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专利名称：并入晶体振荡器的用于测量的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及远程感测，并且更具体地涉及利用基于晶体振荡器的传感器来感测温度和/或压力。
背景技术：
在资源回收方面，可以有用的是，在远离观察者的位置监测各种状态。具体来说，可以有用的是，在出于勘探或生产目的而钻出的钻孔(borehole)底部处或其附近提供状态监测。因为这种钻孔可以延伸几英里，所以提供用于这种监测的有线通信系统并不总是可行。美国专利No. 6766141 (Briles等人)公开了ー种用于远程井下遥测的系统。该遥 测通信用于位于气或油回收管底部附近的油井监测和记录仪器。经调制的反射被描述为用于监测井下状态。如在美国专利No. 6766141中所述，射频(RF)发生器/接收器基站与管道电通信。RF频率被描述为3Hz与30GHz之间的电磁辐射。具有反射天线的井下电子�？榻邮绽醋訰F发生器/接收器的辐射载波信号。电子�？樯系奶煜呖梢跃哂信孜锵呋蚱渌�聚焦形状。接着，将辐射载波信号按调制方式反射，该调制响应于电子�？橹葱械臏y量。所反射的已调制信号被管道发送至井的表面，在那里可以被RF发生器/接收器检測。

发明内容
本发明的一实施例的一方面包括电磁能量源，该电磁能量源操作以在该钻孔中发送电磁信号；传感器模块，该传感器�？榘�括无源谐振电路，该无源谐振电路包括晶体振荡器，该晶体振荡器具有随着井下环境中的状态的改变而改变的谐振频率，以反射该电磁信号并响应于钻孔中的井下环境的状态来调制该电磁信号；以及检测器，该检测器可定位成接收经反射的已调制电磁信号。


本领域技术人员在结合附图阅读下面的详细描述时，将容易地明白在此描述的其它特征，其中图I是根据本发明ー实施例的、用于询问表面之下的钻孔中的井下环境的系统的示意性例示图；图2是根据本发明ー实施例的、并入压力或温度传感器的传感器封装的示意性例示图；图3是根据本发明ー实施例的、并入基于晶体振荡器的传感器的电路的示意性例示图；图3A是根据本发明ー实施例的、并入基于晶体振荡器的传感器和电容式传感器的电路的示意性例示图；以及
图4是根据本发明ー个或多个实施例的、并入多个传感器的封装的示意性例示图。
具体实施例方式图I例示了用于监测地下钻孔中的状态的装置100的示例。该装置100包括用于使电磁能量传导通过钻孔的电磁传输介质，如导电线路102。本领域普通技术人员应当清楚，导电线路102可以根据钻孔的状况而采用不同形式或实施例。由此，例如，导电线路102可以包括处于已完成钻孔中的采油管柱(production tubing string)或建设中的钻孔中的钻柱。在导电线路102顶部附近，设置有变换器104以将导电管耦接至电磁能量源。可以采用针对变换器104的另选耦接方法。例如，该传输线路可以直接耦接至同轴电缆或任何其它合适电缆。在所示的示例实施例中，变换器104包括铁氧体环叠层106和环绕这些环缠绕的 电线108。电线108包括可以耦接至信号发生器112的导线110，信号发生器可以被配置成在需要或希望时生成脉冲或连续波信号。电线108还可以耦接至接收器114。接收器114可以被具体实施为包括用于接收来自装置100的信号以存储、处理和/或显示的总线的计算机。在这点上，计算机114可以设置有显示器118，该显示器118例如可以包括图形用户接ロ。计算机114可以被编程以处理经调制的频率以提供对所感测的特性的測量。计算机114可以执行对所检测的信号的任何希望处理，包括但不限干，对经调制的振动频率的统计(例如，傅立叶)分析、信号的解卷积、与另一信号的相关等。可以被用于执行任何合适的频率检测的商业产品是容易获得并且对于本领域技术人员是已知的。另选的是，该计算机可以在存储器或可存取存储装置中设置有查找表，该查找表使所接收的经调制的频率与所感测的声能相关联。在典型钻井应用中，钻孔将与被用于向钻孔提供结构性支承的钻孔套管(casing)120看齐。该套管120通常由诸如铁的导电材料制成，在该情况下，其与线路102配合以形成同轴传输线路，并且不必提供任何附加导电介质。在该套管不导电的情况下，可以将导电套筒(未示出)设置在该套管内以形成同轴结构。为了保持线路102与套管120之间的间距，装置100可以包括沿导电线路102周期性地放置的电介质环122。间隔体例如可以被配置为绝缘的定中心器，其可以是由任何合适材料(包括但不限于尼龙或聚四氟こ烯(PTFE))形成的盘。虽然所示实施例使用同轴传输线路，但可设想的是，可以采用传输线路的另选实施例，如单ー导电线路、成对导电线路、或波导管。例如，该套管可以独自充当针对某些频率的电磁波的波导管。此外，同轴电缆的长度可以在全部或部分线路中使用。这种同轴电缆在不能将电介质流体用于套管120内时(例如，在盐水或其它导电流体存在于套管120中吋)可以特别有用。将探针部分124定位在装置100的远端部附近。原则上，探针部分可以位于沿传输线路的长度的任何点处。实际上，可以沿长度按间隔放置多个这种探针部分，尽管这将趋于产生附加的信号处理负担，以便区别来自几个探针的信号。按不同频率设置每个探针的自然谐振频率原则上允许同轴线路上的ー类波长复用，其可以简化处理。 探针部分包括端ロ 126，该端ロ 126被配置成将来自存在于钻孔中的流体的环境压カ传送到探针，在探针处可以通过传感器(图I中未示出)来感测该环境压力。下面，探针被示例为封隔器(packer) 128和封隔器齿130。在使用时，信号发生器112生成通过传输线路传送至探针124的电磁脉沖。在另选布置中，脉冲可以如美国专利申请No. 11/898066 (其通过引用并入于此)中所述地局部生成。探针包括传感器，该传感器包括谐振电路部分，该谐振电路部分在接收到脉冲时调制并且沿传输线路重发射或反射该脉沖。谐振电路例如可以是储能电路(tankcircuit),其包 括电感组件和电容组件。在一实施例中，如图2所示，基于晶体的振荡器200充当L-C储能电路。外壳202的结构在ー个端部处具有压カ馈入管204，该压カ馈入管允许来自钻孔环境的、已经由端ロ126进入的压カ传递到传感器200的内部空间206中。在该内部空间中，该压カ被传送至柔性膜片208或其它压カ反应结构。该膜片208的运动被传送至石英晶体210，或诸如磷化镓的其它压电晶体。随着压力被传送至石英晶体的晶棱，其谐振频率改变。通过正确选择该晶体的面的方向，可以使传感器更敏感于压カ或温度(例如，AC截割)。对于压カ监测来说，该晶体应优选地对压カ敏感，而对于温度相对不太敏感(例如，AT截割)。此外，对于监测伴随相对高的频率响应的压カ变化来说(例如，监测声频)，有用的是，通常使晶体相对较薄(例如，O. 2mm-2. 0mm)，并且典型尺寸为直径在Icm的数量级。复位弹簧机构214可以被设置成将晶体210及其保持器向馈入管204偏置，并由此趋于使该膜片返回至中立位置。设置馈电通孔216以将传感器200耦接至传感器电路(未示出)。传感器200可以经由如图3所示的导电铁氧体环400耦接至传输线路。电气导线402被设置通过传感器模块的馈电通孔216。导线402绕铁氧体环400耦合电线环路。在这个实施例中，振荡器具有L-C电路的特性，并且铁氧体环基本上充当变换器，以将该振荡器耦接至该传输线路。图3A例示了涉及压力传感器配置的另选实施例。在这个实施例中，将对温度相对不敏感的晶体(例如，AT截割晶体)与环境压カ隔离，而将电容压力响应部件404与传感器200’串联设置，并且使其暴露于环境压力。在这种配置中，铁氧体环400再次充当变换器，而与晶体传感器200’相组合的电容式传感器404充当L-C储能电路。该晶体传感器200’将随大部分取决于电容式传感器404的电容的频率谐振。在这种情况下，该电容式传感器起作用以按照在该电容器处感测的压カ来牵拉晶体振荡器的基频。图4例示了根据本发明实施例的用于传感器的封装。将许多传感器500设置在公共外壳502内。对于姆个传感器500,存在对应的铁氧体环400,其设置在外壳502的由电介质材料(例如，PTFE)制成的部分504中。虽然传感器与环通常具有一対一的比率，但还可以使ー个环对应于两个或甚至更多个传感器。如上所述，环400将传感器耦接至传输线路102。传感器再被保持在传感器模块的金属块部分506中。管道508被抒到金属块中，以便确定地(positively)定位传感器封装。在典型应用中，该管道可以构成采油管道本身，或者采油管柱的延伸部。如将清楚，可以将压力传感器和温度传感器组合在单一封装中，以使得可以使用温度測量来帮助考虑压カ传感器的温度相关漂移。为考虑井相关而非温度或压カ相关的作为响应的变化，可以连同主传感器一起并入校准晶体传感器。在该方法中，校准晶体传感器设置有其本身的电源，例如，电池。所得到的传感器与井阻抗隔离，消除井相关效应。作为示例，传感器电路可以包括晶体管，该晶体管部分地起作用以在低电カ时隔离校准晶体传感器。虽然电池可以具有有限寿命，但可以在电池寿命期间使用来自校准晶体传感器的測量，并接着在校准传感器期满之后将生成的校准数据应用于正在进行的測量。在这点上，可以在该电池寿命期间生成校准曲线或校准查找表并且对其进行存储以供后期測量使用。另一方法是使用与环境压カ隔离的对温度不敏感的晶体，类似于在图3A的压カ传感器中使用的。在该变型例中，与压カ隔离并且对于温度相对不敏感的晶体信号仅对其所位于的井的特定电磁传输特性起反应。因此，其输出可以被看作不受其它环境因素影响的、对井移位的表示。如将清楚的，该方法可以结合先前描述的被供电的校准传感器使用，以提供有关井移位现象的性质的附加信息。在这点上，该被供电的传感器可以被用于在电源活动的时段期间校准井移位监测晶体传感器。一旦电源耗�。�那么不被供电的井移位监测晶体传感器可以根据先前測量并存储的校准信息继续被使用。本领域技术人员应当清楚，在此描述的公开实施例仅仅作为示例，并且存在许多 变型例。本发明仅通过权利要求书来限定，其涵盖在此描述的实施例以及本领域技术人员清楚的变型例。
权利要求
1.一种用于询问表面之下的钻孔中的井下环境的系统，该系统包括 电磁能量源，操作以在钻孔中发送电磁信号； 传感器�？椋�包括无源谐振电路，该无源谐振电路包括晶体振荡器，该晶体振荡器具有随着井下环境的状态改变而改变的谐振频率，以使得在使用时响应于钻孔中的井下环境的状态来反射电磁信号和调制电磁信号；以及 检测器，定位成接收反射的经调制的电磁信号。
2.根据权利要求I所述的系统，其中，该传感器�？榛拱�括 电源； 校准晶体振荡器，操作地与电源连通，并且被配置成根据井下环境的状态来调制来自电源的信号，以生成校准信号； 传输线路，与该校准晶体振荡器电连通，该传输线路被配置和布置成发送校准信号；并且其中，该系统还包括 处理器，被配置和布置成在使用时接收经调制的电磁信号和校准信号，并且基于接收的信号来计算针对井下环境的状态的经校准的值。
3.根据权利要求I所述的系统，其中，晶体振荡器具有沿一晶体方向的面以使得与温度的变化相比，其对于压力的变化相对更敏感。
4.根据权利要求I所述的系统，其中，晶体振荡器具有沿一晶体方向的面以使得与压力的变化相比，其对于温度的变化相对更敏感。
5.根据权利要求I所述的系统，其中，所述状态包括从由温度、压力及其组合构成的组中选择的状态。
6.根据权利要求I所述的系统，其中，所述状态是井下环境中的压力，晶体振荡器与环境压力隔离，并且该系统还包括与晶体振荡器串联的电容式压力传感器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，晶体振荡器以机械方式耦接至压力响应装置，以使得在使用时将由压力响应装置接收的井下环境中的压力作为力发送至晶体的晶棱，以改变晶体振荡器的谐振频率。
8.根据权利要求I所述的系统，其中，传感器�？榘�括另一无源谐振电路，该另一无源谐振电路包括另一晶体振荡器，其中，所述晶体振荡器按使其与压力的变化相比对于温度的变化相对更敏感的方式沿一晶体方向截割，而所述另一晶体振荡器按使其与温度的变化相比对于压力的变化相对更敏感的方式沿一晶体方向截割。
9.根据权利要求I所述的系统，其中，传感器�？榛拱�括 校准晶体振荡器，该校准晶体振荡器与钻孔中的环境压力基本隔离，并且被配置成生成表示钻孔的井相关特性的校准信号； 处理器，被配置和布置成在使用时接收经调制的电磁信号和该校准信号，并且基于接收的信号计算针对井下环境的状态的经校准的值。
10.一种用于询问表面之下的钻孔中的井下环境的方法，该方法包括 在钻孔中发送电磁信号； 利用包括无源谐振电路的传感器�？榉瓷涞绱判藕牛�该无源谐振电路包括晶体振荡器，该晶体振荡器具有随着井下环境的状态改变而改变的谐振频率； 根据响应于钻孔的井下环境状态而变化的谐振频率，调制电磁信号；以及接收反射的经 调制的电磁信号。
全文摘要
一种用于询问表面之下的钻孔中的井下环境的系统、方法和装置，其包括电磁能量源，操作以在钻孔中发送电磁信号；传感器�？椋�包括无源谐振电路，该无源谐振电路包括晶体振荡器，该晶体振荡器具有随着井下环境的状态改变而改变的谐振频率，以反射电磁信号，并且响应于钻孔的井下环境状态来调制电磁信号；以及检测器，定位成接收反射的经调制的电磁信号。
文档编号G01L9/00GK102713547SQ201080061121
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月19日 优先权日2009年11月30日
发明者D·M·科茨, D·N·西纳, J·R·阿尔楚莱塔, M·C·汤普森, M·E·冈萨雷斯 申请人:洛斯阿拉莫斯国家安全有限责任公司, 雪佛龙美国公司