[0023]在诸如多相流测量系统的EM流体调查/测量中，在足够高的RF/微波频率下，所测量的传输或反射(或散射)的响应在其调查的灵敏度区域覆盖或深度内直接地或间接地与多相流体的复电容率(相当于相对电容率和传导率)有关。假定水具有大约80的电容率，油具有大约2.2的电容率以及气体具有大约I的电容率，并且水具有像100S/m—样高的传导率，油具有大约O的传导率以及气体具有O的传导率，则该测量主要对含水率和水传导率敏感。水和油的介电性能通常呈现源自许多源的多个弛豫。低频下的界面效应是尤其突出的，并且能够使介电信号的解释有问题。然而，低频信号具有最大的穿透深度。在较高的频率下，界面极化的混淆效应从信号中消失，并且显著简化了在相分数方面对介电响应的解释。然而，在高频率下，辐射的穿透深度显著地更小，因此RF/微波感测系统仅可以测量/调查感测系统/将EM辐射发射至流体中的天线附近的一部分流体/附属于感测系统/将EM辐射发射至流体中的天线的一部分流体。
[0024]在某些方面，RF/微波感测系统中的每个发射机/接收机天线能被认为是非常近似于理想的偶极子。同样地，来自发射机/接收机天线的辐射场将按Ι/r3减弱，其中，r是离天线的径向距离。对于围绕管外围安装有多个天线的系统(例如，诸如在如美国专利第5，485，743号中所公开的层析成像系统中，或如美国专利公布第20110267074号中所公开的两发射机两接收机补偿微分测量系统中)，场的穿透的深度由发射机和接收机的间隔的组合以及由与仪器的本底噪声相比的信号强度所确定，仪器的本底噪声是频率依赖的。
[0025]通常，RF/微波流测量系统的最高频率在I至10千兆赫(“GHz”)的水平上。在这些类的频率下，调查的深度在高的体电导率下(在高含水率下、在高盐度和/或高温下)是低的。同样地，在包含呈现显著含水率的流的井眼或管中，使用EM辐射来探测整个井眼/管的横截面常常是不可能的。
[0026]在本发明的实施例中，超材料被用于扩展尤其是较高频率下的EM系统的灵敏度范围，在该较高频率下界面极化的影响消失。相比之下，简单地增大发射功率将不解决调查深度的问题，因为信号随距离的降低比率将保持不变。在任何情况下，可用的功率实际上是有限的，并且对于碳氢化合物工业中的地面的/海底的应用，低功率需求在系统竞争优势和易于实现固有安全方面有利的。
[0027]最广义地，超材料是具有非自然出现的特性的材料。在本文中，术语超材料一般被用于指具有负折射率的一类材料和/或是左手式或双否定的材料。此外，在本发明的一些方面，具有在空间上被设计的电容率的材料还可以被用在MPFM中。前者材料的特点是具有负相对电容率和负相对磁导率。
[0028]在本发明的一个实施例中，可以使用其电容率和磁导率在共振时处于负状态的共振器阵列来创建超材料，并且只要共振器尺寸的大小远小于将被用在MPFM中的EM的波长。在这种配置中，能够制造具有恰当的平均特性的材料。后述材料(该材料具有空间上被设计的电容率)是更容易制造的、是宽带的，但不呈现用左手材料可实现的“完美透镜化”。然而，低剖面轮廓透镜能够由具有空间上设计的电容率的材料制成，并且这些是梯度透镜的RF等同物。除了这些材料之外，在一些实施例中，所结合的右手特性与左手特性能够被设计成带状线波导天线，其能够被设计为具有定向的能力。
[0029]在一个实施例中，负折射率材料/透镜可以被用于操控EM流传感器的近场以获得“完美的”透镜，即，不受衍射极限限制的透镜。在一些实施例中，EM流传感器包括尺寸显著小于传播EM能量的波长的透镜。
[0030]在一个实施例中，将超材料的柱面透镜设置为插在RF/微波流感测系统的发射机/接收机天线与井眼、管线、通道和/或类似物中的正被调查的流体之间，使得将自天线所发出的EM辐射聚焦到沿或横跨井眼、管或通道轴线的平面。因此，在这种实施例中，取代如在之前的EM流体传感器中所发现的场强Ι/r3的下降，提供1/r 2的下降，其提供关于调查的灵敏度/深度的显著不同。一般地，这类下降对于r?a是有效的，其中，a是偶极子的长度。使用这种透镜，在本发明的实施例中，对于EM流体感测系统，产生了对于给定能量输出的穿透深度的显著提高。
[0031]提供针对流体感测中使用的RF频率的传统透镜将需要尺寸显著的透镜，S卩，显著地大于在其中包含流体的井眼或管的直径。然而，在本发明的实施例中，负折射率材料被用于透镜，其具有为正沿传播方向发射的EM能量的波长的几分之一的尺寸。这允许设计出能够被用在通常所使用的管线和井眼内的聚焦EM流传感器。
[0032]图1示出了根据本发明的一个实施例的包括偶极天线和超材料透镜的用于调查流体的电磁系统。电磁系统30包含偶极天线33和超材料36。为了便于直观化等，未显示用于系统的电源和其他机构。电磁系统30设置在工具本体39上，该工具本体设置在通道40内，所述通道40可以包括井眼套管、管线、管和/或类似物。流体45被包含在通道40内，并且由电磁系统30所调查。流体45可以包含来自井眼的多相混合物、碳氢化合物、生产流体和/或类似物。
[0033]图2(a)_(d)示出了非超材料聚焦电磁系统和图1中所述的超材料聚焦系统的通过建模确定的通道中所产生的场分布。在图2中，为了展示本发明的一个实施例的操作，多相流体被建模为具有值为8的电容率(例如，诸如将被发现用于具有含水率?40%的油为连续相的油/水混合物)，工具本体被建模为具有值为3的电容率(例如，陶瓷材料)以及超材料具有相对磁导率μ^= -2.2+0.0Oli和相对电容率ε r= -2.2+0.0Oli。因此，超材料的有效折射率是m = -2.2。图2示出了针对4GHz频率的场分布的最终的计算结果。
[0034]在图2中，不出了垂直于通道的平面中和针对4GHz频率的2D场的计算结果。在图2(a)和(b)中，场针对其中用具有相对电容率=3的材料取代超材料透镜(代替超材料层/透镜)的图1的电磁系统建模。图2(c)和(d)示出了使用超材料层/透镜形成图1的电磁系统的场分布的模拟结果。图2(a)和(C)是时间平均的功率通量的(在相同的尺度下)图。图2(b)和(d)是针对电场艮的(也具有同样尺度的)图。空间尺度用毫米(_)表不。
[0035]在图2(a)中绘制了时间平均的功率通量，以及在图2(b)中绘制了来自相同计算结果的Ez。在图2(a)中，示出了通过邻近传导平面所修改的期望的偶极子场。在图2(c)和2(d)中，引入超材料并且观察非常清楚的聚焦效果。
[0036]图3示出了根据本发明的一个实施例的当系统包括常规材料和超材料时对图1的电磁系统来说能量如何沿垂直于通道的方向随半径消散。曲线50示出了对包括与偶极天线耦合的常规材料的图1的电磁系统来说的功率通量随半径的变化，以及曲线55示出了对包含超材料透镜的图1的电磁系统来说的功率通量随半径的变化。曲线52示出具有和不具有超材料透镜的电磁系统的功率通量随半径的变化，因为在离偶极天线的这些距离处，功率通量重叠。
[0037]虽然提供了模拟/计算结果以示出本发明的实施例的效果，但是，可以理解，超材料层，由于为共振层可以仅有效地"透镜效果地作用"/聚焦一个或小范围的频率。同样地，能够按本发明的多个方面设计超材料层，以每次影响一个极化。因此，在本发明的多个方面中，具有单层的超材料透镜可以被配置为影响、聚焦例如仅IGHz的纵向信号。在某些实施例中，可以设计多个层和/或单层内的多个部分以使RF/微波流感测系统能够独立地影响/处理不同的频率和/或极化。同样地，在一些实施例中，RF/微波流感测系统能够被调校为分别聚焦不同的频率/极化，以产生可以被调校以适于井眼/管和/或其中的流体的输出。
[0038]图4示出了根据本发明的一个实施例的包含超材料元件的用于调查通道中的流体的电磁系统。如图4中所示的，在本发明的一个实施例中，电磁系统包括与超材料层63耦合的多个偶极天线60。在每个天线充当收发机(在其自身上发射和接收)的情况下，系统中的偶极天线60的最小数目为单对偶极天线60或单个偶极天线60。偶极天线60能够绕着工具本体66设置(例如，天线号I至4)和/或设置在可操作臂67的末端处(例