Способ бесконтактной телеметрии скважин в процессе бурения Российский патент 2025 года по МПК E21B47/13 

Настоящее изобретение относится к области геофизических измерений в стволе скважины, а именно к способам телеметрической передачи сигналов между наземным блоком управления и скважинным инструментом, размещенным в стволе скважины, проходящей через геологический пласт.

Телеметрические системы, используемые для анализа и управления работами в стволе скважины, позволяют более эффективно управлять бурильной системой и осуществлять сбор и передачу информации на наземную систему управления для анализа свойств пласта и других факторов, влияющих на бурение. Существуют различные подходы к передаче данных между скважинной и наземной аппаратурой.

Несмотря на развитие и усовершенствование телеметрических устройств, для работ в стволе скважины сохраняется необходимость в обеспечении дополнительной надежности и возможностей канала связи телеметрии. Как и любое скважинное устройство, телеметрические системы имеют свои слабые места и функциональные ограничения.

Так применение в качестве канала передачи информации каротажного кабеля с прямой связью невозможно в процессе бурения и на буровых трубах. Для этих целей используется каротажный кабель с «мокрым» концом, однако этот вариант отличается низкой надежностью.

Кроме того, известные линии связи телесистем порой бывает трудно проводить через скважинные устройства (например, бурильные ясы). Соединения, используемые в линиях связи, подвергаются неблагоприятным воздействиям скважинной среды, вибрациям, экстремальным давлениям и температурам.

Широкое применение в процессе бурения имеет гидравлический канал связи, но его возможности ограничены односторонней линией связи, низкой скоростью передачи (не более 100 Гц), специальными требованиями к буровому раствору и сложностью в эксплуатации. Аналогичные недостатки имеет также акустический канал связи.

Таким образом, сохраняется необходимость в наличии телеметрических систем, способных обеспечивать простоту и надежность работы и быть совместимыми с различными инструментами и компоновками низа бурильной колонны.

Известна телеметрическая система и способ телеметрии в стволе скважины (РФ, патент №2444622, Е21В 47/12, 2012), содержащая комбинированный канал связи, а именно - первую телеметрическую систему для связи бурильной колонны с наземной аппаратурой и вторую телеметрическую систему - выполненную в виде вставки (кабеля, специализированной трубы) с верхним и нижним соединителями на концах, стыкующуюся с телеметрической системой бурильной колонны и со скважинным устройством соответственно. Такая гибридная телеметрическая система обеспечивает успешный обход стабилизаторов, ясов, утяжелителей, расположенных в компоновке низа бурильной колонны, и проводит сигналы между соседними компонентами измерительного комплекса и наземной аппаратурой, что позволяет применять различные каналы передачи данных -по трубам, по гидравлическому каналу, а также с применением передатчика, который генерирует электрический, акустический или электромагнитный сигнал, который выражает измеренные параметры бурения.

Однако в процессе бурения в ряде ситуаций производится остановка скважины, когда сегменты труб и скважинные компоненты отсоединяются от наземной системы и не могут взаимодействовать с скважинными компонентами. Например, остановка скважины для подключения нового сегмента трубы и отключение/демонтаж скважинной колонны. Кроме того, известная гибридная телеметрическая система имеет усложненную конструкцию, увеличивая ее громоздкость, а также сложные электронные схемы наземной аппаратуры, обеспечивающей управление процессом измерений, прием и преобразование получаемых параметров, что соответственно усложняет методику обработки информации.

Известен способ бесконтактной телеметрии скважин и телеметрическая система для его реализации (РФ. патент №2574647, Е 47/12,2016), принятый за прототип, включающий операции передачи и считывания спектра информации между наземной системой регистрации и управления и комплексным скважинным прибором (модулем) посредством промежуточного приемо-передающего устройства, спускаемого на геофизическом кабеле и стыкующегося со скважинным модулем. Промежуточное приемо-передающее устройство оснащено малогабаритной антенной и преобразователем спектра сигналов, а комплексный скважинный модуль оснащен ответной малогабаритной антенной с преобразователем спектра сигналов, устанавливаемыми в корпусе скважинного модуля в области посадочного гнезда. Минимальное фиксированное расстояние между преобразователем спектра сигналов промежуточного приемо-передающего устройства и ответным преобразователем спектра сигналов скважинного модуля обеспечивают надежный бесконтактный обмен информацией между скважинным оборудованием и наземными системами регистрации и управления, поскольку последняя не зависит от влияния факторов окружающей среды.

К недостаткам известного способа относится низкая точность передачи информации. Передача информации осуществляется по каротажному кабелю от устья скважины и ограничивается параметрами самого кабеля - наводками помех по глубине, рассеиванием мощности передаваемого сигнала с увеличением глубины скважины, в результате чего на конечную передачу сигнала остаются доли процента.

Технической проблемой изобретения является разработка способа бесконтактной телеметрии скважин в процессе бурения с достижением следующего технического результата: повышение точности непрерывной бесконтактной телеметрии со скважинными инструментами, повышение дальности и скорости передачи информации о забойных параметрах в реальном времени в процессе бурения наклонных и горизонтальных скважин вне зависимости от глубины скважин.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе бесконтактной телеметрии скважин в процессе бурения, включающем операции передачи и считывания спектра информации между наземной системой регистрации и управления и скважинным модулем посредством бесконтактного устройства приема-передачи в виде антенны с электромагнитным преобразователем спектра сигналов, спускаемого на геофизическом кабеле и стыкующегося со скважинным модулем, оснащенным ответной антенной с ответным электромагнитным преобразователем спектра сигналов, согласно изобретению телеметрическую систему дополнительно оснащают устанавливаемым на трубах приемо-передающим переводником электромагнитного сигнала с блоком памяти и наземной антенной, устанавливаемой с заземлением на фиксированном расстоянии от буровой установки и связанной с наземной системой регистрации и управления. После прохождения вертикального ствола скважинным модулем к приемо-передающему переводнику электромагнитного сигнала с блоком памяти стыкуют геофизический кабель длиной, равной глубине вертикального ствола скважины, с установленным на его свободном конце бесконтактным устройством приема-передачи с электромагнитным преобразователем спектра сигналов, спускают последний в интервал целевого исследования ствола и стыкуют с посадочным гнездом скважинного модуля с ответным бесконтактным устройством приема-передачи с электромагнитным преобразователем спектра сигналов, а передачу и считывание спектра информации, поступающей по геофизическому кабелю от скважинного модуля, осуществляют через блок памяти и дополнительный приемо-передающий переводник электромагнитного сигнала по беспроводной линии связи между ним и наземной системой регистрации и управления посредством наземной антенны.

Предложенный способ бесконтактной телеметрии скважин имеет следующие преимущества по сравнению с известными системами телеметрии:

- оснащение скважинной телеметрической системы дополнительным приемо-передающим переводником электромагнитного сигнала с блоком памяти и наземной антенной, устанавливаемой с заземлением на фиксированном расстоянии от буровой установки и связанной с наземной системой регистрации и управления, позволяет значительно повысить скорость и точность принимаемой скважинной информации, так как обмен скважинной информацией с наземной системой регистрации и управления осуществляется в этом случае посредством дополнительного приемо-передающего переводника электромагнитного сигнала с большой скоростью по беспроводной линии связи (через толщу горной породы) посредством наземной антенны. Фиксированное расстояние от дополнительного приемо-передающего переводника электромагнитного сигнала с блоком памяти до наземной антенны, позволяет обрабатывать получаемую информацию от скважинного модуля с достаточным высоким уровнем мощности независимо от параметров скважинной среды в стволе скважины и ее глубины.

При этом сохраняются высокая точность бесконтактного обмена информацией между устройством приема-передачи с электромагнитным преобразователем спектра сигналов, спускаемым на кабеле и скважинным модулем с ответным устройством приема-передачи с электромагнитным преобразователем спектра сигналов, обусловленные отсутствием «мокрого контакта» и минимальным расстоянием между преобразователями спектра сигналов бесконтактного устройства и скважинного модуля

- оснащение дополнительного промежуточного приемо-передающего переводника электромагнитного сигнала блоком памяти обеспечивает возможность получать информацию от скважинного модуля и сохранять большую ее часть, считывать и дополнять и/или корректировать ее с информацией наземной системы регистрации и управления после извлечения блока памяти на поверхность.

В известных устройствах скорость передачи информации по электромагнитному каналу связи составляет до 10 бит/с, что недостаточно для систем LWD., поэтому наличие блока памяти на промежуточном приемо-передающем переводнике электромагнитного сигнала в данном случае позволяет большую часть информации, которую электромагнитный канал не способен передать по кабелю, записывать в блок памяти, что повышает достоверность и точность параметров предложенной бесконтактной телеметрии скважин в процессе бурения. При этом скорость последующего считывания данных из блока памяти на поверхности значительно увеличится, так как для проведения манипуляций по извлечению промежуточного приемо-передающего переводника электромагнитного сигнала с блоком памяти не нужно поднимать скважинный прибор, находящийся на забое.

- спуск на кабеле и стыковка бесконтактного устройства приема - передачи с электромагнитным преобразователем спектра сигналов со скважинным модулем непосредственно в области целевого интервала исследований, обеспечивает возможность непрерывной поддержки связи и контроля параметров между скважинным модулем и наземной системой регистрации и управления и проведение широкого спектра измерений независимо от технической остановки скважины (например, для подключения нового сегмента трубы, демонтажа скважинной колонны, добавления или замены инструментов для измерения во время бурения (MWD) или каротажа во время бурения (LWD и т.п.) поскольку скважинный модуль с гидравлическим каналом связи (первой телесистемы, как у аналога) уже на забое.

- применение предложенного способа бесконтактной телеметрии скважин в процессе бурения с использованием дополнительного приемо-передающего переводника электромагнитного сигнала со своим блоком памяти и наземной антенной в совокупности с спускаемым на геофизическом кабеле бесконтактным устройством приема - передачи без мокрого соединения с приемо-передающей системой скважинного модуля, увеличивает скорость и точность геофизических исследований на целевом интервале наклонной или горизонтальной скважины непрерывно в процессе бурения.

Предложенный способ бесконтактной телеметрии скважин в процессе бурения позволяет применять его в комплексе с телеметрией по трубам или гидравлическому каналу связи для проведения каротажа наклонных и горизонтальных скважин в процессе бурения.

Учитывая, что спускаемый кабель можно наращивать до любой длины, дальность действия предложенной бесконтактной телеметрии скважин в процессе бурения не ограничивается глубиной скважины.

На практике для реализации предложенного способа не требуется специальных материалов и оборудования.

На фигуре показана схема телеметрической системы для реализации способа бесконтактной телеметрии скважин в процессе бурения.

Телеметрическая система представляет собой буровой комплекс, содержащий наземную систему регистрации и управления 1, колонну бурильных труб 2 с телеметрической системой с гидравлическим каналом связи (на фигуре не показана), и комплексный скважинный модуль 3, размещенный в скважине на буровом инструменте или на трубах, устанавливаемое на конце бурильной трубы 2 промежуточное приемо-передающее устройство в виде электромагнитного преобразователя спектра сигналов 4 с блоком памяти 5 и наземной антенной 6, геофизический кабель 7 с электромагнитным преобразователем спектра сигналов 8 на конце.

Комплексный скважинный модуль 3 в верхней части оснащен посадочным гнездом 9 для стыковки с электромагнитным преобразователем спектра сигналов 8. Комплексный скважинный модуль 3 оснащен ответным электромагнитным преобразователем спектра сигналов 10, установленным в его корпусе в области посадочного гнезда 9.

На практике антенна 6 устанавливается с заземлением на фиксированном расстоянии от буровой установки и связана с наземной системой регистрации и управления 1. Электромагнитный преобразователь спектра сигналов 4, оснащенный блоком памяти 5 предварительно устанавливается на конце бурильной трубы 2.

В процессе бурения буровым комплексом со скважинным модулем 3 вертикального участка ствола скважины контроль отклонения ствола осуществляется с телесистемой с гидравлическим каналом связи,

После прохождения буровым комплексом вертикального участка ствола скважины, к электромагнитному преобразователю спектра сигналов 4, установленному на бурильной трубе 2, стыкуют геофизический кабель 7 длиной, равной величине вертикального участка ствола скважины, оснащенный на конце приемо-передающим устройством с электромагнитным преобразователем спектра сигналов 8, и спускают в область целевого интервала исследований. Преобразователь спектра сигналов 8 на конце кабеля 7 под весом собственной силы тяжести входит в посадочное гнездо 9 комплексного скважинного модуля 3 и фиксируется в нем. Далее продолжается бурение целевого интервала исследований скважины. По мере продвижения бурового инструмента с скважинным модулем 3 по стволу скважины геофизический кабель 7 наращивается со стороны электромагнитного преобразователя спектра сигналов 4 дополнительными отрезками. При этом сам электромагнитный преобразователь спектра сигналов 4 остается на фиксированном расстоянии от устья скважины и от наземной антенны 6.

В процессе работы телеметрической системы спектр сигналов, передаваемых и принимаемых скважинным модулем 3, переносится посредством бесконтактных электромагнитных преобразователей спектра сигналов 8 и 10 в спектр радиочастот (5-10 МГц), который по геофизическому кабелю 7 поступает на электромагнитный преобразователь спектра сигналов 4 и в его блок памяти 5. Записанные данные от электромагнитного преобразователя спектра сигналов 4 посредством электромагнитных волн (токов растекания) между изолированным участком колонны труб 2 и породой как разность потенциалов передаются на антенну 6, связанную с наземной системой регистрации и управления 1.

Электромагнитный преобразователь спектра сигналов 4 и антенна 6 образуют надежную бесконтактную электромагнитную связь между скважинным модулем 3 и наземной системой регистрации и управления 1, обеспечивая надежный и непрерывный обмен информацией между скважинным оборудованием и наземными системами непосредственно в процессе бурения, При этом часть данных, поступающих с большой скоростью с забоя, которые не могут быть переданы по электромагнитному каналу кабеля, записывается в блок памяти 5.

Таким образом, наличие дополнительного промежуточного приемопередающего переводника электромагнитного сигнала с блоком памяти, устанавливаемого на трубах, в комплексе с бесконтактным соединением геофизического кабеля со скважинным модулем, оснащенным ответным бесконтактным устройствами приема-передачи с электромагнитным преобразователем спектра сигналов, повышает оперативность

исследований, сокращает время простоя скважины, так как обеспечивает возможность передачи информации непосредственно в процессе работы комплексного скважинного прибора, размещаемого на буровом инструменте или на буровых трубах, без остановки скважины.

При этом предложенный способ бесконтактной телеметрии скважин в процессе бурения обеспечивает полный пакет данных каротажа в процессе бурения по электромагнитному каналу связи со скоростью выше скорости телеметрии на устье скважины.

Изобретение относится к области геофизических измерений в стволе скважины, в частности к системам телеметрии скважин между наземным блоком управления и скважинным оборудованием, размещенным в стволе скважины, проходящей через геологический пласт. Предложен способ бесконтактной телеметрии скважин, включающий операции передачи и считывания спектра информации между наземной системой регистрации и управления и комплексным скважинным прибором посредством бесконтактного приемо-передающего переводника электромагнитного сигнала с блоком памяти, устанавливаемого на бурильной трубе на фиксированном расстоянии от устья, и наземной антенны, установленной с заземлением на фиксированном расстоянии от буровой установки и связанной с наземной системой регистрации и управления. При этом приемо-передающий переводник электромагнитного сигнала с блоком памяти стыкуется посредством геофизического кабеля длиной, равной величине вертикального ствола скважины, со скважинным модулем. Причем свободный конец кабеля и стыкующийся с ним скважинный модуль оснащены ответными приемо-передающими электромагнитными устройствами с преобразователями спектра сигналов. Техническим результатом изобретения является обеспечение точного и надежного обмена информацией между скважинным оборудованием и наземными системами регистрации и управления без «мокрого» контакта геофизического кабеля со скважинным прибором. 1 ил.

Способ бесконтактной телеметрии скважин в процессе бурения, включающий операции передачи и считывания спектра информации между наземной системой регистрации и управления и скважинным модулем посредством бесконтактного приемо-передающего устройства в виде антенны с преобразователем спектра сигналов, спускаемого на геофизическом кабеле и стыкующегося со скважинным модулем, с ответным приемо-передающим устройством в виде антенны с электромагнитным преобразователем спектра сигналов, отличающийся тем, что при бурении вертикального участка ствола скважины передачу сигналов от скважинного модуля осуществляют по гидравлическому каналу связи, а после прохождения вертикального участка телеметрическую систему дополнительно оснащают устанавливаемым на трубах промежуточным приемо-передающим переводником электромагнитного сигнала в виде электромагнитного преобразователя с блоком памяти и наземной антенной, устанавливаемой с заземлением на фиксированном расстоянии от буровой установки и связанной с наземной системой регистрации и управления, при этом к приемо-передающему переводнику электромагнитного сигнала с блоком памяти стыкуют геофизический кабель длиной, равной глубине вертикального ствола скважины, с установленным на его свободном конце бесконтактным приемо-передающим устройством с электромагнитным преобразователем спектра сигналов, после чего спускают последний интервал целевого исследования ствола и стыкают с посадочным гнездом скважинного модуля с ответным приемо-передающим устройством с электромагнитным преобразователем спектра сигналов, причем передачу и считывание спектра информации, поступающей по геофизическому кабелю от скважинного модуля, осуществляют через блок памяти и электромагнитный преобразователь дополнительного приемо-передающего переводника электромагнитного сигнала по беспроводной линии связи между ним и наземной системой регистрации и управления посредством наземной антенны, при этом по мере продвижения бурового инструмента со скважинным модулем по стволу скважины геофизический кабель наращивают со стороны электромагнитного преобразователя с памятью промежуточного приемо-передающего переводника, который остается на фиксированном расстоянии от устья скважины и от наземной антенны.