способ передачи информации из скважины на поверхность

Формула изобретения

Способ передачи информации из скважины на поверхность, основанный на передаче и приеме кодированных электрических сигналов по замкнутому витку из колонны бурильных труб и бурового раствора антеннами в виде обмотки на тороидальном сердечнике, одна из которых размещена в призабойной зоне, другая - на устье скважины, и преобразовании кодированных электрических сигналов, отличающийся тем, что тороидальные сердечники антенн установлены на внешней поверхности колонны бурильных труб, а замкнутый виток образован колонной бурильных труб и буровым раствором в затрубном пространстве скважины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике, а именно к средствам контроля забойных параметров при бурении и геофизических исследованиях скважины.

Известен способ передачи информации (см., например, а.с. №939747, кл. Е 21 В 47/12, опубл. 30.06.82) из забоя скважины по столбу промывочной жидкости путем создания на забое гидравлических импульсов давления и их приеме на поверхности. Забойная информация кодируется последовательностью импульсов определенной длительностью, которые преобразуются на забое в импульсы давления и распространяются по столбу промывочной жидкости - буровому раствору до поверхности.

Недостатком данного способа является низкая скорость передачи информации, поскольку затухание импульсов давления в столбе бурового раствора зависит от частоты следования импульсов и только при низких частотах (порядка единиц - десятков герц) можно обеспечить приемлемую дальность передачи таких сигналов.

Известен способ передачи информационного сигнала из скважины на поверхность с помощью гальванического канала связи по колонне бурильных труб (см., например, а.с. №150952, кл. Е 21 В, опубл. 1962).

Недостаток этого способа заключается в том, что электромагнитный сигнал излучается в окружающую забой породу и прежде, чем доходит до поверхности, сильно рассеивается. Поэтому для реализации данного способа необходима мощная энергетическая установка - забойный генератор электроэнергии, что усложняет забойную аппаратуру, увеличивает габариты телеметрической системы и снижает ее надежность. Кроме того, наличие солесодержащих пластов между поверхностью и забоем препятствует прохождению электромагнитного сигнала на поверхность, т.е. реализация данного способа становится невозможной.

Наиболее близким к заявленному способу является способ бурения наклонных и горизонтальных скважин, который основан на передаче и приеме кодированных электрических сигналов по замкнутому витку из колонны бурильных труб и бурового раствора антеннами в виде обмотки на тороидальном сердечнике, одна из которых размещена в призабойной зоне, другая - на устье скважины, и преобразовании кодированных электрических сигналов (см. патент РФ №2162521, кл. Е 21 В 47/12, опубл. 27.01.02 г.).

Недостатком этого способа является низкая эффективность излучения электрического сигнала на забое из-за небольшого размера цилиндра, установленного внутри бурильных труб, что приводит к снижению дальности передачи и требует дополнительного расхода электроэнергии в забойной аппаратуре.

Кроме того, установить антенну на внутренней поверхности трубы технологически и конструктивно сложно.

Целью данного изобретения является повышение эффективности излучения электрического сигнала при достаточно малом энергопотреблении и упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в способе передачи информации из скважины на поверхность, основанном на передаче и приеме кодированных электрических сигналов по замкнутому витку из колонны бурильных труб и бурового раствора антеннами в виде обмотки на тороидальном сердечнике, одна из которых размещена в призабойной зоне, другая - на устье скважины, и преобразовании кодированных электрических сигналов, тороидальные сердечники антенны установлены на внешней поверхности колонны бурильных труб, а замкнутый виток образован колонной бурильных труб и буровым раствором в затрубном пространстве скважины.

Способ передачи информации из скважины на поверхность поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена упрощенная схема устройства, осуществляющая способ передачи информации из скважины на поверхность с антеннами, выполненными в виде тороидальных сердечников, на фиг.2 представлены осциллограммы, поясняющие работу этого устройства.

Пример реализации способа

Излучающая антенна 1 выполнена в виде тороидального сердечника 2, который "насажен" на бурильную трубу 3 и расположен вблизи забоя скважины (см. фиг.1). Обмотка 4 на тороидальном сердечнике 2 подсоединена к усилителю 5, выходной электрический сигнал с которого, несущий забойную информацию, подлежит передаче на поверхность скважины. Электронные блоки - усилитель 5, формирователь сигнала 6, преобразователь аналог - код 7 и измерительный блок 8 размещены в специальном герметичном контейнере, находящемся вблизи забоя скважины внутри бурильной трубы. Излучающая антенна 1 закрыта прочным герметичным кожухом 9, защищающим ее от механических воздействий и от бурового раствора. Контейнер, в котором располагаются электронные блоки излучающей антенны на фиг.1 не показан.

На устье скважины расположена приемная антенна 10, которая также выполнена в виде тороидального сердечника 11 с обмоткой 12 и защищена от механических воздействий и бурового раствора кожухом 13. Концы обмотки 12 выведены на поверхность и подключены ко входу усилителя - фильтра 14, который выделяет сигнал, принятый с забоя антенной 10. Выделенный сигнал проходит формирователь 15, который обеспечивает согласование параметров сигнала с компьютером, куда сигнал с забоя поступает для обработки и вычислений.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

В измерительном блоке 8 располагаются датчики, с помощью которых измеряются необходимые забойные параметры, например акселерометры и феррозонды, для измерения траектории скважины. Сигналы с измерительного блока 8 после преобразователя аналог - код 7 преобразуются в двоичный код, т.е. на выходе преобразователя 7 образуется последовательность электрических импульсов определенной длительности. Наличие импульса соответствует биту "1", а его отсутствие биту "0" (см. фиг.2а). В обмотку 4 антенны 1 в моменты времени, когда информационный бит равен "1", подается переменный ток фиксированной постоянной частоты , а в моменты времени, когда информационный бит равен "0", ток в обмотку 4 антенны 1 не передается. Осциллограмма сигнала на выходе усилителя 5 представлена на фиг.2б. Формирователь сигнала 6 обеспечивает заполнение импульсов несущей частотой, а усилитель 5 формирует необходимый уровень тока в обмотку 4 антенны 1. Протекающий в обмотке 4 переменный ток частотой f создает в тороидальном сердечнике 2 антенны 1 переменное магнитное поле той же частоты. Поэтому в любом электропроводном витке, охватывающем тороидальный сердечник, будет наводиться переменное напряжение той же частоты, а если этот виток будет замкнутым, то по нему будет протекать переменный ток частотой f. Такой замкнутый виток 16 образуется стальной бурильной трубой, стальным кожухом 9, электропроводящим столбом бурового раствора в скважине, стальным кожухом 13 на устье скважины. Этот замкнутый виток охватывает не только тороидальный сердечник 2 антенны 1, но точно также и тороидальный сердечник 11 антенны 10 на устье. Протекающий по этому витку переменный ток наведет в тороидальном сердечнике 11 антенны 10 переменное магнитное поле, которое наведет в обмотке 12 переменное напряжение частотой f. Осциллограмма этого напряжения представле на фиг.2в. Из-за затухания и рассеяния ток, проходящий по замкнутому витку 16 через тороидальный сердечник 11, будет в тысячи раз меньше, чем ток, проходящий по этому же витку через тороидальный сердечник 2 излучающей антенны 1 и сравним с уровнем электрических помех. Поэтому сигнал с обмотки 12 должен быть усилен и отфильтрован в усилителе-фильтре 14, после чего он поступает на формирователь 15, где после детектирования и сглаживания выделяется огибающая несущей частоты. Вид сигнала на выходе формирователя 15 представлен на фиг.2г. Принятая с забоя последовательность импульсов, представляющая собой закодированную информацию с измерительного блока 8, подается в компьютер для последующей обработки и вычислений.

Заявленный способ с двумя тороидальными антеннами, одна из которых 1 расположена на забое, а другая 10 на устье скважины, позволяет не только передать информацию с забоя на устье, но и работать в другом направлении - передавать информацию с устья на забой. В этом случае антенна 10 будет излучающей, а антенна 1 приемной. Такая двунаправленность системы имеет преимущества, поскольку позволяет путем передачи сигналов на забой управлять режимом работы забойного блока. Например, при автономном (аккумуляторном) электропитании забойного блока передавать информацию с забоя не непрерывно, а по сигналу с поверхности позволит кратно увеличить время работы системы без подзарядки аккумуляторов. Если нет особой необходимости в двунаправленной передаче информации, приемная антенна - на устье скважины может быть упрощена.

В отличие от прототипа размещение антенн на внешней поверхности бурильных труб помимо упрощения технологии и конструкции увеличивает мощность антенн, поскольку размер цилиндра из магнитопроводящего материала, установленного внутри бурильных труб, меньше размера цилиндра, установленного на внешней поверхности бурильных труб, а как известно, мощность антенны определяется размером цилиндра пропорционально его объему.

Увеличение мощности антенн позволяет увеличить дальность приема, т.е. работать на более глубоких скважинах по сравнению с прототипом.

Причем сам канал связи передачи информации более надежный, т.к. он представляет собой электропроводящий виток, образованный колонной бурильных труб и буровым раствором в затрубном пространстве, где скорость бурового раствора меньше, чем внутри бурильных труб, и соответственно меньше нарушение электроизолирующего слоя на поверхности бурильных труб.