НАЗЕМНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ СВЯЗИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕЛЕМЕТРИИ ПО БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЕ Российский патент 2010 года по МПК E21B17/02 E21B47/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Это изобретение относится к областям бурения и эксплуатационных углеводородных скважин, и к измерению характеристик пласта в скважине, и к телеметрии по бурильной колонне для осуществления двусторонней связи для передачи измерительной и управляющей информации между скважинным и наземным оборудованием, и к наземной системе связи для осуществления двусторонней связи между телеметрией по бурильной колонне и наземным процессором.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Появление измерений в процессе бурения (MWD) и каротажа в процессе бурения (LWD), а также развитие наземного управления специальными буровыми технологиями, такими как направленное бурение, стало важным усовершенствованием в технике бурения и эксплуатационных углеводородных скважин. Эти процессы требуют осуществления двусторонней связи между наземным и скважинным измерительным и буровым оборудованием. В настоящее время гидроимпульсная скважинная телеметрия является единственной широко распространенной технологией промышленного использования для осуществления связи во время бурения между скважинным оборудованием и поверхностью. (Если не указано иного, сквозные ссылки «в процессе бурения» и им подобные должны означать, что бурильная колонна находится в стволе скважины или частично в стволе скважины, что относится к части буровых работ, включающих в себя бурение, остановки и/или спускоподъемные операции, а не обязательно то, что буровое долото вращается.) В гидроимпульсной скважинной телеметрии данные передаются, как пульсации давления в буровом растворе. Однако гидроимпульсная скважинная телеметрия имеет хорошо известные ограничения, включающие в себя сравнительно медленное осуществление связи, низкую скорость передачи данных и низкую надежность. Современная технология гидроимпульсной скважинной телеметрии способна посылать данные MWD/LWD со скоростью примерно 12 бит в секунду. Во многих случаях такая скорость является недостаточной, чтобы посылать все данные, которые собирает колонна инструмента LWD, или накладывает ограничения на компоновку необходимой колонны инструмента. Также технология гидроимпульсной скважинной телеметрии плохо работает в стволах скважин с большим отходом. Передача сигнала от устья к забою скважины с целью регулирования подачи бурового насоса для управления такими процессами, как направленное бурение и функционирование инструмента, также является медленной и имеет очень низкую скорость передачи информации. Также в некоторых условиях, например при бурении на депрессии при применении газа или аэрированного бурового раствора, современная гидроимпульсная скважинная телеметрия функционировать не может.

Годами предпринимаются различные попытки разработать альтернативы гидроимпульсной скважинной телеметрии, которые были бы быстрее, имели более высокую скорость передачи данных и не требовали присутствия бурового раствора особенного типа. Например, была предложена акустическая телеметрия, которая передает акустические волны по бурильной колонне. По расчету скорость передачи данных должна быть на порядок выше, чем при гидроимпульсной скважинной телеметрии, но все равно ограниченной, и проблемой также является шум. Акустическая телеметрия пока не стала промышленно применимой. Другим примером является электромагнитная телеметрия через земную толщу. Эта технология считается имеющей ограниченную дальность действия, зависит от характеристик, особенно сопротивления пластов, окружающих ствол скважины, и также имеет ограниченную скорость передачи данных.

Давно предложено размещение проводов в бурильных трубах для передачи сигналов. Некоторые ранние подходы к бурильной трубе с проводом раскрыты в патентах США №4126848, 3957118, 3807502 и в публикации «Four Different Systems Used for MWD», W.J.McDonald, The Oil and Gas Journal, pages 115-124, April 3, 1978.

Идея использования индуктивных соединительных муфт на трубных замках также была предложена. Использование индуктивных соединительных муфт в бурильной колонне раскрывают следующие документы: патент США №4605268, опубликованная в Российской Федерации патентная заявка 2140527, зарегистрированная 18 декабря 1997 г., опубликованная в Российской Федерации патентная заявка 2040691, зарегистрированная 14 февраля 1992 г., и публикация WО 90/14497А2. Также см.: патент США №5052941, патент США №4806928, патент США №4901069, патент США №5531592, патент США №5278550 и патент США №5971072.

Патент США №6641434 описывает замок бурильной трубы с проводом, который явился значительным успехом в уровне техники бурильных труб с проводом для надежной передачи данных измерений с высокими скоростями передачи данных, двусторонней, между наземной станцией и местами в стволе скважины. Этот патент описывает замок бурильной трубы с проводом с малыми потерями, в котором проводящие слои сокращают потери энергии сигнала бурильной колонны за счет снижения омических потерь и потерь магнитного потока в каждой индуктивной соединительной муфте. Замок бурильной трубы с проводом является надежным в эксплуатации, поскольку он остается работоспособным при наличии разрывов в слое проводника. Показатель, сопровождающий эти и другие успехи в технике телеметрии по бурильной трубе, обеспечивает возможность для инноваций, где предшествующие недостатки дальности действия, скорости и скорости передачи данных ограничивали показатели работы системы.

При использовании бурильной трубы с проводом необходимо обеспечить канал связи между самой верхней бурильной трубой и наземным процессором (который помимо прочего обычно исполняет одну или более из следующих функций: прием и/или передача данных, каротажной информации и/или информации управления на и/или от скважинного и наземного оборудования, производя вычисления и анализ и осуществляя связь с операторами и удаленными местами). Предложены были разнообразные подходы, некоторые из которых были обобщены в патенте США №7040415, включающие в себя использование скользящего кольцевого устройства и использование вращающихся электрических соединительных муфт, основанных на индукции или так называемом трансформаторном действии. Скользящее кольцо (также известное как щеточные контактные поверхности) является хорошо известным электрическим контактором, разработанным для переноса электротока или сигналов от неподвижного кабеля на вращающееся устройство. Обычно в нем содержится стационарный графитовый или металлический контакт (щетка), который несет невращающийся составляющий элемент, который трется о наружный диаметр вращающегося металлического кольца (который несет, например, верхний участок звена ведущей бурильной трубы). Когда металлическое кольцо поворачивается, электрический ток или сигнал проводится через неподвижную щетку на металлическое кольцо, осуществляя соединение.

Вращающиеся электрические муфты, основанные на индукции (трансформаторном действии), известные как вращающиеся трансформаторы, создают альтернативу скользящим кольцам и контактным щеткам, основанным на проводимости между вращающейся и неподвижной цепью, так, что непосредственный контакт не является необходимым. Трансформаторные обмотки содержат неподвижную катушку и вращающуюся катушку, обе соосные с осью вращения. Любая из катушек может служить первичной обмоткой, в то время как другая служит вторичной обмоткой.

Эти типы подходов для осуществления наземной связи имеют некоторые ограничения и недостатки, сопровождающие использование сложных электромеханических структур, и одной из задач настоящего изобретения является создать систему осуществления двусторонней связи для передачи сигналов между самой верхней бурильной трубой и наземным процессором с улучшенной эффективностью и надежностью.

Дополнительный аспект техники бурения и измерений, который решается в этом документе, относится к безопасности на площадке скважины и к проблеме энергоснабжения вращающегося устройства на месте проведения работ, которое может классифицироваться как опасная зона, без применения кабелей энергоснабжения. Существующие методики имеют некоторые ограничения. Например, забойные двигатели, которые приводятся в действие перемещающимся буровым раствором, являются сравнительно сложными и дорогими в производстве и техобслуживании. Использование обычных батарей может быть проблематичным, поскольку бурение должно останавливаться для замены батарей. Соответственно, среди дополнительных задач стоит обеспечение безопасного, эффективного и надежного источника электроснабжения, связанного с вращающейся бурильной колонной.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Признано, что беспроводная связь с наземным оборудованием может использоваться для связи между системой телеметрии по бурильной трубе и наземным процессором (см., например, патент США №7040415).

Однако способ, которым этого можно успешно достичь, при этом не реализован.

Форма изобретения направлена на использование в бурении в толще пород стволов скважин с использованием: буровой установки, бурильной колонны, которая имеет верхний конец, в общем, с возможностью механического соединения и подвешивания на буровой установке, и скважинного оборудования на бурильной колонне. Система обеспечивается для осуществления двусторонней связи между скважинным оборудованием и подсистемой процессора на поверхности земли, содержащая: секцию из бурильных труб с проводом, содержащую, по меньшей мере, верхний участок колонны бурильных труб и образующую, по меньшей мере, участок двустороннего канала связи между скважинным оборудованием и верхом колонны бурильных труб; ведущую секцию колонны бурильных труб с возможностью механического соединения с самой верхней бурильной трубой с проводом; механизм привода с возможностью механического соединения с упомянутой ведущей секцией колонны для вращения бурильной колонны; первую подсистему беспроводного приемопередатчика, смонтированную на ведущей секции колонны для вращения совместно с бурильной колонной; кабель, электрически соединенный между самой верхней бурильной трубой с проводом и первой подсистемой беспроводного приемопередатчика; вторую подсистему беспроводного приемопередатчика, подключенную к подсистеме процессора устья скважины, причем вторая подсистема беспроводного приемопередатчика осуществляет двустороннюю связь с первой подсистемой беспроводного приемопередатчика. (В этом документе «ведущая» секция бурильной колонны содержит все переводники, ведущую бурильную трубу, верхний привод и тому подобное, что соединяется над самой верхней бурильной трубой бурильной колонны. Отсюда в иллюстрируемых вариантах осуществления изобретения самой верхней бурильной трубой является самая верхняя бурильная труба с проводом бурильной колонны.)

Хотя при некоторых обстоятельствах может быть использован единственный проводник, в предпочтительном варианте осуществления изобретения кабель содержит множество проводников, таких как кабельная пара. В форме варианта осуществления изобретения секция бурильных труб с проводом имеет индукционные соединительные муфты на замках каждой трубы, а кабель подключен к верхнему замку упомянутой самой верхней бурильной трубы с проводом с помощью индуктивного соединения. Также в предпочтительном варианте осуществления изобретения первая подсистема приемопередатчика включает в себя первую антенную подсистему, а вторая подсистема приемопередатчика включает в себя вторую антенную подсистему. Каждая из антенных подсистем может содержать множество антенн. Антенны могут иметь различные положения по азимуту относительно ведущей колонны.

В одном варианте осуществления изобретения ведущая секция бурильной колонны содержит ведущую бурильную трубу, а в этом варианте осуществления изобретения ведущая секция бурильной колонны дополнительно содержит предохранительный переводник между ведущей бурильной трубой и самой верхней бурильной трубой с проводом. В другом варианте осуществления изобретения ведущая секция бурильной колонны содержит переводник верхнего привода, а механизм привода содержит верхний привод, который входит в зацепление с переводником верхнего привода. В этом варианте осуществления изобретения ведущая секция бурильной колонны дополнительно содержит предохранительный переводник между патрубком верхнего привода и упомянутой самой верхней бурильной трубой с проводом.

В одном варианте осуществления изобретения антенна первой антенной подсистемы и первая подсистема беспроводного приемопередатчика смонтированы по существу в одном месте на ведущей секции бурильной колонны, а в другом варианте осуществления изобретения антенна первой антенной подсистемы и, по меньшей мере, часть упомянутой первой подсистемы беспроводного приемопередатчика смонтированы соответственно в разных местах на ведущей секции бурильной колонны.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения предусматривается электрогенератор для производства электроэнергии для использования первой подсистемой приемопередатчика, причем электрогенератор, который включает в себя вращающийся составляющий элемент генератора, который монтируется на ведущей секции бурильной колонны, и неподвижный составляющий элемент генератора, который монтируется на неподвижном участке буровой установки. В одном варианте осуществления этой формы изобретения неподвижный составляющий элемент генератора содержит кольцо магнитов, а вращающийся компонент генератора содержит, по меньшей мере, одну катушку обмотки статора. Вращающийся составляющий элемент генератора и неподвижный составляющий элемент генератора располагаются в непосредственной близости, чтобы магнитный поток от кольца магнитов пересекал, по меньшей мере, одну катушку обмотки статора.

Дополнительные признаки и преимущества изобретения должны стать более ясными из следующего подробного описания, сопровождающегося прилагаемыми чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 является изображением, частично в виде схемы и частично в виде блоков, системы, в которой могут применяться варианты осуществления изобретения.

Фиг.2 является изображением, частично в виде блоков, существующей схемы для осуществления двусторонней беспроводной связи между наземным переводником связи и наземным компьютером.

Фиг.3 является схематическим изображением вида в разрезе, частично в виде блоков, наземной подсистемы двусторонней беспроводной связи согласно одному варианту осуществления изобретения.

Фиг.4 является схематическим изображением вида в разрезе, частично в виде блоков, наземной подсистемы двусторонней беспроводной связи согласно другому варианту осуществления изобретения.

Фиг.5 является схематическим изображением вида в разрезе, частично в виде блоков, наземной подсистемы двусторонней беспроводной связи согласно дополнительному варианту осуществления изобретения.

Фиг.6 является схематическим изображением вида в разрезе, частично в виде блоков, наземной подсистемы двусторонней беспроводной связи согласно другому варианту осуществления изобретения.

Фиг.7 является изображением подсистемы производства электроэнергии согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг.8 является изображением в разобранном виде подсистемы производства электроэнергии Фиг.7 согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг.9 является схематическим изображением, частично в форме блоков, подсистем производства электроэнергии Фиг.7 и 8 согласно варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Фиг.1 иллюстрирует систему скважинной площадки, на которой может быть применено настоящее изобретение. Скважинная площадка может быть наземной или морской. В системе этого примера ствол 11 скважины образован в подземных формациях с помощью вращательного бурения с помощью хорошо известного способа. Альтернативно бурение может быть направленным бурением на основе гидравлического забойного двигателя, также хорошо известного. Бурильная колонна подвешена внутри ствола 11 скважины и имеет компоновку 100 низа бурильной колонны, которая включает в себя буровое долото 105 на нижнем конце. Наземная система включает в себя компоновку 10 вышки и платформы, размещенную над стволом 11 скважины, причем компоновка 10 включает в себя ротор 16, ведущую бурильную трубу 17, крюк 18 и вертлюг 19. Бурильная колонна 12 вращается ротором 16, приводимым в действие средством, которое не показано, и который сцепляется с ведущей бурильной трубой 17 у верхнего конца бурильной колонны. Бурильная колонна 12 подвешена на крюк 18, прикрепленный к талевому блоку (также не показан) через ведущую бурильную трубу 17 и вертлюг 19, который позволяет бурильной колонне вращаться относительно крюка. Как хорошо известно, в качестве альтернативы может быть использован верхний привод. В примере этого варианта осуществления изобретения наземная система дополнительно включает в себя буровой флюид или раствор 26, хранящийся в амбаре, образованном на скважинной площадке. Насос 29 подает буровой раствор 26 внутрь бурильной колонны 12 через отверстие в вертлюге 19, заставляя буровой раствор течь вниз через бурильную колонну 12 в направлении, указанном стрелкой 8. Буровой раствор выходит из бурильной колонны 12 через отверстия в буровом долоте 105 и затем циркулирует вверх через кольцевое пространство между наружной поверхностью бурильной колонны и стенкой ствола скважины в направлении, указанном стрелками 9. В этом хорошо известном способе буровой раствор смазывает буровое долото 105 и выносит выбуренную породу на поверхность, когда возвращается в амбар 27 для рециркуляции.

Как известно в технике, датчики могут предусматриваться на скважинной площадке, чтобы собирать данные, предпочтительно в режиме реального времени, касающиеся работы на скважинной площадке и условий на скважинной площадке. Например, могут предусматриваться наземные датчики для измерения таких параметров, как давление в стояке, нагрузка на крюк, глубина, момент вращения на поверхности, число оборотов ротора за минуту, и иные.

Компоновка 100 низа бурильной колонны иллюстрируемого варианта осуществления изобретения включает в себя стыковочный переводник 110, модуль 120 каротажа во время бурения (LWD), модуль 130 измерений во время бурения (МWD), систему направленного роторного бурения, двигатель 150 для направленного бурения и буровое долото 105.

Модуль 120 LWD помещается в утяжеленную бурильную трубу специального типа, известного в технике, и может иметь в своем составе один или множество каротажных инструментов известных типов.

Модуль LWD включает в себя средства для измерения, обработки и хранения информации, а также для осуществления связи с наземным оборудованием. Модуль LWD может включать в себя, например, один или более каротажных приборов следующих типов, которые измеряют характеристики пласта: прибор измерения сопротивления, прибор направленного измерения сопротивления, акустический измерительный прибор, радиоактивный измерительный прибор, измерительный прибор ядерного магнитного резонанса, прибор измерения давления, сейсмический измерительный прибор, прибор формирования изображения и прибор отбора проб.

Модуль 130 МWD также помещается в утяжеленную бурильную трубу специального типа, известную в технике, и может иметь в своем составе один или множество приборов для измерения характеристик бурильной колонны и бурового долота. Инструмент MWD может дополнительно содержать устройство (не показано) для генерирования электроэнергии для скважинной системы. Оно может обычно включать в себя скважинный турбогенератор, приводимый в действие потоком бурового раствора, хотя могут быть задействованы другие системы энергоснабжения и/или батареи. Модуль МWD может включать в себя, например, один или более измерительных приборов следующих типов: прибор измерения нагрузки на долото, прибор измерения крутящего момента, прибор измерения вибрации, прибор для изменения ударного импульса, прибор для измерения прерывистого перемещения, прибор измерения направления, прибор инклинометрии.

В системе, Фиг.1, применена система телеметрии по бурильной колонне, которая в иллюстрируемом варианте осуществления изобретения содержит систему индуктивно соединенных кабельных бурильных труб 180, которые простираются от наземного переводника 185 до стыковочного переводника 110 в компоновке низа бурильной колонны. В зависимости от факторов, включающих в себя длину бурильной колонны, могут предусматриваться ретрансляторные переводники или промежуточные усилители в интервалах колонны бурильных труб с проводом с примером, представленным позицией 182. Ретрансляторные переводники могут также снабжаться датчиками. Стыковочный переводник 110 обеспечивает соединение между электронными схемами связи модулей MWD и LWD и системой телеметрии по бурильной колонне, которая в этом варианте осуществления изобретения содержит бурильные трубы с проводом и индуктивными соединительными муфтами. Стыковочный переводник 110 может также снабжаться датчиками.

На верху колонны бурильных труб с проводом может предусматриваться дополнительный стыковочный переводник 185, который в этом случае может служить наземным переводником. Как описывается, например, в патенте США №7040415, бурильные трубы с проводом могут соединяться с электронной подсистемой, которая вращается с ведущей бурильной трубой 17 и включает в себя приемопередатчик и антенну, которые осуществляют двустороннюю связь с антенной и приемопередатчиком станции 4 каротажа и управления, которая в настоящем варианте осуществления изобретения включает в свой состав подсистему процессора верха ствола. В этом варианте осуществления изобретения стыковочный переводник 185 может содержать предохранительный переводник с проводом (подлежит описанию), а электроника приемопередатчика 30 смонтирована на ведущей бурильной трубе или другой части ведущей колонны, как будет описано. На Фиг.1 канал 175 связи схематически изображается между электронной подсистемой 30 и антенной станции 4 каротажа и управления. Соответственно, конфигурация Фиг.1 обеспечивает канал связи от станции 4 каротажа и управления через канал 175 связи к наземному переводнику 185, через систему телеметрии бурильных труб с проводом к скважинному стыковочному переводнику 110 и элементам компоновки низа бурильной колонны и такой же реверсивный канал связи для двусторонней работы.

Хотя только одна станция 4 каротажа и управления показана на одной скважинной площадке, могут быть предусмотрены одна или более наземных станций на одной или больше скважинных площадках. Наземные станции могут соединяться с одним или больше наземными стыковочными устройствами с использованием проводного или беспроводного соединения через один или более каналов связи. Топология сети связи между наземным стыковочным устройством и наземной системой может быть точка-точка, точка-многоточка, многоточка-точка. Проводное соединение включает в себя использование любых типов кабелей (провода, использующие любой тип протоколов: серийный, локальной сети, и т.п.) и оптических волокон. Беспроводная технология может относиться к стандартной технологии беспроводной связи любого вида, такой как в спецификации IEEЕ 802.11, Bluetooth, zigbee или любой нестандартной радиочастотной технологии, или технологии оптической связи, использующей схемы модуляции любого вида, такие как FM, AM, PM, FSK, QAM, DTM, OFDM и т.п. в сочетании с любыми технологиями мультиплексирования данных, такими как TDMA, FDMA, CDMA и т.п.

Фиг.2 показывает блок-схему вида электронной аппаратуры беспроводного приемопередатчика, которая может использоваться в качестве электронной аппаратуры 30 - Фиг.1. Также может быть приведена ссылка на патент США №7040415. Сигнал от/на индуктивной соединительной муфты верхнего замка самой верхней бурильной трубы с проводом соединяется с модемом бурильной трубы с проводом. Модем 221 бурильной трубы с проводом, в свою очередь, сопряжен с беспроводным модемом 231. Также предусмотрены батарея 250 и блок 255 питания для энергоснабжения модемов. Другое средство генерирования электроэнергии, которое может быть предпочтительным, описывается ниже в этом документе. Станция каротажа и управления также, например, имеет приемопередатчик с беспроводным модемом.

Наземный модем кабельной бурильной трубы выполнен с возможностью осуществлять связь с одним или более модемами, промежуточными усилителями или другими стыковочными устройствами в скважинном инструменте через систему телеметрии кабельной бурильной трубы. Предпочтительно, чтобы модемы обеспечивали дуплексную связь. Модем осуществляет связь с другим модемом, или промежуточным усилителем, или иным переводником, размещенным в скважинном инструменте. Любой вид цифровой или аналоговой схемы модуляции может использоваться, такой как двухфазная манипуляция, частотная манипуляция (FSK), квадратурная фазовая модуляция (QPSK), квадратурная амплитудная модуляция (QAM), дискретная мультитоновая модуляция (DMT) и т.п. Эти схемы могут использоваться в сочетании с технологиями мультиплексирования любого вида, такими как мультиплексирование с разделением времени (TDM), мультиплексирование с разделением частоты (FDM) и т.п. Модем может включать в себя функцию диагностики бурильной трубы и диагностики скважинного инструмента.

Хотя показан единственный наземный процессор, должно быть понятно, что множественные наземные процессоры, в форме каротажных/управляющих станций или в других формах, могут быть предусмотрены в различных местах с проводными и/или беспроводными соединениями приемопередатчика, дополнительно понятно, что любые режимы осуществления связи, упомянутые в этом документе, могут найти применение и что сжатие или шифрование данных также может найти применение. Каждая станция может иметь свою собственную антенну (антенны) и/или общие антенны. Антенны могут предусматриваться в оптимальных местах и с оптимальной ориентацией, чтобы максимизировать силу и качество сигнала. Осуществление связи на удаленные места и с них, включая связь через спутники, также может применяться.

На Фиг.3 показан вариант осуществления изобретения, в котором предусматривается специальный предохранительный переводник 340 между ведущей бурильной трубой 350 и самой верхней кабельной бурильной трубой с проводом 181. Предохранительный переводник 340 имеет индуктивную соединительную муфту 341 на своем нижнем конце, которая электрически соединяется с индуктивной соединительной муфтой 189 самой верхней бурильной трубы с проводом. Кабель 315, который соединяется с индуктивной соединительной муфтой 341, выходит из предохранительного переводника 340 через отверстие с уплотнением и проходит снаружи ведущей бурильной трубы 350 к подсистеме 330 приемопередатчика, которая включает в себя антенну (антенны) 335. В месте выхода кабеля на предохранительном переводнике 340 может предусматриваться разъем 346. Кабель, проходящий вдоль и снаружи ведущей бурильной трубы 350, может быть герметически изолирован в канавке ведущей бурильной трубы 350 и, например, может быть защищен эпоксидными или ПЭЭК материалами. Дополнительный разъем может предусматриваться у электронной аппаратуры подсистемы приемопередатчика. Кабель 315 предусматривается, по меньшей мере, с одной проводной парой.

В варианте осуществления изобретения на Фиг.4 предохранительный переводник 440 и ведущая бурильная труба 450 имеют внутренние электрические кабели, а ведущая секция включает в себя специальный верхний переводник 470 над ведущей бурильной трубой 450, на котором монтируется подсистема 430 беспроводного приемопередатчика. В форме этого варианта осуществления изобретения и переводник 440, и ведущая бурильная труба 450 имеют индуктивные соединительные муфты на обоих концах с кабелем (также предпочтительно имеющим, по меньшей мере, одну проводную пару), обозначенным 441 и 451 соответственно, проходящим между концами каждой. Должно быть понятно, что альтернативно другие типы соединительных муфт на замках могут использоваться здесь и в других вариантах осуществления изобретения. Специальный верхний переводник 470, который монтируется над ведущей бурильной трубой 450, вращается вместе с бурильной колонной. В этом примере верхний переводник 470 имеет индуктивную соединительную муфту на своем нижнем конце и внутренний кабель 471, который соединяется с подсистемой 430 беспроводного приемопередатчика.

В примерах вариантов осуществления изобретения на Фиг.3 и 4 электронная аппаратура подсистемы беспроводного приемопередатчика, также как связанная с ним антенна (антенны), находятся в одном общем месте на ведущей секции бурильной колонны, но должно быть понятно, что части электронной аппаратуры со сплошной или разделенной антенной (антеннами) могут находиться во множестве мест. Например, в варианте осуществления изобретения на Фиг.5 специальный наземный переводник 590 применен между предохранительным переводником 440 и ведущей бурильной трубой 550. В этом примере предохранительный переводник 440 имеет индуктивные соединительные муфты на обоих концах и внутреннюю электропроводку (как на Фиг.4), а специальный наземный переводник 590 имеет индуктивную соединительную муфту на нижнем конце с внутренней электропроводкой, представленной цифрой 591, проходящей к электронной аппаратуре 530. В этом примере электронная аппаратура 530 подсистемы беспроводного приемопередатчика или, по меньшей мере, его участок смонтирован внутри специального наземного переводника 590. В настоящем варианте осуществления изобретения антенна (антенны) 535 (и, если необходимо, участок связанной с ней электронной аппаратуры) монтируется на ведущей бурильной трубе 550 и соединяется с остальной электронной аппаратурой с помощью кабеля 531, который в этом варианте осуществления изобретения выходит из специального переводника 590 через отверстие с уплотнением или разъем и может быть перенесен в канавку в ведущей бурильной трубе тем же способом, что описывается выше. Если необходимо, двусторонний канал между электронной аппаратурой 530 и антенной (антеннами) / электронной аппаратурой 535 может передавать цифровой сигнал. В этом варианте осуществления изобретения должно быть понятно, что переводник 590 и участок ведущей бурильной трубы 550 могут быть под уровнем бурового раствора, по меньшей мере, часть времени, но антенна (антенны) / электронная аппаратура 535 будут над уровнем бурового раствора. На Фиг.5 показано множество антенн, которые вращаются с ведущей бурильной трубой, поскольку должно быть понятно, что азимутально зарезервированные антенны на вращающейся ведущей секции колонны будут минимизировать мертвые зоны или зоны слабого сигнала беспроводного канала. То же является применимым для других вариантов осуществления изобретения. Также преимуществами могут обладать множественные антенны подсистемы беспроводного приемопередатчика.

На Фиг.6 показан вариант осуществления изобретения для использования в объединении с верхним приводом 605. В примере на Фиг.6 предохранительный переводник 440, соединенный с самой верхней кабельной бурильной трубой 181, имеет индуктивные соединительные муфты на обоих концах, соединенные кабелем 441, как в вариантах осуществления изобретения Фиг.4 и 5. Переводник 690 верхнего привода обеспечивается между верхним приводом 605 и предохранительным переводником 440, а электронная аппаратура подсистемы 630 беспроводного приемопередатчика этого варианта осуществления изобретения монтируется на переводнике 690 верхнего привода. Также в этом варианте осуществления изобретения переводник верхнего привода имеет индуктивную соединительную муфту на своем нижнем конце и внутренний кабель 691, который проходит от индуктивной соединительной муфты подсистеме 630. Однако должно быть понятно, что может использоваться внешний кабель, как в варианте осуществления изобретения на Фиг.3, или что электронная аппаратура и/или антенны (антенны) могут разделяться, как на варианте осуществления изобретения на Фиг.5.

На Фиг.7-9 показан вариант осуществления изобретения, в котором безопасный и надежный источник энергоснабжения предусматривается на вращающихся составляющих элементах на скважинной площадке, который может использоваться для энергоснабжения подсистемы 30 беспроводного приемопередатчика или другого практического применения. В этом варианте осуществления изобретения кольцо 710 магнитов работает как неподвижная составляющая часть генератора и монтируется на неподвижном участке буровой установки, обозначенной цифрой 705, например навесном устройстве в непосредственной близости от ведущей бурильной трубы или верхнего привода. Наземный переводник 720 (который может быть, например, одним из наземных переводников, Фиг.3-6) включает в себя статор 725 (Фиг.8 и 9), выпрямительное устройство 726, зарядную цепь 727 и аккумуляторные батареи 728 (Фиг.9), которые используются помимо прочего для энергоснабжения подсистемы 30 беспроводного приемопередатчика. Статор 725 имеет одну или больше статорных катушек обмотки и кольцеобразно совмещен с кольцом магнитов и находится вплотную к нему так, что магнитный поток от кольца магнитов пересекает одну или больше катушек обмотки статора 725, когда статор 725 вращается с ведущей секцией бурильной колонны. Кольцо магнитов в этом варианте осуществления изобретения содержит магниты со знакопеременной полярностью. Переменный ток от статора выпрямляется выпрямительным устройством 726, которое дает на выходе постоянный ток, который подается на зарядную цепь 727, выходная мощность которой, в свою очередь, заряжает аккумуляторные батареи 728. В этом варианте осуществления изобретения батареи осуществляют энергоснабжение подсистемы 30 беспроводного приемопередатчика и могут также осуществлять энергоснабжение других цепей, таких как измерительные и коммуникационные. Также должно быть понятно, что мощность на выходе генератора и/или выпрямляющего устройства может, если необходимо, использоваться для прямого энергоснабжения цепей или подсистем оборудования.

Изобретение описано в отношении некоторого числа конкретных предпочтительных вариантов осуществления изобретения, но вариации в пределах сущности и объема изобретения должны быть очевидными для специалистов в области техники. Например, хотя на Фиг.3-6 показаны различные сочетания соединительных муфт, наружной и внутренней кабельной прокладки, внутреннего и/или наружного монтажа участков электронной аппаратуры, использование предохранительного переводника (переводников) и т.д., должно быть понятно, что и другие сочетания возможны и предполагаются в пределах объема, определяемого формулой изобретения. Также, хотя подсистема бурильной трубы с проводом является одним предпочтительным вариантом осуществления подсистемы телеметрии по бурильной колонне, должно быть понятно, что другие формы телеметрии по бурильной колонне, например акустическая телеметрия по бурильной колонне, могут использоваться, в этом случае подсистема приемопередатчика может быть обеспечена у верха системы телеметрии по бурильной колонне, для преобразования телеметрии в электрические сигналы и обратно. Также должно быть понятно, что другое технологическое оснащение, которое использует перемещение бурильной колонны, включающее в себя вращательное и колебательное перемещение, может использоваться для генерирования энергии в зоне бурильной колонны.

Изобретение относится к телеметрии по бурильной колонне для осуществления двусторонней связи. Техническим результатом является обеспечение безопасной, эффективной и надежной двусторонней связи. Система включает секцию бурильных труб с проводом, которая содержит, по меньшей мере, верхний участок колонны бурильных труб и образует, по меньшей мере, участок двустороннего канала связи между скважинным оборудованием и верхом колонны бурильных труб, ведущую секцию колонны с возможностью механического соединения с самой верхней бурильной трубой с проводом, механизм привода с возможностью механического соединения с упомянутой ведущей секцией колонны для вращения бурильной колонны, первую беспроводную подсистему приемопередатчика, которая смонтирована на ведущей секции колонны, чтобы вращаться вместе с бурильной колонной, кабель, который подключен между верхним замком самой верхней бурильной трубы с проводом и первой беспроводной подсистемой приемопередатчика, вторую беспроводную подсистему приемопередатчика, соединенную с подсистемой процессора верха ствола скважины, осуществляющую двустороннюю связь с первой беспроводной подсистемой приемопередатчика. 4 н. и 36 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система осуществления двусторонней связи между скважинным оборудованием и процессорной подсистемой на поверхности, применяемая при бурении в толще пород ствола скважины с использованием буровой установки, бурильной колонны, самый верхний конец которой имеет возможность механического соединения с буровой установкой и имеет подвесное исполнение с буровой установкой и скважинного оборудования на бурильной колонне, причем система содержит
секцию бурильных труб с проводом, которая содержит, по меньшей мере, верхний участок колонны бурильных труб и образует, по меньшей мере, участок двустороннего канала связи между скважинным оборудованием и верхом колонны бурильных труб;
ведущую секцию бурильной колонны, выполненную с возможностью механического соединения с самой верхней бурильной трубой с проводом;
механизм привода, выполненный с возможностью механического соединения с упомянутой ведущей секцией колонны для вращения бурильной колонны;
первую беспроводную подсистему приемопередатчика, которая смонтирована на упомянутой ведущей секции бурильной колонны, для вращения вместе с бурильной колонной;
кабель, электрически соединенный между верхним замком упомянутой самой верхней бурильной трубы с проводом и упомянутой первой беспроводной подсистемой приемопередатчика; и
вторую беспроводную подсистему приемопередатчика, соединенную с упомянутой процессорной подсистемой наверху скважины, причем вторая подсистема приемопередатчика осуществляет двустороннюю связь с упомянутой первой беспроводной подсистемой приемопередатчика.

2. Система по п.1, в которой упомянутый кабель содержит множество проводников.

3. Система по п.2, в которой упомянутая секция бурильной трубы с проводом имеет индуктивные соединительные муфты у замков каждой трубы, и в которой упомянутый кабель подключается к верхнему замку упомянутой самой верхней бурильной трубы с проводом индуктивным соединением.

4. Система по п.1, в которой упомянутая первая подсистема приемопередатчика включает в себя первую антенную подсистему, а упомянутая вторая подсистема приемопередатчика включает в себя вторую антенную подсистему.

5. Система по п.4, в которой упомянутая первая антенная подсистема содержит множество антенн.

6. Система по п.4, в которой упомянутая вторая антенная подсистема содержит множество антенн.

7. Система по п.1, в которой упомянутая ведущая секция бурильной колонны содержит ведущую бурильную трубу.

8. Система по п.7, в которой упомянутый механизм привода содержит ротор с вкладышем, который входит в зацепление с упомянутой ведущей бурильной трубой.

9. Система по п.1, в которой упомянутая ведущая секция бурильной колонны содержит переводник верхнего привода.

10. Система по п.9, в которой упомянутый механизм привода содержит верхний привод, который входит в зацепление с упомянутым переводником верхнего привода.

11. Система по п.7, в которой упомянутая ведущая секция бурильной колонны содержит предохранительный переводник между упомянутой ведущей бурильной трубой и упомянутой самой верхней бурильной трубой с проводом.

12. Система по п.9, в которой упомянутая ведущая секция бурильной колонны дополнительно содержит предохранительный переводник между упомянутым переводником верхнего привода и упомянутой самой верхней бурильной трубой с проводом.

13. Система по п.4, в которой антенна упомянутой первой антенной подсистемы и упомянутая первая беспроводная подсистема приемопередатчика монтируются, по существу, в одном месте на упомянутой ведущей секции бурильной колонны.

14. Система по п.4, в которой антенна упомянутой первой антенной подсистемы и, по меньшей мере, часть упомянутой первой беспроводной подсистемы приемопередатчика монтируются в разных местах на упомянутой ведущей секции бурильной колонны.

15. Система по п.4, в которой упомянутая первая антенная подсистема включает в себя множество антенн в разных азимутальных положениях на упомянутой ведущей секции бурильной колонны.

16. Система по п.4, в которой упомянутая вторая антенная подсистема включает в себя множество разнесенных друг от друга антенн.

17. Система по п.1, которая дополнительно содержит электрогенератор для использования упомянутой первой подсистемой приемопередатчика, причем упомянутый электрогенератор включает в себя вращающийся составляющий элемент генератора, который монтируется на упомянутой ведущей секции бурильной колонны, и неподвижный составляющий элемент генератора, который монтируется на неподвижном участке буровой установки.

18. Система по п.17, в которой упомянутый неподвижный составляющий элемент генератора содержит кольцо магнитов.

19. Система по п.18, в которой упомянутый вращающийся составляющий элемент генератора содержит, по меньшей мере, одну катушку обмотки статора.

20. Система по п.19, в которой упомянутые вращающийся составляющий элемент генератора и неподвижный составляющий элемент генератора размещаются в непосредственной близости, так что магнитный поток от упомянутого кольца магнитов пересекает упомянутую, по меньшей мере, одну катушку обмотки статора.

21. Система по п.17, которая дополнительно содержит аккумуляторную батарею, заряжаемую упомянутым электрогенератором, причем упомянутая батарея сохраняет электроэнергию для использования упомянутой первой подсистемой приемопередатчика.

22. Система по п.20, которая дополнительно содержит аккумуляторную батарею, заряжаемую упомянутым электрогенератором, причем упомянутая батарея сохраняет электроэнергию для использования упомянутой первой подсистемой приемопередатчика.

23. Система по п.21, в которой упомянутая аккумуляторная батарея монтируется вместе с упомянутой первой подсистемой приемопередатчика для вращения вместе с бурильной колонной.

24. Система генерирования электроэнергии в зоне ведущей секции колонны, применяемая при бурении в толще пород ствола скважины с использованием
буровой установки, бурильной колонны из бурильных труб, самый верхний конец которой имеет возможность механического соединения с буровой установкой и имеет подвесное исполнение с буровой установкой, ведущей секцией буровой колонны, с возможностью механического соединения с самой верхней бурильной трубой упомянутой бурильной колонны, и механизма привода с возможностью механического соединения с упомянутой бурильной колонной для вращения ведущей секции колонны и бурильной колонны; система содержит
электрогенератор, который включает в себя вращающийся составляющий элемент генератора, который монтируется на упомянутой ведущей колонне для вращения с ней, и неподвижный составляющий элемент генератора, который монтируется на неподвижном участке буровой установки, причем упомянутый вращающийся составляющий элемент генератора производит электроэнергию в области упомянутой ведущей секции колонны.

25. Система по п.24, в которой упомянутый неподвижный составляющий элемент генератора содержит кольцо магнитов.

26. Система по п.25, в которой упомянутый вращающийся составляющий элемент генератора содержит, по меньшей мере, одну катушку обмотки статора.

27. Система по п.26, в которой упомянутый вращающийся составляющий элемент генератора и неподвижный составляющий элемент генератора размещаются в непосредственной близости так, что магнитный поток от упомянутого кольца магнитов пересекает упомянутую, по меньшей мере, одну катушку обмотки статора.

28. Система по п.26, которая дополнительно содержит аккумуляторную батарею, которая заряжается упомянутым электрогенератором и монтируется на упомянутой бурильной колонне.

29. Система по п.24, которая дополнительно содержит подсистему бурильной телеметрии, которая образует, по меньшей мере, участок канала связи между скважинным оборудованием на бурильной колонне и процессорной подсистемой сверху ствола скважины; и в которой электроэнергия от упомянутого электрогенератора используется для питания упомянутого канала связи.

30. Система по п.27, которая дополнительно содержит подсистему бурильной телеметрии, которая образует, по меньшей мере, участок канала связи между скважинным оборудованием на бурильной колонне и процессорной подсистемой сверху ствола скважины; и в которой электроэнергия от упомянутого электрогенератора используется для питания упомянутого канала связи.

31. Система по п.24, которая дополнительно содержит
систему для осуществления двусторонней связи между скважинным оборудованием и процессорной подсистемой на поверхности земли, которая содержит секцию бурильных труб с проводом, которая содержит, по меньшей мере, верхний участок колонны бурильных труб и образует, по меньшей мере, участок двустороннего канала связи между скважинным оборудованием и верхом колонны бурильных труб; первую беспроводную подсистему приемопередатчика, которая смонтирована на упомянутой ведущей секции бурильной колонны, чтобы вращаться вместе с бурильной колонной, причем упомянутая первая беспроводная подсистема приемопередатчика соединяется с упомянутой секцией бурильных труб с проводом; и вторую беспроводную подсистему приемопередатчика, которая соединяется с упомянутой процессорной подсистемой верха скважины, причем упомянутая вторая беспроводная подсистема приемопередатчика осуществляет двустороннюю связь с упомянутой первой беспроводная подсистема приемопередатчика; и в которой упомянутая электроэнергия от упомянутого электрогенератора используется для питания упомянутой первой беспроводной подсистемой приемопередатчика.

32. Способ осуществления двусторонней связи между скважинным оборудованием и процессорной подсистемой на поверхности земли, применяемый при бурении в толще пород ствола скважины с использованием
буровой установки, бурильной колонны, самый верхний конец которой имеет возможность механического соединения с буровой установкой и имеет подвесное исполнение с буровой установкой и скважинного оборудования на бурильной колонне, способ содержит этапы, на которых
обеспечивают систему телеметрии по бурильной колонне, которая содержит, по меньшей мере, верхний участок колонны бурильных труб и образует, по меньшей мере, участок двустороннего канала связи между скважинным оборудованием и верхом колонны бурильных труб;
обеспечивают ведущую секцию бурильной колонны, выполненную с возможностью механического соединения с самой верхней бурильной трубой;
обеспечивают механизм привода, выполненный с возможностью механического соединения с упомянутой ведущей секцией колонны для вращения бурильной колонны;
обеспечивают первую беспроводную подсистему приемопередатчика, которая смонтирована на упомянутой ведущей секции бурильной колонны, чтобы вращаться вместе с бурильной колонной;
обеспечивают кабель, электрически соединенный, у верхнего замка упомянутой самой верхней кабельной бурильной трубы между упомянутой системой телеметрии бурильной колонны и упомянутой первой беспроводной подсистемой приемопередатчик; и
обеспечивают вторую беспроводную подсистему приемопередатчика, соединенную с упомянутой процессорной подсистемой наверху скважины, вторая подсистема приемопередатчика осуществляет двустороннюю связь с упомянутой первой беспроводной подсистемой приемопередатчика.

33. Способ по п.32, который дополнительно содержит этап обеспечения, примерно у верха бурильной колонны, датчиков для измерения параметров бурения, в которых сигналы от указанных датчиков выводятся на упомянутый кабель.

34. Способ по п.33, в котором упомянутый этап, на котором обеспечиваются указанные датчики, содержит, по меньшей мере, один датчик, который выбирают из группы, состоящей из датчика температуры, датчика давления, датчика колебаний, датчика крутящего момента, датчика ускорения и датчика вращения.

35. Способ по п.32, который дополнительно содержит этап, на котором кодируют сигналы, которые передаются по двусторонней связи между упомянутой первой беспроводной подсистемой приемопередатчика и упомянутой второй беспроводной подсистемой приемопередатчика.

36. Способ по п.32, который дополнительно содержит этап, на котором сжимают сигналы, которые передаются по двусторонней связи между упомянутой первой беспроводной подсистемой приемопередатчика и упомянутой второй беспроводной подсистемой приемопередатчика.

37. Способ генерирования электроэнергии в области ведущей колонны, применяемый при бурении в толще пород ствола скважины с использованием
буровой установки, бурильной колонны, самый верхний конец которой имеет возможность механического соединения с буровой установкой и имеет подвесное исполнение с буровой установкой, ведущей секции бурильной колонны выполненной с возможностью механического соединения с самой верхней бурильной трубой упомянутой бурильной колонны, и механизма привода, выполненного с возможностью механического соединения с упомянутой бурильной колонной для вращения ведущей секции колонны и бурильной колонны; причем способ содержит следующие этапы: обеспечивают установку генерирования электроэнергии, которая имеет первый составляющий элемент, который монтируется на упомянутой ведущей колонне для перемещения с ней; и производят электроэнергию в зоне упомянутой ведущей колонны в результате перемещения упомянутого первого составляющего элемента.

38. Способ по п.37, в котором производят электроэнергию, посредством колебаний упомянутого первого составляющего элемента.

39. Способ по п.32, который дополнительно содержит то, что второй составляющий элемент монтируется на неподвижном участке буровой установки, и в котором производят электроэнергию посредством относительного перемещения упомянутого первого составляющего элемента относительно упомянутого второго составляющего элемента.

40. Способ по п.37, в котором упомянутое относительное перемещение содержит вращение упомянутого первого составляющего элемента относительно упомянутого второго составляющего элемента.