具有最小數(shù)量電子器件的井下石英計(jì)量器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于井下作業(yè)的儀器，以確定壓力和溫度。更具體地，本發(fā)明涉及基于石英的用于井下作業(yè)的儀器，以確定壓力和溫度。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有基于石英的用于井下作業(yè)的儀器利用具有多個石英諧振元件的系統(tǒng)對壓力和溫度進(jìn)行確定。通常地，這種系統(tǒng)包括(用于響應(yīng)壓力和溫度的)一壓力傳感器、(暴露于溫度而遠(yuǎn)離壓力的)一參考傳感器以及(暴露于溫度而遠(yuǎn)離壓力的)一溫度傳感器。該參考傳感器對溫度的敏感性低于溫度傳感器。
[0003]使用混頻振蕩器(例如專利號為5，166，645的美國專利)，來自傳感器的信號被處理，得到的數(shù)據(jù)要么被存儲在計(jì)量器的存儲芯片上，要么通過管封裝導(dǎo)線(TEC)電纜向上發(fā)送到地面設(shè)備(如圖1所示)。在這里需要大量的電子元件，它們都需要能夠抵抗井下高溫，從而導(dǎo)致計(jì)量器成本高昂，且容易失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可成功地與井下石英計(jì)量器通信，該石英計(jì)量器在不需要有源井下電子元件、只使用無源電子元件甚至不使用井下電子元件的情況下，測量壓力和溫度。由于井下電子元件的數(shù)量明顯少于現(xiàn)有行業(yè)中使用的石英計(jì)量器，因此，本發(fā)明系統(tǒng)和方法大大增加了本發(fā)明計(jì)量器的可靠性。
[0005]該系統(tǒng)和方法消除了傳統(tǒng)石英計(jì)量器中使用的井下混頻器和振蕩器，可通過傳輸線將信號直接傳輸?shù)降孛?，?yōu)選地，可通過單到多導(dǎo)線管封裝導(dǎo)線(TEC)電纜或等價物傳輸。該系統(tǒng)和方法的優(yōu)點(diǎn)在于:限定了要經(jīng)歷嚴(yán)酷地下溫度環(huán)境的電子元件的數(shù)目，從而提高了該系統(tǒng)的可靠性，特別在高溫環(huán)境下的可靠性。那些輔助的包括有源電子元件的電子器件設(shè)置在地面上，在地面上環(huán)境條件不像井下的條件。
[0006]該系統(tǒng)和方法的典型應(yīng)用是蒸汽輔助重力泄油井(SAGD)，其深度達(dá)到2，000英尺(609.6m)，壓力為3，OOOpsi (大約20.7MPa)，溫度為230°C。其他應(yīng)用可能更深，且溫度可達(dá)到250°C，壓力可達(dá)到15，OOOpsi (大約103.4MPa)。
[0007]用于監(jiān)測壓力、溫度和/或震動的系統(tǒng)和方法包括網(wǎng)絡(luò)分析器、至少一諧振傳感器以及將網(wǎng)絡(luò)分析器連接到諧振傳感器的傳輸線。該諧振傳感器可以為一石英壓力或溫度傳感器或其等價物(包括如間隙電容傳感器的傳感器)。網(wǎng)絡(luò)分析器包括振蕩信號生成器以及信號檢測器，該生成器可以為RF正弦信號生成器。
[0008]傳輸線的長度至少有100英尺(30.48m)，傳輸線可以為單導(dǎo)線傳輸線或多導(dǎo)線傳輸線。管封裝導(dǎo)線(TEC)電纜可提供合適的傳輸線。為了獲得沿著電纜的更低損耗，電纜內(nèi)導(dǎo)線和電纜防護(hù)層的外直徑之間的電介質(zhì)區(qū)域應(yīng)盡可能大。
[0009]網(wǎng)絡(luò)分析器沿著傳輸線施加振蕩信號形式的入射能，以及對跨越諧振傳感器的一參考頻率到另一參考頻率的振蕩信號進(jìn)行頻率掃描。諧振傳感器的期望諧振位于該兩個參考頻率之間。
[0010]網(wǎng)絡(luò)分析器之后接收來自諧振傳感器的入射能的、沿著送線返回的一反射部分，測量接收到的入射能的反射部分的相位和幅度；以及識別跨越掃描的頻率的入射能的反射部分的變化。當(dāng)使用附加的諧振傳感器、且該附加傳感器通過傳輸線或網(wǎng)絡(luò)濾波器被連接到另一諧振傳感器時，入射能的反射部分除了反射系數(shù)(Sll)還可包括反射傳輸能(S12)。
[0011]該系統(tǒng)還可包括強(qiáng)化裝置，該強(qiáng)化裝置用于相對施加的入射能強(qiáng)化入射能的反射部分。在一實(shí)施例中，強(qiáng)化裝置為固定電阻器，固定電阻器與系統(tǒng)阻抗負(fù)載匹配。
[0012]為了測量溫度，該系統(tǒng)包括使用無源溫度傳感器或諧振溫度傳感器。不管使用何種類型的傳感器，傳感器都通過傳輸線與網(wǎng)絡(luò)分析器連接。當(dāng)無源溫度傳感器被連接單導(dǎo)線傳輸線時，一隔離電路可允許溫度傳感器只承受正DC電流，系統(tǒng)阻抗匹配負(fù)載只承受負(fù)DC電流。當(dāng)諧振溫度傳感器被連接到單導(dǎo)線傳輸線時，則該諧振溫度傳感器與諧振壓力傳感器并聯(lián)，從而允許網(wǎng)絡(luò)分析器同時可對該兩個傳感器進(jìn)行掃描。
[0013]本發(fā)明的目的包括提供用于測量地下井壓力和溫度的系統(tǒng)和方法，其中:(1)該系統(tǒng)和方法比現(xiàn)有系統(tǒng)和方法更可靠；(2)該系統(tǒng)和方法限定了電子元件和電路的總數(shù)量以及這些暴露在嚴(yán)酷地下環(huán)境下的電子元件和電路的總數(shù)量；(3)消除了傳統(tǒng)石英計(jì)量器中使用的混頻器和振蕩器；(4)直接將石英壓力和溫度傳感器的反射固有諧振頻率傳輸?shù)降孛妫?5)提供了多壓力和溫度井區(qū)域。
【附圖說明】
[0014]圖1為現(xiàn)有用于監(jiān)測地下井壓力和溫度的儀器框圖。來自傳感器的頻率信息由井下電子器件進(jìn)行修正。該修正通常包括位于100個元件上的修正，例如，這些元件包括電容器、二極管、電感器、晶體管、電阻器以及集成電路芯片。這些元件對功率進(jìn)行振蕩、混頻、放大、轉(zhuǎn)換、補(bǔ)給以對信號進(jìn)行處理。所有這些電子器件都被暴露在井下溫度下。信號通過電纜或管封裝導(dǎo)線(TEC)傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備。
[0015]圖2為根據(jù)本發(fā)明得到的系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實(shí)施例框圖，以用于監(jiān)測地下井壓力和溫度。該系統(tǒng)消除了傳統(tǒng)井下石英計(jì)量器中使用的石英參考傳感器、混頻器以及振蕩器，該系統(tǒng)將晶體的反射的固有諧振頻率通過作為傳輸線路的多導(dǎo)線TEC電纜直接傳輸?shù)降孛妗Ｔ撓到y(tǒng)還使用了實(shí)時系統(tǒng)標(biāo)定。
[0016]圖3為與單導(dǎo)線TEC電纜一起使用的系統(tǒng)優(yōu)選實(shí)施例的框圖。該系統(tǒng)和方法使用了壓力晶體和溫度晶體，或包括使用電阻溫度檢測器(RTD)來替代溫度晶體。
[0017]圖4為與多導(dǎo)線TEC電纜一起使用的系統(tǒng)和方法的可選優(yōu)選實(shí)施例框圖。該系統(tǒng)和方法使用壓力晶體和溫度晶體。
[0018]圖5為與多導(dǎo)線TEC電纜一起使用的系統(tǒng)的另一優(yōu)選實(shí)施例的框圖。該系統(tǒng)和方法使用壓力晶體和無源溫度傳感器(例如，電阻性熱元件或RTD)。
[0019]圖6為與單導(dǎo)線TEC電纜一起使用的系統(tǒng)和方法的另一優(yōu)選實(shí)施例的框圖。該系統(tǒng)和方法包括并聯(lián)在電纜上的壓力晶體和溫度晶體。
[0020]圖7為與單導(dǎo)線TEC電纜一起使用的系統(tǒng)和方法的一優(yōu)選實(shí)施例的框圖。該系統(tǒng)和方法包括壓力晶體和無源溫度傳感器(例如電阻性熱元件或“RTD”)以及一固定電阻器，該固定電阻器用作該無源溫度傳感器(例如，RTD-STD)的標(biāo)尺。
[0021]圖8為與一次測量中示出的每個諧振頻率并聯(lián)的壓力和溫度晶體的曲線圖。由于兩個晶體都連接在相同的TEC電纜上，因此，兩個晶體同時由一網(wǎng)絡(luò)分析器執(zhí)行掃描。更多的晶體可以被接入到該系統(tǒng)，以適應(yīng)多個區(qū)域。
[0022]圖9為壓力晶體反射的頻率響應(yīng)的標(biāo)定圖，該頻率響應(yīng)指示了石英壓力傳感器在14.7psi (大約101.4KPa)、24.3°C時的幅度歸一化信息和相位信息。這僅為晶體反射的諧振示例。
[0023]圖10為一曲線圖，該曲線圖比較示出了穿過2，000英尺(ft)長(609.6m) TEC電纜的、使用現(xiàn)有儀器和現(xiàn)有方法獲得的在大氣壓力下的壓力晶體振蕩信號以及使用根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)和方法一優(yōu)選實(shí)施例在相同壓力條件下獲得的反射信號。該系統(tǒng)和方法的精度與現(xiàn)有儀器精確度類似。
[0024]圖11為一比較示意圖，該圖示出了穿過2，000英尺(ft)長(609.6m)TEC電纜的、使用現(xiàn)有方法從現(xiàn)有儀器在5，OOOpsi (大約34.5MPa)下獲得的壓力晶體振蕩信號以及使用根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)和方法優(yōu)選實(shí)施例在相同壓力條件下獲得的反射信號。該系統(tǒng)和方法的精度與現(xiàn)有儀器精確度類似。
[0025]附圖中使用的元件和引用數(shù)字
[0026]11控制器
[0027]13控制數(shù)據(jù)總線
[0028]15單導(dǎo)線傳輸線(例如，單導(dǎo)線TEC電纜)
[0029]17多導(dǎo)線傳輸線(例如，多導(dǎo)線TEC電纜)
[0030]17 A 17的第一導(dǎo)線
[0031]17 B 17的第二導(dǎo)線
[0032]17 C 17的第三導(dǎo)線
[0033]17 D 17的第四導(dǎo)線
[0034]17 E 17的第五導(dǎo)線
[0035]