本文中所公開的主題的實(shí)施例一般性涉及用于利用計(jì)量器來測量油井中的參數(shù)的系統(tǒng)和方法。該計(jì)量器幾乎沒有電子部件，使得井中的不利條件對計(jì)量器的預(yù)期壽命有較小的影響。

背景技術(shù)：

在意圖開采地下資源(例如，石油和天然氣)的井(鉆孔)的鉆探和/或勘探期間，各種裝備在井內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。然而，井(特別是深井)內(nèi)的環(huán)境對于裝備來說是苛刻的。例如，井內(nèi)的溫度可以達(dá)到300℃，同時(shí)井內(nèi)的壓力可以達(dá)到3000psi。在這樣的環(huán)境下，現(xiàn)有裝備將相對較快地失效。

井下計(jì)量器故障的主要原因與電子部件失效和使井下流體進(jìn)入到計(jì)量器中的密封泄露有關(guān)。在本文中，電子部件被定義為包括至少一個(gè)半導(dǎo)體器件(例如，二極管、晶體管)的任何元件。在高于150℃的溫度下進(jìn)行作業(yè)限制了可以使用的電子部件的可用性和類型。特別地，在高于177℃的溫度下，可用的可靠電子部件是有限的，而在高于200℃以上時(shí)，可用的可靠電子部件就非常有限了(例如，在該溫度范圍內(nèi)，僅有一些碳化硅(sic)和一些絕緣體上硅(soi)是可用的)。這些部件不僅昂貴，而且它們具有在高達(dá)250℃的溫度下其使用壽命最多只有一年的問題。

目前發(fā)現(xiàn)的在電子部件中的幾種其它標(biāo)準(zhǔn)材料(大部分的焊料、聚合物、粘合劑和最常用的介電絕緣材料)由于它們在高溫環(huán)境下失效而無法在此不利環(huán)境下中使用。

然而，測量油井孔和天然氣井孔中的井下壓力和溫度對于確定各種其它鉆井孔特性(比如，儲(chǔ)層性質(zhì)、超壓、裝備過熱和鉆井孔流體高度)來說至關(guān)重要。在人工升降機(jī)豎井中，重要的是保持儲(chǔ)層流體高度從而使得泵不會(huì)在干涸情況下泵送(pumpdry)且不會(huì)損壞。在蒸汽注入井中，重要的是知曉蒸汽溫度以優(yōu)化生產(chǎn)。

不使用井內(nèi)電子器件來測量井下特性(壓力、溫度、黏度、碳?xì)浠衔锖俊⒑康?的現(xiàn)有解決方案包括：光纖、聲學(xué)測量、音叉振動(dòng)和磁通量耦合測量。光纖非常昂貴，因此，其僅在高端的資本密集型領(lǐng)域的項(xiàng)目中使用。聲學(xué)測量頻率在聲壓的范圍(通常在300hz至8khz之間)內(nèi)，這使得聲學(xué)測量不合需求。對于小的傳感器尺寸來說，諧振頻率更高。與使用壓力改變內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)以導(dǎo)致諧振頻率變化的石英不同，音叉使用大面積機(jī)械振動(dòng)。晶體的諧振頻率通常在32khz至幾mhz的范圍內(nèi)。此外，較低頻的傳感器更易受沿著諸如三相電機(jī)的電纜的人為電氣噪聲的影響。

其它方法使用如例如美國專利no.7,647,965的機(jī)械諧振器。機(jī)械傳感器的缺點(diǎn)在于這些裝置需要額外的電子器件或線圈以將電能耦合成機(jī)械能。

因此，存在對于可承受井中存在的高溫和高壓、價(jià)格低廉且可靠的這種可靠的溫度計(jì)量器和/或壓力計(jì)量器的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在各實(shí)施例中，提供了一種用于在井內(nèi)不存在任何電子器件的情況下測量井內(nèi)的溫度和/或壓力的設(shè)備和方法，從而避免了現(xiàn)有裝置所遇到的問題。

在一個(gè)實(shí)施例中，存在一種用于測量井內(nèi)的參數(shù)的方法，該方法包括：將計(jì)量器連接到電纜的第一端并且將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接到電纜的第二端的步驟；將計(jì)量器下降到井內(nèi)的步驟；利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀生成信號并且將該信號沿電纜發(fā)送到計(jì)量器的步驟；在給定范圍內(nèi)掃描信號的頻率同時(shí)將該信號饋送到計(jì)量器的步驟；確定位于計(jì)量器內(nèi)的至少一個(gè)傳感器的諧振頻率的步驟；以及根據(jù)至少一個(gè)傳感器的諧振頻率來計(jì)算參數(shù)的步驟。

根據(jù)特定方面，計(jì)量器中除了至少一個(gè)傳感器之外不含其它電子部件。

根據(jù)特定方面，所述方法還包括步驟：

計(jì)算與以下(i)和(ii)相關(guān)聯(lián)的反射系數(shù)：(i)沿電纜入射到計(jì)量器的能量和(ii)從計(jì)量器沿著電纜反射到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的能量。

根據(jù)特定方面，所述反射系數(shù)被計(jì)算為以下(i)與(ii)之比：(i)電纜及計(jì)量器的阻抗和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的阻抗之差，(ii)電纜及計(jì)量器的阻抗和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的阻抗之和。

根據(jù)特定方面，所述方法還包括步驟：

針對所掃描的頻率計(jì)算反射系數(shù)的實(shí)部分量和虛部分量；

選擇最小的實(shí)部分量；以及

將與所述最小實(shí)部分量相對應(yīng)的頻率確定為所述至少一個(gè)傳感器的諧振頻率。

根據(jù)特定方面，通過校準(zhǔn)系統(tǒng)來完成根據(jù)諧振頻率的參數(shù)的計(jì)算。

根據(jù)特定方面，所述校準(zhǔn)系統(tǒng)包括多項(xiàng)式擬合校準(zhǔn)引擎。

根據(jù)特定方面，所述方法還包括：基于頻率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來生成所述多項(xiàng)式擬合校準(zhǔn)引擎中的多項(xiàng)式曲線，所述多項(xiàng)式曲線將諧振頻率與計(jì)量器所經(jīng)受的溫度和/或壓力直接關(guān)聯(lián)。

根據(jù)特定方面，多項(xiàng)式擬合校準(zhǔn)引擎基于多項(xiàng)式曲線將所計(jì)算的諧振頻率映射為實(shí)際的溫度和/或壓力。

根據(jù)特定方面，在生成信號之前不對電纜進(jìn)行校準(zhǔn)。

根據(jù)特定方面，所述參數(shù)是溫度，并且計(jì)量器僅包括溫度晶體。

根據(jù)特定方面，所述參數(shù)是壓力，并且計(jì)量器僅包括溫度晶體和壓力晶體。

在另一實(shí)施例中，存在一種用于測量井內(nèi)的參數(shù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，其位于地上；具有至少一個(gè)傳感器的計(jì)量器，所述至少一個(gè)傳感器具有隨參數(shù)而變化的諧振頻率，該計(jì)量器適于位于井內(nèi)；以及電纜，其將計(jì)量器連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

根據(jù)特定方面，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀配置為：生成信號并且將該信號沿著電纜發(fā)送到計(jì)量器，在給定的范圍內(nèi)掃描該信號的頻率同時(shí)將該信號饋送到所述計(jì)量器，確定計(jì)量器的諧振頻率，并且基于諧振頻率利用校準(zhǔn)引擎計(jì)算參數(shù)。

根據(jù)特定方面，所述系統(tǒng)還包括計(jì)算裝置，其配置為計(jì)算與以下(i)和(ii)相關(guān)聯(lián)的反射系數(shù)：(i)沿著所述電纜入射到所述計(jì)量器的能量和(ii)從所述計(jì)量器沿著所述電纜反射到所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的能量。

根據(jù)特定方面，所述反射系數(shù)被計(jì)算為以下(i)與(ii)之比：(i)電纜及計(jì)量器阻抗和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀阻抗之差，(ii)電纜及計(jì)量器阻抗和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀阻抗之和。

根據(jù)特定方面，所述計(jì)算裝置配置為：

針對所掃描的頻率計(jì)算反射系數(shù)的實(shí)部分量和虛部分量；

選擇最小的實(shí)部分量；以及

將與最小的實(shí)部分量相對應(yīng)的頻率確定為至少一個(gè)傳感器的諧振頻率。

根據(jù)特定方面，所述計(jì)算裝置包括使用在受控環(huán)境中獲得的頻率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式擬合校準(zhǔn)引擎。

根據(jù)特定方面，所述計(jì)算裝置配置為：基于所述頻率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)生成多項(xiàng)式曲線，該多項(xiàng)式曲線將所述頻率與所述計(jì)量器所經(jīng)受的溫度和/或壓力直接相關(guān)聯(lián)。

在另一個(gè)實(shí)施例中，存在一種用于測量井內(nèi)的參數(shù)的計(jì)算裝置。計(jì)算裝置包括連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接口和連接到接口的處理器。處理器配置為：控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀生成信號并將該信號沿著電纜發(fā)送到位于井內(nèi)的計(jì)量器，控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在給定范圍內(nèi)掃描該信號的頻率同時(shí)將該信號饋送到計(jì)量器，確定位于計(jì)量器內(nèi)的傳感器的諧振頻率，并且基于諧振頻率利用校準(zhǔn)引擎來計(jì)算參數(shù)。諧振頻率隨參數(shù)而變化。

附圖說明

包含在說明書中并構(gòu)成說明書的一部分的附圖示出了一個(gè)和多個(gè)實(shí)施例，并且與說明書一起對這些實(shí)施例進(jìn)行了解釋。在附圖中：

圖1示出了用于測量井內(nèi)的參數(shù)的系統(tǒng)；

圖2示出了用于測量井內(nèi)的參數(shù)的另一系統(tǒng)；

圖3示出了降到井中用以測量溫度的計(jì)量器；

圖4示出了降到井中用以測量溫度和壓力的計(jì)量器；

圖5是用于測量井內(nèi)的參數(shù)的方法的流程圖；

圖6是用于確定單個(gè)傳感器的諧振頻率的所測量到的反射系數(shù)的實(shí)部分量和虛部分量的笛卡爾曲線圖；

圖7是用于確定單個(gè)傳感器的諧振頻率的所測量到的反射系數(shù)的實(shí)部分量和虛部分量的奈奎斯特曲線圖；

圖8是用于確定兩個(gè)傳感器的諧振頻率的所測量到的反射系數(shù)的實(shí)部分量和虛部分量的奈奎斯特曲線圖；

圖9是用于確定兩個(gè)傳感器的諧振頻率的所測量到的反射系數(shù)的實(shí)部分量和虛部分量的笛卡爾曲線圖；以及

圖10示出了利用不具有電子部件的計(jì)量器測量井內(nèi)的參數(shù)的系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

以下參考附圖對實(shí)施例進(jìn)行描述。不同附圖中的相同附圖標(biāo)記標(biāo)識相同或相似的元件。本發(fā)明不限于以下詳細(xì)描述。相反，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。在如附圖中所示出的各實(shí)施例中，討論了用于測量井內(nèi)的參數(shù)的系統(tǒng)和方法。

在本說明書全文中對“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”的引用意味著結(jié)合實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在所公開的主題的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在整個(gè)說明書的各處出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”不一定指的是相同的實(shí)施例。此外，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以以任何合適的方式進(jìn)行組合。

根據(jù)實(shí)施例，存在一種利用不具有電子器件的計(jì)量器來測量各井量的方法和裝置，該方法和裝置利用(1)傳感器(例如，石英晶體)的諧振頻率和(2)射頻(rf)阻抗匹配。在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)量器包括一個(gè)或多個(gè)傳感器，但是其中沒有與傳感器相關(guān)聯(lián)的電子器件。對于該實(shí)施例，所有必須的電子器件均位于遠(yuǎn)離高溫高壓環(huán)境(以及其他約束條件)的地面處。在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)量器中不存在電子器件和機(jī)械支撐部件，因此提高了計(jì)量器在高于200℃的溫度下的工作壽命。根據(jù)另一實(shí)施例，接下來要討論的方法和裝置消除了對將計(jì)量器連接到地面讀出裝備的長井下電纜進(jìn)行校準(zhǔn)的需要。當(dāng)傳感器是石英晶體時(shí)，該方法和裝置可以利用現(xiàn)有的石英傳感器，即，現(xiàn)有的傳感器可以與用于讀取所期望的井內(nèi)參數(shù)的值的新方法一起使用。為了簡單起見，在下文中，認(rèn)為所測量到的參數(shù)是溫度和/或壓力。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以使用接下來要討論的方法和系統(tǒng)來測量其它參數(shù)。

根據(jù)圖1所示的實(shí)施例，用于測量井內(nèi)的參數(shù)的系統(tǒng)100包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(vna)102、計(jì)量器104和將計(jì)量器104連接到vna102的電纜106。計(jì)量器104位于井110的內(nèi)部，而vna102位于地面112處。在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)量器104包括一個(gè)或多個(gè)諧振傳感器142，而不包括其它電子器件。諧振傳感器是具有諧振頻率的裝置。諧振頻率隨溫度和/或壓力而變化。在另一個(gè)實(shí)施例中，除了vna102和計(jì)量器104之外，沒有電子器件附接至電纜106。

傳感器142可以是石英晶體、lc諧振回路傳感器、平行板間隙電容或諧振腔傳感器。如果傳感器142僅包括石英晶體，則在整個(gè)系統(tǒng)100中，除了不位于井中的vna102和與vna相關(guān)聯(lián)的計(jì)算裝置130之外，沒有其它電子部件。計(jì)算裝置130可以包括與vna通信的通信接口132、處理器134和用于存儲(chǔ)由vna獲取的頻率和其它測量值的存儲(chǔ)器136。在這種情況下，所有電子器件都位于地面處，即，沒有電子器件位于井中。

電纜106包括彼此絕緣并且也與環(huán)境絕緣的兩個(gè)導(dǎo)體(未示出)。在一個(gè)應(yīng)用中，電纜106是額定用于高溫的管道包封電纜(tubingencasedcable，tec)。在另一應(yīng)用中，電纜106可以包括多于兩根的導(dǎo)線。雖然圖1示出了從電纜106的端部自由懸垂的計(jì)量器104，但在圖2所示的另一實(shí)施例中，系統(tǒng)200具有位于鉆探線220的凹穴(凹部)222中的計(jì)量器204。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，計(jì)量器204可以處于與井的管道相接觸的位置處或任何其它位置處。在圖2中，應(yīng)當(dāng)理解，電纜206在vna202和計(jì)量器204之間延伸穿過鉆探線的壁或延伸到鉆探線之外。

vna102是測量電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(例如，與電網(wǎng)絡(luò)的反射和傳輸相關(guān)聯(lián)的s參數(shù))的儀器。vna測量阻抗的幅度和相位，而標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀僅能測量阻抗的幅度。vna102可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器、分路器、可變頻率源、功率衰減器、定向耦合器等。換言之，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對于vna102來說存在許多可能的配置。然而，請注意，以上所提及的所有電子部件都位于地上，沒有一個(gè)部件(傳感器本身除外)位于井中。

vna102配置為測量由沿著電纜106到計(jì)量器104的信號所承載的入射能量和反射能量(這些能量與阻抗相關(guān)聯(lián))。注意，vna102將電纜和計(jì)量器“看作”是子系統(tǒng)107?？梢岳迷趘na102中運(yùn)行的軟件算法來確定返回的反射能量。在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算裝置130控制vna102并運(yùn)行軟件算法，這可以去除阻抗測量值的“復(fù)數(shù)值”的“虛部”分量。如之后所要討論的那樣，在去除該值的符號(相位旋轉(zhuǎn))之后，可以使用剩下的“實(shí)部”值來確定傳感器的諧振頻率。

如現(xiàn)在所討論的那樣，計(jì)量器104可以具有不同配置。在一個(gè)基本配置中，如圖3所示，計(jì)量器304具有容納傳感器(在該情況下為晶體)342的殼體340。晶體342可以夾在分別電連接到電纜306的兩條導(dǎo)線350和352的兩個(gè)板344和346之間。在一個(gè)應(yīng)用中，晶體342位于被殼體340完全封閉的腔室360內(nèi)，使得沒有來自井的流體進(jìn)入到腔室內(nèi)部。對于該具體實(shí)施例，晶體能夠測量井的溫度。注意，在一個(gè)實(shí)施例中，殼體不包括除了圖中所示的元件之外的任何其它元件。以這種方式，殼體中不存在易于失效的電子部件，從而避免了計(jì)量器的過早失效。還要注意，在計(jì)量器104和vna102之間沒有反饋回路。

在另一實(shí)施例中，如圖4所示，除了計(jì)量器404的殼體440內(nèi)部存在第二晶體470之外，計(jì)量器404與計(jì)量器304類似。第二晶體470位于通過膜482或類似的裝置而暴露于環(huán)境壓力p的相應(yīng)的第二腔室480中。第二晶體470具有通過導(dǎo)線476和478并聯(lián)連接到第一晶體442的相應(yīng)的板472和板474。因?yàn)榈谝痪w442不暴露于環(huán)境壓力p，所以該第一晶體能夠測量井中的溫度，而暴露于環(huán)境壓力的第二晶體能夠在其輸出針對由第一晶體測量的溫度被進(jìn)行調(diào)整之后測量井中的壓力?？梢韵胍娋哂卸嘤趦蓚€(gè)晶體和/或用于測量除壓力之外的其它參數(shù)的計(jì)量器104的其它配置，只要各種晶體具有非重疊的諧振頻率即可。注意，鑒于溫度限制，除了溫度之外的其它參數(shù)通常需要額外的傳感器，以利用該額外的傳感器所測量的溫度來調(diào)節(jié)所測量的參數(shù)值。在一個(gè)應(yīng)用中，存在于殼體內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)晶體并聯(lián)連接至電纜106的兩根導(dǎo)線。注意，如果必要的話，電纜106可以具有多于兩根的導(dǎo)線。

現(xiàn)在關(guān)于圖5來討論用于利用不包括電子器件的計(jì)量器來測量井內(nèi)部的溫度和/或壓力的方法。在步驟500中，電纜106的第一端連接到要降至井中的計(jì)量器104(如圖1或圖2所示)。在步驟502中，電纜106的第二端連接到vna102。在步驟504中，將計(jì)量器降至井中(注意，在完成步驟502之前就可以開始將計(jì)量器104降至井110中)。在計(jì)量器104已經(jīng)到達(dá)井內(nèi)的期望位置并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的熱平衡之后，在步驟506中，vna102生成電磁信號，并且該電磁信號沿著電纜被發(fā)送到計(jì)量器。所生成的電磁信號具有頻率f。vna配置為在步驟508中在給定范圍內(nèi)(例如，在如之后所描述的那樣選擇的fmin和fmax之間)掃描信號的頻率f。對于每個(gè)掃描頻率，vna在步驟510中測量入射能量和反射能量兩者。注意，vna將電纜和傳感器“視”為單個(gè)負(fù)載，因此，vna102測量作為子系統(tǒng)107的電纜106和計(jì)量器104的阻抗。vna可以被編程為選擇在例如fmin到fmax范圍內(nèi)的一些頻率，以發(fā)送以給定間隔δf分隔的那些頻率。該間隔可以具有任何期望的值，例如，1hz、10hz、100hz、1khz等。

基于在步驟510中得到的測量值，vna102或相關(guān)聯(lián)的計(jì)算裝置130(圖1所示)，在步驟512中計(jì)算反射系數(shù)γ：

其中，zl是負(fù)載阻抗，并且zs是源阻抗。

在步驟514中，vna102或相關(guān)聯(lián)的計(jì)算裝置130通過針對所考慮的掃描頻率范圍選擇具有最小信號幅度(最小絕對實(shí)阻抗值)的反射系數(shù)來針對給定的井中的溫度條件和/或壓力條件計(jì)算晶體的諧振頻率fr。

例如，圖6是示出以下內(nèi)容的笛卡爾曲線圖：(1)反射系數(shù)對頻率f的實(shí)部分量值(曲線600)，和(2)反射系數(shù)對頻率f的虛部分量值(曲線602)。圖6還示出了諧振頻率(由標(biāo)記604標(biāo)識)與所測量到的反射阻抗的實(shí)部分量600的最小值對準(zhǔn)。在一個(gè)實(shí)施例中，諧振頻率還與所測量到的反射阻抗的虛部分量的零值(或絕對值的最小值)對準(zhǔn)。

圖7是所測量到的反射阻抗的實(shí)部分量對虛部分量的奈奎斯特曲線圖，其中點(diǎn)702示出了諧振頻率。反射系數(shù)的“實(shí)部”值總是正值，而反射阻抗的“虛部”分量可以是正或負(fù)，這取決于在石英晶體的諧振頻率下進(jìn)行測量時(shí)由長于λ/4(即，電纜的波長除以4)的電纜引起的相位角的旋轉(zhuǎn)。因此，參考圖7中的奈奎斯特圖700，諧振頻率由虛部分量為零(即，點(diǎn)702)時(shí)的實(shí)部分量的最小絕對值確定。

注意，曲線704包括許多點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)與由vna針對來自給定頻率范圍的相應(yīng)頻率測量到的測量值相對應(yīng)。測量值的數(shù)量可以隨著系統(tǒng)的操作者所決定的數(shù)量而變化。存在這樣的情況，其中虛部分量的最小絕對值(由于電纜的相位旋轉(zhuǎn))不與零軸交叉。在這種情況下，用以確定諧振頻率所需的“虛部”值成為在掃描的持續(xù)時(shí)間內(nèi)的最小絕對值，同時(shí)，對于“實(shí)部”分量來說，使用其最小值。

用于測量晶體的諧振頻率的理想情況需要除去晶體和vna的之間的電纜。該理想情況將生成具有曲線704的奈奎斯特圖，其中曲線704是其半徑等于特定頻率范圍內(nèi)實(shí)部值對虛部值的幅度值的圓(參見圖7)。該圖上的值的幅度與由vna測量到的反射能量的量相關(guān)。

然而，電纜相對于晶體的諧振頻率的長度導(dǎo)致圖中的圓形的中心相對于軸線的原點(diǎn)的偏移，即，系統(tǒng)中的非零相移。測量結(jié)果中的這種單一變化意味著該方法對用于測量諧振頻率的電纜的類型或長度不敏感。因此，該方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于：不需要在先知道電纜的阻抗，即，無需在使用電纜之前對電纜進(jìn)行校準(zhǔn)。

就這一點(diǎn)而言，考慮這樣一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有約600m的長度的電纜和與電纜106的一端并聯(lián)連接并暴露于約180℃的溫度和約7×10⁶pa的壓力的兩個(gè)晶體342、442(如圖4的實(shí)施例中)。該系統(tǒng)配置為在選定的頻率范圍內(nèi)以1hz分辨率測量約500個(gè)點(diǎn)。選定的頻率范圍以晶體的諧振頻率為中心。壓力晶體和溫度晶體兩者被一個(gè)接一個(gè)地掃描，因此，如圖8所示，存在兩個(gè)奈奎斯特圓800和802。圖9中示出了實(shí)部分量和虛部分量分別對頻率f的笛卡爾曲線900和902。對該原始數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，用于反射阻抗值的“幅度”和“相位”。通過使用等式re＝mag*cos(θ)和im＝mag*sin(θ)來實(shí)現(xiàn)幅度(公式中的mag)和相位(θ)之間到虛域的轉(zhuǎn)換。然后，通過軟件將“幅度”和“相位”轉(zhuǎn)換為用于繪圖和諧振確定的“實(shí)部”值和“虛部”值。

圖9的笛卡爾圖示出了繪制在y軸上的“實(shí)部”和“虛部”分量。x軸上顯示了從vna應(yīng)用的頻率掃描。圖中存在兩個(gè)諧振901和903，一個(gè)諧振針對一個(gè)晶體。第一諧振901是溫度晶體的諧振，第二諧振903是壓力晶體的諧振。x軸表示以1hz為步長、從略低于兩個(gè)晶體的諧振頻率處起始的頻率。對于圖8和圖9中的兩個(gè)圖，針對溫度晶體和壓力晶體的頻率范圍分別以4.000mhz和4.362mhz為中心。

如圖8中所示，溫度晶體信號的幅度大于壓力晶體信號的幅度，并且由于低帶寬和高q諧振，壓力晶體的奈奎斯特圓802上的點(diǎn)較少。即使圖上具有由于電纜的線路損耗和低信號電平而造成的噪聲，圖8中的曲線圖上也可以標(biāo)識出分別作為表示溫度晶體和壓力晶體的諧振的標(biāo)記的點(diǎn)804和806。兩個(gè)曲線圖都示出了對于點(diǎn)804和806來說x軸(實(shí)軸)位于最小值處。y軸(虛軸)位于中點(diǎn)處。

要注意的是，相位的極性是通過電纜的長度而設(shè)定的，而電纜的長度轉(zhuǎn)而使返回信號的幅度和相位兩者的極性反轉(zhuǎn)。然而，由于尚未通過校準(zhǔn)將電纜長度從計(jì)算中去除，所以，在計(jì)算諧振頻率fr時(shí)，不使用(等式1中所定義的)γ的符號位。這實(shí)現(xiàn)了使用信號的絕對值的方法的簡化，因?yàn)樵诖_定來自晶體的反射信號的峰值頻率時(shí)不需要電纜相位信息。

類似地，僅需要相對諧振幅度來確定晶體的諧振頻率，而不需要真實(shí)的阻抗值。然而，在一個(gè)實(shí)施例中，可以在將電纜放入井中之前對電纜進(jìn)行校準(zhǔn)。

返回到圖5，在如上所述的在步驟514中計(jì)算諧振頻率之后，該方法前進(jìn)到計(jì)算期望的參數(shù)(例如，溫度或者溫度及壓力)的步驟516處?？梢曰陬l率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來確定與晶體的諧振有關(guān)的壓力或溫度。頻率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)用于更好地產(chǎn)生將諧振頻率與壓力直接相關(guān)聯(lián)或?qū)⒅C振頻率與溫度直接相關(guān)聯(lián)的多項(xiàng)式曲線。就這一點(diǎn)而言，可以使用vna(源)和石英晶體(負(fù)載)之間的各種長度的受控阻抗接口電纜進(jìn)行(在實(shí)驗(yàn)室中執(zhí)行的)校準(zhǔn)測量。電纜長度受限于所應(yīng)用的石英晶體的諧振頻率下的線路損耗或線路吸收。因此，在步驟514中，基于諧振頻率和多項(xiàng)式擬合校準(zhǔn)引擎來計(jì)算參數(shù)。

在一個(gè)應(yīng)用中，可以在不影響反射回到源的負(fù)載阻抗的同時(shí)對具有多次相位旋轉(zhuǎn)的長電纜末端處的負(fù)載元件的阻抗進(jìn)行測量。更具體地，如果單個(gè)晶體被附接到電纜的端部，則可以將該晶體放置在溫度受控的外殼內(nèi)。vna將在例如從0℃至400℃的各溫度下測量反射系數(shù)γ。對于每個(gè)設(shè)定的溫度，vna確定給定溫度下的晶體的諧振頻率。該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算裝置中，并且生成了描述環(huán)境溫度和晶體的諧振頻率之間的相關(guān)性的一個(gè)或多個(gè)多項(xiàng)式。

例如，溫度校準(zhǔn)函數(shù)t可以是如下給出的在溫度上為n階的多項(xiàng)式：

其中，ai是例如通過提供最小二乘法最小化的線性回歸而確定的校準(zhǔn)系數(shù)，st是溫度輸出，并且st0是相應(yīng)的偏移。注意，為了導(dǎo)出溫度校準(zhǔn)函數(shù)，晶體保持在恒定壓力(例如，大氣壓)下。

壓力校準(zhǔn)函數(shù)p可以是如下給出的在壓力上為n階且在溫度上為m階的另一個(gè)多項(xiàng)式：

其中a′ij是可以通過如上所述的線性回歸來確定的校準(zhǔn)系數(shù)，sp是壓力輸出，并且sp0是相應(yīng)的偏移。為了確定壓力，如關(guān)于圖4所討論的那樣，使用了兩個(gè)晶體。一個(gè)晶體被保持在計(jì)量器內(nèi)部處于大氣壓力下，并且僅用于基于等式(2)來計(jì)算井內(nèi)的溫度，并且第二晶體暴露于井內(nèi)的壓力和溫度。知道由第一晶體測量的溫度、測量到的諧振頻率并使用公式(3)，可以測量井內(nèi)的實(shí)際壓力。對于任何其它參數(shù)也是如此。

在前述實(shí)施例中，討論了通過測量反射系數(shù)γ來確定晶體的諧振頻率。這可以通過使用例如rf阻抗匹配理論來實(shí)現(xiàn)。匹配理論指出，當(dāng)(例如，在電纜和晶體之間的，或者vna和電纜之間的)阻抗不匹配時(shí)，能量在接口處被反射，即，不是所有的能量都從源耦合到負(fù)載。通過將耦接電纜106的長度的阻抗與晶體342的阻抗進(jìn)行匹配，消除了反射的能量，并且來自源的所有能量均被耦合到負(fù)載。這意味著晶體的諧振頻率已經(jīng)達(dá)到了。

上面所討論的奈奎斯特圖示出了用以示出操作和測量晶體的諧振的入射信號和反射信號(實(shí)部分量對虛部分量)。如上所述，當(dāng)阻抗的實(shí)部值處于最低點(diǎn)時(shí)，無論其虛部值如何，都會(huì)出現(xiàn)晶體的諧振。

接下來，討論用于確定井內(nèi)的壓力和/或溫度的一個(gè)具體系統(tǒng)1000。圖10示出了具有vna1002、計(jì)量器1004和電纜1006的系統(tǒng)1000。vna1002示出為具有信號發(fā)生器、耦合器和接收器檢測器(測量來自傳感器的反射信號的裝置)。電纜可以具有約600m的長度和約65歐姆的阻抗。源可以具有約65歐姆(即，與電纜匹配的)的阻抗zs，使得在vna和電纜之間的接口處不存在被反射的能量。計(jì)量器1004示出為在諧振時(shí)整體阻抗在20歐姆和100歐姆之間的兩個(gè)晶體1042和1042'。計(jì)量器1004可以具有例如并聯(lián)連接的多于兩個(gè)的晶體。vna1002連接到計(jì)算裝置1030和電源1031。

當(dāng)vna向電纜和計(jì)量器發(fā)送信號1090時(shí)，該信號的初始頻率可離開電纜加計(jì)量器的諧振頻率。如果電纜的阻抗與vna的阻抗匹配，則該信號的頻率可離開計(jì)量器的諧振頻率。在這些情況下，返回信號1092表現(xiàn)為與具有高阻抗的開路電纜相對應(yīng)。這意味著存在電纜空值或駐波零點(diǎn)。然而，當(dāng)在由操作者選擇的頻率范圍內(nèi)掃描信號1090時(shí)，隨著信號的頻率接近晶體的諧振頻率，所測量到的阻抗減小，并且電纜空值減小，直到它們幾乎消失。

一旦確定了晶體的諧振頻率，則將諧振頻率應(yīng)用至校準(zhǔn)引擎(例如，在通過在已知的壓力和頻率下的校準(zhǔn)獲得測量值之前所定義的多項(xiàng)式校準(zhǔn)引擎(例如，存儲(chǔ)在計(jì)算裝置130中并由處理器134運(yùn)行))，從而在設(shè)定的壓力和溫度(例如，25℃、50℃、...、230℃等)下生成已知的頻率。在找到壓力和溫度多項(xiàng)式公式解之后，例如在計(jì)算裝置1030的屏幕上向用戶顯示壓力和溫度值。

如上所述，vna用頻率掃描信號激勵(lì)晶體。該信號可以處于設(shè)定功率下。通過在低溫和高溫和低壓和高壓下測試晶體來確定每個(gè)晶體的頻率掃描范圍。歷史諧振頻率值用作晶體的頻率掃描范圍的界值fmin和fmax。頻率的幅度被限制在晶體的損傷點(diǎn)以下。典型的最大應(yīng)用功率水平為100μw。假設(shè)了50歐姆的負(fù)載，則最大傳輸功率約為-10dbm。

在一個(gè)應(yīng)用中，在顯示了壓力和/或溫度之后，系統(tǒng)立即收集數(shù)據(jù)以供另一次讀取。在一個(gè)應(yīng)用中，典型的讀取更新速率大約是每秒一次。

現(xiàn)在討論附圖中所示的系統(tǒng)的各個(gè)技術(shù)特征。在一個(gè)應(yīng)用中，期望電纜阻抗盡可能接近vna的驅(qū)動(dòng)阻抗和接收器阻抗。當(dāng)測量電纜末端的阻抗時(shí)，vna和電纜之間的匹配將減少諧振空值(請記住，基于阻抗匹配理論，如果電纜“空值”位于晶體的頻率搜索范圍內(nèi)，則vna阻抗與電纜的任何不匹配將引入可能導(dǎo)致錯(cuò)誤諧振讀數(shù)的電纜“空值”)。

壓力晶體可以是幾何“at”切割，而溫度晶體可以是幾何“ac”切割。請注意，切割會(huì)影響溫度穩(wěn)定性、拉伸范圍和其它運(yùn)動(dòng)參數(shù)。請注意，當(dāng)然可以考慮替代的切割和設(shè)計(jì)。例如，可以降低可能限制電纜長度的壓力石英晶體的溫度敏感度。類似地，石英晶體的工作頻率可以降低，這將導(dǎo)致電纜介電吸收效果減弱，從而能夠使用更長的井下電纜。

為了獲得較高的井下溫度和壓力精準(zhǔn)度，地面上的vna自身最好應(yīng)當(dāng)具有＜0.5ppm的精度，并且額定用于-40℃至+70℃的溫度范圍。為了滿足該需求，優(yōu)選地，vna的晶體參考tcxo具有0.5ppm的精度和-40℃至+85℃的工作溫度。

為了在特別是電纜長度增長時(shí)防止電纜中的信號吸收(損耗)，晶體的諧振頻率應(yīng)盡可能的低。

通過多次測試發(fā)現(xiàn)，對于本申請的受讓人所使用的現(xiàn)有晶體，在晶體諧振阻抗的實(shí)部等于或小于電纜的阻抗(例如，如所測量的約65歐姆)、壓力晶體阻抗(諧振電阻rr)通常＜100歐姆、溫度晶體阻抗(rr)通常＜40歐姆和晶體rr(等效串聯(lián)電阻)應(yīng)盡可能低的情況下，該方法效果最佳。使用2.5mhz的溫度晶體將電纜吸收減少了約40％。

如上所述，前述實(shí)施例中所討論的計(jì)量器和系統(tǒng)可用于測量井內(nèi)的參數(shù)。返回參考圖5，用于這種測量的方法可以包括：將計(jì)量器連接到電纜的第一端的步驟500、將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接到電纜的第二端的步驟502、(在步驟502之前或之后)將計(jì)量器降至井內(nèi)的步驟504、利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀生成信號并將該信號沿著電纜發(fā)送到計(jì)量器的步驟506、在給定范圍內(nèi)掃描該信號的頻率同時(shí)將該信號饋送到計(jì)量器的步驟508、確定計(jì)量器的諧振頻率的步驟514以及基于諧振頻率和多項(xiàng)式擬合校準(zhǔn)引擎來計(jì)算參數(shù)的步驟516。

該方法還可以包括測量與沿電纜入射到計(jì)量器的能量和沿著電纜從計(jì)量器反射到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的能量相關(guān)聯(lián)的反射系數(shù)。如上所述，反射系數(shù)是以下(i)與(ii)之比：(i)電纜及計(jì)量器阻抗和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀阻抗之差，(ii)電纜及計(jì)量器阻抗和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀阻抗之和。

該方法還可以包括：針對所掃描的頻率計(jì)算反射系數(shù)的實(shí)部分量和虛部分量的步驟、選擇實(shí)部分量的最小值的步驟、將與實(shí)部分量的最小值相對應(yīng)的頻率確定為諧振頻率的步驟。多項(xiàng)式擬合校準(zhǔn)引擎可以是由vna或計(jì)算裝置運(yùn)行并使用頻率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的軟件。通過將計(jì)量器暴露于已知的參數(shù)值而在受控環(huán)境中獲得頻率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

該方法還可以包括基于頻率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來生成將頻率與計(jì)量器的溫度和/或壓力直接相關(guān)聯(lián)的多項(xiàng)式曲線的步驟。多項(xiàng)式擬合校準(zhǔn)引擎基于該多項(xiàng)式曲線將所計(jì)算的諧振頻率轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫度和/或壓力。在一個(gè)應(yīng)用中，在參數(shù)估計(jì)之前不對電纜進(jìn)行校準(zhǔn)。如前所述，該參數(shù)可以是溫度并且計(jì)量器僅包括溫度晶體，或者該參數(shù)是壓力并且計(jì)量器僅包括溫度晶體和壓力晶體。

在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算裝置130配置為控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀并運(yùn)行多項(xiàng)式擬合校準(zhǔn)引擎。更具體地，在本實(shí)施例中，計(jì)算裝置包括連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀102的接口132和連接到接口132的處理器134，該處理器134配置為：控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀生成信號1090，并且沿著電纜106將該信號發(fā)送到位于井內(nèi)的計(jì)量器104，控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在給定范圍內(nèi)掃描該信號的頻率同時(shí)將該信號饋送到計(jì)量器，確定位于計(jì)量器內(nèi)的傳感器的諧振頻率，并且基于諧振頻率利用多項(xiàng)式擬合校準(zhǔn)引擎來計(jì)算參數(shù)。計(jì)量器中除傳感器外沒有其它電子部件。諧振頻率隨參數(shù)而變化。

所公開的示例性實(shí)施例提供了一種用于以最少的井中電子部件或在沒有井中電子部件的情況下測量井中的參數(shù)的設(shè)備和方法。應(yīng)當(dāng)理解，該描述并非旨在限制本發(fā)明。相反，示例性實(shí)施例旨在覆蓋包括在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的替代實(shí)施例、變型和等同物。此外，在示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)，以便提供對所要求保護(hù)的發(fā)明的全面的理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施各實(shí)施例。

盡管在特定組合的實(shí)施例中已經(jīng)描述了本示例性實(shí)施例中的特征和元件，但每個(gè)特征或元件可以在沒有實(shí)施例的其他特征和元件的情況下或者在具有本文公開的其它特征和元件或不具有本文公開的其它特征和元件的各組合中單獨(dú)使用。

該書面描述使用所公開的主題的示例來使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┧_的主題，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何并入的方法。主題的可專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到的其它示例。這樣的其它示例旨在處于權(quán)利要求的范圍內(nèi)。