СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ОТ ЗАБОЙНОЙ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК E21B47/12 

Изобретение относится к области геофизических методов исследований, предназначается для передачи данных в процессе бурения скважины от контрольно-измерительных приборов в скважине к наземной аппаратуре и касается многопараметрической телеметрии, в частности систем с беспроводным каналом связи.

Известен способ передачи информации от забойной телеметрической системы, использующий электромагнитный канал связи, реализуемый в устройстве, представляющем собой геофизическую телеметрическую систему, предназначенную для измерения геофизических параметров в процессе бурения скважины (А.А. Молчанов, Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин, М.: Недра, 1983, с.171-177). Передачу данных глубинных измерений в процессе бурения осуществляют с помощью шумоподобных сигналов за счет посылки в породу мощных импульсов тока. В качестве источника питания при электромагнитном способе передачи информации используют автономный источник питания (электромашинный генератор), находящийся в составе бурильной колонны.

Устройство, реализующее электромагнитный способ передачи информации, содержит электрический разделитель, отделяющий нижнюю часть колонны бурильных труб с турбобуром от основной части колонны бурильных труб, и ключевой элемент (коммутатор), управляемый кодовым сигналом скважинной аппаратуры, который подключает скважинный источник питания (электромашинный генератор) к колонне бурильных труб, разделенных изолятором. Наземная часть системы содержит заземлитель (электрод заземления) и блок приема кодированной информации (приемное устройство).

Недостатками способа и устройства, реализующего способ, является необходимость размещения в скважине в составе бурильной колонны источника питания большой мощности. Ресурс такого источника питания ограничен тяжелыми условиями его работы: высокой температурой, давлением и вибрацией на забое скважины. Для электромашинного генератора дополнительным фактором, влияющим на ресурс работы, является износ подшипников, вызванный расходом смазки через уплотнения вала. Это снижает надежность и ресурс системы в целом. Кроме того, размещение источника питания внутри бурильной трубы ограничивает его размер и мощность, а соответственно и дальность передачи данных.

Наиболее близкими техническими решениями к заявляемому способу и устройству для его осуществления является способ передачи информации, реализованный в устройстве согласно заявке №99105822, МПК 7 G 01 V 13/00, опубл. 20.01.2001, по которой получено положительное решение. Способ передачи информации, осуществляемый данным устройством, основан на замыкании и размыкании изоляционного трубного элемента ключевым элементом, управляемым кодовым сигналом скважинной аппаратуры, что приводит к изменению длины заземляющего отрезка колонны бурильных труб за счет подсоединения и отсоединения нижней части бурильной колонны вместе с турбобуром. При этом изменяется сопротивление заземления колонны бурильных труб и происходит соответствующее изменение потребления тока от наземного источника питания, которое регистрируется наземным блоком приема информации. Телеметрическая система также 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. Отличие состоит в том, что силовой источник электрического питания канала связи введен в наземную часть между колонной бурильных труб и электродом заземления, ключевой элемент подключен параллельно изоляционному трубному элементу.

Но и этот аналог, принятый за прототип, обладает следующими недостатками. Способ и устройство, его реализующее, также предусматривают использование источника питания большой мощности. Кроме того, существенное влияние на чувствительность такой телеметрической системы оказывает значительное растекание токов в породах, окружающих скважину.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи снижения энергетических затрат при передаче информации от забойных телеметрических (инклинометрических) систем, а также от систем каротажа в процессе бурения на дневную поверхность.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе передачи информации от забойной телеметрической системы, включающем передачу информации кодированными электрическими сигналами передающим устройством путем электрического присоединения с помощью проводящей шины и коммутирующего устройства к верхней части бурильной колонны электрически изолированной нижней части бурильной колонны, прием кодированных сигналов наземным приемным устройством с помощью электрода сравнения и преобразование кодированных сигналов, согласно изобретению предлагается наземное приемное устройство выполнить высокоомным, электрод сравнения погрузить в циркулирующий буровой раствор или поместить в емкость с электролитом, который через электролитический контакт и пористую перегородку электрически сообщается с циркулирующим буровым раствором, а для передачи информации использовать гальванический канал связи, основанный на сдвиге естественного электрохимического потенциала верхней части бурильной колонны при присоединении к ней нижней части бурильной колонны и измерении сдвига потенциала бурильной колонны относительно электрода сравнения наземным приемным устройством.

В перерывах передачи информации периодически в цепь проводящей шины подают напряжение от источников питания через сопротивления, ограничивающие передаваемый ток, со сменой полярности.

Моменты подачи напряжения от источников питания служат сигналом конца передачи одной информационной посылки и сигналом начала передачи другой информационной посылки.

Сущность изобретения заключается также в том, что в устройство для осуществления способа передачи информации от забойной телеметрической системы, содержащее электрически непроводящий разделитель-переводник, отделяющий нижнюю часть колонны бурильных труб вместе с гидравлическим забойным двигателем от основной колонны бурильных труб, проводящую шину, выполненную с возможностью подключения параллельно электрически непроводящему разделителю-переводнику, коммутирующее устройство, управляемое кодовым сигналом забойной телеметрической системы, для подключения проводящей шины и наземное приемное устройство, дополнительно вводят электрод сравнения, погруженный в циркулирующий буровой раствор или помещенный в емкость с электролитом, электрически сообщающимся через электролитический контакт и пористую перегородку с циркулирующим буровым раствором, а наземное приемное устройство выполнено в виде высокоомного микровольтметра, один вход которого соединен с верхним концом бурильной колонны, а другой вход - с выходом электрода сравнения.

Предлагаемая геофизическая телеметрическая система в качестве электрода сравнения может содержать неполяризующийся электрод, помещенный в емкость с электролитом, который через электролитический контакт и пористую перегородку сообщается с циркулирующим буровым раствором.

Предлагаемая геофизическая телеметрическая система в качестве электрода сравнения может содержать твердотельный электрод, погруженный в циркулирующий буровой раствор.

Предлагаемая геофизическая телеметрическая система может быть выполнена таким образом, что выход высокоомного микровольтметра соединен с одним из входов системы сбора информации, выход которой соединен с входом компьютера.

Схемы предложенной телеметрической системы с использованием способа передачи информации по гальваническому каналу связи приводятся на чертежах.

Фиг.1. Общая схема гальванического канала связи.

Фиг.2. Схема коммутации переводника-разделителя.

Телеметрическая скважинная система передачи данных с гальваническим каналом связи, представленная на фиг.1, включает бурильную колонну, нижняя часть колонны, включающая долото 1, гидравлический забойный двигатель 2, утяжеленные бурильные трубы 3, силовой контейнер 4 с датчиками, отделена от верхней части колонны 5 электрически непроводящим разделителем-переводником 6. Параллельно разделителю-переводнику 6 через коммутирующее устройство 7 к нижней и верхней его части подключена проводящая шина 8. Скважина 9, содержащая буровой раствор 10, сообщается с желобом 11, также заполненным буровым раствором 10. Стандартный (неполяризующийся) электрод 12 сравнения расположен в емкости 13, заполненной насыщенным раствором электролита. Емкость 13 содержит пористую перегородку 14 и электролитический контакт 15. Высокоомный микровольтметр 16 подключен между верхней частью колонны 5 и стандартным электродом 12 сравнения, выход микровольтметра 16 подключен к системе 17 сбора информации, выход которой соединен с входом компьютера 18.

Разделитель-переводник 6, детально представленный на фиг.2, состоит из нижней 19 и верхней 20 металлических проводящих законцовок и непроводящей диэлектрической вставки 21 (например, из стеклопластика). Нижняя 19 и верхняя 20 законцовки соединены проводящей шиной 8, коммутируемой ключами К1, К2, К3, К4 коммутирующего устройства 7. Коммутирующее устройство 7 содержит также сопротивления R1, R2, R3 и источники напряжения U1 и U2.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Известно (А.С. Серяков, Л.К. Мухин, В.З. Лубан и др., "Электрическая природа осложнений в скважинах и борьба с ними", М.: Недра, 1980, с.10-35), что при бурении скважины на электродный потенциал инструмента воздействует комплекс факторов, чем и обуславливаются высокие (>1000 mV) отрицательные значения потенциала. Принцип работы телеметрической системы с гальваническим каналом связи основан на измерении разности потенциалов гальванического элемента, в котором индикаторным (рабочим) электродом является колонна бурильных труб, имеющая собственный потенциал, а в качестве электрода сравнения используется стандартный (неполяризующийся) электрод, помещенный в емкость с электролитом, который через электролитический контакт и пористую перегородку сообщается с циркулирующим буровым раствором.

Величина тока, вырабатываемого данным гальваническим элементом, зависит от естественного потенциала горных пород, сопротивления проводящей среды, поляризации электродов, а также от длины спущенных труб.

Циркулирующий в скважине 9 буровой раствор 10 попадает в желоб 11, образуя соединительный токопроводящий мостик между электродами. Расположенная в желобе емкость 13, заполненная электролитическим раствором и содержащая электрод 12 сравнения, через пористую перегородку 14 контактирует с буровым раствором 10, при этом пористая перегородка 14 пропускает электрический ток, замыкая электролитический контакт 15, но отделяет электролитический раствор от бурового раствора 10.

В качестве электрода сравнения может быть использован неполяризующийся электрод, например каломельный или хлорсеребряный. Возможно также применение промышленного твердотельного электрода, погруженного в циркулирующий буровой раствор (на фигурах не показано).

Изменение потенциала колонны относительно электрода 12 сравнения фиксируют микровольтметром 16 и после соответствующего усиления подают на один из входов системы 17 сбора информации, куда также поступают сигналы от датчика глубины и других датчиков (на фигурах не показано). Комплексную обработку поступившей информации производят на компьютере 18, в котором закодированную забойную информацию декодируют и выдают на носители информации в физических величинах в функции глубины скважины и/или времени.

Информацию о параметрах горных пород, полученную в процессе бурения датчиками скважинной аппаратуры, расположенными в силовом контейнере 4, кодируют с помощью кодирующего устройства (на фигурах не показаны). Кодированные сигналы передают на управляющий вход коммутирующего устройства 7, при этом происходит шунтирование в определенной последовательности разделителя-переводника 6 проводящей шиной 8. Шунтирование приводит к ступенчатому изменению потенциала верхней части 5 колонны за счет подсоединения и отсоединения нижней части, состоящей из долота 1, гидравлического забойного двигателя 2, утяжеленных бурильных труб 3 и силового контейнера 4 забойной телеметрической системы с датчиками. В положении, показанном на фиг.2, когда все ключи - K1, К2, К3, К4 - открыты, нижнюю 19 и верхнюю 20 законцовки разделителя-переводника 6 соединяют непроводящей диэлектрической вставкой 21. При этом нижняя и верхняя части бурильной колонны электрически разъединяется и потенциал бурильной колонны имеет вполне определенный уровень. При замыкании ключей К3 и К4 верхнюю и нижнюю части бурильной колонны соединяют между собой через сопротивление К3 (примерно 1 Ом), что приводит к сдвигу потенциала бурильной колонны в отрицательную сторону (на несколько милливольт).

Кодируя определенным образом полученную в скважине информацию периодическим замыканием - размыканием ключей К3-К4, передают эту информацию на земную поверхность.

С целью периодического снятия накопленных потенциалов колонны (расшатывание двойного электрического слоя) программируют включение на короткое время в цепь проводящей шины последовательно источников напряжения U1 и U2 (по 15 B), ток которых ограничен сопротивлениями R1 и R2 (15 Ом) и сопротивлением R3.

При замыкании ключей K1 и К3 в цепь шины включают источник U1, а при замыкании ключей К2 и К3 - источник U2 со сменой полярности.

После проведения цикла из 1-2 включений источников напряжения U1 и U2 (на доли секунды) передачу информации замыканием ключей К3-К4 через кодирующее устройство продолжают по заранее заданной программе.

Моменты включения источников напряжения U1 и U2 используют в качестве сигнала об окончании передачи одной информационной посылки и начале передачи другой информационной посылки.

Преимуществом предлагаемых способа и устройства является то, что для работы гальванического канала связи не требуется мощного источника питания, т.к. передача сигнала от датчиков забойной телеметрической системы происходит не за счет посылки в породу мощных импульсов тока, а за счет сдвига потенциала колонны при шунтировании непроводящего разделителя переводника проводящей шиной через коммутирующее устройство.

Дополнительным важным преимуществом предлагаемых способа и устройства является отсутствие зависимости работы гальванического канала связи от электрических свойств пройденного скважиной разреза (низкое удельное сопротивление пород, приводящее к растеканию тока, наличие непроводящих пропластков в виде отложений солей и т.п.), которые ограничивают применение электромагнитного канала связи.

Изобретение относится к телеметрии при бурении скважин и может быть использовано для передачи скважинных данных к наземной аппаратуре с использованием беспроводного канала связи. В способе осуществляют передачу информации кодированными электрическими сигналами, прием кодированных сигналов наземным приемным устройством с помощью электрода сравнения и преобразование кодированных сигналов. Для передачи информации используют гальванический канал связи, основанный на сдвиге естественного электрохимического потенциала верхней части бурильной колонны при электрическом присоединении к ней с помощью проводящей шины и коммутирующего устройства электрически изолированной нижней части бурильной колонны и измерении сдвига потенциала бурильной колонны относительно электрода сравнения наземным приемным устройством, которое выполняют высокоомным. В перерывах передачи информации периодически в цепь проводящей шины подают напряжение от источников питания через сопротивления, ограничивающие передаваемый ток, со сменой полярности. Моменты подачи напряжения от источников питания служат сигналом конца передачи одной информационной посылки и сигналом начала передачи другой информационной посылки. Устройство содержит электрически непроводящий разделитель-переводник, отделяющий нижнюю часть бурильной колонны от верхней, подключенную параллельно ему проводящую шину, проводящую шину, коммутирующее устройство, управляемое кодовым сигналом забойной телеметрической системы, для подключения проводящей шины параллельно разделителю-переводнику, электрод сравнения и наземное приемное устройство. Электрод сравнения погружен в циркулирующий буровой раствор и может являться твердотельным электродом или помещен в емкость с электролитом, электрически сообщающимся через электролитический контакт и пористую перегородку с циркулирующим буровым раствором, и может являться неполяризующимся электродом. Наземное приемное устройство выполнено в виде высокоомного микровольтметра, один вход которого соединен с верхним концом бурильной колонны, а другой вход - с выходом электрода сравнения. Выход микровольтметра может быть соединен с одним из входов системы сбора информации, выход которой соединен с входом компьютера. Изобретение направлено на независимость передачи информации от свойств разреза и снижение затрат электроэнергии для передачи информации. 2 н. и 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ передачи информации от забойной телеметрической системы, включающий передачу информации кодированными электрическими сигналами передающим устройством путем электрического присоединения с помощью проводящей шины и коммутирующего устройства к верхней части бурильной колонны электрически изолированной нижней части бурильной колонны, прием кодированных сигналов наземным приемным устройством с помощью электрода сравнения и преобразование кодированных сигналов, отличающийся тем, что наземное приемное устройство выполняют высокоомным, электрод сравнения погружают в циркулирующий буровой раствор или помещают в емкость с электролитом, который через электролитический контакт и пористую перегородку электрически сообщается с циркулирующим буровым раствором, а для передачи информации используют гальванический канал связи, основанный на сдвиге естественного электрохимического потенциала верхней части бурильной колонны при присоединении к ней нижней части бурильной колонны и измерении сдвига потенциала бурильной колонны относительно электрода сравнения наземным приемным устройством.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в перерывах передачи информации периодически в цепь проводящей шины подают напряжение от источников питания через сопротивления, ограничивающие передаваемый ток, со сменой полярности.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что моменты подачи напряжения от источников питания служат сигналом конца передачи одной информационной посылки и сигналом начала передачи другой информационной посылки.4. Устройство для осуществления способа передачи информации от забойной телеметрической системы, содержащее электрически непроводящий разделитель-переводник, отделяющий нижнюю часть колонны бурильных труб вместе с гидравлическим забойным двигателем от основной колонны бурильных труб, проводящую шину, выполненную с возможностью подключения параллельно электрически непроводящему разделителю-переводнику, коммутирующее устройство, управляемое кодовым сигналом забойной телеметрической системы, для подключения проводящей шины и наземное приемное устройство, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит электрод сравнения, погруженный в циркулирующий буровой раствор или помещенный в емкость с электролитом, электрически сообщающимся через электролитический контакт и пористую перегородку с циркулирующим буровым раствором, а наземное приемное устройство выполнено в виде высокоомного микровольтметра, один вход которого соединен с верхним концом бурильной колонны, а другой вход - с выходом электрода сравнения.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве электрода сравнения содержит неполяризующийся электрод, помещенный в емкость с электролитом, который через электролитический контакт и пористую перегородку сообщается с циркулирующим буровым раствором.6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве электрода сравнения содержит твердотельный электрод, погруженный в циркулирующий буровой раствор.7. Устройство по любому из пп.4-6, отличающееся тем, что выход микровольтметра соединен с одним из входов системы сбора информации, выход которой соединен с входом компьютера.