ДВУХКОНЕЧНЫЙ РАСПРЕДЕЛЕННЫЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ С НАБОРОМ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2018 года по МПК G01K11/32 G01K15/00 E21B47/06 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Варианты осуществления настоящего изобретения в общем относятся к скважинным измерениям и, более конкретно, к выполнению распределенного измерения температуры.

Уровень техники

[0002] Мировые залежи стареют. Это приводит к увеличению обводненности продукции и прорывам газа, увеличению затрат на подъем, дорогостоящей обработке добываемой воды и к высоким затратам, связанным с замедленной или потерянной добычей углеводородов. Следовательно, становится все важнее точно измерять и представлять себе условия внутри скважины, залежи или месторождения. Скважинные измерения представляют собой измерения вблизи интересующих областей, например, вблизи ствола скважины или залежи, и, таким образом, обеспечивают потенциал для более качественных данных, более тщательного анализа вскрытой поверхности забоя и измерения параметров, недоступных на поверхности. Эта информация может быть использована для оптимизации добычи, определения местоположения воды или прорывов газа, управления разрывами или движением флюидов в залежи при событиях или нарушениях и т.д.

[0003] В углеводородной промышленности имеется существенное преимущество, связанное с возможностью наблюдения за температурой среды внутри скважины в реальном времени. Измерения температуры могут быть важны при добыче, закачивании или хранении флюидов в скважинных подповерхностных залежах. Кроме того, характеристики флюидов, такие как вязкость, химические элементы и содержание нефти, воды и/или газа, также могут представлять собой важные измерения.

[0004] Операторам парогравитационных (SAGD) скважин необходимо периодически записывать температуры в соответствующих наблюдательных и горизонтальных нагнетательных и эксплуатационных скважинах с целью оптимизации добычи, в соответствии с нормативными требованиями и по различным другим причинам. Исторически температура измерялась с помощью устройств с распределенными датчиками температуры (DTS), размещаемыми непосредственно внутри скважины. DTS состоит из оптического волокна, которое опрашивается с использованием сложного оптико-электронного прибора наземного базирования. Опрос основан на измерении естественных отражений, рассеивающихся обратно по всему оптическому волноводу (например, согласно обратному рассеянию Рамана), которые претерпевают оптические импульсы, подаваемые в волокно оптико-электронным прибором наземного базирования. Измерительное устройство фиксирует изменения рассеянного света, распространяющегося через оптический волновод. Изменения рассеянного света могут быть связаны с изменениями температуры среды вокруг волновода, которые могут изменять показатель преломления оптического волновода или механически деформировать волновод, в результате чего время или расстояние распространения оптического излучения будет соответственно изменяться (например, будет изменяться рассеянный сигнал Рамана). Ввиду тепловых характеристик типовых DTS-систем должна быть сделана отдельная точка измерения температуры внутри скважины для калибровки данных DTS.

[0005] Отдельные скважинные измерения температуры для калибровки DTS-систем могут производиться с помощью термопар и автономных цифровых манометров, размещаемых рядом с DTS-системой. Термопары не высокоточные, с типичной погрешностью в плюс или минус три градуса Цельсия. Автономные цифровые манометры являются более точными, но могут использоваться только в течение 4-8 часов в условиях высокой температуры. Существуют также риски загрязнения окружающей среды, связанные с использованием литиевых батарей, которые питают автономные цифровые манометры, в условиях высокой температуры.

[0006] Другие устройства, используемые для проведения отдельных скважинных измерений температуры для калибровки DTS-систем в скважинах, включают в себя набор термопар на кабеле. Эти наборы датчиков предшествующего уровня техники могут состоять из нескольких дискретных устройств, и размещение набора датчиков может быть сложным, трудоемким и дорогостоящим. Например, при выполнении измерения температуры в стволе скважины набор возможно придется перемещать в разные области ствола скважины для увеличения охвата желаемых физических местоположений, подлежащих измерению.

[0007] Распределенные измерительные системы имеют различные эффективные пространственные разрешающие способности измерения вдоль оптического волновода в зависимости от выбранных длительностей импульсов и оптической мощности источника света. Анализируя отражения и измеряя время между запущенным оптическим сигналом и принятым сигналом, распределенный измерительный прибор может измерять влияние изменений температуры на оптический сигнал во всех точках вдоль оптического волновода, будучи ограниченным лишь пространственной разрешающей способностью. Полезные мгновенные, относительные изменения, временные интервалы или накопленные данные могут быть получены из измеренных сигналов.

[0008] Однако, распределенное измерение, которое обычно выполняется с использованием одного или двух оптических волокон, затруднено ограниченной разрешающей способностью и чувствительностью к оптическим потерям и обратным отражениям. Оптические потери и обратные отражения могут быть вызваны разъемами и кабельными окончаниями, которые могут влиять на отношение сигнал/шум (SNR), стабильность и динамический диапазон.

[0009] Поэтому существует потребность в методах и устройствах для выполнения скважинных и других измерений на относительно больших расстояниях без вышеупомянутых затруднений измерения.

Сущность изобретения

[0010] Варианты осуществления настоящего изобретения в общем относятся к измерению температуры внутри скважины путем выполнения распределенного измерения с использованием непрерывного оптического волокна с приборами на каждом конце, откалиброванными с помощью оптического волокна с отражающими элементами. Примеры подходящих отражающих элементов включают в себя волоконные решетки Брэгга (ВБР), которые могут быть записаны непосредственно в оптическое волокно.

[0011] Один вариант осуществления настоящего изобретения представляет собой способ определения температур, связанных с трубопроводом. Способ в общем включает в себя выполнение распределенного измерения температуры (DTS) с использованием двух концов первого оптического волокна, размещенного внутри трубопровода и имеющего обратный канал, соединяющий два конца, выполнение дискретного измерения температуры на основе измеренных отражений света от отражающих элементов, имеющих характерные длины волн, размещенных в дискретных местоположениях, и определение температур во множестве местоположений на основе DTS и дискретного измерения температуры.

[0012] Другой вариант осуществления настоящего изобретения представляет собой систему для определения температур, связанных с трубопроводом. Система в общем включает в себя первое оптическое волокно, размещенное внутри трубопровода, содержащее два конца и имеющее обратный канал, соединяющий два конца, отражающие элементы, имеющие характерные длины волн, размещенные в дискретных местоположениях, и, по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью выполнения распределенного измерения температуры (DTS) с использованием двух концов первого оптического волокна, выполнения дискретного измерения температуры на основе измеренных отражений света от отражающих элементов и определения температуры во множестве местоположений на основе DTS и дискретного измерения температуры.

Краткое описание чертежей

[0013] Таким образом, способ, в котором вышеописанные особенности настоящего изобретения могут быть поняты детально, более конкретное описание изобретения, кратко обобщенное выше, может быть изложено со ссылкой на варианты осуществления, некоторые из которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. Следует отметить, однако, что прилагаемые чертежи иллюстрируют лишь типовые варианты осуществления настоящего изобретения, и поэтому они не должны рассматриваться как ограничивающие его объем, поскольку настоящее изобретение может допускать и другие, в той же степени эффективные варианты осуществления.

[0014] фиг.1 иллюстрирует пример ствола скважины, имеющего обсадную и насосно-компрессорную трубу с оптическим волокном для распределенного измерения температуры в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0015] фиг.2 иллюстрирует пример ствола скважины, имеющего обсадную и насосно-компрессорную трубу с оптическим волокном для распределенного измерения температуры в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0016] фиг.3 иллюстрирует пример ствола скважины, имеющего обсадную и насосно-компрессорную трубу с оптическим волокном для распределенного измерения температуры, размещенным внутри гибкой трубы, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0017] фиг.4А иллюстрирует пример оптического волокна с отражающими элементами, встроенными в оптическое волокно посредством сращивания, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0018] фиг.4Б иллюстрирует пример оптического волокна с отражающими элементами, записанными непосредственно в оптическое волокно, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0019] фиг.5 иллюстрирует пример системы для выполнения распределенного измерения температуры в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения.

[0020] фиг.6 показывает схематическое изображение иллюстративной системы, включающей в себя одно одноконечное оптическое волокно, которое используется для DTS, с отражающими элементами, которые используются для ATS, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0021] фиг.7 показывает схематическое изображение иллюстративной системы, включающей в себя два одноконечных оптических волокна, с одним оптическим волокном, используемым для DTS, и вторым оптическим волокном, используемым для ATS, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0022] фиг.8 показывает схематическое изображение иллюстративной системы, включающей в себя одноконечное оптическое волокно и двухконечное оптическое волокно, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0023] фиг.9 показывает схематическое изображение иллюстративной системы, включающей в себя одно двухконечное оптическое волокно, которое используется для DTS, с отражающими элементами, которые используются для ATS, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0024] фиг.10 показывает схематическое изображение иллюстративной системы, включающей в себя двухконечное оптическое волокно с отражением на обеих сторонах U-образного изгиба, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0025] фиг.11 иллюстрирует пример операций для выполнения распределенного измерения температуры в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0026] фиг.12 иллюстрирует пример операций для определения температуры, связанной с трубопроводом, путем выполнения распределенного измерения температуры в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание

[0027] Аспекты настоящего изобретения обеспечивают методы, которые могут помочь улучшить эффективность систем, использующих распределенное измерение температуры (DTS). Например, методы могут позволять осуществлять калибровку DTS-волокна, одноконечного или двухконечного, по дискретным измерениям температуры набора отражающих элементов (например, волоконных брэгговских решеток (ВБР)). Во втором примере методы могут позволять осуществлять калибровку DTS-волокна, одноконечного или двухконечного, на основе дискретных измерений потерь оптической мощности набора отражающих элементов (например, волоконных брэгговских решеток (ВБР)).

[0028] Как описано выше, многоточечные электронные и оптические датчики и распределенные оптические датчики разрабатывались и устанавливались в скважинах для измерения различных параметров внутри скважины. Дискретные преобразователи обеспечивают надежные измерения, но могут быть громоздкими для размещения. Распределенное измерение, такое как распределенное измерение температуры (DTS), обычно выполняется с использованием лишь волокна или нескольких волокон в кабеле, что упрощает размещение. Однако эти измерения затрудняются чувствительностью к оптическим потерям и обратным отражениям, вызванным разъемами, кабельными окончаниями и т.д. Отношение сигнал/шум (SNR), стабильность и динамический диапазон подвержены влиянию, и поэтому точность распределенных измерений может быть ограничена.

[0029] Соответственно, необходимы методы и устройство для выполнения этих и других измерений на относительно больших расстояниях (например, от десятков метров до нескольких километров) без упомянутых затруднений измерения.

[0030] Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают способы и устройство для распределенного измерения температуры вдоль оптического волокна путем измерения обратнорассеянных отражений от оптического волокна и измерения отражений от отражающих элементов (например, ВБР), соответствующих дискретным местоположениям в интересующих точках. Выполнение измерений в наборе дискретных местоположений может упоминаться как измерение набора. Использование распределенного измерения температуры и измерения набора в этой манере может позволять осуществлять сбор измерений по всему стволу скважины без перемещения измерительного устройства, уменьшая тем самым время выполнения такого измерения, что, в свою очередь, уменьшает стоимость, а также может обеспечивать более точные измерения температуры в измеряемых местоположениях.

Иллюстративная система скважинного распределенного измерения температуры

[0031] фиг.1 иллюстрирует схематический вид в поперечном разрезе для оборудования скважины и системы 100 распределенного измерения температуры. Система 100 в общем включает в себя ствол 102 скважины, обсадную трубу 104, насосно-компрессорную трубу 106, измерительное устройство 110 и оптический волновод 112. По меньшей мере, часть системы 100 может быть размещена рядом с одной или несколькими залежами 108 внутри скважины.

[0032] Ствол 102 скважины может иметь обсадную трубу 104, размещенную внутри, через которую может быть проведена насосно-компрессорная труба 106 как часть оборудования скважины. Измерительное устройство 110 может использоваться для выполнения измерения температуры, относящейся к стволу 102 скважины. Характеристики ствола 102 скважины, оборудования ствола скважины (например, обсадной трубы, цементирующей среды, насосно-компрессорной трубы, пакеров) и/или скважинных пластов, а также свойства внутрипорового флюида, окружающего или иным образом примыкающего к стволу 102 скважины, могут наблюдаться в динамике по времени на основе измерений температуры. Кроме того, на основе измерений температуры можно контролировать добычу углеводородов или распоряжаться залежами 108.

[0033] Система 100 измерения температуры может выполнять измерение вдоль оптического волновода 112. Оптический волновод 112, такой как оптическое волокно, внутри ствола 102 скважины может функционировать как фактический измерительный блок. Система 100 измерения может использовать одно волокно или несколько волокон в одной и той же скважине и/или в нескольких скважинах. Например, несколько волокон могут использоваться в разных участках скважины, благодаря чему измерение может выполняться в разных участках. Измерение может определять относительные температуры на относительных уровнях или станциях, температуры на множестве непосредственно прилегающих друг к другу уровней глубины или температуры на множестве пространственно удаленных глубин.

[0034] Система измерения 100 может включать в себя измерительное устройство 110 для подачи света (например, оптического импульса), например, с использованием импульсного лазера, в конец оптического волновода 112. Измерительное устройство 110 может измерять обратнорассеянные отражения от всего волновода. Измерительное устройство 110 может включать в себя не только оптический источник, но и один или несколько блоков обработки для выполнения обработки и анализа сигналов. Таким образом, система измерения 100 может использоваться для определения температур, связанных с отражениями в оптическом волноводе 112.

[0035] Метод определения температур, связанных с отражениями в оптическом волноводе, основан на измерении обратного рассеяния Рамана, Бриллюэна и Рэлея. Прибор с распределенным датчиком температуры (DTS) посылает короткий лазерный импульс в оптическое волокно и регистрирует фотоны, рассеянные обратно внутри волокна. DTS-прибор измеряет время движения лазерного импульса и фотонов, рассеянных обратно внутри волокна. На основе измеренного времени движения фотона, рассеянного обратно, может быть вычислено положение элемента в волокне, который рассеял этот фотон обратно. Большинство обратнорассеянных фотонов имеют такую же частоту, что и исходный лазерный импульс. Некоторые фотоны, однако, проявят эффект рассеяния Рамана, Бриллюэна и Рэлея, при этом некоторые фотоны будут иметь более низкую частоту (называемую стоксовой) по сравнению с исходным лазерным импульсом, а другие - более высокую частоту (называемую анти-стоксовой) по сравнению с исходным лазерным импульсом. Интенсивность анти-стоксова обратного рассеяния очень чувствительна к температуре рассеивающего элемента, тогда как интенсивность стоксова обратного рассеяния гораздо менее чувствительна. Отношение анти-стоксова обратного рассеяния к стоксовому обратному рассеянию может быть использовано для вычисления температуры волокна в местоположении рассеивающего элемента.

Пример двухконечного распределенного датчика температуры с набором датчиков температуры

[0036] Как показано на фиг.2, в некоторых вариантах осуществления система 200 распределенного измерения температуры задействует оптический волновод 202, имеющий отражающие элементы, размещенные в одном или нескольких дискретных местоположениях 204 (например, 204A, 204B, 204C) измерения. Как будет описано более подробно ниже, измерения DTS-системы 200 могут быть откалиброваны на основе измерений, выполненных в дискретных местоположениях 204 измерения.

[0037] В некоторых случаях оптический волновод может быть размещен с подключением обоих концов к измеряемому устройству 206. Как показано на фиг.2, оптический волновод 202 может быть непрерывным оптическим волокном, которое проходит вдоль (то есть размещается в осевом направлении по отношению к), по меньшей мере, части длины насосно-компрессорной трубы 106, обсадной трубы 104 или другого трубопровода.

[0038] Измерительное устройство 206 может подавать свет (например, оптический импульс), используя, например, импульсный лазер, в конец оптического волновода 202. Измерительное устройство 206 может измерять обратнорассеянные отражения от всего волновода. Измерительное устройство 206 может подавать свет и измерять обратнорассеянные отражения от каждого конца оптического волновода 202. Измерительное устройство 206 может включать в себя не только оптический источник, но и один или несколько блоков обработки для выполнения обработки и анализа сигналов. Таким образом, система 200 распределенного измерения температуры может использоваться для определения температур, связанных с отражениями в оптическом волноводе 202.

[0039] Дискретные местоположения 204 измерения могут быть установлены на оптическом волноводе 202 с заранее определенным интервалом или соответствовать выбранным интересующим областям при размещении оптического волновода в стволе скважины. В некоторых вариантах осуществления дискретные местоположения измерения могут быть разнесены друг от друга. Например, каждое дискретное местоположение измерения может находиться в сотнях метров от следующего местоположения измерения.

[0040] Отражающие элементы в дискретных местоположениях 204 измерения могут иметь одинаковую характерную длину волны λ. В некоторых вариантах осуществления смежные отражающие элементы могут иметь разные характерные длины волн, благодаря чему смежные отражающие элементы могут быть опрошены с использованием мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM). Другими словами, световые импульсы разных длин волн или широкополосный импульс (то есть световой импульс, охватывающий широкий спектр длин волн) можно подать в оптический волновод одновременно, и, когда отражающие элементы, имеющие разные характерные длины волн, присутствуют в оптическом волноводе, местоположение измерения может быть идентифицировано на основе длин волн отражений от отражающих элементов, что позволяет мультиплексировать измерения. Например, отражающими элементами могут быть ВБР.

[0041] Как показано на фиг.3, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления система 300 распределенного измерения температуры может содержать гибкую трубу 306. Иллюстративная система 300 распределенного измерения температуры может быть подобна иллюстративной системе 200 распределенного измерения температуры (см. фиг.2) и может содержать дискретные местоположения 304 измерения, которые подобны дискретным местоположениям 204 измерения (см. фиг.2). Оптический волновод 302 может быть размещен внутри гибкой трубы 306. Оптический волновод 302 может быть подобен оптическому волноводу 202, показанному на фиг.2.

[0042] Как показано на фиг.4А и 4Б, ВБР могут быть встроены в оптический волновод 402А посредством сращивания или непосредственно вписаны в непрерывный оптический волновод 402В. Оптические волноводы 402А, 402В могут быть подобны оптическим волноводам 202 (см. фиг.2) и 302 (см. фиг.3). фиг.4А показывает оптический волновод 402А с ВБР 410A, 412A, встроенными в оптический волновод 402A в сращиваниях 406. Запись ВБР 410B, 410B непосредственно в оптический волновод 402B без сращивания позволяет использовать непрерывное волокно, как показано на фиг.4Б, исключая тем самым дефекты, возникающие при сращивании. Такие дефекты могут влиять (например, посредством отражения некоторого света) на распространение света в оптическом волноводе.

[0043] Распределенное измерение температуры (то есть DTS) может выполняться по всей длине оптических волноводов 202 (см. фиг.2), 302 (см. фиг.3), 402A и 402B. Измерение температуры набора (то есть ATS) также может выполняться с использованием отражающих элементов (например, ВБР 410, 412) в каждом из дискретных местоположений 404A, 404B, 404C, 404D измерения. Дискретные местоположения измерения могут быть подобны дискретным местоположениям измерения 204 (см. фиг.2) и 304 (см. фиг.3). Измерение температуры набора может быть выполнено путем подачи света в оптический волновод и измерения отражений от отражающих элементов в каждом из дискретных местоположений измерения. Характерная длина волны отражающих элементов зависит от температуры оптического волокна, что позволяет определять температуру в каждом дискретном местоположении измерения на основе отражений от отражающих элементов.

[0044] Результаты измерения температуры набора могут использоваться для калибровки системы распределенного измерения температуры, как обсуждалось выше и более подробно описано ниже. Система распределенного измерения температуры может определять температуру вдоль всего оптического волновода на основе измерений температуры набора дискретных местоположений и измеренных обратнорассеянных отражений от оптического волновода.

[0045] фиг.5 иллюстрирует пример системы 500 для выполнения распределенного измерения температуры в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения. Иллюстративная система может быть частью системы 200 распределенного измерения температуры, показанной на фиг.2. Первое оптическое волокно отмечено позицией 502. Первое оптическое волокно может содержать U-образный изгиб 504 и два конца (не показаны на фиг.5), которые могут быть подключены к измерительному устройству (также не показанному на фиг.5). Стрелки 520 представляют путь через оптическое волокно, преодолеваемый одним или несколькими световыми импульсами, тогда как пунктирные стрелки 522 представляют пути через оптическое волокно, преодолеваемые отражениями (например, обратнорассеянными или отражениями от отражающих элементов). Хотя и показан U-образный изгиб, U-образный изгиб не является необходимым для всех аспектов настоящего изобретения, и если U-образный изгиб отсутствует, то только один конец первого оптического волокна подключается к измерительному устройству, при этом другой конец первого оптического волокна размещается внутри ствола скважины. Первое оптическое волокно может находиться внутри капилляра 514, заключенного внутри гибкой трубы 506 с закругленным концом 516, чтобы облегчить размещение U-образного изгиба внутри трубопровода или ствола скважины, хотя другие варианты осуществления также включаются в объем настоящего изобретения. Второе оптическое волокно отмечено позицией 508, при этом один конец 510 находится внутри гибкой трубы 506, а другой конец (не показан на фиг.5) подключен к измерительному устройству (также не показанному на фиг.5), например, к измерительному устройству 206, показанному на фиг.2. Второе оптическое волокно может содержать датчик 512 давления, хотя это не является необходимым для всех аспектов настоящего изобретения.

[0046] Первое оптическое волокно может включать в себя отражающие элементы, показанные на фиг.4А и 4Б, используемые для измерения температуры набора. Отражающие элементы могут присутствовать в первом оптическом волокне только на одной стороне U-образного изгиба или на обеих сторонах U-образного изгиба. В качестве альтернативы или дополнительно второе оптическое волокно может включать в себя отражающие элементы, показанные на фиг.4А и 4Б. Измерительное устройство (например, измерительное устройство 206, показанное на фиг.2) может определять температуры в различных дискретных местоположениях на основе отражений от отражающих элементов в первом или во втором оптических волокнах.

[0047] Другими словами, в одном варианте осуществления настоящего изобретения иллюстративная система 500 для выполнения распределенного измерения температуры может включать в себя одно одноконечное оптическое волокно, используемое для DTS, с отражающими элементами, используемыми для измерения температуры набора (ATS). То есть как DTS, так и ATS могут выполняться в одном одноконечном оптическом волокне. фиг.6 показывает схематическое изображение иллюстративной системы 600, включающей в себя одно одноконечное оптическое волокно 602, которое используется для DTS, с отражающими элементами 604, которые используются для ATS. Блок 610 представляет измерительное устройство, способное выполнять ATS с использованием оптического волокна 602 и различных отражающих элементов 604, а блок 630 представляет измерительное устройство, способное выполнять DTS с использованием оптического волокна 602. Хотя иллюстративная система изображена с пятью отражающими элементами, настоящее изобретение не ограничивается этим, и может использоваться от двух до 100 отражающих элементов. Измерения, определенные с помощью DTS, могут быть скорректированы на основе измерений, определенных с помощью ATS, как описано более подробно ниже.

[0048] Во втором варианте осуществления настоящего изобретения иллюстративная система 500 для выполнения распределенного измерения температуры может включать в себя два одноконечных оптических волокна с одним оптическим волокном, используемым для DTS, и одним оптическим волокном с отражающими элементами, используемым для ATS. Фиг.7 показывает схематическое изображение иллюстративной системы 700, включающей в себя два одноконечных оптических волокна 702 и 720, с оптическим волокном 720, используемым для DTS, и оптическим волокном 702, используемым для ATS. Блок 710 представляет собой измерительное устройство, способное выполнять ATS с использованием оптического волокна 702 и различных отражающих элементов 704. Хотя иллюстративная система изображена с пятью отражающими элементами, настоящее изобретение не ограничивается этим, и может использоваться от двух до 100 отражающих элементов. Блок 730 представляет собой измерительное устройство, способное выполнять DTS с использованием оптического волокна 720.

[0049] В третьем варианте осуществления настоящего изобретения иллюстративная система 500 может включать в себя одно двухконечное (например, с U-образным изгибом) оптическое волокно, используемое для DTS, и одноконечное оптическое волокно с отражающими элементами, используемое для ATS. Фиг.8 показывает схематическое изображение иллюстративной системы 800, включающей в себя одноконечное оптическое волокно 802 и двухконечное оптическое волокно 820. Блок 810 представляет собой измерительное устройство, способное выполнять ATS с использованием оптического волокна 802 и различных отражающих элементов 804. Как и в других иллюстративных системах, иллюстративная система изображена с пятью отражающими элементами, но настоящее изобретение не ограничивается этим, и может использоваться от двух до 100 отражающих элементов. Блок 830 представляет измерительное устройство, способное выполнять DTS с использованием оптического волокна 820. Как упоминалось ранее, измерительное устройство 830 может измерять обратнорассеянные отражения от обоих колен двухконечного оптического волокна 820 и использовать измерения отражений для выполнения DTS.

[0050] В четвертом варианте осуществления настоящего изобретения иллюстративная система 500 может включать в себя одно двухконечное оптическое волокно, используемое для двухконечного DTS, с отражающими элементами, используемыми для ATS на одной стороне U-образного изгиба двухконечного оптического волокна. То есть как двухконечное DTS, так и ATS могут быть выполнены с использованием одного и того же двухконечного оптического волокна, которое имеет отражающие элементы на одном колене. Фиг.9 показывает схематическое изображение иллюстративной системы 900, включающей в себя одно двухконечное оптическое волокно 920, которое используется для DTS, с отражающими элементами 904, которые используются для ATS. Блок 910 представляет собой измерительное устройство, способное выполнять ATS с использованием оптического волокна 920 и различных отражающих элементов 904, а блок 930 представляет измерительное устройство, способное выполнять DTS с использованием оптического волокна 902. Хотя иллюстративная система изображена с пятью отражающими элементами, настоящее изобретение не ограничивается этим, и может использоваться от двух до 100 отражающих элементов. Как и в иллюстративной системе 800 измерительное устройство 930 может измерять обратнорассеянные отражения от одного колена или от обоих колен двухконечного оптического волокна 920 и использовать измерения для выполнения DTS.

[0051] В пятом варианте осуществления настоящего изобретения иллюстративная система 500 может включать в себя одно двухконечное оптическое волокно, используемое для двухконечного DTS, с отражающими элементами, используемыми для ATS, на обеих сторонах U-образного изгиба (например, на обоих коленах) двухконечного оптического волокна. Фиг.10 показывает схематическое изображение иллюстративной системы 1000, включающей в себя двухконечное оптическое волокно 1020 с отражением на обеих сторонах U-образного изгиба. Блок 1010 представляет собой измерительное устройство, способное выполнять ATS с использованием оптического волокна 1020 и различных отражающих элементов 1004. Как и в случае других иллюстративных систем, иллюстративная система изображена с пятью отражающими элементами, но настоящее изобретение не ограничивается этим, и может использоваться от двух до 100 отражающих элементов. Блок 1030 представляет измерительное устройство, способное выполнять DTS с использованием оптического волокна 1020.

[0052] Фиг.11 иллюстрирует пример операций 1100 для определения температуры, связанной с трубопроводом, путем выполнения распределенного измерения температуры в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Операции могут начинаться на этапе 1102 путем выполнения распределенного измерения температуры (DTS) с использованием двух концов первого оптического волокна (например, оптического волокна 1020, показанного на фиг.10), размещенного внутри трубопровода и имеющего обратный канал, соединяющий два конца. На этапе 1104 операции могут продолжаться путем выполнения дискретного измерения температуры на основе измеренных отражений света от отражающих элементов (например, отражающих элементов 1004, показанных на фиг.10), имеющих характерные длины волн, размещенных в дискретных местоположениях. На этапе 1106 операции могут продолжаться путем определения температур во множестве местоположений на основе DTS и дискретного измерения температуры.

[0053] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления этап определения температур во множестве местоположений может содержать калибровку DTS на основе дискретного измерения температуры. Калибровка может быть выполнена на основе любых подходящих методов калибровки с использованием измерений, выполненных в дискретных местоположениях (например, в точках вдоль набора ВБР).

[0054] Например, калибровка DTS может содержать измерение температуры с использованием распределенного измерения температуры в одном или нескольких дискретных местоположениях вдоль первого оптического волокна; измерение температуры в одном или нескольких дискретных положениях вдоль первого оптического волокна с использованием отражений, по меньшей мере, от одного из отражающих элементов, определение разностей ΔT_i между температурой, измеренной путем DTS в соответствующих местоположениях, и температурой, измеренной вдоль первого оптического волокна в соответствующих местоположениях отражающих элементов, и использование ΔT_i для корректировки температур, измеренных с использованием DTS, где i - это индекс, соответствующий отражающим элементам. Для местоположений, отличных от дискретных местоположений, температуры, измеренные с использованием DTS, могут быть скорректированы с использованием среднего, взвешенного среднего или другой функции от одного или нескольких ΔT_i. То есть температура в местоположении, отличном от местоположения отражающего элемента, может быть определена путем корректировки температуры, измеренной с использованием DTS в данном местоположении, и корректировки DTS-измеренной температуры с помощью функции от одного или нескольких ΔT_i. Функция может содержать выбор ΔT_i ближайшего дискретного местоположения с отражающим элементом или усреднение ΔT_i двух ближайших дискретных местоположений с отражающими элементами. В качестве альтернативы функция может содержать определение средневзвешенного значения ΔT_i двух или более ближайших дискретных местоположений, причем среднее значение взвешивается в соответствии с расстояниями до двух или более ближайших дискретных местоположений.

[0055] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения операции могут дополнительно содержать определение давления внутри трубопровода. Давление может быть определено в дискретных местоположениях внутри трубопровода, в том числе с возможностью на конце второго оптического волокна. Давление может быть определено на основе измеренных отражений (например, отражений от конца второго оптического волокна).

[0056] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения каждый отражающий элемент имеет характерную длину волны, отличную от таковой для каждого другого отражающего элемента. В таких случаях отражающие элементы с различными характерными длинами волн при необходимости используются на этапе 1104 для мультиплексирования отражений света от них, чтобы идентифицировать, по меньшей мере, одно из дискретных местоположений.

Пример двухконечного распределенного датчика температуры с датчиком потерь оптической мощности

[0057] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения система распределенного измерения температуры (например, DTS-система 200, показанная на фиг.2), задействующая оптический волновод, имеющий отражающие элементы, размещенные в одном или нескольких дискретных местоположениях (например, местоположениях 204A, 204B, 204C, показанных на фиг.2) измерения, может быть откалибрована на основе измерений потерь оптической мощности, выполненных при отражениях света от дискретных местоположений измерения.

[0058] Распределенное измерение температуры (то есть DTS) может выполняться по всей длине оптических волноводов 202 (см. фиг.2) и 302 (см. фиг.3). Измерение потерь оптической мощности также может быть выполнено с использованием отражающих элементов в каждом из дискретных местоположений измерения 204A, 204B, 204C, 304A, 304B и 304C. Измерение потерь оптической мощности может быть выполнено путем подачи света в оптический волновод и измерения отражений от отражающих элементов в каждом из дискретных местоположений измерения. Измерения потерь оптической мощности могут использоваться для корректировки отношений интенсивностей стоксова и антистоксова компонентов, измеренных с помощью DTS-системы, что позволяет определять температуру в каждом дискретном местоположении измерения на основе отражений от отражающих элементов и DTS-измерений в дискретных местоположениях измерения.

[0059] Определенные температуры дискретных местоположений измерения могут использоваться для калибровки системы распределенного измерения температуры. Система распределенного измерения температуры может определять температуру вдоль всего оптического волновода на основе измерений потерь оптической мощности в дискретных местоположениях и измеренных обратнорассеянных отражений от оптического волновода.

[0060] Фиг.12 иллюстрирует пример операций 1200 для определения температуры, связанной с трубопроводом, путем выполнения распределенного измерения температуры в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Операции могут начинаться на этапе 1202 путем выполнения распределенного измерения температуры (DTS) с использованием двух концов первого оптического волокна (например, оптического волокна 1020, показанного на фиг.10), размещенного внутри трубопровода и имеющего обратный канал, соединяющий два конца. На этапе 1204 операции могут продолжаться путем выполнения дискретного измерения потерь оптической мощности на основе измеренных относительных мощностей отражения от отражающих элементов (например, отражающих элементов 1004, показанных на фиг.10), имеющих характерные длины волн, размещенных в дискретных местоположениях. На этапе 1206 операции могут продолжаться путем определения температур во множестве местоположений на основе DTS и дискретного измерения потерь оптической мощности.

[0061] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления этап определения температур во множестве местоположений может содержать калибровку DTS на основе дискретного измерения потерь оптической мощности. Калибровка может быть выполнена на основе любых подходящих методов калибровки с использованием измерений потерь оптической мощности, выполненных в дискретных местоположениях (то есть в точках, имеющих отражающие элементы, такие как отражающие элементы 604, 704, 804, 904 и 1004 на фиг.6-10).

[0062] Например, калибровка DTS может содержать измерение температуры с использованием распределенного измерения температуры в одном или нескольких дискретных местоположениях вдоль первого оптического волокна; измерение потерь оптической мощности отражений от отражающих элементов в одном или нескольких дискретных местоположениях вдоль первого оптического волокна, корректировку отношений интенсивностей стоксова и антистоксова компонентов в дискретных местоположениях на основе определенных измерений потерь оптической мощности, определение скорректированных температур в дискретных местоположениях на основе скорректированных отношений, определение разностей ΔT_i между нескорректированной температурой, измеренной с помощью DTS в каждом соответствующем местоположении, и скорректированной температурой в каждом соответствующем местоположении, и использование ΔT_i для корректировки температур, измеренных с использованием DTS, где i - это индекс, соответствующий отражающим элементам. Для местоположений, отличных от дискретных местоположений, температуры, измеренные с использованием DTS, могут быть скорректированы с использованием среднего, взвешенного среднего или другой функции от одного или нескольких ΔT_i. То есть температура в местоположении, отличном от местоположения отражающего элемента, может быть определена путем корректировки температуры, измеренной с использованием DTS в данном местоположении, и корректировки DTS-измеренной температуры с помощью функции от одного или нескольких ΔT_i. Функция может содержать выбор ΔT_i ближайшего дискретного местоположения с отражающим элементом или усреднение ΔT_i двух ближайших дискретных местоположений с отражающими элементами. В качестве альтернативы функция может содержать определение средневзвешенного значения ΔT_i двух или более ближайших дискретных местоположений, причем среднее значение взвешивается в соответствии с расстояниями до двух или более ближайших дискретных местоположений.

[0063] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения операции могут дополнительно содержать определение давления внутри трубопровода. Давление может быть определено в дискретных местоположениях внутри трубопровода, в том числе на конце второго оптического волокна. Давление может быть определено на основе измеренных отражений (например, отражений от конца второго оптического волокна).

[0064] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения каждый отражающий элемент имеет характерную длину волны, отличную от таковой для каждого другого отражающего элемента. В таких случаях отражающие элементы с различными характерными длинами волн при необходимости используются на этапе 1204 для мультиплексирования отражений света от них, чтобы идентифицировать, по меньшей мере, одно из дискретных местоположений.

[0065] Должно быть понятно, что конкретный порядок или иерархия этапов в процессах, описанных выше, является иллюстрацией образцовых подходов. Должно быть понятно, что, исходя из конструктивных предпочтений, конкретный порядок или иерархия этапов в процессах могут быть переупорядочены. Кроме того, некоторые этапы могут быть объединены или опущены. Сопровождающий способ заявляет настоящие элементы различных этапов в иллюстративном порядке и не ограничивается конкретным порядком или представленной иерархией.

[0066] Кроме того, термин «или» подразумевает включающее «или», а не исключающее «или». То есть, если не указано иное или не ясно из контекста, фраза, например, «X задействует A или B», подразумевает любую из естественных включающих перестановок. То есть, например, фраза «X задействует A или B» удовлетворяет любому из следующих случаев: X задействует A; X задействует B; или X задействует как A, так и B. Кроме того, артикли «a» и «an», используемые в настоящей заявке и прилагаемой формуле изобретения, в общем должны толковаться как «один или более», если не указано иное или не ясно из контекста о ссылке на сингулярную форму. Фраза, относящаяся к «по меньшей мере одному из» списка элементов, относится к любой комбинации этих элементов, включая отдельные элементы. Например, фраза «по меньшей мере один из: a, b или c» предназначена для охвата: a, b, c, a-b, a-c, b-c и a-b-c.

[0067] Предыдущее описание предоставлено, чтобы позволить любому специалисту в данной области техники реализовать на практике различные аспекты, описанные здесь. Различные модификации этих аспектов будут очевидны для специалистов в данной области техники, и основные принципы, определенные здесь, могут быть применены к другим аспектам. Таким образом, пункты формулы изобретения не предназначены быть ограничеными аспектами, показанными здесь, но должны соответствовать полному объему, совместимому со сформулированными пунктами формулы изобретения, причем ссылка на элемент в единственном числе не предназначена, чтобы означать «один и только один», если конкретно это не указано, а скорее означает «один или более». Если конкретно не указано иное, термин «некоторый» относится к одному или более. Все структурные и функциональные эквиваленты элементов различных аспектов, описанных в настоящем раскрытии, которые известны или позже станут известными специалистам в данной области техники, явно включены сюда посредством ссылки и предназначены для охвата формулой изобретения. Более того, ничто, раскрытое здесь, не предназначено, чтобы быть предоставленным общественности независимо от того, цитировано ли такое раскрытие явным образом в формуле изобретения.

[0068] Хотя вышеизложенное направлено на варианты осуществления настоящего изобретения, могут быть разработаны другие и дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения, не выходящие за пределы его основного объема, а его объем определяется последующими пунктами формулы изобретения.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано в процессе скважинных измерений. Предложены способы и устройство для распределенного измерения температуры вдоль оптического волновода, размещенного в осевом направлении по отношению к трубопроводу, с использованием распределенного датчика температуры и набора датчиков температуры. Иллюстративный способ включает в себя выполнение распределенного измерения температуры (DTS) с использованием двух концов первого оптического волокна, размещенного внутри трубопровода и имеющего обратный канал, соединяющий два конца, выполнение дискретного измерения температуры на основе измеренных отражений света от отражающих элементов, имеющих характерные длины волн, размещенных в дискретных местоположениях, и определение температур во множестве местоположений на основе DTS и дискретного измерения температуры. Технический результат – повышение точности получаемых данных. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Устройство для определения температур, связанных с трубопроводом, содержащее:

оптическое волокно, имеющее два колена, соединенные U-образным изгибом, первый конец и второй конец, при этом первое расстояние от первого конца до второго конца меньше, чем второе расстояние от первого конца до U-образного изгиба.

2. Система для определения температур, связанных с трубопроводом, содержащая:

первое оптическое волокно, размещенное внутри трубопровода, содержащее два конца и имеющее обратный канал, соединяющий два конца;

отражающие элементы, имеющие характерные длины волн, размещенные в дискретных местоположениях; и

по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью:

выполнять распределенное измерение температуры (DTS) с использованием двух концов первого оптического волокна,

выполнять дискретное измерение температуры на основе измеренных отражений света от отражающих элементов и

определять температуры во множестве местоположений на основе DTS и дискретного измерения температуры.

3. Система по п.2, в которой по меньшей мере один процессор дополнительно выполнен с возможностью калибровки DTS на основе дискретного измерения температуры.

4. Система по п.2, в которой первое оптическое волокно размещено внутри гибкой трубы.

5. Система по п.2, в которой обратный канал содержит U-образный изгиб.

6. Система по п.2, дополнительно содержащая:

второе оптическое волокно, при этом отражающие элементы сформированы по меньшей мере во втором оптическом волокне.

7. Система по п.6, в которой по меньшей мере один процессор дополнительно выполнен с возможностью определения давления на конце второго оптического волокна внутри трубопровода.

8. Система по п.7, в которой давление определяется на основе измеренных отражений от второго оптического волокна.

9. Система по п.2, в которой:

смежные отражающие элементы имеют разные характерные длины волн и

по меньшей мере один процессор дополнительно выполнен с возможностью опроса смежных отражающих элементов с использованием мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM).

10. Система по п.2, в которой отражающие элементы содержат волоконные решетки Брэгга (ВБР).

11. Система по п.2, в которой первое оптическое волокно содержит непрерывное оптическое волокно без сращиваний между первым оптическим волокном и отражающими элементами.

12. Система для определения температур, связанных с трубопроводом, содержащая:

первое оптическое волокно, размещенное внутри трубопровода, содержащее два конца и имеющее обратный канал, соединяющий два конца;

отражающие элементы, имеющие характерные длины волн, размещенные в дискретных местоположениях; и

по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью:

выполнять распределенное измерение температуры (DTS) с использованием двух концов первого оптического волокна,

выполнять дискретное измерение потерь оптической мощности на основе измеренных отражений света от отражающих элементов и

определять температуры во множестве местоположений на основе DTS и дискретного измерения потерь оптической мощности.

13. Система по п.12, в которой по меньшей мере один процессор дополнительно выполнен с возможностью калибровки DTS на основе дискретного измерения потерь оптической мощности.

14. Система по п.12, в которой первое оптическое волокно размещено внутри гибкой трубы.

15. Система по п.12, в которой обратный канал содержит U-образный изгиб.

16. Система по п.12, дополнительно содержащая:

второе оптическое волокно, при этом отражающие элементы сформированы по меньшей мере во втором оптическом волокне.

17. Система по п.16, в которой по меньшей мере один процессор дополнительно выполнен с возможностью определения давления на конце второго оптического волокна внутри трубопровода.

18. Система по п.12, в которой:

смежные отражающие элементы имеют разные характерные длины волн и

по меньшей мере один процессор дополнительно выполнен с возможностью опроса смежных отражающих элементов с использованием мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM).

19. Система по п.12, в которой отражающие элементы содержат волоконные решетки Брэгга (ВБР).

20. Система по п.12, в которой первое оптическое волокно содержит непрерывное оптическое волокно без сращиваний между первым оптическим волокном и отражающими элементами.