СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ИЗ СКВАЖИНЫ ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO TRANSFER INFORMATION FROM WELL ALONG ELECTROMAGNETIC COMMUNICATION CHANNEL AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Предполагаемое изобретение относится к области передачи информации из скважины, например, каротажа в процессе бурения скважин и предназначено для передачи сигналов измерения из скважины на поверхность по электромагнитному каналу связи.
Известен способ создания электромагнитного канала связи, заключающийся в возбуждении электрического тока в колонне металлических труб, разделенной диэлектрической вставкой, и регистрации на поверхности наводимой разности потенциалов между колонной бурильных труб и удаленной точкой от устья скважины. При этом наводимый потенциал модулирован соответствующим образом кодированным сигналом (информацией), а необходимая для возбуждения тока энергия генерируется на забое при помощи забойного генератора, отбирающего часть мощности потока промывочной жидкости, создаваемого буровым насосом (А.А.Молчанов, Г.С.Абрамов. Бескабельные системы для исследований нефтегазовых скважин (теория и практика). / Под общей редакцией А.А.Молчанова. - Москва, ОАО «ВНИИОЭНГ», 2003).
Недостатками способа являются неустойчивость величины сигнала, связанная с изменяющимися условиями прохождения токов в грунтах и ограниченной мощностью забойного генератора, а также невозможность использования беззабойного (скважинного) источника энергии, что ограничивает область применения системы.
Известен способ приема/передачи геофизической информации во время бурения по беспроводному электромагнитному каналу связи с забоя на дневную поверхность (Пат. РФ №2273732, приор. 21.05.2004, публ. 10.04.2006).
В известном способе модулируют напряжение генерирующего сигнала на дневной поверхности путем подключения полюсов наземного генератора соответственно к колонне бурильных труб и удаленной точке от устья скважины, и на забое электрическим диполем осуществляют прием сигнала наземного генератора. Выделяют тактовую частоту наземного генератора и синхронно с ней коммутируют закодированным сообщением электрический диполь на забое. На устье скважины измеряют ток генерации путем выделения пульсаций с помощью синхронного детектирования. По измеренной на устье величине пульсаций тока, вызванных коммутацией электрического диполя на забое, судят о геофизических параметрах разбуриваемого пласта на дневной поверхности. Частоту наземного генератора на дневной поверхности изменяют для наилучшего условия приема сигнала на забое.
Недостаток данного способа заключается в том, что он предполагает наличие в электрическом диполе приемника сигнала от наземного генератора, определяющего частоту, с которой электрический диполь должен коммутироваться, при этом сигнал может пропадать (в соляных пропластках) и искажаться при прохождении слабо проводящих пластов, и надежность связи падает. Кроме того, это усложняет конструкцию электрического диполя.
Задачей группы изобретений является повышение надежности передачи информации с забоя по электромагнитному каналу связи и расширение области его применения.
Указанная задача решается тем, что в способе передачи информации из скважины по электромагнитному каналу связи, включающему возбуждение электрического тока в колонне металлических труб в скважине при помощи наземного генератора, подключенного одним контактом к наземной части металлической колонны, а другим контактом - к удаленному от устья скважины заземляющему электроду, коммутацию диэлектрической вставки и получение информации с забоя скважины в зависимости от пульсаций, вызванных коммутацией диэлектрической вставки, в отличие от известного способа, в качестве наземного генератора используют источник постоянного тока, стабилизированного по величине, а получение информации с забоя скважины осуществляют в зависимости от модуляции величины напряжения, необходимого для стабилизации постоянного тока наземного генератора (источника стабилизированного тока) при изменении эффективного значения сопротивления металлической колонны, вызванного коммутацией диэлектрической вставки.
Заявляется устройство для реализации способа, содержащее наземный генератор, подключенный одним зажимом к наземной части металлической колонны, а другим зажимом - к удаленному от устья скважины заземляющему электроду, диэлектрическую вставку, разделяющую металлическую колонну в скважине на верхнюю и нижнюю части, ключ для размыкания и замыкания контактов верхней и нижней частей металлической колонны, в котором в качестве наземного генератора использован источник стабилизированного постоянного тока, а между указанными зажимами установлен блок регистрации изменения напряжения этого тока.
Суть способа. На поверхности с помощью источника стабилизированного тока, подключенного одним контактом (зажимом) к наземной части металлической колонны, а другим контактом (зажимом) - к удаленному от устья скважины заземляющему электроду, в скважину подают постоянный ток, стабилизированный по величине, который, проходя по металлической колонне, разделенной диэлектрической вставкой, генерирует электромагнитное поле, которое, распространяясь по породе в скважине, достигает призабойной зоны и создает разность потенциалов между металлической колонной и изолированной ее частью.
Для передачи сообщения с забоя по электромагнитному каналу замыкают или размыкают (коммутируют) ключом нижнюю и верхнюю части металлической колонны, изменяя эффективное значение проводимости между заземляющим электродом источника стабилизированного тока и металлической колонной. При замыкании ключа указанная эффективная проводимость возрастает, а напряжение на зажимах источника стабилизированного тока падает и регистрируется блоком регистрации, например дифференциальным вольтметром. По изменению измеренного напряжения судят о параметрах разбуриваемого пласта. Длительность и последовательность замыканий ключа определяется модулем шифрования скважинного блока измерений (не показано ввиду общеизвестности). Таким образом, полезным сигналом служит изменение напряжения на зажимах источника тока, который поддерживает постоянный по величине (стабилизированный) ток, величина которого определяется условиями передачи - электропроводностью пласта.
При этом изменение (модуляция) величины напряжения ΔV на зажимах наземного генератора вычисляют по формуле:
где G - эффективное значение проводимости между заземляющим электродом источника стабилизированного тока и металлической колонной определяется по формуле:
и
где A=ln(D2/D1),
ΔG - изменение эффективного значения проводимости между заземляющим электродом источника стабилизированного тока и металлической колонной,
α, dα - углы, соответствующие разомкнутому и замкнутому состоянию диэлектрической вставки (см. чертеж),
ρ - сопротивление горных пород, Ом·м,
D1 - расстояние между металлической колонной и заземляющим электродом, м,
D2 - диаметр заземляющего электрода, м,
С - экспериментальный коэффициент, м.
Значение С определяется в результате «подбора» величины напряжения для оптимального значения стабилизированного тока, измеряется в метрах и играет вспомогательную роль, т.к. ΔG является не расчетной, а измеряемой величиной. В формулах 1, 2, 3, приведенных выше, учитываются расстояние между металлической колонной до заземляющего электрода, диаметр заземляющего электрода, толщина диэлектрической вставки, длины верхней и нижней частей металлической колонны, измеряемых в метрах. Учет этих параметров позволяет повысить точность измерений.
Реализация способа может быть осуществлена устройством, представленным на чертеже.
Устройство содержит источник стабилизированного тока 1, подключенный одним контактом 2 к наземной части металлической колонны 3, а другим контактом - к удаленному от устья скважины на расстоянии D1 заземляющему электроду 4 с диаметром D2. Между указанными контактами (зажимы) установлен блок регистрации изменения напряжения, например дифференциальный вольтметр 5. Металлическая колонна 3 в скважине разделена диэлектрической вставкой 6 на верхнюю часть с длиной L1 и нижнюю часть с длиной L2, контакты которых 7 и 8, соответственно, замыкаются/размыкаются ключом 9. Поз. 10 - верхний контакт между верхней частью металлической колонны 3 и землей, поз.11 - нижний контакт между нижней частью металлической колонны 3 и землей. L3 - толщина диэлектрической вставки 6. α, dα - углы, соответствующие разомкнутому и замкнутому контурам диэлектрической вставки 6.
Наземный генератор 1 вырабатывает постоянный стабилизированный по величине ток, который, проходя по металлической колонне 3, разделенной диэлектрической вставкой 6, генерирует электромагнитное поле, которое, распространяясь по породе в скважине, достигает призабойной зоны и создает разность потенциалов между металлической колонной 3 и изолированной ее частью длиной L2.
При замыкании ключа 9 эффективная проводимость G возрастает и напряжение источника стабилизированного тока падает, что и регистрируется дифференциальным вольтметром 5, подключенным к зажимам указанного источника тока. При этом изменение разности потенциалов оказывается модулированным соответствующим образом кодированным сигналом (информацией).