CN101175970A - 将应变传感器设置于圆柱形构件的方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于确定将多个应变传感器或传感器设置到构件上的优选设置方式的方法，以用于在构件受到各种作用力的情形下监视和成像出构件的变形。

Description

将应变传感器设置于圆柱形构件的方法

技术领域

本发明涉及一种将应变传感器设置于圆柱形构件以监视构件变形的方法。

背景技术

位于可压实沉积物(或地壳构造活跃区)中的油井在其整个生产寿命中会遭受到变形。结果是导致生产区域的灾难性损失上升，而且这一损失也包含在整个油井的损失中。产量的快速增长和在同一井中多层合采都使这一问题更加严重。值得注意的一个现象是油井套管经常首先在套管接头或地层的界面处弯曲或开始屈曲。在持续压实的过程中，运动导致油井的轴线严重偏移。其结果是油井投资蒙受损失，导致生产延期和/或损耗，油井的更换费用也相当昂贵。检测到早期弯曲能够对随后的屈曲或挤毁(collapse)发出警告，并且允许在生产实践中更改和/或采取补救措施。原位变形力的检测成为一个非常复杂的问题，特别是当这种力包括轴向应力、环向应力和剪切应力时。

由光纤布喇格(Bragg)光栅处理而成的光纤适用于监视管状构件上由压实引起的应变。光纤布喇格光栅可以通过使单模光纤芯部以强烈紫外光的周期模式侧向暴露而制成。这样就会在光纤内产生折射率增大的区域。固定折射率的调制被称作光纤布喇格光栅(以下称为“FBG”)。当光栅周期等于输入波长的一半时，所有的反射光信号将在一个波长处一起联合成一个大的反射。为了所有的意图和目的，光栅相对于其它波长的光是透明的。因此，光以可忽略的衰减或信号变化移动通过光栅，只有布喇格波长受到影响，即强烈地背反射到每个FBG传感器。换言之，光栅的中心频率直接与环境中受热或机械变化影响的光栅周期相关。因此，可以通过测量反射波长中的标准化变化计算得到温度、应变和其它工程参数。因此，能够预设并维持这一光栅波长将使FBG传感器变得更为有用。参见2000年11月27日3M USOnline的“光纤布喇格光栅”(Fiber Bragg Grating)。

美国专利No.6854327(这里并入本文作为参考)描述了代替伸长型FBG传感器，使用弯曲式FBG传感器，这种弯曲式FBG传感器可以改变反射的振幅，加宽频率。这种FBG传感器利用可预计、可改变的波长响应对位移力作出反应，即可以和校准曲线对比以估计位移的形状的大小。一个实施方案中描述为螺旋形光纤，其中FBG传感器安置在光纤的弯曲部中。

因此，需要确定应变传感器应用到管状构件上的优选运用，以检测和测量到构件的大变形。

发明内容

在一个实施例中，提供了一种将应变传感器设置到圆柱形构件上以用于监视构件变形的方法，该方法包括：

针对圆柱形构件中的轴向应变选择所期望的敏感度；

确定对应于所述所期望的敏感度的至少一个应变因子，其中所述至少一个应变因子表示由圆柱形构件中的轴向应变导致的传送给应变传感器的应变与圆柱形构件中轴向应变之间的比值；

依照所述至少一个确定的应变因子，相对于沿圆柱形构件表面延伸的假想基准线确定一优选缠绕角；以及

以与所述优选缠绕角对准的方式将应变传感器设置到圆柱形构件上，以测量在该优选缠绕角方向上的应变。

本发明基于这样的理解：通过选择一优选缠绕角，可以影响到应变传感器遭受到的应变大小，甚至可以调整应变正负号(拉伸应变对压缩应变)。这样就开辟了一条通向不同应用的路径，这在下面的描述中将会提到。

申请人提出了基于一优选的缠绕角的应变传感器系统的优选应用。根据所选择的缠绕角，应变传感器--特别是FBG系统--应用于管状构件可以唯一地进行定制以检测和测量在特定环境下管状构件有可能遭受到的各种类型和等级的应变。因此，能够在原位特别精确地检测并实时测量管状构件的应变。从而，可以预见到管状构件的变形，如果不能避免的话。

将在下面不同的实施例和涉及的附图中对本发明这些和其它方面、特征和优点进行描述。

附图说明

下面参照附图对本发明进行更详细地说明，其中：

图1是一圆柱形构件的正视图，示出了沿该构件的三个不同部分(A，B，C)设置到构件上的多个传感器或变换器；

图1A是图1中A部分的线性透视图；

图2是一图表，示出了应变传感器的优选数量(N)和需要覆盖预定长度的优选缠绕圈数；

图3是一图表，示出了应变因子(m)和不同缠绕角(θ)之间的关系；

图3A是一图表，示出了根据预定泊松比(v)，应变因子(m)和不同缠绕角(θ)之间的关系；

图4是一图表，示出了施加给钢的应变(ε)和对应的泊松比(v)之间的关系；

图5是一图表，示出了传感光纤的长度和管状构件的长度对缠绕角(θ)的关系；

图6是一图表，示出了在控制试验中对应于编号为D_N的应变传感器，由圆柱形构件经受偏置剪切(offset shear)所得到的波长响应。

图7是一圆柱形构件的正视图，图中示出了构件上的剪切力；

图7A是波长响应的图像，示出了由图7中的应变传感器测量得到的相应应变；

图8是一图表，示出了从由管的重量施加的横向力得到的波长相应，在图中绘制为波长漂移(Δλ)随光栅数量(D_N)变化；

图9是一图表，示出了从水平悬挂在每一端的管的中心处悬挂的重量所产生的作用力获得的波长响应，在图中绘制为波长漂移(Δλ)随光栅数量(D_N)变化；

图10是一圆柱形构件的正视图，示出了该构件上的弯曲力；

图10A是波长响应的图像，示出了由图10中的应变传感器测量得到的相应应变；

图11是一图表，示出了从施加在图8所示管的中心附近的压毁力处获得的波长响应，在图中绘制为波长漂移(Δλ)随光栅数量(D_N)变化；

图12是一图表，示出了用于图11中管的波长响应，在图中绘制为波长漂移(Δλ)随光栅数量(D_N)变化，其中管中心附近的夹紧件已经旋转了90度；

图13是一圆柱形构件的正视图，示出了该构件上的压毁(椭圆化)力；

图13A是波长响应的图像，示出了由图13中的应变传感器测量得到的相应应变；

图13B是图13的顶视图；

图14是一图表，示出了相对的应变振幅(W_A)随着围绕管状构件转动一定角度的方位角(φ)而改变；

图15是一图表，示出了对于承受塑性变形的构件材料而言，应变因子(m)和纳米(nm)漂移随缠绕角(θ)变化；

图16是一图表，示出了对于施加轴向应变的各个等级而言，波长漂移(Δλ)随光栅数量(D_N)变化；

图17是一图表，示出了计算得到的波长响应或预期的波长响应的平均值、峰值和均方根(rms)，在图中绘制为波长漂移Δλ(nm)随所施加的轴向应变ε_a(％)变化；

图18是一图表，示出了对比于计算得到的波长漂移，在所施加的轴向应变ε_a(％)的每一级，施加在应变传感器上的波长漂移Δλ(实际的)；

图19是波长漂移Δλ(nm)相对于光栅数量(D_N)的图表，示出了大约为零的轴向强度；

图20是波长漂移Δλ(nm)相对于光栅数量(D_N)的图表，示出了施加了0.25％的轴向应变；

图21是波长漂移Δλ(nm)相对于光栅数量(D_N)的图表，示出了施加了0.75％的轴向应变；

图22是一圆柱形构件的正视图，图中示出了作用在该构件上的压缩力；

图22A是波长响应的图像，示出了由图22中的应变传感器测量得到相应应变；

图23是沿着储油层之上的线理论上Δ应变Δε随距离(d)变化。

具体实施方式

以具体示例来描述本发明的主题，不过描述本身并没有限制发明范围的意图。因此，所要求的主题可以以其它方式被具体化成包括不同的步骤或与这里所述类似的步骤的结合，以及连同其它现有技术或将来的技术。此外，尽管这里采用的术语“步骤”表示使用了不同的方法，但除非在明确描述单独步骤的顺序时，否则该术语不应当解释为暗示这里所公开的不同步骤中任何特定的顺序。

下列描述涉及到表现为多种变换器形式的应变传感器的使用，所述变换器可以包括一个或多个传统的FBG传感器，如美国专利No.5798521、No.6426496或No.6854327中描述的变换器。优选地，FBG传感器可以是：

i)执行特殊处理(短期闪耀)，如APPLIED OPTICS，41，631-636(2002)，Baek，s.，等著的“Characteristics of short-period blazed FBGsensors for use as macro-bending sensors”(用作宏弯曲传感器的短期闪耀型FBG传感器的特性)；以及/或者

ii)弯曲，如记载在“Long-Period Fiber Grating Bending Sensorsin Laminated Composite Structures”(层压复合构件中的长期光纤光栅弯曲传感器)中的，SPIE Conference on Sensory Phenomena andMeasurement Instrumentation for Smart Structures and Materials，1998年3月，San Diego，Calif.，SPIE第3330卷，284-292页，Du，W.，等人；以及/或者

iii)涂覆，如记载在“Ultrastrong Fiber Gratings and TheirApplications”(超强光纤光栅以及它们的应用)中的，SPIE ConferencePhototonics East“Optical Fiber Reliability and Testing”，3848-26，1999年9月20日，Starodubov，D.S.，等。

不过，本发明并不限于使用FBG型传感器，也可以采用能够检测轴向应变和/或径向应变的传统传感器或变换器，如应变仪，记载在“Strain Gauge Technology”(应变仪技术)中，A.L.Window(编辑)，Elsevier Science Pub.co.，2^nd edition，1992年11月。因此，可以通过使用能够检测信号并传递信号的任意类型的传感器或变换器来执行和应用这里所述具备新颖性的技术和方法，而不必考虑是否是FBG传感器、应变仪或其它传统类型的传感器或变换器。此外，这里采用光纤作为传输手段用以说明本发明所述的各种应用，但这并不排斥可以用于连接变换器的其它已知传输手段，如能够传输电能和信号的电线。此外，也可以采用含有电源的传统的无线变换器。

现在参照图1，图中示出了一圆柱形构件10如管状构件(如钻杆)或套管的正视图，该构件10上设置了位于光纤30上的多个FBG传感器20，以不同的优选缠绕角分布在A，B和C三部分中。图1A是图1中A部分的线性透视图，示出了光纤30以优选的缠绕角θ₁或θ₂缠绕在管状构件10周围。可以相对于沿构件10的表面纵向延伸的第一假想基准线40测量所述优选的缠绕角。或者，可以相对于环绕构件10圆周的第二假想基准线50测量所述优选的缠绕角，这里基准线50还表示图1A中的圆周C。不过，为了下面的说明，相对于第二假想基准线50来限定缠绕角θ和优选的缠绕角θ₁，并且用θ₁来表示。然而，也可以用θ₂来代替，即用π/2-θ₂简单地替换θ₁，或者基于θ₂计算θ₁，令θ₁＝90°-θ₂。

在图1A中，光纤30围绕构件10一圈的长度用S表示。可被看作是每圈光纤30之间的垂直距离的沿着第一假想线40的距离以L表示。θ₁、L、X、S和C之间的关系表示为：L＝S*sin(θ₁)和C＝S*cos(θ₁)。在这一转换几何尺寸中，S表示由L，C和S构成的直角三角形的斜边。

由压实(compaction)引起的沿着构件10轴线的轴向应变由ε＝ΔL/L表示。所述由压实引起的沿着构件10轴线的轴向应变能够被转化成应变传感器20中的应变，并且由ε_f＝ΔS/S表示，该应变可以在应变传感器20中以轴向应力、环向应力和/或剪切应力来表明其自身。因此，应变传感器20中的应变(ε_f)和其波长响应之间的关系表示为：

Δλ＝λ(1-P_e)Kε_f

其中，Δλ表示由于强加于应变传感器20的应变(ε_f)导致的应变传感器的波长漂移，λ表示应变传感器20的平均波长。应变传感器20与需要测量其上应变的基层或系统的粘结系数(bonding coefficient)用K表示。

针对弯曲应变(也称作屈曲、剪切)和轴向应变的“联合”响应可以表示为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\mathrm{\λ}(1-P_e)\·K\·[-1+\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\θ}\·{(1-(\mathrm{\ϵ}-\frac{r\cos \mathrm{\φ}}{R}))}^2+{\cos }^2\mathrm{\θ}\·{(1+v(\mathrm{\ϵ}-\frac{r\cos \mathrm{\φ}}{R}))}^2}]$

其中Δλ是在给定的光栅上测量得到的波长漂移，λ是光栅的原始波长，通常为1560纳米。(1-P_e)项是光纤响应，通常为0.8。粘结系数K通常为0.9或更大。对应于管状构件第一假想轴线的缠绕角(或传感器的定向角)由θ表示。管状构件上的轴向应变ε来自于压实或其它外部源。管状构件或圆柱形构件的半径用r表示，φ是对应于沿着管状构件轴线的某个基准的任意方位角，该基准可允许相对于它确定屈曲或弯曲的方向。大写字母R表示管的屈曲或弯曲的弯曲半径。当弯曲半径变得非常大(笔直不弯曲的管)时，信号的这一部分消失。构件的泊松比v可以随着应变而改变。可以使用单独的测量求解出v值。我们能够通过同时利用两个缠绕角来解决这一问题。

在下面的示例中，为简单起见，假设粘结系数(K)恒定不变。P_e表示应变和温度对应变传感器20的折射率的影响。P_e可以是应变和温度的函数，其包含了施加在应变传感器20上的扭距，但是在下面的示例中将被忽略不计。众所周知，温度变化可能对光纤30、应变传感器20和构件10造成额外的应变，这会影响光纤30的折射率，因此要单独考虑温度变化来校准应变测量值。通过下面两种方式的任意一种就能够容易地实现，一种是利用完全与构件10机械解耦的独立但类似的光纤使短长度的光纤30与构件10机械解耦，另一种是在经受着应变测量的构件10附近进行其它方式的温度测量。

利用前述特性可以使应变传感器20中的应变(ε_f)与构件10中的压实应变(ε)产生关联。应变传感器20中的应变(ε_f)可以与优选的缠绕角(θ₁)和沿构件10轴向的应变(ε)相关：

$\frac{\mathrm{\ΔS}}{S}=-1+\sqrt{\sin {\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}^2*{(1-\mathrm{\ϵ})}^2+\cos {\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}^2*{(1+\mathrm{v\ϵ})}^2}$

泊松比(v)是构件10的一个重要参数，它与构件10的应变(ε)相关，在下面的示例中将对此进行说明。

使构件10的轴向应变(ε)与传送给应变传感器20的应变(ε_f)相关联的应变因子表示为：

$m=\frac{-1+\sqrt{\sin {\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}^2*{(1-\mathrm{\ϵ})}^2+\cos {\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}^2*{(1+\mathrm{v\ϵ})}^2}}{\mathrm{\ϵ}}$

其中可以转化成：

ΔS/S＝m*ΔL/L＝m*ε

将应变因子(m)与其它变量对比，表明它对优选的缠绕角(θ₁)高度敏感，对泊松比(v)稍微有些敏感，对所施加的轴向应变(ε)相当不敏感。

传感器的应用

对于灵敏度和分辨率而言主要需求是保证围绕构件10的圆周(C)设置足够数量的传感器20，并且在传感器20之间保留适当的垂直间距，以便能够清楚地检测和反映出与弯曲力、屈曲力、剪切力或压毁(成椭圆形)力相关的正弦曲线模式。当通过下面关系示范时，关于轴向应变和径向应变的灵敏度以及弯曲应变也是优选缠绕角(θ₁)的函数。

优选地，每一圈光纤30上具有至少10个应变传感器20，以便能够适当地捕获由构件10变形引起的正弦形信号的一个循环。还期望具有至少8到10圈光纤30，以覆盖预计产生变形的构件10的垂直距离。只有较少数应变传感器20的分辨率会降低，以及明确区分弯曲变形、屈曲变形、剪切变形或压毁变形的能力下降。根据优选缠绕角(θ₁)和构件10的直径(D)(单位为英寸)，由每一圈覆盖的构件10的长度(英尺)表示为：

$L_1=\frac{\mathrm{\π}*D*\tan \left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{12}$

为了获得用英尺表示的长度，必须令用米表示的长度除以0.3。为了获得用英寸表示的直径，必须令用厘米表示的直径除以2.54。

根据优选缠绕角(θ₁)和构件10的直径(D)(英寸)，围绕着构件10的每一圈的长度(英尺)表示为：

$S_1=\frac{\mathrm{\π}*D*\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{12}$

基于围绕着构件10的优选缠绕圈数(N_w)和围绕着构件10一圈的长度(S₁)(英尺)，光纤30的总长度(英尺)表示为：

S＝S₁*N_w

基于围绕着构件10的优选缠绕圈数(N_w)和覆盖在每一圈之间的构件10长度(英尺)，光纤30的轴向长度(英尺)表示为：

Z＝L₁*N_w

因此，由被缠绕在光纤30中的构件10的轴向长度(Z)除以覆盖在每圈光纤30之间的构件10的长度(L₁)，就可以确定围绕着构件10的优选圈数(N_w)。除优选缠绕角(θ₁)外，还可以采用优选缠绕圈数(N_w)来确定光纤30和应变传感器20应用于构件10的最佳方式。

应变传感器的间距可以短至1厘米，或必要时长至使得具有大直径的构件10上，每一圈光纤30容纳合理数量的应变传感器20。每一圈光纤30上这种应变传感器20的总数为应变传感器间距(S_g)(厘米)和缠绕一圈长度(S₁)的函数，其表示为：

$n=\frac{2.54*S_1*12}{S_g}=\frac{2.54*\mathrm{\π}*D*\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{S_g}$

假定光纤30上的所有应变传感器20都落在光纤30的缠绕部分内，那么光纤30上应变传感器20的总数表示为：

$N=\frac{2.54*S*12}{S_g}=\frac{2.54*N_w*\mathrm{\π}*D*\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{S_g}$

类似的，可以借助于已知应变传感器的优选数量(N)和光纤30的预定总长度(S)容易地确定优选的应变传感器间距(S_g)。

一般说来，在这种技术下能够用在一个光纤30上的应变传感器20的最大数量约为1000。因此，可以利用优选缠绕角(θ₁)、优选缠绕圈数(N_w)和优选的应变传感器数量(N)来确定光纤30和应变传感器20应用于构件10的优选方式。

利用上述等式，可以根据以及采用诸如图2中所示的曲线来确定需要覆盖构件10预定长度和直径的优选缠绕圈数(N_w)和优选的应变传感器间距(S_g)。左边坐标轴上绘制的是光纤长度(S，以0.30米为单位-对应于英尺)、缠绕在光纤30中的构件10的轴向长度(Z，以0.30米为单位-对应于英尺)和光栅形式的应变传感器的总数(N)，其中对于预定的缠绕圈数(N_w)和预定的应变传感器间距(S_g)而言，可以将它们与缠绕角范围相对照。绘制在右边坐标轴上的是每一圈上的光栅总数(n)和覆盖在每圈之间的构件10的轴向长度(L₁，以0.3米为单位-对应于英尺)，对于预定的应变传感器间距(S_g)和优选的缠绕圈数(N_w)而言，可以将它们与缠绕角(θ)范围相对照。在图2中，线1绘制出在D＝15cm(6.0英寸)的情况下，与缠绕角(θ)相对照的构件的长度Z；线2绘制出在缠绕圈数(N_w)＝100的情况下光纤的长度(S)；线3绘制出间距为5.0mm的光栅的数量；线4绘制出每一圈上光栅的数量；以及线5绘制出每一圈上与缠绕角(θ₁)相对照的构件的长度Z。

在图2中，D＝152mm(6英寸)，N_w＝100，S_g＝5mm。该图表示考虑到监视光纤的长度(S)和构件的长度(Z)，20～40度的缠绕角趋向于使方案最优。将这一信息和应变因子(m)一起使用，可以设计出光纤30应用于构件10的优选方式。

图3示出了应变因子(m)和缠绕角(θ)之间的关系。基于在高压实应变时产生屈服后所观察到的钢制管状构件的性能，将预设泊松比(v)选为0.5。依据有可能遇到的最大预期应变，将预设应变(ε)选定为5.0％。

基于这些构件参数(P(v)，(ε))，可以确定图3中所示关于每一个缠绕角的应变因子(m)。图3的结果显示通过仔细地选择优选缠绕角(θ＝θ₁)，能够减小甚至逆转(压缩至拉伸)每个应变传感器经受到的应变。

容易地调节光纤和每个应变传感器所遭受的应变量、甚至容易地调节应变的正负号(拉伸对压缩)的能力是非常重要的。大多数传统的由玻璃制造的光纤传感器在发生损害或故障之前只能经受仅仅百分之一二的应变(在拉伸方面)。而由玻璃制造的光纤传感器在经受压缩应变方面更成问题。因此，通过简单地调节缠绕角，能够将压实环境下施加在管状构件上的高轴向压缩应变转变成光纤传感器中适度的拉伸应变。同样的原理还可以适用于调节所采用其它传统传感器系统上的应变量。

在图3A中，示出了根据所分析构件的预定泊松比(v)为0.3，预定应变(ε)为0.10％时，每一个缠绕角θ的应变因子(m)。这些条件能够对应于预计执行适度压实的场合。由于对适度压实应变(压缩)的良好敏感度以及对横向变形的良好灵敏度，因此基于图3A选择大约为20度的优选缠绕角是极其有利的。

图3和图3A示出了在缠绕角为零度时，应变因子(m)等于泊松比(v)。换言之，就是构件上的压缩应变(ε)被转化为由泊松比(v)限定的轴向膨胀(expansion)。同样，在没有缠绕限制时(沿套管垂直设置或缠绕角为90度)，能够直接测量构件的拉伸或压缩。在后一种情况下出现的缺陷是当存在高压缩应变时，光纤和/或应变传感器有可能受损以及/或者承受屈曲并且从构件上机械分离。但是，对于正如经常在覆盖层看到的适度伸长应变而言，选择90度或接近90度(例如在80度至90度之间)可能是最好的(对应于轴向应用或接近轴向应用)。

图4示出了用于钢的泊松比(v)随所施加的应变的变化。对于表现出弹性的钢而言，标称的泊松比为接近0.3。已经观察到承受着高压实应变(超过弹性极限)的管状构件的泊松比(v)最好大约为0.5。这是对于体积守恒而言的理论极限。因此，可以根据所述构件可能遇到的预期或最大应变来预先确定泊松比(v)，不过，对于管状钢构件来说可以在大约0.3至0.5之间。通常，如果管状钢构件中的预定应变为至少0.3％或更大，那么泊松比(v)大约为0.5。

利用图3和图3A所示的原理可以确定在图1A中应变传感器20应用于基本呈圆柱形的构件10上的优选设置方式，以用于监视各种岩层环境中所述构件的变形。根据一种方法，可以选定一优选的缠绕角范围(如0和90度之间)以确定在该优选的角度范围内与每一缠绕角相关联的相对应变因子(m)。可以优选0至90度之间这一宽泛的缠绕角范围，不过，也可以选择不同的较窄的范围。在优选的缠绕角范围内，应当确定用于至少一个缠绕角的应变因子(m)。基于至少一个确定的应变因子(m)，确定该优选的缠绕角范围内的优选缠绕角(θ₁)，并且利用该优选的缠绕角确定应变传感器20设置在图1A所示构件10上的优选设置方式。如图2所示，也可以考虑包括应变传感器的优选数量(N)和优选缠绕圈数(N_w)在内的多个其它变量，以便基于所需要的灵敏度和分辨率确定将应变传感器20设置在构件10上的优选设置方式。

或者，可以基于一优选的应变因子范围确定该优选缠绕角范围内的优选缠绕角(θ₁)，其中所述优选的应变因子范围包括在如上所述的方式中确定的多个应变因子。基于应变传感器20和/或光纤30能够承受的最大应变，选择所确定的应变因子或所确定的应变因子范围，以便在所述优选的缠绕角范围内确定该优选缠绕角(θ₁)。如果采用了除光纤30之外的传送装置，或者是采用了无线变换器，那么也可以基于替代的传送装置和/或变换器或无线变换器能够承受的最大应变，来选择所确定的应变因子或所确定的应变因子范围，用以在优选缠绕角范围内确定优选缠绕角(θ₁)。

在图3中，例如，预定的泊松比(v)和预期轴向应变(ε)都表示出对高压实应变有灵敏度的需要。假定应变传感器和/或光纤被限制到故障发生前大约2％的应变，那么可以通过用应变传感器和/或光纤能够承受的最大应变(0.02)除以预期应变(0.05)来确定这样的缠绕角，即在该缠绕角，应变传感器和/或光纤可能会在构件上为5％预期应变时发生故障，这样就表示出一个应变因子(0.4)，其对应于大约15度的缠绕角。因此，因此需要大于大约15度的缠绕角，以避免应变传感器和/或光纤受损，缠绕角优选为大约30度。缠绕角大于大约35度时，应变因子为零，此时可能会在光纤和/或应变传感器中产生不期望有的压缩和屈曲。

一旦确定了应变传感器的优选设置，就可以沿着图1A中由光纤30表示的优选设置线将应变传感器设置到构件10上。该优选缠绕角可以形成于优选设置线和第一假想基准线40或第二假想基准线50之间。

应变传感器20和光纤30可以设置在构件10的外表面(如图1所示)、构件10的内表面、构件10内的管道中，或在形成或制造构件10时与构件10制造成一个整体。在管状构件10包括带有多个筛管部件(包括一砂筛管)的筛管组件的情况下，应变传感器20和光纤30可以设置在所述多个筛管部件之一的内表面和/或外表面上，或者设置在任一个筛管部件中的管道内或者位于任意两个部件层之间。此外，应变传感器20和光纤30还可以设置在其中一个筛管部件的外表面上和另一个筛管部件的内表面上。

此外，应变传感器20和光纤30可以设置在位于保护套和/或保护薄板中的构件10上，所述保护套或保护薄板包覆着应变传感器20和光纤30，只要保护套管能够将应变从构件上10传递给应变传感器20即可。容许的保护套管包括例如金属、聚合物、弹性体、复合材料或包含所述一种或多种这些材料的薄壁管，这种薄壁管是柔性的但是也能够以下述方式设置在构件10上，即可以使构件10所经受的应变耦合到应变传感器20的方式。由于构件10必须在井筒中运转，因而可以在构件10在井筒中运转之前设置传感器20和光纤30。

或者，可以在构件10在井筒中运转之后利用导管将应变传感器20和光纤30设置到构件10上，或者也可以在构件10在井筒中运转之后将它们设置在构件的内表面或外表面。任何能够与构件10连接的传统导管都是可接受的。容许用于导管的材料包括例如金属、聚合物、弹性体、复合材料或包含所述一种或多种这些材料的薄壁管，这种薄壁管是柔性的但是也能够以下述方式设置在构件10上，即可以使构件10所经受的应变耦合到应变传感器20的方式。

可以将应变传感器20和光纤30引入到导管的开口中，并利用一种流体将它们安置于其中，所述这种流体能够将应变传感器20和光纤30固定到导管内，并且将构件10上的应变传递给每个应变传感器20。这种流体例如可以包括任何传统的聚合物、聚合物溶液、聚合物先驱体或环氧树脂。也可以利用流体输送应变传感器20和光纤30穿过导管。另外，可以利用流体通过施加在光纤30任一端或两端上的作用力将应变传感器20和光纤30安置在导管中，以便推动和/或拉动它们穿过导管。例如，可以将一重物附连于光纤30的引导端以推进(拉动)光纤30和应变传感器20穿过导管。导管可以沿着优选设置线设置在构件10内，或沿着优选设置线设置在构件10上。在任何一种情况下，优选缠绕角都可以形成于优选设置线(由图1A中的光纤30表示)和第一假想基准线40或第二假想基准线50之间。如果构件10包括带有多个筛管部件的筛管总成，那么导管也可以沿着优选设置线设置在一个筛管部件中，或者沿着优选设置线设置在一个筛管部件上。

在构件10已经被安置于井筒中之后将应变传感器20和光纤30设置在构件10上是优选的，这是因为这样做在安置应变传感器20和光纤30的过程中就不必需要旋转管状构件或将要围绕构件旋转的光纤卷轴。通过将应变传感器20和光纤30设置在位于保护薄板内的构件上也能够获得类似的优点，所述保护薄板可安置在构件10上并且沿着一侧固定，对此更详细的描述参见美国专利No.6854327。

多种并且可变的缠绕角

当油藏枯竭时，灵敏度/分辨率需求和应变因子都有可能改变。通过将多种缠绕角结合于地层的单个区域，可以扩展测量的灵敏度和动态范围。例如，以20度角缠绕的光纤可能在某一等级的应变下发生故障，而以30度角或更大角度缠绕的光纤也可能在同一等级的应变或稍高等级的应变下发生故障。

多种缠绕角的另一个优点是当构件材料在高应变下屈服时泊松比(v)改变方面具有更好的特性。用于管状构件的普通钢的泊松比为接近0.3，同时还具有一定弹性，但是在材料屈服之后泊松比则趋向于0.5。如图1所示，以2种或更多种缠绕角的方式设置光纤30和应变传感器20，将允许这一改变特性。这对以接近使光纤应变为零的角度缠绕的光纤而言非常重要。为零点首先会随着构件10的泊松比(v)而改变。在采用多种缠绕角的情况下，能够在处于井中同时承受着压实应变的构件10上直接测量得到这一状态。因此，如果由于作用在管状构件上的作用力不同，使得优选要采用不同的缠绕角，那么采用参照图3和图3A所示的上述方法就可以确定在该优选缠绕角范围内的另一优选缠绕角。应变传感器20的优选设置可以基于优选缠绕角和另一优选缠绕角，并且设置在构件10的同一部分上，或者是分别设置在图1所示不同的部分B和A、C上。在任一种情况下，都可以根据分别确定的应变因子(m)确定该优选缠绕角和另一优选缠绕角。根据施加在构件10同一部分或不同部分上的一优选作用力和另一优选作用力，可以选择每一个分别确定的应变因子(m)，通过改变泊松比(v)和轴向应变(ε)也能够对其产生影响。

采用多种缠绕角还可以限定应变传感器的数量、缠绕长度和应变传感器的间距。因此，可以采用多种缠绕角来延长沿着构件的一单个区域的测量长度，或者可以沿着构件在如图1所示A、B、C三部分跨越多个区域。也可以采用另外的多种缠绕角来分支到多构件如多分支水平井中。

尽管波长响应是非常复杂的，但以变化的缠绕角设置光纤30和应变传感器20也是我们所期望的。优选在构件10的一个单独部分上(如图1所示的部分B)设置多种并且可变的缠绕角。当然，也可以采用其它设置方式，如那些在美国专利No.6854327中建议的。

现在将参照处于不同地层环境中(如地层剪切和地层压实)的应用进一步描述本发明。在下面的每一个示例中，通过采用一种在美国国家航空航天局(NASA)的特许下由Luna Innovations Incorporated制造的分布式传感系统(DSS)来测试圆柱形构件。LUNAINNOVATIONS^分布式传感系统(DSS)利用的技术包括含有多个FBG传感器的光纤和能够成像出波长响应的投影装置或监视器，其中由于构件应变是由FBG传感器检测得到的，因而所述波长响应也是由FBG传感器产生的。不过，本发明并不限于下面示例中采用的技术，也可以采用在上文中描述的其它传输装置和变换器和/或应变传感器。

地层剪切

横越过滑移区或断层的油井可能会遭受到剪切的危害。当使油井横越过贯穿了盐层的断层和/或不牢固的页岩而设置在构造活跃区或承受着压实的区域如上覆岩层区域时，会遭遇到剪切区域。

剪切运动会完全切断井筒或至少限制了管道通过、油井维修设备等。因此，需要检测和测量剪切率，以更改所要开采的碳氢化合物或流体、油井位置、油井设计或类似的考虑因素，以便减轻或防止将来管状构件和/或套管受到损害。

用于检测和测量剪切运动的传统技术通常需要诸如陀螺方向仪之类的工具或其它装置来进行测量。由于各种原因，这种传统的测井仪在油井中运转可能是不切实际或不可能实现的。例如，油井可能已经受到相当大的损害而不能进入。

但是，可以将应变传感器预先设置到管状构件和/或套管上，而不必在油井中运转传统的测井仪。因此，原地测量能够在任何时间得到剪切力而不会干扰油井，并且基本不会增加额外的费用。这样基本能够实时观察到损害的开始，从而能够尽快采取补救措施。

现场试验显示剪切和屈曲可能导致通常在越过管状构件或套管的0.9-1.8米(3-6英尺)的间距就会出现间隙损失或完全折断。因此，至少应当为这一敏感度来设计将应变传感器设置到处于剪切区域的这种构件上的优选设置方式。

在图5中，线1绘制出在D＝7.6cm(3.0英寸)的情况下构件的长度Z(以0.30米为单位)相对于缠绕角(θ)的关系；线2绘制出在缠绕圈数(N_w)＝80时光纤(S)的长度；线3绘制出间距(S)为2.0mm的光栅的数量；线4绘制出每一圈上光栅的数量；以及线5绘制出构件的长度Z相对于每一圈的缠绕角(θ)的关系。

假定直径为76毫米(3英寸)的待监测管状构件横越过滑移区或剪切区域，众所周知这种区域的位置应当在10英尺以内，要求沿着管状构件至少覆盖6.1米(20英尺)。将本发明教导的原理应用于图5所示的已知变量，显示出在假定优选缠绕角约为21度时，需要大约20.4米(67英尺)的传感光纤来覆盖大约7.3米(约24英尺)的管状构件。假设应变传感器的优选间距为2厘米，建议一圈设置约12个应变传感器，这大于每圈最少设置10个应变传感器的建议。应变传感器的总数约为1000个。

在物体变形的成像方面也存在一种需要，用以将变形的形状和大小成像。可以采用相同的缠绕技术对圆柱形构件的弯曲和屈曲进行成像、检测和测量，对此将在下面的示例中进行解释。

示例1

图6示出了由受控测试中经受偏置剪切(offset shear)的圆柱形构件产生的波长响应的结果、所述波长响应分别对应于每一个已编号的应变传感器。该圆柱形构件的直径为76毫米(3英寸)，长度为610毫米(24英寸)。在该测试中尽管沿着光纤的应变传感器的间距为大约1厘米，但2厘米的间距也适用于测量具有同样直径的圆柱形构件中同样的剪切响应。采用大约为20度的优选缠绕角。在波长响应中可检测到的变化(表示为横向偏置)在0.025mm(0.001英寸)至15.24mm(0.600英寸)之间。

在该示例中，0.025mm(0.001英寸)的横向偏置转化成构件中的一个弯曲处，该弯曲处的角度大约为对应于所述构件上每100英尺部分的不到0.5度，这是无关紧要的。但是，遍及该构件同一长度上大约2.54mm(0.1英寸)的横向偏置转化成对应于所述构件上每30.5米(100英尺)部分的大约48度的弯曲，就有可能阻碍生产测井仪的进入。因此，在试图进入之前知晓横向偏置(弯曲)的大小，就可以防止测井仪损耗和被卡住，也可以防止油井的损耗。

图6示出的波长响应可以被实时成像在投影装置上，如LunaInnovations制造的监视器。当构件受到监视时，在每个应变传感器的波长响应中检测到的变化将表示构件变形的改变以及导致构件变形的作用力的类型。因此，由每个应变传感器中波长响应的振幅变化来表示波长响应的变化。不过，检测构件上的应变以及在投影装置上以波长响应的方式成像出该应变的能力并不限于圆柱形构件，其也可以应用于能够将应变从该物体传递给应变传感器的几乎任何物体。

图7表示剪切力作用于构件10的简单示例。这里，构件10在其一侧受到剪切力210，并且在另一侧也受到另一剪切力220。如图7A所示，与所述剪切力210，220相关联、表示由应变传感器20测量得到构件10上的应变的波长响应为周期性的近似正弦曲线。波长响应或信号的周期大约等于光纤30缠绕构件10每圈的一个循环(cycle)。由剪切力210，220的大小来确定周期信号的振幅。图7A中的波长响应被定位在邻近图7中所示的构件10，用以示出构件10上的应变点和与之相对应的由该应变产生的波长响应。例如，构件10上剪切力210，220之间的应变与构件10上靠近剪切力210，220的应变相比是最小的，它们分别由最小的波长响应240A，240B和最大的波长响应230表示。最小的波长响应240A，240B还分别示出了剪切力210，220如何致使构件10压缩和伸长(承受拉力)。因此，应变传感器20在构件10上的预定位设置方式能够实现在构件10上原地应变检测，这也能够被转化到已知的传统装置并且被实时成像。

地层压实

通常利用放射性标记和特定的测井仪测量轴向压实，这通常需要封闭油井。但是，利用这些传统技术很难实现1％以下的管状构件或套管上应变的测量。在不拉动生产油管，或不使声音的或机械的多臂井径仪或陀螺仪在井中运转的情况下，也很难检测到套管或管状构件中存在的高应变、弯曲或屈曲。

预先设置应变传感器可以避免用于检测和测量由轴向压实引起的应变的传统设备所带来的缺陷。换言之，可以以如上所述的方式采用在构件上预先设置应变传感器来原地检测和测量轴向压实作用力。

示例2

在该示例中，重要的目的是对低应变的精确测量和对由轴向压实引起的弯曲或屈曲的高灵敏度。对一薄壁PVC管进行试验，其在两端水平悬挂着，管的重力作为所施加的作用力。缠绕角优选为20度左右，从而将应变传感器和光纤设置到直径为16.5厘米(6.5英寸)的管道上3米(10英尺)长的部分上。采用5厘米的应变传感器间距解析(resolve)来自于屈曲或弯曲的波长响应。

图8中示出了由管道的重力所施加的横向力产生的波长响应。检测到的最大的横向偏置大约是1.78mm(0.07英寸)。由于波长响应的一个周期或循环对应于光纤的一圈，因此图8中的波长响应清楚地表明了一个弯曲或屈曲。1.78mm(0.07英寸)的横向偏置表示对于管道每一百英尺长的部分上不超过7度的弯曲或屈曲，这是很重要的，并且能够由传统的井径仪和声成像工具检测到。为了使这种工具在井中运转，必须封闭油井并且必须拉动生产油管。

示例3

在该示例中，利用从管中央悬挂的重物对相同的管道进行试验，其中所述管道在两端水平悬挂着。由弯曲导致的横向偏置约为5.791毫米(0.228英寸)。如图9所示，除了波长响应的端部和中心，各处均出现了相对规则的周期信号，而波长响应的中心正是悬挂着重物的地方，扭曲了信号。扭曲的信号是一种特殊情况，与由管道上的局部载荷导致的管道被压坏相关。

图10表示由横向压实引起的作用在构件10上的横向力的简单图解。这里，所述构件10在该构件10一侧受到横向力310作用。如图10A所示，与横向力310相关联、表示由应变传感器20测量得到构件10上的应变的波长响应为周期性的正弦曲线。波长响应或信号的周期大约等于光纤30缠绕构件10每圈一个循环。由横向力310的大小来确定周期信号的振幅。图10A中的波长响应被定位在邻近图10中所示的构件10，用以示出构件10上的应变点和与之相对应的由该应变产生的波长响应。例如，构件10上横向力310附近的应变比构件10两端的应变要大，它们分别由最大的波长响应330A，330B和最小的波长响应320表示。最大的波长响应330A，330B还分别示出了横向力310如何致使构件10压缩和伸长(承受拉力)。

示例4

除了检测弯曲或屈曲之外，还可以检测开始出现椭圆形或压毁力，并且使其与弯曲或屈曲区别开。一个纯粹的椭圆形或压毁力应当形成一个纯粹的椭圆形波长响应。在该示例中，利用夹具对相同的管道进行试验，所述夹具在管道中心附近施加压毁力，并且该管道被稍微拉紧使所施加的作用力的方向横过管道直径对准，以便使此处横截面的直径稍微减小。所得到的波长响应如图11所示，显示出与一个循环不同，一个周期大约为每圈2个循环。在该示例中，由于施加了压毁力，最小的直径减少了1.27毫米(0.05英寸)。

示例5

在该示例中，通过使夹具在管中心附近旋转90度对相同的管道进行试验。所得到的波长响应如图12所示，并且也显示出一个周期大约为每圈2个循环。在该示例中，最小的直径减少了1.78毫米(0.07英寸)。

比较图11和图12时，明显看到增加的应变(和因此产生的变形)。将所得到的波长漂移换算成应变以及将所得到的应变换算成相对压毁都是非常简单的。

图13表示由轴向压实引起的作用在构件10上的压毁力的简单图解。这里，构件10在其所有侧面都受到压毁力410的作用。如图13A所示，与压毁力410相关联、表示由应变传感器20测量得到的构件10上的应变的波长响应为基本不变的周期信号。这一波长响应或信号的周期大约等于光纤30每圈2个循环，其基本能够与上述示例中论述的由弯曲或屈曲显示出来的波长响应区分开。周期信号的振幅由压毁力410的大小来确定。图13A中的波长响应被定位在邻近图13中所示的构件10，用以示出构件10上的应变点和与之相对应的由该应变产生的波长响应。例如，构件10上的应变围绕着构件基本不变，由基本不变的波长响应420A，420B表示。

在图13B中，示出了图13的端视图，其中示出了压毁力410和用虚线430表示的由该压毁力导致的构件10变形。

图14进一步示出了在FBG传感器或其它应变传感器或变换器中，由波长响应测量得到的相应的应变振幅(W_A)，其是围绕着经受着压毁力的管状构件的方位角的函数。最大的压缩应变(负信号)出现在0度(或360度)和180度的位置处。最大的拉伸应变(正信号)出现在90度和270度的位置处。零应变出现在45度、135度、225度和315度的位置处。

示例6

在该示例中，减少灵敏度以便允许在管状构件上测量更高的轴向应变(ε≌2％)。当构件材料开始承受塑性变形时，泊松比(v)将在达到塑性变形极限时趋向于0.5。在图15中，实线绘制出假定v＝0.50、ε≌2％的情况下，作为缠绕角θ的函数的应变因子m。因此，按照图15，缠绕角优选为大约θ₁＝30度或更大。例如，30度的缠绕角产生的应变因子(m)为0.15，其对于构件上10％的应变而言，转化成光纤中1.5％的应变。20度的缠绕角产生的应变因子为0.33，其将转化成3.3％的应变，这将导致光纤破裂或受损。当预计在管状构件上产生非常高的轴向应变(大约10％)以及当我们的意图是测量屈曲而不是轴向应变时，优选的缠绕角能稍大一些(大约35度)，使施加在光纤上的应变为零(m＝0)。图15中的虚线表示右侧轴线上的纳米级(nm)漂移。

图16示出了对于施加在同一管状构件上不同等级的纯粹的轴向应变(压缩)而言，波长漂移(Δλ，以纳米为单位)随光栅数量(D_N)的变化。在图16中，每一个图线与它们的相关轴向应变之间存在下述关系：16a＝0.1％的轴向应变；16b＝0.2％的轴向应变；16c＝0.3％的轴向应变；16d＝0.4％的轴向应变；16e＝0.5％的轴向应变；16f＝0.75％的轴向应变；16g＝1.0％的轴向应变；16h＝1.25％的轴向应变；以及16i＝1.5％的轴向应变。如图15所示，缠绕角为30度时的信号要比缠绕角为20度时的信号小。因此，信号的减小作为缠绕角的函数，随着图15所示的形式变化，这里应变因子(m)与如上所述的相同。

30度的缠绕角应当很容易地调节和测量直到5％的轴向应变，同时仅仅有一部分应变施加给光纤。当轴向应变增大时，通过波长响应的周期性特性显示出屈曲开始，并且出现其它更高的变形模式。

虽然图16也显示出管状构件开始屈曲，但是随着轴向应变的增大，全部的波长响应依然保持基本呈线性。这一原理在图17中进一步示出，图17将在不同等级所施加轴向应变ε_a下的波长响应Δλ的平均值(□)、峰值(◆)和均方根值

(×)与计算(-)得到或预期的波长响应比较。在轴向应变约为1.5％的情况下，当构件材料开始轻微地屈曲时，读取到的峰值开始稍微偏离线性响应。

油井中对压实和变形最敏感的区域之一是完井区。这在需要控制砂石的高压实松散地层中是特别符合实际的。

为了控制含有砂石的地层，中心管通常需要配备一般被称作筛管的过滤机。砾石充填(仔细筛分的砂石)也被用作筛管和外套管或地层之间。筛管包括一传统的筛管绕丝和多个其它传统的筛管部件(以下称作筛管组件)。筛管组件中的绕丝被设计成允许流体流过那些小得足以排除较大颗粒的开口。

施加在中心管上的高轴向应变能够使绕丝开口封闭，并且削弱了流体的流动。中心管的弯曲或屈曲也会损害筛管组件的构件完整性，借此导致砂石控制的失败。在这种情况下，必须关闭油井直到完成修复。最低限度下，这种故障需要彻底检查油井，而在极端情况下，这种故障需要完全重新钻孔。因此，在需要控制砂石的地方监视构件在完井区的弯曲、屈曲和轴向应变是特别首选的。因而，应变传感器可以以20度的缠绕角设置在中心管和/或筛管组件上。

示例7

在该示例中，在受控的环境下对914毫米(36英寸)长的管状构件进行试验，该管状构件的直径为76毫米(3英寸)，泊松比(v)约为0.5，采用21度的缠绕角来设置应变传感器和光纤。在构件上没有得到支承的两端分别施加不同大小的轴向应变ε_a。图18示出了在每一级所施加的轴向应变下，在所设置的应变传感器上的平均波长响应(实际的，◆)与计算得到的波长响应(□)相比较。在应变约为0.05％的情形下，偏离线性的计算出的波长响应，这表明在所试验的构件中开始形成弯曲或屈曲。

下面的附图中(图19，20和21)逐步示出了为什么从计算出的波长响应发生偏离，以及如何利用周期信号对其进行检测和确定同一试验构件中的弯曲或屈曲的大小。为方便起见，随着管状构件对所施加的轴向应变起反应，管状构件的垂直表现如图19，20和21中的中间部分(黑色的部分)所示。在图19，20和21中，波长漂移Δλ(nm)与光栅数量(D_N)相对照绘图。在图19中，所施加的轴向应变是名义的或几乎为零。

在图20中，施加的轴向应变为0.25％。在图21中，施加的轴向应变增加至0.75％。在图20中，波长响应图解出所施加的应变，但是在该构件中没有出现明显变形。

在图21中，波长响应显著大于图20中的波长响应，构件中将出现弯曲或屈曲。当施加在构件每一端上的轴向应变增加时，构件受到压缩，这导致弯曲或屈曲形式的变形。

图22简单示出了施加在构件10上的纯粹的轴向应变(作用力)。这里，构件10受到轴向作用力520。波长响应530表示与轴向力520相关、由应变传感器20测量得到的在构件10上的应变，所述波长响应530如图22所示基本恒定。因此，轴向力520使得构件10缩短或压缩，并且在由箭头510指示的方向上扩张。结果是波长响应530基本恒定直到构件10出现由上述图19，20和21中渐变图所展示的弯曲或屈曲形式的变形。

在压实储油层中，油井内有可能出现最小应变量的区域之一位于上覆岩层中。通常非常靠近压缩区域观测到最高拉伸应变，并且随着与压实区域的距离增加，应变量减小。这反映在图23中的理论曲线中，其绘制出作为ΔS_extZZ沿着直线(以英尺为单位)的Δ应变(Δε)随距离(d)的变化(*)，其中储油层承受着8.0％的压实应变，并且上覆岩层的最大拉伸应变为1.0％。

在恰好位于储油层之上的上覆岩层中，其拉伸应变的实际大小很大程度上取决于储油层的几何形状和储油层以及上覆岩层的物质特性。恰好位于储油层之上的拉伸应变与储油层中压缩应变之比能够用作储油层性能的一个诊断。同样地，上覆岩层中拉伸应变的大小影响着例如用作4D地震测量的地震信号。因此，优选以沿着构件在纵向上约90的方式设置光纤和应变传感器以增加拉伸应变的敏感度。当光纤和应变传感器被安置在被特别设计成用于监视例如应变的管状构件上时，能够实现非常精确的测量。

此外，三个或更多个包含应变传感器的光纤也可以沿纵向等距离地设置在管状构件周围，从而不但能够检测到构件上的轴向应变，还能够检测到弯曲应变。弯曲或屈曲的曲率半径外侧的应变(拉伸方面)要高于内侧半径上的应变。因此，当以这种方式安置了三个或更多个包含应变传感器的光纤时，对长半径弯曲的检测和测量有可能通过不稳定的波长响应。

已经具体地图示了数个实施例，本发明可以用如下所述更宽泛的几项来总结。

本发明除了涉及将应变传感器设置到圆柱形物体上的方法之外，还特别涉及确定把多个变换器或传感器设置到圆柱形构件上的优选设置方式的方法，以便在构件受到各种作用力时监视构件变形。本发明在其它方面还涉及在物体受到不同作用力时用于成像出物体变形的方法。

在不同的实施例里，提供了用于成像出物体变形的方法，包括步骤：

以优选的缠绕角度将多个应变传感器设置到物体上；

检测每一个应变传感器处物体的变形；以及

将每一个应变传感器处检测到的变形成像在投影装置上。

所述物体可以是圆柱形的，每个应变传感器都可以检测物体上的轴向和径向应变。

该方法进一步包括步骤：

选择优选的缠绕角范围；

针对该优选缠绕角范围内的至少一个缠绕角来确定应变因子；以及

基于至少一个确定的应变因子，在该优选缠绕角范围内确定优选缠绕角。

在每个应变传感器处检测到的变形通过光纤、有线的和无线的介质中的至少一种被传输到投影装置。变形的图像被显示为每个应变传感器和相应的应变传感器编号处的波长响应。

所述多个应变传感器可以设置在构件内表面和外表面的其中之一上。它们也可以设置在保护套和保护薄板中的至少其中之一上。它们还可以设置在构件里的其中一个管道内，并且在成形时与构件一体成形。

所述多个应变传感器中的每一个都可以与所述多个应变传感器中的另一个无线连接。所述多个应变传感器可以被独立地供电。每个所述多个应变传感器也可以通过能够传输信号的传输介质与所述多个应变传感器中的另一个连接。所述多个应变传感器还可以用光纤连接。

该方法进一步包括步骤：

监视波长响应；以及

检测每一个应变传感器处波长响应的变化。波长响应的变化可以由每个应变传感器处的波长响应的振幅变化来检测。基于波长响应可以检测到各种类型的变形。

还提供了一种确定将多个应变传感器设置到圆柱形构件上以用于监视构件变形的优选方式的方法，包括：

选择优选的缠绕角范围；

在该优选缠绕角范围内确定用于至少一个缠绕角的应变因子；

基于至少一个确定的应变因子，在该优选缠绕角范围内确定优选缠绕角；以及

基于该优选缠绕角确定将多个应变传感器设置到构件上的优选设置方式。

优选基于针对构件的预定泊松比来确定应变因子，该预定泊松比可以基于构件的预定应变。构件的预定应变可以基于该构件有可能遇到的最大应变。

该方法进一步包括步骤：沿着优选的设置线将多个应变传感器设置到构件上。所述优选缠绕角可以形成在优选设置线和沿着构件表面纵向延伸的第一假想基准线之间，或者形成在优选设置线和围绕构件圆周的第二假想基准线之间。

本方法还进一步包括步骤：

在优选的缠绕角范围内确定对应于每个缠绕角的应变因子；以及

基于至少一个确定的应变因子，在该优选缠绕角范围内确定优选缠绕角。在优选缠绕角范围内确定优选缠绕角的步骤可以基于优选的应变因子范围，其中应变因子范围包括多个确定的应变因子。在优选缠绕角范围内确定优选缠绕角的步骤可以基于所述应变因子范围内所述多个确定的应变因子中的至少一个。

该方法还包括步骤：基于最大的应变传感器的应变选择确定的应变因子，以及/或者应变因子范围中的至少一个。

该方法还进一步包括步骤：

在优选缠绕角范围内确定对应于多个缠绕角的应变因子；

基于至少一个确定的应变因子，在该优选缠绕角范围内确定另一优选缠绕角；以及

基于所述优选缠绕角和另一优选缠绕角，确定将多个应变传感器设置到构件上的优选设置方式，其中可选的步骤包括：

基于将被施加在构件的一区域上的预定作用力选择至少一个确定的应变因子；以及

基于将被施加在构件的所述区域和构件的另一个区域中的至少一个上的另一预定作用力，选择确定的应变因子中的至少另一个。

还提供了可选的步骤，即基于优选缠绕角和另一个优选缠绕角中的至少一个，将所述多个应变传感器设置到构件的所述区域和构件的另一区域中的至少一个上。

该方法进一步包括步骤：

将多个应变传感器中的至少一个引入到一导管的开口中；

使所述多个应变传感器中的至少一个定位在导管内；以及

将流体引入到导管的开口内，以便至少部分地凝固并将多个应变传感器中的至少一个固定到导管内。

该导管可以沿着优选设置线设置在构件内，并且所述优选缠绕角形成在优选设置线和沿着构件表面纵向延伸的第一假想基准线之间，或者形成在优选设置线和围绕着构件圆周的第二假想基准线之间。

该导管可以沿着优选设置线设置在构件内，并且所述优选缠绕角形成在优选设置线和沿着构件表面纵向延伸的第一假想基准线之间，或者形成在优选设置线和围绕着构件圆周的第二假想基准线之间。

利用压缩力和拉伸力其中之一可以将多个应变传感器中的至少一个安置在导管内。

特别地，还提供了一种确定将光纤设置到圆柱形构件上的优选设置方式的方法，其中光纤包括至少一个传感器，该方法包括：

选择光纤的优选缠绕角范围；

在该优选缠绕角范围内确定至少一个缠绕角的光纤应变因子；

基于所述至少一个确定的光纤应变因子，在优选缠绕角范围内确定光纤的优选缠绕角；以及

基于该优选缠绕角确定将光纤设置到构件上的优选设置方式。至少一个传感器可以检测到构件变形。确定光纤应变因子的步骤可以基于构件的预定泊松比和构件的预定应变。

该方法可以进一步包括步骤：基于构件的预定轴向长度、构件的直径和优选缠绕角确定优选缠绕圈数。优选地，优选缠绕圈数至少为8圈。

该方法进一步包括步骤：基于优选缠绕圈数确定将光纤设置到构件上的优选设置方式。基于优选的传感器数量和优选的光纤长度，确定一优选的传感器间距。优选的传感器数量至少为10。

基于该优选的传感器数量确定将光纤设置到构件上的优选设置方式。

优选缠绕角范围可以在大约0°至90°之间。

该方法进一步包括步骤：

在优选缠绕角范围内确定每个缠绕角的光纤应变；以及

基于至少一个所确定的光纤应变因子，在优选缠绕角范围内确定对应于光纤的优选缠绕角。

这里，可以基于优选的光纤应变因子范围，在优选缠绕角范围内确定光纤的优选缠绕角，其中所述光纤应变因子范围包括多个确定的光纤应变因子。可以基于光学应变因子范围内所述多个确定的光纤应变因子中的至少一个，在优选缠绕角范围内确定光纤的优选缠绕角。

该方法进一步包括步骤：基于最大的光纤应变，选择至少一个所确定的光纤应变因子和/或光纤应变因子范围。

该方法进一步包括步骤：

在优选缠绕角范围内确定多个缠绕角的光纤应变因子；

基于至少另一个所确定的光纤应变因子，在优选缠绕角范围内确定光纤的另一优选缠绕角；以及

基于所述优选缠绕角和另一优选缠绕角，确定将光纤设置到构件上的优选设置方式，其中可选的步骤包括：

基于将被施加在构件的一区域上的预定作用力选择至少一个确定的光纤应变因子；以及

基于将被施加在构件的所述区域和构件的另一区域中的至少一个上的另一预定作用力，选择至少另一个确定的光纤应变因子。

可选的，该方法包括步骤：基于优选缠绕角和另一个优选缠绕角中的至少一个，将光纤设置到构件的所述区域和构件的另一个区域中的至少一个上。

该构件包括含有多个筛管部件的筛管组件。所述多个应变传感器可以被设置在多个筛管部件中的一个筛管部件的内表面和外表面中的至少一个上。所述多个应变传感器可以设置在多个筛管部件的其中一个筛管部件的外表面上和所述多个筛管部件中的另一个筛管部件的内表面上。所述多个应变传感器还可以被设置在位于保护套管和保护薄板中的至少一个内的多个筛管部件中的一个筛管部件上。所述多个应变传感器还可以被设置在位于多个筛管部件中的一个筛管部件内的管道上。

导管可以安置在多个筛管部件中的一个筛管部件内。例如，导管可以沿着优选设置线设置，并且所述优选缠绕角形成在优选设置线和沿着构件表面纵向延伸的第一假想基准线之间，或者形成在优选设置线和围绕着构件圆周的第二假想基准线之间。

至少一个应变传感器被引入到导管的开口内，并被安置在导管中。如上所述，将流体引入到导管的开口内，以便至少部分地凝固并将多个应变传感器中的至少一个固定在导管内。

可以利用本发明来检测和监视井筒中由构件应变导致的任何基本呈圆柱形构件的变形，而不必考虑井筒或地层的活动性。如这里所述，本发明可以唯一地定制以检测和测量由于断层运动和/或地层压实使得井筒构件上产生应变的轴向压缩、剪切、弯曲、屈曲和压毁(椭圆化)。因此，本发明适用于井筒构件中任何基本呈圆柱形的构件，以用于在生产和其它非生产操作，如完井(如砾石充填/压裂充填)、生产和增产过程中检测和监视构件的变形。

因此，该圆柱形构件可以设置成井筒管状构件，如钻杆、生产管、套管、管状筛管、砂筛管等的形式。

本发明还能够用在管道扩张和压缩或弯曲的任何场合下，如精炼厂、燃气厂和管道中。本发明还可以用于成像出其它非圆柱形物体变形(形状/大小/运动)，因此，能够用于位移感测，该位移感测采用应用于不同长度标尺的相同原理。本发明还可以用于获取其它类型的地质学模型的数据，例如包括堤坝或其它构件。因此，可以预计到在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的实质和范围内，可以将所公开的示例应用于多种场合，进行改变和/或改进。

Claims (16)

1.一种将应变传感器设置到圆柱形构件上以用于监视构件变形的方法，该方法包括：

针对圆柱形构件中的轴向应变选择所期望的敏感度；

确定对应于所述所期望的敏感度的至少一个应变因子，其中所述至少一个应变因子表示由圆柱形构件中的轴向应变导致的传送给应变传感器的应变与圆柱形构件中轴向应变之间的比值；

依照至少一个确定的应变因子，相对于沿圆柱形构件表面延伸的假想基准线确定一优选缠绕角；以及

以与所述优选缠绕角对准的方式将应变传感器设置到圆柱形构件上，以测量在该优选缠绕角方向上的应变。

2.如权利要求1所述的方法，其中确定所述至少一个应变因子的步骤基于构件的预定泊松比。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中确定所述至少一个应变因子的步骤基于构件的预定应变。

4.如权利要求3所述的方法，其中确定所述至少一个应变因子的步骤基于构件的预定应变，并且构件的所述预定泊松比是基于构件的所述预定应变。

5.如权利要求3或4所述的方法，其中构件的所述预定应变是基于构件有可能遭受到的最大应变。

6.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述所期望的敏感度是以应变传感器的最大应变为基础的。

7.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述应变传感器是沿着一设置线设置的多个应变传感器中的一个，该设置线沿着所述优选缠绕角。

8.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述应变传感器是沿着一设置线设置的多个应变传感器中的一个，该设置线沿着一优选缠绕角范围内不同的缠绕角延伸，而且该优选缠绕角范围包含了所述优选缠绕角。

9.如权利要求1至6中任一项所述的方法，进一步包括步骤：

根据多个应变因子确定多个优选缠绕角；以及

沿着多条设置线将多个应变传感器设置到圆柱形结构上，所述多条设置线分别沿着多个优选缠绕角延伸，其中所述应变传感器是多个应变传感器中的一个。

10.如权利要求7至9中任一项所述的方法，其中用光纤连接所述多个应变传感器，并且其中将所述多个应变传感器设置到所述圆柱形构件上的步骤包括沿着一设置线设置光纤，所述设置线的至少一部分沿着所述优选缠绕角指向。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括步骤：基于所述构件的预定轴向长度、构件的直径和所述优选缠绕角来确定优选的缠绕圈数。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述优选的缠绕圈数至少为8圈。

13.如权利要求10、11或12所述的方法，进一步包括步骤：基于优选的应变传感器数量和预定的光纤长度来确定优选的应变传感器间距。

14.如权利要求10至13中任一项所述的方法，其中每个应变传感器包括写入光纤的布喇格光栅。

15.如前述任一权利要求所述的方法，进一步包括步骤：

沿着所述优选缠绕角将应变传感器引入到相对于构件定位的导管的开口内；

将该应变传感器定位在所述导管内；并且将流体引入到导管的所述开口内，以便至少部分地凝固并将应变传感器固定在导管内。

16.如前述任一项权利要求所述的方法，进一步包括步骤：

以井筒管状构件、优选套管形式来提供所述圆柱形构件。

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