基於光學信號來確定展開到井中的載波線路的長度的製作方法

2023-05-26 08:48:21

專利名稱：基於光學信號來確定展開到井中的載波線路的長度的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用光學時域反射技術來確定展開到井中的載波 線路的長度，例如布裡淵散射光學時域反射技術。
背景技術：
通常需要確定井下部件的長度，例如在已經展開到井中的載波線路
(例如有線線路或滑線(slideline))上承載的工具。典型地，將載波 線路纏繞到地面位置處的線軸或巻軸上。為了將載波線路上的工具展開 到井中，從線軸上解開所述載波線路。
傳統上，將深度輪傳感器(d印th wheel sensor)設置在靠近線軸 的地球表面位置處，以確定已經從線軸上解開的載波線路的量。深度輪 傳感器包括當從線軸上解開載波線路時旋轉的輪子或輥子。將輪子旋轉 的次數用於確定已經從線軸上解開並且降低到井中的載波線路的長度。
用於測量已經展開到井中的載波線路的長度的這種技術不是非常 精確。當載波線路展幵到井中時，載波線路長度將由於環境條件(例如 溫度和/或壓力變化)以及由於載波線路和在載波線路上承載的工具的重 量所施加的應變而變化。用於測量己經展開到井中的載波線路長度的深 度輪子傳感器不會解決這種長度變化的問題。

發明內容
通常，根據實施例的方法包括將部件展開到具有光纜的載波線路 上的井中；以及將光學信號發射到光纜中。確定了光學信號在光纜中的
傳播時間。同樣，確定了沿光纖的特性分布(例如溫度分布和/或應變分 布)。基於所確定的分布和傳播時間來確定展開到井中的載波線路的長度。
根據以下描述、附圖和權利要求，其他或替換的特徵將變得清楚。


圖1示出了包括根據實施例的測量裝置的第一示範性結構。
圖2是示出了利用展開到井中的載波線路的光纜上的溫度變化實現 的參考符號的曲線。
圖3示出了包括根據另一個實施例的測量裝置的第二示範性結構。
圖4是示出了利用展開到井中的載波線路中的光纜上的應變變化實 現的參考符號的曲線。
圖5是通過根據實施例的測量裝置執行的過程的流程圖。
具體實施例方式
在以下描述中，闡述許多細節以提供對於本發明的理解。然而，本
領域普通技術人員應該理解的是本發明可以無需這些細節的來實現， 並且對於所述實施例的各種變化或修改也是可能的。
根據實施例，將光學時域反射(0TDR)技術用於確定展開到井中的 載波線路的長度。更具體地，OTDR技術是基於光學信號散射。存在三種 主要類型的光學信號散射瑞利散射、拉曼散射和布裡淵散射。儘管可 以將三種上述光學信號散射類型的每一種用於在本發明中有利地使用， 為了說明的而不是限制的目的，以下討論主要集中於布裡淵散射。
根據實施例，所使用的OTDR技術是布裡淵OTDR技術，所述布裡淵 OTDR技術包含基於布裡淵散射的測量。在光纜中(也稱為光纖)，布裡淵 散射是由(入射光學信號的)入射光量子與介質(光纖)中的聲子相互 作用產生的非彈性現象。該相互作用包括具有從原始入射光波頻率偏移 的頻率(布裡淵頻率)的相向傳播光波(背向散射光學信號)。光纖中的 布裡淵散射對於光纖中的溫度和應變變化兩者均敏感。由溫度和應變變 化產生的布裡淵頻率偏移本質上是線性的，並且典型地特徵明顯。
布裡淵光學時域反射(B-0TDR)測量裝置測量布裡淵頻移，並且使 所述頻移與沿光纖(例如單模光纖)的溫度和/或應變變化相互關聯。沿 光纖的長度分布所述測量，所述測量提供溫度和/或應變分布。此外，從光纖的遠端發生相對較大的反射，這提供了允許精確的光纖長度讀取的 標記(井下標記)。此外，將另一個標記設置在地面位置處(例如，井的 頂部附近)。測量光學信號在光纖中的總傳播時間，其中所述總傳播時間 是從地面標記到井下標記的入射光學信號的第一傳播時間以及從井下標 記到地面標記的背向散射光學信號的第二傳播時間的和。將兩個標記之 間的傳播時間(一個在地面處，而另一個在井下位置處，例如在光纖的 遠端)結合沿光纖長度所確定的溫度和/或應變分布用於提供精確的載波 線路長度和井深測量。
沿光纖的溫度分布和應變分布影響光纖的折射率。折射率的變化引 起光纖中光速的變化。因此，只基於光學信號的傳播時間來確定井中光 纖的長度沒有考慮由於光纖的溫度和應變波動導致的光纖中折射率的變 化。通過確定沿井中光纖長度的溫度分布和應變分布，可以進行調節以 更精確地確定已經展開到井中的光纖的實際長度。
將地面標記設置在承載光纖的線軸和井頂部處的井頭之間的地面 位置處的光纖中。可以使用多種技術之一將地面標記設置在光纖中。一 種技術是向光纖上的位置處的特定點(或一系列點)施加溫度變化。另 一種技術是使用應變記號，其中向光纖的特定位置處的一系列點施加不 同應變。
圖1示出了包括測量裝置100的示範性結構，所述測量裝置ioo與線 軸104上承載的光纖102相連。注意所述光纖102可以是載波線路的一部 分，例如管形材料、有線線路、滑線等。將光纖102從線軸104上解開， 以將光纖102展開到井106中。在圖l的示範性結構中，在展開到井106中 之前通過巻軸108和110 (作為井頭設備112的一部分)設置光纖102。遠 端處的光纖102與已經降低到井106中的工具116相連。
如圖1中所示，將第一標記114設置在線軸104和井頭設備112之間的 地面位置處。將第二標記116設置在井下位置處的光纖102上，例如光纖 102的遠端。根據某些實施例，第一標記114包括一系列的點118、 120和 122，將所述點設定為與接近第一標記114的光纖部分的環境溫度不同的 溫度。例如，在圖l中所示的實施例中，點118處於相對較低的溫度(冷
卻溫度)，點120處於相對較高的溫度(加熱溫度)，以及點122處於相對 較低的溫度(冷卻溫度)。通過加熱器(未示出)執行加熱，而通過冷卻 裝置(未示出)來執行冷卻。因為將不同的溫度點118、 120和122設置為 與相鄰光纖部分的環境溫度不同的溫度，沿光纖102的長度所測量的溫度 分布將預示著第一標記114的存在。
根據某些實施例，確定展開到井106中的線纜102的長度是基於在第 一和第二標記114、 116之間限定的線纜的長度。注意第一標記114和進 入井106中的入口點之間的光纖長度是己知的，使得可以推出井106中的 工具116的深度。
根據實施例，測量裝置100是布裡淵光學時域反射(B-OTDR)測量 裝置，所述裝置依賴於布裡淵散射來確定沿光纖102的溫度和應變分布。 如圖1所示，測量裝置100包括在一個或更多中央處理單元(CPU) 132上 執行的軟體130。 CPU 132與存儲器134相連。CPU 132與光學收發機136 相連。在CPU 132上執行的軟體130引起光學收發機136將入射光學信號發 射到光纖102中。背向散射的光學信號也通過光學收發機136接收，其中
背向散射的光學信號具有與入射的光學信號的頻率偏移的布裡淵頻率。 基於通過光學收發機136接收到的背向散射的光學信號，軟體130能夠確 定入射光學信號和背向散射光學信號的雙向傳播時間。軟體130也能夠基 於背向散射的光學信號來確定沿光纖102的長度的溫度分布和應變分布。 更具體地，測量裝置100能夠測量在光纖上的布裡淵散射的波動，所述布
裡淵散射受到溫度和應變變化的影響。測量裝置ioo記錄光波圖案中可辨
認的變化以逐漸形成溫度和應變分布(圖)。
將模型138存儲在存儲器134中，其中模型138將傳播時間、溫度分 布和應變分布映射到光纖的長度。模型138基於在井位置處實際使用的特 定光纖102的特性來逐漸形成。可以在工具組裝位置處、井位置處或通過 光纖的製造來執行所述特徵化。光纖的特徵包括使光纖受到不同的已知 溫度和/或應變變化以確定光纖的溫度和/或應變分布以及對於光纖長度 的影響。
軟體130能夠將以下測量參數應用到所述模型138:傳播時間、溫度
分布和應變分布。基於所測量的輸入參數，模型138產生表示井中的光纖 102長度的輸出。
圖2是示出了沿一部分光纖的溫度分布的曲線。所述曲線繪製了與 沿光纖102的長度的距離有關的溫度。第一標記114由一系列溫度變化來 表示，圖2中的第一標記114包括冷卻溫度202、加熱溫度204和冷卻溫度 206。在線軸104上承載的光纖段的溫度是如208所表示的環境溫度，而井 中的光纖102的溫度由溫度分布210表示。注意，所述溫度分布210表示出 溫度隨著井106中的深度增加而增加。
圖3示出了不同的結構，所述結構包括與在線軸104上承載的光纖 102相連的測量裝置100A。所述測量裝置100A還包括與圖1的測量裝置類 似的軟體、CPU和存儲器。在圖3的結構中，省略了基於不同點處的溫度 變化的第一標記1H (圖l)。代替地，圖3結構中的第一標記表示為300， 包括具有不同應變的一系列點302、 304和306。第一點302處的應變差別 是由巻軸108引起的，點304處的應變差別是由缺少巻軸引起的，以及點 306處的應變變化是由巻軸110的存在引起的。
應變分布如圖4所示，圖4繪製了沿光纖長度的應變和距離。第一標 記300由增加應變的三個點表示，包括點A (302)處增加的應變400、點B (304，其中點B處的應變小於點A處的應變，但是大於第一標記300區域 外部的光纖環境應變)處增加的應變402以及點C (306)處增加的應變 404。線軸104上的光纖段中的環境應變表示為406。井中的光纖段的應變 表示為408，其中所述應變隨著光纖的深度而減小。
圖5是根據實施例的、由測量裝置100或100A中的軟體130執行的工 藝的流程圖。軟體130發送命令(502)以將入射光信號發射到光纖中。 然後，軟體130檢測背向散射光學信號的接收(504)。基於與入射光學信 號以及背向散射光學信號相關聯的定時，軟體130確定了到沿光纖分布的 一系列點的雙向傳播時間(506)。基於所述背向散射的光學信號，軟體 130還確定了應變分布和溫度分布(508)。應用雙向傳播時間、應變分布 和溫度分布到測量裝置中的模型138，然後所述模型138產生表示第一和 第二標記之間的光纖長度的輸出(512)。
加載上述軟體(包括圖l的軟體)的指令，用於在處理器上執行(例 如圖1中的一個或更多CPU 132)。所述處理器包括微處理器、微控制器、 處理器模塊或子系統(包括一個或更多微處理器或微控制器)、或者其他 控制或計算裝置。如這裡所使用的，"控制器"可以指的是單獨的部件或 多個部件(軟體或是硬體)。
將(軟體的)數據和指令存儲在各個存儲裝置中，所述存儲裝置可 以實現為一個或更多計算機可讀或計算機可用存儲介質。所述存儲介質
包括不同形式的存儲器，包括諸如動態或靜態隨機存取存儲器(DRAM或 SRAM)、可擦除可編程只讀存儲器(EPR0M)、電可擦除可編程只讀存儲器 (EEPR0M)以及閃速存儲器之類的半導體存儲器件；諸如硬碟、軟盤或 可換式盤之類的磁碟；包括磁帶的磁性介質；以及諸如光碟(CD)或數 字通用盤(DVD)之類的光學介質。
儘管己經參考有限個數的實施例描述了本發明，受益於該公開的本 領域普通技術人員應該理解多種修改和變化。本發明傾向於所附權利要 求覆蓋了落在本發明的實質精神和範圍內的全部這些修改和變化。
權利要求
1.一種方法，包括通過具有光纜的載波線路將部件展開到井中；把光學信號發射到所述光纜中；確定光纜中的光學信號的傳播時間；確定沿光纜的光纜特性分布；以及基於所確定的分布和傳播時間來確定展開到井中的載波線路的長度。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中確定所述分布是基於光學時 域反射技術。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中確定所述分布是基於布裡淵 光學時域反射技術。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中確定所述分布是基於瑞利光 學時域反射技術。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中確定所述分布是基於拉曼光 學時域反射技術。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中確定光纜特性的所述分布包 括確定溫度分布和應變分布的至少一個。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中所發射的光學信號包括入射 光學信號，所述方法還包括響應於所述入射光學信號，檢測從光纜中的井下標記背向散射的光纜中的背向散射光學信號。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中確定所述傳播時間是基於入 射光學信號的傳播時間和背向散射光學信號的傳播時間之和。
9. 根據權利要求8所述的方法，其中確定所述特性分布包括確定沿光纜長度的溫度分布。
10. 根據權利要求9所述的方法，還包括應用所述溫度分布和所述傳播時間到模型；以及 所述模型基於所述傳播時間和溫度分布來產生所述載波線路的長 度。
11. 根據權利要求10所述的方法，還包括 確定沿所述光纜的應變分布；以及將所述應變分布與所述溫度分布和傳播時間一起應用到所述模型， 其中，由模型產生所述載波線路的長度進一步基於所述應變分布。
12. 根據權利要求8所述的方法，還包括在地面位置處的光纜中設置第一標記，以及在井下位置處的光纜中 設置第二標記；其中確定所述傳播時間是基於入射信號以及背向散射信號在第一 和第二標記之間的傳播時間。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中設置所述第一標記包括設 置包括在光纜上的、具有與接近第一標記的那部分光纜的環境溫度不同 溫度的至少一個點的標記。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中設置具有不同溫度的至少 一個點包括設置具有與環境溫度不同溫度的多個點。
15. 根據權利要求12所述的方法，其中設置所述第一標記包括在 光纜上設置具有與接近所述第一標記的那部分光纜的環境應變不同應變 的至少一個點。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中設置具有不同應變的至少 一個點包括設置具有與環境應變不同應變的多個點。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中設置具有不同應變的多個點包括使用光纜通過的多個巻軸來設置具有不用應變的多個點。
18. —種系統，包括光纖，用於展開到井中；以及測量裝置，與所述光纖光學耦合，所述測量裝置用於 測量所述光纖中的特性，其中所測量的特性至少包括光纖中光學信號的傳播時間、沿所述光纖的溫度分布、以及沿所述光纖的應變分布;以及基於所測量的特性來確定展幵到井中的光纖的長度。
19. 根據權利要求18所述的系統，其中所述測量裝置包括用於存 儲模型的存儲器，並且其中所述測量裝置將所測量的特性應用到所述模 型，所述模型用於基於所應用的測量特性來產生光纖的長度。
20. 根據權利要求19所述的系統，其中光學信號的傳播時間包括 由所述測量裝置發射到光纖中的入射光學信號的第一傳播時間以及從光 纖中的井下標記背向散射的背向散射光學信號的第二傳播時間之和。
21. 根據權利要求18所述的方法，其中所述測量裝置使用光學時域反射技術來測量所述特性。
22. 根據權利要求20所述的方法，其中所述光學時域反射技術包 括布裡淵光學時域反射技術。
23. 根據權利要求18所述的方法，其中所述光學信號的傳播時間 是在地面位置處的第一標記和所述光纖的遠端處的第二標記之間。
24. 根據權利要求23所述的方法，其中所述第一標記包括具有與 光纖的環境溫度不同溫度的一系列點。
25. 根據權利要求23所述的方法，其中所述第一標記包括具有與光纖的環境應變不同應變的一系列點。
26. 根據權利要求23所述的方法，還包括線軸，所述線軸上承載 了光纜，所述光纜將從所述線軸上解開以展開到井中，其中將所述第一 標記設置在所述線軸的輸出和所述井的井頭之間。
27. —種裝置，包括包含當執行時引起測量裝置進行以下動作的指 令的至少一種存儲介質把光學信號發射到展開到井中的光纜中； 確定光纜中的光學信號的傳播時間； 確定沿光纜的光纜特性分布；以及基於所確定的分布和傳播時間來確定展開到井中的載波線路的長度。
28. 根據權利要求27所述的裝置，其中確定所述分布是基於光學 時域反射技術。
29. 根據權利要求27所述的裝置，其中確定所述分布包括確定溫度分布和應變分布的至少一個。
30. 根據權利要求27所述的裝置，其中確定所述光學信號的傳播 時間包括確定雙向傳播時間，所述雙向傳播時間是發射到所述光纜中的 入射光學信號的第一傳播時間和從所述光纜的井下標記背向散射的背向 散射光學信號的第二傳播時間之和。
31.根據權利要求27所述的裝置，其中當執行時所述指令引起所 述測量裝置進一步地存儲模型，並且其中確定所述載波線路的長度包括 將所確定的傳播時間和所確定的分布應用到所述模型。
全文摘要
將部件展開到具有光纜的載波線路上的井中。將光學信號發射到光纜中，並且確定光纜中光學信號的傳播時間。確定沿光纜的特性分布，並且基於所確定的分布和傳播時間來確定展開到井中的載波線路的長度。
文檔編號G01B11/22GK101349544SQ20081008144
公開日2009年1月21日 申請日期2008年2月22日 優先權日2007年2月28日
發明者弗拉基米爾·赫爾南德斯-索羅斯, 約瑟夫·瓦爾基, 羅傑裡奧·T·拉莫斯 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司