СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ИНФОРМАЦИИ В КОЛОННЕ СТЫКУЮЩИХСЯ ТРУБ Российский патент 1995 года по МПК E21B47/12 H04B5/00 

Изобретение относится к бурению скважин, а именно к устройствам для бесконтактной передачи энергии от источника, находящегося в одной трубе из колонны труб, к потребителю, находящемуся в другой трубе этой колонны, для аналогичной передачи информации и для передачи информации и энергии одновременно.

Известна система передачи энергии и информации для буровой аппаратуры (1), содержащая электрические проводники, расположенные вдоль тела труб и элементы контактной электрической связи на ниппеле и муфте.

Этой системе присущи все недостатки устройства, использующего контактную электрическую связь.

Известна также электрическая система передачи информации для буровых скважин (2), содержащая электрические проводники, расположенные вдоль тела труб, и элементы бесконтактной связи источник магнитного поля и датчик Холла, расположенные на ниппеле и муфте замка стыкуемых труб.

Недостатками этой системы являются сложность конструкции и ее низкая надежность.

На фиг. 1 представлена колонна труб электрической системой передачи, в которой трансформаторные обмотки размещены в кольцевых выточках на торце муфты и на упорной плоскости ниппеля; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 вариант выполнения электрической системы передачи, в котором трансформаторная обмотка системы располагается непосредственно в кольцевых проточках ниппеля и муфты; на фиг. 4 вариант выполнения электрической системы передачи, в котором трансформаторная обмотка системы размещена внутри собственного разомкнутого магнитопровода, установленного в кольцевых проточках ниппеля и муфты; на фиг. 5 вариант выполнения электрической системы передачи, в котором трансформаторная обмотка намотана вокруг собственного замкнутого кольцевого магнитопровода и установлена в кольцевых проточках ниппеля и муфты; на фиг. 6, 7 варианты реализации системы передачи (фиг. 3, 5), в которой наружные части упора ниппеля и муфты (или только ниппеля или муфты) выполнены выступающими; на фиг. 8 одна из разновидностей варианта фиг. 3, где выступающая часть упора обеспечивает надежное замыкание магнитопровода (в вариантах фиг. 8 и 7 используется крышка 30, защищающая обмотки от механический повреждений); на фиг. 9 разновидность варианта реализации системы передачи (по фиг. 5) в случае неэлектропроводных труб; на фиг. 10 замкнутый кольцевой магнитопровод, вокруг которого намотана трансформаторная обмотка; на фиг. 11 колонна труб с электрической системой передачи, в которой трансформаторные обмотки размещены в кольцевых проточках, выполненных в конических резьбовых поверхностях ниппеля и муфты; на фиг. 12, 13 варианты размещения трансформаторных обмоток (по фиг. 11), при этом обмотки помещены внутри собственных магнитопроводов; на фиг. 14 вариант выполнения собственного магнитопровода трансформаторной обмотки, размещенной в кольцевой проточке ниппеля (по фиг. 12, 13); на фиг. 15-17 колонна труб с электрической системой передачи, в которой трансформаторные обмотки размещены в кольцевых проточках на торце ниппеля и противолежащей ему плоскости муфты; на фиг. 18-20 колонна труб с системой передачи, в которой трансформаторные обмотки размещены в кольцевых проточках, выполненных в наружных цилиндрических поверхностях ниппеля и муфты; на фиг. 21-23 колонна труб с системой передачи, в которой трансформаторные обмотки размещены в кольцевых проточках, выполненных во внутренних цилиндрических поверхностях ниппеля и муфты; на фиг. 24, 25 варианты выполнения электрических проводников системы передачи информации и энергии.

Предлагаемая система работает следующим образом.

Ниппель 1 одной из труб 2 колонны соединяется с муфтой 3 второй трубы 4 резьбовым соединением 5 (фиг. 1). Трансформаторные обмотки 6 системы размещены в кольцевых проточках 7 ниппеля 1 и муфты 3. Электрические проводники 8 системы располагаются вдоль тела труб, например в пазах 9, зафиксированы и изолированы компаундом 10.

В одном из вариантов трансформаторные обмотки 6 могут быть размещены непосредственно в проточках 7 ниппеля 1 и муфты 3, при этом трансформаторные обмотки фиксируются и изолируются в проточках 7 компаундом 11. Выводы 12 трансформаторных обмоток для соединения с электрическими проводниками 8 могут проходить например через отверстия 13 (фиг. 3-10).

В другом варианте выполнения трансформаторные обмотки 6 размещены внутри собственного разомкнутого магнитопровода 14 (фиг. 4). Здесь, как и в предыдущем варианте, обмотки фиксируются и изолируются в магнитопроводе 14 и в проточках 7 компаундом 11, а их выводы могут проходить через отверстия 13.

В другом варианте трансформаторные обмотки 6 намотаны вокруг собственного замкнутого кольцевого магнитопровода 15, который может быть изготовлен сплошным, навит из ленты или выполнен из феррита. Далее изготовленные таким образом обмотки устанавливаются в кольцевые проточки 7 ниппеля 1 и муфты 3, фиксируются и изолируются в проточке компаундом 11 (фиг. 5-10).

На фиг. 6 показана одна из разновидностей этого конструктивного варианта выполнения трансформаторных обмоток. Для обеспечения надежного электрического соединения короткозамкнутого витка, образованного электропроводными ниппелем 1 и муфтой 3, наружные части 16 упора ниппеля и муфты выполнены выступающими.

На фиг. 9 представлена разновидность конструктивного варианта трансформаторных обмоток.

В случае, когда трубы 2 и 4 или одна из них неэлектропроводны, обмотку 6 с собственным замкнутым кольцевым магнитопроводом 15, находящуюся в проточке 7, выполненной в неэлектропроводной трубе, следует поместить внутри дополнительно вводимого кольцевого разомкнутого электропроводящего сердечника 17, разомкнутые торцы которого выступают над сопрягаемыми поверхностями.

Трансформаторные обмотки 6 системы передачи информации и энергии могут быть размещены в кольцевых проточках 7, выполненных в конических резьбовых соединениях 5 ниппеля 1 и муфты 3 (фиг. 11-14).

На фиг. 11 представлен указанный вариант для случая, когда трансформаторные обмотки 6 расположены непосредственно в кольцевой проточке 7 ниппеля 1 и муфты 3. Для того, чтобы размещение обмоток 6 в муфте 3 было технологически удобным, возможно изготовление сборной муфты 3, состоящей из основной части и насадки 18.

На фиг. 11 и 14 представлен вариант для случая, когда трансформаторные обмотки 6 размещены внутри собственных разомкнутых магнитопроводов 19 и 20, аналогичных магнитопроводам 14 на фиг. 4. Если муфта 3 выполнена сборной, то наружный магнитопровод 19 может быть изготовлен сплошным кольцевым. Внутренний магнитопровод 20 в случае выполнения ниппеля 1 сплошным (несборным) должен быть составным. Например, как показано на фиг. 14, составленным из двух половин. На фиг. 12 показан вариант использования обмоток, размещенных на собственных замкнутых магнитопроводах 15, аналогичных изображенным на фиг. 10. Здесь для обеспечения возможности установки магни- топровода ниппель, так же как и муфта, должен содержать насадку 21.

Трансформаторные обмотки 6 системы передачи информации и энергии могут быть размещены также в кольцевых проточках 7 на торце ниппеля 1 и противолежащей ему плоскости муфты 3 (фиг. 15-17). При этом обмотки 6 могут быть расположены в проточках 7 непосредственно (фиг. 15) или в собственных разомкнутых магнитопроводах 14 (фиг. 16).

Если в замке стыкуемых труб торец ниппеля и противоположная ему плоскость муфты используются как упоры (при этом по торцу муфты имеется зазор), то размещенные в проточках 7 трансформаторные обмотки 6 могут располагаться на собственных замкнутых кольцевых магнитопроводах 15, аналогичных изображенным на фиг. 10. При этом для надежного получения короткозамкнутого электропроводящего кольца внутренние части упора ниппеля и муфты следует выполнять выступающими (фиг. 17).

Когда собственная электропроводность трубы недостаточна, обмотка 6 магнитопроводом 15 должна быть размещена внутри дополнительно вводимого кольцевого разомкнутого электропроводящего сердечника 17, разомкнутые торцы которого выступают над сопрягаемыми поверхностями (фиг. 9). При этом если стыкуются электропроводная и одна неэлектропроводная трубы, то внутри разомкнутого электропроводящего сердечника должна размещаться только одна обмотка, соответствующая кольцевой проточке неэлектропроводной трубы. Вторая обмотка размещается внутри кольцевой проточки электропроводной трубы без дополнительного сердечника.

Кроме рассмотренных вариантов трансформаторные обмотки 6 электрической системы передачи могут быть размещены в кольцевых проточках 7, выполненных в наружных цилиндрических поверхностях 21 ниппеля 1 и муфты 3 (фиг. 18-20). При этом участки наружной цилиндрической поверхности 21 стыкуемых труб 2 и 4, находящиеся за кольцевыми проточками 7 от стыка 22 труб, соединены дополнительно вводимым внешним магнитопроводом 23. На фиг. 18 представлен вариант, в котором наружный диаметр внешнего магнитопровода 23 больше наружного диаметра стыкуемых труб. На фиг. 19 приведен вариант, когда наружный диаметр внешнего магнитопровода 23 равен наружному диаметру стыкуемых труб. Возможен и третий случай наружный диаметр внешнего магнитопровода меньше наружного диаметра стыкуемых труб. На фиг. 20 представлен случай выполнения системы передачи, когда трансформаторные обмотки 6 намотаны вокруг собственных замкнутых кольцевых магнитопроводов 15 и этот узел помещен в проточки 7 в наружных цилиндрических поверхностях 21 ниппеля 1 и муфты 3. Здесь внешний элемент 23 должен обязательно выполняться из электропроводного материала.

Предлагается вариант, в котором трансформаторные обмотки 6 электрической системы передачи размещены в кольцевых проточках 7, выполненных во внутренних цилиндрических поверхностях 24 ниппеля 1 и муфты 3 (фиг. 21-23). При этом участки внутренней цилиндрической поверхности 24 стыкуемых труб 2 и 4, находящиеся за кольцевыми проточками 7 от стыка труб, соединены дополнительно вводимым магнитопроводом 25, расположенным внутри труб. На фиг. 21 представлен вариант, в котором внутренний диаметр дополнительно вводимого магнитопровода 25 меньше внутреннего диаметра стыкуемых труб. На фиг. 22 приведен вариант, когда внутренний диаметр дополнительно вводимого магнитопровода равен внутреннему диаметру стыкуемых труб. На фиг. 23 представлен вариант выполнения системы передачи, аналогичный приведенному на фиг. 20. Здесь также дополнительный элемент магнитопровод 25) должен обязательно изготавливаться из электропроводного материала.

Электрические проводники системы передачи могут быть выполнены также в виде металлических дорожек 26, укрепленных в гибкой ленте 27 (фиг. 24, 25). При этом гибкая лента 27 изолируется от поверхности 28 трубы 4, а также изолируется покрытием 29 от внутренней полости трубы или от внешней среды (в случае расположения ленты на внешней поверхности трубы).

Для рассмотрения принципа действия предлагаемой системы допустим для определенности, что в трубе 2 располагаются блок питания, блок выработки команд и блок обработки информации, а в трубе 4 располагается блок чувствительных элементов.

Питание (энергия) в виде напряжения переменного тока с частотой f по электрическим проводникам 8 поступает в трансформаторную обмотку 6, закрепленную в ниппеле 1 (фиг. 1). Во второй трансформаторной обмотке 6, закрепенной в муфте 3, находится напряжение переменного тока, которое по электрическим проводникам 8, расположенным на трубе 4, поступает для питания блока чувствительных элементов.

Если трубы 2 и 4 всыполнены из магнитного материала, то две обмотки 6 образуют трансформатор с ферромагнитным сердечником. Если стыкуемые трубы выполнены из немагнитного материала, то две обмотки 6 образуют трансформатор без магнитопровода (воздушный).

Собственные разомкнутые магнитопроводы 14 образуют вместе с обмотками 6 трансформатор с ферромагнитным сердечником (фиг. 4) независимо от того, что из магнитного или немагнитного материала выполнены стыкуемые трубы.

Собственные замкнутые кольцевые магнитопроводы 15 образуют вместе с обмотками 6 и электропроводными ниппелем 1 и муфтой 3 трансформатор с общим короткозамкнутым винтом (корпусом) (фиг. 5).

Информация с блока чувствительных элементов на блок обработки информации в виде сигнала переменного тока или в виде импульсного сигнала проходит путь, аналогичный напряжению питания, но в обратном направлении.

Информация с блока выработки команд на блок чувствительных элементов в виде импульсного сигнала проходит путь, аналогичный напряжению питания.

Для одновременной передачи информации напряжения питания и информации частота f₂ сигнала информации, сформированного в виде сигнала переменного тока, должна отличаться от частоты f₁ напряжения питания, или сигнал информации должен быть сформирован в виде импульсов.

Число витков в трансформаторных обмотках 6 сопрягаемых труб 2 и 4 может быть одинаковым или разным. В случае разного числа витков трансформатор, образованный обмотками 6, может быть повышающим или понижающим для напряжения питания, повышающим или понижающим для сигнала информации. В случае одновременной передачи информации и энергии трансформаторные обмотки 6 в сопрягаемых трубах могут быть выполнены секционными, что позволяет реализовать с помощью этих обмоток повышающий трансформатор как для напряжения питания, так и для выходной информации чувствительных элементов.

Предлагаемая система передачи может ипользоваться как для двух труб колонны, так и для нескольких последовательно соединенных труб колонны.

Сущность изобретения: система передачи информации, электрической энергии содержит электрические проводники, расположенные вдоль тела труб, и элементы бесконтактной связи на ниппеле и муфте. Эти элементы выполнены в виде трансформаторных обмоток, размещенных в кольцевых проточках стыкуемых труб. Кольцевые проточки выполняются или на торце муфты и на упорной плоскости ниппеля, или в конических резьбовых поверхностях ниппеля и муфты, или на торце ниппеля и противолежащей ему плоскости муфты, или в наружных цилиндрических поверхностях ниппеля и муфты, или во внутренних поверхностях ниппеля и муфты. Трансформаторные обмотки 6 могут быть размещены внутри собственных разомкнутых магнитопроводов, при этом трубы могут быть выполнены из немагнитного материала. Трансформаторные обмотки могут быть намотаны вокруг собственных замкнутых кольцевых магнитопроводов, установленных в кольцевых проточках, при этом трубы могут быть выполнены из немагнитнорго электропроводного материала. 11 з.п. ф-лы, 25 ил.

1. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ИНФОРМАЦИИ В КОЛОННЕ СТЫКУЮЩИХСЯ ТРУБ, содержащая электрические проводники, расположенные вдоль тела труб, и элементы бесконтактной связи, расположенные на ниппеле и муфте замка стыкующихся труб, отличающаяся тем, что элементы бесконтактной связи выполнены в виде трансформатора, первичная и вторичная обмотки которого размещены в кольцевых проточках, расположенных соответственно на ниппеле и муфте стыкующихся труб. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере одна из обмоток трансформатора размещена внутри собственного разомкнутого магнитопровода, при этом тело стыкующихся труб может быть выполнено из немагнитного материала. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что обмотки трансформатора намотаны на собственный замкнутый кольцевой магнитопровод, при этом тело труб может быть выполнено из немагнитного материала. 4. Система по п.3, отличающаяся тем, что кольцевой магнитопровод хотя бы одной трубы помещен внутри кольцевого разомкнутого электропроводного сердечника, разомкнутые концы которого выступают над сопрягаемой поверхностью трубы, тело трубы выполнено из неэлектропроводного материала. 5. Система по пп. 1 4, отличающаяся тем, что кольцевые проточки выполнены на торце муфты и на упорной плоскости ниппеля. 6. Система по пп. 1 4, отличающаяся тем, что кольцевые проточки выполнены в конических резьбовых поверхностях ниппеля и муфты. 7. Система по пп. 1 4, отличающаяся тем, что кольцевые проточки выполнены на торце ниппеля и противолежащей ему плоскости муфты. 8. Система по п.1, отличающаяся тем, что кольцевые проточки выполнены в наружных цилиндрических поверхностях ниппеля и муфты, а участки наружной цилиндрической поверхности труб, находящиеся за кольцевыми проточками от стыка, соединены дополнительно вводимым внешним магнитопроводом, причем наружный диаметр внешнего магнитопровода может быть больше, равен или меньше наружного диаметра стыкуемых труб. 9. Система по п.1, отличающаяся тем, что кольцевые проточки выполнены во внутренних цилиндрических поверхностях ниппеля и муфты, а участки внутренних цилиндрических поверхностей стыкуемых труб, находящиеся за кольцевыми проточками от стыка, соединены дополнительно вводимым магнитопроводом, расположенным внутри труб, причем внутренний диаметр магнитопровода может быть больше, меньше или равен внутреннему диаметру стыкуемых труб. 10. Система по п.3, отличающаяся тем, что кольцевые проточки выполнены в наружных цилиндрических поверхностях ниппеля и муфты, а участки наружной цилиндрической поверхности труб, находящиеся за кольцевыми проточками от стыка, электрически соединены дополнительно вводимой внешней электропроводной муфтой, причем наружный диаметр внешней муфты может быть больше, равен или меньше наружного диаметра стыкуемых труб. 11. Система п.3, отличающаяся тем, что кольцевые проточки выполнены во внутренних цилиндрических поверхностях ниппеля и муфты, а участки внутренних цилиндрических поверхностей стыкуемых труб, находящиеся за кольцевыми проточками от стыка, электрически соединены дополнительно вводимой внешней электропроводной муфтой, расположенной внутри труб, причем внутренний диаметр муфты может быть больше, меньше или равен внутреннему диаметру стыкуемых труб. 12. Система по пп.1 11, отличающаяся тем, что электрические проводники размещены и зафиксированы в пазах, выполненных вдоль тела труб, причем пазы могут находиться на наружной, внутренней или одновременно наружной и внутренней цилиндрических поверхностях труб, а проводники и трансформаторные обмотки изолированы компаундом.