ДАТЧИКИ, РАСПОЛОЖЕННЫЕ ВДОЛЬ БУРОВОГО СНАРЯДА
SENSORS LOCATED ALONG DRILLING TOOL

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В этом разделе представлена базовая информация, содействующая лучшему пониманию различных аспектов данного описания изобретения. Следует понимать, что изложение в этом разделе данного документа должно восприниматься именно с этой точки зрения, а не в качестве допущений предшествующего уровня техники.
Условия эксплуатации внутри стволов скважин контролируются с помощью датчиков различных типов, которые могут быть временно или постоянно задействованы. Например, в постоянных установках датчики могут располагаться за пределами обсадной трубы. Кроме того, датчики разворачивают в буровых снарядах, например, располагают в боковых стенках утяжеленных бурильных труб. Для использования вместе с буровыми снарядами, такими как скважинные перфораторы, датчики разворачивают в трубных соединениях, расположенных между участками скважинного перфоратора.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство в соответствии с одним или более аспектами данного описания изобретения содержит: зажимное средство для прикрепления к внешней поверхности трубчатого элемента, защитный корпус, поддерживаемый зажимным средством, и датчик, расположенный в защитном корпусе. Система датчиков содержит сенсорные устройства, соединенные между собой и дистанцированные друг от друга в осевом направлении вдоль бурового снаряда, расположенного в стволе скважины, причем каждое из сенсорных устройств содержит датчик, расположенный в защитном корпусе, и основное электронное оборудование, расположенное удаленно от сенсорных устройств и функционально соединенное с датчиками. Система скважинных датчиков в соответствии с одним или более аспектами содержит сенсорное устройство, содержащее локальное электронное оборудование датчика, расположенное в защитном корпусе и расположенное вместе с буровым снарядом в стволе скважины, и датчики, дистанцированные друг от друга в осевом направлении, расположенные внутри защитной трубы и проходящие вдоль бурового снаряда, причем датчики соединены с локальным электронным оборудованием датчика и основным электронным оборудованием, расположенным удаленно от сенсорного устройства и соединенным с локальным электронным оборудованием датчика. Способ включает расположение в стволе скважины датчиков, дистанцированных друг от друга в осевом направлении вдоль скважинного перфоратора, содержащего взрывные заряды, передачу данных датчика основному электронному оборудованию, расположенному в стволе скважины удаленно от скважинного перфоратора, и передачу данных и команд датчика между основным электронным оборудованием и электронным оборудованием, расположенным на поверхности.
Сущность изобретения предоставлена для введения ряда понятий, которые более подробно описаны ниже в подробном описании сущности изобретения. Данная сущность изобретения не предназначена для определения ключевых или существенных признаков заявленного объекта изобретения и не предназначена для использования в качестве пособия, ограничивающего объем заявленного объекта изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Данное описание изобретения более всего понятно из нижеследующего подробного описания при чтении с прилагаемыми фигурами. Подчеркивается, что в соответствии со стандартной практикой в отрасли различные характерные признаки не изображены с соблюдением масштаба. Фактически, для ясности обсуждения размеры различных характерных признаков могут быть произвольно увеличены или уменьшены.
На Фиг. 1 проиллюстрированы датчики в соответствии с одним или более аспектами данного описания изобретения, расположенные в стволе скважины вдоль внешней части скважинного бурового снаряда.
На Фиг. 2 проиллюстрировано устройство датчика на зажимном средстве в соответствии с одним или более аспектами данного описания изобретения.
На Фиг. 3 проиллюстрирован вид с местным сечением устройства датчика на зажимном средстве в соответствии с одним или более аспектами данного описания изобретения.
На Фиг. 4 проиллюстрировано устройство датчика на зажимном средстве в соответствии с одним или более аспектами данного описания изобретения.
На Фиг. 5 проиллюстрирована матрица скважинных датчиков в соответствии с одним или более аспектами данного описания изобретения, расположенная в осевом направлении вдоль бурового снаряда, который расположен в стволе скважины.
На Фиг. 6 проиллюстрирован пример устройства датчика в соответствии с одним или более аспектами данного описания изобретения.
На Фиг. 7 проиллюстрирована матрица скважинных датчиков в соответствии с одним или более аспектами данного описания изобретения, расположенная в осевом направлении вдоль бурового снаряда, который расположен в стволе скважины.
На Фиг. 8 проиллюстрированы датчики из матрицы датчиков вдоль бурового снаряда, расположенной в линии управления.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следует понимать, что следующее описание изобретения предоставляет множество различных вариантов реализации изобретения, или примеров, для реализации разных признаков различных вариантов реализации изобретения. Конкретные примеры компонентов и схем описаны ниже для упрощения данного описания изобретения. Они, конечно же, являются просто примерами и не предназначены для ограничения. Кроме того, в данном описании изображения могут повторно приводиться аналогичные ссылочные позиции и/или буквенные обозначения в различных примерах. Такое повторение предназначено для простоты и ясности изложения и само по себе не диктует взаимосвязь между различными рассматриваемыми вариантами реализации изобретения и/или конфигурациями.
Используемые в данном документе термины «соединять», «соединение», «соединенный», «находящийся в соединении с» и «соединяющий» могут использоваться для обозначения таких понятий, как «находящийся в непосредственном соединении с» или «находящийся в соединении с» через один или более элементов. Аналогичным образом, термины «подключать», «подключение», «подключенный», «подключенные совместно» и «подключенные к» могут использоваться для обозначения таких понятий, как «непосредственно подключенные друг к другу» или «подключенные друг к другу» через один или более элементов. Такие термины, как «вверх», «вниз», «верх» и «низ», а также другие подобные термины, указывающие относительное местоположение заданной точки или элемента, могут использоваться для более четкого описания некоторых элементов. Обычно эти термины относятся к опорной точке, такой как поверхность, с которой начинаются операции бурения.
Неограничивающие примеры матриц 15 датчиков и устройств 10 датчика, которые выполнены с возможностью развертывания вдоль внешней поверхности бурового снаряда 12, который расположен в глубине ствола скважины, описаны со ссылкой на Фиг. 1-8. На Фиг. 1 проиллюстрирована скважинная система 5, в которой сенсорные устройства 10 расположены вдоль внешней поверхности бурового снаряда 12. Скважинная система 5 содержит ствол 14 скважины, проходящий вглубь земли от поверхности 16. Компоновка 18 низа бурильной колонны (КНБК), содержащая буровой снаряд 12, развертывается в стволе скважины на системе 20 транспортировки, которая проиллюстрирована в этом примере в виде трубчатого элемента, например, трубы, бурильной трубы. В этом примере буровой снаряд 12 представляет собой скважинный перфоратор, содержащий, например, стреляющую головку 22 и несколько секций 24 перфоратора, несущих взрывные заряды 26. Буровой снаряд 12 не ограничивается скважинными перфораторами и может содержать другие бурильные, эксплуатационные колонны и колонны заканчивания.
Каждое сенсорное устройство 10 содержит электронное оборудование 40 датчика, которое соединено с одним или более датчиками, или чувствительными элементами, как правило, обозначенными цифрой 28 для измерения одного или более свойств окружающей среды, таких как, без ограничения, давление, температура, плотность, скорость потока, деформация и удар. Датчики 28 могут быть расположены вместе с сенсорным устройством 10 и/или расположены вдоль бурового снаряда и соединены с сенсорным устройством 10, например, через линию 34 управления. Сенсорное устройство 10 может выступать в качестве электронного оборудования, например, полустанции, для локально подсоединенных датчиков 28. Отдельные сенсорные устройства 10 дистанцированы друг от друга в осевом направлении вдоль длины бурового снаряда и прикреплены к внешней поверхности 30 бурового снаряда 12. Сенсорные устройства 10 могут быть прикреплены к внешней поверхности 30 бурового снаряда крепежным механизмом 25, содержащим, без ограничения, зажимы, гибкие хомуты, сварочные швы и адгезивы. В соответствии с одним или более аспектами сенсорное устройство 10, используемое с колонной скважинного перфоратора, может быть расположено на держателе контрольно-измерительного устройства или промежуточном переводнике перфоратора между секциями скважинного перфоратора. В соответствии с некоторыми аспектами сенсорные устройства и/или датчики могут быть расположены внутри бурового снаряда.
Сенсорные устройства 10 могут быть расположены на разных осевых расстояниях 32 друг от друга с учетом требований конкретной установки. Например, использование сенсорных устройств 10 позволяет расположить датчики 28 на небольшом осевом расстоянии 32 друг от друга в матрице датчиков. В соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения смежные датчики 28 могут находиться на расстоянии в пределах около 10 футов или менее друг от друга. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения смежные датчики 28 могут быть разделены осевым расстоянием около 1,5 метра (5 футов) или менее. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения смежные датчики разделены в осевом направлении расстоянием, составляющим около 1 фута или менее. Эти относительно небольшие осевые разделения облегчают получение измерений датчика 28, которые соответствуют требованиям измерения ближнего поля и обеспечивают достаточное пространственное разрешение для контроля скважины и интерпретации потока.
Известно, что в отношении скважинных перфораторов, контрольно-измерительные устройства (то есть датчики) расположены между секциями перфоратора, например, в держателях контрольно-измерительных устройств между секциями перфоратора. В то время как эти держатели контрольно-измерительных устройств между секциями перфоратора могут обеспечивать защиту датчиков от баллистического удара детонировавших перфорационных выстрелов, осевое расстояние, например, от 6 до 9 метров (от 20 до 30 футов) поперек секций перфоратора, не обеспечивает достаточного пространственного разрешения для контроля скважины и интерпретации потока.
В примере на Фиг. 1 множество сенсорных устройств 10 и датчиков 28 образуют систему или матрицу 15 датчиков. Одно или более сенсорных устройств и датчиков могут быть соединены между собой с помощью линии 34 управления, например, соединены последовательно, и/или с помощью беспроводной телеметрии, такой как, без ограничений, акустическая, индуктивная связь и радиочастотная связь. Проиллюстрированные линии 34 управления содержат внешнюю трубу 33, см., например, Фиг. 3, 6 и 8, в которой расположены один или более проводников. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения, труба 33 имеет внешний диаметр около 1 см (0,375 дюйма) или меньший внешний диаметр металлической трубы. В проиллюстрированном примере датчики 28 соединены электронным способом через линию управления с основным электронным оборудованием или патроном 36 управления, который действует как узловая станция, которая сообщается с датчиками 28 и электронным оборудованием датчиков в сенсорных устройствах 10. Патрон 36 основного электронного оборудования может содержать одно или более из следующего: источник питания, например аккумулятор, процессор, память и телеметрический модуль (электронное оборудование). Патрон основного электронного оборудования или узловая станция 36 может работать в режиме памяти или с телеметрией для передачи данных в режиме реального времени или в комбинации и того, и другого. Патрон управления может использоваться для обнаружения чувствительных электронных устройств на некотором расстоянии от скважинных перфораторов и удаленно от датчиков для смягчения баллистического воздействия взорванных зарядов взрывчатого вещества. Патрон 36 основного электронного оборудования выполнен с возможностью приема команд от контроллера (процессора) 38, расположенного, например, на поверхности 16. Связь также может достигаться вдоль пути между датчиками 28 и наземным контроллером 38 за счет одного или более проводных, оптоволоконных сигналов, сигналов по встроенному в трубу кабелю и акустических сигналов. Связь между датчиками 28 и основным электронным оборудованием 36 может быть двунаправленной или может использовать устройство ведущий-ведомый. Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, с учетом данного описания изобретения, сенсорные устройства 10 могут осуществлять беспроводную связь с патроном 36 основного электронного оборудования и/или наземным контроллером 38.
На Фиг. 2 и 3 проиллюстрирован пример сенсорного устройства 10 в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения. Сенсорное устройство 10 содержит электронное оборудование 40 датчика (например, схемы и интерфейс), расположенное в полости 42 корпуса 44 датчика. Корпус 44 датчика содержит или неразрывно соединен с крепежным механизмом 25 или соединен с крепежным механизмом, проиллюстрированным в виде зажимного средства для образования сенсорного устройства на зажимном средстве. Полость 42 может быть закрыта крышкой 46 а также закреплена и герметизирована, например, сварным швом 48. На Фиг. 2 сенсорное устройство 10 содержит один или более датчиков 28, соединенных с электронным оборудованием 40 датчика. Датчики 28 могут быть расположены в сенсорном устройстве 10, как проиллюстрировано элементами или зондами, которые сообщаются с окружающей средой, внешней по отношению к полости и/или датчикам 28, и могут быть расположены вдоль линии 34 управления.
Как проиллюстрировано, линии 34 управления проходят в осевом направлении в сторону от сенсорного устройства 10. Как проиллюстрировано на Фиг. 3, линии 34 управления содержат внешнюю защитную трубу 33, в которой расположены один или более проводников, например, провода 52, которые соединяют локальное электронное оборудование 40 датчика в сенсорном устройстве 10 с датчиками 28, расположенными в матрице датчиков и/или с другими сенсорными устройствами 10 и/или с управляющим электронным оборудованием. Линия 34 управления соединена с защитным корпусом 44 с помощью соединителя, который представляет собой резьбовой соединитель, проиллюстрированный на Фиг. 2-4. Как проиллюстрировано на Фиг. 3, подпорка 54 расположена в полости 42 для уменьшения деформации крышки 46 из-за давления и/или удара.
На Фиг. 4 проиллюстрировано сенсорное устройство 10 накладного типа или с зажимным средством, прикрепленное к внешней поверхности 30 бурового снаряда 12. Датчик 28 (сенсорный элемент) соединен с электронным оборудованием 40 датчика, который может быть расположен, например, для смягчения ударов, внутрь корпуса 44. В этом примере сенсорное устройство 10 содержит один или более датчиков 28, проиллюстрированных элементами или зондами, которые могут быть выполнены с возможностью измерения одного или более свойств окружающей среды. Датчики 28 также могут быть расположены вдоль линии 34 управления и соединены с электронным оборудованием датчика сенсорного устройства 10 для образования подматрицы датчиков.
Далее со ссылкой на Фиг. 5, проиллюстрирован пример скважинной системы 5, содержащей систему или матрицу 15 датчиков в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения, расположенную по внешней поверхности 30 бурового снаряда 12 и прикрепленную к ней. В проиллюстрированной скважинной системе буровой снаряд представляет собой скважинный перфоратор, содержащий, например, стреляющую головку 22 и одну или более секций 24 перфоратора, несущих взрывные заряды 26. В этом примере матрица 15 датчиков содержит дистанцированные друг от друга сенсорные устройства 10, каждое из которых имеет один или более подсоединенных датчиков 28, расположенных по внешней поверхности 30 бурового снаряда 12 и прикрепленных к ней. Сенсорное устройство 10 может содержать, например, электронное оборудование датчика, расположенное в защитном корпусе. Сенсорное устройство 10 может быть выполнено различными способами, такими как, но, не ограничиваясь этим, способы, описанные со ссылкой на Фиг. 6. Как проиллюстрировано, дистанцированные друг от друга в осевом направлении датчики 28 соединены между собой с помощью линии 34 управления, например, соединены последовательно, для образования системы или матрицы 15 датчиков. Датчики 28 могут быть самоподдерживающимися и содержать чувствительный элемент и одно или более устройств питания, электронных устройств, запоминающих устройств и устройств связи. В соответствии с аспектами, самоподдерживающиеся датчики могут осуществлять беспроводную связь с локальным сенсорным устройством и/или скважинным основным электронным оборудованием 36 и/или с контроллером или процессором 38, расположенным на поверхности 16. В проиллюстрированном примере датчики 28 соединены электронным способом через линию 34 управления с патроном 36 основного электронного оборудования, который действует как узловая станция, которая сообщается с датчиками 28. Патрон 36 основного электронного оборудования может содержать одно или более из: источника питания, например, аккумулятора, процессора, памяти и телеметрического модуля (электронное оборудование). Основное электронное оборудование или узловая станция 36 может работать в режиме памяти или с телеметрией для передачи данных в режиме реального времени или в комбинации и того, и другого. Патрон 36 может использоваться для обнаружения чувствительных электронных устройств на некотором расстоянии от скважинных перфораторов для смягчения баллистического воздействия взорванных зарядов взрывчатого вещества. Патрон 36 основного электронного оборудования может принимать команды от контроллера 38, расположенного, например, на поверхности 16.
Матрица 15 датчиков соединена с внешней поверхностью бурового снаряда 12 с помощью крепежных механизмов 25, которые проиллюстрированы в этом примере в виде зажимных средств. В этом примере зажимные средства закрепляют линию 34 управления, которая содержит внешнюю защитную трубу, на внешней поверхности бурового снаряда. В соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения, крепежные механизмы 25 могут включать, без ограничения, соединение, например, сваркой и адгезивами. Матрица 15 датчиков содействует размещению смежных датчиков 28 на небольших осевых расстояниях 32 друг от друга. Например, смежные датчики 28 могут располагаться в пределах около 10 футов или менее друг от друга. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения смежные датчики 28 могут быть разделены осевым расстоянием около 5 футов или менее. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения, смежные датчики 28 разделены расстоянием, составляющим около 1 фута. Эти относительно небольшие осевые разделения облегчают получение измерений датчика 28, которые соответствуют требованиям измерения ближнего поля и обеспечивают достаточное пространственное разрешение для контроля скважины и интерпретации потока.
На Фиг. 6 проиллюстрирован пример сенсорного устройства 10, соединенного внутри линии 34 управления в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения. Сенсорное устройство 10 содержит защитный корпус 44 (например, металлическую трубку), содержащий локальное электронное оборудование 40 датчика, и может также содержать один или более чувствительных элементов или зондов 28 (то есть датчиков). В этом примере локальное электронное оборудование 40 датчика расположено в защитном корпусе 44 с амортизирующей компоновкой 54. Защитный корпус 44 соединен с линией 34 управления, то есть внешней трубой 33, соединителями 56, которые могут быть выполнены, например, как сварные швы или резьбовые соединения. В этом примере проводники 52 линии 34 управления могут обеспечивать связь между смежными сенсорными устройствами 10, между сенсорными устройствами 10 и скважинным управляющим электронным оборудованием, наземным управляющим электронным оборудованием и/или проходить до датчиков 28 подматрицы, дистанцированных друг от друга и расположенных вдоль бурового снаряда, как проиллюстрировано, например, на Фиг. 7 и 8.
На Фиг. 7 проиллюстрирована скважинная система 5 с расположенной вдоль бурового снаряда системой датчиков или матрицей 15 датчиков в соответствии с одним или более аспектами данного описания изобретения. В этом примере буровой снаряд 12 содержит скважинные перфораторы 24 или секции перфоратора, причем каждая из них содержит взрывные заряды 26. Трубчатые секции 23 (например, вспомогательные устройства, держатели контрольно-измерительных устройств между секциями перфоратора или переводники перфораторов) могут быть расположены между смежными скважинными перфораторами 24 таким образом, чтобы разделять в осевом направлении трубчатые секции, содержащие взрывные заряды 26. Проходящая вдоль бурового снаряда матрица 15 датчиков, проиллюстрированная на Фиг. 7, содержит множество датчиков 28, которые расположены в линии 34 управления дистанцированными друг от друга в осевом направлении вдоль внешней поверхности бурового снаряда. В частности, система 15 матрицы датчиков выполнена с возможностью размещения смежных датчиков 28 на небольшом осевом расстоянии друг от друга. Например, в некоторых аспектах осевое расстояние составляет около 1 фута между измерениями датчика 28, из-за чего датчики подвержены прямому воздействию пироударов или баллистических ударов ближнего поля при их использовании вдоль скважинных перфораторов. Проиллюстрированная матрица 15 датчиков содержит меньшие группы или подматрицы 50 датчиков. Группа или подматрица 50 датчиков 28, например, резистивные датчики температуры (РДТ) или термопары, соединены через линию 34 управления с локальным электронным оборудованием 40 датчика, которое может быть расположено, например, в защитном корпусе и между секциями 24 перфоратора. Примеры локального электронного оборудования 40 датчика, например, полустанции, включают, без ограничения, сенсорные устройства 10, описанные со ссылкой на Фиг. 2, 4 и 6. В соответствии с одним или более аспектами, сенсорное устройство 10 может быть встроено во внешнюю поверхность части бурового снаряда, например, внутри вспомогательного устройства 23 между секциями перфоратора. Например, как проиллюстрировано на Фиг. 7, сенсорное устройство 10, имеющее локальное электронное оборудование 40 датчика, расположенное в защитном корпусе, таком как металлическая труба (см., например, Фиг. 6), может быть встроено в часть бурового снаряда с амортизирующей компоновкой 54. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения, сенсорное устройство 10 может быть соединено с буровым снарядом, например, вдоль вспомогательного устройства 23 между секциями перфоратора посредством зажимного средства 25, которое может содержать амортизирующую компоновку (например, упругую прокладку с зажимным средством).
Локальное электронное оборудование 40 датчика может передавать отдельные измерения датчиков 28 его подматрицы 50 датчиков на поверхность посредством проводной или беспроводной связи. Два или более локальных сенсорных устройств 10 могут быть соединены, например, через проводники связи в линии управления. На Фиг. 7 проиллюстрирован один пример передачи данных, в котором локальные сенсорные устройства 10 сообщаются посредством проводной связи со скважинным основным электронным оборудованием 36, которая затем может сообщаться, например, посредством акустической телеметрии с наземным контроллером. В соответствии с одним или более аспектами, сенсорные устройства 10 могут беспроводным способом передавать данные, полученные соединенными локальными датчиками 28 (то есть подматрицей датчиков) в наземный контроллер и/или в скважинный контроллер.
На Фиг. 8 проиллюстрирован вид в сечении расположенных датчиков 28 линии 34 управления. Линия 34 управления содержит защитную трубу 33, чтобы быть расположенной вдоль внешней поверхности бурового снаряда и обеспечивать барьер давления для расположенных внутри датчиков 28. В неограничивающем примере труба 33 представляет собой металлическую трубу, наружный диаметр которой составляет около 1 см (0,375 дюйма) и выполненную с возможностью работы, например, при давлении 206,8 МПа (30 000 фунтов на квадратный дюйм) и при 149° С (300 градусов по Фаренгейту). Провода 52 датчика проходят от локального электронного оборудования датчика, например, сенсорного устройства 10, до датчиков 28. Линия 34 управления может также содержать провода 58 связи для соединения между собой двух или более блоков локального электронного оборудования 40 датчиков (Фиг. 7).
Вышеупомянутое вкратце описывает характерные признаки нескольких вариантов реализации изобретения, так, чтобы специалисты в данной области техники могли лучше понимать аспекты данного описания изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что они могут легко использовать данное описание в качестве основы для разработки или модификации других процессов и структур для достижения тех же целей и/или тех же преимуществ вариантов реализации изобретения, представленных в данном документе. Специалистам в данной области техники также следует понимать, что такие эквивалентные конструкции не отступают от сущности и объема данного изобретения и что они могут вносить различные изменения, замены и модификации в данный документ без отхода от сущности и объема данного изобретения. Объем изобретения должен определяться только формулировками последующей формулы изобретения. Термин «содержащий» в формуле изобретения означает «включающий в себя по меньшей мере», так что приведенный в формуле изобретения список элементов является открытой группой. Термины, обозначающие понятия в единственном числе, предполагают включение их множественных форм, если они специально не исключены.