НАДДОЛОТНЫЙ МОДУЛЬ СИСТЕМЫ СКВАЖИННОЙ ТЕЛЕМЕТРИИ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к области скважинной телеметрии, а именно к устройству для передачи сигналов от наддолотного модуля.
Уровень техники.
Известно устройство (патент RU 65133), в котором раскрыт электрический разделитель колонны бурильных труб. Область применения: предложение относится к области геофизических исследований скважин в процессе бурения и может быть использовано для электрического разделения колонны бурильных труб, использующейся в качестве электромагнитного канала связи при передаче забойной информации. Решаемая задача: расширение эксплуатационных возможностей и повышение надежности конструкции.
Сущность изобретения: В электрическом разделителе бурильной колонны, содержащем верхний и нижний металлические переводники, соединенные резьбой и электрически изолированные внутренним и наружным изоляционными слоями, изоляционную прокладку, размещенную между профилями резьбы; верхний и нижний металлические переводники выполнены с осевыми пазами и сквозными прорезями на встречных концах, сопрягаемыми при соединении с помощью вкладышей из электроизоляционного материала, которые могут быть выполненными из текстолита или из металла, армированного изоляционным материалом.
Однако в данном решении ничего не говорится о том, что этот разделитель может использоваться в наддолотном модуле, его конструктивные особенности не позволяют выдерживать нагрузки, которые испытывает наддолотный модуль. В частности, в этом решении ничего не говорится об упорном узле, который обеспечивает надежность электрической изоляции при больших нагрузках, прикладываемых при соединении электрически разделенных частей колонны бурильных труб.
Известно выбранное в качестве прототипа устройство RU 2449120 для интегрирования измерений удельного сопротивления в электромагнитный ("ЭМ") телеметрический инструмент. Техническим результатом является объединение возможностей измерения удельного сопротивления в ЭМ телеметрический инструмент и получения, как данных удельного сопротивления, так и телеметрии. Комплексный инструмент включает утяжеленную бурильную трубу, включающую в себя первую часть и вторую часть, разделенные изолированным зазором, и телеметрический картридж, несущий телеметрическую схему, включающую в себя источник напряжения, генерирующий падение напряжения на изолированном зазоре, и осевой ток на бурильной колонне, который возвращается через геологический пласт, включает в себя изолированный измерительный электрод, подключенный к первой части, и схему для измерения удельного сопротивления, в ходе работы подключенную к измерительному электроду и телеметрической схеме.
Однако в данном решении ничего не говорится об упорном узле, который обеспечивает надежность электрической изоляции при больших нагрузках, прикладываемых при соединении электрически разделенных частей колонны бурильных труб.
Раскрытие полезной модели.
В одном аспекте полезной модели раскрыт наддолотный модуль системы скважинной телеметрии, содержащий:
- первую часть модуля, содержащую блок электроники, и выполненную с возможностью прикрепления к бурильной колонне, содержащей бурильные трубы и забойный двигатель;
- вторую часть модуля, выполненную с возможностью прикрепления к долоту;
причем первая часть модуля и вторая часть модуля механически соединены друг с другом посредством резьбы, причем обеспечена электрическая изоляция первой части модуля и второй части модуля друг от друга;
причем блок электроники выполнен с возможностью создавать разность потенциалов между первой и второй частями модуля для передачи сигналов телеметрии;
причем в зазоре между первой и второй частями модуля расположен непроводящий электричество упорный узел, выполненный с возможностью принимать механические нагрузки, возникающие при соединении первой и второй частей модуля.
В другом аспекте полезной модели раскрыто, что первая часть модуля и вторая часть модуля соединены друг с другом посредством конической резьбы.
В другом аспекте полезной модели раскрыто, что электрическая изоляция первой частей модуля и второй частей модуля друг от друга обеспечена посредством электрически изолирующего покрытия, нанесенного на резьбу.
В другом аспекте полезной модели раскрыто, что упорный узел расположен во внешнем зазоре между первой и второй частями модуля или упорный узел расположен во внутреннем зазоре между первой и второй частями модуля.
В другом аспекте полезной модели раскрыто, что упорный узел содержит конструкционную керамику или упорный узел представляет собой кольцо из конструкционной керамики, раскрыто, что дополнительно содержатся резиновые уплотнители между первой и второй частями модуля.
Благодаря диэлектрическому разделению образуется передающий диполь, посредством которого по электромагнитному каналу осуществляется передача данных, содержащих результаты измерения зенитного угла, скорости вращения долота, гидростатического давления бурового раствора, нагрузки на долото, уровня внешнего естественного гамма-излучения породы с одной или двух сторон наддолотного модуля, удельного электрического сопротивления породы в ближней зоне. Электрический сигнал, созданный разностью потенциалов на передающем диполе, идет через скважинную жидкость и/или породу.
Основной задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является обеспечение надежной электрической изоляции двух частей наддолотного модуля друг от друга, что в целом обеспечивает надежную работу всего наддолотного модуля.
Сущность полезной модели заключается в том, что наддолотный модуль устройства скважинной телеметрии бурового комплекса разделен на две электрически изолированные части, благодаря этому долото электрически изолируется от остальной части бурильной колонны и таким образом становится частью передающего электрода наддолотного модуля, что повышает эффективность передачи сигналов телеметрии, при этом для обеспечения надежной электрической изоляции используется упорный узел, который позволяет сохранить электрическую изоляцию и обеспечивает напряженно-деформированное состояние в резьбовом соединении для восприятия механических нагрузок кручения, сжатия и изгиба, возникающие при резьбовом соединении упомянутых двух частей, а также во время эксплуатации устройства.
Технический результат, достигаемый предложенным решением, заключается в повышении надежности работы наддолотного модуля.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1 показывает схематично заявленное устройство скважинной телеметрии бурового комплекса.
Фиг. 2 показывает растекание тока при приложении разности потенциалов к двум частям наддолотного модуля.
Фиг. 3 показывает первую схему соединения двух частей наддолотного модуля.
Фиг. 4 показывает вторую схему соединения двух частей наддолотного модуля.
Осуществление полезной модели.
Далее настоящая полезная модель раскрывается более подробно со ссылкой на вышеуказанные чертежи.
Бурильная колонна представляет собой спущенную в скважину сборку из бурильных труб, скрепленных между собой бурильными замками, предназначенную для подачи гидравлической энергии к забойному двигателю, для создания осевой нагрузки и крутящего момента на долото, а также как вариант для управления траекторией бурящейся скважины посредством отклонителя.
Общая схема устройства скважинной телеметрии бурового комплекса приведена на фиг. 1. Согласно настоящей полезной модели, устройство скважинной телеметрии бурового комплекса содержит бурильную колонну, базовый модуль 9 связи, расположенный в бурильной колонне над забойным двигателем 8 бурового комплекса, наддолотный модуль (элементы 2-7), расположенный в бурильной колонне между забойным двигателем 8 и долотом 1. Наддолотный модуль содержит диэлектрическую вставку 5, электрически разделяющую корпус наддолотного модуля на две электрически изолированные друг от друга части, причем верхняя часть 7 наддолотного модуля электрически изолирована от долота 1 и электромагнитным путем соединена с базовым модулем 9 связи, а нижняя часть 4 наддолотного модуля конструктивно и электрически соединена с долотом 1. Наддолотный модуль содержит передатчик 3, выполненный с возможностью передачи сигналов к базовому модулю 9 связи посредством создания разности потенциалов между двумя (верхней 7 и нижней 4) частями наддолотного модуля. Для этого передатчик 3 наддолотного модуля соединен с проводящими элементами нижней части 4 (передающим электродом) через первый электрический контакт 2 и с проводящими элементами верхней части 7 (общим электродом) через второй электрический контакт 6. Первый электрический контакт 2 является сигнальным, тогда как второй электрический контакт 6 является общим, в других вариантах осуществления первый электрический контакт 2 является общим, а второй электрический контакт 6 является сигнальным, что не является существенным в рамках данного технического решения. Проводящими элементами верхней и нижней частей может быть, например, их металлический корпус или по меньшей мере часть их поверхности - например, электропроводящее покрытие, нанесенное на непроводящие корпусные элементы. Передающий электрод наддолотного модуля может быть электрически изолирован от корпуса наддолотного модуля. Передающий электрод наддолотного модуля должен иметь непосредственный электрический контакт с окружающим наддолотный модуль буровым электропроводящим раствором, или иной скважинной электропроводящей жидкостью, или проходимой породой. Для устойчивой передачи данных буровой раствор должен быть электропроводящим, оптимальное удельное электрическое сопротивление от 0,2 до 170 Ом*м.
Передача сигнала производится следующим образом: передатчик 3 наддолотного модуля через два электрических контакта 2 и 6 создает разность потенциалов между проводящими элементами частей 4 и 7, разделенными изолирующей диэлектрической вставкой 5. Между частями 4 и 7 начинает протекать электрический ток, этот ток растекается через буровой раствор и породу 10, окружающие устройство скважинной телеметрии бурового комплекса. Растекающийся ток создает разность потенциалов между приемным и общим электродами базового модуля 9 связи, и таким образом приемник в базовом модуле 9 связи принимает сигнал от наддолотного модуля.
Распространяющийся от наддолотного модуля сигнал несет информацию о параметрах измерений производимых наддолотным модулем. Информация передается посредством модуляции, в передатчике 3 наддолотного модуля, напряжения, подаваемого на передающий электрод наддолотного модуля относительно общего электрода наддолотного модуля, за счет чего создаются токи, пропорциональные этому напряжению, которые, растекаясь выше в направлении базового модуля 9 связи, создают напряжение между приемным и общим электродами. В результате напряжение, принимаемое приемником базового модуля 9 связи, будет пропорционально напряжению, формируемому передатчиком 3 наддолотного модуля, и будет иметь те же параметры модуляции. Это обеспечивает передачу данных от передатчика 3 наддолотного модуля к приемнику базового модуля 9 связи.
Наддолотный модуль используется для измерения параметров проходимой породы в непосредственной близости от долота и для контроля бурения. Параметры бурения и параметры проходимой породы отправляются на базовый модуль связи по беспроводному каналу, дальше базовый модуль связи отправляет их на поверхность, эта информация отображается на табло бурильщика и сохраняется для использования в дальнейшем. Информация с табло бурильщика используется оператором бурения для того, чтобы контролировать параметры бурения, наблюдать параметры проходимой породы и при необходимости корректировать процесс бурения с поверхности.
К параметрам бурения, измеряемым наддолотным модулем, могут относиться: зенитный угол (угол отклонения от вертикали), скорость вращения долота, гидростатическое давление бурового раствора, нагрузка на долото (давление сверху на долото, в ньютонах). К параметрам проходимой породы могут относиться уровень внешнего естественного гамма-излучения породы (один параметр), уровни гамма-излучения с двух сторон модуля (два параметра, сверху и снизу, для определения границ пласта по разнице естественного гамма-фона), удельное электрическое сопротивление породы в ближней зоне (резистивиметрия).
Целью наклонно-направленного бурения является, в частности, вскрытие продуктивных пластов, и очень важно получать информацию как можно ближе к буровому долоту. Поэтому наддолотный модуль, находящийся в непосредственной близости от долота, измеряет и передает через базовый модуль связи наиболее актуальную для оператора бурения информацию о проходимой породе. При бурении используется предварительная информация о пластах, полученная методами разведочной геофизики (сейсморазведка, электроразведка и т.д.). После достижения расчетной глубины, оператор бурения может определять пересечение границы пласта, например, по изменению уровней гамма-излучения с двух сторон наддолотного модуля: если с двух сторон модуля уровень гамма-фона одинаков, то порода с двух сторон одинакова, и границы пласта нет, если же уровень естественного гамма-фона с двух сторон модуля различается больше чем на определенную величину, то в данный момент наддолотный модуль находится на границе пласта. Это позволяет принять решение о продолжении бурения или корректировке направления бурения, для того чтобы следовать за границей пласта и при бурении не выходить из требуемого пласта.
Как верхняя, так и нижняя часть наддолотного модуля могут иметь в целом трубчатую форму. Толщина стенки должна быть такой, чтобы в стенку мог быть встроен по меньшей мере один блок электроники.
Блоки электроники (указанные выше средства измерения и контроля) и питания могут располагаться в одной из частей наддолотного модуля (верхней или нижней) или как в верхней, так и в нижней частях. В различных вариантах осуществления предусматривается расположение блоков электроники в выфрезерованных нишах, герметично закрытых крышками, или под гильзой (в кожухе, герметично надвинутом на часть/части корпуса наддолотного модуля, в котором выточены места под платы и элементы питания). Передатчик в предпочтительном варианте расположен в нижней части наддолотного модуля.
В одном из вариантов осуществления полезной модели базовый модуль связи может быть расположен не в бурильной колонне, а на поверхности земли, будучи конструктивно соединенным с бурильной колонной и электрически соединенным с наддолотным модулем посредством бурильной колонны и электрической связи через породу и буровой раствор.
На фиг. 2 показаны токи растекания, возникающие при работе устройства скважинной телеметрии бурового комплекса согласно настоящей полезной модели.
В решениях их уровня техники токи, распространяющиеся в сторону долота, приводят к ухудшению передачи сигнала, уменьшению отношения сигнал/шум. В настоящей полезной модели такие токи исключены. Токи, распространяющиеся в сторону базового модуля связи - полезные, так как только они создают в базовом модуле напряжение, несущее информацию. За счет того, что передающий электрод наддолотного модуля электрически соединен с долотом, увеличивается площадь поверхности передающего электрода, исключается растекание информационного тока от передатчика наддолотного модуля к долоту.
В настоящей полезной модели все создаваемые передатчиком при помощи передающего электрода токи распространяются только в сторону базового модуля связи, что является преимуществом, так как увеличивается качество передачи информации.
На приемном электроде базового модуля связи при прочих равных условиях создается большее напряжение за счет отсутствия бесполезных токов, замыкающихся на долото, что улучшает качество приема сигнала (увеличивается соотношение сигнал/шум на входе приемника), то есть в целом достигается увеличение качества передачи сигнала от наддолотного модуля к приемнику базового модуля связи.
За счет увеличения площади поверхности передающего электрода происходит увеличение мощности передачи, и тем самым появляется возможность добиться большего уровня полезного информационного напряжения на входе приемника, то есть увеличить соотношение сигнал/шум, то есть увеличить качество передачи сигнала от наддолотного модуля к приемнику базового модуля связи.
На фиг. 3, 4 показаны схемы соединения частей наддолотного модуля.
15 - упорный узел
16 - первая часть наддолотного модуля (шасси)
17 - вторая часть наддолотного модуля (ниппель)
18 - диэлектрическое кольцо
19 - диэлектрическая втулка
20 - изолирующий слой на резьбе
21 - резиновые уплотнители
22 - уплотнительные кольца
23 - сигнальный провод 24-токосъемник
Для соединения двух частей наддолотного модуля может использоваться, как цилиндрическая, так и коническая резьба. В данной полезной модели предпочтительно используется коническая резьба, так как она обеспечивает максимальную передачу крутящего момента и большую надежность соединения. Авторами было предложено использовать упорный узел 15, который представляет собой металлическую шайбу с диэлектрическими вставками из конструкционной керамики или шайбу из цельной конструкционной керамики. Упорный узел 15 совместно с изолирующим слоем 20 на резьбе и диэлектрическим кольцом 18 обеспечивает электрическое разделение первой части 16 наддолотного модуля и второй части 17 наддолотного модуля друг от друга. Изолирующий слой 20 на резьбе состоит из стеклоткани и связующей эпоксидной смолы. Назначение упорного узла 15 - обеспечение необходимого напряженно-деформированного состояния в резьбовом соединении частей 16 и 17 модуля при свинчивании с расчетным крутящим моментом. Также упорный узел 15 позволяет выдержать необходимое расстояние А (фиг 3, 4) между частями 16 и 17 наддолотного модуля для размещения диэлектрического кольца 18 при свинчивании. Это обеспечивается тем, что упорный узел 15 принимает механические нагрузки сжатия при свинчивании двух частей 16 и 17. Благодаря наличию конструкционной керамики в своей конструкции упорный узел обеспечивает электрическое разделение частей 16 и 17.
В одном из вариантов осуществления для обеспечения лучшего электрического разделения в промывочном канале установлена диэлектрическая втулка 19 с резиновыми уплотнителями 21.
Упорный узел 15 может быть размещен как во внутреннем зазоре полости (как показано на фигуре 3), между первой частью 16 и второй частью 17 наддолотного модуля, так и во внешнем зазоре между первой частью 16 и второй частью 17 наддолотного модуля (как показано на фигуре 4). Любое из двух расположений упорного узла 15 обеспечивает достижение заявленных технических результатов.
Для обеспечения надежной герметичности резьбового соединения в месте соединения первой части 16 и второй части 17 наддолотного модуля используются уплотнительные кольца 22.
На фиг. 4 показан другой вариант осуществления наддолотного модуля, в котором упорный узел 15 размещен во внешнем зазоре между первой частью 16 и второй частью 17 наддолотного модуля.
В варианте осуществления на фиг. 4 изоляционное кольцо 18 содержит отверстие для сигнального провода 23, идущего от блока электроники, обеспечивающего создание разности потенциалов между первой частью 16 и второй частью 17 наддолотного модуля. Сигнальный провод соединяет части 16 и 17 посредством токосъемника 24.
Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления полезной модели, не выходящие за пределы сущности и объема данной полезной модели.
Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.
Упомянутые линии связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, беспроводная линия связи (радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не упоминаются отдельно.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
В одном варианте осуществления блоки предложенного устройства находятся в общем корпусе, связаны друг с другом конструктивно и функционально посредством монтажных (сборочных) операций.
В заявке не указано конкретное программное и аппаратное обеспечение для реализации блоков на чертежах, но специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность полезной модели не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления полезной модели могут быть использованы любые программные и аппаратные средства, известные в уровне техники. Так, аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкую полезную модель, и что данная полезная модель не должна ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.
В приведенном выше описании примеров, термины направления (такие как "над", "верх", "ниже", "низ", "верхний", "нижний" и т.д.) используются для удобства ссылки на прилагаемые чертежи. В общем, "над", "верхний" "вверх" и аналогичные термины связаны с направлением к земной поверхности вдоль ствола скважины, и "ниже", "нижний", "вниз" и аналогичные термины связаны с направлением от земной поверхности вдоль ствола скважины, причем, ствол скважин может быть горизонтальным, вертикальным, наклонным, наклонно-направленным и т.д.
Любые числовые значения, изложенные в материалах настоящего описания или на фигурах, предназначены для включения всех значений от нижнего значения до верхнего значения приращениями в один единичный элемент, при условии что есть интервал по меньшей мере в два единичных элемента между любым нижним значением и любым верхним значением. В качестве примера, если изложено, что величина составляющей или значения технологического параметра, например, такого как температура, давление, время, и тому подобное, например, имеет значение от 1 до 90, предпочтительно от 20 до 80, более предпочтительно от 30 до 70, подразумевается, что значения, такие как от 15 до 85, от 22 до 68, от 43 до 51, от 30 до 32, и т.д., в прямой форме перечислены в этом описании полезной модели. Что касается значений, которые являются меньшими, чем единица, при необходимости, один единичный элемент считается имеющим значение 0,0001, 0,001, 0,01 или 0,1. Таковые являются всего лишь примерами того, что определенно подразумевается, и все возможные комбинации многочисленных значений между перечисленными самым низким значением и самым высоким значением должны считаться изложенными в прямой форме в этой заявке подобным образом.
Варианты осуществления устройства/элемента могут быть выполнены из любого подходящего материала, например, - не с целью ограничения, - из алюминия, меди, нержавеющей стали, титана, углеродных волоконных композитных материалов и т.п. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием способов, известных обычным специалистам в данной области, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках и литье по выплавляемой модели. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям обычного специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.