СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ СКВАЖИННОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DATA TRANSFER FROM WELL VIA ELECTROMAGNETIC COMMUNICATION LINE AND DEVICE TO THIS END

Группа изобретений относится к области бурения скважин и предназначена для передачи скважинной информации на поверхность по электромагнитному каналу связи.
Известна телеметрическая система передачи скважинных данных (пат. РФ №2229733, приор. 23.03.1999 г., публ. 20.01.2001 г.).
Телеметрическая система содержит изоляционный трубный элемент, отделяющий нижнюю часть бурильных труб вместе с турбобуром от основной колонны бурильных труб, ключевой элемент, управляемый кодовым сигналом скважинной аппаратуры, наземную часть, содержащую электрод заземления и блок приема кодированной информации. Ключевой элемент подключен параллельно изоляционному трубному элементу. В наземную часть между колонной бурильных труб и электродом заземления введен силовой источник электрического питания канала связи и трансформатор тока. Силовой источник электрического питания канала связи и первичная токовая обмотка трансформатора тока включены последовательно между колонной бурильных труб и дополнительным электродом заземления. Вторичная обмотка трансформатора соединена с входом блока приема кодированной информации. В колонну бурильных труб может быть установлен по меньшей мере один дополнительный разделяющий колонну бурильных труб изоляционный элемент с соответствующим ключевым элементом, подключенным параллельно дополнительному изоляционному элементу и управляемым кодовым сигналом скважинной аппаратуры.
Недостаток известной конструкции заключается в том, что наличие диэлектрических разделителей и наземного генератора усложняет конструкцию.
Известен способ бурения наклонных и горизонтальных скважин, исключающий использование разделительной диэлектрической вставки и включающий сборку буровой компоновки: забойного двигателя, кривого переводника, удлинительной трубы, посадочного устройства, инклинометра, бурильных труб, крана шарового, квадрата, вертлюга и наземной аппаратуры, отличающийся тем, что в буровую компоновку после инклинометра устанавливают нижнюю приемо-передающую антенну, соединенную через блок согласования с инклинометром, а в верхней части буровой компоновки устанавливают верхнюю приемо-передающую антенну, соединенную через блок согласования и токосъемник или непосредственно с наземной аппаратурой обработки и визуализации информации, причем конструкцию приемо-передающих антенн выполняют так, что при передаче информационного сигнала от инклинометра нижняя антенна возбуждает переменный импульсный электрический ток по буровому раствору внутри буровой компоновки, достигая верхней антенны и охватывая ее, ток возвращается по стенкам колонны к нижней антенне, образуя замкнутое электрическое кольцо вокруг нижней и верхней антенн, возбуждая в последней переменное импульсное напряжение - информационный сигнал.
При этом приемо-передающую антенну изготавливают в виде двух цилиндров разного диаметра, помещают один в другой и соединяют в торце, в зазор между цилиндрами устанавливают цилиндр из магнитомягкого материала с обмоткой, который закрывают электроизолирующим материалом, внешний цилиндр выполняют по диаметру бурильной трубы с муфтой и ниппелем, а второй торец внутреннего цилиндра изолируют от внешнего цилиндра (пат. РФ №2162521, приор. 17.12.1999 г., опубл. 27.01.2001 г.).
Известный способ предусматривает измерение текущих параметров скважины (показания инклинометра) и передачу через блок согласования информационного сигнала на нижнюю приемо-передающую антенну, которая возбуждает переменный электрический ток. Электрический ток идет от внутреннего цилиндра нижней антенны до внутреннего цилиндра верхней антенны и, замыкаясь на стенку буровой колонны, образует токовую петлю вокруг антенн. Токовая петля возбуждает в верхней антенне переменное (импульсное) напряжение, идентичное передаваемому. Этот сигнал через блок согласования и токосъемник или по беспроводному каналу связи поступает в наземную аппаратуру обработки и визуализации информации. Данные, полученные на поверхности, используют для контроля направления бурения и для управления направлением бурения
Недостаток способа и устройства заключается в том, что способ реализуется при помощи очень сложного устройства. («Верхнюю часть компоновки подсоединяют к нижней при установке достаточного количества бурильных труб») - такая сборка колонны предусматривает однократное исполнение, так как при наращивании колонны требуется каждый раз отцеплять компоновку с верхней антенной. При этом способ предусматривает электроизоляцию всей внутренней поверхности бурильных труб («Способ по п.1, отличающийся тем, что бурильные трубы, кран шаровый и квадрат покрывают внутри изолирующим слоем»), что выполнить крайне сложно.
Известен способ создания электромагнитного канала связи между приемным устройством и датчиком, заключающийся в возбуждении электрического тока в грунтах, окружающих нижнюю часть колонны бурильных труб (колонна), и регистрации наводимой при этом разности потенциалов между верхней и нижней частями колонны, разделенных диэлектрической вставкой. При этом ток наводится при помощи автономной электродвижущей силы (ЭДС) между нижней частью колонны и проводящим коаксиальным кольцом, расположенным непосредственно над долотом и изолированным от колонны (Молчанов А.А., Абрамов Г.С. Бескабельные системы для исследований нефтегазовых скважин (теория и практика). / Под общей редакцией А.А. Молчанова - Москва: ОАО «ВНИИО-ЭНГ», 2003. - 450 с.). (Выбран в качестве прототипа к заявляемому изобретению.)
Недостатками данной технологии являются как необходимость обеспечения надежного соединения с верхней частью колонны изолированным кабелем для съема его потенциала относительно нижней части, что не всегда технологично и/или надежно, так и наличие разделительной диэлектрической вставки, что ухудшает механическую прочность колонны.
Задачей группы изобретений является повышение надежности передачи информации с забоя по электромагнитному каналу связи, расширение области его применения и упрощение конструкции устройства для его осуществления.
Указанная задача решается тем, что в способе передачи информации по электромагнитному каналу связи, включающем возбуждение электрического тока в породе, окружающей нижнюю часть колонны бурильных труб (колонна), при помощи ЭДС автономного генератора, подключенного к колонне, и по изолированному от колонны коаксиальному кольцу (излучающее кольцо), в верхнюю компоновку колонны вводят дополнительное изолированное от колонны коаксиальное кольцо (измерительное кольцо) и с этого кольца осуществляют съем величины переменного потенциала напряжения, наводимого в породе текущим током, генерируемым излучающим кольцом, при этом величину потенциала модулируют управляемой в соответствии с кодированной забойной информацией ЭДС автономного генератора.
Заявляется устройство для реализации способа, содержащее автономный генератор, проводящее коаксиальное изолированное от колонны бурильных труб (колонна) кольцо (излучающее кольцо), установленное в нижней части колонны, и устройство кодирования и управления ЭДС автономного генератора, а также блок регистрации и декодирования получаемой информации возбуждения электрического тока в колонне и в породе, окружающей колонну, при этом в верхнюю компоновку колонны введено дополнительное проводящее коаксиальное изолированное от колонны кольцо (измерительное кольцо), установленное с возможностью регистрации изменения напряжения между этим измерительным кольцом и колонной.
Отличительные признаки заявленного способа и устройства от известных технических решений заключаются в следующем.
В способе по пат. 2162521 передача сигналов осуществляется при помощи катушки («устанавливают цилиндр из магнитомягкого материала с обмоткой») с током, проходящим по трубе, то есть это электромагнитное возбуждение.
В заявляемом способе подают электрический переменный потенциал непосредственно на изолированное от трубы излучающее кольцо.
Прием сигнала (в верхней антенне) по пат. 2162521 также осуществляется при помощи катушки (аналогично п.1).
В заявляемом способе - это опять же изолированное от трубы измерительное кольцо.
В пат. 2162521 регистрируется переменная ЭДС, наводимая замкнутым током в бурильной трубе и буровом растворе в катушке «из магнитомягкого материала с обмоткой», в нашем случае мы регистрируем в измерительном кольце переменный потенциал, наводимый в породе вблизи колонны бурильных труб относительно ее поверхности текущим в пласте током, который генерируется излучающим кольцом.
На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства для осуществления передачи информации с забоя скважины.
На фиг.2 показано расположение измерительного и излучающего колец на металлической колонне.
Устройство содержит: колонну бурильных труб 1, в верхней части которой установлено измерительное кольцо 2, а в нижней части - излучающее кольцо 3, а также скважинный датчик 4 с модулем кодирования полезного сигнала (общеизвестно), установленные непосредственно над долотом 5, автономный генератор 6, подключенный к излучающему кольцу 3 и колонне 1. Измерительное кольцо 2 установлено с возможностью регистрации изменения напряжения между этим измерительным кольцом и колонной - поз.7. Измерительное и излучающее кольца установлены на изоляторах 8 на металлической колонне 1. Устройство содержит блок регистрации и декодирования получаемой информации возбуждения электрического тока в колонне и в породе (общеизвестно и на фигуре не показано). Обозначение «В» - направление тока в породе, «А» - направление тока к измерительному кольцу 2 относительно колонны 1.
Суть способа
На забое бурящейся скважины с помощью автономного генератора 6, подключенного к излучающему кольцу 3, в толщу окружающих скважину пород подают модулированный полезным сигналом от скважинного датчика 4 ток «В», который генерирует переменную разность потенциалов в породе вокруг колонны, которая регистрируется при помощи измерительного кольца 2 относительно той же колонны (Фиг.1).
Форма снимаемой с излучающего кольца 2 разности потенциалов определяется модулем кодирования скважинного датчика 4. Таким образом, полезным сигналом служит изменение напряжения между измерительным кольцом 2 и колонной 1, являющейся функцией переменного тока, текущего в окружающей колонну толще пород, генерируемой переменной ЭДС автономного генератора 6 при помощи излучающего кольца 3.
Для этого осуществляют съем информации (измерение разности потенциалов Δφ) между измерительным кольцом 2 и колонной 1. Разность потенциалов Δφ наводится токами «В» в породе и/или промывочной жидкости при помощи генераторной ЭДС, модулированной полезным сигналом скважинного датчика 4 на излучающем кольце 3:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mi>I</mi><mo>*</mo><mi>R</mi><mo>,</mo><mtext>                                                                              </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
где I - ток между измерительным кольцом и нижней частью колонны,
R - входное сопротивление измерительного устройства.