EA043424B1 - IN-WELL ENERGY COLLECTION - Google Patents

IN-WELL ENERGY COLLECTION Download PDF

Info

Publication number
EA043424B1
EA043424B1 EA201991572 EA043424B1 EA 043424 B1 EA043424 B1 EA 043424B1 EA 201991572 EA201991572 EA 201991572 EA 043424 B1 EA043424 B1 EA 043424B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
downhole
module
power
collection module
valve
Prior art date
Application number
EA201991572
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Шон Комптон Росс
Лесли Дэвид Джарвис
Стивен Мартин Хадсон
Original Assignee
Метрол Текнолоджи Лтд
Filing date
Publication date
Application filed by Метрол Текнолоджи Лтд filed Critical Метрол Текнолоджи Лтд
Publication of EA043424B1 publication Critical patent/EA043424B1/en

Links

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к внутрискважинному сбору энергии. В частности, оно относится к способам и системам подачи мощности внутрискважинному устройству в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, обеспеченную катодной защитой. Изобретение также относится к способам и системам, использующим способы и системы сбора энергии, а также к аппарату для использования в таких способах и системах.The invention relates to downhole energy collection. In particular, it relates to methods and systems for supplying power to a downhole device in a downhole installation having a metal structure provided with cathodic protection. The invention also relates to methods and systems using energy harvesting methods and systems, as well as apparatus for use in such methods and systems.

Сведения о предшествующем уровне техникиInformation about the prior art

Существует общее стремление к обеспечению возможности извлечения данных из нефтяных и/или газовых скважин, а также из устройств управления, расположенных в нефтяных и/или газовых скважинах, таких как клапаны, например подземные предохранительные клапаны.There is a general desire to be able to extract data from oil and/or gas wells, as well as from control devices located in oil and/or gas wells, such as valves, such as subsurface safety valves.

Однако подача мощности таким внутрискважинным устройствам представляет определенные сложности. В некоторых обстоятельствах мощность может подаваться непосредственно с поверхности через кабель, или мощность может подаваться устройствам непосредственно с поверхности гидравлическим способом. При этом в других обстоятельствах такие способы подачи мощности неприменимы. В некоторых обстоятельствах решением может стать использование батарей. Однако такое решение само по себе представляет сложности, в особенности во внутрискважинных условиях, в которых довольно высокие температуры имеют тенденцию сокращать срок службы батарей.However, supplying power to such downhole devices presents certain difficulties. In some circumstances, power may be supplied directly from the surface via a cable, or power may be supplied to devices directly from the surface hydraulically. However, in other circumstances such methods of power supply are not applicable. In some circumstances, using batteries may be a solution. However, this solution in itself presents challenges, especially in downhole conditions where fairly high temperatures tend to shorten battery life.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Таким образом, есть необходимость в альтернативных источниках питания для внутрискважинных устройств, которые могли бы использоваться в обстоятельствах, когда подача мощности непосредственно с поверхности посредством кабеля или гидравлически затруднена, невозможна или нежелательна, которые при этом преодолевали бы ограничения, с которыми сталкиваются в случаях, когда полагаются на подачу мощности батареей. Также необходимо обеспечить альтернативные способы связи между различными участками внутри скважины, а также с участками другой скважины и/или участками на поверхности.Thus, there is a need for alternative power supplies for downhole devices that can be used in circumstances where supplying power directly from the surface via cable or hydraulically is difficult, impossible or undesirable, while also overcoming the limitations encountered in cases where rely on the battery to supply power. It is also necessary to provide alternative means of communication between different areas within the well, as well as with areas of another well and/or areas on the surface.

В настоящем описание термин поверхность относится к поверхности земли в случае материковой скважины, где расположено устье скважины; морскому дну/уровню дна в случае подводной скважины; и площадке устья скважины на платформе. Когда это уместно, термин также относится к участкам, расположенным выше указанных участков. В целом, термин поверхность используется для обозначения любого подходящего участка, к примеру, для подачи и/или принятия мощности/сигналов, который находится снаружи ствола скважины.As used herein, the term surface refers to the surface of the earth in the case of a continental well where the wellhead is located; seabed/bottom level in the case of a subsea well; and the wellhead site on the platform. When appropriate, the term also refers to areas located above these areas. In general, the term surface is used to refer to any suitable area, for example, for supplying and/or receiving power/signals, that is outside the wellbore.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложена внутрискважинная система сбора электрической энергии для сбора электрической энергии в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, несущую электрический ток, при этом указанная система содержит модуль сбора, электрически соединенный с металлической конструкцией на первом участке и со вторым участком, отстоящим от первого участка, при этом первый и второй участок выбраны таким образом, чтобы при использовании между ними присутствовала разность потенциалов вследствие электрического тока, текущего по конструкции; при этом модуль сбора выполнен с возможностью сбора электрической энергии от указанного электрического тока.According to a first aspect of the present invention, there is provided a downhole electrical energy collection system for collecting electrical energy in a downhole installation having a metal structure carrying an electric current, the system comprising a collection module electrically connected to the metal structure at a first portion and to a second portion spaced from a first section, wherein the first and second sections are selected so that when in use there is a potential difference between them due to the electric current flowing through the structure; wherein the collection module is configured to collect electrical energy from said electrical current.

Скважинная установка может быть установкой с катодной защитой, тогда электрический ток является током катодной защиты. Хотя представленные здесь решения могут использоваться в системе, где для подачи мощности ток специально подается к внутрискважинной конструкции, было обнаружено, что мощность можно собирать и от систем катодной защиты. При этом сбор мощности от уже имеющихся токов является особенно предпочтительным.The downhole installation may be a cathodic protection installation, in which case the electric current is a cathodic protection current. Although the solutions presented here can be used in a system where current is specifically applied to a downhole structure to provide power, it has been discovered that power can also be harvested from cathodic protection systems. In this case, collecting power from existing currents is particularly advantageous.

В общем случае второй участок будет внутрискважинным участком.In general, the second section will be the downhole section.

В некоторых случаях соединение со вторым участком может быть соединением с породой посредством электрода. Более типичным случаем, однако, будет случай, в котором модуль сбора будет соединяться с металлической конструкцией на первом и втором отстоящих участках.In some cases, the connection to the second site may be a connection to the rock via an electrode. A more typical case, however, would be where the collection module would be connected to the metal structure at the first and second spaced sections.

Такие системы и способы обладают определенными преимуществами, так как подача мощности внутрискважинному устройству может обеспечиваться в отсутствие необходимости в отдельном источнике питания. Более того, подача мощности может обеспечиваться, не полагаясь на локальные батареи, которые зачастую будут иметь ограниченный срок службы. Она также может обеспечиваться в отсутствие необходимости в кабеле, проходящем через устье скважины. Аналогично, предложенные решения могут быть реализованы без использования тороидов для введения и извлечения сигналов. Это снижает сложность и технические проблемы, которые могут возникнуть при реализации системы.Such systems and methods have certain advantages because power can be supplied to the downhole device without the need for a separate power source. Moreover, power delivery can be provided without relying on local batteries, which will often have a limited lifespan. It can also be provided without the need for a cable passing through the wellhead. Likewise, the proposed solutions can be implemented without using toroids for signal injection and extraction. This reduces the complexity and technical problems that may arise during system implementation.

Модуль сбора может быть выполнен с возможностью сбора электрической энергии от постоянных токов.The collection module may be configured to collect electrical energy from direct currents.

Предпочтительно, чтобы протекание тока на отрезках металлической конструкции в областях между первым участком и вторым участком происходило в одном и том же продольном направлении.It is preferable that the current flow through the sections of the metal structure in the areas between the first section and the second section occurs in the same longitudinal direction.

Предпочтительно, чтобы между первым участком и вторым участком обеспечивалась непрерывная траектория протекания тока, которая бы по меньшей мере частично проходила по металлической конструкции.Preferably, a continuous current path is provided between the first portion and the second portion, which at least partially passes through the metal structure.

- 1 043424- 1 043424

В данном описании представлены элементы, которые в общем случае будут присутствовать в установке, если только ее конструкция не модифицирована. Представленные здесь идеи в общем случае не требуют модифицирования стандартной скважинной установки целиком, то есть они ориентированы на работу со стандартной установкой.This description represents the items that will generally be present in the installation unless the design is modified. The ideas presented here generally do not require modification of the entire standard well rig, that is, they are designed to work with a standard rig.

Модуль сбора может быть электрически соединен с металлической конструкцией на втором участке.The collection module may be electrically connected to the metal structure at the second site.

Единственное или каждое соединение с металлической конструкцией может быть образовано с секцией металлических удлиненных элементов/секцией металлической трубы.A single or each connection to a metal structure may be formed with a section of metal extensions/section of metal pipe.

В нескольких вариантах осуществления отстоящие участки могут отстоять по оси. Соединения могут быть образованы с общей секцией металлических удлиненных элементов, например, общей секцией металлической трубы, которая является частью металлической конструкции. Самый верхний из двух отстоящих участков может располагаться в непосредственной близости от места расположения подвесного устройства хвостовика, предусмотренного в скважине. Зачастую такой вариант будет соответствовать наиболее практичному расположению самого верхнего участка. В некоторых случаях верхнее соединение может быть образовано с райзером.In several embodiments, the spaced portions may be axially spaced. Connections may be formed to a common section of metallic elongate members, such as a common section of metal pipe that is part of a metal structure. The uppermost of the two spaced sections may be located in close proximity to the location of the liner hanger provided in the well. Often this option will correspond to the most practical location of the uppermost area. In some cases, the top connection may be formed to the riser.

Оба соединения, к примеру, могут быть образованы с эксплуатационной колонной, предусмотренной в скважине, или оба соединения могут быть образованы с первой секцией обсадной трубы, отделенной от эксплуатационной колонны первым затрубным пространством А, или оба соединения могут быть образованы со второй секцией обсадной трубы, отделенной от первой секции обсадной трубы вторым затрубным пространством В, и т.д.Both connections, for example, may be formed to a production string provided in the well, or both connections may be formed to a first section of casing separated from the production string by a first annulus A, or both connections may be formed to a second section of casing, separated from the first casing section by a second annulus B, etc.

В других случаях отстоящие по оси соединения могут быть образованы с разными секциями металлических удлиненных элементов, например, с различными секциями металлической трубы, что будет приводить к аналогичным результатам, но в целом более подходящим решением является создание соединений с одной и той же секцией металлических удлиненных элементов/металлической трубы в случае, если нет причин для использования других решений.In other cases, axially spaced connections can be made to different sections of metallic elongates, such as different sections of metal pipe, which will produce similar results, but in general a more suitable solution is to make connections to the same section of metallic elongates /metal pipe if there is no reason to use other solutions.

Там, где отстоящие участки отстоят по оси, и необходимо присутствие между ними разности потенциалов, расстояние между участками предпочтительно должно быть значительным - обычно 100 м и более. Предпочтительно - от 300 м до 500 м.Where spaced sections are axially spaced and a potential difference between them is required, the distance between sections should preferably be significant - typically 100 m or more. Preferably - from 300 m to 500 m.

Электрическое соединение с металлической конструкцией на первом участке может быть гальваническим соединением.The electrical connection to the metal structure in the first section may be a galvanic connection.

Электрическое соединение с металлической конструкцией на втором участке может быть гальваническим соединением.The electrical connection to the metal structure in the second section may be a galvanic connection.

Модуль сбора может быть расположен в одном или нескольких внешних по отношению к скважине удлиненных элементах, внутри затрубного пространства скважины, и внутри внутреннего ствола скважины.The collection module may be located in one or more elongated elements external to the well, inside the well annulus, and inside the internal wellbore.

Соединение по меньшей мере с одним из участков, первым или вторым, может быть обеспечено посредством кабеля, проходящего вдоль металлической конструкции.The connection to at least one of the first or second sections may be provided by means of a cable running along the metal structure.

Если второй отстоящий контакт образован по меньшей мере с одной секцией металлических удлиненных элементов, предпочтительно, чтобы электрический ток, текущий по указанной по меньшей мере одной секции металлических удлиненных элементов, на которой образован первый контакт, двигался по тому же продольному направлению, что и электрический ток, текущий по меньшей мере по одной секции металлических удлиненных элементов, на которой образован второй контакт.If the second spaced contact is formed with at least one section of metal elongate elements, it is preferable that the electric current flowing through the at least one section of metal elongate elements on which the first contact is formed moves in the same longitudinal direction as the electric current , flowing through at least one section of metal elongate elements on which a second contact is formed.

Если первый отстоящий контакт и второй отстоящий контакт, оба, образованы с одной и той же секцией металлических удлиненных элементов, предпочтительно, чтобы указанная секция металлических удлиненных элементов была непрерывно проводимой между указанными первым и вторым участком.If the first spacer contact and the second spacer contact are both formed with the same section of metal elongate members, it is preferable that said section of metal elongate members be continuously conducted between said first and second portions.

По меньшей мере одно соединение между по меньшей мере одним из электрических контактов и модулем сбора может быть обеспечено изолированным кабелем.At least one connection between at least one of the electrical contacts and the collection module may be provided by an insulated cable.

Кабель может быть выбран имеющим проводник с относительно большой площадью поперечного сечения. При выборе кабеля целью является выбор площади поперечного сечения, которая является достаточно большой для того, чтобы обеспечить необходимый уровень сбора - такой, которая обеспечит достаточно низкое сопротивление в кабеле.The cable may be selected to have a conductor with a relatively large cross-sectional area. When selecting a cable, the goal is to select a cross-sectional area that is large enough to provide the required level of collection - one that will provide a low enough resistance in the cable.

Предпочтительно, чтобы изолированный кабель имел проводящую площадь равную по меньшей мере 10 мм2, предпочтительно по меньшей мере 20 мм2, более предпочтительно по меньшей мере 80 мм2.Preferably, the insulated cable has a conductive area of at least 10 mm 2 , preferably at least 20 mm 2 , more preferably at least 80 mm 2 .

Кабелем может быть помещенный в колонну проводник.The cable may be a conductor placed in a column.

Одно из соединений может быть образовано в отсутствие внешнего кабеля. Одно из соединений может быть образовано посредством проводящего корпуса модуля сбора (или окружающего модуль сбора).One of the connections can be formed without an external cable. One of the connections may be formed by a conductive housing of the collection module (or surrounding the collection module).

Обычно существует некое оптимальное значение для расстояния между соединениями. Чем больше расстояние, тем больше изменение в потенциале между участками контактов, но при этом тем больше сопротивление кабеля. Представленный здесь способ может содержать этап определения оптимального расстояния между отстоящими участками. Это расстояние может определяться моделированием дляThere is usually some optimal value for the distance between connections. The greater the distance, the greater the change in potential between the contact sections, but the greater the cable resistance. The method presented here may comprise the step of determining an optimal distance between spaced sections. This distance can be determined by simulation for

- 2 043424 конкретной установки.- 2 043424 specific installation.

Расстояние между участками может составлять по меньшей мере 100 м.The distance between sections can be at least 100 m.

В других вариантах осуществления отстоящие участки могут отстоять радиально. Первое из соединений может быть образовано с первой секцией металлических удлиненных элементов, например, первой секцией металлической трубы, которая является частью металлической конструкции, а второе из соединений может быть образовано со второй, другой, секцией металлических удлиненных элементов, например, со второй, другой, секцией металлической трубы, которая является частью металлической конструкции. Поэтому соединение может пересекать затрубное пространство, образованное двумя секциями металлической трубы.In other embodiments, the spaced portions may be spaced radially. The first of the connections may be formed with a first section of metal elongate members, for example, a first section of metal pipe, which is part of the metal structure, and the second of the connections may be formed with a second, different section of metal elongate members, for example, with a second, different, a section of metal pipe that is part of a metal structure. Therefore, the connection can cross the annulus formed by two sections of metal pipe.

Например, одно соединение может быть образовано с эксплуатационной колонной, предусмотренной в скважине, а одно - с первой секцией обсадной трубы, отделенной от эксплуатационной колонны первым затрубным пространством А, или одно соединение может быть образовано с первой секцией обсадной трубы, предусмотренной в скважине, а одно - со второй секцией обсадной трубы, отделенной вторым затрубным пространством В от первой секции обсадной трубы, и т.д.For example, one connection may be formed to a production string provided in the well and one to a first section of casing separated from the production string by a first annulus A, or one connection may be formed to a first section of casing provided in the well and one with a second casing section separated by a second annulus B from the first casing section, etc.

В некоторых случаях отстоящие участки могут отстоять как по оси, так и радиально.In some cases, the spaced sections may be spaced both axially and radially.

Соединения могут быть образованы с общей секцией металлических удлиненных элементов, являющейся частью металлической конструкции.Connections may be formed with a common section of metallic elongate members forming part of the metallic structure.

В некоторых вариантах осуществления первое из соединений образовано с первой секцией металлических удлиненных элементов, являющейся частью металлической конструкции, а второе из соединений образовано со второй, другой, секцией металлических удлиненных элементов, являющейся частью металлической конструкции.In some embodiments, the first of the connections is formed with a first section of metal elongate members that is part of the metal structure, and the second of the connections is formed with a second, different section of metal elongate members that is part of the metal structure.

Для электрической изоляции первой секции металлических удлиненных элементов от второй секции металлических удлиненных элементов в области соединений могут быть предусмотрены средства изоляции.To electrically isolate the first section of metallic elongate members from the second section of metallic elongated members, insulating means may be provided in the area of the connections.

Средства изоляции могут быть предусмотрены для электрической изоляции первой секции удлиненных элементов/металлической трубы от второй секции удлиненных элементов/металлической трубы в области по меньшей мере одного из соединений. Это может помочь гарантировать присутствие разности потенциалов между секциями удлиненных элементов/металлической трубы на участках, где образованы соединения. Это обеспечивается за счет отличающихся траекторий, ведущих к земле, от каждой секции элементов/трубы.The insulation means may be provided to electrically isolate the first section of elongated members/metal pipe from the second section of elongated members/metal pipe in the region of at least one of the connections. This can help ensure that there is a potential difference between sections of elongate members/metal pipe at the areas where connections are formed. This is achieved by having different paths leading to the ground from each element/pipe section.

Следует отметить, что в описанных здесь решениях токи, от которых производят сбор энергии, будут в целом течь в одном и том же направлении на первой и второй секциях металлических удлиненных элементов/трубы. Поэтому изоляция предусмотрена не для образования отдельной траектории замыкания, а скорее для изменения траектории, ведущей к земле, для одной из секций относительно другой.It should be noted that in the solutions described herein, the currents from which energy is harvested will generally flow in the same direction on the first and second sections of the metal elongate elements/pipe. Therefore, the isolation is not designed to create a separate fault path, but rather to change the path leading to ground for one of the sections relative to the other.

Средства изоляции могут содержать изолирующий слой или покрытие, предусмотренные по меньшей мере на одной из секций удлиненных элементов/металлической трубы. Средства изоляции могут содержать по меньшей мере один изолирующий центратор для удержания секций удлиненных элементов/металлической трубы на расстоянии друг от друга.The insulation means may comprise an insulating layer or coating provided on at least one of the elongate element/metal pipe sections. The insulating means may comprise at least one insulating centralizer for holding the sections of elongated members/metal pipe at a distance from each other.

Средства изоляции могут быть предусмотрены в целях недопущения электрического контакта между двумя секциями удлиненных элементов/металлической трубы на расстоянии, равном по меньшей мере 100 м, предпочтительно 300 м.Isolation means may be provided to prevent electrical contact between two sections of elongated members/metal pipe over a distance of at least 100 m, preferably 300 m.

По меньшей мере одно из соединений может находиться в изолированной области. Оба соединения могут находиться в изолированной области. По меньшей мере одно из соединений может находиться около центральной точки изолированной области. Расположение по меньшей мере одного из соединений может быть определено моделированием конкретной установки для определения оптимального расположения, которое потом выбирается.At least one of the connections may be in an isolated region. Both connections can be in an isolated area. At least one of the connections may be located near the center point of the isolated region. The location of at least one of the connections may be determined by simulating a particular installation to determine the optimal location, which is then selected.

Модуль сбора может быть предусмотрен в стволе центральной секции колонны, в затрубном пространстве или снаружи обсадной трубы - между обсадной трубой и породой. Так, среди прочих возможных расположений, модуль сбора может быть предусмотрен в затрубном пространстве А, затрубном пространстве В, затрубном пространстве С, затрубном пространстве D, или любых других затрубных пространствах.The collection module may be provided in the bore of the central section of the string, in the annulus, or outside the casing - between the casing and the formation. Thus, among other possible locations, the collection module may be provided in annulus A, annulus B, annulus C, annulus D, or any other annulus.

За счет этого предоставляется возможность подачи мощности на участки, на которые обычно невозможно и/или нежелательно проводить кабели с поверхности, что особенно полезно в случае подводных скважин. Кроме того, такая возможность предоставляется в отсутствие необходимости использования первичных батарей, или других локальных источников питания, а значит, обеспечивается возможность подачи мощности к таким участкам на протяжении всей жизни скважины.This makes it possible to supply power to areas where it would normally be impossible and/or undesirable to run cables from the surface, which is particularly useful in the case of subsea wells. In addition, this opportunity is provided without the need for primary batteries or other local power sources, which means it is possible to supply power to such areas throughout the life of the well.

Модуль сбора может содержать средства переменного импеданса для варьирования нагрузки между двумя соединениями. Средства переменного импеданса могут управляться микропроцессором.The collection module may include variable impedance means to vary the load between two connections. Variable impedance means can be controlled by a microprocessor.

Средства переменного импеданса могут использоваться для варьирования нагрузки с целью оптимизации сбора энергии.Variable impedance means can be used to vary the load to optimize energy harvesting.

Средства переменного импеданса могут использоваться для модуляции нагрузки с целью передачи данных от модуля сбора в направлении поверхности.Variable impedance means can be used to modulate the load to transfer data from the acquisition module towards the surface.

- 3 043424- 3 043424

Для передачи данных из внутреннего пространства скважины в направлении поверхности могут быть предусмотрены внутрискважинные средства связи. Внутрискважинные средства связи могут также быть выполнены с возможностью получения данных, например, с поверхности.Downhole communication means may be provided to transmit data from the interior of the well towards the surface. Downhole communications may also be configured to receive data from, for example, the surface.

Модуль сбора может содержать внутрискважинные средства связи. В других случаях внутрискважинные средства связи могут быть расположены отдельно. Внутрискважинное устройство, питаемое модулем сбора, может содержать внутрискважинные средства связи.The acquisition module may contain downhole communications. In other cases, downhole communications may be located separately. The downhole device powered by the acquisition module may include downhole communications.

Внутрискважинные средства связи могут содержать средства переменного импеданса.Downhole communication means may contain variable impedance means.

Верхние средства связи могут быть предусмотрены на участке выхода ствола скважины, и включать в себя детектор для детектирования изменений тока, например, тока катодной защиты, текущего по металлической конструкции, для обеспечения возможности извлечения данных, закодированных модуляцией нагрузки в модуле сбора. Например, детектор может быть выполнен с возможностью детектирования потенциала металлической конструкции относительно опорного значения, или детектирования падения потенциала на конструкции; или тока от источника питания, используемого для подачи наложенного тока катодной защиты на металлическую конструкцию.The overhead communication means may be provided at the exit portion of the wellbore, and include a detector for detecting changes in current, such as cathodic protection current, flowing through the metal structure to enable retrieval of data encoded by load modulation in the acquisition module. For example, the detector may be configured to detect the potential of a metal structure relative to a reference value, or detect a drop in potential across the structure; or current from a power source used to provide superimposed cathodic protection current to a metal structure.

В других вариантах осуществления вместо осуществления связи с поверхностью за счет модуляции нагрузки могут использоваться другие виды связи. Например, может использоваться подача акустического и/или электромагнитного сигнала. Модуляция нагрузки - это один из примеров подачи электромагнитного сигнала, но могут использоваться и другие, более прямые, способы подачи электромагнитного сигнала.In other embodiments, instead of communicating with the surface through load modulation, other types of communication may be used. For example, an acoustic and/or electromagnetic signal may be supplied. Load modulation is one example of applying an electromagnetic signal, but other, more direct, methods of applying an electromagnetic signal can be used.

Внутрискважинные средства связи могут быть выполнены с возможностью подачи несущих данные акустических сигналов к металлической конструкции, при этом верхние средства связи могут быть выполнены с возможностью приема несущих данные акустических сигналов.The downhole communication means may be configured to provide data-carrying acoustic signals to the metal structure, while the uphole communication means may be configured to receive data-carrying acoustic signals.

Внутрискважинные средства связи могут быть выполнены с возможностью подачи несущих данные электромагнитных сигналов к металлической конструкции, при этом верхние средства связи могут быть выполнены с возможностью приема несущих данные электромагнитных сигналов.The downhole communication means may be configured to supply data-carrying electromagnetic signals to the metal structure, and the uphole communication means may be configured to receive data-carrying electromagnetic signals.

Верхние средства связи могут быть выполнены с возможностью подачи несущих данные акустических и/или электромагнитных сигналов к металлической конструкции, при этом внутрискважинные средства связи могут быть выполнены с возможностью приема несущих данные акустических и/или электромагнитных сигналов.The topside communication means may be configured to supply data-carrying acoustic and/or electromagnetic signals to the metal structure, while the downhole communication means may be configured to receive data-carrying acoustic and/or electromagnetic signals.

В некоторых случаях верхние средства связи и внутрискважинные средства связи могут быть выполнены с возможностью осуществления связи с использованием сигналов обоих типов: акустических и электромагнитных сигналов. Это создает полезную избыточность, заключающуюся в том, что в случае выхода из строя одного канала связи другой канал связи будет продолжать функционировать.In some cases, the topside and downhole communications may be configured to communicate using both types of acoustic and electromagnetic signals. This creates useful redundancy in that if one communication link fails, the other communication link will continue to function.

Модуль сбора может быть размещен в заданном положении внутри скважины для сбора мощности, при этом для подачи электрической мощности ниже, внутрь скважины, к внутрискважинному устройству может быть предусмотрен кабель. Площадь поперечного сечения кабеля, используемого для подачи электрической мощности ниже, внутрь скважины, обычно будет меньше поперечного сечения любого кабеля, используемого для сбора этой мощности, при этом мощность обычно будет подаваться ниже, внутрь скважины, при большем напряжении, чем напряжение, создаваемое между отстоящими контактами током, текущим по металлической конструкции, например, токами катодной защиты.The collection module may be placed at a predetermined position within the well to collect power, and a cable may be provided to supply electrical power below the well to the downhole device. The cross-sectional area of the cable used to deliver electrical power downhole will typically be less than the cross-sectional area of any cable used to collect that power, and the power will typically be delivered downhole at a higher voltage than the voltage generated between the spaced contacts with current flowing through a metal structure, for example, cathodic protection currents.

В некоторых вариантах осуществления ток, текущий по удлиненным элементам, подается с поверхности скважины.In some embodiments, the current flowing through the elongated elements is supplied from the surface of the well.

В некоторых вариантах осуществления ток, текущий по удлиненному элементу, подается от одного или нескольких жертвенных анодов.In some embodiments, the current flowing through the elongate element is supplied from one or more sacrificial anodes.

В некоторых вариантах осуществления ток, текущий по удлиненным элементам, является наложенным током от внешнего источника питания.In some embodiments, the current flowing through the elongated elements is superimposed current from an external power source.

В некоторых вариантах осуществления напряжение поверхности скважины, при использовании, ограничивается диапазоном от -0,7 В до -2 В относительно опорной ячейки из серебра/хлорида серебра.In some embodiments, the well surface voltage, in use, is limited to a range of -0.7 V to -2 V relative to the silver/silver chloride reference cell.

Предпочтительно, чтобы разность потенциалов между отстоящими контактами была менее 1 В, предпочтительно менее 0,5 В, более предпочтительно менее 0,1 В.Preferably, the potential difference between spaced contacts is less than 1 V, preferably less than 0.5 V, more preferably less than 0.1 V.

Опционально, сопротивление скважинной конструкции между контактами не превышает 0,1 Ом, предпочтительно не превышает 0,01 Ом.Optionally, the resistance of the downhole structure between the contacts does not exceed 0.1 ohms, preferably does not exceed 0.01 ohms.

Оптимальный участок для сбора мощности обычно будет располагаться поблизости от участка, на котором токи, например, токи катодной защиты накладываются на металлическую конструкцию.The optimal site for power harvesting will usually be located close to the site where currents, such as cathodic protection currents, are applied to the metal structure.

Там, где отстоящие участки отстоят по оси, предпочтительным является расположение верхнего участка в непосредственной близости к участку, на котором токи, например токи катодной защиты, накладываются на металлическую конструкцию. Следует отметить, что в случае платформенной конструкции ток, например токи катодной защиты, может поступать к внутрискважинной металлической конструкции через гальваническое соединение с платформенной конструкцией. В некоторых случаях предложенные здесь решения могут включать в себя управление расположением этого соединения.Where the spaced sections are axially spaced, it is preferred to locate the top section in close proximity to the section where currents, such as cathodic protection currents, are applied to the metal structure. It should be noted that in the case of a platform structure, current, such as cathodic protection currents, may be supplied to the downhole metal structure through a galvanic connection to the platform structure. In some cases, the solutions proposed here may involve controlling the location of this connection.

Зачастую оптимальный участок для сбора мощности будет расположен вблизи устья скважины, где наблюдается наибольшая скорость изменения потенциала по мере продвижения внутрь скважины. СOften the optimal location for power harvesting will be located near the wellhead, where the rate of potential change is greatest as you move deeper into the well. WITH

- 4 043424 другой стороны, внутрискважинное устройство, которому подается мощность, может располагаться ниже, внутри скважины. Поэтому модуль сбора и внутрискважинное устройство могут находиться на разных участках, в частности, на разных глубинах в скважине.- 4 043424 on the other hand, the downhole device to which the power is supplied may be located below, inside the well. Therefore, the collection module and the downhole device can be located in different areas, in particular, at different depths in the well.

В других случаях модуль сбора и внутрискважинное устройство могут располагаться вместе. Такая система может содержать внутрискважинный блок, включающий в себя модуль сбора и внутрискважинное устройство.In other cases, the collection module and downhole device may be located together. Such a system may comprise a downhole unit including a collection module and a downhole device.

Верхний отстоящий контакт может находиться:The upper spaced contact may be located:

в пределах 100 м, предпочтительно в пределах 50 м, от поверхности земли, если скважина является материковой скважиной, и в пределах 100 м, предпочтительно в пределах 50 м, от уровня дна, если скважина является подводной скважиной.within 100 m, preferably within 50 m, from the surface of the earth if the well is a mainland well, and within 100 m, preferably within 50 m, from the bottom level if the well is a subsea well.

Верхний отстоящий контакт может находиться в непосредственной близости к участку, соответствующему потенциалу максимальной величины, вызванному электрическим током, текущим по конструкции.The upper spaced contact may be in close proximity to the area corresponding to the maximum potential caused by the electrical current flowing through the structure.

Система может также содержать внутрискважинные средства связи для передачи и/или приема данных.The system may also include downhole communications for transmitting and/or receiving data.

Внутрискважинные средства связи могут быть выполнены с возможностью передачи данных за счет варьирования нагрузки между соединениями на отстоящих участках.Downhole communications may be configured to transmit data by varying the load between connections at distant locations.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложена система управления внутрискважинным устройством, содержащая внутрискважинную систему сбора электрической энергии, раскрытую выше, и внутрискважинное устройство, при этом модуль сбора электрически соединен с внутрискважинным устройством и выполнен с возможностью подачи мощности внутрискважинному устройству.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a downhole tool control system comprising a downhole electrical energy collection system disclosed above and a downhole tool, wherein the collection module is electrically coupled to the downhole tool and configured to supply power to the downhole tool.

Внутрискважинное устройство может содержать внутрискважинный сенсор, к примеру сенсор давления и/или температуры. Сенсор может быть установлен, например, в затрубном пространстве А, В, С или D.The downhole device may include a downhole sensor, for example a pressure and/or temperature sensor. The sensor can be installed, for example, in the annulus A, B, C or D.

Сенсор, размещенный в одном затрубном пространстве или стволе скважины, может быть выполнен с возможностью осуществления мониторинга некоторого параметра в расположенном поблизости затрубном пространстве или стволе скважины помимо осуществления мониторинга в затрубном пространстве или стволе скважины, в котором он расположен, или вместо того чтобы, осуществлять мониторинг в затрубном пространстве или стволе, в котором он расположен. Для обеспечения возможности измерения параметров в расположенном поблизости затрубном пространстве или стволе скважины может быть предусмотрен порт, проходящий через секцию металлической конструкции.A sensor located in one annulus or wellbore may be configured to monitor some parameter in a nearby annulus or wellbore in addition to, or instead of, monitoring the annulus or wellbore in which it is located. in the annulus or barrel in which it is located. To enable measurement of parameters in a nearby annulus or wellbore, a port may be provided through a section of metal structure.

Сенсор может быть предусмотрен для детектирования протечек в зацементированном затрубном пространстве.A sensor may be provided to detect leaks in a cemented annulus.

Сенсор может включать в себя набор сенсоров.The sensor may include a plurality of sensors.

Внутрискважинное устройство может содержать по меньшей мере один из указанных элементов: внутрискважинный сенсор;The downhole device may contain at least one of the following elements: a downhole sensor;

внутрискважинный исполнительный механизм;downhole actuator;

затрубное устройство герметизации, например пакер или пакерный элемент;an annular sealing device, such as a packer or packer element;

клапан;valve;

внутрискважинный модуль связи, например приемопередатчик или повторитель.downhole communication module, such as a transceiver or repeater.

Модуль связи может содержать внутрискважинный связной повторитель. Им может быть повторитель для акустической связи, или электромагнитной связи, в том числе для беспроводной электромагнитной связи и кабельной электромагнитной связи, или для гибридной системы связи. Например, повторитель может принимать акустические сигналы с участков, расположенных ниже внутри скважины, и сигналы в направлении поверхности, используя электромагнитную связь, или наоборот. Аналогичным образом, оба типа связи, акустическая и электромагнитная связь, могут использоваться в одном или обоих направлениях. Подача электромагнитных сигналов может быть осуществлена подачей электрических сигналов внутрь скважины или модуляцией нагрузки в модуле сбора, как было описано выше. Подача электромагнитных сигналов может осуществляться по меньшей мере частично посредством кабелей, как было описано выше.The communication module may contain a downhole communication repeater. It may be a repeater for acoustic communication, or electromagnetic communication, including wireless electromagnetic communication and cable electromagnetic communication, or for a hybrid communication system. For example, a repeater may receive acoustic signals from areas lower down the wellbore and signals toward the surface using electromagnetic coupling, or vice versa. Likewise, both types of communication, acoustic and electromagnetic communication, can be used in one or both directions. The supply of electromagnetic signals can be accomplished by applying electrical signals inside the well or by modulating the load in the acquisition module, as described above. The supply of electromagnetic signals may be carried out at least in part via cables, as described above.

Если внутрискважинное устройство является повторителем или приемопередатчиком, система может быть заранее установлена в конструкцию скважины для создания скважины, готовой к беспроводному соединению (англ. wireless ready). Так, система может быть установлена для обеспечения беспроводного канала связи, даже если возможность связи сначала не используется. Здесь, опять же, термин беспроводной означает, что имеется по меньшей мере одна беспроводная ветвь в канале связи, другие ветви могут идти по кабелю.If the downhole device is a repeater or transceiver, the system can be pre-installed into the well structure to create a wireless ready well. Thus, the system can be installed to provide a wireless communication channel even if the communication capability is not initially used. Here again, the term wireless means that there is at least one wireless branch in the communication channel, other branches may go along the cable.

В других ситуациях указанная система может быть установлена постфактум.In other situations, the specified system may be installed after the fact.

Клапан может содержать по меньшей мере один из следующих элементов:The valve may contain at least one of the following elements:

подземный предохранительный клапан;underground safety valve;

клапан управления расходом в стволе скважины;wellbore flow control valve;

- 5 043424 клапан ствол скважины - затрубное пространство;- 5 043424 valve wellbore - annulus;

клапан затрубное пространство - затрубное пространство;valve annulus - annulus;

клапан ствол скважины - камера компенсации давления;wellbore valve - pressure compensation chamber;

клапан затрубное пространство - камера компенсации давления;valve annulus - pressure compensation chamber;

клапан через пакер или в обход пакера.valve through the packer or bypassing the packer.

Следует отметить, что каждое устройство может быть устройством, управляемым дистанционно, например, может быть устройством, управляемым с помощью беспроводной связи. Это может означать, к примеру, что при управлении с поверхности в канале связи может присутствовать по меньшей мере одна беспроводная ветвь. Другие ветви могут идти по кабелю, например, между участком, на котором расположен сенсор, и участком, на котором осуществляется сбор.It should be noted that each device may be a remote controlled device, for example, may be a wireless controlled device. This may mean, for example, that when controlled from the surface, there may be at least one wireless leg present in the communication channel. Other branches may run along the cable, for example, between the area where the sensor is located and the area where the collection takes place.

Подача электромагнитных сигналов может предусматривать использование сигналов постоянного или переменного тока, и подходящих схем модуляции. Модуль сбора может содержать преобразователь постоянного тока (DC/DC-преобразователь) для сбора мощности от токов катодной защиты или других присутствующих токов. Модуль сбора может содержать устройство накопления энергии для накопления собранной мощности. Устройство накопления энергии может содержать устройство накопления заряда, которое может содержать по меньшей мере один конденсатор и/или по меньшей мере одну перезаряжаемую батарею. Там, где есть средства накопления энергии, модуль сбора может быть выполнен с возможностью выборочной подачи мощности от устройства накопления или непосредственно от собранной энергии. Такой выбор может быть основан на заранее определенных условиях. В альтернативных вариантах в отсутствие устройства накопления энергии модуль сбора может быть выполнен с возможностью постоянной подачи мощности по требованию.The supply of electromagnetic signals may involve the use of DC or AC signals and suitable modulation schemes. The collection module may contain a direct current converter (DC/DC converter) to collect power from cathodic protection currents or other currents present. The collection module may include a power storage device for storing the collected power. The energy storage device may comprise a charge storage device, which may include at least one capacitor and/or at least one rechargeable battery. Where energy storage means are present, the harvesting module may be configured to selectively supply power from the storage device or directly from the harvested energy. This choice may be based on predetermined conditions. In alternative embodiments, in the absence of an energy storage device, the harvesting module may be configured to continuously supply power on demand.

Для избирательного использования в модуле сбора может быть также предусмотрена первичная батарея.For selective use, a primary battery may also be provided in the collection module.

Преобразователь постоянного тока (DC/DC-преобразователь) может содержать полевой транзистор для образования резонансного повышающего осциллятора. Преобразователь постоянного тока может также включать в себя повышающий трансформатор и может включать в себя конденсатор связи.The direct current converter (DC/DC converter) may include a field effect transistor to form a resonant boost oscillator. The DC/DC converter may also include a step-up transformer and may include a coupling capacitor.

Модуль сбора может быть выполнен с возможностью управления отношением витков повышающего трансформатора для модифицирования нагрузки, генерируемой преобразователем постоянного тока. Вторичная обмотка повышающего трансформатора может содержать множество ответвлений, и/или повышающий трансформатор может содержать множество вторичных обмоток, и модуль сбора может быть выполнен с возможностью выбора обмоток и/или ответвлений для обеспечения необходимого отношения витков. Для выбора ответвлений и/или обмоток может использоваться переключатель, управляемый микропроцессором.The collection module may be configured to control the turns ratio of the step-up transformer to modify the load generated by the DC/DC converter. The secondary winding of the step-up transformer may include a plurality of taps, and/or the step-up transformer may include a plurality of secondary windings, and the collection module may be configured to select the windings and/or taps to provide a desired turns ratio. A microprocessor controlled switch may be used to select taps and/or windings.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен внутрискважинный блок, содержащий модуль сбора, раскрытый выше, и по меньшей мере одно устройство, выполненное с возможностью получения мощности от модуля сбора.According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole assembly comprising a collection module as disclosed above and at least one device configured to receive power from the collection module.

Одно или несколько из устройств: сенсорный модуль, модуль связи и модуль сбора, может быть предусмотрено в затрубном пространстве, например затрубном пространстве В или затрубном пространстве С, или другом затрубном пространстве. Сенсорный модуль и модуль сбора могут быть частью общего внутрискважинного блока, однако, более типичным вариантом будет вариант, в котором они разделены, так что сенсор может располагаться глубже модуля сбора.One or more of the sensor module, communication module, and acquisition module may be provided in an annulus, such as annulus B or annulus C, or other annulus. The sensor module and acquisition module may be part of a common downhole assembly, however, it is more typical to separate them so that the sensor may be located deeper than the acquisition module.

Внутрискважинное устройство может быть предусмотрено на другом участке в скважине относительно модуля сбора.The downhole device may be provided at a different location in the well relative to the collection module.

Модуль сбора может быть размещен на заданном участке внутри скважины для сбора мощности, при этом для подачи электрической мощности ниже, внутрь скважины, к внутрискважинному устройству на другом участке в скважине, может быть предусмотрен кабель.A collection module may be placed at a predetermined location within the well to collect power, and a cable may be provided to supply electrical power downhole to a downhole device at another location in the well.

Площадь поперечного сечения проводящей жилы, или жил, кабеля, используемого для подачи электрической мощности ниже, внутрь скважины, может быть меньше площади поперечного сечения кабеля, используемого для соединения модуля сбора с внутрискважинной конструкцией для сбора мощности.The cross-sectional area of the conductive core or cores of the cable used to deliver electrical power downhole may be less than the cross-sectional area of the cable used to connect the collection module to the downhole power collection structure.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена внутрискважинная система мониторинга скважины для осуществления мониторинга по меньшей мере одного параметра в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, несущую электрический ток, причем указанная система содержит:According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole well monitoring system for monitoring at least one parameter in a downhole installation having a metal structure carrying an electrical current, the system comprising:

систему сбора электрической энергии, раскрытую выше;the electrical energy harvesting system disclosed above;

сенсорный модуль для измерения по меньшей мере одного параметра; и модуль связи для отправки показаний закодированных данных от сенсорного модуля в направлении поверхности, при этом система сбора электрической энергии выполнена с возможностью подачи электрической мощности по меньшей мере одному из устройств: сенсорному модулю или модулю связи.a sensor module for measuring at least one parameter; and a communication module for sending encoded data readings from the sensor module towards the surface, wherein the electrical power collection system is configured to supply electrical power to at least one of the sensor module or the communication module.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена внутрискважинная система мониторинга скважины для осуществления мониторинга по меньшей мере одного параметра в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, несущую электрический ток, причем указанная сисAccording to another aspect of the present invention, there is provided a downhole well monitoring system for monitoring at least one parameter in a downhole installation having a metal structure carrying an electrical current, wherein said system

- 6 043424 тема содержит:- 6 043424 topic contains:

сенсорный модуль для измерения по меньшей мере одного параметра;a sensor module for measuring at least one parameter;

модуль связи для отправки показаний закодированных данных от сенсорного модуля в направлении поверхности; и систему сбора электрической энергии, содержащую модуль сбора, электрически соединенный с металлической конструкцией на первом участке и со вторым участком, отстоящим от первого участка, причем первый и второй участки выбраны так, чтобы при использовании между ними присутствовала разность потенциалов вследствие электрического тока, текущего по конструкции; причем модуль сбора выполнен с возможностью сбора электрической энергии от электрического тока, при этом система сбора электрической энергии выполнена с возможностью подачи электрической мощности по меньшей мере одному из устройств: сенсорному модулю или модулю связи.a communication module for sending encoded data readings from the sensor module towards the surface; and an electrical energy harvesting system comprising a collection module electrically coupled to a metal structure at a first portion and to a second portion spaced from the first portion, the first and second portions being selected such that, when in use, there is a potential difference between them due to an electric current flowing through designs; wherein the collection module is configured to collect electrical energy from the electric current, wherein the electrical energy collection system is configured to supply electrical power to at least one of the devices: a sensor module or a communication module.

Указанная система может содержать по меньшей мере один кабель, имеющий первую длину, для соединения модуля сбора с одним из отстоящих участков.Said system may comprise at least one cable having a first length for connecting the collection module to one of the spaced sections.

Указанная система может содержать по меньшей мере один кабель, имеющий вторую длину, для подачи мощности от модуля сбора к сенсорному модулю.Said system may comprise at least one cable having a second length for supplying power from the collection module to the sensor module.

Площадь поперечного сечения проводящей части кабеля, имеющего первую длину, может превышать площадь поперечного сечения проводящей части кабеля, имеющего вторую длину.The cross-sectional area of the conductive portion of the cable having the first length may be greater than the cross-sectional area of the conductive portion of the cable having the second length.

Модуль связи может быть выполнен с возможностью модуляции электрического тока, текущего по металлической конструкции, на участке подачи сигнала для кодировки данных для обеспечения возможности извлечения указанных данных на участке получения, удаленном от участка подачи сигнала, посредством детектирования эффекта указанной модуляции на электрическом токе на указанном участке получения.The communication module may be configured to modulate an electrical current flowing through a metal structure at a signal input portion to encode data to enable retrieval of said data at a receiving portion remote from the signal input portion by detecting the effect of said modulation on the electrical current at said portion. receiving.

Система мониторинга скважины может содержать детектор для детектирования эффекта модуляции на электрическом токе на указанном участке получения для извлечения закодированных данных.The well monitoring system may include a detector for detecting the effect of modulation on an electrical current at a specified acquisition site to retrieve the encoded data.

Модуль связи может быть выполнен с возможностью управления нагрузкой, генерируемой модулем сбора, для осуществления указанной модуляции электрического тока в металлической конструкции на участке подачи сигнала.The communication module may be configured to control a load generated by the acquisition module to effect said modulation of the electrical current in the metal structure at the signal supply portion.

Сенсорный модуль может содержать сенсор давления.The sensor module may include a pressure sensor.

Сенсор давления может быть выполнен с возможностью осуществления мониторинга пластового давления.The pressure sensor may be configured to monitor formation pressure.

Сенсор давления может быть выполнен с возможностью осуществления мониторинга давления в затрубном пространстве скважины.The pressure sensor may be configured to monitor pressure in the well annulus.

Сенсор давления может быть выполнен с возможностью осуществления мониторинга давления в закрытом затрубном пространстве скважины.The pressure sensor may be configured to monitor pressure in a closed annulus of a well.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена внутрискважинная система связного повторителя для использования в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, несущую электрический ток, причем указанная система содержит:According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole communication repeater system for use in a downhole installation having a metal structure carrying electrical current, the system comprising:

систему сбора электрической энергии, раскрытую выше; и связной повторитель, размещенный внутри скважины в указанной скважине и выполненный с возможностью осуществления связи с первым устройством за пределами устья скважины с помощью канала связи, являющегося беспроводным по меньшей мере на участке, проходящем через устье скважины, и выполненный с возможностью осуществления связи со вторым устройством, расположенным в скважине, то есть ниже устья скважины, так что связной повторитель может выступать в роли повторителя между первым и вторым устройствами, при этом система сбора электрической энергии выполнена с возможностью подачи электрической мощности связному повторителю.the electrical energy harvesting system disclosed above; and a communication repeater located downhole in said wellhead and configured to communicate with the first device outside the wellhead using a communication channel that is wireless at least over a portion passing through the wellhead, and configured to communicate with the second device , located in the well, that is, below the wellhead, so that the communication repeater can act as a repeater between the first and second devices, and the electrical energy collection system is configured to supply electrical power to the communication repeater.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена внутрискважинная система связного повторителя для использования в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, несущую электрический ток, причем указанная система содержит:According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole communication repeater system for use in a downhole installation having a metal structure carrying electrical current, the system comprising:

связной повторитель, размещенный внутри скважины в скважине, и выполненный с возможностью осуществления связи с первым устройством за пределами устья скважины с помощью канала связи, являющегося беспроводным по меньшей мере на участке, проходящем через устье скважины, и выполненный с возможностью осуществления связи со вторым устройством, расположенным в скважине, то есть ниже устья скважины, так что связной повторитель может выступать в роли повторителя между первым и вторым устройствами; и систему сбора электрической энергии, содержащую модуль сбора, электрически соединенный с металлической конструкцией на первом участке и со вторым участком, отстоящим от первого участка, причем первый и второй участки выбраны так, чтобы при использовании между ними присутствовала разность потенциалов вследствие электрического тока, текущего по металлической конструкции; при этом модуль сбора выполнен с возможностью сбора электрической энергии от электрического тока, при этом система сбора электрической энергии выполнена с возможностью подачи электрической мощности связному повторителю.a communication repeater located downhole in the well, and configured to communicate with a first device outside the wellhead using a communication channel that is wireless at least over a portion passing through the wellhead, and configured to communicate with a second device, located in the well, that is, below the wellhead, so that the communication repeater can act as a repeater between the first and second devices; and an electrical energy harvesting system comprising a collection module electrically coupled to a metal structure at a first portion and to a second portion spaced from the first portion, the first and second portions being selected such that, when in use, there is a potential difference between them due to an electric current flowing through metal structure; wherein the collection module is configured to collect electrical energy from the electric current, wherein the electrical energy collection system is configured to supply electrical power to the connected repeater.

- 7 043424- 7 043424

Следует понимать, что упоминание здесь первого устройства за пределами устья скважины относится к устройству на другой стороне устья скважины относительно второго устройства, которое расположено в скважине, то есть предпочтительной является связь, осуществляемая через устье скважины. По существу, первое устройство может располагаться, где угодно, поблизости к устью скважины или на удалении, при условии обеспечения соответствующей связи.It should be understood that reference here to a first device outside the wellhead refers to a device on the other side of the wellhead relative to the second device that is located in the wellhead, that is, communication through the wellhead is preferred. As such, the first device may be located anywhere, close to the wellhead or remotely, as long as appropriate communications are provided.

Связной повторитель может быть выполнен с возможностью модуляции электрического тока, текущего по металлической конструкции, на участке подачи сигнала для кодировки данных для обеспечения возможности извлечения данных на участке получения, удаленном от участка подачи сигнала, посредством детектирования эффекта указанной модуляции на электрическом токе на указанном участке получения.The communication repeater may be configured to modulate an electrical current flowing through a metal structure at a signal supply site to encode data to enable data retrieval at a receiving site remote from the signal supply site by detecting the effect of said modulation on the electrical current at said receiving site .

Связной повторитель и/или модуль сбора может быть предусмотрен в затрубном пространстве, например в затрубном пространстве В или затрубном пространстве С, или другом затрубном пространстве.The communication repeater and/or collection module may be provided in the annulus, for example in annulus B or annulus C, or other annulus.

Связной повторитель и модуль сбора могут быть частью общего внутрискважинного блока.The communication repeater and acquisition module may be part of a common downhole unit.

Указанная система может содержать по меньшей мере один кабель, имеющий первую длину, для соединения модуля сбора с одним из отстоящих участков.Said system may comprise at least one cable having a first length for connecting the collection module to one of the spaced sections.

Указанная система может содержать по меньшей мере один кабель, имеющий вторую длину, для подачи мощности от модуля сбора связному повторителю.Said system may comprise at least one cable having a second length for supplying power from the collection module to the communication repeater.

Площадь поперечного сечения проводящей части кабеля, имеющего первую длину, может превышать площадь поперечного сечения проводящей части кабеля, имеющего вторую длину.The cross-sectional area of the conductive portion of the cable having the first length may be greater than the cross-sectional area of the conductive portion of the cable having the second length.

Внутрискважинная система связного повторителя может содержать детектор для детектирования эффекта указанной модуляции на электрическом токе на указанном участке получения для извлечения закодированных данных.The downhole communication repeater system may include a detector for detecting the effect of said modulation on an electrical current at said acquisition site to retrieve the encoded data.

Связной повторитель может быть выполнен с возможностью управления нагрузкой, генерируемой модулем сбора, для осуществления указанной модуляции электрического тока в металлической конструкции на участке подачи сигнала.The communication repeater may be configured to control the load generated by the acquisition module to effect said modulation of the electrical current in the metal structure at the signal supply portion.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена система управления внутрискважинным устройством для управления внутрискважинным устройством в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, несущую электрический ток, причем указанная система содержит: внутрискважинное устройство;According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole tool control system for controlling a downhole tool in a downhole installation having a metal structure carrying an electric current, the system comprising: a downhole tool;

систему сбора электрической энергии, содержащую модуль сбора, электрически соединенный с металлической конструкцией на первом участке и со вторым участком, отстоящим от первого участка, причем первый и второй участки выбраны так, чтобы при использовании между ними присутствовала разность потенциалов вследствие электрического тока, текущего по конструкции; при этом модуль сбора выполнен с возможностью сбора электрической энергии от электрического тока, при этом система сбора электрической энергии выполнена с возможностью подачи электрической мощности внутрискважинному устройству.an electrical energy harvesting system comprising a collection module electrically coupled to a metal structure at a first portion and to a second portion spaced from the first portion, the first and second portions being selected such that, when in use, there is a potential difference between them due to electrical current flowing through the structure ; wherein the collection module is configured to collect electrical energy from the electric current, wherein the electrical energy collection system is configured to supply electrical power to the downhole device.

Внутрискважинное устройство может содержать по меньшей мере один из следующих элементов: внутрискважинный сенсор;The downhole device may comprise at least one of the following elements: a downhole sensor;

внутрискважинный исполнительный механизм;downhole actuator;

затрубное устройство герметизации, например пакер или пакерный элемент;an annular sealing device, such as a packer or packer element;

клапан;valve;

внутрискважинный модуль связи, например приемопередатчик или повторитель.downhole communication module, such as a transceiver or repeater.

Указанный клапан может содержать по меньшей мере один из следующих элементов:Said valve may comprise at least one of the following elements:

подземный предохранительный клапан;underground safety valve;

клапан управления расходом в стволе скважины;wellbore flow control valve;

клапан ствол скважины - затрубное пространство;valve wellbore - annulus;

клапан затрубное пространство - затрубное пространство;valve annulus - annulus;

клапан ствол скважины - камера компенсации давления;wellbore valve - pressure compensation chamber;

клапан затрубное пространство - камера компенсации давления;valve annulus - pressure compensation chamber;

клапан через пакер или в обход пакера.valve through the packer or bypassing the packer.

Мощность может подаваться для управления клапаном, при этом мощность для перемещения клапана поступает от другого источника (например, от подпружинивания, разности давлений). В альтернативном варианте мощность может подаваться для перемещения клапана, или и для управления, и для перемещения клапана. Клапан может содержать пусковой механизм, например, сервоклапан, управляемый с помощью мощности от системы подачи мощности.Power may be supplied to operate the valve, while the power to move the valve comes from another source (eg, spring force, differential pressure). Alternatively, power may be supplied to move the valve, or to both control and move the valve. The valve may include an actuator, such as a servo valve, controlled by power from the power delivery system.

Система управления устройством может быть выполнена с возможностью подачи варьируемых уровней мощности. Так, первый уровень мощности может подаваться в моменты, отличные от моментов, когда требуется второй, более высокий, уровень мощности. Подаваемые токи, например токи катодной защиты, могут быть увеличены, если требуется более высокий уровень мощности, за счет переключения на большее число анодов или подачей более высокого наложенного тока. Это может соответствовать уровню, нежелательному для долгосрочных периодов из-за потенциально разрушающих последствий слишком большой разности потенциалов вследствие токов катодной защиты - водородной хрупкости -ноThe device control system may be configured to supply variable power levels. Thus, the first power level may be supplied at times different from the times when the second, higher power level is required. Injected currents, such as cathodic protection currents, can be increased if higher power levels are required by switching to more anodes or by injecting a higher imposed current. This may be at a level undesirable for long periods due to the potentially damaging effects of too much potential difference due to cathodic protection currents - hydrogen embrittlement - but

- 8 043424 это допустимо для краткосрочных периодов. Поэтому система, аппарат, способ могут быть выполнены с возможностью временного увеличения подаваемого тока, например тока катодной защиты. Более высокий уровень мощности может использоваться, например, для перемещения клапана из одного состояния в другое, при этом более низкий уровень может использоваться в другие моменты, например, при осуществлении мониторинга и/или управления сигналами.- 8 043424 this is acceptable for short-term periods. Therefore, the system, apparatus, method can be configured to temporarily increase the supplied current, for example the cathodic protection current. A higher power level can be used, for example, to move a valve from one state to another, while a lower power level can be used at other times, for example, when monitoring and/or controlling signals.

Внутрискважинное устройство может располагаться на другом участке в скважине относительно модуля сбора.The downhole device may be located at a different location in the well relative to the collection module.

Модуль сбора может быть размещен на выбранном участке внутри скважины для сбора мощности, при этом может быть предусмотрен кабель для подачи электрической мощности ниже, внутрь скважины, к внутрискважинному устройству, расположенному на другом участке в скважине.The collection module may be placed at a selected location within the wellbore to collect power, and a cable may be provided to supply electrical power below the wellbore to a downhole device located at another location in the wellbore.

Площадь поперечного сечения проводящей жилы, или жил, кабеля, используемого для подачи электрической мощности ниже, внутрь скважины, может быть меньше площади поперечного сечения кабеля, используемого для соединения модуля сбора с внутрискважинной конструкцией для сбора мощности.The cross-sectional area of the conductive core or cores of the cable used to deliver electrical power downhole may be less than the cross-sectional area of the cable used to connect the collection module to the downhole power collection structure.

Внутрискважинному устройству может быть доступен и другой источник питания, помимо электрической мощности, подаваемой модулем сбора электрической энергии.A power source other than the electrical power supplied by the electrical energy harvesting module may be available to the downhole device.

В каждом из описанных выше аппаратов модуль сбора может содержать средства переменного импеданса для варьирования нагрузки между двумя соединениями. Средства переменного импеданса могут управляться микропроцессором.In each of the apparatuses described above, the collection module may include variable impedance means for varying the load between two connections. Variable impedance means can be controlled by a microprocessor.

Средства переменного импеданса могут использоваться для варьирования нагрузки для оптимизации сбора энергии.Variable impedance means can be used to vary the load to optimize energy harvesting.

Средства переменного импеданса могут использоваться для модуляции нагрузки для передачи данных от модуля сбора в направлении поверхности.Variable impedance means can be used to modulate the load to transfer data from the acquisition module towards the surface.

Модуляция импеданса может также использоваться для передачи от верхнего участка в направлении модуля сбора для модуляции подаваемого тока (например, тока катодной защиты). Одним из способов является включение анода и исключение его из работы, что приведет к модуляции потенциала, наблюдаемого внутри скважины. Так, данные могут кодироваться включением анода и исключением его из работы. Например, соединение между анодом и конструкцией может быть избирательно образовано и нарушено посредством указанных средств переключения. Так, верхний блок связи может содержать средства переключения для включения анода и исключения его из работы. В системе наложенного тока подаваемые сигналы могут быть модулированы для кодировки данных.Impedance modulation can also be used to transmit from the top section towards the collection module to modulate the supplied current (eg, cathodic protection current). One method is to turn the anode on and off, which will modulate the potential observed inside the well. Thus, data can be encoded by turning on the anode and excluding it from operation. For example, the connection between the anode and the structure can be selectively formed and broken by said switching means. Thus, the upper communication unit may contain switching means for turning the anode on and off. In a superimposed current system, the applied signals can be modulated to encode data.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ подачи мощности внутрискважинному устройству в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, несущую электрический ток, причем указанный способ содержит этапы, на которых:According to another aspect of the present invention, there is provided a method of supplying power to a downhole device in a downhole installation having a metallic structure carrying an electric current, the method comprising the steps of:

осуществляют электрическое соединение блока сбора с металлической конструкцией на первом участке и со вторым участком, отстоящим от первого участка, при этом первый и второй участки выбирают так, чтобы между ними присутствовала разность потенциалов вследствие электрического тока, текущего по конструкции, при этом блок сбора выполнен с возможностью сбора электрической энергии от электрического тока, будучи подключенным между участками с имеющейся между ними разностью потенциалов;an electrical connection is made between the collection block and the metal structure in the first section and with the second section spaced from the first section, wherein the first and second sections are selected so that there is a potential difference between them due to the electric current flowing through the structure, and the collection block is made with the ability to collect electrical energy from an electric current, being connected between sections with a potential difference between them;

осуществляют сбор электрической мощности от электрического тока в блоке сбора; и подают электрическую мощность от блока сбора внутрискважинному устройству.collect electrical power from the electric current in the collection unit; and supplying electrical power from the collection unit to the downhole device.

Указанный способ может содержать этапы, на которых: определяют участок, на котором потенциал вследствие электрического тока, текущего по конструкции, максимален по величине, и в зависимости от участка указанного максимума выбирают первый участок, на котором блок сбора соединяют с металлической конструкцией.The specified method may contain stages in which: a section is determined in which the potential due to the electric current flowing through the structure is maximum in value, and depending on the section of the specified maximum, a first section is selected in which the collection block is connected to the metal structure.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена внутрискважинная система сбора электрической энергии для использования в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, содержащую по меньшей мере одну секцию металлических удлиненных элементов, несущих электрический ток, причем система сбора содержит:According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole electrical energy collection system for use in a downhole installation having a metal structure comprising at least one section of metallic elongate elements carrying electrical current, the collection system comprising:

модуль сбора энергии, содержащий электрический контур, подключенный между отстоящими контактами для сбора энергии от разности потенциалов между отстоящими контактами, причем первый из отстоящих контактов образован по меньшей мере с одной секцией металлических удлиненных элементов на первом участке, а второй из отстоящих контактов образован по меньшей мере с одной секцией металлических удлиненных элементов на втором участке, при этом разность потенциалов вызвана током, текущим по указанной по меньшей мере одной секции удлиненных элементов, и по меньшей мере частично импедансом указанной по меньшей мере одной секции удлиненных элементов.an energy harvesting module comprising an electrical circuit connected between spaced contacts for collecting energy from a potential difference between the spaced contacts, wherein a first of the spaced contacts is formed with at least one section of metal elongate elements in a first portion, and a second of the spaced contacts is formed with at least with one section of metallic elongate members in a second portion, wherein the potential difference is caused by a current flowing through said at least one section of elongated members and at least in part by the impedance of said at least one section of elongated members.

Электрический ток, текущий по меньшей мере по одной секции металлических удлиненных элементов, на которой образован первый контакт, может течь в том же продольном направлении, что и электрический ток, текущий по меньшей мере по одной секции металлических удлиненных элементов, на которой образован второй контакт.An electric current flowing through at least one section of metal elongate elements on which a first contact is formed may flow in the same longitudinal direction as an electric current flowing through at least one section of metal elongate elements on which a second contact is formed.

Предпочтительно, чтобы первый отстоящий контакт и второй отстоящий контакт были оба образованы с той же секцией металлических удлиненных элементов; при этом эта секция металлических удлиPreferably, the first spacer contact and the second spacer contact are both formed with the same section of metal elongate elements; Moreover, this section of metal extensions

- 9 043424 ненных элементов является непрерывно проводящей между первым и вторым участками.- 9 043424 elements are continuously conductive between the first and second sections.

Предпочтительно, чтобы металлическая конструкция обеспечивала непрерывную траекторию протекания тока между первым участком и вторым участком.Preferably, the metal structure provides a continuous path of current flow between the first portion and the second portion.

Предпочтительно, чтобы протекание тока между частями металлической конструкции в областях между первым участком и вторым участком происходило в одном и том же продольном направлении.It is preferable that the current flow between the parts of the metal structure in the regions between the first section and the second section occurs in the same longitudinal direction.

Предпочтительно, чтобы модуль сбора был выполнен с возможностью сбора электрической энергии от постоянных токов.Preferably, the collection module is configured to collect electrical energy from direct currents.

Электрическое соединение с металлической конструкцией на первом участке может быть гальваническим соединением.The electrical connection to the metal structure in the first section may be a galvanic connection.

Электрическое соединение с металлической конструкцией на втором участке может быть гальваническим соединением.The electrical connection to the metal structure in the second section may be a galvanic connection.

Электрическое соединение с металлической конструкцией на первом участке может быть образовано с одним из следующих элементов: обсадной трубой, хвостовиком, колонной, гибкой колонной типа колтюбинг, насосной штангой.The electrical connection to the metal structure in the first section can be formed with one of the following elements: casing, liner, string, coiled tubing, sucker rod.

Электрическое соединение с металлической конструкцией на втором участке может быть образовано с одним из следующих элементов: обсадной трубой, хвостовиком, колонной, гибкой колонной типа колтюбинг, насосной штангой.The electrical connection to the metal structure in the second section can be formed with one of the following elements: casing, liner, string, coiled tubing, sucker rod.

Отстоящие участки могут отстоять по оси.The spaced sections may be spaced along the axis.

Отстоящие участки могут отстоять радиально.The spaced sections may be spaced radially.

По меньшей мере одно соединение между по меньшей мере одним из электрических контактов и электрическим контуром может быть обеспечено изолированным кабелем.At least one connection between at least one of the electrical contacts and the electrical circuit may be provided by an insulated cable.

Предпочтительно, чтобы изолированный кабель имел проводящую площадь равную по меньшей мере 10 мм2, предпочтительно по меньшей мере 20 мм2, более предпочтительно по меньшей мере 80 мм2.Preferably, the insulated cable has a conductive area of at least 10 mm 2 , preferably at least 20 mm 2 , more preferably at least 80 mm 2 .

Кабель может быть помещенным в колонну проводником.The cable may be a conductor placed in a column.

Расстояние, на которое участки отстоят, может составлять по меньшей мере 100 м.The distance by which the plots are separated can be at least 100 m.

Соединения могут быть образованы с общей секцией металлических удлиненных элементов, являющейся частью металлической конструкции.Connections may be formed with a common section of metallic elongate members forming part of the metallic structure.

В некоторых вариантах осуществления первое из соединений образовано с первой секцией металлических удлиненных элементов, являющейся частью металлической конструкции, а второе из соединений образовано со второй, другой, секцией металлических удлиненных элементов, являющейся частью металлической конструкции.In some embodiments, the first of the connections is formed with a first section of metal elongate members that is part of the metal structure, and the second of the connections is formed with a second, different section of metal elongate members that is part of the metal structure.

Для электрической изоляции первой секции металлических удлиненных элементов от второй секции металлических удлиненных элементов в области соединений могут быть предусмотрены средства изоляции.To electrically isolate the first section of metallic elongate members from the second section of metallic elongated members, insulating means may be provided in the area of the connections.

Средства изоляции могут содержать изолирующий слой или покрытие, предусмотренные по меньшей мере на одной из секций металлических удлиненных элементов.The insulation means may comprise an insulating layer or coating provided on at least one of the sections of the metal elongate elements.

Средства изоляции могут содержать по меньшей мере один изолирующий центратор для удержания металлических удлиненных элементов на расстоянии друг от друга.The insulating means may include at least one insulating centralizer for holding the metal elongate elements at a distance from each other.

Средства изоляции могут быть предусмотрены во избежание электрического контакта между двумя секциями металлических удлиненных элементов на расстоянии по меньшей мере 100 м.Isolation means may be provided to prevent electrical contact between two sections of metallic elongate members over a distance of at least 100 m.

Ток, текущий по удлиненным элементам, может подаваться с поверхности скважины.The current flowing through the elongated elements may be supplied from the surface of the well.

Ток, текущий по удлиненному элементу, может подаваться от одного или нескольких жертвенных анодов.The current flowing through the elongated element may be supplied from one or more sacrificial anodes.

Ток, текущий по удлиненным элементам, может быть наложенным током от внешнего источника питания.The current flowing through the elongated elements may be superimposed current from an external power source.

Напряжение поверхности скважины, при использовании, может быть ограничено диапазоном от 0,7 В до -2 В относительно опорной ячейки из серебра/хлорида серебра.The well surface voltage, when used, can be limited to a range of 0.7 V to -2 V relative to the silver/silver chloride reference cell.

Разность потенциалов между отстоящими контактами может быть меньше 1 В, предпочтительно меньше 0,5 В, более предпочтительно меньше 0,1 В.The potential difference between spaced contacts may be less than 1 V, preferably less than 0.5 V, more preferably less than 0.1 V.

Сопротивление скважинной конструкции между контактами может быть меньше 0,1 Ом, предпочтительно меньше 0,01 Ом.The resistance of the downhole structure between the contacts may be less than 0.1 ohms, preferably less than 0.01 ohms.

Верхний отстоящий контакт может находиться:The upper spaced contact may be located:

в пределах 100 м, предпочтительно в пределах 50 м, от поверхности земли, если скважина является материковой скважиной; и в пределах 100 м, предпочтительно, в пределах 50 м, от уровня дна, если скважина является подводной скважиной.within 100 m, preferably within 50 m, from the surface of the earth if the well is a mainland well; and within 100 m, preferably within 50 m, of the bottom level if the well is a subsea well.

Верхний отстоящий контакт может быть расположен в непосредственной близости от участка, соответствующего потенциалу максимальной величины, вызванному электрическим током, текущим по конструкции.The upper spaced contact may be located in close proximity to the area corresponding to the maximum potential caused by the electrical current flowing through the structure.

Указанная система может содержать внутрискважинные средства связи для передачи и/или приема данных.Said system may contain downhole communication means for transmitting and/or receiving data.

Внутрискважинные средства связи могут быть выполнены с возможностью передачи данных варьDownhole communication equipment can be configured to transmit data

- 10 043424 ированием нагрузки между соединениями на отстоящих участках.- 10 043424 load transfer between connections in spaced sections.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена система управления внутрискважинным устройством, содержащая внутрискважинную систему сбора электрической энергии, раскрытую выше, и внутрискважинное устройство, причем модуль сбора электрически соединен с указанным внутрискважинным устройством и выполнен с возможностью подачи мощности указанному внутрискважинному устройству.According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole tool control system comprising a downhole electrical energy collection system disclosed above and a downhole tool, wherein the collection module is electrically coupled to the downhole tool and configured to supply power to the downhole tool.

Указанное внутрискважинное устройство может содержать по меньшей мере один из следующих элементов:Said downhole device may contain at least one of the following elements:

внутрискважинный сенсор;downhole sensor;

внутрискважинный исполнительный механизм;downhole actuator;

затрубное устройство герметизации, например пакер или пакерный элемент;an annular sealing device, such as a packer or packer element;

клапан;valve;

внутрискважинный модуль связи, например приемопередатчик или повторитель.downhole communication module, such as a transceiver or repeater.

Указанный клапан может содержать по меньшей мере один из следующих элементов:Said valve may comprise at least one of the following elements:

подземный предохранительный клапан;underground safety valve;

клапан управления расходом в стволе скважины;wellbore flow control valve;

клапан ствол скважины - затрубное пространство;valve wellbore - annulus;

клапан затрубное пространство - затрубное пространство;valve annulus - annulus;

клапан ствол скважины - камера компенсации давления;wellbore valve - pressure compensation chamber;

клапан затрубное пространство - камера компенсации давления;valve annulus - pressure compensation chamber;

клапан через пакер или в обход пакера.valve through the packer or bypassing the packer.

Внутрискважинное устройство может быть предусмотрено на другом участке в скважине относительно модуля сбора.The downhole device may be provided at a different location in the well relative to the collection module.

Модуль сбора может быть размещен на выбранном участке внутри скважины для сбора мощности, при этом для подачи электрической мощности ниже, внутрь скважины, внутрискважинному устройству, расположенному на другом участке в скважине, может быть предусмотрен кабель.A collection module may be placed at a selected location within the wellbore to collect power, and a cable may be provided to supply electrical power below the wellbore to a downhole device located at another location in the wellbore.

Площадь поперечного сечения проводящей жилы, или жил, кабеля, используемого для подачи электрической мощности ниже, внутрь скважины, может быть меньше, чем площадь поперечного сечения кабеля, используемого для соединения модуля сбора с внутрискважинной системой для сбора мощности.The cross-sectional area of the conductive core or cores of the cable used to deliver electrical power downhole may be smaller than the cross-sectional area of the cable used to connect the collection module to the downhole power collection system.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ подачи мощности внутрискважинному устройству в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, несущую электрический ток, причем указанный способ содержит следующие этапы:According to another aspect of the present invention, there is provided a method of supplying power to a downhole device in a downhole installation having a metal structure carrying an electric current, the method comprising the following steps:

осуществляют электрическое соединение блока сбора с металлической конструкцией на первом участке и с металлической конструкцией на втором участке, отстоящем от первого участка, при этом первый и второй участки выбирают так, чтобы между ними присутствовала разность потенциалов вследствие электрического тока, текущего по конструкции, при этом блок сбора выполнен с возможностью сбора электрической энергии от электрического тока, будучи подсоединенным между участками с разностью потенциалов между ними;an electrical connection is made between the collection block and a metal structure in the first section and with a metal structure in a second section spaced from the first section, wherein the first and second sections are selected so that there is a potential difference between them due to the electric current flowing through the structure, and the block collecting is configured to collect electrical energy from an electric current, being connected between sections with a potential difference between them;

собирают электрическую мощность от электрического тока в блоке сбора; и подают электрическую мощность от блока сбора внутрискважинному устройству.collecting electrical power from the electric current in the collection unit; and supplying electrical power from the collection unit to the downhole device.

Указанный способ может также содержать следующие этапы, на которых: определяют участок, на котором потенциал, вызванный электрическим током, текущим по конструкции, максимален по величине, и выбирают первый участок, на котором блок сбора соединяют с металлической конструкцией, в зависимости от участка указанного максимума.The specified method may also contain the following steps, in which: determining the area in which the potential caused by the electric current flowing through the structure is maximum in value, and selecting the first area in which the collection unit is connected to the metal structure, depending on the area of the specified maximum .

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена внутрискважинная система сбора электрической энергии для сбора электрической энергии в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, обеспеченную катодной защитой, причем указанная система содержит:According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole electrical energy collection system for collecting electrical energy in a downhole installation having a metal structure provided with cathodic protection, the system comprising:

модуль сбора, электрически соединенный с металлической конструкцией на первом участке и со вторым участком, отстоящим от первого участка, причем первый и второй участки выбраны так, чтобы при использовании между ними присутствовала разность потенциалов вследствие токов катодной защиты, текущих по конструкции;a collection module electrically connected to a metal structure at a first portion and to a second portion spaced from the first portion, the first and second portions being selected such that when in use there is a potential difference between them due to cathodic protection currents flowing through the structure;

при этом модуль сбора выполнен с возможностью сбора электрической энергии от токов катодной защиты.wherein the collection module is configured to collect electrical energy from cathodic protection currents.

Модуль сбора может быть выполнен с возможностью сбора электрической энергии от постоянных токов.The collection module may be configured to collect electrical energy from direct currents.

Протекание тока между частями металлической конструкции в областях между первым участком и вторым участком может происходить в одном и том же продольном направлении.Current flow between parts of the metal structure in the areas between the first section and the second section may occur in the same longitudinal direction.

Может быть обеспечена непрерывная траектория протекания тока между первым участком и вторым участком, которая по меньшей мере частично проходит по металлической конструкции.A continuous current flow path between the first portion and the second portion may be provided that at least partially extends through the metal structure.

Модуль сбора может быть электрически соединен с металлической конструкцией на втором участке.The collection module may be electrically connected to the metal structure at the second site.

Отстоящие участки могут отстоять по оси.The spaced sections may be spaced along the axis.

- 11 043424- 11 043424

Отстоящие участки могут отстоять радиально.The spaced sections may be spaced radially.

По меньшей мере одно соединение между по меньшей мере одним из электрических контактов и модулем сбора может быть обеспечено изолированным кабелем.At least one connection between at least one of the electrical contacts and the collection module may be provided by an insulated cable.

Изолированный кабель может иметь проводящую площадь по меньшей мере 10 мм2, предпочтительно по меньшей мере 20 мм2, более предпочтительно по меньшей мере 80 мм2.The insulated cable may have a conductive area of at least 10 mm 2 , preferably at least 20 mm 2 , more preferably at least 80 mm 2 .

Кабель может быть помещенным в колонну проводником.The cable may be a conductor placed in a column.

Расстояние, на которое указанные участки отстоят, может составлять по меньшей мере 100 м.The distance at which these areas are separated may be at least 100 m.

Соединения могут быть образованы с общей секцией металлических удлиненных элементов, являющейся частью металлической конструкции.Connections may be formed with a common section of metallic elongate members forming part of the metallic structure.

Первое из соединений может быть образовано с первой секцией металлических удлиненных элементов, являющейся частью металлической конструкции, а второе из соединений может быть образовано со второй, другой, секцией металлических удлиненных элементов, являющейся частью металлической конструкции.The first of the connections may be formed with a first section of metal elongate members that is part of the metal structure, and the second of the connections may be formed with a second, different section of metal elongate members that is part of the metal structure.

Для электрической изоляции первой секции металлических удлиненных элементов от второй секции металлических удлиненных элементов в области соединений могут быть предусмотрены средства изоляции.To electrically isolate the first section of metallic elongate members from the second section of metallic elongated members, insulating means may be provided in the area of the connections.

Средства изоляции могут содержать изолирующий слой или покрытие, предусмотренное по меньшей мере на одной из секций металлических удлиненных элементов.The insulation means may comprise an insulating layer or coating provided on at least one of the sections of the metal elongate elements.

Средства изоляции могут включать в себя по меньшей мере один изолирующий центратор для удержания секций металлических удлиненных элементов на расстоянии друг от друга.The insulating means may include at least one insulating centralizer for holding the sections of metallic elongate members at a distance from each other.

Во избежание электрического контакта между двумя секциями металлических удлиненных элементов средства изоляции могут быть предусмотрены на расстоянии по меньшей мере 100 м.To avoid electrical contact between two sections of metallic elongate members, insulation means may be provided at a distance of at least 100 m.

Ток, текущий по удлиненным элементам, может подаваться с поверхности скважины.The current flowing through the elongated elements may be supplied from the surface of the well.

Ток, текущий по удлиненному элементу, может подаваться от одного или нескольких жертвенных анодов.The current flowing through the elongated element may be supplied from one or more sacrificial anodes.

Ток, текущий по удлиненным элементам, может быть наложенным током от внешнего источника питания.The current flowing through the elongated elements may be superimposed current from an external power source.

Напряжение поверхности скважины, при использовании, может быть ограничено диапазоном от 0,7 В до -2 В относительно опорной ячейки из серебра/хлорида серебра.The well surface voltage, when used, can be limited to a range of 0.7 V to -2 V relative to the silver/silver chloride reference cell.

Разность потенциалов между отстоящими контактами может быть меньше 1 В, предпочтительно меньше 0,5 В, более предпочтительно менее 0,1 В.The potential difference between spaced contacts may be less than 1 V, preferably less than 0.5 V, more preferably less than 0.1 V.

Сопротивление скважинной конструкции между контактами может быть менее 0,1 Ом, предпочтительно менее 0,01 Ом.The resistance of the downhole structure between the contacts may be less than 0.1 ohm, preferably less than 0.01 ohm.

Верхний отстоящий контакт может находиться:The upper spaced contact may be located:

в пределах 100 м, предпочтительно в пределах 50 м, от поверхности земли, если скважина является материковой; и в пределах 100 м, предпочтительно в пределах 50 м, от уровня дна, если скважина является подводной.within 100 m, preferably within 50 m, from the surface of the earth if the well is continental; and within 100 m, preferably within 50 m, from the bottom level if the well is subsea.

Верхний отстоящий контакт может располагаться в непосредственной близости от участка, соответствующего потенциалу максимальной величины, вызванному электрическим током, текущим по конструкции.The upper spaced contact may be located in close proximity to the area corresponding to the maximum potential caused by the electrical current flowing through the structure.

Указанная система может также содержать внутрискважинные средства связи для передачи и/или приема данных.The system may also include downhole communications for transmitting and/or receiving data.

Внутрискважинные средства связи могут быть выполнены с возможностью передачи данных варьированием нагрузки между соединениями на отстоящих участках.Downhole communication means can be configured to transmit data by varying the load between connections at distant locations.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена система управления внутрискважинным устройством, причем указанная система содержит внутрискважинную систему сбора электрической энергии, раскрытую выше, и внутрискважинное устройство, причем модуль сбора электрически соединен с внутрискважинным устройством и выполнен с возможностью подачи мощности указанному внутрискважинному устройству.According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole tool control system, the system comprising a downhole electrical energy collection system as disclosed above, and a downhole tool, wherein the collection module is electrically coupled to the downhole tool and configured to supply power to the downhole tool.

Внутрискважинное устройство может содержать по меньшей мере один из следующих элементов:The downhole device may contain at least one of the following elements:

внутрискважинный сенсор;downhole sensor;

внутрискважинный исполнительный механизм;downhole actuator;

затрубное устройство герметизации, например пакер или пакерный элемент;an annular sealing device, such as a packer or packer element;

клапан;valve;

внутрискважинный модуль связи, например приемопередатчик или повторитель.downhole communication module, such as a transceiver or repeater.

Указанный клапан может содержать по меньшей мере один из следующих элементов:Said valve may comprise at least one of the following elements:

подземный предохранительный клапан;underground safety valve;

клапан управления расходом в стволе скважины;wellbore flow control valve;

клапан ствол скважины - затрубное пространство;valve wellbore - annulus;

клапан затрубное пространство - затрубное пространство;valve annulus - annulus;

клапан ствол скважины - камера компенсации давления;wellbore valve - pressure compensation chamber;

- 12 043424 клапан затрубное пространство - камера компенсации давления;- 12 043424 valve annulus - pressure compensation chamber;

клапан через пакер или в обход пакера.valve through the packer or bypassing the packer.

Внутрискважинное устройство может располагаться на другом участке в скважине относительно модуля сбора.The downhole device may be located at a different location in the well relative to the collection module.

Модуль сбора может быть размещен на выбранном участке внутри скважины для сбора мощности, при этом для подачи электрической мощности ниже, внутрь скважины, внутрискважинному устройству на другом участке в скважине может быть предусмотрен кабель.A collection module may be placed at a selected location within the wellbore to collect power, and a cable may be provided to supply electrical power below the wellbore to a downhole device at another location in the wellbore.

Площадь поперечного сечения проводящей жилы, или жил, кабеля, используемого для подачи электрической мощности ниже, внутрь скважины, может быть меньше площади кабеля, используемого для соединения модуля сбора с внутрискважинной конструкцией для сбора мощности.The cross-sectional area of the conductive strand or strands of the cable used to deliver electrical power downhole may be less than the area of the cable used to connect the collection module to the downhole power collection structure.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен внутрискважинный аппарат передачи данных для использования в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, оснащенную системой катодной защиты, такой, что имеет место электрический контур, содержащий металлическую конструкцию и замыкание на землю, по которому течет электрический ток, являющийся продуктом системы катодной защиты, причем внутрискважинный аппарат передачи данных содержит:According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole data communication apparatus for use in a downhole installation having a metal structure equipped with a cathodic protection system such that there is an electrical circuit comprising the metal structure and a ground fault through which an electric current flows as a product of the system. cathodic protection, and the downhole data transmission device contains:

первый модуль связи для расположения на первом участке, содержащий средства модуляции для модуляции электрического тока на первом участке для кодировки данных; и второй модуль связи для расположения на втором участке, отстоящем от первого участка, содержащий детектор для детектирования эффекта модуляции на электрическом токе на первом участке для извлечения указанных данных.a first communication module for positioning in a first section, comprising modulation means for modulating an electrical current in the first section for encoding data; and a second communication module for positioning at a second site spaced from the first site, comprising a detector for detecting a modulation effect on an electric current at the first site for retrieving said data.

Средства модуляции могут быть выполнены по меньшей мере с одной из следующих возможностей:The modulation means may be configured with at least one of the following capabilities:

i) управления источником сигнала системы наложенной катодной защиты для непосредственной модуляции тока катодной защиты, подаваемого на металлическую конструкцию, если система катодной защиты представляет собой систему наложенной катодной защиты;i) controlling the source of the overlay cathodic protection system signal to directly modulate the cathodic protection current applied to the metal structure if the cathodic protection system is an overlay cathodic protection system;

ii) модифицирования соединения между по меньшей мере одним анодом системы катодной защиты и металлической конструкцией; и iii) изменения импеданса электрического контура.ii) modifying the connection between at least one anode of the cathodic protection system and the metal structure; and iii) changes in electrical circuit impedance.

Первый модуль связи может быть выполнен с возможностью расположения внутри скважины.The first communication module may be configured to be located inside the well.

Второй модуль связи может быть выполнен с возможностью расположения внутри скважины.The second communication module may be configured to be located inside the well.

Указанный аппарат может содержать сенсорный модуль для измерения по меньшей мере одного параметра, причем первый модуль связи выполнен с возможностью отправки показаний закодированных данных от сенсорного модуля ко второму модулю связи.Said apparatus may comprise a sensor module for measuring at least one parameter, wherein the first communication module is configured to send encoded data readings from the sensor module to the second communication module.

Сенсорный модуль может содержать сенсор давления.The sensor module may include a pressure sensor.

Второй модуль связи может быть выполнен с возможностью предоставления данных внутрискважинному устройству в зависимости от данных, принятых вторым модулем связи от первого модуля связи.The second communication module may be configured to provide data to the downhole device depending on the data received by the second communication module from the first communication module.

Внутрискважинное устройство может содержать по меньшей мере один из следующих элементов:The downhole device may contain at least one of the following elements:

внутрискважинный сенсор;downhole sensor;

внутрискважинный исполнительный механизм;downhole actuator;

затрубное устройство герметизации, например пакер или пакерный элемент;an annular sealing device, such as a packer or packer element;

клапан;valve;

внутрискважинный модуль связи, например приемопередатчик или повторитель.downhole communication module, such as a transceiver or repeater.

Указанный клапан может содержать по меньшей мере один из следующих элементов:Said valve may comprise at least one of the following elements:

подземный предохранительный клапан;underground safety valve;

клапан управления расходом в стволе скважины;wellbore flow control valve;

клапан ствол скважины - затрубное пространство;valve wellbore - annulus;

клапан затрубное пространство - затрубное пространство;valve annulus - annulus;

клапан ствол скважины - камера компенсации давления;wellbore valve - pressure compensation chamber;

клапан затрубное пространство - камера компенсации давления;valve annulus - pressure compensation chamber;

клапан через пакер или в обход пакера.valve through the packer or bypassing the packer.

По меньшей мере один из модулей связи, первый или второй модуль связи, может содержать связной повторитель для расположения внутри скважины в скважине, выполненный с возможностью осуществления связи с первым устройством за пределами устья скважины, используя канал связи, являющийся беспроводным по меньшей мере на участке, проходящем через устье скважины, и выполненный с возможностью осуществления связи со вторым устройством, расположенным в скважине, то есть ниже устья скважины, так что связной повторитель может выступать в роли повторителя между первым и вторым устройствами.At least one of the communication modules, the first or second communication module, may include a communication repeater for location downhole in the well, configured to communicate with the first device outside the wellhead using a communication channel that is wireless at least in the area, passing through the wellhead, and configured to communicate with a second device located in the wellhead, that is, below the wellhead, so that the communication repeater can act as a repeater between the first and second devices.

Указанный аппарат может содержать внутрискважинный модуль сбора электрической мощности, выполненный с возможностью электрического подключения между двумя отстоящими участками в скважинной установке и содержащий электрический контур, выполненный с возможностью сбора электрической энергии, при использовании, от разности потенциалов между отстоящими участками, испольSaid apparatus may comprise an downhole electrical power collection module, configured to be electrically connected between two spaced sections in the downhole installation and containing an electrical circuit configured to collect electrical energy, when used, from the potential difference between the spaced sections, using

- 13 043424 зуемых для сбора, выступающей в роли входного напряжения, причем модуль сбора выполнен с возможностью подачи мощности по меньшей мере одному компоненту указанного аппарата передачи данных.- 13 043424 designed for collection, acting as an input voltage, wherein the collection module is configured to supply power to at least one component of said data transmission apparatus.

Первый модуль связи может быть выполнен с возможностью управления нагрузкой, генерируемой модулем сбора, для осуществления указанной модуляции электрического тока в металлической конструкции на участке подачи сигнала.The first communication module may be configured to control a load generated by the acquisition module to effect said modulation of the electrical current in the metal structure at the signal supply portion.

Модуль сбора может быть выполнен с возможностью сбора электрической энергии от постоянных токов.The collection module may be configured to collect electrical energy from direct currents.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена внутрискважинная система передачи данных, содержащая внутрискважинный аппарат передачи данных, раскрытый выше, расположенный в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, обеспеченную катодной защитой.According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole data communications system comprising the downhole data communications apparatus disclosed above located in a downhole apparatus having a metallic structure provided with cathodic protection.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена внутрискважинная система передачи данных для использования в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, оснащенную системой катодной защиты, такая, что имеет место электрический контур, содержащий металлическую конструкцию и замыкание на землю, по которому течет электрический ток, являющийся продуктом системы катодной защиты, причем указанная система содержит внутрискважинный аппарат передачи данных, который содержит:According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole communication system for use in a downhole installation having a metal structure equipped with a cathodic protection system such that there is an electrical circuit comprising the metal structure and a fault to ground through which an electric current flows as a product of the system. cathodic protection, wherein said system comprises a downhole data transmission device, which contains:

первый модуль связи, расположенный на первом участке и содержащий средства модуляции для модуляции электрического тока на первом участке для кодировки данных; и второй модуль связи, расположенный на втором участке, отстоящем от первого участка, и содержащий детектор для детектирования эффекта модуляции на электрическом токе на первом участке для извлечения указанных данных.a first communication module located in the first section and comprising modulation means for modulating an electrical current in the first section for encoding data; and a second communication module located at a second portion spaced from the first portion and comprising a detector for detecting a modulation effect on an electrical current at the first portion to retrieve said data.

Указанный аппарат может содержать внутрискважинный модуль сбора электрической энергии, электрически подключенный между двумя отстоящими участками в скважинной установке и содержащий электрический контур, выполненный с возможностью сбора электрической энергии, при использовании, от разности потенциалов между отстоящими участками, используемых для сбора, выступающей в роли входного напряжения, причем модуль сбора выполнен с возможностью подачи мощности по меньшей мере одному компоненту указанного аппарата передачи данных.Said apparatus may comprise a downhole electrical energy collection module electrically connected between two spaced sections in the downhole installation and comprising an electrical circuit configured to collect electrical energy, in use, from a potential difference between the spaced sections used for collection, acting as an input voltage , wherein the acquisition module is configured to supply power to at least one component of said data transmission apparatus.

Протекание тока в частях металлической конструкции в областях между отстоящими участками, используемых для сбора, может происходить в одном и том же продольном направлении.The flow of current in parts of the metal structure in the areas between the spaced sections used for collection may occur in the same longitudinal direction.

Между отстоящими участками может иметь место непрерывная траектория протекания тока, используемого для сбора, которая по меньшей мере частично проходит по металлической конструкции.Between the spaced sections there may be a continuous path of current used for collection, which at least partially passes through the metal structure.

По меньшей мере один из модулей, первый модуль связи и второй модуль связи, может быть расположен в закрытом затрубном пространстве скважины.At least one of the modules, the first communication module and the second communication module, may be located in a closed annulus of the well.

Указанная система или аппарат может содержать сенсор давления, выполненный с возможностью осуществления мониторинга пластового давления скважины.The specified system or apparatus may contain a pressure sensor configured to monitor the reservoir pressure of the well.

Указанная система или аппарат может содержать сенсор давления, выполненный с возможностью осуществления мониторинга давления в затрубном пространстве скважины.The specified system or apparatus may contain a pressure sensor configured to monitor pressure in the annulus of the well.

Указанная система или аппарат может содержать сенсор давления, выполненный с возможностью осуществления мониторинга давления в закрытом затрубном пространстве скважины.The specified system or apparatus may contain a pressure sensor configured to monitor pressure in the closed annulus of the well.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен внутрискважинный модуль сбора электрической энергии, выполненный с возможностью электрического подключения между двумя отстоящими участками в скважинной установке и содержащий электрический контур, выполненный с возможностью сбора электрической энергии, при использовании, от разности потенциалов между отстоящими участками, выполняющей роль входного напряжения.According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole electrical energy harvesting module configured to be electrically connected between two spaced sections in a downhole installation and comprising an electrical circuit configured to collect electrical energy, when used, from a potential difference between the spaced sections acting as an input voltage. .

Модуль сбора может быть выполнен с возможностью сбора электрической энергии от постоянных токов.The collection module may be configured to collect electrical energy from direct currents.

Модуль сбора может содержать средства управления для модифицирования входного импеданса электрического контура для соответствия импедансу источника электрического контура для оптимизации эффективности преобразования мощности.The acquisition module may include controls for modifying the input impedance of the electrical loop to match the source impedance of the electrical loop to optimize power conversion efficiency.

Электрический контур может содержать преобразователь постоянного тока (DC/DCпреобразователь).The electrical circuit may contain a direct current converter (DC/DC converter).

Преобразователь постоянного тока может быть выполнен с возможностью работы с входными напряжениями, превышающими минимальное пороговое значение, при этом минимальное пороговое значение не превышает 0,5 В, предпочтительно минимальное пороговое значение не превышает 0,25 В, а еще более предпочтительно минимальное пороговое значение не превышает 0,05 В.The DC/DC converter may be configured to operate with input voltages greater than a minimum threshold, wherein the minimum threshold does not exceed 0.5 V, preferably the minimum threshold does not exceed 0.25 V, and even more preferably the minimum threshold does not exceed 0.05 V.

Преобразователь постоянного тока может содержать средства самозапуска, которые позволяют запустить сбор энергии тогда, когда доступное входное напряжение меньше напряжения, соответствующего ширине полупроводниковой запрещенной зоны компонентов в преобразователе постоянного тока.The DC/DC converter may include self-triggering means that allow energy harvesting to start when the available input voltage is less than a voltage corresponding to the semiconductor bandgap of the components in the DC/DC converter.

Преобразователь постоянного тока может содержать средства самозапуска, которые позволяют запустить сбор энергии тогда, когда доступное входное напряжение ниже 0,5 В.The DC/DC converter may contain self-triggering features that allow energy harvesting to start when the available input voltage is below 0.5 V.

Преобразователь постоянного тока может содержать повышающий трансформатор.The DC/DC converter may include a step-up transformer.

Средства самозапуска могут содержать полевой транзистор, скомплектованный вместе с повыThe self-starting means may contain a field-effect transistor, complete with a

- 14 043424 шающим трансформатором для образования резонансного повышающего осциллятора.- 14 043424 with a shading transformer to form a resonant step-up oscillator.

Преобразователь постоянного тока (DC/DC-преобразователь) может содержать Н-мост из транзисторов, выполненный с возможностью, под управлением средств управления, подачи входного сигнала повышающему трансформатору, при этом средства самозапуска могут содержать вспомогательный источник питания для средств управления для обеспечения возможности запуска.The direct current converter (DC/DC converter) may comprise an H-bridge of transistors configured, under the control of controls, to provide an input signal to a step-up transformer, wherein the self-starting means may comprise an auxiliary power supply for the controls to enable starting.

Модуль сбора может содержать средства управления, выполненные с возможностью управления отношением витков повышающего трансформатора для модификации нагрузки, генерируемой преобразователем постоянного тока.The acquisition module may include controls configured to control the turns ratio of the step-up transformer to modify the load generated by the DC/DC converter.

Вторичная обмотка повышающего трансформатора может содержать несколько ответвлений, и/или повышающий трансформатор может содержать несколько вторичных обмоток, при этом средства управления могут быть выполнены с возможностью выбора обмоток и/или ответвлений для обеспечения необходимого отношения витков.The secondary winding of a step-up transformer may include multiple taps, and/or the step-up transformer may include multiple secondary windings, and the controls may be configured to select the windings and/or taps to provide a desired turns ratio.

Модуль сбора может содержать по меньшей мере пару терминалов, от которых могут быть образованы соединения с двумя отстоящими участками.The acquisition module may comprise at least a pair of terminals from which connections can be made to two spaced sections.

Модуль сбора может иметь больше двух терминалов, при этом каждый из терминалов обеспечивает возможность соединения с соответствующим участком, при этом модуль сбора может дополнительно содержать средства переключения для выборочного электрического подключения двух из терминалов с электрическим контуром, обеспечивая тем самым возможность выбора, между какими из соответствующих участков подключается электрический контур.The collection module may have more than two terminals, each of the terminals providing connectivity to a corresponding portion, wherein the collection module may further comprise switching means for selectively electrically connecting two of the terminals to the electrical circuit, thereby allowing a choice between which of the respective areas the electrical circuit is connected.

В результате получается конструкция, в момент установки которой могут быть образованы множественные контакты с металлической конструкцией, при этом после установки делается выбор, какие из соединений использовать. К примеру, конструкция может включать в себя одно нижнее соединение и два верхних соединения на разных участках. После установки может быть определено, что больше мощности может быть собрано, если используется первое из верхних соединений, поэтому может использоваться первое соединение. В другом случае второе верхнее соединение может оказаться более предпочтительным.The result is a structure that, at the time of installation, can make multiple contacts with the metal structure, and after installation, a choice is made which connections to use. For example, the design may include one bottom connection and two top connections at different locations. After installation, it may be determined that more power can be collected if the first of the top connections is used, so the first connection may be used. In another case, the second top connection may be preferable.

Для переключения между соединениями может также использоваться переключатель, используемый динамически во время использования.A switch can also be used to switch between connections, used dynamically during use.

В другом случае могут быть предусмотрены два нижних соединения, помимо или вместо двух верхних соединений, или может быть предусмотрено другое число верхних и/или нижних соединений.Alternatively, two bottom connections may be provided in addition to or instead of the two top connections, or a different number of top and/or bottom connections may be provided.

Модуль сбора может содержать устройство накопления энергии для накопления собранной энергии. Устройство накопления энергии может содержать устройство накопления заряда, которое может содержать по меньшей мере один конденсатор и/или перезаряжаемую батарею.The collection module may include an energy storage device for storing the collected energy. The energy storage device may include a charge storage device, which may include at least one capacitor and/or a rechargeable battery.

Модуль сбора может содержать средства переменного импеданса для варьирования нагрузки между двумя соединениями.The collection module may include variable impedance means to vary the load between two connections.

Средства переменного импеданса могут управляться микропроцессором.Variable impedance means can be controlled by a microprocessor.

Модуль сбора может быть выполнен с возможностью использования средств переменного импеданса для варьирования нагрузки для оптимизации сбора энергии.The collection module may be configured to use variable impedance means to vary the load to optimize energy collection.

Модуль сбора может быть выполнен с возможностью использования средств переменного импеданса для модуляции нагрузки для передачи данных от модуля сбора.The acquisition module may be configured to use variable impedance means to modulate the load to transmit data from the acquisition module.

Модуль сбора может содержать первичную батарею, так что при использовании мощность может выборочно поступать от мощности, собранной контуром, и от первичной батареи.The collection module may contain a primary battery such that, when in use, power can be selectively drawn from power collected by the loop and from the primary battery.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен внутрискважинный аппарат, содержащий модуль сбора, раскрытый выше, и внутрискважинное устройство для приема мощности от модуля сбора.According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole apparatus comprising a collection module disclosed above and a downhole device for receiving power from the collection module.

Внутрискважинный аппарат может содержать средства накопления заряда и средства управления мощностью для управления мощностью, подаваемой внутрискважинному устройству, когда доступно достаточное количество энергии для подачи мощности указанному устройству.The downhole apparatus may include charge storage means and power control means for controlling power supplied to the downhole device when sufficient energy is available to supply power to the downhole device.

Внутрискважинный аппарат может содержать средства модуляции импеданса для варьирования входного импеданса модуля сбора для модуляции нагрузки для передачи данных по меньшей мере от одного элемента: блока сбора электрической мощности или внутрискважинного устройства.The downhole apparatus may include impedance modulation means for varying the input impedance of the collection module to modulate the load for transmitting data from at least one element: an electrical power collection unit or a downhole device.

Внутрискважинный аппарат может содержать средства модуляции для подачи модулированного напряжения по отстоящим соединениям для передачи данных.The downhole apparatus may include modulation means for supplying a modulated voltage over spaced data connections.

Внутрискважинный аппарат может содержать первичную батарею, так что при использовании мощность может выборочно поступать от собранной мощности и от первичной батареи.The downhole apparatus may include a primary battery such that, when in use, power can be selectively supplied from the collected power and from the primary battery.

Внутрискважинное устройство может содержать по меньшей мере один из следующих элементов: внутрискважинный сенсор;The downhole device may comprise at least one of the following elements: a downhole sensor;

внутрискважинный исполнительный механизм;downhole actuator;

затрубное устройство герметизации, например пакер или пакерный элемент;an annular sealing device, such as a packer or packer element;

клапан;valve;

внутрискважинный модуль связи, например приемопередатчик или повторитель.downhole communication module, such as a transceiver or repeater.

Указанный клапан может содержать по меньшей мере один из следующих элементов:Said valve may comprise at least one of the following elements:

- 15 043424 подземный предохранительный клапан;- 15 043424 underground safety valve;

клапан управления расходом в стволе скважины;wellbore flow control valve;

клапан ствол скважины - затрубное пространство;valve wellbore - annulus;

клапан затрубное пространство - затрубное пространство;valve annulus - annulus;

клапан ствол скважины - камера компенсации давления;wellbore valve - pressure compensation chamber;

клапан затрубное пространство - камера компенсации давления;valve annulus - pressure compensation chamber;

клапан через пакер или в обход пакера.valve through the packer or bypassing the packer.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена внутрискважинная система сбора электрической энергии для сбора электрической энергии в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, несущую электрический ток, причем указанная система содержит:According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole electrical energy collection system for collecting electrical energy in a downhole installation having a metal structure carrying an electrical current, the system comprising:

модуль сбора, раскрытый выше, электрически соединенный с металлической конструкцией на первом участке и со вторым участком, отстоящим от первого участка, причем первый и второй участки выбраны так, чтобы при использовании между ними присутствовала разность потенциалов вследствие электрического тока, текущего по конструкции;the collection module disclosed above is electrically connected to a metal structure at a first portion and to a second portion spaced from the first portion, the first and second portions being selected such that, when in use, there is a potential difference between them due to electric current flowing through the structure;

при этом модуль сбора выполнен с возможностью сбора электрической энергии от электрического тока.wherein the collection module is configured to collect electrical energy from the electric current.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена внутрискважинная система подачи мощности для подачи мощности внутрискважинному устройству в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, несущую электрический ток, причем указанная система содержит:According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole power delivery system for supplying power to a downhole device in a downhole installation having a metal structure carrying an electrical current, the system comprising:

модуль сбора, раскрытый выше, электрически соединенный с металлической конструкцией на первом участке и со вторым участком, отстоящим от первого участка, причем первый и второй участки выбраны так, чтобы между ними, при использовании, присутствовала разность потенциалов вследствие электрического тока, текущего по конструкции, при этом модуль сбора выполнен с возможностью сбора электрической мощности от электрического тока и подачи электрической мощности указанному внутрискважинному устройству.the collection module disclosed above is electrically connected to a metal structure at a first portion and to a second portion spaced from the first portion, the first and second portions being selected such that a potential difference exists between them when in use due to electric current flowing through the structure, wherein the collection module is configured to collect electrical power from the electric current and supply electrical power to the specified downhole device.

При этом согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена внутрискважинная система подачи мощности для подачи мощности внутрискважинному устройству в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, обеспеченную катодной защитой, при этом указанная система содержит:However, according to another aspect of the present invention, there is provided a downhole power delivery system for supplying power to a downhole device in a downhole installation having a metal structure provided with cathodic protection, the system comprising:

модуль сбора, раскрытый выше, электрически соединенный с металлической конструкцией на двух отстоящих участках, которые выбраны так, чтобы, при использовании, между ними присутствовала разность потенциалов вследствие токов катодной защиты, текущих по конструкции;the collection module disclosed above is electrically coupled to the metal structure at two spaced locations that are selected such that, when in use, there is a potential difference between them due to cathodic protection currents flowing through the structure;

при этом модуль сбора выполнен с возможностью сбора электрической мощности от токов катодной защиты и подачи электрической мощности внутрискважинному устройству.wherein the collection module is configured to collect electrical power from cathodic protection currents and supply electrical power to the downhole device.

При этом согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ передачи данных в скважинной установке, имеющей металлическую конструкцию, оснащенную системой катодной защиты, такой, что имеет место электрический контур, содержащий металлическую конструкцию и замыкание на землю, по которому течет электрический ток, являющийся продуктом системы катодной защиты, при этом указанный способ содержит этапы, на которых:However, according to another aspect of the present invention, there is provided a method for transmitting data in a downhole installation having a metal structure equipped with a cathodic protection system such that there is an electrical circuit comprising the metal structure and a ground fault through which an electric current flows as a product of the cathodic protection system. protection, wherein this method contains the steps of:

осуществляют модуляцию электрического тока на первом участке для кодировки данных; и на втором участке, отстоящем от первого участка, осуществляют детектирование эффекта указанной модуляции на электрическом токе на первом участке для извлечения указанных данных.modulate the electric current in the first section for data encoding; and at a second section spaced from the first section, detecting the effect of said modulation on the electric current at the first section to extract said data.

Один из участков может быть участком, находящимся снаружи ствола скважины, например, указанный участок может быть поверхностью, а другой участок может находиться внутри скважины.One of the regions may be a region outside the wellbore, for example, the region may be the surface, and the other region may be within the wellbore.

Этап осуществления модуляции тока может, среди прочего, предусматривать, а средства модуляции могут быть, среди прочего, выполнены с возможностью:The step of performing current modulation may, among other things, include, and the modulation means may, among other things, be configured to:

i) управления источником сигнала системы наложенной катодной защиты для непосредственной модуляции сигналов катодной защиты, подаваемых на металлическую конструкцию, если система катодной защиты является системой наложенной катодной защиты;i) controlling the source of the overlay cathodic protection system signal to directly modulate the cathodic protection signals applied to the metal structure if the cathodic protection system is an overlay cathodic protection system;

ii) модуляции соединения между по меньшей мере одним анодом и металлической конструкцией, то есть по меньшей мере один анод может, к примеру, быть подключен к соединению или отключен от соединения с металлической конструкцией для модуляции электрических сигналов, или может быть изменен импеданс между указанным анодом и конструкцией; или iii) изменения импеданса электрического контура, к примеру, это может быть достигнуто с помощью средств переменного импеданса, или подключения компонентов к соединению или отключения от соединения с контуром.ii) modulating the connection between the at least one anode and the metal structure, that is, the at least one anode can, for example, be connected to or disconnected from the connection with the metal structure to modulate electrical signals, or the impedance between said anode can be changed and design; or iii) changing the impedance of the electrical circuit, for example this can be achieved by means of variable impedance, or connecting components to or from connection to the circuit.

Желательно, чтобы способы i) и ii) были доступны только на верхнем участке, в то время как способ iii) может быть доступен и внутри скважины, и на верхнем участке.It is desirable that methods i) and ii) be available only in the top section, while method iii) may be available both downhole and in the top section.

Связь, использующая описанный выше принцип, может использоваться для однонаправленной связи, например связи поверхности с внутренним пространством скважины; однонаправленной связи, например связи внутреннего пространства скважины с поверхностью, и двунаправленной связи.Communication using the principle described above can be used for unidirectional communication, such as communication between the surface and the interior of a well; unidirectional communication, for example communication between the interior of the well and the surface, and bidirectional communication.

Указанные способы делают возможной связь, являющуюся частью гибридной системы связи - коThese methods make it possible to communicate as part of a hybrid communication system - to

- 16 043424 гда некоторые части сигнального канала обеспечиваются модуляцией сигналов катодной защиты, а некоторые - обеспечиваются другими способами, например беспроводными способами, в том числе электромагнитными способами и акустическими способами.- 16 043424 where some parts of the signal channel are provided by modulation of cathodic protection signals, and some are provided by other methods, for example wireless methods, including electromagnetic methods and acoustic methods.

В любом из описанных выше случаев катодная защита, при ее наличии, может обеспечиваться как пассивной системой катодной защиты, когда жертвенные аноды соединяются с металлической конструкцией скважинной установки, так и системой наложенной катодной защиты, когда защитный ток подается на металлическую конструкцию скважинной установки.In any of the cases described above, cathodic protection, if available, can be provided either by a passive cathodic protection system, where the sacrificial anodes are connected to the metal structure of the downhole rig, or by a superimposed cathodic protection system, where protective current is applied to the metal structure of the downhole rig.

В представленных здесь способах и системах целью является использование имеющихся систем катодной защиты (или других источников тока, если они доступны), в частности, использование имеющихся анодов, при их наличии, например, в подводных установках, в отсутствие необходимости их модификации.In the methods and systems presented here, the goal is to use existing cathodic protection systems (or other current sources, if available), in particular, the use of existing anodes, if available, for example, in subsea installations, without the need to modify them.

Так, аноды, при их наличии, обычно располагаются снаружи, то есть сверху, ствола скважины, в воде. Более того, аноды обычно располагаются на некотором расстоянии от участка, на котором необходимо обеспечить подачу мощности и/или сигнала.Thus, anodes, if available, are usually located outside, that is, on top of the wellbore, in the water. Moreover, the anodes are usually located at some distance from the area where power and/or signal must be supplied.

Так, любая из описанных выше систем может включать в себя один или несколько из следующих элементов: по меньшей мере один имеющийся анод; по меньшей мере один анод, расположенный в воде, например, в толще воды, в которой расположена подводная скважинная установка; по меньшей мере один анод, расположенный на некотором расстоянии от участка, на котором необходимо обеспечить подачу мощности и/или сигнала, используя ток, генерируемый указанным анодом.Thus, any of the systems described above may include one or more of the following elements: at least one anode present; at least one anode located in water, for example, in the water column in which the subsea well installation is located; at least one anode located at some distance from the area where it is necessary to provide power and/or signal using the current generated by the said anode.

Более того, любая из описанных выше систем может быть предназначена для обеспечения возможности передачи мощности от участка, на котором на конструкцию подается ток, например, ток катодной защиты (КЗ), на участок сбора и/или подачи сигнала. Это относится как к току, являющемуся током пассивной катодной защиты, току наложенной катодной защиты, или другому подаваемому току. Типичным является вариант, когда источник тока катодной защиты или другого тока находится на некотором расстоянии от участка сбора и/или подачи сигнала.Moreover, any of the systems described above may be designed to allow power to be transferred from an area where current is applied to the structure, such as a cathodic protection (CP) current, to a signal collection and/or supply area. This applies whether the current is passive cathodic protection current, imposed cathodic protection current, or other applied current. A typical option is when the source of cathodic protection current or other current is located at some distance from the signal collection and/or supply area.

Более того, металлическая конструкция может быть непрерывной в области по меньшей мере одного анода и/или области модуля сбора.Moreover, the metal structure may be continuous in the region of at least one anode and/or in the region of the collection module.

Когда в описании выше упоминается оптимизация моделирования, например, в отношении расстояния, на которое отстоят соединения, использования изоляции, выбора только радиального или аксиального расстояния, на которое отстоят соединения, и выбора заданной нагрузки сбора, то в такой модели может использоваться по меньшей мере один из следующих параметров:When modeling optimization is mentioned in the description above, for example, with respect to the spacing of connections, the use of insulation, selecting only radial or axial spacing of connections, and selecting a given collection load, then such a model may use at least one from the following parameters:

1. Скорость затухания наверху скважины, выведенная из размеров обсадных труб и размеров трубчатых элементов, веса, и типа материала (удельного сопротивления), и удельного сопротивления покрывающей толщи (среды, окружающей скважину).1. The rate of attenuation at the top of the well, derived from the dimensions of the casing and the dimensions of the tubular elements, the weight and type of material (resistivity), and the resistivity of the overburden (the environment surrounding the well).

2. Расположение верхнего соединения.2. Top connection location.

3. Расположение нижнего соединения.3. Bottom connection location.

4. Площадь поперечного сечения и тип материала (удельное сопротивление) верхнего кабеля, используемого на входах к собирателю.4. The cross-sectional area and type of material (resistivity) of the overhead cable used at the inputs to the collector.

5. Число, расположение, материал (электропотенциал) и площадь поверхности анодов устья скважины.5. Number, location, material (electric potential) and surface area of wellhead anodes.

6. Действующее сопротивление скважины на уровне морского дна/устье скважины, также выведенные из размеров обсадных труб и размеров трубчатых элементов, веса, и типа материала (удельного сопротивления) и удельного сопротивления покрывающей толщи (среды, окружающей скважину), но в этот раз для всей конструкции скважины.6. Effective wellbore resistivity at seabed/wellhead level, also derived from casing sizes and tubular element sizes, weight, and type of material (resistivity) and overburden resistivity (medium surrounding the well), but this time for the entire well structure.

В каждом случае описанные выше системы могут содержать первичную батарею для подачи мощности независимо от собранной мощности. Первичную батарею может содержать модуль сбора. Там, где предусмотрена первичная батарея, ее использование может быть предпочтительным, пока в ней есть энергия. Например, она может использоваться для обеспечения возможности использования более высокой производительности на первоначальной стадии, при этом она может прекращать работать, когда доступна только собранная мощность.In each case, the systems described above may contain a primary battery to supply power independent of the collected power. The primary battery may comprise a collection module. Where a primary battery is provided, its use may be preferable while it has power. For example, it may be used to allow higher capacity to be used initially, but may stop operating when only harvested power is available.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена скважинная установка, содержащая металлическую конструкцию, несущую электрический ток, и любую из описанных выше систем или аппаратов, например, внутрискважинный аппарат или систему сбора электрической энергии; аппарат или систему управления внутрискважинным устройством; внутрискважинный аппарат или систему связного повторителя; аппарат или систему подачи мощности; или модуль сбора; или внутрискважинный аппарат или систему мониторинга скважины; или внутрискважинный аппарат или систему передачи данных, раскрытые выше. Такая установка может также содержать систему катодной защиты для защиты металлической конструкции.According to another aspect of the present invention, there is provided a downhole apparatus comprising a metal structure carrying an electrical current and any of the systems or apparatus described above, for example, a downhole apparatus or an electrical energy collection system; downhole device control device or system; downhole apparatus or communication repeater system; apparatus or power supply system; or collection module; or a downhole apparatus or well monitoring system; or the downhole apparatus or data transmission system disclosed above. Such an installation may also contain a cathodic protection system to protect the metal structure.

Следует отметить, что в общем случае каждые из опциональных признаков, следующие за каждым из аспектов изобретения выше, являются одинаково применимыми опциональными признаками в отношении любого другого аспекта настоящего изобретения и могут быть приведены после каждого аспекта с любыми необходимыми изменениями формулировок. Не все из таких опциональных признаков пропиIt should be noted that, in general, each of the optional features following each of the aspects of the invention above are equally applicable optional features with respect to any other aspect of the present invention and may be set forth after each aspect with any necessary modifications to the wording. Not all of these optional signs are propi

- 17 043424 саны после каждого аспекта исключительно в целях сохранения краткости изложения.- 17 043424 san after each aspect solely for the purpose of maintaining brevity of presentation.

К примеру, следует понимать, что любая из систем, способов, аппаратов и установок, упоминаемых выше, может использовать модуль сбора, имеющий любую комбинацию или частичную комбинацию раскрытых выше признаков, и т.д.For example, it should be understood that any of the systems, methods, apparatus and installations mentioned above may employ a collection module having any combination or partial combination of the features disclosed above, etc.

Скважина, упоминаемая в любом из описанных выше способов, системах, аппаратах, или установках, может быть подводной скважиной.The well referred to in any of the methods, systems, apparatus, or installations described above may be a subsea well.

Перечень фигурList of figures

Исключительно в целях приведения примера ниже описаны некоторые варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи.For purposes of example only, certain embodiments of the present invention are described below with reference to the accompanying drawings.

На фиг. 1 схематически представлена скважинная установка, включающая в себя аппарат мониторинга скважины, включающий в себя внутрискважинную систему подачи мощности.In fig. 1 is a schematic diagram of a downhole installation including a well monitoring apparatus including an downhole power delivery system.

На фиг. 2А схематически представлен модуль сбора системы подачи мощности, показанный на фиг. 1; при этом на фиг. 2В представлен альтернативный внутрискважинный блок.In fig. 2A is a schematic diagram of the power supply system acquisition module shown in FIG. 1; while in FIG. 2B shows an alternative downhole block.

На фиг. 2С представлена принципиальная электрическая схема контура преобразователя постоянного тока (DC/DC-преобразователя), который может использоваться в модуле сбора.In fig. 2C shows a circuit diagram of a DC/DC converter circuit that can be used in the acquisition module.

На фиг. 2D представлена принципиальная электрическая схема контура преобразователя постоянного тока (DC/DC-преобразователя), который может использоваться в модуле сбора.In fig. 2D shows a circuit diagram of a DC/DC converter circuit that can be used in the acquisition module.

На фиг. 3 схематически представлена скважинная установка, включающая в себя внутрискважинный аппарат передачи данных, содержащий внутрискважинный связной повторитель и внутрискважинную систему подачи мощности для подачи мощности внутрискважинному связному повторителю.In fig. 3 is a schematic diagram of a downhole installation including a downhole data transmission apparatus containing a downhole communication repeater and a downhole power delivery system for supplying power to the downhole communication repeater.

На фиг. 4 схематически представлена скважинная установка, включающая в себя аппарат управления клапаном, содержащий внутрискважинный клапан с дистанционным управлением и систему подачи мощности для подачи мощности внутрискважинному клапану с дистанционным управлением.In fig. 4 is a schematic diagram of a downhole installation including a valve control apparatus comprising a remotely controlled downhole valve and a power supply system for supplying power to the remotely controlled downhole valve.

На фиг. 5 схематически представлена скважинная установка, включающая в себя альтернативную систему мониторинга скважины, содержащую внутрискважинный датчик и внутрискважинную систему подачи мощности для подачи мощности внутрискважинному датчику.In fig. 5 is a schematic diagram of a downhole installation including an alternative well monitoring system comprising a downhole sensor and a downhole power delivery system for supplying power to the downhole sensor.

На фиг. 6 схематически представлена альтернативная скважинная установка.In fig. Figure 6 schematically shows an alternative well setup.

На фиг. 7 для конструкции, аналогично той, что показана на фиг. 1, представлен график оптимальной собираемой мощности в зависимости от глубины нижнего соединения.In fig. 7 for a structure similar to that shown in FIG. 1 shows a graph of the optimal collected power depending on the depth of the lower connection.

На фиг. 8 представлена блок-схема оптимизации сбора энергии.In fig. Figure 8 shows a flowchart for optimizing energy harvesting.

На фиг. 9 представлена блок-схема управления внутрискважинным блоком.In fig. Figure 9 shows a block diagram of the downhole unit control.

На фиг. 10 схематически изображена скважинная установка, включающая в себя платформу.In fig. 10 is a schematic diagram of a well rig including a platform.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of implementing the invention

На фиг. 1 представлена скважинная установка нефтяной и/или газовой скважины. Должно быть понятно, что такая нефтяная и/или газовая скважина может быть материковой скважиной или подводной скважиной (то есть скважина может находиться под некоторой толщей воды), при этом устье скважины находится под водой на дне моря, реки, озера и т.д., или на платформе. Зачастую скважинные установки оснащаются системой катодной защиты (КЗ). В случае материковых скважин она чаще всего имеет вид системы катодной защиты с наложенным током, при этом защитный ток подается на металлическую конструкцию скважины. С другой стороны, для подводных скважин катодная защита чаще всего представляет систему пассивной катодной защиты, в которой множество анодов из относительно химически активного материала, такого как магниевый сплав, соединены с металлической конструкцией, при этом они подвержены воздействию воды, в которой расположена скважинная установка.In fig. 1 shows a downhole installation for an oil and/or gas well. It should be understood that such an oil and/or gas well may be a mainland well or a subsea well (that is, the well may be under some water column), with the wellhead located underwater at the bottom of a sea, river, lake, etc. , or on the platform. Often, downhole installations are equipped with a cathodic protection system (CP). In the case of mainland wells, this most often takes the form of a cathodic protection system with an imposed current, with the protective current applied to the metal structure of the well. On the other hand, for subsea wells, cathodic protection is most often a passive cathodic protection system in which multiple anodes of a relatively reactive material, such as a magnesium alloy, are connected to a metal structure and are exposed to the water in which the downhole unit is located.

Следует отметить, что описанные здесь решения также релевантны и для нагнетательных скважин скважин, используемых для ввода воды в пласт для содействия нефте- и/или газоотдачи других скважин на месторождении. Поэтому скважинная установка в настоящем описании может быть нагнетательной скважиной. Такая скважина будет иметь конструкцию, похожую на конструкцию установок, детально описанных в настоящей заявке. Аналогично, представленные здесь решения могут использоваться как во время бурения, так и во время эксплуатации, и последующего покидания объекта. Поэтому скважинная установка может представлять собой частично полную установку тогда, когда осуществляется бурение. В широком смысле представленные здесь решения могут использоваться в любой период жизненного цикла скважинной установки.It should be noted that the solutions described here are also relevant for well injection wells used to inject water into the formation to facilitate oil and/or gas recovery from other wells in the field. Therefore, the well installation in the present description may be an injection well. Such a well will have a design similar to the design of the installations described in detail in this application. Likewise, the solutions presented here can be used both during drilling and during operation and subsequent abandonment of the site. Therefore, the downhole rig may be a partially complete rig when drilling occurs. In a broad sense, the solutions presented here can be used at any time in the life cycle of a downhole rig.

Более того, в то время как настоящее описание приведено в отношении установок, в которых присутствует катодная защита, что является предпочтительным случаем, многие из представленных здесь систем и решений также работают и в других ситуациях, в которых электрический ток течет по металлической конструкции и от него может быть осуществлен сбор мощности.Moreover, while this description is given in relation to installations where cathodic protection is present, which is the preferred case, many of the systems and solutions presented here also work in other situations in which electrical current flows through and away from a metal structure power harvesting can be carried out.

Скважинная установка, изображенная на фиг. 1, содержит устье 1 скважины и внутрискважинную металлическую конструкцию 2, ведущую вниз, в ствол скважины от поверхности П. Скважинная установка оснащена системой 3А, 3В катодной защиты. Как упоминалось выше, система либо является системой 3А катодной защиты с наложенным током, либо пассивной катодной защитой, содержащей множество анодов 3В, соединенных с металлической конструкцией скважинной установки, то есть с устьем скважины или другими металлическими компонентами, соединенными с ним.The downhole installation shown in FIG. 1, contains a wellhead 1 and an downhole metal structure 2 leading down into the wellbore from the surface P. The downhole installation is equipped with a cathodic protection system 3A, 3B. As mentioned above, the system is either a current-imposed cathodic protection system 3A or a passive cathodic protection system comprising a plurality of anodes 3B coupled to the metallic structure of the downhole rig, ie the wellhead or other metallic components coupled thereto.

- 18 043424- 18 043424

Внутрискважинная металлическая конструкция 2 содержит первую секцию металлической трубы 21, являющейся эксплуатационной колонной, идущей вниз, в ствол скважины. Вокруг нее расположена первая обсадная труба 22. Снаружи этого слоя расположена вторая обсадная труба 23, а затем третья обсадная труба 24. Должно быть понятно, что между каждой секцией металлической трубы имеется соответствующее затрубное пространство. Так, первое затрубное пространство между эксплуатационной колонной 21 и первой обсадной трубой 22 обычно в нефтегазовой индустрии называют затрубным пространством А и обозначают позицией А на чертежах. Между первой обсадной трубой 22 и второй обсадной трубой 23 имеется второе затрубное пространство, обычно называемое затрубным пространством В и так же обозначаемое на чертежах, а между второй обсадной трубой 23 и третьей обсадной трубой 24 имеется третье затрубное пространство, обычно называемое затрубным пространством С и так же обозначаемое на чертежах. Скважины обычно могут иметь и следующее, D, затрубное пространство, а иногда и большее число затрубных пространств.The downhole metal structure 2 contains a first section of metal pipe 21, which is a production string extending down into the wellbore. Surrounding this is a first casing 22. Outside this layer is a second casing 23 and then a third casing 24. It will be appreciated that there is a corresponding annulus between each section of metal pipe. Thus, the first annulus between the production string 21 and the first casing 22 is usually called annulus A in the oil and gas industry and is designated as A in the drawings. Between the first casing 22 and the second casing 23 there is a second annulus, commonly referred to as annulus B and also designated in the drawings, and between the second casing 23 and the third casing 24 there is a third annulus, commonly referred to as annulus C, and so on. as indicated in the drawings. Wells can usually have the following, D, annulus space, and sometimes more annulus spaces.

В других случаях металлическая конструкция может содержать другие удлиненные элементы, в частности, один или несколько из следующих элементов: обсадную трубу, хвостовик, колонну, гибкую колонну типа колтюбинг, насосную штангу.In other cases, the metal structure may contain other elongate elements, in particular, one or more of the following elements: casing, liner, string, coiled tubing, sucker rod.

Аппарат мониторинга, предусмотренный в скважинной установке, содержит модуль 4 сбора электрической мощности, расположенный в данном варианте осуществления в затрубном пространстве А. Модуль 4 сбора электрически соединен посредством кабелей 41 с парой отстоящих участков 41а, 41b на эксплуатационной колонне 21. В альтернативном варианте модуль 4 сбора может быть электрически соединен с одним из участков посредством кабеля, при этом может быть соединен с другим участком без кабеля. С одним из участков модуль 4 сбора может быть электрически соединен посредством проводящего корпуса модуля сбора (или окружающего модуль сбора). Поэтому лишь один такой кабель может нуждаться в выводе из указанного корпуса.The monitoring apparatus provided in the downhole installation includes an electrical power collection module 4, located in this embodiment in the annulus A. The collection module 4 is electrically connected via cables 41 to a pair of spaced sections 41a, 41b on the production string 21. In an alternative embodiment, the module 4 collection can be electrically connected to one of the sections via a cable, while it can be connected to another section without a cable. The collection module 4 can be electrically connected to one of the sections by means of a conductive housing of the collection module (or surrounding the collection module). Therefore, only one such cable may need to be exited from the specified housing.

Следует отметить, что между модулем 4 сбора и металлической конструкцией 21 на отстоящих участках 41а, 41b имеет место гальваническое соединение. В частности, гальваническое соединение имеет место с металлической конструкцией 21, вместо, например, индуктивного соединения. Это упрощает конструкцию и избавляет от инженерных сложностей. В данном случае гальваническое соединение имеет место на всем участке от металлической конструкции к входам контура, входящего в состав модуля сбора для сбора энергии.It should be noted that a galvanic connection takes place between the collection module 4 and the metal structure 21 at spaced sections 41a, 41b. In particular, a galvanic connection takes place with the metal structure 21, instead of, for example, an inductive connection. This simplifies the design and eliminates engineering complexities. In this case, the galvanic connection takes place along the entire section from the metal structure to the inputs of the circuit included in the energy collection module.

Более того, следует отметить, что на указанную металлическую конструкцию скважины установка такой системы, в целом, не оказывает никакого влияния. Ни на одну из секций металлической трубы не были добавлены изолирующие вставки для обеспечения эффективности системы, и нормальное протекание тока катодной защиты в конструкции не было изменено - за исключением, естественно, происходящего процесса сбора. К примеру, между отстоящими участками секция металлической конструкции, с которой образованы соединения, является сплошной, в более широком смысле - все секции металлической конструкции являются сплошными во всех областях. Это несущественно для работы, но это возможно и является превалирующей ситуацией в скважинной установке - то есть стандартная металлическая конструкция установки не меняется. Аналогичным образом в металлической конструкции ток может течь, и течет, в одном и том же направлении в области соединений и между соединениями. Опять же, это является превалирующей ситуацией в скважинной установке - внесение модификаций в скважинную установку избегается. Ток может протекать на одной секции металлической конструкции, с которой образованы соединения, или перескакивать с одной секции на другую, или течь параллельно в нескольких секциях - главное, что для функционирования системы не требуется создание искусственной конфигурации металлической конструкции в скважине, указанная металлическая конструкция обеспечивает непрерывную траекторию протекания тока, и протекание тока по металлической конструкции происходит в том же самом продольном направлении.Moreover, it should be noted that the installation of such a system, in general, does not have any effect on the specified metal structure of the well. No insulating inserts were added to any of the metal pipe sections to ensure the effectiveness of the system, and the normal flow of cathodic protection current in the structure was not altered - except, of course, during the collection process that took place. For example, between spaced sections, the section of the metal structure with which connections are formed is continuous; in a broader sense, all sections of the metal structure are continuous in all areas. This is not essential to the operation, but it is possible and is the prevailing situation in a downhole rig - that is, the standard metal structure of the rig is not changed. Similarly, in a metal structure, current can and does flow in the same direction at the joints and between the joints. Again, this is the prevailing situation in a downhole rig - modifications to the downhole rig are avoided. The current can flow in one section of the metal structure with which connections are formed, or jump from one section to another, or flow in parallel in several sections - the main thing is that the operation of the system does not require the creation of an artificial configuration of the metal structure in the well; the specified metal structure ensures continuous path of current flow, and current flow through the metal structure occurs in the same longitudinal direction.

Следует отметить, что доступ к затрубному пространству А зачастую обеспечивается посредством кабеля, проходящего через устье 1 скважины. Несмотря на это, использование представленных здесь конфигураций является выигрышным, так как они минимизируют число пенетраторов в устье скважины, снижая риск и используя и/или освобождая пенетратор для других целей.It should be noted that access to the annulus A is often provided by means of a cable passing through the wellhead 1. Despite this, the use of the configurations presented here is advantageous as they minimize the number of penetrators at the wellhead, reducing risk and using and/or freeing up the penetrator for other purposes.

Аппарат мониторинга также содержит внутрискважинный датчик 5, расположенный глубже в скважине, чем модуль 4 сбора, и соединенный с ним посредством кабеля 42. В данном варианте осуществления внутрискважинный датчик 5 расположен непосредственно над пакером ПР. Обычно кабели 41, соединяющие модуль 4 сбора с эксплуатационным блоком 21, представляют собой помещенные в колонну проводники (англ. tubing encased conductor - ТЕС), обычно используемые в нефтегазовой промышленности, при этом кабель 42, соединяющий модуль 4 сбора с внутрискважинным датчиком 5, также представляет собой помещенный в колонну проводник. Обычно площадь поперечного сечения проводника по длине кабеля 41, соединяющего модуль 4 сбора с эксплуатационной колонной 21, будет больше площади поперечного сечения кабеля 42, соединяющего модуль 4 сбора с внутрискважинным датчиком 5.The monitoring apparatus also includes a downhole sensor 5 located deeper in the well than the acquisition module 4 and connected to it via a cable 42. In this embodiment, the downhole sensor 5 is located directly above the PR packer. Typically, the cables 41 connecting the collection module 4 to the production unit 21 are tubing encased conductors (TEC) commonly used in the oil and gas industry, while the cable 42 connecting the collection module 4 to the downhole sensor 5 is also is a conductor placed in a column. Typically, the cross-sectional area of the conductor along the length of the cable 41 connecting the collection module 4 to the production casing 21 will be greater than the cross-sectional area of the cable 42 connecting the collection module 4 to the downhole sensor 5.

Если в скважинной установке предусмотрена катодная защита, потенциал металлической конструкции скважины выбирают достаточно отрицательным в точке ввода, к примеру, в устье 1 скважины, чтоIf cathodic protection is provided in the downhole installation, the potential of the metal structure of the well is chosen to be sufficiently negative at the entry point, for example, at the wellhead 1, that

- 19 043424 бы подавить коррозию в устье скважины и других точках вдоль внутрискважинной металлической конструкции 2 по мере ее спуска в скважину. Однако величина этого отрицательного потенциала уменьшается по мере продвижения вглубь скважины из-за потерь в системе. Поэтому потенциал металлической конструкции 2 вблизи устья скважины будет более отрицательным, чем на более глубоких участках в скважине. Поэтому, когда токи катодной защиты текут по скважинной установке, между участком 41а, где первый из кабелей 41 от модуля сбора соединяется с эксплуатационной колонной 21, и участком 41b, где другой из кабелей 41 от модуля 4 сбора соединяется с эксплуатационной колонной 21, будет присутствовать разность потенциалов. Поэтому в модуле 4 сбора будет присутствовать разность потенциалов, и он сможет извлечь энергию от токов катодной защиты.- 19 043424 would suppress corrosion at the wellhead and other points along the downhole metal structure 2 as it is lowered into the well. However, the magnitude of this negative potential decreases as we move deeper into the well due to losses in the system. Therefore, the potential of the metal structure 2 near the wellhead will be more negative than in deeper areas in the well. Therefore, when cathodic protection currents flow through the downhole installation, between the portion 41a where the first of the cables 41 from the collection module is connected to the production string 21, and the portion 41b where the other of the cables 41 from the collection module 4 is connected to the production string 21, there will be potential difference. Therefore, the collection module 4 will have a potential difference and will be able to extract energy from the cathodic protection currents.

Следует отметить, что, несмотря на то, что извлечение энергии будет использовать мощность от системы катодной защиты, влияние на эффективность системы катодной защиты или ускорение коррозии анодов будет ничтожным. Обычно токи катодной защиты будут порядка 10 А, в то время как представленные здесь системы будут извлекать, к примеру, 10-100 мА. То есть количество извлеченного тока попадает в допустимый диапазон, обычно закладываемый в конструкцию систем катодной защиты. При необходимости может обеспечиваться повышенный уровень наложенного тока или число предусмотренных анодов может превышать их нормальное число. Это приведет к увеличению тока катодной защиты и поэтому улучшит сбор.It should be noted that although energy extraction will use power from the cathodic protection system, the effect on the efficiency of the cathodic protection system or the acceleration of anode corrosion will be negligible. Typically cathodic protection currents will be on the order of 10 A, while the systems presented here will extract, for example, 10-100 mA. That is, the amount of current extracted falls within the permissible range usually included in the design of cathodic protection systems. If necessary, a higher level of imposed current may be provided or the number of anodes provided may exceed the normal number. This will increase the cathodic protection current and therefore improve collection.

Электрическая мощность может быть собрана с системы на внутрискважинном участке модуля 4 сбора, и эта собранная мощность может использоваться для других целей.Electrical power can be collected from the system downhole of the collection module 4, and this collected power can be used for other purposes.

В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, эта собранная мощность используется для подачи мощности внутрискважинному датчику 5 и делает возможным извлечение из него показаний и передачу этих показаний на поверхность П.In the embodiment shown in FIG. 1, this collected power is used to supply power to the downhole sensor 5 and makes it possible to extract readings from it and transmit these readings to the surface P.

В настоящем варианте осуществления для осуществления связи с модулем 4 сбора и внутрискважинным датчиком используется верхний блок 6 связи. В данном случае верхний блок 6 связи предусмотрен на поверхности П-в данном случае на поверхности земли.In the present embodiment, the upper communication unit 6 is used to communicate with the acquisition module 4 and the downhole sensor. In this case, the upper communication unit 6 is provided on the surface P—in this case, on the surface of the earth.

Должно быть понятно, что конфигурации, как те, что представлены здесь, могут использоваться вместо традиционного стационарного внутрискважинного датчика (англ. permanent downhole gauge PDG) с тем преимуществом, что они помогают избежать использование пенетратора, проходящего через устье скважины, делая при этом возможным, во многих случаях, постоянный мониторинг скважины. Мониторинг может быть мониторингом пластового давления, в случае такой необходимости, или аналогичным образом - мониторингом давления в закрытом затрубном пространстве, например, для детектирования утечки или проблемы, или поломки в системе. В этом случае сенсор и модуль сбора могут быть расположены в закрытом затрубном пространстве.It should be understood that configurations such as those presented here can be used in place of a traditional permanent downhole gauge PDG with the advantage that they avoid the use of a penetrator passing through the wellhead while allowing in many cases, continuous well monitoring. The monitoring may be reservoir pressure monitoring, if necessary, or similarly, closed annulus pressure monitoring, for example to detect a leak or problem or breakdown in the system. In this case, the sensor and acquisition module can be located in a closed annulus.

Все из перечисленных вариантов возможны, к примеру, в подводной скважинной установке, там, где обычно будет иметься готовый источник тока для сбора - т.е. ток катодной защиты, обычно генерируемый жертвенными анодами, находящимися в воде, в которой расположена подводная установка, и где другие варианты подачи мощности и сигнала являются сложно осуществимыми.All of the above options are possible, for example, in a subsea well installation, where there will usually be a ready source of current for collection - i.e. cathodic protection current, usually generated by sacrificial anodes located in the water in which the subsea installation is located, and where other power and signal delivery options are difficult to implement.

В скважине с подводным устьем скважины обычно невозможно (практически или с точки зрения экономической эффективности) обеспечить гидравлическую или электрическую связь с наружным затрубным пространством (В, С, и т.д.). В частности, когда эти затрубные пространства герметично заделаны в основании, имеет смысл осуществление мониторинга и, опционально, регулирование давления в таких затрубных пространствах, к примеру, для снижения риска высоких давлений, приводящих к разрушению конструкции обсадной трубы. В частности, движение потока или бурение скважины может повысить температуру герметично заделанного наружного затрубного пространства, и поэтому повысить в нем давление. Возможность осуществления мониторинга в таком случае, и опционально регулирования давления в таком случае (например, с помощью дренажного клапана между затрубными пространствами, как те, что описаны выше) является предпочтительным. В частности, осуществление мониторинга давления в закрытом затрубном пространстве может позволить осуществлять добычу при более высоких скоростях, чем те, которые можно достичь, если используется лишь моделирование ожидаемого повышения давления, так как использование моделируемого давления будет требовать принятие больших допусков безопасности, и потенциально приводить к соответствующему снижению скорости добычи. Должно быть понятно, что представленные здесь решения могут помочь в осуществлении такого мониторинга и/или регулирования.In a well with a subsea wellhead, it is usually not possible (practically or economically) to provide hydraulic or electrical communication with the external annulus (B, C, etc.). In particular, when these annular spaces are sealed in the base, it makes sense to monitor and optionally regulate the pressure in such annular spaces, for example, to reduce the risk of high pressures leading to failure of the casing structure. In particular, flow movement or drilling of a well can increase the temperature of the hermetically sealed external annulus, and therefore increase the pressure therein. The ability to monitor in such a case, and optionally regulate the pressure in such a case (for example, using an annular drain valve such as those described above) is advantageous. In particular, the implementation of pressure monitoring in a closed annulus may allow production at higher rates than can be achieved if only modeling of the expected pressure rise is used, since the use of simulated pressure will require greater safety tolerances, and potentially lead to corresponding reduction in production rate. It should be clear that the solutions presented here can assist in the implementation of such monitoring and/or regulation.

Другой конкретный вариант осуществления представленного здесь решения будет включать в себя сенсорный модуль, расположенный там же, где обычно расположен обычный, традиционный стационарный внутрискважинный датчик, при этом он предусмотрен для той же цели, что и традиционный стационарный внутрискважинный датчик.Another specific embodiment of the solution presented herein would include a sensor module located in the same location where a conventional, traditional fixed downhole sensor is typically located, and is provided for the same purpose as a traditional fixed downhole sensor.

Таким образом, сенсорный модуль может быть размещен в затрубном пространстве А и предназначен для осуществления мониторинга пластового давления посредством измерения давления в колонне через порт передачи давления, проходящий сквозь колонну, делая тем самым возможным определение пластового давления на основе полученного посредством измерения давления с учетом статического давления и влияния потока. Как и в случае с традиционно используемыми стационарными внутрискваThus, the sensor module can be placed in the annulus A and is designed to monitor the formation pressure by measuring the pressure in the string through a pressure transmission port passing through the string, thereby making it possible to determine the formation pressure based on the pressure obtained by measuring the static pressure and the influence of flow. As is the case with traditionally used stationary in-well

- 20 043424 жинными датчиками (PDG), пластовое давление чаще определяют таким способом, чем измеряют напрямую - размещение сенсора непосредственно в пласте, в целом, является практически неосуществимым (при этом должно быть понятно, что осуществление мониторинга пластового давления замещает использование таких измерений).- 20 043424 pressure sensors (PDG), formation pressure is often determined in this way rather than measured directly - placing the sensor directly in the formation is generally not practical (it should be understood that monitoring formation pressure replaces the use of such measurements).

Модуль сбора может быть также предусмотрен на участке сенсорного модуля.A collection module may also be provided in a portion of the sensor module.

Для извлечения данных из внутрискважинного датчика 5 в направлении поверхности могут использоваться различные способы.Various methods can be used to extract data from the downhole sensor 5 towards the surface.

В настоящем варианте осуществления модуль 4 сбора выполнен с возможностью приема сигнала от внутрискважинного датчика, указывающего значение измеряемого параметра, например, давления и/или температуры, и передачи этих данных в направлении поверхности модуляцией нагрузки, которую модуль 4 сбора осуществляет между отстоящими соединениями 41а и 41b. В ответ указанное изменение нагрузки изменит количество тока, забираемого от токов катодной защиты, подаваемых к системе. Это, в свою очередь, детектируется на поверхности или на другом подходящем участке за счет изменения потенциала металлической конструкции на поверхности или на другом подходящем участке. Это может быть детектировано, например посредством детектирования изменения потенциала в устье 1 скважины или посредством детектирования напряжения, или наблюдаемого тока в источнике питания, используемого в системе 3А наложенной катодной защиты. В настоящем варианте осуществления эффект от модуляции детектируют верхним блоком 6 связи, осуществляя мониторинг потенциала устья скважины относительно опорного уровня земли, для извлечения данных измерения давления и/или температуры.In the present embodiment, the collection module 4 is configured to receive a signal from the downhole sensor indicating the value of the measured parameter, for example, pressure and/or temperature, and transmit this data towards the surface by modulating the load that the collection module 4 carries out between the spaced connections 41a and 41b . In response, this load change will change the amount of current drawn from the cathodic protection currents supplied to the system. This, in turn, is detected at the surface or other suitable location by changing the potential of the metal structure at the surface or other suitable location. This may be detected, for example, by detecting a change in potential at the wellhead 1 or by detecting a voltage or observed current in the power supply used in the superimposed cathodic protection system 3A. In the present embodiment, the effect of the modulation is detected by the upper communication unit 6 by monitoring the wellhead potential relative to a reference ground level to extract pressure and/or temperature measurement data.

Предпочтительно, чтобы расстояние между отстоящими соединениями 41а, 41b составляло по меньшей мере 100 м, или более вероятно находилось в диапазоне 300-500 м. Оптимальное расстояние для отстоящих соединений 41а, 41b может быть определено моделированием конкретной установки. По мере увеличения расстояния между этими соединениями есть тенденция увеличения разности потенциалов между указанными соединениями (хотя скорость увеличения разности потенциалов снижается по мере увеличения глубины нижнего соединения). С другой стороны, по мере увеличения расстояния общая длина, а поэтому и сопротивление кабелей 41, увеличивается. Поэтому в большинстве систем будет иметь место некоторое оптимальное расстояние.Preferably, the distance between spaced connections 41a, 41b is at least 100 m, or more likely in the range of 300-500 m. The optimal distance for spaced connections 41a, 41b can be determined by modeling a particular installation. As the distance between these connections increases, there is a tendency for the potential difference between said connections to increase (although the rate at which the potential difference increases decreases as the depth of the bottom connection increases). On the other hand, as the distance increases, the total length, and therefore the resistance of the cables 41, increases. Therefore, in most systems there will be some optimal distance.

На фиг. 2А более детально показан модуль 4 сбора аппарата, показанного на фиг. 1. В этом варианте осуществления модуль 4 сбора имеет пару терминалов 43а, 43b, с которыми соединяются соответствующие кабели 41. Между металлической конструкцией и терминалами 43а, 43b имеет место гальваническое соединение. Между этими терминалами 43а, 43b для сбора электрической энергии там, где присутствует разность потенциалов между терминалами 43а, 43b, подсоединяется низковольтный преобразователь постоянного тока (DC/DC-преобразователь). Преобразователь 44 постоянного тока соединен со средствами 45 накопления заряда, включающими в себя по меньшей мере один конденсатор с низкой утечкой, он также соединен с и управляется центральным блоком 46, управляемым микропроцессором. Средства 45 накопления заряда и центральный блок 46 также соединены через соответствующий терминал 43с с кабелем 42, ведущим к внутрискважинному датчику 5. В качестве альтернативы средства 45 накопления заряда могут быть упущены - то есть по необходимости может собираться достаточно мощности, делающей возможной постоянную работу.In fig. 2A shows in more detail the collection module 4 of the apparatus shown in FIG. 1. In this embodiment, the collection module 4 has a pair of terminals 43a, 43b to which corresponding cables 41 are connected. A galvanic connection takes place between the metal structure and the terminals 43a, 43b. Between these terminals 43a, 43b, a low-voltage direct current converter (DC/DC converter) is connected to collect electrical energy where there is a potential difference between the terminals 43a, 43b. The DC/DC converter 44 is connected to charge storage means 45 including at least one low leakage capacitor and is also connected to and controlled by a central unit 46 controlled by a microprocessor. The charge storage means 45 and the central unit 46 are also connected via a corresponding terminal 43c to a cable 42 leading to the downhole sensor 5. Alternatively, the charge storage means 45 may be omitted - that is, sufficient power can be collected as needed to allow continuous operation.

Во время работы центральный блок 46 управляет работой преобразователя 44 постоянного тока для оптимизации нагрузки, которую он дает току, получаемому модулем 4 сбора от токов катодной защиты, с целью максимизации энергии, которая может быть собрана и использована, или накоплена в средствах 45 накопления заряда. Следует отметить, что центральный блок может быть выполнен с возможностью выборочного прямого использования и/или отправки собранной энергии, когда это требуется, и накопления энергии и извлечения накопленной энергии, когда это требуется.During operation, the central unit 46 controls the operation of the DC/DC converter 44 to optimize the load it places on the current received by the collection module 4 from cathodic protection currents in order to maximize the energy that can be collected and used or stored in the charge storage means 45. It should be noted that the central unit may be configured to selectively directly use and/or send the collected energy when required, and store the energy and retrieve the stored energy when required.

Следует отметить, что в альтернативном варианте центральный блок 46, управляемый микропроцессором, может быть заменен альтернативной электроникой, включающей в себя, к примеру, аналоговый контур обратной связи, или т.н. машину состояний (англ. state machine), или даже фиксированную нагрузку сбора, основанную на моделировании, выполненном для конкретной установки.It should be noted that in an alternative embodiment, the central unit 46, controlled by a microprocessor, can be replaced by alternative electronics, including, for example, an analog feedback loop, or so-called. state machine, or even a fixed collection load based on simulations performed for a specific installation.

При использовании накопленной энергии мощность от средств 45 накопления заряда подается через кабель 42 внутрискважинному датчику 5, и через кабель 42 центральный блок 46 получает показания от внутрискважинного датчика 5. Центральный блок 46 также управляет работой преобразователя 44 постоянного тока для модуляции нагрузки, вводимой между терминалами 43а и 43b для отправки сигналов обратно к поверхности, несущих показания от внутрискважинного датчика 5, как описано выше.When using the stored energy, power from the charge storage means 45 is supplied via cable 42 to the downhole sensor 5, and through cable 42, the central unit 46 receives readings from the downhole sensor 5. The central unit 46 also controls the operation of the DC-DC converter 44 to modulate the load introduced between the terminals 43a and 43b for sending signals back to the surface carrying readings from the downhole sensor 5, as described above.

Следует отметить, что в описанном варианте осуществления преобразователь 44 постоянного тока и центральный блок 46 вместе выполняют роль средств переменного импеданса за счет управления центральным блоком 46 работой преобразователя 44 постоянного тока для ввода переменного импеданса между терминалами 43а и 43b.It should be noted that in the described embodiment, the DC-DC converter 44 and the central unit 46 together act as variable impedance means by controlling the central unit 46 to operate the DC-DC converter 44 to input the variable impedance between the terminals 43a and 43b.

Следует отметить, что вместо расположения сенсора в отдельном внутрискважинном датчике 5, подходящий сенсор может быть предусмотрен на том же участке, что и модуль 4 сбора.It should be noted that instead of locating the sensor in a separate downhole sensor 5, a suitable sensor may be provided in the same area as the acquisition module 4.

В частности, может быть предусмотрен внутрискважинный блок 4а, показанный на фиг. 2В, содержащий как модуль 4 сбора, так и по меньшей мере одно внутрискважинное устройство, которому необIn particular, a downhole block 4a shown in FIG. 2B, comprising both a collection module 4 and at least one downhole device that requires

- 21 043424 ходимо подать мощность. В таком случае внутрискважинный блок 4а содержит и сенсор 47 давления, и блок 48 связи.- 21 043424 We need to apply power. In such a case, the downhole unit 4a contains both a pressure sensor 47 and a communication unit 48.

В таком случае вторичный кабель 42, ведущий от внутрискважинного блока 4а, может отсутствовать. С другой стороны, в некоторых других случаях внутрискважинный блок 4а может по-прежнему использоваться для подачи мощности внешнему устройству, даже при наличии своего собственного сенсора 47 и/или блока 48 связи, и поэтому вторичный кабель 42 может присутствовать.In such a case, the secondary cable 42 leading from the downhole block 4a may be missing. On the other hand, in some other cases, the downhole assembly 4a may still be used to supply power to an external device, even if it has its own sensor 47 and/or communication unit 48, and therefore the secondary cable 42 may be present.

В альтернативных вариантах вместо осуществления связи в направлении поверхности, используя способ модуляции нагрузки, раскрытый выше, внутрискважинный блок 4а может использовать свой собственный блок 48 связи для обратной связи в направлении поверхности. Такая связь может быть в виде сигналов электромагнитной связи, которые могут подаваться обратно к внутрискважинной металлической конструкции 21 посредством кабелей 41. В других случаях блок 48 связи, предусмотренный во внутрискважинном блоке 4а, может быть блоком акустической связи для подачи акустических сигналов металлической конструкции 21 для обратной передачи в направлении поверхности. В таком случае верхний блок связи будет выполнен с возможностью получения акустических сигналов. Следует понимать, что может быть предусмотрена двунаправленная связь, такая, которая требуется и когда требуется, по любым или всем частям каналов связи. Более того, параллельно могут использоваться два способа осуществления связи на любой ветви каналов связи, поэтому электромагнитные сигналы и акустические сигналы могут использоваться параллельно.In alternative embodiments, instead of providing communication in the surface direction using the load modulation method disclosed above, downhole unit 4a may use its own communication unit 48 for feedback in the surface direction. Such communication may be in the form of electromagnetic communication signals, which may be fed back to the downhole metal structure 21 via cables 41. In other cases, a communication unit 48 provided in the downhole unit 4a may be an acoustic communications unit for providing acoustic signals to the metal structure 21 for feedback. transmission in the direction of the surface. In this case, the upper communication unit will be configured to receive acoustic signals. It should be understood that bidirectional communication may be provided as and when required over any or all portions of the communication channels. Moreover, two communication methods can be used in parallel on any branch of communication channels, so electromagnetic signals and acoustic signals can be used in parallel.

В других альтернативных вариантах модуль 4 сбора или внутрискважинный блок 4а могут содержать по меньшей мере один преобразователь мощности для управления напряжением, при котором осуществляется сбор мощности для подачи средствам 45 накопления заряда и/или другим компонентам, таким как центральный блок 46. Может быть предпочтительным накопление энергии при другом напряжении, чем то, при котором осуществляется ее сбор и/или при другом, чем то, при котором она используется центральным блоком 46 или другими компонентами. Например, может быть предпочтительным накапливание мощности при более высоком напряжении, чем то, при котором осуществляется ее сбор и/или потребление. Это может быть полезным, например, если имеет место большой забор накопленной мощности, например, во время передачи.In other alternative embodiments, the collection module 4 or downhole unit 4a may include at least one power converter to control the voltage that collects power for supply to the charge storage means 45 and/or other components, such as the central unit 46. Storage may be preferred. energy at a different voltage than that at which it is collected and/or at a different voltage than that at which it is used by the central unit 46 or other components. For example, it may be preferable to store power at a higher voltage than that at which it is collected and/or consumed. This can be useful, for example, if there is a large draw of stored power, such as during transmission.

Возможным вариантом осуществления преобразователя постоянного тока является использование коммерчески доступной интегральной схемы. Альтернативой является создание похожей схемы, используя отдельные компоненты. Для эффективной работы предпочтителен преобразователь постоянного тока (DC/DC-преобразователь), который может справляться с низкими входными напряжениями. Одним из способов достижения этого является использование полевого транзистора, такого как переключатель JFET, для создания резонансного повышающего осциллятора, используя повышающий трансформатор и конденсатор связи. Для улучшения оптимизации сбора энергии отношение витков на трансформаторе может выбираться, предпочтительно динамически выбираться, во время работы. На вторичной обмотке трансформатора может быть предусмотрено множество ответвлений, которые могут выборочно использоваться для обеспечения соответствующего отношения витков.A possible embodiment of the DC/DC converter is to use a commercially available integrated circuit. An alternative is to create a similar circuit using separate components. For efficient operation, a direct current converter (DC/DC converter) that can handle low input voltages is preferred. One way to achieve this is to use a field-effect transistor such as a JFET switch to create a resonant boost oscillator using a step-up transformer and a coupling capacitor. To improve energy harvesting optimization, the turns ratio on the transformer can be selected, preferably dynamically selected, during operation. A plurality of taps may be provided on the secondary winding of the transformer, which may be selectively used to provide the appropriate turns ratio.

Процессор, к примеру, центрального блока, может быть выполнен с возможностью управления переключателем для динамического выбора соответствующих ответвлений и управления таким образом нагрузкой, генерируемой преобразователем постоянного тока.A processor of, for example, a central unit may be configured to control a switch to dynamically select appropriate taps and thereby control the load generated by the DC/DC converter.

На фиг. 2С изображена принципиальная электрическая схема контура для возможного осуществления резонансного повышающего осциллятора, аналогичному тому, что описан выше. Доступная входная разность потенциалов может соединяться с входными терминалами (обозначена как Vin), а выходной сигнал Vout показан на выходных терминалах. Контур содержит полевой транзистор 201, повышающий трансформатор 202, выступающие вместе в роли осциллятора, и выпрямляющую выходную конструкцию 203, содержащую пару параллельных диодов 204, включенных с противоположной полярностью (т.н. скрещенные диоды, от англ. crossed diodes), и соответствующие конденсаторы 205 связи. Первичная обмотка 202а трансформатора 202 последовательно соединена с полевым транзистором 201, и на них подается входной сигнал Vin. Затвор полевого транзистора 201 соединен с вторичной обмоткой 202b трансформатора 202. Выходной сигнал Vout показан на конденсаторах 205 связи, каждый из которых соединен со вторичной обмоткой 202b через соответствующие диоды 204.In fig. 2C shows a schematic circuit diagram for a possible implementation of a resonant boost oscillator similar to that described above. The available input potential difference can be connected to the input terminals (indicated as Vin), and the output signal Vout is shown at the output terminals. The circuit contains a field-effect transistor 201, a step-up transformer 202, acting together as an oscillator, and a rectifying output structure 203 containing a pair of parallel diodes 204 connected with opposite polarity (so-called crossed diodes), and corresponding capacitors 205 communications. The primary winding 202a of the transformer 202 is connected in series with the field effect transistor 201, and an input signal Vin is supplied to them. The gate of the field effect transistor 201 is connected to the secondary winding 202b of the transformer 202. The output signal Vout is shown on the coupling capacitors 205, each of which is connected to the secondary winding 202b through corresponding diodes 204.

Вторичная обмотка 202b трансформатора 202 содержит множество ответвлений 202с, которые могут быть выбраны с помощью переключателя 206, что делает возможным регулировку отношений витков. Переключатель 206 может управляться микропроцессором, в данном случае центральным блоком 4b.The secondary winding 202b of the transformer 202 includes a plurality of taps 202c that can be selected by the switch 206, making it possible to adjust the turns ratios. Switch 206 may be controlled by a microprocessor, in this case central unit 4b.

Такой тип преобразователя постоянного тока может работать даже при низкой разности потенциалов на терминалах (входное напряжение), т.е. 0,5 В или ниже. На практике входное напряжение может быть ниже 0,25 В, а возможно даже ниже 0,05 В. Так как эти значения намного меньше напряжений, соответствующих полупроводниковой запрещенной зоне (к примеру, 0,7 В), многие преобразователи постоянного тока не будут работать на сбор энергии при таких низких входных напряжениях. Однако преобразователи постоянного тока, полагающиеся на вышеописанных принципах, могут работать даже при таких низких напряжениях. Такой преобразователь постоянного тока (DC/DC-преобразователь) можетThis type of DC/DC converter can operate even with a low potential difference across the terminals (input voltage), i.e. 0.5V or lower. In practice, the input voltage may be lower than 0.25 V, and possibly even lower than 0.05 V. Since these values are much less than the semiconductor bandgap voltages (eg 0.7 V), many DC-DC converters will not work to harvest energy at such low input voltages. However, DC-DC converters relying on the principles described above can operate even at such low voltages. Such a direct current converter (DC/DC converter) can

- 22 043424 предусматривать включение в него средств запуска, предназначенных для обеспечения возможности работы как в случае, если входное напряжение равно 0,5 В или ниже, так и в случае более высоких напряжений.- 22 043424 provide for the inclusion of triggering means designed to enable operation both in the case of an input voltage of 0.5 V or lower and in the case of higher voltages.

Альтернативный подход предусматривает контур с отдельным источником питания, который выступает в роли части средств запуска. К примеру, может быть предусмотрена первичная батарея для запуска системы после установки. Более того, для повторного запуска системы может быть использована накопленная энергия в накопителе энергии, если сбор энергии временно прекращается.An alternative approach involves a circuit with a separate power supply that acts as part of the triggering means. For example, a primary battery may be provided to start the system after installation. Moreover, the stored energy in the energy storage device can be used to restart the system if energy collection is temporarily interrupted.

На фиг. 2D изображена принципиальная электрическая схема контура для возможного осуществления преобразователя постоянного тока, работающего по такому принципу. Преобразователь постоянного тока (DC/DC-преобразователь), изображенный На фиг. 2D, содержит Н-мост 207 транзисторов 207а, к которому подсоединено входное напряжение. Затворы транзисторов 207а соединены с блоком 208 управления, выполненным с возможностью управления переключением транзисторов 207а для генерирования выходного сигнала переменного тока. Выходной сигнал переменного тока Н-моста 207 подсоединен к первичной обмотке 202а повышающего трансформатора 202. Вторичная обмотка 202b трансформатора 202 подсоединена к выпрямителю 209. Один выход выпрямителя 209 соединен через диод 204 с входом блока 210 питания, а другой выход заземлен. Также соединена с указанным входом блока 210 питания через другой диод 204 батарея 211.In fig. 2D shows a circuit diagram of a circuit for a possible implementation of a DC-DC converter operating on this principle. The DC/DC converter shown in FIG. 2D, contains an H-bridge 207 of transistors 207a to which an input voltage is connected. The gates of the transistors 207a are connected to a control unit 208 configured to control switching of the transistors 207a to generate an AC output signal. The AC output of the H-bridge 207 is connected to the primary winding 202a of the step-up transformer 202. The secondary winding 202b of the transformer 202 is connected to the rectifier 209. One output of the rectifier 209 is connected through a diode 204 to the input of the power supply 210, and the other output is grounded. Also connected to the specified input of the power supply unit 210 through another diode 204 is the battery 211.

Блок 210 питания выполнен с возможностью подачи мощности блоку 208 управления. Для запуска работы блок 210 питания может использовать мощность от батареи 211. Когда преобразователем постоянного тока осуществляется сбор энергии, блок 210 питания может использовать мощность, полученную от выпрямителя 209-т.е. собранную мощность.The power supply unit 210 is configured to supply power to the control unit 208. To start operation, the power supply 210 may use power from the battery 211. When energy is harvested by the DC/DC converter, the power supply 210 may use the power received from the rectifier 209, i.e. collected power.

В то время как в настоящем примере мощность используется непосредственно при сборе, в альтернативных вариантах собранная энергия может также накапливаться в средствах накопления и использоваться из указанных средств накопления. Как описано в другой части заявки в таком случае средства накопления могут, к примеру, включать в себя один конденсатор с низкой утечкой и/или по меньшей мере один перезаряжаемый элемент. Накопление энергии, когда оно осуществляется, позволяет механизму повторно запускать систему в случае прекращения сбора в некоторый момент времени после разрядки батареи 211.While in the present example the power is used directly in the collection, in alternative embodiments the collected energy may also be stored in storage means and used from said storage means. As described elsewhere in the application, in such a case the storage means may, for example, include one low leakage capacitor and/or at least one rechargeable element. Energy storage, when accomplished, allows the mechanism to restart the system if collection stops at some point in time after battery 211 has been discharged.

Батарея 211 может быть первичной (одноразовой) батареей, или может быть перезаряжаемой батареей, при условии, что она является заряженной при установке. Когда батарея является перезаряжаемой батареей, в некоторых вариантах осуществления блок 210 питания может быть выполнен с возможностью накопления в нем энергии, когда она доступна; или в альтернативном варианте может быть удобным наличие отдельных средств накопления энергии (которые могут предусматривать перезаряжаемую батарею).Battery 211 may be a primary (disposable) battery, or may be a rechargeable battery, provided it is charged when installed. When the battery is a rechargeable battery, in some embodiments, the power supply 210 may be configured to store energy therein when it is available; or alternatively it may be convenient to have separate energy storage means (which may include a rechargeable battery).

Следует отметить, что в другом альтернативном варианте преобразователь постоянного тока, изображенный На фиг. 2D, может быть предназначен для обеспечения возможности управления нагрузкой, генерируемой преобразователем постоянного тока. Так, например, может быть использована конфигурация аналогичная той, что показана На фиг. 2С, в которой вторичная обмотка 202b имеет множество ответвлений, и для обеспечения возможности выбора ответвлений предусмотрен переключатель. Такой переключатель может располагаться между обмотками и входом в выпрямитель 209. В другом альтернативном варианте для достижения того же результата вместо множества ответвлений могут быть предусмотрены отдельные вторичные обмотки. Переключатель может управляться блоком управления, представленным в конфигурации на фиг. 2С.It should be noted that in another alternative embodiment, the DC-DC converter shown in FIG. 2D may be designed to enable control of the load generated by the DC/DC converter. For example, a configuration similar to that shown in FIG. 2C, in which the secondary winding 202b has a plurality of taps and a switch is provided to enable selection of the taps. Such a switch may be located between the windings and the input to rectifier 209. In another alternative, separate secondary windings may be provided instead of multiple taps to achieve the same result. The switch may be controlled by the control unit shown in the configuration in FIG. 2C.

Следует отметить, что в других вариантах осуществления модуль 4 сбора и внутрискважинный датчик 5 (или внутрискважинный блок 4а) может быть расположен в другом затрубном пространстве в скважинной установке, не затрубном пространстве А. Более того, датчик может быть выполнен с возможностью измерения параметра в затрубном пространстве, отличающемся от того, в котором он расположен.It should be noted that in other embodiments, the collection module 4 and downhole sensor 5 (or downhole block 4a) may be located in a different annulus in the downhole installation than annulus A. Moreover, the sensor may be configured to measure a parameter in the annulus a space different from the one in which it is located.

К примеру, такие компоненты могут располагаться в затрубном пространстве В или С, при этом датчик, расположенный, к примеру, в затрубном пространстве В может быть выполнен с возможностью измерения одного или нескольких параметров в затрубном пространстве А, В, С или любой их комбинации. Следует отметить, что это участки, на которых, в целом, невозможно, или по меньшей мере нежелательно расположение прямых кабельных соединений с поверхностью. Поэтому представленные здесь решения увеличивают возможности осуществления мониторинга, например, давления в затрубном пространстве В или С на протяжении всего периода использования скважинной установки, что было бы сложным и/или невозможным при использовании традиционных способов подачи мощности. Представленные здесь решения не нуждаются в использовании пенетраторов, проходящих через устье скважины, что снижает риск и стоимость. Они также предлагают относительно простые, аккуратные и легкие решения по установке.For example, such components may be located in annulus B or C, wherein a sensor located, for example, in annulus B may be configured to measure one or more parameters in annulus A, B, C, or any combination thereof. It should be noted that these are areas where it is generally impossible, or at least undesirable, to place direct cable connections to the surface. Therefore, the solutions presented here increase the ability to monitor, for example, annulus pressure B or C throughout the life of the downhole rig, which would be difficult and/or impossible using traditional power delivery methods. The solutions presented here do not require the use of wellhead penetrators, reducing risk and cost. They also offer relatively simple, neat and easy installation solutions.

На фиг. 3 показана скважинная установка, аналогичная той, что представлена на фиг. 1, но включающая в себя внутрискважинный связной повторитель 7 вместо внутрискважинного датчика. Повторитель 7 расположен в затрубном пространстве В вместе с модулем 4 сбора того же типа, как описан вышеIn fig. 3 shows a well setup similar to that shown in FIG. 1, but including a downhole communication repeater 7 instead of a downhole sensor. The repeater 7 is located in the annulus B together with a collection module 4 of the same type as described above

- 23 043424 в отношении фиг. 1, 2A-2D. Здесь, опять же, модуль 4 сбора собирает мощность от токов катодной защиты в металлической конструкции 2 и обеспечивает этой мощностью внутрискважинный связной повторитель 7.- 23 043424 in relation to FIG. 1, 2A-2D. Here, again, the collection module 4 collects power from the cathodic protection currents in the metal structure 2 and provides this power to the downhole communication repeater 7.

Конструкция и функционирование скважинной установки, системы катодной защиты и системы подачи мощности в конфигурации, показанной на фиг. 3, по сути та же, что и в системе, описанной со ссылкой на фиг. 1, 2A-2D. Единственное отличие заключается в том, что внутрискважинный компонент, которому подается мощность от системы подачи мощности, это связной повторитель 7, а не внутрискважинный датчик 5.The design and operation of the downhole rig, cathodic protection system, and power delivery system in the configuration shown in FIG. 3 is essentially the same as the system described with reference to FIG. 1, 2A-2D. The only difference is that the downhole component that receives power from the power delivery system is the communication repeater 7 rather than the downhole sensor 5.

В связи с этим подробное описание скважинной установки и системы подачи мощности здесь упускается в целях соблюдения краткости изложения. Для компонентов, на которые дается ссылка в отношении этого варианта осуществления, являющихся теми же компонентами, что и на фиг. 1 и 2A-2D, использованы те же ссылочные позиции.Therefore, a detailed description of the downhole installation and power delivery system is omitted here in the interest of brevity. For the components referred to in relation to this embodiment, which are the same components as in FIG. 1 and 2A-2D, the same reference numbers are used.

Внутрискважинный связной повторитель 7 выполнен с возможностью улавливания сигналов от внутрискважинной металлической конструкции 2 в области повторителя 7 и передачи релевантных данных наружу, в направлении поверхности. В этом варианте осуществления сигналы подаются к внутрискважинной металлической конструкции 2 в виде электромагнитных сигналов инструментом 71 передачи, расположенным ниже в скважине, например, в эксплуатационной колонне 21. Соответственно, повторитель 7 выполнен с возможностью улавливания электромагнитных сигналов.The downhole communication repeater 7 is configured to pick up signals from the downhole metal structure 2 in the area of the repeater 7 and transmit relevant data outward, towards the surface. In this embodiment, signals are supplied to the downhole metal structure 2 in the form of electromagnetic signals by a transmission tool 71 located downhole, for example, in the production string 21. Accordingly, the repeater 7 is configured to pick up the electromagnetic signals.

В альтернативных вариантах для отправки сигналов, улавливаемых повторителем, может быть предусмотрен другой тип инструмента передачи. Такой инструмент, может, например, быть размещен снаружи указанной колонны.Alternatively, another type of transmission instrument may be provided to send the signals picked up by the repeater. Such a tool may, for example, be placed outside said column.

В альтернативных вариантах связной повторитель 7 может быть выполнен с возможностью улавливания акустических сигналов от внутрискважинной металлической конструкции 2, которые были поданы ниже внутри скважины.In alternative embodiments, the communication repeater 7 may be configured to pick up acoustic signals from the downhole metal structure 2 that have been supplied downhole.

Аналогичным образом внутрискважинный связной повторитель 7 может быть выполнен с возможностью подачи акустических сигналов внутрискважинной конструкции 2 для передачи в направлении поверхности или выполнен с возможностью подачи электромагнитных сигналов внутрискважинной металлической конструкции 2 для передачи на поверхность, или использования способа подачи сигнала посредством модуляции импеданса, раскрытый выше.Likewise, the downhole communication repeater 7 may be configured to supply acoustic signals from the downhole structure 2 for transmission toward the surface, or configured to provide electromagnetic signals from the downhole metal structure 2 for transmission to the surface, or use the impedance modulation signal delivery method disclosed above.

К примеру, связной повторитель 7 может улавливать сигналы на своем участке и передавать их по кабелю 42 модулю 4 сбора, подавая ему сигналы и осуществляя модуляцию нагрузки, которую он прикладывает на источник питания в модуле 4 сбора. Аналогичным образом модуль 4 сбора может быть выполнен с возможностью подачи сигналов металлической конструкции 2 для передачи в направлении поверхности или выполнен с возможностью модуляции нагрузки, которую он генерирует между отстоящими соединениями 41а, 41b для детектирования на поверхности верхним блоком 6 связи.For example, a communication repeater 7 can pick up signals in its area and transmit them via cable 42 to the collection module 4, supplying it with signals and modulating the load that it applies to the power source in the collection module 4. Likewise, the acquisition module 4 may be configured to supply signals to the metal structure 2 for transmission toward the surface, or configured to modulate the load it generates between the spaced connections 41a, 41b for detection on the surface by the upper communication unit 6.

Следует отметить, что в случае наличия внутрискважинного связного повторителя 7 электромагнитные сигналы могут, например, улавливаться и/или подаваться повторителем 7 с помощью отстоящих контактов, образованных с металлической конструкцией, или с помощью индуктивного соединения, содержащего тороид, или подачей сигнала через изолирующий элемент, если он имеется, и т.д. Аналогичным образом могут использоваться традиционные способы улавливания и подачи акустических сигналов.It should be noted that in the case of a downhole communication repeater 7, electromagnetic signals can, for example, be picked up and/or supplied by the repeater 7 using spaced contacts formed with a metal structure, or using an inductive connection containing a toroid, or by supplying a signal through an insulating element, if available, etc. Traditional methods for capturing and delivering acoustic signals can be used in a similar manner.

В альтернативных вариантах может быть предусмотрено осуществление связи с поверхности внутрь скважины к внутрискважинным участкам, и в общем случае, двусторонняя связь. Опять же, два способа осуществления связи могут использоваться параллельно по меньшей мере на одной ветви канала для обеспечения избыточности.In alternative embodiments, communication may be provided from the surface down the well to the downhole sections, and in general, two-way communication. Again, the two communication methods may be used in parallel on at least one link leg to provide redundancy.

Следует отметить, что внутрискважинный связной повторитель 7 может быть расположен так, чтобы не находиться на пути движения продукта, не препятствуя тем самым осуществлению скважинных операций.It should be noted that the downhole communication repeater 7 can be positioned so as not to be in the path of product movement, thereby not interfering with downhole operations.

Ниже приведены два конкретных примера в отношении фиг. 3.Below are two specific examples with respect to FIGS. 3.

1. Повторитель 7 содержит электромагнитный повторитель, которому постоянно подается мощность, и который расположен на глубине 3-500 м, указанный повторитель либо принимает и декодирует сообщения, либо просто постоянно перенаправляет их, используя модуляцию импеданса нагрузки с высокой частотой, исходные данные/сигнал для декодировки на поверхности.1. Repeater 7 contains an electromagnetic repeater, which is constantly supplied with power, and which is located at a depth of 3-500 m, said repeater either receives and decodes messages, or simply forwards them constantly using high frequency load impedance modulation, the original data/signal for decoding on the surface.

2. Повторитель 7 содержит акустический повторитель, которому постоянно подается мощность, и который расположен на глубине 3-500 м, указанный повторитель принимает и декодирует сообщения, и затем перенаправляет данные на поверхность, используя модуляцию импеданса нагрузки.2. Repeater 7 contains an acoustic repeater, which is constantly supplied with power, and which is located at a depth of 3-500 m, the said repeater receives and decodes messages, and then redirects the data to the surface using load impedance modulation.

Следует отметить, что в обоих случаях повторитель 7 может располагаться во внутрискважинном блоке вместе с модулем сбора или отдельно от него. Опять же, повторитель может быть двусторонним повторителем.It should be noted that in both cases, the repeater 7 can be located in the downhole block together with the collection module or separately from it. Again, the repeater may be a two-way repeater.

В любой из систем, представленной в настоящем описании, устройства могут быть выполнены с возможностью регулирования энергетического бюджета, т.е. в целом, меньшего использования энергии за счет переменной работы компонентов, таких как электромагнитные или акустические приемникиIn any of the systems presented in this description, the devices can be configured to regulate the energy budget, i.e. overall less energy use due to variable operation of components such as electromagnetic or acoustic receivers

- 24 043424 и/или передатчики.- 24 043424 and/or transmitters.

На фиг. 4 схематически представлена скважинная установка, включающая в себя клапан с дистанционным управлением и систему подачи мощности, в целом аналогичную той, что описана выше.In fig. 4 is a schematic diagram of a downhole rig including a remote controlled valve and a power delivery system generally similar to that described above.

Общая конструкция и функционирование скважинной установки и системы подачи мощности, опять же, по сути аналогичным тем, что описаны выше в отношении конфигураций, представленных На фиг. 1, 2A-2D. Поэтому здесь упускается детальное описание этих общих элементов для соблюдения краткости изложения, при этом для обозначения этих характеристик используются те же ссылочные позиции - общие для этих двух вариантов осуществления.The general design and operation of the downhole rig and power delivery system is, again, substantially similar to those described above with respect to the configurations illustrated in FIG. 1, 2A-2D. Therefore, detailed description of these common elements is omitted here for the sake of brevity, but the same reference numerals common to the two embodiments are used to denote these characteristics.

В данном варианте осуществления скважинная установка содержит первый подземный предохранительный клапан (англ. sub-surface safety valve, SSSV) с гидравлическим приводом, расположенный в эксплуатационной колонне 21, аналогично традиционным решениям.In this embodiment, the downhole rig includes a first hydraulically actuated sub-surface safety valve (SSSV) located in the production string 21, similar to conventional solutions.

Однако в данном случае в эксплуатационной колонне 21, ниже в скважине, также расположен дополнительный подземный предохранительный клапан 8. В представленном случае указанный подземный предохранительный клапан 8 предусматривается как дополнительное, предохранительное или аварийное средство. Однако в альтернативных вариантах подземный предохранительный клапан SSSV с гидравлическим приводом может упускаться.However, in this case, an additional underground safety valve 8 is also located in the production string 21, lower in the well. In the presented case, the specified underground safety valve 8 is provided as an additional, safety or emergency means. However, in alternative embodiments, the hydraulically actuated underground safety valve SSSV may be omitted.

Второй подземный предохранительный клапан 8 получает мощность и функционирует за счет использования системы подачи мощности. В частности, модуль 4 сбора соединяется со вторым подземным предохранительным клапаном 8 через кабель 42, при этом модуль сбора обеспечивается возможностью подачи мощности и управления сигналами, направленными ко второму подземному предохранительному клапану 8 через кабель 42. Так, от токов катодной защиты собирают энергию, и она используется как для управления вторым подземным предохранительным клапаном 8, так и для его функционирования.The second underground safety valve 8 receives power and operates through the use of a power supply system. In particular, the collection module 4 is connected to the second underground safety valve 8 via cable 42, wherein the collection module is provided with the ability to supply power and control signals directed to the second underground safety valve 8 via cable 42. Thus, energy is collected from the cathodic protection currents, and it is used both for the control and operation of the second underground safety valve 8.

Такой подземный предохранительный клапан 8 может располагаться глубже в скважине по сравнению с традиционно используемым подземным предохранительным клапан SSSV с гидравлическим приводом. Это связано с тем, что на него не накладываются те же ограничения, что накладываются на системы с гидравлическим приводом - нет необходимость в подаче к нему гидравлической жидкости.Such a subsurface safety valve 8 may be located deeper in the well as compared to the conventionally used hydraulically actuated subsurface safety valve SSSV. This is due to the fact that it is not subject to the same restrictions that are imposed on hydraulically driven systems - there is no need to supply hydraulic fluid to it.

Следует отметить, что в данном случае сигналы управления для второго подземного предохранительного клапана 8 могут передаваться верхним блоком 6 связи через металлическую конструкцию скважины 1, 2 для детектирования модулем 4 сбора и дальнейшей передачи подземному предохранительному клапану 8. В некоторых вариантах осуществления клапан 8 может быть вынужден работать в режиме сохранности, так что клапан будет закрываться в отсутствие мощности и/или сигналов управления. Следует отметить, что в альтернативном варианте клапан 8 и модуль сбора могут быть частью общего внутрискважинного инструмента 4а. Более того, в некоторых вариантах осуществления мощность для закрытия клапана может поступать от другого источника, при поступлении мощности для управления работой и/или управления пусковым механизмом от внутрискважинной системы подачи мощности.It should be noted that in this case, control signals for the second underground safety valve 8 may be transmitted by the upper communication unit 6 through the metal structure of the well 1, 2 for detection by the collection module 4 and further transmission to the underground safety valve 8. In some embodiments, the valve 8 may be forced operate in safety mode so that the valve will close in the absence of power and/or control signals. It should be noted that, in an alternative embodiment, the valve 8 and collection module may be part of a common downhole tool 4a. Moreover, in some embodiments, the power to close the valve may come from another source, while the power to control the operation and/or control the trigger is supplied from the downhole power delivery system.

На фиг. 5 представлена альтернативная скважинная установка, включающая в себя аппарат мониторинга скважины. Здесь, опять же, имеются сходные черты с конфигурацией, показанной на и описанной со ссылкой на фиг. 1, 2A-2D. Опять же, присутствует модуль 4 сбора, предусмотренный во внутрискважинной металлической конструкции 2 и соединенный с отстоящими участками на внутрискважинной конструкции 2, а также присутствует внутрискважинный датчик 5, соединенный с модулем 4 сбора. В данном случае модуль 4 сбора и внутрискважинный датчик 5, оба, расположены в затрубном пространстве В для обеспечения осуществления мониторинга условий в указанном затрубном пространстве. Внутрискважинный датчик 5 может, например, содержать сенсор давления и/или температуры.In fig. Figure 5 shows an alternative downhole installation that includes a well monitoring apparatus. Here again, there are similarities with the configuration shown in and described with reference to FIG. 1, 2A-2D. Again, there is a collection module 4 provided in the downhole metal structure 2 and connected to spaced portions on the downhole structure 2, and there is also a downhole sensor 5 connected to the collection module 4. Here, the collection module 4 and the downhole sensor 5 are both located in the annulus B to enable monitoring of conditions in said annulus. The downhole sensor 5 may, for example, comprise a pressure and/or temperature sensor.

В данном случае отстоящие участки 41а, 41b расположены на разных секциях внутрискважинной металлической конструкции 2. В частности, в данном варианте осуществления первое из соединений 41а образовано со второй обсадной трубой 23, при этом другие из соединений 41b образованы с первой обсадной трубой 22. Указанная система работает, следуя похожему принципу, что описан выше, и поэтому ее работа основана на разности потенциалов, присутствующей между двумя указанными соединениями 41а, 41b. В данном варианте осуществления указанная разность потенциалов реализована за счет изолирования двух секций металлической конструкции 22, 23 друг от друга по меньшей мере в области указанных соединений. Это значит, что для токов катодной защиты имеются разные пути к земле от указанных двух секций металлической конструкции 22, 23. В настоящем варианте осуществления средства изоляции указанных двух секций металлической конструкции 22, 23 друг от друга включают в себя изолирующее покрытие 91, предусмотренное на наружной поверхности первой обсадной трубы 22 и множество изолирующих центраторов 92, предусмотренных на первой обсадной трубе 22 для удержания ее на расстоянии от второй обсадной трубы 23.Here, the spaced portions 41a, 41b are located on different sections of the downhole metal structure 2. Specifically, in this embodiment, the first of the connections 41a is formed with the second casing 23, while the other of the connections 41b are formed with the first casing 22. This system operates following a similar principle as described above and therefore its operation is based on the potential difference present between the two said connections 41a, 41b. In this embodiment, said potential difference is realized by isolating the two sections of the metal structure 22, 23 from each other at least in the area of said connections. This means that the cathodic protection currents have different paths to ground from the two sections of the metal structure 22, 23. In the present embodiment, the means for isolating the two sections of the metal structure 22, 23 from each other include an insulating coating 91 provided on the outer surface of the first casing 22; and a plurality of isolating centralizers 92 provided on the first casing 22 to maintain it at a distance from the second casing 23.

Предпочтительно, чтобы эта изоляция 91 и эти центраторы 92 располагались на расстоянии по меньшей мере 100 м вдоль первой обсадной трубы 22, а более вероятно - на расстоянии 300-500 м. Там, где это предпочтительно или практически выгодно, на наружной секции металлической конструкции могут быть установлены изолирующие разделители, формирующие затрубное пространство. К примеру, они могут быть установлены на второй обсадной трубе 23 в приведенном выше примере. Следует отметить, что изоляция не обязательно должна быть полностью сплошной для обеспечения положительногоPreferably, this insulation 91 and these centralizers 92 are located at a distance of at least 100 m along the first casing 22, and more likely at a distance of 300-500 m. Where preferred or practical, the outer section of the metal structure may insulating separators forming the annulus should be installed. For example, they can be installed on the second casing 23 in the above example. It should be noted that the insulation does not have to be completely continuous to provide positive

- 25 043424 эффекта. Целью является создание другой траектории к земле. Несмотря на то, что изоляция может быть предусмотрена на расстоянии в 100 м, она может быть как несплошной, так и может обеспечивать сплошное изолирование на протяжении всей дистанции.- 25 043424 effects. The goal is to create a different path to the ground. Although insulation may be provided over a distance of 100 m, it may not be continuous or may provide continuous insulation over the entire distance.

Преимуществом конфигурации, показанной на фиг. 5, является отсутствие необходимости в больших длинах кабеля 41 между модулем 4 сбора и металлической конструкцией 2, необходимых в конфигурации, показанной на фиг. 1. Это означает, что система может быть более простой в плане установки. Например, установка указанной системы может осуществляться монтированием корпуса модуля 4 сбора на отрезке металлической трубы, обеспеченного скользящим контактом для создания контакта с другим отрезком трубы через затрубное пространство. Для дальнейшего упрощения позиционирования внутрискважинный датчик 5 может упускаться, а сенсор может располагаться вместе с модулем 4 сбора во внутрискважинном блоке 4а. Такая конфигурация может сократить время монтажа, необходимое для установки.An advantage of the configuration shown in FIG. 5 is that there is no need for the large lengths of cable 41 between the collection module 4 and the metal structure 2 required in the configuration shown in FIG. 1. This means that the system can be easier to install. For example, the installation of this system can be carried out by mounting the housing of the collection module 4 on a section of metal pipe, provided with a sliding contact to create contact with another section of pipe through the annulus. To further simplify positioning, the downhole sensor 5 may be omitted and the sensor may be located together with the acquisition module 4 in the downhole block 4a. This configuration can reduce the installation time required for installation.

Так, в некоторых обстоятельствах наличие средств 91, 92 изоляции может быть предпочтительней, чем наличие кабелей 41. Какая система предпочтительней для конкретной установки может определяться внешними факторами, касающимися установки, или, возможно, моделированием конкретной установки.Thus, in some circumstances, the presence of insulation means 91, 92 may be preferable to the presence of cables 41. Which system is preferred for a particular installation may be determined by external factors relating to the installation, or perhaps by modeling of a particular installation.

В типичном случае, однако, конфигурация, представленная на фиг. 1, вероятно, будет лучше в работе, чем представленная на фиг. 5, в случае, когда ее применение практически осуществимо.Typically, however, the configuration shown in FIG. 1 will likely perform better than the one shown in FIG. 5, in the case where its use is practically feasible.

В конфигурации, аналогичной той, что показана на фиг. 5, модуль сбора может наблюдать относительно более высокий ток, но относительно более низкую разность потенциалов. Так, в конфигурации на фиг. 5 разность потенциалов может быть, например, 10-20 мВ, а ток, например, составлять 1 А. С другой стороны, в конфигурации на фиг. 1 разность потенциалов может быть, например, 100-200 мВ, а ток, например, составлять 100-150 мА. Более высокое значение разности потенциалов достигается за счет большего расстояния, обеспеченного кабелем (кабелями) 41 в конфигурации на фиг. 1, а более низкое значение тока вызвано сопротивлением кабеля (кабелей).In a configuration similar to that shown in FIG. 5, the collection module can observe a relatively higher current but a relatively lower potential difference. Thus, in the configuration in FIG. 5, the potential difference may be 10-20 mV, for example, and the current, for example, 1 A. On the other hand, in the configuration of FIG. 1 potential difference can be, for example, 100-200 mV, and the current, for example, can be 100-150 mA. The higher potential difference is achieved due to the greater distance provided by the cable(s) 41 in the configuration of FIG. 1, and the lower current value is caused by the resistance of the cable(s).

Помимо указанного отличия в том, как соединения образованы и как достигается разность потенциалов, а также отличий в преимуществах и недостатках использования, конструкция и функционирование системы, представленной на фиг. 5, похожа на ту, что представлена на фиг. 1. Аналогично, различные альтернативы, описанные выше в отношении фиг. 1-4, также применимы там, где используется система, представленная на фиг. 5.Apart from the stated differences in how the connections are formed and how the potential difference is achieved, as well as differences in the advantages and disadvantages of use, the design and operation of the system shown in FIG. 5 is similar to the one shown in FIG. 1. Likewise, the various alternatives described above in relation to FIGS. 1-4 are also applicable where the system shown in FIG. 5.

Следует отметить, что конфигурация изоляции и соединений, представленная на фиг. 5, может быть использована в каждом из вариантов осуществления, представленном на фиг. 1, 3 и 4. При этом, аналогично, различные формы модуля 4 сбора и внутрискважинного блока 4а, описанные выше, могут быть использованы в конфигурации, аналогичной той, что показана на фиг. 5.It should be noted that the insulation and connection configuration shown in FIG. 5 may be used in each of the embodiments shown in FIG. 1, 3 and 4. Likewise, the various shapes of the collection module 4 and the downhole block 4a described above can be used in a configuration similar to that shown in FIG. 5.

Следует отметить, что в некоторых обстоятельствах может быть предпочтительным использование имеющихся систем подачи мощности для создания скважинной установки, готовой к беспроводной связи, даже в отсутствие намерения использовать беспроводные возможности при изначальном монтаже указанной скважины.It should be noted that in some circumstances it may be preferable to use existing power delivery systems to create a wireless-ready downhole installation, even without the intention of using wireless capabilities when the well is initially installed.

Поэтому конфигурация, показанная на фиг. 3, где связной повторитель 7 и соответствующая система подачи мощности включены в затрубное пространство В, может быть обеспечена во время изначального монтажа скважины для того, чтобы сделать скважину готовой к беспроводной связи. Это обеспечит связь с поверхностью, если позднее будет принято решение об использовании, например, внутрискважинного беспроводного инструмента 71 подачи сигнала для подачи сигнала на поверхность. Следует также отметить, что термин беспроводной используется в отношении пространств между внутрискважинным пространством и наружным пространством - т.е. касается отсутствия кабелей/проводов, проходящих через устье скважины.Therefore, the configuration shown in FIG. 3, where a communication repeater 7 and a corresponding power delivery system are included in the annulus B, may be provided during the initial installation of the well to make the well ready for wireless communication. This will provide communication with the surface if it is later decided to use, for example, a downhole wireless signal tool 71 to provide a signal to the surface. It should also be noted that the term wireless is used to refer to the spaces between the downhole space and the outside space - i.e. concerns the absence of cables/wires passing through the wellhead.

В других обстоятельствах представленные здесь системы могут быть установлены постфактум. Например, система, аналогично той, что представлена на фиг. 1, установленная в затрубном пространстве А, может быть установлена постфактум при замене эксплуатационной колонны. В другом случае система может быть установлена в главном стволе эксплуатационной колонны. Следует отметить, что каждая из конфигураций и решений, представленных в настоящем описании, не нуждается в кабеле, проходящим через устье 1 скважины. Поэтому эти системы могут использоваться там, где нет доступного пенетратора, или его использование непредпочтительно.In other circumstances, the systems presented here may be installed after the fact. For example, a system similar to that shown in FIG. 1, installed in annulus A, can be installed after the fact when replacing the production string. Alternatively, the system may be installed in the main bore of the production string. It should be noted that each of the configurations and solutions presented herein does not require a cable passing through the wellhead 1. Therefore, these systems can be used where a penetrator is not available or its use is not preferred.

В то время как конфигурация, представленная на фиг. 4, иллюстрирует наличие дополнительного подземного предохранительного клапана 8, в других обстоятельствах может быть предусмотрен другой тип (возможно управляемый дистанционно) клапана или компонента. Например, конфигурация, аналогичная той, что показана на фиг. 4, может использоваться с затрубным дренажным клапаном, предусмотренным в скважине для обеспечения возможности регулируемой гидравлической связи или вентилирования между одним затрубным пространством и другим затрубным пространством, или между затрубным пространством и стволом скважины. Указанный клапан может содержать клапан закачки газлифтного газа для обеспечения возможности газу проникнуть в ствол эксплуатационной колонны из затрубного пространства А. Аналогично, клапан может быть пакером или клапаном через пакер, или клапаном в обход пакера. Опять же, для обеспечения вентиляции конкретного затрубного пространства под управWhile the configuration shown in FIG. 4 illustrates the presence of an additional underground safety valve 8; in other circumstances another type of (possibly remotely controlled) valve or component may be provided. For example, a configuration similar to that shown in FIG. 4 may be used with an annular drain valve provided in a well to allow controlled hydraulic communication or venting between one annulus and another annulus, or between an annulus and the wellbore. Said valve may include a gas lift gas injection valve to allow gas to enter the production string bore from annulus A. Likewise, the valve may be a packer, or a valve through a packer, or a valve bypassing the packer. Again, to ensure ventilation of a specific annulus under control

- 26 043424 лением, поступающим с поверхности. В другом примере клапан может содержать клапан управления расходом, например, для управления долей от некоторой зоны, либо он может предоставлять средства для обеспечения возможности улучшенного сбора данных о росте давления за счет избавления от эффекта объема ствола скважины. Следует отметить, что клапан в каждом из случаев может быть клапаном управления расходом, который не обеспечивает возможность полного перекрытия потока, но, например, может функционировать, как штуцер переменного диаметра.- 26 043424 lineage coming from the surface. In another example, the valve may include a flow control valve, for example, to control a fraction from a certain zone, or it may provide a means to allow improved pressure build-up data collection by eliminating the wellbore volume effect. It should be noted that the valve in each case may be a flow control valve, which does not provide the ability to completely shut off the flow, but, for example, can function as a variable diameter fitting.

Клапан или компонент в каждом примере может быть клапаном или компонентом, управляемым с помощью беспроводной связи.The valve or component in each example may be a wirelessly controlled valve or component.

В другом альтернативном варианте представленные здесь решения могут использоваться для осуществления связи с инструментом и/или управления инструментом, поддерживаемым проводной линией/одножильным проводом, или прикрепленным к гибкой колонне типа колтюбинг в эксплуатационной колонне 21. Такой инструмент может быть выполнен с возможностью подачи сигналов на и/или улавливания сигналов от указанной колонны, при этом указанные сигналы проходят через повторитель 7.In another alternative, the solutions presented herein may be used to communicate with and/or control a tool supported by a wireline/solid wire or attached to a coiled tubing string in the production string 21. Such a tool may be configured to provide signals to and from /or collecting signals from the specified column, while the specified signals pass through the repeater 7.

С системами, аналогичными той, что описана здесь, может быть обеспечена возможность извлечения мощности на вероятном уровне в 50 мВт. То есть количество мощности, которое может быть извлечено, не обязательно является большим, но, что в данном случае представляет интерес, это то, что эта мощность может быть доступна на протяжении всего периода жизни скважины, и его достаточно для выполнения полезных функций, таких как управление внутрискважинными устройствами, выполнение важных измерений и обеспечение возможности передачи указанных измерений на поверхность.With systems similar to the one described here, it may be possible to extract power at a probable level of 50 mW. That is, the amount of power that can be extracted is not necessarily large, but what is of interest in this case is that this power can be available throughout the life of the well and is sufficient to perform useful functions such as control downhole devices, take critical measurements, and enable those measurements to be transmitted to the surface.

Следует отметить, что, в целом, в вариантах осуществления общего типа, представленных на фиг. 1-4, наибольшее влияние на эффективность сбора будет иметь площадь поперечного сечения кабеля (кабелей) 41, и то, что импеданс источника, обеспеченный соединениями 41а и 41b, низкий. Это означает, что при включении множественных систем сбора в одну скважинную установку, происходит небольшое снижение в эффективности любого из модулей 4 сбора. Следует отметить, что, в целом, любая дополнительная система сбора будет иметь свои собственные кабели 41, когда это целесообразно. Это полагается на том факте, что потери в кабеле означают, что наличие большего количества систем сбора, имеющих один и тот же кабель, не приносят большую пользу.It should be noted that, in general, in the general embodiments illustrated in FIGS. 1-4, the greatest influence on collection efficiency will be the cross-sectional area of the cable(s) 41 and that the source impedance provided by connections 41a and 41b is low. This means that when multiple collection systems are included in a single downhole installation, there is a slight reduction in the efficiency of any of the collection modules 4. It should be noted that, in general, any additional collection system will have its own cables 41 when practical. This relies on the fact that cable losses mean that having more collection systems sharing the same cable does not provide much benefit.

В целом, в одной скважинной установке может быть предусмотрено несколько модулей сбора любого типа из тех, что описаны выше. Так, например, для осуществления мониторинга условий в эксплуатационной колонне может быть предусмотрен один датчик, один датчик может быть предусмотрен для осуществления мониторинга затрубного пространства, кроме того может быть предусмотрен один клапан, при этом все из перечисленных устройств питаются от отдельного, соответствующего, модуля сбора. Аналогично, любой из модулей сбора может использоваться для подачи мощности нескольким устройствам. В некоторых примерах каждое устройство может иметь специально предназначенный кабель, идущий от такого модуля сбора. В других примерах может быть предусмотрена многоточечная система, в которой один кабель от модуля сбора используется для соединения с несколькими внутрискважинными устройствами. Многоточечная система может быть предназначена для обеспечения возможности подачи мощности и осуществления связи с несколькими внутрискважинными устройствами. Так, указанный кабель может нести сигналы мощности, передаваемые данные и адресную информацию. Также модуль сбора может быть выполнен с возможностью администрирования многоточечной системы.In general, several collection modules of any type described above can be provided in one downhole installation. So, for example, one sensor may be provided to monitor conditions in the production casing, one sensor may be provided to monitor the annulus, and one valve may be provided, all of which are powered by a separate, corresponding collection module . Likewise, any one of the collection modules can be used to supply power to multiple devices. In some examples, each device may have a dedicated cable leading from such a collection module. In other examples, a multidrop system may be provided in which a single cable from the acquisition module is used to connect to multiple downhole devices. A multipoint system may be designed to provide power and communication capabilities to multiple downhole devices. Thus, said cable may carry power signals, transmitted data, and address information. Also, the collection module can be configured to administer a multipoint system.

Следует отметить, что в то время как в вариантах осуществления, представленных выше, кабели 41, 42 проходят через незагороженные затрубные пространства, в других случаях один или несколько кабелей 41, 42 могут проходить через пакер (включая разбухающий пакер), цемент или другое затрубное устройство герметизации.It should be noted that while in the embodiments presented above the cables 41, 42 pass through unobstructed annular spaces, in other cases one or more cables 41, 42 may pass through a packer (including a swellable packer), cement or other annular device sealing.

Следует отметить, что по меньшей мере в некоторых случаях характеристики представленных здесь систем и аппаратов могут принимать распределенную форму. Это означает, что, например, модуль сбора может быть представлен в виде нескольких отдельных частей, компонентов, или подмодулей, которые могут быть расположены на разных участках.It should be noted that in at least some cases, the characteristics of the systems and apparatus presented here may take a distributed form. This means that, for example, a collection module can be represented in the form of several separate parts, components, or submodules, which can be located in different areas.

На фиг. 6 представлена альтернативная скважинная установка, которая имеет похожие черты с установкой, представленной на фиг. 1, причем здесь использованы те же ссылочные позиции для обозначения характеристик, общих с фиг. 1, при этом детальное описание указанных общих характеристик упускается.In fig. 6 shows an alternative well setup that has similar features to the setup shown in FIG. 1, the same reference numerals being used to denote characteristics common to FIG. 1, but a detailed description of these general characteristics is omitted.

Скважинная установка, представленная на фиг. 6, помогает более детально проиллюстрировать некоторые альтернативные варианты, описанные выше, в отношении скважинных установок, представленных на и описанных в отношении фиг. 1-5.The downhole installation shown in FIG. 6 helps to illustrate in more detail some of the alternatives described above with respect to the well installations shown in and described in relation to FIG. 1-5.

Скважинная установка включает в себя аппарат мониторинга аналогично тому, что представлен на фиг. 1. Поэтому здесь есть модуль 4 сбора, соединенный посредством кабелей 41 с парой отстоящих участков 41а и 41b. Однако в данном случае первый из участков 41а расположен на эксплуатационной колонне 21, и поэтому первый из кабелей 41 соединяется с эксплуатационной колонной, в то время как второй из отстоящих участков 41b расположен на обсадной трубе 22. Так, между соединениями 41а, 41b обеспечивается расстояние как по оси, так и радиально, и поэтому модуль 4 сбора соединен через заThe downhole installation includes a monitoring apparatus similar to that shown in FIG. 1. Therefore, there is a collection module 4 connected via cables 41 to a pair of spaced sections 41a and 41b. However, in this case, the first of the sections 41a is located on the production string 21, and therefore the first of the cables 41 is connected to the production string, while the second of the spaced sections 41b is located on the casing 22. Thus, the distance between the connections 41a, 41b is provided as axially and radially, and therefore the collection module 4 is connected through

- 27 043424 трубное пространство А. Более того, на эксплуатационной колонне 21 в области второго соединения 41b расположена изоляция 91, проходящая по оси по обе стороны от него. Следует отметить, что в другом альтернативном варианте одно соединение вероятнее может быть с породой, а не с металлической конструкцией. В некоторых случаях все аппараты системы подачи мощности могут находиться снаружи обсадной трубы -т.е. между обсадной трубой и породой. Такой вариант, в целом, будет непредпочтительным с точки зрения риска/сложности установки, но он возможен.- 27 043424 pipe space A. Moreover, on the production string 21 in the area of the second connection 41b there is an insulation 91 extending axially on either side of it. It should be noted that in another alternative, one connection may be more likely to be to rock rather than to a metal structure. In some cases, all devices of the power supply system may be located outside the casing - i.e. between the casing and the rock. This option would generally not be preferable in terms of risk/complexity of installation, but it is possible.

Кроме того, в настоящем варианте осуществления предусмотрены второй и третий модули 4' и 4 сбора (являющиеся частью соответствующих внутрискважинных блоков), расположенные в затрубном пространстве А. В таком варианте осуществления каждый из указанных других модулей 4', 4 сбора использует тот же первый кабель 41. Так, один из терминалов каждого из модулей 4', 4 сбора соединяется с первой точкой 41а соединения. Следует отметить, что в других вариантах осуществления для создания таких соединений с первой точкой соединения могут использоваться отдельные кабели, и такой вариант будет предпочтительным, так как он приведен к повышению эффективности. Использование единственного верхнего кабеля, как показано, нежелательно, но помогает упростить изображение. В некоторых случаях может быть предусмотрено несколько модулей сбора, распределенных в разных затрубных пространствах.In addition, the present embodiment provides second and third collection modules 4' and 4 (which are part of respective downhole assemblies) located in the annulus A. In such an embodiment, each of these other collection modules 4', 4 uses the same first cable 41. Thus, one of the terminals of each of the collection modules 4', 4 is connected to the first connection point 41a. It should be noted that in other embodiments, separate cables may be used to make such connections to the first connection point, and this would be preferred as it results in increased efficiency. Using a single top cable as shown is not advisable, but helps to simplify the image. In some cases, several collection modules may be provided, distributed in different annular spaces.

В настоящем варианте осуществления первый модуль 4 сбора соединяется с внутрискважинным датчиком 5 посредством вторичного кабеля 42, аналогично вариантам осуществления, представленным на фиг. 1. Однако здесь внутрискважинный датчик 5 расположен ниже пакера ПР, а кабель 42 проходит через него. Датчик 5 в данном случае выполнен с возможностью осуществления измерений условий давления и/или температуры внутри эксплуатационной колонны 21 через порт 21а, предусмотренный в стенке эксплуатационной колонны 21. То есть, несмотря на то, что внутрискважинный датчик 5 расположен в затрубном пространстве А, он выполнен с возможностью измерения параметров внутри эксплуатационной колонны 21.In the present embodiment, the first acquisition module 4 is connected to the downhole sensor 5 via a secondary cable 42, similar to the embodiments shown in FIGS. 1. However, here the downhole sensor 5 is located below the PR packer, and the cable 42 passes through it. The sensor 5 in this case is configured to measure pressure and/or temperature conditions inside the production string 21 through a port 21a provided in the wall of the production string 21. That is, despite the fact that the downhole sensor 5 is located in the annulus A, it is designed with the ability to measure parameters inside the production string 21.

Более того, в указанном варианте осуществления предусмотрены второй и третий внутрискважинные датчики 5' и 5. В указанном варианте осуществления каждый из внутрискважинных датчиков 5, 5', 5 соединен с модулем 4 сбора посредством одного и того же вторичного кабеля 42. Этот вариант представляет собой многоточечную систему, а кабель 42 используется для переноса сигналов мощности, сигналов управления, данных о параметрах и адресной информации, для обеспечения возможности подачи мощности каждому из датчиков 5, 5', 5 и извлечения из них показаний.Moreover, in this embodiment, second and third downhole sensors 5' and 5 are provided. In this embodiment, each of the downhole sensors 5, 5', 5 is connected to the collection module 4 via the same secondary cable 42. This embodiment is multi-drop system, and cable 42 is used to carry power signals, control signals, parameter data and address information to enable power to be supplied to each of the sensors 5, 5', 5 and readings taken from them.

Следует отметить, что в альтернативных вариантах осуществления некоторое число внутрискважинных датчиков или других внутрискважинных устройств вероятнее будет питаться от одного модуля 4 сбора посредством отдельных, специально предназначенных, кабелей 42, чем единственным кабелем, как показано в настоящем варианте осуществления. Более того, как упоминалось выше, в то время как в настоящем варианте осуществления предусматривается несколько датчиков, отходящих от одного модуля сбора, в других вариантах осуществления один модуль сбора может использоваться для подачи мощности разным типам внутрискважинных устройств. Так, один модуль сбора, например, может использоваться для подачи мощности внутрискважинному датчику, внутрискважинному повторителю и внутрискважинному клапану.It should be noted that in alternative embodiments, a number of downhole sensors or other downhole devices are more likely to be powered from a single acquisition module 4 via separate, dedicated cables 42 rather than a single cable as illustrated in the present embodiment. Moreover, as mentioned above, while the present embodiment provides multiple sensors extending from a single collection module, in other embodiments a single collection module may be used to provide power to different types of downhole devices. Thus, one acquisition module, for example, can be used to supply power to a downhole sensor, a downhole repeater, and a downhole valve.

В настоящем варианте осуществления второй модуль 4' сбора представляет собой часть внутрискважинного инструмента, который содержит оба элемента: модуль сбора и сенсор. В настоящем варианте осуществления сенсор выполнен с возможностью измерения параметров в затрубном пространстве В через порт 22а, предусмотренный в первой обсадной трубе 22. Так, например, сенсор во втором модуле 4' сбора может быть выполнен с возможностью измерения давления и/или температуры в затрубном пространстве В.In the present embodiment, the second collection module 4' is a part of a downhole tool that contains both a collection module and a sensor. In the present embodiment, the sensor is configured to measure parameters in the annulus B through a port 22a provided in the first casing 22. Thus, for example, the sensor in the second collection module 4' may be configured to measure pressure and/or temperature in the annulus IN.

Более того, в настоящем варианте осуществления третий модуль 4 сбора тоже представляет собой часть внутрискважинного инструмента, который в данном случае содержит модуль сбора и блок связи для осуществления связи с сенсорами 605, расположенными в затрубном пространстве В и затрубном пространстве С. Здесь связь между сенсорами 605 и вторым модулем 4 сбора обеспечивается с помощью беспроводных средств. К примеру, может быть предусмотрена индуктивная подача сигнала или подача акустического сигнала между сенсорами 605 и модулем 4 сбора. Сенсоры 605 могут быть физически расположены так близко, как это возможно, по отношению к модулю 4 сбора.Moreover, in the present embodiment, the third collection module 4 is also a part of the downhole tool, which in this case contains a collection module and a communication unit for communicating with the sensors 605 located in the annulus B and the annulus C. Here, the communication between the sensors 605 and the second collection module 4 is provided via wireless means. For example, an inductive signal supply or an acoustic signal supply may be provided between the sensors 605 and the acquisition module 4. The sensors 605 may be physically located as close as possible to the acquisition module 4.

Должно быть понятно, что как только данные достигают верхнего блока 6 связи, они могут быть переданы наружу, на необходимый участок, используя стандартные методы связи, такие как методы мобильной связи, интернет и т.д., на рабочее место РМ для последующей обработки и/или изучения. Конечно, также могут быть предусмотрены проводные соединения между рабочим местом и верхним блоком 6 связи.It should be clear that once the data reaches the upper communication unit 6, it can be transmitted externally to the required site using standard communication methods such as mobile communication methods, the Internet, etc., to the PM workstation for subsequent processing and /or studying. Of course, wire connections between the workstation and the upper communication unit 6 can also be provided.

Более того, данные также могут быть отправлены от рабочего места РМ верхнему узлу 6 связи для передачи внутрь скважины. Так, например, сигналы управления могут быть переданы с рабочего места РМ через верхний блок 6 связи внутрь скважины для управления работой модуля сбора, или сенсора, или внутрискважинного клапана, или повторителя, и т.д., таким образом внутрь скважины могут быть отправлены любые необходимые данные.Moreover, data can also be sent from the PM workplace to the upper communication node 6 for transmission inside the well. So, for example, control signals can be transmitted from the PM workplace through the upper communication unit 6 inside the well to control the operation of the collection module, or sensor, or downhole valve, or repeater, etc., thus any required data.

- 28 043424- 28 043424

В другом альтернативном варианте снаружи самой наружной обсадной трубы, например, третьей обсадной трубы 24 в варианте осуществления, представленном на фиг. 6, в области около устья 1 скважины может быть предусмотрена изоляция. Она может способствовать подаче максимально отрицательного потенциала, вызванного токами катодной защиты, глубже внутрь скважины. Это обеспечивается за счет минимизирования утечек в области около устья скважины. Поэтому наличие изоляции на самой наружной обсадной трубе может помочь обеспечить возможность расположения самого верхнего соединения 41а ниже, избегая при этом значительного снижения эффективности системы. Если посмотреть на кривую снижения потенциала, за счет наличия изоляции на самой наружной обсадной трубе 24 отрицательный потенциал может снижаться в изолированной области около устья скважины очень медленно, а затем может начать снижаться быстрее после достижения неизолированной области.In another alternative, outside the outermost casing, for example, the third casing 24 in the embodiment shown in FIG. 6, insulation may be provided in the area near the wellhead 1. It can help deliver the maximum negative potential caused by cathodic protection currents deeper into the well. This is achieved by minimizing leakage in the area near the wellhead. Therefore, having insulation on the outermost casing can help allow the uppermost connection 41a to be positioned lower while avoiding a significant reduction in system efficiency. Looking at the potential decay curve, due to the presence of insulation on the outermost casing 24, the negative potential may decrease in the isolated region near the wellhead very slowly, and then may begin to decrease more rapidly after reaching the uninsulated region.

Фиг. 7 представляет собой график, показывающий пример того, как оптимальная мощность, доступная для сбора в скважинной установке, изменяется с глубиной скважины. Как отмечалось выше, из-за увеличения разности потенциалов, обеспеченного увеличением расстояния между соединениями, с одной стороны, и сопротивления кабеля, с другой стороны, имеет место некая оптимальная глубина для нижнего соединения 41b, или, иначе говоря, оптимальное расстояние между двумя соединениями 41а и 41b. График, показанный на фиг. 7, относится к расположению, в котором верхнее соединение 41а примерно на 5 метров ниже устья скважины, то есть находится в области подвесного устройства хвостовика. В этом примере можно видеть, что оптимальная глубина нижнего соединения находится в районе 550 м внутри скважины. Однако можно также заметить, что значительная часть оптимальной мощности может быть получена на глубинах около 300 и 950 м. В общем случае будет предпочтительней минимизировать длину кабеля, достигая сбор оптимальной мощности, что предусматривает минимизирование глубины второго соединения. Однако могут быть обстоятельства, в которых может использоваться преимущество расположения модуля сбора глубже внутри скважины.Fig. 7 is a graph showing an example of how the optimal power available for collection in a downhole installation varies with well depth. As noted above, due to the increase in potential difference provided by the increase in the distance between the connections, on the one hand, and the cable resistance, on the other hand, there is a certain optimal depth for the lower connection 41b, or, in other words, an optimal distance between the two connections 41a and 41b. The graph shown in FIG. 7 refers to an arrangement in which the top connection 41a is approximately 5 meters below the wellhead, that is, in the area of the liner hanger. In this example, it can be seen that the optimal depth of the lower connection is around 550 m inside the well. However, it can also be noted that a significant portion of the optimal power can be obtained at depths of about 300 and 950 m. In general, it will be preferable to minimize the cable length, achieving optimal power collection, which involves minimizing the depth of the second connection. However, there may be circumstances in which the advantage of locating the collection module deeper within the well may be taken advantage of.

Оптимальное расположение для верхнего соединения может зависеть от того, где вводится ток катодной защиты (или другой ток), и где указанный ток максимален, или потенциал, вызванный током, максимален. Представленные здесь способы и системы включают в себя этапы, на которых сначала определяют, где подаваемый ток (или потенциал) имеет максимальное значение, и выбирают участок для верхнего соединения в зависимости от этого.The optimal location for the top connection may depend on where the cathodic protection current (or other current) is injected and where said current is maximum, or the potential caused by the current is maximum. The methods and systems presented herein include the steps of first determining where the injected current (or potential) is at its maximum value and selecting an area for the top connection based on this.

Верхнее соединение может находиться в пределах 100 м от поверхности, предпочтительно, в пределах 50 м, если скважина представляет собой материковую скважину.The top connection may be within 100 m of the surface, preferably within 50 m if the well is a continental well.

Верхнее соединение может находиться в пределах 100 м от уровня дна, предпочтительно, в пределах 50 м, если скважина представляет собой подводную скважину.The top connection may be within 100 m of the bottom level, preferably within 50 m if the well is a subsea well.

Как отмечалось выше, хотя приведенное выше описание ссылается на сбор от токов катодной защиты, и хотя такой вариант является предпочтительным, при наличии других токов в металлической конструкции они могут быть аналогичным образом использованы.As noted above, although the above description refers to collection from cathodic protection currents, and although this is the preferred option, if there are other currents in the metal structure, they can be similarly used.

Следует отметить, что, хотя выше приведены некоторые конкретные примеры, в целом, любой из компонентов системы может быть расположен в любом доступном затрубном пространстве.It should be noted that although some specific examples are given above, in general, any of the system components can be located in any available annulus.

Когда в описании выше упоминается оптимизация моделированием, например, в отношении расстояния, на которое отстоят соединения, использования изоляции, выбора только радиального или аксиального расстояния, на которое отстоят соединения, и выбора заданной нагрузки сбора, в такой модели может использоваться по меньшей мере один из следующих параметров:When optimization by simulation is mentioned in the description above, for example with respect to the spacing of connections, the use of insulation, selecting only the radial or axial spacing of connections, and selecting a given collection load, such a model may use at least one of the following parameters:

1. Скорость затухания наверху скважины, выведенная из размеров обсадных труб и размеров трубчатых элементов, веса, и типа материала (удельного сопротивления) и удельного сопротивления покрывающей толщи (среды, окружающей скважину).1. The rate of attenuation at the top of the well, derived from the dimensions of the casing and the dimensions of the tubular elements, the weight and type of material (resistivity) and the resistivity of the overburden (the environment surrounding the well).

2. Расположение верхнего соединения.2. Top connection location.

3. Расположение нижнего соединения.3. Bottom connection location.

4. Площадь поперечного сечения и тип материала (удельное сопротивление) верхнего кабеля, используемого на входах к собирателю.4. The cross-sectional area and type of material (resistivity) of the overhead cable used at the inputs to the collector.

5. Число, расположение, материал (электропотенциал) и площадь поверхности анодов устья скважины.5. Number, location, material (electric potential) and surface area of wellhead anodes.

6. Действующее сопротивление скважины на уровне морского дна/устье скважины, также выведенное из размеров обсадных труб и размеров трубчатых элементов, веса, и типа материала (удельного сопротивления) и удельного сопротивления покрывающей толщи (среды, окружающей скважину), но в этот раз для всей конструкции скважины.6. Effective wellbore resistivity at seabed/wellhead level, also derived from casing sizes and tubular element sizes, weight, and type of material (resistivity) and overburden resistivity (medium surrounding the well), but this time for the entire well structure.

В конкретных примерах представленных выше систем кабель или кабели 41, используемые для соединения модуля сбора с конструкцией/окружающим пространством, могут иметь площадь поперечного сечения равную, например, 10-140 мм2. 10 мм2 может считаться нижней границей предпочтительного для функционирования размера кабеля. Обычно предпочтительной будет большая площадь поперечного сечения. Кабель 140 мм2 может быть плоским кабелем типа Kerite (RTM) LTF3. Он соответствует верхней границе того, что в настоящий момент доступно на рынке, но могут быть использованы и большие размеры, если они доступны.In specific examples of the above systems, the cable or cables 41 used to connect the collection module to the structure/environment may have a cross-sectional area of, for example, 10-140 mm 2 . 10 mm 2 can be considered the lower limit of the cable size preferred for operation. Generally, a larger cross-sectional area will be preferred. The 140mm2 cable can be Kerite flat cable (RTM) LTF3. It represents the upper end of what is currently available on the market, but larger sizes can be used if available.

Фиг. 8 представляет собой блок-схему, изображающую процесс оптимизации сбора энергии модуFig. 8 is a flowchart depicting the optimization process of energy harvesting mode

- 29 043424 лем сбора, раскрытым выше.- 29 043424 le collection disclosed above.

На этапе 801 преобразователь 44 постоянного тока запускается, используя изначальные настройки/конфигурацию, и подает доступную энергию средствам 45 накопления заряда.At step 801, the DC/DC converter 44 starts up using the initial settings/configuration and supplies available power to the charge storage means 45.

На этапе 802 определяют, имеет ли место достаточное напряжение для подачи мощности микропроцессору в центральном блоке 46. Если ответ нет, то этап 802 повторяют до тех пор, пока ответ не станет да, а когда ответ становится да, процесс переходит на этап 803, на котором микропроцессору в центральном блоке 46 подают мощность.At step 802, it is determined whether there is sufficient voltage to supply power to the microprocessor in the central unit 46. If the answer is no, then step 802 is repeated until the answer is yes, and when the answer is yes, the process moves to step 803, at to which the microprocessor in the central unit 46 is supplied with power.

Затем на этапе 804 микропроцессор измеряет выход мощности от собирателя энергии, и на этапе 805 микропроцесс модифицирует настойки преобразователя 44 постоянного тока для небольшого увеличения нагрузки. Далее, на этапе 806, определяют, приводит ли это к увеличению выхода от собирателя. Если ответ да, то процесс возвращается обратно на стадию до этапа 805, чтобы настройки преобразователя 44 постоянного тока могли быть снова изменены для небольшого увеличения нагрузки.Then, at step 804, the microprocessor measures the power output from the energy harvester, and at step 805, the microprocessor modifies the settings of the DC-DC converter 44 to slightly increase the load. Next, at step 806, it is determined whether this results in increased yield from the collector. If the answer is yes, then the process returns back to step 805 so that the settings of the DC/DC converter 44 can be changed again to slightly increase the load.

С другой стороны, если на этапе 806 определяют, что выход не увеличился, тогда процесс переходит к этапу 807, на котором микропроцессор модифицирует настройки преобразователя 44 постоянного тока на небольшое уменьшение нагрузки, и процесс возвращается на стадию до этапа 806, чтобы определить, привело ли это к увеличению выхода.On the other hand, if it is determined at step 806 that the output has not increased, then the process proceeds to step 807, where the microprocessor modifies the settings of the DC-DC converter 44 to slightly reduce the load, and the process returns to the stage prior to step 806 to determine whether this is to increase output.

После этого этапы 805, 806 и 807 попеременно повторяются во время сбора энергии, так что нагрузка постепенно увеличивается и уменьшается в зависимости от результата, полученного на этапе 806. Это приводит к динамической оптимизации сбора мощности.Thereafter, steps 805, 806, and 807 are repeated alternately during energy harvesting so that the load is gradually increased and decreased depending on the result obtained in step 806. This results in dynamic optimization of power harvesting.

Как упоминалось выше, когда преобразователь 44 постоянного тока использует полевой транзистор и сопутствующий трансформатор, этап изменения настроек преобразователя постоянного тока на этапах 805 и 807 может содержать этап смены ответвления, используемого на вторичном трансформаторе, для модифицирования должным образом нагрузки. Это также справедливо в случае, когда переменный трансформатор оснащен Н-мостом, представленным на фиг. 2D.As mentioned above, when DC-DC converter 44 uses a FET and an accompanying transformer, the step of changing the DC-DC converter settings in steps 805 and 807 may include changing the tap used on the secondary transformer to modify the load appropriately. This is also true when the variable transformer is equipped with an H-bridge, as shown in FIG. 2D.

В альтернативном варианте в таком случае для варьирования нагрузки может быть отрегулирован режим работы транзисторов в Н-мосте.Alternatively, in this case, the operating mode of the transistors in the H-bridge can be adjusted to vary the load.

На фиг. 9 представлена блок-схема, иллюстрирующая функционирование внутрискважинного блока 4а аналогично тому, что описан выше.In fig. 9 is a block diagram illustrating the operation of the downhole unit 4a similar to that described above.

На этапе 901 определяют, достаточно ли мощности для подачи мощности процессору в центральном блоке 46. Если ответ нет, то процесс остается на том же этапе до тех пор, пока мощности не станет достаточно.At step 901, it is determined whether there is enough power to supply power to the processor in the central unit 46. If the answer is no, then the process remains at the same step until there is enough power.

Когда мощности становится достаточно, процесс переходит на этап 902, на котором определяют, получена ли команда или требуется ли отправка запланированного набора данных. Если ответ нет, то процесс остается в том же состоянии определения того, требуется ли выполнение некоторого действия, пока не наступит момент, на котором выполнение действия потребуется.When sufficient power is available, the process proceeds to step 902, where it is determined whether the command has been received or whether the scheduled data set needs to be sent. If the answer is no, then the process remains in the same state of determining whether some action is required until the point comes at which the action is required.

Когда действие требуется, процесс переходит на этап 903, на котором в соответствии с требованием восстанавливают данные от сенсора или запоминающего устройства, а нагрузка, представленная собирателем энергии между соединениями 41а, модулируется для кодировки этих данных.When action is required, the process moves to step 903 where data from the sensor or storage device is retrieved as required and the load provided by the energy harvester between connections 41a is modulated to encode that data.

Отдельно, в устье скважины на этапе 904 осуществляют мониторинг потенциала напряжения устья скважины, и данные декодируют во втором микропроцессоре. Затем, на этапе 905, извлеченные данные могут быть экспортированы или заново переданы клиенту, например, посредством подводной акустической линии или канала коммуникации.Separately, at the wellhead, at step 904, the wellhead voltage potential is monitored and the data is decoded in a second microprocessor. Then, at step 905, the extracted data may be exported or retransmitted to the client, for example, via an underwater acoustic line or communication channel.

Фиг. 10 иллюстрирует скважинную установку, включающую в себя платформу 1000. Устье 1 скважины расположено на площадке 1001 платформы 1000. В данном случае металлическая конструкция включает в себя райзер 1002 между уровнем дна и платформой 1001. Эксплуатационная колонна 21 проходит в райзере 1002 внутрь скважины. Внутри скважины предусмотрены обсадные трубы 22, 23. Самая внутренняя обсадная труба 22 является продолжением райзера 1002. На платформенной конструкции 1000 предусмотрены аноды 3В катодной защиты. Между платформой и внутрискважинной конструкцией 2 (обсадной трубой и эксплуатационной колонной) будет иметь место электрическое соединение. Оно может обеспечиваться через опорную плиту 1003 для бурения и/или через устье скважины, райзер и другие компоненты, такие как направляющие райзера. В таких случаях может быть сложно узнать, где сделать верхнее соединение конструкции сбора, аналогично той, что представлена на фиг. 1, 3, 4 или 6, для обеспечения наилучшей эффективности. Не всегда будет известно, где ток катодной защиты будет введен в проводящую трубу (секции удлиненных элементов), которая проходит внутрь скважины. Как упоминалось выше, может быть предпочтительным создание верхнего соединения в непосредственной близости к участку, на котором вводится ток катодной защиты. При стремлении к оптимизации одной из опций будет управление этой точкой ввода - т.е. гарантирование гальванического соединения в известной точке. Другой альтернативой будет обеспечение системы множеством альтернативных точек верхнего соединения для модуля сбора и обеспечение возможности выбора наиболее эффективной точки соединения после установки. Обычно в таком случае система подачи мощности будет установлена со множеством верхних кабельных соединений с металлической конструкцией, при этом наиболее эффективный выбирается, например, управлением переключателя под управлением центрального блока.Fig. 10 illustrates a well installation including a platform 1000. The wellhead 1 is located at the platform 1001 of the platform 1000. In this case, the metal structure includes a riser 1002 between the seabed level and the platform 1001. The production string 21 extends in the riser 1002 into the well. Casings 22, 23 are provided within the well. The innermost casing 22 is an extension of the riser 1002. Cathodic protection anodes 3B are provided on the platform structure 1000. There will be an electrical connection between the platform and the downhole structure 2 (casing and production string). This may be provided through the drilling support plate 1003 and/or through the wellhead, riser and other components such as riser guides. In such cases, it may be difficult to know where to make the top connection of a collection structure similar to the one shown in FIG. 1, 3, 4 or 6 for best performance. It will not always be known where the cathodic protection current will be introduced into the conductive pipe (sections of elongated elements) that extends into the well. As mentioned above, it may be preferable to provide the top connection in close proximity to the area where the cathodic protection current is introduced. When seeking optimization, one of the options would be to control this input point - i.e. guaranteeing a galvanic connection at a known point. Another alternative would be to provide the system with multiple alternative top connection points for the collection module and allow the most efficient connection point to be selected after installation. Typically, in such a case, the power supply system will be installed with multiple overhead cable connections to the metal structure, with the most efficient being selected, for example, by control of a switch controlled by a central unit.

- 30 043424- 30 043424

Альтернативы для сигнала, устройства и сенсора.Alternatives for signal, device and sensor.

Выше описаны разнообразные конкретные решения для подачи сигнала. Во избежание сомнений следует заметить, что большой спектр решений подачи сигнала может использоваться как отдельно, так и в комбинации с разнообразными частями сигнального канала в системах, аналогичным тем, что здесь описаны. Так, беспроводные сигналы могут передаваться по меньшей мере в одной из следующих форм: электромагнитной, акустической, через индуктивно связанные трубчатые элементы и закодированными импульсами давления, при этом ссылки на беспроводной характер передачи относятся к указанным формам, в отсутствие утверждения об обратном.Various specific signal solutions are described above. For the avoidance of doubt, it should be noted that a wide range of signal solutions can be used either alone or in combination with various parts of the signal path in systems similar to those described here. Thus, wireless signals may be transmitted in at least one of the following forms: electromagnetic, acoustic, through inductively coupled tubular elements and encoded pressure pulses, and references to the wireless nature of transmission refer to these forms, unless stated to the contrary.

Сигналы, в отсутствие утверждения об обратном, могут включать в себя сигналы управления и сигналы данных. Сигналы управления могут управлять работой внутрискважинных устройств, включая сенсоры. Данные от сенсоров могут передаваться в ответ на сигнал управления. Более того, получение данных и/или передача параметров, например, получение и/или передача скорости или разрешения, может меняться соответствующими сигналами управления.Signals, unless otherwise stated, may include control signals and data signals. Control signals can control the operation of downhole devices, including sensors. Data from sensors can be transmitted in response to a control signal. Moreover, the reception of data and/or the transmission of parameters, for example, the reception and/or transmission of speed or permission, can be modified by corresponding control signals.

Импульсы давления включают в себя способы осуществления связи от/с пространств(а/ом) скважины/ствол(а/ом) скважины, по меньшей мере от/с одн(ого/им) из более глубоко расположенных участков в скважине/стволе скважины, и поверхностью скважины/ствола скважины, используя положительные и/или отрицательные изменения давления, и/или изменения расхода потока текучей среды в трубчатом элементе и/или затрубном пространстве.The pressure pulses include methods for communicating from/to the well/wellbore space(s) to at least one of the deeper locations in the well/wellbore, and the surface of the well/wellbore using positive and/or negative pressure changes, and/or changes in fluid flow rate in the tubular element and/or annulus.

Закодированные импульсы давления представляют собой импульсы давления, для которых была использована схема модуляции для кодировки команд и/или данных в изменениях давления и/или расхода потока. При этом в скважине/стволе скважины используется преобразователь для детектирования и/или генерирования указанных изменений, и/или в скважине/стволе скважины используется электронная система для кодировки и/или декодировки команд и/или данных. Так, импульсы давления, используемые вместе с электронным внутрискважинным/стволовым интерфейсом, определены здесь как закодированные импульсы давления. Преимуществом закодированных импульсов давления, аналогично тем, что определены здесь, является то, что они могут быть отправлены на электронные интерфейсы и могут обеспечить лучшую скорость передачи и/или диапазон, чем импульсы давления, отправленные на механические интерфейсы.Encoded pressure pulses are pressure pulses for which a modulation scheme has been used to encode commands and/or data into changes in pressure and/or flow rate. In this case, a transducer is used in the well/wellbore to detect and/or generate said changes, and/or an electronic system is used in the well/wellbore to encode and/or decode commands and/or data. Thus, pressure pulses used in conjunction with the electronic downhole/wellbore interface are defined here as encoded pressure pulses. The advantage of encoded pressure pulses, similar to those defined here, is that they can be sent to electronic interfaces and can provide better transmission speed and/or range than pressure pulses sent to mechanical interfaces.

Там, где для передачи сигналов управления используются закодированные импульсы давления, могут использоваться разнообразные схемы модуляции для кодировки сигналов управления, к примеру, изменение давления или скорость изменения давления, амплитудная манипуляция (англ. on/off keyed, OOK), фазово-импульсная модуляция (англ. pulse position modulation, PPM), модуляция ширины импульса (англ. pulse width modulation, PWM), манипуляция путем сдвига частоты (англ. frequency shift keying, FSK), манипуляция путем сдвига давления (англ. pressure shift keying, PSK), манипуляция путем сдвига амплитуды (англ. amplitude shift keying, ASK), могут использоваться комбинации схем модуляции, например, OOK-PPM-PWM. Скорости передачи схем модуляции закодированного давления обычно низкие, и обычно составляют менее 10 бит/с, а могут составлять менее 0,1 бит/с.Where encoded pressure pulses are used to transmit control signals, a variety of modulation schemes can be used to encode the control signals, for example, pressure change or rate of change of pressure, amplitude shift keying (OOK), pulse phase modulation ( pulse position modulation (PPM), pulse width modulation (PWM), frequency shift keying (FSK), pressure shift keying (PSK), manipulation by amplitude shift keying (ASK), combinations of modulation schemes can be used, for example, OOK-PPM-PWM. Transmission rates of coded pressure modulation schemes are typically low, typically less than 10 bps, and can be as low as 0.1 bps.

Закодированные импульсы давления могут быть индуцированы в статичных или текущих жидких средах, и могут быть детектированы напрямую или косвенно измерением изменения давления и/или расхода потока. Жидкие среды включают в себя жидкости, газы и мультифазные жидкие среды, а могут быть жидкими средами статического управления, и/или жидкими средами, произведенными скважиной или введенными в скважину.Encoded pressure pulses can be induced in static or flowing liquid media, and can be detected directly or indirectly by measuring changes in pressure and/or flow rate. Fluids include liquids, gases and multiphase fluids, and may be statically controlled fluids and/or fluids produced by or introduced into the well.

Беспроводные сигналы могут быть способны проходить через барьер, такой как заглушка или затрубное устройство герметизации, когда оно фиксировано на месте. Поэтому беспроводные сигналы могут передаваться по меньшей мере в следующих формах: в форме электромагнитного, акустического сигнала или индуктивно соединенными трубчатыми элементами.Wireless signals may be able to pass through a barrier, such as a plug or annular sealing device, when it is fixed in place. Therefore, wireless signals can be transmitted in at least the following forms: in the form of an electromagnetic signal, an acoustic signal, or inductively coupled tubular elements.

Электромагнитная/акустическая подача и подача закодированных импульсов давления используют скважину, ствол скважины и породу в качестве среды для передачи. Электромагнитный/акустический сигнал или сигнал давления могут быть отправлены из скважины, или с поверхности. При подаче в скважине электромагнитный/акустический сигнал может быть способен проходить через любое затрубное устройство герметизации, хотя в некоторых вариантах осуществления он может проходить в обход, например, вокруг любого затрубного устройства герметизации.Electromagnetic/acoustic delivery and encoded pressure pulse delivery use the borehole, wellbore and formation as the transmission medium. The electromagnetic/acoustic or pressure signal can be sent from the borehole, or from the surface. When applied in a well, the electromagnetic/acoustic signal may be capable of passing through any annular seal device, although in some embodiments it may bypass, for example, around any annular seal device.

Электромагнитные и акустические сигналы полезны, так как они могут осуществлять передачу через/сквозь затрубное устройство герметизации без специальной инфраструктуры индуктивно соединенных трубчатых элементов, а в случае передачи данных количество информации, которое может быть передано, обычно больше в сравнении с подачей закодированных импульсов давления, особенно при получении данных из скважины.Electromagnetic and acoustic signals are useful because they can be transmitted through/through an annular sealing device without a special infrastructure of inductively coupled tubular elements, and in the case of data transmission, the amount of information that can be transmitted is usually greater compared to the delivery of encoded pressure pulses, especially when receiving data from a well.

При использовании индуктивно соединенных трубчатых элементов обычно предусматривается по меньшей мере десять, обычно гораздо больше, отдельных отрезков индуктивно соединенных трубчатых элементов, которые во время использования соединены вместе для формирования колонны индуктивно соединенных трубчатых элементов. Они имеют цельный провод и могут иметь вид трубчатых элементов, таких как эксплуатационная труба, бурильная труба или обсадная труба. На каждом соединении соседWhen using inductively coupled tubular elements, there are typically at least ten, usually many more, individual lengths of inductively coupled tubular elements that are connected together during use to form a column of inductively coupled tubular elements. They have a solid wire and can be in the form of tubular elements such as production pipe, drill pipe or casing. On each connection a neighbor

- 31 043424 них отрезков имеет место индуктивное соединение. Используемые индуктивно соединенные трубчатые элементы могут быть предоставлены компанией NOV под брендом Intellipipe®.- 31 043424 of these segments there is an inductive connection. The inductively coupled tubular elements used are available from NOV under the Intellipipe® brand.

Так, электромагнитные/акустические или беспроводные сигналы давления могут передаваться на относительно большие расстояния в виде беспроводных сигналов, отправленных на расстояние по меньшей мере 200 м, опционально - более чем на 400 м или дальше, что, очевидно, является преимуществом перед сигналами малой дальности. Индуктивно соединенные трубчатые элементы имеют преимущество/эффект за счет комбинации цельного провода и индуктивных соединений. Проходимое расстояние может быть гораздо больше в зависимости от длины скважины.Thus, electromagnetic/acoustic or wireless pressure signals can be transmitted over relatively long distances in the form of wireless signals sent over a distance of at least 200 m, optionally over 400 m or further, which is obviously an advantage over short range signals. Inductively coupled tubular elements have the advantage/effect of a combination of solid wire and inductive connections. The distance traveled can be much greater depending on the length of the well.

Данные и команды в сигналах могут быть ретранслированы или переданы другими средствами. Так, беспроводные сигналы могут быть конвертированы в другие типы беспроводных или проводных сигналов, опционально ретранслированы, теми же или другими способами, например, гидравлическими, электрическими и волоконно-оптическими линиями. Например, сигналы могут быть переданы через кабель на первое расстояние, например, свыше 400 м, а затем переданы посредством акустической или электромагнитной связи на меньшее расстояние, например, 200 м. В другом примере они могут быть переданы на расстояние в 500 м с помощью отправки закодированных импульсов давления, а затем на 1000 м с помощью гидравлической линии.Data and commands in signals may be relayed or transmitted by other means. Thus, wireless signals can be converted into other types of wireless or wired signals, optionally relayed, by the same or other methods, for example, hydraulic, electrical and fiber optic lines. For example, the signals may be transmitted via cable over a first distance, such as over 400 m, and then transmitted via acoustic or electromagnetic communication over a shorter distance, such as 200 m. In another example, they may be transmitted over a distance of 500 m by sending coded pressure pulses and then 1000 m using a hydraulic line.

В дополнение к беспроводным средствам для передачи сигнала могут использоваться проводные средства. Расстояние, проходимое сигналами, зависит от глубины скважины, зачастую беспроводной сигнал, включая повторители, но исключая любую не беспроводную передачу, проходит более 1000 м, или более 2000 м.In addition to wireless means, wired means may be used to transmit the signal. The distance traveled by signals depends on the depth of the borehole, often a wireless signal, including repeaters but excluding any non-wireless transmission, travels more than 1000 m, or more than 2000 m.

Различные беспроводные сигналы могут использоваться в одной и той же скважине для осуществления связи из скважины в направлении поверхности, и для осуществления связи с поверхности в скважину.Different wireless signals may be used in the same borehole to communicate from the borehole to the surface, and to communicate from the surface to the borehole.

Беспроводные сигналы могут быть отправлены связному устройству напрямую или не напрямую, например, за счет использования внутрискважинных реле над и/или под любым затрубным устройством герметизации. Беспроводной сигнал может быть отправлен с поверхности или с секции проводной линии/гибкой колонны типа колтюбинг (или подъемника) в любой точке скважины, опционально - выше любого затрубного устройства герметизации.Wireless signals may be sent to the communication device directly or indirectly, for example, through the use of downhole relays above and/or below any annular containment device. The wireless signal can be sent from the surface or from a wireline/coiled tubing section (or lift) anywhere in the well, optionally above any annular containment device.

Акустические сигналы и связь может включать в себя передачу через вибрацию конструкции скважины, включая трубы, обсадную трубу, хвостовик, бурильную трубу, бурильные муфты, колонну, гибкую колонну типа колтюбинг, насосную штангу, внутрискважинные инструменты; передачу через жидкую среду (включая передачу через газ), включая передачу через жидкую среду в секциях скважины без обсадной трубы, внутри труб, внутри затрубных пространств; передачу через статические или текущие жидкие среды; механическую передачу через проводную линию, одножильный провод или гибкую проволоку; передачу через землю; передачу через оборудование устья скважины. Осуществление связи через конструкцию и/или через жидкую среду является предпочтительным.Acoustic signals and communications may include transmission through vibration of the well structure, including pipes, casing, liner, drill pipe, drill collars, casing, coiled tubing, sucker rod, downhole tools; transmission through a liquid medium (including transmission through gas), including transmission through a liquid medium in sections of a well without casing, inside pipes, inside annular spaces; transmission through static or flowing liquid media; mechanical transmission through a wire line, solid wire or flexible wire; ground transmission; transmission through wellhead equipment. Communication through a structure and/or through a liquid medium is preferred.

Акустическая передача может быть низкочастотной (<20 Гц), может находиться в пределах слышимого диапазона (20 Гц - 20 кГц), и иметь ультразвуковые частоты (20 кГц - 2 МГц). Предпочтительно, чтобы акустическая передача находилась в пределах слышимого диапазона (20 Гц - 20 кГц).Acoustic transmission may be low frequency (<20 Hz), may be within the audible range (20 Hz - 20 kHz), and may have ultrasonic frequencies (20 kHz - 2 MHz). It is preferable that the acoustic transmission be within the audible range (20 Hz - 20 kHz).

Акустические сигналы и связь могут включать в себя способы модуляции, такие как манипуляция путем сдвига частоты (англ. Frequency Shift Keying, FSK) и/или манипуляция путем сдвига фазы (англ. Phase Shift Keying, PSK), и/или более продвинутые производные указанных способов, такие как квадратурная манипуляция путем сдвига фазы (англ. Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) или квадратурная ампдитудная манипуляция (англ. Quadrature Amplitude Modulation, QAM), и предпочтительно включение способов передачи сигнала с расширенным спектром (англ. Spread Spectrum Techniques). Обычно они адаптированы для автоматической настройки частот передачи сигнала и способов для приведения в соответствие условиям в скважине.Acoustic signals and communications may include modulation techniques such as Frequency Shift Keying (FSK) and/or Phase Shift Keying (PSK), and/or more advanced derivatives of these techniques such as Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) or Quadrature Amplitude Modulation (QAM), and preferably incorporating Spread Spectrum Techniques. They are typically adapted to automatically adjust signal transmission frequencies and methods to match downhole conditions.

Акустические сигналы и связь могут быть однонаправленными или двунаправленными. Для отправки и/или получения сигнала могут использоваться пьезоэлектрический, индуктивный преобразователь или магнитострикционные преобразователи.Acoustic signals and communication can be unidirectional or bidirectional. Piezoelectric, inductive, or magnetostrictive transducers may be used to send and/or receive the signal.

Электромагнитная (иногда называемая квазистатической (англ. Quasi-Static, QS) беспроводная связь обычно находиться в следующих частотных диапазонах: (выбранных на основании характеристик распространения) диапазон ниже сверхнизкой частоты (ниже-СНЧ) (экстремально низкая частота) <3 Гц (обычно выше 0,01 Гц);Electromagnetic (sometimes called Quasi-Static (QS)) wireless communications typically reside in the following frequency ranges: (selected based on propagation characteristics) sub-ELF (extremely low frequency) <3 Hz (usually above 0.01 Hz);

СНЧ (сверхнизкая частота) 3 Гц - 30 Гц;VLF (ultra-low frequency) 3 Hz - 30 Hz;

супернизкая частота 30 Гц - 300 Гц;super low frequency 30 Hz - 300 Hz;

УНЧ (ультранизкая частота) 300 Гц - 3 кГц; и,ULF (ultra-low frequency) 300 Hz - 3 kHz; And,

ОНЧ (очень низкая частота) 3 кГц - 30 кГц.VLF (very low frequency) 3 kHz - 30 kHz.

Исключением для вышеописанных частот является электромагнитная связь, использующая трубу, в виде волновода, в частности, но не ограничиваясь этим, когда труба наполнена газом, при этом обычно могут использоваться частоты от 30 кГц до 30 гГц в зависимости от размеров трубы, жидкой среды вAn exception to the above frequencies is electromagnetic communication using a pipe, in the form of a waveguide, in particular, but not limited to, when the pipe is filled with gas, frequencies from 30 kHz to 30 GHz can generally be used depending on the size of the pipe, the liquid medium in

- 32 043424 трубе, и диапазона связи. Жидкая среда в трубе предпочтительно является непроводящей. Патент US 5,831,549 раскрывает систему дистанционного измерения, включающую в себя гигагерцовую передачу в наполненном газом волноводе трубчатой формы.- 32 043424 pipe, and communication range. The fluid in the pipe is preferably non-conductive. US Patent 5,831,549 discloses a remote sensing system incorporating gigahertz transmission in a gas-filled, tubular-shaped waveguide.

Диапазоны ниже-СНЧ и/или СНЧ полезны для связи из скважины на поверхность (например, на расстояние свыше 100 м). Для более локальной связи, например, на расстоянии менее 10 м, полезен диапазон ОНЧ. Терминология, используемая здесь для указанных диапазонов, определена Международным Союзом Электросвязи (англ. International Telecommunication Union, ITU).The sub-VLF and/or ELF bands are useful for downhole to surface communications (e.g. over 100 m). For more local communications, such as distances less than 10m, the VLF band is useful. The terminology used here for the indicated bands is defined by the International Telecommunication Union (ITU).

Электромагнитная связь может включать в себя передачу сообщений посредством одного или нескольких способов: наложением модулированного тока на удлиненный элемент и использованием земли для замыкания контура; передачей тока в один трубчатый элемент и обеспечением траектории возврата во втором трубчатом элементе; использованием второй скважины в качестве части траектории тока; передачей на площадь около месторождения или удаленную от месторождения; создавая петлю тока в части металлической конструкции скважины для создания разности потенциалов между металлической конструкцией и землей; использованием отстоящих контактов для создания электрического дипольного передатчика; использованием тороидального трансформатора для наложения тока на металлическую конструкцию скважины; использованием изолирующего блока; рамочной антенны для создания модулированного магнитного поля, варьируемого во времени, или посредством передачи через породу; передачи в обсадной трубе скважины; использованием удлиненного элемента и земли в качестве соосной линии передачи; использованием трубчатого элемента в качестве волновода; передачей снаружи обсадной трубы скважины.Electromagnetic communication may involve transmitting messages through one or more methods: applying a modulated current to an elongated element and using ground to complete the loop; transmitting current to one tubular element and providing a return path in the second tubular element; using the second well as part of the current path; transfer to an area near the deposit or remote from the deposit; creating a current loop in part of the metal structure of the well to create a potential difference between the metal structure and the ground; using spaced contacts to create an electric dipole transmitter; using a toroidal transformer to apply current to the metal structure of the well; using an insulating block; a loop antenna for creating a modulated magnetic field, varying in time, or through transmission through the rock; transmissions in the well casing; using an elongated element and the ground as a coaxial transmission line; using a tubular element as a waveguide; transmission from outside the well casing.

Особенно полезным является наложение модулированного тока на удлиненный элемент и использование земли для замыкания; создание петли тока в части металлической конструкции скважины для создания разности потенциалов между металлической конструкцией и землей; использование отстоящих контактов для создания электрического дипольного передатчика; и использование тороидального трансформатора для наложения тока на металлическую конструкцию скважины.Particularly useful is applying a modulated current to an extended element and using ground to make the short circuit; creating a current loop in part of the metal structure of the well to create a potential difference between the metal structure and the ground; using spaced contacts to create an electric dipole transmitter; and the use of a toroidal transformer to apply current to the metal structure of the well.

Для эффективного управления током и его направления может использоваться множество разнообразных решений. Например, одно или несколько из следующих: использование изолирующего покрытия или разделителей на трубчатых элементах скважины; выбор жидких сред управления скважины или цементов в или снаружи трубчатых элементов для электрического соединения с трубчатыми элементами или изоляции трубчатых элементов; использование тороида высокой магнитной проницаемости для создания индукции и как следствие импеданса; использование изолированного провода, кабеля или изолированного удлиненного проводника, как часть траектории передачи или антенны; использование трубчатого элемента в качестве круглого волновода, использование диапазонов сверхвысоких частот (3 гГц - 30 гГц) и ультравысоких частот (300 МГц - 3 гГц).A wide variety of solutions can be used to effectively control and direct current. For example, one or more of the following: the use of an insulating coating or separators on the tubular elements of the well; selecting well control fluids or cements in or outside the tubular elements for electrical connection to the tubular elements or insulation of the tubular elements; the use of a toroid of high magnetic permeability to create induction and, as a consequence, impedance; the use of insulated wire, cable, or insulated extended conductor as part of a transmission path or antenna; using a tubular element as a circular waveguide, using ultra-high frequency (3 GHz - 30 GHz) and ultra-high frequency (300 MHz - 3 GHz) ranges.

Для получения переданного сигнала могут использоваться различные способы, они могут включать в себя детектирование потока тока; детектирование разности потенциалов; использование дипольной антенны; использование рамочной антенны; использование тороидального трансформатора; использование эффекта Холла или аналогичного детектора магнитного поля; использование секций металлической конструкции скважины как часть дипольной антенны.Various techniques may be used to obtain the transmitted signal and may include detecting current flow; potential difference detection; use of a dipole antenna; using a loop antenna; use of a toroidal transformer; use of the Hall effect or similar magnetic field detector; using sections of a metal well structure as part of a dipole antenna.

Когда используется термин удлиненный элемент в отношении электромагнитной передачи, он может означать любой удлиненный (протяженный или продолговатый) электрический проводник, включая: хвостовик; обсадную трубу; колонну или трубчатый элемент; гибкую колонну типа колтюбинг; насосную штангу; проводную линию; буровую трубу; одножильный провод или индукционный провод.When the term elongate element is used in relation to electromagnetic transmission, it can mean any elongated (extended or elongated) electrical conductor, including: a tail; casing pipe; column or tubular element; flexible coiled tubing column; sucker rod; wire line; drill pipe; solid wire or induction wire.

Датчики могут содержать один или несколько различных типов сенсоров. Единственный или каждый из сенсоров может соединяться (физически или посредством беспроводной связи) с беспроводным передатчиком, и данные могут передаваться от беспроводного передатчика к пространству выше затрубного устройства герметизации или, наоборот, в направлении поверхности. Данные могут передаваться по меньшей мере в одной из форм: электромагнитной, акустической форме и индуктивно соединенными трубчатыми элементами, особенно в акустической и/или электромагнитной форме, как было описано выше.Sensors may contain one or more different types of sensors. One or each of the sensors may be coupled (physically or wirelessly) to a wireless transmitter, and data may be transmitted from the wireless transmitter to the space above the annular sealing device or, conversely, towards the surface. Data may be transmitted in at least one of electromagnetic form, acoustic form, and inductively coupled tubular elements, especially acoustic and/or electromagnetic form, as described above.

Такие короткодистанционные беспроводные соединения могут обеспечиваться электромагнитной связью в диапазоне очень низких частот.Such short-distance wireless connections can be provided by electromagnetic communications in the very low frequency range.

Предусмотренные сенсоры могут осуществлять измерение любого параметра, и поэтому быть сенсором любого типа, включая, но необязательно ограничиваясь этим, температуры, ускорения, вибрации, момента, перемещения, движения, целостности цемента, давления, направления и наклона, нагрузки, разнообразных углов труб/обсадной трубы, коррозии и эрозии, радиации, шума, магнетизма, сейсмических перемещений, напряжений и деформаций в трубах/обсадных трубах, включая кручение, сдвиг, сжатие, расширение, изгиб и любую форму деформации; детектирования химических и радиоактивных индикаторов; идентификации жидкой среды, например, детектирования газа; детектирования воды; детектирования углекислого газа; производства гидроксида, парафина и песка; и свойств жидкой среды, например (но не ограничиваясь этим) расхода, плотности, объема воды, удельного сопротивления, кислотности, вязкости, точки кипения, отношения газа/нефти, углеводородного состава, цвета жидкой средыThe sensors provided can measure any parameter, and therefore be any type of sensor, including, but not necessarily limited to, temperature, acceleration, vibration, torque, displacement, movement, cement integrity, pressure, direction and inclination, load, various pipe/casing angles pipes, corrosion and erosion, radiation, noise, magnetism, seismic movements, stresses and deformations in pipes/casing, including torsion, shear, compression, expansion, bending and any form of deformation; detection of chemical and radioactive indicators; liquid medium identification, for example gas detection; water detection; carbon dioxide detection; production of hydroxide, paraffin and sand; and fluid properties, such as (but not limited to) flow rate, density, water volume, resistivity, acidity, viscosity, boiling point, gas/oil ratio, hydrocarbon composition, fluid color

- 33 043424 или флюоресценции. Сенсоры могут быть устройствами формирования изображений, формирования карт и/или сканирующими устройствами, такими как, но не ограничиваясь этим, камера, видеокамера, инфракрасное, магниторезонансное, акустическое, ультразвуковое, электрическое, оптическое, импедансное и емкостное устройства. Сенсоры могут также осуществлять мониторинг оборудования в скважине, например, положения клапана, или вращения мотора. Более того, сенсоры могут быть адаптированы на формирование сигнала или параметра, детектированного инкорпорированием подходящих передатчиков и механизмов.- 33 043424 or fluorescence. Sensors may be imaging, mapping and/or scanning devices such as, but not limited to, camera, video camera, infrared, magnetic resonance, acoustic, ultrasonic, electrical, optical, impedance and capacitive devices. Sensors can also monitor downhole equipment, such as valve position or motor rotation. Moreover, sensors can be adapted to generate a signal or parameter detected by incorporating suitable transmitters and mechanisms.

Аппарат, в частности, сенсоры, могут содержать запоминающее устройство, которое может хранить данные для их более позднего восстановления. Запоминающее устройство может также в некоторых обстоятельствах извлекаться, и данные могут восстанавливаться после того, как устройство извлекут. Запоминающее устройство может быть выполнено с возможностью хранения информации по меньшей мере в течение одной минуты, опционально - по меньшей мере в течение одного часа, опционально - в течение по меньшей мере одной недели, предпочтительно по меньшей мере в течение одного месяца, более предпочтительно по меньшей мере в течение одного года или более пяти лет.The apparatus, in particular the sensors, may contain a storage device that can store data for later recovery. The storage device may also be removed in some circumstances, and data may be restored after the device is removed. The storage device may be configured to store information for at least one minute, optionally for at least one hour, optionally for at least one week, preferably for at least one month, more preferably for at least one month least for one year or more than five years.

Claims (25)

1. Внутрискважинный модуль сбора электрической мощности, выполненный с возможностью электрического соединения между двумя отстоящими участками в скважинной установке и содержащий электрический контур, выполненный с возможностью сбора электрической энергии от постоянных токов, при использовании, от разности потенциалов между указанными отстоящими участками, выступающей в роли входного напряжения, причем электрический контур содержит преобразователь постоянного тока в постоянный ток, содержащий средство самозапуска для обеспечения возможности запуска сбора энергии, когда доступное входное напряжение ниже 0,5 В.1. A downhole electrical power collection module, configured to be electrically connected between two spaced sections in a downhole installation and containing an electrical circuit configured to collect electrical energy from direct currents, when used, from the potential difference between said spaced sections, acting as an input voltage, wherein the electrical circuit comprises a DC-DC converter comprising self-starting means to enable the energy harvest to be started when the available input voltage is below 0.5 V. 2. Модуль по п.1, содержащий средство управления для изменения входного импеданса электрического контура для соответствия импедансу источника электрического контура для оптимизации эффективности преобразования мощности.2. The module of claim 1, comprising control means for changing the input impedance of the electrical loop to match the source impedance of the electrical loop to optimize power conversion efficiency. 3. Модуль по п.1 или 2, в котором преобразователь постоянного тока в постоянный ток содержит повышающий трансформатор.3. The module according to claim 1 or 2, wherein the DC-DC converter includes a step-up transformer. 4. Модуль по п.3, в котором средство самозапуска содержит полевой транзистор, скомплектованный совместно с повышающим трансформатором для образования резонансного повышающего осциллятора.4. The module according to claim 3, in which the self-starting means comprises a field-effect transistor assembled together with a step-up transformer to form a resonant step-up oscillator. 5. Модуль по любому из предыдущих пунктов, в котором преобразователь постоянного тока в постоянный ток содержит Н-мост из транзисторов, находящихся под управлением средства управления для обеспечения входного сигнала повышающему трансформатору, при этом средство самозапуска содержит вспомогательный источник питания для средства управления для обеспечения возможности запуска.5. The module as claimed in any one of the preceding claims, wherein the dc-dc converter comprises an H-bridge of transistors controlled by the control means to provide an input signal to the step-up transformer, wherein the self-starting means comprises an auxiliary power supply for the control means to enable launch. 6. Модуль по любому из пп.3-5, в котором модуль сбора содержит средство управления, выполненное с возможностью управления отношением витков повышающего трансформатора для изменения нагрузки, генерируемой преобразователем постоянного тока в постоянный ток.6. The module according to any one of claims 3 to 5, wherein the collection module includes control means configured to control the turns ratio of the step-up transformer to change the load generated by the DC-DC converter. 7. Модуль по п.6, в котором вторичная обмотка повышающего трансформатора содержит множество ответвлений, и/или повышающий трансформатор содержит множество вторичных обмоток, при этом средство управления выполнено с возможностью выбора обмоток и/или ответвлений для обеспечения необходимого отношения витков.7. The module of claim 6, wherein the secondary winding of the step-up transformer comprises a plurality of taps and/or the step-up transformer comprises a plurality of secondary windings, wherein the control means is configured to select the windings and/or taps to provide the required turns ratio. 8. Модуль по любому из предыдущих пунктов, в котором средство самозапуска содержит батарею для обеспечения возможности запуска.8. A module as claimed in any one of the preceding claims, wherein the self-starting means comprises a battery to enable starting. 9. Модуль по любому из предыдущих пунктов, содержащий по меньшей мере пару терминалов, от которых может быть образовано соединение с двумя отстоящими участками.9. A module according to any of the previous paragraphs, comprising at least a pair of terminals from which a connection can be formed to two spaced sections. 10. Модуль по п.9, в котором модуль сбора имеет больше двух терминалов, причем каждый из терминалов предназначен для обеспечения возможности образования соединения с соответствующим участком, при этом модуль сбора также содержит средство переключения для выборочного электрического подсоединения двух из указанных терминалов к электрическому контуру для обеспечения возможности выбора того, между какими из соответствующих участков подсоединить электрический контур.10. The module of claim 9, wherein the collection module has more than two terminals, each of the terminals being configured to be capable of forming a connection to a corresponding portion, the collection module also comprising switching means for selectively electrically connecting two of said terminals to the electrical circuit. to allow a choice between which of the respective sections to connect the electrical circuit. 11. Модуль по любому из предыдущих пунктов, содержащий устройство накопления энергии для накопления собранной энергии.11. A module as claimed in any one of the preceding claims, comprising an energy storage device for storing the collected energy. 12. Модуль по п.11, в котором устройство накопления энергии содержит устройство накопления заряда, которое может содержать по меньшей мере один конденсатор и/или перезаряжаемую батарею.12. The module of claim 11, wherein the energy storage device comprises a charge storage device, which may include at least one capacitor and/or a rechargeable battery. 13. Модуль по любому из предыдущих пунктов, в котором модуль сбора содержит средство переменного импеданса для изменения нагрузки между указанными двумя соединениями.13. The module as claimed in any one of the preceding claims, wherein the collection module comprises variable impedance means for varying the load between said two connections. 14. Модуль по п.13, в котором предусмотрено управление средством переменного импеданса с помощью микропроцессора.14. The module according to claim 13, which provides control of the variable impedance means using a microprocessor. 15. Модуль по п.13 или 14, в котором модуль сбора выполнен с возможностью использования средства переменного импеданса для изменения нагрузки, чтобы оптимизировать сбор энергии.15. The module of claim 13 or 14, wherein the harvesting module is configured to use variable impedance means to vary the load to optimize energy harvesting. - 34 043424- 34 043424 16. Модуль по любому из пп.13-15, в котором модуль сбора выполнен с возможностью использования средства переменного импеданса для модуляции нагрузки, чтобы передать данные от модуля сбора.16. The module according to any one of claims 13 to 15, wherein the acquisition module is configured to use variable impedance means to modulate the load to transmit data from the acquisition module. 17. Модуль по любому из предыдущих пунктов, содержащий первичную батарею, такую, что при использовании предусмотрена возможность выборочного отбора мощности, собранной контуром, и от первичной батареи.17. A module as claimed in any of the preceding claims, comprising a primary battery such that, when in use, it is capable of selectively drawing power collected by the circuit from the primary battery. 18. Внутрискважинный аппарат, содержащий модуль сбора по любому из предыдущих пунктов, и внутрискважинное устройство для приема мощности от модуля сбора.18. A downhole apparatus containing a collection module according to any of the previous paragraphs, and a downhole device for receiving power from the collection module. 19. Аппарат по п.18, содержащий средство накопления заряда и средство управления мощностью для управления мощностью, подаваемой внутрискважинному устройству, когда доступно достаточно энергии для подачи мощности указанному устройству.19. The apparatus of claim 18, comprising charge storage means and power control means for controlling power supplied to the downhole device when sufficient power is available to supply power to said device. 20. Аппарат по п.18 или 19, содержащий средство модуляции импеданса для изменения входного импеданса модуля сбора для модуляции нагрузки для передачи данных по меньшей мере от одного из элементов: блока сбора электрической мощности и внутрискважинного устройства.20. The apparatus of claim 18 or 19, comprising impedance modulation means for changing the input impedance of the collection module to modulate the load to transmit data from at least one of the electrical power collection unit and the downhole device. 21. Аппарат по любому из пп.18-20, содержащий средство модуляции для подачи модулированного напряжения через указанные отстоящие соединения для передачи данных.21. The apparatus of any one of claims 18 to 20, comprising modulation means for supplying a modulated voltage across said spaced data connections. 22. Аппарат по любому из пп.18-21, содержащий первичную батарею, такую, что при использовании предусмотрена возможность выборочного отбора собранной мощности и от первичной батареи.22. The apparatus according to any one of claims 18 to 21, comprising a primary battery such that, during use, it is possible to selectively take off the collected power from the primary battery. 23. Аппарат по любому из пп.18-22, в котором внутрискважинное устройство содержит по меньшей мере один из следующих элементов:23. The device according to any one of claims 18-22, in which the downhole device contains at least one of the following elements: внутрискважинный сенсор;downhole sensor; внутрискважинный исполнительный механизм;downhole actuator; затрубное устройство герметизации, например пакер или пакерный элемент;an annular sealing device, such as a packer or packer element; клапан;valve; внутрискважинный модуль связи, например приемопередатчик или повторитель.downhole communication module, such as a transceiver or repeater. 24. Аппарат по п.23, в котором указанный клапан содержит по меньшей мере один из следующих элементов:24. The apparatus according to claim 23, wherein said valve comprises at least one of the following elements: подземный предохранительный клапан;underground safety valve; клапан управления расходом в стволе скважины;wellbore flow control valve; клапан ствол скважины - затрубное пространство;valve wellbore - annulus; клапан затрубное пространство - затрубное пространство;valve annulus - annulus; клапан ствол скважины - камера компенсации давления;wellbore valve - pressure compensation chamber; клапан затрубное пространство - камера компенсации давления;valve annulus - pressure compensation chamber; клапан через пакер или в обход пакера.valve through the packer or bypassing the packer. 25. Скважинная установка, имеющая металлическую конструкцию, обеспечивающую возможность протекания в ней электрического тока, содержащая:25. Downhole installation having a metal structure that allows electric current to flow in it, containing: модуль сбора по любому из пп.1-17, электрически соединенный с металлической конструкцией на первом участке и со вторым участком, отстоящим от первого участка, причем первый и второй участки выбраны так, чтобы при использовании между ними присутствовала разность потенциалов вследствие протекания в конструкции электрического тока;collection module according to any one of claims 1 to 17, electrically connected to a metal structure in the first section and to a second section spaced from the first section, wherein the first and second sections are selected so that, when used, there is a potential difference between them due to the flow of electrical power in the structure current; при этом модуль сбора выполнен с возможностью сбора электрической энергии от указанного электрического тока.wherein the collection module is configured to collect electrical energy from said electrical current.
EA201991572 2016-12-30 IN-WELL ENERGY COLLECTION EA043424B1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA043424B1 true EA043424B1 (en) 2023-05-24

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11795786B2 (en) Downhole energy harvesting
US20230019444A1 (en) Downhole energy harvesting
AU2016434681B2 (en) Downhole communication
US11072999B2 (en) Downhole energy harvesting
US11199075B2 (en) Downhole energy harvesting
EA043424B1 (en) IN-WELL ENERGY COLLECTION
OA19348A (en) Downhole Energy Harvesting
BR112019013173B1 (en) MONITORING, DOWNWELL DEVICE OPERATION, COMMUNICATION REPEATER, AND DOWNWELL ENERGY COLLECTION SYSTEMS HAVING METALLIC STRUCTURE CONDUCTING ELECTRICAL ENERGY