NO345850B1

NO345850B1 - Elektromagnetisk antenne for trådløs kommunikasjon mellom hydrokarbonproduserende brønner

Info

Publication number: NO345850B1
Application number: NO20131191A
Authority: NO
Inventors: Kjetil Johannessen
Original assignee: Statoil Petroleum As
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2021-09-06
Also published as: CA2826376A1; CA2826376C; GB201312756D0; NO20131191A1; GB2501636A; US20130328692A1; GB2501636B; US10185049B2; WO2012107107A1

Description

ELEKTROMAGNETISK ANTENNE FOR TRÅDLØS KOMMUNIKASJON MELLOM HYDROKARBONPRODUSERENDE BRØNNER

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en forbedret elektromagnetisk antenne for anvendelse i hydrokarbonproduksjonsbrønner.

Bakgrunn

Et mangfold av teknologier er utviklet for å sende kraft og/eller signaler (slik som datasignaler fra sensorer) til/fra dyp undergrunn i hydrokarbonproduksjonsbrønner. Anvendelsen av avanserte ekstraksjonsteknologier, slik som multilaterale brønner og rotasjonsboring gjennom rør (eng.: Through Tubing Rotary Drilling, TTRD) øker tilgangen til hydrokarbonreservene gjennom eksisterende brønnkompletteringer ved å bore nye sideborede hull som forgreninger fra det eksisterende produksjonsrøret.

Avstanden involvert i disse brønnforgreningene kan strekke seg over mange kilometer. Dette utgjør signifikante problemer med å installere signal- og kraftoverføringssystemer. De fleste strømsystemene er basert på kablet kraftforsyning fra overflaten. Kablene i kabelsystemene er imidlertid spesielt sårbare for skade, og det er vanskeligheter med å opprette kabelforbindelsene inne i brønnen.

Andre teknikker inkluderer induktiv kobling med anvendelsen av koblede sløyfeantenner. En annen slik teknologi, som beskrives i WO2007/004891, involverer anvendelsen av "strømtransformatorer" eller induktive koblere for å indusere en strøm på produksjonsrøret og plukke den opp igjen fra røret.

Eksisterende induktive koblingsteknologier har imidlertid et stort problem dersom det er en kortslutning mellom rørets innside og ringromfluidet langs en lang overføringslengde. Et annet problem med denne typen system er at det å sende et signal opp i røret til en mottaker ved brønnhodet, ofte krever at det anvendes mange repetisjoner. Repetisjoner øker kompleksiteten og installasjonskostnadene samt begrenser tilgangen til borehullet. En stor ulempe ved en strømtransformator er at den krever en vesentlig masse av induktivt materiale samt et stort antall viklinger på den sekundære spolen og/eller en relativt høy frekvens for å effektivt føre en akseptabel kraftmengde.

Det er også en tendens i nye oljefelt til å ha mange brønnforgreninger som deler seg i reservoarer fra én eller flere hovedbrønner (eng.: mother wells). Disse brønnmønstrene kan ha nytte av anvendelsen av elektromagnetiske teknikker for å fastsette egenskaper, inkludert hydrokarbonmetning innimellom forgreningene, følgelig er en effektiv eller forbedret fremgangsmåte for utsending og mottak av elektromagnetiske bølger av interesse.

WO 0212676 A1 beskriver et nedihullsapparat som gir datakommunikasjon ved elektromagnetisk (EM) stråling mellom et nedihullssted og en overflatestasjon. Separate sende- og mottaksspoler er gitt nede i hullet. Sendespolen omfatter et antall toroidespoler som er koblet parallelt, mens mottakespolen omfatter et antall toroidspoler som er koblet i serie, og alle de individuelle spolene er av identisk konstruksjon.

US 4739325 A beskriver en MWD EM data/kontroll telemetri lenke mellom nedihullsinstrumenter og jordoverflateinstrumenter som tilpasser seg dynamisk til det underjordiske elektriske miljøet ved hjelp av en nedihullsmikroprosessorenhet og en overflate-dataprosesseringsenhet.

US 2354887 A beskriver signalanlegg for bruk i hydrokarbonbrønner eller lignende.

US 6525540 B1 beskriver en fremgangsmåte for å oppdage elektriske egenskaper i en geologisk formasjon i en brønn som har en rørstreng. Det er også beskrevet en anordning for å utføre metoden.

Kort beskrivelse

Den foreliggende oppfinnelsen er basert på konseptet med å sende et elektromagnetisk (EM) signal på en plassering nede i et borehull og plukke opp signalet fra EM-strålingsfeltet et annet sted (f.eks. ved overflaten eller havbunnen for offshoreproduksjon). De eksisterende teknologiene (noen av dem er beskrevet ovenfor) gjør det mulig å tilveiebringe tilstrekkelig kraft ned i en brønn til å sende et kraftig elektromagnetisk (EM) signal på en antenne. Kraften kan tilveiebringes fra overflaten og mates via kabler eller andre kraftoverføringstekno logier, eller tilveiebringes lokalt i brønnen fra batterier eller generatorer. Genereringen av EM-stråling fra en plassering nede i en brønn har hittil vært basert på å tilveiebringe en ledning i røret som er i kontakt med røret ved to punkter, slik at selve røret virker som en dipolantenne. EM-stråling anvendes også for å inspisere formasjonen (dvs. stein, sand osv., gjennom hvilke brønnen bores), men i disse tilfellene er EM-feltene som anvendes på formasjonen, basert på kraftmatinger via kabler fra overflaten som så typisk sendes inn i formasjonen ved punktkontakter, vanligvis i åpent hull (dvs. ingen fôring i borehullet) under formasjonslogging.

Henvisninger heri til rør, produksjonsrør og fôringsrør må ikke anses som henvisning til en hvilken som helst bestemt type eller plassering i en brønnkomplettering. Generelt, der brønnen har en fôring som fôrer borehullet, vil den utbredte terminologien være et "rør" eller "produksjonsrør" som løper inne i borehullet med et ringformet rom mellom røret og fôringen. Der det ikke er noen fôring, hvilket er typisk i de nedre delene av en brønn, er imidlertid terminologien vanligvis "fôringsrør" eller "produksjonsfôringsrør".

Ifølge et første aspekt ved den foreliggende oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for å sende signaler fra en hydrokarbonproduksjonsbrønn.

Brønnen omfatter et borehull dannet i en formasjon, et produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør som går aksialt langs borehullet, og en induktiv kobling anordnet rundt produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret. Produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret er elektrisk koblet til formasjonen på to aksialt adskilte plasseringer og er elektrisk isolert fra formasjon mellom plasseringene.

Fremgangsmåten omfatter å tilveiebringe et vekselstrømsignal til den induktive koblingen for å indusere en strøm i produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret, idet produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret danner en dipolantenne som genererer et elektromagnetisk strålingssignal som brer seg gjennom formasjonen.

Ifølge et andre aspekt ved den foreliggende oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for å motta signaler i en hydrokarbonproduksjonsbrønn. Brønnen omfatter et borehull dannet i en formasjon, et produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør som går aksialt langs borehullet, og en induktiv kobling anordnet rundt produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret. Produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret er elektrisk koblet til formasjonen på to aksialt adskilte plasseringer og er elektrisk isolert fra formasjon mellom plasseringene, idet produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret danner en dipolantenne.

Fremgangsmåten omfatter å eksponere dipolantennen for et elektromagnetisk strålingssignal som har bredt seg gjennom formasjonen for å indusere et vekselstrømsignal i røret; og detektere strømsignalet ved den induktive koblingen.

Følgelig virker den elektrisk isolerte rørlengden som en dipolantenne når strøm induseres i røret ved den induktive koblingen eller den elektromagnetiske strålingen. Et eksempel på en slik induktiv kobling eller "strømtransformator" beskrives i WO2007/004891 og omfatter i hovedsak en lukket sløyfe av induktivt kjernemateriale som omslutter røret. En rekke viklinger anvendes rundt kjernematerialet ved de sekundære viklingene. Oppsettet transformerer også impedans, slik at et høyt antall viklinger kan generere en match med en svært lav impedans i røret. I stedet for å tilveiebringe en ledning i røret som er i kontakt med røret ved to punkter som beskrevet ovenfor, krever oppfinnelsen kun en induktiv kobling for å indusere en strøm i den isolerte rørlengden. Ettersom hver ende av den isolerte rørlengden har en elektrisk tilkobling til formasjonen, er det en tilbakestrømvei gjennom formasjonen. Jo lengre den isolerte seksjonen er (dvs. jo lengre fra forbindelsene til formasjonen), desto lengre antenne og desto større antennefeltstyrke så lenge antennen er kortere enn halvparten av den elektromagnetiske bølgelengden i formasjonen.

Fremgangsmåten kan ytterligere omfatte det å motta eller sende det elektromagnetiske strålingssignalet ved en antenne anordnet nær formasjonens overflate.

Fremgangsmåten kan ytterligere omfatte å tilføye en lengde av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret for å utvide lengden av antennen mellom de aksialt adskilte plasseringene. Lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret kan tilføyes for å forbedre impedansmatching av dipolantennen.

Strømsignalet kan genereres fra et kraftsignal tilveiebrakt til den induktive koblingen av en indusert strømoverføringsanordning omfattende et par matchede induktive koblinger. Alternativt kan strømsignalet genereres fra et kraftsignal tilveiebrakt til den induktive koblingen via en kabel. Kraftsignalet kan tilveiebringes ved en første frekvens og fremgangsmåten kan inkludere omforming av frekvensen til en andre, lavere frekvens for å generere en lavere frekvens av det elektromagnetiske strålingssignalet som har bredt seg i formasjonen.

Den induktive koblingen kan være beliggende på en siktinkluderende lengde av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret mellom tilgrensende siktseksjoner.

Ifølge et tredje aspekt ved den foreliggende oppfinnelsen er det tilveiebrakt et system for å sende signaler i en hydrokarbonproduksjonsbrønninstallasjon som omfatter et borehull som er dannet i en formasjon, og et produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør som går aksialt langs borehullet. En første antenne er dannet av en første lengde av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret som er elektrisk koblet til formasjonen på to aksialt adskilte plasseringer, og er elektrisk isolert fra formasjon mellom plasseringene. En induktiv kobling er anordnet rundt den første lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret, og en vekselstrømsignalgenerator tilveiebringer et signal til den induktive koblingen. En andre antenne mottar et elektromagnetisk strålingssignal som brer seg gjennom formasjonen, og som genereres av den første antennen.

Den første antennen kan være beliggende i en brønnforgrening. Den andre antennen kan være anordnet nær formasjonens øvre overflate. Formasjonens øvre overflate kan være en havbunn.

Den andre antennen kan være en elektrisk dipolantenne, en magnetometerantenne eller en hvilken som helst form for antenne som er egnet for anvendelse med elektromagnetiske signaler som har frekvenser på under 10 kHz. Den andre antennen kan være dannet av en andre lengde av produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør i et borehull, der den andre lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret er elektrisk koblet til formasjonen på to ytterligere aksialt adskilte plasseringer, og elektrisk isolert fra formasjonen mellom de ytterligere plasseringene.

Systemet kan omfatte en flerhet første antenner anordnet på en flerhet plasseringer i én eller flere hydrokarbonproduksjonsbrønner.

Ifølge et fjerde aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en antenne for anvendelse i en hydrokarbonproduksjonsbrønninstallasjon. Brønnen omfatter et borehull som er dannet i en formasjon, et produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør som går aksialt langs borehullet. Antennen omfatter en lengde av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret med elektriske koblinger til formasjonen på to aksialt adskilte plasseringer, der lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret er elektrisk isolert fra formasjonen mellom plasseringene. En induktiv kobling er anordnet rundt den første lengden av produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør. En vekselstrømsignalgenerator tilveiebringer et signal til den induktive koblingen for å indusere en strøm i produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret, idet produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret danner en dipolantenne for å generere et elektromagnetisk strålingssignal som brer seg gjennom formasjonen.

Ifølge et femte aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en antenne for anvendelse i en hydrokarbonproduksjonsbrønninstallasjon. Brønnen omfatter et borehull som er dannet i en formasjon, et produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør som går aksialt langs borehullet. Antennen omfatter en lengde av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret med elektriske koblinger til formasjonen på to aksialt adskilte plasseringer, der lengden av produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør er elektrisk isolert fra formasjonen mellom plasseringene. En induktiv kobling er anordnet rundt den første lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret. En mottaker detekterer et strømsignal indusert i den induktive koblingen som et resultat av en strøm som er indusert i røret, som et resultat av eksponering av antennen for et elektromagnetisk strålingssignal som har bredt seg gjennom formasjonen.

I utførelsesformer av de fjerde eller femte aspektene kan produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret være beliggende i en brønnforgrening. Den induktive koblingen kan være beliggende på en siktinkluderende lengde av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret mellom tilgrensende siktseksjoner. Antennen kan ytterligere omfatte en indusert strømoverføringsanordning omfattende et par matchede induktive koblinger for tilførsel av et vekselstrømkraftsignal til den første antennen. Antennen kan ytterligere omfatte en frekvensomformer for å omforme vekselstrømkraftsignalets frekvens til en lavere frekvens for signalgeneratoren. Frekvensomformeren kan omfatte en tilkoblet kondensatoranordning. Antennen kan ytterligere omfatte en kabel for tilførsel av kraftsignal til antennen. Antennen kan ytterligere omfatte en kabel for å forbikoble (eng.: bypassing) en seksjon av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret som har et stort overflateareal eksponert, for å utvide den første antennens lengde utover seksjonen. Seksjonen av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret kan omfatte én eller flere siktinkluderende lengder, en isolert ledende kabel som forbinder røret på hver side av de siktinkluderende lengdene. Den siktinkluderende lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret kan omfatte sikter som har spor deri for å romme kabelen. Lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret kan være belagt med et elektrisk isolasjonsmateriale.

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1 er en illustrasjon som viser strømveier for en strøm som er indusert i et produksjonsfòringsrør av en induktiv kobling.

Figur 2 illustrerer en antenneutførelsesform i henhold til prinsippene ifølge den foreliggende oppfinnelsen.

Figur 3 illustrerer én utførelsesform av en antenneanordning med et produksjonsfôringsrør og induktive koblinger.

Figur 4 illustrerer en annen utførelsesform av en antenneanordning med et produksjonsfôringsrør og induktive koblinger.

Figur 5 illustrerer i skjematisk form en tilkoblet kondensatorkrets for frekvensomforming av et strømsignal sendt på en rørledning.

Figur 6 er en graf som viser omformingen av et signal av kretsen i figur 5.

Figur 7a og 7b viser henholdsvis et oppriss og tverrsnittseksjon av en siktinkluderende seksjon av et produksjonsfôringsrør.

Figur 8 viser en utførelsesform som inkluderer en siktinkluderende og ikkesiktinkluderende seksjon av et produksjonsfôringsrør som danner en del av en antenne.

Med henvisning til figur 1 har en lengde av rør 10, for eksempel en lengde av produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør, en induktiv kobling eller "strømtransformator" 12 viklet rundt røret 10 og en tilgrensende strømsignalgeneratorenhet 14. Når et strømsignal tilføres den induktive koblingen 12, induserer dette en strøm i røret 10, som indikert ved pilene 16. Avhengig av omgivelsene til røret 10 (elektrisk konduktivitet, kontaktmotstand osv.) kan en tilbakestrømvei gå som indikert ved pilene 18. Dette resulterer i et elektromagnetisk felt som brer seg gjennom omgivelsene. Følgelig virker røret som en dipolantenne. Den elektromagnetiske strålingens genererte styrke avhenger av en rekke faktorer, inkludert materialegenskapene til røret og omgivelsene samt styrken på strømsignalet som påføres den induktive koblingen 12. Som vist ved den relative størrelsen på pilene 16 svekkes den induserte strømmens styrke med avstanden langs røret fra den induktive koblingen 12, hvilket begrenser antennens effektive lengde. Prinsippet reverseres når enheten fungerer som en mottaker, der det i stedet for en generatorenhet 14 er en signalmottaksenhet. Det er også mulig å indusere en magnetfeltkomponent i røret ved å anbringe sløyfer for den induktive koblingen på en bestemt måte, og dette kan være nyttig ved lett modifisering av antennens kjennetegn.

Figur 2 illustrerer hvordan prinsippet som vises i figur 1, kan anvendes med større virkning i en hydrokarbonproduksjonsbrønn. Tilsvarende trekk som de som vises i figur 1, har samme henvisningstall. Produksjonsfôringsrøret 10 er isolert fra omgivelsene langs sin lengde, med elektrisk kontakt med omgivelsene kun på hver ende 20, 22. Dersom for eksempel fôringsrøret 10 er installert inne i et borehull eller et sideboret hull, vil det være nødvendig å sørge for at det ikke er elektrisk kontakt, eller i det minste god isolasjon, mellom røret 10 og borehullet langs rørets 10 lengde. Dette sørger for at det ikke er lekkstrøm fra røret 10 til formasjonen langs rørets 10 lengde. Som en følge utvides dipolantennens lengde, fastsatt av avstanden mellom endene 20,22 der det er elektrisk kontakt med formasjonen. En rekke målinger kan utføres for å sørge for at røret er elektrisk isolert fra omgivelsene, inkludert det å anvende sentreringsmiddel som sørger for adekvat avstand mellom fôringsrøret 10 og borehullet, eller anvendelse av isolasjonsmateriale for å belegge rørets 10 utside.

I anvendelser som involverer et trådløst måle- eller sensorsystem for en nedihulls hydrokarbonbrønn, er telemetrien den mest energiforbrukende delen. Derfor, for å anvende produksjonsfôringsrøret som en antenne, er det foretrukket å forlenge den effektive dipolen, for eksempel fordi forlengelse av dipolen med en faktor på 4 forbedrer området langt mer enn det å øke sendt kraft med en faktor på 4. Frem til parasittmotstanden i systemet blir dominerende eller den elektromagnetiske halvbølgelengden nærmer seg, er strekking av dipolen en effektiv måte å forbedre ytelsen i hele systemet på og redusere kraftforbruk. Dersom kraft til systemet primært er basert på lokalbatterier, vil dette utvide levetiden til sensorsystemet eller tillate at flere data kan sendes. Dersom kraft tilveiebringes fra en energigenerator, gjør evnen til å operere ved lavere kraft at de fysiske og elektriske kravene til energigenereringssystemet letter. Denne fordelen resulterer i en kombinasjon av redusert trykkfall (som et resultat av størrelsesmessig mindre utstyr i brønnen), anvendelig strømningsområde og redusert slitasje i kraftgeneratoren.

Figur 3 illustrerer en alternativ måte for hvordan strømsignalet tilveiebringes til den induktive koblingen 12. Tilsvarende trekk som de som vises i figur 1 og 2, har samme henvisningstall. En andre induktiv kobling eller "strømtransformator" 24 anvendes for å sende strømsignalene til den induktive koblingen 12 ved hjelp av signaloverføringskapasitetene i denne teknologien for induktiv kobling, som beskrevet for eksempel i WO2007/004891. Som vist i figur 3 er kun en første lengde 26 av produksjonsrøret 10 som går fra den andre induktive koblingen 24, isolert, mens en andre lengde 28 av røret 10 i nærheten av den induktive koblingen 12, ikke er isolert slik. Følgelig er antennen i dette tilfellet lignende den som vises i figur 1, og har begrenset lengde. Kraften som induseres i røret av den induktive kobleren 12, kan imidlertid splittes fra den effektive antennen. Dette kan gjøres på forskjellige måter, én av dem illustreres i figur 3, der den induktive kobleren 12 tilfører mye av sin energi lokalt inn i formasjonen gjennom kontakten med formasjonen ved den ikke-isolerte lengden av røret 28. En del av strømmen som induseres, kan fortsatt holdes på røret 28 via den isolerte første lengden 26 for å tilføre kraft og/eller signaler til den andre induktive kobleren 24.

Figur 4 illustrerer hvordan anordningen i figur 3 kan anvendes effektivt som en utvidet dipolantenne. Tilsvarende trekk som de som vises i figur 1 til 3, har samme henvisningstall. I dette tilfellet er produksjonsfôringsrøret 10 isolert hele veien mellom den andre induktive koblingen 24 og den induktive koblingen 12. Følgelig virker hele lengden av isolert rør som en dipolantenne som beskrevet ovenfor. Kraften for å drive antennen tilveiebringes imidlertid fra en ekstern kilde via det induktive koblingsparet 12, 24. I dette tilfellet er strålingsenergien på samme frekvens som strømmen som induseres i røret. Strømsignalgeneratoren 14 kan inkludere en frekvensomformer (som vil beskrives mer detaljert i det følgende med henvisning til figur 5 og 6) for å tilveiebringe et strømsignal med lavere frekvens til den induktive koblingen 12 for å drive antennen.

Denne anordningen kan også anvendes for å redusere volumet som kreves i sendesystemet, hvilket er spesielt viktig der antennen skal opereres ved svært lave frekvenser, f.eks. 10 Hz eller lavere. Utbredelsestap for en elektromagnetisk bølge i formasjonen øker med frekvensen. Derfor er det viktig for langtrekkende anvendelser å kunne emittere og motta svært lave frekvenser. Følgelig kan strømsignalet sendes mellom de to induktive koblingene 12, 24 som danner et matchet par, slik at begge koblingene induserer samme strømsignal i røret 10 på sine respektive plasseringer. Dette gjør også at antennens effektive lengde kan utvides uten at motstanden i røret 10 reduserer antennens effektivitet for mye.

Antennens lengde kan utvides ved å tilføye seksjoner av isolert rør i den totale lengden (inkludert, om nødvendig, anvendelse av sentreringsmiddel og ledende forbindelser mellom rørseksjonene). Det å tilføye (eller endre) antennens lengde er også en effektiv måte å forbedre antennens impedansmatching på. Antennens impedans inkluderer alle kjennetegnene til røret som virker som en antenne, inkludert kapasitive og induktive deler av selve røret og impedanstransformeringen som finner sted i de induktive koblerne. Følgelig kan det å tilføye en rørlengde anvendes for å forbedre impedansmatchingen ved å anvende motstanden i rørets og formasjonens veilengde som en matchende parameter. God impedansmatching er viktig for effektiviteten av EM-overføringen.

Om nødvendig kan overføringen mellom de to matchede induktive koblingene 12, 24 likerettes og/eller gjennomgå en frekvensomforming. For eksempel kan enkle kretskoblinger som involverer et sett med kondensatorer (eller også batterier) anvendes for å nedomforme frekvensen. Figur 5 illustrerer et eksempel på en enkel tilkoblet kondensatorkrets 30 som kan inkluderes i den induktive koblingssammenstillingen montert på røret 10. Denne kretsen 30 virker effektivt som kraftforsyning av typen matepumpe (eller tilkoblet kondensator), men med et fastsatt intervallforhold (eng.: turn down ratio) ettersom frekvensene er så lave. For eksempel kan de induktive koblingene operere ved 100 Hz, mens den eksterne dipolantennekretsen opererer ved 10 Hz. Ettersom frekvensen er svært lav, utsettes ikke tilkoblingskomponentene for unødig belastning. Figur 6 illustrerer det eksterne utgangssignalet 32 som mates til antennen fra kretsen 30, basert på firkantbølgeinngangssignalet 34 mottatt på røret 10. Det å opererer med strømmen indusert i røret ved en høyere frekvens, muliggjør mindre fysisk volum på de magnetiske komponentene og viklingene. Dette er generelt resultatet av magnetisk metning i det magnetiske kjernematerialet og er en viktig faktor for å holde dimensjonene i den induktive kobleren små. Det vil følgelig være en avveining mellom utbredelsestap og reduksjon av magnetisk materiale når de induktive koblerenes frekvens og størrelse skal fastsettes.

Der antennen skal anvendes som en mottaker, kan den andre induktive koblingen 24 kobles ut (forbikobles) ettersom nivået av det mottatte signalet ikke vil representere noe problem for transformatormagnetiseringsmetningen.

Figur 7a og 7b illustrerer en siktinkluderende seksjon av et produksjonsfôringsrør. Siktinkluderende seksjoner anvendes på plasseringer der hydrokarboner kommer inn i produksjonsfôringsrøret, og der det er nødvendig å hindre at for mye faststoff ekstraheres med hydrokarbonet. Som vist inkluderer den siktinkluderende seksjonen 40 av rør en serie med sylindriske sikter 42 med maske som omgir en seksjon av fôringsrøret 44 med hull 46, gjennom hvilke hydrokarbonene går over i røret. Noen siktutforminger, slik som de som vises i figur 7a og 7b, inkluderer et spor 48 langs hvilken en kabel 49 kan løpe.

Siktinkluderende seksjoner, slik som dem som vises i figur 7a og 7b, er vanskelig å isolere fra formasjonen, hvilket øker sannsynligheten for lekkstrøm. I motsetning til i et sementert fôringsrør blir ikke sikter i et "åpent hull"- borehull delvis isolert av sementen. Overflatearealet er dessuten større, og de har typisk et høyere motstandsforhold langs rørledningen til parasittmotstand mot formasjonen enn ikke-siktinkluderende rørseksjoner. I utførelsesformen som vises i figur 8, kan derfor en siktinkluderende seksjon 50 av rør forbikobles i en antenne ved å koble en høykonduktivitetsisolert kabel 52 som forbinder en seksjon av fôringsrør 54, i hvilken en strøm induseres av en induktiv kobling 56, til en annen seksjon av rør 58 på den andre siden av den siktinkluderende seksjonen 50. I dette tilfellet vil det være fordelaktig for de enkelte siktene å være elektrisk isolert fra hverandre. Dette kan gjøres ved å anvende et kompositt tilpasningsrør som en elektrisk isolasjon. Selv om siktseksjonen ikke forbikobles med høykonduktivitetskabelen, vil det å isolere siktene medføre redusert lekkstrøm fra røret og forbedre dipollengden.

Ved anvendelse i en typisk installasjon, for eksempel i den horisontale seksjonen av en forgrenet brønn, kan den induktive koblingen 12 konstrueres for montering på røret og dermed tilpasses mellom siktene. For eksempel vil dette gi cirka 10 til 15 mm på radiusen for den induktive koblingens / strømtransformatorens kjerne og spole på et 6 5/8-fôringsrør mellom 6 5/8-siktseksjoner. Dessuten kan en kort seksjon av mindre diameterrør anvendes for plasseringen av den induktive koblingen 12. Resten av den assosierte elektronikken (og for eksempel batteriene dersom antennen skal drives med en lokal signalgenerator) kan kreve noe mer plass. Avhengig av kravene til tilgang til brønnen nedenfor kan dette monteres lokalt inne i fôringsrøret uten å være en for stor begrensning eller generere et for stort trykkfall for produksjonsfluidene.

Ved anvendelse for telemetri omfatter systemet som helhet sending av signaler for antennen, dannet av en lengde av produksjonsfôringsrør i brønnen, og dette mottas ved en korresponderende mottakende antenne. Den mottakende antennen (ikke vist i tegningene) er beliggende ved en øvre overflate av formasjonen, som kan være på bakkenivå (for brønner på land) eller på havbunnen (for offshorebrønner). Den mottakende antennen kan være en elektrisk dipolantenne, en magnetometer-antenne eller en hvilken som helst annen egnet form for antenne. Det formodes at de fleste anvendelsene vil operere ved svært lave frekvenser, og den mottakende antennen er derfor ideelt sett av en type som egner seg for å motta elektromagnetiske signaler som har frekvenser under 10 kHz. Alternativt kan den mottakende antennen være en annen antenne som er dannet av en andre lengde av fôringsrør i et borehull – enten i del av den samme brønnen som den sendende antennen, eller i en annen brønn.

Antennesystemene som beskrives i utførelsesformene ovenfor, er generelt beskrevet som sendende antenner, men det skal forstås at de like gjerne kan benyttes som mottakende antenner som anvender mange av de samme prinsippene som de som beskrives ovenfor.

Antennesystemene beskrevet ovenfor tilveiebringer en rekke potensielt verdifulle anvendelser. En effektiv antennekonstruksjon muliggjør lengre kommunikasjonsavstander og åpner for muligheten for å ha kun én sentralt montert mottaker for et komplett felt. Utplassering av mottakere på havbunnen er svært kostbart. Som allerede nevnt er EM-stråling, så vel som å bli anvendt for telemetri, et nyttig verktøy for geofysiske målinger. Følgelig kan antennesystemet også anvendes uten særlig tilleggskostnader for å tilveiebringe informasjon om vann- og oljeinnholdet mellom borehull i et felt. Denne informasjonen kan anvendes for å fastsette alternativer for en feltdreneringsstrategi og endre en utspyling (eng.: sweep) langt tidligere enn noen av strøm-nær-brønnenteknikkene kan tilby.

Antennesystemet kan også anvendes som en del av et større system der antennene i flere brønner anvendes primært for å kommunisere til en havbunnsmottaker, men også integrert som et interbrønn-EM-sensorsystem.

Claims

Patentkrav

1.

Fremgangsmåte for å sende signaler fra en hydrokarbonproduksjonsbrønn, hvori brønnen omfatter et borehull dannet i en formasjon, et produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør (10) som går aksialt langs borehullet, og karakterisert ved en induktiv kobling (12) anordnet rundt produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10), og hvori produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10) er elektrisk koblet til formasjonen på to aksialt adskilte plasseringer (20,22) og er elektrisk isolert fra formasjonen mellom plasseringene, der fremgangsmåten omfatter:

å tilveiebringe et vekselstrømsignal til den induktive koblingen (12) for å indusere en strøm i produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10), idet produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10) danner en dipolantenne som genererer et elektromagnetisk strålingssignal som brer seg gjennom formasjonen.

2.

Fremgangsmåte for å motta signaler i en hydrokarbonproduksjonsbrønn, hvori brønnen omfatter et borehull dannet i en formasjon, et produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør (10) som går aksialt langs borehullet, og karakterisert ved en induktiv kobling (12) anordnet rundt produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10), og hvori produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10) er elektrisk koblet til formasjonen på to aksialt adskilte plasseringer (20,22) og er elektrisk isolert fra formasjonen mellom plasseringene, idet produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10) danner en dipolantenne, der fremgangsmåten omfatter:

å eksponere dipolantennen for et elektromagnetisk strålingssignal som brer seg gjennom formasjonen for å indusere et vekselstrømsignal i produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10); og

å detektere strømsignalet ved den induktive koblingen (12).

3.

Fremgangsmåten ifølge krav 1 eller krav 2, ytterligere omfattende det å motta eller sende det elektromagnetiske strålingssignalet ved en antenne anordnet nær formasjonens overflate.

4.

Fremgangsmåten ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 3, ytterligere omfattende å tilføye en lengde av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret for å utvide lengden av antennen mellom de aksialt adskilte plasseringene (20,22).

5.

Fremgangsmåten ifølge krav 4, hvori lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret tilføyes for å forbedre dipolantennens impedansmatching.

6.

Fremgangsmåten ifølge krav 1, hvori strømsignalet genereres fra et kraftsignal tilveiebrakt til den induktive koblingen (12) av en indusert strømoverføringsanordning omfattende et par matchede induktive koblinger (12,24).

7.

Fremgangsmåten ifølge krav 1, hvori strømsignalet genereres fra et kraftsignal tilveiebrakt til den induktive koblingen via en kabel (49).

8.

Fremgangsmåten ifølge krav 6 eller krav 7, hvori kraftsignalet er tilveiebrakt ved en første frekvens og fremgangsmåten inkluderer omforming av frekvensen til en andre, lavere frekvens for å generere en lavere frekvens av det elektromagnetiske strålingssignalet som har bredt seg i formasjonen.

9.

Fremgangsmåten ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 8, hvori den induktive koblingen (12) er beliggende på en siktinkluderende lengde av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10) mellom tilgrensende siktseksjoner.

10.

System for å sende signaler i en hydrokarbonproduksjonsbrønninstallasjon som omfatter et borehull som er dannet i en formasjon, og et produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør (10) som går aksialt langs borehullet, der systemet er karakterisert ved å omfatte:

en første antenne dannet av en første lengde av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10) som er elektrisk koblet til formasjonen på to aksialt adskilte plasseringer (20,22), og er elektrisk isolert fra formasjon mellom plasseringene, en induktiv kobling (12) anordnet rundt den første lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10), og en vekselstrømgenerator (14) for å tilveiebringe et signal til den induktive koblingen (12); og

en andre antenne for mottak av et elektromagnetisk strålingssignal som brer seg gjennom formasjonen, og som genereres av den første antennen.

11.

Systemet ifølge krav 10, hvori den første antennen er beliggende i en brønnforgrening.

12.

Systemet ifølge krav 10 eller krav 11, hvori den andre antennen er anordnet nær en øvre overflate av formasjonen.

13.

Systemet ifølge krav 12, hvori formasjonens øvre overflate er en havbunn.

14.

Systemet ifølge hvilket som helst av kravene 10 til 13, hvori den andre antennen er en elektrisk dipolantenne, en magnetometerantenne eller en hvilken som helst form for antenne som er egnet for anvendelse med elektromagnetiske signaler som har frekvenser på under 10 kHz.

15.

Systemet ifølge hvilket som helst av kravene 10 til 14, hvori den andre antennen er dannet av en andre lengde av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret i et borehull, der den andre lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret er elektrisk koblet til formasjonen på to ytterligere aksialt adskilte plasseringer, og elektrisk isolert fra formasjonen mellom de ytterligere plasseringene.

16.

Systemet ifølge hvilket som helst av kravene 10 til 15, omfattende en flerhet av de første antennene anordnet på en flerhet plasseringer i én eller flere hydrokarbonproduksjonsbrønner.

17.

Antenne for anvendelse i en hydrokarbonproduksjonsbrønninstallasjon, hvori brønnen omfatter et borehull dannet i en formasjon, idet et produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør (10) går aksialt langs borehullet, der antennen er karakterisert ved å omfatte:

en lengde av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10) med elektriske koblinger til formasjonen på to aksialt adskilte plasseringer (20,22), der lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10) er elektrisk isolert fra formasjonen mellom plasseringene;

en induktiv kobling (12) anordnet rundt den første lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret (10), og

en vekselstrømsignalgenerator for å tilveiebringe et signal til den induktive koblingen (12) for å indusere en strøm i produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret, idet produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret danner en dipolantenne for å generere et elektromagnetisk strålingssignal som brer seg gjennom formasjonen.

18.

Antenne for anvendelse i en hydrokarbonproduksjonsbrønninstallasjon, hvori brønnen omfatter et borehull dannet i en formasjon, idet et produksjonsfôringsrør eller produksjonsrør går aksialt langs borehullet, der antennen er karakterisert ved å omfatte:

en lengde av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret med elektriske koblinger til formasjonen på to aksialt adskilte plasseringer, idet lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret er elektrisk isolert fra formasjonen mellom plasseringene;

en induktiv kobling anordnet rundt den første lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret, og

en mottaker for detektering av et strømsignal indusert i den induktive koblingen som et resultat av en strøm som er indusert i produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret, som et resultat av eksponering av antennen for et elektromagnetisk strålingssignal som har bredt seg gjennom formasjonen.

19.

Antennen ifølge krav 17 eller krav 18, hvori produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret er beliggende i en brønnforgrening.

20.

Antennen ifølge hvilket som helst av kravene 17 til 19, hvori den induktive koblingen er beliggende på en siktinkluderende lengde av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret mellom tilgrensende siktseksjoner.

21.

Antennen ifølge krav 17, ytterligere omfattende en indusert strømoverføringsanordning omfattende et par matchede induktive koblinger for tilførsel av et vekselstrømkraftsignal til den første antennen.

22.

Antennen ifølge krav 21, ytterligere omfattende en frekvensomformer for å omforme vekselstrømkraftsignalets frekvens til en lavere frekvens for signalgeneratoren.

23.

Antennen ifølge krav 22, hvori frekvensomformeren omfatter en tilkoblet kondensatoranordning.

24.

Antennen ifølge hvilket som helst av kravene 17 til 23, ytterligere omfattende en kabel for tilførsel av et kraftsignal til antennen.

25.

Antennen ifølge hvilke som helst av kravene 17 til 24, ytterligere omfattende en kabel for å forbikoble en seksjon av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret som har en stor overflatearealeksponering, for å utvide den første antennens lengde utover seksjonen.

26.

Antennen ifølge krav 25, hvori seksjonen av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret omfatter én eller flere siktinkluderende lengder, en isolert ledende kabel som forbinder produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret på hver side av de siktinkluderende lengdene.

27.

Antennen ifølge krav 26, hvori den siktinkluderende lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret omfatter sikter som har spor deri for å romme kabelen.

28.

Antennen ifølge hvilke som helst av kravene 17 til 27, hvori lengden av produksjonsfôringsrøret eller produksjonsrøret er belagt med et elektrisk isolasjonsmateriale.