излучающий комплекс для нефтяных и газовых скважин

Формула изобретения

1. Излучающий комплекс для нефтяных и газовых скважин, содержащий наземный блок, включающий блок питания, скважинный прибор, соединенный с наземным блоком питающим кабелем и состоящий из акустического излучателя и скважинного усилителя, включающего фильтр, усилитель мощности, модуль согласования с нагрузкой и задающий генератор, отличающийся тем, что для подачи питания и сигналов управления на скважинный прибор, а также измерительных и контрольных сигналов в обратном направлении использован одножильный грузонесущий геофизический кабель, наземный блок снабжен регулятором напряжения, интерфейсным модулем, контроллером, модулем энергонезависимой памяти, модемом и смесителем тока, скважинный усилитель снабжен блоком защиты от перенапряжения, смесителем тока, трансформатором тока, детектором, частотомером, резистивным делителем и модемом, а акустический излучатель снабжен модулем обратной связи для передачи информации в скважинный усилитель, причем силовая промышленная сеть через регулятор напряжения наземного блока подключена к входу блока питания, выход которого через силовой канал первого смесителя тока наземного блока подключен к центральной жиле грузонесущего геофизического кабеля, контроллер наземного блока первым портом связан с интерфейсным модулем, вторым портом с портом модуля энергонезависимой памяти, третьим портом подключен к персональному компьютеру, а четвертый порт контроллера через последовательно соединенные модем и сигнальный канал смесителя токов соединен с центральной жилой грузонесущего геофизического кабеля, который через блок защиты от перенапряжения, силовой канал смесителя токов и фильтр скважинного прибора связан с шиной питания его усилителя мощности; сигнальный канал смесителя тока скважинного прибора через модем имеет двустороннюю связь с сигнальным портом контроллера, управляющий выход контроллера через задающий генератор соединен с сигнальным входом усилителя мощности, выход которого через последовательно соединенные модуль согласования с нагрузкой и трансформатор тока подсоединен к излучателю, к измерительным входам контроллера подключены выход частотомера, выход трансформатора тока через детектор, выход резистивного делителя, соединенного с выходом усилителя мощности, и выход модуля обратной связи, связанного с излучателем механически или через скважинную жидкость, броня одножильного грузонесущего геофизического кабеля соединена с нулевой шиной устройства, скважинный усилитель и акустический излучатель выполнены в отдельных корпусах.

2. Излучающий комплекс по п.1, отличающийся тем, что акустический излучатель содержит пьезоэлектрические преобразователи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к геофизической скважинной аппаратуре и аппаратуре для акустического воздействия на пласты, может быть использовано в геологоразведке, нефтяной и газовой отраслях промышленности для интенсификации добычи полезных ископаемых.

Известно устройство для акустического воздействия на нефтяной пласт (патент RU 2140519, 11.03.98), включающее наземный ультразвуковой генератор, питающий кабель и скважинный прибор, состоящий из акустического излучателя и датчика. Недостатком известного устройства являются большие потери энергии в геофизическом кабеле, существенно снижающие эффективность воздействия на пласт, причем возможность повышения мощности, подаваемой на скважинный прибор, ограничена допустимыми значениями напряжения на кабеле и тока в кабеле.

Известен также принятый за прототип излучающий комплекс (патент RU 2129659, 22.07.98), содержащий: источник постоянного тока, задающий генератор, усилитель мощности, блоки согласования с нагрузкой с коммутируемыми элементами, электроакустические преобразователи и элементы, образующие излучающий комплекс, заграждающий фильтр, модулятор, индикатор модуляции, управляющий выпрямитель и блоки, образующие канал модуляции высокочастотного сигнала.

Источник постоянного тока, индикатор и управляющий выпрямитель канала модуляции размещаются в наземном устройстве, а задающий генератор, усилитель мощности, блоки согласования с нагрузкой, излучающие элементы, заграждающий фильтр и модулятор устанавливаются в скважинном приборе.

Силовое питание и токи управления модуляцией передаются от наземного устройства в скважинный прибор по отдельным электрическим цепям, т.е. по различным проводам многожильного геофизического кабеля. Низкочастотный сигнал, выделенный в канале модуляции, передается от скважинного прибора в наземное устройство по силовой цепи кабеля.

Недостатки устройства:

1. Поскольку силовые и управляющие цепи в устройстве разделены, для работы устройства требуется многожильный геофизический кабель.

Однако сейчас наибольшее распространение в отрасли получили более простые и дешевые одножильные геофизические кабели, а многожильные кабели стали редкостью. Соответственно, необходимость применения многожильного кабеля повышает стоимость комплекса и усложняет его эксплуатацию. Практика показывает, что ориентация на многожильные кабели неперспективна.

В то же время необходимость применения многожильного кабеля для данного устройства является принципиальной, так как связь наземного и скважинного модулей устройства ведется с помощью нескольких цепей постоянного тока.

2. Эксплуатация устройства затруднена из-за недостаточного контроля скважинного модуля. Единственное представление о работе этого модуля дает индикатор модуляции с помощью звуковых или световых сигналов.

Наличие такого сигнала может быть чисто качественным признаком работы модуля и не обеспечивает объективной количественной оценки эффективности работы устройства. К тому же отсутствие сигнала однозначно не интерпретируется. Причиной отсутствия модуляции может быть и некачественная настройка комплекса, и отсутствие резонанса в какой-либо скважине, в отказ какого-либо из элементов модуля, и недостаточная мощность на несущей частоте и т.д. Для выявления и устранения причины требуется подъем модуля на поверхность с последующим анализом в полевых условиях или отказ от сеанса обработки скважины. Это повышает требования к модулю и оперативности оценки его состояния.

3. В составе устройства предусмотрен предохранительный блок, который защищает наземное устройство от перенапряжения в питающей сети и короткого замыкания. Однако данный блок не обеспечивает защиту скважинного модуля, так как последний отделен от блока защиты кабелем, который имеет достаточно высокое для силовой цепи сопротивление (24 Ом на километр). Так, при длине кабеля 3 - 3,5 км его активное сопротивление будет порядка 70 Ом и даже при коротком замыкании на удаленном конце кабеля или пробое силовых элементов усилителя мощности защита не прореагирует. Единственной информацией об отказе будет прекращение модуляции, но однозначно этот факт не интерпретируется.

4. В пределах одного сеанса обработки скважины комплекс работает только на одной несущей частоте. Возможна только низкочастотная модуляция несущей частоты. Возможность изменения частоты затруднена из-за наличия в устройстве нескольких избирательных элементов - фильтров, согласующих модулей и др. Соответственно, применение устройства усложнено необходимостью либо поднимать модуль на поверхность и заменять его модулем, настроенным на другую частоту, либо разбирать и перестраивать, а это, учитывая требуемую высокую герметичность и прочность устройства, достаточно сложная операция.

Техническая задача изобретения состоит в повышении надежности устройства, эффективности воздействия на пласт и улучшении эксплуатационных характеристик за счет расширения диапазона частот, снижения потерь мощности в геофизическом кабеле, введения устройства защиты от перенапряжения, введения блока обратной связи, позволяющего оптимизировать работу излучателя, введения канала связи для управления и контроля скважинного прибора.

Излучающий комплекс для нефтяных и газовых скважин содержит наземный блок, включающий блок питания, скважинный прибор, соединенный с наземным блоком питающим кабелем и состоящий из акустического излучателя и скважинного усилителя, включающего фильтр, усилитель мощности, модуль согласования с нагрузкой и задающий генератор.

В отличие от известного устройства для подачи питания и сигналов управления на скважинный прибор, а также измерительных и контрольных сигналов в обратном направлении использован одножильный грузонесущий геофизический кабель. Наземный блок снабжен регулятором напряжения, интерфейсным модулем, контроллером, модулем энергонезависимой памяти, модемом и смесителем тока. Скважинный усилитель снабжен блоком защиты от перенапряжения, смесителем тока, трансформатором тока, детектором, частотомером, резистивным делителем и модемом. Акустический излучатель снабжен модулем обратной связи для передачи информации в скважинный усилитель. Силовая промышленная сеть через регулятор напряжения наземного блока подключена к входу блока питания, выход которого через силовой канал первого смесителя тока наземного блока подключен к центральной жиле грузонесущего геофизического кабеля, контроллер наземного блока первым портом связан с интерфейсным модулем, вторым портом с портом модуля энергонезависимой памяти, третьим портом, подключен к персональному компьютеру, а четвертый порт контроллера через последовательно соединенные модем и сигнальный канал смесителя токов соединен с центральной жилой грузонесущего геофизического кабеля, который через блок защиты от перенапряжения, силовой канал смесителя токов и фильтр скважинного прибора связан с шиной питания его усилителя мощности. Сигнальный канал смесителя тока скважинного прибора через модем имеет двухстороннюю связь с сигнальным портом контроллера, управляющий выход контроллера через задающий генератор соединен с сигнальным входом усилителя мощности, выход которого через последовательно соединенные модуль согласования с нагрузкой и трансформатор тока подсоединен к излучателю. К измерительным входам контроллера подключены выход частотомера, выход трансформатора тока через детектор, выход резистивного делителя, соединенного с выходом усилителя мощности, и выход модуля обратной связи, связанного с излучателем механически или через скважинную жидкость, броня одножильного грузонесущего геофизического кабеля соединена с нулевой шиной устройства. Скважинный усилитель и акустический излучатель выполнены в отдельных корпусах. Акустический излучатель содержит пьезоэлектрические преобразователи.

На чертеже представлена блок-схема комплекса, где: 1 - регулятор напряжения, 2 - интерфейсный модуль, 3 - модуль энергонезависимой памяти, 4 - блок питания, 5 - контроллер наземного блока, 6 - модем наземного блока, 7 - смеситель тока наземного блока, 8 - грузонесущий геофизический кабель, 9 - блок защиты от перенапряжения, 10 - смеситель тока скважинного прибора, 11 - фильтр, 12 - усилитель мощности, 13 - модуль согласования с нагрузкой, 14 - трансформатор тока, 15 - модем скважинного прибора, 16 - резистивный делитель, 17 - частотомер, 18 - задающий генератор, 19 - детектор, 20 - контроллер скважинного прибора, 21 - излучатель, 22 - модуль обратной связи.

В наземном блоке комплекса размещены: регулятор напряжения 1, выполненный, например, с помощью схем с использованием тиристора; блок питания 4, представляющий собой стандартный выпрямитель и сглаживающий фильтр; интерфейсный модуль 2 - это панель оператора с органами управления, измерительными приборами и индикаторами. Возможно использование, например, ЖКИ-индикаторов или других подобных устройств; модуль энергонезависимой памяти 3; контроллер наземного блока 5, выполненный на основе микропроцессорных устройств, например однокристальных ЭВМ; модем наземного блока 6, реализуемый, например, на основе стандартных микросхем усилителей переменного тока, и смеситель токов наземного блока 7, реализуемый на основе стандартных реактивных элементов - индуктивности и емкости.

Силовая промышленная сеть через регулятор напряжения 1 подключена к входу источника тока 4, выход которого через силовой канал первого смесителя 7 подключен к центральной жиле грузонесущего геофизического кабеля 8. Контроллер наземного блока 5 своим первым портом связан с интерфейсным модулем 2, вторым портом - с портом модуля энергонезависимой памяти 3, третьим портом может быть подключен, например, к персональному компьютеру (не показан). Четвертый порт контроллера 5 через модем 6 и сигнальный канал первого смесителя токов 7 соединен с центральной жилой грузонесущего геофизического кабеля 8. Броня одножильного грузонесущего геофизического кабеля соединена с нулевой шиной устройства.

В скважинном приборе комплекса размещаются: блок защиты от перенапряжения 9; смеситель токов скважинного прибора 10, реализуемый на основе стандартных реактивных элементов индуктивности и емкости; модем скважинного прибора 15, реализуемый на основе стандартных микросхем усилителей переменного тока; резистивный делитель 16 выполняется на двух стандартных резисторах; фильтр 11 выполняется на стандартных реактивных элементах индуктивности и емкости; контроллер скважинного прибора 20 выполняется, например, на основе микропроцессорных устройств или логических матриц или возможно исполнение на основе стандартных логических микросхем; частотомер 17 реализуется на основе соответствующих специализированных микросхем или, например, с использованием обычных счетчиков на триггерах; задающий генератор 18 реализуется с использованием микросхем управляемых генераторов; усилитель мощности 12 выполняется на основе транзисторных ключевых каскадов; модуль согласования с нагрузкой 13 выполняется на реактивных элементах индуктивности и емкости; детектор 19 выполняется, например, в виде выпрямителя или пикового детектора; трансформатор тока 14; излучатель 21 может быть любого типа - пьезоэлектрический, магнитострикционный и т.п. и модуль обратной связи 22, представляющий собой датчик, реагирующий на возмущение среды, и преобразующее устройство, обеспечивающее сопряжение с контроллером.

Удаленный конец одножильного грузонесущего геофизического кабеля через блок защиты от перенапряжения 9, силовой канал второго смесителя токов 10 и фильтр 11 связан с шиной питания усилителя мощности 12. Сигнальный канал второго смесителя 10 через модем скважинного прибора 15 имеет двухстороннюю связь с сигнальным портом контроллера скважинного прибора 20. Управляющий выход контроллера 20 через задающий генератор 18 соединен с сигнальным входом усилителя мощности 12, выход которого через модуль согласования с нагрузкой 13 и трансформатор тока 14 подсоединен к излучателю 21. К измерительным входам контроллера скважинного прибора 20 подключены выход частотомера 17, выход трансформатора тока 14 через детектор 19 и выход блока обратной связи 22, связанного с излучателем 21, например, механически или через скважинную жидкость.

Конструктивно скважинный прибор предлагаемого комплекса размещается в двух отдельных корпусах, соединяемых друг с другом посредством герметичного стыковочного узла. В первом корпусе (корпусе скважинного усилителя) устанавливаются все электронные модули и элементы, необходимые для возбуждения излучателя. Во втором корпусе (корпусе излучателя) устанавливается излучатель с блоком обратной связи.

Конструктивное разделение скважинного прибора на два корпуса соответствует естественному функциональному делению прибора. Такое построение позволяет использовать один электронный блок (скважинный усилитель) с различными излучателями, а также независимо развивать, совершенствовать и, при необходимости, ремонтировать функционально различные части комплекса, что в целом удешевляет его производство и эксплуатацию, повышает ремонтопригодность.

Наземный блок и скважинный прибор соединяются одножильным грузонесущим геофизическим кабелем. Центральная жила грузонесущего геофизического кабеля используется для передачи от наземного устройства на скважинный прибор силового электропитания и сигналов управления, а также измерительных и контрольных сигналов в обратном направлении. Броня кабеля соединяется с нулевой шиной наземного и скважинного устройства.

Комплекс работает следующим образом. Напряжение промышленной электросети поступает на вход регулятора напряжения 1 и далее на блок питания 4. С помощью регулятора напряжения 1 осуществляется изменение выходного напряжения источника тока и, соответственно, мощности излучения. Через силовой канал смесителя токов 7 (канал постоянного тока) и центральную жилу грузонесущего геофизического кабеля 8 напряжение питания поступает на вход скважинного прибора. С входа прибора напряжение питания через блок защиты от перенапряжения 9, силовой канал второго смесителя токов 10 и фильтр 11 поступает на шину усилителя мощности 12, на сигнальный вход которого подаются высокочастотный импульсный сигнал от задающего генератора 18. Мощный высокочастотный импульсный сигнал с выхода усилителя 12 поступает на вход модуля согласования с нагрузкой 13. Модуль осуществляет сглаживание фронтов мощных импульсов и формирование сигналов, форма которых приемлема для излучателя 21. Сформированный сигнал через центральный провод трансформатора тока 14 поступает на вход излучателя 21. Излучатель преобразует электрические колебания в механические, которые и осуществляют воздействие на скважину.

Трансформатор тока 14 включен в силовую цепь комплекса для измерения тока в нагрузке. Измерение тока в нагрузке далее используется для защиты от короткого замыкания и оценки генерируемой мощности.

Управление и контроль комплекса осуществляется следующим образом. Для этого в комплексе предусмотрено ручное и автоматизированное управление.

Органы ручного управления и контроля - кнопки, переключатели, цифровые индикаторы и стрелочные приборы размещены в интерфейсном модуле 2, с помощью которого оператор может задавать и контролировать необходимые параметры - мощность и частоту сигнала, интенсивность механических колебаний и другие. Связанный с интерфейсным модулем 2 первый контроллер 5 считывает подаваемые команды и передает их через первый модем 6 и сигнальный канал первого смесителя токов 7 (канал переменного тока) на центральную жилу грузонесущего геофизического кабеля 8. Поступающие на выход грузонесущего геофизического кабеля управляющие сигналы приходят в скважинный прибор, где они воспринимаются вторым смесителем токов 10 и через его сигнальный канал и второй модем 15 поступают на вход контроллера скважинного прибора 20. Контроллер выделяет поступающие сигналы и формирует команды управления модулями скважинного устройства. К таким командам относятся команды выбора диапазона частот и конкретной частоты задающего генератора, команды разрешения и запрета генерации, команды модуляции несущей частоты и другие. Контроль состояния прибора и эффективность его работы проводится с помощью измерительных цепей и элементов, выходы которых заведены на измерительные входы контроллера скважинного прибора 20. Величина тока в нагрузке (излучателе) контролируется трансформатором тока 14 и детектором 19, вход которого соединен с измерительной обмоткой трансформатора тока.

Контроль напряжения на силовой шине усилителя мощности 12 осуществляется с помощью резистивного делителя 16.

Частота задающего генератора 18 измеряется с помощью частотомера 17.

Интенсивность механических колебаний излучателя 21 измеряется соответствующими датчиками и детекторами, входящими в состав блока обратной связи 22.

Контроллер скважинного прибора 20 регулярно считывает показания измерительных цепей и передает после соответствующего преобразования контроллеру наземного блока 5 по цепи двухсторонней связи, включающей модемы 6 и 15, смесители токов (по каналам переменного тока смесителей) 7, 10 и центральную жилу грузонесущего геофизического кабеля 8.

Процессы передачи сигналов управления и измерительных сигналов разделены во времени. Синхронизация процессов осуществляется контроллером наземного блока 5, который в этом комплексе является ведущим. Контроллер наземного блока 5 выдает полученные данные интерфейсному модулю 2, где они отображаются на цифровом индикаторе и стрелочных приборах. В дополнение к этому контроллер наземного блока 5 периодически записывает полученные данные и подаваемые оператором команды в энергонезависимую память 3, что позволяет сохранить динамическую картину работы комплекса и воспроизвести ее после сеанса на персональном компьютере. Это в свою очередь позволяет оценивать эффективность того или иного режима работы комплекса, создавать базу данных по обработке группы скважин и выявлять корреляцию с геологическими характеристиками скважин. Память также может хранить программы автоматизированной работы комплекса по обработке скважины. Считывая заданную программу, контроллер наземного блока 5 будет автоматически выполнять заданный технологический режим обработки скважины.

Защиты наземных и скважинных устройств комплекса от перегрузок осуществляется следующим образом.

Наиболее опасным воздействием среды на скважинный прибор является короткое замыкание выхода силового каскада, приводящее к выгоранию коммутирующих силовых транзисторов, и повышенное напряжение на шине питания этих транзисторов, приводящее к их пробою. Для защиты от короткого замыкания используется цепь измерения тока в нагрузке (трансформатор тока 14 и детектор 19) и контроллер скважинного прибора 20. Если контроллер фиксирует завышенное значение тока, то он выдает по управляющей цепи задающему генератору 15 команду на прекращение генерации, тем самым прекращая работу усилителя мощности 12.

Защита от завышенного напряжения осуществляется блоком защиты от перенапряжения 9, который действует следующим образом. При превышении допустимого напряжения силовая цепь усилителя замыкается на нулевой провод. В результате этого электропитание скважинного усилителя отключается и он перестает функционировать. На входе контроллера наземного устройства 5 при этом пропадают контрольные и измерительные сигналы. Обнаружив отсутствие измерительных сигналов, контроллер 5 включает аварийный сигнал и выключает силовое питание комплекса.

Излучающий комплекс успешно прошел испытания на месторождениях Западной Сибири (Дружное, Кустовое).