EA021687B1 - Телеметрическая система контроля параметров забоя - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области добычи жидких углеводородов. Телеметрическая система контроля параметров забоя, использующая колонну труб для передачи данных с помощью акустического поля, состоит из наземного модуля приёма и обработки сигнала и спускаемого в колонну труб забойного модуля, в состав которого входит блок измерения забойных параметров, блок управления забойным модулем, блок акустического генератора, устройство соединения и рассоединения с трубой из колонны труб, реализующее функцию фиксации забойного модуля внутри колонны труб, и исполнительный механизм, реализующий функцию создания акустического контакта исполнительного механизма с трубой, а также блок питания. Исполнительный механизм выполнен с возможностью обеспечения непосредственного акустического контакта с поверхностью внутренней стенки трубы путем прижима к ней выполненного из материала с твёрдостью, превышающей твёрдость материала трубы, элемента с внедрением последнего в материал стенки трубы, блок питания забойного модуля выполнен автономным. Наземный модуль приёма и обработки сигнала выполнен с функцией регистрации параметров информационного сигнала, полученного в одном или нескольких отличных друг от друга частотных диапазонах, и с функцией определения рабочих частотных диапазонов акустического поля путем их выбора внутри частотных полос, в которых уровень естественных и конструктивных шумов в области приёма информативного сигнала на поверхности минимален по отношению к уровню указанных шумов в других частотных полосах.

Description

(57) Изобретение относится к области добычи жидких углеводородов. Телеметрическая система контроля параметров забоя, использующая колонну труб для передачи данных с помощью акустического поля, состоит из наземного модуля приёма и обработки сигнала и спускаемого в колонну труб забойного модуля, в состав которого входит блок измерения забойных параметров, блок управления забойным модулем, блок акустического генератора, устройство соединения и рассоединения с трубой из колонны труб, реализующее функцию фиксации забойного модуля внутри колонны труб, и исполнительный механизм, реализующий функцию создания акустического контакта исполнительного механизма с трубой, а также блок питания. Исполнительный механизм выполнен с возможностью обеспечения непосредственного акустического контакта с поверхностью внутренней стенки трубы путем прижима к ней выполненного из материала с твёрдостью, превышающей твёрдость материала трубы, элемента с внедрением последнего в материал стенки трубы, блок питания забойного модуля выполнен автономным. Наземный модуль приёма и обработки сигнала выполнен с функцией регистрации параметров информационного сигнала, полученного в одном или нескольких отличных друг от друга частотных диапазонах, и с функцией определения рабочих частотных диапазонов акустического поля путем их выбора внутри частотных полос, в которых уровень естественных и конструктивных шумов в области приёма информативного сигнала на поверхности минимален по отношению к уровню указанных шумов в других частотных полосах.

Изобретение относится к области добычи жидких углеводородов и может быть использовано для контроля скважинных процессов.

Известен целый ряд контактных способов контроля скважинных процессов, заключающихся в заборе проб в скважине с помощью различных устройств, например, пробоотборников, желонок, керноотборников и т.д., доставку их на поверхность и анализ различными методами - физическими, химическими, геологическими и др. (Интенберг С.С., Тахкильгов Т.Д. Геофизические исследования в скважинах. М.: Недра, 1990).

Основным недостатком данной группы способов является то, что измерения проводятся на поверхности, в условиях, существенно отличающихся от забойных, что кардинально влияет на достоверность и точность измерений.

Известен способ контроля скважинных процессов, реализуемый, например, приборами серии САМТ (Томское научно-производственное и внедренческое общество СИАМ). Прибор опускается в скважину на требуемую глубину, закрепляется там и производит измерения с последующей записью в оперативную память требуемых параметров в автономном режиме в течение определённого времени. Далее прибор извлекают, считывают информацию, которую в дальнейшем анализируют (Руководство по эксплуатации манометров - термометров глубинных ИЗМ 3.211.005).

Основным недостатком данного способа контроля является то, что невозможен анализ динамики измеряемых параметров в реальном времени.

Известен способ контроля скважинных процессов по патенту КИ 2188319. Сущность способа заключается в следующем. В скважину опускают геофизический прибор. Параллельно со спуском в скважину геофизического прибора на наружной стороне устья скважины в качестве записывающей аппаратуры устанавливают высокочувствительный прибор. Записывают результаты воздействия скважинных процессов на геофизический прибор и на высокочувствительный прибор. Тарируют и идентифицируют показания высокочувствительного прибора по показаниям геофизического прибора, по которым составляют номограммы и таблицы для высокочувствительного прибора. Затем извлекают из скважины геофизический прибор, а контроль скважинных процессов ведут высокочувствительным прибором.

Основным недостатком способа контроля скважинных процессов по патенту КИ 2188319 является низкая достоверность интерпретации фиксируемых данных. Высокочувствительный прибор по патенту КИ 2188319 фиксирует упругие поля. Источников упругих полей в сложной механической системе, которую представляет собой, например, эксплуатационная скважина, значительное количество. Многие из них неконтролируемые. Неоднозначность ситуации возникает, например, когда полоса акустических шумов, возникающих в фонтанной арматуре при ветровой нагрузке, совпадает с рабочей полосой высокочувствительного прибора, в которой ожидается отклик на забойные процессы.

Для передачи достоверных данных с забоя на поверхность в реальном времени необходим прогнозируемый и стационарный канал передачи данных.

Возможно несколько вариантов: это кабельный канал, канал, обеспечивающий акустическую связь по внутрискважинному флюиду (гидравлический канал), электромагнитный канал и канал передачи информации по элементам конструкции скважины, например по трубам НКТ. Используется также комплексирование каналов.

Известна забойная телеметрическая система, предназначенная для передачи забойной информации на поверхность по проводному каналу связи (Калинин А.Г. и др. Бурение наклонных скважин. - М.: Недра, 1990). Эта забойная телеметрическая система содержит глубинный блок телеметрической системы, глубинное измерительное устройство, наземный пульт, наземное измерительное устройство, кабель связи. Наличие кабеля связи внутри труб имеет следующие основные недостатки: высокая стоимость, проблемы надежности соединений и герметизации, необходимость специального оборудования для работы с кабелем, увеличение времени спускоподъемных операций, ограничение глубины использования.

В качестве известных технических решений по передаче информации с забоя с помощью физических полей (упругих и электромагнитных), например в области бурения скважин, можно рассмотреть известную систему измерения забойных параметров в процессе бурения (М^И) фирмы Сео8ету18 с электромагнитным каналом связи (Технология горизонтального, наклонно направленного и кустового бурения, Обзор ВНИИ Зарубежгеология, 1991, вып. 8) или известную телеметрическую систему Забой (Отчет ВНИИГИС, 1993) и т.д.

Общим недостатком телеметрических систем с электромагнитным каналом связи является то, что в низкоомных разрезах, например, Западной Сибири дальность действия систем с электромагнитным каналом связи ограничена, а для очень высокоомных, например соляных пластов, электромагнитный канал связи практически не работает, так как сигнал экранируется.

Известны телеметрические системы с гидравлическим каналом связи, например, по 8И 709807. Обычно такие системы содержат устройства, формирующие импульсы давления и наземную регистрирующую аппаратуру.

Общим недостатком систем, использующих гидравлический канал связи, является нестационарность этого канала, которая принципиально вызвана высоким уровнем пульсаций, возникающих при ра- 1 021687 боте насосов как буровых, так и эксплуатационных. Кроме того, данный канал не работает, если внутрискважинным флюидом является газообразная среда. Связано это с чрезвычайно низким акустическим импедансом газовых сред и высоким коэффициентом затухания в них акустического поля.

Известны телеметрические системы передачи забойных параметров, где каналы, электромагнитный и гидравлический комплексируются, например, по патенту КИ 2194161. Однако данные системы не свободны от недостатков, свойственных этим каналам передачи данных в отдельности.

Перспективным каналом связи для телеметрических систем считается канал передачи информации по элементам конструкции скважины, например по трубам НКТ. Канал, состоящий из свёрнутых на резьбе (с помощью муфт) труб, представляет собой сложную дисперсионно-диссипативную структуру, по которой могут распространяться несколько типов волн (продольные, изгибные и крутильные колебания) (ОттЬе11ег Ό. Лсои8Йса1 рторетЪев о£ άτί11 δίτίη§8, 1. Лсои81. 8ос. Ат., 1989, V. 85 (3); ЭгитНсИсг Ό., Киийвеи 8. ТЬе ргорадаЬои о£ воиий \ν;·ι\Ό5 ίη άτί11 δίτίη^δ, 1. АсоивЬ 8ос. Ат., V. 97 (4)).

Известны технические решения, в которых для передачи данных с забоя на поверхность используется эксплуатационная (НКТ) труба, например технические решения по патентам И8 4293936, И8 4562559, и8 5477505, И8 7257050 и др. Эти технические решения включают скважинный блок, содержащий акустический генератор, контроллер, систему датчиков для измерения требуемых параметров забоя, устройство для передачи акустического сигнала в эксплуатационную колонну и наземную аппаратуру приёма сигнала и его анализа.

Во всех известных технических решениях для передачи сигнала используются частотные диапазоны, определяемые теоретически как зоны пропускания у дисперсионной системы, состоящей из свинченных труб одинаковой длины. Муфты, с помощью которых свинчивается колонна, также считаются одинаковыми. Действительно, при таком предположении колонна НКТ пропускает акустический сигнал в строго определённых частотных полосах шириной 100-200 Гц.

Данный способ определения рабочих частот является общим недостатком технических решений, в которых используется передача информативного сигнала по эксплуатационной колонне с помощью поля упругих колебаний, приводящим к ненадёжности передачи данных. Дело в том, что при сооружении эксплуатационных скважин не существует требования соблюдения эквидистантности расположения муфт в эксплуатационной колонне. Например, на Вынгапурском газовом месторождении эксплуатационные колонны содержат НКТ трубы с длинами от 7 до 10 м. Подобный разброс длин труб НКТ приводит к тому, что колонна перестаёт быть системой с сильной дисперсией и становится каналом распространения акустического поля с сильным затуханием. К этому необходимо добавить, что в реальности, чаще всего существуют контакты муфт с обсадной трубой, что также, в общем случае, уменьшает дисперсию и увеличивает затухание акустического поля, распространяющегося по колонне труб НКТ. Резкое отличие реальной ситуации от теоретической приводит к тому, что в эксплуатационной колонне становится возможным распространение импульсного сигнала. Для доказательства данного факта была проделана серия натурных экспериментов. На фонтанной арматуре действующей газовой скважины возбуждался акустический импульс, далее на той же фонтанной арматуре принимался акустический сигнал, отражённый от среза колонны НКТ, находящегося на забое. Приходящие импульсы идентифицировались по времени прихода, так как длина колонны НКТ известна, известны также скорости продольной и крутильной моды колебаний, распространяющихся по колонне НКТ с наименьшим затуханием.

Далее представлены результаты одного из экспериментов, проведённых на Комсомольском газовом промысле (г. Губкинский), 1-я скважина 19-го куста Северного купола (№ 119.1). Скважина оборудована фонтанной арматурой 9x6x4, эксплуатационная колонна свинчена из НКТ труб 0114x0100 и муфт с внешним 0132 (ГОСТ 633-80), длины труб находятся в диапазоне 8-10 м, общая длина колонны НКТ Ь ~900 м. Акустический импульсный сигнал возбуждался в области груши подвеса колонны НКТ с помощью ударного молотка тип 8208 фирмы Брюль и Къер, принимался сигнал в той же области с помощью пьезоакселерометров типа КО-23. Сигнал возбуждался широкополосный с центральной частотой порядка 1,5 кГц. На фиг. 1 и 2 представлены текущие спектры акустических сигналов, принимаемых датчиками.

На фиг. 1 представлен текущий спектр сигнала при возбуждении акустического поля преимущественно вертикальной поляризации при приёме сигнала той же поляризации. Чётко фиксируется сигнал со временем прихода Т₁=2Ь/С₁, где Ь - длина трубы НКТ, С₁ - скорость продольных колебаний в трубе. Измеренное время Τι равняется 0,36±0,01 с.

На фиг. 2 представлен текущий спектр сигнала при возбуждении акустического поля преимущественно тангенциальной поляризации при приёме сигнала той же поляризации.

Здесь фиксируется сигнал со временем прихода Т₂=2Ь/С₁, где Ь - длина трубы НКТ, С₁ - скорость поперечных колебаний в трубе. Измеренное время Т₂ равняется 0,52±0,01 с.

Очевидно, что энергия сигналов достаточно равномерно распределена по спектру в области 1003000 Гц, что свидетельствует о слабой дисперсии при распространении акустического поля в реальной эксплуатационной колонне, свинченной из труб НКТ с помощью муфт. Также результаты экспериментов показали, что реальная эксплуатационная колонна является средой с весьма сильным затуханием акусти- 2 021687 ческого поля. По оценкам полученных экспериментальных данных крутильная и продольная мода в условиях неравномерного расположения муфт имеют примерно одинаковый коэффициент затухания, в районе 45 дБ/км.

Таким образом, в известных технических решениях по созданию телеметрических систем с использованием акустического канала связи по эксплуатационной колонне выбор частотной полосы приводит к ненадёжности передачи информации. Выбранные из теоретических представлений рабочие частотные полосы могут совпасть с полосами интенсивных шумов в точках приёма информативного сигнала, расположенных на элементах конструкции скважины, которые находятся на поверхности (фонтанной арматуре). Эксплуатационная скважина является сложным сооружением, обладающим значительным количеством механических резонансов, которые могут возбуждаться различными источниками: движущимся в скважине флюидом, климатическими явлениями на поверхности, процессами на забое и др. Причём шумовой портрет скважины уникален и заранее его предсказать нельзя.

Исследование акустических шумов в различных точках фонтанной арматуры показало, что собственные акустические шумы имеют стационарный спектр. Исследовались различные скважины с разными фонтанными арматурами. На фиг. 3 и 4 в качестве примера приведены типичные спектры собственных шумов скважин, измеренные на их фонтанных арматурах. На фиг. 3 представлены результаты по сквас/о с/о 1 1Р жине № 119.1 Комсомольского газового промысла, оборудованной фонтанной арматурой 9 х6 х4 (Венгерское производство). Показаны спектры акустических шумов, принятых датчиками вертикальной кривая 1 и тангенциальной - кривая 2 поляризаций. На фиг. 4 - по скважине № 198 Вынгапурского газового промысла, которая оборудована фонтанной арматурой АФК6 - 100x120 ХЛ (Азербайджанское производство). Также показаны спектры акустических шумов, принятых датчиками вертикальной - кривая 1 и тангенциальной - кривая 2 поляризаций.

Шумы снимались на фонтанных арматурах в точках, максимально приближенных к местам подвеса труб НКТ. Вид спектра шумов (частотное распределение шума) практически не зависит от дебита, т.е. скорости движения газа в трубе, от ветровой обстановки и времени года. Таким образом, очевидно, что для любой скважины можно выбрать частотный диапазон с минимальным уровнем собственных шумов.

Настоящее изобретение направлено на преодоление недостатков, свойственных известным техническим решениям, и создание новой телеметрической системы с использованием акустического канала связи по элементам конструкции скважины, в частности по эксплуатационной колонне.

Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении надёжности и эффективности передачи информации с помощью акустического поля через эксплуатационную колонну и существенном повышении достоверности полученной информации в реальном времени. По настоящему изобретению так же достигается повышение надёжности всей телеметрической системы.

За прототип принято техническое решение по патенту И8 7257050, С01У 1/00, С01У 1/02, С01У 1/16, С01У 1/40, опубл. 09.06.2005, в котором заявляется система для передачи акустических сигналов по эксплуатационной колонне от забоя к приёмнику, находящемуся на поверхности, при этом система содержит генератор акустических волн, устройство сопряжения, механически соединённое с генератором акустических волн, при этом устройство сопряжения выполнено с возможностью соединения и рассоединения с трубой, кроме этого, устройство сопряжения задаёт путь передачи акустического поля от генератора акустических волн в трубу при сопряжении с трубой, и контроллер сигналов, связанный с генератором акустических волн. Передача акустического сигнала происходит на продольной (компрессионной) моде колебаний в диапазоне минимизации потерь, связанных с расположением муфт.

Существенными недостатками прототипа являются следующие:

во-первых, диапазон передачи акустического сигнала выбирается исходя из предположения о том, что существуют области прозрачности при прохождении акустического сигнала по акустическому каналу, представляющему собой свинченные с помощью муфт НКТ трубы, чего в реальности, по крайней мере, для газовых промыслов России, не существует. Данный факт приводит к ненадёжности передачи информации, так как информативный диапазон передачи может попасть на полосу интенсивных акустических шумов в точке приёма;

во-вторых, совмещение в одном устройстве функций фиксации забойной части системы на забое и функции создания акустического контакта между генератором акустических волн и внутренней поверхностью трубы приводит к ненадёжности акустического контакта. Любые вибрации, возникающие в эксплуатационной колонне, могут сместить место контакта, при этом изменятся граничные условия и изменится эффективность передачи акустической энергии от акустического генератора в трубу. Кроме того, данная компоновка забойной части системы приводит к дополнительному затуханию акустического поля при прохождении им подвижных частей устройства сопряжения, что также влияет на эффективность и надёжность передачи информации с помощью акустического поля.

Указанный технический результат в настоящем изобретении достигается тем, что при развёртывании телеметрической системы, содержащей наземную и забойную части, производят измерение собственных шумов скважины в точках дальнейшего размещения чувствительных элементов системы сбора данных наземной части, выбирают рабочий частотный диапазон телеметрической системы и закладыва- 3 021687 ют его в программу работы забойной части. Забойная часть содержит измерительный блок, оснащённый датчиками забойных параметров, которые требуется измерить; электронный блок, содержащий программируемый контроллер и электронные части акустического генератора; блок, включающий исполнительные части акустического генератора и механизм создания акустического контакта исполнительных частей акустического генератора и внутренней поверхности трубы; блок электрического питания и блок механической фиксации забойной части внутри эксплуатационной колонны. Причём акустический контакт между исполнительной частью акустического генератора и внутренней поверхностью трубы создаётся через механический элемент, обладающий твёрдостью большей, чем материал, из которого труба изготовлена. При этом механизм создания акустического контакта обеспечивает прижим данного механического элемента к внутренней стенке трубы с постоянной силой, обеспечивающей поверхностное внедрение элемента во внутреннюю стенку трубы.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг. 1 представлен текущий спектр сигнала при возбуждении акустического поля преимущественно вертикальной поляризации при приёме сигнала той же поляризации, данные экспериментов, проведённых на Комсомольском газовом промысле (г. Губкинский), скважина № 119.1 Комсомольского газового промысла;

на фиг. 2 представлен текущий спектр сигнала при возбуждении акустического поля преимущественно тангенциальной поляризации при приёме сигнала той же поляризации, данные экспериментов, проведённых на Комсомольском газовом промысле (г. Губкинский), скважина № 119.1 Комсомольского газового промысла;

на фиг. 3 представлены спектры собственных шумов скважин, измеренные на их фонтанных арматурах, результаты по скважине № 119.1 Комсомольского газового промысла, показаны спектры акустических шумов, принятых датчиками вертикальной - кривая 1 и тангенциальной - кривая 2 поляризаций;

на фиг. 4 представлены спектры собственных шумов скважин, измеренные на их фонтанных арматурах, результаты по скважине № 198 Вынгапурского газового промысла, показаны спектры акустических шумов, принятых датчиками вертикальной - кривая 1 и тангенциальной - кривая 2 поляризаций;

на фиг. 5 приведена схема размещения узлов системы контроля забойных параметров; на фиг. 6 приведена предварительная стадия развёртывания телеметрической системы; на фиг. 7 приведена общая компоновка забойной части системы контроля;

на фиг. 8 показана схема создания акустического контакта между исполнительным механизмом акустического генератора и внутренней стенкой трубы;

на фиг. 9 показана одна из возможных схем реализации алгоритма выделения информации из входного сигнала.

Согласно настоящему изобретению рассматривается конструкция телеметрической системы контроля параметров забоя, которая использует колонну труб для передачи данных с помощью акустического поля.

Для обеспечения достоверности и надёжности передачи данных по колонне труб эта система, в схемоблочной форме исполнения, состоит из наземного модуля приёма и обработки сигнала и спускаемого в колонну труб забойного модуля, в состав которого входит блок измерения забойных параметров, блок управления забойным модулем, блок акустического генератора, устройство соединения и рассоединения с трубой из колонны труб, реализующее функцию фиксации забойного модуля внутри колонны труб, исполнительный механизм, реализующий функцию создания акустического контакта исполнительного механизма с трубой, а так же блок автономного питания (блок, функционирующий автономно без подвода извне энергии).

При этом исполнительный механизм выполнен с возможностью обеспечения непосредственного акустического контакта с поверхностью внутренней стенки трубы путем прижима к ней выполненного из материала с твёрдостью, превышающей твёрдость материала трубы, элемента с внедрением последнего в материал стенки трубы (акустический контакт создаётся при поверхностном внедрении во внутреннюю поверхность трубы элемента, имеющего прочность большую, чем прочность материала трубы).

Наземный модуль приёма и обработки сигнала выполнен с функцией регистрации параметров информационного сигнала, полученного в одном или нескольких отличных друг от друга частотных диапазонах, и с функцией определения рабочих частотных диапазонов акустического поля путем их выбора внутри частотных полос, в которых уровень естественных и конструктивных шумов в области приёма информативного сигнала на поверхности минимален по отношению к уровню указанных шумов в других частотных полосах.

В этой системе для передачи информативного сигнала используют две моды колебаний, распространяющихся по колонне труб, продольную моду и крутильную моду. При этом длина информативной акустической посылки выбирается исходя из условия не наложения друг на друга в точке приёма сигналов, распространяющихся по колонне труб со скоростями продольной и крутильной мод. В забойном модуле конструктивно разъединены функция долговременной фиксации забойного модуля внутри колонны труб и функция создания акустического контакта исполнительного механизма акустического генератора с внутренней поверхностью трубы.

- 4 021687

Ниже рассматривается пример исполнения телеметрической системы со ссылками на фиг. 5-9.

Телеметрическая система (фиг. 5) состоит из забойной части 1 и наземной части 2. Связь между забойной и наземной частями осуществляется с помощью акустического поля, распространяющегося по колонне 3 труб НКТ. Трубы НКТ в колонне свинчены с помощью муфт 4. Забойная часть 1 крепится внутри колонны труб НКТ за внутреннюю проточку муфты. Наземная часть 2 крепится на фонтанной арматуре 5. Забойная часть 1 имеет акустический контакт с внутренней стенкой 6 трубы НК и автономный прижим 7 для создания акустического контакта. Наземная часть 2 надёжно крепится на элементах наземного оборудования скважины, чувствительные элементы наземной части (на фиг. 5 не показаны) крепятся в местах, наиболее близко расположенных к месту крепления колонны НКТ. В качестве чувствительных элементов могут быть использованы одно или многокомпонентные датчики вибрации, например пьезоакселерометры. Наземная часть 2 кроме чувствительных элементов может содержать входные цепи, в виде фильтров и усилителя, АЦП, буферное АЗУ, контроллер, автономное или внешнее питание, канал передачи данных, проводной или беспроводной (элементы наземной части на фиг. 3 не показаны и могут иметь стандартное исполнение).

Перед спуском внутрь колонны 3 НКТ (фиг. 6) забойную часть программируют на передачу информации в определённых частотных полосах. Для чего исследуют собственную шумовую обстановку на оголовке скважины (фонтанной арматуре). Исследования проводят с помощью акустических датчиков 8, например пьезоакселерометров. Исследования могут проводиться для различных поляризаций акустического поля. Сигналы, полученные с помощью датчиков 8, анализируют с помощью анализатора 9, затем с помощью программатора 10 осуществляют программирование электронного блока 11 забойной части 1.

Забойная часть 1 телеметрической системы состоит из следующих блоков: прижимной акустический блок 12, электронный блок 11 (фиг. 7). Электронный блок содержит контроллер, схему управления забойной частью и радиотехнические каскады акустического генератора. Блок 13 содержит датчики забойных параметров, которые требуется измерить. Также забойная часть содержит блок питания 14 (блок автономного питания) и блок 15 механической фиксации забойной части в колонне НКТ. Между блоками 12 и 14 может включаться элемент гибкости 16 для обеспечения балансировки забойной части 1 при создании акустического контакта. В данном случае элементом гибкости может быть сильфон. Элемент гибкости может быть включен в забойную часть 1 между блоками 14 и 15. В этом случает, элементом гибкости может быть система шарниров.

Блок 12 прижимается к внутренней стенке трубы колонны 3 НКТ автономным механизмом 17, например, с электрическим приводом (фиг. 8). Для создания непосредственно акустического контакта используется специальный элемент 18, выполненный из материала с твёрдостью, превышающей твёрдость материала трубы. При прижиме элемент 18 внедряется в трубу 3, при этом создаётся надёжный акустический контакт. Элемент 18 имеет соединение с акустическим преобразователем 19, обеспечивающее акустический контакт. Преобразователь 19 может быть выполнен в виде пьезокерамического стека с накладками 20 требуемой формы.

Телеметрическая система работает следующим образом. Перед спуском забойной части 1 внутрь колонны 3 НКТ производят измерения собственной шумовой обстановки в местах на фонтанной арматуре, где предполагается дальнейшее снятие информативного сигнала. Для получения полной информации вибрационное поле различных поляризаций снимается с помощью одно или многокомпонентных датчиков 8. Информация анализируется с помощью анализатора 9, выбирается частотный диапазон с наименьшим уровнем акустических шумов. Рабочий диапазон определяется исходя из выбранного для передачи информативного сигнала алгоритма передачи. Например, в одном из вариантов предполагается снимать информацию о трёх забойных параметрах (давление, температура и угол наклона). Для чего информация преобразуется в цифровую форму, далее полученные 8 тетрад (полубайт) информации дополняют вычисленными при помощи алгоритма Рида-Соломона (Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки, М., Мир, 1986) 6-ю контрольными тетрадами, позволяющими исправлять до трёх ошибок при приёме такой информации. Затем каждой из полученных 14 тетрад ставятся в соответствие значения двух частот синусоидального сигнала из семи, передача которых предусмотрена по акустическому каналу связи. В одном из вариантов разница между соседними частотами выбирается 80 Г ц, таким образом, необходимо выбрать частотный диапазон в 480 Гц, в котором наблюдается наименьший уровень собственных шумов в месте приёма информативного сигнала наземной частью 2 телеметрической системы.

После выбора конкретного частотного диапазона, с помощью программатора 10 программируют электронный блок 11 забойной части 1, определяя конкретные рабочие частоты. Кроме этого, в электронном блоке 11 программируемыми являются следующие параметры: время Τι - время срабатывания автономного прижима блока 12 для создания акустического контакта блока 12 со стенкой 3 НКТ 3; время Т₂ - время начала измерения параметров забоя блоком 13; время Т₃ - время начала передачи данных, т.е. время начала работы акустического генератора, передающего информационный сигнал; время Т₄ - время окончания работы по измерению параметров и передачи данных по колонне НКТ; время Т₅ - время срабатывания автономного прижима блока 12 для рассоединения блока 12 с трубой и перевода забойной

- 5 021687 части в транспортное положение. Программируются также вспомогательные временные параметры, связанные со временем усреднения данных, частотой их передачи, длиной посылки и т.д.

Программирование электронного блока 11 включает в себя также синхронизацию часов реального времени контроллера блока 11 с часами реального времени контроллера наземного блока 2.

После программирования и синхронизации собирают забойную часть 1 телеметрической системы. В качестве блока механической фиксации может быть использовано устройство УПГП2А-100 (устройство подвески глубинных приборов в колонне НКТ с внешним диаметром 114 мм), разработки ЗАО ЦГИ ИНФОРМПЛАСТ. Забойную часть помещают в лубрикатор и опускают на требуемую глубину с помощью стандартных геофизических средств, например лебёдки, снаряжённой геофизическим кабелем. Глубину контролируют по счётчику лебёдки. При достижении требуемой глубины, определяемой положением заранее выбранной муфты, находящейся в близости текущего забоя, производят манипуляции согласно инструкции по эксплуатации устройства УПГП и вывешивают забойную часть в колонне НКТ. Время всех манипуляций должно быть меньше времени Τι.

В момент времени Τι контроллер электронного блока 11 выдаёт команду на срабатывание механизма прижима блока 12. Механизм прижима может быть выполнен в виде прижимной лапы, приводимой в движение электродвигателем постоянного тока с редуктором. Силу прижима, необходимую для поверхностного внедрения элемента 18 в стенку НКТ, контролируют, например, по току потребления двигателя. При возрастании тока до определённого, заранее откалиброванного, значения двигатель отключается и тормозится в положении остановки с помощью, например, электромагнитной муфты.

В момент времени Т₂, которое заведомо больше времени Т₁ с учётом временного промежутка, необходимого для создания акустического контакта, блок 13 по команде контроллера блока 11 начинает измерение параметров забоя. После промежутка времени, необходимого для измерений, усреднения данных и их обработки, в момент времени Т₃ контроллер блока 11 генерирует в код, содержащий информацию об измеренных параметрах. Данный код с помощью акустического генератора, находящегося в блоке 11 и акустического двигателя, расположенного в блоке 12, передаётся в виде информативного акустического сигнала в канал связи, который представляет собой колонна НКТ труб.

Длина акустической посылки выбирается исходя из условия не наложения друг на друга сигналов, принимаемых чувствительными элементами наземного блока 2, распространяющихся по колонне труб с разными скоростями. Например, со скоростью продольных и крутильных колебаний.

Приём осуществляется чувствительными элементами блока 2 во временных окнах, синхронизированных со временем Т₃, но с задержкой, необходимой для преодоления акустическим сигналом расстояния равного длине колонны НКТ.

Для одного из вариантов передачи информации на семи фиксированных частотах 14-ю тетрадами информации, блок-схема алгоритма выделения информации из входного сигнала приведена на фиг. 9.

Для выделения сигналов на рабочих частотах передачи по каналу связи используются резонаторы, реализованные с помощью алгоритма Герцеля, что позволяет сократить объем вычислений по сравнению с вычислением спектра или фильтрацией полосовыми фильтрами, кроме того, на выходе таких резонаторов присутствует не сам сигнал, а его огибающая.

В начале сеанса работы наземного блока 2 на приём определяется уровень шума канала связи, т.е. находится отношение сумм сигналов на рабочих частотах к общему уровню входного сигнала при отсутствии полезного сигнала. Полученная величина с определенным коэффициентом используется в качестве порогового уровня для определения наличия полезного сигнала. После того как значение порога определено, наземный блок 2 ожидает появление полезного сигнала, который вызывает появление признака начала сигнала, который запускает таймер, имеющий длительность временного интервала, равную длительности излучаемых передающим узлом двухчастотных посылок. Значения выходных сигналов резонаторов фиксируются по сигналу таймера, в этот момент выходные сигналы резонаторов, на частотах которых есть полезный сигнал, достигают максимальной величины. Затем производится сортировка выходных сигналов резонаторов по амплитуде и выделяются из них три, имеющие максимальную величину. Затем сравниваются между собой сигналы, имеющие второе и третье значение от максимума, и, если есть превышение одного над другим более чем в 1,8 раза, принимается решение о четком выделении сигналов двух частот и восстанавливается значение тетрады входного сигнала, в противном случае принимается решение о пропуске сигнала. После того как принят весь входной сигнал, производится проверка принятой информации на отсутствие ошибок с помощью алгоритма Рида-Соломона и, при необходимости, восстановление искаженной информации. Если же в процессе приема были случаи пропуска входного сигнала, то последовательно перебираются все возможные состояния пропущенного сигнала, а информация анализируется алгоритмом Рида-Соломона до тех пор, пока последний не покажет на отсутствие ошибки (или восстановит ошибочный символ).

Далее информация об измеренных параметрах забоя индицируется в наземном блоке 2 или передаётся по любому (проводному или беспроводному) каналу связи в пункт дальнейшей обработки и анализа.

Времена Т₄ и Т₅ связаны с заданным временем нахождения забойной части 1 телеметрической системы на забое. Исходя из этого и требуемой частоты передачи данных с забоя на поверхность, рассчитываются параметры блока питания 14 забойной части. Блок питания может иметь любое исполнение. Это

- 6 021687 может быть генератор, работающий на преобразовании энергии потока газа в электричество, или генератор, основанный на прямом пьезоэффекте, который преобразует энергию поля естественных шумов и вибраций на забое в электричество и т.д.

В одном из вариантов блок питания содержит литиевые батареи ЬО 39 БНХ (фирма БАРТ, 3В, 11А/ч) в количестве, необходимом (8-10 штук) для того, чтобы их суммарная ёмкость позволила произвести все манипуляции по прижиму блока 12 к трубе и дальнейшей расстыковки в момент времени Т₅ и обеспечить передачу данных с частотой три раза в сутки на протяжении 3 лет.

В момент времени Т₅, который непосредственно следует за временем Т₄ - временем окончания измерения и передачи данных, контроллер блока 9 выдаёт команду на отстыковку блока 8 от трубы НКТ и забойная часть переводится в транспортное положение. Забойная часть извлекается с помощью стандартного ловителя, входящего в комплект устройства УПГП. Ловитель спускают на геофизическом кабеле с помощью стандартных геофизических средств.

В одном из вариантов изобретения начало измерения параметров забоя и последующая их передача на поверхность, а также прекращение измерения и перевод забойной части в транспортное положение, осуществляются по команде из блока 2. Связь может быть осуществлена также с помощью акустического поля, например, импульсных последовательностей определённого вида.

Описанная выше телеметрическая система позволит резко увеличить достоверность передачи данных в реальном времени с забоя эксплуатационных скважин, что позволит вести непрерывный и достоверный контроль скважинных процессов с целью оптимизации и интенсификации добычи жидких углеводородов. Применение описанных телеметрических систем контроля забойных параметров в реальном времени на месторождении в целом позволит создать систему мониторинга месторождения и долговременного планирования добычи.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   Телеметрическая система контроля параметров забоя, использующая колонну труб для передачи данных с помощью акустического поля, состоящая из наземного модуля приёма и обработки сигнала и спускаемого в колонну труб забойного модуля, в состав которого входит блок измерения забойных параметров, блок управления забойным модулем, блок акустического генератора, устройство соединения и рассоединения с трубой из колонны труб, реализующее функцию фиксации забойного модуля внутри колонны труб, исполнительный механизм, реализующий функцию создания акустического контакта исполнительного механизма с трубой, а также блок питания, отличающаяся тем, что для обеспечения достоверности и надёжности передачи данных по колонне труб исполнительный механизм выполнен с возможностью обеспечения непосредственного акустического контакта с поверхностью внутренней стенки трубы, блок питания забойного модуля выполнен автономным, а наземный модуль приёма и обработки сигнала выполнен с возможностью регистрации параметров информационного сигнала в одном или нескольких отличных друг от друга частотных диапазонах и с возможностью определения рабочих частот акустического поля путем их выбора внутри частотных диапазонов, в которых уровень естественных и конструктивных шумов в области приёма информативного сигнала на поверхности минимален по отношению к уровню указанных шумов в других частотных диапазонах.