Акустична телеметрія

1. Спосіб для акустичної передачі даних через трубчасту структуру, яка переважно містить послідовність трубчастих секцій, сполучених у стик за допомогою з'єднання, щонайменше більшість згаданих трубчастих секцій має осьову довжину щонайменше величини X між з'єднаннями і щонайменше більшість згаданих з'єднань має осьову довжину не більше величини х, де X значно більше х; який включає етапи, на яких розповсюджують вздовж структури, з її першої позиції, акустичні сигнали у формі тональних посилок, які щонайменше переважно містять вибрану хвилевідну моду з довжиною хвилі щонайменше 2х, і визначають згадані сигнали у другій позиції структури, де відстань N вздовж структури між згаданими першою і другою позиціями є щонайменше 10Х, і в якому кожна згадана посилка має, щонайменше при початковому поширенні, часову довжину по суті меншу ніж 2N/C, де С є фазовою швидкістю вибраної моди. 2. Спосіб за п. 1, в якому згадана часова довжина не є значно більшою, ніж приблизно 20Х/С. 3. Спосіб за п. 2, в якому згадана часова довжина не є значно більшою, ніж 10Х/С. 4. Спосіб за п. 3, в якому згадана часова довжина не є значно більшою, ніж 5Х/С. 5. Спосіб за п. 4, в якому згадана часова довжина не є значно більшою, ніж 2Х/С. 2 (19) 1 3 94937 4 довжину не більше величини х, де X значно біль17. Структура відповідно до п. 16, яка є буровою ше х, обладнана пристроєм відповідно до будьколоною або насосно-компресорною колоною в якого з пп. 9-15. нафтовій або газовій свердловині. Даний винахід належить до акустичної телеметрії і, більш конкретно, до способу акустичної передачі даних через трубчасті структури. Винахід, зокрема, належить до акустичної передачі даних через довгі трубчасті структури в основному періодичного характеру, такі як бурові колони або насосно-компресорні труби в нафтових або газових свердловинах, і нафтових, водних і газових трубопроводах, які складаються з множини окремих трубних секцій, сполучених в стик за допомогою з'єднань. Тип структури, з якою призначається працювати відповідно до методики даного винаходу, буде звичайно містити щонайменше десять таких трубних секцій, але звичайно буває набагато більше; наприклад, що є нерідким для глибокої розробки нафтових і газових свердловин, простягатися на глибину декількох кілометрів, і включати в себе експлуатаційні колони з сотнями окремих секцій. Часто існує необхідність здійснювати передачу даних вгору і вниз по свердловині, наприклад, передавати сигнали керування з поверхні для керування забійними моторами, насосами, клапанами, приводами або іншими інструментами, і інформаційні сигнали на поверхню від забійних вимірників швидкості потоку, тензометрів, датчиків температури і тиску, каротажних інструментів і так далі. Акустичні методики, в яких трубчасті структури виступають в ролі хвилеводів для передачі сигналів між різними точками вздовж їх довжини, були відомі деякий час, але досі були незадовільними в плані якості сигналів, що приймаються, і енерговитрат, особливо, коли була необхідна робота на великих відстанях. Винахід буде описаний з посиланнями на прикладені креслення, на яких: Фіг. 1 є діаграмою, яка ілюструє генерацію множини відображень акустичного сигналу всередині окремої секції періодичної трубчастої структури; Фіг. 2 і 3 ілюструють типові фазові і групові швидкості для різних акустичних мод всередині трубчастої металевої структури; і Фіг. 4 схематично ілюструє систему акустичної телеметрії відповідно до винаходу в експлуатаційній нафтовій свердловині. Однієї з проблем, які зустрічаються в акустичній телеметрії виду, описаного вище, є ефект інтерференції так званого брилюенівського розсіяння, яке викликається відображеннями сигналу від стінок трубчастих секцій і з'єднань. Розглянемо, наприклад, Фіг. 1, яка показує частину довгої трубчастої структури, що містить багато окремих трубчастих секцій Т1, Т2, Т3, ... Τn, сполучених в стик за допомогою з'єднань С1, С2, ... Сn-1. У випадку стандартної стальної насоснокомпресорної труби, секції звичайно мають 4-23 см в діаметрі і номінально 9-14 м в довжину, мають на обох кінцях нарізку під трубчасті з'єднання звичайно 20-50 см в довжину. Тепер розглянемо сигнал S, який розповсюджується у вигляді акус тичної хвилі через трубчасту структуру, і відображення, виникаючі всередині проілюстрованої секції Т2. По мірі поширення сигналу вниз через секцію Т2, він зустрічає границю з'єднання С2. Оскільки коефіцієнти передачі і відображення визначаються модою і геометрією границі, в основному для довгохвильових мод акустичний опір (не хвильовий опір) секції труби і з'єднання буде таким же, і велика частина енергії сигналу пройде вздовж цієї границі безперешкодно. Однак, звичайно є деяка міра невідповідності між акустичними опорами і маленькою частиною енергії сигналу, відображеного назад від з'єднання С1, теоретично позначеного на кресленні як R1, і розповсюджуваного у вигляді більш слабого сигналу з довжиною, спочатку рівною довжині сигналу, одержаного на границі з С2. На границі з С1 частина відображеного сигналу R1 сама відобразиться, і буде розповсюджуватися у вигляді двічі відображеного сигналу R2 вниз по трубчастій секції Т2 в тому ж напрямі, що і сигнал S. На границі з С2 частина сигналу R2 знову відобразиться у вигляді R3 і так далі з послідовними ревербераціями зменшуваної енергії, що йде назад і вперед вздовж Т2, поки відображена енергія в кінцевому результаті не розсіється. Для цілей ілюстрації на Фіг. 1 показані усього чотири послідовних реверберації з R1 до R4, хоча на практиці їх може бути набагато більше. Звичайно відбувається перетворення мод, яке полягає в передачі і відображенні декількох мод. Припустимо, що, якщо просторова довжина сигналу S є вдвічі більшою, ніж довжина L трубчастої секції Т2 між з'єднаннями С1 і С2, то стане очевидно, що щонайменше частина другого відображеного сигналу R2, і, можливо, четвертого відображеного сигналу R4 і інших послідовних парних відображень, залежно від загальної довжини хвилі, пройде через секцію Т2 в тому ж напрямі і в той же час, що і частина(и) сигналу S, який все ще проходить через цю секцію (тобто частина(и) того сигналу, який іде за головною частиною довжиною 2L), і буде послідовно інтерферувати з цим сигналом. Довжини хвиль сигналів будуть визначати міру конструктивності або деструктивності цієї інтерференції. Більше того, буде очевидно, що таке ж розсіювання сигналу S відбудеться в кожній з секцій Т1-Τn, приводячи до появи складного сліду з реверберацій, що ідуть за переднім фронтом сигналу S вздовж структури. Ефект звичайно ж буде еквівалентним незалежно від того, чи розповсюджується сигнал S в позначеному напрямі на Фіг. 1 (тобто в напрямі забою у випадку нафтової і газової свердловини) або в протилежному (до устя) напрямі. Такі ж ефекти розсіювання можуть виникати в межах довжини з'єднань С1, С2, і так далі, не дивлячись на те, що вони будуть прагнути стати незначними, якщо довжина хвилі переданого сигналу є великою (щонайменше вдвічі) в порівнянні із з'єднанням. 5 94937 6 Оскільки довжина хвилі залежить від частоти, редачі до рівного або меншого, ніж час прохото інтерференція між сигналом S і відображеними дження сигналів даних трьох довжин бурової косигналами всередині трубної секції приводить до лони. Однак, він не розпізнає ефект інтерференції виникнення послідовності поперемінних смуг брилюенівського розсіяння через відображення «пропускання» і «заглушення» разом з додаткосигналу всередині окремих трубчастих секцій, які вою послідовністю частот «заглушення» (іноді віне можуть бути подолані виключно шляхом розгдомих як «тонка структура» або «штирова струкляду відображень від кінців цілої структури. Більтура») всередині кожної смуги пропускання, при ше того, пропонована методика не попередить цьому кількість частот «заглушення» всередині інтерференцію, викликану сигналом, відображетонкої структури цих смуг залежить від загального ним туди і зворотно від кінців всієї колони, поки числа трубчастих секцій. Частоти заглушення випочатковий період часу не буде зменшений до никнуть, наприклад, на частотах, де довжина тручасу, потрібного сигналам даних для проходження бної секції дорівнює половині довжини хвилі або тільки подвійної довжини бурової колони. кратна ній, і частоти пропускання виникнуть на Було помічено відносно описаних вище меточастотах, де довжина трубчастої секції кратна недик попереднього рівня техніки, особливо у випадпарним чвертям довжини хвилі (тобто частоти, що ку передачі даних вгору по свердловині, що телележать між частотами заглушення, кратними пометричний спосіб, який мінімізує витрати енергії, є ловині довжини хвилі). надто необхідним, оскільки енергія, доступна в Цей ефект вже відомий в даній галузі техніки забої для роботи системи, є дефіцитною. протягом деякого часу. Внаслідок цього може очіЗ посиланням на проблему брилюенівського куватися, що сигнали можуть передаватися з нерозсіяння, обговорену вище, одним фактором, великим загасанням на довжині такої структури який попередній рівень техніки не може розробити, просто шляхом вибору частоти в межах смуги є те, що всередині заданої трубчастої секції інтепропускання, розрахованої виходячи з номінальної рференція переданого сигналу з його власним довжини секцій, з яких вона складається. У більвідображенням(ями) виникає тільки тоді, коли прошості практичних випадків, однак, трубчасті секції сторова довжина сигналу є більшою, ніж подвоєна розрізнюються по довжині щонайменше на деяку довжина секції між з'єднаннями (або, іншими словеличину, і іноді по конструкції. Відповідні смуги вами, часова довжина є більшою, ніж подвоєна заглушення і пропускання, таким чином, перекривідстань, поділена на швидкість поширення сигнаваються одна з одною на будь-яку значну довжилу). ну. Маючи на увазі вищевикладене, в одному асБули запропоновані методики, які долають пекті даний винахід полягає в способі акустичної труднощі акустичної телеметрії в подібних струкпередачі даних через трубчасту структуру, яка турах. Наприклад, US 5128901 пропонує спосіб переважно містить послідовність трубчастих секакустичної телеметрії через бурову колону з викоцій, сполучених в стик за допомогою з'єднань, щористанням модульованої безперервної несучої найменше більшість згаданих трубчастих секцій акустичної хвилі в смугах пропускання бурової мають осьову довжину щонайменше величини X колони, і де сигнал даних попередньо оброблений між з'єднаннями, і щонайменше більшість згадашляхом множення кожної частотної компоненти на них з'єднань має осьову довжину не більше величини х, де X значно більше х; спосіб включає етаехр(-iL), де і є -1, k є номером хвилі в буровій пи, на яких розповсюджують вздовж структури, з її колоні на частоті кожної компоненти і L є довжипершої позиції, акустичні сигнали у формі тональною передачі структури. Однак, цей спосіб все ще них посилок, які щонайменше переважно містять залежить від перетворення мод і ефектів інтерфевибрану хвилевідну моду з довжиною хвилі щоренції на з'єднаннях, необхідно з точністю знати і найменше 2х, і визначають згадані сигнали у друсмуги пропускання і L, і використання безперервгій позиції структури, причому відстань N вздовж ної несучої хвилі спричиняє значну витрату енергії структури між згаданими першою і другою позиціпід час роботи системи. US 6442105 пропонує ями є щонайменше 10Х, і в якому кожна згадана альтернативний підхід для акустичної телеметрії посилка має, щонайменше при початковому пошичерез експлуатаційну насосно-компресорну трубу ренні, часову довжину по суті меншу ніж 2N/C, нафтової свердловини, який використовує техніку причому С є фазовою швидкістю вибраної моди. широкосмугових комунікацій, в якій передані сигВинахід також полягає в пристрої для передачі нали містять коливання частот за проміжок часу, даних відповідно до такого способу і в структурі, тобто лінійно-частотномодульований сигнал, і яка обладнаній таким пристроєм. основується на досягненні щонайменше однієї з У зв'язку з цим, «тональна посилка» буде рочастот іншого кінця структури. Цей спосіб, однак, є зумітися в значенні щонайменше одного, і переваенергетично невигідним, оскільки очікується, що жно декількох, завершених циклів вибраної хвилі, велика частина енергії, що передається, буде блопри цьому максимальна кількість циклів в кожній кована на шляху проходження через структуру і посилці на заданій частоті визначається визначекожний сигнал повинен мати значну довжину для ними вище обмеженням часової довжини. завершення коливання частоти. US 5050132 проЗ попереднього обговорення інтерференційпонує спосіб акустичної передачі сигналів даних них ефектів брилюенівського розсіяння стане зропо буровій колоні, який намагається запобігти дезуміло, що теоретично ідеальним рішенням в споструктивній інтерференції, викликаній сигналом, собі відповідно до винаходу є застосування що відбивається туди і зворотно від кінців бурової обмеження часової довжини в 2Х/С до кожної токолони, шляхом передачі в смузі пропускання бунальної посилки. Будучи таким чином зрізаним, рової колони і обмеження періоду часу кожної пе 7 94937 8 брилюенівське розсіяння не попереджується повПри виборі хвилевідної моди для способу відністю і кожна посилка, що приймається на другій повідно до винаходу зазначено, що є три групи згаданій позиції, буде звичайно супроводжуватися мод, які будуть розповсюджуватися вздовж довслідом з небажаних сигналів, одержуваних внасліжини трубчастої структури, про яку йде мова, а док відображень і реверберацій всередині струксаме згинальна, подовжня і торсіонна. Для цілей тури. Однак, обмеження довжини посилки таким даного винаходу є переважним, щоб вибрана моспособом, фактично до довжини, яка може бути в да мала і низьке поверхневе радіальне зміщення, і основному одержана як «чистий» сигнал, не зруйвисоку групову швидкість. Перший з цих критеріїв нований ефектами брилюенівського розсіяння, є бажаним, тому що поверхневе радіальне зміозначає, що оптимальне використання може бути щення передає енергію флюїду всередині або зозроблене за допомогою енергії, доступної в точці вні структури, що приводить до сильного загасанпередачі і не понадміру витрачуваної на компоненя сигналів, що передаються, в той час як другий нти сигналу, які погано передаються через струкполегшує ізоляцію сигналів, що передаються, від туру. реверберацій і сигналів з перетвореною модою, які Це також передбачає, що є мінімальна диспеідуть за ними. рсія сигналу на його шляху через структуру, так Існує нескінченне число мод для структур, про що подовження сигналу не виникне на частині, яка які йде мова, але найбільш придатною вважається буде передувати значному загасанню через інтеL(0, 1) або перша подовжня мода, на частоті на рферуючі відображення всередині окремих трубнижньому кінці її гілки. Корисна смуга частот для частих секцій. Якщо необхідно, можуть бути зробцієї моди існує від нижньої частоти, обмеженої лені кроки по зменшенню впливу дисперсійних довжиною самої короткої трубчастої секції відносефектів, такі як застосування вікна Хеннінга або но довжини хвилі, аж до верхнього обмеження інших обвідних для формування імпульсу до тоначастоти, визначеного прийнятним обмеженням льної посилки, що передається, для заглушення дисперсії, що підвищується, зумовленим внутрішвиникнення бічних смуг. Однак, це також означає, нім і зовнішнім діаметрами трубних секцій і матещо при деяких обставинах може бути фактично ріалом, з якого вони виготовлені. Фіг. 2 і Фіг. З ілюпереважним вибирати початкову часову довжину, струють фазові і групові швидкості для різних мод, обмежену трохи менше, ніж 2Х/С. змодельованих для звичайної стальної труби для З іншого боку, можуть також бути обставини, в видобутку нафти із зовнішнім діаметром 18 см, з яких переваги винаходу все ще реалізовуються товщиною стінки приблизно 1 см. Моди, показані для корисної частини, де часова довжина сигналу, переривистою лінією, є згинальними і, як можна що передається, є більшою, ніж теоретично ідеабачити, мають більш низькі максимальні групові льна, наприклад, коли є маленька варіація в довшвидкості в порівнянні з показаними подовжніми жині окремих труб або інші геометричні умови є L(0, 1) і L(0,2) модами на показаному діапазоні такими, що початок ефектів брилюенівського розчастот. Перша подовжня мода, як можна бачити, сіяння і відповідна втрата енергії не є настільки простягається на корисній високій груповій швидсерйозними, незважаючи на деяке подовження кості від нульової частоти до приблизно 7,5 кГц, сигналу. Таким чином, в інших варіантах здійсненщо показує верхнє обмеження частоти для теленя довжина сигналу може бути встановлена, скаметричної системи, якщо вона буде працювати з жімо, в 5Х/С, 10Х/С або аж до близько 20Х/С. Це використанням цієї моди, але, не дивлячись на це, також повинно накладати менше обмежень на максимальна швидкість вийде на значно більш точність виготовлення сполученого акустичного низькій частоті, і самий переважний робочий діаперетворювача і допускає використання дешевого пазон є компромісом між швидкістю і допустимою системного апаратного забезпечення. кількістю циклів в кожній тональній посилці. Мода Кодування даних в способі відповідно до виL(0, 1) на низькій частоті є переважною над іншими находу може бути простою присутністю або відсумодами, тому що вона має мінімальне радіальне тністю посилок, що передаються, під час послідопереміщення на границях стінки свердловини на вних періодів часу (тобто фазово-імпульсне нижньому діапазоні частот і повинна надавати кодування) або, оскільки в основному є можливим найменше можливе загасання через витік в отовідрізняти передану тональну посилку від реверчуючий флюїд. берацій, що ідуть за нею, то може бути використаНезважаючи на те, що винахід був описаний ний спосіб з більш високою швидкістю даних, тавище відносно трубопроводу з дискретною струккою як частотна або амплітудна модуляція турою з'єднань С1 і т. д. для з'єднання послідовпосилок. На приймаючому кінці кореляція сигналу них трубчастих секцій, в структурах іншого типу, або інші способи, звичайно відомі в даній галузі до яких застосовний винахід,з'єднання не обов'язтехніки, можуть бути використані для ідентифікації ково повинні бути окремими елементами відносно коректного сигналу. Часове розділення між послітрубчастих секцій, і такі секції можуть бути сполудовними посилками повинно вибиратися так, щоб чені, наприклад, відповідними внутрішніми і зовнідозволяти реверберації від попередньої посилки шніми ділянками нарізки на протилежних кінцях. загасати до прийнятного рівня до того, як передаЗ'єднання тоді містять ті довжини сполучених секвати наступну, для того, щоб уникнути інтерферецій, на які вони згвинчені разом. Також є застосовнції. Однак той факт, що довжина кожної переданим до зварних секцій труб або дійсно будь-якої ної посилки є обмеженою відповідно до винаходу, довгої трубчастої структури, що має регулярні ротакож зменшується подальший період реверберазриви безперервності акустичного шляху, і термін ції в порівнянні зі способами попереднього рівня «з'єднання» повинен відповідно широко інтерпретехніки. туватися. 9 94937 10 Засіб для поширення і визначення акустичних чайними. Як приклад, датчик 7 тиску і клапан 8 сигналів в способі відповідно до винаходу може керування потоком забезпечені на нижньому кінці містити перетворювачі, основані на будь-яких принасосно-компресорної колони і сполучені проводатних принципах конструкції, добре відомих в дами з акустичним перетворювачем 9, змонтоваданій галузі техніки, але через короткі довжини ним в трубі. На верхньому кінці насосносигналів, що вимагаються винаходом, вони перекомпресорної колони інший акустичний перетвоважно є твердотільними пристроями, такими як рювач 10 змонтований в трубі і сполучений провоперетворювачі, що містять набори п'єзоелектричдами, або пристосований іншим чином для з'єдних елементів, або магнітострикційна речовина, нання з наземною станцією керування (не виконані з можливістю фіксації або постійного припоказана) через устя 4 свердловини. Перетворюкріплення до відповідних трубчастих секцій. вачі 9 і 10 взаємодіють за допомогою серії акустиФіг. 4 ілюструє простий варіант здійснення чних тональних посилок, що передаються через акустичної телеметричної системи відповідно до насосно-компресорну трубу відповідно до способу винаходу, встановленої в експлуатаційній нафтоданого винаходу, наприклад, для передачі даних вій свердловині. Експлуатаційна труба, що містить від датчика 7 на поверхню і передачі керуючих множину трубчастих секцій 1, сполучених в стик за сигналів з поверхні до клапана 8. Свердловинне допомогою з'єднань 2, проходить через свердлообладнання 7, 8, 9 може бути заживлене для цих вину всередині зовнішнього облицювання 3 від цілей від батарей або з поверхні, але переважно традиційної структури 4 устя свердловини вниз до за допомогою пристроїв свердловинної генерації пласта-колектора 5, де обсадна колона є перфоенергії, які генерують електрику у відповідь на рованою для встановлення потоку у відкритий кіпротікання продукту через насосно-компресорну нець найнижчої секції 1, і з пакером 6 між обсадколону, таких як пристрої, описані в нашій спільній ною колоною і насосно-компресорною трубою заявці на міжнародний патент № GB 2006/004777. вище пласта-колектора, при цьому всі вони є зви 11 94937 12 13 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 94937 Підписне 14 Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601