Скважинные системы генерации света и способы применения

011899 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится в целом к работам на нефтяных месторождениях и, в частности,к способам и инструменту, использующим волоконную оптику при работе с гибкими насоснокомпрессорными трубами (НКТ) в стволе скважины. Уровень техники Локаторы муфт обсадной колонны (CCL), каротажное оборудование и вертушечный инструментарий известны в нефтедобывающей промышленности, они используются обычно в приложениях, связанных со спуском приборов в скважину на канате. Расширяется применение гибких НКТ как другого типа транспортировки в стволе скважины в приложениях, относящихся к стволу скважины, что приводит к потребности в скважинном оборудовании и способах, пригодных для применения с гибкими НКТ. Трудности, присущие использованию скважинного электромеханического инструментария с гибкими НКТ,заключаются в нехватке питания скважинного инструмента и в отсутствии телеметрии от скважинного инструмента к поверхности; в обычных приложениях, относящихся к стволу скважины, обе эти функции осуществляются с помощью кабеля. Чтобы устранить эти трудности, устанавливают электрические кабели в гибкие НКТ. Хотя добавление кабеля при операциях с гибкими НКТ повышает функциональные возможности гибких НКТ, это также повышает стоимость колонны НКТ и усложняет работы в условиях буровой. Добавление кабеля в колонну НКТ значительно повышает вес колонны. Установка кабеля в колонну НКТ является сложной, и кабель склонен сбиваться в запутанную массу или "птичье гнездо" внутри гибких НКТ. Это, а также относительно большой внешний диаметр кабеля по сравнению с внутренним диаметром гибких НКТ, может нежелательно препятствовать потоку флюидов через гибкие НКТ,причем такой поток через гибкие НКТ часто является интегральной частью работы в стволе скважины. Известно также о применении волоконной оптики для проведения скважинных измерений, путем подачи энергии оптического излучения от поверхности к оптоволоконному кабелю и использования этой оптической энергии для создания движущей силы в стволе скважины. Например, в патенте США 6531694, введенном здесь ссылкой, описана волоконно-оптическая система, содержащая источник энергии оптического излучения у поверхности и волоконно-оптический контур от поверхности вниз в ствол скважины и назад вверх по стволу скважины. Описана энергия оптического излучения от поверхностного источника света, чтобы питать скважинный световой элемент, который, в свою очередь, генерирует электричество в батареях с непрерывной подзарядкой в стволе скважины. Аналогично энергии, посланной в скважину, измерения и информация, относящаяся к скважине, могут передаваться на поверхность по волоконно-оптической системе. Однако не описано использование измерений в скважине для генерации энергии, чтобы направить результаты измерений или информацию к поверхности по оптоволокну. Другие пытались вырабатывать энергию внутри скважины вместо того, чтобы полагаться на источник питания на поверхности. Известно об использовании батареи в скважине для питания; например, в одном из существующих инструментов используется от шести до двенадцати футов батарей. Такая конфигурация связана с эксплуатационными ограничениями и трудностями. Что необходимо - так это система и способ для проведения скважинных измерений с гибкими НКТ и передача результатов этих измерений на записывающие устройства на поверхности, но без большого внешнего источника питания для скважинной измерительной аппаратуры и без веса электрического кабеля. Кроме того, необходимо устройство, которое потребляет достаточно малое количество энергии, чтобы такая энергия могла обеспечиваться небольшими батареями, которые увеличили бы длину инструмента не более чем на два дюйма. Раскрытие изобретения Система генерации света для применения в стволе скважины содержит: (а) преобразовательгенератор света в стволе скважины, причем этот преобразователь-генератор света приспособлен для преобразования физического состояния параметра в стволе скважины в оптическую энергию; (b) регистрирующая аппаратура, чувствительная к оптической энергии, для записи физического состояния и (с) оптический волновод для проведения оптической энергии от преобразователя-генератора света к регистрирующей аппаратуре. В другом отличительном признаке системы по настоящему изобретению электрический импульс,создаваемый при проведении измерения в скважине, также питает источник света, который сообщается через оптическое волокно с датчиком на поверхности. В другом предпочтительном признаке системы по настоящему изобретению, общему для всех вариантов осуществления изобретения, она является пассивной системой, в том смысле, что она не использует внешнего источника питания. Однако в альтернативном способе выработки электрической энергии может, кроме того, использоваться малое скважинное устройство, такое как батарея или цепь смещения, для питания источника света, создания скважинного электрического импульса, или для дополнения электрического импульса, образованного при проведении скважинного измерения. В одном способе для питания источника света батарея смещения может использоваться вместе с электрическим импульсом, образованным в результате измерения. В другом способе может применяться малая схема с минимальным числом компонентов, в которой усиливается электрический импульс, созданный при проведении скважинного измерения, чтобы питать источник света. В третьем альтернативном варианте осуществления может применяться малая схема, с помощью которой электрический импульс, образованный скважинным измерением, запускает малый электрический им-1 011899 пульс в скважине для питания источника света. В одном варианте осуществления предлагается локатор муфт обсадной колонны на основе волоконной оптики. Электрическое напряжение, создаваемое, когда локатор муфт обсадной колонны проходит мимо металлической аномалии, такой как муфта, в НКТ или обсадной колонне, используется для питания скважинного источника света, который затем посылает световой сигнал в оптическое волокно,соединенное с измерительным и записывающим устройством на поверхности земли. В другом варианте осуществления предоставляется устройство определения сопротивления на основе волоконной оптики,которое различает воду и нефть в месте нахождения устройства. Скважинный флюид используется как электролит в гальванической ячейке. Когда флюид является проводящим, как вода, то цепь замыкается, и на источнике света создается известное электрическое напряжение, который затем посылает световой сигнал к поверхности. В еще одном варианте осуществления предоставляется вертушка на основе волоконной оптики, которая использует течение флюидов в стволе скважины. Вертушка использует скважинный источник света для генерации световых импульсов с частотой, связанной со скоростью флюидов, текущих через вертушку. Вращение вертушки генерирует электричество, необходимое для питания источника света. В альтернативном варианте этого третьего предпочтительного способа осуществления модулируется интенсивность световых импульсов, а не частота световых импульсов. Световые импульсы обеспечивают дополнительное преимущество, благодаря возможности посредством квадратурной модуляции различать направление вращения. В еще одном альтернативном варианте этого третьего предпочтительного способа осуществления модулируются и интенсивность, и частота. Краткое описание чертежей Фиг. 1 является схематическим представлением оптоволоконного локатора муфт обсадной колонны. Фиг. 2 является принципиальной схемой оптоволоконного локатора муфт обсадной колонны. Фиг. 3 является принципиальной схемой оптоволоконного датчика электрического сопротивления. Фиг. 4 является принципиальной схемой оптоволоконного датчика электрического сопротивления. Фиг. 5 является схематическим представлением оптоволоконной вертушки. Подробное описание изобретения Настоящее изобретение в своем широком аспекте является системой генерации света для применения в стволе скважины и способами ее применения. Изобретение включает измерительное оборудование,чувствительное к энергии оптического излучения, для измерения и регистрации физического состояния,и преобразователь-генератор света в стволе скважины, причем преобразователь-генератор света приспособлен для преобразования физического состояния параметра в стволе скважины в оптическую энергию. Часто изобретение содержит оптический волновод для проведения оптической энергии от преобразователя-генератора света к приемной аппаратуре. Оптический волновод может быть, например, одним или более оптическим волокном, причем волокна являются одномодовыми или многомодовыми волокнами. Волновод может быть наполнен флюидом. В некоторых вариантах осуществления изобретение предоставляет способ измерения параметров в стволе скважины и сообщения о результате измерений, причем способ включает введение преобразователя-генератора света в ствол скважины, причем преобразователь-генератор света приспособлен для преобразования физического состояния параметра в стволе скважины в оптическую энергию; преобразование физического состояния параметра в стволе скважины в оптическую энергию; и проведение оптической энергии от преобразователя-генератора света по оптическому волноводу к приемной аппаратуре. В некоторых вариантах осуществления изобретение предоставляет способ генерации оптической энергии в стволе скважины, причем способ включает проведение в ствол скважины измерительного оборудования, чувствительного к оптической энергии, для измерения физического состояния; измерение физического состояния параметра, используя введенное оборудование; и применение преобразователягенератора света для преобразования измерения физического параметра в оптическую энергию; причем стадия преобразования питается от измерения физического параметра. В некоторых вариантах осуществления для проведения скважинной измерительной аппаратуры в ствол скважины используются гибкие НКТ, а в некоторых других вариантах осуществления оптическая энергия проводится в приемную аппаратуру, используя оптический волновод, расположенный внутри гибких НКТ. В качестве примера, но без ограничений, описываются частные варианты осуществления системы генерации света по настоящему изобретению. Каждый из этих вариантов осуществления включает измерительную аппаратуру, чувствительную к оптической энергии, для измерения физического состояния; преобразователь-генератор света в стволе скважины, причем преобразователь-генератор света приспособлен для преобразования измерения физического состояния параметра в стволе скважины в оптическую энергию; и оптический волновод для проведения оптической энергии от преобразователягенератора света к приемной аппаратуре. Обратимся теперь к фиг. 1, на которой показан вариант осуществления, в котором измеряется изменение физических свойств параметра и преобразуется в оптическую энергию, в частности, в качестве преобразователя-генератора света показан локатор 10 муфт обсадной колонны. Напряжение, создаваемое, когда локатор 10 муфт обсадной колонны проходит мимо металлической аномалии, такой, как муфта обсадной колонны, в трубах или обсадной колонне, используется для питания скважинного источника-2 011899 света, который затем посылает световой сигнал в оптическое волокно, соединенное с измерительным и записывающим устройством у поверхности земли. Локатор 10 муфт обсадной колонны с фиг. 1 содержит корпус 18, имеющий факультативный канал 20, проходящий сквозь него. Такой необязательный канал полезен, в частности, когда локатор муфт обсадной колонны эксплуатируется на гибких НКТ. Катушка 12, соединенная с источником 16 света, расположена в кольцевом пространстве 22, заключенном между корпусом 18 и каналом 20. Оптический волновод 24 соединяет источник 16 света с измерительной аппаратурой (приемной аппаратурой). В частных вариантах осуществления приемная аппаратура может располагаться у поверхности и может содержать записывающую аппаратуру. В некоторых вариантах осуществления оптический волновод 24 может содержать оптическое волокно, а в некоторых вариантах осуществления оптический волновод 24 может быть наполнен флюидом. Оптическая энергия от преобразователя-генератора света (показанного на фиг. 1 как локатор 10 муфт обсадной колонны) проводится по волноводу 24 к приемной аппаратуре (не показана). Обратимся теперь к фиг. 2, на которой показана принципиальная схема локатора муфт обсадной колонны, изображенного на фиг. 1. Локатор 10 муфт обсадной колонны содержит катушку 12, резистор 14 и источник 16 света. В частных вариантах осуществления резистор может быть 40-омным сопротивлением. Источником света может быть любой подходящий источник, как маленький лазер низкой мощности, полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL) или доступный светодиодный источник света, такой как СИД GaAlAs, поставляемый в продажу OptekTechnology. Когда локатор 10 муфт обсадной колонны проходит в стволе скважины мимо аномалии в колонне,такой, как муфта обсадной колонны, локатор 10 муфт обсадной колонны чувствует изменение магнитного поля. Когда магнитное поле по катушке 12 изменяется, на катушке 12 происходит падение напряжения. Изменение напряжения используется для питания источника 16 света, который генерирует оптическую энергию в стволе скважины в виде света. Таким образом, настоящее изобретение предоставляет пассивную систему генерации света путем использования автономного оптоволоконного локатора 10 муфт обсадной колонны. Чтобы продемонстрировать этот вариант осуществления настоящего изобретения, был проведен лабораторный эксперимент. Для моделирования изменения физических свойств параметра 2-1/8" защитный металлический корпус перемещали туда и обратно мимо локатора 10 муфт обсадной колонны,имеющего катушку 12. Катушка 12 чувствовала увеличение магнитного поля, и полученное в результате падения напряжение использовалось для питания светодиодного источника 16 света, от которого наблюдался свет. Таким образом, измерение физического параметра, а параметром было магнитное поле, использовалось для генерации оптической энергии. В альтернативном варианте осуществления может применяться маленький дополнительный источник энергии, такой как батарея смещения, для дополнения электрического импульса, генерированного измерением, использующегося вместе с батареей смещения для питания источника света. Этот альтернативный способ также был продемонстрирован в лаборатории и на опытной скважине. Аналогично, чтобы увеличить поступление энергии к источнику света, можно использовать маленькую схему с минимальным числом компонентов для усиления электрического импульса, созданного измерением физического параметра. В сходном варианте осуществления электрический импульс, созданный измерением, может использоваться для запуска маленькой схемы, чтобы генерировать скважинный источник электричества,который питает источник света. Скважины часто помимо нефти производят воду. Иногда эта вода является слабым электролитом, а иногда нет. Обратимся теперь к фиг. 3, на которой показан вариант осуществления, в котором измеряется изменение химических свойств параметра и трансформируется в оптическую энергию, в частности, в качестве преобразователя-генератора света показан датчик 30 сопротивления. Датчик 30 сопротивления содержит корпус 18, имеющий факультативный канал 20, проходящий посередине корпуса 18. Такой необязательный канал полезен, в частности, когда локатор муфт обсадной колонны используется на гибких НКТ. Гальванический элемент 34 соединен с источником 16 света, причем гальванический элемент 34 и источник 16 света расположены в кольцевом пространстве 22 между корпусом 10 и каналом 20. Источник 16 света соединяется через оптический волновод 24 в кольцевом пространстве 22 с расположенной на поверхности измерительной и регистрирующей аппаратурой (не показана). Как показано на фиг. 4, датчик 30 сопротивления может содержать резистор 32, гальванический элемент 34 и источник 16 света, показанный как светоизлучающий диод (СИД). Гальванический элемент 34 содержит два разных металла в электролите, таком как кислота или соленая вода. Соответствующим выбором металлов (т.е. один будет анодом, а другой катодом) можно создать известную разность потенциалов между двумя поверхностями. В предпочтительном варианте осуществления цинк (анод) и медь(катод) помещены в соленую воду, создавая таким путем предсказуемое напряжение и слабый ток. Для варианта осуществления, показанного на фиг. 3 и 4, напряжение, получаемое от гальванического элемента 34, приводит в действие источник 16 света. Альтернативно, для подачи энергии, чтобы зажечь источник света, можно использовать маленькую батарейку, такую, как батарея смещения, с цепью,замыкаемой проводящим пластовым флюидом. Аналогично, чтобы увеличить питание источника света,-3 011899 можно также использовать маленькую схему с минимальным числом компонентов, чтобы усилить электрический импульс, генерированный при измерении физического параметра. В сходном варианте осуществления электрический импульс, генерированный измерением, может использоваться, чтобы заставить малую цепь генерировать скважинный источник электричества, который питает источник света. В некоторых вариантах осуществления на пластинах гальванического элемента может применяться электролитическое покрытие для повышения чувствительности к воде, такие покрытия особенно полезны, если вода, производимая в скважине, имеет низкую проводимость. Обычно гальванический элемент производит нулевой сигнал для нефти и максимальный сигнал для воды. Как и в случае локатора 10 муфт обсадной колонны, датчик 30 сопротивления является пассивным и автономным устройством, которое может различать воду и нефть и затем посылать соответствующий сигнал на аппаратуру у поверхности земли. Обратимся теперь к фиг. 5, на которой показан вариант осуществления, в котором для генерирования оптической энергии используется механическое движение. В этом варианте осуществления преобразователем-генератором света является волоконно-оптическое вертушечное устройство 40. Волоконнооптическое вертушечное устройство 40 содержит корпус 42, имеющий вал 44, который проходит через подшипники и уплотнительные прокладки 46, установленные в корпусе 42. С концом вала 44 соединена вертушка 48, которая поворачивается в ответ на текущий флюид. Внутри корпуса 42 опорный диск 50 соединен с валом 44. С одним краем опорного диска соединен магнит 52, а проволочная катушка 54 установлена на корпусе 42 сразу над магнитом 52. Источник 16 света соединяется с катушкой 54 и возбуждается на частоте, которая соответствует скорости вращения (и направлению, если применяется квадратурная модуляция) вертушки 48. Т.е. если магнит 52 проходит мимо катушки 54, магнит 52 вызывает достаточное напряжение и ток, чтобы возбудить светодиодный источник 16 света, который соединяется через оптический волновод 24 с приемной аппаратурой (не показана). В некоторых вариантах осуществления приемная аппаратура может быть записывающим оборудованием, расположенным у поверхности. В определенных вариантах осуществления оптический волновод 24 может размещаться внутри гибких НКТ, и вертушечное устройство используется в стволе скважины на НКТ. Таким образом, волоконно-оптическое вертушечное устройство 40 преобразует вращательную энергию вертушки 48, движущуюся в ответ на течение флюида, в оптическую энергию. Такой поток флюидов в среде ствола скважины может иметь множество источников. Например, флюид под давлением может быть введен от поверхности в кольцевой канал ствола скважины или через гибкие НКТ. В некоторых вариантах осуществления поток флюидов может поступать через ту же колонну НКТ, в которой находится оптический волновод 24. Альтернативно, потока флюидов внутри скважины может быть достаточным для вращения вертушки 48. Например, потока флюидов, поступающего от пластового флюида,который находится под давлением выше, чем давление флюида в стволе скважины, или поперечного потока флюида внутри ствола между зонами может быть достаточно, чтобы вращать вертушку 48. В других вариантах осуществления оптоволоконное вертушечное устройство 40 может перемещаться по каналу,такому как гибкие НКТ, через скважинный флюид, тем самым создавая течение флюида для вращения вертушки 48. Настоящее изобретение включает способы генерации оптической энергии в стволе скважины путем преобразования измерения физического параметра в стволе скважины в оптическую энергию. В некоторых способах для введения измерительной аппаратуры в ствол скважин используются гибкие НКТ, а в других вариантах осуществления может применяться маленький источник питания для дополнения энергии, создаваемой измерением физического параметра. Кроме того, настоящее изобретение включает способ измерения параметров в стволе скважины и сообщения о результатах, используя оптическую энергию, созданную при преобразовании физического состояния скважинного параметра в оптическую энергию. Хотя выше было подробно описано только несколько типичных вариантов осуществления данного изобретения, специалисты должны легко понять, что возможно много модификаций этих типичных вариантом осуществления, не отходя по существу от новых идей и преимуществ настоящего изобретения. Соответственно, подразумевается, что все такие модификации входят в объем данного изобретения, определенный в следующей формуле изобретения. В формуле подразумевается, что пункты "способ+функция" охватывают описанные здесь структуры как осуществляющие перечисленные функции, а не только структурные эквиваленты, но также и эквивалентные структуры. Таким образом, хотя гвоздь и винт могут не быть структурными эквивалентами, так как гвоздь использует цилиндрическую поверхность, чтобы скрепить вместе деревянные детали, а винт использует спиральную поверхность в среде скрепляемых деревянных деталей, гвоздь и винт могут быть эквивалентными структурами. Положения 35 USC 112, абзац 6 не следует применять, для каких-либо ограничений пунктов формулы изобретения,за исключением тех, в которых выражение "средство для" используются явно вместе с соответствующей функцией.-4 011899 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Система генерации света для применения в стволе скважины, содержащая измерительную аппаратуру, чувствительную к оптической энергии, для измерения физического состояния; преобразователь-генератор света в стволе скважины, причем преобразователь-генератор света приспособлен для преобразования физического состояния параметра в стволе скважины в оптическую энергию, причем энергия для функционирования упомянутого преобразователя-генератора света образуется в процессе измерения упомянутого физического параметра; оптический волновод для проведения оптической энергии от преобразователя-генератора света к приемной аппаратуре для приема измерения. 2. Система генерации света по п.1, в которой физическое состояние выбрано из множества, состоящего из:(i) механического движения компонента в стволе скважины;(ii) изменения физических свойств параметра и(iii) изменения химических свойств параметра. 3. Система генерации света по п.1, причем оптический волновод содержит по меньшей мере одно оптическое волокно. 4. Система генерации света по п.1, в которой преобразование физического состояния включает преобразование, выбранное из множества, состоящего из:(i) преобразования относительного движения объекта в оптическую энергию, причем объект имеет магнитную проницаемость и электрическую проводимость,(ii) преобразование вращательной энергии в оптическую энергию,(iii) преобразование разности потенциалов между двумя разными металлами в электролите в оптическую энергию,(iv) преобразование полученной от датчика аномалии в оптическую энергию,(v) преобразование изменения излучения в оптическую энергию и(vi) преобразование движения флюида в оптическую энергию. 5. Система генерации света по п.1, в которой преобразование физического состояния включает превращение движения флюида в оптическую энергию и источником движения флюида является одно из:(i) течение флюида под давлением, доставляемое от поверхности скважины;(ii) течение флюида под давлением, доставляемое от поверхности по линии, ведущей оптический волновод к системе генерации света;(iii) течение пластового флюида при давлении выше, чем гидростатическое давление;(iv) поперечное течение флюида в стволе скважины и(v) движение измерительной аппаратуры по стволу скважины при гидростатическом давлении. 6. Система генерации света по п.1, в которой параметр выбран из одного из: (а) проводимости, (b) положения металлической аномалии, (с) течения флюида и (d) излучения. 7. Система генерации света по п.1, в которой оптический волновод помещается внутри гибких насосно-компрессорных труб (НКТ). 8. Способ измерения параметров в стволе скважины с использованием системы генерации света по п.1, включающий этапы введение преобразователя-генератора света в ствол скважины, причем преобразователь-генератор света приспособлен для преобразования физического состояния параметра в стволе скважины в оптическую энергию, причем питание упомянутого преобразователя-генератора света осуществляется за счет процесса измерения упомянутого физического параметра,преобразование физического состояния параметра в стволе скважины в оптическую энергию и проведение оптической энергии от преобразователя-генератора света к приемной аппаратуре с помощью оптического волновода. 9. Способ по п.8, в котором физическое состояние выбрано из множества, состоящего из:(i) относительного механического движения компонента в стволе скважины;(ii) изменения физических свойств параметра и(iii) изменения химических свойств параметра. 10. Способ по п.8, в котором оптический волновод содержит по меньшей мере одно оптическое волокно. 11. Способ по п.8, причем этап преобразования физического состояния параметра включает преобразование, выбранное из множества, состоящего из:(i) преобразования относительного движения муфты обсадной колонны в оптическую энергию,(ii) преобразования вращательной энергии в оптическую энергию и(iii) преобразования разности потенциалов между двумя разными металлами в электролите в оптическую энергию. 12. Способ по п.8, в котором этап преобразования включает движение преобразователя через флю-5 011899 ид в стволе скважины. 13. Способ по п.8, в котором этап преобразования включает преобразование движения флюида в оптическую энергию и источник флюида выбран из группы:(i) флюид под давлением, доставляемый от поверхности скважины,(ii) флюид под давлением, доставляемый от поверхности по линии, ведущей оптический волновод к системе генерации света,(iii) скважинный флюид при гидростатическом давлении,(iv) пластовый флюид при давлении выше гидростатического давления и(v) поперечное течение флюида в стволе скважины. 14. Способ по п.8, в котором параметр выбран из одного из: (а) проводимости, (b) положения металлических аномалий и (с) течения флюида. 15. Способ по п.8, в котором оптический волновод расположен внутри гибких насоснокомпрессорных труб (НКТ). 16. Способ генерации оптической энергии в стволе скважины, включающий этапы: доставки измерительной аппаратуры, чувствительной к оптической энергии, для измерения физического состояния в стволе скважины,измерения физического состояния параметра, используя доставленную аппаратуру и применения преобразователя-генератора света для преобразования измерения физического параметра в оптическую энергию; причем энергия для проведения этапа преобразования обеспечивает этап измерения физического параметра. 17. Способ по п.16, дополнительно включающий проведение оптической энергии от преобразователя-генератора света к приемной аппаратуре с помощью оптического волновода. 18. Способ по п.16, в котором измерительная аппаратура проводится с использованием гибких насосно-компрессорных труб (НКТ) и оптический волновод расположен внутри НКТ. 19. Способ по п.16, дополнительно включающий доставку источника питания в ствол скважины и совместное использование энергии от источника питания и энергии, образуемой в процессе измерения физического параметра, для преобразования результатов измерения в оптическую энергию. 20. Способ по п.16, дополнительно включающий введение электрической цепи для усиления энергии, полученной от измерения физического параметра.