Скважинный кварцевый датчик с минимальным применением электроники
Система и способ контроля давления, температуры и/или вибрации при неблагоприятных окружающих условиях, не требующие применения активных электронных устройств или контура генератора в таких условиях. В предлагаемой системе и способе предусматривается получение информации от резонансного датчика (41) давления и резонансного или пассивного датчика (43) температуры, соединенных с линией (15/17) передачи и расположенных на глубине по меньшей мере 100 футов (30,48 м) от установленного на поверхности анализатора (23) цепи. В системе и способе для определения давления, температуры и/или вибрации используются частоты отраженных сигналов от датчиков. Если датчики объединены в одну схему линией (15/17) передачи или сетевым фильтром, отраженная часть энергии может содержать отраженную энергию передачи. Подаваемый сигнал и отраженная часть проходят по линии (15/17) передачи, импеданс которой, предпочтительно, соответствует импедансу системы. При использовании многожильного кабеля компенсация влияния длины и температуры кабеля в условиях эксплуатации осуществляется посредством тарировки. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 11 ил.
Уровень техники
Данное изобретение, в целом, относится к приборам, используемым в промышленных скважинах для определения температуры и давления. Более конкретно, настоящее изобретение относится к кварцевым приборам, используемым в скважине для определения давления и температуры.
В существующих кварцевых скважинных приборах, используемых в добывающей промышленности для определения забойного давления и температуры, применяются системы с множеством кварцевых резонирующих элементов. Как правило, такие системы включают в себя один датчик давления (реагирующий как на давление, так и на температуру), один эталонный датчик (подверженный воздействию температуры и изолированный от воздействия давления) и один датчик температуры (подверженный воздействию температуры и изолированный от воздействия давления). Эталонный датчик менее чувствителен к воздействию температуры, чем датчик температуры.
С помощью микшеров-осцилляторов (см., например, патент США №5166645) поступающие от датчиков сигналы обрабатываются и получаемые данные либо сохраняются на микросхеме памяти датчика, либо посылаются вверх по силовому кабелю по силовому кабелю или по трубчатому изолированному проводящему (ТИП, «ТЕС») кабелю к наземному оборудованию (см. Фиг. 1). Большое количество электронных компонентов должно быть в состоянии выдерживать высокие скважинные температуры, что делает датчик дорогостоящим, а также подверженным отказам в эксплуатации.
Система и способ согласно настоящему изобретению успешно взаимодействуют со скважинным кварцевым датчиком, выполненным с возможностью измерять давления и температуры при отсутствии активных скважинных электронных компонентов, используя только пассивные электронные компоненты или не используя вообще никаких электронных компонентов внутри скважины. Поскольку количество скважинных электронных компонентов значительно меньше, чем в применяемых в промышленности существующих кварцевых датчиках, вышеупомянутые система и способ значительно повышают надежность датчика.
Предлагаемые система и способ устраняют необходимость применения скважинных микшеров и осцилляторов, используемых в традиционных кварцевых датчиках, и осуществляют передачу сигналов непосредственно на поверхность с помощью линии передачи, предпочтительно, одно-или-многожильного трубчатого изолированного проводящего кабеля или его эквивалента. Преимущество такой системы и способа заключаются в том, что они ограничивают количество электронных компонентов, подверженных жесткому температурному воздействию подземных условий, и, следовательно, повышают надежность такой системы, особенно при высоких температурах. Вспомогательная электроника, включающая в себя активные электронные компоненты, размещена на поверхности, где окружающие условия являются не столь суровыми, как условия в скважине.
Типичным примером применения предлагаемой системы и способа является эксплуатируемая методом парогравитационного дренажа скважина (ПГДС) глубиной 2,000 футов (610 м), с давлением 3,000 фунт/кв.дюйм (около 20,7 МПа) и температурой 230°С. Другие примеры применения могут включать в себя более значительные глубины с температурами до 250°С и давлениями до 15,000 фунт/кв.дюйм (около 103,4 МПа).
В системе и способе контроля давления, температуры и/или вибрации используется анализатор цепи, по меньшей мере один резонансный датчик и линия передачи, соединяющая анализатор цепи с резонансным датчиком. Резонансный датчик может представлять собой кварцевый датчик давления или температуры, или эквивалентное устройство (в том числе, такие датчики, как емкостный датчик зазора). Анализатор цепи содержит генератор колебательного сигнала, которым может быть генератор радиочастотного синусоидального сигнала, и детектор сигналов.
Линия передачи имеет длину по меньшей мере 100 футов (30,48 м) и может представлять собой одножильную линию передачи или многожильную линию передачи. Трубчатый изолированный проводящий кабель обеспечивает подходящую линию передачи. Для снижения потерь по длине кабеля область диэлектрика между внутренним проводником и внешним диаметром оболочки кабеля должна быть как можно более толстой.
Анализатор цепи подает падающую энергию в виде колебательного сигнала по линии передачи и обеспечивает качание частоты колебательного сигнала частота от одной опорной частоты до другой опорной частоты на резонансном датчике. Ожидаемый резонанс резонансного датчика лежит между двумя вышеупомянутыми опорными частотами.
Затем анализатор цепи принимает отраженную часть падающей энергии от резонансного датчика, проходящую обратно по линии передачи, измеряет фазу и амплитуду принятой отраженной части падающей энергии, и определяет изменение в отраженной части падающей энергии по качающимся частотам. При использовании дополнительного резонансного датчика, соединенного с другим резонансным датчиком с помощью линии передачи или частотного фильтра, отраженная часть падающей энергии помимо коэффициента (S11) отражения может включать в себя отраженную переданную энергию (S12).
Система также может содержать средства для увеличения отраженной части падающей энергии относительно подаваемой падающей энергии. В одном из вариантов реализации изобретения, увеличивающие средства представляют собой резистор с постоянным сопротивлением, который по существу согласует нагрузку импеданса системы.
Для измерения температуры система может содержать пассивный датчик температуры или резонансный датчик температуры. Независимо от того, какой тип датчика используется, этот датчик соединяется с анализатором цепи линией передачи. Если пассивный датчик температуры соединен с однопроводной линией передачи, развязывающий контур позволяет датчику температуры воспринимать только положительный постоянный ток, и нагрузка согласования импеданса системы воспринимает только отрицательный постоянный ток. Если резонансный датчик температуры соединен с однопроводной линией передачи, он подсоединяется параллельно резонансному датчику давления, в результате чего анализатор цепи может производить качание частоты на обоих датчиках одновременно.
Целью настоящего изобретения является создание системы и способа измерения давления и температуры подземной скважины, которые (1) являются более надежными, чем существующие системы и способы; (2) ограничивают количество электронных компонентов и схем как в целом, так и подверженных жесткому воздействию подземных условий; (3) устраняют необходимость применения микшеров и осцилляторов, используемых в традиционных кварцевых датчиках; (4) обеспечивают передачу отраженных частот свободных колебаний кварцевых датчиков давления и температуры непосредственно на поверхность; и (5) обеспечивают возможность обслуживания нескольких зон давления и температур скважины.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 приведена блок-схема существующих приборов, используемых для измерения давления и температуры подземных скважин. Информация по частоте от датчиков модифицируется скважинными электронными устройствами. Данные модифицирующие устройства, как правило, содержат более 100 компонентов, таких как конденсаторы, диоды, индукторы, транзисторы, резисторы и интегральные микросхемы. Эти компоненты выполняют функции генерирования, микширования, усиления, переключения и обеспечения питания для обработки сигналов. Все эти электронные устройства подвергаются воздействию скважинных температур. Передача сигнала к наземному оборудованию осуществляется по силовому кабелю или по трубчатому изолированному проводящему кабелю.
На Фиг. 2 приведена блок-схема предпочтительного варианта реализации системы и способа согласно настоящему изобретению для измерения температуры и давления подземной скважины. Такая система устраняет необходимость применения кварцевого эталонного датчика, микшеров и осцилляторов, используемых в скважине в традиционных кварцевых датчиках, и обеспечивает передачу отраженных частот свободных колебаний кристалла на поверхность по многожильному трубчатому изолированному проводящему кабелю, используемому в качестве линии передачи. Кроме того, в данной системе используется также тарирование в реальном масштабе времени.
На Фиг. 3 приведена блок-схема предпочтительного варианта реализации системы для применения с одножильным ТИП-кабелем. В данной системе и способе используются кварцевый датчик давления и кварцевый датчик температуры; кроме того, вместо кварцевого температурного датчика может использоваться также резистивный датчик температуры (РДТ, «RTD»).
На Фиг. 4 приведена блок-схема альтернативного предпочтительного варианта реализации системы и способа для применения с многожильным ТИП-кабелем. В предлагаемой системе и способе используются кварцевый датчик давления и кварцевый датчик температуры.
На Фиг. 5 приведена блок-схема еще одного предпочтительного варианта реализации системы для применения с многожильным ТИП-кабелем. В данной системе и способе используются кварцевый датчик давления и пассивный датчик температуры (например, резистивное устройство определения температуры или РДТ).
На Фиг. 6 приведена блок-схема еще одного предпочтительного варианта реализации системы и способа для применения с одножильным ТИП-кабелем. В данной системе и способе применяются кварцевый датчик давления и кварцевый датчик температуры, параллельно соединенные с кабелем.
На Фиг. 7 приведена блок-схема предпочтительного варианта реализации системы и способа для применения с одножильным ТИП-кабелем. В данной системе и способе используются кварцевый датчик давления и пассивный датчик температуры (например, резистивное устройство определения температуры или РДТ) и резистор с постоянным сопротивлением, используемый в качестве стандартного для пассивного температурного датчика (например, РДТ-СДТ).
На Фиг. 8 приведены графики для параллельно соединенных кварцевых датчиков давления и температуры, с резонансной частотой каждого из них, показанной в одном измерении. Качание частот в обоих кристаллах производится в одно и то же время анализатором цепи, поскольку данные кристаллы соединены с одним и тем же ТИП-кабелем. Для проведения измерений в нескольких пластовых зонах в системе может быть увязано и большее количество кварцевых датчиков.
На Фиг. 9 приведен калибровочный график зависимости частоты отраженного сигнала кварцевого датчика давления, демонстрирующий нормализованную по амплитуде и фазе информацию, получаемую от кварцевого датчика давления при давлении 14,7 фунт/кв.дюйм (около 101,4 кПа) и температуре 24,3°С. Данный график является примером отраженного резонансного сигнала кристалла.
На Фиг. 10 показан график, демонстрирующий сравнение генерированного сигнала кварцевого датчика давления при атмосферном давлении с помощью существующих приборов и способов с отраженным сигналом при том же самом давлении, полученным с помощью предпочтительного варианта реализации системы и способа согласно настоящему изобретению, с глубины 2000 футов (609,6 м) по ТИП-кабелю. Точность предлагаемой системы и способа является сравнимой с точностью существующих приборов.
На Фиг. 11 показан график, демонстрирующий сравнение генерированного сигнала кварцевого датчика давления при давлении 5000 фунт/кв.дюйм (приблизительно 34,5 МПа) с помощью существующих приборов и способов с отраженным сигналом при таком же давлении, полученным с помощью предпочтительного варианта реализации системы и способа согласно настоящему изобретению, с глубины 2000 футов (609,6 м) по ТИП-кабелю. Точность предлагаемой системы и способа является сравнимой с точностью существующих приборов.
Перечень ссылочных позиций
| 11 | управляющее устройство |
| 13 | шина управления данными |
| 15 | однопроводная линия передачи (например, одножильный ТИП-кабель) |
| 17 | многопроводная линия передачи (например, многожильный ТИП-кабель) |
| 17А | первый проводник из проводников 17 |
| 17В | второй проводник из проводников 17 |
| 17С | третий проводник из проводников 17 |
| 17D | четвертый проводник из проводников 17 |
| 17Е | пятый проводник из проводников 17 |
| 19 | наземное оборудование |
| 21 | забойные датчики |
| 23 | анализатор цепи |
| 25 | генератор сигналов |
| 27 | радиочастотный детектор (РЧ-детектор) |
| 29 | направленный ответвитель |
| 31 | тройник смещения |
| 33 | источник питания постоянного тока |
| 35 | пассивный датчик температуры |
| 37 | резистор с постоянным сопротивлением |
| 39 | противопомеховый фильтр |
| 41 | резонансный датчик давления (например, кварцевый кристалл давления) |
| 43 | резонансный кристалл температуры (например, кварцевый кристалл температуры) |
| 45 | переключатель выбора РЧ или переключающее устройство |
| 47 | амперметр постоянного тока |
| 49 | диодный переключатель НЧ-фильтра (развязывающий контур) |
| 51 | открытая нагрузка |
| 53 | закороченная нагрузка |
Осуществление изобретения
Определения
При описании предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения используются следующие определения.
Управляющее устройство 11: одноплатный компьютер или аналогичное управляющее устройство, осуществляющее управление всем оборудованием, сохранение собранных данных, а также хранение и использование калибровочных данных системы.
Шина 13 управления данными: способ связи со всем оборудованием по одножильному кабелю для всего оборудования. Универсальная последовательная шина ("USB") является примером шины 13 управления данными.
RF: радиочастота.
Трубчатый изолированный проводящий кабель 15, 17: кабель, имеющий один или несколько внутренних проводников. ТИП-кабель является примером линии передачи. Линия передачи подвергается воздействию давления величиной по меньшей мере 100 фунт/кв.дюйм (689,5 кПа) и температуры по меньшей мере 30°С.
Наземное оборудование 19: Электронное и механическое оборудование, установленное над уровнем земли.
Скважинные датчики 21: электронное и механическое оборудование, установленное ниже уровня земли и используемое для измерения давления, температуры и/или вибрации.
Анализатор цепи 23: электронное оборудование, используемое для измерения параметров электронной сети, в том числе, частоты, амплитуды и фазы датчика. Измерения могут производиться одним из нескольких способов в зависимости от способа подключения к датчику. Анализатор цепи 23 содержит генератор сигналов 25 и РЧ-детектор 27. Одним из примеров анализатора 23 цепи является генератор гармонических колебаний с контролируемой амплитудой и РЧ-детектор (например, а анализатор цепи SAUNDERS™ (Saunders & Associates, LLC, Феникс, шт. Аризона)).
Направленный ответвитель 29: устройство, соединенное с анализатором 23 цепи для легкого подвода энергии к датчику. Направленный ответвитель 29 позволяет измерять падающий и отраженный сигналы датчика. Измерение параметров S11 и S12 возможно с двух-или-четырехпортовым ответвителем.
Тройник смещения 31: устройство, позволяющее комбинировать и изолировать сигналы постоянного тока и радиочастоты.
Противопомеховый фильтр 39: электронный фильтр, удаляющий нежелательные частоты из замеряемого сигнала. Могут применяться фильтры низких частот, полосно-пропускающие фильтры, фильтры высоких частот и узкополосные блокирующие фильтры.
Резонансные датчики или кварцевые кристаллы 41, 43: устройства, демонстрирующие изменение электрических параметров в соответствии с изменениями давления, температуры и/или вибрации. Кварцевый резонатор является одним из примеров резонансного датчика; еще одним примером является емкостный датчик зазора. Ожидаемый резонанс резонансного датчика может представлять собой любой резонанс, подходящий для осуществления измерения. Желательно, чтобы резонансная частота была как можно более низкой, так как чем ниже резонансная частота, тем проще обнаружить отраженный сигнал.
Переключатель 45 выбора РЧ: переключающее устройство, контролируемое управляющим устройством 11, служащее для выбора от одного до нескольких проводников кабеля 15, 17, которые должен анализировать анализатор 23 цепи.
S11 и S12: Два из четырех параметров матрицы рассеяния, используемые при анализе для определения характеристик подключенных нагрузок. Данные параметры используются для измерения мощности входного или отраженного сигнала датчика. Эта информация используется для определения резонансной частоты кристалла 41, 43. S11 - это коэффициент отражения, определяемый как отношение отраженной энергии к падающей энергии. S12 - это коэффициент обратной передачи, определяемый как отношение переданной обратно энергии к падающей энергии. S12 используется в случае применения нескольких датчиков с линией передачи для сети или сетевым фильтром между ними. Отраженная часть энергии входного сигнала может включать в себя переданную обратно энергию.
Как показано на Фиг. 2 и 3, в системе и способе согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения используется принцип S-параметров, в частности, измерения параметров S11 и S12 сигнала с качающейся частотой, проходящего по линии передачи, предпочтительно, по ТИП-кабелю 15, 17, и в нагрузку (например, датчик), для определения давления и температуры подземной скважины.
В некоторых предпочтительных вариантах реализации изобретения, определение давления и температуры производится путем измерения собственных частот колебаний кварцевого кристалла. В других предпочтительных вариантах реализации изобретения, определение температуры осуществляется путем измерения параметров не кварцевого датчика, а пассивного температурного датчика. Определение резонансных частот производится путем качения частоты в выбранном частотном диапазоне с помощью установленного на поверхности анализатора 23 цепи. Несмотря на то, что как направленный ответвитель 29, так и РЧ-детектор 27 анализатора 23 цепи расположены на поверхности, они используются для измерения сигналов S11 и S12. Кварцевый кристалл 41, 43 не является частью контура осциллятора, и в скважине не требуется устанавливать электронные компоненты, или требуется установка лишь минимального количества электронных компонентов. Резонатор 41, 43 соединен с анализатором цепи линией передачи длиной по меньшей мере 100 футов (30,48 м). В типичных случаях применения линия передачи подвергается воздействию окружающей среды с давлением по меньшей мере 100 фунт/кв.дюйм (689,5 кПа) и температурой по меньшей мере 30°С.
Эксплуатация и тарировка системы
Многопроводная линия передачи
Как показано на Фиг. 2, 4, и 5, в одном из предпочтительных вариантов реализации системы и способа согласно настоящему изобретению используется многожильный ТИП-кабель 17, как будет объяснено ниже.
1. Многожильный ТИП-кабель 17 функционирует следующим образом:
(a) Первый проводник (см. элемент 17А, Фиг. 4 и 5) кабеля 17 оставляют разомкнутым (открытая нагрузка 51).
(b) Второй проводник (см. элемент 17 В, Фиг. 4 и 5) кабеля 17 закорачивают на землю (внешняя стальная оболочка) (закороченная нагрузка 53).
(c) Третий проводник 17С кабеля 17 соединяют с нагрузкой 37 согласования импеданса системы, которая является постоянной при изменении температуры и не изменяет своего значения при изменении температуры. Такая нагрузка 37 согласования импеданса системы, предпочтительно, представляет собой резистор с постоянным сопротивлением, используемый в качестве РДТ-СДТ, который согласует импеданс кабеля 17.
(d) Четвертый проводник 17D кабеля 17 соединен с резонансным датчиком, таким как кварцевый кристалл 41 давления или его эквивалент, используемым для измерения давления в подземной скважине. Кристалл 41 реагирует как на изменения давления, так и на изменения температуры.
(e) Пятый проводник 17Е кабеля 17 соединен с еще одним резонансным датчиком, таким как кварцевый датчик 43 температуры (см. Фиг. 4) или с пассивным датчиком 35 температуры, таким как РДТ (см. Фиг. 5), для измерения температуры в подземной скважине. Кристалл 43 или пассивный датчик 35 температуры подвержены только воздействию температуры и защищены механическим корпусом (не показан), так что они изолированы от действия давления.
2. Наземное оборудование 19 работает следующим образом:
(a) Многожильный ТИП-кабель 17 соединен с переключателем 45 выбора РЧ, который соединен с анализатором 23 цепи.
(b) Переключатель 45 выбора РЧ включает в себя электронные устройства, такие как реле, обеспечивают соединение анализатора 23 цепи с соответствующим проводником 17А-Е кабеля 17.
3. Сбор и анализ данных, получаемых от скважинных датчиков 21, происходит следующим образом:
(а) Переключатель 45 выбора РЧ соединяет первый проводник 17А (незамкнутый) кабеля 17 с анализатором 23 цепи. Анализатор 23 цепи производит качание частоты на кабеле 17 на различных частотах. Полоса качания частоты так же, как начальная и конечная частоты, зависят от собственной резонансной частоты кварцевых датчиков 41, 43 давления и температуры. Сигналы поступают на конец первого проводника 17А кабеля 17. Эти сигналы отражаются обратно на поверхность из незамкнутого проводника. Фаза поступающих обратно на поверхность сигналов отличается от предыдущего случая (см. п.3а выше). Поступившие сигналы анализируются анализатором 23 цепи и полученные данные сохраняются в управляющем устройстве 11.
(b) Переключатель 45 выбора РЧ соединяет второй проводник 17 В (замкнутый) кабеля 17 с анализатором 23 цепи. Анализатор 23 цепи выдает такой же сигнал и полосу, как и в операции по п.3а. Эти сигналы проходят по кабелю 17 и отражаются на конце второго проводника, который является закороченным. Несогласованность импеданса, возникающая на конце кабеля 17, приводит к отражению сигналов обратно к наземному оборудованию 19. Поступившие сигналы анализируются анализатором 23 цепи и полученные данные сохраняются в управляющем устройстве 11.
(c) Переключатель 45 выбора РЧ соединяет третий проводник 17С (резистор с постоянным сопротивлением) кабеля 17 с анализатором 23 цепи. Анализатор 23 цепи повторяет те же самые операции по качанию частоты на кабеле 17 на различных частотах. Принятые на поверхности сигналы имеют характеристики, отличающиеся от характеристик, наблюдавшихся в операциях 3а и 3b выше. Поступившие сигналы анализируются анализатором 23 цепи и полученные данные сохраняются в управляющем устройстве 11.
(d) Программное обеспечение известного типа, обеспеченное вместе с анализатором 23 цепи, использует данные, полученные в ходе вышеуказанных операций 3а, 3b и 3c, для тарировки системы и устранения влияния кабеля 17 на кварцевые датчики 41, 43. Влияние температуры устраняется с помощью нагрузки 37 согласования импеданса системы.
(e) Переключатель 45 выбора РЧ соединяется с четвертым проводником 17D кабеля 17, соединенным с кварцевым датчиком давления 41. Анализатор 23 цепи производит качание частоты на четвертом проводника 17D на различных частотах. Принятые на поверхности отраженные сигналы зависят от давления в скважине, температуры в скважине, длины кабеля 17 и его температуры. Влияние длины и температуры кабеля 17 компенсируется с помощью описанной выше операции тарировки 3d.
(f) Переключатель 45 выбора РЧ соединяется с пятым проводником 17Е кабеля 17 для получения информации от пассивного температурного датчика 35. При использовании кварцевого температурного датчика 43 (см. Фиг. 4) предлагаемая система и способ функционируют так же, как во время вышеописанной операции 3е для кварцевого датчика давления 41. Если используется пассивный датчик 35 температуры, например РДТ, см. Фиг. 5), скважинное сопротивление пассивного датчика 35 температуры определяется путем подачи напряжения и измерения силы тока устройства на поверхности, помимо измерения тока на нагрузке 37 согласования импеданса системы для компенсации потерь в кабеле 17.
Однопроводная линия передачи
Как показано на Фиг. 3 и 6, в еще одном предпочтительном варианте реализации системы и способа согласно настоящему изобретению используется одножильный ТИП-кабель 15, как будет объяснено ниже.
1. Одножильный ТИП-кабель 15 работает следующим образом:
(a) Внешний проводник (оболочка) кабеля 15 соединяется с землей. Центральный проводник кабеля 15 соединяется с кварцевыми кристаллами 41, 43 давления и температуры, которые подсоединены между центральным проводником 15 В и оболочкой 15А кабеля 15.
(b) Импеданс кабеля 15 согласуют с внесенным импедансом, чтобы ограничить отражение вследствие несогласования нагрузки кабеля 15.
(c) Общий импеданс системы согласуют таким образом, чтобы быть как можно ближе к резонансному импедансу кварцевых кристаллов 41, 43 давления и температуры при резонансе, чтобы ограничить отражение сигналов и устранить необходимость тарировки системы после установки. Тарировка системы и кабеля при эксплуатации не требуется, поскольку импеданс кабеля 15 соответствует импедансу системы.
2. Наземное оборудование 19 работает следующим образом:
(а) Одножильный ТИП-кабель 15 соединяют непосредственно с анализатором 23 цепи.
3. Сбор и анализ данных, получаемых от скважинных датчиков 21, происходит следующим образом:
(a) Анализатор 23 цепи соединен с центральным проводником 15 В ТИП-кабеля 15 и согласован с импедансом кабеля 15. Противоположный конец кабеля 15 соединен с кварцевыми кристаллами давления и температуры 41, 43. Это позволяет анализатору 23 цепи производить качание частотны на кабеле 15 и датчиках 41, 43. Отраженные сигналы, принятые анализатором 23 цепи, зависят от скважинного давления и температуры.
(b) Отраженные сигналы являются резонансными частотами свободных колебаний кварцевых кристаллов скважинного давления и температуры 41, 43; эти сигналы совместно с тарировочными кривыми датчиков используются для определения давления и температуры в скважине.
Предпочтительные способы реализации
Ниже приведены технические описания четырех предпочтительных способов измерения скважинного давления и температуры, соответствующих вариантам реализации изобретения, представленным на Фиг. 4-7. Эти способы позволяют осуществлять измерение очень высоких давлений и температур при ограниченном использовании активных электронных компонентов. Все варианты реализации обеспечивают получение одинакового результата, т.е. возможности измерения скважинных давлений и температур (и при использовании аналогичных способов могут обеспечивать также возможность измерения вибрации). Общие принципы работы данных вариантов реализации представлены ниже.
Измерение давления в скважине осуществляется с помощью резонансного датчика, такого как кварцевый кристалл 43 давления (или эквивалентного устройства) с помощью S-параметрического метода отражения (т.е. измерения качания резонансной частоты с помощью анализатора цепи или с применением аналогичного способа). Резонанс кристалла 41 изменяется при воздействии давления и температуры. Поскольку на результат измерения влияет как давление, так и температура, для расчета давления в скважине используют частоту по температуре совместно с частотой по давлению. Измерение температуры в скважине производится с помощью кварцевого температурного кристалла 43 с использованием S-параметрического метода отражения или пассивного датчика 35 температуры.
При использовании многопроводной линии передачи, такой как ТИП-кабель 17, импедансы кабеля устраняются из вычисления путем предварительного определения соотношения фазы и амплитуды линии передачи, предпочтительно осуществляемого посредством калибровки системы методом "нагрузка - разрыв - короткое замыкание". Различия по импедансу между проводниками являются пренебрежимо малыми.
Как видно из Фиг.4 и 5, управляющее устройство 11 осуществляет управление анализатором 23 цепи. Анализатор 23 цепи одновременно передает и получает генерированный сигнал. Примером сигнала такого типа является радиочастотный синусоидальный сигнал. (Как в этом, так и во всех других рассматриваемых здесь случаях, исходный сигнал, предпочтительно, представляет собой сгенерированный сигнал с постоянной амплитудой). Генератор сигналов 25 анализатора 23 цепи передает сигнал по соединителю "Выход РЧ", а РЧ-детектор 27 принимает радиочастотные сигналы по соединителю "Вход РЧ".
Направленный ответвитель 29 соединен с соединителями "Выход РЧ" и "Вход РЧ" анализатора 23 цепи, и в случае применения пассивного датчика 35 температуры (см. Фиг. 5) является пропускающим проводником, соединенным с тройником 31 смещения. Тройник 31 смещения обеспечивает добавление сигнала постоянного тока к радиочастотному сигналу, поступающему на ТИП-кабель 17, который выполняет функцию проводника для скважинного пассивного температурного датчика 35 и нагрузки согласования импеданса системы 37. Для устранения помех может использоваться противошумовой (полосовой) фильтр 39, соединенный с кабелем 17. Помехи возникают в результате возмущений внешней среды.
Переключатель 45 выбора РЧ обеспечивает передачу радиочастотного сигнала на один из пяти проводников 17А-Е ТИП-кабеля 17. Управление переключателем 45 выбора РЧ осуществляется управляющим устройством 11. Переключатель 45 выбора РЧ позволяет анализатору 23 цепи производить сканирование каждой внутрискважинной нагрузки по отдельности. Источник питания 33 постоянного тока обеспечивает подачу питания для управляющего устройства 11, анализатора 23 цепи и переключателя 45 выбора РЧ.
Как показано на Фиг. 6 и 7, управляющее устройство 11 осуществляет управление анализатором 23 цепи, источником 33 питания постоянного тока и (на Фиг. 6) амперметром 47 постоянного тока. Анализатор 23 цепи одновременно передает и получает генерированный сигнал (например, синусоидальный радиочастотный сигнал). Генератор сигналов 25 анализатора 23 цепи передает сигнал по соединителю "Выход РЧ" и РЧ-детектор 27 воспринимает сигналы по соединителю "Вход РЧ".
Направленный ответвитель 29 соединен с анализатором 23 цепи и обеспечивает пропускающее соединение. В варианте реализации, показанном на Фиг. 7, тройник 31 смещения соединен с направленным ответвителем 29, который обеспечивает добавление сигнала постоянного тока к радиочастотный сигналу, поступающему на ТИП-кабель 15, который выполняет функцию проводника для пассивного датчика 35 температуры и нагрузки согласования импеданса системы 37. Для устранения помех может использоваться противошумовой (полосовой) фильтр 39, соединенный с кабелем 15. Помехи возникают в результате возмущений внешней среды.
Источник питания постоянного тока 33 обеспечивает питание управляющего устройства 11, а также обеспечивает подачу небольшого измеримого тока на скважинный пассивный датчик 35 температуры и нагрузку 37 согласования импеданса системы для измерения резистивного значения.
При измерении температуры с помощью пассивного температурного датчика (см. Фиг. 7), в скважине предусмотрены два диода в диодном переключателе НЧ-фильтра 49, который выполняет функцию развязывающего контура для изоляции положительного и отрицательного постоянного тока. Положительное напряжение подается на пассивный датчик 35 температуры и отрицательное напряжение подается на нагрузку 37 согласования импеданса системы. Задача нагрузки 37 согласования импеданса системы заключается в обеспечении возможности устранения потерь в кабеле и падения напряжения постоянного тока каждого диода. Низкое значение напряжения постоянного тока, подаваемого на скважинный кристалл 41, не влияет на его резонансную частоту благодаря применению противошумового (низкочастотного) фильтра 39.
При измерении температурным кристаллом (см. Фиг. 6) кристаллы 41, 43 давления и температуры соединены параллельно. Один вывод кристаллов 41, 43 соединен с оболочкой ТИП-кабеля 15, а другой вывод кристаллов 41, 43 соединен с центральным проводником кабеля 15. Такая конфигурация является наиболее простой и предпочтительной.
Когда кварцевые кристаллы 41, 43 давления и температуры соединены параллельно, резонансную частоту каждого из них можно получить посредством одного измерения (см. Фиг. 8), при измерении фазы (от -180° до +180°) и амплитуды (S11 в дБ) анализатором 23 цепи. Поскольку кварцевые кристаллы 41, 43 подсоединены к кабелю 15 параллельно, качание частоты на обоих кристаллах 41, 43 анализатором 23 цепи можно производить одновременно. Резистивный импеданс кварцевых датчиков 41, 43 должен быть согласован как можно больше с импедансом ТИП-кабеля 15 и источника для устранения любых возможных потерь, помимо потерь на сопротивление. Для проведения измерений в нескольких пластовых зонах система может включать в себя и большее количество кристаллов или резонансных датчиков.
Каждый кристалл 41, 43 выбирается таким образом, чтобы их моды или гармоники на накладывались друг на друга. Как показано на Фиг. 8, резонансная частота каждого кристалла 41, 43 представляет собой максимальный уровень сигнала и данные максимальные уровни отделены друг от друга. Антирезонансная частота каждого из кристаллов находится в точке расположения отрицательной полосы. Кроме того, для обнаружения изменений отраженного сигнала можно использовать антирезонансную частоту, хотя такой метод не является предпочтительным.
Тарировка системы при использовании многожильного кабеля
Измерение амплитуды и фазы резонансной частоты кристаллов давления и температуры требует проведения тарировки системы или устранения влияния линии передачи. В случае применения многожильного ТИП-кабеля тарировку системы осуществляют посредством измерения анализатором 23 цепи значений параметров при "нагрузке", "коротком замыкании" и "разрыве". Управляющее устройство 11 управляет процессом измерения и сохраняет тарировочные коэффициенты в виде файла для последующего использования системой. Файл тарировочных коэффициентов используется анализатором цепи для получения точных результатов измерений.
При использовании пассивного датчика 35 температуры производится вторая тарировка системы. Пассивный датчик 35 температуры РДТ подсоединяется между одним из проводников 17А-Е и оболочной ТИП-кабеля. Нагрузка 37 согласования импеданса системы используется как тарировочный элемент для пассивного датчика 35 температуры при измерении сопротивления для определения температуры в скважине.
Вышеупомянутые тарировки при необходимости можно выполнять перед проведением каждого измерения.
Поскольку каждый кварцевый датчик 41 давления и кварцевый датчик 43 температуры является специфичным, перед эксплуатацией производится тарирование датчиков. Для каждого из датчиков 41, 43 создается полиномиальное уравнение. Значения частот, полученных от скважинных датчиков 41, 43, вводят в полиномиальное уравнение и преобразуют в соответствующие значения давлений и температур, которые характеризуют условия в скважине.
Результаты
На Фиг. 9 приведен калибровочный график зависимости частоты отраженного сигнала кристалла давления, демонстрирующий нормализованную по амплитуде и фазе информацию, получаемую от кварцевого датчика давления при давлении 14,7 фунт/кв.дюйм (около 101,4 кПа) и температуре 24,3°С. Данный график является примером отраженного резонансного сигнала кристалла.
На Фиг. 10 показан график, демонстрирующий сравнение генерированного сигнала кварцевого датчика давления при атмосферном давлении с помощью существующих приборов и способов с отраженным сигналом при том же самом давлении, полученным с помощью предпочтительного варианта реализации системы и способа согласно настоящему изобретению, с глубины 2000 футов (609,6 м) по ТИП-кабелю. Точность предлагаемой системы и способа является сравнимой с точностью существующих приборов известного уровня техники.
На Фиг. 11 показан график, демонстрирующий сравнение генерированного сигнала кварцевого датчика давления при давлении 5000 фунт/кв.дюйм (приблизительно 34,5 МПа) с помощью существующих приборов и способов с отраженным сигналом при таком же давлении, полученным с помощью предпочтительного варианта реализации системы и способа согласно настоящему изобретению, с глубины 2000 футов (609,6 м) по ТИП-кабелю. Точность предлагаемой системы и способа является сравнимой с точностью существующих приборов известного уровня техники.
1. Система для применения при контроле давления, температуры и/или вибрации, содержащая
анализатор (23) цепи,
по меньшей мере один или более независимых резонансных датчиков (41/43) с индивидуальными резонансными частотами, расположенных в скважине, и
линию (15/17) передачи, соединяющую анализатор цепи с указанным по меньшей мере одним резонансным датчиком (41/43);
при этом линия (15/17) передачи представляет собой минимум один проводник с заземлением длиной по меньшей мере 100 футов (30,48 м) и выполнена управляемой по импедансу до указанного по меньшей мере одного резонансного датчика,
анализатор (23) цепи содержит генератор (25) колебательного сигнала и детектор (27) сигналов и выполнен с возможностью:
подачи падающей энергии в форме колебательного сигнала по указанной линии (15/17) передачи, соединенной с указанным по меньшей мере одним резонансным датчиком (41/43), и качания частоты колебательного сигнала от одной опорной частоты до другой опорной частоты на указанном по меньшей мере одном резонансном датчике (41/43), при этом ожидаемый собственный резонанс указанного по меньшей мере одного резонансного датчика (41/43) находится между указанными опорными частотами;
одновременного приема отраженной части падающей энергии от указанного по меньшей мере одного резонансного датчика (41/43), поступающей обратно по линии (15/17) передачи;
измерения полученной отраженной части падающей энергии и
определения изменения в отраженной части падающей энергии по качающимся частотам.
2. Система по п. 1, содержащая также средства для увеличения отраженной части падающей энергии относительно подаваемой падающей энергии.
3. Система по п. 2, в которой увеличивающие средства представляют собой резистор (37) с постоянным сопротивлением, который по существу согласует нагрузку импеданса системы.
4. Система по п. 1, содержащая также второй резонансный датчик (41/43).
5. Система по п. 4, в которой по меньшей мере один резонансный датчик и второй резонансный датчик (41/43) соединены параллельно.
6. Система по п. 4, в которой анализатор (23) цепи выполнен с возможностью осуществления качания частоты одновременно на указанном по меньшей мере одном резонансном датчике (41/43) и втором резонансном датчике (41/43).
7. Система по п. 4, в которой по меньшей мере один резонансный датчик (41/43) и второй резонансный датчик (41/43) разделены линией (15/17) передачи или сетевым фильтром (39).
8. Система по п. 7, в которой отраженная часть падающей энергии включает в себя энергию обратной передачи.
9. Система по п. 1, содержащая также пассивный датчик температуры (35), соединенный с анализатором (23) цепи линией (15/17) передачи.
10. Система по п. 7, содержащая также развязывающий контур, расположенный между пассивным температурным датчиком (35) и по меньшей мере одним резонансным датчиком (41/43).
11. Система по п. 1, в которой колебательный сигнал представляет собой синусоидальный низкочастотный сигнал или синусоидальный сигнал более высокой частоты, сформированный генератором сигналов.
12. Система по п. 1, в которой по меньшей мере один резонансный датчик (41/43) представляет собой кварцевый датчик (41) давления или кварцевый датчик (35/43) температуры.
13. Способ контроля давления, температуры и/или вибрации, согласно которому:
подают падающую энергию в форме колебательного сигнала по линии (15/17) передачи, соединенной по меньшей мере с одним резонансным датчиком (41/43), расположенным в скважине, и обеспечивают качание частоты колебательного сигнала от одной опорной частоты до другой опорной частоты по меньшей мере на одном резонансном датчике (41/43) с ожидаемым собственным резонансом по меньшей мере одного резонансного датчика (41/43) между двумя опорными частотами;
одновременно принимают отраженную часть падающей энергии от указанного по меньшей мере одного резонансного датчика (41/43), идущую обратно по линии (15/17) передачи;
измеряют фазу и амплитуду принятой отраженной части падающей энергии; и
определяют изменение в полученной отраженной части падающей энергии по качающимся частотам;
причем этапы подачи, приема, измерения и определения выполняют анализатором (23) цепи, содержащим генератор (25) колебательного сигнала и детектор (27) сигналов,
линия (15/17) передачи, соединяющая анализатор (23) цепи с указанным по меньшей мере одним резонансным датчиком (41/43), представляет собой минимум один проводник с заземлением длиной по меньшей мере 100 футов (30,48 м) и выполнена управляемой по импедансу до указанного по меньшей мере одного резонансного датчика.
14. Способ по п. 13, включающий в себя также этап увеличения отраженной части падающей энергии относительно поданной падающей энергии путем согласования импедансной нагрузки (37) системы указанного по меньшей мере одного резонансного датчика (41/43).
15. Способ по п. 13, согласно которому также используют второй резонансный датчик (41/43), для которого анализатор (23) цепи выполняет указанные этапы подачи, приема, измерения и определения.
16. Способ по п. 15, в котором анализатор (23) цепи осуществляет качание частоты одновременно на по меньшей мере одном резонансном датчике (41/43) и втором резонансном датчике (41/43).
17. Способ по п. 15, в которой по меньшей мере один резонансный датчик (41/43) и второй резонансный датчик (41/43) разделены линией (15/17) передачи или сетевым фильтром (39).
18. Способ по п. 17, в котором отраженная часть падающей энергии включает в себя энергию обратной передачи.
19. Способ по п. 13, в котором второй датчик представляет собой пассивный датчик (35) температуры, соединенный с анализатором (23) цепи линией (15/17) передачи.
20. Способ по п. 19, в котором используется также развязывающий контур (49), расположенный между пассивным температурным датчиком и по меньшей мере одним резонансным датчиком (41/43).
21. Способ по п. 13, в котором колебательный сигнал представляет собой синусоидальный низкочастотный сигнал или синусоидальный сигнал более высокой частоты, сформированный генератором (25) сигналов.
22. Способ по п. 13, в котором по меньшей мере один резонансный датчик (41/43) представляет собой кварцевый датчик (41) давления или кварцевый датчик (43) температуры.
