геофизическая телеметрическая система передачи скважинных данных

Формула изобретения

1. Геофизическая телеметрическая система передачи скважинных данных, содержащая изоляционный трубный элемент, отделяющий нижнюю часть колонны бурильных труб вместе с турбобуром от основной части колонны бурильных труб, ключевой элемент, управляемый кодовым сигналом скважинной аппаратуры, наземную часть, содержащую электрод заземления и блок приема кодированной информации, отличающаяся тем, что ключевой элемент подключен параллельно изоляционному трубному элементу, в наземную часть введены силовой источник электрического питания канала связи и трансформатор тока, при этом силовой источник электрического питания канала связи и первичная токовая обмотка трансформатора тока последовательно включены между колонной бурильных труб и электродом заземления, вторичная обмотка трансформатора тока соединена с входом блока приема кодированной информации.

2. Геофизическая телеметрическая система по п.1, отличающаяся тем, что последовательно с изоляционным трубным элементом в колонну бурильных труб введен по меньшей мере один дополнительный изоляционный элемент с соответствующим ключевым элементом, подключенным параллельно дополнительному изоляционному элементу и управляемым кодовым сигналом скважинной аппаратуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геофизических методов исследований, предназначается для передачи данных от контрольно-измерительных приборов в скважине к наземной аппаратуре и касается многопараметрической телеметрии.

В известных устройствах телеметрии (Э.Е.Лукьянов. Исследование скважин в процессе бурения. - М.: Недра, 1992; Авт. св. № 1795773, G 01 V 13/00) используются многожильные и одножильные кабельные линии для трансляции кодированных данных на наземную аппаратуру. Аналогичное устройство используется в способе контроля нефтегазонасыщенных пластов в обсаженной скважине (Авт. св. № 1345151, G 01 V 3/00). Такого рода устройства предназначены для электрического каротажа, и элементарный зонд в скважине выполняет функции токопередачи и трансляции величины сопротивления среды. В приведенных способах и устройствах очевидны дополнительные затраты на технологические решения, связанные с проведением геофизических исследований скважин после извлечения бурового инструмента.

Перечисленные способы и устройства не могут использоваться для трансляции данных от контрольно-измерительной аппаратуры, встроенной в буровой инструмент.

Наиболее близким техническим решением служит известная геофизическая телеметрическая система, предназначенная для измерения геофизических параметров в процессе бурения скважины (А.А.Молчанов. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин. - М.: Недра, 1983 г, с.171-177), использующая колонну бурильных труб в качестве электрического канала для передачи информации с забоя на земную поверхность. Беспроводный канал связи включает электрический разделитель, отделяющий нижнюю часть колонны бурильных труб с турбобуром от основной части колонны бурильных труб, и ключевой элемент (коммутатор), управляемый кодовьм сигналом скважинной аппаратуры, который подключает скважинный источник питания (электромашинный генератор) к колонне бурильных труб, разделенных изолятором. Наземная часть системы содержит заземлитель (электрод заземления) и блок приема кодированной информации (приемное устройство). Передача данных глубинных измерений в процессе бурения осуществляется с помощью шумоподобных сигналов. В качестве источника питания при беспроводном способе передачи сообщений используется автономный источник питания (электромашинный генератор), находящийся в составе буровой колонны.

Недостатком известной системы является то, что для ее использования необходим источник питания большой мощности, находящийся в скважине. Ресурс такого источника питания ограничен тяжелыми условиями его работы: высокой температурой, давлением и вибрацией на забое скважины. Для электромашинного генератора дополнительным фактором, влияющим на ресурс работы, является износ подшипников, вызванный расходом смазки через уплотнения вала. Это снижает надежность и ресурс системы в целом. Кроме того, размещение источника питания внутри бурильной трубы ограничивает его размер и мощность, а соответственно и дальность передачи данных.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения надежности, увеличения ресурса работы телеметрической системы и повышения дальности связи.

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что в геофизической телеметрической системе передачи скважинных данных, содержащей изоляционный трубный элемент, отделяющий нижнюю часть бурильных труб вместе с турбобуром от основной колонны бурильных труб, ключевой элемент, управляемый кодовым сигналом скважинной аппаратуры, наземную часть, содержащую электрод заземления и блок приема кодированной информации, согласно изобретению предлагается ключевой элемент подключить параллельно изоляционному трубному элементу, в наземную часть между колонной бурильных труб и электродом заземления ввести силовой источник электрического питания канала связи и трансформатор тока, при этом силовой источник электрического питания канала связи и первичную токовую обмотку трансформатора тока включить последовательно между колонной бурильных труб и дополнительным электродом заземления, вторичную обмотку трансформатора соединить со входом блока приема кодированной информации.

В качестве электрода заземления может быть использована соседняя обсаженная скважина.

Последовательно с изоляционным элементом в колонну бурильных труб может быть введен по меньшей мере один дополнительный разделяющий колонну бурильных труб изоляционный элемент с соответствующим ключевым элементом, подключенным параллельно дополнительному изоляционному элементу и управляемым кодовым сигналом скважинной аппаратуры.

Схемы вариантов предложенной телеметрической системы передачи скважинных данных приводятся на чертежах.

Фиг.1 - схема геофизической телеметрической скважинной системы с электродом заземления;

фиг.2 - схема геофизической телеметрической системы с использованием в качестве электрода заземления соседней обсаженной скважины;

фиг.3 - схема телеметрической системы для горизонтальных скважин большой длины.

Телеметрическая скважинная коммуникационная система передачи данных (фиг.1) включает два токоведущих электрода - колонну 1 бурильных труб и электрод 2 заземления. Изоляционный трубный элемент 4 отделяет нижнюю часть колонны 1 бурильных труб вместе с турбобуром 3 от основной части колонны 1 бурильных труб. Ключевой элемент 5 подключен параллельно изоляционному трубному элементу 4 в точках подключения 6 и 7. Управляющий вход 8 ключевого элемента 5 соединен с выходом синхронного кодирующего устройства 9 скважинной аппаратуры. Наземная часть телеметрической системы содержит силовой источник 10 электрического питания канала связи, трансформатор 11 тока, приемник 12, фазометр 13 и синхронный генератор 14. Источник 10 электрического питания канала связи и первичная токовая обмотка трансформатора 11 тока последовательно включены между основной частью колонны бурильных труб и электродом 2 заземления, вторичная обмотка трансформатора 11 тока соединена с приемником 12, к выходу приемника 12 подключены фазометр 13 и синхронный генератор 14, соединенные электрическими связями. Приемник 12, фазометр 13, синхронный генератор 14 образуют наземный блок 21 приема кодированной информации.

Элементы R1, R2 и R3 представляют собой эквиваленты удельного электрического сопротивления: R1 - сопротивление между основной частью колонны 1 буровых труб и электродом 2 заземления; R2 - между электродом заземления 2 и нижней частью колонны 1 буровых труб и R3 - сопротивление замкнутого ключевого элемента 5.

Взамен заземляющего электрода 2, как показано на фиг.2, возможно использовать отдаленную обсаженную скважину 15.

Вариант, приведенный на фиг.3, используется для горизонтальных скважин большой длины. В нем последовательно с изоляционным элементом 5 включены дополнительный разделяющий основную колонну труб изоляционный трубный элемент 16 и соответствующий ключевой элемент 17 с точками подключения к трубам 18 и 19. Управляющий вход 20 ключевого элемента 17 соединен с синхронным кодирующим устройством 9 блока скважинной аппаратуры.

Рассмотрим работу телеметрической системы. Телеметрическая система для каротажа в процессе бурения, смонтированная на колонне бурильных труб, опускается в скважину. Питание электрической схемы скважинной аппаратуры в процессе бурения осуществляется от автономного источника питания малой мощности, например литиевых батарей или аккумуляторов (не показаны). Информация о параметрах горных пород, полученная в процессе бурения датчиками скважинной аппаратуры (не показаны), кодируется с помощью синхронного кодирующего устройства 9.

Кодированные сигналы передаются на управляющий вход 8 ключевого элемента 5, при этом происходит замыкание и размыкание в определенной последовательности изоляционного трубного элемента 4. Замыкание и размыкание изоляционного трубного элемента 4 приводит к изменению длины заземляющего отрезка колонны 1 бурильных труб за счет подсоединения и отсоединения нижней части бурильной колонны 1 вместе с турбобуром 3.

Известно (С.Атакишев и др. Электроэнергетика нефтяных и газовых промыслов. - М.: Недра, 1988 г.), что сопротивление заземления Rз стального стержня, забитого вертикально в землю, равно

где - удельное сопротивление породы, окружающей заземлитель, L - длина заземлителя, D - диаметр заземлителя.

Следовательно, изменение длины L заземляющего стержня (в нашем случае длины колонны бурильных труб) приводит к изменению сопротивления заземления Rз.

Передача данных глубинных измерений осуществляется с помощью помехоустойчивой фазовой модуляции.

Силовой источник 10 электрического питания канала связи подает переменное напряжение частотой fo между двумя электродами - колонной буровых труб 1 и электродом заземления 2 (возможно обсаженной скважиной 15). При подаче напряжения на электроды в горной породе, окружающей электроды, протекает ток в цепи, образованной указанными электродами и первичной (токовой) обмоткой трансформатора 11 тока. Величина тока измеряется приемником 12 блока 21 приема кодированной информации. Значение протекающего через токоведущие электроды тока зависит от сопротивления цепи, а именно при разомкнутом ключевом элементе 5 от объемного сопротивления горных пород между основной частью колонны 1 и электродом 2 (обозначенного на фиг.1 и фиг.2 как эквивалентное сопротивление R1). При замкнутом ключевом элементе 5 ток возрастает за счет подключения параллельной цепи из объемного сопротивления горных пород между нижней частью колонны вместе с турбобуром 3 и электродом заземления 2 (обозначенного на фиг.1 и 2 как эквивалентного сопротивления R2) и сопротивления замкнутого ключевого элемента 5 (обозначенного на фиг.1 и 2 как эквивалентного сопротивления R3). Таким образом, при замыкании/размыкании ключевого элемента 5, подключенного к точкам 6 и 7, происходит соответствующее увеличение/уменьшение потребления тока от наземного источника 10. С помощью трансформатора 11 тока величина тока измеряется (регистрируется) наземным блоком 21 приема кодированной информации. Управление ключевым элементом 5 и декодирование передаваемой информации в наземном блоке 21 происходит в двух режимах. В первом режиме - режиме синхронизации - синхронное кодирующее устройство 9 через управляющий вход 8 замыкает и размыкает ключевой элемент 5 с частотой синхронизации fsyn<<fo. При этом возникает модуляция тока источника питания 10, наземный блок 21 приема кодированной информации выделяет эту модуляцию и синхрогенератор 14 синхронизируется по частоте и фазе с синхронным кодирующим устройством 9 блока скважинной аппаратуры. Во втором режиме - режиме передачи данных - синхронное кодирующее устройство 9 замыкает и размыкает ключевой элемент 5, осуществляя фазовую модуляцию передаваемых данных, а фазометр 13 синхронизированного в первом режиме наземного блока 21 приема кодированной информации сравнивает фазу принимаемого сигнала с фазой, зафиксированной в режиме синхронизации. В результате на выходе фазометра 13 создается последовательность импульсов, соответствующая передаваемому коду данных.

По окончании режима передачи данных (режима 2) синхронное кодирующее устройство 9 возвращается в режим синхронизации (режим 1).

Для скважин большой длины, особенно когда их располагают в горизонтальном направлении, чувствительность телеметрической скважинной системы падает из-за значительного растекания электрического тока в горных породах. Для повышения дальности системы передачи данных вводится по меньшей мере один дополнительный изоляционный трубный элемент 16, отделяющий от основной буровой колонны больший отрезок бурильных труб. Синхронное кодирующее устройство 9 через управляющий вход 20 замыкает и размыкает соответствующий ключевой элемент 17, подключенный в точках 18 и 19. Удлинение коммутируемой части буровой колонны приводит к увеличению глубины модуляции сопротивления между токоведущими электродами, а соответственно и к увеличению глубины модуляции тока, что позволяет увеличить дальность канала связи.