專利名稱：用于對井內(nèi)的刮塞進行定位的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及用于完井的設備和方法。特別地，本發(fā)明涉及用于 對井眼中的固井設備例如水泥刮塞進行定位的設備和方法。更特別地，本 發(fā)明涉及用于確定井內(nèi)的水泥刮塞的位置的設備和方法。
背景技術：
在井已被鉆出后，石油工業(yè)中傳統(tǒng)實踐包括為井加襯金屬套管。因此 在套管與地層之間形成環(huán)形區(qū)域。然后，進行水泥固井操作，以用水泥充 填該環(huán)形區(qū)域。水泥和套管的結合加強井眼，且便于將地層的某些區(qū)域隔 離在套管之后，用于生產(chǎn)碳氫化合物。通常在井眼中采用一個以上的套管 柱。在該方面，當井鉆到第一指定深度時，在井眼中設置第一套管柱。第 一套管柱從地面下入，然后將水泥灌入到套管背后的環(huán)形區(qū)域中。隨后井 被鉆到第二指定深度，第二套管柱或襯管下到井中。第二套管柱被設定的 深度使得第二套管柱的上部分與第一套管柱的下部分重疊。然后，第二襯 管柱固定或保持在己存在的套管上。之后，第二套管柱也用水泥固定。通 常用另外的襯管柱重復該過程，直到井被鉆到總深度。通過采用這種方式， 井通常形成有兩個或更多個直徑逐漸減小的套管柱。
將襯管用水泥固定在井眼中的過程通常涉及使用襯管刮塞和鉆桿鏢
(drill-pipe dart)。刮塞通常限定出細長彈性本體，所述細長彈性本體用于 分離被泵送到井眼中的流體。襯管刮塞通常位于襯管的頂部內(nèi)，且隨襯管 下到施工管柱的底部的井眼中。襯管刮塞具有徑向刮件，以在刮塞沿著襯 管行進時接觸和刮擦襯管的內(nèi)側(cè)。襯管刮塞具有圓柱形孔，允許流體流過 所述圓柱形孔。
通常，固井操作需要使用兩個刮塞和鏢。當水泥準備好分配時，第一 鏢釋放到施工管柱中。水泥在鏢之后泵送，從而，將鏢移動到井下。鏢充 當水泥和鉆探流體之間的障礙物，以減小水泥的污染。隨著鏢向著井下行進，它坐設在第一襯管刮塞上且封閉通過第一刮塞的內(nèi)孔。源自鏢上方的 水泥的液壓促使鏢和刮塞脫離襯管，且沿著襯管一起泵送。在底部，第一 刮塞坐設在浮閥上，從而封隔通過浮閥的流體流動。在第一刮塞上方建立 壓力，直到足以使第一刮塞中的膜破裂。然后，水泥流過第一刮塞和浮閥 直到進入井眼和襯管之間的環(huán)形空間中。在已有足夠多的水泥被放置到井眼中之后，部署第二鏢。鉆探泥漿在 第二鏢之后泵送，以使第二鏢沿著施工管柱移動。第二鏢行進到井下，且 坐設在第二襯管刮塞。第二鏢上方的液壓促使第二鏢和第二刮塞脫離襯管， 且它們被沿著襯管一起泵送。這使第二刮塞前面的水泥移出襯管且進入環(huán) 形區(qū)。水泥移入環(huán)形區(qū)持續(xù)進行，直到第二刮塞坐設在浮閥上。然后，在 浮閥被移除之前，允許水泥凝固。該水泥固井操作也可需要使用單個刮塞和鏢前面操作的第一刮塞或 鏢被移除。在水泥固井操作過程中，需要知道第二刮塞/鏢在井眼中的位置，或至 少其在井眼中的運動。通常，刮塞的位置表示已排送到環(huán)形區(qū)域中的水泥 量。如果被排送的水泥不足(稱作"欠排送")，水泥將保留在套管中。如 果太多的水泥被移位(稱作"過排送")，環(huán)形區(qū)域的多個部分未被水泥固 定。一種確定刮塞位置的方法是通過測量在第二刮塞釋放之后被排送的體 積進行的。然后，將被排送的體積與根據(jù)套管或鉆桿的尺寸計算的排送體 積進行比較。排送量方法的缺點在于，它是非常不準確的，且未有效地給 出刮塞是以與在刮塞之后泵送的流體相同的速率移動的。套管和鉆桿通常 在制造時具有尺寸公差，這可導致計算的排送體積與實際的排送體積之間 存在明顯差異。此外，流體在操作過程中經(jīng)受通氣和壓縮，從而影響測量 的體積。另一種方法是加裝指示線，以顯示刮塞已被釋放。指示線長度通常為2至3英尺。其他方法使用機械擋隔指示器(flipper indicator)。在該方法中， 杠桿設置在刮塞容器下方。釋放的刮塞當經(jīng)過杠桿時將使杠桿移位。缺點 是，指示器線和機械升降指示器僅顯示刮塞已被釋放，而不顯示其位置。 又一方法是使用電磁或磁信號。通常，識別標記加裝到刮塞或鏢。當刮塞通過時，位于水泥頭下方的探測器拾取信號，以指示刮塞已發(fā)射。問 題在于，信號探測器不能長距離地跟蹤刮塞，且僅顯示刮塞已被移過探測 裝置。
另一方法描述于專利US6634425中。具有傳感器的水泥刮塞經(jīng)由導線 或采用無線傳輸方法，例如線纜、纖維光學或聲波，將測量值傳遞到地面 位置處。問題在于，水泥刮塞不能被部署用于長距離。
又一方法描述于專利申請US20040060697中。實際上，該系統(tǒng)是對用 于定位井眼中的刮塞的方法的改進，該系統(tǒng)不足夠，因為仍適用于"指示 線"方法。纖維光學方法用于定位刮塞。纖維光學方法中設有標記，以便 于讀取分配的長度?？蛇x地， 一個或多個滾子可設置在分配設備下方。隨 著纖維的分配，它將使?jié)L子轉(zhuǎn)動相應的距離。分配的纖維的長度由滾子產(chǎn) 生的回轉(zhuǎn)次數(shù)計算。通過纖維的分配長度而讀取刮塞的位置的問題是不是 非常準確，因為在操作時，在刮塞的重力或刮塞之后的鉆探泥漿的作用下， 纖維可伸長或張緊。此外，專利申請US20040060697公開了該缺點的修正 方法，其中，光學纖維線可配備一個或多個傳感器，以提供鏢的位置的更 準確的指示。單個分立傳感器設置在鏢附近的纖維上。鏢沿著下入管柱行 進，且連接到設置在地面處的分配設備。從地面發(fā)送的光學信號必須沿著 光纖行進整個距離，以到達傳感器。通常，該距離可通過測量信號從光學 信號源行進到傳感器然后返回到接收器所需的總時間確定。由于光纖的總 長度和分配的光纖的量是公知的，因此光纖由于張力產(chǎn)生的任何伸長可得 到充分補償。這樣，鏢的位置被實時確定。問題在于，該方法需要復雜的 裝置部署和困難的測量過程具有標記的光纖滾子、在一側(cè)的發(fā)射器/接收 器、和另一側(cè)的傳感器。
此外，專利US6561488描述了一種在管道中部署纜的方法，其通過抑 制纖維展開過程中的張力問題避免了傳統(tǒng)部署技術的主要缺點。然而，專 利US6561488未涉及刮塞的位置的測量。專利GB2119949和WO2082151 也描述了類似方法。
因此，需要一種用于對井眼中的刮塞進行定位的簡易設備。此外，需 要一種用于確定水泥組的參數(shù)的設備。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種用于確定井眼中的物體的 位置和/或位移的設備，包括固定到物體上的巻繞的光學纖維線(光纖) 的線巻、和光線發(fā)射器/接收器裝置，所述光線發(fā)射器/接收器裝置能夠產(chǎn)生 信號和測量所述信號在第二位置發(fā)生的變化；其中，光學纖維線在第一位 置固定到連接到光線發(fā)射器/接收器裝置的參考點，在第二位置從線巻展 開。線巻直接或經(jīng)由殼體固定到物體上。光線發(fā)射器/接收器是不僅限于可 見光的發(fā)射器/接收器，包括紫外輻射(近UV (380至200納米的波長)； 和/或遠或真空UV (200至10納米；FUV或VUV);和/或極端遠UV (1-31 納米；EUV或XUV))和紅外輻射(優(yōu)選O帶1260-1360納米；和/或E 帶1360-1460納米；禾口/或S帶1460-1530納米；禾口/或C帶1530-1565納米； 禾口/或L帶1565-1625納米；禾口/或U帶1625-1675納米)的其他電磁輻射也 包括在光線發(fā)射器/接收器中。線巻在物體的運動下展開。通過該原理，限 定出兩個點，與第一位置對應的參考點、與第二位置或動態(tài)物體的位置對 應的動態(tài)點。相應地，設備可測量動態(tài)物體的位置(深度)或動態(tài)物體的 運動或位移(速度、加速度)。參考點可以是靜態(tài)的或動態(tài)的；重要的是知 道該參考點在何處。該技術的主要優(yōu)點是能夠從單個光纖末端參考點對 物體進行定位。光線發(fā)射器/接收器裝置是一種能夠測量第二位置處的信號變化的裝 置。有效地，不必測量沿著整個光學纖維線的信號的變化；僅探知動態(tài)物 體的位置或位移的感興趣的變化是在第二位置處。信號變化可由于光學事 件使得產(chǎn)生，例如光學纖維線的形態(tài)結構的變化、更精確地光學纖維線中 的彎曲。存在加強光學事件的方法。首先，線巻可在其上具有短得足以在 第二位置產(chǎn)生彎曲部的巻繞直徑或曲率，從而，在第二位置處產(chǎn)生信號變 化。其次，附加元件可增加到第二位置，以在第二位置產(chǎn)生彎曲部，也在 第二位置產(chǎn)生信號變化。所有這些有利實施例確保了主光學事件位于第二 位置，且被更精確地探測到。優(yōu)選地，光線發(fā)射器/接收器裝置是一種屬于光時域反射儀(OTDR) 類型的裝置。有效地，反射儀將短但強的光脈沖從第一位置注入光學纖維線，且將測量隨著時間變化的反向散射和反射。在第二位置形成的彎曲將 確保產(chǎn)生將被反射儀探測到的衰減。優(yōu)選地，如果需要是低成本的，該光
線發(fā)射器/接收器裝置是一種光纖斷裂定位器(FBL)，它是被設計成僅探測 沿著光纖的斷裂的粗略簡單的反射儀。
本發(fā)明的設備適用于作為鏢或刮塞的目標。對于1310或1550納米的 光脈沖波長，線巻具有20-50毫米、優(yōu)選30-35毫米的直徑。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述設備可部署一個或多個傳感器，所述傳 感器檢測傳感器周圍的環(huán)境的特性。此外，光學纖維線連接到位于物體上 的傳感器。有效地，因為光纖已在地面與物體之間展開，因此，信號可沿 著光纖從地面?zhèn)鬟f到傳感器和從傳感器傳遞到地面。該第二實施例與定位 設備相兼容對于定位來說，光線發(fā)射器/接收器裝置僅關注在第二位置的 彎曲，對于傳感器，光線發(fā)射器/接收器裝置使用所有光纖傳遞和接收來自 傳感器的信號。物體可具有所有類型的傳感器和相關的電子器件包括電源， 以測量環(huán)境的物理參數(shù)溫度、壓力、pH、鹽度、密度、電阻率或電導率。 例如，當物體是刮塞時，傳感器可以是用于測量水泥候凝(WOC)的超聲 儀器。
更優(yōu)選地，傳感器是自供能的傳感器。相關的電子器件小且具有低的 能耗具有有限體積和有限的功率供給的傳感器使得其可具有最小的體積。 例如，傳感器可以是MEMS類型的。更優(yōu)選地，傳感器在功率供給方面是 自足的。例如，傳感器可以是光學傳感器類型的；當光學信號被發(fā)送到光 學傳感器，由所述傳感器反射的信號探知測量的物理參數(shù)。例如，傳感器 是屬于布拉格光柵傳感器類型的溫度傳感器和/或壓力傳感器。主要優(yōu)點在 于，不需要復雜或笨拙的電子器件或功率供給，以支持傳感器。所有電子 器件和分析部件在地面上，信號從地面發(fā)送到物體和內(nèi)嵌的傳感器，對在 地面上接收的反射信號進行分析，且探知物體上的傳感器附近的測量物理 參數(shù)。例如，物體是包括嵌設的布拉格光柵傳感器的刮塞，所述傳感器探 知時間的水泥性能的溫度，這是因為時間WOC的溫度分布函數(shù)可被測量。
還根據(jù)本發(fā)明的另一方面，設備可在物體上部署一個或多個要被致動 的致動器。
本發(fā)明還提供了一種用于確定井眼中的物體的位置和/或位移的方法，包括(i)在物體上固定巻繞的光學纖維線的線巻；(ii)將光學纖維線在 第一位置固定到參考點；(iii)移動物體，使得光學纖維線在第二位置從線 巻展開；(iv)從第一位置產(chǎn)生沿著光學纖維線的信號；(v)從第一位置測 量沿著光學纖維線的信號的變化，其中，信號的該變化探知出第二位置； (Vi)從該變化推導物體的位置和/或位移。當物體運動時或處于其靜止位 置時均可實現(xiàn)測量。優(yōu)選地，該方法還包括能夠在第二位置產(chǎn)生信號變化的固定結構。還 優(yōu)選地，該方法還包括從第一位置產(chǎn)生沿著光學纖維線的另一個或多個信 號的步驟。在另一實施例中，該方法還包括以下步驟(i)在物體上固定用于感 測物體周圍的環(huán)境的特性的裝置，且所述感測裝置連接到光學纖維線；以 及(ii)從信號變化推導物體周圍的環(huán)境特性。優(yōu)選地，至少兩個信號從第 一位置產(chǎn)生，且一個信號的測量變化探知第二位置，另一個信號的測量變 化探知物體周圍的環(huán)境特性。在又一實施例中，該方法還包括以下步驟(i)在物體上固定用于致 動物體的裝置，所述致動裝置連接到光學纖維線；以及(ii)從第一位置產(chǎn) 生沿著光學纖維線的用于致動物體的第二信號。本發(fā)明還提供了一種用于確定井眼中物體周圍環(huán)境的特性的方法，包 括(i)在物體上固定巻繞的光學纖維線的線巻；(ii)在物體上固定用于 感測物體周圍環(huán)境的特性的裝置，所述感測裝置連接到光學纖維線；(iii) 在第一位置將光學纖維線固定到參考點；(iv)移動物體，使得光學纖維線 在第二位置從線巻展開；(v)從第一位置產(chǎn)生沿著光學纖維線的一個或多 個信號；以及(vii)從該變化推導出物體周圍環(huán)境的特性和物體的位置。.本發(fā)明還提供了一種用于致動井眼中的物體的方法，包括(0在物體 上固定巻繞的光學纖維線的線巻；(ii)在第一位置將光學纖維線固定到參 考點;(iii)移動物體，使得光學纖維線在第二位置從線巻展開；(iv)從第 一位置產(chǎn)生沿著光學纖維線的一個或多個信號；(v)從第一位置測量一個 或多個信號的變化；以及(vi)從該變化推導出物體的位置；以及(vii) 從第一位置產(chǎn)生沿著光學纖維線的用于致動物體的第二信號。


可參看附圖理解本發(fā)明的其他實施例，附圖包括圖1示出的是示意圖，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例中的設備；以及圖2示出的是示意圖，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例中的設備。
具體實施方式
圖l是部署在設有套管的井眼l中的設備的視圖。示出了刮塞20，所 述刮塞20由于在刮塞之后被泵入的井眼流體例如鉆探泥漿而沿著井眼移 動。該刮塞將水泥與鉆探泥漿分離，以使水泥的污染最小化。當刮塞沿著 井眼移動時，在刮塞前面的水泥被排送到井眼中。巻繞在線巻40中的光學纖維線10或光纖加裝到刮塞的上部分；實際 中，線巻通過與光纖的末端對應的唯一的懸掛點5或通過線巻的一部分被 加裝或固定。線巻也可安裝在殼體或管殼(cartridge)中。重要的是，當刮 塞沿著井眼移動時，線巻和刮塞是相互關聯(lián)的，但光纖可從線巻展開。在 光纖的另一末端，光纖加裝或固定到第一位置4或參考點?？梢岳斫?，光 纖僅由于第二位置4'處的刮塞的運動而從線巻展開，所述第二位置對應于 動態(tài)點。光纖的上部分10A與展開光纖(在第一位置和第二位置之間)對 應，光纖的下部分10B與仍在線巻上的巻繞光纖對應。動態(tài)點與參考點或 者第二位置與第一位置探知出刮塞在井內(nèi)的位置或刮塞在井內(nèi)的位移速 率。使用光學纖維線10的一個優(yōu)點在于其尺寸，因為它可容易地安裝在 刮塞內(nèi)；以及另一方面的其脆性，因為它在水泥固井工作結束之后例如使 用鉆探工具可容易地被破壞，或因為它不會損壞其他昂貴工具。通常，光 纖比其他線制品例如線纜具有更小的外徑。同樣地，殘留在井眼中的任何 光纖可容易地被鉆碎，因此減少了與留在井眼中的材料相關的任何問題。 此外，光學纖維線當由其保護涂層保護時耐高溫和腐蝕性環(huán)境，從而在石 油工業(yè)中具有廣泛的應用。所使用的光學纖維線可為任何纖維光學類型多模式或單模式。優(yōu)選地，如果需要低成本，使用單模式光學纖維線。巻繞的光學纖維線的線巻40以這種方式制成，即，光纖的巻繞形式確保光纖可在光纖線巻上施加最小張力的情況下簡單地從線巻展開。通過從 刮塞而不是從地面展開線巻，光纖被沒有任何運動地部署在井眼內(nèi)。通過 這種方式，施加在光纖上的純粹機械力是來自鉆探泥漿流的拖曳力；沒有 另外的張力。巻繞形式不得不考慮到在周圍流體具有低或高的密度的情況 下展開可以以低的或高的速度操作。此外，要考慮的一個重要參數(shù)是，光 纖將要展開的方式。巻繞的光學纖維線的線巻以這種方式制成，即光纖的 巻繞形式確保部署的光纖具有已知的軌跡或曲線。線巻上的光纖的扭彎或 扭轉(zhuǎn)以及巻繞形式可相應地選擇。有效地，如圖1所示，光纖10的軌跡在 部分IOA上為直線或大致直線。諸如具有已知半徑或垂直間距的螺旋線的 軌跡也可使用。軌跡也可選擇成使光纖觸及井眼的壁螺旋線半徑大于井 眼半徑。也可選擇其他復雜軌跡。由于光纖的有利特性、尺寸和重量，在 展開過程中或有時在展開后，該軌跡將在井眼內(nèi)不改變。
除了光纖巻繞的方式和上一巻繞方式以外，可使用另外的措施固定或 卡住光纖的繞線專用膠、光纖的物理或化學處理。此外，光纖可被進一 步處理，以使它化學上具有抵抗力，且能夠在一定時間段(通常12小時) 內(nèi)經(jīng)受住井眼內(nèi)高速流動的固體顆粒的劇烈磨損。為此，光纖可被專門處 理或可被包封在保護套內(nèi)。此外，線巻可與支持光纖巻繞的殼體或分配管 殼關聯(lián)。殼體或管殼可直接加裝或固定到刮塞。
第一位置4位于水泥頭3內(nèi)，其是靜止點。從該第一位置，光纖經(jīng)由 饋通元件連接到光線發(fā)射器/接收器裝置12:低壓側(cè)連接到裝置12，高壓 側(cè)連接到光學纖維線10。光線發(fā)射器/接收器裝置是光時域反射儀(OTDR)。 ODTR是一種分析光纖中的光損失的儀器。工作原理在于，向光纖注入短 的、強的激光脈沖，并測量作為時間函數(shù)的光線的反向散射和反射。反射 的光線被分析，以確定任何光纖光學事件例如接合、斷裂或光纖終止的位 置。在通常被定義為光纖斷裂定位器(FBL)的較簡單的設計中，功能局 限于第一大光學事件的距離測量。優(yōu)選地，光線發(fā)射器/接收器裝置12是 FBL。
公知光纖的特性它具有足夠的精度計算展開的光纖(部分10A)的 長度或光纖的總長度(部分10A和10B)。例如，光纖的折射率是已知的， n=1.4752。當刮塞遠離水泥頭移動時，刮塞運動展開光纖。在井眼內(nèi)展開的光纖沒有可顯著削弱光脈沖的傳播的任何特征(部分IOA)。通過在與第 二位置4'對應的刮塞水平產(chǎn)生光學事件，F(xiàn)BL將給出刮塞的實際位置。在第一實施例中，線巻被使得具有小的巻繞直徑，或更精確地講，具 有小得足以被FBL探測到的直徑(臨界直徑dc或臨界半徑re, 2r^d》；有 效地，小的直徑產(chǎn)生可被FBL探測到的衰減。線巻直徑短得足以阻止光脈 沖的傳播。能夠阻止光脈沖的線巻直徑是脈沖波長的函數(shù)。線巻被看作第 一主光學事件，F(xiàn)BL將測量至線巻即刮塞的展開光纖的長度。然而，線巻 的直徑也不能夠太短；有效地降低線巻的直徑可將最大可測量距離限制為 不可接受的值。在第二實施例中，線巻已被專門修改成使線巻具有小得足以被FBL探 測到的所需最小曲率。因此，線巻可具有各種幾何形狀；重要的是，在該 線巻中具有的各種曲率內(nèi)，具有作為小得足以被FBL探測到的所需曲率的 最小曲率(接近r》。例如，線巻的形狀可以為具有所希望的曲率的橢圓形。 所希望的曲率小得足以阻止光脈沖的傳播。能阻止光脈沖的所希望的曲率 是脈沖波長的函數(shù)。在第三實施例中，線巻被制成具有這樣的直徑，該直徑不必小、甚至 大，不能阻止光脈沖和使用上述方法。在這種情況下，在第二位置4'增加 附加元件(圖中未示出)。附加元件與光纖展開通過的機械路徑對應，光纖 以短得足以阻止光脈沖的半徑彎曲。事實上，附加元件產(chǎn)生光學事件。附 加元件可簡單地是光纖經(jīng)過的成角形的管或成角形凸緣。能夠阻止光脈沖 的半徑是脈沖波長的函數(shù)。所有這些有利的實施例確保了主光學事件位于 第二位置，且被更精確地探測。在第四實施例中，光纖像在第二實施例中那樣以恒定的大的半徑R巻 繞，所述半徑大于臨界半徑fe，但具有大于l的截斷值(truncation) T (截 斷值l與接合圈(joint turn)對應)。因而，偶數(shù)和奇數(shù)光纖層被網(wǎng)狀化， 且光學事件在屬于相繼層的光纖圈的每個交叉部位產(chǎn)生。光纖直徑比巻繞 直徑小，可容易建立由兩個光纖的交叉產(chǎn)生的光纖彎曲半徑是線圈截斷 值T的反函數(shù)，該反函數(shù)可取比零大的任何整數(shù)值rcrossing=R/T。例如，截 斷值為3的30mm巻筒(spool)直徑與第一實施例中巻繞的10mm半徑巻 筒相比具有相同的光學響應。類似于第二實施例，光學事件沿著光纖均勻分布。分布周期小于OTDR的長度分辨率，巻筒制造工藝不會改變測量分 辨率。
該技術的主要優(yōu)點在于，可從單個光纖末端執(zhí)行該分析測量從地面 執(zhí)行，而不需要任何昂貴的井底設備， 一旦水泥凝固，該井底設備在鉆探 操作重新開始時會遭到破壞。
光纖能夠承受相對較高的拉力，但它們在光纖套層破壞時會變得非常 脆。重要地，考慮采用一種探測光纖斷裂的方法。如果光纖斷裂發(fā)生在部 分IOA處(因此，處于比之前測量的部位短的距離處)，光纖確實會產(chǎn)生斷 裂。如果光纖在部分10B處發(fā)生斷裂，則不可預先獲知旁路刮塞(by-passed plug)和斷裂光纖之間的差異。探測光纖斷裂的第一種解決方案包括分析接 收到的信號、和衰減。有效地，如上所述(短的線巻直徑、線巻的曲率、 產(chǎn)生彎曲或曲折的附加元件)，"虛構"的光學事件所發(fā)生的特性衰減與光 纖斷裂時所發(fā)生的衰減不同。該特性衰減將會探知出光纖斷裂與否。
第二種解決方案包括假定人們可測量真實的光纖長度，包括其巻繞部 分，同時具有刮塞位置。解決方案包括使用兩種波長，例如1550納米和1310 納米。在最長波長下，線巻產(chǎn)生大的衰減，而在最短波長下，線巻變得幾 乎無衰減。這樣，在最長波長下測量的光纖長度是第一位置和第二位置之 間的距離，而在最短波長下測量的光纖長度是真實光纖長度。對兩次測量 進行對比是確定未移動刮塞與斷裂光纖之間的差異的明確方式。
所述設備的一個方面在于，它可以確定刮塞的絕對或相對位置。有效 地，如上所述，光纖的巻繞形式確保展開光纖(部分10A)具有已知的軌 跡或曲線，F(xiàn)BL測量至刮塞的展開光纖的長度。當軌跡是直線時，從地面 至刮塞的展開光纖的長度與從地面至刮塞的刮塞深度之間直接相關，可給 出刮塞的絕對位置。通過采用相同的方式，從一個位置至第二位置的展開 光纖的長度可探知出刮塞從該第一位置至第二位置的相對位置。當軌跡是 螺旋線時或更復雜的曲線時，從地面至刮塞的展開光纖的長度與從地面至
刮塞的刮塞深度之間存^a^可給出刮塞的絕對位置。例如，對于軸線z
的螺旋線，它將是/ =,
'2;r.r、2
，P J+1，其中，l是展開光纖的長度，z是深度或 軸向位置，r是螺旋線的4徑，p是常數(shù)，給出螺旋圈的垂直間距。通過采用相同方式，可限定相對位置。該技術的主要優(yōu)點在于，可獲得刮塞的實 際位置或深度。設備的另一方面在于，它可確定刮塞的位移。有效地，如上所述，光纖的巻繞形式確保展開光纖(部分10A)具有已知軌跡或曲線，F(xiàn)BL測量 至刮塞的展開光纖的長度。因此，作為時間函數(shù)或深度函數(shù)的刮塞的速度 或加速度可被確定。執(zhí)行水泥固井工作的本領域普通技術人員還理解該方法甚至在位置精 度不準確時的應用。有效地，對于水泥固井工作，不需要對刮塞進行準確 定位，l米的精度過好，IO米的精度是良好的，100米的精度是足夠的?？?以理解，即使展開光纖的軌跡在井眼內(nèi)稍微改變或變化，它對于水泥固井 工作影響很低，因為僅重要的是知道刮塞是否位于某些區(qū)域。該方法具有 大的益處。此外，對于水泥固井工作，有時不需要定位，但刮塞到達它停 止或慢下來的某一位置。這樣，刮塞的相對速度的信息是足夠的。通過采 用這種方法，該方法也具有大的益處。圖2是部署在設有套管的井眼1中的稍有改進的設備的視圖設備部 署有一個或多個傳感器，探知刮塞周圍的環(huán)境、例如水泥的特性。圖1已 描述的所有特征仍適用。示出了刮塞20，由于井眼流體、例如泵送到刮塞 之后的鉆探泥漿，刮塞20沿著井眼移動。巻繞在線巻40中的光學纖維線 10或光纖加裝到刮塞的上部分。線巻40包括光纖5的末端，所述纖維的末 端連接到刮塞上的傳感器50。傳感器可與或不與水泥接觸。在纖維的另一 末端，纖維加裝或固定到第一位置4，或在此也對應靜止點的參考點?？梢?理解，纖維由于在第二位置4'處的刮塞的運動而從線巻展開，該第二位置 對應于動態(tài)點。光纖的上部分10A對應于展開纖維(在第一位置和第二位 置之間)，纖維的下部分IOB對應于仍在線巻中的巻繞纖維。第一位置4位于水泥頭3內(nèi)。從該第一位置，光纖連接到光時域反射 儀(OTDR)或光纖斷裂定位器(FBL)。當刮塞遠離水泥頭移動時，刮塞 運動展開光纖。在井眼內(nèi)展開的光纖長度不具有可停止光脈沖的傳播的任 何特性(部分10A)。通過在與第二位置4'對應的刮塞水平產(chǎn)生光學事件， FBL將給出至刮塞的展開光纖的長度。在第一位置4，分別由不同波長組成的至少兩個信號被注入光纖。最長波長通過第一主光學事件衰減，所述第一主光學事件通過任何上述技術產(chǎn) 生(短的線巻直徑、線巻的曲率、產(chǎn)生彎曲或曲折的附加元件)。而最短波 長一直傳播到光纖的末端。長波長對應的行進時間給出展開光纖至刮塞的 長度的測量值，而最短波長可到達嵌在刮塞內(nèi)的傳感器。刮塞內(nèi)嵌設的傳感器可監(jiān)測在移位過程中和候凝(woc)過程中的測量參數(shù)。更準確地講，要在這些固井階段中測量的參數(shù)是溫度。在刮塞運動過程中，它是評估溫度模擬的方便方式。在woc過程中，它可探測由于水泥凝固的放熱反應而引起的溫度增大。傳感器50是布拉格光柵傳感器類型的光學傳感器。布拉格光柵傳感器 通過圍繞光學纖維線的折射率的名義值調(diào)制光學纖維線的折射率實現(xiàn)。對 由以下關系限定的布拉格波長AB，它們充當選擇反射器Afl = 2tA;其中， n是光纖的折射率數(shù)，A是折射率調(diào)制的波長。A是溫度的線性函數(shù)，測量 布拉格波長XB是一種通常以1攝氏度測量布拉格光柵溫度的便利方法。該 技術的主要優(yōu)點在于，在位于地面的光纖末端處(第一位置4)遠程執(zhí)行測 量。在執(zhí)行溫度測量處的刮塞水平上僅需要布拉格光柵傳感器。許多其他物理參數(shù)可使用自供電的小型傳感器測量。相關的電子器件 是小的，且具有低的能耗具有有限的體積和有限的功率供給的傳感器使 得體積最小化。例如，傳感器可為MEMS類型的。傳感器在功率供給方面也可以是自給的，例如光學傳感器不需要傳統(tǒng)的昂貴的封裝，包括電子器件、電源和分析裝置。例如，布拉格光柵傳感器也可用于壓力測量。在另一個實施例中，多個光學傳感器可以以網(wǎng)絡或陣列的配置方式設 置，各個傳感器使用時分多路技術或頻分多路技術分路，這些傳感器可部 署在刮塞內(nèi)，或也著光纖布置。甚至，當使用布拉格光柵傳感器時，不需使用多路技術；多個布拉格光柵傳感器以串聯(lián)網(wǎng)絡布置，每個布拉格光柵 傳感器具有其波長，且通過光線發(fā)射器/接收器檢測。沿著光纖部署傳感器 的目的是以便可提供井眼中的測量值分布。此外，傳感器的網(wǎng)絡可使井眼 中的溫度、壓力、張力或流數(shù)據(jù)的空間分辨率增大。已在固井工作的情況下針對刮塞描述本發(fā)明，其中，刮塞的位置和/或 關于WOC的信息的確定是重要的。根據(jù)本發(fā)明的設備和方法的其他應用 包括將巻繞光纖的線巻加裝到在井內(nèi)移動的任何物體上，例如在井內(nèi)移動的穿孔槍，可取式封隔器或其他類型的工具，例如鉆探工具、記錄工具、 隨鉆記錄工具、隨鉆測量工具、測試工具；由鉆桿懸掛的任何類型的工具、 有線電纜、成盤管件。根據(jù)本發(fā)明的設備和方法的其他應用包括在靜止或 動態(tài)點的任何一個上固定第一位置，例如在海底或井底操作中。
在另一方面，光纖可用于將信號傳送到井底設備，以便使井底設備作 為操作器或致動器操作。在一個實施例中，光學纖維線可沿井眼設置。隨 后，信號可通過光纖傳輸，以例如操作閥或致動套筒。分別由不同波長組 成的至少兩個信號從地面注入光纖。最長波長由第一主光學事件反射，所 述第一主光學事件由上述任何技術產(chǎn)生(用線巻形成的彎曲或由附加元件 形成的彎曲)。而最短波長傳播到光纖的末端。長波長的行進時間給出刮塞 位置的測量值，而最短波長可到達刮塞內(nèi)的致動器。致動器可以是自給的、 僅通過波長致動，或可進一步連接到電子器件和電源，確保執(zhí)行該動作。
權利要求
1.一種用于確定井眼(1)中的物體(20)的位置和/或位移的設備，包括-卷繞的光學纖維線(10)的線卷(40)；-光線發(fā)射器/接收器裝置(12)，所述光線發(fā)射器/接收器裝置(12)能夠產(chǎn)生通過光學纖維線(10)的信號和測量所述信號的變化；其中，光學纖維線(10)在第一位置(4)固定到參考點，在第二位置(4’)從線卷展開；所述設備的特征在于-線卷(40)固定到物體上；-參考點連接到光線發(fā)射器/接收器裝置(12)；以及-光線發(fā)射器/接收器裝置(12)能夠測量所述信號在第二位置(4’)發(fā)生的變化。
2. 如權利要求1所述的設備，其特征在于，它還包括位于第二位置 (4')的附加元件，所述附加元件能夠使所述信號在第二位置(4')處發(fā)生變化。
3. 如權利要求1或2所述的設備，其特征在于，光線發(fā)射器/接收器 裝置是屬于光時域反射儀類型的裝置。
4. 如權利要求3所述的設備，其特征在于，光線發(fā)射器/接收器裝置 是光纖斷裂定位器。
5. 如權利要求1至4中任一所述的裝置，其特征在于，物體由鏢或 刮塞或軟球(softball)或刮擦球構成。
6. 如權利要求1至5中任一所述的裝置，其特征在于，光學纖維線還連接到位于物體上的傳感器(50)。
7. 如權利要求1至6中任一所述的裝置，其特征在于，光學纖維線 還包括始終位于光學纖維線上的傳感器(50)。
8. 如權利要求6或7所述的裝置，其特征在于，傳感器是自供能的 傳感器。
9. 如權利要求6或7所述的裝置，其特征在于，傳感器是屬于布拉 格光柵傳感器類型的溫度和/或壓力傳感器。
10. 如權利要求1至9中任一所述的裝置，其特征在于，光學纖維線 還連接到位于物體上的致動器(50)。
11. 一種用于確定井眼(1)中的物體(20)的位置和/或位移的方法， 包括(i) 固定巻繞的光學纖維線(10)的線巻(40);(ii) 在第一位置(4)將光學纖維線固定到參考點；(iii) 移動物體，使得光學纖維線在第二位置(4')從線巻展開；(iv) 產(chǎn)生沿著光學纖維線的信號；(V)測量沿著光學纖維線的所述信號的變化；(Vi)從所述變化推導物體的位置和/或位移； 所述方法的特征在于 -線巻(40)固定到物體； -信號從第一位置產(chǎn)生；-所述信號的變化從第一位置測量，所述信號的變化探知出第二位置(4，)。
12. 如權利要求11所述的方法，其特征在于，它還包括固定裝置，所述固定裝置能夠使所述信號在第二位置(4')發(fā)生變化。
13. 如權利要求11或12所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟(i) 在物體上固定用于感測物體周圍的環(huán)境的特性的裝置(50)，所 述用于感測的裝置連接到光學纖維線；以及(ii) 從所述信號的所述變化推導物體周圍的環(huán)境的特性。
14. 如權利要求11至13中任一所述的方法，其特征在于，它還包括 以下步驟從第一位置產(chǎn)生沿著光學纖維線的另一或更多信號。
15. 如權利要求14所述的方法，其特征在于，至少兩個信號從第一 位置產(chǎn)生， 一個信號的測量變化探知第二位置(4，)， 一個其他信號的測 量變化探知物體周圍的環(huán)境的特性。
16. 如權利要求11至15中任一所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟(i) 在物體上固定用于致動物體的裝置，所述用于致動的裝置連接到光學纖維線；以及(ii) 從第一位置產(chǎn)生沿著光學纖維線的第二信號，用于致動物體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于確定井眼(1)中的物體(20)的位置和/或位移的設備，包括卷繞的光學纖維線(10)(或光纖)的線卷(40)，所述線卷(40)固定到物體；以及光線發(fā)射器/接收器裝置(12)，所述光線發(fā)射器/接收器裝置(12)能夠產(chǎn)生信號和測量所述信號的變化；其中，光學光纖線在第一位置固定到連接于光線發(fā)射器/接收器裝置的參考點(4)，在第二位置從線卷展開。所述設備還可包括傳感器和/或致動器。因此，本發(fā)明公開了用于對井眼內(nèi)的物體進行定位的相關方法、用于確定井眼內(nèi)物體周圍的環(huán)境的特性的相關方法；以及用于致動井眼內(nèi)的物體的相關方法。
文檔編號E21B47/09GK101405474SQ200780010387
公開日2009年4月8日 申請日期2007年5月4日 優(yōu)先權日2006年5月12日
發(fā)明者P·維尼奧 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司