Система электрической беспроводной связи между забойной телеметрической системой и дополнительным измерительным модулем
SYSTEM OF ELECTRICAL WIRELESS COMMUNICATION BETWEEN DOWNHOLE TELEMETRY SYSTEM AND ADDITIONAL MEASURING MODULE

Изобретение относится к области промысловой геофизики и предназначено для измерения геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин и передачи этих параметров на поверхность по любому каналу связи.
Известно устройство электрического разделителя (RU 2425214, опубл. 27.02.2011) с центральным промывочным отверстием, содержащее составной металлический корпус с присоединительными резьбами на обоих концах, состоящий из верхнего и нижнего переводников, а также промежуточной изоляционной вставки, расположенной между ними, соединенных между собой резьбовыми соединениями, в которых отдельные металлические части изолированы друг от друга слоем диэлектрика, участок наружного покрытия из диэлектрического материала, канал для прохождения бурового раствора, в котором установлена диэлектрическая втулка с электронным блоком скважинного прибора телеметрической системы. Один из контактов подсоединяется через металлические детали электронного блока к верхнему переводнику, а другой - к нижнему.
Известное устройство предназначено для излучения сигналов по электромагнитному каналу связи от основной телесистемы, установленной внутри электрического разделителя. В известном устройстве невозможен прием сигналов от отдельного модуля измерения забойных параметров, например, НДМ (наддолотный модуль) или МИПО (модуль измерения положения отклонителя).
Известно устройство (RU 2351759, опубл. 10.04.2009) для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения с электромагнитным каналом связи, принятое в качестве прототипа, состоящее из забойной телеметрической системы, включающей бурильную колонну, диамагнитную трубу, забойный двигатель, блок питания, измерительные модули, модуль передающего устройства с приемно-обрабатывающим блоком, электрический разделитель и отдельно установленный в бурильной колонне дополнительный измерительный модуль, содержащий корпус с центральным промывочным отверстием, центральный электрод, расположенный на корпусе и электрически изолированный от корпуса, а также расположенные в выемках корпуса в его герметичной части электрические схемы, измерительные датчики, источник питания и передающее устройство, причем указанный центральный электрод на корпусе вынесен из герметичной части корпуса с выемками и отделен от этой части уплотнительными элементами, при этом указанный центральный электрод снабжен точечными электроконтактами, изолированными от корпуса, а точечные электроконтакты соединены с электрическими схемами токопроводами, проложенными в каналах стенок корпуса и снабженными гермовводами на концах.
Недостатками известного устройства являются:
- сложность конструкции;
- низкая надежность дополнительного измерительного модуля;
- увеличение расстояния непромера за счет вставки разделителя перед измерительными модулями;
- возможность работы телесистемы только с электромагнитным каналом связи с поверхностью.
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является упрощение конструкции предлагаемой системы, повышение надежности и точности, а также расширение функциональных возможностей системы для передачи информации с любым каналом связи.
Решение технической проблемы достигается тем, что в системе электрической беспроводной связи между телеметрической системой и дополнительным измерительным модулем, состоящей из забойной телеметрической системы, включающей бурильную колонну, диамагнитную трубу, забойный двигатель, блок питания, измерительный модуль, отдельно установленный в бурильной колонне дополнительный измерительный модуль, содержащий корпус с центральным промывочным отверстием, а также расположенные в выемках корпуса в его герметичной части электрические схемы, измерительные датчики, источник питания и передающее устройство, при этом дополнительный измерительный модуль содержит первое приемопередающее устройство, напротив которого в выемке корпуса внешней трубы забойного двигателя расположен первый приемопередатчик-ретранслятор, выше от него на определенном расстоянии в выемке корпуса внешней трубы забойного двигателя расположен второй приемопередатчик-ретранслятор, а третий приемопередатчик-ретранслятор расположен на определенном расстоянии выше второго в выемке корпуса диамагнитной трубы, соединенной с забойным двигателем резьбовым соединением, внутри диамагнитной трубы напротив третьего приемопередатчика-ретранслятора расположен модуль второго приемопередающего устройства, забойной телеметрической системой. Расстояние между приемопередатчиками-ретрансляторами определяют исходя из уверенного приема сигнала. Приемопередатчики-ретрансляторы содержат блоки питания, например в виде химических источников тока. Дополнительный измерительный модуль представлен наддолотным модулем (далее - НДМ), или модулем измерения положения отклонителя (далее - МИПО), или скважинной частью роторно-управляемой системы (далее - РУС). Электрические схемы, измерительные датчики, источник питания и первое приемопередающее устройство, расположенные в выемке корпуса дополнительного измерительного модуля, размещены в герметичной капсуле из непроводящего материала, причем сверху капсула в выемке закрывается металлической диамагнитной крышкой, фиксируемой к корпусу, с радиопрозрачным окном, расположенным над местом расположения в герметичной капсуле первого приемопередающего устройства. Металлическая диамагнитная крышка фиксируется к корпусу винтами. Первый, второй и третий приемопередатчики-ретрансляторы, расположенные в выемках корпусов забойного двигателя и диамагнитной трубы, размещены в герметичных капсулах из непроводящего материала, причем сверху капсулы в выемках закрываются металлическими диамагнитными крышками, фиксируемыми к корпусу, с радиопрозрачными окнами, расположенным над местами расположения в герметичной капсуле приемопередатчиков-ретрансляторов, причем металлические диамагнитные крышки фиксируются к корпусу винтами. Возможна установка приемопередатчиков-ретрансляторов таким образом, чтобы связь обеспечивалась как между соседними устройствами, так и через одного.
Представленные чертежи поясняют сущность изобретения.
На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемой системы для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения и передачи их на поверхность, на фиг. 2 - дополнительный измерительный модуль, на фиг. 3 - конструкция приемопередатчика-ретранслятора.
Предлагаемая система (фиг. 1) входит в состав компоновки низа буровой колонны 1 и состоит из забойной телеметрической системы, включающей в себя блок питания (турбогенератор) 2, модуль передающего устройства 3, второе приемопередающее устройство 4, измерительный модуль 5. Все модули забойной телеметрической системы размещены внутри стандартной легкосплавной или стальной диамагнитной трубы 6, на которую навернут забойный двигатель 7, и отдельный дополнительный измерительный модуль 8, а также долото 9.
Дополнительный измерительный модуль, например наддолотный модуль (НДМ) (фиг. 2), состоит из корпуса 10 с центральным промывочным отверстием 11, в котором выполнена выемка 12, в которой расположены электрические схемы 13, измерительные датчики 14, первое приемопередающее устройство 15 и источник питания 16. Все элементы (13, 14, 15, 16) размещены в герметичной капсуле из непроводящего материала. Сверху капсула закрывается металлической диамагнитной крышкой 17 с радиопрозрачным окном (не обозначено) в зоне расположения первого приемопередающего устройства 15. Крышка фиксируется к корпусу винтами 18.
Первый 19, второй 20 и третий 21 приемопередатчики-ретрансляторы имеют одинаковую конструкцию (фиг. 3). Каждый приемопередатчик-ретранслятор 23 размещен в герметичной капсуле 22 из непроводящего материала. Капсула помещается в выемку корпуса забойного двигателя 24 (первый и второй приемопередатчик-ретранслятор) и в выемку диамагнитной трубы 6 (третий приемопередатчик-ретранслятор). Сверху капсула закрывается металлической диамагнитной крышкой 25 с радиопрозрачным окном (не обозначено), вырезанным в крышке над местом расположения приемопередатчика-ретранслятора 23, и крепится к корпусу винтами 26.
Система работает следующим образом.
После спуска телеметрической системы на забой и включения буровых насосов начинается циркуляция промывочного раствора в бурильной колонне 1 и скважине, запускается турбогенератор (блок питания) 2, обеспечивая питание модулей 3, 4 и 5 основной телесистемы, которые измеряют основные геофизические и технологические параметры и передают сигналы на поверхность по любому известному каналу передачи данных - гидравлическому, электромагнитному, акустическому и т.п. Наземное оборудование 27 обеспечивает прием и выдачу информации на средства отображения о геофизических и технологических параметрах, измеряемых системой.
Формирование информации с забоя скважины осуществляется в несколько шагов. Вначале модуль передающего устройства 3 дает команду на измерение параметров через второе приемопередающее устройство 4 измерительному модулю 5 основной телесистемы по проводной линии связи и отдельному дополнительному измерительному модулю 8 в виде высокочастотного сигнала по радиоканалу. Этот радиосигнал непосредственно адресуется третьему приемопередатчику-ретранслятору 21, который принимает сигнал и ретранслирует его второму приемопередатчику-ретранслятору 20, который, в свою очередь, переадресовывает сигнал команды на измерение первому приемопередатчику-ретранслятору 19.
Расстояния между приемопередатчиками-ретрансляторами и их количество выбираются исходя из критериев надежного приема сигналов и минимального количества ретрансляторов. В рассматриваемом примере канал ретрансляции состоит из трех приемопередатчиков-ретрансляторов. Первый приемопередатчик-ретранслятор 19 передает команду на преобразование первому приемопередающему устройству 15, которое принимает команду и пересылает ее электрическим схемам 13. Электрические схемы 13 инициализируют датчики параметров, производят измерение параметров, кодируют измеренную информацию и передают ее в первое приемопередающее устройство 15. Устройство 15 передает радиосигнал измерения в тракт ретрансляции, состоящий из первого 19, второго 20 и третьего 21 приемопередатчиков-ретрансляторов, посредством которых кодированный радиосигнал поступает через второе приемопередающее устройство 4 в модуль передающего устройства 3. Модуль передающего устройства 3 объединяет измерительную информацию с измерительного модуля 5 и дополнительного измерительного модуля 8 в единый пакет данных, которые передает на поверхность по любому известному каналу передачи данных, например гидравлическому, электромагнитному или любому другому.
Преимущества предложенной системы основаны на конструктивных особенностях и режиме работы канала ретрансляции сигналов.
1. В отличие от известных устройств беспроводной связи между телеметрической системой, расположенной в буровой колонне выше забойного двигателя, и, например, наддолотным модулем, расположенным ниже забойного двигателя, в предлагаемом устройстве информация передается как в прямом направлении - от телесистемы к наддолотному модулю, так и в обратном направлении - от наддолотного модуля к телесистеме, что расширяет функциональные возможности системы. Это обеспечивается за счет применения в канале связи автономных двунаправленных приемопередатчиков-ретрансляторов, работающих в режиме «ожидания» сигнала, что обеспечивает минимальное потребление электроэнергии от автономных источников питания и увеличивает временной ресурс работы системы. Каждый приемопередатчик-ретранслятор включается в режим передачи только тогда, когда модуль передающего устройства выдает запрос на связь с другим модулем приемопередатчика.
2. Для передачи информации в предлагаемой системе используются приемопередатчики-ретрансляторы радиодиапазона УВЧ на базе интегральных микросхем с микропотреблением с источниками электроэнергии в виде миниатюрных батарей или аккумуляторов. Приемопередатчики-ретрансляторы устанавливаются в выемках корпусов бурильных, диамагнитных труб, забойного двигателя и переводников, заливаются компаундом и закрываются крышками с радиопрозрачными окнами. Расстояние между приемопередатчиками-ретрансляторами выбирается таким образом, чтобы обеспечить устойчивую связь между соседними устройствами. В целях повышения надежности возможна установка приемопередатчиков-ретрансляторов таким образом, чтобы связь обеспечивалась как между соседними устройствами, так и через одного (пример 1-2, 1-3, 2-3, 2-4 и т.д.).
3. Предлагаемая система обладает более высокой надежностью и увеличивает ресурс буровой колонны за счет того, что модули приемопередатчиков-ретрансляторов находятся в выемках целого корпуса труб/переводников. В колонне отсутствуют электрические разделители с резьбовыми диэлектрическими соединениями, которые существенно ослабляют прочность конструкции буровой колонны.
4. В предлагаемой системе обеспечивается уменьшение «непромера», что повышает точность измерений пространственных координат скважины путем уменьшения расстояние от долота до датчиков наддолотного модуля за счет исключения из колонны переводника электрического разделителя колонны с резьбовым диэлектрическим соединением.