Патент на изобретение №2352924

(54) УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ОБЪЕКТОВ В ТРУБЕ, ПРОВОДЯЩЕЙ ТЕКУЧУЮ СРЕДУ

(57) Реферат:

Использование: для визуализации объектов в трубе, проводящей текучую среду. Сущность заключается в том, что испускают фотоны (2) высокой энергии по направлению к целевому объекту (3) посредством управляемого источника (1) излучения, регистрируют фотоны (4) обратного рассеяния, поступающие от целевого объекта (3) посредством сенсорного модуля (1а), снабженного диафрагмой (5) для ограничения рассеяния, усилителем (6) и устройством (7) для регистрации изображений, в ячейках которого создаются электронные заряды, передаваемые на блок (8) управления и отображения через буферную память, встроенную в устройство (7) для регистрации изображений, формируют с использованием зарегистрированных сигналов изображение на экране и затем сравнивают данные выбранного участка изображения с информацией о материалах, содержащейся в базе данных, для определения состава целевого объекта (3) посредством спектрального анализа обратных фотонов. Технический результат: обеспечение быстрого и качественного получения визуального изображения объектов, находящихся в непрозрачной текучей среде. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 1 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству и способу получения точного изображения целевого объекта в разведочной или эксплуатационной скважине или в трубопроводе, транспортирующем текучие среды, например углеводороды или жидкости на водной основе. Изобретение обеспечивает возможность точного определения типа материала, из которого состоит целевой объект.

Под термином «текучая среда» понимается жидкость и/или газ в любой форме либо взятые по отдельности, либо в смеси.

Уровень техники

Условия среды в нефтяных и газовых разведочных и эксплуатационных скважинах, как правило, исключают использование видеокамер вследствие наличия солевых растворов, буровой грязи, углеводородов и других веществ, которые предотвращают прохождение видимого света. Следовательно, отсутствуют аппараты, способные при таких условиях «видеть» объекты. Термин «видеть» означает получение записи изображения, которое может быть просмотрено человеком, например, на экране, немедленно после получения или на более поздней стадии.

Это зачастую приводит к требующим затрат времени и средств исследованиям пород и оборудования скважин, а также к ловильным работам в скважинах, связанным с извлечением нежелательных объектов из разведочных и эксплуатационных скважин.

В патентном документе US 6078867 раскрыта система для получения трехмерного изображения буровой скважины при помощи четырех- или более рычажного скважинного каверномера и гамма-лучей.

В патентном документе US 4847814 раскрыта система для получения трехмерного изображения при помощи данных сканирования буровой скважины, осуществляемого посредством акустического датчика вращательного перемещения.

В патентном документе ЕР 1070970 описан способ трехмерной реконструкции физической величины на основании скважинных данных, включающий в себя построение трехмерного изображения путем измерения первой физической величины в функции глубины, которую затем сравнивают со второй величиной.

В патентном документе WO 9935490 раскрыты устройство и способ получения изображения скважины с обсаженным стволом при помощи ультразвука.

Из патентного документа US 5987385 известен акустический каротажный прибор для формирования периферийного изображения буровой скважины или колонны обсадных труб в скважине при помощи ультразвука, генерируемого несколькими приемопередатчиками, которые установлены по существу в одной плоскости в концевой детали бурильной колонны.

В патентном документе US 4821728 описана трехмерная система визуализации для представления сканированных ультразвуком объектов.

В патентном документе US 3564251 раскрыто использование радиоактивного излучения для получения информации о расстоянии от устройства до его окружения, например стенки скважины, путем построения радиального графа, в центре которого находится центр устройства.

Доступный диапазон излучения начинается от радиоволн, включает в себя видимый свет и заканчивается гамма-лучами. Длина волны длинноволнового излучения в форме радиоволн (>1×10^-1 м) слишком велика, чтобы получить сфокусированные изображения, отвечающие заданным требованиям. Длина волны и энергетический уровень коротковолнового излучения в форме гамма-лучей (<1×10¹¹ м) обеспечивают достаточное качество изображения, но в этом случае необходим источник излучения, содержащий радиоактивный материал. Источник радиации не приемлем в условиях, для которых предназначено изобретение. Лучи, длина которых находится в диапазоне между 1×10^-8 и 1×10^-11 м, имеют желаемый эффект как в плане качества изображения, так и энергетического уровня для проникновения в соответствующие текучие среды.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является устранение недостатков известных из уровня техники решений.

Задача решается за счет признаков, изложенных в нижеследующем описании и прилагаемой формуле.

Устройство содержит известные и новые технологии, скомбинированные неочевидным образом, касающиеся датчиков, электронных компонентов, программного обеспечения и конструктивных деталей.

Возможность «видеть» в описанных выше условиях крайне важна для выполнения требований по идентификации и локализации возможного разрушения материала и/или нежелательных объектов, которые были потеряны или застряли в скважине.

В настоящее время возможность «видеть» в такой среде при помощи видеокамер крайне ограничена вследствие присутствия обычной смеси веществ в скважине.

Устройство согласно изобретению обеспечивает возможность получения изображений скважинных целевых объектов. Изобретение использует любые формы источников фотонов высокой энергии для облучения целевого объекта, чтобы создать его изображение. Предпочтителен источник излучения, который испускает фотоны высокой энергии, имеющие длину волны между 1×10^-11 м (0,01 нанометра) и 1×10^-8 м (10 нанометров).

Устройство согласно изобретению может быть встроено в различные типы скважинных инструментов и обеспечивает возможность получения визуальной информации при работе в критическом режиме.

Предпочтительно, чтобы записанные данные измерений постоянно передавались на блок управления, обеспечивая тем самым генерирование изображений практически в режиме реального времени.

В альтернативном варианте изображения могут быть получены после передачи данных измерений с задержкой во времени, обеспечиваемой либо подходящей задержкой в непрерывной передаче сигнала, несущего данные измерений, либо хранением данных измерений на подходящем носителе для их извлечения в более позднее время, например после удаления измерительного устройства из области измерений.

Устройство согласно изобретению обеспечивает возможность сбора информации о спектральной энергии целевого объекта. Следовательно, эту информацию можно сравнить с информацией базы данных, содержащей известные данные спектрального анализа рассматриваемых типов материалов.

Устройство согласно изобретению содержит компоненты, требуемые для формирования изображений, поступающих из транспортирующей текучие среды трубы, в которой известные технологии видеокамер не могут быть использованы вследствие невозможности проникновения обычного света в текучее содержимое.

Принцип устройства и способа согласно изобретению заключается в формировании изображения скважинного целевого объекта путем генерирования фотонов высокой энергии, которые затем обнаруживают в качестве обратного рассеяния от поверхности и внутренних структур целевого объекта. Энергия фотонов обеспечивает их передачу через материалы с низкой концентрацией электронов, такие как буровые грязи, солевые растворы, углеводороды и т.д. Обнаруженные фотоны, рассеянные в обратном направлении, преобразуют в изображения, которые могут быть отображены на просмотровом экране.

Устройство содержит следующие основные компоненты:

– расположенный на поверхности блок управления,

– сигнальный и/или силовой кабель между расположенным на поверхности блоком управления и скважинным блоком,

– скважинный блок записи и источника излучения.

В альтернативном варианте устройство содержит следующие основные компоненты:

– скважинный блок записи и источника излучения, пуск и/или останов которого управляется посредством реле времени, датчик давления, гидроакустический приемник или подобный компонент,

– расположенный на поверхности блок управления.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем описан не ограничивающий пример предпочтительного варианта осуществления изобретения, проиллюстрированного на сопроводительном чертеже, где на фиг.1 схематически показано устройство согласно изобретению.

Осуществление изобретения

Скважинный блок 10 содержит блок охлаждения (не показан), источник 1 излучения и сенсорный модуль 1а, состоящий из диафрагмы 5 для ограничения рассеяния, модуля 6 сцинтиллятора и/или усилителя и прибора с зарядовой связью (ПЗС) или фотодиодной матрицы 7. Источник 1 излучения испускает фотоны 2 высокой энергии с длиной волны, превышающей 1×10^-11 м (0,01 нанометра). Этими фотонами облучают скважинный целевой объект 3. Фотоны 4, образующиеся в результате обратного рассеяния (также называемого отражением, замедленным излучением, рассеянием и/или комптоновским рассеянием) от концентрации электронов скважинного объекта 3, проходят через диафрагму 5 и взаимодействуют с поверхностью модуля 6 сцинтиллятора и/или усилителя. Результирующие фотоны, большая часть которых имеет длины волн свыше 1×10^-8 м (10 нанометров) вследствие воздействия сцинтиллятора на падающее излучение взаимодействуют с ячейками ПЗС или фотодиодной матрицы 7, образуя тем самым электронный заряд ячейки, величина и характеристики которого пропорциональны спектральной энергии поступающих фотонов 4.

Накопленный электронный заряд, который возникает в ячейках ПЗС или фотодиодной матрицы 7, собирается в буферной памяти ПЗС 7, где временно хранятся электронные потенциалы отдельных ячеек. Затем содержимое буферной памяти передается через силовой или сигнальный кабель 9 на расположенный на поверхности блок 8 управления и отображения, в котором растровое изображение отображается на просмотровом экране 8а. Процесс является непрерывным, и накопленный заряд в ПЗС 7 дискретизируется и очищается несколько раз в секунду.

Угол ориентации сенсорного модуля 1а относительно источника 1 может регулироваться с поверхности при помощи блока 8 управления и отображения, чтобы определить расстояние до целевого объекта.

Любое суммарное ослабление, вызываемое фотонами высокой энергии, которые взаимодействуют со скважинными текучими средами, такими как солевые растворы, буровая грязь и углеводороды, может отфильтровываться с отображаемого изображения либо путем увеличения скорости очистки ПЗС 7, либо обработкой изображения на поверхности при помощи блока 8 управления и отображения.

Устройство также обеспечивает возможность сбора информации о спектральной энергии поступающих фотонов 4. Фотоны 4 несут информацию, связанную с энергетическими уровнями электронов в атомах целевого объекта 3. Следовательно, распределение и порядок полученного энергетического спектра можно обрабатывать в сравнении со спектрами из базы данных соответствующих типов материалов, хранящихся в блоке 8 управления и отображения или, возможно, во внешнем блоке хранения данных (не показан), который связан с блоком 8. Выбор участка изображения, подлежащего сравнению, осуществляется с помощью известных средств (не показаны).

Известные из уровня техники решения предоставляют операторам оборудования разведочных скважин лишь небольшой ряд возможностей для получения точного визуального отклика из скважины. Следовательно, многие операции производятся вслепую, занимают существенное время и влекут за собой высокий риск материального ущерба. В экстремальных случаях содержимое скважины должно быть удалено и заменено текучими средами, которые обеспечивают лучшую видимость для видеокамер, что увеличивает общую стоимость работы.

Устройство согласно изобретению позволяет оператору получать прямой визуальный отклик без необходимости вмешательства в рабочие условия скважины, например не требуется осуществлять очистку и перемещение текучей среды. Следовательно, использование устройства резко сокращает трудовые затраты и стоимость работ в плане вмешательства в эксплуатацию скважины. Возможность получения быстрого и реалистичного отклика или обратной связи представляет собой существенное преимущество по сравнению с известными решениями.

Устройство также обеспечивает возможность сбора информации о спектральной энергии от поступающих фотонов 4. Фотоны 4 несут информацию, связанную с электронными энергетическими уровнями атомов целевого объекта. Таким образом, полученные данные можно сравнить с известными данными о материалах. Это означает, что оператор оборудования способен указать и щелкнуть мышью на целевом объекте, появляющемся в сформированном изображении, получив тем самым информацию о подлежащем изучению материале, например твердом осадке на стенках трубопровода (загрязнении), об исследовании строения залежи, результатах перфорации в пласте и т.д.

Такая информация может представлять собой огромную ценность для операторов, которым нужно знать состав подобных материалов без необходимости извлечения их на поверхность для более детальной экспертизы и тестирования в лабораторных условиях. Это имеет особое преимущество в случае, когда требуется очистка от твердых осаждений, и высока вероятность выноса радиоактивных остатков на поверхность. Устройство позволяет исследовать такие остатки до начала очистки, так что оператор может подготовить область приема в соответствии с характером выносимого материала.

Как следствие особенностей устройства согласно изобретению и возможности формирования изображений сквозь колонну обсадных труб в скважине устройство может очевидным образом использоваться для того, чтобы видеть, что происходит позади стенок колонны.

Во многих случаях в процессе вмешательства в работу скважины и осуществления буровых работ могут быть уронены в скважину или зажаты в ней некоторые предметы. Известные технологии по вытаскиванию или извлечению предметов подразумевают использование индикаторного блока, который вводят в скважины с прижимом к выроненному или застрявшему предмету, чтобы получить отпечаток его верхней поверхности. Исследование отпечатка на индикаторном блоке позволяет оператору выбрать наиболее подходящий захватный инструмент для извлечения предмета.

Устройство согласно изобретению быстро обеспечивает динамическое отображение объекта, которое предоставляет ценную информацию, такую как конкретные идентификационные характеристики целевого объекта, размеры контактной поверхности, загрязняющие отложения, возможный ущерб конструкции и состоянию скважины. Вследствие своей гибкости устройство может быть встроено или непосредственно сопряжено с инструментом для вытаскивания, позволяя тем самым идентифицировать и вытащит объект за одну операцию.

Устройство согласно изобретению может активно использоваться в ловильных работах, в которых объекты подлежат либо активированию, либо извлечению на поверхность. Таким образом, устройство имеет существенные преимущества в плане сокращения стоимости и повышения безопасности и предоставляет оператору возможность получать визуальный отклик на выполняемую операцию. В результате снижается риск материального ущерба при одновременном повышении скорости выполнения операции.

Устройство может также использоваться в качестве транспортирующего средства, несущего другие датчики, например датчики температуры, давления и потока, образуя тем самым скважинный диагностический инструмент.

Формула изобретения

1. Устройство для записи и отображения изображений целевого объекта (3), расположенного в проводящем текучую среду канале, а также для определения типа материала указанного объекта, отличающееся тем, что оно содержит скважинный блок (10), снабженный управляемым источником (1) излучения для испускания фотонов (2) высокой энергии и сенсорным модулем (1а) для регистрации фотонов (4) обратного рассеяния, поступающих от целевого объекта (3), причем зарегистрированные сигналы преобразуются в сигналы для формирования по меньшей мере одного двумерного изображения; и блок (8) управления и отображения, снабженный средствами (9) передачи сигнала и просмотровым экраном (8а) для отображения двумерного изображения, соединенный с базой данных, содержащей информацию о материалах.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник излучения выполнен с возможностью испускания рентгеновского излучения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник излучения выполнен с возможностью испускания гамма-излучения.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сенсорный модуль (1а) содержит диафрагму (5) для ограничения рассеяния, усилитель (6) и устройство (7) для регистрации изображений, выполненное с возможностью создания электронных зарядов в ячейках.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанное устройство (7) для регистрации изображений представляет собой прибор с зарядовой связью или фотодиодную матрицу.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок (8) управления и отображения содержит средства для выбора формируемого изображения и процессор для сравнения изображений.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства для передачи сигнала выполнены в виде сигнального и/или силового кабеля (9) или блока считывания для средств хранения, предусмотренных в компьютере.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью изменения угла ориентации сенсорного модуля (1а) относительно источника (1) излучения.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что блок управления и отображения расположен на поверхности и выполнен с возможностью дистанционного управления для изменения угла ориентации сенсорного модуля (1а) относительно источника (1) излучения.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что скважинный блок (10) соединен с блоком (8) управления и отображения, расположенным на поверхности, посредством сигнального и/или силового кабеля (9).

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью формирования последующего двумерного изображения по истечении заданного промежутка времени.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что скважинный блок (10) соединен со скважинным инструментом или встроен в него.

13. Способ записи и отображения изображений целевого объекта (3), расположенного в проводящем текучую среду канале, а также определения типа материала указанного объекта, отличающийся тем, что испускают фотоны (2) высокой энергии по направлению к целевому объекту (3) посредством управляемого источника (1) излучения, регистрируют фотоны (4) обратного рассеяния, поступающие от целевого объекта (3), посредством сенсорного модуля (1а), снабженного диафрагмой (5) для ограничения рассеяния, усилителем (6) и устройством (7) для регистрации изображений, в ячейках которого создаются электронные заряды, передаваемые на блок (8) управления и отображения через буферную память, встроенную в устройство (7) для регистрации изображений, формируют с использованием зарегистрированных сигналов изображение на экране, и затем сравнивают данные выбранного участка изображения с информацией о материалах, содержащейся в базе данных, для определения состава целевого объекта (3) посредством спектрального анализа обратных фотонов.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что фотоны (2) высокой энергии имеют длину волны, соответствующую рентгеновской радиации.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что фотоны (2) высокой энергии имеют длину волны, соответствующую гамма-излучению.

16. Способ по п.13, отличающийся тем, что данные о формируемом изображении передают от устройства (7) для регистрации изображений на блок (8) управления и отображения по существу в режиме реального времени.

17. Способ по п.13, отличающийся тем, что данные о формируемом изображении передают от устройства (7) для регистрации изображений на блок (8) управления и отображения с произвольно выбранной задержкой во времени.

РИСУНКИ