КАБЕЛЬНЫЙ КОММУНИКАЦИОННЫЙ КАНАЛ И СИСТЕМА ТЕЛЕМЕТРИИ ДЛЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ И СПОСОБ БУРЕНИЯ СКВАЖИН (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК E21B47/12 E21B7/00 

Настоящее изобретение, в общем, относится к телеметрии по бурильной колонне. Более определенно, изобретение касается проводных телеметрических систем в бурильных трубах и способов передачи сигналов через бурильную колонну.

Значение скважинных систем, таких как "измерения в процессе бурения" (ИПБ) и "геофизические исследования в процессе бурения" (ГИПБ), возросло большей частью благодаря их способностям обеспечить в реальном времени информацию об условиях в скважине и/или свойствах подземных формаций. Эти измерения в скважине могут использоваться для принятия решений в процессе бурения или для использования преимуществ усовершенствованных методик бурения типа "geosteering". Эти методики в значительной степени основываются на незамедлительном получении информации по скважине и окружающей формации, которая разбуривается. Поэтому важно иметь возможность посылать на поверхность большие объемы данных от устройства типа ИПБ/ГИПБ и посылать команды от устройств ИПБ/ГИПБ на поверхности с минимальной задержкой во времени. Было разработано много методик телеметрии для такой связи, включая телеметрию по проводным бурильным трубам.

Концепция размещения проводящего провода в бурильной колонне рассматривалась в течение некоторого времени. Например, патент США №4126848, выданный Денисону, раскрывает телеметрическую систему, в которой провод используется для передачи информации от забоя скважины к промежуточной позиции в бурильной колонне, и специальная бурильная колонна, имеющая изолированный электрический проводник с кольцеобразными электрическими контактными соединителями, как описано в патенте США №3696332, выданного Дикинсону младшему и др., используется для передачи информации от промежуточной позиции до поверхности. Патент Российской Федерации №2140537 С1, выданный Басарыгину и др., подобным образом раскрывает гибридную телеметрическую систему в бурильной колонне, имеющую нижнюю проводную систему, последовательно соединенную с верхней системой проводных бурильных труб.

Патент США №3957118, выданный Барри и др., раскрывает выпускаемую кабельную систему с фиксатором для телеметрии по бурильной колонне в секциях буровых труб, которые иначе никак не соединены проводами. Патент США №3807502, выданный Хайлхеккеру и др., и патент США №4806928, и 4901069, выданные Венерузо, также раскрывают способы и устройства для установки электрического проводника (то есть кабеля) в бурильной колонне из стандартных буровых беспроводных труб.

Патент США №2379800, выданный Хейру, Европейская патентная заявка №399987 Веллхаузена, и патент Российской Федерации №2040691, выданный Коновалову и др., описывают системы передачи сигналов через колонну проводных буровых труб, используя индуктивные коммутационные устройства.

Публикация WO 02/06716 Холла также раскрывает систему для передачи данных через колонну проводных буровых труб, используя индуктивные соединители.

Для буровых работ в скважине используется множество секций буровых труб, чтобы сформировать цепь из них между секцией ведущей бурильной трубы (или, альтернативно, силового вертлюга при роторном бурении) на поверхности и буровым долотом. Эта цепь секций буровых труб, по существу, составляет корпус бурильной колонны (хотя бурильная колонна включает и другие компоненты, такие как устройства ИПБ, устройства ГИПБ, буровые воротники, стабилизаторы, изогнутые переводники, забойный турбинный двигатель, муфта долота и буровое долото). Скважина глубиной 15000 футов (5472 м) обычно имеет 500 секций буровых труб, причем каждая секция имеет длину 30 футов (9,14 м). В операциях с проводными буровыми трубами некоторые или все секции буровых труб могут быть снабжены, в частности, при помощи помещения внутрь их стенок, проводимыми проводами для создания секций проводных труб, которые будут соединены между собой, чтобы создать линию связи между поверхностью и буровым инструментом. В 500 секциях буровых труб, также известных просто как трубы, имеются 1000 концов/заплечиков трубы, которые будут составлены или соединены вращением по резьбе с другими секциями труб, трубами, переводниками, и т.д. (все вместе "трубчатые элементы"). Каждый из этих концов трубы может включать коммуникационные соединители, такие как индуктивные коммутационные устройства, в частности тороидальные трансформаторы.

Очень большое число соединителей в бурильный колонне связано с надежностью системы проводных буровых труб. Коммерческая бурильная система, как ожидается, имеет среднее минимальное время между отказами системы (среднее время безотказной работы), приблизительно равное 500 часов или большее. Если один из соединителей проводов в системе проводных буровых труб откажет, тогда нарушается связь по этому коммуникационному каналу и с этим нарушается вся система телеметрии. Поэтому там, где имеется 500 секций проводных буровых труб в скважине глубиной 15000 футов (5472 м), каждая секция проводных буровых труб должна иметь среднее время безотказной работы не менее, приблизительно, 250000 часов (28,5 лет) для того, чтобы среднее время безотказной работы всей системы было равно 500 часам. Это означает, что каждая секция проводных буровых труб, должна была бы иметь частоту отказов меньше чем 4×10^-6 в час. Это требование вне возможностей современной технологии проводных буровых труб. Следовательно, желательно, если не возможно, упреждать вероятность отказов в системе проводных буровых труб.

Соответственно, целью настоящего изобретения является создание системы телеметрии для бурильной колонны, способной обойти места, связанные с нарушениями связи в проводных буровых трубах, применяющей технологию проводных буровых труб в сочетании с беспроводными интервалами бурильных колонн (например, беспроводные буровые трубы), особенно, где уже используются такие интервалы беспроводных бурильных колонн, и способной к беспроводной связи на или вблизи поверхности, чтобы не полагаться только на проводные системы в верхнем участке бурильной колонны.

В данном описании некоторым терминам дается определение по мере их первого использования, в то время как некоторые другие термины, использованные в этом описании, определены следующим образом:

"коммуникационный" означает, способный к проведению или передаче сигнала;

"коммуникационное соединение" означает соединение между двумя смежными трубчатыми элементами, типа смежных секций труб, по которым можно передать сигнал;

"коммуникационный канал" означает множество коммуникационно-соединенных трубчатых элементов, типа соединенных секций проводных буровых труб, или адаптерные переводники, соединенные кабелем, для передачи сигнала на расстояние ("коммуникационный канал" и "канал" используются здесь как синонимы);

"поверхностный компьютер" означает компьютер, приемопередатчик на поверхности и/или другие компоненты для обработки данных, переданных посредством сигналов;

"система телеметрии" означает, по меньшей мере, один коммуникационный канал плюс другие компоненты типа поверхностного компьютера, устройств ИПБ/ГИПБ, коммуникационных переводников и/или маршрутизаторов, требуемых для измерения, передачи и индикации/регистрации данных, полученных из скважины или через нее.

Согласно изобретению создан кабельный коммуникационный канал для бурильной колонны, содержащий, по меньшей мере, два адаптерных переводника, расположенных в бурильной колонне на расстоянии друг от друга, превышающем длину трех соединенных секций буровых труб, и кабель, соединяющий два адаптерных переводника для передачи сигнала между ними, при этом каждый адаптерный переводник включает промежуточный коммуникационный соединитель его концов и кабель, имеющий пару соединителей переводников, расположенных последовательно, причем каждый соединитель переводника имеет дополняющий коммуникационный соединитель, и выравнивание дополняющего коммуникационного соединителя с коммуникационным соединителем переводника адаптера устанавливает связь между ними.

Каждый адаптерный переводник может дополнительно включать внутреннюю кольцевую выемку, расположенную на предварительно определенном аксиальном расстоянии от коммуникационного соединителя, и каждый соединитель переводника дополнительно имеет защелку для сцепления с внутренней кольцевой выемкой одного из адаптерных переводников и расположения его дополняющего коммуникационного соединителя в выровненном положении с коммуникационным соединителем указанного одного из адаптерных переводников. Защелка каждого соединителя переводника может включать запирающую собачку, имеющую, по меньшей мере, один ключ для зацепления с круговой канавкой одного из адаптерных переводников, расположенный на предварительно определенном аксиальном расстоянии от дополняющего коммуникационного соединителя, посредством чего зацепление ключа с кольцевой выемкой одного из адаптерных переводников при расположении кабеля в бурильной колонне выравнивает дополняющий коммуникационный соединитель соединителя переводника с коммуникационным соединителем одного из адаптерных переводников и устанавливает связь между ними. Запирающая собачка может включать фиксирующую защелку.

Коммуникационные соединители и дополняющие коммуникационные соединители могут быть индуктивными коммутационными устройствами.

Канал может быть предназначен для установки альтернативного подсоединения к трубному коммуникационному каналу, образованному множеством секций проводных буровых труб, соединенных в бурильной колонне между двумя адаптерными переводниками, для передачи сигнала по бурильной колонне.

Канал может быть предназначен для бурильной колонны, имеющей беспроводную секцию, расположенную между двумя адаптерными переводниками, и способен устанавливать линию для передачи сигнала по беспроводной секции бурильной колонны. Беспроводная секция бурильной колонны может включать, по меньшей мере, одну секцию беспроводных буровых труб или, по меньшей мере, один беспроводной сервисный переводник.

Согласно изобретению создана система телеметрии для бурильной колонны, расположенной в скважине, содержащая множество секций проводных буровых труб в бурильной колонне, образующих первый коммуникационный канал, причем каждая из секций проводных буровых труб имеет первый коммуникационный соединитель на каждом ее конце или вблизи него, и первый кабель, соединяющий первые коммуникационные соединители, и пару адаптерных переводников, расположенных в бурильной колонне на расстоянии, превышающем длину трех соединенных секций буровых труб, причем каждый адаптерный переводник имеет второй коммуникационный соединитель на, по меньшей мере, одном из концов адаптерного переводника или вблизи него и приспособлен для подсоединения ко второму кабелю, расположенному в бурильной колонне, так, что второй кабель подключает пару адаптерных переводников для образования второго коммуникационного канала, один из адаптерных переводников, подсоединен в бурильной колонне так, что его второй коммуникационный соединитель является смежным первому коммуникационному соединителю одной из секций проводных буровых труб для подсоединения одного адаптерного переводника к одной секции проводных буровых труб для связи между ними, посредством чего первый коммуникационный канал подсоединяется для связи со вторым коммуникационным каналом для передачи сигналов по бурильной колонне.

Один адаптерный переводник может быть подсоединен между двумя секциями проводных буровых труб в бурильной колонне, посредством чего участок первого коммуникационного канала может обходиться вторым коммуникационным каналом.

Один адаптерный переводник может быть подсоединен между одной секцией проводных буровых труб и беспроводной секцией бурильной колонны, посредством чего беспроводная секция бурильной колонны преобразуется в кабельную секцию при помощи второго коммуникационного канала.

Беспроводная секция бурильной колонны может включать, по меньшей мере, одну секцию беспроводных буровых труб или, по меньшей мере, один беспроводной сервисный переводник.

Первые коммуникационные соединители секций проводных буровых труб и вторые коммуникационные соединители адаптерных переводников могут быть индуктивными коммутационными устройствами.

Система может дополнительно включать второй кабель, расположенный внутри бурильной колонны для подсоединения пары адаптерных переводников для образования второго коммуникационного канала, подсоединенного для связи с первым коммуникационным каналом.

Каждый адаптерный переводник может включать третий промежуточный коммуникационный соединитель вторых коммуникационных соединителей, и второй кабель имеет пару последовательных соединителей переводника на нем, каждый из которых имеет четвертый коммуникационный соединитель, который выравнивается с третьим коммуникационным соединителем одного адаптерного переводника для установления связи между первым коммуникационным и вторым коммуникационным каналами.

Каждый адаптерный переводник может дополнительно включать внутреннюю кольцевую выемку, расположенную на предварительно определенном осевом расстоянии от коммуникационного третьего соединителя, и каждый соединитель переводника дополнительно имеет защелку для зацепления с внутренней кольцевой выемкой адаптерного переводника и позиционирования его четвертого коммуникационного соединителя для выравнивания с третьим коммуникационным соединителем сцепленного адаптерного переводника. Защелка каждого соединителя переводника может включать запирающую собачку, имеющую, по меньшей мере, один ключ для зацепления с внутренней кольцевой выемкой одного из адаптерных переводников, расположенный на предварительно определенном осевом расстоянии от коммуникационного четвертого соединителя каждого соединителя, при этом зацепление ключом кольцевой выемки адаптерного переводника при расположении кабеля в бурильной колонне выравнивает четвертый коммуникационный соединитель соединителя переводника с третьим коммуникационным соединителем сцепленного переводника адаптера и устанавливает связь между ними. Запирающая собачка может включать фиксирующую защелку.

Третьи и четвертые соединители могут быть индуктивными коммутационными устройствами.

Система может включать множество адаптерных переводников, расположенных на расстоянии друг от друга в бурильной колонне, причем каждый из адаптерных переводников приспособлен для соединения со вторым кабелем, расположенным в бурильной колонне, так, что второй кабель способен подключить, по меньшей мере, два из адаптерных переводников для образования второго коммуникационного канала, причем один из адаптерных переводников подсоединен в бурильной колонне так, что его второй коммуникационный соединитель является смежным первому коммуникационному соединителю, одной из секций проводных буровых труб для подсоединения одного адаптерного переводника к одной секции проводных буровых труб для связи между ними, посредством чего первый коммуникационный канал соединяется для связи со вторым коммуникационным каналом.

Система может дополнительно включать второй кабель, расположенный внутри бурильной колонны, для подсоединения одного адаптерного переводника и, по меньшей мере, еще одного из множества адаптерных переводников для образования второго коммуникационного канала, подсоединенного для связи к первому коммуникационному каналу.

Система может дополнительно включать измерительное устройство, расположенное в нижней секции бурильной колонны, поверхностный компьютер для обработки данных, полученных измерительным устройством, первый коммуникационный переводник, расположенный в верхней секции бурильной колонны или над ней для связи с поверхностным компьютером, второй коммуникационный переводник, расположенный в нижней секции бурильной колонны для связи с измерительным устройством, первый коммуникационный канал, образующий, по меньшей мере, участок действующего коммуникационного соединения между скважинным и поверхностным коммуникационными переводниками. Измерительное устройство может быть адаптерным переводником.

Система может дополнительно включать второй кабель, расположенный внутри бурильной колонны и соединенный через пару адаптерных переводников с образованием второго коммуникационного канала, подсоединенный для связи с первым коммуникационным каналом и образующий, по меньшей мере, участок действующего коммуникационного соединения между скважинным и поверхностным коммуникационными переводниками.

Первый коммуникационный переводник может быть расположен ниже секции ведущей бурильной трубы в бурильной колонне, выше секции ведущей бурильной трубы в бурильной колонне, ниже силового вертлюга, поддерживающего бурильную колонну, внутри силового вертлюга, поддерживающего бурильную колонну.

Первый коммуникационный переводник может включать вращающийся трансформатор, контактное кольцо, первый коммуникационный переводник включает первый беспроводной приемопередатчик в проводной связи с первым коммуникационным каналом.

Система может дополнительно включать второй беспроводной приемопередатчик в проводной связи с поверхностным компьютером, причем первые и вторые беспроводные приемопередатчики приспособлены для беспроводной связи между ними.

Второй беспроводной приемопередатчик может быть расположен в линии бурового раствора между приемной емкостью для хранения бурового раствора и скважиной.

Первый коммуникационный переводник может включать модем проводных буровых труб в проводной связи с первым коммуникационным каналом, беспроводной модем в проводной связи с модемом проводных буровых труб и источник питания, приводящий в действие модемы.

Источник питания может включать, по меньшей мере, одну батарею.

Согласно изобретению создан способ бурения скважин, включающий следующие этапы:

бурение скважины с использованием бурильной колонны;

получение данных по скважине в процессе бурении с использованием измерительного устройства, расположенного в бурильной колонне;

передача данных, полученных по скважине, на поверхность через коммуникационный канал, образованный, по меньшей мере, двумя адаптерными переводниками, расположенными в бурильной колонне на расстоянии, которое превышает длину трех соединенных секций буровых труб, и кабелем, соединяющим адаптерные переводники, для передачи сигналов между адаптерными переводниками;

передача данных, полученных по скважине, на поверхность через другой коммуникационный канал, образованный множеством соединенных секций проводных буровых труб;

передача данных, полученных по скважине, на поверхность через третий коммуникационный канал, образованный поверхностным коммуникационным переводником с кабелем для связи с соединенными проводными секциями буровых труб, причем поверхностный коммуникационный переводник передает данные, полученные по скважине, проводным соединенным секциям буровых труб на поверхностный компьютер для обработки.

Поверхностный коммуникационный переводник может использовать беспроводной приемопередатчик для передачи данных, полученных по скважине, на поверхностный компьютер.

Согласно другому варианту способ бурения скважин включает следующие этапы:

бурение скважин с использованием бурильной колонны, имеющей множество адаптерных переводников, расположенных в ней, причем последовательные адаптерные переводники отделены друг от друга, по меньшей мере, четырьмя соединенными проводными секциями буровых труб, и адаптерные переводники и проводные секции буровых труб вместе образуют первый коммуникационный канал;

получение данных по скважине в процессе бурения с использованием измерительного устройства, расположенного в бурильной колонне;

передача данных, полученных по скважине, на поверхность через первый коммуникационный канал;

после обнаружения наличия нарушения связи в первом коммуникационном канале связи расположение кабеля внутри бурильной колонны, имеющей пару разнесенных соединителей переводника, связанных последовательно по кабелю для установления связи с соответствующей парой последовательных адаптерных переводников, посредством чего устанавливается второй коммуникационный канал с такой связью, которая обходит соединенные проводные секции буровых труб между парой последовательных адаптерных переводников.

Способ может дополнительно включать следующие этапы:

определение, находится ли нарушение связи в пределах участка адаптерных переводников включал третий промежуточный коммуникационный соединитель вторых коммуникационных соединителей. При этом второй кабель имеет пару последовательных соединителей переводника. Каждый из соединителей переводника имеет четвертый коммуникационный соединитель, посредством которого выравнивание четвертого коммуникационного соединителя с третьим коммуникационным соединителем адаптерного переводника устанавливает связь между ними.

Объекты изобретения станут более понятными из следующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1А изображает вид сбоку бурильной колонны, имеющей систему телеметрии, которая включает трубный и кабельный коммуникационные каналы в соответствии с одним из объектов настоящего изобретения;

фиг.1В подробно изображает участок бурильной колонны фиг.1, иллюстрируя, в частности, использование кабельного коммуникационного канала как обхода в случае нарушения связи в трубном коммуникационном канале;

фиг.1C подробно изображает участок альтернативной конфигурации бурильной колонны, иллюстрируя, в частности, использование кабельного коммуникационного канала для преобразования беспроводного интервала бурильной колонны в кабельный интервал для передачи по нему сигналов;

фиг.2А изображает вид сбоку с частичным разрезом соединителя кабельного переводника, введенного в зацепление с адаптерным переводником для образования кабельного коммуникационного канала согласно одному объекту настоящего изобретения;

фиг.2В - вид сбоку, подобный фиг.2А, за исключением того, что соединитель переводника оборудован электронной аппаратурой для выполнения модуляции сигнала в скважине;

фиг.3 - вид сбоку разреза секции проводной буровой трубы в бурильной колонне;

фиг.4 - детальный вид с частичным разрезом закрытой головки секции проводной буровой трубы, установленной для соединения с ниппельным концом другого трубчатого элемента, в соответствии с фиг.3;

фиг.5 - детальный вид в разрезе части закрытой головки и ниппельного конца, изображенного на фиг.4 после составления этих двух деталей в бурильную колонну;

фиг.6 - вид в разрезе индуктивного вращающего разъема, применяющегося в системе телеметрии согласно одному объекту существующего изобретения;

фиг.7А - блок-схему поверхностного коммуникационного канала согласно одному объекту существующего изобретения;

фиг.7В - блок-схему скважинного коммуникационного канала согласно другому объекту существующего изобретения;

фиг.8 - вид сбоку бурильной колонны, имеющей систему телеметрии, включающую трубный коммуникационный канал, кабельный коммуникационный канал и беспроводной коммуникационный канал в соответствии с одним объектом настоящего изобретения;

фиг.9 - блок-схему принятия решения для способа бурения скважин согласно одному объекту существующего изобретения.

фиг.10 - блок-схему принятия решения для способа бурения скважин согласно одному объекту существующего изобретения.

Фиг.1А изображает бурильную колонну 6, которая использует систему 100 телеметрии в соответствии с одним из объектов настоящего изобретения. Бурильная колонна 6 включает множество трубчатых секций (описанных ниже), подвешенных на буровой установке на платформе 10 посредством талевого блока (не показан) и крюка 18. Верхний конец бурильной колонны 6 образован секцией ведущей бурильной трубы 17 (самым верхним трубчатым элементом в колонне), которая проходит через стандартное устройство для передачи вращающего момента, которое включает роторный стол буровой установки 16, применяемый для привода во вращение секции ведущей бурильной трубы со всей бурильной колонной 6. Вертлюг 19 соединяет крюк 18 с ведущей бурильной трубой 17 и позволяет вращаться ведущей бурильной трубе и бурильной колонне 6 относительно крюка.

Нижний конец бурильной колонны заканчивается буровым долотом 15, которым бурится формация F для проходки скважины 7. В компоновке для роторного бурения, описанного выше, буровое долото соединено для вращения с бурильной колонной 6.

Бурильная колонна 6 может иначе использоваться в компоновке "верхнего привода" (также хорошо известной), где силовой вертлюг вращает бурильную колонну вместо ведущей бурильной трубы и роторного стола. Специалистам в этой области также ясно, что буровые работы с "соскальзыванием" можно производить другим способом с использованием хорошо известного двигателя для бурового раствора типа Moineau, который преобразовывает гидравлическую энергию бурового раствора, который закачивается из приемной емкости для хранения бурового раствора вниз через бурильную колонну 6 с целью создания вращающего момента для вращения бурового долота. Бурение может, кроме того, производиться с помощью и так называемых систем "роторного направленного бурения", которые хорошо известны в этой области техники. Различные объекты настоящего изобретения приспособлены к каждой из этих технологий и не ограничены роторным бурением, хотя такое оборудование и способы будут описаны здесь для иллюстративных целей.

Как показано на фиг.1А-1С и 2А, система 100 телеметрии в бурильной колонне включает кабельный коммуникационный канал 5b, имеющий, по меньшей мере, два разнесенных адаптерных переводника (например, 9а, 9b, 9с) внутри бурильной колонны и кабель 112, соединяющий эти два адаптерных переводника 9а, 9b, для передачи сигнала между ними. В частности, как показано на фиг.2А-2В, каждый из адаптерных переводников (обозначенных просто как 9) кабельного коммуникационного канала 5b, включающего промежуточный коммуникационный соединитель 114, расположенный между его концами, и внутреннюю кольцевую выемку 116, расположенную на предварительно определенном аксиальном расстоянии d1 от коммуникационного соединителя 114. Коммуникационный соединитель 114 имеет проводку для связи по кабелю 115, позволяя адаптерному переводнику 9 также служить в качестве компонента в трубном коммуникационном канале 5а (описанном ниже).

Кабель 112 включает защитный наружный слой 113, несущий нагрузку, и, по меньшей мере, пару проводов 112а, 112b по его длине. Кабель 112 также содержит пару подсоединенных механически и коммуникационно обычно цилиндрических соединителей 118 переводника, которые расположены на расстоянии друг от друга и связаны друг с другом последовательно через наружное покрытие кабеля 113 и по коммуникационным проводам 112а, 112b. Каждый из соединителей 118 имеет дополняющий коммуникационный соединитель 120, подсоединенный кабельными проводами 112а, 112b, и запирающую собачку 122, имеющую, по меньшей мере, один ключ 124, смещаемый наружу спиральной пружиной 126 для его зацепления с кольцевой выемкой 116 одного из адаптерных переводников 9. Специалистам в данной области также ясно, что другое известное механическое средство для хорошего закрепления устройства на кабеле в трубчатом элементе в бурильной колонне может с успехом использовать тип механизма защелки фиксатора, раскрытого в патенте США №5971072, выданном Хаберу и др., анкеровочную систему с ключами, раскрытую в патенте США №4901060, принадлежащем Венерузо, так же как другие известные защелкивающиеся устройства (например, фрикционный тормоз/стопор, роликовый тормоз, магнитный стопор).

Предпочтительно, чтобы в запирающей собачке была использована защелка "фиксатора", которая допускает зацепление и разъединение при приложении предопределенного усилия. В случае зацепления необходимое усилие прикладывается за счет веса кабеля 112 и соединителя (или соединителей) 118. Для разъединения необходимое усилие прилагается за счет натяжения кабеля 112 лебедкой, установленной на грузовике, трейлере или платформе на поверхности.

Ключ 124 расположен вдоль соединителя 118 на предварительно определенном аксиальном расстоянии d1 от дополняющего коммуникационного соединителя 120. В этой компоновке, когда кабель 112 расположен внутри бурильной колонны для опускания одного или нескольких соединителей 118 внутрь адаптерных переводников 9, зацепление ключом 124 одного из соединителей 118 с кольцевой выемкой 116 одного из адаптерных переводников 9 вертикально выравнивает дополняющий коммуникационный соединитель 120 с коммуникационным соединителем 114 одного адаптерного переводника 9 для установления связи между одним адаптерным переводником 9 и соединителем 118 переводника. Этим способом сигнал может быть передан между кабелем 112 и бурильной колонной 6, содержащей адаптерный переводник 9. Коммуникационный соединитель 114 и дополняющий коммуникационный соединитель 120 предпочтительно являются индуктивными коммутационными устройствами, которые известны в этой области техники (см. ниже также относящееся к этому описание).

Специалистам в данной области техники ясно, что эффективная связь может также быть установлена пассивным позиционированием, используя только кабель 112. Другими словами, использование позитивных защелкивающих средств для позиционирования соединителей 118 переводника внутри адаптерного переводника 9 является несущественным признаком настоящего изобретения, хотя в настоящее время такой способ предпочтителен.

Фиг.2В показывает соединитель 118 переводника, оборудованный электронным модулем 119 для выполнения одной или нескольких функций типа переключения, усиления сигналов, согласования импедансов, или сигнальной модуляции/демодуляции сигналов.

Как показано на фиг.1В, видно, что кабельный коммуникационный канал 5b может с успехом применяться в бурильной колонне 6, где множество секций 8 проводных буровых труб соединены внутри бурильной колонны между двумя адаптерными переводниками 9а, 9b для образования трубного коммуникационного канала 5а. В этом применении, кабельный коммуникационный канал 5b устанавливает альтернативную линию связи к трубному коммуникационному каналу 5а для передачи сигнала через бурильную колонну 6. Таким образом, когда нарушение связи в трубной системе (то есть в системе проводных буровых труб) происходит в секции 8f, телеметрия бурильной колонны поддерживается за счет установления кабельного коммуникационного канала 5b, как описано здесь.

Фиг.1C демонстрирует кабельный коммуникационный канал 5b, с успехом используемый в бурильной колонне, где беспроводная секция бурильной колонны 6 расположена между двумя адаптерными переводниками 9а', 9b'. Этим способом кабельный коммуникационный канал 5b устанавливает путь передачи сигнала через беспроводную секцию бурильной колонны, посредством чего беспроводная секция преобразована в кабельную секцию. Беспроводная секция бурильной колонны может включить одну или несколько стандартных (то есть беспроводных) секций и буровых труб 4 или, альтернативно, один или несколько беспроводных сервисных переводников типа буровых воротников, стабилизаторов, ясов, изогнутых переводников и т.д. В этом смысле, кабельный коммуникационный канал (на который здесь также ссылаются как на второй коммуникационный канал) образует так называемую "гибридную" систему телеметрии.

Трубный коммуникационный канал (также упомянутый здесь как первый коммуникационный канал) 5а, образованный множеством секций проводных буровых труб, будет теперь описан более детально. Один тип такой секции, как раскрыто в патенте США №2002/0193004, созданном Боувлом и др. и переданном правопреемнику настоящего изобретения, использует первые коммуникационные соединители - предпочтительно индуктивные коммутационные устройства - чтобы передавать сигналы через эти секции. Индуктивное коммутационное устройство в этих секциях, согласно Боувлу и др., включает трансформатор, который имеет тороидальный сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью и с низким затуханием типа супермаллоя (который является никележелезным сплавом, обработанным для получения исключительно высокой начальной магнитной проницаемости и подходящим для применения в трансформаторах с низким уровнем сигналов). Обмотка, состоящая из многочисленных витков изолированного провода, намотана вокруг тороидального сердечника для создания тороидального трансформатора. В одной компоновке тороидальный трансформатор герметизирован в каучуке или другими изолирующими материалами, и собранный трансформатор вставлен в паз, расположенный на соединении буровой трубы.

На фиг.3-5 показано, что секция 210 имеет первые коммуникационные соединители 221, 231 в соответствующем конце 241 закрытой головки 222 или около него и в конце 234 ниппельной головки 232. Первый кабель 214 проходит через цепь 213 для подключения первых коммуникационных соединителей 221, 231 способом, который будет описан ниже.

Секция 210 проводных буровых труб оборудована удлиненным трубчатым хвостовиком 211, имеющим осевой канал 212, закрытую головку 222, ниппельный конец 232 и первый кабель 214, проходящий от закрытой головки 222 к ниппельному концу 232. Первая токовая петля индуктивного коммутационного элемента 221 (например, тороидальный трансформатор) и такая же вторая токовая петля индуктивного коммутационного элемента 231 расположена в закрытой головке 222 и ниппельном конце 232 соответственно. Первая токовая петля индуктивного коммутационного элемента 221, вторая токовая петля индуктивного коммутационного элемента 231 и первый кабель 214 совместно обеспечивают коммуникационный канал по длине каждой секции проводных буровых труб. Индуктивное коммутационное устройство (или коммуникационное соединение) 220 на плоскости соединения двух указанных секций показано, как состоящее из первого индуктивного коммутационного элемента 221 в секции 210 и из второй токовой петли индуктивного коммутационного элемента 231' на следующем трубчатом элементе (которым может быть другая секция проводных буровых труб или адаптерный переводник 9а, как описано выше). Специалистам в данной области техники ясно, что в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения системы 100 телеметрии, индуктивные элементы индуктивного коммутационного устройства могут быть заменены другими устройствами, выполняющими подобную коммуникационную функцию, например типа прямых электроконтактных соединений, раскрытых в патенте США №4126848, принадлежащем Денисону.

Фиг.4 и 5 изображают индуктивное коммутационное устройство или коммуникационное соединение 220, показанное на фиг.3, более детально. Закрытая головка 222 имеет внутреннюю резьбу 223 и кольцевой внутренний выступ для замыкания контактов 224, имеющий первый паз 225, в котором расположен первый тороидальный трансформатор 226. Тороидальный трансформатор 226 соединен с кабелем 214. Точно так же ниппельный конец 232' смежного проводного трубчатого элемента (например, другой секции проводных буровых труб или адаптерного переводника 9а) имеет наружную резьбу 233', и кольцевой внутренний конец контактирующей трубы 234' имеет второй паз 235', в котором расположен второй тороидальный трансформатор 236'. Второй тороидальный трансформатор 236' соединен со вторым кабелем 214' смежного трубчатого элемента 9а. Пазы 225 и 235' могут быть плакированы материалом с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью (например, медью), чтобы повысить эффективность индуктивной связи.

Когда закрытая головка 222 из одной из секций проводных буровых труб соединена с ниппельным концом 232' смежного трубчатого элемента (например, с другой секцией или с адаптерным переводником 9а), образуется коммуникационное соединение. Фиг.5 показывает разрез участка образовавшейся поверхности раздела, в которой противостоящая пара индуктивных коммутационных устройств (то есть тороидальные трансформаторы 226, 236') закреплены вместе, чтобы сформировать коммуникационное соединение в пределах действующего коммуникационного канала. Этот вид поперечного разреза также показывает, что закрытые тороидальные проходы 240 и 240' содержат тороидальные трансформаторы 226 и 236' соответственно, и каналы 213 и 213' образуют кабелепроводы для внутренних электрических кабелей 214 и 214', которые подключают два индуктивных коммутационных элемента, расположенных в двух концах каждой секции проводных буровых труб.

Описанные выше индуктивные коммутационные устройства включают электрический соединитель, сделанный с двойным тороидом. Двухтороидный соединитель использует внутренние выступы ниппельной и закрытой головок как электрические контакты. Внутренние выступы приводятся в контакт под высоким давлением, так что ниппельная и закрытая головки соединены, обеспечивая неразрывный электрический контакт между ниппельной и закрытой головками. Посредством тороидальных трансформаторов, помещенных в пазах, в металле соединения индуцируются токи. При данной частоте (например, 100 кГц), эти токи ограничены поверхностью пазов за счет скин-эффекта. Ниппельная и закрытая головки создают вторичные цепи соответствующих трансформаторов, и эти две вторичные цепи имеют обратное соединение через сопрягающиеся внутренние поверхности выступов.

В то время как на фиг.3-5 изображены некоторые типы коммуникационных соединителей, специалистам в данной области техники понятно, что для передачи сигнала через соединенные трубчатые элементы могут использоваться разнообразные соединители. Например, такие системы могут применять магнитные соединители, такие как описаны в публикации международной заявки WO 02/06716, принадлежащей Холлу. Предполагается также использование и других систем и/или соединителей.

На фиг.3 интервал между адаптерными переводниками 9а, 9b показан упрощенно, как будто он является только одной секцией проводной буровой трубы, то есть имеет длину в 30 футов (9,144 м). Специалисты в этой области техники оценят, однако, что такой интервал часто будет образован множеством соединенных секций проводных буровых труб, и в одном варианте осуществления настоящего изобретения в настоящее время планируется, что он будет равен приблизительно 1000 футам (304,8 м) в длину. Колонна таких секций этой длины, как полагают, будет работать без применения усилительных переводников для усиления переданных сигналов на увеличенном расстоянии, но настоящее изобретение хорошо адаптировано для этого и рассматривает использование таких усилителей в случае необходимости. Адаптерные переводники сами очень похожи на секции проводных буровых труб, описанные здесь, за исключением того, что адаптерные переводники могут иметь длины, отличающиеся от стандартной длины 30 футов (9,144 м), в частности сокращенную длину меньше на 3 фута (0,914 м), и адаптерные переводники, оборудованные для сцепления со вторым кабелем 112, как описано выше со ссылкой на фиг.2А и 2 В. Более того, измерительные устройства М, которые расположены в бурильной колонне, типа устройств ИПБ и ГИПБ могут быть оборудованы для выполнения также функции адаптерных переводников, позволяя прямое подсоединение такого кабеля, как кабель 112 (описанный ниже), к одному или нескольким измерительным устройствам М.

Каждый из адаптерных переводников 9а, 9b, показанный на фиг.3, имеет второй коммуникационный соединитель 231', 221' в соответствующих конечных частях 234' ниппельного конца 232' и конца 241' закрытой головки 222' или, по меньшей мере, около них. Адаптерные переводники оборудованы для подсоединения их ко второму кабелю 112, расположенному в бурильной колонне 6 так, что второй кабель 112 соединяет пару адаптерных переводников для образования второго коммуникационного канала 5b, как описано выше. Предполагается, что второй коммуникационный канал будет устанавливаться только когда необходимо, например, в случае нарушения функционирования канала или для обхода нарушения связи в первом коммуникационном канале, или установления коммуникационного канала в части бурильной колонны, где никаких каналов не существует.

Таким образом, в варианте осуществления настоящего изобретения системы телеметрии, показанной на фиг.2А-В, один адаптерный переводник 9 подсоединен между двумя секциями 8 в бурильной колонне 6, посредством чего участок первого коммуникационного канала 5а, образованного соединенными секциями проводных буровых труб (и включающими адаптерный переводник 9), может быть обойден вторым коммуникационным каналом 5b, образованным адаптерными переводниками с кабелем. Альтернативно, один адаптерный переводник 9 может быть подсоединен между одной из секций проводных буровых труб и беспроводной секцией бурильной колонны (см., например, фиг.1C), вследствие чего беспроводная секция бурильной колонны может быть преобразована в кабельную секцию вторым коммуникационным каналом. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения, беспроводная секция бурильной колонны может включать одну или несколько беспроводных секций буровых труб и/или беспроводные сервисные переводники.

Система телеметрии согласно настоящему изобретению рассматривает использование множества адаптерных переводников 9 (то есть не просто двух), предпочтительно расположенных в вышеупомянутом интервале длиной в 1000 футов (304,8 м) в бурильной колонне. Каждый из адаптерных переводников 9 оборудован для подсоединения ко второму кабелю 112, расположенному внутри бурильной колонны 6, как описано выше со ссылкой на фиг.2А-В. Таким способом, расположенные на расстоянии друг от друга адаптерные переводники служат токопроводом в первом коммуникационном канале 5а, образованном секциями проводных буровых труб; и "перемычкой", готовой обойти или «перескочить» в случае необходимости, например, через одну или более дефектных указанных секций в первом коммуникационном канале 5а.

В большинстве вариантов осуществления настоящего изобретения (см., фиг.1А), система 100 телеметрии дополнительно включает одно или несколько измерительных устройств М, которые расположены в нижней секции бурильной колонны 6, известной как забойный узел 200. В систему телеметрии также включен компьютер 2, расположенный на поверхности и предназначенный для обработки данных, полученных измерительным устройством (устройствами) М, и первый коммуникационный переводник 70, расположенный в или над верхней секцией бурильной колонны (выше секции ведущей бурильной трубы 17) для связи с поверхностным компьютером 2. Первый коммуникационный переводник 70, еще известный как поверхностный коммуникационный переводник, также связан с первым коммуникационным каналом 5а и со вторым коммуникационным каналом 5b посредством соединительных средств, известных в данной области техники. Система 100 телеметрии также содержит второй коммуникационный переводник 80, известный как скважинный коммуникационный переводник, расположенный в нижней секции бурильной колонны 6 сразу над забойным узлом 200, для связи с, по меньшей мере, измерительным устройством (устройствами) М. Первый коммуникационный канал 5а создает, по меньшей мере, участок действующего коммуникационного соединения между скважинным коммуникационным переводником 80 и поверхностным коммуникационным переводником 70. Второй кабель 112 может быть расположен внутри бурильной колонны 6 и подсоединен через пару адаптерных переводников 9, образуя, таким образом, второй коммуникационный канал 5b (или часть его), подсоединенный для связи с первым коммуникационным каналом 5а. Второй коммуникационный канал 5b, таким образом, образует, по меньшей мере, участок действующего коммуникационного соединения между скважинным коммуникационным переводником 80 и поверхностным коммуникационным переводником 70, например, как обходной или вспомогательный для канала 5а.

В различных вариантах осуществления системы телеметрии первый (или поверхностный) коммуникационный переводник 70 расположен согласно одной из четырех компоновок: ниже секции ведущей бурильной трубы 17 в приводимой ротором бурильной колонне 6; выше секции ведущей бурильной трубы в приводимой ротором бурильной колонне; ниже силового вертлюга, поддерживающего бурильную колонну с верхним приводом (не показано); или внутри силового вертлюга, поддерживающего бурильную колонну с верхним приводом (не показано). Если первый коммуникационный переводник расположен выше секции ведущей бурильной трубы в бурильной колонне, то он может включить контактное кольцо или вращающийся трансформатор для передачи сигналов между вращающейся бурильной колонной 6 и стационарными поверхностными компонентами телеметрической системы 100.

Бурильная колонна с верхним приводом подобна бурильной колонне 6 роторного бурения, изображенной на фиг.1А, за исключением того, что роторный стол 16 и вертлюг 19 заменены силовым вертлюгом, который поддерживает и вращает бурильную колонну.

Контактное кольцо (также известное как поверхность для щеточного контакта) - хорошо известный электрический соединитель, предназначенный для передачи тока или сигналов от стационарного кабеля во вращающееся устройство. Как правило, оно состоит из стационарного графитового или металлического контакта (щетки) в невращающемся компоненте 1 (например, внутри вертлюга 19), который трется о наружный диаметр вращающегося металлического кольца (например, на верхней части секции ведущей бурильной трубы 17). Так как металлическое кольцо поворачивается, электрический ток или сигнал передается от стационарной щетки в металлическое кольцо, образуя соединение. Вдоль вращающейся оси может быть скомпоновано большое количество щеточно-кольцевых узлов, если необходима более чем одна электрическая цепь.

Вращающиеся электрические соединения, основанные на индукции (трансформаторный эффект), известные также как вращающиеся трансформаторы, создают альтернативу соединениям при помощи контактного кольца и контактных щеток, основанных на проводимости между вращающимися и стационарными электрическими цепями. Таким образом, не нужен никакой прямой контакт для трансформаторного эффекта, имеющего место в индуктивной вращательной связи. Фиг.6 показывает упрощенный поперечный разрез типичного индуктивного вращающегося коммутационного устройства между стационарной схемой 72, установленной внутри стационарного корпуса 1, и вращающейся схемой (которая включает коммуникационные каналы 5а и/или 5b), установленной на секции ведущей бурильной трубы 17. Обмотки трансформатора включают стационарную катушку 74 и вращающуюся катушку 76, обе концентричны относительно оси вращения. Любая катушка может служить первичной обмоткой, причем другая служит вторичной обмоткой. Стационарное устройство включает сердечник трансформатора, который, как и в стандартном стационарном силовом трансформаторе, выполнен из набранных листов кремнистой стали или другого подходящего магнитно "мягкого" материала, за исключением того, что сердечник имеет внутреннюю часть 77 и внешнюю часть 78, которые образуют корпус для вращающихся частей. В пустотелом валу размещены провода, которые соединяют вращающуюся катушку с вращающейся схемой на одном конце вала.

Как упомянуто выше, бурильная колонна 6 обычно включает забойный узел 200, расположенный около бурового долота 15. Забойный узел 200 может включать устройства для проведения измерений, обработки и хранения информации, так же как и связи с поверхностью (например, устройства ИПБ/ГИПБ) по скважинному коммуникационному переводнику 80. Пример измерительного устройства М, имеющего такие возможности для определения удельного сопротивления, подробно описан в патенте США №5339037.

Сигнал, представляющий одно или несколько измерений от угла 200, передается от измерительного устройства М (или устройств) через скважинный коммуникационный переводник 80 вверх по бурильной колонне 6. Передача может быть осуществлена стандартными средствами типа телеметрии по импульсам бурового раствора, электромагнитной телеметрии и акустической телеметрии по трубам или, что более предпочтительно, по коммуникационными каналами 5а, 5b, как описано здесь. Переданный сигнал принимается поверхностным коммуникационным переводником 70, который, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, использует средства, подсоединенные к секции ведущей бурильной трубы 17 типа контактного кольца или вращающегося трансформатора" 1 для передачи сигнала от вращающейся цепи к стационарной внутри вертлюга 19. Стационарная цепь трансформатора или контактного кольца подсоединена через проводное соединение типа кабеля 3 к поверхностному компьютеру 2 для обработки и хранения/показа информации. Поверхностный компьютер 2 также обеспечивает связь с измерительным устройством М (или устройствами) и управление ими посредством соответствующих сигналов, направленных назад вниз по бурильной колонне 6. Вращающаяся цепь вращающегося трансформатора или контактного кольца также подсоединена к скважинному коммуникационному переводнику 80 через коммуникационные каналы 5а, 5b, описанные выше, проходящие по бурильной колонне 6.

На фиг.7А показана схема альтернативной системы 100а телеметрии, которая имеет поверхностный беспроводной коммуникационный канал вместо проводных соединителей, описанных выше. Система 100а телеметрии, по существу, та же самая, что и система 100 телеметрии на фиг.1А, за исключением того, что поверхностный коммуникационный переводник 70а оперативно подсоединен к ведущей бурильной трубе 17 вместо поверхностного коммуникационного переводника 70, имеющего вращающийся трансформатор или контактное кольцо. В этом варианте осуществления настоящего изобретения между поверхностным компьютером 2а и поверхностным коммуникационным переводником 70а существует беспроводная связь 3а. Поверхностный коммуникационный переводник 70а оперативно подсоединен к скважинному коммуникационному переводнику 80а через коммуникационные каналы 5а, 5b, как было описано ранее.

Поверхностный коммуникационный переводник 70а включает модем 315 проводных буровых труб с проводной связью с первым коммуникационным каналом 5а, беспроводной модем 325 со связью по кабелю с модемом 315 и источник электропитания 310 для модемов. Источник питания может включать одну или несколько батарей 305.

Поверхностный коммуникационный переводник 70а является предпочтительно коротким адаптерным переводником или поверхностным коммуникационным переводником проводных буровых труб, который обеспечивает интерфейс между беспроводным коммуникационным каналом и трубным коммуникационным каналом (также упомянутым здесь как первый коммуникационный канал) 5а.

Модем 315 обеспечивает связь между поверхностным коммуникационным переводником 70а и трубным коммуникационным каналом 5а системы проводных буровых труб. Беспроволочный модем 325 дает возможность осуществлять связь между поверхностным коммуникационным переводником и поверхностным компьютером через беспроводное соединение 3а. Модем 315 и беспроводной модем 325 оперативно соединены высокоскоростной связью 320. Поверхностный коммуникационный переводник 70а и поверхностный компьютер 2а оборудованы соответствующими беспроводными приемопередатчиками 325t, 2t, способными к беспроводной посылке и получению сигналов между ними через беспроводное соединение 3а.

На фиг.7В показана схема стандартного скважинного коммуникационного переводника 80а, применяющего объекты настоящего изобретения. Переводник 80а включает модем 95 проводных буровых труб для связи по трубному коммуникационному каналу 5а, 5b с поверхностным коммуникационным переводником 70а. Модем 95 соединен кабелем для высокоскоростной связи с интерфейсом 105 магистральной сети, который, в свою очередь, соединен связью с забойным узлом 200. Источник 90 питания снабжает энергией скважинный коммуникационный переводник 80а и может включить одну или несколько батарей 85.

Система телеметрии, представленная на фиг.7А и 7В, обеспечивает возможность беспроводному коммуникационному каналу (также упомянутому здесь как третий коммуникационный канал) на поверхности работать совместно с трубными и/или кабельными коммуникационными каналами в скважине.

На фиг.8 показан еще один вариант осуществления настоящего изобретения системы 100b телеметрии, в которой поверхностный коммуникационный переводник 70b расположен в бурильной колонне ниже участка бурильной колонны, проходящей через механизм, приводящий ее во вращение (например, ниже роторного стола 16) для беспроводной связи с поверхностным компьютером 2b. Поверхностный коммуникационный переводник 70b включает первый беспроводной приемопередатчик 71, и система телеметрии включает второй беспроводной приемопередатчик 91, расположенный в линии 90 бурового раствора, соединяющей приемную емкость 92 для хранения бурового раствора и скважину. Желательно, чтобы приемопередатчик 91 был расположен настолько близко, насколько возможно, к бурильной колонне 6, а местоположение приемопередатчика 91 в линии 90 бурового раствора не существенно. Таким образом, могут с успехом использоваться такие альтернативные места, как вблизи стояка или секции обсадной трубы. Второй беспроводной приемопередатчик 91 находится в проводной связи с поверхностным компьютером 2b через кабель 3b. Скважинный коммуникационный переводник 80 может иметь связь с поверхностным коммуникационным переводником 70b множеством способов, включая стандартную телеметрию по импульсам бурового раствора и проводными каналами, в частности, по коммуникационным каналам 5а, 5b.

Настоящее изобретение далее обеспечивает способ 400 бурения скважин, который с успехом использует системы телеметрии, описанные выше. Таким образом, ссылаясь, в частности, на фиг.9, а в общем, и на другие фигуры, способ 400 включает этапы бурения скважины с использованием бурильной колонны 6 на этапе 410, получения данных по скважинам в процессе бурения при помощи измерительного устройства М, расположенного в бурильной колонне 6 на этапе 430, и передачи полученных данных по скважине на поверхность через кабельный коммуникационный канал 5b на этапе 490. Кабельный коммуникационный канал 5b образован, по меньшей мере, двумя разнесенными адаптерными переводниками 9, расположенными в бурильной колонне 6, и кабеля 112, соединяющего адаптерные переводники для передачи сигналов между адаптерными переводниками на этапе 420, как здесь описано.

Способ 400 бурения скважин дополнительно включает этап передачи полученных данных по скважине на поверхность через другой коммуникационный канал 5а, образованный множеством соединенных секций 8 проводных буровых труб (этап 440: "да", чтобы переходить к этапу 450), и этап передачи полученных данных по скважине на поверхность через третий коммуникационный канал, образованный поверхностным коммуникационным переводником 70 или 70а или 70b (этап 500), снабженным кабелем для связи с соединенными секциями 8. Поверхностный коммуникационный переводник 70 или 70а или 70b передает полученные данные по скважине от соединенных секций 8 на поверхностный компьютер 2 или 2а для их обработки, и он может использовать для этой цели один или более беспроводных приемопередатчиков 71, 91 (фиг.8).

Этап 490 передачи позволяет, используя второй коммуникационный канал 5b, обойти участок первого коммуникационного канала 5а на этапе 470, как только нарушение связи будет приписано первому коммуникационному каналу 5а на этапе 460, или, альтернативно, преобразовывать беспроводную секцию бурильной колонны в кабельную секцию (этап 480).

Идентификация нарушения связи в системе проводных буровых труб на этапе 460 может быть осуществлена пропусканием сигнала через первый коммуникационный канал 5а, и затем измерением сигнала для определения напряжение и/или тока и импеданса. Анализируя импеданс, можно определить место повреждения. В частности, импеданс может иметь небольшую пульсацию или сильный резонанс, который свидетельствует о нарушении связи. Полученный сигнал может также быть измерен во временном интервале. Задержка сигнала между передачей и получением может быть проанализирована для определения местоположения нарушения связи, оценивая расстояние, которое прошел сигнал. Эта информация может также использоваться, чтобы определить число вышедших из строя секций проводных буровых труб.

Фиг.10, в общем так же, как другие фигуры, иллюстрирует также следующий объект настоящего изобретения в виде способа 600 бурения скважин. Скважина бурится на этапе 610 с использованием бурильной колонны 6, имеющей множество адаптерных переводников 9, расположенных в ней. Последовательные адаптерные переводники в бурильной колонне отделены друг от друга, по меньшей мере, четырьмя соединенными секциями 8 проводных буровых труб. Адаптерные переводники 9 и секции 8 вместе образуют первый коммуникационный канал 5а на этапе 620. Данные по скважине получают в процессе бурения при помощи измерительного устройства М, расположенного в бурильной колонне 6 на этапе 630, и эти данные, полученные по скважине, передаются на поверхность через первый коммуникационный канал 5а на этапе 640.

При обнаружении наличия нарушения связи в первом коммуникационном канале связи 5а (этап 650: ДА), например вследствие невозможности связываться с измерительным устройством М, кабель 112 помещают в бурильную колонну 6 для установления второго коммуникационного канала 5b на этапе 660. Кабель 112 имеет пару разнесенных соединителей 118 переводника, последовательно соединенных по кабелю для установки связи с соответствующей парой последовательных адаптерных переводников 9, таких как самая нижняя пара адаптерных переводников в бурильной колонне 6. Этим способом при помощи такого соединения устанавливается второй коммуникационный канал 5b. Другими словами, пара соединителей 118 переводника подсоединяется к паре соответствующих адаптерных переводников 9, как подробно описано здесь. Второй коммуникационный канал 5b обходит соединенные проводные секции буровых труб 8 между парой последовательных адаптерных переводников 9.

Затем определяется, находится ли повреждение в пределах участка бурильной колонны между парой последовательных адаптерных переводников 9, соединенных посредством кабеля 112 на этапе 670. После определения, что нарушение связи не находится в пределах интервала бурильной колонны между парой последовательных кабельных адаптерных переводников (этап 670: НЕТ), кабель перемещают внутри бурильной колонны, чтобы установить связь между парой соединителей переводника и другими соответствующими парами последовательных адаптерных переводников на этапе 680, пока место нарушения связи не будет идентифицировано. Предпочтительно, чтобы кабель был перемещен так, чтобы обойти каждую поочередно соединенную колонну секций проводных буровых труб между последовательными адаптерными переводниками 9. Как только нарушение связи идентифицировано, например безуспешным ожиданием возвращения тестового сигнала, нарушение связи может быть исправлено на этапе 690 заменой дефектной секции (или секций) 8 проводных буровых труб во время спуска-подъема бурильной колонны 6.

Изобретение относится к приводным телеметрическим системам в бурильных трубах и к передаче сигналов через бурильную колонну (БК). Техническим результатом изобретения является повышение надежности и быстродействия телеметрической системы за счет упреждения вероятности отказов в системе проводных буровых труб. Для этого кабельный коммуникационный канал (КК) для БК включает расположенные на расстоянии друг от друга адаптерные переводники (АП) в БК и кабель, соединяющий адаптерные переводники для передачи сигнала между ними. Кабельный КК может быть образован секциями буровых труб, соединенными в БК между АП для создания трубного КК, посредством чего кабельный КК устанавливает линию связи к трубному КК для передачи сигнала по БК. Кабельный КК может также быть расположен в беспроводной секции БК, расположенной между АП, посредством чего кабельный КК устанавливает линию связи для передачи сигнала по беспроводной секции БК. Индуктивные коммутационные устройства предпочтительно используются для связи через АП и проводные секции буровых труб. Другой объект кабельной связи использует беспроводные приемопередатчики в скважине или около поверхности. 4 н. и 37 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Кабельный коммуникационный канал для бурильной колонны, содержащий, по меньшей мере, два адаптерных переводника, расположенных в бурильной колонне на расстоянии друг от друга, превышающем длину трех соединенных секций буровых труб, и кабель, соединяющий два адаптерных переводника для передачи сигнала между ними, при этом каждый адаптерный переводник включает промежуточный коммуникационный соединитель его концов и кабель, имеющий пару соединителей переводников, расположенных последовательно, причем каждый соединитель переводника имеет дополняющий коммуникационный соединитель, и выравнивание дополняющего коммуникационного соединителя с коммуникационным соединителем переводника адаптера устанавливает связь между ними.

2. Канал по п.1, в котором каждый адаптерный переводник дополнительно включает внутреннюю кольцевую выемку, расположенную на предварительно определенном аксиальном расстоянии от коммуникационного соединителя, и каждый соединитель переводника дополнительно имеет защелку для сцепления с внутренней кольцевой выемкой одного из адаптерных переводников и расположения его дополняющего коммуникационного соединителя в выровненном положении с коммуникационным соединителем указанного одного из адаптерных переводников.

3. Канал по п.2, в котором защелка каждого соединителя переводника включает запирающую собачку, имеющую, по меньшей мере, один ключ для зацепления с кольцевой выемкой канавкой одного из адаптерных переводников, расположенный на предварительно определенном аксиальном расстоянии от дополняющего коммуникационного соединителя, посредством чего зацепление ключа с кольцевой выемкой одного из адаптерных переводников при расположении кабеля в бурильной колонне выравнивает дополняющий коммуникационный соединитель соединителя переводника с коммуникационным соединителем одного из адаптерных переводников и устанавливает связь между ними.

4. Канал по п.3, в котором запирающая собачка включает фиксирующую защелку.

5. Канал по п.4, в котором коммуникационные соединители и дополняющие коммуникационные соединители являются индуктивными коммутационными устройствами.

6. Канал по п.1, который предназначен для установки альтернативного подсоединения к трубному коммуникационному каналу, образованному множеством секций проводных буровых труб, соединенных в бурильной колонне между двумя адаптерными переводниками, для передачи сигнала по бурильной колонне.

7. Канал по п.1, который предназначен для бурильной колонны, имеющей беспроводную секцию, расположенную между двумя адаптерными переводниками, и способен устанавливать линию для передачи сигнала по беспроводной секции бурильной колонны.

8. Канал по п.1, в котором беспроводная секция бурильной колонны включает, по меньшей мере, одну секцию беспроводных буровых труб.

9. Канал по п.8, в котором беспроводная секция бурильной колонны включает, по меньшей мере, один беспроводной сервисный переводник.

10. Система телеметрии для бурильной колонны, расположенной в скважине, содержащая множество секций проводных буровых труб в бурильной колонне, образующих первый коммуникационный канал, причем каждая из секций проводных буровых труб имеет первый коммуникационный соединитель на каждом ее конце или вблизи него, и первый кабель, соединяющий первые коммуникационные соединители, и пару адаптерных переводников, расположенных в бурильной колонне на расстоянии, превышающем длину трех соединенных секций буровых труб, причем каждый адаптерный переводник имеет второй коммуникационный соединитель, на, по меньшей мере, одном из концов адаптерного переводника или вблизи него и приспособлен для подсоединения ко второму кабелю, расположенному в бурильной колонне так, что второй кабель подключает пару адаптерных переводников для образования второго коммуникационного канала, один из адаптерных переводников подсоединен в бурильной колонне так, что его второй коммуникационный соединитель является смежным первому коммуникационному соединителю одной из секций проводных буровых труб для подсоединения одного адаптерного переводника к одной секции проводных буровых труб для связи между ними, посредством чего первый коммуникационный канал подсоединяется для связи со вторым коммуникационным каналом для передачи сигналов по бурильной колонне.

11. Система по п.10, в которой один адаптерный переводник подсоединен между двумя секциями проводных буровых труб в бурильной колонне, посредством чего участок первого коммуникационного канала может обходиться вторым коммуникационным каналом.

12. Система по п.10, в которой один адаптерный переводник подсоединен между одной секцией проводных буровых труб и беспроводной секцией бурильной колонны, посредством чего беспроводная секция бурильной колонны преобразуется в кабельную секцию при помощи второго коммуникационного канала.

13. Система по п.12, в которой беспроводная секция бурильной колонны включает, по меньшей мере, одну секцию беспроводных буровых труб.

14. Система по п.12, в которой беспроводная секция бурильной колонны включает, по меньшей мере, один беспроводный сервисный переводник.

15. Система по п.10, в которой первые коммуникационные соединители секций проводных буровых труб и вторые коммуникационные соединители адаптерных переводников являются индуктивными коммутационными устройствами.

16. Система по п.10, дополнительно включающая второй кабель, расположенный внутри бурильной колонны для подсоединения пары адаптерных переводников для образования второго коммуникационного канала, подсоединенного для связи с первым коммуникационным каналом.

17. Система по п.16, в которой каждый адаптерный переводник включает третий промежуточный коммуникационный соединитель вторых коммуникационных соединителей, и второй кабель имеет пару последовательных соединителей переводника на нем, каждый из которых имеет коммуникационный четвертый соединитель, который выравнивается с третьим коммуникационным соединителем одного адаптерного переводника для установления связи между первым коммуникационным и вторым коммуникационным каналами.

18. Система по п.17, в которой каждый адаптерный переводник дополнительно включает внутреннюю кольцевую выемку, расположенную на предварительно определенном осевом расстоянии от коммуникационного третьего соединителя, и каждый соединитель переводника дополнительно имеет защелку для зацепления с внутренней кольцевой выемкой адаптерного переводника и позиционирования его четвертого коммуникационного соединителя для выравнивания с третьим коммуникационным соединителем сцепленного адаптерного переводника.

19. Система телеметрии по п.17, в которой защелка каждого соединителя переводника включает запирающую собачку, имеющую, по меньшей мере, один ключ для зацепления с внутренней кольцевой выемкой одного из адаптерных переводников, расположенный на предварительно определенном осевом расстоянии от коммуникационного четвертого соединителя каждого соединителя, при этом зацепление ключом кольцевой выемки адаптерного переводника при расположении кабеля в бурильной колонне выравнивает четвертый коммуникационный соединитель соединителя переводника с третьим коммуникационным соединителем сцепленного переводника адаптера и устанавливает связь между ними.

20. Система по п.19, в которой запирающая собачка включает фиксирующую защелку.

21. Система по п.17, в которой третьи и четвертые соединители являются индуктивными коммутационными устройствами.

22. Система по п.10, включающая множество адаптерных переводников, расположенных на расстоянии друг от друга в бурильной колонне, причем каждый из адаптерных переводников приспособлен для соединения со вторым кабелем, расположенным в бурильной колонне, так, что второй кабель способен подключить, по меньшей мере, два из адаптерных переводников для образования второго коммуникационного канала, причем один из адаптерных переводников подсоединен в бурильной колонне так, что его второй коммуникационный соединитель является смежным первому коммуникационному соединителю одной из секций проводных буровых труб для подсоединения одного адаптерного переводника к одной секции проводных буровых труб для связи между ними, посредством чего первый коммуникационный канал соединяется для связи со вторым коммуникационным каналом.

23. Система по п.22, дополнительно включающая второй кабель, расположенный внутри бурильной колонны, для подсоединения одного адаптерного переводника и, по меньшей мере, еще одного из множества адаптерных переводников для образования второго коммуникационного канала, подсоединенного для связи к первому коммуникационному каналу.

24. Система по п.10, дополнительно включающая измерительное устройство, расположенное в нижней секции бурильной колонны, поверхностный компьютер для обработки данных, полученных измерительным устройством, первый коммуникационный переводник, расположенный в верхней секции бурильной колонны или над ней для связи с поверхностным компьютером, второй коммуникационный переводник, расположенный в нижней секции бурильной колонны для связи с измерительным устройством, первый коммуникационный канал, образующий, по меньшей мере, участок действующего коммуникационного соединения между скважинным и поверхностным коммуникационными переводниками.

25. Система по п.24, в которой измерительное устройство также является адаптерным переводником.

26. Система по п.24, дополнительно включающая второй кабель, расположенный внутри бурильной колонны и соединенный через пару адаптерных переводников с образованием второго коммуникационного канала, подсоединенный для связи с первым коммуникационным каналом и образующий, по меньшей мере, участок действующего коммуникационного соединения между скважинным и поверхностным коммуникационными переводниками.

27. Система по п.24, в которой первый коммуникационный переводник расположен ниже секции ведущей бурильной трубы в бурильной колонне.

28. Система по п.24, в которой первый коммуникационный переводник расположен выше секции ведущей бурильной трубы в бурильной колонне.

29. Система по п.24, в которой первый коммуникационный переводник расположен ниже силового вертлюга, поддерживающего бурильную колонну.

30. Система по п.24, в которой первый коммуникационный переводник расположен внутри силового вертлюга, поддерживающего бурильную колонну.

31. Система по п.28, в которой первый коммуникационный переводник включает вращающийся трансформатор.

32. Система по п.28, в которой первый коммуникационный переводник включает контактное кольцо.

33. Система по п.24, в которой первый коммуникационный переводник включает первый беспроводной приемопередатчик в проводной связи с первым коммуникационным каналом.

34. Система по п.33, дополнительно включающая второй беспроводный приемопередатчик в проводной связи с поверхностным компьютером, причем первые и вторые беспроводные приемопередатчики приспособлены для беспроводной связи между ними.

35. Система по п.34, в которой второй беспроводный приемопередатчик расположен в линии бурового раствора между приемной емкостью для хранения бурового раствора и скважиной.

36. Система по п.24, в которой первый коммуникационный переводник включает модем проводных буровых труб в проводной связи с первым коммуникационным каналом, беспроводной модем в проводной связи с модемом проводных буровых труб и источник питания, приводящий в действие модемы.

37. Система по п.36, в которой источник питания включает, по меньшей мере, одну батарею.

38. Способ бурения скважин, включающий следующие этапы:
бурение скважины с использованием бурильной колонны;
получение данных по скважине в процессе бурения с использованием измерительного устройства, расположенного в бурильной колонне;
передача данных, полученных по скважине, на поверхность через коммуникационный канал, образованный, по меньшей мере, двумя адаптерными переводниками, расположенными в бурильной колонне на расстоянии, которое превышает длину трех соединенных секций буровых труб, и кабелем, соединяющим адаптерные переводники, для передачи сигналов между адаптерными переводниками.
передача данных, полученных по скважине, на поверхность через другой коммуникационный канал, образованный множеством соединенных секций проводных буровых труб.
передача данных, полученных по скважине, на поверхность через третий коммуникационный канал, образованный поверхностным коммуникационным переводником с кабелем для связи с соединенными проводными секциями буровых труб, причем поверхностный коммуникационный переводник, передает данные, полученные по скважине, от проводных соединенных секций буровых труб на поверхностный компьютер для обработки.

39. Способ по п.38, в котором поверхностный коммуникационный переводник использует беспроводной приемопередатчик для передачи данных, полученных по скважине, на поверхностный компьютер.

40. Способ бурения скважин, включающий следующие этапы:
бурение скважин с использованием бурильной колонны, имеющей множество адаптерных переводников, расположенных в ней, причем последовательные адаптерные переводники отделены друг от друга, по меньшей мере, четырьмя соединенными проводными секциями буровых труб, и адаптерные переводники и проводные секции буровых труб вместе образуют первый коммуникационный канал;
получение данных по скважине в процессе бурения с использованием измерительного устройства, расположенного в бурильной колонне;
передача данных, полученных по скважине, на поверхность через первый коммуникационный канал;
после обнаружения наличия нарушения связи в первом коммуникационном канале связи расположение кабеля внутри бурильной колонны, имеющей пару разнесенных соединителей переводника, связанных последовательно по кабелю для установления связи с соответствующей парой последовательных адаптерных переводников, посредством чего устанавливается второй коммуникационный канал с такой связью, которая обходит соединенные проводные секции буровых труб между парой последовательных адаптерных переводников.

41. Способ по п.40, дополнительно включающий следующие этапы:
определение, находится ли нарушение связи в пределах участка бурильной колонны между парой последовательных адаптерных переводников;
после определения нахождения повреждения в пределах участка бурильной колонны между парой последовательных адаптерных переводников, перемещение кабеля внутри бурильной колонны для установления связи между парой соединительных звеньев переводника и других соответствующих пар последовательных адаптерных переводников до определения местоположения нарушения связи;
исправление нарушения связи.