СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИЛИ ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ МЕЖДУ ВНУТРИСКВАЖИННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ И ПОВЕРХНОСТЬЮ Российский патент 2011 года по МПК G01V3/30 E21B47/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в широком смысле относится к беспроводной телеметрии. Более конкретно, изобретение относится к устройству и связанному с ним способу для передачи или приема информации между внутрискважинным оборудованием, соединенным с подземной насосно-компрессорной колонной или обсадной колонной, и наземным прибором.

Описание предшествующего уровня техники

Нефтяные и газовые скважины являются дорогостоящими в сооружении, и предпочтительно, чтобы эти скважины эксплуатировались по возможности более эффективно. Один способ обеспечения повышенной эффективности при эксплуатации скважин заключается в размещении внутрискважинного оборудования в стволе скважине под управлением другого оборудования, расположенного на поверхности. Таким оборудованием могут быть измерительные датчики, которыми поставляется полезная информация для последующей эксплуатации скважины, например данные относительно давления, характера встречающихся пород и флюидов, температуры и т.д. Оборудование может быть другим управляемым или контролируемым оборудованием, которое поставляет важные команды с поверхности для регулирования различных параметров скважины или коллектора с помощью оборудования и приборов, таких как клапаны, защитные крышки и т.д. Поэтому важно иметь возможность передавать информацию с поверхности к различному внутрискважинному оборудованию. В нескольких способах из предшествующего уровня техники делалась попытка обеспечить линии электрической или электромагнитной связи между наземным оборудованием и внутрискважинным оборудованием.

Традиционно в некоторых системах из предшествующего уровня техники имеются кабели, размещенные в стволе скважины, для обеспечения линий связи и также снабжения электроэнергией внутрискважинного оборудования. Достижение надежного и точного размещения кабелей внутри ствола скважины вдоль боковой поверхности трубной конструкции или колонны является трудным и отнимающим много времени занятием. Кроме того, для этого необходимо использовать дополнительное оборудование, что повышает затраты, относимые к скважине. Стволы скважин представляют собой агрессивную среду, и существуют многочисленные механизмы разрушения, которые являются причиной недопустимо низкой надежности таких систем. Кроме того, кабель, объединяющий такие датчики или подключаемый к управляющим устройствам, расположенным на значительной глубине, не может быть спущен в любой ситуации. Прокладка такого кабеля возможна в то время, когда скважину заканчивают, но становится практически невозможной после заканчивания скважины. В частности, кабель не может быть спущен, когда клапаны или отдельные приборы не могут быть обойдены кабелем, независимо от того, снабжен или нет кабель датчиками.

В некоторых системах из предшествующего уровня техники делалась попытка использовать беспроводную систему связи, основанную на присущей стволу скважины и трубной конструкции или колонне труб коаксиальной конфигурации. Однако в этих системах из предшествующего уровня техники обычно предусматривают более высокочастотный сигнал данных. В этих системах обычно используют тороидальные катушки или ферромагнитные дроссельные узлы, размещаемые на трубной конструкции или колоннах для получения достаточно большого последовательного импеданса для сигналов данных, чтобы возбуждать определенный участок трубной конструкции или колонны. В патенте США № 4839644 описаны такие способ и система для беспроводной связи в обсаженной буровой скважине, имеющей колонну труб.

Другие системы из предшествующего уровня техники основаны на излучении электромагнитных волн, направляемых металлической насосно-компрессорной колонной; такая система передачи более конкретно описана в патенте США № 5394141 (фигура 1). Излучатель 3 расположен в забое скважины и подводит электрические сигналы между двумя точками 1 и 2 на металлической насосно-компрессорной трубе 4. Электрический сигнал может проходить по металлической насосно-компрессорной трубе 4, обсадной колонне 5 или даже через проводящий флюид 6, заполняющий скважину; а вследствие достаточного импеданса металлической насосно-компрессорной колонны электрический сигнал проходит к наземному приемопередатчику 8. Однако необходимый достаточный импеданс сильно зависит от геометрических характеристик скважины и от импеданса окружающей среды: заполняющего флюида, металлической насосно-компрессорной колонны, обсадной колонны, формации и т.д. Будет лучше, если ограничивать или контролировать зависимость этих параметров. Например, если удельное сопротивление некоторых слоев является неадекватным, как в случае некоторых осадочных, третичных, периконтинентальных пород, аналогичных породам в Северном море или Мексиканском заливе, затухание вдоль скважины может стать чрезмерным, что сделает невозможным использование такого устройства в большей части морских скважин, если только не согласиться с резким уменьшением передаваемого информационного потока.

Поэтому будет полезно создать усовершенствованную систему для беспроводной связи в стволе скважины, не зависящую от всех этих параметров.

Сущность изобретения

Изобретением предоставляется способ приема и/или передачи информации в скважине, пробуренной в геологической формации, между первым местоположением и вторым местоположением, при этом указанная скважина содержит обсадную колонну, связанную с геологической формацией, содержащий этапы, при выполнении которых: (i) размещают первый преобразователь, располагаемый на указанном первом местоположении, при этом указанный первый преобразователь содержит два электрода, которые являются первым и вторым нижестоящими электродами, указанные первый и второй нижестоящие электроды находятся по существу в электрическом контакте с обсадной колонной; (ii) размещают второй преобразователь, располагаемый на указанном втором местоположении, при этом указанный второй преобразователь содержит два электрода, которые являются первым и вторым вышестоящими электродами; (iii) излучают электрический сигнал первым преобразователем, прикладывая указанный сигнал между первым и вторым нижестоящими электродами, или соответственно вторым преобразователем, прикладывая указанный сигнал между первым и вторым вышестоящими электродами; (iv) принимают указанный электрический сигнал вторым преобразователем, регистрируя указанный сигнал между первым и вторым вышестоящими электродами, или соответственно первым преобразователем, регистрируя указанный сигнал между первым и вторым нижестоящими электродами. Фактически, первый и второй нижестоящие электроды находятся по существу в электрическом контакте с обсадной колонной, поскольку реальный контроль идеального электрического контакта не может быть осуществлен при развертывании первого преобразователя в скважине. По меньшей мере первый и второй нижестоящие электроды имеют соответственно первое нижестоящее электрическое сопротивление и второе нижестоящее электрическое сопротивление при контакте с обсадной колонной, которые должны быть как можно меньше. В силу того, что имеется непроводящий буровой раствор внутри обсадной колонны или непроводящий материал на обсадной колонне, сопротивление не является нулевым. Предпочтительно, чтобы первое нижестоящее электрическое сопротивление и/или второе нижестоящее электрическое сопротивление составляли/составляло меньше 1000 Ом; более предпочтительно, меньше 100 Ом; наиболее предпочтительно, 10 Ом.

Согласно другому осуществлению скважина дополнительно содержит третий преобразователь, при этом указанный третий преобразователь расположен на третьем местоположении и содержит два электрода, которые являются первым и вторым скважинными электродами, указанные первый и второй скважинные электроды находятся по существу в электрическом контакте с обсадной колонной; и способ содержит этап, при выполнении которого: (i) излучают второй электрический сигнал третьим преобразователем, прикладывая указанный второй сигнал между первым и вторым скважинными электродами; и (ii) принимают третий электрический сигнал третьим преобразователем, регистрируя указанный третий сигнал между первым и вторым скважинными электродами. Скважина может дополнительно содержать множество добавочных преобразователей: каждый преобразователь может принимать и/или передавать информацию любому из преобразователей. Таким образом задается сеть преобразователей. По меньшей мере первый и второй скважинные электроды имеют соответственно первое скважинное электрическое сопротивление и второе скважинное электрическое сопротивление при контакте с обсадной колонной, которые должны быть как можно меньше. В силу того, что имеется непроводящий буровой раствор внутри обсадной колонны или непроводящий материал на обсадной колонне, сопротивление не является нулевым. Предпочтительно, чтобы первое скважинное электрическое сопротивление и/или второе скважинное электрическое сопротивление составляли/составляло меньше 1000 Ом; более предпочтительно, меньше 100 Ом; наиболее предпочтительно, 10 Ом.

Согласно еще одному осуществлению скважина дополнительно содержит ретрансляционный преобразователь, при этом указанный ретрансляционный преобразователь расположен на третьем местоположении и содержит два электрода, которые являются первым и вторым скважинными электродами, указанные первый и второй скважинные электроды находятся по существу в электрическом контакте с обсадной колонной; и способ дополнительно содержит этап, при выполнении которого: (i) принимают электрический сигнал третьим преобразователем, регистрируя указанный сигнал между первым и вторым скважинными электродами; и (ii) излучают электрический сигнал третьим преобразователем, прикладывая указанный сигнал между первым и вторым скважинными электродами. Скважина может дополнительно содержать множество добавочных ретрансляционных преобразователей. Преимущества от использования ретрансляторов заключаются в повышении дальности связи и/или в обеспечении связи с различными местоположениями в скважине. По меньшей мере первый и второй скважинные электроды имеют соответственно первое скважинное электрическое сопротивление и второе скважинное электрическое сопротивление при контакте с обсадной колонной, которые должны быть как можно меньше. В силу того, что имеется непроводящий буровой раствор внутри обсадной колонны или непроводящий материал на обсадной колонне, сопротивление не является нулевым. Предпочтительно, чтобы первое скважинное электрическое сопротивление и/или второе скважинное электрическое сопротивление составляли/составляло меньше 1000 Ом; более предпочтительно, меньше 100 Ом; наиболее предпочтительно, 10 Ом.

Способ может применяться, когда первое местоположение находится в скважине, а второе местоположение находится на поверхности геологической формации, или когда первое и второе местоположения находятся в скважине, и/или когда третье местоположение находится в скважине.

Предпочтительно, чтобы скважина содержала насосно-компрессорную колонну, и при этом изолируют электрически от насосно-компрессорной колонны по меньшей мере один из электродов, выбранный из перечня: первый нижестоящий электрод, второй нижестоящий электрод, первый вышестоящий электрод, второй вышестоящий электрод, первый скважинный электрод, второй скважинный электрод, электроды других преобразователей, кроме того, предпочтительно его дополнительно изолировать электрически от других проводящих элементов в скважине и, кроме того, предпочтительно дополнительно осуществить электромагнитное экранирование. Изоляция позволяет регулировать инжектируемый ток между электродами независимо от потенциала насосно-компрессорной колонны или других проводящих элементов. Эффекты от электрической изоляции электрода являются хорошо ощутимыми и полезными для повышения эффективности способа приема и/или передачи. Электрическая изоляция повышает отношение сигнала к шуму. Экранированием обеспечиваются защита от и исключение электрических помех, проникающих из скважины.

Предпочтительно, чтобы первое расстояние d ₁ между первым и вторым нижестоящими электродами зависело от интенсивности электрического сигнала и от расстояния между первым и вторым нижестоящими электродами и первым и вторым вышестоящими электродами; и/или первое расстояние d ₁ между первым и вторым нижестоящими электродами зависело от интенсивности электрического сигнала и от расстояния между первым и вторым нижестоящими электродами и первым и вторым скважинными электродами; и/или третье расстояние d ₃ между первым и вторым скважинными электродами зависело от электрического сигнала и от расстояния между первым и вторым скважинными электродами и первым и вторым вышестоящими электродами. Зависимость в основном отражает то, что интенсивность электрического сигнала от одной точки к другой зависит от пройденного сигналом расстояния, от расстояния между электродами и от физических характеристик формации.

Согласно одному осуществлению первый и второй вышестоящие электроды находятся в электрическом контакте с формацией на поверхности.

Согласно второму осуществлению первый вышестоящий электрод находится в электрическом контакте с насосно-компрессорной колонной, а второй вышестоящий электрод находится в электрическом контакте с формацией на поверхности.

Первый преобразователь, второй преобразователь и/или третий преобразователь могут быть соединены с измерительным датчиком и/или оборудованием управления/контроля; кроме того, электрический сигнал, передаваемый преобразователями, содержит информацию от измерительного датчика и/или к оборудованию управления/контроля.

Согласно еще одному объекту изобретения раскрыто устройство для приема и/или передачи информации в скважине, пробуренной в геологической формации, между первым местоположением и вторым местоположением, при этом указанная скважина содержит обсадную колонну, связанную с геологической формацией, а устройство содержит: (i) первый преобразователь, расположенный на указанном первом местоположении, при этом указанный первый преобразователь содержит два электрода, которые являются первым и вторым нижестоящими электродами, указанные первый и второй нижестоящие электроды находятся по существу в электрическом контакте с обсадной колонной; и (ii) второй преобразователь, расположенный на указанном втором местоположении, при этом указанный второй преобразователь содержит два электрода, которые являются первым и вторым вышестоящими электродами. Фактически, первый и второй нижестоящие электроды находятся по существу в электрическом контакте с обсадной колонной, поскольку реальный контроль идеального электрического контакта не может быть осуществлен при развертывании первого преобразователя в скважине. По меньшей мере первый и второй нижестоящие электроды имеют соответственно первое нижестоящее электрическое сопротивление и второе нижестоящее электрическое сопротивление при контакте с обсадной колонной, которые должны быть как можно меньше. В силу того, что имеется непроводящий буровой раствор внутри обсадной колонны или непроводящий материал на обсадной колонне, сопротивление не является нулевым. Предпочтительно, чтобы первое нижестоящее электрическое сопротивление и/или второе нижестоящее электрическое сопротивление составляли/составляло меньше 1000 Ом; более предпочтительно, меньше 100 Ом; наиболее предпочтительно, 10 Ом.

Согласно другому осуществлению устройство дополнительно содержит по меньшей мере еще один, третий преобразователь, при этом указанный третий преобразователь расположен на третьем местоположении и содержит два электрода, которые являются первым и вторым скважинными электродами, указанные первый и второй скважинные электроды находятся по существу в электрическом контакте с обсадной колонной. Третий преобразователь может быть ретрансляционным преобразователем. Преимущества от использования ретрансляторов заключаются в повышении дальности связи и/или в обеспечении связи с различными местоположениями в скважине. По меньшей мере первый и второй скважинные электроды имеют соответственно первое скважинное электрическое сопротивление и второе скважинное электрическое сопротивление при контакте с обсадной колонной, которые должны быть как можно меньше. В силу того, что имеется непроводящий буровой раствор внутри обсадной колонны или непроводящий материал на обсадной колонне, сопротивление не является нулевым. Предпочтительно, чтобы первое скважинное электрическое сопротивление и/или второе скважинное электрическое сопротивление составляли/составляло меньше 1000 Ом; более предпочтительно, меньше 100 Ом; наиболее предпочтительно, 10 Ом.

Устройство может быть позиционировано относительно первого местоположения в скважине и второго местоположения на поверхности геологической формации или относительно первого и второго местоположения в скважине и/или относительно третьего местоположения в скважине.

Предпочтительно, чтобы скважина содержала насосно-компрессорную колонну, и при этом изолируют электрически от насосно-компрессорной колонны по меньшей мере один из электродов, выбранный из перечня: первый нижестоящий электрод, второй нижестоящий электрод, первый вышестоящий электрод, второй вышестоящий электрод, первый скважинный электрод и второй скважинный электрод, кроме того, предпочтительно его дополнительно изолировать электрически от других проводящих элементов в скважине и, кроме того, предпочтительно дополнительно осуществить электромагнитное экранирование. Изоляция позволяет регулировать инжектируемый ток между электродами независимо от потенциала насосно-компрессорной колонны или других проводящих элементов. Эффекты от электрической изоляции электрода являются хорошо ощутимыми и полезными для повышения эффективности способа приема и/или передачи. Электрическая изоляция повышает отношение сигнала к шуму. Экранированием обеспечиваются защита от и исключение электрических помех, проникающих из скважины.

Согласно одному осуществлению первый и второй вышестоящие электроды находятся в электрическом контакте с формацией на поверхности.

Согласно второму осуществлению первый вышестоящий электрод находится в электрическом контакте с насосно-компрессорной колонной, а второй вышестоящий электрод находится в электрическом контакте с формацией на поверхности.

Первый и/или второй вышестоящий и/или скважинный электрод могут быть любыми, выбранными из перечня: композиционный материал, который образован тонким слоем поликристаллической алмазной прессовки, металлическая пружинная дуга и металлический щуп.

Согласно еще одному осуществлению электроды могут быть размещены на одном или нескольких пакерах. Возможны различные осуществления:

- первый нижестоящий электрод может быть размещен на первом пакере;

- второй нижестоящий электрод может быть размещен на втором пакере;

- первый и второй нижестоящие электроды могут быть размещены на нижестоящем пакере;

- первый скважинный электрод может быть размещен на третьем пакере;

- второй скважинный электрод может быть размещен на четвертом пакере;

- первый и второй скважинные электроды могут быть размещены на скважинном пакере.

Предпочтительно, чтобы развертывание одного пакера или нескольких пакеров контролировалось по разности напряжений между первым и вторым нижестоящими электродами и/или первым и вторым скважинными электродами. В том случае, когда воздух из пакера выпущен, электроды могут быть защищены герметиком или красочным покрытием, при этом разность напряжений будет меньше между двумя электродами, соответствующими более высокому импедансу между обоими электродами. Герметик или красочное покрытие используют в случае, когда межтрубные флюиды являются сильно проводящими, если же межтрубные флюиды являются практически непроводящими, герметик не является обязательным, поскольку разность напряжений всегда будет небольшой. Когда пакер надувают и он начинает касаться внутренней стенки обсадной колонны, давлением развертывания герметик или изолирующая краска разрушается и электроды с силой вдавливаются в металл обсадной колонны. Таким образом, устанавливается электрический контакт между электродами и проводящей обсадной колонной. Соответственно возрастает ток между электродами, что указывает на успешное развертывание пакера.

Первый преобразователь, второй преобразователь, скважинный и/или трансляционный преобразователь могут быть соединены с измерительным датчиком и/или оборудованием управления/контроля.

Согласно еще одному объекту изобретения раскрыт способ определения профиля удельной проводимости формации со стороны скважины между первым местоположением на поверхности и вторым местоположением в буровой скважине, содержащий этапы, при выполнении которых: (i) размещают первый датчик, располагаемый на указанном первом местоположении, при этом указанный первый датчик регистрирует электрическое поле из формации, возникающее на указанном первом местоположении; (ii) размещают второй датчик, располагаемый на указанном втором местоположении, при этом указанный второй датчик регистрирует электрическое поле из формации, возникающее на указанном втором местоположении; (iii) получают первый сигнал указанным первым датчиком, регистрируя резонансы Шумана по указанному электрическому полю, возникающему на указанном первом местоположении; (iv) получают второй сигнал указанным вторым датчиком, регистрируя резонансы Шумана по указанному электрическому полю, возникающему на указанном втором местоположении; и (v) объединяют указанный первый и указанный второй сигналы для определения профиля удельной проводимости формации между указанным первым местоположением и указанным вторым местоположением.

Предпочтительно, чтобы первый сигнал был калибровочным сигналом, а этап объединения представлял собой этап, на котором сравнивают первый сигнал и второй сигнал. Способ может дополнительно содержать этап, на котором изменяют второе местоположение внутри буровой скважины и получают адекватные сигналы, регистрируя резонансы Шумана и объединяя эти адекватные сигналы, чтобы определить профиль удельной проводимости формации между буровой скважиной и поверхностью. Для первого сигнала, второго сигнала и адекватных сигналов по меньшей мере две частоты резонансов Шумана могут быть получены и вычислены.

Согласно еще одному объекту изобретения способ дополнительно содержит третье местоположение в буровой скважине и этапы, на которых: размещают третий датчик, располагаемый на указанном третьем местоположении, при этом указанный третий датчик регистрирует электрическое поле из формации, возникающее на указанном третьем местоположении; получают третий сигнал указанным третьим датчиком, регистрируя резонансы Шумана по указанному электрическому полю, возникающему на указанном третьем местоположении; объединяют указанный первый и указанный третий сигналы, чтобы определить профиль удельной проводимости формации между указанным первым местоположением и указанным третьим местоположением; и объединяют указанный второй и указанный третий сигналы, чтобы определить профиль удельной проводимости формации между буровой скважиной и поверхностью.

Предпочтительно, чтобы первый сигнал был калибровочным сигналом, а этап объединения представлял собой этап, на котором сравнивают первый сигнал и третий сигнал. Для первого сигнала, второго сигнала и третьего сигнала могут быть получены и вычислены по меньшей мере две различные частоты резонансов Шумана.

Согласно одному осуществлению способ определения профиля удельной проводимости с использованием резонансов Шумана реализуют устройством, описанным выше.

Согласно еще одному объекту изобретения раскрыто устройство для определения профиля удельной проводимости формации со стороны скважины между первым местоположением на поверхности и вторым местоположением в буровой скважине, содержащее: (i) первый датчик, расположенный на указанном первом местоположении, при этом указанный первый датчик регистрирует электрическое поле из формации, возникающее на указанном первом местоположении; и в то же самое время (ii) второй датчик, расположенный на указанном втором местоположении, при этом указанный второй датчик регистрирует электрическое поле из формации, возникающее на указанном втором местоположении.

Предпочтительно, чтобы имелись чувствительность и разрешающая способность первого и/или второго датчиков, достаточные для регистрации резонансов Шумана по указанному электрическому полю, возникающему на указанном первом местоположении и/или указанном втором местоположении, соответственно. Устройство опускают в буровую скважину с поверхности.

Краткое описание чертежей

Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения могут быть уяснены с помощью сопровождающих чертежей, на которых:

фигура 1 - схематический вид устройства для беспроводной связи из предшествующего уровня техники, предназначенного для использования при морском бурении;

фигура 2 - схематический вид устройства для беспроводной связи согласно осуществлению настоящего изобретения;

фигура 3 - схематический вид устройства для беспроводной связи согласно еще одному осуществлению настоящего изобретения;

фигура 4 - схематический вид устройства для беспроводной связи согласно еще одному осуществлению настоящего изобретения;

фигура 5А - схематическая диаграмма, поясняющая способ связи с поверхности в скважину в случае горизонтальной скважины;

фигура 5В - схематическая диаграмма, поясняющая способ связи из скважины на поверхность в случае горизонтальной скважины;

фигура 5С - схематическая диаграмма, поясняющая способ связи с поверхности в скважину в случае вертикальной скважины;

фигура 5D - схематическая диаграмма, поясняющая способ связи из скважины на поверхность в случае вертикальной скважины;

фигура 6 - разрез электрода из устройства согласно настоящему изобретению;

Фигуры 7А и 7В - схематические виды устройства для беспроводной связи согласно еще одному осуществлению настоящего изобретения;

фигуры 8А и 8В - схематические виды устройства для беспроводной связи согласно еще одному осуществлению настоящего изобретения;

фигура 9 - вид сетевого устройства согласно изобретению;

фигура 10 - пример архитектуры скважины с использованием устройства согласно изобретению;

фигура 11 - график резонансов Шумана в виде суперпозиции отдельных резонансных пиков Брейта-Вигнера при спектре фонового шума вида 1/f;

фигура 12 - схематический вид измерительного прибора с использованием резонансов Шумана; и

фигура 13 - график вертикального профиля удельной проводимости и спада сигнала для различных частот.

Подробное описание

На фигуре 2 представлен вид устройства в первом варианте осуществления согласно настоящему изобретению. Первый преобразователь 14, скважинный преобразователь, установлен в скважине 10, при этом скважина содержит насосно-компрессорную колонну 13 и обсадную колонну 11, окруженную формацией 12. Между обсадной колонной и насосно-компрессорной колонной образовано кольцевое пространство 18, которое заполнено межтрубным флюидом. Обсадная колонна и насосно-компрессорная колонна являются проводящими, обычно изготовленными из стали. Скважинный преобразователь имеет верхний электрод 141, который обеспечивает контакт с обсадной колонной в полюсе Е1, и продвинутый вглубь электрод 142, который также обеспечивает контакт с обсадной колонной в полюсе Е2. Предпочтительно изолировать электрически верхний электрод 141 и/или продвинутый вглубь электрод 142 от насосно-компрессорной колонны 13 изолятором 16. В дополнение к этому осуществляют изоляцию верхнего электрода 141 и/или продвинутого вглубь электрода 142 от других проводящих элементов в скважине, таких как сильно проводящие межтрубные флюиды. Изоляция позволяет регулировать инжектированный ток между электродами 141 и 142 независимо от потенциала насосно-компрессорной колонны или межтрубного флюида или даже других проводящих элементов. Кроме того, предпочтительно иметь экранирование для верхнего электрода 141 и/или продвинутого вглубь электрода 142. Изолированный металлический элемент, окружающий электроды, может обеспечить такое экранирование. Экранированием обеспечивается защита от и исключение электрических помех, проникающих из скважины, точнее, проникающих с внутренней стороны обсадной колонны, например, из межтрубного флюида или из насосно-компрессорной колонны. Конструкция электродов 141 и 142 будет пояснена более подробно ниже. Эффективность устройства пропорциональна расстоянию d ₁ между Е1 и Е2. Полюсами Е1 и Е2 совместно с показанным расстоянием d ₁ задается скважинный диполь D1. Диполь D1 может продолжаться на протяжении значительного участка обсадной колонны, составляющего от 10 футов (3 м) до 3000 футов (1000 м), предпочтительно выбирать участок в пределах от 30 футов (10 м) до 300 футов (100 м). В случае сильно проводящих межтрубных флюидов обсадная колонна может быть покрыта электроизоляционным слоем, например эпоксидной смолой. Такое покрытие будет значительно уменьшать электрические потери в проводящих межтрубных флюидах.

Второй преобразователь 15, поверхностный преобразователь, установлен на поверхности 20. Поверхностный преобразователь имеет первый электрод 151, который обеспечивает контакт с формацией в полюсе Е3, и второй электрод 152, который также обеспечивает контакт с формацией в полюсе Е4. Конструкция электродов 151 и 152 будет пояснена более подробно ниже. Кроме того, эффективность устройства пропорциональна расстоянию d ₂ между Е3 и Е4. Полюсами Е3 и Е4 совместно с показанным расстоянием d ₂ задается скважинный диполь D2. Диполь D2 может продолжаться на протяжении значительного участка формации, составляющего от 10 футов (3 м) до 3000 футов (1000 м), предпочтительно выбирать участок в пределах от 150 футов (50 м) до 600 футов (200 м).

Скважинный преобразователь 14 согласно настоящему изобретению может быть заключен в защитный корпус, содержащий электронный модуль и два изолированных кабеля, соединенных с электродами 141 и 142, соответственно. Электронный модуль обеспечивает функционирование преобразователя и содержит, например, блок обработки сигналов и блок питания. Блок обработки может дополнительно содержать передающий и приемный связной блок, программируемый микроконтроллер и запоминающее устройство. Защитный корпус скважинного преобразователя может быть расположен на внутренней или внешней поверхности насосно-компрессорной колонны или на внутренней или внешней поверхности обсадной колонны. Изолированные кабели соединяют защитный корпус с верхним и продвинутым вглубь электродами.

Электронный модуль может быть соединен с измерительными датчиками (непоказанными). Датчик может быть установлен на внешней или внутренней поверхности обсадной колонны или насосно-компрессорной колонны. Могут быть реализованы датчики и технологии различных видов. Датчики могут измерять свойства формации или, в качестве альтернативы, свойства инфраструктуры скважины, как, например, обсадной колонны или насосно-компрессорной колонны, или, в качестве еще одной альтернативы, свойства флюида внутри скважины; также возможна комбинация нескольких датчиков, измеряющих различные свойства. Такие датчики могут, например, измерять давление или скорость флюида внутри скважины или измерять давление флюида в окружающей формации, удельное сопротивление, соленость или регистрировать присутствие химических компонентов, таких как СО₂ или H₂S, при этом датчики также могут быть применены для измерения качественных показателей обсадной колонны или насосно-компрессорной колонны, таких как коррозия, деформация и напряжение. Например, могут быть реализованы датчики следующих видов:

- давления и температуры;

- удельного сопротивления (или удельной проводимости);

- напряжения или деформации обсадной колонны и насосно-компрессорной колонны;

- pH окружающих флюидов;

- химического содержания, например, контроля СО₂ и H₂S.

Кроме того, могут быть использованы мультидатчики, например два датчика для высокочувствительного измерения электрического и магнитного полей. Существенное преимущество использования датчиков электрического и магнитного полей заключается не в раздельном сборе их индивидуальных выходных сигналов, а в объединении их выходных сигналов для получения объединенного обработанного выходного сигнала электромагнитного устройства. Для снижения уровня шума или помех данные об электрическом и магнитном полях могут быть синтезированы объединением канальных данных с получением повышенной точности путем использования конкретных физических связей между данными об электрическом и магнитном полях для конкретных задач и окружающих условий. Кроме того, может быть использован мультидатчик другого вида, в котором объединены измерения электрического и магнитного полей и температуры или давления.

Электронный модуль также может быть соединен с оборудованием управления или контроля (непоказанным). Оборудование может быть пассивным или активным оборудованием управления, оно может приводиться в действие непосредственно с поверхности с помощью связного устройства согласно настоящему изобретению, кроме того, приведение в действие оборудования может подтверждаться на поверхность с помощью связного устройства; и дополнительно оборудование может автоматически приводиться в действие в забое скважины при достижении заданных характеристик скважины, при этом приведение в действие оборудования подтверждается на поверхность с помощью связного устройства. Таким оборудованием может быть, например: управляемый клапан, защитная крышка и расширяемый пакер.

Устройство согласно изобретению может быть использовано для контроля формации или контроля/регулирования характеристик скважины в различных областях, таких как:

- разведка и добыча нефти и газа;

- хранение воды;

- хранение газа;

- подземное захоронение отходов (химических и ядерных).

Каждый из электродов 141 и 142 может быть любым одним из электродов, представленных в настоящей заявке ниже, при этом они могут быть одинаковыми электродами или разными электродами.

На фигуре 6 показано осуществление электрода 141 или 142 в виде точечно-контактного электрода 41. Электрод 41 заключен в изоляционную втулку 52, изготовленную, например, из полиэфирэфиркетона. Основание электрода надежно присоединено, например, пайкой к опоре 53, которая взаимодействует с пружиной 50. Пружина 50 служит для непрерывного прижима электрода к поверхности измерения. В довершение всего узел, содержащий электрод 41, изоляционную втулку 52 и опору 53, сам поддерживается монтажной площадкой 54. Для примера, электрод выполнен коническим по форме. Это осуществление является особенно выгодным, когда электрод используют для обеспечения электрического контакта с внутренней поверхностью металлической обсадной колонны. Из-за особенно агрессивных условий внутри скважины металлическая обсадная колонна очень быстро покрывается слоем ржавчины, который должен быть пробит, чтобы гарантировать хороший контакт между электродом и обсадной колонной. Коническая форма является достаточно остроконечной для прокола указанного слоя.

Электрод изготовлен из композиционного материала, который образован тонким слоем поликристаллической алмазной прессовки, связанной с подложкой из амальгамированного карбида вольфрама, обогащенного приблизительно 7% кобальта. Обычно такой узел изготавливают, помещая алмазный порошок (предпочтительно, чтобы он был тонкоизмельченным) в пресс-форму из тугоплавкого металла, обычно из циркония или молибдена. Конфигурацией пресс-формы определяется конфигурация композита. После этого подложку из карбида вольфрама помещают поверх алмазного порошка, а форму герметически закрывают. Затем узел помещают в пресс при температуре около 1400°С и при давлении около 69000 бар (10⁶ фунтов/дюйм²) на время, которое является слишком коротким для оказания воздействия на алмаз. При таких условиях некоторое количество кобальта диффундирует в алмаз, который, действуя как вяжущее вещество, приводит к повышению суммарного сцепления с подложкой из карбида вольфрама. Кроме того, примесь кобальта к кристаллической решетке алмаза делает алмаз электропроводным. В конце этого процесса таким образом получают композит, имеющий слой поликристаллической алмазной прессовки, который легирован кобальтом и который имеет толщину, находящуюся в пределах от 1 мм до 2 мм, вместе со слоем обогащенного кобальтом карбида вольфрама, имеющим толщину, находящуюся в пределах от 4 мм до 10 мм.

Наличие кобальта в алмазе делает алмаз электропроводным. В итоге достигается возможность сочетания электрических свойств электрода с хорошими механическими свойствами алмаза. Точно так же, чтобы сделать алмаз электропроводным, вольфрам можно связать с каким-либо другим элементом. Кроме того, чтобы сделать алмаз электропроводным, можно заменить карбид кремния каким-либо другим подложечным материалом, при условии такой же совместимости с алмазным порошком и кобальтом или каким-либо другим элементом.

В дополнение к этому электрод из поликристаллической алмазной прессовки покрывают слоем золота, например, осаждая термовакуумным осаждением из паровой фазы, и этот слой обычно имеет толщину порядка нескольких микрометров. Было выявлено, что покрытие из золота прочно и надежно сцепляется с поликристаллической алмазной прессовкой. Поэтому слой золота делает возможным значительное повышение удельной проводимости электродов. Тем самым поликристаллическая алмазная прессовка сочетает хорошие механические свойства алмаза, в частности его твердость и стойкость к ударным нагрузкам и также к температуре (он остается химически стабильным до около 720°С), с электрическими свойствами, обусловленными легированием кобальтом, возможно, под действием осажденного слоя золота. Это делает электроды особенно подходящими для противостояния ударной нагрузке, температуре, а также агрессивным средам.

Согласно другому осуществлению электрод 141 или 142 может быть металлической пружинной дугой, находящейся в тесном контакте с внутренней поверхностью обсадной колонны, прижатой с силой, достаточной для обеспечения электрического контакта.

Согласно еще одному осуществлению электрод 141 или 142 может быть металлическим щупом, находящимся в тесном контакте с внутренней поверхностью обсадной колонны, прижатым с силой, достаточной для обеспечения электрического контакта.

Согласно еще одному осуществлению электрод 141 или 142 может быть металлическим острием с нажимным средством для обеспечения электрического контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны.

Каждый из электродов 151 и 152 может быть любым одним из электродов, представленных ниже, при этом они могут быть одинаковыми электродами или разными электродами.

Электрод 151 или 152 может быть металлическим стержнем, забитым в поверхность формации.

Электрод 151 или 152 может быть металлическим кабелем, протянутым в формацию с поверхности не далее как на несколько метров.

На фигуре 3 показан вариант устройства из фигуры 2. На этот раз верхний электрод 141 и продвинутый вглубь электрод 142 не являются взаимозависимыми. Верхний электрод 141 обеспечивает контакт с обсадной колонной в полюсе Е1, а продвинутый вглубь электрод 142 обеспечивает контакт с обсадной колонной в полюсе Е2. Предпочтительно, чтобы верхний электрод 141 был изолирован электрически от насосно-компрессорной колонны 13 изолятором 16. Предпочтительно, чтобы продвинутый вглубь электрод 142 был изолирован электрически от насосно-компрессорной колонны 13 изолятором 16'. Другие дополнительные варианты осуществления остаются теми же самыми. Преобразователь 14 соединен с электродом 141 электрическим кабелем 143 и с электродом 142 электрическим кабелем 144. Кабели 143 и 144 покрыты изоляционной оболочкой для исключения любого тока утечки через насосно-компрессорную колонну или межтрубный флюид. Эффективность устройства пропорциональна расстоянию d ₁ между Е1 и Е2. Полюсами Е1 и Е2 совместно с показанным расстоянием d ₁ задается скважинный диполь D1. Диполь D1 может продолжаться на протяжении значительного участка обсадной колонны, составляющего от 10 футов (3 м) до 3000 футов (1000 м), предпочтительно выбирать участок в пределах от 30 футов (10 м) до 300 футов (100 м). В случае сильно проводящих межтрубных флюидов обсадная колонна может быть покрыта электроизоляционным слоем, например эпоксидной смолой. Такое покрытие будет значительно уменьшать электрические потери в проводящих межтрубных флюидах. В случае большого расстояния между верхним электродом 141 и продвинутым вглубь электродом 142 вдоль насосно-компрессорной колонны могут быть добавлены промежуточные и изолирующие центраторы для исключения электрического контакта с обсадной колонной, обусловленного кривизной или изгибом насосно-компрессорной колонны. Такие электрические контакты будут искажать связь. Могут быть использованы резиновые изолирующие центраторы. Кроме того, насосно-компрессорная колонна может быть покрыта электроизоляционным слоем, например эпоксидной смолой, для исключения электрического контакта с обсадной колонной вследствие кривизны или изгиба насосно-компрессорной колонны.

На фигуре 4 показан еще один вариант осуществления устройства согласно фигуре 2. Второй преобразователь 15, поверхностный преобразователь, установлен на поверхности 20. Но на этот раз поверхностный преобразователь имеет первый электрод 151, который обеспечивает контакт с насосно-компрессорной колонной в полюсе Е3, и второй электрод 152, который обеспечивает контакт с формацией в полюсе Е4. Другие варианты осуществления согласно фигурам 2, 3 и 4 могут быть реализованы без изменения объема изобретения.

На фигурах 5А и 5В показано устройство согласно фигуре 2 в составе оборудования горизонтальной скважины. На фигуре 5А поверхностный преобразователь находится в режиме излучения, а скважинный преобразователь находится в режиме приема. В противоположность этому, на фигуре 5В поверхностный преобразователь находится в режиме приема, а скважинный преобразователь находится в режиме излучения. Режимы излучения и приема представлены для конфигурации горизонтальной скважины, но также могут быть осуществлены для конфигурации вертикальной скважины или при любом наклоне скважины. Ось 13' обсадной колонны задает горизонтальную ось и также ось x, перпендикулярную оси обсадной колонны, вертикальная ось задает ось z, ось y задана так, что (x, y, z) представляет собой ориентированный ортогональный трехгранник.

На фигуре 5А приемником в виде двух разнесенных в осевом направлении точечно-контактных электродов 141 и 142 контролируется электрическое поле, которое параллельно оси 13' обсадной колонны. Составляющая этого электрического поля является касательной к внешней поверхности обсадной колонны и, следовательно, непрерывной. Поэтому она будет индуцировать значительный ток в обсадной колонне; однако падение напряжения, обусловленное этим током, будет соответствовать электрическому полю, умноженному на осевое расстояние d ₁ между электродами.

Таким образом, электрическое поле 1 мкВ/м будет создавать между электродами, разнесенными на 1 м, напряжение 1 мкВ, между двумя электродами, разнесенными на расстояние 10 м, напряжение 10 мкВ. Очевидно, что при большем расстоянии между электродами 141 и 142 будет создаваться пропорционально более сильный телеметрический сигнал.

Ниже реальным примером иллюстрируются телеметрия с поверхности в забой скважины и получение оценки ожидаемой интенсивности сигнала. В предположении наземного измерения при упрощенной модели геологической среды в виде однородного объекта с удельным сопротивлением ρ=20 Ом·м рассмотрим горизонтальную обсаженную скважину на глубине 500 м. На земной поверхности два электрода 151 и 152 помещены в грунт и расположены вдоль траектории горизонтальной скважины. Два электрода разнесены на расстояние 100 м, при этом скважинная телеметрическая станция находится посередине.

Ток 10 А несущего телеметрическую информацию сигнала инжектируется по электроду 151 и возвращается по другому электроду 152. В таком случае потенциал на телеметрическом приемнике дается законом Кулона:

.(уравнение 1)

Множителем 2 перед квадратными скобками учитывается изолирующее воздушное полупространство над земной поверхностью. Электрическое поле на приемнике представляет собой градиент потенциала:

Таким образом, ожидается величина около 25 мкВ между двумя точечно-контактными электродами 141 и 142, разнесенными на расстояние d ₁=1 м. Поэтому плотность тока, наводимого в обсадной колонне, составляет:

,(уравнение 3)

а суммарный ток через обсадную колонну:

. (уравнение 4)

Величина тока является достаточной для обнаружения обычной электроникой в электронном модуле. Напряжение, формируемое на приемнике, может быть непрерывным сигналом, если должна быть передана информация относительно приведения в действие (например, включения при наличии сигнала и выключения при отсутствии сигнала), или, в качестве альтернативы, сигналом с охарактеризованной частотой, если должны быть переданы более сложные данные. Охарактеризованная частота может составлять несколько герц, обычно от 1 до 10 Гц.

На фигуре 5В точечно-контактные электроды 141 и 142 аналогичным образом использованы в качестве излучателя. В данном случае электронный модуль должен возбуждать большой ток источника (предпочтительно, чтобы он был от 1 до 10 А или более 10 А) через почти короткозамкнутую цепь. Пространственная протяженность эффективного источника возрастает благодаря обсадной колонне; приближенно она может быть аппроксимирована горизонтальным электрическим точечным диполем D1 с силой 10 А·м тока источника при потенциале:

.(уравнение 5)

Поверхностные электроды 151 и 152 в качестве приемников будут измерять разность потенциалов в виде напряжения:

(уравнение 6)

Вследствие принципа взаимности этот сигнал является таким же, как нисходящий телеметрический сигнал. Электронный модуль обеспечивает ток 10 А источника, а мощность, отбираемая от источника на протяжении интервала 1 м обсадной колонны, составляет: P=I ² R≅100 A²×177 мкОм=17,7 мВт. Точно так же, ток, создаваемый приемником, может быть непрерывным сигналом, если должна быть передана информация о подтверждении приведения в действие, или, в качестве альтернативы, с охарактеризованной частотой, если должны быть переданы более сложные данные. Охарактеризованная частота может составлять несколько герц, обычно от 1 до 10 Гц.

На фигурах 5С и 5D показано устройство согласно фигуре 2 в составе оборудования вертикальной скважины. На фигуре 5С поверхностный преобразователь находится в режиме излучения, а скважинный преобразователь находится в режиме приема. В противоположность этому, на фигуре 5D поверхностный преобразователь находится в режиме приема, а скважинный преобразователь находится в режиме излучения. Режимы излучения и приема в конфигурации вертикальной скважины функционируют так же, как описано выше.

На фигурах 7А и 7В показан один вариант осуществления устройства согласно фигуре 2 в случае использования длинного пакера 20. На фигурах 8А и 8В показано одно осуществление устройства согласно фигуре 3 в случае использования пары коротких пакеров 20' и 20".

На фигуре 7А длинный пакер 20 установлен в состоянии с выпущенным воздухом вокруг насосно-компрессорной колонны 13. На двух (или более) местоположениях в осевом направлении на внешней поверхности пакера с разнесением на расстояние d ₁ точечно-контактные электроды 141 и 142 установлены и соединены проводниками с соответствующим электронным модулем, содержащим преобразователь 14. Электронный модуль может быть установлен в скважине в любом местоположении или даже на пакере 20. Проводные соединения изолированы оболочкой для исключения всякого тока утечки через насосно-компрессорную колонну или межтрубный флюид. Точечно-контактные электроды исходно могут быть покрыты герметиком или изолирующей краской. Такой герметик или краску необходимо разрушить во время развертывания. Насосно-компрессорную трубу, снабженную пакером 20 с электродами, опускают в обсаженную стальной колонной скважину на заданную глубину. В этот момент пакер надувают для обеспечения гидравлически герметичного уплотнения между наружной стенкой насосно-компрессорной колонны и внутренней стенкой обсадной колонны.

Непосредственно до начала надувания пакера на точечно-контактных электродах 141 и 142 устанавливают небольшое напряжение и контролируют ток через электроды. Электронный модуль содержит батарею, необходимую для поддержания напряжения, и омметр, например, в качестве системы контроля обратного тока. Когда электроды все еще защищены герметиком или красочным покрытием, ток является небольшим, соответствующим высокому импедансу между электродами 141 и 142.

На фигуре 7В, когда длинный пакер 20 надувается и начинает касаться внутренней стенки обсадной колонны, давлением развертывания будет разрушаться герметик или изолирующая краска, а точечно-контактные электроды 141 и 142 будут с силой продвигаться в металл обсадной колонны. Таким образом, устанавливается электрический контакт между точечно-контактными электродами и проводящей обсадной колонной. Теперь электрический контакт совместно с высокой удельной проводимостью стальной обсадной колонны обеспечивают очень низкий импеданс между электродами 141 и 142. В соответствии с этим ток между электродами возрастает, что, тем самым, указывает на успешное развертывание длинного пакера 20 на уровне забоя скважины.

В общем случае, учитывая неизвестное состояние поверхности внутренней стенки обсадной колонны и широкий диапазон электрических свойств межтрубных флюидов, будь то соленая или слабоминерализованная вода или вода, более или менее хорошо отделенная от водонефтяной смеси, до развертывания невозможно обеспечить надежные значения импеданса. По-видимому, логично предполагать, что импеданс между точечно-контактными электродами 141 и 142 составляет от нескольких сотен миллиОм до нескольких Ом.

Ниже приведен пример импеданса после развертывания с учетом типичной 7-дюймовой (18 см) обсадной колонны с внутренним диаметром 6,154 дюйма (15,63 см). В предположении удельного сопротивления стали ρ=100 мкОм·см и расстояния d ₁=1 м сопротивление этой секции обсадной колонны приблизительно составляет:

.(уравнение 7)

Этот импеданс намного меньше любого импеданса флюидов в кольцевом пространстве между насосно-компрессорной колонной и обсадной колонной. Следовательно, даже с помощью грубого омметра можно легко идентифицировать успешное развертывание пакера с использованием точечно-контактных электродов. Поэтому электронный модуль снабжен компонентами общего назначения без предъявления к ним специальных требований по точности.

Когда длинный пакер 20 развернут правильно с нахождением точечно-контактных электродов 141 и 142 на нужном местоположении, преобразователь 14 может быть приведен в действие для начала осуществления режима приема или излучения в соответствии с фигурой 5А или 5В.

На фигуре 8А пара коротких пакеров 20' и 20" установлена в состоянии с выпущенным воздухом вокруг насосно-компрессорной колонны 13. На двух (или более) местоположениях в осевом направлении на внешней поверхности пакеров 20' и 20" с разнесением на расстояние d ₁ точечно-контактные электроды 141 и 142 установлены и соединены проводниками с соответствующим электронным модулем, содержащим преобразователь 14. Электронный модуль может быть установлен в скважине в любом местоположении. Проводные соединения изолированы оболочкой для исключения всякого тока утечки через насосно-компрессорную колонну или межтрубный флюид. Другие характеристики являются такими же, как в случае длинного пакера 20.

Точно так же, на фигуре 8В, когда пакеры 20' и 20" надуваются и начинают касаться внутренней стенки обсадной колонны, давлением развертывания будет разрушаться герметик или изолирующая краска, а точечно-контактные электроды 141 и 142 будут с силой продвигаться в металл обсадной колонны. Когда оба пакера 20' и 20" развернуты правильно с нахождением точечно-контактных электродов 141 и 142 на нужном местоположении, преобразователь 14 может быть приведен в действие для начала осуществления режима приема или излучения в соответствии с фигурой 5А или 5В.

Согласно изобретению длинный пакер 20 или оба коротких пакера 20' и 20" могут быть оснащенными измерительными устройствами пакерами, и это означает, что пакеры могут содержать измерительные датчики, такие оснащенные измерительными устройствами пакеры раскрыты в заявке № 2003094282 на патент США. Измерительный датчик расположен на поверхности пакера или в пакере. Измерительный датчик может быть развернут, когда пакер надувают, или может быть развернут, когда из пакера выпускают воздух.

В соответствии с другим аспектом изобретения устройство согласно фигуре 2 может быть развернуто в скважине в виде сети из нескольких устройств. Действительно, когда скважина имеет особую архитектуру, такую как куст скважин или глубокая скважина, то трудно осуществлять связь из забоя скважины с поверхностью с помощью только одного устройства. Как видно из приведенного выше, для скважины глубиной 500 м электронный модуль устройства из фигуры 2 имеет ток 10 А источника. Тем не менее можно образовать сеть из нескольких устройств, каждое из которых содержит преобразователь 14, раскрытый на фигуре 2.

На фигуре 9 устройство, содержащее преобразователь и два электрода, находящихся в контакте с обсадной колонной, представлено диполем Di, при этом i изменяется от 1 до 6. Диполь Di может быть излучающим диполем, приемным диполем или как приемным, так и излучающим диполем. Каждый диполь расположен в скважине на определенном местоположении. В примере конфигурации куста скважин D1, D2 и D3 расположены в первой скважине, D4 и D5 расположены во второй скважине и D6 расположен на поверхности. В первой скважине D1 является излучающим диполем, который соединен с измерительным датчиком 91, D2 является приемным/излучающим диполем, который соединен с субблоком 92, снабженным измерительными датчиками, D3 является приемным диполем, который соединен с контрольным клапаном 93. Во второй скважине D4 является приемным/излучающим диполем, который соединен с субблоком 94, снабженным контрольным клапаном, D5 является приемным/излучающим диполем, который соединен с датчиками 95. На поверхности диполь D6 является приемным/излучающим диполем, который соединен с главным блоком 90 управления. Например, при передаче команд датчиком 91 измеряются конкретные параметры, которые передаются в главный блок 90 управления через диполи D1 (к D2) и D2 (к D6). В главном блоке 90 управления собираются результаты измерений от датчика 91, и из него передается команда на контрольный клапан 93 непосредственно через диполь D6 к D3 или через диполи D6 (к D2) и D2 (к D3). В другом примере при передаче команд датчиками 95 измеряются конкретные параметры, которые передаются в субблок 94 через диполь D5 к D4. С субблока 94 команда передается на его контрольный клапан и на контрольный клапан 93 через диполь D4 к D3. При этом с субблока 94 на главный блок 90 управления посылается через диполь D4 к D6 информация о командах, передаваемых на контрольные клапаны.

Для связи с различными элементами сети должен быть сформулирован протокол. Может быть использован обычный протокол, например, для каждого элемента сети должен быть задан адрес, а при связи с другими элементами адрес передачи и адрес приема задаются до начала передачи информации.

Различные другие элементы могут быть добавлены в сетевую систему согласно фигуре 9. В другом осуществлении сеть может быть обобщена на многостороннюю связь по другим протоколам беспроводной связи, например, распространена на излучатель ультразвуковых волн. Блок управления и два преобразователя будут обеспечивать многостороннюю связь: дипольный преобразователь для связи с дипольными преобразователями, ультразвуковой преобразователь для связи с ультразвуковыми преобразователями и блок управления для обмена информацией между обоими преобразователями.

Согласно другому аспекту изобретения, поскольку передача основана на электромагнитной связи, то должны быть определены различные свойства скважины и окружающей формации. В частности, исходя из двух устройств, показанных на фигуре 2, или сети устройств, показанной на фигуре 9, должна быть получена характеристика удельной проводимости на пути от одного диполя до другого. Таким образом, должны быть исследованы две важные области: одной должна быть скважина, а точнее, архитектура скважины, поскольку скважина содержит проводящие или изолирующие материалы, которые могут создавать короткозамкнутые цепи на траектории ствола скважины; второй должна быть формация, а точнее, удельная проводимость на пути до поверхности.

Во-первых, следует отслеживать архитектуру скважины, чтобы знать, где она пригодна для размещения пары электродов. На фигуре 10 конфигурация пары электродов показана как ошибочная конфигурация. Скважина 10 содержит насосно-компрессорную колонну 13 и обсадную колонну 11, окруженную формацией 12. Кольцевое пространство 18 образовано между обсадной колонной и насосно-компрессорной колонной, которая заполнена проводящим межтрубным флюидом. Скважинный преобразователь 14 соединен двумя изолированными кабелями с электродами 141 и 142, соответственно. Проводящий элемент 30 расположен вблизи электрода 141 и соединяет насосно-компрессорную колонну 13 с обсадной колонной 11. При такой конфигурации короткозамкнутая цепь реализуется с помощью проводящего элемента 30, и электрический сигнал, излучаемый преобразователем, будет ослабляться. В случае использования этой конфигурации электрод 141 должен быть расположен на проводящем элементе 30, и предпочтительно, чтобы он был изолирован от насосно-компрессорной колонны 13.

Во-вторых, должна быть получена характеристика удельной проводимости на пути от скважинного диполя до поверхностного диполя. В способе для определения удельной проводимости на этом пути могут быть использованы резонансы Шумана.

В предложенном способе спектр резонансов Шумана на земной поверхности контролируют для использования в качестве калибровочного сигнала. Амплитуды различных частот резонансов Шумана используют для нормирования сигналов в пределах геологической формации.

Внутри геологической среды эти электромагнитные сигналы рассеиваются более или менее быстро. Их экспоненциальный спад описывается как скин-эффект, при этом глубина δ скин-эффекта является функцией частоты и удельной проводимости окружающей среды. Амплитуды резонансов Шумана измеряют для различных резонансных частот в зависимости от вертикальной глубины и нормируют на амплитуды поверхностных сигналов. Протяженность экспоненциального спада для любой одной частоты контролируют в зависимости от вертикальной глубины и согласовывают с показательной функцией или набором последовательных показательных функций. Результирующие экспоненты представляют глубину скин-эффекта, которой определяется удельная проводимость формации, усредненная по интервалу приближения экспонентой. Согласно изобретению предложены способ и устройство для измерения результирующих экспонент профиля спада резонансов Шумана.

Согласно предпочтительному варианту осуществления способа контролируют по меньшей мере две различные резонансные частоты в зависимости от вертикальной глубины и сравнивают их. Их отношение может быть показательной функцией, которая может быть инвертирована, и совместно с известными функциями она дает желаемую среднюю удельную проводимость формации.

Резонансы Шумана представляют собой электромагнитные сигналы в земной атмосфере, которые регулярно контролируются. Резонансы Шумана в земной атмосфере возникают на очень низких частотах около 8, 14, 20, 26, 32, 37 и 43 Гц, приближенно подчиняясь соотношению сферической гармонической функции, рассмотренному, например, в: J.D. Jackson, “Classical Electrodynamics”, J. Wiley & Sons, 1975. Эти резонансы с течением времени слабо изменяются по частоте и значительно по амплитуде. Неожиданно и непонятным образом они наблюдались заявителем во время предварительных полевых испытаний беспроводных телеметрических систем. Ранее в предшествующем уровне техники при других низкочастотных наземных геофизических исследованиях они идентифицировались только как источники шума. На фигуре 11 показан спектр резонансов Шумана как суперпозиция отдельных пиков резонансов Брейта-Вигнера с энергией:

,(уравнение 8)

где ширина пика (скорость спада) предполагается составляющей 10% резонансной частоты, соответствующей коэффициенту Q добротности, равному 10. Обычно предполагается, что фоновый шум 1/f добавляется в спектр из фигуры 11.

Способом согласно изобретению эти резонансы Шумана контролируют в буровой скважине в зависимости от вертикальной глубины с помощью спускаемого на кабеле опрашивающего прибора 100, подвешиваемого на каротажном кабеле 120 (фигура 12). При таком измерении предполагается равномерное рассеяние сигналов по вертикали, и поэтому обеспечивается возможность интерпретации результата измерений в виде вертикального профиля удельной проводимости.

Обычно земная поверхность для резонансов Шумана является проводящей границей. Поэтому электрическое поле будет близким к перпендикуляру, а магнитное - близким к касательной к земной поверхности. Следовательно, вертикальный электрический дипольный (с потенциальным промежутком) и горизонтальный магнитный дипольный приемники будут наилучшим образом приспособлены в качестве детекторов резонансов Шумана.

Резонансы Шумана должны контролироваться на поверхности участка разведки. Частотный спектр и относительные амплитуды для различных резонансов, измеряемые на поверхности, используют в качестве калибровочных значений для нормирования результатов скважинных измерений.

Вместе с тем, условия скважинных измерений отличаются от наземных условий. Во-первых, конфигурация скважинных датчиков может отличаться от наземных контрольно-измерительных устройств. Во-вторых, скважинные измерения могут выполняться в обсадной колонне, где затухание сигнала на протяжении стенки обсадной колонны становится функцией частоты. Поэтому наземное контрольно-измерительное устройство используют только для высококачественной калибровки резонансных частот и на первом этапе калибровки амплитуд.

Амплитуды для всего частотного спектра измеряют как функцию истинной вертикальной глубины. В предположении простой слоистой формации с изменениями удельной проводимости только по вертикали глубина скин-эффекта является функцией глубины спуска, а также частоты:

(уравнение 9)

где частота f выражена в Гц, а удельная проводимость σ(z) в См.

Электромагнитные сигналы на отдельных частотах спадают экспоненциально со скоростями, которые зависят только от вертикального распределения удельных проводимостей и частот, при этом электромагнитный сигнал выражается как:

(уравнение 10)

где - эффективная средняя фоновая удельная проводимость. Для этого глубинного разреза предполагается, что спектр резонансов Шумана измеряется на некоторой исходной опорной глубине z ₀ для обеспечения абсолютной калибровки амплитуд. Также предполагается, что условия внутри скважины не изменяются: на всем протяжении скважина является обсаженной или открытой. Если каротаж выполняется после башмака обсадной колонны, эталонная калибровка должна быть повторена для различных зон. На фигуре 13 показаны гипотетический профиль удельной проводимости и измеренный отклик (уравнение 10) для семи частот резонансов Шумана.

Вертикальный профиль σ(z) удельной проводимости выделяют из измеренного сигнала на любой одной резонансной частоте путем отделения интеграла

(уравнение 11)

и дифференцирования его по глубине z:

(уравнение 12)

(уравнение 13)

Эта инверсия удельной проводимости является простейшим и наиболее прямым способом. Калибровочное измерение U(f,z ₀) вводят в качестве нормировки, которая исключается при дифференцировании.

Универсальную нормировку U ₀ используют только для получения корректных физических единиц. Наличие этой универсальной нормировки сигнала указывает на то, что для каротажа методом удельной проводимости на основании резонансов Шумана может потребоваться калибровочный сдвиг на логарифмической шкале удельной проводимости для согласования с некоторой известной удельной проводимостью формации.

С целью полного профилирования удельной проводимости предпочтительно одновременно контролировать несколько частот резонансов Шумана. Для исключения универсальной нормирующей постоянной U ₀ может оказаться предпочтительным контроль отношения двух резонансов Шумана в зависимости от глубины. Предполагается незначительной дисперсия удельной проводимости в породе между любыми двумя частотами резонансов Шумана, так что σ(z) не зависит от частоты.

(уравнение 14)

И в этом случае интегралы отделяют

(уравнение 15)

и дифференцируют по глубине z. На самом деле это можно получить в более удобном виде для вычисления производной алгоритма отношения, чтобы сразу исключить независящие от глубины нормировочные множители:

или в явном виде:

Устройство согласно изобретению представляет собой опрашивающий прибор, показанный на фигуре 12 и содержащий модуль измерительных датчиков, предназначенных для обнаружения электромагнитных волн: электрических и магнитных полей в естественной буровой скважине или предпочтительно в обсаженной скважине.

Приемники для контроля резонансов Шумана представляют собой беспроводные телеметрические приемники с потенциальными промежутками.

Непрерывность тангенциальной составляющей электрического поля на протяжении границ удельной проводимости, даже при наличии обсаженной скважины, является предпочтительной по сравнению с составляющей электрического поля, параллельной оси обсадной колонны. Однако доступно немного количественных данных относительно чувствительности электрических антенн сверхнизких частот, так что предпочтительно осуществлять соответствующие испытание и оценочные измерения, используя потенциальный промежуток существующей телеметрической установки в качестве приемника.

В качестве альтернативы, в случае применения для обсаженной скважины, приемник электрического поля может состоять из одиночных электродов, закрепленных на внутренней стенке обсадной колонны, предназначенных для измерения разности потенциалов на интервале обсадной колонны и снижения любых ложных эффектов, обусловленных наличием растворов для заканчивания скважины. Эти электроды были рассмотрены выше, в частности, на фигуре 2.

Устройство согласно изобретению дополнительно содержит на поверхности скважины, например, на местоположении исследований, еще один модуль измерительных датчиков для обнаружения электромагнитных волн на поверхности: частоты и амплитуд электрического и магнитного полей для калибровки результатов внутрискважинных измерений, осуществляемых опрашивающим прибором. Измерительные датчики являются обычными датчиками электрического поля и магнитного поля, как, например, раскрытые или другие, используемые на поверхности.

Контроль резонансов Шумана будет наилучшим образом осуществляться на суше или при небольших глубинах воды. Удельная проводимость океанской воды, составляющая ~0,3 Ом·м, будет приводить к рассеянию сигналов резонансов Шумана в глубокой воде. В то же время при наземных работах существует тенденция более сильного воздействия промышленных помех. Поэтому на поверхности в добавление к контролю спектра низкочастотного электромагнитного шума необходимо осуществлять эталонное калибровочное измерение U(f,z ₀).

Способ может найти применение при кабельном каротаже или в постоянном устройстве. В этом последнем случае приемник должен быть развернут в продуктивной и наблюдательной скважинах, и необходимо неоднократно контролировать изменения насыщенности формации. Предложенный способ обеспечивает преимущество вследствие отсутствия активного источника, что приводит к менее сложному развертыванию. На длительное время развертывают только пассивные приемники.

Изобретение относится к беспроводной телеметрии в скважине и предназначено для приема и/или передачи информации между первым местоположением и вторым местоположением в скважине, при этом скважина содержит обсадную колонну, связанную с геологической формацией. Сущность: размещают первый преобразователь (14), располагаемый на первом местоположении. Первый преобразователь содержит два электрода, которые являются первым (141) и вторым (142) нижестоящими электродами. Первый и второй нижестоящие электроды находятся в электрическом контакте с обсадной колонной. Размещают второй преобразователь (15), располагаемый на указанном втором местоположении. Второй преобразователь содержит два электрода, которые являются первым (151) и вторым (152) вышестоящими электродами. Излучают электрический сигнал первым преобразователем или вторым преобразователем, прикладывая указанный сигнал между соответствующими электродами. Принимают электрический сигнал вторым преобразователем, или первым преобразователем, регистрируя сигнал соответствующими электродами. Технический результат: независимость от геометрических характеристик скважины и импеданса флюида, насосно-компрессорной колоны, обсадной колонны, формации и т.д. 20 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ приема и/или передачи информации в скважине, пробуренной в геологической формации (12), между первым местоположением и вторым местоположением, при этом указанная скважина содержит обсадную колонну (11), связанную с формацией (12), содержащий этапы, при выполнении которых:
(i) размещают первый преобразователь (14), располагаемый на указанном первом местоположении, при этом указанный первый преобразователь содержит два электрода, которые являются первым (141) и вторым (142) нижестоящими электродами, указанные первый и второй нижестоящие электроды находятся, по существу, в электрическом контакте с обсадной колонной;
(ii) размещают второй преобразователь (15), располагаемый на указанном втором местоположении, при этом указанный второй преобразователь содержит два электрода, которые являются первым (151) и вторым (152) вышестоящими электродами;
(iii) излучают электрический сигнал первым преобразователем, прикладывая указанный сигнал между первым и вторым нижестоящими электродами, или соответственно вторым преобразователем, прикладывая указанный сигнал между первым и вторым вышестоящими электродами; и
(iv) принимают указанный электрический сигнал вторым преобразователем, регистрируя указанный сигнал между первым и вторым вышестоящими электродами, или соответственно первым преобразователем, регистрируя указанный сигнал между первым и вторым нижестоящими электродами.

2. Способ по п.1, в котором первый и второй нижестоящие электроды имеют соответственно первое нижестоящее электрическое сопротивление и второе нижестоящее электрическое сопротивление при контакте с обсадной колонной, и в котором первое нижестоящее электрическое сопротивление и/или второе нижестоящее электрическое сопротивление составляют/составляет меньше 100 Ом.

3. Способ по п.2, в котором первое нижестоящее электрическое сопротивление и/или второе нижестоящее электрическое сопротивление составляют/составляет меньше 10 Ом.

4. Способ по п.1, в котором скважина дополнительно содержит третий преобразователь, при этом указанный третий преобразователь расположен на третьем местоположении и содержит два электрода, которые являются первым и вторым скважинными электродами, указанные первый и второй скважинные электроды находятся, по существу, в электрическом контакте с обсадной колонной; и способ дополнительно содержит этап, при выполнении которого:
(i) излучают второй электрический сигнал третьим преобразователем, прикладывая указанный второй сигнал между первым и вторым скважинными электродами; и/или
(ii) принимают третий электрический сигнал третьим преобразователем, регистрируя указанный третий сигнал между первым и вторым скважинными электродами.

5. Способ по п.1 или 4, в котором скважина дополнительно содержит множество добавочных преобразователей.

6. Способ по п.4, в котором скважина дополнительно содержит ретрансляционный преобразователь, при этом указанный ретрансляционный преобразователь расположен на третьем местоположении и содержит два электрода, которые являются первым и вторым скважинными электродами, указанные первый и второй скважинные электроды находятся, по существу, в электрическом контакте с обсадной колонной; и способ дополнительно содержит этап, при выполнении которого:
(i) принимают электрический сигнал третьим преобразователем, регистрируя указанный сигнал между первым и вторым скважинными электродами; и
(ii) излучают электрический сигнал третьим преобразователем, прикладывая указанный сигнал между первым и вторым скважинными электродами.

7. Способ по п.4, в котором первый и второй скважинные электроды имеют соответственно первое скважинное электрическое сопротивление и второе скважинное электрическое сопротивление при контакте с обсадной колонной, и в котором первое скважинное электрическое сопротивление и/или второе скважинное электрическое сопротивление составляют/составляет меньше 100 Ом.

8. Способ по п.7, в котором первое скважинное электрическое сопротивление и/или второе скважинное электрическое сопротивление составляют/составляет меньше 10 Ом.

9. Способ по п.6, в котором скважина дополнительно содержит множество добавочных ретрансляционных преобразователей.

10. Способ по п.1, в котором указанное первое местоположение находится в скважине, а указанное второе местоположение находится на поверхности геологической формации.

11. Способ по п.1, в котором указанное первое и указанное второе местоположение находятся в скважине.

12. Способ по п.4, в котором указанное третье местоположение находится в скважине.

13. Способ по п.5, в котором указанная скважина содержит насосно-компрессорную колонну (13), и в котором изолируют электрически от насосно-компрессорной колонны по меньшей мере один из электродов, выбранный из перечня: первый нижестоящий электрод, второй нижестоящий электрод, первый вышестоящий электрод, второй вышестоящий электрод, первый скважинный электрод, второй скважинный электрод, электроды добавочных преобразователей.

14. Способ по п.13, в котором по меньшей мере один электрод дополнительно изолируют электрически от других проводящих элементов в скважине.

15. Способ по п.1, в котором первый и второй нижестоящие электроды разносят на первое расстояние d₁, при этом указанное первое расстояние d₁ является зависящим от интенсивности электрического сигнала и от расстояния между первым и вторым нижестоящими электродами и первым и вторым вышестоящими электродами.

16. Способ по п.4, в котором первый и второй нижестоящие электроды разносят на первое расстояние d₁, при этом указанное первое расстояние d₁ является зависящим от интенсивности электрического сигнала и от расстояния между первым и вторым нижестоящими электродами и первым и вторым скважинными электродами.

17. Способ по п.4, в котором первый и второй скважинные электроды разносят на третье расстояние d₃, при этом указанное третье расстояние d₃ является зависящим от электрического сигнала и от расстояния между первым и вторым скважинными электродами и первым и вторым вышестоящими электродами.

18. Способ по п.1, в котором первый и второй вышестоящие электроды находятся в электрическом контакте с формацией на поверхности.

19. Способ по п.1, в котором указанная скважина содержит насосно-компрессорную колонну, и в котором первый вышестоящий электрод находится в электрическом контакте с насосно-компрессорной колонной, а второй вышестоящий электрод находится в электрическом контакте с формацией на поверхности.

20. Способ по п.6, в котором соединяют с измерительным датчиком и/или оборудованием управления/контроля по меньшей мере один из преобразователей, выбранный из перечня: первый преобразователь, второй преобразователь, третий преобразователь и ретрансляционный преобразователь.

21. Способ по п.20, в котором электрический сигнал содержит информацию от измерительного датчика и/или к оборудованию управления/контроля.