Устройство контроля и управления с беспроводным индуктивным каналом связи для многоствольной скважины
Полезная модель относится к области эксплуатации нефтегазовых скважин, в том числе, многоствольных, а именно к средствам управления механизированным оборудованием добычи и контроля скважинных параметров. Решаемая задача заключается в обеспечении эффективной беспроводной индуктивной связи между электронными модулями, расположенными стационарно в многоствольной скважине, с общим электронным передающим модулем (материнской телесистемой). Сущность: устройство содержат электронные модули измерения скважинных параметров и управления клапанами оборудования для эксплуатации (электронные модули), снабженные автономным питанием и средством беспроводной связи их с общим электронным приемопередающим модулем с автономным питанием и дипольным излучателем электромагнитных волн (материнская телесистема), установленным на насосно-компрессорных трубах (НКТ) в основном стволе, при этом электронные модули установлены в боковых стволах скважины автономно и стационарно, а средство беспроводной связи электронных модулей с материнской телесистемой выполнено в виде беспроводной индуктивной связи, при этом материнская телесистема содержит приемное устройство, передающее устройство, микроконтроллер с прецизионным хронометром и блок полудуплексной беспроводной индуктивной связи, а электронные модули снабжены блоками полудуплексной беспроводной индуктивной связи и микроконтроллерами, кроме того, блоки полудуплексной беспроводной трансформаторной связи электронных модулей расположены от блока полудуплексной беспроводной индуктивной связи материнской телесистемы на расстоянии, обеспечивающем осуществление индуктивной связи между ними.
Полезная модель относится к области эксплуатации нефтегазовых скважин, в том числе, многоствольных, а именно к средствам управления механизированным оборудованием добычи и контроля скважинных параметров.
Известна система беспроводного электромагнитного канала связи в обсаженной скважине с боковым стволом (Скифф М. Инновационная система беспроводной телеметрии.//«Нефтегазовые технологии». - М., 2005. -
4.- С. 94). Система беспроводной телеметрии CaTS-тм компании The Ехрго Group использует элементы стальной конструкции скважины для распространения электромагнитного сигнала на сверхнизких частотах (СНЧ) для установления дуплексной связи с удаленными датчиками в нескольких стволах скважины. Конструктивно система выполняется в стандартном корпусе, в котором установлены датчики для контроля скважинных параметров, автономный источник питания, блок электроники. Система спускается в скважину на талевом канате и в обязательном порядке должна иметь электрический контакт с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) для передачи данных по НКТ с помощью электромагнитного сигнала.
Недостаток известной системы заключается в том, что использование СНЧ ограничивает доступную скорость передачи данных, а передача полезного сигнала по системе НКТ сопровождается нерациональными потерями мощности и утечками в местах ее касания с обсадной колонной, что значительно снижает эффективность электромагнитной связи в глубоких скважинах. Кроме того, при стационарной установке датчиков для контроля скважинных параметров в обсадной колонне, из-за отсутствия НКТ, передача сигналов по системе CaTS-тм не возможна.
Известны способ и устройство для контроля и управления процессом одновременно-раздельной эксплуатации многопластовых обсаженных скважин, включающие спуск в интервал добычи продукта на насосно-компрессорных трубах (НКТ) пакеров для разобщения продуктивных пластов и оборудования для добычи (закачки) продукта, размещенных напротив каждого продуктивного пласта, проведение скважинных измерений датчиками и передачу полученной информации при помощи электронных модулей на наземное приемно-обрабатывающее устройство по беспроводному каналу связи и управление оборудованием для добычи продукта в режиме реального времени с помощью индивидуальных электронных модулей, отличающиеся тем, что передачу информации на наземное приемно-обрабатывающее устройство от измерительных датчиков осуществляют при помощи электронных измерительных модулей, снабженных автономным питанием и передающих информационные сигналы по колонне НКТ, путем возбуждения в ней с помощью генераторных катушек электрического поля на несущей рабочей частоте, различной для каждого из указанных модулей и разнесенной по диапазону 20-50 кГц не менее чем на 5 кГц, на установленный в компоновке НКТ над самым верхним продуктивным пластом общий электронный передающий модуль, снабженный автономным питанием и приемными катушками индуктивности, и в котором информационные высокочастотные сигналы передают на наземное приемно-обрабатывающее устройство через горную породу путем возбуждения в ней с помощью дипольного излучателя электромагнитных волн на частоте, обеспечивающей минимальный экранирующий эффект от обсадной колонны, а управление оборудованием для добычи (отбора) продукта осуществляют по электромагнитному каналу связи, при этом управляющий режимом эксплуатации оборудования для добычи (отбора) продукта сигнал от наземного приемно-обрабатывающего устройства передают по горной породе на снабженные автономным питанием и дипольными приемниками электромагнитных колебаний индивидуальные электронные модули указанного оборудования с помощью электромагнитных импульсов, возбуждаемых в заземленной антенне на частоте, исключающей экранирующий эффект обсадной колонны (Пат. 2475643 РФ, МПК Е21 В47/12. Способ и устройство для контроля и управления процессом одновременно-раздельной эксплуатации многопластовых обсаженных скважин (Варианты) и исполнительный модуль в составе устройства (Варианты); заявл. 30.12.2010; опубл. 20.02.2013).
Следует заметить, что известная технология предназначена для работы в одноствольной скважине с несколькими продуктивными пластами и не может обеспечить беспроводную связь материнской телесистемы с электронными модулями, расположенными стационарно в многоствольной скважине, из-за отсутствия НКТ.
Задачей заявленной полезной модели является обеспечение эффективной беспроводной индуктивной (трансформаторной) связи между электронными модулями, расположенными стационарно в многоствольной скважине, с общим электронным передающим модулем (материнской телесистемой).
Указанная задача решается тем, что в устройстве контроля и управления с беспроводным индуктивным каналом связи для многоствольной скважины, содержащем электронные модули измерения скважинных параметров и управления клапанами оборудования для эксплуатации, снабженные автономным питанием и средством беспроводной связи электронных модулей с общим электронным приемо-передающим модулем с автономным питанием и дипольным излучателем электромагнитных волн (материнская телесистема), установленным на насосно-компрессорных трубах (НКТ) в основном стволе, в отличие от известного, указанные электронные модули измерения скважинных параметров и управления клапанами оборудования для эксплуатации установлены в боковых стволах скважины автономно и стационарно, а средство беспроводной связи указанных электронных модулей с материнской телесистемой выполнено в виде беспроводной индуктивной (трансформаторной) связи, при этом материнская телесистема содержит приемное устройство, передающее устройство, микроконтроллер с прецизионным хронометром и блок полудуплексной беспроводной индуктивной связи, а указанные электронные модули снабжены блоками полудуплексной беспроводной индуктивной связи и микроконтроллерами, кроме того, трансформаторные катушки электронных модулей расположены в начале обсадных колонн боковых стволов скважины, в местах их зарезки из основного ствола скважины, напротив трансформаторных катушек материнской телесистемы на расстоянии, обеспечивающем осуществление индуктивной связи между ними, которое может составлять не более 30 см.
На фиг. 1 представлена схема размещения заявляемого устройства в многоствольной скважине.
На фиг. 2 дана блок-схема устройства.
В многоствольной скважине 1 с обсадной колонной 2 и в боковых стволах скважины с обсадными колоннами 3, 4 установлены электронные модули измерения скважинных параметров и управления клапанами оборудования для эксплуатации 5, 6, 7, снабженные автономным питанием в виде блока питания 8 с батареями, при этом электронные модули измерения скважинных параметров и управления клапанами оборудования для эксплуатации 5, 6 и 7 установлены в обсадных колоннах 2, 3 и 4 стационарно и снабжены средством беспроводной трансформаторной связи электронных модулей с материнской телесистемой 9, спущенной в основной ствол 1 многоствольной скважины на НКТ (на фиг. 1 не показана). В боковых стволах 3 и 4 НКТ отсутствуют.
Материнская телесистема 9 (фиг. 2) содержит блок автономного питания 10 с батареями, приемное устройство 11, передающее устройство 12, связанные с дипольным излучателем электромагнитных волн 13, микро-контроллер 14 с прецизионным хронометром 15 и блок полудуплексной беспроводной трансформаторной связи 16.
Электронные модули измерения скважинных параметров и управления клапанами оборудования для эксплуатации 5, 6, 7 снабжены блоками полудуплексной беспроводной трансформаторной связи 17 и микроконтроллерами 18. Электронные модули измерения скважинных параметров содержат блоки связи, измерения параметров и управления клапаном 1, 2, 3, каждый из которых содержит датчик измерения температуры 19, датчик давления над клапаном 20, датчик давления под клапаном 21, клапанное устройство для эксплуатации 22 и средство для управления этим механизмом 23 (фиг. 2). Указанное оборудование образует скважинный комплекс 24.
Наземный приемно-измерительный комплекс 25 содержит шкаф с термостабилизацией 26, приемное устройство 27, передающее устройство 28, трансформатор 29, промышленный компьютер 30, связанный с передвижной рабочей станцией 31. Поз. 32 - наземная антенна. Поз. 33 - обозначение связи при удаленном мониторинге и управлении клапанами 1, 2, 3.
Устройство работает следующим образом.
Материнская телесистема 9 осуществляет дуплексную связь с наземным приемно-измерительным комплексом 25 по дипольному беспроводному каналу связи, а с тремя электронными модулями 5, 6, 7 измерения скважинных параметров и управления клапанами механизма для эксплуатации - беспроводную трансформаторную связь.
Беспроводная трансформаторная связь образуется с помощью взаимной индукции между трансформаторными катушками двух контуров -первичного и вторичного. В первичном контуре, ток от генератора, проходя через катушку, создает вокруг нее магнитное поле, силовые линии которого пересекают витки катушки вторичного контура и возбуждают в ней индуктированную ЭДС, а последняя создает во вторичном контуре ток.
Таким образом, при индуктивной связи энергия передается из одного контура в другой магнитным полем, пронизывающим пространство между материнской телесистемой 9 и электронными модулями 5, 6, 7. Условием осуществления трансформаторной связи между контурами является небольшое расстояние между ними, не более 30 см, поэтому блоки трансформаторной связи электронных модулей 5, 6, 7 устанавливают в непосредственной близости от блока трансформаторной 16 связи материнской телесистемы 9. На практике, для осуществления указанного условия корпус электронного модуля изготавливают удлиненной формы с возможностью расположения в нем трансформаторной катушки 17 вблизи трансформаторной катушки 16 материнской телесистемы. Расположение трансформаторных катушек 17 показано на фиг. 1, где трансформаторные катушки 17 расположены в начале обсадных колонн 3 и 4 боковых стволов скважины, в местах их зарезки из основного ствола скважины 2, где напротив катушек 17 расположена трансформаторная катушка 16 материнской телесистемы.
Поскольку эта связь носит дуплексной характер, то в зависимости от направления передачи информации первичный и вторичный контуры будут меняться, также как и направление тока, на который накладываются полезные сигналы при передаче информации от материнской телесистемы или от электронных модулей.
В «час X» - момент времени, на который запрограммирован сеанс связи скважинного комплекса с наземным приемно-измерительным комплексом 25, устанавливаемый прецизионным хронометром 15 с высокой точностью, материнская телесистема 9 опрашивает все электронные модули 5, 6, 7 о положении клапанов, значениях давления, температуры и передает данные на наземный приемно-измерительным комплекс 25 по электромагнитному беспроводному каналу связи, с помощью дипольного излучателя электромагнитных волн 13. Наземный приемно-измерительный комплекс 25, приняв сигнал с помощью антенны 31 из скважины, подтверждает правильный прием данных от материнской телесистемы 9.
Наземный приемно-измерительный комплекс 25 принимает поступившую из скважины информацию и передает ее оператору, который на основании полученных данных, принимает решение и выдает команду на материнскую телесистему 9 об управлении клапанами или посылает данные диспетчеру, и передает материнской телесистеме 9 команду диспетчера.
Наземный приемно-измерительный комплекс 25 содержит шкаф 26 с терморегуляцией, в котором располагают приемное устройство 27, передающее устройство 28, трансформатор 29.
Центром всего устройства является мощный миниатюрный промышленный компьютер 30 повышенной надежности. Связь с компьютером оператор осуществляет по беспроводной сети Wi-Fi непосредственно из подъехавшей к «часу X» передвижной рабочей станции 31. Компьютер 30 позволяет также обеспечить удаленный мониторинг по Интернету или радиосети нефтяной компании с целью управления всеми процессами в многоствольной скважине в процессе ее эксплуатации непосредственно из офиса.
Устройство контроля и управления с беспроводным индуктивным каналом связи для многоствольной скважины, содержащее электронные модули измерения скважинных параметров и управления клапанами оборудования для эксплуатации, снабженные автономным питанием и средством беспроводной связи электронных модулей с общим электронным приемопередающим модулем с автономным питанием и дипольным излучателем электромагнитных волн (материнская телесистема), установленным на насосно-компрессорных трубах (НКТ) в основном стволе, отличающееся тем, что указанные электронные модули измерения скважинных параметров и управления клапанами оборудования для эксплуатации установлены в боковых стволах скважины автономно и стационарно, а средство беспроводной связи указанных электронных модулей с материнской телесистемой выполнено в виде беспроводной индуктивной (трансформаторной) связи, при этом материнская телесистема содержит приемное устройство, передающее устройство, микроконтроллер с прецизионным хронометром и блок полудуплексной беспроводной индуктивной связи, а указанные электронные модули снабжены блоками полудуплексной беспроводной индуктивной связи и микроконтроллерами, кроме того, трансформаторные катушки электронных модулей расположены в начале обсадных колонн боковых стволов скважины, в местах их зарезки из основного ствола скважины, напротив трансформаторных катушек материнской телесистемы на расстоянии, обеспечивающем осуществление индуктивной связи между ними, которое может составлять не более 30 см.
РИСУНКИ
