СПОСОБ РАЗМЕЩЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ТЕЛЕМЕТРИИ, ТРУБОПРОВОД ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ТЕЛЕМЕТРИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТРУБОПРОВОДЕ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ТЕЛЕМЕТРИИ
METHOD APPLIED FOR PIPELINE ARRANGEMENT TO PERFORM FIBRE-OPTIC REMOTE MEASUREMENT, PIPELINE USED TO PERFORM FIBRE-OPTIC REMOTE MEASUREMENT, AND DEVICE TO BE USED IN PIPELINE IN ORDER TO PERFORM FIBRE-OPTIC REMOTE MEASUREMENT

Данное изобретение относится в широком понимании к трубопроводам, используемым в нефтегазовой промышленности. Более конкретно, данное изобретение относится к размещению одного или более волоконных световодов, используемых совместно с такими трубопроводами.
Оптико-волоконные световоды широко используются для множества устройств дистанционного измерения в нефтегазовой промышленности, включая мониторинг температуры внутри трубопровода, а также регистрацию различных условий работы, таких как образование твердых углеводородов или гидратов и утечки. При этих применениях успешное размещение оптико-волоконного световода особенно затруднительно, так как оно требует баланса между простотой (и низкими издержками) размещения, чувствительностью и приданием износоустойчивости. В «сегментных трубопроводах», которые собираются на месте из ряда коротких секций (которые обычно меньше 10 метров в длину), существует дополнительная трудность, состоящая в сложности выполнения длинного оптико-волоконного световода (который может быть один или более километр в длину) как части многочисленных секций сегментных трубопроводов без многочисленных соединительных или сращивающих элементов. Такие соединительные или сращивающие элементы дорогостоящи для использования и обслуживания в течение цикла работы сегментного трубопровода. Такие соединительные или сращивающие элементы приводят к ослаблению (потере) оптических сигналов, переносимых оптико-волоконным световодом, что может уменьшить эффективность оборудования для дистанционного зондирования и измерений, полученные таким путем, и/или может потребовать дорогостоящего оборудования, чтобы компенсировать такие потери оптической связи.
Следовательно, задача изобретения состоит в создании технологии для размещения оптико-волоконного световода совместно с сегментным трубопроводом таким способом, который уменьшает число сращивающих или соединительных устройств, требуемых как часть волоконного световода.
Такая задача согласно изобретению решается за счет создания способа размещения трубопровода для осуществления волоконно-оптической телеметрии, согласно которому обеспечивают множество секций трубы, каждая из которых имеет внутреннюю трубу и, по меньшей мере, один первый слой материала, который окружает внутреннюю трубу, причем противоположные концы каждой секции трубы имеют участок, на котором, по меньшей мере, один первый слой удален или отсутствует, и продольно вдоль каждой секции трубы внутри, по меньшей мере, одного первого слоя проходит трубчатый элемент, имеющий свободные концы, которые проходят от соответствующих концевых стенок, по меньшей мере, одного первого слоя к точке за пределами соответствующего конца каждой секции трубы; соединяют вместе соседние секции трубы путем соединения внутренней трубы упомянутых соседних секций трубы, чтобы создать продольный участок трубопровода; соединяют вместе трубчатые элементы соседних секций трубы, чтобы создать канал, который проходит вдоль продольного участка трубопровода, причем канал приспособлен для размещения в нем одного или более волоконных световодов; при этом после соединения вместе трубчатых элементов для данной пары соседних секций трубы накладывают, по меньшей мере, один второй слой материала на область между данной парой соседних секций трубы.
Предпочтительно, по меньшей мере, один первый слой и, по меньшей мере, один второй слой обеспечивают изоляцию внутренних труб продольного участка трубопровода.
Предпочтительно, по меньшей мере, один первый слой и, по меньшей мере, один второй слой обеспечивают защиту внутренних труб продольного участка трубопровода.
Предпочтительно, трубчатый элемент данной секции трубы заделан в, по меньшей мере, один слой во время изготовления данной секции трубы.
Предпочтительно, трубчатый элемент данной секции трубы вводится через канал, просверленный через, по меньшей мере, один слой данной секции трубы.
Предпочтительно, свободные концы трубчатого элемента данной секции трубы загибают вручную.
Предпочтительно, свободные концы трубчатого элемента данной секции трубы выступают за концевые поверхности внутренней трубы данной секции трубы.
Предпочтительно, соседние секции трубы соединяют вместе посредством сварки вместе концов внутренних труб упомянутых соседних секций трубы.
Предпочтительно, соседние секции трубы соединяют вместе фланцевыми соединителями между ними.
Предпочтительно, соединение соседних секций трубы выполняют на месте в заданном расположении трубопровода, или рядом с ним, или на месте изготовления.
Предпочтительно, дополнительно обрезают свободные концы соседних трубчатых элементов до соответствующей длины на месте в заданном расположении трубопровода для соединения.
Предпочтительно, при упомянутом соединении соседних трубчатых элементов сваривают вместе обрезанные концы соседних трубчатых элементов.
Предпочтительно, при упомянутом соединении соседних трубчатых элементов используют соединитель, который соединяет обрезанные концы соседних трубчатых элементов.
Предпочтительно, соединение соседних трубчатых элементов осуществляют с обеспечением получения в результате гладкого канала.
Предпочтительно, дополнительно выравнивают соседние трубчатые элементы, которые соединяются.
Предпочтительно, дополнительно удаляют заусенцы, получающиеся от резания свободных концов соседних трубчатых элементов.
Предпочтительно, по меньшей мере, один второй слой покрывает место соединения, соединяющее внутренние трубы данной пары соседних секций трубы.
Предпочтительно, по меньшей мере, один второй слой покрывает место соединения, соединяющее трубчатые элементы данной пары соседних секций трубы.
Предпочтительно, дополнительно размещают, по меньшей мере, один волоконный световод в канале методом накачки, в котором используют жидкость под давлением.
Предпочтительно, дополнительно соединяют волоконный световод, размещенный в канале, с дистанционным оборудованием.
Предпочтительно, дистанционное оборудование предусматривает волоконно-оптические измерения температуры.
Предпочтительно, удаленное оборудование обеспечивает волоконно-оптические измерения температуры в различных точках.
Предпочтительно, множество упомянутых секций трубы трубопровода является гибким.
Предпочтительно, множество упомянутых секций трубы трубопровода является твердым.
Указанная задача также согласно изобретению решается за счет создания устройства для использования в трубопроводе для осуществления волоконно-оптической телеметрии, содержащего секцию трубы, имеющую внутреннюю трубу и, по меньшей мере, один первый слой материала, который окружает внутреннюю трубу, причем противоположные концы каждой секции трубы имеют участок, на котором, по меньшей мере, один первый слой удален или отсутствует, и трубчатый элемент проходит продольно вдоль каждой секции трубы внутри, по меньшей мере, одного первого слоя, при этом трубчатый элемент имеет свободные концы, которые проходят от соответствующих концевых стенок, по меньшей мере, одного первого слоя к точке за пределами соответствующего конца секции трубы.
Кроме того, указанная задача согласно изобретению решается за счет того, что трубопровод для осуществления волоконно-оптической телеметрии содержит множество секций трубы, каждая из которых имеет внутреннюю трубу и, по меньшей мере, один первый слой материала, который окружает внутреннюю трубу, причем противоположные концы каждой секции трубы имеют участок, на котором, по меньшей мере, один первый слой удален или отсутствует, и трубчатый элемент проходит продольно вдоль каждой секции трубы внутри, по меньшей мере, одного первого слоя, причем трубчатый элемент имеет свободные концы, которые проходят от соответствующих концевых стенок, по меньшей мере, одного первого слоя к точке за пределами соответствующего конца каждой секции трубы; средство для соединения вместе соседних секций трубы посредством соединения внутренних труб упомянутых соседних секций трубы для образования продольного участка трубопровода; средство для соединения вместе трубчатых элементов соседних секций трубы для образования канала, который проходит вдоль продольного участка трубопровода и выполнен с возможностью размещения в нем одного или более волоконных световодов; и, по меньшей мере, один второй слой материала, который накладывается на область между соседними секциями трубы.
Предпочтительно, по меньшей мере, один второй слой покрывает место соединения, соединяющее внутренние трубы данной пары соседних секций трубы.
Предпочтительно, по меньшей мере, один второй слой покрывает место соединения, соединяющее трубчатые элементы данной пары соседних секций трубы.
Предпочтительно, трубопровод дополнительно содержит, по меньшей мере, один оптико-волоконный световод, размещенный в канале.
Таким образом, разработан улучшенный способ для размещения трубопровода для осуществления оптико-волоконной телеметрии. Обеспечивают множество секций трубы. Каждая секция трубы имеет внутреннюю трубу и, по меньшей мере, один первый слой материала, который окружает внутреннюю трубу. Противоположные концы каждой секции трубы имеют участок, на котором, по меньшей мере, один первый слой удален или не был нанесен. Трубчатый элемент проходит продольно вдоль каждой секции трубы внутри, по меньшей мере, одного первого слоя и имеет свободные концы, которые выступают из соответствующих концевых стенок, по меньшей мере, одного первого слоя. Соседние секции трубы соединены вместе посредством соединения внутренних труб соседних секций трубы для образования длины трубопровода. Трубчатые элементы соседних секций трубы соединены вместе, чтобы создать канал, который проходит вдоль длины трубопровода. Канал может нести один или более оптико-волоконных световодов в нем. После соединения вместе трубчатых элементов данной пары соседних секций трубы, по меньшей мере, один второй слой материала накладывается на область между данной парой соседних секций трубы. По меньшей мере, один первый слой и, по меньшей мере, один второй слой обеспечивают изоляцию или/и защиту внутренних труб трубопровода.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения оптико-волоконные световоды (световод) размещены в канале способом накачки, который использует текучую среду под давлением.
Согласно одному варианту осуществления изобретения свободные концы соседних трубчатых элементов обрезаются до подходящей длины на месте для соединения.
Оптико-волоконные световоды (световод), размещенные в канале, могут использоваться для различных применений дистанционной волоконно-оптической телеметрии, такой как распределенное волоконно-оптическое измерение температуры и/или волоконно-оптическое точечное измерение.
Будет понятно, что способы и системы размещения трубопровода, описанные в этом документе, предусматривают размещение оптико-волоконного световода совместно с сегментным трубопроводом способом, который уменьшает количество сращивающих или соединительных устройств, необходимых как часть оптико-волоконного световода. Упразднение таких соединительных или сращивающих устройств может значительно сократить ослабление (потерю) оптического сигнала, переносимого по оптико-волоконному световоду, и, как результат, может улучшить эффективность и уменьшить затраты на оборудование для дистанционного измерения и измерений, получаемых с него.
Дополнительные задачи и преимущества изобретения станут понятны для специалистов в данной области техники по ссылке к подробному описанию, взятому в сочетании с имеющимися чертежами, на которых:
Фиг.1А - схематичный вид секции трубы, используемой в формировании многосегментного трубопровода согласно настоящему изобретению;
Фиг.1В - схематичный вид одного конца секции трубы Фиг.1А;
Фиг.2 - схематичный вид, который показывает две соседние секции трубы Фиг.1А, соединенные вместе согласно настоящему изобретению;
Фиг.3 - схематичный вид, который показывает четыре соседние секции трубы Фиг.1А, соединенные вместе, чтобы создать длину трубопровода согласно настоящему изобретению;
Фиг.4 - схематичный вид, который показывает наложение изоляционного/защитного материала на область между соседними секциями трубы Фиг.4 согласно настоящему изобретению;
Фиг.5 - схематичная диаграмма оборудования дистанционного измерения для измерения температуры по оптико-волоконному световоду, в котором участок оптического световода размещен с многосегментным трубопроводом согласно настоящему изобретению.
На Фиг.1А и 1В показана секция 11 трубопровода, включающая в себя внутреннюю трубу 13 (которая предпочтительно выполнена из стали для твердых устройств или из композитных структур для упругих устройств, таких как гибкий стояк), которая обернута в один или более слоев 15 изоляционного/защитного материала. Для жестких устройств, изоляционный/защитный слой (слои) 15 может включать в себя один или более твердых и/или пенополимерный слой и, возможно, один или более цементных слоев. Для гибких устройств изоляционный/защитный слой (слои) 15 может включать в себя один или более слоев пены. Участок изоляционного/защитного слоя (слоев) 15 удален или не был нанесен на противоположных концах 17А, 17В секции 11 трубопровода. Трубчатый элемент 19 проходит продольно вдоль секции 11 трубопровода внутри изоляционного/защитного слоя (слоев) 15. Трубчатый элемент 19 может быть заделан в изоляционный/защитный слой (слои) 15 во время изготовления секции 11 трубопровода (например, при наложении изоляционного/защитного слоя (слоев) 15 на поверхность внутренней трубы 13). Как вариант, трубчатый элемент 19 может вставляться через канал, просверленный через изоляционный/защитный слой (слои) 15. Трубчатый элемент 19 имеет свободные концы 19А, 19В, которые выступают из соответствующих концевых стенок 20А, 20В изоляционного/защитного слоя (слоев) 15 секции 11 трубопровода. Трубчатый элемент 19 может быть сделан из пластика или других полимерных материалов. Как вариант, трубчатый элемент 19 может быть сделан из нержавеющей стали или другого металлического материала. Предпочтительно, чтобы свободные концы 19А, 19В трубчатого элемента 19 были сгибаемые и/или податливые манипуляцией руки, чтобы обеспечить позиционирование и регулирование перед соединением, как описано ниже. Например, труба диаметром 0,25 дюймов (6,35 мм), сделанная из высококачественной нержавеющей стали 316Ti, достаточно гибкая и/или пластичная для этого назначения. Свободные концы 19А, 19В трубчатого элемента 19 предпочтительно значительно выступают (или могут быть расположены, чтобы выступать) за пределы концевых стенок 21А, 21В внутренней трубы 13, как показано для того, чтобы обеспечить излишнюю длину для последующего соединения, как описано ниже.
Как показано на Фиг.2 и 3, трубопровод 23 образован соединением вместе ряда секций 11 трубопровода. Секции 11 трубопровода могут соединяться свариванием вместе концов внутренних труб 13 соседних секций трубы, фланцевыми соединениями, что хорошо известно, или другим подходящим способом. Такие соединительные операции типично выполняются на месте или рядом с заданным расположением трубопровода 23, хотя они могут выполняться на месте изготовления, которое отлично от заданного конечного расположения трубопровода.
Трубчатые элементы 19 соседних секций 11 трубопровода также соединяются вместе, чтобы образовать канал 24, который проходит вдоль длины трубопровода 23, как показано на Фиг.3. Такие операции обычно требуют обрезания свободных концов соседних трубчатых элементов до подходящей длины для соединения. Операции обрезания и соединения трубчатых элементов предпочтительно выполняются на месте заданного расположения трубопровода 23. Соседние трубчатые элементы могут быть соединены свариванием вместе обрезанных концов соседних трубчатых элементов, механическим соединением (таким как компрессионное соединение), соединителем, который соединяет обрезанные концы соседних элементов, или другим подходящим способом. Соединитель может быть выполнен в виде пресс-фитинга, такого как обычно используемый в пневматических трубах низкого давления, или в виде сварочной муфты (т.е. установки трубчатой муфты, которая устанавливается плотно на два конца соседних трубчатых элементов и которая завершается орбитальной сваркой на обоих концах трубчатой муфты). В предпочтительном варианте осуществления соединительный процесс подразумевает выравнивание соседних трубчатых элементов друг относительно друга и удаление всех заусенцев, которые могут являться результатом резания свободных концов соседних трубчатых элементов. Эти операции гарантируют, что канал 24 является гладким, что благоприятно для размещения одного или более оптико-волоконных световодов или кабелей в канале 24, как описано ниже.
После соединения вместе трубчатых элементов для данной пары соседних секций 11 трубопровода один или более слой 25 изоляционного/защитного материала может быть наложен между соседними секциями трубы пары, как показано на Фиг.4. Изоляционный/защитный слой (слои) 25 может быть сделан, например, из герметичного элемента или синтетической пены или другого подходящего материала. Изоляционный/защитный слой (слои) 25 накладывается (накладываются) между соседними секциями трубы пары, чтобы закрыть место соединения 27, связывающее внутренние трубы 13 так же как место соединения 29, связывающее трубчатые элементы 19 соседних секций трубопровода.
Канал 24, образованный соединением соседних трубчатых элементов 19, используется, чтобы нести один или более оптико-волоконных световодов или оптоволоконных кабелей внутри. Оптический световод (световоды) или кабель (кабели) предпочтительно размещаются в канал 24 методом накачки, который использует жидкость под давлением. Примеры таких методов накачки описаны в Патенте США 6722636, Патенте США RE38,052 и Патенте США RE37,283, в данный документ включенные посредством ссылки по всей полноте. Таким образом, оптико-волоконный световод (световоды) или кабель (кабели) могут быть вкачаны в канал 24 на значительную длину (например, километры) трубопровода 23. Дальность накачки зависит от свойств (например, диаметра) канала 24. В случае, если трубопровод 23 проходит за пределы максимального расстояния накачки, сращивающие устройства или оптические соединители могут использоваться, чтобы соединить вместе концы оптико-волоконного световода (световодов) или кабеля (кабелей) после того, как прокачка завершена. Как вариант, процесс накачки может выполняться многократно, посредством прокачивания непрерывного волоконного световода во множественно последовательных секций канала. Секции канала могут впоследствии соединяться механическим или сварочным средством, как описано выше.
Оптико-волоконный световод (световоды), размещенный внутри канала 24, соединяется оптоволоконным кабелем (кабелями) с удаленным оборудованием. Удаленное оборудование может быть расположено на суше или, возможно, на платформе. Удаленное оборудование предпочтительно предусматривает распределенные оптико-волоконные измерения температуры, которые обеспечивают показание температуры в положениях вдоль оптико-волоконного световода, размещенного внутри канала 24. Так как такой волоконный световод проходит вдоль трубопровода 23, измерения температуры вдоль волоконного световода предусматривают измерения температуры вдоль трубопровода 23. Как вариант, удаленное оборудование может предусматривать волоконно-оптические измерения контрольных точек, которые обеспечивают показание температуры или давления или натяжения в различных местоположениях вдоль трубопровода 23. Измерения удаленного оборудования могут подаваться на другие системы для использования при мониторинге трубопровода 23 и, возможно, для автоматического обнаружения или прогнозирования состояний тревоги, таких как образование гидратов или твердых углеводородов, которые могут забить трубопровод 23. Существующее удаленное оборудование, такое как продаваемое Шлюмберже под названием Sensa, может быть использовано. Подробности работы такого удаленного оборудования описаны в Патенте США 5696863, полное раскрытие которого т.о., включается в данный документ посредством ссылки.
Как вариант, или в дополнение к таким измерениям, удаленное оборудование может быть настроено, чтобы обнаруживать утечки трубопровода через обнаружение вибраций или пузырьков, используя известные оптоволоконные технологии обнаружения шума. Обнаружение шума может также использоваться для обнаружения утечек жидкости или образования гидратов.
Фиг.5 схематично показывает систему, которая применяет оптико-волоконный световод для измерения температуры. Импульсный высокомощный источник 51 лазерного излучения возбуждает световой импульс через направленный ответвитель 53 и вдоль волоконного световода 52. Участок оптико-волоконного световода 52 размещен внутри канала 24 трубопровода 23. Волоконный световод 52 образует элемент измерения температуры системы и используется там, где температура должна быть измерена. В то время как световой импульс распространяется вдоль оптоволоконного световода 52, его свет рассеивается несколькими механизмами, включая плотность, флуктуации состава (рассеяние Релея), а также молекулярные и объемные вибрации (рассеяние Романа и Бриллуэна, соответственно). Некоторое количество этого рассеянного света удерживается в сердцевине волоконного световода и направляется обратно к источнику 51. Этот возвращающийся сигнал отделяется направленным ответвителем 53 и посылается на приемник 54. В однородном волокне интенсивность возвращенного света экспоненциально убывает от времени (и показывает расстояние, которое свет прошел по волоконному световоду, основываясь на скорости света в волоконном световоде). Изменения в таких факторах, как структура и температура по длине волоконного световода, проявляются в отклонениях от «эталонного» экспоненциального убывания интенсивности с расстоянием. Приемник 54 обычно использует оптическую фильтрацию 55, которая извлекает обратнорассеянные компоненты из возвращающихся сигналов. Обратнорассеянные компоненты обнаруживаются детектором 56. Обнаруженные сигналы обрабатываются элементом 57 обработки сигнала, который обычно усиливает обнаруженные сигналы и затем преобразовывает (например, высокоскоростным аналого-цифровым преобразователем) результирующие сигналы в цифровую форму. Цифровые сигналы могут потом быть проанализированы, чтобы создать профиль температур вдоль длины оптико-волоконного световода. Такой тип измерения температуры называется методом оптоволоконного распределенного измерения температуры, так как он измеряет температурный профиль вдоль длины волоконного световода 52.
Для волоконно-оптической телеметрии контрольных точек в волоконном световоде в заданном положении вытравлена решетка Брэгга. Участок волоконного световода размещен внутри канала 24 трубопровода 23. Решетка Брэгга спроектирована так, чтобы отражать свет с заданной длиной волны. Свет запускается по волоконному световоду. Измерения изменений длины волны отраженного света могут быть использованы, чтобы измерять температуру, или давление, или натяжение. Многоточечные датчики имеют множественные, располагаемые обособленно брэгговские решетки, которые обычно вытравлены, чтобы отражать различные длины волн. Анализ изменений длины волны отраженного света может определить состояния в множественных дискретных положениях вдоль волоконного световода. Такая функциональность контрольных точек описана подробно в Патенте США 6097487, в данном документе включенном путем ссылки по всей полноте.
В данном документе описаны и проиллюстрированы несколько вариантов осуществления метода и системы размещения одного или более волоконного световода совместно с трубопроводом. Пока отдельные варианты осуществления изобретения были описаны, не предполагалось, что изобретение ограничивается этим, так как предполагалось, что изобретение так широко в рамках, как область техники позволяет, и что данная спецификация толкуется аналогичным образом. Т.о., пока отдельная система материала трубопровода описана, будет оценено по достоинству, что другие системы материала трубопровода также могут быть использованы. К тому же, пока отдельные типы оборудования оптического измерения, технологии и устройства были раскрыты, ясно, что другое оборудование оптического измерения, технологии и устройства могут быть использованы. Следовательно, будет оценено по достоинству специалистами в данной области техники, что также другие модификации могут быть составлены, чтобы обеспечить изобретение без отклонения от его границ, как заявлено.