CN101057060B - 测量井筒内部尺寸的装置及包括该装置的系统和测井工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量井筒内部尺寸的装置，其包括适于配置在井筒内的工具(1)。该工具包括光学测径仪(312)，该光学测径仪包括提供关于井筒内部尺寸的响应的光学传感器，该光学传感器联接到光纤(311A)上。

Description

测量井筒内部尺寸的装置及包括该装置的系统和测井工具

技术领域

本发明涉及一种用于测量管道内部尺寸的装置。本发明的测量装置在油田领域的具体应用涉及测量烃井筒的内部尺寸。

背景技术

在钻出烃井并确保安全后，通常进行测井操作。测井操作用于测量烃井地质储层的各种参数(例如不同深度的电阻系数、孔隙度等)和井筒内的各种参数(例如不同深度处的温度、压力、流体类型、流体流量等)。这样的测量通过测井工具进行。通常，测井工具包括至少一个传感器(例如电阻系数探测器、机械探测器、伽马射线中子探测器、加速度仪、压力传感器、温度传感器等)并测量至少一个参数。它可以包括多个相同或不同的对一个或多个参数敏感的传感器。

全部沿着井筒的井筒尺寸是重要参数，原因如下：

第一，烃井被钻出后，井筒是充满钻井泥浆的裸眼井筒。通常，井筒通过水泥胶结作业下套管。为了正确地设计水泥胶结作业，钻井工程师需要测量井筒尺寸作为井筒状况和钻井泥浆维持井筒稳定程度的量化表示。

第二，当给井筒下套管(也被熟知为套管)或下管道(也被熟知为管道)，测井工具在井筒内上下移动以收集关于各种参数的数据。为了避免在井筒内阻塞测井工具，测井操作需要足够直径的井筒。因此，测井工程师需要测量井筒尺寸作为井筒潜在变形、皱曲或摩擦的量化表示。

第三，井筒测量与其它测量一起可用于确定井筒的其它特征值。例如，井筒尺寸和流体速度测量(例如通过纺锤形流量计)使得能够计算井筒流体流动流量。

在当今的测井工具中，管道或套管直径的测量是基于电动机械装置或超声装置，即熟知为测径仪。

电动机械测井仪把机械臂的径向开口转换为平移运动，其被至少一个线性变量差接变压器(LVDT)探测到，并提供一个或两个方向的完井尺寸。多个测径仪也可以被用于提供管道或套管多个点的测量(也被熟知为多臂或多指测径仪)。

超声测径仪利用高频声波测量套管或管道的内部直径。转换器(在传送模式下)发射高频脉冲，该高频脉冲被套管或管道壁反射回转换器(在接收模式下)。从这个回波穿行的时间和流体声速确定直径。可以旋转转换器以产生井筒尺寸的横截面和井壁全部覆盖的图像。

两种类型的测径仪与合适的获取系统一起提供测径仪测井，它代表沿着井筒深度测得井筒直径。

文献US2,994,962描述了一种管道测量装置，其包括与探测臂联接的机械-到-光学转换器和光学-到-电学转换器。

电动机械和超声波测径仪包括当在恶劣环境(在井下很普通的高温或高压)下使用时引起的可靠性问题的电子系统。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于测量井筒内部尺寸的装置，它在恶劣条件下比现有的测径仪更可信。根据本发明，测量装置是光学测径仪，它包括光学传感器，该光学传感器提供了对应于井筒内部尺寸的响应，该光学传感器与光纤联接在一起。

根据本发明的一个实施例，光学传感器包括联接到与井筒臂接触的测径仪臂上的布拉格光栅。

根据第一个备选方案，尺寸测量包括由于测径仪臂的移动而产生的布拉格光栅延长/压缩操作。更确切地说，该装置包括：

-至少一个臂，其与井筒内径相接触，

-光学传感器，包括内接在所述光纤的一部分上的布拉格光栅，所述臂通过第一联接点联接到所述光纤的一部分上，使得臂的运动延长/压缩所述光纤的一部分，和

-光学传感器的响应是由于包括布拉格光栅的所述光纤的一部分的延长/压缩引起的所述光纤的一部分的折射率调制修正的测量。

可选择地，该装置还包括附加臂以改变臂的径向位移，所述附加臂联接到第一联接点。

根据第一个实施例的第二个备选方案，所述尺寸测量包括由于支撑布拉 格光栅的臂的弯曲而产生的布拉格光栅延长/压缩操作。更确切地说，该装置包括：

-柔性臂，与井筒内壁相接触，该臂与光纤联接，

-光学传感器，包括内接在所述光纤的一部分上和设置在柔性臂上的布拉格光栅，所述光纤的一部分通过第一和第二联接点联接到柔性臂上，所述的联接点包围所述部分，从而柔性臂的弯曲延长/压缩所述光纤的一部分，和

-光学传感器的响应是由于包括布拉格光栅的所述光纤的一部分的延长/压缩引起的包括布拉格光栅的所述光纤的一部分的折射率调制修正的测量。

根据本发明的光学测径仪的不同实施例确保了高的分辨率，小的底座，改进的可靠性，并能用在传统的电子装置无法运行的恶劣环境(例如高温)。

当光学测径仪用于多臂应用中或在旋转测径仪应用中，光学测径仪允许在整个圆周上全部覆盖地扫描井筒直径。因此，光学测径仪提供了井筒内部尺寸的信息，也提供了完整性的信息(例如潜在损害，腐蚀现象或井筒壁上的孔)。

本发明的光学测径仪提供了绝对位置测量，并可用于多个应用中，即单个测径仪结构或多臂测径仪结构。

此外，如果选择的传输波长正确，例如靠近IR传输间隔内的标准，光学测径仪可以被用于遥测。因此，所有的用于信号产生、获取和处理电子元件在表面，而只有被动的光学元件在井下。

此外，本发明涉及测量井筒内部尺寸的系统。该系统包括多个根据任何一个实施例测量井筒内部尺寸的装置，每个装置与至少一个光纤相连并多路操作。

最后，该发明也涉及测量井筒至少一个参数的测井工具。根据任何一个实施例，测井工具包括至少一个用于测量井筒内部尺寸的装置。

附图说明

本发明通过实例的方式阐述，并不限于附图，其中相似的附图标记表示相似部件。

附图1示意性地示出了本发明的测井系统；

附图2A示出了根据本发明第一个实施例的包括测径仪工具的工具；

附图2B和2C示意性地示出了本发明第一个实施例的原理；

附图3示出了根据本发明的第一个实施例的备选方案的工具；

附图4代表了测量实施例，该实施例示出了测径仪开口和通过根据附图3的备选方案的工具测得变形之间的相互关系；

具体实施方式

附图1示意性地示出了适于在井筒WB中进行测井操作的测井系统LS。

井筒可以是裸眼井，套管或管道。它可以经受变形DF，腐蚀CR，射孔(perforation)PF等的影响井筒壁WBW进而影响井筒内部尺寸的现象。井筒通常被提供有井口WH和填料盒SB。填料盒提供了在井筒内配置测井系统的密封，井筒通常被施加压力，而测井系统LS通常部分地处于大气压力下。

测井系统LS包括测井工具1。有利地是，测井工具包括扶正器(centralizer)5，通常包括联接到工具1和尾端5′的多个机械臂6、7等。机械臂可以被径向配置以便与井筒壁相接触，用于确保井筒内的工具的正确定位(例如沿着井筒的中心轴)。此外，机械臂包括用于测量井筒内部尺寸(例如直径)的测径仪。

测井工具联接到光纤线路2上，该线路通过相配的地面设备(例如车辆3和相应的配置系统)配置在井筒内。测井工具1收集的与烃地质储层(hydrocarbon geological formation)GF或井筒WB相关的数据可以实时传输到地面，例如传输到装配有合适的数据收集和分析计算机和软件的车辆3。

光纤线路2可以在光缆内的被保护远离井筒潜在的恶劣环境(腐蚀流体，高温和高压等......)。

附图2A、2B、2C和3涉及根据本发明的一个实施例的光学测径仪。

本发明包括一光学传感器，它把进入的光调制成测径仪臂的位置的函数。测径仪臂的机械运动引发了光学传感器的光学相应的修正。

有利地，光学传感器包括光纤，光纤的一部分包括布拉格光栅(Bragggrating)。

当联接到测径仪臂，光学传感器构成转换器。

包括布拉格光栅的光纤部分由至少两个围绕布拉格光栅的联接点联接 到工具(例如工具体，测径仪臂)上，因此测径仪的任何位移都会导致两个联接点之间的距离的改变。两个联接点之间的距离与测径仪臂的位置相关，从而与井筒尺寸相关。联接到测径仪臂的包括布拉格光栅的光纤部分用于调制光的波长，使其作为井筒内测径仪臂的位置的函数。光纤携带了进入的光和调制的输出光的信息。

光学传感器可以被“要求”成全部光学地并远离地面设备。可供选择地，光纤也可把转换器联接到工具内的电子线路上。电子线路执行光学信号的探测，处理产生的电信号，通过常用的遥测系统发射到地面。

根据附图2A到2C示出的第一个备选方案，在两个联接点之间包括布拉格光栅的光纤的延长/压缩通过附加臂获得。

根据附图3的第二个备选方案，在两个联接点之间包括布拉格光栅的光纤的延长/压缩通过柔性臂获得。

附图2A示出了根据本发明的一个实施例的光学测径仪。工具101包括扶正器105。扶正器105包括四个机械臂106，107，108，109，它们通过枢轴联接到工具101和尾端105′上。每个机械臂可以径向设置以便与井筒壁WBW相接触。例如，机械臂106包括第一部分106A，它穿过枢轴联接106B联接到第二部分106C。枢轴联接106B与井筒壁相接触。扶正器确保工具沿着井筒的中心轴ZZ′定位。第一部分106A穿过枢轴联接到附加臂110。附加臂联接到光纤111上。光纤上提供有布拉格光栅112。光纤通过第一联接点CP1联接到附加臂110上，通过第二个联接点CP2联接到部分工具101上。附加臂110把机械臂106的径向位移转换成在第一个CP1和第二个CP2联接点之间拉伸光纤111的平移运动。

有利地，光纤111可以通过任何可能的联接技术联接，例如通过玻璃烧结钎焊或粘接技术。在上面描述的实施例中，光纤通过联接点CP2联接到工具101上。然而，假定当机械臂经历运动时包括布拉格光栅的光纤部分能够延伸，对本领域技术人员而言显然通过全部沿着光纤联接多个点或联接光纤和臂也能实现相同结果。

此外，在上面描述的实施例中，联接点对应于布拉格光栅的两个末端。然而，假定联接点CP1、CP2在布拉格光栅112的两边时，对本领域技术人员而言显然当联接点在远离布拉格光栅末端的位置时，也能实现同样的效果。

由附图2B和2C功能性地表示的光学测径仪操作如下。

为了清楚起见，附图2B和2C仅示出一个臂106。

布拉格光栅112直接内接在光纤111内。布拉格光栅是光纤111的折射率的调制。光纤联接到合适的光发射和探测装置(未示出)，该装置发射具有特定波长区间的线偏振光束，并探测反射光的中间波长。反射光的中间波长由布拉格光栅的倾角确定。在应变的影响下，折射率调制被修正，这导致中间波长的移动。

当工具在井筒内运行时，与井筒壁相接触的臂106的径向位移被转换成附加臂110的平移。机械臂的端部联接在拥有布拉格光栅的光纤上，布拉格光栅作为测径仪开口的函数延长。附图2B示出了在正常状况下，也就是最优的内部尺寸下，相应于井筒壁WBW的第一个延长el1。附图2C示出了井筒壁具有局部变形DF的情况下，也就是减少的内部尺寸下，相应于井筒壁WBW的第二个延长el2。那么通过探测中间波长的移动可探测到平移位移。

各种臂位移的机构应当被控制为确保测量的准确性。的确，光纤的全部长度为10cm，可能的平移运动少于大约1mm(通常光纤的最大延长量在1％之下)。因此，需要控制力学以便使附加臂110的全部偏移少于1mm。

可以进行校准以把布拉格光栅的延长与测径仪臂的开口关联起来。

附图3示出了根据上文中描述的本发明的一个备选方案的光学测径仪。

工具201包括扶正器205。扶正器205包括四个机械臂(附图中可以看到三个)206、207、208，它们通过枢轴联接到工具201和尾端205′。每个机械臂可以被径向配置以便与井筒壁WBW相接触。例如，机械臂206包括第一部分206A，第二部分206B和第三部分206C。第二部分206B是柔性部分，例如通过适当的联接方式(例如螺栓或类似方式)联接到第一206A和第三206C部分的弹簧刀片。第二部分206B与井筒壁相接触。扶正器确保沿着井筒的中心轴ZZ′定位所述工具。

机械臂206联接到光纤211(用虚线示出)上。光纤上提供有布拉格光栅212(布拉格光栅的区域用点划线围绕)。光纤211可以直接联接到臂206上。可供选择地，光纤可以装配在臂的合适的槽、空腔或孔内(未示出)。

优选地，布拉格光栅直接联接在测径仪臂206的弹簧刀片206B上(例如通过粘接技术)。布拉格光栅直接被弹簧刀片的弯曲影响。弯曲与测径仪臂的开口相关。

布拉格光栅212直接内接在光纤211内。布拉格光栅是光纤211的折射率的调制。光纤联接到合适的光发射和探测设备(未示出)，该装置发射具有特定波长区间的偏振光束，并探测到反射光的中间波长。反射光的中间波长是由布拉格光栅的节距确定。在由弹性刀片的弯曲产生的应变的影响下，改变了折射率调制，这导致中间波长的转变。

布拉格光栅也可以在被联接到臂之前被包装。

可以进行校准以便把布拉格光栅的光学响应与测径仪臂的开口相关联起来。

附图4表示了测量实施例，它示出了光学测径仪测量OCM(每个测量由点表示)和用前面描述的光学测径仪沿着井筒壁测得的井筒直径WBD(由线表示)之间的相互关系。

在以上描述的两种结构中，应当注意到布拉格光栅指数依赖于温度。因此，当在温度变化的环境中测量尺寸时补偿温度变化是可能的。可以使用任何传感器进行温度测量，尤其是布拉格光栅温度传感器可以用于测量温度并补偿光学测径仪的变形。

以上描述的两种光学测径仪结构可以设置在至少多臂工具的一个臂上或多手指测径仪工具上。有利地，通过联接到地面设备的一个或多个光纤，多路复用技术用于进行全部测量(用于确定井的温度和光学测径仪补偿的应变测量和温度测量)。这可以通过分布在工具内不同光纤上的光学测径仪的一系列联接器或多路器实现。另一个结构在每个光纤上实现了多个传感器，全部的传感器被分配在工具上的至少一个光纤上。

在以上描述的实施例中，尾端和臂之间或臂与工具之间是枢轴联接。然而，可以使用其它任何类型的联接：铰链，自对位轴承，槽舌接合，滑动等......此外，刚性或柔性臂仅仅是作为例子给出，可以由任何其它具有相同功能的机械元件(例如板簧)替换。

以上描述的实施例和备选方案提供了机械臂绝对位置的测量，非常适用于用在油田应用的测径仪工具中。

由于光学测量的底座小，光学测径仪提供了紧凑的工具。

此外，光学测径仪是少电子的(出现在井筒的部分)，可以通过光纤远程询问。因此，光学测径仪比现有技术的测径仪更可靠，尤其是在恶劣环境下。

已经描述了将光学测径仪应用到烃井的本发明的具体应用。然而，本发明也适合于任何管道(水管，沟管等......)的任何内部直径的测量。

以上附图和它们的说明用于解释而不是限制本发明。

权利要求中的任何附图标记不应当理解为限制权利要求。词语“包括”不排除出现其它没有列在权利要求中的元件。在元件之前的词语“一”或“一个”不排除出现多个这样的元件。

Claims (5)

1.一种用于测量井筒内部尺寸的装置，其包括适于设置在井筒内的工具(101，201，401)，其中，所述工具包括光学测径仪，该光学测径仪包括提供了关于井筒内部尺寸的响应的光学传感器(112；212)，该光学传感器联接到光纤(111；211)上，并且联接到与井筒内壁(WBW)相接触的测径仪臂(106，110；206B)上，

其中，所述光学传感器包括内接在光纤(111；211)的一部分中的布拉格光栅(112；212)，所述测径仪臂通过第一个联接点(CP1)联接到所述光纤(111；211)的所述一部分，使得所述测径仪臂(106，110；206B)的运动延长或压缩所述光纤(111；211)的所述一部分，并且

所述光学传感器(112；212)的响应是由于所述光纤(111；211)的所述一部分的延长或压缩而引起的包括布拉格光栅的所述光纤的所述一部分的折射率调制修正的测量。

2.如权利要求1所述的测量井筒内部尺寸的装置，其中，所述装置还包括用于改变所述测径仪臂(106)的径向位移的附加臂(110)，所述附加臂联接到第一个联接点(CP1)。

3.如权利要求1所述的测量井筒内部尺寸的装置，其中，

所述测径仪臂是柔性测径仪臂(206B)，

内接在所述光纤(211)的一部分中的布拉格光栅(212)设置在所述柔性测径仪臂(206B)中或上，所述光纤的所述一部分通过至少第一联接点(CP1)和第二联接点(CP2)联接到所述柔性测径仪臂上，所述联接点环绕所述光纤的所述一部分，从而所述柔性测径仪臂的弯曲延长或压缩所述光纤的所述一部分。

4.一种用于测量井筒内部尺寸的系统，其中，该系统包括多个如前述权利要求中任何一项所述的测量井筒内部尺寸的装置，每个装置联接到至少一个光纤上并多路操作。

5.一种用于测量至少一个井筒参数的测井工具，其中该测井工具包括至少一个如权利要求1-3中任何一项所述的测量井筒内部尺寸的装置。

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