Акустическая телеметрическая система мониторинга состояния контрольно-наблюдательной скважины

Область применения: при добыче углеводородов для непрерывной передачи на устье наблюдательной скважины информации, измеряемой в продуктивном пласте, с целью контроля скважинных процессов. Акустическая телеметрическая система использует колонну труб для передачи данных с помощью акустических волн и состоит из наземной части, выполняющей функции приема, регистрации и обработки акустического сигнала, и скважинной части, спускаемой в скважину и размещенной непосредственно под колонной труб. Под нижней трубой колонны труб с помощью резьбового соединения установлен акустический излучатель. Под акустическим излучателем с помощью резьбового соединения установлен защитный контейнер. Внутри защитного контейнера последовательно размещены модуль акустического передатчика, автономный источник питания и измерительный модуль. В качестве акустического излучателя используется резонансный электродинамический преобразователь, настроенного на частоту около 400 Гц с относительной полосой излучения около 10%. Достигается повышение эффективности акустического канала связи и повышение надежности доставки измеренной информации на поверхность скважины, что в итоге обеспечивает оптимальный контроль осуществления скважинных процессов.

Полезная модель относится к области добычи углеводородов и может быть использована для непрерывной передачи на устье наблюдательной скважины информации, измеряемой в продуктивном пласте, с целью контроля скважинных процессов.

Для функционирования стационарных беспроводных телеметрических систем, обеспечивающих периодическое измерение забойной информации и доставку результатов измерений на поверхность скважины, наиболее целесообразной является передача данных по колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) с помощью акустических волн.

Известны телеметрические системы передачи забойных параметров с помощью акустического канала связи с передачей измерительной информации по колоннам НКТ (см., например, патенты US 4293936, МПК E21B 47/16, G01V 1/40, опубл. 1981-10-06; US 5477505, МПК E21B 47/16, опубл. 1995-12-19; ИЗ 7257050, МПК E21B 47/16, G01V 1/005, опубл. 2007-08-14). В состав телеметрических систем входят, как правило, скважинный блок, содержащий акустический генератор, контроллер, систему датчиков для измерения требуемых параметров забоя, устройство для передачи акустического сигнала в эксплуатационную колонну и наземную аппаратуру приема сигнала и его анализа.

Для передачи акустического сигнала в известных системах подлежат использованию элементы колонны одинаковой длины (соответственно, трубы и муфты), представляющие собой идеальную периодическую акустическую структуру с четко выраженными частотными полосами прозрачности и подавления. Данное условие накладывает ограничения на возможность использования известных систем в практической деятельности, то есть при компоновке колонн из труб случайной произвольной длины.

Известна телеметрическая система ATS с акустическим каналом связи по колонне НКТ, предназначенная для измерительных спусков при обследовании нефтяных и газовых скважин на опускаемой колонне труб (см. Acoustic Telemetry System ATS. // Testing & Subsea. H01910 01/10. www.hallibarton.com, опубл. на Presentation at the 2003 Offshore Technology Conference held in Houston, Texas, U.S.A., 5-8 May 2003).

Известная телесистема ATS не рассчитана на долговременное стационарное использование в эксплуатируемых скважинах, что ограничивает возможности ее применения. Кроме того, данная телеметрическая система сложна конструктивно.

Известна телеметрическая система контроля параметров забоя, использующая колонну труб для передачи данных с помощью акустических волн (см. патент РФ 112266, МПК E21B 47/16, G01V 1/40, опубл. 10.01.2012), принятая за наиболее близкий аналог. Телеметрическая система содержит наземный модуль приема и обработки сигнала и забойный модуль. Наземный модуль выполнен с функцией регистрации параметров информационного сигнала. В состав забойного модуля входит блок измерения забойных параметров, электронный блок в составе контроллера, схемы управления забойной частью и акустического генератора, устройство соединения и рассоединения с трубой, реализующее функцию фиксации забойного модуля внутри колонны труб, исполнительный механизм, реализующий функцию создания акустического контакта исполнительного механизма с трубой путем прижима и внедрения в материал стенки трубы элемента, выполненного из материала с твердостью, превышающей твердость материала трубы, а также автономный блок питания забойного модуля. При развертывании известной телеметрической системы производят измерение собственных шумов на оголовке скважины (фонтанной арматуре), выбирают рабочий частотный диапазон телеметрической системы и закладывают его в программу работы забойной части.

Известная телеметрическая система по патенту 112266 строится, исходя из двух предпосылок:

- энергия акустических сигналов достаточно равномерно затухает в полосе частот 100-3000 Гц, и в реальной колонне, свинченной из НКТ с помощью муфт, слабо проявляется дисперсия скорости звука, то есть структура полос пропускания и полос подавления сигнала. Данная предпосылка, по меньшей мере, не всегда справедлива для наблюдательных скважин, поэтому требует критичного подхода;

- погонный коэффициент затухания акустических колебаний в колонне является константой и по экспериментальным данным оценивается значением 50 дБ/км для продольной моды колебаний. Данная предпосылка, по меньшей мере, физически не корректна. Коэффициент затухания акустических колебаний обычно обусловлен несколькими физическими явлениями и поэтому сильно зависит от частоты колебаний. Кроме того, вследствие изменчивости проявления совокупности этих физических явлений, погонный коэффициент затухания зависит от положения (глубины) акустического излучателя.

В связи со способом выбора рабочей полосы частот, принятым в телесистеме по прототипу, и с изложенными двумя предпосылками, акустический излучатель телеметрической системы должен обеспечивать возможность излучения простых тональных импульсов в исходно широком диапазоне частот. Исходя из физических принципов, такой акустический излучатель не может быть выполнен как резонансная механическая колебательная система, к тому же с согласованной акустической нагрузкой в широкой полосе частот (8 октав). Практически это означает, что электроакустический коэффициент полезного действия такого исходно широкополосного акустического излучателя не может быть выше единиц процентов. То есть, с учетом того, что некорректная оценка константы затухания 50 дБ/км может оказаться заметно заниженной, при реализации телеметрической системы могут возникнуть непреодолимые трудности создания электроэнергетического ресурса для скважинной аппаратуры на продолжительный период функционирования (например, несколько лет).

Задача предложенной полезной модели заключается в создании акустической телеметрической системы, лишенной названных недостатков известных аналогичных решений.

Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является повышение эффективности акустического канала связи и повышение надежности доставки измеренной информации на поверхность скважины, что в итоге обеспечивает оптимальный контроль осуществления скважинных процессов.

Указанный технический результат достигается использованием совокупности признаков, общих с признаками акустической телеметрической системы по прототипу, таких как:

- наличие в телеметрической системе скважинной и наземной частей,

- наличие в составе скважинной части схожей по функциональному назначению аппаратуры - акустического излучателя, модуля акустического передатчика в блоке управления скважинной частью, модуля автономного источника питания и измерительного модуля (с датчиками температуры, давления и др. забойных параметров),

- выполнение наземной частью функций приема, регистрации и обработки акустического сигнала,

и отличительных от прототипа признаков, таких как:

- размещение скважинной части непосредственно под колонной НКТ;

- установка под нижней трубой колонны НКТ с помощью резьбового соединения акустического излучателя,

- установка под акустическим излучателем с помощью резьбового соединения защитного контейнера, внутри которого последовательно размещены модуль акустического передатчика, автономный источник питания и измерительный модуль;

- использование в качестве акустического излучателя резонансного электродинамического преобразователя, настроенного на относительно низкую частоту (около 400 Гц) с относительной полосой излучения около 10%.

Размещение скважинной части телесистемы под колонной НКТ и применение с этой целью резьбовых соединений исключает необходимость в применении сложных механизмов фиксации скважинной части в колонне НКТ и надежного к ней прижима, как это имеет место в телесистеме по прототипу. Существенно упрощается конструкция в целом, повышается надежность акустического канала связи с наземной частью телесистемы.

Использованием в качестве акустического излучателя резонансного электродинамического акустического преобразователя (см. патент КИ 108895, МПК H04R 17/00, опубл. 27.09.2011), обеспечивается КПД преобразования электрической энергии в акустическую, составляющий 40-50%%, достигается повышение эффективности и надежности канала связи при возможном непредсказуемо высоком затухании сигнала. Дополнительное повышение надежности канала связи достигается за счет использования так называемых сложных сигналов, позволяющих реализовать способ передачи информации, адаптивный к условиям интерференции сигналов, имеющей место при приеме на устье скважины. Названные преимущества обусловлены выбором акустических сигналов, соответствующих реальным свойствам среды распространения, методов модуляции, полосы частот и мощности излучаемого сигнала.

Предложенная полезная модель представлена на чертежах, где изображено:

на фиг. 1 - схема общей компоновки акустической телеметрической системы в скважине;

на фиг. 2 - формы спектров излучаемого (а) и принимаемого (б) акустических сигналов;

на фиг. 3 - зависимость погонного затухания акустического сигнала в полосе частот 400±50 Гц от глубины излучения;

на фиг. 4 - расчетная оценка передаточная функция модели колонны НКТ-73.

Акустическая телеметрическая система (см. фиг. 1) состоит из скважинной части, спускаемой в ствол скважины на колонне 1 насосно-компрессорных труб, соединенных между собой муфтовыми соединениями (не показаны), и наземной части, располагаемой на устье скважины.

В скважинной части под нижней трубой колонны 1 НКТ навинчен резонансный электродинамический акустический излучатель 2. В нижнюю часть акустического излучателя 2 по резьбе ввернут защитный контейнер 3, представляющий собой отрезок НКТ. Внутри защитного контейнера 3 последовательно подвешены акустический передатчик 4, источник питания 5 и измерительный модуль 6.

Наземная часть аппаратуры телесистемы (см. фиг. 1) включает в себя приемные акселерометры 7, установленные на фонтанной арматуре скважины, и приемнодемодулирующую аппаратуру, соединенные сигнальным кабелем 8. Приемно-демодулирующая аппаратура размещена в металлическом шкафу 9 и состоит из устройства ввода аналоговых сигналов; компьютера, предназначенного для реализации адаптивного к условиям распространения сигнала способа передачи информации на сложных шумоподобных сигналах; микропроцессорного программируемого реле времени для включения/отключения источника питания наземной аппаратуры; радиомодема GSM, предназначенного для сеансной передачи данных по сети Интернет; автономный источник питания (для скважин с не подведенными промышленными электролиниями).

Акустическая телеметрическая система работает следующим образом.

Контроллер модуля акустического передатчика 4 по заданному расписанию делает запрос в измерительный модуль 6 на проведение замера забойных параметров. Измерительный модуль производит замер, передает информацию в виде цифровых сигналов в модуль акустического передатчика 4 и переходит в режим глубокого сна. Контроллер модуля акустического передатчика 4 модулирует сложный сигнал информационным кодом и формирует электрический сигнал для акустического излучателя 2. Механическая колебательная система акустического излучателя 2 передает акустический сигнал непосредственно на колонну 1 НКТ, по элементам которой (трубам и муфтам) акустическая волна движется на устье скважины.

В наземной части прием сигнала осуществляется приемными акселерометрами 7. В соответствие с расписанием сеансов связи на компьютер подается питание, запускается программа приемника и осуществляется демодуляция акустического сигнала и дешифрация измеренной в скважине информации. По окончании сеанса передачи информации с забоя скважины проводится сеанс связи по каналам GSM с постами систем мониторинга разработки нефтегазовых месторождений.

Пример проведения опытно-производственных работ измерительным комплексом с использованием бескабельного акустического телеметрического канала связи для непрерывного гидродинамического мониторинга забойных параметров на наблюдательной скважине Южно-Русского месторождения (Красноселькупский район Ямало-Ненецкого автономного округа). Скважинная часть телесистемы находилась на горизонте около 995 метров. Электродинамический акустический излучатель ЭДП-СЗ стабильно удерживал частоту настройки. Измеренная рабочая полоса частот составляла 40 Гц, в пределах от 375 Гц до 415 Гц. Замеры температуры и давления проводились каждые 6 часов. Один раз в неделю проводился сеанс связи и накопленная в акустическом передатчике 4 (см. фиг. 1) информация, переданная на наземную часть по акустическому каналу, поступала через сеть GSM на сервер заказчика. Телесистема функционировала в течение семи месяцев и прекратила работу в связи с ограниченным запасом источника питания.

Примеры проведения испытаний опытного образца акустической телеметрической системы на наблюдательной скважине 1001 куста 4 Романовского месторождения (вблизи г. Муравленко Ямало-Ненецкого автономного округа) по оценке передаточной функции акустического канала связи по колонне НКТ-73 (см. фиг. 2) и по оценке затухания акустического сигнала (см. фиг. 3).

На фиг. 2 (а) представлена форма спектра излучаемого акустического сигнала. На фиг. 2 (б) - форма спектра сигнала, принимаемого акселерометрами на устье колонны НКТ-73; здесь же показан спектральный уровень аддитивной акустической помехи на приемном акселерометре (наложена передаточная функция акустической модели колонны НКТ-73, построенной на принципах электромеханических и электроакустических аналогий). При расчетах модельной передаточной функции использовалась конкретная мера спущенного инструмента.

На фиг. 3 представлен пример зависимости погонного затухания акустического сигнала в полосе частот 400±50 Гц от глубины излучения (колонна НКТ-73 из 180 труб со средней длиной трубы 10,22 м). При приеме сигнала акселерометрами, установленными на муфте верхней трубы, полное затухание составило около 73 дБ. При приеме акустического сигнала на фонтанной арматуре после полного монтажа АФК затухание возросло еще примерно на 20 дБ.

На фиг. 4 представлена расчетная оценка передаточной функции модели колонны НКТ-73, построенной на принципах электромеханических и электроакустических аналогий, при компоновке колонны из труб случайной длины с равномерным распределением вероятности значений в интервале от 7,5 м до 10,5 м. В моделируемых условиях остаются для практического использования только два окна пропускания: первое и второе. Но, учитывая физическую природу акустических шумов, то есть типичное нарастание их интенсивности в сторону низких частот, в моделируемых условиях остается довольно однозначный выбор рабочей полосы частот: ориентировочно 350-450 Гц.

Полученные результаты, заключающиеся в стабильном, оперативном и надежном обеспечении дистанционного контроля температуры и давления в скважине, позволяют вести разработку промышленного варианта телеметрической системы.

Акустическая телеметрическая система контроля скважинных процессов, использующая колонну труб для передачи данных с помощью акустических волн, состоящая из наземной части приема, регистрации и обработки акустического сигнала и спускаемой в скважину скважинной части, в состав которой входят блок акустического излучателя, модуль акустического передатчика, автономный источник питания и измерительный модуль, отличающаяся тем, что скважинная часть телеметрической системы размещена непосредственно под колонной труб, при этом под нижней трубой колонны труб с помощью резьбового соединения последовательно установлены акустический излучатель и защитный контейнер, внутри которого последовательно размещены модуль акустического передатчика, автономный источник питания и измерительный модуль, а в качестве акустического излучателя используется резонансный электродинамический преобразователь, настроенный на частоту около 400 Гц с относительной полосой излучения около 10%.