RU205239U1

RU205239U1 - HIGH-SPEED COMMUNICATION CHANNEL RECEIVING-TRANSMISSION UNIT

Info

Publication number: RU205239U1
Application number: RU2020130358U
Authority: RU
Inventors: Роберт Ибрагимович Алимбеков; Ильяс Салаватович Байгускаров; Алексей Вячеславович Кудрявцев; Ильгиз Рафекович Енгалычев; Константин Витальевич Мельников; Аскер Ленарович Галимов
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2021-07-05

Abstract

Полезная модель относится к разработке объектов нефтегазовых месторождений и может быть использована для организации высокоскоростных, помехозащищенных каналов связи в скважинном пространстве.Блок приемо-передающий скважинный высокоскоростного канала связи, располагающийся выше погружного электродвигателя, включает в себя модем скважинный высокоскоростной совмещенного канала связи, подключенный к силовой кабельной линии и использующий в качестве обратной сигнальной цепи, металлические части заземленной скважинной компоновки и силового кабеля. Также этот блок приемо-передающий содержит модуль измерительный, модуль управления, модуль интерфейсный с возможностью подключения к нему дополнительной аппаратуры, модуль оптоэлектронного модема с подключенным к его первому входу-выходу оптоволоконным кабелем, для возможного его подключения к скважинным измерительным и управляющим блокам, а второй вход-выход модуля оптоэлектронного модема подключен к первому входу-выходу модуля управления, у которого второй вход-выход связан с первым входом-выходом модуля интерфейсного, второй вход-выход модуля интерфейсного предназначен для подключения дополнительной аппаратуры, причем третий вход-выход модуля управления соединен с модулем измерительным, а четвертый вход-выход подключен к первому входу-выходу модема скважинного, второй вход-выход которого предназначен для подключения к силовой кабельной линии. Техническим результатом реализации заявляемой полезной модели является повышение эффективности скважинных управляющих и информационно-измерительных систем за счет увеличение скорости сбора и обработки скважинной информации, повышения ее достоверности.The utility model relates to the development of oil and gas fields and can be used to organize high-speed, noise-immune communication channels in the borehole space. cable line and using metal parts of the grounded downhole assembly and power cable as a return signal circuit. Also, this receiving-transmitting unit contains a measuring module, a control module, an interface module with the ability to connect additional equipment to it, an optoelectronic modem module with a fiber-optic cable connected to its first input-output, for its possible connection to downhole measuring and control units, and the second the input-output of the optoelectronic modem module is connected to the first input-output of the control module, in which the second input-output is connected to the first input-output of the interface module, the second input-output of the interface module is intended for connecting additional equipment, and the third input-output of the control module is connected with a measuring module, and the fourth input-output is connected to the first input-output of the downhole modem, the second input-output of which is intended for connection to the power cable line. The technical result of the implementation of the claimed utility model is to increase the efficiency of downhole control and information-measuring systems by increasing the rate of collection and processing of downhole information, increasing its reliability.

Description

Полезная модель относится к разработке объектов нефтегазовых месторождений и может быть использована для организации высокоскоростных, помехозащищенных каналов связи в скважинном пространстве.The utility model relates to the development of oil and gas fields and can be used to organize high-speed, interference-free communication channels in the borehole space.

Рост сложности задач управления технологическими процессами при разработке, освоении и добыче углеводородного сырья обуславливает необходимость совершенствования устройств сбора и передачи скважинной измерительной информации, в том числе, для технологических установок, использующих в качестве приводных агрегатов погружные электродвигатели (ПЭД). Наличие силового кабеля, подключающего ПЭД к наземному источнику управляемой электроэнергии, усложняет конструкцию технологических установок, однако наличие силовых электрических цепей позволяет создавать совмещенные информационные каналы связи скважина-поверхность. Кроме того, наличие электрических цепей в призабойной зоне позволяет сравнительно просто обеспечить электропитание аппаратуры, размещенной в этой зоне. Следует также отметить, что в современных условиях существенно возросли требования к эффективности каналов связи скважина-поверхность. Внедрение при добыче углеводородного сырья систем, обозначенных как интеллектуальная скважина (Новая классификация цифровых и интеллектуальных скважин. А.Н Еремин // Автоматизация и IT в нефтегазовой области. - 2016. - №2 - С. 2-4), в бурении - геонавигационных систем (URL: Technology Roundtable: LWD https://rogtecmagazine.com), требует высокой пропускной способности каналов связи скважина-поверхность для оперативного получения большого объема достоверной информации, причем аппаратура, представляющая собой единую скважинную систему, исходя из функционального назначения может располагаться по стволу скважины как над ПЭД, так и под ним.The growing complexity of the tasks of controlling technological processes in the development, development and production of hydrocarbon raw materials necessitates the improvement of devices for collecting and transmitting downhole measuring information, including for technological units using submersible electric motors (SEM) as drive units. The presence of a power cable connecting the submersible motor to a ground source of controlled electricity complicates the design of technological units, however, the presence of power electric circuits makes it possible to create combined information channels of well-surface communication. In addition, the presence of electrical circuits in the bottomhole zone makes it relatively easy to provide power to the equipment located in this zone. It should also be noted that in modern conditions, the requirements for the efficiency of well-surface communication channels have significantly increased. Implementation of systems designated as an intelligent well in the production of hydrocarbon raw materials (New classification of digital and intelligent wells. A.N. Eremin // Automation and IT in the oil and gas industry. - 2016. - No. 2 - P. 2-4), in drilling - geosteering systems (URL: Technology Roundtable: LWD https://rogtecmagazine.com), requires a high throughput of the well-surface communication channels to quickly obtain a large amount of reliable information, and the equipment, which is a single well system, based on its functional purpose, can be located on wellbore both above the submersible motor and below it.

В патенте [GB 2283889 А, МПК Е21В 47/12, опубл. 17.05.1995] рассматривается блок, использующий общую точку трехфазной звезды обмоток электропривода и силовой кабель для двунаправленной передачи данных. В [Пат. RU 67636 U1, МПК Е21В 44/12, опубл. 27.10.2007 г.] предложено подземное передающее устройство, подключенного между нулем звезды обмоток электродвигателя и его заземленным корпусом, к которому подключено устройство сбора информации с датчиков. В [Пат. RU 45871 U1, МПК Н02Н 7/08, опубл. 27.05.2005 г.] предлагается устройство, входящее в состав системы контроля за состоянием погружного электродвигателя, осуществляющее через устройство сопряжения с силовой линией передачу сигналов.In the patent [GB 2283889 A, IPC E21B 47/12, publ. 05/17/1995] a block is considered that uses a common point of a three-phase star of the drive windings and a power cable for bidirectional data transmission. In [Pat. RU 67636 U1, IPC Е21В 44/12, publ. 27.10.2007] proposed an underground transmission device connected between the star zero of the windings of the electric motor and its grounded housing, to which the device for collecting information from sensors is connected. In [Pat. RU 45871 U1, IPC Н02Н 7/08, publ. 05/27/2005] a device is proposed, which is part of the monitoring system for the state of a submersible electric motor, which transmits signals through an interface device with a power line.

Общим недостатком упомянутых решений является необходимость локализации скважинной аппаратуры либо в пространстве под ПЭД, либо над ним. В этом случае построение распределенных аппаратных систем возможно при значительном их усложнении, наличие ПЭД между аппаратными блоками обуславливает, например, их многоканальную связь с поверхностью путем дублирования приемо-передающих блоков для информационного обмена с поверхностью. Кроме того, организация информационного обмена с поверхностью через ПЭД ограничена существенно по скорости и достоверности обмена из-за значительного затухания и искажения сигналов помехами.A common disadvantage of these solutions is the need to localize the downhole equipment either in the space under the SEM, or above it. In this case, the construction of distributed hardware systems is possible with their significant complication, the presence of SEM between the hardware units causes, for example, their multichannel communication with the surface by duplicating the transmitting and receiving units for information exchange with the surface. In addition, the organization of information exchange with the surface through the SEM is significantly limited in terms of the speed and reliability of the exchange due to significant attenuation and distortion of signals by interference.

Известен скважинный передающий блок [Пат. RU №2701271 С1, МПК Е21В 44/00, опубл. 25.09.2019 г.], входящий в автоматизированную систему оперативного управления бурением скважин, включающую в себя единую компоновку низа буровой колонны, состоящую из ПЭД, под нижним основанием которого и над верхней головной частью размещены аппаратные блоки, соединенные через отдельную сигнальную транзитную проводную цепь, проходящую через статор двигателя. Блок телеметрии подключен к силовой линии питания ПЭД проводом, проходящим через статор транзитом наряду с сигнальной проводной цепью. В качестве обратной сигнальной цепи используются металлические части корпуса заземленной скважинной компоновки. Недостатком этого технического решения является то, что сигнальная транзитная проводная линия подвержена существенному воздействию электромагнитных помех, действующих внутри статора ПЭД, что обуславливает ограничения по скорости информационного обмена и его достоверности, также дополнительные сложности могут возникнуть при использовании этой линии для одновременного электропитания блоков. Кроме того, подключение блока телеметрии проводом, проходящим через статор, требует его надежной изоляции по всей длине, т.к. силовая фаза находится, как правило, под высоким напряжением.Known downhole transmission unit [US Pat. RU No. 2701271 C1, IPC E21B 44/00, publ. 09/25/2019], which is part of the automated operational control system for drilling wells, which includes a single arrangement of the bottom of the drill string, consisting of a submersible motor, under the lower base of which and above the upper head part there are hardware units connected through a separate signal transit wire circuit, passing through the motor stator. The telemetry unit is connected to the power supply line of the SEM with a wire passing through the stator in transit along with the signal wire circuit. The metal parts of the body of the grounded well assembly are used as a return signal circuit. The disadvantage of this technical solution is that the signal transit wire line is subject to a significant effect of electromagnetic interference acting inside the SEM stator, which causes restrictions on the speed of information exchange and its reliability, and additional difficulties may arise when using this line for simultaneous power supply of units. In addition, the connection of the telemetry unit with a wire passing through the stator requires its reliable insulation along its entire length, since the power phase is usually under high voltage.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение эффективности работы блока приемо-передающего в составе скважинных управляющих и информационно-измерительных систем за счет увеличения скорости сбора и обработки скважинной информации, повышения ее достоверности.The technical result of the claimed utility model is to increase the efficiency of the transceiver unit as part of downhole control and information-measuring systems by increasing the rate of collection and processing of downhole information, increasing its reliability.

Технический результат достигается блоком приемо-передающим скважинным высокоскоростного канала связи, располагающийся выше погружного электродвигателя и включающий в себя модем скважинный высокоскоростной совмещенного канала связи, подключенный к силовой кабельной линии и использующий в качестве обратной сигнальной цепи, металлические части заземленной скважинной компоновки и силового кабеля. Также этот блок приемо-передающий содержит модуль измерительный, модуль управления, модуль интерфейсный с возможностью подключения к нему дополнительной аппаратуры, модуль оптоэлектронного модема с подключенным к его первому входу-выходу оптоволоконным кабелем, для возможного его подключения к скважинным измерительным и управляющим блокам, а второй вход-выход модуля оптоэлектронного модема подключен к первому входу-выходу модуля управления, у которого второй вход-выход связан с первым входом-выходом модуля интерфейсного, второй вход-выход модуля интерфейсного предназначен для подключения дополнительной аппаратуры, причем третий вход-выход модуля управления соединен с модулем измерительным, а четвертый вход-выход подключен к первому входу-выходу модема скважинного, второй вход-выход которого предназначен для подключения к силовой кабельной линии.The technical result is achieved by a downhole high-speed communication channel receiving and transmitting unit located above the submersible electric motor and including a downhole high-speed combined communication channel modem connected to a power cable line and using metal parts of a grounded downhole assembly and a power cable as a return signal circuit. Also, this receiving-transmitting unit contains a measuring module, a control module, an interface module with the ability to connect additional equipment to it, an optoelectronic modem module with a fiber-optic cable connected to its first input-output, for its possible connection to downhole measuring and control units, and the second the input-output of the optoelectronic modem module is connected to the first input-output of the control module, in which the second input-output is connected to the first input-output of the interface module, the second input-output of the interface module is intended for connecting additional equipment, and the third input-output of the control module is connected with a measuring module, and the fourth input-output is connected to the first input-output of the downhole modem, the second input-output of which is intended for connection to the power cable line.

Блок приемо-передающий скважинный использует оптоволоконный кабель, диаметром (1…2) мм и представляющий собой конструктивно оптоволоконный шлейф, защищенный металлической броней с изоляцией.The downhole receiving-transmitting unit uses a fiber-optic cable with a diameter of (1 ... 2) mm and is structurally a fiber-optic loop protected by metal armor with insulation.

Блок приемо-передающий скважинный позволяет к модулю интерфейсному подключать дополнительную аппаратуру, имеющуюся в составе скважинной компоновки над погружным электродвигателем, а также тестирующее оборудование при техническом обслуживании.The downhole receiving-transmitting unit allows connecting additional equipment to the interface module, which is available as part of the downhole assembly above the submersible electric motor, as well as testing equipment during maintenance.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема блока приемо-передающего скважинного, входящего в управляющую и информационно-измерительную систему (УИИС), на фиг. 2 схематично изображена конструкция оптоволоконного кабеля, используемого в блоке приемо-передающем скважинным. УИИС включает (фиг. 1): станцию управления 1, модем наземный 2, силовой кабель 3, блок приемо-передающий скважинный 4, который содержит - модем скважинный 5, модуль управления 6, модуль измерительный 7, модуль интерфейсный 8, модуль оптоэлектронного модема 9 с подключенным к нему оптоволоконным кабелем 10. Технологическое оборудование представлено погружным электродвигателем 11. На фиг. 2 показаны: оптоволокно (оптоволоконный шлейф) 12, металлическая броня 13, изолятор (изолирующая оболочка) 14.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a block diagram of a borehole receiving-transmitting unit included in the control and information-measuring system (UMIS), FIG. 2 schematically shows the structure of a fiber-optic cable used in a downhole transceiver unit. UIIS includes (Fig. 1): control station 1, ground modem 2, power cable 3, downhole receiving-transmitting unit 4, which contains - downhole modem 5, control module 6, measuring module 7, interface module 8, optoelectronic modem module 9 with a fiber-optic cable 10 connected to it. The technological equipment is represented by a submersible electric motor 11. FIG. 2 shows: fiber optic (fiber optic loop) 12, metal armor 13, insulator (insulating shell) 14.

Конструктивно блок приемо-передающий скважинный 4 выполнен в едином баростойком корпусе, все модули, входящие в состав блока 4, жестко закреплены внутри корпуса. Конструктивное исполнение блока 4 и его размещение может быть аналогично приведенному в изобретении [RU 2237807 С2, МПК Е21В 47/12, опубл. 10.10.2002, Бюл. №28].Structurally, the downhole receiving-transmitting unit 4 is made in a single pressure-resistant casing, all the modules that make up block 4 are rigidly fixed inside the casing. The design of block 4 and its placement can be similar to that given in the invention [RU 2237807 C2, IPC E21B 47/12, publ. 10.10.2002, Bul. No. 28].

Рассмотрим работу блока 4 в составе УИИС. Одним из важнейших элементов системы является канал связи скважина-поверхность. В реализации предлагаемой полезной модели в качестве среды передачи сигналов используется силовая цепь питания ПЭД 11 силового кабеля 3, что позволяет реализовать надежный высокоскоростной канал связи с пропускной способностью в десятки и сотни килобит в секунду. Подключение модема скважинного 5 к силовому кабелю 3 осуществляется либо за счет защищенного гальванического контакта или бесконтактно за счет высокочастотного трансформатора тока. Возможность построения канала связи скважина-поверхность с заявленными характеристиками подтверждается опытом построения подобных телеметрических каналов связи в электроэнергетике [URL: ВЧ - связь по ЛЭП (PLC) http//masters.donntu/org].Let's consider the operation of Unit 4 as a part of UIIS. One of the most important elements of the system is the well-surface communication channel. In the implementation of the proposed utility model, the power supply circuit of the SEM 11 of the power cable 3 is used as a signal transmission medium, which makes it possible to implement a reliable high-speed communication channel with a throughput of tens and hundreds of kilobits per second. The borehole modem 5 is connected to the power cable 3 either through a protected galvanic contact or contactless through a high-frequency current transformer. The possibility of building a well-surface communication channel with the declared characteristics is confirmed by the experience of building similar telemetric communication channels in the electric power industry [URL: HF - power line communication (PLC) http // masters.donntu / org].

Входящий в блок 4 модуль управления 6, реализованный на базе программируемой микропроцессорной логики, обеспечивает эффективный сбор локальной измерительной информации с модуля измерительного 7. В то же время, информационный обмен со скважинными измерительными и управляющими блоками, расположенными по стволу ниже ПЭД, затруднен по двум основным причинам - транзит линии связи (кабеля) в обход ПЭД по внешней поверхности ненадежен из-за механических повреждений, транзит через статор ПЭД не вполне эффективен из-за высокого уровня сложных электромагнитных помех, существенно ограничивающих скорость информационного обмена и его достоверность. Наличие в блоке 4 модуля оптоэлектронного модема 9 позволяет устранить указанный недостаток за счет возможности подсоединения к нему тонкого изолированного оптоволоконного кабеля 10, защищенного металлической броней. При этом обеспечивается возможность оптоэлектронной связи с максимальной скоростью и высокой достоверностью (свойство оптоэлектронных каналов). Металлическая броня кабеля 10 используется как гальваническая цепь для организации электропитания всей аппаратуры, причем если первичный источник электропитания расположен выше ПЭД или внизу, в основании ПЭД, то вся аппаратура подключается посредством брони и заземленных металлических частей скважинной компоновки. Кроме того, поскольку на металлическую броню оптоволоконного кабеля 10, проходящую через статор ПЭД, под воздействием его магнитного поля наводится электродвижущая сила (ЭДС), то эта ЭДС может быть использована для электропитания аппаратуры.The control module 6 included in block 4, implemented on the basis of programmable microprocessor logic, ensures efficient collection of local measurement information from the measurement module 7. At the same time, information exchange with downhole measuring and control units located down the wellbore below the submersible motor is hampered by two main reasons - transit of a communication line (cable) bypassing the SEM on the outer surface is unreliable due to mechanical damage, transit through the SEM stator is not quite effective due to the high level of complex electromagnetic interference, which significantly limits the speed of information exchange and its reliability. The presence in block 4 of the module of the optoelectronic modem 9 makes it possible to eliminate this disadvantage due to the possibility of connecting to it a thin insulated fiber-optic cable 10, protected by metal armor. This ensures the possibility of optoelectronic communication with maximum speed and high reliability (a property of optoelectronic channels). The metal armor of the cable 10 is used as a galvanic circuit for organizing the power supply of all equipment, and if the primary power source is located above the submersible or at the bottom, at the base of the submersible, then all equipment is connected by means of armor and grounded metal parts of the downhole assembly. In addition, since an electromotive force (EMF) is induced on the metal armor of the fiber-optic cable 10, passing through the stator of the SEM, under the influence of its magnetic field, this EMF can be used to power the equipment.

Модуль интерфейсный 8 в блоке 4 позволяет осуществлять подключение дополнительной аппаратуры, имеющейся в составе скважинной компоновки над ПЭД, а также осуществлять тестирование и настройку блока 4 в процессе технического обслуживания.Interface module 8 in block 4 allows connection of additional equipment available as part of the downhole assembly above the submersible motor, as well as testing and tuning block 4 during maintenance.

Техническая реализация всех модулей блока 4, с учетом достижений современной схемотехники и конструирования технических средств, известна.The technical implementation of all modules of block 4, taking into account the achievements of modern circuitry and design of technical means, is known.

Таким образом, применение заявляемой полезной модели позволяет повысить эффективность скважинных управляющих и информационно-измерительных систем за счет увеличения скорости сбора и обработки скважинной информации, передачи управляющих команд и уставок, повышения достоверности информационного обмена и, таким образом, реализовать перспективные современные технологии, такие как интеллектуальные многопластовые добывающие скважины при добыче и LWD в бурении.Thus, the use of the claimed utility model makes it possible to increase the efficiency of downhole control and information-measuring systems by increasing the rate of collection and processing of downhole information, transmitting control commands and settings, increasing the reliability of information exchange and, thus, implementing promising modern technologies, such as intelligent multilayer production wells in production and LWD in drilling.

Claims

1. A downhole high-speed communication channel receiving and transmitting unit located above the submersible electric motor and including a downhole high-speed combined communication channel modem connected to a power cable line and using metal parts of a grounded downhole assembly and a power cable as a return signal circuit, a measuring module, a control module, an interface module with the ability to connect additional equipment to it, an optoelectronic modem module with a fiber optic cable connected to its first input-output for its possible connection to downhole measuring and control units, and the second input-output of the optoelectronic modem module is connected to the first input - the output of the control module, in which the second input-output is connected to the first input-output of the interface module, the second input-output of which is intended for connecting additional equipment, and the third input-output of the control module is connected to the meter module nym, and the fourth input-output is connected to the first input-output of the downhole modem, the second input-output of which is intended for connection to the power cable line.

2. The downhole receiving-transmitting unit according to claim 1, characterized in that the fiber-optic cable, made with a diameter of 1 - 2 mm, is structurally a fiber-optic cable, protected by metal armor with insulation.

3. The downhole receiving-transmitting unit according to claim 1, characterized in that additional equipment is connected to the interface module, which is included in the downhole assembly above the submersible electric motor, as well as testing equipment during maintenance.