СИСТЕМА ЗАКАНЧИВАНИЯ СКВАЖИНЫ Российский патент 2021 года по МПК E21B47/12 E21B47/10 E21B41/00 

Настоящее изобретение относится к системе заканчивания скважины, предназначенной для заканчивания скважины, имеющей ствол скважины. Кроме того, настоящее изобретение относится к блоку датчиков, предназначенному для использования в системе заканчивания скважины согласно изобретению.

За многие годы были предложены различные способы и системы для мониторинга скважины и добычи. Однако до сих пор эти способы связаны с рядом недостатков. Например, было предложено контролировать условия в скважине с использованием погружного инструмента, который извлекают для получения данных. Этот инструмент может быть выполнен с возможностью измерения параметров скважины, таких как давление, температура, положение и т.п. Такие параметры также могут иметь большое значение во время заканчивания скважины и во время добычи. Очевидно, что эти решения позволяют контролировать условия в скважине только в то время, в течение которого инструмент для мониторинга расположен в определенном месте в скважине. Если инструмент предназначен для измерения параметров, например, на расстоянии 10 км от устья, этот инструмент необходимо поднимать на поверхность каждый раз, когда необходимо выгрузить данные. Инструменты, известные из уровня техники, способны отправлять управляющие сигналы инструменту только по кабелю, обеспечивающему питание инструмента, если инструмент находится в нескольких километрах от скважины. Инструменты, известные из уровня техники, не могут осуществлять мониторинг скважины в режиме реального времени в течение многих лет как из-за отсутствия достаточных возможностей для передачи данных, так и из-за того, что инструмент нуждается в питании, а кабель не может оставаться в скважине, поскольку это затрудняет добычу.

Для решения проблемы, связанной с работой оборудования для мониторинга в скважине, и для обеспечения возможности более продолжительного мониторинга были разработаны системы с датчиками. Эти датчики расположены в скважине и могут обеспечивать мониторинг независимо от наличия какого-либо инструмента в скважине. Эти датчики могут получать питание от внешнего источника питания, такого как кабель, или от встроенного аккумулятора. В то время как в альтернативном варианте с кабельным соединением имеется неприемлемая потребность в длинных кабелях, альтернативный вариант с автономным питанием от аккумулятора имеет недостаток в виде ограниченного времени работы.

Следовательно, желательно создать усовершенствованные систему и способ, позволяющие осуществлять мониторинг условий в скважине в течение более длительного промежутка времени.

Задачей настоящего изобретения является полное или частичное преодоление вышеупомянутых недостатков и недочетов предшествующего уровня техники. Более конкретно, задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованных способа и системы для мониторинга условий в скважине в течение более длительного промежутка времени.

Вышеупомянутые задачи, а также различные другие задачи, преимущества и признаки, очевидные после изучения нижеследующего описания, выполнены в решении согласно настоящему изобретению посредством системы заканчивания скважины, предназначенной для заканчивания скважины, имеющей ствол скважины, и содержащей:

- скважинную трубчатую металлическую конструкцию, расположенную в стволе скважины с образованием затрубного пространства и содержащую:

- стенку; и

- множество блоков датчиков, образующих ячеистую сеть;

причем по меньшей мере некоторые из упомянутых блоков датчиков снабжены устройством автономного питания, выполненным с возможностью извлечения энергии в скважине.

Благодаря наличию ячеистой сети из блоков датчиков, имеющих устройство автономного питания, выполненное с возможностью извлечения энергии в скважине, любой тип инструмента без кабеля или любой тип модуля датчиков может быть размещен в скважине в течение более продолжительного времени, а измеренные данные отправляют на поверхность с использованием ячеистой сети, когда имеются данные для отправки. Между тем устройство автономного питания извлекает энергию внутри скважины и накапливает достаточно энергии, чтобы обеспечивать возможность приема и передачи при необходимости передачи на поверхность следующего набора данных.

Таким образом, множество блоков датчиков, образующих ячеистую сеть, обеспечивает надежный путь прохождения данных, даже если по меньшей мере некоторые из блоков датчиков не могут обеспечивать сбор данных, предоставляемых на уровень поверхности или морского дна.

Устройство автономного питания может быть выполнено с возможностью извлечения энергии в скважине из текучей среды, протекающей в скважине.

Упомянутое устройство автономного питания может быть выполнено с возможностью извлечения энергии в скважине из текучей среды, протекающей в затрубном пространстве и/или в скважинной трубчатой металлической конструкции.

Кроме того, блоки датчиков могут быть расположены, по меньшей мере частично, в стенке скважинной трубчатой металлической конструкции.

Дополнительно, блоки датчиков имеют дальность передачи и приема и могут быть расположены на расстоянии друг от друга, равном половине дальности передачи и приема.

Устройство автономного питания может быть выполнено с возможностью преобразования кинетической энергии в электрическую энергию.

Кроме того, устройство автономного питания может содержать вибрирующий элемент.

Также устройство автономного питания может содержать пьезоэлектрический элемент.

Кроме того, устройство автономного питания может содержать магнитострикционный элемент.

Дополнительно, устройство автономного питания может содержать термоэлектрический генератор.

Кроме того, устройство автономного питания может дополнительно содержать по меньшей мере один конденсатор.

Каждый блок датчиков может быть выполнен с возможностью приема данных, передаваемых беспроводным образом, от соседнего блока датчиков и направления принятых данных соседним блокам датчиков.

Система заканчивания скважины согласно настоящему изобретению может дополнительно содержать поверхностную систему, выполненную с возможностью приема скважинных данных от упомянутых блоков датчиков.

Поверхностная система может быть по меньшей мере частично расположена на уровне морского дна.

Дополнительно, упомянутая поверхностная система дополнительно может быть выполнена с возможностью определения положения по меньшей мере одного блока датчиков.

Кроме того, поверхностная система может быть выполнена с возможностью определения положения по меньшей мере одного блока датчиков путем моделирования по методу Монте-Карло и/или моделирования по кратчайшему пути и/или акустического эхо-тестирования времени прохождения сигнала.

Также ячеистая сеть может представлять собой самовосстанавливающуюся ячеистую сеть.

Дополнительно, блоки датчиков могут использовать внутреннюю часть скважинной трубчатой металлической конструкции в качестве волновода для обмена данными между блоками датчиков.

По меньшей мере один из упомянутых блоков датчиков может содержать датчик для измерения одного или более состояний скважинной текучей среды, окружающей скважинную трубчатую металлическую конструкцию.

Дополнительно, каждый из упомянутых блоков датчиков может содержать по меньшей мере один элемент определения.

Кроме того, элемент определения может содержать акселерометр и/или магнитометр, а данные о положении могут содержать наклон и/или азимут.

Кроме того, по меньшей мере один из упомянутых блоков датчиков может быть расположен в затрубном пространстве, образованном между скважинной металлической трубчатой конструкцией и стенкой ствола скважины.

Характеристики цемента могут содержать акустический импеданс, и для определения этого акустического импеданса элемент определения может содержать преобразователь для измерения отраженного сигнала.

Дополнительно, элемент определения по меньшей мере одного из упомянутых блоков датчиков может быть выполнен с возможностью обнаружения характеристик в стволе скважины, таких как состояния потока и/или содержание воды.

Система заканчивания скважины согласно настоящему изобретению может дополнительно содержать модуль датчиков, содержащий дополнительные датчики.

Упомянутый модуль датчиков может содержать датчик температуры и/или датчик давления и/или датчик состояния потока и/или датчик содержания воды.

Также, скважинная трубчатая металлическая конструкция может дополнительно содержать затрубные барьеры, каждый из которых содержит:

- трубчатую металлическую часть, имеющую отверстие для разжимания и выполненную с возможностью установки в виде части скважинной трубчатой металлической конструкции; и

- разжимную металлическую муфту, окружающую трубчатую металлическую часть и соединенную с ней, причем упомянутая разжимная металлическая муфта выполнена с возможностью разжимания посредством текучей среды, поступающей через отверстие для разжимания.

Кроме того, скважинная трубчатая металлическая конструкция может дополнительно содержать проточные устройства.

Скважинная трубчатая металлическая конструкция может содержать несколько боковых скважинных трубчатых металлических конструкций.

Система заканчивания скважины согласно настоящему изобретению может дополнительно содержать автономный скважинный инструмент, выполненный с возможностью перемещения внутри скважинной трубчатой металлической конструкции и содержащий коммуникационный блок, выполненный с возможностью обмена данными с блоками датчиков, для отправки информации на поверхность через сеть из блоков датчиков.

Кроме того, настоящее изобретение относится к блоку датчиков, предназначенному для использования в вышеописанной системе заканчивания скважины, причем упомянутый блок датчиков может быть снабжен устройством автономного питания, выполненным с возможностью извлечения энергии в скважине.

Следует отметить, что в рамках данного описания термин «ячеистая сеть» следует понимать как сеть, в которой каждый связанный датчик образует узел сети, обеспечивающий возможность ретрансляции данных для сети. Таким образом, все датчики сети участвуют в распределении данных в этой сети. В рассматриваемой ячеистой сети передача данных осуществляется путем маршрутизации данных между датчиками до тех пор, пока данные не достигнут своего места назначения. Путь прохождения данных не является постоянным, а перенаправляется, если какие-либо существующие датчики недоступны.

Изобретение и его многочисленные преимущества описаны более подробно далее со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, которые иллюстрируют некоторые не ограничивающие варианты осуществления настоящего изобретения и на которых:

- на фиг. 1 показана система заканчивания скважины;

- на фиг. 1А показан вид в увеличенном масштабе одного из датчиков с фиг. 1;

- на фиг. 2 показана система заканчивания скважины с автономным скважинным инструментом;

- на фиг. 2А показан вид в увеличенном масштабе одного из датчиков с фиг. 2;

- на фиг. 3 показана система заканчивания скважины, имеющая боковые ответвления;

- на фиг. 4 приведено схематическое изображение системы заканчивания скважины;

на фиг. 5 приведено схематическое изображение блока датчиков, предназначенного для использования в системе заканчивания скважины;

- на фиг. 6 приведено схематическое изображение устройства автономного питания блока датчиков; и

- на фиг. 7 изображена схема, на которой показан обмен данными между различными блоками датчиков системы заканчивания скважины.

Все чертежи являются схематическими и не обязательно выполнены в масштабе, причем на них показаны только те части, которые необходимы для пояснения изобретения, при этом другие части не показаны или показаны без объяснения.

Далее будет описана система 100 заканчивания скважины, в частности, будут описаны конкретные блоки 10 датчиков, образующие ячеистую сеть 130, предназначенные для использования в такой системе 100 заканчивания скважины.

На фиг. 1 показана система 100 заканчивания скважины, предназначенная для заканчивания скважины 2, имеющей ствол 3 скважины. Система заканчивания скважины содержит скважинную трубчатую металлическую конструкцию 1, расположенную в стволе скважины с образованием затрубного пространства 4 между стенкой 6 ствола скважины и скважинной трубчатой металлической конструкцией 1. Скважинная трубчатая металлическая конструкция имеет стенку 5 и содержит множество блоков 10 датчиков, образующих ячеистую сеть 130. По меньшей мере некоторые из упомянутых блоков 10 датчиков снабжены устройством 11 автономного питания, выполненным с возможностью извлечения энергии в скважине, так что ячеистая сеть в системе заканчивания скважины является автономной в течение продолжительного времени. Устройство 11 автономного питания выполнено с возможностью извлечения энергии в скважине из текучей среды, протекающей в скважине, например, во время эксплуатации скважины, а также во время операций по разрыву пласта, промывке и/или цементированию. Таким образом, устройство 11 автономного питания выполнено с возможностью извлечения энергии в скважине из текучей среды, протекающей в затрубном пространстве и/или в скважинной трубчатой металлической конструкции. Как показано на фиг. 1, блоки 10 датчиков расположены по меньшей мере частично в стенке скважинной трубчатой металлической конструкции и, таким образом, способны извлекать энергию из текучей среды, протекающей в затрубном пространстве, как показано стрелками, перед тем как текучая среда поступит в сквозные отверстия 17 в скважинной трубчатой металлической конструкции. Вид в увеличенном масштабе одного из блоков 10 датчиков показан на фиг. 1А.

Блоки 10 датчиков имеют дальность D передачи и приема, представляющую собой расстояние, доступное блокам датчиков для передачи и приема сигналов или данных от соседнего блока датчиков. Таким образом, дальность D передачи и приема является расстоянием между двумя блоками датчиков, которые могут связываться друг с другом, то есть передавать данные/сигналы друг другу и принимать данные/сигналы друг от друга. Блоки 10 датчиков расположены на расстоянии друг от друга, равном половине дальности передачи и приема. Таким образом, каждый блок датчиков может отправлять данные/сигналы соседнему блоку датчиков и окружению соседнего блока датчиков, так что если соседний блок датчиков не работает, блок датчиков может отправлять данные/сигналы мимо соседнего блока датчиков окружению, находящемуся на другой стороне этого соседнего блока датчиков, и ячеистая сеть формируется без неработающего блока датчиков. Таким образом, информация все же может быть отправлена вверх, к верхней части 77 скважины, и/или вниз, к нижней части скважины.

Как показано на фиг. 2, система 100 заканчивания скважины дополнительно содержит затрубные барьеры 40 для изолирования первой зоны 101 от второй зоны 102. Каждый затрубный барьер содержит трубчатую металлическую часть 41, имеющую отверстие 42 для разжимания. Трубчатая металлическая часть 41 установлена в виде части скважинной трубчатой металлической конструкции 1. Каждый затрубный барьер дополнительно содержит разжимную металлическую муфту 43, окружающую упомянутую трубчатую металлическую часть и соединенную с ней. Разжимная металлическая муфта выполнена с возможностью разжимания посредством текучей среды, поступающей через отверстие 42 для разжимания, например, путем повышения давления внутри скважинной трубчатой металлической конструкции и, таким образом, по существу одновременного разжимания нескольких разжимных металлических муфт, или путем изолирования зоны напротив отверстия для разжимания с помощью средства разжимания или буровой трубы с коронками. Скважинная трубчатая металлическая конструкция дополнительно содержит проточное устройство 44, расположенное во второй зоне, так что текучая среда может поступать из этой зоны через отверстие 17, когда проточное устройство находится в своем открытом положении, как показано на фиг. 2. Блоки датчиков расположены частично в стенке скважинной трубчатой металлической конструкции, как показано на изображении в увеличенном масштабе на фиг. 2А, но устройство 11 автономного питания не имеет жидкостного контакта с текучей средой в затрубном пространстве. Устройство 11 автономного питания каждого блока 10 датчиков извлекает энергию из текучей среды внутри скважины, протекающей в скважинной трубчатой металлической конструкции.

Система 100 заканчивания скважины, показанная на фиг. 2, дополнительно содержит автономный скважинный инструмент 50, выполненный с возможностью перемещения внутри скважинной трубчатой металлической конструкции 1. Автономный скважинный инструмент содержит коммуникационный блок 51, выполненный с возможностью обмена данными с блоками датчиков для отправки информации на поверхность через сеть из блоков 10 датчиков. Как показано на фиг. 2, система 100 заканчивания скважины содержит блок 52 скважинного источника питания, расположенный на наружной поверхности скважинной трубчатой металлической конструкции и получающий питание по кабелю 53 с поверхности через основной барьер 54. Таким образом, автономный скважинный инструмент 50 может обеспечиваться питанием перед помещением в скважину для завершения работ. Автономный скважинный инструмент 50, когда его погружают или впоследствии извлекают, может загружать информацию/данные и/или энергию в блоки датчиков или передавать информацию/данные и/или энергию из блоков датчиков. Скважинная трубчатая металлическая конструкция 1 имеет в своей верхней части приемный элемент, в который вставлена вторая скважинная трубчатая металлическая конструкция. Основной барьер расположен над упомянутым приемным элементом и обеспечивает наличие барьера напротив второй скважинной трубчатой металлической конструкции 1А, так что упомянутые скважинные трубчатые металлические конструкции могут перемещаться относительно друг друга.

Чтобы обеспечить экономию энергии в каждом блоке датчиков, блоки датчиков могут входить в «режим маячка», в котором сеть через регулярные заданные интервалы времени активируется и проверяет, нужно ли передавать какие-либо сигналы другому соседнему блоку датчиков. Таким образом, блоки датчиков запрограммированы с обеспечением задержки между каждым эхо-тестированием маячка.

В соответствии с фиг. 3, скважинная трубчатая металлическая конструкция 1 системы 100 заканчивания скважины содержит несколько скважинных трубчатых металлических конструкций 1В, 1С боковых ответвлений. Автономный скважинный инструмент 50 расположен в одной из этих скважинных трубчатых металлических конструкций 1С боковых ответвлений, причем упомянутый автономный скважинный инструмент 50, во время выполнения им операции или после выполнения операции, передает информацию по ячеистой сети 130 из блоков 10 датчиков. Таким образом, автономный скважинный инструмент 50 может оставаться в скважинной трубчатой металлической конструкции бокового ответвления, и его не нужно поднимать на вершину скважины между двумя операциями по выгрузке данных. Кроме того, автономный скважинный инструмент 50 может быть размещен в скважинной трубчатой металлической конструкции бокового ответвления в течение весьма продолжительного периода и может активироваться каждые 6 месяцев, измерять некоторые характеристики окружающей его среды, например, температуру, давление и плотность потока, и отправлять измеренные данные на поверхность, если некоторые характеристики изменились, а затем переходить в «спящий режим» на новый период, например, на 6 месяцев. Если автономному скважинному инструменту 50 не хватает энергии, он поднимается и перезаряжается в блоке 52 скважинного источника питания. Поднятию блока 52 скважинного источника питания способствует добываемая текучая среда, поступающая в скважинную трубчатую металлическую конструкцию через отверстия 17 или через проточные устройства 44. При необходимости ячеистая сеть из блоков датчиков формирует сеть, а в остальное время блоки датчиков извлекают энергию. Таким образом, процесс извлечения энергии не обязательно должен быть очень эффективным, поскольку ячеистую сеть в системе заканчивания скважины используют только в течение короткого промежутка времени. Кроме того, ячеистую сеть формируют при необходимости, так что неработающие блоки датчиков пропускают.

Как будет пояснено далее, это реализуют путем конфигурирования блоков 10 датчиков для создания физически распределенной независимой и локализованной чувствительной сети, предпочтительно с архитектурой одноранговой связи. Как будет понятно из последующего описания, ячеистая сеть, формируемая из блоков 10 датчиков в виде самовосстанавливающейся ячеистой сети, будет автоматически обеспечивать надежный и самовосстанавливающийся путь прохождения данных, даже если по меньшей мере некоторые из блоков 10 датчиков не могут обеспечивать конечный результат, т.е. сбор данных, предоставляемых на уровень поверхности.

На фиг. 3 показан еще один пример использования системы 100 заканчивания скважины. В нем блоки 10 датчиков расположены на стенке скважинной трубчатой металлической конструкции, на внутренней или наружной стороне, либо встроены в стенку оборудованной скважины. Блоки 10 датчиков располагают в оборудованной скважине для того, чтобы сформировать «интеллектуальную обсадную колонну/хвостовик», то есть для обеспечения предоставления на поверхность информации, относящейся к характеристикам скважины вдоль ствола скважины, в течение продолжительного времени. Как будет пояснено далее, это реализуют путем конфигурирования блоков 10 датчиков для создания физически распределенной независимой и локализованной чувствительной сети, предпочтительно с архитектурой одноранговой связи.

Все блоки 10 датчиков предпочтительно идентичны, хотя и имеют уникальный идентификатор. На фиг. 4 схематично показан пример системы 100 заканчивания скважины. Эта система 100 заканчивания скважины содержит поверхностную систему 110 и глубинную систему 120. Глубинная система 120 содержит множество блоков 10 датчиков, хотя на фиг. 4 показан только один блок 10 датчиков. Каждый блок 10 датчиков имеет несколько компонентов, обеспечивающих предоставление различных функциональных возможностей блоку 10 датчиков. Как показано на фиг. 4, каждый блок 10 датчиков содержит источник питания в виде устройства 11 автономного питания, блок 12 цифровой обработки, приемопередатчик 13 и, опционально, элемент 14 определения и модуль 15 датчиков, содержащий дополнительные датчики. Источник питания формируют с помощью устройства 11 автономного питания («ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ» на фиг. 4) по меньшей мере для одного блока 10 датчиков, как будет объяснено более подробно далее. Предпочтительно все блоки 10 датчиков имеют устройство автономного питания.

Как показано на фиг.5, модуль 15 датчиков может содержать, например, датчик 15а температуры и/или датчик 15b давления и/или датчик 15с состояния потока и/или датчик 15d содержания воды. Элемент 14 определения может, например, использоваться вместе с блоком 12 цифровой обработки, чтобы сформировать блок детектирования для определения данных о положении блока 10 датчиков. В таких вариантах выполнения элемент 14 определения может содержать акселерометр и/или магнитометр и/или преобразователь. Используя в качестве элемента 14 определения преобразователь, можно определять конкретные характеристики окружающей среды, такие как целостность цемента и т.п.

Источник питания в виде устройства 11 автономного питания выполнен с возможностью снабжения питанием других компонентов 12-15 блока 10 датчиков путем преобразования энергии окружающей среды в электрическую энергию.

Блок 12 цифровой обработки, показанный на фиг.4, предпочтительно содержит модуль 21 формирования сигнала, модуль 22 обработки данных, модуль 23 хранения данных («УСТРОЙСТВО ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ» на фиг. 4) и микроконтроллер 24. Блок 12 цифровой обработки выполнен с возможностью управления работой всего блока 10 датчиков, а также временного хранения измеренных данных в памяти модуля 23 хранения данных.

Приемопередатчик 13 выполнен с возможностью обеспечения беспроводной связи с приемопередатчиками соседних блоков 10 датчиков. Для этого приемопередатчик 13 содержит модуль беспроводной связи и антенну. Модуль беспроводной связи может быть выполнен с возможностью передачи данных в соответствии с устоявшимися протоколами беспроводной связи, например, IEЕЕ 801.1aq (Shortest Path Bridging, технология кратчайшего соединения с помощью мостов), IEEE 802.15.4 (стандарт «ZigBee») и т.п. Кроме того, модуль беспроводной связи может быть выполнен с возможностью определения положения блоков датчиков относительно друг друга, то есть выполнен с возможностью измерения расстояния.

Поверхностная система 110 содержит также ряд компонентов для обеспечения необходимой функциональности всей системы 100 заканчивания скважины. Как показано на фиг. 4, поверхностная система 110 имеет источник 31 питания для снабжения питанием различных компонентов. Поскольку поверхностная система 110 может быть установлена стационарно, источник 31 питания может быть подключен к электросети или он может быть сформирован из одного или более аккумуляторов. Поверхностная система 110 также содержит приемопередатчик 32 для приема данных, передаваемых от блоков 10 датчиков, а также для передачи данных и сигналов управления блокам 10 датчиков. Соответственно, приемопередатчик 32 имеет модуль беспроводной связи и антенну для обеспечения возможности обмена данными между поверхностной системой 110 и блоками 10 датчиков глубинной системы 120. Поверхностная система 110 содержит также генератор сигналов времени 33, человеко-машинный интерфейс 34 и блок 35 цифровой обработки. Блок 35 цифровой обработки содержит те же функциональные средства, что и блок 12 цифровой обработки блока 10 датчиков, то есть модуль формирования сигнала, модуль обработки данных, модуль хранения данных и модуль микроконтроллерного управления.

Перед описанием работы системы 100 заканчивания скважины следует рассмотреть блок 10 датчиков, схематически показанный на фиг. 5 и 6. Блок 10 датчиков имеет корпус 19, выполненный с возможностью размещения в нем вышеописанных компонентов и формирования защиты, способной противостоять любому удару, например, возможным столкновениям со стенкой 6 ствола скважины. Форма корпуса 19, несмотря на то что она показана прямоугольной, разумеется, может быть выбрана различной. Например, может быть предпочтительным только обеспечить скругление углов корпуса 19. В таком варианте осуществления корпус 19 может иметь сферическую форму. Внутри корпуса 19 неподвижно установлено следующее оборудование: устройство 11 автономного питания, блок 12 цифровой обработки, приемопередатчик 13, элемент 14 определения и, опционально, модуль 15 датчиков.

Устройство 11 автономного питания более подробно показано на фиг. 6. Устройство 11 автономного питания выполнено с возможностью снабжения электроэнергией различных электрических компонентов блока 10 датчиков путем извлечения энергии из среды внутри скважины. Соответственно, устройство 11 автономного питания содержит модуль 1100 извлечения энергии. Модуль 1100 извлечения энергии может быть выбран из группы, содержащей вибрирующий элемент 1101, пьезоэлектрический элемент 1102, магнитострикционный элемент 1103 и термоэлектрический генератор 1104. Как показано на фиг. 6, возможно наличие любого из этих элементов. В случае использования вибрирующего элемента 1101, пьезоэлектрического элемента 1102 или магнитострикционного элемента 1103, модуль 1100 извлечения энергии обеспечивает преобразование механических колебаний окружающей среды, например, текучей среды в скважинной трубчатой металлической конструкции или в скважине, в электрическую энергию. В случае использования термоэлектрического генератора 1104, такого как элемент Пельтье, модуль 1100 извлечения энергии обеспечивает преобразование тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию.

Извлеченную энергию предпочтительно подают на выпрямитель 1105. Выпрямитель 1105 выполнен с возможностью подачи постоянного напряжения и содержит блок 1106 переключения и выпрямитель 1107. Следует отметить, что расположение блока 1106 переключения и выпрямителя 1107 может быть изменено, чтобы выпрямитель 1107 был соединен непосредственно с модулем 1100 извлечения энергии. Как показано на фиг.6, выпрямитель 1107 предпочтительно соединен с конденсатором 1108 для накопления извлеченной энергии. Следовательно, электрические компоненты 12-15 блока 10 датчиков соединены с конденсатором 1108, образующим необходимый источник питания или накопительный буфер. Опционально, устройство 11 автономного питания дополнительно имеет усилитель (не показан) и/или электронные схемы управления (не показаны) для блока 1106 переключения. Кроме того, могут быть предусмотрены дополнительные конденсаторы.

Далее, в соответствии с фиг. 7, будет описана конфигурация системы заканчивания скважины, в частности, будет описана скважинная или глубинная система 120. Блоки 10A-F датчиков, представляющие собой части глубинной системы 120, расположены на стенке скважинной трубчатой металлической конструкции. Обмен данными между блоками 10A-F датчиков предпочтительно основана на модели ретрансляции, что означает, что поверхностная система обменивается данными с блоками 10A-F датчиков по сети из блоков датчиков. Предпочтительно каждый сигнал, передаваемый от блока 10A-F датчиков, содержит информацию, связанную с уникальным идентификатором блока 10A-F датчиков. Кроме того, путем ограничения количества возможных повторных передач между блоками 10A-F датчиков уменьшают отражение сигналов данных и возникновение перекрестных помех. Благодаря уменьшению отражения сигналов данных исключается возможность отправки одним блоком датчиков одних и тех же данных более одного раза одному и тому же соседнему блоку датчиков. Сеть «различает» элементы своего окружения по их уникальным идентификаторам, и, таким образом, передатчик может осуществлять целевую передачу данных, так что можно избежать ситуации, когда данные отправляются туда-обратно, поскольку соседний блок датчиков «знает», из какого блока датчиков получены данные и, следовательно, не будет отправлять эти данные обратно.

Предпочтительно каждый блок 10A-F датчиков выполнен с возможностью работы в двух разных режимах. Первый режим, относящийся к активации с целью приема данных, связанных, например, с положением или траекторией ствола скважины, цементом или характеристиками в стволе скважины, предпочтительно включает этап сбора данных (опционально включающих данные от дополнительных датчиков 15а, 15b, показанных на фиг. 5) и передачи данных по запросу. Во втором режиме блоки 10A-F датчиков обеспечивают повторную передачу принятых сигналов.

Расположение каждого блока датчиков 10A-F также может быть определено по времени, затраченному на прием-передачу, измеренному поверхностной системой 110. Таким образом, поверхностная система 110 может быть выполнена с возможностью эхо-тестирования конкретного блока 10A-F датчиков с использованием уникального идентификатора; при таком эхо-тестировании конкретный блок 10A-F датчиков отзывается путем передачи ответного сигнала с уникальной меткой. Поверхностная система 110 принимает переданный сигнал по прошествии упомянутого затраченного времени, и для определения конкретного расположения блока 10A-F датчиков можно использовать моделирование по методу Монте-Карло и/или моделирование по кратчайшему пути.

При использовании моделирования по методу Монте-Карло может быть создана имитационная модель расположения блока датчиков с равномерным вероятностным распределением. При таком способе можно предположить, что блоки 10A-F датчиков распределены по определенной длине ствола скважины или скважинной трубчатой металлической конструкции, и что в имитационной модели эти расположения являются известными в течение заданного времени. Имитационная модель также содержит модель ретрансляции с конкретными вычислительными задержками отдельных датчиков.

Для каждого распределения рассчитывают самое короткое время прохождения сигнала туда-обратно для каждого блока 10A-F датчиков. В результате получают картограмму времени прохождения в зависимости от расположения блоков 10A-F датчиков. Затем можно сравнить измеренное затраченное время с картограммой, чтобы определить расположение блока 10A-F датчиков.

При моделировании по кратчайшему пути, как только поверхностная система 110 начинает эхо-тестирование блока 10A-F датчиков, регистрируют время прохождения туда и обратно нескольких принятых сигналов, каждый из которых поступает с определенного пути ретрансляции. Затем путем вычисления расстояния от поверхностной системы 110 с использованием скорости света определяют самое короткое время для конкретного блока 10A-F датчиков.

Кроме того, можно использовать элементы 14 определения блоков 10A-F датчиков для определения расстояния между соседними блоками 10A-F датчиков, особенно если элементы 14 определения выполнены в виде преобразователей. Поскольку звуковой импульс, передаваемый элементом 14 определения, будет распространяться со скоростью звука, будет иметься больше времени для вычислений. Следовательно, элемент 14 определения используют не только для оценки сцепления цемента, но и для измерения расстояния. Модуль беспроводной связи может быть использован также для измерений расстояния, например, с использованием модели «smart mud» (интеллектуальный буровой раствор). Однако вся информация будет передаваться беспроводным образом с использованием радиочастоты. Например, блоки 10A-F датчиков могут быть запрограммированы для обеспечения передачи сигнала посредством приемопередатчика на соседние с ними блоки 10A-F датчиков, посредством чего сигнал содержит информацию о том, что звуковой импульс будет передаваться в течение заранее определенного времени, например, в течение 10 мс с момента передачи сигнала. Когда один из соседних блоков 10A-F датчиков обнаруживает переданный звуковой импульс, для каждого принимающего блока 10A-F датчиков может быть определено время, прошедшее с момента передачи до момента приема звукового импульса. Затем время прохождения звукового импульса преобразуют в расстояние между передающим блоком 10A-F датчиков и каждым принимающим блоком 10A-F датчиков. Другими примерами возможных реализаций оценки удаленности двух соседних блоков датчиков являются измерения затрат энергии и реверберации на основе поглощения.

В примере, показанном на фиг. 7, каждый блок 10A-F датчиков формирует узел в ячеистой сети 130. Каждый узел выполнен с возможностью приема и передачи сигналов данных, а также добавления идентификатора и метки времени к каждому пакету данных. Каждый узел будет отправлять сигнал, соответствующий текущему состоянию этого узла (то есть обнаруживаемые сигналы, воспроизводящие характеристики цемента), асинхронно по отношению к другим узлам. Обмен данными в ячеистой сети 130 дополнительно поясняется с помощью нижеприведенной таблицы. В этой таблице nХ - идентификатор узла, ТnХ - метка времени для конкретного узла, a sX - измеренные данные от конкретного узла.

Соответственно, данные передают через ячеистую сеть 130 до тех пор, пока все сигналы не будут приняты поверхностной системой 110.

Благодаря наличию устройства 11 автономного питания блоков 10 датчиков данные могут быть измерены и переданы на поверхность без необходимости использования дорогостоящих кабелей, а блоки 10 датчиков могут работать в течение гораздо более длительного периода времени по сравнению с вариантом, в котором используют аккумуляторы или другие встроенные источники питания.

Под текучей средой или скважинной текучей средой понимается любой тип текучей среды, которая может присутствовать в нефтяной или газовой скважине, например, природный газ, нефть, буровой раствор, сырая нефть, вода и так далее. Под газом понимается любой тип газовой смеси, присутствующей в скважине, законченной или не закрепленной обсадными трубами, а под нефтью понимается любой тип нефтяной смеси, например, сырая нефть, нефтесодержащая текучая среда и так далее. Таким образом, в состав газа, нефти и воды могут входить другие элементы или вещества, которые не являются газом, нефтью и/или водой, соответственно.

Под затрубным барьером подразумевается затрубный барьер, содержащий трубчатую металлическую часть, установленную в виде части скважинной трубчатой металлической конструкции, и разжимную металлическую муфту, окружающую трубчатую часть и соединенную с ней с образованием пространства затрубного барьера.

Под скважинной трубчатой металлической конструкцией, обсадной колонной или эксплуатационной обсадной колонной понимается любой тип трубы, трубчатого элемента, трубопровода, хвостовика, колонны труб и т.п., используемый в скважине в связи с добычей нефти или природного газа.

В том случае, когда невозможно полностью погрузить инструмент в обсадную колонну, для проталкивания инструмента до нужного положения в скважине может быть использован скважинный трактор. Скважинный трактор может иметь выдвижные рычаги, имеющие колеса, причем колеса входят в контакт с внутренней поверхностью скважинной трубчатой металлической конструкции для продвижения трактора и инструмента вперед в скважинной трубчатой металлической конструкции. Скважинный трактор представляет собой любой вид приводного инструмента, способного толкать или тянуть инструменты в скважине, например, Well Tractor®.

Хотя изобретение описано выше на примере предпочтительных вариантов его осуществления, специалисту в данной области техники очевидно, что возможны модификации данного изобретения, не выходящие за пределы объема правовой охраны изобретения, определенные прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к системе заканчивания скважины. Техническим результатом является обеспечение осуществлять мониторинг в скважине в течение более длительного промежутка времени. Предложенная система (100) заканчивания скважины, предназначенная для заканчивания скважины (2), имеющей ствол (3) скважины, содержит: скважинную трубчатую металлическую конструкцию (1), расположенную в стволе скважины с образованием затрубного пространства (4) и содержащую стенку (5) и множество блоков (10) датчиков, образующих ячеистую сеть (130). При этом каждый блок датчиков выполнен с возможностью приема и направления сигнала от множества блоков датчиков. Причем по меньшей мере некоторые из упомянутых блоков датчиков снабжены устройством (11) автономного питания, выполненным с возможностью извлечения энергии в скважине. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система (100) заканчивания скважины, предназначенная для заканчивания скважины (2), имеющей ствол (3) скважины, причем упомянутая система заканчивания скважины содержит:

- скважинную трубчатую металлическую конструкцию (1), расположенную в стволе скважины с образованием затрубного пространства (4) и содержащую:

- стенку (5), и

- множество блоков (10) датчиков, образующих ячеистую сеть (130), при этом каждый блок датчиков выполнен с возможностью приема и направления сигнала от множества блоков датчиков,

причем по меньшей мере некоторые из упомянутых блоков датчиков снабжены устройством (11) автономного питания, выполненным с возможностью извлечения энергии в скважине.

2. Система заканчивания скважины по п.1, в которой блоки датчиков расположены, по меньшей мере частично, в стенке скважинной трубчатой металлической конструкции.

3. Система заканчивания скважины по п.1 или 2, в которой блоки датчиков имеют дальность (D) передачи и приема и расположены на расстоянии друг от друга, равном половине дальности передачи и приема.

4. Система заканчивания скважины по любому из пп.1-3, в которой устройство автономного питания выполнено с возможностью преобразования кинетической энергии в электрическую энергию.

5. Система заканчивания скважины по п.4, в которой устройство автономного питания содержит вибрирующий элемент (1101) и/или пьезоэлектрический элемент (1102) и/или магнитострикционный элемент (1103).

6. Система заканчивания скважины по любому из пп.1-3, в которой устройство автономного питания содержит термоэлектрический генератор (1104).

7. Система заканчивания скважины по любому из пп.1-6, в которой устройство автономного питания дополнительно содержит по меньшей мере один конденсатор (1105).

8. Система заканчивания скважины по любому из пп.1-7, в которой каждый блок датчиков выполнен с возможностью приема от соседнего блока датчиков данных, передаваемых беспроводным образом, и направления принятых данных соседним блокам датчиков.

9. Система заканчивания скважины по любому из пп.1-8, дополнительно содержащая поверхностную систему (110), выполненную с возможностью приема скважинных данных от упомянутых блоков датчиков.

10. Система заканчивания скважины по п.9, в которой поверхностная система выполнена с возможностью определения положения по меньшей мере одного блока датчиков путем моделирования по методу Монте-Карло и/или моделирования по кратчайшему пути и/или акустического эхо-тестирования времени прохождения сигнала.

11. Система заканчивания скважины по любому из пп.1-10, в которой ячеистая сеть представляет собой самовосстанавливающуюся ячеистую сеть.

12. Система заканчивания скважины по любому из пп.1-11, в которой по меньшей мере один из упомянутых блоков датчиков содержит датчик для измерения одного или более состояний скважинной текучей среды, окружающей скважинную трубчатую металлическую конструкцию.

13. Система заканчивания скважины по любому из пп.1-12, в которой скважинная трубчатая металлическая конструкция дополнительно содержит затрубные барьеры (40), каждый из которых содержит:

- трубчатую металлическую часть (41), имеющую отверстие (42) для разжимания и установленную как часть скважинной трубчатой металлической конструкции; и

- разжимную металлическую муфту (43), окружающую трубчатую металлическую часть и соединенную с ней, причем упомянутая разжимная металлическая муфта выполнена с возможностью разжимания посредством текучей среды, поступающей через отверстие для разжимания.

14. Система заканчивания скважины по любому из пп.1-13, дополнительно содержащая автономный скважинный инструмент (50), выполненный с возможностью перемещения внутри скважинной трубчатой металлической конструкции, причем автономный скважинный инструмент содержит коммуникационный блок, выполненный с возможностью обмена данными с блоками датчиков для отправки информации на поверхность через сеть из блоков датчиков.

15. Блок (10) датчиков, предназначенный для использования в системе заканчивания скважины по любому из пп.1-14, причем упомянутый блок датчиков снабжен устройством (11) автономного питания, выполненным с возможностью извлечения энергии в скважине.