распределенные оптические датчики давления и температуры

Формула изобретения

1. Несущий элемент оптического волокна, имеющего группу расположенных на нем оптических датчиков, включающий герметичную полую оболочку, имеющую боковую стенку, профилированную по меньшей мере на одном заданном участке с образованием тонкостенной части, и при этом по меньшей мере один оптический датчик прикреплен к поверхности указанной тонкостенной части, так что при воздействии разности давления на эту тонкостенную часть она изгибается, и эта разность давления воспринимается указанным по меньшей мере одним датчиком, причем герметичная полая оболочка представляет собой трубку.

2. Несущий элемент по п.1, в котором указанная трубка представляет собой капиллярную трубку.

3. Несущий элемент по п.1, в котором герметичная полая оболочка содержит сферический или цилиндрический сосуд давления.

4. Несущий элемент по п.1, в котором боковая стенка имеет выполненную в ней прорезь.

5. Несущий элемент по п.4, в котором оптическое волокно свободно размещено в указанной прорези.

6. Несущий элемент по п.4, в котором прорезь выполнена на тонкостенной части.

7. Несущий элемент по п.1, в котором оптическое волокно скреплено с поверхностью полой оболочки.

8. Несущий элемент по п.7, в котором оптическое волокно волнообразно скреплено с поверхностью полой оболочки.

9. Несущий элемент по п.8, в котором оптическое волокно скреплено с поверхностью полой оболочки в отдельных местах.

10. Несущий элемент по п.1, в котором оптическое волокно содержит также оптический датчик температуры, расположенный вблизи оптического датчика давления.

11. Несущий элемент по п.1, в котором по меньшей мере один оптический датчик давления покрыт металлом.

12. Несущий элемент по п.1, имеющий внутреннее пространство, разделенное на группу герметичных пространств.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение в общем относится к оптоволоконным технологиям. В частности, изобретение относится к оптическому волокну, содержащему по своей длине датчики давления и температуры.

Предшествующий уровень техники

Распространенные в настоящее время электронные датчики (сенсоры) измеряют различные величины, такие как pH, цвет, температура или давление, что составляет только небольшую часть списка. Для систем, в которых требуется цепочка электронных датчиков, расположенных на большой длине, например от двадцати до тридцати километров, становится затруднительным подавать к ним питание. Традиционно подача питания к электронным датчикам требует прокладки электрического проводника от источника энергии к каждому электронному датчику. Обеспечение электронных датчиков питанием нереально для нефтегазовой промышленности. Например, проложенные на большое расстояние электрические проводники являются объектом воздействия значительного числа влияющих факторов и шумов, что снижает точность электронных датчиков.

Оптические волокна стали предпочтительным средством связи на больших расстояниях благодаря их превосходным параметрам по светопропусканию и простоте изготовления волокна длиной во много километров. Кроме того, передаваемый свет может быть использован для опроса датчиков, что устраняет необходимость в протяженных электрических проводниках. Это особенно важно в нефтегазовой промышленности, где в скважинах для мониторинга условий в стволе скважины используют цепочки электронных датчиков.

В результате в нефтегазовой промышленности пассивные волоконно-оптические датчики используют для проведения различных скважинных измерений, например измерений давления или температуры. Пакет оптических волокон, составляющих волоконно-оптическую систему, используют для передачи информации из скважин в процессе бурения, а также из скважин после их заканчивания. В оптическое волокно может быть введен одноточечный волоконно-оптический датчик температуры-давления. Отдельные оптические волокна подробно описаны в международной заявке PCT/US 04/28625 "Оптический датчик с совмещенными датчиками давления и температуры". Эта заявка целиком включена в данную заявку в качестве ссылки.

Дополнительно по длине оптического волокна может быть записана группа слабо отражающих внутриволоконных брэгговских решеток, или по длине оптического волокна может быть введен одноточечный датчик Фабри-Перо. По волокну направляется оптический сигнал, который отражается и (или) рассеивается в обратном направлении, чтобы быть принятым и проанализированным с целью определения распределения его параметров по длине оптического волокна. С использованием этой информации могут быть получены результаты скважинных измерений, включая, но не ограничиваясь этим, температуру, давление и химический состав среды.

Для слабо отражающих внутриволоконных брэгговсих решеток, записанных по длине оптического волокна, не существует эффективного несущего средства для решеток и размещения этих датчиков в скважине, поэтому существует потребность в создании такого средства.

Краткое изложение сущности изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в создании несущего средства для оптического волокна, на котором записана или другим способом нанесена группа оптических датчиков (сенсоров). Такие оптические волокна могут тянуться на большие расстояния и могут быть размещены в нефтяных или газовых скважинах.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематический вид в перспективе распределенных оптических датчиков на части толстостенной капиллярной трубки в соответствии с настоящим изобретением, причем сами оптоволоконные датчики для простоты не показаны;

на фиг.2 - сечение капиллярной трубки по линии 2-2 с фиг.1;

на фиг.3А - сечение капиллярной трубки по линии 3-3 с фиг.1;

на фиг.3В - другой вариант выполнения, соответствующий фиг.3А; и

на фиг.4 - другое сечение капиллярной трубки в продольном направлении по линии 4-4 с фиг.1.

Подробное описание предпочтительного варианта выполнения изобретения

Как показано на прилагаемых чертежах и подробно рассмотрено ниже, настоящее изобретение относится к оптическим датчикам, распределенным вдоль оптического волокна. В соответствии с настоящим изобретением на оптическом волокне сформирована группа датчиков температуры/давления. Хотя могут быть использованы любые типы датчиков, такие как внутренний или внешний датчик Фабри-Перо или внутриволоконные брэгговские решетки, предпочтительно использовать внутриволоконные брэгговские решетки, так как они могут быть легко записаны на оптическом волокне. Оптическое волокно с распределенными по ней оптическими датчиками предпочтительно опирают на боковую стенку капиллярной трубки. Оптический датчик и капиллярная трубка могут тянуться на большие расстояния, например в несколько километров или миль, и могут проходить на всю глубину нефтяной и газовой скважины. В предпочтительном варианте выполнения капиллярная трубка представляет собой толстостенную металлическую капиллярную трубку, обычно используемую для транспортировки дискретного оптического датчика (датчиков) давления и температуры, такого как внутренний или внешний датчик Фабри-Перо.

На фиг.1 представлена толстостенная металлическая капиллярная трубка 10. Капиллярная трубка 10 может быть любой длины, и в одном из иллюстративных вариантов трубка 10 имеет наружный диаметр примерно 0,250 дюйма (6,35 мм) и внутренний диаметр примерно 0,185 дюйма (4,70 мм). Может быть использована капиллярная трубка любой толщины при условии, что ее толщина достаточна для удержания оптического волокна и оптического датчика. Трубка 10 имеет продольную прорезь 12, проходящую по всей ее длине. Прорезь 12 должна иметь глубину, достаточную для того, чтобы в ней можно было нести оптическое волокно с оболочкой (оболочками), при этом толщину достаточно малую, чтобы не оказывать значительного влияния на конструктивную целостность капиллярной трубки 12. Обычно прорезь 12 может быть выполнена механической обработкой или прорезана в общераспространенной капиллярной трубке, как показано на фиг.2. Вдоль поверхности трубки 10 в заданных местах выполнены профилированные участки 14. Как лучше всего видно на фигурах 3А и 3В, часть боковой стенки трубки 10 удалена механической обработкой, так чтобы образовалась тонкостенная часть 16, действующая как мембрана, чувствительная к разнице давлений на ней. Тонкостенная часть 16 может иметь плоскую поверхность, как показано на фигурах 1 и 3А, или на поверхности тонкостенной части 16 может сохраняться прорезь 12, как показано на фиг.3В. Хотя показаны только два профилированных участка 14, на трубке 10 может быть выполнено любое их число. Расстояние между соседними профилированными участками 14 может быть выбрано таким, чтобы соответствовать местам, где необходимо проводить измерения давления и температуры. В одном из вариантов выполнения это расстояние может составлять пару сантиметров и более.

Альтернативно прорезь 12 может отсутствовать, и оптическое волокно может волнообразно прикрепляться непосредственно к капиллярной трубке 10 в виде змейки для поглощения теплового расширения (сжатия) трубки 10. Прикрепление может быть непрерывным или в отдельных точках.

На каждом профилированном участке 14 на оптическом волокне 20 может быть сформирован по меньшей мере один датчик, например внутриволоконная брэгговская решетка 18, как лучше всего видно на фиг.4. Внутриволоконная брэгговская решетка 18 скреплена с тонкостенной частью 16 известным способом, например лазерной сваркой или с помощью эпоксидного или другого клея, так чтобы при изгибе или деформации тонкостенной части 18 внутриволоконная брэгговская решетка также изгибалась или деформировалась. Внутриволоконная брэгговская решетка может быть покрыта металлом путем вакуумного осаждения металла на датчике или другим известным способом. Внутреннее пространство 22 предпочтительно герметизировано или оформлено таким образом, чтобы в нем сохранялось в основном постоянным опорное давление (P_ref). При изменении давления снаружи капиллярной трубки 10 разность давлений изгибает тонкостенную часть 16, действующую как мембрана. Внутриволоконная брэгговская решетка 18 также изгибается вместе с тонкостенной частью 16 и изменяет при этом частоту отраженного от нее оптического сигнала. Поверхностный измерительный блок (не показан) воспринимает измененную частоту и считывает значение давления на профилированном участке 14.

В альтернативном варианте выполнения капиллярная трубка 10 и внутреннее пространство 22 разделены на несколько герметичных сегментов, например, стенками или перегородками, перпендикулярными продольной оси капиллярной трубки аналогично стволу бамбука. На каждом сегменте может располагаться один или более оптический датчик. Преимущество разбиения внутреннего пространства 22 на сегменты заключается в том, что при его прорыве, то есть при воздействии на внутреннее пространство скважинного давления, такому воздействию подвергнется только нарушенная часть, а остальная часть капиллярной трубки останется герметичной, сохраняя работоспособность других оптических датчиков.

Между соседними профилированными участками 14 оптическое волокно 20 предпочтительно свободно уложено или помещено в прорезь 12, как лучше всего видно на фиг.4. Свободное расположение оптического волокна 20 между профилированными участками 14 создает запас для компенсации теплового расширения и сжатия металлической капиллярной трубки 10 и обеспечивает провис волокна, необходимый при намотке капиллярной трубки 10 на барабаны. Величина провиса может быть определена по коэффициенту теплового расширения материала капиллярной трубки 10 и (или) по радиусам барабанов. Дополнительно вблизи внутриволоконной брэгговской решетки 18 может размещаться вторая внутриволоконная брэгговская решетка 24, предназначенная для измерения изменений температуры. Другими словами, внутриволоконная брэгговская решетка 18 изгибается вместе с тонкостенной частью 16 при измерении давления (деформации), а внутриволоконная брэгговская решетка 24 измеряет изменения температуры для компенсации влияния температуры на показания решетки 18.

Так как оптическое волокно 20 тянется на большое расстояние, то можно ожидать, что на нем будет записано или нанесено другим способом большое число внутриволоконных брэгговских решеток. Раз так, то предпочтительно, чтобы были использованы самые современные способы обработки отраженных сигналов, получаемых с группы оптических датчиков. Такие современные способы описаны в патентной заявке US 11/222,357 "Система и способ мониторинга скважины", поданной 08.09.2005. Ее содержание целиком включено в данное описание в качестве ссылки. Среди прочих моментов в указанной заявке раскрыт способ физического уплотнения сигналов, в котором группу датчиков располагают по длине оптического волокна на каждой из сторон базисного отражателя. В этом способе соответствующие датчики помещают на расстоянии от отражателя, чтобы увеличить измеряемое расстояние. Дополнительно способ уплотнения сигнала может быть расширен, так чтобы объединить несколько измеряемых расстояний в одном оптическом волокне с целью увеличения общего измеряемого расстояния. В упомянутой заявке также рассмотрено сочетание способа физического уплотнения сигналов с разделением каналов по длинам волн, при котором каждому отдельному измеряемому расстоянию присваивается соответствие с единственной длиной волны, которая несколько отличается от длины волны для следующего измеряемого расстояния. Это может также увеличить измеряемое расстояние в зависимости от имеющегося числа разбиений по длинам волн. Сверх того дополнительная измеряемая длина может быть создана способом наложения частот, в котором чаще применяется узкополосная внутриволоконная брэгговская решетка, помещенная вне интервала дискретизации по Найквисту. Другие способы обработки сигнала рассмотрены в указанной патентной заявке '357 или процитированы в ней.

Хотя очевидно, что приведенные здесь иллюстративные варианты выполнения позволяют решить задачи настоящего изобретения, нужно понимать, что специалистами в данной области техники могут быть предложены многочисленные модификации рассмотренных вариантов, а также другие варианты выполнения. Например, капиллярная трубка 10 может быть заменена несущим элементом (оболочка) другой формы, такой как сферический или цилиндрический сосуд давления, которому придана профилированная форма с тонкостенными участками на нем. Дополнительно свойство (свойства) и (или) элемент (элементы) из любого варианта выполнения могут быть использованы отдельно или в сочетании со свойством (свойствами) и (или) элементом (элементами) из другого варианта (других вариантов). Поэтому должно быть понятно, что приложенная формула изобретения нацелена на охват всех таких модификаций и вариантов выполнения, соответствующих сущности и объему настоящего изобретения.