Нефтяная скважина и способ работы ствола нефтяной скважины

Нефтяная скважина и способ работы ствола нефтяной скважины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предпосылки создания изобретения

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается в общем системы связи для нефтяной или газовой скважины, имеющей скважинные устройства для контроля и регулирования эксплуатации скважины, и в частности, системы связи, имеющей двухстороннюю телеметрическую магистральную линию связи с избыточными резервными повторителями, датчиками и управляемыми клапанами.

2. Описание предшествующего уровня техники

Нефтяные скважины с газонапорным режимом (газлифтные скважины) использовали, начиная с 1800-ых годов, и доказали их особенную полезность в увеличении эффективной добычи нефти там, где естественный подъем коллектора является недостаточным (см. работы Брауна, Коннолизо (Connolizo) и Робертсона (Robertson) "Краткий курс подъема нефти в Западном Техасе" и Х.У.Уинклера (H.W.Winkler) "Рассмотрение недооцененного или пропущенного газлифтных устройств и оборудования", SPE, стр.351 (1994 г.)). Как правило, в нефтяной газлифтной скважине природный газ, образующийся в месторождении нефти, находится в сжатом состоянии и вводится в кольцевое пространство между обсадной трубой и лифтовой трубой и направляется из обсадной трубы в лифтовую трубу с целью обеспечения "подъема" столба флюида лифтовой трубы для добычи нефти из лифтовой трубы. Хотя лифтовую трубу можно использовать для введения газа, применяемого для газлифта, а кольцевое пространство использовать для добычи нефти, это редко применялось на практике. Первоначально, в газлифтные скважины просто вводили газ у основания лифтовой трубы, но для глубоких скважин требуются чрезмерно высокие давления для выдачи нефти. Позже были разработаны способы введения газа в лифтовую трубу на различных глубинах в скважинах для избежания некоторых из проблем, связанных с высокими давлениями для выдачи нефти (см. патент США №5267469).

В наиболее общем типе газлифтных скважин используются механические газлифтные клапаны сильфонного типа, прикрепленные к лифтовой трубе, с целью регулирования потока газа из кольцевого пространства в лифтовую колонну (см. патенты США №5782261 и 5425425). В типичном газлифтном клапане сильфонного типа сильфон предварительно устанавливают или заряжают до некоторого давления предварительной зарядки, такого, что клапан допускает сообщение газа из кольцевого пространства и в лифтовую трубу под давлением предварительной зарядки. Давление зарядки каждого клапана выбирает инженер буровой скважины в зависимости от местоположения клапана в скважине, гидростатического напора, физического состояния скважины и множества других факторов, некоторые из которых являются предполагаемыми или неизвестными, или меняют в течение периода эксплуатации скважины.

Некоторые проблемы являются общими для газлифтных клапанов сильфонного типа. Во-первых, сильфон часто теряет свою предварительную зарядку, приводя к неисправности клапана в закрытом положении или изменяя его заданное рабочее значение на отличающееся от проектной заданной величины. А иногда подвергание чрезмерному давлению может заставить клапан закрыться и стать недействующим. Другой обычной неисправностью является эрозия вокруг седла клапана и износ шарового стержня в клапане. Это часто ведет к частичному отказу или по меньшей мере к неэффективной добыче. Поскольку выброс газа через газлифтный клапан часто не является длительным в устойчивом состоянии, а скорее демонстрирует некоторое количество ударов и вибрации, когда клапан быстро открывается и закрывается, обычно происходит постепенное ухудшение свойств клапана, что ведет к нарушению герметичности клапана. Отказ или неэффективное действие клапанов сильфонного типа ведет к соответствующей неэффективности в функционировании типичной газлифтной скважины. Фактически, как оценивают, дебит скважины по меньшей мере на 5-15% меньше оптимальной величины из-за отказов или эксплуатационной неэффективности клапанов. Это невозможно исправить, поскольку давление предварительной установки клапана определяется в период проектирования, и не имеется достаточного оперативного знания рабочего состояния скважины для контролирования, предотвращения или управления нестабильностью в процессе добычи.

Известны эксцентричные камеры для газлифтных клапанов, связанные с лифтовой колонной и предназначенные для приема устанавливаемых и извлекаемых с помощью талевых канатов газлифтных клапанов. Многие газлифтные скважины включают в себя газлифтные клапаны как неотъемлемую часть лифтовой колонны, которые обычно установлены на секции труб. Однако эксцентричные камеры для газлифтных клапанов, в которых замена осуществляется с помощью талевых канатов, типа изготавливаемых на фирме Camco или Weatherford, имеют много преимуществ и нередко встречаются (см. патенты США №5782261 и 5797453). Газлифтные клапаны, помещенные в эксцентричную камеру для газлифтных клапанов, можно вставлять и удалять, используя талевый канат и инструмент подъема при введении либо у вершины, либо у основания. В боковых и горизонтальных буровых скважинах для введения и удаления газлифтных клапанов используется скрученная в спираль лифтовая труба. При добыче в нефтяном месторождении является обычной практикой перекрывать скважину каждые три - пять лет и использовать талевый канат для замены газлифтных клапанов. Однако оператор часто не может хорошо оценить, какие клапаны в скважине неисправны или ухудшили характеристики и подлежат замене.

Поэтому было бы существенным преимуществом разработать систему и способ, которые преодолеют недостаток неэффективности обычных газлифтных клапанов сильфонного типа. Были изобретены несколько способов размещения управляемых клапанов в скважине на лифтовой колонне, но все такие известные устройства обычно используют электрический кабель, располагаемый вдоль лифтовой колонны, для обеспечения электропитания и связи с газлифтными клапанами. Это, конечно, крайне нежелательно и на практике трудно использовать кабель, проложенный вдоль лифтовой колонны либо заодно с лифтовой колонной, либо отдельно от нее, в кольцевом зазоре между лифтовой колонной и обсадной трубой, из-за присутствующего в такой системе ряда механизмов отказа. Использование кабеля представляет трудности для операторов скважины при сборке и введении лифтовой колонны в ствол скважины. Кроме того, кабель подвергается коррозии и интенсивному износу из-за перемещения лифтовой колонны внутри ствола скважины. Пример скважинной системы связи, использующей кабель, показан в документе РСТ/ЕР 97/01621.

В патенте США №4839644 описаны способ и система беспроводной двухсторонней связи в обсаженной буровой скважине, имеющей лифтовую колонну. Однако эта система описывает схему связи, предназначенную для подведения электромагнитной энергии в режиме магнитной волны (Н-волны) посредством использования кольцевого пространства между обсадной трубой и лифтовой трубой. Для этого требуется, чтобы тороидальная антенна возбуждала или принимала сигналы в режиме Н-волны, в патенте предложена необходимость в изолированном устье скважины и не говорится об источнике питания для модуля в скважине. Индуктивная связь требует по существу непроводящей текучей среды, типа сырой нефти, в кольцевом пространстве между обсадной трубой и лифтовой трубой, и эта нефть должна иметь более высокую плотность, чем рассол, чтобы просачивающийся рассол не собрался на дне кольцевого пространства. Изобретение, описанное в патенте США №4839644, не получило широкого применения в качестве практической схемы скважинной связи, поскольку оно дорогостоящее, имеет проблемы с просачиванием рассола в обсадную трубу и является трудным для использования. Другая система для скважинной связи, использующая телеметрию по гидроимпульсному каналу связи, описана в патентах США №4648471 и 5887657. Хотя телеметрия по гидроимпульсному каналу связи может быть удачной при низких скоростях передачи данных, она имеет ограниченную пригодность там, где требуются высокие скорости передачи данных или где нежелательно иметь сложное скважинное оборудование телеметрии по гидроимпульсному каналу связи. Другие способы связи внутри буровой скважины описаны в патентах США №4468665; 4578675; 4739325; 5130706; 5467083; 5493288; 5574374; 5576703 и 5883516. В заявке РСТ WO 93/26115 описана система связи для использования в подводных трубопроводах, которая страдает от необходимости обеспечить в трубопроводе множество источников электропитания.

Следовательно, можно добиться существенного прогресса в работе газлифтных скважин, если обеспечить альтернативный вариант обычному клапану сильфонного типа, в частности, если лифтовую колонну и обсадную трубу можно будет использовать в качестве проводников средств связи и электроэнергии для управления и работы управляемого гаэлифтного клапана.

Нефтяная скважина и способ согласно преамбуле пп.1 и 5 формулы изобретения известны из европейской заявки на патент ЕР 721053. В известном устройстве и способе трубчатый элемент, покрытый электроизоляционным покрытием, используется в комбинации с индуктивными катушками, которые расположены снаружи покрытия, для передачи электроэнергии и сигналов по трубчатому элементу скважины.

В европейской заявке на патент ЕР 0964134 раскрыт способ, в котором электрические сигналы передаются по колонне трубчатых элементов скважины, которые также снабжены электроизоляционным покрытием, и они электрически изолированы от других частей трубчатой колонны изолирующими муфтами.

Неудобство известных систем заключается в том, что они включают в себя передачу сигналов по трубчатым элементам скважины, покрытым электроизоляционным слоем, который является дорогостоящим и склонен к износу и повреждению во время установки и использования.

Сущность изобретения

Нефтяная скважина и способ в соответствии с настоящим изобретением отличаются отличительными признаками п.п.1 и 9 формулы изобретения. В важном применении, нефтяная скважина представляет собой управляемую газлифтную скважину, которая включает в себя систему трубопроводов обсаженного ствола скважины, имеющую лифтовую колонну, расположенную и проходящую в продольном направлении внутри обсадной трубы. Расположение лифтовой колонны внутри обсадной трубы образует кольцевое пространство между лифтовой колонной и обсадной трубой. Система связи, или магистральная линия связи обеспечена для подачи электроэнергии и сигналов связи в скважину. Электроэнергия предпочтительно представляет собой переменный ток низкого напряжения на обычных промышленных частотах в диапазоне от 50 до 400 Гц, но в некоторых вариантах осуществления можно использовать электроэнергию постоянного тока.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения спущенный в скважину индукционный дроссель (электрический дроссель) из ферромагнитного материала расположен на лифтовой колонне в скважине, чтобы действовать как последовательное полное сопротивление для тока, протекающего по лифтовой трубе. Подвесное устройство для подвешивания лифтовой колонны внутри ствола скважины включает в себя изолированный участок, который электрически изолирует верхнюю часть лифтовой колонны около поверхности скважины. Связь предпочтительно осуществляется по электрически изолированной секции лифтовой колонны между изолированным участком подвесного устройства и спущенным ферромагнитным дросселем. Электроэнергия и сигналы связи передаются в электрически изолированный участок лифтовой колонны, а обсадная труба действует как электрический обратный провод.

Множество скважинных устройств подсоединено к лифтовой колонне в скважине для контроля и управления работой скважины. Эти скважинные устройства могут включать в себя управляемые газлифтные клапаны, датчики, электронные модули и модемы. Управляемый газлифтный клапан подсоединен к лифтовой трубе для управления нагнетанием газа между внутренней и внешней частью лифтовой трубы, более конкретно между кольцевым пространством и внутренней частью лифтовой трубы. Управляемый газлифтный клапан запитывается и управляется с поверхности с целью регулирования сообщения текучей среды между кольцевым пространством и внутренней частью лифтовой трубы. Датчики расположены в скважине для контролирования скважинного физического состояния буровой скважины. Электронный модуль представляет собой блок управления, который принимает сигналы от датчиков для сообщения сигналов на поверхность и принимает сигналы связи с поверхности для управления управляемым газлифтным клапаном. Модемы используются для обмена сигналами между другими скважинными устройствами и поверхностью.

Более подробно, находящийся на поверхности компьютер, имеющий модем, передает сигнал связи в лифтовую трубу, и сигнал принимается находящимся в скважине модемом. Находящийся в скважине модем, который часто является компонентом электронного модуля, затем передает сигнал в управляемый газлифтный клапан. Аналогичным образом, находящийся в скважине модем может принимать и затем сообщать информацию датчиков в находящийся на поверхности компьютер. В зависимости от диапазона связи, который модемы способны обеспечивать при определенных состояниях скважины, сигналы, проходящие по лифтовой колонне, могут передаваться между находящимися в скважине модемами. Электроэнергия подается в лифтовую колонну и принимается в скважине для управления работой управляемого газлифтного клапана.

Находящийся на поверхности компьютер предпочтительно соединен через находящийся на поверхности модем и лифтовую трубу с находящимися в скважине модемами. Находящийся на поверхности компьютер может получать измерения от множества источников, типа скважинных или поверхностных датчиков, измерения дебита нефти и измерения ввода сжатого газа в скважину (поток и давление). Используя такие измерения, компьютер может вычислять оптимальное положение управляемого газлифтного клапана, более конкретно оптимальное количество газа, вводимого из кольцевого пространства внутри обсадной трубы через управляемый клапан в лифтовую трубу. Возможны дополнительные улучшения, типа управления количеством ввода сжатого газа в скважину у поверхности, управления противодавлением в скважинах, управления пористым фриттированием или системой введения поверхностно-активного вещества для вспенивания нефти, и получения измерений добычи и функционирования из различных других скважин в том же месторождении, с целью оптимизирования добычи в месторождении.

Возможность активно контролировать текущее состояние скважины, связанная с возможностью управлять состоянием на поверхности и в скважине, в газлифтной скважине имеет много преимуществ. Газлифтные скважины имеют четыре основных режима течения текучей среды, например пенистое (аэрированное), Тейлоровское, пробковое и кольцевое течение. Скважинные датчики по настоящему изобретению позволяют обнаруживать и идентифицировать режим течения. Вышеупомянутые механизмы управления - находящийся на поверхности компьютер, управляемые клапаны, ввод газа, введение поверхностно-активного вещества и т.д. - обеспечивают возможность достигать и поддерживать оптимальное течение. В общем, испытания и диагностирования скважины можно выполнять и анализировать непрерывно и в режиме реального времени.

В одном из аспектов настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, имеющая ствол (11) скважины, проходящий в землю, и электропроводную систему (26) трубопроводов, расположенную в стволе (11) скважины, в котором одно или более устройств (50) электрически подсоединены к системе (26) трубопроводов в стволе скважины для беспроводного приема изменяющегося во времени электрического сигнала, прикладываемого к системе (26) трубопроводов, и по меньшей мере одно устройство (50) для считывания или управления физической характеристикой в стволе скважины или в непосредственной близости к нему приводится в действие сигналом, и в которой электрический дроссель расположен в непосредственной близости от участка системы трубопроводов для трассирования изменяющегося во времени сигнала внутри системы трубопроводов; отличающаяся тем, что электрический дроссель (42) выполнен с возможностью действия в качестве последовательного полного сопротивления для электрического тока, протекающего по упомянутому участку системы (26) трубопроводов, и тем, что по меньшей мере одно устройство (50) электрически подсоединено к системе трубопроводов (26) выше электрического дросселя (42).

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, в которой система (26) трубопроводов представляет собой эксплуатационную лифтовую колонну (26), которая окружена заполненным текучей средой кольцевым пространством (31) и обсадной трубой (24).

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, в которой компьютер и/или источник питания (44) выполнен с возможностью приложения изменяющегося во времени электрического сигнала к системе трубопроводов для передачи информации.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, в котором устройство представляет собой датчик для считывания физической характеристики в стволе скважины, типа температуры, давления или акустической характеристики.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, в которой устройство представляет собой клапан, выполненный с возможностью работы, при получении команды с помощью беспроводного сигнала, прикладываемого к системе трубопроводов.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, в которой нефтяная скважина представляет собой газлифтную скважину, система трубопроводов включает в себя лифтовую трубу, а одно устройство представляет собой газлифтный клапан, подсоединенный к лифтовой трубе и управляемый с возможностью регулировки потока текучей среды между внутренней и внешней частью лифтовой трубы.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, включающая в себя множество устройств, каждое из которых выполнено с возможностью посылки и приема сигналов связи для сообщения с другими устройствами в различных областях скважины.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается нефтяная скважина, включающая в себя контроллер и некоторые из устройств, являющиеся датчиками, и по меньшей мере одно устройство, являющееся клапаном, посредством чего действие клапана определяется контроллером, основывающимся на входном сигнале от датчиков.

В нефтяной скважине, имеющей ствол скважины, проходящий в землю, и электропроводную систему трубопроводов, расположенную в стволе скважины, предлагается способ работы ствола скважины посредством прикладывания изменяющегося во времени электрического сигнала к системе трубопроводов, который принимает один или больше беспроводные устройства, электрически подсоединенные к системе трубопроводов в стволе скважины, чтобы оказать влияние на работу по меньшей мере одного устройства в земле, и в котором электрический дроссель расположен в непосредственной близости к участку системы трубопроводов для трассирования изменяющегося во времени сигнала внутри системы трубопроводов; отличающийся тем, что электрический дроссель (42) действует как последовательное полное сопротивление для электрического тока, протекающего по упомянутому участку системы (26) трубопроводов, и тем, что по меньшей мере одно устройство (50) электрически подсоединено к системе (26) трубопроводов выше электрического дросселя (42).

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается способ, в котором по меньшей мере одно устройство (50) представляет собой датчик для восприятия физической характеристики в стволе скважины, причем способ включает в себя восприятие указанной физической характеристики, такой как температура, давление или акустические данные, и передачу воспринятой физической характеристики по системе трубопроводов.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается способ, в котором изменяющийся во времени сигнал электроэнергии и изменяющийся во времени сигнал связи прикладывают к системе трубопроводов и осуществляют передачу электроэнергии и связь с множеством устройств.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается способ, в котором нефтяная скважина представляет собой газлифтную скважину и по меньшей мере одно устройство является управляемым клапаном, при котором осуществляют связь с клапаном и регулирование потока текучей среды через клапан.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается способ, включающий в себя управление инжекцией газлифтного газа и/или скоростью выдачи сырой нефти в газлифтной скважине.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет схематический вид спереди управляемой газлифтной скважины согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, в котором газлифтная скважина имеет лифтовую колонну и обсадную трубу, расположенную внутри буровой скважины.

Фиг.2А представляет увеличенную вертикальную часть с частичным вырезом лифтовой колонны в обсаженной буровой скважине, имеющей индукционный дроссель вокруг лифтовой трубы.

Фиг.2В представляет увеличенную горизонтальную часть с частичным вырезом лифтовой колонны фиг.2А.

Фиг.3А и 3В представляют виды спереди в разрезе управляемого клапана в конфигурации клетки в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 представляет увеличенный схематический вид спереди лифтовой колонны и обсадной трубы фиг.1, где лифтовая колонна имеет электронный модуль, датчики и управляемый газлифтный клапан, оперативно подсоединенный к внешней части лифтовой колонны.

Фиг.5 представляет изображение эквивалентной принципиальной электрической схемы для управляемой газлифтной скважины фиг.1, где газлифтная скважина имеет источник питания переменного тока, электронный модуль фиг.3А и электронный модуль фиг.4.

Фиг.6 представляет блок-схему системы электронного модуля.

Подробное описание изобретения

Термин "система трубопроводов", как используется в настоящей заявке, может быть одной единственной трубой, лифтовой колонной, обсадной трубой, штоком поршневого насоса, рядом связанных труб, стержней, рельсов, ферм, решеток, опор, ответвлением или боковым удлинением скважины, сетью связанных труб или другими системами, известными специалистам в данной области техники. В предпочтительном варианте осуществления используется изобретение в контексте нефтяной скважины, где система трубопроводов содержит трубчатую, металлическую, электропроводную трубу или лифтовые колонны, но изобретение этим не ограничено. Для настоящего изобретения по меньшей мере часть системы трубопроводов должна быть электропроводной, так, чтобы электропроводный участок мог составлять всю систему трубопроводов (например, стальные трубы, медные трубы) или проходящий в продольном направлении электропроводный участок, объединенный с проходящим в продольном направлении непроводящим участком. Другими словами, электропроводная система трубопроводов представляет собой систему, которая обеспечивает электропроводный путь от первого местоположения, где источник питания электрически связан со вторым местоположением, в котором электрически связаны устройство и/или электрический обратный провод. Системой трубопроводов, как правило, является обычная круглая металлическая лифтовая труба, но геометрия поперечного сечения системы трубопроводов, или любой ее части, может изменяться по форме (например, округлая, прямоугольная, квадратная, овальная) и размеру (например, по длине, диаметру, толщине стенок) в любой части системы трубопроводов. Следовательно, система трубопроводов должна иметь электропроводный участок, проходящий от первого местоположения системы трубопроводов ко второму местоположению системы трубопроводов.

"Клапан" представляет собой любое устройство, которое функционирует с целью регулирования потока текучей среды. Примеры клапанов включают в себя, но не ограничены ими, газлифтные клапаны сильфонного типа и управляемые газлифтные клапаны, каждый из которых можно использовать для регулирования потока применяемого для газлифта газа в лифтовую колонну скважины. Внутреннее функционирование клапанов может сильно изменяться, и в настоящей заявке не следует ограничиваться клапанами, описанными в какой-либо конкретной конфигурации, пока клапан функционирует с целью регулирования потока. Некоторые из различных типов механизмов регулирования потока включают в себя, но не ограничены этим, конфигурации шаровых клапанов, конфигурации игольчатых клапанов, конфигурации запорных клапанов и конфигурации клапанов клетки. Способы установки клапанов, обсуждаемые в настоящей заявке, могут широко варьироваться. Клапаны можно устанавливать в скважине многими различными способами, некоторые из которых включают в себя конфигурации трансканалируемого по лифтовой трубе монтажа, конфигурации эксцентричных камер для установки клапанов или конфигурации постоянного монтажа, типа монтажа клапана в увеличенном коллекторе лифтовой трубы.

Термин "модем" используется здесь в общем для обозначения любого коммуникационного устройства, предназначенного для передачи и/или приема электрических сигналов связи через электрический проводник (например, металл). Следовательно, этот термин не ограничен акронимом для модулятора (устройства, которое преобразовывает речевой или информационный сигнал в форму, которая может быть передана)/демодулятора (устройства, которое восстанавливает первоначальный сигнал после его модулирования высокочастотной несущей). Кроме того, термин "модем", как используется здесь, не ограничен обычными компьютерными модемами, которые преобразовывают цифровые сигналы в аналоговые сигналы и наоборот (например, для посылки цифровых информационных сигналов по аналоговой коммутируемой телефонной сети общего пользования). Например, если датчик посылает измерения в аналоговом формате, то такие измерения может быть необходимо только модулировать несущим сигналом и передавать, а следовательно, аналого-цифровое преобразование не требуется. В качестве другого примера, для идентифицирования, фильтрации, усиления и/или ретрансляции полученного сигнала может требоваться только ретрансляционный модем или устройство связи. Однако модемы, используемые в данном изобретении, в общем могут быть цифровыми, широкополосными, поскольку они широко доступны из коммерческих источников и имеют самую широкую применимость.

Термин "беспроводный", как он используется в настоящем изобретении, означает отсутствие обычных, изолированных проводов, например, проходящих от находящегося в скважине устройства на поверхность. Использование лифтовой трубы и/или обсадной трубы в качестве проводника рассматривается как "беспроводное".

Термин "датчик", как используется в настоящей заявке, относится к любому устройству, которое обнаруживает, определяет, контролирует, регистрирует или иначе считывает абсолютную величину или изменение физической величины. Датчики, как они описаны в настоящей заявке, могут использоваться для измерения температуры, давления (как абсолютного, так и отличающегося), объемной скорости потока, сейсмических данных, акустических данных, уровня рН (водородного показателя), уровней минерализации, положений клапана или почти любых других физических данных.

Термин "электронный модуль" в настоящей заявке относится к управляющему устройству. Электронные модули могут иметь множество конфигураций и могут быть установлены в скважине с помощью множества различных способов. В одной монтажной конфигурации электронный модуль фактически расположен внутри клапана и обеспечивает управление работой двигателя внутри клапана. Электронные модули можно также устанавливать снаружи на любой конкретный клапан. Некоторые электронные модули устанавливают внутри эксцентричных камер для газлифтных клапанов или увеличенных карманов лифтовой трубы, в то время как другие можно перманентно крепить к лифтовой колонне. Электронные модули часто электрически связаны с датчиками и помогают в передаче информации датчиков на поверхность скважины. Возможно, что датчики, связанные с конкретным электронным модулем, можно даже размещать внутри электронного модуля. Наконец, электронный модуль часто тесно связан с модемом и может фактически его содержать, для приема, посылки и передачи сообщений с поверхности скважины и на нее. Сигналы, которые принимаются с поверхности электронным модулем, часто используются, чтобы произвести изменения внутри находящихся в скважине управляемых устройств, типа клапанов. Сигналы, посылаемые или передаваемые на поверхность электронным модулем, в общем содержат информацию об относительно физических состояниях скважины, обеспечиваемую датчиками.

Термины "вверх", "вниз", "выше", "ниже", как они используются в данном изобретении, представляют собой относительные термины для указания положения и направления перемещения и описывают местоположение "вдоль глубины скважины", как обычно принято в промышленности. В наклонных или горизонтальных скважинах эти термины могут или не могут соответствовать абсолютному относительному расположению относительно поверхности земли.

Рассмотрим фиг.1, на которой иллюстрируется нефтяная скважина в соответствии с настоящим изобретением. Нефтяная скважина представляет собой газлифтную скважину 10, имеющую ствол 11 скважины, проходящий от поверхности 12 в зону 14 добычи, которая расположена у основания скважины. Эксплуатационная платформа 20 расположена у поверхности 12 и включает в себя подвесное устройство 22 для поддержания обсадной трубы 24 и лифтовой колонны 26. Обсадная труба 24 имеет тип, традиционно используемый в нефтегазовой промышленности. Обсадная труба 24 обычно устанавливается секциями и скрепляется цементным раствором в стволе 11 скважины во время завершения скважины. Лифтовая колонна 26, также называемая насосно-компрессорной колонной, является в общем обычной колонной, содержащей множество удлиненных трубчатых секций труб, соединенных резьбовыми соединениями на каждом конце секций труб, но, в качестве альтернативы, ее можно вставлять непрерывно, например, как трубы в бухтах. Эксплуатационная платформа 20 также включает в себя дроссель 30 ввода газа для управления вводом сжатого газа в кольцевое пространство 31 между обсадной трубой 24 и лифтовой колонной 26. И наоборот, выпускной клапан 32 допускает вытеснение нефти и газовых пузырьков из внутренней части лифтовой колонны 26 во время добычи нефти.

Газлифтная скважина 10 включает в себя систему 34 связи для обеспечения электроэнергии и двухсторонней скважинной связи в скважине 10. Система 34 связи включает в себя спущенный ферромагнитный дроссель 42, который установлен на лифтовой колонне 26, чтобы действовать как последовательное полное сопротивление для электрического тока. Размер и материал ферромагнитного дросселя 42 можно менять с целью изменения величины последовательного полного сопротивления. Подвесное устройство 22 включает в себя изолированный участок 40, который электрически изолирует лифтовую колонну 26 от обсадной трубы 24 и от остальной части лифтовой колонны, расположенной выше поверхности 12. Секцию лифтовой колонны 26 между изолированным участком 40 и спущенным дросселем 42 можно рассматривать как канал электропитания и связи (см. также фиг.5). Спущенный дроссель 42 изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и установлен концентрически и снаружи лифтовой колонны 26. Дроссель 42 обычно изолируют, упаковывая в пластмассовую усадочную пленку, и могут укреплять эпоксидной смолой, чтобы противостоять грубому манипулированию.

Компьютер и источник питания 44, которые имеют линии 46 подачи электроэнергии и связи, расположены вне ствола 11 скважины на поверхности 12. Линии связи 46 проходят через линию 47 подачи под давлением, расположенную в подвесном устройстве 22, и электрически подсоединены к лифтовой колонне 26 ниже изолированного участка 40 подвесного устройства 22. Электроэнергия и сигналы связи подаются на лифтовую колонну 26 от компьютера и источника питания 44.

Рассмотрим фиг.2А и 2В, на которых дроссель 42 содержит тороидальный сердечник, расположенный концентрически с лифтовой колонной 26 и внутри кольцевого пространства 31 между лифтовой колонной 26 и обсадной трубой 24. Дроссель 42 функционирует, создавая противоэлектродвижущую силу в лифтовой колонне 26, который противодействует электродвижущей силе (эдс) от источника питания 44. Противоэлектродвижущую силу создают изменения потока магнитной индукции в дросселе, и в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея эта эдс пропорциональна величине потока магнитной индукции и его скорости изменения во времени. Когда секции труб выше изолированного участка 40 и ниже спущенного дросселя 42 заземлены, противоэлектродвижущая сила, индуцируемая спущенным дросселем 42, противодействует передаче электроэнергии и сигналов связи в изменяющемся во времени токе через дроссель 42. Это эффективно формирует изолированную секцию лифтовой трубы между изолированным участком 40 и спущенным дросселем 42. Когда конструкция дросселя создает существенную степень изоляции, противоэлектродвижущая сила близка к величине приложенной эдс. Для той степени, когда противоэлектродвижущая сила меньше, чем приложенная эдс, разность этих двух сил позволяет току утечки протекать через секцию дросселя лифтовой трубы. Эта энергия теряется, но обязательна для работы дросселя, потому что поток магнитной индукции от этого тока утечки проходит через дроссель, который создает противоэлектродвижущую силу в секции дросселя. Таким образом, цель конструкции состоит в том, чтобы создать электрический дроссель, который производит противоэлектродвижущую силу от тока утечки настолько эффективно, насколько возможно.

На фиг.2А и 2В изображена основная конструкция дросселя и показаны переменные, используемые в анализе конструкции. Определяющие переменные и самосогласованный набор физических единиц представляют собой:

L - длина дросселя, метры;

а - внутренний радиус дросселя, метры;

b - внешний радиус дросселя, метры;

r - расстояние от оси дросселя, метры;

I - среднеквадратичное значение тока утечки через снабженную дросселем секцию трубы, амперы;

ω - угловая частота тока утечки, радианы в секунду; и

μ - абсолютная магнитная проницаемость материала дросселя при радиусе r, генри на метр.

По определению, ω=2πf, где f - частота в герцах. На расстоянии r от тока утечки (I) среднеквадратичное значение магнитного поля в свободном пространстве (Н), в амперах на метр, определяется выражением:

Н=I/2πr.

Магнитное поле (Н) является аксиально-симметричным относительно оси дросселя, и его можно наглядно представить в виде магнитных линий силы, образующих круги вокруг этой оси.

Для точки внутри материала дросселя среднеквадратичное значение магнитного поля (В), в теслах (веберы на квадратный метр), определяется выражением:

В=μH=μI/2πr.

Среднеквадратичное значение потока магнитной индукции (F), заключенного внутри тела дросселя, в веберах, определяется выражением:

F=∫B dS

где S - площадь поперечного сечения дросселя в квадратных метрах, как показано на фиг.2А, и интегрирование производится по площади S. Выполнение интегрирования от внутреннего радиуса дросселя (а) до внешнего радиуса дросселя (b) по длине дросселя (L) обеспечивает:

F=μLI ln (b/a)/2π

где ln - функция натурального логарифма. Напряжение противоэлектродвижущей силы, генерируемое магнитным потоком (F), в вольтах, определяется выражением:

V=ωF=2πf F = μLIf ln(b/a).

Следует отметить, что противоэлектродвижущая сила (V) прямо пропорциональна длине (L) дросселя для постоянных величин а и b, внутреннего и внешнего радиусов ферритового элемента. Таким образом, изменяя длину (L) дросселя, можно генерировать любую требуемую противоэлектродвижущую силу (V) для данного тока утечки (I).

Электроэнергия может