具有最小数量电子器件的井下石英计量器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于井下作业的仪器，以确定压力和温度。更具体地，本发明涉及基于石英的用于井下作业的仪器，以确定压力和温度。
【背景技术】
[0002]现有基于石英的用于井下作业的仪器利用具有多个石英谐振元件的系统对压力和温度进行确定。通常地，这种系统包括(用于响应压力和温度的)一压力传感器、(暴露于温度而远离压力的)一参考传感器以及(暴露于温度而远离压力的)一温度传感器。该参考传感器对温度的敏感性低于温度传感器。
[0003]使用混频振荡器(例如专利号为5，166，645的美国专利)，来自传感器的信号被处理，得到的数据要么被存储在计量器的存储芯片上，要么通过管封装导线(TEC)电缆向上发送到地面设备(如图1所示)。在这里需要大量的电子元件，它们都需要能够抵抗井下高温，从而导致计量器成本高昂，且容易失效。
【发明内容】
[0004]根据本发明的系统和方法可成功地与井下石英计量器通信，该石英计量器在不需要有源井下电子元件、只使用无源电子元件甚至不使用井下电子元件的情况下，测量压力和温度。由于井下电子元件的数量明显少于现有行业中使用的石英计量器，因此，本发明系统和方法大大增加了本发明计量器的可靠性。
[0005]该系统和方法消除了传统石英计量器中使用的井下混频器和振荡器，可通过传输线将信号直接传输到地面，优选地，可通过单到多导线管封装导线(TEC)电缆或等价物传输。该系统和方法的优点在于:限定了要经历严酷地下温度环境的电子元件的数目，从而提高了该系统的可靠性，特别在高温环境下的可靠性。那些辅助的包括有源电子元件的电子器件设置在地面上，在地面上环境条件不像井下的条件。
[0006]该系统和方法的典型应用是蒸汽辅助重力泄油井(SAGD)，其深度达到2，000英尺(609.6m)，压力为3，OOOpsi (大约20.7MPa)，温度为230°C。其他应用可能更深，且温度可达到250°C，压力可达到15，OOOpsi (大约103.4MPa)。
[0007]用于监测压力、温度和/或震动的系统和方法包括网络分析器、至少一谐振传感器以及将网络分析器连接到谐振传感器的传输线。该谐振传感器可以为一石英压力或温度传感器或其等价物(包括如间隙电容传感器的传感器)。网络分析器包括振荡信号生成器以及信号检测器，该生成器可以为RF正弦信号生成器。
[0008]传输线的长度至少有100英尺(30.48m)，传输线可以为单导线传输线或多导线传输线。管封装导线(TEC)电缆可提供合适的传输线。为了获得沿着电缆的更低损耗，电缆内导线和电缆防护层的外直径之间的电介质区域应尽可能大。
[0009]网络分析器沿着传输线施加振荡信号形式的入射能，以及对跨越谐振传感器的一参考频率到另一参考频率的振荡信号进行频率扫描。谐振传感器的期望谐振位于该两个参考频率之间。
[0010]网络分析器之后接收来自谐振传感器的入射能的、沿着送线返回的一反射部分，测量接收到的入射能的反射部分的相位和幅度；以及识别跨越扫描的频率的入射能的反射部分的变化。当使用附加的谐振传感器、且该附加传感器通过传输线或网络滤波器被连接到另一谐振传感器时，入射能的反射部分除了反射系数(Sll)还可包括反射传输能(S12)。
[0011]该系统还可包括强化装置，该强化装置用于相对施加的入射能强化入射能的反射部分。在一实施例中，强化装置为固定电阻器，固定电阻器与系统阻抗负载匹配。
[0012]为了测量温度，该系统包括使用无源温度传感器或谐振温度传感器。不管使用何种类型的传感器，传感器都通过传输线与网络分析器连接。当无源温度传感器被连接单导线传输线时，一隔离电路可允许温度传感器只承受正DC电流，系统阻抗匹配负载只承受负DC电流。当谐振温度传感器被连接到单导线传输线时，则该谐振温度传感器与谐振压力传感器并联，从而允许网络分析器同时可对该两个传感器进行扫描。
[0013]本发明的目的包括提供用于测量地下井压力和温度的系统和方法，其中:(1)该系统和方法比现有系统和方法更可靠；(2)该系统和方法限定了电子元件和电路的总数量以及这些暴露在严酷地下环境下的电子元件和电路的总数量；(3)消除了传统石英计量器中使用的混频器和振荡器；(4)直接将石英压力和温度传感器的反射固有谐振频率传输到地面；(5)提供了多压力和温度井区域。
【附图说明】
[0014]图1为现有用于监测地下井压力和温度的仪器框图。来自传感器的频率信息由井下电子器件进行修正。该修正通常包括位于100个元件上的修正，例如，这些元件包括电容器、二极管、电感器、晶体管、电阻器以及集成电路芯片。这些元件对功率进行振荡、混频、放大、转换、补给以对信号进行处理。所有这些电子器件都被暴露在井下温度下。信号通过电缆或管封装导线(TEC)传输到地面设备。
[0015]图2为根据本发明得到的系统和方法的优选实施例框图，以用于监测地下井压力和温度。该系统消除了传统井下石英计量器中使用的石英参考传感器、混频器以及振荡器，该系统将晶体的反射的固有谐振频率通过作为传输线路的多导线TEC电缆直接传输到地面。该系统还使用了实时系统标定。
[0016]图3为与单导线TEC电缆一起使用的系统优选实施例的框图。该系统和方法使用了压力晶体和温度晶体，或包括使用电阻温度检测器(RTD)来替代温度晶体。
[0017]图4为与多导线TEC电缆一起使用的系统和方法的可选优选实施例框图。该系统和方法使用压力晶体和温度晶体。
[0018]图5为与多导线TEC电缆一起使用的系统的另一优选实施例的框图。该系统和方法使用压力晶体和无源温度传感器(例如，电阻性热元件或RTD)。
[0019]图6为与单导线TEC电缆一起使用的系统和方法的另一优选实施例的框图。该系统和方法包括并联在电缆上的压力晶体和温度晶体。
[0020]图7为与单导线TEC电缆一起使用的系统和方法的一优选实施例的框图。该系统和方法包括压力晶体和无源温度传感器(例如电阻性热元件或“RTD”)以及一固定电阻器，该固定电阻器用作该无源温度传感器(例如，RTD-STD)的标尺。
[0021]图8为与一次测量中示出的每个谐振频率并联的压力和温度晶体的曲线图。由于两个晶体都连接在相同的TEC电缆上，因此，两个晶体同时由一网络分析器执行扫描。更多的晶体可以被接入到该系统，以适应多个区域。
[0022]图9为压力晶体反射的频率响应的标定图，该频率响应指示了石英压力传感器在14.7psi (大约101.4KPa)、24.3°C时的幅度归一化信息和相位信息。这仅为晶体反射的谐振示例。
[0023]图10为一曲线图，该曲线图比较示出了穿过2，000英尺(ft)长(609.6m) TEC电缆的、使用现有仪器和现有方法获得的在大气压力下的压力晶体振荡信号以及使用根据本发明系统和方法一优选实施例在相同压力条件下获得的反射信号。该系统和方法的精度与现有仪器精确度类似。
[0024]图11为一比较示意图，该图示出了穿过2，000英尺(ft)长(609.6m)TEC电缆的、使用现有方法从现有仪器在5，OOOpsi (大约34.5MPa)下获得的压力晶体振荡信号以及使用根据本发明系统和方法优选实施例在相同压力条件下获得的反射信号。该系统和方法的精度与现有仪器精确度类似。
[0025]附图中使用的元件和引用数字
[0026]11控制器
[0027]13控制数据总线
[0028]15单导线传输线(例如，单导线TEC电缆)
[0029]17多导线传输线(例如，多导线TEC电缆)
[0030]17 A 17的第一导线
[0031]17 B 17的第二导线
[0032]17 C 17的第三导线
[0033]17 D 17的第四导线
[0034]17 E 17的第五导线
[0035]