ПОРТ СВЯЗИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА СКВАЖИННОМ ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ ПРИБОРЕ
COMMUNICATION PORT TO BE USED ON BORE-HOLE MEASUREMENT INSTRUMENT

Ссылка на связанные заявки
Заявка испрашивает приоритет по временной патентной заявке США № 61/258656, зарегистрированной 6 ноября 2009 г.
Предпосылки изобретения
Область техники изобретения
[01] Изобретение относится, в общем, к области приборов, перемещающихся в стволах скважин, пробуренных через подземные пласты горных пород, при этом такие приборы измеряют один или несколько параметров, относящихся к стволу скважины, механизму спускоподъема и/или пластам горных пород. Конкретнее, изобретение относится к соединителям связи, относящимся к таким приборам для обеспечения возможности передачи данных, сохраненных в приборе, и/или передачи сигналов управления и рабочих инструкций на такие приборы во время нахождения приборов на земной поверхности.
Уровень техники
[02] Известно много типов скважинных измерительных приборов. Такие приборы, в общем, включают в себя удлиненный работающий под давлением кожух, выполненный с возможностью перемещения в стволе скважины, пробуренной через подземные пласты горных пород. Кожух, в общем, включает в себя один или несколько датчиков, измеряющих выбранные параметры в стволе скважины. Параметры, без ограничения этим, включают в себя параметры, относящиеся к физическим свойствам самого ствола скважины (например, температура, давление, содержание жидкой фазы, геодезическая траектория ствола скважины); строительству ствола скважины (например, крутящий момент и/или осевая нагрузка на долото) и пластам, окружающим ствол скважины (например, удельное сопротивление, скорость распространения акустической волны, свойства взаимодействия с нейтронами, плотность и поровое давление и состав текучей среды).
[03] Кожух может быть выполнен с возможностью перемещения в стволе скважины с использованием нескольких различных известных методик, включающих в себя, без ограничения этим, перемещение в составе бурильной колонны или другой колонны из трубных звеньев, на гибкой насосно-компрессорной трубе или на бронированном электрическом кабеле или тросовом канате.
[04] Вне зависимости от используемого устройства спускоподъема и вне зависимости от типа датчика (датчиков), используемого в любом конкретном скважинном измерительном приборе, такие приборы, в общем, включают в себя некоторую форму устройства сохранения данных и/или контроллер, который можно перепрограммировать так, что измерения и/или сохраняемые данные и функции связи прибора могут быть изменены для соответствия конкретной цели. Доступ к запоминающему устройству хранения данных и/или доступ к контроллеру прибора, в общем, требует электрического соединения с подходящим портом связи в приборе, в частности, для приборов, выполненных с возможностью спускоподъема не на бронированном электрическом кабеле. Известные порты связи включают в себя электрические соединители, разработанные специально для конкретного прибора. Конкретнее, устройство электрических контактов в конкретном соединителе является, в общем, уникальным для типа прибора. Такое устройство электрических контактов также требует специального исполнения электрического кабеля, используемого для соединения порта связи с устройством на поверхности (таким как компьютер или другое устройство обработки данных), для соединения с электрическими контактами на соединителе порта связи. Такие специализированные соединители порта связи и соответствующие кабели могут быть дорогими в изготовлении и могут создавать трудности в логистике при выходе кабеля из строя, например, для обеспечения своевременной замены.
Сущность изобретения
[05] Скважинный измерительный прибор согласно одному аспекту изобретения включает в себя кожух, выполненный с возможностью перемещения внутри ствола скважины. По меньшей мере, один датчик выполнен с возможностью измерения параметра ствола скважины. Контроллер установлен в кожухе. Контроллер включает в себя, по меньшей мере, одно из следующего: устройство сохранения данных и устройство управления работой, по меньшей мере, одного датчика. Порт связи установлен в калиброванном отверстии в кожухе. Порт включает в себя соответствующий промышленным стандартам соединитель, стыкующийся с кабелем, имеющим соответствующее промышленным стандартам концевое устройство для соединения с наземным устройством, когда прибор находится на земной поверхности.
[06] Способ изготовления соединительного устройства связи для скважинного измерительного прибора согласно другому аспекту изобретения включает в себя выбор соответствующей промышленным стандартам базы соединителя. Соответствующую промышленным стандартам базу соединителя заключают в оболочку корпуса. Корпус выполнен из влагонепроницаемого, электроизолирующего материала. Контактные штыри на базе соединителя соединяются с выбранными электрическими цепями в приборе. Корпус вставляют в порт в стенке кожуха прибора. Вставление выполняют, по меньшей мере, предотвращая вход влаги внутрь кожуха.
[07] Другие аспекты и преимущества изобретения должны стать ясны из следующего описания и прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан пример системы скважинных приборов измерения/каротажа во время бурения, работающей в стволе скважины.
На фиг.1A, 1B и 1C показаны различные виды известных соединительных устройств связи специальной разработки.
На фиг.2 показан соединитель связи электрического ввода специальной разработки фиг.1 установленный в порте инструмента.
На фиг.3 показаны известные кабель и источник питания, использованные с соединителем и портом связи фиг.1A, 1B, 1C и 2 для соединения порта связи с наземным устройством.
На фиг.4A, 4B и 4C показан в различных ракурсах пример герметичного проходного соединителя связи согласно изобретению.
На фиг.5 показан пример герметичного проходного соединителя связи фиг.4A, 4B и 4C в сборе с портом инструмента, аналогичным фиг.2.
На фиг.6A-F показаны различные примеры конфигурации соединителя универсальных последовательных шин (USB), соответствующего промышленным стандартам.
На фиг.7А и 7B показаны примеры конфигурации соединителей шин сверхбыстрой передачи данных (IEEE 1394).
На фиг.8А-E показаны примеры штепсельных соединителей, соответствующих промышленным стандартам, устанавливаемых на конце кабеля связи, которые можно использовать для соединения наземных устройств с одним из соединителей примеров, показанных на фиг.4A, 4B, 4C.
Подробное описание изобретения
[17] На фиг.1 показан пример скважинного измерительного прибора, который можно использовать в изобретении. Прибор в настоящем примере имеет форму устройства для измерений во время бурения. При использовании в данном документе термин «скважинный измерительный прибор» означает любой прибор, выполненный с возможностью перемещения внутри ствола скважины и выполнения измерений, по меньшей мере, одного параметра, относящегося к стволу скважины, пластам, окружающим ствол скважины, или динамическим характеристикам устройства спускоподъема, используемого для перемещения прибора в стволе скважины.
[18] Пример способа спускоподъема прибора, показанный на фиг.1, известен как способ измерения во время бурения, также называемый измерениями во время бурения или каротажом во время бурения, и включает в себя выполнение измерений в стволе скважины вблизи конца компоновки из трубных звеньев. Такая компоновка из труб, в общем, включает в себя буровое долото и, по меньшей мере, часть бурильной колонны (компоновки из трубных звеньев) в стволе скважины во время бурения, остановок бурения и/или спускоподъема в скважине. Следует ясно понимать, что пример, показанный на фиг.1, служит только примером скважинного измерительного прибора и способа спускоподъема прибора, который можно использовать согласно изобретению. Другие способы спускоподъема прибора включают в себя, без ограничения этим, спускоподъем с помощью любой другой трубы из секций (звеньев), гибкой насосно-компрессорной трубы, каротажного кабеля, тросового каната, гидравлической перекачки и скважинных тракторов. Соответственно, изобретение не ограничено использованием варианта реализации с работой во время бурения, показанного на фиг.1.
[19] В примере, показанном на фиг.1, платформа и вышка 10 установлены в нужное положение над стволом 11 скважины, пройденным в подземных пластах горных пород роторным бурением. Бурильная колонна 12 подвешена в стволе скважины и включает в себя буровое долото 15 на своем нижнем конце. Бурильная колонна 12 и буровое долото 15 скреплены друг с другом и вращаются ротором 16 (средство привода не показано), соединяющимся с ведущей бурильной трубой 17 на верхнем конце бурильной колонны. Бурильная колонна 12 подвешивается на крюке 18, прикрепленном к талевому блоку (не показано). Ведущая бурильная труба 17 соединена с крюком через вертлюг 19, обеспечивающий вращение бурильной колонны 12 относительно крюка. Альтернативно, бурильную колонну 12 и буровое долото 15 может вращать находящийся на поверхности верхний привод (не показано) буровой установки. Буровой раствор или промывочный раствор 26 содержится в емкости или мернике 27. Насос 29 перекачивает буровой раствор в бурильную колонну 12 через окно в вертлюге 19 для подачи вниз (стрелка 9) через центральный канал бурильной колонны 12. Буровой раствор выходит из бурильной колонны 12 через наконечники или насадки (не показано) в буровом долоте 15 и затем циркулирует вверх в кольцевом пространстве между наружной поверхностью бурильной колонны 12 и стенкой ствола скважины, также называемом затрубьем, как показано стрелками 32. Буровой раствор смазывает и охлаждает долото 15 и уносит выбуренную породу на поверхность. Буровой раствор возвращается в емкость 27 для повторной циркуляции. Если необходимо, можно также использовать компоновку наклонно-направленного бурения (не показано) с забойным гидравлическим двигателем с изогнутым кожухом или отклоняющим переводником. Также известно использование гидравлического забойного двигателя с прямым кожухом для поворота долота либо автономно, или в соединении с передачей вращения с поверхности (ведущей бурильной трубой 17 или верхним приводом (не показано)).
[20] В бурильной колонне 12, предпочтительно вблизи бурового долота 15, установлена компоновка низа бурильной колонны, в общем, обозначенная позицией 100, выполненная с возможностью измерения, обработки и хранения информации и осуществления связи с записывающим блоком 45 на земной поверхности. При использовании в данном документе термин «вблизи» бурового долота 15, в общем, означает установку на расстоянии в несколько отрезков длины утяжеленных бурильных труб от бурового долота. Компоновка 100 низа бурильной колонны включает в себя устройство 200 измерений и локальной связи, описанное дополнительно ниже. Устройство локальной связи может принимать в качестве ввода сигналы с одного или нескольких датчиков 205, 207, которые могут измерять любой «скважинный параметр», описанный выше.
[21] В примере показанной компоновки 100 низа бурильной колонны утяжеленная бурильная труба 130 и утяжеленная бурильная труба 140 с центратором показаны находящимися последовательно над устройством 200 локальной связи. Утяжеленная бурильная труба 130 может являться, например, укороченной утяжеленной бурильной трубой (короче стандартной длины 30 футов (9 м)) или кожухом в виде утяжеленной бурильной трубы для измерительного устройства, выполняющего функции измерения. Необходимость или потребность утяжеленной бурильной трубы 140 с центратором должна зависеть от параметров бурения.
[22] Над утяжеленной бурильной трубой 140 с центратором находится блок 150 связи с поверхностью/локальной связи. Блок 150 связи в настоящем примере может включать в себя тороидальную антенну 1250, используемую для локальной связи с устройством 200 локальной связи, и известного типа систему акустической связи, осуществляющую связь с аналогичной системой на земной поверхности с помощью сигналов, передаваемых в буровом или промывочном растворе.
[23] Система связи с поверхностью в блоке 150 включает в себя акустический передатчик, который генерирует акустический сигнал в буровом растворе, в общем, представляющий один или несколько измеренных скважинных параметров. В одном подходящем акустическом передатчике используется устройство, известное под названием «ревун для бурового раствора», включающее в себя шлицованный статор и шлицованный ротор, который вращается и периодически прерывает поток бурового раствора для создания необходимого сигнала в виде акустической волны в буровом растворе. Электронная схема (не показано отдельно) в блоке 150 связи может включать в себя подходящий модулятор, такой как модулятор с фазовой манипуляцией, который обычно вырабатывает управляющие сигналы для применения в передатчике сигналов в буровом растворе. Данные управляющие сигналы можно использовать для осуществления надлежащей модуляции ревуна для бурового раствора. Созданная в буровом растворе акустическая волна проходит вверх в текучей среде через центральный канал бурильной колонны со скоростью звука в текучей среде.
[24] Акустическая волна принимается на поверхности земли измерительными преобразователями, указанными позицией 31. Измерительные преобразователи, являющиеся, например, пьезоэлектрическими измерительными преобразователями, преобразуют принятые акустические сигналы в электрические сигналы. Выход измерительных преобразователей 31 соединяется с наземной принимающей подсистемой 90, выполненной с возможностью демодулирования передаваемых сигналов, соединяющейся с процессором 85 и записывающим блоком 45.
[25] Наземная передающая подсистема 95 может также быть создана и может управлять прерыванием работы насоса 29 способом, обеспечивающим возможность обнаружения измерительными преобразователями (указаны позицией 99) в блоке 150 связи, так что может осуществляться двусторонняя связь между блоком 150 и наземным оборудованием, когда скважинный измерительный прибор установлен в стволе скважины. В таких системах может осуществляться связь оборудования в стволе скважины с поверхностью, например, с помощью циклической работы насоса (насосов) 29 с включением и выключением по заданной программе и регистрацией данного условия в скважине на измерительных преобразователях 99.
[26] Указанные выше или другие методики осуществления связи между оборудованием на поверхности и в скважине можно использовать в соединении с признаками, раскрытыми в данном документе. Подсистема 150 связи может также обычно включать в себя (не показано отдельно для ясности иллюстрации) электронный блок сбора и обработки данных и управления, содержащий микропроцессорную систему (соответствующее запоминающее устройство, электронную схему хронометрирования и синхронизации и электронную схему интерфейса), выполненную с возможностью сохранения данных от одного или нескольких датчиков, обработки данных и хранения обработанных данных (и/или необработанных данных с датчика), и соединения любой выбранной части содержащейся в ней информации с электронным блоком управления и привода передатчика для передачи на поверхность. Батарея (не показано) может обеспечивать электропитание для блока 150 связи. Известный скважинный генератор (не показано), такой как оснащенный турбодвигателем, приводимым в действие буровым раствором, можно также использовать для электроснабжения, непосредственно для работы или для подзарядки батарей во время перемещения бурового раствора в бурильной колонне 12. Следует понимать, что можно использовать альтернативные акустические или другие методики для осуществления связи с поверхностью земли. Как описано более подробно ниже, связь с микропроцессорной системой в блоке 150 связи, когда прибор находится на поверхности, является элементом одного варианта осуществления. Блок 150 связи может иметь порт 151 связи в стенке части бурильной колонны 12, включающей в себя блок 150 связи для такой цели, описанный более подробно ниже.
[27] В других примерах скважинных измерительных приборов, спускаемых иначе, чем в составе бурильной колонны (см. примеры, описанные выше), кожух прибора может включать в себя аналогичный порт связи, проходящий через его стенку.
[28] Как описано выше и показано на фиг.1A, 1B и 1C, связь электрическими сигналами со скважинным измерительным прибором, когда прибор поднят из ствола скважины и размещен на поверхности, в общем, выполняют, соединяя электрический кабель с соединителем, расположенным внутри порта (151 на фиг.1) связи. Известные электрические соединения включают в себя специально изготовленные соединители, имеющие специализированное устройство электрического контакта. На фиг.1A показан вид с торца типичного известного электрического соединителя 300, который включает в себя электрические контакты 302, 303, 304, 305, 306, расположенные по специальной схеме размещения и выполненные в корпусе 301, изготовленном из непроницаемого, электроизолирующего материала. На фиг.1B показан вид сбоку соединителя 300, в котором корпус 301 может включать в себя кольцевую прокладку 307 круглого сечения или аналогичное уплотнение. Вид с противоположного торца (который находится внутри кожуха, когда соединитель установлен в приборе) соединителя 300 показан на фиг.1C. Соединитель 300 на фиг.1A, 1B и 1C, в общем, выполнен с возможностью выдерживания максимального расчетного гидростатического давления текучей среды в стволе скважины для предотвращения протечки текучей среды в стволе скважины внутрь скважинного измерительного прибора, если снаружи соединитель 300 подвергается воздействию текучей среды в стволе скважины. Такие соединители известны, как «прямые промежуточные герметичные проходные разъемы».
[29] На фиг.2 показано сечение соединителя 300 известной техники, установленного в скважинном измерительном приборе. Порт 151 связи выполнен с помощью создания подходящего калиброванного отверстия 12B в стенке соответствующей части бурильной колонны 12 (например, в одной из секций утяжеленной бурильной трубы, такой как секция, вмещающая систему 150 связи фиг.1). Соединитель 300 установлен в подходящем отверстии в шасси 310 внутреннего прибора. Калиброванное отверстие 12B бурильной колонны может быть герметизировано подходящей заглушкой 12A.
[30] На фиг.3 показана типичная система 300A кабельной связи, которая может быть использована с портом связи и соединителем (300 на фиг.1A, 1B, 1C) известной техники, описанными выше, для обеспечения передачи сигналов между скважинным измерительным прибором и наземным устройством, в которой можно осуществлять сбор данных в запоминающем устройстве в приборе или можно передавать сигналы управления в такой прибор как компьютер (не показано). Наземное устройство может также являться компьютером (не показано отдельно), образующим часть записывающего блока (позиция 45 на фиг.1). Кабельная система 300A может включать в себя блок 318 питания, преобразующий обычный ток питания (например, переменный ток на 120 В 60 Гц или 220 В 50 Гц) в постоянный ток напряжением +5 и -5 В для питания электронной схемы связи в подсистеме (150 на фиг.1) связи. Энергия преобразованного тока передается по силовому кабелю 312 к кабельному адаптеру 320. Кабельный адаптер 320 имеет два выходящих кабеля, один, показанный позицией 316, заканчивающийся стандартным промышленным концевым устройством такого типа, как универсальная последовательная шина (USB), шина сверхбыстрой передачи данных (IEEE 1394), RS232, RJ11 (телефонное гнездо), ISO/IEEE 802/3 (локальная сеть Ethernet), или любым другим соединением, соответствующим промышленным стандартами, совместимым с соответствующим соединителем на наземном устройстве (например, компьютере или записывающем блоке). Другой выходящий кабель показан позицией 314 и включает в себя концевое устройство, соответствующее специализированному концевому устройству соединителя, показанному позицией 300 на фиг.1A, 1B и 1C.
[31] При использовании в данном документе термин «соответствующий промышленному стандарту» означает любой соединитель и/или кабель, выполненный согласно спецификации, по меньшей мере, одной организации, устанавливающей стандарты для электронной промышленности. Одним примером такой организации является Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), устанавливающий стандарты для вышеупомянутых соединителей USB и IEEE 1394. Другим примером устанавливающей стандарты организации является Ассоциация электронной промышленности (EIA). Еще одним примером устанавливающей стандарты организации является Германский институт нормирования (DIN), устанавливающий промышленные стандарты для таких электронных соединителей и других устройств в Германии. Выше указаны только примеры организаций, определяющих спецификации для стандартных электрических соединителей, не направленные на ограничение объема типов соединителей, которые можно использовать в изобретении.
[32] Пример соединителя связи согласно изобретению показан позицией 330 на фиг.4A, 4B и 4C. Вид с торца на фиг.4A показывает соответствующую промышленному стандарту базу 322 соединителя, заключенную в оболочку корпуса 324. Корпус 324 может быть выполнен из любого материала, по существу, влагонепроницаемого и являющегося электроизолирующим. Примеры подходящих материалов для корпуса 324 включают в себя, без ограничения этим, пластик, резину, керамику, стекло и различные отверждаемые смолы. Как показано на виде сбоку фиг.4B, корпус 324 может включать в себя подходящий элемент для кольцевой прокладки 326 круглого сечения или аналогичного уплотнения для герметичного соединения корпуса 324 с портом (фиг.5). Контактные штыри 328 для выполнения электрического соединения с электрическими цепями в скважинном приборе (например, с подсистемой 150 связи на фиг.1) показаны на фиг.4B и на виде с противоположного торца фиг.4C. В зависимости от геометрии базы 322 соединителя и геометрии и состава корпуса 324, соединитель 330 может также образовывать барьер давления для предотвращения входа текучей среды в стволе скважины внутрь прибора в случае выхода из строя уплотнения заглушки (12A на фиг.5A, описано ниже).
[33] Соответствующая промышленным стандартам база 322 соединителя на фиг.4A предназначена для стыковки с соответствующим промышленным стандартам электрическим контактным штепселем (например, см. фиг.8A-E) на кабеле связи (или вставное и охватывающее концевые устройства можно соответственно развернуть в обратную сторону относительно соединителя 330 и штепселя). Соответствующая промышленным стандартам база 322 соединителя может быть представлена, без ограничения этим, любым из перечисленных выше примеров, включающих в себя универсальную последовательную шину (USB), шину сверхбыстрой передачи данных (IEEE 1394), RS232, RJ11 (телефонное гнездо), ISO/IEEE 802/3 (локальная сеть Ethernet), или любым другим соответствующим промышленным стандартам соединением, стыкующимся с соответствующим электрическим соединителем, образующим концевое устройство соединительного кабеля (см. фиг.8A-E).
[34] На фиг.5 показан соединитель 330, установленный в скважинном измерительном приборе в порт 151 связи. Порт 151 может быть герметично закрыт с использованием заглушки 12А.
[35] Некоторые примеры соединителей типа IEEE USB, которые могут быть использованы для соединителя (330 на фиг.4) связи, показаны на фиг.6A-F. Некоторые примеры соединителей типа IEEE 1394 («шины сверхбыстрой передачи данных»), которые могут быть использованы для соединителя связи, показаны на фиг.7А и 7B.
[36] Для соединения наземного устройства (например, компьютера или записывающего блока 45 фиг.1) с соединителем (позиция 330 на фиг.4) связи возможно использование серийно выпускаемых кабелей «поставки со склада», снабженных концевыми соединителями, выполненными с возможностью стыковки с выбранными соединителями связи (позиция 330 на фиг.4) «поставки со склада». Примеры таких снабженных концевыми устройствами кабелей показаны на фиг.8А-E позициями 332-340 соответственно. Примеры, показанные на указанных выше фигурах, предназначены для соединителей типа IEEE USB. Следует ясно понимать, что любое другое соответствующее промышленным стандартам концевое устройство, используемое в соединителе (позиция 330 на фиг.4) связи, может быть использовано с кабелем связи согласно изобретению. Другой конец кабеля (например, показанный позициями 332-340 фиг.8А-E) должен иметь соединитель, совместимый с приемным гнездом или другим соединением на наземном устройстве (например, компьютере или записывающем блоке 45 фиг.1), используемом для доступа к запоминающему устройству в скважинном измерительном приборе и/или доступа к контроллеру в скважинном измерительном приборе (например, подсистеме 150 связи фиг.1).
[37] Соединительные устройства связи, выполненные согласно различным аспектам настоящего изобретения, могут обеспечивать более низкую стоимость изготовления и техобслуживания скважинных измерительных приборов и могут уменьшать проблемы материально-технического обеспечения, связанные с использованием специализированной конфигурации электрических кабелей для соединения подсистемы связи прибора с наземным устройством.
[38] Хотя изобретение описано для ограниченного числа вариантов осуществления, специалисту в данной области техники, получающему пользу от данного изобретения, должно быть ясно, что могут быть разработаны другие варианты осуществления, не отходящие от объема изобретения, раскрытого в данном документе. Соответственно, объем изобретения должен быть ограничен только прилагаемой формулой изобретения.