RU2513073C2 - Способ и устройство для скважинных измерений - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу и устройству для скважинных измерений для контроля и управления нефтяными и газовыми эксплуатационными, нагнетательными и наблюдательными скважинами и, в частности, к способу и устройству для контроля параметров ствола скважины и пласта в месте залегания. Техническим результатом является точный контроль параметров ствола скважины и пласта. Устройство включает беспроводной блок датчика (WSU), расположенный снаружи секции немагнитной обсадной колонны и включающий датчик для измерения давления и/или температуры окружающей среды, при этом блок WSU может быть установлен или позиционирован на любой высоте ствола скважины, а питание блока WSU осуществляется с помощью сбора энергии. Причем частота индукционного сигнала лежит в диапазоне 10-1000 Гц для глубокого проникновения через немагнитную обсадную колонну. Внутренний блок питания датчика (SEU) размещен внутри обсадной колонны ствола скважины и используется для питания блока WSU и связи с ним, при этом блок SEU закреплен на буровой трубе или на конструкции оснащенной скважины с помощью трубы, имеющей резьбу, которая позволяет регулировать его положение по высоте, причем блок SEU преобразует мощность питания постоянного тока, подаваемого по кабелю с поверхности, в переменное электромагнитное поле, обеспечивающее питание для блока WSU, расположенного снаружи обсадной колонны. При этом блоки SEU и WSU используют электромагнитную модуляцию для обеспечения обмена данными между этими двумя компонентами. Причем блоки SEU и WSU выполнены с возможностью их расположения в точности на одной высоте. 2 н. и 50 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для скважинных измерений для контроля и управления нефтяными и газовыми эксплуатационными, нагнетательными и наблюдательными скважинами и, в частности, к способу и устройству для контроля параметров ствола скважины и пласта в месте залегания. Рабочие средства могут быть установлены с использованием беспроводных технологий за обсадной колонной ствола скважины или эксплуатационным барьером без необходимости использования кабеля или провода для питания, а также без нарушения герметичности скважины или конструкции скважины.

Настоящее изобретение позволяет обеспечить улучшенную интерпретацию параметров технологического процесса или пласта, поскольку датчики размещают вблизи или в непосредственном контакте с исследуемой областью. Предлагаемое устройство обеспечивает возможность одновременного измерения параметров внутри и снаружи обсадной колонны ствола скважины. Близость датчика к пласту и общая эффективность сбора данных позволяют оператору лучше различать то, вызваны ли изменения измеряемого физического параметра изменением самого физического параметра или флуктуациями технологического процесса и окружающей среды.

Настоящее изобретение также включает дистанционные измерения для обеспечения связи со скважиной с поверхности, а также комбинированное устройство «сбора энергии» ("power harvesting") и дистанционных измерений для связи с беспроводным блоком датчика, который расположен за обсадной колонной скважины или барьером. Линия передачи питания и дистанционных измерений между поверхностью и скважиной обеспечивает возможность подключения множества блоков датчиков и управления ими на одном и том же скважинном кабеле. Подобная сетевая конфигурация обеспечивает возможность контроля параметров ствола скважины в различных зонах одного и того же ствола скважины в месте залегания.

Управление резервуарами нефти и газа, а также резервуарами-хранилищами представляет собой актуальный вопрос в нефтяной промышленности. Эти вопросы возникают вследствие огромных денежных затрат, связанных с производством и эксплуатацией любых типов нефтяных скважин, а также по причине рисков, связанных с проблемами безопасности и защиты окружающей среды. В настоящем описании нефтяной скважиной называется скважина любого типа, пробуренная и оснащенная для разработки или хранения углеводородов из подземных образований. При этом нефтяные скважины классифицируются как комбинированные скважины, хранилища, наблюдательные, эксплуатационные или нагнетательные скважины.

В современных системах управления пластовыми резервуарами все больше исследуется преимущество включения измерений, выполняемых снаружи обсадной колонны ствола скважины. Рассматриваются измерения вблизи ствола скважины и на удалении от ствола скважины. Таким образом, перспектива и цель контроля параметров пласта стали более сложными, чем ранее. В целом, в отрасли имеется необходимость получения полного представления о физических свойствах и геометрии пластового резервуара, поскольку это в долгосрочном периоде увеличивает жизненный цикл скважины, а также выход продукции.

Существует множество параметров пласта, которые могут представлять интерес при наличии технологии, позволяющей с помощью датчиков исследовать пласт обсадной колонны скважины, как предлагается в настоящем изобретении. Соответственно, предлагаемая технология измерения применима к любым типам измерений пласта, например измерениям сопротивления, многоосным сейсмическим измерениям, измерениям радиоактивности, давления, температуры, химических характеристик, приведенных в качестве нескольких примеров. Для иллюстрации технических признаков и функциональности настоящего изобретения было выбрано конкретное приложение измерений. Таким образом, примером рассматриваемого далее процесса является область корректного предсказания порового давления снаружи обсадной колонны ствола скважины во время ее эксплуатации. Для такого применения необходимо, чтобы датчик был зацементирован в положении за обсадной колонной настолько близко к пласту, насколько это возможно.

Как правило, управление нефтяными скважинами и доступ к ним обеспечивается через устье скважины. Настоящее изобретение может быть применено к любым нефтяным скважинам, расположенным, например, на суше, на платформе или на морском дне. Однако для простоты и однозначного понимания настоящего изобретения оно описано на примере применения в стандартной нефтяной скважине со стандартным устьем.

Имеется множество патентов, относящихся к измерению параметров снаружи кольцевого пространства обсадной колонны скважины. Одна из таких систем описана в документе US 65113596 B2. Описанная система является по существу иллюстративной и показывает систему контроля данных о скважине с помощью датчиков, размещенных во внешнем кольцевом пространстве конструкции обсадной колонны скважины. В системе используется неинтрузивный подход для измерения давления и других параметров внутри множества кольцевых пространств, позволяющий сохранить герметичность скважины. Система включает датчики, размещенные в кольцевом пространстве, которые взаимодействуют с системой опроса, расположенной снаружи или внутри корпуса устьевого оборудования. В документе подтверждается, что датчикам необходима энергия и связь для выполнения их функций, и перечислены альтернативные источники питания и способы связи без предоставления решения фактических задач, возникающих в реальном применении. Этот способ не рассматривается как уже примененный в какой-либо нефтяной скважине или в реальной эксплуатации.

Еще один соответствующий подход рассмотрен в документе ЕР 1662673 А1. Описанный в нем способ включает магнитное насыщение обсадной колонны скважины или трубопровода для создания "окна" для локального управления магнитным полем переменного тока для возбуждения датчика, расположенного снаружи обсадной колонны. Описанный принцип представляется нереальным вследствие относительно высокого энергопотребления, необходимого для магнитного насыщения обсадной колонны скважины. Кроме того, способ потребует равномерной скорости тока в насыщаемом материале, что, в свою очередь, потребует оптимального контакта (равномерно распределенное контактное сопротивление по всей открытой области) применяемых электродов. Вследствие сочетания открытых электродов и высоких токов, подобные системы подвержены быстрому износу в результате гальванических реакций (окисление/коррозия) внутри герметичной системы скважины. Таким образом, способ неприменим для постоянного измерения вследствие открытых электродов и высокой плотности тока, требуемой для постоянного магнитного насыщения обсадной колонны ствола скважины.

В одном из аспектов настоящего изобретения предлагается способ и устройство для скважинных измерений. В некоторых приложениях требуется размещать датчики за обсадной колонной скважины вблизи пласта. Для достижения этого необходимо установить беспроводную линию для питания и связи через обсадную колонну или барьер. Традиционно, датчики не размещали снаружи обсадной колонны из-за необходимости кабеля для обеспечения питания и связи. Введение кабеля и проникновение в обсадную колонну скважины не способствует сохранению герметичности барьера и не является оптимальным решением. Таким образом, ранее только в специализированных приложениях, которые включали цементированную секцию нижней трубы обсадной колонны или ее эквивалент, обеспечивалось размещение датчиков снаружи эксплуатационной обсадной колонны.

Кроме того, сложность возросла с началом использования в современных приложениях разработки скважин традиционного кольцевого пространства (кольцевого пространства А) в качестве функционального элемента системы технологического процесса. Соответственно, возникают новые законные требования и необходимость переноса традиционного барьера эксплуатационной обсадной колонны и герметичности скважины наружу. В настоящем изобретении описан неинтрузивный способ, позволяющий сохранить герметичность скважины под давлением, и в то же время размещать датчики снаружи обсадной колонны ствола скважины. Другая важная особенность способа и устройства настоящего изобретения заключается в том, что они позволяют устанавливать и управлять кластером систем датчиков (SEU), размещенных на одном электрическом кабеле внутри скважины. Таким образом, достигается конфигурация скважинных измерений с множеством датчиков.

Второй аспект настоящего изобретения заключается в том, что система способна корректировать переходные смещения, вызванные изменениями окружающей среды или изменениями нагрузки технологического процесса. Как правило, изменения нагрузки вызваны флуктуациями производственного процесса или окружающей температуры. Это имеет место в случае датчика давления, переносящего постоянный объем гидравлической жидкости, например, в приложении измерения порового давления. При изменениях или флуктуациях температуры эксплуатационной скважины, жидкость и давление внутри герметичной системы датчика давления будет расширяться или сокращаться, в результате чего возникнет смещение его показаний. Изменения не являются критичными, но приводят к неправильной интерпретации и к ошибкам контроля давления в течение переходного периода. Чем меньше система, тем больше отклонение. Для преодоления этого применяют сбор данных о технологическом процессе и состоянии окружающей среды в реальном времени в сочетании со скважинными измерениями, что составляет важное преимущество перед известным уровнем техники в том отношении, что настоящее изобретение может помочь при управлении выявлять и реагировать на потенциальные проблемы по мере их возникновения и даже до их возникновения. Кроме того, удаленный узел датчиков может быть снабжен множеством различных оценочных датчиков, которые важны для оценки и фильтрации данных о состоянии измеряемого параметра ствола скважины или его герметичности.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предлагается беспроводной блок датчика (wireless sensor unit, WSU). Блок WSU представляет собой неинтрузивную систему скважинных измерений для контроля одного или более параметров ствола скважины снаружи обсадной колонны вблизи пласта. Особенностью блока WSU является то, что он содержит узел датчиков (sensor package, SP), который для иллюстрации настоящего изобретения состоит из набора датчиков, постоянно контролирующих давление и температуру без нарушения барьеров герметичности кольцевого пространства обсадной колонны скважины. Узел SP зависит от конкретного приложения и состоит из набора высокоточных датчиков давления и температуры, выполненных на кварцевых кристаллах, при этом он формирует выходные данные о давлении, температуре, а также о перепадах (т.е. изменении) температуры. В свою очередь, узел SP связан с электромагнитным приемопередатчиком (Electromagnetic Transceiver, ET), который включает электрические схемы для двунаправленной связи и сбора энергии (power harvesting). Узел SP и электромагнитный приемопередатчик ET установлены на внешнем периметре секции немагнитной обсадной колонны (Non-Magnetic Casing Section, NMCS), являющейся частью конструкции обсадной колонны скважины (барьера), или интегрированы в нее.

Другим аспектом настоящего изобретения является блок питания датчика (Sensor Energizer Unit, SEU), который обычно составляет часть трубы оснащенной скважины или крепится к ней. Блок SEU сконфигурирован для размещения в нем беспроводного блока датчика. Блок SEU состоит из трех основных элементов. Первым и главным элементом блока SEU является электромагнитная обмотка (Electromagnetic Armature, ЕА), вторым - регулируемый сердечник (Adjustable Mandrel, AM) и третьим - кабельный адаптер (Cable Adaptor, CA). Электромагнитная обмотка обеспечивает сочетание источника питания и линии связи для блока WSU. Главная передача электромагнитной обмотки осуществляется с помощью низкочастотной индукции или электромагнитного поля, которое собирается и преобразуется блоком WSU в электрическую энергию. Для обеспечения оптимальной эффективности противоположно блоку WSU к регулируемому сердечнику подключена электромагнитная обмотка, улучшающая способность "точной настройки" для оптимизации эффективности установки блока WSU посредством вертикальной регулировки. К электромагнитной обмотке также присоединен кабельный адаптер (CA), соединенный с кабелем управления, идущим снаружи скважины. Кабель управления закреплен на трубе оснащенной скважины стандартными кабельными зажимами и выходит из скважины через ее устье в соответствии с известным уровнем техники. Как правило, кабель управления представляет собой одножильный трубопроводный электрический кабель (Tubing Electric Cable, ТЕС), предоставляющий питание для блока SEU, а также связь между упомянутым блоком SEU и средствами контроля (т.е. средствами, расположенными снаружи скважины).

Электромагнитная обмотка может крепиться к регулируемому сердечнику (AM), что обеспечивает свободу ее вертикальной регулировки/позиционирования относительно блока WSU. Свобода вертикальной регулировки после установки на эксплуатационной колонне позволяет операторам, задействованным в ее позиционировании в точном положении, соседнем с блоком WSU в скважине, без сложности «разнесения» использовать трубу оснащенной скважины или эксплуатационную колонну внутри скважины. Таким образом, регулируемый сердечник имеет двойное назначение: во-первых, обеспечивает держатель, несущее и/или защитное приспособление для электромагнитной обмотки, а во-вторых, обеспечивает вертикальную регулировку, чтобы два варианта осуществления настоящего изобретения (т.е. блоки WSU и SEU) имели правильное расположение друг относительно друга.

В зависимости от типа и условий скважинных измерений блок SEU может также включать узел датчиков (SP), аналогичный узлу датчиков блока WSU или отличающийся от него, для улучшения более сложной оценки герметичности системы, находящейся под давлением.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предлагается устройство для контроля давления снаружи обсадной колонны ствола скважины, включающее: беспроводной блок датчика (WSU), расположенный снаружи секции немагнитной обсадной колонны, при этом упомянутый блок WSU включает устройство датчика для измерения параметров окружающей среды, причем блок WSU может быть установлен или позиционирован на любой высоте ствола скважины, а питание блока WSU осуществляется путем сбора энергии, где частота индукционного сигнала лежит в диапазоне 10-1000 Гц для глубокого проникновения через немагнитную обсадную колонну; внутренний блок питания датчика (SEU), размещенный внутри обсадной колонны ствола скважины и используемый для питания блока WSU и связи с ним, при этом блок SEU установлен на буровую трубу или на конструкцию оснащенной скважины с помощью трубы с резьбой, позволяющей регулировать его положение по высоте, причем блок SEU преобразует мощность питания постоянного тока, подаваемого по кабелю с поверхности, в переменное электромагнитное поле, обеспечивающее питание для блока WSU, расположенного снаружи обсадной колонны; при этом блоки SEU и WSU используют электромагнитную модуляцию для обеспечения обмена данными между этими двумя компонентами; при этом блоки SEU и WSU выполнены с возможностью их расположения в точности на одной высоте.

Блок WSU может быть установлен вблизи устья скважины или на удалении от него глубоко в пласте. В блоке WSU может иметься два или более датчика, при этом все датчики или их часть могут быть размещены снаружи обсадной колонны ствола скважины без нарушения герметичности скважины, находящейся под давлением.

Упомянутые датчики измеряют один или более параметров окружающей среды и могут ответвляться от блока WSU и подключаться к общему жгуту электрических проводов, закрепленному на внешней стороне обсадной колонны. Жгут проводов может представлять собой одножильный или многожильный скважинный кабель (ТЕС).

Датчик или датчики блока WCU могут быть стационарными и зацементированными в положении, непосредственно обращенном к пласту, или представляющем собой необсаженную скважину, обращенную непосредственно к пласту. Альтернативно, блок WSU и его датчики могут быть частью герметичной системы ствола скважины в кольцевом пространстве и быть направлены на внешнюю обсадную колонну ствола скважины или зацементированы в местоположении, обращенном к внешней обсадной колонне ствола скважины.

Устройство может также включать одну или более обмоток сбора энергии, распределенных по заданной секции немагнитной обсадной колонны. Упомянутые обмотки или полоса немагнитной обсадной колонны могут обеспечивать необходимый допуск на оснащение скважины или разнесение для системы при спуске буровой трубы или подвески колонны в устье или дерево скважины.

Блок WSU может включать вторичный источник энергии или подключаться к нему. Этот источник может представлять собой, например, аккумулятор или скважинный генератор.

Блок SEU может также включать один или более датчиков для измерения параметров внутри обсадной колонны ствола скважины или трубы, на которой он закреплен, при этом упомянутые датчики могут быть интегральной частью блока SEU или ответвляться от блока SEU и подключаться к общему жгуту электрических проводов, или система датчиков может представлять собой комбинацию интегрального датчика и ответвленных датчиков. Если упомянутый жгут проводов имеется в системе, он может представлять собой одножильный или многожильный скважинный кабель (ТЕС).

Датчики в настоящем изобретении могут измерять параметры, связанные с технологическим процессом скважины, ее структурными компонентами или параметрами пласта.

Примеры характеристик технологического процесса скважины, которые могут быть измерены, включают: давление, температуру, объем потока, скорость потока, направление потока, мутность, состав, уровень нефти, уровень раздела фаз вода-нефть, плотность, соленость, замещения, вибрации, показатель рН, сопротивление, радиоактивность, содержание песка, теплопроводность, а также другие химические или физические характеристики.

Примеры структурных компонентов ствола скважины, которые могут быть измерены, включают: сотрясения, вибрации, угол наклона, магнитные свойства, электрические свойства, положение бурового устройства или ориентацию устройства иного типа, а также характеристики напряжения и натяжения.

Примеры свойств пласта или необсаженной скважины снаружи обсадной колонны ствола скважины, которые могут быть измерены, включают: давление, температуру, радиоактивность, сопротивление, плотность, показатель рН, электромагнитные и/или электрические поля, звук, скорость звука, теплопроводность, а также другие химические и физические характеристики.

Устройство может также включать средства для получения отклика окружающей среды, которые могут быть выбраны из следующего: источник магнитного поля, источник электрического поля, звуковые волны, давление, температура, волны поперечного усилия, а также другие исполнительные элементы или исполнительные части скважинного управления технологическим процессом, при этом исполнительный элемент или исполнительную часть используют по отношению к пласту для осуществления любых перечисленных выше измерений.

Устройство может дополнительно включать одно или более из следующего:

подавление шума в смещении параметров, вызванном технологическим процессом скважины или окружающей средой;

предсказание и коррекция измерений вследствие перепадов температуры и давления внутри системы.

В настоящем изобретении также предлагается способ контроля параметров снаружи обсадной колонны ствола скважины, включающий:

установку беспроводного блока датчика (WSU), включающего датчик для измерения параметров окружающей среды, расположенный снаружи секции немагнитной обсадной колонны ствола скважины, при этом блок WSU может быть установлен или позиционирован на любой высоте в стволе скважины;

установку внутреннего блока питания датчика (SEU) внутри обсадной колонны ствола скважины, используемый для питания блока WSU и связи с ним, при этом блок SEU (9) закреплен на буровой трубе или на конструкции оснащенной скважины с помощью трубы (7), имеющей резьбу (93), которая позволяет регулировать его положение по высоте; размещение блоков SEU и WSU таким образом, чтобы они были в точности на одной высоте; питание блока WSU путем сбора энергии, где частота индукционного сигнала лежит в диапазоне 10-1000 Гц для глубокого проникновения через немагнитную обсадную колонну; преобразование мощности питания постоянного тока, подаваемого по кабелю с поверхности, в переменное электромагнитное поле, обеспечивающее питание для блока WSU, расположенного снаружи обсадной колонны, и использование электромагнитной модуляции для обеспечения обмена данными между блоками SEU и WSU.

Опциональные и предпочтительные технические признаки устройства в соответствии с предыдущим описанием применимы к способу настоящего изобретения и будут описаны более подробно ниже.

Описанные выше и другие технические признаки, а также преимущества настоящего изобретения будут понятны специалистам из подробного описания и чертежей. Обратимся к чертежам, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми цифрами.

На фиг.1 представлена схематическая иллюстрация способа и устройства настоящего изобретения для использования при скважинных измерениях.

На фиг.2 - увеличенное схематическое изображение одного из аспектов, показанных на фиг.1, иллюстрирующее беспроводной блок датчика (WSU).

На фиг.3 - увеличенное схематическое изображение другого аспекта, показанного на фиг.1, иллюстрирующее блок питания датчика (SEU).

На фиг.4 - упрощенная электрическая схема системы управления давлением в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.5 - схематическое изображение, аналогичное фиг.1, иллюстрирующее применение множества датчиков на каждой стороне обсадной колонны ствола скважины.

На фиг.6 - схема, иллюстрирующая сеть датчиков, ответвляющихся от одного узла.

На фиг.7 - схематическое изображение, аналогичное фиг.1, иллюстрирующее применение множества датчиков на одном скважинном кабеле.

На фиг.8 - схема, иллюстрирующая сеть датчиков, показанную на фиг.7.

Настоящее изобретение относится к скважинным измерениям. Его целью является размещение одного или более датчиков в стволе скважины и вокруг него для измерения физического параметра или характеристики пласта. Наиболее распространенными или часто используемыми параметрами для контроля являются температура и давление на целевой высоте внутри пластового резервуара или пласта. В частности, беспроводной блок датчика (WSU) 1 в настоящем изобретении является частью конструкции обсадной колонны скважины основного эксплуатационного барьера 2 скважины. Секция 20 обсадной колонны (см. фиг.2) блока WSU 1 выполнена из немагнитного материала и несет узел 10 датчиков, а также множество электромагнитных приемопередатчиков (11a-f). Для целей настоящего изобретения узел датчиков сконфигурирован для измерения и контроля параметров кольцевого пространства снаружи основного барьера эксплуатационной системы скважины, как показано на фиг.1.

Пространство 3, показанное на фиг.1, часто также называют кольцевым пространством В, а блок WSU 1 обычно размещают вблизи и снизу устьевой структуры или корпуса 4. Устьевая структура показана цифрой, обозначающей грунт, через который была пробурена скважина, и цифрой 6, обозначающей ствол скважины. Блок WSU 1 получает питание беспроводным способом с помощью блока 9 питания датчика (SEU) посредством электромагнитных средств, что в области электротехники также называют "сбором энергии" (обозначено цифрой 100 на фиг.4). Блок WSU оснащен схемами управления, которые обеспечивают двунаправленную связь с блоком SEU 9. Упомянутая связь также осуществляется посредством электромагнитных средств.

На фиг.2 более подробно показаны основные элементы одного из компонентов настоящего изобретения, которые определяют конфигурацию беспроводного блока 1 датчика. Блок WSU 1 состоит из узла датчиков (SP) 10, электромагнитного приемопередатчика (ЕТ) 11a-f и секции 20 немагнитной обсадной колонны (NMCS). Более подробная функциональная схема и схема соединений блока WSU 1 показана в правой части фиг.4 пунктирной линией.

Обратимся к фиг.3. Вторым компонентом настоящего изобретения является блок 9 питания датчика (SEU). Блок SEU 9 обычно устанавливается на сердечник 91 и крепится к секции 94 эксплуатационной колонны. В данном примере эксплуатационная колонна 94 имеет внешнюю резьбу 93, однако она может иметь и внутреннюю резьбу. Резьба 93 позволяет регулировать положение блока SEU 9 по высоте так, чтобы высота блока SEU 9 в скважине точно соответствовала высоте блока WSU 1. Это гарантирует корректную связь, а также получение оптимальной эффективности сбора энергии (обозначение 100 на фиг.4).

Питание и связь для блока SEU обеспечивают посредством трубопроводного электрического кабеля (ТЕС) 97, который закреплен на эксплуатационной колонне 7, и выводов 72 и 73, обычно выходящих через держатель 71 колонны (см. фиг.1). Блок SEU 9 может также содержать узел 95 датчиков, который, в принципе, может быть таким же, как узел 10 датчиков блока WSU 1, но может быть сконфигурирован для считывания параметров внутреннего кольцевого пространства 8. Как правило, внутреннее кольцевое пространство 8 специалисты называют кольцевым пространством А, или же оно находится под эксплуатационным пакером скважины.

На фиг.3 и 4 питание к блоку SEU 9 подают с установленного на буровой площадке блока 101 скважинного интерфейса (Downhole Interface Unit, DIU) через кабель ТЕС 97. Кабель ТЕС 97 обеспечивает связь по направлению в скважину и из нее между блоками DIU 101 и SEU 9. Как правило, эта связь осуществляется посредством сигналов, наложенных на питание, поскольку кабель ТЕС 97 является одножильным кабелем. Кабель ТЕС 97 оканчивается в блоке SEU 9 в кабельном адаптере 96. Питание направляют внутри через сердечник 91 и подают на электромагнитную обмотку (ЕА) 92. Подробная иллюстрация внутренних электронных функциональных элементов и разводки приведена на фиг.4 слева пунктирной линией.

Также при необходимости узел 95 датчиков (SP) может быть сконфигурирован для обеспечения большего количества данных для оценки герметичности контролируемого кольцевого пространства под давлением. Узел 95 датчиков может быть аналогичен узлу 10 датчиков блока WSU, однако, альтернативно, может быть датчиком любого типа, способным обеспечивать данные для улучшения безопасности и оценки рисков конкретной скважины.

Например, датчик 95 может измерять одну или более следующих характеристик: давление, температуру, объем потока, скорость потока, направление потока, мутность, состав, уровень нефти, уровень раздела фаз вода-нефть, плотность, соленость, радиоактивность, замещения, вибрации, показатель рН, сопротивление, содержание песка, теплопроводность, а также другие химические и физические характеристики.

Как было отмечено выше, электромагнитная обмотка 92 и узел 95 датчиков могут быть закреплены на сердечнике 91. Сердечник 91 служит одновременно как держатель и как защита упомянутых элементов, а также обеспечивает возможность регулировки для соответствия вертикальному положению или высоте блока WSU 1. Диапазон регулировки согласно настоящему изобретению обычно составляет 0-50 см, например, 10-40 см или 25-35 см, но может быть расширен или сужен в зависимости от требований обеспечения свободы корректного пространственного разнесения для установки. Сердечник 91 и эксплуатационная колонна 94 могут быть выполнены из магнитного материала.

На фиг.4 показана упрощенная электронная схема согласно настоящему изобретению для пояснения специалистам внутренней архитектуры и функционирования системы. В соответствии со схемой один или более блоков SEU 9 могут быть соединены с кабелем 97 управления.

На данном чертеже это проиллюстрировано с помощью дополнительного кабеля ТЕС 98, ведущего к дополнительным блокам SEU, обозначенным цифрой 28. В многокомпонентной системе (т.е. с двумя или более блоками SEU 9) все блоки SEU соединены с кабелем 97 в параллельной конфигурации. Вследствие относительно высокого энергопотребления система работает таким образом, что в каждый момент времени активен только один блок SEU.

Активное состояние блока SEU адресуют во время начального запуска посредством команды, выдаваемой блоком DIU 101 на буровой площадке. При подаче питания блок DIU активно адресует один из блоков SEU 9 по линии и делает его активным узлом системы. Для переключения на другой блок SEU блок DIU просто снимает питание с линии для сброса или возобновления работы. При следующей подаче питания может быть адресован другой блок SEU. При использовании подобного режима работы в каждый момент времени питание подают только на один блок SEU, при этом система способна размещать большое количество блоков SEU на линии без значительного падения напряжения в кабеле из-за высокой нагрузки.

Сбор 100 энергии достигают путем корректного вертикального выравнивания блока SEU 9 относительно блока WSU 1. Как отмечалось выше, эта регулировка обеспечивается посредством регулируемого сердечника 91. Вторым требованием и техническим признаком настоящего изобретения является использование секции 20 немагнитной обсадной колонны, которая обеспечивает глубокое проникновение низкочастотного (50-1000 Гц) электромагнитного поля, наводимого электромагнитной обмоткой 92 (ЕА), и соответственно, делает его «видимым» для электромагнитного приемопередатчика (ЕТ) 11 блока WSU 1. Эффективность передачи энергии низкая вследствие неидеальных условий индуктивной связи, однако испытания показывают, что достижим коэффициент около 20:1, который достаточен для работы узла датчиков с низким потреблением в соответствии с настоящим изобретением.

Рассмотрим более подробно фиг.4, на которой блок SEU 9 состоит из источника 21 питания, который обеспечивает регулируемый постоянный ток для электронных функциональных компонентов блока. Блок SEU контролируется внутренним контроллером 25. После вызова перехода в активное состояние контроллер интерпретирует адрес и, если он адресован, включает внутренний генератор 27 прерывистой модуляции (modulating chopper oscillator, MCO). Генератор МСО преобразует электрическую энергию в переменное магнитное поле посредством электромагнитной обмотки 92. Наводимое поле имеет частоту, позволяющую электромагнитным волнам, которые затем собираются электромагнитным приемопередатчиком (ЕТ) 11a-f блока WSU 1, распространяться вглубь окружающей структуры. Генератор МСО также обеспечивает модуляцию данных 22, передаваемых между блоками SEU и WSU.

Блок SEU имеет также модем 23. Основным назначением модема является считывание и передача данных из/по линии 97 питания. Однако данные 22 на входе и на выходе блока SEU буферизуются и интерпретируются внутренним контроллером 25. Кварцевые датчики (например, для определения давления 29 и температуры 30) рассматриваемого устройства управляются соответствующими генераторами 26, при этом частота на выходе каждого кварцевого датчика представляет собой функцию измеряемой величины. Частоту датчика измеряют с помощью сигнального процессора 24 и непрерывно подают во входной буфер контроллера 25.

Что касается блока WSU 1, его внутренние электронные функциональные элементы эквивалентны элементам блока SEU 9, за исключением выпрямляющего моста 31. Выпрямляющий мост преобразует переменный ток, наводимый локальным электромагнитным полем, в постоянное напряжение/ток для внутреннего питания блока WSU 1. Используемый электромагнитный принцип специалисты называют сбором 100 энергии. Для целей настоящего изобретения блок WSU 1 снабжен высокоточными датчиками 29 давления и 30 температуры. В принципе, блок WSU 1 может включать узел датчиков, который может содержать датчики любого типа, для измерения множества измеряемых параметров снаружи обсадной колонны или барьера скважины.

На фиг.1-4 показана система, включающая либо одиночный датчик внутри блока SEU, либо два датчика - один в блоке SEU, а второй в блоке WSU.

На фиг.5 показана система, приведенная на фиг.1 и расширенная для включения большего количества датчиков на каждой стороне обсадной колонны ствола скважины. Для аналогичных функциональных элементов использованы те же обозначения, что и на фиг.1-4. На внутренней стороне ответвляются, например, датчики 95а, 95b и 95с от блока SEU, а на внешней стороне ответвляются, например, дополнительные датчики 10а, 10b, 10с от блока WSU.

На фиг.6 представлена соответствующая схема, иллюстрирующая множество датчиков, объединенных в сеть и управляемых единственным узлом, и иллюстрирующая каскадирование датчиков на обеих сторонах обсадной колонны ствола скважины. На фиг.6 показаны датчики, измеряющие параметры необсаженной скважины, например давление 29, температуру 30, сопротивление 32 и уровень 33 раздела фаз нефть/вода.

На фиг.7 показана система, описанная с помощью фиг.1, расширенная для включения множества узлов посредством установки двух или более наборов блоков SEU и WSU. Для аналогичных элементов использованы те же числовые обозначения, как на фиг.1-4. Внутри показаны два блока SEU 9, управляемые по одному кабелю 97 и имеющие соответствующие блоки WSU 1, расположенные на той же высоте снаружи ствола скважины. На чертеже оба блока WSU 1 направлены в сторону пласта, однако они могут оба быть направлены внутрь или один из них может быть направлен внутрь, а другой - в сторону пласта.

На фиг.8 представлена соответствующая схема, иллюстрирующая множество датчиков на множестве блоков WSU, связанных с множеством блоков SEU, управляемых по одному кабелю 97. На фиг.8 показаны датчики, измеряющие характеристики необсаженной скважины, например давление 29 и температуру 30.

Claims (52)

1. Устройство для контроля параметров снаружи обсадной колонны (2) ствола скважины, включающее
беспроводной блок датчика (WSU) (1), расположенный снаружи секции (20) немагнитной обсадной колонны и включающий датчик (10) для измерения параметров окружающей среды, при этом блок WSU (1) может быть установлен или позиционирован на любой высоте ствола (6) скважины, а питание блока WSU (1) осуществляется с помощью сбора (100) энергии, причем частота индукционного сигнала лежит в диапазоне 10-1000 Гц для глубокого проникновения через немагнитную обсадную колонну (20);
внутренний блок питания датчика (SEU) (9), размещенный внутри обсадной колонны (2) ствола скважины и используемый для питания блока WSU (1) и связи (100) с ним, при этом блок SEU (9) закреплен на буровой трубе или на конструкции оснащенной скважины с помощью трубы (7), имеющей резьбу (93), которая позволяет регулировать его положение по высоте, причем блок SEU (9) преобразует мощность питания постоянного тока, подаваемого по кабелю с поверхности, в переменное электромагнитное поле (100), обеспечивающее питание для блока WSU (1), расположенного снаружи обсадной колонны (2);
при этом блоки SEU (9) и WSU (1) используют электромагнитную модуляцию для обеспечения обмена данными между этими двумя компонентами;
причем блоки SEU (9) и WSU (1) выполнены с возможностью их расположения в точности на одной высоте.

2. Устройство по п.1, в котором блок WSU (1) установлен вблизи устья скважины.

3. Устройство по п.1, в котором блок WSU (1) установлен на удалении от устья скважины глубоко в пласте.

4. Устройство по любому из пп.1-3, в котором имеются два или более датчиков (10) в блоке WSU (1).

5. Устройство по п.4, в котором все датчики (10) блока WCU (1) размещены на внешней стороне обсадной колонны ствола скважины без нарушения герметичности скважины, находящейся под давлением.

6. Устройство по любому из пп.1-3, в котором упомянутые датчики (10) измеряют один или более параметров окружающей среды.

7. Устройство по любому из пп.1-3, в котором датчики (10) ответвляются от блока WSU (1) и подключены к общему жгуту (97) электрических проводов, закрепленному на внешней стороне обсадной колонны (2).

8. Устройство по п.7, в котором жгут (97) проводов представляет собой одножильный или многожильный скважинный кабель (ТЕС).

9. Устройство по любому из пп.1-3, в котором датчик (10) или датчики блока WSU (1) представляют собой стационарные датчики.

10. Устройство по п.9, в котором блок WSU (1) и его датчики (10) зацементированы в положении, непосредственно направленном к пласту.

11. Устройство по п.9, в котором блок WSU (1) и его датчики (10) находятся в необсаженной скважине и направлены непосредственно к пласту.

12. Устройство по п.9, в котором блок WSU (1) и его датчики (10) являются частью герметичной системы ствола скважины и направлены на внешнюю обсадную колонну ствола скважины.

13. Устройство по п.9, в котором блок WSU (1) и его датчики (10) зацементированы в положении, направленном на внешнюю обсадную колонну ствола скважины.

14. Устройство по любому из пп.1-3, включающее одну или более обмоток (11a-f) сбора энергии, распределенных по заданной секции немагнитной обсадной колонны (2).

15. Устройство по п.14, в котором упомянутые обмотки или полоса немагнитной обсадной колонны (20) обеспечивает необходимый допуск на оснащение скважины или разнесение для системы при спуске буровой трубы или подвески колонны в устье или дерево скважины.

16. Устройство по любому из пп.1-3, в котором блок WSU (1) включает вторичный источник энергии или подключен к нему.

17. Устройство по п.16, в котором упомянутый вторичный источник энергии выбран из следующего: аккумулятор или скважинный генератор.

18. Устройство по любому из пп.1-3, в котором блок SEU (9) включает один или более датчиков (95) для измерения параметров внутри обсадной колонны (2) ствола скважины или трубы (7), на которой он закреплен.

19. Устройство по п.18, в котором датчики (95) являются интегральной частью блока SEU (9) или ответвляются от блока SEU и подключены к общему жгуту (97) электрических проводов или представляют собой комбинацию интегрального датчика и ответвленных датчиков.

20. Устройство по п.19, в котором жгут (97) проводов представляет собой одножильный или многожильный скважинный кабель (ТЕС).

21. Устройство по любому из пп.1-3, в котором датчики измеряют параметры, связанные с технологическим процессом скважины, ее структурными компонентами или параметрами пласта.

22. Устройство по п.21, в котором датчики измеряют одну или более из следующих характеристик технологического процесса скважины: давление, температуру, объем потока, скорость потока, направление потока, мутность, состав, уровень нефти, уровень раздела фаз вода-нефть, плотность, соленость, замещения, вибрации, показатель рН, сопротивление, радиоактивность, содержание песка, теплопроводность, а также другие химические и физические характеристики.

23. Устройство по п.21, в котором датчики измеряют один или более следующих структурных компонентов ствола скважины: сотрясения, вибрации, угол наклона, магнитные свойства, электрические свойства, положение бурового устройства или ориентацию устройства иного типа, а также характеристики напряжения и натяжения.

24. Устройство по п.21, в котором датчики измеряют одну или более из следующих характеристик пласта или необсаженной скважины снаружи обсадной колонны ствола скважины: давление, температуру, радиоактивность, сопротивление, плотность, показатель рН, соленость, электромагнитные и/или электрические поля, звук, скорость звука, теплопроводность, а также другие химические и физические характеристики.

25. Устройство по любому из пп.1-3, включающее средства для получения отклика от окружающей среды, причем эти средства могут быть выбраны из следующего: источник магнитного поля, источник электрического поля, звуковые волны, давление, температура, волны поперечного усилия и другие исполнительные элементы или исполнительные части скважинного управления технологическим процессом, при этом исполнительный элемент или исполнительная часть используется по отношению к пласту для поддержки любых перечисленных выше измерений.

26. Устройство по любому из пп.1-3, включающее одно или более из следующего:
подавление шума в смещении параметров, создаваемом технологическим процессом скважины или окружающей средой;
предсказание и коррекция измерений вследствие перепадов температуры и давления в системе.

27. Способ контроля параметров снаружи обсадной колонны (2) ствола скважины, включающий:
установку беспроводного блока (1) датчика (WSU), включающего датчик (10) для измерения параметров окружающей среды снаружи секции (20) немагнитной обсадной колонны ствола скважины, причем блок WSU (1) может быть установлен или позиционирован на любой высоте в стволе (6) скважины;
установку внутри обсадной колонны (2) ствола скважины внутреннего блока (9) питания датчика (SEU), используемого для обеспечения питания блока WSU (1) и связи (100) с ним, при этом блок SEU (9) закрепляют на буровой трубе или на конструкции оснащенной скважины с помощью трубы (7), имеющей резьбу (93), позволяющую регулировать его высоту;
размещение блоков SEU (9) и WSU (1) в точности на одной высоте;
питание блока WSU (1) с помощью сбора (100) энергии, при этом частота индукционного сигнала лежит в диапазоне 10-1000 Гц для глубокого проникновения через немагнитную обсадную колонну (20);
преобразование мощности питания постоянного тока, подаваемого по кабелю (97) с поверхности, в переменное электромагнитное поле (100), обеспечивающее питание для блока WSU (1), расположенного снаружи обсадной колонны (2); и
использование электромагнитной модуляции для обеспечения обмена данными между блоками WSU (1) и SEU (9).

28. Способ по п.27, в котором блок WSU (1) устанавливают вблизи устья скважины.

29. Способ по п.27, в котором блок WSU (1) устанавливают на удалении от устья скважины глубоко в пласте.

30. Способ по любому из пп.27-29, в котором имеются два или более датчиков (10) в блоке WSU (1).

31. Способ по п.30, в котором все датчики (10) блока WSU (1) размещают на внешней стороне обсадной колонны ствола скважины без нарушения герметичности скважины.

32. Способ по любому из пп.27-29, в котором датчики (10) измеряют один или более параметров окружающей среды.

33. Способ по любому из пп.27-29, в котором датчики (10) ответвляются от блока WSU (1) и подключены к общему жгуту (97) электрических проводов, закрепленному на внешней стороне обсадной колонны (2).

34. Устройство по п.33, в котором жгут (97) проводов представляет собой одножильный или многожильный скважинный кабель (ТЕС).

35. Способ по любому из пп.27-29, в котором датчик (10) или датчики WSU (1) представляют собой стационарные датчики.

36. Способ по п.35, в котором блок WSU (1) и его датчики (10) зацементированы в положении, направленном непосредственно к пласту.

37. Способ по п.35, в котором блок WSU (1) и его датчики (10) находятся в необсаженной скважине и направлены непосредственно к пласту.

38. Способ по п.35, в котором блок WSU (1) и его датчики (10) являются частью герметичной системы ствола скважины и направлены на внешнюю обсадную колонну ствола скважины.

39. Способ по п.35, в котором блок WSU (1) и его датчики (10) зацементированы в положении, направленном на внешнюю обсадную колонну ствола скважины.

40. Способ по любому из пп.27-29, включающий добавление одной или более обмоток (11a-f) сбора энергии, распределенных по заданной секции немагнитной обсадной колонны (2).

41. Способ по п.40, в котором упомянутые обмотки или полоса немагнитной обсадной колонны (20) обеспечивают необходимый допуск на оснащение скважины или разнесение для системы при спуске буровой трубы или подвески колонны в устье или дерево скважины.

42. Способ по любому из пп.27-29, в котором блок WSU (1) включает вторичный источник энергии или подключен к нему.

43. Способ по п.42, в котором упомянутый вторичный источник энергии выбирают из следующего: аккумулятор или скважинный генератор.

44. Способ по любому из пп.27-29, в котором блок SEU (9) включает один или более датчиков (95) для измерения параметров внутри обсадной колонны (2) ствола скважины или трубы (7), на которой он закреплен.

45. Способ по п.44, в котором датчики (95) являются интегральной частью блока SEU (9) или ответвляются от блока SEU (9) и подключены к общему жгуту (97) электрических проводов или представляют собой комбинацию интегрального датчика и ответвленных датчиков.

46. Способ по п.45, в котором жгут (97) представляет собой одножильный или многожильный скважинный кабель (ТЕС).

47. Способ по любому из пп.27-29, в котором датчики измеряют параметры, связанные с технологическим процессом скважины, ее структурными компонентами или параметрами пласта.

48. Способ по п.47, в котором датчики измеряют одну или более из следующих характеристик технологического процесса скважины: давление, температуру, объем потока, скорость потока, направление потока, мутность, состав, уровень нефти, уровень раздела фаз вода-нефть, плотность, соленость, замещения, вибрации, показатель рН, сопротивление, радиоактивность, содержание песка, теплопроводность, а также другие химические и физические характеристики.

49. Способ по п.47, в котором датчики измеряют один или более из следующих структурных компонентов ствола скважины: сотрясения, вибрации, угол наклона, магнитные свойства, электрические свойства, положение бурового устройства или ориентацию устройства иного типа, а также характеристики напряжения и натяжения.

50. Способ по п.47, в котором датчики измеряют одну или более из следующих характеристик пласта или необсаженной скважины снаружи обсадной колонны ствола скважины: давление, температуру, радиоактивность, сопротивление, плотность, показатель рН, соленость, электромагнитные и/или электрические поля, звук, скорость звука, теплопроводность, а также другие химические и физические характеристики.

51. Способ по любому из пп.27-29, включающий шаг получения отклика от окружающей среды с помощью средств, подходящих для возбуждения одного или более из следующего: магнитное поле, электрическое поле, звуковые волны, давление, температура, волны поперечного усилия, другие исполнительные элементы или исполнительные части скважинного управления технологическим процессом, при этом исполнительный элемент или исполнительную часть используют по отношению к породе для поддержки любых перечисленных выше измерений.

52. Способ по любому из пп.27-29, включающий один или более следующих шагов: подавление шума в смещении параметров, создаваемом технологическим процессом скважины или окружающей средой; предсказание и коррекция измерений вследствие перепадов температуры и давления в системе.

Images