СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR INFORMATION TRANSMISSION VIA ELECTROMAGNETIC COMMUNICATION CHANNEL AT OPERATION OF WELL, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предположенная группа изобретений относится к области передачи забойной информации из скважины на поверхность по электромагнитному каналу связи и может быть использована для каротажа в процессе эксплуатации.
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 без забойного (скважинного) 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, приор. 02.02.2010, публ. 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 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 (приемный электрод) 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, 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, что усложняет конструкцию электрического диполя.
Отдаленность от устья скважины заземляющего электрода ослабляет сигнал, который проходит сквозь породу с различными геологическими свойствами, при этом сигнал может пропадать (в соляных пропластках) и искажаться при прохождении слабо проводящих пластов и надежность связи падает.
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 по электромагнитному каналу связи при эксплуатации скважины, включающем возбуждение 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, коммутацию диэлектрической вставки, разделяющей металлическую колонну в скважине на верхнюю и нижнюю части, и получение информации с забоя скважины в зависимости от пульсаций, вызванных коммутацией диэлектрической вставки, в качестве приемного электрода используют другую колонну металлических труб, спущенных в эту скважину, и создают 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, необходимого для стабилизации постоянного тока наземного генератора (источника стабилизированного тока) при изменении эффективного значения сопротивления металлической колонны, вызванного коммутацией диэлектрической вставки. В качестве приемного электрода используют, например, металлическую насосно-компрессорную трубу (НКТ), в которой концентрично установлена металлическая колонна с диэлектрической вставкой.
Заявляется устройство для реализации способа, содержащее наземный генератор, подключенный одним контактом к наземной части металлической колонны, а другим контактом - к приемному электроду на поверхности скважины, 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 контактами установлен блок регистрации изменения напряжения этого тока, кроме того, в качестве приемного электрода использована другая колонна металлических труб, спущенных в эту скважину, например, НКТ, в которой концентрично установлена металлическая колонна, например, колонна полых металлических штанг с диэлектрической вставкой. Верхняя часть металлической колонны и НКТ изолированы друг от друга.
На фигуре представлено устройство для реализации способа.
Суть способа. При эксплуатации скважины внутрь металлической НКТ спускают колонну полых металлических штанг, на которой в приза-бойной зоне устанавливают глубинный насос для откачки флюида. В процессе эксплуатации необходимо получать информацию о состоянии приза-бойной зоны, например, с помощью электромагнитного канала связи. Для этого, на поверхности с помощью источника стабилизированного тока, подключенного одним контактом (зажимом) к наземной части металлической колонны, которой может быть колонна полых металлических штанг, а другим контактом (зажимом) - к приемному электроду на устье, в качестве которого используют другую металлическую трубу, например НКТ, в скважину подают постоянный ток, стабилизированный по величине, который, проходя по металлической колонне (колонне полых металлических штанг), разделенной диэлектрической вставкой, генерирует электромагнитное поле, создающее 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 приемным электродом (другой металлической колонной) источника стабилизированного тока и металлической колонной с диэлектрической вставкой. 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 (на фиг. 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. Металлическая колонна штанг и металлическая колонна НКТ в верхней части электрически разделены.
Реализация способа может быть осуществлена представленным устройством.
Устройство содержит источник стабилизированного тока 1, подключенный одним контактом 2 к наземной части колонны металлических полых штанг (металлической колонны) 3, а другим контактом - к приемному электроду 4 металлической НКТ 5 (другая металлическая колонна), в которой концентрично установлена колонна металлических полых штанг 3. Между указанными контактами установлен блок регистрации изменения напряжения, например, дифференциальный вольтметр 6. Металлическая колонна 3 в скважине разделена диэлектрической вставкой 7 на верхнюю часть и нижнюю часть, которые замыкаются/размыкаются ключом 8. В призабойной зоне к металлической колонне 3 присоединен глубинный насос 9 для откачки флюида. На устье скважины металлическая колонна 3 и НКТ 5 разделены сальником 10 из диэлектрического материала. Поз. 11 - скребок-центратор из диэлектрика. Пунктирной линии показана создаваемая электрическая цепь.
Наземный генератор 1 вырабатывает постоянный стабилизированный по величине ток, который, проходя по металлической колонне 3, разделенной диэлектрической вставкой 7, генерирует электромагнитное поле, которое создает разность потенциалов между металлической колонной 3 и изолированной ее верхней частью.
При замыкании ключа 8 эффективная проводимость возрастает и напряжение источника стабилизированного тока (наземный генератор) 1 падает, что и регистрируется дифференциальным вольтметром 6, подключенным к контактам 2 и 4 указанного источника тока. При этом изменение разности потенциалов оказывается модулированным соответствующим образом кодированным сигналом (информацией). Поскольку на устье скважины установлен сальник 10 из диэлектрического материала, а в скважине в верхней части металлической колонны размещен скребок-центратор 11 (может быть несколько штук) из диэлектрика, то металлическая колонна штанг 3 и металлическая колонна НКТ 5 электрически разделены, кроме того, между указанными колоннами в скважине находится добываемая жидкость, электропроводность которой очень мала.