СПОСОБЫ, УСТРОЙСТВО И СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ФОРМАЦИИ С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКОВ, УСТАНОВЛЕННЫХ НА ОБСАДНОЙ ТРУБЕ В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ
METHODS, DEVICE AND SYSTEMS FOR RECEIVING OF INFORMATION ABOUT GEOLOGICAL FORMATION BY MEANS OF SENSORS, INSTALLED ON CASING PIPE IN BOREHOLE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам, устройству и системам для получения информации о геологической формации или о стволе скважины, проходящем через геологическую формацию. Изобретение, в частности, относится к способам, устройству и системам для обмена информацией и электроэнергией между скважинным прибором-запросчиком в обсаженной скважине и датчиками, установленными на обсадной трубе.
Предшествующий уровень техники
Добыча нефти и природного газа из геологической формации обычно осуществляется бурением скважин сквозь подземные формации для получения доступа к содержащим углеводороды зонам и последующим применением методик добычи для доставки углеводорода на поверхность по пробуренным скважинам. Для предотвращения обрушения скважин их нередко оборудуют стальными трубами, называемыми обсадными трубами или хвостовиками и цементируемыми к стенке скважины. После их установки обсадные трубы и хвостовики исключают непосредственный доступ к формации и поэтому мешают измерению важных свойств формации, таких как давление и удельное сопротивление флюида, или исключают возможность такового измерения. По этой причине каротаж стволов скважин обычно выполняется до установки на месте обсадной колонны.
Чтобы оптимизировать эксплуатацию пласта, очень желательно непрерывно следить за температурой, давлением и другими параметрами геологической формации на разной глубине скважины на постоянной основе в течение большей части времени срока эксплуатации скважины. Ценные сведения о целостности ствола скважины можно получать путем непрерывного мониторинга таких параметров, как угол наклона скважины и толщина обсадной трубы. Обычный способ такового мониторинга заключается в установке датчиков снаружи обсадной трубы, взаимное соединение датчиков по проводам для обеспечения телеметрии и электроэнергии от поверхности геологической формации и в цементировании датчиков и проводов на месте. Такого вида система описывается в патенте США №6378610, Rayssiguier и др. Эта система имеет многочисленные очевидные недостатки, такие как усложнение установки обсадной трубы и невозможность замены вышедших из строя компонентов. Еще одна система мониторинга раскрыта в патентной заявке США №2001/0035288, Brockman и др., которая раскрывает средство для обмена информацией и электроэнергией по стенке обсадной трубы через индуктивные связующие элементы. Но для этих элементов связи требуется значительная модификация обсадной трубы, и их невозможно установить на месте. Согласно патенту США №6070662, Ciglenec и др., раскрыто средство для осуществления связи с датчиком, установленным в геологической формации, но для этого технического решения требуется, чтобы датчик был установлен на месте до установки обсадной трубы. Патент США №6443228, Aronstam и др., описывает средство обмена информацией и электроэнергией между устройствами во флюиде скважины и устройствами, установленными в стенке ствола скважины, но в этом техническом решении не учитываются проблемы, обусловленные присутствием обсадной трубы или хвостовика.
Сущность изобретения
Таким образом, задача изобретения состоит в обеспечении устройства, способов и систем для получения информации о геологической формации или проходящего через нее ствола скважины.
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способов, устройства и систем для обмена информацией и электроэнергией между запросчиком в обсаженной скважине и датчиками, установленными на обсадной трубе.
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способов, устройства и систем для передачи информации между запросчиком в скважине и датчиком, установленным на обсадной трубе, с помощью проводов и без значительного изменения обсадной трубы.
Согласно задачам изобретения обеспечиваются запросчик и первичный преобразователь. Первичный преобразователь (который либо устанавливается на внешней поверхности обсадной трубы или хвостовика до установки обсадной трубы в скважине, или вставляется в открытый вырез в обсадной трубе после цементирования обсадной трубы на месте) содержит корпус и датчик с соответствующими электронными схемами. Запросчик находится внутри (и выполнен с возможностью перемещения внутри) ствола скважины. Согласно одному из вариантов осуществления запросчик, по сути, является тороидальным трансформатором, имеющим удлиненное проводящее тело, окруженное сердечником из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеющее обмотку. Первичный преобразователь, устанавливаемый и закрепляемый в отверстии, вырезанном в обсадной трубе, содержит корпус, датчик с соответствующими электронными схемами и электрод. Электрод изолирован от обсадной трубы изолятором, и корпус первичного преобразователя предпочтительно выполнен с возможностью обеспечения гидравлического затвора по отношению к отверстию в обсадной трубе.
Переменный ток, циркулирующий в обмотке тороидального трансформатора, индуцирует магнитный поток в сердечнике трансформатора, в результате чего возникает разность напряжений, создаваемая на противоположных концах проводящего тела. В свою очередь разность напряжений обусловливает протекание тока по меньшей мере в контуре, в состав которого входят проводящее тело трансформатора, скважинный флюид, первичный преобразователь и обсадная труба. Ток, снимаемый электродом, можно выпрямлять внутри первичного преобразователя, чтобы обеспечивать энергию для электронных схем и для датчика. Путем модулирования тока, циркулирующего в обмотке трансформатора запросчика, можно передавать информацию от трансформатора в первичный преобразователь, который выделяет и демодулирует сигнал. Аналогично первичный преобразователь может посылать информацию в запросчик путем модулирования разности напряжений, прилагаемой между электродом первичного преобразователя и обсадной трубой. Ток, индуцируемый в обмотке запросчика, можно демодулировать, чтобы определить передаваемую информацию.
Согласно еще одному варианту осуществления первичный преобразователь и запросчик между собой имеют магнитную связь, действующую, когда первичный преобразователь и запросчик установлены вблизи друг друга. Магнитная связь предпочтительно реализуется по меньшей мере одной соленоидной обмоткой для запросчика (главная ось которого, по существу, параллельна оси ствола скважины) и по меньшей мере одной соленоидной обмоткой для первичного преобразователя (главная ось которого по существу параллельна оси ствола скважины), чтобы тем самым обеспечить между ними межсоединение в виде слабой трансформаторной связи. Запросчик и первичный преобразователь осуществляют беспроводное сообщение друг с другом по магнитной связи.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, когда запросчик находится непосредственно вблизи первичного преобразователя, то переменный ток циркулирует в обмотке запросчика и создает магнитный поток в локальном участке ствола скважины, примыкающем к запросчику и первичному преобразователю. Часть этого потока снимается обмоткой датчика, обусловливая протекание тока по обмотке датчика. Ток, протекающий через обмотку датчика, индуцирует сигнал напряжения на полном сопротивлении нагрузки. Путем модулирования тока, циркулирующего по обмотке запросчика, информацию можно направлять от запросчика в устройство-датчик. Аналогично путем модулирования полного сопротивления нагрузки обмотки устройства-датчика (или путем модулирования тока, циркулирующего в обмотке первичного преобразователя) информацию можно направлять от устройства-датчика в запросчик.
Система согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит множество первичных преобразователей, расположенных по длине обсадной трубы, и по меньшей мере один запросчик, который может также перемещаться по стволу скважины. Способ согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит этапы определения местонахождения множества первичных преобразователей по длине обсадной трубы, перемещения запросчика по обсадной трубе и запросчика для передачи сигнала на первичный преобразователь, и первичного преобразователя для получения информации о геологической формации и беспроводной передачи этой информации в запросчик.
Прочие задачи и преимущества настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники из приводимого ниже подробного описания в совокупности с прилагаемыми чертежами.
Перечень чертежей
Фиг.1 - принципиальная схема варианта осуществления системы данного изобретения в стволе скважины в геологической формации.
Фиг.2 - принципиальная схема, в частичном поперечном сечении, варианта осуществления системы согласно настоящему изобретению, также иллюстрирующая протекание электрического тока в запросчике - в режиме запроса и в первичном преобразователе - в режиме приема.
Фиг.3 - показанная на Фиг.2 принципиальная схема, в частичном поперечном сечении, варианта осуществления системы согласно настоящему изобретению, также иллюстрирующая протекание тока, когда первичный преобразователь находится в режиме передачи, и запросчик находится в режиме приема.
Фиг.4 - принципиальная схема, в частичном поперечном сечении, еще одного варианта осуществления первичного преобразователя согласно настоящему изобретению.
Фиг.5 - принципиальная схема, в частичном поперечном сечении, еще одного варианта осуществления системы согласно изобретению, также иллюстрирующая магнитный поток, формируемый запросчиком во время передачи информации от запросчика в первичный преобразователь.
Фиг.6 - принципиальная схема, в частичном поперечном сечении, показанного на Фиг.5 варианта осуществления системы, также иллюстрирующая магнитный поток, генерируемый первичным преобразователем во время передачи информации от первичного преобразователя в запросчик.
Фиг.7 - принципиальная схема, в частичном поперечном сечении, показанного на Фиг.5 варианта осуществления системы, также иллюстрирующая приводимый в качестве примера метод гидравлической изоляции скважинных флюидов от датчика(ов) и соответствующие электронные схемы первичного преобразователя (и также гидравлической изоляции скважинных флюидов от геологической формации).
Фиг.8 - принципиальная схема, в частичном поперечном сечении, еще одного варианта осуществления первичного преобразователя согласно изобретению.
Фиг.9 - принципиальная схема еще одного альтернативного варианта осуществления системы согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
На Фиг.1 показано схематическое изображение типичной нефтедобывающей установки. Вышка 10 показана над геологической формацией 11. Через геологическую формацию проходит ствол скважины 13, по меньшей мере по части которой проходит обсадная труба 12. Обсадная труба 12 содержит флюид 16, который может содержать, например, буровой раствор или пластовый флюид(ы). От вышки 10 или от лебедки (не показана) в обсадную трубу проходит скважинное устройство 18.
Один из вариантов осуществления системы изобретения 20 согласно Фиг.1 содержит запрашивающее устройство или запросчик 23, связанный со скважинным устройством 18 или с его частью, и первичный преобразователь 27. Согласно этому варианту осуществления запросчик 23 выполнен с возможностью перемещения внутри обсадной трубы 12 ствола скважины, при этом первичный преобразователь 27 обычно прикреплен к обсадной трубе 12, согласно приводимому ниже описанию. Согласно изобретению система изобретения 20 содержит по меньшей мере один запросчик 23 и по меньшей мере один первичный преобразователь 27. В некоторых вариантах осуществления система изобретения 20 содержит по меньшей мере один запросчик 23 и несколько первичных преобразователей 27, расположенных по длине обсадной трубы.
Согласно Фиг.2 и 3 в некоторых вариантах осуществления данного изобретения запросчик 23, по существу, является тороидальным трансформатором, содержащим удлиненное проводящее тело (стержень или труба) 33, окруженное сердечником из материала 34, обладающего высокой магнитной проницаемостью, на котором выполнена проводящая обмотка 35. Магнитный сердечник 34 может быть установлен в пазе (не показан), выполненном на проводящем теле 33, и заключен в изолирующий материал для механической и химической защиты. Обмотка 35 предпочтительно изолирована от проводящего тела 33. Запросчик 23 предпочтительно выполнен в виде скважинного устройства, перемещаемого по талевому канату, подъемному стропу или гибкой трубе. Удлиненное проводящее тело 33 обычно имеет длину от одного до нескольких футов и может, при необходимости, быть длиннее или короче. В качестве альтернативы запросчик может быть встроен в бурильной трубе, в воротнике бура, в эксплуатационной насосно-компрессорной колонне или в другом постоянно или временно установленном компоненте законченной скважины. Запросчик 23 предпочтительно выполнен с возможностью осуществления сообщения с наземным оборудованием (не показано) посредством любой из множества телеметрических схем, известных из уровня техники, и может применять электрические проводники, оптические волокна, импульсы давления в столбе бурового раствора или другие средства для осуществления сообщения. В качестве альтернативы запросчик 23 может содержать запоминающее устройство, такое как локальное запоминающее устройство (не показано) для сохранения данных, получаемых от датчиков. Содержимое запоминающего устройства можно выгружать, когда запросчик 23 будет возвращен на поверхность геологической формации 11.
Согласно Фиг.2 вариант осуществления первичного преобразователя 27 данного изобретения показан установленным и закрепленным в отверстии 41, вырезанном в обсадной трубе 12, и содержащим корпус 47, один или более датчиков 48 (показан один) с соответствующими электронными схемами 49 и одним или несколькими электродами 50 (показан один). Корпус 47 может быть узлом из нескольких деталей из одинакового или разного материала, включая, помимо прочего, металлы, керамику и эластомеры. В зависимости от типа датчика(ов) 48, входящего в состав первичного преобразователя 27, корпус 47 может иметь одно или несколько отверстий (не показаны), через которые геологическая формация или скважинные флюиды могут контактировать с датчиком(ами) 48. Электрод 50 изолирован от корпуса изолятором 51, который может быть неотъемлемой частью первичного преобразователя 27. Корпус 47, электрод 50 и изолятор 51 первичного преобразователя 27 предпочтительно выполнены с возможностью обеспечения гидравлического затвора по отношению к отверстию 41 в обсадной трубе 12. Электрод 50 и изолятор 51 предпочтительно выполнены на одном уровне с внутренней поверхностью обсадной трубы 12 для обеспечения беспрепятственного перемещения оборудования в стволе скважины.
Датчик 48 и электронные схемы 49 предпочтительно выполняют множественные функции. В частности, каждый датчик 48 предпочтительно регистрирует одно или более свойств геологической формации 10, окружающей обсадную трубу (например, давление, температуру, удельное сопротивление, составляющие флюида, свойства флюида и пр.), или одно или более свойств самой обсадной трубы 12 (например, наклон, механическое напряжение и пр.). Эта регистрация свойств может быть непрерывной, осуществляемой в заранее заданные моменты или только по команде запросчика 23. Если регистрация свойств непрерывная или осуществляется в заранее заданные моменты, то первичный преобразователь 27 может сохранять получаемую им информацию в запоминающем устройстве (которое может быть частью соответствующих электронных схем 49) до поступления к нему запроса от запросчика. При поступлении к ним запроса электронные схемы 49 датчика 48 предпочтительно передают электронными средствами (по электроду 50) информацию, полученную датчиком 48, в запросчик 23 согласно приводимому ниже описанию. Первичный преобразователь 27 может, по желанию, иметь особый код для однозначной самоидентификации для запросчика 23.
Согласно одному аспекту данного изобретения в определенных вариантах осуществления запросчик 23 либо содержит средство генерирования переменного тока в обмотке 35, либо связан с генератором переменного тока. При циркулировании переменного тока в обмотке 35 тороидального трансформатора магнитный поток индуцируется в магнитном сердечнике 34, в результате чего на противоположных концах создается разность напряжений (т.е. над и под сердечником 34) проводящего тела 33. Разность напряжений, в свою очередь, вызывает протекание электрического тока, и, согласно Фиг.2, создаются три категории токовых контуров. Первый контур включает в себя проводящее тело 33 и проводящий флюид 16 внутри обсадной трубы 12, которая проводит ток назад в проводящее тело 33. Второй контур включает в себя проводящее тело 33, проводящий флюид 16 внутри обсадной трубы 12 и обсадную трубу 12. Во втором контуре ток возвращается в проводящее тело 33 по флюиду 16. Третий контур, для данного изобретения главный, является контуром, в который входит проводящее тело трансформатора 33, флюид 16 и электрод 50 первичного преобразователя 27. Путем модулирования тока, циркулирующего в обмотке 35 трансформатора запросчика 23, согласно любой схеме, известной специалистам в данной области техники, информацию можно передавать от запросчика 23 в первичный преобразователь 27, который снимает и демодулирует сигнал. Маршрут возвращения для тока, принимаемого электродом 50, проходит либо от первичного преобразователя 27 через геологическую формацию 11, обсадную трубу 12 и флюид 16 и обратно в проводящее тело 33, и/или через специальный заземляющий проводник (не показан) от электронных схем 49 в корпус 47, в обсадную трубу 12 и по флюиду 16 обратно в проводящее тело 33.
Согласно одному из аспектов определенных вариантов осуществления настоящего изобретения ток, снимаемый электродом 50, можно выпрямлять электронными схемами 49, чтобы обеспечивать электроэнергию для электронных схем 49 и датчика(ов) 48. Если ток, снимаемый электродом 50, слишком слабый для запитывания электронных схем 49 и датчика(ов) 48 непосредственно, то ток может аккумулироваться в течение соответствующего срока в компоненте аккумулирования энергии, таком как конденсатор, или сверхконденсатор, или аккумуляторная батарея. Электронные схемы 49 могут возбуждаться и приводиться в действие, когда аккумулированный заряд достаточен для их правильной работы.
Согласно еще одному аспекту этих вариантов осуществления данного изобретения первичный преобразователь 27 может передавать сведения в запросчик 23 путем модулирования, любым из множества известных методов, разности напряжений (создаваемой электронными схемами 49), которая прилагается первичным преобразователем 27 между электродом 50 первичного преобразователя 27 и обсадной трубой 12. Образуемые при этом категории токовых контуров показаны на Фиг.3: первый контур, содержащий электрод 50, флюид 16, осадную трубку 12, и назад - в первичный преобразователь 27 (через корпус 47 и пр.); и второй контур, содержащий электрод 50, флюид 16, проводящее тело 33 запросчика, и назад - через флюид 16, обсадную трубу 12 и первичный преобразователь 27. Ток, который идет в проводящем теле 33, обусловливает магнитный поток в магнитном сердечнике 34, который, в свою очередь, индуцирует ток в обмотке 35 запросчика 23. Ток в обмотке можно регистрировать и демодулировать в целях определения передаваемой информации.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что при наличии первичного преобразователя 27, установленного в обсадной трубе 12 и имеющего электрод 50, изолированный по отношению к обсадной трубе, при наличии выше описанного запросчика 23, когда магнитный сердечник 34 запросчика непосредственно обращен к электроду 50, то сигнал, формируемый первичным преобразователем 27, не будет обнаруживаться запросчиком 23, т.е. функция телеметрической передачи будет выказывать строгий нуль. Таким образом, первичный преобразователь 27 можно использовать как репер в целях определения или идентифицирования нужного места вдоль скважины, так как местоположение первичного преобразователя можно определить очень точно путем перемещения запросчика 27 мимо первичного преобразователя 25 и с помощью фиксирования местоположения сигнала строгого нуля, после чего следует обращение фазы.
На Фиг.4 показан второй вариант осуществления первичного преобразователя 137 изобретения. Первичный преобразователь 137 содержит корпус 147, два датчика 148а, 148b, электронные схемы 149, электрод 150 и изолятор 151 для изолирования электрода относительно обсадной трубы 12 и для обеспечения гидравлического затвора между обсадной трубой 12 и внутренним пространством первичного преобразователя 137. Как показано на Фиг.4, корпус 147 первичного преобразователя 137 установлен на внешней поверхности обсадной трубы 12, при этом электрод 150 и изолятор 151 выполнены на одном уровне с внутренней поверхностью обсадной трубы 12. При этой геометрии необходимо отметить, что первичный преобразователь 137 предпочтительно установлен на обсадной трубе 12 до установки обсадной трубы в стволе скважины. Также нужно отметить, что первичный преобразователь 137 может функционировать аналогично первичному преобразователю 27, показанному на Фиг.2 и 3.
В некоторых вариантах осуществления система согласно изобретению предпочтительно содержит множество первичных преобразователей 27 или 137 и по меньшей мере один запросчик 23. Первичный преобразователь может располагаться по длине обсадной трубы 12 и/или в разных азимутах обсадной трубы. Запросчик предпочтительно перемещается по стволу скважины.
Согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения, в соответствии с Фиг.5 и 6, запросчик 223 содержит удлиненное тело (стержень или трубу) 233, на которое опирается проводящая обмотка 234. Главная ось обмотки 234 предпочтительно ориентирована параллельно оси ствола скважины и согласно иллюстрации. Если по причинам механической прочности или по иным причинам тело 233 сделано из таких проводящих материалов, как металлы, то магнитный поток, генерируемый обмоткой 234 (согласно следующему ниже более подробному описанию), может обусловить протекание (циркулирование) вихревых токов в теле 233. Эти вихревые токи, которые рассеивают энергию и не вносят вклад в функционирование в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно уменьшаются путем введения втулки 235 из материала высокой магнитной проницаемости (такого как феррит), устанавливаемой между обмоткой 234 и телом 233, согласно иллюстрации. Обмотка 234 предпочтительно изолирована от тела 233. Запросчик 223 может быть выполнен в виде скважинного устройства, перемещаемого по талевому канату, подъемному стропу или гибкой трубе. Удлиненное проводящее тело 233 обычно имеет длину от одного до нескольких футов, и может, при необходимости, быть длиннее или короче. В качестве альтернативы запросчик 223 может быть встроен в бурильной трубе, в воротнике бура, в эксплуатационной насосно-компрессорной колонне или в другом постоянно или временно установленном компоненте законченной скважины. В любом случае запросчик 223 может быть выполнен с возможностью осуществления сообщения с наземным оборудованием (не показано) посредством любой из множества телеметрических схем, известных из уровня техники, и может применять электрические проводники, оптические волокна, импульсы давления в столбе бурового раствора или другие средства для осуществления сообщения. В качестве альтернативы запросчик 223 может содержать запоминающее устройство, такое как локальное запоминающее устройство (не показано) для сохранения данных, получаемых от датчиков. Содержимое запоминающего устройства можно выгружать, когда запросчик 223 будет возвращен на поверхность геологической формации 10.
Первичный преобразователь 227 этого варианта осуществления изобретения показан установленным в отверстии 241, вырезанном в обсадной трубе 12, и содержит корпус 247, один или более датчиков 248 (не показаны) с соответствующими электронными схемами 249 и обмотку 250 из нескольких витков изолированного провода 251, намотанного вокруг цилиндрического тела 252 (такого как бобина, согласно иллюстрации) из материала высокой магнитной проницаемости (такого как феррит). Обмотка 250 датчика 248 предпочтительно установлена, насколько это возможно, на одном уровне с внутренней поверхностью обсадной трубы 12, и ее главная ось ориентирована параллельно оси ствола скважины согласно иллюстрации. Корпус 247 может быть выполнен в виде узла нескольких деталей, сделанных из одинакового или разного материала, включая, помимо прочего, металлы, керамику или эластомеры. В зависимости от типа датчика(ов) датчика(ов) 248, входящих в состав первичного преобразователя 227, корпус 247 может иметь одно или несколько отверстий (не показаны), через которые геологическая формация или скважинные флюиды могут контактировать с датчиком(ами) 248. Первичный преобразователь 227 предпочтительно не проходит внутрь ствола скважины и поэтому обеспечивает возможность беспрепятственного перемещения оборудования в стволе скважины.
Датчик 248 и электронные схемы 249 предпочтительно выполняют множественные функции. В частности, каждый датчик 248 предпочтительно регистрирует одно или более свойств формации 10 вокруг обсадной трубы (например, давление, температуру, удельное сопротивление, составляющие флюида, свойства флюида и пр.) и/или одно или более свойств самой обсадной трубы (например, наклон, механическое напряжение и пр.). Эта регистрация свойств может быть непрерывной, осуществляемой в заранее заданные моменты или только по команде запросчика 223. Если регистрация свойств непрерывная или осуществляется в заранее заданные моменты, то первичный преобразователь 227 может сохранять получаемую им информацию в запоминающем устройстве (которое может быть частью соответствующих электронных схем 249) до поступления к нему запроса от запросчика 223. При поступлении запроса электронные схемы 249 датчика 248 предпочтительно передают (по обмотке 250 датчика) информацию, полученную датчиком 248, в запросчик 223, согласно приводимому ниже описанию. Первичный преобразователь 227 может, по желанию, иметь особый код для однозначной самоидентификации для запросчика 223.
Согласно одному из аспектов этого варианта осуществления изобретения запросчик 223 либо содержит средство для модулирования тока в своей обмотке 234, либо связан с генератором, модулирующим ток. Путем модулирования тока в обмотке 234 запросчика согласно сигналу данных (который поступает от запросчика 233 в первичный преобразователь 227) магнитный поток циркулирует в контурах в локальном участке ствола скважины, примыкающем к запросчику 223, что схематически изображено на Фиг.5. Когда запросчик 223 находится в этом локальном участке, то циркулирующий магнитный поток, генерируемый обмоткой 234 запросчика, индуцирует модулирующий ток в обмотке 250 датчика. По существу, обмотка 234 запросчика и обмотка 250 датчика образуют трансформатор слабой связи. Модулирующий ток в обмотке 250 датчика индуцирует модулированный сигнал напряжения на связанном с ним полном сопротивлении 253 нагрузки. Электронные схемы 249 демодулируют модулированный сигнал напряжения, чтобы восстановить сигнал данных. Необходимо отметить, что любая из многих схем модуляции (и соответствующей демодуляции) тока, известных из уровня техники, может быть использована для передачи информации в сигнале данных, передаваемом от запросчика 223 в первичный преобразователь 227. В предпочтительной версии этого варианта осуществления настоящего изобретения информация модулируется на сигнал несущей, и при этом ток в обмотке запросчика принуждается к колебаниям на частоте порядка 100 кГц.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения ток, генерируемый в обмотке 250 датчика, можно выпрямлять электронными схемами 249, чтобы обеспечивать электроэнергию для электронных схем 249 и датчика(ов) 248. Если ток, генерируемый в обмотке 250 датчика, слишком слабый для запитывания электронных схем 249 и датчика(ов) 248 непосредственно, то ток может аккумулироваться в течение соответствующего срока в компоненте аккумулирования энергии, таком как конденсатор или сверхконденсатор, или аккумуляторная батарея. Электронные схемы 49 могут возбуждаться и приводиться в действие, когда аккумулированный заряд достаточен для их правильной работы.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения первичный преобразователь 227 может посылать сведения в запросчик 223 посредством управления электронным переключателем 254, подключенным на обмотке 250 датчика, согласно Фиг.5. При замыкании переключателя 254 ток, индуцируемый в обмотке 250, циркулирует беспрепятственно; этот ток обусловливает появление магнитного поля, которое компенсирует (или значительно ослабляет) создающее помеху магнитное поле вблизи бобины 252. Это возмущение в создающем помеху магнитном поле, которое происходит в локальном участке ствола скважины вблизи первичного преобразователя 227, индуцирует небольшие модуляции тока сигнала в обмотке 234 запросчика 223. Модуляция тока в обмотке 234 индуцирует модулированный сигнал напряжения в запросчике 223. При разомкнутом переключателе 254 обмотка 250 первичного преобразователя 227 не генерирует компенсирующее магнитное поле и поэтому не индуцирует небольшие модуляции тока сигнала в обмотке 234 запросчика 223 и соответствующий модулированный сигнал напряжения в запросчике 223. Таким образом, путем избирательного включения и выключения переключателя 254 в кодированной последовательности (в соответствии с сигналом данных) и путем демодулирования сигнала напряжения индуцированного небольшими модуляциями тока сигнала в обмотке 234 запросчика, для восстановления информационного сигнала данных, информация, кодированная сигналом данных, передается от первичного преобразователя 227 в запросчик 223.
В альтернативной версии этого варианта осуществления, согласно Фиг.6, первичный преобразователь 227' может передавать информацию в запросчик 223 за счет того, что электронные схемы 249 содержат средство введения модулирующего тока в обмотку 250 датчика. За счет модулирования тока в обмотке 250 датчика в соответствии с сигналом данных (который передается от первичного преобразователя 227' в запросчик 223) магнитный поток циркулирует в контурах в локальном участке ствола скважины, который находится вблизи первичного преобразователя 227', что схематически показано на Фиг.6. Если запросчик 223 установлен в этом локальном участке, то циркулирующий магнитный поток, генерируемый обмоткой 250 датчика, индуцирует модулирующий ток в обмотке 234 запросчика. Обмотка 250 датчика и обмотка 234 запросчика, по существу, образуют слабосвязанный трансформатор. Модулирующий ток в обмотке 250 запросчика индуцирует модулированный сигнал напряжения на связанном с ним полном сопротивлении (не показано) нагрузки. Запросчик 223 демодулирует модулированный сигнал напряжения, чтобы восстановить сигнал данных. Необходимо отметить, что любая из многих схем модуляции (и соответствующей демодуляции) тока, известных из уровня техники, может быть использована для передачи информации в сигнале данных, передаваемом от первичного преобразователя 227/227' в запросчик 23. В предпочтительной версии этого варианта осуществления настоящего изобретения информация модулируется на сигнал несущей, и при этом ток в обмотке запросчика принуждается к колебаниям на частоте порядка 100 кГц.
Специалистам в данной области техники будет ясно, что конфигурация обмотки 234 и/или обмотки 250, а также соответствующие амплитуды и фазы токов, вводимых в обмотки, можно регулировать в целях компенсации (или усиления) магнитного поля в определенных местоположениях ствола скважины. Например, запросчик 223 может иметь пару обмоток, отделенных друг от друга по их общей главной оси небольшим зазором. В этой конфигурации две обмотки могут возбуждаться встречными токами (например, токами, которые протекают в противоположных направлениях вокруг общей главной оси), создавая строгий нуль функции телеметрической передачи, когда указанный зазор совмещен (например, непосредственно обращен) с обмоткой 250 первичного преобразователя 227 (или 227'). Таким образом, первичный преобразователь 227 можно использовать как репер в целях определения или идентифицирования нужного места вдоль скважины, так как местоположение первичного преобразователя можно определить очень точно путем перемещения запросчика 223 мимо первичного преобразователя 227 и с помощью фиксирования местоположения сигнала строгого нуля, после чего следует обращение фазы.
Согласно Фиг.7 тело 252 и обмотка 250 датчика предпочтительно помещены в материале 256, который обеспечивает гидравлический затвор, исключающий попадание скважинных флюидов в полость, ограничиваемую корпусом 247, в котором находится полное сопротивление 253 нагрузки помимо датчика(ов) 248 и соответствующих электронных схем 249 (и также исключает осуществляемое посредством текучей среды сообщение между формацией и стволом скважины в том случае, если корпус 247 посредством текучей среды сообщается с геологической формацией согласно данному описанию). Если уплотняющий материал 256 является проводящим, то тело 252 и обмотка 250 датчика электрически изолированы от уплотнительного материала 256 с помощью изолятора 258, согласно иллюстрации. Помимо этого, предпочтительно обеспечена крышка 259, которая защищает обмотку 250 датчика от находящегося в скважине флюида (и других скважинных устройств). В альтернативных вариантах осуществления, в которых датчик(и) 248 выполнены с возможностью регистрации характеристик скважинного флюида, уплотнительный материал 256 может быть выполнен с возможностью (или исключен) для обеспечения сообщения посредством текучей среды между стволом скважины и полостью, ограничиваемой корпусом 247 датчика, в котором находится соответствующий датчик(и).
На Фиг.8 показан еще один вариант осуществления первичного преобразователя 327 согласно изобретению. Первичный преобразователь 327 содержит корпус 347, два датчика 348а, 348b, электронные схемы 349 и обмотку 350, содержащую несколько витков изолированного провода 351, намотанного вокруг цилиндрического тела 352 (такого как бобина, согласно иллюстрации) из материала высокой магнитной проницаемости (такого как феррит). Согласно Фиг.8 корпус 347 первичного преобразователя 327 установлен на внешней поверхности обсадной трубы 12, при этом обмотка 350 датчика предпочтительно установлена, насколько это возможно, на одном уровне с внутренней поверхностью обсадной трубы 12, и ее главная ось ориентирована параллельно оси ствола скважины. При этой геометрии необходимо отметить, что первичный преобразователь 327 предпочтительно установлен на обсадной трубе 12 до установки обсадной трубы в стволе скважины. Также нужно отметить, что первичный преобразователь 327 может функционировать аналогично первичным преобразователя 227 и 227', показанным на Фиг.5 и 6.
Система согласно настоящему изобретению может включать в свой состав множество первичных преобразователей 227 (227') или 327 и по меньшей мере один запросчик 223. Первичный преобразователь может располагаться по длине обсадной трубы 12 и/или в разных азимутах обсадной трубы. Запросчик может перемещаться по стволу скважины.
Согласно некоторым вариантам осуществлениям способа согласно настоящему изобретению множество первичных преобразователей располагаются по длине обсадной трубы, запросчик перемещается по обсадной трубе, запросчик используется для передачи сигнала на первичный преобразователь, и первичный преобразователь получает информацию о геологической формации (либо до обращения, либо после обращения к нему) и направляет эту информацию запросчику беспроводным способом.
Согласно еще одному варианту осуществления способа изобретения по меньшей мере один первичный преобразователь располагается по длине обсадной трубы в нужном местоположении вдоль ствола скважины, запросчик перемещается по обсадной трубе, и изменение беспроводного сигнала, направляемого первичным преобразователем в запросчик, используется для точного определения нужного местоположения в стволе скважины. В частности, за счет перемещения запросчика мимо первичного преобразователя и с помощью фиксирования местоположения сигнала строгого нуля, за которым следует обращение фазы, можно точно определить нужное местонахождение (т.е. местонахождение первичного преобразователя).
Еще один альтернативный вариант осуществления устройства согласно настоящему изобретению показан на Фиг.9. Согласно Фиг.9 через геологическую формацию 11 проходит ствол скважины 13, имеющий обсадную трубу 12, проходящую по меньшей мере по части ствола. Запросчик 423 с обмоткой 434 прикреплен к эксплуатационной насосно-компрессорной колонне 500. Запросчик 423 сообщается с поверхностью по одному или более соединительных кабелей 502, которые запитывают устройство и обеспечивают возможность телеметрии между устройством и поверхностью с помощью электрических или оптических средств. Первичный преобразователь 427 установлен и закреплен в отверстии, вырезанном в обсадной трубе 12, и содержит обмотку 450. Пакер 504 используется для гидравлической изоляции участков в обсадной трубе 12 над и под пакером. Описываемым выше образом запросчик 423 и первичный преобразователь 427 могут обмениваться электроэнергией и данными. В противоположность другим вариантам осуществления описываемой выше системы, соответствующей настоящему изобретению, запросчик 423 не выполнен с возможностью легкого перемещения внутри обсадной трубы 12. Значительное преимущество этого варианта осуществления по сравнению с системой согласно патенту США 6378610, Rayssiguier и др., заключается в том, что первичный преобразователь 427 можно установить на месте до установки эксплуатационной насосно-компрессорной колонны 500 (и закрепленного запросчика 423), и эта система обеспечивает возможность обмена электроэнергией и данными между запросчиком 423 и первичным преобразователем 427 без усложненного и потенциально подверженного отказам скважинного соединителя типа «влажного контакта». Специалистам в данной области техники будет ясно, что с одним запросчиком 423 можно соотнести множество разных первичных преобразователей 427, что с одной конструктивной схемой оснащения скважины можно соотнести множество групп запросчиков и первичных преобразователей, что можно применить множество пакеров 304, особенно при одновременном завершении нескольких зон добычи, и что эти пакеры можно расположить над или под запросчиками и первичными преобразователями.
В данном описании изложены и пояснены варианты осуществления систем, способов и устройства для получения информации о геологической формации с помощью датчиков, установленных на обсадной трубе в стволе скважины. Несмотря на то, что изложены конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, какое-либо ограничение его этими вариантами осуществления не предполагается, поскольку подразумевается, что настоящее изобретение имеет настолько широкий объем, насколько это позволяет предшествующий уровень техники, и подразумевается, что описание следует истолковывать именно таким образом. Поэтому, несмотря на то что настоящее изобретение описывается со ссылкой на конкретный запросчик и конкретные первичные преобразователи, можно также использовать и другие запросчики и первичные преобразователи. Например, запросчик может использовать множество тороидов, чтобы сосредоточить ток, протекающий в скважинном флюиде. В частности, магнитные сердечники можно использовать в качестве электрического реактора для ограничения генерируемого тока в определенном участке(ах) проводящего тела. Также вместо использования тороидального трансформатора можно использовать пару электродов на поверхности проводящего тела, чтобы создать разность напряжений и получаемый при этом ток. Причем запросчик и/или первичный преобразователь могут использовать множество соленоидных обмоток для обеспечения усовершенствованной магнитной связи между ними. Также вместо использования соленоидных обмоток можно использовать любой другой механизм магнитной связи. Помимо этого, вместо использования двух выводов обмотки датчика в качестве дифференциального входа в полное сопротивление нагрузки первичного преобразователя: один из выводов обмотки датчика можно заземлить, а другой вывод обмотки датчика можно использовать в качестве имеющего один конец входа в полное сопротивление нагрузки первичного преобразователя. В отношении первичных преобразователей нужно отметить, что можно использовать различные другие типы первичных преобразователей, например, описываемые в патентной заявке США №10/163,784. Помимо обсадных труб и хвостовиков первичный преобразователь можно установить в любом типе скважинного устройства, например в песочном фильтре. Помимо установки системы согласно настоящему изобретению в скважинном устройстве, содержащем проводящий флюид, эта система также может работать в непроводящем флюиде. В первом из излагаемых выше вариантов осуществления в этом случае частота приведения в действие системы увеличивается приблизительно в сто раз. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что в раскрываемом здесь изобретении можно сделать и другие модификации в пределах его объема, заявляемого в прилагаемой формуле изобретения.