Способ (варианты) и устройство для связи с датчиком данных, размещенным в приповерхностном пласте грунта, способ измерения параметров этого пласта, устройство для приема сигналов данных в обсаженном стволе скважины, устройство для сбора данных из приповер - RU2169837C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится, в общем, к определению различных параметров в приповерхностном пласте, пройденном стволом скважины, а более конкретно - к такому определению параметров после установки обсадной колонны в ствол скважины посредством связи через стенку обсадной колонны с выносными датчиками, размещенными в пласте до установки обсадной колонны.

Эксплуатация нефтяной скважины и добыча в современных условиях включают в себя непрерывный контроль различных параметров скважины. Одним из наиболее критических параметров, соблюдение которого необходимо для обеспечения устойчивой добычи, является давление в залежи, также известное как пластовое давление. Непрерывный контроль параметров, например давления в залежи, показывает изменение пластового давления на протяжении периода времени и необходим для предсказания уровня добычи и ресурса приповерхностного пласта. В типичном случае параметры пласта, включая давление, контролируют с помощью спускаемых в скважину на тросах инструментов для анализа пласта, таких как инструменты, описанные в патентах США N N 3934468, 4860581, 4893505, 4936139 и 5622223.

В патенте N 3934468, переданном фирме Шлюмберже Текнолоджи Корпорэйшн, правопреемнику настоящего изобретения, описан удлиненный трубчатый корпус, который располагают в необсаженном стволе скважины для контроля представляющей интерес зоны пласта. Трубчатый корпус имеет уплотнительную подушку, которая поджата с обеспечением плотного зацепления со стволом скважины в зоне пласта посредством вспомогательных, хорошо зацепляющих подушек, противолежащих уплотнительной подушке, и ряда гидроприводов. Корпус снабжен средством для приема флюида, включая подвижный прибор для скважинных исследований, который связан с пластовыми флюидами и обеспечивает получение образцов пластовых флюидов через центральное отверстие в уплотнительной подушке. Такая связь по флюиду и отбор проб позволяют собрать данные о параметрах пласта, включая пластовое давление, но не ограничиваясь им. Подвижный прибор для скважинных исследований согласно патенту N 3934468 особенно пригоден для анализа зон пласта, имеющих различные и неизвестные мощности или устойчивости.

В патентах NN 4860581 и 4936139, также переуступленных правопреемнику настоящего изобретения, раскрыты модульные инструменты для контроля пластов, которые обеспечивают многочисленные возможности, включая измерение пластового давления и отбор проб в необсаженных стволах скважин. В этих патентах описаны инструменты, с помощью которых можно получить измерения и пробы во многих зонах пласта за один спуск и подъем инструмента.

В патенте N 4893505, переданном фирме Вестерн Атлас Интернэшнл Инк., аналогично раскрыт инструмент для контроля пласта, с помощью которого можно измерять давление и температуру пласта, пройденного необсаженным стволом скважины, а также отбирать пробы флюидов в некотором количестве зон пласта.

В патенте N 5622223, переуступленном фирме Халлибартон Компани, раскрыт еще один спускаемый в скважину на тросе инструмент для контроля пласта, обеспечивающий извлечение пластового флюида из представляющей интерес зоны в необсаженном стволе скважины. В инструменте использован надувной пакер, при этом показана возможность его функционирования для определения на месте типа давления и давления насыщения извлеченного флюида и для избирательного отбора проб флюида, по существу, свободного от фильтрата бурового раствора.

Каждый из вышеупомянутых патентов ограничен в том, что описанные инструменты для контроля пластов позволяют собирать данные о пластах только до тех пор, пока инструменты находятся в стволе скважины и в физическом контакте с представляющей интерес зоной пласта.

В заявке N 09/019466 на патент США, также переуступленной правопреемнику настоящего изобретения, описаны способ и устройство для размещения интеллектуальных датчиков данных, например датчиков давления, из утяжеленной бурильной трубы в бурильной колонне в приповерхностный пласт вне ствола скважины при выполнении бурильных работ. Установка в заданное положение таких датчиков данных на стадии бурения нефтяной скважины достигается посредством либо простреливания, сверления, гидравлического продавливания, либо иным способом размещения датчиков в пласте, как это описано в заявке N 09/019466, которая полностью включена в настоящее описание посредством ссылки.

В заявке N 09/019466 дополнительно раскрыто использование средства для выявления местоположения таких датчиков данных спустя продолжительное время после размещения, в частности, посредством использования гамма-маркеров в датчиках. Эти гамма-маркеры излучают отчетливые "признаки", которые легко отличаются от профилей или признаков фона гамма-излучения, обусловленного соответствующим локальным приповерхностным пластом, и тем самым облегчают определение местоположения каждого датчика в пласте.

На некотором этапе во время стадии заканчивания скважины в ствол скважины устанавливают колонну обсадных труб. После того, как ствол скважины обложен обсадной колонной, а обсадная колонна зацементирована, то, даже если возникнет необходимость, обычная электромагнитная связь изнутри ствола скважины с индивидуальными выносными датчиками, находящимися за пределами обсадной колонны, оказывается более невозможной. Если отсутствует эффективное средство связи с датчиком данных, который внедрен в пласт за пределами обсаженного ствола скважины, датчик данных является бесполезным. Поэтому в случае выносного датчика (выносных датчиков) данных для обеспечения возможности непрерывного контроля пласта во время периода эксплуатации скважины необходимо повторно устанавливать связь с датчиками данных. Кроме того, для оптимизации связи с датчиком (датчиками) данных местоположения датчиков должны выявляться после обсаживания и цементирования ствола скважины.

Инструменты и способы, описанные в патентах США NN 3934468, 4860581, 4936139, 4893505 и 5622223, упомянутых выше, не предназначены для использования в обсаженных стволах скважин и, как правило, постоянно не связаны со стволом скважины или с пластом. Однако инструменты для контроля пласта и способы, которые предназначены для использования в обсаженных стволах скважин, хорошо известны из уровня техники, что подтверждается патентами США NN 5065619, 5195588 и 5692565.

В патенте N 5065619, переданном фирме Халлибартон Лоджинг Сервисес, Инк. , раскрыто средство для контроля давления пласта позади обсадной колонны в стволе скважины, которое проходит через пласт. "Распорный башмак" с помощью гидравлики вытянут от одной стороны спускаемого в скважину на тросе прибора для контроля пласта с целью соприкосновения со стенкой обсадной колонны, а контрольный зонд с помощью гидравлики вытянут от другой стороны прибора. Зонд включает в себя окружающее его уплотнительное кольцо, которое образует уплотнение по отношению к стенке обсадной колонны, противоположное распорному башмаку. Небольшой, имеющий определенную форму заряд расположен в центре уплотнительного кольца для перфорирования обсадной колонны и окружающего цементного слоя, если он имеется. Пластовый флюид протекает через перфорацию и уплотнительное кольцо в гидравлическую линию для подачи к датчику давления и в пару резервуаров для манипуляций с флюидом и для отбора проб.

Патент N 5195588, также переданный правопреемнику настоящего изобретения, относится к усовершенствованиям инструментов для контроля пластов, с помощью которых перфорируется обсадная колонна для получения доступа к пласту позади обсадной колонны, при этом инструменты обеспечиваются средством для закупоривания перфорации обсадной колонны. Более конкретно, в патенте N 5195588 раскрыт инструмент, с помощью которого можно закупоривать перфорацию в то время, когда инструмент все еще находится в положении, в котором осуществляется перфорирование. Своевременное закрытие перфорации (перфораций) путем закупоривания предотвращает возможность значительной потери флюида ствола скважины с протеканием в пласт и/или ухудшение характеристик пласта. Оно также предотвращает неконтролируемое поступление пластовых флюидов в ствол скважины, которое может быть вредным, как, например, в случае притока газа.

В патенте N 5692565, также переуступленном фирме Шлюмберже Текнолоджи Корпорэйшн, описаны дополнительно усовершенствованные в том смысле устройство и способ для отбора проб пласта позади обсаженного ствола скважины, что в изобретении использован гибкий вал для сверления образования более равномерной перфорации в обсадной колонне, чем с помощью имеющего определенную форму заряда. Равномерная перфорация обеспечивает большую надежность, заключающуюся в том, что обсадная колонна закупоривается соответствующим образом, поскольку действие зарядов определенной формы приводит к получению неравномерных перфораций, которые могут закупориваться с трудом, при этом часто необходимо использовать как твердую пробку, так и нетвердый уплотнительный материал. Поэтому равномерная перфорация, образованная гибким бурильным валом для сверления, повышает надежность использования пробок для уплотнения обсадной колонны. Однако после закупоривания перфораций средство связи с пластом отсутствует без повторения процесса перфорирования. Даже тогда такая связь с пластом возможна только до тех пор, пока инструмент для контроля установлен в стволе скважины, а перфорация обсадной колонны остается открытой.

В патенте США N 4446433 раскрыт спускаемый в скважину на тросе инструмент для картографирования трещин, используемый для определения направления распространения трещин и длины гидравлически образованных трещин в приповерхностном пласте. Инструмент действует в обсаженных стволах скважины и использует антенные узлы, которые перемещают стержневые антенны в трещины в пласте через перфорации, выполненные в обсадной колонне, в результате чего антенны предоставляют трехмерное картографирование характеристик трещин. Хотя антенны устанавливаются в заданное положение через стенку обсадной колонны для исследований пласта, эти антенны не связаны с другими датчиками, внедренными в пласт.

С учетом желания устранить проблемы и недостатки, известные из уровня техники, основная цель настоящего изобретения заключается в создании способа и устройства для повторного установления связи с размещенными на удалении датчиками данных через стенку обсадной колонны и цементный слой обсаженного ствола скважины.

Дополнительная цель заключается в создании способа и устройства для определения местоположения каждого такого датчика данных в приповерхностном пласте относительно стенки обсадной колонны.

Дополнительная цель заключается в создании способа и устройства для выполнения отверстия в стенке обсадной колонны и в цементном слое, которое пересекает обсаженный ствол скважины вблизи местоположения датчика данных или группы датчиков данных.

Дополнительная цель заключается в создании способа и устройства для установки антенны в образованное отверстие с уплотнением относительно ствола скважины для связи с выносным датчиком данных или с датчиками.

Еще одна дополнительная цель заключается в создании способа и устройства для передачи командных сигналов к выносным датчикам данных и в приеме сигналов данных от выносных датчиков данных с помощью установленной антенны для контроля ствола скважины.

Еще одна дополнительная цель заключается в создании приемника данных, в котором использован микроволновый резонатор и который можно расположить внутри ствола скважины для связи с выносным датчиком (выносными датчиками) данных с помощью установленной антенны (установленных антенн).

Цели, описанные выше, а также другие различные цели и преимущества достигаются способом связи после установки обсадной колонны в ствол скважины с датчиком данных, размещенным на удалении в приповерхностном пласте, пройденном стволом скважины, до установки обсадной колонны на глубине размещения, в котором согласно изобретению устанавливают антенну в стенку обсадной колонны и вводят приемник данных в обсаженный ствол скважины для связи с датчиком данных с помощью антенны для того, чтобы принять сигналы данных о пласте, воспринятые и переданные датчиком данных.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения местоположение датчика данных в приповерхностном пласте выявляют до установки антенны, с тем чтобы антенну можно было установить в отверстие в стенке обсадной колонны вблизи местоположения датчика данных.

Кроме того, предпочтительно, чтобы датчик данных был снабжен средством для передачи сигнала признака, а местоположение датчика данных выявляют путем обнаружения сигнала признака. В этом отношении датчик данных, предпочтительно, снабжают гамма-маркером для передачи маркерного сигнала признака. Местоположение датчика данных выявляют сначала путем формирования диаграммы гамма-каротажа, зарегистрированной в необсаженном стволе скважины, кроме того, путем определения глубины датчика данных, используя диаграмму гамма-каротажа, зарегистрированную в необсаженном стволе скважины, и маркерный сигнал признака датчика данных, а затем путем определения азимута датчика данных относительно ствола скважины, используя детектор гамма-излучения и маркерный сигнал признака. Предпочтительно, азимут определяют, используя детектор коллимированного гамма-излучения.

Предпочтительно, антенну устанавливают и заделывают в отверстии в обсадной колонне, используя спускаемый в скважину на тросе инструмент. Спускаемый в скважину на тросе инструмент включает в себя средство для выявления азимута датчика данных относительно ствола скважины, средство для поворота инструмента для того, чтобы выявить азимут, средство для сверления или иное, образующее отверстие, через обсадную колонну и цемент после определения азимута, и средство для установки антенны в отверстие с уплотнением относительно обсадной колонны.

Приемник данных, предпочтительно, вводят в обсаженный ствол скважины на тросе, и он включает в себя микроволновый резонатор.

В еще одном аспекте настоящего изобретения ствол скважины бурят с помощью бурильной колонны, имеющей утяжеленную бурильную трубу и буровую коронку. Утяжеленная бурильная труба имеет датчик данных, выполненный с возможностью расположения на удалении внутри выбранного приповерхностного пласта, пересеченного стволом скважины, для того чтобы воспринимать и передавать сигналы данных, представляющие различные параметры пласта. До того, как ствол скважины полностью обсажен, датчик данных перемещают из утяжеленной бурильной трубы в выбранный приповерхностный пласт. После установки обсадной колонны в ствол скважины антенну устанавливают в отверстие, образованное в стенке обсадной колонны. Затем в обсаженный ствол скважины вводят приемник для связи с датчиком данных с помощью антенны, для того чтобы принять сигналы данных о пласте, воспринятые и переданные датчиком данных.

В еще одном аспекте настоящего изобретения использована утяжеленная бурильная труба, которая включает в себя инструмент, имеющий чувствительное средство, способное перемещаться от положения отведения внутри инструмента до положения размещения в приповерхностном пласте грунта за пределами ствола скважины. Чувствительное средство имеет в себе электронные схемы, выполненные с обеспечением возможности восприятия выбранных параметров пласта, и формирует выходные сигналы данных, представляющие обнаруженные параметры пласта. Когда утяжеленная бурильная труба и инструмент расположены в нужном месте относительно представляющего интерес приповерхностного пласта, чувствительное средство перемещают из положения отведения внутри инструмента в положение размещения внутри представляющего интерес приповерхностного пласта, на удалении от утяжеленной трубы и с наружной стороны ствола скважины. После установки обсадной колонны в ствол скважины выявляют местоположение датчика данных в приповерхностном пласте и устанавливают антенну в боковое отверстие через стенку обсадной колонны с уплотнением относительно обсадной колонны вблизи местоположения датчика данных. Затем в обсаженный ствол скважины вводят приемное средство и электронным путем подают питание на электронные схемы чувствительного средства, обеспечивая возможность чувствительному средству воспринимать выбранные параметры пласта и передавать сигналы данных, представляющие обнаруженные параметры пласта. Далее переданные сигналы данных принимаются приемным средством.

В еще одном аспекте настоящего изобретения утяжеленная бурильная труба выполнена с возможностью включения в бурильную колонну и имеет приемное гнездо для датчика. Выносной информационный датчик расположен внутри приемного гнезда утяжеленной бурильной трубы и имеет электронные схемы для восприятия выбранных данных о пласте, для приема командных сигналов и для передачи сигналов данных, представляющих обнаруженные данные о пласте. Выносной информационный датчик выполнен с возможностью бокового перемещения из приемного гнезда для датчика до местоположения в приповерхностном пласте за пределами ствола скважины. Антенну для связи с выносным информационным датчиком вводят вслед за установкой обсадной колонны в ствол скважины с помощью средства, выполненного с возможностью выполнения отверстия в стенке обсадной колонны вблизи выносного информационного датчика и введения антенны в образованное отверстие с уплотнением относительно стенки обсадной колонны. Кроме того, предусмотрен приемник данных, выполненный с возможностью введения в ствол скважины и имеющий электронные схемы для передачи командных сигналов с помощью антенны, после установки антенны, и для приема с помощью антенны сигналов данных о пласте от выносного информационного датчика.

Предпочтительно, цепи для передачи и приема приемника данных выполнены с возможностью передачи командных сигналов на частоте F и приема сигналов данных на частоте 2F, а схемы для приема и передачи выносного информационного датчика выполнены с возможностью приема командных сигналов на частоте F и передачи сигналов на частоте 2F.

Предпочтительно, выносной информационный датчик включает в себя электронную запоминающую схему для сбора данных о пласте на протяжении периода времени. Схемы восприятия данных выносного информационного датчика, предпочтительно, включают в себя средство для ввода данных о пласте в электронную запоминающую схему и схему управления с катушкой реле для приема выходного сигнала электронной запоминающей схемы и включения схем для приема и передачи выносного информационного датчика, для передачи сигналов, представляющих обнаруженные данные о пласте из места размещения выносного информационного датчика к схемам для передачи и приема данных.

С тем, чтобы можно было понять способ, которым достигаются описанные выше цели и преимущества настоящего изобретения, более конкретное описание изобретения, кратко изложенного выше, сделано с обращением к предпочтительным его вариантам осуществления, которые иллюстрируются приложенными чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает вид в вертикальном разрезе бурильной колонны в стволе скважины, показывающий утяжеленную бурильную трубу и расположенный на удалении датчик данных, который был размещен перемещением из утяжеленной бурильной трубы в представляющий интерес приповерхностный пласт;
фиг. 2 - вид в разрезе приповерхностного пласта после установки обсадной колонны в ствол скважины, при этом антенна установлена в отверстие через стенку обсадной колонны и цементный слой в непосредственной близости к размещенному на удалении датчику данных;
фиг. 3 - схематический вид спускаемого в скважину на тросе инструмента, расположенного внутри обсадной колонны и имеющего верхнее и нижнее поворотные приспособления и промежуточное приспособление для установки антенны;
фиг. 4 - схематический вид в разрезе нижнего поворотного приспособления, выполненном по линии 4-4 на фиг. 3;
фиг. 5 - поперечный профиль излучения, полученный на выбранной глубине ствола скважины, для сопоставления признака гамма-излучения от маркера датчика данных с признаком фонового гамма-излучения приповерхностной формации;
фиг. 6 - схематический вид в разрезе инструмента для образования перфорации в обсадной колонне и установки антенны в перфорацию для связи с датчиком данных;
фиг. 6A - одну из пары направляющих пластин, использованных в инструменте для установки антенны с целью проводки гибкого вала, примененного для перфорирования обсадной колонны;
фиг. 7 - рабочую диаграмму последовательности выполнения этапов для инструмента, показанного на фиг. 6;
фиг. 8 - вид в разрезе альтернативного инструмента для перфорирования обсадной трубы;
фиг. 9A-9C - виды в разрезах, показывающие последовательно установку антенны, согласно одному варианту осуществления, в перфорацию обсадной колонны;
фиг. 9D - вид в разрезе антенны, согласно второму варианту осуществления, установленной в перфорацию обсадной колонны;
фиг. 10 - детальный вид в разрезе нижней части инструмента для установки антенны, в частности магазина для антенн и механизма установки для варианта осуществления антенны, показанного на фиг. 9A-9C;
фиг. 11 - схематический вид приемника данных, расположенного внутри обсадной колонны, для связи с размещенным на удалении датчиком данных с помощью антенны, установленной через перфорацию в стенке обсадной колонны, и электрического и магнитного полей внутри микроволнового резонатора приемника данных;
фиг. 12 - зависимость резонансной частоты приемника данных от длины микроволнового резонатора;
фиг. 13 - схему связи приемника данных с датчиком данных и структурную схему электроники приемника данных;
фиг. 14 - структурную схему электроники датчика данных и
фиг. 15 - диаграмму широтно-импульсной модуляции, показывающую согласование во времени передачи сигнала данных между датчиком данных и приемником данных.

Что касается прежде всего фиг. 1, то настоящее изобретение относится к бурению ствола WB скважины колонной DS бурильных труб, имеющих утяжеленную бурильную трубу 12 и буровую коронку 14. Утяжеленная бурильная труба снабжена рядом информационных датчиков 16 данных, которые переносятся на ней, для введения в ствол скважины во время бурильных работ. Как описано дополнительно ниже, датчики 16 данных имеют электронные средства для измерения и встроенные в них схемы для восприятия выбранных параметров породы, и электронные схемы для приема выбранных командных сигналов и формирования выходных сигналов данных, представляющих обнаруженные параметры пласта.

Каждый датчик 16 данных приспособлен для перемещения из своего положения 18 отведения или укладки на утяжеленной бурильной трубе 12 в положение удаления в выбранном приповерхностном пласте, пересеченном стволом WB скважины, чтобы обнаруживать и передавать сигналы данных, представляющие различные параметры, такие как пластовое давление, температуру и проницаемость выбранного пласта. Поэтому, когда утяжеленную бурильную трубу 12 располагают с помощью бурильной колонны DS в нужном месте относительно приповерхностного пласта 20, датчик 16 данных перемещают в положение размещения внутри приповерхностного пласта 20 за пределами ствола WB скважины, воздействуя силой газа-вытеснителя или поршнем гидроцилиндра или другой подобной силой возле утяжеленной бурильной трубы, действующей на датчик данных. Такое принудительное перемещение подробно описано в заявке N 09/019466 на патент США применительно к утяжеленной бурильной трубе с системой размещения.

Размещение необходимого числа таких датчиков данных производят на различных глубинах ствола скважины, определяемых желаемой степенью подробности данных о пласте. Поскольку ствол скважины остается открытым, или необсаженным, размещенные датчики данных можно непосредственно связать с утяжеленной бурильной трубой, с зондом или со спускаемым в скважину на тросе инструментом, содержащим приемник данных, также описанным в заявке N 09/019466, для того, чтобы передать данные, отражающие параметры пласта, к модулю памяти в приемнике данных для временного хранения или с помощью приемника данных непосредственно на поверхность.

В некоторый момент времени при заканчивании скважины ствол скважины полностью обсаживают и в типичном случае обсадную колонну цементируют на месте. С этого момента нормальная связь с размещенными датчиками 16 данных, которые находятся в пласте 20 за пределами ствола WB скважины, более невозможна. Поэтому связь с размещенными датчиками данных должна восстанавливаться через стенку обсадной колонны и цементный слой, если последний присутствует, который закрепляет ствол скважины.

Теперь обратимся к фиг. 2, на которой показано, что связь восстанавливают путем образования отверстия 22 в стенке 24 обсадной колонны и в цементном слое 26, а после этого - установкой и заделкой антенны 28 в отверстии 22 в стенке обсадной колонны. Однако для достижения оптимальной связи антенну 28 следует располагать в месте, находящемся близко или по соседству с размещенным датчиком данных. Для обеспечения возможности эффективной электромагнитной связи желательно располагать антенну на расстоянии 10-15 см от соответствующего датчика данных или датчиков в пласте. Поэтому необходимо выявлять местоположение датчиков данных относительно обсаженного ствола скважины.

Выявление местоположения датчиков данных
Чтобы обеспечить возможность выявления местоположения датчиков данных, датчики данных снабжены средствами для передачи соответствующих идентифицирующих сигналов признаков. Более конкретно, датчики сигналов снабжены гамма-маркером 21 для передачи маркерного сигнала признака. Маркер представляет собой небольшую полоску похожего на бумагу материала, насыщенную радиоактивным раствором и расположенную внутри датчика 16 данных с тем, чтобы излучать гамма-лучи.

После этого местоположение каждого датчика данных выявляют с помощью двухэтапного процесса. Сначала определяют глубину датчика данных, используя диаграмму гамма-каротажа, зарегистрированную в необсаженном стволе скважины, которую получают для ствола скважины после размещения датчиков 16 данных, а также используя известный маркерный сигнал признака с датчика данных. Датчик данных можно выявить по каротажной диаграмме, зарегистрированной в необсаженном стволе скважины, поскольку радиоактивное изучение маркера 21 создает локальный окружающий фон гамма-излучения, возрастающий в области датчика данных. Поэтому фон гамма-излучения будет характерным на каротажной диаграмме в месте расположения датчика данных по сравнению с фоном в зонах пласта выше или ниже датчика. Это способствует выявлению вертикальной глубины и положения датчика, данных.

Затем находят азимут датчика данных относительно ствола скважины, используя гамма-детектор и маркерный сигнал признака, поступающий с датчика данных. Азимут определяют, используя детектор коллимированного гамма-излучения, который описан дополнительно ниже в связи с многофункциональным, спускаемым в скважину на тросе инструментом.

Антенну 28, предпочтительно, устанавливают и заделывают в отверстии 22 в обсадной колонне, используя спускаемый в скважину на тросе инструмент. Спускаемый в скважину на тросе инструмент 30, показанный на фигурах 3 и 4, представляет собой сложный инструмент, который выполняет ряд функций и включает в себя верхнее и нижнее поворотные приспособления 34, 36 и промежуточный инструмент 38 для установки антенны. Специалистам в данной области техники понятно, что инструмент 30 равным образом можно эффективно применить для по меньшей мере некоторых других целей, например в качестве переводника бурильной колонны, хотя здесь его описание ограничено вариантом осуществления в виде спускаемого в скважину на тросе инструмента.

Спускаемый в скважину на тросе инструмент 30 опускают на тросе или кабеле 31, длина которого задает глубину погружения инструмента в стволе скважины. Глубиномер можно использовать для измерения перемещения кабеля по опорному механизму, такому как шкив, и, следовательно, указания глубины погружения спускаемого в скважину инструмента способом, который хорошо известен в данной области техники. Спускаемый таким образом в скважину на тросе инструмент 30 располагают на глубине датчика 16 данных. Глубину погружения спускаемого в скважину инструмента 30 можно также измерить с помощью электрических, ядерных или других датчиков, которые дают значения глубины, взаимосвязанные с предшествующими измерениями, выполненными в стволе скважины, или с длиной обсадных труб. Кроме того, кабель 31 обеспечивает средство для связи с оборудованием для управления и обработки, расположенным на поверхности, с помощью цепей, заключенных в кабеле.

Спускаемый на тросе в скважину инструмент дополнительно включает в себя средство в виде верхнего и нижнего поворотных приспособлений 34, 36 для поворота спускаемого на тросе в скважину инструмента 30 с целью выявления азимута после опускания датчика данных на соответствующую глубину, как это определено на основании первого этапа процесса выявления местоположения датчика данных. В одном варианте осуществления простое поворотное приспособление, как, например, показанное на фигурах 3 и 4 верхнее поворотное приспособление 34, содержит цилиндрический корпус 40 с комплектом из двух находящихся в одной плоскости ведущих колес 42, 44, проходящих через одну сторону корпуса. Ведущие колеса прижаты к обсадной колонне обычным образом с помощью рабочего гидравлического подпирающего поршня 46. Поэтому вытягивание гидравлического поршня 46 обуславливает соприкосновение нажимного колеса 48 с внутренней стенкой обсадной колонны. Поскольку обсадная колонна 24 зацементирована в стволе WB скважины и поэтому прикреплена к пласту 20, продолжающееся вытягивание поршня 46 после соприкосновения нажимного колеса 48 с внутренней стенкой обсадной колонны приводит к прижиму ведущих колес 42, 44 к внутренней стенке обсадной колонны, противоположной стенке воздействия нажимного колеса.

Два ведущих колеса каждого поворотного приспособления приводятся в действие соответственно с помощью зубчатой передачи, например с помощью зубчатых колес 45а и 45b, посредством электрического серводвигателя 50. Главное зубчатое колесо 45а связано с выходным валом двигателя для вращения посредством него. Усилие вращения передается к ведущим колесам 42, 44 через вторичные зубчатые колеса 45b, а трение между ведущими колесами 42, 44 и внутренней стенкой обсадной колонны побуждает спускаемый в скважину на тросе инструмент 30 поворачиваться по мере того, как ведущие колеса 42, 44 "медленно двигаются" вокруг внутренней стенки 24 обсадной колонны. Это движение совершается как верхним, так и нижним поворотными приспособлениями 34, 36 для того, чтобы обеспечить поворот всего спускаемого в скважину на тросе инструментального узла 30 внутри обсадной колонны 24 вокруг продольной оси обсадной колонны.

Инструмент 38 для установки антенны включает в себя средство для выявления азимута датчика 16 данных относительно ствола WB скважины в виде детектора 32 коллимированного гамма-излучения, посредством которого на первом этапе осуществляется процесс выявления местоположения датчика данных. Как указывалось ранее, детектор 32 коллимированного гамма-излучения является полезным для обнаружения характерного признака излучения любого предмета, помещенного в зоне его обнаружения. Детектор коллимированного гамма-излучения, который хорошо известен в буровой промышленности, снабжен экранирующим материалом, расположенным вокруг активированного таллием кристалла иодида натрия, исключая небольшой открытый участок в окне детектора. Открытый участок выполнен криволинейным и задан узким для точного определения азимута датчика данных.

Поэтому поворот спускаемого в скважину на тросе инструмента 30 на 360^o под действием выходного крутящего момента двигателя 50 внутри обсадной колонны 24 позволяет получить диаграмму излучения в поперечном направлении на любой конкретной глубине, где расположен спускаемый в скважину на тросе инструмент или, более конкретно, детектор коллимированного гамма-излучения. При расположении детектора гамма-излучения на глубине датчика 16 данных поперечная диаграмма излучения будет представлять собой характеристику гамма-излучения относительно измеренной линии развертки. Измеренная линия развертки связана с количеством обнаруженного гамма-излучения, аналогичного фону соответствующего локального пласта. Как это представлено на фиг. 5, маркер каждого датчика 16 данных будет давать сильный сигнал на верхней части этой линии развертки и обозначать азимут, на котором находится датчик данных. Таким образом, приспособление 38 для установки антенны можно "подвести" очень близко к представляющему интерес датчику.

Как теперь будет описано, дальнейшая работа инструмента 38 поясняется последовательностью действий на рабочей диаграмме из фиг. 7. В этот момент времени спускаемый в скважину на тросе инструмент 30, как указано в блоке 800 на фиг. 7, устанавливают на нужной глубине и ориентируют соответствующим образом по азимуту, а также должным образом располагают для бурения или же для образования бокового отверстия 22 через обсадную колонну 24 и цементный слой 26 вблизи выявленного датчика 16 данных. Для этой цели в настоящем изобретении используют модифицированную версию пробоотборника пласта, описанную в патенте США N 5692565, также принадлежащем правопреемнику настоящего изобретения. Патент N 5692565 полностью включен в настоящее описание посредством ссылки.

Образование перфорации и установка антенны
На фиг. 6 показан один вариант осуществления перфорационного инструмента 38 для образования бокового отверстия в обсадной колонне 24 и установки в нем антенны. Инструмент 38 расположен внутри спускаемого в скважину на тросе инструмента 30 между верхним и нижним поворотными приспособлениями 34, 36 и имеет цилиндрический корпус 217, окружающий внутренний охранный кожух 214, и взаимодействующие детали. Якорные поршни 215 приводятся в действие посредством гидравлики обычным образом, для того чтобы прижать пакер 217b для инструмента к внутренней стенке обсадной колонны 24, образовать прижимное уплотнение между инструментом 38 для установки антенны и обсадной колонной 24 и стабилизировать инструмент 30, как это указано в блоке 801 на фиг. 7.

На фиг. 3 схематично показана альтернатива пакеру 217b в виде узла 41 гидравлических пакеров, который включает в себя уплотнительную подушку на опорной пластине, перемещаемую гидравлическими поршнями до плотного зацепления с обсадной колонной 24. Специалистам в данной области техники понятно, что другие эквивалентные средства равным образом подходят для создания уплотнения между инструментом 38 для установки антенны и обсадной колонной вокруг участка, подлежащего перфорации.

На фиг. 6 показан внутренний охранный кожух 214, подвешенный с возможностью перемещения внутри корпуса 217 вдоль оси корпуса с помощью поршня 216 для прямолинейного перемещения кожуха, что будет описано дополнительно ниже. В кожухе 214 содержатся три подсистемы: средство для перфорирования обсадной колонны, средство для контроля прижимного уплотнения и средство для установки антенны в перфорацию. Изменение положения внутреннего кожуха 214 с помощью поршня 216 для прямолинейного перемещения приводит к определенной установке деталей каждой из трех подсистем внутреннего кожуха относительно перфорации уплотненной обсадной трубы.

Первая подсистема во внутреннем кожухе 214 включает в себя гибкий вал 218, проходящий по сопряженным направляющим пластинам 242, одна из которых показана на фиг. 6А. Буровая коронка 219 вращается с помощью гибкого вала 218 посредством приводного двигателя 220, который удерживается на подвеске 221 двигателя. Подвеска 221 двигателя прикреплена к двигателю 222 для создания прямолинейного перемещения посредством резьбового вала 223, который входит в зацепление с гайкой 221а, прикрепленной к подвеске 221 двигателя. Поэтому двигатель 222 для создания прямолинейного перемещения вращает резьбовой вал 223, для того чтобы передвигать приводной двигатель 220 вверх и вниз относительно внутреннего кожуха 214 и обсадной колонны 24. Передвижение вниз приводного двигателя 220 прикладывает направленную вниз силу к гибкому валу 218, повышая скорость проникновения коронки 219 через обсадную колонну 24. J-образный канал 243, образованный в направляющих пластинах 242, преобразует приложенную вниз силу к валу 218 в поперечную силу, приложенную к коронке 219, а также предохраняет вал 218 от искривления при осевой нагрузке, прикладывая ее к коронке. Когда коронка проходит обсадную колонну, она создает чистое равномерное отверстие, которое намного предпочтительней, чем образуемое имеющими определенную форму зарядами. Операция высверливания представлена блоком 802 на фиг. 7. После высверливания отверстия в обсадной колонне буровая коронка 219 отводится путем реверсирования двигателя 222 для создания прямолинейного перемещения.

Вторая подсистема во внутреннем кожухе 214 относится к контролю прижимного уплотнения в обсадной колонне. С этой целью на поршень 216 для прямолинейного перемещения кожуха подают электроэнергию от наземного оборудования управления с помощью цепей, проходящих по кабелю 31, для того, чтобы сдвинуть внутренний кожух 214 вверх, с тем чтобы переместить пакер 217с относительно отверстия в кожухе 217. Затем поршень 224b для установки пакера приводят в действие, чтобы прижать пакер 217с к внутренней стенке кожуха 217, образуя уплотненное проходное отверстие между перфорацией обсадной колонны и гидравлической линией 224, как указано в блоке 803. После этого можно обычным образом измерить пластовое давление и, если необходимо, можно получить образец скважинного флюида, что указано в блоке 804. После выполнения соответствующих измерений и получения образцов поршень 224b вытягивают для того, чтобы отвести пакер 217с, как указано в блоке 805.

На фиг. 8 показано альтернативное средство для высверливания перфорации в обсадной колонне, включающее в себя коробку 330 передач с ортогональной передачей, которая преобразует крутящий момент, созданный присоединенным приводным валом 332, в крутящий момент на буровой коронке 331. Осевое давление прикладывается к коронке 331 гидравлическим поршнем (не показанным), приводимым в действие жидкостью, подаваемой по гидравлической линии 333. Гидравлический поршень приводится в действие обычным образом, для того чтобы переместить коробку передач 330 в направлении коронки 331 с помощью опорного элемента 334, который выполнен с возможностью скольжения по каналу 335. После завершения перфорации обсадной колонны коробку 330 передач и коронку 331 отводят от перфорации, используя гидравлический поршень.

Далее приводят в действие поршень 216 для прямолинейного перемещения кожуха для того, чтобы сдвинуть внутренний кожух 214 даже дополнительно вверх с целью установки магазина 226 для антенн в положение совмещения относительно перфорации в обсадной колонне, как указано в блоке 806. После этого приводят в действие поршень 225 установки антенны, чтобы переместить одну антенну 28 из магазина 226 в перфорацию обсадной колонны. Последовательная установка антенны показана более конкретно на фигурах 9A-9C и 10.

Что касается фигур 9A-9C, то антенна 28 включает в себя две взаимодействующие детали, образующие полный узел внутри перфорации обсадной колонны: трубчатое гнездо 176 и конический корпус 177. Трубчатое гнездо 176 выполнено из эластомера, рассчитанного на противостояние тяжелым окружающим условиям ствола скважины, и имеет цилиндрическое отверстие, проходящее через его задний конец, и коническое отверстие малого диаметра, проходящее через его передний конец. Кроме того, трубчатое гнездо снабжено задним выступом 178 для ограничения протяженности прохода антенны в перфорацию обсадной колонны и промежуточным ребром 179 между проточенными частями для содействия прижимному уплотнению в перфорации.

На фиг. 10 показан детализированный участок узла установки антенны, примыкающий к магазину 226 для антенн. Поршень 225 установки включает в себя наружный поршень 171 и внутренний поршень 180. Установка антенны в перфорацию обсадной колонны представляет собой двухэтапный процесс. Сначала, во время процесса установки оба поршня 171, 180 приводят в действие, чтобы переместить через полость 181 и выдавить одну антенну 28 в перфорацию обсадной трубы. Это действие заставляет как конический корпус 177 антенны, который уже частично введен в отверстие в заднем конце трубчатого гнезда 176 внутри магазина 226, так и трубчатое гнездо 176 переместиться по направлению к перфорации 22 обсадной колонны, как это показано на фиг. 9A. Когда задний выступ 178 входит в зацепление с внутренней стенкой обсадной колонны 24, как показано на фиг. 9B, наружный поршень 171 останавливается, но продолжает прикладывать гидравлическое давление на поршневой
узел, заставляя внутренний поршень 180 преодолевать силу пружинного узла 182 и продвигаться через цилиндрическое отверстие в заднем конце трубчатого гнезда 176. Как показано на фиг. 9С, конический корпус 177 таким образом оказывается полностью введенным в трубчатое гнездо 176.

Как показано на фиг. 9C, конический корпус 177 антенны снабжен удлиненным штырем 177а антенны, конической изоляционной втулкой 177b и наружным изоляционным слоем 177с. Штырь 177а антенны выходит за пределы протяженности перфорации 22 обсадной колонны на каждом конце штыря для того, чтобы принимать сигналы данных от датчиков 16 данных и передавать сигналы к приемнику данных, расположенному в стволе скважины, как это описано подробно ниже. Изоляционная втулка 177b сужается возле переднего конца штыря антенны, чтобы обеспечить клиновидную посадку с натягом внутри конического отверстия на переднем конце трубчатого гнезда 176 и тем самым создать прижимное тугое уплотнение на поверхности контакта антенна/перфорация.

В магазине 226, показанном на фиг. 10, хранятся в некотором количестве антенны 28 и эти антенны подаются во время процесса установки. После установки одной антенны 28 в перфорацию обсадной колонны поршневой узел 225 полностью отводится и другая антенна выдавливается кверху пружиной 186 толкающего узла 183. Таким образом, в обсадной колонне 24 можно установить некоторое количество антенн.

Вариант конструкции антенны показан на фиг. 9D. В этом варианте осуществления штырь 312 антенны постоянно находится в изоляционной втулке 314, которая, в свою очередь, постоянно находится в установочном конусе 316. Установочная втулка 314 выполнена цилиндрической по форме, установочный конус 316 имеет коническую наружную поверхность, а цилиндрическому отверстию в нем приданы размеры, обеспечивающие возможность размещения наружного диаметра втулки 314. Установочная втулка 318 имеет в себе коническое внутреннее отверстие, которому приданы размеры, обеспечивающие размещение наружной конической поверхности установочного конуса 316, а наружная поверхность втулки 318 слегка скошена для облегчения ее введения в перфорацию 22 обсадной колонны. Путем приложения противоположных сил к конусу 316 и втулке 318 достигается посадка с натягом металла на металл с обеспечением уплотнения антенного узла 310 в перфорации 22. Приложение силы с помощью противолежащих, приводимых в действие посредством гидравлики поршней в направлениях стрелок, показанных на фиг. 9D, вынуждает наружную поверхность втулки 318 расширяться, а внутреннюю поверхность конуса 316 сужаться, приводя к уплотнению металла к металлу в перфорации или отверстии 22, применительно к антенному узлу.

Целостность установленной антенны вне зависимости от того, имеет ли она конфигурацию из фигур 9A-9C, конфигурацию из фиг. 9D или некоторую другую конфигурацию, к которой равным образом применимо настоящее изобретение, можно проверить путем повторного сдвига внутреннего кожуха 214 вместе с поршнем 216 для прямолинейного перемещения с тем, чтобы переместить измерительный пакер 217с выше бокового отверстия в кожухе 217 и повторно установить пакер с помощью поршня 224b, как указано в блоке 808 на фиг. 7. Затем, как указано в блоке 809, можно проверить давление в гидравлической линии 224 для обнаружения утечек, опуская поршень, или аналогичным путем, чтобы снизить давление в гидравлической линии. При использовании опускания поршня на утечку указывает возрастание давления в гидравлической линии выше давления опускания после того, как опущенный поршень отключен. После завершения проверки давления якорные поршни 215 отводят, чтобы отцепить инструмент 38 и спускаемый в скважину на тросе инструмент 30 от стенки обсадной колонны, как указано в блоке 810. На данном этапе инструмент 30 можно переустановить в обсадной колонне для установки других антенн или удалить его из ствола скважины.

Прием данных
После того, как антенна 28 установлена и соответствующим образом заделана на месте, спускаемое на тросе в скважину приспособление, содержащее приемник 60 данных, вводят в обсаженный ствол скважины для связи с датчиком 16 данных с помощью антенны 28. Приемник 60 данных включает в себя передающие и приемные цепи для передачи командных сигналов посредством антенны 28 к информационному датчику 16 данных и приема образованных сигналов данных посредством антенны от информационного датчика.

Более конкретно, как видно на фиг. 11, связь между приемником 60 данных внутри обсадной колонны 24 и датчиком 16 данных, расположенным вне обсадной колонны, в предпочтительном варианте осуществления достигается посредством двух небольших рамочных антенн 14а и 14b. Антенны встроены в антенный узел 28, который размещен внутри отверстия 22 с помощью инструмента 38 для установки антенн. Первая рамка 14а антенны расположена параллельно оси обсадной колонны, а вторая рамка 14b антенны расположена перпендикулярно к оси обсадной колонны. Следовательно, первая антенна 14а чувствительна к магнитным полям, перпендикулярным к оси обсадной колонны, а вторая антенна 14b чувствительна к магнитным полям, параллельным оси обсадной колонны.

Датчик 16 данных, известный также как информационный маркер позиции, в предпочтительном варианте осуществления содержит две аналогичные рамочные антенны 15а и 15b. Рамочные антенны имеют ту же самую ориентацию относительно друг друга, как и рамочные антенны 14а и 14b. Однако, как показано на фиг. 11, рамочные антенны 15а и 15b соединены последовательно, так что комбинация этих двух антенн чувствительна к обоим направлениям магнитного поля, излученного рамочными антеннами 14а и 14b.

В приемнике данных, находящемся в приспособлении, которое расположено внутри обсадной колонны, использован микроволновый резонатор 62, имеющий окно 64, выполненное с возможностью близкого расположения напротив внутренней поверхности стенки обсадной колонны 24. Радиус кривизны резонатора равен или очень близок к внутреннему радиусу обсадной колонны, вследствие чего большая часть площади поверхности окна находится в связи с внутренней стенкой обсадной колонны. Обсадная колонна эффективно замыкает микроволновый резонатор 62, исключая высверленное отверстие 22, против которого расположена передняя сторона окна 64. Такое расположение можно получить, используя детали, аналогичные описанным выше, применительно к спускаемому в скважину на тросе инструменту 30, такие как поворотные приспособления, детектор гамма-излучения и якорные поршни. (Здесь дополнительно не будет описываться такое расположение приемника данных). Путем совмещения окна 64 с перфорацией 22 с помощью антенны энергия, например микроволновая энергия, может излучаться в отверстие и из отверстия в обсадной колонне, и обеспечивается дуплексная связь между чувствительным микроволновым резонатором 62 и антеннами 15а и 15b датчика данных.

Связь от микроволнового резонатора обеспечивается на одной частоте F, соответствующей одной особой резонансной моде, тогда как связь от датчика данных достигается на удвоенной частоте или 2F. Размеры резонатора выбирают так, чтобы иметь резонансную частоту, близкую к 2F. Соответствующие электрические поля 66, 68 и магнитные поля 70, 72 показаны на фиг. 11, чтобы помочь визуально представить структуру полей в резонаторе. В предпочтительном варианте осуществления цилиндрический резонатор 62 имеет радиус 5 см и протяженность по вертикали примерно 30 см. Для описания любого физического места внутри резонатора использована система цилиндрических координат (z,ρ,φ). Электромагнитное поле, возбужденное внутри резонатора, имеет в своем составе электрическое поле с составляющими Ez,Eρ и Eφ и магнитное поле с составляющими Hz,Hρ и Hφ.
В режиме передачи резонатор 62 возбуждается микроволновой энергией, подаваемой от генератора 74 передатчика и усилителя 76 мощности через соединение 78 в виде коаксиальной линии, соединенной с небольшим электрическим диполем, расположенным в верхней части резонатора 62 приемника 60 данных.

В режиме приема микроволновая энергия, возбужденная в резонаторе 62 на частоте 2F, воспринимается вертикальным магнитным диполем 80, соединенным с усилителем 82 приемника, настроенным на частоту 2F.

Хорошо известно, что микроволновые резонаторы имеют две основные моды резонанса. Первая названа поперечной электрической или ТМ (Hz=0), а вторая мода названа поперечной магнитной или коротко ТЕ (Ez=0). Следовательно, эти две моды ортогональны и могут выделяться не только путем частотной дискриминации, но также путем физической ориентации электрического или магнитного диполя, расположенного внутри резонатора и предназначенного для возбуждения или обнаружения их, при этом особенно характерно, что настоящее изобретение используется для отделения сигналов, возбужденных на частоте F, от сигналов, возбужденных на частоте 2F. На резонансе у резонатора обнаруживается высокое значение Q или эффект ослабления затухания, когда частота электромагнитного поля внутри резонатора близка к резонансной частоте, и очень низкое значение Q, когда частота электромагнитного поля внутри резонатора отличается от резонансной частоты резонатора, что обеспечивает дополнительное усиление каждой моды и развязку между различными модами.

Математические выражения для электрической (Е) и магнитной (Н) составляющих поля мод типа ТМ и ТЕ даются следующими членами:
Для мод типа ТМ:
Ez = λ_i/R²J_n(λ_ni/Rρ)cos(nφ)cos(mπz/L)

Eφ = nmП/LρJ_ni(λ_ni/Rρ)sin(nφ)sin(mπz/L)
Hz=0
Hρ = jnk/ρ(ε /μ)^1/2J_n(λ_ni/Rρ)sin(nφ)cos(mπz/L)

при этом резонансная частота F_TMnim= c/2((λ_ni/πR)²+(m/L)²)^1/2;
а для мод типа ТЕ:
Ez = 0
Eρ = -jnk/ρ(μ/ε)^1/2J_n(σ_ni/Rρ)sin(nφ)sin(mπz/L)

Hz = σ_i/R² J_n(σ_ni/Rρ)cos(nφ )sin(mπz/L)

Hφ = -nmπ/LρJ_n(σ_ni /Rρ)sin(nφ)cos(mπz/L)
при этом резонансная частота F_TEnim= c/2((σ₁/πR)²+(m/L)²)^1/2
где
Q - коэффициент ослабления затухания;
m, n - целые числа, которые характеризуют бесконечный ряд резонансных частот для азимутальных (φ) и вертикальных (z) составляющих;
i - кратность корня уравнения;
с - скорость света в вакууме;
μ,ε - соответственно магнитное и диэлектрическое свойства среды внутри резонатора;
F - частота;
ω-2πF;
k - волновое число; k = (ω²με+iωμσ )^1/2;
R, L - соответственно радиус и длина резонатора;
J_n - функция Бесселя n-ого порядка;

λ_ni - корень J_n(λ_ni) = 0;
σ_ni - корень J_n(σ_ni) = 0.
Размеры резонатора (R и L) выбраны такими, что

Одно из решений для E_TMnim включает выбор моды типа ТМ, соответствующей n= 0, i=1, m=0 и λ₀₁= 2,40483, что аналогично самой низкой частоте моды типа ТМ (снижение частоты сопровождается падением ослабления затухания резонатора). Этот выбор приводит к следующим результатам:
Ez = λ₁/R²J₀(λ₀₁ /Rρ)
Eρ = 0
Eφ = 0
Hz=0
Hρ = 0

при этом F_TM010= c/2λ₀₁/πR.
Одно решение для E_TMnim включает выбор моды типа ТЕ, соответствующей n= 2, i= 1, m=1 и Этот выбор ортогонален приведенному выше выбору моды типа ТМ010 и дает частоту для моды типа ТЕ, которая является удвоенной частотой моды ТМ010. С помощью этого выбора для моды типа ТЕ получаются следующие результаты:
Ez = 0
Eρ = -j2k/ρ (μ/ε)^1/2J₂(σ₂₁/Rρ)sin(2φ)sin(πz/L)

Hz = σ₁/R²J₂(σ₂₁/Rρ )cos(2φ)sin(πz/L)

Hφ = -2П/LρJ₂(σ₂₁ /Rρ)sin(2φ)sin(πz/L)
при этом F_TE211= c/2((σ₂₁/πR)²+(1/L)²)^1/2.
Моду типа TM можно возбудить либо вертикальным электрическим диполем (Ez), либо горизонтальным магнитным диполем (вертикальной, рамкой, Hφ ), тогда как моду типа ТЕ можно возбудить вертикальным магнитным диполем (горизонтальной рамкой, Hz).

На фиг. 12 показаны зависимости 2F_TM010 и E_TE211 от длины L резонатора для радиуса резонатора R=5 см. В случае L

28 см мода ТЕ резонирует на частоте, удвоенной по сравнению с модой TM, и для приведенных размеров резонатора вычислены следующие резонансные частоты: F_TM010 = 494 МГц и F_TE211 = 988 МГц.

Обычным специалистам в данной области техники должно быть понятно, что при изменениях формы и размеров резонатора и заполняющего материала точные значения резонансных частот могут отличаться от тех, которые установлены выше. Кроме того, должно быть понятно, что ранее описанные две моды являются только одним возможным набором из резонансных мод и что, в принципе, из бесконечного числа наборов можно выбрать один. В любом случае предпочтительный частотный диапазон для этого изобретения находится в пределах от 100 МГц до 10 ГГц. Следует понимать, что частотный диапазон может быть расширен за пределы этого предпочтительного диапазона без отступления от сущности настоящего изобретения.

Кроме того, хорошо известно, что резонатор можно возбудить посредством соответствующего размещения электрического диполя, магнитного диполя, апертуры (т. е. изолированной щели в электропроводной поверхности) или их комбинаций внутри резонатора или на наружной поверхности резонатора. Например, связанные рамочные антенны 14а и 14b можно заменить электрическими диполями или простой апертурой. Рамочные антенны датчика данных также можно заменить электрическим и/или матнитным диполем (диполями) и/или апертурой (апертурами), либо их комбинацией.

На фиг. 13 показано схематически настоящее изобретение, включая структурную схему электроники приемника данных. Как установлено выше, настраиваемый микроволновый генератор 74 работает на частоте F, чтобы возбудить микроволновый усилитель мощности 76, соединенный с электрическим диполем 78, расположенным вблизи центра одной стороны приемника 60 данных. Диполь совмещен с осью z, чтобы обеспечить максимальную связь для составляющей Ez моды ТМ010 (уравнение (1) ниже; Ez имеет максимальное значение при ρ = 0).

Чтобы определить, настроен ли генератор частоты F на резонансную частоту моды ТМ010 резонатора 62, горизонтальный магнитный диполь 88, небольшую вертикальную рамку, чувствительный к Hφ_TM101 (уравнение (2) ниже), подключают с помощью коаксиального кабеля к переключателю 81, а через переключатель 81 - к усилителю микроволнового приемника 90, настроенного на частоту F. Частоту F регулируют с помощью обратной связи 83 до тех пор, пока в настроенном приемнике 90 не принимается максимальный сигнал.

E_zTM010= λ₁/R² J(λ₀₁ρ/R) (1)

F = cλ₀₁/2πR (3)
H_zTE211= σ₁/R²J₂(σ₂₁ ρ /R)sin(2φ)cos(πz/L) (4)
2F = c/2((σ₂₁ρ/R)² +(1/L)²)^1/2 (5)
Для настройки резонатора на частоту 2F моды ТЕ211 сигнал настройки с частотой 2F формируется в схеме 84 настроечного устройства путем выпрямления сигнала с частотой F, приходящего с генератора 74 через переключатель 85, посредством диода, аналогичного диоду 19, использованному совместно с датчиком 16 данных. Выход настроечного устройства 84 подключен через коаксиальный кабель к вертикальному магнитному диполю 86, к небольшой горизонтальной рамке, чувствительному к Hz моды ТМ211 (уравнение (4)), чтобы возбудить моду ТЕ211 на частоте 2F. Аналогичный вертикальный магнитный диполь 80, небольшая горизонтальная рамка, также чувствительный к Hz моды ТМ211 (уравнение 4), подключен к схеме 82 микроволнового приемника, настроенного на частоту 2F. Выход приемника 82 соединен с блоком 92 управления двигателем, который возбуждает электродвигатель 94, перемещающий поршень 96, чтобы изменить длину L резонатора способом, который известен в технике настраиваемых микроволновых резонаторов, до тех пор, пока не принимается максимальный сигнал, а приемник 82 оказывается настроенным. Обычным специалистам в данной области техники понятно, что одной рамочной антенной можно заменить рамочные антенны 80 и 86, подключенные к обеим схемам 82 и 84.

После того, как частота F моды ТМ и частота 2F моды ТЕ настроены, можно начинать цикл измерений, предполагая, что окно 64 резонатора 62 находится в направлении датчика 16 данных и что антенна, содержащая рамочные антенны 14а и 14b или другие эквивалентные средства связи, соответствующим образом установлена в отверстии 22 обсадной колонны. Максимальной связи для моды ТЕ211 можно достичь, если приемник 60 данных расположить так, чтобы антенна 28 находилась примерно на уровне середины вертикали микроволнового резонатора 62. В этом отношении необходимо заметить, что Hφ_TM010 не зависит от z, но Hz_TE211 имеет максимум при z=L/2.

Измерение и сбор данных о пласте
Измерение данных о пласте и цикл сбора начинается с возбуждения микроволновой энергии в резонаторе 62 при использовании генератора 74, усилителя мощности 76 и электрического диполя 78. Микроволновая энергия связана с датчиком данных или с рамочными антеннами 15а и 15b информационного маркера позиции с помощью связанных рамочных антенн 14а и 14b в антенном узле 28. Таким же образом микроволновая энергия направляется за пределы обсадной колонны на частоте F, заданной частотой генератора, что показано на временной диаграмме 120 на фиг. 15. Как описано выше, частоту F можно выбирать в пределах диапазона от 100 МГц до 10 ГГц.

Что касается фиг. 13, то при облучении информационного маркера 16 местоположения переданной микроволновой энергией рамочные антенны 15а и 15b приемника, расположенные внутри информационного маркера местоположения, излучают обратно электромагнитную волну на частоте 2F или на удвоенной частоте по сравнению с первоначальной частотой, как это показано позицией 121 на фиг. 15. Диод 19 с низким порогом подключен к рамочным антеннам 15а, 15b. В нормальных условиях и особенно в режиме "ожидания" электронный переключатель 17 разомкнут, чтобы минимизировать потребление энергии. Когда рамочные антенны 15а, 15b активируются переданным электромагнитным микроволновым полем, на рамочные антенны 15а и 15b наводится напряжение, и в результате этого через антенны протекает ток. Однако диод 19 обеспечивает протекание тока в одном направлении. Вследствие нелинейности исключается наведенный ток с основной частотой F и образуется ток с основной частотой 2F. Кроме того, в этот период времени микроволновый резонатор 62 используется как приемник и подключен к усилителю приемника 82, который настроен на частоту 2F.

На фиг. 14 можно видеть, что, когда сигнал, который превышает фиксированный порог, обнаружен схемой 100 обнаружителя датчика данных, настроенного на частоту 2F, датчик данных информационного маркера позиции переходит из состояния ожидания в активное состояние. Его электронные схемы переключаются в режим сбора и передачи, а контроллер 102 включается. В этот момент после команды контроллера 102 информация о давлении, обнаруженная манометром 104, или другая информация, обнаруженная соответствующими детекторами, преобразуется в цифровую информацию и хранится в схеме 106 памяти с аналого-цифровым преобразователем. После этого контроллер 102 включает цикл передачи путем преобразования цифровой информации манометра в последовательный цифровой сигнал, вызывающий включение и выключение переключателя 17 с помощью приемной схемы 108 управления с катушкой реле.

Возможны различные схемы для передачи данных. Для иллюстрации на фиг. 15 показана схема передачи с широтно-импульсной модуляцией. Цикл передачи начинается с посылки синхронизирующей комбинации посредством выключения и включения переключателя 17 в заранее заданный период времени Ts. Биты 1 и 0 соответствуют подобной комбинации, но с различными временными последовательностями (Т1 и Т0), определенными состояниями "включено/выключено". Сигнал, рассеянный в обратном направлении датчиком данных, излучается только тогда, когда переключатель 17 выключен. В результате этого в электронных устройствах инструмента, показанных на фиг. 13, принимаются некоторые уникальные временные комбинации и декодируются с помощью цифрового декодера 110. Эти комбинации показаны ссылочными номерами 122, 123 и 124 на фиг. 15. Комбинация 122 интерпретируется как команда синхронизации, 123 - как бит 1 и 124 - как бит 0.

После обнаружения информации манометра или другой цифровой информации и сохранения ее в электронных схемах приемника данных питание передатчика инструмента отключается. Целевой датчик данных больше не находится под напряжением и переключается обратно в режим "ожидания" до тех пор, пока следующий сбор данных не инициализируется с помощью инструмента с приемником данных. Небольшая батарея 112, расположенная внутри датчика данных, осуществляет питание соответствующих электронных схем во время сбора и передачи.

Специалистам в данной области техники понятно, что, если только выносные датчики данных, такие как "информационный маркер местоположения", описанный здесь и относящийся к предпочтительному варианту осуществления изобретения, размещены в пласте ствола скважины и обладают возможностью сбора данных путем измерений, например измерений давления при бурении в открытом стволе скважины, то желательно продолжить использование датчиков данных после установки обсадной колонны в ствол скважины. В раскрытом здесь изобретении описаны способ и аппаратура для связи с датчиками данных за обсадной колонной, обеспечивающие возможность использования таких датчиков данных для непрерывного контроля параметров пласта, таких как давление, температура и проницаемость, во время добычи из скважины.

Специалистам в данной области техники следует также учесть, что настоящее изобретение, вероятно, наиболее просто использовать внутри стволов скважин диаметром 215,9 мм в сочетании с воротниками буров диаметром 171,45 мм. Для оптимизации и обеспечения успеха при размещении датчиков 16 данных необходимо выполнить моделирование и оценку нескольких взаимосвязанных параметров. К ним относятся: зависимость сопротивления внедрения в пласт от необходимой глубины проникновения в пласт; зависимость параметров введенной в действие системы "излучателей" и требований к ним от доступного пространства на утяжеленной бурильной трубе; зависимость быстродействия датчика данных ("маркера местоположения") от ударного замедления и другие.

Для стволов скважин с диаметром более 215,9 мм геометрические требования являются менее строгими. В развертываемой системе можно использовать более крупные датчики данных, особенно на меньших глубинах, где сопротивление внедрения в пласт становится меньше. Поэтому можно предположить, что для ствола скважины с диаметром больше 215,9 мм датчики данных будут следующими: большими по размеру, с большим количеством электрических элементов, способными осуществлять связь на большем расстоянии от ствола скважины; способными выполнять ряд измерений, например удельное сопротивление, и выполнять функции датчика ядерного магнитного резонанса, а также способными работать в качестве ретрансляционных станций для датчиков, расположенных даже на отдалении от ствола скважины.

Однако заявитель ожидает, что в перспективе развитие миниатюризированных деталей, вероятно, приведет к смягчению или исключению таких ограничений, связанных с размером ствола скважины.

С учетом изложенного выше очевидно, что настоящее изобретение хорошо приспособлено для достижения всех целей, изложенных выше, совместно с другими целями, которые присущи раскрытой здесь аппаратуре.

Как без труда ясно специалистам в данной области техники, настоящее изобретение можно легко выполнить в других конкретных формах без отступления от его сущности или существенных признаков. Поэтому настоящий вариант осуществления должен рассматриваться только как иллюстративный и неограничивающий.

Реферат

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для измерения параметров приповерхностного пласта. Датчик данных размещают в приповерхностном пласте на удалении от ствола скважины до установки обсадной колонны. Вводят приемник данных, осуществляющий связь с датчиком данных при помощи антенны. Антенна устанавливается в отверстие в стенке обсадной колонны, выполненное вблизи местоположения датчика данных средством для образования перфорации. Местоположение датчика данных выявляют до образования отверстия и установки антенны в стенку обсадной колонны. Для точного определения местоположения датчик данных может быть снабжен средством для передачи сигнала признака. Указанные выше элементы входят в состав соответствующих устройств. Использование предлагаемого изобретения позволит осуществить непрерывный контроль различных параметров приповерхностного пласта при помощи датчиков, находящихся на удалении за обсадной колонной скважины. 6 с. и 20 з.п.ф-лы, 15 ил.

Формула