ЗАБОЙНАЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
MEASUREMENTS WHILE DRILLING

Изобретение относится к бурению скважин и может быть использовано для контроля забойных параметров в процессе бурения, а также при каротаже в процессе бурения.
Известна извлекаемая забойная телеметрическая система (RU 25535, опубл. 10.10.2002) с установленным внутри вставки в колонну бурильных труб над забойным двигателем скважинным прибором, содержащая размещенные в кожухе скважинного прибора электронный блок с датчиками, например инклинометрическими, передающее устройство для передачи информации по электромагнитному и/или гидравлическому каналу связи и генератор, размещенный внизу, при этом генератор кинематически соединен через муфту или гибкую связь с забойным двигателем напрямую или через мультипликатор, а над инклинометрическими датчиками установлен пульсатор гидроканала связи.
Устройство для каротажа горизонтальных скважин (RU 2353955, опубл. 27.04.2009) содержит спускаемые в скважину автономные геофизические модули, соединенные между собой в сборку, к верхней части которой присоединено средство для соединения сборки с колонной буровых труб, а также наземный комплекс, включающий глубиномер и персональный компьютер, при этом сборка содержит модули гамма-каротажа, трехзондового нейтрон-нейтронного каротажа, многозондового электрического бокового каротажа, волнового акустического каротажа, акустического профилемера, инклинометра, при этом в нижней части сборки установлено сопло для выхода промывочной буровой жидкости в затрубное пространство при промывке скважины, а каждый автономный геофизический модуль содержит автономный блок питания, блоки преобразования сигналов и памяти. Технический результат - получение эффективного комплекса аппаратуры для исследования горизонтальных и наклонных стволов скважин и, как следствие, повышение информативности геофизических исследований горизонтальных скважин при одновременном уменьшении аварийности этого вида работ.
Известно устройство для бурения скважин (WO 9816712, опубл. 23.04.1998), включающее забойную телеметрическую систему с электромагнитным каналом связи. Забойный двигатель соединен с буровым долотом через приводной вал, который вращает буровое долото при прохождении бурового раствора под давлением. Устройства, которые предоставляют информацию для направленного бурения, модульной конструкции и включают в себя устройства гамма-излучения для измерения интенсивности гамма-лучей и приборы для определения наклона и азимута бурильной колонны. В процессе работы передаются электромагнитные волны, приемные антенны обнаруживают возмущенные волны. Обнаруженные сигналы обрабатываются в скважинных схемах, которые передаются в блок управления на поверхность с помощью системы телеметрии.
Известно устройство для бурения скважин (US 2005115741, опубл. 02.06.2005), содержащее забойную телеметрическую систему с электромагнитным или гидравлическим каналом связи, которая включает электронные компоненты для сбора и обработки скважинных данных и передачи обработанной информации на поверхность. Обработанная информация может передаваться на поверхность посредством генерирования импульса в столбе бурового раствора с помощью клапана, который открывается и закрывается для получения импульсов. Забойная телеметрическая система включает в себя также электрогенератор, модули гамма-излучения и инклинометра.
Однако известные системы не обеспечивают бесперебойную работу в случае потери работоспособности одного из модулей телеметрии.
Задачей настоящего изобретения является повышение качества исследования скважины в процессе бурения, включающее получение данных для управления направленным бурением в реальном масштабе времени за счет более надежной передачи информации от забоя на поверхность.
Решение поставленной задачи достигаются тем, что забойная телеметрическая система, содержащая модуль электрогенератора-пульсатора, модуль инклинометра, модуль гамма-каротажа, соединенные между собой попарно через первое и второе кабельные соединения, дополнительно содержит блок анализа и управления коммутатором и коммутатор, установленные в модуле гамма-каротажа.
Модуль электрогенератора-пульсатора содержит электрогенератор, соединенный с пульсатором, который управляет тарельчатым клапаном.
Модуль инклинометра содержит телеметрические блоки: блок инклинометрических датчиков, электронный блок модуля инклинометра, блок питания модуля инклинометра, блок управления пульсациями модуля инклинометра, соединенные между собой.
Модуль гамма-каротажа содержит телеметрические блоки: блок детектора гамма-излучения, электронный блок модуля гамма-каротажа, блок питания модуля гамма-каротажа, блок управления пульсациями модуля гамма-каротажа, блок анализа и управления коммутатором, коммутатор, соединенные между собой.
Модуль инклинометра может работать как раздельно, так и совместно с модулем гамма-каротажа.
Вход блока анализа и управления коммутатором соединен с выходом блока управления пульсациями модуля гамма-каротажа и первым входом коммутатора, а выход блока анализа и управления коммутатором - с входом управления коммутатора. Второй вход коммутатора соединен с выходом блока управления пульсациями модуля инклинометра через второе кабельное соединение.
Выход коммутатора через первое кабельное соединение подключен к входу пульсатора.
Для передачи данных в системах телеметрии MWD (контроль в процессе бурения) и LWD (каротаж в процессе бурения) датчики, расположенные на нижнем конце колонны бурильных труб, непрерывно или периодически контролируют пространственные параметры, и информация передается на поверхность в процессе бурения. Передаваемые данные кодируются в цифровом виде и по столбу промывочного раствора, физически представляющего собой гидравлический канал связи, передаются в виде импульсов давления. Гидравлический канал связи в телесистемах MWD и LWD в настоящее время является наиболее надежным и широко используемым.
Изобретение направлено на повышение надежности работы аппаратуры при отказе одного из измерительных модулей, в результате чего достигается желаемый технический результат по повышению качества исследования скважин в процессе бурения, что в конечном счете сокращает затраты и время и повышает эффективность бурения.
Коммутация сигнала управления пульсатором с выхода блока управления пульсациями модуля гамма-каротажа на выход блока управления пульсациями модуля инклинометра обеспечивает по сравнению с прототипом значительно более высокую надежность телеметрической системы в целом, так как при этом, в случае отказа модуля гамма-каротажа, теряется только информация, касающаяся фона гамма-излучения в околотрубном пространстве, а основная информация, определяющая пространственное положение компоновки низа буровой колонны (КНБК), передается наверх. Кроме того, удаление из пакетов данных сведений по фону гамма-излучения высвобождает интервалы времени в пакетах данных, что дополнительно позволяет увеличить частоту обновления инклинометрической информации и, в конце концов, точность направленного бурения. Кроме того, при этом отпадает необходимость в подъеме отказавшей телесистемы наверх для замены отказавшего модуля гамма-каротажа, что значительно снижает как временные, так и материальные издержки на бурение.
Совокупность указанных отличительных признаков позволяет получить новое качество телеметрической системы - повышение надежности телеметрической системы практически в два раза за счет использования модуля инклинометра для передачи данных наверх при отказе модуля гамма-каротажа.
Сущность изобретения поясняется на чертеже, где схематично изображена предлагаемая забойная телеметрическая система (фиг.1).
Модуль инклинометра 1 содержит блок инклинометрических датчиков 2, электронный блок модуля инклинометра 3, блок питания модуля инклинометра 4, блок управления пульсациями модуля инклинометра 5. Модуль инклинометра 1 может работать как самостоятельно, так и в паре с модулем гамма-каротажа 13. Модуль инклинометра 1 соединен с модулем гамма-каротажа 13 через второе кабельное соединение 6 с разъемами. Модуль гамма-каротажа 13 содержит блок детектора гамма-излучения 7, электронный блок модуля гамма-каротажа 8, блок питания модуля гамма-каротажа 9, блок управления пульсациями модуля гамма-каротажа 10, блок анализа и управления коммутатором 11, коммутатор 12. Через первое кабельное соединение 14 с разъемами модуль гамма-каротажа 13 соединен с модулем электрогенератора-пульсатора 17, который в едином конструктивном блоке содержит электрогенератор 15, питающий своим напряжением модули инклинометра 1 и гамма-каротажа 13, и пульсатор 16, который управляет тарельчатым клапаном 18, создающим при возвратно-поступательном движении положительные импульсы давления бурового раствора.
Забойная телеметрическая система работает следующим образом.
При спуске в скважину бурового инструмента скважинные приборы - модуль инклинометра 1, модуль гамма-каротажа 13 и модуль электрогенератора-пульсатора 17 - соединяются попарно через первое 14 и второе 6 кабельные соединения и монтируются в защитный кожух, способный выдерживать высокое давление бурового раствора, создаваемое при бурении насосами. В процессе работы поток бурового раствора проходит через направляющий аппарат и ротор гидротурбины (на чертеже не показаны) электрогенератора 15, который при вращении ротора вырабатывает электрическое напряжение, поступающее на модули инклинометра 1 и гамма-каротажа 13.
При совместной работе модуль гамма-каротажа 13 является ведущим по отношению к модулю инклинометра 1. Это означает, что электронный блок модуля гамма-каротажа 8 периодически опрашивает по интерфейсной линии связи электронный блок модуля инклинометра 3 и получает от него инклинометрическую информацию. В то же время электронный блок модуля гамма-каротажа 8 опрашивает блок детектора гамма-излучения 7 и вычисляет уровень фона гамма-излучения пласта в околотрубном пространстве. С заданной частотой электронный блок модуля гамма-каротажа 8 формирует пакеты данных, состоящие из совокупности измеренных параметров инклинометрии и гамма-каротажа. Пакет данных в виде последовательности двоичных чисел из электронного блока модуля гамма-каротажа 8 поступает в блок управления пульсациями модуля гамма-каротажа 10, с выхода которого через коммутатор 12 поступает на вход пульсатора 16. Пульсатор 16 преобразует двоичную последовательность в возвратно-поступательные движения клапана 18. При нормальной работе обоих модулей инклинометра 1 и гамма-каротажа 13 блок анализа и управления коммутатором 11 вырабатывает сигнал управления коммутатором 12 таким образом, что коммутатор 12 пропускает сигналы пульсаций с выхода блока управления пульсациями модуля гамма-каротажа 10. В случае отказа какого-либо блока модуля гамма-каротажа 13 электронный блок модуля гамма-каротажа 8 прекращает выдавать импульсы пульсаций, блок анализа и управления коммутатором 11 распознает факт отказа (например, отсутствие пульсаций) и выдает сигнал на переключение коммутатора 12. Коммутатор 12 переключает свои входы на передачу импульсов пульсаций с выхода электронного блока модуля инклинометра 3. Таким образом, осуществляется парирование отказа любого блока модуля гамма-каротажа 13 с частичной потерей функций, т.е. с отсутствием в пакетах данных параметра гамма-излучения. В дальнейшем, если модуль гамма-каротажа 13 восстановит свою работоспособность, то блок анализа и управления коммутатором 11, распознав факт восстановления работоспособности, переключит коммутатор 12 на прохождение сигналов пульсаций от модуля гамма-каротажа 13.
Применение изобретения позволило повысить надежность работы телеметрической системы по формированию передаваемых сигналов практически в два раза посредством повышения отказоустойчивости и использования резервов отдельных частей системы.