СПОСОБ МОНИТОРИНГА СКВАЖИННЫХ ЗАБОЙНЫХ ПАРАМЕТРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MONITORING WELL BOTTOM PARAMETERS AND DEVICE FOR CARRYING OUT SAID METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к области передачи скважинной забойной информации по электромагнитному каналу связи на поверхность. Может быть использовано для мониторинга процессов испытания и опробования потенциально продуктивных пластов, гидроразрыва пластов, совместно-раздельной эксплуатации многопластовых объектов.
Уровень техники
Известно устройство для измерения забойных параметров в процессе совместно-раздельной эксплуатации многопластовых объектов с беспроводным (электромагнитным) каналом связи (полезная модель РФ №138333, приоритет 08.10.2013, опубл. 10.03.14 Бюл. №7), включающее скважинное передающее устройств с генератором и усилителем мощности электромагнитных колебаний, симметричные выводы которого подключены к первому и второму электродам, разделенных изолирующей вставкой, длину которой выбирают в зависимости от электропроводящих свойств пластов, пересекаемых скважиной. Первый и второй электроды совместно с изолирующей вставкой образуют передающий электрический диполь. Электромагнитные волны, излучаемые диполем, распространяясь через насосно-компрессорные трубы (НКТ), обсадную колонну и горные породы, достигают приемной антенной рамки, расположенной на земной поверхности.
Данное устройство работает на несущих частотах до 2,5 Гц при длине (разносе) изолирующей вставки до 9 м, дальности связи до 2000 м и минимальном уровне сигналов на входе приемника (порог помехозащищенности) не менее 5 мкВ (см. Шакиров А.А. «Геофизический контроль за режимом разработки продуктивных объектов при одновременно-раздельной эксплуатации пластов».// НТВ Каротажник. Тверь. 2007. Вып. 3(156), с. 61-58).
Недостатками этого устройства являются низкая скорость передачи (до 2,5 бит/с) при наличии в разрезе скважины горных пород с пониженным удельным электрическим сопротивлением (УЭС), недостаточная дальность связи, что не позволяет работать в глубоких (более 2000 м) скважинах, а также отсутствие двусторонней связи забой-устье скважины.
Известен кабельно-индуктивный канал связи (см. Аксельрод С.М. «Кабельно-индуктивный канал связи для каротажа и технологических измерений в процессе бурения». //НТВ. Каротажник. Тверь. 2011. Вып. 4, с. 107-110). Кабельно-индуктивный канал включает в себя колонну стыкующихся между собой буровых труб (или НКТ), в каждой из которых вдоль внутренней стенки проложен коаксиальный кабель, верхний и нижний концы которого соединены с катушками индуктивности, заключенными в магнитопроводы, размещенные в кольцевых канавках и сочленяющиеся при свинчивании торцов муфты и ниппеля труб, образуя между катушками индуктивную (трансформаторную) связь, по которой сигнал передается от одного участка буровой колонны к другому.
Канал связи включает в себя также забойный приемо-передатчик, систему ретрансляторов, устанавливаемых через 300-1000 м и наземное приемо-передающее оборудование, что обеспечивает двустороннюю связь.
Кабельно-индуктивный канал связи обладает высокой скоростью передачи информации и не зависит от УЭС пересеченных скважиной горных пород.
Применение ретрансляторов для усиления передаваемых сигналов позволяет получить большую дальность связи.
Однако для реализации такого канала связи необходимо изменение конструкции буровых труб для размещения катушек индуктивности и подвода к ним коаксиальных кабелей, что значительно повышает трудоемкость и себестоимость его изготовления.
Другим недостатком является низкая мобильность такого оборудования, т.е. проблемы транспортировки до тысячи и более десятиметровых конструктивно измененных буровых труб при больших расстояниях от одной скважины до другой в условиях бездорожья и сурового климата, например, при выполнении работ по испытанию, опробованию и гидроразрыву пластов в северных районах РФ.
Известен способ и система передачи информации посредством электромагнитных волн (патент РФ №220739, приоритет 22.10.1999 г., опубл. 20.06.2003 г.), принятые нами за прототип.
Способ передачи информации от скважины, пробуренной через пласты горных пород, обсаженной колонной металлических обсадных труб, включает установку в вышеуказанную скважину приемопередатчика информации, функционирующего при помощи направленных электромагнитных волн, создаваемых излучением электрических сигналов диполем электрически соединенным с обсадными металлическими трубами, определение затухания сигналов передачи в некоторых пластах горных пород, имеющих малое УЭС и электрическую изоляцию обсадных металлических труб, находящихся в местах вышеуказанных пластов УЭС
Также согласно этому способу, с помощью математической модели определяют минимальную длину обсадной трубы, подлежащей изоляции, учитывая минимальные характеристики электромагнитной передачи, а именно, расстояние передачи и/или скорость передачи информации.
Устройство (система) передачи информации от скважины, пробуренной через пласты горных пород и. обсаженной колонной обсадных металлических труб, содержит в вышеуказанной скважине приемопередатчик информации функционирующий при помощи направленных электромагнитных волн, создаваемых излучением электрических сигналов диполем электрически соединенным с обсадными металлическими трубами, служащими направляющими для излученных волн, причем как минимум некоторые обсадные металлические трубы, находящиеся в местах расположения пластов малого УЭС сопротивления, имеют средства электрической изоляции от вышеупомянутых пластов.
Согласно описанию этого способа диапазон используемых частот - от 1 до 10 Гц. Скорость передачи информации не превышает 10 бит/с, что является существенным недостатком. Кроме того, предложенное техническое решение не устраняет влияния пластов с высоким (более 1000 Омм) УЭС, сильно ослабляющего сигнал передачи, например, пласты каменной соли, так как стекание тока в такие пласты практически отсутствует и без их изоляции, (см. Чупров В.П., Шайхутдинов Р.А. и др. «Опыт эксплуатации телесистемы с комбинированным каналом связи» //НТВ Каротажник. Тверь. 2011. Вып. 5(203), с. 5-10). При этом значительно снижается и дальность связи.
Настоящее изобретение направлено на решение выявленных проблем, связанных с передачей информации при мониторинге забойных параметров с помощью электромагнитной системы связи. При этом решаются задачи получения заданных, оптимальных для мониторинга, характеристик системы связи таких как скорость передачи данных, временная задержка сигналов, дальность связи и других, причем для конкретных геоэлектрического разреза и конструкции скважины.
Раскрытие сущности изобретения
Решение указанных проблем осуществляется тем, что в способе мониторинга скважинных забойных параметров в скважине, пробуренной в пластах горных пород и защищенной обсадными трубами, включающем установку в скважину приемопередатчика забойных параметров, размещенного на буровых трубах и функционирующего при помощи электромагнитных волн, создаваемых электрическим диполем, распространяющихся по линии связи, образованной обсадными и буровыми трубами, а также окружающими скважину горными породами, к наземным приемной антенне и приемопередатчику и использование математического моделирования, согласно изобретению для передачи по линии связи электромагнитных сигналов используют ретрансляторы с электрическими диполями, размещаемые на буровых трубах, задаются исходными данными, параметрами линии связи и требуемыми значениями характеристик системы связи при мониторинге, до установки приемопередатчика забойных параметров и ретрансляторов в скважину на основе информации о геометрических и электромагнитных характеристиках обсадных и буровых труб, электрических диполей, а также окружающих горных пород создают математическую модель системы связи и выполняют математическое моделирование линии связи, причем для всех ее участков: между приемопередатчиком забойных параметров и первым ретранслятором, между последующими ретрансляторами, между последним ретранслятором и наземной приемной антенной, в процессе математического моделирования определяют амплитудно-частотные характеристики каждого из участков линии связи, частотные полосы пропускания и значения несущих частот передачи сигналов, по этим данным рассчитывают текущие значения получаемых характеристик системы связи и сравнивают их с требуемыми, при расхождениях, превышающих заданные, изменяют параметры участков линии связи, оптимизируя их таким образом, чтобы текущие значения характеристик совпали с требуемыми значениями с заданной точностью, после чего производят установку в скважину приемопередатчика забойных параметров и ретрансляторов, создавая при этом линию связи, параметры участков которой совпадают с определенными на последнем шаге математического моделирования параметрами участков линии связи, задают для приемопередатчика забойных параметров и каждого из ретрансляторов значения несущих частот передачи сигналов и приступают к мониторингу скважинных забойных параметров.
Согласно способу в качестве изменяемых параметров участков линии связи используют:
1) длину одного или более электрических диполей;
2) расстояния между соседними электрическими диполями;
3) взаимное расположение электрических диполей относительно пластов горных пород, например, с аномально низким и/или аномально высоким УЭС, при этом длины электрических диполей для случая пластов с аномально низким УЭС выбирают, как минимум в 1,2 раза больше, чем толщина пласта.
4) диаметр буровых труб, используемых, как минимум на одном из участков линии связи;
5) применение немагнитных буровых труб, как минимум на одном из участков линии связи.
Устройство для мониторинга скважинных забойных параметров в скважине, пробуренной в пластах горных пород и защищенной обсадными трубами, включающее приемопередатчик забойных параметров, содержащий электрический диполь, размещенный на буровых трубах и функционирующий при помощи электромагнитных волн, создаваемых электрическим диполем, распространяющихся по линии связи, образованной обсадными и буровыми трубами, а также окружающими скважину горными породами, к наземному оборудованию, включающему приемную антенну и приемопередатчик, согласно изобретению для передачи сигналов по линии связи введены ретрансляторы, размещаемые на буровых трубах, каждый из которых включает в себя приемопередатчик, электрический диполь, дешифратор адреса и команд и управляемый формирователь несущих частот, помимо этого в приемопередатчик забойных параметров также введены дешифратор адреса и команд и управляемый формирователь несущих частот, а в состав наземного оборудования - формирователь команд.
Согласно изобретению электрические диполи приемопередатчика забойных параметров и ретрансляторов электрически не соединены с обсадными трубами и выполнены из буровых труб, предварительно покрытых снаружи слоем электроизоляционного материала, с возможностью изменения их длины за счет изменения количества используемых буровых труб с электроизоляционным покрытием, при этом длины электрических диполей для случая пластов с аномально низким УЭС превышают толщину пластов более, чем в 1,2 раза.
Согласно способу, устройство снабжено комплектом трубных переводников с разными присоединительными размерами и типами резьбы.
Краткое описание чертежей
Заявляемые изобретения поясняются "чертежами.
На фиг. 1 приведен пример графического изображения геоэлектрического разреза горных пород, окружающих пробуренную в них скважину. На ней изображены: 1 - кривая распределения удельных электрических сопротивлений (УЭС) по глубине скважины; 2, 3, 4, 5, 6, - условные обозначения горных пород; суглинка, глины, песка, каменной соли (галита), антрацита, соответственно.
1
2
На фиг. 2 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и частотные полосы пропускания сигналов участков линий связи с электрическими диполями разных длин. Здесь 7, 8 - АЧХ участков линий связи с электрическими диполями с длинами 5 и 100 метров, соответственно, ΔF, ΔF - частотные полосы пропускания участков линий связи с электрическими диполями длиной 5 и 100 метров.
На фиг. 3 приведены зависимости ширины полосы пропускания от длины участка линии связи. Шифр кривых - продольные УЭС горизонтально-слоистых сред, Омм.
На фиг. 4А представлены варианты (№1 - №3) взаимного расположения электрических диполей и пласта галита. На ней изображены: 9 - пласт галита; 10, 11 - приемный и передающий электрический диполи.
На фиг. 4Б приведены зависимости изменения сигнала в приемном электрическом диполе 10 от варианта взаимного расположения электрических диполей 10, 11 относительно пласта 9. Шифр кривых: значения несущих частот сигналов, Гц.
На фиг. 5 представлены АЧХ участков линии связи без и с пластом галита и частотные полосы пропускания сигналов.
3
4
5
На ней изображены: 13 - АЧХ участка линии связи в горизонтально-слоистой среде без пласта галита; 14 - АЧХ этого участка линии связи с пластом галита при первом варианте расположения электрических диполей относительно пласта; 15 - АЧХ при втором варианте расположения электрических диполей относительно пласта; ΔF, ΔF, ΔF - ширина полос пропускания АЧХ 13, 14, 15, соответственно, в Гц.
На фиг. 6А представлены варианты (№1 - №5) взаимного расположения электрических диполей 10, 11 и пласта 12 антрацита.
На фиг. 6Б приведены зависимости изменения сигнала в приемном электрическом диполе 10 от варианта взаимного расположения электрических диполей 10, 11 относительно пласта 12. Шифр кривых: значения несущих частот, Гц.
На фиг. 7 приведены АЧХ участков линии связи с пластом антрацита и частотные полосы пропускания сигналов.
6
7
На ней изображены: 16 - АЧХ участка линии связи в горизонтально-слоистой среде с пластом антрацита при втором варианте расположения электрических диполей относительно пласта, а 17 - АЧХ при третьем варианте расположения; ΔF, ΔF - ширина полос пропускания АЧХ 16 и 17 соответственно, Гц.
На фиг. 8 представлены зависимости скорости передачи информации от продольного УЭС горизонтально-слоистой среды. Шифр кривых: расстояние между передающим и приемным электрическими диполями в метрах.
На фиг. 9 представлена функциональная схема устройства для мониторинга скважинных забойных параметров.
На фиг. 10 представлена функциональная схема ретранслятора.
На фиг. 11 приведен пример осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Перед началом работ задаются исходными данными, такими как глубина скважины, определяющая необходимую дальность связи, геоэлектрический разрез скважины, мощности сигнала и помехи, объем передаваемой информации о забойных параметрах, допустимое число ретрансляторов и другими, параметрами линии связи, а также требуемыми значениями информационных характеристик системы связи: пропускной способностью, скоростью передачи данных, временными задержками сигналов и прочими.
До установки оборудования в скважине выполняют сбор информации о геометрических размерах используемых обсадных и буровых труб: внешних и внутренних диаметрах, длине, а также об электрических и магнитных характеристиках металлов, из которых они изготовлены., а именно: удельном электрическом сопротивлении (УЭС) и магнитной проницаемости. После чего расчетом или экспериментально определяют омическое сопротивление и индуктивность отдельной обсадной и буровой трубы, а также их частотные зависимости в диапазоне рабочих частот передаваемых сигналов.
Получают также информацию о типе жидкости, заполняющей скважину и ее электропроводности. Для получения информации об электрических характеристиках, пересеченных скважиной горных пород, используют данные геофизических электрических исследований, выполненных при бурении скважин, таких как боковое каротажное зондирование, боковой, индукционный, электромагнитный каротажи. На основе этих данных составляют геоэлектрический разрез скважины, пример которого приведен на фиг. 1, представляющий собой расчленение разреза по геологическим видам горных пород (литологическая колонка) и распределение усредненного УЭС (кривая 1) этих пород по глубине скважины.
Детальность расчленения по глубине выбирают не более длины одной буровой трубы, то есть УЭС пластов толщиной менее 10 метров усредняются на этом интервале.
Очень часто разрез представляет собой ритмичное чередование пластов с заметно различающимися УЭС, называемый горизонтально-слоистой средой. На фиг. 1 такая среда в виде чередующихся пластов глин 3 и песков 4 располагается в интервалах глубин 50-300 и 400-550 метров. Характеристиками горизонтально-слоистой среды являются поперечное УЭС:
и продольное УЭС:
i
где h - толщина i-го пласта
i
ρ - УЭС i-го пласта;
m - число пластов в комплексе слоев.
Исследования показали, что распространение сигналов, создаваемых электрическим диполем в горизонтально-слоистой среде, определяется, главным образом, ее продольным удельным сопротивлением. Поэтому при математическом моделировании горизонтально-слоистой среды используют именно эту характеристику.
В геоэлектрических разрезах (см. фиг. 1) часто встречаются пласты с аномально низким и аномально высоким УЭС, такие как пласты антрацита 6 с УЭС 0,1 Омм и каменной соли (галита) 5 с УЭС 1000 Омм, сильно ослабляющие сигналы электромагнитных систем связи, поэтому их наличие, глубина залегания, УЭС определяют в первую очередь.
После сбора необходимой информации создают математическую модель системы связи, образованной обсадными и буровыми трубами, с размещенными на них электрическими диполями, а также окружающими скважину горными породами. Математическая модель строится на основе эквивалентной схемы замещения каждого звена линии связи длиною в одну буровую трубу его электрическим эквивалентом в виде омических сопротивлений и индуктивностей обсадной и буровой труб, проводимости между ними, а также сопротивления заземления обсадной трубы, связанного с УЭС окружающих горных пород. Таким образом, создается цепная схема из шестиполюсников с числом звеньев, равным числу буровых труб в линии связи, расчет которой выполняется с помощью известных компьютерных программ, например, Microcup.
Математическое моделирование выполняют для всех участков линии связи: между приемопередатчиком забойных параметров и первым от него ретранслятором, между последующими ретрансляторами, между последним ретранслятором и наземной приемной антенной.
1
2
В процессе математического моделирования определяют АЧХ участков линий связи, представляющие собой зависимость уровня сигнала от его частоты. По этим зависимостям находится ширина полосы пропускания линии связи, как область частот от нулевой до частоты, при которой уровень сигнала уменьшается на 3 дБ (в 0,707 раз) относительно максимального, как это показано на фиг. 2, где полосы пропускания ΔF, ΔF соответствуют АЧХ 7 и 8 участков линии связи.
Зная ширину полос пропускания, определяют также информационные характеристики систем связи, таких как максимальная скорость передачи N и пропускная способность С. Для цифровых систем связи:
N ≈ ΔF
с
п
где Р, Р - мощности сигнала и помехи.
(Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники. Том 2. Под редакцией Б.Х. Кривицкого. М. «Энергия» 1977. С. 91, 92, 100).
При использовании ретрансляторов, согласно изобретению, передача и прием сигналов не может происходить одновременно. Требуется, чтобы каждый ретранслятор прекратил передачу до получения данных, а также прекратил прием во время передачи данных из-за помех между передаваемыми и принимаемыми сигналами. В связи с этим как скорость передачи, так и пропускная способность уменьшаются примерно вдвое:
н
Установлено, что при использовании для передачи сигналов с помощью фазоразностной манипуляции, как это имеет место в настоящем изобретении, ширина спектра фазоманипулированного сигнала с достаточной для практики точности равны удвоенному значению его несущей частоты F. Поэтому для размещения спектра сигнала в полосе пропускания линии связи необходимо выполнение условия:
н
ΔF=2F, откуда определяют значение несущей частоты:
По полученным результатам рассчитывают текущие значения информационных характеристик системы связи, соответствующие совокупности исходных данных и сравнивают их с требуемыми. В случае расхождений, превышающих заданные, изменяют параметры участков линии связи таким образом, чтобы текущие значения характеристик совпали с требуемыми значениями с заданной точностью.
1
2
На фиг. 2 приведен вариант изменения параметров участка линии связи путем изменения длины электрических диполей, питаемых током 10 А, при моделировании в горизонтально-слоистой среде с продольным УЭС, равным 3 Омм, расстоянием между диполями 2000 метров. Полоса пропускания ΔF при длине диполей 5 метров составляет 4,8 Гц, а скорость передачи 2,4 бит/с (бит в секунду). При длине диполей 100 метров полоса пропускания ΔF равна 29 Гц, скорость передачи N равна 14,5 бит/с. Таким образом, изменение параметра (длины диполей) увеличивает скорость передачи данных в 6 раз. Далее рассматриваются электрические диполи длиной 100 метров, питаемые током 10 А.
На фиг. 3 представлен другой вариант изменения параметров участка линии связи путем изменения расстояния между соседними электрическими диполями при моделировании в горизонтально-слоистой среде. В этом случае изменение расстояния с 2000 до 500 метров приводит к 18-кратному увеличению ширины полосы пропускания участка линии связи и такому же росту скорости передачи.
Изменение параметров участков линии связи, включающих пласты горных пород с аномальными значениями УЭС, может осуществляться путем изменения взаимного расположения электрических диполей относительно таких пластов. Так на фиг. 4А представлен пласт галита толщиной 200 метров с УЭС равным 1000 Омм, находящийся в горизонтально-слоистой среде с продольным УЭС равным 3 Омм, расстояние между приемным 10 и передающим 11 электрическими диполями равно 1000 метрам. Рассматриваются три варианта взаимного расположения диполей относительно пласта (№1, №2, №3). На фиг. 4Б приведены зависимости изменения величины сигнала в приемном диполе относительно ситуации без пласта галита для этих вариантов.
Наибольшее уменьшение сигнала в приемном диполе 10 соответствует первому варианту расположения, когда передающий диполь 11 находится внутри пласта с высоким УЭС, причем ослабление сигнала увеличивается с ростом несущей частоты и достигает 40 дБ (100 раз) на частоте 512 Гц. Во втором варианте взаимного расположения, когда пласт галита находится между приемным 10 и передающим 11 диполями, сигнал, наоборот, увеличивается на 12 дБ (4 раза) при частоте 32 Гц и на 5 дБ (1,8 раз) на частотах 256, 512 Гц.
В третьем варианте, когда приемный диполь 10 находится в пласте галита, сигнал также возрастает, однако значительно ниже, чем при втором варианте. Таким образом, наиболее благоприятным для получения нужного уровня сигнала является второй вариант взаимного расположения электрических диполей относительно пласта галита. Как следует из фиг. 5, ширина полос пропускания участка линии связи для ситуации без пласта (АЧХ 13), для первого варианта расположения (АЧХ 14) и второго варианта (АЧХ 15) составляют: 68, 6,8 и 100 Гц, соответственно, а скорости передачи - 34, 3,4 и 50 бит/с. Таким образом, второй вариант расположения обеспечивает и более высокую скорость передачи информации.
Другой случай, это - наличие в геоэлектрическом разрезе пластов горных пород с аномально низким УЭС, например, пластов антрацита.
На фиг. 6А представлен пласт 12 антрацита толщиной 30 метров с УЭС равным 0,1 Омм, находящийся в горизонтально-слоистой среде с продольным УЭС, равным 3 Омм. Расстояние между приемным 10 и передающим 11 электрическими диполями равно 1000 метрам. Рассматриваются пять вариантов взаимного расположения диполей относительно пласта (№1, №2, №3, №4, №5).
На фиг. 6Б приведены зависимости изменения величины сигнала в приемном диполе относительно ситуации без пласта антрацита для этих вариантов. Как следует из фиг. 6Б, наибольшее уменьшение уровня сигнала в приемном диполе 10 соответствует третьему варианту взаимного расположения, когда пласт 12 антрацита находится между приемным 10 и передающим 11 диполями. Сигнал, в зависимости от частоты, ослабляется от 15 дБ (5,6 раз) до 28 дБ (25 раз).
Наиболее благоприятным является второй вариант взаимного расположения, когда пласт 12 антрацита находится внутри интервала расположения передающего диполя 11, в этом случае сигнал возрастает на 4 дБ (1,6 раз) при несущей частоте 32 Гц и ослабляется на 1 дБ (1,12 раз) при несущей частоте 512 Гц. Приемлем также пятый вариант, когда пласт 12 антрацита находится в интервале расположения приемного диполя 10. В этом случае ослабление сигналов составляет от 0 до 1 дБ для частот от 32 до 512 Гц.
6
7
На фиг. 7 демонстрируются полосы пропускания линий связи для второго варианта взаимного расположения - АЧХ 16 и третьего - АЧХ 17, ширина которых ΔF равна 56 Гц и ΔF равна 8,4 Гц, и соответствующие скорости передачи информации равен 28 и 4,2 бит/с. Таким образом, выбором оптимального взаимного расположения электрических диполей относительно пласта с аномально низким УЭС, обеспечивается почти семикратный рост скорости передачи информации.
При этом длины как приемного, так и передающего электрических диполей выбирают как минимум в 1,2 раза больше, чем толщина пласта с низким УЭС.
Другими возможностями изменения параметров участков линии связи являются изменение диаметра используемых буровых труб и применение немагнитных сплавных труб на этих участках.
Известно (Молчанов А.А. «Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин», М. «Недра» 1983, с. 32-33), что коэффициент затухания сигнала в колонне буровых труб с достаточной точностью выражается зависимостью:
где D - диаметр буровых труб, м;
ƒ - частота сигнала, Гц;
ρ - УЭС среды, Омм
k - коэффициент, равный 5,2 для стальных труб и 0,26 - для немагнитных сплавных труб,
а ослабление сигнала:
o
c
где - U, U - напряжение сигналов на входе и выходе участка линии связи;
L - длина участка линии связи, м.
Так при частоте равной 10 Гц и УЭС равном 3 Омм для стальной трубы диаметром 73 и длине участка линии связи, равной 1000 метров ослабление сигнала составляет 12120 раз, при изменении диаметра буровых труб до 127 мм для тех же условий ослабление снижается до 1837 раз. Благодаря этому величина сигнала на конце участка линии связи увеличивается в 6,6 раз.
При применении немагнитных сплавных труб диаметром 127 мм и тех же прочих условиях ослабление сигнала составит 51 раз, что увеличивает уровень сигнала в 36 раз в сравнении с вариантом использования стальных труб такого же диаметра.
Таким образом, такие изменения уменьшают затухание сигналов в линии связи, что расширяет полосу пропускания и, соответственно, увеличивает пропускную способность и скорость передачи данных в системе связи.
На фиг. 8 представлены, полученные в результате математического моделирования, зависимости скорости передачи информации от продольного УЭС для различных расстояний между передающим и приемным электрическим диполями. Зависимости служат для определения такой информационной характеристики системы связи, как скорость передачи данных, на участках линии связи с горизонтально-слоистой средой.
После получения в результате математического моделирования характеристик системы связи, совпадающих с требуемыми с заданной точностью, устанавливают в скважину приемопередатчик забойных параметров и ретрансляторы, размещенные на буровых трубах, создавая при этом линию связи, параметры участков которой совпадают с полученными на последнем шаге математического моделирования, такими как длина электрических диполей и расстояния между ними, взаимное расположение электрических диполей относительно пластов горных пород с аномально низким и/или аномально высоким УЭС, диаметры и тип буровых труб, используемых на участках линии связи.
После этого задают для приемопередатчика забойных параметров и каждого из ретрансляторов оптимальные значения несущих частот передачи сигналов, определенные на последнем шаге математического моделирования, и приступают к мониторингу забойных параметров.
Реализация способа осуществляется устройством, функциональная схема которого представлена на фиг. 9.
Устройство размещено в скважине, пробуренной в пластах 18 горных пород (геоэлектрический разрез) и защищенной обсадными трубами 19. Устройство включает приемопередатчик 21 забойных параметров, содержащий электрический диполь 23, размещенный на буровых трубах 20, а также несколько ретрансляторов 22, также размещенных на буровых трубах, причем каждый из них содержит приемопередатчик и электрический диполь, а также дешифратор адреса и команд и управляемый формирователь несущих частот. Кроме того, приемопередатчик забойных параметров также содержит дешифратор адреса и команд и управляемый формирователь несущих частот. Устройство функционирует при помощи электромагнитных волн, создаваемых электрическими диполями, и распространяющимися по линии связи, образованной обсадными и буровыми трубами с ретрансляторами, а также окружающими скважину горными породами, к наземному оборудованию 25, включающему приемную антенну 26, приемопередатчик 27 и формирователь 28 команд.
На фиг 10 представлена функциональная схема ретранслятора. Каждый ретранслятор содержит электрический диполь 23, приемопередатчик 29, дешифратор 30 адреса и команд и управляемый формирователь 31 несущих частот. Входы - выходы электрического диполя 23 подключены к первым входам - выходам приемопередатчика 29, а его выход соединен с входом дешифратора адреса и команд, выход которого переключен ко входу управляемого формирователя несущих частот, а его выход соединен с входом приемопередатчика.
Приемопередатчик забойных параметров построен по такой же функциональной схеме.
Электрические диполи 23 электрически не соединены с обсадными трубами 19 и выполнены из буровых труб, предварительно покрытых снаружи слоем 24 электроизоляционного материала с возможностью изменения их длины за счет изменения количества используемых буровых труб с электроизоляционным покрытием, при этом длина диполей для случая пластов с аномально низким УЭС превышают толщину пластов более, чем в 1,2 раза
Разделение полюсов электрического диполя и ввод возбуждающего тока может быть выполнен с помощью диэлектрической разделительной вставки 32, как показано на фиг. 10, либо посредством тороидальных катушек, что не меняет сущности изобретения и технического результата.
Практически нанесение электроизоляционного слоя может производится в полевых условиях или на трубных базах, например, с помощью машинки для ленточной изоляции трубопроводов «МИГ-219» с производительностью 400 метров в час.
Для изоляции могут быть использованы ленты на основе полиэтилена или поливинилхлорида, армированные стеклосеткой типа «Литкор-НК», или на основе битумно-полимерных материалов в комплексе с радиационно сшитой термически усаживаемой лентой типа «Политерм».
Устройство для мониторинга скважинных забойных параметров работает следующим образом.
После установки в скважине приемопередатчика 21 (фиг. 9) забойных параметров и ретрансляторов 22 из наземного оборудования 25 с посредством формирователя 28 команд и приемопередатчика 27 дается команда на их включение и проверку работоспособности системы связи. При положительном результате даются, команды на установку значений несущих частот, определенных на этапе математического моделирования, для приемопередатчика 21 забойных параметров и каждого ретранслятора 22. Электрические диполи 23, находящиеся в режиме приема, воспринимают сигналы команд, которые далее поступают на входы приемопередатчиков 29 (фиг. 10), где усиливаются, фильтруются от помех и поступают на входы дешифраторов 30 адреса и команд, с помощью которых выделяется та команда, которая была адресована именно этому устройству. Выделенные команды поступают на вход управляемых формирователей 31 несущих частот, которые вырабатывают электрические колебания с заданной частотой, поступающие на входы приемопередатчиков 29 и используемые для их модуляции (манипуляции), например, фазоразностной, информационными сигналами забойных параметров.
После установки несущих частот система связи устанавливается в режим мониторинга, при этом сигналы забойных параметров, такие как давление, температура, состав притока и другие, поступающие отдатчиков (на фиг. 9, 10 не показаны), подаются на приемопередатчик 21, преобразуются в цифровой вид, формируются в пакеты фазоманипулированных с заданной несущей частотой сигналов, усиливаются по мощности и подаются на электрический диполь 23 для передачи по участку линии связи в первый вышерасположенный ретранслятор 22. Сигнал принимается электрическим диполем 23 ретранслятора 22 и поступает на приемопередатчик 29 (фиг. 10), где в приемной его части усиливается, очищается от помех, демодулируется, преобразуясь в цифровой вид, а затем в передающей части приемопередатчика 29 модулирует несущие электрические колебания с установленной для этого ретранслятора частотой, поступающие из управляемого формирователя 31 несущих частот. Фазоманипулированные сигналы с новой несущей частотой усиливаются по мощности и подаются на электрический диполь 23 для передачи в следующий ретранслятор. Такие преобразования сигналов производятся на остальных участках линии связи с ретрансляторами до достижения ими приемной антенны 26 наземного оборудования 25, где сигналы ею принимаются, подаются на приемопередатчик 27, усиливаются, очищаются от помех и демодулируются, преобразуясь в цифровой вид, после чего могут подаваться на компьютерные средства обработки и анализа цифровой информации.
На фиг. 11 представлен пример осуществления изобретения со следующими задаваемыми исходными данными:
а) глубина скважины 7000 метров;
б) геоэлектрический разрез представлен в таблице фиг. 11 с указанием продольных УЭС ( пластов горных пород и их толщины (h), границ 33 между ними и глубин залегания;
в) максимальный объем передаваемой информации о забойных параметрах за одну посылку - 96 бит;
г) максимальное количество ретрансляторов - 4;
д) длина электрических диполей - 100 метров, ток возбуждения передающих диполей - 10 А;
е) используются стальные обсадные и буровые трубы с размерами:
- наружный диаметр обсадных труб - 194 мм, толщина стенки 10,9 мм, длина 10 метров;
- наружный диаметр буровых труб - 89 мм, толщина стенки - 11,4 мм, длина 10 метров;
ж) скважина заполнена жидкостью с УЭС равным 1 Омм;
з) информационная характеристика системы связи - время задержки сигнала на пути от приемопередатчика забойных параметров до наземного оборудования;
и) требуемое значение информационной характеристики - не более 15 секунд.
На основе этих исходных данных создана математическая модель системы связи и выполнено математическое моделирование с определением АЧХ каждого участка линии связи, ширины полос пропускания, значений несущих частот для каждого из участков линии связи, при этом рассчитывались скорости (N) передачи данных на каждом из участков линии связи и времени (t) задержки сигналов по формуле:
где V - объем передаваемой информации, бит.
cyмм
Затем путем суммирования задержек по всем участкам линии связи определялась суммарная задержка сигнала t, которая сравнивалась с требуемым значением (не более 15 с). Для выполнения этого условия изменялись параметры линии связи, а именно расстояние между приемопередатчиком 21 забойных параметров и вышерасположенным ретранслятором в интервале глубин 5000-7000 метров с горизонтально слоистой средой, расстояние между ретрансляторами в интервале глубин 2000-4000 метров, расстояние между последним ретранслятором и наземным оборудованием (на фиг. 11 не показано) в интервале 0-1000 метров. Изменялось также взаимное-расположение электрических диполей ретрансляторов относительно пласта с аномально низким УЭС (0,1 Омм) в интервале глубин 1000-2000 м и пласта с аномально высоким УЭС (1000 Омм) в интервале глубин 4000-5000 м.
Для горизонтально-слоистых сред (интервалы глубин 0-1000 метров, 2000-4000 метров и 5000-7000 метров) скорости передачи определялись по зависимостям, приведенным на фиг. 8, а для интервала глубин 1000-2000 метров с пластом низкого УЭС и интервала глубин 4000-5000 метров с пластом высокого УЭС - по зависимостям, приведенным на фиг. 7 и фиг. 5 соответственно.
В процессе оптимизации параметров линии связи было получено значение времени задержки сигнала, равное 14,28 секунд, что удовлетворяет заданному требованию при числе ретрансляторов равным 4.
На фиг. 11 представлена оптимальная расстановка ретрансляторов относительно друг друга и пластов геоэлектрического разреза. В правой колонке для рассмотренных интервалов глубин приведены скорости передачи данных, время задержки сигнала на данном интервале глубин и суммарное время задержки.
Следует отметить, что скорость передачи данных в зависимости от интервала глубин меняется от 11 до 293 бит/с, что позволяет получить относительно небольшую для скважины глубиной 7000 метров временную задержку сигнала.
Также, учитывая, что скорость передачи N численно равна значению несущей частоты сигнала, как пояснялось выше, то эта информация используется для задания значений несущих частот приемопередатчикам ретрансляторов и приемопередатчику забойных параметров устройства для мониторинга скважинных забойных параметров, как было описано выше.
Сравнение полученных результатов с результатами, которые могли быть получены для описанных условий способом и устройством - прототипом, выявило следующее:
- скорость передачи данных у прототипа для таких геоэлектрических условий составляет около 1 бит/с, поэтому задержка сигнала только в призабойной зоне в интервале глубин 5000-7000 метров составило бы 96 секунд, что в 11 раз больше полученного нами результата;
- дальность связи у прототипа ограничивается в этих условиях 2000-2500 метров, что исключает возможность работы в глубоких скважинах;
- использование для устранения этих недостатков обсадных труб с электроизоляционным покрытием на протяженных участках ствола скважины было бы экономически нецелесообразно.
Таким образом, техническим результатом предлагаемых изобретений является создание системы связи с требуемыми информационными характеристиками: пропускной способностью, скоростью передачи данных, дальностью связи и другими.