СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ В СКВАЖИНЕ
METHOD AND SYSTEM FOR MEASURING PARAMETERS IN WELL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к способу и системе для измерения измерительным прибором параметра в нефтяной скважине. Измерительный прибор почти не имеет электронных компонентов, так что неблагоприятные условия в скважине меньше влияют на ожидаемый срок службы измерительного прибора.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Во время бурения и/или исследования скважины (ствола скважины), которая служит для эксплуатации подземных запасов (например, нефти и газа), в скважине работает различное оборудование. Вместе с тем, скважинная окружающая среда, в особенности в глубоких скважинах, является агрессивной для оборудования. Например, температура в скважине может достигать 300°С, а давление может достигать 3000 фунт-сила/кв.дюйм (20 МПа). В данных условиях существующее оборудование относительно быстро выходит из строя.
[0003] Основные причины отказов скважинных измерительных приборов связаны с отказом электронных компонентов и протечками уплотнения, которые обеспечивают попадание скважинной текучей среды в измерительный прибор. Электронный компонент в данном документе определяют, как любой элемент, который включает в себя по меньшей мере одно полупроводниковое устройство (например, диоды, транзисторы). Эксплуатация при температурах выше 150°С, ограничивает возможность использования и номенклатуру электронных компонентов, которые могут применяться. В частности, при температурах выше 177°С, возможность использования надежного электронного компонента ограничена, а выше 200°С, возможность их использования сильно ограничена (например, только некоторые компоненты с SiC (карбид кремния) и с КНД (кремний на диэлектрике) можно использовать для данного температурного диапазона). Данные компоненты являются дорогостоящими и имеют проблемы по эксплуатационному ресурсу в один год при температурах до 250°С.
[0004] Несколько других стандартных материалов (большинство припоев, полимеров, адгезивов, и большинство обычных диэлектрических изоляционных материалов), которые в настоящее время используют в электронных компонентах, не могут применяться в данной неблагоприятной окружающей среде вследствие их отказов при высокой температуре.
[0005] Вместе с тем, измерение давления и температуры внутри стволов нефтяных и газовых скважин является критичным для определения различных других скважинных характеристик, таких как: свойства коллектора, избыточное давление, перегрев оборудования и уровень текучей среды в стволе скважины. В скважинах с механизированной добычей важно поддерживать уровень пластовой текучей среды, чтобы насос оставался погруженным в нее и не повреждался. В паронагнетательных скважинах важно знать температуру пара для оптимизации добычи.
[0006] Существующие решения для измерения скважинных характеристик (давление, температура, вязкость, групповой состав углеводородов, обводненность скважинной продукции, и т.д.), в которых не применяют электронную аппаратуру внутри скважины, включают в себя: волоконную оптику, акустические измерения, колебания эталонного генератора стабильной частоты, и измерение магнитного потока с динамической связью. Волоконная оптика является чрезвычайно дорогостоящей и поэтому применяется только в высокотехнологичных проектах месторождений, требующих больших капиталовложений. Частоты акустического измерения находятся в диапазоне звукового давления (как правило, 300 Гц - 8 кГц), что делает их нежелательными. Для датчиков малого размера резонансная частота выше. Эталонный генератор стабильной частоты использует большую площадь механических колебаний в отличие от кварцевого резонатора, который использует механическое напряжение для изменения внутренней структуры кристаллической решетки для создания изменения в резонансной частоте. Кристаллические детекторы обычно работают в диапазоне от 32 кГц до нескольких МГц. Дополнительно, низкочастотные датчики более чувствительны к искусственным электрическим помехам в кабелях, таким как от 3-фазных двигателей.
[0007] В других способах применяют механический резонатор, например, раскрытый в Патенте США №7,647,965. Недостаток механического датчика заключается в том, что данные устройства требуют дополнительной электронной аппаратуры или катушек индуктивности для соединения электрической энергии с механической энергией.
[0008] Таким образом, необходимо создание сохраняющих надежность при нужной температуре и/или давлении измерительных приборов, которые могут выдерживать высокие температуры и давления в скважине, являются недорогими и надежными.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] В различных вариантах осуществления предложено устройство и способ для измерения температуры и/или давления в скважине без присутствия какой-либо электронной аппаратуры в скважине, таким образом исключаются проблемы, которые испытывают существующие устройства.
[0010] В одном варианте осуществления предложен способ измерения параметра в скважине, включающий в себя этап соединения измерительного прибора с первым концом кабеля и соединения векторного анализатора цепей со вторым концом кабеля, этап спуска измерительного прибора внутрь скважины, этап генерирования сигнала векторным анализатором цепей и передачи сигнала по кабелю на измерительный прибор, этап качания частоты сигнала в заданном диапазоне с передачей при этом сигнала на измерительный прибор, этап определения резонансной частоты по меньшей мере одного датчика, расположенного в измерительном приборе, и этап вычисления параметра из резонансной частоты по меньшей мере одного датчика.
[0011] В другом варианте осуществления, предложена система для измерения параметра в скважине. Система содержит векторный анализатор цепей, расположенный на поверхности, измерительный прибор, имеющий по меньшей мере один датчик с резонансной частотой, которая изменяется с изменением параметра, причем измерительный прибор выполнен с возможностью расположения в скважине, и кабель, соединяющий измерительный прибор с векторным анализатором цепей.
[0012] В еще одном варианте осуществления предложено вычислительное устройство для измерения параметра в скважине. Вычислительное устройство содержит интерфейс, соединенный с векторным анализатором цепей, и процессор, соединенный с интерфейсом. Процессор выполнен с возможностью управления векторным анализатором цепей для генерирования сигнала и передачи сигнала по кабелю на измерительный прибор, расположенный в скважине, управления векторным анализатором цепей для качания частоты сигнала в заданном диапазоне с передачей при этом сигнала на измерительный прибор, определения резонансной частоты датчика, расположенного в измерительном приборе, и вычисления параметра с помощью механизма калибровки на основе резонансной частоты. Резонансная частота изменяется с изменением параметра.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] Прилагаемые чертежи, которые включены в состав описания и составляют его часть, иллюстрируют один или более вариантов осуществления и вместе с описанием объясняют данные варианты осуществления. На чертежах показано следующее.
[0014] На фиг. 1 показана система для измерения параметра в скважине.
[0015] На фиг. 2 показана другая система для измерения параметра в скважине.
[0016] На фиг. 3 показан измерительный прибор, который спускают в скважину для измерения температуры.
[0017] На фиг. 4 показан измерительный прибор, который спускают в скважину для измерения температуры и давления.
[0018] На фиг. 5 показана блок-схема последовательности операций способа измерения параметра в скважине.
[0019] На фиг. 6 показан график в прямоугольной системе координат реальной и мнимой частей измеренного коэффициента отражения для определения резонансной частоты для одного датчика.
[0020] На фиг. 7 показан график Найквиста реальной и мнимой частей измеренного коэффициента отражения для определения резонансной частоты для одного датчика;
[0021] На фиг. 8 показан график Найквиста реальной и мнимой частей измеренного коэффициента отражения для определения резонансной частоты для двух датчиков.
[0022] На фиг. 9 показан График в прямоугольной системе координат реальной и мнимой частей измеренного коэффициента отражения для определения резонансной частоты для двух датчиков.
[0023] На фиг. 10 показана система для измерения параметра в скважине измерительным прибором, который не имеет электронных компонентов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0024] В следующем описании вариантов осуществления даны ссылки на прилагаемые чертежи. Одинаковые ссылочные позиции на отличающихся чертежах указывают одинаковые или аналогичные элементы. Следующее подробное описание не ограничивает изобретение. Объем изобретения определяет прилагаемая формула изобретения. В различных вариантах осуществления, показанных на фигурах, рассмотрены способ и система для измерения параметра в скважине.
[0025] Ссылки в описании на "один вариант осуществления" или "вариант осуществления" означают, что частный признак, конструкция или характеристика, описанная в связи с вариантом осуществления, включены в состав по меньшей мере в одном раскрытом варианте осуществления объекта изобретения. Таким образом, появление фраз "в одном варианте осуществления" или "в варианте осуществления" в разных местах описания не обязательно относится к одному варианту осуществления. Дополнительно, частные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или нескольких вариантах осуществления.
[0026] Согласно варианту осуществления, предложен способ и устройство, которые используют преимущество (1) резонансной частоты датчика (например, кристалла кварца) и (2) радиочастотного (РЧ) согласования импедансов для измерения различных скважинных количественных параметров измерительным прибором, который не имеет электронной аппаратуры. В одном варианте осуществления измерительный прибор включает в себя один или более датчиков, но не имеет электронной аппаратуры, связанной с датчиками. Для данного варианта осуществления вся необходимая электронная аппаратура расположена на поверхности, в условиях, где нет высоких температур и давления (помимо прочего). В одном варианте осуществления отсутствуют электронные и механические вспомогательные компоненты измерительного прибора, таким образом, увеличивается эксплуатационный ресурс измерительного прибора при температуре выше 200°С. Согласно другому варианту осуществления, способ и устройство, рассмотренные ниже, исключают необходимость калибровки длинного скважинного кабеля, который соединяет измерительный прибор со считывающим оборудованием на поверхности. Когда датчик является кристаллом кварца, способ и устройство может получать преимущества существующих кварцевых датчиков, т.е., существующие датчики можно применять в новом способе считывания величины требуемого параметра в скважине. Для упрощения, в следующем описании считается, что измеренный параметр является температурой и/или давлением. Вместе с тем, специалисту в данной области техники понятно, что и другие параметры могут быть измерены способами и системами, рассмотренными ниже.
[0027] Согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 1, система 100 для измерения параметра внутри скважины содержит векторный анализатор 102 цепей (ВАЦ), измерительный прибор 104, и кабель 106, который соединяет измерительный прибор 104 с ВАЦ 102. Измерительный прибор 104 расположен внутри скважины 110, а ВАЦ 102 расположен на поверхности 112. В одном варианте осуществления измерительный прибор 104 включает в себя один или более резонансных датчиков 142, но не включает никакой другой электронной аппаратуры. Резонансный датчик является устройством, которое имеет резонансную частоту. Резонансная частота меняется с температурой и/или давлением. В другом варианте осуществления нет электронной аппаратуры, прикрепленной к кабелю 106, за исключением ВАЦ 102 и измерительного прибора 104.
[0028] Датчик 142 может являться кристаллом кварца, датчиком колебательного контура индуктивно-емкостной цепи, конденсатором из параллельных пластин с зазором или датчиком с резонансной полостью. Если датчики 142 включают в себя только кристаллы кварца, тогда, во всей системе 100 нет электронных компонентов за исключением ВАЦ 102 и вычислительного устройства 130, связанного с ВАЦ, которые расположены не в скважине. Вычислительное устройство 130 может содержать связной интерфейс 132, который поддерживает связь с ВАЦ, процессор 134 и запоминающее устройство 136 для сохранения частотных и других измерений, собранных ВАЦ. В данном случае вся электронная аппаратура расположена на поверхности, т.е., электронная аппаратура в скважине не расположена.
[0029] Кабель 106 включает в себя две жилы (не показаны) изолированных друг от друга, а также изолированных от окружающей среды. В одном варианте применения кабелем 106 является кабель с трубной оболочкой (ТЕС) для работы при высоких температурах. В другом варианте применения кабель 106 может включать в себя больше двух проводов. Хотя на фиг. 1 показан измерительный прибор 104, свободно подвешенный на конце кабеля 106, в другом варианте осуществления, показанном на фиг. 2, система 200 имеет измерительный прибор 204 расположенный в кармане (выемке) 222 бурильной колонны 220. Специалисту в данной области техники понятно, что измерительный прибор 204 может быть расположен в контакте с насосно-компрессорной трубой скважины или в любом другом месте. Из показанного на фиг. 2 понятно, что кабель 206 проходит между ВАЦ 202 и измерительным прибором 204 через стенку бурильной колонны или снаружи бурильной колонны.
[0030] ВАЦ 102 является прибором, который измеряет параметры цепи электрических сетей, например, s-параметры, связанные с отражением и передачей электрических сетей. ВАЦ измеряет как абсолютную величину, так и фазу импеданса, тогда как скалярный анализатор цепей может измерять только абсолютную величину импеданса. ВАЦ 102 может содержать один или более из следующего: процессор, приемный распределитель, источник переменной частоты, аттенюатор мощности, направленный ответвитель, и т.д. Другими словами, имеется много возможных конфигураций для ВАЦ 102, хорошо известных специалисту в данной области техники. Вместе с тем, отмечается, что все электронные компоненты, указанные выше, расположены на поверхности, ни один компонент (за исключением самого датчика) не расположен в скважине.
[0031] ВАЦ 102 выполнен с возможностью измерения проходящей и отраженной энергии (которые связаны с импедансами), которую несет сигнал по кабелю 106 на измерительный прибор 104. Отмечается, что кабель и измерительный прибор «рассматриваются» ВАЦ, как подсистема 107. Возвратная отраженная энергия может быть определена программно-реализованным алгоритмом, который запускается в ВАЦ 102. В одном варианте осуществления вычислительное устройство 130 управляет ВАЦ 102 и запускает программно-реализованный алгоритм, который может удалять «мнимую» часть «комплексной величины» измерения импеданса. Оставшаяся «действительная» часть может применяться, как рассмотрено ниже, после удаления знака величины (чередования фаз), для определения резонансной частоты датчика.
[0032] Измерительный прибор 104 может иметь разные конфигурации, которые следует рассмотреть. В одной базовой конфигурации, как показано на фиг. 3, измерительный прибор 304 имеет кожух 340, в котором размещен датчик (в данном случае кварцевый кристалл) 342. Кварцевый кристалл 342 может быть размещен между двумя пластинами 344 и 346, которые электрически соединены с двумя проводами 350 и 352, соответственно, кабеля 306. В одном варианте применения кварцевый кристалл 342 установлен внутри камеры 360, которая полностью заключена в кожух 340, так что никакая текучая среда из скважины не входит в камеру. Для данного конкретного варианта осуществления, кварцевый кристалл способен измерять температуру скважины. Отмечается, что в одном варианте осуществления кожух не включает в себя какого-либо элемента, кроме показанных на фигуре. Таким образом, электронные компоненты, которые подвержены отказам, в кожухе отсутствуют, что предотвращает преждевременный отказ измерительного прибора. Также отмечается, что нет контура обратной связи между измерительным прибором 104 и ВАЦ 102.
[0033] В другом варианте осуществления, как показано на фиг. 4, измерительный прибор 404 является аналогичным измерительному прибору 304, за исключением того, что второй кварцевый кристалл 470 располагается внутри кожуха 440. Второй кварцевый кристалл 470 расположен в соответствующей второй камере 480, которая открыта воздействию внешнего давления Р через мембрану 482 или аналогичное устройство. Второй кварцевый кристалл 470 имеет соответствующие пластины 472 и 474, соединенные проводами 476 и 478 параллельно первому кварцевому кристаллу 442. Поскольку первый кварцевый кристалл 442 не открыт воздействию внешнего давления Р, данный кварцевый кристалл способен измерять температуру в скважине, а второй кварцевый кристалл, который открыт воздействию внешнего давления, способен измерять давление в скважине после регулировки его выхода по температуре, измеренной первым кварцевым кристаллом. Можно представить другие конфигурации измерительного прибора 104, с числом кварцевых кристаллов больше двух и/или предназначенных для измерения других параметров, кроме давления, когда различные кварцевые кристаллы имеют не перекрывающиеся резонансные частоты. Отмечается, что принимая во внимание температурные ограничения, параметры, иные, чем температура, обычно требуют дополнительного датчика для корректировки измеренного значения параметра по температуре, измеренной дополнительным датчиком. В одном варианте применения один или более кварцевых кристаллов, которые размещены внутри кожуха, соединены параллельно с двумя проводами кабеля 106. Отмечается, что кабель 106 может иметь больше двух проводов, если необходимо.
min
max
min
max
[0034] Способ измерения температуры и/или давления внутри скважины измерительным прибором, который не включает в себя электронной аппаратуры, теперь рассмотрим со ссылками на фиг. 5. На этапе 500 соединяют первый конец кабеля 106 с измерительным прибором 104, подлежащим спуску в скважину (как показано на фиг. 1 или 2). На этапе 502, соединяют второй конец кабеля 106 с ВАЦ 102. На этапе 504 измерительный прибор спускают в скважину (отмечаем, что спуск измерительного прибора 104 в скважину 110 может быть начат до завершения этапа 502). После достижения измерительным прибором 104 требуемого местоположения внутри скважины и получения температурного равновесия с окружающей средой ВАЦ 102 генерирует электромагнитный сигнал и передает по кабелю на измерительный прибор на этапе 506. Генерируемый электромагнитный сигнал имеет частоту f. ВАЦ выполнен с возможностью качания на этапе 508 частоты f сигнала в заданном диапазоне, например, между f и f, которые выбирают, как рассмотрено ниже. Для каждой качающейся частоты ВАЦ измеряет на этапе 510 как проходящую, так и отраженную энергию. Отмечается, что ВАЦ «видит» кабель и датчик, как одну нагрузку, и таким образом, ВАЦ 102 измеряет импеданс обоих, кабеля 106 и датчика 104, как подсистемы 107. ВАЦ можно программировать для выбора некоторых частот в диапазоне от f до f, например, для передачи данных частот, разделенных заданным интервалом Δƒ. Заданный интервал может иметь любую требуемую величину, например 1 Гц, 10 Гц, 100 Гц, 1кГц и т.д.
[0035] На основе измерений, выполненных на этапе 510, ВАЦ 102 или связанное вычислительное устройство 130 (показано на фиг. 1), вычисляет на этапе 512 коэффициент отражения, гамма:
где
l
Z - импеданс нагрузки и
s
Z - импеданс источника.
r
[0036] На этапе 514 ВАЦ 102 или связанное вычислительное устройство 130 вычисляет резонансную частоту f кварцевого кристалла, для заданных условий температуры и/или давления в скважине, выбирая коэффициент отражения с наименьшей амплитудой сигнала (минимальная абсолютная реальная величина импеданса) для рассматриваемого диапазона качающейся частоты.
[0037] Для примера, на фиг. 6 показан график в прямоугольной системе координат, иллюстрирующий: (1) зависимость величины действительной части (кривая 600) коэффициента отражения от частоты f, и (2) зависимость величины мнимой части (кривая 602) коэффициента отражения от частоты f. На фиг. 6 также показано, что резонансная частота (указано меткой 604) совпадает с минимумом действительной части 600 измеренного вносимого импеданса. В одном варианте осуществления, резонансная частота также совпадает с нулевой величиной (минимумом абсолютной величины) мнимой части измеренного вносимого импеданса.
[0038] На фиг. 7 показан график Найквиста зависимости действительной части от мнимой части измеренного вносимого импеданса, с точкой 702, иллюстрирующей резонансную частоту. «Действительная» величина коэффициента отражения является всегда положительной величиной, а вносимая «мнимая» часть импеданса может быть положительной или отрицательной, в зависимости от чередования угла сдвига фазы, обусловленного кабелями, которые длиннее, чем  (т.е. длины волны кабеля, деленной на 4) при измерении на резонансной частоте кристалла кварца. Поэтому, опираясь на график 700 Найквиста на фиг. 7, резонансная частота указана минимальной абсолютной величиной действительной части, когда мнимая часть равна нулю, т.е. точкой 702.
[0039] Отмечается, что кривая 704 включает в себя много точек, где каждая точка соответствует измерению, выполненному ВАЦ, для соответствующей частоты из заданного частотного диапазона. Число измерений может варьироваться по решению оператора системы. Имеются случаи, где минимальная абсолютная величина мнимой части не пересекает нулевую ось (вследствие чередования фаз кабеля). В данном случае, «мнимая» величина, требуемая для определения резонансной частоты, становится минимальной абсолютной величиной для продолжительности качания, а для «действительной» части применяется ее минимальная величина.
[0040] В идеальном случае для измерения резонансной частоты кварцевого кристалла требуется удаление кабеля между кварцевым кристаллом (кристаллами) и ВАЦ. Идеальный случай должен давать на графике Найквиста кривую 704, являющуюся окружностью с радиусом равным абсолютной величине зависимости действительных величин от мнимых величин на частном диапазоне частот (см. фиг. 7). Амплитуды величин на графике относятся к количеству отраженной энергии, измеренному ВАЦ.
[0041] Вместе с тем, длина кабеля относительно резонансной частоты кварцевого кристалла приводит к смещению в центре окружности относительно нулевой точки осей на фигуре, а именно сдвигу по фазе в системе, который не равен нулю. Данная единственная модификация на выходе измерения означает, что данный способ является нечувствительным к типу или длине кабеля, применяемого для измерения резонансной частоты. Одно преимущество данного способа состоит в том, что нет необходимости знать заранее импеданс кабеля, т.е. не требуется калибровка кабеля до его применения.
6
[0042] В этой связи, рассмотрим систему, которая включает в себя кабель с длиной около 600 м и два кварцевых кристалла 342, 442 (как в варианте осуществления фиг. 4), соединенных параллельно с одним концом кабеля 106 и открытых воздействию температуры около 180°С и давлению около 7×10 Па. Система выполнена с возможностью измерения около 500 точек в выбранном частотном диапазоне с разрешением 1 Гц. Выбранный частотный диапазон центрируют по резонансным частотам кварцевых кристаллов. Для обоих кварцевых кристаллов, реагирующих на давление и температуру, качание частоты проводят для одного за другим и, таким образом, имеются две окружности Найквиста, 800 и 802, как показано на фиг. 8. Кривые 900 и 902 в прямоугольной системе координат, для действительной части и мнимой части, соответственно, в зависимости от частоты f показаны на фиг. 9. Такие необработанные данные были собраны для «абсолютной величины» и «фазы» вносимого импеданса. Преобразование между абсолютной величиной (здесь mag) и фазой (Θ) для мнимой области получают, применяя уравнения: Re=mag*cos(Θ) и Im=mag*sin(Θ. «Абсолютную величину» и «фазу» затем преобразуют с помощью программного обеспечения в «действительную» и «мнимую» величины для построения графика и определения резонанса.
[0043] График в прямоугольной системе координат фиг. 9 показывает «действительную» и «мнимую» части, построенные по оси Y. Применяемое качание частоты с помощью ВАЦ показано на оси X. Имеются два резонанса, 901 и 903, по одному для каждого кварцевого кристалла. Первый резонанс 901 является резонансом кварцевого кристалла, реагирующего на температуру, и второй резонанс 903 является резонансом кварцевого кристалла, реагирующего на давление. Ось X представляет частоту с шагами в 1 Гц, с началом несколько ниже резонанса для обоих кварцев. Для обоих графиков на фиг. 8 и 9 диапазоны частот отцентрированы на 4000 МГц и 4362 МГц для кварцевых кристаллов, реагирующих на температуру и давление, соответственно.
[0044] Как показано на фиг. 8, абсолютная величина сигнала кварцевого кристалла, реагирующего на температуру, больше абсолютной величины для кварцевого кристалла, реагирующего на давление, и имеется меньше точек на окружности 802 Найквиста для кварцевого кристалла, реагирующего на давление, вследствие малого диапазона рабочих частот и резонанса с высокой добротностью. Даже с шумом на графике вследствие потерь в линии кабеля и низкого уровня сигнала, можно идентифицировать точки 804 и 806 на графике фиг. 8, которые являются отметками, представляющими, соответственно, резонанс кварцевого кристалла, реагирующего на температуру, и кварцевого кристалла, реагирующего на давление. Оба графика показывают ось X (действительную ось), находящуюся на минимуме для точек 804 и 806. Ось Y (мнимая ось) находится в средней точке.
R
[0045] Следует отметить, что полярность фазы установлена длиной кабеля, и данное в свою очередь инвертирует полярность как абсолютной величины, так и фазы возвращенного сигнала. Вместе с тем, поскольку длина кабеля не удалена из вычисления через калибровку, при вычислении резонансной частоты f, знаковый разряд гамма (образован в уравнении 1) не применяется. Указанное обеспечивает упрощение способа, в котором применяют абсолютную величину сигнала, поскольку не требуется информация по фазе кабеля при определении пиковой частоты отраженного сигнала с кварцевого кристалла.
[0046] Аналогично, только относительная резонансная амплитуда требуется для определения резонансной частоты кварцевых кристаллов, при этом не требуется фактическая величина импеданса. Вместе с тем, в одном варианте осуществления, является возможной калибровка кабеля до размещения его в скважине.
[0047] Возвращаясь к фиг. 5, после вычисления резонансной частоты на этапе 514, как рассмотрено выше, способ продолжает этап 516, на котором вычисляют требуемый параметр (например, температуру или температуру и давление). Давление или температуру, связанную с резонансом кварцевого кристалла можно определить на основе данных калибровки частоты. Данные калибровки частоты применяются для предпочтительного создания полиномиальных кривых, которые напрямую связывают резонансную частоту с давлением или резонансную частоту с температурой. При этом, калибровочные измерения (выполненные в лаборатории) можно проводить, применяя различные отрезки длины соединительных кабелей с постоянным сопротивлением по длине между жилами, проходящими между ВАЦ (источником) и кристаллами кварца (нагрузкой). Отрезки длины кабеля ограничены потерями в линии или поглощением на приложенных резонансных частотах кристаллов кварца. Таким образом, на этапе 514 вычисляют параметр на основе резонансной частоты и механизм калибровки с подбором полинома.
[0048] В одном варианте применения является возможным измерение импеданса элемента нагрузки на конце длинного кабеля с многократным чередованием фаз, при этом не влияющее на импеданс нагрузки, вносимый обратно на источник. Более конкретно, если один кварцевый кристалл прикреплен к концу кабеля, кварцевый кристалл может быть установлен внутри кожуха, в котором регулируется температура. ВАЦ будет измерять коэффициент отражения, гамма для различных температур, например, от 0 до 400°С. Для каждой установленной температуры ВАЦ определяет резонансную частоту кварцевого кристалла для данной температуры. Данные сохраняются в вычислительном устройстве, и генерируются один или более полиномов, которые описывают корреляцию между внешней температурой и резонансной частотой кварцевого кристалла.
[0049] Например, функция Т калибровки температуры может быть полиномом порядка N для температуры, задаваемой формулой:
в которой
i
A - калибровочные коэффициенты, определенные, например, с помощью линейной регрессии, обеспечивающей минимизацию методом наименьших квадратов,
t
S - температура на выходе, и
to
S - соответствующее рассогласование.
Отмечается, что для выведения функции калибровки температуры кварцевый кристалл выдерживают под постоянным давлением, например, атмосферным давлением.
[0050] Функция Р калибровки давления могут быть другим полиномом порядка N для давления и порядка М для температуры, задаваемой формулой:
где
ij
A' - калибровочные коэффициенты, которые могут быть определены с помощью линейной регрессии, как рассмотрено выше,
p
S является давлением на выходе и
p0
S является соответствующим рассогласованием.
Для определения давления, как рассмотрено выше и показано на фиг. 4, применяются два кварцевых кристалла. Один кварцевый кристалл содержится внутри измерительного прибора под атмосферным давлением и применяется для вычисления только температуры внутри скважины на основе уравнения (2), и второй кварцевый кристалл открыт воздействию, как давления, так и температуры внутри скважины. Зная температуру, измеренную первым кварцевым кристаллом, измеренную резонансную частоту, и, применяя уравнение (3), получают возможность измерить фактическое давление в скважине. Указанное верно для любого другого параметра.
[0051] В предыдущих вариантах осуществления рассмотрено, что резонансную частоту кварцевого кристалла определяют с помощью измерения коэффициента отражения гамма. Указанное возможно с применением, например, теории согласования импеданса радиочастотной цепи. Теория согласования утверждает, что когда импедансы рассогласованы (например, между кабелем и кварцевым кристаллом, или ВАЦ и кабелем), энергия отражается на интерфейсе, т.е. не вся энергия передается с источника на нагрузку. С помощью согласования импеданса отрезка длины соединительного кабеля 106 с импедансом кварцевого кристалла 342 отраженная энергия исключается, и вся энергия передается с источника на нагрузку. Данное означает, что получена резонансная частота кварцевого кристалла.
[0052] Графики Найквиста, рассмотренные выше, показывают проходящие и отраженные сигналы (зависимости действительных от мнимых частей) для иллюстрации работы и измерения резонанса кварцевого кристалла. Как рассмотрено выше, резонанс кварцевого кристалла появляется, когда действительная величина импеданса находится в самой нижней точке, вне зависимости от значения мнимой величины.
[0053] Следующей рассмотрена одна специфическая система 1000 для определения давления и/или температуры внутри скважины. На фиг. 10 показана система 1000, имеющая ВАЦ 1002, измерительный прибор 1004 и кабель 1006. ВАЦ 1002 показана имеющей генератор сигнала, соединитель и детектор приемника (устройство, которое измеряет отраженный сигнал с датчика). Кабель может иметь длину около 600 м и импеданс около 65 Ом. Источник может иметь импеданс Zs около 65 Ом, т.е., согласованный с кабелем, так что отсутствует энергия, отраженная на интерфейсе между ВАЦ и кабелем. Измерительный прибор 1004 показан имеющий два кварцевых кристалла 1042 и 1042', с полным импедансом при резонансе между 20 и 100 Ом. Измерительный прибор 1004 может иметь больше двух кварцевых кристаллов, соединенных, например, параллельно. ВАЦ 1002 соединен с вычислительным устройством 1030 и источником 1031 электропитания.
[0054] Когда ВАЦ передает сигнал 1090 на кабель и измерительный прибор, начальная частота сигнала может отличаться от резонансной частоты кабеля и измерительного прибора. Если импеданс кабеля согласован с импедансом ВАЦ, тогда частота сигнала может отличаться от резонансной частоты измерительного прибора. В данных случаях возвратный сигнал 1092 появляется, как соответствующий разомкнутому кабелю с высоким импедансом. Данное означает, что кабель обнуляется или присутствуют нулевые точки стоячей волны. Вместе с тем, при качании сигнала 1090 в частотном диапазоне, выбранном оператором, и когда частота сигнала подходит к резонансной частоте кварцевого кристалла, измеренный импеданс уменьшается и кабельные обнуления уменьшаются, до их почти полного исчезновения.
[0055] Когда резонансная частота кварцевого кристалла определена, резонансную частоту применяют в механизме калибровки, например, на основе полинома (хранящемся, например, в вычислительном устройстве 130 и запускаемом процессором 134), который образован до измерения, калибровкой при известных давлениях и частотах, таким образом, дающим известные частоты при установленных давлениях и температурах, например, 25°С, 50°С, … 230°С и т.д. После нахождения давления и температуры решением полиномиальной формулы, величины давления и температуры отображаются для пользователя, например, на экране вычислительного устройства 1030.
min
max
[0056] Как рассмотрено выше, ВАЦ возбуждает кварцевые кристаллы сигналом качающейся частоты. Данный сигнал может иметь установленную мощность. Диапазон качающейся частоты каждого кварцевого кристалла определяют по результатам испытаний кварцевого кристалла при низких и высоких температурах и давлениях. Статистически определенные величины резонансной частоты применяют как пределы f и f для диапазона качающейся частоты кварцевых кристаллов. Амплитуда частот ограничена значением ниже точки повреждения кварцевых кристаллов. Обычные максимальные уровни прикладываемой мощности составляют 100 микроватт. Принята нагрузка в 50 Ом, так что максимальная подаваемая мощность составляет приблизительно -10 дБм.
[0057] В одном варианте применения после отображения давления и/или температуры система немедленно собирает данные для другого отсчета. Обычная скорость обновления отсчетов в одном варианте применения составляет около одного раза за секунду.
[0058] Теперь рассмотрим различные технические элементы систем, показанных на фигурах. В одном варианте применения требуется, чтобы импеданс кабеля был возможно более близким к импедансу накопителя и приемника ВАЦ. Согласование между ВАЦ и кабелем уменьшит резонансные обнуления при измерении импеданса на конце кабеля (напоминаем, что на основе теории согласования импедансов, любое рассогласование импеданса ВАЦ с кабелем будет вводить кабельные «обнуления», возможно, обуславливающие неверный отсчет для резонанса, если «обнуление» находится внутри диапазона частотного поиска для кварцевого кристалла).
[0059] Кварцевый кристалл, реагирующий на давление, может геометрически являться кварцем «АТ-среза», а кварцевый кристалл, реагирующий на температуру, может геометрически являться кварцем «АС-среза». Отмечается, что срез может влиять на температуроустойчивость, диапазон вытягивания и другие пьезопараметры. Отмечается, что, естественно, могут рассматриваться альтернативные срезы и конструктивные решения. Например, чувствительность к температуре кристалла кварца, реагирующего на давление, которая может ограничивать длину кабеля, может быть уменьшена. Аналогично, рабочая частота кристаллов кварца может быть уменьшена, что должно приводить к ослаблению действия в кабеле диэлектрической абсорбции, дающему возможность применения более длинных скважинных кабелей.
[0060] Для получения высокой точности по температуре и давлению при нахождении в скважине сам наземный ВАЦ предпочтительно должен иметь точность <0,5 частей на миллион (ppm) и расчетные температуры эксплуатации от -40°С до +70°C. Термокомпенсированный кварцевый генератор ТСХО для ВАЦ предпочтительно имеет точность 0,5 частей на миллион (ppm) и расчетные рабочие температуры от -40°С до +85°С для соответствия данным требованиям.
[0061] Для предотвращения поглощения сигнала (потерь) в кабеле, в особенности с увеличением длины кабеля, резонансные частоты кварцевых кристаллов должны быть, насколько возможно, низкими.
[0062] В процессе многократных испытаний обнаружено, что для существующих кварцевых кристаллов, применяемых патентообладателем данной заявки, способ лучше всего работает, если действительная часть импеданса резонансного кварцевого кристалла равна или меньше импеданса кабеля, например, около 65 Ом, как измерено, импеданс кварцевого кристалла, реагирующего на давление (резонансное сопротивление, PC) обычно <100 Ом, импеданс кварцевого кристалла, реагирующего на температуру (RR), обычно <40 Ом, и PC кварцевого кристалла (эквивалентное последовательное сопротивление) должно быть насколько возможно низким. Применение кварцевого кристалла, реагирующего на температуру, на 2,5 МГц уменьшает поглощение кабеля на величину около 40%.
[0063] Как упомянуто выше, измерительный прибор и систему, рассмотренные в предыдущих вариантах осуществления, можно применять для измерения параметра внутри скважины. Обращаясь вновь к фиг. 5, способ такого измерения может включать в себя этап 500 соединения измерительного прибора с первым концом кабеля, этап 502 соединения векторного анализатора цепей со вторым концом кабеля, этап 504 спуска измерительного прибора внутрь скважины (до или после этапа 502), этап 506 генерирования сигнала векторным анализатором цепей и передачи сигнала по кабелю на измерительный прибор, этап 508 качания частоты сигнала в заданном диапазоне с передачей при этом сигнала на измерительный прибор, этап 514 определения резонансной частоты измерительного прибора, и этап 516 вычисления параметра на основе резонансной частоты и механизма калибровки с подбором полинома.
[0064] Способ может дополнительно включать в себя измерение коэффициента отражения, связанного с энергией, проходящей по кабелю к измерительному прибору, и энергией, отраженной от измерительного прибора по кабелю на векторный анализатор цепей. Как отмечено выше, коэффициент отражения является отношением между (i) разностью импеданса кабеля и измерительного прибора и импеданса векторного анализатора цепей, и (ii) суммой импеданса кабеля и измерительного прибора и импеданса векторного анализатора цепей.
[0065] Способ может также включать в себя этап вычисления действительной части и мнимой части коэффициента отражения для качающихся частот, этап выбора наименьшей величины действительной части, этап идентификации частоты, соответствующей наименьшей величине действительной части, как резонансной частоты. Механизм калибровки с подбором полинома может являться программным обеспечением, которое запускается либо ВАЦ или вычислительным устройством и применяет данные калибровки частоты. Данные калибровки частоты получают в регулируемой окружающей среде, воздействием на измерительный прибор с известными величинами параметра.
[0066] Способ может также включать в себя этап генерирования полиномиальных кривых на основе данных калибровки частоты, которые непосредственно связывают частоту с температурой и/или давлением измерительного прибора. Механизм калибровки с подбором полинома преобразует вычисленную резонансную частоту в фактические температуры и/или давления на основе полиномиальных кривых. В одном варианте применения, кабель не калибруют до оценки параметров. Как рассмотрено выше, параметром может являться температура, и измерительный прибор включает в себя только кварцевый кристалл, реагирующий на температуру, или параметром является давление, и измерительный прибор включает в себя только кварцевый кристалл, реагирующий на температуру и кварцевый кристалл, реагирующий на давление.
[0067] В одном варианте осуществления вычислительное устройство 130 выполнено с возможностью управления векторным анализатор цепей и запуска механизма калибровки с подбором полинома. Более конкретно, в данном варианте осуществления вычислительное устройство включает в себя интерфейс 132, соединенный с векторным анализатором 102 цепей, и процессор 134, соединенный с интерфейсом 132 и выполненный с возможностью управления векторным анализатором цепей для генерирования сигнала 1090 и передачи сигнала по кабелю 106 на измерительный прибор 104, расположенный в скважине, управления векторным анализатором цепей для качания частоты сигнала в заданном диапазоне с передачей при этом сигнала на измерительный прибор, определения резонансной частоты датчика, расположенного в измерительном приборе, и вычисление параметра с помощью механизма калибровки с подбором полинома на основе резонансной частоты. Измерительный прибор не имеет электронных компонентов, за исключением датчика. Резонансная частота изменяется с изменением параметра.
[0068] В раскрытых примерах вариантов осуществления предложены способ и устройство для измерения параметра в скважине с минимальным числом или без электронных компонентов, установленных в скважине. Следует понимать, что данное описание не служит для ограничения изобретения. Напротив, являющиеся примерами варианты осуществления служат для описания альтернатив, модификаций и эквивалентов, которые входят в состав концепции и объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения. Дополнительно, в подробном описании являющихся примером вариантов осуществления изложены многочисленные специфические детали для обеспечения ясного понимания заявленного изобретения. Вместе с тем, специалисту в данной области техники понятно, что различные варианты осуществления можно практиковать без таких специфических деталей.
[0069] Хотя признаки и элементы настоящих примеров вариантов осуществления описаны в вариантах осуществления в частных комбинациях, каждый признак или элемент можно применять индивидуально, без других признаков и элементов вариантов осуществления или в различных комбинациях с другими признаками и элементами, раскрытыми в данном документе, или без них.
[0070] В тексте описания использованы примеры объекта изобретения, раскрытые для обеспечения любому специалисту в данной области техники, его практического осуществления, в том числе, выполнения и применения любых устройств или систем и выполнения любых включенных в состав способов. Патентоспособный объем объекта изобретения определен формулой изобретения, и может включать в себя другие примеры для специалиста в данной области техники. Такие другие примеры относятся к объему по пунктам формулы.