СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ И/ИЛИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И/ИЛИ УПРАВЛЕНИЯ УДАЛЕННЫМИ ОБЪЕКТАМИ, РАЗМЕЩЕННЫМИ В СКВАЖИНЕ

Техническое решение относится к области беспроводной передачи энергии и/или информации, в том числе, и беспроводной передачи энергии и/или информации на объекты контроля и/или управления, размещенные в скважине на значительной глубине, и/или передачи информации с объектов контроля и/или управления на поверхности, и может найти применение в области нефтегазовой промышленности, в частности при разработке и эксплуатации скважин по добыче углеводородов.
Известна (RU, патент 2353055) система беспроводной связи, содержащая антенну, емкостную цепь, подключенную параллельно с вышеупомянутой антенной и образующую колебательный контур, содержащий первый и второй выводы, при этом вышеупомянутая емкостная цепь содержит два последовательно соединенных конденсатора, а вышеупомянутые два конденсатора соединены общим проводником с заземлением; и цепь обратной связи, соединенную с вышеупомянутым колебательным контуром для обеспечения возможности избирательного функционирования указанного колебательного контура в качестве передатчика и приемника, при этом указанный колебательный контур задает сигнал, и указанная цепь обратной связи дополнительно содержит первый и второй контуры обратной связи для обеспечения возможности избирательного кодирования указанного сигнала.
Недостатком известной системы следует признать невозможность беспроводной передачи сигналов на расстояниях порядка длины скважины.
Техническая задача, решаемая посредством разработанной системы, состоит в организации беспроводной передачи энергии и/или информации для контроля и/или управления удаленными объектами, размещенными в скважине.
Технический результат, получаемый при реализации разработанной системы, состоит в обеспечении устойчивой передачи энергии и/или информации для контроля и/или управления удаленными объектами, размещенными в скважине.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанную систему. Разработанная система беспроводной передачи энергии и/или информации для контроля и/или управления удаленными объектами, размещенными в скважине, содержит, по меньшей мере, один рабочий колебательный контур, расположенный в стволе скважины, первый колебательный контур, включающий источник электрического напряжения и размещенный в устье скважины, и, по меньшей мере, один измерительный колебательный контур, размещенный вблизи объекта управления/контроля и установленный с возможностью модулирования передаваемых энергии/сигнала, при этом расстояние между соседними контурами обеспечивает возбуждение и нарастание колебаний в последующем колебательном контуре. В предпочтительном варианте реализации каждый колебательный контур содержит катушку индуктивности и конденсатор, соединенные последовательно. Обычно диаметр витков катушки индуктивности первого колебательного контура превышает диаметр витков катушки индуктивности рабочего колебательного контура и измерительного колебательного контура. В качестве объектов контроля и/или управления использованы средства контроля и управления, размещаемые в скважине: датчики температуры, датчики давления, телеметрические датчики, датчики измерения скорости потока, клапаны интервального контроля. Измерительный колебательный контур может быть выполнен с возможностью перемещения вдоль ствола скважины. Также первый колебательный контур может быть выполнен с возможностью подключения к устройствам контроля и управления, размещаемым на поверхности. Рабочие контуры могут быть размещены на насосно-компрессорной трубе, либо интегрированы в ней, также рабочие контуры могут быть размещены на обсадной колонне, либо интегрированы в обсадную колонну, кроме того, рабочие контуры могут быть размещены на безмуфтовых гибких трубах, используемых при колтюбинге, либо интегрированы в безмуфтовые гибкие трубы, а также рабочие контуры могут быть размещены внутри открытого ствола скважины. В общем случае рабочие контуры могут быть размещены либо интегрированы в любую систему, опускаемую в скважину, а также в затрубное пространство.
Разработана принципиально новая технология передачи сигналов и энергии с поверхности в забойную часть скважины, а так же передачи данных из забойной части на поверхность. Разработанный способ основан на беспроводной передаче сигнала с использованием электромагнитной взаимосвязи, обеспечивая таким образом распространение сигнала. Это позволяет быстро и с допустимым уровнем потерь или искажений передавать сигналы либо энергию. При этом механизм работает при различной глубине скважины, различных буровых растворах, процессах бурения и т.д. Эффект достигается за счет размещения в стволе скважины дополнительных устройств на определенном расстоянии друг от друга, обеспечивающих связь по всей длине скважины.
Основной принцип предлагаемого метода передачи электромагнитного сигнала базируется на использовании набора резонансных колебательных контуров установленных по всей длине скважины и связанных друг с другом, например посредством взаимной индукции. Прикладывая гармонически меняющееся напряжение к первому колебательному контуру, например, находящемуся на устье скважины, после определенного времени колебания достигают остальных контуров расположенных в скважине. Таким образом, образуется система связанных друг с другом резонансных колебательных контуров, где напряжение и ток изменяются на одной частоте. Энергия, накопленная в каждом из контуров при установившихся колебаниях, будет зависеть от добротности этого контура и величины связи с остальными контурами. Эту энергию можно использовать для питания приборов, находящихся в скважине.
Передача информации может быть осуществлена посредством модулирования колебаний. В случае, когда информация поступает с поверхности в забойную зону, модулируют прикладываемый сигнал. Если необходимо передать информацию из забойной зоны на поверхность, колебания всего набора связанных контуров могут быть промодулированы контуром, находящемся в забойной зоне и связанным, например, с измерительным прибором. Этот процесс может рассматриваться как отражение прикладываемого сигнала с определенной модуляцией, несущей информацию. То есть при изменении параметров одного из контуров изменяется параметры его осцилляции. Это, в свою очередь, влияет на остальные связанные колебательные контуры, и возмущение передается по цепочке контуров на верхний колебательный контур, расположенный, как упоминалось выше, на устье скважины. Это возмущение можно детектировать на поверхности как единицу информации путем измерений в первом колебательном контуре.
Основным результатом данного технического решения является реализация распределенной резонансной системы. Одна из возможностей сконструировать резонансную систему является установка колебательных контуров вдоль всего ствола скважины на определенном расстоянии друг от друга, которое зависит от утечки электромагнитного сигнала в окружающую породу.
Каждый из колебательных контуров представляет собой рамку индуктивности L (несколько витков проводника, например медного, намотанного вокруг трубы НКТ, обсадной колонны, и т.д.) с присоединенной к нему емкостью C (конденсатором), фиг.1. Таким образом, резонансная частота каждого такого контура определяется как
.
0
Каждый контур крепят на трубе через расстояние, достаточное для передачи сигнала. Взаимная связь контуров образуется за счет взаимной индукции, например, при расположении рамок индуктивности на необходимом расстоянии друг от друга. Первый контур устанавливается на устье скважины и отличается от остальных наличием источника переменного напряжения U (или тока) включенного, например, последовательно как показано на фиг.2. Конструкция измерительного колебательного контура приведена на фиг.3.
0
Алгоритм передачи информации заключается в следующем. При включении источника напряжения в основном контуре, возникает колебания электрического тока I в контуре с частотой ω,
1
0
0
I=Icos(ωt),
0
что, в свою очередь создает переменное магнитное поле, поток которого пронизывает следующий (второй) контур, в котором также генерируется переменный ток той же частоты посредством накачки в контур электромагнитной энергии. В случае резонанса величина взаимосвязи между контурами может быть достаточно небольшой. При равной добротности Q обоих контуров, закачка происходит практически до той же энергии, аккумулированной в основном контуре, а значит, колебание тока во втором контуре происходит практически той же амплитуды, что и в первом при той же частоте ω. Такая эффективность закачки энергии возникает из-за того, что контуры находятся в резонансе. Описанный эффект происходит последовательно между соседними контурами включая последний. Таким образом, происходит возникновение колебаний во всей системе за время, определяемое формулой
τ=RCN,
0
где R определяется эффективным сопротивлением проводов в каждом контуре, C - емкость, включенная в каждый контур и N - количество установленных контуров в скважине. Стоит отметить, что первый колебательный контур может располагаться непосредственно на устье скважины. При этом витки проводника контура будут большего диаметра чем диаметр всех остальных контуров, и, следовательно, измениться индуктивность контура. Путем соответственного уменьшения емкости конденсатора сохраняется неизменной собственная резонансная частота контура ω.
Измерительный колебательный контур отличается наличием возможности модулировать и/или отражать сигнал в соответствии с показаниями измерительного устройства, производящего измерения в забойной зоне. Управляющий сигнал передается измерительным устройством либо индуктивно, например. Вследствие небольшого расстояния между измерительным контуром и прибором не требуется больших мощностей измеряющего устройства.
При поступлении управляющего сигнала регулятор меняет параметры измеряющего контура, что, в свою очередь, меняет его отклик. Так как контуры являются связанными индуктивно, это частотное возмущение передается по цепочке контуров наверх и путем измерения в первом контуре возможно детектирование этого возмущения, что является приемом бита информации.
В отличие от начальной «зарядки» системы, это возмущение передается со скоростью распространения электромагнитной волны, то есть практически мгновенно, и детектирование возмущения частоты колебаний ограничивается лишь временем порядка периода колебаний, которое может быть достаточно малым при соответствующем подборе параметров контура.
Некоторые возможности использования беспроводной связи для нефтегазового комплекса представлены ниже (но неограниченны данными примерами)
1. Каротаж и измерения во время буровых работ
На данный момент геофизический каротаж и измерения во время буровых работ имеют ограничения по скорости и, следовательно, объему передачи данных. Это ведет к требованию проведения дополнительных работ по геофизическому исследованию скважин на гибком кабеле после бурения для получения полного набора данных.
Использование предложенной технологии беспроводной связи при бурении дает возможность получить полный набор геофизических данных непосредственно при проведении буровых работ и избежать дополнительных исследований после. Это не только снизить время и продолжительность операций, но и позволит избежать возможных рисков и проблем, связанных с проведением геофизического каротажа на гибком кабеле.
2. Операции на гибких трубах
Возможные применения предложенной технологии беспроводной связи совместно с проведением работ на гибких трубах может расширить область их применения:
- геофизический каротаж скважин со сложной траекторией или большим углом набора кривизны (наклонно-направленные ил горизонтальные скважины) с использованием гибких труб и беспроводной связи для питания приборов каротажа и передачи данных на поверхность.
- освоение скважин - совместное использование технологии для освоения скважин с измерением геофизических свойств позволит более тщательно и эффективно проводить очистку призабойной зоны.
- перфорационные работы - использование технологии беспроводной связи для контроля глубины и безопасной детонации зарядов.
3. Мониторинг во время эксплуатации
Установка постоянных датчиков давления, температуры, измерения скорости потока и возможность коммуникации с ними с использованием беспроводной технологии позволит проводить мониторинг процесса эксплуатации скважины на всем протяжении ее жизни. Основное преимущество данного метода - что это позволит установить датчики практически в любое место в скважине или даже на внешнюю сторону обсадной колонны (хвостовика).
Широкое область применения это распределенный мониторинг давления, температуры и других свойств в горизонтальных скважинах.
4. Интеллектуальные скважины
Интеллектуальная скважина - это комплекс мероприятий и оборудования, имеющий цели увеличения и оптимизации добычи. Это комплекс, который может состоять из клапанов интервального контроля, забойных систем контроля и слежения в реальном времени, с возможностью связи с системами управления на поверхности. То есть скважина, оборудованная системами слежения и компонентами добывающего оборудования для оптимизации добычи, автоматически или с участием оператора.
Невероятным прорывом в эксплуатации нефтяных и газовых скважин, а так же месторождений будет возможность создания комплекса сенсоров потока внутри скважины с управляемыми клапанами, совмещенных с возможностью беспроводного управления этим комплексом с поверхности в целях оптимизации эксплуатационных параметров добычи скважины.
Наиболее важной частью этого комплекса является возможность беспроводной связи и управления приборами внутри скважины при сильной зашумленности и больших потерях в скважине.