用於遠程感測的系統和方法
2023-05-20 10:46:26
專利名稱：用於遠程感測的系統和方法
技術領域：
本發明總體上涉及遠程感測，並且更具體地說，涉及感測井下環境的壓力和溫度。
背景技術：
在資源回收方面，可以有用的是，在遠離觀察者的位置監測各種狀態。具體來說，可以有用的是，提供按深度對已經出於勘探或生產目的而鑽出的鑽孔中的溫度和壓力的監測。因為這種鑽孔可以延伸幾英裡，所以其對於更換用於位於鑽孔中的傳感器的電源來說並不總是實用。
發明內容
本發明的一實施例的一方面包括一種用於監測鑽孔中的狀態的裝置。井管道和套管充當用於向一個或更多個井下有源傳感器遞送功率的導電體對。在表面，將功率與信號隔離，以使同一導電體對可以用於向表面傳送傳感器信號。本發明的一實施例的一方面包括一種用於測量表面之下的鑽孔中的井下環境的狀態的系統，該系統包括:源，該源被構造並設置成經由鑽孔中鑽柱來傳送功率信號；傳感器模塊，該傳感器模塊經由鑽柱與該源電連通，該傳感器模塊包括振蕩器，該振蕩器具有隨著該井下環境的狀態改變而改變的諧振頻率，該傳感器模塊被構造並設置成接收來自該源的功率，並且響應於該井下環境的狀態而生成傳感器信號，並經由鑽柱將該信號傳送至表面；以及檢測器，該檢測器經由鑽柱與傳感器模塊電連通，並且被構造並設置成接收傳感器信號。本發明的一實施例的一方面包括一種用於監測鑽孔中的狀態的系統。井管道和套管充當用於向一個或更多個井下有源傳感器遞送功率的導電體對。在表面和傳感器中的每一個處，將功率信號與傳感器信號隔離，以使同一導電體對可以用於向表面傳送傳感器信號。本發明的一實施例的另一方面包括一種用於監測鑽孔中的狀態的方法。經由鑽柱向一個或更多個井下有源傳感器傳送功率信號。傳感器信號經由鑽柱向表面傳送。在表面和傳感器中的每一個處，功率信號與傳感器信號被隔離。本發明的多個實施例的多個方面包括編碼有計算機可執行指令的有形計算機可讀介質，該計算機可執行指令用於執行任何前述方法和/或用於控制任何前述裝置或系統。
本領域技術人員在結合附圖閱讀下面的詳細描述時，將容易地明白在此描述的其它特徵，其中:圖1是根據本發明一實施例的、用於詢問表面之下的鑽孔中的井下環境的系統的示意性例示圖；圖2是例示被設置成向井下位置的傳感器提供DC功率並接受來自該傳感器的輸入以傳送至表面的電路的電氣示意圖；圖3是例示用於針對遠程傳感器的功率和信號的傳送系統的交流電流實施例的示意圖；圖4是例示用於針對遠程傳感器的功率和信號的傳送系統的直流電流實施例的示意圖；圖5是根據本發明一實施例的變壓器耦合系統的框圖；圖6是根據本發明一實施例的傳感器模塊裝配件的框圖；圖7是根據本發明一實施例的傳感器模塊接口的框圖；以及圖8是根據本發明一實施例的絕緣系統的框圖。
具體實施例方式圖1例示了用於監測地下鑽孔中的狀態的裝置100的示例。該裝置100包括用於使電磁能量傳導通過鑽孔的電磁傳輸介質，如導電線路102。本領域普通技術人員應當清楚，該導電線路102可以根據鑽孔的狀況而採用不同形式或實施例。由此，例如，導電線路102可以包括處於已完成的鑽孔中的生產油管柱或正在建設的鑽孔中的鑽柱。在導電線路102頂部附近，設置有變壓器104以將導電管耦接至電磁能量源。可以採用變壓器104的另選耦接方法。例如，該傳輸線路可以直接耦接至同軸線纜或任何其它合適線纜。在所示示例實施例中，變壓器104包括鐵氧體環層疊106和環繞該環纏繞的電線108。電線108包括可以耦接至信號發生器112的導線110，該信號發生器112可以被設置成在需要或希望時生成脈動或連續波信號。電線108還可以耦接至接收器114。接收器114可以被具體實施為計算機，該計算機包括用於接收來自裝置100的信號以供存儲、處理以及/或顯示的總線。在這點上，計算機114可以設置有顯示器118，該顯示器118例如可以包括圖形用戶接口。計算機114可以被編程為處理所接收的傳感器信號以提供對所感測特徵的測量結果。計算機114可以執行對所檢測的信號的任何希望處理，包括但不限於:對信號的統計(例如，傅立葉)分析、信號的解卷積、與另一信號的相關等。可以被用於執行任何合適的頻率檢測的商業產品容易被本領域技術人員獲得並且獲知。另選的是，該計算機可以在存儲器或可存取存儲部中設置有查找表，其相互關聯所接收的調製信號與鑽孔中的感測狀態。在典型鑽探應用中，鑽孔將與被用於向鑽孔提供結構性支承的鑽孔套管120排成直線。該套管120經常由諸如鐵的導電材料製成，在該情況下，其與線路102配合以便形成同軸傳輸線路，並且其不必提供任何附加導電介質。在該套管不導電的情況下，可以將導電套(未示出)設置在該套管內，以便形成同軸結構。為了維持線路102與套管120之間的間距，該裝置100可以包括沿導電線路102周期性地設置的電介質環122。該間隔體例如可以被設置為絕緣扶正器，其可以是由任何合適材料(包括但不限於尼龍或聚四氟乙烯(PTFE))形成的盤。雖然所示實施例使用同軸傳輸線路，但設想的是，可以採用傳輸線路的另選實施例，如單一導電線路、成對導電線路或波導。例如，該套管可以獨自充當針對特定頻率的電磁波的波導。而且，同軸線纜的多個長度可以在全部或部分線路中使用。這種同軸線纜在不能將電介質流體用於套管120內時(例如，在鹽水或其它導電流體存在於套管120中時)可以特別有用。將探針部分124定位在裝置100的遠端部附近。原則上，該探針部分可以位於沿傳輸線路長度的任何點處。實際上，可以沿該長度按間隔放置多個這種探針部分。原則上，可以使用在同軸線路上復用的波長，以允許在彼此沒有幹擾的情況下使用單一通信線路的多個探針。該探針部分可以包括埠 126，該埠 126被設置成將來自存在於鑽孔中的流體的環境壓力和/或溫度傳送到探針中，在探針中其可以通過傳感器(圖1中未示出)被感測。下面，該探針例示了封隔器(packer) 128和封隔器齒130。圖2是例示根據本發明的系統的一實施例的井下部分的電氣示意圖。RC端接器200旨在縮減或消除線路末端部的反射。從線路末端部起，功率信號的路逕取決於其是DC信號還是AC信號。所施加的DC信號將採取通過高電感電感器204(其例如可以為大約ImH)並且經過二極體206的上部路徑202，抵達該圖右側的DC功率輸出部208。另一方面，所施加的AC將經過相對較低電感的電感器212 (其例如可以為大約17μ H)。AC能量經過電力變壓器214和橋式整流器216，以在 電路208的同一 DC功率輸出部生成DC功率。該傳感器生成在電路218的RF傳感器輸入部被接受並且反向I禹合至導電體對以向表面傳送的信號(通常為RF信號)。本發明人已經確定電隔離的井柱將使能關於所傳播的RF信號更好地匹配井柱阻抗。另外，並且同時地，這種隔離器將使能沿管道傳送AC和DC功率，以使功率在井中更深地起作用。無源功率切換方法和裝置允許向井下電路和負荷選擇性施加功率。(DC)井柱隔離器的物理實現通常需要魯棒的機械組件，其在組合成裝配件時可以可靠地支持高達200000磅的井柱管道，經得住劇烈的耦合扭矩，並且經得住化學和環境濫用。理論上，隔離器可能僅僅是在否則為實心的管道中的電介質中斷。在實際實踐中，這種隔離器需要利用足夠間隙裝配在井套管內，展示低的端至端電容，能夠避開數百伏特的施加電勢，並且或許更重要的是，以不會失敗的置信度被井場管理方接收。內置的故障保護設計特徵也可以有用，或者需要被用戶接受。根據本發明一實施例，用於DC隔離的技術包括與井管串聯地插入的陶瓷或其它不導電絕緣體。這例如可以被內置至管道的4腳部(統稱為「接頭(sub)」)。該陶瓷和管道部件可以被鉗制在一起，並且應當在不使管道部件短路的情況下被連接在一起。可以將絕緣塗層塗敷至裝配件的內外表面，作為橫跨該間隙的電擊穿防護。在一實施例中，到管道的RF (傳感器信號)和DC (功率)連接是通過公共連接進行的，並且信號分離在井外部電子地處理。已經繪製並構建了多個機械拓撲。許多已經展示出電阻值太低而無法實際使用。在實踐中，2000歐姆或更大的隔離值已經被證明有用。在圖3中例示了根據本發明一實施例的設置的示例。在圖3的示例中，表面處生成的功率信號是遞送至輸入部300的AC信號。該AC信號經由可以是上面關於圖1描述的鐵氧體變壓器類型的磁芯302耦合至導電體對。圖4例示了其中功率信號為DC信號的另選方法。如可以從圖3和4看出，主要差別是變壓器的使用，該變壓器例如可以是以帶繞鐵心製成的環狀鐵心變壓器，其在井柱管道上位於井口之下和一組RF鐵氧體芯304之上。在該方法中，較少匝數構成變壓器的初級側，而井管道構成變壓器的次級側繞組。在一示例中，其可以是單匝次級側繞組。DC隔離器方法中使用的傳感器模塊310和弓形簧扶正器312在這種AC應用中保持不變。按這種方式，由電源318生成的功率信號從下變壓器304提供給傳感器模塊310。在反方向上，傳感器模塊310生成向下變壓器304傳送的通信信號。該通信信號沿管道柱向上傳導至上變壓器302，並接著傳送至表面系統500 (如圖5所示)的接收器320。該電氣路徑通過上變壓器與下變壓器的未使用側上的管道柱接地，並且通過將表面系統和傳感器模塊310接地而完整化。在實踐中，套管通常被接地。由此，上變壓器之上的管道柱可以通過將管道柱經由井口耦接至套管而接地。下變壓器304之下的管道柱可以通過將管道柱例如經由弓形彈簧扶正器312連接至套管而接地。在一實施例中，該變壓器通過將管道柱用作每一個變壓器的一個繞組而形成。例如，在上變壓器，來自表面系統的功率信號被傳送至環繞管道柱定位的環形鐵心變壓器的初級側繞組。該管道柱本身是該變壓器的用於功率電路的單匝次級側繞組。類似的是，下變壓器是環繞管道柱的另一環形鐵心變壓器，並且對於功率電路來說，包括作為管道柱本身的初級側繞組、和連接至傳感器模塊310的次級側繞組。在該通信電路中，信號利用相同變壓器來傳送，儘管(與功率電路相比)每一個變壓器中的初級側繞組和次級側繞組的角色反轉。在一實施例中，用於AC隔離的技術包括構建在併入了 AC和RF磁性元件的鋼管道的短路部分上的隔離器。分離的AC和RF電氣連接部(分別為300、314)可以通過井口吊架316製成。用於RF信號的合適阻抗可以通過選擇RF磁性材料來建立。用於AC源的合適阻抗可以通過選擇AC變壓器特性來建立。在該方法中，由RF磁性元件建立的RF阻抗還受AC磁性元件的存在的影響，其表示針對RF的極高阻抗。同樣地，對於從傳感器組310起沿井柱向上行進的RF電流來說，可能必需提供環繞AC磁性元件至井口的電氣路徑。在該情況下，需要到井口的兩個不同的電氣連接。實際上，功率頻率例如可以在5kHz與200kHz之間。另一方面，用於數據的RF頻率可以在3MHz與8MHz之間。在一實施例中，功率在I與IOkHz之間的範圍內提供，而數據利用頻率處於15與30kHz之間的範圍中的頻移鍵控調製方案來傳送。RF範圍以上的功率頻率理論上可用。傳感器數據頻率還可以在前述範圍之外選擇。因為功率信號和傳感器信號的傳送頻率不同，所以可以在表面系統500處和/或在傳感器模塊310處利用濾波來分離它們。作為經由鑽柱的、基於變壓器的功率和通信傳送的結果，可能不需要電流限制或定向裝置(即，用於確保電流沿管道向上或向下流動的裝置)。因為不需要沿管道柱的定向功率和數據傳送，所以與其在需要電流定向裝置的情況下相比，趨於不太容易衰減。這又允許在傳感器模塊中使用低功率(例如，小於〈10V)傳感器。這些低功率傳感器使得該系統能夠整體上容忍電源與井下傳感器之間的顯著衰減。圖6是根據本發明一實施例的傳感器模塊600裝配件的框圖。如將清楚，傳感器模塊600類似於圖2所示的排布結構，並且表示例示類似概念的另選方法。傳感器模塊600經由運送功率信號和傳感器數據信號兩者的總線602連接至下變壓器。低通濾波器604將低頻功率信號傳遞至由變壓器606、整流器608以及電壓調節器610構成的傳感器模塊功率電路。將功率提供給微處理器612和一個或更多個數字計量器614,其中每一個例如可以是從Quartzdyne, Inc.0f Salt Lake City, UT可獲得的Quartzdyne 計量器。這種計量器構成石英諧振器，並且通常與附隨的振蕩器電路和處理器(例如，頻率計數器)一起封裝，並且可以包括基準和溫度晶體連同它們各自的振蕩器電路。來自計量器614的輸出被提供給處理器612，其處理該數據並且通過頻率調製器616輸出通信信號。該通信信號經由總線602和下變壓器反向傳遞至管道柱。高通濾波器618 (其可以是電容器)結合低通濾波器604將通信信號與功率路徑隔離。表面系統500的充當計量器接口模塊的一部分按框圖形式在圖7中更詳細地示出。總線702與上變壓器302連通。串行輸入部704從電源(未示出)獲取功率。MPU706管理輸入的功率並且經由低通濾波器708、數字衰減器710以及功率放大器712輸出該功率。功率監視器714感測輸出的功率，並且將有關感測功率的數據返回至MPU706。在所示實施例中為電感器的第二低通濾波器716將功率信號傳遞至總線702，並且排除從傳感器模塊返回的更高頻率數據信號。該數據信號代替地經由高通濾波器718傳遞至解調製器720，並由此傳遞至MPU706。來自MPU的輸出可以經由乙太網連接722或其它類型的連接傳遞。圖8是例示與圖4所示的排布結構類似的排布結構，並且表示例示的類似概念的另選方法。如上所述，該方法利用陶瓷絕緣管道接頭，以便隔離管道的一部分。一個絕緣接頭形成上隔離器319，而另一絕緣接頭形成下隔離器321。中間管道部分802變為用於系統中的信號和功率的傳輸線路。與變壓器實施例類似的是，管道柱將功率信號從正好位於上陶瓷絕緣管道接頭(上絕緣體319)之下的連接點傳導至正好位於下陶瓷絕緣管道接頭(下絕緣體321)之上的連接點。將功率信號從正好位於下絕緣體321之上的連接點提供給傳感器模塊/計量器裝配件310。按逆向，傳感器模塊310生成向正好位於下絕緣體321之上的連接點傳送的通信信號。該通信信號沿管道柱向上傳導至正好位於上絕緣體319之下的連接點並接著傳送至表面系統500。該電氣路徑通過將上陶瓷絕緣管道接頭之上和下陶瓷絕緣管道接頭之下的管道柱接地，並且通過將表面系統和傳感器模塊接地來完整化。在實踐中，套管通常被接地。由此，上陶瓷絕緣管道接頭之上的管道柱可以通過將管道柱經由井口耦接至套管而接地。下陶瓷絕緣管道接頭之下的管道柱可以通過將管道柱例如經由弓形彈簧短路扶正器連接至套管而接地。在實驗測試中，本發明人布置匹配現場測試損耗的多達17000英尺的同軸線纜(即，仿真典型深井的深度)。遠程全波AC功率整流器/濾波器被設置在線纜端部處，以提供用於放大傳感器信號的DC功率。低頻60赫茲AC電壓沿線纜向下傳送。其在線纜終點處提供大約10伏特的DC(整流器/隔離器外部)。所放大的傳感器信號(頻率峰值)利用HF無線電檢測器在表面處接收。這個步驟允許在表面處每秒鐘接收超過120個讀數。
在一個實施例中，諸如壓力或溫度的參數利用作為用於向傳感器(和其它關聯裝置)供電和用於傳輸來自傳感器的數據信號的路徑兩者的井柱硬體按很大深度測量(單獨地或同時地)。同樣地，該技術將同一導電系統用於功率路徑和用於參數數據的信號路徑兩者。所施加的功率可以是按不同頻率的DC和/或AC功率，以適應多個低供電遠程功能或包括人工舉升系統(泵)的高供電用途。該技術使用井管道和套管作為用於將功率向下運送至遠程供電傳感器組或關聯裝置的導電體對(CP)。這利用正好在管道柱吊架(表面處)之下的磁心(變壓器狀)AC耦合器或絕緣管道部件319和管道柱終端部附近的用於DC應用的類似絕緣管道部件321來實現。該管道利用環形絕緣體間隔體(「扶正器」)保持在井套管中央，以使得該導電體對(管道和套管)彼此不電短路。在管道柱端部處，在下絕緣管道部件之下，應當有導電「封隔器(packer)」或弓形彈簧扶正器312或其它機構，以使與套管進行接觸來完整化該電路。如將清楚地，通過孔上電子分離/隔離功率和信號，該同一導電體對可以執行為到井口的路徑，以處理來自傳感器組的數據。本領域技術人員應當明白，在此使用的選擇頻率過濾方法用於分離功率與信號和分離功能與功能。該過程使用將關注的參數轉移至低功率射頻(RF)發送器的傳感器。每一個發送器的載波被調製成向表面水平儀表提供嵌入數據。接著，該RF載波在表面電子裝置處解調製以供使用。在此描述的井硬體的CP排布結構的第二用途是向電潛泵(ESP)系統供電，以人工舉升生產區中的流體。經由管道柱向ESP發送的功率可以被用於利用和反向去往表面儀器的RF路徑相同的CP，用來自那些傳感器的信號向所附接的傳感器系統供電。在一實施例中，用於命令井下的各種功能的方法可以通過利用遠程閥位置處的諧振頻率選擇網絡選擇將執行各種分離的遠程操作(即，多區域閥控制等)的特定功率頻率來實現。本領域技術人員應當清楚，在此描述的所公開實施例僅僅作為示例，並且將存在許多變型例。本發明僅通過權利要求書來限定，其涵蓋在此描述的實施例以及對於本領域技術人員清楚的變型例。另外，應當清楚，這裡在任一個實施例中示出或描述的結構性特徵或方法步驟同樣可以在其它實施例中使用。
權利要求
1.一種用於測量表面之下的鑽孔中的井下環境中的狀態的系統，該系統包括: 源，被構造並設置成經由鑽孔中的鑽柱來傳送功率信號； 傳感器模塊，經由鑽柱與該源電連通，該傳感器模塊包括振蕩器，該振蕩器具有隨著井下環境中的狀態的改變而改變的諧振頻率，該傳感器模塊被構造並設置成接收來自該源的功率，並且響應於井下環境中的狀態而生成傳感器信號，並經由鑽柱將該信號傳送至表面；以及 檢測器，經由鑽柱與傳感器模塊電連通，並且被構造並設置成接收傳感器信號。
2.根據權利要求1所述的系統，還包括: 上變壓器，被構造並設置成接收來自該源的功率信號並將該功率信號耦合至鑽柱，並且接收來自鑽柱的傳感器信號並將該傳感器信號耦合至檢測器；和 下變壓器，被構造並設 置成接收來自鑽柱的功率信號並將該功率信號耦合至傳感器模塊，並且接收來自傳感器模塊的傳感器信號並將該傳感器信號耦合至鑽柱。
3.根據權利要求1所述的系統，還包括: 上絕緣體，被構造並設置成將鑽柱的一部分與表面電隔離；和下絕緣體，被構造並設置成將鑽柱的所述部分與鑽柱的遠端部電隔離，上絕緣體和下絕緣體限定用於傳送功率信號和傳感器信號的鑽柱的導電部分的相應端部。
4.根據權利要求1所述的系統，其中，該傳感器模塊還包括功率調節電路。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，該傳感器模塊還包括濾波器，該濾波器被構造並設置成分離功率信號和數據信號。
6.根據權利要求5所述的系統，其中，該濾波器包括低通濾波器，該低通濾波器被構造並設置成經由功率調節電路向振蕩器傳遞功率信號，並且其中，該傳感器模塊還包括: 頻率調製器，被構造並設置成調製傳感器信號以向檢測器發送；和高通濾波器，被構造並設置成傳遞所調製的傳感器信號並且衰減否則將傳送至檢測器的功率信號的部分。
7.根據權利要求1所述的系統，其中，該檢測器和源共同包括表面系統，並且其中，該表面系統還包括濾波器，該濾波器被構造並設置成分離功率信號和數據信號。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，該濾波器包括低通濾波器，該低通濾波器被構造並設置成從源向功率調節電路傳遞功率信號，並且其中，該表面系統檢測器還包括: 附加低通濾波器，被構造並設置成從功率調節電路向鑽柱傳遞功率信號，並且衰減否則將向功率調節電路傳送的傳感器信號的部分； 高通濾波器，被構造並設置成衰減功率信號並向解調製器傳遞傳感器信號，該解調製器被構造並設置成解調製傳感器信號並向檢測器傳遞所解調製的傳感器信號。
9.根據權利要求1所述的系統，還包括短路電路，該短路電路定位在鑽孔中傳感器模塊之下，並將鑽柱連接至鑽孔的套管。
10.一種用於測量表面之下的鑽孔中的井下環境中的狀態的方法，該方法包括: 經由鑽孔中的鑽柱來傳送功率信號； 在包括振蕩器並且定位在井下環境中的傳感器模塊處接收來自源的功率，該振蕩器具有隨著井下環境中的狀態變化而變的諧振頻率； 經由鑽柱從傳感器模塊朝表面傳送傳感器信號；在表面檢測傳感器信號；以及 在接收和檢測期間分開功率信號和傳感器信號，同時允許功率信號和傳感器信號在發送期間經由鑽柱行經共同路徑。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，分開功率信號和傳感器信號包括:基於頻率來對這些信號濾波。
12.根據權利要求10所述的方法，其中，分開功率信號和傳感器信號包括:在發送功率信號之前對組合的功率信號與傳感器信號進行低通濾波。
13.根據權利要求10所述的方法,其中，分開功率信號和傳感器信號包括:在在表面檢測傳感器信號之前對組合的功率信號與傳感器信號進行高通濾波。
14.根據權利要求10所述的方法，還包括:在鑽柱的在傳送步驟中使用的一部分的頂部和該部分的底部處用相應的絕緣接頭裝配件隔離該部分。
15.根據權利要求10所述的方法，其中該功率信號和傳感器信號通過一對變壓器耦合至鑽柱，一個變壓器限定鑽柱的在傳送中使用的一部分的頂部，而另一變壓器限定該部分的底部。
全文摘要
可以使用一系統(100)、方法以及裝置來監測鑽孔中的狀態。井管道和套管(120)充當用於向一個或更多個井下有源傳感器(124，310)遞送功率的導電體對。在表面，將功率與信號隔離，以使得同一導電體對可以用於向表面傳送傳感器信號。在一實施例中，該傳感器信號是RF信號，並且表面電子裝置(112，114，118)從傳感器功率解調製RF信號。
文檔編號E21B47/12GK103221635SQ201180054173
公開日2013年7月24日 申請日期2011年11月11日 優先權日2010年11月12日
發明者M·E·岡薩雷斯, M·C·湯普森, R·L·維爾利弗德, D·W·貝克 申請人:雪佛龍美國公司