的一部分内产生电流回路，以便在金属制品和大地之间产生电位差；使用间隔的触点产生电偶极子发射器；使用环形变压器在井金属制品中施加电流；使用绝缘接头；线圈天线，用于产生局部或通过地层传输的调制时变磁场；井套管内的传输；将细长构件和大地用作同轴传输线；使用管件作为波导；井套管外的传输。
特别有用的是在细长构件上施加调制电流并使用大地作为回路；在井金属制品的一部分内产生电流回路，以便在金属制品和大地之间产生电位差；使用间隔的触点创建电偶极子发射器；以及使用环形变压器在井金属制品中施加电流。
为了有利地控制和引导电流，可以使用多种不同的技术。例如以下一种或更多种：在井管件上使用绝缘涂层或隔离物；选择管件内或管件外的井控流体或胶合剂与管件导电或绝缘；使用高磁导率的环形线圈来产生电感，从而产生阻抗；使用绝缘导线、电缆或绝缘细长导体作为传输路径或天线的一部分；使用管件作为圆形波导，其使用SHF(3GHz至30GHz)和UHF(300MHz至3GHz)频带。
还提供了用于接收传输的信号的适合的手段，这些手段可以包括电流的检测；电位差的检测；偶极子天线的使用；线圈天线的使用；环形变压器的使用；霍尔效应或类似磁场检测器的使用；使用井金属制品的部分作为偶极子天线的一部分。
在使用短语“细长构件”的情况下，为了EM传输的目的，这也可以指任何细长电导体包括：衬管；套管；管道或管件；盘管；抽油杆；钢丝绳；滑线或盘条。
Soulier的US 5,394,141和MacLeod等人的US 5,576,703中公开了一种在带有导电套管的井中传递信号的工具，这两个专利的全部内容通过引用并入本文。包括振荡器和功率放大器的发射器在有限电阻率外壳内的第一位置处连接到间隔的触点，以形成电偶极子，这是由于作为功率放大器的主要负载的触点之间流动的电流所产生的电位差。这种电位差在偶极子外部产生电场，由于套管中产生的电流，该电场能够由第二位置的第二对间隔开的触点和放大器检测，或者可选地在井口和接地基准电极之间的表面。
继电器
继电器包括能够接收信号的收发器(或接收器)以及放大收发器(或发射器)的信号以向前传输的信号的放大器。
可能有至少一个继电器。至少一个继电器(以及与所述装置相关联的或在表面处的收发器或发射器)可操作以通过井传输信号至少200m。一个或更多个继电器可以被配置为传输超过300m或超过400m。
对于声学通信，根据井的深度和装置的位置，可能有五个以上或十个以上的继电器。
一般来说，EM通信需要较少的继电器。例如，可能只有一个继电器。因此，可选地，EM继电器(以及与装置相关联的或在表面处的收发机或发射机)可以被配置为发送超过500m或超过1000m。
在井的某些区域传输可能会受到更多的抑制，例如当跨越封隔器传输时。在这种情况下，中继的信号可以传播更短的距离。然而，在提供多个声学继电器的情况下，优选地，至少三个声学继电器可操作以通过井传输信号至少200米。
对于感应耦合管子，也可以提供继电器，例如井中每300-500m提供一个继电器。
继电器可以将至少一部分供后续取回的数据保存在合适的存储器工具中。
考虑到这些因素以及井的性质，继电器因此能够在井中相应地间隔开。
无线信号实际上可以引起立即激活，或者可以被配置为在时间延迟之后和/或如果存在其他条件(诸如，特定的压力变化)，激活装置。
装置100(特别是温度传感器模块120a...n，控制模块130和/或通信模块150)可以包括一个或更多个微处理器。装置中的电子器件，为各种组件(诸如，微处理器、控制和通信系统，优选是低功率电子器件)供电。低功率电子器件能够包括诸如低压微控制器之类的特征，以及使用“休眠”模式(在这种模式下大多数电子系统被断电)以及用于维持系统定时和“唤醒”功能的低频振荡器(诸如，10-100kHz(例如，32kHz振荡器))。同步短距离无线(例如，VLF范围内的EM)通信技术能够在系统的不同组件之间使用，以最小化各个组件需要保持“清醒”的时间，从而最大化“休眠”时间和功率节省。
低功率电子器件有利于装置各种组件的长期使用。控制机制可以被配置为在入井后可由无线控制信号控制长达24小时以上，可选地超过7天、超过1个月、或超过1年或超过5年。它能够被配置为在被激活之前和/或之后保持休眠。
以这种方式，通过使用井内电源140和无线通信模块150和/或用于无线传送/本地存储包括传感器数据的数据的存储器设备，用于沿井眼感测温度的装置100可以被配置为作为井下的“自主”系统操作。装置可以包括一个或更多个封壳或外壳，该封壳或外壳支撑在井内电源140、无线通信模块150和/或存储器设备中的一个或更多个，使得其被配置为安装在井下的自主系统。在这些配置中，装置在使用中可能不需要电缆来从表面接收电源或向表面传输信号。这意味着装置100能够可靠且易于部署，此外，在仅测量井的较短部分的情况下，仅需要在井的测试区域中提供电缆和装置。这不同于现有的光纤温度传感器系统和WellWatcher FluxTM技术，在该现有技术中，需要从感测到的位置到表面一直提供电缆，这会非常不方便，并且存在问题，例如，需要在大于500m的井深下测试井的短部分(比如20m长)的温度，该井深本身在距水面3km的海底。使用装置100，仅需要在井中提供短的20m长的管道110和模块外壳160，而在现有技术中，需要3.5km以上的电缆来获得井眼20m部分中的感测到的温度。
在这方面，管道110的长度通常为10至200米，并且温度传感器模块通常以0.25至10米范围内的间隔距离在管道中间隔开。可以选择管道的长度和传感器模块的间距，以便获得期望的测量跨度和空间分辨率。虽然图1所示的管道110是“直的”，因为它被布置为沿着井眼大致上沿着井眼轴线延伸，但是在其他实施例中，管道110能够被布置成环或螺旋，以围绕井装置的管状元件延伸。这里，管道长度和/或传感器间距会更短，并且采用这种布置的装置可以揭示关于井眼中位置处感测到的温度的方位角变化的信息，这能够揭示关于井眼中流体流动方向的信息。
现在将参考图2，图2示出了图1所示装置100在海底井200中的典型部署。
井200包括已经使用钻井船或半潜式钻机钻出的井眼201，并且随后已加衬管和加套管(未示出)。在本公开中，井眼在必要时是指钻出的裸眼井的面向内的壁，或者由其限定的空隙的一部分，或者根据上下文需要，甚至是套管井的套管的面向内的表面，或者由其限定的空隙的一部分。井眼201通常是至少部分垂直的井。然而，它可以是斜井或水平井。当应用于斜井或水平井时，诸如“上方”和“下方”之类的参考应当被解释为在具有垂直方向的井中的等同物。例如，“上方”更靠近井的表面。
现在正在使用由钻杆测试(DST)管柱210提供的管状元件来执行钻杆测试，其中，当传感器管柱210延伸进入井中以评估地质地层220时，钻头已经从钻柱上移除并被测试和感测设备替换。
可再部署的封隔器作为布置在待测试地层220上方的环形密封件230。包括一系列聚能射孔弹的枪模块240设置在管柱210中，在使用中，该枪模块240被开火以形成穿过套管并进入地层220刺激产品流动的穿孔225。
图1所示的用于感测井眼中温度的装置100设置在布置在环形密封设备230下方的DST管柱210中，使得不需要管道110横穿密封件。模块外壳160环形地构造以允许流体通过，并被布置在环形密封件230下方的管柱210中，并且管道110沿着管柱210的外表面(例如，在凹槽中)沿着井眼并跨越枪延伸，并且使用夹具250夹紧在那里。夹具250可以被配置为用作带子，以将管道110系至管柱210。特别是沿着射孔枪可以设置其它夹具(未示出)，以确保管道保持没有射孔弹。
设置有端口的套管260，将套管井打开到钻柱210的管状元件中，通过该有端口的套管，在打开阀门265时，允许产品在压力下从地层220中的穿孔225流入DST管柱210的管状元件中到达井口280，井口280由设置在井表面的防喷器(BOP)等密封。井的表面是井的最高套管的顶部。
随着产品流动，装置100的温度传感器模块120a、120b、120c...120n感测套管井中的温度并产生电信号，该电信号由控制模块130经由电网络115接收并处理。通信模块130随后生成指示温度传感器模块120a、120b、120c...120n中的一个或更多个的温度的信号，然后由通信模块150处理并编码成声学脉冲，并沿着DST管柱210传输。位于井口280处或附近的DST管柱中的声学信号接收器270检测并解码无线传输的声学信号(该声学信号可能已经通过继电器网络和中继器网络(未示出)传送到井口)。数据或控制信号可以无线地、通过导线和/或通过光纤在环形密封设备上方的两个或更多个位置之间中继。类似地，数据或控制信号可以无线地、通过导线和/或通过光纤在环形密封设备下方的两个或多个位置之间中继。
解码的数据信号然后经由电耦合285传送到表面上的钻机或船290，在那里可以进一步处理该信号，以允许分析感测到的温度数据。通过分析温度数据，可以获得指示井中流体流动类型、流量和/或其位置的详细信息。如果管道110沿着枪240布置，则能够检测射孔枪由于其开火而产生的加热效应，从而可以确定枪是否全部开火。穿孔之前、穿孔期间和穿孔之后，能够连续监测穿孔部分的温度分布，并评估来自/流向地层的流动。类似地，如果管道110围绕诸如封隔器之类的环形密封设备布置，则能够检测到由于来自泄漏的流体流动而产生的加热或冷却效应，从而允许识别密封元件何时有效和无效。
代替用于感测井眼中温度的装置100完全设置在环形密封设备230的下方并且不延伸跨越环形密封设备230，在其他布置中，管道110可以通过环形密封设备230的旁路端口延伸跨越环形密封设备230。
装置100可以包括存储器设备，该存储器设备能够存储数据以供以后取回。可以通过各种方法取回数据。例如，它可以在以后(可选地响应于传输指令)无线传输。或者它可以通过钢丝绳/连续管道或牵引机上进入井中的探针取回。探针能够可选地物理地或无线地与存储器设备耦合。
在分离的情况下，存储器设备和传感器/探针可以通过任何合适的手段连接在一起，可选地无线地或通过导线物理地耦合在一起。电感耦合也是一种选择。VLF范围内的EM通信可以促进短程无线耦合。
装置可以被配置为存储和/或传输传感器数据。可以仅将传感器数据存储很短的周期，诸如长达1秒或1分钟、1小时或1天，例如为了缓冲的目的，或者替代地或另外地，可以将传感器数据存储更长的周期，诸如至少一天、至少一个月、至少一年、至少2年或至少5年，以便长期数据存储和随后无线地、通过有线连接或通过物理取回来的恢复(或者部分恢复)。
虽然图2示出了一种可能的配置，但是应当理解，装置100可以设置在井下，以采用多种可能的配置来感测其温度。装置100能够用钢丝绳或连续管道部署在井中，并且可以设置和/或悬挂在井中。如上所述，在实施例中用于感测井眼中温度的装置100的管道110能够沿着管状元件210延伸和/或围绕管状元件210延伸，管状元件210通常用于将产品传送到表面或使用工具进出井眼。在其它实施例中，管状元件可以不是钻杆测试管柱，而是在钻柱、测试柱、完井柱、生产柱、注入柱、修复柱、观察柱、悬挂柱、废弃柱、套管柱、压裂柱、砾石充填柱、筛管或衬管。装置100可在其他井中(诸如，在生产、修井和其他干预期间，以及在压井操作期间)使用。图2示出了使用装置100的特别有用的例子，其中管道110被夹紧跨越枪，并且能够与枪一起延伸进入井201。装置能够与许多不同的可能的井下工具一起部署并夹紧跨越，并且在钻杆测试操作中跨越枪夹紧只是一个可能的例子。使用后，装置100可以例如连同废枪一起丢弃。另一方面，装置100可以替代地被取回并在其他位置重复使用。在没有提供用于无线传输感测到的温度数据的通信单元的实施例中，温度数据可以替代地被记录并存储在装置中，并且在从井中取回装置之后被恢复。
现在将根据实施例描述用于感测温度、寻址传感器模块以及处理和恢复温度信息的温度传感器模块120a、120b、120c...120n以及控制模块130的构造和操作的布置。
图3中示出了一个可能的布置。这里，装置300包括多个连接到控制模块330的温度传感器模块320a、320b、320c...320n。每个温度传感器模块包括至少部分由至少一个半导体元件提供的温度传感器321，诸如二极管或集成电路温度传感器、电阻温度计(诸如，铂电阻温度计)或晶体振荡器(诸如，石英晶体)。温度传感器321具有随温度变化的电特性。每个温度传感器模块320a、320b、320c...320n还包括测量模块322，测量模块322从温度传感器321获取信号或测量与温度相关的电特性，将它与经温度校准的本地基准323进行比较，本地基准323被布置成提供信号，根据该信号，根据温度传感器321的测量结果的温度变化能够被测量模块322揭示。测量模块322因此产生代表在每个温度传感器模块320a、320b、320c...320n处测量的温度的数据并且经由电网络115将该数据传输到控制模块330，如下文将更详细解释的，电网络115被配置为矩阵(在此应当注意，电网络115仅被示意性地表示以示出温度传感器模块和控制模块之间的电连接，并且不旨在表示接线图)。因为温度传感器模块320a、320b、320c...320n在电网络115中是可以单独隔离的，感测的温度数据能够作为模拟信号被传输到控制模块330。或者，数据能够在温度传感器模块320a、320b、320c...320n处被数字编码并被传输到控制模块330。传感器模块的小型化可以通过将组件安装在微型柔性印刷电路上和/或能够使用专用集成电路(ASIC)来实现。
在控制模块330处，提供存储和传输模块331，以有效地缓冲测量的温度数据，由此该温度数据能够被传递到通信模块150，用于与表面通信。在每个温度传感器模块处提供测量模块和本地基准的优点在于，数据能够被容易地传输到控制模块330，并且能够减轻电网络对信号的影响，诸如来自噪声的影响，以及减轻导线电阻的温度敏感性。同时，如下文将更详细解释的，矩阵电网络115的导线的切换允许用于温度传感器模块320a、320b、320c...320n的模拟机制来向控制模块330、合适的数字寻址系统(诸如，能够替代地用于在温度传感器模块320a、320b、320c...320n和控制模块330之间传送控制和测量信息的l2CTM、SENT或1-WireTM协议)传输温度传感器模块的感测的温度的数字编码(或模拟)的表示。因此，每个温度传感器模块320a、320b、320c...320n可以配备模数转换器和输入/输出控制器(未示出)，以便对代表测量的温度的数据进行数字编码以及控制消息传递协议将数据发送到控制模块330。仅使用非常短的导线长度将测量模块322耦合到温度传感器321，这意味着导线的电阻及其温度变化可以忽略不计，并且不需要对导线电阻进行补偿。
虽然图3中所示的布置对于在各种不同环境中使用是有利的，但是传感器间稳定性可能并不像某些(特别是长期)使用所需要的那样高，因为每个温度传感器模块的本地基准会随着时间的推移而漂移。在实际应用中关于井眼中流体流动的信息将被装置揭示，重要的不是绝对温度的监测，而是温度传感器之间的温度的相对变化。当传感器间漂移的程度会随着时间的推移而发生时，不同传感器的温度的相对变化会随着安装时间的推移而不太可靠地测量。此外，在每个温度传感器模块320a、320b、320c...320n处设置测量模块322和本地基准323(以及数字输入/输出控制器)意味着模块320a、320b、320c...320n可能需要显著的小型化和复杂的封装设计，以便使它们足够小以集成在小直径管道110中，而不必将温度传感器模块安装或焊接为管道中的较大外径部分。此外，在温度传感器模块320a、320b、320c...320n内设置各种电子组件意味着它们需要增加加固，以确保它们能够可靠地承受显著的压力冲击波，诸如来自枪240的聚能射孔弹的点火。
然而，图4所示的布置为该装置提供了一种尤其可在许多应用中特别使用的替代布置。在装置400中，每个温度传感器模块420a、420b、420c...420n包括至少部分由至少一个半导体元件提供的温度传感器421，例如二极管或集成电路温度传感器、电阻温度计(例如铂电阻温度计)或晶体振荡器(例如石英晶体)。温度传感器421具有随温度变化的电特性。省略了装置300的每个温度传感器模块处的本地基准和测量模块，并且替代地控制模块430设置有测量模块432和公共基准433，用于确定每个温度传感器模块420a、420b、420c...420n的每个温度传感器421的热特性。在实施例中，公共基准信号发生器是基准电压源。在其它实施例中，在温度传感器421至少部分由晶体振荡器提供的情况下，公共基准信号发生器是基准振荡器。这里，使用位于控制模块430处的所有温度传感器模块420a、420b...420n公共的基准允许装置提供与图3所示的布置相比相对高的传感器间稳定性，具有相对低的漂移。这为装置400提供了高准确度和可靠性的沿管道110的长度感测到的随时间推移的变化的温度。公共基准的提供允许这个实施例的装置400对于传感器之间的相对变化的测量来说是准确可靠的，这对于收集关于井眼中关于流体的流量和性质的信息是重要的。另外，测量模块432和公共基准433设置在控制模块430本身中，这意味着温度传感器模块420a、420b...420n不需要包括这些组件。实际上，温度传感器模块420a、420b...420n可以不包括除温度传感器421之外的其他电子组件，其他电子组件可以由单个电子组件(以及任何必要的电互连和封装)提供。结果，温度传感器模块420a、420b...420n可以非常小，这允许温度传感器组件容易地集成到小直径管道110中。此外，由于测量模块432和公共基准433的相对敏感的电子组件被设置在控制模块430本身中，因此温度传感器模块420a、420b...420n能够容易地制造得足够坚固，以承受由于例如来自枪240的聚能射孔弹的点火而产生的压力冲击波。这具体是使用适当坚固的温度传感器421并且使用灌装化合物封装和保护的情况和/或管道110填充有液体(诸如，油)的情况。此外，传感器串410相对简单并且有制造成本效益，温度传感器模块每个都很小，只有很少的组件，因此容易集成在小直径管道中，并且控制电子器件被设置在单独组装的控制模块中，该单独组装的控制模块例如设置在管道的端部或附近。
虽然图4示出的公共基准信号发生器被用作指示由每个温度传感器模块中的每个温度传感器模块感测的温度的测量结果的信号的基准，但是在实施例中，公共基准信号发生器可以被用作测量与少于全部但至少其中的两个温度传感器有关的基准。
在图4中，测量模块432位于控制模块430中，远离温度传感器模块420a、420b...420n。指示由温度传感器模块感测的温度的测量结果的信号可以由所产生的信号的电压和/或电流或其他特性来表示，诸如信号持续时间，或者该信号可以对感测的温度进行数字编码。测量模块432优选地被配置为通过寻址或通过电网络115专门连接到特定温度传感器模块420a、420b...420n的温度传感器421，来在一定距离处测量温度传感器421的模拟电特性，或者在测量的模拟信号中识别特定温度传感器421的电特性。这可以通过提供被配置为允许在控制模块430处接收并处理来自不同温度传感器421的单独模拟信号的电网络115来实现。下面参考图5和6描述合适的电网络配置的例子。或者，为了将指示由温度传感器421感测的温度的电信号传送到控制模块430以由测量模块432接收并处理，在实施例中，可以再次使用数字寻址系统，由此，每个温度传感器模块420a、420b...420n配备有数字编码器模块(未示出)，由此基于公共基准信号被传递到温度传感器模块，并且由温度传感器421感测的电信号被数字化，并且作为数字编码数据，被使用适当的数字通信协议传送到控制模块。
或者，可以使用图3和图4的混合(未示出)，其中，在控制模块处的公共基准被提供给每个温度传感器模块，测量模块被提供给每个温度传感器模块。代表温度的数字信号能够用于将测量结果传递给控制模块。
图5和6示出了用于被配置为矩阵的电网络的导线布置的实施例，该矩阵被布置成将控制模块130电耦合到温度传感器模块。主要地，这些导线布置有助于寻址温度传感器以及在控制模块处从其接收并处理模拟信号的方法，尽管如上所述，然而在实施例中仍然可以使用数字通信协议。
为了在不需要使用数字通信协议的情况下实现矩阵中的大量传感器，当管道110中的导线数量受到限制时，在实施例中，导线和温度传感器模块以如图5示意性所示的“矩阵”的形式布置在电网络中。在装置800中，包含电网络115的管道110包括连接多个半导体温度传感器模块820的多根导线。导线被配置为提供布置成矩阵的电网络115，通过该电网络，导线包括第一组导线815a和第二组不同的导线815b，并且第一组815a的每根导线一次通过不同的温度传感器模块820电连接到第二组815b的每根导线，使得每个模块820能够通过一对导线单独电连接，该对导线包括来自第一组815a的第一根导线和来自第二组815b的第二根导线。
以这种方式，能够使用相同数量的导线在模拟寻址方式下操作大量的温度传感器。例如，对于标准的19芯导线束，可以使用非矩阵模拟布置来提供少于19个温度传感器。矩阵的使用允许提供大于此的数量，并且对于19芯导线束，分组为10导线组和9导线组线，能够提供多达90个温度传感器模块820，如图5所示。可以通过提供开关将它们连接到控制模块(未示出)来单独解决这些问题，开关可以由一个或多个继电器823操作，并且可以在成对导线的组合中切换，以电连接并推断每个温度传感器模块820的温度。例如，能够通过切换继电器来连接特定的温度传感器模块820ij，以连接来自第一导线组的第i根导线815ai和来自第二导线组的第j根导线815bj，其中所有其他导线都可以断开。继电器823能够在导线对的组合中周期性地切换成电连接并推断每个温度传感器模块的温度。
为了防止不希望的反向电流和通过电网络的电流泄漏，每个温度传感器模块820包括阻塞二极管826，或者与阻塞二极管826串联连接。因此，二极管826是低反向漏电流二极管，在装置800的操作电压下以及25摄氏度的温度下，具有小于50nA的反向漏电流。每个温度传感器模块820的温度敏感性至少部分地由半导体组件提供，该半导体组件可以是集成电路温度传感器或除了阻塞二极管之外提供的第二二极管。或者，代替提供阻塞二极管826，阻塞效应可以由诸如FET的另一组件提供，并且阻塞组件和提供温度传感器模块的温度敏感性的半导体组件可以组合在一起或者集成到IC中。
在实施例中，诸如在图6所示的矩阵布置中，温度敏感半导体元件单独是二极管，因为它们能够具有温度依赖性，适合用于感测沿井眼的温度。类似地，在图3-5所示的每个布置中，二极管能够用作温度传感器。
在图6的布置中，温度传感器模块由单个无源电子组件有效地提供，即二极管920(不包括元件的任何封装、封装和互连布线)，其本身执行反向电流阻断功能，并提供用于测量局部温度的温度灵敏度。该布置在其他方面与图5所示的相同，因此这里省略了详细描述。这种布置允许大量二极管920以矩阵布置简单地连接到小直径管道内的芯束中的导线，以便提供一种井下使用的温度传感器阵列，该阵列易于安装并且足够坚固，能够可靠地在井下操作，甚至能够承受由例如射孔枪点火引起的压力冲击波。事实上，这种布置能够和枪一起延伸并跨越枪夹紧。在实施例中，二极管是低反向漏电流二极管，在装置的操作电压下以及25摄氏度的温度下，具有小于50nA的反向漏电流。
合适的常规(“恒压”)二极管(诸如，小信号或肖特基二极管)，显示二极管两端的电压降保持相对恒定，与电流的小变化无关，然而，二极管两端的电压降随温度变化。因此，能够使用这种二极管的电压测量来感测温度。
或者，能够使用如上所述的恒流二极管。
代替简单地使用二极管，可以使用其它合适的半导体元件来提供温度传感器模块的温度敏感性。在实施例中，温度敏感半导体元件设置在集成电路温度传感器中，该集成电路温度传感器被配置为随着传感器的温度而改变电流或电压。集成电路温度传感器被配置为每个具有两个p-n结的硅带隙温度传感器，在使用中，在不同的电流密度下操作，以通过确定两个p-n结之间的电压差来推断温度，该电压差与绝对温度成比例。
在图3至6所示的布置中，温度传感器模块的温度敏感性可以至少部分地或仅由至少一个具有随温度变化的电特性的半导体元件提供，诸如一个或更多个二极管或集成电路温度传感器。这些能够提供以下一个或更多个优点：坚固、尺寸小、能够集成在小直径管道的轮廓内以方便装置的安装、制造简单且成本效益高、能够在单个管道中设置大量传感器模块、以及足够稳定、准确和低漂移的温度测量，这些优点对各种应用都是有用的。
在替代实施例中，温度传感器模块820的温度敏感性可以至少部分或全部由电阻温度计(诸如，在每个温度传感器模块中设置的铂电阻温度计)提供。电阻温度计的电阻取决于温度，因此在每个电阻温度计两端测量的电压降指示在温度传感器模块位置处的感测的温度。然而，电阻温度计体积相对较大，并且不易于小型化，并且也不易于并入管道内。此外，与例如特别是半导体温度传感器和二极管相比，它们相对易碎，因此不坚固或不能承受压力冲击波。更进一步，与二极管不同，二极管的选择能够减轻导线电阻的温度敏感性的影响，电阻温度计虽然精确，但总是会受到导线电阻的影响，除非使用四导线配置来抵消它们。然而，在可用导线数量有限的小直径管道中，四导线连接布置导致能安装的温度传感器模块的数量减少。
在另外的替代实施例中，温度传感器模块820的温度敏感性可以至少部分或全部由晶体振荡器(诸如，石英晶体)提供。晶体振荡器的谐振频率随温度变化，因此通过测量晶体振荡器的谐振频率，能够感测每个温度传感器模块的热特性。晶体振荡器的振荡频率能够在控制模块130处通过直接测量矩阵连接的导线中的振荡电信号来测量，或者通过叠加和测量拍频来将其与公共基准振荡器的谐振频率进行比较。或者，晶体振荡器的振荡频率可以在控制模块处接收的信号中用另一种方式编码，诸如通过信号持续时间，或者信号可以对感测的温度进行数字编码。晶体振荡器对矩阵导线的电阻效应的噪声不敏感，并且提供非常精确的温度测量，这种测量在很长一段时间内是稳定的，并且给出了高的传感器间精度，特别是在使用共同基准的情况下，因此，在装置被现场设置在井眼中以长时间非常精确地监测温度的情况下，晶体振荡器特别合适。然而，晶体振荡器相对脆弱，因此需要加固，并且不适于部署在需要该装置承受例如压力冲击波的地方，该压力冲击波是由于枪中的聚能射孔弹的点火，以便在井套管中产生射孔。
在适当的情况下，能够通过校准工具来补偿由于导线电阻率及其温度敏感性引起的电压降，该校准工具被配置为补偿将温度传感器连接到测量模块(其设置在控制模块中)的线路中的导线电阻，并且也补偿这些导线电阻率的温度依赖性。校准工具被设置为控制模块的一部分。校准工具通过确定导线或与装置的每个温度传感器相关联的各个电路的电阻特性来补偿导线电阻。这种导线电阻特性能够在部署前首先在受控测试环境中进行。校准工具然后补偿导线/电路电阻，以隔离温度传感器的电特性对温度变化的响应。具体地，在实施例中，校准工具被配置为通过在使用之前通过测量到达每个传感器的导线的测量的电阻(至少2个已知温度)来确定各个传感器布线的电阻和温度系数，从而实现该电阻补偿。各个传感器导线的这些电阻和温度系数作为校准数据存储在校准工具中。在使用中，校准工具被配置为使用先前的校准数据和导线段的已知温度来计算在某个时间点到达传感器的导线的电阻。
现在将参照图7描述操作上面参照图1-6描述的装置确定沿井眼的温度的方法1000。
首先，在步骤1001中，通过施加电流通过布置在温度传感器附近的电阻器或者通过使用与温度传感器模块本身相关联的电阻，或者通过施加流经其中电流来自加热传感器，来主动加热管道中的温度传感器。例如，可以向半导体温度传感器施加高电流负载来加热它们。或者，温度传感器能够主动冷却，例如，通过使用一个或更多个帕尔帖(peltier)设备，或者冷却线路和热交换器。
然后，在步骤1002中，在加热期间和/或加热之后监测该传感器或每个传感器的温度变化。
然后，为了将1002中测量的温度转换成关于流体的信息(诸如，流量、流体成分类型的指示等)，在步骤1003中，基于温度的变化、或基于温度的变化率、或在加热期间和/或之后产生传感器温度变化的功率来推断管道在温度传感器的位置处被暴露的环境的流体流动特性。由于不同流体的热容、热导率和密度导致在传感器被加热时不同的热响应，因此可以实现对装置100暴露于其中的流体成分类型(例如气体/油/水)的指示。

Claims (113)

1.一种用于沿井眼感测温度的井眼温度感测装置，包括：
管道，所述管道包括多个温度传感器模块，所述多个温度传感器模块设置在沿着所述管道内侧的位置处，具有随温度变化的电特性；
电网络，所述电网络包括多根导线和所述多个温度传感器模块，其中所述多根导线和所述多个温度传感器模块被配置为矩阵，通过所述矩阵，所述多根导线包括第一组导线和不同的第二组导线，并且所述第一组的每根导线与所述第二组的每根导线电连接一次，每个电连接由所述多个温度传感器模块中的相应温度传感器模块进行，使得每个温度传感器模块能够由包括来自所述第一组的第一导线和来自所述第二组的第二导线的一对导线单独电连接；以及
控制模块，所述控制模块经由所述电网络电连接到所述多个温度传感器模块，并且被配置为在使用中在导线对的组合中周期性地切换以电连接所述温度传感器中的每个温度传感器并且推断所述温度传感器中的每个温度传感器的温度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，至少一个或每个温度传感器模块包括单个电子组件。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述单个电子组件在任何轴上的最大物理范围小于7mm。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述单个电子组件在任何轴上的最大物理范围小于5mm。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述单个电子组件在任何轴上的最大物理范围小于4mm。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述单个电子组件在任何轴上的最大物理范围小于3mm。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的装置，其中，所述温度传感器模块包括至少部分由具有随温度变化的电特性的至少一个半导体元件提供的温度传感器。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述温度传感器模块包括至少部分由具有随温度变化的电特性的至少一个半导体元件提供的温度传感器。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置被配置为仅使用每个温度传感器模块的温度敏感半导体元件或每个温度敏感半导体元件的温度敏感性来推断所述温度传感器模块的温度。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述至少一个半导体元件是二极管。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述二极管选自以下中的至少一个：恒流二极管；恒压二极管。
12.根据权利要求1-6、8和9-11中任一项所述的装置，其中，至少一个或每个温度传感器模块包括单个无源电子组件。
13.根据权利要求1-6、8和9中任一项所述的装置，其中，所述温度传感器模块包括温度传感器，所述温度传感器被配置为每个具有在使用中以不同的电流密度操作的两个p-n结的硅带隙温度传感器，以通过确定所述不同的电流密度下所述两个p-n结之间的电压差来推断温度，所述电压差与绝对温度成比例。
14.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述温度传感器模块各自还包括电阻温度计，其中，所述装置被配置为使得每个电阻温度计的温度敏感性被用于推断所述管道在所述温度传感器的位置处被暴露的环境的热特性。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述电阻温度计是铂电阻温度计。
16.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述温度传感器各自还包括晶体振荡器，每个晶体振荡器具有随温度变化的电振荡频率。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述晶体振荡器是石英晶体。
18.根据权利要求1-6、8、9-11、15和17中任一项所述的装置，其中，所述温度传感器模块各自包括阻塞二极管，所述阻塞二极管被布置成阻塞电流流回通过所述矩阵中的所述温度传感器模块。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述阻塞二极管是低反向漏电流二极管。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述低反向漏电流二极管在所述装置的操作电压下以及25摄氏度的温度下，具有小于50nA的反向漏电流。
21.根据权利要求9至11中任一项所述的装置，其中，所述温度传感器模块各自包括阻塞二极管，所述阻塞二极管被布置成阻塞电流流回通过所述矩阵中的温度传感器模块，并且其中，所述阻塞二极管是低反向漏电流二极管，并且其中，所述低反向漏电流二极管提供了每个温度传感器模块的温度敏感性。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述低反向漏电流二极管在所述装置的操作电压下以及25摄氏度的温度下，具有小于50nA的反向漏电流。
23.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20和22中任一项所述的装置，其中，所述管道包括至少10根导线的矩阵。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述管道包括至少15根导线的矩阵。
25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述管道包括至少18根导线的矩阵。
26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述管道包括19根导线的矩阵。
27.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22和24-26中任一项所述的装置，其中，所述管道包括沿其长度的至少6个温度传感器模块。
28.根据权利要求27所述的装置，其中，所述管道包括沿其长度的至少16个温度传感器模块。
29.根据权利要求28所述的装置，其中，所述管道包括沿其长度的至少19个温度传感器模块。
30.根据权利要求29所述的装置，其中，所述管道包括沿其长度的至少30个温度传感器模块。
31.根据权利要求30所述的装置，其中，所述管道包括沿其长度的至少60个温度传感器模块。
32.根据权利要求31所述的装置，其中，所述管道包括沿其长度的至少80个温度传感器模块。
33.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26和28-32中任一项所述的装置，其中，所述控制模块包括一个或更多个继电器，所述继电器被布置成在使用中在导线对的组合中进行切换。
34.根据权利要求33所述的装置，其中，所述继电器是机电继电器或半导体开关。
35.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32和34中任一项所述的装置，其中，所述控制模块被配置为基于所述温度传感器中的电流或跨所述温度传感器的电压对温度变化的已知敏感性，并通过测量所述温度传感器中的电流和/或跨所述温度传感器的电压随时间推移的变化，来推断每个温度传感器模块的热特性。
36.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32和34中任一项所述的装置，其中，所述温度传感器被配置为在使用中编码并向所述控制模块发送指示所述温度传感器的温度敏感电特性的数字信号，并且其中，所述控制模块被配置成在使用中使用所接收的数字信号确定每个温度传感器处的感测的温度。
37.根据权利要求36所述的装置，其中，多个温度传感器模块被配置为使用相同的导线向所述控制模块传输数字信号。
38.根据权利要求37所述的装置，其中，所有的温度传感器模块被配置为使用相同的导线向所述控制模块传输数字信号。
39.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32、34和37-38中任一项所述的装置，还包括校准工具，所述校准工具被配置为补偿将所述温度传感器模块连接到所述控制模块的电网络中的导线的电阻。
40.根据权利要求39所述的装置，其中，所述校准工具还被配置为补偿将所述温度传感器模块连接到所述控制模块的电网络中的所述导线的电阻率的温度依赖性。
41.根据权利要求40所述的装置，其中，所述校准工具被设置为所述控制模块的一部分。
42.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、24-26、28-32、34、37-38和40-41中任一项所述的装置，其中，所述控制模块还包括公共基准信号发生器，所述公共基准信号发生器用于针对温度变化来校准在所述温度传感器模块之中的每个所述温度传感器模块的电压或电流的测量结果。
43.根据权利要求19、20和22中任一项所述的装置，其中，所述控制模块还包括公共基准信号发生器，所述公共基准信号发生器用于针对温度变化来校准在所述温度传感器模块之中的每个所述温度传感器模块的电压或电流的测量结果。
44.根据权利要求42所述的装置，其中，所述公共基准信号发生器是基准电压源。
45.根据权利要求43所述的装置，其中，所述公共基准信号发生器是基准电压源。
46.根据权利要求43所述的装置，其中，所述公共基准信号发生器是对由多个所述温度传感器公共的基准晶体振荡器在所述控制模块处产生的基准振荡电信号。
47.根据权利要求46所述的装置，其中，所述公共基准信号发生器是对由所有的所述温度传感器公共的基准晶体振荡器在所述控制模块处产生的基准振荡电信号。
48.根据权利要求46或47所述的装置，其中，所述装置被配置为在使用中通过将从晶体振荡器温度传感器获得的信号与从所述基准晶体振荡器获得的信号进行比较来确定每个所述晶体振荡器温度传感器处的温度变化。
49.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32、34、37-38、40-41和44-47中任一项所述的装置，其中，所述管道填充并封装非导电液体。
50.根据权利要求49所述的装置，其中，所述非导电液体是油。
51.根据权利要求49所述的装置，其中，所述管道包括压力平衡工具，所述压力平衡工具被配置为用于将所述管道中的内部压力与周围环境均衡。
52.根据权利要求51所述的装置，其中，所述压力平衡工具是波纹管或柔性囊。
53.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32、34、37-38、40-41、44-47和50-52中任一项所述的装置，其中，所述管道是由金属制成的。
54.根据权利要求53所述的装置，其中，所述金属是不锈钢、双相或超双相不锈钢、镍合金、钛或钛合金中的一种。
55.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32、34、37-38、40-41、44-47、50-52和54中任一项所述的装置，其中，在所述管道中所述温度传感器模块中的至少一个温度传感器模块的位置处，所述管道的外径在3mm至14mm的范围内。
56.根据权利要求55所述的装置，其中，在所述管道中所述温度传感器模块的至少50％的位置处，所述管道的外径在3mm至14mm的范围内。
57.根据权利要求56所述的装置，其中，在所述管道中所述温度传感器模块的至少90％的位置处，所述管道的外径在3mm至14mm的范围内。
58.根据权利要求57所述的装置，其中，在所述管道中所述温度传感器模块的100％的位置处，所述管道的外径在3mm至14mm的范围内。
59.根据权利要求55所述的装置，其中，所述管道的外径在6mm至10mm的范围内。
60.根据权利要求56-58中任一项所述的装置，其中，所述管道的外径在6mm至10mm的范围内。
61.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32、34、37-38、40-41、44-47、50-52、54和56-59中任一项所述的装置，其中，在所述管道中所述温度传感器模块中的至少一个温度传感器模块的位置处，所述管道的外径不增加或所述管道的外部轮廓不变。
62.根据权利要求61所述的装置，其中，在所述管道中所述温度传感器模块的至少50％的位置处，所述管道的外径不增加或所述管道的外部轮廓不变。
63.根据权利要求62所述的装置，其中，在所述管道中所述温度传感器模块的至少90％的位置处，所述管道的外径不增加或所述管道的外部轮廓不变。
64.根据权利要求63所述的装置，其中，在所述管道中所述温度传感器模块的100％的位置处，所述管道的外径不增加或所述管道的外部轮廓不变。
65.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32、34、37-38、40-41、44-47、50-52、54、56-59和62-64中任一项所述的装置，其中，提供了多个控制模块，其中，各个控制模块控制温度传感器模块组，并且所述控制模块链接到一个或更多个主控制模块。
66.根据权利要求65所述的装置，其中，所述装置还包括所述管道内的通信工具，以实现沿着所述管道的数据通信，从而实现控制模块之间的通信，或者实现与井内其他设备的通信。
67.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32、34、37-38、40-41、44-47、50-52、54、56-59、62-64和66中任一项所述的装置，其中，所述温度传感器模块在所述管道中以0.05至100米范围的间隔距离间隔开，和/或其中，包含所述温度传感器模块的管道长度在0.25至10000米之间。
68.根据权利要求67所述的装置，其中，所述温度传感器模块在所述管道中以0.25至10米范围的间隔距离间隔开，和/或其中，包含所述温度传感器模块的管道长度在1至1000米之间。
69.根据权利要求68所述的装置，其中，包含所述温度传感器模块的管道长度在10至200米之间。
70.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32、34、37-38、40-41、44-47、50-52、54、56-59、62-64、66和68-69中任一项所述的装置，其中，包含温度传感器模块的管道被布置成环或螺旋以围绕井装置的管状元件延伸。
71.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32、34、37-38、40-41、44-47、50-52、54、56-59、62-64、66和68-69中任一项所述的装置，还包括电源，所述电源被配置为向用于在使用中感测所述井眼中温度的所述装置提供操作功率，其中，所述电源被布置为在使用中作为井内电源提供。
72.根据权利要求71所述的装置，其中，所述电源能够在所述井内更换。
73.根据权利要求71所述的装置，其中，所述电源是能够使用钢丝绳或连续管道更换的电池或发电机。
74.根据权利要求71所述的装置，其中，所述电源包括一个或更多个初级电池单元、次级电池单元和/或井下发电机。
75.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32、34、37-38、40-41、44-47、50-52、54、56-59、62-64、66、68-69和72-74中任一项所述的装置，其中，所述装置被配置为在使用中从井中较高的位置供电。
76.根据权利要求75所述的装置，其中，所述装置被配置为在使用中从表面供电。
77.根据权利要求75所述的装置，其中，所述装置被配置为在使用中经由电感或电容耦合供电。
78.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32、34、37-38、40-41、44-47、50-52、54、56-59、62-64、66、68-69、72-74和76-77中任一项所述的装置，还包括数据存储工具。
79.根据权利要求1-6、8、9-11、15、17、19-20、22、24-26、28-32、34、37-38、40-41、44-47、50-52、54、56-59、62-64、66、68-69、72-74和76-77中任一项所述的装置，还包括无线数据通信模块，所述无线数据通信模块耦合到用于感测井眼中的温度的所述装置，并且被布置成在使用中：
沿着井无线传输指示由所述装置感测到的所述井眼中的温度的信号。
80.根据权利要求79所述的装置，其中，所述无线数据通信模块被布置成在使用中：使用继电器或中继器，沿着所述井无线传输指示由所述装置感测到的所述井眼中的温度的信号。
81.根据权利要求79所述的装置，其中，所述无线数据通信模块被布置成在使用中：无线接收用于控制所述装置操作的控制信号。
82.根据权利要求81所述的装置，其中，所述控制信号被接收以用于控制数据采集、数据传输和/或控制所述传感器的加热或冷却。
83.根据权利要求79所述的装置，其中，所述无线数据通信模块被配置为声学地或电磁地传输所述信号。
84.一种井，包括井装置，所述井装置具有如权利要求1至83中任一项所述的用于感测井眼中温度的装置，所述装置被布置成感测所述井的井眼中的温度。
85.根据权利要求84所述的井，其中，所述井装置包括设置在所述井的表面下方至少100米处、并且位于所述井眼或所述井眼的套管和管件之间的管状元件和环形密封设备。
86.根据权利要求85所述的井，其中，用于感测井眼中温度的所述装置完全设置在所述环形密封设备下方。
87.根据权利要求85所述的井，其中，用于感测井眼中温度的所述装置的管道不延伸跨越所述环形密封设备。
88.根据权利要求85所述的井，其中，用于感测井眼中温度的所述装置的管道设置在所述环形密封设备下方并延伸跨越所述环形密封设备，并且其中用于感测温度的所述装置的控制模块设置在所述井眼中所述环形密封设备上方。
89.根据权利要求85所述的井，其中，用于感测井眼中温度的所述装置的管道设置在所述环形密封设备下方并延伸跨越所述环形密封设备，并且其中用于感测温度的所述装置的控制模块设置在所述井眼中所述环形密封设备下方。
90.根据权利要求85至88中任一项所述的井，其中，用于感测井眼中温度的所述装置的控制模块位于所述管道的端部。
91.根据权利要求90所述的井，其中，用于感测井眼中温度的所述装置的控制模块位于所述管道最靠近所述表面的端部。
92.根据权利要求90所述的井，其中，用于感测井眼中温度的所述装置的控制模块位于所述环形密封设备下方。
93.根据权利要求84-89和91-92中任一项所述的井，其中，所述装置用于在流体流动和/或关井时产生所述井的节段的热分布。
94.根据权利要求84-89和91-92中任一项所述的井，其中，所述井装置包括管状元件，并且其中用于感测井眼中温度的所述装置的管道沿着所述管状元件和/或围绕所述管状元件延伸。
95.根据权利要求94所述的井，其中，所述井中的所述管状元件是在钻柱、测试柱、完井柱、生产柱、注入柱、修复柱、观察柱、悬挂柱、废弃柱、套管柱、压裂柱、砾石充填柱、筛管或衬管中的一种。
96.根据权利要求95所述的井，其中，所述钻柱包括钻头或磨机。
97.根据权利要求94所述的井，其中，所述管道被夹紧到所述井中的所述管状元件。
98.根据权利要求84-89和91-92中任一项所述的井，其中，所述装置部署在所述井中的钢丝绳或连续管道上。
99.根据权利要求98所述的井，其中，所述装置部署设置和/或悬挂在所述井中。
100.根据权利要求84-89、91-92和95-97中任一项所述的井，其中，所述管道被夹紧到并延伸跨越射孔枪。
101.根据权利要求100所述的井，其中，所述装置被配置为监测所述射孔枪的开火。
102.根据权利要求100所述的井，其中，所述装置或多个所述装置延伸跨越多个枪，并且多个射孔枪是独立激活的。
103.根据权利要求84-89和91-92中任一项所述的井，其中，所述装置被配置为监测所述井中屏障处的温度。
104.根据权利要求84-89、91-92、95-97、99和101-102中任一项所述的井，其中，所述装置被配置为在井测试或钻杆测试期间监测所述井。
105.根据权利要求84-89、91-92、95-97、99和101-102中任一项所述的井，其中，所述井是生产井和/或注入井。
106.根据权利要求84-89、91-92、95-97、99和101-102中任一项所述的井，其中，所述井是海底井。
107.根据权利要求84-89、91-92、95-97、99和101-102中任一项所述的井，其中，所述装置被配置为监测与所述井的流体处理相关联的放热反应。
108.根据权利要求84-89、91-92、95-97、99和101-102中任一项所述的井，其中，所述井处于暂停或废弃阶段，并且所述装置被配置为监测所述井。
109.一种校准根据权利要求1至83中任一项所述的装置的方法，包括：
确定与所述装置的每个温度传感器相关联的各个电路的电阻特性，以及
补偿所述电路的电阻以隔离所述温度传感器的电特性对温度变化的响应性。
110.一种操作根据权利要求1至83中任一项所述的装置以确定其温度传感器的热特性的方法，包括：
主动加热和/或冷却所述管道中的温度传感器中的至少一个温度传感器；以及
在加热和/或冷却期间和/或加热和/或冷却之后监测所述传感器或每个传感器的温度变化。
111.根据权利要求110所述的方法，还包括：基于温度的变化，或基于温度变化率，或在加热和/或冷却期间和/或加热和/或冷却之后产生传感器的温度变化的功率，推断所述管道在所述温度传感器位置处被暴露的环境的温度或流体特性。
112.根据权利要求110或111所述的方法，其中，主动加热所述管道中的至少一个温度传感器包括通过施加流经于其的电流自加热所述传感器。
113.根据权利要求110或111所述的方法，其中，通过施加电流通过与所述温度传感器模块相关联的电阻器或电阻来加热所述装置的至少一个温度传感器。
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