專利名稱:利用撓性管中光纖的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體而言涉及地下井操作，更具體地說(shuō)，涉及在撓性管(coiledtubing)操作中光纖和光纖部件諸如系纜(tethers)和傳感器的使用。
背景技術(shù)：
在地下井的使用期限期間，諸如在油田所鉆的那些地下井，例如，經(jīng)常需要或期望對(duì)井進(jìn)行維護(hù)來(lái)延長(zhǎng)井的壽命、提高產(chǎn)量，進(jìn)入地下區(qū)域、或補(bǔ)救在操作期間發(fā)生的情況。已知撓性管可用于這種維護(hù)。使用撓性管比使用連接管和鉆探設(shè)備來(lái)對(duì)井進(jìn)行維護(hù)更快更經(jīng)濟(jì)，并且撓性管有可能傳輸?shù)讲淮怪被蚨喾植娴木壑小?br> 當(dāng)撓性管操作進(jìn)行一些深入地表下的動(dòng)作時(shí)，在地面的人員或設(shè)備控制操作。然而，在地面上一般缺乏井下?lián)闲怨懿僮鳡顟B(tài)的信息。在井下儀器與地面之間可能沒(méi)有清楚的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，并非總是可能知道井眼的情況或儀器所處的狀態(tài)。
撓性管對(duì)涉及流體的井處理特別有用，一種或多種流體通過(guò)撓性管的空芯泵入井眼或向下泵送到撓性管與井眼之間的環(huán)形空間。這種處理包括循環(huán)井、清除淤積、激勵(lì)儲(chǔ)油層、去除氧化層和壓裂、隔離區(qū)域等。撓性管可以將這些流體設(shè)置在井眼的具體深度。撓性管也用于插入井眼，例如，捕撈丟失的設(shè)備，或安置或操縱井眼中的設(shè)備。
在壓力下將撓性管伸入井眼時(shí)，連續(xù)長(zhǎng)度的撓性管經(jīng)過(guò)井口密封從卷軸通過(guò)并且進(jìn)入井眼。通過(guò)撓性管的流體流動(dòng)也可以用于提供液壓動(dòng)力給同撓性管末端相連接的井下儀器串。一般的井下儀器串包括一個(gè)或多個(gè)止回閥，如果管子斷裂，止回閥關(guān)閉并且防止井中流體的漏出。因?yàn)榱鲃?dòng)的要求，一般沒(méi)有井下儀器串與地面之間的直接數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)。用于撓性管的其它器件可以液壓觸發(fā)。有些器件諸如試車工具(running tools)可以通過(guò)連續(xù)推拉井下儀器串來(lái)觸發(fā)，但是地面操作員還是難以知道井下儀器串的狀態(tài)。
同樣，能夠精確地估計(jì)井下儀器串在井眼中的深度是很重要的。然而，當(dāng)撓性管向下輸入套管時(shí)，因?yàn)樗?jīng)過(guò)螺旋盤繞，直接測(cè)量連接井下儀器串并注入井眼的撓性管的長(zhǎng)度不能精確地表示井下儀器串深度。這種螺旋盤繞的結(jié)果使伸入撓性管中的儀器估計(jì)深度不可預(yù)知。
從很深的地下收集和傳輸準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)到地面很困難，經(jīng)常導(dǎo)致將錯(cuò)誤表示的井下條件傳給對(duì)井下操作決定的操作人員。期望將井眼操作的信息傳輸?shù)降孛妫貏e期望實(shí)時(shí)傳輸信息，以讓操作被調(diào)整。這樣會(huì)提高效率和降低井眼操作的成本。例如，這種信息的獲得讓操作人員更好地操作位于井眼中的井下儀器串，更精確地確定井下儀器串的位置，或確認(rèn)井眼操作的正確執(zhí)行。
已知將井眼操作的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴姆椒?，諸如，使用流體脈沖和電纜。這些方法的每一種具有不同的缺點(diǎn)。泥漿脈沖(mud-pulse)遙測(cè)法使用流體脈沖傳輸在地面調(diào)制的壓力波。然后，解調(diào)這種波，以恢復(fù)傳輸?shù)谋忍?。這種遙控法可以以每秒很小的比特?cái)?shù)、但是以較高的數(shù)據(jù)速度提供數(shù)據(jù)，信號(hào)被流體性能嚴(yán)重衰減。而且，泥漿脈沖遙測(cè)法產(chǎn)生它的信號(hào)的方式無(wú)疑需要臨時(shí)阻礙流動(dòng)。這經(jīng)常是井中操作不期望的。
已知在井眼操作期間使用具有撓性管的電纜來(lái)傳輸信息。如在美國(guó)專利5,434,395中建議用撓性管配置電纜，電纜伸出到撓性管外面。這種外部配置操作上困難，并且具有干擾井眼完井的風(fēng)險(xiǎn)。需要特殊的設(shè)備和程序，當(dāng)它展開(kāi)時(shí)電纜卷繞撓性管的可能性使這種方法不理想。諸如在美國(guó)專利5,542,471教導(dǎo)的另一種技術(shù)，依靠在撓性管本身的壁厚內(nèi)嵌入的電纜或數(shù)據(jù)信道。這種結(jié)構(gòu)具有撓性管的整個(gè)內(nèi)徑可以用于泵送流體的優(yōu)點(diǎn)，但是，也具有明顯的缺點(diǎn)，沒(méi)有方便的方法來(lái)修理這種油田中的撓性管。在撓性管操作期間撓性管被損壞是常見(jiàn)的，在這種情況下，損傷的部分需要從螺旋管中去除，并且將剩下的件重新焊接在一起。在存在嵌入電纜或數(shù)據(jù)信道時(shí)，這種焊接操作會(huì)變復(fù)雜或不可簡(jiǎn)單地完成。
在撓性管中配置電纜是已知的。盡管這種方法具有一定的功能，也有缺點(diǎn)。首先，將電纜導(dǎo)入撓性管卷中不是微不足道的。流體用于將電纜傳輸?shù)綋闲怨苤?，需要大的高壓絞盤來(lái)與流體一起移動(dòng)電纜。Bryle W.等、題為“Means For Placing Cable Within Coiled Tubing(在撓性管內(nèi)放置電纜的裝置)”的美國(guó)專利No.5,573,225描述一種將電纜安裝到撓性管中的裝置，在此并入作為參考。
除了將電纜安裝到撓性管的困難之外，電纜相對(duì)于撓性管內(nèi)徑的相對(duì)尺寸以及電纜的重量和成本，阻礙電纜在撓性管內(nèi)的使用。
用于撓性管操作的電纜直徑通常是0.25-0.3英寸(0.635-0.762cm)，而撓性管內(nèi)徑一般是在1-2.5英寸(2.54-6.350cm)范圍內(nèi)。相當(dāng)大外徑的電纜與相當(dāng)小內(nèi)徑的撓性管相比，不理想地減小管子用于流體流動(dòng)的橫截面面積。此外，大的電纜外表面面積對(duì)通過(guò)撓性管泵送的流體具有摩擦阻力。
電纜的重量對(duì)它在撓性管中的使用還有另一個(gè)缺點(diǎn)。用于油田撓性管操作的已知電纜重達(dá)0.35lb/ft(2.91kg/m)，使得2,000ft(6096cm)長(zhǎng)度的電纜會(huì)給撓性管線的重量增加另外的7,000lb(3175kg)。與之相比，一般1.25英寸(3.175cm)的撓性管線重量大約為1.5lb/ft(12.5kg/m)，2,000ft(6096cm)的管線獲得的重量為30,000lb(13608Kg)。因此，電纜增加系統(tǒng)重量大約25％。這種笨重的設(shè)備難以操縱，并且阻礙在油田安裝配備撓性管的電纜。而且，電纜的重量會(huì)使它以不同于管子延長(zhǎng)的速度、在它的自重下延長(zhǎng)，這樣會(huì)導(dǎo)致電纜松弛地導(dǎo)入。必須控制松弛，以避免撓性管中電纜的斷裂和纏結(jié)(“結(jié)團(tuán)”)。控制松弛包括在有些情況下修剪電纜或切斷撓性管線，以給予足夠的電纜松弛，這樣既增加操作時(shí)間，又耗費(fèi)撓性管操作。
對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸，在撓性管內(nèi)部使用電纜具有其它困難。例如，為了恢復(fù)離開(kāi)電纜中傳輸線上的數(shù)據(jù)，需要數(shù)據(jù)收集器，數(shù)據(jù)收集器能夠隨卷軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)不纏結(jié)卷軸外面的導(dǎo)線部分(例如，連接地面計(jì)算機(jī)的導(dǎo)線)。這種已知的裝置容易出故障并且昂貴。此外，由于撓性管中流體的流動(dòng)，電纜本身遭受磨損和退化。電纜護(hù)層的外層同樣會(huì)產(chǎn)生操作上的困難。在有些井的操作中，修剪撓性管，以盡可能地密封井眼。優(yōu)選切斷撓性管的修剪，但是，一般切斷具有護(hù)層的電纜效率不高。
如上所述，顯而易見(jiàn)需要這樣的系統(tǒng)和方法，利用撓性管將井眼操作的數(shù)據(jù)收集和傳輸?shù)降孛?，不阻礙井眼操作。該系統(tǒng)和方法及時(shí)收集和傳輸該信息，效率和成本效率方式特別理想。本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足并解決這些問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供在井眼中工作或進(jìn)行井下操作或井處理的系統(tǒng)、裝置和方法，包括將光纜(fiber optic tether)伸入撓性管中、將撓性管伸入井眼，并利用光纜傳輸井下信息。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種處理與井眼交叉的地下地層的方法，包括將光纜伸入撓性管中，將撓性管伸入井眼中，進(jìn)行井處理操作，測(cè)量井眼中的性能，和利用光纜傳送所測(cè)量的性能。井處理操作包括至少一個(gè)可調(diào)參數(shù)，該方法包括調(diào)整參數(shù)。該方法在這些方面特別理想，進(jìn)行井處理操作的同時(shí)測(cè)量性能，調(diào)整井處理操作的參數(shù)或?qū)崟r(shí)進(jìn)行測(cè)量和所測(cè)量性能的傳送。經(jīng)常是井處理包括將至少一種流體注入井眼，諸如將流體注入撓性管，或?qū)⒘黧w注入井眼環(huán)形空間，或者兩者都注入。在有些操作中，多于一種流體注入撓性管和環(huán)形空間中，或不同流體注入撓性管和環(huán)形空間中。井處理操作包括提供流體來(lái)激勵(lì)來(lái)自地下地層的碳?xì)浠衔锪髁炕蜃柚箒?lái)自地下地層的的水流量。在有些實(shí)施例中，井處理操作包括經(jīng)由光纜與井眼中的儀器通信，特別是，從地面設(shè)備到井眼儀器的通信。所測(cè)量的性能可以是井下測(cè)量的任何性能，包括但不限于壓力、溫度、pH值、沉淀量、流體溫度、深度、存在的氣體、化學(xué)發(fā)光、伽馬射線、電阻率、鹽度、流體流動(dòng)、流體可壓縮性、儀器位置、套筒接箍定位器的存在、儀器狀態(tài)和儀器方向。在具體實(shí)施例中，所測(cè)量的性能可以是在井眼間隔(an interval of a wellbore)諸如在多邊井的分支上測(cè)量值的分布范圍。井處理操作的參數(shù)可以是調(diào)整的任何參數(shù)，包括但不限于注射流體的量、一組注射流體中每種流體的相對(duì)比例、一組注射材料中每種材料的化學(xué)濃度、泵入環(huán)形空間的流體與泵入撓性管的流體的相對(duì)比例、要釋放的催化劑的濃度、聚合物的濃度、支撐劑的濃度、和撓性管的位置。該方法還涉及從井眼收回?fù)闲怨芑驅(qū)⒐饫|留在井眼中。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及進(jìn)行在井下操作的方法，包括將光纜伸入撓性管中，將撓性管伸入井中，至少進(jìn)行以下步驟的一個(gè)處理步驟通過(guò)光纜將控制系統(tǒng)的控制信號(hào)傳輸?shù)竭B接撓性管的井眼設(shè)備，通過(guò)光纜將井眼設(shè)備的信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，或通過(guò)光纜將由光纜測(cè)量的性能傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。該方法還包括從井收回?fù)闲怨埽驅(qū)闲怨芰粼诰?。一般說(shuō)來(lái)，通過(guò)將流體泵送到撓性管，光纜伸入撓性管中。光纜可以在卷繞或退繞時(shí)伸入撓性管中。該方法還包括測(cè)量性能。在某些實(shí)施例中，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)量。所測(cè)量的性能可以是井下測(cè)量的任何性能，包括但不限于底孔壓力、底孔溫度、分布溫度、流體電阻率、pH值、壓縮/拉緊、力矩、井下流體流動(dòng)、井下流體可壓縮性、儀器位置、伽馬射線、儀器方向、堅(jiān)硬層高度、和套筒接箍位置。
本發(fā)明提供用于進(jìn)行在地下井眼中操作的裝置，包括適于設(shè)置在井眼中的撓性管，地面控制設(shè)備，至少一種連接撓性管的井眼裝置，和裝在撓性管中并且連接井眼裝置和地面控制設(shè)備的每一個(gè)的光纜，光纜至少包括一根光纖，從而可以傳輸光信號(hào)a)從至少一個(gè)井眼裝置到地面控制設(shè)備，b)從地面控制設(shè)備到至少一個(gè)井眼裝置，或c)從至少一個(gè)井眼裝置到地面控制設(shè)備和從地面控制設(shè)備到至少一個(gè)井眼裝置。在有些優(yōu)選實(shí)施例中，光纜是至少設(shè)置一根光纖的金屬管?？梢蕴峁┑孛婊蚓陆K端，或者兩者都提供。井眼裝置包括測(cè)量性能和產(chǎn)生輸出的測(cè)量裝置，和將測(cè)量裝置的輸出轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的接口裝置。性能可以是在井眼中測(cè)量的任何性能，包括但不限于壓力、溫度、分布溫度、pH值、沉淀量、流體溫度、深度、化學(xué)發(fā)光、伽馬射線、電阻率、鹽度、流體流動(dòng)、流體可壓縮性、粘度、壓縮、應(yīng)力、張力、儀器位置、儀器狀態(tài)、儀器方向及其組合。在有些實(shí)施例中，本發(fā)明的裝置包括進(jìn)入多邊井預(yù)定分支的裝置。在具體實(shí)施例中，井眼是多邊井，所測(cè)量的性能是儀器方向或儀器位置。
在有些實(shí)施例中，該裝置還包括響應(yīng)光信號(hào)調(diào)整操作的裝置，光信號(hào)由地面控制設(shè)備從至少一個(gè)井眼裝置接收。在有些實(shí)施例中，光纜包括多于一根光纜，其中光信號(hào)可以通過(guò)光纖從地面和控制設(shè)備傳輸?shù)街辽僖粋€(gè)井眼裝置，光信號(hào)可以通過(guò)不同的光纖從至少一個(gè)井眼裝置傳輸?shù)降孛婵刂圃O(shè)備。井眼裝置的類型包括照相機(jī)、測(cè)徑器、探針、套筒接箍定位器、傳感器、溫度傳感器、化學(xué)傳感器、壓力傳感器、近程傳感器、電阻率傳感器、電傳感器、激勵(lì)器、光學(xué)激活儀器、化學(xué)分析器、測(cè)流裝置、閥激勵(lì)器、引爆頭激勵(lì)器、儀器激勵(lì)器、換向閥、檢測(cè)閥、和流體分析器。本發(fā)明的裝置用于各種井眼操作，諸如基層激勵(lì)、淤積清除、壓裂、氧化層清除、區(qū)域隔離、鉆孔、井下流動(dòng)控制、井下完井操縱、測(cè)井、捕撈、鉆井、選礦、測(cè)量物理性能、在井中定位一臺(tái)設(shè)備、在井眼中定位具體特征、控制閥、和控制儀器。
本發(fā)明還涉及確定井眼橫穿的地下地層的性能的方法，該方法包括將光纜伸入撓性管中，將測(cè)量?jī)x器伸入撓性管中，利用測(cè)量?jī)x器測(cè)量性能，和利用光纜傳送所測(cè)量的性能。在有些實(shí)施例中，該方法還包括從井眼收回?fù)闲怨芎蜏y(cè)量?jī)x器。在優(yōu)選實(shí)施例中，性能實(shí)時(shí)傳送或在進(jìn)行井處理操作的同時(shí)傳送。
從廣義上說(shuō)，本發(fā)明涉及在井眼中工作的方法，包括將光纜伸入撓性管中，將撓性管伸入井中，和進(jìn)行操作，其中操作由通過(guò)光纜傳輸?shù)男盘?hào)控制，或操作包括通過(guò)光纜將信息從井眼傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備、或從地面設(shè)備傳輸?shù)骄邸?br> 結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)例解釋本發(fā)明原理的下面詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見(jiàn)。
圖1是用于井處理操作的撓性管(CT)設(shè)備的示意圖。
圖2A是沿示例性撓性管裝置的井下軸線的剖面圖，示例性撓性管裝置使用與撓性管操作結(jié)合的光纖系統(tǒng)。
圖2B是光纖撓性管裝置沿圖2(a)的剖面線a-a的剖面圖。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明光纜的地面終端的第一實(shí)施例的剖面圖。
圖3B是根據(jù)本發(fā)明光纜的地面終端的第二實(shí)施例的剖面圖。
圖4是光纜井下終端的剖面圖。
圖5A或5B是一般情況下連接光纜的井下傳感器的示意圖，用于通過(guò)光纜上傳輸光信號(hào)，其中光信號(hào)表示所測(cè)量的性能。
圖6是使用具有本發(fā)明的光纜的撓性管裝置進(jìn)行的井處理的示意圖。
圖7是采用能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的撓性管線的光纖加強(qiáng)淤積清除操作的示意圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的撓性管傳輸鉆孔系統(tǒng)的示意圖，其中能夠?qū)崿F(xiàn)撓性管裝置的光纖適于進(jìn)行鉆孔。
圖9是井下流動(dòng)控制的示意圖，其中光纖控制閥用于控制井下和儲(chǔ)油層流體的流動(dòng)。
具體實(shí)施方式在下面的詳細(xì)描述和附圖的幾幅圖中，相同的元件用相同的附圖標(biāo)記表示。
根據(jù)本發(fā)明，使用具有設(shè)置在其中的光纜的撓性管，可以在井眼中進(jìn)行操作，諸如井處理操作，光纜能夠用于將信號(hào)或信息從井眼傳輸?shù)降孛?，或從地面?zhèn)鬏數(shù)骄?。這種系統(tǒng)在用現(xiàn)有技術(shù)傳輸方法進(jìn)行這種操作期間具有許多優(yōu)點(diǎn)，能夠在井眼操作中實(shí)現(xiàn)撓性管迄今為止許多不可獲得的使用。在本發(fā)明中光纖的使用具有重量輕、小的剖面的優(yōu)點(diǎn)，并且具有高帶寬性能。
參照?qǐng)D1，示出在提供撓性管維護(hù)時(shí)使用的設(shè)備或在井下使用的操作的示意圖，特別是地面設(shè)備。撓性管設(shè)備可以用卡車101、滑道、或拖車運(yùn)到井位?？ㄜ?01運(yùn)送管子卷軸103，在其上保持、卷繞許多撓性管105。撓性管105的一端終止在卷軸探測(cè)裝置123的卷軸103的中心軸上，卷軸探測(cè)裝置123能夠使流體泵送到撓性管105中，同時(shí)讓卷軸旋轉(zhuǎn)。撓性管105的另一端經(jīng)過(guò)鵝頭頸109用注射頭107注入井眼121中。注射頭107通過(guò)各種地面井控制硬件將撓性管105注入井眼121中，諸如防裂裝置組111和主控制閥113。撓性管105可以在其井下端傳輸一個(gè)或多個(gè)儀器串或傳感器117。
撓性管卡車101可以是某種其它移動(dòng)撓性管單元或在井位的永久安裝結(jié)構(gòu)。撓性管卡車101(或可選擇裝置)也攜帶一些地面控制設(shè)備119，一般包括計(jì)算機(jī)。地面控制設(shè)備119連接注射頭107和卷軸103，用于控制撓性管105到井121的注射?？刂圃O(shè)備119也用于控制儀器串和傳感器117的操作和用于將從儀器串和傳感器117收集的數(shù)據(jù)傳送到地面。監(jiān)控設(shè)備118可以與控制設(shè)備119一起提供或分開(kāi)提供。在撓性管105與監(jiān)控設(shè)備118和/或控制設(shè)備119之間的連接可以是物理連接，如用通信線路，或可以是通過(guò)無(wú)線傳輸或已知通信協(xié)議諸如TCP/IP的虛擬連接。用于本發(fā)明的一種無(wú)線通信系統(tǒng)在美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/926,522中描述，其全部?jī)?nèi)容在此并入作為參考。用這種方法，用可能監(jiān)控設(shè)備118放在距離井眼一定距離的位置。而且，監(jiān)控設(shè)備118用諸如美國(guó)專利6,519,568所述的一些方法，依次將接收的信號(hào)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)以外的位置，這篇美國(guó)專利在此并入作為參考。
轉(zhuǎn)向圖2A，表示根據(jù)本發(fā)明的撓性管裝置200的剖面圖，包括撓性管串105、光纜211(在本實(shí)施例中示出由外護(hù)管203和一根或多根光纖101組成)、地面終端301、井下終端207、和地面壓力隔壁213。地面壓力隔壁213安裝在撓性管軸103中，并且用于在撓性管串105中密封光纜211，從而防止處理液和壓力的釋放，同時(shí)給光纖201提供通道。井下終端207在光纖201和一個(gè)或多個(gè)光學(xué)儀器或傳感器209之間提供物理連接和光學(xué)連接。光學(xué)儀器或傳感器209可以是撓性管操作的儀器或傳感器117，可以是其中的部件，或者具有進(jìn)行撓性管操作的儀器和傳感器117的獨(dú)立功能。下面分別結(jié)合圖3和4更詳細(xì)地描述地面終端301和井下終端207。
示例性的光學(xué)儀器和傳感器209包括溫度傳感器和壓力傳感器，用于確定底孔的溫度或壓力。光學(xué)儀器或傳感器也可以進(jìn)行地層壓力或溫度的測(cè)量。在可替換實(shí)施例中，光學(xué)儀器或傳感器209是能夠提供一些井下?tīng)顩r的可視圖像的照相機(jī)，例如，在形成管道或一些井下設(shè)備的壁上收集的沙層或氧化層，井下設(shè)備例如是在捕撈操作期間找回的設(shè)備。光學(xué)儀器或傳感器209同樣可以是某種能夠操作的接觸器形式，以檢測(cè)或推斷井中的物理檢測(cè)狀況，例如，沙層或氧化層。另外，光學(xué)儀器或傳感器209包括可以進(jìn)行一些類型的化學(xué)分析的化學(xué)分析器，例如確定井下石油含量和/或天然氣含量或測(cè)量井下流體的pH值。在這種情況下，光學(xué)儀器或傳感器209連接光纜211，用于將測(cè)量性能或狀況傳輸?shù)降孛?。因此，在光學(xué)儀器和傳感器209操作以測(cè)量井下的性能或狀況時(shí)，光纜211提供管道，以傳輸或傳送所測(cè)量的性能。
另外的光學(xué)儀器或傳感器209是光學(xué)激活儀器，諸如激活閥或鉆孔引爆頭。在包括鉆孔引爆頭的實(shí)施例中，利用光纜211中的光纖可以傳輸引爆編碼。引爆編碼可在單個(gè)光纖上傳送，并由井下設(shè)備解碼?；蛘?，光纜211可包含具有引爆頭的多個(gè)光纖，單獨(dú)的光纖與唯一的引爆頭相連接。當(dāng)使用電線或有線線路或壓力脈沖遙測(cè)來(lái)表示引爆頭時(shí)，在光纜211的光纖201上傳遞鉆孔信號(hào)避免串?dāng)_和壓力脈沖干涉的缺陷。這種缺陷會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的炮引爆或在錯(cuò)誤的時(shí)間引爆。
現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看圖2B，示出光纖撓性管裝置200的剖面圖，其中光纜211包括位于護(hù)管203內(nèi)部的一根或多根光纖201。光纖可以是單模式或多模式的。在有些實(shí)施例中，護(hù)管203包括金屬材料，在特殊實(shí)施例中，護(hù)管203是包括InconelTM、不銹鋼、HasetloyTM或其它具有合適伸縮性能以及在有酸和H2S的情況下抗腐蝕的金屬管。
如圖所示但不限于此，光纜211具有外徑范圍從大約0.071英寸至大約0.125英寸、在一根或多根光纖201周圍形成的保護(hù)管203。在優(yōu)選實(shí)施例中，使用標(biāo)準(zhǔn)光纖，保護(hù)管203不厚于0.020英寸。應(yīng)該注意，保護(hù)管的內(nèi)應(yīng)可以大于緊密包裝光纖所需的內(nèi)徑。在可替換實(shí)施例中，光纜211包括由裸露的光纖組成的纜線或包括涂敷合成材料的光纖的纜線，這種合成涂敷光纜的一個(gè)實(shí)例是由伊利諾斯州奧蘭多帕克的安德魯公司生產(chǎn)的RuggedizedMicrocable。
井下終端207還可以連接一個(gè)或多個(gè)光學(xué)儀器或傳感器117，井下終端207可以進(jìn)一步連接一個(gè)或多個(gè)儀器或傳感器117，用于進(jìn)行諸如測(cè)量、處理或干預(yù)的操作，其中信號(hào)在地面控制設(shè)備119和井下儀器或傳感器117之間沿光纜211傳輸。這些信號(hào)可以傳送井下儀器或傳感器117的測(cè)量，或?qū)⒖刂圃O(shè)備的控制信號(hào)傳送到井下儀器或傳感器117。在有些實(shí)施例中，信號(hào)可以實(shí)時(shí)傳送。這種操作的實(shí)例包括基巖激勵(lì)、淤積清除、壓裂、清除氧化層、油層隔離、撓性管傳送的鉆孔、井下流動(dòng)控制、井下完井操縱、捕撈、選礦、和撓性管鉆探。
利用合適的方法，光纜211可以伸進(jìn)撓性管105中。特別是，其中之一是利用流體流動(dòng)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程的一種方法是將短管(例如，5-15英尺長(zhǎng))的一端連接到撓性管軸103上，短管的另一端連接到Y(jié)終端。光纜211可以導(dǎo)入Y終端的一個(gè)分叉，流體泵入Y終端的另一分叉。那么，流體對(duì)光纜的拖力將光纜向下推進(jìn)到軟管并進(jìn)入撓性管軸103。例如，當(dāng)光纜的外徑小于0.125英寸(0.3175cm)(由InconelTM制造)時(shí)，即使纏繞在軸上，已經(jīng)表明低達(dá)1-5桶每分鐘(159-795升/分鐘)的泵送速度足夠沿?fù)闲怨?05的長(zhǎng)度推進(jìn)光纜211。這種操作的簡(jiǎn)易性比現(xiàn)有技術(shù)中將鋼絲繩放入撓性管中的復(fù)雜方法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)際上，必須提供足夠長(zhǎng)度的光纜211，當(dāng)光纜的一端通過(guò)卷軸突出時(shí)，光纜的另一端仍然在撓性管外部。當(dāng)撓性管卷入和卷出井眼時(shí)，必須允許另外10％-20％的光纜靜止操縱。一旦理想長(zhǎng)度的光纜泵入卷軸，光纜可以被切斷，軟管可以脫開(kāi)。通過(guò)卷軸突出的光纜可以終止，如圖3A和3B所示。光纜的井下端可以終止，如圖4所示。
參照?qǐng)D3A和3B，示出光纜211的地面終端301和的地面壓力悶頭213的兩個(gè)可替換實(shí)施例的剖面圖。在許多應(yīng)用中，有可能將光纜211形成大約90度彎曲的T形或與撓性管中的流體偏軸的接頭終止光纜211，T形或接頭優(yōu)先連接在卷軸103的輪軸上的卷軸管件123。當(dāng)在高的泵入速度時(shí)，球形物和研磨劑增加損壞裝置的機(jī)會(huì)，在有些實(shí)施例中期望提供地面終端。
圖3A表示根據(jù)本發(fā)明的光纜211的地面終端的第一實(shí)施例的剖面圖。在所示的實(shí)施例中，地面終端301包括主分叉303在撓性管105的軸上、側(cè)分叉305偏離撓性管105的軸線的接口。流體流動(dòng)隨著側(cè)分叉305限定的路線，光纜211隨著主分叉303。將流體導(dǎo)入撓性管105的連接機(jī)構(gòu)313設(shè)置在側(cè)分叉305的端部。地面終端301在凸緣309處連接撓性管105或撓性管卷軸管道123，凸緣與撓性管105或撓性管卷軸管件123形成密封。光纜211經(jīng)由主分叉303從撓性管105穿過(guò)地面終端301。地面終端301具有連接壓力悶頭213的沿井孔向上的凸緣307，壓力悶頭213讓光纜211通過(guò)，同時(shí)仍然保持撓性管105內(nèi)部的壓力。由于地面終端301，光纜可以連接控制設(shè)備119，或可替換地，連接允許井下部件光通信的光學(xué)部件505。
本發(fā)明的地面終端的另一實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例在圖3B中示出。地面終端301’包括主分叉303’在撓性管105的軸上、側(cè)分叉305’偏離撓性管105的軸線的接口。在所示的實(shí)施例中，流體流動(dòng)隨著主分叉303’限定的路線，光纜211隨著側(cè)分叉305’。地面終端301’在凸緣309’處連接撓性管105或撓性管卷軸管道123，凸緣與撓性管105或撓性管卷軸管件123形成密封。
光纜211從撓性管105經(jīng)由側(cè)分叉305’通過(guò)地面終端301’。地面終端301’包括連接壓力悶頭213’的沿井孔向上的凸緣307’，壓力悶頭213’讓光纜211通過(guò)，同時(shí)仍然保持撓性管105內(nèi)部的壓力。側(cè)分叉305’可以設(shè)有連接機(jī)構(gòu)313′，用于將流體導(dǎo)入撓性管105。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4，示出光纜211的井下終端207的一個(gè)實(shí)施例的剖面圖，井下終端207提供撓性管105進(jìn)入終端207的控制穿過(guò)。撓性管105連接井下終端207的內(nèi)部，位于配對(duì)的分叉403上。撓性管105可以用一個(gè)或多個(gè)緊固螺釘405固接在井下終端207中，一個(gè)或多個(gè)O形環(huán)407可以用于密封終端207和撓性管105。設(shè)置在撓性管105內(nèi)的光纜211伸出撓性管105。并且用連接器411固接。連接器411也提供儀器或傳感器209的連接。用連接器411形成的連接可以是光學(xué)的或電的。例如，如果傳感器209是光學(xué)傳感器，連接是光學(xué)連接。然而，在許多實(shí)施例中，儀器或傳感器209是電裝置，在這種情況，連接器411也提供電信號(hào)和光信號(hào)之間必需的轉(zhuǎn)換。儀器或傳感器209可以固接到終端上，例如，讓終端207的井下端部415插入兩個(gè)偏心突出圓筒417和417’之間，并且用一個(gè)或多個(gè)O形環(huán)419密封。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5A和5B，示出利用連接光纜211的井下光學(xué)裝置501傳輸光信號(hào)的示意圖，光纜211在地面連接光學(xué)裝置505。該光學(xué)裝置505可以連接撓性管軸103并且用它旋轉(zhuǎn)。在有些實(shí)施例中，光學(xué)裝置505包括也用卷軸旋轉(zhuǎn)的無(wú)線發(fā)射器。另外，光學(xué)裝置505包括在撓性管軸103旋轉(zhuǎn)時(shí)部分保持靜止的光收集器。這種裝置的一個(gè)實(shí)例是由馬里蘭州巴爾的摩的Prizm Advanced通信公司制造的光纖旋轉(zhuǎn)接頭。儀器或傳感器209可以兩種普通類型，它們直接產(chǎn)生光信號(hào)，并且它們產(chǎn)生電信號(hào)，電信號(hào)需要轉(zhuǎn)換成在光纜211上傳輸?shù)墓庑盘?hào)。
基于用已知的光學(xué)傳感器觀察到的光學(xué)性能可以直接進(jìn)行多種測(cè)量。這種傳感器的實(shí)例包括在教科書(shū)中描述的那些類型，諸如，在2000年的《Instrumentation Systems》(ISBN No 1556177143)中、作者是D.A.Krohn的“Fiber Optic Sensors and Applications”的那些類型，包括強(qiáng)度調(diào)制傳感器、相位調(diào)制傳感器、波長(zhǎng)調(diào)制傳感器、數(shù)字開(kāi)關(guān)和計(jì)算器、位移傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、水平傳感器、磁場(chǎng)和電場(chǎng)傳感器、化學(xué)分析傳感器、旋轉(zhuǎn)速度傳感器、分布傳感系統(tǒng)、凝膠、智能外殼和結(jié)構(gòu)。
或者，儀器或傳感器209產(chǎn)生表示測(cè)量性能的電信號(hào)。當(dāng)使用輸出儀器或傳感器的這種電信號(hào)時(shí)，井下光學(xué)裝置501還包括光電接口裝置503。光電裝置和電光裝置的實(shí)施例在工業(yè)上是已知的。將常規(guī)的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的實(shí)例是已知的，并且例如在2001年由Springer-Verlag出版、作者是B.Shoop的“Photonic Analog-To-Digital Conversion(在Optical Sciences，81中的Springer系列)”中描述。在接口裝置503的有些實(shí)施例中，可以使用簡(jiǎn)單電路，其中電信號(hào)用于開(kāi)啟井下光源，光源的振幅與電信號(hào)的振幅成線性比例關(guān)系。用于撓性管井下操作的有效井下光源是1300nm的InGaAsP發(fā)光二極管(LED)。光沿著光纖的長(zhǎng)度傳播，它的振幅利用嵌入地面裝置505的光電二極管在地面檢測(cè)。然后這個(gè)振幅值可以通過(guò)控制設(shè)備119。在另一實(shí)施例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于接口裝置503，以分析傳感器209的電信號(hào)并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。然后，數(shù)字表示沿光纜211以數(shù)字形式或者改變振幅或頻率又轉(zhuǎn)換成模擬光信號(hào)傳輸?shù)降孛?。在光纖上傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的協(xié)議在本領(lǐng)域是非常公知的。接口裝置503的另一實(shí)施例可以將傳感器209的信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠從地面詢問(wèn)的光學(xué)特征，例如，它可以是光纖端部的反射率變化或腔共振的變化。應(yīng)該注意，在有些實(shí)施例中，光電接口和測(cè)量裝置可以集成一個(gè)物理裝置并且作為一個(gè)單元來(lái)處理。
在不同實(shí)施例中，本發(fā)明提供確定井眼性能的方法，包括將光纜伸入撓性管的步驟，將測(cè)量?jī)x器依附于撓性管中深入井眼，利用測(cè)量?jī)x器測(cè)量性能，利用光纜傳送所測(cè)量的性能。這些性能例如包括壓力、溫度、套管接閘位置、電阻率、化學(xué)成分、流量、儀器位置、狀態(tài)或方向、硬質(zhì)層高度、沉淀物形成、氣體諸如二氧化碳和氧氣測(cè)量、pH值、鹽度、和流體可壓縮率。
在許多操作中利用撓性管獲知底孔壓力是有用的。在有些實(shí)施例中，本發(fā)明提供操作員優(yōu)化井眼操作的壓力依賴參數(shù)的方法。已知合適的光學(xué)壓力傳感器，諸如使用Fiber Bragg Grating技術(shù)和Fabry-Perot技術(shù)的那些光學(xué)壓力傳感器。Fiber Bragg Grating技術(shù)依靠以特殊間距局部調(diào)制纖芯本身的折射率的小部分光纖上的光柵。然后，該部分被限制響應(yīng)物理激勵(lì)，諸如壓力、溫度、或張力。詢問(wèn)單元設(shè)置在光纜的另一端并將寬帶光源向下射到光纖的長(zhǎng)度。對(duì)應(yīng)于光柵周期的波長(zhǎng)朝詢問(wèn)單元反射并且被檢測(cè)。當(dāng)物理激勵(lì)變化時(shí)，光柵周期變化；因此，反射波長(zhǎng)變化與觀察的物理性能相關(guān)，獲得測(cè)量。Fiber Bragg Grating技術(shù)具有沿單光纖允許多測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。在本發(fā)明利用Fiber Bragg Grating的實(shí)施例中，詢問(wèn)單元可以設(shè)置在地面光學(xué)裝置505中。
使用Fabry-Perot技術(shù)的傳感器含有小光學(xué)諧振腔，限制響應(yīng)物理激勵(lì)，諸如壓力、溫度、長(zhǎng)度或張力。諧振腔的初始表面時(shí)具有部分反射涂層的光纖本身，對(duì)面一般是全反射鏡。詢問(wèn)單元設(shè)置在光纖一端，用于將寬帶光源向下射入光纖。在傳感器上形成干涉圖案，該干涉圖案對(duì)于具體的諧振腔長(zhǎng)度是唯一的，所以，發(fā)射回地面的峰值強(qiáng)度的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于諧振腔的長(zhǎng)度。在詢問(wèn)單元中分析反射信號(hào)，以確定峰值強(qiáng)度的波長(zhǎng)，那么，峰值強(qiáng)度的波長(zhǎng)與要觀察的物理性能相關(guān)，獲得測(cè)量。Fabry-Perot技術(shù)的一個(gè)限制是一根光纖需要用于每次測(cè)量。然而，在本發(fā)明的有些實(shí)施例中，在光纜211內(nèi)可以具有多根光纖，這樣在井下裝置501中允許使用多個(gè)Fabry-Perot傳感器。利用Fabry-Perot技術(shù)并且適于在撓性管應(yīng)用中使用的這種壓力傳感器的一種由加拿大蒙特利爾St-Jean-Baptiste大街的FISO Technologies制造。
也可以用Fiber Bragg Grating或Fabry-Perot技術(shù)沿光纜211的光纖測(cè)量張力并且將連接光纖的部件熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生的光纖張力轉(zhuǎn)換成溫度來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。在有些實(shí)施例中，傳感器用于進(jìn)行局部測(cè)量，在有些實(shí)施例中，也可以進(jìn)行沿光纜211長(zhǎng)度的完整溫度分布的測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，固定波長(zhǎng)的光脈沖可以將地面設(shè)備505中的光源向下傳輸?shù)焦饫w線路。在線上的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，光向后散射并返回到地面設(shè)備。知道光的速度和返回信號(hào)到達(dá)的時(shí)間能夠確定它在光纖線路上的原始點(diǎn)。溫度激勵(lì)光纖線路中硅分子的能量水平。向后散射光包含上移波帶和下移波帶(諸如向后散射光光譜的斯托克司拉曼(Stokes Roman)和反斯托克司拉曼部分)，其可被分析以確定原始溫度。這樣，光纖線路中每個(gè)響應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的溫度可以用設(shè)備計(jì)算，從而提供沿光纖線路長(zhǎng)度的完整溫度曲線圖。這種普通的光纖分布溫度系統(tǒng)和技術(shù)在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。因?yàn)樵诒绢I(lǐng)域還知道光纖線路還可以返回地面線路，使得整個(gè)線路為U形。利用返回線路可以提供提高的性能和增加的空間分辨率，因?yàn)槎瞬啃?yīng)的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開(kāi)目的層。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，井下設(shè)備501由光纖的小U形部分組成。井下終端207在光纜內(nèi)的兩根光纖與兩個(gè)U形二等分之間的兩個(gè)耦接，使得組裝的裝置變成具有返回地面線路的單光路。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，井下裝置501包含進(jìn)入多邊井具體分支的裝置，使得具體分支的溫度曲線可以傳輸?shù)降孛?。然后，這種曲線圖可以用于確定多邊井每個(gè)分叉的水區(qū)或油氣界面。定向井下儀器和進(jìn)入具體側(cè)的裝置在本領(lǐng)域是公知的。
有些撓性管操作受益于沿井眼或部分井眼的不同溫度測(cè)量，如V.Jee等的美國(guó)專利申請(qǐng)US 2004/0129418所述，其整個(gè)公開(kāi)在此并入作為參考。然而，對(duì)于其它操作，在特殊位置的溫度是有興趣的，例如，底孔溫度。對(duì)于這種操作，不需獲得沿光纖線路長(zhǎng)度的完整溫度曲線圖。單點(diǎn)溫度傳感器相對(duì)于分布的溫度測(cè)量具有優(yōu)點(diǎn)，其中后者要求在清除噪音時(shí)間間隔的信號(hào)平均。這樣可以給操作帶來(lái)小的延遲。如果流體浪花需要改變(或地層不再進(jìn)行勘探)，那么，直接的信息具有極為重要的價(jià)值。在撓性管的底孔組件附近的單個(gè)溫度傳感器或壓力傳感器提供將該重要數(shù)據(jù)足夠快地傳輸?shù)降孛娴臋C(jī)構(gòu)，允許作業(yè)的控制決定。
在許多撓性管操作中，期望知道井眼相對(duì)于安裝套管的位置；觀察表示套管接箍存在的正確標(biāo)記的套管接箍定位器一般用于這種定位目的。常規(guī)的套管接箍定位器具有軸向纏繞儀器的螺管線圈，其中在存在電場(chǎng)或磁場(chǎng)變化時(shí)，在線圈中產(chǎn)生電壓。當(dāng)在部分套管上移動(dòng)井下儀器時(shí)，其中部分套管材料性能具有變化，諸如，兩個(gè)長(zhǎng)度的套管之間的機(jī)械連接，發(fā)生這種變化。套管中的孔和滑動(dòng)也能夠在螺管線圈上產(chǎn)生特征電壓。不必主動(dòng)地對(duì)套管接箍定位器提供能量，例如，在美國(guó)專利2,558,427所述，在此并入作為參考。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，傳統(tǒng)的套管接箍定位器可以經(jīng)由電光接口503利用光電二極管連接光纜211。為了在井眼中檢測(cè)套管接箍的位置，套管接箍定位器可以連接撓性管并在井眼的長(zhǎng)度上傳送。隨著撓性管移動(dòng)，當(dāng)電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化被檢測(cè)時(shí)，諸如遇到套管接箍，產(chǎn)生信號(hào)，該信號(hào)利用光纜211傳輸。確定深度的另一種方法包括測(cè)量井眼的性能，和使該性能與在早期作業(yè)中獲得的相同性能的測(cè)量相關(guān)聯(lián)。例如，在鉆探期間，通常測(cè)量沿井眼每點(diǎn)發(fā)射的天然伽馬射線。由于經(jīng)由光學(xué)管線提供伽馬射線的測(cè)量，通過(guò)使伽馬射線與早期測(cè)量關(guān)聯(lián)獲得撓性管的深度位置。
經(jīng)常期望井眼中流動(dòng)的測(cè)量是在撓性管操作中，本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)提供該信息有用。在撓性管外面的井眼中流動(dòng)的測(cè)量用于確定井眼流體流入地層的流速，諸如處理速度；或者地層流體流入井眼的流速，諸如生產(chǎn)速度或差額生產(chǎn)速度。撓性管中流動(dòng)的測(cè)量可以用于測(cè)量送入井眼的不同區(qū)域的流體，或測(cè)量泡沫處理液中的泡沫質(zhì)量和密度。測(cè)量井眼流動(dòng)的已知方法適用于本發(fā)明。在一些實(shí)施例中，測(cè)流裝置諸如旋轉(zhuǎn)器連接光纜211。當(dāng)流過(guò)裝置時(shí)，測(cè)流裝置測(cè)量流速，測(cè)量值經(jīng)由光纜211傳輸。在使用電信號(hào)輸出的常規(guī)測(cè)流裝置的實(shí)施例中，電光接口503用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成在光纜211上傳輸?shù)墓庑盘?hào)。在有些實(shí)施例中，可以使用這樣的測(cè)流裝置，即，用直接的光學(xué)技術(shù)測(cè)量流量旋轉(zhuǎn)器，例如，將旋轉(zhuǎn)器的葉片放在光源和光電二極管之間，使得當(dāng)旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)時(shí)，光被交替地遮擋和消除。另外，在本發(fā)明的有些實(shí)施例中可以使用利用間接光學(xué)技術(shù)的測(cè)流裝置。這種間接光學(xué)技術(shù)依靠流速影響光學(xué)裝置，使得在本發(fā)明的一些實(shí)施例中使用可以觀察裝置的光學(xué)性能變化的裝置。
在撓性管的操作中，經(jīng)常期望具有與井眼中的儀器或裝置的位置或方向相關(guān)的信息。而且，期望在撓性管操作中確定井眼中的儀器或裝置的儀器或裝置的狀態(tài)(例如，開(kāi)啟或關(guān)閉，接合或脫離)。井眼軌道可以從儀器方向的點(diǎn)測(cè)量推斷，或當(dāng)儀器沿井眼移動(dòng)時(shí)，從連續(xù)監(jiān)控的方向確定。當(dāng)每個(gè)分支具有已知的天頂角或傾角，針對(duì)這種情況可以比較儀器的方向，方向用于確定在多側(cè)井中的儀器位置。一般井眼中儀器的方向利用陀螺儀、慣量傳感器、或加速計(jì)來(lái)測(cè)量。例如，參見(jiàn)美國(guó)專利6,419,014，其在此并入作為參考。在光纖中能夠構(gòu)成的這種裝置是已知的。例如，光纖陀螺儀從許多賣主那兒可買到，諸如瑞士蘇黎世的Exalos。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，傳感器209是確定儀器位置或方向的裝置，其用于確定井眼軌道。這種定位或定向裝置可以連接光纜211，在井眼中進(jìn)行表示位置或方向的測(cè)量，在本發(fā)明的不同實(shí)施例中，在光纜211上傳輸那些測(cè)量。在可替換實(shí)施例中，傳感器209是經(jīng)由電光接口503連接光纜211的傳統(tǒng)的或MEMS陀螺儀裝置。
使用這種定位或定向裝置在多側(cè)井中特別有用。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，進(jìn)入多邊井眼分支的具體分支的裝置在美國(guó)專利6,347,768中描述，整個(gè)內(nèi)容在此作為參考，可以用于與定位或定向裝置的連接，首先，確定儀器或工具是否在多邊井眼分支的進(jìn)入點(diǎn)，然后，進(jìn)入分支。這樣撓性管可以位于井眼內(nèi)理想的位置，或底孔組件可以定位在理想結(jié)構(gòu)中。此外，機(jī)械或光學(xué)開(kāi)關(guān)可以用于確定底孔組件的位置或狀態(tài)。
在有些撓性管操作中，與井眼中固體物質(zhì)相關(guān)的信息諸如硬質(zhì)層高度或沉淀物形成是理想的。在本發(fā)明有些實(shí)施例中，在鉆井操作期間，傳感器209用于測(cè)量固體或檢測(cè)沉淀物形成。這種測(cè)量可以經(jīng)由光纜211傳輸。測(cè)量可以用于調(diào)整參數(shù)，諸如流體泵入速度或移動(dòng)撓性管的速度，以提高或優(yōu)化撓性管操作。在本發(fā)明有些實(shí)施例中，近程傳感器(包括具有光學(xué)接口的常規(guī)近程傳感器)或井徑儀可以用于確定井中硬質(zhì)層的位置和高度。已知的進(jìn)程傳感器使用原子能、超聲波或電磁方法來(lái)檢測(cè)底孔組件與套管壁內(nèi)部之間的距離。這種傳感器也用于提醒在井眼操作中注意篩選，諸如龜裂。檢測(cè)沉淀物形成在井眼操作中是有用的，用于監(jiān)測(cè)在撓性管操作期間進(jìn)行的井處理的過(guò)程，例如，基巖激勵(lì)。在本發(fā)明有些實(shí)施例中，傳感器209是利用已知的方法檢測(cè)沉淀物形成的裝置，諸如反射幅度和散射幅度的直接光學(xué)測(cè)量。
在普通的井眼操作中，性能的測(cè)量諸如電阻率可以用作地層中碳?xì)浠衔锘蚱渌黧w存在的指示器。在本發(fā)明有些實(shí)施例中，利用常規(guī)技術(shù)儀器或傳感器209可以用于測(cè)量電阻率，并且通過(guò)電光接口與光纜211連接，從而電阻率測(cè)量在光纜上傳輸。另外，利用光學(xué)技術(shù)測(cè)量鹽度或折射率可以間接測(cè)量電阻率，然后，隨著光學(xué)變化，電阻率在光纜211上傳輸?shù)降孛妗Ｔ诓煌膶?shí)施例中，本發(fā)明用于提供地層、地層流體、處理流體、或流態(tài)氣體或副產(chǎn)品的電阻率顯示。
在井眼應(yīng)用中，用具有電阻率傳感器的井下傳感器，諸如發(fā)光傳感器、熒光傳感器或這些傳感器的組合，某種程度上可以確定化學(xué)分析。發(fā)光傳感器和熒光傳感器也是分析它們的輸出的已知光學(xué)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的一種方式是反射率測(cè)量。利用光纖探頭，光被射入流體，部分光反射回探頭并且與流體中存在的氣體有關(guān)。熒光和反射率測(cè)量的結(jié)合可以用于確定流體的油和氣的含量。在本發(fā)明有些實(shí)施例中，傳感器209是發(fā)光或熒光傳感器，傳感器的輸出經(jīng)由光纜211傳輸。在具體實(shí)施例中，多于一根的光纖設(shè)置在光纜211內(nèi)，多于一個(gè)傳感器209在光纖的分離光纖上傳輸。
還可光學(xué)檢測(cè)在井眼中的檢測(cè)氣體諸如CO2和O2的存在。能夠測(cè)量這些氣體的傳感器是已知的；例如，參見(jiàn)Anal.Chem.60，2028-2030(1988)、作者是O.S.Wolfbeis，L.Weis，M.J.P.Leiner和W.E.Ziegler的“Fiber Opticalfluorosensor for Oxygen and carbon dioxide(用于氧氣和二氧化碳的光纖熒光傳感器)”，其在此并入作為參考。如此所述，光纖光導(dǎo)同時(shí)傳輸各種光信號(hào)的能力可以用于構(gòu)成測(cè)量氧氣和二氧化碳的光纖傳感器。對(duì)氧靈敏的材料(例如，硅膠吸收熒光金屬有機(jī)合成物)和CO2靈敏材料(例如，緩沖溶液中固定pH值指示劑)可以放在連接光纖末端的透氣聚合母體中。盡管兩種指示劑具有相同的激勵(lì)波長(zhǎng)(為了避免能量轉(zhuǎn)移)，它們具有完全不同的最大發(fā)射。因此，借助于干涉濾光片可以分離兩個(gè)發(fā)射帶，以提供獨(dú)立的信號(hào)。一般氧氣確定在0-200托范圍內(nèi)，精度為±1托，二氧化碳確定在1-150托范圍內(nèi)，精度為±1托。因此，在本發(fā)明不同的實(shí)施例中，傳感器209可以是檢測(cè)CO2或O2的光學(xué)裝置，其中測(cè)量經(jīng)由光纜211傳輸。
pH值的測(cè)量用于許多撓性管操作中，處理化學(xué)的性能很大程度上依賴于pH值。pH值測(cè)量的測(cè)量也用于確定流體中的沉淀物。測(cè)量pH值的傳感器是已知的。在1993年9月出版的期刊《Testing and Evaluation》第5期、第21卷中由M.H.Maher和M.R Shahriari描述的一種傳感器是在裝在多孔探頭中、用pH指示劑固定的多孔聚合物范圍之外構(gòu)成的傳感器。這種傳感器的光譜特性顯示對(duì)用可見(jiàn)光(380-780nm)測(cè)試的pH水平的變化具有非常高的靈敏度。溶膠凝膠也可以用于具體的化學(xué)含量和pH值。另外，通過(guò)測(cè)量注入流體的染料的光譜，傳感器可以測(cè)量pH值，從而選擇染料，使得它的光譜特性變化依賴于流體的pH值。這種染料的效果與石蕊試紙相似，并且在工業(yè)上是公知的。例如，科羅拉多州丹佛市的Science Company出售許多根據(jù)很小的pH值變化改變顏色的染料。染料可以通過(guò)地面的側(cè)分叉305加進(jìn)流體中。在本發(fā)明不同的實(shí)施例中，傳感器209是連接光纜211的pH值傳感器，使得傳感器的測(cè)量經(jīng)由光纜傳輸。
應(yīng)該注意，感覺(jué)到pH變化的變化是本發(fā)明用于顯示井眼中流體變化的一個(gè)實(shí)例。完全在本發(fā)明內(nèi)考慮，可用于測(cè)量化學(xué)、生物或物理參數(shù)的傳感器可以用作傳感器209，其中性能的測(cè)量或性能變化的測(cè)量經(jīng)由光纜211傳輸。
例如，利用本發(fā)明的實(shí)施例可以測(cè)量或顯示井眼流體或泵入流體的鹽度。用于本發(fā)明的一種方法是將光信號(hào)發(fā)送給光纖，感知由于鹽水的鹽度在接收端面的光折射產(chǎn)生的光束偏離。所測(cè)量的光信號(hào)被反射并通過(guò)連續(xù)線性排列的光纖陣列傳輸，然后，用電荷耦合裝置檢測(cè)光強(qiáng)度峰值和它的偏差。在這種結(jié)構(gòu)中，傳感器探頭可以由本征純GaAs單晶體、直角棱鏡、分隔水單元、連接自聚焦透鏡的發(fā)射光纖和線性排列的接收光纖陣列組成。測(cè)量鹽度變化的另一種方法由O.Esteban，M.Cruz-Navarrete，N.Iez-Cano，和E.Bernabeu在1999年9月的《Applied Optical》第38卷、第25期、5267-5271中“Measurement of the Degree of Salinity of Water with a fiber-Optical Sensor(用光纖傳感器測(cè)量水鹽度)”提出，其在此并入作為參考。所述的方法利用基于等離子體振子共振的光纖傳感器確定折射率，從而測(cè)量水的鹽度。轉(zhuǎn)換元件由沉積在表面拋光的單模光纖的多層結(jié)構(gòu)組成。光纖傳輸?shù)哪芰克p測(cè)量表明，獲得與結(jié)構(gòu)外介質(zhì)的折射率的線性關(guān)系。該系統(tǒng)的特征在于使用水和乙二醇的混合獲得的變化折射率。
本發(fā)明的實(shí)施例用于測(cè)量流體的可壓縮率，如果傳感器209是諸如美國(guó)專利6,474,152描述的裝置，其全部?jī)?nèi)容在此并入作為參考，測(cè)量流體的可壓縮率和經(jīng)由光纜211傳輸?shù)臏y(cè)量。這種測(cè)量避免測(cè)量體積壓縮的必要性，特別適于撓性管應(yīng)用。在測(cè)量流體可壓縮率時(shí)，由壓力變化產(chǎn)生的某個(gè)波長(zhǎng)光吸收的變化直接與流體的可壓縮率有關(guān)。換言之，應(yīng)用碳?xì)浠衔锪黧w的壓力變化改變流體在某個(gè)波長(zhǎng)吸收的光量，其可以用作直接表示流體可壓縮率。
在不同的實(shí)施例中，本發(fā)明提供在地下井進(jìn)行操作的方法，包括將光纜伸入撓性管，將撓性管伸入井眼并至少進(jìn)行下面的步驟之一在光纜上將控制系統(tǒng)的控制信號(hào)傳輸?shù)竭B接撓性管的井下設(shè)備；在光纜上將井下設(shè)備的信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)；或?qū)⒐饫|測(cè)量的性能經(jīng)由光纜傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。在有些實(shí)施例中，本發(fā)明提供在井眼中的工作方法，包括將光纜伸入撓性管，將撓性管伸入井中；并進(jìn)行操作；其中操作被光纜上傳輸?shù)男盘?hào)控制。這種操作例如包括激勵(lì)閥、安裝儀器、激勵(lì)引爆頭或鉆孔槍，激勵(lì)儀器、和反轉(zhuǎn)閥。這種實(shí)例僅僅是作為實(shí)例給出，不作為限制。
在本發(fā)明有些實(shí)施例中，井下裝置諸如儀器可以經(jīng)由在光纜211傳輸?shù)男盘?hào)光學(xué)地控制。與井下裝置相關(guān)的類似信息諸如儀器安裝可以在光纜211上傳輸。在有些實(shí)施例中，光纜211包括多于一根光纖，至少一根光纖可以用于儀器的連接。在理想狀況下，可以提供多于一個(gè)井下裝置，分離的光纖可以用于每個(gè)裝置。在另一些實(shí)施例中，在光纜211中提供單光纖，這種連接可以是多路的，使得相同的光纖液可以用于傳送感知的信息。在存在多個(gè)儀器的情況下，多路方案諸如在給定時(shí)間的脈沖數(shù)量、持續(xù)脈沖的長(zhǎng)度、入射光的強(qiáng)度、入射光的波長(zhǎng)、和二進(jìn)制命令可以擴(kuò)充，以包括附加的儀器。
在本發(fā)明有些實(shí)施例中，井下裝置諸如閥激勵(lì)機(jī)構(gòu)提供與光纖接口的連接，以形成光纖激活閥。光纖接口連接光纜211，使得控制信號(hào)經(jīng)由光纜211可以傳輸?shù)窖b置。光纖接口的一個(gè)實(shí)施例由光電接口板與小電池組成，以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)螺線管的微弱電信號(hào)，其反過(guò)來(lái)激勵(lì)閥。
一般在撓性管操作中，井下儀器在伸入井眼之前在地面構(gòu)成。然而，有時(shí)候還希望在井下設(shè)定或調(diào)整儀器的設(shè)置。在本發(fā)明一些實(shí)施例中，井下儀器配有光電接口，用于接收光信號(hào)并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。光電接口還連接井下儀器的邏輯電路，用于下載儀器或傳感器的參數(shù)并且可能將它們存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。因此，能夠進(jìn)行撓性管操作的光纖配有接收在光纜211上的儀器參數(shù)的儀器，從而給操作員提供在井下實(shí)時(shí)調(diào)整儀器的設(shè)置的能力。
一個(gè)實(shí)例是光纖套管接箍電路增益的調(diào)整。在這種情況下，對(duì)于以50-100英尺每分鐘(0.254-0.508m/sec)速度的平穩(wěn)操作來(lái)說(shuō)，一種增益設(shè)定是理想的，對(duì)于以10英尺每分鐘(0.0508m/sec)或更小的速度的測(cè)井或鉆孔操作來(lái)說(shuō)，另一種增益設(shè)定是理想的。地面設(shè)備的控制信號(hào)經(jīng)由光纜211可以傳輸?shù)教坠芙庸慷ㄎ黄??；谔坠艿木唧w冶金，這種功能用作不同增益設(shè)定是理想的。這種冶金事先不知道，結(jié)果它可可以理想地經(jīng)由光纜211將地面控制設(shè)備的控制信號(hào)發(fā)送到套管接箍定位器，以響應(yīng)套管接箍定位器進(jìn)行的測(cè)量實(shí)時(shí)調(diào)整增益設(shè)定，并經(jīng)由光纜211傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種將地面設(shè)備的控制信號(hào)傳輸?shù)骄卵b置激勵(lì)鉆孔槍或引爆頭的方法?？梢允褂霉饫w接口，利用電信號(hào)激勵(lì)引爆頭，光纖接口將光纜211傳輸?shù)墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)換程電信號(hào)，用于激勵(lì)引爆頭。小電池可以用于給接口供電?？梢允褂枚嘤谝粋€(gè)的引爆頭。在光纜211包括多于一根光纖的實(shí)施例中，每個(gè)引爆頭分配唯一的光纖。另外，當(dāng)提供單光纖時(shí)，唯一編碼的排序用于將離散信號(hào)提供給不同的引爆頭。利用光纖傳輸這種控制信號(hào)是有利的，因?yàn)樗闺姶糯當(dāng)_造成的引爆頭偶然錯(cuò)誤引爆的可能性最低，這種電磁串?dāng)_諸如知道是電纜的。另外，地面的光源可以直接用于激勵(lì)爆炸性引爆頭。在有些實(shí)施例中，引爆頭可以用光控制電路激勵(lì)，諸如在美國(guó)專利4,859,054所描述的，其在此引入作為參考。
在撓性管操作中，經(jīng)常需要激勵(lì)井眼中的儀器。儀器激勵(lì)可以采取各種形式，諸如包括但不限于儲(chǔ)存能量的釋放、安全或鎖定的轉(zhuǎn)換、離合器的激勵(lì)、閥的激勵(lì)、鉆孔引爆頭的激勵(lì)。這種激勵(lì)一般利用由非常容易受影響的壓力、流速和推力組成的基本遙測(cè)來(lái)控制或檢驗(yàn)，經(jīng)常是無(wú)效的。例如，在地面的推力被井眼的摩擦力減小，摩擦力的量不知道。當(dāng)利用壓力通信時(shí)，信號(hào)經(jīng)常被摩擦力中斷，摩擦力與通過(guò)撓性管并且流入井眼的循環(huán)流體相關(guān)。流速一般是較好的通信方式；然而，有些儀器要求外形(configuration)，導(dǎo)致不明的流體泄漏，影響流速指示器。在本發(fā)明有些實(shí)施例中，儀器激勵(lì)信號(hào)在光纜211上傳輸給儀器。在有些情況下，儀器配備具有放大電路的光電接口，用于接收光信號(hào)并且將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成儀器激勵(lì)電路響應(yīng)的電信號(hào)，而在另一種情況下，儀器適于直接接收光信號(hào)。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，光控制換向閥連接光纜。信號(hào)經(jīng)由光纜211發(fā)送到地面控制設(shè)備119的換向閥，損壞檢測(cè)閥，例如，在一定條件下允許流體的反向循環(huán)(即，從環(huán)形套筒進(jìn)入撓性管)。響應(yīng)這個(gè)信號(hào)，閥從損壞的位置移動(dòng)，以激勵(lì)檢測(cè)閥。在一個(gè)實(shí)施例中，換向閥的光纖激勵(lì)還將閥的信號(hào)提供給地面設(shè)備，以指示閥的狀態(tài)。
在不同的實(shí)施例中，本發(fā)明提供插入井眼處理地下地層的方法，該方法包括將光纜伸入撓性管中，將撓性管伸入井眼中，進(jìn)行井處理操作，測(cè)量井眼中的性能，利用光纜傳送所測(cè)量的性能。光纖激活撓性管裝置200用于進(jìn)行井的處理、井間干擾和井的維護(hù)，并允許迄今為止不可能利用常規(guī)撓性管裝置的操作。應(yīng)該注意，本方面的主要優(yōu)點(diǎn)是光纜211不妨礙撓性管在井處理操作中的使用。而且，因?yàn)樵S多井處理操作需要在井眼中移動(dòng)撓性管，例如，沿井眼內(nèi)部“沖洗”酸，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是適用于撓性管在井眼中移動(dòng)。
基巖激勵(lì)是井處理操作，其中流體(一般是酸)經(jīng)過(guò)崩送操作注入地層。撓性管在基巖激勵(lì)時(shí)使用，因?yàn)樗軌蜃屗崽幚砑械嚼硐氲膮^(qū)域?；鶎蛹?lì)包括將多種注射液注入地層。在許多應(yīng)用中，泵送第一預(yù)沖洗液，以清除能夠造成沉淀的材料，然后，一旦井區(qū)附近清除干凈，泵送第二液體。另外，基層激勵(lì)操作可以伴隨液體和固態(tài)化學(xué)藥品混合物的注射。
參照?qǐng)D6，表示利用撓性管裝置進(jìn)行的基層激勵(lì)的示意圖，撓性管裝置包括本發(fā)明的光纜，其中井處理液通過(guò)撓性管601導(dǎo)入井眼600中。處于這個(gè)目的，處理液可以利用本領(lǐng)域已知的不同儀器的一種導(dǎo)入，例如，連接撓性管的噴嘴。在圖6的實(shí)施例中，用隔板603和605防止導(dǎo)入井眼600的流體溢出處理區(qū)。隔板603和605可以是某種機(jī)械隔板，諸如膨脹栓塞，或者是化學(xué)間隔物，諸如墊子或泡沫隔板。
在基層激勵(lì)操作中，優(yōu)選將處理液設(shè)置在井眼600的正確區(qū)域。在優(yōu)選實(shí)施例中，能夠確定深度的光傳感器607可以用于確定提供基層激勵(lì)流體的井下裝置的位置。光傳感器607連接光纜211，將井眼600的位置傳送給地面控制設(shè)備，讓操作員在最佳位置激勵(lì)處理液的導(dǎo)入。
本發(fā)明允許實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)，諸如，底孔壓力、底孔溫度、底孔pH、處理液和地層相互作用形成的沉淀的量、流體溫度，這些參數(shù)的每一種用于監(jiān)控基層激勵(lì)操作的成功。測(cè)量這些參數(shù)的傳感器609(例如，測(cè)量壓力、溫度、或pH、或檢測(cè)沉淀地層的傳感器)可以連接設(shè)置在連接撓性管601的光纜211和連接光纜211。然后，測(cè)量值通過(guò)光纜211發(fā)送給地面設(shè)備。
例如，底孔壓力的實(shí)時(shí)測(cè)量用于監(jiān)控和估算地層表層，從而讓激勵(lì)液的注射速度最優(yōu)化，或讓混合液的濃度或相對(duì)比例、或混合液預(yù)固態(tài)化學(xué)藥物的相對(duì)比例可以調(diào)整。當(dāng)撓性管運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，考慮撓性管運(yùn)轉(zhuǎn)，減去擦洗和猛沖的影響，實(shí)時(shí)底孔壓力的測(cè)量值可以調(diào)整。實(shí)時(shí)底孔壓力的另一使用是保持流體泵送的底孔壓力低于理想的閾值水平。例如，在基層激勵(lì)期間，井眼表面預(yù)處理液的接觸是很重要的。如果井眼壓力太高，那么地層破裂，處理液不期望地流入裂縫。當(dāng)處理液起泡時(shí)，實(shí)時(shí)測(cè)量底孔壓力的能力特別有用。當(dāng)泵送非起泡液體時(shí)，采用沿井眼的摩擦損失的某些公式有時(shí)可以從表面測(cè)量值確定底孔壓力，但是，將這種方法用于起泡液體還沒(méi)有很好地得到確認(rèn)。
除了壓力之外，底孔參數(shù)的測(cè)量值在井處理操作中也很有用。實(shí)時(shí)底孔參數(shù)測(cè)量值可以用于計(jì)算泡沫質(zhì)量，從而，它在保證采用轉(zhuǎn)換技術(shù)的效果方面很有用。底孔參數(shù)類似地用于確定激勵(lì)操作的過(guò)程，因此，它用于調(diào)整混合液與固態(tài)化學(xué)藥品的濃度或相對(duì)比例。底孔pH值的測(cè)量用于選擇處理液的最佳濃度，或每種泵入液體的相對(duì)比例，或混合液與固態(tài)化學(xué)藥品的濃度的相對(duì)比例。通過(guò)與井眼壁相互作用形成的沉淀的測(cè)量也用于分析是否調(diào)整濃度或處理液的混合，例如，混合液與固態(tài)化學(xué)藥品的相對(duì)濃度或相對(duì)比例。
在另一撓性管裝置200的使用中，其中多種流體注入地層，部分通過(guò)撓性管、部分通過(guò)在撓性管105和井眼211的壁之間形成的環(huán)形套筒，撓性管105形成機(jī)械隔板，以隔離通過(guò)撓性管105注射的流體與注入環(huán)形套筒的流體。測(cè)量值諸如實(shí)時(shí)測(cè)量并傳輸?shù)焦饫|211表面的底孔溫度和底孔壓力用于調(diào)整通過(guò)撓性管105注射的流體與注入環(huán)形套筒的流體的相對(duì)比例。
在一個(gè)可替換使用中，撓性管105起撓性管105中的流體與環(huán)形套筒中的流體之間的隔板作用，通過(guò)撓性管105注射的流體形成泡沫或充氣。當(dāng)撓性管105釋放到井下時(shí)，泡沫流體部分填充圍繞撓性管基體的環(huán)形套筒空間，從而在向下泵送到撓性管的流體和向下泵送到環(huán)形套筒之間形成界面。激勵(lì)操作的各種參數(shù)包括泵入環(huán)形套筒和撓性管的流體的相對(duì)比例，撓性管的位置可以調(diào)整，以保證界面位于儲(chǔ)油層中特別理想的位置，或可以用于調(diào)整界面的位置。調(diào)整界面的具體位置用于保證激勵(lì)液進(jìn)入儲(chǔ)油層的目的層，或者提高儲(chǔ)油層的碳?xì)浠衔锏牧髁?，或阻止非碳?xì)浠衔锶菁{區(qū)的流量。為了提高碳?xì)浠衔锏牧髁亢妥柚狗翘細(xì)浠衔锏牧髁浚瑩Q向流體(divertingfluid)可以向下泵送到撓性管，諸如在美國(guó)專利6,667,280所描述，其整個(gè)內(nèi)容在此并入作為參考。
在有些基層激勵(lì)操作中，期望將催化劑泵送到撓性管105中，以將催化劑傳送到井眼的具體位置。測(cè)量和在光纜211上實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛娴奈锢硇阅?，諸如底孔溫度、底孔壓力、和底孔pH，用于監(jiān)控基層激勵(lì)處理的過(guò)程，從而用于調(diào)整影響處理的催化劑的濃度。在本發(fā)明有些實(shí)施例中，基層激勵(lì)操作光纜211可以用于提供分布溫度曲線圖，諸如美國(guó)專利申請(qǐng)2004/0129418所述。
在另一井處理操作中，本發(fā)明的光纖激活撓性管裝置200在壓裂操作中采用。通過(guò)撓性管的壓裂是激勵(lì)處理，其中泥漿或酸在壓力下注入地層。在使用光纜211實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的幾種實(shí)時(shí)方式中，壓力操作從本發(fā)明的能力獲益。首先，實(shí)時(shí)信息諸如底孔壓力和溫度用于監(jiān)控井眼處理的過(guò)程和優(yōu)化壓裂液混合物。壓裂液，特別是聚合物壓裂液，經(jīng)常需要壓碎添加劑來(lái)壓裂聚合物。需要壓碎聚合物的時(shí)間與溫度、暴露時(shí)間和壓碎濃度有關(guān)。因此，當(dāng)壓碎液進(jìn)入地層或進(jìn)入地層不久之后，知道井下溫度，讓壓碎進(jìn)度最優(yōu)化暫停流體，從而減小聚合物與地層的接觸。聚合物的摻雜提高流體的能力，以輸送用于壓裂操作中的支撐劑(例如，沙石)。
此外，壓力傳感器可以伸入撓性管，可能提供壓裂傳播的特性。Nolte-Smith曲線圖是本行業(yè)使用的壓力與時(shí)間的測(cè)井-測(cè)井曲線圖。由于測(cè)井(壓力)與測(cè)井(時(shí)間)的斜度上升，可以檢測(cè)到地層無(wú)法接收更多的沙石。利用本發(fā)明給出的實(shí)時(shí)信息，有可能調(diào)整地面的流體/支撐劑的速度和濃度并操縱撓性管，以激勵(lì)井下閥機(jī)構(gòu)沖洗撓性管外面的支撐劑。這種井下閥機(jī)構(gòu)的一種在美國(guó)專利申請(qǐng)2004/0094190中描述，其整個(gè)內(nèi)容在此并入作為參考。井下壓力傳感器可以連接光纜211，使得壓力測(cè)量可以傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備，以提供在地面考慮井眼處理的信息。此外，連接光纜211的井下壓力傳感器的測(cè)量可以用于識(shí)別處理篩選的開(kāi)始，在處理中的地下地層不再接收處理液。這種情況一般早于Nolte-Smith曲線圖中壓力的逐漸增加，這種逐漸增加一般僅用表面基礎(chǔ)壓力測(cè)量不能識(shí)別。因此，本發(fā)明提供有用的信息來(lái)識(shí)別壓力的逐漸增加，使操作員能夠調(diào)整處理參數(shù)，諸如速度和沙石濃度，以避免或使篩選條件的影響最小。
通常，在特殊地下地層的處理液的正確放置非常重要。在本發(fā)明的一個(gè)可替換實(shí)施例中，傳感器607是可用于確定撓性管設(shè)備在井600中的位置、并且還用于傳輸表示光纜211位置的必要數(shù)據(jù)的傳感器。傳感器例如是套筒接箍定位器(CCL)。由于實(shí)時(shí)地將撓性管的深度傳輸?shù)降孛婵刂茊卧?19，將壓裂儀器傳送到地面設(shè)備，有可能保證壓裂深度對(duì)應(yīng)于理想?yún)^(qū)域或孔間距。
淤積清除是另一項(xiàng)井眼操作，其中經(jīng)常采用撓性管。本發(fā)明具有這些優(yōu)點(diǎn)，在淤積清除時(shí)，在光纜211上實(shí)時(shí)提供信息，諸如淤積層高度和在沖洗噴嘴的砂石濃度。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供撓性管壓縮的井下測(cè)量可以改善操作，因?yàn)殡S著撓性管端部進(jìn)一步推入堅(jiān)硬的淤積這種壓縮會(huì)增加。根據(jù)本發(fā)明的有些實(shí)施例，井下傳感器可用于測(cè)量流體性能和影響流體性能的井眼參數(shù)，并通過(guò)電纜211將這些性能傳送到地面設(shè)備。在淤積清除操作期間，期望測(cè)量的流體性能和相關(guān)參數(shù)包括但不限于粘度和溫度。這些性能的監(jiān)控用于優(yōu)化在淤積清除操作中使用的流體的化合或混合。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，光學(xué)激活撓性管系統(tǒng)200用于提供清除參數(shù)，這些參數(shù)在Rolovic等人的美國(guó)專利申請(qǐng)“Apparatus and Methods for Measurement of Solids in aWellbore(測(cè)量井眼中固體的裝置和方法)”描述，它的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)柺荖o.11/101,116，其整個(gè)內(nèi)容在此并入作為參考。
現(xiàn)在來(lái)看圖7，表示采用本發(fā)明的光纖激活撓性管套提高淤積清除操作的示意圖。撓性管601用于將沖洗液送入井600中并施加到淤積703上。撓性管的井下端配備某種形式的噴嘴701。傳感器705連接光纜211。傳感器705可以測(cè)量用于淤積清除操作的各種性能，包括螺旋壓縮、壓力、溫度、粘度和密度。然后，這些性能通過(guò)光纜211上傳到地面設(shè)備，用于進(jìn)一步分析和清除過(guò)程的可能優(yōu)化。
在另一實(shí)施例中，噴嘴701可以配備多個(gè)可控制端口。在清除操作期間，噴嘴會(huì)堵塞或阻塞。通過(guò)選擇性地打開(kāi)可控制端口，選擇性地沖洗可控制端口可以清洗噴嘴。對(duì)于這種操作，采用光纜將來(lái)自地面的控制信號(hào)傳送到噴嘴701，指令噴嘴選擇性地沖洗一個(gè)或多個(gè)可控制端口。光信號(hào)可以激勵(lì)可控制端口，利用用電池操作的電激勵(lì)器激勵(lì)每個(gè)可控制端口，光信號(hào)用于控制電致動(dòng)器。另外，激勵(lì)器可以是光啟動(dòng)閥，其中通過(guò)光纖傳送的光強(qiáng)度激勵(lì)閥，產(chǎn)生合成的動(dòng)作，特別是選擇性地開(kāi)啟或關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)可控制端口。
在本發(fā)明有些實(shí)施例中，光纖激活撓性管裝置200的儀器或傳感器607包括照相機(jī)或用于清除氧化層的探測(cè)裝置。氧化層沉積在生成管的內(nèi)部，起限制作用，從而降低井的產(chǎn)量和/或增加采油成本。連接光纜211的照相機(jī)或探測(cè)裝置用于檢測(cè)生成管中存在的氧化層。在用照相機(jī)的情況下是攝影圖像，或者在用探測(cè)裝置的情況下是表示存在氧化層的數(shù)據(jù)，這些圖像或數(shù)據(jù)用光纜211從井下的照相機(jī)或探測(cè)裝置傳輸?shù)娇梢赃M(jìn)行分析的地面。
在另一可替換實(shí)施例中，儀器或傳感器607包括光纖控制閥。光纖控制閥連接光纜211，并且響應(yīng)地面設(shè)備的控制信號(hào)，該閥可用于混合或釋放化學(xué)藥品，以去除或抑制氧化層沉積。
在撓性管操作中，例如，激勵(lì)、水控制、和測(cè)試，經(jīng)常期望隔離井眼中特殊的開(kāi)放區(qū)，以保證所有泵送或產(chǎn)生的流體來(lái)自隔離的目的層。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光纖激活撓性管裝置200用于激勵(lì)區(qū)域控制設(shè)備。光纜211讓操作員用地面設(shè)備控制區(qū)域隔離設(shè)備，比利用現(xiàn)有技術(shù)的推挽和液壓命令可能更精確。區(qū)域隔離操作也獲益于實(shí)時(shí)獲得壓力、溫度和位置(例如，距離CCL)。
由于采用沿光纜211的光纖通信，區(qū)域隔離操作和測(cè)量有較大提高，因?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)不受使用螺旋泵送流體的干擾。而且，由于減少需要泵送的量，操作員利用在此所述的光纖通信來(lái)區(qū)域隔離預(yù)期能降低成本和節(jié)約時(shí)間。
本發(fā)明的實(shí)施例用于利用撓性管鉆孔。當(dāng)鉆孔時(shí)，關(guān)鍵是有良好的深度控制。然而，由于撓性管進(jìn)入井眼時(shí)剩余的彎曲和彎曲的路徑，撓性管操作的深度控制很困難。在現(xiàn)有技術(shù)的撓性管傳送操作中，通過(guò)與伸展預(yù)測(cè)程序或分離測(cè)量裝置結(jié)合使用的一系列存儲(chǔ)運(yùn)行，控制液壓激勵(lì)引爆頭引爆的深度。存儲(chǔ)方法既貴又費(fèi)時(shí)，利用分離裝置會(huì)增加時(shí)間和勞動(dòng)成本。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明的撓性管傳送鉆孔系統(tǒng)的示意圖，其中光線激活撓性管裝置200適于進(jìn)行鉆孔。套管接箍定位器801連接撓性管601，并且連接光纜211。還連接撓性管的是鉆孔工具803，例如，引爆頭。套管接箍定位器801將表示套管接箍位置的信號(hào)通過(guò)光纜傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備。鉆孔工具803也可以直接或間接地連接光纜211，從而當(dāng)套管接箍定位器測(cè)量到理想深度時(shí)，通過(guò)在光纜211上傳輸來(lái)自地面設(shè)備的光信號(hào)來(lái)激勵(lì)鉆孔工具803。
參照?qǐng)D9，示出井下流量控制的示意圖，其中光纖控制閥901和901’用于控制井眼和儲(chǔ)油層流體的流量。例如，控制閥901可以用于直接沿?fù)闲怨芟蛳卤盟土黧w到儲(chǔ)油層，或控制閥901’用于將流體向上流回圍繞撓性管601的環(huán)形空間。這種技術(shù)經(jīng)常稱為“測(cè)定點(diǎn)位”，用于適量的流體增加儲(chǔ)油層的情況，但是，事實(shí)上，太多的流體不利于地下地層的形成。在有些實(shí)施例中，本發(fā)明包括控制流量的特殊機(jī)構(gòu)，包括連接放大電路903或903’產(chǎn)生光信號(hào)并且將檢測(cè)的光變成電壓或電流源的感光檢測(cè)，其反過(guò)來(lái)驅(qū)動(dòng)閥901和901’的激勵(lì)器。小功率的電源可用于驅(qū)動(dòng)電放大電路903或903’。
一種通用的撓性管操作用于操縱井下完井附件，諸如滑動(dòng)套筒。一般這要操作具有完整部件的特殊設(shè)計(jì)的儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)，操縱撓性管，獲得完井部件的操縱。本發(fā)明用于部件的選擇操縱或在單程多于一個(gè)操縱。例如，如果操作員需要清潔井，并且具有激勵(lì)的完井部件，光纜211可以用于控制控制系統(tǒng)119的信號(hào)，以選擇性地在清除結(jié)構(gòu)和操縱結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)換。類似地，盡管有不相干的干擾，本發(fā)明用于檢驗(yàn)井眼中的設(shè)備的狀態(tài)或位置。
采用撓性管的另一井眼操作時(shí)捕撈遺失在井眼中的設(shè)備。一般說(shuō)來(lái)，捕撈需要特殊尺寸的抓具或尖端刀來(lái)閂住留在井眼中的最上部分，最上部分稱為魚(yú)(fish)。在有些實(shí)施例中，儀器或傳感器209是連接光纜的傳感器，用于證實(shí)魚(yú)被閂在打撈工具上。例如，傳感器是傳感魚(yú)的正確閂住的機(jī)械裝置或電裝置。傳感器連接光接口，光接口將正確閂住魚(yú)的檢測(cè)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并在光纜211上傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備。在另一實(shí)施例中，儀器或傳感器209可以是連接光纜的成像裝置(例如，照相機(jī)，從加利福尼亞的奧克斯納德的DHVInternational可以買到)，用于精確地確定魚(yú)的尺寸和形狀。成像裝置拍攝的圖像在光纜211上傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備。在另一實(shí)施例中，可調(diào)整捕撈工具連接光纜211，使得捕撈工具通過(guò)在光纜211上傳輸?shù)墓庑盘?hào)、可以由地面設(shè)備來(lái)控制，從而讓所需的捕撈工具大大地減少。在這個(gè)實(shí)施例中，儀器或傳感器209是光激勵(lì)裝置，類似于上述光激勵(lì)閥和端口。
在有些實(shí)施例中，本發(fā)明涉及測(cè)井或確定井眼性能的方法，包括將光纜伸入撓性管中，將撓性管上的測(cè)量?jī)x器伸入井眼中，利用測(cè)量?jī)x器測(cè)量性能，利用光纜傳送所測(cè)量的性能。撓性管和測(cè)量?jī)x器可以從井眼折返，在折返時(shí)進(jìn)行測(cè)量，或者在井處理操作的同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的性能可以實(shí)時(shí)傳送到地面設(shè)備。
在電纜測(cè)井中，一個(gè)或多個(gè)傳感器(例如，測(cè)量地層電阻率的傳感器)組合儀器，已知為探測(cè)器。探測(cè)器在電纜上降到井眼中，隨后，從井眼中抽回，同時(shí)采集測(cè)量值。電纜用于提供電力給探測(cè)器和采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄。利用撓性管裝置也進(jìn)行測(cè)井測(cè)量，其中電纜安裝到撓性管內(nèi)。本發(fā)明的光纖激活撓性管裝置具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，光纜211比電線更容易在撓性管中延伸。在光纖撓性管裝置的測(cè)井應(yīng)用中，儀器或傳感器209是測(cè)量井眼的物理性能或儲(chǔ)油層附近的巖石的測(cè)量裝置。在應(yīng)用時(shí)，儀器或傳感器209需要電力來(lái)測(cè)井或測(cè)量，這種電力可以用電池組或渦輪機(jī)來(lái)提供。然后，在有些應(yīng)用中，這種方法可以減小地面電源的尺寸和復(fù)雜性。
盡管已經(jīng)描述和圖示具體的實(shí)施例，本發(fā)明不限于所述和所示零件的具體形式或布置。一旦完全理解上述公開(kāi)，許多變化和變型對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。應(yīng)該注意，本發(fā)明應(yīng)解釋為包含所有這些變化和變型。
本申請(qǐng)要求基于2004年5月28日申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)no.60/575,327的在先權(quán)益。
權(quán)利要求
1.一種處理井眼橫穿的地下地層的方法，包括以下步驟將光纜伸入撓性管中；將撓性管伸入井眼中；進(jìn)行井處理操作；測(cè)量井眼中的性能；和利用光纜傳送所測(cè)量的性能。
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中井處理操作至少包括一個(gè)可調(diào)整參數(shù)。
3.如權(quán)利要求
2所述的方法，還包括調(diào)整所述井處理操作的所述至少一個(gè)參數(shù)。
4.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中在測(cè)量性能的同時(shí)，進(jìn)行井處理操作。
5.如權(quán)利要求
3所述的方法，其中在測(cè)量性能的同時(shí)，調(diào)整所述井處理操作的所述至少一個(gè)參數(shù)。
6.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中井處理操作包括將至少一種流體注入井眼中。
7.如權(quán)利要求
6所述的方法，其中井處理操作包括將至少一種流體注入撓性管中。
8.如權(quán)利要求
6所述的方法，其中井處理操作包括將至少一種流體注入撓性管外面的井眼環(huán)形空間。
9.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中井處理操作包括將至少一種流體注入撓性管中，和將至少一種流體注入撓性管外面的井眼環(huán)形空間。
10.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中測(cè)量性能和利用光纜傳送所測(cè)量的性能實(shí)時(shí)進(jìn)行。
11.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所測(cè)量的性能選自由壓力、溫度、pH值、沉淀量、流體溫度、深度、存在的氣體、化學(xué)發(fā)光、伽馬射線、電阻率、鹽度、流體流動(dòng)、流體可壓縮性、儀器位置、套筒接箍定位器的存在、儀器狀態(tài)和儀器方向組成的組。
12.如權(quán)利要求
4所述的方法，其中所測(cè)量的性能是壓力，井處理操作還包括將所述壓力保持在預(yù)定限度以下的步驟。
13.如權(quán)利要求
2所述的方法，其中所述至少一個(gè)參數(shù)選自由流體注射量、一組注射流體中每種流體的相對(duì)比例、一組注射材料中每種材料的化學(xué)濃度、泵入環(huán)形空間的流體與泵入撓性管的流體的相對(duì)比例、要釋放的催化劑的濃度、聚合物的濃度、支撐劑的濃度、和撓性管的位置組成的組。
14.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所測(cè)量的性能由井間隔上測(cè)量值的分布范圍組成。
15.如權(quán)利要求
14所述的方法，其中井間隔是在多邊井的分支內(nèi)。
16.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中撓性管定位成將流體提供到地下地層，井處理操作激勵(lì)地層的碳?xì)浠衔锏牧髁俊?br>17.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中撓性管定位成將流體提供到地下地層，井處理操作阻止地層的水的流動(dòng)。
18.如權(quán)利要求
6所述的方法，其中所述流體中的至少一種起泡。
19.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中井處理操作包括經(jīng)由光纜與井眼中的儀器通信。
20.一種進(jìn)行在地下井眼中操作的方法，包括將光纜延伸到撓性管中；將撓性管延伸到井眼中；和進(jìn)行選自下面的至少一個(gè)處理步驟通過(guò)光纜將控制系統(tǒng)的控制信號(hào)傳輸?shù)竭B接撓性管的井眼設(shè)備；通過(guò)光纜將井眼設(shè)備的信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)；通過(guò)光纜將由光纜測(cè)量的性能傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。
21.如權(quán)利要求
20所述的方法，還包括從井眼收回?fù)闲怨堋?br>22.如權(quán)利要求
21所述的方法，還包括將光纜留在井眼中。
23.如權(quán)利要求
20所述的方法，其中通過(guò)將流體泵入撓性管中，將光纜伸入撓性管。
24.如權(quán)利要求
20所述的方法，還包括測(cè)量性能。
25.如權(quán)利要求
24所述的方法，其中所述性能實(shí)時(shí)測(cè)量。
26.如權(quán)利要求
24所述的方法，其中所測(cè)量的性能選自底孔壓力、底孔溫度、分布溫度、流體電阻率、pH值、壓縮/拉緊、力矩、井下流體流動(dòng)、井下流體可壓縮性、儀器位置、伽馬射線、儀器方向、堅(jiān)硬層高度、和套筒接箍位置的組。
27.如權(quán)利要求
26所述的方法，其中所述性能選自分布溫度、儀器位置和儀器方向，井眼是多邊井。
28.一種用于進(jìn)行在井眼中操作的裝置，包括適于設(shè)置在井眼中的撓性管；地面控制設(shè)備；至少一種連接撓性管的井眼裝置；裝在撓性管中并且連接井眼裝置和地面控制設(shè)備的每一個(gè)的光纜，該光纜至少包括一根光纖，從而可以傳輸光信號(hào)a)從至少一個(gè)井眼裝置到地面控制設(shè)備，b)從地面控制設(shè)備到至少一個(gè)井眼裝置，或c)從至少一個(gè)井眼裝置到地面控制設(shè)備和從地面控制設(shè)備到至少一個(gè)井眼裝置。
29.如權(quán)利要求
28所述的裝置，其中井眼裝置包括測(cè)量性能和產(chǎn)生輸出的測(cè)量裝置，和將測(cè)量裝置的輸出轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的接口裝置。
30.如權(quán)利要求
29所述的裝置，其中性能測(cè)量選自壓力、溫度、分布溫度、pH值、沉淀量、流體溫度、深度、化學(xué)發(fā)光、伽馬射線、電阻率、鹽度、流體流動(dòng)、流體可壓縮性、粘度、壓縮、應(yīng)力、張力、儀器位置、儀器狀態(tài)、儀器方向的組及其組合。
31.如權(quán)利要求
28所述的裝置，還包括進(jìn)入多邊井預(yù)定分支的裝置。
32.如權(quán)利要求
28所述的裝置，還包括響應(yīng)光信號(hào)調(diào)整操作的裝置，光信號(hào)由地面控制設(shè)備從至少一個(gè)井眼裝置接收。
33.如權(quán)利要求
28所述的裝置，其中光纜包括多于一根的光纖，其中光信號(hào)可以通過(guò)光纖從地面和控制設(shè)備傳輸?shù)街辽僖粋€(gè)井眼裝置，光信號(hào)可以通過(guò)不同的光纖從至少一個(gè)井眼裝置傳輸?shù)降孛婵刂圃O(shè)備。
34.如權(quán)利要求
28所述的裝置，其中井眼裝置選自照相機(jī)、測(cè)徑器、探針、套筒接箍定位器、傳感器、溫度傳感器、化學(xué)傳感器、近程傳感器、壓力傳感器、電傳感器、激勵(lì)器、測(cè)流裝置、光學(xué)激活儀器、化學(xué)分析器、閥激勵(lì)器、引爆頭激勵(lì)器、儀器激勵(lì)器、換向閥、檢測(cè)閥、和流體分析器。
35.如權(quán)利要求
28所述的裝置，其中光纜包括圍繞至少一根光纖的金屬管。
36.如權(quán)利要求
28所述的裝置，還至少包括光纜的地面終端和井下終端中的至少一個(gè)。
37.一種利用權(quán)利要求
28所述的裝置、在井眼中操作的方法，選自基層激勵(lì)、淤積清除、壓裂、氧化層清除、區(qū)域隔離、鉆孔、井下流動(dòng)控制、井下完井操縱、測(cè)井、捕撈、鉆井、選礦、測(cè)量物理性能、在井中定位一臺(tái)設(shè)備、在井眼中定位具體特征、控制閥、和控制儀器。
38.如權(quán)利要求
28所述的裝置，其中光纜包括多于一根光纖，還包括至少連接兩根光纖的井下終端。
39.一種確定井眼性能的方法，包括以下步驟將光纜伸入撓性管中；將測(cè)量?jī)x器伸入撓性管中；利用測(cè)量?jī)x器測(cè)量性能；和利用光纜傳送所測(cè)量的性能。
40.如權(quán)利要求
39所述的方法，還包括從井眼收回?fù)闲怨芎蜏y(cè)量?jī)x器。
41.如權(quán)利要求
39所示的方法，還包括測(cè)量性能的同時(shí)，從井眼收回?fù)闲怨芎蜏y(cè)量?jī)x器。
42.如權(quán)利要求
39所述的方法，其中所測(cè)量的性能實(shí)時(shí)傳送。
43.如權(quán)利要求
42所述的方法，其中在進(jìn)行井處理操作的同時(shí)，測(cè)量性能。
44.如權(quán)利要求
39所述的方法，還包括為了測(cè)量?jī)x器的深度和移動(dòng)調(diào)整所測(cè)量的性能。
45.一種在井眼中工作的方法，包括以下步驟將光纜伸入撓性管中；將撓性管伸入井中；和執(zhí)行操作；其中所述操作由通過(guò)光纜傳輸?shù)男盘?hào)控制。
專利摘要
一種具有光纜的裝置，其中光纜設(shè)置在撓性管中、用于在井下儀器和傳感器與地面設(shè)備之間通信信息，和操作這種設(shè)備的方法。利用光纜激活撓性管進(jìn)行的井眼操作包括通過(guò)光纜、將地面設(shè)備的控制信號(hào)傳輸?shù)骄略O(shè)備，通過(guò)光纜將從至少一個(gè)井下傳感器收集的信息傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備，或通過(guò)測(cè)量在光纜上觀察的光學(xué)性能采集信息。連接光纜的井下儀器或傳感器包括直接操縱或響應(yīng)光信號(hào)的裝置，或包括根據(jù)常規(guī)原理操作的儀器或傳感器。
文檔編號(hào)E21B47/12GK1993533SQ20058002557
公開(kāi)日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年5月26日
發(fā)明者約翰·R·洛弗爾, 邁克爾·G·蓋伊, 薩爾馬德·阿德南, 基恩·澤姆萊克 申請(qǐng)人:施藍(lán)姆伯格技術(shù)公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan