устройство для измерения температурного распределения в горизонтальной скважине

Формула изобретения

Устройство для измерения температурного распределения в скважине, содержащее импульсный источник оптического излучения, лазер, чувствительный элемент датчика в виде оптического волокна, узел обработки сигналов, включающий таймер, направленный оптический ответвитель, узел спектрального разделения, фотоприемные модули, фотоприемник синхронизации, аналого-цифровые преобразователи, аналого-цифровые накопители и компьютер, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен термоизмерительный узел, содержащий чувствительный датчик в виде хромель-копелевого компенсационного измерительного кабеля, связанного со вторичным прибором, при этом выход вторичного прибора соединен с входом преобразователя, а выход преобразователя связан с входом компьютера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для измерения температурного распределения в протяженных объектах и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности, например, для измерения температуры в горизонтальных добывающих битумных скважинах.

Известно устройство для измерения температурного распределения, включающее чувствительный датчик (термометр), связанный с каротажным кабелем, и приспособление для измерения температуры, размещаемое на поверхности. В процессе выполнения в скважине спуска-подъема каротажного кабеля с присоединенным к нему термометром осуществляется регистрация термограммы по стволу скважины (патент РФ № 2194855, МПК Е21В 47/00, опубл. 20.12.2002 г.).

Недостатком известного устройства является невозможность одновременной регистрации температуры по всему стволу скважины.

Известно устройство, содержащее чувствительный датчик (диагностический зонд), связанный с линией связи, измерительный блок, свободный конец линии связи связан с барабаном. Используется устройство для диагностики технологических каналов, скважин и трубопроводов (патент РФ № 2149467, МПК G21C 17/017, опубл. 20.05.2000 г.).

Недостатком известного устройства является невозможность одновременной регистрации температуры по всему технологическому каналу.

Известно волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения, включающее чувствительный элемент датчика в виде оптического волокна, импульсного источника оптического излучения, направленный ответвитель, устройство спектрального разделения и фотодетекторы (патент Великобритании GB 2140554 А, опубл. 28.11.1984 г.).

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения температурного распределения.

Наиболее близким является устройство для измерения температурного распределения, содержащее импульсный источник оптического излучения, включающий лазер, чувствительный элемент датчика в виде оптического волокна и узел обработки сигналов, включающий таймер, направленный оптический ответвитель, узел спектрального разделения и фотоприемные модули, причем дополнительно введен фотоприемник синхронизации, оптическое волокно чувствительного элемента датчика выполнено многомодовым, лазер импульсного источника оптического излучения является одномодовым волоконным с накачкой от полупроводникового лазера, направленный оптический ответвитель выполнен связывающим одномодовое и многомодовое оптические волокна, причем импульсный источник оптического излучения связан с одномодовым входом направленного оптического ответвителя, узел спектрального разделения связан с многомодовым входом направленного оптического ответвителя, фотоприемник синхронизации связан с одномодовым выходом оптического ответвителя, узел обработки сигналов дополнительно содержит аналого-цифровые преобразователи и цифровые накопители сигналов, при этом фотоприемные модули связаны с выходами узла спектрального разделения и с аналого-цифровыми преобразователями, выходы которых связаны с входами цифровых накопителей сигналов, а таймер связан с аналого-цифровыми преобразователями. Кроме этого, устройство снабжено узлом термостабилизации опорного отрезка многомодового оптического волокна, а одномодовый волоконный лазер выполнен на ионах редкоземельных элементов (патент РФ № 2221225, МПК G01K 11/32, опубл. 10.01.2004 г.).

Недостатком данного устройства является то, что в скважине при проведении подземного ремонта оптико-волоконный кабель необходимо отсоединять от соединительного кабеля, а после завершения работ заново соединять. Соединение кабелей производится специальной сварочной установкой. После соединения оптоволоконных кабелей необходима настройка показаний волоконно-оптического устройства, так как в местах соединения кабелей лазерное излучение искажается. Соответственно искажаются и данные, переданные на компьютер. Для настройки системы необходимо знать истинную температуру в какой-либо точке скважины. Для получения данной температуры вызывают геофизическую группу, которая спускает в скважину термометр, и по измеренной температуре производится настройка оптико-волоконного устройства.

Технической задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего настройку узла обработки сигналов без проведения дополнительного геофизического исследования, повышение точности измерения температурного распределения в скважине.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для измерения температурного распределения в скважине, содержащем импульсный источник оптического излучения, лазер, чувствительный элемент датчика в виде оптического волокна, узел обработки сигналов, включающий таймер, направленный оптический ответвитель, узел спектрального разделения, фотоприемные модули, фотоприемник синхранизации, аналого-цифровые преобразователи, аналого-цифровые накопители и компьютер, для определения контрольного значения температуры в скважине и корректировки сигналов оптоволоконного датчика, в устройство дополнительно введен термоизмерительный узел, содержащий чувствительный датчик в виде хромель-копелевого компенсационного измерительного кабеля, связанного со вторичным прибором, при этом выход вторичного прибора соединен с входом преобразователя, а выход преобразователя связан с входом компьютера.

Существенным отличительным признаком предлагаемого изобретения является наличие термоизмерительного узла, включающее чувствительный датчик в виде хромель-копелевого компенсационного измерительного кабеля, который связан соединительным хромель-копелевый кабелем с вторичным прибором, выход которого соединен с входом преобразователя, при этом выход преобразователя соединен с входом компьютера.

Благодаря дополнительному термоизмерительному узлу производится постоянный замер температуры в скважине в точке спая хромель-копели и передача сигналов на компьютер, где происходит сравнение показаний температуры оптоволоконного и хромель-копелевого датчиков, определяется погрешность оптоволоконного датчика, проводится корректировка показаний температуры оптоволоконного датчика.

На фиг.1 показана блок-схема устройства.

Устройство включает приспособление для измерения температуры и чувствительный элемент датчика 4 в виде многомодового оптического волокна. Приспособление для измерения температуры содержит источник накачки 1, импульсный одномодовый волоконный лазер 2, направленный оптический ответвитель 3, узел спектрального разделения, обратно рассеянного в волокне излучения 5, первый и второй фотоприемные модули 6, 7, первый и второй аналого-цифровые преобразователи 8, 9, первый и второй цифровые накопители сигналов 10, 11, цифровую шину 12, компьютер 13, фотоприемник синхронизации 14, таймер 15, блок термостабилизации 16, хромель-копелевый кабель 17, вторичный прибор 18, соединительный кабель 19, преобразователь 20, цифровую шину 21.

Хромель-копелевый измерительный кабель 17 крепится к оптоволоконному кабелю 4 хомутами (не показано).

Устройство работает следующим образом.

Перед спуском в горизонтальную скважину к многомодовому оптическому волокну 4 при помощи хомутов крепится хромель-копелевый измерительный кабель 17.

После расположения известным образом чувствительного элемента датчика 4 (многомодового оптического волокна) и хромель-копелевого измерительного кабеля в скважине включают источник накачки 1, и под действием излучения накачки происходит импульсная генерация лазера 2 в режиме релаксации. Лазерное излучение по одномодовому оптическому волокну поступает в направленный оптический ответвитель 3, а далее в многомодовое оптическое волокно (чувствительный элемент датчика 4). Соединение одномодового и многомодового оптических волокон в направленном ответвителе 3 обеспечивает малые потери при вводе излучения в многомодовое оптическое волокно из одномодового и при прохождении излучения в обратном направлении по многомодовому оптическому волокну (чувствительному элементу датчика 4). При распространении излучения по многомодовому оптическому волокну (чувствительному элементу датчика 4) происходит рассеяние излучения с преобладанием релеевской (несмещенной) компоненты и двух компонент комбинационного рассеяния (стоксовой и антистоксовой). Отношение интенсивности антистоксовой компоненты комбинационного рассеивания к интенсивности релеевского рассеяния или к интенсивности стоксовой компоненты комбинационного рассеивания есть функция абсолютной температуры соответствующего участка многомодового оптического волокна (чувствительного элемента датчика 4). Поэтому для получения температурного распределения в объекте измерения излучение рассеяния разделяется на спектральные компоненты узлом 5 спектрального разделения, каждая из которых принимается индивидуальным фотоприемным модулем 6, 7. Электрические сигналы с выхода модулей 6, 7 поступают в аналого-цифровые преобразователи 8, 9, оцифровываются, и затем происходит синхронное цифровое накопление сигналов для повышения отношения сигнал/шум в цифровых накопителях 10, 11. По объединяющей их цифровой шине 12 эти накопители отправляют накопленную информацию в компьютер 13.

Одновременно производят измерение температуры в скважине хромель-копелевым измерительным кабелем. Сигнал термоЭДС от хромель-копелевого измерительного кабеля 17 поступает во вторичный прибор 18, а затем в преобразователь 20, где он преобразуется в цифровой сигнал. От преобразователя 20 информация отправляется в компьютер 13, где происходит сравнение показателей температуры датчиков 4, 17, корректировка значений температуры датчика 4, производится вычисление температурного распределения, представление измерительной информации и ее хранение.

Конкретное исполнение и применение предлагаемого устройства осуществлено на скважине № 230 НГДУ «Нурлатнефть».

При помощи кольтюбинговой трубы в горизонтальной паронагнетательной скважине располагается оптоволоконный кабель диаметром 10 мм и длиной 760 м, к которому при помощи хомутов прикреплен хромель-копелевый измерительный кабель диаметром 3,0 мм и длиной 300 м. Оптоволоконный кабель соединен с ОИТВС-1 (радиометр обратного рассеивания - индикатор температурных возмущений среды), который включает в себя источник накачки 1, импульсный одномодовый волоконный лазер 2, направленный оптический ответвитель 3, узел спектрального разделения, обратно рассеянного в волокне излучения 5, первый и второй фотоприемные модули 6, 7, первый и второй аналого-цифровые преобразователи 8, 9, первый и второй цифровые накопители сигналов 10, 11, цифровую шину 12, компьютер 13, фотоприемник синхронизации 14, таймер 15, а хромель копелевый измерительный кабель 17 через вторичный прибор 18 и преобразователь 20 соединен с компьютером 13.

Данные измерений температурного распределения с использованием предлагаемого устройства подтвердились геофизическими исследованиями.

Предлагаемое устройство позволяет производить контроль и автоматическую корректировку значений температурного распределения в скважине.