RU2273727C2 - Oil well and oil well bore operational method - Google Patents
Oil well and oil well bore operational method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2273727C2 RU2273727C2 RU2002122759/03A RU2002122759A RU2273727C2 RU 2273727 C2 RU2273727 C2 RU 2273727C2 RU 2002122759/03 A RU2002122759/03 A RU 2002122759/03A RU 2002122759 A RU2002122759 A RU 2002122759A RU 2273727 C2 RU2273727 C2 RU 2273727C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- well
- valve
- gas
- oil well
- lift
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
1. Область техники, к которой относится изобретение 1. The technical field to which the invention relates.
Настоящее изобретение касается в общем системы связи для нефтяной или газовой скважины, имеющей скважинные устройства для контроля и регулирования эксплуатации скважины, и в частности, системы связи, имеющей двухстороннюю телеметрическую магистральную линию связи с избыточными резервными повторителями, датчиками и управляемыми клапанами.The present invention relates generally to a communication system for an oil or gas well having downhole devices for monitoring and regulating well operation, and in particular, to a communication system having a two-way telemetry backbone communication line with redundant backup followers, sensors and controlled valves.
2. Описание предшествующего уровня техники 2. Description of the Related Art
Нефтяные скважины с газонапорным режимом (газлифтные скважины) использовали, начиная с 1800-ых годов, и доказали их особенную полезность в увеличении эффективной добычи нефти там, где естественный подъем коллектора является недостаточным (см. работы Брауна, Коннолизо (Connolizo) и Робертсона (Robertson) "Краткий курс подъема нефти в Западном Техасе" и Х.У.Уинклера (H.W.Winkler) "Рассмотрение недооцененного или пропущенного газлифтных устройств и оборудования", SPE, стр.351 (1994 г.)). Как правило, в нефтяной газлифтной скважине природный газ, образующийся в месторождении нефти, находится в сжатом состоянии и вводится в кольцевое пространство между обсадной трубой и лифтовой трубой и направляется из обсадной трубы в лифтовую трубу с целью обеспечения "подъема" столба флюида лифтовой трубы для добычи нефти из лифтовой трубы. Хотя лифтовую трубу можно использовать для введения газа, применяемого для газлифта, а кольцевое пространство использовать для добычи нефти, это редко применялось на практике. Первоначально, в газлифтные скважины просто вводили газ у основания лифтовой трубы, но для глубоких скважин требуются чрезмерно высокие давления для выдачи нефти. Позже были разработаны способы введения газа в лифтовую трубу на различных глубинах в скважинах для избежания некоторых из проблем, связанных с высокими давлениями для выдачи нефти (см. патент США №5267469).Gas-operated oil wells (gas lift wells) have been used since the 1800s and have proved to be particularly useful in increasing effective oil production where natural reservoir recovery is insufficient (see works by Brown, Connolizo and Robertson ) “A Short Course on Oil Rises in West Texas” and by H.W. Winkler (HWWinkler Review of Undervalued or Missed Gas-Lift Devices and Equipment, SPE, p. 351 (1994)). As a rule, in an oil gas lift well, the natural gas generated in the oil field is compressed and introduced into the annular space between the casing and the lift pipe and sent from the casing to the lift pipe in order to ensure that the lift column of the lift pipe is “lifted” for production oil from the elevator pipe. Although the elevator pipe can be used to introduce gas used for gas lift, and the annular space used for oil production, this has rarely been applied in practice. Initially, gas was simply injected into gas lift wells at the base of the elevator pipe, but for deep wells, excessively high pressures are required to deliver oil. Later, methods were developed for introducing gas into the elevator pipe at various depths in the wells to avoid some of the problems associated with high pressures for oil delivery (see US Patent No. 5267469).
В наиболее общем типе газлифтных скважин используются механические газлифтные клапаны сильфонного типа, прикрепленные к лифтовой трубе, с целью регулирования потока газа из кольцевого пространства в лифтовую колонну (см. патенты США №5782261 и 5425425). В типичном газлифтном клапане сильфонного типа сильфон предварительно устанавливают или заряжают до некоторого давления предварительной зарядки, такого, что клапан допускает сообщение газа из кольцевого пространства и в лифтовую трубу под давлением предварительной зарядки. Давление зарядки каждого клапана выбирает инженер буровой скважины в зависимости от местоположения клапана в скважине, гидростатического напора, физического состояния скважины и множества других факторов, некоторые из которых являются предполагаемыми или неизвестными, или меняют в течение периода эксплуатации скважины.The most common type of gas lift wells use mechanical bellows type gas lift valves attached to the elevator pipe to control the gas flow from the annular space to the elevator string (see US Pat. Nos. 5,772,261 and 5,425,425). In a typical bellows-type gas lift valve, the bellows are pre-installed or charged to some pre-charge pressure, such that the valve allows gas to flow from the annular space and into the lift pipe under pre-charge pressure. The charging pressure of each valve is chosen by the borehole engineer depending on the location of the valve in the borehole, hydrostatic head, the physical condition of the borehole, and many other factors, some of which are suspected or unknown, or change during the life of the borehole.
Некоторые проблемы являются общими для газлифтных клапанов сильфонного типа. Во-первых, сильфон часто теряет свою предварительную зарядку, приводя к неисправности клапана в закрытом положении или изменяя его заданное рабочее значение на отличающееся от проектной заданной величины. А иногда подвергание чрезмерному давлению может заставить клапан закрыться и стать недействующим. Другой обычной неисправностью является эрозия вокруг седла клапана и износ шарового стержня в клапане. Это часто ведет к частичному отказу или по меньшей мере к неэффективной добыче. Поскольку выброс газа через газлифтный клапан часто не является длительным в устойчивом состоянии, а скорее демонстрирует некоторое количество ударов и вибрации, когда клапан быстро открывается и закрывается, обычно происходит постепенное ухудшение свойств клапана, что ведет к нарушению герметичности клапана. Отказ или неэффективное действие клапанов сильфонного типа ведет к соответствующей неэффективности в функционировании типичной газлифтной скважины. Фактически, как оценивают, дебит скважины по меньшей мере на 5-15% меньше оптимальной величины из-за отказов или эксплуатационной неэффективности клапанов. Это невозможно исправить, поскольку давление предварительной установки клапана определяется в период проектирования, и не имеется достаточного оперативного знания рабочего состояния скважины для контролирования, предотвращения или управления нестабильностью в процессе добычи.Some problems are common to bellows type gas lift valves. Firstly, the bellows often loses its pre-charge, leading to a malfunction of the valve in the closed position or changing its set operating value to a different one from the design set value. And sometimes, exposure to excessive pressure can cause the valve to close and become inoperative. Another common malfunction is erosion around the valve seat and wear on the ball rod in the valve. This often leads to partial failure or at least to inefficient production. Since gas ejection through the gas lift valve is often not long in steady state, but rather shows a certain amount of shock and vibration when the valve quickly opens and closes, a gradual deterioration of the valve’s properties usually occurs, leading to a valve leakage. Failure or ineffective operation of bellows-type valves leads to corresponding inefficiencies in the operation of a typical gas-lift well. In fact, it is estimated that the well production is at least 5-15% less than the optimal value due to failures or operational inefficiency of the valves. This cannot be fixed, since the preset pressure of the valve is determined during the design period, and there is not enough operational knowledge of the operating condition of the well to control, prevent, or control instability during production.
Известны эксцентричные камеры для газлифтных клапанов, связанные с лифтовой колонной и предназначенные для приема устанавливаемых и извлекаемых с помощью талевых канатов газлифтных клапанов. Многие газлифтные скважины включают в себя газлифтные клапаны как неотъемлемую часть лифтовой колонны, которые обычно установлены на секции труб. Однако эксцентричные камеры для газлифтных клапанов, в которых замена осуществляется с помощью талевых канатов, типа изготавливаемых на фирме Camco или Weatherford, имеют много преимуществ и нередко встречаются (см. патенты США №5782261 и 5797453). Газлифтные клапаны, помещенные в эксцентричную камеру для газлифтных клапанов, можно вставлять и удалять, используя талевый канат и инструмент подъема при введении либо у вершины, либо у основания. В боковых и горизонтальных буровых скважинах для введения и удаления газлифтных клапанов используется скрученная в спираль лифтовая труба. При добыче в нефтяном месторождении является обычной практикой перекрывать скважину каждые три - пять лет и использовать талевый канат для замены газлифтных клапанов. Однако оператор часто не может хорошо оценить, какие клапаны в скважине неисправны или ухудшили характеристики и подлежат замене.Eccentric chambers for gas lift valves are known that are associated with an elevator column and are designed to receive gas lift valves installed and removed by means of hoist ropes. Many gas lift wells include gas lift valves as an integral part of the lift string, which are usually mounted on pipe sections. However, eccentric chambers for gas lift valves, in which replacement is carried out using hoist ropes, such as those manufactured by Camco or Weatherford, have many advantages and are not uncommon (see US Pat. Nos. 5782261 and 5797453). Gas-lift valves placed in an eccentric chamber for gas-lift valves can be inserted and removed using a hoist rope and a lifting tool when inserted either at the apex or at the base. In lateral and horizontal boreholes, a spiral-wound lift pipe is used to introduce and remove gas lift valves. When producing in an oil field, it is common practice to shut off the well every three to five years and use a hoist rope to replace gas lift valves. However, the operator often cannot well assess which valves in the well are malfunctioning or degraded and need to be replaced.
Поэтому было бы существенным преимуществом разработать систему и способ, которые преодолеют недостаток неэффективности обычных газлифтных клапанов сильфонного типа. Были изобретены несколько способов размещения управляемых клапанов в скважине на лифтовой колонне, но все такие известные устройства обычно используют электрический кабель, располагаемый вдоль лифтовой колонны, для обеспечения электропитания и связи с газлифтными клапанами. Это, конечно, крайне нежелательно и на практике трудно использовать кабель, проложенный вдоль лифтовой колонны либо заодно с лифтовой колонной, либо отдельно от нее, в кольцевом зазоре между лифтовой колонной и обсадной трубой, из-за присутствующего в такой системе ряда механизмов отказа. Использование кабеля представляет трудности для операторов скважины при сборке и введении лифтовой колонны в ствол скважины. Кроме того, кабель подвергается коррозии и интенсивному износу из-за перемещения лифтовой колонны внутри ствола скважины. Пример скважинной системы связи, использующей кабель, показан в документе РСТ/ЕР 97/01621.Therefore, it would be a significant advantage to develop a system and method that overcomes the disadvantage of the inefficiency of conventional bellows type gas lift valves. Several methods have been invented for placing controlled valves in a well on an elevator string, but all such known devices typically use an electric cable running along the elevator string to provide power and communication with gas lift valves. This, of course, is extremely undesirable and in practice it is difficult to use a cable laid along the elevator string either at the same time as the elevator string or separately from it, in the annular gap between the elevator string and the casing, due to a number of failure mechanisms present in such a system. The use of cable presents difficulties for well operators when assembling and introducing an elevator string into the wellbore. In addition, the cable undergoes corrosion and intense wear due to the movement of the lift string inside the wellbore. An example of a downhole communication system using cable is shown in PCT / EP 97/01621.
В патенте США №4839644 описаны способ и система беспроводной двухсторонней связи в обсаженной буровой скважине, имеющей лифтовую колонну. Однако эта система описывает схему связи, предназначенную для подведения электромагнитной энергии в режиме магнитной волны (Н-волны) посредством использования кольцевого пространства между обсадной трубой и лифтовой трубой. Для этого требуется, чтобы тороидальная антенна возбуждала или принимала сигналы в режиме Н-волны, в патенте предложена необходимость в изолированном устье скважины и не говорится об источнике питания для модуля в скважине. Индуктивная связь требует по существу непроводящей текучей среды, типа сырой нефти, в кольцевом пространстве между обсадной трубой и лифтовой трубой, и эта нефть должна иметь более высокую плотность, чем рассол, чтобы просачивающийся рассол не собрался на дне кольцевого пространства. Изобретение, описанное в патенте США №4839644, не получило широкого применения в качестве практической схемы скважинной связи, поскольку оно дорогостоящее, имеет проблемы с просачиванием рассола в обсадную трубу и является трудным для использования. Другая система для скважинной связи, использующая телеметрию по гидроимпульсному каналу связи, описана в патентах США №4648471 и 5887657. Хотя телеметрия по гидроимпульсному каналу связи может быть удачной при низких скоростях передачи данных, она имеет ограниченную пригодность там, где требуются высокие скорости передачи данных или где нежелательно иметь сложное скважинное оборудование телеметрии по гидроимпульсному каналу связи. Другие способы связи внутри буровой скважины описаны в патентах США №4468665; 4578675; 4739325; 5130706; 5467083; 5493288; 5574374; 5576703 и 5883516. В заявке РСТ WO 93/26115 описана система связи для использования в подводных трубопроводах, которая страдает от необходимости обеспечить в трубопроводе множество источников электропитания.US Pat. No. 4,839,644 describes a method and system for wireless two-way communication in a cased borehole having an elevator string. However, this system describes a communication circuit designed to supply electromagnetic energy in a magnetic wave (H-wave) mode by using the annular space between the casing and the elevator pipe. This requires that the toroidal antenna excite or receive signals in the H-wave mode, the patent proposes the need for an isolated wellhead and does not mention the power source for the module in the well. Inductive coupling requires a substantially non-conductive fluid, such as crude oil, in the annular space between the casing and the elevator pipe, and this oil must have a higher density than the brine so that the leaking brine does not collect at the bottom of the annular space. The invention described in US Pat. No. 4,839,644 has not been widely used as a practical downhole communication scheme because it is expensive, has problems with brine seeping into the casing, and is difficult to use. Another downhole communication system using telemetry using a water-pulse communication channel is described in US Pat. Nos. 4,648,471 and 5,887,657. Although telemetry using a water-pulse communication channel can be successful at low data rates, it has limited applicability where high data rates or where it is undesirable to have sophisticated downhole telemetry equipment via a hydro-pulse communication channel. Other communication methods within the borehole are described in US patent No. 4468665; 4,578,675; 4,739,325; 5,130,706; 5,467,083; 5,493,288; 5,574,374; 5576703 and 5883516. PCT application WO 93/26115 describes a communication system for use in subsea pipelines, which suffers from the need to provide a plurality of power sources in the pipeline.
Следовательно, можно добиться существенного прогресса в работе газлифтных скважин, если обеспечить альтернативный вариант обычному клапану сильфонного типа, в частности, если лифтовую колонну и обсадную трубу можно будет использовать в качестве проводников средств связи и электроэнергии для управления и работы управляемого гаэлифтного клапана.Consequently, significant progress can be achieved in the operation of gas-lift wells if an alternative is provided to a conventional bellows-type valve, in particular, if the elevator and casing can be used as communication and electrical conductors for controlling and operating a controlled gas-lift valve.
Нефтяная скважина и способ согласно преамбуле пп.1 и 5 формулы изобретения известны из европейской заявки на патент ЕР 721053. В известном устройстве и способе трубчатый элемент, покрытый электроизоляционным покрытием, используется в комбинации с индуктивными катушками, которые расположены снаружи покрытия, для передачи электроэнергии и сигналов по трубчатому элементу скважины.An oil well and the method according to the preamble of claims 1 and 5 of the claims are known from European patent application EP 721053. In the known device and method, the tubular element coated with an electrical insulation coating is used in combination with inductive coils that are located outside the coating to transmit electricity and signals along the tubular element of the well.
В европейской заявке на патент ЕР 0964134 раскрыт способ, в котором электрические сигналы передаются по колонне трубчатых элементов скважины, которые также снабжены электроизоляционным покрытием, и они электрически изолированы от других частей трубчатой колонны изолирующими муфтами.European
Неудобство известных систем заключается в том, что они включают в себя передачу сигналов по трубчатым элементам скважины, покрытым электроизоляционным слоем, который является дорогостоящим и склонен к износу и повреждению во время установки и использования.The disadvantage of the known systems is that they include transmitting signals along the tubular elements of the well covered with an electrical insulating layer, which is expensive and prone to wear and damage during installation and use.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Нефтяная скважина и способ в соответствии с настоящим изобретением отличаются отличительными признаками п.п.1 и 9 формулы изобретения. В важном применении, нефтяная скважина представляет собой управляемую газлифтную скважину, которая включает в себя систему трубопроводов обсаженного ствола скважины, имеющую лифтовую колонну, расположенную и проходящую в продольном направлении внутри обсадной трубы. Расположение лифтовой колонны внутри обсадной трубы образует кольцевое пространство между лифтовой колонной и обсадной трубой. Система связи, или магистральная линия связи обеспечена для подачи электроэнергии и сигналов связи в скважину. Электроэнергия предпочтительно представляет собой переменный ток низкого напряжения на обычных промышленных частотах в диапазоне от 50 до 400 Гц, но в некоторых вариантах осуществления можно использовать электроэнергию постоянного тока.An oil well and the method in accordance with the present invention are distinguished by the distinguishing features of claims 1 and 9 of the claims. In an important application, the oil well is a controllable gas-lift well that includes a cased-hole piping system having an elevator located and extending longitudinally inside the casing. The location of the tubing inside the casing forms an annular space between the tubing and the casing. A communication system, or trunk line, is provided to supply electric power and communication signals to the well. The electric power is preferably low voltage alternating current at ordinary industrial frequencies in the range of 50 to 400 Hz, but in some embodiments, direct current electric power can be used.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения спущенный в скважину индукционный дроссель (электрический дроссель) из ферромагнитного материала расположен на лифтовой колонне в скважине, чтобы действовать как последовательное полное сопротивление для тока, протекающего по лифтовой трубе. Подвесное устройство для подвешивания лифтовой колонны внутри ствола скважины включает в себя изолированный участок, который электрически изолирует верхнюю часть лифтовой колонны около поверхности скважины. Связь предпочтительно осуществляется по электрически изолированной секции лифтовой колонны между изолированным участком подвесного устройства и спущенным ферромагнитным дросселем. Электроэнергия и сигналы связи передаются в электрически изолированный участок лифтовой колонны, а обсадная труба действует как электрический обратный провод.In a preferred embodiment of the present invention, an inductance choke (electric choke) of ferromagnetic material lowered into the well is located on the elevator string in the well to act as a series impedance for the current flowing through the elevator pipe. The suspension device for suspending the lift string inside the wellbore includes an insulated portion that electrically isolates the top of the lift string near the surface of the well. The communication is preferably carried out over an electrically insulated section of the elevator column between the insulated portion of the suspension device and the deflated ferromagnetic choke. Electricity and communication signals are transmitted to an electrically isolated section of the elevator string, and the casing acts as an electrical return wire.
Множество скважинных устройств подсоединено к лифтовой колонне в скважине для контроля и управления работой скважины. Эти скважинные устройства могут включать в себя управляемые газлифтные клапаны, датчики, электронные модули и модемы. Управляемый газлифтный клапан подсоединен к лифтовой трубе для управления нагнетанием газа между внутренней и внешней частью лифтовой трубы, более конкретно между кольцевым пространством и внутренней частью лифтовой трубы. Управляемый газлифтный клапан запитывается и управляется с поверхности с целью регулирования сообщения текучей среды между кольцевым пространством и внутренней частью лифтовой трубы. Датчики расположены в скважине для контролирования скважинного физического состояния буровой скважины. Электронный модуль представляет собой блок управления, который принимает сигналы от датчиков для сообщения сигналов на поверхность и принимает сигналы связи с поверхности для управления управляемым газлифтным клапаном. Модемы используются для обмена сигналами между другими скважинными устройствами и поверхностью.Many downhole devices are connected to an elevator string in the well to monitor and control the operation of the well. These downhole devices may include controlled gas lift valves, sensors, electronic modules, and modems. A controlled gas lift valve is connected to the elevator pipe to control gas injection between the inner and outer parts of the elevator pipe, more specifically between the annular space and the inner part of the elevator pipe. A controlled gas lift valve is energized and controlled from the surface to control fluid communication between the annular space and the inside of the lift pipe. Sensors are located in the borehole to monitor the borehole physical state of the borehole. The electronic module is a control unit that receives signals from sensors to communicate signals to the surface and receives communication signals from the surface to control a controlled gas lift valve. Modems are used to exchange signals between other downhole devices and the surface.
Более подробно, находящийся на поверхности компьютер, имеющий модем, передает сигнал связи в лифтовую трубу, и сигнал принимается находящимся в скважине модемом. Находящийся в скважине модем, который часто является компонентом электронного модуля, затем передает сигнал в управляемый газлифтный клапан. Аналогичным образом, находящийся в скважине модем может принимать и затем сообщать информацию датчиков в находящийся на поверхности компьютер. В зависимости от диапазона связи, который модемы способны обеспечивать при определенных состояниях скважины, сигналы, проходящие по лифтовой колонне, могут передаваться между находящимися в скважине модемами. Электроэнергия подается в лифтовую колонну и принимается в скважине для управления работой управляемого газлифтного клапана.In more detail, a computer with a modem located on the surface transmits a communication signal to the elevator pipe, and the signal is received by a modem located in the well. A downhole modem, which is often a component of an electronic module, then transmits a signal to a controlled gas lift valve. Similarly, a downhole modem can receive and then report sensor information to a surface computer. Depending on the communication range that the modems are capable of providing under certain conditions of the well, signals passing through the elevator string can be transmitted between the modems located in the well. Electricity is supplied to the elevator string and received in the well to control the operation of a controlled gas lift valve.
Находящийся на поверхности компьютер предпочтительно соединен через находящийся на поверхности модем и лифтовую трубу с находящимися в скважине модемами. Находящийся на поверхности компьютер может получать измерения от множества источников, типа скважинных или поверхностных датчиков, измерения дебита нефти и измерения ввода сжатого газа в скважину (поток и давление). Используя такие измерения, компьютер может вычислять оптимальное положение управляемого газлифтного клапана, более конкретно оптимальное количество газа, вводимого из кольцевого пространства внутри обсадной трубы через управляемый клапан в лифтовую трубу. Возможны дополнительные улучшения, типа управления количеством ввода сжатого газа в скважину у поверхности, управления противодавлением в скважинах, управления пористым фриттированием или системой введения поверхностно-активного вещества для вспенивания нефти, и получения измерений добычи и функционирования из различных других скважин в том же месторождении, с целью оптимизирования добычи в месторождении.The surface-mounted computer is preferably connected through a surface-mounted modem and an elevator pipe to modems located in the well. A computer located on the surface can receive measurements from a variety of sources, such as downhole or surface sensors, measurements of oil flow rates, and measurements of the injection of compressed gas into the well (flow and pressure). Using such measurements, the computer can calculate the optimal position of the controlled gas lift valve, more specifically, the optimal amount of gas introduced from the annular space inside the casing through the controlled valve into the lift pipe. Additional improvements are possible, such as controlling the amount of injected compressed gas into the well near the surface, controlling back pressure in the wells, controlling porous fritting or a surfactant injection system for foaming oil, and obtaining production and functioning measurements from various other wells in the same field, with the goal of optimizing production in the field.
Возможность активно контролировать текущее состояние скважины, связанная с возможностью управлять состоянием на поверхности и в скважине, в газлифтной скважине имеет много преимуществ. Газлифтные скважины имеют четыре основных режима течения текучей среды, например пенистое (аэрированное), Тейлоровское, пробковое и кольцевое течение. Скважинные датчики по настоящему изобретению позволяют обнаруживать и идентифицировать режим течения. Вышеупомянутые механизмы управления - находящийся на поверхности компьютер, управляемые клапаны, ввод газа, введение поверхностно-активного вещества и т.д. - обеспечивают возможность достигать и поддерживать оптимальное течение. В общем, испытания и диагностирования скважины можно выполнять и анализировать непрерывно и в режиме реального времени.The ability to actively monitor the current state of the well associated with the ability to control the state on the surface and in the well in a gas lift well has many advantages. Gas lift wells have four main modes of fluid flow, for example foamy (aerated), Taylor, cork and annular flow. The downhole sensors of the present invention make it possible to detect and identify a flow pattern. The aforementioned control mechanisms are a surface-mounted computer, controlled valves, gas inlet, surfactant injection, etc. - provide the opportunity to achieve and maintain optimal flow. In general, well testing and diagnostics can be performed and analyzed continuously and in real time.
В одном из аспектов настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, имеющая ствол (11) скважины, проходящий в землю, и электропроводную систему (26) трубопроводов, расположенную в стволе (11) скважины, в котором одно или более устройств (50) электрически подсоединены к системе (26) трубопроводов в стволе скважины для беспроводного приема изменяющегося во времени электрического сигнала, прикладываемого к системе (26) трубопроводов, и по меньшей мере одно устройство (50) для считывания или управления физической характеристикой в стволе скважины или в непосредственной близости к нему приводится в действие сигналом, и в которой электрический дроссель расположен в непосредственной близости от участка системы трубопроводов для трассирования изменяющегося во времени сигнала внутри системы трубопроводов; отличающаяся тем, что электрический дроссель (42) выполнен с возможностью действия в качестве последовательного полного сопротивления для электрического тока, протекающего по упомянутому участку системы (26) трубопроводов, и тем, что по меньшей мере одно устройство (50) электрически подсоединено к системе трубопроводов (26) выше электрического дросселя (42).In one aspect of the present invention, there is provided an oil well having a wellbore (11) extending into the ground and an electrically conductive piping system (26) located in the wellbore (11) in which one or more devices (50) are electrically connected to the system (26) pipelines in the wellbore for wirelessly receiving a time-varying electrical signal applied to the piping system (26), and at least one device (50) for reading or controlling a physical characteristic in the wellbore us, or in close proximity to the actuated signal, and wherein the electric throttle is in the vicinity of the portion of the piping system for tracing time-varying signal within the piping system; characterized in that the electric inductor (42) is configured to act as a series impedance for the electric current flowing through said portion of the piping system (26), and that at least one device (50) is electrically connected to the piping system ( 26) above the electric inductor (42).
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, в которой система (26) трубопроводов представляет собой эксплуатационную лифтовую колонну (26), которая окружена заполненным текучей средой кольцевым пространством (31) и обсадной трубой (24).In another aspect of the present invention, there is provided an oil well in which the piping system (26) is an operational lift string (26) which is surrounded by a fluid-filled annular space (31) and a casing (24).
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, в которой компьютер и/или источник питания (44) выполнен с возможностью приложения изменяющегося во времени электрического сигнала к системе трубопроводов для передачи информации.In another aspect of the present invention, there is provided an oil well in which a computer and / or power source (44) is configured to apply a time-varying electrical signal to a piping system for transmitting information.
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, в котором устройство представляет собой датчик для считывания физической характеристики в стволе скважины, типа температуры, давления или акустической характеристики.In another aspect of the present invention, there is provided an oil well in which the device is a sensor for sensing a physical characteristic in a wellbore, such as temperature, pressure or acoustic characteristic.
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, в которой устройство представляет собой клапан, выполненный с возможностью работы, при получении команды с помощью беспроводного сигнала, прикладываемого к системе трубопроводов.In another aspect of the present invention, there is provided an oil well in which the device is a valve configured to operate upon receipt of a command using a wireless signal applied to a piping system.
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, в которой нефтяная скважина представляет собой газлифтную скважину, система трубопроводов включает в себя лифтовую трубу, а одно устройство представляет собой газлифтный клапан, подсоединенный к лифтовой трубе и управляемый с возможностью регулировки потока текучей среды между внутренней и внешней частью лифтовой трубы.In another aspect of the present invention, there is provided an oil well in which the oil well is a gas lift well, the piping system includes an elevator pipe, and one device is a gas lift valve connected to the elevator pipe and controlled to adjust fluid flow between internal and external part of the elevator pipe.
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, включающая в себя множество устройств, каждое из которых выполнено с возможностью посылки и приема сигналов связи для сообщения с другими устройствами в различных областях скважины.In another aspect of the present invention, there is provided an oil well comprising a plurality of devices, each of which is configured to send and receive communication signals to communicate with other devices in various areas of the well.
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, включающая в себя контроллер и некоторые из устройств, являющиеся датчиками, и по меньшей мере одно устройство, являющееся клапаном, посредством чего действие клапана определяется контроллером, основывающимся на входном сигнале от датчиков.In another aspect of the present invention, there is provided an oil well including a controller and some of the devices that are sensors, and at least one device that is a valve, whereby the action of the valve is determined by the controller based on the input from the sensors.
В нефтяной скважине, имеющей ствол скважины, проходящий в землю, и электропроводную систему трубопроводов, расположенную в стволе скважины, предлагается способ работы ствола скважины посредством прикладывания изменяющегося во времени электрического сигнала к системе трубопроводов, который принимает один или больше беспроводные устройства, электрически подсоединенные к системе трубопроводов в стволе скважины, чтобы оказать влияние на работу по меньшей мере одного устройства в земле, и в котором электрический дроссель расположен в непосредственной близости к участку системы трубопроводов для трассирования изменяющегося во времени сигнала внутри системы трубопроводов; отличающийся тем, что электрический дроссель (42) действует как последовательное полное сопротивление для электрического тока, протекающего по упомянутому участку системы (26) трубопроводов, и тем, что по меньшей мере одно устройство (50) электрически подсоединено к системе (26) трубопроводов выше электрического дросселя (42).In an oil well having a wellbore extending into the ground and an electrical conductive piping system located in the wellbore, a method for operating a wellbore by applying a time-varying electrical signal to a piping system that receives one or more wireless devices electrically connected to the system pipelines in the wellbore to influence the operation of at least one device in the ground, and in which the electric inductor is located in osredstvennoy proximity to a portion of the piping system for tracing time-varying signal within the piping system; characterized in that the electric inductor (42) acts as a series impedance for the electric current flowing through said portion of the piping system (26), and that at least one device (50) is electrically connected to the piping system (26) above the electric throttle (42).
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается способ, в котором по меньшей мере одно устройство (50) представляет собой датчик для восприятия физической характеристики в стволе скважины, причем способ включает в себя восприятие указанной физической характеристики, такой как температура, давление или акустические данные, и передачу воспринятой физической характеристики по системе трубопроводов.In another aspect of the present invention, there is provided a method in which at least one device (50) is a sensor for sensing a physical characteristic in a wellbore, the method including sensing said physical characteristic, such as temperature, pressure or acoustic data, and transmitting perceived physical characteristics of the piping system.
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается способ, в котором изменяющийся во времени сигнал электроэнергии и изменяющийся во времени сигнал связи прикладывают к системе трубопроводов и осуществляют передачу электроэнергии и связь с множеством устройств.In another aspect of the present invention, there is provided a method in which a time-varying power signal and a time-varying communication signal are applied to a piping system and transmit power and communicate with a plurality of devices.
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается способ, в котором нефтяная скважина представляет собой газлифтную скважину и по меньшей мере одно устройство является управляемым клапаном, при котором осуществляют связь с клапаном и регулирование потока текучей среды через клапан.In another aspect of the present invention, there is provided a method in which the oil well is a gas lift well and the at least one device is a controlled valve, which communicates with the valve and controls the flow of fluid through the valve.
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается способ, включающий в себя управление инжекцией газлифтного газа и/или скоростью выдачи сырой нефти в газлифтной скважине.In another aspect of the present invention, there is provided a method comprising controlling the injection of gas lift gas and / or the rate of delivery of crude oil in a gas lift well.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1 представляет схематический вид спереди управляемой газлифтной скважины согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, в котором газлифтная скважина имеет лифтовую колонну и обсадную трубу, расположенную внутри буровой скважины.Figure 1 is a schematic front view of a controllable gas lift well according to one embodiment of the present invention, wherein the gas lift well has an elevator and a casing located inside the well.
Фиг.2А представляет увеличенную вертикальную часть с частичным вырезом лифтовой колонны в обсаженной буровой скважине, имеющей индукционный дроссель вокруг лифтовой трубы.Fig. 2A is an enlarged vertical part with a partially cut-out elevator string in a cased borehole having an induction choke around the elevator pipe.
Фиг.2В представляет увеличенную горизонтальную часть с частичным вырезом лифтовой колонны фиг.2А.Figv is an enlarged horizontal part with a partial cutaway elevator columns figa.
Фиг.3А и 3В представляют виды спереди в разрезе управляемого клапана в конфигурации клетки в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.3A and 3B are front sectional views of a controlled valve in a cell configuration in accordance with one embodiment of the present invention.
Фиг.4 представляет увеличенный схематический вид спереди лифтовой колонны и обсадной трубы фиг.1, где лифтовая колонна имеет электронный модуль, датчики и управляемый газлифтный клапан, оперативно подсоединенный к внешней части лифтовой колонны.FIG. 4 is an enlarged schematic front view of the elevator string and casing of FIG. 1, where the elevator string has an electronic module, sensors, and a controlled gas lift valve operatively connected to the exterior of the elevator string.
Фиг.5 представляет изображение эквивалентной принципиальной электрической схемы для управляемой газлифтной скважины фиг.1, где газлифтная скважина имеет источник питания переменного тока, электронный модуль фиг.3А и электронный модуль фиг.4.FIG. 5 is an equivalent circuit diagram for a controlled gas lift well of FIG. 1, where the gas lift well has an AC power source, an electronic module of FIG. 3A, and an electronic module of FIG. 4.
Фиг.6 представляет блок-схему системы электронного модуля.6 is a block diagram of an electronic module system.
Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Термин "система трубопроводов", как используется в настоящей заявке, может быть одной единственной трубой, лифтовой колонной, обсадной трубой, штоком поршневого насоса, рядом связанных труб, стержней, рельсов, ферм, решеток, опор, ответвлением или боковым удлинением скважины, сетью связанных труб или другими системами, известными специалистам в данной области техники. В предпочтительном варианте осуществления используется изобретение в контексте нефтяной скважины, где система трубопроводов содержит трубчатую, металлическую, электропроводную трубу или лифтовые колонны, но изобретение этим не ограничено. Для настоящего изобретения по меньшей мере часть системы трубопроводов должна быть электропроводной, так, чтобы электропроводный участок мог составлять всю систему трубопроводов (например, стальные трубы, медные трубы) или проходящий в продольном направлении электропроводный участок, объединенный с проходящим в продольном направлении непроводящим участком. Другими словами, электропроводная система трубопроводов представляет собой систему, которая обеспечивает электропроводный путь от первого местоположения, где источник питания электрически связан со вторым местоположением, в котором электрически связаны устройство и/или электрический обратный провод. Системой трубопроводов, как правило, является обычная круглая металлическая лифтовая труба, но геометрия поперечного сечения системы трубопроводов, или любой ее части, может изменяться по форме (например, округлая, прямоугольная, квадратная, овальная) и размеру (например, по длине, диаметру, толщине стенок) в любой части системы трубопроводов. Следовательно, система трубопроводов должна иметь электропроводный участок, проходящий от первого местоположения системы трубопроводов ко второму местоположению системы трубопроводов.The term "piping system", as used in this application, can be one single pipe, lift, casing, piston rod, a number of connected pipes, rods, rails, trusses, grids, supports, a branch or side extension of a well, a network of connected pipes or other systems known to those skilled in the art. In a preferred embodiment, the invention is used in the context of an oil well, where the piping system comprises a tubular, metal, conductive pipe or lift columns, but the invention is not limited to this. For the present invention, at least part of the piping system must be electrically conductive so that the electrically conductive portion can constitute the entire piping system (e.g., steel pipes, copper pipes) or the longitudinally extending electrically conductive portion combined with the longitudinally extending non-conducting portion. In other words, the electrically conductive piping system is a system that provides an electrically conductive path from a first location where the power source is electrically connected to a second location at which the device and / or electrical return wire are electrically connected. The piping system is usually a regular round metal elevator pipe, but the cross-sectional geometry of the piping system, or any part thereof, can vary in shape (e.g., round, rectangular, square, oval) and size (e.g., in length, diameter, wall thickness) in any part of the piping system. Therefore, the piping system must have an electrically conductive portion extending from a first location of the piping system to a second location of the piping system.
"Клапан" представляет собой любое устройство, которое функционирует с целью регулирования потока текучей среды. Примеры клапанов включают в себя, но не ограничены ими, газлифтные клапаны сильфонного типа и управляемые газлифтные клапаны, каждый из которых можно использовать для регулирования потока применяемого для газлифта газа в лифтовую колонну скважины. Внутреннее функционирование клапанов может сильно изменяться, и в настоящей заявке не следует ограничиваться клапанами, описанными в какой-либо конкретной конфигурации, пока клапан функционирует с целью регулирования потока. Некоторые из различных типов механизмов регулирования потока включают в себя, но не ограничены этим, конфигурации шаровых клапанов, конфигурации игольчатых клапанов, конфигурации запорных клапанов и конфигурации клапанов клетки. Способы установки клапанов, обсуждаемые в настоящей заявке, могут широко варьироваться. Клапаны можно устанавливать в скважине многими различными способами, некоторые из которых включают в себя конфигурации трансканалируемого по лифтовой трубе монтажа, конфигурации эксцентричных камер для установки клапанов или конфигурации постоянного монтажа, типа монтажа клапана в увеличенном коллекторе лифтовой трубы.A “valve” is any device that operates to control fluid flow. Examples of valves include, but are not limited to, bellows type gas lift valves and controllable gas lift valves, each of which can be used to control the flow of gas used for gas lift to the well string. The internal functioning of the valves can vary greatly, and this application should not be limited to the valves described in any particular configuration while the valve is functioning to control flow. Some of the various types of flow control mechanisms include, but are not limited to, ball valve configurations, needle valve configurations, shutoff valve configurations, and cage valve configurations. The valve installation methods discussed in this application can vary widely. Valves can be installed in the well in many different ways, some of which include elevator-mounted configurations of the elevator pipe, eccentric chamber configurations for installing the valves, or permanent mounting configurations, such as mounting the valve in an enlarged elevator manifold.
Термин "модем" используется здесь в общем для обозначения любого коммуникационного устройства, предназначенного для передачи и/или приема электрических сигналов связи через электрический проводник (например, металл). Следовательно, этот термин не ограничен акронимом для модулятора (устройства, которое преобразовывает речевой или информационный сигнал в форму, которая может быть передана)/демодулятора (устройства, которое восстанавливает первоначальный сигнал после его модулирования высокочастотной несущей). Кроме того, термин "модем", как используется здесь, не ограничен обычными компьютерными модемами, которые преобразовывают цифровые сигналы в аналоговые сигналы и наоборот (например, для посылки цифровых информационных сигналов по аналоговой коммутируемой телефонной сети общего пользования). Например, если датчик посылает измерения в аналоговом формате, то такие измерения может быть необходимо только модулировать несущим сигналом и передавать, а следовательно, аналого-цифровое преобразование не требуется. В качестве другого примера, для идентифицирования, фильтрации, усиления и/или ретрансляции полученного сигнала может требоваться только ретрансляционный модем или устройство связи. Однако модемы, используемые в данном изобретении, в общем могут быть цифровыми, широкополосными, поскольку они широко доступны из коммерческих источников и имеют самую широкую применимость.The term "modem" is used here generally to refer to any communication device designed to transmit and / or receive electrical communication signals through an electrical conductor (eg, metal). Therefore, this term is not limited to the acronym for modulator (device that converts a speech or information signal into a form that can be transmitted) / demodulator (device that restores the original signal after it is modulated by a high-frequency carrier). In addition, the term “modem”, as used here, is not limited to conventional computer modems that convert digital signals to analog signals and vice versa (for example, to send digital information signals over an analogue public switched telephone network). For example, if a sensor sends measurements in an analog format, then such measurements may only need to be modulated with a carrier signal and transmitted, and therefore, analog-to-digital conversion is not required. As another example, only a relay modem or communication device may be required to identify, filter, amplify and / or relay the received signal. However, the modems used in this invention can generally be digital, broadband, as they are widely available from commercial sources and have the broadest applicability.
Термин "беспроводный", как он используется в настоящем изобретении, означает отсутствие обычных, изолированных проводов, например, проходящих от находящегося в скважине устройства на поверхность. Использование лифтовой трубы и/или обсадной трубы в качестве проводника рассматривается как "беспроводное".The term “wireless” as used in the present invention means the absence of conventional, insulated wires, for example, extending from a device located in the well to the surface. The use of an elevator pipe and / or casing as a conductor is considered “wireless”.
Термин "датчик", как используется в настоящей заявке, относится к любому устройству, которое обнаруживает, определяет, контролирует, регистрирует или иначе считывает абсолютную величину или изменение физической величины. Датчики, как они описаны в настоящей заявке, могут использоваться для измерения температуры, давления (как абсолютного, так и отличающегося), объемной скорости потока, сейсмических данных, акустических данных, уровня рН (водородного показателя), уровней минерализации, положений клапана или почти любых других физических данных.The term “sensor,” as used herein, refers to any device that detects, detects, monitors, records, or otherwise reads an absolute value or a change in a physical quantity. The sensors, as described in this application, can be used to measure temperature, pressure (both absolute and different), volumetric flow rate, seismic data, acoustic data, pH (pH), mineralization levels, valve positions, or almost any other physical data.
Термин "электронный модуль" в настоящей заявке относится к управляющему устройству. Электронные модули могут иметь множество конфигураций и могут быть установлены в скважине с помощью множества различных способов. В одной монтажной конфигурации электронный модуль фактически расположен внутри клапана и обеспечивает управление работой двигателя внутри клапана. Электронные модули можно также устанавливать снаружи на любой конкретный клапан. Некоторые электронные модули устанавливают внутри эксцентричных камер для газлифтных клапанов или увеличенных карманов лифтовой трубы, в то время как другие можно перманентно крепить к лифтовой колонне. Электронные модули часто электрически связаны с датчиками и помогают в передаче информации датчиков на поверхность скважины. Возможно, что датчики, связанные с конкретным электронным модулем, можно даже размещать внутри электронного модуля. Наконец, электронный модуль часто тесно связан с модемом и может фактически его содержать, для приема, посылки и передачи сообщений с поверхности скважины и на нее. Сигналы, которые принимаются с поверхности электронным модулем, часто используются, чтобы произвести изменения внутри находящихся в скважине управляемых устройств, типа клапанов. Сигналы, посылаемые или передаваемые на поверхность электронным модулем, в общем содержат информацию об относительно физических состояниях скважины, обеспечиваемую датчиками.The term "electronic module" in this application refers to a control device. Electronic modules can have many configurations and can be installed in the well using many different methods. In one installation configuration, the electronic module is actually located inside the valve and provides control of the engine inside the valve. Electronic modules can also be installed externally on any particular valve. Some electronic modules are installed inside eccentric chambers for gas lift valves or enlarged pockets of the elevator pipe, while others can be permanently attached to the elevator string. Electronic modules are often electrically connected to sensors and help in transmitting sensor information to the surface of the well. It is possible that the sensors associated with a particular electronic module can even be placed inside the electronic module. Finally, the electronic module is often closely connected with the modem and can actually contain it, for receiving, sending and transmitting messages from and to the well surface. The signals that are received from the surface by the electronic module are often used to make changes inside the well-controlled devices, such as valves. The signals sent or transmitted to the surface by the electronic module generally contain information about the relative physical conditions of the well provided by the sensors.
Термины "вверх", "вниз", "выше", "ниже", как они используются в данном изобретении, представляют собой относительные термины для указания положения и направления перемещения и описывают местоположение "вдоль глубины скважины", как обычно принято в промышленности. В наклонных или горизонтальных скважинах эти термины могут или не могут соответствовать абсолютному относительному расположению относительно поверхности земли.The terms "up", "down", "above", "below", as used in this invention, are relative terms to indicate the position and direction of movement and describe the location "along the depth of the well", as is commonly accepted in industry. In deviated or horizontal wells, these terms may or may not correspond to the absolute relative position relative to the surface of the earth.
Рассмотрим фиг.1, на которой иллюстрируется нефтяная скважина в соответствии с настоящим изобретением. Нефтяная скважина представляет собой газлифтную скважину 10, имеющую ствол 11 скважины, проходящий от поверхности 12 в зону 14 добычи, которая расположена у основания скважины. Эксплуатационная платформа 20 расположена у поверхности 12 и включает в себя подвесное устройство 22 для поддержания обсадной трубы 24 и лифтовой колонны 26. Обсадная труба 24 имеет тип, традиционно используемый в нефтегазовой промышленности. Обсадная труба 24 обычно устанавливается секциями и скрепляется цементным раствором в стволе 11 скважины во время завершения скважины. Лифтовая колонна 26, также называемая насосно-компрессорной колонной, является в общем обычной колонной, содержащей множество удлиненных трубчатых секций труб, соединенных резьбовыми соединениями на каждом конце секций труб, но, в качестве альтернативы, ее можно вставлять непрерывно, например, как трубы в бухтах. Эксплуатационная платформа 20 также включает в себя дроссель 30 ввода газа для управления вводом сжатого газа в кольцевое пространство 31 между обсадной трубой 24 и лифтовой колонной 26. И наоборот, выпускной клапан 32 допускает вытеснение нефти и газовых пузырьков из внутренней части лифтовой колонны 26 во время добычи нефти.Consider figure 1, which illustrates an oil well in accordance with the present invention. An oil well is a gas lift well 10 having a wellbore 11 extending from a
Газлифтная скважина 10 включает в себя систему 34 связи для обеспечения электроэнергии и двухсторонней скважинной связи в скважине 10. Система 34 связи включает в себя спущенный ферромагнитный дроссель 42, который установлен на лифтовой колонне 26, чтобы действовать как последовательное полное сопротивление для электрического тока. Размер и материал ферромагнитного дросселя 42 можно менять с целью изменения величины последовательного полного сопротивления. Подвесное устройство 22 включает в себя изолированный участок 40, который электрически изолирует лифтовую колонну 26 от обсадной трубы 24 и от остальной части лифтовой колонны, расположенной выше поверхности 12. Секцию лифтовой колонны 26 между изолированным участком 40 и спущенным дросселем 42 можно рассматривать как канал электропитания и связи (см. также фиг.5). Спущенный дроссель 42 изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и установлен концентрически и снаружи лифтовой колонны 26. Дроссель 42 обычно изолируют, упаковывая в пластмассовую усадочную пленку, и могут укреплять эпоксидной смолой, чтобы противостоять грубому манипулированию.The gas lift well 10 includes a communication system 34 for providing electric power and a two-way downhole communication in the
Компьютер и источник питания 44, которые имеют линии 46 подачи электроэнергии и связи, расположены вне ствола 11 скважины на поверхности 12. Линии связи 46 проходят через линию 47 подачи под давлением, расположенную в подвесном устройстве 22, и электрически подсоединены к лифтовой колонне 26 ниже изолированного участка 40 подвесного устройства 22. Электроэнергия и сигналы связи подаются на лифтовую колонну 26 от компьютера и источника питания 44.A computer and a
Рассмотрим фиг.2А и 2В, на которых дроссель 42 содержит тороидальный сердечник, расположенный концентрически с лифтовой колонной 26 и внутри кольцевого пространства 31 между лифтовой колонной 26 и обсадной трубой 24. Дроссель 42 функционирует, создавая противоэлектродвижущую силу в лифтовой колонне 26, который противодействует электродвижущей силе (эдс) от источника питания 44. Противоэлектродвижущую силу создают изменения потока магнитной индукции в дросселе, и в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея эта эдс пропорциональна величине потока магнитной индукции и его скорости изменения во времени. Когда секции труб выше изолированного участка 40 и ниже спущенного дросселя 42 заземлены, противоэлектродвижущая сила, индуцируемая спущенным дросселем 42, противодействует передаче электроэнергии и сигналов связи в изменяющемся во времени токе через дроссель 42. Это эффективно формирует изолированную секцию лифтовой трубы между изолированным участком 40 и спущенным дросселем 42. Когда конструкция дросселя создает существенную степень изоляции, противоэлектродвижущая сила близка к величине приложенной эдс. Для той степени, когда противоэлектродвижущая сила меньше, чем приложенная эдс, разность этих двух сил позволяет току утечки протекать через секцию дросселя лифтовой трубы. Эта энергия теряется, но обязательна для работы дросселя, потому что поток магнитной индукции от этого тока утечки проходит через дроссель, который создает противоэлектродвижущую силу в секции дросселя. Таким образом, цель конструкции состоит в том, чтобы создать электрический дроссель, который производит противоэлектродвижущую силу от тока утечки настолько эффективно, насколько возможно.2A and 2B, in which the
На фиг.2А и 2В изображена основная конструкция дросселя и показаны переменные, используемые в анализе конструкции. Определяющие переменные и самосогласованный набор физических единиц представляют собой:On figa and 2B shows the basic design of the throttle and shows the variables used in the analysis of the design. Defining variables and a self-consistent set of physical units are:
L - длина дросселя, метры;L - throttle length, meters;
а - внутренний радиус дросселя, метры;a - internal radius of the throttle, meters;
b - внешний радиус дросселя, метры;b is the outer radius of the throttle, meters;
r - расстояние от оси дросселя, метры;r is the distance from the axis of the throttle, meters;
I - среднеквадратичное значение тока утечки через снабженную дросселем секцию трубы, амперы;I is the rms value of the leakage current through the chimney section of the pipe, amperes;
ω - угловая частота тока утечки, радианы в секунду; иω is the angular frequency of the leakage current, radians per second; and
μ - абсолютная магнитная проницаемость материала дросселя при радиусе r, генри на метр.μ is the absolute magnetic permeability of the throttle material at a radius r, Henry per meter.
По определению, ω=2πf, где f - частота в герцах. На расстоянии r от тока утечки (I) среднеквадратичное значение магнитного поля в свободном пространстве (Н), в амперах на метр, определяется выражением:By definition, ω = 2πf, where f is the frequency in hertz. At a distance r from the leakage current (I), the rms value of the magnetic field in free space (N), in amperes per meter, is determined by the expression:
Н=I/2πr.H = I / 2πr.
Магнитное поле (Н) является аксиально-симметричным относительно оси дросселя, и его можно наглядно представить в виде магнитных линий силы, образующих круги вокруг этой оси.The magnetic field (H) is axially symmetric with respect to the axis of the throttle, and it can be visualized in the form of magnetic lines of force forming circles around this axis.
Для точки внутри материала дросселя среднеквадратичное значение магнитного поля (В), в теслах (веберы на квадратный метр), определяется выражением:For a point inside the inductor material, the rms value of the magnetic field (B), in tesla (weber per square meter), is determined by the expression:
В=μH=μI/2πr.B = μH = μI / 2πr.
Среднеквадратичное значение потока магнитной индукции (F), заключенного внутри тела дросселя, в веберах, определяется выражением:The rms value of the flux of magnetic induction (F), enclosed inside the body of the inductor, in Weber, is determined by the expression:
F=∫B dSF = ∫B dS
где S - площадь поперечного сечения дросселя в квадратных метрах, как показано на фиг.2А, и интегрирование производится по площади S. Выполнение интегрирования от внутреннего радиуса дросселя (а) до внешнего радиуса дросселя (b) по длине дросселя (L) обеспечивает:where S is the cross-sectional area of the throttle in square meters, as shown in FIG. 2A, and integration is performed over area S. Integration from the inner radius of the throttle (a) to the outer radius of the throttle (b) along the length of the throttle (L) provides:
F=μLI ln (b/a)/2πF = μLI ln (b / a) / 2π
где ln - функция натурального логарифма. Напряжение противоэлектродвижущей силы, генерируемое магнитным потоком (F), в вольтах, определяется выражением:where ln is the function of the natural logarithm. The voltage of the anti-electromotive force generated by the magnetic flux (F), in volts, is determined by the expression:
V=ωF=2πf F = μLIf ln(b/a).V = ωF = 2πf F = μLIf ln (b / a).
Следует отметить, что противоэлектродвижущая сила (V) прямо пропорциональна длине (L) дросселя для постоянных величин а и b, внутреннего и внешнего радиусов ферритового элемента. Таким образом, изменяя длину (L) дросселя, можно генерировать любую требуемую противоэлектродвижущую силу (V) для данного тока утечки (I).It should be noted that the anti-electromotive force (V) is directly proportional to the length (L) of the inductor for constant values a and b, the inner and outer radii of the ferrite element. Thus, by varying the length (L) of the inductor, any required anti-electromotive force (V) can be generated for a given leakage current (I).
Электроэнергия может передаваться в определенном частотном диапазоне в пределах функциональной полосы частот, а сигналы связи могут передаваться в другом частотном диапазоне внутри той же самой функциональной полосы частот. Поскольку частота мощности переменного тока в общем ниже, чем частоты обеспечиваемой полосы частот связи, частота мощности переменного тока часто определяет нижнюю границу частотного диапазона, выше которой требуется электрическая изоляция. Поскольку электрическое полное сопротивление дросселя линейно растет с частотой, если дроссель обеспечивает соответствующее полное сопротивление на частоте мощности переменного тока, обычно оно будет также соответствующим на более высоких частотах, используемых для связи. Однако ферромагнитные материалы отличаются максимальной рабочей частотой, выше которой ферромагнитные свойства не демонстрируются. Таким образом, верхняя граница частот ферромагнитного материала, выбранного для конструкции дросселя, должна быть подходящей для обеспечения изоляции на верхней границе полосы частот канала связи.Electricity can be transmitted in a certain frequency range within the functional frequency band, and communication signals can be transmitted in a different frequency range within the same functional frequency band. Since the frequency of the AC power is generally lower than the frequency of the provided communication frequency band, the frequency of the AC power often defines the lower limit of the frequency range above which electrical isolation is required. Since the electrical impedance of the inductor rises linearly with frequency, if the inductor provides the corresponding impedance at the AC power frequency, it will usually also be suitable at the higher frequencies used for communication. However, ferromagnetic materials have a maximum operating frequency above which ferromagnetic properties are not demonstrated. Thus, the upper frequency boundary of the ferromagnetic material selected for the design of the inductor must be suitable to provide isolation at the upper boundary of the frequency band of the communication channel.
Способ электрической изоляции секции лифтовой колонны, как показано на фиг.1, не является единственным способом обеспечения электроэнергии и сигналов связи для скважины. Вместо использования подвесного устройства 22 с изолированным участком 40, вокруг лифтовой колонны 26 можно расположить верхний ферромагнитный дроссель (не показанный). Точно так же, вместо спущенного ферромагнитного дросселя 42 можно использовать в скважине электроизоляционный соединитель. В показанном на фиг.1 предпочтительном варианте осуществления электроэнергия и сигналы связи подаются на лифтовую колонну 26 с электрическим обратным проводом, обеспечиваемым обсадной трубой 24. Вместо этого, электрический обратный провод можно было обеспечивать посредством заземления через землю. Электрическое подключение к заземлению через землю можно обеспечивать, пропуская провод через обсадную трубу 24 или подсоединяя провод к лифтовой колонне ниже спущенного дросселя 42 (если нижняя часть лифтовой колонны заземлена).The method of electrical isolation of the section of the elevator column, as shown in figure 1, is not the only way to provide electricity and communication signals for the well. Instead of using a suspension device 22 with an
Альтернативный канал электроэнергии и связи можно обеспечить с помощью обсадной трубы 24. В конфигурации, аналогичной используемой с лифтовой колонной 26, часть обсадной трубы 24 можно электрически изолировать с целью обеспечения магистральной линии связи для передачи электроэнергии и сигналов связи в скважину. Если ферромагнитные дроссели использовать для изолирования части обсадной трубы, дроссели можно расположить концентрически вокруг внешней стороны обсадной трубы. Вместо использования дросселей с обсадной трубой 24, можно использовать электроизоляционные соединители подобно изолированному участку 40 подвесного устройства 22. В вариантах осуществления, использующих обсадную трубу 24 для подачи электроэнергии и сигналов связи в скважину, электрический обратный провод можно обеспечивать либо по лифтовой колонне 26, либо по заземлению через землю.An alternative electricity and communication channel can be provided using
Внутри обсадной трубы 24 в скважине под спущенным дросселем 42 помещен пакер 48. Пакер 48 расположен над зоной 14 добычи и обеспечивает гидравлическую изоляцию между зоной 14 добычи и пространством скважины над ней. Пакер электрически соединяет металлическую лифтовую колонну 26 с металлической обсадной трубой 24. Как правило, электрическое соединение между лифтовой колонной 26 и обсадной трубой 24 не позволяет передавать или принимать электрические сигналы вверх и вниз по стволу 11 скважины, используя лифтовую колонну 26 в качестве одного проводника, а обсадную трубу 24 - в качестве другого проводника. Однако размещение изолированного участка 40 и спущенного ферромагнитного дросселя 42 создает электрически изолированную секцию лифтовой колонны 26, которая обеспечивает систему и способ передачи электроэнергии и сигналов связи вверх и вниз по стволу 11 газлифтной скважины 10.A packer 48 is placed inside the
Рассматривая снова фиг.1, отметим, что между изолированным участком 40 и спущенным ферромагнитным дросселем 42 к лифтовой колонне 26 электрически подсоединено множество скважинных устройств 50. Некоторые из скважинных устройств 50 включают в себя управляемые газлифтные клапаны. Другие скважинные устройства 50 могут содержать электронные модули, датчики, устройства связи (обычно широкополосные цифровые модемы) или обычные клапаны. Хотя передача электроэнергии и сигналов связи осуществляется по электрически изолированному участку лифтовой колонны, скважинные устройства 50 могут быть механически подсоединены выше или ниже спущенного дросселя 42.Referring again to FIG. 1, it is noted that between the
Рассмотрим фиг.3А и 3В, на которых более подробно иллюстрируется установка одного из скважинных устройств (аналогичного скважинным устройствам 50 на фиг.1). Как упомянуто выше, обычные газлифтные клапаны сильфонного типа часто используются в газлифтных скважинах, чтобы впускать газ под давлением из кольцевого пространства 31 во внутреннюю часть лифтовой колонны 26. В настоящем изобретении какие-либо или все обычные клапаны можно заменять управляемыми газлифтными клапанами. На фиг.3А и 3В показан соответствующий настоящему изобретению управляемый клапан 220. Управляемый клапан 220 включает в себя корпус 222 и скользящим образом вводится в эксцентричную камеру 224 для газлифтных клапанов. Эксцентричная камера 224 для газлифтных клапанов включает в себя корпус 226, имеющий впускное окно 228 для газа и выпускное окно 230 для газа. Когда управляемый клапан 220 находится в открытом положении, впускное окно 228 для газа и выпускное окно 230 для газа обеспечивают связь текучей среды между кольцевым пространством 31 и внутренней частью лифтовой колонны 26. В закрытом положении управляемый клапан 220 предотвращает связь текучей среды между кольцевым пространством 31 и внутренней частью лифтовой колонны 26. В многочисленных промежуточных положениях, располагаемых между открытым и закрытым положениями, управляемый клапан 220 отмеряет количество газа, текущего из кольцевого пространства 31 в лифтовую колонну 26 через впускное окно 228 для газа и выпускное окно 230 для газа.Consider FIGS. 3A and 3B, which illustrate in more detail the installation of one of the downhole devices (similar to downhole devices 50 in FIG. 1). As mentioned above, conventional bellows-type gas lift valves are often used in gas lift wells to inject pressurized gas from the
Шаговый двигатель 234 расположен внутри корпуса 222 управляемого клапана 220 для вращения шестерни 236. Шестерня 236 зацепляет червячный привод 238, который, в свою очередь, поднимает и опускает клетку 240. Когда клапан 220 находится в закрытом положении, клетка 240 зацепляет седло 242 с целью предотвращения протекания в отверстие 244, таким образом предотвращая протекание в клапан 220. Полагают, что эта конфигурация клапана "клетка" является предпочтительной конструкцией с точки зрения гидромеханики по сравнению с альтернативным вариантом осуществления конфигурации игольчатого клапана. Более конкретно, протекание текучей среды из впускного окна 228 мимо соединения клетки и седла (240, 242) позволяет точно регулировать поток текучей среды без чрезмерного износа из-за текучей среды механических поверхностей раздела. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что можно использовать конструкции игольчатых клапанов или другие конструкции клапанов.A
Управляемый клапан 220 включает в себя головку 250 запорного клапана, расположенную внутри корпуса 222 ниже клетки 240. Впускное отверстие 252 и выпускное отверстие 254 взаимодействуют с впускным окном 228 для газа и выпускным окном 230 для газа, когда клапан 220 находится в открытом положении, чтобы обеспечить сообщение текучей среды между кольцевым пространством 31 и внутренней частью лифтовой колонны 26. Головка 250 запорного клапана гарантирует, что протекание текучей среды происходит, только когда давление текучей среды в кольцевом пространстве 31 превышает давление текучей среды во внутренней части лифтовой колонны 26.The
Электронный модуль 256 расположен внутри корпуса управляемого клапана 220. Электронный модуль 256 оперативно подсоединен к клапану 220 для осуществления связи между поверхностью скважины и клапаном. Электронный модуль 256 содержит устройство связи с расширенным спектром для приема электроэнергии и передачи сообщений в лифтовую колонну 26, как описано выше. В дополнение к посылке сигналов на поверхность с целью сообщения о физическом состоянии в скважине электронный модуль может принимать команды с поверхности и регулировать эксплуатационные характеристики клапана 220.An
Клапан 220 физически расположен ниже спущенного дросселя 42, но электрически подсоединен к лифтовой колонне 26 выше дросселя 42 с помощью навесного проводника 64. Заземляющий провод 66 электрически подсоединен между клапаном 220 и центратором 60 со спиральными пружинами, чтобы обеспечить электрический обратный провод для клапана 220. Центратор 60 со спиральными пружинами используется для центрирования лифтовой колонны 26 относительно обсадной трубы 24. При расположении в электрически изолированном участке лифтовой колонны 26 каждый центратор 60 со спиральными пружинами включает в себя изоляторы 62 из поливинилхлорида для обеспечения электрической изоляции обсадной трубы 24 от лифтовой колонны 26.The
Рассмотрим фиг.4, на которой иллюстрируется альтернативная установка нескольких скважинных устройств (аналогичных скважинным устройствам 50 на фиг.1). Лифтовая колонна 26 включает в себя увеличенный карман в форме кольца, или коллектор 100, образованный на внешней части лифтовой колонны 26. Увеличенный карман 100 включает в себя корпус, который окружает и защищает управляемый газлифтный клапан 99 (показанный схематично) и электронный модуль 106. В этой монтажной конфигурации газлифтный клапан 9.9 и электронный модуль 106 жестко крепят к лифтовой колонне 26, и их нельзя вставлять и извлекать с помощью талевого каната. В качестве альтернативы, клапан 99 и электронный модуль 106 можно располагать в эксцентричной камере для установки клапанов (не показанной) так, чтобы устройства можно было легко вставлять и извлекать с помощью талевого каната. Заземляющий провод 102 (подобный заземляющему проводу 66 на фиг.3В) подводится через увеличенный карман 100 для подсоединения электронного модуля 106 к центратору 60 со спиральными пружинами, который заземлен на обсадную трубу 24. Электронный модуль 106 является внешним относительно клапана 99 и жестко прикреплен к лифтовой колонне 26 для получения сигналов связи и электроэнергии по навесному проводнику 104 электроэнергии и сигналов.Consider figure 4, which illustrates an alternative installation of several downhole devices (similar to downhole devices 50 in figure 1). The
Управляемый клапан 99 включает в себя головку 108 клапана клетки с электроприводом и головку 110 запорного клапана, которые схематично показаны на фиг.4. Головка 108 клапана клетки и головка 110 запорного клапана работают способом, аналогичным работе клетки 240 и головки 250 запорного клапана фиг.3А. Головки 108, 110 клапанов взаимодействуют с целью управления сообщением текучей среды между кольцевым пространством 31 и внутренней частью лифтовой колонны 26.The
Вместе с электронным модулем 106 используется множество датчиков для управления действием управляемого клапана 99 и газлифтной скважины 10. Датчики давления, типа производимых на фирме Three Measurements Specialties, Inc., можно использовать для измерения внутреннего давления лифтовой трубы, внутренних давлений корпуса коллектора и перепадов давления в газлифтных клапанах. При промышленной эксплуатации внутреннее давление коллектора рассматривается как ненужное. Датчик 112 давления жестко прикреплен к лифтовой колонне 26, чтобы считывать внутреннее давление лифтовой трубы текучей среды внутри лифтовой колонны 26. Датчик 118 давления установлен внутри кармана 100 для определения перепада давления в головке 108 клапана клетки. Как датчик 112 давления, так и датчик 118 давления независимо электрически подсоединены к электронному модулю 106 для получения электроэнергии и для передачи сигналов связи. Датчики 112, 118 давления установлены в коллекторе, чтобы противостоять серьезной вибрации, связанной с лифтовыми колоннами газлифта.Together with the
Температурные датчики, типа изготавливаемых на фирме Four Analog Devices, Inc. (например, LM-34), используются для измерения температуры текучей среды внутри лифтовой трубы, коллектора корпуса, силового трансформатора или источника электропитания. Температурный датчик 114 прикреплен к лифтовой колонне 26 для считывания внутренней температуры текучей среды внутри лифтовой колонны 26. Температурный датчик 114 электрически соединен с электронным модулем 106, который получает электроэнергию и передает сигналы связи. Температурные преобразователи, используемые в скважине, имеют номинальный диапазон от -50 до 300°F (по шкале Фаренгейта) и кондиционны посредством входной схемы от +5 до +255°F. Необработанное напряжение, образующееся на источнике электропитания в электронном модуле 106, делится в элементе резистивного делителя напряжения так, чтобы 25,5 В производили входной сигнал для аналогово-цифрового преобразователя, составляющий 5 В.Temperature sensors, such as manufactured by Four Analog Devices, Inc. (e.g. LM-34) are used to measure the temperature of a fluid inside an elevator pipe, housing manifold, power transformer, or power source. The
Датчик 116 минерализации также электрически связан с электронным модулем 106. Датчик 116 минерализации жестко и герметично соединен с корпусом увеличенного кармана 100 для считывания минерализации текучей среды в кольцевом пространстве 31.The
Должно быть понятно, что альтернативные варианты осуществления, иллюстрируемые на фиг.3В и 4, могут включать в себя или исключать любое количество датчиков 112, 114, 116 или 118. Датчики, отличающиеся от показанных, также могут использоваться в любом из вариантов осуществления. Они могут включать в себя датчики манометрического давления, датчики абсолютного давления, датчики перепада давления, датчики объемной скорости потока, акустические волновые датчики лифтовой трубы, датчики положения клапана или множество других датчиков аналоговых сигналов. Точно так же следует отметить, что хотя показанный на фиг.3В электронный модуль 256 размещен внутри клапана 220, электронный модуль, подобный электронному модулю 106, может быть размещен с различными датчиками и использоваться независимо от управляемого клапана 220.It should be understood that the alternative embodiments illustrated in FIGS. 3B and 4 may include or exclude any number of
Рассмотрим теперь фиг.5, на которой показана эквивалентная электрическая схема для газлифтной скважины 10, и сравним ее с фиг.1. Компьютер и источник электропитания 44 включают в себя источник 120 электропитания переменного тока и модем 122, электрически подсоединенный между обсадной трубой 24 и лифтовой колонной 26. Как обсуждалось выше, электронный модуль 256 установлен внутренним образом в корпусе клапана, который можно вставлять и извлекать из скважины с помощью талевых канатов. Электронный модуль 106 независимо и перманентно монтируют в увеличенном кармане на лифтовой колонне 26.We now consider FIG. 5, which shows an equivalent circuit diagram for a gas lift well 10, and compare it with FIG. The computer and
Для целей эквивалентной электрической схемы фиг.5, важно обратить внимание, что электронные модули 256, 106 кажутся идентичными, оба модуля 256, 106 электрически подсоединены между обсадной трубой 24 и лифтовой колонной 26. Электронные модули 256, 106 могут содержать или не содержать различные компоненты и комбинации, типа датчиков 112, 114, 116, 118. Помимо этого, электронные модули могут быть или не быть неотъемлемой частью управляемого клапана. Каждый электронный модуль включает в себя силовой трансформатор 124 и преобразователь 128 данных. Преобразователь 128 данных электрически подсоединен к модему 130.For the purposes of the equivalent circuitry of FIG. 5, it is important to note that the
Компьютер и источник электропитания 44 также включают в себя поверхностный контроллер (на фиг.5 не показанный), который электрически подсоединен через поверхностное устройство связи (например, модем 122) и лифтовую колонну 26 и/или обсадную трубу 24 к устройству связи в скважине (например, к модему 130). Каждый модем 130 может осуществлять связь с модемом 122 либо непосредственно, либо с помощью ретрансляции через промежуточные устройства связи (содержащие, например, модемы, фильтры, преобразователи данных, усилители) для передачи сигнала, если требуется, чтобы произвести изменения в работе скважины. Например, находящийся на поверхности компьютер может получать измерения от различных источников, типа скважинных датчиков, измерения добычи нефти и измерения ввода сжатого газа в скважину (поток и давление). Используя такие измерения, компьютер может вычислять оптимальное положение управляемого газового клапана, более конкретно оптимальное количество газа, вводимого из кольцевого пространства 31 через каждый управляемый клапан в лифтовую колонну 26. Компьютер может управлять дополнительными параметрами, типа управления количеством сжатого газа, вводимого в скважину у поверхности, управления противодавлением на скважинах, управления пористым фриттированием или системой введения поверхностно-активного вещества для вспенивания нефти, и принимая измерения добычи и функционирования от различных других скважин в том же месторождении, оптимизировать добычу в месторождении или эксплуатационной зоне.The computer and
В зависимости от диапазона связи, который модемы 130 способны обеспечить при определенных состояниях скважины, передача данных датчиков и управления вверх и вниз по скважине может требовать, чтобы эти сигналы скорее передавались между модемами 130, чем проходили непосредственно с поверхности на выбранные скважинные устройства 50 (см. фиг.1). Этот способ ретрансляции можно применять и к обычным, и к многосторонним освоениям скважины.Depending on the communication range that modems 130 are capable of providing under certain well conditions, transmitting sensor and control data up and down the well may require these signals to be transmitted between
Находящиеся в скважине модемы 130 предпочтительно размещены так, чтобы каждый мог осуществлять связь со следующими двумя модемами вверх по скважине и следующими двумя модемами вниз по скважине. Эта избыточность позволяет оперативно поддерживать связь даже в случае отказа одного из находящихся в скважине модемов 130.The
Набор скважинных устройств 50, имеющий модемы 130, может обеспечивать постоянную магистральную линию связи, которая может быть частью инфраструктуры скважины. Такая магистральная линия связи может обеспечивать средства для измерения состояния в каждой части скважины и передавать данные в находящийся на поверхности компьютер или находящийся в скважине контроллер, а для компьютера передавать управляющие сигналы, чтобы открывать или закрывать скважинные клапаны, с целью установления противодавления, установления скорости нагнетания газа, регулирования объемной скорости потока и так далее. Этот уровень управления позволяет оптимизировать добычу из скважины в зависимости от критериев, которые могут динамически управляться по существу в реальном времени, а не фиксированы целью статической добычи. Например, оптимальным, при одном наборе экономических условий, может быть максимальный отбор из резервуара, но при других экономических условиях может быть выгодно изменить способ добычи посредством снижения до минимума стоимости отбора, используя для максимального эффекта транспортирующий газ (газ, применяемый для газлифта).A set of downhole devices 50, having
Рассмотрим фиг.6, на которой электронный модуль 106 показан более подробно. Хотя компоненты какого-либо конкретного электронного модуля могут изменяться, показанные на фиг.6 компоненты могут присутствовать в электронных модулях, размещаемых внутри корпуса клапана (типа электронного модуля 256), или электронных модулей, которые размещаются снаружи клапана. Усилители и формирователи 180 сигналов предусмотрены для приема входных сигналов от различных датчиков, типа температуры лифтовой трубы, температуры кольцевого пространства, давления в лифтовой трубе, давления в кольцевом пространстве, скорости потока транспортирующего газа, положения клапана, минерализации, перепада давления, акустических показаний и других. Некоторые из этих датчиков аналогичны датчикам 112, 114, 116 и 118, показанным на фиг.4. Какие-либо малошумящие операционные усилители предпочтительно сконфигурированы с неинвертирующими входами и несимметричными выходами (например, Linear Technology LT1369). Все усилители 180 запрограммированы с элементами усиления, предназначенными для преобразования рабочего диапазона входного сигнала от отдельного датчика в значащий 8-разрядный выходной сигнал. Например, входной сигнал давления в один фунт на квадратный дюйм произведет цифровой выходной сигнал, равный одному биту, 100 градусов температуры произведут цифровой выходной сигнал, равный 100 битам, а входной сигнал 12,3 В необработанного напряжения постоянного тока произведет выходной сигнал, равный 123 битам. Усилители 180 способны производить операцию, образуя выходной сигнал с размахом, равным напряжению питания.Consider figure 6, in which the
Электронный модуль 106 электрически связан с модемом 122 через обсадную трубу 24 и лифтовую колонну 26. Переключатели 182 адресов предусмотрены для адресования конкретного устройства из модема 122. Как показано на фиг.6, 4 бита адресов могут селективно переключаться с целью образования верхних 4 битов полного 8-битового адреса. Нижних 4 бита заключают в себе и используются для адресования отдельных элементов внутри каждого электронного модуля 106. Таким образом, при использовании иллюстрируемой конфигурации шестнадцать модулей назначаются одному модему 122 в единственной линии связи. На основании этой конфигурации в одной линии связи может быть размещено до четырех модемов 122.The
Электронный модуль 106 также включает в себя программируемый контроллер интерфейса (ПКИ) 170, который предпочтительно имеет основную тактовую частоту 20 МГц и скомпонован с 8 аналого-цифровыми входами 184 и 4 адресными входами 186. ПКИ 170 включает в себя последовательную систему связи транзисторно-транзисторного уровня (ТТУ), универсальный асинхронный приемопередатчик УАПП 188, а также интерфейс 190 контроллера двигателя. ПКИ 170 электрически соединен с модемом 171 (аналогичным модему 130 фиг.5), который связан с модемом 122.The
Электронный модуль 106 также содержит источник 166 электропитания. Шина питания номинального напряжения 6 В переменного тока подведена к источнику 166 электропитания по лифтовой колонне 26. Источник 166 электропитания преобразовывает эту электроэнергию в напряжение плюс 5 В постоянного тока на клемме 192, минус 5 В постоянного тока на клемме 194 и плюс 6 В постоянного тока на клемме 196. Также показана клемма 198 заземления. Преобразованная электроэнергия используется различными элементами в электронном модуле 106.The
Хотя связи между источником 166 электропитания и компонентами электронного модуля 106 не показаны, источник 166 электропитания электрически подсоединен к следующим компонентам для обеспечения определенной электроэнергии. ПКИ 170 использует напряжение плюс 5 В постоянного тока, в то время как модем 171 использует напряжение плюс 5 В и минус 5 В постоянного тока. Двигатель 199 (аналогичный шаговому двигателю 234 на фиг.3А) снабжается напряжением плюс 6 В постоянного тока от клеммы 196. Источник 166 электропитания содержит повышающий преобразователь для преобразования номинального напряжения 6 В переменного тока в напряжение 7,5 В переменного тока. Это напряжение 7,5 В переменного тока затем выпрямляется в двухполупериодной мостовой схеме, давая напряжение 9,7 В нерегулируемого постоянного тока. Трехклеммные регуляторы обеспечивают регулируемые выходные сигналы на клеммах 192, 194 и 196, которые подвергаются сильной фильтрации и защите с помощью реверсивной схемы эдс. Модем 171 является главным потребителем электроэнергии в электронном модуле 165 и обычно использует при передаче 350 + миллиампер с напряжением плюс/минус 5 В постоянного тока.Although the connections between the
Модем 171 представляет собой цифровой широкополосный модем, имеющий набор микросхем высокочастотной связи по линии электропередач IC/SS, типа моделей EG ICS1001, ICS1002 и ICS1003, изготавливаемых на фирме National Semiconductor. Модем 171 способен работать на скоростях передачи данных 300-3200 бод на несущих частотах в диапазоне от 14 кГц до 76 кГц. Патент США №5488593 описывает набор микросхем более подробно и включен здесь путем ссылки. Существуют альтернативные выполнения подходящих модемов, основанные на различных принципах передачи, как широкополосных, так и узкополосных, которые являются коммерчески доступными и которые являются подходящими для цели обеспечения двусторонних связей между модемами.
Контроллер ПКИ 170 управляет работой шагового двигателя 199 через контроллер 200 шагового двигателя, типа модели SA1042, изготавливаемой фирмой Motorola. Контроллеру 200 требуется только направленная информация и простые синхронизирующие импульсы от ПКИ 170 для приведения в действие шагового двигателя 199. Начальная настройка контроллера 200 определяет все элементы для начального действия в известных состояниях. Шаговый двигатель 199, предпочтительно червячная головка (головка механизма) MicroMo, располагает головку 201 клапана клетки (аналогичной клетке 240 на фиг.3А), которая является основным действующим компонентом управляемого газлифтного клапана. Шаговый двигатель 199 обеспечивает вращающий момент 0,4 дюйма-унции и может приводиться в действие со скоростью до 500 шагов в секунду. Полный оборот шагового двигателя 199 состоит из 24 отдельных шагов, и червячная головка обеспечивает механическое редуцирование 989:1, обеспечивая максимальную скорость 1 оборот в минуту на выходном валу червячной головки с вращающим моментом 24 дюйма-фунта, что является более чем достаточным для того, чтобы опускать и поднимать клапан 201. Хотя этот иллюстративный пример подходящего варианта осуществления основан на использовании шагового двигателя, важно обратить внимание, что существуют альтернативные способы электронного управления, подходящие для других типов двигателей, многие из которых могут оказаться подходящими для управления степенью открытия клапана 201.The
ПКИ 170 осуществляет связь через цифровой модем 171 с модемом 122 через обсадную трубу 24 и лифтовую колонну 26. ПКИ 170 использует протокол связи MODBUS 584/985 PLC. Протокол кодируется для передачи посредством ASCII (американского стандартного кода обмена информацией).A
ДействиеAct
Для большой доли искусственно поднимаемой добываемой нефти сегодня используется газлифт, чтобы помогать доставлять нефть из резервуара к поверхности. В таких газлифтных скважинах сжатый газ вводится в скважину снаружи лифтовой трубы, обычно в кольцевое пространство между обсадной трубой и лифтовой трубой, и механические газлифтные клапаны допускают проникновение газа в секцию лифтовой трубы, таким образом индуцируя повышение столба флюида внутри лифтовой трубы к поверхности. Как было описано выше, обычные механические газлифтные клапаны ненадежны из-за утечки и отказов. Такие утечки и отказы не легко обнаружить на поверхности, и они, вероятно, снижают эффективность добычи из скважины на величину порядка 15 процентов из-за более низких дебитов и более высоких требований к полевым системам подачи газа под давлением, применяемым для газлифта.For a large fraction of artificially raised produced oil, a gas lift is used today to help deliver oil from the reservoir to the surface. In such gas lift wells, compressed gas is introduced into the well outside the lift pipe, typically into the annular space between the casing and the lift pipe, and mechanical gas lift valves allow gas to penetrate the lift pipe section, thereby inducing an increase in the fluid column inside the lift pipe to the surface. As described above, conventional mechanical gas lift valves are unreliable due to leakage and failure. Such leaks and failures are not easily detected on the surface, and they are likely to reduce the production efficiency from the well by about 15 percent due to lower flow rates and higher requirements for field pressure gas supply systems used for gas lift.
Беспроводная магистральная линия связи по настоящему изобретению обеспечивает систему для контроля и управления работой газлифтной скважины. Помещая скважинные устройства, типа датчиков, электронных модулей, управляемых газлифтных клапанов и модемов, на лифтовую колонну скважины, можно осуществлять точный контроль и изменения в скважине с целью повышения эффективной добычи. Каждое из отдельных скважинных устройств индивидуально адресуется через беспроводную связь по лифтовой трубе и обсадной трубе. То есть модем на поверхности и связанный с ним контроллер осуществляют связь с множеством находящихся в скважине модемов. Когда находящийся на поверхности модем связывается с конкретным находящимся в скважине модемом, другие модемы в скважине могут действовать как промежуточные звенья, при необходимости передавая сигналы. Датчики сообщают о таких измерениях, как давление лифтовой трубы в скважине, давление в обсадной колонне в скважине, температуры лифтовой трубы и обсадной трубы в скважине, объемные скорости потока газа, применяемого для газлифта, положение газового клапана и акустические данные (см. фиг.4, датчики 112, 114, 116 и 118). Находящийся на поверхности компьютер (размещенный либо в устьевом отверстии скважины, либо в центре действующего промысла) непрерывно объединяет и анализирует скважинные данные, а также данные с поверхности, с целью вычисления профиля распределения давления лифтовой трубы в реальном времени. На основании этих данных вычисляется оптимальная объемная скорость потока газлифта для каждого управляемого газлифтного клапана. В качестве альтернативы, датчики могут сообщать свои измерения через находящиеся в скважине модемы повторителя в контроллер, связанный с газлифтным клапаном, чтобы аналогичным образом управлять действием клапана для получения оптимальных или требуемых объемных скоростей потока.The wireless trunk communication line of the present invention provides a system for monitoring and controlling the operation of a gas lift well. By placing downhole devices, such as sensors, electronic modules, controlled gas lift valves and modems, on the lift string of the well, precise control and changes in the well can be made to increase effective production. Each of the individual downhole devices is individually addressed via wireless communication through the elevator pipe and casing. That is, the surface modem and its associated controller communicate with a plurality of modems located in the well. When a surface modem communicates with a particular modem in the well, other modems in the well may act as intermediates, transmitting signals if necessary. The sensors report such measurements as the pressure of the elevator pipe in the well, the pressure in the casing in the well, the temperature of the elevator pipe and the casing in the well, the volumetric flow rates of the gas used for gas lift, the position of the gas valve and acoustic data (see Fig. 4 ,
В дополнение к управлению объемными скоростями потока скважины, можно управлять добычей, чтобы производить оптимальное состояние потока текучей среды. Можно избегать нежелательных состояний, типа "подъема уровня в скважине" и "пробкового течения". Как было упомянуто выше, можно достигать и поддержать оптимальный режим потока, соответствующий требуемому текущему дебиту скважины. Благодаря возможности быстро определять нежелательные состояния потока в скважине, можно управлять добычей так, чтобы избегать таких нежелательных состояний. Быстрое обнаружение компьютером на поверхности состояний потока позволяет компьютеру корректировать любые проблемы потока посредством регулирования таких факторов, как положение управляемого газлифтного клапана, скорость нагнетания газа, противодавление в лифтовой трубе около устьевого отверстия скважины и даже введение поверхностно-активного вещества.In addition to controlling the volumetric flow rates of the well, production can be controlled to produce optimal fluid flow conditions. Unwanted conditions such as “level rise in the well” and “cork flow” can be avoided. As mentioned above, it is possible to achieve and maintain an optimal flow rate corresponding to the desired current flow rate of the well. Due to the ability to quickly detect unwanted flow conditions in the well, production can be controlled to avoid such unwanted conditions. The computer’s quick detection of flow conditions on the surface allows the computer to correct any flow problems by controlling factors such as the position of the controlled gas lift valve, gas injection rate, back pressure in the elevator pipe near the wellhead, and even the introduction of a surfactant.
Даже при том, что многие из обсуждавшихся здесь примеров являются применениями настоящего изобретения в нефтяных скважинах, настоящее изобретение также можно применять к другим типам скважин, включая, но не ограничиваясь этим, водозаборные скважины и скважины природного газа.Even though many of the examples discussed here are applications of the present invention in oil wells, the present invention can also be applied to other types of wells, including, but not limited to, water wells and natural gas wells.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение можно применять во многих областях, где требуется обеспечить управляемый клапан внутри наклонной скважины, буровой скважины или любой другой области, которая является трудной для доступа. Кроме того, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение можно применять во многих областях, где уже существует проводящая система трубопроводов и имеется потребность в трассировании электроэнергии и системы связи с управляемым клапаном тем же самым или аналогичным путем, как проходит система трубопроводов. Система или сеть разбрызгивания воды в здании для тушения пожаров представляет собой пример системы трубопроводов, которая может уже существовать и может иметь тот же самый или подобный путь, который требуется для трассирования электроэнергии и системы связи с управляемым клапаном. В таком случае в качестве электрического обратного провода можно использовать другую систему трубопроводов или другую часть той же самой системы трубопроводов.Specialists in the art should understand that the present invention can be applied in many areas where you want to provide a controlled valve inside an inclined well, a borehole or any other area that is difficult to access. In addition, it will be understood by those skilled in the art that the present invention can be applied in many areas where a conductive piping system already exists and there is a need for tracing electricity and a controlled valve communication system in the same or similar way as the piping system . The water spray system or network in a building to extinguish fires is an example of a piping system that may already exist and may have the same or similar path that is required for electricity tracing and a controlled valve communication system. In this case, another piping system or another part of the same piping system can be used as the electrical return wire.
Claims (13)
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US17800100P | 2000-01-24 | 2000-01-24 | |
US17788300P | 2000-01-24 | 2000-01-24 | |
US60/177,883 | 2000-01-24 | ||
US60/178,001 | 2000-01-24 | ||
US60/177,998 | 2000-01-24 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002122759A RU2002122759A (en) | 2004-01-27 |
RU2273727C2 true RU2273727C2 (en) | 2006-04-10 |
Family
ID=36295076
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002122759/03A RU2273727C2 (en) | 2000-01-24 | 2001-01-22 | Oil well and oil well bore operational method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2273727C2 (en) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2475643C2 (en) * | 2010-12-30 | 2013-02-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный нефтяной технический университет (ГОУ ВПО УГНТУ) | Method and device for control of process of simultaneous separate operation of multiple-zone cased wells (versions) and execution module in device (versions) |
RU2522825C1 (en) * | 2010-06-21 | 2014-07-20 | Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк. | System and method of isolation of current supplied to electric load in well |
US8925638B2 (en) | 2008-06-07 | 2015-01-06 | Camcon Oil Limited | Gas injection control devices and methods of operation thereof |
RU2558083C1 (en) * | 2014-01-17 | 2015-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ВОРМХОЛС" | Self-contained unit of fluid flow control in horizontal well |
RU2567908C2 (en) * | 2011-05-16 | 2015-11-10 | Халлибертон Мэньюфэкчуринг & Сервисез Лимитед | Method to determine accuracy of well isolation operation |
RU2613374C2 (en) * | 2008-03-03 | 2017-03-16 | Интеллизерв Интернэшнл Холдинг, Лтд | Monitoring borehole indexes by means of measuring system distributed along drill string |
RU2745858C1 (en) * | 2020-06-03 | 2021-04-02 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технологический центр Геомеханика" | Method for monitoring well bottom parameters and device for carrying out said method |
RU2765527C2 (en) * | 2016-12-06 | 2022-01-31 | Пмк Пампс Инк. | Double-action pumping system with hydraulic drive for extraction of fluids from inclined well |
RU2773879C1 (en) * | 2019-09-19 | 2022-06-14 | Петрочайна Компани Лимитед | Downhole throttle device based on wireless control |
US11946349B2 (en) | 2019-09-19 | 2024-04-02 | Petrochina Company Limited | Downhole throttling device based on wireless control |
-
2001
- 2001-01-22 RU RU2002122759/03A patent/RU2273727C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
КУЗНЕЦОВ М.И., Основы электротехники, Москва, Профтехиздат, 1960, с.215-227. * |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2613374C2 (en) * | 2008-03-03 | 2017-03-16 | Интеллизерв Интернэшнл Холдинг, Лтд | Monitoring borehole indexes by means of measuring system distributed along drill string |
US8925638B2 (en) | 2008-06-07 | 2015-01-06 | Camcon Oil Limited | Gas injection control devices and methods of operation thereof |
RU2522825C1 (en) * | 2010-06-21 | 2014-07-20 | Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк. | System and method of isolation of current supplied to electric load in well |
RU2475643C2 (en) * | 2010-12-30 | 2013-02-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный нефтяной технический университет (ГОУ ВПО УГНТУ) | Method and device for control of process of simultaneous separate operation of multiple-zone cased wells (versions) and execution module in device (versions) |
RU2567908C2 (en) * | 2011-05-16 | 2015-11-10 | Халлибертон Мэньюфэкчуринг & Сервисез Лимитед | Method to determine accuracy of well isolation operation |
RU2558083C1 (en) * | 2014-01-17 | 2015-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ВОРМХОЛС" | Self-contained unit of fluid flow control in horizontal well |
RU2765527C2 (en) * | 2016-12-06 | 2022-01-31 | Пмк Пампс Инк. | Double-action pumping system with hydraulic drive for extraction of fluids from inclined well |
RU2773879C1 (en) * | 2019-09-19 | 2022-06-14 | Петрочайна Компани Лимитед | Downhole throttle device based on wireless control |
US11946349B2 (en) | 2019-09-19 | 2024-04-02 | Petrochina Company Limited | Downhole throttling device based on wireless control |
RU2745858C1 (en) * | 2020-06-03 | 2021-04-02 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технологический центр Геомеханика" | Method for monitoring well bottom parameters and device for carrying out said method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2002122759A (en) | 2004-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6715550B2 (en) | Controllable gas-lift well and valve | |
US6679332B2 (en) | Petroleum well having downhole sensors, communication and power | |
US6758277B2 (en) | System and method for fluid flow optimization | |
US6958704B2 (en) | Permanent downhole, wireless, two-way telemetry backbone using redundant repeaters | |
RU2263202C2 (en) | Method for high-pressure trip gas usage in gas-lift well | |
US6464011B2 (en) | Production well telemetry system and method | |
US6176312B1 (en) | Method and apparatus for the remote control and monitoring of production wells | |
RU2256067C2 (en) | Method for operating gas-lifting oil well, gas-lifting oil well and method for controlling flow of multi-phase flowing substance in gas-lift oil well | |
EP1451445B1 (en) | A device and a method for electrical coupling | |
GB2333790A (en) | Fluid/gas control system for a production well | |
WO1996024748A1 (en) | Production wells having permanent downhole formation evaluation sensors | |
GB2305196A (en) | Productin wells having permanent downhole formation evaluation sensors | |
AU2001250795A1 (en) | Wireless downhole well interval inflow and injection control | |
WO2001065063A1 (en) | Wireless downhole well interval inflow and injection control | |
AU2001245433B2 (en) | Controllable production well packer | |
RU2273727C2 (en) | Oil well and oil well bore operational method | |
AU2001245433A1 (en) | Controllable production well packer | |
AU772610B2 (en) | Downhole wireless two-way telemetry system | |
CA2187424C (en) | Method and apparatus for the remote control and monitoring of production wells |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130123 |