DE60130558T2

DE60130558T2 - Videokamera zur untersuchung von bohrlöchern

Info

Publication number: DE60130558T2
Application number: DE60130558T
Authority: DE
Inventors: Brad A. Ventura MELTZER
Original assignee: DHV International Inc
Current assignee: Expro Americas LLC
Priority date: 2000-07-18
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2021-07-18
Also published as: ATE373768T1; CA2415909A1; CA2415909C; EP1301687A1; US6580449B1; AU2001280582A1; EP1301687B1; DK1301687T3; DE60130558D1; WO2002006631A1

Description

Die vorliegende Erfindung ist generell auf die Untersuchung von Bohrlöchern und anderen zugangsbeschränkten Durchgängen gerichtet und insbesondere auf ein Untersuchungsinstrument, das eine Niedrigspannungs-, Niedrigenergielichtkopf und Kameraanordnung zum Erfassen von Videobildern aufweist.
Beim Bohren von Öl- und Gasquellen ist es oft erforderlich, Informationen betreffend der Bedingungen in dem Bohrloch zu erhalten. Wo das Bohrloch Verschalungen und Verbindungsstücke enthält, wie dies für produzierende Ölquellen typisch ist, besteht anhaltender Bedarf, die Verschalungen und Verbindungsstücke auf Korrosion zu untersuchen. Die frühe Entdeckung von der Entstehung von Korrosion in Bohrloch-Verschalungen ermöglicht die Zugabe von Korrosionsschutz Verbindungen in die Quelle. Das frühe Behandeln korrosiver Quellbedingungen kann vor dem Erfordernis von teuren Verschalungsaustauschprozeduren bewahren. Wo das Bohrloch Öl, Erdgas oder Wasser enthalten kann, erweist es sich häufig als zweckdienlich, die Gegenwart dieser Substanzen durch visuelle Untersuchungen nachzuweisen.
Auch kann das Erfordernis bestehen, den Eintrittspunkt von Flüssigkeiten in eine Quelle zu ermitteln. Wo Wasser eine Ölquelle infiltriert, ist es erforderlich, den Punkt des Eintritts zu bestimmen, so dass Schritte zum Stoppen der Infiltrierung unternommen werden können. Wenn eine visuelle Untersuchung einer Quellbohrung Öl an einer Stelle und eine Mischung aus Öl und Wasser an einer anderen Stelle zeigt, kann darauf geschlossen werden, dass die Infiltration von Wasser an irgendeinem Punkt dazwischen erfolgt. Durch allmähliches Bewegen einer Kamera zwischen den zwei Orten kann der Infiltrationspunkt lokalisiert und folglich der Fluss des Wassers durch nachfolgende Maßnahmen blockiert werden.
Wenngleich visuelle Untersuchung von Quell-Bohrungen hoch erwünscht ist, werfen die in Öl und Gasquellen typischen Umgebungsbedingungen spezielle Probleme auf, die dazu neigen einen Kameraeinsatz zu behindern. Quellbohrungen reichen in der Tiefe von mehreren hundert bis mehreren tausend Fuß.
Folglich kann der hydrostatische Druck in einem tiefen Bohrloch, zusätzlich zu hohen Quellkopfdrücken verursacht durch Gasproduktion, ziemlich groß sein und 70 mPa (10,000 Pfund pro Quadratzoll, (engl.:= pounds per square inch)) erreichen und oft überschreiten. Umgebungsquelltemperaturen in der Größenordnung von 135 Grad Celsius (275 Grad Fahrenheit) sind nicht unüblich. Außerdem enthalten Ölquellen typischerweise hoch korrosive Schwefelwasserstoff- und Kohlendioxid-Gase. Diese rauen Umgebungsbedingungen gebieten es, dass Kameras und zugehörende Beleuchtungsausrüstung in schützenden Gehäusen eingeschlossen sein müssen. In den Quellbohrungen gesammelte Flüssigkeiten erschweren das Visualisierungsproblem weiter. Gesammelte Flüssigkeiten sind generell dunkel, trüb und beinhalten oft mineralische Partikel in Suspension. Eine Auswirkung, die die meisten Flüssigkeiten, die in Quellbohrungen vorkommen, haben ist es, die Lichtweiterleitung zu reduzieren. Aus diesem Grund werden generell sehr helle Lichter benötigt, um eine Quellbohrung ausreichend auszuleuchten, um ein adäquates Videobild zu erhalten.
Frühere Vorrichtungen zur visuellen Untersuchung von Bohrlöchern enthalten typischerweise eine Kamera und eine sehr helle Lichtquelle, eingeschlossen in einem schützenden Gehäuse. Die Vorrichtungen sind generell an einem Panzerkabel befestigt, das die Vorrichtung trägt und elektrische Energie und Kommunikationssignale für die Vorrichtung bereitstellt. Das Kabel wird typischerweise mittels Rolle in das Bohrloch herabgelassen und angehoben, die sich auf einer Oberflächenstation nahe des Eingangs zu dem Bohrloch, befindet. Die Oberflächenstation enthält weiter eine Energiequelle und eine Kontrollapparatur zum Betrieb der Inspektionsvorrichtung.
Ein andauerndes Problem, das den Konstrukteuren von down hole-Instrumenten begegnet ist die Notwendigkeit, die Instrumente klein genug zu machen, um verwendbar in sehr engen Durchgängen zu sein, eingeschlossen derer, die Beschränkungen haben, wie Rohre oder Verschalungen mit kleinem Durchmesser, aber gleichzeitig die Fähigkeit zu haben, hochqualitative Bilder zu liefern, entweder in Echtzeit oder gespeichert, um sie später anzusehen. Verschalungen, die innenliegende Restriktionen haben, wie Verrohrung, Sicherheitsventile oder andere Vorrich tungen, die in einem effektiven Innendurchmesser von 44 Millimeter (1 ¾ Zoll) resultieren, sind nicht unüblich. Die Notwendigkeit, sowohl eine Kamera, als auch eine zugehörige Lichtquelle bereitzustellen, kann das Instrument zu groß machen, um in Durchgänge mit so kleinem Durchmesser zu passen.
Ein anderes Problem, mit dem die Konstrukteure von Bohrlochuntersuchungsvorrichtungen konfrontiert waren, ist der Effekt der bei dem Kamerabetrieb wirkenden Hitze. Kameraelektronik weist eine begrenzte Eignung auf, Hitze zu widerstehen, und die Kombination von hohen Umgebungstemperaturen in dem Bohrloch und der Hitze, die durch sehr helle Beleuchtungssysteme erzeugt wird, kann einen temporären oder permanenten Ausfall der Kamera verursachen. Solche Ausfälle können ziemlich teuer und zeitraubend sein, da das Instrument entweder angehoben werden muss, bis es so weit abkühlt, dass es wieder in Betrieb geht oder aus dem Bohrloch entfernt und ersetzt werden muss.
Ein Beispiel einer frühen Bohrlochinspektionsvorrichtung ist eine, die ein zylindrisches Gehäuse aufweist, in welches eine Fernsehkamera montiert ist und eine Lichtquelle in der Form einer Donut-geformten Lampe, die die Fernsehkamera umgibt. Die Vorrichtung enthält auch eine Kühlflüssigkeitsummantelung und Kühlflüssigkeit, die die hitzeempfindliche Kameraelektronik umschließt. Da die donutförmige Lampe die Kamera umschließt, erreicht von der Lampe entwickelte Hitze die Kamera und wird die Hitze, die die Kamera erfahren wird, vermehren. Wie oben erörtert, wird ein Hitzelevel, dass zu hoch ist, zum Kameraausfall führen. Der Gebrauch eines Kühlsystems in einem down hole-Instrument ist unerwünscht wegen der zusätzlichen Ausrüstung, die nötig wäre und dabei die Größe des Instruments erhöht, sowie den Zuverlässigkeitsgesichtspunkten. Je mehr Ausrüstung zum Einsatz kommt, desto wahrscheinlicher wird ein Fehler auftreten. Das Hinzufügen von Hitze von einer Lichtquelle, die dazu verwendet wird, das Blickfeld der Kamera auszuleuchten, ist ebenfalls unerwünscht. Auch vergrößert das Anordnen der Lampe um die Kamera herum den Durchmesser der Vorrichtung und macht sie dabei unbrauchbar in sehr eingeschränkten Durchgängen.
Es wurden Ansätze entwickelt, die Lichtquelle von der Kamera der Länge nach und physisch zu trennen, so dass jedwede Hitze, die von der Lichtquelle entwickelt wird, in Entfernung von der Kamera erzeugt wird. Ein solcher Ansatz ist es, die Lichtquelle vor der Kamera zu montieren, so dass sie im Blickfeld der Kamera liegt, aber von der Kamera durch Montagearme getrennt ist. In dieser Anordnung blockiert die Lichtquelle einen Teil des Blickfeldes der Kamera, trotzdem hat sich dieser Ansatz als erfolgreich erwiesen. Bei manchen Anwendungen wäre es allerdings wünschenswert, ein freies Blickfeld für die Kamera zu haben.
Eine moderne Bohrlochinspektionsvorrichtung benutzt eine rückseitig beleuchtete Kamera, wo die Kamera vor einer sehr hellen Lampe aufgehängt ist und eine ausreichende Entfernung weit axial von der Lampe getrennt ist, um für eine signifikante thermale Isolation der Kamera von der Lampe zu sorgen. Licht wird in das Blickfeld der Kamera geleitet mittels eines Reflektors, der hinter der Kamera angeordnet ist. Durch die Isolierung der Kamera von der Lichtquellen-Hitze wurde eine signifikante Verbesserung des Technik bereitgestellt und dieser Ansatz hat sich als erfolgreich erwiesen. Eine Rückbeleuchtungs-Anordnung trennt die Hitze, die von der Lichtquelle erzeugt wird, von der Kamera, was zu kühleren Temperaturen für die Kamera führt.
Da Rückbeleuchtung benutzt wird ist jedoch eine hellere Lichtquelle nötig, mit einem begleitenden höheren Energiebedarf. Mehr elektrische Energie muss für die Lichtquelle bereitgestellt werden, sodass genug Licht das Kamerablickfeld erreicht. Derart gesteigerte Energieanforderungen erfordern entweder eine größere Batterie in dem Instrument, was zu einem größeren und oft unpraktischeren Instrument führen kann, oder durch das Kabel dem Instrument bereitgestellte Energie, was zu einem größeren Kabel führt. Zusätzlich ist die Lichtquelle bei dieser Anordnung der Umgebung ausgesetzt und muss gegen Fremdstoffe abgedichtet werden, was keine geringe Aufgabe ist. Weiterhin ist die Kamera von der Lichtquelle durch Arme entfernt, die während des Betriebs verbogen werden können. Verbogene Arme können zu exzentrischen Blickwinkeln für die Kamera führen und, wenn es schwerwiegend genug ist, muss das Instrument aus dem Bohrloch zurückgezogen und korrigiert werden.
Trotz dem oben genannten hat sich der Rückbeleuchtungs-Ansatz als sehr erfolgreich in Rohrpassagen mit großem Durchmesser erwiesen. Bessere Beleuchtung wird bereitgestellt, was zu signifikant besseren Bildern führt. Allerdings ist der Rückbeleuchtungs-Ansatz auf Reflektion des Lichts von den Wänden des Durchgangs angewiesen. In Durchgängen mit sehr kleinem Durchmesser wurde die Kamera des Instruments als zu groß befunden und sie stört die erforderliche Reflektion des Lichts in das Kamerablickfeld. Unzureichendes Licht wird daher abgeliefert und die Ergebnisse sind nicht wünschenswert. Ein kleineres Instrument wäre brauchbarer.
Daher haben die Fachleute das Bedürfnis für ein verbessertes Bohrloch-Untersuchungsinstrument erkannt, welches einen Niedrigspannungs-, Niedrigenergie- und Hochintensitäts-Lichtkopf verwendet, der physisch von der Kamera getrennt ist, um die auf die Kamera applizierte Hitze, zu reduzieren. Zusätzlich sollte eine derartige Lichtquelle in dem gleichen Gehäuse wie die Kamera eingeschlossen sein um dadurch die Notwendigkeit zu reduzieren, Komponenten des Instruments von den down hole Bedingungen abzudichten. Da ist auch das Bedürfnis, eine Lichtquelle bereitzustellen, die weniger elektrische Energie benötigt, um genug Licht für das Blickfeld der Kamera zu generieren. Weiter wurde das Bedürfnis für eine Anordnung einer Lichtquelle und einer Kamera erkannt, bei der keine von beiden mit Armen montiert ist. Noch ferner wurde das Bedürfnis für ein down hole-Instrument erkannt, mit einem Durchmesser, klein genug um in sehr kleine Durchgänge zu passen, wie eines mit einem effektiven Durchmesser von 44 Millimetern (1 % Zoll).
EP-A-0264511 offenbart eine Videokamera zur Bohrlochinspektion. Die Kamera ist in einem Gehäuse untergebracht, welches auch eine Lichtquelle und optische Fasern aufnimmt. Die optischen Fasern leiten Licht von der Lichtquelle, um den Bereich vor der Kamera auszuleuchten.
FR-A-2753519 offenbart eine Lampe, die ein Gehäuse hat, welches eine Lichtquelle an einem Ende aufnimmt. Das Gehäuse enthält einen voll elliptischen Reflektor, der Licht von der Lichtquelle durch eine Öffnung des Gehäuses nach draußen an ein Ende des Gehäuses, fern von der Lichtquelle, reflektiert.
Die vorliegende Erfindung strebt danach, ein verbessertes Untersuchungsinstrument zur Verfügung zu stellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung steht ein Untersuchungsinstrument zur Einführung in ein Bohrloch, zur Betrachtung des Zustands und des Inhalts des Bohrlochs zur Verfügung, wobei das Untersuchungsinstrument umfasst: Ein Gehäuse, mit einer Längsachse, einem proximalen Ende und einem distalen Ende; eine in dem Gehäuse aufgenommene Kamera, mit einem außerhalb des Gehäuses liegenden Blickfeld; eine in dem Gehäuse aufgenommene und in Längsrichtung von der Kamera getrennte Lichtquelle; einen um die Lichtquelle angeordneten Reflektor, um das von der Lichtquelle erzeugte Licht zu reflektieren, worin der Reflektor eine Form aufweist, die einen Teil der Form einer vollen Ellipse darstellt und einen ersten Brennpunkt und einen zweiten Brennpunkt aufweist, wobei der zweite Brennpunkt gegenüber dem ersten Brennpunkt verlagert ist, worin die Lichtquelle an dem ersten Brennpunkt angeordnet ist; und einen Lichtleiter mit einem proximalen Ende, das in etwa am zweiten Brennpunkt zur Aufnahme des durch den Reflektor reflektierten Lichts angeordnet ist, wobei der Lichtleiter ein distales Ende aufweist, welches an einer Position in dem Gehäuse in Relation zu der Kamera angeordnet ist, so dass Licht in das Blickfeld der Kamera abgestrahlt wird.
Vorzugsweise weist der Lichtleiter eine optische Faser auf.
Geeigneter Weise weist der Lichtleiter eine Mehrzahl optischer Fasern mit distalen und proximalen Enden auf, worin die proximalen Enden ein Bündel bilden und am zweiten Brennpunkt des Reflektors angeordnet sind und die distalen Enden in einem Feld ausgebildet sind, das um die Kamera angeordnet ist, so dass sie Licht in das Blickfeld der Kamera abstrahlen.
Zweckmäßigerweise sind die distalen Enden der optischen Fasern gleichmäßig um den Umfang der Kamera beabstandet, um das Feld zu bilden.
Vorzugsweise weist das Untersuchungsinstrument weiter eine Linse auf, die vor dem distalen Ende des Lichtleiters angeordnet und so geformt ist, dass sie Licht, das von dem distalen Ende des Leiters ausgestrahlt wurde, in das Blickfeld der Kamera leitet.
Geeigneter Weise umfasst die Linse einen kreisförmigen Ring mit einer nach außen gewandten Oberfläche von konkaver Krümmung.
Vorzugsweise weist das Untersuchungsinstrument weiter eine interne Energieversorgung auf, zur Versorgung mit der gesamten elektrischen Energie, die durch die Lichtquelle und die Kamera verwendet wird, wobei die interne Energieversorgung ein Batterieteil aufweist.
Geeigneter Weise weist das Batterieteil eine kommerziell erhältliche Batterie in einer Standartgröße auf.
In einer Ausführungsform ist das Batterieteil eine Standart D-Zellen Batterie.
In einer anderen Ausführungsform weist das Batterieteil eine Lithium Batterie auf.
Vorzugsweise weist das Untersuchungsinstrument weiter einen mit der Kamera verbundenen Prozessor und einen Speicher auf, der in dem Instrument angeordnet ist, wobei der Prozessor so programmiert ist, dass er Bilder der Kamera zu programmierten Zeiten erfasst und dass er die erfassten Bilder in dem Speicher speichert.
Geeigneter Weise ist der Prozessor auch mit der Lichtquelle verbunden und so programmiert, dass er die Lichtquelle vor der Zeit, zu der der Prozessor ein Bild von der Kamera empfängt, mit Energie versorgt.
Zweckmäßigerweise enthält das Instrument weiter: Eine interne Energiequelle zur Versorgung mit der gesamten elektrischen Energie, die durch das Instrument verwendet wird, wobei die interne Energiequelle ein Batterieteil aufweist und eine Slickline, die mit dem Instrument zur Überwachung der Tiefe des Instruments verbunden ist.
Vorzugsweise sind der Reflektor und das proximale Ende des Lichtleiters zueinander beweglich, so dass sie präzise in Beziehung zueinander positioniert werden können.
Geeigneter Weise ist die Kamera zumindest teilweise von der durch die Lichtquelle erzeugten Hitze isoliert.
Kurz und in allgemeinen Begriffen sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf ein verbessertes Instrument zum Gebrauch bei der Inspektion von Bohrlöchern gerichtet. Das Untersuchungsinstrument umfasst eine Anordnung einer Kamera und einer Lichtquelle. Die Lichtquelle ist in demselben Gehäuse oder Druckzylinder wie die Kamera untergebracht. Ein elliptischer Reflektor ist um die Lichtquelle angebracht, um das Licht in ein effektives Lichtübertragungssystem zu fokussieren.
Das Lichtübertragungssystem bildet ein Feld um die Kamera, um Licht in das Blickfeld der Kamera abzustrahlen. Ein geformtes ringförmiges Fenster ist vor dem Lichtfeld angebracht, um die Streuung des Lichts von dem Feld zu unterstützen, so dass das Ausleuchtungsmuster im Wesentlichen mit dem Kamerablickfeld übereinstimmt. Das Lichtübermittlungssystem weist den Gebrauch eines optischen Faserlichtübermittlungssystems auf. Eine Vielzahl von optischen Fasern kann verwendet werden, um das Licht von der Lichtquelle zu dem Feld um die Kamera zu leiten.
Die Kamera und die Lichtquelle sind voneinander physisch getrennt. Diese physische Trennung sorgt für ein Maß an thermischer Isolation der Kamera von der Hitze, die durch die Lichtquelle erzeugt wird. Die Kamera befindet sich am distalen Ende des Druckzylinders, mit der Lichtquelle proximal in Beziehung zu der Kamera axial eine ausreichende Strecke beabstandet, um die Lichtquelle thermisch von der Kamera zu isolieren. Die optischen Fasern, die das Feld von Lichtquellen um die Kamera bilden, erzeugen keine signifikante Hitze, stellen aber eine ausreichende Menge Licht zur Verfügung, um das Blickfeld der Kamera vollständig auszuleuchten. Da das Lichtquellenfeld nahezu in der gleichen Ebene wie die Kamera ist ergibt sich eine effizientere Anordnung. Nachteile, die mit der Rückbeleuchtung des Blickfeldes oder der teilweisen Blockierung des Kamerablickfeldes mit einer Lichtquelle, die vor der Kamera angebracht ist, verknüpft sind, sind mit dieser Anordnung nicht existent.
In einer Ausführungsform ist die Position der Lichtquelle und des elliptischen Reflektors einstellbar, so dass eine präzise Positionierung der Lichtquelle für maximalen Lichttransfer zu den optischen Fasern möglich ist. Die Lichtquelle ist in einem ersten Brennpunkt des elliptischen Reflektors platziert und die optischen Fasern sind in dem zweiten Brennpunkt platziert, der von dem ersten Brennpunkt verlagert ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Vielzahl von optischen Fasern verwendet, um das Lichtfeld um die Kamera zu bilden. Diese optischen Fasern sind in einem einzigen Bündel gesammelt, und ihre proximalen Enden sind für maximalen Lichttransfer von der Lichtquelle zu den optischen Fasern in dem zweiten Brennpunkt des Lichtquellenreflektors positioniert. Die distalen Enden der einzelnen Fasern, die das Bündel enthält, befinden sich an um die Peripherie der Kamera beabstandeten Punkten, auf etwa derselben Ebene wie die Kameralinse. Diese Anordnung sorgt für ein hindernisfreies Beleuchtungsfeld von den Fasern und ein hindernisfreies Blickfeld von der Kamera.
In einer Anordnung werden die Bilder, die durch das Licht/Kamera System erzeugt werden, zur Oberfläche durch elektrische oder optische Leiter in dem Versorgungskabel kommuniziert, zur Echtzeitbetrachtung und Verarbeitung auf der Oberfläche. Die Bilder können auch an der Oberfläche aufgezeichnet werden, wie dies üblich ist. Energie kann auch von der Oberfläche durch das Versorgungskabel bereitgestellt werden, um die Kamera und die Lichtquelle zu betreiben.
In noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann aufgrund der gesteigerten Effektivität der Lichtquellenanordnung eine Energieversorgung, die komplett inwendig des Instruments ist, verwendet werde, um sowohl die Kamera, als auch die Lichtquelle mit Energie zu versorgen. Batterien in Standartgröße können als derartige Energiequelle benutzt werden. Batterien der Standartgröße D-Zelle oder Lithium Batterien können verwendet werden.
In noch weiteren Ausführungsformen kann ein Untersuchungsinstrument einen internen Speicher für die Speicherung der durch die Kamera erzeugten Bilder in digitaler Form beinhalten. Das Instrument kann auch einen programmierbaren Prozessor zum programmierten Betrieb der Kamera beinhalten. Mit dieser Anordnung ist das Untersuchungsinstrument für autonomen Betrieb geeignet. Es wird vor dem Einführen in das zu untersuchende Bohrloch programmiert, um eine Serie von Bildern in einem oder mehreren vorbestimmten Zeitintervallen zu erfassen. Das Instrument verbleibt in dem Bohrloch bis der Speicher voll ist, das Bildprogramm ausgeführt ist oder die Batterien aufgebraucht worden sind. Das Instrument wird dann aus dem Bohrloch entfernt und auf der Oberfläche werden die Bilder von dem digitalen Speicher abgerufen. Diese Bilder können dann auf der Oberfläche verarbeitet werden.
Aufgrund dieses effektiven Arbeitsablaufs und dem Gebrauch eines unabhängigen Batteriesystems in dieser Anordnung kann das Tragkabel von minimaler Größe sein und das Instrument ist besonders für Gebrauch in Durchgängen mit kleinen Durchmessern angepasst. Keine Energieleiter oder Datenkommunikationsleiter sind in dem Tragkabel erforderlich. Ein viel kleineres und gängigeres Kabel, gemeinhin als eine „Slickline" bekannt, kann stattdessen verwendet werden. Eine Slickline ist effektiv eine Länge Draht, der preiswerter zu handhaben und weit besser erhältlich ist, als eine elektrische Leitung zum Außengebrauch. Der Bedarf an Oberflächenversorgungsausrüstung ist reduziert (beispielsweise ist keine Oberflächenenergieversorgung nötig), und das Instrument ist daher portabler. Die Fähigkeit, an einer Slickline zu laufen, führt zu einem Instrument, das in viel unterschiedlicheren Umständen verwendbar ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist die Ansicht eines down hole-Untersuchungsinstruments, aufgehängt in einem Bohrloch, zur Inspektion dieses Bohrlochs, ebenfalls darstellend ein Speise- oder Tragkabel zur Oberfläche und zugehörige Oberflächenausrüstung zur Kontrolle der Tiefe des Instruments und zum Bereitstellen von Energie und/oder Erfassen der Bilder, bereitgestellt durch das Instrument, je nach jeweiliger Konfiguration des down hole-Instruments;
2 ist eine Seitenansicht eines Teils des Instruments, das in 1 gezeigt ist, in welchem sich die Lichtquelle befindet und die Kamera am distalen Ende montiert ist;
3 ist eine front- oder distale Endenaufsicht des Untersuchungsinstruments, das in 1 und 2 gezeigt ist, welche ein Feld von Lichtquellen zeigt, die die Kameralinse umgeben;
4 ist eine seitliche Schnittdarstellung des Untersuchungsinstruments, das in 2 gezeigt ist, welche die Lichtquellenanordnung mit den Licht leitenden optischen Fasern und der Kamera zeigt, welche am distalen Ende des Instruments montiert und zur thermischen Isolation physisch getrennt von der Lichtquelle ist;
5 ist eine partielle Schnittansicht in vergrößertem Maßstab eines Teils des Untersuchungsinstruments von 2, welche Details des Beleuchtungssystems in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 bietet eine Seitenansicht eines elliptischen Reflektors in Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung, der in dem Beleuchtungssystem von 5 verwendet wird, um Licht, welches von einer Birne in einem ersten Brennpunkt bereitgestellt wird, in einem zweiten Brennpunkt zu konzentrieren, an dem sich die proximalen Enden der optischen Fasern befinden;
7 ist ein Schnitt, genommen entlang der Linien 7-7 des in 6 gezeigten elliptischen Reflektors, welcher den internen Reflektor und die zwei Brennpunkte der Ellipse zeigt, von welcher der Reflektor einen Teil formt;
8 ist eine Vorderansicht des elliptischen Reflektors von 6;
9 ist eine Zeichnung der elliptischen Oberfläche des Reflektors der 6, 7, und 8;
10 ist eine partielle Schnittansicht in vergrößertem Maßstab des Untersuchungsinstruments von 2, welche Details des Darstellungsfeldes, der Beleuchtungsanordnung und der Kamera am distalen Ende des Instruments zeigt;
11 ist eine Explosionszeichnung der Anordnung des Darstellungsfeldes, gezeigt in 10.
12 ist eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform des Untersuchungsinstruments in Übereinstimmung mit Aspekten der Erfindung, in welcher das Instrument eine unabhängige Energieversorgung in der Form von einer Vielzahl von gemeinhin erhältlichen Trockenzellen-Batterien hat; und
13 ist ein Blockdiagramm eines Teils eines Speicherelektronikgehäusebereichs eines down hole-Instruments, nutzbar in Übereinstimmung mit bestimmten Aspekten der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In der folgenden Beschreibung werden gleiche Bezugsziffern zur Bezeichnung von gleichen oder korrespondierenden Elementen unter den Bildern verwendet werden. Bezug nehmend jetzt auf 1 ist ein Bohrlochinstrument 20 gezeigt, das sich in einem Bohrloch 21 befindet. Das Untersuchungsinstrument 20 ist mit einer Oberflächenstation 22 mittels eines Panzerversorgungskabels 23 verbunden. Dieses Kabel 23 kann Verstärkungselemente, Dämmung, einen oder mehrere Energieleiter und möglicherweise eine oder mehrere optische Fasern umfassen, um Energie und Kommunikationssignale zwischen dem Untersuchungsinstrument 20 und der Oberflächenstation 22 zu übertragen. Wechselweise kann das Kabel 23 die Form einer einfachen, soliden Länge Stahldrahtes annehmen, bekannt als „Slickline", welche keinerlei elektrische oder optische Leiter enthält. Das Tragekabel 23 ist mit dem proximalen Ende des Untersuchungsinstruments 20 durch beliebige, konventionelle, an sich bekannte Mittel verbunden.
Zusätzlich zur Übertragung von Energie und Kommunikationssignalen, je nach der Konfiguration, wird das Versorgungskabel 23 zum Anheben und Absenken des Untersuchungsinstruments 20 in dem Bohrloch 21 verwendet, mittels der Rotation einer Spule oder Winde 24, um die das Kabel 23 gewickelt ist. Die Spule 24 befindet sich auf der Oberflächenstation 22. In dem Fall, wo Video- oder andere Datensignale von dem Untersuchungsinstrument 20 durch das Kabel 23 zu der Oberflächenstation 22 übertragen werden, ist Datenverarbeitungs-, Aufzeichnungs- und Darstellungsausrüstung 25 bereitgestellt, um die Videosignale zu empfangen. Typische Oberfiä chenausstattung umfasst die Winde oder Spule 24, um das Instrument 20 in dem Bohrloch 21 anzuheben und abzulassen und verwendet ein Tiefenmesssystem (nicht gezeigt) um dem Anwender präzise Tiefenmalle zur Verfügung zu stellen. Wenn das Instrument 20 an einem Slickline Kabel betrieben wird, wo das Instrument batteriebetrieben ist, wird die Oberflächenanlage 25 die Bilder, die von dem Instrument 20 bereitgestellt werden, nicht in Echtzeit erfassen. Allerdings wäre dort einige Oberflächenausrüstung, um Daten von dem Instrument 20 herunterzuladen und die Bilder darzustellen, sobald das Instrument 20 auf die Oberfläche zurückgeholt worden ist.
Das down hole-Instrument 20 weist eine Kamera und eine Lichtquelle auf. Die Lichtquelle erhellt den Inhalt des Loches innerhalb des Blickfeldes der Kamera und die Kamera produziert Bilder von der ausgeleuchteten Fläche. Die Kamerasignale können in optische oder elektrische Signale umgewandelt werden und durch das Versorgungskabel 23 übertragen werden, zu der Datenverarbeitungs- und Darstellungsanlage 25 auf der Oberfläche. Im Falle eines batteriebetriebenen Instruments, wie unten detaillierter beschrieben werden wird, können die Bilder der Kamera zu digitalen Abbildungen umgewandelt und in einem Speicher in dem Instrument zur späteren Verarbeitung gespeichert werden.
Es sollte erwähnt werden, dass 1 nur ein Beispiel des Kontrollmechanismus und der Oberflächendatenverarbeitungsanlage, verbunden zu einem down hole-Instrument, aufzeigt. Andere Anordnungen existieren.
Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1 besteht das Instrument 20 in diesem Fall aus mehreren Teilen. An dem proximalen Ende 26 ist der Kabelendverschluss 27, der dazu verwendet wird, das Kabel 23 zu beenden und die Energie, die in das Instrument 20 durch das Kabel 23 gebracht wurde, von den Quellbedingungen zu isolieren. Angrenzend an den Kabelendverschluss 27 befindet sich ein Batterieteil-Bereich 28, wenn das Instrument auf Speicherung betrieben werden und an der Slickline laufen soll. Ein Elektronikchassis 29 ist mit dem Batterieteilbereich 28 verbunden. Das Elektronikchassis 29 empfängt die Videosignale von der Kamera und überträgt sie zu der Oberflächenanlage 25 über das Kabel 23 oder speichert die Videosignale in einem Speicher als Daten, im Falle eines batteriebetriebenen Instruments. Eine Zentralisierer 30 wird dazu verwendet, dass Instrument 20 in dem Bohrloch 21 zu zentrieren und weist elektrische Durchleiter auf, um die Kamera und die Lichtquelle mit dem elektronischen Chassis 29 zu verbinden. Der Lichtkopf- und Kamerabereich 31 ist schließlich am distalen Ende 32 des Instruments 20 untergebracht.
Andere Instrumentanordnungen sind möglich, mit mehr oder weniger Bereichen oder mit anderen Bereichen oder mit anderen Anordnungen der Bereiche. 1 stellt lediglich eine Verkörperung eines Instruments dar und sollte nicht als limitierend genommen werden.
Bezug nehmend jetzt auf 2 ist eine Seitenansicht eines Teils des in 1 gezeigten Untersuchungsinstruments 20 bereitgestellt. 2 zeigt den Lichtkopf/Kamerabereich 31, der sich am distalen Ende 32 des Instruments 20 befindet. Der Lichtkopf/Kamera Bereich 31 weist ein abgedichtetes Hauptgehäuse oder einen Druckzylinder 34 auf, endend in einem distalen Ende 36, an welchem sich ein Eingangsfenster 44 befindet, um eine klare Sicht für die Kamera zu bieten. Ein ringförmiges Fenster 38 ist ebenfalls im distalen Ende 36 montiert und wird dazu verwendet, Licht von der internen Lichtquelle derart zu leiten, dass das gesamte Blickfeld der Kamera beleuchtet wird. Ein weiterer Zweck des Eingangsfensters 44 und des ringförmigen Fensters 38 ist es, das distale Ende des Instruments von dem Eintreten von Flüssigkeiten und anderen Fremdstoffen aus der Quellumgebung abzudichten.
Verbindungsschrauben 40 (nur eine ist gezeigt) werden verwendet, um den Druckzylinder 34 hier zu fixieren. In einer bevorzugten Ausführungsform wurden drei Verbindungsschrauben verwendet. Allerdings können andere Mengen von Verbindungsschrauben verwendet werden, je nach Bauart. Das Entfernen der Verbindungsschrauben 40 wird die Demontage von dem Druckzylinder erlauben, um das Instrument zu warten. Andere Anordnungen zur Befestigung des Druckzylinders 34 und zum Zugang zu dem Zylinder 34 sind möglich.
Bezug nehmend jetzt auf 3 wird eine End-Aufsicht auf das distale Ende 36 des Instruments 20 in größerem Detail gezeigt. Eine Kameralinse 42 kann hinter dem Eingangsfenster 44 gesehen werden. Das Eingangsfenster ist in dieser Ausführungsform aus Pyrex^® geformt. Die Kameralinse 42 umgebend befindet sich ein Feld von Lichtquellen 46, das, in dieser Ausführungsform, zwanzig gleichmäßig beabstandete Quellen aufweist. Ebenfalls in dieser Ausführungsform bestehen die Lichtquellen 46 aus den distalen Enden der optischen Fasern, die an einem Punkt hinter dem ringförmigen Fenster 38 enden. Andere Verteilungen als gleichmäßige Beabstandungen können möglich sein mit den Lichtquellen 46. Die gleichmäßige Verteilung, die in 3 gezeigt ist, führt jedoch zu einer gleichmäßigen Belastungsverteilung über das ringförmige Fenster 38.
Nunmehr 4 zuwendend, wird eine Querschnittsansicht der 2 gezeigt. Der Lichtkopf/Kamera Bereich 31 enthält einen Kernbereich 48, der eine Länge von reduziertem Durchmesser aufweist 49, um den Druckzylinder 34 aufzunehmen. Das distale Ende 36 weist das Eingangsfenster 44 und das ringförmige Fenster 38 auf, welche das distale Ende des Druckzylinders 34 von der Bohrlochumgebung abdichten. Ebenfalls in dem Lichtkopf/Kamera Bereich 31 enthalten sind ein Lichtquellen Bereich 50, eine interne Lichtübertragungsvorrichtung 52 und eine Kamera 54.
Der Druckzylinder 34 des Instruments 20 ist geformt wie ein gestreckter, dünnwandiger Zylinder und weist Vorkehrungen zum sicheren Positionieren und Fixieren seiner internen Komponenten auf. Der Druckzylinder 34 kann aus rostfreiem Stahl geformt sein oder anderem Material, das geeignet ist, dem Druck, der Temperatur und dem korrosivem Umfeld zu widerstehen, welches typischerweise mit Quellbohrungen verbunden ist. Umgebungsbedingtes Abdichten kann durch beliebige konventionelle Mittel vollendet sein, wie O-Ringe 60, die in O-Ring-Nuten 62 passen, die in dem Kern-Bereich 48 herausgearbeitet sind. Wie aus 4 gesehen werden kann, sind die Mittelbereiche und distalen Bereiche des Lichtkopf/Kamera Bereichs 31 durch das Überschieben des Druckzylinders 34 über den reduzierten Durchmesserabschnitt 49 des Kernbereichs 48 und über die O-Ringe 60, bis der Druckzylinder an den Kernbereich 48 stößt, gebildet. Der Druckzylinder 34 ist dann auf dem Kernbereich 48 durch die Verbindungsschrauben 40 gesichert.
Wie durch Bezugnahme auf 4 gesehen werden kann, befindet sich der Lichtquellenbereich 50 in der ungefähren Mitte des Kopf/Kamera Bereichs 31 und ist in Längsrichtung getrennt von der Kamera 54, die sich am distalen Ende 36 befindet. Elektrische Leiter 58, die Energie für den Lichtquellenbereich 50 bereitstellen, sind gezeigt. Da Lichtquellen Hitze ebenso wie Licht generieren, hat diese physische Separation der zwei Komponenten das vorteilhafte Resultat, einige thermale Isolierung für die Kamera von dieser Lichtquellenhitze bereitzustellen. Da aber die Lichtquelle und die Kameralinse physisch separiert sind und da die Lichtquelle in demselben Gehäuse oder Druckzylinder wie die Kamera untergebracht ist, waren einige Mittel erforderlich, um das durch die Lichtquelle generierte Licht zu einem effizienten Punkt zu übertragen, wo das Licht draußen vor das Instrument in das Blickfeld der Kamera abgestrahlt werden konnte. Das Feld der Lichtquellen, gezeigt in 3, wurde ge wählt, da sie unmittelbar an der Kameralinse anliegen und Licht direkt in das gesamte Kamerablickfeld abstrahlen. Reflektionen, Rückbeleuchtung oder separate, für Lichtquellen bestimmte Zylinder, sind nicht erforderlich, wenn die Anordnung, die in 4 gezeigt ist, verwendet wird.
Zusätzlich zur vorteilhaften thermischen Isolierung, bereitgestellt durch die physische Separation der Lichtquelle von der Kamera in dem Instrument, gezeigt in 4, ist auch ein neuer Ansatz zur Leitung des Lichts von der Lichtquelle zum Blickfeld der Kamera bereitgestellt. Der Lichtquellenbereich 50 weist eine interne Lichtübertragungsvorrichtung 52 auf, die ein Bündel 64 von optischen Fasern umfasst, die an ihren distalen Enden 66 getrennt sind, um Abzweigungen 46 zu formen, was in dem Feld von zwanzig Lichtquellen 46 resultiert, wie in 3 gezeigt. Die distalen Enden der optischen Fasern sind so orientiert, dass in Kombination mit dem ringförmigen Fenster 38 das Licht, das sie ausstrahlen, das gesamte Blickfeld der Kamera ausleuchtet.
Das ringförmige Fenster 38 wirkt wie eine Linse, indem es das Licht von den optischen Fasern in das Blickfeld der Kamera bricht. In den meisten Fällen wird die nach außen gewandte Oberfläche des ringförmigen Fensters konkav in der Gestaltung sein, um die gewünschte Brechung und Linseneffekt zu erreichen. Die nach außen gewandte Oberfläche kann allerdings andere Formen haben, wie eine facettierte Form oder andere. Zusätzlich kann die nach innen gewandte Oberfläche des kreisförmigen Fensters 38 eine besondere Form haben, um den Linseneffekt zu erreichen. Das ringförmige Fenster 38 kann als Linse angesehen werden, da es das Licht von jeder der Lichtquellen in eine divergierende Struktur bricht, übereinstimmend mit dem Blickfeld der Kamera.
Die proximalen Enden 68 der Verzweigungen 46 der optischen Fasern, sind eng zusammengepackt in einer Hülse 70, um das Bündel 64 zu bilden und sind angeordnet, um Licht von der Lichtquelle in einer neuen Art und Weise zu empfangen, wie dies nachstehend detaillierter beschrieben ist. In der gezeigten Ausführung hat jeder der zwanzig Äste 46 der optischen Fasern einen Durchmesser von etwa 1,65 mm (0.065 Zoll). Die zwanzig Äste 46 kommen zusammen an ihren proximalen Enden um das Bündel 69 zu bilden, das etwa 7,62 mm (0.300 Zoll (engl.:= in.)) im Durchmesser ist. Die eigentlichen Glasfasern, die jeden Ast 46 ausmachen, sind etwa 0,051 mm (0.002 Zoll) im Durchmesser. Demnach kommen zehntausende von einzelnen Glasfasern zum Einsatz, um das Bündel 64 der Äste 46 zu bilden. Die Ef fektivität eines solchen Bündels von optischen Fasern kann in der Größenordnung von etwa 60 % über die gesamte Länge liegen. Wenn man diese Effektivität mit der Übertragung von Licht durch die Luft vergleicht, wie sie bei dem Rückbeleuchtungs-Ansatz verwendet wird, die die Intensität des Lichts proportional zu dem Quadrat der Entfernung in der Luft verringert, wird es gesehen werden, dass der Faseroptikansatz, in Übereinstimmung mit diesem Aspekt der Erfindung, weit effizienter ist.
Bezugnehmend jetzt auf 5 ist der Lichtquellenbereich 50 detaillierter gezeigt. Eine Licht generierende Vorrichtung, wie eine Miniaturlampe 72, ist in einem Reflektor 74 angeordnet. Die Miniaturbirne 72 ist vorzugsweise eine Miniatur Wolfram Halogen Quarz Lampe, allerdings gibt es eine Vielfalt von erhältlichen Lampen, die befriedigende Resultate ergeben werden. Die bevorzugte Lampe generiert 20 Watt Leistung bei 24 Volt. Daher ist die maximale Leistungsstufe bei 24 Volt und arbeitet mit einem Stromniveau von 0,833 Ampere. In einem Fall wurde eine Halogen Quarz Lampe, hergestellt von Ushio, effektiv genutzt.
Die Lampe 72 ist in einem Lampensockel 76 gesichert, welcher jede kommerziell erhältliche Fassung sein kann, die die gewählte Lampe unterstützt. Der Lampensockel 76 ist verdrahtet mit den Energieübertragungsleitungen 58 in dem Druckzylinder 34. Die Lampenfassung 76 und die Lampe 72 sind gesichert in einer Lampenfassungshülse 80. Die Hülse 80 ist an ihrem proximalen Ende an dem Druckzylinder 34 fixiert und weist ein Gewindeteil 82 an ihrem distalen Ende auf, zur Aufnahme des Reflektorkörpers 92. Die Hülse 80 ist vorzugsweise aus beanspruchbarem rostfreiem Stahl gefertigt, so dass die Lichtquellenanordnung 50 sicher in dem Instrument befestigt werden kann. Der rostfreie Stahl funktioniert auch dahingehend, einen Teil der Hitze, die durch die Lampe 72 generiert wird, von dem unmittelbaren Gebiet des Lichtquellenbereichs 50 zu dem Kernbereich 48 und dann zum Druckzylinder 34 abzutransportieren. Die externe Flüssigkeit, in Kontakt mit dem Druckzylinder 34, assistiert bei dem Abführen der überschüssigen Hitze. Die Lampe 72 ist in dem Reflektor 74 befestigt und das Bündel der optischen Fasern 64 ist so angeordnet, dass die proximalen Enden 68 der Fasern der Lampe und dem Reflektor gegenüberliegen.
Die einzelnen Fasern, die jeden Ast 46 des Bündels 64 bilden, sind am proximalen Ende 68 zusammengeführt und eng verpackt in dem kreisförmigen Bündel 64. Das proximale Ende 68 des Bündels benutzt eine Metallspitze 70, die das Bündel ummantelt. Die einzelnen Fasern sind in der Metallspitze 70 ausgerichtet und Zu sammengefasst um ihre Ausrichtung permanent beizubehalten. Das Ende des Bündels ist dann poliert, um die Effektivität des Lichteintritts in das Bündel zu steigern. Die Metallspitze 70 wird dazu verwendet, das Bündel 64 in einem Metallgehäuse 73 zu sichern, das das proximale Ende 68 des Bündels präzise in dem Zentrum des Instruments längs einer Achse lokalisiert, die fünf Grad von der Hauptachse des Instruments abweicht. Das Bündel ist zur Achse versetzt, um einen optimalen Lichtempfang von der Lampe 72 zu erreichen und für maximale Ausleuchtung von dem distalen Ende von jedem Ast 46. Der Montagewinkel, gewählt für das proximale Ende des Bündels, kann variieren, abhängig von dem Hersteller der optischen Fasern. Fünf Grad war das Optimum für die Fasern, die in einer Ausführungsform verwendet wurden. Ein größerer Winkel würde übermäßige Reflektionsverluste einbringen und ein Winkel von weniger als fünf Grad ergibt einen dunklen Punkt in dem Streumuster der Fasern.
Die distalen Enden 66 der Faseräste 46 sind ebenfalls mit Metallendspitzen ausgestattet. Die Metallendspitzen erfüllen zwei Zwecke. Sie erlauben es dem Hersteller des Faser optischen Bündels, die Faser in der optimalen Ausrichtung einzukapseln und die Enden 66 für maximale Ausbreitung des Lichts zu polieren. Die Endspitzen erlauben auch die Lokalisation jedes Asts 46 an präzisen Punkten hinter der ringförmigen Scheibe 38, so dass das Instrument wiederholbare Resultate hervorbringen wird.
Nunmehr zuwendend zu 5,6,7,8, und 9, ist der Reflektor 74 elliptisch in der Form und ist in einem zylindrischen Körper 92 gebildet, der ein Gewindeteil 94 hat, zur Annahme in der Lampenfassungshülse 80. Das Innere des zylindrischen Körpers 92 ist zu der elliptischen Oberfläche 74 geformt und hat eine zentrale Bohrung 96, durch die sich die Lampe 72 erstreckt. Wie gezeigt ist, reicht der Illumination erzeugende Teil der Lampe 72 in den elliptischen Reflektor 74 und befindet sich an einem ersten Brennpunkt „F1" des Reflektors. Die elliptische Oberfläche 74 entspricht der folgenden Gleichung einer Ellipse, welche in 9 graphisch illustriert ist.
Gleichung der Ellipse:
In Übereinstimmung mit der Standartkonfiguration einer Ellipse, hat die elliptische Oberfläche 74, die Teil der Form einer ganzen Ellipse ist, einen ersten Brennpunkt „F1" und einen zweiten Brennpunkt „F2", der sich an einem von dem ersten Brenn punkt verlagerten Ort befindet, jedoch in Übereinstimmung mit der obigen Ellipsengleichung. Die zwei konvergierenden Brennpunkte F1 und F2 sind eine elliptischen Oberflächen innewohnende und einzigartige Eigenschaft. Licht, welches am ersten Brennpunkt F1 ausgestrahlt wird, wird durch die elliptische Oberfläche 74 reflektiert werden, um in dem zweiten Brennpunkt zu fokussieren und vice versa. Dieses Prinzip der elliptischen Oberflächen ist graphisch beschrieben in 7, wo ein Lichtstrahl 98, ausgestrahlt von dem ersten Brennpunkt F1 in dem Reflektor 74, die elliptische Oberfläche 74 trifft und zu dem zweiten Brennpunkt F2 reflektiert wird.
Diese Besonderheit elliptischer Reflektoren wird in dem Instrument 20 vorteilhaft genutzt. In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, befindet sich die Lampe 72 an einem Brennpunkt F1 und das lichtaufnehmende Ende 68 der optischen Faserbündelhülse 70 befindet sich an einem anderen Brennpunkt F2. Daher wird Licht, welches durch die Lampe 72 produziert wird, durch den Reflektor 74 reflektiert und in dem zweiten Brennpunkt F2 fokussiert, wo sich die proximalen Enden der optischen Fasern befinden und für maximale Lichtaufnahme orientiert sind. Diese Anordnung führt zu einer viel größeren Lichtmenge, die das optische Faserbündel 64 von der Lampe erreicht. Licht wird nicht nur direkt von der Lampe 72 durch die optischen Fasern aufgenommen, Licht, welches von der Lampe in andere Richtungen abgestrahlt wird, wird durch den Reflektor 74 zu einem Brennpunkt reflektiert, der mit der Position der proximalen Enden der optischen Fasern übereinstimmt, und steigert dadurch die Menge des Lichts, welches durch die optischen Fasern aufgenommen wird, außerordentlich. Diese gesteigerte Lichtmenge, die durch die Fasern aufgenommen wird, wird durch diese Fasern zu dem Feld geleitet, das um die Kamera disponiert ist, um in das Blickfeld der Kamera zu strahlen. Wegen dieser außerordentlich erhöhten Effizienz der Lichtübertragung, die durch diesen Aspekt der Erfindung zur Verfügung gestellt wird, kann eine kleinere Lichtquelle verwendet werden und diese Lichtquelle wird einen kleineren Energiebedarf haben.
Die Fähigkeit eines elliptischen Reflektors, Licht in einem zweiten Brennpunkt zu fokussieren, fern von dem ersten Brennpunkt, steht in markantem Kontrast zu parabolischen Reflektoren, welche ein strahlförmiges Muster zur Verfügung stellen, das in der Unendlichkeit fokussiert oder zu konischen Reflektoren, die ein divergierendes, konisch geformtes Streumuster besitzen. Sowohl bei den parabolischen, als auch bei den konischen Reflektoren würde Licht, dass von einer Lampe in dem Reflektor erzeugt wird, nicht auf die proximalen Enden von optischen Fasern fokussiert werden, und nur ein Teil des reflektierten Lichts würde durch die Fasern aufgenommen. Da wäre eine geringere Effektivität des Lichttransfers von der Lampe 72 zu den optischen Fasern.
Die Zentralbohrung 96 des Reflektorkörpers 92 ist ausgewählt, um einen Durchmesser zu haben, der größer als der der Lampe 72 ist. An der Befestigung des elliptischen Reflektorkörpers 92 mit der Lampenfassungshülse 80 tritt die Lampe 72 durch die zentrale Bohrung 96 und ragt in den Reflektor 74. Die Tiefe des Gewindeteils 94 ist so gewählt, dass der Leuchtdraht der Lampe 72 in dem ersten Brennpunkt F1 des Reflektors 74 zentriert ist. Die Gewindeverbindung zwischen dem Reflektorkörper 92 und der Lampe 72 erlaubt eine Feinjustierung der Position der Lampe in dem Reflektor 74.
Die elliptische Oberfläche 74 des Reflektors ist zu einem spiegelgleichen Finish poliert, mit einer Oberflächenrauheit von etwa 0,025 μm (1 μ Zoll) bis etwa 0,012 μm (0,5 μ Zoll). Der Reflektor 74 kann aus jedem beliebigen Material gemacht sein, das hitzebeständig ist und in hohem Maße poliert werden kann. Eine Edelstahllegierung wäre bevorzugt, weil Edelstahl eine Politur länger beibehalten wird, ohne zu oxidieren. Eine polierte Aluminiumlegierung kann jedoch auch verwendet werden. Aluminium ist einfacher zu bearbeiten und zu polieren und ist von der Umgebung in diesem Instrument abgeschirmt. Dennoch wird die polierte Oberfläche eines Aluminiumreflektors schneller mattieren oder oxidieren, als dies dieselbe Oberfläche in Edelstahl würde. Eine andere Option ist es, den Reflektor galvanisiert zu haben oder auf andere Art beschichtet, um der Oberflächenoxidation zu widerstehen.
Kurz zurückkehrend zu 4 und ebenfalls in 10 gezeigt, verzweigen sich die optischen Fasern 64 an dem distalen Ende 86 der Faserhülse 70 und werden durch eine Faserausrichtungsführung 98 geführt, welche die Fasern 64 mit gleichmäßigem Abstand zu benachbarten Fasern um den Umfang der Kamera 54 anordnet, um ein gleichförmiges Streu- oder Beleuchtungsmuster zu produzieren. Die distalen Enden 66 der Fasern 64 hören angrenzend an das Eingangsfenster 44 auf.
Bezugnehmend jetzt auf 10 ist die Kamera 54 sicher in dem Druckzylinder 34 gehalten, mittels der Edelstahl-Faserausrichtungsführung 98. Die Kamera 54 ist mit elektrischen und Datenleitern verbunden, die kollektiv durch die Ziffer 100 angezeigt sind. Die Kamera 54 befindet sich hinter dem Eingangsfenster 44 und ist optisch gekoppelt zu dem Eingangsfenster mittels einer kreisförmigen Bohrung 102 in dem Darstellungsfeldhalter 104, so dass das Blickfeld der Kamera distal von dem Eingangsfenster ist. Die Kamera kann eine Linse mit ausgewählter optischer Charakteristik haben, wie die Fähigkeiten eines Weitwinkel- oder Teleobjektivs, für besondere Betrachtungszwecke. Die Kamera ist von äußerlichen Flüssigkeiten und Gasen mittels Dichtungen rund um das Eingangsfenster 44 geschützt.
Nunmehr bezugnehmend auf 10 und 11, enthält das distale Ende des Instruments 20 drei Hauptkomponenten, einen Darstellungsfeldhalter 104, das Eingangsfenster 44, und ein kreisförmiges Fenster 38, das sich vor den distalen Enden der optischen Fasern 66 befindet. Das kreisförmige Fenster 38 besitzt brechende Eigenschaften und dient dazu, das Licht von den optischen Fasern in ein Streumuster zu lenken, annähernd übereinstimmend mit dem Blickfeld der Kamera 54. Um diesen Effekt zu erreichen, ist das ringförmige Fenster 38 wie ein kreisförmiger Ring geformt, mit einer proximalen Fläche 108 und einer distalen Fläche 110. Die proximale Fläche 108 ist flach und lotrecht zu der Längsachse des Druckzylinders 34. Die distale Fläche 110 ist mit einem konkaven Radius einer Krümmung geformt, welche in dieser Ausführungsform ausgetretenes Licht aus den distalen Enden 66 der optischen Fasern 64 in einem 15 Grad Winkel nach außen zu der Wand des Bohrlochs leitet. Das kreisförmige Fenster 38 ist annähernd in der gleichen Ebene liegend mit der Kameralinse 42 positioniert. Diese „Seitenbeleuchtungs"-Position sorgt für eine ungehinderte Beleuchtung des Kamerablickfeldes und schafft weder eine Frontbeleuchtung noch eine Rückbeleuchtung für die Kamera. Dies ist besonders vorteilhaft in kleinen Bohrlöchern, wo Licht von einer frontbeleuchteten oder rückseitig beleuchteten Kamera dazu tendiert, in einem engen Ring rund um die Bohrlochwand „erstickt" zu werden und dabei zu scheitern, ein derart großes Volumen des Kamerablickfeldes adäquat auszuleuchten, wie es gewünscht ist. Das ringförmige Fenster 38 kann aus beliebigem optisch transparentem Material geformt werden, das typischen Bohrlochkonditionen widerstehen kann. Pyrex^® ist das gegenwärtig bevorzugte Material. Der Brechungsindex des Pyrex agiert zusammen mit der konkaven Fläche in einer Ausführungsform dazu, das Licht etwa 15 Grad zu divergieren. Diese Divergenz des Lichts gewährleistet, dass das gesamte Blickfeld der Kamera adäquat ausgeleuchtet sein wird.
Das Eingangsfenster 44 dient dazu, die Kamera von der Bohrlochumgebung zu schützen und ist als eine solide kreisförmige Scheibe ausgeformt. Wie das ringförmige Fenster 38, kann das Eingangsfenster 44 aus beliebigem geeignetem Mate rial hergestellt sein, mit vollständig getempertem Pyrex^® als dem gegenwärtig bevorzugten Material.
Der Darstellungsfeldhalter 104 dient dazu, das Eingangs- 44 und das ringförmige Fenster 38 sicher zu halten und das proximale Ende 32 des Druckzylinders 34 von der Bohrlochumgebung abzudichten. Der Darstellungsfeldhalter 104 kann aus jedem Material geformt sein, das dem Druck, der Temperatur und den korrosiven Gasen widerstehen kann, die in einem typischen Bohrloch vorkommen, mit einer Beryllium-Kupfer Legierung als bevorzugtem Material. Edelstahl auf Edelstahlgewinde tendiert dazu, ohne ausreichende Schmierung zu verklemmen, daher wurde eine Beryllium-Kupfer Legierung verwendet, wegen ihrer hohen resultierenden Festigkeit und korrosionswiderstehenden Eigenschaften. Das Eingangs- 44 und das ringförmige Fenster 38 können in dem Halter 104 durch beliebige bekannte Mittel gesichert und abgedichtet werden. O-Ringe und kreisförmige Halteringe werden bei der gegenwärtig bevorzugten Ausführung verwendet.
Der Halter 104 ist gegenwärtig als zylindrischer Körper geformt, mit einem Gewindeteil 112 für schraubbare Verbindung, mit einem Anschlussring 114, der integral mit dem Druckzylinder 34 geformt ist. Der Halter 104 weist ebenfalls die Kameralinsen- 42 Zentralbohrung 102 auf, die es der Kamera erlaubt, das Eingangsfenster 44 zu sehen. Der Halter 104 hält das Eingangsfenster 44 in einer Fixierungsbohrung 116, genau proximal von welcher eine O-Ring Nut ist, zur Aufnahme von O-Ringen 120, die die Kamera 54 von externen Gasen und Flüssigkeiten abdichten. Das Eingangsfenster 44 ist in der Fixierungsbohrung 116 durch einen spiralförmigen Haltering 122 gesichert, der in eine Ringnut in dem Halter 104 passt. Das ringförmige Fenster 106 wird in einer ringförmigen Aussparung 126 gehalten, die zwischen der Außenseite des Darstellungsfeldhalters 104 und der Innenseite des Druckzylinders 34 geformt wird. Ein kreisförmiger Haltering 128, der in eine Ringnut 130 auf dem Halter 104 passt, sichert das ringförmige Fenster 38 am Platz. Das ringförmige Fenster 38 ist gegen externe Flüssigkeiten und Gase mittels O-Ringe 118/119 und 132/133 abgedichtet, die in O-Ringnuten, angebracht in dem Druckzylinder 34, und entsprechend auf dem Darstellungsfeldhalter 104, passen.
Nunmehr bezugnehmend auf 12 wird der Batterieteilbereich 28, der vorher in 1 gezeigt wurde, im Querschnitt gezeigt. Der Batterieteilbereich 28 weist eine interne Energieversorgung auf, zusammengesetzt aus mehreren Batterien 146. So ausgelegt, eliminiert das Untersuchungsinstrument 20 das Erfordernis, Energie und Kommunikationssignale durch ein Versorgungskabel 26 zu übertragen und die Slickline, die oben diskutiert wurde, kann mit den begleitenden Vorteilen, ebenfalls oben diskutiert, verwendet werden. Das Instrument oder „Werkzeugstrang" kann in einem solchen Fall einen Niedrigenergielichtkopf/Kamerabereich, einen Zentrierbereich, einen Speicherelektronikbereich und einen Batteriebereich für Energie enthalten. Der Zentralisierer ist optional, wird aber oft verwendet. Der Speicherelektronikbereich kontrolliert die Lichtquelle und Kamera und liefert die Energie von dem Batteriebereich zu ihnen. Er empfängt auch die analogen Videosignale der Kamera und konvertiert diese Signale in digitale Daten, die in dem Speicher innerhalb des Gehäuses abgespeichert werden.
In einer Ausführungsform des Batterieteilbereichs 28 wurden siebzehn alkalische D-Zellen-Batterien verwendet, um eine Energieversorgung zu schaffen, die im Stande war, ein Ampere Stromstärke über eine Dauer von einer Minute durchgehendem Betrieb zu liefern. D-Zellen Batterien sind serienmäßig produzierte Batterien, die fast überall auf der Welt kommerziell erhältlich sind. Dies ist besonders vorteilhaft, wo die Bohrlöcher, die einer Inspektion bedürfen, in entfernten Regionen sind, was häufig bei Öl Erkundung und Produktion der Fall ist. Der Batterieteilbereich 28 weist ebenfalls einen Druckzylinder 142 auf, um die Batterien von der Bohrlochumgebung abzudichten. Die proximale Verbindung an den Batteriebereich kann ein 15,875 mm (5/8 Zoll) Saug-Stab-Anschluss sein, der eine Standartkabelendverschlussverbindung in der Slickline Industrie ist.
Bezugnehmend jetzt auf 13 ist ein Teil eines Speicherelektronikbereichs 148 gezeigt. Ein Prozessor 150 ist auf der Oberfläche, vor der Einführung des Instruments 20 in das Quellbohrloch, programmiert. Der Prozessor kann programmiert werden, eine vorgegebene Anzahl von Bildern, zu bestimmten Zeiten in der Zukunft aufzunehmen, oder alle Bilder in sequenzieller Folge, mit einem vorherbestimmten Intervall, welches zu einer bestimmten Zeit in der Zukunft startet, aufzunehmen. Basierend auf der gewählten Methode des Programmierens, kann der Anwender das Instrument 20 in das Bohrloch leiten und die Zieltiefe erreichen, bevor das vorherbestimmte Zeitintervall abläuft. Sobald die Zeit erreicht wurde, in der die Bilder begonnen haben, kann der Anwender die Winde auf der Oberfläche dazu benutzen, das Instrument auf oder ab zu bewegen, um ein Videoprotokoll eines bestimmten Bereichs des Bohrlochs zu schaffen. Nachdem alle Bilder aufgenommen und in dem Speicher abgespeichert worden sind, würde der Anwender das Instrument aus dem Bohrloch entnehmen und die gespeicherten Bilder zum Betrachten herunterladen.
In Übereinstimmung mit 13 ist der Prozessor 150 auf der Oberfläche durch seinen Eingangs/Ausgangs Anschluss 152 programmiert. Der Prozessor wird durch den Batteriebereich 28 betrieben. Zur vorprogrammierten Zeit aktiviert der Prozessor 150 das Licht und die Kamera 154, um Bilder des Bohrloches zu schaffen. Die analogen Daten, repräsentativ für die aufgenommenen Bilder, werden durch den Prozessor 150 zu digitalen Bildern konvertiert und in dem Speicher 156 abgespeichert. Nach dem Herausziehen des Instruments, werden die digitalen Daten, abgespeichert in dem Speicher 156, die repräsentativ für die aufgenommenen Bilder sind, durch den Prozessor 150 von dem Speicher 156 durch den Eingangs/Ausgangs Anschluss 152 heruntergeladen. Die digitalen Daten können auf der Oberfläche dazu verwendet werden, die Bilder des Bohrloches, zur Analyse und falls erforderlich, zukünftigen Aktion, zu rekonstruieren.
In einem Fall kann der Prozessor 150 für zehn Sekunden Aufnahme programmiert werden. Das heißt, die Kamera ist in Betrieb, die Lampe ist stromführend, die Kamera nimmt Bilder für zehn Sekunden auf und dann sind sowohl die Kamera, als auch das Licht abgeschaltet. Dieser Kreis wiederholt sich, bis der Speicher 156 voll ist oder die Batterien 146 aufgebraucht sind.
Die Vorteile des Gebrauchs eines derartigen Speicherkamerainstruments 20 sind zahlreich; allerdings sind viele mit Kosten und/oder Zweckmäßigkeit verbunden. Faseroptische Kabel sind selten und nicht kommerziell erhältlich. Um ein faseroptisches Videoprotokoll in einem Öl oder Gas Bohrloch auszuführen, muss ein spezielles faseroptisches Kabel mobilisiert werden. Dies involviert typischerweise einen ausgewiesenen Lastwagen für Bodenprojekte oder eine ausgewiesene Gestelleinheit, die eine Winde beinhaltet, fiberoptisches Kabel und all die Oberflächenkontrollausrüstung für Hochseeprojekte (engl.:= offshore projects). Die Mobilisation von derartigem Equipment ist nicht immer praktisch und kann sehr kostspielig sein. Eine Alternative zu faseroptischem Video ist ein fortschreibendes, Standbilder aufnehmendes Kamerasystem, welches an einem Standart Elektroleitungskabel arbeitet. Elektrische Leitungen sind in der Industrie sehr verbreitet, aber sie sind keine Standarteinrichtung jedes Ölbohrlochs. Ein Elektroleitungs-Lastwagen oder -Gestelleinheit kann zu diesen Anlässen einfacher zu mobilisieren sein, kann aber ebenfalls ziemlich teuer sein.
Im Gegensatz dazu ist eine Slickline ein solides Stück Metalldraht, welches sehr klein und preiswert aber nicht geeignet ist, Energie oder Information zu und von dem Instrument zu übertragen. Es ist so preiswert zu haben und zu betreiben, dass es als Standarteinrichtung in den meisten Ölfeldern betrachtet wird. Da es fast immer vor Ort vorhanden ist, sind die Mobilisierungskosten eliminiert. Aus diesen Gründen würde ein tragbares Speicher-Kamerasystem, das an Slickline betrieben werden kann, ein sehr viel besser verfügbares und kosteneffektiveres Instrument für die meisten Anwender bereitstellen. Da eine Slickline so klein im Durchmesser ist, ist es auch einfacher und kosteneffiktiver mit Druckequipment bei Gas produzierenden Bohrlöchern zu verwenden.
Daher wird ein neues und nützliches Untersuchungsinstrument zur Verfügung gestellt, welches ein verbessertes Lichtübertragungssystem hat, um das Blickfeld der Kamera auszuleuchten. Sowohl ein Instrument, welches fähig ist, an einer elektrischen Leitung, als auch an einer Slickline zu arbeiten, wurde beschrieben und gezeigt. Ein einziger Instrumentenzylinder wird verwendet, der sowohl die Kamera, als auch die Lichtquelle für die Kamera aufnimmt. Aufgrund einer einzigartigen Anordnung ist die Lichtquelle physisch von der Kamera getrennt, dennoch wird das Licht von der Quelle zu dem Blickfeld der Kamera geleitet, an einen Punkt, etwa in der gleichen Ebene liegend wie die Kameralinse, mit hoher Effektivität. Die Lichtquelle weist eine neue Anordnung auf, wo ein Reflektor verwendet wird, um das Licht, das von der Lampe produziert wird, auf eine effizientere Lichtleitungsvorrichtung zu konzentrieren. Dies führt zu der Befähigung, eine Niedrigenergielampe zu verwenden, dennoch hinauslaufend auf dasselbe Level an Ausleuchtung für das Kamerablickfeld. Da das Untersuchungsinstrument mit einer niedrigen Spannung arbeitet und eine geringere Menge Strom für die Lichtquelle zieht, kann Batteriestrom in einer Ausführungsform verwendet werden. Eine Kamera, mit einem Speicher für die digitale Speicherung von Bildern und programmierbarem Betrieb, kann aufgrund der gesteigerten Effizienz der offenbarten Lichtquelle durch Batteriestrom betrieben werden. Diese Ausführungsform ist besonders nützlich in Situationen, wo ein kleines Bohrloch beteiligt ist, in das große Versorgungskabel, die Energie und Datenkabel umfassen, nicht passen werden und/oder nur eine Slickline verfügbar ist.

Claims

Untersuchungsinstrument (20) zur Einführung in ein Bohrloch (21) zur Betrachtung des Zustands und des Inhalts des Bohrlochs, wobei das Untersuchungsinstrument umfasst: ein Gehäuse (34) mit einer Längsachse, einem proximalen Ende (26) und einem distalen Ende (32); eine in dem Gehäuse aufgenommene Kamera (54) mit einem außerhalb des Gehäuses liegenden Blickfeld; eine in dem Gehäuse aufgenommene und in der Längsrichtung von der Kamera (54) getrennte Lichtquelle (72); einen um die Lichtquelle (72) angeordneten Reflektor (72), um das von der Lichtquelle erzeugte Licht zu reflektieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (74) eine Form aufweist, die einen Teil der Form einer vollständigen Ellipse darstellt und einen ersten Brennpunkt (F1) und einen zweiten Brennpunkt (F2) aufweist, wobei der zweite Brennpunkt (F2) gegenüber dem ersten Brennpunkt (F1) verlagert ist, worin die Lichtquelle (72) an dem ersten Brennpunkt (F1) angeordnet ist; und einen Lichtleiter (52) mit einem proximalen Ende, das in etwa an dem zweiten Brennpunkt (F2) zur Aufnahme des durch den Reflektor (74) reflektierten Lichtes angeordnet ist, wobei der Lichtleiter ein distales Ende aufweist, das an einer Position in dem Gehäuse in Relation zu der Kamera (54) angeordnet ist, so dass das Licht in das Blickfeld der Kamera abgestrahlt wird.
Untersuchungsinstrument nach Anspruch 1, worin der Lichtleiter (52) eine optische Faser aufweist.
Untersuchungsinstrument nach Anspruch 2, worin der Lichtleiter (52) mehrere optische Fasern mit distalen Enden und proximalen Enden aufweist, worin die proximalen Enden ein Bündel (64) bilden und am zweiten Brennpunkt (F2) angeordnet sind und die distalen Enden in einem Feld ausgebildet sind, das um die Kamera (54) angeordnet ist, so dass das Licht in das Blickfeld der Kamera abgestrahlt wird.
Untersuchungsinstrument nach Anspruch 3, worin die distalen Enden der optischen Fasern um den Umfang der Kamera (54) gleichmäßig beabstandet angeordnet sind, um das Feld zu bilden.
Untersuchungsinstrument nach einem der Ansprüche 1-4, ferner umfassend eine Linse (38), die vor dem distalen Ende des Lichtleiters (52) angeordnet ist und so geformt ist, dass das Licht, das aus dem distalen Ende des Lichtleiters abgestrahlt wird, in das Blickfeld der Kamera (54) gerichtet ist.
Untersuchungsinstrument nach Anspruch 5, worin die Linse (38) einen kreisförmigen Ring mit nach außen gewandter Oberfläche (110) von konkaver Krümmung aufweist.
Untersuchungsinstrument nach einem der Ansprüche 1-6, ferner umfassend eine interne Energieversorgung zur Versorgung mit der gesamten elektrischen Energie, die durch die Lichtquelle (72) und der Kamera (54) verwendet wird, wobei die interne Energieversorgung ein Batterieteil (146) aufweist.
Untersuchungsinstrument nach Anspruch 7, worin das Batterieteil eine kommerziell erhältliche Batterie in einer Standardgröße aufweist.
Untersuchungsinstrument nach Anspruch 8, worin das Batterieteil eine Standard-D-Zelle-Batterie (146) ist.
Untersuchungsinstrument nach Anspruch 7, worin das Batterieteil eine Lithiumbatterie aufweist.
Untersuchungsinstrument nach einem der Ansprüche 1-10, ferner umfassend einen Prozessor (150), der mit der Kamera (54) verbunden ist, und einen Speicher (156), der in dem Instrument abgeordnet ist, wobei der Prozessor so programmiert ist, dass er Bilder aus der Kamera (54) zu programmierten Zeiten erfasst und die erfassten Bilder in dem Speicher (156) speichert.
Untersuchungsinstrument nach Anspruch 11, worin der Prozessor (150) auch mit der Lichtquelle (72) verbunden ist, und so programmiert ist, dass er die Lichtquelle vor der Zeit, zu der der Prozessor (150) ein Bild aus der Kamera (54) empfängt, mit Energie versorgt.
Untersuchungsinstrument nach Anspruch 11, ferner umfassend: eine interne Energieversorgung zur Versorgung mit der gesamten elektrischen Energie, die durch das Instrument verwendet wird, wobei die interne Energieversorgung ein Batterieteil (146) aufweist; und eine Messleitung (engl.:= slickline), die mit dem Instrument zur Überwachung der Tiefe des Instruments verbunden ist.
Untersuchungsinstrument nach einem der Ansprüche 1-13, worin der Reflektor (74) ein elliptischer Reflektor ist.
Untersuchungsinstrument nach Anspruch 3, worin der Reflektor (74) ein elliptischer Reflektor ist, und die Lichtquelle (72) an einem ersten Brennpunkt (F1) des elliptischen Reflektors (74) angeordnet ist und die proximalen Enden der optischen Fasern an einem zweiten Brennpunkt (F2) des elliptischen Reflektors (74) angeordnet sind.
Untersuchungsinstrument nach einem der Ansprüche 1-15, worin der Reflektor (74) und das proximale Ende des Lichtleiters (52) in Relation zueinander bewegbar sind, so dass sie präzise in Relation zueinander positionierbar sind.
Untersuchungsinstrument nach Anspruch 1, worin die Kamera (54) wenigstens teilweise gegenüber durch die Lichtquelle (72) erzeugter Wärme isoliert ist.