СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ИЗ СКВАЖИНЫ Российский патент 2017 года по МПК E21B47/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в общем, относится к способам и системам и, более конкретно, к механизмам и методам передачи данных из скважины.

Уровень техники

В последние годы резко возрос интерес к разработке новых нефтяных и газовых месторождений. Однако запасы месторождений, расположенных на суше, являются ограниченными. Таким образом, в настоящее время нефтедобывающие компании расширяют свою деятельность по добыче нефти и газа в прибрежных зонах, которые хранят огромные запасы ископаемого топлива. Бурение представляет собой сложный процесс, который требует знаний о значениях давления и температуры (и других параметров) на дне скважины.

Существуют два типа ситуаций, когда необходимо контролировать значения давления и температуры скважины. Первая ситуация возникает тогда, когда скважину еще бурят, то есть существует бурильная колонна, которая проходит через скважину, и на конце бурильной колонны находится бурильная коронка для расширения скважины. В этом случае, например, как раскрыто документе US 12/363,092, полное содержание которого включено сюда путем ссылки, существует постоянный столб грязи, вытекающий из бурильной коронки на поверхность, где установлена буровая вышка. Используя этот непрерывный столб буровой грязи, можно применить способ модуляции телеметрических данных по гидроимпульсному каналу связи (например, акустические волны, которые распространяются через колонну) для передачи информации между датчиками и компьютерами, которые расположены на буровой вышке, и различными датчиками (измерительными приборами), расположенными в скважине.

Вторая ситуация возникает тогда, когда скважина находится в продуктивной скважине, то есть бурение было закончено, и скважина используется для извлечения нефти и/или газа. Для этой фазы, чтобы узнать, что происходит в скважине, то есть достаточным ли является давление для подачи нефти или газа на поверхность и т.д., в скважине можно установить систему мониторинга. Такая система мониторинга может представлять собой систему для измерения давления и температуры в стволе скважины. Можно использовать и другие типы, которые контролируют больше или меньше параметров скважины.

Система для измерения давления и температуры в скважине может обеспечивать своего оператора данными в реальном времени и знаниями из пласта, и можно предпринимать действие для улучшения дренирования пласта, характеристик подъема и т.д. При выполнении таких изменений скважинная измерительная система проверяет, что действие, предпринимаемое оператором, оказывает требуемый эффект на дренирование пласта. Таким образом, скважинное измерение является преимущественным для увеличения дренирования пласта и экономии затрат вследствие отсутствия необходимости выполнения скважинных интервенционных геофизических исследований.

Другими словами, измерительные системы обеспечивают оператора улучшенным управлением разработкой пласта, что приводит к повышенной суточной добыче и повышенной общей площадной миграции, к лучшему определению характеристик и параметров пласта, улучшенной оптимизации добычи, к лучшему распределению потока и инструменту в реальном времени для диагностики скважины.

Однако существуют проблемы в случае, когда скважина не функционирует (то есть скважина находится в нерабочем состоянии в силу различных причин), так как клапан (например, скважинный предохранительный клапан или другие клапаны) в скважине закрыт и, таким образом, отсутствует непрерывный столб флюида от забоя скважины до буровой вышки или оборудования устья скважины (для фонтанной или компрессорной эксплуатации скважины). В этой ситуации, вышеупомянутое решение, использующее телеметрию по гидроимпульсному каналу связи в скважине, может не работать. Некоторые существующие решения основаны на использовании, например, модифицированного испытательного клапана, и значения давления и температуры можно считывать с помощью электропроводного устройства за счет поддержания связи на основе индуктивной связи. В другом решении необходимо использовать электромагнитные волны, распространяющиеся беспроводным образом, или акустические волны, которые ретранслируются вплоть до поверхности с помощью многочисленных ретрансляторов, предназначенных для передачи информации из скважины на поверхность.

Недостатки этих существующих решений состоят в том, что их реализации являются громоздкими и ненадежными. Беспроводное решение сильно зависит от удельного сопротивления подстилающей породы и, по-видимому, не будет работать в прибрежной зоне. Альтернативно, использование модифицированных испытательных инструментов или ретрансляторов приводит к сложному оснащению скважины и требует достаточно обученных операторов. В дополнение к этому, реализация этих решений является дорогостоящей.

Раскрытие изобретения

Таким образом, существует потребность в промышленности, обеспечивающей простую, надежную и экономически эффективную систему с возможностью передачи данных из скважины на поверхность даже в случае, если клапан в скважине закрыт.

Существующие системы для передачи данных через линию скважины, из скважины на поверхность, являются громоздкими, склонны к выходу из строя или требуют сложного оборудования. Таким образом, существует потребность в обеспечении простой и надежной системы связи между различными частями скважины и поверхностью.

Эти задачи, а также другие задачи, которые будут возникать в дальнейшем, по меньшей мере, частично решаются посредством настоящего изобретения, объектом которого является элемент колонны скважины, содержащий:

- удлиненное тело, которое ограничивает сквозной канал и имеет боковой карман, открытый для внешней среды; и

- акустический модем, установленный в кармане и выполненный с возможностью испускания акустических волн,

при этом акустический модем выполнен с возможностью приема электрических сигналов из одного или нескольких датчиков, преобразования электрических сигналов в акустические волны, показывающие различные значения параметров, измеренных с помощью датчиков, подсоединенных к акустическому модему, и испускания акустических волн в стенку удлиненного тела при приеме звукового сигнала запуска из устройства, расположенного за пределами элемента бурильной колонны.

Элемент колонны скважины может представлять собой элемент бурильной колонны, или элемент испытательной колонны или элемент эксплуатационной колонны.

Элемент колонны скважины может дополнительно содержать соединительную муфту, выполненную с возможностью закрытия кармана и герметизации акустического модема от внешней среды.

Элемент колонны скважины может иметь цилиндрическую форму, а акустический модем может иметь полуцилиндрическую форму.

В конкретном варианте осуществления элемент колонны скважины дополнительно содержит:

- аккумуляторную батарею, установленную в удлиненном теле; и

- датчик, выполненный с возможностью восприятия параметров скважины и установленный в удлиненном теле, при этом датчик электрически соединен с акустическим модемом.

В этом случае, параметры скважины могут включать в себя один из следующих параметров температуры или давления.

Элемент колонны скважины может дополнительно содержать память, подсоединенную к акустическому модему и выполненную с возможностью хранения данных, записанных с помощью одного или нескольких датчиков.

Акустический модем может содержать керамический элемент, выполненный с возможностью производить колебания для выработки акустических волн, и керамический элемент можно непосредственно прикрепить к удлиненному телу.

Внутренняя часть акустического модема может поддерживаться под давлением, равным, по существу, одной атмосфере, когда он находится под водой.

Другими словами, согласно примерному варианту осуществления выполнен элемент колонны скважины, который включает в себя удлиненное тело, ограничивающее сквозной канал и имеющее боковой карман, который открыт для внешней среды; и акустический модем, установленный в кармане и выполненный с возможностью испускания акустических волн. Акустический модем выполнен с возможностью приема электрических сигналов из одного или нескольких датчиков, преобразования электрических сигналов в акустические волны, показывающие различные параметры, измеренные с помощью датчиков, подсоединенных к акустическому модему, и испускания акустических волн в стенку удлиненного тела при приеме звукового запускающего сигнала из устройства, расположенного за пределами элемента бурильной колонны.

Другой задачей изобретения, независимой или в комбинации с вышеупомянутой задачей, является скважинная система связи, выполненная с возможностью передачи данных через закрытый клапан внутри скважины, причем система содержит:

- акустический модем, установленный в теле элемента колонны скважины и выполненный с возможностью передачи акустических волн в стенку элемента колонны скважины, при этом акустические волны показывают различные параметры, измеренные с помощью датчиков, подсоединенных к акустическому модему; и

- приемное устройство, выполненное с возможностью поддержания связи через акустические волны с акустическим модемом, причем приемное устройство выполнено с возможностью опускания в среду в скважине с помощью кабеля и позиционирования по потоку перед клапаном, установленным в стволе скважины,

при этом акустические волны распространяются от акустического модема до стенки элемента бурильной колонны, клапана, среды и приемного устройства.

В одном варианте осуществления элемент колонны скважины имеет цилиндрическую форму, а акустический модем имеет полуцилиндрическую форму. Элемент колонны скважины может дополнительно содержать:

- аккумуляторную батарею, установленную в удлиненном теле; и

- датчик, выполненный с возможностью восприятия параметров скважины и установленный в удлиненном теле,

при этом датчик электрически соединен с акустическим модемом.

Элемент колонны скважины может дополнительно содержать память, соединенную с акустическим модемом и выполненную с возможностью хранения данных, записанных с помощью одного или нескольких датчиков.

В одном конкретном варианте осуществления акустический модем содержит керамический элемент, выполненный с возможностью производить колебания для выработки акустических волн, и керамический элемент непосредственно прикреплен к удлиненному телу.

Элемент колонны скважины может находиться в непосредственном контакте с клапаном.

В одном конкретном варианте осуществления приемное устройство содержит:

- приемопередатчик, выполненный с возможностью испускания и приема акустических волн; и

- память, выполненную с возможностью хранения акустических волн.

Приемное устройство может быть выполнено с возможностью преобразования

принятых акустических волн в электрические сигналы и передачи в реальном времени электрических сигналов вверх по потоку по кабелю.

Клапан может быть закрыт.

Акустический модем может находиться в режиме ожидания, и приемное устройство может быть выполнено с возможностью запуска акустического модема для передачи акустических волн.

Другими словами, согласно другому примерному варианту осуществления выполнена скважинная система связи с возможностью передачи данных через закрытый клапан внутрь скважины. Система включает в себя акустический модем, установленный в теле элемента колонны скважины и выполненный с возможностью передачи акустических волн в стенку элемента колонны скважины, при этом акустические волны показывают различные параметры, измеренные с помощью датчиков, подсоединенных к акустическому модему; и приемное устройство, выполненное с возможностью поддержания связи через акустические волны с акустическим модемом, причем приемное устройство выполнено с возможностью опускания в среду в скважине с помощью кабеля и позиционирования по потоку перед клапаном, выполненным в стволе скважины. Акустические волны распространяются из акустического модема в стенку элемента бурильной колонны, клапан, среду и приемное устройство.

Другой задачей изобретения, независимой или в комбинации с вышеуказанными, является способ передачи данных от датчиков на поверхность скважины, в которой выполнены датчики, причем способ содержит этапы, на которых:

- записывают измерения, которые относятся к скважине, с помощью одного или нескольких датчиков, установленных в скважине;

- обеспечивают акустический модем, установленный в скважине в непосредственной близости от датчиков в режиме ожидания;

- принимают запускающий сигнал в акустическом модеме из приемного устройства, которое также выполнено в скважине, при этом приемное устройство отделено от акустического модема с помощью закрытого клапана;

- принимают измерения из одного или нескольких датчиков в акустическом модеме;

- передают акустические волны из акустического модема в приемное устройство через клапан, при этом акустические сигналы показывают измерения одного или нескольких датчиков; и

- принимают в приемном устройстве акустические сигналы.

Другими словами, согласно еще одному варианту осуществления выполнен способ передачи данных от датчиков на поверхность скважины, в которой установлены датчики. Способ включает в себя этап, на котором записывают измерения, которые относятся к скважине, с помощью одного или нескольких датчиков, установленных в скважине; этап, на котором обеспечивают акустический модем, установленный в скважине, в непосредственной близости от датчиков, в режиме ожидания; этап, на котором принимают запускающий сигнал в акустическом модеме из приемного устройства, которое также установлено в скважине, причем приемное устройство отделено от акустического модема с помощью закрытого клапана; этап, на котором принимают измерения из одного или нескольких датчиков в акустическом модеме; этап, на котором передают акустические волны из акустического модема в приемное устройство через клапан, причем акустические сигналы показывают измерение одного или нескольких датчиков; и этап, на котором принимают в приемном устройстве акустические сигналы.

Краткое описание чертежей

Сопроводительные чертежи, которые включены в описание и образуют его часть, иллюстрируют один или несколько вариантов осуществления и, вместе с описанием, объясняют эти варианты осуществления.

На фиг. 1 показан схематичный чертеж эксплуатационной скважины;

на фиг. 2 - схематичный чертеж элемента бурильной колонны, имеющей акустический модем, согласно примерному варианту осуществления;

на фиг. 3 - продольной разрез элемента бурильной колонны с акустическим модемом согласно примерному варианту осуществления;

на фиг. 4 - продольный разрез элемента бурильной колонны с акустическим модемом и аккумуляторной батареей согласно примерному варианту осуществления;

на фиг. 5 - схематичный чертеж приемного устройства, выполненного с возможностью поддержания связи с акустическим модемом согласно примерному варианту осуществления;

на фиг. 6 - схематичный чертеж системы для передачи информации позади закрытого клапана в скважине согласно примерному варианту осуществления;

на фиг. 7 - последовательность операций способа передачи информации позади закрытого клапана в скважине согласно примерному варианту осуществления;

на фиг. 8 - схематичный чертеж керамического элемента акустического модема согласно примерному варианту осуществления;

на фиг. 9 - упрощенная функциональная схема акустического модема; и

на фиг. 10 - последовательность операций способа передачи информации в скважине согласно примерному варианту осуществления.

Осуществление изобретения

В представленном ниже описании примерных вариантов осуществления изобретения имеются ссылки на сопроводительные чертежи. Одинаковые ссылочные позиции на различных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Следующее ниже подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого объем изобретения ограничен прилагаемой формулой изобретения. Следующие ниже варианты обсуждения обсуждаются для упрощения изложения, по отношению к терминологии и конструкции законченных скважин, чьи температуры и давления контролируются. Однако варианты осуществления, которые будут обсуждены далее, не ограничиваются этой конструкцией, но могут быть применимы к другим конструкциям, которые необходимы для передачи данных через закрытый клапан.

Ссылка на всем протяжении описания на "один вариант осуществления" или "вариант осуществления" означает, что конкретный признак, структура или характеристика, рассматриваемая применительно к варианту осуществления, включена, по меньшей мере, в один вариант осуществления в раскрытый предмет изобретения. Таким образом, появление фраз "в одном варианте осуществления" или "в варианте осуществления" в различных местах на всем протяжении описания необязательно относятся к одному и тому же варианту осуществления. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут сочетаться любым подходящим образом в одном или нескольких вариантах осуществления.

Согласно примерному варианту осуществления выполнен элемент колонны скважины, который имеет удлиненное тело, ограничивающее сквозной канал. Элемент колонны скважины может представлять собой бурильную, испытательную или эксплуатационную колонну. Флюид, при необходимости, может проходить через канал. Удлиненное тело может включать в себя боковой карман, например клин или полость, который открыт для внешней среды. Акустический модем предусмотрен в кармане и выполнен с возможностью испускания акустических волн. Соединительная муфта закрывает карман и герметизирует акустический модем от внешней среды. Акустический модем выполнен с возможностью получения информации (например, аналоговых или цифровых сигналов) от одного или нескольких датчиков, которые расположены ниже по потоку или выше по потоку относительно акустического модема, чтобы модулировать информацию для выработки акустических волн и испускания акустических волн в удлиненное тело. Акустический модем выполнен с возможностью перехода в режим ожидания и запускается при приеме акустического запускающего сигнала из устройства, расположенного за пределами элемента бурильной колонны. Различные особенности элемента бурильной колонны будут более подробно описаны ниже.

Согласно примерному варианту осуществления, иллюстрированному на фиг. 1, эксплуатационная скважина 10 для извлечения нефти и/или газа из пласта 12 включает в себя обсадную колонну 14, которая может продолжаться от пласта 12 до оборудования 16 устья скважины для фонтанной или компрессорной эксплуатации. Однако обсадная колонна 14 может быть короче и не достигать пласта. Оборудование 16 устья скважины может размещаться на морском дне 18, если скважина является подводной. Бурильная колонна 20 продолжается от оборудования 16 устья скважины до пласта 12. В дальнейшем для упрощения изложения будет дана ссылка на бурильную колонну 20. Однако колонна 20 может представлять собой испытательную колонну, или эксплуатационную колонну, или любую другую колонну, которая известна в технике. Бурильная колонна 20 образована из отдельных элементов 20a-d бурильной колонны, которые присоединяются друг к другу для образования трубопровода 22, через который может протекать нефть или газ (или другое вещество) на поверхность.

Различные клапаны выполнены для управления потоком флюидов в обсадной колонне 14 и бурильной колонне 20. На фиг. 1 показаны примеры таких клапанов 24 и 26, выполненных в оборудовании 16 устья скважины. Другой клапан 30 выполнен в бурильной колонне 20 для управления потоком флюида в бурильной колонне. Клапаном 30 можно управлять с поверхности гидравлическим, электрическим или акустическим способом. Бурильные пакеры 34 можно использовать для позиционирования бурильной колонны 20 относительно обсадной колонны 14 и также для предотвращения протекания флюидов между бурильной колонной и обсадной колонной 14, то есть в кольцевом пространстве.

Как описано ранее, существует потребность в мониторинге пласта по различным причинам; таким образом, датчики или измерительные приборы размещаются в скважине. Такие датчики можно выполнить в виде одного или нескольких элементов бурильной колонны, и они измеряют различные параметры. Например, датчики могут измерять давление и температуру. Например, на фиг. 1 показан датчик 50 давления и датчик 52 температуры в элементе 20d бурильной колонны. В одном приложении эти датчики или дополнительные датчики можно разместить в элементе 20c бурильной колонны. Для того чтобы получать информацию от этих датчиков, необходимо проложить электрические провода по всему пути вплоть до оборудования устья скважины. Однако, как уже было описано, это не является преимуществом. Другой способ состоит в использовании флюида в бурильной колонне 20 для передачи акустических волн от датчиков до оборудования устья скважины. Этот последний подход является опасным в том случае, когда клапан 30 закрыт, так как прерывается непрерывность столба флюида.

Таким образом, согласно примерному варианту осуществления акустический модем 60 можно установить на элементе 20c бурильной колонны и электрически соединить через провода 62 с датчиками 50 и 52 (как позже будет описано со ссылкой на фиг. 3). Эта конфигурация является преимущественной, так как все провода между датчиками и акустическим модемом выполнены как одно целое внутри соответствующего элемента 20c бурильной колонны. Таким образом, отсутствуют провода, которые проходят через два отдельных элемента бурильной колонны в отличие от конфигурации, показанной на фиг. 1. Поэтому можно избежать большинства проблем, связанных с использованием проводов (подобных проводу 62, показанному на фиг. 1). Конечно, акустический модем 60 можно соединить иным образом с датчиками. Таким образом, данные из датчиков 50 и 52 передаются электрическим способом. Акустический модем 60 или связанная с ним электронная схема, выполненная с возможностью преобразования информации, поступающей от датчиков, в акустические волны и испускания акустических волн в стенку (в поверхностный слой) элемента 20c бурильной колонны. Элемент 20c бурильной колонны может находиться в непосредственном контакте с клапаном 30 или может быть разделен на один или несколько элементов бурильной колонны.

Однако, как только осциллирующая часть (керамическая часть) акустического модема 60 начинает вырабатывать акустические волны, акустические волны распространяются через стенки элементов бурильной колонны и затем через тело клапана, то есть через металлическую среду. Так как ретрансляторы или усилители акустических волн не используются, приемное устройство выполнено с возможностью записи акустических волн после распространения через закрытый клапан 30. Такое приемное устройство 70, например, модуль загрузки памяти (МЗП), можно установить внутри бурильной колонны 20 или внутри обсадной колонны 14 и снаружи бурильной колонны 20. На фиг. 1 показан МЗП 70, выполненный внутри бурильной колонны 20 и подвешенный за кабель 72, который продолжается от оборудования 16 устья скважины. Таким образом, МЗП 70 можно опускать в скважину с удобством для оператора и можно выполнить с возможностью запуска акустического модема 60 для передачи информации из датчиков. Альтернативно МЗП 70 можно постоянно удерживать в скважине для обеспечения оперативных данных относительно скважины. Данные из МЗП 70 можно передавать на поверхность через электропровод или другое средство, известное в технике.

Некоторые элементы основного механизма, описанного выше, будут описаны теперь более подробно. На фиг. 2 показан элемент 20c бурильной колонны, имеющий удлиненное тело 80. Тело 80 имеет первый и второй концы 80a и 80b, которые выполнены с возможностью присоединения к другим элементам бурильной колонны. Тело 80 разделено на первую область 82, которая включает в себя акустический модем 60 и другие компоненты, и вторую область 84, которая включает в себя, например, датчики 52 и 54 температуры и/или давления. Как отмечено выше, можно использовать и другие типы датчиков. На элементе 20c бурильной колонны можно выполнить большее или меньшее количество датчиков. В одном приложении все датчики выполнены на соседних элементах бурильной колонны (например, элемент 20d бурильной колонны, показанный на фиг. 1). В еще одном приложении другой тип датчика выполнен на элементе 20c бурильной колонны.

Возвращаясь к первой области 82, акустический модем 60 непосредственно не виден, так как он закрыт соединительной муфтой 90 на фиг. 2. Однако, когда соединительная муфта 90 удалена, акустический модем 60 открыт внешней среде 91 элемента бурильной колонны, как показано на фиг. 3. Соединительная муфта 90 может герметизировать карман 92 или полость, образованную в стенке элемента 20с бурильной колонны со стороны внешней среды 91. Соединительную муфту 90 можно прикрепить к телу 80 любым известным способом, например, привинтить, скрепить болтами, приклеить или приварить к телу 80. Карман 92 показан на фиг. 3 и выполнен с возможностью вмещения акустического модема 60. На фиг. 3 соединительная муфта 90 показана слегка отсоединенной от тела 80. На этой фигуре также показан блок 93 памяти и вспомогательный блок 94 управления (например, процессор), которые электрически подсоединены к акустическому модему 60 через кабель 96. Эти элементы могут представлять собой часть акустического модема 60. Кроме того, на фигуре показано, что эти элементы также электрически подсоединены через кабель 98 к датчику 50. Как описано ранее, датчик 50 может не присутствовать на элементе бурильной колонны (элементе 20с бурильной колонны, как описано на фиг. 3), на котором помещается акустический модем 60. Датчик 50 может присутствовать на соседнем элементе 20d бурильной колонны, как показано на фиг. 1.

Блок 93 памяти вместе с акустическим модемом 60 может образовывать устройство получения данных (УПД) 100. УПД 100 выполнен с возможностью соединения с МЗП 70, как будет описано далее. В некоторых случаях УПД 100 может включать в себя блок 94 управления. В одном приложении блок 93 памяти и блок 94 управления (или контроллер 94) входят в состав акустического модема 60. УПД 100 можно выполнить с возможностью приема данных от более чем одного датчика 50. В одном приложении многочисленные элементы бурильной колонны можно выполнить так, чтобы они включали в себя УПД и соответствующие датчики. Поэтому бурильная колонна может иметь множество УПД, которые выполнены с возможностью поддержания связи с одним и тем же МЗП. Таким образом, число датчиков, развернутых в бурильной колонне, увеличено, и эта конфигурация позволяет оператору определить, какая часть скважины работает лучше, чем другие части, так как элементы бурильной колонны, имеющие соответствующие УПД, и датчики могут располагаться в скважине на различной глубине.

В одном примерном варианте осуществления, иллюстрированном на фиг. 4, показан продольный разрез элемента 20с бурильной колонны. На этой фигуре показан канал 110, который продолжается на всем пути через элемент 20с бурильной колонны, и также показана толщина "t" стенки 112 тела 80. Акустический модем 60 включает керамическую часть 61, которая может иметь форму, имеющую сходство с половиной цилиндра. Другими словами, керамическая часть 61 не должна проходить по всему пути вокруг тела 80. Однако форма керамики может изменяться в зависимости от различных факторов. На фиг. 4 также показана аккумуляторная батарея 120, выполненная в теле 80 элемента 20c бурильной колонны. Кабель 122 подает электрическое питание от аккумуляторной батареи 120 на УПД 100. Карман 92 может вмещать в себя другие электронные компоненты, которые обычно связаны с акустическим модемом, как будет оценено специалистами в данной области техники.

Согласно примерному варианту осуществления акустический модем 60 и/или контроллер 94 могут взаимодействовать таким способом, в котором информация, поступающая из датчиков, принимается, сохраняется и передается в МЗП 70. Например, датчики могут подавать в заданные интервалы времени электрические сигналы, показывающие количественный параметр того, что было зарегистрировано (например, температуру и давление). Эти значения можно хранить в блоке 93 памяти. В момент времени, когда МЗП 70 запускает УПД 100, процессор 94 и/или акустический модем 60 преобразует/модулирует электрические сигналы, хранящиеся в памяти, в акустические сигналы и посылает акустические сигналы в стенку 112 тела 80. Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока не будут переданы все данные из блока 93 памяти, при этом блок 93 памяти освобождается и подготавливается для приема новых данных от датчиков. Кроме того, акустический модем 60 можно опрашивать (с помощью МЗП) для ввода в режим ожидания до тех пор, пока блок 93 памяти не примет большее количество данных, или до тех пор, пока МЗП снова не запустит УПД. Таким образом сберегается электрическая энергия.

Для достижения своей части передачи данных, МЗП 70, как показано на фиг. 5, включает в себя память 130 для приема и хранения данных, полученных из УПД 100. В дополнение к этому, МЗП 70 может включать в себя приемопередатчик 132, который выполнен с возможностью обмена акустическими сигналами с УПД 100. Приемопередатчик 132 может представлять собой акустический модем, имеющий персональные возможности, аналогичные модему 60. МЗП 70 также может включать в себя процессор 134, выполненный с возможностью управления в случае, когда приемопередатчик 132 запускает УПД 100 и также координирует сохранение данных в памяти 130. В одном приложении процессор 134 выполнен с возможностью непрерывной передачи данных из УПД 100 через кабель 72 оператору скважины. Таким образом, кабель 72 выполнен с возможностью обмена не только данных, но также и питания между поверхностью и МЗП 70. В дополнение к этому, кабель 72 выполнен с возможностью выдерживания достаточного механического напряжения для поддержки МЗП 70.

После того как МЗП и УПД были описаны по отдельности, теперь уместно описать функциональные возможности этих двух элементов вместе. На фиг.6 изображен схематичный чертеж, показывающий закрытый клапан 30 бурильной колонны 20. Акустический модем 60 УПД 100 установлен в элементе 20с бурильной колонны. Следует отметить, что элемент 20с бурильной колонны не должен находиться в непосредственном контакте с клапаном 30. Однако предпочтительно, чтобы акустический модем находился по возможности ближе к клапану. На фигуре также показан МЗП 70, опущенный в бурильную колонну. Однако МЗП можно опустить в обсадную колонну 14, расположенную за пределами бурильной колонны.

Над клапаном 30 находится среда 140, которая может включать в себя одно или несколько из следующих веществ: газ, нефть, воду или другие вещества, которые обычно находятся в скважине. Таким образом, МЗП 70 граничит со средой 140. В одном приложении МЗП 70 может находиться в непосредственном контакте с клапаном 30, обсадной колонной 14 и бурильной колонной 20. В этом положении запускающий акустический сигнал вырабатывается с помощью МЗП. Сигнал распространяется через среду 140, через металлический клапан 30 и через стенку 112 элемента 20с бурильной колонны до тех пор, пока не поступит в акустический модем 60. Керамический элемент (не показан) акустического модема 60 захватывает акустический сигнал, и контроллер 94 (например, процессор) акустического модема 60 сравнивает его с предварительно сохраненным опорным сигналом. В случае совпадения компоненты акустического модема активизируются. Это представляет собой один способ запуска УПД. Однако в технике существуют и другие способы (например, обнаружение уровня энергии), и специалисты в данной области техники знают, как реализовать такие другие способы.

После запуска УПД 100 процессор 94 акустического модема 60 в элементе 20с бурильной колонны обрабатывает электрические сигналы, поступающие из блока 93 памяти, и передает их в качестве акустических сигналов через стенку 112 элемента 20с бурильной колонны, клапан 30 и среду 140 в МЗП 70. Приемопередатчик 132 принимает эти акустические сигналы и, после их декодирования (например, преобразования их обратно в электрические сигналы), либо передает их через кабель 72 оператору скважины, либо сохраняет их в памяти 130.

Вышеупомянутые операции МЗП 70 и УПД 100 можно изложить кратко с помощью последовательности операций, показанной на фиг. 7. Согласно этой фигуре различные датчики измеряют на этапе 700 соответствующие параметры скважины. Например, датчик 50 измеряет давление в скважине, а датчик 52 измеряет температуру в скважине. На этапе 702 МЗП 70 выдает команду на передачу запускающего сигнала (или любого другого сигнала, типа испытательного сигнала или сигнала управления) в УПД 100. Следует отметить, что сигнал управления, переданный в УПД 100, можно использовать не только для управления компонентов УПД, но также и датчиков, подсоединенных к УПД. Учитывая тот факт, что МЗП 70 находится позади закрытого клапана 30, существует вероятность того, что между МЗП 70 и УПД 100 может отсутствовать непрерывный столб флюида. Так как запускающий сигнал может быть звуковым сигналом, звуковой сигнал распространяется через закрытый клапан 30 в элементе бурильной колонны, где находится акустический модем 60 УПД 100. Таким образом, на этапе 704 УПД принимает запускающий звуковой сигнал из МЗП. В то же самое время данные, поступающие от датчиков, передаются на этапе 706, например, через выделенный провод, в УПД 100. УПД 100 может сохранять эту информацию в блоке 93 памяти.

Процесс активизации приводит к преобразованию электрических сигналов, сохраненных в памяти УПД, в акустические сигналы и испусканию на этапе 708 этих акустических сигналов, с помощью модема 60, в стенку элемента бурильной колонны, вмещающей в себя акустический модем. Так как элемент бурильной колонны находится в непосредственном контакте с клапаном или рядом с ним, акустические волны передаются через стенку бурильной колонны и клапан достаточно далеко, чтобы МЗП мог принять их на этапе 710. МЗП 70 может сохранять принятую информацию локально (в памяти) после преобразования акустических сигналов обратно в электрические сигналы, или может передавать в реальном времени электрические сигналы оператору скважины.

В одном приложении данные, записанные с помощью датчиков, хранятся в датчиках в бурильной колонне, и когда МЗП запускает УПД, УПД подает команду датчикам для передачи их данных в акустический модем и затем в МЗП. В другом приложении акустический модем 60 включает в себя пьезоэлектрический керамический элемент 61, который выполнен с возможностью выработки ультразвуковых волн давления. Так как керамический элемент находится рядом или в непосредственном контакте со стенкой элемента бурильной колонны, акустические волны, выработанные керамическим элементом, распространяются непосредственно через стенку элемента бурильной колонны. Керамический элемент 61 может иметь форму, показанную на фиг. 8, то есть полуцилиндр, выполненный с возможностью размещения внутри кармана 92 элемента 20с бурильной колонны, показанного на фиг. 3.

Функциональные возможности акустического модема 60 описаны ниже и также иллюстрированы на фиг. 9. Акустический модем 60 может включать в себя, как уже было описано выше, керамическую часть 61 и процессор/контроллер 94. Кроме того, акустический модем 60 может включать в себя силовой электронный модуль 150 и маломощный электронный модуль 162. Конечно, акустический модем 60 может иметь различную конфигурацию, как известно в технике. Когда акустические волны попадают на керамическую часть 61, керамическая часть 61 вырабатывает аналоговый сигнал, который подается в маломощный электронный модуль 152 для преобразования в цифровые сигналы. Цифровые сигналы затем передаются в процессор 94 для демодуляции и, в конечном счете, в датчик 50 или 52. Эти процессы имеют место в режиме приема акустического модема 60.

В режиме передачи информация, поступающая от датчика 50 или 52, поступает в процессор 94 и модулируется для формирования цифровых сигналов. Цифровые сигналы затем передаются в силовой электронный модуль 150 для выработки электрических сигналов, которые передаются в керамическую часть 61. На основании электрических сигналов, принятых из силового электронного модуля 150, керамическая часть 61 испускает акустические волны.

Поскольку МЗП находится выше закрытого клапана 30, для улучшения приема им акустических сигналов скважину можно заполнить водой или другим флюидом, так как эта среда способствует распространению акустических волн.

МЗП и УПД, описанные выше, можно использовать не только с новыми элементами бурильной колонны, но также и с существующими, так как акустический модем 60 можно установить в имеющихся карманах элементов бурильной колонны. К тому же, МЗП и УПД примерных вариантов осуществления, описанных выше, являются более надежными по сравнению с существующими скважинными системами связи, имеют низкую потребляемую мощность, обеспечивают надежный протокол связи и требуют малого технического обслуживания.

Согласно примерному варианту осуществления, иллюстрированному на фиг. 10, выполнен способ передачи данных от датчиков на поверхность скважины, в котором предусмотрены датчики. Способ включает в себя этап 1000 записи измерений, который относится к скважине, с помощью одного или нескольких датчиков, расположенных в скважине; этап 1002 наличия акустического модема в скважине, расположенного в непосредственной близости от датчиков в режиме ожидания; этап 1004 сигнала запуска в акустическом модеме из приемного устройства, расположенного также в скважине, где приемное устройство отделено от акустического модема закрытым клапаном; этап 1006 приема измерений из одного или нескольких датчиков в акустическом модеме; этап 1008 передачи акустических сигналов из акустического модема в приемное устройство через клапан, где акустические сигналы показывают измерение одного или нескольких датчиков; и этап 1010 приема акустических сигналов в приемном устройстве.

Раскрытые примерные варианты осуществления предусматривают элемент бурильной колонны, систему и способ передачи зарегистрированных данных после закрытого клапана. Следует понимать, что это описание не предназначено для ограничения изобретения. Напротив, примерные варианты осуществления предназначены для охвата альтернатив, модификаций и эквивалентов, которые включены в сущность и объем изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, в подробном описании примерных вариантов осуществления многочисленные специфические детали, изложенные для того, чтобы обеспечить полное понимание заявленного изобретения. Однако специалисты в данной области техники должны понимать, что различные варианты осуществления можно осуществить на практике без таких специфических деталей.

Хотя особенности и элементы настоящих примерных вариантов осуществления описаны в вариантах осуществления в конкретных комбинациях, каждую особенность или элемент можно использовать отдельно без других особенностей и элементов вариантов осуществления или в различных комбинациях с другими особенностями или элементами, раскрытыми здесь, или без них.

В приведенном выше описании использованы примеры объема предмета изобретения, раскрытого для того, чтобы любой специалист в данной области техники мог осуществить на практике то же самое, включая изготовление и использование любых устройств или систем и выполнение любых включенных способов. Патентуемый объем предмета изобретения ограничен формулой изобретения и может включать в себя другие примеры, которые могут встретиться специалистам в данной области техники. Предполагается, что такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения.

Настоящее изобретение относится к средствам для передачи данных в скважине. Технический результат заключается в упрощении и повышении надежности системы передачи данных о параметрах на забое скважины через колонну при закрытом клапане. Предложена колонна (20) для разведки нефти и/или газа, содержащая: элемент (20с) колонны, включающий в себя удлиненное тело, которое ограничивает сквозной канал и имеет боковой карман, открытый для внешней среды, и акустический модем (60), установленный в кармане; клапан (30), установленный в указанном элементе (20с) колонны или по потоку перед ним; и приемное устройство (70), выполненное с возможностью поддержания связи через акустические волны с акустическим модемом (60), причем приемное устройство (70) выполнено с возможностью опускания с помощью кабеля (72) внутрь колонны (20) и позиционирования по потоку перед клапаном (30). При этом акустический модем (60) выполнен с возможностью приема электрических сигналов из одного или нескольких датчиков (50, 52) и преобразования указанных электрических сигналов в акустические волны, показывающие различные параметры, измеренные с помощью датчиков (50, 52), подсоединенных к акустическому модему (60). Приемное устройство (70) расположено, по потоку перед клапаном (30), в текучей среде, находящейся внутри колонны (20). При этом приемное устройство (70) находится на расстоянии от стенки колонны (20). Причем приемное устройство (70) выполнено с возможностью испускания запускающего акустического сигнала, распространяющегося через текучую среду, находящуюся над клапаном (30), через клапан (30) и через стенку удлиненного тела, для активации акустического модема (60). При этом активированный акустический модем (60) выполнен с возможностью испускания в стенку удлиненного тела акустических волн, распространяющихся через указанную стенку, через клапан (30) и через текучую среду, находящуюся над клапаном (30). Причем приемное устройство (70) выполнено с возможностью приема указанных акустических волн, испускаемых акустическим модемом (60) и проходящих через указанный клапан (30). 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Колонна (20) для разведки нефти и/или газа, содержащая:

элемент (20с) колонны, включающий в себя удлиненное тело (80), которое ограничивает сквозной канал (110) и имеет боковой карман (92), открытый для внешней среды (91), и акустический модем (60), установленный в кармане (92);

клапан (30), установленный в указанном элементе (20с) колонны или по потоку перед ним; и

приемное устройство (70), выполненное с возможностью поддержания связи через акустические волны с акустическим модемом (60), причем приемное устройство (70) выполнено с возможностью опускания с помощью кабеля (72) внутрь колонны (20) и позиционирования по потоку перед клапаном (30),

при этом акустический модем (60) выполнен с возможностью приема электрических сигналов из одного или нескольких датчиков (50, 52) и преобразования указанных электрических сигналов в акустические волны, показывающие различные параметры, измеренные с помощью датчиков (50, 52), подсоединенных к акустическому модему (60),

отличающаяся тем, что приемное устройство (70) расположено, по потоку перед клапаном (30), в текучей среде (140), находящейся внутри колонны (20), при этом приемное устройство (70) находится на расстоянии от стенки колонны (20), причем приемное устройство (70) выполнено с возможностью испускания запускающего акустического сигнала, распространяющегося через текучую среду (140), находящуюся над клапаном (30), через клапан (30) и через стенку (112) удлиненного тела (80), для активации акустического модема (60),

при этом активированный акустический модем (60) выполнен с возможностью испускания в стенку (112) удлиненного тела (80) акустических волн, распространяющихся через указанную стенку (112), через клапан (30) и через текучую среду (140), находящуюся над клапаном (30),

причем приемное устройство (70) выполнено с возможностью приема указанных акустических волн, испускаемых акустическим модемом (60) и проходящих через указанный клапан (30).

2. Колонна по п. 1, в которой элемент колонны представляет собой элемент бурильной колонны, или элемент испытательной колонны, или элемент эксплуатационной колонны.

3. Колонна по п. 1, которая дополнительно содержит соединительную муфту (90), выполненную с возможностью закрытия кармана (92) и герметизации акустического модема (60) от внешней среды (91).

4. Колонна по п. 1, в которой элемент колонны имеет цилиндрическую форму, а акустический модем имеет полуцилиндрическую форму.

5. Колонна по п. 1, которая дополнительно содержит

аккумуляторную батарею (120), установленную в удлиненном теле (80); и

датчик (50), выполненный с возможностью восприятия параметров скважины и установленный в удлиненном теле (80),

при этом датчик (50) электрически соединен с акустическим модемом (60).

6. Колонна по п. 5, в которой параметры скважины включают в себя температуру или давление.

7. Колонна по п. 1, которая дополнительно содержит память (93), подсоединенную к акустическому модему (60) и выполненную с возможностью хранения данных, зарегистрированных одним или несколькими датчиками (50).

8. Колонна по п. 1, в которой акустический модем (60) содержит керамический элемент (61), выполненный с возможностью колебания для выработки акустических волн, при этом керамический элемент (61) непосредственно прикреплен к удлиненному телу (80).

9. Колонна по п. 1, в которой внутри акустического модема (60), расположенного под водой, поддерживается давление, равное по существу 1 атмосфере.

10. Скважинная система связи, выполненная с возможностью передачи данных через закрытый клапан внутри скважины и содержащая:

- акустический модем (60), установленный в теле (80) элемента (20с) колонны, и

- приемное устройство (70), выполненное с возможностью поддержания связи через акустические волны с акустическим модемом (60), причем приемное устройство (70) выполнено с возможностью опускания с помощью кабеля (72) внутрь колонны (20) и позиционирования по потоку перед клапаном (30), установленным в колонне (20),

отличающаяся тем, что акустический модем (60) выполнен с возможностью испускания в стенку (112) элемента (20с) колонны акустических волн, показывающих различные параметры, измеряемые датчиками (50, 52), подсоединенными к акустическому модему (60), и распространяющихся до стенки (112) элемента (20с) колонны, клапана (30) и среды (140), находящейся над клапаном (30),

при этом приемное устройство (70) расположено в указанной текучей среде (140), находящейся над клапаном (30), причем приемное устройство (70) находится на расстоянии от стенки колонны (20) и выполнено с возможностью приема указанных акустических волн, испускаемых модемом (60) и проходящих через указанный клапан (30).

11. Система по п. 10, в которой элемент колонны имеет цилиндрическую форму, а акустический модем имеет полуцилиндрическую форму.

12. Система по п. 10, в которой элемент колонны дополнительно содержит:

аккумуляторную батарею (120), установленную в удлиненном теле (80); и

датчик (50), выполненный с возможностью восприятия параметров скважины и установленный в удлиненном теле (80),

при этом датчик (50) электрически подсоединен к акустическому модему (60).

13. Система по п. 10, в которой элемент колонны дополнительно содержит память (93), подсоединенную к акустическому модему (60) и выполненную с возможностью хранения данных, зарегистрированных с помощью одного или нескольких датчиков (50).

14. Система по п. 10, в которой акустический модем содержит керамический элемент (61), выполненный с возможностью колебания для выработки акустических волн, при этом керамический элемент (61) непосредственно прикреплен к удлиненному телу (80).

15. Система по п. 10, в которой указанный элемент колонны находится в непосредственном контакте с клапаном (30).

16. Система по п. 10, в которой приемное устройство (70) содержит:

приемопередатчик (132), выполненный с возможностью испускания и приема акустических волн; и

память (130), выполненную с возможностью хранения акустических волн.

17. Система по п. 10, в которой приемное устройство (70) выполнено с возможностью преобразования принятых акустических волн в электрические сигналы и передачи в реальном времени электрических сигналов вверх по потоку по кабелю (72).

18. Система по п. 10, в которой клапан (30) закрыт.

19. Система по п. 10, в которой акустический модем находится в режиме ожидания, а приемное устройство выполнено с возможностью запуска акустического модема для передачи акустических волн.

20. Способ передачи данных от датчиков на поверхность скважины, в которой находятся датчики, с помощью скважинной системы связи по любому из пп. 10-19, при этом способ содержит этапы, на которых:

регистрируют измерения, которые относятся к скважине, с помощью одного или нескольких датчиков, установленных в скважине;

обеспечивают наличие акустического модема, установленного в скважине в непосредственной близости от датчиков и находящегося в режиме ожидания;

принимают сигнал запуска в акустическом модеме из приемного устройства, также установленного в скважине, причем приемное устройство отделено от акустического модема с помощью закрытого клапана;

принимают измерения от одного или нескольких датчиков в акустическом модеме;

передают акустические волны из акустического модема в приемное устройство через клапан, при этом акустические сигналы показывают измерения одного или нескольких датчиков; и

принимают в приемном устройстве акустические сигналы в случае, когда приемное устройство расположено в указанной текучей среде, находящейся над указанным клапаном, при этом приемное устройство находится на расстоянии от стенки колонны.