способ и устройство бесконтактного обмена данными и заряда аккумуляторных батарей автономных каротажных приборов

Формула изобретения

1. Способ бесконтактного обмена данными и заряда аккумуляторных батарей автономных каротажных приборов, согласно которому скважинные приборы с автономной памятью подвешивают на проволоке с возможностью перемещения с помощью лебедки внутри и вне скважины, так, что проволока последовательно проходит через лубрикатор, радиопрозрачный переходник и устьевое оборудование, в верхней части связки скважинных приборов устанавливают модуль заряда и телеметрии, перемещают модуль заряда и телеметрии внутрь радиопрозрачного переходника, и осуществляют обмен данными между скважинными приборами и внешним считывающим устройством, и осуществляют заряд аккумуляторных батарей автономного каротажного прибора.

2. Способ по п.1, где посредством индуктивной связи на модуль телеметрии подают команду считывания данных, после которой модуль телеметрии начинает передавать данные из скважинных приборов во внешний блок и наземный компьютер.

3. Способ по п.1, где радиопрозрачный переходник выполнен из стеклопластика.

4. Способ по п.1, где радиопрозрачный переходник выбирают в 1,5-2,0 раза большей длины, чем длина индуктивной системы.

5. Устройство бесконтактного обмена данными и заряда аккумуляторных батарей автономного каротажного прибора, представляющее собой радиопрозрачный переходник, расположенный на проволоке выше связки каротажных приборов, и модуль заряда и телеметрии, расположенный на проволоке в верхней части связки каротажных приборов с возможностью прохождения модуля через радиопрозрачный переходник при движении модуля, где на округлую внутреннюю радиопрозрачную поверхность переходника намотана внешняя обмотка катушки индуктивности, соединенная с внешним считывающим устройством, а модуль заряда и телеметрии состоит из обмотки катушки индуктивности и расположенного внутри катушки индуктивности сердечника так, что внешняя обмотка катушки индуктивности, обмотка катушки индуктивности и сердечник представляют собой индукционную систему.

6. Устройство по п.5, где катушка индуктивности является частью индукционной системы, через которую производится заряд аккумуляторной батареи и обмен данными со скважинным прибором, причем смешивание низкочастотного тока заряда аккумуляторной батареи и высокочастотного информационного сигнала производится в смесителе, выполненном на трансформаторе, обмотка I которого подключена к промышленной сети, обмотка II подключена к приемопередатчику наземного блока через модуль защиты от перенапряжения, обмотка III подключена к внешней обмотке индукционной системы, причем приемопередатчик подключен к входу персонального компьютера, осуществляющего хранение и обработку данных, считанных со скважинных приборов.

7. Устройство по п.5, где модуль заряда и телеметрии включает аккумуляторные батареи, соединенные с блоком конденсаторов через зарядное устройство, связанное через блок выпрямителя с обмоткой I катушки индуктивности индукционной системы, а приемопередающая обмотка II катушки индуктивности индукционной системы подключена к блоку телеметрии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геофизики, в частности к способам бесконтактного обмена данными между автономными каротажными геофизическими приборами и наземным считывающим устройством, а также к проблеме бесконтактного заряда аккумуляторных батарей автономных каротажных геофизических приборов.

При проведении каротажных работ в нефтяных и газовых скважинах обычно используют два способа спуска измерительных инструментов в скважину - на кабеле и на проволоке. В первом варианте используется грузонесущий геофизический кабель, по которому происходит передача данных на поверхность, а также подается питание скважинных приборов. Преимущество этого варианта - в возможности вести непрерывную передачу данных. Большой диаметр и масса изолированного и армированного кабеля создают трудности при спуске приборов в скважинах с высоким давлением. На поверхности такой кабель обслуживается с помощью самоходной установки для канатных (кабельных) работ, что создает дополнительные расходы. Во втором варианте скважинные приборы спускаются в скважину на гладкой проволоке. В этом случае приборы должны иметь автономное электропитание и блоки памяти для временного хранения геофизической информации. Толщина такой проволоки обычно равна 1-2 мм, а ее вес составляет десятки килограмм. В отличие от кабеля, проволока проще в обслуживании и для операций спуска-подъема используется обычная легкая лебедка.

Основными недостатками при геофизических работах на каротажном кабеле являются трудности при спуске каротажных приборов в скважины с высоким давлением, а также проблемы с герметизацией скважины, связанные с большим диаметром кабеля. При работе с гладкой проволокой обе проблемы снимаются, однако трудоемкие операции по безопасному извлечению приборов из скважины для дальнейшего считывания и заряда аккумуляторных батарей остаются.

Для работы в добывающих скважинах применяется специальное герметизирующее устройство, называемое лубрикатор, которое устанавливается над фонтанной арматурой. В верхней части лубрикатор имеет сальник для герметичного прохождения каротажного кабеля, гладкой проволоки или гибких труб в зависимости от выполняемых операций. В случае высокого перепада давления устанавливается последовательность сальников, рассчитанных на необходимое давление. Устройство лубрикатора позволяет проводить операции снятия и навешивания каротажных приборов без разгерметизации скважины. Перед спуском каротажных приборов в скважину в лубрикаторе обеспечивается нужное давление, и открытие задвижки позволяет спускать каротажные приборы с помощью лебедки.

Автономные каротажные приборы оборудованы устройствами записи данных во внутреннюю память, а данные считываются уже на поверхности с помощью наземного считывающего устройства (или наземного компьютера). Для обслуживания таких приборов, а также для считывания данных и заряда аккумуляторных батарей необходимо проводить операцию разборки лубрикатора. Эта операция достаточно трудоемка и связана с риском разлития скважинной жидкости и нефти. Вместе с тем, каждая такая операция занимает довольно много рабочего времени и требует наличия высококвалифицированного персонала.

В практике канатных и бурильных работ известны способы обмена информацией между геофизическими приборами и элементами скважины. Несколько изобретений (US 5971072, US 3534310) описывают индуктивные устройства в спускаемом инструменте заканчивания скважины и автономные индуктивные передатчики, установленные в определенных местах буровой колонны. При приближении такого инструмента к автономному передатчику происходит обмен информацией и выполняются определенные операции. Это могут быть операции остановки и закрепления инструмента, операция инициации перфорационного заряда и прочие операции заканчивания скважины.

Также известны способы беспроводной индуктивной связи между связкой приборов в скважине и наземным считывающим устройством (заявка на патент US 20060244628). В этом техническом решении проволока, на которой спускаются каротажные приборы, используется как антенна для передачи данных, поступающих в реальном масштабе времени. Нижний и верхний конец проволоки оснащены индуктивными ответвителями. Данные из скважинных приборов поступают в устройство передачи данных, подключенное к нижнему ответвителю. Многометровая проволока для спуска скважинных приборов фактически работает как длинная антенна для передачи частотно-модулированных данных. Однако недостатком системы является то, что в случае сильного затухания высокочастотного информационного сигнала в антенне приходится использовать радиочастотные повторители, устанавливаемые по всей длине проволоки. Применение таких повторителей позволяет поддерживать мощность информационного сигнала на нужном уровне. Однако размещение и обслуживание радиочастотных повторителей на проволоке существенно усложняет операции спуска и подъема скважинных приборов.

Наиболее близким техническим решением является способ, предложенный в патенте ЕР 0678880, для осуществления которого используют прибор для измерения давления и температуры непосредственно в скважине, выполненный таким образом, чтобы без остановки скважины производить его ремонт и восстановление. Этот прибор опускается в скважину на гибких трубах и коаксиально устанавливается на индуктивную систему, стационарно смонтированную в оправке для съемного клапана при газлифтных операциях. Затем гибкие трубы извлекаются из скважины, а прибор остается в оправке. Кабель, подключенный к индуктивной системе, выводится через затрубье на поверхность; через кабель производится питание прибора и считывание измеренных данных в реальном режиме времени. Однако наличие кабеля питания и привязки к наземной системе считывания не позволяет использовать прибор в труднодоступных местах, требующих автономности работы.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание автономного устройства бесконтактного обмена данными и способа заряда аккумуляторных батарей автономных скважинных геофизических приборов посредством индуктивной связи. Существенным преимуществом предложенного технического решения является автономность работы прибора, а также то, что необходимые операции выполняются на поверхности при закрытом лубрикаторе. Индуктивная связь осуществляется между катушкой индуктивности, намотанной на радиопрозрачном переходнике под лубрикатором, и катушкой индуктивности в модуле заряда и телеметрии, корпус которого выполнен из радиопрозрачного материала. Для обеспечения более эффективной передачи энергии между катушками используется сердечник.

Предлагаемое изобретение представлено на Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3 и Фиг.4.

На Фиг.1 показана общая схема спуска скважинных приборов на гладкой проволоке и расположение радиопрозрачного переходника на устьевом оборудовании. Согласно Фиг.1 скважинные приборы 1 с автономной памятью подвешены на проволоке 2 и перемещаются с помощью лебедки. Стальная проволока проходит через герметичные сальники (не изображены) в верхней части лубрикатора 4. После завершения цикла измерения скважинные приборы с записанными данными поднимаются на поверхность лебедкой через устьевое оборудование 5. Между лубрикатором 4 и устьевым оборудованием устанавливается переходник 3, выполненный из стеклопластика.

На Фиг.2 показано продольное сечение радиопрозрачного переходника в момент максимального сближения внутренней и внешней катушек индуктивности, где 12 - сердечник, 13 - внешняя катушка индуктивности, 14 - катушка индуктивности, составляющие индукционную систему 20, 17 - модуль заряда и телеметрии, 19 - внешнее считывающее устройство.

При прохождении связки скважинных приборов через радиопрозрачный переходник, в частности при подъеме приборов на поверхность, на внешнюю катушку индуктивности 13, намотанную на внутреннюю поверхность радиопрозрачного переходника 3, подается переменное напряжение малой мощности. Ток с обмотки 13 измеряется внешним считывающим устройством 19. В верхней части связки скважинных приборов установлен модуль заряда и телеметрии 17, через который осуществляется обмен данными между скважинными приборами и внешним считывающим устройством 19.

При приближении модуля заряда и телеметрии 17, имеющего катушку индуктивности 14 и сердечник 12, к радиопрозрачному переходнику 3 ток в обмотке 13 возрастает из-за усиления индуктивной связи между обмотками. Максимум тока на катушке индуктивности 13 является индикатором для остановки лебедки и начала обмена данными и заряда аккумуляторных батарей. Совокупность внутренней обмотки 14, внешней обмотки 13 и сердечника 12 в дальнейшем будет описана как индукционная система 20. Посредством индуктивной связи на модуль телеметрии 17 подается команда считывания данных, после которой модуль телеметрии начинает передавать данные из скважинных приборов через катушку индуктивности 14 в катушку индуктивности 13 и далее во внешний блок 19 и наземный компьютер ПК.

Для изготовления радиопрозрачного переходника 3 и корпуса модуля телеметрии 17 должен применяться достаточно прочный материал, рассчитанный на гидростатическое давление внутри устьевого оборудования, а также имеющий низкое поглощение радиоволн в диапазоне 50-100000 Гц. Радиопрозрачность стенок переходника 3 и корпуса модуля телеметрии 17 позволяет с минимальными энергетическими потерями производить обмен данными и заряд аккумуляторных батарей. Наиболее подходящим материалом для реализации данного изобретения является стеклопластик, обладающий высокой механической прочностью и низкими потерями в указанном диапазоне частот. Другие радиопрозрачные материалы (композиты или керамика) проигрывают стеклопластику по механической прочности и технологичности изготовления, но все же могут быть использованы для реализации изобретения. Длина радиопрозрачного переходника 16 выбирается в 1.5-2 раза большей, чем длина индуктивной системы 20, в целях уменьшения потерь индуктивного сигнала на концевых проводящих элементах переходника. Внутренний диаметр радиопрозрачного переходника 16 выбирается равным внутреннему диаметру нижестоящего устьевого оборудования, чтобы не создавать затруднений при движении скважинных приборов.

Общая схема внешнего считывающего устройства 19 представлена на Фиг.3. На данном чертеже катушка индуктивности 24 является частью индукционной системы 20, через которую производится заряд аккумуляторной батареи и обмен данными со скважинным прибором. Источником энергии для заряда аккумуляторных батарей является промышленная сеть 220 В с частотой 50 Гц. Обмен данными происходит на высокой частоте относительно низкой частоты промышленной питающей сети. Смешивание низкочастотного тока заряда аккумуляторной батареи и высокочастотного информационного сигнала производится в смесителе, выполненном на трансформаторе 23. Обмотка I трансформатора 23 используется для подключения промышленной сети, обмотка II - для подключения приемопередатчика 21 наземного блока и обмотка III - для подключения первичной (внешней) обмотки индукционной системы 20. С целью защиты приемопередатчика от напряжения, поступающего из зарядной обмотки I в обмотку приемопередатчика II, используется модуль защиты от перенапряжения 22. Приемопередатчик 21 подключается к входу персонального компьютера ПК, где происходит хранение и обработка данных, считанных из скважинного прибора (приборов).

В качестве модема приемопередатчика возможно использование стандартных модемов с частотной модуляцией (FSK), например широкораспространенных СМХ469 производства компании CML Microcircuits Ltd, США. При применении таких модемов максимальная скорость обмена со скважинным прибором составляет 4800 бит в секунду, что вполне достаточно для большинства применений. При этом рабочий диапазон частот на выходе модема от 2400 до 4800 Гц, что позволяет легко выделить высокочастотный информационный сигнал на фоне зарядного тока 50 Гц с помощью простых фильтров первого порядка. Для повышения скорости обмена возможно применение более совершенных модемов FX929 (до 9600 бит в секунду) производства компании CML Microcircuits Ltd либо стандартных кодеров-декодеров кода Манчестер, например 588ВГ6 производства завода Интеграл, Республика Беларусь или HD6408 производства компании Intersil, США. В последнем случае кодер-декодер для кода Манчестер позволяет организовывать каналы связи со скоростью обмена вплоть до 1 Мбит/секунду, а пропускная способность канала связи ограничивается только свойствами трансформатора 23 и индуктивной системы 20 с обмоткой 24.

Структурная схема модуля заряда и телеметрии 17 представлена на Фиг.4. На обмотке I индукционной системы 20 индуцируется низкочастотное напряжение заряда аккумуляторных батарей, которое выпрямляется в блоке выпрямителя 32 и затем преобразуется в постоянное напряжение на блоке конденсаторов 33. Непосредственно процессом заряда аккумуляторных батарей 35 управляет зарядное устройство 34. Приемопередающая обмотка II индукционной системы 20 подключена к блоку телеметрии 36, который выполнен аналогично блокам 21 и 22 наземного модуля.

Пример реализации данного изобретения.

Для оценки КПД предложенного способа использовалась испытательная установка (Фиг.5). На сердечник 12 из феррита марки 1000НН (типоразмера 10×100) намотана вторичная обмотка 14 (2000 витков провода ПЭТВ-1 0.25 мм) и поверх намотана стеклоткань до достижения внешнего диаметра обмотки 28 мм (принято равным внешнему диаметру скважинных приборов). Первичная обмотка 13 намотана на полый цилиндр из стеклопластика с внутренним диаметром 50 мм (выбран равным внутреннему диаметру фонтанной арматуры). Тип провода и количество витков приняты такими же, как и во вторичной обмотке. Обе обмотки погружены в лабораторный стакан 40, заполненный водным раствором поваренной соли с концентрацией 50 г/литр (имитация пластовой воды). Первичная обмотка 13 через изолирующий трансформатор 42 (коэффициент трансформации 1:1) подключена к регулируемому автотрансформатору 41 типа ЛАТР-2,5. Вторичная обмотка 14 нагружена на резистор 47 (сопротивление 100 Ом, мощность 5 Вт). Напряжение и ток на первичной обмотке 13 контролируются вольтметром 43 и амперметром 44. Аналогичным образом напряжение и ток на вторичной обмотке 14 контролируются вольтметром 45 и амперметром 46. Положением регулятора автотрансформатора 41 изменяется напряжение, подаваемое на первичную обмотку индуктивной системы 20. Это напряжение выбирается таким образом, чтобы предотвратить насыщение сердечника 12.

КПД оценивался по формуле =((V2·I2)/(V1·I1))·100%, где V2 и I2 - показания вольтметра 45 и амперметра 46 во вторичной обмотке 14, V1 и I1 - показания вольтметра 43 и амперметра 44 в первичной обмотке 13. В данной испытательной установке был получен КПД около 20%, а рассеиваемая мощность на резисторе 47 составила около 2 Вт, что вполне достаточно для заряда аккумуляторных батарей в скважинных приборах за приемлемое время. Предварительные расчеты показывают, что оптимизацией конструкции и материала сердечника 12, оптимизацией числа витков и диаметра провода обмоток возможно повышение КПД до 50% даже при работе в вводно-нефтяных смесях с более высокой концентрацией соли. Такая оптимизация повысит мощность, передаваемую во вторичную обмотку и, следовательно, уменьшит время заряда аккумуляторных батарей.