RU2745858C1 - Method for monitoring well bottom parameters and device for carrying out said method - Google Patents
Method for monitoring well bottom parameters and device for carrying out said method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2745858C1 RU2745858C1 RU2020118263A RU2020118263A RU2745858C1 RU 2745858 C1 RU2745858 C1 RU 2745858C1 RU 2020118263 A RU2020118263 A RU 2020118263A RU 2020118263 A RU2020118263 A RU 2020118263A RU 2745858 C1 RU2745858 C1 RU 2745858C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- parameters
- communication line
- well
- transceiver
- sections
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 123
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims abstract description 33
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 31
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 31
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 27
- 238000005553 drilling Methods 0.000 abstract description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 235000002639 sodium chloride Nutrition 0.000 description 15
- 239000010442 halite Substances 0.000 description 12
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 12
- RHZUVFJBSILHOK-UHFFFAOYSA-N anthracen-1-ylmethanolate Chemical compound C1=CC=C2C=C3C(C[O-])=CC=CC3=CC2=C1 RHZUVFJBSILHOK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000003830 anthracite Substances 0.000 description 11
- 230000004044 response Effects 0.000 description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 4
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 3
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 3
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 229910001004 magnetic alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 241000566515 Nedra Species 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002224 dissection Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 210000002445 nipple Anatomy 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001020 rhythmical effect Effects 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/12—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling
- E21B47/13—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling by electromagnetic energy, e.g. radio frequency
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B17/00—Monitoring; Testing
- H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
- H04B17/391—Modelling the propagation channel
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Geology (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к области передачи скважинной забойной информации по электромагнитному каналу связи на поверхность. Может быть использовано для мониторинга процессов испытания и опробования потенциально продуктивных пластов, гидроразрыва пластов, совместно-раздельной эксплуатации многопластовых объектов.The invention relates to the oil and gas industry, in particular to the field of transmission of downhole bottomhole information via an electromagnetic communication channel to the surface. It can be used to monitor the processes of testing and sampling of potentially productive formations, hydraulic fracturing, joint-separate operation of multilayer objects.
Уровень техникиState of the art
Известно устройство для измерения забойных параметров в процессе совместно-раздельной эксплуатации многопластовых объектов с беспроводным (электромагнитным) каналом связи (полезная модель РФ №138333, приоритет 08.10.2013, опубл. 10.03.14 Бюл. №7), включающее скважинное передающее устройств с генератором и усилителем мощности электромагнитных колебаний, симметричные выводы которого подключены к первому и второму электродам, разделенных изолирующей вставкой, длину которой выбирают в зависимости от электропроводящих свойств пластов, пересекаемых скважиной. Первый и второй электроды совместно с изолирующей вставкой образуют передающий электрический диполь. Электромагнитные волны, излучаемые диполем, распространяясь через насосно-компрессорные трубы (НКТ), обсадную колонну и горные породы, достигают приемной антенной рамки, расположенной на земной поверхности.A device is known for measuring downhole parameters in the process of joint-separate operation of multi-layer objects with a wireless (electromagnetic) communication channel (RF utility model No. 138333, priority 08.10.2013, publ. 03/10/14 Bull. No. 7), including a downhole transmission device with a generator and an electromagnetic oscillation power amplifier, the symmetrical leads of which are connected to the first and second electrodes, separated by an insulating insert, the length of which is selected depending on the conductive properties of the formations crossed by the borehole. The first and second electrodes together with the insulating insert form a transmitting electric dipole. Electromagnetic waves emitted by the dipole, propagating through the tubing (tubing), casing and rocks, reach the receiving antenna frame located on the earth's surface.
Данное устройство работает на несущих частотах до 2,5 Гц при длине (разносе) изолирующей вставки до 9 м, дальности связи до 2000 м и минимальном уровне сигналов на входе приемника (порог помехозащищенности) не менее 5 мкВ (см. Шакиров А.А. «Геофизический контроль за режимом разработки продуктивных объектов при одновременно-раздельной эксплуатации пластов».// НТВ Каротажник. Тверь. 2007. Вып. 3(156), с. 61-58).This device operates at carrier frequencies up to 2.5 Hz with an insulating insert length (spacing) of up to 9 m, a communication range of up to 2000 m and a minimum signal level at the receiver input (noise immunity threshold) of at least 5 μV (see A.A. Shakirov. "Geophysical control over the mode of development of productive objects with simultaneous-separate exploitation of layers." // NTV Karotazhnik. Tver. 2007. Issue 3 (156), pp. 61-58).
Недостатками этого устройства являются низкая скорость передачи (до 2,5 бит/с) при наличии в разрезе скважины горных пород с пониженным удельным электрическим сопротивлением (УЭС), недостаточная дальность связи, что не позволяет работать в глубоких (более 2000 м) скважинах, а также отсутствие двусторонней связи забой-устье скважины.The disadvantages of this device are the low transmission rate (up to 2.5 bit / s) in the presence of rocks with a low specific electrical resistance (RES) in the section of the well, insufficient communication range, which does not allow working in deep (more than 2000 m) wells, and also the lack of two-way communication downhole-wellhead.
Известен кабельно-индуктивный канал связи (см. Аксельрод С.М. «Кабельно-индуктивный канал связи для каротажа и технологических измерений в процессе бурения». //НТВ. Каротажник. Тверь. 2011. Вып. 4, с. 107-110). Кабельно-индуктивный канал включает в себя колонну стыкующихся между собой буровых труб (или НКТ), в каждой из которых вдоль внутренней стенки проложен коаксиальный кабель, верхний и нижний концы которого соединены с катушками индуктивности, заключенными в магнитопроводы, размещенные в кольцевых канавках и сочленяющиеся при свинчивании торцов муфты и ниппеля труб, образуя между катушками индуктивную (трансформаторную) связь, по которой сигнал передается от одного участка буровой колонны к другому.Known cable-inductive communication channel (see Axelrod SM "Cable-inductive communication channel for logging and technological measurements while drilling." // NTV. Logger. Tver. 2011.
Канал связи включает в себя также забойный приемо-передатчик, систему ретрансляторов, устанавливаемых через 300-1000 м и наземное приемо-передающее оборудование, что обеспечивает двустороннюю связь.The communication channel also includes a downhole transceiver, a system of repeaters installed at a distance of 300-1000 m and ground transceiving equipment, which provides two-way communication.
Кабельно-индуктивный канал связи обладает высокой скоростью передачи информации и не зависит от УЭС пересеченных скважиной горных пород.The cable-inductive communication channel has a high speed of information transfer and does not depend on the electrical resistivity of the rocks crossed by the borehole.
Применение ретрансляторов для усиления передаваемых сигналов позволяет получить большую дальность связи.The use of repeaters to amplify the transmitted signals allows you to obtain a longer communication range.
Однако для реализации такого канала связи необходимо изменение конструкции буровых труб для размещения катушек индуктивности и подвода к ним коаксиальных кабелей, что значительно повышает трудоемкость и себестоимость его изготовления.However, to implement such a communication channel, it is necessary to change the design of the drill pipes to accommodate the inductance coils and supply coaxial cables to them, which significantly increases the labor intensity and cost of its manufacture.
Другим недостатком является низкая мобильность такого оборудования, т.е. проблемы транспортировки до тысячи и более десятиметровых конструктивно измененных буровых труб при больших расстояниях от одной скважины до другой в условиях бездорожья и сурового климата, например, при выполнении работ по испытанию, опробованию и гидроразрыву пластов в северных районах РФ.Another disadvantage is the low mobility of such equipment, i.e. problems of transportation of up to a thousand or more ten-meter structurally modified drill pipes at long distances from one well to another in off-road conditions and in a harsh climate, for example, when performing work on testing, sampling and hydraulic fracturing of formations in the northern regions of the Russian Federation.
Известен способ и система передачи информации посредством электромагнитных волн (патент РФ №220739, приоритет 22.10.1999 г., опубл. 20.06.2003 г.), принятые нами за прототип.The known method and system for transmitting information by means of electromagnetic waves (RF patent No. 220739, priority 22.10.1999, publ. 20.06.2003), taken by us as a prototype.
Способ передачи информации от скважины, пробуренной через пласты горных пород, обсаженной колонной металлических обсадных труб, включает установку в вышеуказанную скважину приемопередатчика информации, функционирующего при помощи направленных электромагнитных волн, создаваемых излучением электрических сигналов диполем электрически соединенным с обсадными металлическими трубами, определение затухания сигналов передачи в некоторых пластах горных пород, имеющих малое УЭС и электрическую изоляцию обсадных металлических труб, находящихся в местах вышеуказанных пластов УЭСA method for transmitting information from a well drilled through rock formations cased with a string of metal casing pipes includes installing an information transceiver in the above well, operating using directional electromagnetic waves generated by the emission of electrical signals by a dipole electrically connected to metal casing pipes, determining the attenuation of transmission signals in some rock formations with low resistivity and electrical insulation of casing metal pipes located in the places of the above resistivity layers
Также согласно этому способу, с помощью математической модели определяют минимальную длину обсадной трубы, подлежащей изоляции, учитывая минимальные характеристики электромагнитной передачи, а именно, расстояние передачи и/или скорость передачи информации.Also, according to this method, using a mathematical model, the minimum length of the casing to be isolated is determined, taking into account the minimum characteristics of the electromagnetic transmission, namely, the transmission distance and / or the information transmission rate.
Устройство (система) передачи информации от скважины, пробуренной через пласты горных пород и. обсаженной колонной обсадных металлических труб, содержит в вышеуказанной скважине приемопередатчик информации функционирующий при помощи направленных электромагнитных волн, создаваемых излучением электрических сигналов диполем электрически соединенным с обсадными металлическими трубами, служащими направляющими для излученных волн, причем как минимум некоторые обсадные металлические трубы, находящиеся в местах расположения пластов малого УЭС сопротивления, имеют средства электрической изоляции от вышеупомянутых пластов.A device (system) for transmitting information from a well drilled through rock layers, etc. cased casing of metal casing pipes, contains in the aforementioned borehole an information transceiver functioning by means of directional electromagnetic waves generated by the emission of electrical signals by a dipole electrically connected to metal casing pipes serving as guides for the radiated waves, and at least some metal casing pipes located in the locations of the layers low resistivity, have means of electrical isolation from the above-mentioned layers.
Согласно описанию этого способа диапазон используемых частот - от 1 до 10 Гц. Скорость передачи информации не превышает 10 бит/с, что является существенным недостатком. Кроме того, предложенное техническое решение не устраняет влияния пластов с высоким (более 1000 Омм) УЭС, сильно ослабляющего сигнал передачи, например, пласты каменной соли, так как стекание тока в такие пласты практически отсутствует и без их изоляции, (см. Чупров В.П., Шайхутдинов Р.А. и др. «Опыт эксплуатации телесистемы с комбинированным каналом связи» //НТВ Каротажник. Тверь. 2011. Вып. 5(203), с. 5-10). При этом значительно снижается и дальность связи.According to the description of this method, the frequency range used is from 1 to 10 Hz. The information transfer rate does not exceed 10 bit / s, which is a significant disadvantage. In addition, the proposed technical solution does not eliminate the influence of layers with high (more than 1000 Ohm) resistivity, which greatly attenuates the transmission signal, for example, rock salt layers, since there is practically no current flow into such layers even without their isolation (see V. P., Shaikhutdinov R.A. et al. "Experience of operating a telesystem with a combined communication channel" // NTV Karotazhnik. Tver. 2011. Issue 5 (203), pp. 5-10). At the same time, the communication range is also significantly reduced.
Настоящее изобретение направлено на решение выявленных проблем, связанных с передачей информации при мониторинге забойных параметров с помощью электромагнитной системы связи. При этом решаются задачи получения заданных, оптимальных для мониторинга, характеристик системы связи таких как скорость передачи данных, временная задержка сигналов, дальность связи и других, причем для конкретных геоэлектрического разреза и конструкции скважины.The present invention is aimed at solving the identified problems associated with the transmission of information when monitoring downhole parameters using an electromagnetic communication system. At the same time, the tasks of obtaining the specified, optimal for monitoring, characteristics of the communication system, such as data transmission rate, time delay of signals, communication range and others, are solved, and for a specific geoelectric section and well design.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Решение указанных проблем осуществляется тем, что в способе мониторинга скважинных забойных параметров в скважине, пробуренной в пластах горных пород и защищенной обсадными трубами, включающем установку в скважину приемопередатчика забойных параметров, размещенного на буровых трубах и функционирующего при помощи электромагнитных волн, создаваемых электрическим диполем, распространяющихся по линии связи, образованной обсадными и буровыми трубами, а также окружающими скважину горными породами, к наземным приемной антенне и приемопередатчику и использование математического моделирования, согласно изобретению для передачи по линии связи электромагнитных сигналов используют ретрансляторы с электрическими диполями, размещаемые на буровых трубах, задаются исходными данными, параметрами линии связи и требуемыми значениями характеристик системы связи при мониторинге, до установки приемопередатчика забойных параметров и ретрансляторов в скважину на основе информации о геометрических и электромагнитных характеристиках обсадных и буровых труб, электрических диполей, а также окружающих горных пород создают математическую модель системы связи и выполняют математическое моделирование линии связи, причем для всех ее участков: между приемопередатчиком забойных параметров и первым ретранслятором, между последующими ретрансляторами, между последним ретранслятором и наземной приемной антенной, в процессе математического моделирования определяют амплитудно-частотные характеристики каждого из участков линии связи, частотные полосы пропускания и значения несущих частот передачи сигналов, по этим данным рассчитывают текущие значения получаемых характеристик системы связи и сравнивают их с требуемыми, при расхождениях, превышающих заданные, изменяют параметры участков линии связи, оптимизируя их таким образом, чтобы текущие значения характеристик совпали с требуемыми значениями с заданной точностью, после чего производят установку в скважину приемопередатчика забойных параметров и ретрансляторов, создавая при этом линию связи, параметры участков которой совпадают с определенными на последнем шаге математического моделирования параметрами участков линии связи, задают для приемопередатчика забойных параметров и каждого из ретрансляторов значения несущих частот передачи сигналов и приступают к мониторингу скважинных забойных параметров.The solution to these problems is carried out by the fact that in the method of monitoring downhole bottomhole parameters in a well drilled in rock formations and protected by casing pipes, including the installation of a bottomhole parameter transceiver in the well, located on the drill pipes and functioning with the help of electromagnetic waves generated by an electric dipole, propagating through the communication line formed by the casing and drill pipes, as well as the rocks surrounding the well, to the ground receiving antenna and the transceiver and the use of mathematical modeling, according to the invention, repeaters with electric dipoles placed on the drill pipes are used to transmit electromagnetic signals through the communication line, are set by the initial data, parameters of the communication line and the required values of the characteristics of the communication system during monitoring, before installing the transceiver of downhole parameters and repeaters in the well based on information about geometric and electromagnets They create a mathematical model of the communication system and perform mathematical modeling of the communication line for all its sections: between the downhole parameter transceiver and the first repeater, between subsequent repeaters, between the last repeater and the ground receiving antenna, in the process of mathematical modeling, the amplitude-frequency characteristics of each of the sections of the communication line, the frequency bandwidth and the values of the carrier frequencies of signal transmission are determined, according to these data, the current values of the obtained characteristics of the communication system are calculated and compared with the required ones, with discrepancies exceeding the specified ones, change the parameters of the communication line sections, optimizing them so that the current values of the characteristics coincide with the required values with a given accuracy, after which the downhole parameters transceiver and relay are installed in the well while creating a communication line, the parameters of the sections of which coincide with the parameters of the communication line sections determined at the last step of mathematical modeling, set the values of the signal transmission carrier frequencies for the transceiver of the bottomhole parameters and each of the repeaters and start monitoring the downhole bottomhole parameters.
Согласно способу в качестве изменяемых параметров участков линии связи используют:According to the method, the following are used as variable parameters of the communication line sections:
1) длину одного или более электрических диполей;1) the length of one or more electric dipoles;
2) расстояния между соседними электрическими диполями;2) the distance between adjacent electric dipoles;
3) взаимное расположение электрических диполей относительно пластов горных пород, например, с аномально низким и/или аномально высоким УЭС, при этом длины электрических диполей для случая пластов с аномально низким УЭС выбирают, как минимум в 1,2 раза больше, чем толщина пласта.3) the relative position of electric dipoles relative to rock strata, for example, with abnormally low and / or abnormally high resistivity, while the lengths of electric dipoles for the case of strata with abnormally low resistivity are chosen at least 1.2 times greater than the thickness of the formation.
4) диаметр буровых труб, используемых, как минимум на одном из участков линии связи;4) the diameter of the drill pipes used in at least one of the sections of the communication line;
5) применение немагнитных буровых труб, как минимум на одном из участков линии связи.5) the use of non-magnetic drill pipes, at least in one of the sections of the communication line.
Устройство для мониторинга скважинных забойных параметров в скважине, пробуренной в пластах горных пород и защищенной обсадными трубами, включающее приемопередатчик забойных параметров, содержащий электрический диполь, размещенный на буровых трубах и функционирующий при помощи электромагнитных волн, создаваемых электрическим диполем, распространяющихся по линии связи, образованной обсадными и буровыми трубами, а также окружающими скважину горными породами, к наземному оборудованию, включающему приемную антенну и приемопередатчик, согласно изобретению для передачи сигналов по линии связи введены ретрансляторы, размещаемые на буровых трубах, каждый из которых включает в себя приемопередатчик, электрический диполь, дешифратор адреса и команд и управляемый формирователь несущих частот, помимо этого в приемопередатчик забойных параметров также введены дешифратор адреса и команд и управляемый формирователь несущих частот, а в состав наземного оборудования - формирователь команд.A device for monitoring downhole parameters in a well drilled in rock formations and protected by casing pipes, including a downhole parameters transceiver containing an electric dipole placed on the drill pipes and functioning with the help of electromagnetic waves generated by an electric dipole propagating along the communication line formed by the casing and drill pipes, as well as rocks surrounding the borehole, to ground equipment, including a receiving antenna and a transceiver, according to the invention, repeaters placed on drill pipes are introduced to transmit signals over a communication line, each of which includes a transceiver, an electric dipole, an address decoder and commands and a controlled shaper of carrier frequencies, in addition, a decoder of the address and commands and a controllable shaper of carrier frequencies are also introduced into the transceiver of downhole parameters, and a command shaper is included in the ground equipment.
Согласно изобретению электрические диполи приемопередатчика забойных параметров и ретрансляторов электрически не соединены с обсадными трубами и выполнены из буровых труб, предварительно покрытых снаружи слоем электроизоляционного материала, с возможностью изменения их длины за счет изменения количества используемых буровых труб с электроизоляционным покрытием, при этом длины электрических диполей для случая пластов с аномально низким УЭС превышают толщину пластов более, чем в 1,2 раза.According to the invention, the electric dipoles of the downhole parameters transceiver and repeaters are not electrically connected to the casing pipes and are made of drill pipes previously coated on the outside with a layer of electrically insulating material, with the possibility of changing their length by changing the number of used drill pipes with an electrically insulating coating, while the length of the electric dipoles for in the case of formations with abnormally low resistivity, the thickness of the formations is more than 1.2 times.
Согласно способу, устройство снабжено комплектом трубных переводников с разными присоединительными размерами и типами резьбы.According to the method, the device is equipped with a set of pipe subs with different connecting dimensions and types of threads.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Заявляемые изобретения поясняются "чертежами.The claimed inventions are illustrated by "drawings.
На фиг. 1 приведен пример графического изображения геоэлектрического разреза горных пород, окружающих пробуренную в них скважину. На ней изображены: 1 - кривая распределения удельных электрических сопротивлений (УЭС) по глубине скважины; 2, 3, 4, 5, 6, - условные обозначения горных пород; суглинка, глины, песка, каменной соли (галита), антрацита, соответственно.FIG. 1 shows an example of a graphical image of a geoelectric section of rocks surrounding a well drilled in them. It shows: 1 - the curve of the distribution of specific electrical resistances (RES) along the depth of the well; 2, 3, 4, 5, 6, - symbols of rocks; loam, clay, sand, rock salt (halite), anthracite, respectively.
На фиг. 2 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и частотные полосы пропускания сигналов участков линий связи с электрическими диполями разных длин. Здесь 7, 8 - АЧХ участков линий связи с электрическими диполями с длинами 5 и 100 метров, соответственно, ΔF1, ΔF2 - частотные полосы пропускания участков линий связи с электрическими диполями длиной 5 и 100 метров.FIG. 2 shows the amplitude-frequency characteristics (AFC) and frequency passbands of signals from sections of communication lines with electric dipoles of different lengths. Here, 7, 8 are the frequency response of the sections of communication lines with electric dipoles with lengths of 5 and 100 meters, respectively, ΔF 1 , ΔF 2 are the frequency bandwidths of the sections of communication lines with electric dipoles with a length of 5 and 100 meters.
На фиг. 3 приведены зависимости ширины полосы пропускания от длины участка линии связи. Шифр кривых - продольные УЭС горизонтально-слоистых сред, Омм.FIG. 3 shows the dependences of the bandwidth on the length of the section of the communication line. Curves code - longitudinal resistivity of horizontally layered media, Ohm.
На фиг. 4А представлены варианты (№1 - №3) взаимного расположения электрических диполей и пласта галита. На ней изображены: 9 - пласт галита; 10, 11 - приемный и передающий электрический диполи.FIG. 4A shows options (No. 1 - No. 3) of the mutual arrangement of electric dipoles and a layer of halite. It shows: 9 - halite layer; 10, 11 - receiving and transmitting electric dipoles.
На фиг. 4Б приведены зависимости изменения сигнала в приемном электрическом диполе 10 от варианта взаимного расположения электрических диполей 10, 11 относительно пласта 9. Шифр кривых: значения несущих частот сигналов, Гц.FIG. 4B shows the dependences of the change in the signal in the receiving
На фиг. 5 представлены АЧХ участков линии связи без и с пластом галита и частотные полосы пропускания сигналов.FIG. 5 shows the frequency response of the communication line sections without and with the halite layer and the frequency bandwidth of the signals.
На ней изображены: 13 - АЧХ участка линии связи в горизонтально-слоистой среде без пласта галита; 14 - АЧХ этого участка линии связи с пластом галита при первом варианте расположения электрических диполей относительно пласта; 15 - АЧХ при втором варианте расположения электрических диполей относительно пласта; ΔF3, ΔF4, ΔF5 - ширина полос пропускания АЧХ 13, 14, 15, соответственно, в Гц.It shows: 13 - AFC of a communication line section in a horizontally layered medium without a layer of halite; 14 - AFC of this section of the communication line with the halite formation in the first variant of the arrangement of electric dipoles relative to the formation; 15 - frequency response in the second variant of the arrangement of electric dipoles relative to the formation; ΔF 3 , ΔF 4 , ΔF 5 is the bandwidth of the
На фиг. 6А представлены варианты (№1 - №5) взаимного расположения электрических диполей 10, 11 и пласта 12 антрацита.FIG. 6A shows options (No. 1 - No. 5) of the relative position of
На фиг. 6Б приведены зависимости изменения сигнала в приемном электрическом диполе 10 от варианта взаимного расположения электрических диполей 10, 11 относительно пласта 12. Шифр кривых: значения несущих частот, Гц.FIG. 6B shows the dependences of the change in the signal in the receiving
На фиг. 7 приведены АЧХ участков линии связи с пластом антрацита и частотные полосы пропускания сигналов.FIG. 7 shows the frequency response of the sections of the communication line with the anthracite layer and the frequency bandwidths of the signals.
На ней изображены: 16 - АЧХ участка линии связи в горизонтально-слоистой среде с пластом антрацита при втором варианте расположения электрических диполей относительно пласта, а 17 - АЧХ при третьем варианте расположения; ΔF6, ΔF7 - ширина полос пропускания АЧХ 16 и 17 соответственно, Гц.It shows: 16 - AFC of the communication line section in a horizontally layered medium with an anthracite layer in the second variant of the arrangement of electric dipoles relative to the formation, and 17 - AFC in the third variant of the arrangement; ΔF 6 , ΔF 7 - bandwidth of
На фиг. 8 представлены зависимости скорости передачи информации от продольного УЭС горизонтально-слоистой среды. Шифр кривых: расстояние между передающим и приемным электрическими диполями в метрах.FIG. 8 shows the dependences of the information transfer rate on the longitudinal resistivity of a horizontally layered medium. Curve code: distance between transmitting and receiving electric dipoles in meters.
На фиг. 9 представлена функциональная схема устройства для мониторинга скважинных забойных параметров.FIG. 9 shows a functional diagram of a device for monitoring downhole parameters.
На фиг. 10 представлена функциональная схема ретранслятора.FIG. 10 is a functional diagram of the repeater.
На фиг. 11 приведен пример осуществления изобретения.FIG. 11 shows an example of embodiment of the invention.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.The proposed method is implemented as follows.
Перед началом работ задаются исходными данными, такими как глубина скважины, определяющая необходимую дальность связи, геоэлектрический разрез скважины, мощности сигнала и помехи, объем передаваемой информации о забойных параметрах, допустимое число ретрансляторов и другими, параметрами линии связи, а также требуемыми значениями информационных характеристик системы связи: пропускной способностью, скоростью передачи данных, временными задержками сигналов и прочими.Before starting work, initial data are set, such as the depth of the well, which determines the required communication range, the geoelectric section of the well, the signal strength and interference, the amount of information transmitted about the downhole parameters, the permissible number of repeaters and others, the parameters of the communication line, as well as the required values of the information characteristics of the system. communication: bandwidth, data transfer rate, time delays of signals and others.
До установки оборудования в скважине выполняют сбор информации о геометрических размерах используемых обсадных и буровых труб: внешних и внутренних диаметрах, длине, а также об электрических и магнитных характеристиках металлов, из которых они изготовлены., а именно: удельном электрическом сопротивлении (УЭС) и магнитной проницаемости. После чего расчетом или экспериментально определяют омическое сопротивление и индуктивность отдельной обсадной и буровой трубы, а также их частотные зависимости в диапазоне рабочих частот передаваемых сигналов.Before the equipment is installed in the well, information is collected on the geometric dimensions of the used casing and drill pipes: external and internal diameters, length, as well as on the electrical and magnetic characteristics of the metals from which they are made, namely: electrical resistivity (resistivity) and magnetic permeability. After that, by calculation or experimentally, the ohmic resistance and inductance of a separate casing and drill pipe, as well as their frequency dependences in the range of operating frequencies of the transmitted signals, are determined.
Получают также информацию о типе жидкости, заполняющей скважину и ее электропроводности. Для получения информации об электрических характеристиках, пересеченных скважиной горных пород, используют данные геофизических электрических исследований, выполненных при бурении скважин, таких как боковое каротажное зондирование, боковой, индукционный, электромагнитный каротажи. На основе этих данных составляют геоэлектрический разрез скважины, пример которого приведен на фиг. 1, представляющий собой расчленение разреза по геологическим видам горных пород (литологическая колонка) и распределение усредненного УЭС (кривая 1) этих пород по глубине скважины.Information is also obtained about the type of fluid filling the well and its electrical conductivity. To obtain information about the electrical characteristics of the rocks crossed by the borehole, the data of geophysical electrical studies performed while drilling wells, such as lateral logging, lateral, induction, electromagnetic logging, are used. Based on these data, a geoelectric section of the well is compiled, an example of which is shown in Fig. 1, which is a dissection of the section by geological types of rocks (lithological column) and the distribution of the averaged resistivity (curve 1) of these rocks along the depth of the well.
Детальность расчленения по глубине выбирают не более длины одной буровой трубы, то есть УЭС пластов толщиной менее 10 метров усредняются на этом интервале.The detail of the subdivision in depth is chosen no more than the length of one drill pipe, that is, the resistivity of layers less than 10 meters thick are averaged over this interval.
Очень часто разрез представляет собой ритмичное чередование пластов с заметно различающимися УЭС, называемый горизонтально-слоистой средой. На фиг. 1 такая среда в виде чередующихся пластов глин 3 и песков 4 располагается в интервалах глубин 50-300 и 400-550 метров. Характеристиками горизонтально-слоистой среды являются поперечное УЭС:Very often, the section is a rhythmic alternation of layers with noticeably different resistivities, called a horizontally layered medium. FIG. 1, such a medium in the form of alternating layers of
и продольное УЭС:and longitudinal resistivity:
где hi - толщина i-го пластаwhere h i is the thickness of the i-th layer
ρi - УЭС i-го пласта;ρ i - resistivity of the i-th layer;
m - число пластов в комплексе слоев.m is the number of layers in a complex of layers.
Исследования показали, что распространение сигналов, создаваемых электрическим диполем в горизонтально-слоистой среде, определяется, главным образом, ее продольным удельным сопротивлением. Поэтому при математическом моделировании горизонтально-слоистой среды используют именно эту характеристику.Studies have shown that the propagation of signals generated by an electric dipole in a horizontally layered medium is mainly determined by its longitudinal resistivity. Therefore, in mathematical modeling of a horizontally layered medium, this characteristic is used.
В геоэлектрических разрезах (см. фиг. 1) часто встречаются пласты с аномально низким и аномально высоким УЭС, такие как пласты антрацита 6 с УЭС 0,1 Омм и каменной соли (галита) 5 с УЭС 1000 Омм, сильно ослабляющие сигналы электромагнитных систем связи, поэтому их наличие, глубина залегания, УЭС определяют в первую очередь.In geoelectric sections (see Fig. 1), there are often layers with abnormally low and abnormally high resistivity, such as layers of
После сбора необходимой информации создают математическую модель системы связи, образованной обсадными и буровыми трубами, с размещенными на них электрическими диполями, а также окружающими скважину горными породами. Математическая модель строится на основе эквивалентной схемы замещения каждого звена линии связи длиною в одну буровую трубу его электрическим эквивалентом в виде омических сопротивлений и индуктивностей обсадной и буровой труб, проводимости между ними, а также сопротивления заземления обсадной трубы, связанного с УЭС окружающих горных пород. Таким образом, создается цепная схема из шестиполюсников с числом звеньев, равным числу буровых труб в линии связи, расчет которой выполняется с помощью известных компьютерных программ, например, Microcup.After collecting the necessary information, a mathematical model of a communication system formed by casing and drill pipes, with electric dipoles placed on them, as well as rocks surrounding the well, is created. The mathematical model is built on the basis of the equivalent circuit of replacing each link of a communication line with a length of one drill pipe by its electrical equivalent in the form of ohmic resistances and inductances of the casing and drill pipes, conductivity between them, as well as the grounding resistance of the casing associated with the resistivity of the surrounding rocks. Thus, a chain diagram of six-port networks is created with the number of links equal to the number of drill pipes in the communication line, the calculation of which is performed using known computer programs, for example, Microcup.
Математическое моделирование выполняют для всех участков линии связи: между приемопередатчиком забойных параметров и первым от него ретранслятором, между последующими ретрансляторами, между последним ретранслятором и наземной приемной антенной.Mathematical modeling is performed for all sections of the communication line: between the downhole parameter transceiver and the first repeater from it, between subsequent repeaters, between the last repeater and the ground receiving antenna.
В процессе математического моделирования определяют АЧХ участков линий связи, представляющие собой зависимость уровня сигнала от его частоты. По этим зависимостям находится ширина полосы пропускания линии связи, как область частот от нулевой до частоты, при которой уровень сигнала уменьшается на 3 дБ (в 0,707 раз) относительно максимального, как это показано на фиг. 2, где полосы пропускания ΔF1, ΔF2 соответствуют АЧХ 7 и 8 участков линии связи.In the process of mathematical modeling, the frequency response of the sections of the communication lines is determined, which is the dependence of the signal level on its frequency. From these dependencies, the bandwidth of the communication line is found as the frequency range from zero to the frequency at which the signal level decreases by 3 dB (0.707 times) relative to the maximum, as shown in Fig. 2, where the bandwidths ΔF 1 , ΔF 2 correspond to the
Зная ширину полос пропускания, определяют также информационные характеристики систем связи, таких как максимальная скорость передачи N и пропускная способность С. Для цифровых систем связи:Knowing the bandwidth, they also determine the information characteristics of communication systems, such as the maximum transmission rate N and the bandwidth C. For digital communication systems:
N ≈ ΔFN ≈ ΔF
где Рс, Рп - мощности сигнала и помехи.where P s , P p - signal power and interference.
(Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники. Том 2. Под редакцией Б.Х. Кривицкого. М. «Энергия» 1977. С. 91, 92, 100).(Handbook on the theoretical foundations of radio electronics.
При использовании ретрансляторов, согласно изобретению, передача и прием сигналов не может происходить одновременно. Требуется, чтобы каждый ретранслятор прекратил передачу до получения данных, а также прекратил прием во время передачи данных из-за помех между передаваемыми и принимаемыми сигналами. В связи с этим как скорость передачи, так и пропускная способность уменьшаются примерно вдвое:When using repeaters according to the invention, the transmission and reception of signals cannot occur simultaneously. It is required that each repeater stop transmitting before receiving data, and also stop receiving during data transmission due to interference between transmitted and received signals. In this regard, both the transmission speed and the throughput are approximately halved:
Установлено, что при использовании для передачи сигналов с помощью фазоразностной манипуляции, как это имеет место в настоящем изобретении, ширина спектра фазоманипулированного сигнала с достаточной для практики точности равны удвоенному значению его несущей частоты Fн. Поэтому для размещения спектра сигнала в полосе пропускания линии связи необходимо выполнение условия:It was found that when used for signal transmission using phase-difference keying, as is the case in the present invention, the width of the spectrum of the phase-shift keyed signal with sufficient accuracy for practice is equal to twice the value of its carrier frequency F n . Therefore, to place the spectrum of the signal in the bandwidth of the communication line, the following condition must be met:
ΔF=2Fн, откуда определяют значение несущей частоты:ΔF = 2F n , from where the value of the carrier frequency is determined:
По полученным результатам рассчитывают текущие значения информационных характеристик системы связи, соответствующие совокупности исходных данных и сравнивают их с требуемыми. В случае расхождений, превышающих заданные, изменяют параметры участков линии связи таким образом, чтобы текущие значения характеристик совпали с требуемыми значениями с заданной точностью.Based on the results obtained, the current values of the information characteristics of the communication system are calculated, corresponding to the set of initial data and compared with the required ones. In case of discrepancies exceeding the specified ones, the parameters of the communication line sections are changed so that the current values of the characteristics coincide with the required values with a specified accuracy.
На фиг. 2 приведен вариант изменения параметров участка линии связи путем изменения длины электрических диполей, питаемых током 10 А, при моделировании в горизонтально-слоистой среде с продольным УЭС, равным 3 Омм, расстоянием между диполями 2000 метров. Полоса пропускания ΔF1 при длине диполей 5 метров составляет 4,8 Гц, а скорость передачи 2,4 бит/с (бит в секунду). При длине диполей 100 метров полоса пропускания ΔF2 равна 29 Гц, скорость передачи N равна 14,5 бит/с. Таким образом, изменение параметра (длины диполей) увеличивает скорость передачи данных в 6 раз. Далее рассматриваются электрические диполи длиной 100 метров, питаемые током 10 А.FIG. 2 shows a variant of changing the parameters of a communication line section by changing the length of electric dipoles fed by a current of 10 A, when simulating in a horizontally layered medium with a longitudinal resistivity equal to 3 Ohm, a distance between the dipoles of 2000 meters. The bandwidth ΔF 1 with a dipole length of 5 meters is 4.8 Hz and the transmission rate is 2.4 bit / s (bits per second). With a dipole length of 100 meters, the bandwidth ΔF 2 is 29 Hz, the transmission rate N is 14.5 bit / s. Thus, changing the parameter (dipole length) increases the data transfer rate by 6 times. Next, we consider
На фиг. 3 представлен другой вариант изменения параметров участка линии связи путем изменения расстояния между соседними электрическими диполями при моделировании в горизонтально-слоистой среде. В этом случае изменение расстояния с 2000 до 500 метров приводит к 18-кратному увеличению ширины полосы пропускания участка линии связи и такому же росту скорости передачи.FIG. 3 shows another variant of changing the parameters of a section of a communication line by changing the distance between adjacent electric dipoles when simulating in a horizontally layered medium. In this case, changing the distance from 2000 to 500 meters leads to an 18-fold increase in the bandwidth of the communication line section and the same increase in the transmission speed.
Изменение параметров участков линии связи, включающих пласты горных пород с аномальными значениями УЭС, может осуществляться путем изменения взаимного расположения электрических диполей относительно таких пластов. Так на фиг. 4А представлен пласт галита толщиной 200 метров с УЭС равным 1000 Омм, находящийся в горизонтально-слоистой среде с продольным УЭС равным 3 Омм, расстояние между приемным 10 и передающим 11 электрическими диполями равно 1000 метрам. Рассматриваются три варианта взаимного расположения диполей относительно пласта (№1, №2, №3). На фиг. 4Б приведены зависимости изменения величины сигнала в приемном диполе относительно ситуации без пласта галита для этих вариантов.Changing the parameters of the communication line sections, including rock formations with anomalous resistivity values, can be carried out by changing the relative position of electric dipoles relative to such formations. Thus, in FIG. 4A shows a layer of
Наибольшее уменьшение сигнала в приемном диполе 10 соответствует первому варианту расположения, когда передающий диполь 11 находится внутри пласта с высоким УЭС, причем ослабление сигнала увеличивается с ростом несущей частоты и достигает 40 дБ (100 раз) на частоте 512 Гц. Во втором варианте взаимного расположения, когда пласт галита находится между приемным 10 и передающим 11 диполями, сигнал, наоборот, увеличивается на 12 дБ (4 раза) при частоте 32 Гц и на 5 дБ (1,8 раз) на частотах 256, 512 Гц.The largest decrease in the signal in the receiving
В третьем варианте, когда приемный диполь 10 находится в пласте галита, сигнал также возрастает, однако значительно ниже, чем при втором варианте. Таким образом, наиболее благоприятным для получения нужного уровня сигнала является второй вариант взаимного расположения электрических диполей относительно пласта галита. Как следует из фиг. 5, ширина полос пропускания участка линии связи для ситуации без пласта (АЧХ 13), для первого варианта расположения (АЧХ 14) и второго варианта (АЧХ 15) составляют: 68, 6,8 и 100 Гц, соответственно, а скорости передачи - 34, 3,4 и 50 бит/с. Таким образом, второй вариант расположения обеспечивает и более высокую скорость передачи информации.In the third variant, when the receiving
Другой случай, это - наличие в геоэлектрическом разрезе пластов горных пород с аномально низким УЭС, например, пластов антрацита.Another case is the presence in the geoelectric section of rock strata with abnormally low resistivity, for example, anthracite strata.
На фиг. 6А представлен пласт 12 антрацита толщиной 30 метров с УЭС равным 0,1 Омм, находящийся в горизонтально-слоистой среде с продольным УЭС, равным 3 Омм. Расстояние между приемным 10 и передающим 11 электрическими диполями равно 1000 метрам. Рассматриваются пять вариантов взаимного расположения диполей относительно пласта (№1, №2, №3, №4, №5).FIG. 6A shows a
На фиг. 6Б приведены зависимости изменения величины сигнала в приемном диполе относительно ситуации без пласта антрацита для этих вариантов. Как следует из фиг. 6Б, наибольшее уменьшение уровня сигнала в приемном диполе 10 соответствует третьему варианту взаимного расположения, когда пласт 12 антрацита находится между приемным 10 и передающим 11 диполями. Сигнал, в зависимости от частоты, ослабляется от 15 дБ (5,6 раз) до 28 дБ (25 раз).FIG. 6B shows the dependences of the change in the signal value in the receiving dipole relative to the situation without an anthracite layer for these options. As shown in FIG. 6B, the greatest decrease in the signal level in the receiving
Наиболее благоприятным является второй вариант взаимного расположения, когда пласт 12 антрацита находится внутри интервала расположения передающего диполя 11, в этом случае сигнал возрастает на 4 дБ (1,6 раз) при несущей частоте 32 Гц и ослабляется на 1 дБ (1,12 раз) при несущей частоте 512 Гц. Приемлем также пятый вариант, когда пласт 12 антрацита находится в интервале расположения приемного диполя 10. В этом случае ослабление сигналов составляет от 0 до 1 дБ для частот от 32 до 512 Гц.The most favorable is the second variant of the mutual arrangement, when the
На фиг. 7 демонстрируются полосы пропускания линий связи для второго варианта взаимного расположения - АЧХ 16 и третьего - АЧХ 17, ширина которых ΔF6 равна 56 Гц и ΔF7 равна 8,4 Гц, и соответствующие скорости передачи информации равен 28 и 4,2 бит/с. Таким образом, выбором оптимального взаимного расположения электрических диполей относительно пласта с аномально низким УЭС, обеспечивается почти семикратный рост скорости передачи информации.FIG. 7 demonstrates the bandwidth of communication lines for the second variant of the relative position -
При этом длины как приемного, так и передающего электрических диполей выбирают как минимум в 1,2 раза больше, чем толщина пласта с низким УЭС.In this case, the lengths of both the receiving and the transmitting electric dipoles are chosen at least 1.2 times greater than the thickness of the formation with low resistivity.
Другими возможностями изменения параметров участков линии связи являются изменение диаметра используемых буровых труб и применение немагнитных сплавных труб на этих участках.Other possibilities for changing the parameters of the communication line sections are changing the diameter of the used drill pipes and the use of non-magnetic floating pipes in these areas.
Известно (Молчанов А.А. «Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин», М. «Недра» 1983, с. 32-33), что коэффициент затухания сигнала в колонне буровых труб с достаточной точностью выражается зависимостью:It is known (A. A. Molchanov “Measurement of geophysical and technological parameters during well drilling”, M. “Nedra” 1983, pp. 32-33) that the signal attenuation coefficient in the drill pipe string is expressed with sufficient accuracy by the following relationship:
где D - диаметр буровых труб, м;where D is the diameter of drill pipes, m;
ƒ - частота сигнала, Гц;ƒ - signal frequency, Hz;
ρ - УЭС среды, Оммρ - resistivity of the medium, Ohmm
k - коэффициент, равный 5,2 для стальных труб и 0,26 - для немагнитных сплавных труб,k - coefficient equal to 5.2 for steel pipes and 0.26 - for non-magnetic alloy pipes,
а ослабление сигнала: and signal attenuation:
где - Uo, Uc - напряжение сигналов на входе и выходе участка линии связи;where - U o , U c - the voltage of the signals at the input and output of the section of the communication line;
L - длина участка линии связи, м.L is the length of the communication line section, m.
Так при частоте равной 10 Гц и УЭС равном 3 Омм для стальной трубы диаметром 73 и длине участка линии связи, равной 1000 метров ослабление сигнала составляет 12120 раз, при изменении диаметра буровых труб до 127 мм для тех же условий ослабление снижается до 1837 раз. Благодаря этому величина сигнала на конце участка линии связи увеличивается в 6,6 раз.So, at a frequency of 10 Hz and a resistivity of 3 Ohm for a steel pipe with a diameter of 73 and a length of a communication line section equal to 1000 meters, the signal attenuation is 12120 times, when the diameter of the drill pipes is changed to 127 mm for the same conditions, the attenuation decreases to 1837 times. Due to this, the magnitude of the signal at the end of the section of the communication line increases by 6.6 times.
При применении немагнитных сплавных труб диаметром 127 мм и тех же прочих условиях ослабление сигнала составит 51 раз, что увеличивает уровень сигнала в 36 раз в сравнении с вариантом использования стальных труб такого же диаметра.When using non-magnetic alloy pipes with a diameter of 127 mm and the same other conditions, the signal attenuation will be 51 times, which increases the signal level 36 times in comparison with the option of using steel pipes of the same diameter.
Таким образом, такие изменения уменьшают затухание сигналов в линии связи, что расширяет полосу пропускания и, соответственно, увеличивает пропускную способность и скорость передачи данных в системе связи.Thus, such changes reduce the attenuation of signals in the communication line, which expands the bandwidth and, accordingly, increases the throughput and data transmission rate in the communication system.
На фиг. 8 представлены, полученные в результате математического моделирования, зависимости скорости передачи информации от продольного УЭС для различных расстояний между передающим и приемным электрическим диполями. Зависимости служат для определения такой информационной характеристики системы связи, как скорость передачи данных, на участках линии связи с горизонтально-слоистой средой.FIG. 8, obtained as a result of mathematical modeling, the dependences of the information transfer rate on the longitudinal resistivity for various distances between the transmitting and receiving electric dipoles are presented. The dependencies are used to determine such an information characteristic of the communication system, as the data transmission rate, in the sections of the communication line with a horizontally layered medium.
После получения в результате математического моделирования характеристик системы связи, совпадающих с требуемыми с заданной точностью, устанавливают в скважину приемопередатчик забойных параметров и ретрансляторы, размещенные на буровых трубах, создавая при этом линию связи, параметры участков которой совпадают с полученными на последнем шаге математического моделирования, такими как длина электрических диполей и расстояния между ними, взаимное расположение электрических диполей относительно пластов горных пород с аномально низким и/или аномально высоким УЭС, диаметры и тип буровых труб, используемых на участках линии связи.After obtaining, as a result of mathematical modeling, the characteristics of the communication system that coincide with the required ones with a given accuracy, a downhole parameter transceiver and repeaters placed on drill pipes are installed in the well, thereby creating a communication line, the parameters of the sections of which coincide with those obtained at the last step of mathematical modeling, such such as the length of electric dipoles and the distance between them, the relative position of electric dipoles relative to rock strata with abnormally low and / or abnormally high resistivity, diameters and type of drill pipes used in sections of the communication line.
После этого задают для приемопередатчика забойных параметров и каждого из ретрансляторов оптимальные значения несущих частот передачи сигналов, определенные на последнем шаге математического моделирования, и приступают к мониторингу забойных параметров.After that, the optimal values of the carrier frequencies of signal transmission, determined at the last step of mathematical modeling, are set for the transceiver of the bottomhole parameters and each of the repeaters, and the monitoring of the bottomhole parameters is started.
Реализация способа осуществляется устройством, функциональная схема которого представлена на фиг. 9.The implementation of the method is carried out by a device whose functional diagram is shown in Fig. nine.
Устройство размещено в скважине, пробуренной в пластах 18 горных пород (геоэлектрический разрез) и защищенной обсадными трубами 19. Устройство включает приемопередатчик 21 забойных параметров, содержащий электрический диполь 23, размещенный на буровых трубах 20, а также несколько ретрансляторов 22, также размещенных на буровых трубах, причем каждый из них содержит приемопередатчик и электрический диполь, а также дешифратор адреса и команд и управляемый формирователь несущих частот. Кроме того, приемопередатчик забойных параметров также содержит дешифратор адреса и команд и управляемый формирователь несущих частот. Устройство функционирует при помощи электромагнитных волн, создаваемых электрическими диполями, и распространяющимися по линии связи, образованной обсадными и буровыми трубами с ретрансляторами, а также окружающими скважину горными породами, к наземному оборудованию 25, включающему приемную антенну 26, приемопередатчик 27 и формирователь 28 команд.The device is placed in a well drilled in rock formations 18 (geoelectric section) and protected by casing
На фиг 10 представлена функциональная схема ретранслятора. Каждый ретранслятор содержит электрический диполь 23, приемопередатчик 29, дешифратор 30 адреса и команд и управляемый формирователь 31 несущих частот. Входы - выходы электрического диполя 23 подключены к первым входам - выходам приемопередатчика 29, а его выход соединен с входом дешифратора адреса и команд, выход которого переключен ко входу управляемого формирователя несущих частот, а его выход соединен с входом приемопередатчика.Figure 10 shows a functional diagram of the repeater. Each repeater contains an
Приемопередатчик забойных параметров построен по такой же функциональной схеме.Downhole parameters transceiver is built according to the same functional diagram.
Электрические диполи 23 электрически не соединены с обсадными трубами 19 и выполнены из буровых труб, предварительно покрытых снаружи слоем 24 электроизоляционного материала с возможностью изменения их длины за счет изменения количества используемых буровых труб с электроизоляционным покрытием, при этом длина диполей для случая пластов с аномально низким УЭС превышают толщину пластов более, чем в 1,2 раза
Разделение полюсов электрического диполя и ввод возбуждающего тока может быть выполнен с помощью диэлектрической разделительной вставки 32, как показано на фиг. 10, либо посредством тороидальных катушек, что не меняет сущности изобретения и технического результата.The separation of the electric dipole poles and the introduction of the driving current can be accomplished by means of a
Практически нанесение электроизоляционного слоя может производится в полевых условиях или на трубных базах, например, с помощью машинки для ленточной изоляции трубопроводов «МИГ-219» с производительностью 400 метров в час.In practice, the application of an electrical insulating layer can be carried out in the field or on pipe bases, for example, using a machine for tape insulation of pipelines "MIG-219" with a capacity of 400 meters per hour.
Для изоляции могут быть использованы ленты на основе полиэтилена или поливинилхлорида, армированные стеклосеткой типа «Литкор-НК», или на основе битумно-полимерных материалов в комплексе с радиационно сшитой термически усаживаемой лентой типа «Политерм».For insulation, tapes based on polyethylene or polyvinyl chloride, reinforced with a glass mesh of the "Litkor-NK" type, or on the basis of bitumen-polymer materials in combination with a radiation-crosslinked thermally shrinkable tape of the "Polyterm" type can be used.
Устройство для мониторинга скважинных забойных параметров работает следующим образом.The device for monitoring downhole parameters operates as follows.
После установки в скважине приемопередатчика 21 (фиг. 9) забойных параметров и ретрансляторов 22 из наземного оборудования 25 с посредством формирователя 28 команд и приемопередатчика 27 дается команда на их включение и проверку работоспособности системы связи. При положительном результате даются, команды на установку значений несущих частот, определенных на этапе математического моделирования, для приемопередатчика 21 забойных параметров и каждого ретранслятора 22. Электрические диполи 23, находящиеся в режиме приема, воспринимают сигналы команд, которые далее поступают на входы приемопередатчиков 29 (фиг. 10), где усиливаются, фильтруются от помех и поступают на входы дешифраторов 30 адреса и команд, с помощью которых выделяется та команда, которая была адресована именно этому устройству. Выделенные команды поступают на вход управляемых формирователей 31 несущих частот, которые вырабатывают электрические колебания с заданной частотой, поступающие на входы приемопередатчиков 29 и используемые для их модуляции (манипуляции), например, фазоразностной, информационными сигналами забойных параметров.After installing the transceiver 21 (Fig. 9) downhole parameters and
После установки несущих частот система связи устанавливается в режим мониторинга, при этом сигналы забойных параметров, такие как давление, температура, состав притока и другие, поступающие отдатчиков (на фиг. 9, 10 не показаны), подаются на приемопередатчик 21, преобразуются в цифровой вид, формируются в пакеты фазоманипулированных с заданной несущей частотой сигналов, усиливаются по мощности и подаются на электрический диполь 23 для передачи по участку линии связи в первый вышерасположенный ретранслятор 22. Сигнал принимается электрическим диполем 23 ретранслятора 22 и поступает на приемопередатчик 29 (фиг. 10), где в приемной его части усиливается, очищается от помех, демодулируется, преобразуясь в цифровой вид, а затем в передающей части приемопередатчика 29 модулирует несущие электрические колебания с установленной для этого ретранслятора частотой, поступающие из управляемого формирователя 31 несущих частот. Фазоманипулированные сигналы с новой несущей частотой усиливаются по мощности и подаются на электрический диполь 23 для передачи в следующий ретранслятор. Такие преобразования сигналов производятся на остальных участках линии связи с ретрансляторами до достижения ими приемной антенны 26 наземного оборудования 25, где сигналы ею принимаются, подаются на приемопередатчик 27, усиливаются, очищаются от помех и демодулируются, преобразуясь в цифровой вид, после чего могут подаваться на компьютерные средства обработки и анализа цифровой информации.After setting the carrier frequencies, the communication system is set to the monitoring mode, while the signals of the bottomhole parameters, such as pressure, temperature, composition of the inflow and others, arriving from the transmitters (not shown in FIGS. 9, 10) are fed to the
На фиг. 11 представлен пример осуществления изобретения со следующими задаваемыми исходными данными:FIG. 11 shows an example of embodiment of the invention with the following specified initial data:
а) глубина скважины 7000 метров;a) the depth of the well is 7000 meters;
б) геоэлектрический разрез представлен в таблице фиг. 11 с указанием продольных УЭС ( пластов горных пород и их толщины (h), границ 33 между ними и глубин залегания;b) the geoelectric section is shown in the table of FIG. 11 indicating the longitudinal resistivity ( layers of rocks and their thickness (h),
в) максимальный объем передаваемой информации о забойных параметрах за одну посылку - 96 бит;c) the maximum amount of transmitted information about downhole parameters per one message - 96 bits;
г) максимальное количество ретрансляторов - 4;d) the maximum number of repeaters is 4;
д) длина электрических диполей - 100 метров, ток возбуждения передающих диполей - 10 А;e) the length of the electric dipoles is 100 meters, the excitation current of the transmitting dipoles is 10 A;
е) используются стальные обсадные и буровые трубы с размерами:f) steel casing and drill pipes are used with dimensions:
- наружный диаметр обсадных труб - 194 мм, толщина стенки 10,9 мм, длина 10 метров;- outer diameter of casing pipes - 194 mm, wall thickness 10.9 mm,
- наружный диаметр буровых труб - 89 мм, толщина стенки - 11,4 мм, длина 10 метров;- outer diameter of drill pipes - 89 mm, wall thickness - 11.4 mm,
ж) скважина заполнена жидкостью с УЭС равным 1 Омм;g) the well is filled with liquid with a resistivity equal to 1 Ohm;
з) информационная характеристика системы связи - время задержки сигнала на пути от приемопередатчика забойных параметров до наземного оборудования;h) information characteristic of the communication system - the signal delay time on the way from the downhole parameters transceiver to the ground equipment;
и) требуемое значение информационной характеристики - не более 15 секунд.i) the required value of the information characteristic - no more than 15 seconds.
На основе этих исходных данных создана математическая модель системы связи и выполнено математическое моделирование с определением АЧХ каждого участка линии связи, ширины полос пропускания, значений несущих частот для каждого из участков линии связи, при этом рассчитывались скорости (N) передачи данных на каждом из участков линии связи и времени (t) задержки сигналов по формуле:Based on these initial data, a mathematical model of the communication system was created and mathematical modeling was carried out with the determination of the frequency response of each section of the communication line, the bandwidth, the values of the carrier frequencies for each of the sections of the communication line, while the rates (N) of data transmission at each of the sections of the line were calculated communication and time (t) delay of signals according to the formula:
где V - объем передаваемой информации, бит. where V is the amount of transmitted information, bit.
Затем путем суммирования задержек по всем участкам линии связи определялась суммарная задержка сигнала tcyмм, которая сравнивалась с требуемым значением (не более 15 с). Для выполнения этого условия изменялись параметры линии связи, а именно расстояние между приемопередатчиком 21 забойных параметров и вышерасположенным ретранслятором в интервале глубин 5000-7000 метров с горизонтально слоистой средой, расстояние между ретрансляторами в интервале глубин 2000-4000 метров, расстояние между последним ретранслятором и наземным оборудованием (на фиг. 11 не показано) в интервале 0-1000 метров. Изменялось также взаимное-расположение электрических диполей ретрансляторов относительно пласта с аномально низким УЭС (0,1 Омм) в интервале глубин 1000-2000 м и пласта с аномально высоким УЭС (1000 Омм) в интервале глубин 4000-5000 м.Then, by summing the delays over all sections of the communication line, the total signal delay t cymm was determined , which was compared with the required value (no more than 15 s). To fulfill this condition, the parameters of the communication line were changed, namely, the distance between the transceiver of 21 downhole parameters and the upstream repeater in the depth interval of 5000-7000 meters with a horizontally layered medium, the distance between the repeaters in the depth interval of 2000-4000 meters, the distance between the last repeater and ground equipment (not shown in Fig. 11) in the range of 0-1000 meters. The relative position of the electric dipoles of the repeaters also changed relative to the layer with abnormally low resistivity (0.1 Ohm) in the depth interval 1000-2000 m and the stratum with abnormally high resistivity (1000 Ohm) in the depth interval 4000-5000 m.
Для горизонтально-слоистых сред (интервалы глубин 0-1000 метров, 2000-4000 метров и 5000-7000 метров) скорости передачи определялись по зависимостям, приведенным на фиг. 8, а для интервала глубин 1000-2000 метров с пластом низкого УЭС и интервала глубин 4000-5000 метров с пластом высокого УЭС - по зависимостям, приведенным на фиг. 7 и фиг. 5 соответственно.For horizontally layered media (depth intervals 0-1000 meters, 2000-4000 meters and 5000-7000 meters), the transmission rates were determined from the dependencies shown in Fig. 8, and for a depth interval of 1000-2000 meters with a layer of low resistivity and a depth interval of 4000-5000 meters with a layer of high resistivity - according to the dependencies shown in Fig. 7 and FIG. 5 respectively.
В процессе оптимизации параметров линии связи было получено значение времени задержки сигнала, равное 14,28 секунд, что удовлетворяет заданному требованию при числе ретрансляторов равным 4.In the process of optimizing the parameters of the communication line, the signal delay time was obtained equal to 14.28 seconds, which meets the specified requirement with the number of repeaters equal to 4.
На фиг. 11 представлена оптимальная расстановка ретрансляторов относительно друг друга и пластов геоэлектрического разреза. В правой колонке для рассмотренных интервалов глубин приведены скорости передачи данных, время задержки сигнала на данном интервале глубин и суммарное время задержки.FIG. 11 shows the optimal placement of repeaters relative to each other and the layers of the geoelectric section. In the right column, for the considered depth intervals, the data transfer rates, the signal delay time at the given depth interval and the total delay time are given.
Следует отметить, что скорость передачи данных в зависимости от интервала глубин меняется от 11 до 293 бит/с, что позволяет получить относительно небольшую для скважины глубиной 7000 метров временную задержку сигнала.It should be noted that the data transfer rate, depending on the depth interval, varies from 11 to 293 bit / s, which makes it possible to obtain a signal time delay that is relatively small for a well with a depth of 7000 meters.
Также, учитывая, что скорость передачи N численно равна значению несущей частоты сигнала, как пояснялось выше, то эта информация используется для задания значений несущих частот приемопередатчикам ретрансляторов и приемопередатчику забойных параметров устройства для мониторинга скважинных забойных параметров, как было описано выше.Also, given that the transmission rate N is numerically equal to the value of the signal carrier frequency, as explained above, this information is used to set the carrier frequency values for the repeater transceivers and the downhole parameter transceiver of the device for monitoring downhole parameters, as described above.
Сравнение полученных результатов с результатами, которые могли быть получены для описанных условий способом и устройством - прототипом, выявило следующее:Comparison of the results obtained with the results that could be obtained for the described conditions by the method and the prototype device revealed the following:
- скорость передачи данных у прототипа для таких геоэлектрических условий составляет около 1 бит/с, поэтому задержка сигнала только в призабойной зоне в интервале глубин 5000-7000 метров составило бы 96 секунд, что в 11 раз больше полученного нами результата;- the data transfer rate of the prototype for such geoelectric conditions is about 1 bit / s, so the signal delay only in the bottomhole zone in the depth interval of 5000-7000 meters would be 96 seconds, which is 11 times more than the result we obtained;
- дальность связи у прототипа ограничивается в этих условиях 2000-2500 метров, что исключает возможность работы в глубоких скважинах;- the communication range of the prototype is limited in these conditions to 2000-2500 meters, which excludes the possibility of working in deep wells;
- использование для устранения этих недостатков обсадных труб с электроизоляционным покрытием на протяженных участках ствола скважины было бы экономически нецелесообразно.- the use of casing pipes with an electrically insulating coating in long sections of the wellbore to eliminate these shortcomings would be economically inexpedient.
Таким образом, техническим результатом предлагаемых изобретений является создание системы связи с требуемыми информационными характеристиками: пропускной способностью, скоростью передачи данных, дальностью связи и другими.Thus, the technical result of the proposed inventions is the creation of a communication system with the required information characteristics: bandwidth, data transmission rate, communication range, and others.
Claims (8)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020118263A RU2745858C1 (en) | 2020-06-03 | 2020-06-03 | Method for monitoring well bottom parameters and device for carrying out said method |
PCT/RU2021/000111 WO2021246899A1 (en) | 2020-06-03 | 2021-04-16 | Method for monitoring oil well downhole parameters and device for implementing same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020118263A RU2745858C1 (en) | 2020-06-03 | 2020-06-03 | Method for monitoring well bottom parameters and device for carrying out said method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2745858C1 true RU2745858C1 (en) | 2021-04-02 |
Family
ID=75353399
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020118263A RU2745858C1 (en) | 2020-06-03 | 2020-06-03 | Method for monitoring well bottom parameters and device for carrying out said method |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2745858C1 (en) |
WO (1) | WO2021246899A1 (en) |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6218959B1 (en) * | 1997-12-03 | 2001-04-17 | Halliburton Energy Services, Inc. | Fail safe downhole signal repeater |
RU2206739C2 (en) * | 1998-10-23 | 2003-06-20 | Жеосервис С.А. | Method and system of information transmission by electromagnetic waves |
US6727827B1 (en) * | 1999-08-30 | 2004-04-27 | Schlumberger Technology Corporation | Measurement while drilling electromagnetic telemetry system using a fixed downhole receiver |
RU2273727C2 (en) * | 2000-01-24 | 2006-04-10 | Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В. | Oil well and oil well bore operational method |
RU2419820C2 (en) * | 2005-07-29 | 2011-05-27 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Procedure and device for transfer or reception of information between downhole equipment and surface |
RU2630832C2 (en) * | 2011-10-25 | 2017-09-13 | МАРТИН САЙНТИФИК, ЭлЭлСи | High speed network of downhole sensors and telemetry |
RU2649994C9 (en) * | 2014-05-01 | 2018-06-25 | Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк. | Method of inter-well tomography and systems using a casing section with at least one data transmission and reception device |
CN109113728A (en) * | 2013-09-05 | 2019-01-01 | 开拓工程股份有限公司 | Data are sent across the electrical isolation gap in drill string |
EA032746B1 (en) * | 2014-06-23 | 2019-07-31 | Эволюшн Инжиниринг Инк. | Optimizing downhole data communication with at bit sensors and nodes |
-
2020
- 2020-06-03 RU RU2020118263A patent/RU2745858C1/en active
-
2021
- 2021-04-16 WO PCT/RU2021/000111 patent/WO2021246899A1/en active Application Filing
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6218959B1 (en) * | 1997-12-03 | 2001-04-17 | Halliburton Energy Services, Inc. | Fail safe downhole signal repeater |
RU2206739C2 (en) * | 1998-10-23 | 2003-06-20 | Жеосервис С.А. | Method and system of information transmission by electromagnetic waves |
US6727827B1 (en) * | 1999-08-30 | 2004-04-27 | Schlumberger Technology Corporation | Measurement while drilling electromagnetic telemetry system using a fixed downhole receiver |
RU2273727C2 (en) * | 2000-01-24 | 2006-04-10 | Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В. | Oil well and oil well bore operational method |
RU2419820C2 (en) * | 2005-07-29 | 2011-05-27 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Procedure and device for transfer or reception of information between downhole equipment and surface |
RU2630832C2 (en) * | 2011-10-25 | 2017-09-13 | МАРТИН САЙНТИФИК, ЭлЭлСи | High speed network of downhole sensors and telemetry |
CN109113728A (en) * | 2013-09-05 | 2019-01-01 | 开拓工程股份有限公司 | Data are sent across the electrical isolation gap in drill string |
EA034155B1 (en) * | 2013-09-05 | 2020-01-13 | Эволюшн Инжиниринг Инк. | Transmitting data across electrically insulating gaps in a drill string |
RU2649994C9 (en) * | 2014-05-01 | 2018-06-25 | Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк. | Method of inter-well tomography and systems using a casing section with at least one data transmission and reception device |
EA032746B1 (en) * | 2014-06-23 | 2019-07-31 | Эволюшн Инжиниринг Инк. | Optimizing downhole data communication with at bit sensors and nodes |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2021246899A1 (en) | 2021-12-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10961843B2 (en) | System and method for data telemetry among adjacent boreholes | |
EP1953570B1 (en) | A downhole telemetry system | |
EP1748151B1 (en) | Method and apparatus for transmitting or receiving information between a downhole equipment and surface | |
US10132160B2 (en) | Downhole wireless communications using surface waves | |
US9863237B2 (en) | Electromagnetic telemetry apparatus and methods for use in wellbore applications | |
US20090032303A1 (en) | Apparatus and method for wirelessly communicating data between a well and the surface | |
Lu et al. | Improving the application depth of electromagnetic measurement while drilling (EM-MWD) systems by receiving signals from adjacent wells | |
RU2745858C1 (en) | Method for monitoring well bottom parameters and device for carrying out said method | |
US9835025B2 (en) | Downhole assembly employing wired drill pipe | |
US10190412B2 (en) | Determining subterranean-formation resistivity using an electromagnetic telemetry system | |
US10060254B2 (en) | Downhole communications using selectable modulation techniques | |
US10968735B2 (en) | Deviated production well telemetry with assisting well/drillship | |
AU2019204540A1 (en) | Downhole communications using selectable frequency bands | |
US20160161628A1 (en) | Deep sensing systems |