Способ и система передачи информации посредством электромагнитных волн

 

Изобретение относится к бурению и эксплуатации скважин и может быть использовано при передаче информации в скважине, защищенной, как минимум частично, металлическими трубами. В скважину устаналивают передатчик/приемник информации, функционирующий при помощи направленных электромагнитных волн, создаваемых излучением электрического сигнала диполем, электрически соединенным с металлическими трубами, служащими направляющими для излученных волн. Определяют затухание передачи в некоторых слоях формации, имеющих малое удельное сопротивление, и изолируют электрически, как минимум частично, металлические трубы, находящиеся в местах вышеуказанных слоев малого удельного сопротивления. Для этого в системе некоторые металлические трубы, находящиеся в местах слоев малого удельного сопротивления, содержат средства электрической изоляции от геологических формаций, через которые пробурена скважина. Изобретение позволяет улучшить характеристики передачи. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к области передачи информации от скважины, пробуренной в земле на поверхность. В частности, изобретение относится к оптимизированному методу передачи информации между забоем (дном) пробуренной скважины и поверхностнью, вне зависимости от того, скважина уже пробурена и эксплуатируется или в состоянии бурения.

Уровень техники Известны различные системы передачи информации между забоем скважины и поверхностью, например, посредством волн сжатия ("Пульсация бурового раствора" - "Mud pulse") в вязкой среде, циркулирующей в скважине. Но известно, что недостатком такого типа передачи является, в частности, некорректная работа, и это еще не все, в сжимаемой вязкой среде, такой как газ или жидкость, содержащая газ, или когда имеется препятствие в циркуляционном канале, которое нарушает течение, например подземный мотор, шибер или дюза. К тому же, такая система, конечно, не работает во время эксплуатации и маневрирования буровым снарядом.

Известна также система передачи посредством электромагнитных волн, направляемых колоннами металлических труб, установленными в скважину. Такая система передачи описана, в частности, в документе FR 2681461 заявителя, упоминаемом здесь для справки. Характеристики электромагнитной (ЭМ) передачи зависят от удельного сопротивления геологических формаций, окружающих скважину. Если удельное сопротивление некоторых слоев слишком мало, что имеет место в некоторых осадочных третичных породах опустившихся континентов, как в Северном море или Мексиканском заливе, затухание вдоль скважины может стать слишком большим, что практически исключает использование такого устройства в большинстве морских скважин, чтобы не снижать катастрофически скорость передачи им информации.

Сущность изобретения Таким образом, настоящее изобретение относится к способу передачи информации от скважины, пробуренной через слои геологических формаций и защищенной, как минимум частично, системой металлических обсадных труб; к способу, включающему установку в указанную скважину передатчика/приемника информации, функционирующего при помощи направленных электромагнитных волн, создаваемых излучением электрического сигнала диполем, электрически соединенным с металлическими трубами, служащими направляющими для излученных волн. По этому методу определяют затухание передачи в некоторых слоях формации, имеющих малое удельное сопротивление, изолируют электрически, как минимум частично, металлические трубы, находящиеся в местах указанных слоев малого удельного сопротивления.

С помощью математической модели можно определить минимальную длину, подлежащую изоляции, учитывая минимальные характеристики вышеупомянутой электромагнитной передачи, а именно расстояние передачи и/или скорость передачи информации.

Изоляцию можно осуществить установкой труб, предварительно покрытых слоем изолирующего материала.

В варианте изоляцию можно осуществить, помещая изолирующий материал типа цемент в места вышеупомянутых некоторых формаций в кольцевое пространство между трубами и формациями.

Можно поместить вышеупомянутый передатчик/приемник поблизости от нижнего конца колонны эксплуатационных труб для передачи подземных измерений или команд подземному оборудованию.

Можно также поместить вышеупомянутый передатчик/приемник поблизости от нижнего конца бурового снаряда для передачи подземных параметров или параметров бурения или измерений локализации.

Изобретение относится также к системе передачи информации от скважины, пробуренной через слои геологических формаций и защищенной, как минимум частично, системой металлических обсадных труб; к системе, включающей установку в вышеуказанную скважину передатчика/приемника информации, функционирующего при помощи направленных электромагнитных волн, создаваемых излучением электрического сигнала диполем, соединенным электропроводящим образом с металлическими трубами, служащими направляющими для излученных волн. В этой системе как минимум некоторые металлические трубы, находящиеся в местах слоев малого удельного сопротивления, содержат средства электрической изоляции от вышеупомянутых формаций.

Изолированные трубы могут быть покрыты слоем изолирующего материала.

Изолирующий материал может не покрывать полностью всю длину трубы.

В системе изолирующие средства могут содержать изолирующий материал, который заполняет кольцевое пространство между трубами и проводящими формациями; материал может образоваться в результате затвердевания какого-либо жидкого состава.

Передатчик/приемник может быть установлен в конце колонны эксплуатационных труб.

Передатчик/приемник может быть также установлен в конце бурового снаряда.

Система согласно изобретению может быть применена в установке морского бурения с подводным устьем скважины.

При таком применении линия подвода раствора глушения скважины может быть снаружи электрически изолирована от морского дна до поверхности.

Перечень фигур чертежей Настоящее изобретение будет более понятно и его преимущества выявятся более ясно при чтении следующих примеров, ни в коей мере не являющихся ограничивающими, сопровождаемых приложенными фигурами.

Фиг. 1 показывает схематически применение изобретения в эксплуатационной скважине.

Фиг. 2 - другой способ применения изобретения при бурении скважины.

Фиг. 3 - вариант при бурении.

Фиг. 4 - пример элемента обсадной трубы в разрезе, покрытой снаружи электрической изоляцией.

Фиг. 5 - пример затухания сигнала в зависимости от глубины бурения и удельного сопротивления пересекаемых формаций.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения На фиг. 1 представлена уже пробуренная до достижения геологической зоны 2 скважина. Зона 2 включает обычно, как минимум, один слой, образующий резервуар, содержащий продукты, подлежащие добыче. В представленном случае слои пород 3, заключенные между слоем 2 и поверхностью, поглощают электромагнитные волны таким образом, что невозможно эффективно использовать известный метод передачи при помощи электромагнитных волн. Проведя каротаж (измерение параметров слоев по глубине бурения), смогли измерить, что слои 3а и 3в имеют удельное сопротивление значительно ниже 20 Ом/м, например порядка нескольких Ом/м или даже меньше 1 Ом/м. В то же время зона 3с имеет удельное сопротивление выше 20 Ом/м, как, например, слой соли, слой, который часто встречают при бурении. Перед началом бурения скважины, в которой должны будут применить технику настоящего изобретения, почти всегда возможно получить каротажную запись удельного сопротивления, например, экстраполируя, исходя из сейсмических профилей и каротажных записей скважин, пробуренных в этой зоне. Ломаная линия а на фиг.5 показывает пример такой кривой. Таким образом, эта каротажная запись позволяет, исходя из математической модели распространения электромагнитных волн вдоль буровых и обсадных труб рассматриваемой скважины, рассчитать поглощение электромагнитного сигнала между точкой передачи Е и точкой приема R. Используемая модель, например, может быть такого типа, какая описана в статье SPE Drilling Engineering, June 1987, P. Degauque et R.Grudzinski. Исходя из расчета, до бурения предопределяют уровень сигнала, который будет получен или что должны были бы получать на поверхности во время спуска передатчика. Кривая b фиг.5 показывает пример такого сигнала. Сигнал, полученный во время бурения скважины, будет записан и сравнен в реальном времени с сигналом, рассчитанным, исходя из предсказанной каротажной записи, позволяя уточнить реальное положение различных геологических слоев и реальные значения их удельных сопротивлений. Это возможно только при знании тока, излучаемого передатчиком, что и имеет место для рассматриваемого передатчика.

Зная максимально допустимое затухание между передатчиком Е и приемником R, для получения желаемой информации можно точно определить длину обсадной трубы, подлежащую изоляции, выбирая для изоляции сначала зоны малого удельного сопротивления, такие как те что заключены между 500 м и 1000 м на фиг.5.

На фиг. 5, исходя из кривых а и b, описанных выше, представлены две другие кривые c и d: кривая с показывает сигнал, полученный вдоль скважины, в случае, если наружная поверхность обсадной трубы полностью электрически изолирована от окружающих формаций на всю длину в интервале от 500 м до 1000 м. Отметим, что снижение затухания имеет порядок 35 дБ для рассматриваемых параметров распространения (несущая частота в этом случае 5 Гц); кривая d показывает сигнал, полученный вдоль скважины, в случае, если электрически изолировано только тело обсадных труб. Это означает для модели распространения, которую мы имеем, полную изоляцию обсадной трубы на длине 27 м, затем проводимость на длине 0,5 м. Отметим, что общий выигрыш в затухании имеет порядок 24 дБ.

Благодаря этому методу и зная скорость передачи информации, которую необходимо получить, технически всегда будет возможно определить и установить необходимую для желаемой передачи защиту.

Необходимо отметить, что это не изменило бы метод, если бы электромагнитный сигнал был бы ретранслирован приемником/передатчиком, расположенным между передатчиком у дна скважины и поверхностью и, в частности, если последний был бы расположен в незащищенной зоне скважины.

Напомним, что объем информации Df рассчитывается по следующей формуле: Df = ΔFlog₂ (1+S/B), где ΔF - ширина полезной полосы модуляции, S - сигнал и В - помехи в полезной полосе.

Передача осуществляется передатчиком, обозначенным на фиг. 1, 2 и 3 буквой Е. Передатчик Е модулирует волну очень низкой частоты, которая выбирается достаточно низкой для того, чтобы распространение было возможным. Преимущественно средства передачи используют волны с частотой, заключенной между 1 Гц и 10 Гц. Такая волна, называемая волной несущей частоты, использованная в примере исполнения, модулирована в зависимости от информации, подлежащей передаче, скачком фазы 0 - π в ритме, согласованном с несущей частотой. Не выходя за рамки настоящего изобретения, может быть использован другой тип модуляции. Скорость передачи информации имеет порядок бит/секунда, но она может быть адаптирована в зависимости от потребностей передачи. В случае управления подземными устройствами, такими как шиберы, можно будет использовать коды с длиной, адаптированной к вероятности максимально допустимой ошибки. Кодировка в зависимости от случая может быть связана с кодами определителей и корректоров ошибок, такими как коды с циклической избыточностью.

Волны, излученные передатчиком Е, принимаются на поверхности приемником R, один из полюсов которого связан с устьем скважины, а другой полюс внедрен в землю на достаточном расстоянии от вершины скважины. На практике Е и R могут быть по очереди передатчиком или приемником. Электронные средства передатчика/приемника Е могут быть преимущественно налажены по технологии, описанной в документе US-A-5394141, указываемом здесь для справки. Можно сослаться также на публикацию SPE/IADC 25686, представленную Louis Soulier (Луи Сулье) и Michel Lemaitre (Мишель Лемэтр) в SPE/IADC Drilling Conference, состоявшейся в Амстердаме 23-25 февраля 1993.

На фиг. 1 первая колонна труб (направляющая колонна 4) установлена в скважину 1 и обычно зацементирована по всей высоте в приповерхностной формации 3а. Устье скважины 5, установленное на направляющей колонне, позволяет принимать верхний край других колонн, технических или эксплуатационных, так же как клапаны безопасности. Вторая колонна опущена в пробуренное отверстие 7, начиная от башмака направляющей колонны 4 до кровли продуктивного пласта 2. Кольцевое пространство между отверстием 7 и колонной 6 обсадных труб обычно заполнено цементом, по меньшей мере, до башмака предыдущей колонны, в этом примере до башмака направляющей колонны 4. Колонна эксплуатационных труб (насосно-компрессорные трубы), роль которых поднимать продукт на поверхность, проходит через сальник 9, который обеспечивает герметичность зоны резервуара по отношению к кольцевому пространству вокруг трубопровода 8. В нижней части колонны эксплуатационных труб установлен передатчик/приемник Е. Для ЭМ передачи полюсы Р1 и Р2 диполя могут быть образованы контактом, создаваемым сальником 9 и металлической колонной 6, и контактом, создаваемым пластинчатым центрирующим устройством 10, расположенным выше в колонне эксплуатационных труб 8. В некоторых случаях верхний контакт осуществляется непосредственно вследствие касания эксплуатационных труб с колонной 6, учитывая обычно малые размеры кольцевого пространства и геометрию скважины. Изолирующее соединение 11, расположенное в зоне передатчика, может быть использовано в обсадной колонне для разделения нижнего контакта Р1 с верхним Р2. Но такое изолирующее соединение не является обязательным, если используют так называемый "длинный диполь" в качестве антенны передатчика или приемника. В этом случае необходимо следить за тем, чтобы полюс Р2 был достаточно удален от полюса Р1 и не может быть другого контакта между колонной 6 и трубопроводом 8 на длине между полюсами.

Согласно изобретению характеристики передатчика Е улучшают, изолируя электрически колонну 6 от хорошо проводящих геологических формаций 3b. Эта изоляция показана сетчатой штриховкой 12. Важно отметить, что зона 3с, о которой известно, что она имеет удельное сопротивление, достаточное, чтобы не вызвать катастрофическое затухание, например выше примерно 20 Ом/м, может быть оставлена без электрической изоляции. В этом примере поверхностные породы не способствуют хорошей передаче. Направляющая колонна 4, в зависимости от потребной скорости передачи информации, также будет изолирована от формации 3а (показана сетчатой штриховкой 13).

В настоящем изобретении вышеуказанную изоляцию колонн труб от грунтов можно осуществить, покрывая наружную стенку труб слоем изолирующего или почти изолирующего материала. Действительно показано, что согласно изобретению необходимая электрическая изоляция весьма относительна, так как грунты с удельным сопротивлением выше 20 Ом/м достаточно "изолирующие". Кроме того, изоляция не обязательно должна быть непрерывной по всей толщине проводящего слоя. Трубы, обсадные или эксплуатационные, согласно принятому в промышленности обозначению и нормализованные АНИ (Американским нефтяным институтом) имеют на двух своих концах охватываемую резьбу и муфту, навинченную на тело трубы, или на одном конце охватывающую резьбу, выполненную таким образом, чтобы можно было собирать эти трубы между собой с тем, чтобы образовать колонну. Преимущественно изолирующий слой накладывают на тело трубы между охватываемой резьбой (которая, очевидно, не может быть покрыта) и муфтой. Действительно, слой около резьбы был бы разрушен захватами средств свинчивания и, возможно, даже мешал бы подвеске колонны и зацеплению захватов. Изолирующий слой может быть эпоксидным покрытием с керамическим наполнителем, например, того же типа, что и используемый в качестве антикоррозионного покрытия в морских конструкциях, трубопроводах, бурильных трубах. Речь могла бы идти о слое керамики, нанесенном плазмой, гудроне, преимущественно с добавлением полиуретана, лентах из пластичных материалов, таких как полиэтилен, ПВХ, смеси смолы и песка, нанесенной на трубу, покрытии пропитанным стекловолокном и намотанным вокруг тела трубы. Все покрытия, обладающие достаточной для представленного применения изолирующей способностью, т.е. приводящие к электрическому сопротивлению по потерям, значительно превышающим характеристическое сопротивление линии распространения, могут быть использованы, не выходя за рамки настоящего изобретения. На практике, поскольку характеристическое сопротивление имеет порядок нескольких миллиом, достаточно иметь радиальное сопротивление изоляции порядка ома на сегмент обсадной трубы для получения хорошей эффективности устройства.

Согласно изобретению можно также осуществить электрическую изоляцию колонн труб, используя изолирующий материал для цементации зон большой проводимости, например, кольцевые 3а и 3b. Специалистам известен метод циркуляции для доставки цементного раствора определенного состава в место данной геологической зоны. Следовательно, будут использовать соответствующую технику, чтобы поместить изолирующий материал или, скорее, улучшить проводимость по сравнению с грунтом низкого удельного сопротивления.

На фиг. 2 показан пример системы передачи согласно изобретению во время бурения скважины 20 с помощью бурового снаряда 21, оборудованного буровым инструментом 22 на его конце. Передатчик/приемник Е расположен обычно в нижней части для передачи, например, параметров бурения, измерения траектории, гамма-излучения, давления и т.д. Скважина 1 защищена с поверхности колонной 23 и промежуточной колонной 24. Зона 25 имеет малое удельное сопротивление, из-за которого очень сильно рассеивается ЭМ передача между Е и R. Согласно изобретению элементы изолированных труб будут расположены в зоне 26 для колонны 23 и в зоне 27 для колонны 24. В варианте кольцевое пространство между колонной 23 и формацией и кольцевое пространство между колонной 24 и формацией будет заполнено изолирующим цементом. Таким образом, рассеивание, создаваемое низким удельным сопротивлением зоны 25, будет очень существенно уменьшено, повышая тем самым возможность или скорость передачи от Е. В этой системе антенной является часть буровой колонны, заключенная между изолирующим соединением передатчика Е и буровым инструментом 22. Отметим, что в этом случае сигнал, излученный передатчиком Е, будет затухать от Е до изолированной или псевдоизолированной зоны 27, затем до зоны 26 и вплоть до приемника R на поверхности. Математическая модель распространения, учитывающая различные характеристики защитных слоев и формаций, позволяет предопределить минимальные длины зон изоляции 26 и 27 с тем, чтобы иметь возможность гарантировать передачу.

Необходимо отметить, что часть труб колонны 24, проходящих внутри колонны 23, не нуждаются в изоляции.

На фиг. 3 дан вариант расположения передатчика Е в буровом снаряде 21 и пример применения изобретения при морском бурении с подводным устьем скважины 29. Соответственно, в случае бурения или эксплуатации с подводным устьем скважины приемник R расположен на дне моря с одним из своих полюсов приема, соединенным с подводным устьем скважины, и с другим, образованным металлической деталью, например якорем 37, установленным в нескольких десятках метров от подводного устья скважины. Сообщение между поверхностью и дном моря осуществляется либо через акустический передатчик, либо через электрический провод, установленный вдоль обсадной трубы. Породы 30, расположенные вблизи дна, обычно геологически "молодые" и обычно имеют малое удельное сопротивление. Следовательно, направляющая колонна 31 преимущественно изолирована согласно изобретению на высоту, соответствующую формации 30. Передатчик Е расположен в данном случае на конце кабеля 32 определенной длины для создания "длинного диполя". Кабель закреплен на опоре 33 внутри труб и электрически связан с передатчиком, расположенным в части, удаленной от стержней. Устье скважины 29 соединено с плавающей буровой платформой системой, называемой "водоотделяющая колонна" 35. Трубопровод высокого давления 36 (линия подвода раствора глушения скважины или штуцерная линия) проложен строго параллельно колонне 35 от устья скважины до плавающей платформы. Преимущественно можно электрически изолировать трубопровод 36, чтобы соединить подземную антенну 37 с поверхностью и получить таким образом прием на поверхности, т.е. на плавающей платформе, где заканчивается линия 36.

Ясно, что установка "длинный диполь", описанная на фиг. 3, применима во всех других способах бурения и не только при подводном бурении. В тех случаях, где используют буровой раствор, насыщенный газом, или даже пену, ЭМ передача является единственно возможной передачей и имеет повышенные характеристики, благодаря усовершенствованию согласно изобретению.

На фиг.4 в разрезе показан элемент трубы 40, которая может быть использована для укрепления скважины, пробуренной в зоне малого удельного сопротивления. Тело стальной трубы 41 получено горячей прокаткой. На обоих концах нарезают охватываемую резьбу 42 и 43. Муфта 44, снабженная охватывающей резьбой 45, навинчена на один из концов. Изолирующее покрытие (согласно данному выше определению) расположено в центральной части. Зоны 46 и 47 могут быть оставлены свободными от покрытия с тем, чтобы захваты свинчивающего устройства находились бы в прямом контакте со сталью трубы, то же касается клиновых захватов стола подвеса колонны обсадных труб.

Понятно, что, возможно, полностью изолировать наружную поверхность обсадной трубы до или после свинчивания, однако, такая операция сталкивается с многочисленными производственными трудностями. Практически и экономически это нежелательно. Поэтому настоящее изобретение более предпочтительно, поскольку полная изоляция не является обязательной.

Следовательно, настоящее изобретение обладает всеми преимуществами передачи посредством электромагнитных волн и, кроме того, приводит к повышению характеристик как в скважинах, оборудованных для эксплуатации, так и в скважинах во время бурения. Оно позволяет также более широко использовать ЭМ передачу, а именно при глубоком подводном бурении.

Трубы, покрытые таким образом, более эффективно катодно защищены, потому что ток, подаваемый для катодной защиты, будет уменьшен, и, кроме того, он будет проходить только по непокрытым местам, которые из-за этого требуют наличия электрического потенциала для защиты от электрокоррозии. Покрытие может также улучшить сцепление цемента с трубами.

Формула изобретения

1. Способ передачи информации от скважины, пробуренной через слои геологических формаций и защищенной, как минимум частично, системой металлических труб, включающий установку в вышеуказанную скважину передатчика/приемника информации, функционирующего при помощи направленных электромагнитных волн, создаваемых излучением электрического сигнала диполем, электрически соединенным с металлическими трубами, служащими направляющими для излученных волн, отличающийся тем, что определяют затухание передачи в некоторых слоях формации, имеющих малое удельное сопротивление, и изолируют электрически, как минимум частично, металлические трубы, находящиеся в местах вышеуказанных слоев малого удельного сопротивления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью математической модели определяют минимальную длину, подлежащую изоляции, учитывая минимальные характеристики вышеупомянутой электромагнитной передачи, а именно расстояние передачи и/или скорость передачи информации.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что изоляцию осуществляют установкой труб, предварительно покрытых слоем изолирующего материала.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что изоляцию осуществляют, помещая изолирующий материал типа цемент в места вышеупомянутых некоторых формаций в кольцевое пространство между трубами и формациями.

5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что помещают вышеупомянутый передатчик/приемник поблизости от нижнего конца колонны эксплуатационных труб для передачи подземных измерений или команд подземному оборудованию.

6. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что помещают вышеупомянутый передатчик/приемник поблизости от нижнего конца бурового снаряда для передачи подземных параметров или параметров бурения или измерений локализации.

7. Система передачи информации от скважины, пробуренной через слои геологических формаций и защищенной, как минимум частично, системой металлических труб, содержащая в вышеуказанной скважине передатчик/приемник информации, функционирующий при помощи направленных электромагнитных волн, создаваемых излучением электрического сигнала диполем, электрически соединенным с металлическими трубами, служащими направляющими для излученных волн, отличающаяся тем, что как минимум некоторые металлические трубы, находящиеся в местах слоев малого удельного сопротивления, содержат средства электрической изоляции от вышеупомянутых формаций.

8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что вышеуказанные изолированные трубы могут быть покрыты слоем изолирующего материала.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что изолирующий материал не покрывает полностью всю длину трубы.

10. Система по п. 7, отличающаяся тем, что вышеупомянутые изолирующие средства содержат изолирующий материал, который заполняет кольцевое пространство между вышеупомянутыми трубами и проводящими формациями, причем вышеупомянутый материал может быть результатом затвердевания какого-либо жидкого состава.

11. Система по одному из пп.7-10, отличающаяся тем, что вышеупомянутый передатчик/приемник встроен в конце колонны эксплуатационных труб.

12. Система по одному из пп.7-10, отличающаяся тем, что вышеупомянутый передатчик/приемник встроен в конце бурового снаряда.

13. Система по одному из пп.7-12, отличающаяся тем, что она применима в установке морского бурения в устье подводной скважины.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что линия подвода раствора глушения скважины снаружи электрически изолирована от морского дна до поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5