Устройство с усовершенствованными источником и приемником света для гравиметра и способ измерения

Авторы патента:


Устройство с усовершенствованными источником и приемником света для гравиметра и способ измерения
Устройство с усовершенствованными источником и приемником света для гравиметра и способ измерения
Устройство с усовершенствованными источником и приемником света для гравиметра и способ измерения
Устройство с усовершенствованными источником и приемником света для гравиметра и способ измерения
Устройство с усовершенствованными источником и приемником света для гравиметра и способ измерения
Устройство с усовершенствованными источником и приемником света для гравиметра и способ измерения
Устройство с усовершенствованными источником и приемником света для гравиметра и способ измерения
Устройство с усовершенствованными источником и приемником света для гравиметра и способ измерения
Устройство с усовершенствованными источником и приемником света для гравиметра и способ измерения
Устройство с усовершенствованными источником и приемником света для гравиметра и способ измерения

 


Владельцы патента RU 2473102:

БЕЙКЕР ХЬЮЗ ИНКОРПОРЕЙТЕД (US)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для гравиметрического измерения характеристик пластов горных пород в скважинах. Согласно изобретению, устройство для измерения ускорения свободного падения внутри ствола скважины включает источник света, содержащий полупроводник с энергетической щелью, превышающей приблизительно 2 электронвольта (эВ), и гравиметр для приема светового излучения из источника света, обеспечивающий выходящее световое излучение с характеристикой, связанной с ускорением свободного падения, с использованием наноэлектромеханической системы (НЭМС) и/или микроэлектромеханической системы (МЭМС), выполненных в подложке, причем источник света и гравиметр расположены в корпусе, приспособленном для спуска в ствол скважины. Устройство может содержать оптический фильтр, а гравиметр - контрольный груз. Изобретение касается также способа измерения и системы измерения ускорения свободного падения. Изобретение позволяет обеспечить высокий уровень контроля качества получаемых данных. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к каротажной аппаратуре и, в частности, к усовершенствованным источнику и приемнику света для каротажной аппаратуры.

Уровень техники

При проведении разведки углеводородов важное значение имеет точность выполнения измерений характеристик пластов горных пород. В частности, определение различных характеристик с высокой степенью точности является важным для эффективного проведения бурения.

Добыча нефти и газа в большинстве случаев осуществляется посредством бурения скважины в подземной толще горных пород. Кроме того, скважины обеспечивают проведение измерений в пластах этих пород.

Каротаж представляет собой методику проведения измерений характеристик пластов горных пород в скважинах. В одном из его вариантов "каротажное устройство" спускается в ствол скважины на конце кабеля. Через кабель каротажное устройство посылает на поверхность данные для регистрации. Выходные данные каротажного устройства поступают в различных формах и могут именоваться "каротажной диаграммой". Для получения информации о пластах горных пород проводится много измерений различного вида. Один из видов измерений включает определение ускорения свободного падения или силы тяжести.

Измерения силы тяжести можно использовать для получения информации, связанной с массой окружающего пласта. Например, измерения силы тяжести можно использовать для измерения истощения запасов нефти в окружающем пласте по мере того как нефть замещается водой. При замещении водой нефти в пласте масса пласта и, следовательно, сила тяжести, проявляющаяся в пласте, будут возрастать, поскольку вода имеет бóльшую плотность, чем нефть.

Измерения силы тяжести можно также использовать для определения истинной глубины скважины по вертикали. Знание истинной глубины по вертикали является важным, поскольку глубина ствола скважины является общим фактором для различных каротажных диаграмм. Различные каротажные диаграммы можно просматривать, расположив их друг рядом с другом для получения составной картины пластов горных пород. Данные каротажа могут быть искажены даже небольшими ошибками при определении глубины ствола скважины. Горизонтальные отклонения ствола скважины, могущие исказить данные каротажа, можно учесть, определив истинную глубину по вертикали с помощью измерений силы тяжести (гравитационных измерений).

Каротажное устройство, применяемое для измерения силы тяжести, может включать гравиметр, устанавливающий взаимосвязь изменений ускорения свободного падения с изменениями светового потока. Для гравиметра этого типа требуются источник и приемник света. Для получения точных измерений важна стабильная работа источника и приемника света в условиях скважины.

Как правило, температура в стволе скважины возрастает с увеличением глубины. В отдельных случаях эта температура может достигать 260°C. Кроме того, источник и приемник света могут подвергаться ударным нагрузкам при ускорении в процессе перемещения в стволе скважины. Для того чтобы источник и приемник света сохраняли работоспособность в суровых условиях скважины, в их конструкции может быть использована твердотельная технология. Например, источник света может включать лазерный диод, а приемник света - фотодиод.

Для точных измерений обычно необходимо, чтобы длина волны светового излучения, испускаемого лазерным диодом, не смещалась больше чем на десять миллионных частей (ppm). Кроме того, интенсивность светового излучения, испускаемого лазерным диодом, должна оставаться постоянной. Что касается фотодиода, то при стабильном входном световом потоке его выходной сигнал также должен оставаться стабильным. С ростом температуры интенсивность светового излучения, испускаемого лазерным диодом, уменьшается, а длина световой волны увеличивается. При достаточно высоких температурах, сравнимых с температурами в стволе скважины, большинство обычно используемых лазерных диодов перестают работать. Для обеспечения стабильности длины волны лазерного светового излучения необходимо поддерживать температуру обычного лазерного диода в пределах 0,001°C. Поддержание температуры с такой точностью может быть затруднительным в условиях скважины.

В связи с этим существует потребность в источнике и приемнике света, которые могут работать в определенном диапазоне высоких температур и не нуждаются в прецизионном температурном контроле.

Краткое описание сущности изобретения

Предлагается один из вариантов осуществления устройства для измерения ускорения свободного падения внутри ствола скважины, включающего источник света, содержащий полупроводник с энергетической щелью, превышающей приблизительно два электронвольта (эВ), и гравиметр для приема светового излучения из источника света, обеспечивающий выходящее световое излучение с характеристикой, связанной с ускорением свободного падения, и выполненный с использованием по меньшей мере одной из систем, а именно наноэлектромеханической системы (НЭМС) и микроэлектромеханической системы (МЭМС), в котором источник света и гравиметр расположены в корпусе, приспособленном для спуска в ствол скважины.

Кроме того, предлагается пример способа измерения ускорения свободного падения внутри ствола скважины, включающего размещение источника света и гравиметра в стволе скважины, где источник света содержит полупроводник с энергетической щелью, превышающей приблизительно два электронвольта (эВ), а гравиметр выполнен с использованием по меньшей мере одной из систем, а именно наноэлектромеханической системы (НЭМС) и микроэлектромеханической системы (МЭМС), и освещение гравиметра световым излучением, испускаемым источником света, где свет используется для проведения измерений.

Далее, предлагается один из вариантов осуществления системы для измерения ускорения свободного падения внутри ствола скважины, включающей каротажное устройство, источник света, содержащий полупроводник с энергетической щелью, превышающей приблизительно два электронвольта (эВ), гравиметр для дифрагирования светового излучения, испускаемого источником света, где световое излучение имеет интенсивность, связанную с ускорением свободного падения, а гравиметр выполнен с использованием по меньшей мере одной из систем, а именно наноэлектромеханической системы (НЭМС) и микроэлектромеханической системы (МЭМС), приемник света, предназначенный для измерения интенсивности и содержащий полупроводник с энергетической щелью, превышающей приблизительно два электронвольта (эВ), и устройство сбора данных для предоставления данных измерений пользователю.

Краткое описание чертежей

Предмет настоящего изобретения отдельно сформулирован в пунктах формулы изобретения, приведенных в конце настоящего описания. Указанные выше и прочие особенности и преимущества изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания, приведенного в сочетании с приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же номерами. На чертежах показано:

фиг.1 - пример осуществления каротажного устройства, расположенного в стволе скважины, проходящей через пласты горных пород,

фиг.2 - пример осуществления, включающий источник света, оптический фильтр и приемник света,

фиг.3A и 3Б (вместе фиг.3) - пример осуществления гравиметра,

фиг.4А и 4Б (вместе фиг.4) - графики, иллюстрирующие действие оптического фильтра,

фиг.5 - пример осуществления волоконной решетки Брэгга,

фиг.6 - пример осуществления оптического резонатора,

фиг.7 - пример осуществления компьютера, связанного с каротажным устройством,

фиг.8 - пример способа измерения ускорения свободного падения внутри ствола скважины.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение предоставляет методику для измерения ускорения свободного падения внутри ствола скважины. В частности, данная методика обеспечивает стабильность измерений ускорения свободного падения в условиях изменения температур в скважине.

Ускорение свободного падения измеряется с помощью гравитационного акселерометра, именуемого также "гравиметром". Гравиметр принимает световое излучение и изменяет его в соответствии с величиной ускорения свободного падения, определяемой гравиметром.

Данная методика включает источник света, испускающий световое излучение для гравиметра. Световое излучение имеет длину волны и интенсивность, которые стабильны в диапазоне температур, действию которых подвергается источник света. Кроме того, данная методика включает приемник света, генерирующий выходной сигнал, стабильный в диапазоне температур, действию которых подвергается приемник света. Стабильность источника и приемника света обеспечивается благодаря использованию полупроводниковых материалов с широкой энергетической щелью в сочетании с возможностью контроля температуры. Более узкий диапазон длин волн, обеспечиваемый благодаря использованию материалов с широкой энергетической щелью, выражается в более точных измерениях ускорения свободного падения, чем имели бы место в случае смещения длины волны более чем на 10 ppm.

Для удобства, в настоящем описании использован ряд определений. Термин "гравиметр" относится к датчику для измерения ускорения свободного падения. Датчик принимает световое излучение от источника света и устанавливает взаимосвязь между изменением ускорения свободного падения и изменением характеристик светового излучения, испускаемого датчиком. Абсолютное значение ускорения свободного падения может быть измерено гравиметром путем привязки изменения ускорения свободного падения к какой-либо опорной точке калибровки. Термин "стабильный" относится к выходному сигналу или параметру устройства, не претерпевающему значительных изменений при каком-либо применении. Термин "источник света" относится к устройству, испускающему световое излучение для использования датчиком. В соответствии с настоящим изобретением источник света остается стабильным в условиях скважины. Термин "приемник света" относится к устройству, генерирующему выходной сигнал (именуемый "фототоком") в зависимости от силы света (именуемой "силой падающего света), входящего в устройство. Термин "чувствительность" означает отношение генерированного фототока к силе падающего света. В соответствии с настоящим изобретением, чувствительность приемника света, изготовленного с использованием материалов, имеющих широкую энергетическую щель, сохраняет стабильность в диапазоне температур, являющемся целевым для пользователя. Диапазон температур включает те температуры, которые могут воздействовать на каротажное устройство в стволе скважины.

Термин "энергетическая щель" относится к разности энергий между верхним уровнем валентной зоны и нижним уровнем зоны проводимости полупроводника. Электроны в зоне проводимости обычно свободно перемещаются, образуя электрический ток. В целом, в проводимости участвуют только электроны, обладающие достаточной тепловой энергией, чтобы перейти в возбужденное состояние, позволяющее преодолеть энергетическую щель.

Термин "корпус" относится к конструкции каротажного устройства. Корпус может использоваться по меньшей мере для одной из целей, а именно для размещения и поддержки компонента аппаратуры, используемого с каротажным устройством. Этим компонентом может быть по меньшей мере одно из следующих устройств: источник света, оптический фильтр и приемник света.

На фиг.1 показан вариант осуществления каротажного устройства 10, расположенного в стволе скважины 2. Каротажное устройство 10 содержит корпус 8, приспособленный для использования в стволе скважины 2. Скважина 2 пробурена в толще горных пород 7 и проходит через свиту пластов 4, включающую различные пласты 4А-4Е. Спускоподъемные операции с каротажным устройством 10 в стволе скважины 2 обычно производятся с помощью армированного электрического кабеля 6 или аналогичного средства перемещения, известного специалистам. В варианте осуществления на фиг.1 внутрь корпуса 8 помещен прибор 5 для измерения ускорения свободного падения. На фиг.1 также показан блок электроники 9, осуществляющий прием и обработку данных, поступающих с выхода прибора 5.

В некоторых вариантах осуществления в стволе скважины 2 содержатся материалы, характерные для нефтепоисковых работ и включающие смесь жидкостей, например воду, буровой раствор, шлам, нефть и пластовые флюиды, являющиеся специфическими для различных пластов. Специалисту в данной области будет ясно, что термин "пласты" может вмещать в себя различные характеристики, относящиеся к горным породам. Соответственно, следует иметь в виду, что хотя термином "пласт" обычно именуется целевая толща пород, термин "пласты" в контексте настоящего описания может в отдельных случаях включать любые геологические объекты исследования (например, район проведения съемки).

В контексте настоящего описания предполагается, что ствол скважины 2 является вертикальным, а пласты 4 - горизонтальными. Настоящее изобретение, однако, может быть с тем же успехом применено к наклонно направленным и горизонтальным скважинам либо к случаю, когда пласты 4А-4Е расположены под произвольным углом. Настоящее изобретение равным образом подходит для проведения каротажа в процессе бурения (в англоязычной литературе "logging while drilling" - LWD), измерений в процессе бурения ("measurement while drilling" - MWD) и для кабельных операций в открытом и обсаженном стволе скважины. При проведении операций LWD/MWD каротажное устройство 10 может располагаться в утяжеленной бурильной трубе. В случае операций LWD/MWD бурение может быть временно приостановлено для предотвращения вибрации в период использования каротажного устройства 10 для выполнения измерений.

На фиг.2 представлен пример осуществления прибора 5, включающий источник света 20, оптический фильтр 22, гравиметр 24 и приемник света 26. Как видно из фиг.2, световое излучение 21, испускаемое источником света 20, попадает в оптический фильтр 22. Оптический фильтр 22 фильтрует испускаемое световое излучение 21, и отфильтрованное световое излучение 23 попадает в гравиметр 24. В целом, отфильтрованное световое излучение 23 имеет более узкий диапазон длин волн (и соответствующих частот), чем испускаемое световое излучение 21. Гравиметр 24 принимает отфильтрованное световое излучение 23 и направляет выходящее световое излучение 25 на приемник света 26. Приемник света 26 используется для измерения по меньшей мере одного из параметров выходящего светового излучения 25, а именно интенсивности, частоты и угла.

В конструкции гравиметра 24 может быть предусмотрена твердотельная технология изготовления, обеспечивающая сохранение работоспособности в условиях скважины 2. Кроме того, твердотельная технология изготовления позволяет сконструировать гравиметр 24 достаточно небольших размеров, чтобы разместить его внутри корпуса 8. В одном варианте осуществления гравиметр 24 выполнен с использованием по меньшей мере одной из систем, а именно наноэлектромеханической системы (НЭМС) и микроэлектромеханической системы (МЭМС), известных специалистам в данной области. В этом варианте осуществления для измерения силы тяжести используется контрольный груз. Контрольный груз связан с дифракционной решеткой таким образом, что по меньшей мере одна координата дифракционной решетки изменяется со смещением контрольного груза. Дифракционная решетка используется вместе с источником света 20 и приемником света 26, действуя как интерферометрический датчик смещения. Отфильтрованное световое излучение 23 может быть дифрагировано посредством дифракционной решетки для получения выходящего светового излучения 25. Характеристики выходящего светового излучения 25 могут быть измерены посредством приемника света 26 и сопоставлены со смещением контрольного груза с целью определения силы тяжести. При известных величинах массы контрольного груза и силы тяжести можно определить ускорение свободного падения. Отфильтрованное световое излучение 23 со стабильными характеристиками и узким диапазоном длин волн может обеспечить повышенную точность гравитационных измерений. Аналогичным образом, приемник света 26 со стабильной чувствительностью также может обеспечить повышенную точность гравитационных измерений.

На фиг.3 представлен пример осуществления гравиметра 24, выполненного с использованием по меньшей мере одной из систем НЭМС и МЭМС. На фиг.3А показан вид гравиметра 24 сверху. Как следует из фиг.3А, гравиметр 24 содержит контрольный груз 30, связанный с дифракционной решеткой 31. Контрольный груз 30 подвешен на пружинах 32, соединенных с опорной подложкой 33. Пружины 32 создают силу, противодействующую силе тяжести, в то же время допуская смещение контрольного груза 30, обусловленное силой тяжести. В варианте осуществления, изображенном на фиг.3А, контрольный груз 30, дифракционная решетка 31 и пружины 32 выполнены с использованием по меньшей мере одной из систем НЭМС и МЭМС.

На фиг.3Б показан вид гравиметра 24 сбоку. Гравиметр 24 изображен здесь с источником света 20, оптическим фильтром 22 и приемником света 26. Дифракционная решетка 31, источник света 20, оптический фильтр 22 и приемник света 26 образуют интерферометрический датчик смещения 34. Как следует из фиг.3Б, пружины 32 допускают перемещение контрольного груза 30 в основном в вертикальном направлении 35. По мере перемещения контрольного груза 30 происходит изменение по меньшей мере одной координаты, определяемой дифракционной решеткой 31. В свою очередь, интенсивность выходящего светового излучения 25 связана по меньшей мере с одной координатой. Таким образом, смещение контрольного груза 30 можно определить, измеряя интенсивность. Далее, это смещение можно сопоставить с величиной силы тяжести или ускорения свободного падения, действующих на контрольный груз 30.

Для изготовления источника света 20 и приемника света 26 используются материалы с широкой энергетической щелью. Материалы с широкой энергетической щелью обеспечивают стабильность источника света 20 и приемника света 26 в определенном диапазоне температур. Электроны и дырки, образовавшиеся в результате тепловой генерации, могут усилить случайные колебания ("шум") и изменить длину волны (и соответствующую частоту) испускаемого светового излучения 21. Аналогичным образом, электроны и дырки, образовавшиеся в результате тепловой генерации, могут усилить шум и уменьшить чувствительность приемника света 26. Благодаря использованию материалов с широкой энергетической щелью количество электронов, перешедших в зону проводимости в результате теплового возбуждения, и образовавшихся при этом дырок значительно уменьшается. Уменьшение количества электронов, перешедших в зону проводимости в результате теплового возбуждения, и образовавшихся при этом дырок имеет своим следствием стабильность длины волны испускаемого светового излучения 21 и чувствительности приемника света 22. Кроме того, уменьшение количества электронов, перешедших в зону проводимости в результате теплового возбуждения, и образовавшихся при этом дырок имеет своим следствием уменьшение шума в источнике света 20 и приемнике света 26.

Цвет светового луча или фотона соответствует длине волны и соответствующей энергии фотона. Например, синий свет имеет длину волны 450 нанометров (нм), а фотон - энергию около 2,76 электронвольт (эВ). Материалы с широкой энергетической щелью ассоциируются со светом ближе к синему концу спектра. Как правило, полупроводники с широкой энергетической щелью испускают или воспринимают фотоны, имеющие энергию, соответствующую энергии энергетической щели. Таким образом, источник света 20 и приемник света 26, ассоциируемые с синим концом спектра, обеспечивают улучшенные тепловые характеристики.

Для изготовления источника света 20 и приемника света 26 могут быть использованы различные типы материалов с широкой энергетической щелью. Примерами материалов с широкой энергетической щелью являются фосфид галлия (GaP), нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC). За исключением GaP (длина волны 550 нм), эти материалы с широкой энергетической щелью испускают или воспринимают свет в ультрафиолетовом диапазоне (100-400 нм).

Недавно разработанные лазерные диоды с широкой энергетической щелью (например, 405 нм) могут работать при более высоких температурах, чем обычные лазерные диоды. Лазерные диоды с широкой энергетической щелью демонстрируют меньшее смещение длины волны с температурой (0,05 нм/К), чем обычные лазерные диоды. Смещение длины волны 0,05 нм/К соответствует стабильности длины волны, равной 123 ppm/°C. Следовательно, лазерным диодам с широкой энергетической щелью необходимо поддержание температуры в пределах приблизительно 0,081°С для достижения стабильности длины волны, равной 10 ppm, что может быть получено в скважине. Интенсивность светового излучения, испускаемого лазерными диодами с широкой энергетической щелью, можно поддерживать, регулируя ток, проходящий через эти диоды. Примером осуществления лазерного диода с широкой энергетической щелью для использования в качестве источника света 20 является сине-фиолетовый лазерный диод (405 нм) модели DL-3146-151, изготовленный компанией SANYO Electric Company, LTD (Тоттори, Япония).

Оптический фильтр 22 фильтрует испускаемое световое излучение 21, выдавая отфильтрованное световое излучение 23 с узким диапазоном длин волн. На фиг.4 представлены графики, иллюстрирующие действие оптического фильтра 22 на испускаемое световое излучение 21. На фиг.4А показан пример графика 40 зависимости интенсивности от длины волны для испускаемого светового излучения 21. На фиг.4Б показан пример графика 41 зависимости интенсивности от длины волны для отфильтрованного светового излучения 23.

Одним из вариантов осуществления оптического фильтра 22 является волоконная решетка Брэгга, показанная на фиг.5. Волоконная решетка Брэгга образует оптический волновод по меньшей мере с одним из двух видов элементов возмущения - периодических и апериодических - эффективного показателя преломления в сердцевине волновода. Как видно из фиг.5, волоконная решетка Брэгга 50 содержит оболочку 51 и сердцевину 52. Световое излучение проходит в сердцевине 52 и отражается от оболочки 51. Сердцевина 52 содержит по меньшей мере один из двух видов элементов возмущения - периодических и апериодических - 53 (или решетку 53) эффективного показателя преломления в сердцевине волновода 52, как изображено на фиг.5. Действие решетки 53 состоит в том, что волоконная решетка Брэгга 50 может отражать падающее на решетку 53 световое излучение в некотором узком диапазоне длин волн, пропуская весь остальной спектр длин волн падающего излучения. В результате отфильтрованное световое излучение 23, показанное на фиг.5, имеет более узкий диапазон длин волн, чем испускаемое световое излучение 21, падающее на решетку 53.

Другим вариантом осуществления оптического фильтра 22 является резонатор Фабри-Перо. Существующие резонаторные фильтры Фабри-Перо, используемые для разделения оптических каналов в телекоммуникации, обладают стабильностью в пределах одного пикометра. Стабильность в пределах одного пикометра для источника светового излучения 405 нм соответствует стабильности длины волны, равной 2,5 ppm. Волоконные перестраиваемые фильтры Фабри-Перо изготавливает компания Micron Optics Inc. (Атланта, штат Джорджия, США).

На фиг.6 изображен резонатор Фабри-Перо 60. Как следует из фиг.6, резонатор 60 содержит зеркальные поверхности 61 и промежуточную среду 62, находящуюся в оптическом контакте с зеркальными поверхностями 61. Испускаемое световое излучение 21, входящее в резонатор 60, претерпевает многократное отражение от зеркальных поверхностей 61. Резонатор 60 поддерживает только определенные длины волн испускаемого светового излучения 21. Остальные длины волн испускаемого светового излучения 21 подавляются посредством деструктивной интерференции. В результате отфильтрованное световое излучение 23, показанное на фиг.6, имеет более узкий диапазон длин волн, чем испускаемое световое излучение 21, попадающее в резонатор 60.

Вообще говоря, длины волн светового излучения, поддерживаемые резонатором 60, определяются расстоянием D между зеркальными поверхностями 61, показанными на фиг.5. В некоторых вариантах осуществления резонатор 60 может быть выполнен с использованием твердотельной технологии, например аналогичной той, что используется при изготовлении полупроводниковых устройств. В резонаторе Фабри-Перо 60, изготовленном с использованием твердотельной технологии, свет многократно отражается перед рассеянием. Таким образом, твердотельный резонатор Фабри-Перо 60 эффективно обеспечивает узкую полосу пропускания светового излучения.

Для того чтобы почти полностью или полностью исключить отклонения в узком диапазоне длин волн отфильтрованного светового излучения для определенного диапазона температур, волоконная решетка Брэгга 50 и резонатор Фабри-Перо 60 могут быть выполнены с использованием стекла, имеющего низкий коэффициент теплового расширения, благодаря чему может быть достигнута стабильность длины волны 0,01 ppm. Такое стекло может именоваться "стеклом с низким коэффициентом теплового расширения". В одном из вариантов осуществления волоконной решетки Брэгга 50 сердцевина 52 изготовлена из стекла с низким коэффициентом теплового расширения. В одном из вариантов осуществления резонатора Фабри-Перо 60 из стекла с низким коэффициентом теплового расширения изготовлена промежуточная среда 62. Коэффициент теплового расширения такого стекла, используемого в вариантах осуществления оптического фильтра 22, может составлять менее 0,2 ppm/K в диапазоне температур, существующих в скважине 2. Одним из примеров стекла с низким коэффициентом теплового расширения является стекло ULE®, изготавливаемое компанией Corning Specialty Materials (Корнинг, штат Нью-Йорк, США). Другим примером стекла с низким коэффициентом теплового расширения является стекло ZERODUR®, изготавливаемое компанией Schott AG (Майнц, Германия).

Как правило, каротажное устройство 10 включает модификации, могущие оказаться необходимыми для проведения операций в процессе бурения или после его завершения.

На фиг.7 изображено устройство, в котором реализовано настоящее изобретение. Устройство, показанное на фиг.7, включает компьютер 70, связанный с каротажным устройством 10. Компьютер 70 обычно содержит компоненты, необходимые для обработки в режиме реального времени данных, полученных от каротажного устройства 10. Примеры компонентов включают, без ограничений, по меньшей мере один процессор, носитель, запоминающее устройство, устройства ввода и вывода данных и т.д. Поскольку эти компоненты известны специалистам в данной области, они не изображены детально на приведенных здесь чертежах.

В целом, некоторые идеи настоящего изобретения сводятся к одному алгоритму, записанному на машиночитаемом носителе. Этот алгоритм выполняется компьютером 70, и операторы получают на выходе требуемые данные. Эти данные обычно поступают в режиме реального времени.

Каротажное устройство 10 может быть использовано для проведения в режиме реального времени измерений различных параметров, например силы тяжести. В контексте настоящего описания получение данных "в режиме реального времени" означает получение данных со скоростью, подходящей или адекватной для принятия решений в ходе таких процессов как добыча, исследование, проверка и другие типы съемки или использования, которые могут быть выбраны пользователем или оператором. В качестве неограничивающего примера можно указать измерения и расчеты в режиме реального времени, предоставляющие пользователям информацию, необходимую для осуществления требуемых корректировок в ходе процесса бурения. В одном варианте осуществления корректировки могут проводиться на постоянной основе (со скоростью бурения), тогда как в другом варианте осуществления для проведения корректировок может потребоваться периодическая остановка бурения для оценки данных. Следовательно, необходимо понимать, что понятие "в режиме реального времени" относится к данному контексту и не означает обязательно мгновенного получения данных, оставляя возможность для любых других вариантов периодичности сбора и анализа данных.

Осуществление настоящего изобретения дает возможность обеспечения высокого уровня контроля качества получаемых данных. Например, контроль качества может осуществляться по известной методике итерационной обработки и сравнения данных. В соответствии с этим предусматривается, что для обработки в режиме реального времени могут быть учтены дополнительные поправочные коэффициенты и прочие аспекты, рассматриваемые при такой обработке. В предпочтительном варианте осуществления пользователь может применить к данным требуемые допуски контроля качества и тем самым сохранить баланс между скоростью получения и уровнем качества данных.

На фиг.8 представлен пример способа 80 измерения ускорения свободного падения внутри ствола скважины 2. Способ 80 предусматривает размещение (шаг 81) источника света 20 и гравиметра 24 в стволе скважины 2. Кроме того, способ 80 предусматривает освещение (шаг 82) гравиметра 24 световым излучением, испускаемым источником света 20 и используемым для выполнения измерений.

В некоторых вариантах осуществления может быть использована связка из двух и более каротажных устройств 10, где каждое каротажное устройство 10 содержит по меньшей мере один источник света 20, оптический фильтр 22 и приемник света 26. В этих вариантах осуществления выходные данные с каждого каротажного устройства 10 могут быть использованы по отдельности или совместно с другими выходными данными для получения общего массива данных.

В качестве вспомогательных средств для устройств, соответствующих настоящему изобретению, могут быть использованы различные аналитические компоненты, в том числе цифровые и/или аналоговые системы. Цифровые и/или аналоговые системы могут быть использованы в блоке электроники 9. В одном варианте осуществления блок электроники 9 может представлять собой устройство сбора данных (устройство сбора данных 9), обеспечивающее доступ пользователя к данным измерений. По меньшей мере по одному блоку электроники 9 может быть расположено в каротажном устройстве 10 и на поверхности толщи горных пород 7. Система может включать такие компоненты как процессор, носитель, запоминающее устройство, устройства ввода и вывода данных, канал связи (проводной, беспроводной, гидроимпульсный, оптический и другие), интерфейсы пользователя, программное обеспечение, устройства обработки сигналов (цифровые или аналоговые) и прочие подобные компоненты (например, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д.) для обеспечения работы и анализа устройств и способов, соответствующих настоящему изобретению, согласно любой из различных методик, известных специалистам в данной области. Предполагается, что эти устройства и способы могут - но не обязательно должны - быть реализованы в сочетании с набором исполняемых компьютером команд, хранящихся на машиночитаемых носителях, включая запоминающие устройства (ПЗУ, ОЗУ), носители с оптическим считыванием (компакт-диски), носители с магнитным считыванием (дискеты, жесткие диски) и носители любого иного типа, которые, будучи использованными, обеспечивают выполнение компьютером программы, соответствующей настоящему изобретению. Эти команды могут обеспечить работу оборудования, контроль, сбор и анализ данных и другие функции, рассматриваемые как необходимые разработчиком, владельцем или пользователем системы либо другими лицами дополнительно к функциям, приведенным в настоящем описании.

Далее, для реализации вариантов настоящего изобретения могут быть использованы и предусмотрены различные другие компоненты. Например, в качестве вспомогательных устройств при реализации различных вариантов настоящего изобретения или иных функций, выходящих за пределы объема настоящего изобретения, могут быть использованы блок питания (например, по меньшей мере одно из следующих устройств: генератор, удаленный источник питания и аккумуляторная батарея), блок охлаждения, блок нагрева, датчик, передатчик, приемник, приемопередатчик, антенна, блок управления, линза, оптический блок, электрический блок или электромеханический блок.

Ясно, что различные компоненты или технологии могут обеспечить различные потребности, полезные функции или элементы. В соответствии с этим функции и элементы, могущие оказаться необходимыми в качестве вспомогательных для объектов изобретения, указанных в прилагаемых пунктах формулы изобретения, и их модификаций, признаются неотъемлемой частью настоящего изобретения.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на примерные варианты его осуществления, ясно, что оно допускает возможность различных изменений, а элементы изобретения могут быть заменены их эквивалентами в пределах его объема. Кроме того, многие модификации вариантов осуществления изобретения могут быть выполнены посредством адаптации к последним конкретных устройств, условий или материалов в пределах сущности и объема изобретения. В силу вышесказанного это подразумевает, что настоящее изобретение не ограничивается описанными конкретными вариантами осуществления, рассматриваемыми как наилучшие, а включает все варианты осуществления, находящиеся в пределах его объема, охватываемого прилагаемой формулой изобретения.

1. Устройство для измерения ускорения свободного падения внутри ствола скважины, включающее:
источник света, содержащий полупроводник с энергетической щелью, превышающей приблизительно 2 эВ,
гравиметр для приема светового излучения из источника света, обеспечивающий выходящее световое излучение с характеристикой, связанной с ускорением свободного падения, и выполненный с использованием по меньшей мере одной из систем, включающих наноэлектромеханическую систему (НЭМС) и микроэлектромеханическую систему (МЭМС), выполненные в подложке, причем источник света и гравиметр расположены в корпусе, приспособленном для спуска в ствол скважины, и
оптический фильтр для фильтрации светового излучения из источника света.

2. Устройство по п.1, в котором оптический фильтр содержит по меньшей мере одно из устройств, включающих волоконную решетку Брэгга и резонатор Фабри-Перо.

3. Устройство по п.1, в котором оптический фильтр содержит стекло с низким коэффициентом теплового расширения.

4. Устройство по п.3, в котором стекло с низким коэффициентом теплового расширения имеет коэффициент теплового расширения меньше 0,2 ppm/K.

5. Устройство по п.1, дополнительно включающее в себя приемник света для измерения упомянутой характеристики, содержащий полупроводник с энергетической щелью, превышающей приблизительно 2 эВ.

6. Устройство по п.5, в котором приемник света содержит фотодиод.

7. Устройство для измерения ускорения свободного падения внутри ствола скважины, включающее:
источник света, содержащий полупроводник с энергетической щелью, превышающей приблизительно 2 эВ,
гравиметр для приема светового излучения из источника света, обеспечивающий выходящее световое излучение с характеристикой, связанной с ускорением свободного падения, и выполненный с использованием по меньшей мере одной из систем, включающих наноэлектромеханическую систему (НЭМС) и микроэлектромеханическую систему (МЭМС), выполненные в подложке,
причем источник света и гравиметр расположены в корпусе, приспособленном для спуска в ствол скважины, и
гравиметр содержит контрольный груз, связанный с дифракционной решеткой, которая используется для измерения смещения этого контрольного груза.

8. Устройство по п.7, дополнительно содержащее по меньшей мере одну пружину, связанную с контрольным грузом и опорной подложкой и противодействующую силе тяжести, действующей на контрольный груз.

9. Устройство по п.7, в котором дифракционная решетка образована первым набором дифракционных элементов, связанным с контрольным грузом, и вторым набором дифракционных элементов, связанным с опорной подложкой, причем первый набор дифракционных элементов чередуется со вторым набором дифракционных элементов.

10. Устройство по п.7, дополнительно включающее приемник света для измерения упомянутой характеристики, содержащий полупроводник с энергетической щелью, превышающей приблизительно 2 эВ.

11. Устройство по п.10, в котором приемник света содержит фотодиод.

12. Способ измерения ускорения свободного падения внутри ствола скважины, в котором осуществляют:
размещение каротажного устройства, включающего источник света и гравиметр, в стволе скважины, где источник света содержит полупроводник с энергетической щелью, превышающей приблизительно 2 эВ, а гравиметр выполнен с использованием по меньшей мере одной из систем, включающих наноэлектромеханическую систему (НЭМС) и микроэлектромеханическую систему (МЭМС), выполненные в подложке,
освещение гравиметра световым излучением, испускаемым источником света, используемым для проведения измерений, и
фильтрацию светового излучения.

13. Способ по п.12, в котором регистрируют световое излучение, дифрагированное гравиметром, посредством приемника света с энергетической щелью, превышающей приблизительно 2 эВ.

14. Способ по п.13, в котором регистрация включает измерение интенсивности дифрагированного светового излучения, связанной с ускорением свободного падения.

15. Система для измерения ускорения свободного падения внутри ствола скважины, включающая:
каротажное устройство,
источник света, содержащий полупроводник с энергетической щелью, превышающей приблизительно 2 эВ,
гравиметр для дифрагирования светового излучения, испускаемого источником света, где дифрагированное световое излучение имеет интенсивность, связанную с ускорением свободного падения, а гравиметр выполнен с использованием по меньшей мере одной из систем, включающих наноэлектромеханическую систему (НЭМС) и микроэлектромеханическую систему (МЭМС), выполненные в подложке,
приемник света, предназначенный для измерения интенсивности и содержащий полупроводник с энергетической щелью, превышающей приблизительно 2 эВ, и
устройство сбора данных для предоставления данных измерений пользователю,
причем источник света, гравиметр, приемник света и устройство сбора данных расположены на каротажном устройстве.

16. Система по п.15, дополнительно содержащая для фильтрации светового излучения, испускаемого источником света, по меньшей мере одно из устройств, включающих волоконную решетку Брэгга и резонатор Фабри-Перо.

17. Система по п.15, в которой гравиметр содержит контрольный груз, а интенсивность связана с величиной смещения контрольного груза.

18. Система по п.15, дополнительно включающая в себя компьютерный программный продукт, хранящийся на машиночитаемом носителе и содержащий исполняемые компьютером команды, обеспечивающие:
работу источника света и гравиметра в скважине,
освещение гравиметра световым излучением, испускаемым источником света, и
регистрацию яркости приемником света.



 

Наверх