BR112015011854B1

BR112015011854B1 - Sistema e método de detecção acústica distribuída em fundo de furo

Info

Publication number: BR112015011854B1
Application number: BR112015011854-2A
Authority: BR
Inventors: Brooks A. Childers; Roger Glen Duncan; Michael C. Nuckels
Original assignee: Baker Hughes Incorporated
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2021-08-03
Also published as: EP2925962A1; AU2013353368B2; US20140150548A1; CA2892374A1; AU2013353368A1; WO2014085012A1; US9784862B2; BR112015011854A2; DK2925962T3; EP2925962B1; EP2925962A4; CA2892374C

Abstract

detecção acústica distribuída em fundo de furo. a presente invenção refere-se a um método e a um sistema para a realização de uma detecção acústica distribuída no fundo de furo de um furo de sonda. o sistema inclui uma fibra óptica compreendendo pelo menos um refletor, e um laser sintonizável configurado de modo a fazer uma transmissão de uma faixa de comprimentos de onda através da fibra óptica. o sistema inclui ainda um receptor configurado de modo a receber um sinal interferométrico resultante da transmissão, e um processador configurado de modo a determinar um componente do sinal interferométrico.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[0001] O presente pedido reivindica o benefício do Pedido de Patente dos Estados Unidos N. 13/690324, depositado em 30 de novembro de 2012, o qual é incorporado ao presente documento a título de referência em sua totalidade.

ANTECEDENTES

[0002] Nos esforços de exploração em fundo de furo e na recuperação de recursos geológicos, a capacidade de se obter informações sobre as condições do ambiente e do estado dos equipamentos no fundo de furo pode ser útil na tomada de decisões. Por exemplo, as informações indicativas de falha iminente do um equipamento poderão levar a ações que mitigam as consequências onerosas da falha. Muitos sensores e dispositivos de medição (por exemplo, sensores de temperatura e pressão) são atualmente usados no fundo de furo. Outras técnicas de monitoramento e medição serão apreciadas pela indústria de perfuração.

SUMÁRIO

[0003] De acordo com um aspecto da presente invenção, um sistema para a realização de uma detecção acústica distribuída no fundo de furo de um furo de sonda inclui uma fibra óptica que compreende pelo menos um refletor; um laser sintonizável configurado de modo a fazer uma transmissão de uma faixa de comprimentos de onda através da fibra óptica; um receptor configurado de modo a receber um sinal interferométrico resultante da transmissão; e um processador configurado de modo a determinar um componente do sinal interferométrico.

[0004] De acordo com outro aspecto da presente invenção, um método de realização de uma detecção acústica distribuída no fundo de furo de um furo de sonda inclui a disposição de um interferômetro no furo de sonda, o interferômetro sendo acoplado a um componente de interesse; a obtenção de um sinal interferométrico a partir do interferômetro; e o processamento do sinal interferométrico a fim de determinar as informações relativas ao componente de interesse.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0005] A seguir, com referência aos desenhos, nos quais elementos similares são numerados da mesma forma nas diversas figuras:

[0006] A Fig. 1 é uma ilustração em seção transversal de um furo de sonda que inclui um sistema de sensor acústico distribuído de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0007] A Fig. 2 detalha uma modalidade na qual um sistema de sensor acústico distribuído é usado a fim de monitorar o maquinário;

[0008] A Fig. 3 detalha uma modalidade na qual um sistema de sensor acústico distribuído é usado a fim de monitorar um filtro de areia;

[0009] As Figuras 4 a 8 se referem ao processamento executado no sinal interferométrico de saída de acordo com as modalidades da presente invenção;

[0010] A Fig. 9 ilustra uma outra modalidade do sistema de sensor acústico distribuído usando redes de Bragg em fibra (FBG);

[0011] A Fig. 10 ilustra uma outra modalidade do sistema de sensor acústico distribuído usando um retroespalhamento de Rayleigh; e

[0012] A Fig. 11 é um fluxograma de um exemplo de método de uso de uma detecção acústica distribuída em fundo de furo.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0013] Os sinais acústicos de alta frequência (por exemplo, a partir das vibrações ou do fluxo de uma máquina) podem prover informações valiosas sobre o estado do furo de sonda e do maquinário no furo de sonda. As modalidades da presente invenção descritas no presente documento se referem à medição de sinais acústicos distribuídos não só para detectar, mas também localizar as informações desejadas.

[0014] A Fig. 1 é uma ilustração em seção transversal de um furo de sonda 1 incluindo um sistema de sensor acústico distribuído 100 de acordo com uma modalidade da presente invenção. Um furo de sonda 1 penetra na terra 3 que inclui uma formação 4. Um conjunto de ferramentas 10 pode ser baixado para dentro do furo de sonda 1 por meio de uma coluna 2. Nas modalidades da presente invenção, a coluna 2 pode ser uma coluna de revestimento, uma coluna de produção, um cabo elétrico de perfilagem blindado, um slickline, uma tubulação enrolada, ou uma coluna de trabalho. Nas modalidades de perfuração durante perfuração (MWD), a coluna 2 pode ser uma coluna de perfuração, e uma broca seria incluída abaixo das ferramentas 10. As informações dos sensores e dos dispositivos de medição incluídos no conjunto de ferramentas 10 podem ser enviadas para a superfície para processamento pelo sistema de processamento de superfície 130 através de um enlace de fibra ou telemetria. O sistema de sensor acústico distribuído 100 inclui uma fibra óptica 110. Na modalidade mostrada na Fig. 1, a fibra óptica 110 inclui os refletores de ponto 115. Tal como indicado na Fig. 1, os três refletores de ponto exemplares 115 compõem dois interferômetros 117a e 117b. O sistema de sensor acústico distribuído 100 também inclui um laser sintonizável 120, mostrado na superfície da terra 3 na Fig. 1.

[0015] A Fig. 2 detalha uma modalidade na qual o sistema de sensor acústico distribuído 100 é usado a fim de monitorar o maquinário 210. O maquinário pode ser, por exemplo, uma bomba submersível. Na modalidade mostrada na Fig. 2, a fibra óptica 110 tem refletores de ponto 115 sobre a mesma que são acoplados ao maquinário 210. Cada conjunto de refletores ponto 115 mostrados na Fig. 2 fica, por exemplo, de 10 a 20 cm de distância entre si e compreende um interferômetro de Fabry Perot. Em modalidades alternativas, o interferômetro 117 pode ser um interferômetro de Michelson, ou um interferômetro de Mach Zehnder em vez de um interferômetro de Fabry Perot. Cada interferômetro 17 constituído por um conjunto de refletores de ponto 115 na presente modalidade monitora o maquinário 210 da seguinte maneira. O laser sintonizável 120 emite uma faixa de comprimentos de onda sequenciais ao longo de um determinado intervalo de tempo finito. Os sinais de retorno a partir de um par de refletores de ponto 115, sem nenhum outro componente em contribuição, irão interferir uns com os outros de modo a gerar um padrão de onda senoidal, cuja frequência reflete o espaçamento dos refletores de ponto 115 (ou seja, cada sinal interferométrico de saída 117 será um padrão de onda senoidal). Em um cenário de mundo real, o sinal recebido na superfície de cada interferômetro 117 composto de um conjunto de refletores de ponto 115 não será um padrão de onda senoidal pura, mas sim, ao invés disso, incluirá outros componentes de sinal contribuídos pela vibração do maquinário 210 ao qual os refletores de ponto 115 são acoplados, bem como os componentes de sinal devidos à sintonização não linear do laser sintonizável 120. As modalidades que usam um laser sintonizável 120 com uma característica de sintonização linear evitam esses componentes de sinal em contribuição. Deste modo, ao se conhecer o espaçamento entre os refletores de ponto 115 em um interferômetro 117, o sistema de processamento de superfície 130 poderá determinar a componente de interferência ou o componente de sinal acústico atribuível ao maquinário 210 ao qual os refletores de ponto 115 são acoplados. Ou seja, com a onda senoidal como uma portadora, o deslocamento de fase provocado pela vibração do maquinário 210 poderá ser pensado como uma modulação da portadora, e a modulação poderá ser processada e determinada tal como detalhado abaixo. Ao longo do tempo, ao se monitorar este componente de vibração do maquinário 210, alterações (por exemplo, um aumento de vibração) poderão ser determinadas e tratadas. Por exemplo, quando um rápido aumento do componente de vibração do maquinário 210 é determinado, será possível indicar uma falha iminente no maquinário 210.

[0016] A Fig. 3 detalha uma modalidade de uso do sistema de sensor acústico distribuído 100 no sentido de monitorar um filtro de areia 310. A fibra óptica 110 pode ser diretamente acoplada ao filtro de areia 310 ou pode ser acoplada ao filtro de areia 310 através de um outro componente 320 (por exemplo, um tubo Fiber Express ™). O laser sintonizável 120 faz a varredura de uma faixa de comprimentos de onda ao longo de um intervalo de tempo, tal como na modalidade apresentada com referência à Fig. 2. O sinal interferométrico resultante (quando o interferômetro 117 é formado pelo par de refletores de ponto 115, tal como na modalidade mostrada na Fig. 3) inclui um componente devido ao fluxo através do filtro de areia 310. Ou seja, tal como a vibração do maquinário 210 que modula o padrão senoidal gerado por meio de uma reflexão do laser sintonizável 120 emitida pelos refletores de ponto 115, tal como mostrado na modalidade da Fig. 2, o fluxo do fluido de formação através do filtro de areia 310 irá modular o padrão senoidal e poderá ser processado e detectado pelo sistema de processamento de superfície 130. Por exemplo, um tubo com um comprimento de 30,48 m (100 pés) pode cobrir um reservatório. Ao usar o sistema de sensor acústico distribuído 100, o fluxo de óleo poderá ser localizado ao longo do tubo. O processamento do sinal interferométrico no sentido de determinar o componente atribuível ao distúrbio (por exemplo, a vibração, o fluxo) de acordo com as modalidades ilustradas nas Figuras 2 e 3 é detalhado a seguir.

[0017] As Figuras 4 a 8 detalham o processamento de um sinal interferométrico exemplar recebido pelo sistema de sensor acústico distribuído 100. O processamento pode ser executado pelo sistema de processamento de superfície 130, por exemplo. A Fig. 4 mostra um sinal recebido 410 exemplar por um período de tempo (eixo x 420). A amplitude é mostrada no eixo y (430). O sinal recebido 410 exemplar inclui o sinal interferométrico de saída para um único interferômetro 117, porém um sinal recebido 410 em um sistema de sensor acústico distribuído 100 que inclui mais interferômetros 117 irá incluir mais sinais interferométricos de saída. Uma transformada de Fourier é calculada a partir do sinal recebido 410 de modo a prover um sinal 510 no domínio da frequência (eixo x 520). O componente 530, bem como porções do sinal 510, são gerados devido às características não lineares do laser sintonizável 120. Quando o sinal interferométrico de saída é resultante de um laser sintonizável 120 com características de sintonização lineares, o componente 530 (e suas contribuições para o sinal 510) não estará presente. Tal como notado com relação à Fig. 4, um sistema de sensor acústico distribuído 100 com dois ou mais interferômetros 117 irá receber dois ou mais sinais interferométricos de saída e, portanto, poderá incluir dois ou mais sinais 510 no domínio da frequência.

[0018] Um filtro passa banda é usado no sentido de isolar cada um dos sinais 510, e, em seguida, uma transformada inversa de Fourier é calculada a partir de cada sinal isolado 510 de modo a prover o sinal complexo exemplar (o componente real 610 e o componente imaginário 620) no domínio do tempo (eixo x 630) mostrado na Fig. 6. Para fins de clareza, quando mais de um interferômetro 117 é usado pelo sistema de sensor acústico distribuído 100, será necessário mais de um filtro passa banda, e o processamento apresentado com referência às Figuras 7 e 8 poderá ser feito para os sinais de saída de cada um dos interferômetros 117. Ao se calcular a tangente do arco (do componente real 610 e do componente imaginário 620) e, em seguida, realizar um desempacotamento de fase sobre a fase resultante, a fase 710 e a modulação de fase 720 ao longo tempo (eixo x 730) serão providas, tal como mostrado na Fig. 7. A modulação de fase 720, que vem a ser a porção de interesse, reflete a contribuição do parâmetro do fundo de furo de interesse (por exemplo, a vibração, o fluxo) para o sinal interferométrico de saída, como também a contribuição do laser sintonizável 120 quando o laser sintonizável 120 não apresenta uma característica de sintonização linear. Deste modo, se não houver nenhuma vibração, fluxo, ou outra contribuição para o sinal interferométrico de saída, e o laser sintonizável 120 tiver características de sintonização lineares, a modulação de fase 720 será uma linha plana em 0. Tal como observado acima, a porção de interesse é a modulação de fase 720 uma vez que a mesma inclui a vibração ou o fluxo em contribuição ao sinal interferométrico de saída.

[0019] Através da realização de uma transformação de Fourier na modulação de fase 720, a frequência (eixo x 820) e a amplitude (eixo y 830) (mostradas em uma escala logarítmica) da vibração poderão ser determinadas. No caso exemplificativo apresentado com referência às Figuras 4 a 8, o sinal interferométrico de saída inclui um componente de vibração induzido a 137 Hz. A Fig. 8 mostra este componente 810 a 137 Hz. Ao se monitorar este sinal de saída ao longo do tempo, alterações na frequência e/ou na amplitude da vibração poderão ser usadas no sentido de determinar a condição do maquinário (na modalidade apresentada com referência à Fig. 2) ou a inicialização, o aumento ou a diminuição do fluxo (na modalidade descrita com referência à Fig. 3). Além disso, a modulação de fase 720 (indicando vibração ou fluxo) pode ser localizada dentro do furo de sonda 1 da seguinte maneira. Tal como acima mencionado, quando mais de um interferômetro 117 é usado, os resultados mostrados nas Figuras 7 e 8 são determinados para cada um dos interferômetros 117. Sendo assim, ao se observar qual sinal interferométrico de saída 117 mostra o componente de vibração (810), a localização do fluxo, por exemplo, poderá ser determinada com base na localização dos refletores de ponto 115 que constituem o interferômetro em questão 117. As modalidades do sistema de sensor acústico distribuído 100 apresentadas abaixo incluem outros tipos de interferômetros 117 e apresentam métodos adicionais para se determinar a localização do interferômetro 117. Em modalidades alternativas, o sistema de sensor acústico distribuído 100 descrito no presente documento poderá ser usado para uma perfilagem sísmica vertical ou para um fraturamento hidráulico, em adição à vibração e ao monitoramento do fluxo.

[0020] A Fig. 9 ilustra uma outra modalidade do sistema de sensor acústico distribuído 100 usando redes de Bragg em fibra (FBG) 910. Nesta modalidade, são usadas redes FBG 910 em vez dos refletores de ponto 115 para o interferômetro 117. As redes FBG 910 atuam como refletores ao redor do comprimento de onda da rede de Bragg. O número e a distribuição das redes de Bragg podem variar de modo a afetar a característica refletiva. Tal como acontece com os refletores de ponto 115, o sinal interferométrico gerado pelas redes FBG 910 é processado no sentido de isolar a perturbação de fase causada pela disturbância alvo (por exemplo, a vibração do maquinário 210, o fluxo através do filtro de areia 310).

[0021] A Fig. 10 ilustra uma outra modalidade do sistema de sensor acústico distribuído 100 usando o retroespalhamento de Rayleigh. Esta modalidade se baseia no fato de que, mesmo sem qualquer refletor ou rede de Bragg ao longo da fibra óptica 110, um retroespalhamento de Rayleigh é gerado em cada ponto ao longo da fibra óptica 110. Com um refletor de referência 1010 em uma localização conhecida ao longo da fibra óptica 110, cada ponto na fibra óptica 110 irá atuar como um interferômetro 117 em conjunto com o refletor de referência 1010. Ao se isolar um comprimento da fibra óptica (d') dentro de uma certa distância (2*d) em torno do refletor de referência 1010, uma área de interesse (por exemplo, uma parte de um maquinário 210, o filtro de areia 310) poderá ser isolada para o processamento do sinal interferométrico. Por exemplo, um espaçamento de 20 cm dentro de 500 m do refletor de referência 1010 pode ser isolado. O sinal interferométrico gerado por meio do retroespalhamento de Rayleigh a partir do comprimento isolado e pelo refletor de referência 1010 pode, em seguida, ser processado no sentido de determinar a modulação de fase. Tal como descrito com referência às Figuras 2 e 3, a modulação de fase (processada tal como descrito com referência às Figuras 4 a 8) indica a vibração no caso da área de interesse que faz parte do maquinário 210 (tal como uma bomba submersível), ou o fluxo no caso da área de interesse que faz parte de um filtro de areia 310. Tal como mostrado, o refletor de referência 1010 é um refletor de ponto 115. Em outras modalidades, o refletor de referência 1010 poderá ser uma rede FBG 910.

[0022] Um refletor de referência pode ser usado em conjunto com os refletores de ponto 115 ou com as redes FBG 910 apresentadas também com referência às Figuras 2, 3 e 6. Ou seja, quando mais de dois refletores de ponto 115 ou redes FBG 910 são usados, o espaçamento entre os refletores de ponto adjacentes 115 ou as redes FBG 910 varia de tal modo que um dado par de refletores de ponto 115 ou redes FBG 910 apresente uma distância única entre os mesmos e, deste modo, será distinguível de qualquer outro par ao longo da fibra óptica 110. No entanto, a fim de determinar onde ao longo da fibra óptica 110 um dado par de refletores de ponto 115 ou de redes FBG 910 está localizado, os refletores de ponto 115 ou as redes FBG 910 poderão ser colocados em locais conhecidos (um conhecimento a priori), ou um refletor de referência 1010 poderá ser usado no sentido de fazer essa determinação.

[0023] A Fig. 11 é um fluxograma de um método exemplar 1100 de uso de uma detecção acústica distribuída em um fundo de furo. Na etapa 1110, a etapa de dispor o interferômetro inclui a disposição dos refletores de ponto 115, tal como apresentado com referência às Figuras 2 e 3, ou das redes FBG 910, tal como apresentado com referência à Fig. 9, com ou sem um refletor de referência 1010, ou incluindo apenas um refletor de referência 1010, tal como apresentado com referência à Fig. 10. Na etapa 1120, a etapa de obter o sinal interferométrico inclui a transmissão de uma faixa de comprimentos de onda com um laser sintonizável 120 e o recebimento do sinal interferométrico. O sinal interferométrico pode ser recebido na superfície. Na etapa 1130, o processamento do sinal interferométrico no sentido de determinar as informações de interesse inclui a determinação da vibração e, ao longo do tempo, o monitoramento se altera nas vibrações de uma parte do maquinário 210, por exemplo, de uma bomba submersível. O processamento na etapa 1130 também inclui a determinação do fluxo no local de um filtro de areia 310. O processamento na etapa 1130 também inclui a realização de uma perfilagem sísmica vertical ou fraturamento hidráulico. O processamento na etapa 1130 pode ser feito de acordo com a descrição acima com referência às Figuras 4 a 8.

[0024] Embora uma ou mais modalidades tenham sido mostradas e descritas, modificações e substituições poderão ser feitas às mesmas sem se afastar do espírito e do âmbito de aplicação da presente invenção. Por conseguinte, deve-se entender que a presente invenção foi descrita por meio de ilustrações e não como uma forma de limitação.

Claims

1. Sistema (100) para realizar uma detecção acústica distribuída no fundo de furo de um furo de sonda (3), caracterizado pelo fato de que o sistema compreende: - uma fibra óptica (110) compreendendo pelo menos um refletor; - um laser sintonizável (120) configurado de modo a fazer uma transmissão inicial de uma faixa de comprimentos de onda através da fibra óptica (110) ao longo de um intervalo de tempo, a transmissão inicial resultando em um sinal interferométrico inicial, o qual é uma onda senoidal, e transmissões adicionais da faixa de comprimentos de onda, as transmissões adicionais resultando em sinais interferométricos; - um receptor configurado para receber sinais interferométri- cos resultante das transmissões adicionais; e - um processador configurado de modo a determinar a modulação de fase da onda senoidal com base nos sinais interferométricos.

2. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um refletor inclui um refletor de referência (1010) e os sinais interferométricos são gerados por reflexões de um ponto na fibra óptica (110) e do refletor de referência (1010).

3. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fibra óptica (110) é acoplada a um filtro de areia (310) e a modulação de fase determinada a partir dos sinais inter- ferométricos indica fluxo através do filtro de areia (310).

4. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a modulação de fase determinada a partir dos sinais interferométricos é usada a fim de realizar uma perfilagem sísmica vertical.

5. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um refletor é composto por pelo menos dois refletores de ponto (115), e os sinais interferométricos são gerados por meio da interferência entre as reflexões de dois dentre os pelo menos dois refletores de ponto (115).

6. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a fibra óptica (110) compreende ainda um refletor de referência (1010).

7. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um refletor é composto de redes de Bragg em fibra (FBGS), e os sinais interferométricos são gerados por meio da interferência entre as reflexões de duas dentre as redes FBGs.

8. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a fibra óptica (110) compreende ainda um refletor de referência (1010).

9. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fibra óptica (110) é acoplada a uma porção de maquinário (210), e uma determinação de vibração da porção se baseia no componente dos sinais interferométricos.

10. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o maquinário (210) é uma bomba submersível.

11. Método (1100) de execução de uma detecção acústica distribuída no fundo de furo de um furo de sonda (3), caracterizado pelo fato de que o método compreende as etapas de: - dispor um interferômetro (1110) no furo de sonda (3), o in- terferômetro sendo acoplado a um componente de interesse; - obter um sinal interferométrico (1120) inicial a partir do in- terferômetro com base em uma transmissão inicial de uma faixa de comprimentos de onda através de uma fibra óptica (110) ao longo de um intervalo de tempo usando um laser sintonizável (120), o sinal de inter- ferômetro inicial sendo uma onda senoidal; - obter sinais interferométricos do interferômetro com base em transmissões adicionais da faixa de comprimentos de onda usando o laser sintonizável (120); e - processar o sinal interferométrico para determinar a modulação de fase da onda senoidal, a modulação de fase indicando informações relativas ao componente de interesse (1130).

12. Método (1100), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a etapa de dispor o interferômetro (1110) inclui a disposição de um refletor de referência (1010) ao longo de uma fibra óptica (110), o refletor de referência (1010) atuando como um in- terferômetro em conjunto com o ponto na fibra óptica (110).

13. Método (1100), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o componente de interesse é uma porção de um maquinário (210), e a informação inclui vibração da porção do ma- quinário (210).

14. Método (1100), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o componente de interesse é um filtro de areia (310), e a informação inclui um fluxo através do filtro de areia (310).

15. Método (1100), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a etapa de processar é realizada no sentido de fazer uma perfilagem sísmica vertical.

16. Método (1100), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a etapa de dispor o interferômetro (1100) inclui a disposição de pelo menos dois refletores de ponto (115) ao longo de uma fibra óptica (110).

17. Método (1100), de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de dispor um refletor de referência (1010) ao longo da fibra óptica (110).

18. Método (1100), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a etapa de dispor o interferômetro (1110) inclui a disposição de pelo menos duas redes de Bragg em fibra (FBGS) ao longo de uma fibra óptica (110).

19. Método (1100), de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de dispor um refletor de referência (1010) ao longo da fibra óptica (110).