СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ИЗ СКВАЖИНЫ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК E21B47/12 E21B47/13 G01V3/24 

Предлагаемое изобретение относится к области передачи информации из скважины, например каротажа в процессе бурения скважин, и предназначено для передачи сигналов измерения из скважины на поверхность по беспроводному каналу связи.

Известно устройство для передачи забойной информации, содержащее установленную в колонне бурильных или обсадных труб забойную телеметрическую систему со скважинным прибором и присоединенными к нему источником питания и передающей катушкой, и наземную приемно-преобразовательную аппаратуру, в том числе приемную катушку, при этом передающая катушка намотана на наружной поверхности бурильной или обсадной трубы из магнитного материала, соединенной резьбой с корпусом забойной телеметрической системы, и соединена одним концом с выходом скважинного прибора, другим - с колонной бурильных или обсадных труб, приемная катушка установлена в верхней части колонны труб, наземная приемно-преобразовательная аппаратура дополнительно содержит приемное устройство, к входу в которое присоединена приемная катушка, а к выходу - компьютер (пат. РФ №2279542, опубл. 10.07.2006 г.).

Выход передающей катушки заземлен на колонну труб. Таким образом, внутри передающей катушки создаются импульсы магнитного потока, соответствующие показаниям датчиков скважинного прибора. Импульсы магнитного потока по колонне бурильных труб передаются вверх, при этом сигнал значительно ослабевает. Импульсы магнитного потока проходят в верхней части колонны бурильных труб внутри приемной катушки и наводят на обмотке этой катушки ЭДС (напряжение). С выходов приемной катушки напряжение поступает на приемное устройство, в котором сигнал усиливается, и от него отфильтровываются посторонние помехи. С приемного устройства сигнал (импульсы напряжения, переданные со скважинного прибора) поступает на вход одного из портов компьютера.

Недостаток известного метода заключается в том, что он предусматривает передачу импульсов магнитного потока по колонне труб от передающей катушки на забое скважины до приемной катушки на устье, при этом для реализации этого метода необходимо наличие колонны труб с большой магнитной проницаемостью, что усложняет технологию.

Известен способ приема/передачи геофизической информации во время бурения по беспроводному электромагнитному каналу связи с забоя на дневную поверхность (Пат. РФ №2273732, приор. 21.05.2004, опубл. 10.04.2006 г.).

В известном 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 тока, 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 на забое.

Недостаток данного способа заключается в том, что он предполагает наличие в электрическом диполе приемника сигнала от наземного генератора, определяющего частоту, с которой электрический диполь должен коммутироваться, при этом сигнал может пропадать (в соляных пропластках) и искажаться при прохождении слабо проводящих пластов, и надежность связи падает. Кроме того, это усложняет конструкцию электрического диполя.

Задачей предлагаемого технического решения является упрощение технологии передачи сигналов с забоя скважины, повышение скорости и информативности передающего сигнала.

Указанная задача решается тем, что в способе передачи информации из скважины по электрическому каналу связи, включающем возбуждение электрического тока в колонне металлических труб (трубы) в скважине, разделенных диэлектрической вставкой на верхнюю и нижнюю части, и регистрацию наводимой разности потенциалов на поверхности между колонной труб и удаленной точкой от устья скважины, в отличие от известного, по колонне труб пропускают переменный ток, вырабатываемый скважинным источником тока, подсоединенным к верхней и нижней частям трубы, разделенной диэлектрической вставкой, и измеряют изменение напряжения на зажимах наземной цилиндрической приемной катушки с магнитопроводом, вызванное пульсацией тока в трубе, возбуждаемого при помощи переменной ЭДС, приложенной к диэлектрической вставке и величина которой модулирована источником информативного сигнала.

Заявляется устройство для реализации способа, содержащее источник электрического тока, пропускаемого по колонне труб, разделенных диэлектрической вставкой на верхнюю и нижнюю части, и наземную приемо-преобразовательную аппаратуру, включающую регистратор напряжения, источник переменного тока установлен в скважине, подсоединен к верхней и нижней частям трубы, разделенной диэлектрической вставкой, и снабжен блоком модуляции, а приемо-преобразовательная аппаратура содержит наземную приемную катушку с магнитопроводом в виде коаксиально установленного колонне труб полого цилиндра, высота которого значительно превышает его толщину, при этом приемных катушек может быть несколько штук, установленных друг над другом и снабженных полосовыми усилителями, выходы которых суммируются на входе регистратора напряжения.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Колонна труб 1 разделена диэлектрической вставкой 2, к верхней и нижней частям которых присоединен источник переменного тока 3 с блоком модуляции и подачи тока 4 в колонну 1. В верхней части колонны 1 может быть расположены одна или несколько установленных друг над другом наземных цилиндрических приемных катушек 5 с полосовыми усилителями сигнала 6, поступающего на регистратор напряжения 7. Магнитопровод 8 приемной катушки 5 выполнен в виде цилиндра, высота H которого значительно превышает его толщину ∂ и установлен коаксиально трубе на устье скважины. Где r_ср - расстояние от оси трубы (радиус цилиндра по средней линии).

Способ реализуется с помощью данного устройства.

На забое бурящейся скважины с помощью источника переменного тока 3 с блоком модуляции и подачи тока 4 в колонну труб 1, разделенных диэлектрической вставкой 2, в скважину по трубе 1 подают модулированный информативным (полезным) сигналом ток, который, проходя по колонне 1, генерирует коаксиальное колонне 1 электромагнитное поле, которое создает переменный магнитный поток электромагнитной индукции, пронизывающий витки приемной цилиндрической катушки 5 на устье скважины, и, соответственно, переменную ЭДС на зажимах этой катушки.

Форма снимаемой с катушки ЭДС определяется модулем шифрования скважинного блока измерений (не показано ввиду общеизвестности). Таким образом, полезным сигналом служит изменение напряжения на зажимах приемной цилиндрической катушки, являющегося функцией переменного тока, текущего в колонне бурильных труб, определяемой переменной ЭДС источника тока.

При этом изменение (модуляция) величины ЭДС на зажимах цилиндрической приемной катушки вычисляют по формуле:

$$\epsilon =-\frac{d\Psi }{dt}\left(1\right)$$

где:

ε - ЭДС катушки индуктивности, B,

t - время, с,

Ψ - потокосцепление определяется по формуле:

$$\Psi =N\ast {\displaystyle \underset{S}{\int }B\ast \cos \left(\varphi \right)\ast ds\left(2\right)}$$ ,

где:

S - площадь одного витка, м²,

N - количество витков,

φ - угол между вектором индукции магнитного поля и нормалью к поверхности витка в нашем случае близок к 0°,

B - индукция магнитного поля, Тл, определяется по формуле:

$$B=\raisebox{1ex}{$\mu \ast {\mu }_0\ast I$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2\ast \pi \ast r_{ср}$}\right.\left(3\right)$$ ,

где:

µ, µ₀ - соответственно магнитная проницаемость среды и магнитная постоянная, Гн/м,

π - число «пи», 3.14…,

I - сила тока в трубе, A,

r_ср - расстояние от оси трубы (радиус цилиндра по средней линии), м.

Для увеличения эффективности генерации ЭДС и придания компактности в условиях ограниченного пространства буровой установки необходимо выполнение магнитопровода приемной катушки 5 в виде полого цилиндра 8, внутренний радиус которого должен быть максимально близок диаметру трубы, а высота H в несколько раз больше толщины ∂, - тогда формула (2) может быть упрощена (cos(φ)~1):

$$\Psi \approx N\ast S\ast Bср\left(4\right)$$ ,

где:

Вср - индукция магнитного поля по средней линии цилиндра магнитопроводаа, Тл, определяется по формуле:

$$B=\raisebox{1ex}{$\mu \ast {\mu }_0\ast I$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2\ast \pi \ast r_{ср}$}\right.\left(5\right)$$ ,

где:

r_ср - расстояние от оси трубы (радиус цилиндра магнитопровода по средней линии), м.

Окончательно из формул (1-5) следует:

$$\epsilon =-\frac{dI}{dt}\ast (\frac{\mu {\mu }_{0}NS}{2\pi r_{ср}}),\left(6\right)$$

где:

производная dI/dt определяет «способ шифрования» и является информационным параметром.

В случае сильных сигналов и малого уровня помех целесообразно использовать одну приемную катушку. Две или более приемных катушек необходимы для приема слабых сигналов на фоне больших шумов. Каждая катушка нагружена на свой согласующий полосовой усилитель (усилитель), выходы которых суммируются и подаются на регистратор напряжения.

Передаваемый телесистемой сигнал имеет спектр, максимум которого находится в диапазоне 1-20 Гц.

Для обеспечения в этом диапазоне неискаженного приема сигнала приемными катушками с полосовыми усилителями, которые имеют определенную полосу пропускания частот, необходимо устанавливать их несколько штук (2 и более), что обеспечивает равномерную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) на входе регистратора напряжения.

Необходимость большей высоты цилиндра вызвана увеличением площади витков приемной катушки для получения большей ЭДС, так и большей индуктивности (для настройки на резонанс на малых частотах передачи сигнала).

Изобретение относится к области каротажа в процессе бурения скважин и предназначено для передачи сигналов измерения из скважины на поверхность по беспроводному каналу связи. Техническим результатом является упрощение технологии передачи сигналов с забоя скважины, повышение скорости и информативности передающего сигнала. Предложен способ передачи информации из скважины по электрическому каналу связи, включающий возбуждение электрического тока в колонне металлических труб в скважине, разделенных диэлектрической вставкой на верхнюю и нижнюю части, и регистрацию на поверхности изменения напряжения, вызванного пульсацией тока в трубе. При этом полезным сигналом служит изменение напряжения на зажимах приемной цилиндрической катушки, являющегося функцией переменного тока, текущего в трубе возбуждаемого при помощи переменной ЭДС, приложенной к диэлектрической вставке. Предложено также устройство для осуществления указанного способа, которое содержит источник переменного тока, подсоединенный к колонне металлических труб в скважине, разделенных диэлектрической вставкой на верхнюю и нижнюю части, и наземную цилиндрическую приемную катушку с магнитопроводом в виде коаксиально установленного колонне труб полого цилиндра. При этом приемных катушек может быть несколько, установленных друг над другом и снабженных полосовыми усилителями, выходы которых суммируются на входе регистратора напряжения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ передачи информации из скважины по электрическому каналу связи, включающий возбуждение электрического тока в колонне металлических труб (трубы) в скважине, разделенных диэлектрической вставкой на верхнюю и нижнюю части, и регистрацию на поверхности изменения напряжения, вызванного пульсацией тока в трубе, возбуждаемого при помощи переменной ЭДС, приложенной к диэлектрической вставке, отличающийся тем, что при измерении на поверхности изменения напряжения полезным сигналом служит изменение напряжения на зажимах приемной цилиндрической катушки, установленной коаксиально трубе на устье скважины, являющегося функцией переменного тока, текущего в трубе, возбуждаемого при помощи переменной ЭДС, приложенной к диэлектрической вставке, и модулированного полезным сигналом.

2. Устройство для передачи информации из скважины по электрическому каналу связи, содержащее источник электрического переменного тока, подсоединенный к верхней и нижней частям колонны труб, разделенных диэлектрической вставкой, и наземную приемо-преобразовательную аппаратуру, включающую регистратор напряжения, отличающееся тем, что источник тока снабжен блоком модуляции, а приемо-преобразовательная аппаратура содержит наземную приемную катушку с магнитопроводом в виде коаксиально установленного колонне труб полого цилиндра, высота которого значительно превышает его толщину, при этом приемных катушек может быть несколько штук, установленных друг над другом и снабженных полосовыми усилителями, выходы которых суммируются на входе регистратора напряжения.