СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ МОНОВОЛОКОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТЕЛЕМЕТРИИ Российский патент 2010 года по МПК G01V8/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится, в общем, к способам и устройствам для модуляции света. В частности, настоящее изобретение относится к способам и устройствам для моноволоконной оптической телеметрии, которая может быть пригодна для облегчения связи между различными скважинными зондами, пересекающими толщу пород, и наземным блоком сбора данных.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Каротаж скважин производят много лет для повышения отдачи нефтеносных и газоносных отложений. При каротаже скважин один способ выполнения измерений под землей заключается в том, что прикрепляют, по меньшей мере, один зонд к кабелю, соединенному с системой наземного оборудования. Затем зонды спускают в ствол скважины на кабеле и поднимают обратно на поверхность («производят каротаж») по стволу скважины, с одновременным выполнением измерений. Кабель обычно представляет собой электропроводящий кабель с ограниченной пропускной способностью при передаче данных.

Потребность в повышении скоростей передачи данных каротажными зондами на кабеле быстро возрастает из-за доступности более высокого разрешения, более высокой скорости каротажа и дополнительных зондов для одной кабельной связки. Несмотря на развитие современной электронной телеметрии и повышение ее скоростей передачи данных от приблизительно 500 кбит/с (килобит в секунду) до 2 Мбит/с (мегабит в секунду) за последнее десятилетие, скорости передачи данных электронных телеметрических систем отстают от возможностей высокоразрешающих каротажных зондов. Фактически, для некоторых комбинаций акустических/формирующих изображение зондов, применяемых с традиционными каротажными зондами, требуемая скорость передачи данных превышает 4 Мбит/с.

Одна технология, которая была исследована на предмет повышения скоростей передачи данных, представляет собой оптическую связь. Скорости оптической передачи могут быть значительно выше, чем скорости электронной передачи. Однако применение волоконно-оптических кабелей в суровых нефтепромысловых условиях оказалось сложной задачей. Компромиссным решением проблемы применения волоконно-оптического кабеля в нефтепромысловых условиях является типичная потребность в волоконных жгутах для большинства устройств связи. В известных нефтепромысловых оптических устройствах, по меньшей мере, одно оптическое волокно применяют для команд нисходящего канала и, по меньшей мере, одно дополнительное оптическое волокно применяют для данных восходящего канала. Применение нескольких оптических волокон повышает вероятность повреждения, по меньшей мере, одного из оптических волокон или повреждения в соединениях к оптическим волокнам, особенно в нефтепромысловых условиях. Поэтому существует потребность в моноволоконной оптической телеметрической системе.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на решение вышеописанных и других недостатков. В частности, настоящее изобретение предлагает оптическую телеметрическую систему. Система содержит скважинный нефтепромысловый зонд, только одно оптическое волокно, продолжающееся между местоположением на поверхности скважины и скважинным нефтепромысловым зондом, при этом одно оптическое волокно заканчивается на подложке и соединено с ней, подложка содержит световод и множество электродов, соединенных с подложкой для модуляции света, проходящего по световоду. Подложка, световод и электроды могут составлять электрооптический модулятор. Электрооптический модулятор может быть модулятором интенсивности света. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, подложка содержит ниобат лития. В соответствии с другими вариантами осуществления, подложка содержит что-то одно из: танталита лития, ниобата стронция-бария, арсенида галлия и фосфата индия. Подложка, световод и электроды могут составлять электроабсорбционный модулятор. Соответственно, подложка может содержать фосфид индия.

Настоящее изобретение предлагает также скважинную телеметрическую систему, содержащую наземный блок сбора данных, содержащий наземный оптический телеметрический блок, скважинный оптический телеметрический контейнер, содержащий скважинный электрооптический блок, и моноволоконный оптический интерфейс между наземным блоком сбора данных и скважинным оптическим телеметрическим контейнером. Система может содержать оптический генератор только на поверхности и внешний электрооптический модулятор в скважинном оптическом телеметрическом контейнере. Внешний электрооптический модулятор может быть модулятором интенсивности, содержащим подложку из ниобата лития, световод или волновод, расположенный в подложке из ниобата лития, и оптический циркулятор, соединенный с волноводом. С оптическим циркулятором может быть соединен отражатель. Оптический соединитель может располагаться вблизи волновода и противоположно оптическому циркулятору.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, внешний электрооптический модулятор содержит подложку из ниобата лития, волновод, расположенный в подложке из ниобата лития, и отражатель, соединенный с волноводом. Внешний электрооптический модулятор может содержать моноволоконную среду передачи входных/выходных данных.

В соответствии с другими вариантами осуществления, внешний электрооптический модулятор содержит подложку из ниобата лития, волновод, расположенный в подложке из ниобата лития, и волокно, сохраняющее поляризацию проходящего излучения, повернутое на угол, нечетно кратный приблизительно 45 градусам, относительно оси волновода.

Настоящее изобретение предлагает также способ связи между местоположением на поверхности скважины и, по меньшей мере, одним скважинным зондом. Способ заключается в приеме электрических сигналов от, по меньшей мере, одного скважинного зонда и модуляции электрических сигналов от, по меньшей мере, одного скважинного зонда. Модуляция заключается в приеме света от источника в местоположении на поверхности скважины по волокну ввода скважинного электрооптического модулятора, модуляции света, выводе модулированного света обратно по волокну ввода и приеме и детектировании модулированного света в местоположении на поверхности скважины. Выведение модулированного света обратно по волокну ввода может заключаться в отражении модулированного света. Выведение модулированного света обратно по волокну ввода может заключаться в направлении модулированного света оптическим циркулятором. Оптический циркулятор может располагаться ниже по потоку от внешнего электрооптического модулятора. В соответствии с некоторыми аспектами, выведение модулированного света обратно по волокну ввода заключается в направлении модулированного света оптическим циркулятором, при этом оптический циркулятор расположен выше по потоку от внешнего электрооптического модулятора. Модуляция может заключаться в изменении интенсивности света, принимаемого из местоположения на поверхности скважины, внешним электрооптическим модулятором, расположенным в скважине. Модуляция может также заключаться в пропускании света по волноводу, расположенному в подложке из ниобата лития. Модуляция может дополнительно заключаться в приложении изменяющегося напряжения к волноводу.

В соответствии с некоторыми аспектами, выведение модулированного света обратно по волокну ввода может заключаться в отражении модулированного света обратно через волновод. Выведение модулированного света обратно по волокну ввода может содержать этапы пропускания модулированного света по оптическому циркулятору в первом направлении, отражения модулированного света, пропускания модулированного света обратно по оптическому циркулятору во втором направлении, обхода волновода и введения модулированного света обратно в волокно ввода.

В соответствии с некоторыми аспектами, способ приема света от источника в местоположении на поверхности скважины по волокну ввода дополнительно заключается в пропускании света по оптическому циркулятору, расположенному выше по потоку от волновода, расположенного в подложке из ниобата лития, в первом направлении и пропускании света в волновод. Выведение может дополнительно заключаться в направлении модулированного света, выходящего из волновода, обратно в оптический циркулятор по продолжающему оптическому волокну во втором направлении.

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается электрооптический модулятор, содержащий подложку из ниобата лития, волновод, расположенный в подложке, оптическое устройство ввода/вывода, содержащее моноволокно, соединенное с волноводом, и пару или множество электродов, расположенных вокруг волновода. Отражатель может соединяться с волноводом ниже по потоку от подложки из ниобата лития. Между подложкой из ниобата лития и отражателем может располагаться оптический циркулятор, и оптический соединитель может располагаться выше по потоку от подложки из ниобата лития. Обходное оптическое волокно может продолжаться от оптического циркулятора до оптического соединителя. Обходное оптическое волокно может содержать световод, проходящий обратно к оптическому соединителю, независимый от волновода.

В соответствии с некоторыми аспектами модулятор содержит оптический циркулятор, расположенный выше по потоку от подложки из ниобата лития. Световод может продолжаться вниз по потоку от волновода и обратно до оптического циркулятора.

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается электрооптический модулятор, содержащий подложку из ниобата лития, волновод, имеющий первые оси Х и Z, расположенные в подложке, одно оптическое устройство ввода/вывода, содержащее волокно, сохраняющее поляризацию проходящего излучения, имеющее вторые оси Х и Z, соединенное с волноводом, при этом вторые оси Х и Z волокна, сохраняющего поляризацию проходящего излучения, повернуты на угол, нечетно кратный приблизительно 45 градусам, относительно первых осей Х и Z волновода, пару электродов, расположенных вокруг волновода, и отражатель, соединенный с волноводом. Модулятор может содержать моноволоконное оптическое устройство ввода/вывода, соединенное с волноводом.

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается способ ослабления дрейфа постоянной составляющей в электрооптическом модуляторе на ниобате лития, заключающийся в повороте волокна, сохраняющего поляризацию проходящего излучения, на приблизительно 45 градусов относительно волновода.

Дополнительные преимущества и элементы новизны изобретения изложены в нижеследующем описании или могут стать очевидными для специалистов в данной области техники при прочтении настоящей информации или практическом применении изобретения. Преимущества изобретения можно обеспечить с помощью средств, перечисленных в прилагаемой формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи поясняют предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения и входят в состав описания. Чертежи, совместно с нижеследующим описанием, демонстрируют и поясняют принципы настоящего изобретения.

Фиг.1 - схема скважинных зондов с оптической телеметрической системой, содержащей межзондовую электрическую инструментальную шину и моноволоконный оптический кабель в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2а - вид в перспективе оптического модулятора, выполненного в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2b - схема углов, относящихся к модулятору на фиг.2а.

Фиг.2с - схема электрооптического модулятора на ниобате лития, содержащего оптический циркулятор и отражатель для подключения моноволокна ввода/вывода в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2d - схема электрооптического модулятора на ниобате лития, содержащего оптический циркулятор для подключения моноволокна ввода/вывода в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2е - схема электрооптического модулятора на ниобате лития, содержащего отражатель для подключения моноволокна ввода/вывода в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 - схема скважинного зонда с оптической телеметрической системой елочного типа, содержащей оптическую инструментальную шину в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 - схема скважинного зонда с оптической телеметрической системой линейного типа, содержащей оптическую инструментальную шину в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 - схема скважинного зонда, содержащего множество датчиков, при этом каждый датчик содержит оптический модулятор и генератор в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 - схема скважинного зонда, содержащего множество оптических датчиков и соединенного с оптической телеметрической системой в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7 - схема скважинных зондов с оптической телеметрической системой, содержащей межзондовую электрическую инструментальную шину и несколько оптических волокон в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 - схема скважинной оптической телеметрической системы с избыточностью в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9 - схема скважинной оптической телеметрической системы с избыточностью в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.10 - оптический переключатель 1×2 для применения с оптическими телеметрическими системами с избыточностью, показанными на фиг.8-9, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.11 - схема скважинных зондов с линейной оптической телеметрической системой, содержащей электрическую инструментальную шину для нисходящего канала, оптическую инструментальную шину для восходящего канала, решетки Брэгга для разнесения по длинам волн и оптические циркуляторы, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.12 - схема скважинных зондов с линейной оптической телеметрической системой, содержащей электрическую инструментальную шину для нисходящего канала, оптическую инструментальную шину для восходящего канала и AOTF (акустооптические перестраиваемые фильтры) для разнесения по длинам волн в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

На чертежах идентичные позиции и обозначения указывают на похожие, но не обязательно идентичные элементы. Хотя изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, на чертежах для примера показаны конкретные варианты осуществления, которые подробно описаны ниже. Однако следует понимать, что изобретение не предполагает ограничения конкретными описанными формами. Более того, изобретение должно охватывать все модификации, эквиваленты и альтернативные варианты, не выходящие за пределы объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Ниже приведено описание наглядных вариантов осуществления и аспектов изобретения. Безусловно, следует понимать, что, при разработке любого такого фактического варианта осуществления, потребуется принять множество решений по конкретной реализации для достижения конкретных целей разработчика, например, по согласованию с системными и коммерческими ограничениями, которые будут различными для разных реализаций. Кроме того, очевидно, что такого рода проектно-конструкторские работы могут быть комплексными и трудоемкими, но, тем не менее, будут являться стандартной работой для специалистов со средним уровнем компетентности в данной области техники после изучения настоящего описания.

Целью настоящего изобретения являются способы и устройства, облегчающие оптическую связь между скважинными зондами и датчиками и наземными системами. Использование волоконной оптики между скважинными зондами и наземным оборудованием обеспечивает более высокие скорости передачи данных, чем ранее доступные. Принципы, изложенные в настоящем описании, облегчают активную и пассивную волоконно-оптическую связь между скважинными зондами и датчиками и соответствующими наземными системами даже в условиях высоких температур. Некоторые из нижеописанных способов и устройств связаны с модифицированным оптическим модулятором, который особенно хорошо подходит для применения при высоких температурах, но не ограничен высокотемпературными внешними условиями.

В контексте применения по всему настоящему описанию и в формуле изобретения, термин «скважинный» относится к подземной окружающей среде, в частности, в стволе скважины. Термин «скважинный зонд» в широком смысле используют для обозначения любого зонда, применяемого в подземной окружающей среде, включая, но без ограничения перечисленным, каротажный зонд, средство формирования изображения, акустический зонд и комбинированный зонд. Термин «гибридная» система относится к сочетанию оптической и электрической телеметрии и не относится к оптической телеметрической системе и электрическому датчику. «Шина» является интерфейсом связи, электрически соединяющим множество отдельных блоков датчиков или основных компонентов. Например, как предполагается в настоящем описании, «шина» может электрически соединять множество геофонов, но мелкомасштабные соединения между несколькими компонентами или датчиками в одном геофоне или другом отдельном блоке не образуют «шины». Термины «включающий в себя» («including») и «имеющий» («having») должны иметь такое же значение, как термин «содержащий».

На чертежах, и в частности на фиг.1, представлена схема скважинной оптической телеметрической системы (100) в соответствии с принципами настоящего изобретения. Оптическая телеметрическая система (100) содержит наземный блок (102) сбора данных, электрически связанный с наземным оптическим телеметрическим блоком (104) или входящий в его состав. Наземный оптический телеметрический блок (104) содержит оптикоэлектрический (ОЕ) демодулятор (106) восходящего канала с оптическим генератором (108). Оптический генератор (108) представляет собой, предпочтительно, лазер, светоизлучающий диод (LED), источник белого света или другой оптический генератор. ОЕ-демодулятор (106) предпочтительно содержит фотодетектор или диод, который принимает данные оптического восходящего канала, отправляемые на первой длине волны (λ восходящего канала) света и преобразует их в электрические сигналы, которые могут быть собраны блоком (102) сбора данных.

Наземный оптический телеметрический блок (104) содержит также электрооптический (ЕО) модулятор (110) нисходящего канала. Совместно с ЕО-модулятором (110) нисходящего канала показан оптический генератор (112). В качестве альтернативы, оптический генератор может быть погружен в ствол скважины. Оптический генератор (112) может работать на второй длине волны (λ нисходящего канала) света, которая отличается от первой длины волны (λ восходящего канала) света. ЕО-модулятор (110) может содержать любой имеющийся в наличии ЕО-модулятор, или может содержать компоненты, описанные ниже со ссылкой на модифицированный модулятор на ниобате лития.

ОЕ-демодулятор (106) восходящего канала и ЕО-модулятор (110) нисходящего канала имеют функциональные соединения с моноволоконным волоконно-оптическим интерфейсом (114). Волоконно-оптический интерфейс (114) обеспечивает оптический канал связи с высокой скоростью передачи между наземным оптическим телеметрическим блоком (104) и скважинным оптическим телеметрическим контейнером (116). Скважинный оптический телеметрический контейнер (116) входит в состав оптической телеметрической системы (100) и содержит скважинный электрооптический блок (118). Скважинный электрооптический блок (118) содержит ОЕ-демодулятор (120) нисходящего канала и ЕО-модулятор (122) восходящего канала. Скважинный оптический телеметрический контейнер (116) изображен без каких-либо оптических генераторов. ОЕ-демодулятор (120) нисходящего канала и ЕО-модулятор (122) восходящего канала относятся к типу устройств, которые пассивно реагируют на оптические генераторы. В качестве альтернативы, какой-то один из ОЕ-демодулятора (120) нисходящего канала и ЕО-модулятора (122) восходящего канала или оба могут содержать оптический генератор. ОЕ-демодулятор (120) нисходящего канала предпочтительно представляет собой фотодетектор, аналогичный или идентичный ОЕ-демодулятору (106) восходящего канала.

Скважинный электрооптический блок (118) имеет функциональное соединение со скважинной электрической инструментальной шиной (124). Скважинная электрическая инструментальная шина (124) обеспечивает электрический канал связи между скважинным оптическим телеметрическим контейнером (116) и, по меньшей мере, одним скважинным зондом, например, тремя показанными скважинными зондами (126, 128, 130). Каждый скважинный зонд (126, 128, 130) может содержать, по меньшей мере, один датчик (не показанный) для измерения некоторых параметров в буровой скважине и приемопередатчик для передачи и приема данных. Соответственно, скважинная оптическая телеметрическая система является гибридным оптико-электрическим устройством, которое может использовать стандартную электрическую технологию телеметрии и датчиков в скважине вместе с преимуществом волоконно-оптического интерфейса (114) с широкой полосой пропускания между скважинными компонентами (оптическим телеметрическим контейнером (116), скважинными зондами (126 и т.п.)) и блоком (102) сбора данных.

Связь и передача данных между блоком (102) сбора данных и одним из скважинных зондов (126) описана ниже. Электронная нисходящая команда из блока 102 сбора данных электрически передается в наземный оптический телеметрический блок (104). ЕО-модулятор (110) нисходящего канала наземного оптического телеметрического блока (104) модулирует электронную нисходящую команду в оптический сигнал, который передается по волоконно-оптическому интерфейсу (114) в скважинный оптический телеметрический контейнер (116). Типы волоконно-оптического интерфейса (114) включают в себя кабели проволочного каната, содержащие оптическое моноволокно или волоконно-оптический жгут. Ограничения на оптическое моноволокно можно уменьшить с помощью специфически модифицированных модуляторов на ниобате лития, подробно описанных ниже со ссылками на фиг.2а-2е. ЕО-модулятор (120) нисходящего канала демодулирует оптический сигнал обратно в электронный сигнал, и скважинный оптический телеметрический контейнер (116) передает демодулированный электронный сигнал по скважинной электрической инструментальной шине (124), из которой упомянутый сигнал принимается скважинным зондом (126). Демодулированный электронный сигнал может приниматься также другими скважинными зондами (128,130).

Аналогично, данные восходящего канала от скважинных зондов (126 и т.п.) передаются вверх по стволу скважины по скважинной электрической инструментальной шине (124) в скважинный оптический телеметрический контейнер (116), где они модулируются ЕО-модулятором (122) восходящего канала в оптический сигнал и передаются вверх по стволу скважины по волоконно-оптическому интерфейсу (114) в наземный оптический телеметрический блок (104). Датчики скважинных зондов (126 и т.п.) могут обеспечивать аналоговые сигналы. Поэтому, в соответствии с некоторыми аспектами изобретения, можно включить аналого-цифровой преобразователь в состав каждого скважинного зонда (126 и т.п.) или в любом месте между скважинными зондами (126 и т.п.) и модуляторами/демодуляторами (118, 122) восходящего и нисходящего каналов. Следовательно, аналоговые сигналы от датчиков преобразуются в цифровые сигналы, и цифровые сигналы модулируются ЕО-модулятором (122) восходящего канала для наземного оборудования. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, свет оптического генератора (108) вводят по оптическому волокну (114), модулируют ЕО-модулятором (122) и выводят по тому же самому оптическому волокну (114) обратно в наземный оптический телеметрический блок (104). ОЕ-демодулятор (106) восходящего канала демодулирует сигнал обратно в электронный сигнал, который после этого передается в блок сбора данных (102). Как упоминалось выше, ОЕ-демодулятор (120) нисходящего канала и ЕО-модулятор (122) восходящего канала являются пассивными и могут только модулировать свет наземных оптических генераторов, так как оптические генераторы (108, 112) расположены в наземном оптическом телеметрическом блоке. Сигналы как восходящего, так и нисходящего каналов предпочтительно передаются в полном дуплексном режиме, с использованием уплотнения по длинам волн (WDM).

ЕО-модулятор (122) восходящего канала скважинного электрооптического блока (118) предпочтительно содержит внешний модулятор (123) на ниобате лития, более подробно показанный со ссылкой на различные варианты осуществления, представленные на фиг.2а-2е.

Модулятор (123) на ниобате лития может быть модулятором интенсивности. Для ЕО-модулятора интенсивности можно также применить другие материалы, которые обладают похожими оптическими свойствами. Например, в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения, модуляторы интенсивности могут содержать материалы, содержащие, но без ограничения перечисленным: танталит лития, ниобат стронция-бария, арсенид галлия и фосфат индия. Кроме того, ниобат лития не ограничен модуляцией интенсивности. Ниобат лития можно применить также для изготовления модуляторов фазы и поляризации, в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.

Однако модуляторы интенсивности на ниобате лития характеризуются зависимостью от поляризации, и поэтому состояние поляризации любого входного сигнала в модуляторах на ниобате лития, в предпочтительном варианте, настраивают. Поэтому, в соответствии с конфигурацией на фиг.1, поляризацию входного света делают хаотической посредством скремблера (180) поляризации в наземном оптическом телеметрическом блоке (104), и поляризатор (182) перед модулятором (123) на ниобате лития настраивает состояние поляризации. Для восходящего канала и нисходящего канала выбирают разные длины волн, и сигналы в восходящем канале и нисходящем канале выбирают методом WDM. Поляризатор (182) может содержать диэлектрический тонкопленочный фильтр, например, полакор (polacor), который представляет собой материал из стекла, поляризующего в ближнем инфракрасном диапазоне. Поляризатор (182) может быть физически установлен между выходным волноводом или световодом и выходным волокном или интерфейсом (114), вследствие чего поляризатор становится монолитным с волноводом ЕО-модулятора (122) восходящего канала.

ЕО-модулятор (110, фиг.1) нисходящего канала может быть аналогичным или идентичным ЕО-модулятору (122) восходящего канала, однако, это не обязательно. Как показано на фиг.2а, один вариант осуществления модулятора (123) на ниобате лития представляет собой предпочтительно фазовый модулятор волноводного типа и поэтому содержит подложку (132) из ниобата лития со световодом или волноводом (134), расположенным в ней. С волноводом (134) функционально соединено или связано оптическое устройство ввода, которое, в соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг.2а, является волоконно-оптическим интерфейсом (114). Волоконно-оптический интерфейс (114) пропускает световой пучок, который проходит по волноводу (134). Вокруг волновода (134) находятся первый и второй электроды (136, 138). Первый электрод (136) заземлен, и второй электрод (138) возбуждается сигналом напряжения. Когда напряжение на электродах (136, 138) изменяется, показатель преломления волновода (134) изменяется и, тем самым, изменяет световой пучок, проходящий по волноводу (134), когда показатель преломления увеличивается и уменьшается. Изменение показателя преломления модулирует фазу света, но интенсивность на выходе остается, по существу, неизменной.

Однако типичные модуляторы на ниобате лития подвержены дрейфу постоянной составляющей, особенно когда имеют место флуктуации температуры. В режиме модуляции с регулированием смещения в цепи обратной связи на электрод (138), возбуждаемый переменным током, подается некоторое постоянное напряжение как известное начальное постоянное смещение. Данное прилагаемое постоянное напряжение непрерывно изменяется для выдерживания состояния оптической модуляции на выходе в исходном состоянии. Однако начальное постоянное смещение зависит от механических флуктуаций, вызываемых изменениями температуры, и может приводить к изменению оптических характеристик между двумя световодами. Широко известно, что условия в стволе скважины характеризуются высокими температурами и значительными температурными флуктуациями, которые влияют на показатель преломления волновода (134) и должны выдерживаться в регулируемом диапазоне для обеспечения возможности надежной ЕО-модуляции.

Поэтому, в соответствии с вариантом осуществления, показанном на фиг.2b, волоконно-оптический интерфейс (114) представляет собой волокно, сохраняющее поляризацию проходящего излучения, которое повернуто на угол, нечетно кратный приблизительно 45 градусам, относительно волновода (134, фиг.2а). Волновод (134, фиг.2а) имеет ось Х (140) (обыкновенного показателя преломления, n_o) и ось Z (142) (необыкновенного показателя преломления, n_e). Поэтому, в соответствии с одним вариантом осуществления, волоконно-оптический интерфейс (114) повернут на угол, нечетно кратный приблизительно 45 градусам, относительно осей Х и Z (140, 142), как показано. Путем установки волокна, сохраняющего поляризацию проходящего излучения, (волоконно-оптического интерфейса (114)) под углами поворота 45 градусов (или углами, нечетно кратными данному углу), фазовую модуляцию можно преобразовать в модуляцию интенсивности.

Скважинная оптическая телеметрическая система (100), показанная на фиг.1, может работать с изображенным моноволоконным оптическим интерфейсом (114). Однако для работы с моноволокном, модулятор (123) на ниобате лития можно специально сконструировать одним из нескольких способов для поддержки моноволокна (114) ввода/вывода. Например, на фиг.2с-2е изображены три способа создания моноволокна ввода/вывода. На фиг.2с и 2d показан моноволоконный ЕО-модулятор (123) на ниобате лития с оптическим циркулятором (175). На фиг.2с изображен оптический циркулятор (175), расположенный ниже по потоку от подложки (132) из ниобата лития, с расположенным выше по потоку оптическим соединителем (176). Моноволоконный ЕО-модулятор (123) на ниобате лития, показанный на фиг.2с, содержит также отражатель (178). Следовательно, входящий свет от оптического генератора может поступать по волокну (114) ввода/вывода, модулироваться по мере прохождения по волноводу (134) и проходить как модулированный выходной сигнал по оптическому циркулятору (175). Выходной сигнал затем отражается отражателем (178), перенаправляется оптическим циркулятором (175) в обходное волокно (179), вновь вводится в волокно (114) ввода/вывода оптическим соединителем (176) и возвращается вверх по скважине по волокну (114) ввода/вывода.

На фиг.2d изображен моноволоконный ЕО-модулятор (123) на ниобате лития без отражателя. В соответствии с фиг.2d, входящий свет от оптического генератора может поступать через оптический циркулятор (175) по линии (114) ввода/вывода и модулироваться. Затем выходной сигнал перенаправляется по обходному волокну (179) обратно в оптический циркулятор (175) и возвращается вверх по скважине по моноволоконному интерфейсу (114) ввода/вывода.

В некоторых случаях, например, если частота модуляции меньше, чем приблизительно 100 Мбит/с, оптический циркулятор (175) может отсутствовать, как показано на фиг.2е, так как модулированный оптический сигнал, который отражается отражателем (178), может проходить обратно через подложку (132) из ниобата лития без деградации сигнала.

Волновод (134) можно создать методом молекулярной диффузии Ti или Н основы в подложку (132) из LiNbO₃. Если используют Ti, то как n_o, так и n_e увеличиваются, и потому поляризация как в направлении оси Х (140, фиг.2b), так и в направлении оси Z (142, фиг.2b) проходит через волновод (134). На подложке (132) из ниобата лития можно осадить систему электродов вместо только первого и второго электродов (136, 138, фиг.2а) для более точного возбуждения электрического поля, параллельного направлению оси Z (142, фиг.2b). Электрическое поле, параллельное оси Z (142, фиг.2b), вызывает изменение показателя преломления n_e в направлении оси Z (142, фиг.2b), тогда как n_o не изменяется. Поэтому, если поступает свет с двумя компонентами поляризации, обозначенными Е_х и E_z по компонентам электрического поля, то между Е_х и E_z создается фазовый сдвиг. Данный фазовый сдвиг приблизительно пропорционален электрическому полю, созданному электродами. Свет проходит по волноводу (134) и, после входа в модулятор, может быть отражен обратно отражателем, и затем проходить обратно через модулятор как выходной сигнал. Вследствие прохода через модулятор компоненты Е_х и E_z сдвигаются по фазе на угол φ. Угол φ зависит от длины модулятора и от напряжения, поданного на электроды. Затем компоненты Е_х и E_z снова объединяются поляризатором (182, фиг.1) с получением одной единственной поляризации. Поэтому компоненты света взаимно интерферируют, и результирующая интенсивность определяется выражением:

где I_o = исходная интенсивность в предположении, что Е_х и E_z, по существу, равны.

Таким образом выполняется модуляция интенсивности, непосредственно связанная с φ и, следовательно, с напряжением, подаваемым на электроды.

В вышеприведенных параграфах, содержащих описание модулятора (123) на ниобате лития, приведен пример одного из двух принципиальных направлений технологий модуляции интенсивности света. Модулятор (123) на ниобате лития представляет пример модуляции интенсивности света с использованием первого направления: электрооптического эффекта.

Другое принципиальное направление модуляции интенсивности именуется электроабсорбционным эффектом. Электроабсорбционный эффект основан на эффекте Штарка в структуре с квантовыми ямами. Абсорбционные свойства можно характеризовать зависимостью поглощения от длины волны. Широко известно, что приложением напряжения к волноводу можно модифицировать энергетический уровень и волновую функцию внутри квантовой ямы, что вызывает изменение характеристик поглощения света квантовой ямы. В частности, можно создать так называемое красное смещение поглощения квантовой ямы, которое находится в прямой зависимости от приложенного к ней электрического поля. Красное смещение приводит к смещению кривой поглощения устройства в сторону более длинных волн. С использованием данного эффекта можно модулировать световой пучок. Как электрооптические модуляторы, так и электроабсорбционные модуляторы используют световод или волновод. В соответствии с принципами настоящего изобретения, электрооптические или электроабсорбционные модуляторы можно применять и сопрягать только с моноволокном (114) ввода/вывода. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, подложка электроабсорбционных модуляторов может содержать фосфид индия.

Хотя на фиг.1 показана моноволоконная оптическая система, многоволоконные оптические системы также предусмотрены настоящим изобретением. На фиг.7 показана волоконно-оптическая система (100), в которой ЕО-модулятор (122) восходящего канала содержит модулятор (123) на ниобате лития, и два волокна (115а, 115b) составляют волоконно-оптический интерфейс (114). Одно волокно (115а) составляет интерфейс восходящего канала, и другое волокно (115b) составляет интерфейс нисходящего канала и может также обеспечивать источник света для ЕО-модулятора (122) восходящего канала.

Далее на фиг.3 показан другой вариант осуществления скважинной оптической телеметрической системы. Вариант осуществления, показанный на фиг.3, представляет скважинную оптическую инструментальную шину (324), в противоположность скважинной электрической инструментальной шине (124), показанной на фиг.1. Скважинная оптическая инструментальная шина (324) составляет продолжение волоконно-оптического интерфейса (114, фиг.1) и поэтому связана с наземным оптическим телеметрическим блоком (104, фиг.1). Скважинная оптическая инструментальная шина (324) соединена с, по меньшей мере, одним скважинным зондом, который, в соответствии с фиг.3, содержит первый зонд (346) на оптической инструментальной шине и второй зонд (348) на оптической инструментальной шине. Каждый из первого и второго зондов (346, 348) на оптической инструментальной шине содержит аналогичные или идентичные электрооптические блоки (318). Однако, для различения между данными от первого и второго зондов (346, 348) на оптической инструментальной шине, электрооптический блок (318) первого зонда (346) на оптической инструментальной шине работает на первой частоте (fl), и электрооптический блок (318) второго зонда (348) на оптической инструментальной шине работает на второй частоте (f2). Со скважинной оптической инструментальной шиной (324) могут быть также связаны и работать на других отличающихся частотах дополнительные зонды на оптической ультрашине.

Электрооптические блоки (318) аналогичны вышеописанному электрооптическому блоку (118, фиг.1), однако электрооптические блоки (318) не содержат соединений с электрической инструментальной шиной (124, фиг.1). Соответственно, электрооптические блоки (318) содержат ОЕ-демодулятор (320) нисходящего канала и ЕО-модулятор (322) восходящего канала. Как пояснялось выше, ЕО-модулятор (322) восходящего канала скважинного электрооптического блока (318) является предпочтительно модулятором на ниобате лития, более подробно показанным выше на фиг.2а-2е. Аналогично, ОЕ-демодулятор (320) нисходящего канала является предпочтительно фотодетектором, аналогичным или идентичным ОЕ-демодулятору (106, фиг.1) восходящего канала.

Далее на фиг.4 показан другой вариант осуществления скважинной оптической телеметрической системы. Вариант осуществления на фиг.4 представляет также скважинную оптическую инструментальную шину (424), аналогичную оптической инструментальной шине (324), показанной на фиг.3. Скважинная оптическая инструментальная шина (424) связана с наземным оптическим телеметрическим блоком (104), показанным на фиг.1. Вариант осуществления, показанный на фиг.4, также содержит скважинный оптический телеметрический контейнер (416). Скважинный оптический телеметрический контейнер (416) содержит электрооптический блок (418). Однако, в отличие от электрооптического блока (318), показанного на фиг.3, электрооптический блок (418), показанный на фиг.4, содержит электрооптический модулятор (422) восходящего канала и, по желанию, может содержать последовательно расположенный отражательный блок или устройство разнесения по длине волны, например, решетку Брэгга, предназначенную для или допускающую пропускание первой длины волны (λ1) света. Электрооптический блок (418) также содержит оптико-электрический демодулятор (420) нисходящего канала, аналогичный или идентичный ОЕ-демодулятору (120) нисходящего канала, показанному на фиг.1.

Кроме того, вариант осуществления, показанный на фиг.4, содержит скважинную электрическую инструментальную шину (425). Скважинная электрическая инструментальная шина (425) передает команды нисходящего канала и обеспечивает межзондовую и/или внутризондовую связь аналогично связи, описанной со ссылкой на фиг.1. Однако, в отличие от варианта осуществления, показанного на фиг.1, данные восходящего канала передаются по скважинной оптической инструментальной шине (424) непосредственно из скважинных зондов (426, 428, 430) вместо модуляции сначала в оптическом телеметрическом контейнере 416. К тому же, скважинная оптическая инструментальная шина (424) содержит волоконно-оптический интерфейс (114, фиг.1) в данном примере. Соответственно, вариант осуществления, показанный на фиг.4, содержит, по меньшей мере, один скважинный зонд (426, 428, 430), каждый содержащий электрооптический модулятор (422) восходящего канала и такое приспособление, как устройство разнесения по длине волны для различения между сигналами зондов. Электрооптические модуляторы (422) восходящего канала имеют функциональные соединения с оптической инструментальной шиной (424), и таким образом данные восходящего канала от датчиков в скважинных зондах (426, 428, 430) модулируются в каждом зонде и передаются непосредственно в скважинную оптическую инструментальную шину (424).

Далее на фиг.5 показан другой вариант осуществления скважинной оптической телеметрической системы в соответствии с настоящим изобретением. Система на фиг.5 содержит скважинный зонд (526), содержащий ЕО-модулятор (522) восходящего канала с собственным высокотемпературным источником (508) света, предназначенным для работы на первой длине волны (λ1), который допускает непосредственную модуляцию. Скважинный зонд (526) содержит также ОЕ-демодулятор (520) нисходящего канала и множество датчиков (550, 552, 554). ОЕ-демодулятор (520) нисходящего канала предпочтительно является фотодетектором. Каждый из множества датчиков (550, 552, 554) содержит ЕО-модулятор (522) восходящего канала с источником (512) света, предназначенным для работы на специфической длине волны (λ2, λ3, λn соответственно). Поэтому наземный оптический телеметрический блок (104, фиг.1) может содержать или не содержать источник. Каждый из ЕО-модуляторов (522) может содержать структуру модифицированного модулятора (123, фиг.2а-2е) на ниобате лития, описанную выше со ссылкой на фиг.2а-2е. В случае, если обеспечено несколько модуляторов на ниобате лития, они работают на одной длине волны.

Скважинная оптическая телеметрическая система, показанная на фиг.5, содержит также скважинную оптическую инструментальную шину (524), имеющую функциональное соединение со скважинным зондом (526) и электрическими датчиками (550, 552, 554). Соответственно, ЕО-модуляторы (522) восходящего канала модулируют электрические сигналы от датчиков (550, 552, 554) и передают их по скважинной оптической инструментальной шине (524) и далее в наземный оптический телеметрический блок (104, фиг.1).

Далее на фиг.6 изображен другой вариант осуществления скважинной оптической телеметрической системы в соответствии с настоящим изобретением. Система на фиг.6, содержит систему (102) сбора данных и наземный оптический телеметрический блок (104), аналогичный блоку, показанному на фиг.1. Система может также содержать наземный блок (660) оптических датчиков с системой (662) сопряжения оптических датчиков. В скважине система содержит оптический телеметрический контейнер (616), содержащий электрооптический блок (618). Электрооптический блок (618) содержит первый ЕО-модулятор (622) без источника. Первый ЕО-модулятор (622) предназначен для работы на первой длине волны (λ1) света, возможно, с использованием решетки Брэгга или другого устройства разнесения по длине волны. Электрооптический блок (618) содержит также ОЕ-демодулятор (620) нисходящего канала, который представляет собой предпочтительно фотодетектор для демодуляции команд нисходящего канала. ОЕ-демодулятор (620) нисходящего канала демодулирует оптические сигналы в электрические сигналы и передает их по скважинной электрической инструментальной шине (625).

Система на фиг.6 содержит также, по меньшей мере, один скважинный зонд (626), содержащий второй ЕО-модулятор (623), аналогичный или идентичный первому ЕО-модулятору (622), но предназначенный для работы на другой длине волны (λ2). Первый и второй ЕО-модуляторы (622, 623) могут содержать структуры, показанные и описанные со ссылкой на фиг.2а-2е. Первый и второй ЕО-модуляторы (622, 623) имеют функциональное соединение со скважинной оптической инструментальной шиной (624), которая является частью волоконно-оптического интерфейса (114, фиг.1). Кроме того, скважинная оптическая инструментальная шина (624) имеет функциональное соединение с, по меньшей мере, одним волоконно-оптическим датчиком, причем, в соответствии с фиг.6, имеется четыре волоконно-оптических датчика (670, 672, 674, 676). Волоконно-оптические датчики (670, 672, 674, 676) могут включать в себя стационарные датчики в стволе скважины или частях скважинного зонда (626) и могут включать в себя, но без ограничения перечисленным, температурные датчики, датчики давления и оптические анализаторы флюидов. Сигналы от волоконно-оптических датчиков (670, 672, 674, 676) модулируются и передаются вверх по скважине по оптической инструментальной шине (624). Применение волоконно-оптических датчиков (670, 672, 674, 676) может создать необходимость в наземном блоке (660) оптических датчиков, который содержит интерфейс (680) с блоком (104) сбора данных.

Вариант осуществления, показанный на фиг.6, функционирует аналогично описанию, приведенному к фиг.1. Данные или команды нисходящего канала модулируются, передаются по скважинной оптической инструментальной шине (624), демодулируются оптическим телеметрическим контейнером и ретранслируются в скважинный зонд (626) по электрической инструментальной шине (625). Данные восходящего канала модулируются одним из ЕО-модуляторов (622, 623) восходящего канала и передаются вверх по скважине по оптической инструментальной шине (624). Затем наземный оптический телеметрический блок (104) демодулирует и ретранслирует данные в блок (102) сбора данных.

В соответствии с некоторыми аспектами изобретения, оптическая телеметрическая система может содержать, по меньшей мере, два переключаемых режима оптической передачи данных и, тем самым, предпочтительно обеспечивать избыточный оптический канал. Например, как показано на фиг.8, оптическая телеметрическая система (800) содержит наземный оптический телеметрический блок (804), содержащий первый оптический генератор, который может содержать 1550-нм непрерывный (CW) источник (808) света и фотодетектор, например, 1550-нм фотодиод (806). Наземный оптический телеметрический блок (804) может содержать также второй оптический генератор с непосредственной модуляцией, например, 1310-нм лазерный диод (815) для связи по нисходящему каналу. Оптическая телеметрическая система (800) содержит также скважинный оптический телеметрический блок (816), который содержит оптический генератор, например, 1550-нм высокотемпературный лазерный диод (809). Скважинный оптический телеметрический блок (816) содержит фотодетектор, например, 1310-нм фотодиод (820), и внешний модулятор, например, модулятор (822) на ниобате лития, который может содержать вышеописанную структуру. Оптический интерфейс, например, 12-км волокно (814), продолжается между наземным оптическим телеметрическим блоком (804) и скважинным оптическим телеметрическим блоком (816). Вдоль 12-км волокна (814) расположен оптический соединитель (811) 2×2, предпочтительно расположенный в скважинном оптическом телеметрическом блоке (816). Наземный оптический телеметрический блок (804) и скважинный оптический телеметрический блок (816) можно переключать между первым режимом передачи данных и, по меньшей мере, вторым режимом передачи данных. Первый режим передачи данных заключается в использовании 1550-нм лазерного диода (809) для непосредственной модуляции данных, которые передаются вверх по скважине по 12-км оптическому волокну (814) через оптический соединитель (811) 2×2 и, в конечном счете, в 1550-нм фотодиод (806). Второй режим передачи данных заключается в модуляции света от 1550-нм CW (непрерывного) источника (808) света модулятором (822) на ниобате лития. Модулированный свет передается вверх по скважине по 12-км оптическому волокну (814) через оптический соединитель (811) 2×2 и, в конечном счете, в 1550-нм фотодиод (806). Соответственно, если один режим передачи данных дает сбой, например, из-за неисправности 1550-нм лазерного диода (809), то можно по-прежнему использовать другой режим передачи данных. Оптическая телеметрическая система (800) может содержать также дополнительные компоненты, например, развязывающее устройство (817), встроенный PC (фазорегулятор) (819), легированный эрбием волоконно-оптический усилитель (EDFA) (821), соединитель (835) 1×2 и соединители (837) уплотнителя по длинам волн (WDM) для поддержки переключаемой системы с избыточностью.

Качество данных, передаваемых по модулятору (822) из ниобата лития, может зависеть от состояния поляризации входного CW (непрерывного) света от 1550-нм CW (непрерывного) источника (808) света. В одномодовом волокне состояние поляризации быстро изменяется под влиянием многих внешних факторов, которые могут включать в себя напряжение, скручивание, перемещение, изгиб и т.п. волокна. При применении под землей, каротажный кабель (оптический интерфейс (814)) динамически перемещается в продолжении каротажной и измерительной операции. Из-за динамического перемещения оптического каротажного кабеля состояние поляризации источника света быстро изменяется и может ввести значительную ошибку в модулированный сигнал. В результате, возможно повышение частоты ошибок по битам передаваемого сигнала. Для компенсации зависимости от состояния поляризации света можно применить способ активного скремблирования. По определению, активный оптический скремблер преобразует входной свет от любого поляризованного источника в неполяризованный выходной свет. При подсоединении активного скремблера (813) к 1550-нм CW (непрерывному) источнику (808) света, можно получить на выходе свет со степенью поляризации (DOP) ниже 5%. Соответственно, более чем 95% света на выходе из активного скремблера (813) является деполяризованным. При передаче света с высокой степенью деполяризации в модулятор (822) на ниобате лития можно свести к минимуму зависимость от влияния состояния поляризации и значительно повысить качество передачи данных.

В качестве альтернативы, как показано на фиг.9, зависимость оптического модулятора от состояния поляризации можно ослабить путем использования сверхлюминесцентного (ASE) широкополосного света. Теоретически, ASE-источники света могут генерировать широкополосный свет с нулевой DOP. Существует много способов получения ASE-источника (941) света. Например, одним способом является покупка имеющегося в продаже мощного компактного модуля ASE-источника света. Другой путь генерации ASE-света состоит в подаче мощности в EDFA с входным портом, заканчивающимся оптической концевой кабельной муфтой. Свет с нулевой DOP полностью устраняет зависимость модулятора от состояния поляризации света. Кроме того, применение ASE-источника света может уменьшить число оптических компонентов, расположенных на поверхности, упростить схемное решение и уменьшить пространственные размеры и стоимость.

Для переключения между, по меньшей мере, двумя разными режимами передачи данных, оптическая телеметрическая система (800) может содержать оптический переключатель (1043), показанный на фиг.10. Оптический переключатель (1043) допускает совместное использование одних фотодиодов (806, 820) в каждом режиме. Оптический переключатель (1043) существует в продаже и переключает входной оптический сигнал в искомый выходной оптический канал.

На фиг.11 показан другой вариант осуществления скважинной оптической телеметрической системы. В варианте осуществления на фиг.11 показана скважинная оптическая инструментальная шина (1124). Показано, что скважинная оптическая инструментальная шина (1124) связана с наземным оптическим телеметрическим блоком (104), изображенным на фиг.1. Вариант осуществления, показанный на фиг.11, содержит скважинный оптический телеметрический контейнер (1116). Скважинный оптический телеметрический контейнер (1116) содержит электрооптический блок (1118). Электрооптический блок (1118), показанный на фиг.11, содержит электрооптический модулятор (1122) на ниобате лития восходящего канала и оптический разделитель, например, решетку Брэгга, предназначенный для выделения первой длины волны (λl). Электрооптический блок (1118) содержит также оптикоэлектрический демодулятор (1120) нисходящего канала, аналогичный или идентичный ОЕ-демодулятору (120) нисходящего канала, показанному на фиг.1.

Кроме того, вариант осуществления, показанный на фиг.11, содержит скважинную электрическую инструментальную шину (1125). Скважинная электрическая инструментальная шина (1125) передает команды нисходящего канала и обеспечивает межзондовую и/или внутризондовую связь аналогично связи, описанной со ссылкой на фиг.1. Скважинная оптическая инструментальная шина (1124) составляет продолжение волоконно-оптического интерфейса (114, фиг.1). Вариант осуществления, показанный на фиг.11, содержит, по меньшей мере, один скважинный зонд (1126, 1128), содержащий каждый электрооптический модулятор (1122) восходящего канала и разделитель, например, решетку Брэгга, предназначенный для отличающейся длины волны (λ2, λ3). Электрооптические модуляторы (1122) восходящего канала имеют функциональное соединение с оптической инструментальной шиной (1124). Данные восходящего канала от датчиков в скважинных зондах (1126, 1128) могут модулироваться в каждом зонде и передаваться непосредственно в скважинную оптическую инструментальную шину (1124).

Для поддержки скважинной модуляции оптических данных с использованием наземного оптического генератора как электрооптический блок (1118), так и каждый скважинный зонд (1126, 1128) содержат оптические циркуляторы, которые включают в себя три оптических циркулятора (ОС, OC1a, OC1b) для электрооптического блока (1118), два оптических циркулятора (ОС2а, OC2b) для первого скважинного зонда (1126) и два оптических циркулятора (ОС3а, OC3b) для второго скважинного зонда (1128). Соединитель (1145) с затуханием 3 дБ может находиться внутри электрооптического блока (1118) выше по потоку как от ОЕ-демодулятора (1120) нисходящего канала, так и от оптического циркулятора (ОС) и соединяться с ними. Поэтому свет от наземного оборудования может проходить вниз по скважине через оптические циркуляторы, как показано на фиг.11, и направляться в, по меньшей мере, один из электрооптических модуляторов (1122) восходящего канала. Свет модулируется, по меньшей мере, одним из электрооптических модуляторов (1122) восходящего канала и возвращается вверх по скважине через оптические циркуляторы обратно в волоконно-оптический интерфейс (114).

В качестве альтернативы применению решеток Брэгга для разделения по длинам волн света и оптических циркуляторов для направления света, как показано на фиг.11, некоторые системы могут использовать AOTF (акустооптические перестраиваемые фильтры) и отражатели. Соответственно, на фиг.12 показаны замена решеток Брэгга на АОТF и применение отражателей или зеркал (1278) для перенаправления света, принятого из наземного оборудования и модулированного ЕО-модуляторами (1122) восходящего канала. Таким образом, электрооптический блок (1118) оптического телеметрического контейнера (1116) может содержать AOTF1, и скважинные зонды (1126, 1128) могут содержать AOTF2 и AOTF3 соответственно. Каждый из AOTF настроен на разную длину волны, что позволяет наземному оптическому телеметрическому блоку различать сигналы разных зондов.

Вышеприведенное описание приведено только для иллюстрации и пояснения изобретения и некоторых примеров его реализации. Данное описание нельзя считать исчерпывающим или ограничивающим изобретение любой определенной представленной формой. В свете вышеизложенных принципов возможны многочисленные модификации и изменения.

Предпочтительные аспекты подобраны и изложены для наилучшего пояснения принципов изобретения и его практического применения. Вышеприведенное описание предназначено для предоставления специалистам в данной области техники возможности оптимального использования изобретения в различных вариантах осуществления и аспектах и с разнообразными модификациями, которые подходят для конкретного предполагаемого применения. Следует понимать, что объем изобретения определяется нижеприведенной формулой изобретения.

Изобретение относится к способам и устройствам для моноволоконной оптической телеметрии, которая может быть пригодна для облегчения связи между различными скважинными зондами, пересекающими толщу пород, и наземным блоком сбора данных. Техническим результатом изобретения является создание такого средства моноволоконной оптической телеметрии, которое может быть пригодно для облегчения связи между различными скважинными зондами, пересекающими толщу пород, и наземным блоком сбора данных. Изобретение включает оптическую телеметрическую систему, содержащую скважинный нефтепромысловый зонд, одиночное оптическое волокно, множество электродов, оптический циркулятор и обходное оптическое волокно. Электрооптический модулятор содержит скважинную подложку из ниобата лития, волновод, оптическое устройство ввода/вывода, множество электродов, оптический циркулятор и обходное оптическое волокно. Скважинная телеметрическая система содержит наземный блок данных, скважинный оптический телеметрический контейнер, моноволоконный оптический интерфейс. При этом скважинный оптический телеметрический контейнер содержит волновод, оптическое устройство ввода/вывода, оптический циркулятор, множество электродов и обходное оптическое волокно. Способ, реализующий устройство, содержит этапы, на которых принимают электрические сигналы, модулируют электрические сигналы. При этом модуляция содержит этапы, на которых принимают свет от источника по волокну ввода, модулируют свет, пропускают свет через волновод, выводят модулированный свет обратно по волокну. Причем этап вывода содержит этапы, на которых пропускают модулированный свет, перенаправляют модулированный свет и принимают и детектируют модулированный свет. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Оптическая телеметрическая система, содержащая:
скважинный нефтепромысловый зонд;
только одиночное оптическое волокно, продолжающееся между местоположением на поверхности скважины и скважинным нефтепромысловым зондом, при этом одиночное оптическое волокно заканчивается на подложке и соединено с ней, а подложка содержит световод;
множество электродов, соединенных с подложкой для модуляции света, проходящего по световоду;
оптический циркулятор ниже по потоку относительно подложки; и обходное оптическое волокно, продолжающееся от подложки оптического циркулятора до оптического циркулятора, при этом модулированный свет проходит через оптический циркулятор, обходное волокно и в одиночное оптическое волокно.

2. Система по п.1, в которой подложка, световод и электроды составляют электрооптический модулятор.

3. Система по п.2, в которой электрооптический модулятор содержит модулятор интенсивности света.

4. Система по п.2, в которой подложка содержит ниобат лития.

5. Система по п.4, дополнительно содержащая отражатель, соединенный со световодом ниже по потоку от подложки из ниобата лития.

6. Система по п.4, дополнительно содержащая поляризатор, присоединенный выше по потоку к световоду.

7. Система по п.1, в которой подложка содержит одно из: танталита лития, ниобата стронция-бария, арсенида галлия и фосфата индия.

8. Система по п.1, в которой подложка, световод и электроды составляют электроабсорбционный модулятор.

9. Система по п.8, в которой подложка содержит фосфид индия.

10. Электрооптический модулятор, содержащий:
скважинную подложку из ниобата лития;
волновод, расположенный в подложке;
оптическое устройство ввода/вывода, содержащее моноволокно, соединенное с волноводом; и
множество электродов, расположенных вокруг волновода;
оптический циркулятор выше по потоку относительно подложки; и
обходное оптическое волокно, продолжающееся от подложки до оптического циркулятора, при этом модулированный свет проходит через оптический циркулятор, обходное волокно и в одиночное оптическое волокно.

11. Модулятор по п.10, в котором обходное оптическое волокно содержит световод, проходящий обратно в оптический соединитель, независимо от волновода.

12. Модулятор по п.10, в котором моноволокно содержит волокно, сохраняющее поляризацию проходящего излучения.

13. Модулятор по п.12, в котором моноволокно повернуто на угол, нечетно кратный приблизительно 45°, относительно волновода.

14. Скважинная телеметрическая система, содержащая:
наземный блок сбора данных, содержащий наземный оптический телеметрический блок;
скважинный оптический телеметрический контейнер, содержащий скважинный электрооптический блок; и
моноволоконный оптический интерфейс между наземным блоком сбора данных и скважинным оптическим телеметрическим контейнером;
при этом скважинный оптический телеметрический контейнер содержит электрооптический модулятор, содержащий:
волновод, расположенный в подложке;
оптическое устройство ввода/вывода, содержащее моноволокно, оканчивающееся на и присоединенное к волноводу;
оптический циркулятор, расположенный ниже по потоку от волновода;
множество электродов, расположенных вокруг волновода для модуляции света, проходящего через волновод, и
обходное оптическое волокно, продолжающееся от скважинной подложки до моноволокна, при этом модулированный свет проходит через оптический циркулятор, обходное волокно и в волокно ввода.

15. Способ связи между местоположением на поверхности скважины и одним или более скважинными зондами, содержащий этапы, на которых:
принимают электрические сигналы от одного или более скважинных зондов;
модулируют электрические сигналы от одного или более скважинных зондов, при этом модуляция содержит этапы, на которых:
принимают свет от источника в местоположении на поверхности скважины по волокну ввода скважинного электрооптического модулятора;
модулируют свет;
пропускают свет через волновод, расположенный в подложке с множеством электродов для модулирования света, проходящего через волновод;
выводят модулированный свет обратно по волокну ввода, причем этап вывода содержит этапы, на которых пропускают модулированный свет через оптический циркулятор в первом направлении, перенаправляют модулированный свет по обходному оптическому волокну для обхода волновода, вводят модулированный свет обратно в волокно ввода, и
принимают и детектируют модулированный свет в местоположении на поверхности скважины.

16. Способ по п.15, в котором этап модуляции содержит этап, на котором изменяют интенсивность света, принятого из местоположения на поверхности скважины, внешним электрооптическим модулятором, расположенным в скважине.

17. Способ по п.15, в котором модуляция дополнительно содержит приложение изменяющегося напряжения к волноводу.