АКУСТИЧЕСКАЯ ТЕЛЕМЕТРИЯ
ACOUSTIC TELEMETRY

Настоящее изобретение относится к акустической телеметрии, более конкретно к способу акустической передачи данных через трубчатые структуры.
Изобретение в частности относится к акустической передаче данных через длинные трубчатые структуры в основном периодического характера, такой как буровые колонны или насосно-компрессорные трубы в нефтяных или газовых скважинах, и нефтяных, водных и газовых трубопроводах, которые состоят из множества отдельных трубных секций, соединенных встык с помощью соединений. Тип структуры, с которой предназначается работать в соответствии с методикой настоящего изобретения, будет обычно содержать, по меньшей мере, десять таких трубных секций, но обычно бывает гораздо больше; например, что является нередким для глубокой разработки нефтяных и газовых скважин простираться на глубину нескольких километров, и включать в себя эксплуатационные колонны с сотнями отдельных секций. Зачастую существует необходимость осуществлять передачу данных вверх и вниз по скважине, например, передавать сигналы управления с поверхности для управления забойными моторами, насосами, клапанами, приводами или другими инструментами, и информационные сигналы на поверхность от забойных измерителей скорости потока, тензометров, датчиков температуры и давления, каротажных инструментов, и так далее. Акустические методики, в которых трубчатые структуры выступают в роли волноводов для передачи сигналов между различными точками вдоль их длины, были известны некоторое время, но до сих пор были неудовлетворительным в плане качества принимаемых сигналов и энергозатрат, особенно когда требовалась работа на больших расстояниях.
Изобретение будет описано со ссылками на прилагающиеся чертежи, на которых:
фиг.1 является диаграммой, иллюстрирующей генерацию множества отражений акустического сигнала внутри отдельной секции периодической трубчатой структуры;
фиг. 2 и 3 иллюстрируют типичные фазовые и групповые скорости для различных акустических мод внутри трубчатой металлической структуры; и
фиг.4 схематически иллюстрирует систему акустической телеметрии в соответствии с изобретением в эксплуатационной нефтяной скважине.
Одной из проблем, которые встречаются в акустической телеметрии вида, описанного выше, является эффект интерференции так называемого бриллюэновского рассеяния, которое вызывается отражениями сигнала от стенок трубчатых секций и соединений. Рассмотрим, например, Фиг.1, которая показывает часть длинной трубчатой структуры, содержащей много отдельных трубчатых секций T1, T2, T3, … Tn, соединенных встык с помощью соединений C1, C2, … Cn-1. В случае стандартной стальной насосно-компрессорной трубы, секции обычно имеют 4-23 см в диаметре и номинально 9-14 м в длину, имеют на обоих концах резьбу под трубчатые соединения обычно 20-50 см в длину. Теперь рассмотрим сигнал S, распространяющийся в виде акустической волны через трубчатую структуру, и отражения, возникающие внутри проиллюстрированной секции T2. По мере распространения сигнала вниз через секцию T2, он встречает границу соединения C2. Поскольку коэффициенты передачи и отражения определяются модой и геометрией границы, в основном для длинноволновых мод акустические сопротивления (не волновое сопротивление) секции трубы и соединения будет таким же, и большая часть энергии сигнала пройдет вдоль этой границы беспрепятственно. Однако обычно имеется некоторая степень несоответствия между акустическими сопротивлениями и маленькой частью энергии сигнала, отраженного назад от соединения C1, теоретически обозначенного на чертеже как R1, и распространяющегося в виде более слабого сигнала с длиной, изначально равной длине сигнала, получившегося на границе с C2. На границе с C1 часть отраженного сигнала R1 сама отразится, и будет распространяться в виде дважды отраженного сигнала R2 вниз по трубчатой секции T2 в том же направлении, что и сигнал S. На границе с C2 часть сигнала R2 опять отразится в виде R3 и так далее с последовательными реверберациями уменьшающейся энергии, идущей взад и вперед вдоль T2, пока отраженная энергия в конечном итоге не рассеется. Для целей иллюстрации на Фиг.1 показаны всего четыре последовательных реверберации с R1 до R4, хотя на практике их может быть гораздо больше. Обычно происходит преобразование мод, заключающееся в передаче и отражении нескольких мод.
Предположим, что если пространственная длина сигнала S является вдвое большей, чем длина L трубчатой секции T2 между соединениями C1 и С2, то станет очевидно, что, по меньшей мере, часть второго отраженного сигнала R2, и, возможно, четвертого отраженного сигнала R4 и других последовательных четных отражений в зависимости от общей длины волны, пройдет через секцию T2 в том же направлении и в то же время, что и часть(и) сигнала S, который все еще проходит через эту секцию (то есть часть(и) того сигнала, который следует за головной частью длиной 2L), и будет последовательно интерферировать с этим сигналом. Длины волн сигналов будут определять степень конструктивности или деструктивности этой интерференции. Более того, будет очевидно, что такое же рассеивание сигнала S произойдет в каждой из секций T1-Tn, приводя к появлению сложного следа из ревербераций, следующих за передним фронтом сигнала S вдоль структуры. Эффект конечно же будет эквивалентным вне зависимости от того, распространяется ли сигнал S в обозначенном направлении на Фиг.1 (то есть в направлении забоя в случае нефтяной и газовой скважины) или в противоположном (к устью) направлении. Такие же эффекты рассеивания могут возникать в пределах длины соединений C1, C2, и так далее, не смотря на то, что они будут стремиться стать незначительными, если длина волны переданного сигнала является большой (по меньшей мере, вдвое) по сравнению с соединением.
Поскольку длина волны зависит от частоты, то интерференция между сигналом S и отраженными сигналами внутри трубной секции приводит к возникновению последовательности чередующихся полос «пропускания» и «подавления» вместе с дополнительной последовательностью частот «подавления» (иногда известных как «тонкая структура» или «штыревая структура») внутри каждой полосы пропускания, при этом количество частот «подавления» внутри тонкой структуры этих полос зависит от общего числа трубчатых секций. Частоты подавления возникнут, например, на частотах, где длина трубной секции равна половине длины волны или кратна ей, и частоты пропускания возникнут на частотах, где длина трубчатой секции кратна нечетным четвертям длины волны (т.е. частоты, лежащие между частотами подавления, кратными половине длины волны).
Этот эффект уже известен в данной области техники на протяжении некоторого времени. Вследствие этого может ожидаться, что сигналы могут передаваться с небольшим затуханием на длине такой структуры просто путем выбора частоты в пределах полосы пропускания, рассчитанной исходя из номинальной длины секций, из которых она состоит. В большинстве практических случаев, однако, трубчатые секции различаются по длине, по меньшей мере, на некоторую величину, и иногда по конструкции. Соответствующие полосы подавления и пропускания, таким образом, перекрываются друг с другом на любую значительную длину.
Были предложены методики, преодолевающие трудности акустической телеметрии в подобных структурах. Например, US 5128901 предлагает способ акустической телеметрии через буровую колонну с использованием модулированной непрерывной несущей акустической волны в полосах пропускания буровой колонны, и где сигнал данных предварительно обработан путем умножения каждой частотной компоненты на exp(-ikL), где i является √-1, к является номером волны в буровой колонне на частоте каждой компоненты и L является длиной передачи структуры. Однако этот способ все еще зависит от преобразования мод и эффектов интерференции на соединениях, необходимо c точностью знать и полосы пропускания и L, и использование непрерывной несущей волны влечет значительный расход энергии во время работы системы. US 6442105 предлагает альтернативный подход для акустической телеметрии через эксплуатационную насосно-компрессорную трубу нефтяной скважины, использующий технику широкополосных коммуникаций, где переданные сигналы содержат качание выбранных частот за промежуток времени, т.е. линейно-частотномодулированный сигнал, и которая основывается на достижении, по меньшей мере, одной из частот другого конца структуры. Этот способ, однако, является энергетически невыгодным, поскольку ожидается, что большая часть передаваемой энергии будет блокирована на пути прохождения через структуру и каждый сигнал должен иметь значительную длину для завершения качания частоты. US 5050132 предлагает способ акустической передачи сигналов данных по буровой колонне, который стремится предотвратить деструктивную интерференцию, вызванную сигналом, отражающимся туда и обратно от концов буровой колонны, путем передачи в полосе пропускания буровой колонны и ограничения периода времени каждой передачи до равного или меньшего, чем время прохождения сигналов данных трех длин буровой колонны. Однако он не распознает эффект интерференции бриллюэновского рассеяния из-за отражений сигнала внутри отдельных трубчатых секций, которые не могут быть преодолены исключительно путем рассмотрения отражений от концов целой структуры. Более того, предлагаемая методика не предотвратит интерференцию, вызванную сигналом, отраженным туда и обратно от концов всей колонны, пока начальный период времени не будет уменьшен до времени, требующегося сигналам данных для прохождения только двойной длины буровой колонны.
Было замечено в отношении описанных выше методик предшествующего уровня техники, особенно в случае передачи данных вверх по скважине, что телеметрический способ, который минимизирует затраты энергии, является крайне необходимым, поскольку энергия, доступная в забое для работы системы, является дефицитной.
Со ссылкой на проблему бриллюэновского рассеяния, обсужденную выше, одним фактором, который предшествующий уровень техники не может разработать, является то, что внутри заданной трубчатой секции интерференция переданного сигнала с его собственным отражением(ями) возникает только тогда, когда пространственная длина сигнала является большим, чем удвоенная длина секции между соединениями (или, другими словами, временная длина является большей, чем удвоенное расстояние, поделенное на скорость распространения сигнала).
Имея в виду выше изложенное, в одном аспекте настоящее изобретение заключается в способе акустической передачи данных через трубчатую структуру, преимущественно содержащую последовательность трубчатых секций, соединенных встык с помощью соединений, по меньшей мере, большинство упомянутых трубчатых секций имеют осевую длину, по меньшей мере, величины X между соединениями и, по меньшей мере, большинство упомянутых соединений имеет осевую длину не более величины x, где X значительно больше x; способ, заключающийся в том, что распространяют вдоль структуры, из ее первой позиции, акустические сигналы в форме тональных посылок, по меньшей мере, преимущественно содержащих выбранную волноводную моду с длиной волны, по меньшей мере, 2x, и определяют упомянутые сигналы во второй позиции структуры, причем расстояние N вдоль структуры между упомянутыми первой и второй позициями является, по меньшей мере, 10X, и в котором каждая упомянутая посылка имеет, по меньшей мере, при начальном распространении, временную длину не более чем кратную X/C и по существу меньшую чем 2N/C, причем C является фазовой скоростью выбранной моды.
Изобретение также заключается в устройстве для передачи данных в соответствии с таким способом и в структуре, оборудованной таким устройством.
В связи с этим, «тональная посылка» будет пониматься в смысле, по меньшей мере, одного, и предпочтительно нескольких, завершенных циклов выбранной волны, при этом максимальное количество циклов в каждой посылке на заданной частоте определяется определенными выше ограничением временной длины.
Из предыдущего обсуждения интерференционных эффектов бриллюэновского рассеяния станет понятно, что теоретическое идеальное решение в способе в соответствии с изобретением является применение ограничения временной длины в 2X/C к каждой тональной посылке. Будучи таким образом усеченным, бриллюэновское рассеяние не предотвращается полностью и каждая посылка, принимаемая на второй упомянутой позиции, будет обычно сопровождаться следом из нежелательных сигналов, получающихся в следствие отражений и ревербераций внутри структуры. Однако ограничение длины посылки таким способом, фактически до длины, которая может быть в основном получена как «чистый» сигнал, не разрушенный эффектами бриллюэновского рассеяния, означает, что оптимальное использование может быть сделано с помощью энергии, доступной в точке передачи и не чрезмерно растрачиваемой на компоненты сигнала, которые плохо передаются через структуру.
Это также предполагает, что есть минимальная дисперсия сигнала на его пути через структуру, так что удлинение сигнала не возникнет на части, которая будет предшествовать значительному затуханию из-за интерферирующих отражений внутри отдельных трубчатых секций. Если необходимо, могут быть предприняты шаги по уменьшению воздействия дисперсионных эффектов, такие как применение окна Хэннинга или других огибающих для формирования импульса к передаваемой тональной посылке для подавления возникновения боковых полос. Однако это также означает, что при некоторых обстоятельствах может быть фактически предпочтительным выбирать начальную временную длину, ограниченную немного меньше, чем 2X/C.
С другой стороны, могут также быть обстоятельства, в которых преимущества изобретения все еще реализуются для полезной части, где временная длина передаваемого сигнала является большей, чем теоретически идеальная, например, когда имеется маленькая вариация в длине отдельных труб или другие геометрические условия являются такими, что начало эффектов бриллюэновского рассеяния и соответствующая потеря энергии не являются столь серьезными, несмотря на некоторое удлинение сигнала. Таким образом, в других вариантах осуществления длина сигнала может быть установлена, скажем, в 5X/C, 10X/C или вплоть до около 20X/C. Это также должно налагать меньше ограничений на точность изготовления сопряженного акустического преобразователя и допускает использование дешевого системного аппаратного обеспечения.
Кодирование данных в способе в соответствии с изобретением может быть простым присутствием или отсутствием передаваемых посылок во время последовательных периодов времени (т. е. фазово-импульсное кодирование) или, поскольку в основном является возможным отличать переданную тональную посылку от следующих за ней ревербераций, то может быть использован способ с более высокой скоростью данных, такой как частотная или амплитудная модуляция посылок. На принимающем конце корреляция сигнала или другие способы, обычно известные в данной области техники, могут быть использованы для идентификации корректного сигнала. Временное разделение между последовательными посылками должно выбираться так, чтобы позволять реверберации от предшествующей посылки затухать до приемлемого уровня до того, передавать следующую, для того, чтобы избежать интерференции. Однако тот факт, что длина каждой переданной посылки является ограниченной в соответствии с изобретением, также уменьшает последующий период реверберации по сравнению со способами предшествующего уровня техники.
При выборе волноводной моды для способа в соответствии с изобретением отмечено, что есть три группы мод, которые будут распространяться вдоль длины трубчатой структуры, о которой идет речь, а именно изгибная, продольная и торсионная. Для целей настоящего изобретения является предпочтительным, чтобы выбранная мода имела и низкое поверхностное радиальное смещение и высокую групповую скорость. Первый из этих критериев является желательным, потому что поверхностное радиальное смещение передает энергию флюиду внутри или снаружи структуры, что приводит к сильному затуханию передаваемых сигналов, в то время как второй облегчает изоляцию передаваемых сигналов от ревербераций и сигналов с преобразованной модой, которые следуют за ними.
Существует бесконечное число мод для структур, о которых идет речь, но наиболее подходящей считается L(0, 1) или первая продольная мода, на частоте на нижнем конце ее ветви. Полезная полоса частот для этой моды существует от нижней частоты, ограниченной длиной самой короткой трубчатой секции по отношению к длине волны, вплоть до верхнего ограничения частоты, определенного приемлемым ограничением повышающейся дисперсии, обусловленным внутренним и внешним диаметрами трубных секций и материалом, из которого они сделаны. Фиг.2 и 3 иллюстрируют фазовые и групповые скорости для различных мод, смоделированных для обычной стальной трубы для добычи нефти с внешним диаметром 18 см, с толщиной стенки приблизительно 1 см. Моды, показанные прерывистой линией, являются изгибными и, как можно видеть, имеют более низкие максимальные групповые скорости по сравнению с показанными продольными L (0, 1) и L (0,2) модами на показанном диапазоне частот. Первая продольная мода, как можно видеть, простирается на полезной высокой групповой скорости от нулевой частоты до примерно 7,5 кГц, что показывает верхнее ограничение частоты для телеметрической системы, если она будет работать с использованием этой моды, но, несмотря на это, максимальная скорость получится на значительно более низкой частоте, и самый предпочтительный рабочий диапазон является компромиссом между скоростью и допустимым количеством циклов в каждой тональной посылке. Мода L (0, 1) на низкой частоте является предпочтительно над другими модами, потому что она имеет минимальное радиальное перемещение на границах стенки скважины на нижнем диапазоне частот и должна предоставлять наименее возможное затухание из-за утечки в окружающий флюид.
Несмотря на то, что изобретение было описано выше относительно трубопровода с дискретной структурой соединений C1 и т. д. для соединения последовательных трубчатых секций, в структурах другого типа, к которым применимо изобретение, соединения не обязательно должны быть отдельными элементами по отношению к трубчатым секциям, и такие секции могут быть соединены, например, соответствующими внутренними и наружными участками резьбы на противоположных концах. Соединения тогда содержат те длины сопряженных секций, на которые они свинчены вместе. Также является применимым к сварным секциям труб или действительно любой длинной трубчатой структуре, имеющей регулярные разрывы непрерывности акустического пути, и термин «соединение» должен соответственно широко интерпретироваться.
Средство для распространения и определения акустических сигналов в способе в соответствии с изобретением может содержать преобразователи, основанные на любых подходящих принципах конструкции, хорошо известных в данной области техники, но в виду коротких длин сигналов, требуемых изобретением, они предпочтительно являются твердотельными устройствами, такими как преобразователи, содержащие наборы пьезоэлектрических элементов, или магнитострикционное вещество, выполненные с возможностью фиксации или постоянного прикрепления к соответствующим трубчатым секциям.
Фиг.4 иллюстрирует простой вариант осуществления акустической телеметрической системы в соответствии с изобретением, установленный в эксплуатационной нефтяной скважине. Эксплуатационная труба, содержащая множество трубчатых секций 1, соединенных встык с помощью соединений 2, проходит через скважину внутри внешней облицовки 3 от традиционной структуры 4 устья скважины вниз к пласту-коллектору 5, где обсадная колонна является перфорированной для установления потока в открытый конец самой нижней секции 1, и с пакером 6 между обсадной колонной и насосно-компрессорной трубой выше пласта-коллектора, при этом все они являются обычными. В качестве примера, датчик 7 давления и клапан 8 управления потоком обеспечены на нижнем конце насосно-компрессорной колонны и соединены проводами с акустическим преобразователем 9, смонтированным в трубе. На верхнем конце насосно-компрессорной колонны другой акустический преобразователь 10 смонтирован в трубе и соединен проводами, или приспособлен другим образом для соединения с наземной станцией управления (не показана) через устье 4 скважины. Преобразователи 9 и 10 взаимодействуют с помощью серии акустических тональных посылок, передаваемых через насосно-компрессорную трубу в соответствии со способом настоящего изобретения, например, для передачи данных от датчика 7 на поверхность и передачи управляющих сигналов с поверхности к клапану 8. Скважинное оборудование 7, 8, 9 может быть запитано для этих целей от батарей или с поверхности, но предпочтительно посредством устройств скважинной генерации энергии, которые генерируют электричество в ответ на протекание продукта через насосно-компрессорную колонну, таких как устройства, описанные в нашей совместной заявке на международный патент № GB 2006/004777.