РЕТРАНСЛЯЦИОННЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КАНАЛОМ СВЯЗИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК E21B47/12 

Изобретение относится к области промысловой геофизики и предназначено для использования при бурении наклонных и горизонтальных скважин в неблагоприятных для передачи электромагнитного сигнала условиях.

Известна телеметрическая система, использующая для передачи на поверхность информации о забойных параметрах электромагнитный канал связи. Система содержит модуль с измерительными датчиками, передатчик и электрический разделитель колонны (Молчанов А.А., Лукьянов Э.Е., Рапин В.А. «Геофизические исследования горизонтальных нефтегазовых скважин», Санкт-Петербург, 2001, с.98-102). Радиосигналы передаются по породе, окружающей колонну бурильных труб, и принимаются на поверхности антенной, располагаемой на некотором расстоянии от буровой. Телеметрическая система с электромагнитным каналом связи обеспечивает достаточно высокую скорость передачи информации.

Основным недостатком телеметрических систем такого типа является сильное затухание сигналов в породе. Максимальная глубина скважин, пробуренных с использованием электромагнитного канала связи, не более 5000 м.

При анализе патентных документов и научной литературы не удалось найти техническое решение, сходное с заявляемым по своей технической сущности и достигаемому результату. Однако сама идея применения промежуточных приемо-передающих устройств (ретрансляторов) для передачи информации от места получения к месту назначения известна и реализована, например, в системе теле- и радиовещания, в сотовой связи. В общем случае любой ретранслятор (например, по патенту 2158368, МПК 7 Е21С 35/24, опубл. 2000 г.) состоит из приемной части, блока электроники и передающей части.

Технической задачей, на решение которой направлено разработанное изобретение, является обеспечение возможности получения информации от телеметрической системы с электромагнитным каналом связи в неблагоприятных для прохождения электромагнитного сигнала условиях: при бурении на больших глубинах, при наличии экранирующих пластов с высокой проводимостью, высоком уровне помех от работающего наземного оборудования.

Решение поставленной технической задачи достигается использованием ретрансляционного модуля (его вариантов).

Ретрансляционный модуль для телеметрической системы с электромагнитным каналом связи содержит корпус, в котором установлены пульсатор, блок электроники, изолирующая вставка и контактная штанга, соединенная с корпусом. Пульсатор включает диафрагму, клапан и генератор переменного тока. Блок электроники включает входной дифференциальный усилитель, фильтр низких частот, блок автоматической регулировки усиления, компаратор и ключевой каскад. Контактная штанга может быть соединена с корпусом через контактное устройство, или штангу-удлинитель и контактное устройство, или геофизический кабель и контактное устройство. Контактное устройство может быть выполнено в виде, например, крестовины или самораскрывающегося под воздействием потока жидкости контакта.

В другом варианте ретрансляционного модуля блок электроники непосредственно (без изолирующей вставки) соединен с контактной штангой, на которой размещена тороидальная катушка индуктивности. Оба вывода катушки посредством гермоввода соединены с входом блока электроники, а контактная штанга соединена с корпусом ретрансляционного модуля через контактное устройство. Тороидальная катушка индуктивности установлена в П-образный паз, выполненный на контактной штанге, между катушкой и штангой помещен слой диэлектрика, а снаружи катушка залита компаундом. Тороидальная катушка индуктивности может быть установлена на штанге-удлинителе, присоединенной к контактной штанге. Поверхность блока электроники, контактной штанги и штанги-удлинителя покрыта диэлектриком.

В третьем варианте ретрансляционный модуль содержит пульсатор, блок электроники, изолирующую вставку и контактную штангу, заключенные в корпус, на котором размещена тороидальная катушка индуктивности. Один конец катушки выведен на корпус, а другой посредством гермоввода соединен с контактной штангой. Тороидальная катушка индуктивности установлена в П-образный паз, выполненный на корпусе модуля, между катушкой и корпусом помещен слой диэлектрика, а снаружи катушка залита компаундом.

Устройство ретрансляционного модуля поясняют чертежи.

На фиг.1 представлен ретрансляционный модуль с контактной штангой и контактной крестовиной, на фиг.2 - ретрансляционный модуль, в конструкции которого использована штанга-удлинитель, на фиг.3 - ретрансляционный модуль, в конструкции которого использован геофизический кабель и самораскрывающийся контакт, на фиг.4 - ретрансляционный модуль, на контактной штанге которого размещена катушка индуктивности, на фиг.5 - ретрансляционный модуль, на корпусе которого размещена тороидальная катушка индуктивности, на фиг.6 - схема блока электроники.

Ретрансляционный модуль для телеметрической системы с электромагнитным каналом связи имеет корпус 1, образующий вставку в колонну бурильных труб. На внутренней поверхности корпуса выполнена Г-образная полка 2 для размещения пульсатора 3. На полке имеется штырь 4, а на корпусе пульсатора - ответный паз 5 для предотвращения радиального перемещения пульсатора. В осевом направлении пульсатор фиксируется при установке ретрансляционного модуля в колонну бурильных труб. С этой целью в верхней части корпуса пульсатора устанавливают набор пружин 6 и колец 7, обеспечивающих прижим пульсатора при наворачивании переводника. Пульсатор может быть установлен в корпус ретрансляционного модуля с помощью любого другого известного соединения, обеспечивающего осевую и радиальную фиксацию. Пульсатор имеет диафрагму 8, клапан 9, формирующие гидравлические сигналы, и генератор переменного тока 10 для питания электрической схемы пульсатора и блока электроники 11. Блок электроники 11 состыкован с пульсатором и включает входной дифференциальный усилитель 12, фильтр низких частот 13, блок автоматической регулировки усиления 14, компаратор 15 и ключевой каскад 16. Ниже блока электроники через изолирующую вставку 17 установлена контактная штанга 18, которая соединяется с корпусом ретрансляционного модуля через контактную крестовину 19. Крестовина имеет опорную стойку 20 с выемкой, в которой размещена пружина (не показана), обеспечивающая прижим концевой части контактной штанги.

Действие ретрансляционного модуля основано на измерении тока, протекающего по колонне бурильных труб в результате их нахождения в электрическом поле, создаваемом диполем телеметрической системы с электромагнитным каналом связи. Ретрансляционный модуль работает следующим образом. При снижении соотношения сигнал/шум, принимаемого от скважинного прибора телеметрической системы электромагнитного сигнала в компоновку бурильных труб, вводят ретрансляционный модуль, соединяя его корпус 1 с бурильными трубами с помощью переводников. Электромагнитный сигнал от скважинного прибора телесистемы вызывает протекание по колонне бурильных труб импульсов переменного тока, модулированных в соответствии с полученными значениями забойных параметров. Через контактную крестовину 19, контактную штангу 18 и крепление корпуса пульсатора импульс тока создает на входе в дифференциальный усилитель 12 блока электроники 11 сигнал в виде разности потенциалов, передаваемый через фильтр низких частот 13, блок автоматической регулировки усиления 14, компаратор 15 в ключевой каскад 16, формирующий импульс управления электромагнитным клапаном 9 пульсатора 3. Клапан 9 совершает возвратно-поступательные движения, при этом изменяется проходное сечение диафрагмы 8, через которую протекает буровая жидкость. Таким образом, импульсы давления промывочной жидкости модулируются в соответствии с информацией, полученной от скважинного прибора телеметрической системы с электромагнитным каналом связи. Наземное приемное оборудование содержит датчик давления, принимающий гидравлические импульсы пульсатора.

Уровень сигнала, принимаемого от скважинного прибора телеметрической системы с электромагнитным каналом связи, можно значительно повысить путем увеличения расстояния между контактом пульсатора, создаваемым его креплением к корпусу ретранслятора, и креплением контактной штанги. Для этого необходимо удлинить контактную штангу с помощью, например, металлической штанги-удлинителя 21, установленной на изолирующих центраторах 22 (фиг.2), или гибкого геофизического кабеля 23 (фиг.3). Штангу-удлинитель 21 пропускают через бурильные трубы и соединяют с контактной штангой 18. Снизу связь с колонной бурильных труб обеспечивает контактное устройство, например контактные центраторы 24 (фиг.2), крепящиеся перед спуском в скважину. Геофизический кабель 23 соединяют с контактной штангой 18 и опускают в колонну бурильных труб. На конце кабеля предварительно устанавливают распорный контакт 25, например, самораскрывающийся от потока промывочной жидкости (фиг.3).

Для повышения уровня принимаемого электромагнитного сигнала в конструкции устройства может быть использована индуктивная антенна, размещенная внутри корпуса ретранслятора на контактной штанге 18 (фиг.4). Тороидальную катушку индуктивности 26 устанавливают в П-образный паз 27, выполненный на контактной штанге, между катушкой и штангой помещают слой диэлектрика 28, а снаружи катушку заливают компаундом 29. Оба контакта катушки соединены посредством гермоввода 30 с входом блока электроники 11. Магнитное поле, создаваемое частью тока, перетекающего с корпуса через контактную крестовину 19 на контактную штангу 18, будет наводить ЭДС в катушке. В этом варианте контактная штанга 18 непосредственно соединена с блоком электроники 11 (без изолирующей вставки). Тороидальная катушка индуктивности 26 может быть размещена на штанге-удлинителе 21 (не показано). Поверхность блока электроники, контактной штанги и штанги-удлинителя покрыта диэлектриком.

Тороидальная катушка индуктивности 26 может быть установлена на корпусе 1 ретрансляционного модуля (фиг.5). При этом на корпусе ретранслятора выполняют П-образный паз 31, в котором размещают тороидальную катушку индуктивности 26, изолированную от корпуса слоем диэлектрика 28. Для предотвращения контакта с промывочной жидкостью снаружи катушку заливают компаундом 29. Один конец катушки выводят на корпус 1, а другой посредством гермоввода 30 соединяют с контактной штангой 18. Ток, протекая по колонне, создает магнитное поле, которое наводит на катушку индуктивности ЭДС, пропорциональную току. Разность потенциалов, создаваемая на концах катушки, формирует сигнал на входе в блок электроники.

Применение разработанного технического решения позволило:

1. Получать забойную информацию от скважинного прибора телеметрической системы с электромагнитным каналом связи в неблагоприятных для передачи электромагнитного сигнала условиях: при бурении на больших глубинах, при наличии экранирующих пластов с высокой проводимостью или из-за помех от работающего наземного оборудования.

2. Обеспечить уверенный прием забойной информации от телеметрической системы с электромагнитным каналом связи при бурении на глубине свыше 5000 м.

Группа изобретений относится к бурению скважин и может быть использовано для организации канала связи в неблагоприятных для электромагнитного канала условиях. Ретрансляционный модуль в первом варианте содержит корпус, в котором установлены пульсатор, блок электроники, изолирующая вставка и контактная штанга, соединенная с корпусом через контактное устройство или штангу-удлинитель и контактное устройство, или геофизический кабель и контактное устройство. Контактное устройство может быть выполнено в виде, например, крестовины или самораскрывающегося под воздействием потока жидкости контакта. В другом варианте ретрансляционного модуля блок электроники непосредственно соединен с контактной штангой, на которой размещена тороидальная катушка индуктивности. Оба вывода катушки соединены с входом блока электроники, а контактная штанга соединена с корпусом ретрансляционного модуля через контактное устройство. Тороидальная катушка индуктивности может быть установлена на штанге-удлинителе, присоединенной к контактной штанге. В третьем варианте ретрансляционного модуля тороидальная катушка индуктивности размещена на его корпусе. Один конец катушки выведен на корпус, а другой соединен с контактной штангой. Техническим результатом является повышение надежности передачи сигнала при бурении скважин в неблагоприятных для прохождения электромагнитного сигнала условиях. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ретрансляционный модуль для телеметрической системы с электромагнитным каналом связи, отличающийся тем, что он содержит установленные в корпусе ретрансляционного модуля пульсатор, включающий диафрагму, клапан и генератор переменного тока, блок электроники, включающий входной дифференциальный усилитель, фильтр низких частот, блок автоматической регулировки усиления, компаратор и ключевой каскад, изолирующую вставку и контактную штангу, соединенную с корпусом через контактное устройство.2. Ретрансляционный модуль по п.1, отличающийся тем, что контактная штанга соединена с корпусом через штангу-удлинитель, установленную на изолирующих центраторах, и контактное устройство.3. Ретрансляционный модуль по п.1, отличающийся тем, что контактная штанга соединена с корпусом через геофизический кабель и контактное устройство.4. Ретрансляционный модуль по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что контактное устройство выполнено в виде контактной крестовины.5. Ретрансляционный модуль по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что контактное устройство выполнено как контактные центраторы.6. Ретрансляционный модуль по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что контактное устройство выполнено как самораскрывающийся от потока промывочной жидкости контакт.7. Ретрансляционный модуль для телеметрической системы с электромагнитным каналом связи, отличающийся тем, что он содержит установленные в корпусе ретрансляционного модуля пульсатор, включающий диафрагму, клапан и генератор переменного тока, блок электроники, включающий входной дифференциальный усилитель, фильтр низких частот, блок автоматической регулировки усиления, компаратор, ключевой каскад, и соединенную с корпусом через контактное устройство контактную штангу, на которой размещена тороидальная катушка индуктивности, при этом оба контакта катушки соединены посредством гермоввода с входом блока электроники.8. Ретрансляционный модуль по п.7, отличающийся тем, что тороидальная катушка индуктивности установлена на штанге-удлинителе, соединяющей контактную штангу и контактное устройство.9. Ретрансляционный модуль по п.7 или 8, отличающийся тем, что контактное устройство выполнено в виде контактной крестовины, или как контактные центраторы, или как самораскрывающийся от потока промывочной жидкости контакт.10. Ретрансляционный модуль по п.7 или 8, отличающийся тем, что тороидальная катушка индуктивности установлена в П-образный паз, выполненный на контактной штанге или штанге-удлинителе, между катушкой и штангой помещен слой диэлектрика, а снаружи катушка залита компаундом.11. Ретрансляционный модуль по п.7 или 8, отличающийся тем, что поверхность блока электроники, контактной штанги, штанги-удлинителя покрыта диэлектриком.12. Ретрансляционный модуль для телеметрической системы с электромагнитным каналом связи, отличающийся тем, что он содержит установленные в корпусе ретрансляционного модуля пульсатор, включающий диафрагму, клапан и генератор переменного тока, блок электроники, включающий входной дифференциальный усилитель, фильтр низких частот, блок автоматической регулировки усиления, компаратор и ключевой каскад, изолирующую вставку, контактную штангу и размещенную на корпусе тороидальную катушку индуктивности, один конец которой выведен на корпус, а другой посредством гермоввода соединен с контактной штангой.13. Ретрансляционный модуль по п.12, отличающийся тем, что тороидальная катушка индуктивности установлена в П-образный паз, выполненный на корпусе модуля, между катушкой и корпусом помещен слой диэлектрика, а снаружи катушка залита компаундом.