УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СКВАЖИННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ТЕЛЕМЕТРИИ
DOWNHOLE ELECTROMAGNETIC TELEMETRY MONITORING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к техническим средствам метрологического контроля систем скважинной электромагнитной телеметрии (ЭМТ), используемых для мониторинга процессов испытания и опробования потенциально продуктивных пластов, гидроразрыва пластов, совместно-раздельной эксплуатации многопластовых объектов с передачей информации на дневную поверхность в реальном времени. Может быть использовано как при разработке и отладке таких систем на стадии НИОКР, так и для контроля их технических характеристик, таких как скорость передачи информации, показатели верности принимаемых сообщений и др. при выпуске систем из производства, а также после ремонтных работ в процессе их эксплуатации.
Уровень техники
Известны устройства для контроля скважинной геофизической аппаратуры (Дембицкий С.И. «Оценка и контроль качества геофизических измерений в скважинах. М.: Недра 1991. 203 с.), выполненные в виде контрольных скважин глубиной до 625 м, обсаженных частично или полностью стальными, асбестоцементными или стеклопластиковыми трубами, которые могут оснащаться имитаторами физических параметров горных пород.
Известно устройство для контроля скважинной аппаратуры (авторское свидетельство СССР №827764, опубл. 07.05.81. Бюл. №17), включающее непроводящую электрический ток обсадную трубу, размещенную в контрольной скважине. В стенке обсадной трубы выполнены сквозные отверстия с целью повышения точности контроля воспроизводимости показаний скважинной аппаратуры за счет расширения диапазона имитируемых кажущихся удельных электрических сопротивлений (УЭС). Сквозные отверстия выполнены на локальных участках трубы, причем площадь, занимаемая отверстиями на этих участках, имеет различную величину, соответствующую имитируемым кажущимся УЭС.
Известно устройство для контроля аппаратуры электрического каротажа, принятое нами за прототип, (авторское свидетельство СССР №934420, опубл. 07.06.82. Бюл. №21), выполненное в виде помещаемой в контрольную скважину или наземное сооружение обсадной трубы из непроводящего электрический ток материала, в стенке которой равномерно по периметру выполнены сквозные отверстия, заглушенные металлическими пробками. С целью расширения диапазона контролируемых характеристик аппаратуры путем имитации опорных пластов и диапазона воспроизводимых УЭС, соседние металлические пробки с наружной стороны непроводящей трубы соединены между собой резисторами в вертикальном и азимутальном направлениях, при этом отверстия в трубе расположены на нескольких цилиндрических локальных участках, а номинальные значения сопротивлений резисторов одинаковы в пределах одного локального цилиндрического участка и различны на разных локальных участках трубы.
Общими недостатками приведенных выше устройств, включая и прототип, являются:
- высокая стоимость бурения и обустройства контрольных скважин;
- небольшая глубина скважин, в то время как основное требование к ЭМТ: передача информации с глубин 5000 м и более;
- отсутствие возможности оперативного изменения имитируемых УЭС для разных геоэлектрических разрезов;
- отсутствие возможности контроля прохождения сигналов системы ЭМТ в разных точках линии связи при ее разработке, отладке и ремонте;
- отсутствие возможности оперативного изменения удельной электрической проводимости (УЭП) бурового раствора, влияющего на характеристики передачи сигналов ЭМТ.
Раскрытие сущности изобретения
Настоящее изобретение направлено на устранение выявленных недостатков и решение задач контроля систем ЭМТ при их разработке, выпуске из производства и после ремонтных работ при эксплуатации, причем для типовых геоэлектрического разреза и конструкции скважин конкретного нефтегазодобывающего региона.
Требуемый технический результат достигается тем, что в устройство для контроля аппаратуры (в данном случае ЭМТ), выполненное в виде наземной продольной конструкции, имитирующей с помощью резисторов УЭС горных пород, при этом резисторы расположены на нескольких локальных линейных участках конструкции, а номинальные значения сопротивления резисторов одинаковы в пределах одного линейного локального участка и могут быть различны на других линейных локальных участках, согласно изобретению дополнительно введены имитатор бурильной колонны (или колонны насосно- компрессорных труб (НКТ) и к имитаторов обсадных колонн, состоящих из параллельных электрических линий в виде чередующихся звеньев из последовательно соединенных резисторов и катушек индуктивности. Введены также имитатор УЭП бурового раствора между бурильной и первой обсадной колоннами, выполненный в виде поперечно ориентированных резисторов, соединяющих звенья электрических линий имитаторов бурильной и первой обсадной колонн, а также (k-1) имитатор УЭП цементного камня в кольцевых полостях между обсадными колоннами, выполненных в виде поперечно ориентированных резисторов, соединяющих звенья соответствующих электрических линий имитаторов обсадных колонн между собой. При этом имитация сопротивлений заземлений бурильной и обсадных колонн в горных породах осуществляется посредством резисторов, имитирующих УЭС горных пород в соответствии с геоэлектрическим разрезом, путем включения их между звеньями электрических линий бурильной и обсадных колонн и шиной заземления. Дополнительно введены также q имитаторов участков скважины, содержащих макеты или модули ЭМТ, и выполненных с возможностью их заполнения водными солевыми растворами с требуемой УЭП.
Согласно изобретения предлагается три варианта исполнения имитатора участка скважины с макетом или модулем ЭМТ.
1. Вариант I предназначен для использования устройства контроля скважинной ЭМТ на стадии НИОКР при разработке систем ЭМТ. Имитатор участка скважины с модулем ЭМТ в этом случае включает в себя основание, выполненное в виде круглого диска из электроизоляционного материала с отверстиями под крепежные болты, расположенными на (k+3) концентрических окружностях, к отрезков обсадных труб, макет модуля ЭМТ, состоящий из внутреннего корпуса, являющегося отрезком бурильной трубы, внешнего корпуса, выполненного из трех электрически изолированных с помощью изоляторов друг от друга отрезков труб, а также шасси макета модуля ЭМТ с размещенными на нем блоками электроники, причем шасси макета модуля ЭМТ выполнено с возможностью извлечения его из полости между внутренним и внешним корпусами, при этом у всех отрезков труб, на одном конце приварены фланцы с резьбовыми отверстиями под крепежные болты, на другом - по одной контактной шпильке, отрезки труб в вертикальном положении установлены коаксиально на основание и скреплены с ним крепежными болтами с обеспечением гидроизоляции посредством уплотнительной прокладки, размещенной между фланцами отрезков труб и основанием, причем внутренний и внешний корпуса имитатора модуля ЭМТ электрически соединены между собой перемычками: на одном конце между контактными шпильками, на другом - между соответствующими крепежными болтами, также имитатор участка скважины с макетом модуля ЭМТ снабжен двумя жгутами с (k+1)-м электрическим проводником в каждом, при этом первые концы к проводников первого жгута электрически соединены с контактными шпильками отрезков обсадных труб, а первый конец (k+1)-го проводника - с контактной шпилькой отрезка бурильной трубы, первые концы к проводников второго жгута электрически соединены с соответствующими крепежными болтами отрезков обсадных труб, а первый конец (k+1)-го проводника - с крепежным болтом отрезка бурильной трубы, причем вторые концы к электрических проводников первого и второго жгутов включены последовательно в соответствующие звенья к имитаторов обсадных колонн, а вторые концы (k+1)-го электрического проводника первого и второго жгутов электрически включены последовательно в соответствующее звено имитатора бурильной колонны.
Отрезок бурильной трубы и кольцевая полость между внешним корпусом макета модуля ЭМТ и отрезком первой обсадной трубы заполнены водным раствором NaCl с УЭП, равной УЭП бурового раствора, (k-1) кольцевые полости между отрезками k обсадных труб заполнены водными растворами NaCl с УЭП, равными УЭП цементного камня в соответствующей кольцевой полости.
2. Вариант II предназначен для использования устройства контроля скважинной ЭМТ на стадиях выпуска систем ЭМТ из производства и ремонтных работ при их эксплуатации.
Согласно изобретения имитатор участка скважины с модулем ЭМТ включает в себя основание, выполненное в виде круглого диска из электроизоляционного материала с отверстиями под крепежные болты, расположенными на (k+1) концентрических окружностях, к отрезков обсадных колонн и переводник крепления модуля ЭМТ, при этом у всех отрезков труб, на одном конце приварены фланцы с резьбовыми отверстиями под крепежные болты, на другом - по одной контактной шпильке, отрезки труб в вертикальном положении установлены коаксиально на основание и скреплены с ним крепежными болтами с обеспечением гидроизоляции посредством уплотнительной электроизоляционной прокладки, размещенной между фланцами отрезков труб и основанием, переводник крепления модуля ЭМТ выполнен из отрезка бурильной трубы с муфтой (или ниппелем) на одном конце и приваренным фланцем с резьбовыми отверстиями под крепежные болты -на другом, при этом присоединительные размеры и типы резьбы муфты (ниппеля) переводника крепления модуля ЭМТ соответствуют присоединительным размерам и типам резьбы модуля ЭМТ, подлежащему контролю, также имитатор участка скважины с модулем ЭМТ снабжен двумя жгутами с (k+1) электрическим проводником в каждом, причем первые концы к проводников первого жгута электрически соединены с контактными шпильками отрезков обсадных труб, а первый конец (k+1)-го проводника первого жгута электрически соединен с контактным хомутом, установленным на контролируемом модуле ЭМТ, к первых концов к проводников второго жгута электрически соединены с крепежными болтами к отрезков обсадных труб, первый конец (k+1)-го проводника второго жгута электрически соединен с крепежным болтом переводника крепления модуля ЭМТ, при этом вторые концы к электрических проводников первого и второго жгутов электрически включены последовательно в соответствующие звенья к имитаторов обсадных колонн, а вторые концы (k+1)-х электрических проводников первого и второго жгутов электрически включены последовательно в соответствующее звено имитатора бурильной колонны.
Внутренняя полость отрезка первой обсадной трубы с расположенным в ней модулем ЭМТ заполнена водным раствором NaCl с УЭП, равной УЭП бурового раствора, (k-1) кольцевые полости с между отрезками к обсадных труб заполнены водными растворами NaCl с УЭП, равными УЭП цементного камня в соответствующей кольцевой полости.
3. Вариант III предназначен для использования устройства контроля скважинной ЭМТ на стадиях выпуска систем ЭМТ из производства и после ремонтных работ при их эксплуатации, а также для контроля ЭМТ на участках скважины с одной обсадной колонной.
Имитатор участка скважины включает горизонтально расположенный отрезок обсадной трубы с приваренными на торцах фланцами с резьбовыми отверстиями под крепежные болты, две круглые заглушки из электроизоляционного материала с отверстиями под крепежные болты, в центры которых вмонтированы электрогермовводы, установлены на торцах отрезка обсадной трубы и скреплены с ней крепежными болтами с обеспечением гидроизоляции посредством уплотнительной электроизоляционной прокладки, отрезок обсадной трубы выполнен с заливным отверстием и сливным вентилем, при этом имитатор участка скважины снабжен центрирующими опорами, выполненными из электроизоляционного материала, служащими для установки контролируемого модуля ЭМТ, и силовыми опорами для размещения на них имитатора участка скважины, а также двумя жгутами с двумя электрическими проводниками в каждом, причем первый конец первого электрического проводника первого жгута через первый электрогермоввод электрически соединен с первым контактным хомутом модуля ЭМТ, первый конец второго электрического проводника первого жгута электрически соединен через крепежный болт c первым концом отрезка обсадной трубы. Первый конец первого электрического проводника второго жгута через второй электрогермоввод электрически соединен со вторым контактным хомутом модуля ЭМТ, первый конец второго электрического проводника второго жгута через крепежный болт электрически соединен со вторым концом отрезка обсадной трубы.
Вторые концы первых электрических проводников первого и второго жгутов включены последовательно в соответствующее звено имитатора бурильной колонны, а вторые концы вторых электрических проводников первого и второго жгутов включены последовательно в соответствующее звено имитатора первой обсадной колонны, при этом внутренняя полость отрезка обсадной трубы с находящимся в нем модулем ЭМТ заполнена водным раствором NaCl с УЭП, равной УЭП бурового раствора.
Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведен пример геологического разреза с пластами 1 горных пород, пересеченных скважиной 2, заполненной буровым раствором 3. Здесь 4, 5, 6 - первая, вторая и третья обсадные колонны соответственно; 7 - цементный камень; 8 - бурильная колонна (НКТ); 9 модули ЭМТ.
На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства контроля ЭМТ для случая трех обсадных колонн (k=3) и четырех имитаторов участка скважины (q=4) с модулями ЭМТ. Здесь 10 - имитатор бурильной колонны (НКТ); 11, 12, 13 - имитаторы первой, второй и третьей обсадных колонн, соответственно; 14, 15 - резисторы и катушки индуктивности, соответственно, электрической линии имитатора бурильной колонны; 16, 17 - резисторы и катушки индуктивности, соответственно, электрической линии имитатора первой обсадной колонны; 18, 19 резисторы и катушки индуктивности, соответственно, электрической линии имитатора второй обсадной колонны; 20, 21 - резисторы и катушки индуктивности, соответственно, электрической линии имитатора третьей обсадной колонны; 22 - резисторы имитатора УЭП между бурильной и первой обсадной колоннами; 23 - резисторы имитатора УЭП цементного камня между первой и второй обсадными колоннами; 24 - резисторы имитатора УЭП между второй и третьей обсадными колоннами; 25, 26, 27 - резисторы имитаторы сопротивлений заземления первой, второй и третьей обсадных колонн, соответственно; 28, 29, 30, 31 - первый, второй третий и четвертый имитаторы участков скважины, соответственно, причем имитатор 31 участка скважины включен в призабойные звенья имитаторов 10 бурильной колонны и 11 первой обсадной колонны; 32, 33 - первый и второй жгуты электрических проводников первого имитатора участка скважины; 34, 35 - первый и второй жгуты электрических проводников второго имитатора участка скважины; 36, 37 - первый и второй жгуты электрических проводников третьего имитатора участка скважины; 38, 39 - первый и второй жгуты электрических проводников четвертого имитатора участка скважины; 40- шина заземления.
На фиг. 3 представлена экспериментально полученная зависимость тока возбуждения передающей катушки модуля ЭМТ от УЭС бурового раствора.
На фиг. 4 приведен чертеж имитатора участка скважины в виде продольного разреза, выполненного по первому варианту его исполнения. Здесь 3 - буровой раствор; 41 - основание; 42 - внутренний корпус макета модуля ЭМТ; 43 - внешний корпус макета модуля ЭМТ; 44 - шасси макета модуля ЭМТ с расположенными на нем (сверху вниз) платами электроники, тороидальной катушкой и батарейным источником электропитания; 45 - изоляторы внешнего корпуса макета модуля ЭМТ; 46, 47, 48 - отрезки обсадных труб; 49 - фланец; 50 - болт крепежный; 51 - прокладка уплотнительная; 52 - шпилька контактная; 53 - перемычка; 54, 55 - эквиваленты УЭП цементного камня между первой и второй и второй и третьей обсадными колоннами.
На фиг. 5 представлен чертеж имитатора участка скважины в виде продольного разреза, выполненного по второму варианту его исполнения. Здесь 56 - переводник крепления модуля ЭМТ; 57 - модуль ЭМТ; 58 - контактный хомут.
На фиг. 6 приведен чертеж имитатора участка скважины в виде продольного разреза, выполненного по третьему варианту его исполнения. Здесь 59 - заглушка; 60 - электрогермоввод; 61 - отверстие заливное; 62 - вентиль сливной; 63 - опора центрирующая; 64 - опора силовая.
Осуществление изобретения
Использование систем скважинной ЭМТ для передачи забойной информации, (например, внутри и затрубные давления и температура и др.) иллюстрируются фиг. 1. Скважина 2, пробуренная в пластах 1 горных пород и заполненная буровым раствором 3, обсажена, в данном случае, тремя (k=3) обсадными колоннами 4, 5, 6 разных диаметров. Кольцевые пространства между обсадными колоннами 4, 5 и 5, 6 заполнены цементным камнем 7. Внутрь первой обсадной колонны 4 на бурильных трубах (или НКТ) спущены модули 9 ЭМТ, в данном случае в количестве четырех (q=4). Для обеспечения двусторонней связи между забоем скважины и поверхностью модули 9 ЭМТ выполнены в виде приемопередатчиков. Передача информационных сигналов осуществляется путем возбуждения в бурильной колонне забойным модулем ЭМТ модулированного тока, который распространяется по ней, буровому раствору, другим обсадным колоннам, цементному камню и горным породам, достигая, ослабляясь, вышерасположенного модуля ЭМТ, находящегося в режиме приема.
Этот модуль ЭМТ после приема сигналов и их обработки переходит в режим передачи, т.е. исполняет также функции ретранслятора. Процесс передачи завершается приемом информационного сигнала наземным приемопередатчиком. (на фиг. 1 не показан).
Передача командных сигналов с поверхности к забою производится таким же образом.
Возбуждение тока в колонне, а также прием сигналов может осуществляться с помощью тороидальной катушки, одетой на трубу бурильной колонны и питаемую генератором модулированного тока, (см., например, патент РФ №2272132 «Способ передачи информации из скважины на поверхность», приоритет 07.08.2001 г., опубл. 20.06.2003 Бюл. №17).
Возбуждение тока и прием сигналов могут выполняться и с использованием электрического разделителя бурильной колонны (см., например, патент РФ №2307931 «Электрический разделитель бурильной колонны», приоритет 27.01.2006 г., опубл. 10.10.2007 г.)
Наиболее важными техническими характеристиками систем электромагнитной телеметрии, подлежащие контролю являются:
1) скорость передачи информации;
2) время задержки в получении информации;
3) помехоустойчивость системы ЭМТ;
4) достоверность получаемой информации;
5) время непрерывной работы системы ЭМТ без замены источников питания.
Изготовление устройств контроля скважинной ЭМТ производится, исходя из условий конкретного нефтегазодобывающего региона, на месторождениях которого имеются сходные геоэлектрические условия, технологии бурения, нефтегазодобычи, конструкции и глубины скважин.
До изготовления устройства контроля ЭМТ выполняют сбор информации о геометрических размерах используемых обсадных и бурильных труб: внешних и внутренних диаметрах, длине, а также об электрических и магнитных характеристиках металлов, из которых они изготовлены, а именно: УЭС и магнитной проницаемости. После чего расчетом или экспериментально определяют омические сопротивления и индуктивности обсадных и бурильной труб, а также их частотные характеристики в диапазоне рабочих частот передаваемых сигналов и температуры в скважине.
Получают также информацию о типе жидкости, заполняющей скважину и ее удельной электропроводности (УЭП), а также УЭП цементного камня.
Для получения информации об УЭС пересеченных скважиной горных пород, используют данные геофизических электрических исследований, выполненных при бурении скважины, таких, как боковое каротажное зондирование, боковой, индукционный, электромагнитный каротажи, на основе которых строится геоэлектрический разрез скважины. Детальность расчленения по глубине выбирают не более длины одной бурильной трубы, то есть УЭС пластов толщиной менее 10 м усредняются на этом интервале.
На основе полученной информации создают физическую модель типовой скважины для данного нефтедобывающего региона: с типовой конструкцией, типовым геоэлектрическим разрезом и типовыми глубинами.
После чего ствол типовой скважины разбивают на интервалы (звенья) равные по длине одной бурильной трубе, т.е. 10 м, и заменяют их электрическими эквивалентами, исходя из ранее полученной информации об омических сопротивлениях и индуктивностях бурильной и обсадных труб, УЭП бурового раствора, и цементного камня. По этим данным, а также по УЭС горных пород, определены значения резисторов 14, катушек 15 индуктивности имитатора 10 бурильной колонны (см. фиг. 2), резисторов 16, катушек 17 индуктивности имитатора 11 первой обсадной колонны, резисторов 18, катушек 19 индуктивности имитатора 12 второй обсадной колонны и резисторов 20 и катушек 21 индуктивности имитатора 13 третьей обсадной колонны. Также определены значения резисторов 22 имитатора УЭП бурового раствора между бурильной и первой обсадной колоннами, резисторов 23 имитатора УЭП цементного камня в кольцевом зазоре между первой и второй обсадными колоннами, резисторов 24 имитатора УЭП цементного камня в кольцевом зазоре между второй и третьей обсадными колоннами, а также значения резисторов 25, 26 и 27 сопротивлений заземления первой, второй и третьей обсадных колонн, соответственно.
В зависимости от УЭС горных пород согласно типового геоэлектрического разреза, номинальные значения резисторов 25, 26, 27 в разных звеньях модели типовой скважины могут отличаться друг от друга.
3
Значения сопротивлений этих резисторов R определены по формуле:
3
где R - сопротивление заземления обсадной колонны;
п
ρ - УЭС окружающих горных пород;
l - длина участка обсадной колонны;
k
d - наружный диаметр обсадной колонны.
пр
Значения сопротивлений резисторов R имитаторов УЭП бурового раствора и цементного камня определены по формуле:
1k
2k
где d, d -внутренний и внешний диаметры обсадных колонн;
γ - УЭП бурового раствора или цементного камня;
l - длина участка обсадной колонны.
Звенья имитаторов 10, 11, 12, 13 бурильной и обсадных колонн содержат включенные в них последовательно имитаторы 28, 29, 30, 31 участков скважины, содержащие модули ЭМТ или их макеты.
Резисторы и катушки индуктивности имитаторов 10, 11, 12, 13 бурильной и обсадных колонн, а также резисторы 22, 23, 24 имитаторов УЭП бурового раствора, УЭП цементного камня и резисторы 25, 26, 27 сопротивлений заземления обсадных колонн монтируются на печатных платах из фольгированного гетинакса или стеклотекстолита согласно схеме на фиг. 2 и устанавливаются на электроизоляционное основание толщиной 15-20 мм, выполненное из гетинакса или многослойной фанеры.
Ширина основания в зависимости от числа имитаторов обсадных колонн - до 250 мм.
Для удобства транспортирования длина основания не превышает 2,5 м, что соответствует длине имитируемого участка скважины эквивалентной 500 м. Для получения необходимой эквивалентной длины скважины создается продольная конструкция из последовательно соединенных электрическими проводниками секций длиной по 2,5 м, так для получения эквивалентной длины 5000 м необходимы 10 секций с общей длиной около 25 м.
Экспериментальные исследования (см. фиг. 3) источников модулированных токов в бурильной колонне с использованием тороидальных катушек в модулях ЭМТ выявили значительное влияние бурового раствора на ток возбуждения в первичной обмотке катушки. Так при изменении УЭС раствора от 0,1 Омм до 10 Омм ток возбуждения изменяется почти в 10 раз.
При использовании для этих целей электрических разделителей тоже необходимо учитывать влияние обсадной колонны и бурового раствора (см., например, Чупров В.П., Шайхутдинов Р.А. и др. «Опыт эксплуатации телесистемы с комбинированным каналом связи.» НТВ «Каротажник» Тверь: Изд. АИС 2011. Вып. 5 (203) с. 5-10). В связи с этим имитаторы участков скважины выполнены с возможностью заполнения их растворами NaCl с требуемыми УЭП.
Подключение имитаторов 28, 29, 30, 31 осуществляется посредством жгутов 32 и 33, 34 и 35, 36 и 37, 38 и 39 с электрическими проводниками. Таким образом, устройство контроля скважинной ЭМТ представляет собой физическую модель реальной типовой скважины конкретного нефтегазодобывающего региона, воспроизводящую такие же условия возбуждения, распространения и приема электромагнитных сигналов модулей ЭМТ.
При необходимости такие модели могут быть созданы и для скважин отдельных нефтегазовых месторождений или даже отдельных скважин.
На фиг. 4 представлен первый вариант исполнения имитатора 28 участка скважины, (см. фиг. 2) предназначенного для контроля на стадии НИОКР по разработке систем ЭМТ и выполненный для модели скважины с максимальным числом обсадных колонн равным трем, которые представлены отрезками 46, 47, 48 обсадных труб. С помощью приварных фланцев 49 и крепежных болтов 50 эти отрезки труб скреплены с основанием 41, изготовленным из электроизоляционного материала, например, из гетинакса. Внутри этой системы концентрических труб находится макет модуля ЭМТ, состоящий из внутреннего корпуса 42, являющегося отрезком бурильной трубы, внешнего корпуса 43 и шасси 44 макета модуля ЭМТ. Внутренний 42 и внешний 43 корпуса с помощью приварных фланцев и крепежных болтов также скреплены с основанием 41. Герметичность всей конструкции обеспечивается уплотнительной прокладкой 51, выполненной из эластичного электроизоляционного материала, например, из электротехнической резины.
Внешний корпус 43 изготовлен из трех отрезков труб, электрически изолированных изоляторами 45, подобно тому, как это выполняется в конструкциях реальных корпусов модулей ЭМТ для предотвращения замыкания возбужденных токов по внешнему корпусу.
К верхним частям отрезков бурильной и обсадных труб 46, 47, 48 приварены контактные шпильки 52, служащие для подключения первых концов трех электрических проводников первого жгута 32, а также электрического соединения верхних частей внутреннего 42 и внешнего 43 корпусов макета модуля ЭМТ перемычкой 53. Нижние части этих корпусов соединены между собой такой же перемычкой через крепежные болты.
Нижние части отрезков 46, 47, 48 обсадных труб через крепежные болты электрически соединены с первыми концами трех электрических проводников второго жгута 33. Вторые концы трех электрических проводников первого 32 и второго 33 жгутов включены последовательно в соответствующие звенья трех имитаторов 11, 12, 13 обсадных колонн (см. фиг. 2), а вторые концы четвертых электрических проводников первого 32 и второго 33 жгутов электрически включены последовательно в соответствующее звено имитатора 10 бурильной колонны.
Отрезок 42 бурильной трубы и кольцевая полость между внешним корпусом 43 макета модуля ЭМТ и отрезком 46 первой обсадной трубы заполнены водным раствором 3 NaCl с УЭП, равной УЭП бурового раствора, а две кольцевые полости между отрезками 47, 48 второй и третьей обсадных труб заполнены водными растворами 54, 55 NaCl с УЭП равными УЭП цементного камня в соответствующей кольцевой полости.
Шасси 44 макета модуля ЭМТ помещено в кольцевую полость между внутренним 42 и внешним 43 корпусами, не заполняемую раствором, и может при необходимости из нее извлекаться. На шасси 44 размещены все необходимые для работы макетируемого модуля ЭМТ узлы такие как приемопередающая тороидальная катушка, возбуждаемая генератором тока, батарейные источники электропитания, платы электроники с узлами приема, передачи информационных сигналов, и их цифровой обработки и др.
Так как в одной и той же скважине, как правило, имеются участки с разным количеством обсадных труб, как это показано на фиг. 1 и отражено в физической модели предлагаемого устройства контроля на фиг. 2, то и конструкция имитатора участка скважины на фиг. 4 предусматривает изменение числа обсадных колонн от 1 до 3. Так на фиг. 2 имитаторы 30 и 31 участка скважины имитируют участок скважины с одной обсадной колонной, имитатор 29 - с двумя, имитатор 28 - с тремя. Практически это достигается установкой требуемого числа отрезков обсадных труб на основание 41.
При необходимости увеличения числа имитируемых обсадных колонн свыше трех диаметр основания 41 может быть увеличен до размера, требуемого для установки нужного числа отрезков обсадных труб, при этом должно быть соответственно увеличено число электрических проводников в жгутах 32, 33.
Проверка функционирования вновь разрабатываемых модулей ЭМТ с помощью предлагаемого устройства контроля скважинной ЭМТ в зависимости от решаемых задач осуществляется следующим образом.
Если решается задача изучения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) интервалов линии связи между соседними макетами модулей ЭМТ, то после подачи на них электропитания, призабойный макет модуля ЭМТ имитатора 31 участка скважины устанавливается в режим передачи сигналов, а макет модуля ЭМТ имитатора 30 участка скважины - в режим приема. При этом генератор тока макета модуля ЭМТ имитатора 31 поочередно возбуждает в обмотке тороидальной приемопередающей катушки посылки синусоидальных токов с разными частотами необходимой длительности и амплитуды. Поскольку тороидальная катушка охватывает отрезок бурильной трубы, являющейся внутренним корпусом 42 макета модуля ЭМТ, при этом его верхняя и нижняя части посредством электрических проводников жгутов 39 и 38 (см. фиг. 2) последовательно включены в звено имитатора 10 бурильной колонны, а верхняя и нижняя части отрезка 46 обсадной трубы посредством электрических проводников жгутов 39 и 38 последовательно включены в звено имитатора 11 первой обсадной колонны, то в этих цепях также возбуждаются посылки синусоидальных токов.
Эти токи, растекаясь вдоль имитатора 10 бурильной колонны, стекают с нее через резисторы 22 имитатора УЭП бурового раствора между имитаторами 10 и 11 бурильной и первой обсадной колонн, распространяясь вдоль последней и, стекая с нее через резисторы 25 - имитаторы сопротивления заземления первой обсадной колонны на шину 40 заземления. Некоторая часть этих токов, распространившаяся вдоль имитатора 10 бурильной колонны, достигает имитатора 30 участка скважины и по электрическим проводникам жгутов 37, 36 течет и через внутренний корпус 42 макета модуля ЭМТ (см. фиг. 4), на котором расположена приемопередающая тороидальная катушка, которая, находясь в режиме приема, воспринимает переменные магнитные поля, создаваемые протекающими токами и преобразует их в соответствующие напряжения с такими же частотами и амплитудами, пропорциональными амплитудам протекающих токов.
По результатам измерений строится АЧХ линии связи на интервале между имитаторами 30 и 31 участков скважины в виде зависимости амплитуды напряжений принятых сигналов от частоты передаваемых.
Таким же образом, снимаются АЧХ линий связи и на интервалах между имитаторами 30, 29 и 29, 28 участков скважины (см. фиг. 2).
По полученным АЧХ определяются частотные полосы пропускания сигналов, выбираются оптимальные частоты передачи сигналов, выполняется оптимизация параметров приемопередающих макетов модулей ЭМТ: количество витков в приемных и передающих обмотках тороидальных катушек, тип и сечение магнитопроводов, напряжения питания и др., с целью получения в приемниках максимально возможных сигналов наряду с приемлемым энергопотреблением.
При решении задач передачи модулированных (кодированных) информационных сигналов (на определенных на предыдущем этапе несущих частотах) генераторы токов макетов модулей ЭМТ возбуждают в имитаторе 10 бурильной колонны устройства контроля посылки, соответственно, модулированных токов, распространяющихся по линии связи к приемникам таким же образом, как было описано выше.
При этом контролю и оптимизации подлежат такие характеристики как:
1) скорость передачи информации;
2) время задержки в получении информации;
3) достоверность получаемой информации;
4) помехоустойчивость системы ЭМТ;
5) время непрерывной работы без замены источников питания;
6) число (q) модулей ЭМТ, оптимальное для надежной передачи информации.
Оптимизация характеристик достигается опробованием различных вариантов схемотехнических и программно-методических решений до получения требуемого результата. Поскольку предлагаемое устройство имеет открытый доступ ко всем своим элементам и составным частям, то возможен контроль за прохождением сигналов, напряжениями и токами (с помощью осциллографов, анализаторов спектров и других приборов) во всех точках линии связи и макетов модулей ЭМТ.
Быстрое и беспрепятственное извлечение шасси 44 макетов модулей ЭМТ из имитаторов 28-31 участков скважины позволяет оперативно менять платы электроники, тороидальные катушки, батарейные источники электропитания для опробования других схемотехнических и программных решений.
Также имеются возможности:
- оперативно менять имитируемое УЭС горных пород путем замены соответствующих резисторов-имитаторов УЭС любых участков модели скважины;
- оперативно менять УЭП бурового раствора как в имитаторах участков скважины, так и в модели скважины путем изменения резисторов в имитаторе УЭП бурового раствора;
- осуществлять проверку помехоустойчивости систем ЭМТ путем включения в некоторые участки модели скважины генераторов шумов и помех.
На фиг. 5 представлен второй вариант исполнения имитатора участка скважины, предназначенного для контроля технических характеристик на стадии выпуска систем ЭМТ из производства и после ремонтных работ при их эксплуатации. В данном случае изображен имитатор участка скважины, применяемый на интервалах скважины с одной обсадной колонной, например, как имитаторы 30, 31 на фиг. 2.
Однако конструкцией имитатора участка скважины предусмотрено его использование и на участках скважины с бОльшим числом обсадных колонн, путем установки на основание 41 необходимого числа отрезков обсадных труб с приварными фланцами 49 на одном конце и контактными шпильками 52 на другом и последующим креплением этих отрезков к основанию 41 крепежными болтами 50 в вертикальном положении.
Основным отличием второго варианта от первого является то, что контролю подвергаются готовые изделия - модули 57 ЭМТ, а не макеты. Модуль ЭМТ свинчивается с переводником 56 крепления, имеющим такие же присоединительные размеры и тип резьбы, как и модуль 57 ЭМТ.
Переводник 56 крепления модуля ЭМТ с помощью приварного фланца 49 и крепежных болтов 50 соединен с основанием 41, при этом крепежные болты 50 через резьбовые соединения в приварных фланцах 49 электрически контактируют с переводником 56 крепления модуля ЭМТ, и, следовательно, и с нижней частью корпуса модуля ЭМТ.
На верхней части корпуса модуля ЭМТ установлен контактный хомут 58, к которому электрически подключен первый конец первого электрического проводника первого жгута 36, а первый конец второго его проводника электрически соединен с контактной шпилькой 52, приваренной к верхней части отрезка 46 обсадной трубы.
К одному из крепежных болтов, соединяющих переводник 56 крепления модуля ЭМТ с основанием 41, электрически подключен первый конец первого электрического проводника второго жгута 37, а первый конец его второго проводника электрически соединен через крепежный болт 50 с нижней частью отрезка 46 обсадной трубы.
Вторые концы первых электрических проводников жгутов 36, 37 последовательно включены в звено имитатора 10 бурильной колонны, а вторые концы вторых - последовательно включены в звено имитатора 11 первой обсадной колонны (см. фиг. 2).
Подключение к имитаторам обсадных колонн имитаторов участков скважин, выполненных по второму варианту с числом обсадных колонн более одной, осуществляется таким же образом, как это было описано выше для первого варианта исполнения имитатора участка скважины.
Перед началом работ, как и в первом варианте, полость внутри отрезка первой обсадной трубы и кольцевые полости между отрезками последующих обсадных труб заполняются соответствующими растворами NaCl.
Второй вариант исполнения имитатора участка скважины используется при контроле технических характеристик систем ЭМТ, нормированных в технических условиях и эксплуатационной документации, полученных по результатам НИОКР и перечисленных выше при описании первого варианта исполнения имитатора участка скважины.
Принцип работы предлагаемого устройства контроля в этом случае аналогичен описанному ранее, только модулированные токи в имитаторах бурильной и обсадных колонн создаются генераторами реальных, а не макетных модулей ЭМТ.
Этот вариант исполнения имитатора участка скважины может быть использован также для контроля характеристик систем ЭМТ с возбудителями тока не только в виде тороидальных катушек, но и с помощью электрических разделителей бурильной колонны.
На фиг. 6 представлен третий вариант исполнения имитатора участка скважины, выполненный в виде горизонтально расположенного отрезка 46 первой обсадной трубы с приваренными на торцах фланцами 49 с резьбовыми отверстиями под крепежные болты 50. Две круглые заглушки 59 из электроизоляционного материала с отверстиями под крепежные болты, в центры которых вмонтированы электрогермовводы 60, установлены на торцах отрезка 46 обсадной трубы и скреплены с ней крепежными болтами с обеспечением гидроизоляции посредством уплотнительной электроизоляционной прокладки 51.
Имитатор выполнен с заливным отверстием 61 и сливным вентилем 62, а также снабжен центрирующими опорами 63, выполненными из электроизоляционного материала, служащими для установки контролируемого модуля 57 ЭМТ, и силовыми опорами 64 для размещения на них имитатора участка скважины.
Имеет два жгута 38, 39 с двумя электрическими проводниками в каждом, причем первый конец первого электрического проводника первого жгута 39 через первый электрогермоввод 60 электрически соединен с первым контактным хомутом 58 модуля 57 ЭМТ, первый конец второго электрического проводника первого жгута 39 электрически соединен через крепежный болт с первым концом отрезка 46 обсадной трубы.
Первый конец первого электрического проводника второго жгута 38 через второй электрогермоввод электрически соединен со вторым контактным хомутом модуля 57 ЭМТ, первый конец второго электрического проводника второго жгута 38 через крепежный болт электрически соединен со вторым концом отрезка 46 обсадной трубы.
Вторые концы первых электрических проводников первого 39 и второго 38 жгутов включены последовательно в соответствующее звено имитатора 10 бурильной колонны, а вторые концы вторых электрических проводников первого 39 и второго 38 жгутов включены последовательно в соответствующее звено имитатора 11 первой обсадной колонны (см. фиг. 2) на интервалах скважины с одной обсадной колонной, при этом внутренняя полость отрезка обсадной трубы с находящимся в нем модулем ЭМТ заполнена водным раствором NaCl с УЭП, равной УЭП бурового раствора.
Этот вариант исполнения имитатора участка скважины по назначению и своему функционированию аналогичен выше рассмотренному второму варианту при использовании их на участках скважины с одной обсадной колонной. Однако при работах с модулями ЭМТ длиной более 1,5-2 м горизонтальное расположение этого имитатора участка скважины облегчает проведение операций по загрузке и выгрузке модулей ЭМТ, а также по заполнению и сливу солевых растворов из имитатора.
Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является создание устройства контроля скважинных ЭМТ, воспроизводящего условия возбуждения, распространения и приема электромагнитных сигналов близкие к реальным скважинным, отличающегося невысокой стоимостью изготовления, возможностью моделирования скважин практически любой глубины, конструкции и различных геоэлектрических разрезов, а также позволяющего осуществлять контроль важнейших информационных характеристик систем ЭМТ на всех стадиях: НИОКР, производство, эксплуатация.