Скважина с индуктивной передачей питания и сигнала

011835 Область техники Настоящее изобретение относится к передаче сигнала и питания в использующихся нефтедобывающих скважинах. Предпосылки создания изобретения и предшествующий уровень техники При добыче углеводородов из скважины желательно знать ее физические параметры для оценки добычи в скважине. Физические параметры могут быть измерены на устье скважины, но очень желательно иметь возможность проводить измерения непосредственно в скважине, желательно в продуктивной зоне скважины. Наиболее важно знать давление, но представляют интерес и многие другие физические параметры,такие как температура, состав и дебит скважины. Кроме того, исключительный интерес могут представлять дроссельные заслонки, насосы и другие запорно-регулировочные средства, установленные в скважине и требующие подачи питания и сигналов с поверхности. В патенте США 6644403 В 2 раскрыты способ и устройство для измерения физических параметров в добывающей скважине. В кольцевом пространстве скважины между добывающей и обсадной трубами размещаются секционные трансформаторы: один в кольцевом пространстве и другой в добывающей трубе. Трансформатор в кольцевом пространстве имеет электрическое соединение по кабелям с поверхностью скважины. Другой трансформатор в добывающей трубе индуктивно связан с первым трансформатором и подсоединен по меньшей мере к одному датчику, к собственному источнику питания и к электрическим цепям, размещенным внутри добывающей трубы. Оборудование в кольцевом пространстве установлено постоянно, в то время как оборудование, размещаемое в добывающей трубе, может заменяться в ходе небольших эксплуатационных работ на скважине, таких как замена кабелей. Таким образом, изобретение в соответствии с патентом США 6644403 В 2 обеспечивает преимущества в возможности замены оборудования, установленного в добывающей трубе, без необходимости проведения сложных операций в скважине. В патенте США 6515592 В 1 описаны различные способы и устройства, позволяющие посылать и получать по меньшей мере один электрический сигнал от устройства, установленного в скважине. Устройство в скважине устанавливается как постоянное. Ток направляется по обсадной трубе от источника,подсоединенного к обсадной трубе наверху. Одно или несколько внутрискважинных устройств электрически подключены к обсадной трубе, электрическое подсоединение к обсадной трубе используется для подачи питания к устройствам в скважине. Помещенные в скважину устройства также посылают сигнал на изолированную обсадную трубу, сигнал может посылаться по обсадной трубе на приемное устройство, расположенное на поверхности, которое получает и запоминает сигналы. Верхняя часть обсадной трубы, наиболее близкая к поверхности, электрически изолирована от находящейся ниже части, и электрическое соединение от устройства на поверхности к лежащей ниже части обеспечивается напрямую или в обход. В обсадной трубе выполнены изолирующие промежутки, ниже расположенная обсадная труба присоединена к первичной катушке с помощью электрического кабеля. Вторичная катушка с присоединенными внутрискважинными устройствами индуктивно соединена с первичной катушкой. В одном из вариантов воплощения оказываемое воздействие и сигнал проходят вниз через внутреннюю трубу и обратно через наружную трубу. Питание и сигналы посылаются туда и обратно в устройство, постоянно расположенное в скважине, на определенной частоте и/или с помощью адресации. В данном патенте отсутствуют описание индуктивного соединения с внутренней добывающей трубой, измерительных устройств, находящихся во внутренней трубе, и схемы электрического соединения между внешней и внутренней трубой в верхней части скважины, кроме как через блок сигнал-генератора, расположенного на поверхности. В патенте США 2004/0144530 А 1 раскрыто ферромагнитное реактивное сопротивление и описывается его использование в нефтяной скважине. На этом ферромагнитном реактивном сопротивлении создается падение напряжения при прохождении переменного тока через внутреннюю трубу. Этот эффект и сигналы снимаются для использования перемещения устройств и датчиков и связи с ними в скважине. Ферромагнитное реактивное сопротивление, так называемый дроссельный вентиль, не питается энергией и изготавливается из материалов, имеющих высокую относительную магнитную проницаемость, например в диапазоне от 1000 до 150000, таких как ферромагнитные сплавы или ферриты. Дроссельный вентиль электрически изолирован от внутренней трубы и используется для создания реактивного сопротивления переменному току в трубе. Источник питания и сигналов на поверхности индуктивно со скважиной не связан. В патенте США 6624952 В 2 описываются способ и устройство, обеспечивающие посредством индуктивной связи подачу электрического питания и сигналов от одних устройств в скважине к другим. Для этого используются концентрически распложенные рядом первичная и вторичная катушки, которые соединены с поверхностью через кабель, проходящий к первичной катушке, находящейся рядом с оборудованием для измерений и/или управления. Таким образом, описывается подача питания и электрических сигналов по каналу хвостовик/стенка обсадной трубы без электрического соединения с использованием только индуктивной связи.-1 011835 Существует потребность в дальнейшем развитии указанных выше технических решений с целью применения их в скважинах без использования длинных кабелей и с возможностью замены датчиков и другого чувствительного оборудования, расположенного в добывающей трубе. Существует особая потребность в полезных для скважин технических решениях, в которых добывающая и обсадная трубы электрически связаны наверху с подвеской, на которой подвешены указанные трубы и которые электрически соединены вниз по скважине с пакером между указанными трубами, в частности для соединения с зонами и оборудованием, расположенным в скважине ниже пакера. Сущность изобретения Указанные выше проблемы решаются с помощью скважины для добычи нефти, содержащей ствол,пробуренный в подземной формации; обсадную трубу, прикрепленную к стенке ствола скважины; добывающую трубу, проходящую сверху в обсадную трубу до содержащей углеводороды зоны; подвеску,расположенную на поверхности у верхнего конца скважины и предназначенную для подвешивания и электрического соединения добывающей трубы и обсадной трубы; и пакер, уплотненно расположенный в кольцевом пространстве между добывающей и обсадной трубами в нижней или близкой к ней части скважины и электрически соединенный с указанными трубами, отличающейся тем, что скважина имеет первичную катушку; концентрически размещенную вокруг добывающей трубы, вторичную катушку,концентрически размещенную вокруг добывающей трубы; нагрузку, присоединенную к вторичной катушке; и блок генератора переменного тока/сигнала, присоединенный к первичной катушке. В соответствии с изобретением скважина образует замкнутую электрическую цепь из добывающей трубы и обсадной трубы, которые соединены между собой в подвеске и в пакере и электрически изолированы в промежутке между подвеской и пакером. Под термином обсадная труба понимаются также секции хвостовиков, электрически соединенные так, что образуется электрическая цепь. Электрическая цепь может даже для глубокой скважины иметь низкие омические потери, обычно порядка 1-10 Ом, что важно для достижения технического эффекта изобретения. С точки зрения потерь добывающие и обсадные трубы, изготовленные из нержавеющей стали, например из стали, содержащей 13% хрома, предпочтительнее трубы из так называемого черного железа. Предпочтительно пакер уплотненно размещен в кольцевом пространстве между добывающей и обсадной трубами на уровне выше зоны, содержащей углеводороды для предотвращения попадания электропроводящих жидкостей в кольцевое пространство выше пакера, и электрически соединен с указанными трубами. Желательно, чтобы нагрузка питалась индуктивно через разделенный трансформатор, у которого наружная часть размещена снаружи добывающей трубы, а внутренняя - извлекаемая часть - внутри добывающей трубы и подключена к датчикам или устройствам, размещенным в добывающей трубе извлекаемым образом. Желателен вариант воплощения, при котором нагрузка размещена ниже пакера и соединена с вторичной катушкой электрическими кабелями, проходящими сквозь пакер. Таким образом,только нагрузка или отдельные компоненты нагрузки подвергаются воздействию жидкости из зоны, содержащей углеводороды. Скважина, согласно изобретению, может иметь по меньшей мере одну зону, расположенную по скважине ниже, чем пакер и соединенную с кабелями, пропущенными через пакер от вторичной катушки первой зоны к дополнительной первичной катушке указанной зоны, размещенной на добывающей трубе,и вторичную катушку в указанной зоне, размещенную на добывающей трубе с присоединенной к ней нагрузкой. Предполагается, что в конце указанной зоны или близко к ней расположен пакер или другое соединение, электрически подсоединенное между добывающей и обсадной трубами. Таким образом, достигается соединение зон, которые в противном случае были бы изолированными замкнутыми зонами по отношению к остальной части скважины. Питание желательно подавать от блока сигнал-генератора на частоте 50 Гц с напряжением 50-250 В, в то время как сигналы желательно посылать от блока сигнал-генератора на частоте 20-30 кГц с напряжением 20 В. Желательно, чтобы катушки имели ферромагнитный сердечник, размещенный между добывающей трубой и соответствующей катушкой для увеличения магнитного поля и, таким образом, улучшения индуктивного соединения со скважиной. Желательно, чтобы скважина имела электрически изолирующие центраторы, расположенные в кольцевом пространстве между добывающей трубой и обсадной трубой на промежутке между подвеской и пакером для предотвращения короткого замыкания между указанными трубами. Нагрузка может иметь одну или несколько дополнительных первичных катушек; задвижку с электрическим приводом или управляющий вентиль (дроссельную заслонку); приборы для измерения давления, температуры, многофазности, состава, дебита, вязкости жидкости; насос; двигатель и сейсмодатчик. Компоненты оборудования, подверженные износу, желательно размещать в добывающей трубе с возможностью замены и изъятия. Удобно, чтобы нагрузка имела собственный энергетический блок, например, в форме батареи питания, электронные схемы для кодировки/декодирования, адресования, связи и управления; все это должно быть надлежащим образом выбрано из известных ранее видов оборудования и соответствующим образом адаптировано. Желательно, чтобы нагрузка имела связь с блоком сигналов и, по возможности, с другими нагрузками.-2 011835 Согласно изобретению желательно, чтобы скважина содержала несколько нефтедобывающих зон с нагрузкой, имеющей в каждой зоне оборудование и регулирующую дроссельную заслонку. Таким образом, основываясь на параметрах, полученных от измерительных средств, можно достичь управляемой добычи из каждой зоны, содержащей углеводороды. Зоны могут быть частью обычной электрической цепи скважины или быть соединены в соответствии с изобретением. Краткое описание чертежей Изобретение проиллюстрировано тремя фигурами, на которых изображено следующее: фиг. 1 изображает схематический вид скважины в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 2 иллюстрирует вариант воплощения скважины с нагрузкой, для замены которой необходим небольшой объем работ на скважине; фиг. 3 иллюстрирует вариант воплощения скважины с подачей питания в несколько зон, разделенных между собой электрически изолирующими пакерами. Подробное описание изобретения На фиг. 1 показана скважина, содержащая добывающую трубу 1 и обсадную трубу 2, которые у устья скважины подвешены на подвеске 3, обеспечивающей электрическое соединение между добывающей и обсадной трубами. В скважине находится пакер 4, уплотненно расположенный в кольцевом пространстве между добывающей трубой и обсадной трубой и электрически соединенный с ними. В верхней части скважины вокруг или около добывающей трубы размещена первичная катушка А, соединенная кабелем с блоком 5 сигнал-генератора у устья скважины. В добывающей трубе размещена вторичная катушка В, присоединенная к нагрузке 6. Добывающая труба 1 и обсадная труба 2 между подвеской 3 и пакером 4 электрически изолированы с помощью полирующих центраторов 7, предотвращающих замыкание между трубами. Желательно, чтобы кольцевое пространство между добывающей трубой и обсадной трубой в промежутке между подвеской и пакером было заполнено не проводящей электричество жидкостью или иной средой, например дизельным топливом, и/или чтобы поверхность труб имела электрически непроводящее покрытие. Блок 5 сигнал-генератора выдает сигналы переменного тока, которые направляются через катушку А, что приводит к индуктивному соединению с добывающей трубой 1, через которую проходит переменный электрический ток. Катушка В индуктивно соединена с добывающей трубой 1, создаваемое в ней переменное напряжение подается на нагрузку 6 для обеспечения ее функционирования. Скважина,как таковая, образует замкнутую электрическую цепь, поскольку добывающая труба соединена с обсадной трубой через пакер 4 и подвеску 3. Сигналы и питание передаются в скважину и из нее через блок 5 сигнал-генератора и обычно через нагрузку 6, которая может иметь свой собственный источник питания,электронный блок и датчики, двигатели или другое присоединенное оборудование. Сигналы, поступающие от нагрузки 6, передаются через катушку B в добывающую трубу 1 и принимаются катушкой А. Фиг. 2 иллюстрирует нагрузку, которую можно заменять в ходе небольших эксплуатационных работ. Катушка В соединена с секционным трансформатором 8, который состоит из двух трансформаторов,а именно - из трансформатора 8 а в кольцевом пространстве, размещенного на добывающей трубе вокруг нее или частично впрессованного в нее, и из секционированного трансформатора 8b, размещенного напротив в добывающей трубе 1. Нагрузка 6 присоединена к трансформатору 8b и размещена в добывающей трубе и она может быть заменена в ходе небольших эксплуатационных работ без поднятия добывающей трубы, например работ с кабелями, операции с гибкими насосно-компрессорными трубами малого диаметра и другие аналогичные работы. На фиг. 3 показано расположение оборудования в различных зонах в скважине. Зоны находятся в скважине ниже, чем верхний пакер 4. Конкретнее - зоны соединены друг с другом через электрические соединения 9, проходящие сквозь нижний пакер 4 к последующим первичным и вторичным катушкам А',В', А и В. Зонами могут быть, например, разрабатываемые, содержащие углеводороды пласты, проходящие от скважины. Проведенные широкомасштабные испытания показали, что подходящий режим для сигналов переменного тока для подачи питания - это частота 50 Гц, а частота переменного тока для передачи сигналов соответственно может быть 20-30 кГц. Указанные частоты могут отличаться. Удобно, например, чтобы питающие сигналы переменного тока передавались на частоте в диапазоне 20-60 Гц. Предпочтительно,чтобы управляющие сигналы передавались на более высоких частотах в килогерцовом диапазоне для обеспечения хорошего разрешения при передаче сигналов. Испытания показали, что выходные сигналы на частоте 30 кГц более чем достаточны для передачи данных со скоростью 10-15 кбит/с, что вполне пригодно для передачи желаемых сигналов. Прикладываемое эффективное напряжение может составлять 50-250 В, в то время как прикладываемое напряжение для передачи сигналов обычно составляет 20 В. Подаваемый ток на катушку обычно составляет 0,1-0,5 А. Достигаемый результат на выходе составляет около 50% от воздействия на входе. Первичная катушка может состоять из одной или нескольких катушек, соединенных параллельно. Она может быть одной длинной катушкой, например 7-10 м в длину, поскольку более крупные катушки с большим числом витков обеспечивают лучшие возможности для передачи. Это же относится к добавочным или более длинным сердечникам. Наиболее желательно, чтобы первичная катушка состояла из не-3 011835 скольких идентичных катушек с ферритовым сердечником. Эти катушки размещены рядом друг с другом и соединены параллельно, что удобно с точки зрения изготовления, сборки и гибкости в работе. Это же относится к вторичным катушкам, однако последние могут быть меньшего размера, чем первичные катушки и с меньшим числом витков, что определяется пространственными ограничениями, а также тем,что вторичные катушки не должны передавать большие сигналы. Катушки, соединенные параллельно,синхронизированы по фазе так, чтобы они работали вместе. Обычно катушки вставлены в полимерную оболочку для обеспечения механической стабильности. Увеличенные потери в длинных скважинах могут быть скомпенсированы за счет подачи более сильных сигналов, увеличения числа катушек и использования более крупных катушек или большего числа катушек, идентичных, расположенных рядом и соединенных параллельно. Пример В скважину длиной 2000 м подавалось сверху вниз электропитание мощностью 1 кВт. Измерения показали, что возможна эффективность передачи, составляющая 50%. Таким образом, на первичную катушку должно подаваться электропитание 2 кВт. Соответствующая первичная катушка имеет размер около 8 м и состоит из 80 идентично расположенных и параллельно работающих катушек, каждая из которых имеет обмотку 250 витков из медной проволоки диаметром 0,2 мм 2. При подаче на первичную катушку переменного напряжения 220 В на частоте 50 Гц и тока 9,1 А на каждую из 8 катушек будет поступать мощность в 25 Вт, что соответствует подаче в каждую из 80 катушек тока 0,1 А. Замкнутая электрическая цепь скважины, состоящая из добывающей трубы и обсадной трубы, которые после их соединения наверху и внизу скважины могут рассматриваться как один виток, тогда, если пренебречь потерями, напряжение и ток в замкнутой электрической цепи будут соответственно равны 80220/250=70,4 В и 9,1250/80=28,43 А. Однако потери все же есть из-за омических потерь в добывающей трубе и в обсадной трубе, обычно 2 Ом на реальную скважину. Если в качестве вторичной катушки используется катушка, идентичная первичной, а потерями можно пренебречь, то на вторичной катушке может быть получено напряжение 220 В и ток 9,1 А. Можно ожидать 50% потерю в скважине длиной 2000 м. По этой причине на вторичной катушке можно получить только половинный выход, например напряжение 220 В и ток 4,55 А. Можно предположить, что оптимизация оборудования, в особенности катушек, может привести к уменьшению потерь. Скважину можно рассматривать как два трансформатора, в которых добывающая труба и обсадная труба образуют вторичную обмотку первичной катушки и первичную обмотку вторичной катушки. Для эффективности важны коэффициент преобразования между катушками, приложенное напряжение, ток, импеданс, нагрузка и частота. Параметры и компоненты могут быть выбраны, однако, в широком диапазоне при условии, что передача энергии и сигналов может быть выполнена удовлетворительно. Например, различные типы нагрузок и масштаб присоединенных нагрузок могут иметь значительные последствия из-за увеличенного импеданса. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Скважина для добычи нефти, содержащая ствол, пробуренный в подземной формации; обсадную трубу, прикрепленную к стенке ствола скважины; добывающую трубу, проходящую сверху в обсадную трубу до содержащей углеводороды зоны; подвеску, расположенную на поверхности у верхнего конца скважины и предназначенную для подвешивания и электрического соединения добывающей трубы и обсадной трубы; и пакер, уплотненно расположенный в кольцевом пространстве между добывающей трубой и обсадной трубой в нижней или близкой к ней части скважины и электрически соединенный с указанными трубами, отличающаяся тем, что имеет первичную катушку, концентрически размещенную вокруг добывающей трубы; вторичную катушку, концентрически размещенную вокруг добывающей трубы; нагрузку, присоединенную к вторичной катушке; и блок генератора переменного тока/сигнала,присоединенный к первичной катушке. 2. Скважина по п.1, отличающаяся тем, что пакер размещен в кольцевом пространстве между добывающей трубой и обсадной трубой на уровне выше содержащей углеводороды зоны. 3. Скважина по п.1, отличающаяся тем, что нагрузка имеет индуктивный источник питания в виде разделенного трансформатора с внешней частью, размещенной снаружи добывающей трубы, и внутренней извлекаемой частью, размещенной внутри добывающей трубы и соединенной с датчиками или другими средствами, размещенными в добывающей трубе с возможностью извлечения. 4. Скважина по п.1, отличающаяся тем, что нагрузка размещена ниже пакера и соединена с вторичной катушкой кабелями, пропущенными через пакер. 5. Скважина по п.1, отличающаяся тем, что имеет по меньшей мере одну зону, расположенную в скважине ниже пакера и соединенную с кабелями, пропущенными через пакер от вторичной катушки первой зоны к дополнительной первичной катушке, размещенной на добывающей трубе в указанной зоне, и вторичная катушка этой следующей зоны размещена на добывающей трубе; и дополнительную вторичную катушку в указанной зоне, размещенную на добывающей трубе и имеющую нагрузку, присоединенную к ней.-4 011835 6. Скважина по п.1, отличающаяся тем, что питающий сигнал с частотой 50 Гц и напряжением 50250 В подается от блока сигнал-генератора, в то время как управляющие сигналы передаются на частоте 20-30 кГц с напряжением 20 В от блока сигнал-генератора. 7. Скважина по п.1, отличающаяся тем, что содержит электрические изолирующие центраторы,размещенные в кольцевом пространстве, образованном между добывающей трубой и обсадной трубой,между подвеской и пакером для предотвращения короткого замыкания между трубами. 8. Скважина по п.1, отличающаяся тем, что катушки содержат ферромагнитный сердечник, выполненный в виде втулки между добывающей трубой и соответствующей катушкой. 9. Скважина по п.1, отличающаяся тем, что нагрузка содержит по меньшей мере одну первичную катушку; дроссель с электроприводом (дроссельную заслонку); средства для измерения давления, температуры, многофазности, дебита, вязкости потока; насос; двигатель и сейсмодатчик. 10. Скважина по п.1, отличающаяся тем, что содержит несколько зон добычи углеводородов с нагрузкой, включающей в себя оборудование и регулируемые дроссельные заслонки, расположенные в каждой зоне.