ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КАНАЛОМ СВЯЗИ

Полезная модель относится к области промысловых геофизических исследований и предназначена для измерения забойных параметров скважины в процессе наклонно-направленного и горизонтального бурения.
Телеметрическая система с электромагнитным каналом связи включает в себя электронный модуль, содержащий измерительный и передающий блоки, генератор, преобразующий часть энергии бурового раствора в электрическую, и электрический разделитель буровой колонны, создающий диполь для образования токов рассеивания по породе и излучения электромагнитных волн.
Общим недостатком известных телесистем (например, по патентам на полезные модели №90124, №15911, №69149, по патентам на изобретения №2178524, №2342529 и др.) является низкая надежность, обусловленная комплексом причин: ограниченным ресурсом работы генератора, недостаточной прочностью разделителя, гидроабразивным и вибрационным износом контактирующих элементов зонда. Кроме того, из-за воздействия на электронный модуль намагниченных в процессе изготовления корпусных деталей масс, телесистемы не всегда обеспечивают требуемую точность измерений.
За прототип выбрана конструкция телеметрической системы по свидетельству на полезную модель №22180, МПК Е21В 47/02, заявл. 10.10.2001. Телесистема содержит генератор, установленный на фланце в кожухе генератора. Ниже расположены электрический разделитель и немагнитный корпус с установленным в нем на крестовинах электронным модулем в немагнитном кожухе. Электронный модуль соединен с генератором кабельной секцией, проходящей через внутреннее пространство разделителя. Полость генератора заполнена смазочно-охлаждающей жидкостью.
Недостатком существующей системы является ее низкая надежность из-за гидроабразивного и вибрационного износа и наклепа поверхностей контактирующих узлов кабеля и электронного модуля с крестовинами, а также крестовин с корпусными элементами зонда. Появление возмущений потока бурового раствора у острых кромок ребер крестовин и в замкнутых карманах тракта вызывает образование вихрей с резким ростом скоростей, что при наличии абразивных частиц в растворе приводит к интенсивной гидроэрозии. Любые люфты и перемещения элементов конструкции при вибрациях с перегрузками до 100 g приводят к износу зоны контакта деталей и в свою очередь к увеличению зазоров и лавинообразному износу контактирующих поверхностей.
Немагнитный корпус, в котором установлен электронный модуль, состоит из двух трубных элементов с резьбовым соединением. Как известно, при механическом воздействии на немагнитные стали, в частности при нарезке и затягивании резьб, при трении контактирующих поверхностей в процессе скручивания-раскручивания, наблюдается эффект намагничивания материала - появление «горячих точек» намагниченности. Поэтому, несмотря на то, что электронный модуль расположен в немагнитном корпусе, наличие в зоне инклинометра резьбовых соединений приводит к снижению точности показаний датчика.
Генератор телесистемы не надежен. Используемая во внутреннем контуре генератора жидкость выполняет две функции: смазывает подшипники качения и охлаждает обмотку генератора. Обычно для этого используют трансформаторное масло, которое не может обеспечить оптимальное выполнение сразу двух функций. При нагреве выше 120-150°C начинается деструкция масла, сопровождающаяся образование углерода, что приводит к появлению проводимости, снижению сопротивления и межвитковому пробою, или даже к пробою на корпус. С другой стороны трансформаторное масло не является оптимальным и в качестве смазки подшипников, и в качестве расходуемого через торцевые уплотнения, т.к. при температуре выше 60°C имеет низкую вязкость и низкое поверхностное натяжение. Электрическая схема генератора защищена от проникновения бурового раствора только торцевым уплотнением, повреждение которого приведет к отказу генератора на забое и потребует проведение спускоподъемных операций для его замены.
Одной из самых уязвимых частей телесистемы является разделитель. Острые кромки резьбы являются концентраторами напряжений. Используемый в качестве диэлектрической прокладки стеклопластик на основе смолы холодного отверждения имеет низкую прочность и достаточно высокую пористость. В результате насыщения стеклопластика буровым раствором диэлектрические свойства изолятора снижаются, и разделитель перестает выполнять функцию диполя для передачи электромагнитного сигнала.
Задачей полезной модели является повышение надежности телесистемы и ее ресурса.
Решение задачи достигнуто тем, что электронный модуль в немагнитном кожухе установлен с натягом на двух крестовинах, размещенных по краям немагнитного корпуса, при этом в нижней крестовине электронный модуль установлен по резьбовому соединению, а в верхней - по конической поверхности. Все крестовины имеют ребра с гидродинамическим обтекаемым профилем, плавно сопряженные с цилиндрическими стенками крестовин. Одна или несколько крестовин имеют «юбку» для защиты корпусных деталей от промыва. Генератор имеет герметичный корпус, разделенный на три герметичных контура - электрический контур статора, кинематический контур ротора и подшипников и защитный контур уплотнений. Электрический контур генератора заполнен диэлектрической охлаждающей жидкостью без избыточного давления, кинематический контур генератора заполнен смазочной жидкостью без избыточного давления, защитный контур генератора заполнен смазочной жидкостью с избыточным давлением. Переводники электрического разделителя свинчены по специальной конической резьбе с шагом 10 мм, конусностью 1:6, при этом радиус впадин и вершин профиля резьбы составляет 1,5-2 мм, а диэлектрическая прокладка, разделяющая переводники разделителя, выполнена из стеклопластика на основе смолы горячего отверждения с подслоем адгезионного герметизирующего диэлектрического покрытия. Момент натяга по резьбе разделителя превышает рабочие крутящие нагрузки при бурении. Резьбовые соединения немагнитного корпуса, в котором установлен электронный модуль, удалены от инклинометра не менее чем на 300 мм.
На фиг. 1 представлена конструкция зонда телеметрической системы, на фиг. 2 - конструкция генератора.
Основными элементами телесистемы являются генератор 1, установленный в кожухе генератора 2 на фланце 3, электронный модуль 4 в немагнитном кожухе 5, установленный в немагнитном корпусе 6 на верхней 7 и нижней 8 крестовинах, кабельная секция 9, проходящая внутри электрического разделителя, состоящего из двух переводников 10 и 11, свинченных по резьбе 12. Фланец 3 генератора одновременно служит крестовиной для крепления верхнего конца кабельной секции 9.
Электронный скважинный модуль 4 в немагнитном кожухе 5 установлен в немагнитном корпусе 6 на крестовинах 7 и 8, которые служат также проводниками электрического тока от электронного передающего блока к нижней части буровой колонны. Крестовины расположены по краям немагнитного корпуса. В нижней крестовине 8 электронный модуль установлен по резьбовому соединению, а в верхней крестовине 7 по конической поверхности. При закручивании нижней крестовины 8 по наружной резьбе кожуха 5 электронного модуля кабельная секция 9 перемещаются вниз, при этом нижний оголовок кабельной секции плотно фиксируется в верхней крестовине 7, а в кожухе 5 создаются упругие деформации растяжения, которые компенсируют упругие деформации сжатия немагнитного корпуса 6 в процессе бурения. Таким образом, натяг, создаваемый резьбовым соединением крестовины 8, исключает возможность перемещений кожуха электронного модуля и кабеля относительно корпуса телесистемы.
Ребра всех крестовин 3, 7 и 8 имеют гидродинамический обтекаемый профиль на входе и выходе потока и плавно сопряжены со стенками корпуса, что позволяет снизить турбулентность потока бурового раствора и гидроэрозию внутреннего тракта телесистемы. Все крестовины, или по меньшей мере верхняя крестовина 7, имеют «юбку», которая защищает от промыва корпусные детали на выходе потока из крестовины.
Чтобы исключить влияние «горячих точек» намагниченности, резьбовые соединения немагнитного корпуса 6, в котором установлен электронный модуль, удалены от инклинометра не менее чем на 300 мм.
Электрический разделитель выполнен из двух переводников 10 и 11, свинченных по специальной конической резьбе 12, имеющей замок в виде косого среза, препятствующий ее раскручиванию. Резьба имеет шаг 10 мм и конусность 1:6, при этом площадь элементов, контактирующих через диэлектрическую прокладку, в два и более раза превышает площадь контакта соединительных резьб корпусных деталей. Для снижения концентрации напряжений радиус впадин и вершин профиля резьбы составляет 1,5-2 мм. Для повышения усталостной прочности резьбового соединения проводится обкатка роликом впадин резьбы. Натяг по резьбе разделителя производится с моментом, превышающим рабочие крутящие нагрузки при бурении.
Диэлектрическая прокладка, разделяющая переводники, выполнена из стеклопластика на основе смолы горячего отверждения. Прокладку изготавливают из полуфабриката, полученного пропиткой стеклоткани расплавом связующего в автоклаве, что обеспечивает минимальную пористость и повышенные прочностные и диэлектрические характеристики стеклопластика. Перед установкой диэлектрической прокладки на резьбовые поверхности переводников наносят адгезионное герметизирующее диэлектрическое покрытие, например, клеевую пленку ВК-3.
Корпус генератора 2 разделен на три герметичных контура - электрический контур 13 статора 14, кинематический контур 15 ротора 16, установленного на валу 17 с подшипниками 18, и защитный контур 19 компенсатора торцевого уплотнения 20 и манжетного уплотнения 21, - каждый из которых имеет собственную диафрагму и заполнен соответствующей жидкостью. Электрический контур заполнен диэлектрической охлаждающей жидкостью без избыточного давления, кинематический контур заполнен смазочной жидкостью без избыточного давления, защитный контур заполнен смазочной жидкостью с избыточным давлением. Корпус генератора соединен с верхней частью буровой колонны.
Конструкция генератора отличается высокой надежностью. Электрическая схема генератора имеет тройную защиту. Маневровый запас смазочной жидкости в защитном контуре 19 торцевого уплотнения гарантированно обеспечивает работу генератора в течение рейса и подлежит дозаправке. Даже при возникновении нештатной ситуации в случае проникновения бурового раствора в защитный контур, торцевое уплотнение будет выполнять функцию лабиринтного, а манжетные уплотнения не пропустят частицы песка в кинематический контур 15. Кроме того, даже проникновение бурового раствора в кинематический контур 15 также не приведет к отказу генератора и позволит провести рейс до конца, т.к. статор находится в герметичном электрическом контуре 13.
Комплекс мероприятий по совершенствованию конструкции обеспечил высокую надежность телесистемы в эксплуатации.