Патент на изобретение №2353055

(54) ЦЕПЬ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к беспроводной связи посредством радиосигналов, предназначенной для использования при анализе геологических формаций. Сущность: цепь беспроводной связи содержит колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности, подключенной параллельно к емкостной цепи, и цепь обратной связи. Емкостная цепь содержит два последовательно соединенных конденсатора. Каждый из конденсаторов соединен общим проводником с заземлением и имеет соответствующее значение емкости. Катушка индуктивности и емкостная цепь определяют частоту сигнала. Катушка служит в качестве антенны. Цепь обратной связи содержит первый и второй контуры обратной связи для обеспечения возможности избирательного кодирования сигнала. Колебательный контур может функционировать в качестве передатчика и приемника. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится, в общем случае, к анализу геологических формаций для содействия эксплуатации имеющихся в них коллекторов углеводородов. В частности, настоящее изобретение относится к цепи беспроводной связи, предназначенной для использования при анализе геологических формаций.

Геологические пласты, служащие границами подземного коллектора, в котором происходит накопление углеводородов, содержат сеть связанных между собой каналов с находящимися в них жидкостями, входящих в коллектор или выходящих из него. Для определения свойств и характера поведения жидкостей в вышеупомянутой сети желательно иметь сведения о геологической формации, например о давлении в коллекторе и о проницаемости породы-коллектора. В настоящее время анализ эти характеристик осуществляют либо путем каротажа посредством зонда, опускаемого в буровую скважину на кабеле, который именуют “опробователем пласта”, либо путем исследования формации посредством опробователя, спускаемого на бурильных трубах. Оба эти способа исследований предназначены для их использования как в “необсаженной скважине”, так и в “обсаженной скважине”. Однако эти исследования не позволяют осуществлять сбор информации в реальном масштабе времени, поскольку исследования необходимо производить после операции извлечения бурового оборудования из скважины, которую именуют спускоподъемной операцией.

Спускоподъемная операция обычно содержит следующие операции: операцию извлечения бурильной колонны из ствола скважины, операцию спуска опробователя пласта в ствол скважины для сбора данных о пласте и операцию спуска бурильной колонны обратно в ствол скважины для дальнейшего бурения, которую выполняют после операции извлечения опробователя пласта. Очевидно, что операция “спуска и подъема оборудования из скважины” снижает производительность, и ее по существу обычно не выполняют. В результате сбор информации обычно осуществляют в удобный момент времени, например, во время замены буровой коронки или при извлечении бурильной колонны по какой-либо иной причине, не связанной с бурением, либо в том случае, когда сбор информации является достаточно важным фактором, оправдывающим выполнение дополнительной спускоподъемной операции.

Получение данных о пласте коллектора в “реальном масштабе времени” является необходимым и целесообразным. В результате из уровня техники известно, что предпринимались попытки сбора различных данных о формации из подземной зоны, представляющей интерес, в том состоянии, когда бурильная колонна находится внутри ствола скважины. Одна из таких попыток из известного уровня техники раскрыта в патенте США 6,028,534, авторами которого являются Сигленек (Ciglenec) и др. В патенте Сигленека (Ciglenec) раскрыт телеметрический датчик, содержащий измерительную аппаратуру датчика и соответствующую электронную аппаратуру, который вводят в пласт баллистическим способом. Электронная аппаратура, содержащаяся в телеметрическом датчике, обеспечивает передачу данных между датчиком и соседним вращающимся воротником бура. При этом электронная аппаратура позволяет определять требуемую пространственную ориентацию между воротником бура и датчиком перед осуществлением передачи данных.

Следовательно, существует потребность в создании электронной аппаратуры, предназначенной для использования в цепях беспроводной связи, введенных в геологические формации.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение предусматривает цепь связи и способ связи посредством радиосигналов, отличительным признаком которых является наличие колебательного контура, содержащего катушку индуктивности, подключенную параллельно к емкостной цепи. Катушка индуктивности служит в качестве антенны цепи связи и, следовательно, всегда функционирует в резонансном режиме, даже в том случае, когда параметры компонентов колебательного контура изменяются при изменении температуры. Поэтому антенна может функционировать с высокой добротностью Q и минимальной потребляемой мощностью при передаче. Емкостная цепь содержит два конденсатора, соединенных последовательно. Каждый из конденсаторов соединен общим проводником с заземлением и имеет соответствующее значение емкости. Цепь обратной связи подключена таким образом, что осуществляет избирательное электрическое смещение колебательного контура для формирования сигнала, одновременно обеспечивая минимизацию мощности, необходимой для формирования сигнала. Цепь обратной связи функционирует с обеспечением максимального размаха амплитуды сигнала, сформированного на концах антенны. Несимметричная амплитуда сигнала с каждой стороны антенны является функцией отношения значений емкостей, соответствующих емкостной цепи, при этом катушка индуктивности и емкостная цепь определяют частоту сигнала. Колебательный контур является многофункциональным, поскольку может быть осуществлено его электрическое смещение таким образом, чтобы он функционировал в качестве передатчика и/или приемника. Кроме того, в колебательный контур могут быть добавлены дополнительные схемы, которые более четко задают частоту передачи или приема, а также служат для него в качестве дистанционного источника питания. Более полное описание этих и иных вариантов осуществления изобретения приведено ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 показан чертеж воротника бура, расположенного в буровой скважине и снабженного управляемым приемопередающим устройством согласно настоящему изобретению;

на фиг.2 представлен схематичный чертеж управляемого приемопередающего устройства, расположенного в воротнике бура согласно фиг.1, на котором показана система установки телеметрического датчика из буровой скважины в выбранное место в подземной формации;

на фиг.3 в виде блок-схемы показаны электронные схемы управляемого приемопередающего устройства, расположенного в воротнике бура согласно фиг.1, которые служат для приема информационных сигналов из телеметрического датчика и для передачи сигналов в этот телеметрический датчик;

на фиг.4 показана блок-схема электронных устройств, на которой схематично изображены электронные устройства телеметрического датчика;

на фиг.5 показана схема цепи связи согласно фиг.4 в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

на фиг.6 показана схема цепи связи согласно фиг.4 в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;

на фиг.7 показана схема цепи связи согласно фиг.4 в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;

на фиг.8 показана схема цепи связи согласно фиг.4 в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения;

на фиг.9 показана схема цепи связи согласно фиг.4 в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения;

на фиг.10 показана схема цепи связи согласно фиг.4 в соответствии с шестым вариантом осуществления изобретения;

на фиг.11 изображена блок-схема, на которой показан принцип функционирования управляемого приемопередающего устройства совместно с телеметрическим датчиком согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Со ссылкой на чертеж фиг.1, на котором показан пример использования настоящего изобретения, на нем изображен воротник 10 бура, содержащий бурильную колонну (не показана), предназначенную для бурения ствола 12 скважины. Воротник 10 бура имеет секцию 14 зонда, которая содержит схему 16 сбора данных, показанную на фиг.2, включающую в себя совокупность схем 18 передатчика/приемника, показанную на фиг.3.

Со ссылкой на фиг.2 воротник 10 бура включает манометр 20, на датчик 22 давления которого воздействует скважинное давление в стволе 12 скважины через канал 24 в воротнике бура. Манометр 20 измеряет давление окружающей среды на глубине выбранной подземной формации, и его используют для контроля калибровки телеметрических датчиков по давлению. Электронные сигналы (не показаны), отображающие давление окружающей среды в стволе скважины, передают через манометр 20 в цепь схемы 16 сбора данных. Затем схема 16 сбора данных осуществляет калибровку по давлению телеметрического датчика 26, расположенного на этой конкретной глубине в стволе скважины и наилучшим образом показанного на фиг.1.

Воротник 10 бура также снабжен одним или большим количеством гнезд 28 для телеметрических датчиков, которые также показаны на фиг.1. Каждое гнездо 28 для датчика содержит телеметрический датчик 26 для установки его в надлежащее место в выбранной подземной формации, представляющей интерес, которая пересекает ствол 12 скважины. В этом конкретном варианте осуществления изобретения установку телеметрического датчика 26 в надлежащее место осуществляют во время бурения ствола 12 скважины, а более подробное описание этого приведено ниже. Однако следует отметить, что телеметрический датчик 26 может быть предварительно установлен в надлежащее место и использован совместно с управляемым приемопередающим устройством из настоящего изобретения. В подобных вариантах осуществления обычно требуется предпринять определенные действия для определения местоположения телеметрического датчика 26, более полное описание которых приведено ниже.

Телеметрические датчики 26 представляют собой заключенные в корпус “интеллектуальные” датчики, которые перемещают из воротника 10 бура в надлежащее место внутри пласта, окружающего ствол 12 скважины. Телеметрические датчики 26 регистрируют такие характеристики пласта, как, например, давление, температуру, проницаемость породы, пористость, проводимость, диэлектрическую постоянную и т.д. Телеметрические датчики 26 соответствующим образом заключены в корпус датчика, имеющий достаточную прочность конструкции для того, чтобы он не подвергался повреждениям во время перемещения из воротника 10 бура при его введении сбоку в подземную формацию, окружающую ствол 12 скважины.

И вновь со ссылкой на чертеж фиг.1, на нем показан один телеметрический датчик 26, введенный в формацию и ориентированный приблизительно перпендикулярно по отношению к стволу 12 скважины и, следовательно, к воротнику 10 бура. Для специалистов в данной области техники, использующих преимущества раскрытия сущности настоящего изобретения, понятно, что такое боковое перемещение для закладки датчика в требуемое место в формации не обязательно должно быть перпендикулярным по отношению к стволу 12 скважины, но может быть осуществлено под множеством углов атаки. Закладка датчика может быть осуществлена с использованием одной или большего количества следующих операций: (1) операции бурения стенки 30 ствола буровой скважины и закладки телеметрического датчика 26 в формацию; (2) операции вбивания/вдавливания заключенных в корпус телеметрических датчиков 26 в формацию посредством гидравлического пресса или иного механического заглубляющего узла; или (3) операций выстреливания телеметрических датчиков 26 в формацию с использованием зарядов взрывчатого вещества. Пригоден любой из этих способов в зависимости от варианта реализации. Например, несмотря на то что в изображенном на чертеже варианте осуществления изобретения используют гидравлический механизм (более подробное описание которого приведено ниже), в альтернативном варианте осуществления изобретения установку телеметрического датчика 26 осуществляют баллистическим способом, который более подробно описан в патенте США 6,467,387, авторами которого являются Эспиноза (Espinosa) и др., а права на него принадлежат патентовладельцу настоящего изобретения.

И вновь со ссылкой на фиг.2, закладку телеметрического датчика 26 осуществляют посредством плунжера 32 с гидравлическим приводом, который обеспечивает его проникновение внутрь подземной формации для регистрации характеристик пласта. Для закладки датчика воротник 10 бура снабжен внутренним цилиндрическим отверстием 34, внутри которого расположен поршневой элемент 36, имеющий плунжер 32, способный приводить в движение заключенный в корпус интеллектуальный телеметрический датчик 26. Поршневой элемент 36 подвергают воздействию гидравлического давления, передачу которого в поршневую камеру 38 осуществляют из гидравлической системы 40 через подводящий гидравлический канал 42. Как описано выше, схема 16 сбора данных избирательно приводит в действие гидравлическую систему 40, обеспечивая возможность калибровки телеметрического датчика 26 по отношению к давлению окружающей среды в скважине на глубине залегания формации. Затем телеметрический датчик 26 может быть перемещен из гнезда 28 в формацию на некотором расстоянии от стенки 30 ствола буровой скважины, что обеспечивает отсутствие влияния диаметра скважины на характеристики давления в формации.

Теперь со ссылкой на фиг.3, показанная на фиг.1 схема 16 сбора данных, расположенная в воротнике 10 бура, содержит приемопередающее устройство 44, приводимое в действие устройством 46 возбуждения мощности приемопередатчика (например, усилителем мощности) на частоте, заданной генератором 48. Приемопередающее устройство 44 принимает сигналы, которые должны быть переданы телеметрическим датчиком 26 в имеющуюся в воротнике 10 бура секцию 14 зонда, а более подробное описание этого приведено ниже. Следует отметить, что для практической реализации настоящего изобретения использование отношения, равного 2:1, не является обязательным условием, и могут быть использованы иные значения этого отношения. Приемопередающее устройство 44 содержит антенную решетку 50 и один или большее количество приемопередатчиков 52, что зависит от варианта реализации.

Со ссылкой на фиг.4, в состав электронных схем телеметрического датчика 26, показанного на фиг.1, входит цепь 54 связи, содержащая, по меньшей мере, одну приемную катушку 56 или радиоантенну. Выход 58 цепи 54 связи соединен со схемой 60 контроллера. Схема 60 контроллера выполнена так, что один из ее управляющих выходных сигналов 62 подают на манометр 64, обеспечивая поступление выходных сигналов с датчика в блок 66 аналого-цифрового преобразователя (“АЦП”)/запоминающего устройства, который получает сигналы из манометра 64 через провод 68 и также получает управляющие сигналы из схемы 60 контроллера через провод 70. Различные компоненты электрической схемы датчика 26 соединены с аккумулятором 72 посредством проводов 76, 78 и 80 электропитания. Выход 82 запоминающего устройства схемы 66 АЦП/запоминающего устройства соединен со схемой 84 управления катушкой приемника. Схема 84 управления катушкой приемника функционирует в качестве схемы задающего генератора для антенны 56 через провод 86, которая обеспечивает передачу данных в схему 18 передатчика/приемника, показанную на фиг.3.

Со ссылкой на фиг.5, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения цепь 54 связи сформирована в виде колебательного контура 88, содержащего антенну 56, подключенную параллельно емкостной цепи 92. Емкостная цепь 92 содержит два конденсатора, соединенных последовательно, которые показаны на чертеже как конденсаторы 92а и 92b. Конденсаторы 92а и 92b соединены с общим заземлением, показанным на чертеже номером позиции 92с. Цепь 54 связи также содержит цепь 94 обратной связи. Цепь 94 обратной связи подключена с возможностью избирательного электрического смещения колебательного контура 88 для формирования одного или большего количества сигналов, показанных на чертеже как сигнал 96, на соответствующих выводах 88а и 88b.

Цепь 94 обратной связи содержит первую цепь обратной связи и вторую цепь обратной связи. Первая цепь обратной связи содержит биполярный транзистор 98, эмиттер 98а которого соединен с одним из полюсов переключателя 100. К остальным полюсам переключателя 100 подведены напряжение V_SUPPLY питания и входной сигнал ASK_IN для амплитудной манипуляции. База 98b транзистора 98 соединена общим проводником с резистором 102 и с конденсатором 104. Резистор 102 подключен последовательно между базой 98b и заземлением 92с. Конденсатор 104 подключен последовательно между базой 98b и выводом 88а колебательного контура 88. Вторая цепь обратной связи содержит биполярный транзистор 106, эмиттер 106а которого соединен с заземлением. База 106b транзистора 106 соединена общим проводником с резистором 108 и с конденсатором 110. Резистор 108 подключен последовательно между базой 106b и V_SUPPLY. Коллектор 106с транзистора 106 соединен с одним из полюсов переключателя 112 через конденсатор 112а, при этом коллектор 106с и конденсатор 112а соединены общим проводником с выводом 88а колебательного контура 88. Остальные полюса переключателя 112 соединены с заземлением и с входным сигналом FSK_IN для частотной манипуляции. Конденсатор 110 подключен последовательно между базой 106b и выводом 88b колебательного контура 88.

При такой компоновке антенна 56 функционирует в качестве катушки индуктивности колебательного контура 88, что позволяет цепи 54 связи всегда функционировать на требуемой резонансной частоте, то есть антенна 56 всегда находится в резонансе с колебательным контуром 88. В результате этого сводят к минимуму время стабилизации цепи 54 связи, обеспечивая тем самым увеличение пропускной способности при одновременной минимизации мощности, необходимой для передачи данных. Резонансная частота цепи 54 связи в основном определяется параметрами антенны 56 и емкостной схемы 92. Транзисторы 98 и 106 и конденсаторы 104 и 110 соответственно первой и второй цепей обратной связи создают петлю обратной связи колебательного контура 88. В частности, каждая из вышеупомянутых первой и второй цепей обратной связи обеспечивает для колебательного контура 88 360-градусную обратную связь. При работе резистор 102 осуществляет прямое смещение транзистора 98 в первой цепи обратной связи, а резистор 108 осуществляет прямое смещение транзистора 106 второй цепи обратной связи. В результате этого на выводах 88а и 88b получают, что вследствие инверсии сигнала, поданного на концы антенны 56, на 180° к антенне 56 приложено максимальное напряжение. Принимая во внимание то, что транзисторы 98 и 106 проводят ток в течение лишь очень короткого промежутка времени, потребляемая мощность для генерации максимального напряжения на концах антенны 56 является минимальной.

Отношение C₁/C₂ величин емкостей конденсаторов 92а и 92b, где C₁ – значение емкости конденсатора 92а, а С₂ – значение емкости конденсатора 92b, определяет симметричность колебательного контура 88 и значения амплитуды сигнала 96. Если бы значения C₁ и C₂ были по существу одинаковыми, то колебательный контур 88 работал бы в симметричном режиме, и в этом случае амплитуды сигнала на концах антенны 56 были бы по существу равными, и колебания происходили бы между напряжением заземления и V_SUPPLY. В том случае когда значения C₁ и С₂ являются различными, колебательный контур 88 работает в несимметричном режиме, в результате чего получают иную амплитуду сигнала на концах антенны 56. Вне зависимости от того, работает ли колебательный контур 88 в симметричном или в несимметричном режиме, разность уровней напряжения сигнала на концах антенны 56, измеренная на выводах 88а и 88b, не зависит от соответствующего режима. В результате мощность передачи данных на выводах 88а и 88b является одинаковой, то есть потери мощности сведены к минимуму. Следовательно, цепь 54 связи является пригодной для использования в качестве дифференциального передатчика, а также в качестве приемника синфазного сигнала, более подробное описание которого приведено ниже.

Первая цепь обратной связи обеспечивает передачу данных с использованием способов амплитудной манипуляции АМн (ASK). Для этого активируют переключатель 100, соединяя эмиттер 98а с входом ASK_IN. Сигнал, подаваемый на вход ASK_IN, включает и выключает колебательный контур 88, формируя тем самым ток передачи в антенне 56. Таким способом осуществляют кодирование сигнала 96, сформированного антенной 56 таким образом, чтобы он содержал информацию, полученную на входе ASK_IN. Например, передачу сигнала на вход ASK_IN может осуществлять манометр 64, показанный на фиг.4. Это приводит к тому, что в ответ на это колебательный контур 88 осуществляет передачу сигналов 96, обеспечивая тем самым передачу информации, полученной из манометра 64, в приемник (не показан), расположенный на расстоянии от цепи 54 связи. В одном из вариантов осуществления изобретения получаемая из манометра 64 информация является цифровой.

В альтернативном варианте кодирование сигнала 96 может быть осуществлено таким образом, чтобы он содержал информацию с использованием способов частотной манипуляции ЧМн (FSK), реализуемых посредством второй цепи обратной связи. Для этого колебательный контур 88 переключают в режим непрерывной генерации с использованием переключателя 100, соединяющего эмиттер 98а с V_SUPPLY. На вход FSK_IN может быть подан сигнал, генерация которого осуществлена, например, манометром 64. Сигнал на входе FSK_IN избирательно соединяет конденсатор 112а параллельно с конденсатором 92а, изменяя тем самым резонансную частоту колебательного контура 88. Таким способом может быть сформирован сигнал 96 для передачи информации, имеющейся на входе FSK_IN.

Со ссылкой на фиг.6, цепь 154 связи, имеющая незначительные видоизменения в первой цепи обратной связи, может функционировать в качестве приемника сигналов, модуляция которых осуществлена с использованием способов амплитудной манипуляции АМн (ASK). Для этого между эмиттером 98а и заземлением подключен выпрямительный конденсатор 114. Общая точка соединения эмиттера 98а с выпрямительным конденсатором 114 определяет вход 116, к которому может быть подключен выключатель электропитания с дистанционным управлением, осуществляемым путем приема сигнала запуска, что является известным из уровня техники.

В том случае когда на выводе 88b получают сигнал, амплитуда которого превышает пороговое значение напряжения база-эмиттер для транзистора 98, транзистор 98 работает в обратном режиме. В результате когда амплитуда сигнала на выводе 88b высока, то происходит зарядка выпрямительного конденсатора 114 через диод между коллектором и базой транзистора 98. Выпрямительный конденсатор 114 заряжается до уровня напряжения, равного напряжению на выводе 88b за вычетом напряжения насыщения между коллектором и базой транзистора 98. При снижении уровня напряжения сигнала 96 на выводе 88b и повышении уровня напряжения сигнала 96 на выводе 88а напряжение на базе 98b становится положительным относительно напряжения на коллекторе 106с. Такая схема смещения транзистора 98 останавливает протекание тока между эмиттером и коллектором и предотвращает понижение напряжения на эмиттере 98а до тех пор, пока антенной 56 не будет принят другой сигнал.

Со ссылкой на фиг.7, функция цепи 254 связи может быть изменена с передатчика на приемник и наоборот путем соединения одного из полюсов переключателя 160 с эмиттером 98а и соединения остальных двух полюсов переключателя 160 с V_SUPPLY и выпрямительным конденсатором 114. Таким образом, путем соединения эмиттера 98а с V_SUPPLY с использованием переключателя 160 и вышеупомянутых способов передачи на основе ЧМн цепь 254 связи может функционировать в качестве передатчика. Для того чтобы цепь 254 связи функционировала в качестве приемника, переключатель 160 устанавливают в положение, обеспечивающее соединение эмиттера 98а с выпрямительным конденсатором 114 и ее функционирование согласно приведенному выше описанию фиг.6.

Со ссылкой на фиг.8, на нем показан другой вариант осуществления цепи 354 связи, содержащей детектор 120 огибающей, соединенный общим проводником с антенной 56 и с конденсатором 92b. Детектор 120 огибающей содержит выпрямительный конденсатор 122 и резистор 124, подключенный параллельно между заземлением и катодом диода 126. Анод диода 126 соединен общим проводником с антенной 56 и с конденсатором 92b колебательного контура 88. Колебательный контур 88 имеет наибольшую чувствительность к сигналам, воспринимаемым антенной 56, в том случае, когда значения емкости конденсаторов 92а и 92b выбраны таким образом, чтобы колебательный контур 88 находился в несимметричном режиме, например, когда значение емкости конденсатора 92а намного превышает значение емкости конденсатора 92b. В результате этого на выводе 88а получают сигнал 96 с уровнем напряжения относительно земли значительно большим, чем уровень напряжения сигнала 96 на выводе 88b. Это облегчает обнаружение намного более слабых сигналов по сравнению с вышеописанной схемой приемника из фиг.6. При необходимости между катодом диода 126 и резистором 124 в точке 126а может быть подключен компаратор, преобразующий детектированный сигнал в логический сигнал.

Со ссылкой на фиг.9, для повышения чувствительности цепи 454 связи при ее работе в режиме приемника к общей точке между конденсатором 92b и антенной 56 подключена диодная схема 128 с двумя согласованными диодами. Диодная схема 128 с двумя согласованными диодами включает операционный усилитель 130, первый диод 132а и второй диод 132b, аноды которых соединены общим проводником с разделительным конденсатором 134 и с резистором 136 цепи смещения. Резистор 138 подключен последовательно между катодом диода 132b и заземлением, при этом катод диода 132а соединен общим проводником с инвертирующим входом операционного усилителя 130 и с резистором 138. Резистивно-емкостная (RC) цепь 140, содержащая резистор 140а, подключенный параллельно к конденсатору 140b, подключена последовательно между заземлением и катодом диода 132а. Катод диода 132а и резистивно-емкостная (RC) цепь 140 соединены общим проводником с неинвертирующим входом V⁺ операционного усилителя 130.

Со ссылкой на фиг.4 и фиг.9, на которых показан приведенный в качестве примера вариант осуществления изобретения, величина сопротивления резистора 138 является немного большей, чем величина сопротивления резистора 140а. При отсутствии сигнала в антенне 56 падение напряжения на диоде 132а является большим, чем падение напряжения на диоде 132b, вследствие немного большего тока прямого смещения. При увеличении тока смещения происходит повышение напряжения. При приеме сигнала антенной 56 выпрямление этого сигнала осуществляет диод 132а, а не диод 132b. Операционный усилитель 130 на инвертирующем входе V^– не учитывает переменную составляющую сигнала. В этом случае постоянное напряжение на входе V^– операционного усилителя 130 будет большим, чем постоянное напряжение на входе V⁺ операционного усилителя 130. В результате происходит изменение состояния операционного усилителя 130. Когда поступление сигнала в антенну 56 прекращается, конденсатор 140b разряжается, и операционный усилитель 130 возвращается в свое исходное состояние. Таким способом создают цифровые сигналы на выходе (O/Р) операционного усилителя 130 в ответ на сигналы, воспринимаемые антенной 56. Сигналы с выхода (O/Р) могут быть переданы в схему контроллера 60 цепи для дальнейшей обработки. За счет создания схемы с согласованными диодами операционный усилитель 130 может работать на низкой частоте, например, в килогерцевом диапазоне и, следовательно, для этого могут быть использованы маломощные/узкополосные операционные усилители, обеспечивающие преимущество за счет значительной экономии потребляемой мощности. Для повышения чувствительности схемы 128 приемника к ней может быть подключен дополнительный предварительный усилитель (не показан) таким образом, чтобы конденсатор 134 был соединен общим проводником с его входами, а выход предварительного усилителя (не показан) был соединен общим проводником с анодами диодов 132а и 132b.

Дополнительное преимущество, обусловленное наличием диодной схемы 128 с двумя согласованными диодами, состоит в том, что она обеспечивает относительную устойчивость, когда она подвергается циклическому воздействию температуры, то есть разность напряжений, а именно напряжение на входе V⁺ минус напряжение на входе V^– является относительно независимым от температуры. Токи смещения диодов 132а и 132b обозначены как I₁ и I₂. Значения емкости конденсатора 140b и сопротивления резистора 138 обозначены соответственно как R₁ и R₂. Отношение I₁/I₂ определяется отношением R₁/R₂. В результате разность напряжений прямого смещения диодов 132а и 132b, обозначенная как V_D, может быть выражена следующим образом:

Решая уравнение 1 относительно V_D, получают следующее выражение:

где – коэффициент эмиссии, который в данном примере равен 2 для диодов с прямым смещением. Переменная U_T определена следующим образом:

Предполагая, что рабочая температура колебательного контура 88 находится в интервале между 300 К (градусов Кельвина) и 450 К, получают следующие значения U_T:

Предпочтительно, чтобы минимальное пороговое напряжение регистрируемого входного сигнала было меньшим, чем максимальное напряжение смещения на входе. Предполагая, что напряжение смещения на входе операционного усилителя 130 является меньшим, чем 3 мВ (милливольта), отношение R₁/R₂ может быть определено следующим образом:

в результате чего получают следующее значение:

Следовательно, в приведенном выше примере, в котором были использованы уравнения (1)-(7), при коэффициенте рассогласования резисторов, равном 6%, получают, что значение V_D равно 3 мВ при температуре 300 К и 4,5 мВ при температуре 450 К. Как показано выше, разность напряжений V_D является очень стабильной во всем этом диапазоне температур. Предпочтительным результатом может являться небольшое увеличение порогового значения, потому что напряжение смещения на входе операционных усилителей в общем случае имеет тенденцию увеличиваться при повышении температуры.

Со ссылкой на два чертежа фиг.4 и фиг.10, цепь 554 связи содержит цепь 142 умножителя напряжения, соединенную с колебательным контуром 88. Цепь 142 умножителя напряжения содержит конденсатор 144 связи, соединенный общим проводником с катодом первого диода 146 и с анодом второго диода 148. Выпрямительный конденсатор 150 подключен последовательно между катодом второго диода 148 и заземлением. Анодный катод первого диода 146 соединен с выводом 88а. Цепь 142 умножителя напряжения увеличивает величину сигнала, воспринимаемого антенной 56. При регистрации антенной 56 сигнала происходит зарядка выпрямительного конденсатора 150. После зарядки выпрямительного конденсатора 150 используют конденсатор 144 связи для демодуляции данных. Диоды 146 и 148 выпрямляют сигналы с детектированными демодулированными данными, имеющимися в выходном сигнале 152, которые могут быть переданы в другую схему, например в схему 60 контроллера. Затем демодулированные данные могут быть использованы непосредственно в регуляторе напряжения. При необходимости множество цепей 142 умножителей напряжения могут быть объединены вместе в виде каскадов между колебательным контуром 88 и выходом 152. Если зарядку выпрямительного конденсатора 150 осуществляют в виде коротких импульсов, то колебательный контур 88 может быть использован для одновременного получения энергии и приема данных.

Как показано на фиг.2 и фиг.11, при работе после установки телеметрического датчика 26 в надлежащее место он начинает сбор данных. В одном особом варианте осуществления изобретения телеметрический датчик 26 содержит таймер, который периодически инициирует включение телеметрического датчика 26. Затем телеметрический датчик 26 осуществляет сбор данных, их запоминание в блоке 66 АЦП/запоминающего устройства, показанном на фиг.4, и возвращается в режим ожидания. Когда антенная решетка 50 совмещается с антенной 56 телеметрического датчика 26, передатчик в воротнике 162 бура, содержащий усилитель мощности (не показан), посылает в телеметрический датчик 26 тональный сигнал запуска через антенную решетку 50. Передачу тонального сигнала запуска осуществляют на частоте в пределах ширины полосы частот колебательного контура 88, показанного на фиг.10, которая близка к резонансной частоте телеметрического датчика 26. Телеметрический датчик 26 осуществляет прием тонального сигнала через свою антенну 56 в том случае, если антенная решетка 50 находится достаточно близко к нему, обнаруживает принятый сигнал посредством электронных схем запуска приемника после состояния ожидания (не показаны) и включается в том случае, если сигнал имеет желательную частоту. Затем телеметрический датчик 26 передает сигнал подтверждения приема в передатчик 162, расположенный в воротнике бура, и ожидает получения команды.

После запуска посредством передатчика 162, расположенного в воротнике бура, телеметрический датчик 26 осуществляет прием и несколько команд, таких как сбор данных, передача данных, считывание из запоминающего устройства и запись в запоминающее устройство. Наиболее часто передатчик 162, расположенный в воротнике бура, выдает в телеметрический датчик 26 команду на выполнение передачи данных. Телеметрический датчик 26 осуществляет передачу данных измерений через антенну 56 в схему 18 передатчика/приемника и возвращается в режим ожидания. Приемник 156 в схеме 18 передатчика/приемника осуществляет усиление, демодуляцию и декодирование данных. Антенный переключатель 158, имеющийся в электронной аппаратуре в воротнике бура, защищает приемник 156, расположенный в воротнике 10 бура. Антенная решетка 50 в воротнике бура 10 настроена в резонанс с частотой передачи телеметрического датчика 26 посредством, в частности, схемы 164 настройки, подключенной между антенной решеткой 50 и антенным переключателем 158.

В частности, воротник 10 бура помещают в непосредственной близости от телеметрического датчика 26. В некоторых вариантах осуществления воротник бура 10 фактически используют для установки телеметрического датчика 26 на место, и в этом случае воротник бура 10 будет расположен вблизи от телеметрического датчика 26. Если телеметрический датчик 26 был установлен заранее, то его местоположение может быть определено из записей о его месторасположении. В качестве последнего средства может быть использовано приемопередающее устройство 44, показанное на фиг.3, для обнаружения телеметрического датчика 26 путем перемещения воротника бура 10 вверх-вниз в стволе скважины 12. Осуществляют передачу электромагнитной волны из схемы 18 передатчика/приемника, расположенной в воротнике 10 бура, для “включения” телеметрического датчика 26 и для воздействия на телеметрический датчик 26 таким образом, чтобы он послал обратно идентифицирующий закодированный сигнал. Этот процесс “подтверждения установления связи” может быть использован для определения местоположения телеметрического датчика 26, поскольку прием сигнала подтверждения установления связи из телеметрического датчика 26 будет означать, что воротник 10 бура находится достаточно близко к местоположению телеметрического датчика 26.

Местоположение телеметрического датчика 26 может быть отслежено после определения его местоположения. Обмен информацией между воротником 10 бура и телеметрическим датчиком 26 обычно происходит во время буровых работ, хотя это не является необходимым условием для практической реализации настоящего изобретения. Следовательно, обычно возникает некоторая степень поступательного и вращательного перемещения приемопередающего устройства 44 относительно телеметрического датчика 26, и необходимо отслеживать это перемещение. Это может быть осуществлено способом, описанным в заявке на патент США 09/899,243, «Управляемое приемопередающее устройство для сбора данных о скважине в формации».

Процесс подтверждения установления связи инициирует вход электронной аппаратуры телеметрического датчика 26 в режим сбора и передачи данных, в котором получают данные о давлении и иные данные, отображающие выбранные характеристики формации, а также идентификационный код датчика, на уровне телеметрического датчика 26. Следует отметить, что в некоторых вариантах осуществления изобретения телеметрический датчик 26 может осуществлять сбор данных непрерывно в течение того времени, когда передатчик является неактивным, например, при отсутствии антенной решетки 50. В это время производят сбор данных из манометра (давление и температура) и других выбранных характеристик пласта, а электронная аппаратура телеметрического датчика 26 осуществляет преобразование этих данных в один или большее количество последовательных цифровых сигналов. Этот цифровой сигнал или сигналы, в зависимости от обстоятельств, передают из телеметрического датчика 26 обратно в воротник 10 бура через схему 18 передатчика/приемника. Этот процесс осуществляют путем синхронизации и кодирования каждого отдельного бита данных в виде конкретной временной последовательности. Сбор и передачу данных или, по меньшей мере, их передачу (что зависит от варианта осуществления изобретения) прекращают после получения устойчивых показаний датчиков давления и температуры и успешной их передачи в электронные схемы, встроенные в воротник 10 бура.

Всякий раз при инициировании вышеупомянутой последовательности действий включают питание схемы 18 передатчика/приемника, расположенной внутри воротника 10 бура, устройством 46 возбуждения мощности приемопередатчика. Передачу электромагнитной волны из воротника бура 10 осуществляют на частоте, заданной генератором 48. Частота может быть выбрана в диапазоне от 10 кГц до 50 МГц. Как только телеметрический датчик 26 попадает в зону воздействия схемы 18 передатчика/приемника, антенна 56, расположенная внутри телеметрического датчика 26, излучает электромагнитную волну обратно на удвоенной исходной частоте посредством схемы 84 управления катушкой приемника и антенны 56.

Раскрытые выше конкретные варианты осуществления изобретения приведены в настоящем описании в иллюстративных целях, поскольку изобретение может быть модифицировано и реализовано на практике различными, но эквивалентными способами, которые являются очевидными и полезными для специалистов в данной области техники. Кроме того, подразумевают, что не существует никаких ограничений, наложенных на продемонстрированные здесь подробности конструктивного исполнения или схемного решения, за исключением тех, которые описаны в приведенной ниже формуле изобретения. Поэтому очевидно, что раскрытые выше конкретные варианты осуществления изобретения могут быть модифицированы и что подобные изменения считаются не выходящими за пределы объема патентных притязаний настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения. Следовательно, объем испрашиваемой охраны сформулирован в приведенной ниже формуле изобретения. Описанные выше варианты осуществления настоящего изобретения приведены в качестве примеров. Может быть выполнено множество модификаций вышеизложенного раскрытия сущности изобретения, не выходя за пределы объема патентных притязаний настоящего изобретения. Следовательно, объем патентных притязаний настоящего изобретения следует определять не путем ссылки на приведенное выше описание, но вместо этого его следует определять путем ссылки на приложенную формулу изобретения совместно с ее эквивалентами в полном объеме.

Формула изобретения

1. Цепь беспроводной связи, содержащая:
антенну;
емкостную цепь, подключенную параллельно с вышеупомянутой антенной и образующую колебательный контур, содержащий первый и второй выводы, при этом вышеупомянутая емкостная цепь содержит два последовательно соединенных конденсатора, а вышеупомянутые два конденсатора соединены общим проводником с заземлением; и
цепь обратной связи, соединенную с вышеупомянутым колебательным контуром для обеспечения возможности избирательного функционирования указанного колебательного контура в качестве передатчика и приемника, при этом указанный колебательный контур задает сигнал, и указанная цепь обратной связи дополнительно содержит первый и второй контуры обратной связи для обеспечения возможности избирательного кодирования указанного сигнала.

2. Цепь связи по п.1, в которой вышеупомянутая цепь обратной связи обеспечивает 360-градусную обратную связь для каждого из вышеупомянутых первого и второго выводов.

3. Цепь связи по п.1, в которой вышеупомянутая цепь обратной связи подключена таким образом, что обеспечивает максимальный размах сигнала на концах вышеупомянутой антенны.

4. Цепь связи по п.1, в которой вышеупомянутые два конденсатора имеют, по существу, одинаковые значения емкости.

5. Цепь связи по п.1, в которой вышеупомянутые два конденсатора имеют различные значения емкости.

6. Цепь связи по п.1, в которой вышеупомянутая цепь обратной связи подключена таким образом, что обеспечивает прием данных для избирательного кодирования сигнала указанными данными.

7. Цепь связи по п.1, в которой вышеупомянутый первый контур обратной связи соединен с вышеупомянутым колебательным контуром для обеспечения возможности избирательного кодирования вышеупомянутого сигнала с использованием способов амплитудной манипуляции, а вышеупомянутый второй контур обратной связи соединен с вышеупомянутым колебательным контуром с возможностью обеспечения избирательного кодирования вышеупомянутого сигнала с использованием способов частотной манипуляции.

8. Цепь связи по п.1, которая дополнительно содержит цепь детектирования, подключенную параллельно к вышеупомянутому колебательному контуру, которая осуществляет детектирование сигналов, воспринятых вышеупомянутой антенной.

9. Цепь связи по п.1, которая дополнительно содержит цепь детектора огибающей, соединенную общим проводником с одним из вышеупомянутых двух конденсаторов и с вышеупомянутой антенной.

10. Цепь связи по п.1, которая дополнительно содержит цепь приемника с двумя согласованными диодами, соединенную общим проводником с одним из вышеупомянутых двух конденсаторов и с вышеупомянутой антенной.

11. Цепь связи по п.1, которая дополнительно содержит умножитель напряжения, соединенный общим проводником с одним из вышеупомянутых двух конденсаторов и с вышеупомянутой антенной.

12. Цепь беспроводной связи, содержащая:
колебательный контур, содержащий катушку индуктивности, подключенную параллельно к емкостной цепи, при этом вышеупомянутая емкостная цепь содержит два последовательно соединенных конденсатора, а вышеупомянутые два конденсатора имеют соответствующие им первое и второе значения емкости и соединены общим проводником с заземлением; и
цепь обратной связи, соединенную с вышеупомянутым колебательным контуром для обеспечения возможности избирательного функционирования указанного колебательного контура в качестве передатчика и приемника, при этом указанный колебательный контур задает сигнал, и указанная цепь обратной связи дополнительно содержит первый и второй контуры обратной связи для обеспечения возможности избирательного кодирования указанного сигнала.

13. Цепь связи по п.12, в которой вышеупомянутый первый контур обратной связи соединен с вышеупомянутым колебательным контуром таким образом, что обеспечивает избирательное кодирование вышеупомянутого сигнала с использованием способов амплитудной манипуляции, а вышеупомянутый второй контур обратной связи соединен с вышеупомянутым колебательным контуром таким образом, что обеспечивает избирательное кодирование вышеупомянутого сигнала с использованием способов частотной манипуляции.

14. Цепь связи по п.12, которая дополнительно содержит цепь детектора огибающей, соединенную общим проводником с вышеупомянутой катушкой индуктивности и с одним из вышеупомянутых двух конденсаторов.

15. Цепь связи по п.12, которая дополнительно содержит цепь детектирования, подключенную параллельно к вышеупомянутому колебательному контуру, которая осуществляет детектирование сигналов, воспринятых вышеупомянутой катушкой индуктивности.

16. Цепь связи по п.15, которая дополнительно содержит цепь приемника с двумя согласованными диодами, соединенную общим проводником с одним из вышеупомянутых двух конденсаторов и с вышеупомянутой катушкой индуктивности.

17. Цепь связи по п.15, которая дополнительно содержит умножитель напряжения, соединенный общим проводником с одним из вышеупомянутых двух конденсаторов и с вышеупомянутой катушкой индуктивности.

18. Способ связи посредством радиосигналов при использовании колебательного контура, соединенного с цепью обратной связи, содержащий следующие этапы:
формируют вышеупомянутый колебательный контур путем подключения антенны параллельно к емкостной цепи с возможностью обеспечения функционирования вышеупомянутой антенны постоянно в резонансном режиме и
создают колебательный сигнал путем избирательного разрешения вышеупомянутому колебательному контуру посредством вышеупомянутой цепи обратной связи функционировать вышеупомянутому колебательному контуру в качестве передатчика и приемника, посредством чего этот указанный колебательный контур задает сигнал, и первый и второй контуры обратной связи указанной цепи обратной связи обеспечивают избирательное кодирование указанного сигнала.

19. Способ по п.18, который дополнительно содержит следующий дополнительный этап:
обеспечивают 360-градусную обратную связь для вышеупомянутого колебательного контура посредством вышеупомянутой цепи обратной связи.

20. Способ по п.18, который дополнительно содержит следующие дополнительные этапы:
осуществляют прием информационного сигнала, содержащего информацию, и
осуществляют кодирование вышеупомянутого колебательного сигнала вышеупомянутой информацией.

21. Способ по п.18, который дополнительно содержит следующие этапы:
осуществляют прием информационного сигнала, содержащего информацию, и
осуществляют кодирование вышеупомянутого колебательного сигнала вышеупомянутой информацией с использованием способов частотной манипуляции.

22. Способ по п.18, который дополнительно содержит следующие этапы:
осуществляют прием информационного сигнала, содержащего информацию, и
осуществляют кодирование вышеупомянутого колебательного сигнала вышеупомянутой информацией с использованием способов амплитудной манипуляции.

23. Способ по п.18, который дополнительно содержит следующие этапы:
осуществляют регистрацию синфазных сигналов и создают цифровой выходной сигнал.

24. Способ по п.18, который дополнительно содержит следующие этапы:
периодически осуществляют регистрацию синфазных сигналов посредством вышеупомянутой антенны и
осуществляют передачу разностных сигналов посредством вышеупомянутой антенны.

РИСУНКИ