СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ НА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ
METHOD AND DEVICE FOR SIGNAL TRANSFER TO MEASURING INSTRUMENT IN WELL SHAFT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится в общем к области измерительной аппаратуры, используемой в стволах скважины, пробуренных через формации. Более конкретно, изобретение относится к способам и устройствам для передачи сигналов на измерительный прибор в стволе скважины с поверхности.
Предшествующий уровень техники
Измерительные приборы, используемые в пробуренных стволах скважины в толщину пород, включают в себя широкое разнообразие датчиков и механических управляющих устройств. Примеры предшествующего уровня среди других включают в себя датчики давления и температуры, инклинометры и датчики направления скважины, емкостные датчики, датчики плотности текучей среды. При использовании таких измерительных приборов часто необходимо посылать сигналы с поверхности Земли к измерительному прибору, чтобы воздействовать на работу измерительного прибора или обеспечивать информацией, которую можно использовать в измерительном приборе.
Для измерительных приборов, развертываемых в стволе скважины, при использовании армированного электрического кабеля (развертывании "проводной линии связи") сигналы передают по кабелю на измерительный прибор с поверхности, обычно с наземной системы записи. Для измерительных приборов, развертываемых с использованием буровой установки или подобного устройства, в котором измерительный прибор можно перемещать на конце бурильной трубы или колонны насосно-компрессорных труб, как известно в технике, сигналы посылают на измерительный прибор, регулируя поток бурового раствора через бурильную трубу. Такую регуляцию можно регистрировать и декодировать в измерительном приборе датчиком расхода или датчиком давления. Также известной в технике является передача сигнала на измерительный прибор посредством регулирования скорости вращения бурильной трубы. Смотри, например, патент США № 6,847,304, выданный McLoughlin, и патент США № 5,113,379, выданный Scherbatskoy. Также известной в технике является передача сигналов на измерительный прибор в стволе скважины посредством регулирования давления жидкости с поверхности. Смотри, например, патент США № 4,856,595, выданный Upchurch и переуступленный правопреемнику настоящего изобретения.
В некоторых случаях непрактично использовать какую-либо из вышеизложенных технологий для передачи сигналов на измерительный прибор в стволе скважины. Например, используя "систему проведения канатных работ "Slickline"" (перемещение на одножильном проводе или на стальном тросе, не имеющем никаких изолированных электрических проводников), не существует практического способа передавать электрические сигналы на измерительный прибор с поверхности. Дополнительно, невозможно вращать измерительный прибор с поверхности, когда его перемещают с помощью каната для проведения канатных работ "Slickline" или гибкой НКТ малого диаметра. Наконец, некоторые скважинные измерительные приборы существенно усложнены, поскольку сконструированы с возможностью включения датчика расхода или давления.
Сущность изобретения
Одним объектом изобретения является способ передачи сигнала на измерительный прибор в стволе скважины. Способ согласно этому объекту изобретения включает в себя ускорение по оси измерительного прибора в заданном профиле ускорения. Предварительно определенный профиль ускорения соответствует сигналу, подлежащему передаче. Осевое ускорение измерительного прибора регистрируется, и сигнал декодируется от зарегистрированного осевого ускорения.
Система регистрации сигнала для измерительного прибора в стволе скважины согласно другому объекту изобретения включает в себя акселерометр, ориентированный по продольной оси измерительного прибора. Система также включает в себя способ сравнения измерений, выполненных акселерометром по меньшей мере для одного предварительно определенного профиля ускорения. Предварительно определенный профиль ускорения соответствует сигналу, переданному с поверхности на измерительный прибор.
Другие объекты и преимущества изобретения станут очевидны из следующего описания и прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображен измерительный прибор, развертываемый в стволе скважины с помощью станции для проведения канатных работ "Slickline".
На фиг.2 изображен измерительный прибор, развертываемый в стволе скважины с помощью гибкой НКТ малого диаметра.
На фиг.3 изображены более подробно компоненты регистрации ускорения и датчика измерительного прибора, показанного на фиг.1 и 2.
Фиг.4 изображает один пример автоматической системы генерирования сигналов для передачи на измерительный прибор в стволе скважины.
Подробное описание
Фиг.1 изображает пример измерительного прибора 10 ствола скважины, имеющего устройство регистрации и декодирования сигнала согласно одному объекту изобретения, как его можно развертывать в стволе скважины при использовании устройства перемещения, известного как "станция для проведения канатных работ в скважине", показанной в общем ссылочной позицией 20 на фиг.1. "Канатные работы "Slickline"" в общем известны в технике и проводятся с помощью одножильного стального провода или стального троса, развертываемого от лебедки или подобного намоточного устройства для развертывания или извлечения различных измерительных приборов из ствола скважины, и термин "станция для проведения канатных работ "Slickline"" включает в себя такой провод или стальной трос, лебедку и связанные управляющие устройства лебедки. Настоящее описание изобретения выполнено на основе некоторых примерных устройств перемещения, и в этом описании термин "устройство перемещения" предназначен для обозначения какого-либо устройства, известного в технике, для введения измерительных приборов в ствол скважины, пробуренный через подземную формацию, и извлечения измерительных приборов. Такие устройства перемещения включают в себя станции для проведения канатных работ "Slickline" в скважине и системы гибкой НКТ малого диаметра, как сформулировано в этом описании, потому что эти устройства перемещения представляют особенно предпочтительное использование для системы и способа согласно изобретению. Однако должно быть безусловно понято, что любое другое устройство перемещения, известное в технике, включающее в себя буровую установку, имеющую подъемную систему, оборудование для ремонтных работ, имеющее подобную систему подъема, которая может перемещать устройства в скважину и из нее, использующее резьбовое соединение сегментов труб или трубу, или блок "проводной линии связи", имеющий лебедку, которая наматывает армированный электрический кабель, имеющий один или более изолированных электрических проводников, можно также использовать в изобретении. Соответственно, примерные устройства перемещения, показанные здесь, предназначены только для иллюстрации общих принципов и не предназначены для ограничения объема этого изобретения.
Станция 20 проведения канатных работ "Slickline" включает в себя лебедку 20A или подобное устройство какого-либо типа, известного в технике. Как будет дополнительно объясняться со ссылкой на фиг.4, лебедку 20A можно вращать с помощью двигателя (на фиг.1 не показан) или подобного вращательного источника энергии. Канат 18 для проведения канатных работ "Slickline" показан развертываемым от станции 20 проведения канатных работ "Slickline" к стволу 16 скважины, пробуренному через подземную толщу пород. На фиг.1 канат 18 для проведения канатных работ "Slickline" проходит через верхний направляющий ролик 24 и нижний направляющий ролик 26, известные из уровня техники. Направляющие ролики 26, 24 перенаправляют канат 18 для проведения канатных работ "Slickline" так, что он продолжается вертикально по стволу 16 скважины для введения и извлечения из ствола скважины. Направляющие ролики 24, 26 могут располагаться на блоке 22 передвижной мачты любого известного из уровня техники вида.
Измерительный прибор 10 показан развернутым в стволе 16 скважины на нижнем конце каната 18 для проведения канатных работ "Slickline". Измерительный прибор 10 может включать в себя датчики или другие устройства, и процессор сбора данных, показанный в общем ссылочной позицией 14, и акселерометр, и связанные устройства схемы обработки сигналов, показанные в общем ссылочной позицией 12. Акселерометр 12 предназначен в измерительном приборе 10 для реагирования прежде всего на ускорение по продольной оси измерительного прибора, как показано в общем линией 10A.
Чувствительный элемент напряжения при растяжении или "датчик 60 напряжений" можно соединять между верхним направляющим роликом 24 и участком деррика блока 22 мачты, чтобы обеспечивать возможность оценки напряжения при растяжении ("вес") на канате 18 для проведения канатных работ "Slickline". В дополнение к обеспечению станции 20 проведения канатных работ "Slickline" исполнительный механизм с индикацией состояния измерительного прибора 10, при перемещении по стволу 16 скважины, может использовать измерения напряжения при растяжении, как будет объясняться ниже со ссылкой на фиг.4, для помощи в управлении лебедкой 20A для генерирования сигнала для связи с поверхности к измерительному прибору 10 в стволе 16 скважины.
Другой пример устройства развертывания измерительного прибора в стволе скважины показан на фиг.2. Устройство развертывания, показанное на фиг.2, является системой 30 гибкой НКТ малого диаметра. Гибкую НКТ малого диаметра 18A хранят на катушке 36. Гибкую НКТ малого диаметра 18A можно вводить в ствол 16 скважины и извлекать из ствола 16 скважины, чтобы перемещать измерительный прибор 10. Система 30 гибкой НКТ малого диаметра обычно включает в себя тянущее устройство, названное "инжекторная головка", показанное в общем ссылочной позицией 34. Инжекторная головка 34 включает в себя тянущие ремни или подобные устройства, которые перемещают гибкую НКТ малого диаметра 18A вверх и вниз. Гибкую НКТ малого диаметра 18A перенаправляют от катушки 32 в общем в вертикальной ориентации над инжекторной головкой 34, используя устройство, названное "гусак", показанное в общем ссылочной позицией 32, и которое обычно включает в себя множество вращающихся роликов, расположенных по дугообразной траектории в опорной конструкции. Хотя она не показана отдельно на фиг.2, обычно система 30 гибкой НКТ малого диаметра будет включать в себя индикатор веса или подобный датчик напряжений с целью датчика напряжения 60, показанного на фиг.1, когда его используют со станцией проведения канатных работ "Slickline" (20 на фиг.1).
Устройства развертывания, показанные на фиг.1 и фиг.2, являются только примерами устройств развертывания, которые можно использовать со способом и устройством согласно изобретению, как описано выше. Устройства, показанные на фиг.1 и фиг.2, являются устройствами, для которых предназначено изобретение, потому что оба не обязательно включают в себя электрический канал сигнала, оптический канал сигнала или динамометрический канал сигнала, чтобы передавать сигнал с поверхности на измерительный прибор в стволе скважины, и при этом они легко могут вызывать вращение измерительного прибора в стволе скважины.
Показав в общем устройства перемещения для развертывания измерительного прибора в стволе скважины, пример устройства регистрации и декодирования сигнала согласно одному объекту изобретения будет объясняться со ссылкой на фиг.3. Измерительный прибор 10 может включать в себя удлиненный корпус 11, сконструированный с возможностью перемещения по внутренней части ствола скважины. Корпус 11 обычно определяет герметизированную внутреннюю камеру в нем. Корпус 11 можно соединять с концом каната 18 для проведения канатных работ "Slickline" (или системой 18A гибкой НКТ малого диаметра) посредством концевой кабельной коробки 40 любого известного в технике типа, чтобы присоединять к нему измерительный прибор для проведения канатных работ "Slickline". Устройства для регистрации и обработки сигнала обычно располагают в такой герметичной камере.
Устройство 12 регистрации и обработки сигнала может включать в себя акселерометр 42, такой как кварцевый акселерометр изгиба, как предварительно объяснено, ориентируемый так, что его чувствительная ось находится в общем вдоль продольной оси (10A на фиг.1) измерительного прибора 10. Один такой акселерометр реализуется под названием модели QAT160 Honeywell International, 101 Columbia Rd., Morristown, NJ 07960. Выполненный таким образом, акселерометр 42 генерирует сигнал, относящийся к осевому ускорению на измерительном приборе 10. Выход акселерометра 42 можно соединять с операционным усилителем, однополюсной комбинацией 44 полосового фильтра ("фильтром"), который может поддерживать определенное состояние выходного сигнала акселерометра 42 и фильтровать компоненты ускорения выше и/или ниже выбранной частоты. В одном примере фильтр 44 имеет высокую частоту среза приблизительно 50 Гц. Выход фильтра 44 может быть проведен к процессору 46 цифровых сигналов ("ПЦС"). ПЦС 46 может включать в себя внутренний аналого-цифровой преобразователь ("АЦП") или может использовать отдельный АЦП (не показан), соединенный между выходом фильтра 44 и входом ПЦС 46. Один соответствующий ПЦС реализуется под названием модели TMS320C33 Texas Instruments Inc, 12500 TI Boulevard, Dallas, TX 75243-4136.
Другие устройства 14 сбора и обработки сигналов могут включать в себя центральный процессор 50, чтобы обрабатывать и/или регистрировать выходные сигналы от ПЦС 46, а также сигналы, сформированные одним или более другими датчиками 52 или другими устройствами в измерительном приборе 10. Неограничивающие примеры таких других датчиков 52 могут включать в себя датчики давления и/или температуры и каверномер (измерительные устройства внутреннего диаметра ствола скважины). Любое другое устройство, обычно приводимое в действие канатом для проведения канатных работ "Slickline" или гибкой НКТ малого диаметра, перемещающими измерительный прибор, можно также располагать в корпусе 11 или соединять с ним. Соответственно, конструкция, показанная на фиг.3, не предназначена, чтобы ограничить объем типов других датчиков или устройств, которые можно использовать в измерительном приборе 10.
Электроэнергию для работы всех вышеизложенных устройств можно подавать аккумуляторной батареей 48 или другим устройством аккумулирования энергии. Однако источник электроэнергии для работы различных устройств в измерительном приборе не предназначен для ограничения объема этого изобретения.
В одном примере ПЦС 46 можно конфигурировать для измерения фильтрованного выходного сигнала акселерометра 42 для выбранного периода времени, например, амортизацией выбранного количества выборок измерений акселерометра, и вычислением некоторых атрибутов измеренного ускорения. Такие атрибуты могут включать в себя максимальное ускорение, минимальное ускорение, среднее ускорение и дисперсию (или среднеквадратическое отклонение). Статистическую информацию можно использовать в некоторых примерах для различения между истинными сигналами, переданными с поверхности Земли, и шумом, который маловероятно представляет сигнал с поверхности Земли. Например, если максимальные и минимальные значения ускорения внутри выбранного интервала времени не находятся вне выбранных пороговых критериев, измеренное ускорение можно скорее приписывать обыкновенному действию устройства перемещения, чем элементам сигнала.
ПЦС 46 можно сконфигурировать так, чтобы сравнивать измеренное ускорение с одним или более предварительно определенных профилей ускорения. Если предварительно определенный профиль ускорения является подходящим, ПЦС 46 может передавать сигнал процессору 50, соответствующий зарегистрированному профилю ускорения, указывающему, что сигнал был обнаружен. Процессор 50 может воздействовать на одно или более устройств в измерительном приборе 10 согласно инструкциям, соответствующим обнаруженному сигналу. Например, датчик может быть включен или выключен. Регистрирующее устройство в процессоре 50 может быть переключено, чтобы регистрировать конкретный тип выходного сигнала датчика или изменять выборочную долю регистрации сигнала датчика. Это не является ограничением объема этого изобретения относительно типа действия, инициализированного (или остановленного) измерительным прибором 10 в ответ на обнаруженный профиль ускорения. Кроме того, хотя вышеизложенные примеры сигналов с поверхности были описаны исходя из команд или инструкций, также в пределах объема этого изобретения является то, что данные можно также передавать на измерительный прибор. Соответственно, термин "сигнал", как его используют здесь в отношении информации, передаваемой с поверхности на измерительный прибор, подразумевает любую информацию, которую можно закодировать в конкретный профиль ускорения и зарегистрировать соответствующей обработкой сигналов ускорения в ПЦС 46 и/или процессоре 50, или любом подобном устройстве регистрации и декодирования сигнала.
Ускорение в качестве такого термина, который используют в настоящем описании, подразумевает усилие, прикладываемое в течение достаточной продолжительности времени, чтобы изменять скорость измерительного прибора 10. Такое определение предназначено, чтобы отличать от акустической передачи сигнала (который можно обнаруживать акселерометром), в котором упругие или поперечные волны перемещаются по измерительному прибору 10, но не изменяют его скорость.
Для генерирования выбранного профиля ускорения на поверхность, чтобы представлять сигнал, подлежащий передаче на измерительный прибор 10, можно использовать лебедку (20A на фиг.1) или систему (30 на фиг.2) гибкой НКТ малого диаметра, чтобы ускорять измерительный прибор предварительно определенным способом. Например, лебедку или систему гибкой НКТ малого диаметра можно использовать, чтобы моментально прикладывать направленное вверх движение к канату для проведения канатных работ "Slickline" (18 на фиг.1) или гибкой НКТ малого диаметра (18A на фиг.2), моментально останавливать канат для проведения канатных работ "Slickline" или систему труб и повторять вышеизложенное для выбранного количества ускоряющих/останавливающих действий. В качестве другого примера, вышеизложенные направленные вверх последовательности ускорения/останова могут сопровождаться периодом ожидания выбранной продолжительности, сопровождаться другим выбранным количеством направленных вверх последовательностей ускорения/останова. Можно также использовать направленное вниз ускорение и/или последовательности ускорения и останова.
В одном примере, исполнительный механизм станции проведения канатных работ "Slickline" или системы гибкой НКТ малого диаметра может вызывать направленное вверх (или направленное вниз) движение, чтобы генерировать выбранное увеличение (уменьшение) в измеренном напряжении при растяжении (как измерено датчиком 60 напряжений на фиг.1) по измеренному напряжению при растяжении, в то время как измерительный прибор закреплен в стволе скважины. Такое увеличение в напряжении при растяжении будет связано с ускорением каната системы проведения канатных работ "Slickline" или гибкой НКТ малого диаметра и, следовательно, будет связано с ускорением, применяемым к измерительному прибору 10. Выбирая предварительно определенное увеличение напряжения при растяжении ("чрезмерное напряжение"), ускорение, приложенное к измерительному прибору 10, более вероятно будет подлежать регистрации в виде части последовательности сигналов, скорее, чем обычное действие каната системы проведения канатных работ "Slickline" или системы гибкой НКТ малого диаметра, для перемещения измерительного прибора.
В другом примере, автоматическое действие каната системы проведения канатных работ "Slickline" или системы гибкой НКТ малого диаметра для генерации сигналов можно обеспечивать устройством, таким как устройство, показанное на фиг.4. Компоненты, показанные на фиг.4, отличающиеся от датчика 60 напряжений, можно соединять с системой гибкой НКТ малого диаметра (30 на фиг.2) или располагать в ней или на станции 20 проведения канатных работ "Slickline". Центральный процессор 64, такой как микропроцессор, основанный на контроллере или программируемом логическом контроллере (ПЛК), может включать в себя код программы, предназначенный для управления лебедкой системы проведения канатных работ "Slickline" (или лебедкой гибкой НКТ малого диаметра) в предварительно определенной последовательности действий пуска/останова, чтобы передавать сигнал с поверхности на измерительный прибор в стволе скважины. Когда соответствующий входной сигнал обеспечен для центрального процессора 64 оператором системы, центральный процессор 64 может прикладывать электроэнергию для приведения в действие гидрораспределителя 66 с электромагнитным управлением. Гидрораспределитель 66 можно включать в гидравлическую систему 68, функционально связанную с гидравлическим двигателем 70. Двигатель 70 обеспечивает движущую энергию для приведения в действие лебедки (20A на фиг.2). При использовании, гидрораспределитель 66 с электромагнитным управлением будет вызывать запуск и останов двигателя 70. Центральный процессор 64 может принимать входные сигналы от датчика 60 напряжений, соответственно оцифрованные в цифроаналоговом преобразователе 62. Центральный процессор 64 можно запрограммировать для воздействия на запуск гидрораспределителя 66 двигателя 70 до тех пор, пока заданное увеличение в обнаруженном напряжении не будет измерено датчиком 60 напряжений, и затем воздействовать на гидрораспределитель 66, чтобы остановить двигатель 70. Такой процесс может продолжаться для заданного количества циклов, пока выбранный сигнал не будет передан на измерительный прибор (10 на фиг.1).
Примерную систему, показанную на фиг.4, можно также применять к системе гибкой НКТ малого диаметра. Хотя пример, показанный на фиг.4, обеспечивает электрическое управление гидравлического двигателя, для специалистов в технике будет ясно, что с помощью подобной системы также можно управлять электродвигателем или первичным двигателем.
В качестве альтернативы, как объясняется выше, можно использовать лебедку или систему гибкой НКТ малого диаметра, чтобы моментально перемещать измерительный прибор вниз на полном ходу и затем останавливать движение измерительного прибора. Лебедкой или системой гибкой НКТ малого диаметра можно также воздействовать для перемещения измерительного прибора вниз и затем совершать обратное движение, любое перед движением останова последовательного изменения направления движения измерительного прибора.
С помощью действий, таких как предложены выше, сигнал можно передать с поверхности на измерительный прибор в стволе скважины без необходимости в непосредственно подключенном канале связи сигнала (например, электроэнергии, оптического сигнала или регулирования давления).
Хотя изобретение было описано относительно ограниченного количества вариантов осуществления, специалисты в технике, имеющие выгоду от этого раскрытия, оценят, что могут быть разработаны другие варианты осуществления, которые не выходят за рамки объема раскрытого изобретения. Соответственно, объем изобретения должен быть ограничен только прилагаемой формулой изобретения.