Способ измерения давления и передачи данных в эксплуатационной скважине и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для измерения давления в эксплуатационных нефтедобывающих скважинах, оснащенных насосами ШГН. Технический результат: повышение надежности и достоверности передачи информации, повышение автономности приборов. Сущность способа состоит в том, что побитную последовательную передачу кодированной информации осуществляют в фиксированные моменты времени, причем логический нуль не передается, а логическая единица передается n раз в течение временного окна, информацию приводят к условию m<р, где m - количество логических единиц в слове информации, р - количество логических нулей в слове информации. Для осуществления способа применяется устройство, в котором турбогенератор расположен между штанговым глубинным насосом и глубинным манометром. При этом ввод турбогенератора находится на уровне верхней границы продуктивного пласта. Манометр содержит датчик давления, АЦП, регистр, буфер, двигатель, таймер, элемент старта, элемент И, разрядник, привод, формирователь бытовых окон, накопитель, прижим, излучатель и связанный с турбогенератором через преобразователь аккумулятор, питающий блок питания скважинного прибора. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения давления в эксплуатационных нефтедобывающих скважинах, оснащенных насосами ШГН в атономном режиме и передачи измеряемых параметров на поверхность по акустическому каналу связи.

Известна бескабельная система передачи данных забойного давления и температуры в реальном режиме времени по электромагнитному каналу связи (по породе) (см. WTD Demeter System, ф.Geoservices production. Каталог, Франция, 1992).

Работа системы основана на преобразовании измеренных данных давления и температуры в цифровой код и передачи на поверхность при помощи мощного радиопередатчика в процессе бурения по породе.

Недостатком этой системы является невозможность передачи информации в обсаженных металлической колонной скважинах.

Известна система измерения давления и температуры в скважине с сохранением данных в памяти забойного прибора (см. MSD Demeter System. Memory stored data pressure temperature, ф.Geoservices. Каталог, Франция, 1992).

В системе используется принцип накопления каротажной информации в твердой памяти скважинного прибора и последующего считывания данных после подъема скважинного прибора на поверхности.

Недостатком данной системы является невозможность получения информации со скважинного прибора в реальном режиме времени.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ и скважинный прибор (прототип) для физических измерений в скважине, в том числе и давления и передачи данных по акустическому каналу связи. В качестве автономного источника питания служит батарея сухих элементов (патент США N 2547875, к.73-359, опубл. 03.04.51).

В данной системе для передачи информации в качестве физического элемента акустического канала связи используется металлическая проволока, к одному концу которой подключен излучатель, а к другому концу на поверхности - пьезоприемник.

Недостатком данного способа измерения и передачи данных о давлении на поверхность является то, что для передачи данных необходима натянутая в скважине между наземным оборудованием и скважинным прибором проволока, что невозможно использовать в скважинах, оснащенных насосами ШГН. Также емкость батарей не позволит обеспечить автономность работы скважинного прибора до одного года.

Задачей изобретения является повышение надежности и достоверности передачи информации за счет оптимизации системы передачи информации в синхронизации скважинного и наземного таймеров и повышение автономности скважинного прибора за счет уменьшения энергопотребления.

Поставленная задача достигается тем, что в способе побитную последовательную передачу кодированной информации осуществляют в фиксированные моменты времени, причем логический нуль не передается, а логическая единица передается n раз в течение временного окна, передаваемую кодированную информацию приводят к условию m < p, где m - количество логических единиц в слове информации, p - количество логических нулей в слове информации.

Сущность способа состоит в том, что побитную последовательную передачу кодированной информации осуществляют в фиксированные моменты времени, причем логический нуль не передается, а логическая единица передается n раз в течение временного окна, информацию приводят к условию m < p, где m - количество логических единиц в слове информации, p - количество логических нулей в слове информации. При этом импульс разрешения на элемент И с элемента старта поступает лишь тогда, когда на выходе буфера логическая единица. При наличии на выходе буфера логического нуля импульс разрешения не вырабатывается и разрядник не инициализируется, значит информационная акустическая волна по обсадной колонне (или по колонне НКТ) не возникает. При этом отсутствие сигнала на поверхности воспринимается как приход логического нуля. Для повышения отношения сигнал/шум логическая единица передается n раз в течение временного окна, предусмотренного для передачи одного информационного бита, n=1, 2, 3... При этом на поверхности происходит накопление сигнала в течение временного окна и при превышении сигнала над опорным происходит срабатывание компаратора и делается вывод, что принята логическая единица.

Известно оборудование для измерения давления в нефтяной скважине в процессе добычи нефти (патент США N 4802359, кл. 73-151, МКИ E 21 B 47/00, заявл. 30.10.86, опубл. 07.02.89).

В данном устройстве для передачи данных со скважинного прибора на поверхность используется электрический кабель, протянутый вдоль насосно-компрессорных труб.

Недостатком этого устройства является невозможность передачи измеренной информации на поверхность без использования электрического кабеля.

Для реализации способа предлагается устройство для измерения давления и передачи данных в эксплуатационной скважине.

Задачей изобретения является повышение надежности и достоверности передачи информации за счет оптимизации системы передачи информации и синхронизации скважинного и наземного таймеров и повышение автономности скважинного прибора за счет уменьшения энергопотребления.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения давления и передачи данных в эксплуатационной скважине, содержащем штанговый глубинный насос и глубинный манометр, включающий датчик давления, в манометр введены аналого-цифровой преобразователь (АЦП), регистр, буфер, двигатель, таймер, элемент старта, элемент И, разрядник, привод, формирователь битовых окон, накопитель, турбогенератор, преобразователь, аккумулятор, блок питания, прижим, излучатель, причем вход АЦП соединен с выходом датчика давления, цифровые выходы АЦП соединены со входами регистра, последовательный выход которого соединен со входом буфера, первый выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен со входом управления разрядника, выход которого соединен с излучателем, выход турбогенератора соединен со входом преобразователя, выход которого соединен со входом аккумулятора, выход которого соединен со входом блока питания, высоковольтный выход которого соединен со входом накопителя, выход которого соединен со входом разрядника, первый выход таймера соединен со входом запуска двигателя, который через привод связан с прижимом, второй выход таймера соединен со входом запуска АЦП, третий выход таймера соединен со входом управления элемента старта, выход которого соединен со вторым входом элемента И, а вход данных элемента старта соединен со вторым выходом буфера, четвертый выход таймера соединен со входом управления накопителя, пятый выход таймера соединен со входом формирователя битовых окон, выход которого соединен со входом сдвига регистра, а турбогенератор расположен между штанговым глубинным насосом и глубинным манометром, при этом ввод турбогенератора находится на уровне верхней границы продуктивного пласта.

Существенным отличием заявленного решения от известных является то, что в устройство введены АЦП, регистр, буфер, двигатель, таймер, элемент старта, элемент И, разрядник, привод, формирователь битовых окон, накопитель, турбогенератор, преобразователь, аккумулятор, блок питания, прижим, излучатель, причем вход АЦП соединен с выходом датчика давления, цифровые выходы АЦП соединены со входами регистра, последовательный выход которого соединен со входом буфера, первый выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен со входом управления разрядника, выход которого соединен с излучателем, выход турбогенератора соединен со входом преобразователя, выход которого соединен со входом аккумулятора, выход которого соединен со входом блока питания, высоковольтный выход которого соединен со входом накопителя, выход которого соединен со входом разрядника, первый выход таймера соединен со входом запуска двигателя, который через привод связан с прижимом, второй выход таймера соединен со входом запуска АЦП, третий выход таймера соединен со входом управления элемента старта, выход которого соединен со вторым входом элемента И, а вход данных элемента старта соединен со вторым выходом буфера, четвертый выход таймера соединен со входом управления накопителя, пятый выход таймера соединен со входом формирователя битовых окон, выход которого соединен со входом сдвига регистра, а турбогенератор расположен между штанговым глубинным насосом и глубинным манометром, при этом ввод турбогенератора находится на уровне верхней границе продуктивного пласта.

На фиг. 1 изображена структурная схема связки штанговый глубинный насос (ШГН) - глубинный манометр; на фиг.2 - структурная схема глубинного манометра.

Система измерения давления (см. фиг.1) содержит обсадную колонну 1, насосно-компрессорные трубы (НКТ) 2, насосную штангу 3, замковую опору 4 (может отсутствовать), скважинную штанговую насосную установку (насос ШГН) 5, турбогенератор 6, всасывающие каналы 7, глубинный манометр 8, прижим 9, излучатель 10.

Система измерения давления может быть построена без прижима 9, при этом в качестве канала связи используется колонна труб НКТ. Излучатель будет расположен внутри глубинного манометра 8 и будет воздействовать непосредственно на корпус манометра, который жестко связан с колонной труб НКТ. При построении системы измерения давления без прижима 9 двигатель 15 и привод 20 будет отсутствовать.

Глубинный манометр (см. фиг. 2) содержит датчик давления 11, АЦП 12, регистр 13, буфер 14, двигатель 15, таймер 16, элемент старта 17, элемент И 18, разрядник 19, привод 20, формирователь битовых окон 21, накопитель 22, турбогенератор 6, преобразователь 23, аккумулятор 24, блок питания 25, прижим 9, излучатель 10.

Устройство работает следующим образом.

Связку насос ШГН 5 - глубинный манометр 8 опускают в интервал добычи продукта в следующей последовательности. На соединительную головку глубинного манометра 8 накручивают корпус с всасывающими каналами 7, который соединяют с турбогенератором 6. Турбогенератор 6 в свою очередь соединяется с НКТ 2. Затем НКТ 2 с накрученным на конце глубинным манометром 8, корпусом 7 и турбогенератором 6 опускают в интервал добычи продукта таким образом, чтобы ввод турбогенератора 6 расположился на уровне верхней границы продуктивности пласта. На насосной штанге 3 опускают насос ШГН 5 и фиксируют в НКТ 2 при помощи замковой опоры 4 над турбогенератором 6. При помощи прижима 9 излучатель 10 прижимается к обсадной колонне 1. После запуска насоса ШГН 5 продукт из пласта через всасывающие каналы в корпусе 7 устремляется через турбогенератор 6, вращая его лопатки, в насос и далее по насосной штанге 3 на поверхность. При этом турбогенератор 6 вырабатывает электрический ток, который используется преобразователем 23 при необходимости для подзарядки аккумулятора 24.

В качестве аккумулятора 24 можно использовать также ионистор (конденсатор большой емкости).

В фиксированные моменты времени, не чаще одного раза в сутки, информация о давлении передается на поверхность.

Моменты передачи информации задаются таймером 16 (см. фиг.2). Алгоритм работы таймера 16 глубинного манометра 8 аналогичен алгоритму работы таймера на поверхности. Таймеры засинхронизированы путем одновременного запуска.

Под управлением таймера 16 происходит прижим излучателя 10 к обсадной колонне 1 путем выдвижения прижима 9 за счет работы двигателя 15 с приводом 20. Прижим излучателя 10 к обсадной колонне 1 можно обеспечить и за счет непринудительной системы прижатия, используя энергию упругой пружины (рессоры). Можно применить в конструкции скважинного устройства - центратор.

Измерение давления осуществляется при помощи датчика давления 11, сигнал с которого подается на АЦП 12, где преобразуется в цифровой код. Преобразование давления в цифровой код происходит по сигналу с таймера 16.

Цифровая информация, предназначенная для передачи, хранится в регистре 13. Одновременно с защелкиванием данных в регистре 13 происходит инициализация формирователя битовых окон 21. Битовые окна - это тактовые импульсы для сдвига параллельной информации через последовательный выход. С последовательного выхода регистра 13 через буфер 14 информация поступает на один из входов элемента И 18. При наличии на другом входе элемента И 18 импульса разрешения происходит инициализация разрядника, и энергия, накопленная в накопителе 22, приводит в действие излучатель 10. Происходит механический удар излучателем 10 об обсадную колонну (или колонну НКТ) 1. Энергия удара по обсадной колонне (или колонне НКТ) 1 при помощи акустических волн, образовавшихся при ударе, достигает поверхности, где регистрируется наземной частью цифрового манометра.

Система накопитель - разрядник - излучатель может быть построена на использовании разных физических явлений: на использовании энергии сжатой пружины, которая, освобождаясь, приводит в действие излучатель, или на использовании электрической энергии, накопленной в конденсаторе, которая замыкается на обмотку электромагнита, и сердечник (излучатель) бьет об обсадную колонну (или колонну НКТ), или электрическая энергия конденсатора разряжается на обмотку магнитострикционного излучателя, при этом магнитостриктор (излучатель) бьет об обсадную колонну (или колонну НКТ).

От аккумулятора 24 питается блок питания 25 скважинного прибора, который вырабатывает необходимые питающие напряжения.

Передаваемая цифровая информация приводится к условию m < p, где m - количество логических единиц в слове информации, p - количество логических нулей в слове информации. При этом импульс разрешения на элемент И с элемента старта поступает лишь тогда, когда на выходе буфера логическая единица. При наличии на выходе буфера логического нуля импульс разрешения не вырабатывается, и разрядник не инициализируется, значит информационная акустическая волна по обсадной колонне (или по колонне НКТ) не возникает. При этом отсутствие сигнала на поверхности воспринимается как приход логического нуля.

Для повышения отношения сигнал/шум логическая единица передается n раз в течение временного окна, предусмотренного для передачи одного информационного бита, n=1, 2, 3... При этом на поверхности происходит накопление сигнала в течение временного окна и при превышении сигнала над опорным происходит срабатывание компаратора и делается вывод, что принята логическая единица.

Предлагаемое устройство обладает повышенной надежностью и достоверностью передачи информации за счет оптимизации системы передачи информации и синхронизации скважинного и наземного таймеров и повышенной автономностью скважинного прибора за счет использования турбогенератора электрического тока и уменьшения энергопотребления.

Формула изобретения

1. Способ измерения давления и передачи данных в эксплуатационной скважине, заключающийся в передаче кодированной информации о давлении по акустическому каналу связи, отличающийся тем, что побитную последовательную передачу кодированной информации осуществляют в фиксированные моменты времени, причем логический нуль не передается, а логическая единица передается n раз в течение временного окна, где n = 1, 2, передаваемую кодированную информацию приводят к условию m < p, где m - количество логических единиц в слове информации, p - количество логических нулей в слове информации.

2. Устройство для измерения и передачи данных в эксплуатационной скважине, содержащее штанговый глубинный насос и глубинный манометр, включающий датчик давления, отличающееся тем, что в манометр введены аналого-цифровой преобразователь (АЦП), регистр, буфер, двигатель, таймер, элемент старта, элемент И, разрядник, привод, формирователь битовых окон, наполнитель, турбогенератор, преобразователь, аккумулятор, блок питания, прижим, излучатель, причем вход АЦП соединен с выходом датчика давления, цифровые выходы АЦП соединены с входами регистра, последовательный выход которого соединен с входом буфера, первый выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с входом управления разрядника, выход которого соединен с излучателем, выход турбогенератора соединен с входом преобразователя, выход которого соединен со входом аккумулятора, выход которого соединен со входом блока питания, высоковольтный выход которого соединен со входом накопителя, выход которого соединен со входом разрядника, первый выход таймера соединен со входом запуска двигателя, который через привод связан с прижимом, второй выход таймера соединен со входом запуска АЦП, третий выход таймера соединен со входом управления элемента старта, выход которого соединен со вторым входом элемента И, а вход данных элемента старта соединен со вторым выходом буфера, четвертый выход таймера соединен со входом управления накопителя, пятый выход таймера соединен со входом формирователя битовых окон, выход которого соединен со входом сдвига регистра, а турбогенератор расположен между штанговым глубинным насосом и глубинным манометром, при этом ввод турбогенератора находится на уровне верхней границы продуктивного пласта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2