(57)【要約】【課題】油井または他のブラインドホールから温度および圧力の測定結果を取り出すシステムおよび方法を提供する。【解決手段】センサアレイが、光伝送線１４に結合された、油井などの穴の中に挿入されるノード１２のアレイを含む。ノードは、変換器１６、エンコーダ１８、および送信器２０を備える。変換器は、温度や圧力などの環境条件を検知する。エンコーダは、どのノードが読取値を生成したのかを示すために、変換器１６からの読取値を、特性周波数を用いて符号化する。センサ送信器２０は、符号化読取値を、油井の開口部または他のブラインドホールに近接して位置するデコーダ２２に送信する。パワーが、伝送線１４を介してノード１２に送信される。ノードにおける光電コンバータ２８が、光出力を、ノードにパワー供給するために貯蔵される電気エネルギーに変換する。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出器（２４）およびパワー信号を放出するパワー送信器（３０）を備えるデコーダ（２２）と、
前記パワー信号を送信するのに有効な前記デコーダ（２２）と通信する光伝送線（１４）と、
前記伝送線（１４）と通信する複数のノード（１２）とを含むセンサアレイであって、各前記ノード（１２）は、
前記パワー信号を電気エネルギーに変換するように構成された変換器（２８）と、
前記電気エネルギーを貯蔵するように構成されたコレクタ（３２）と、
前記コレクタ（３２）に結合された、環境条件を検知するように構成された変換器（１６）と、
前記コレクタ（３２）および前記変換器（１６）と通信する、前記変換器（１６）からの読取値を符号化するように構成されたエンコーダ（１８）と、
前記エンコーダと通信する、前記符号化読取値を、前記伝送線（１４）を介して前記検出器（２４）に送信するように構成されたセンサ送信器（２０）とを備え、
前記デコーダ（２２）は、前記複数のノード（１２）からの前記符号化読取値を復号するように構成される、センサアレイ。
【請求項２】
前記エンコーダ（１８）はさらに、各ノードに固有の特性周波数成分を有する信号を生成するように構成される、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項３】
前記デコーダ（２２）は、前記特性周波数成分を検出し、前記符号化信号を前記複数のノード（１２）のうちの１つに前記特性周波数成分に従ってマップする、請求項２に記載のセンサアレイ。
【請求項４】
前記環境条件は、温度および圧力の少なくとも一方である、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項５】
前記センサ送信器（２０）は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項６】
前記変換器（１６）は、炭化ケイ素基板上に形成される、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項７】
ダウンホール条件を測定する方法であって、
各複数のノード（１２）が、伝送線（１４）に結合され、かつ環境条件を検知するように構成された変換器（１６）を備え、前記複数のノード（１２）をブラインドホールの中に挿入するステップと、
光エネルギーを、前記伝送線（１４）を介して前記ノード（１２）に送信するステップと、
前記光エネルギーを電気エネルギーに変換するステップと、
前記電気エネルギーを前記複数のノード（１２）に貯蔵するステップと、
前記複数のノード（１２）における環境条件を、前記貯蔵電気エネルギーによって電力供給される前記変換器（１６）を用いて検知するステップと、
前記変換器（１６）からの出力を、各前記複数のノード（１２）を一意に識別する値に従って符号化して、符号化読取値を生成するステップと、
前記符号化読取値を、前記貯蔵電気エネルギーを用いて、前記伝送線（１４）を介して検出器（２４）に送信するステップと、
前記符号化読取値を、前記複数のノード（１２）のうちの１つを識別する値と前記出力に対応する値とに復号するステップと、
を含む方法。
【請求項８】
前記読取値を符号化するステップは、各ノード（１２）に固有の特性周波数成分を有する信号を生成するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記符号化読取値を復号するステップは、前記符号化信号を、前記特性周波数成分に対応するセンサ位置にマップするステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記環境条件は、温度および圧力の少なくとも一方である、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
近代的な石油掘削には、石油産出量を最大にするために、掘削条件の正確な測定を必要とする。近代的な油井は一般に、表面下２〜７マイル（３．２〜１１．３キロメートル）に位置する含油層まで下方に延びる主軸を含む。他の補助軸は、油田の様々な領域から石油を収集するために、主軸から横方向に延長することができる。補助軸に連結されたバルブは、石油が各補助軸から抽出される量を制御する。
【０００２】
温度および圧力の測定結果が一般に、坑井の生産性を評価するために使用される。複数の補助軸が使用される場合、温度および圧力の測定結果は、補助軸のうちのどれがもっとも生産的であるかを決定するために使用される。次いで、補助軸を主軸に連結しているバルブは、産出量を最大にするように開閉される。したがって、油井の底の状態の正確な測定が、産出量を最大にするために極めて重要である。
【０００３】
温度および圧力を測定する際の主要な難題は、測定値を表面に送信することにある。油井の底まで３．２〜１１．３キロメートル（２〜７マイル）延びる電線は、スペースを占有しており、したがって軸を通る流れを制限する補強ケーブルがなければ、その自重で破断することになる。この長さでは、クロストーク、ノイズ、周波数依存減衰、チャーピングなどの影響により、個別ケーブルの帯域幅が大幅に制限される。一部のシステムでは、圧力波が、掘削スラリを搬送する管を通じて油井の底まで伝達される。しかし、この方法は、非常に低い（１〜２ヘルツ）データ転送速度に限定され、したがって、限られた情報しか供給することができない。測定は一般に、各補助軸および含油層内の主軸部分に沿った複数部分で行われる。したがって、必要とされるデータ伝送量は非常に大きい。
【０００４】
上記を考えると、油井の含油層内の圧力および温度の正確な測定を可能にするとともに、表面への高いデータ伝送速度を与えるシステムを提供することが、当技術分野の発展になるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、油井または他のブラインドホールから温度および圧力の測定結果を取り出すシステムおよび方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、本発明は、光伝送線に結合されたノードのアレイを含む。ノードは、変換器、エンコーダ、および送信器を備える。変換器は、温度や圧力などの環境条件を検知する。エンコーダは、どのノードが読取値を生成したのかを示すために、変換器からの読取値を符号化する。送信器は、符号化読取値を、油井の開口部または他のブラインドホールに近接して位置するデコーダに送信する。符号化読取値は、伝送側ノードおよび読取値を同定するために、デコーダによって解析される。
【０００７】
いくつかの実施形態では、ノードは、光電コンバータおよびコレクタを含む。デコーダに近接する伝送線に結合された送信器は、パワー信号を放出する。光電コンバータは、変換器、エンコーダ、およびノードの送信器に電力供給するために、パワー信号を、コレクタによって貯蔵される電気エネルギーに変換する。
【０００８】
代替実施形態では、別個のパワー伝送線がノードにパワーを供給し、データ伝送線が符号化読取値をデコーダに搬送する。もう１つの代替実施形態では、別個の伝送線が、固有の特性周波数成分を有する各ノードにまで延びる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の好ましい実施形態および代替実施形態について、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図１Ａを参照すると、センサアレイ１０は、それぞれがデータ伝送線１４に結合されている複数のノード１２を含む。ノード１２の数は、可変であるが、伝送線１４のデータを運ぶ能力に応じて、単一伝送線１４上に最大で何千という数にすることができる。ノード１２のそれぞれは、温度、圧力、ｐＨ（ペーハー）、動き、などの物理的特性を測定するのに適した１つまたは複数の変換器１６を備える。変換器１６の出力は、エンコーダ１８によって符号化され、符号化された信号は、送信器２０によって伝送線１４を用いて、送信信号を検出する検出器２４を備えるデコーダ２２に送信される。
【００１０】
エンコーダ１８は一般に、符号化信号が、ノード１２のうちのどれが信号を送信したのかを示すように、変換器１６の出力を符号化する。例示の実施形態では、エンコーダ１８は、ノード１２に割り当てられた搬送周波数に、変換器１２によって出力された値を通信する信号を重畳する。エンコーダ１８は、その信号を、周波数変調や振幅変調などの符号化手段を用いて重畳する。変換器１６の出力は、符号化する前後にデジタル信号に変換されてもよい。他の実施形態では、エンコーダ１８は、ノード識別子と伝送線１４に沿って送信するための変換器出力とを含む、インターネットプロトコル（ＩＰ）データパケットなどのデータパケットを生成する。デコーダ２２は、送信された信号を、変換器からの読取値を表す値と、読取値を送信したノード１２を示す値とに符号化する。読取値および伝送側ノードを表す値は、デコーダのメモリ２６に保存されてもよく、あるいは汎用コンピュータなどの他の装置に送信されてもよい。ノード識別子は、ノード１２の位置に対応することができる。したがって、デコーダ２２は、読取値をノード位置にマップすることができる。
【００１１】
好ましい実施形態では、光電コンバータ２８が、伝送線１４に結合される。コンバータ２８は、デコーダ２２に近接する送信器３０によって放出された光を電流に変換する。送信器３０によって放出された光は、ノード１２の送信器２０によって放出された光とは異なる波長を有していてもよい。あるいは、それらは同一波長でもよく、デコーダ２２は、周波数に基づいてそれらを区別することができる。電流は、コンデンサや高温電池などのコレクタ３２に貯蔵される。コレクタ３２は、変換器１６、エンコーダ１８、および送信器２０に電力を供給する。１つまたは複数の電圧調整器３４が、コレクタ３２と、変換器１６、エンコーダ１８および送信器２０との間に置かれてもよく、したがって、それらへの電流フローは、測定を行うとともにその結果をデコーダ２２に送信するために、十分に大きな電荷がコレクタ３２内に蓄積した後でしか可能にならない。
【００１２】
図１Ａの実施形態では、伝送線１４は光ファイバである。ノード１２は一般に、伝送線１４に結合されたシリコン系構造体である。送信器２０およびコンバータ２８は、油井内に存在する温度および圧力に耐えることができる結合器３６を用いて、伝送線１４に接続される。結合器３６の一例は、共に高温で使用することができるガラス繊維および金属で製作される。好ましい実施形態では、変換器１６、エンコーダ１８、および送信器２０は、単一シリコンチップ上に形成される。いくつかの実施形態では、それらは、炭化ケイ素チップ上に形成される。送信器２０は一般に、チップ上に形成された、高い温度および圧力に耐えうるガラスで形成されたレンズを有するＬＥＤとして形成される。結合器３８は、送信器３０および検出器２４を伝送線１４に結合する。１つまたは複数の光結合器３６は、送信器２０およびコンバータ２８を伝送線１４に接続する。
【００１３】
動作中、デコーダ２２は、ノード１２のうちのいずれかが読取値を送信したかどうかを決定するために、考えられる周波数帯域のそれぞれで連続的に受信することができる。あるいは、デコーダ２２は、複数のノード１２からの信号を同時に検出し、搬送信号周波数に従って複合信号を解析して、ノード１２のうちのどれが読取値を送信しているのかを決定し、その読取値を符号化する。
【００１４】
図１Ｂを参照すると、代替実施形態では、センサアレイ４０は、複数のノード４４のうちの１つに関連する周波数に従って周期的に変化する強度を有する信号を送信する送信器３０を備えるデコーダ４２を有する。ノード４４は、コンバータ２８とコレクタ３２との間に置かれた帯域通過フィルタ４６を含む。帯域通過フィルタ４６は、狭周波数帯から外れた信号を大幅に減衰させる。したがって、送信器３０によって送信される信号の周波数に調整された帯域通過フィルタ４６を備えるノード４４だけが、コレクタ３２内に大きな電荷を収集することになる。フィルタ４６の出力を直流電流に変換するために、整流器（図示せず）がフィルタ４６とコレクタ３２との間に置かれてもよい。
【００１５】
一実施形態では、送信器３０は、各ノード４４に対応する周波数でパワー信号を送信することによって、各ノード４４に対してポーリングする。各ノード４４は、電力供給されたときに読取値を受け取り、その読取値を検出器２４に送信する。図１Ｂの実施形態では、エンコーダ１８は、各ノード４４から除去される。デコーダ４２は、いくつかの周波数を１ステップずつ実行していくエンコーダ４８を備えていて、周波数に対応するノード４４にパワー供給するために、十分な時間をかけて各周波数で信号を生成する。次いで、各ノード４４から受信される信号は、検出器２４で信号を受信する直前に送信器３０によって生成された信号の周波数に従ってノード４４にマップされる。別法として、ノード４４から受信される読取値が、実際にはノード４４から読取値を受信する直前のパワー送信信号よりも前に放出されたパワー送信信号に対応するように、パワー信号の送信と読取値の受信との間の遅延が考慮される。
【００１６】
特定のノード１２に対応しないパワー送信信号は、それにもかかわらず帯域通過フィルタ４６を通過する少量の電流を生成する可能性がある。帯域通過フィルタを通過する少量の電流が、ノード４４に順番を無視して読取値を放出するのではなく散逸されるように、散逸要素５０が、エネルギーを緩やかな速度で散逸させるためにコレクタ３２に結合されうる。例えば、コレクタ３２とアースに結合された抵抗器が、散逸要素５０として働くことができる。パワー送信信号が、帯域通過フィルタの通過帯域内の周波数を有するとき、エネルギー収集速度は散逸速度を上回り、ノード４４は、読取値を受け取り、それをデコーダ４２に送信する。
【００１７】
図２を参照すると、代替実施形態では、センサアレイ５２は、複数のノード５６のそれぞれに電力供給するために使用される別個のパワー伝送線５４を含み、伝送線１４は、読取値をノード５６からデコーダ５８に送信するために使用される。パワー伝送線５４は、光伝送線または導電体とすることができる。電力伝送線５４が導電体である場合、ノード５６に送信される電流は、交流または直流とすることができる。パワー伝送線５４が導電体である場合、コンバータ２８およびコレクタ３２は除去されうる。
【００１８】
図３を参照すると、他の代替実施形態では、アレイ６０に複数の伝送線１４が使用される。各伝送線１４は、単一ノード６２または複数ノード６２に結合することができる。図３の実施形態では、ノード６２は、どのノード６２が読取値を送信したのかをデコーダ６４が決定できるように、変換器１６からの読取値を符号化することができる。あるいは、デコーダ６４は、どのノード６２が信号を送信したのかを決定するために、どの伝送線１４が信号を搬送したのかを評価することができる。かかる実施形態では、エンコーダ１８は、ノード６２から削除されうる。図３の実施形態では、ノード６２は、伝送線１４に結合された共振一体化微細加工（Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ）（ＲＩＭ）音響センサで置き換えられることができる。したがって、各伝送線１４は、励磁信号をＲＩＭに伝送し、ＲＩＭの出力をデコーダ６４の検出器２４に送信する。さらにデコーダ６４の送信器３０は、ＲＩＭに送信するための励磁信号を生成するように構成されうる。
【００１９】
図４を参照すると、他の代替実施形態では、アレイ６６は、ノード６８とデコーダ７０との間でデータおよびパワーを送信するために、別個のパワー伝送線５４と複数の伝送線１４の両方を含む。図４の実施形態は、ノード６８からエンコーダ１８、コンバータ２８、およびコレクタ３２を除去し、それによってノード６８のコストおよび複雑性を低減するという利点を提供することができる。
【００２０】
図５を参照すると、センサアレイ１０を使用する方法７２は、ブロック７４で、伝送線１４などによってノードにパワーを送信することを含むことができる。パワーは、ブロック７６で、ノードに収集される。ノードにパワーを収集することは、光エネルギーを電気エネルギーに変換することも含む。しかし、導電体として実施される伝送線１４を用いた実施形態では、変換は必要ない。別個のパワー伝送線を用いたセンサアレイ１０の実施形態では、ブロック７６の収集ステップは削除されうる。
【００２１】
ブロック７８では、変換器は、ブロック７６で収集されたパワーを用いて、温度、圧力、その両方などの環境条件を検知する。ブロック８０では、変換器の出力が符号化され、ブロック８２では、符号化読取値がデコーダに送信される。ブロック８０とブロック８２のどちらでも、ブロック７６で収集されたエネルギーによってパワー供給される。ブロック８４では、符号化読取値は、検知された環境条件に対応する値を決定するとともに、読取値を、信号を送信したノードにマップするために、デコーダで復号される。読取値、および伝送側ノードの同一性は、ブロック８６で保存されうる。
【００２２】
図６を参照すると、図１Ｂのセンサアレイ４０を使用する方法８８は、ブロック９０で、選択されたノードにマップされた周波数を有する信号を生成することなどによってパワー信号を符号化することを含む。ブロック９２では、パワー信号は、ノードに送信される。ブロック９４では、パワー信号にフィルタがかけられ、したがって、パワー信号の周波数に調整された帯域通過フィルタ４６を有する選択されたノード１２だけが、十分なパワーを収集して読取値を送信する。ブロック９６では、フィルタ４６を通過する電力が、コンデンサや電池などの中に収集される。ブロック９８では、温度、圧力、その両方などの環境条件が、選択されたノードで検知される。ブロック１００では、選択された環境条件に対応するデータが、デコーダ２２に送信される。ブロック１０２では、データは、それを符号化パワー信号に対応するノードにマップして保存される。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態について、例示し説明してきたが、上述のように、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更を加えることができる。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示では限定されない。それよりも、本発明は、特許請求の範囲を参照することによって完全に決定されるべきである。
【００２４】
独占的な権利または特権が主張される本発明の実施形態は、特許請求の範囲で定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】本発明の一実施形態によるセンサアレイの概略ブロック図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態による図１Ａのセンサアレイの代替実施形態の概略ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態によるセンサアレイの代替実施形態の概略ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態によるセンサアレイの代替実施形態の概略ブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態によるセンサアレイの代替実施形態の概略ブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態によるセンサアレイを用いた環境条件を検知する方法のプロセスフロー図である。
【図６】本発明の一実施形態によるセンサアレイを用いた環境条件を検知する代替方法のプロセスフロー図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  センサアレイ
１２  ノード
１４  伝送線
１６  変換器
１８  エンコーダ
２０  送信器
２２  デコーダ
２４  検出器
２６  メモリ
２８  光電コンバータ
３０  送信器
３２  コレクタ
３４  電圧調整器
３６  結合器
３８  結合器
４０  センサアレイ
４２  デコーダ
４４  ノード
４６  帯域通過フィルタ
４８  エンコーダ
５０  散逸要素
５２  センサアレイ
５４  パワー伝送線
５６  ノード
５８  デコーダ
６０  アレイ
６２  ノード
６４  デコーダ
６６  アレイ
６８  ノード
７０  デコーダ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008210372.tif 000008
【図６】
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【外国語明細書】
2008210372000001.pdf