УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН
DEVICE FOR TRANSMITTING INFORMATION OVER AN ELECTROMAGNETIC COMMUNICATION CHANNEL DURING OPERATION OF WELLS

Изобретение относится к системе управления и передачи информации через сеть взаимосвязанных элементов трубопровода, в частности, к области передачи забойной информации из скважины на поверхность по электромагнитному каналу связи и может быть использована для мониторинга процесса эксплуатации скважины.
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, опубл. 20.08.2011.). В скважине, содержащей колонну бурильных труб с электрическим разделителем, располагают скважинный передатчик, соединенный с верхним и нижним электродами разделителя. На устье скважины размещают источник постоянного напряжения, соединенный с колонной бурильных труб, а другим концом через приемное устройство - с приемным электродом. Постоянное напряжение поляризует поверхность металла колонны бурильных труб, создавая на поверхности металла двойной электрический слой, который уменьшает поверхностную проводимость металла, препятствующий замыканию части тока передачи на колонну бурильных труб, увеличивая тем самым мощность принимаемого сигнала.
Недостаток известного решения заключается в применении забойного передатчика, возможность которого ограничивается мощностью автономного источника питания, что, как указывалось выше, ограничивает область применения устройства.
Известен способ передачи забойной информации возбуждением электрического тока в металлической колонне в скважине при помощи наземного генератора, подключенного одним контактом к наземной части металлической колонны, а другим контактом - к приемному электроду на поверхности скважины. При этом осуществляют коммутацию диэлектрической вставки, разделяющей металлическую колонну в скважине на верхнюю и нижнюю части. Причем в качестве приемного электрода используют другую колонну металлических труб, спущенных в эту скважину. Таким образом, образуют электрическую цепь из металлической колонны в скважине и приемного электрода, по которой передают стабилизированный по величине постоянный ток от наземного генератора. При этом получение информации с забоя скважины осуществляют в зависимости от модуляции величины напряжения, вызванного коммутацией диэлектрической вставки. В качестве наземного генератора используют источник стабилизированного постоянного тока, а в качестве приемного электрода может быть использована металлическая колонна насосно-компрессорных труб (Патент РФ №2494250, Бюл. 27, 27.09.2013 г.)
Недостаток известного решения заключается в том, что при ходе плунжера вниз колонна штанг изгибается, и возможны замыкания электрической цепи «колонна штанг-НКТ» еще до диэлектрического разделителя. Последнее существенно снижает надежность канала связи.
Известно устройство для передачи информации по электромагнитному каналу связи при эксплуатации скважины со спущенными в нее металлическими с образованием кольцевого канала между ними наружной трубой и внутренней колонной, содержащее наземный генератор, подключенный своими контактами к верхней части трубы и колонны, диэлектрическую вставку, разделяющую колонну в скважине на верхнюю и нижнюю части, ключ для размыкания и замыкания контактов верхней и нижней частей металлической колоны, блок синхронизации, определяющий период и скважность следования передачи информации (Патент РФ №2256074, МПК Е21В 47/12; 43/12, опуб. 10.07.2005, бюл. №19), которое принято за прототип.
Недостатком известного устройства является недостаточная надежность передачи информации каналом связи в связи с возможностью образования электрической цепи при касании колонны штанг с НКТ при ходе штанг вниз.
Задачей изобретения является повышение надежности передачи информации с забоя по электромагнитному каналу связи.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для передачи информации по электромагнитному каналу связи при эксплуатации скважины, содержащем наземный генератор постоянного тока, 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, скважинного блока, состоящего из ключа для размыкания и замыкания контактов верхней и нижней частей металлической колонны, в котором указанные контакты замкнуты на блок синхронизации посылки информации с ходом плунжера вверх, определяемой по неизменности постоянного напряжения на диэлектрической вставке. Верхняя часть металлической колонны штанг и насосно-компрессорных труб (НКТ) изолированы друг от друга.
На фигуре 1 представлена схема предлагаемого устройства.
Устройство (фиг. 1) 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, напряжение на которых отслеживается блоком синхронизации 12, и для передачи информации 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, заряжает аккумуляторы скважинного блока и создает разность потенциалов на диэлектрической вставке.
Блок синхронизации отслеживает и определяет период и скважность следования «окон» передачи, отслеживает энергию заряда аккумуляторов скважинного блока, сообщает исполнительному блоку о готовности к передаче и по заданному графику выдает команду на передачу информации.
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.
стабил.
При эксплуатации скважины внутрь металлической НКТ спускают колонну металлических штанг, на которой устанавливают глубинный насос для откачки флюида. В процессе эксплуатации необходимо получать информацию о техническом состоянии насоса и реологических свойствах откачиваемого флюида. Для этого на поверхности с помощью источника стабилизированного тока, подключенного одним контактом (зажимом) к наземной части металлической колонны, которой может быть колонна металлических штанг, а другим контактом (зажимом) - к приемному электроду на устье, в качестве которого используется другая металлическая труба, например НКТ, в скважину подают постоянный стабилизированный по величине ток I, который проходя по металлической колонне (колонне металлических штанг), создает разность потенциалов Δϕ на концах диэлектрической вставки:
диэл.вставки
где I - ток, текущий через диэлектрическую вставку:
стабил.
заряд.
пласт.жидк.
где I - стабилизированный ток наземного генератора, R и R соответственно, сопротивление цепи заряда аккумуляторов скважинного блока и столба пластовой жидкости в кольцевом пространстве между колонной НТК и колонной штанг:
пласт.жидк.
где ρ - удельное сопротивление добываемого флюида,
внутр.
внешн.
D и d - соответственно, диаметры внутренний НКТ и наружный колонны штанг,
Н - длина колонны штанг от устья до разделителя.
После чего блок синхронизации определяет длительность и скважность импульсов постоянного напряжения на диэлектрической вставке, отслеживает энергию заряда аккумуляторов скважинного блока, сообщает исполнительному блоку о готовности к передаче, определяет оптимальную частоту передачи и по заданному графику выдает команду на коммутацию ключом нижней и верхней части металлической колонны в момент появления «окна передачи» (хода плунжера вверх), 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, что записывается блоком регистрации. По изменению измеренного напряжения судят о параметрах призабойной зоны. Последовательность замыканий ключа определяется модулем шифрования скважинного блока измерений, а длительность - характеристиками канала передачи (длина линии, погонная емкость и индуктивность), а также продолжительностью «окна передачи», и подбирается экспериментально благодаря обратной связи с наземным блоком регистрации.
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.