CN101680958B - 用于接收和解码井内的电磁传输的系统和方法 - Google Patents

Abstract

示例性的系统和方法涉及位于地表以下的井下环境中的电磁(EM)脉冲的传输。从位于地表处的信号发生器产生EM能量脉冲的序列。通过一个或更多井下感应器以回响频率来反射能量脉冲。在预定时间间隔期间，在位于表面的接收机处接收反射的能量脉冲。接收机通过时域或频域技术检测接收到的能量脉冲。检测到的回响频率与井下环境的参数或条件相关联。

Description

用于接收和解码井内的电磁传输的系统和方法

技术领域

公开了用于接收和解码基于电磁的信息及其井内的通信的方法和系统。

背景技术

美国专利No.6,766,141(Briles等人)公开了用于远程井下遥测的系统。遥测通信被用于监控油井情况和位于采气或采油管的底部附近的记录仪器。

如美国专利No.6,766,141中描述的，现有遥测系统包括与位于井洞中的导管电通信的射频(RF)发生器/接收机基站。RF频率的特征是在3Hz和30GHz之间的电磁辐射。具有反射天线的井下电子模块从RF发生器/接收机接收辐射的载波信号。然后，辐射的载波信号被调制和反射，所述调制响应于由电子模块执行的井下测量。反射的、经过调制的信号通过该管被发送至井的表面，可在井的表面处由RF发生器/接收机检测。分析所检测的信号来确定井洞中的钻井条件。

尽管这样的上述系统具有一些益处，但该技术固有的信号强度限制可能会限制该技术的整体应用。因此，改进的技术可提供改进的信号强度-尤其是其中使用电磁(EM)脉冲来代替标准的RF信号。

发明内容

考虑到现有技术的上述限制，本发明通过使用(由EM脉冲发生器提供的)电磁(EM)脉冲来提供增强的信号强度，以便与位于井下环境中的传感器和其它装置有效地通信并对其进行无线问询。这样的改进是通过利用(来自表面的)初始脉冲和在表面处接收到返回的反射信号的时刻之间的时间延迟来实现的。这样的改进还可以通过使用感应铁氧环将井洞的成品管与井洞套管隔离来实现。

在一些实施例中，本发明涉及用于基于以回响频率(ringfrequency)从一个或多个井下感应器(传感器)反射的至少一个电磁能量脉冲(即EM脉冲)问询位于地表以下的井下环境的方法。所述方法包括引导至少一个电磁能量脉冲进入井下环境，使得该电磁能量脉冲与至少一个井下感应器产生感应，从而以由至少一个井下感应器确定的回响频率反射包含在脉冲内的电磁能量中的至少一些能量。所述方法还包括在预定时间间隔期间，在位于地表的接收机处接收反射的能量脉冲，其中所述预定时间间隔基于反射脉冲的由深度确定的延迟而被同步。所述方法包括处理反射的能量脉冲以提取回响频率，并使回响频率与井下环境的参数相关联。

根据一个可供替代的实施例，用于问询位于地表以下的井下环境的示例性方法是基于以由井下特征确定的频率从一个或多个井下感应器反射的至少一个电磁能量脉冲，包括在预定的时间间隔期间在位于地表的接收机处接收至少一个反射能量脉冲。该方法的示例性步骤还包括锁定到反射能量脉冲的回响频率，并将锁定的频率与井下环境的参数相关联。

此外，用于问询位于地表以下的井下环境的示例性系统是基于从井下感应器反射至地表处的位置的至少一个能量脉冲，包括用于在预定时间间隔期间在表面处接收调制后的能量脉冲的装置。该系统还包括用于处理接收到的能量脉冲以提取调制频率的装置，以及用于将能量脉冲的调制频率与感应器的参数或井下环境的特征相关联的装置。

在其它实施例中，本发明提供用于问询位于地表以下的井下环境的示例性设备，所述设备典型地包括在将能量脉冲发送至对所述能量脉冲进行调制的井下感应器并将调制后的能量脉冲返回地表的系统中。该设备包括用于在表面处接收调制后的能量脉冲的装置。在一些实施例中，所述设备还包括用于对调制后的能量脉冲进行采样的装置和用于确定采样后的能量脉冲的调制频率的装置。此外，该设备包括用于使调制频率与井下环境的情况相关联的装置。

在一些或其它实施例中，所述设备还包括用于在表面处接收调制后的能量脉冲的装置。所述设备还包括当调制频率在容差范围内时锁定到能量脉冲的调制频率的装置，以及用于使调制频率与井下环境的情况相关联的装置。

上述内容较广泛地概述本发明的特征，以便可更好地理解随后的本发明的详细说明。在下文中将描述形成本发明要求保护的主题的本发明的其它特征和优点。

附图说明

当与附图相关地阅读下述详细说明时，本文描述的其它优点和特征对于本领域技术人员将更容易变得清楚，其中：

图1A-1D示出了用于感测井洞特征的设备的示例性实施例；

图2A示出了用于与图1所示设备一起使用的示例性谐振腔；

图2B示出了被形成为用于执行电谐振的磁耦合电谐振机械结构的示例性谐振网络器件；

图2C示出了一种替代的示例性井口(wellhead)连接；

图3示出了示例性图2A谐振腔的底视图；

图4示出了谐振腔的一种替代的示例性实施例，其中被馈送到感应器的示例性机械或液体位于滤层(Packer)密封的上方；

图5示出了用于通过时域跟踪方法问询井下环境的示例性系统；

图6A示出了使用时域跟踪方法感测井洞特征的示例性方法；

图6B示出了使用时域跟踪方法检测到的信号的示例性图示；

图7示出了用于通过频域跟踪方法问询井下环境的示例性系统；

图8A示出了用于通过频域跟踪方法感测井洞特征的示例性方法；以及

图8B示出了使用频域跟踪方法检测到的信号的示例性图示。

具体实施方式

如上所述，本发明利用电磁(EM)脉冲来无线地问询井下环境中的一个或多个感应器(传感器)。EM脉冲是一簇宽带、高强度、短持续时间的电磁能量。参见FED-STD-1037C，“Telecommunications：Glossary of Telecommunication Terms”，GSA，1996年8月7日。这样的EM脉冲与Briles等人的美国专利No.6,766,141中使用的射频(RF)信号明显不同。

图1示出了根据本发明的一些实施例的用于问询井下环境的示例性设备100。在下面更全面地描述设备100。

如本文中所提及的，井下环境可以是在包括井洞和围绕井洞的区域的地表内或地表下的区域，电磁能量可通过所述井洞进行通信。井洞可以是可位于地表内或地表下的腔，其特征由不同的方位、材料组成、温度、压力、流速或其它可测量参数来表征-所有这些参数可沿着其长度改变。可以对电磁能量进行处理来测量井下环境的所希望的特征。上述设备100包括诸如导管102这样的装置，用于通过井洞传导脉冲，以问询井洞和/或井下环境。如本文所提及的，问询可包括将电磁能量(如EM脉冲)发送到井洞中，从井洞中的电子元件接收反射的能量脉冲，并处理所反射的能量脉冲以提取与井洞和/或井下环境的特征相关的信息。

参照图1中的示例性设备100，设置了耦合(例如连接)至导管102的入口104，以向导管102施加电磁能量。在示例性实施例中，电磁能量可以是例如根据在井洞内要测量的特征和根据井洞环境的长度和大小选择的任何所需频率。

入口104包括与导管102相耦合的探头106。探头106可以被形成为例如具有电耦合至导管102的第一(例如内部)导体和耦合至中空井洞套管111的第二(例如，外部)导电套管的同轴连接器。使用绝缘体将内部导体与外部导电套管分隔开。

入口104可包括感应式隔离器，诸如铁氧电感器108或其它电感器或元件，用于将入口104与在入口104附近的位置处的第一电位(例如，诸如井洞套管111的返回电流路径的电位，诸如共地电位)电隔离。设备100可包括诸如信号发生器105的装置，所述装置耦合至入口104以产生将要被施加到导管102的电磁能量。

中空的井洞套管111可被放置在其特征将被监测的井洞内。中空的井洞套管111可例如由钢或其它合适的材料制成。

导管102可位于使用间隔器116的中空井洞套管111内，并与其电隔离。间隔器116可例如被配置为保持导管102与中空井洞套管111的内壁的分隔距离的绝缘定中心器(centralizer)。这些绝缘间隔器116可被配置为由包括但不限于尼龙的任何合适的材料形成的圆盘。

设备100包括诸如响应于脉冲的谐振网络器件110的装置，用于以根据井洞的特征调制的频率谐振。谐振网络器件110可以是例如任何电-声或其它器件，包括但不限于用于执行电谐振的任何磁耦合电谐振机械结构，诸如图2A的谐振腔、图2B的储能电路或任何其它合适的器件。谐振网络器件可以连接或机械耦合至导管。谐振网络器件的环芯可以被磁耦合至导管。环芯是被形成为介质的磁芯，通过该介质可包含和/或增强磁场。例如，谐振网络器件可以是围绕铁氧芯的横截面为1英寸的单匝线圈，或者可使用任何其它合适形状、大小和配置的合适的器件。

本领域技术人员应理解，由于其分子结构内的可定向偶极子，磁芯是受其区域中磁场显著影响的材料。由于其低磁阻，这样的材料可限制和/或强化施加的磁场。井口铁氧体电感108可提供在例如90-110欧姆范围内或者根据需要或大或小的紧凑电感阻抗，相对于管子上的入口馈送点和井口凸缘是短的。对于50Hz的典型的频带中心，与管套传输线的示例性的47欧姆的特征阻抗并联的该阻抗可将发送和接收的信号在入口馈送点处减小例如约3dbV。铁氧芯的导磁率可从20到略高于100，或者更小或更大。这样，对于给定电感的气芯电感器，当插入芯材料时，自然电感可乘以大约这些相同的因数。所选择的芯材料可用于例如10-100MHz或者更小或更大的频率范围。

图1所示的谐振网络器件110将被描述为图2A的上下文中的谐振腔。然而，图2B中的储能芯可容易地被替换，本领域技术人员已知的任何其它适合的谐振网络器件也一样。参照图1，谐振腔被电连接至导管，并且位于中空的井洞套管111内。中空的井洞套管内的谐振腔的长度“b”由被形成为例如谐振腔的第一端处的环芯112和在谐振腔的第二端处的第一电位(例如，共地电位)的连接114限定。谐振网络器件110从脉冲接收能量，并以其自然频率“回响”。

用于感测的装置可包括被设置为与谐振网络器件110可操作地通信的感应器，并与第一(例如，共地)电位相耦合(例如，容性地或磁性地)。感应器被配置为当脉冲被施加到探头106的入口104时，感测与井洞相关联的特征，并调制在谐振网络器件111中感生出的频率。调制频率可被处理为提供井洞特征的量度。也就是说，由井洞的感测到的特征来调制由脉冲感生出的频率，并且该频率的调制可以被处理为提供该特征的量度。通常，感应器和谐振网络器件是同一个。

感测装置可包括或与用于处理并被表示为处理器(例如，计算机121)的装置相关联。处理装置可处理经由井洞套管111发送的谐振网络器件的输出。处理器121可提供表示要测量或监控的特征的信号。在一个示例性实施例中，例如，处理器121可被配置为使用时域或频域跟踪方法处理接收到的信号。如本文所提及的，感测包括从位于井洞中的感应器接收反射的能量脉冲并处理反射的能量脉冲以提取与井洞或井下的环境相关的信息。

在一个示例性实施例中，中空的井洞套管111的至少一部分为第一电位(例如，共地电位)。例如，中空的井洞套管111在入口104附近的位置和谐振网络器件110附近的位置这两个位置处可以为共地电位。入口104附近的中空井洞套管111的接地是可选的，并形成导管102的已知阻抗。在谐振网络器件110附近的中空井洞套管111的接地允许限定谐振长度。也就是说，谐振腔在中空井洞套管111内的长度被定义为环形线圈112和在谐振腔的第二个较低端的接地连接之间的距离。

谐振网络器件110的感应器可被配置为包括无源电气元件，诸如电感器和/或电容器，从而不需要井下电源。在设备100的组装期间，如图1所示，可分段组装导管，并且可在各个管段之间的每个连接处包括间隔器116，以确保不会发生套管的短路。在将导管102和谐振网络器件110放置在井洞中之前，可使用例如图形用户界面(GUI)123和处理器121来校准用于感测调制频率的感应器。

将进一步参照图1B来描述图1A的示例性设备的细节，图1B示出了图1A的示例性设备的示例性遥测元件。

在图1B中，经由铁氧电感器108将导管102和中空的井洞套管111彼此电隔离。在谐振网络器件是自然谐振器的情况下，谐振“回响”频率的波长可表示器件的大小(例如，长度)。本领域技术人员应理解，可通过将电感和/或电容“载入”该器件来影响(例如，减小)所述大小限制。例如，可按照所需频率和大小考虑来选择示例性实施例中所使用的铁氧体的数目。

设置仪器信号端口122来接纳探头106。如图1B所示的井口配置通常与中空的井洞套管111短路。然而，铁氧电感器10B缓解了所述短路并将与导管102相耦合的入口104的导电探头与井口的顶部隔离，所述井口的顶部在示例性实施例中为共地电位。在一个示例性实施例中，由于井口经由井口凸缘124到共地电位的短路来接地，所以铁氧电感器108将短路的井口凸缘与被用于将脉冲从探头传递至谐振腔的导管102隔离。

导管102和中空的井洞套管111之间的示例性阻抗126可以为47欧姆的数量级，或者更小或更大。这部分导管102用作用于诸如感应器的井下电子器件与诸如处理器121的表面电子器件的通信的传输线。

图1C示出了其中包括谐振腔和感应器的电气表示。在图1C中，环芯112被表示为电感器部，所述电感器部由铁氧材料配置而成，用于连接导管102和谐振腔110。从图1C可看出，对于被配置为谐振腔的谐振网络器件110，谐振腔的上部分132与环芯112的下部分重合，并且在示例性实施例中其阻抗与导管102和套管111之间的阻抗相比相对较高。例如，在谐振腔的顶部的阻抗可以为2000欧姆的数量级，或者更小或更大。对于基于磁芯的磁耦合的谐振网络，这些量度几乎不具有或完全不具有相关性。

该谐振腔的顶部相对于谐振腔上方的导管102的相对大的差分阻抗至少部分地提供了腔体响应于脉冲的谐振或“回响”的能力，由此在测量所关注的特征时提供了高度的灵敏度。此外，可通过将谐振腔的低端置于共地电位来辅助感应器提供相对较高的灵敏度的能力。

在图1C中由导管102和井中套管111形成的同轴腔体的谐振网络器件110的电气表示包括谐振网络电路128和谐振网络电感130的表示。图1C示出了由共地连接114限定的腔体的下部，从而由环芯112的底部和接地连接114来限定腔体。与谐振腔相关联的套管的电容被表示为套管电容134。

与用于调制由脉冲感生出的振动频率的谐振腔相关联的感应器被表示为感应器136，所述脉冲由要测量的特征作用在其上。

对于谐振腔配置，谐振腔的底部可包括滤层密封，将导管连接至中空的井洞套管111。如图1C和图1A所示的滤层138包括可与谐振腔的导电部分和中空井洞套管111对接的暴露导体140，以在谐振腔的下端实现共地连接114。

图1D示出了包括在导管102的上端处的井遥测元件的另一个细节。在图1D中，探头106与导管102的连接被示出为在入口104中穿过中空的井洞套管111。图1D示出了探头106经由铁氧电感器108与短路的井口凸缘124相隔离。

图2A示出了被形成为谐振腔的谐振网络器件110的示例性细节。在图2A中，中空井洞套管111可被看作容纳导管102。环芯112被示出为其底部沿向下进入井洞中的方向构成了谐振腔的上端。感应器136被示出为位于谐振腔的一部分内，并且与导电传感器套筒202相关联，其电容在图1C中被表示为套筒134的套筒电容。

铁氧环芯112可被配置为滑入塑料端片的环芯。这样的铁氧材料容易获得，诸如被配置为具有低的μ的可从Fair-Rite公司获得的芯、射频型材料或任何其它合适的材料。示出了安装螺丝204，并且可使用所述安装螺丝来将传感器套筒和感应器保持在沿导管102的长度的位置处。图2中未示出与滤层138到中空井洞套管的共地连接重合的谐振腔的底部。

图2B示出了被形成为储能电路的谐振网络的示例性细节。在图2B中，在滤层138(见图1)处或附近可包括与多个传感器封装相关联的多个谐振网络器件206。在图2B中，设置了使用电容传感器和铁氧耦合变压器的谐振器。再一次，可将中空井洞111视为包容导管102。每个谐振网络器件206被配置为具有相关联的线圈谐振器210的环芯208。不需要实现与现有井管柱显著的阻抗匹配或管套短路改变。同轴管柱结构可使用图2B所示的铁氧环谐振器直接引起滤层138的短路，而无需与谐振腔配置的匹配部分。

在电示意性表示中，导管102可有效地被表示为变压器结构中的单匝绕组214，并且可在一个主电流路径上层叠几个次级绕组216。滤层短路(Pakcer short)的质量通常几乎不重要或完全不重要。可替代地使用金属齿滤层。在示例性实施例中，可检测使用该变压器方法返回的信号，而不使用低滤层短路阻抗。

在示例性图2B实施例中，可根据所希望的应用来选择多个谐振网络器件206之间的间隔。可充分地分隔多个谐振网络器件206，以减轻或消除机械限制。此外，可选择间隔来减轻或消除所述装置106之间的耦合。

在示例性实施例中，环的一个宽度的距离可减小典型应用的耦合。可通过增加线圈匝数来改变每个谐振网络器件的电感和/或电容，并且可按照所述应用来选择匝数。例如，匝数将设定每个谐振网络器件的回响频率。示例性实施例可以为3到30匝的数量级，或根据需要而更少或更多。

在示例性实施例中，用于多个谐振网络器件206的频率可以为3MHz到100MHz的数量级或者按照需要更少或更多。可根据导管102的材料特性(例如，钢或钛)来选择频率。表皮深度可限制某点以上的高频率的使用，并且可按照谐振网络器件结构的简化来选择可用频率范围的下限。然而，如果选择了过低的频率，则应考虑与井口连接短路的去耦合。

因此，铁磁材料的使用可机械地简化井洞谐振网络器件，并且可允许更少地替换常规的井元件。在非常局部化的紧凑区域中的电流路径上，铁磁环的使用可允许磁性材料增强磁场和电感。因此，可将在井下的远程站点处的多个谐振网络器件206的层叠实现为使多个器件之间具有最小的产生感应作用。可包括多个传感器装置来感测多个特征。如图2C所示，铁磁环的使用也可用于实现在用于耦合信号线和导管102的井口连接处的相对短的隔离距离。

图2C示出了井口连接的示例性替代的实施例，其中在井口凸缘124中设置卷盘(spool)218来容纳铁氧隔离器和信号连接。示例性的卷盘可例如为8到12英寸高的数量级，或任何其它合适的大小来容纳具体应用。卷盘218被用于到管柱的信号连接。

配置了“环形卷盘”的谐振网络器件可以被分隔，并基本上独立于传感器封装而操作，所述传感器封装被相似地配置，并被放置在卷盘218的附近。沿环形卷盘的宽度增加的电感可用于隔离井口连接处的信号馈送点。如图2C中表示的，管表面上的电流将在用于电感性地增强管电流路径的铁氧环内感生出磁场。

图3示出了从图2中的井洞底部向上看的图2A和2B所示装置的视图。在图3中，感应器136可被视为经由例如电线302被连接至传感器套筒202和导管102。传感器套筒202进而经由套筒电容134与中空的井洞套管111电容性地相耦合。

图4示出了替代的示例性实施例，其中滤层138被改变为包括进入到所关注的地带的导管延伸402，所述地带在井中比铁氧环的位置更深，并且将在此处测量井洞的特征。在示例性实施例中，该延伸402可以是使用到传感器的中介流体来感测例如压力或温度的引导端口。

在示例性实施例中，在谐振腔的顶部附近安装诸如电容感应器的感应器作为传感器套筒202的电气元件。远程参数可以经由穿过并进入到密封的传感单元内的导管被带至谐振腔中的传感器。然后，可远程地监控所需参数的测量。监控可使用机械机制从传感器延伸，以将传感器在谐振腔内重新定位在沿导管102的长度的不同位置处。在图4中，向要监测的压力或温度地带提供传感器导管404。

可在各种井下环境(例如，地表下的地点，所述地表包括但不限于倾斜地面、海岸和海洋地面、河流地面和山脉和冰川地面)中实现例如如图1-4所示的设备100的示例性实施例。一般来讲，在上述表面地点设置发送和接收电路。在海上或其它水环境中，发送和接收电路可位于水面上的平台或结构上。可使用同轴电缆或其它合适的导管在位于海底上的平台和导管102之间发送和接收信号。作为替代，在这样的海上环境中，发送和接收电路可位于海底。

图5示出了用于通过时域跟踪方法问询井下环境的示例性系统。

在图5中，设置了表示图1A中的信号发生器105的脉冲部来发送示例性脉冲502。该脉冲被提供至与图1A的探头106相连的门控定向耦合器504。在初始脉冲期间，使与信号处理器121相关联的高灵敏度接收机505失效，并向导管102施加脉冲。

处理器121控制该门控定向耦合器504以门控接通接收机505，从而检测来自位于谐振腔中的谐振网络器件110的反馈。该反馈通常被描绘为回响频率508。

当由表面上方的信号发生器105发送示例性脉冲502时，接收机505从谐振网络器件110检测反射信号的能力可能会受到井洞中探头深度(例如大于80英尺，或按照需要的任何其它深度)和在井洞中产生的电子噪声的影响，上述两者都能导致反射信号的强度减小。

为了减小这些效应，时域跟踪方法技术建立了允许接收机门控序列的精确控制的脉冲发送和脉冲返回的具体时间。定时和延迟系统510可设定预置延迟(例如，如图5所示的8150纳秒)来控制接收机505的门控以接收反馈脉冲。在将接收机505门控接通期间，由谐振网络器件121产生的提示音(ping)经过门控定向耦合器504和带通滤波单元512。滤波后的信号从带通滤波单元512被供应至模拟到数字信号记录器514并进入处理器121的主控制单元(例如，诸如奔腾或其它合适的微处理器的微处理器)。本领域技术人员应理解，图5所示的任何功能可以由硬件、软件、固件或任何合适的组合来实现。

遥测/通信链路系统516可被设置为将从井洞获得的信息发送至任何所希望的位置。遥测/通信链路系统可以是任何合适的发送和/或接收系统，包括但不限于无线和/或有线系统。

图6A示出了用于使用时域跟踪方法和例如参照图5描述的设备来感测井洞特征的示例性方法。

在图6A中，在块602处，操作者可(例如，经由通用用户接口)来设定定时参数。无需限制，这些参数可包括脉冲速率、脉冲高度、接收延迟等。在块604中，经由定向耦合器向导管102提供(例如，发送)脉冲。

当在特定延迟之后检测到反射信号时，定时和延迟系统510(见图5)打开接收门来检测来自谐振网络器件110的经过调制的振动频率(块606)。这种经过调制的振动频率构成了进入带通滤波器并由模数(A/D)转换器512所记录的回响(块608)。

在块610中，可应用例如快速傅立叶变换(TFT)针对频率来处理回响信号的数字化签名。在块612中，可通过诸如处理器121内的查找表的软件使回响频率等于谐振网络器件110的特定特征或LC滤波器参数，然后准备用于传输或存储。

图6B示出了在时域跟踪方法下的检测到的反射信号的示例性图示。

图7示出了用于通过频域跟踪方法问询井下环境的示例性系统。

在图7中，诸如信号发生器105(图1A)的脉冲发生装置702产生示例性电磁(EM)脉冲。门控定向耦合器704被连接用于接收该脉冲，并且在发送周期内使接收机706失效，从而可向导管102施加脉冲。用于产生EM脉冲的非核装置对于核武器联盟(nuclear-weapons community)的人员是熟知的。这样的EM脉冲发生器通常用于通过仿真与核爆相关联的EM脉冲来测试电子装置。参见例如美国专利No.3,562,741(McEvoy等人)；4,430,577(Bouquet)；4,845,378(Garbe等人)；以及5,150,067(McMillan)。

处理器121控制门控定向耦合器704以门控接通接收机706，由此检测从位于谐振腔中的谐振网络器件110返回的信号。

当使用表面上方的技术时，例如延迟单元908可被配置为(例如，编程为)预置延迟，以控制接收机706的门控来接收反馈脉冲。在对接收机706门控期间，由谐振网络器件110产生的提示音经过门控定向耦合器704和带通滤波器905。接收机706被连接为接收滤波后的信号。接收机706可包括锁相环(PLL)和反馈电路(PLL电路)708来锁定到所需频率。

可通过从带通滤波器705接收信号的低通滤波器710来实现PLL电路708。放大器712可以被连接用于接收低通滤波器710的滤波后的输出并将其输出端处的经过放大的信号提供至模数(A/D)转换器714。根据需要，由诸如比例积分-微分(PID)控制器或其它可编程逻辑装置的反馈控制装置716来接收A/D转换器714的输出。反馈控制器710可被配置为计算检测到的频率和所希望的频率之间的差，以确定何时检测到的频率在所希望的容差内。当检测到的频率在所希望的容差内时，反馈控制器716向振荡器718提供合适的输出信号，从而PLL电路708可锁定到该脉冲的检测到的频率。

一旦PLL电路708锁定到该脉冲的频率，处理器就使用该频率值作为查找表中的地址，以获得相应的温度值、压力值或表示井下环境的可测量特征的其它值。

图8A示出了用于使用频域跟踪方法和参照图5所描述的设备来感测井下特征的示例性方法。在图8A中，在块802处，操作者可以如先前参照图6A的时域跟踪方法所讨论的那样设定定时参数。表示图1A中的信号发生器105的脉冲部分被设置为发送示例性脉冲。该脉冲被供应至与图1A中的探头106相关联的门控定向耦合器804。在初始脉冲期间，使与信号处理器121相关联的高灵敏度接收机505失效，并且向导管102施加脉冲。处理器121控制门控定向耦合器504的定时，以门控接收机505或何时由地上信号发生器105产生示例性脉冲。

在块806处，当检测到反射信号时，接收门被打开以检测来自谐振网络器件110的经过调制的振荡频率。接收机滤波并放大滤波后的信号以将噪声最小化(块808)。接收机使用锁相环(PLL)和反馈电路906来锁定到所希望的频率(块801)。PLL电路906使得处理器121能够锁定到由谐振网络器件110产生的回响脉冲的回响频率。该反馈电路使得当检测到脉冲时处理器121能够调整其频率设定，并且当没有检测到脉冲时保持设定或锁定的频率。

当检测到的频率在所希望的容差内时，频率被锁定并作为至查找表(LUT)中的一个数值的地址来使用(块812)。该数值表示所测量的温度、压力、或井洞的其它可测量特征。

处理器121使用观察10至20个时间周期的检测窗口。需要精确锁定到频率上的周期数取决于所检测的脉冲的信噪比(SIN)。该周期数不是直接与信噪比成正比。以10MHz到100MHz速率来接收脉冲，或者根据需要以更小或更大的速率接收。处理器121对接收到的脉冲进行解调以实现由10位数据构成的12位字(两位开销)。

图8B示出了在频域跟踪方法下检测到的反射信号的示例性图示。

存在上述实施例的多种其它的变体。下面描述几个这样的变体。

在一些实施例中，信号可被数字化。数字化允许使用可增强信噪比(S/N)的算法来处理信号，并且可提供一种从可能由非传感器产生的寄生反射中挑选所需信号的方法。

在一些实施例中，可使用定向波耦合器来防止当信号在表面和井下传感器之间传输时的信号的反射。可发生可能由系统中的电缆和装置之间的连接处的阻抗不匹配而导致的不希望的反射。定向波耦合器可使这样的寄生反射最小化。这样的装置在本领域中是已知的，并且可从诸如新泽西州，登维尔的Meca电子公司获得。

在一些实施例中，例如，如Neagley等人的美国专利No.6,434,372中描述的，当在井的表面处接收到信号时，执行发送信号的表面到表面的中继。

在一些实施例中，可使用从表面发送的电磁能量选择性地触发井下装置(例如，阀门)。可以脉冲或连续波格式或其它的电磁形式从表面发送能量。在井下电容器组中随时间存储能量，并当触发阀门或调用其它装置时释放阀门。可通过被设计为在某个频率处回响的单独的谐振网络器件来实现电容器组的选择性放电和触发。

本领域技术人员应理解，本文所公开的实施例仅用于示例，并且存在多个变体。本发明仅由包含本文所述的上述以及对于本领域技术人员显而易见的变体的权利要求限制。

Claims (29)

1.一种用于问询地表下面的井下环境的方法，所述方法包括下述步骤：

引导至少一个电磁能量脉冲进入井下环境，使得电磁能量脉冲与至少一个井下感应器产生感应，从而以由所述至少一个井下感应器确定的回响频率反射包含在脉冲内的至少一些电磁能量；

在预定时间间隔期间，在位于地表的接收机处接收反射的能量脉冲；

使用从包括时域跟踪、频域跟踪及其组合的组中选择的处理方法来处理接收到的能量脉冲以提取回响频率；以及

使回响频率与井下感应器的参数相关联，其中所述参数进一步与井下环境的条件相关联。

2.如权利要求1所述的方法，其中使用时域跟踪来执行处理，并且其中基于反射的能量脉冲的由深度确定的延迟来同步所述预定时间间隔。

3.如权利要求2所述的方法，还包括记录反射的能量脉冲的回响频率。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述接收步骤包括基于预置延迟来控制接收机的门控。

5.如权利要求2所述的方法，其中接收步骤包括排除等于或几乎等于回响频率的低功率信号。

6.如权利要求2所述的方法，其中以10MHz到100KHz的范围内的频率产生反射的能量脉冲。

7.如权利要求1所述的方法，其中处理步骤是使用频域跟踪执行的，并且其中接收步骤包括锁定到反射的能量脉冲的回响频率。

8.如权利要求7所述的方法，其中以10MHz到100KHz的范围内的频率产生反射的能量脉冲。

9.如权利要求7所述的方法，其中接收步骤包括基于反射的能量脉冲的由深度确定的延迟控制接收机的门控。

10.如权利要求7所述的方法，其中锁定步骤包括将反射的能量脉冲的回响频率与所希望的频率进行比较。

11.如权利要求10所述的方法，其中当比较的结果在容差范围内时锁定回响频率。

12.如权利要求7所述的方法，其中当在预定时间间隔以外时接收机保持锁定的回响频率。

13.如权利要求7所述的方法，其中所述接收步骤包括将预定时间间隔与反射的能量脉冲的由深度确定的延迟同步。

14.如权利要求7所述的方法，其中相关联包括基于锁定的回响频率的值来对查找表寻址。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个井下感应器包括至少一个电感性元件和至少一个电容性元件。

16.如权利要求15所述的方法，其中通过环境感生出的对所述感应器的电容性元件的改变来调制所述至少一个感应器的回响频率。

17.如权利要求1所述的方法，其中处理接收到的能量脉冲的步骤包括使用可增强信噪比的算法对接收到的能量脉冲内包含的信息进行数字化的子步骤。

18.如权利要求1所述的方法，还包括将接收到的能量脉冲内包含的信息作为信号中继至远程表面接收机的步骤。

19.一种问询位于地表以下的井下环境的系统，所述系统包括：

引导至少一个电磁能量脉冲进入井下环境的装置，使得电磁能量脉冲与至少一个井下感应器产生感应，从而以由所述至少一个井下感应器确定的回响频率反射包含在脉冲内的至少一些电磁能量；

在预定时间间隔期间在表面接收反射的能量脉冲的装置；

用于处理接收到的能量脉冲以提取回响频率的装置；以及

用于使回响频率与井下感应器的参数相关联的装置，其中所述参数进一步与井下环境的条件相关联。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述至少一个井下感应器包括至少一个电感性和电容性的谐振结构。

21.如权利要求20所述的系统，其中至少一个电感性结构将成品管与井下环境中的套管隔离。

22.如权利要求19所述的系统，还包括用于基于反射的能量脉冲的由深度确定的延迟来控制接收装置的门控的装置。

23.如权利要求22所述的系统，其中接收装置包括当回响频率在阈值内时锁定到能量脉冲的回响频率的装置。

24.如权利要求22所述的系统，其中处理装置被配置为排除等于或几乎等于回响频率的低功率信号。

25.如权利要求24所述的系统，包括用于将回响频率与所希望的调制频率进行比较的装置。

26.如权利要求25所述的系统，其中当由比较装置产生的结果在容差范围内时由用于锁定的装置锁定回响频率。

27.如权利要求19所述的系统，所述系统包括具有不同的谐振回响频率的两个或更多个井下感应器。

28.如权利要求19所述的系统，还包括用于触发井下器件的装置，其中所述触发是由使耦合至所述器件的感应器回响的电磁能量脉冲实现的。

29.如权利要求19所述的系统，还包括定向波耦合器，用于使寄生信号反射最小化。

Images