專利名稱：高溫井下設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開文本一般涉及用于從地下地層中收集數(shù)據(jù)的井下系統(tǒng)。更具體地說，本公開文本涉及具有配置或設(shè)計(jì)用于在井眼中在超過大約115攝氏度的溫度進(jìn)行高溫操作的設(shè)備的井下系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
測井和監(jiān)測井眼已經(jīng)進(jìn)行了許多年，以增強(qiáng)和觀察回收油氣沉積物。在對井眼測井時(shí)，進(jìn)行地下測量的一種方法包括將一個(gè)或多個(gè)工具連接到與地面系統(tǒng)相連的鋼絲繩。 所述工具然后利用鋼絲繩下降到井眼中，并在進(jìn)行測量的同時(shí)通過井眼拉回地面(“測井”)。鋼絲繩通常是數(shù)據(jù)傳輸能力有限的導(dǎo)電纜繩。類似地，利用同樣連接到電纜的永久傳感器建立了永久監(jiān)測系統(tǒng)。對于鋼絲繩測井工具和永久監(jiān)測系統(tǒng)高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求正在快速提高，原因是更高分辨率的傳感器、更快的測井速度以及額外的工具可以用于單條鋼絲繩股。雖然目前的電遙測系統(tǒng)已經(jīng)演進(jìn)，在過去的十年間將數(shù)據(jù)傳輸速率從大約500kpbs(千位每秒)提高到2Mbps (兆位每秒)，但是用于電遙測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率仍然落后于更高分辨率的傳感器的能力。實(shí)際上，對于與傳統(tǒng)測井工具一起使用的一些聲學(xué)/成像工具的組合來說，希望的數(shù)據(jù)傳輸速率是大于4Mbps。此外，由于希望有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以目前所用的許多工具不得不完全翻修或替換以包含新的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。希望以對現(xiàn)有工具和設(shè)備改動最小地促進(jìn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，光纖傳感器的油田應(yīng)用近年來已經(jīng)取得了進(jìn)展，用來監(jiān)測特定的參數(shù)。但是，許多井下應(yīng)用要求高溫操作，并且光學(xué)設(shè)備諸如激光二極管在高溫時(shí)迅速退化或者無法正常操作。因此，在井眼中的高溫條件下，使用光纖在地面系統(tǒng)和井下工具之間通信以及用作井下傳感器受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本公開文本解決上述缺陷以及其他缺陷。具體來說，本公開文本提供用于井下的設(shè)備、高溫系統(tǒng)以及方法，它們可能對于地下考察工具特別有用。
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在本公開文本的一個(gè)方面，地下工具配置成在穿過地層的鉆井的井下高溫中操作。在一些方面，井下工具包括配置或設(shè)計(jì)成在井下超過大約115攝氏度的溫度使用的光學(xué)設(shè)備；和光學(xué)連接到所述光學(xué)設(shè)備以向所述光學(xué)設(shè)備提供輸入光的至少一個(gè)光源，其中所述光源包括一個(gè)或多個(gè)激光二極管，所述激光二極管配置或設(shè)計(jì)成在井眼中超過115攝氏度的溫度用于井下操作。申請人發(fā)現(xiàn)本公開文本的激光設(shè)備適合在超過大約115攝氏度的溫度用于井下應(yīng)用而不需主動冷卻。但是，也考慮到在某些情況下可能希望存在主動冷卻，例如擴(kuò)展當(dāng)前公開的設(shè)備的操作范圍。就是說，可以在超過大約175攝氏度的溫度要求激光設(shè)備有效、可靠地操作的情況下，使用主動冷卻。在本公開文本的一些實(shí)施方式中，光學(xué)設(shè)備可以包括井下光學(xué)遙測模塊或卡盒。 在另一些實(shí)施方式中，光學(xué)設(shè)備可以包括井下光學(xué)傳感器。在本公開文本的另一些實(shí)施方式中，光學(xué)設(shè)備可以包括用于利用例如與光電單元相連的一個(gè)或多個(gè)高溫激光二極管為傳感器供電的井下機(jī)構(gòu)。在另一些實(shí)施方式中，光學(xué)設(shè)備可以包括與井下傳感系統(tǒng)例如流量計(jì)、流體成像器、分光計(jì)、干涉?zhèn)鞲衅鞯任闹泄_的設(shè)備相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)高溫激光二極管。在文中公開的另一些實(shí)施方式中，光學(xué)設(shè)備可以包括與一個(gè)或多個(gè)光敏檢測器相結(jié)合的一個(gè)或多個(gè)高溫激光二極管，所述光敏檢測器配置或設(shè)計(jì)成例如提供電-光隔離電路、 用于無線遙測的光學(xué)連接器、工具間或工具內(nèi)的光學(xué)通信等文中公開的功能。高溫激光二極管可以與電-光(EO)井下調(diào)制器在井眼中組合，以提供井下光學(xué)遙測系統(tǒng)。就是說，本公開文本考慮到EO調(diào)制器可以電連接到高溫激光二極管以調(diào)制高溫激光二極管，并且可以將調(diào)制光學(xué)信號輸入到光纖線纜。作為替代，或者另外，高溫激光二極管可以光學(xué)地連接到EO調(diào)制器，諸如例如鈮酸鋰(LiNb03)調(diào)制器，并且可以將調(diào)制光學(xué)信號輸入到光纖線纜中。在本公開文本的進(jìn)一步實(shí)施方式中，激光二極管可以在井眼中光學(xué)地連接到井下光學(xué)數(shù)字傳感系統(tǒng)。所述激光二極管可以配置或設(shè)計(jì)成在超過大約150攝氏度的溫度在井眼中用于井下應(yīng)用。激光二極管可以包括具有GalnAs-GaAs的邊緣發(fā)射型激光二極管和/ 或具有(ialnAs-GaAs的垂直腔表面發(fā)射型激光二極管(VCSEL)。激光二極管可以配置或設(shè)計(jì)成在大約1. 0到大約1. 2 μ m的波長操作。激光二極管可以是多?；騿文＜す舛O管。就是說，考慮了本公開文本的單模激光二極管可能適合干涉?zhèn)鞲性O(shè)備和文中公開的那種高速率數(shù)據(jù)遙測。在本公開文本的一些方面，光纖可以光學(xué)地連接光學(xué)設(shè)備，其中光纖包括單模光纖和多模光纖至少其中一種，光纖向井下電子件傳輸數(shù)據(jù)和從井下電子件傳輸數(shù)據(jù)。地下系統(tǒng)配置成在穿過地層的鉆井的井下超過115攝氏度的高溫中操作。該系統(tǒng)包括井下工具；和在井下工具和地面數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)之間延伸的光纖。在本公開文本的一些方面，井下工具包括具有至少一個(gè)電光(EO)調(diào)制器和連接到EO調(diào)制器的激光二極管光源的井下光學(xué)遙測卡盒，其中所述激光二極管光源配置或設(shè)計(jì)成在井眼中井下超過大約115 攝氏度的溫度操作而不需主動冷卻，并且操作在大約1. 0到大約1. 2 μ m的波長。在一種實(shí)施方式中，EO調(diào)制器可以電連接激光二極管以調(diào)制光學(xué)信號用于輸入到光纖線纜中。在另一種實(shí)施方式中，激光二極管可以光學(xué)連接EO調(diào)制器并且調(diào)制光學(xué)信號可以輸入到光纖線纜中。流體分析系統(tǒng)配置成在穿過地層的鉆井的井下超過大約115攝氏度的高溫中操
5作。至少第一光源在井眼中的井下產(chǎn)生遍布寬廣的連續(xù)波譜范圍的輸入光；和光學(xué)傳感器光學(xué)連接到第一光源并利用該光源產(chǎn)生的輸入光操作，以測量感興趣的信號并確定井眼中井下地層流體的屬性，其中所述第一光源包括一個(gè)或多個(gè)激光二極管，所述激光二極管配置成在井眼中的井下超過大約115攝氏度的溫度中操作而不需主動冷卻。井下光學(xué)傳感器可以連接到光纖。井下光學(xué)傳感器可以包括設(shè)置在襯底中的MEMS傳感器。第二激光二極管可以用于井上通信，并光學(xué)連接到用于向井上傳輸傳感器數(shù)據(jù)的光纖。光纖可以僅包括單模光纖，所述單模光纖向井下傳感器電子件傳輸數(shù)據(jù)或者從所述井下傳感器電子件傳輸數(shù)據(jù)。在本公開文本的一些方面，井下光學(xué)傳感器可以位于鋼絲繩工具上。井下光學(xué)傳感器可以是永久井下傳感器。所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括一條光纖，所述一條光纖向鋼絲繩工具或者永久井下傳感器傳輸數(shù)據(jù)或者從所述鋼絲繩工具或者永久井下傳感器傳輸數(shù)據(jù)。提供了一種地下傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括井下長波光源；至少一個(gè)位于井下的地下傳感器；和耦接到所述光源并延伸到地面數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的單模光纖和多模光纖至少其中一種，其中所述光源包括一個(gè)或多個(gè)激光二極管，所述激光二極管配置或設(shè)計(jì)成在井眼中的井下至少115攝氏度的溫度中操作而不需主動冷卻。在文中的一些方面，所述至少一個(gè)地下傳感器可以包括多個(gè)傳感器，其中每個(gè)井下傳感器光學(xué)地耦接到單模光纖線纜或多模光纖線纜至少其中一種。所述傳感器系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括光學(xué)地耦接到所述光纖線纜的遙測系統(tǒng)，所述光纖線纜配置成向井上中繼傳感器信息，所述遙測系統(tǒng)具有用于向井上通信的激光二極管，所述激光二極管配置或設(shè)計(jì)成在井眼中的井下至少115攝氏度的溫度中操作而不需主動冷卻。另外的優(yōu)勢和新穎特征將在隨后的描述中論述，或者可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員通過閱讀這些材料或者實(shí)踐本發(fā)明而獲得。本發(fā)明的優(yōu)勢可以通過附帶的權(quán)利要求書中表述的裝置來實(shí)現(xiàn)。


附圖例示了本發(fā)明的實(shí)施方式并且作為說明書的一部分。連同以下描述，附圖闡述并解釋了本發(fā)明的原理。圖IA是根據(jù)本公開文本的一種實(shí)施方式，具有井下光學(xué)遙測卡盒的一種系統(tǒng)的簡略示意圖；圖IB是根據(jù)本公開文本另一種實(shí)施方式，具有井下發(fā)射器的另一種可行系統(tǒng)的簡略示意圖；圖2A是根據(jù)本公開文本另一種實(shí)施方式，具有井下光學(xué)傳感器卡盒的一種系統(tǒng)的簡略示意圖；圖2B是根據(jù)本公開文本一種實(shí)施方式，具有井下光學(xué)電源的一種系統(tǒng)的簡略示意圖；圖3A是根據(jù)本公開文本另一種實(shí)施方式，具有流量計(jì)的一種可行的井下傳感系統(tǒng)的簡略示意圖；圖;3B是根據(jù)本公開文本另一種實(shí)施方式，具有成像器的另一種井下傳感系統(tǒng)的簡略示意圖3C是根據(jù)本公開文本另一種實(shí)施方式，具有光柵分光計(jì)的另一種井下傳感系統(tǒng)的簡略示意圖；圖3D是根據(jù)本公開文本另一種實(shí)施方式，具有拉曼分光計(jì)的另一種井下傳感系統(tǒng)的簡略示意圖；圖3E簡略示出了根據(jù)本公開文本一些實(shí)施方式，具有基于光纖的大體積干涉儀的井下干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)；圖4A是根據(jù)本公開文本另一種實(shí)施方式的電光隔離電路(光耦)的簡略示意圖；圖4B是根據(jù)本公開文本另一種實(shí)施方式，用于同級對同級無線遙測的光學(xué)連接器的簡略示意圖；圖4C是根據(jù)本公開文本另一種實(shí)施方式，用于網(wǎng)絡(luò)無線遙測的光學(xué)連接器的簡略示意圖；圖4D是根據(jù)本公開文本另一種實(shí)施方式，用于工具對工具的數(shù)據(jù)通信的光學(xué)連接器的簡略示意圖；圖4E是根據(jù)本公開文本另一種實(shí)施方式，用于工具對工具的數(shù)據(jù)通信的另一種光學(xué)連接器的簡略示意圖；圖5A是具有高應(yīng)變feilnAs-GaAs量子勢阱結(jié)構(gòu)的Fabry-Perot邊緣發(fā)射型激光二極管的簡略示意圖；圖5B是Fabry-Perot邊緣發(fā)射型激光二極管的溫度特性的曲線示意圖；圖6A是垂直腔表面發(fā)射型(VCSEL)激光二極管的溫度特性的曲線示意圖；圖6B是VCSEL型激光二極管的結(jié)構(gòu)的簡略示意圖；圖6C是二維VCSEL陣列的簡略示意圖；圖7A是量子點(diǎn)型激光二極管的結(jié)構(gòu)的簡略示意圖；圖7B以曲線描繪量子點(diǎn)型和應(yīng)變量子勢阱型激光二極管的溫度特性；圖8是示出氫(H2)和-OH吸收到硅摻雜光纖中的曲線。在全部附圖中，相同的附圖標(biāo)記和說明指代類似但不必相同的元件。本發(fā)明容易進(jìn)行各種改動并表現(xiàn)為替代形式，在附圖中作為示例顯示具體實(shí)施方式
并在下文中詳細(xì)描述。但是，應(yīng)該理解本發(fā)明的目的并不局限于所公開的特定形式。相反，本發(fā)明應(yīng)該覆蓋落入由附帶的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的全部改型、等同和替代方案。
具體實(shí)施例方式下面說明例述實(shí)施方式以及各個(gè)方面。當(dāng)然應(yīng)該理解，隨著任何所述實(shí)際實(shí)施方式的發(fā)展，必須針對許多實(shí)施方案做出決策，以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的具體目標(biāo)，諸如符合與系統(tǒng)相關(guān)和與商業(yè)相關(guān)的約束條件，而這些約束條件從一種實(shí)施方案到另一種實(shí)施方案是不同的。此外，應(yīng)該理解這種開發(fā)工作可能復(fù)雜而耗費(fèi)時(shí)間，但是仍然是從本公開文本內(nèi)容獲益的本領(lǐng)域技術(shù)人員所從事的常規(guī)工作。在本說明書全文中，提及“一種實(shí)施方式”或者“一些實(shí)施方式”指的是針對實(shí)施方式所述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含在本公開文本內(nèi)容的至少一種實(shí)施方式中。因此，在說明書全文不同地方出現(xiàn)術(shù)語“在一種實(shí)施方式中”或者“在實(shí)施方式中”或者“在一些實(shí)施方式中”并非全都指代相同的實(shí)施方式。此外，所述特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以采用任何
7適當(dāng)?shù)姆绞浇M合在一種或多種實(shí)施方式中。正如說明書全文和權(quán)利要求書中所用，術(shù)語“井下”指的是地下環(huán)境，特別是井眼中?！熬鹿ぞ摺庇脕韺挿旱刂复魏斡迷诘叵颅h(huán)境中的工具，包括但不限于測井工具、成像工具、聲學(xué)工具、永久監(jiān)測工具以及組合工具。“長”波長指的是超過940nm的光波長?！肮鈱W(xué)設(shè)備”用來寬泛地指代能建立、操作或測量電磁輻射的任何設(shè)備，即用來產(chǎn)生或控制光的設(shè)備?！案邷亍敝傅氖蔷聹囟瘸^大約115攝氏度。詞語“包括”和“具有”應(yīng)該與“包含” 具有相同的含義。此外，具有創(chuàng)造性的方面少于單個(gè)公開實(shí)施方式的全部特征。因此，附帶在具體實(shí)施方式
部分之后的權(quán)利要求書也明確地包含在具體實(shí)施方式
部分中，每個(gè)權(quán)利要求作為單獨(dú)的實(shí)施方式而獨(dú)立存在。正如一般所知，傳統(tǒng)激光二極管設(shè)備通常配置或設(shè)計(jì)成在大約85攝氏度操作。這種傳統(tǒng)設(shè)備并不適合在高溫下，即在85攝氏度以上，例如在超過大約115攝氏度的溫度有效地操作，并且在一些情況下，無法操作。這樣，采用這種激光二極管的已知光學(xué)設(shè)備固有的低溫操作范圍(85攝氏度以下)限制了這些設(shè)備在高溫井下應(yīng)用環(huán)境中的使用，這種高溫井下應(yīng)用環(huán)境要求光學(xué)部件在超過例如115攝氏度的溫度操作，并且在一些情況下，在超過150攝氏度的溫度操作。通常，在高溫操作中，主動冷卻設(shè)備諸如熱電制冷器(TEC)，需要用于激光二極管的操作。主動冷卻設(shè)備要求用于溫度控制和提供動力的額外部件。工具架構(gòu)中額外的復(fù)雜性降低了可靠性。通過在大多數(shù)情況下消除高溫應(yīng)用場合中激光二極管設(shè)備主動冷卻的需求，本文公開的這種高溫激光二極管設(shè)備簡化了工具設(shè)計(jì)并且提高了井下工具的可靠性。本申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)采用例如高應(yīng)變GalnAs-GaAs量子勢阱(QW)結(jié)構(gòu)的激光二極管技術(shù)提供了能在高溫井下條件中操作而不需要主動冷卻的激光二極管設(shè)備。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)基于這種激光二極管技術(shù)的光學(xué)設(shè)備允許高溫井下應(yīng)用，諸如例如作為高溫井下光源用于光學(xué)遙測系統(tǒng)和光學(xué)感知系統(tǒng)。發(fā)明人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)本公開文本的光學(xué)設(shè)備在高于大約85 攝氏度的溫度，例如在大約115攝氏度以上的溫度能提供可靠、有效的結(jié)果，而不需要主動冷卻。但是，本公開文本還考慮了冷卻文中所述的光學(xué)設(shè)備，從而根據(jù)需要或意愿擴(kuò)展其操作范圍和效率。本公開文本提供的一些實(shí)施方式指向改善或者至少減少上述一個(gè)或多個(gè)問題或者本領(lǐng)域所知的其他問題的影響。在眾多可行實(shí)施方式其一中，提供了高溫井下油田傳感器系統(tǒng)。在另一些可行的實(shí)施方式中，提供了高溫井下光學(xué)遙測系統(tǒng)。所述高溫井下油田系統(tǒng)包括井下光源；井下光學(xué)設(shè)備和在井下系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)之間延伸的可選的光纖，其中所述井下光源包括激光二極管，所述激光二極管配置或設(shè)計(jì)用于高溫井下應(yīng)用場合，諸如適合承受至少115攝氏度的高溫操作的激光二極管。文中所述的原理考慮了有利于在高溫應(yīng)用中，利用井下工具和傳感器，通過光學(xué)傳感器或者其他設(shè)備，進(jìn)行光學(xué)通信和傳感的方法和裝置。在井下工具和地面之間使用光纖提供了較之以前的情況傳輸速率更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。文中所述的原理有利于在井下工具和傳感器以及相關(guān)的地面系統(tǒng)之間進(jìn)行光纖傳感和通信，即使在高溫環(huán)境中。下面所述的一些方法和裝置包括能使用長波單模通信的系統(tǒng)，長波單模通信減少了遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膹浬⒑蛽p耗。
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如上所述，測井工具對于高分辨率和快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笳谘杆偬岣?。更長的工具組合以及更好的成像需求，意味著目前可用的遙測帶寬已經(jīng)不滿足需要。本公開文本提供了允許在高溫井下環(huán)境中用于高速遙測平臺和感知系統(tǒng)的技術(shù)。通過簡化遙測架構(gòu)， 文中所提及的方案降低了工具和系統(tǒng)成本，提高了工具可靠性，并且為工具傳感器提供了直接高速通信。文中所述的工具架構(gòu)顯著擴(kuò)展了現(xiàn)有工具架構(gòu)的能力，允許現(xiàn)有工具提供更多的功能和服務(wù)。這樣，作為本公開文本的構(gòu)思的效果，可以產(chǎn)生新穎的工具設(shè)計(jì)和應(yīng)用，而這些利用目前可用的遙測能力是無法實(shí)現(xiàn)的。例如，用于光學(xué)遙測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是可靠的高速光源。文中公開的設(shè)備在高溫井下環(huán)境中提供高速通信，而不要主動冷卻所述設(shè)備。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)和并通過本發(fā)明解決的另一個(gè)問題涉及在高溫下光纖的氫致黑化。應(yīng)該理解，這種現(xiàn)象是本發(fā)明所討論的那種高溫油田應(yīng)用中特別關(guān)心的問題。圖7是示出吸收到硅摻雜光纖中的氫(H2)和-OH的曲線。商業(yè)上可以獲得的單模(SM)光纖在1. 3μπι 和1.55 μ m的標(biāo)準(zhǔn)激光二極管波長上操作。但是，前述這兩種波長都對氫致黑化敏感。因此，需要利用專用的涂層氣密地密封光纖，以強(qiáng)化單模光纖，并保護(hù)其不發(fā)生氫致黑化。所述專用涂層價(jià)格昂貴，并且顯著提高了遙測線纜的成本。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在大約1. Oym至大約 1. 2 μ m操作的激光二極管光源顯著削弱了氫致黑化的影響。這樣，1. 2 μ m的激光二極管光源使得稱為氫致黑化的現(xiàn)象最小，并且使得對單模光纖昂貴的氣密密封的要求最少。文中公開的各個(gè)方面包括光纖通信以及與多個(gè)沿著盤管或者線纜、鋼絲繩、鋼絲或者任何其他適當(dāng)?shù)木落佋O(shè)裝置連接的多個(gè)設(shè)備相結(jié)合的傳感器系統(tǒng)的優(yōu)勢。采用光纖傳感器系統(tǒng)從光纖系統(tǒng)提供的眾多優(yōu)勢中提供了好處。例如，光纖系統(tǒng)可以無源操作，并因此不需要井下電子件以及用來操作井下電子件的來自地面的相關(guān)動力。消除井下電子件的能力特別是在高溫環(huán)境中提高了井下傳感器系統(tǒng)的可靠性。操作傳感器陣列所需的電子件可以位于地面，并且由于地面電子件可能相對昂貴，所以它們可以與其他井孔共用并用于多個(gè)井下光纖傳感器系統(tǒng)。此外，光纖技術(shù)允許該系統(tǒng)體積更小并且重量更輕。此外，所有這些能力對于聲學(xué)和地震成像應(yīng)用都具有優(yōu)勢，聲學(xué)和地震成像應(yīng)用要求數(shù)據(jù)傳輸能力高的大型傳感器陣列。在這方面，光纖傳感器還可以通過光纖線路支持多功能測量值。這種特征在鋼纜或線纜應(yīng)用以及產(chǎn)生或形成監(jiān)控傳感器系統(tǒng)中具有巨大優(yōu)勢。為了公開的目的，在使用術(shù)語鋼絲繩、線纜、鋼絲或者盤管或者傳輸任一時(shí)，應(yīng)該理解為任何上述鋪設(shè)裝置或者任何其他適當(dāng)?shù)牡韧b置都可以用于本公開文本，而不會脫離本發(fā)明的精神和范圍。圖IA是根據(jù)本公開文本原理的井下光學(xué)遙測系統(tǒng)100的簡略示意圖。光學(xué)遙測系統(tǒng)100包括與地面遙測單元104電通信或者作為其一部分的地面數(shù)據(jù)獲取單元102。地面遙測單元104可以是光學(xué)遙測模塊，也可以不是光學(xué)遙測模塊。地面遙測單元104包括上行鏈路光-電(OE)解調(diào)器106，該光地解調(diào)器帶有光檢測器或二極管108，該二極管接收光學(xué)上行鏈路數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化成可以由數(shù)據(jù)獲取單元102收集的電信號。地面遙測單元104還包括下行鏈路電-光(EO)調(diào)制器110。光源112，例如激光二極管，示出與下行鏈路EO調(diào)制器110在一起。作為替代，光源112可以井下安置在井眼中。EO調(diào)制器110可以包括任何可用的EO調(diào)制器。上行鏈路OE解調(diào)器106和下行鏈路EO調(diào)制器可操作地連接到光纖接口 114，例如單光纖。光纖接口 114在地面遙測單元104和井下光學(xué)遙測卡盒116之間提供高傳輸速率的光通信。井下光學(xué)遙測卡盒116是光學(xué)遙測系統(tǒng)100的一部分，并包括井下電-光單元118。井下電-光單元118包括下行鏈路OE解調(diào)器120和上行鏈路EO調(diào)制器122。下行鏈路OE解調(diào)器120包括光檢測器或二極管124， 所述光檢測器或二極管接收光學(xué)下行鏈路數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為電信號。上行鏈路EO調(diào)制器 122包括光源126，諸如不帶主動冷卻的高溫激光二極管。井下電-光單元118可以可操作地連接到井下電氣工具總線(未示出)。井下電氣工具總線在井下光學(xué)遙測卡盒116和一個(gè)或多個(gè)井下工具(一般描述為井下數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)130)之間提供電通信。所述井下工具可以各自具有一個(gè)或多個(gè)傳感器，用于測量井孔的特定參數(shù)；和收發(fā)器，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。圖IA所示的井下光學(xué)遙測系統(tǒng)可以是混合光電裝置，該裝置可以使用標(biāo)準(zhǔn)電遙測和井下傳感器技術(shù)，其具有的優(yōu)勢是在井下部件(光學(xué)遙測卡盒，井下工具)和地面數(shù)據(jù)獲取單元之間具有高帶寬光纖接口 114。下面描述數(shù)據(jù)獲取單元和其中一個(gè)井下工具(描述為井下數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)130)之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。來自數(shù)據(jù)獲取單元102的電子向下指令電氣地發(fā)送給地面遙測單元104。地面遙測單元104的下行鏈路EO調(diào)制器110將所述電子向下指令調(diào)制為光信號，而該光信號經(jīng)由光纖接口 114發(fā)射到井下光學(xué)遙測卡盒116。光纖接口 114的類型包括鎧裝線纜，所述鎧裝線纜包括單條光纖或多條光纖。下行鏈路OE解調(diào)器120將所述光信號解調(diào)回電信號，并且井下光學(xué)遙測卡盒116沿著井下電氣工具總線(未示出)發(fā)送所述解調(diào)的電信號，發(fā)送到它被井下工具接收的地方。類似地，來自井下工具的上行鏈路數(shù)據(jù)經(jīng)由井下電氣工具總線(未示出)發(fā)送到井下光學(xué)遙測卡盒116，在這里，所述上行鏈路數(shù)據(jù)被上行鏈路EO調(diào)制器122調(diào)制成光信號并經(jīng)由光纖接口 114向井上發(fā)送到地面遙測單元104。井下工具的傳感器可以提供模擬信號。因此，根據(jù)本公開文本的一些方面，根據(jù)需要或意愿，可以在每個(gè)井下工具內(nèi)或者在井下工具和上行鏈路和下行鏈路調(diào)制器/解調(diào)器之間包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此，來自傳感器的模擬信號被轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并且數(shù)字信號被上行鏈路EO調(diào)制器122調(diào)制到地面。根據(jù)一些實(shí)施方式，井下光源1 經(jīng)由光纖114輸入，被EO調(diào)制器122調(diào)制，并經(jīng)由相同的光纖 144輸出回到地面光學(xué)遙測單元104。上行鏈路OE解調(diào)器106將所述信號解調(diào)回到電信號， 該電信號此后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)獲取單元102。上行鏈路和下行鏈路信號兩者優(yōu)選利用波分復(fù)用 (WDM)技術(shù)全雙工地傳輸。圖IA示出了光學(xué)遙測系統(tǒng)采用高溫激光二極管光源1 進(jìn)行直接調(diào)制，從井下向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。上行鏈路數(shù)據(jù)(來自連接到一個(gè)或多個(gè)井下工具的井下工具總線)輸入到上行鏈路EO調(diào)制器122，然后利用激光二極管1 直接調(diào)制。從激光二極管1 輸出的光承載調(diào)制信號，該調(diào)制信號例如通過單模光纖(例如長度大于IOkm)傳輸并被地面光電二極管108接收。地面光電二極管108向上行鏈路OE解調(diào)器106輸入信號，并將光學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電信號。該數(shù)據(jù)被地面數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)102接收。圖IA系統(tǒng)中的高溫井下激光二極管簡化了井下電子電路設(shè)計(jì)，減少了功耗，提供了更為簡單的功率管理機(jī)制，并且提高了工具可靠性。在圖IA所示高溫井下光學(xué)遙測系統(tǒng)的另一種可行實(shí)施方式中，高溫激光二極管用于光學(xué)遙測系統(tǒng)，作為擁有電-光(EO)調(diào)制器的井下連續(xù)波(CW)和恒定(或者非調(diào)制) 光源。EO調(diào)制器將調(diào)制電信號轉(zhuǎn)化成調(diào)制的光信號，并且通過光纖例如一定長度的單模光纖，將該信號傳輸?shù)降孛?。EO調(diào)制器提供了與圖IA中描繪的直接調(diào)制的高溫激光二極管 126相當(dāng)?shù)母邤?shù)據(jù)速度(mbps以上)。圖IB是根據(jù)本公開文本的另一種實(shí)施方式，具有光學(xué)遙測系統(tǒng)的井下系統(tǒng)的簡略示意圖。圖IB的光學(xué)遙測系統(tǒng)包括位于井下的地下高溫環(huán)境中的成對的發(fā)射器113和接收器111，并且它們通過單條多模光纖109與位于地面的成對的發(fā)射器103和接收器105 光學(xué)地連接。多模波分復(fù)用器或者光環(huán)行器107、115設(shè)置成利用多模光纖光學(xué)地連接成對的發(fā)射器/接收器。圖IB的系統(tǒng)利用單條多模光纖線纜提供了全雙工通信系統(tǒng)。在圖IB 所示系統(tǒng)的其他方面，通過提供帶有參照圖IA所述的相關(guān)電子件的兩條多模光纖，所述系統(tǒng)可以復(fù)制以增加裕度。雖然本公開文本的各個(gè)方面提及多?；騿文９饫w，但是意思并不是這樣限制所公開的實(shí)施方式。這樣，本公開文本考慮了，根據(jù)需要或意愿，為了文中所述的目的，可以使用一條或多條單模和多模光纖線纜。本公開文本考慮來了使用文中所述類型的高溫激光二極管用于圖IB所示光學(xué)遙測系統(tǒng)的井下發(fā)射器。圖2A是根據(jù)本公開文本的一種實(shí)施方式，帶有光學(xué)傳感器系統(tǒng)的高溫井下系統(tǒng)的簡略示意圖。在圖2A的簡化表示中，井下光學(xué)傳感系統(tǒng)130包括彼此耦接的光學(xué)傳感器132和井下遙測卡盒116。光纖線纜或銅線纜178將井下遙測卡盒116與地面遙測單元 104連接，地面遙測單元耦接到地面數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)102。地面遙測模塊104包括上行鏈路解調(diào)器170、下行鏈路調(diào)制器172、耦接到上行鏈路解調(diào)器170的接收器174、和耦接到下行鏈路調(diào)制器172的驅(qū)動器176。井下遙測卡盒116包括井下單元179，該井下單元具有井下鏈路解調(diào)器180、上行鏈路調(diào)制器182、耦接到井下鏈路解調(diào)器180的接收器184、和耦接到上行鏈路調(diào)制器182的驅(qū)動器186。井下光學(xué)傳感系統(tǒng)130包括光學(xué)傳感器122、光電二極管 134、高溫激光二極管136和控制器138。傳感器132例如可以是流動傳感器、振動傳感器， 諸如聲學(xué)振動傳感器，即地震、聲波、超聲傳感器，加速度傳感器、應(yīng)變傳感器、分光計(jì)、壓力 /溫度傳感器，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員所知用于文中所述目的的其他傳感器。在圖2A的光學(xué)傳感系統(tǒng)中，由高溫井下激光二極管提供光功率。激光二極管136 的光功率例如用于激勵(lì)石英晶體壓力和/或溫度傳感器132振蕩，并且它們的諧振頻率利用光調(diào)制或運(yùn)動檢測技術(shù)來檢測。表示晶體諧振頻率的周期性的光脈沖然后經(jīng)由光纖178 發(fā)射到位于地面遙測模塊104中的接收器174/解調(diào)器170。高溫激光二極管可以用作井下光源，將傳感器輸出發(fā)送到地面系統(tǒng)。希望井下光源的功耗較小，因?yàn)榭捎玫木鹿β视邢?。這樣，VCSEL型激光二極管功耗較低，并且是用于文中所述這種應(yīng)用場合的適當(dāng)光源。 圖2A所示的傳感系統(tǒng)可以概括為任何類型的傳感器系統(tǒng)。圖2B是根據(jù)本公開文本的一種實(shí)施方式，帶有具備井下電源的傳感器系統(tǒng)的高溫井下系統(tǒng)的簡略示意圖。在圖2B中，井下傳感系統(tǒng)130包括彼此耦接的傳感器單元150 和井下遙測/供電卡盒140。光纖線纜148連接傳感器單元150與井下/供電遙測卡盒 140，而所述卡盒耦接到地面數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)102。井下遙測/供電卡盒140包括上行鏈路調(diào)制器141、耦接到上行鏈路調(diào)制器141的接收器143、和耦接到高溫激光二極管144的供電
11單元142。井下傳感器單元150包括傳感器160、通過驅(qū)動器156耦接到傳感器160的光電單元154、高溫激光二極管158、和控制器152。傳感器160例如可以是具有壓力端口(未示出)的壓力傳感器，傳感器160在所述壓力端口處接收需要測量壓力的流體(例如，地層流體)。在傳感器160內(nèi)，利用壓力換能器(未示出)感知流體的壓力。傳感器160經(jīng)由驅(qū)動器156從光電單元IM接收電力，并向具有某種特性諸如頻率的高溫激光二極管158產(chǎn)生電子輸出信號，將測量的電壓編碼。高溫激光二極管144位于安全區(qū)域中，并且輸入光經(jīng)由光纖148傳遞到位于危險(xiǎn)或者電子干擾區(qū)域中的遠(yuǎn)程傳感器160。在一種實(shí)施方式中，單條光纖可以利用地面或井下高功率激光器(例如，連續(xù) (CW)激光器)將向井下傳輸功率到遠(yuǎn)程電子設(shè)備。注意圖2B。CW光經(jīng)過一定長度的光纖傳輸?shù)骄孪到y(tǒng)，在這里被光電轉(zhuǎn)換器例如光電單元接收。光電轉(zhuǎn)換器將CW光轉(zhuǎn)化成用來給井下電子件、連接到井下傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和/或傳感器本身供電的電壓。在一些實(shí)施方式中，井下電力可以用于調(diào)制波長不同的高溫井下光源，以便從井下傳感器、電子件和 /或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器沿著用來給井下設(shè)備供電的相同光纖向井上傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。可以使用光耦合器或光環(huán)行器和增加/降低復(fù)用器諸如WDM(波分復(fù)用)分離器，以使中繼井下數(shù)據(jù)的調(diào)制信號不受上游激光器干擾地傳輸。產(chǎn)生的光信號(表示井下數(shù)據(jù))可以由對井下光源波長敏感的井上光電二極管接收并轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號。注意圖1A。然后存儲數(shù)字電信號或用于監(jiān)測井下條件。根據(jù)文中所述的原理，井下設(shè)備包括但不限于聲學(xué)、壓力和溫度傳感器、要求電力的光學(xué)部件諸如光開關(guān)、布拉格光柵、化學(xué)、流體相、熒光傳感器和檢測器，成像設(shè)備、視頻相機(jī)、低電力傳感器諸如微藍(lán)寶石量計(jì)、用于調(diào)節(jié)傳感器接收的信號的相關(guān)電子件、促動器和控制器、MEMS設(shè)備或MEMS傳感器、和/或集成的調(diào)節(jié)、支撐和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電子件，可以利用高溫井下激光二極管光源供電。在一些情況下，由井下高溫光源提供的電力不足以為傳感器供電或支持電子件，因此，可以使用光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電力來緩慢地補(bǔ)充或增加由井下電池組提供的電力。圖3A至3E簡略描繪了根據(jù)文中所述原理、采用了高溫井下二極管的各種示例高溫井下傳感系統(tǒng)，用來在井眼中感知和/或成像井下地層流體。在圖3A中，高溫井下傳感系統(tǒng)包括根據(jù)本公開文本一種實(shí)施方式的流量計(jì)200。 圖3A所示的流量計(jì)包括井下電子件，諸如移相器204、光電檢測器208、信號放大器212、和信號處理器/控制器210。流量計(jì)200利用激光多普勒原理操作，其中在由包含在流體中的顆粒散射的光中利用多普勒效應(yīng)在流線214中測量流體即地層流體的流動速度。來自高溫激光器202的光利用連接到光纖206的準(zhǔn)直器205注入流線214。注入的光被流線中流體內(nèi)的顆粒散射。一些散射光通過準(zhǔn)直器205/光纖206返回。當(dāng)流體中的顆粒隨著流體流動而移動時(shí)，散射光因?yàn)槎嗥绽招?yīng)而發(fā)生移相，并且可以從移相量來導(dǎo)出流體速度。圖;3B是根據(jù)本公開文本的一種實(shí)施方式，帶有成像器300的高溫井下傳感系統(tǒng)的簡略示意圖。成像器300例如包括電荷耦合器件(CXD)相機(jī)304、光源302，所述光源諸如不帶主動冷卻的高溫激光二極管，相對于具有帶光學(xué)窗口 306的流線308的流體采樣裝置 312配置和布置。流體諸如來自井眼或地層310的地層流體，通過流線308流動，并且利用來自光源302的光和相機(jī)304成像。在圖:3B所示的一種實(shí)施方式中，提供利用傳輸?shù)墓獬上竦慕Y(jié)構(gòu)，而在圖3B所示的另一種實(shí)施方式中，提供利用散射回來的光成像的結(jié)構(gòu)。共同待審并共同擁有的美國專利申請2007/0035736為井下光譜成像提供了額外的描述，該專利申請的全部內(nèi)容都通過引用包含在本申請中。在圖;3B所示的井下傳感系統(tǒng)中采用高溫激光二極管以相對較低的功耗提供了較高的光功率輸出，由于其指向性高，由高溫激光二極管輸出的光功率在流線中有效感生，以較低的光損耗進(jìn)行成像，由于集中帶寬在1. 2μπι的波帶中，所以以相對較低的光吸收和相對較低的光譜吸收效應(yīng)進(jìn)行成像，并且可以快速有效地實(shí)現(xiàn)成像。因此，圖3Β所示的成像系統(tǒng)允許快速相機(jī)快門速度以較好的圖像分辨率覆蓋較高的流動速度。圖3C是根據(jù)本公開文本的一種實(shí)施方式，帶有光柵分光計(jì)410的高溫井下傳感系統(tǒng)400的簡略示意圖。寬帶光源諸如鹵素?zé)?12，照亮了采樣單元404中的樣本流體?？梢蕴峁夭ㄆ?06來調(diào)制經(jīng)由光學(xué)濾波器諸如筏道濾波器414輸入光柵分光計(jì)410的光。用于信號獲取同步作用的井下電子件諸如光電二極管408、光強(qiáng)電壓(I/V)轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及其他信號處理電子件，可以根據(jù)需要或意愿設(shè)置。高溫激光器402用作波長基準(zhǔn)。就是說，從激光器402輸入的光經(jīng)由光學(xué)耦合器 (未示出)輸入到光柵分光計(jì)410，為光柵分光計(jì)410提供校準(zhǔn)信號。利用已知的井下溫度，激光器402的波長λ可以補(bǔ)償因溫度引起的變化，并且用作波長基準(zhǔn)來校準(zhǔn)光柵分光計(jì) 410。共同待審并共同擁有的美國專利申請2007/0171414為前述這種井下光柵分光計(jì)提供了額外的描述，該申請的全部內(nèi)容通過引用而包含在本申請中。圖3D是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，帶有拉曼分光計(jì)510的高溫井下傳感系統(tǒng)500 的簡略示意圖。圖3D所示的井下傳感系統(tǒng)500提供了激光拉曼分光系統(tǒng)，其中樣本504諸如地層流體樣本，利用來自所公開的這種高溫二極管502的單色光照明。分光計(jì)用于檢查流體樣本散射的光。穿過各種濾波器514的激光光線被適當(dāng)?shù)耐哥R/反射鏡506/508/516 結(jié)構(gòu)導(dǎo)向多色儀510和CCD檢測器512。由CCD檢測器512檢測到的散射光輸入信號處理器/控制器(未示出)，用于根據(jù)拉曼分光計(jì)的原理進(jìn)行處理。本公開文本考慮了使用高溫二極管來提供單色光，以照亮樣本單元504內(nèi)的流體的分子，以使拉曼散射以及雷利散射可以發(fā)生。拉曼散射的波長偏離入射光波長，并且稱為拉曼偏移的波長偏移量取決于構(gòu)成樣本材料的分子的振動模式。因此，通過以CCD檢測器 512檢測拉曼偏移，可以表現(xiàn)樣本單元中材料的特征。圖3E簡略示出了根據(jù)本公開文本一些實(shí)施方式的帶有基于光纖的大體積干涉儀的高溫井下傳感系統(tǒng)的各種配置。一個(gè)或多個(gè)高溫激光設(shè)備602/702用于將光線輸入相敏元件606/706，然后經(jīng)由光電二極管604/704輸入到信號處理器/控制器，用于分析所述信號，以獲得從相敏元件606/706產(chǎn)生響應(yīng)的環(huán)境影響。由于干涉?zhèn)鞲衅鞯脑肀绢I(lǐng)域技術(shù)人員是已知的，所以它們將不在本公開文本中詳細(xì)描述。就是說，環(huán)境參數(shù)諸如壓力、流動控制、應(yīng)變、化學(xué)屬性和/或溫度可以利用前述類型的干涉?zhèn)鞲衅鱽慝@得。共同擁有的美國專利7，292, 345為一些干涉?zhèn)鞲衅魈峁┝嗣枋觯搶＠娜績?nèi)容通過引用包含在本申請中。圖4A是根據(jù)本公開文本一種實(shí)施方式的電-光隔離器電路(光耦)的簡略示意圖，所述電-光隔離器電路具有光學(xué)地連接到光敏檢測器804的高溫激光二極管802，并配置和設(shè)計(jì)用于帶有接地隔離的高速數(shù)據(jù)傳輸。激光二極管802布置成面向光敏檢測器804， 并且這兩個(gè)元件插入電路中，形成光耦。在激光二極管802和檢測器804之間設(shè)置絕緣間隙，以使沒有電流通過所述間隙，而僅有表示數(shù)據(jù)的希望的光波通過所述間隙。因此，該電路的兩側(cè)彼此有效地隔離。圖4A所示的光耦可以用于數(shù)據(jù)通信目的，特別是在覆蓋幾百英尺以上的距離的點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)電路。在存在地線電勢差的情況下，被稱為接地環(huán)路的現(xiàn)象可能發(fā)生，導(dǎo)致電流沿著數(shù)據(jù)線流動，以試圖平衡相連的設(shè)備之間的地線電勢。通過在線路任一端有效地提升數(shù)據(jù)線和“地線”之間的連接部，光學(xué)隔離解決了接地環(huán)路的問題。圖4B是根據(jù)本公開文本的一種實(shí)施方式，用于同級對同級(peer-to-peer)無線遙測的光學(xué)連接器的簡略示意圖，該光學(xué)連接器具有光學(xué)地連接到光敏檢測器804的高溫激光二極管802。例如，圖4B所示的配置可以用于在文中所述類型的井下工具中的PCB (印刷電路板)對PCB的數(shù)據(jù)傳輸。就是說，圖4B所示光路通過減少井下工具的配線數(shù)量而簡化了井下架構(gòu)。圖4C是根據(jù)本公開文本的一種實(shí)施方式，用于網(wǎng)絡(luò)無線遙測的光學(xué)連接器的簡略示意圖，該光學(xué)連接器具有光學(xué)地連接到工具殼體806內(nèi)側(cè)的光敏檢測器804的高溫激光二極管802。位于工具殼體806的內(nèi)表面上的適當(dāng)?shù)姆瓷渫繉?08和電線配線810用于文中所述這種井下工具中的PCB對PCB的無線數(shù)據(jù)傳輸。就是說，圖4C所示的光路通過減少井下工具的配線而簡化了井下架構(gòu)。圖4D是根據(jù)本公開文本的一種實(shí)施方式，用于工具對工具的數(shù)據(jù)通信的光學(xué)連接器的簡略示意圖，所述光學(xué)連接器具有光學(xué)地連接第二工具B的對應(yīng)的成對激光二極管和光敏檢測器的第一工具A的高溫激光二極管802和光敏檢測器804。圖4E是用于工具對工具的數(shù)據(jù)通信的另一種光學(xué)連接器的簡略示意圖，該光學(xué)連接器具有成插針和插座結(jié)構(gòu)的多個(gè)成對的激光二極管-光敏檢測器連接器。圖4D和4E所示的配置提供了具有較高光功率和較大寬容度的耐用的光學(xué)耦接。就是說，圖4D和4E所示的光學(xué)連接器適合以較高的數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行光通信。參照圖5至7，針對發(fā)明人確定的激光二極管技術(shù)提供了描述，這種技術(shù)特別適合文中描述的系統(tǒng)和方法。就是說，發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)，已知類型的激光二極管，如高應(yīng)變 GaInAs-GaAs量子勢阱激光二極管，適合用在高溫井下設(shè)備中，目的是進(jìn)行光學(xué)遙測和井下傳感。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用高應(yīng)變feilnAs-GaAs量子勢阱(QW)結(jié)構(gòu)、處于1. 2 μ m的高溫邊緣發(fā)射型激光二極管(4mW，Cff, If = 300mA)提供了有效的井下光源。就是說，發(fā)明人已經(jīng)注意到這種結(jié)構(gòu)可以在活性層中保持較高的載波密度，即使在高溫條件下。利用前述激光二極管結(jié)構(gòu)的設(shè)備已經(jīng)證實(shí)能在高達(dá)180攝氏度的溫度操作，而不需要主動冷卻。圖5A是具有高應(yīng)變feilnAs-GaAs量子勢阱(QW)結(jié)構(gòu)的Fabry-Perot邊緣發(fā)射型激光二極管的簡略示意圖。圖5B是高達(dá)180攝氏度的Fabry-Perot邊緣發(fā)射型激光二極管的功率-電流特性的曲線示意圖。確定用于文中所述目的的另一種激光二極管結(jié)構(gòu)是垂直腔表面發(fā)射型激光器 (VCSEL)，該激光器具有與上述Fabry-Perot邊緣發(fā)射型激光二極管相同或類似的結(jié)構(gòu)。就是說，低溫VCSEL已經(jīng)發(fā)展成在高達(dá)85攝氏度的溫度操作(在If為40mA時(shí)為ImW)。圖 6A至圖6C示出了 VCSEL型激光二極管、二維VCSEL陣列的結(jié)構(gòu)以及VCSEL型激光二極管的溫度特性。由于單模源可以優(yōu)選用于采用單模光纖的遠(yuǎn)程運(yùn)送高數(shù)據(jù)速率通信，所以VCSEL型激光二極管具有若干優(yōu)勢，諸如低閾值觸發(fā)功率；晶片級檢查、容易進(jìn)行光纖耦合、容易構(gòu)造高密度二維陣列、和成本較低。圖6A示出了高達(dá)180攝氏度的VCSEL型激光二極管的溫度特性曲線。根據(jù)本公開文本的原理，發(fā)明人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)也可以使用量子點(diǎn)高溫激光二極管。圖7A和7B示出了量子點(diǎn)型激光器的結(jié)構(gòu)和溫度特性。就是說，量子點(diǎn)激光器可以讓溫度敏感的輸出波動最小，而先前利用半導(dǎo)體激光器是不可能的。要注意，新開發(fā)的量子點(diǎn)激光器可以在20攝氏度到70攝氏度的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)10千兆位每秒((ibps)的高速操作，而不需要電流調(diào)節(jié)，并且可以讓溫度變化導(dǎo)致的輸出波動最小。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)可以提供緊湊、低成本、低功耗的光學(xué)光源，用于文中所述的設(shè)備。前述激光二極管可以在高達(dá)120攝氏度的溫度操作，可能達(dá)到150攝氏度。上述方法和裝置中的一些有能力進(jìn)行井眼考察，以用于規(guī)劃井孔鉆探，并用于在實(shí)際鉆井生產(chǎn)過程中監(jiān)測井眼數(shù)據(jù)。這種井眼考察包括井眼地震考察，而這種井眼數(shù)據(jù)監(jiān)測包括暫時(shí)和永久監(jiān)測。光纖技術(shù)有能力以較高數(shù)據(jù)速率復(fù)用多個(gè)通道，由此滿足聲學(xué)和地震成像應(yīng)用的需求，這種聲學(xué)和地震應(yīng)用要求具備較高數(shù)據(jù)傳輸能力的大型傳感器陣列。在文中所述實(shí)施方式中使用光纖技術(shù)還允許具有大量的閘門，原因在于體積較小、重量較輕和不需要井下電子件或來自地面的動力。隨著對更高分辨率的傳感器的需求的增加，用在井下環(huán)境中的傳感器要求不斷增大的帶寬。用于在井眼中測井的銅線纜達(dá)到了它們所能提供的帶寬的極限。光纖線纜能為新型高分辨率傳感器提供顯著更大的帶寬。使用光纖線纜要求高溫井下光學(xué)設(shè)備，并且用于調(diào)節(jié)傳感器信號并從井下向井上提供遙測的電子件要求電力。如上所述，光纖線纜具有非常有效的傳輸能力，在長達(dá)40km的距離上，通常處于幾百兆字節(jié)每秒的量級，并且不會像銅遙測系統(tǒng)那樣受到EMI或傳輸損耗的影響。但是，光學(xué)傳輸系統(tǒng)需要電力驅(qū)動控制光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸所要求的相關(guān)電子件。與井眼關(guān)聯(lián)的光學(xué)傳輸系統(tǒng)可以包括利用相關(guān)電子件進(jìn)行幅值調(diào)制的高溫井下激光二極管光源。為了進(jìn)行有效的通信，在一些實(shí)施方式中，光源可以位于井上和井下，以允許全雙工傳輸。給出前述描述僅用于例示和描述本發(fā)明及其實(shí)施方案的一些示例。目的并不是窮舉或者將本發(fā)明限制于所公開的任何精確形式。根據(jù)上述教導(dǎo)，許多改型和變化是可以存在的。選擇并描述的優(yōu)選方面為的是最清楚地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用。前述描述的目的是允許本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員最佳地利用本發(fā)明的各種實(shí)施方式和方面，并且為了適配所考慮的特別用途進(jìn)行各種改動。目的是說本發(fā)明的范圍由后面的權(quán)利要求書所限定。
權(quán)利要求
1.一種配置成在穿過地層的鉆井中的井下超過大約115攝氏度的高溫中操作的地下工具，所述地下工具包括配置或設(shè)計(jì)成在井下超過大約115攝氏度的溫度使用的光學(xué)設(shè)備；和光學(xué)連接到所述光學(xué)設(shè)備以向所述光學(xué)設(shè)備提供輸入光的至少一個(gè)光源，其中所述光源包括一個(gè)或多個(gè)激光二極管，所述激光二極管配置或設(shè)計(jì)成在井眼中超過大約115攝氏度的溫度用于井下操作而不需主動冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括井下光學(xué)遙測卡盒， 所述卡盒包括位于井眼中的上行鏈路電光(EO)調(diào)制器和井下激光二極管。
3.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括位于井眼中的井下發(fā)射器，所述井下發(fā)射器包括井下激光二極管。
4.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括位于井眼中的井下光學(xué)傳感器卡盒，所述井下光學(xué)傳感器卡盒包括光學(xué)傳感器和井下激光二極管。
5.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括位于井眼中的井下供電卡盒，所述井下供電卡盒包括光電單元和井下激光二極管。
6.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括位于井眼中的井下流量計(jì)，所述井下流量計(jì)包括準(zhǔn)直器和井下激光二極管。
7.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括位于井眼中的井下成像器，所述井下成像器包括相機(jī)和井下激光二極管。
8.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括位于井眼中的井下分光計(jì)，所述井下分光計(jì)包括光柵分光計(jì)和井下激光二極管。
9.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括位于井眼中的井下分光計(jì)，所述井下分光計(jì)包括拉曼分光計(jì)和井下激光二極管。
10.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括位于井眼中的干涉光學(xué)傳感器，所述干涉光學(xué)傳感器包括傳感元件和井下激光二極管。
11.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括位于井眼中的電光隔離電路，所述電光隔離電路包括光敏檢測器和井下激光二極管。
12.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述光學(xué)設(shè)備包括位于井眼中的光學(xué)連接器，所述光學(xué)連接器配置或設(shè)計(jì)成用于數(shù)據(jù)傳輸，所述光學(xué)連接器包括至少一個(gè)光敏檢測器和井下激光二極管。
13.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述激光二極管包括具有 GaInAs-GaAS的邊緣發(fā)射型激光二極管。
14.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述激光二極管包括具有 GaInAs-GaAS的垂直腔表面發(fā)射型激光二極管(VCSEL)。
15.如權(quán)利要求1所述的地下工具，其特征在于，所述激光二極管配置或設(shè)計(jì)成在大約 1.0到大約1.2μπι的波長操作。
16.如權(quán)利要求1所述的地下工具，進(jìn)一步包括光學(xué)地連接所述光學(xué)設(shè)備的光纖，其中所述光纖包括單模光纖和多模光纖其中一種或多種，所述光纖向井下電子件和地面數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)和從井下電子件和地面數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。
17.一種井下遙測系統(tǒng)，包括包括地面遙測單元的地面數(shù)據(jù)獲取單元； 包括井下電光單元的井下光學(xué)遙測卡盒；所述地面數(shù)據(jù)獲取單元和井下光學(xué)遙測卡盒之間的光纖接口； 井下工具；和可操作地連接在所述井下電光單元和所述井下工具之間的井下電氣工具總線，其中所述井下電光單元包括 電光(EO)調(diào)制器；和激光二極管，其中所述激光二極管配置或設(shè)計(jì)成在井眼中超過大約115攝氏度的溫度用于井下操作而不需主動冷卻。
18.—種配置成在穿過地層的鉆井的井下超過大約115攝氏度的高溫中操作的流體分析系統(tǒng)，包括在井眼中的井下產(chǎn)生遍布寬廣的連續(xù)波譜范圍的輸入光的至少第一光源； 和光學(xué)傳感器，所述光學(xué)傳感器光學(xué)連接到所述第一光源并利用該光源產(chǎn)生的輸入光操作，以測量感興趣的信號并確定井眼中井下地層流體的屬性，其中所述第一光源包括一個(gè)或多個(gè)激光二極管，所述激光二極管配置成在井眼中的井下超過大約115攝氏度的溫度中操作而不需主動冷卻。
19.如權(quán)利要求18所述的流體分析系統(tǒng)，其特征在于，所述井下光學(xué)傳感器連接到光纖。
20.如權(quán)利要求19所述的流體分析系統(tǒng)，進(jìn)一步包括光學(xué)地連接到用于向井上傳輸傳感器數(shù)據(jù)的光纖的第二激光二極管。
21.如權(quán)利要求18所述的流體分析系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器，其中每個(gè)井下傳感器光學(xué)地耦接到單模光纖線路和多模光纖線路至少其中一種。
全文摘要
一種地下油田高溫設(shè)備，配置或設(shè)計(jì)成有利于利用激光二極管進(jìn)行井下監(jiān)測和高數(shù)據(jù)速率傳輸，所述激光二極管配置成在井眼中的井下超過115攝氏度的溫度中操作而不需主動冷卻。
文檔編號E21B47/12GK102227543SQ200980147837
公開日2011年10月26日 申請日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月29日
發(fā)明者S.S.奇, 五十嵐重英, 內(nèi)藤孝一, 卡利德.奧阿巴, 山手勉, 斯蒂芬妮.范努費(fèi)倫, 科林.A.威爾遜 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司