Ретранслятор скважинной электромагнитной телеметрии
DOWNHOLE ELECTROMAGNETIC TELEMETRY REPEATER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к области передачи скважинной забойной информации по беспроводному электромагнитному каналу связи на поверхность, в том числе при неблагоприятных геоэлектрических условиях.
Может быть использовано для контроля процессов испытания и опробования потенциально продуктивных пластов, гидроразрыва пластов, совместно - раздельной эксплуатации многопластовых объектов.
Уровень техники
Известно устройство для оперативной беспроводной связи с подземными выработками (описание патента РФ №2158368, приоритет 17.05.1999 г., опубл. 27.10.2000 г., Бюл. №30), предназначенное для беспроводной передачи информации с дневной поверхности на подземные выработки.
Устройство содержит установленный на поверхности земли передающий комплект и расположенный в подземной горной выработке приемный комплект.
Передающий комплект включает передатчик электромагнитных сигналов низкой частоты с кодовой обработкой, блок питания и передающую антенну.
Приемный комплект включает приемную антенну, блок усиления, обработки сигналов и блок питания. В устройство также введен ретранслятор, установленный на промежуточном горизонте, и состоящий из приемной антенны, блока приема и обработки сигналов и передатчика с передающей антенной.
Благодаря наличию ретранслятора достигается увеличение дальности передачи информации через массив горных пород.
Недостатком данного устройства является отсутствие двусторонней связи между наземным передающим комплектом и приемным, расположенным в подземной горной выработке.
Известен ретрансляционный модуль (описание патента РФ №2305183, приоритет 14.09.2005 г., опубл.27.08.2007 г.) для телеметрической системы с электромагнитным каналом связи, содержащий в своем корпусе пульсатор, включающий диафрагму, клапан и генератор переменного тока, блок электроники, включающий входной дифференциальный усилитель, фильтр низких частот, блок автоматической регулировки усиления, компаратор и ключевой каскад, изолирующую вставку и контактную штангу, соединенную с корпусом через контактное устройство.
Назначение ретрансляционного модуля - повышение надежности передачи информационного сигнала от забойной телесистемы к наземному оборудованию в неблагоприятных для прохождения электромагнитных сигналов геоэлектрических условиях, например, при наличии в разрезе скважины пластов с высокой удельной электрической проводимостью (УЭП), вызывающих большое ослабление сигналов.
При снижении отношения сигнал/шум ниже допустимого в компоновку бурильных труб вводят ретрансляционный модуль. Блок электроники модуля совместно с пульсатором преобразуют входные кодированные электрические сигналы от забойной телесистемы в кодированную последовательность импульсов давления скважинной промывочной жидкости, амплитуда которых практически не зависит от УЭП окружающих скважину горных пород. Датчики давления, входящие в состав наземного оборудования, воспринимают гидравлические импульсы и преобразуют их в электрические с последующим декодированием.
Таким образом, в таком случае на интервале скважины от ретрансляционного модуля до устья для передачи информации используется гидравлический канал связи. Однако известно, что этот канал связи обладает низкой скоростью передачи информации, в том числе и в сравнении с электромагнитным (см., например, А.А. Молчанов. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин. М. «Недра», 1983, с. 9-16, с. 38), что является недостатком данного ретрансляционного модуля. Другой недостаток - отсутствие двусторонней связи «забой-устье» и «устье-забой», так как ретрансляционный модуль не снабжен датчиком давления и не может воспринимать гидравлические импульсы с поверхности.
Известны электромагнитно-акустический и акустико-электромагнитный ретрансляторы (патент США №6177882 В1, приоритет 01.12.1997, опубл. 23.01.2001, Halliburton Energy Services, Inc.). Вариант электромагнитного ретранслятора с преобразованием входного электрического сигнала в выходной электромагнитный сигнал согласно схеме фиг. 11 описания патента принят нами за прототип.
В этом варианте блок обработки сигналов включает в себя трансформатор-приемник с первичной и вторичной обмотками, размещенными на тороидальном сердечнике из материала с высокой магнитной проницаемостью, ограничитель уровня входного напряжения, усилитель, гребенчатый фильтр для устранения гармоник напряжения промышленной частоты, полосовой фильтр, служащий для выделения информационного сигнала, формирователь несущей частоты, отличной от частоты входного сигнала, состоящий из преобразователя «частота-напряжение» и преобразователя «напряжение-частота», а также усилитель мощности, нагруженный на трансформатор-передатчик с первичной и вторичной обмотками, размещенными на тороидальном сердечнике из материала с высокой магнитной проницаемостью, при этом концы вторичной обмотки трансформатора-передатчика через электрический разделитель подключены к нижней и верхней частям бурильной колонны, образующим электрический диполь возбуждения электромагнитного поля.
Целью использования электромагнитно-акустических и акустико-электромагнитных ретрансляторов являются повышение надежности передачи информационных сигналов к наземному оборудованию или вышерасположенному ретранслятору при наличии в разрезе скважины пластов с высокой электропроводностью за счет применения акустического канала связи, характеристики которого слабо зависят от УЭП окружающей скважину среды. Также возможность одновременной передачи акустического и приема электромагнитного сигнала позволяет уменьшить общую задержку распространения информационного сигнала.
Однако при использовании акустического канала связи в местах соединения буровых труб, а также ответвлений от общей колонны возникают отражения акустических сигналов, что вызывает затруднения при их регистрации на поверхности (см., например, Аксельрод С.М. Кабельно-индуктивный канал связи для каротажа и технологических измерений в процессе бурения (по материалам зарубежной литературы), НТВ «Каротажник» Тверь: Изд. АИС 2011. Вып. №4, с. 100-117).
Согласно описанию прототипа при глубине исследуемой скважины около 5000 м необходима установка в ней по крайней мере четырех ретрансляторов с электрическими разделителями бурильной колонны, что существенно ослабляет ее механическую прочность.
Согласно описанию прототипа ретранслятора в электромагнитном канале связи используются частоты порядка 2-4 Гц и соответственно скорость передачи информации на участках скважины, где используется этот канал, находится в этих пределах, что недостаточно при контроле быстропротекающих процессов, например, при гидроразрыве пласта.
Кроме того, ретранслятор имеет сложную конструкцию, что снижает надежность его работы в скважинных условиях, повышает трудоемкость и себестоимость его изготовления.
Настоящее изобретение направлено на решение выявленных проблем, связанных с передачей информации при контроле забойных параметров с помощью электромагнитной системы связи.
Раскрытие сущности изобретения
Ретранслятор скважинной электромагнитной телеметрии, включает в себя трансформатор-приемник с вторичной обмоткой, размещенной на тороидальном сердечнике из материала с высокой магнитной проницаемостью, ограничитель входного напряжения, усилитель, гребенчатый фильтр, формирователь несущих частот, трансформатор-передатчик с первичной обмоткой, размещенной на тороидальном сердечнике из материала с высокой магнитной проницаемостью, при этом ограничитель входного напряжения подключен к входу усилителя. Дополнительно введены соединенный с выходом усилителя аналого-цифровой преобразователь, к выходу которого последовательно подсоединены гребенчатый фильтр, блок прямого преобразования Фурье, перемножитель, блок обратного преобразования Фурье, компаратор, декодер, модулятор, усилитель мощности, выход которого подключен к первичной обмотке трансформатора-передатчика, а также введено оперативное запоминающее устройство, первый выход которого соединен со вторым входом гребенчатого фильтра, второй - со вторым входом перемножителя, третий - с входом формирователя несущих частот, выход которого соединен со вторым входом модулятора, при этом тороидальный сердечник размещен на бурильной трубе, находящейся внутри корпуса ретранслятора, коаксиально ее оси, и является общим для обмоток трансформатора-приемника и трансформатора-передатчика.
Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено возможное размещение электромагнитной телеметрии в скважине. На ней изображены: пласты 1 горных пород, пробуренная в них скважина 2, заполненная буровым раствором 3 и обсаженная в данном случае тремя обсадными колоннами 4, 5, 6, кольцевые пространства между которыми заполнены цементным камнем 7. Внутрь первой обсадной колонны 4 на бурильных трубах 8 (или НКТ) спущены забойный приемопередатчик 9 и ретрансляторы 13, 14, 15. На фиг. 1 изображены также кабель 10 геофизический, наземный приемопередатчик 11 и электроизоляционное покрытие 12 ретрансляторов и забойного приемопередатчика 9.
На фиг. 2 представлена функциональная схема ретранслятора, где: 16 - вторичная обмотка трансформатора-приемника; 17 - общий тороидальный сердечник трансформатора - приемника и трансформатора - передатчика; 18 - ограничитель входного напряжения; 19 - усилитель; 20 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 21 - гребенчатый фильтр; 22 - блок прямого преобразования Фурье (ППФ); 23 - перемножитель; 24 - блок обратного преобразования Фурье (ОПФ); 25 - компаратор; 26 -декодер; 27 - модулятор; 28 - усилитель мощности; 29 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); 30 - формирователь несущих частот; 31 - первичная обмотка трансформатора-передатчика; 32 - объемный виток трансформатора-приемника и трансформатора-передатчика; 33 -эквивалентная комплексная нагрузка трансформаторов.
На фиг. 3 изображены: 34 - исходная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала связи; 35 - оптимальная (АЧХ) канала связи; 36 - зависимость оптимального коэффициента передачи приемного тракта от частоты.
Осуществление изобретения
Забойный приемопередатчик 9 (см. фиг. 1) устанавливается в скважину в компоновку низа бурильной колонны совместно, например, с пластоиспытателем (на фиг. 1 не показан), в состав которого входят датчики давления и температуры. Задачей скважинной электромагнитной телеметрии является неискаженная, достоверная передача данных от забойных датчиков к наземному приемопередатчику 11 независимо от глубины скважины, ее конструкции, УЭП пластов 1, пересеченных скважиной, и заполняющего ее бурового раствора 3, а также обеспечение передачи командных сигналов от наземного приемопередатчика, 11.
Для этого в скважине на бурильных трубах 8 устанавливаются ретрансляторы 13, 14, 15, которые для обеспечения двусторонней связи также выполнены в виде приемопередатчиков. Передача информационных сигналов с забоя осуществляется путем возбуждения в бурильной колонне 8 забойным приемопередатчиком 9 модулированных, например, в коде «Манчестер 2» импульсов тока, которые распространяются по колонне 8, буровому раствору 3, обсадным колоннам 4, 5, 6, цементному камню 7 пластам 1 горных пород, ослабляясь при этом и достигая вышерасположенного ретранслятора 15, находящегося в режиме приема.
Этот ретранслятор после приема сигналов и его обработки переходит в режим передачи, т.е. ретранслирует сигнал ретранслятору 14, а последний - ретранслятору 13, из которого информационные сигналы выводятся в наземный приемопередатчик 11 через одножильный геофизический кабель 10 или иным способом.
Передача командных сигналов с поверхности к забою производится аналогично, но в обратной последовательности.
Для увеличения амплитуд принимаемых сигналов забойный приемопередатчик 9, ретрансляторы 13, 14, 15 и участки прилегающих бурильных труб 8 могут иметь электроизоляционное покрытие 12 с образованием электрических диполей длиной Lд.
Однако передача сигнала по скважинной линии связи связана с его искажениями, вносимой средой передачи, межсимвольными помехами, накоплением ошибок ретрансляторов, а также другими факторами.
В связи с этим помимо усиления сигнала на каждом этапе ретрансляции необходимо обеспечить восстановление его формы и временных соотношений.
Ретранслятор, согласно подаваемой заявке на изобретение (см. фиг. 2), работает следующим образом.
1) До установки забойного приемопередатчика и ретрансляторов в скважину создается план их расстановки по стволу скважины.
2) Путем математического моделирования (см., например, патент РФ №2745858, приоритет 03.06.2020 г., опубл.02.04.2021 г., Бюл. №10) определяются АЧХ каждого интервала скважины между забойным приемопередатчиком и последующими ретрансляторами.
3) На основе полученных исходных АЧХ создаются массивы отсчетов Aoi относительных амплитуд. На фиг. 3 приведен пример исходной АЧХ 34. Интерполяционные формулы для создания массива отсчетов с шагом дискретизации по частоте, например, 10 Гц:
а) интервал частот: 0,1 кГц ≤ fi ≤ 0,5 кГц
;
б) интервал частот: 0,5 кГц ≤ fi ≤ 1,0 кГц
;
в) интервал частот: 1 кГц ≤ fi ≤ 20 кГц
Здесь Aoi - относительная амплитуда,
Aoi = А/Ао 100, где А - текущая амплитуда; Ао 100 - амплитуда при частоте 100 Гц.
4) Задается оптимальная АЧХ канала связи для каждого интервала скважины и создаются массивы отсчетов Aоптi относительных амплитуд. На фиг. 3 приведен пример оптимальной АЧХ (кривая 35).
Пример интерполяционных формул для создания массивов отсчетов относительных амплитуд Аоптi:
а) интервал частот: 0,1 кГц ≤ fi ≤ 1,0 кГц
;
б) интервал частот: 1 кГц ≤ fi ≤ 20 кГц;
Здесь Aоптi = Аопт/Аопт 100.
Оптимальная АЧХ представляет собой сквозную амплитудно-частотную характеристику: от источника сигнала до компаратора (см. фиг. 2). Она имеет спад около 6 децибел на декаду выше частоты 1000 Гц и подъем ниже этой частоты 3 децибела на декаду.
5) Рассчитываются значения оптимального коэффициента Кпi передачи приемного тракта для каждого из интервалов частот по формуле:
Кпi = Aоптi / Aoi, т.е.
- интервал частот 0,1 кГц ≤ fi ≤ 0,5 кГц: ;
- интервал частот 0,5 кГц ≤ fi ≤ 1,0 кГц:;
- интервал частот 1 кГц ≤ fi ≤ 20 кГц; ;
при этом шаг дискретизации по частоте должен быть одинаков для всех преобразований по пп. 3-5.
Пример зависимости оптимального коэффициента передачи Кпi от частоты приведен на фиг. 3, кривая 36.
Таким образом, как следует из фиг. 3, исходная АЧХ 34 скважинного канала связи уменьшается с ростом частоты сигнала, в то время как коэффициент передачи Кпi 36 в такой же мере возрастает, т.е. все высокочастотные составляющие информационных сигналов усиливаются в большей степени, чем низкочастотные. В результате формируется достаточно плоская оптимальная АЧХ 35, что способствует восстановлению формы принимаемых искаженных сигналов.
На фиг. 2 иллюстрируется процесс ретрансляции и восстановления принимаемых сигналов.
Перед спуском ретрансляторов в скважину в ОЗУ 29 каждого из них запоминаются значения Кпi оптимальных коэффициентов передачи для каждого из скважинных интервалов, а также коэффициенты цифрового гребенчатого фильтра 21 и значения несущих частот для формирователя 30.
После установки оборудования в скважину и начала работ забойный приемопередатчик 9 (см. фиг. 1) начинает передачу информационных сообщений кодовыми импульсными посылками, импульсы которых изначально имеют прямоугольную форму.
Распространяясь по бурильной колонне 8, буровому раствору 3, обсадной колонне 4, пластам 1 горных пород сигналы, ослабляясь по амплитуде, искажая свою форму, достигают вышерасположенного ретранслятора.
Часть импульсного тока, создаваемого сигналом, протекает по участку бурильной колонны, на которой размещен коаксиально сердечник 17 (см. фиг. 2) с обмотками 16 и 31 трансформаторов - приемника и передатчика соответственно. Участок бурильной колонны и окружающая среда образуют объемный, замкнутый виток 32, являющийся первичной обмоткой для трансформатора-приемника и - вторичной для трансформатора-передатчика. Объемный виток 32 замыкается на комплексное эквивалентное сопротивление 33 (Zэкв.) окружающей среды.
Импульсный ток сигнала, протекающий через объемный виток 32, создает в обмотке 16 импульсы напряжения уже искаженной формы, которые поступают на вход усилителя 19. Ограничитель 18 входного напряжения защищает усилитель 19 от возможных электрических перегрузок, ограничивая входное напряжение на безопасном уровне. Усилитель 19 должен быть достаточно широкополосным и иметь малые нелинейные искажения, например, такой как AD 8226.
После усиления аналоговые сигналы подаются на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 20, где преобразуются в цифровую форму и поступают на цифровой гребенчатый фильтр. Туда же из ОЗУ 29 подаются соответствующие коэффициенты фильтра. Фильтр подавляет гармоники промышленной электросети частоты 50 Гц.
Отфильтрованные цифровые сигналы подаются на блок 22 прямого преобразования Фурье (ППФ), где преобразуются в спектральную форму. В перемножителе 23 спектральные составляющие сигнала умножаются на соответствующие оптимальные коэффициенты Кпi передачи, поступающие из ОЗУ 29, восстанавливая сигнал, близкий к исходному, который поступает далее на блок 24 обратного преобразования Фурье (ОПФ), где осуществляется перевод сигнала из частотной области во временную. Форма сигнала после ОПФ близка к колоколообразной, причем его длительность по уровню 0,5 от амплитуды равна половине тактового интервала, т.е. такая же как, и у исходного импульсного сигнала. Далее сигналы подаются на компаратор 25, где сравниваются с пороговым напряжением, равным 0,5 от амплитуды входных сигналов. При величине входных сигналов, превышающих пороговое значение, на выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы с амплитудой и длительностью такими же, как у исходного сигнала и интерпретируются как «1». Амплитуды сигналов 3-5 Вольт.
Входные сигналы, не превышающие пороговое напряжение, считаются помехами и не проходят на выход компаратора, что интерпретируется как «0».
Импульсная последовательность с выхода компаратора декодируется декодером 26 и поступает на первый вход модулятора 27, а на второй его вход подается несущая частота от формирователя 30, задаваемая ОЗУ 29, для данного ретранслятора в данной скважине. Модулированный сигнал с выхода модулятора поступает на вход усилителя 28 мощности, с выхода которого подается на первичную обмотку 31 трансформатора-передатчика, вторичной обмоткой которого является объемный виток 32, нагруженный на эквивалентное комплексное сопротивление 33, в котором возбуждается модулированный импульсный ток несущей частоты, распространяющийся по скважинной линии связи, в том числе и к вышерасположенному ретранслятору. На этом цикл ретрансляции сигнала данным ретранслятором завершается.
Общий тороидальный сердечник 17 трансформатора-приемника и трансформатора-передатчика выполняется из нанокристаллического сплава, например, 5БДСР с высокими магнитной проницаемостью и магнитной индукцией насыщения, а именно не менее 50000 и 1,25 Тл соответственно. См. Данилова И.И., Маркин В.В., Смолякова О.В. и др. «Производство аморфной и нанокристаллической ленты методом литья на одновалковой МНЛЗ», Вестник ЮУрГУ, №9, 2008 г., с. 16-21.
Узлы ретранслятора 20 - 26, 29, 30 (см. фиг. 2) могут быть выполнены, например, на базе микроконтроллера STM32F407VGT6 /STMicroelectronics или его аналогах.
Таким образом, основными техническими результатами предлагаемого изобретения являются:
- возможность надежной работы скважинной электромагнитной телеметрии в неблагоприятных геоэлектрических условиях за счет восстановления параметров сигналов, в том числе малого уровня в каждом ретрансляторе;
- возможность повышения скорости передачи информации за счет использования несущих частот до 1000 Гц;
- конструкция ретрансляторов не требует электрического разделения бурильной колонны, т.е. не снижает ее механической прочности и не повышает риска аварий.