СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СВЯЗИ СКВОЗЬ ОБСАДНУЮ КОЛОННУ
METHODS AND DEVICES FOR COMMUNICATION THROUGH CASING STRING

Изобретение относится к способам и устройствам для установления беспроводной связи между устройством, находящимся внутри обсадной колонны, и датчиком или блоком датчиков, находящимся снаружи обсадной колонны. В частности изобретение применимо к использованию таких способов и устройств в нефтяных и газовых скважинах и т.п. либо на поверхностных или подземных трубопроводах.
Блок датчиков может содержать измерительное устройство со связанной с ним электроникой, включающей в себя схемы, например преобразователи, усилители, батарею и микроконтроллер, и соединенное с антенной для линии связи и подачи питания. Изобретение касается, в частности, измерения давления в пластах, окружающих ствол скважины, но предлагаемый метод применим к любому типу измерений параметров пласта, например, электрического удельного сопротивления, акустических параметров, содержания химических веществ и т.д.
В типичной нефтяной или газовой скважине ствол скважины обсажен стальной обсадной колонной для обеспечения физической поддержки с целью предотвращения повреждения ствола скважины, а также обеспечения зональной изоляции и предотвращения гидравлического сообщения между отдельными слоями через ствол скважины. Хотя стальная обсадная колонна очень эффективна в этом приложении, она образует препятствие похождению электромагнитных сигналов, идущих между внутренним пространством ствола скважины и пространством снаружи обсадной колонны. Такие сигналы часто используют в открытых (необсаженных) стволах скважин для оценки пласта, окружающего ствол скважины, а в частности используют в методах выявления присутствия углеводорода или воды. Поскольку существует препятствие, создаваемое стальной обсадной колонной, предшествующие методы измерений, позволявшие «видеть» сквозь обсадную колону, были основаны на неэлектромагнитных методах, например акустических и ядерных измерениях. Недавно были предложены некоторые электрические методы, которые можно использовать в присутствии стальной обсадной колонны. Один метод измерения электрического удельного сопротивления пласта снаружи обсадной колонны предусматривает размещение отстоящих друг от друга электродов в контакте с внутренним пространством обсадной колонны и измерение тока утечки в пласт как тока, проходящего по обсадной колонне между электродами. Другой метод описан в патенте США №5038107, согласно которому проводят измерение индукции, размещая в стволе скважины устройство, которое осуществляет магнитное насыщение обсадной колонны, измеряя при этом индукцию на частоте примерно 2 кГц изнутри обсадной колонны.
Этот последний метод основан на том факте, что магнитная проницаемость стали в поле переменного тока снижается до малого значения (по существу, единицы) при магнитном насыщении. Таким образом, сигнал измерения индукции может выходить из ствола скважины в пласт и может быть обнаружен и измерен снова в стволе скважины, несмотря на присутствие обсадной колонны.
В последние годы стал желательным долгосрочный мониторинг скважин. Чтобы его осуществить, предлагается размещать датчики снаружи обсадной колонны в стволе скважины возможно с заглублением на некоторое расстояние в пласт вокруг ствола скважины. В патентах США №№6234257 и 6070662 описаны методы установки датчика в пласт в открытой или в обсаженной скважине. Потом этот датчик можно опрашивать посредством антенны, осуществляющей связь с опрашивающим скважинным устройством.
Ввиду трудности связи сквозь обсадную колонну также предложено прокладывать электрические кабели снаружи обсадной колонны для обеспечения связи и подачи питания между поверхностью и датчиком. Такие методы предложены в патентах США №№5467823 и 5642051. Однако установка внешних кабелей считается трудной, потому что они подвержены повреждениям и дорого стоят. Если кабель оказывается поврежденным, то связь с датчиками становится невозможной. Другие подходы предусматривают использование неэлектропроводной обсадной колонны (патент США №6515592) или обеспечение неэлектропроводных окон в обсадной колонне для обеспечения электромагнитной связи между внутренним пространством обсадной колонны и пространством снаружи нее (патент США №6426917). Эти подходы также считаются усложненными и трудно осуществимыми. В международной публикации WO 01/62069 описано устройство электропитания для подачи электропитания и осуществления связи внутри первой трубной конструкции. В патенте США №6480000 описано устройство для измерения электрического удельного сопротивления и наблюдения за ним в геологическом пласте.
Хотя проблемы, рассмотренные выше, представлены в связи с обсадной колонной ствола скважины, аналогичные вопросы возникают в связи с колоннами насосно-компрессорных труб, расположенными внутри обсаженного ствола скважины. Поскольку колонна насосно-компрессорных труб является стальной, аналогичные трудности испытываются при осуществлении связи из пространства внутри колонны насосно-компрессорных труб с пространством снаружи колонны насосно-компрессорных труб, находящимся внутри обсадной колонны. Предложено размещать датчики также и в этом пространстве. В этой заявке термины «колонна обсадных труб» и «колонна насосно-компрессорных труб» употребляются как синонимы, если не указано иное.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать метод, который обеспечивает расположение датчиков снаружи обсадной колонны с одновременным обеспечением связи внутри обсадной колонны с устранением проблем, характерных для уже известных из уровня техники методов. Эта цель достигается изобретением за счет магнитного насыщения обсадной колонны у датчика с целью обеспечения пропускания электромагнитных сигналов снаружи обсадной колонны и внутри обсадной колонны. Беспроводная линия связи гарантируется посредством электромагнитной связи между двумя антеннами, соответственно размещенными в блоке датчиков и опрашивающем скважинном устройстве, и посредством системы для магнитного насыщения обсадной колонны, которое допускает распространение электромагнитных сигналов сквозь стальную обсадную колонну.
Первый аспект изобретения предусматривает способ пропускания электромагнитного сигнала сквозь обсадную колонну, заключающийся в том, что располагают устройство, например скважинное устройство, спускаемое по проводной линии, внутри обсадной колонны, используют это устройство для магнитного насыщения обсадной колонны, передают электромагнитный сигнал из указанного устройства снаружи обсадной колонны и обнаруживают электромагнитный сигнал из пространства снаружи обсадной колонны, на указанном устройстве, отличающийся тем, что этот способ дополнительно предусматривает прием сигналов в пластовом датчике, находящемся снаружи обсадной колонны, и передачу из этого датчика электромагнитного сигнала, обнаруживаемого в указанном устройстве.
Второй аспект изобретения обеспечивает способ мониторинга подземного пласта, окружающего обсаженный ствол скважины, заключающийся в том, что располагают пластовый датчик в пласте снаружи обсадной колонны, измеряют параметр пласта с использованием пластового датчика, располагают пластовый датчик в пласте снаружи обсадной колонны, располагают устройство внутри обсадной колонны около пластового датчика и передают измеренный параметр из пластового датчика в указанное устройство с использованием способа в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения.
Третий аспект изобретения обеспечивает устройство для пропускания электромагнитного сигнала сквозь обсадную колонну, содержащее корпус устройства, который выполнен с возможностью расположения внутри обсадной колонны, средство для магнитного насыщения обсадной колонны в окрестности указанного устройства, передатчик для передачи электромагнитного сигнала из устройства снаружи обсадной колонны для приема в пластовом датчике, находящемся снаружи обсадной колонны, и детектор для обнаружения электромагнитного сигнала в указанном устройстве снаружи обсадной колонны, отличающееся тем, что детектор выполнен с возможностью приема сигнала, передаваемого из пластового датчика, находящегося снаружи обсадной колонны.
Пластовый датчик может быть выполнен с возможностью его опрашивания и подачи на этот датчик электропитания посредством антенны, которая может осуществлять связь с опрашивающим устройством, в течение длительного периода после размещения в пласте или снаружи обсадной колонны. Передатчик включает в себя антенну и связанную с ней электронику для генерирования электромагнитных сигналов. Детектор включает в себя антенну и связанную с ней электронику для декодирования сигналов.
Четвертый аспект изобретения обеспечивает систему для пропускания электромагнитного сигнала сквозь обсадную колонну, содержащую устройство в соответствии с третьим аспектом изобретения и один или более пластовых датчиков, находящихся снаружи обсадной колонны, для приема сигнала, передаваемого из устройства, и для передачи сигнала в указанное устройство.
Средство для магнитного насыщения обсадной колонны предпочтительно содержит магнитный сердечник, обладающий высокой магнитной проницаемостью, выполненный с возможностью расположения рядом с обсадной колонной и возбуждения посредством электрической катушки. Магнитный сердечник предпочтительно расположен в обсадной колонне с возможностью фокусирования магнитного потока по направлению к обсадной колонне.
Вокруг магнитного сердечника может быть расположена опрашивающая антенна для передачи и/или приема электромагнитных сигналов. Эти сигналы, как правило, имеют частоты, находящиеся в диапазоне 1-10 кГц.
Электромагнитный сигнал, передаваемый с антенны устройства, также можно использовать для обеспечения электропитания электроники датчика.
Пластовые датчики могут быть расположены в пласте, окружающем ствол скважины, в котором находится обсадная колонна, или в дополнительной обсадной колонне, обсаживающей ствол скважины, в котором находится обсадная колонна (колонна насосно-компрессорных труб). Пластовые датчики могут представлять собой одиночные датчики, блоки датчиков, системы датчиков или микросистемы, в зависимости от приложения.
Можно реализовать метод, предложенный в патенте США №6234257, чтобы внедрить пластовый датчик в пласт, окружающий открытую скважину. Обсадную колонну устанавливают и цементируют после размещения датчика. Преимущество способа насыщения обсадной колонны, подробно описываемого здесь, заключается в том, что можно гарантировать линию связи с пластовым датчиком сквозь обсадную колонну без какой-либо модификации соединения обсадных труб. Это громадное преимущество по сравнению с другими методами, например, требующими сверления отверстия в обсадной колонне или проделывания неэлектропроводных щелей в обсадной колонне.
В альтернативном варианте можно реализовать метод, предложенный в патенте США №6070662, чтобы внедрить блок датчиков сквозь обсадную колонну в окружающий пласт. В этом случае обсадную колонну устанавливают и цементируют после размещения датчика. Преимущество способа насыщения обсадной колонны, подробно описываемого здесь, заключается в том, что можно гарантировать линию связи с пластовым датчиком сквозь обсадную колонну без какой-либо модификации соединения обсадных труб. Это громадное преимущество по сравнению с другими методами, например, требующими сверления отверстия в обсадной колонне или проделывания неэлектропроводных щелей в обсадной колонне.
Теперь изобретение будет описано в связи с прилагаемыми чертежами, причем:
на фиг.1 показано схематическое изображение системы в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
на фиг.2 показан график кривой намагничивания для стали;
на фиг.3 показано более подробное изображение системы в соответствии с вариантом осуществления согласно фиг.1; и
на фиг.4 показан дополнительный вариант осуществления изобретения для применения в колонне насосно-компрессорных труб.
В этом изобретении предложен способ установления беспроводной линии связи между пластовыми датчиками, находящимися снаружи обсадной колонны (или колонны насосно-компрессорных труб) скважины и опрашивающим устройством, который находится внутри обсадной колонны (или колонны насосно-компрессорных труб). Вариант осуществления предложенной системы основан на распространении электромагнитных волн, накладываемом на магнитное насыщение обсадной колонны в поле постоянного тока с тем, чтобы уменьшить затухание электромагнитной волны. За счет магнитного насыщения металла обсадной колонны его магнитная проницаемость в поле переменного тока снижается до малого значения, как правило, близкого к единице, и возникает возможность распространения высокочастотных электромагнитных волн сквозь эту колонну. Этот способ можно использовать для активации связи и электропитания устройства, которое постоянно находится в контакте с пластом, имеет встроенную электронику и пластовые датчики и размещено снаружи обсадной колонны (или колонны насосно-компрессорных труб) скважины.
Этот способ применим для различных типов пластовых датчиков. Различные пластовые датчики могут включать измерения электрического удельного сопротивления, содержания химических веществ, механического напряжения и деформации в обсадной колонне. Осуществление системы беспроводной связи обеспечивает развертывание датчиков подземных пластов без ограничений, накладываемых кабелями, и без модификации обсадной колонны.
Применения изобретения охватывают различные области такие, как разведка и добыча нефти и газа, тестирование и оценка скважин, хранение воды, хранение газа и подземные захоронения отходов.
Предлагаемая система обеспечивает метод осуществления связи с системами постоянных датчиков, находящихся вне обсадной колонны скважины, без присутствия кабелей и без какой-либо модификации обсадной колонны. Беспроводная линия связи гарантируется за счет электромагнитной связи между двумя антеннами, соответственно находящимися в блоке датчиков и в опрашивающем устройстве. Блок датчиков находится в пласте, а опрашивающее устройство находится внутри обсадной колонны скважины. Опрашивающее скважинное устройство имеет средство для магнитного насыщения обсадной колонны в своей окрестности, вследствие чего становится осуществимой передача накладывающихся электромагнитных волн.
Принцип системы иллюстрируется на фиг.1. Хотя для достижения насыщения обсадной колонны можно применять многие технологии, метод, описываемый в связи с фиг.1, является предпочтительным. Катушка 10 установлена вокруг центрального сердечника 12, обладающего высокой магнитной проницаемостью. К катушке 10 из генератора 13 тока прикладывается ток высокого уровня, что приводит к появлению магнитного потока, обладающего большой амплитудой, в сердечнике 12 и в обсадной колонне 14. Это предпочтительно является постоянным током. Упомянутый магнитный поток циркулирует в сердечник 12 и обсадную колонну 14. Зазор между сердечником 12 и обсадной колонной 14 предпочтительно минимизирован за счет использования особой геометрии сердечника для фокусирования потока по направлению к обсадной колонне 14. Когда обсадная колонна 14 насыщается, ее магнитная проницаемость снижается до малого значения, близкого к единице.
Магнитная проницаемость задается отношением плотности магнитного потока к напряженности поля. Для лучшего понимания на фиг.2 показана нелинейность магнитной проницаемости стали. Магнитная проницаемость стали изменяется в зависимости от величины магнитного потока, который возбуждается сквозь нее. Затухание электромагнитных волн, идущих сквозь металл, определяется главным образом формулой глубины проникновения поля, которая в основном соответствует расстоянию проникновения. Глубина δ проникновения поля задается формулой
здесь ω обозначает угловую частоту волн, µ - магнитная проницаемость, а σ - удельная электрическая проводимость обсадной колонны. Благодаря своей магнитной проницаемости и своей высокой удельной электрической проводимости, обсадная колонна классически работает как препятствие для электромагнитных волн.
В нижеследующей таблице приведены значения глубин проникновения поля для различных значений диапазонов частот и магнитной проницаемости стали.
Глубина проникновения поля для различных значений магнитной проницаемости стали и частот сигналов
Удельная электрическая проводимость стали (См/м)
0,10 кГц
1,0 кГц
10 кГц
20 кГц
100 кГц
Магнитная проницаемость стали
2·10<sup>6</sup>
3,6 мм
1,1 мм
0,4 мм
0,3 мм
0,1 мм
100,0
2·10<sup>6</sup>
11,3 мм
3,6 мм
1,1 мм
0,8 мм
0,4 мм
10,0
2·10<sup>6</sup>
35,6 мм
11,3 мм
3,6 мм
2,5 мм
1,1 мм
1,0
В магнитно-насыщенном состоянии проницаемость в поле переменного тока снижается до единицы и поэтому глубина проникновения поля значительно увеличивается. Следовательно, глубина проникновения электромагнитных волн в стали увеличивается.
За счет наложения высокочастотных электромагнитных волн на мощный магнитный поток поля постоянного тока достигается передача электромагнитных волн. Можно установить линию связи между двумя антеннами, разделенными металлической обсадной колонной. Эта линия связи будет способной работать на более высоких частотах и с меньшим затуханием, чем при отсутствии насыщения обсадной колонны.
6
В случае настоящего изобретения опрашивающая антенна 16, как правило, выполненная в форме дополнительной катушки на сердечнике 12, выдает высокочастотный сигнал. При удельной электрической проводимости обсадной колонны порядка 2×10 См/м, рабочая частота может находиться в диапазоне 1-10 кГц, чтобы оказалось возможным проникновение сквозь толщину обсадной колонны, в классическом случае составляющую порядка половины дюйма. Оптимальную частоту для передачи можно задать в соответствии с магнитными и электрическими свойствами обсадной колонны. Эти свойства могут значительно изменяться от скважин к скважинам, так что весьма желательна программируемая частота. В случае высокочувствительных антенн и усложненной электроники можно воспользоваться частотой свыше 10 кГц. Сигнал, формируемый антенной 16, проходит сквозь обсадную колонну 14, слой цемента 17, расположенный вокруг обсадной колонны 14, и пласт 18, расположенный вокруг обсаженного ствола скважины, в пластовый датчик 20.
Пластовый датчик 20 является миниатюризированным и интегральным устройством, которое постоянно развернуто в подземном пласте 18, окружающем ствол скважины со встроенными датчиками и специализированной электроникой. Пластовый датчик 20 содержит чувствительные элементы 22, платформу 24 электроники внутри защитного кожуха 26 и антенну 28 связи.
Пластовый датчик 20 является автономным и обладает встроенными функциональными возможностями для осуществления специализированных задач, таких как сбор данных, внутреннее сохранение данных и связь с опрашивающим устройством в соответствии с изобретением.
На фиг.3 показан вариант осуществления системы для беспроводного опрашивания пластового датчика, находящегося вне обсадной колонны.
Скважинное устройство 40 оснащено системой для магнитного насыщения обсадной колонны. Предпочтительная система основана на генерировании магнитного потока, который достаточно мощен для насыщения обсадной колонны 42 в окрестности системы. Магнитное насыщение можно достичь посредством одной или нескольких катушек 44, установленных вокруг магнитного сердечника 46 внутри устройства. Для возбуждения катушек требуется электроника большой мощности. Электроника возбуждения преимущественно заключена в скважинном устройстве. Требуемая электрическая энергия передается с поверхности в электронику скважинного устройства через классическую проводную линию. Скважинное устройство предпочтительно оснащено контактными площадками 48 для облегчения передачи потока внутри обсадной колонны. Скважинное устройство оснащено антенной 50, возможно также установленной вокруг того же магнитного сердечника 46, обладающего высокой магнитной проницаемостью, что гарантирует линию электромагнитной связи с антенной пластового датчика.
Когда устройство расположено близко к пластовому датчику 20, электромагнитная связь между двумя антеннами 50, 28 сквозь обсадную колонну 14 действует и гарантирует беспроводную связь. Данные, собираемые пластовым датчиком 20, передаются в устройство 40 и посылаются кверху скважины для последующего анализа.
Тот же способ можно использовать для реализации линии связи и подачи электропитания. Беспроводная подача электропитания устраняет необходимость встраиваемой батареи в пластовом датчике. В альтернативном варианте в пластовом датчике можно предусмотреть встраиваемую батарею, чтобы проводить цейтраферные измерения между теми интервалами времени, в которые происходит опрашивание пластового датчика.
Подачу электропитания можно использовать для переустановки батареи в пластовом датчике.
Пластовый датчик 20 можно развертывать в пласте вокруг открытой скважины перед размещением в ней обсадной колонны, применяя способ, аналогичный тому, который описан в патенте США №6234257. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения (показанному на фиг.4), пластовый датчик 30 можно развертывать в обсаженном стволе 60 скважины перед размещением в ней колонны 62 насосно-компрессорных труб, применяя способ, аналогичный тому, который описан в патенте США №6070662.
В этом случае предложенный способ обеспечивает установление беспроводной связи с пластовым датчиком 30, находящимся снаружи колонны 62 насосно-компрессорных труб скважины, как показано на фиг.4. В этой конфигурации беспроводную линию связи устанавливают путем насыщения колонны 62 насосно-компрессорных труб в непосредственной близости к пластовому датчику 30. Вследствие этого становится возможным считывание показаний пластового датчика сквозь колонну насосно-компрессорных труб.
Способ, соответствующий изобретению, можно распространить на связь по любым металлическим трубам, предпочтительно находящимся в скважине, а также на трубы, находящимся на поверхности.
Предложенный способ можно применять в режиме каротажа посредством устройств, спускаемых по проводной линии, для периодического считывания показаний датчиков, как описано выше, или для работы в непрерывном режиме, при этом опрашивающее устройство постоянно установлено в скважине и связано с поверхностным регистрирующим блоком.