Технологическая система для геофизического исследования скважин с использованием оптоволоконного кабеля

Использование: техническое решение относится к технологии геофизических исследований скважин (ГИС) и может быть использовано, в частности, для разведки угольного метана и горючих сланцев и оценки оптимального воздействия на угольные пласты (сланцы) в режиме реального времени. Сущность: создание устройства для ГИС с использованием в качестве скважинного устройства ГИС и геофизического кабеля многоканального оптоволоконного кабеля. Технический результат: регистрация физических параметров скважины одновременно по всей длине скважинного оптоволоконного кабеля, упрощение структуры устройства ГИС в виде оптоволоконного кабеля и повышение надежности измерения в реальном масштабе времени непрерывно по всей длине кабеля. 1 фиг.

Техническое решение относится к технологии геофизических исследований скважин (ГИС) и может быть использовано, в частности, для разведки угольного метана и горючих сланцев и оценки оптимального воздействия на угольные пласты (сланцы) в режиме реального времени.

Традиционная технология [9, 10] ГИС и ее модификации [1-6, 11-13], как правило, заключается в использовании аппаратуры, включающий опускаемое в скважину посредством устройства спуска-подъема скважинное устройство ГИС, соединенное геофизическим кабелем с наземной аппаратурой ГИС. При этом в качестве скважинных устройств используются скважинные зонды и приборы акустического, плотностного, радиационного и других видов каротажа с возможностью их захвата в процессе спуско-подъемных операций, что исключает возможность измерения физических полей одновременно по всему стволу скважины в режиме реального времени, требует больших временных затрат и, в ряде случаев, представляет определенную угрозу экологии территории скважины. Скважинные зонды - достаточно громоздкое, сложное и дорогое оборудование, требующее проведения измерений при каждом спуске кабеля, т.е. при перемещении зонда по стволу скважины.

Ряд запатентованных технологий [1-4, 11, 12] акцентируют внимание на усовершенствовании обработки данных ГИС. Известные устройства [5, 6] ГИС также направлены на повышении качества обработки данных ГИС, а технологии сбора данных уделяется недостаточное внимание.

За прототип [1] устройства для ГИС выбрана технология одной из ведущих зарубежных фирм в области геофизики «Шлюмбергер Текнолоджи Б.В» (NL), описанная в патентах США, РСТ/WO и патенте РФ RU 2331089 C2, 10.08.2008 («способ и устройство для определения параметров пласта»).

Технологическая система [1] для геофизического исследования скважин (ГИС) содержит опускаемое в скважину посредством устройства спуска-подъема скважинное устройство ГИС, соединенное геофизическим кабелем с наземной аппаратурой ГИС, которая включает последовательно соединенные блок накопления и хранения данных, блок обработки данных, блок анализа и интерпретации данных.

Недостатком устройства [1], как и других аналогов [2-6, 11-13], являются: невозможность измерения физических параметров одновременно по всему стволу скважины в едином (реальном) времени, относительная сложность и громоздкость скважинных устройств (зондов), нарушение экологии околоскважинного пространства.

В последнее время в различных областях техники используются устройства оптоэлектроники, в том числе в сейсморазведке (см. например [7]) и при гидроакустическом мониторинге [8]. Распространение использования современной волоконно-оптической технологии на исследования скважин является целесообразным развитием уровня техники ГИС.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании системы для ГИС с использованием в качестве скважинного устройства ГИС и геофизического кабеля многоканального оптоволоконного кабеля.

Технический результат предлагаемой технологии заключается в регистрации физических параметров скважины одновременно по всей длине скважинного оптоволоконного кабеля. При упрощении структуры устройства ГИС в виде оптоволоконного кабеля и при повышении надежности измерения могут быть осуществлены в реальном масштабе времени непрерывно по всей длине кабеля. Предлагаемая технология обладает всеми достоинствами средств оптоэлектроники (большая скорость передачи измерительной информации, высокая помехозащищенность и др.), а также является экономичной и экологически чистой по сравнению с прототипом [1] и с другими известными техническими решениями [2-6, 9-13].

Технический результат достигается следующим образом.

Технологическая система для геофизического исследования скважин (ГИС) содержит опускаемое в скважину посредством устройства спуска-подъема скважинное устройство ГИС, соединенное геофизическим кабелем с наземной аппаратурой ГИС, которая включает последовательно соединенные блок накопления и хранения данных, блок обработки данных, блок анализа и интерпретации данных.

Отличительная особенность системы заключается в том, что в качестве скважинного устройства ГИС и геофизического кабеля использован многоканальный оптоволоконный кабель. Наземная аппаратура ГИС дополнительно включает лазер и последовательно соединенные приемник оптических сигналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом первый выход лазера подключен к многоканальному оптоволоконному кабелю, второй выход лазера через ответвитель подключен к первому входу приемника оптических сигналов, ко второму входу которого через ответвитель подключен выход многоканального оптоволоконного кабеля, а выход АЦП подключен к входу блока накопления и хранения данных.

На чертеже представлена общая конструктивная схема предложенной технологической системы геофизического исследования скважин, где использованы следующие обозначения:

1 - многоканальный оптоволоконный кабель;

2 - устройство спуска-подъема кабеля;

3 - наземная аппаратура ГИС;

4 - блок накопления и хранения данных;

5 - блок обработки данных;

6 - блок анализа и интерпретации данных;

7 - лазер;

8 - приемник оптических сигналов;

9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

10 - ответвитель;

11 - скважина.

Работа технологической системы при ГИС с использованием оптоволоконного кабеля заключается в следующем.

Посредством устройства 2 спуска-подъема в скважину 11 опускается оптоволоконный кабель 1, который реализует измерения акустического поля, температуры и давления, являющиеся базовыми с целью выделения и оценки зон воздействия на угольные пласты (сланцы) в режиме реального времени. Работа системы основана на использовании многоканального оптоволоконного кабеля 1 для измерения акустического и теплового полей путем возбуждения и регистрации обратного рассеяния лазерным источником.

Оптическое волокно само по себе является сенсором. Данные измерений фиксируются распределенным оптоволоконным сенсором 1 на основе явления рассеяния фотонов входного светового (лазерного) импульса на атомах световода. В результате рассеяния возникают фотоны как с меньшей энергией, чем у входного импульса, т.е. с большей длиной волны (стоксовые компоненты спектра), так и с меньшей энергией, т.е. с меньшей длиной волны (антистоксовые компоненты спектра). Наиболее чувствительны к изменению температуры антистоксовые компоненты, мерой температуры является отношение интенсивности антистоксовой компоненты к интенсивности стоксовой компоненты. Главной особенностью сенсоров, регистрирующих рассеянное излучение, заключается в их распределенности вдоль непрерывного оптоволоконного кабеля 1, т.е. отражения рассеянного излучения происходят на всем протяжении оптоволоконного кабеля, а отражения от каждого элементарного участка кабеля 1 определяют состояние этого участка, обусловленное температурой, изменением отражательной способности угольных пластов, давления и т.д.

Лазер 7 наземной аппаратуры 3 ГИС служит для генерации световых импульсов, подаваемых с первого выхода лазера 7 (прямое лазерное излучение) на многоканальный оптоволоконный кабель. Измеренные величины (обратное, рассеянное лазерное излучение) через ответвитель 10 поступают на второй вход приемника 8 оптических сигналов, на первый вход которого через ответвитель 10 поступают сигналы со второго выхода лазера 7, и, далее, через АЦП - на вход блока 4 накопления и хранения данных.

Блок 5 служит для обработки данных ГИС, с помощью блока 6 проводится анализ и интерпретация данных ГИС. Блок 5 определяет моменты отраженного излучения монохроматического импульса лазера 7 и оценивает местоположение отражающего элемента на кабеле 1. При измерении обратного (рассеянного) лазерного излучения в последовательно возрастающие моменты времени оценка отражений будет осуществляться непрерывно по всей длине оптоволокна кабеля 1 или в определенных последовательно расположенных точках, например, через 0,1÷0,2 м.

Блок 6 позволяет производить анализ и интерпретацию (вынесение суждения о параметрах пластов по стволу скважины) данных ГИС: например, анализ внутренней структуры емкостных характеристик метаноугольных пластов и сланцев, выделение (картирование) зон воздействия на угольные пласты (сланцы) по данным акустического и теплового полей и поля давления в режиме реального времени, выделение угольных пластов - кандидатов гидроразрыва. С помощью блоков 4-6 может быть осуществлен прогноз возможного типа флюида по данным температурных измерений.

Способы анализа и интерпретации данных и реализующие их устройства по измерениям ГИС известны и описаны, например в [2, 9, 10]. В работе блока 5 обработки данных могут быть использованы адаптированные алгоритмы и процедуры интерпретационной обработки геофизических данных с целью актуализации геологических моделей и подготовки объектов для бурения (например, технология «ЛИТОСКАН» [2, 11]). Кроме того, оптоволоконный кабель 1 может быть применен для изучения посредством блока 6 тектонофизических неоднородностей и залежей с трудноизвлекаемыми ресурсами углеводородов.

Таким образом, из описания технического решения и его работы следует, что достигается его назначение с указанным техническим результатом, который находится в причинно-следственной связи с совокупностью существенных признаков.

ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ

I. Прототип и аналоги:

1. RU 2331089 C2, 10.08.2008 (прототип).

2. RU 2011148308/28 A, 27.02.2012 (аналог).

II. Дополнительные источники по уровню техники:

3. RU 2334252 C2, 20.09.2008.

4. RU 2145100 C1, 27.01.2000.

5. RU 23001 U1, 10.05.2002.

6. RU 25760 U1, 20.10.2002.

7. RU 45537 U1, 10.05.2005.

8. Daudridge A., Cogdell G.D. Fiber Optic Sensors - Perfomance, Relibility, Smallness. - Sea Tehnology, May 1994, pp. 31-37.

9. Боганик Г.Н., Гурвич И.И. Сйсморазведка: Учебник для вузов. Тверь: Изд-во АИС, 2006. - 744 с. (с. 369-710).

10. Прикладная геофизика / В.М. Телфорд и др. - М: Недра, 1980, 502 с. (с. 446-475: Геофизические исследования скважин).

11. RU 114175 U1, 10.03.2012.

12. RU 127946 U1, 10.05.2013.

13. RU 2001118263/28 A, 10.03.2004.

Технологическая система для геофизического исследования скважин (ГИС), содержащая опускаемое в скважину посредством устройства спуска-подъема скважинное устройство ГИС, соединенное геофизическим кабелем с наземной аппаратурой ГИС, которая включает последовательно соединенные блок накопления и хранения данных, блок обработки данных, блок анализа и интерпретации данных, отличающаяся тем, что в качестве скважинного устройства ГИС и геофизического кабеля использован многоканальный оптоволоконный кабель, наземная аппаратура ГИС дополнительно включает лазер и последовательно соединенные приемник оптических сигналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом первый выход лазера подключен к многоканальному оптоволоконному кабелю, второй выход лазера через ответвитель подключен к первому входу приемника оптических сигналов, ко второму входу которого через ответвитель подключен выход многоканального оптоволоконного кабеля, а выход АЦП подключен к входу блока накопления и хранения данных.