СПОСОБ ПРИЕМА/ПЕРЕДАЧИ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ВО ВРЕМЯ БУРЕНИЯ ПО БЕСПРОВОДНОМУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ С ЗАБОЯ НА ДНЕВНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ Российский патент 2006 года по МПК E21B47/12 

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано для передачи информации из забоя скважины на дневную поверхность без остановки процесса бурения.

Технология бурения скважин со сложным профилем и горизонтальных скважин предусматривает контроль направления бурения с помощью измерения углов ориентации бурового инструмента и измерения других геофизических параметров. Измерения проводятся в реальном времени путем сбора, предварительной обработки и кодировки сигналов соответствующих датчиков, передачи закодированных сообщений на поверхность. На поверхности осуществляется прием сигнала, его декодирование, обработка, представление в удобном для оператора виде и архивация на носитель информации.

Таким образом, прием сигналов из скважины по любому беспроводному каналу связи (акустическому, гидродинамическому, электромагнитному) осложняется одними и теми же мешающими факторами: сильным затуханием сигнала и наличием помех, однако все способы помехоустойчивого кодирования сигнала связаны с уменьшением скорости передачи, которая и без него велика, т.о. главной проблемой устойчивости приема сигнала является соотношение сигнал/помеха (электрические помехи: сейсмоэлектрические помехи, движение сильномагнитного бурового инструмента и соленого бурового раствора, а также блуждающих токов и помех от других мощных потребителей энергии), а преодоление их путем (не считая помехоустойчивого кодирования) либо посылки с забоя более мощного сигнала, либо подавления помех (см. Проблемы и перспективы применения современных геофизических технологий для повышения эффективности решения задач геологической разведки и разработки месторождений полезных ископаемых, Материалы мировой научно-практической конференции, Октябрьский, 25-27 июня 2001, Уфа, ТАУ, 2002, стр.52-55; Чупров В.П. Вопрос дальности действия беспроводного электромагнитного канала связи скважины забой-устье).

Механические колебания, возникающие при взаимодействии шарошечного долота с забоем, обладают высокой степенью информативности. Они содержат в себе сведения о параметрах системы долото-забой, поэтому реализация надежного канала передачи этой информации на устье скважины является важной задачей бурения.

Известен способ передачи информации по механическому каналу связи (см. Копылов В.Е. Акустическая система связи с забоем скважины при бурении. М.: Недра, 1979, стр.184), основанный на передаче механических колебаний (вибрации) долота по колонне бурильных труб на дневную поверхность, где осуществляется регистрация соответствующим датчиком вибраций и измерительной аппаратурой, и по измеренному спектру частот этих колебаний судят о характере динамических процессов, происходящих в системе долото - забой.

Преимуществами этого способа являются передача информации при отключении циркуляции промывочной жидкости и возможность работы канала в аэрированных (пенных) промывочных жидкостях.

Недостатками этого канала связи являются трудности выделения полезной информации на фоне помех в связи с низкой интенсивностью передаваемых сигналов, их отражением и интерференцией в местах изменения диаметра бурильных труб и замковых соединений, малая дальность передачи данных вследствие затухания упругих колебаний в толще бурильной колонны (наличие упругого гистерезиса, явление релаксации, термическая природа поглощения и др.) и окружающей среде, значительное затухание передаваемых сигналов с ростом частоты акустических колебаний (например, при частотах порядка несколько десятков герц коэффициент затухания 5-10 Нп/км), низкая скорость передачи данных (порядка 1-20 бит/с), отсутствие информационной связи устья с забоем скважины, необходимость использования ретрансляторов для увеличения дальности передачи сигналов и применения в них и в забойном передатчике батарейных элементов питания, низкая надежность канала из-за необходимости использования забойного передатчика и близко расположенных к нему ретрансляторов в зоне разрушительного воздействия непрерывной вибрации и сильных ударов, большие затраты времени на непредусмотренный регламентом спускоподъем бурильного инструмента, связанный с заменой передающего устройства и ретрансляторов при выходе их из строя.

Известен способ передачи информации по естественному гидравлическому каналу связи (см. Грачев Ю.В. Автоматический контроль в скважинах при бурении. М.: Недра, 1968, стр.328), основанный на передаче забойной информации по столбу промывочной жидкости линии нагнетания на устье скважины дневной поверхности в виде импульсов давления с регистрацией датчиком давления и соответствующей измерительной аппаратурой, причем по изменению амплитуды, частоты или последовательности информационных импульсов давления судят об изменении интересующих забойных параметров.

Гидроканал отличается высокой степенью однородности своих акустических свойств по причине однородности физико-химических свойств самой промывочной жидкости, и это исключает появление в нем отраженных волн, что имело место в механическом канале связи, а отсутствие сдвиговых деформаций в жидкости исключает проникновение в гидроканал помех, обусловленных поперечными и крутильными колебаниями бурильной колонны, все это характеризует его как канал с малым уровнем вносимых искажений. Вносимые же в гидроканал помехи за счет использования поршневых буровых насосов - помехи с частотой порядка 1 Гц, но неизменность кинематической схемы буровых насосов и их синхронный электропривод вносят пульсации с неизменной частотой и амплитудой колебаний, которые далее возможно отфильтровать с помощью известных схемных решений.

Кроме того, в гидроканале отсутствует источник энергии в скважине, а для передачи закодированного сигнала на поверхность модулируется скорость потока бурового раствора, поступающего сверху. Модуляция осуществляется путем изменения проходного сечения канала, по которому буровой раствор через измерительную систему поступает на буровой инструмент. Пульсации бурового раствора фиксируются на поверхности, декодируются, обрабатываются и представляются в удобном для оператора виде с дальнейшей архивацией на носителе информации.

Такая система, однако, тоже имеет недостаток, так как изменение проходного сечения канала осуществляется механическим устройством (клапан быстро подвергается износу и разрушению под действием бурового раствора, несущего твердые частицы, что влияет на точность регистрации параметров информационной системы во время эксплуатации), которое требует затрат на поддержание его работоспособности (профилактика, ремонт) и сложность ввода в гидроканал забойной информации.

Известен способ передачи информации на поверхность (см. патент RU №2132948, МПК Е 21 В 47/12, от 30.06.98), основанный на передаче кодированных электрических информационных сигналов по колонне бурильных труб с передатчика электродом, установленным в призабойной зоне и связанным с металлом колонны бурильных труб, приеме их электродом, установленным на устье скважины, и преобразовании кодированных информационных электрических сигналов приемником в вид, удобный для регистрации, кроме того, передают кодированный электрический информационный сигнал дополнительно по буровой жидкости, в которой установлен передающий электрод, конец которого с металлом колонны бурильных труб соединен через трансформаторный выход передатчика, а принимают кодированный электрический информационный сигнал электродом, установленным в промывочной жидкости, концы которого соединены соответственно с одним из концов первичной обмотки приемника и с металлом колонны бурильных труб.

Инклинометр выдает информацию о положении конца колонны бурильных труб в пространстве в виде последовательности электрических сигналов, которые преобразуются (кодируются) в несущую частоту с наложенной на нее последовательностью информационных импульсов.

Закодированная информация поступает на трансформаторный выход передатчика и между излучающим электродом и колонной бурильной труб возникает электрический потенциал. Электрические сигналы проходят по промывочной жидкости, замыкаясь на металлической массе колонне бурильных труб.

Информационный сигнал доходит до приемного электрода, снимается токопроводящим проводом, усиливается приемным трансформатором и поступает в приемное устройство, где декодируется и фиксируется в памяти, таким образом, передача информации осуществляется внутри скважины по кратчайшему расстоянию и не требует большой мощности для преодоления сопротивления пластов окружающей породы, что позволяет отказаться от турбогенератора и перейти на более экономное и технологичное батарейное питание.

Однако использование источников питания (батареи) заставляет осуществлять замену элементов, что требует подъема аппаратуры на поверхность, а это удорожает процесс и требует значительное время на проведения этой операции.

Известен способ измерения забойных параметров в процессе бурения (MWD) фирмы Geoservices с электромагнитным каналом связи (см. Технология горизонтального, наклонно-направленного и кустового бурения. Обзор - ВНИИЗарубежгеология, 1991, вып.8, стр.8-9. основанный на измерении параметров буровой системы - температуры, давления и данных каротажа и передачи их на устье скважины (параметры геофизических, технологических, инклинометрических данных).

Недостатком известного способа является недостаточная дальность передачи вследствие маломощного передатчика, питающегося от литиевых батарей.

Кроме того, зависимость затухания сигнала от физических свойств горных пород (обычно канал используется при удельном электрическом сопротивлении пород ρ>20 Ом м), низкая скорость передачи данных (порядка 2,5-5,0 бит/с) зависимость дальности передачи сигналов от расстояния между электродами, глубины их погружения в горные породы, величины приложенного к электродам напряжения, величины и частоты электрического тока, необходимость передачи данных на низких частотах (не выше несколько десятков герц), для которых характерен высокий уровень помех, зависимость возможности осуществления передачи данных от электрического сопротивления бурового раствора, необходимость использовании ретранслятора для увеличения дальности передачи сигналов с забоя в устье скважины, низкая надежность канала вследствие использования забойной электронной системы в условиях разрушительного воздействия непрерывной вибрации и сильных ударов, большие затраты времени на непредусмотренный регламентом спускоподъем скважинного передающего устройство и ретрансляторов при выходе их из строя,

Таким образом, при использовании беспроводного электромагнитного канала связи необходимо иметь источник энергии в призабойной зоне, где осуществляется измерение геофизических, технологических, инклинометрических параметров, их кодирование и передача на дневную поверхность.

Однако химические источники энергии дороги, требуют периодической перезарядки (для аккумуляторов) или замены (для батарей), так как ограничен ресурс работы источника питания, механические источники так же дороги, причем требуется высокая технология их производства, но они ненадежны в работе, так как подвергаются воздействию агрессивной среды (высокой температурой и давления на забое скважины) и требуют проведения периодических регламентных и ремонтных работ, а для электрогенератора дополнительными фактором, влияющим на ресурс работы, является износ подшипников, вызванный расходом смазки через уплотнения вала.

В общем случае, любой источник энергии на забое требует больших затрат на ее пополнение или обеспечение.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ передачи геофизической информации во время бурения по беспроводному электромагнитному каналу связи с забоя на дневную поверхность (см. патент RU №2206739 МПК Е 21 В 47/12, от 22.10.99, патентовладелец, представитель FR - Сулье Луи), предусматривающий излучение электрического сигнала диполем, размещенным на забое, электрически соединенным с металлическими трубами, которые изолируют частично или полностью, находящимися в местах геологических формаций малого удельного сопротивления разбуриваемого слоя, и прием на дневной поверхности электрического сигнала путем подключения полюсов приемника соответственно к колонне бурильных труб и удаленной точке от устья скважины.

Передача осуществляется передатчиком, размещенным на забое, который модулирует волну скачком фазы 0-π в ритме, согласованном с несущей частотой, порядка 1 Гц - 10 Гц.

Волны, излучаемые передатчиком, принимаются на поверхности приемником, один из полюсов которого связан с устьем скважины, а другой внедрен в землю на достаточном расстоянии от вершины скважины, на практике передатчик на забое и приемник на дневной поверхности могут быть по очереди приемником и передатчиком.

Недостатком известного технического решения является то, что для передачи с забоя необходимо генерировать энергию внизу скважины. Отсюда низкая надежность и естественное усложнение аппаратуры.

Техническим результатом изобретения является обеспечение двунаправленного приема-передачи сигнала во время бурения по беспроводному электромагнитному каналу связи из скважины на дневную поверхность соответственно о достоверности технического состоянии аппаратуры бурения и электрофизических свойств пересекаемых (разбуриваемых) пластов (диэлектрическую проницаемость и удельную электрическую проводимость), а также повышение надежности и долговечности способа с естественным упрощением и удешевлением процесса бурения.

Технический результат достигается тем, что в способе приема/передачи геофизической информации во время бурения по беспроводному электромагнитному каналу связи с забоя на дневную поверхность, предусматривающем модуляцию (кодирование) напряжения генерирующего сигнала на дневной поверхности путем подключения полюсов наземного генератора соответственно к колонне бурильных труб и удаленной точке от устья скважины, электрическим диполем на забое осуществляют прием сигнала наземного генератора, выделяют тактовую частоту наземного генератора и синхронно с ней коммутируют закодированным сообщением электрический диполь на забое, на устье скважины измеряют ток генерации путем выделения пульсаций с помощью синхронного детектирования, выделенные таким образом пульсации раскодируются и передаются для дальнейшей их обработки и регистрации.

По измеренной на устье величине пульсаций, вызванных коммутацией электрического диполя на забое, судят о геофизических параметрах разбуриваемого пласта на дневной поверхности.

Частоту наземного генератора на дневной поверхности изменяют для наилучшего условия приема сигнала из забоя.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в получении геофизических, технологических и инклинометрических параметров во время бурения скважины за счет использования только наземного генератора электромагнитной энергии, размещенного на дневной поверхности, с повышением его надежности, увеличения его мощности при регулировке параметров излучения для достижения лучшей проходимости команд на забой, выделение закодированного сигнала с призабойной зоны, а получение информации об электрических свойствах разбуриваемых пластов осуществляется исключительно с помощью измерения тока наземного регистратора и его соответствующей обработки. При таком способе для передачи данных с забоя достаточно затрат энергии лишь на коммутацию диполя, что со всей очевидностью показывает преимущество предлагаемого способа. Коммутация диполя вызывает приращение тока, которое пропорционально площади нижней части диполя и обратно пропорционально удельному сопротивлению окружающих его пород.

Сравнение предлагаемого изобретения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые позволяют успешно реализовать поставленную цель.

Сущность предлагаемого технического изобретения будет понятна из следующего описания и приложенного к нему графического материала.

На чертеже изображен ствол скважины, пересекающий пласты 9, 10, 11 и 12. В стволе скважины находится колонна бурильных труб 3 с изолированным от основной колонны труб отрезком 4.

Алгоритм работы способа приема/передачи геофизической информации во время бурения представляет собой последовательность выполнения операций.

- На поверхности с помощью генератора 1, подключенного одним полюсом к устью скважины, обсаженной кондуктором 2, а другим полюсом к заземлению 8, расположенному на некотором удалении от устья, генерируется электромагнитное поле.

- Электромагнитное поле, создаваемое генератором 1, распространяется по окружающей скважину породе, достигает призабойной зоны и создает разность потенциалов между колонной бурильных труб 3 и изолированной ее частью 4.

- Приемопередатчик 5 подключен к нижнему концу бурильных труб 3 и к изолированной ее части 4. Для передачи сообщения с забоя синхронно с частотой наземного генератора замыкаются или размыкаются части 3 и 4 колонны бурильных труб, а для выделения частоты наземного генератора замеряется напряжение между разомкнутыми частями 3 и 4 колонны бурильных труб, и/или замеряется ток, протекающий из колонны 3 в отрезок 4 через замыкающий их коммутатор.

- Для обеспечения синхронности передачи частота коммутации диполя должна подстраиваться таким образом, чтобы она была кратна частоте принятого напряжения наземного генератора.

- Для передачи сообщения с наземной поверхности в призабойную зону сигнал генератора 1 кодируется, (например, фазоманипулированным сигналом), но чтобы это сообщение не влияло на выделение частоты наземного генератора в приемопередатчике 5, подстройка частоты коммутации в приемопередатчике 5 должна осуществляться с минимально достаточной постоянной времени.

- Для обеспечения наилучших условий приема-передачи частота наземного генератора выбирается такой, при которой величина пульсаций тока, вызванная работой приемопередатчика 5, будет максимальной.

- Для определения проводящих свойств разбуриваемых пород необходимо знать напряжение между разомкнутыми отрезками 3 и 4 бурильных труб и током утечки в отрезок 4 при замыкании его с колонной 3 бурильных труб. Эти два параметра являются достаточными для вычисления сопротивления заземления электрода 4 (см. Дахнов В.Н. Промысловая геофизика, § 62 "Сопротивление цилиндрического заземления", М.: Недра, 1958, стр. 337). Согласно Дахнову сопротивление цилиндрического заземления определяется как

R_з=0.367(ρ/L_з)lg(2L_з/d_з),

где ρ - удельная проводимость породы, L_з - длина цилиндрического заземления, d_з - диаметр цилиндрического заземления. Из приведенной формулы видно, что, зная сопротивление заземления, длину и диаметр нижнего отрезка труб 4, можно вычислить удельное сопротивление породы. Вычисление может быть произведено здесь же, на забое, или замеренные ток и напряжение могут передаваться на дневную поверхность в закодированном виде, где декодируются и по ним вычисляется сопротивление заземления.

Технико-экономическим эффектом изобретения является обеспечение двунаправленного приема-передачи сигнала во время бурения по беспроводному электромагнитному каналу связи из скважины на дневную поверхность соответственно о достоверности геофизических, технологических и инклинометрических параметров за счет использования только наземного генератора, что повышает надежность и долговечность способа с естественным упрощением и удешевлением процесса бурения.

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано для передачи информации из забоя скважины на дневную поверхность в процессе бурения. В способе модулируют напряжение генерирующего сигнала на дневной поверхности путем подключения полюсов наземного генератора соответственно к колонне бурильных труб и удаленной точке от устья скважины и на забое электрическим диполем осуществляют прием сигнала наземного генератора. Выделяют тактовую частоту наземного генератора и синхронно с ней коммутируют закодированным сообщением электрический диполь на забое. На устье скважины измеряют ток генерации путем выделения пульсаций с помощью синхронного детектирования. По измеренной на устье величине пульсаций, вызванных коммутацией электрического диполя на забое, судят о геофизических параметрах разбуриваемого пласта на дневной поверхности. Частоту наземного генератора на дневной поверхности изменяют для наилучшего условия приема сигнала из забоя. Изобретение позволяет повысить надежность и достоверность передачи данных с обеспечением двунаправленного приема-передачи сигнала. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ приема/передачи геофизической информации во время бурения по беспроводному электромагнитному каналу связи с забоя на дневную поверхность, предусматривающий модуляцию напряжения генерирующего сигнала на дневной поверхности путем подключения полюсов наземного генератора соответственно к колонне бурильных труб и удаленной точке от устья скважины, электрическим диполем на забое осуществляют прием сигнала наземного генератора, отличающийся тем, что выделяют тактовую частоту наземного генератора и синхронно с ней коммутируют электрический диполь на забое, на устье скважины измеряют ток генерации путем выделения пульсаций с помощью синхронного детектирования.2. Способ приема/передачи геофизической информации во время бурения по беспроводному электромагнитному каналу связи с забоя на дневную поверхность по п.1, отличающийся тем, что по величине пульсаций коммутирующего электрического диполя на забое судят о геофизических параметрах разбуриваемого пласта на дневной поверхности.3. Способ приема/передачи геофизической информации во время бурения по беспроводному электромагнитному каналу связи с забоя на дневную поверхность по п.1, отличающийся тем, что частоту наземного генератора на дневной поверхности изменяют для наилучшего условия приема сигнала из забоя.