用于对井内的刮塞进行定位的方法和设备的制作方法

专利名称：用于对井内的刮塞进行定位的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于完井的设备和方法。特别地，本发明涉及用于 对井眼中的固井设备例如水泥刮塞进行定位的设备和方法。更特别地，本 发明涉及用于确定井内的水泥刮塞的位置的设备和方法。
背景技术：
在井已被钻出后，石油工业中传统实践包括为井加衬金属套管。因此 在套管与地层之间形成环形区域。然后，进行水泥固井操作，以用水泥充 填该环形区域。水泥和套管的结合加强井眼，且便于将地层的某些区域隔 离在套管之后，用于生产碳氢化合物。通常在井眼中采用一个以上的套管 柱。在该方面，当井钻到第一指定深度时，在井眼中设置第一套管柱。第 一套管柱从地面下入，然后将水泥灌入到套管背后的环形区域中。随后井 被钻到第二指定深度，第二套管柱或衬管下到井中。第二套管柱被设定的 深度使得第二套管柱的上部分与第一套管柱的下部分重叠。然后，第二衬 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 常用另外的衬管柱重复该过程，直到井被钻到总深度。通过采用这种方式， 井通常形成有两个或更多个直径逐渐减小的套管柱。
将衬管用水泥固定在井眼中的过程通常涉及使用衬管刮塞和钻杆镖
(drill-pipe dart)。刮塞通常限定出细长弹性本体，所述细长弹性本体用于 分离被泵送到井眼中的流体。衬管刮塞通常位于衬管的顶部内，且随衬管 下到施工管柱的底部的井眼中。衬管刮塞具有径向刮件，以在刮塞沿着衬 管行进时接触和刮擦衬管的内侧。衬管刮塞具有圆柱形孔，允许流体流过 所述圆柱形孔。
通常，固井操作需要使用两个刮塞和镖。当水泥准备好分配时，第一 镖释放到施工管柱中。水泥在镖之后泵送，从而，将镖移动到井下。镖充 当水泥和钻探流体之间的障碍物，以减小水泥的污染。随着镖向着井下行进，它坐设在第一衬管刮塞上且封闭通过第一刮塞的内孔。源自镖上方的 水泥的液压促使镖和刮塞脱离衬管，且沿着衬管一起泵送。在底部，第一 刮塞坐设在浮阀上，从而封隔通过浮阀的流体流动。在第一刮塞上方建立 压力，直到足以使第一刮塞中的膜破裂。然后，水泥流过第一刮塞和浮阀 直到进入井眼和衬管之间的环形空间中。在已有足够多的水泥被放置到井眼中之后，部署第二镖。钻探泥浆在 第二镖之后泵送，以使第二镖沿着施工管柱移动。第二镖行进到井下，且 坐设在第二衬管刮塞。第二镖上方的液压促使第二镖和第二刮塞脱离衬管， 且它们被沿着衬管一起泵送。这使第二刮塞前面的水泥移出衬管且进入环 形区。水泥移入环形区持续进行，直到第二刮塞坐设在浮阀上。然后，在 浮阀被移除之前，允许水泥凝固。该水泥固井操作也可需要使用单个刮塞和镖前面操作的第一刮塞或 镖被移除。在水泥固井操作过程中，需要知道第二刮塞/镖在井眼中的位置，或至 少其在井眼中的运动。通常，刮塞的位置表示已排送到环形区域中的水泥 量。如果被排送的水泥不足(称作"欠排送")，水泥将保留在套管中。如 果太多的水泥被移位(称作"过排送")，环形区域的多个部分未被水泥固 定。一种确定刮塞位置的方法是通过测量在第二刮塞释放之后被排送的体 积进行的。然后，将被排送的体积与根据套管或钻杆的尺寸计算的排送体 积进行比较。排送量方法的缺点在于，它是非常不准确的，且未有效地给 出刮塞是以与在刮塞之后泵送的流体相同的速率移动的。套管和钻杆通常 在制造时具有尺寸公差，这可导致计算的排送体积与实际的排送体积之间 存在明显差异。此外，流体在操作过程中经受通气和压縮，从而影响测量 的体积。另一种方法是加装指示线，以显示刮塞已被释放。指示线长度通常为2至3英尺。其他方法使用机械挡隔指示器(flipper indicator)。在该方法中， 杠杆设置在刮塞容器下方。释放的刮塞当经过杠杆时将使杠杆移位。缺点 是，指示器线和机械升降指示器仅显示刮塞已被释放，而不显示其位置。 又一方法是使用电磁或磁信号。通常，识别标记加装到刮塞或镖。当刮塞通过时，位于水泥头下方的探测器拾取信号，以指示刮塞已发射。问 题在于，信号探测器不能长距离地跟踪刮塞，且仅显示刮塞已被移过探测 装置。
另一方法描述于专利US6634425中。具有传感器的水泥刮塞经由导线 或采用无线传输方法，例如线缆、纤维光学或声波，将测量值传递到地面 位置处。问题在于，水泥刮塞不能被部署用于长距离。
又一方法描述于专利申请US20040060697中。实际上，该系统是对用 于定位井眼中的刮塞的方法的改进，该系统不足够，因为仍适用于"指示 线"方法。纤维光学方法用于定位刮塞。纤维光学方法中设有标记，以便 于读取分配的长度。可选地， 一个或多个滚子可设置在分配设备下方。随 着纤维的分配，它将使滚子转动相应的距离。分配的纤维的长度由滚子产 生的回转次数计算。通过纤维的分配长度而读取刮塞的位置的问题是不是 非常准确，因为在操作时，在刮塞的重力或刮塞之后的钻探泥浆的作用下， 纤维可伸长或张紧。此外，专利申请US20040060697公开了该缺点的修正 方法，其中，光学纤维线可配备一个或多个传感器，以提供镖的位置的更 准确的指示。单个分立传感器设置在镖附近的纤维上。镖沿着下入管柱行 进，且连接到设置在地面处的分配设备。从地面发送的光学信号必须沿着 光纤行进整个距离，以到达传感器。通常，该距离可通过测量信号从光学 信号源行进到传感器然后返回到接收器所需的总时间确定。由于光纤的总 长度和分配的光纤的量是公知的，因此光纤由于张力产生的任何伸长可得 到充分补偿。这样，镖的位置被实时确定。问题在于，该方法需要复杂的 装置部署和困难的测量过程具有标记的光纤滚子、在一侧的发射器/接收 器、和另一侧的传感器。
此外，专利US6561488描述了一种在管道中部署缆的方法，其通过抑 制纤维展开过程中的张力问题避免了传统部署技术的主要缺点。然而，专 利US6561488未涉及刮塞的位置的测量。专利GB2119949和WO2082151 也描述了类似方法。
因此，需要一种用于对井眼中的刮塞进行定位的简易设备。此外，需 要一种用于确定水泥组的参数的设备。发明内容根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于确定井眼中的物体的 位置和/或位移的设备，包括固定到物体上的巻绕的光学纤维线(光纤) 的线巻、和光线发射器/接收器装置，所述光线发射器/接收器装置能够产生 信号和测量所述信号在第二位置发生的变化；其中，光学纤维线在第一位 置固定到连接到光线发射器/接收器装置的参考点，在第二位置从线巻展 开。线巻直接或经由壳体固定到物体上。光线发射器/接收器是不仅限于可 见光的发射器/接收器，包括紫外辐射(近UV (380至200纳米的波长)； 和/或远或真空UV (200至10纳米；FUV或VUV);和/或极端远UV (1-31 纳米；EUV或XUV))和红外辐射(优选O带1260-1360纳米；和/或E 带1360-1460纳米；禾口/或S带1460-1530纳米；禾口/或C带1530-1565纳米； 禾口/或L带1565-1625纳米；禾口/或U带1625-1675纳米)的其他电磁辐射也 包括在光线发射器/接收器中。线巻在物体的运动下展开。通过该原理，限 定出两个点，与第一位置对应的参考点、与第二位置或动态物体的位置对 应的动态点。相应地，设备可测量动态物体的位置(深度)或动态物体的 运动或位移(速度、加速度)。参考点可以是静态的或动态的；重要的是知 道该参考点在何处。该技术的主要优点是能够从单个光纤末端参考点对 物体进行定位。光线发射器/接收器装置是一种能够测量第二位置处的信号变化的装 置。有效地，不必测量沿着整个光学纤维线的信号的变化；仅探知动态物 体的位置或位移的感兴趣的变化是在第二位置处。信号变化可由于光学事 件使得产生，例如光学纤维线的形态结构的变化、更精确地光学纤维线中 的弯曲。存在加强光学事件的方法。首先，线巻可在其上具有短得足以在 第二位置产生弯曲部的巻绕直径或曲率，从而，在第二位置处产生信号变 化。其次，附加元件可增加到第二位置，以在第二位置产生弯曲部，也在 第二位置产生信号变化。所有这些有利实施例确保了主光学事件位于第二 位置，且被更精确地探测到。优选地，光线发射器/接收器装置是一种属于光时域反射仪(OTDR) 类型的装置。有效地，反射仪将短但强的光脉冲从第一位置注入光学纤维线，且将测量随着时间变化的反向散射和反射。在第二位置形成的弯曲将 确保产生将被反射仪探测到的衰减。优选地，如果需要是低成本的，该光
线发射器/接收器装置是一种光纤断裂定位器(FBL)，它是被设计成仅探测 沿着光纤的断裂的粗略简单的反射仪。
本发明的设备适用于作为镖或刮塞的目标。对于1310或1550纳米的 光脉冲波长，线巻具有20-50毫米、优选30-35毫米的直径。
根据本发明的另一方面，所述设备可部署一个或多个传感器，所述传 感器检测传感器周围的环境的特性。此外，光学纤维线连接到位于物体上 的传感器。有效地，因为光纤已在地面与物体之间展开，因此，信号可沿 着光纤从地面传递到传感器和从传感器传递到地面。该第二实施例与定位 设备相兼容对于定位来说，光线发射器/接收器装置仅关注在第二位置的 弯曲，对于传感器，光线发射器/接收器装置使用所有光纤传递和接收来自 传感器的信号。物体可具有所有类型的传感器和相关的电子器件包括电源， 以测量环境的物理参数温度、压力、pH、盐度、密度、电阻率或电导率。 例如，当物体是刮塞时，传感器可以是用于测量水泥候凝(WOC)的超声 仪器。
更优选地，传感器是自供能的传感器。相关的电子器件小且具有低的 能耗具有有限体积和有限的功率供给的传感器使得其可具有最小的体积。 例如，传感器可以是MEMS类型的。更优选地，传感器在功率供给方面是 自足的。例如，传感器可以是光学传感器类型的；当光学信号被发送到光 学传感器，由所述传感器反射的信号探知测量的物理参数。例如，传感器 是属于布拉格光栅传感器类型的温度传感器和/或压力传感器。主要优点在 于，不需要复杂或笨拙的电子器件或功率供给，以支持传感器。所有电子 器件和分析部件在地面上，信号从地面发送到物体和内嵌的传感器，对在 地面上接收的反射信号进行分析，且探知物体上的传感器附近的测量物理 参数。例如，物体是包括嵌设的布拉格光栅传感器的刮塞，所述传感器探 知时间的水泥性能的温度，这是因为时间WOC的温度分布函数可被测量。
还根据本发明的另一方面，设备可在物体上部署一个或多个要被致动 的致动器。
本发明还提供了一种用于确定井眼中的物体的位置和/或位移的方法，包括(i)在物体上固定巻绕的光学纤维线的线巻；(ii)将光学纤维线在 第一位置固定到参考点；(iii)移动物体，使得光学纤维线在第二位置从线 巻展开；(iv)从第一位置产生沿着光学纤维线的信号；(v)从第一位置测 量沿着光学纤维线的信号的变化，其中，信号的该变化探知出第二位置； (Vi)从该变化推导物体的位置和/或位移。当物体运动时或处于其静止位 置时均可实现测量。优选地，该方法还包括能够在第二位置产生信号变化的固定结构。还 优选地，该方法还包括从第一位置产生沿着光学纤维线的另一个或多个信 号的步骤。在另一实施例中，该方法还包括以下步骤(i)在物体上固定用于感 测物体周围的环境的特性的装置，且所述感测装置连接到光学纤维线；以 及(ii)从信号变化推导物体周围的环境特性。优选地，至少两个信号从第 一位置产生，且一个信号的测量变化探知第二位置，另一个信号的测量变 化探知物体周围的环境特性。在又一实施例中，该方法还包括以下步骤(i)在物体上固定用于致 动物体的装置，所述致动装置连接到光学纤维线；以及(ii)从第一位置产 生沿着光学纤维线的用于致动物体的第二信号。本发明还提供了一种用于确定井眼中物体周围环境的特性的方法，包 括(i)在物体上固定巻绕的光学纤维线的线巻；(ii)在物体上固定用于 感测物体周围环境的特性的装置，所述感测装置连接到光学纤维线；(iii) 在第一位置将光学纤维线固定到参考点；(iv)移动物体，使得光学纤维线 在第二位置从线巻展开；(v)从第一位置产生沿着光学纤维线的一个或多 个信号；以及(vii)从该变化推导出物体周围环境的特性和物体的位置。.本发明还提供了一种用于致动井眼中的物体的方法，包括(0在物体 上固定巻绕的光学纤维线的线巻；(ii)在第一位置将光学纤维线固定到参 考点;(iii)移动物体，使得光学纤维线在第二位置从线巻展开；(iv)从第 一位置产生沿着光学纤维线的一个或多个信号；(v)从第一位置测量一个 或多个信号的变化；以及(vi)从该变化推导出物体的位置；以及(vii) 从第一位置产生沿着光学纤维线的用于致动物体的第二信号。


可参看附图理解本发明的其他实施例，附图包括图1示出的是示意图，图中示出了根据本发明的第一实施例中的设备；以及图2示出的是示意图，图中示出了根据本发明的第二实施例中的设备。
具体实施方式
图l是部署在设有套管的井眼l中的设备的视图。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体例如钻探泥浆而沿着井眼移 动。该刮塞将水泥与钻探泥浆分离，以使水泥的污染最小化。当刮塞沿着 井眼移动时，在刮塞前面的水泥被排送到井眼中。巻绕在线巻40中的光学纤维线10或光纤加装到刮塞的上部分；实际 中，线巻通过与光纤的末端对应的唯一的悬挂点5或通过线巻的一部分被 加装或固定。线巻也可安装在壳体或管壳(cartridge)中。重要的是，当刮 塞沿着井眼移动时，线巻和刮塞是相互关联的，但光纤可从线巻展开。在 光纤的另一末端，光纤加装或固定到第一位置4或参考点。可以理解，光 纤仅由于第二位置4'处的刮塞的运动而从线巻展开，所述第二位置对应于 动态点。光纤的上部分10A与展开光纤(在第一位置和第二位置之间)对 应，光纤的下部分10B与仍在线巻上的巻绕光纤对应。动态点与参考点或 者第二位置与第一位置探知出刮塞在井内的位置或刮塞在井内的位移速 率。使用光学纤维线10的一个优点在于其尺寸，因为它可容易地安装在 刮塞内；以及另一方面的其脆性，因为它在水泥固井工作结束之后例如使 用钻探工具可容易地被破坏，或因为它不会损坏其他昂贵工具。通常，光 纤比其他线制品例如线缆具有更小的外径。同样地，残留在井眼中的任何 光纤可容易地被钻碎，因此减少了与留在井眼中的材料相关的任何问题。 此外，光学纤维线当由其保护涂层保护时耐高温和腐蚀性环境，从而在石 油工业中具有广泛的应用。所使用的光学纤维线可为任何纤维光学类型多模式或单模式。优选地，如果需要低成本，使用单模式光学纤维线。巻绕的光学纤维线的线巻40以这种方式制成，即，光纤的巻绕形式确保光纤可在光纤线巻上施加最小张力的情况下简单地从线巻展开。通过从 刮塞而不是从地面展开线巻，光纤被没有任何运动地部署在井眼内。通过 这种方式，施加在光纤上的纯粹机械力是来自钻探泥浆流的拖曳力；没有 另外的张力。巻绕形式不得不考虑到在周围流体具有低或高的密度的情况 下展开可以以低的或高的速度操作。此外，要考虑的一个重要参数是，光 纤将要展开的方式。巻绕的光学纤维线的线巻以这种方式制成，即光纤的 巻绕形式确保部署的光纤具有已知的轨迹或曲线。线巻上的光纤的扭弯或 扭转以及巻绕形式可相应地选择。有效地，如图1所示，光纤10的轨迹在 部分IOA上为直线或大致直线。诸如具有已知半径或垂直间距的螺旋线的 轨迹也可使用。轨迹也可选择成使光纤触及井眼的壁螺旋线半径大于井 眼半径。也可选择其他复杂轨迹。由于光纤的有利特性、尺寸和重量，在 展开过程中或有时在展开后，该轨迹将在井眼内不改变。
除了光纤巻绕的方式和上一巻绕方式以外，可使用另外的措施固定或 卡住光纤的绕线专用胶、光纤的物理或化学处理。此外，光纤可被进一 步处理，以使它化学上具有抵抗力，且能够在一定时间段(通常12小时) 内经受住井眼内高速流动的固体颗粒的剧烈磨损。为此，光纤可被专门处 理或可被包封在保护套内。此外，线巻可与支持光纤巻绕的壳体或分配管 壳关联。壳体或管壳可直接加装或固定到刮塞。
第一位置4位于水泥头3内，其是静止点。从该第一位置，光纤经由 馈通元件连接到光线发射器/接收器装置12:低压侧连接到装置12，高压 侧连接到光学纤维线10。光线发射器/接收器装置是光时域反射仪(OTDR)。 ODTR是一种分析光纤中的光损失的仪器。工作原理在于，向光纤注入短 的、强的激光脉冲，并测量作为时间函数的光线的反向散射和反射。反射 的光线被分析，以确定任何光纤光学事件例如接合、断裂或光纤终止的位 置。在通常被定义为光纤断裂定位器(FBL)的较简单的设计中，功能局 限于第一大光学事件的距离测量。优选地，光线发射器/接收器装置12是 FBL。
公知光纤的特性它具有足够的精度计算展开的光纤(部分10A)的 长度或光纤的总长度(部分10A和10B)。例如，光纤的折射率是已知的， n=1.4752。当刮塞远离水泥头移动时，刮塞运动展开光纤。在井眼内展开的光纤没有可显著削弱光脉冲的传播的任何特征(部分IOA)。通过在与第 二位置4'对应的刮塞水平产生光学事件，FBL将给出刮塞的实际位置。在第一实施例中，线巻被使得具有小的巻绕直径，或更精确地讲，具 有小得足以被FBL探测到的直径(临界直径dc或临界半径re, 2r^d》；有 效地，小的直径产生可被FBL探测到的衰减。线巻直径短得足以阻止光脉 冲的传播。能够阻止光脉冲的线巻直径是脉冲波长的函数。线巻被看作第 一主光学事件，FBL将测量至线巻即刮塞的展开光纤的长度。然而，线巻 的直径也不能够太短；有效地降低线巻的直径可将最大可测量距离限制为 不可接受的值。在第二实施例中，线巻已被专门修改成使线巻具有小得足以被FBL探 测到的所需最小曲率。因此，线巻可具有各种几何形状；重要的是，在该 线巻中具有的各种曲率内，具有作为小得足以被FBL探测到的所需曲率的 最小曲率(接近r》。例如，线巻的形状可以为具有所希望的曲率的椭圆形。 所希望的曲率小得足以阻止光脉冲的传播。能阻止光脉冲的所希望的曲率 是脉冲波长的函数。在第三实施例中，线巻被制成具有这样的直径，该直径不必小、甚至 大，不能阻止光脉冲和使用上述方法。在这种情况下，在第二位置4'增加 附加元件(图中未示出)。附加元件与光纤展开通过的机械路径对应，光纤 以短得足以阻止光脉冲的半径弯曲。事实上，附加元件产生光学事件。附 加元件可简单地是光纤经过的成角形的管或成角形凸缘。能够阻止光脉冲 的半径是脉冲波长的函数。所有这些有利的实施例确保了主光学事件位于 第二位置，且被更精确地探测。在第四实施例中，光纤像在第二实施例中那样以恒定的大的半径R巻 绕，所述半径大于临界半径fe，但具有大于l的截断值(truncation) T (截 断值l与接合圈(joint turn)对应)。因而，偶数和奇数光纤层被网状化， 且光学事件在属于相继层的光纤圈的每个交叉部位产生。光纤直径比巻绕 直径小，可容易建立由两个光纤的交叉产生的光纤弯曲半径是线圈截断 值T的反函数，该反函数可取比零大的任何整数值rcrossing=R/T。例如，截 断值为3的30mm巻筒(spool)直径与第一实施例中巻绕的10mm半径巻 筒相比具有相同的光学响应。类似于第二实施例，光学事件沿着光纤均匀分布。分布周期小于OTDR的长度分辨率，巻筒制造工艺不会改变测量分 辨率。
该技术的主要优点在于，可从单个光纤末端执行该分析测量从地面 执行，而不需要任何昂贵的井底设备， 一旦水泥凝固，该井底设备在钻探 操作重新开始时会遭到破坏。
光纤能够承受相对较高的拉力，但它们在光纤套层破坏时会变得非常 脆。重要地，考虑采用一种探测光纤断裂的方法。如果光纤断裂发生在部 分IOA处(因此，处于比之前测量的部位短的距离处)，光纤确实会产生断 裂。如果光纤在部分10B处发生断裂，则不可预先获知旁路刮塞(by-passed plug)和断裂光纤之间的差异。探测光纤断裂的第一种解决方案包括分析接 收到的信号、和衰减。有效地，如上所述(短的线巻直径、线巻的曲率、 产生弯曲或曲折的附加元件)，"虚构"的光学事件所发生的特性衰减与光 纤断裂时所发生的衰减不同。该特性衰减将会探知出光纤断裂与否。
第二种解决方案包括假定人们可测量真实的光纤长度，包括其巻绕部 分，同时具有刮塞位置。解决方案包括使用两种波长，例如1550纳米和1310 纳米。在最长波长下，线巻产生大的衰减，而在最短波长下，线巻变得几 乎无衰减。这样，在最长波长下测量的光纤长度是第一位置和第二位置之 间的距离，而在最短波长下测量的光纤长度是真实光纤长度。对两次测量 进行对比是确定未移动刮塞与断裂光纤之间的差异的明确方式。
所述设备的一个方面在于，它可以确定刮塞的绝对或相对位置。有效 地，如上所述，光纤的巻绕形式确保展开光纤(部分10A)具有已知的轨 迹或曲线，FBL测量至刮塞的展开光纤的长度。当轨迹是直线时，从地面 至刮塞的展开光纤的长度与从地面至刮塞的刮塞深度之间直接相关，可给 出刮塞的绝对位置。通过采用相同的方式，从一个位置至第二位置的展开 光纤的长度可探知出刮塞从该第一位置至第二位置的相对位置。当轨迹是 螺旋线时或更复杂的曲线时，从地面至刮塞的展开光纤的长度与从地面至
刮塞的刮塞深度之间存^a^可给出刮塞的绝对位置。例如，对于轴线z
的螺旋线，它将是/ =,
'2;r.r、2
，P J+1，其中，l是展开光纤的长度，z是深度或 轴向位置，r是螺旋线的4径，p是常数，给出螺旋圈的垂直间距。通过采用相同方式，可限定相对位置。该技术的主要优点在于，可获得刮塞的实 际位置或深度。设备的另一方面在于，它可确定刮塞的位移。有效地，如上所述，光纤的巻绕形式确保展开光纤(部分10A)具有已知轨迹或曲线，FBL测量 至刮塞的展开光纤的长度。因此，作为时间函数或深度函数的刮塞的速度 或加速度可被确定。执行水泥固井工作的本领域普通技术人员还理解该方法甚至在位置精 度不准确时的应用。有效地，对于水泥固井工作，不需要对刮塞进行准确 定位，l米的精度过好，IO米的精度是良好的，100米的精度是足够的。可 以理解，即使展开光纤的轨迹在井眼内稍微改变或变化，它对于水泥固井 工作影响很低，因为仅重要的是知道刮塞是否位于某些区域。该方法具有 大的益处。此外，对于水泥固井工作，有时不需要定位，但刮塞到达它停 止或慢下来的某一位置。这样，刮塞的相对速度的信息是足够的。通过采 用这种方法，该方法也具有大的益处。图2是部署在设有套管的井眼1中的稍有改进的设备的视图设备部 署有一个或多个传感器，探知刮塞周围的环境、例如水泥的特性。图1已 描述的所有特征仍适用。示出了刮塞20，由于井眼流体、例如泵送到刮塞 之后的钻探泥浆，刮塞20沿着井眼移动。巻绕在线巻40中的光学纤维线 10或光纤加装到刮塞的上部分。线巻40包括光纤5的末端，所述纤维的末 端连接到刮塞上的传感器50。传感器可与或不与水泥接触。在纤维的另一 末端，纤维加装或固定到第一位置4，或在此也对应静止点的参考点。可以 理解，纤维由于在第二位置4'处的刮塞的运动而从线巻展开，该第二位置 对应于动态点。光纤的上部分10A对应于展开纤维(在第一位置和第二位 置之间)，纤维的下部分IOB对应于仍在线巻中的巻绕纤维。第一位置4位于水泥头3内。从该第一位置，光纤连接到光时域反射 仪(OTDR)或光纤断裂定位器(FBL)。当刮塞远离水泥头移动时，刮塞 运动展开光纤。在井眼内展开的光纤长度不具有可停止光脉冲的传播的任 何特性(部分10A)。通过在与第二位置4'对应的刮塞水平产生光学事件， FBL将给出至刮塞的展开光纤的长度。在第一位置4，分别由不同波长组成的至少两个信号被注入光纤。最长波长通过第一主光学事件衰减，所述第一主光学事件通过任何上述技术产 生(短的线巻直径、线巻的曲率、产生弯曲或曲折的附加元件)。而最短波 长一直传播到光纤的末端。长波长对应的行进时间给出展开光纤至刮塞的 长度的测量值，而最短波长可到达嵌在刮塞内的传感器。刮塞内嵌设的传感器可监测在移位过程中和候凝(woc)过程中的测量参数。更准确地讲，要在这些固井阶段中测量的参数是温度。在刮塞运动过程中，它是评估温度模拟的方便方式。在woc过程中，它可探测由于水泥凝固的放热反应而引起的温度增大。传感器50是布拉格光栅传感器类型的光学传感器。布拉格光栅传感器 通过围绕光学纤维线的折射率的名义值调制光学纤维线的折射率实现。对 由以下关系限定的布拉格波长AB，它们充当选择反射器Afl = 2tA;其中， n是光纤的折射率数，A是折射率调制的波长。A是温度的线性函数，测量 布拉格波长XB是一种通常以1摄氏度测量布拉格光栅温度的便利方法。该 技术的主要优点在于，在位于地面的光纤末端处(第一位置4)远程执行测 量。在执行温度测量处的刮塞水平上仅需要布拉格光栅传感器。许多其他物理参数可使用自供电的小型传感器测量。相关的电子器件 是小的，且具有低的能耗具有有限的体积和有限的功率供给的传感器使 得体积最小化。例如，传感器可为MEMS类型的。传感器在功率供给方面也可以是自给的，例如光学传感器不需要传统的昂贵的封装，包括电子器件、电源和分析装置。例如，布拉格光栅传感器也可用于压力测量。在另一个实施例中，多个光学传感器可以以网络或阵列的配置方式设 置，各个传感器使用时分多路技术或频分多路技术分路，这些传感器可部 署在刮塞内，或也着光纤布置。甚至，当使用布拉格光栅传感器时，不需使用多路技术；多个布拉格光栅传感器以串联网络布置，每个布拉格光栅 传感器具有其波长，且通过光线发射器/接收器检测。沿着光纤部署传感器 的目的是以便可提供井眼中的测量值分布。此外，传感器的网络可使井眼 中的温度、压力、张力或流数据的空间分辨率增大。已在固井工作的情况下针对刮塞描述本发明，其中，刮塞的位置和/或 关于WOC的信息的确定是重要的。根据本发明的设备和方法的其他应用 包括将巻绕光纤的线巻加装到在井内移动的任何物体上，例如在井内移动的穿孔枪，可取式封隔器或其他类型的工具，例如钻探工具、记录工具、 随钻记录工具、随钻测量工具、测试工具；由钻杆悬挂的任何类型的工具、 有线电缆、成盘管件。根据本发明的设备和方法的其他应用包括在静止或 动态点的任何一个上固定第一位置，例如在海底或井底操作中。
在另一方面，光纤可用于将信号传送到井底设备，以便使井底设备作 为操作器或致动器操作。在一个实施例中，光学纤维线可沿井眼设置。随 后，信号可通过光纤传输，以例如操作阀或致动套筒。分别由不同波长组 成的至少两个信号从地面注入光纤。最长波长由第一主光学事件反射，所 述第一主光学事件由上述任何技术产生(用线巻形成的弯曲或由附加元件 形成的弯曲)。而最短波长传播到光纤的末端。长波长的行进时间给出刮塞 位置的测量值，而最短波长可到达刮塞内的致动器。致动器可以是自给的、 仅通过波长致动，或可进一步连接到电子器件和电源，确保执行该动作。
权利要求
1.一种用于确定井眼(1)中的物体(20)的位置和/或位移的设备，包括-卷绕的光学纤维线(10)的线卷(40)；-光线发射器/接收器装置(12)，所述光线发射器/接收器装置(12)能够产生通过光学纤维线(10)的信号和测量所述信号的变化；其中，光学纤维线(10)在第一位置(4)固定到参考点，在第二位置(4’)从线卷展开；所述设备的特征在于-线卷(40)固定到物体上；-参考点连接到光线发射器/接收器装置(12)；以及-光线发射器/接收器装置(12)能够测量所述信号在第二位置(4’)发生的变化。
2. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，它还包括位于第二位置 (4')的附加元件，所述附加元件能够使所述信号在第二位置(4')处发生变化。
3. 如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，光线发射器/接收器 装置是属于光时域反射仪类型的装置。
4. 如权利要求3所述的设备，其特征在于，光线发射器/接收器装置 是光纤断裂定位器。
5. 如权利要求1至4中任一所述的装置，其特征在于，物体由镖或 刮塞或软球(softball)或刮擦球构成。
6. 如权利要求1至5中任一所述的装置，其特征在于，光学纤维线还连接到位于物体上的传感器(50)。
7. 如权利要求1至6中任一所述的装置，其特征在于，光学纤维线 还包括始终位于光学纤维线上的传感器(50)。
8. 如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，传感器是自供能的 传感器。
9. 如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，传感器是属于布拉 格光栅传感器类型的温度和/或压力传感器。
10. 如权利要求1至9中任一所述的装置，其特征在于，光学纤维线 还连接到位于物体上的致动器(50)。
11. 一种用于确定井眼(1)中的物体(20)的位置和/或位移的方法， 包括(i) 固定巻绕的光学纤维线(10)的线巻(40);(ii) 在第一位置(4)将光学纤维线固定到参考点；(iii) 移动物体，使得光学纤维线在第二位置(4')从线巻展开；(iv) 产生沿着光学纤维线的信号；(V)测量沿着光学纤维线的所述信号的变化；(Vi)从所述变化推导物体的位置和/或位移； 所述方法的特征在于 -线巻(40)固定到物体； -信号从第一位置产生；-所述信号的变化从第一位置测量，所述信号的变化探知出第二位置(4，)。
12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，它还包括固定装置，所述固定装置能够使所述信号在第二位置(4')发生变化。
13. 如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤(i) 在物体上固定用于感测物体周围的环境的特性的装置(50)，所 述用于感测的装置连接到光学纤维线；以及(ii) 从所述信号的所述变化推导物体周围的环境的特性。
14. 如权利要求11至13中任一所述的方法，其特征在于，它还包括 以下步骤从第一位置产生沿着光学纤维线的另一或更多信号。
15. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，至少两个信号从第一 位置产生， 一个信号的测量变化探知第二位置(4，)， 一个其他信号的测 量变化探知物体周围的环境的特性。
16. 如权利要求11至15中任一所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤(i) 在物体上固定用于致动物体的装置，所述用于致动的装置连接到光学纤维线；以及(ii) 从第一位置产生沿着光学纤维线的第二信号，用于致动物体。
全文摘要
本发明提供了一种用于确定井眼(1)中的物体(20)的位置和/或位移的设备，包括卷绕的光学纤维线(10)(或光纤)的线卷(40)，所述线卷(40)固定到物体；以及光线发射器/接收器装置(12)，所述光线发射器/接收器装置(12)能够产生信号和测量所述信号的变化；其中，光学光纤线在第一位置固定到连接于光线发射器/接收器装置的参考点(4)，在第二位置从线卷展开。所述设备还可包括传感器和/或致动器。因此，本发明公开了用于对井眼内的物体进行定位的相关方法、用于确定井眼内物体周围的环境的特性的相关方法；以及用于致动井眼内的物体的相关方法。
文档编号E21B47/09GK101405474SQ200780010387
公开日2009年4月8日 申请日期2007年5月4日 优先权日2006年5月12日
发明者P·维尼奥 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司