使用最不阻礙流體流的聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器在管道中通信的制作方法
【專利摘要】一種用來沿著例如井的裝管傳送數(shù)據(jù)的多個相控陣聲通信設(shè)備。這種相控陣聲通信設(shè)備采用例如壓電變換器的聲學(xué)變換器的相控陣列，用于把聲能沿著裝管在所需的方向傳播。該系統(tǒng)由基于計算機(jī)的控制器所控制。包括數(shù)據(jù)和命令的信息，都是使用數(shù)字信令傳輸。
【專利說明】使用最不阻礙流體流的聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器在管道中通信
[0001] 相關(guān)申請的交叉參考
[0002] 本申請要求2012年6月7日提交的序列號為61/656, 940的同時審查的美國臨時 專利申請的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，該申請在此全文引入作為參考。
[0003] 關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明
[0004] 在這里公開的本發(fā)明是在根據(jù)NASA合約的執(zhí)行工作中做出的，并且遵循公共法 律96-517 (35USC 202)的規(guī)定，其中立約人已決定要維持權(quán)利。
[0005] 聯(lián)合研究協(xié)議各方的名稱
[0006] 本發(fā)明源于NASA噴氣推進(jìn)實驗室和美國Chevron公司聯(lián)合研究協(xié)議下的工作，并 且遵守42U. S. C. 2473 (c) (5)和￠)、以及1958年修訂的國家航空與航天法案的第203 (c) 部分的規(guī)定。
[0007] 通過引用并入的壓縮光盤上提交的材料
[0008] 不適用。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0009] 本發(fā)明總體上涉及通信裝置和方法，并且特別涉及聲學(xué)通信裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0010] 石油工業(yè)尋求通過其鉆孔遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)、信息和指揮信號。實現(xiàn)這種通信是一 個很大的挑戰(zhàn)，因為其管道窄的橫截面和避免流經(jīng)管道的油和其它流體阻塞的需要。通常， 水下應(yīng)用的聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器在世界范圍內(nèi)的海底應(yīng)用中使用，它們通過水無線傳輸數(shù)據(jù)。 然而，這種調(diào)制解調(diào)器使用聲學(xué)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在不受阻礙的水通路中通信，但是其并不 適用于具有狹窄的通道和復(fù)雜的幾何形狀的油管?，F(xiàn)有的聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器使用的常規(guī)變換 器（transducer)的限制在于，這些變換器的方向性不是設(shè)計用來在這種充滿油的管道的 環(huán)境中進(jìn)行傳輸?shù)?。因此，干擾，反射和模式轉(zhuǎn)換的發(fā)生會使通信的信號分析算法變成一個 極復(fù)雜的任務(wù)。
[0011] 在傳統(tǒng)的鉆井實踐中，有用的是獲得來自傳感器的數(shù)據(jù)，這些傳感器可位于推進(jìn) 鉆頭上，或可以位于井孔的某些位置。不同種類的裝置和所感興趣的數(shù)據(jù)中的一些包括：力口 速計和磁力計，以測量井孔的傾角和方位角，使得井可以到達(dá)既定位置；鉆頭的狀況和操作 相關(guān)的信息；關(guān)于油井通過的地層和其組成的地質(zhì)和化學(xué)信息，如密度、孔隙率、電阻率數(shù) 據(jù)、磁共振數(shù)據(jù)、溫度和壓力數(shù)據(jù)、伽瑪射線數(shù)據(jù)等。
[0012] 在傳統(tǒng)的鉆井實踐中，數(shù)據(jù)可以從測量設(shè)備傳送到位于井的頂部的數(shù)據(jù)采集的操 作控制站，或在某些情況下，傳輸?shù)竭h(yuǎn)離所述井本身的類似操作控制站。常用的通信方法包 括泥漿脈沖遙測，電磁遙測和有線鉆管系統(tǒng)。
[0013] 在泥漿脈沖遙測中，閥用來控制鉆井泥漿的流速，如果在短時間間隔內(nèi)激活該閥 可導(dǎo)致壓力變化。該脈沖可作為數(shù)字脈沖信號用于發(fā)送數(shù)據(jù)，通常是以數(shù)十赫茲或更低的 數(shù)據(jù)速率。另外，由于泥漿也用作鉆井流體，啟動和停止泥漿的流動可以擾亂（disrupt)該 鉆頭的鉆孔動作。
[0014] 在電磁遙測系統(tǒng)中，鉆管本身之間形成了電連接，而且傳感器或數(shù)據(jù)發(fā)生器通過 絕緣與鉆管隔離。第二電觸點位于井附近的地面。兩個觸點形成偶極子天線的兩個電極。 在兩個觸點之間的電壓差代表的信號是可被分析的接收信號。該系統(tǒng)能夠提供的數(shù)據(jù)速率 約為每秒10比特，其可以被非常低的頻率的波攜帶，其范圍在數(shù)十赫茲單位內(nèi)。電磁遙測 的深度能力有限，通常幾千英尺。
[0015] 在有線系統(tǒng)中，提供一種電連接，例如使用同軸電纜來傳輸信號。盡管這種系統(tǒng) 可提供極高的數(shù)據(jù)速率，但是保持電連接可能是一個問題。由國民油井華高7909Parkw〇〇d Circle博士（德克薩斯州的休斯頓，郵編77036)研究的被稱為IntelliServ有線管道網(wǎng)絡(luò) 的系統(tǒng)就是一種這樣的系統(tǒng)，據(jù)說可以提供數(shù)據(jù)速率高達(dá)每秒1兆比特，其使用感應(yīng)線圈 以連接連續(xù)的鉆管段。
[0016] 眾所周知，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)在醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)無損測試（NDT)中使用超聲相控陣 列。醫(yī)療聲波圖通常通過專業(yè)多元件變換器（相控陣列）及其附帶的硬件和軟件制作，并 且所述醫(yī)療聲波圖能提供內(nèi)部器官的詳細(xì)橫截面圖像。工業(yè)環(huán)境中也使用相位陣列系統(tǒng)來 提供可視化的超聲測試，其中包括焊接檢查、粘合試驗、厚度剖析、以及使用中的裂紋檢測。
[0017] 相控陣探頭通常由變換器組件組成，所述變換器組件具有從16個到多達(dá)256個 的小的單個元件，其中的每個都可以單獨脈沖觸發(fā)。這些元件可被布置成條帶（線性陣 列）、環(huán)（環(huán)形陣列）、循環(huán)矩陣（循環(huán)陣列）、或更復(fù)雜的形狀。作為使用常規(guī)變換器的情 況，相控陣列探頭可以被設(shè)計為直接接觸使用，作為具有楔形角度波束組件的一部分，或通 過一個水通路聲音耦合用于浸漬（i_ersion)使用。最常見的變換器頻率范圍從2MHz至 10MHz。相控陣列系統(tǒng)還包括復(fù)雜的基于計算機(jī)的儀器，該儀器能夠驅(qū)動所述多單元探頭， 接收和數(shù)字化返回回波，并以各種標(biāo)準(zhǔn)格式繪制回波信息。不同于傳統(tǒng)缺陷檢測器，相控陣 列系統(tǒng)能通過一定范圍的折射角度或沿著直線路徑掃描聲束，或者動態(tài)地在多個不同深度 聚焦，從而增加了檢查設(shè)置中的靈活性和能力。超聲無損測試儀器、組件、軟件和控制電路 可購自多個制造商，包括Olympus公司、GE測量和控制公司、美國國家儀器公司、英國聲納 檢測公司、瑪麗埃塔無損檢測有限公司（Marietta Nondestructive Testing Inc)、X射線 工業(yè)公司的X-R-I測試分部、以及其它公司。
[0018] Mulhauser在1931獲得的德國專利，用于使用超聲波和使用兩個變換器來檢測固 體中的缺陷。
[0019] 在現(xiàn)有技術(shù)中，同樣已知的是在1942年4月21日發(fā)布的專利號為2, 280, 226的 Firestone的美國專利，據(jù)說公開了一種用于檢測材料中的密度或彈性的異質(zhì)性的存在的 設(shè)備。
[0020] 在現(xiàn)有技術(shù)中，同樣已知的是在1949年10月4日發(fā)布的專利號為2, 483, 821的 Firestone的美國專利，據(jù)說公開了通過超聲波檢查材料。
[0021] 在現(xiàn)有技術(shù)中，同時已知的是在1953年1月13日發(fā)布的專利號為2, 625, 035的 Firestone的美國專利，據(jù)說公開了一種機(jī)電變換器，特別是公開了一種發(fā)送和接收超聲波 序列壓電晶體裝置。
[0022] 在現(xiàn)有技術(shù)中，同樣已知的是在1961年10月17日發(fā)布的專利號為3, 004, 425的 亨利的美國專利，據(jù)說公開了一種壓電式變換器（例如天然石英），特別是公開了當(dāng)與例如 超聲波探傷器的儀器一起使用的情況，其中采用了超聲資料檢查的脈沖回波技術(shù)。
[0023] 在現(xiàn)有技術(shù)中，同樣已知的是在1976年2月3日發(fā)布的專利號為3, 936,791的 KossofT的美國專利，據(jù)說公開了用于對象的超聲檢查、特別是用于醫(yī)療診斷檢查的裝置， 其包括：相控陣列變換器，它能夠聚焦變換器的縱向平面中的超聲波脈沖的波束；以及聚 焦裝置，其聚焦垂直于所述縱向平面的多維波束。
[0024] 在現(xiàn)有技術(shù)中，同樣已知的是在1981年12月29日發(fā)布的專利號為4, 307, 613的 Fox的美國專利，據(jù)說公開了成列布置的的變換器部分的陣列，每一部又分具有多個部分。 這些部分有線連接以允許相反相位的兩個高頻信號中的一個或另一個的激勵，而這些部分 的多個組的可由相同的相位激勵，以接近環(huán)形環(huán)相位反轉(zhuǎn)的波帶片（zone plate)的形狀。 通過改變被類似激勵的元件的編組，波帶片所產(chǎn)生的聚焦區(qū)域的位置在橫向位置偏移。鐵 氧體磁芯變壓器同時便利地用于所述裝置接收到的回波信號的分相和相疊加。
[0025] 在現(xiàn)有技術(shù)中，同樣已知是在1989年12月26日發(fā)布的專利號為4, 890, 268的 Smith等人的美國專利，據(jù)說公開了一種二維超聲相位陣列，其是圓孔的直線近似，并由多 個變換器構(gòu)成，所述多個變換器設(shè)置成基本上同時關(guān)于第一（X)軸和第二（Y)軸對稱并且 位于多個子陣列中，每個子陣列在第一方向上延伸（即平行于掃描軸X)所確定的用于該子 陣列的多個變換器的長度，但是，單個變換器的寬度在第二正交的（掃描平面之外或Y)方 向延伸，以便于動態(tài)聚焦和/或動態(tài)變跡。每一個子陣列變換器由多個薄板（2-2陶瓷復(fù)合 材料的一部分）完全并聯(lián)電連接構(gòu)成，所述并聯(lián)電連接通過將一個變換器電極施加到每個 變換器中所有薄片的并置的第一端，而一個公共電極將所有的薄片的剩余端連接在陣列的 每個單獨的X坐標(biāo)線上。
[0026] 在現(xiàn)有技術(shù)中，同樣已知的是在2004年1月6日發(fā)布的專利號為6,672, 163的 Han等人的美國專利，據(jù)說公開了一種使用超聲波的聲信號用于原位表征井眼中的井下 (downhole)流體的方法和裝置。音速的測量、信號的衰減、以及聲學(xué)反散射被用于提供如化 合物的定性和定量數(shù)據(jù)、如固體顆粒的屬性、可壓縮性、泡點、以及流體的油/水比率。該工 具通常包括三組安裝在垂直于流動方向的聲學(xué)變換器。這些變換器能在不同頻率下運行， 因而可以優(yōu)化該聲信號的頻譜。該裝置能夠在井下工作以提供如井中條件的實時信息。
[0027] 在現(xiàn)有技術(shù)中，同時已知的是在2011年5月31日發(fā)布的專利號為7, 950, 451的 Alberty的美國專利，據(jù)說公開了一種方法和裝置，它結(jié)合了井的鉆管和井的壁之間的井的 環(huán)形空間內(nèi)的物質(zhì)的實際速度的測量結(jié)果，與根據(jù)鉆管和孔的壁之間的距離的測量結(jié)果所 確定的流的面積的測量結(jié)果，以確定實際物質(zhì)的體積流速。在沿著井的一個或多個點的體 積流速的變化可以用于確定井的功能障礙的發(fā)生和位置。然后將該結(jié)果用于做出關(guān)于處理 井的機(jī)能障礙的判斷，這將導(dǎo)致更有效地使用鉆探的準(zhǔn)備時間。
[0028] 需要改進(jìn)用于沿著鉆孔通信的系統(tǒng)和方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0029] 根據(jù)一個方面，本發(fā)明的特征在于裝管中使用的聲通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括裝管，其 具有第一端和至少第二端；多個相控陣列聲通信設(shè)備，所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中的 每個設(shè)備被配置為發(fā)送聲信號和接收聲信號，所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中的第一個位 于所述裝管的第一端的附近，并且具有至少一個輸入端口，用于與控制器通信，并且具有至 少一個輸出端口，用于與所述控制器通信，且多個相控陣列聲通信設(shè)備的第二個設(shè)備位于 距離所述多個相控陣列聲通信設(shè)備的第一個設(shè)備一定距離處，所述多個相控陣列聲通信設(shè) 備的第二個設(shè)備配置為與所述多個相控陣列聲通信設(shè)備的第一個設(shè)備通信并配置為通過 其接收指令；以及控制器，其配置為通過信號輸入端口激活所述多個相控陣列聲通信設(shè)備 中的一個設(shè)備，并配置成通過輸出端口輸入終端接收來自所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中 的一個設(shè)備的信號，并且配置為通過控制器輸出端口提供表示聲信號的電信號，所述聲信 號由所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中的一個設(shè)備接收。
[0030] 在一個實施例中，裝管是井孔。
[0031] 在另一個其他的實施例中，變換器系統(tǒng)不會堵塞或者阻礙井孔。
[0032] 在另一實施例中，其中所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中的每一個設(shè)備都具有用于 相控陣列聲通信設(shè)備之間的通信的唯一的標(biāo)識符。
[0033] 在又一實施例中，所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中的每一個設(shè)備以不同于所述多 個相控陣列聲通信設(shè)備中的其它所有設(shè)備操作的聲頻的聲頻操作。
[0034] 在另一不同實施例中，所述井是油井。
[0035] 在其他的實施例中，所述井是氣井。
[0036] 在另外的實施例中，所述控制器包括通用可編程計算機(jī)和以非暫時性的方式記錄 在機(jī)器可讀介質(zhì)上的指令集。
[0037] 在一個附加實施例中，當(dāng)操作通用可編程計算機(jī)時，該指令集通過輸入端口激活 多個相控陣列聲通信設(shè)備中的一個設(shè)備。
[0038] 在另外的其他實施例中，當(dāng)操作通用可編程計算機(jī)時，該指令集通過所述輸出端 口輸入終端控制所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中的一個設(shè)備的信號接收。
[0039] 在一個實施例中，當(dāng)操作通用可編程計算機(jī)時，該指令集控制在控制器輸出端口 處提供表示聲信號的電信號，所述聲信號由多個相控陣列聲通信設(shè)備之一接收。
[0040] 在又一實施例中，該系統(tǒng)還包含顯示器。
[0041] 在其他實施例中，當(dāng)操作通用可編程計算機(jī)時，該指令集控制所述顯示器的操作。
[0042] 在另外的其他實施例中，當(dāng)操作通用可編程計算機(jī)時，該指令集控制將要呈現(xiàn)給 用戶的信息。
[0043] 在另外的實施例中，該系統(tǒng)還包括用戶可操作的輸入裝置。
[0044] 在一個附加實施例中，當(dāng)操作通用可編程計算機(jī)時，該指令集可以控制用戶輸入 的接收。
[0045] 在另一實施例中，多個相控陣列聲通信設(shè)備中的至少一個設(shè)備為管狀形式。
[0046] 在又一實施例中，多個相控陣列聲通信設(shè)備中的至少一個設(shè)備具有內(nèi)部開口，其 至少與裝管有相同的橫截面。
[0047] 在另一個其他的實施例中，多個相控陣列聲通信設(shè)備中的至少一個設(shè)備與傳感器 通信。
[0048] 本發(fā)明的前述和其它目的、方面、特征和優(yōu)點根據(jù)下文的說明和根據(jù)權(quán)力要求將 變得更加明顯。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0049] 參照下文附圖所作的說明以及權(quán)利要求書，可以更好地理解本發(fā)明的目的和特 征。附圖不一定是按比例繪制的，而是將重點放在說明本發(fā)明的原理。在附圖中，類似的標(biāo) 號用于指示各個視圖中類似的部分。
[0050] 圖1是該系統(tǒng)的一個管道段的示意圖。
[0051] 圖2是相控陣列設(shè)計的示意圖，所述相控陣列用于通過充滿液體的管道通信。
[0052] 圖3是相控陣變換器和它的元件的示意圖。
[0053] 圖4A是相控陣列變換器激活的示意圖，其通過控制所述變換器元件的延遲時間 以一個角度發(fā)送波束。
[0054] 圖4B是控制所述變換器元件的延遲時間對掃描模式下的相控陣變換器的激活的 示意圖。圖5A是一個成雙角度的壓電變換器環(huán)設(shè)計的橫截面示意圖。箭頭示出了從每個 變換器發(fā)送的信號的方向。該變換器可以檢測到相對方向的信號。
[0055] 圖5B是圖5A中的變換器的另一視圖。
[0056] 圖6是雙向容積擴(kuò)大變換器的示意圖，該變換器同時產(chǎn)生沿管道向上和沿管道向 下的交替壓力。它也可以是配置為單向發(fā)送或接收聲信號的相控陣列元件。
[0057] 圖7A是一個垂直井的示意圖。
[0058] 圖7B是一個獨立的水平井的示意圖。
[0059] 圖7C是一個多分支井的示意圖。
[0060] 圖8是控制器與多個相控陣列聲通信設(shè)備和傳感器通信的示意圖。
[0061] 圖9是數(shù)據(jù)采集過程的示意流程圖。
[0062] 圖10是可選擇的數(shù)據(jù)采集過程的示意流程圖。

【具體實施方式】
[0063] 公開了一種使用多個獨立的相控陣列收發(fā)器（發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）的聲學(xué)調(diào)制解調(diào) 器，其允許沿充滿液體的管道與變換器進(jìn)行高頻聲波的側(cè)邊（sideway)通信。所公開的聲 學(xué)變換器允許人們在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間引導(dǎo)聲波，同時保證由管道壁的存在引入的干擾 最小。在另一實施例中，公開了一種用于通過鉆孔向上和向下直接發(fā)送通信信號的系統(tǒng)和 方法，其使用了成角度的壓電環(huán)變換器。
[0064] 公開了一種聲學(xué)相位陣列變換器，其提高了沿著流體填充的管道的通信。傳感器 被配置為以小角度向表面發(fā)送可以被引導(dǎo)的窄波束，以致最小化沿著通向調(diào)制解調(diào)器的接 收部分的路徑的管道的幾何結(jié)構(gòu)之間的干擾。
[0065] 我們描述了通信的系統(tǒng)和方法，其需要從傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)，以及控制在井的完成 的區(qū)域中的執(zhí)行器（actuator)。
[0066] 變換器
[0067] 在圖1中示出了系統(tǒng)的管道截面的總體示意圖。
[0068] 在工作井或管道中，存在的流體可以包括原油、水、泥沙和化學(xué)物質(zhì)。根據(jù)一個實 施例，相控陣變換器被用來產(chǎn)生聲波和以平行于管道的主方向發(fā)送聲波，以便沿著流動的 流體發(fā)送聲波。相控陣變換器允許人們將系統(tǒng)設(shè)計為在由因衰減產(chǎn)生的截止頻率和所需波 特率確定的合適的頻率來操作。在實踐中，頻率越高，波特率和衰減就更高。
[0069] -種容積擴(kuò)大雙向聲學(xué)發(fā)射器可以產(chǎn)生孔上和孔下超聲波/聲波通信信號。由于 充滿液體的管道形成波導(dǎo)，所以不同模式的聲波可在液體芯中具有不同的相位和群速度。 為了獲得清晰的失真較少的信號，更好的做法是以基本模式操作，其可以通過流體傳播。對 直徑為5英寸（12. 7厘米）的理想的液體填充的硬管道壁，較高模式下的最低截止頻率為 大約7千赫茲，其中假設(shè)在液體中的速度是1500米/秒，其是一種典型的似水流體。所公 開的發(fā)明包括即將描述的三種不同的聲變換器配置。
[0070] 線性相控陣變換器
[0071] 一種線性相控陣列變換器進(jìn)行電掃描以產(chǎn)生如下所述的孔上行或孔下行的信號。 圖2示出了用于通過充滿液體的管道通信的相控陣列發(fā)射機(jī)設(shè)計的示意圖。這種相控陣發(fā) 射機(jī)包括至少兩個環(huán)變換器。一種有源壓電環(huán)覆蓋一層電絕緣層，并且具有聲襯以最小化 或防止管道外側(cè)的聲能輻射。變換器的頻率可以調(diào)節(jié)為低于任何高模式的截止頻率以避免 信號失真，并且依然保持在管道中的基本模式下相對較低的傳播衰減的優(yōu)點，其中信號失 真是由充滿液體的管道中高傳播模式下的不同相位和群速度所導(dǎo)致的。變換器的內(nèi)表面與 所述管道的內(nèi)徑相一致，以避免對流動和經(jīng)過孔下儀器時的機(jī)械干擾，并且以避免產(chǎn)生額 外的局部湍流，這對信號接收機(jī)來說是一個噪聲源。圖2示出了電子發(fā)射機(jī)或接收機(jī)在向 上的方向上的發(fā)送或接收信號。延遲時間t = V/L，其中V是管道中基本模式下液體的音 速，而L是相鄰變換器的中心間的間隔。變換器的高度應(yīng)該優(yōu)選地小于用于高傳輸效率模 式波的半波長。來自變換器的所發(fā)送的聲信號在管道中向上傳播時將被疊加但在向下方向 可以在工作頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生相位抵消（phase cancellation)。當(dāng)陣列用作聲波接收機(jī)時， 類似的響應(yīng)可以實現(xiàn)。通過調(diào)整變換器的數(shù)量和間隔可以優(yōu)化這種抵消。在一些實施例中， 時間延遲級可被移相器代替。正如所完全理解的那樣，時間差和相差是等價的，并且如果給 出了二者中的一個被應(yīng)用到相控陣列系統(tǒng)的信號的特征，那么可以將二者相互關(guān)聯(lián)。
[0072] -般來說，傳統(tǒng)的聲學(xué)和超聲變換器要么具有可以同時產(chǎn)生和接收聲波的單個有 源元件，要么具有兩個配對元件，其中一個用于發(fā)送，而另一個元件用于接收。相比之下，相 控陣列變換器由多個小的單獨的元件的平面組元所制得，并且其中的每一個元件都可以被 單獨地脈沖激勵，正如圖所示3。通過控制每一個單獨元件所發(fā)送的波的相位，可以發(fā)生干 涉以創(chuàng)建具有可控方向的波。特別地，通過控制信號施加到每個連續(xù)元件的發(fā)射信號的觸 發(fā)之間的時間延遲，所發(fā)射的聲波可聚成波束，而該波束可指向預(yù)期的角度范圍。
[0073] 圖4A是如何通過控制來自變換器元件的時間延遲來激活掃描模式下的相控陣列 變換器的示意視圖。在圖4A中，線410、410'表示按照某一角度穿過管道的定向波束，而該 管道的壁被標(biāo)識為420、420'。發(fā)射機(jī)相控陣列被標(biāo)示為430。因此，按角度范圍從距陣列 表面約+90°變化至距陣列表面約-90°傳輸?shù)穆暡梢陨?。而該信號可以被另一個沿 著管道表面方向上的相距發(fā)送器一定距離的相控陣列變換器所接收。
[0074] 圖4B示出了通過控制變換器元件的時間延遲來激活掃描模式下的相控陣列變換 器的示意視圖。
[0075] 雙向變換器
[0076] 另一種產(chǎn)生上孔或下孔的超聲波/聲波通信信號的方法就是使用成角度的壓電 環(huán)（或分段環(huán)）變換器。圖5A是一個成雙角度的壓電環(huán)變換器的示意橫截面視圖，其被設(shè) 計為具有絕大多數(shù)（predominately)朝著上孔（540)或者朝著下孔（540'）的法平面。箭 頭顯示了由各個變換器發(fā)送的信號的方向。該變換器能夠檢測相對方向的信號。向上或 向下的管道變換器可以被獨立的打開，或者同時打開以向孔上或孔下發(fā)送信號。在一個實 例中，環(huán)變換器可被設(shè)計成具有固態(tài)微型喇叭陣列SMIHA匹配層，以增加所發(fā)射的功率和 減少反射信號。相關(guān)內(nèi)容可參見Stewart Sherrit、Xiaoqi Bao、Yoseph Bar-Cohen的"應(yīng) 用于聲抗匹配的固態(tài)微型喇機(jī)陣列（Solid Microhorn Arrays for Acoustic Impedance Matching) "（SPIE第15屆智能材料和結(jié)構(gòu)國際研討會的會議論文集，加拿大圣地亞哥， SPIE 卷 6932-107,2008 年 3 月 9-13 號）；以及 Stewart Sherrit、Xiaoqi Bao、Yos印h Bar-Cohen的"應(yīng)用于超聲阻抗匹配的微型喇機(jī)陣列（Micro-Horn Arrays for Ultrasonic Impedance Matching) " (NP0-43907，NASA 技術(shù)簡要，卷 33，第 9 期，46-47 頁，2009 年 9 月）。 可以相信的是，變換器對可以被用來測量由上部分發(fā)送的信號，并向下部分傳輸信息，反之 亦然。所示變換器還將在管道中生成行進(jìn)速度更快的超聲波，并且這些信號可以用來證實 那些通過油介質(zhì)傳送的信號。
[0077] 雙向容積擴(kuò)大變換器
[0078] 圖6是雙向容積擴(kuò)大傳感器的示意圖，該傳感器同時產(chǎn)生在向上和向下的管道中 行進(jìn)的交替壓力。該變換器同時發(fā)送在向上和向下的管道中傳送的聲信號。該變換器包 括在一個或多個組套中的壓電環(huán)和金屬彎曲元件。當(dāng)變換器被激勵時，一個或多個壓電環(huán) 組套擴(kuò)張和收縮，并且進(jìn)而壓縮該金屬彎曲元件，使其本身能回復(fù)到未壓縮狀態(tài)。當(dāng)被壓縮 時，彎曲元件將彈性保護(hù)罩推入管道，并且產(chǎn)生一個在向上和向下的管道中傳播的壓力波。 壓力波的產(chǎn)生與激勵的壓電環(huán)組套在相同的頻率上。這些可以是沿著管道長度的圓柱形線 性陣列的中的單個變換器元件或配置。
[0079] 系統(tǒng)部件和通信元件
[0080] 如本文所用的，短語"相控陣聲學(xué)通信裝置"（或"PAA⑶"）是指一種通信設(shè)備，其 包括至少一種本文所述類型的聲學(xué)變換器的相控陣列、以及電源、通用可編程計算機(jī)、以及 記錄在機(jī)器可讀介質(zhì)的指令集，以使設(shè)備可以接收和發(fā)送聲信號，可以編碼、解碼和處理來 自和/或去往另一個PAACD或傳感器的信息，并且在需要自動地運行時，能自主地運行（例 如，并不一定需要由另一個設(shè)備支持）。
[0081] 圖7A是垂直井的不意圖。在圖7A中，有一個相控陣列聲通信設(shè)備710位于井的 頂部，并且還有一個或多個相控陣列的聲通信設(shè)備712、714位于井中的不同深度處。
[0082] 圖7B是獨立的水平井的示意圖。在圖7B中，有一個相控陣聲通信設(shè)備730位于 井的頂部，并且還有一個或多個位于井孔的不同位置相控陣列聲通信設(shè)備732、734。
[0083] 圖7C是多分支井的示意圖。在圖7C中，有一個相控陣列聲通信設(shè)備750位于井的 頂部，并且還有一個或多個相控陣列聲通信設(shè)備752、754、756位于沿著井孔的不同位置， 其可沿孔的不同的分支分布。
[0084] 圖8是一個控制器的示意圖，所述控制器與多個相控陣列聲通信設(shè)備和傳感器通 信。如圖8所示，在一個實施例中，控制器是基于計算機(jī)的控制器810,例如通用可編程計算 機(jī)可通過以非易失性方式記錄在在機(jī)器可讀介質(zhì)812 (例如磁盤）的指令進(jìn)行編程。這些 指令可以從機(jī)器可讀介質(zhì)812傳送到所述基于計算機(jī)的控制器810,例如箭頭814所示，其 可以指示該機(jī)器可讀介質(zhì)812物理地連接到基于計算機(jī)的控制器810、或與基于計算機(jī)的 控制器810進(jìn)行電子通信。
[0085] 當(dāng)基于計算機(jī)的控制器上810運行時，以非易失性方式記錄在機(jī)器可讀介質(zhì)812 中的指令定義操作多個相控陣列聲通信設(shè)備816、830、832、834的方法。通常，至少有兩個 相控陣聲通信設(shè)備812、830。聲相控陣通信設(shè)備816 (也稱為相控陣聲通信設(shè)備1或在井的 頂部的相控陣列聲通信設(shè)備）與控制器810進(jìn)行雙向通信，如雙向箭頭818所示?；谟?算機(jī)的控制器810和相控陣聲通信設(shè)備816之間的通信可以使用任何方便的數(shù)字協(xié)議，例 如，使用IEEE 802協(xié)議、國際電信聯(lián)盟（ITU)的H. 323協(xié)議、或綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN)協(xié) 議中的任何一種協(xié)議。雙向通信可以通過有線電連接、無線連接、光纖連接、或任何其他常 規(guī)的通信連接進(jìn)行。在控制器810和相控陣聲通信設(shè)備816之間的物理距離可以是任何合 適的距離。
[0086] 該基于計算機(jī)的控制器810可接收來自用戶的指令或命令，用戶可通過使用諸如 鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏或任何適合的人機(jī)接口設(shè)備發(fā)布這樣的指令或命令，所述設(shè)備與所述基 于計算機(jī)的控制器810通信。
[0087] 該用戶可以位于所述基于計算機(jī)的控制器810附近，或者可以遠(yuǎn)離基于計算機(jī)的 控制器810,并且使用諸如因特網(wǎng)的基于分組的通信系統(tǒng)連接到基于計算機(jī)的控制器810。
[0088] 該基于計算機(jī)的控制器810可以包含顯示器。如果用戶在基于計算機(jī)的控制器 810附近，那么可以使用顯示器來向用戶展示正在發(fā)生的通信的進(jìn)展。如果用戶遠(yuǎn)離基于計 算機(jī)的控制器810,則可將要顯示的信息傳送到靠近用戶的位置的顯示器上。特別是，任何 顯示器都可以被配置為向用戶顯示正在進(jìn)行的通信指示信息。
[0089] 相控陣列聲通信設(shè)備816可以使用本發(fā)明的聲學(xué)方法與一個或多個相控陣列聲 通信設(shè)備830、832、…834 (表示為相控陣聲通信設(shè)備2、3、以及N，其中N是大于或等于4 的整數(shù)）以直接方式（分別由雙向箭頭842、844和846所示）通信，或者間接地通過使用 其它相控陣列聲通信設(shè)備中的兩個之間的通信鏈路進(jìn)行通信（由雙向箭頭852、854所示）。
[0090] 為了實現(xiàn)通信，每個相控陣聲通信設(shè)備都包括本地處理器（例如微處理器或微控 制器）、本地存儲器（例如半導(dǎo)體存儲器）、本地電源（如電池）。每個相控陣聲通信設(shè)備可 被分配唯一的標(biāo)識，例如唯一的字母數(shù)字串?；蛘?，每個傳感器可以使用唯一的運行頻率作 為標(biāo)識符?？梢愿鶕?jù)商定的協(xié)議進(jìn)行通信，例如通過基于分組的數(shù)字協(xié)議通過相控陣聲通 信設(shè)備之間的聲信號通信。
[0091] 圖8中不出了一個傳感器860,它被不出為與相控陣列聲通信設(shè)備830的雙向通 信，如帶虛線的箭頭870所示。帶虛線的箭頭用來表示有可能切換到另一個相控陣聲通信 設(shè)備的另一個通信鏈路，這取決于哪個相控陣聲通信設(shè)備最接近傳感器860。
[0092] 圖9是數(shù)據(jù)采集過程的流程示意圖。如圖9所示，在步驟920中，由控制器（例如 基于計算機(jī)的控制器810)發(fā)出命令。該命令可以是響應(yīng)來自用戶的指令，或者該指令可基 于記錄在機(jī)器可讀介質(zhì)812上的指令集中的指令發(fā)布。該命令指示相控陣列聲通信設(shè)備1 將指令傳送到另一個相控陣列聲通信設(shè)備來收集數(shù)據(jù)和/或報告已經(jīng)收集的數(shù)據(jù)。在步驟 922中，相控陣聲通信設(shè)備1發(fā)出合適的命令至第二相控陣聲通信設(shè)備，例如相控陣聲通信 設(shè)備2 (或者，如從圖8理解的那樣，必需時，可以是任何其它相控陣聲通信設(shè)備），該命令 指示接收相控陣列通信設(shè)備執(zhí)行規(guī)定的動作。在步驟924中，第二相控陣列聲通信設(shè)備執(zhí) 行必要的動作，例如準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。在步驟926中，第二相控陣列聲通信設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到第一 相控陣列聲通信設(shè)備。在步驟928中，第一相控陣聲通信設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器。在步 驟930中，控制器根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生結(jié)果，這是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，如分析數(shù)據(jù)或?qū)⒃摂?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成用戶所 需的形式，例如文本、數(shù)字或圖形數(shù)據(jù)。在步驟932中，結(jié)果被記錄、和/或存儲、和/或顯 /_J、i 〇
[0093] 圖10是另一個數(shù)據(jù)采集過程的流程示意圖。在圖10所示的過程中，在步驟1020 中，該第二相控陣聲通信設(shè)備（例如，位于鉆孔或井套管的相控陣聲通信設(shè)備）根據(jù)程序 (例如，根據(jù)記錄在所述相控陣列聲通信設(shè)備的本地機(jī)器可讀存儲器的指令）準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。在 步驟1022中，第二相控陣列聲通信設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到所述第一相控陣列聲通信設(shè)備。在步 驟1024,第一相控陣聲通信設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器。在步驟1026中，控制器根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn) 生結(jié)果，這是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，如分析數(shù)據(jù)或?qū)⒃摂?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成用戶所需的形式，例如文本、數(shù)字或 圖形數(shù)據(jù)。在步驟1028中，結(jié)果被記錄、和/或存儲、和/或顯示。
[0094] 所述的聲學(xué)變換器是該系統(tǒng)的重要組成部分，并能提高來自傳感器的通信，同時 控制完成區(qū)域中的執(zhí)彳丁器。
[0095] 數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)量
[0096] 在第一實施例中，所公開的調(diào)制解調(diào)器調(diào)制模擬載波信號以將數(shù)字信息編碼，并 且還對載波信號進(jìn)行解調(diào)來解碼所傳送的信息。因此，信號可以被傳送和解碼以再現(xiàn)原始 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
[0097] 在第二實施例中，調(diào)制解調(diào)器可以使用包括在運行頻率下的多個周期的脈沖信號 以編碼和解碼信息。在這樣的系統(tǒng)中，脈沖和脈沖之間的間隔被用于根據(jù)預(yù)定義的協(xié)議來 編碼息。
[0098] 可以預(yù)期的數(shù)據(jù)速率是在高達(dá)幾萬赫茲的范圍內(nèi)?？蓚魉偷男畔ǔＲ?guī)記錄油 井的標(biāo)準(zhǔn)信息，如井的狀態(tài)、鉆孔周圍環(huán)境的地質(zhì)條件、油或氣的流速、以及任何其他傳感 器可以提供的信息。
[0099] 音速
[0100] 如所理解的，聲通信依賴于聲信號的傳播速度。聲音在不同介質(zhì)的速度呈現(xiàn)于下 表1中。
[0101] 表 1
[0102]

【權(quán)利要求】
1. 一種裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，包括： 裝管，其具有第一端和至少第二端； 多個相控陣列聲通信設(shè)備，所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中的每個相控陣列聲通信設(shè) 備被配置為發(fā)送聲信號和接收聲信號，所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中的第一相控陣列聲 通信設(shè)備位于所述裝管的所述第一端的附近，并且具有用于與控制器通信的至少一個輸入 端口，還具有用于與所述控制器通信的至少一個輸出端口，且所述多個相控陣列聲通信設(shè) 備中的第二相控陣列聲通信設(shè)備位于距離所述多個相控陣列聲通信設(shè)備的所述第一相控 陣列聲通信設(shè)備一定距離處，所述多個相控陣列聲通信設(shè)備的所述第二相控陣列聲通信設(shè) 備配置為與所述多個相控陣列聲通信設(shè)備的所述第一相控陣列聲通信設(shè)備通信，并通過所 述多個相控陣列聲通信設(shè)備的所述第一相控陣列聲通信設(shè)備接收指令；以及 控制器，其配置為通過所述輸入端口激活所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中的一個相控 陣列聲通信設(shè)備，配置成通過輸出端口輸入終端接收來自所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中 的所述一個相控陣列聲通信設(shè)備的信號，并且配置為在控制器輸出端口處提供電信號，所 述電信號表示由所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中的所述一個相控陣列聲通信設(shè)備接收的 聲信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中，所述裝管是井的孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中，所述變換器系統(tǒng)不堵塞或 者阻礙所述井的所述孔。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中所述多個相控陣列聲通信設(shè) 備中的每個相控陣列聲通信設(shè)備具有用于相控陣列聲通信設(shè)備之間的通信的唯一的標(biāo)識 符。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中所述多個相控陣列聲通信設(shè) 備中的每個相控陣列聲通信設(shè)備以不同于所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中的所有其它相 控陣列聲通信設(shè)備運行的聲頻的聲頻運行。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中所述井是油井。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中所述井是氣井。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中所述控制器包括通用可編程 計算機(jī)和以非暫時性的方式記錄在機(jī)器可讀介質(zhì)上的指令集。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中所述指令集在所述通用可編 程計算機(jī)上運行時，通過所述輸入端口激活所述多個相控陣列聲通信設(shè)備中的所述一個相 控陣列聲通信設(shè)備。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中所述指令集在所述通用可 編程計算機(jī)上運行時，通過所述輸出端口輸入終端控制對來自所述多個相控陣列聲通信設(shè) 備中的所述一個相控陣列聲通信設(shè)備的信號的接收。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中所述指令集在所述通用可 編程計算機(jī)上運行時，控制在控制器輸出端口處提供電信號，所述電信號表示由所述多個 相控陣列聲通信設(shè)備中的所述一個相控陣列聲通信設(shè)備接收的聲信號。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，還包括顯示器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中所述指令集在所述通用可 編程計算機(jī)上運行時，控制所述顯示器的運行。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中所述指令集在所述通用可 編程計算機(jī)上運行時，控制將要呈現(xiàn)給用戶的信息。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，還包括由用戶可操作的輸入設(shè) 備。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中所述指令集在所述通用可 編程計算機(jī)上運行時，控制對來自用戶的輸入的接收。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中，所述多個相控陣列聲通信 設(shè)備中的至少一個相控陣列聲通信設(shè)備為管狀形式。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中，所述多個相控陣列聲通信 設(shè)備中的至少一個相控陣列聲通信設(shè)備具有內(nèi)部開口，所述內(nèi)部開口至少具有與所述裝管 相同的橫截面。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝管中使用的聲通信系統(tǒng)，其中，所述多個相控陣列聲通信 設(shè)備中的至少一個相控陣列聲通信設(shè)備與傳感器通信。
【文檔編號】H01Q21/00GK104520535SQ201380041198
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年6月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月7日
【發(fā)明者】約瑟夫·巴爾-科恩, 埃里克·D·阿徹, 曉奇·包, 斯圖爾特·謝里特 申請人:加州理工學(xué)院