可视化流体运输管道中的对象物体的装置和方法.pdf

一种用于记录和显示流体运输管道中的对象物体(3)的图像并识别该对象物体(3)的材料类型的装置，其中，该装置包括配备有被设置为发射高能光子(2)的光源(1)的井下单元(10)，并且，该井下单元(10)进一步配备有被设置为登记从对象物体(3)反射的光子(4)的传感器单元(1a)。该装置进一步包括配备有信号发送装置(9)和观察屏幕(8a)的控制和显示单元(8)。此外，还公开了对通过使用该装置来记录并显示对象物体(3)的图像的方法的描述。

1、  一种用于记录和显示流体运输管道中的对象物体(3)的图像并且识别该对象物体(3)的材料类型的装置，其特征在于，该装置包括：
——井下单元(10)，配备有被设置为发射高能光子(2)的光源(1)，并且，该井下单元(10)进一步配备有被设置为登记从对象物体(3)反射的光子(4)的传感器单元(1a)；以及
——配备有信号发送装置(9)和观察屏幕(8a)的控制和显示单元(8)。

2、  根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，所述光源被设置为发射波长在1×10^-11m即0.01纳米与1×10^-8m即10纳米之间的高能光子(2)。

3、  根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，所述传感器单元(1a)包括散射限制孔(5)、放大器单元(6)、以及被设计为产生单元电荷的图像登记装置(7)。

4、  根据权利要求3所述的装置，
其特征在于，所述图像登记装置(7)是电荷耦合器件或者光电二极管组件。

5、  根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，所述控制和显示单元(8)进一步包括用于选择图像的装置、到材料数据库的连接部、以及用于比较图像的处理器。

6、  根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，所述信号发送装置是信号/电力电缆(9)或者针对计算机存储装置的读取单元。

7、  根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，所述传感器单元(1a)相对于光源(1)的角度可以改变。

8、  根据权利要求7所述的装置，
其特征在于，所述传感器单元(1a)相对于光源(1)的角度可以通过来自位于地面的控制和显示单元的远程控制而改变。

9、  根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，所述井下单元(10)通过信号/电力电缆(9)连接到位于地面的控制和显示单元(8)。

10、  根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，所述井下单元(10)连接到井下工具或者集成在井下工具中。

11、  一种记录和显示流体运输管道中的对象物体(3)的图像并且识别该对象物体(3)的材料类型的方法，其特征在于：
——从光源(1)向对象物体(3)发射高能光子(2)；
——配备有散射限制孔(5)、放大器(6)和图像登记装置(7)的传感器(1a)对反射的光子(4)进行登记，在所述图像登记装置(7)中，产生经由集成在其中的缓冲存储器发送到控制和显示单元(8)的单元电荷；
——在控制和显示单元(8)中对信号进行转换并将其作为图像显示在屏幕上；
——将由此选择的图像区域数据与材料数据库进行比较以确定对象物体(3)的材料组成。

12、  根据权利要求10所述的方法，
其特征在于，所述高能光子(2)的波长在1×10^-11m即0.01纳米与1×10^-8m即10纳米之间。

13、  根据权利要求11所述的方法，
其特征在于，近似实时地将图像数据从图像登记装置(7)发送到控制和显示单元(8)。

14、  根据权利要求11所述的方法，
其特征在于，在任意的时间延迟之后将图像数据从图像登记装置(7)发送到控制和显示单元(8)。

可视化流体运输管道中的对象物体的装置和方法
技术领域
本发明涉及提供勘探或开采井中的或者运输流体(例如碳氢化合物或水成液体)的管道中的对象物体的精确图像的装置和方法，并且提供精确确定所述对象物体的构成材料的类型的可能性。
背景技术
这里，采用术语“流体”表示分离或混和的任何形式的液体和/或气体。
由于存在盐溶液、泥浆、碳氢化合物和阻碍可见光穿过的其它物质，因此石油和天然气的勘探井和开采井中的环境通常不允许使用视频摄像机。结果，不存在能够在这样的条件下“看见”对象的装置。术语“看见”表示进行人眼可以立即或在稍后阶段在例如观察屏幕上观察的图像记录。
这经常导致对井形成情况和装备的检查、以及旨在去除勘探井和开采井中的不想要物体的打捞操作耗时且昂贵。
从US6 078 867，已知借助四臂(或更多臂)的井下测径器(downholecalliper)和伽马射线来产生井孔的三维图像的系统。
从US 4 847 814，已知通过使用借助旋转声换能器执行的对井孔的扫描而得到的数据来创建三维图像的系统。
EP 1070970描述了对来自井孔的物理量的三维重建的方法，其包括以下步骤：通过测量作为深度的函数的第一物理量、随后将其与第二项进行比较，从而创建三维图像。
WO 9935490描述了借助超声波来描绘有衬井孔(lined borehole)的装置和方法。
从US 5 987 385，已知借助大致安装于钻柱端段中的同一平面内的几个发送器/接收器产生的超声波来创建井孔或井衬的周围图像的声学测井工具。
US 4 821 728描述了用于展现超声波扫描到的物体的三维图像形成系统。
US 3 564 251描述了通过创建以装置中心为中心的径向图，使用放射性辐射来建立关于从装置到围绕物(例如井壁)的距离的信息。
可用的辐射类型的范围从无线电波经可见光直到伽马射线。无线电波形式的长波辐射的波长(＞1×10^-1m)太大而使得不能创建满足所制定要求的聚焦图像。伽马射线形式的短波辐射(＜1×10^-11m)具有提供足够图像质量的波长和能级，但是需要放射性材料形式的辐射源。这在本发明希望用于的环境中是不可能的。波长在1×10^-8m与1×10^-11m之间的射线在图像质量和穿透相关流体的能级这两方面都具有理想的效果。
发明内容
本发明的目标是弥补现有技术的缺点。
由下面的说明和随后的权利要求中阐述的特征来实现此目标。
对于传感器、电子装置、软件和组件，所述装置包括按新颖方式组合的已知技术和新颖技术。
在这种环境中可以“看见”在满足对可能的材料损坏以及/或者丢落或固留在井孔中的不希望物体进行识别和定位的需要的方面是非常有利的。
目前，由于井中的物质通常混和，所以使用视频摄像机在这种环境中“看见”的可能性非常有限。
根据本发明地装置使得可以提供井下对象物体的图像。本发明使用任何形式的高能光子源来照射对象物体以创建该物体的图像。优选地，使用发射波长在1×10^-11m(0.01纳米)与1×10^-8m(10纳米)之间的高能光子的光源。
本发明的装置可以集成在各种井下工具中，并使得可以在临界操作(critical operation)期间获得视觉信息。
优选地，连续地将记录的测量数据发送给控制单元，使得可以近似实时地产生图像。
另选地，通过在连续的信号发送中对测量数据引起适当延迟，或者通过将测量数据存储在稍后(例如在将测量装置从测量区域收回之后)收回的适当介质中，可以在对所记录测量数据的延迟发送之后获得图像。
本发明的装置提供了从对象物体收集光谱能量信息的可能性。结果，可以将该信息与包含所关注材料的类型的已知光谱分析信息的数据库进行比较。
本发明的装置包括从流体运输管道产生图像所需要的部件，在所述流体运输管道中，由于普通的光不能穿透管道的流体内含物，因此不能使用已知的视频摄像机技术。
根据本发明的装置和方法的原理是：通过产生高能光子、所述高能光子随后由于来自对象物体的表面和内部结构的双反射而被检测到，从而产生井下对象物体的图像。所述光子具有使其可以透射过电子密度低的材料(例如泥浆、盐溶液、碳氢化合物等)的能量。将检测到的反射光子转换为可以显示在观察屏幕上的图像。
该装置包括以下主要部件：
●地面上的控制单元
●地面上的控制单元与井下单元之间的信号/电力电缆。
●井下源和记录单元。
另选地，该装置包括以下主要部件：
●由定时开关、压力传感器、水声接收器等控制其启动/停止的井下源和记录单元。
●地面上的控制单元。
附图说明
下面描述附图中示出的优选实施例的非限制性示例，在附图中：
图1表示根据本发明的装置的原理图。
具体实施方式
井下单元10包括冷却单元(没有示出)、光源1和传感器单元1a，传感器单元1a包括散射限制孔5、闪烁器/放大器单元6以及电荷耦合器件(CCD)或光电二极管组件(PDA)7。光源1产生波长大于1×10^-11m(0.01纳米)的高能光子2。这些高能光子2照射井下对象物体3。由于井下物体3的电子密度引起的双反射4(即，反射、减速辐射、散射和/或康普顿散射)而得到的光子穿过孔5并与闪烁器/放大器单元6的表面互相作用。所得到的光子(其大部分由于闪烁器对入射的反射辐射的作用而具有大于1×10^-8m(10纳米)的波长)与CCD/PDA 7的单元组成互相作用，产生单元电荷，该单元电荷的大小和特性与输入光子4的光谱能量强度成比例。
CCD/PDA 7的单元中产生的累积电荷收集在CCD 7中的保持缓冲器中，在CCD 7中的保持缓冲器中临时存储各个单元电势。随后通过控制/电力电缆9将该缓冲器的内容发送给地面安装的控制和显示单元8，在此在观察屏幕8a上显示光栅图像。此过程是连续的，每秒对CCD 7采样并清除若干次。
可以从地面上的控制和显示单元8来调整传感器单元1a相对于源1的角度，以确定到对象物体的距离。
通过从CCD 7增大清除率，或者通过在地面上借助控制和显示单元8来处理图像，可以从显示的图像过滤掉由高能光子与井下流体(例如盐溶液、泥浆和碳氢化合物)互相作用而引起的任何全程衰减。
该装置也提供从输入光子4收集光谱能量信息的可能性。光子4携带着关于对象物体3中的原子的电子能级的信息。结果，可以相对于来自数据库的相关材料类型的谱(这些数据存储在控制和显示单元8中，或者可能存储在与控制和显示单元8通信的外部数据存储单元(没有示出)中)来处理接收到的能量谱的分布和幅度。用适当的先前公知的装置(没有示出)来执行对要受到数据比较的图像区域的选择。
现有技术为井检查设备的操作者提供的接收来自孔的精确视觉反馈的机会很少。结果，大多数操作是盲目执行的，这耗时并必然伴有较高的材料损坏的风险。在极端情况下，必须除去井的内含物，并将其替换为对视频摄像机提供较好可视性的流体，这增加了井的总成本。
该装置为操作者提供了直接的视觉反馈，而不需要对井状态的任何干涉(即，对流体的替换和清洁)。相应地，使用该装置将大大减少为了进行干预操作的劳动和费用。接收快速且真实的反馈的可能性代表了超出现有技术的重要优点。
该装置也提供从输入光子4来收集光谱能量信息的可能性。这些光子4包含关于对象物体中的原子的电子能级的信息。这样，可以将获得的数据与已知的材料数据进行比较。这意味着根据本发明的设备的操作者可以指向并点击对象物体，例如使其出现在产生的图像中，并且，通过这样做来获得关于要检查的材料的信息，例如结垢(scale)(污染)、油藏结构检查、钻孔效果等。
对于希望不必将这些材料带上地面以进行更近的检查和实验室检验就知道它们的组成的操作者，这些信息可能有无法估量的价值。这在其中将放射性结垢残余带到地面的可能性很高的结垢清除之前也可能是特别有益的。该装置使得可以在清除这种结垢之前对其进行检查，从而操作者可以根据材料的性质准备容纳区域。
由于该装置的性质和通过井下衬砌(liner)创建图像的可能性，很明显，还可以使用该装置观看后衬壁。
在很多情况下，在干预和钻井操作期间物件落入井孔或堵在井孔中。已知的拉出或取出技术包括使用指示块，将指示块传送到孔里以压在落下或堵塞的物件上，从而获得该物件的顶面的压印。对指示块上的压印的检查使得操作者可以选择最适当的抓取工具来取出物件。
本发明的装置可以快速地提供物体的动态图像，这提供了有利的信息，例如特定识别、对象物体的界面尺寸、污染淀积物、对井结构的可能损坏和井状况。由于其灵活性，也可以将该装置集成在拉出工具中或直接连接到拉出工具，由此使得可以在单个操作中完成识别和拉出。
本发明的装置可以有效地用于物件需要激活或取到地面的打捞操作。这样，该装置在成本和安全性方面提供了相当可观的好处，并向操作者提供了在执行操作时接收视觉反馈的可能性。因此，将减少材料损坏的风险，同时可以增大执行操作的速度。可以将该装置用作传送装置来运送其他传感器，例如温度、压力和流量传感器组件，从而形成井下诊断工具。