УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНТЕРФЕРОМЕТРА САНЬЯКА В ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ С ВЫСОКОЙ СКОРОСТЬЮ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
DEVICE AND METHOD OF IMPULSES DETERMINATION, USING THE SAGNAC INTERFEROMETER IN THE TELEMETRY SYSTEM WITH HIGH SPEED OF DATA TRANSMISSION

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящее изобретение притязает на приоритет предварительной патентной заявки США № 61/818,683 с названием «Усовершенствованная система для определения импульсов с использованием интерферометра Саньяка», опубликованной 2 мая 2013 года, которая полностью включена в настоящую заявку во всех отношениях посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Системы подземного бурения могут использовать телеметрические системы для передачи телеметрических данных от подземной аппаратуры на системы обработки информации, расположенные на поверхности. Эти телеметрические системы могут содержать телеметрические системы с гидроимпульсным каналом связи, которые генерируют импульсы давления в потоке бурового раствора. Эти импульсы давления могут быть определены на поверхности. В некоторых случаях в телеметрических системах может быть необходима передача данных с высокой скоростью, что может потребовать высокоскоростной передачи данных от телеметрической системы и высокоэффективного определения импульсов на поверхности. Одним из примеров устройства для определения импульсов является интерферометр Саньяка, который может обеспечивать информацию, относящуюся к возмущениям или вибрациям внутри оптоволоконного контура, путем генерирования светового сигнала с предварительно заданной длиной волны, передачи этого светового сигнала по оптоволоконному контуру и путем определения сдвига фазы результирующего когерентного света. Однако обычные интерферометры Саньяка являются чувствительными к внешним шумам и вибрациям, что может снизить их способность к определению высокочастотных импульсов давления.
Краткое описание чертежей
Некоторые конкретные варианты настоящего раскрытия могут поняты, в частности, из нижеследующего описания и прилагаемых чертежей.
Фиг. 1 показывает чертеж иллюстративной буровой системы, согласно аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 2 показывает чертеж иллюстративной оптической архитектуры кольцевого интерферометра Саньяка, согласно аспектам настоящего раскрытия.
Фиг. 3 показывает чертеж эталонного контура, согласно аспектам настоящего раскрытия.
Фиг. 4 показывает иллюстративный прототип оптоволоконной ослабляющей петли, согласно аспектам настоящего раскрытия.
Фиг. 5А показывает иллюстративный кольцевой интерферометр Саньяка, согласно аспектам настоящего раскрытия.
Фиг. 5В показывает иллюстративный кольцевой интерферометр Саньяка, согласно аспектам настоящего раскрытия.
Хотя варианты реализации настоящего раскрытия были изображены, раскрыты и определены со ссылками на иллюстративные варианты данного раскрытия, эти ссылки не накладывают ограничений на данное раскрытие и не должны предполагать таких ограничений. Раскрытый предмет изобретения допускает значительные модификации, изменения и эквиваленты по форме и функциям, которые будут понятны специалистам в соответствующей области техники благодаря идеям, изложенным в настоящем раскрытии. Изображенные и раскрытые здесь варианты настоящего раскрытия являются всего лишь примерами и не исчерпывают всего объема раскрытия.
Осуществление изобретения
Настоящее раскрытие относится к использованию интерферометра Саньяка для определения малых изменений длины или диэлектрической постоянной сенсорного контура в присутствии динамических возмущений, создаваемых во время операций бурения скважины и, более конкретно, к определению импульсов высокоскоростной телеметрии с использованием интерферометра Саньяка.
Для целей настоящего раскрытия система обработки информации может содержать инструмент или множество инструментов, выполненных с возможностью вычисления, классификации, обработки, передачи, приема, поиска, создания, переключения, хранения, отображения, описания, определения, записи, воспроизведения, манипулирования или использования любых видов информации, сведений или данных для бизнеса, науки, управления или других целей. Например, система обработки информации может представлять собой персональный компьютер, сетевое запоминающее устройство или любое другое подходящее устройство и может варьироваться по размеру, форме, характеристикам, функциям и цене. Система обработки информации может содержать запоминающее устройство с произвольным доступом (RAM), один или более процессорных ресурсов, таких как центральный процессор (CPU) или аппаратные или программные логические средства управления, ПЗУ и/или другие типы энергонезависимых запоминающих устройств. Дополнительные компоненты системы обработки информации могут включать в себя один или более дисководов, один или более сетевых портов для связи с внешними устройствами, а также различные устройства ввода/вывода (I/O), такие как клавиатура, мышь и дисплей. Система обработки информации может также содержать одну или более шин, выполненных с возможностью передачи данных между различными аппаратными компонентами. Она может также содержать один или более интерфейсных модулей, имеющих возможность передачи одного или более сигналов на контроллер, привод или другое устройство.
Для целей настоящего раскрытия любой инструмент или группа инструментов может содержать машиночитаемый носитель записи, который может хранить данные и/или команды в течение надлежащего промежутка времени. Машиночитаемый носитель записи может содержать, в качестве неограничительных примеров, запоминающее устройство с непосредственным доступом (например, накопитель на ленте или на диске), компакт-диск, CD-ROM, DVD, ОЗУ, ПЗУ, электрически стираемое и программируемое ПЗУ (ЭСППЗУ) и/или флэш-память; а также средства связи, такие как электрические провода, оптические волокна и другие средства для передачи микроволн, радиоволн и других электромагнитных и/или оптических сигналов; и/или комбинации вышеперечисленных. Любой из вышеупомянутых машиночитаемых носителей может хранить набор команд, которые, при их выполнении процессором, соединенным с этим носителем с возможностью связи, инициируют выполнение этим процессором определенных шагов или действий.
Ниже подробно описаны иллюстративные варианты настоящего раскрытия. В целях понятности, не все отличительные особенности вариантов реализации могут быть раскрыты в настоящем описании. Разумеется, следует понимать, что при реализации любого из этих конкретных вариантов должны приниматься различные решения, ориентированные на достижение конкретных целей, которые, в свою очередь, будут меняться в зависимости от конкретных вариантов реализации. Кроме того, следует понимать, что хотя работы по реализации могут оказаться сложными и трудоемкими, однако даже специалисты с обычной квалификацией в данной области техники без труда справятся с ними, пользуясь преимуществами настоящего раскрытия.
Для обеспечения лучшего понимания настоящего раскрытия приведены нижеследующие примеры конкретных вариантов реализации. Нижеследующие примеры никоим образом не должны интерпретироваться как ограничивающие или определяющие объем настоящего раскрытия. Варианты настоящего раскрытия могут быть применены к буровым операциям, которые включают, но не ограничиваются ими, следование вдоль объекта (такого как соседняя скважина), пересечение объекта, определение местонахождения объекта, соединение с объектом, таким как скважинная структура SAGD (парогравитационная скважина), бурение перепускных скважин для фонтанирующих скважин, пересечение реки, проходку конструкционных тоннелей, а также бурение горизонтальных, вертикальных, наклонных и многоствольных скважин, скважин для присоединения u-образных труб, пересечения, обвода (бурение в обход инструмента, прихваченного в средней по глубине части скважины, с возвратом в нижележащую часть скважины), или бурение иных нелинейных скважин в любых типах подземных формаций. Варианты могут быть применены к нагнетательным скважинам, стимулирующим скважинам и эксплуатационным скважинам, включая скважины для добычи природных ресурсов, таких как сероводород и углеводороды, геотермальным скважинам; а также к скважинным конструкциям для сооружения тоннелей при пересечении реки и другим подобным тоннельным скважинам для приповерхностных конструкционных целей или под u-образные скважинные трубы, используемые для транспортировки текучих сред, таких как углеводороды. Варианты, раскрытые ниже в отношении одной сферы реализации, не предназначены для ограничения.
Современные технологии бурения и добычи нефти требуют информации, относящейся к параметрам скважины и условиям бурения. Существует несколько способов сбора информации о скважине, в том числе каротаж во время бурения («LWD») и измерения во время бурения («MWD»). При LWD сбор данных обычно осуществляется во время процесса бурения и таким образом устраняется какая-либо необходимость в извлечении бурового снаряда для введения кабельного каротажного зонда. Следовательно, LWD обеспечивает возможность для бурильщика осуществлять точные модификации или коррекции в реальном времени для оптимизации технических характеристик при одновременной минимизации простоев. Термин MWD означает измерение скважинных условий, относящихся к перемещению и местонахождению бурового снаряда, в то время, когда бурение непрерывно продолжается. LWD в большей степени предназначен для измерения параметров формации. Хотя различия между MWD и LWD возможны, термины MWD и LWD часто используются как взаимозаменяемые. Для целей настоящего раскрытия будет использоваться термин LWD в предположении, что он охватывает как сбор параметров формации, так и сбор информации, относящейся к перемещению и местонахождению бурового снаряда.
Используемые здесь термины «соединяться» и «соединять» могут означать непрямое или прямое соединение. Таким образом, если первое устройство соединено со вторым устройством, это соединение может быть прямым соединением или непрямым механическим или электрическим соединением через другие устройства и соединения. Аналогичным образом, используемый здесь термин «соединен с возможностью связи» означает прямое или непрямое соединение с возможностью связи. Такое соединение может быть проводным или беспроводным соединением, например таким, как Ethernet или локальная сеть. Таким образом, если первое устройство соединено с возможностью связи со вторым устройством, это соединение может быть прямым соединением или непрямым соединением через другие устройства и соединения. Используемые здесь неопределенные английские артикли «а» или «an» могут означать единственное или множественное число существительных, к которым они относятся. Используемый здесь термин «вверх по скважине» означает «вдоль бурильной колонны или в направлении от дальнего конца к поверхности», а используемый здесь термин «вниз по скважине» означает «вдоль бурильной колонны или в направлении от поверхности к дальнему концу».
Фиг. 1 показывает чертеж иллюстративной буровой системы 100, согласно аспектам настоящего раскрытия. В изображенном варианте система 100 содержит буровую вышку 102, закрепленную на полу 104, который находится в контакте с поверхностью 106 формации 108 через опоры 110. Формация 108 может состоять из множества пластов 108а-е, каждый из которых может быть образован породами различных типов с различными характеристиками. По меньшей мере некоторые из пластов могут быть пористыми и содержать защемленные в порах жидкости и газы 108а-е. Хотя система 100 представляет собой «береговую» буровую систему, в которой пол 104 находится на или вблизи земной поверхности, возможны также аналогичные «морские» буровые системы, отличающиеся тем, что пол 104 отделен от земной поверхности 106 толщей воды.
Буровая вышка 102 может содержать талевый блок 112 для подъема или опускания бурильной колонны 114, расположенной внутри скважины 116 в формации 108. Электродвигатель 118 может управлять положением талевого блока 112 и, следовательно, бурильной колонны 114. Вертлюг 120 может быть присоединен между талевым блоком 112 и ведущей бурильной трубой 122, которая поддерживает бурильную колонну 114, когда она опускается через роторный стол 124. Буровое долото 126 может быть соединено с бурильной колонной 114 через оборудование 160 низа бурильной колонны (ВНА) и приводится посредством скважинного двигателя (не показан) и/или в результате вращения бурильной колонны 114 посредством роторного стола 124. Когда долото 126 вращается, оно формирует скважину 116, которая проходит через один или более пластов или слоев формации 108.
Бурильная колонна 114 может проходить вниз через переходный ниппель 128, противовыбросовый превентор (ПВП) 130 и устьевую арматуру 132 внутрь скважины 116. Устьевая арматура 132 может содержать часть, которая входит внутрь скважины 116. В некоторых вариантах устьевая арматура 132 может быть закреплена внутри скважины 116 с помощью цемента. ПВП 130 может быть соединен с устьевой арматурой 132 и переходным ниппелем 128 и вместе с этим ниппелем 128 может работать на предотвращение выбросов избыточных давлений из формации 108 и скважины 116 на поверхность 106. Например, ПВП 130 может представлять собой ПВП плашечного типа, который запирает кольцевое пространство между бурильной колонной 114 и скважиной 116 в случае выброса.
Во время бурильных операций буровой раствор, например шлам, может закачиваться в скважину 116 и приниматься из нее. Более конкретно, буровая система может содержать насос 134 для раствора, который может осуществлять подачу бурового раствора из резервуара 136 через всасывающую линию 138 в бурильную колонну 114 через вертлюг 120 и один или более трубопроводов для текучей среды, включая трубу 140 для текучей среды, стояк 142 и шланг 144 вертлюга. При этом трубопровод для текучей среды может содержать любую трубу, шланг или канал для текучей среды общего назначения, через который может протекать буровой раствор. Будучи введенным через вертлюг 120, буровой раствор затем может втекать в нижележащую скважину через бурильную колонну 114 и ВНА 160, вытекать в месте бурового долота 126 и возвращаться вверх через кольцевое пространство 146 между бурильной колонной 114 и стенкой скважины 116 в варианте с открытой скважиной или между бурильной колонной 114 и обсадной трубой (не показана) в варианте с обсаженной скважиной. При нахождении внутри скважины 116 буровой раствор может захватывать жидкости и газы из формации 108, а также твердые частицы или выбуренную породу, вырабатываемые буровым долотом 126, контактирующим с формацией 108. Буровой раствор затем может протекать к устройствам 150 и 152 для обработки бурового раствора через возвратную линию 148 после вытекания из кольцевого пространства 146 через переходный ниппель 128.
ВНА 160 содержит LWD/MWD-зонд 162 с одним или более датчиками, который может осуществлять сбор измерительных данных, относящихся к формации 108 и/или к буровой системе 100. ВНА 160 дополнительно содержит телеметрическую систему 164, соединенную с LWD/MWD-зондом 162. В некоторых вариантах телеметрическая система 164 может принимать измерительные данные от LWD/MWD-зонда 162 и передавать телеметрические данные, соответствующие принятым измерительным данным, на поверхность 106. В изображенном варианте телеметрическая система 164 может содержать генератор импульсов давления в столбе бурового раствора с контроллером, который принимает измерительные данные от LWD/MWD-зонда 162 и передает телеметрические данные, соответствующие этим измерительным данным, на поверхность 106 в виде сигналов давления 166 внутри циркулирующего бурового раствора. Эти сигналы давления 166 могут содержать импульсы давления, которые распространяются вверх внутри бурильной колонны 114 в направлении насоса 134 через ведущую бурильную трубу 122, шланг 144 ведущей бурильной трубы, стояк 142 и трубу 140.
Сигналы давления 166 могут приниматься одним или более детекторами 168 импульсов. В изображенном варианте детекторы 168 импульсов показаны как соединенные с трубопроводами для текучей среды системы 100 - ведущей бурильной трубой 122, стояком 142 и трубой 140 для текучей среды - хотя эти детекторы 168 импульсов могут быть расположены повсюду внутри буровой системы, где они будут открыты импульсам давления 166. Детекторы 168 импульсов могут быть соединены с возможностью связи с системой 170 обработки информации, расположенной на поверхности, например, через проводной или беспроводной канал связи. Система 170 обработки информации может принимать выходные сигналы детекторов 168 импульсов, соответствующие импульсам давления 166, и экстраполировать измерительные данные от LWD/MWD-зонда 162, основанные, по меньшей мере частично, на этих выходных сигналах. Хотя показаны три детектора 168 импульсов, буровые системы согласно аспектам настоящего раскрытия могут содержать один или более детекторов импульсов.
Согласно аспектам настоящего раскрытия, по меньшей мере один из детекторов 168 импульсов может содержать контур из оптического материала, такого как оптическое волокно, намотанного вокруг трубопровода для текучей среды, в котором распространяются сигналы давления 166. В некоторых вариантах этот оптический контур может представлять собой контур Саньяка и использоваться в качестве части кольцевого интерферометра Саньяка для обнаружения импульсов давления внутри трубопровода для текучей среды на основе световых волн, распространяющихся в противоположных направлениях вдоль асимметричного оптического контура, содержащего сенсорную секцию для обнаружения импульсов давления и секцию задержки светового сигнала, с соответствующими присоединительными выводами. Свет может воссоединяться в детекторе, где может быть определена создаваемая интерференционная картина и может быть измерено интегральное значение возмущения по всему контуру. Результирующие измерительные данные могут содержать информацию, относящуюся к физическим возмущениям или вибрациям внутри замкнутого контура интерферометра Саньяка, соответствующим сигналам давления 166.
Фиг. 2 показывает чертеж иллюстративного интерферометра 200 Саньяка, который может быть встроен в систему для определения импульсов аналогично тому, как это было описано выше, согласно аспектам настоящего раскрытия. Интерферометр 200 может содержать источник 202 света, оптически соединенный с оптическим разветвителем 204 через оптический тракт 206. В данном случае оптический тракт может содержать оптические волокна или другие средства передачи, которые имеют возможность передачи света от одного своего конца к другому. Оптический разветвитель 204 может содержать волоконный соединитель. Термин «оптически соединенный» и его вариации могут относиться к соединению, в котором свет может передаваться между двумя элементами, которые оптически соединены между собой. Источник света 202 может представлять собой лазер, светодиод (LED) или любой другой источник света, пригодный для передачи света по оптическому тракту. В изображенном варианте оптический разветвитель 204 содержит четыре вывода 204а-d, а источник света 202 соединен с оптическим разветвителем 204 через вывод 204а. Выводы 204b и 204c могут быть оптически соединены через асимметричный замкнутый оптический контур, содержащий оптический тракт 210, эталонный контур 212, сенсорный контур 208 и оптический тракт 214. Более конкретно, вывод 204b может быть оптически соединен с эталонным контуром 212 через оптический тракт 210, эталонный контур 212 может быть оптически соединен с сенсорным контуром 208, и сенсорный контур 208 может быть оптически соединен с выводом 204с через оптический тракт 214, с образованием замкнутого контура Саньяка между выводами 204b и 204c. Сенсорный контур 208 образует сенсорную секцию вышеописанного контура Саньяка и может содержать катушку или петлю из оптического волокна, аналогичного оптическому волокну оптических трактов. Эталонный контур 212 может иметь аналогичную структуру и образует секцию задержки светового сигнала, которая действует как задерживающая асимметричная часть внутри контура Саньяка. Интерферометр 200 может дополнительно содержать фотодетектор 216, соединенный с выводом 204d оптического разветвителя 204 через оптический тракт 218.
При использовании, источник света 202 может излучать световую волну или луч, который разветвляется на две или более волн в разветвителе 204, и одна часть света выходит через вывод 204b, а другая часть одновременно с этим выходит через вывод 204с. Световая волна, выходящая через вывод 204b, может приниматься через вывод 204с, проходя таким образом в целом по часовой стрелке, как показано на фиг. 2. Световая волна, выходящая через вывод 204с, может приниматься выводом 204b, проходя таким образом в целом против часовой стрелки, как показано на фиг. 2. В последующем раскрытии световая волна, проходящая в целом по часовой стрелке, будет именоваться волной ЧС, а волна, проходящая в целом против часовой стрелки, будет именоваться волной ПЧС. Эти направления не являются ограничительными, относятся только к ориентации на фиг. 2 и не относятся конкретно к направлениям, в которых свет может проходит через отдельные оптические элементы, такие как сенсорный контур 208 и эталонный контур 212.
Как было раскрыто выше, сенсорный контур 208 может быть намотан вокруг трубопровода для текучей среды внутри буровой системы для обнаружения импульсов, соответствующих телеметрическим данным. При отсутствии импульсов давления или других возмущений в сенсорном контуре 208, световые волны ЧС и ПЧС могут распространяться от вывода 204b к выводу 204с и от вывода 204с к выводу 204b соответственно, по существу в одно и то же время и по существу в одинаковой форме. При своем поступлении в разветвитель 204 световые волны ЧС и ПЧС могут совпадать по фазе при своем воссоединении, и воссоединенный свет может иметь характеристики, такие как фаза, цвет, интенсивность и т.п., аналогичные характеристикам световой волны, излучаемой источником света 202, или набору ожидаемых характеристик, обусловленных принципом действия и физическими ограничениями данного интерферометра. При наличии импульсов давления или других возмущений внутри сенсорного контура 208 эти возмущения могут вызывать временные физические изменения внутри контура 208 в результате растяжения оптического волокна контура 208 или изменения плотности оптического волокна контура 208 из-за воздействия на диэлектрическую постоянную/показатель преломления волокна. Эти физические изменения могут привести к изменению времени распространения световой волны ПЧС по сенсорному контуру 208, изменяя тем самым фазу волны ПЧС относительно волны ЧС. Любое искажение волны ПЧС во время ее прохождения по сенсорному контуру 208 будет наложено на волну ЧС, которая проходит по сенсорному контуру 208 после волны ПЧС в результате задержки, вызванной эталонным контуром 212. Искаженные волны ЧС и ПЧС могут поступать в оптический разветвитель 204 в различные моменты времени, создавая изменение интенсивности света, обусловленное моментальной разностью фаз волн ЧС и ПЧС. Импульсы давления или другие внешние возмущения, влияющие на распространение волн по сенсорному контуру 208, могут быть обнаружены на основе этих волн и результирующих флуктуаций интенсивности света. В некоторых вариантах оптические тракты 210 и 214 могут содержать деполяризаторы, например деполяризаторы Лио, для скремблирования поляризации волн ЧС и ПЧС и обеспечения того, чтобы конструктивная и деструктивная интерференция между искаженными волнами не перекашивалась и не теряла четкость под действием искаженной поляризации света в волнах ЧС и ПЧС.
Фотодетектор 216 может принимать воссоединенный свет и генерировать выходной сигнал, соответствующий этому воссоединенному свету. В некоторых вариантах система обработки информации (не показана), соединенная с возможностью связи с фотодетектором 216, может, на основе набора исполняемых команд, хранящихся внутри этой системы обработки информации, принимать выходной сигнал от фотодетектора 216, на основе этого выходного сигнала определять характеристику воссоединенного света (например, интенсивность) и сравнивать полученную характеристику воссоединенного света с соответствующей характеристикой излученного света или с соответствующими ожидаемыми характеристиками воссоединенного света, которые определяются физическими ограничениями интерферометра 200, как было раскрыто выше. Если полученная характеристика воссоединенного света отличается от соответствующей характеристики излученного света или соответствующих ожидаемых характеристик воссоединенного света, это может указывать на то, что внутри сенсорного контура 208 имели место возмущения, такие как импульсы давления.
Эталонный контур 212 может функционировать в качестве элемента задержки для искажения волны ПЧС в сенсорном контуре 208, так что волны ЧС и ПЧС могут поступать в разветвитель в различные моменты времени и, следовательно, с разностью по фазе, что приводит к флуктуации интенсивности воссоединенного света. Тем не менее, эталонный контур 208, как и сенсорный контур, может быть чувствительным к внешним шумам, вибрациям и другим возмущающим воздействиям, и такие возмущающие воздействия в сенсорном контуре 212 могут вызвать задержку или иным образом изменить волны ЧС и/или ПЧС, аналогично тому, как эти волны задерживаются или подвергаются иным воздействиям внутри сенсорного контура 208. Соответственно, эти возмущения внутри эталонного контура 212 могут изменить характеристики воссоединенного света аналогично возмущениям внутри сенсорного контура 208, добавляя неопределенность и шумы, которые снижают эффективность интерферометра 200 при определении возмущений в области наличия сенсорного контура 208. Как будет раскрыто ниже, для улучшения рабочих характеристик эталонный контур 212 может содержать контур, сложенный вдвое, минимизирующий величину возможного изменения фазы в эталонном контуре 212.
Согласно аспектам настоящего изобретения, рабочие характеристики могут быть дополнительно улучшены, если эталонный контур 212 расположен внутри корпуса 220, который может защищать эталонный корпус 212 от внешних шумов и вибраций, вызывающих изменения фазы, не связанные с изменениями внутри эталонного контура 208. Корпус 220 может представлять собой герметизированный воздухонепроницаемый и/или водонепроницаемый корпус, который защищает эталонный контур 212 от окружающей среды. Корпус 220 может быть выполнен из металла или пластмассы, а в некоторых вариантах для ослабления воздействия на систему внешних вибраций, вызывающих изменения в эталонном контуре 212, может использоваться эластомерное или другое мягкое покрытие. Дополнительно, корпус 220 может быть заполнен эластомерным или восковым материалом для амортизации воздействия внешних вибраций на эталонный контур 212. В изображенном варианте указанный корпус содержит оптические соединители 222 и 224, через которые оптические элементы внутри корпуса 220 могут быть оптически соединены с внешними оптическими элементами без раскрытия или иного воздействия на содержимое корпуса 220. Оптические соединители 222 и 224 могут быть встроены в корпус для обеспечения возможности формирования надлежащего уплотнения вокруг этих соединителей 222 и 224. Хотя соединители 222 и 224 изображены в виде двойных соединителей, в местах, где показан каждый из этих соединителей, могут быть установлены по два отдельных соединителя.
В изображенном варианте оптические элементы внутри корпуса 220, включая оптический разветвитель 204, оптические тракты 210 и 214 и эталонный контур 212, могут образовывать эталонный модуль 226 интерферометра 200. Оптический соединитель 222 может использоваться для оптического соединения эталонного модуля 226 с модулем ввода/вывода 228 интерферометра 200, состоящим из источника света 202, фотодетектора 216 и оптических трактов 216 и 218. С другой стороны, оптический соединитель 224 может использоваться для оптического соединения эталонного модуля 226 с сенсорным модулем 230, содержащим сенсорный контур 208. При этом положение элементов относительно корпуса 220 может быть изменено. Например, источник света 202 и фотодетектор 216 могут находиться внутри корпуса 220 вместе с другими компонентами или находиться на удалении от корпуса, как показано на чертеже. В некоторых вариантах источник света 202 и фотодетектор 216 могут быть расположены внутри корпуса на большом расстоянии от остальной части системы в регулируемой среде, благодаря чему обеспечивается возможность использования сенсорного контура 208 и эталонного контура 212 в агрессивной (взрывоопасной) атмосфере без опасений по поводу электрических компонент, являющихся источником возгорания.
Согласно аспектам настоящего раскрытия, сенсорный контур 208 может содержать части, которые по существу намотаны в противоположных направлениях для света, проходящего по контуру 208. Эти части могут содержать концы единственного оптического волокна или двух оптических волокон, которые соединены путем сращивания или иным образом соединены друг с другом. В изображенном варианте сенсорный контур 208 содержит единственное сложенное оптическое волокно 234 с первым концом 234а и вторым концом 234b. В изображенном варианте волокно 234 согнуто пополам (вдвое), со средней точкой 232а этого волокна, расположенной в ослабляющем петлевом сегменте 232 волокна 234. Ослабляющий петлевой сегмент 232 обеспечивает возможность складывания оптического волокна 234 без разрыва, образования складок, чрезмерного натяжения и других изменений оптического канала. В некоторых вариантах внутри ослабляющего петлевого сегмента 232 может быть размещена удерживающая пластина 232b для сохранения радиуса петлевого сегмента 232 и его положения по длине волокна 234. Удерживающая пластина 232b может быть выполнена из мягкого и гибкого материала, например, обеспечивающего возможность некоторого смещения оптического волокна. Хотя удерживающая пластина 232b показана в каплеобразной конфигурации, однако возможны и другие конфигурации.
После того, как оптическое волокно сложено, две ветви волокна могут быть захвачены, размещены рядом друг с другом по всей длине и намотаны в виде разомкнутого контура вокруг трубопровода для текучей среды. При этом световая волна, проходящая по сложенному вдвое волокну 234, может распространяться в первом направлении вращения до прохождения по контуру через среднюю точку 232а и втором, противоположном, направлении вращения после прохождения через среднюю точку 232а. Таким образом, волокно 234 содержит части, которые по существу намотаны в противоположных направлениях для света, проходящего по волокну 234. Длина волокна, проходимая в обеих направлениях, может быть по существу одинаковой относительно положения средней точки 232а внутри ослабляющего кольцевого сегмента 232. При этом по существу противонаправленные обмотки в сложенной вдвое конфигурации могут снижать чувствительность сенсорного контура 208 к вращению трубопровода для текучей среды, обеспечивая возможность точного обнаружения импульсов давления или других возмущений внутри сенсорного контура 208.
В некоторых вариантах части сенсорного контура 208, по существу намотанные в противоположных направлениях, могут содержать два отдельных волокна, которые зафиксированы с образованием продольной параллельной конфигурации, соединены путем сращивания или иным образом соединены друг с другом на одном конце и намотаны вокруг тракта для текучей среды, так что эти два волокна имеют те же функции, что и концы сложенного вдвое волокна. В некоторых вариантах эти два волокна могут представлять собой первое и второе оптические волокна внутри единой оболочки. В других вариантах два волокна одинаковой длины могут представлять собой две нити внутри двухнитевого волокна. Свет может проходить между соответствующими концами первого и второго оптических волокон с использованием, например, отдельных соединителей, соединенных с каждым из волокон, интегрального оптического соединителя с двумя отверстиями, соединенного с обеими волокнами, короткого ослабляющего кольцевого сегмента, аналогичного вышеописанному ослабляющему кольцевому сегменту 232, витка конического волокна, например MiniBend™ от компании AFL, и отражающего куба, соединенного с обеими волокнами и показанного на фиг. 4В, который будет пояснен ниже. В случае использования двух оптических волокон или нитей свет может проходить в первом направлении вращения по контуру, образованному первым волокном или нитью, и во втором, противоположном, направлении вращения по контуру, образованному вторым волокном или нитью. Двухволоконная конфигурация может быть функционально такой же, что и сложенная вдвое конфигурация, и обеспечивать такие же преимущества в отношении нечувствительности к вращению.
В некоторых вариантах эталонный контур 212 может также содержать части, которые по существу намотаны в противоположных направлениях для света, проходящего по контуру 212. Например, эталонный контур 212 может содержать единственное сложенное вдвое оптическое волокно или два волокна или нити, закрепленных с образованием продольной параллельной конфигурации, и соединенных путем сращивания или иным образом соединенных друг с другом на одном конце. В отличие от сенсорного контура 208, который намотан вокруг трубопровода для текучей среды, волокно или волокна эталонного контура 212 могут быть намотаны вокруг сердечника (не показан) эталонного контура. При использовании вместе с эталонным контуром 212 эти конфигурации могут снижать чувствительность эталонного контура 212 к вращательному движению, ослабляя таким образом шум, создаваемый эталонным контуром 212, особенно при использовании вместе с корпусом 220 для защиты эталонного контура 212 от других внешних возмущений. При использовании здесь термина «контур» он может относится к обмоткам, аналогичным тем, которые показаны на фиг. 2, или к другим конфигурациям, таким как гнездовые или шаровые, которые обеспечивают задерживающее действие обмотки при одновременном снижении чувствительности интерферометра к вращению.
Если в сенсорном контуре 208 и эталонном контуре 212 используются по существу противонаправленные обмотки, элементы, оптически соединяющие вывод 204b с выводом 204с, включая оптический тракт 210, эталонный контур 212, сенсорный контур 208 и оптический тракт 214, могут совместно быть названы контуром Саньяка с нулевой площадью. В целом, принципиальное устройство контура Саньяка с нулевой площадью может быть представлено как поверхность, образованная периметром оптоволоконного контура с по существу противонаправленными обмотками, образующими замкнутые контуры, что в результате делает площадь поверхности настолько близкой к нулю, насколько это позволяет диметр волокна. Конфигурация контура Саньяка с нулевой площадью обеспечивает возможность по существу устранения чувствительности интерферометра и каждого из составляющих элементов контура Саньяка к вращению.
В некоторых вариантах чувствительность интерферометра 200 к импульсам давления и возмущениям может быть использована для определения высокоскоростных телеметрических сигналов, используемых в буровой системе. Например, сенсорный контур 208 может быть расположен вокруг трубопровода для текучей среды, который соединен посредством текучей среды с телеметрической системой, расположенной внутри скважины в подземной формации, как было раскрыто выше. Расположение сенсорного контура 208 вокруг трубопровода для текучей среды может включать в себя намотку оптического волокна вокруг этого трубопровода. Световая волна может быть передана от источника света 202 и разветвлена на волну ЧС и волну ПЧС, которые поступают в сенсорный контур 208 через корпус 200 сенсорного контура, включая по меньшей мере эталонный контур 212. Волны ЧС и ПЧС, после прохождения по сенсорному контуру 208, могут быть воссоединены в оптическом разветвителе 204, и воссоединенная волна принимается фотодектором 216. Определение того, прошел ли импульс давления по трубопроводу для текучей среды, может быть осуществлено путем анализа принятой световой волны. Этот анализ может быть осуществлен так, как было раскрыто выше, включая определение характеристик принятого света и сравнения полученных характеристик с характеристикой, соответствующей излученной световой волне. Хотя вышеуказанный способ был раскрыт выше в отношении трубопровода для текучей среды в буровой системе, интерферометр 200 на контуре Саньяка с нулевой площадью может использоваться для определения импульсов в множестве различных типов трубопроводов для текучей среды или для определения возмущений в других типах элементов, на которые может быть намотан сенсорный контур 208. Дополнительно, прием импульсов давления и определение интенсивности света в зависимости от времени могут быть осуществлены с целью экстраполяции данных на основе телеметрических сигналов. Например, импульсы давления, поступившие от нижележащей скважинной телеметрической системы, могут содержать импульсы давления, модулированные по фазе, амплитуде, частоте и т.д., и все они могут влиять на характеристики (например, интенсивность) воссоединенного света, принимаемого фотодетектором в интерферометре. Выходные сигналы, соответствующие значениям интенсивности, могут быть переданы на систему обработки информации, как было раскрыто выше, которая имеет возможность разделения модулированных импульсов давления для экстраполяции переданных телеметрических данных.
В дополнение к сложенной вдвое конфигурации и двухволоконной конфигурации, описанным выше, части эталонного контура 212, которые по существу намотаны в противоположных направлениях, могут содержать два отдельных контура. Фиг. 3 показывает иллюстративный эталонный контур 300, содержащий первый контур 301 и второй контур 302. В изображенном варианте первый контур 301 и второй контур 302 намотаны в противоположных направлениях вокруг соответствующих сердечников 303 и 304, расположенных параллельно. Контуры 301, 302 могут быть выполнены из единственного волокна или из двух отдельных волокон, соединенных путем сращивания в средней точке между сердечниками 303, 304. Контуры 301, 302 могут иметь одинаковые диаметры волокон, так что время распространения по ним будет по существу одинаковым. В некоторых вариантах контуры 301, 302 могут быть намотаны вокруг единственного сердечника или сердечники 303, 304 могут быть соединены между собой.
В изображенном варианте свет, проходящий по первому контуру 301, может проходить в первом направлении вокруг сердечника 303, и свет, проходящий по второму контуру 302, может проходить во втором, противоположном, направлении вокруг сердечника 304. Таким образом, контуры 301, 302 содержат части эталонного контура 300, которые по существу намотаны в противоположных направлениях. В других вариантах контуры 301, 302 намотаны в одном и том же направлении вокруг соответствующих сердечников 303, 304 или вокруг единственного сердечника, но этом фактическая намотка в противоположных направлениях обеспечена путем изменения способа соединения концов волокон. По этой причине разделение эталонного контура на первый контур и второй контур может быть менее затратным, чем использование единственного сложенного вдвое эталонного контура, при по существу одинаковых рабочих характеристиках и степени ослабления внешних вибраций.
Фиг. 4 показывает иллюстративный ослабляющий петлевой сегмент 400, согласно аспектам настоящего раскрытия. В изображенном варианте ослабляющий петлевой сегмент 400 выполнен на единственном оптическом волокне, согнутом по окружности, со средней точкой 402, расположенной на равных расстояниях от концов ослабляющего петлевого сегмента 400. Радиус r этого петлевого сегмента может определяться, в частности, сопротивлением сгибанию оптического волокна и величиной, на которую оно может быть согнуто без повреждений и разрушений стекла, вызванных механическими напряжениями в результате сгиба и натяжения, а также без повышения оптических потерь из-за макро- и микроизгиба. Аналогичный ослабляющий петлевой сегмент 400 может быть применен для двух волокон в двухволоконной конфигурации, либо два волокна могут быть просто соединены друг с другом путем сращивания с образованием или без образования ослабляющего петлевого сегмента. Кроме того, внутри ослабляющего петлевого сегмента может быть установлена удерживающая пластина (не показана) для сохранения формы ослабляющего петлевого сегмента 400 и его ориентации относительно оптического волокна.
Фиг. 5А и 5В показывают иллюстративные примеры кольцевых интерферометров с нулевой площадью, с различными типами ослабляющих кольцевых сегментов и наконечников, согласно аспектам настоящего изобретения. Например, фиг. 5А показывает интерферометр 500 с нулевой областью, сложенный вдвое сенсорный контур 502 и сложенный вдвое эталонный контур 502. Сенсорный контур 502 содержит каплевидный ослабляющий петлевой сегмент 502а с удерживающей пластиной 502b. Аналогичным образом, эталонный контур 504 содержит круглый ослабляющий петлевой сегмент 504а с удерживающей пластиной 504b. В отличие от фиг. 5А, фиг. 5В показывает интерферометр 550 с нулевой областью, имеющий двухволоконный сенсорный контур 552 и двухволоконный эталонный контур 554. Оба волокна как в сенсорном контуре 552, так и в эталонном контуре 554 присоединены концами к отражающим кубам 556, которые оптически соединяют жилы двухволоконных оптических кабелей. Здесь корпус эталонного контура не показан ни на одном из фиг. 5А, 5В для простоты пояснения, однако следует иметь в виду, что данный корпус может быть установлен для обоих этих контуров, как было пояснено выше в отношении фиг. 2.
Согласно аспектам настоящего раскрытия, иллюстративное устройство содержит оптический разветвитель, источник света, оптически соединенный с оптическим разветвителем, и фотодетектор, оптически соединенный с оптическим разветвителем. Устройство может дополнительно содержать эталонный контур, оптически соединенный с оптическим разветвителем, и сенсорный контур, оптически соединенный с эталонным контуром и оптическим разветвителем. Эталонный контур может быть помещен внутрь корпуса эталонного контура. В некоторых вариантах устройство может содержать деполяризатор Лио, оптически присоединенный между сенсорным контуром и оптическим разветвителем. В некоторых вариантах корпус эталонного контура может содержать множество оптических соединителей; источник света и фотодетектор могут быть оптически соединены с оптическим разветвителем через по меньшей мере один из этого множества оптических соединителей; и сенсорный контур может быть оптически соединен с эталонным контуром и оптическим разветвителем через по меньшей мере один из указанного множества оптических соединителей.
В некоторых вариантах сенсорный контур и/или эталонный контур может содержать части, которые по существу намотаны в противоположных направлениях для света, проходящего по этим контурам. Сенсорный контур и/или эталонный контур может содержать сложенное оптическое волокно со средней точкой, расположенной в ослабляющем петлевом сегменте. В некоторых вариантах сенсорный контур и/или эталонный контур содержит два волокна, намотанных с образованием продольной параллельной конфигурации и оптически соединенных друг с другом. Эти два волокна могут быть оптически соединены с использованием по меньшей мере одного из следующих элементов: ослабляющий петлевой сегмент, отражательный куб, виток конического волокна и соединительный элемент для соединения путем сращивания.
В некоторых вариантах эталонный контур содержит первый оптоволоконный контур, по существу намотанный в первом направлении, и второй оптоволоконный контур, по существу намотанный во втором направлении. Первый оптоволоконный контур и второй оптоволоконный контур могут быть расположены параллельно на сердечнике эталонного контура.
Согласно аспектам настоящего описания, в иллюстративном способе определения телеметрических импульсов размещают сенсорный контур вокруг трубопровода для текучей среды, который соединен посредством текучей среды с телеметрической системой, находящейся внутри скважины в подземной формации. Световая волна может быть передана через модуль корпуса эталонного контура на сенсорный контур, при этом модуль корпуса эталонного контура содержит внутри себя эталонный контур, оптически соединенный с сенсорным контуром. Измененная световая волна может быть принята фотодетектором, оптически соединенным с сенсорным контуром. Путем анализа измененной световой волны может быть определено, прошел ли импульс давления по трубопроводу для текучей среды.
В некоторых вариантах передача световой волны через модуль корпуса эталонного контура включает в себя передачу световой волны через оптический разветвитель, оптически соединенный с эталонным контуром. В некоторых вариантах передача световой волны через модуль корпуса эталонного контура на сенсорный корпус включает в себя передачу световой волны от источника света, оптически соединенного с оптическим разветвителем через оптический соединитель корпуса эталонного контура; и передачу световой волны на сенсорный контур от эталонного контура через второй оптический соединитель корпуса эталонного контура. В некоторых вариантах сенсорный контур и/или эталонный контур содержит сложенное оптическое волокно со средней точкой, расположенной в ослабляющем петлевом сегменте сложенного оптического волокна.
В некоторых вариантах сенсорный контур и/или эталонный контур содержит два оптических волокна, намотанных с образованием продольной параллельной конфигурации и оптически соединенных друг с другом. Эти два волокна могут быть оптически соединены с использованием по меньшей мере одного из следующих элементов: ослабляющий петлевой сегмент, отражательный куб и виток конического волокна и соединительный элемент для соединения путем сращивания. В некоторых вариантах эталонный контур содержит первый оптоволоконный контур, по существу намотанный в первом направлении, и второй оптоволоконный контур, по существу намотанный во втором направлении. Первый оптоволоконный контур и второй оптоволоконный контур могут характеризоваться одинаковым диаметром и длиной оптического волокна.
В некоторых вариантах определение того, прошел ли импульс давления по трубопроводу для текучей среды, путем анализа измененной световой волны включает в себя определение интенсивности измененной световой волны. Анализ измененной световой волны может дополнительно включать в себя сравнение измеренной интенсивности измененной световой волны с ожидаемой интенсивностью измененной световой волны.
Таким образом, настоящее раскрытие хорошо приспособлено для того, чтобы реализовать те цели и преимущества, которые были указаны выше, и те, которые были изначально присущи предмету изобретения. Конкретные варианты, раскрытые выше, являются лишь иллюстративными, поскольку настоящее раскрытие может быть модифицировано и реализовано на практике различными, но эквивалентными способами, которые станут понятны специалистам в данной области техники благодаря содержанию настоящего раскрытия. Кроме того, на детали конструкции или проекта, раскрытого здесь, не накладывается никаких ограничений, за исключением тех, которые изложены в приведенной ниже формуле изобретения. Таким образом очевидно, что конкретные иллюстративные варианты, раскрытые выше, могут быть изменены или скорректированы и что все эти изменения должны находиться в рамках объема и сущности настоящего раскрытия. Кроме того, термины в формуле изобретения имеют свое общепринятое обычное значение, если иное явным образом и четко не оговорено в патенте. Неопределенные английские артикли «а» и «an», используемые в формуле изобретения, могут обозначать единственное или множественное число существительных, к которым они относятся.