RU2636989C1 - Fiber-optic probing of drilling string bottom hole assembly - Google Patents
Fiber-optic probing of drilling string bottom hole assembly Download PDFInfo
- Publication number
- RU2636989C1 RU2636989C1 RU2016115351A RU2016115351A RU2636989C1 RU 2636989 C1 RU2636989 C1 RU 2636989C1 RU 2016115351 A RU2016115351 A RU 2016115351A RU 2016115351 A RU2016115351 A RU 2016115351A RU 2636989 C1 RU2636989 C1 RU 2636989C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bha
- signal
- measurement data
- module
- optical
- Prior art date
Links
- 238000005553 drilling Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 65
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 claims abstract description 52
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 47
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 45
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 16
- 238000012800 visualization Methods 0.000 claims description 10
- 235000019282 butylated hydroxyanisole Nutrition 0.000 claims description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 abstract 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 90
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 7
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 7
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 206010021033 Hypomenorrhoea Diseases 0.000 description 2
- KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N [Ga].[As].[In] Chemical compound [Ga].[As].[In] KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000006355 external stress Effects 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/06—Measuring temperature or pressure
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/007—Measuring stresses in a pipe string or casing
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/12—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/12—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling
- E21B47/13—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling by electromagnetic energy, e.g. radio frequency
- E21B47/135—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling by electromagnetic energy, e.g. radio frequency using light waves, e.g. infrared or ultraviolet waves
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Pens And Brushes (AREA)
- Food-Manufacturing Devices (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Настоящее изобретение относится к сооружению скважины и, в частности, к контролю свойств скважинных инструментов во время сооружения скважины.The present invention relates to well construction and, in particular, to monitoring the properties of downhole tools during well construction.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
Скважины, как правило, используют для доступа в области, находящиеся под поверхностью земли, для добычи материалов из этих областей, например, во время разведки и извлечения нефтяных углеводородов из подземного местоположения. Сооружение скважин, как правило, включает в себя бурение ствола скважины и сооружение конструкции труб в стволе скважины. После заканчивания конструкция труб обеспечивает доступ в подземные местоположения и позволяет транспортировать материалы к поверхности.Wells are typically used for access to areas below the surface of the earth, for the extraction of materials from these areas, for example, during the exploration and extraction of petroleum hydrocarbons from an underground location. Well construction typically involves drilling a wellbore and constructing a pipe structure in the wellbore. After completion, the pipe construction provides access to underground locations and allows materials to be transported to the surface.
Во время сооружения скважины обычно используют различные инструменты, и для оценки целостности инструментов в процессе использования могут быть использованы системы контроля. Например, бурильная колонна с оборудованием низа бурильной колонны (bottomhole assembly, BHA) может быть использована для бурения ствола скважины, и системы контроля могут быть использованы для контроля параметров, связанных с целостностью BHA в процессе бурения, чтобы гарантировать, что BHA не будет работать неправильно, подвергаясь воздействию экстремальных условий окружающей среды (например, высокая температура и/или давление). Данные системы контроля позволяют оператору поддерживать скважинные инструменты в безопасных рабочих пределах.Various tools are commonly used during well construction, and monitoring systems can be used to evaluate tool integrity during use. For example, a drill string with bottomhole assembly (BHA) equipment can be used to drill a borehole, and monitoring systems can be used to monitor parameters related to BHA integrity during drilling to ensure that BHA does not malfunction exposed to extreme environmental conditions (e.g. high temperature and / or pressure). These monitoring systems allow the operator to maintain downhole tools within safe operating limits.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙDESCRIPTION OF DRAWINGS
На фиг. 1 показан пример системы для бурения ствола скважины.In FIG. 1 shows an example of a system for drilling a wellbore.
На фиг. 2 приведена схема примера системы контроля.In FIG. 2 is a diagram of an example control system.
На фиг. 3 приведена схема примера волокна с брэгговскими решетками.In FIG. 3 is a diagram of an example of a fiber with Bragg gratings.
На фиг. 4 показана интерференция света вследствие отражений в примере волокна.In FIG. 4 shows light interference due to reflections in an example fiber.
На фиг. 5A-D показаны различные виды примера BHA и волокна.In FIG. 5A-D show various kinds of example BHA and fiber.
На фиг. 6 показан другой пример BHA и волокна.In FIG. 6 shows another example of a BHA and fiber.
На фиг. 7A-C показаны различные виды примера соединительного элемента.In FIG. 7A-C show various views of an example of a connecting element.
На фиг. 8A показан пример бурильной трубы.In FIG. 8A shows an example of a drill pipe.
На фиг. 8B-C показан пример устройств бурильных труб и соединительных элементов.In FIG. 8B-C shows an example of drill pipe devices and fittings.
Одинаковыми ссылочными символами на различных чертежах обозначены одинаковые элементы.The same reference characters in the various drawings denote the same elements.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Сооружение скважин, как правило, включает в себя бурение ствола скважины и сооружение конструкции труб в стволе скважины. Например, как показано на фиг. 1, оператор может использовать систему 100 измерений в процессе бурения (measure while drilling, MWD) или каротажа в процессе бурения (logging while drilling, LWD) для бурения ствола 102 скважины. Система 100 содержит блок 110 управления на поверхности и бурильную колонну 120.Well construction typically involves drilling a wellbore and constructing a pipe structure in the wellbore. For example, as shown in FIG. 1, an operator may use a measurement while drilling (MWD)
Бурильная колонна 120 содержит оборудование 122 низа бурильной колонны (bottom hole assembly, BHA) вдоль ее нижней части и бурильную трубу 128, которая проходит между BHA 122 и блоком 110 управления на поверхности.The
BHA 122 является компонентом, который позволяет бурильной колонне 120 выполнять бурение сквозь окружающую среду 130, и обеспечивает механическое усилие и опору, необходимую для выполнения операции бурения. BHA 122 содержит один или больше компонентов для выполнения данных функций. Например, BHA 122 содержит одно или больше буровых долот 124. Буровое долото 124 установлено на конце BHA 122 и содержит один или больше съемных бурильных элементов. В процессе работы буровое долото 124 дробит, соскребает или режет окружающую среду 130 благодаря дробящему или вращательному движению его бурильных элементов.BHA 122 is a component that allows the
BHA 122 также содержит одну или больше бурильных труб 126. Бурильные трубы 126 расположены между буровым долотом 124 и бурильной колонной 128 и создают опорную конструкцию для бурового долота 124 и других компонентов BHA 122. Бурильные трубы 126 имеют, как правило, трубчатую форму и обеспечивают прохождение текучих сред от бурильной колонны 128 к буровому долоту 124 через внутренний канал. Бурильные трубы 126 также прилагают нагрузку к буровому долоту 124 и с помощью нагрузки создают направленную вниз силу, необходимую для эффективного забуривания бурового долота 124 в окружающую среду 130.BHA 122 also includes one or
BHA 122 также может содержать другие компоненты, которые поддерживают работу бурильной колонны 120. Например, BHA 122 может содержать один или больше двигателей (не показано) для работы бурового долота и/или циркуляции бурового раствора.BHA 122 may also contain other components that support the operation of
BHA 122 соединено с поверхностью с помощью бурильной колонны 128. Бурильная труба 128 создает канал для передачи энергии, текучей среды и/или сигналов связи между BHA 122 и блоком 110 управления на поверхности, а также обеспечивает соединение, через которое блок 100 управления на поверхности выполняет подъем, опускание и вращение BHA 122. Используя блок 110 управления на поверхности, оператор может направлять BHA 122 вдоль трехмерных каналов (например, изменяемое бурение перпендикулярно, горизонтально или под промежуточным углом относительно поверхности), создавая ствол 102 скважины.The BHA 122 is connected to the surface by a
Во время процесса бурения компоненты системы 100, как правило, подвергаются воздействию жестких условий окружающей среды, например, усилие, давление, температура и другие внешние факторы стресса. Когда компоненты системы 100 подвергаются воздействию данных факторов стресса, это может приводить к изменениям температуры компонентов, изменениям формы компонентов (например, искажению формы вследствие давления и/или нагрева) и/или изменениям деформации, нагрузки или давления, испытываемого данными компонентами. В данном примере окружающая среда 130 может прилагать к BHA 122 физическое усилие, которое может увеличивать деформацию или напряжение, испытываемое BHA 122. В другом примере окружающая среда 130 может быть горячее или холоднее, чем BHA 122, и может вызывать нагрев или охлаждение BHA 122 по мере его перемещения сквозь окружающую среду 130. В другом примере окружающая среда 130 может прилагать к BHA 122 физическое усилие, которое может вызывать деформацию BHA 122. Поскольку BHA 122 может быть повреждено, если испытывает сильную деформацию, напряжение, давление и температуру, или, если BHA 122 подвергается сильному изменению формы, оператор использует систему контроля для отслеживания термомеханических свойств BHA (например, деформация, напряжение и давление, испытываемое BHA 112, форма BHA, или температура BHA) в процессе работы, чтобы поддерживать BHA 122 в безопасных рабочих пределах. Данные рабочие пределы, как правило, определяют условия, при которых BHA 122 может работать в безопасном режиме, чтобы не допускать повреждения или разрушения. В общем, рабочие пределы могут отличаться между различными BHA и могут быть определены на основании теоретических пределов безопасности для конкретного BHA, или могут быть определены эмпирическим путем, на основе ранее полученных данных производительности. В некоторых вариантах осуществления безопасные рабочие пределы используют для установления пороговых значений для одного или больше термомеханических свойств, например определения максимальной и/или минимальной безопасной величины для каждого термомеханического свойства. Одно или больше из данных термомеханических свойств BHA 122 можно отслеживать, используя волоконно-оптическую систему контроля, позволяющую оператору остановить или изменить режим работы BHA 122 до превышения опасного порогового значения для BHA. Пример волоконно-оптической системы 200 контроля показан схематически на фиг. 2. Система 200 контроля содержит модуль 202 обработки сигнала, модуль 212 визуализации, модуль 204 источника сигнала, модуль 206 обнаружения сигнала и одно или больше оптических волокон 208. Каждое волокно 208 включает в себя один или больше датчиков 210. Модуль 204 источника сигнала создает оптический сигнал и излучает оптический сигнал в одно или больше оптических волокон 208. Один или больше датчиков 210 вдоль волокна 208 взаимодействуют с оптическим сигналом и изменяют оптический сигнал на основе термомеханических свойств датчика 210. Полученный оптический сигнал обнаруживается модулем 206 обнаружения сигнала. На основе обнаруженного оптического сигнала модуль 202 обработки сигнала определяет данные относительно одного или больше термомеханических свойств датчика 210. Данная информация отображается для оператора, используя модуль 212 визуализации.During the drilling process, components of
Когда оптические волокна 208 располагаются у BHA 122, так что оптические волокна 208 соответствуют форме BHA 122, и подвергаются воздействию таких же внешних факторов стресса, как BHA 122, система 200 контроля обеспечивает оценку термомеханических свойств BHA 122. Таким образом, оператор может использовать систему 200 контроля для наблюдения и отслеживания данных относительно термомеханических свойств BHA 122 во время работы бурильной колонны 120.When the
Модуль 204 источника сигнала создает свет и модулирует свет для получения оптического сигнала. Модуль 204 источника сигнала соединен с волокном 208 таким образом, чтобы созданные оптические сигналы излучались в волокно 208. Модуль источника сигнала может создавать оптические сигналы с единственной длиной волны, или он может создавать оптические сигналы, состоящие более чем из одной длины волны. Например, в некоторых вариантах осуществления модуль 204 источника сигнала содержит один или больше оптических передатчиков, которые могут создавать спектр оптических сигналов в диапазоне длин волн. В некоторых вариантах осуществления оптические передатчики могут создавать оптические сигналы с изменяющимися скоростями передачи данных. В некоторых вариантах осуществления модуль 204 источника сигнала поддерживает связь с модулем 202 обработки сигнала, и работа модуля 204 источника сигнала может быть управляемой посредством модуля 202 обработки сигнала.The
Модуль 204 источника сигнала содержит оптический передатчик, чтобы создавать оптический сигнал. Пример оптических передатчиков включает в себя полупроводниковые устройства, такие как светоизлучающие диоды (light-emitting diodes, LEDs) и лазерные диоды. В некоторых вариантах осуществления оптический передатчик включает в себя LED, которые изготовлены, помимо прочего, например, из арсенида-фосфида индия-галлия или арсенида галлия.The
Модуль 206 обнаружения сигнала обнаруживает оптические сигналы, направляемые с помощью волокон 208, и позволяет системе 200 интерпретировать оптические сигналы. Модуль обнаружения сигнала может обнаруживать оптические сигналы в диапазоне длин волн и в диапазоне скоростей передачи данных. В некоторых вариантах осуществления модуль 204 источника сигнала поддерживает связь с модулем 202 обработки сигнала, и данные, собранные модулем 206 обнаружения сигнала, могут быть интерпретированы посредством модуля 202 обработки сигнала.The
Модуль 206 обнаружения сигнала содержит оптический приемник. Оптический приемник преобразует свет в электричество, используя фотоэлектрический эффект, и позволяет электрической системе обнаруживать и интерпретировать оптические сигналы. Пример оптических приемников включает в себя фотодетекторы или другие оптоэлектрические преобразователи. В некоторых вариантах осуществления фотодетекторы включают в себя полупроводниковые фотодиоды, которые изготовлены, помимо прочего, из арсенида индия-галлия.
В некоторых вариантах осуществления функции модуля 204 источника сигнала и модуля 206 обнаружения сигнала могут быть объединены. Например, приемопередатчик может быть использован для объединения функций передачи оптического сигнала модуля 204 источника сигнала и функций обнаружения оптического сигнала модуля 206 обнаружения сигнала. В данном примере приемопередатчик включает в себя как оптический передатчик, так и оптический приемник. Оптический передатчик и оптический приемник могут совместно использовать общие компоненты, например общую схему или общий корпус.In some embodiments, the functions of the
В некоторых вариантах осуществления система 200 контроля может измерять одно или больше термомеханических свойств BHA 122 до, во время или после процесса бурения. Например, система 200 контроля может отслеживать давление, деформацию или нагрузку, испытываемую BHA 122, форму BHA 122 или температуру BHA 122 во время операции бурения. В некоторых вариантах осуществления система контроля может собирать данные об одном или больше этих свойств в режиме реального времени, или в режиме, приближенном к режиму реального времени, и отображать эти данные для оператора (например, оператора, использующего блок 110 управления на поверхности), так что оператор имеет возможность контроля работы бурильной колонны 120. В некоторых вариантах осуществления система контроля может сохранять данные, чтобы их можно было извлечь позже.In some embodiments, the
В некоторых вариантах осуществления система 200 контроля может определять пространственную информацию, относящуюся к термомеханическим свойствам. То есть система 200 контроля может измерять термомеханические свойства и определять местоположение, направление и/или ориентацию измерений относительно бурильной колонны 120. В качестве примера, система 200 контроля может измерять локализованную деформацию, испытываемую BHA 122, и может, кроме того, идентифицировать местоположение на BHA 122, которое испытывает локализованную деформацию, и ориентацию измерений деформации (например, была ли измеренная деформация от датчика, расположенного в верхней части BHA 122, нижней части BHA 122, боковой части BHA 122 и т.д.).In some embodiments, the
В некоторых вариантах осуществления система 200 контроля может отслеживать форму одного или больше компонентов бурильной колонны 120. Например, система 200 контроля может обнаруживать форму BHA 122 (например, одной или больше бурильных труб 126) и/или бурильной колонны 128. Это позволяет оператору наблюдать форму и относительную ориентацию компонентов бурильной колонны 120, так что оператор может определить, установлены ли и расположены ли компоненты бурильной колонны 120 согласно плану. Это также позволяет оператору определять, если один или больше компонентов согнуты или перекошены во время операции бурения, и позволяет оператору определять, если бурильная колонна 120 согнута или перекошена таким образом, что может повредить или сделать неработоспособной бурильную колонну 120. Таким образом, оператор может использовать систему 200 контроля, чтобы управлять работой бурильной колонны 120 в безопасном режиме.In some embodiments, the
Модуль 212 визуализации отображает данные, относящиеся к системе 200 контроля, для оператора посредством пульта, или интерфейса, оператора. Отображаемые данные могут включать, например, одно или больше термомеханических свойств, измеренных системой 200 контроля, характеристики системы 200 контроля (например, рабочее состояние системы 200 контроля и/или одного или больше ее компонентов, или рабочие параметры системы 200 контроля), или другие данные, относящиеся к работе системы 200. Данные могут быть выведены либо в виде текстовых данных, графических данных или в виде сочетания текстовых и графических данных. Например, пульт оператора может выводить данные в виде таблиц (например, таблица термомеханических свойств), графиков (например, график изменения термомеханических свойств со временем) или изображений (например, изображение, иллюстрирующее базовые данные об одном или больше термомеханических свойств, или изображение, иллюстрирующее форму компонентов бурильной колонны).The
В некоторых вариантах осуществления модуль 202 обработки сигнала отправляет сигнал на пульт оператора, чтобы предупредить оператора, когда измеренное свойство пересекает конкретное пороговое значение, например известный порог безопасности. Например, если измеренное свойство не пересекло пороговое значение, модуль 202 обработки сигнала отправляет соответствующий сигнал на пульт оператора, и пульт оператора обеспечивает индикацию, что BHA 122 работает в безопасном режиме. Если измеренное свойство приближается к пересечению порогового значения, модуль 202 обработки сигнала отправляет соответствующий сигнал на пульт оператора, и пульт оператора обеспечивает индикацию, что BHA 122 приближается к пределам безопасности. Если измеренное свойство пересекает пороговое значение, модуль 202 обработки сигнала отправляет соответствующий сигнал на пульт оператора, и пульт оператора обеспечивает индикацию того, что BHA 122 превысило пределы безопасности. Например, если измеренная форма BHA 122 пересекает конкретное пороговое значение (например, если кривизна превышает конкретный порог кривизны), модуль 202 обработки сигнала отправляет сигнал на пульт оператора, и пульт оператора обеспечивает индикацию того, что форма BHA 122 превысила пределы безопасности.In some embodiments, the
В некоторых вариантах осуществления модуль 202 обработки сигнала обеспечивает рекомендации на пульте оператора, что помогает пользователю поддерживать BHA 122 в рамках безопасных рабочих пределов. Например, если измеренное свойство приближается к пересечению безопасного предела, модуль 202 обработки сигнала обеспечивает рекомендации на пульте оператора о том, как не допустить небезопасной работы (например, рекомендации извлечь бурильную колонну 120, приостановить или замедлить операции бурения, или изменить другие аспекты работы бурильной колонны 120). Если измеренное свойство пересекает безопасный предел, модуль 202 обработки сигнала обеспечивает рекомендации на пульте оператора о том, как не допустить дальнейшей работы в небезопасном режиме. Рекомендации могут быть выведены для обзора пользователю.In some embodiments, the
Модуль 202 обработки сигнала и пульт оператора могут обеспечивать индикацию и рекомендации по безопасности на основании недавно полученных измерений или на основании ретроспективных тенденций по множеству измерений. Например, в некоторых вариантах осуществления модуль 202 обработки сигнала и пульт оператора обеспечивает индикацию того, что BHA 122 возвращается в безопасные рабочие пределы, если определяет, что свойство опускается до степени, при которой оно находится ниже порогового значения в течение конкретного периода времени, и обеспечивает рекомендации для продолжения текущей операции. В другом примере модуль 202 обработки сигнала и пульт оператора обеспечивают индикацию того, что BHA 122 работает в небезопасном режиме, если блок 202 обработки сигнала определяет, что свойство повышается до степени, при которой оно превышает пороговое значение в течение конкретного периода времени, и обеспечивают рекомендации для приостановки текущей операции.The
В некоторых вариантах осуществления система может автоматически (т.е. без дополнительного ввода данных оператором) останавливать или другим образом изменять операцию BHA, если безопасный предел превышен.In some embodiments, the system can automatically (i.e., without additional operator input) stop or otherwise change the BHA operation if the safe limit is exceeded.
Модуль 212 визуализации может содержать одно или больше устройств вывода данных для представления информации оператору, например индикаторы состояния (например, индикаторные лампы, которые светятся для указания информации), или видеодисплей, такой как дисплей с плоским экраном (например, монитор с жидкокристаллическим дисплеем (LCD)). В некоторых вариантах осуществления модуль 212 визуализации расположен в системе 110 управления на поверхности, чтобы оператор мог видеть информацию, относящуюся к системе 200 контроля, во время работы бурильной колонны 120.The
Система 200 контроля может определять термомеханические свойства различными способами. Например, датчики 210 могут представлять собой волоконные датчики с брэгговскими решетками (Fiber Bragg Grating, FGB), которые могут выполнять измерения в одной или больше отдельных точек вдоль волокна 208.Как показано на фиг. 3, пример датчика 210 FGB включает в себя несколько брэгговских решеток 302, расположенных с периодом λ (т.е. длиной волны датчика FBG) по длине одномодового волоконного оптического волокна 208 (т.е. оптического волокна, которое несет один луч света).The
В некоторых вариантах осуществления волокно 208 содержит меньший внутренний сердечник (например, примерно от 4 до 9 мкм в диаметре) и наружную часть (т.е. оболочку) большего диаметра (например, около 125 мкм в диаметре). Внутренний сердечник может быть изготовлен, например, из стекла (SiO2) и имеет высокий показатель преломления, вызванный сильным легированием элементом, например, легированием германием. Разность в показателях преломления между внутренним сердечником и оболочкой приводит к распространению света только внутри внутреннего сердечника.In some embodiments,
Каждая брэгговская решетка 302 имеет область с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления волокна 208, и в результате отражает свет с конкретной полосой частот на границе (т.е. поверхности раздела между решеткой 302 и волокном 208). Например, как показано на фиг. 3, свет, излучаемый модулем 204 источника сигнала, имеющий длины волн λa и λb, не отражается и направляется волокном 208 к модулю 206 обнаружения сигнала. Однако часть света с длиной волны λc отражается границами каждой брэгговской решетки 302 обратно, к модулю 204 источника сигнала, тогда как часть света продолжает движение к модулю 206 обнаружения сигнала. Коэффициент отражения (т.е. часть света, отраженная каждой границей брэгговской решетки) может быть сравнительно малым, например между 0,001% и 0,1%.Each Bragg grating 302 has a region with a refractive index different from the refractive index of the
Кроме того, поскольку каждая брэгговская решетка 302 отражает свет с различным сдвигом фаз, возникает интерференция, и большая часть отраженного света гасится. Однако отражения с равным сдвигом фаз скапливаются в виде сильных пиков отражения. Это проиллюстрировано на фиг. 4. Верхняя часть фиг. 4 показывает волокно 208 с 10-граничной брэгговской решеткой 402. Свет поступает с левой стороны волокна 208. Ниже показаны три световых луча 404a-c с различными длинами волн. Верхний световой луч 404a имеет определенную длину волны λ0 периода решетки, и все единичные отражения границы отражаются в фазе и поэтому складываются в уровень 406a отраженной энергии, в десять раз больший единичного отражения границы. Следующий световой луч 406b имеет на 10% большую частоту, так что 11 световых периодов λ0+1 имеют длину 10 периодов λ0 решетки. Таким образом, все единичные отражения границы имеют различные фазы и гасятся, что приводит к уровню 406b отраженной энергии нулевой величины. Аналогичный эффект гашения возникает при самом нижнем световом луче 404c, который имеет на 10% меньшую частоту, так что 9 световых периодов λ0-1 имеют длину 10 периодов λ0 решетки, что приводит к уровню 406c отраженной энергии нулевой величины.In addition, since each Bragg grating 302 reflects light with a different phase shift, interference occurs and most of the reflected light is suppressed. However, reflections with an equal phase shift accumulate in the form of strong reflection peaks. This is illustrated in FIG. 4. The upper part of FIG. 4 shows a
Таким образом, ширина полосы отражения и результирующая функция отраженной энергии зависят от длины волны λ датчика FBG. Данная длина волны λ зависит от различных термомеханических свойств, проявляемых волокном 208. Например, деформация и температура связаны с длиной волны λ согласно следующему уравнению:Thus, the reflection bandwidth and the resulting function of the reflected energy depend on the wavelength λ of the FBG sensor. This wavelength λ depends on various thermomechanical properties exhibited by
гдеWhere
Δλ=сдвиг длины волны, Δλ = wavelength shift,
λ0=начало базовой длины волны, λ0 = beginning of the base wavelength,
k=1 - p,k = 1 - p,
p=коэффициент фотоэлектрического преобразования, p = photoelectric conversion coefficient,
k=калибровочный множитель, k = calibration factor
ΔT=изменение температуры в градусах Кельвина, K, ΔT = temperature change in degrees Kelvin, K,
α δ =изменение показателя преломления,α δ = change in refractive index,
В примере варианта осуществления коэффициент фотоупругости равен 0,22, калибровочный множитель равен 0,78 и изменение показателя преломления равно .In an example embodiment, the photoelasticity coefficient 0.22 calibration factor equal to 0.78 and the change in refractive index equally .
Первое выражение уравнения описывает импульс деформации, вызванный усилием и температурой . Второе выражение описывает изменение показателя преломления стекла, вызванное только температурой.First expression equation describes the strain momentum caused by the force and temperature . Second expression describes the change in refractive index glass caused only by temperature.
Далее,Further,
гдеWhere
εm=деформация, вызванная механическим путем, εm = the deformation caused by mechanical means,
εT=деформация, вызванная температурой, εT = deformation caused by temperature,
εε T=T = αsp *ΔT,αsp * ΔT,
αsp=коэффициент расширения на градус Кельвина, K, образца.αsp = coefficient of expansion per degree Kelvin, K, of the sample.
Это дает следующие уравнения, которые описывают поведение датчика FBG под воздействием как деформации, так и температуры: This gives the following equations, which describe the behavior of the FBG sensor under the influence of both deformation and temperature:
иand
В случае только датчика температуры брэгговская решетка не деформируется. Сигнал Δλ/λ0 датчика FBG затем изменяется только с температурой. В данном случае - коэффициент теплового расширения, - коэффициент теплового расширения волокна.In the case of a temperature sensor only, the Bragg grating is not deformed. The signal Δλ / λ 0 of the FBG sensor then changes only with temperature. In this case - coefficient of thermal expansion, - coefficient of thermal expansion fiber.
илиor
что дает уравнение для измеряющих температуру датчиков FBG:which gives the equation for temperature measuring FBG sensors:
Коэффициент расширения волокна является весьма малым. Например, в данном варианте осуществления =0,55*10-6/K. Самый большой импульс вытекает из изменения, зависимого от температуры, показателя преломления .Когда волокно прикреплено к образцу, сигнал Δλ/λ0 датчика FBG изменяется с деформацией образца и, таким образом, коэффициент теплового расширения равен , а не .Таким образом,Expansion coefficient fiber is very small. For example, in this embodiment = 0.55 * 10 -6 / K. The largest momentum results from a change in temperature-dependent refractive index .When the fiber is attached to the sample, the signal Δλ / λ 0 of the FBG sensor changes with deformation sample and, thus, the coefficient of thermal expansion is equal to , but not .In this way,
что дает уравнение для измеряющего деформацию датчика FBG:which gives the equation for the strain gauge FBG:
Когда датчик FBG прикреплен к образцу в области без механической деформации , он работает как датчик FBG температурной компенсации. Его сигнал вычисляют в соответствии с уравнениями:When the FBG sensor is attached to the sample in an area without mechanical deformation It works as an FBG temperature compensation sensor. Its signal is calculated in accordance with the equations:
Таким образом, датчик FGB может определять данные деформации и температуры в отдельных точках вдоль волокна на основе измерений отраженного сигнала датчика, используя указанные отношения. На основе эти данных также могут быть определены дополнительные данные относительно напряжения в отдельных точках вдоль волокна. Например, для материалов с известным отношением напряжения и деформации могут быть определены данные относительно напряжения как функция измеренной деформации.Thus, the FGB sensor can determine the strain and temperature data at individual points along the fiber based on measurements of the reflected signal of the sensor using these ratios. Based on this data, additional data regarding stress at individual points along the fiber can also be determined. For example, for materials with a known stress-strain ratio, stress data can be determined as a function of the measured strain.
В некоторых вариантах осуществления одна или больше длин волн света может быть направлена через волокно 208, и датчик FGB может взаимодействовать с каждой длиной волны света по-разному. В некоторых вариантах осуществления оптический сигнал, включающий спектр света, направляют через волокно 208, и спектр отражения анализируют, чтобы измерять несколько сигналов FBG одновременно. Спектр отражения может быть проанализирован, например, с использованием интерферометра для разделения спектра в соответствии с длинами волн составляющих световых лучей.In some embodiments, one or more light wavelengths may be guided through
В некоторых вариантах осуществления датчики FBG могут быть использованы для определения формы волокна 208. Например, в некоторых вариантах осуществления волокно 208 содержит два или больше сердечников, расположенных с промежутком, причем каждый сердечник включает в себя несколько датчиков 210. Как описано выше, датчики 210 каждого сердечника волокна 208 могут быть использованы для определения данных деформации относительно волокна 208. Если сердечники смонтированы таким образом, что они не расположены в одной плоскости, когда волокно 208 изгибается, каждый сердечник будет испытывать различную деформацию. Разница в деформации между каждым сердечником может быть использована для определения кривизны вдоль отдельных точек по волокну и может быть использована для определения формы волокна 208. Путем определения деформации вдоль нескольких не лежащих в одной плоскости сердечников может быть определен многомерный дифференциальный вектор деформации. Используя дифференциальный вектор деформации, могут быть определены данные о кривизне и форме волокна 208. В примере варианта осуществления волокно 208 с тремя не лежащими в одной плоскости сердечниками может быть использовано для определения данных трехмерной формы волокна 208. В некоторых вариантах осуществления несколько волокон 208, каждое с единичным сердечником, могут быть использованы вместо единственного волокна 208 с несколькими сердечниками. В некоторых вариантах осуществления определение формы может быть выполнено, используя серийно производимые приборы, например, используя опросное устройство распределенного волоконно-оптического датчика, систему с распределенным измерением или оптическим рефлектометром обратного рассеяния линии продуктов компании Luna Innovations Incorporated (Роанок, штат Вирджиния).In some embodiments, the FBG sensors can be used to determine the shape of the
В некоторых вариантах осуществления система 200 контроля может определять пространственную информацию, относящуюся к каждому из измерений. То есть система 200 контроля может измерять термомеханические свойства и определять местоположение, направление и/или ориентацию измерений относительно бурильной колонны 120. Это может быть выполнено различными способами. Например, в некоторых вариантах осуществления система 200 контроля может выполнять измерения от отдельных точек волокна 208. Если пространственное расположение волокна 208 известно, система 200 контроля может использовать эти данные для определения конкретного положения и/или ориентации источника измерений. Например, если известно, что волокно 208 навито по спирали вокруг BHA 122, измерения от отдельной точки волокна 208 могут быть соотнесены с конкретной точкой вдоль данной спирали. Данная точка может быть использована для определения местоположения, направления и ориентации измерения относительно бурильной колонны 120. В некоторых вариантах осуществления пространственные данные могут быть определены, частично, на основании измеренной формы волокна 208.In some embodiments, the
В некоторых вариантах осуществления вместо датчиков FBG система 200 контроля может содержать другие типы датчиков 210, такие как датчики микроизгиба, интерферометрические датчики, датчики поляриметра или сочетания двух или больше различных типов датчиков. Например, датчики 210 могут быть датчиками микроизгиба. В некоторых вариантах осуществления, если волокно 208 подвергают малой деформации (т.е. «микроизгибу»), световые лучи во внутреннем сердечнике волокна могут превышать критический угол внутреннего сердечника. Это приводит к перераспределению энергии между внутренним сердечником и оболочечными модами. Направляемые моды более высокого порядка внутреннего сердечника соединяются с оболочечными модами, что приводит к уменьшению распространения света в волокне. Такое соединение мод может быть достигнуто, например, путем размещения волокна в контакте с рядом периодически расположенных деформаторов. Таким образом, микроизгибы вызывают понижение интенсивности света вследствие утечки света в оболочку. Путем контроля и корреляции потерь интенсивности света могут быть разработаны различные типы датчиков микроизгиба, которые могут обеспечивать измерение усилий, воздействующих на них. В некоторых вариантах осуществления датчики с микроскопическим концом легче выполнить, чем другие типы волоконно-оптических датчиков, и они потенциально могут быть выполнены при пониженных затратах.In some embodiments, instead of FBG sensors, the
Волокно 208 и его датчики 210 могут быть расположены на одном или больше компонентов системы 100, чтобы отслеживать термомеханические свойства, проявляемые данными компонентами. Например, как показано на фиг. 5A, волокно 208 может быть расположено на бурильной трубе 126 BHA 122. Волокно 208 может быть навито вокруг бурильной трубы 126, например, по спирали, так что оно непрерывно навивается вокруг периметра окружности бурильной трубы 126, когда проходит по длине бурильной трубы 126. Это позволяет системе 200 контроля собирать данные непрерывно вдоль длины по оси бурильной трубы 126, а также непрерывно в радиальных направлениях, окружающих бурильную колонну 126. Волокно 208 согласовано с формой бурильной трубы 126 и закреплено относительно канала, так что какая-либо деформация бурильной трубы 126 приводит к соответствующей деформации волокна 208.The
Волокно 208 может быть расположено в канале 502, так что оно утоплено по наружной периферии бурильной трубы 126. Это проиллюстрировано на фиг. 5B, где в увеличенном виде показана обведенная пунктиром область по фиг. 5A. Как и волокно 208, канал 502 может проходить по длине бурильной трубы 126 и может обвивать бурильную трубу 126 по спирали.
В некоторых вариантах осуществления волокно 208 защищено оболочкой 504. Например, как показано на фиг. 5C-D, оболочка 504 окружает волокно 208 в канале 502, защищает волокно 208 от внешней среды и гарантирует, что волокно 208 закреплено относительно бурильной трубы 126. Оболочка 504 может быть нанесена с помощью какого-либо процесса нанесения твердого материала поверх волокна 208, например, методом сварки или плазменной сварки дугой прямого действия (plasma transferred arc, PTA).In some embodiments,
Волокно 208 может соединять другие компоненты системы 200 контроля и системы 100 различными способами. Например, согласно фиг. 6 пример BHA 122 может включать в себя одну или больше бурильных труб 126 с волокном 208, расположенным в канале 502, проходящем вдоль длин бурильных труб 126. Бурильная труба 126 соединена на одном конце оси с элементом 602 источника, который содержит модули 204 источника сигнала (не показано) системы 200. Элемент 602 источника соединен с бурильной трубой 126 вдоль нижней части BHA 122 и обеспечивает точку соединения между волокном 208 и модулями 204 источника сигнала, так что оптический сигнал, создаваемый модулями 204 источника сигнала, направляется вдоль отрезка волокна 208 к верхнему концу BHA 122.The
Модули 206 обнаружения сигнала могут быть расположены на конце, противоположном модулям 204 источника сигнала, например в переходных муфтах 604 MWD/LWD, на другой части бурильной колонны 120, или на поверхности (например, на блоке 110 управления на поверхности). Модули 204 источника сигнала связаны с волокном 208 на конце, противоположном модулям 204 источника сигнала, и могут обеспечивать данные о поведении отражения оптических сигналов при прохождении через волокно 208.The
Модуль 202 обработки сигнала может быть расположен в различных местоположениях, например вдоль бурильной колонны 120 или на поверхности (например, в блоке 110 управления на поверхности). Модуль 202 обработки сигнала связан с модулями 204 источника сигнала и модулями 206 обнаружения сигнала посредством одного или больше передатчиков сигнала (например, соединения для проводной или беспроводной передачи сигнала). Модуль 202 обработки сигнала управляет работой модулей 204 источника сигнала и модулей 206 обнаружения сигнала и обрабатывает оптический сигнал, чтобы определять данные относительно одного или больше свойств и связанного с этим местоположения и ориентации вдоль волокна 208.The
Как показано на фиг. 6, два или больше компонентов бурильной колонны 120 (например, BHA 122) могут быть соединены с помощью соединительного элемента 606. Соединительный элемент 606 обеспечивает надежное соединение между двумя смежными компонентами и позволяет волокну 208 проходить между двумя компонентами. Например, переходная муфта 604 MWD/LWD может быть соединена с бурильной трубой 126a с использованием соединительного элемента 606a. В другом примере две бурильные трубы 126a-b могут быть соединены с использованием соединительного элемента 606b. В еще одном примере бурильная труба 126b и элемент 602 источника могут быть соединены с использованием соединительного элемента 606c. В каждом из этих примеров волокно 208 непрерывно проходит через два соединенных компонента.As shown in FIG. 6, two or more components of the drill string 120 (eg, BHA 122) can be connected using a connecting
Соединительный элемент 606 более подробно показан на фиг. 7A-C. Соединительный элемент 606 является, в общем, трубчатым и содержит выступ 702 на одном конце оси и углубление 704 на другом конце оси. Выступ 702 и углубление 704 позволяют надежно устанавливать соединительный элемент 606 в компонент с соответствующим углублением или выступом соответственно. Соединительный элемент 606 содержит два канала 706 и 708. Канал 706 расположен в центре по оси соединительного элемента 606 и обеспечивает протекание материала между двумя взаимосвязанными компонентами. Например, в некоторых вариантах осуществления, когда соединительный элемент 606b подсоединен между двумя бурильными трубами 126a-b, канал 706 позволяет протекать буровому раствору между каждой из бурильных труб 126a-b. Канал 708 расположен вдоль радиального периметра соединительного элемента 606 и позволяет волокну 208 проходить между двумя взаимосвязанными компонентами. Например, в некоторых вариантах осуществления, когда соединительный элемент 606b подсоединен между двумя бурильными трубами 126a-b, канал 708 позволяет волокну 208 проходить между каналом 502 первой бурильной трубы 126a в канал 502 второй бурильной трубы 126b. Соединительный элемент 606 может также содержать одну или больше муфт 710, которая может скользить над концами соединительного элемента 606, чтобы закреплять точку соединения между соединительным элементом 606 и соединяемым компонентом.The connecting
Для обеспечения того, чтобы волокно 208 могло непрерывно проходить между двумя взаимосвязанными компонентами, один или больше компонентов могут содержать один или больше участков с уменьшенными наружными диаметрами. Как показано на фиг. 8A, пример бурильной трубы 126 включает в себя концевой участок 802 с выступом 804, соответствующим углублению 704 соединительного элемента 606. Бурильная труба 126 также содержит участок 806 с уменьшенным наружным диаметром по сравнению с диаметром главного удлинения 808 бурильной трубы 126. Как показано на фиг. 8B, когда выступ 804 бурильной трубы 126 посажен в углубление 704 соединительного элемента 606, участок 806 остается снаружи соединительного элемента 606. Данный участок 806 обеспечивает плавное прохождение волокна 208 из канала 502 бурильной трубы 126 в канал 708 бурильной трубы 606, так что оно может непрерывно проходить между двумя компонентами. Как показано на фиг. 8C, соединительный элемент 606 может быть использован для соединения двух компонентов друг с другом (например, двух бурильных труб 126a-b) таким образом, чтобы волокно 208 непрерывно проходило между каждым из соединенных компонентов.To ensure that the
В некоторых вариантах осуществления может быть использовано больше чем одно волокно 208. Например, бурильная труба 126 может содержать два или больше волокон 208, навитых вдоль ее периферии. Волокна могут быть расположены таким образом, чтобы они находились на одинаковом расстоянии друг от друга (например, были расположены так, чтобы они сохраняли постоянное расстояние друг от друга вдоль бурильной трубы 126), или они могут быть расположены по другим схемам. Например, в некоторых вариантах осуществления волокна 208 могут быть расположены таким образом, чтобы в одном или больше местоположений волокна 208 находились ближе друг к другу, чем в одном или больше других местоположений. В некоторых вариантах осуществления одно или больше волокон 208 объединены в жгут друг с другом, так что каждое из них проходит параллельно в непосредственной близости по их длине протяженности.In some embodiments, more than one
В некоторых вариантах осуществления волокно 208 может быть расположено по различным схемам. Например, в некоторых вариантах осуществления волокно 208 может быть навито с переменным шагом, так что оно навивается более часто вокруг определенных участков по сравнению с другими участками. В некоторых вариантах осуществления вместо спиральной схемы волокно 208 может быть расположено таким образом, что оно проходит, по сути, параллельно длине по оси бурильной трубы 126. В некоторых вариантах осуществления волокно 208 может быть расположено в соответствии с любым другим произвольным расположением. В некоторых вариантах осуществления волокно 208 может включать в себя сочетание двух или больше таких расположений. Например, в некоторых вариантах осуществления волокно 208 может иметь участок со схемой постоянной спирали, участок с параллельной схемой и участок со схемой переменной спирали.In some embodiments,
В некоторых вариантах осуществления модель 204 источника сигнала и модуль 206 обнаружения сигнала могут быть расположены на одном конце волокна 208, а не на противоположных концах. Модуль 206 обнаружения сигнала может содержать интерферометр для анализа спектра отраженных длин волн света, чтобы определять одно или больше термомеханических свойств.In some embodiments, the
Способ, описанный выше, может быть воплощен в цифровой электронной схеме или в компьютерном программном обеспечении, встроенной программе или аппаратуре, включая структуры, раскрытые в настоящем описании, и их структурные эквиваленты, или в сочетании одного или больше из них. Например, модуль 202 обработки сигнала может содержать электронный процессор, и электронный процессор может быть использован для обработки оптических сигналов, обнаруженных модулем 206 обнаружения сигнала, чтобы определять одно или больше термомеханических свойств, как описано выше. В другом примере электронный процессор может быть использован для управления работой модуля 204 источника сигнала, модуля 206 обнаружения сигнала и/или модуля 212 визуализации.The method described above may be embodied in digital electronic circuitry or in computer software, firmware, or hardware, including the structures disclosed herein and their structural equivalents, or in combination of one or more of them. For example, the
Термин «электронный процессор» охватывает все виды аппаратов, устройств и машин для обработки данных, включая, например, программируемый процессор, компьютер, систему на микросхемах или их множество, или сочетания вышеуказанного. Устройство может содержать логические схемы специального назначения, например логическая матрица, программируемая пользователем (FPGA, field programmable gate array), или интегральная схема специального назначения (ASIC, application specific integrated circuit). Устройство может также содержать, в дополнение к аппаратному обеспечению, код, создающий условия выполнения компьютерной программы, о которой идет речь, например, код, создающий процессорную встроенную программу, стек протоколов, систему управления базами данных, операционную систему, межплатформенную среду выполнения, виртуальную машину или сочетание одного или больше из них. Оборудование и среда выполнения позволяют реализовывать разнообразные отличающиеся одна от другой инфраструктуры вычислительной модели - такие, как инфраструктуры веб-сервисов, распределенных вычислений и сетевых параллельных вычислений.The term "electronic processor" covers all types of apparatuses, devices, and machines for processing data, including, for example, a programmable processor, a computer, a system on microcircuits, or a plurality thereof, or combinations thereof. The device may contain special-purpose logic circuits, for example, user-programmable logic arrays (FPGAs, field programmable gate arrays), or special-purpose integrated circuits (ASICs). The device may also contain, in addition to hardware, code that creates the conditions for the computer program in question, for example, code that creates the processor firmware, protocol stack, database management system, operating system, cross-platform runtime, virtual machine or a combination of one or more of them. The hardware and runtime allow you to implement a variety of different computing model infrastructures, such as web services, distributed computing, and network parallel computing infrastructures.
Процессоры, подходящие для выполнения компьютерной программы, включают в себя, например, микропроцессоры общего и специального назначения и один или больше процессоров любого вида цифрового компьютера. Обычно процессор должен принимать команды и данные от постоянного запоминающего устройства или оперативного запоминающего устройства, или от обоих. Основными элементами компьютера являются процессор для выполнения действий в соответствии с командами и одно или больше запоминающих устройств для сохранения команд и данных. Вообще, компьютер также должен включать в себя или должен быть функционально связан для приема данных или передачи данных, или их обоих, с одним или больше запоминающих устройств большой емкости, например, магнитные, магнитооптические диски или оптические диски. Однако эти устройства не являются обязательными компонентами компьютера. Кроме того, компьютер может быть встроен в другое устройство, например мобильный телефон, персональный цифровой секретарь (personal digital assistant, PDA), мобильный аудио или видеоплеер, игровую приставку, приемник системы глобального позиционирования (Global Positioning System, GPS) или переносной накопитель (например, флэш-память универсальной последовательной шины (universal serial bus, USB)), к примеру. Устройства, подходящие для хранения команд компьютерной программы и данных, включают в себя все виды энергонезависимой памяти, в том числе, например, полупроводниковые запоминающие устройства, например, EPROM, EEPROM и устройства флэш-памяти; магнитные диски, например, внутренние жесткие диски или сменные диски; магнитооптические диски; и компакт-диски и цифровые диски. Процессор и память могут быть дополнены специализированной логической схемой или включены в ее комплектацию.Processors suitable for executing a computer program include, for example, general and special purpose microprocessors and one or more processors of any kind of digital computer. Typically, the processor should receive instructions and data from read-only memory or random access memory, or both. The main elements of a computer are a processor for performing actions in accordance with commands and one or more storage devices for storing commands and data. In general, a computer should also include, or be functionally connected to receive data or transmit data, or both, with one or more mass storage devices, for example, magnetic, magneto-optical disks or optical disks. However, these devices are not required components of the computer. In addition, the computer can be integrated into another device, such as a mobile phone, personal digital assistant (PDA), mobile audio or video player, game console, Global Positioning System (GPS) receiver, or portable storage device (e.g. flash memory of a universal serial bus (universal serial bus, USB)), for example. Devices suitable for storing computer program instructions and data include all kinds of non-volatile memory, including, for example, semiconductor memory devices, for example, EPROM, EEPROM and flash memory devices; magnetic drives, such as internal hard drives or removable drives; magneto-optical disks; and compact discs and digital discs. The processor and memory can be supplemented by a specialized logic circuit or included in its package.
В общем, в одном аспекте система включает в себя оборудование низа бурильной колонны (bottomhole assembly, BHA), которое содержит одну или больше бурильных труб и буровое долото, соединенное с одной или больше бурильных труб. Система также содержит систему датчиков для контроля BHA. Система датчиков включает в себя один или больше отрезков оптического волокна, навитого по спирали и проходящего вдоль одной или больше бурильных труб, модуль источника сигнала, расположенный так, чтобы излучать оптический сигнал в один или больше отрезков оптического волокна, модуль обнаружения сигнала, расположенный так, чтобы обнаруживать оптический сигнал, направленный из модуля источника сигнала, по одному или больше отрезков оптического волокна, модуль обработки сигнала, поддерживающий связь с модулем обнаружения сигнала, и пульт оператора, поддерживающий связь с модулем обработки сигнала. Модуль обработки сигнала программируют, чтобы во время работы системы определять данные измерений на основе обнаруженного оптического сигнала о термомеханических свойствах в ряде различных местоположений на одной или больше бурильных труб в то время, когда BHA используют для бурения скважины. Модуль обработки сигнала также программируют, чтобы во время работы системы отправлять сигнал на пульт оператора, когда данные измерений превышают пороговое значение.In general, in one aspect, a system includes a bottomhole assembly (BHA) equipment that includes one or more drill pipes and a drill bit connected to one or more drill pipes. The system also includes a sensor system for BHA monitoring. The sensor system includes one or more segments of an optical fiber spirally wound along one or more drill pipes, a signal source module arranged to radiate an optical signal into one or more segments of an optical fiber, a signal detection module located so to detect an optical signal directed from the signal source module, one or more pieces of optical fiber, a signal processing module in communication with the signal detection module, and bullets operator in communication with the signal processing module. The signal processing module is programmed to determine measurement data based on the detected optical signal of thermomechanical properties at a number of different locations on one or more drill pipes during system operation while the BHA is being used to drill a well. The signal processing module is also programmed to send a signal to the operator console during system operation when the measurement data exceeds a threshold value.
Варианты осуществления данного аспекта могут включать в себя одну или больше следующих характеристик. Модуль обработки сигнала может быть, кроме того, запрограммирован, чтобы во время работы системы обеспечивать рекомендации на пульте оператора, основанные на данных измерений и пороговом значении. Термомеханическим свойством может быть деформация. Термомеханическим свойством может быть температура. Термомеханическим свойством может быть давление. Термомеханическим свойством может быть форма BHA. BHA может содержать по меньшей мере две бурильные трубы, соединенные друг с другом посредством соединительного устройства, причем соединительное устройство включает в себя стенку трубчатой формы, проходящую от первого конца и второго конца, и канал между первым концом и вторым концом, и при этом один или больше отрезков оптического волокна проходят через канал, чтобы непрерывно проходить по меньшей мере через две бурильные трубы и соединительное устройство. Один или больше отрезков оптического волокна могут быть расположены в одном или больше каналов, которые проходят по спирали вдоль BHA. Система может, кроме того, содержать защитную оболочку, расположенную в одном или больше каналов. Модуль источника сигнала может быть расположен между одной или больше бурильных труб и буровым долотом. Система может, кроме того, содержать модуль визуализации, поддерживающий связь с модулем обработки сигнала, при этом модуль визуализации программируют для вывода данных измерений и индикации местоположения, соответствующего данным измерений, во время работы системы.Embodiments of this aspect may include one or more of the following characteristics. The signal processing module can also be programmed to provide recommendations on the operator’s console during operation of the system based on measurement data and a threshold value. Thermomechanical property may be deformation. The thermomechanical property may be temperature. The thermomechanical property may be pressure. The thermomechanical property may be the BHA form. The BHA may comprise at least two drill pipes connected to each other by means of a connecting device, the connecting device including a tubular wall extending from the first end and second end, and a channel between the first end and the second end, and one or more segments of the optical fiber pass through the channel to continuously pass through at least two drill pipes and a connecting device. One or more segments of the optical fiber may be located in one or more channels that extend in a spiral along the BHA. The system may further comprise a containment located in one or more channels. The signal source module may be located between one or more drill pipes and a drill bit. The system may further comprise a visualization module in communication with the signal processing module, wherein the visualization module is programmed to output measurement data and indicate the location corresponding to the measurement data during system operation.
В общем, в другом аспекте способ контроля оборудования низа бурильной колонны (bottomhole assembly, BHA) включает в себя направление оптического сигнала в один или больше отрезков оптического волокна, навитого по спирали вокруг и проходящего вдоль одной или больше бурильных труб BHA, обнаружение оптического сигнала, после того как оптический сигнал направлен по одному или больше отрезков оптического волокна, определение на основе обнаруженного оптического сигнала данных измерений о термомеханических свойствах в ряде различных местоположений на одной или больше бурильных труб, в то время, когда BHA используют для бурения скважины, и отправку сигнала на пульт оператора, когда данные измерений превышают пороговое значение.In general, in another aspect, a method for monitoring bottom hole assembly (BHA) equipment includes directing an optical signal into one or more pieces of optical fiber spirally wound around and extending along one or more BHA drill pipes, detecting an optical signal, after the optical signal is directed along one or more segments of the optical fiber, determination based on the detected optical signal of the measurement data on thermomechanical properties in a number of different locations on one one or more drill pipes at a time when BHA is used for drilling a well, and sending a signal to the operator’s console when the measurement data exceeds a threshold value.
Варианты осуществления данного аспекта могут включать в себя одну или больше следующих характеристик. Способ может, кроме того, включать в себя обеспечение рекомендаций для пользователя, основанных на данных измерений и пороговом значении. Термомеханическим свойством может быть деформация. Термомеханическим свойством может быть температура. Термомеханическим свойством может быть давление. Термомеханическим свойством может быть форма BHA. Способ может, кроме того, включать в себя отображение данных измерений и индикацию местоположения на BHA, которое соответствует данным измерений.Embodiments of this aspect may include one or more of the following characteristics. The method may further include providing recommendations to the user based on measurement data and a threshold value. Thermomechanical property may be deformation. The thermomechanical property may be temperature. The thermomechanical property may be pressure. The thermomechanical property may be the BHA form. The method may further include displaying the measurement data and indicating the location on the BHA that corresponds to the measurement data.
В общем, в другом аспекте система датчиков для контроля оборудования низа бурильной колонны (BHA) включает в себя один или больше отрезков оптического волокна, выполненного с возможностью навивки по спирали и проходящего вдоль BHA, модуль источника сигнала, расположенный так, чтобы излучать оптический сигнал в один или больше отрезков оптического волокна, модуль обнаружения сигнала, расположенный так, что принимать оптический сигнал, направленный из модуля источника сигнала, по одному или больше отрезков оптического волокна, модуль обработки сигнала, поддерживающий связь с модулем обнаружения сигнала, и пульт оператора, поддерживающий связь с модулем обработки сигнала. Модуль обработки сигнала программируют, чтобы во время работы системы определять данные измерений о термомеханических свойствах в ряде различных местоположений на BHA и отправлять сигнал на пульт оператора, когда данные измерений превышают пороговое значение.In general, in another aspect, the sensor system for monitoring the bottom of the drill string (BHA) includes one or more pieces of spiral-wound optical fiber extending along the BHA, a signal source module arranged to emit an optical signal in one or more segments of the optical fiber, a signal detection module, arranged so that to receive an optical signal directed from the signal source module, one or more segments of the optical fiber, the processing module signal ki, which communicates with the signal detection module, and an operator panel, which communicates with the signal processing module. The signal processing module is programmed to determine measurement data on thermomechanical properties at a number of different locations on the BHA during system operation and send a signal to the operator console when the measurement data exceeds a threshold value.
Варианты осуществления данного аспекта могут включать в себя одну или больше следующих характеристик. Модуль обработки сигнала может быть, кроме того, запрограммирован, чтобы во время работы системы обеспечивать рекомендации на пульте оператора, основанные на данных измерений и пороговом значении. Термомеханическим свойством может быть деформация. Термомеханическим свойством может быть температура. Термомеханическим свойством может быть давление. Термомеханическим свойством может быть форма BHA. Модуль источника сигнала может быть расположен между бурильной трубой и буровым долотом. Система может, кроме того, содержать модуль визуализации, поддерживающий связь с модулем обработки сигнала, при этом модуль визуализации программируют для вывода данных измерений и индикации местоположения на BHA, соответствующего данным измерений, во время работы системы. Система может, кроме того, содержать соединительное устройство, соединяющее первый участок BHA со вторым участком BHA, причем соединительное устройство содержит стенку трубчатой формы, проходящую от первого конца и второго конца, и канал между первым концом и вторым концом, и при этом один или больше отрезков оптического волокна проходят через канал, чтобы непрерывно проходить по меньшей мере через две бурильные трубы и соединительное устройство.Embodiments of this aspect may include one or more of the following characteristics. The signal processing module can also be programmed to provide recommendations on the operator’s console during operation of the system based on measurement data and a threshold value. Thermomechanical property may be deformation. The thermomechanical property may be temperature. The thermomechanical property may be pressure. The thermomechanical property may be the BHA form. The signal source module may be located between the drill pipe and the drill bit. The system may further comprise a visualization module in communication with the signal processing module, wherein the visualization module is programmed to output measurement data and indicate the location on the BHA corresponding to the measurement data during system operation. The system may further comprise a connecting device connecting the first portion of the BHA to the second portion of the BHA, the connecting device comprising a wall of tubular shape extending from the first end and second end, and a channel between the first end and the second end, and one or more segments of the optical fiber pass through the channel to continuously pass through at least two drill pipes and a connecting device.
Был описан ряд вариантов осуществления. Другие варианты осуществления находятся в пределах объема следующих пунктов формулы.A number of embodiments have been described. Other embodiments are within the scope of the following claims.
Claims (53)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/US2013/072256 WO2015080729A1 (en) | 2013-11-27 | 2013-11-27 | Bottom hole assembly fiber optic shape sensing |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2636989C1 true RU2636989C1 (en) | 2017-11-29 |
Family
ID=53199507
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016115351A RU2636989C1 (en) | 2013-11-27 | 2013-11-27 | Fiber-optic probing of drilling string bottom hole assembly |
Country Status (8)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20160024912A1 (en) |
CN (1) | CN105849364A (en) |
AU (1) | AU2013406228B2 (en) |
CA (1) | CA2928550C (en) |
GB (1) | GB2535050B (en) |
NO (1) | NO20160559A1 (en) |
RU (1) | RU2636989C1 (en) |
WO (1) | WO2015080729A1 (en) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9458714B2 (en) | 2013-08-20 | 2016-10-04 | Halliburton Energy Services, Inc. | Downhole drilling optimization collar with fiber optics |
US11141931B2 (en) | 2016-09-15 | 2021-10-12 | University Of Tennessee Research Foundation | Smart joint for similar and dissimilar materials including polymers, fiber reinforced composites, metals, concrete, wood based products, and other structural materials |
US10801267B1 (en) * | 2017-06-08 | 2020-10-13 | Intelligent Fiber Optic Systems, Inc. | Drill for characterization of materials |
US10955264B2 (en) * | 2018-01-24 | 2021-03-23 | Saudi Arabian Oil Company | Fiber optic line for monitoring of well operations |
EP3867493A4 (en) | 2018-11-13 | 2022-07-06 | Motive Drilling Technologies, Inc. | Apparatus and methods for determining information from a well |
CN112610200B (en) * | 2020-12-10 | 2022-04-01 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | Rock mass structure gyration drilling rod of making a video recording |
CN113266339A (en) * | 2021-07-08 | 2021-08-17 | 西安石油大学 | Downhole drilling tool assembly distributed measurement system based on optical fiber sensor |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5524937A (en) * | 1994-12-06 | 1996-06-11 | Camco International Inc. | Internal coiled tubing connector |
US6176323B1 (en) * | 1997-06-27 | 2001-01-23 | Baker Hughes Incorporated | Drilling systems with sensors for determining properties of drilling fluid downhole |
US20080066960A1 (en) * | 2006-09-15 | 2008-03-20 | Baker Hughes Incorporated | Fiber Optic Sensors in MWD Applications |
US20110225111A1 (en) * | 2010-03-09 | 2011-09-15 | Schlumberger Technology Corporation | Use of general bayesian networks in oilfield operations |
Family Cites Families (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5367594A (en) * | 1992-09-01 | 1994-11-22 | The Whitaker Corporation | Fiber optic splicer-connector |
US6532839B1 (en) * | 1996-03-29 | 2003-03-18 | Sensor Dynamics Ltd. | Apparatus for the remote measurement of physical parameters |
US20040043501A1 (en) * | 1997-05-02 | 2004-03-04 | Baker Hughes Incorporated | Monitoring of downhole parameters and chemical injection utilizing fiber optics |
WO2002057805A2 (en) * | 2000-06-29 | 2002-07-25 | Tubel Paulo S | Method and system for monitoring smart structures utilizing distributed optical sensors |
US6641434B2 (en) * | 2001-06-14 | 2003-11-04 | Schlumberger Technology Corporation | Wired pipe joint with current-loop inductive couplers |
DE10219892A1 (en) * | 2002-05-03 | 2004-02-05 | Krone Gmbh | Coupling for fiber optic connectors |
WO2006050488A1 (en) * | 2004-11-03 | 2006-05-11 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Apparatus and method for retroactively installing sensors on marine elements |
CN101313127A (en) * | 2005-11-21 | 2008-11-26 | 国际壳牌研究有限公司 | Method for monitoring fluid properties |
CN1828261A (en) * | 2006-03-31 | 2006-09-06 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Polymer thermomechanical property testing device |
US7597142B2 (en) * | 2006-12-18 | 2009-10-06 | Schlumberger Technology Corporation | System and method for sensing a parameter in a wellbore |
US7565834B2 (en) * | 2007-05-21 | 2009-07-28 | Schlumberger Technology Corporation | Methods and systems for investigating downhole conditions |
US7731421B2 (en) * | 2007-06-25 | 2010-06-08 | Schlumberger Technology Corporation | Fluid level indication system and technique |
US8849073B2 (en) * | 2009-10-12 | 2014-09-30 | Schlumberger Technology Corporation | Pressure and measurement by means of an optical fiber |
US8638444B2 (en) * | 2011-01-11 | 2014-01-28 | Baker Hughes Incorporated | Sensor array configuration for swept-wavelength interferometric-based sensing systems |
CN102103229B (en) * | 2011-02-21 | 2012-04-25 | 中国计量学院 | Array waveguide grating insensitive to temperature and polarization |
CN202057829U (en) * | 2011-02-21 | 2011-11-30 | 中国计量学院 | Array waveguide grating insensitive to temperature and polarization |
US20130094798A1 (en) * | 2011-10-12 | 2013-04-18 | Baker Hughes Incorporated | Monitoring Structural Shape or Deformations with Helical-Core Optical Fiber |
US9151152B2 (en) * | 2012-06-20 | 2015-10-06 | Schlumberger Technology Corporation | Thermal optical fluid composition detection |
EP2938815A4 (en) * | 2012-12-31 | 2017-01-04 | Halliburton Energy Services, Inc. | Electronically monitoring drilling conditions of a rotating control device during drilling operations |
CN105524937A (en) * | 2016-01-27 | 2016-04-27 | 南方医科大学 | Construction method of vector capable of promoting expression of various genes by virtue of single promoter |
-
2013
- 2013-11-27 CA CA2928550A patent/CA2928550C/en active Active
- 2013-11-27 AU AU2013406228A patent/AU2013406228B2/en not_active Ceased
- 2013-11-27 CN CN201380080219.0A patent/CN105849364A/en active Pending
- 2013-11-27 WO PCT/US2013/072256 patent/WO2015080729A1/en active Application Filing
- 2013-11-27 GB GB1605924.8A patent/GB2535050B/en active Active
- 2013-11-27 RU RU2016115351A patent/RU2636989C1/en not_active IP Right Cessation
- 2013-11-27 US US14/437,011 patent/US20160024912A1/en not_active Abandoned
-
2016
- 2016-04-06 NO NO20160559A patent/NO20160559A1/en unknown
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5524937A (en) * | 1994-12-06 | 1996-06-11 | Camco International Inc. | Internal coiled tubing connector |
US6176323B1 (en) * | 1997-06-27 | 2001-01-23 | Baker Hughes Incorporated | Drilling systems with sensors for determining properties of drilling fluid downhole |
US20080066960A1 (en) * | 2006-09-15 | 2008-03-20 | Baker Hughes Incorporated | Fiber Optic Sensors in MWD Applications |
US20110225111A1 (en) * | 2010-03-09 | 2011-09-15 | Schlumberger Technology Corporation | Use of general bayesian networks in oilfield operations |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB2535050B (en) | 2021-02-17 |
CA2928550A1 (en) | 2015-06-04 |
US20160024912A1 (en) | 2016-01-28 |
AU2013406228B2 (en) | 2017-05-25 |
GB2535050A (en) | 2016-08-10 |
CA2928550C (en) | 2019-09-24 |
NO20160559A1 (en) | 2016-04-06 |
WO2015080729A1 (en) | 2015-06-04 |
AU2013406228A1 (en) | 2016-05-05 |
CN105849364A (en) | 2016-08-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2636989C1 (en) | Fiber-optic probing of drilling string bottom hole assembly | |
US11002620B2 (en) | Device and system for detecting dynamic strain | |
US11630008B2 (en) | Method and system for detecting dynamic strain | |
US8265431B2 (en) | Rotated single or multicore optical fiber | |
EP2457062B1 (en) | Distributed optical fibre sensing | |
US20120176250A1 (en) | System and method for integrated downhole sensing and optical fiber monitoring | |
US20060115204A1 (en) | Distributed Temperature Sensing System with Remote Reference Coil | |
NO343658B1 (en) | Monitoring of structural shape or deformations with spiral-core optical fiber | |
RU2016101220A (en) | INLINE DOWN STRUCTURAL OPTIMIZATION DRILL PIPE WITH FIBER | |
CA2894563A1 (en) | Distributed strain and temperature sensing system | |
KR101498386B1 (en) | Monitoring system of cryogenic liquid storage tank using fiber bragg grating sensor | |
WO2014178998A1 (en) | Well monitoring using coherent detection of rayleigh scatter | |
CA2894562C (en) | Downhole multiple core optical sensing system | |
KR101698835B1 (en) | Displacement measurement system using optical fiber | |
KR20130135124A (en) | Real-time monitoring and controlling system and method for physical change of the marine structure | |
CN102062730B (en) | Buried oil pipeline external-corrosion real-time monitoring device based on optical fiber sensor | |
Johny et al. | Theoretical investigation of positional influence of FBG sensors for structural health monitoring of offshore structures | |
US20120175512A1 (en) | Rayleigh scatter-based large diameter waveguide sensor system | |
US20240126039A1 (en) | Strain relief for optical fiber in a conduit | |
KR101698836B1 (en) | Acceleration measuring system using optical fiber |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201128 |