БЛОК ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИЙ СКВАЖИННЫЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО КАНАЛА СВЯЗИ

Полезная модель относится к разработке объектов нефтегазовых месторождений и может быть использована для организации высокоскоростных, помехозащищенных каналов связи в скважинном пространстве.
Рост сложности задач управления технологическими процессами при разработке, освоении и добыче углеводородного сырья обуславливает необходимость совершенствования устройств сбора и передачи скважинной измерительной информации, в том числе, для технологических установок, использующих в качестве приводных агрегатов погружные электродвигатели (ПЭД). Наличие силового кабеля, подключающего ПЭД к наземному источнику управляемой электроэнергии, усложняет конструкцию технологических установок, однако наличие силовых электрических цепей позволяет создавать совмещенные информационные каналы связи скважина-поверхность. Кроме того, наличие электрических цепей в призабойной зоне позволяет сравнительно просто обеспечить электропитание аппаратуры, размещенной в этой зоне. Следует также отметить, что в современных условиях существенно возросли требования к эффективности каналов связи скважина-поверхность. Внедрение при добыче углеводородного сырья систем, обозначенных как интеллектуальная скважина (Новая классификация цифровых и интеллектуальных скважин. А.Н Еремин // Автоматизация и IT в нефтегазовой области. - 2016. - №2 - С. 2-4), в бурении - геонавигационных систем (URL: Technology Roundtable: LWD https://rogtecmagazine.com), требует высокой пропускной способности каналов связи скважина-поверхность для оперативного получения большого объема достоверной информации, причем аппаратура, представляющая собой единую скважинную систему, исходя из функционального назначения может располагаться по стволу скважины как над ПЭД, так и под ним.
В патенте [GB 2283889 А, МПК Е21В 47/12, опубл. 17.05.1995] рассматривается блок, использующий общую точку трехфазной звезды обмоток электропривода и силовой кабель для двунаправленной передачи данных. В [Пат. RU 67636 U1, МПК Е21В 44/12, опубл. 27.10.2007 г.] предложено подземное передающее устройство, подключенного между нулем звезды обмоток электродвигателя и его заземленным корпусом, к которому подключено устройство сбора информации с датчиков. В [Пат. RU 45871 U1, МПК Н02Н 7/08, опубл. 27.05.2005 г.] предлагается устройство, входящее в состав системы контроля за состоянием погружного электродвигателя, осуществляющее через устройство сопряжения с силовой линией передачу сигналов.
Общим недостатком упомянутых решений является необходимость локализации скважинной аппаратуры либо в пространстве под ПЭД, либо над ним. В этом случае построение распределенных аппаратных систем возможно при значительном их усложнении, наличие ПЭД между аппаратными блоками обуславливает, например, их многоканальную связь с поверхностью путем дублирования приемо-передающих блоков для информационного обмена с поверхностью. Кроме того, организация информационного обмена с поверхностью через ПЭД ограничена существенно по скорости и достоверности обмена из-за значительного затухания и искажения сигналов помехами.
Известен скважинный передающий блок [Пат. RU №2701271 С1, МПК Е21В 44/00, опубл. 25.09.2019 г.], входящий в автоматизированную систему оперативного управления бурением скважин, включающую в себя единую компоновку низа буровой колонны, состоящую из ПЭД, под нижним основанием которого и над верхней головной частью размещены аппаратные блоки, соединенные через отдельную сигнальную транзитную проводную цепь, проходящую через статор двигателя. Блок телеметрии подключен к силовой линии питания ПЭД проводом, проходящим через статор транзитом наряду с сигнальной проводной цепью. В качестве обратной сигнальной цепи используются металлические части корпуса заземленной скважинной компоновки. Недостатком этого технического решения является то, что сигнальная транзитная проводная линия подвержена существенному воздействию электромагнитных помех, действующих внутри статора ПЭД, что обуславливает ограничения по скорости информационного обмена и его достоверности, также дополнительные сложности могут возникнуть при использовании этой линии для одновременного электропитания блоков. Кроме того, подключение блока телеметрии проводом, проходящим через статор, требует его надежной изоляции по всей длине, т.к. силовая фаза находится, как правило, под высоким напряжением.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение эффективности работы блока приемо-передающего в составе скважинных управляющих и информационно-измерительных систем за счет увеличения скорости сбора и обработки скважинной информации, повышения ее достоверности.
Технический результат достигается блоком приемо-передающим скважинным высокоскоростного канала связи, располагающийся выше погружного электродвигателя и включающий в себя модем скважинный высокоскоростной совмещенного канала связи, подключенный к силовой кабельной линии и использующий в качестве обратной сигнальной цепи, металлические части заземленной скважинной компоновки и силового кабеля. Также этот блок приемо-передающий содержит модуль измерительный, модуль управления, модуль интерфейсный с возможностью подключения к нему дополнительной аппаратуры, модуль оптоэлектронного модема с подключенным к его первому входу-выходу оптоволоконным кабелем, для возможного его подключения к скважинным измерительным и управляющим блокам, а второй вход-выход модуля оптоэлектронного модема подключен к первому входу-выходу модуля управления, у которого второй вход-выход связан с первым входом-выходом модуля интерфейсного, второй вход-выход модуля интерфейсного предназначен для подключения дополнительной аппаратуры, причем третий вход-выход модуля управления соединен с модулем измерительным, а четвертый вход-выход подключен к первому входу-выходу модема скважинного, второй вход-выход которого предназначен для подключения к силовой кабельной линии.
Блок приемо-передающий скважинный использует оптоволоконный кабель, диаметром (1…2) мм и представляющий собой конструктивно оптоволоконный шлейф, защищенный металлической броней с изоляцией.
Блок приемо-передающий скважинный позволяет к модулю интерфейсному подключать дополнительную аппаратуру, имеющуюся в составе скважинной компоновки над погружным электродвигателем, а также тестирующее оборудование при техническом обслуживании.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема блока приемо-передающего скважинного, входящего в управляющую и информационно-измерительную систему (УИИС), на фиг. 2 схематично изображена конструкция оптоволоконного кабеля, используемого в блоке приемо-передающем скважинным. УИИС включает (фиг. 1): станцию управления 1, модем наземный 2, силовой кабель 3, блок приемо-передающий скважинный 4, который содержит - модем скважинный 5, модуль управления 6, модуль измерительный 7, модуль интерфейсный 8, модуль оптоэлектронного модема 9 с подключенным к нему оптоволоконным кабелем 10. Технологическое оборудование представлено погружным электродвигателем 11. На фиг. 2 показаны: оптоволокно (оптоволоконный шлейф) 12, металлическая броня 13, изолятор (изолирующая оболочка) 14.
Конструктивно блок приемо-передающий скважинный 4 выполнен в едином баростойком корпусе, все модули, входящие в состав блока 4, жестко закреплены внутри корпуса. Конструктивное исполнение блока 4 и его размещение может быть аналогично приведенному в изобретении [RU 2237807 С2, МПК Е21В 47/12, опубл. 10.10.2002, Бюл. №28].
Рассмотрим работу блока 4 в составе УИИС. Одним из важнейших элементов системы является канал связи скважина-поверхность. В реализации предлагаемой полезной модели в качестве среды передачи сигналов используется силовая цепь питания ПЭД 11 силового кабеля 3, что позволяет реализовать надежный высокоскоростной канал связи с пропускной способностью в десятки и сотни килобит в секунду. Подключение модема скважинного 5 к силовому кабелю 3 осуществляется либо за счет защищенного гальванического контакта или бесконтактно за счет высокочастотного трансформатора тока. Возможность построения канала связи скважина-поверхность с заявленными характеристиками подтверждается опытом построения подобных телеметрических каналов связи в электроэнергетике [URL: ВЧ - связь по ЛЭП (PLC) http//masters.donntu/org].
Входящий в блок 4 модуль управления 6, реализованный на базе программируемой микропроцессорной логики, обеспечивает эффективный сбор локальной измерительной информации с модуля измерительного 7. В то же время, информационный обмен со скважинными измерительными и управляющими блоками, расположенными по стволу ниже ПЭД, затруднен по двум основным причинам - транзит линии связи (кабеля) в обход ПЭД по внешней поверхности ненадежен из-за механических повреждений, транзит через статор ПЭД не вполне эффективен из-за высокого уровня сложных электромагнитных помех, существенно ограничивающих скорость информационного обмена и его достоверность. Наличие в блоке 4 модуля оптоэлектронного модема 9 позволяет устранить указанный недостаток за счет возможности подсоединения к нему тонкого изолированного оптоволоконного кабеля 10, защищенного металлической броней. При этом обеспечивается возможность оптоэлектронной связи с максимальной скоростью и высокой достоверностью (свойство оптоэлектронных каналов). Металлическая броня кабеля 10 используется как гальваническая цепь для организации электропитания всей аппаратуры, причем если первичный источник электропитания расположен выше ПЭД или внизу, в основании ПЭД, то вся аппаратура подключается посредством брони и заземленных металлических частей скважинной компоновки. Кроме того, поскольку на металлическую броню оптоволоконного кабеля 10, проходящую через статор ПЭД, под воздействием его магнитного поля наводится электродвижущая сила (ЭДС), то эта ЭДС может быть использована для электропитания аппаратуры.
Модуль интерфейсный 8 в блоке 4 позволяет осуществлять подключение дополнительной аппаратуры, имеющейся в составе скважинной компоновки над ПЭД, а также осуществлять тестирование и настройку блока 4 в процессе технического обслуживания.
Техническая реализация всех модулей блока 4, с учетом достижений современной схемотехники и конструирования технических средств, известна.
Таким образом, применение заявляемой полезной модели позволяет повысить эффективность скважинных управляющих и информационно-измерительных систем за счет увеличения скорости сбора и обработки скважинной информации, передачи управляющих команд и уставок, повышения достоверности информационного обмена и, таким образом, реализовать перспективные современные технологии, такие как интеллектуальные многопластовые добывающие скважины при добыче и LWD в бурении.