СИСТЕМА И СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ
SYSTEM AND METHOD OF SURVEY IN PROCESS OF DRILLING

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область изобретения
Настоящее изобретение, в общем, относится к скважинным устройствам, используемым при проведении операций в скважине. Более конкретно настоящее изобретение относится к способам для определения параметров скважины посредством извлекаемого скважинного устройства, функционирующего в процессе бурения.
2. Обзор состояния изобретений в этой области
Добыча углеводородов из подземных формаций включает в себя процесс бурения скважин в земной формации. Для формирования скважины скважинный буровой инструмент подвешивается на буровой вышке и продвигается в земную формацию посредством бурильной колонны. В процессе бурения предпочтительно получать информацию об условиях в скважине. Такая информация полезна, например, для определения местоположения требуемых формаций, предупреждения потенциальных проблем и усовершенствования процесса бурения.
Скважинные буровые инструменты обычно компонуются в оборудование низа бурильной колонны (ОНБК), которая состоит из одного или нескольких буровых воротников с расположенными внутри устройствами. Одно такое устройство или комбинация устройств, обычно установленных в ОНБК, осуществляют замеры в процессе бурения (3ПБ) или каротаж в процессе бурения (КПБ) (здесь на них ссылаются как на устройства, используемые в процессе бурения, или ИПБ устройства). ИПБ устройства обычно включают в себя комбинацию сенсоров, телеметрических устройств, источников питания и/или других устройств для выполнения разнообразных функций в скважине, таких как осуществление измерений в скважине, компилирование информации о процессе бурения и связь с поверхностью. Примеры существующих ИПБ устройств и систем описаны в Патенте США № 5357483, принадлежащем патентообладателю Халибуртон, в Патенте США № 5517464, принадлежащем патентообладателю этого изобретения, и в заявке США № 20030080743, принадлежащей патентообладателю Бейкер Хьюз. Пример КПБ устройства описан в Патенте США № 4899112, принадлежащем патентообладателю настоящего изобретения. Некоторые такие ИПБ устройства, которые также могут быть сняты с оборудования низа бурильной колонны и заменены, как было описано, например, в Патенте США № 6577244, принадлежащем патентообладателю настоящего изобретения. По меньшей мере, подобные ИПБ устройства могут страдать от утечек, нарушения герметичности вокруг отверстий, проходящих через воротник бура, так или иначе, характеризуются отсутствием надежности или работоспособности в разнообразных условиях в скважинах.
Современные ИПБ устройства и связанные с ними устройства (ИПБ системы) обычно помещаются во внутрь стальных цилиндрических и полых буровых воротников (утяжеленных бурильных труб) для защиты их от влаги, температуры, а также от химического воздействия и/или воздействия давления. Однако предпочтительно такие устройства как сенсоры располагать таким образом, чтобы они имели возможность производить более точные измерения без увеличения потенциального риска повреждения или опасности подвергнуть воздействию остальную часть ИПБ системы. Риск утечки и/или повреждения может возрастать при условиях, когда отверстие проходит через буровой воротник в ИПБ систему. Следовательно, предпочтительно, чтобы скважинное буровое оборудование характеризовалось одним или несколькими способностями, а именно: в дальнейшем могло быть извлечено из бурового инструмента, вновь установлено в него, связь между устройствами была беспроводной, некоторые компоненты были изолированы от скважинных условий, определенные компоненты могли быть извлечены на поверхность для замены, ремонта и/или настройки и или обладали устойчивостью к утечкам. Более того, подобная система оптимизирует процесс бурения, уменьшает его время и содействует увеличению скорости и точности проводки скважины в буровой обстановке.
8
Далее предпочтительно, чтобы буровой инструмент был выполнен с возможностью функционирования даже в чрезвычайно жестких скважинных условиях. Забойное бурение скважин, таких как нефтяных, проходит в экстремальных рабочих условиях, таких как высокая температура, высокое давление, и жестокого физического контакта. Большая часть процесса бурения осуществляется на экстремальных глубинах на суше или глубоко под поверхностью морского дна. Условия окружающей среды, в которой работает в скважине оборудование для разведки нефти, могут быть очень суровыми. Температура, превышающая 200°С, и давление - 1,38×10 Па не являются необычными. Стандартные электронные компоненты обычно рассчитаны для работы приблизительно только до 125°С. Таким образом, появляется необходимость создать или экспериментально найти электрические компоненты, способные функционировать при высоких температурах, имеющихся в скважине.
Были разработаны различные скважинные устройства для работы в условиях высоких температур и давлений. Например, имеется ИПБ устройство, предназначенное для работы до 150°С, которое обеспечивает проведение инклинометрии в реальном времени и гамма исследований. Имеются также ИПБ устройства, предназначенные для работы при температурах до 175°С, которые могут работать при определенных условиях для решения специальных задач. Однако неизвестно ни одного коммерческого ИПБ устройства, способного работать при температуре выше 175°С в течение продолжительного времени, которое имеет требуемые характеристики, такие как проведение гамма-каротажа в реальном времени, возможность извлечения устройства и повторной его установки, а также возможности регистрации вибраций.
Были предприняты попытки разработать скважинные устройства с требуемыми характеристиками для использования в условиях высоких температур. В качестве примера можно привести скважинное устройство, предназначенное для работы при температуре до 180°С и сохранением живучести до 200°С, но с отсутствием непрерывной инклинометрии и возможностью осуществления ловильных работ в скважине. Надежность такого устройства еще не подтверждена при работе в скважинах при температурах, превышающих 170°С. Другое такое устройство спроектировано для работы при температуре до 200°С, но у него отсутствует возможность осуществления гамма-каротажа, непрерывная инклинометрия, измерение затрубного давления и возможность осуществления ловильных работ в скважине, а также предполагается, что оно характеризуется малой надежностью и низкой скоростью связи с поверхностью. Кроме того, электроника обычно приходит в негодность после воздействия температуры, превышающей 175°С, и это несмотря на применение кремниевых компонентов на изоляторах (ККИ), рассчитанных на температуру 225°С.
Надежность функционирования электронных компонентов является основной проблемой при создании высокотемпературных ИПБ устройств, т.к. в продаже имеется лишь небольшое количество компонентов, рассчитанных на функционирование при температуре 200°С.Те, которые имеются, обычно подпадают под три основных категории: (1) традиционные керамические компоненты, разработанные, главным образом, для рынка вооружений, которые интуитивно работают при высокой температуре; (2) мультичипные модули, разработанные (или которые могут быть разработаны) конечными пользователями, при использовании изделий, о которых известно, что они работают при высоких температурах; и (3) немногочисленные стандартные и очень дорогие кремниевые компоненты на изоляторах (ККИ), разработанные для рынка специально для работы при температуре 200°С и выше.
Предпринимаются попытки разработать процесс, способный создавать очень высокотемпературные цифровые и смешанные аналого-цифровые устройства. Пока такие попытки обещают восхитительные перспективы на долгосрочное будущее, но изделия для коммерческих целей на рынке отсутствуют. Отдельные компоненты еще предстоит разработать, что предполагает значительные затраты.
Необходимы также новые извлекаемые и переустанавливаемые ИПБ устройства. Возможность извлечения и повторной установки устройства обеспечивает значительное усовершенствование по сравнению с существующими технологиями, поскольку оборудование, которое вышло из строя в тяжелых условиях, может быть поднято на поверхность при помощи троса и заменено, устраняя необходимость долгого и дорогого процесса по подъему и спуску труб из скважины.
2
2
Предпочтительно, чтобы устройство было выполнено с возможностью осуществлять непрерывную инклинометрию; определять вибрацию в скважине; определять затрубное давление и гамма-излучение; измерять в реальном времени затрубное и/или внутреннее давление в процессе бурения; проводить в реальном времени непрерывную инклинометрию; определять в реальном времени гамма-излучение; проводить в реальном времени мониторинг вибрации; работать с высокой скоростью; обладать высокопроизводительной системой обработки сигналов, большой скоростью получения данных, измерением гамма-излучения и получения данных по нему, и/или замером давления и/или способностью повторной герметизации для получения данных по давлению, и все это в течение продолжительного времени и в условиях высокой температуры и давления. Также предпочтительно, чтобы подобное устройство и связанные с ним компоненты, такие как датчики, электроника, герметизация, материалы и корпус были работоспособны в зонах с высокой температурой минимум до 175°С, но лучше по меньшей мере до 200°С и давлениях по меньшей мере до 20 Кф/д (1406,5 кг/см).
Следовательно, существует необходимость в ИПБ системе, обладающей одной и большим числом улучшенных способностей.
ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
По меньшей мере, согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к системе для измерения скважинных параметров в процессе бурения. Эта система располагается в скважинном буровом инструменте, подвешенном на буровой вышке посредством бурильной колонны. Скважинный буровой инструмент расположен в скважине, проходящей подземные формации. Эта система включает в себя, по меньшей мере, один буровой воротник, имеющий трубчатые боковые стенки, определяющие канал для подачи бурового раствора; ИПБ устройство, установленное в канале, по меньшей мере, одного воротника бура, и которое может быть селективно извлечено из него, а также, по меньшей мере, один внешний датчик, установленный на боковой стенке воротника бура и изолированный от канала. По меньшей мере, один датчик экспонирован в направлении скважины для измерений параметров скважины и оборудован беспроводной связью с ИПБ устройством.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение относится к способу осуществления исследований в процессе бурения. Способ включает в себя обеспечение скважинного бурового инструмента в формации для формирования ствола скважины, регистрацию скважинных параметров посредством внешнего датчика (датчиков), расположенного в кармане трубчатой, боковой стенки, осуществление беспроводной передачи сигналов между ИПБ устройством и внешним датчиком (датчиками) и селективным извлечением ИПБ устройства из скважинного бурового инструмента. Согласно другим вариантам осуществления внешний датчик остается на скважинном буровом инструменте после подъема ИПБ устройства. В других вариантах реализации внешний датчик извлекается вместе с ИПБ устройством. В скважинном буровом инструменте имеется, по меньшей мере, один воротник бура с ИПБ устройством. Буровой воротник имеет трубчатую боковую стенку, образующую канал для подачи бурового раствора через него. Внешний датчик (датчики) предпочитают изолировать от внутреннего канала.
Наконец, согласно другому аспекту изобретение относится к системе измерений скважинных параметров. Система расположена в скважинном буровом инструменте, подвешенном в скважине ниже буровой установки. Система снабжена извлекаемым ИПБ устройством и, по меньшей мере, одним датчиком. ИПБ устройство расположено внутри скважинного бурового инструмента. Буровой инструмент имеет внутренний канал для подачи бурового раствора. По меньшей мере, один датчик расположен в буровом воротнике скважинного бурового инструмента и изолирован от канала. По меньшей мере, один датчик предназначен для замера скважинных параметров. Датчик давления оборудован связью с ИПБ устройством, вследствие чего между ними проходят сигналы.
2
2
Предпочтительно, чтобы системы функционировали при высоких температурах и давлении, выше 200°С и 20 Кф/д (1406,5 кг/см), соответственно. Система может быть обеспечена системным контроллером, процессором сигналов, системой получения данных и датчиками. В качестве датчиков могут быть использованы любые датчики, такие как датчик вибраций в скважине, инклинометр, датчик межтрубного давления (в процессе бурения), датчик гамма-излучения и непрерывной инклинометрии.
Датчики выполнены с возможностью замера либо гамма-лучей, ударов, вибрации, внутреннего и внешнего давления, температуры, скорости звука, времен прихода, либо их комбинаций. Датчики могут быть расположены внутри скважинного бурового инструмента и приспособлены для измерения одного из параметров: гамма-лучей, ударов, вибрации, внутреннего и внешнего давления, температуры, скорости звука, времен прихода или их комбинаций. Система может включать в себя сигнальный блок в ИПБ устройстве, сигнальный блок в датчиках для беспроводной передачи сигналов между ними. Сигналы могут характеризовать команды, связь, энергию и другие типы информации. Блоки сигналов и датчиков предпочтительно собраны либо на существующих керамических, кремниевых, мультичипных модулях, набором программируемых в полевых условиях логических элементов и их комбинаций. Система также может быть оборудована системой управления, включающей в себя контроллер, процессор, модуль получения данных, передатчик, приемник и/или связующую цепь. Датчики могут включать в себя передатчик, приемник, измерительное устройство и/или источник энергии. Источник энергии может заряжаться от ИПБ устройства. Система может быть также оборудована запорным механизмом, предназначенным для ориентации ИПБ устройства в воротнике бура.
Предпочтительно, чтобы система имела возможность непрерывного замера направления и наклона бурения. Также предпочтительно, чтобы система проводила замеры в реальном времени и/или действовала в условиях высоких температур и давлений.
Другие аспекты и преимущества изобретения станут ясными после последующего описания и формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для того чтобы перечисленные особенности и преимущества настоящего изобретения могли быть поняты в деталях, более подробное описание изобретения, кратко изложенного выше, может быть выполнено со ссылками на приложенные чертежи. Следует отметить, однако, что приложенные чертежи иллюстрируют только типичные варианты осуществления этого изобретения и, следовательно, не считаются ограничивающими его объем, для изобретения может быть возможным осуществление других одинаково эффективных вариантов реализации.
Фиг.1 представляет схематическое изображение скважинного бурового инструмента, подвешенного на буровой установке в скважине, и в нем находится ИПБ система.
Фиг.2 изображает вид продольно- поперечного разреза ИПБ системы, изображенной на фиг.1.
Фиг.3 представляет схематический вид компонентов ИПБ системы, изображенной на фиг.2.
Фиг.4 представляет детальный вид внутреннего датчика, изображенного на фиг.2.
Фиг.5 представляет детальный вид внешнего датчика, изображенного на фиг.2.
Фиг.6 представляет вид частичного поперечного разреза альтернативного варианта осуществления ИПБ системы на фиг.2, изображающий систему беспроводной связи.
Фиг.7 представляет схематическую диаграмму альтернативного варианта осуществления системы беспроводной связи, изображенной на фиг.6.
Фиг.8 изображает схему последовательности операций способа при осуществлении измерений в скважине при помощи извлекаемого ИПБ устройства.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 - это схематическое изображение буровой вышки 10 и бурильной колонны 12. Буровая вышка установлена на основании 15 вышки и соединена с бурильной колонной и поддерживает ее посредством сложной системы кабелей и шкивов (не показана). Бурильная колонна подвешена на буровой вышке 10 и расположена в скважине 17, проникая в толщу формации F. Бурильная колонна включает в себя бурильные трубы 16 (три из них показаны на фиг.1), оборудование низа бурильной колонны (ОНБК) 9 и буровое долото 5 на нижнем конце его. Обычно только часть массы бурильной колонны приходится на формацию. Остальная часть массы бурильной колонны подвешена на буровой вышке на тросах и шкивах и других поддерживающих компонентах. Бурение скважины начинается, когда долото разными способами приводится во вращение или, поворачивая ротор (не показан), или буровым двигателем, расположенным между буровым долотом и остальной частью бурильной колонны.
Во время процесса бурения специальная жидкость 3, в разговоре называемая буровой раствор, закачивается из ствола по трубе 2 через бурильную колонну 12, ОНБК 9 и буровое долото 5. Буровой раствор вытекает из долота и выдавливается в скважину через зазор или кольцевое пространство 7, между буровым инструментом и стенкой скважины и назад через трубу 4 в направлении, показанном стрелками. Поток буровой жидкости через буровой инструмент используется для энергоснабжения и обеспечивает возможность иметь связь посредством импульсных телеметрических систем, что будет высоко оценено специалистами в этой области. Использование подобных скважинных буровых установок описано, например, в Патенте США №5357483, патентообладатель Халибуртон и Патенте США №5517464, принадлежащем патентообладателю этого изобретения. Предпочтительно, чтобы используемая телеметрическая система была совместимой с существующей поверхностной аппаратурой для демодуляции. Также предпочтительно, чтобы была обеспечена связь процесса бурения в реальном режиме времени с автоматической системой принятия решения в месте расположения скважины.
ОНБК на фиг.1 включает в себя буровые воротники 18 (могут быть использованы один или несколько), в которых находятся скважинные устройства, используемые для осуществления разнообразных скважинных операций. Одна из групп таких устройств обычно называется системой для работы в процессе бурения или ИПБ системой 19. ИПБ система включает в себя ИПБ устройство 14, такое как для каротажа в процессе бурения (КПБ), для измерения в процессе бурения (ИПБ) или другие устройства, используемые в процессе бурения, и датчики этих устройств (Фиг.2). ИПБ устройство 14 используется для осуществления в процессе бурения таких функций среди других, как выполнение скважинных измерений, связи с поверхностью. ИПБ устройство 14 связано с датчиками для осуществления скважинных измерений. ИПБ устройство может быть использовано для определения направления и наклона скважины, гамма-излучения, удара, вибрации, скорости звука, времени прихода и/или других природных или созданных человеком явлений. Связанные с устройством процессоры и компьютеры также могут быть включены в процесс обработки дополнительной информации.
Предпочтительно, чтобы датчики были выполнены с возможностью осуществления работы в условиях высоких температур и давлений и могли производить измерения как в реальном времени, так и/или записи. Могут использоваться разнообразные датчики, такие как для регистрации длительного гамма-излучения. Некоторые из таких датчиков работают при 200°С в течение более короткого периода времени. Такие датчики предпочтительно модифицировать для обеспечения измерений при таких высоких температурах. Могут также использоваться датчики для определения давления при высоких температурах. Предпочтительно, чтобы такие датчики отвечали требованиям по точности и живучести для температуры среды в скважине (по меньшей мере) 200°С.
ИПБ устройство может быть вставлено в ОНКБ до подсоединения воротника бура 18 к другим воротникам, трубе, буровому долоту и скважинному приводу (при его наличии). Альтернативно ИПБ устройство может быть опущено на кабеле, подсоединенном к механическому разъему, иногда называемому приводной соединитель (не показан). ИПБ устройство опускается через бурильную колонну 16 в буровой воротник 18 после спуска его в скважину. ИПБ система может быть поднята и другая ИПБ система может быть установлена на ее месте посредством троса после спуска бурового воротника в скважину. Системы извлечения ИПБ устройств описаны, например, в Патенте США 6577244, принадлежащем патентообладателю настоящего изобретения. Известны также способы для аккомодации устройства к требованиям по ловимости в скважине и повторной установке при высоких температурах и давлениях.
На фиг.2 показана ИПБ система, используемая как ИПБ система 19 на фиг.1. Указанная ИПБ система включает в себя буровой воротник 18, ИПБ устройство 14, внутренний датчик 20 и внешний датчик 21. ИПБ устройство в этом варианте осуществления получает информацию из нескольких источников, таких как внутренний датчик 20 и внешний датчик 21. Традиционные ИПБ устройства могут использоваться в ИПБ системах, что будет оценено специалистами в данной области техники. Примеры ИПБ устройств описаны, например, в Патенте США № 5677244, принадлежащем патентообладателю настоящего изобретения.
Для осуществления скважинных измерений, например давления, используются датчики. Датчик может быть любого типа, например тензометром. Эти датчики собирают информацию и передают ее в ИПБ устройство. В случае замера давления внутри давление передается через канал 23, идущий через воротник бура и внутренний датчик 20, вмонтированный в ИПБ устройство. Внутренний датчик 20 экспонирован для воздействия давления бурового раствора, проходящего через канал 23 между устройством и воротником бура.
В случае измерения внешнего давления давление передается через отверстие 26, проходящее через стенку воротника бура 18 и втулку 24 к внешнему датчику 21, вмонтированному в ИПБ устройство. Внешний датчик установлен в устройстве в непосредственной близости к втулке 24, расположенной между ИПБ устройством и воротником бура. Внешний датчик открыт для воздействия скважинных флюидов и давлений за пределами воротника бура через отверстие 26. Обычно применяются герметизирующие уплотнения 29 в виде О-образных колец для устранения влияния внешнего давления на внутреннее давление.
Предпочтительно, чтобы ИПБ устройство было оснащено запорным механизмом 22 для обеспечения фиксации устройства внутри воротника бура. Предпочтительно, чтобы запорный механизм являлся механическим связующим звеном между воротником бура и ИПБ устройством. Запорный механизм включает в себя шпоночную канавку или вырез 27 в ИПБ устройстве, и соответствующий выступ - ключ 25, расположенный на ИПБ устройстве. Выступ и приемный вырез оперативно соединяются, устанавливая и закрепляя устройство в буровом воротнике. Выступ также используется для центровки ИПБ устройства внутри воротника бура и его ориентировки. Предпочтительно, чтобы датчик 21 подсоединялся к воротнику бура 18 напротив выступа 25. В других вариантах осуществления изобретения датчик может быть помещен в выступ или там могут быть многочисленные местоположения или многочисленные датчики, расположенные в других местах внутри ИПБ устройства и воротника бура.
Запорный механизм может активироваться, когда устройство вставляется или удаляется из воротника бура на поверхности. Альтернативно запорный механизм может активироваться, когда ИПБ устройство вставляется или удаляется из воротника бура в скважине. Это устройство может быть удалено с использованием канатного кабеля и подсоединяющего устройства и заменено другим устройством с использованием того же кабеля и устройства. На рынке имеются запорные механизмы для вставки, удаления и повторной установки существующих устройств для определения направления и инклинометрии. Такие запирающие механизмы могут быть приспособлены для использования в условиях высоких температур и давлений. Предпочтительно, чтобы это устройство было способно производить это механическое соединение при высоких температурах и давлениях.
Фиг.2 также показывает другие различные компоненты, которые могут быть использованы совместно или в соединении с ИПБ системой 19 и/или ИПБ устройством 14. Например, устройство изображено как имеющее источник энергии, такой как батареи 30 и/или электрогенератор 32. Батареи могут быть специально сконструированными или стационарными. Может быть использован генератор, имеющийся на рынке, использующий течение бурового раствора для производства электроэнергии. Предпочтительней, чтобы любой источник энергии был рассчитан для высокой температуры и давления. Например, система может работать, используя высокотемпературный источник энергии.
ИПБ устройство также снабжается контроллером системы и/или процессором сигналов и системой получения данных 36. Предпочтительно, чтобы система получения данных включала в себя датчики, такие как датчик направления и наклона, датчик гамма-лучей, датчик вибрации и температурный датчик. Могут применяться и другие датчики. Предпочтительно также наличие верхнего 38 и нижнего 40 коммуникационных разъемов. Беспроводной соединитель 42 и верхний разъем для телеметрии также могут использоваться для содействия при извлечении ИПБ устройства и/или установления связи с поверхностью.
Эти и другие скважинные устройства могут использоваться для выполнения разнообразных операций по энергоснабжению, связи, обработки и т.д.
Предпочтительно, чтобы эти компоненты скважинного устройства были рассчитаны для использования при высоких температуре и давлении и ударах.
Фиг.3 представляет схематическую диаграмму, иллюстрирующую функционирование ИПБ системы. Предпочтительно, чтобы ИПБ система включала в себя контроллер системы и процессор сигналов 35, систему получения данных 41, верхний разъем для связи с поверхностью 33, нижний разъем 37 для связи с поверхностью, телеметрию для импульсов бурового раствора, генератор 31 электрической энергии и различные датчики (39, 45, 41, 49). Эти компоненты могут быть интегрированы с ИПБ устройством или оперативно подсоединяться к нему. Некоторые такие компоненты образуют часть других устройств, расположенных в различных других частях скважинного устройства. Как показано на фиг.3, датчики включают в себя датчик гамма-излучения 45, датчик направления и наклона 49, датчик затрубного и внутреннего давлений 47, датчик температуры и детектор скважинной вибрации и температуры 39. Однако также возможно использование и других устройств.
Как показано, датчики собирают и направляют данные в систему для получения данных 41. Система получения данных связывается с контроллером системы и процессором сигналов. Контроллер системы может посылать команды в систему для получения данных для активирования датчиков и сбора информации. Процессор сигналов собирает и компилирует информацию, получаемую от системы получения данных. Затем информация может быть послана на поверхность и/или в остальную часть устройства через верхний и нижний коммуникационные разъемы. Другие компоненты могут быть расположены внутри или вокруг ИПБ системы, которая тоже может быть задействована. Телеметрическая система и генератор электрической энергии могут быть использованы для обеспечения связи и энергии для системного контроллера, датчиков и/или соединителей, а также других компонентов.
Для дополнительной надежности при режиме высоких температур предпочтительно, чтобы электроника всех систем такая, что используется в контроллере системы и процессора сигналов среди других, включала в себя в основном герметично закрытые мультичипные модули (МЧМ). МЧМ будут также служить устранению или минимизированию внутренних связей между интегрированными цепями и монтажными платами - слабые места, присущие высокотемпературным прикладным системам. Поскольку очень высокие температуры имеют тенденцию радикально уменьшать жизнеспособность электронных подсистем, предпочитаемый вариант осуществления этой системы будет позволять замену монтажных плат и других подсистем, обеспечивая возможность повторно использовать дорогостоящие МЧМ и другие компоненты.
Для увеличения надежности и сопротивления условиям окружающей среды предпочтительно, чтобы электронные компоненты внутри корпуса были усилены дополнительной защитой. Такая электроника может быть выполнена, например, на традиционных керамических компонентах, разработанных, главным образом, для рынка вооружений, и которые интуитивно должны работать при высокой температуре, мультичипных модулях, разработанных (или которые могут быть разработаны) конечными пользователями и/или на кремниевых компонентах на изоляторах (ККИ). Такие усиленные компоненты имеются в продаже. Дополнительные методики, которые могут быть использованы для усиления компонентов, включают в себя программируемую на месте вентильную матрицу и смешанные аналого-цифровые устройства, датчики гамма-излучения длительного пользования, высокотемпературные источники энергии, телеметрические системы, совместимые с существующими системами, высокоскоростную обработку сигналов, датчики для определения высоких температур и системы бурения в реальном времени. Другие компоненты системы, такие как датчики, электроника, компоновка, материалы и корпуса приборов, должны также быть рассчитаны на условия высоких температур и давлений.
Должны быть также предусмотрены высокотемпературные электронные компоненты для надежной работы этого устройства. Если нет надежных альтернатив, используются существующие ККИ компоненты. Кроме того, существующие программируемые на месте вентильные матрицы и смешанные аналого-цифровые устройства могут использоваться вместе с заявленным устройством. Эти методы обработки особенно подходят для высокоскоростного получения данных и обработки сигналов.
2
2
Предпочтительно, чтобы функционирование устройства и его компонентов контролировалось. Эксплуатационные характеристики среды или циклограмма выполняемого задания этого устройства могут быть установлены на максимальные температуру и давление при начальных промежуточных температуре и давлении (например, 400°F (204,44°С)и около 20 Кф/д (1406,5 кг/см). Используются потенциальные компоненты, подсистемы и механические агрегаты, способные работать при температуре для гарантированного функционирования их в пределах установленных технических условий. Функционирование системы может проверяться посредством термического анализа, используя тепловизоры и/или термомоделирование при помощи компьютера, оценивая, таким образом, соответствующий тепловой поток и/или достаточное рассеивание тепла. Может также проводиться виртуальное испытание, автоматизированное проектирование для определения и улучшения выживаемости электронных устройств при помощи использования моделирования достоверных отказов.
Для проверки и оценки работы механических и электронных устройств в условиях высокого давления могут использоваться стендовые испытания и тестирование корпусов в высокотемпературных испытательных камерах при высоком давлении. Могут осуществляться всесторонние испытания и проверки в естественной среде для определения максимальных температурных ограничений существующих и потенциальных электронных и механических компонентов.
Если потенциальные электронные компоненты и механические агрегаты прошли первоначальное испытание, могут быть проведены испытания в природной среде для проверки требуемого качества функционирования. Предпочтительно, чтобы испытания в окружающей среде состояли в тестировании работы в условиях температуры и ударов согласно циклограмме осуществляемого задания. Отказы могут быть проанализированы и сделаны выводы по ним. Проверка компонентов может включать в себя идентификацию, испытание и оценку управления, связи, питания и других центральных или системных электронных устройств, датчиков, корпусов источников энергии и т.д.
1
Фиг.4 представляет увеличенное изображение части ИПБ системы 19 согласно фиг.2, изображающая внутренний датчик более детально. Фиг.4 показывает, как измеряется внутреннее давление или давление внутри воротника бура. Внутренний датчик 20 расположен в ИПБ устройстве 14. Отверстие 43 проходит от внутреннего датчика 20 к каналу 23, служащему для прохода жидкости между ними. Датчик 20 снабжен манометром, открытым в канал, и внутреннее давление (Р) поддерживается там через отверстие.
Е
Фиг.5 представляет увеличенное изображение части ИПБ системы 19 согласно фиг.2, показывающая внешний датчик более детально. На фиг.5 показано как измеряется внешнее или скважинное давление. Внешний датчик 21 расположен внутри ИПБ устройства 14 в месте контакта его с расположенной вблизи втулкой 24. Отверстие 26 проходит через воротник бура 18 и втулку 24 к датчику 21. Между втулкой 24 и ИПБ устройством имеется уплотнение или уплотнения 28 для изоляции отверстия и датчика от канала 23 в воротнике бура. Это отверстие и уплотнение позволяют жидкости осуществлять связь между датчиком и внешней частью воротника бура. Внешнее давление (Р) вне воротника бура воздействует по отверстию через воротник бура и втулку на внешний датчик 21. Датчик 21 внешнего давления имеет манометр, открытый действию давления в скважине.
Уплотнение 28 для повышенного давления предотвращает влияние внешнего давления на внутреннюю часть бурового воротника. Уплотнение служит для предотвращения проникновения бурового раствора через отверстие 26 и позволяет ему протекать через устройство. Если бы буровой раствор попадал в устройство через отверстие, измерение давления одним или обоими датчиками могло быть искаженным. Кроме того, буровой раствор, проходя через отверстие в формацию, создает риск повреждения бурового воротника из-за эрозии и формации за счет проникновения бурового раствора.
Фиг.6 показывает альтернативную модель ИПБ системы 19b с беспроводной связью. В этом варианте осуществления внешний датчик 21b является датчиком давления, помещенным в стенку бурового воротника и изолированным от канала 23. Так как датчик расположен в стенке воротника бура и открыт в скважину, необходимость отверстия 26 и уплотнений 28 отпадает. Датчик оборудован измерительным устройством 63, в данном случае манометром, для замера скважинного давления. Датчик может включать в себя другие измерительные устройства и датчики для выполнения других разнообразных измерений.
Предпочтительно, чтобы датчик 21b был беспроводным и адаптирован для связи через беспроводное соединение 46 с ИПБ устройством 14. ИПБ устройство снабжается беспроводной или бесконтактной системой 48 связи, которая включает датчик для производства измерения и передачи его в устройство. Бесконтактная система 48 связи включает в себя схему управления 52, ИПБ передатчик 54 и ИПБ приемник 54, предназначенные для управления и связи с внешним датчиком 21b. ИПБ устройство направляет сигнал через ИПБ передатчик 56 в датчик давления. Датчик давления включает в себя передатчик 58 и приемник 60 для связи с ИПБ устройством. Датчик давления получает команды от ИПБ устройства через приемник датчика 60 и передает снятые значения в ИПБ приемник 56 через передатчик датчика 58.
Предпочтительно, чтобы электромагнитные сигналы передавались по беспроводной связи между датчиком и ИПБ устройством. Электромагнитное поле, генерируемое ИПБ передатчиком, принимает приемник датчика. Затем датчик генерирует сигнал, посылая информацию в ИПБ приемник. Могут использоваться другие беспроводные системы связи для передачи сигналов между ИПБ устройством и датчиками такие среди них, как использующие магнитные поля, звуковые или ультразвуковые волны давления, видимый, инфракрасный или ультрафиолетовый свет и/или другие подобные методы.
Как показано на фиг.7, ИПБ устройство может быть адаптировано для направления мощности и/или коммуникационных сигналов датчику. Это достигается обеспечением схемы 62 в датчике давления, которая принимает и хранит некоторую часть или всю энергию, переданную ИПБ устройством. Эта энергия затем может быть использована для осуществления измерений и передачи их обратно в устройство. В некоторых вариантах осуществления этого изобретения схема 62 может являться устройством для хранения энергии, таким как емкость или батарея. Альтернативно схема может обеспечить средства для запитки датчика из другого источника, такого как генератор постоянного или переменного тока, или одной или нескольких батарей (не показано). Передатчик и приемник могут быть отдельными или интегрированным приемопередатчиком для передачи и приема сигналов.
Фиг.8 иллюстрирует способ осуществления скважинных измерений с использованием извлекаемого устройства, согласно фиг.1 и 2. При функционировании буровой инструмент продвигается в скважине 80. ИПБ устройство расположено в буровом инструменте 82. ИПБ устройство может быть или расположено в ОНБК, в то время как буровой инструмент находится в скважине, или опускаться в буровой инструмент на тросе. Сигнал посылается с поверхности в ИПБ систему для осуществления требуемых операций. Сигнал может быть послан с поверхности через телеметрическую систему импульсом давления бурового раствора в контроллер ИПБ системы. Этот сигнал может быть командой, калибровочным и/или силовым сигналом для активации ИПБ системы. Затем сигнал может быть передан от контроллера на датчики для осуществления измерения 86.
После завершения измерения датчик посылает данные назад в контроллер и на поверхность 88. ИПБ устройство может быть извлечено из бурового инструмента 90. ИПБ устройство может быть поднято отдельно от бурового инструмента, или буровой инструмент может быть поднят вместе с ИПБ устройством. То же самое или другое ИПБ устройство может быть опущено назад в скважину для дальнейших измерений. Это может быть сделано вставкой ИПБ устройства назад в буровой инструмент и посадкой его там или спуском туда всего бурового инструмента с ИПБ устройством.
Предпочтительно, чтобы датчик оставался в выключенном положении до тех пор, пока не нужно будет осуществить измерение. Когда необходимо, чтобы ИПБ устройство получило сигнал датчика, он генерирует и передает энергию в датчик. Датчик получает эту энергию и заряжает схему. Когда датчик получает команду и достаточно энергии для активации, он осуществляет требуемое измерение. Датчик получает данные и посылает результаты измерения в контроллер. Команда и силовые импульсы могут быть переданы и в другие устройства в скважинном инструменте.
Для начала измерения в вариантах осуществления этого изобретения может потребоваться только часть энергии, посланной из устройства. Баланс энергии, необходимой для осуществления измерения и реагирования, может поступить из внешнего источника энергии, как описано выше. В других вариантах осуществления этого изобретения может потребоваться, чтобы устройство направляло команду датчику, и вся энергия, необходимая для осуществления измерения и отправки результатов обратно в устройство, может поступать из хранилища энергии и/или генератора в воротнике бура.
Из последующего описания понятно, что можно делать любые модификации и изменения в предпочитаемых и альтернативных вариантах осуществления этого изобретения, не отходя от концепции настоящего изобретения. Например, хотя датчик, по меньшей мере, в некоторых аспектах описывается как манометр, понятно, что может быть использован любой тип датчика, такой как датчик температуры, плотности, расходомер и т.д.
Это описание сделано исключительно с целью иллюстрирования и не должно истолковываться в смысле ограничения. Объем этого изобретения должен определяться только формулировкой патентной формулы, которая следуют ниже. Термин «содержащий в себе» в формуле изобретения следует понимать в следующем смысле «по меньшей мере включающий в себя», так что перечисленный список элементов в патентной формуле является открытой группой. Предполагается, компоненты устройства, представленные в единственном числе, включают в себя множественное число указанных компонентов, если это специально не оговаривается.