EA015016B1 - Способ приложения тензодатчика к цилиндрической конструкции - Google Patents

Abstract

Раскрыт способ определения предпочтительного варианта приложения множества тензодатчиков или датчиков к конструкции для текущего контроля и отображения деформирования конструкции, когда она подвергается воздействию различных сил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу приложения тензодатчика к цилиндрической конструкции для текущего контроля деформирования этой конструкции.

Уровень техники

Скважины в осадочных породах, способных уплотняться, подвергаются деформированию на протяжении всего периода эксплуатации месторождения. В результате катастрофически теряются продуктивные зоны вплоть до потери всей скважины в целом. Проблема усугубляется быстро растущими скоростями откачки и многопластовым заканчиванием в одной скважине. Обсуждаемое явление состоит в том, что сначала колонна обсадных труб скважины изгибается или начинает выпучиваться, часто в местах соединения обсадных труб или на границах раздела в породе. Если уплотнение продолжается, то такое перемещение приведет к значительному отклонению оси скважины. В результате могут быть полностью потеряны капиталовложения в скважину из-за задержки и/или потери добычи; в противном случае потребуются чрезвычайно большие средства на замену скважины. Возможность обнаружения изгиба на ранней стадии поможет предупредить последующее выпучивание или смятие и позволит внести изменения в режим добычи и/или произвести соответствующие ремонтные операции. Обнаружение деформирующих сил на месте может оказаться сложной задачей, особенно тогда, когда указанные силы включают в себя аксиальные и окружные напряжения, а также напряжения сдвига.

Для текущего контроля деформаций в трубчатой конструкции, вызванных уплотнением породы, можно использовать оптическое волокно, обработанное с формированием волоконных решеток Брэгга. Волоконные решетки Брэгга могут быть выполнены путем поперечного облучения на периодической основе сердцевины одномодового оптоволокна сильным источником ультрафиолетового излучения. Это создает в волокне области с повышенным показателем преломления. Модуляцию с фиксированным показателем называют волоконной решеткой Брэгга (далее БВО). Все отраженные световые сигналы объединяются когерентно в один большой отраженный сигнал с одной длиной волны, когда шаг решетки равен половине длины входной волны. Решетка является по существу прозрачной для других длин световых волн. Таким образом, свет будет проходить через решетку с незначительным затуханием или искажением сигнала, причем в каждом датчике БВО подвергается воздействию, то есть хорошо отражаться в обратном направлении будет только волна с длиной волны Брэгга. Другими словами, центральная частота решетки напрямую связана с периодом решетки, на которую влияют изменения температуры и механических параметров в окружающей среде. Следовательно, измеряя нормализованное изменение длины отраженной волны, можно вычислить температуру, деформацию и другие технические параметры. Таким образом, практическая ценность датчиков БВО как раз и определяется возможностью предварительной установки и поддержания длины волны решетки. См. Б1Ьег Вгадд Отабпд МММ И8 Оп1ше, 27 ИоуешЬег 2000.

В патенте США № 6854327, содержание которого включено сюда в качестве ссылки, описано использование изогнутых (вместо натянутых) тензодатчиков БВО, которые видоизменяют отраженную амплитуду и уширяют частоту. Датчики БВО реагируют на силы смещения предсказуемым изменением длины волны, причем эту реакцию можно сравнить с калибровочной кривой для оценки формы и величины смещения. В одном варианте описано оптическое волокно спиралевидной формы, где датчики БВО расположены на изгибах оптического волокна.

Таким образом, существует потребность в определении предпочтительного способа приложения тензодатчиков к трубчатой конструкции для обнаружения и измерения больших деформаций конструкции.

Сущность изобретения

В одном варианте осуществления изобретения обеспечен способ приложения тензодатчика к цилиндрической конструкции для текущего контроля деформирования конструкции, причем способ содержит выбор заданной чувствительности к аксиальной деформации в цилиндрической конструкции;

определение по меньшей мере одного показателя деформации, соответствующего заданной чувствительности, где по меньшей мере один показатель деформации представляет соотношение между деформацией, переданной тензодатчику, которая вызвана аксиальной деформацией в цилиндрической конструкции, и аксиальной деформацией в цилиндрической конструкции;

определение предпочтительного угла намотки относительно воображаемой опорной линии, проходящей вдоль поверхности цилиндрической конструкции, в зависимости по меньшей мере от одного определенного показателя деформации и приложение тензодатчика к цилиндрической конструкции с выравниванием согласно предпочтительному углу обхвата для измерения деформации в направлении предпочтительного угла обхвата.

Изобретение основано на понимании того, что благодаря выбору предпочтительного угла намотки можно будет регулировать величину деформации, которой будет подвергаться тензодатчик, а также даже знак деформации (растяжение или сжатие). Это открывает путь для различных приложений, которые изложены ниже в последующем описании.

На основе выбора угла обхвата приложение тензодатчиков, в частности системы датчиков БОО, к

- 1 015016 трубчатой конструкции можно рассчитать уникальным образом, чтобы обеспечить обнаружение и измерение деформаций различных типов и уровней, с которыми потенциально сталкивается данная трубчатая конструкция в конкретной окружающей среде. Таким образом, деформацию в трубчатой конструкции можно обнаруживать по месту более точно и измерять ее в реальном времени. В результате можно, если не избежать, то по меньшей мере предвидеть деформирование контролируемой трубчатой конструкции.

Эти и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения описаны в последующем описании различных вариантов осуществления изобретения и относящихся к ним чертежах.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение более подробно проиллюстрировано ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, где фиг. 1 - вертикальная проекция цилиндрической конструкции, иллюстрирующая множество датчиков или преобразователей, приложенных к конструкции вдоль трех различных секций (А, В, С) конструкции;

фиг. 1А - линейная перспектива секции А на фиг. 1;

фиг. 2 - график, иллюстрирующий операцию определения предпочтительного количества тензодатчиков (Ν) и предпочтительного количества намоток, необходимых для покрытия предварительно определенной длины;

фиг. 3 - график, иллюстрирующий взаимосвязь между показателем (т) деформации и различными углами (θ) намотки;

фиг. ЗА - график, иллюстрирующий взаимосвязь между показателем (т) деформации и углом (θ) намотки согласно предварительно определенному коэффициенту (ν) Пуассона;

фиг. 4 - график, иллюстрирующий взаимосвязь между деформацией (ε), приложенной к стали, и соответствующим коэффициентом (ε) Пуассона;

фиг. 5 - график, иллюстрирующий взаимосвязь между длиной чувствительного волокна, а также длиной трубчатой конструкции и углом (θ) намотки;

фиг. 6 - графическая иллюстрация реакции в виде изменения длины волны относительно номера (Ό_ν) тензодатчика для цилиндрической конструкции, подвергшейся сдвигу при контрольном испытании;

фиг. 7 - вертикальная проекция цилиндрической конструкции, иллюстрирующая силы сдвига конструкции;

фиг. 7А - изображение реакции в виде изменения длины волны, иллюстрирующее соответствующую деформацию, измеренную тензодатчиками на фиг. 7;

фиг. 8 - график, иллюстрирующий реакцию в виде изменения длины волны, являющуюся результатом действия поперечной силы, приложенной от массы трубы, где график представлен в виде сдвига (Δλ) длины волны в зависимости от номера (Ό_ν) решетки;

фиг. 9 - график, показывающий реакцию в виде изменения длины волны, являющуюся результатом действия сил от массы, подвешенной с смещением от центра трубы, горизонтально подвешенной на каждом конце, где график представлен в виде сдвига (Δλ) длины волны в зависимости от номера (Э\) решетки;

фиг. 10 - вертикальная проекция цилиндрической конструкции, иллюстрирующая изгибающие силы конструкции;

фиг. 10А - изображение реакции в виде изменения длины волны, иллюстрирующее соответствующее деформацию, измеренную тензодатчиками на фиг. 10;

фиг. 11 - график, иллюстрирующий реакцию в виде изменения длины волны, являющуюся результатом приложения силы смятия, приложенной рядом с центром трубы по фиг. 8, где график представлен в виде сдвига (Δλ) длины волны в зависимости от номера (Ό_ν) решетки;

фиг. 12 - график, иллюстрирующий реакцию в виде изменения длины волны для трубы по фиг. 11, причем график представлен в виде сдвига (Δλ) длины волны в зависимости от номера (Ό_ν) решетки, где стыковые хомуты рядом с центром трубы повернуты на 90°;

фиг. 13 - вертикальная проекция цилиндрической структуры, иллюстрирующая силы смятия или овализации в конструкции;

фиг. 13А - изображение реакции в виде изменения длины волны, иллюстрирующее соответствующую деформацию, измеренную тензодатчиками на фиг. 13;

фиг. 13В - вид сверху по фиг. 13;

фиг. 14 - график, иллюстрирующий относительную амплитуду (^_А) деформации в функции азимутального угла (φ) в градусах вокруг трубчатой конструкции;

фиг. 15 - график, иллюстрирующий показатель (т) деформации и сдвиг в нм в функции угла (θ) намотки для конструкционного материала, подвергающегося пластической деформации;

фиг. 16 - график, иллюстрирующий сдвиг (Δλ) в зависимости от номера (Ό_ν) решетки для различных уровней приложенной аксиальной деформации;

фиг. 17 - график, где сравниваются усредненная, пиковая и среднеквадратическая реакция в виде изменения длины волны с вычисленной или ожидаемой реакцией в виде изменения длины волны, при- 2 015016 чем этот график представлен в виде зависимости сдвига Δλ (нм) от приложенной аксиальной деформации е_а (%);

фиг. 18 - график, иллюстрирующий усредненный (действительный) сдвиг Δλ, длины волны по использованным тензодатчикам на каждом уровне приложенной аксиальной деформации ε_α (%) по сравнению с вычисленным сдвигом длины волны;

фиг. 19 - график зависимости сдвига Δλ (нм) длины волны от номера (Ό_Ν) решетки, иллюстрирующий аксиальную прочность, близкую к нулю;

фиг. 20 - график зависимости сдвига Δλ (нм) длины волны от номера (Ό_Ν) решетки, иллюстрирующий приложенную аксиальную деформацию, равную 0,25%;

фиг. 21 - график зависимости сдвига Δλ (нм) длины волны от номера (Ό_Ν) решетки, иллюстрирующий приложенную аксиальную деформацию, равную 0,75%;

фиг. 22 - вертикальная проекция цилиндрической конструкции, иллюстрирующая силы сжатия в конструкции;

фиг. 22А - изображение реакции в виде изменения длины волны, иллюстрирующее соответствующую деформацию, измеренную тензодатчиками на фиг. 22;

фиг. 23 - теоретический график зависимости приращения Δε деформации от расстояния (Б) вдоль линии выше пласта.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Объект настоящего изобретения описан с конкретными деталями, однако само описание не претендует на ограничение объема изобретения. Таким образом, заявленный объект изобретения также может быть воплощен другими путями, включая различные этапы или комбинации этапов, аналогичных описанным здесь этапам, в сочетании с другими современными или будущими технологиями. Кроме того, хотя термин этап может использоваться здесь для обозначения различных использованных способов, этот термин не следует интерпретировать в смысле предопределения какого-либо конкретного порядка выполнения раскрытых здесь этапов за исключением случаев, когда порядок отдельных этапов описан в явном виде.

Последующее описание относится к использованию тензодатчиков в виде множества преобразователей, которые могут содержать один или несколько стандартных датчиков ТБО, таких как, например, преобразователи, описанные в патентах США №№ 5798521, 6426496 или 6854327. Датчиками ТВС могут быть, но не обязательно:

ί) специально обработанные (кратковременно концентрирующие) решетки, описанные в Сйагас!ег1з11сз οί зйой-регюБ ЫахсБ РВС зеизогз Гог иве аз тасгоЬеиБшд зеизогз, АРРЫЕБ ОРТ1С8 41 6310636 (2002), В1ек 8., е! а1.; и/или ίί) изогнутые датчики, описанные в Ьоид РепоБ Т1Ьег СгаБид ВеиБшд 8еизогз ίη ЬатшаГеБ Сотроз11е 81гис1иге8, 8Р1Е СоиГегеисе ои 8еизогу РНеиотеиа аиБ Меазигетеи! 1из!гитеи1а!юи Гог 8таг1 81гис!игез аиБ Ма!ег1а1з, МагсН 1998, 8аи П1едо, Са11Г., 8Р1Е Уо1. 3330, 284-292, Би, ^., е! а1.; и/или

ш) датчики с покрытием, описанные в и11газ1гоид Е1Ьег Сга!шдз аиБ ТНей АррйсаНоиз, 8Р1Е СоиГегеисе Рйо!о!ошсз Еаз! Ор!1са1 ИЬег ВеНаЬйНу аиБ Тез!шд, 3848-26, 8ер. 20, 1999, 81агоБиЬоу, Ό. 8., е! а1.

Однако настоящее изобретение не сводится к использованию датчиков типа ТРО, а может быть реализовано с помощью стандартных датчиков или преобразователей, способных обнаруживать аксиальную и/или радиальную деформацию, таких как, например, тензометры, описанные в 8!га1и Саиде ТесНиоЕ^у. А. Ь. \УшБо\у (ЕБйог), Е1зеу1ег 8с1еисе РиЬ. Со., 2^иБ еБйюи, ЫоуетЬег 1992. Таким образом, описанные здесь новые технологии и способы можно реализовать и применить, используя тензодатчик или преобразователь любого типа, способный обнаруживать и передавать сигналы, независимо от того, является ли он датчиком ТВС, тензометром или датчиком или преобразователем другого известного типа. Кроме того, использование оптического волокна в качестве средства передач для иллюстрации различных применений описанного здесь изобретения не исключает другие известные средства передачи, которые можно использовать для подсоединения преобразователей, например электрические провода, по которым можно подавать питание и предавать сигналы. Кроме того, можно использовать стандартные беспроводные преобразователи при условии, если они включают в себя источник питания.

Обратимся теперь к фиг. 1, где показана вертикальная проекция цилиндрической конструкции 10, такой как, например, трубчатая конструкция (например, бурильная труба) или обсадная труба, с множеством датчиков 20 типа ТВС, приложенных к конструкции 10 на волокне 30 с различными предпочтительными углами обхвата в секциях А, В и С. На фиг. 1А показана линейная перспектива секции А по фиг. 1, иллюстрирующая волокно 30, намотанное вокруг трубчатой конструкции 10 с предпочтительным углом намотки, представленным как θ₁ или θ₂. Предпочтительный угол намотки может быть измерен относительно первой воображаемой опорной линии 40, проходящей в продольном направлении вдоль поверхности конструкции 10. В альтернативном варианте осуществления изобретения предпочтительный угол намотки можно измерять относительно второй воображаемой опорной линии 50, окружающей конструкцию 10, которая также представляет окружность (С) на фиг. 1А. Однако в целях дальнейшего описания

- 3 015016 угол θ намотки и предпочтительный угол θ₁ намотки определены относительно второй воображаемой опорной линии 50, причем указанный угол обозначен как θι. Тем не менее, вместо него можно использовать угол θ₂ путем простой замены угла θι на угол π/2 - θ₂ или вычисления θι на основе θ₂ в как θι = 90°- θ₂.

На фиг. 1А длина одной намотки волокна 30 вокруг конструкции 10 представлена как 8. Расстояние вдоль первой воображаемой линии 40, которое может представлять собой расстояние по вертикали между каждой намоткой волокна 30, представлено как Ь. Взаимосвязи между θ₁, Ь, X, 8 и С выглядят следующим образом: Ь = 8 * κίη(θ₁) и С = 8 * οοκ(θ₁). В этих геометрических преобразованиях 8 представляет собой гипотенузу прямоугольного треугольника, образованного сторонами Ь, С и 8.

Аксиальная деформация вдоль оси конструкции 10, вызванная уплотнением, может быть представлена как ε = АЬ/Ь. Аксиальная деформация вдоль оси конструкции 10, вызванная уплотнением, может быть преобразована в деформацию в тензодатчике 20 и представлена как ε_£ = А8/8, причем она может проявляться в тензодатчике 20 как аксиальное напряжение, окружное напряжение и/или напряжение сдвига. Взаимосвязь между деформацией (ε_£) в тензодатчике 20 и его реакцией в виде изменения длины волны выглядит, следовательно, следующим образом:

ΔΛ = Λ(1-Ρ_ί)Κε_/ где Αλ представляет сдвиг длины волны тензодатчика из-за деформации (ε_£), приложенной к тензодатчику 20, а λ представляет среднюю длину волны тензодатчика 20. Коэффициент сцепления тензодатчика 20 с подложкой или системой, в которой должна измеряться деформация, представлен как К.

Комбинированная реакция для деформации изгиба (а также вспучивания и сдвига) и аксиальной деформации может быть представлена в виде:

где Αλ - сдвиг длины волны, измеренный на данной решетке, а λ - исходная длина волны решетки, которая номинально может составлять 1560 нм. Член (1-Р_е) отражает реакцию волокна, и номинальное значение составляет 0,8. Коэффициент К сцепления, как правило, может быть равен 0,9 или более. Угол намотки (или угол ориентации датчика) относительно первой воображаемой оси трубчатой конструкции представлен как θ. Аксиальная деформация ε в трубчатой конструкции может возникнуть в результате уплотнения породы или по другой внешней причине. Радиус трубчатой или цилиндрической конструкции представлен параметром г, а φ представляет собой произвольный азимутальный угол относительно некоторой опорной линии вдоль оси трубчатой конструкции, который позволяет определить относительное направление вспучивания или изгиба. Прописная буква Я представляет радиус кривизны вспучивания или изгиба в трубе. Когда радиус изгиба очень велик (прямая, не изогнутая труба), эта часть сигнала исчезает. Коэффициент ν Пуассона конструкции может изменяться с деформацией. Для получения значения ν можно использовать независимое измерение. Эту проблему можно решить, использовав одновременно два угла намотки.

Для простоты в последующих примерах предполагается, что коэффициент (К) сцепления является константой. Р_е представляет воздействие деформации и температуры на показатель преломления тензодатчика 20. Р_е может зависеть от деформации и температуры, включая момент на тензодатчике 20, но в последующих примерах этим пренебрегают. Поскольку хорошо известно, что температурные изменения могут вызвать дополнительное деформацию в волокне 30, тензодатчиках 20 и конструкции 10, что влияет на показатель преломления в волокне 30, температурные изменения могут рассматриваться независимо для калибровки измерений деформаций. Это можно легко сделать либо путем отдельного измерения температуры, которое может быть выполнено при условии механического отделения коротких отрезков волокна 30 от конструкции 10 с использованием отдельного, но аналогичного волокна, которое целиком механически отделено от конструкции 10, либо любыми иными средствами измерения температуры в окрестности конструкции 10, в которой измеряются деформации.

Вышеуказанные свойства можно использовать для связи деформации (ε£) в тензодатчике 20 с аксиальной деформацией (ε) в конструкции 10, вызванной уплотнением. Деформация (ε£) в тензодатчике 20 может быть связана с предпочтительным углом (θ_£) намотки и деформацией (ε) вдоль оси конструкции 10 следующим образом:

— = -1+г/5ш(6»)² +005(0,)² *(1+1^)¹

Коэффициент (ν) Пуассона является важной характеристикой конструкции 10, связанной с деформацией (ε), которая может появиться в конструкции 10, как показано в приведенных ниже примерах.

Показатель деформации, связывающий аксиальную деформацию (ε) в конструкции 10 с деформацией (ε_£), переданной тензодатчику 20, может быть представлен следующим выражением:

- 4 015016

-1+5/5111(0,)² * (1—ε)² + соз(0,)² * (1+νε)² ε

которое также можно преобразовать в

Д5/5 = от*ДЛ/Ь = т*г.

Сравнение показателя (т) деформации с другими переменными показывает, что он обладает высокой чувствительностью к предпочтительному углу (θι) намотки, определенной чувствительностью к коэффициенту (ν) Пуассона, и практически не чувствителен к приложенной аксиальной деформации (ε).

Применение датчиков

Основные требования к чувствительности и разрешающей способности обеспечиваются достаточным количеством датчиков 20, размещаемых по окружности (С) конструкции 10, и адекватным интервалом по вертикали между датчиками 20, с тем чтобы можно было четко обнаружить и отобразить синусоидальный характер реакции датчиков, связанный с силой изгиба, выпучивания, сдвига или смятия (овализации). Как показывают приведенные ниже соотношения, чувствительность к аксиальной деформации и радиальной деформации, а, следовательно, к изгибающей деформации, также является функцией предпочтительного угла (θ₁) намотки.

Для адекватной фиксации одного периода синусоидального сигнала, создаваемого деформированием конструкции 10, предпочтительно использовать по меньшей мере десять тензодатчиков 20 на одну намотку волокна 30. Также желательно иметь по меньшей мере от восьми до десяти витков или намоток волокна 30, покрывающих вертикальный отрезок конструкции 10, в котором ожидается появление деформации. Меньшее количество тензодатчиков 20 уменьшает разрешающую способность и возможность безошибочного различения типа деформирования: изгиба, вспучивания, сдвига или смятия. Длина конструкции 10 (в футах), покрытая каждым обхватом или намотки, через предпочтительный угол (θ₁) намотки и диаметр (Ό) (в дюймах) конструкции 10 представляется в следующем виде:

Для получения длины в футах длину в метрах следует разделить на 0,30. Для получения диаметра в дюймах диаметр в сантиметрах необходимо разделить на 2,54.

Через предпочтительный угол (θ₁) намотки и диаметр (Ό) (в дюймах) конструкции 10 длину одного обхвата вокруг конструкции 10 (в футах) можно представить в виде _о яг*£>*со8(0,) ’ 12

Общую длину волокна 30 (в футах) на основе предпочтительного количества намоток (Ν„) вокруг конструкции 10 и длины одной намотки (§1) вокруг конструкции 10 (в футах) можно представить в виде

5=5,·^

Аксиальную длину волокна 30 (в футах) вдоль конструкции 10 можно представить через предпочтительное количество намоток (Ν„) вокруг конструкции 10 и длину покрытой конструкции 10 (в футах) между намотками в виде:

Ζ = Ια*Ν_χ

Таким образом, предпочтительное количество намоток (Ν„) вокруг конструкции 10 можно определить по аксиальной длине (Ζ) конструкции 10, обернутой волокном 30, деленной на длину (Ь1) покрытой конструкции 10 между намотками волокна 30. Вдобавок к предпочтительному углу (θι) намотки для определения предпочтительного варианта приложения волокна 30 и тензодатчиков 20 к конструкции 10 можно использовать предпочтительное количество намоток (Ν„).

Интервал между тензодатчиками может составлять всего 1 сантиметр или иметь такую длину, которая необходима для размещения разумного количества тензодатчиков 20 на одну намотку волокна 30 в конструкции 10, имеющей большой диаметр. Общее количество тензодатчиков 20 на один обхват волокна 30 в функции интервала (8₈) между тензодатчиками (в сантиметрах) и длиной (§1) намотки представляется в виде

2.54*51*12 2.54*яг*Р*соя(^)

И ϊΐ ι ¹ =

Если предположить, что все тензодатчики 20 на волокне 30 находятся в намотанной части волокна 30, то тогда общее количество тензодатчиков 20 на волокне 30 представляется в виде _у 2.54*5*12 2.54* У, *яг*В*со5(0₁)

Аналогичным образом, можно легко определить предпочтительный интервал (8₆) между тензодатчиками, используя известное предпочтительное количество тензодатчиков (Ν) и предварительно опреде

- 5 015016 ленную общую длину (8) волокна 30.

По грубой оценке, максимальное количество тензодатчиков 20, которое можно использовать на одном волокне 30 согласно этой технологии, может составлять около 1000. Таким образом, для определения предпочтительного варианта приложения волокна 30 и тензодатчиков 20 к конструкции 10 можно использовать предпочтительный угол (θ₁) намотки, предпочтительное количество намоток (Ν„) и предпочтительное количество тензодатчиков (Ν).

Используя предыдущие уравнения, можно построить графики, такой как график на фиг. 2, и использовать их для определения предпочтительного количества тензодатчиков (Ν) и предпочтительного количества намоток (Ν„), необходимых для покрытия предварительно определенных длины и диаметра конструкции 10, а также предпочтительный интервал (8_д) между тензодатчиками. По левой оси отложены длина волокна (8, в единицах, составляющих 0,30 м, что соответствует одному футу), аксиальная длина (Ζ, в единицах, составляющих 0,30 м, что соответствует одному футу) конструкции 10, обернутой волокном 30, и общее количество (Ν) тензодатчиков в виде решеток, которые можно сравнить с диапазоном угла обхвата для предварительно определенного количества намоток (Ν„) и предварительно определенного интервала (8_д) между тензодатчиками. По правой оси указаны общее количество решеток на один обхват (п) и аксиальная длина (Ц в единицах, составляющих 0,30 м, что соответствует одному футу) покрытой конструкции 10 между намотками, которые можно сравнить с диапазоном углов (θ) намотки для предварительно определенного интервала (8_д) между тензодатчиками и предпочтительного количества намоток (Ν„). На фиг. 2 линия 1 показывает длину конструкции Ζ в зависимости от угла θ намотки для случая, когда Ό=15 см (6,0 дюймов); линия 2 показывает длину волокна (8) для случая, когда количество обхватов (Ν,,,)=100; линия 3 изображает количество сеток, имеющих интервал (8), составляющий 5,0 мм; линия 4 показывает количество сеток на одну намотку; и линия 5 показывает длину конструкции Ζ в зависимости от угла (θ₁) на одну намотку.

На фиг. 2 Ό=152 мм (6 дюймов), Ν„=100, а 8_д=5 мм. На этой фигуре показано, что при углах намотки, находящихся в диапазоне между 20 и 40°, имеется тенденция к оптимизации разрешающей способности с учетом длины волокна (8) и длины контролируемой конструкции (Ζ). Эту информацию можно использовать с показателем (т) деформации для расчета предпочтительного варианта приложения волокна 30 к конструкции 10.

На фиг. 3 показана взаимосвязь между показателем (т) деформации и углом θ намотки. Предварительно определенный коэффициент (ν) Пуассона, равный 0,5, был выбран на основе наблюдений за поведением стальной трубчатой конструкции после оседания при высоких деформациях, вызванных уплотнением породы. Предварительно определенная деформация (ε), равная 5,0%, была выбрана на основе максимальной прогнозируемой деформации, которая может возникнуть в данной конструкции.

На основе этих структурных параметров (Ρ(ν), (ε)), показатель (т) деформации можно определить для каждого угла намотки, показанного на фиг. 3. Результаты на фиг. 3 показывают, что деформация, испытываемая каждым тензодатчиком, может быть уменьшена или даже можно изменить ее направление (от сжатия к растяжению) путем тщательного подбора предпочтительного угла намотки (θ=θ1).

Возможность легко регулировать величину деформации, которой подвергается волокно и каждый тензодатчик, и даже изменять знак деформации (растяжение в противоположность сжатию), является очень важным обстоятельством. Большинство стандартных тензодатчиков, изготовленных из стекла, могут подвергаться относительной деформации величиной не более одного или двух процентов (при растяжении), прежде чем они разрушатся или потеряют работоспособность. Еще большую проблему представляет деформация сжатия в волоконных датчиках, изготовленных из стекла. Таким образом, большая аксиальная деформация сжатия, испытываемая трубчатыми конструкциями в условиях уплотнения, может быть преобразована в волоконном датчике в умеренную деформацию растяжения путем простой регулировки угла намотки. Тот же принцип можно применить для повторного расчета величины деформации в других стандартных системах датчиков, которые могут быть использованы.

На фиг. 3А показан коэффициент (т) деформации для каждого угла θ намотки согласно предварительно установленному коэффициенту (ν) Пуассона, равному 0,3, и предварительно определенной деформации (ε), равной 0,10% для анализируемой конструкции. Эти условия могут соответствовать приложениям, где ожидается умеренное уплотнение. При достаточной чувствительности к деформациям изза умеренного уплотнения (деформация сжатия) и высокой чувствительности к поперечному деформированию можно на основе фиг. 3 А с успехом выбрать предпочтительный угол намотки порядка 20°.

На фиг. 3 и 3А показано, что при нулевом угле намотки показатель (т) деформации равен коэффициенту (ν) Пуассона. Другими словами, деформация (ε) сжатия в конструкции преобразуется в аксиальное расширение, определяемое коэффициентом (ν) Пуассона. Аналогичным образом, в условиях отсутствия намотки (вертикальное приложение вдоль обсадной трубы или 90-градусный угол обхвата) растяжение или сжатие конструкции можно измерить непосредственно. Последнему варианту присущ недостаток, заключающийся в том, что при высоких деформациях сжатия волокно и/или тензодатчики скорее всего выйдут из строя и/или подвергнутся выпучиванию и механически отсоединятся от конструкции. Но при слабых деформациях растяжения, что часто наблюдается в слое перекрывающих пород, лучше

- 6 015016 всего выбрать угол, равный 90° или близкий к 90°, например между 80 и 90° (что соответствует аксиальному приложению или приложению, близкому к аксиальному).

На фиг. 4 показан коэффициент (ν) Пуассона для стали в зависимости от приложенной деформации. Для стали в условиях упругости номинальный коэффициент Пуассона примерно равен 0,3. Из фигуры видно, что коэффициент (ν) Пуассона для трубчатых конструкций, подвергающихся высоким деформациям из-за уплотнения (за пределом упругости), лучше аппроксимируется при величине 0,5. Это теоретический предел для сохранения объема.

Следовательно, коэффициент (ν) Пуассона, предварительно определяемый согласно ожидаемой или максимальной деформации, с которой может столкнуться конструкция, может находиться между примерно 0,3 и примерно 0,5 для трубчатых стальных конструкций. Как правило, коэффициент (ν) Пуассона можно аппроксимировать значением 0,5, если предварительно определенная деформация в трубчатой стальной конструкции составляет по меньшей мере 0,3% или более.

Принципы, проиллюстрированные на фиг. 3 и фиг. 3А, можно использовать для определения предпочтительного варианта приложения тензодатчиков 20 на по существу цилиндрическую конструкцию 10 на фиг. 1А для текущего контроля деформирования конструкции в различных условиях в пласте. Согласно одному способу для определения относительного показателя (т) деформации, связанного с каждым углом намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки, можно выбрать предпочтительный диапазон углов намотки (например, между 0 и 90°). Широкий диапазон углов намотки между 0 и 90° может оказаться предпочтительным, однако можно выбрать и другие, более узкие диапазоны. Показатель (т) деформации следует определять по меньшей мере для одного угла намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки. Предпочтительный угол (θ₁) намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки можно определить на основе по меньшей мере одного определенного показателя (т) деформации и использовать его для определения предпочтительного варианта приложения тензодатчиков 20 к конструкции 10 на фиг. 1А. Как показано на фиг. 2, при определении предпочтительного варианта приложения тензодатчиков 20 к конструкции 10 на основе требований к чувствительности и разрешающей способности можно также учесть ряд других переменных, в том числе предпочтительное количество тензодатчиков (Ν) и предпочтительное количество намотки (Ν„).

Определение предпочтительного угла (θ₁) намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки в альтернативном варианте может быть основано на предпочтительном диапазоне показателей деформации, содержащем множество показателей деформации, определенных вышеописанным образом. Определенный показатель деформации или определенный диапазон показателей деформации можно выбрать для того, чтобы определить предпочтительный угол (θ₁) намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки на основе максимальной деформации, которой может противостоять тензодатчик 20 и/или волокно 30. Если в качестве средства передачи используется что-то отличное от волокна 30, или используются беспроводные преобразователи, то тогда определение показателя деформации или диапазона показателей деформации, используемых для определения предпочтительного угла (θ1) намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки, может быть основано на максимальной деформации, которой могут противостоять альтернативные средства передачи и/или преобразователи, либо беспроводные преобразователи.

На фиг. 3, например, показано, что предварительно определенный коэффициент (ν) Пуассона и ожидаемая аксиальная деформация (ε) выявляют необходимость чувствительности к большим деформациям уплотнения. Если предположить, что тензодатчики и/или волокно имеют ограничение по деформации, составляющее 2 процента, прежде чем возникнет отказ, то тогда угол намотки, при котором тензодатчики и/или волокно могут отказать при ожидаемой 5-процентной деформации в конструкции, определяется делением максимальной деформации, которой могут противостоять тензодатчик и/или волокно (0,02), на ожидаемую деформацию (0,05), что дает значение показателя деформации (0,4), которое соответствует углу намотки порядка 15°. Следовательно, для предотвращения повреждения тензодатчиков и/или волокна потребуется угол намотки, превышающий 15°, а предпочтительно около 30. При угле намотки, превышающем примерно 35°, когда показатель деформации равен нулю, может произойти нежелательное сжатие и выпучивание волокна и/или тензодатчиков.

После определения предпочтительного варианта приложения тензодатчиков они могут быть приложены к конструкции 10 вдоль предпочтительной линии приложения, представленной волокном 30 на фиг. 1А. Предпочтительный угол намотки может быть образован между предпочтительной линией приложения и первой воображаемой опорной линией 40 или второй воображаемой опорной линией 50.

Тензодатчики 20 и волокно 30 могут быть приложены к внешней поверхности конструкции 10 (как показано на фиг. 1), внутренней поверхности конструкции 10, каналу в конструкции 10 или могут быть выполнены в виде интегральной компоненты конструкции 10 при ее формировании или изготовлении. В случае, когда трубчатая конструкция 10 содержит фильтрующий узел, имеющий множество фильтрующих компонент, в том числе песочный фильтр, тензодатчики 20 и волокно 30 могут быть приложены к внутренней поверхности и/или внешней поверхности одной из множества фильтрующих компонент или введены в канал в любую из множества фильтрующих компонент, либо установлены между любыми

- 7 015016 двумя слоями таких компонент. Вдобавок, тензодатчики 20 и волокно 30 могут быть приложены к внешней поверхности одной из множества фильтрующих компонент и внутренней поверхности другой из множества фильтрующих компонент.

Кроме того, тензодатчики 20 и волокно 30 могут быть приложены к конструкции 10 в защитной оболочке и/или защитном слое, покрывающем тензодатчики 20 и волокно 30, при условии если защитное покрытие способно передавать деформацию от конструкции 10 к тензодатчикам 20. Приемлемые защитные покрытия могут содержать, например, металл, полимер, эластомер, композитный материал или тонкую трубку, содержащую один или несколько из указанных материалов, степень гибкости которой позволяет приложить ее к конструкции 10, так чтобы связать деформацию, испытываемую конструкцией 10, с тензодатчиками 20. В этом случае конструкция 10 должна быть спущена в ствол скважины, а тензодатчики 20 и волокно 30 могут быть приложены до опускания конструкции 10 в ствол скважины.

В альтернативном варианте осуществления изобретения тензодатчики 20 и волокно 30 могут быть приложены к конструкции 10 после ее опускания в ствол скважины с использованием трубопровода или могут быть приложены к внутренней или внешней поверхности конструкции 10 после опускания конструкции 10 в ствол скважины. Допустимо применение любого стандартного трубопровода, который может быть соединен с конструкцией 10. Приемлемые материалы для такого трубопровода могут содержать, например: металл, полимер, эластомер, композитный материал или тонкую трубу, содержащую один или несколько из указанных материалов, степень гибкости которой позволяет приложить ее к конструкции 10, так чтобы связать деформацию, испытываемую конструкцией 10, с тензодатчиками 20.

Тензодатчики 20 и волокно 30 могут быть введены в отверстие в трубопроводе и размещены в нем вместе с флюидом, способным защитить тензодатчики 20 и волокно 30 в трубопроводе и передавать деформацию в конструкции 10 на каждый тензодатчик 20. Этот флюид может содержать, например, любой известный полимер, полимерный раствор, полимерный прекурсор или эпоксидную смолу. Этот флюид можно также использовать для транспортировки тензодатчиков 20 и волокна 30 через трубопровод. Вдобавок, тензодатчики 20 и волокно 30 можно разместить в трубопроводе с флюидом, приложив усилие на любом или обоих концах волокна 30 для проталкивания и/или выталкивания их через трубопровод. Например, к входному концу волокна 30 можно прикрепить утяжеленный предмет для протаскивания (вытягивания) волокна 30 и тензодатчиков 20 через трубопровод. Трубопровод может быть размещен внутри конструкции 10 вдоль предпочтительной линии приложения или на конструкции 10 вдоль предпочтительной линии приложения. В любом случае между предпочтительной линией приложения (представленной волокном 30 на фиг. 1А) и первой воображаемой опорной линией 40 или второй воображаемой опорной линией 50 может быть сформирован предпочтительный угол намотки. Если конструкция 10 содержит фильтрующий узел, имеющий множество фильтрующих компонент, то трубопровод может быть размещен внутри одной из множества фильтрующих компонент вдоль предпочтительной линии приложения или на одной из множества фильтрующих компонент вдоль предпочтительной линии приложения.

Приложение тензодатчиков 20 и волокна 30 к конструкции 10 после ее размещения в стволе скважины может оказаться предпочтительным в том смысле, что эта технология не требует поворота трубчатой конструкции или поворота бухты волокна относительно конструкции во время приложения тензодатчиков 20 и волокна 30. Аналогичные преимущества могут оказаться предпочтительными при приложении тензодатчиков 20 и волокна 30 к конструкцию 10 в защитном слое, который можно разместить на конструкции 10 и закрепить вдоль одной стороны, как подробно описано в патенте США № 6854327.

Множество углов обхвата и переменные углы обхвата

По мере истощения коллектора требования к чувствительности/разрешающей способности и показатели деформации, как правило, изменяются. Чувствительность и динамический диапазон измерений можно расширить путем комбинирования множества углов намотки по одной зоне пласта. Например, волокно, обернутое под углом 20°, может потерять работоспособность при одном уровне деформации, в то время как то же самое волокно, обернутое под углом 30° или более, может не потерять работоспособность при том же уровне деформации или при чуть более высоком уровне деформации.

Другим преимуществом использования множества углов обхвата является более точное описание изменения коэффициента (ν) Пуассона, когда конструкционный материал переходит в состояние текучести при более высоких деформациях. Обычная сталь, используемая в трубчатых конструкциях, может иметь коэффициент Пуассона порядка 0,3, являясь упругой, но этот коэффициент стремится к 0,5 после того, как материал переходит в состояние текучести. Применение волокна 30 и тензодатчиков 20 при двух или более углах намотки, как показано на фиг. 1, позволяет охарактеризовать это изменение. Это особенно важно для волокон, которые намотаны с углом, который обнуляет деформацию волокна. Эта нулевая точка для конструкции 10 зависит главным образом от коэффициента (ν) Пуассона. При использовании множества углов обхвата такое изменение состояния можно измерить непосредственно на конструкции 10 в скважине, когда она подвергается деформации, связанной с уплотнением. Таким образом, если можно предпочтительно использовать разные углы обхвата в зависимости от разных сил, действующих на трубчатую конструкцию, то способы, описанные выше со ссылками на фиг. 3 и 3А, можно использовать для определения другого предпочтительного угла обхвата в предпочтительном диапазоне

- 8 015016 углов намотки. Предпочтительный вариант приложения тензодатчиков 20 может быть основан на предпочтительном угле намотки и еще одном предпочтительном угле намотки и применен к конструкции 10 на той же секции или на других секциях, показанных в виде секции В и секций А, С на фиг. 1 соответственно. В любом случае предпочтительный угол намотки и другой предпочтительный угол намотки могут быть определены каждый согласно соответственно определенному показателю (т) деформации. Каждый соответственно определенный показатель (т) деформации можно выбрать в соответствии с предварительно определенной силой и другой предварительно определенной силой, прилагаемых к конструкции 10, в той же самой секции или других секциях, что воздействует таким же образом, изменяя коэффициент (ν) Пуассона и аксиальную деформацию (ε).

Используя множество углов намотки, можно также преодолеть ограничения на количество тензодатчиков, длину намотки и интервал между тензодатчиками. Таким образом, множество углов намотки можно использовать для увеличения длины измерений для одной области вдоль конструкции или охвата множества зон вдоль конструкции, как показано на фиг. 1, в виде секций А, В и С. Множество углов намотки можно также использовать для измерений в таких многосекционных конструкциях, как, например, многоствольные скважины.

Хотя реакция в виде изменения длины волны является более сложной, приложение волокна 30 и тензодатчиков 20 с переменными углами намотки также желательно. Предпочтительными являются конфигурации, где используется множество углов намотки с переменными значениями в одной секции конструкции 10, как в секции В на фиг. 1. Однако могут быть использованы и другие конфигурации, такие как конфигурации, предложенные в патенте США № 6854327.

Далее настоящее изобретение описывается со ссылками на его применение в различных условиях в пласте, таких как, например, сдвиг пласта, уплотнение пласта. В каждом из приведенных ниже примеров испытывалась цилиндрическая конструкция с использованием системы распределенных измерений (Ό88), производимой Ьипа ΙηηοναΙίοηκ 1исотрота1ей по лицензии ΝΑ8Α. В системе распределенных измерений (Ό88) ΕΠΝΑ ΙΝΝΟνΑΤΙΟΝδ® используется технология покрытия оптического волокна, содержащего множество датчиков РВО, и проекционное устройство или монитор, способный отображать реакцию в виде изменения длины волны, создаваемую датчиками РВО в результате структурной деформации, обнаруженной датчиками РВО. Однако настоящее изобретение не ограничивается указанной технологией с последующими примерами, а, как было сказано выше, могут быть использованы другие средства передачи и преобразователи и/или тензодатчики.

Сдвиг пласта

Скважины, пересекающие зону скольжения или разлома породы, могут подвергаться опасному сдвигу. Зона сдвига может появиться при прохождении скважины через разлом, через соль и/или через тощий глинистый сланец в тектонически-активной зоне или области, подвергающейся уплотнению, такой как область перекрывающих пород.

Сдвиговое перемещение может срезать ствол скважины целиком или по меньшей мере ограничить проход в трубопроводе, проход для ремонтного оборудования и т.п. Следовательно, желательно обеспечить обнаружение и измерение скорости сдвига, с тем чтобы можно было изменить отвод углеводорода или жидкости, местоположение скважины, конструкцию скважины и рассмотреть возможность применения аналогичных мер для ослабления или предотвращения повреждения трубчатой конструкции и/или обсадных труб в будущем.

Стандартные технологии, используемые для обнаружения и измерения сдвигового перемещения, часто требуют использования таких устройств, как гироскопы или другие устройства, для проведения измерений. По различным причинам может оказаться практически нецелесообразным или невозможным опускание указанных стандартных каротажных устройств в скважину. Например, скважина уже может иметь устойчивое значительное повреждение, так что указанные устройства просто невозможно будет ввести.

Однако тензодатчики можно установить на трубчатой конструкции и/или обсадных трубах предварительно без необходимости опускания стандартных каротажных устройств в скважину. Соответственно, можно будет выполнять измерения сил сдвига по месту в любой момент времени, не нарушая работу скважины и фактически без дополнительных затрат. Возникновение повреждения можно наблюдать в реальном времени, так что необходимые ремонтные мероприятия можно будет предпринять незамедлительно.

Опыт эксплуатации показывает, что сдвиг и выпучивание могут произойти в результате потери клиренса или полного среза, как правило на интервале от 0,9 до 1,8 м (от 3 до 6 футов) трубчатой конструкции или обсадной колонны. Таким образом, предпочтительное приложение тенздатчиков к указанной конструкции в зоне сдвига должно рассчитываться, по меньшей мере, для указанной чувствительности.

На фиг. 5 линия 1 показывает длину конструкции Ζ (в единицах, равных 0,30 м) в зависимости от угла (θ) намотки для случая Ό=7,6 см (3,0 дюйма); линия 2 изображает длину волокна (8) для случая, когда количество намоток (Ν„) = 80. Линия 3 показывает количество решеток с интервалом (8), равным 2,0 мм; линия 4 показывает количество решеток на одну намотку; а линия 5 показывает длину конструк

- 9 015016 ции Ζ в зависимости от угла (θ) намотки на одну намотку.

Если предположить, что трубчатая конструкция диаметром 76 миллиметров (3 дюйма) контролируется в зоне скольжения или сдвига, потребуется по меньшей мере 6,1 м (20 футов) покрытия вдоль трубчатой конструкции. Применение принципов, сформулированных в настоящем изобретении, к известным переменным, показанным на фиг. 5, приводит к выводу о том, что для покрытия порядка 7,3 м (24 футов) трубчатой конструкции понадобится около 20,4 м (67 футов) чувствительного волокна в предположении, что предпочтительный угол обхвата составляет порядка 21°. При заданном предпочтительном интервале между тензодатчиками, составляющем порядка 20 см, рекомендуется иметь порядка 12 тензодатчиков на одну намотку, что больше минимально рекомендованного количества тензодатчиков (10) на одну намотку. Общее количество тензодатчиков составит около 1000.

Также существует необходимость в отображении деформирования объекта, чтобы отобразить форму и величину деформирования. Для отображения, обнаружения и измерения изгиба и выпучивания цилиндрической конструкции можно использовать технологию намотки, раскрываемую в последующих примерах.

Пример 1.

На фиг. 6 показана результирующая реакция в виде изменения длины волны, относящаяся к каждому пронумерованному тензодатчику, от цилиндрической конструкции, подвергающейся поперечному сдвигу при контрольном испытании. Цилиндрическая конструкция имеет семьдесят шесть (76) мм (три (3) дюйма) в диаметре и шестьсот десять (610) мм (двадцать четыре (24) дюйма) в длину. Хотя в этом испытании интервал между тензодатчиками вдоль оптического волокна составил около 1 см, для измерения той же самой реакции на сдвиг в цилиндрической конструкции того же диаметра адекватным может быть интервал, равный 2 см. В качестве предпочтительного угла намотки был использован угол порядка 20°. Обнаруживаемое изменение длины волны в реакции, представляющей боковое смещение составляло от 0,025 мм (0,001 дюйма) до порядка 15,24 мм (0,600 дюйма).

В этом примере боковое смещение величиной 0,025 мм (0,001 дюйма) трансформируется в искривление конструкции на величину менее половины градуса для каждой стофутовой секции конструкции, что не существенно. Однако боковое смещение около 2,54 мм (0,1 дюйма) на той же длине конструкции трансформируется в искривление примерно в 48° для каждой секции конструкции длиной 30,5 м (одна сотня футов), что может помешать вводу каротажных устройств в эксплуатируемую скважину. Знание величины бокового сдвига (искривления) до попытки ввода каротажных устройств может предотвратить потерю и заклинивание каротажных устройств и потерю скважин.

Реакцию в виде изменения длины волны, показанную на фиг. 6, можно отобразить в реальном времени на проекционном устройстве, таком как монитор, производимый компанией Ьциа ΙηηοναΙίοηδ. Обнаружение изменений в реакции в виде изменения длины волны на каждом тензодатчике в процессе текущего контроля конструкции позволяет сделать вывод об изменениях деформации конструкции, а также о том, какого типа сила вызывает ее деформирование. Следовательно, варьирование реакции в виде изменения длины волны проявляется в варьировании амплитуды реакции в виде изменения длины волны на каждом тензодатчике. Однако возможность обнаружения деформации конструкции и отображения ее в форме реакции в виде изменения длины волны на проекционном устройстве не ограничивается цилиндрической конструкцией, а может быть использована для любого объекта, способного передавать свою деформацию на тензодатчик.

На фиг. 7 представлена простая иллюстрация силы сдвига, приложенной к конструкции 10. Здесь конструкция 10 подвергается воздействию силы 210 сдвига с одной стороны конструкции 10 и воздействию другой силы 220 сдвига с другой стороны конструкции 10. Реакция в виде изменения длины волны, представляющая деформацию конструкции 10, измеренную тензодатчиками 20, которая связана с силами 210, 220 сдвига, имеет периодический характер и примерно соответствует синусоиде, как показано на фиг. 7 А. Период реакции или сигнала, отражающего изменение длины волны, равен примерно одному циклу на одну намотку волокна 30 вокруг конструкции 10. Амплитуда этого периодического сигнала определяется величиной сил 210, 220 сдвига. Реакция в виде изменения длины волны на фиг. 7А показана рядом с конструкцией 10 на фиг. 7, чтобы продемонстрировать точки деформации на конструкции 10 и соответствующую реакцию в виде изменения длины волны, возникшую в результате указанной деформации. Например, деформация в конструкции 10 между силами 210, 220 сдвига минимальна по сравнению с деформацией в конструкции 10 рядом с каждой силой 210, 220 сдвига, как показывает максимальная реакция 230 в виде изменения длины волны и минимальные реакции 240А, 240В в виде изменения длины волны. Минимальные реакции 240А, 240В в виде изменения длины волны также показывают, как силы 210, 220 сдвига заставляют конструкцию 10 сжиматься и удлиняться (при растяжении) соответственно. Таким образом, применение предварительно установленных на конструкцию 10 тензодатчиков 20 позволяет обнаруживать деформацию конструкции 10 по месту, которая может быть преобразована известными стандартными средствами и отображена в реальном времени.

Уплотнение пласта

Аксиальное уплотнение обычно измеряется с помощью радиоактивных мишеней и специальных

- 10 015016 каротажных устройств, для чего, как правило, требуется закрытие скважины. Однако, используя указанные стандартные технологии, трудно осуществить измерение деформации в трубчатой конструкции или обсадной колонне менее одного процента. При более высоких деформациях изгиб или выпучивание в обсадной колонне или трубчатой конструкции также трудно обнаружить без вытаскивания эксплуатационной насосно-компрессорной колонны и ввода акустических или механических многопальцевых профиломеров или гироскопов в скважину.

Недостатков, связанных со стандартными средствами обнаружения и измерения деформаций, вызванных аксиальным уплотнением, можно избежать, использовав предварительно установленные тензодатчики. Другими словами, для обнаружения и измерения на месте сил аксиального уплотнения вышеописанным образом можно использовать тензодатчики, предварительно установленные на конструкции.

Пример 2.

В этом примере в качестве основных целей были поставлены точные измерения малой деформации и высокая чувствительность к изгибу или выпучиванию, вызванному аксиальным уплотнением. Проверялась тонкостенная труба из поливинилхлорида (РУС) с использованием в качестве приложенной силы массы трубы, горизонтально подвешенной за ее концы. При приложении тензодатчиков и оптического волокна к секции трубы длиной 3 м (10 футов) с диаметром 16,5 см (6,5 дюйма) был использован предпочтительный угол намотки порядка 20°. Для принятия решения по реакции на вспучивание или изгиб в виде изменения длины волны был использован интервал между тензодатчиками, равный 5 см.

На фиг. 8 показана реакция в виде изменения длины волны от поперечной силы, вызванной массой трубы. Был обнаружен максимальный поперечный сдвиг порядка 1,78 мм (0,07 дюйма). Реакция в виде изменения длины волны на фиг. 8 ясно показывает на изгиб или выпучивание, поскольку один период или цикл реакции в виде изменения длины волны соответствует одному обхвату волокна. Поперечный сдвиг в 1,78 мм (0,07 дюйма) представляет изгиб или выпучивание менее 7° для каждой стофутовой секции трубы, что является значительной величиной и может быть обнаружена стандартным профиломером и акустическими устройствами, формирующими изображение. Чтобы ввести указанные устройства в скважину, скважина должна быть закрыта, а эксплуатационные насосно-компрессорные трубы извлечены.

Пример 3.

В этом примере испытывалась та же самая труба с использованием массы, отстоящей от центра трубы, которая была горизонтально подвешена на каждом конце. Поперечный сдвиг из-за изгиба составлял порядка 5,791 мм (0,228 дюйма). Как показано на фиг. 9, везде наблюдается относительно чистый периодический сигнал за исключением концов и центральной части реакции в виде изменения длины волны, где подвешена масса и сигнал искажается. Искаженные сигналы - это особый случай, связанный с разрушением трубы, вызванным локальной нагрузкой на трубу.

На фиг. 10 приведен простой пример поперечной силы в конструкции 10, вызванной аксиальным уплотнением. Здесь конструкция 10 подвергается воздействию поперечной силы 310 с одной стороны конструкции 10. Реакция в виде изменения длины волны, представляющая деформацию в конструкции 10, измеренную тензодатчиками 20, которая связана с поперечной силой 310, имеет периодический характер и примерно соответствует синусоиде, как показано на фиг. 10А. Период реакции или сигнала в виде изменения длины волны равен примерно одному циклу на один обхват волокна 30 вокруг конструкции 10. Амплитуда этого периодического сигнала определяется величиной поперечной силы 310. На фиг. 10А реакция в виде изменения длины волны изображена рядом с конструкцией 10 на фиг. 10, чтобы показать точки деформации на конструкции 10 и соответствующую реакцию в виде изменения длины волны, возникшую в результате указанной деформации. Например, деформация в конструкции 10 рядом с поперечной силой 310 превышает деформацию в конструкции 10 на каждом конце, что иллюстрируются максимальными реакциями 330А, 330В в виде изменения длины волны и минимальной реакцией 320 в виде изменения длины волны. Максимальные реакции 330А, 330В в виде изменения длины волны также показывают, как поперечная сила 310 вызывает сжатие и удлинение (при растяжении) соответственно.

Пример 4.

Вдобавок к обнаружению изгиба или выпучивания можно также обнаружить появление сил овализации или смятия и отличать их от изгиба или выпучивания. Чистая сила овализации или смятия должна создавать чистую реакцию овализации в виде изменения длины волны. В этом примере испытывалась та же самая труба с хомутами, которые использовались в качестве источников силы смятия рядом с центром трубы и были слегка стянуты посредством ориентации приложенной силы по диаметру трубы, с тем чтобы несколько уменьшить диаметр ее перечного сечения.

Результирующая реакция в виде изменения длины волны показана на фиг. 11, которая демонстрирует период, равный примерно двум циклам на одну намотку, а не одному циклу. В этом примере минимальный диаметр уменьшен на 1,27 мм (0,05 дюйма) из-за приложенной силы смятия.

Пример 5.

В этом примере испытывалась та же самая труба при повороте хомутов рядом с центром трубы на 90°. Результирующая реакция в виде изменения длины волны показана на фиг. 12, которая также демон

- 11 015016 стрирует, что период составляет порядка двух циклов на одну намотку. В этом примере минимальный диаметр уменьшен на 1,78 мм (0,07 дюйма).

Из сравнения фиг. 11 и 12 очевидно увеличение деформации (и, следовательно, изменение формы). Нетрудно будет масштабировать результирующий сдвиг длины волны по отношению к деформации, а результирующую деформацию по отношению к относительному смятию.

На фиг. 13 показан простой пример силы смятия в конструкции 10, вызванной аксиальным уплотнением. Здесь конструкция 10 подвергается воздействию силы 410 смятия со всех сторон. Реакция в виде изменения длины волны, представляющая деформацию в конструкции 10, измеренную тензодатчиками 20, которая связана с силой 410 смятия, представляет собой, по существу, постоянный периодический сигнал, как показано на фиг. 13 А. Период реакции или сигнала в виде изменения длины волны примерно равен двум циклам на один обхват волокна 30 вокруг конструкции 10, причем этот сигнал легко отличить от реакции в виде изменения длины волны, появляющийся при изгибе или выпучивании, обсужденных в приведенных выше примерах. Амплитуда этого периодического сигнала определяется величиной силы 410 смятия. Реакция на фиг. 13А в виде изменения длины волны показана рядом с конструкцией 10 на фиг. 13, чтобы показать точки деформации на конструкции 10 и соответствующую реакцию в виде изменения длины волны, возникающую в результате указанной деформации. Например, деформация в конструкции 10 является, по существу, постоянной вокруг этой конструкции, что иллюстрируется, по существу, постоянными реакциями 420А, 420В в виде изменения длины волны.

На фиг. 13В представлен вид с торца на фиг. 13, где показаны сила 410 смятия и результирующее деформирование конструкции 10, изображенное штрихпунктирной линией 430.

На фиг. 14 дополнительно показана относительная амплитуда (ν_Α) деформации, полученная из реакции в виде изменения длины волны в датчике РВС или в другом тензодатчике или преобразователе, в функции азимута вокруг трубчатой конструкции, подверженной воздействию силы смятия. Максимальная деформация сжатия (отрицательный сигнал) появляется при 0 (или 360) и 180°. Максимальная деформация растяжения (положительный сигнал) появляется при 90 и 270°. Нейтральная деформация возникает при 45, 135, 225 и 315°.

Пример 6.

В этом примере чувствительность уменьшена, чтобы дать возможность измерять более высокие аксиальные деформации (ε = 2%) в трубчатой конструкции. Когда конструкционный материал начинает подвергаться пластической деформации, значение коэффициента (ν) Пуассона будет стремиться к 0,5 в пределах пластической деформации. На фиг. 15 сплошная линия изображает показатель т деформации в функции угла θ намотки в предположении, что ν = 0,50, а ε = 2,0%. Следовательно, согласно фиг. 15 предпочтительный угол θ₁ обхвата составляет примерно 30° или более. Например, угол намотки в 30° обеспечит значение показателя (т) деформации, равное 0,15, что соответствует деформации в 1,5° в волокне для 10-процентной деформации в конструкции. Угол намотки, равный 20°, обеспечит значение показателя деформации, равное 0,33, что соответствует деформации в 3,3%, которая разрушит или повредит волокно. Предпочтительный угол намотки может быть несколько выше (порядка 35°) для более точного обнуления деформации в волокне (т=0), когда ожидаются очень высокие аксиальные деформации в трубчатой конструкции (порядка 10%) и когда целью является измерение выпучивания, а не аксиальной деформации. Штрихпунктирная линия на фиг. 15 показывает сдвиг в нм на правой оси.

На фиг. 16 показан сдвиг длины волны (Δλ в нм) для различных уровней приложенной чистой аксиальной деформации (сжатие) в той же самой трубчатой конструкции, в зависимости от номера (Ό_Ν). На фиг. 16 линии и соответствующие им аксиальные деформации идентифицированы следующим образом: 16а = аксиальная деформация 0,1%; 16Ь = аксиальная деформация 0,2%; 16с = аксиальная деформация 0,3%; 166 = аксиальная деформация 0,4%; 16е = аксиальная деформация 0,5%; 16Г = аксиальная деформация 0,75%; 16д = аксиальная деформация 1,0%; 1611 = аксиальная деформация 1,25% и 161 = аксиальная деформация 1,5%. Сигнал при угле намотки 30° уменьшается по сравнению с сигналом при угле намотки 20°, как было описано со ссылками на фиг. 15. Таким образом, уменьшение сигнала в зависимости от угла намотки происходит согласно кривой, показанной на фиг. 15, и вышеописанному уравнению для показателя (т) информации.

Угол намотки в 30° следует слегка подогнать и измерять аксиальную деформацию до пяти процентов при доведении до волокна только части этой деформации. При возрастании аксиальной деформации периодический характер реакции в виде изменения длины волны указывает на появление выпучивания и других более тяжелых режимов деформирования.

Хотя из фиг. 16 следует появление выпучивания трубчатой конструкции, реакция в целом в виде изменения длины волны остается по существу линейной при увеличении аксиальной деформации. Этот вывод дополнительно иллюстрируется на фиг. 17, где сравниваются усредненная (□) , пиковая (♦) и среднеквадратическая (х) реакция Δλ, в виде изменения длины волны с вычисленной (—) или ожидаемой реакцией в виде изменения длины волны при различных уровнях приложенной аксиальной деформации ε,,. При аксиальной деформации примерно в 1,5% пиковое значение начинает слегка отклоняться от линейной реакции, когда конструкционный материал начинает слегка выпучиваться.

- 12 015016

Одной из областей в скважине, наиболее чувствительных к уплотнению и деформированию, является зона заканчивания. Это, в частности, подтверждается в сильно уплотняющихся рыхлых пластах, в которых требуется текущий контроль содержания песка.

Для управления зонами пласта, содержащими песок, основная труба обычно оборудуется фильтром, который обычно называется песочным фильтром. Между песочным фильтром и наружной обсадной колонной или пластом можно также использовать гравийный фильтр (тщательно отсортированный по размеру песок). Песочный фильтр может содержать проволочную обмотку, фильтрующую песок, и множество других стандартных фильтрующих компонент (называемых далее фильтрующим узлом). Проволочная обмотка в фильтрующем узле предназначена для того, чтобы дать возможность флюиду протекать через отверстия, которые достаточно малы, чтобы не пропускать крупные частицы.

Высокая аксиальная деформация, возникшая в основной трубе, может привести к закрытию отверстий в проволочной обмотке и уменьшению потока флюида. Изгибы или выпучивания в базовой трубе могут также нарушить конструкционную целостность фильтрующего узла, что приведет к потере контроля за песком. В этом случае скважина должна быть закрыта, пока не будет выполнен ремонт. Указанные нарушения потребуют, как минимум, ремонта скважины, а в экстремальных случаях полного повторного бурения. Следовательно, текущий контроль конструкции на предмет появления изгибов, выпучиваний и аксиальной деформации в зоне заканчивания является предпочтительным, особенно когда необходим текущий контроль песка. Соответственно, тензодатчики могут быть приложены к основной трубе и/или фильтрующему узлу с углом намотки, равным примерно 20°.

Пример 7.

В этом примере испытывалась трубчатая конструкция длиной 914 мм (36 дюймов) с диаметром около 76 мм (3 дюйма) и коэффициентом (ν) Пуассона, равным порядка 0,5, в контролируемых внешних условиях с использованием угла обхвата в 21° при приложении тензодатчиков и волокна. На каждом конце конструкции прикладывались различные значения аксиальной деформации е_а, которая иным образом не поддерживалась. Усредненная по всем приложенным тензодатчикам реакция в виде изменения длины волны (действительная, ♦) на каждом уровне приложенной аксиальной деформации сравнивается на фиг. 18 с вычисленной реакцией (□) в виде изменения длины волны. При деформации, составляющей примерно 0,05%, имеет место отклонение от вычисленной линейной реакции в виде изменения длины волны, предполагающее, что в испытываемой конструкции начинается изгиб или выпучивание.

На последующих фигурах (фиг. 19, 20 и 21) последовательно показано, по какой причине появляется отклонение от вычисленной реакции в виде изменения длины волны, и каким образом можно использовать периодический сигнал для обнаружения и определения величины изгиба или выпучивания в этой же испытываемой конструкции. Для удобства вертикальное представление трубчатой конструкции, когда она реагирует на приложенную аксиальную деформацию, показано черным цветом в средней части фиг. 19, 20 и 21. На фиг. 19, 20 и 21 изображен сдвиг Δλ (нм) длины волны в функции номера (Э\) решетки. На фиг. 19 приложенная аксиальная деформация имеет номинальное или близкое к нулю значение.

На фиг. 20 приложенная аксиальная деформация составляет 0,25%. На фиг. 21 приложенная аксиальная деформация увеличена до 0,75%. На фиг. 20 реакция в виде изменения длины волны иллюстрирует приложенную деформацию, однако явное деформирование конструкции отсутствует.

На фиг. 21 реакция в виде изменения длины волны значительно сильнее, чем реакция в виде изменения длины волны на фиг. 20, и она указывает на появление изгиба или выпучивания в конструкции. При возрастании аксиальной деформации на каждом конце конструкции конструкция сжимается, что вызывает изменение формы изгиба или выпучивания.

На фиг. 22 представлен простой пример чистой аксиальной деформации (силы), приложенной к конструкции 10. Здесь конструкция 10 подвергается воздействию аксиальной силы 520. Реакция 530 в виде изменения длины волны, представляющая деформацию в конструкции 10, измеренную тензодатчиками 20, которая связана с аксиальной силой 520, по существу постоянна, как показано на фиг. 22А. Таким образом, аксиальная сила 520 вызывает укорачивание или сжатие конструкции 10 и расширение в направлении, указанном стрелками 510. В результате реакция 530 в виде изменения длины волны остается по существу постоянной, пока конструкция 10 не начнет деформироваться, изгибаясь или выпучиваясь, как последовательно показано на фиг. 19, 20 и 21, обсужденных выше.

Одной из зон в скважине, где скорее всего появляется минимальная деформация в уплотняющихся пластах, является перекрывающая порода. Самые большие деформации растяжения обычно наблюдаются очень близко к зоне уплотнения, и величина этой деформации уменьшается по мере удаления от зоны уплотнения. Это отражено на теоретическом графике на фиг. 23, где показано изменение приращения деформации Δε в зависимости от расстояния (б) вдоль линии (в футах) в виде дельта ΖΖ (*), где пласт подвергается деформации уплотнения 8,0%, а максимальная деформация удлинения в перекрывающей породе составляет 1,0%.

Действительная величина деформации удлинения в перекрывающей породе непосредственно чуть выше пласта сильно зависит от геометрических характеристик пласта и свойств пласта и перекрывающей

- 13 015016 породы. Отношение деформации удлинения непосредственно над пластом к деформации сжатия в пласте можно использовать в качестве одного из диагностического параметров для оценки характеристик пласта. Аналогичным образом, величина деформации растяжения в перекрывающем пласте влияет на такие характеристики, как сейсмические сигналы, используемые для 4-мерных сейсмических измерений. Таким образом, волокно и тензодатчики предпочтительно накладывать примерно на 90° вдоль конструкции для увеличения чувствительности к деформациям растяжения. Когда волокно и тензодатчики установлены на трубчатой конструкции, специально предназначенной для текущего контроля указанной деформации, можно обеспечить очень точное измерение.

Кроме того, для обнаружения не только аксиальной деформации конструкции, но также деформации изгиба, можно установить вокруг трубчатой конструкции с равными промежутками в продольном направлении три или более волокон, содержащих тензодатчики. Деформация на внешней стороне радиуса кривой изгиба или выпучивания будет больше (при растяжении), чем деформация на внутреннем радиусе. Следовательно, при размещении таким образом 3-х или более волокон, содержащих тензодатчики, открывается возможность обнаружения и измерения изгиба с большим радиусом посредством использования неравномерной реакции в виде изменения длины волны.

С учетом подробно проиллюстрированных вариантов осуществления изобретения можно обобщить в более широких терминах следующим образом.

В дополнение к способу приложения тензодатчика к цилиндрическому телу, изобретение, в частности, относится к способам определения предпочтительного варианта приложения множества преобразователей или датчиков к цилиндрической конструкции для текущего контроля деформирования конструкции, когда эта конструкция подвергается воздействию различных сил. Согласно другим аспектам настоящее изобретение также направлено на обеспечение способов отображения деформирования объекта, когда объект подвергается воздействию различных сил.

В различных вариантах осуществления изобретения предлагается способ отображения деформирования объекта, содержащий приложение множества тензодатчиков к объекту с предпочтительным углом намотки; обнаружение деформирования объекта на каждом тензодатчике и отображение деформирования, обнаруженного на каждом тензодатчике, на проекционном устройстве.

Объект может быть цилиндрическим, а каждый тензодатчик может обнаруживать аксиальную или радиальную деформацию на объекте.

Способ может дополнительно содержать выбор предпочтительного диапазона угла намотки;

определение показателя деформации по меньшей мере для одной намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки и определение предпочтительного угла намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки на основе по меньшей мере одного определенного показателя деформации.

Деформирование, обнаруженное на каждом тензодатчике, может передаваться на проекционное устройство по меньшей мере через одну из следующих сред: волоконно-оптическую, проводную или беспроводную. Изображение деформирования может отображаться в форме реакции в виде изменения длины волны на каждом тензодатчике и соответствующего номера тензодатчика.

Множество тензодатчиков может быть приложено к одной из поверхностей конструкции: внутренней или внешней. Они могут быть приложены по меньшей мере к одному из: защитной оболочке или защитному слою. Они могут быть приложены к каналу внутри конструкции или составлять единое целое с конструкцией, когда та сформирована. Каждый из множества тензодатчиков может быть беспроводным путем соединен с другим из множества тензодатчиков. Питание множества тензодатчиков может осуществляться независимо. Каждый из множества тензодатчиков может быть соединен с другим из множества тензодатчиков через среду передачи, способную передавать сигнал. Множество тензодатчиков может быть соединено оптическим волокном.

Способ может дополнительно содержать текущий контроль реакции в виде изменения длины волны и обнаружение вариаций реакции в виде изменения длины волны на каждом тензодатчике.

Вариации реакции в виде изменения длины волны могут быть обнаружены по изменениям амплитуды реакции в виде изменения длины волны на каждом тензодатчике. На основе реакции в виде изменения длины волны могут быть обнаружены различные типы деформирования.

Также предлагается способ определения предпочтительного приложения множества тензодатчиков к цилиндрической конструкции для текущего контроля деформирования конструкции, причем способ содержит выбор предпочтительного диапазона угла намотки;

определение показателя деформации по меньшей мере для одного угла намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки;

определение предпочтительного угла намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки на основе по меньшей мере одного определенного показателя деформации и

- 14 015016 определение предпочтительного приложения множества тензодатчиков к конструкции на основе предпочтительного угла намотки.

Определение показателя деформации предпочтительно основано на предварительно определенном коэффициенте Пуассона для данной конструкции, который может быть основан на предварительно определенной деформации для данной конструкции. Предварительно определенная деформация для конструкции может быть основана на максимальной деформации, с которой может столкнуться конструкция.

Данный способ может дополнительно содержать приложение множества тензодатчиков к конструкции вдоль предпочтительной линии приложения. Предпочтительный угол намотки может быть образован между предпочтительной линией приложения и одной из воображаемых опорных линий: первой проходящей в продольном направлении вдоль поверхности конструкции, или второй - охватывающей конструкцию по окружности.

Способ также может дополнительно содержать определение показателя деформации для каждого угла обхвата в предпочтительном диапазоне углов обхвата и определение предпочтительного угла намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки на основе по меньшей мере одного из определенных показателей деформации.

Определение предпочтительного угла намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки может быть основано на предпочтительном диапазоне показателей деформации, содержащем множество определенных показателей деформации. Определение предпочтительного угла намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки может быть основано по меньшей мере на одном из множества определенных показателей деформации в диапазоне показателей деформации.

Способ может также содержать выбор по меньшей мере одного из определенных показателей деформации и/или диапазона показателей деформации на основе максимальной деформации тензодатчика.

Способ может дополнительно содержать определение показателя деформации для множества углов намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки;

определение другого угла намотки в предпочтительном диапазоне углов обхвата на основе по меньшей мере одного из определенных показателей деформации и определение предпочтительного приложения множества тензодатчиков к конструкции на основе предпочтительного угла намотки и другого предпочтительного угла намотки, а также не обязательно содержать выбор по меньшей мере одного определенного показателя деформации на основе предварительно определенной силы, прикладываемой к области конструкции, и выбор по меньшей мере еще одного из определенных показателей деформации на основе другой предварительно определенной силы, прилагаемой по меньшей мере к одной области конструкции или другой области конструкции.

Предлагается необязательное приложение множества тензодатчиков по меньшей мере к одной области конструкции или другой области конструкции на основе по меньшей мере одного предпочтительного угла намотки или другого предпочтительного угла обхвата.

Способ может дополнительно содержать ввод по меньшей мере одного из множества тензодатчиков в отверстие в трубе; размещение по меньшей мере одного из множества тензодатчиков в трубе и ввод флюида в отверстие в трубе для, по меньшей мере, частичного затвердевания и защиты по меньшей мере одного из множества тензодатчиков в трубе.

Эта труба может быть размещена в конструкции вдоль предпочтительной линии приложения, а предпочтительный угол намотки образуется между предпочтительной линией приложения и одной из воображаемых опорных линий: первой, проходящей в продольном направлении вдоль поверхности конструкции, и второй, охватывающей конструкцию по окружности. Труба может размещаться в конструкции вдоль предпочтительной линии приложения, а предпочтительный угол намотки образуется между предпочтительной линией приложения и одной из воображаемых опорных линий: первой, проходящей в продольном направлении вдоль поверхности конструкции, и второй, охватывающей конструкцию по окружности. По меньшей мере один из множества тензодатчиков может быть размещен в трубе посредством по меньшей мере одной из сил: силы сжатия или силы растяжения.

В частности, предлагается способ определения предпочтительного приложения оптического волокна к цилиндрической конструкции, где оптическое волокно включает в себя по меньшей мере один датчик, причем способ содержит выбор предпочтительного диапазона угла намотки для оптического волокна;

определение показателя деформации волокна по меньшей мере для одного угла намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки;

определение предпочтительного угла намотки для оптического волокна в предпочтительном диапазоне углов намотки на основе по меньшей мере одного определенного показателя деформации волокна и определение предпочтительного приложения оптического волокна к конструкции на основе пред

- 15 015016 почтительно угла намотки. По меньшей мере один датчик может обнаружить деформирование конструкции. Определение показателя деформации волокна может быть основано на предварительно определенном коэффициенте Пуассона для конструкции и предварительно определенной деформации для конструкции.

Способ может дополнительно содержать определение предпочтительного количества намотки на основе предварительно определенной аксиальной длины конструкции, диаметра конструкции и предпочтительного угла намотки. Предпочтительно, чтобы предпочтительное количество намоток составляло по меньшей мере восемь.

Способ может дополнительно содержать определение предпочтительного приложения оптического волокна к конструкции на основе предпочтительного количества намоток.

Предпочтительный интервал между датчиками можно определить на основе предпочтительного количества датчиков и предварительно определенной длины волокна. Предпочтительное количество датчиков может составлять по меньшей мере десять.

Определение предпочтительного приложения оптического волокна к конструкции может быть основано на предпочтительном количестве датчиков.

Предпочтительный диапазон угла намотки может составлять примерно от 0 до примерно 90°.

Способ может дополнительно содержать определение деформации волокна для каждого угла намотки в предпочтительном диапазоне углов намотки и определение предпочтительного угла намотки для оптического волокна в предпочтительном диапазоне углов намотки на основе по меньшей мере одного из определенных показателей деформации волокна.

Здесь определение предпочтительного угла намотки оптического волокна в предпочтительном диапазоне углов намотки может быть основано на предпочтительном диапазоне показателей деформации волокна, содержащем множество определенных показателей деформации волокна. Определение предпочтительного угла намотки для оптического волокна в предпочтительном диапазоне углов намотки может быть основано по меньшей мере на одном из множества определенных показателей деформации волокна в диапазоне показателей деформации волокна.

Способ может дополнительно содержать выбор по меньшей мере одного из определенных показателей деформации волокна и/или диапазона показателей деформации волокна на основе максимальной деформации волокна.

Способ может дополнительно содержать определение показателя деформации волокна для множества углов обхвата в предпочтительном диапазоне углов намотки;

определение другого предпочтительного угла намотки для оптического волокна в предпочтительном диапазоне углов намотки на основе, по меньшей мере, другого показателя из числа определенных показателей деформации волокна и определение предпочтительного приложения оптического волокна к конструкции на основе предпочтительного угла намотки и другого предпочтительного угла намотки, а также не обязательно содержать выбор по меньше мере одного определенного показателя деформации волокна на основе предварительно определенной силы, прикладываемой к области конструкции; и выбор по меньшей мере другого из определенных показателей деформации волокна на основе другой предварительно определенной силы, прилагаемой по меньшей мере к одной области конструкции или другой области конструкции.

Способ, кроме того, не обязательно содержит приложение оптического волокна по меньшей мере к одной области конструкции или другой области конструкции на основе по меньшей мере одного из предпочтительных углов намотки и другого предпочтительного угла намотки.

Конструкция может содержать фильтрующий узел, который может содержать множество фильтрующих компонент. Тогда множество тензодатчиков может быть приложено по меньшей мере к одной из поверхностей (внутренней или внешней) одной из множества фильтрующих компонент. Множество тензодатчиков может быть приложено к внешней поверхности одной из множества фильтрующих компонент и внутренней поверхности другой из множества фильтрующих компонент. Множество тензодатчиков прикладывают к одной из множества фильтрующих компонент по меньшей мере в одном из: в защитной оболочке или защитном слое. Множество тензодатчиков можно приложить к каналу в одной из множества фильтрующих компонент.

Трубу можно разместить в одной из множества фильтрующих компонент. Например, ее можно разместить вдоль предпочтительной линии приложения, а предпочтительный угол намотки образуется между предпочтительной линией приложения и одной из воображаемых опорных линий: первой, проходящей в продольном направлении вдоль поверхности конструкции, и второй, охватывающей конструкцию по окружности. По меньшей мере один из множества тензодатчиков можно ввести в отверстие в трубе и разместить в трубе. В отверстие в трубе можно ввести жидкость для, по меньшей мере, частичного за

- 16 015016 твердевания и защиты по меньшей мере одного из множества тензодатчиков в трубе, как было описано выше.

Настоящее изобретение можно использовать для обнаружения и текущего контроля за деформированием любой, по существу, цилиндрической конструкции в стволе скважины, вызванного структурной деформацией независимо от работ в стволе скважины или активности пласта. Как было здесь описано, настоящее изобретение можно уникальным образом приспособить для обнаружения и измерения аксиального уплотнения, сдвига, изгиба, вспучивания и смятия (овализации), вызванных деформацией конструкции ствола скважины из-за аварийного перемещения и/или процесса уплотнения в пласте. Таким образом, настоящее изобретение можно применить к любой по существу цилиндрической конструкции в стволе скважины в целях обнаружения и текущего контроля за деформированием конструкции во время операций добычи или других операций, не связанных с добычей, таких как, например, операции заканчивания (например, гравийная набивка/заполнение трещин), добычи и интенсификации.

Соответственно, цилиндрическая конструкция может быть представлена в виде трубчатой скважинной конструкции, такой как, например, бурильная труба, добывающая труба, обсадная труба, трубчатый фильтр, песочный фильтр.

Настоящее изобретение также можно использовать в любой другой ситуации, где трубы расширяются и сжимаются или изгибаются, например на нефтеперегонных заводах, газогенераторных установках и трубопроводах. Настоящее изобретение также может быть полезно для отображения деформирования (форма/величина/перемещение) других, не цилиндрических объектов, и, следовательно, его можно использовать для измерения смещений с использованием тех же принципов, которые применялись для других масштабов длины. Настоящее изобретение можно также использовать для получения данных для геомеханического моделирования других типов, включая, например, плотины или другие сооружения. Таким образом, предполагается, что в раскрытые здесь варианты могут быть внесены различные изменения и/или модификации, и они могут быть приложены к другим ситуациям, не выходя за рамки существа и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.

Claims (14)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ контроля деформирования конструкции посредством приложения тензодатчика к указанной конструкции, причем способ содержит выбор чувствительности тензодатчика в зависимости от ожидаемой максимальной аксиальной деформации в цилиндрической конструкции;

   определение по меньшей мере одного показателя деформации, соответствующего выбранной чувствительности, где по меньшей мере один показатель деформации представляет соотношение между деформацией, переданной тензодатчику, которая вызвана аксиальной деформацией в цилиндрической конструкции, и аксиальной деформацией в цилиндрической конструкции;

   определение предпочтительного угла намотки относительно воображаемой опорной линии (50), проходящей вдоль окружающей поверхности цилиндрической конструкции, в зависимости по меньшей мере от одного определенного показателя деформации, при этом угол намотки больше чем 15° и не более 35°; и приложение тензодатчика к цилиндрической конструкции в соответствии с определенным углом намотки для измерения деформации в направлении указанного угла намотки, причем тензодатчик является одним из множества тензодатчиков, которые прикладывают вдоль линии приложения в соответствии с предпочтительным углом намотки.
2. 2. Способ по п.1, в котором определение по меньшей мере одного показателя деформации основано на предварительно определенном коэффициенте Пуассона для конструкции.
3. 3. Способ по п.1 или 2, в котором определение по меньшей мере одного показателя деформации основано на предварительно определенной деформации для конструкции.
4. 4. Способ по п.3, в котором определение по меньшей мере одного показателя деформации основано на предварительно определенной деформации для конструкции и в котором предварительно определенный коэффициент Пуассона для конструкции основан на предварительно определенной деформации для конструкции.
5. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором заданная чувствительность основана на максимальной деформации тензодатчика.
6. 6. Способ по любому из пп.1-5, в котором тензодатчик является одним из множества тензодатчиков, которые прикладывают вдоль линии приложения, которая проходит в соответствии с различными углами намотки в диапазоне углов намотки, причем диапазон углов намотки включает в себя предпочтительный угол намотки.
7. 7. Способ по любому из пп.1-5, дополнительно содержащий определение множества предпочтительных углов намотки в зависимости от множества показателей деформации;

   приложение множества тензодатчиков к цилиндрической конструкции вдоль множества линий

   - 17 015016 приложения в соответствии с множеством предпочтительных углов намотки, в силу чего тензодатчик является одним из множества тензодатчиков.
8. 8. Способ по любому из пп.1-7, в котором множество тензодатчиков соединяют оптическим волокном и в котором приложение множества тензодатчиков к цилиндрической конструкции включает в себя приложение оптического волокна вдоль линии приложения, которая включает в себя по меньшей мере одну секцию, направленную в соответствии с предпочтительным углом намотки.
9. 9. Способ по п.8, дополнительно содержащий определение предпочтительного количества намоток на основе предварительно определенной аксиальной длины конструкции, диаметра конструкции и предпочтительного угла намотки.
10. 10. Способ по п.9, в котором предпочтительное количество намоток составляет по меньшей мере восемь.
11. 11. Способ по п.8, 9 или 10, дополнительно содержащий определение предпочтительного интервала между тензодатчиками на основе предпочтительного количества тензодатчиков и предварительно определенной длины волокна.
12. 12. Способ по любому из пп.8-11, в котором каждый тензодатчик содержит решетку Брэгга, встроенную в оптическое волокно.
13. 13. Способ по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий ввод тензодатчика в отверстие в трубке, размещенной по отношению к конструкции в соответствии с предпочтительным углом намотки;

    размещение тензодатчика в трубке и ввод флюида в отверстие в трубке, по меньшей мере, для частичного затвердевания и защиты тензодатчика в трубке.
14. 14. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором цилиндрическая конструкция представляет собой обсадную трубу или другую скважинную трубчатую конструкцию.