УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО ГАЛЬВАНИЧЕСКОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ ПРИ БЕСТРУБНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН
DEVICE FOR TRANSMITTING INFORMATION VIA A GALVANIC COMMUNICATION CHANNEL DURING PIPE-FREE OPERATION OF WELLS

Предложенная группа изобретений относится к области передачи забойной информации из скважины на поверхность по гальваническому каналу связи и может быть использована для мониторинга процесса эксплуатации скважины, а именно: для контроля реологических свойств добываемой жидкости (температура, вязкость, газовый фактор и т.п.), а также забойного давления. Техническим результатом является повышение эффективности эксплуатации скважины за счет актуализации как характеристик скважины, так и скважинной жидкости.
Получение информации с забоя скважины или с приема глубинного насоса представляет собой сложную задачу.
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 устьевого источника энергии, что ограничивает область применения системы.
Известен способ передачи забойной информации по электромагнитному каналу связи путем формирования информации в виде электрических сигналов и передачи их к устью скважины по колонне бурильных труб с помощью электрического разделителя, при этом перед передачей информации на колонну бурильных труб выше электрического разделителя подают постоянное напряжение (пат. РФ № 2426878, опубл. 20.08.2011).
В скважине, содержащей колонну бурильных труб с электрическим разделителем, располагают скважинный передатчик, соединенный с верхним и нижним электродами разделителя. На устье скважины размещают источник постоянного напряжения, соединенный с колонной бурильных труб, а другим концом через приемное устройство - с приемным электродом. Постоянное напряжение поляризует поверхность металла колонны бурильных труб, создавая на поверхности металла двойной электрический слой, который уменьшает поверхностную проводимость металла, препятствующий замыканию части тока передачи на колонну бурильных труб, увеличивая тем самым мощность принимаемого сигнала.
Недостаток известного решения заключается в применении забойного передатчика, возможность которого ограничивается мощностью автономного источника питания, что, как указывалось выше, ограничивает область применения устройства.
Известен способ передачи забойной информации возбуждением электрического тока в металлической колонне в скважине при помощи наземного генератора, подключенного одним контактом к наземной части металлической колонны, а другим контактом - к приемному электроду на поверхности скважины. При этом осуществляют коммутацию диэлектрической вставки, разделяющей металлическую колонну в скважине на верхнюю и нижнюю части. Причем в качестве приемного электрода используют другую колонну металлических труб, спущенных в эту скважину. Таким образом, образуют электрическую цепь из металлической колонны в скважине и приемного электрода, по которой передают стабилизированный по величине постоянный ток от наземного генератора. При этом получение информации с забоя скважины осуществляют в зависимости от модуляции величины напряжения, вызванного коммутацией диэлектрической вставки. В качестве наземного генератора используют источник стабилизированного постоянного тока, а в качестве приемного электрода может быть использована металлическая колонна насосно-компрессорных труб (Патент РФ № 2494250, бюл. 27, 27.09.2013 г.).
Недостаток известного решения заключается в том, что при ходе плунжера вниз колонна штанг изгибается, и возможны замыкания электрической цепи «колонна штанг - НКТ» еще до диэлектрического разделителя. Последнее существенно снижает надежность канала связи.
Известно устройство для передачи информации по электромагнитному каналу связи при эксплуатации скважины со спущенными в нее металлическими с образованием кольцевого канала между ними наружной трубой и внутренней колонной, содержащее наземный генератор, подключенный своими контактами к верхней части трубы и колонны, диэлектрическую вставку, разделяющую колонну в скважине на верхнюю и нижнюю части, ключ для размыкания и замыкания контактов верхней и нижней частей металлической колоны, блок синхронизации, определяющий период и скважность следования передачи информации (Патент РФ № 2256074, МПК Е21В 47/12; 43/12, опубл. 10.07.2005, бюл. № 19), которое принято за прототип.
Недостатком известного устройства является невозможность его использования в скважинах с беструбной технологией эксплуатации, например, с установками с подъемом продукции по эксплуатационной колонне без применения НКТ (скважинных штанговых насосов УСШНЭК» [https://glavteh.ru/усшнек-на-смену-увн/] или электроцентробежных насосов УЭЦН [https://neftegaz.ru/news/Oboradovanie/202089-bez-nkt-tatneft-razrabotala-uetsn-snizhayushchuyu-zatraty-na-dobychu-nefti/]).
стаб
пит
Для получения сигнала с забоя добывающих скважин с подъемом продукции по эксплуатационной колонне без применения НКТ предлагается следующее: на поверхности с помощью источника стабилизированного тока, подключенного одним контактом (зажимом) к наземной части металлической колонны штанг, а другим контактом (зажимом) - к приемному электроду на устье, в качестве которого используется эксплуатационная колонна труб (ЭКТ), в скважину подают постоянный стабилизированный по величине ток I, который создает разность потенциалов U на зажимах источника стабилизированного тока:
кол
кл
пласт.жидк
где R, R и R - соответственно, сопротивления колонны штанг 3 и ЭКТ 7, ключа (см. Фиг. 1) и столба пластовой жидкости в кольцевом пространстве между ЭКТ и колонной штанг:
пласт.жидк.
внутр.
внешн.
где ρ - удельное сопротивление добываемого флюида (нефть+вода), D и d - соответственно, диаметры внутренний ЭКТ и наружный колонны штанг, Н - длина колонны штанг от устья до погружного насоса.
кл
Причем, при замыкании ключа-шифратора (R=0) сопротивление всей цепи, равно:
кол
кол
кл
пласт.жидк.
пласт.жидк.
кл
так как R мало: R<<R (колонна штанг и ЭКТ-металлические и имеют большие сечении,- больше 150 мм кв.), а R велико: R>>R, так как удельное сопротивление водо-нефтяных смесей близко к проводимости нефти и составляет величину порядка 10 в степени (-10) Ом*м.
кл
пит
стаб
То есть при замыкании ключа-шифратора электрическое сопротивление цепи «ЭКТ - R - колонна штанг», а значит синхронно U для поддержания I будет резко падать, что определяет возможность передачи информации путем замыкания-размыкания ключа-шифратора в измерительном модуле.
Заявляется устройство для реализации способа, содержащее наземный генератор постоянного тока, подключенный одним контактом к наземной части металлической колонны штанг, а другим контактом - к приемному электроду на поверхности эксплуатационной колонны труб (ЭКТ), омическое сопротивление ключа-шифратора. Верхняя часть металлической колонны и ЭКТ изолированы друг от друга.
На фигуре 1 представлено устройство для реализации способа, на фигуре 2 - эквивалентная электрическая схема.
стаб
пит
Суть способа. При эксплуатации скважины внутрь металлической ЭКТ 7 (см. Фиг. 1) спускают колонну металлических штанг 3, оборудованную скребками-центраторами 2, на которой устанавливают скважинный насос 6 для откачки флюида. В процессе эксплуатации необходимо получать информацию о реологических параметрах жидкости. Для этого на поверхности с помощью источника стабилизированного тока 8 (см. Фиг. 2), подключенного одним контактом (зажимом) к наземной части металлической колонны, которой может быть колонна металлических штанг 3, а другим контактом (зажимом) - к приемному электроду на устье, в качестве которого используется другая металлическая труба, например ЭКТ 7, в скважину подают постоянный стабилизированный по величине ток I, который проходя по металлической колонне (колонне металлических штанг 3), создает разность потенциалов U на концах источника питания:
пит
стаб
кл
Для передачи информации по гальваническому каналу измерительный блок 16 (Фиг. 2) на устье скважины измеряет пульсации величины U, создаваемые источником стабилизированного тока I в результате модулирования величины R, ключом-шифратором 14.
кл
Таким образом, полезным сигналом служит изменение напряжения на зажимах источника тока, который поддерживает постоянный по величине (стабилизированный) ток, величина которого определяется модуляцией величины сопротивления R 13 ключом-шифратором 14 согласно заданному алгоритму шифрации.
Реализация способа может быть осуществлена представленным устройством.
кл
Устройство (фиг. 2) содержит источник стабилизированного тока 15, подключенный одним контактом к наземной части колонны металлических штанг (металлической колонны) 3, а другим контактом - к приемному электроду металлической ЭКТ 7 (другая металлическая колонна), в которой концентрично установлена колонна металлических штанг 3. Между указанными контактами установлен измерительный блок 16. Нижняя часть колонны штанг электрически замыкаются металлом глубинного насоса 6 (Фиг. 1) для откачки флюида, который замкнут на электрическое сопротивление R 13, величина которого модулируется ключом-шифратором 14 в зависимости от показаний блока датчиков 19. На устье скважины металлическая колонна 3 и ЭКТ 7 разделены сальником из диэлектрического материала 1 (Фиг. 1).
кл
пит
Наземный генератор 15 вырабатывает постоянный стабилизированный по величине ток, который проходя по электрической цепи «колонна штанг 3 - R - ЭКТ 7» создает разность потенциалов U на измерительном блоке 16.
пит
Измерительный блок отслеживает и определяет величину напряжения U цепи «колонна штанг 3 - сопротивление ключа-шифратора 13- ЭКТ 7».
пит
стаб
кол
При замыкании ключа-шифратора 14 величина указанного напряжения падает до значения U=I*R, что служит информационным сигналом.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. 1 - сальник, 2- скребки-центраторы, 3 - колонна штанг (кабель-канат), 4 - ИПГ (Инструмент Посадочный Гидравлический), 5 - центратор, 6 - скважинный насос, 7 - эксплуатационная колонна, 8 - пакер, 9 - вспомогательная труба, 10 - центратор, 11 - перо-воронка, 12 - измерительный модуль. Фиг. 2. Эквивалентная электрическая схема: 13 - сопротивление R, 14- ключ-шифратор, 19 - блок датчиков, 17 - скользящий контакт, 3 - колонна штанг (металлическая оплетка канат-кабеля), 7 - эксплуатационная колонна, 18 - измерительный модуль, 15 - блок питания стабилизированного тока, 16 - измерительный блок (регистратор Uпит).