Система передачи электричества вниз по стволу скважины

 

Изобретение относится к беспроводной системе передачи электрических сигналов и/или энергии по стволу подземной буровой скважины вниз и обратно. Задачей изобретения является обеспечение надежной и эффективной электрической линии связи, которую можно легко установить в буровой скважине. Для этого в системе передачи электричества вниз по стволу скважины используют стенку электропроводной наматываемой на барабан трубы, наружная поверхность которой покрыта электроизоляционным материалом. При этом электропроводная труба выполнена из металла. В качестве наматываемой на барабан трубы может быть использована эксплуатационная труба, гидравлическая линия гидравлической передачи энергии и линия внедрения текучей среды, бурильная труба. Передача электрической энергии от ее источника на поверхности к контрольному устройству внизу по стволу скважины осуществляется без необходимости в специальной электропроводке. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение касается системы передачи электричества вниз по стволу скважины и более конкретно - беспроводной системы для передачи электрических сигналов и/или энергии в местоположение внизу по стволу подземной буровой скважины для добычи углеводородных флюидов и/или из нее.

Для создания систем передачи электричества вниз по стволу скважины делали многочисленные попытки, которые устраняют необходимость использования недолговечной и дорогостоящей специализированной электропроводки. Известная беспроводная система передачи электричества вниз по стволу скважины раскрыта в патенте США N 4839644. Известная из описания данного патента система содержит электрическую схему, которая образована с помощью электрически проводящей обсадной трубы скважины и системы труб, служащих для эксплуатации скважины, проходящей по ней. Тороидальное передающее устройство и/или приемное устройство электрических сигналов смонтировано в местоположении внизу по стволу скважины в кольцеобразном пространстве между обсадной трубой и трубой эксплуатации скважины, причем это пространство по меньшей мере частично заполнено по существу непроводящей текучей средой типа дизельного топлива, сырой нефти или воздуха.

Другая известная беспроводная система передачи электричества вниз по стволу скважины раскрыта в патенте США N 4057781. Известная из этого патента система состоит из колонны секций бурильных труб, имеющей нанесенное на нее изоляционное покрытие. В верхнем и нижнем местоположениях по стволу скважины предусмотрены кольцевые электрические обмотки для передачи электрических сигналов через колонну секций бурильных труб между верхней и нижней по стволу скважины электрическими обмотками.

В патенте констатируется, что секции колонны бурильных труб, которые свинчены вместе, изменяют электрические сигналы до такой большой степени, что беспроводная связь практически осуществляется только на сравнительно коротких расстояниях, например, порядка 300 метров.

Еще одна беспроводная система передачи электричества вниз по стволу скважины описана в международной заявке на патент, опубликованной под номером WO 80/00727. В системе, известной из этой ссылки на известный уровень техники, используют изолированную колонну труб, служащих для эксплуатации скважины, через которую производится добыча нефти или газа, для передачи электрических сигналов между верхним и нижним по стволу скважины электрическим соединителем. Известная система содержит изолирующие переходники, смонтированные над верхним и под нижним соединителем для электрической изоляции вершины и основания колонны эксплуатационной трубы скважины и для гарантии хорошего электрического соединения в местах соединений отрезков колонны эксплуатационной трубы скважины, отрезки трубы можно плотно стягивать вместе так, чтобы в каждом месте соединения возникала холодная сварка, и, кроме того, в каждом месте соединения можно использовать проводящую пасту (которая может включать в себя серебряный или графитовый порошок).

Очевидно, что секции бурильной трубы всех вышеупомянутых систем известного уровня техники нуждаются в тщательном соединении друг с другом для гарантии, что в местах соединения бурильных труб осуществляются хорошие электрические соединения. В качестве дополнительных мер требуется гарантировать, чтобы изоляция вокруг колонны труб не прерывалась в местах соединений бурильных труб.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение системой связи буровой скважины, которая не требует наличия специальных электрических проводов, проходящих по буровой скважине, которую можно устанавливать легче, чем вышеупомянутые известные беспроводные системы связи, и в которых электрические потери при передаче минимизированы.

Таким образом, соответствующая изобретению система передачи электричества вниз по стволу скважины содержит электропроводную бурильную трубу, которая образует часть электрической системы и проходит по меньшей мере по части длины подземной буровой скважины, и эта бурильная труба по меньшей мере частично образована наматываемой на барабан электропроводной трубой, у которой внешняя поверхность покрыта на существенной части ее длины облицовкой, сделанной из электроизоляционного материала.

Электропроводная труба предпочтительно является металлической трубой.

Следует заметить, что из описания французского патента N 9206341 и описания патента США N 3641658 известно использование металлической армированной проволоки, заделанной в промежуточный слой многослойной гибкой составной трубы для передачи электричества. Однако использование такой армированной проволоки для передачи электричества требует сложных систем электрических соединителей в местах соединения труб.

В варианте осуществления соответствующей изобретению системы передачи электричества вниз по стволу скважины буровая скважина содержит трубу для эксплуатации скважины, предназначенную для добычи углеводородных текучих сред, эта труба имеет меньший наружный диаметр, чем внутренний диаметр буровой скважины, а наматываемая на барабан труба представляет собой наматываемую на барабан линию гидравлической передачи, которая вводится в кольцеобразное пространство между трубой эксплуатации скважины и стенками буровой скважины, причем эта линия снабжена электрическим соединением внизу и вверху по стволу скважины и имеет наружную поверхность, которая покрыта на всем расстоянии между упомянутыми соединениями по существу непрерывным кольцеобразным телом пластмассового изоляционного материала.

Наматываемая на барабан гидравлическая линия предпочтительно образует часть группы, состоящей из наматываемой на барабан линии подачи гидравлической энергии и наматываемой на барабан линии внедрения текучей среды, предназначенной для внедрения текучей среды в подземную формацию, окружающую буровую скважину.

В альтернативном варианте осуществления соответствующей изобретению системы наматываемая на барабан труба представляет собой наматываемую на барабан трубу эксплуатации скважины, предназначенную для добычи углеводородных текучих сред. Эта труба для эксплуатации скважины снабжена электрическим соединителем вверху и внизу по стволу скважины, содержащим тороидальную обмотку электрического кабелепровода. Кабелепровод окружен электроизоляционным материалом и намотан вокруг кольца, выполненного из ферромагнитного материала. Кольцо окружает секцию наматываемой на барабан трубы для добычи, а труба окружена по всему расстоянию между верхним и нижним электрическим соединителем по существу непрерывным телом из пластмассового изолирующего материала.

В еще одном варианте осуществления соответствующей изобретению системы наматываемая на барабан труба представляет собой наматываемую на барабан бурильную трубу.

Дополнительные особенности, цели и преимущества изобретения станут более понятными из прилагаемой формулы изобретения и из последующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 является схематическим представлением соответствующей изобретению системы передачи электричества вниз по стволу скважины, в которой используются наматываемая на барабан линия передачи гидравлической энергии и две кольцевые обмотки.

Фиг. 2 является схематическим представлением соответствующей изобретению системы передачи электричества вниз по стволу скважины, в которой используются наматываемая на барабан труба добычи и две кольцевые обмотки.

Фиг. 3 является схематическим представлением соответствующей изобретению системы передачи электричества вниз по стволу скважины, в которой используются наматываемая на барабан линия внедрения текучей среды и два электрических контакта.

Фиг. 4 представляет вид в продольном разрезе детали на фиг. 3 в круге.

На фиг. 1 показана буровая скважина в подземной формации 2. Труба 3 для эксплуатации скважины, через которую добывают углеводородные текучие среды типа сырой нефти и/или природного газа, подвешена внутри буровой скважины 1 от узла 4 устья скважины.

Производственная труба 3 эксплуатации скважины имеет меньший наружный диаметр, чем внутренний диаметр буровой скважины 1, и между трубой 3 эксплуатации скважины и стенками буровой скважины образуется кольцеобразное пространство 5, которое заполнено газом под давлением. Наматываемая на барабан линия 6 передачи гидравлической энергии подвешена из устья 4 скважины в кольцеобразное пространство 5. Гидроэнергию можно подавать по линии 6 для приведения в действие клапана 7 внизу скважины. Клапан 7 является клапаном газлифта, через который газ может проходить из кольцеобразного пространства 5 в трубу 3 эксплуатации скважины с целью обеспечения газлифта для стимулирования добычи сырой нефти через скважину.

Ниже клапана 7 смонтирован контрольный прибор 8 внизу по стволу скважины для контроля давления, температуры, скорости и/или состава текучих сред внизу по стволу скважины, протекающих по трубе 3.

Для передачи электроэнергии к устройству 8 и передачи от устройства 8 на поверхность электрических сигналов, отображающих контролируемые данные, предусмотрена двунаправленная система передачи электричества.

В системе передачи используется электропроводная металлическая стенка гидравлической линии 6 для передачи электрических сигналов и энергии через тороидальное соединение 9 вверху по стволу скважины и тороидальное соединение 10 внизу по стволу скважины к контрольному устройству 8 и/или от него.

Каждое тороидальное соединение 9, 10 содержит кольцевую обмотку электрического кабелепровода, которая покрыта электрическим изоляционным материалом (не показанным) и которая намотана вокруг кольца (не показанного) из ферромагнитного материала, окружающего секцию линии 6 гидравлической передачи.

Наружная поверхность линии 6 гидравлической передачи на всем расстоянии между соединениями 9 и 10 покрыта кольцеобразной облицовкой из пластмассового изоляционного материала.

Линия 6 гидравлической передачи электрически соединена с металлической трубой 3 эксплуатации скважины через устье 4 скважины и клапан 7 внизу по стволу скважины, так что линия 6 гидравлической передачи и труба 3 образуют замкнутую электрическую цепь.

Два конца 12 электрического кабелепровода соединения 9 вверху по стволу скважины проходят через устье 4 скважины к источнику электроэнергии и процессору обработки данных (не показаны), тогда как два конца 13 электрического кабелепровода соединения 10 внизу по стволу скважины подсоединены к устройству 8.

Если источник электроэнергии генерирует электрический ток между концами 12 электрического кабелепровода соединения 9 вверху по стволу скважины, в ферромагнитном кольце соединения 9 индуцируется магнитное поле и это поле наводит электрический ток в электрической цепи, образуемой линией 6 гидравлической передачи, трубой 3 эксплуатации скважины, устьем 4 скважины и клапаном 7 внизу по стволу скважины.

Таким образом, электрический ток, текущий по упомянутой цепи, индуцирует магнитное поле в ферромагнитном кольце соединения 10 внизу по стволу скважины, и это поле наводит электрический ток, проходящий между концами 13 электрического кабелепровода этого соединения 10.

В вышеописанном способе электрическая энергия передается от источника электрической энергии на поверхности к контрольному устройству 8 внизу по стволу скважины без необходимости применения специальной электропроводки.

Наматываемая на барабан линия 6 передачи гидравлической энергии, которую устанавливают в кольцевом пространстве 5 посредством разматывания линии 6 с барабана 14 возле устья скважины (причем барабан 14 обычно удаляют после устанавливания линии 6), особенно подходит для использования в качестве передающего устройства электричества в соответствующей изобретению системе, поскольку такую линию можно делать из больших отрезков. Такую линию можно снабдить непрерывным слоем изоляционного материала, который обеспечивает легкую установку и который создает эффективную линию передачи электричества, в которой помехи минимизированы.

Электрические сигналы можно передавать от устройства 8 вниз по стволу скважины, вверх по стволу скважины к процессору для обработки данных (не показанному) на поверхности через электрическую систему таким образом, как было описано выше со ссылкой на передачу электрической энергии от источника энергии вверх по стволу скважины к устройству 8.

На фиг. 2 изображен альтернативный вариант осуществления соответствующей изобретению системы передачи электричества, в которой наматываемая на катушку труба образована с помощью наматываемой производственной трубы 20 эксплуатации скважины, сматываемую с барабана 21 в скважину 22, которая пробурена в подземном образовании 23 грунта.

После размещения трубу 20 эксплуатации скважины подвешивают от устья 24 скважины и барабан 21 удаляют.

Система передачи электричества снабжена металлической стенкой трубы эксплуатации скважины и двумя тороидальными соединениями 25 и 26. Система обеспечивает электрическую энергию для приведения в действие клапана 27 внизу по стволу скважины и устройства 28 контроля данных и для передачи на поверхность данных, получаемых устройством 28.

Наружная поверхность наматываемой на барабан трубы 20 эксплуатации скважины на всем расстоянии между соединениями 25 и 26 покрыта облицовкой из пластмассового изоляционного материала 29. Труба 20 эксплуатации скважины образует вместе со стальной обсадной трубой 30 скважины и стальным пакером 31 внизу по стволу скважины и устьем 24 скважины электрическую цепь, через которую передаются электрическая энергия и/или сигналы таким образом, как было описано со ссылкой на цепь фиг. 1.

На фиг. 3 изображен еще один вариант осуществления соответствующей изобретению системы передачи электричества, где для передачи электрических сигналов и/или энергии используется изолированная наматываемая на барабан линия 40 внедрения текучей среды.

Линия 40 внедрения подвешена от устья 41 скважины в буровую скважину 42 рядом с обычной стальной трубой 43 эксплуатации скважины.

Линия 40 внедрения, как показано на фиг. 4, у своего нижнего конца подсоединена к соплу 44 через электрически изолированный переходник 45, который заделан в тело 46 из изоляционного материала. Наружная поверхность линия 40 покрыта кольцеобразным телом 47 из пластмассового изоляционного материала, который простирается из места выше устья 41 скважины до верхнего конца тела 46.

Стальное сопло 44 электрически подсоединено к трубе 43 эксплуатации скважины, а пара электрических проводов 48 соединяет устройство 49 контроля данных внизу по стволу скважины с электрическими контактами 50 и 51 на линии 40 внедрения и сопле 44 соответственно.

На поверхности электропроводка 53 соединяет трубу 43 эксплуатации скважины 3 и линию 40 внедрения, и эта электропроводка 53 снабжена источником электроэнергии 54, сопротивлением 55 и электрическим усилителем 56.

В показанном на фиг. 3 и 4 варианте осуществления электрическая цепь образована стенками гидравлической линии 40 и трубой 43 эксплуатации скважины, соплом 44, проводами 48 внизу по стволу скважины и проводкой 53 на поверхности.

Источник 54 энергии генерирует переменный электрический ток в цепи для подачи электроэнергии в контрольное устройство 49 внизу по стволу скважины. Любые электрические сигналы, вырабатываемые контрольным устройством 49 внизу по стволу скважины, передаются вверх по цепи и образуют электрический сигнал на сопротивлении 55, который усиливается усилителем 56 и затем передается в процессор обработки данных (не показанный).

В альтернативном варианте осуществления скважины, показанном на фиг. 3, колонна обсадной трубы (не показанная) может окружать трубу 43 эксплуатации скважины. Эта колонна обсадной трубы может быть закреплена внутри буровой скважины 42 с помощью по существу кольцеобразного тела из цемента, который заполняет кольцеобразный зазор между колонной обсадной трубы и стенкой буровой скважины. Если в этом случае труба 43 эксплуатации скважины нуждается в регулярной замене, изолированную наматываемую на барабан линию 40 внедрения можно устанавливать в кольцеобразном теле из цементирующего вещества.

В этом случае наматываемая на барабан линия внедрения проходит через отверстие вниз по стволу скважины в стенке обсадной трубы во внутреннюю часть обсадной трубы и подсоединяется к соплу 44 с помощью вставляемого в трубу соединителя. Этот соединитель можно обеспечить электрическими контактами или соосным индуктивным электрическим соединением для взаимного соединения одного из проводов 48 контролирующего устройства 49 внизу по стволу скважины и металлической стенки наматываемой на барабан линии внедрения.

Во многих скважинах добычи нефти и/или газа имеются одна или более трубы эксплуатации скважины, которые закрепляют внутри обсадной трубы скважины с помощью ряда стальных пакеров, а кольцеобразное пространство между обсадной трубой и трубой (трубами) эксплуатации скважины заполняют электропроводным раствором соли. Если в такой ситуации изолированная линия внедрения текучей среды, как показано на фиг. 3, используется в качестве одной половины электрической цепи, то другая половина цепи может быть образована с помощью узла трубы (труб) эксплуатации скважины, обсадной трубы (труб) и раствора соли, и этот узел обеспечивает эффективную электрическую линию связи.

Специалистам в данной области технологии добычи нефти должно быть понятно, что использование по меньшей мере частично изолированной наматываемой на барабан трубы для передачи электричества по подземной буровой скважине в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает надежную и эффективную электрическую линию связи, которую можно легко установить в буровой скважине.

Следует также понимать, что наматываемая на барабан труба может также состоять из наматываемой на барабан бурильной трубы, проходящей в скважину, которую бурят от барабана.

Формула изобретения

1. Система передачи электричества вниз по стволу скважины, содержащая электропроводную трубу, которая образует часть электрической системы и проходит, по меньшей мере, по части длины подземной буровой скважины, отличающаяся тем, что упомянутая труба, по меньшей мере, частично образована наматываемой на барабан электропроводной трубой, наружная поверхность которой покрыта на существенной части ее длины облицовкой, выполненной из электроизоляционного материала.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что электропроводная труба является металлической трубой.

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что буровая скважина содержит трубу эксплуатации скважины, предназначенную для добычи углеводородных текучих сред, причем труба эксплуатации скважины имеет наружный диаметр меньший, чем внутренний диаметр буровой скважины, а наматываемая на барабан труба является наматываемой на барабан гидравлической линией, которая введена в кольцеобразное пространство между трубой эксплуатации скважины и стенкой буровой скважины, причем эта линия снабжена электрическим соединением внизу и вверху по стволу скважины и имеет наружную поверхность, покрытую по всему расстоянию между упомянутыми соединениями по существу непрерывным кольцеобразным теплом из пластмассового электроизоляционного материала.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно из электрических соединений содержит кольцевую обмотку электрического кабелепровода, который окружен электроизоляционным материалом и который намотан вокруг кольца, выполненного из ферромагнитного материала, причем кольцо окружает секцию наматываемой на барабан линии гидравлической передачи.

5. Система по п.3 или 4, отличающаяся тем, что наматываемая на барабан гидравлическая линия образует совместно с другой электропроводной трубой скважины электрическую систему в форме цепи, которая замкнута благодаря обеспечению электрических соединений между стенкой гидравлической линии и другой трубой скважины над верхним по стволу и скважины и под нижним по стволу скважины электрическим соединением.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что упомянутая другая труба скважины образует часть группы, состоящей из электропроводной обсадной трубы скважины, электропроводной трубы эксплуатации скважины для добычи углеводородных текучих сред и кольцеобразного пространства, образованного между обсадной трубой скважины и трубой эксплуатации скважины, причем это пространство заполнено электропроводной жидкостью типа раствора соли.

7. Система по п.3, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно из электрических соединений образовано с помощью электрического контакта, через который передаются электрические сигналы и/или энергия на стенку гидравлической линии или от нее, а для электроизоляции стенка гидравлической линии в области электрического контакта с любым другим электрическим проводником около контакта снабжена изолирующими средствами.

8. Система по любому из пп.3 - 7, отличающаяся тем, что наматываемая на барабан гидравлическая линия образует часть группы, состоящей из наматываемой на барабан линии гидравлической подачи энергии и наматываемой на барабан линии внедрения текучей среды, предназначенной для внедрения текучей среды в подземное образование, окружающее буровую скважину.

9. Система по любому из пп.3 - 8, отличающаяся тем, что обсадная труба скважины установлена в кольцеобразном пространстве между трубой эксплуатации скважины и стенкой буровой скважины, причем обсадная труба скважины закреплена на стенке буровой скважины с помощью по существу кольцеобразного тела из цемента, а наматываемая на барабан гидравлическая линия проходит по меньшей мере частично сквозь упомянутое кольцеобразное тело из цемента.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что наматываемая на барабан труба является наматываемой на барабан трубой эксплуатации скважины, предназначенной для добычи углеводородных текучих сред, причем труба эксплуатации скважины снабжена электрическим соединителем вверху и внизу по стволу скважины, содержащим кольцевую обмотку электрического кабелепровода, которая окружена электроизоляционным материалом и которая намотана вокруг кольца, выполненного из ферромагнитного материала, причем кольцо окружает секцию наматываемой на барабан трубы эксплуатации скважины, а труба эксплуатации скважины окружена по всей длине между верхним и нижним электрическим соединителем по существу непрерывным телом из пластмассового изоляционного материала.

11. Система по п.1, отличающаяся тем, что наматываемая на барабан труба представляет собой наматываемую на барабан бурильную трубу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4