Устройство передачи информации из скважины
DEVICE FOR TRANSMITTING INFORMATION FROM WELL

Изобретение относится к области каротажа в процессе бурения скважин и предназначено для передачи информации из забойной части скважины на поверхность по беспроводному каналу связи.
Известно устройство приема/передачи геофизической информации во время бурения по беспроводному электромагнитному каналу связи с забоя на дневную поверхность, предусматривающее модуляцию напряжения генерирующего сигнала на дневной поверхности путем подключения полюсов наземного генератора соответственно к колонне бурильных труб и удаленной точке от устья скважины, электрический диполь на забое осуществляющий прием сигнала наземного генератора, выделяющий тактовую частоту наземного генератора и синхронно с ней коммутирующий электрический диполь на забое, при этом, на устье скважины измеряют ток генерации путем выделения пульсаций с помощью синхронного детектирования (Патент РФ на изобретение № 2273732, МПК E21B 47/12, опубл. 10.04.2006).
Применение наземного генератора с удаленным заземлением является положительным фактором, однако такой способ требует значительной мощности генератора для получения удовлетворительного качества полезного сигнала, наличие устройства синхронизации, предполагает использование постоянного тока, при котором полезным сигналом служит изменение слабых токов из-за высокого омического сопротивления цепи (колонна стальных труб-земля).
Известно устройство, предназначенное для передачи информации магнитным потоком высокой частоты по колонне бурильных труб, по всей длине которой диаметрально противоположно вмонтирован замкнутый магнитопровод из магнитомягкого материала, на торцах которого размешены передающая и приемная катушки (Авторское свидетельство СССР № 608051, МПК G01D 5/12, опубл. 25.05.1978).
Данное устройство, в своей основе, при заявленном диапазоне рабочих частот, представляет собой высокочастотный трансформатор с П-образным сердечником (магнитопроводом) из магнитомягкого материала, впрессованного диаметрально противоположно вдоль колонны труб.
Применение предложенного технического решения на практике чрезвычайно проблематично:
- Буровая колонна состоит из отдельных труб, свинчиваемых между собой с помощью резьбы. Совместить магнитопроводы из-за неопределенности точек начала захода резьбы практически невозможно, по крайней мере, на месте проведения работ.
- Магнитопровод трансформатора, во-первых, меняющейся длины, а, следовательно, своей характеристики, по мере углубления скважины, во-вторых, имеющий общую протяженность до 10 км. (при глубине скважины 5 км.) требует мощного источника сигнала.
- Даже в низкочастотных трансформаторах применяются сердечники из набора тонких, изолированных друг от друга пластин. Впрессовать такой пакет в пазы трубы, притом электрически изолировать его от трубы, весьма непростая задача.
- Буровая труба имеет стенку от 5 -12 мм. Пазы для магнитопровода существенно снижают прочность трубы.
Известно устройство передачи информации из скважины по электрическому каналу связи, выбранное в качестве прототипа, предусматривающее возбуждение электрического тока в колонне металлических труб в скважине, разделенных диэлектрической вставкой на верхнюю и нижнюю части, и регистрацию на поверхности изменения напряжения, вызванного пульсацией тока в трубе, возбуждаемого при помощи переменной ЭДС, приложенной к диэлектрической вставке (Патент РФ на изобретение № 2528771, МПК E21B 47/12, E21B 47/13, G01V 3/24).
Использование переменного тока вместо постоянного способно повысить качество полезного сигнала и скорость передачи данных. Однако, предложенный способ требует размещения генератора на забойном участке, причем довольно мощного, поскольку прием сигнала осуществляется индукционной катушкой на устье скважины на удалении до 5-6 км. с использованием труб из легированной стали в качестве магнитопровода, причем довольно магнитожесткого, что практически делает данное решение нереализуемым практически.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение реальной возможности его использования, повышение уровня и достоверности полезного сигнала при равных энергетических затратах, повышение антикоррзионной стойкости устройства.
Указанная задача решается тем, что на наружную поверхность труб, образующих колонну, нанесено покрытие из магнитомягкого ферромагнитного материала, например, углеродных волокон с введенными в их состав ферромагнитными материалами (Co, Ni, Fe), или плазмонапыленные ферритовые покрытия, или осажденные способом электрофореза. Все три технологии известны и используются в промышленности. При этом длина ферромагнитного участка равна длине колонны труб.
Заявляется устройство для реализации способа, содержащее источник электрического тока, пропускаемого по колонне труб, разделенных диэлектрической вставкой на верхнюю и нижнюю части, и наземную приемо-преобразовательную аппаратуру, включающую регистратор напряжения, причем источник переменного тока установлен в скважине, подсоединен к верхней и нижней частям трубы, разделенной диэлектрической вставкой, и снабжен блоком модуляции, а приемо-преобразовательная аппаратура содержит наземную приемную катушку с магнитопроводом в виде коаксиально установленного колонне труб полого цилиндра, высота которого значительно превышает его толщину, при этом приемных катушек может быть несколько штук, установленных друг над другом и снабженных полосовыми усилителями, выходы которых суммируются на входе регистратора напряжения, а на внешнюю (наружную) поверхность труб, образующих колонну,  нанесено  покрытие их магнитомягкого ферромагнитного материала.
На чертеже представлена блок-схема устройства.
Колонна труб 1 разделена диэлектрической вставкой 2, к верхней и нижней частям которых присоединен источник переменного тока 3 с блоком модуляции и подачи тока 4 в колонну 1. В верхней части колонны 1 может быть расположены одна или несколько установленных друг над другом наземных цилиндрических приемных катушек 5 с полосовыми усилителями сигнала 6, поступающего на регистратор напряжения 7. Магнитопровод 8 приемной катушки 5 выполнен в виде цилиндра. На наружную поверхность труб 1, образующих колонну, нанесено покрытие 9 из магнитомягкого ферромагнитного материала.
На забое бурящейся скважины с помощью источника переменного тока 3 с блоком модуляции и подачи тока 4 в колонну труб 1, разделенных диэлектрической вставкой 2, в скважину по трубе 1 подают модулированный информативным (полезным) сигналом ток, который, проходя по колонне 1, генерирует коаксиальное колонне 1 электромагнитное поле, которое создает переменный магнитный поток электромагнитной индукции, пронизывающий витки приемной цилиндрической катушки 5 на устье скважины, и, соответственно, переменную ЭДС на зажимах этой катушки 5. На внешнюю поверхность труб 1 нанесено покрытие из магнитомягкого ферромагнитного материала.
Модулированная полезным сигналом переменная ЭДС, создаваемая генератором, подключенным к верхней и нижней частям колонны труб 1 , разделенных вблизи забойного участка диэлектрической вставкой 2, образует переменное магнитное поле вокруг колонны труб 1, возбуждающее в наземной приемной катушке 5 ЭДС индукции, изменяющуюся под воздействием модулирующего полезного сигнала, позволяя приемной аппаратуре преобразовать принятый сигнал в удобный оператору вид. Нанесенное покрытие магнитомягкого ферромагнитного материала 9 на внешнюю поверхность труб 1, образующих колонну, изготавливаемых из магнито жёсткого материала, существенно усиливает магнитный поток вокруг колонны труб 1, являющихся проводником, что повышает ЭДС индукции в приемной катушке 5, и соответственно усиливает уровень полезного сигнала.
Ферромагнитные материалы, которые, обладая большой магнитной проницаемостью, усиливают магнитный поток, позволяют повысить уровень полезного сигнала и увеличить несущую частоту передатчика, что обеспечивает более высокую скорость передачи сигнала, а так же достоверность информации за счет появления возможности использования частотной модуляции. Нанесение покрытия магнитомягкого ферромагнитного материала 9 на колонну труб 1 не представляет технической сложности в современных условиях.
Также покрытие магнитомягкого ферромагнитного материала 9 выполняет антикоррозийную функцию.