ПОРТ СВЕТОВОЙ СВЯЗИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА СКВАЖИННЫХ ИНСТРУМЕНТАХ
PORT OF LIGHT CONNECTION FOR USE ON WELL INSTRUMENTS

ССЫЛКА НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ
Имеет приоритет по Временной патентной заявке США № 61/258,660, зарегистрирована 6 ноября 2009 года.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[01] Изобретение относится, в общем, к области приборов, перемещающихся в стволах скважин, пробуренных через подземные пласты горных пород, при этом такие приборы измеряют один или несколько параметров, относящихся к стволу скважины, механизму спускоподъема и/или пластам горных пород. Конкретнее, изобретение относится к соединителям связи, относящимся к таким приборам для обеспечения передачи данных рабочего состояния прибора и/или данных, запомненных в приборе и/или передачи сигналов управления и рабочих инструкций на такие приборы во время нахождения приборов на земной поверхности.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[02] Известно много типов скважинных измерительных приборов. Такие приборы, в общем, включают в себя удлиненный работающий под давлением кожух, выполненный с возможностью перемещения в стволе скважины, пробуренной через подземные пласты горных пород. Кожух, в общем, включает в себя один или несколько датчиков, измеряющих выбранные параметры в стволе скважины. Параметры, без ограничения этим, включают в себя относящиеся к физическим свойствам самого ствола скважины (например, температура, давление, содержание жидкой фазы, геодезическая траектория ствола скважины); строительству ствола скважины (например, крутящий момент и/или осевая нагрузка на долото) и пластам, окружающим ствол скважины (например, удельное сопротивление, скорость распространения акустической волны, свойства взаимодействия с нейтронами, плотность и поровое давление и состав текучей среды).
[03] Кожух может быть выполнен с возможностью перемещения в стволе скважины с использованием нескольких различных известных методик, включающих в себя, без ограничения этим, перемещение в составе бурильной колонны или другой колонны из трубных звеньев, на гибкой насосно-компрессорной трубе, или на бронированном электрическом кабеле, или тросовом канате.
[04] Вне зависимости от используемого устройства спускоподъема и вне зависимости от типа датчика (датчиков), используемого в любом конкретном скважинном измерительном приборе, такие приборы, в общем, включают в себя некоторую форму устройства сохранения данных и/или контроллер, который можно перепрограммировать так, что измерения и/или сохраняемые данные и функции связи прибора могут быть изменены для соответствия конкретной цели. Доступ к запоминающему устройству хранения данных и/или доступ к контроллеру прибора, в общем, требует электрического соединения с подходящим портом связи в приборе, в частности для приборов, выполненных с возможностью спускоподъема не на бронированном электрическом кабеле. Известные порты связи включают в себя электрические соединители, разработанные специально для конкретного прибора. Конкретнее, устройство электрических контактов в конкретном соединителе является, в общем, уникальным для данного типа прибора. Такое устройство электрических контактов также требует специального исполнения электрического кабеля, используемого для соединения порта связи с устройством на поверхности (таким как компьютер или другое устройство обработки данных) для соединения с электрическими контактами на соединителе порта связи. Такие специализированные соединители порта связи и соответствующие кабели могут быть дорогими в изготовлении и могут создавать трудности в логистике при выходе кабеля из строя, например, для обеспечения своевременной замены.
[05] Кроме того, необходимость использования кабеля уменьшает простоту и скорость осуществления связи. Наконец, связь невозможна без персонального компьютера или аналогичного наземного устройства, усложняющего и удорожающего ее осуществление. Акустическое устройство (зуммер) является другим прибором, известным в технике, используемым для передачи информации между измерительным прибором и его оператором. Способ использования зуммера заключается в осуществлении связи с оператором инструмента с помощью последовательности «зуммерных сигналов» высокой интенсивности с выбранной синхронизацией и продолжительностью. Данная методика является ограниченной вследствие приема аудиосигналов на обычном буровом полу, где имеется ряд источников звуковых колебаний высокой интенсивности. Кроме помех, создаваемых внешним шумом, ограничение также накладывает прохождение звука через типичные кожухи скважинных инструментов. Наконец, диапазон информации, которую можно передавать, является минимальным в случае акустической связи в неуправляемой среде.
[06] Таким образом, является более необходимым создание устройства для передачи сигналов некоторых приборов оператору прибора и/или на наземное устройство.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[07] Скважинный измерительный прибор согласно одному аспекту изобретения включает в себя кожух, выполненный с возможностью перемещения внутри ствола скважины. По меньшей мере, один датчик, выполненный с возможностью измерения параметра ствола скважины, установлен в кожухе. Контроллер также установлен в кожухе. Контроллер включает в себя, по меньшей мере, одно из следующего: устройство сохранения данных и устройство управления работой, по меньшей мере, одного датчика. Первый порт оптической связи установлен в первом калиброванном отверстии в кожухе. Первый порт оптической связи включает в себя управляемый с помощью электричества источник света. Первое калиброванное отверстие в кожухе герметично закрывается заглушкой порта, имеющей оптически прозрачное окно. Заглушка порта выполнена с возможностью препятствовать входу текучей среды скважины внутрь кожуха.
[08] Способ изготовления устройства оптической связи для скважинного измерительного прибора согласно другому аспекту изобретения включает в себя формование управляемого с помощью электричества источника света в оболочку первого корпуса. Первый корпус выполнен из влагонепроницаемого, электроизолирующего материала. Контакты на источнике света электрически соединяются с выбранными электрическими цепями в приборе. Первый корпус вставляется в первый порт в стенке кожуха прибора. Первый порт затем герметизируется заглушкой, имеющей встроенное оптически прозрачное окно. Окно выполнено с возможностью препятствовать входу текучей среды в стволе скважины внутрь кожуха.
[09] Другие аспекты и преимущества изобретения должны стать ясны из следующего описания и прилагаемой формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 показан пример системы скважинных приборов измерения/каротажа во время бурения, работающей в стволе скважины.
На Фиг.2A и 2B показан вид сбоку и вид с торца, соответственно, примера источника света связи или фотодетектора.
На Фиг.3 показан пример источника света или фотодетектора в порту, проходящем через стенку кожуха измерительного прибора.
На Фиг.4A-4D показаны различные виды заглушек порта, используемых для закрытия порта, в котором установлен либо фотодетектор или источник света.
На Фиг.5 показан пример кабеля связи и деталей крепления для скважинного измерительного прибора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[15] На Фиг.1 показан пример скважинного измерительного прибора, который можно использовать в изобретении. Прибор в настоящем примере имеет форму устройства для измерений во время бурения. При использовании в данном документе термин «скважинный измерительный прибор» означает любой прибор, выполненный с возможностью перемещения внутри ствола скважины и выполнения измерений, по меньшей мере, одного параметра, относящегося к стволу скважины, пластам, окружающим ствол скважины, или динамическим характеристикам устройства спускоподъема, используемого для перемещения прибора в стволе скважины.
[16] Пример способа спускоподъема прибора, показанный на Фиг.1, является известным, как способ измерения во время бурения, также называемый измерениями во время бурения или каротажом во время бурения и включает в себя выполнение измерений в стволе скважины вблизи конца компоновки из трубных звеньев. Такая компоновка из труб, в общем, включает в себя буровое долото и, по меньшей мере, часть бурильной колонны (компоновки из трубных звеньев), устанавливаемой в стволе скважины во время бурения, остановок бурения и/или спускоподъема в скважине. Следует ясно понимать, что пример, показанный на Фиг.1, служит только примером скважинного измерительного прибора и способа спускоподъема прибора, который можно использовать согласно изобретению. Другие способы спускоподъема прибора включают в себя, без ограничения этим, спускоподъем с помощью любой другой трубы из секций (звеньев), гибкой насосно-компрессорной трубы, каротажного кабеля, тросового каната, гидравлической перекачки и скважинных тракторов. Соответственно, изобретение не ограничено использованием варианта реализации с работой во время бурения, показанного на Фиг.1.
[17] В примере, показанном на Фиг.1, платформа и вышка 10 установлены в нужное положение над стволом 11 скважины, пройденном в подземных пластах горных пород роторным бурением. Бурильная колонна 12 подвешена в стволе скважины и включает в себя буровое долото 15 на своем нижнем конце. Бурильная колонна 12 и буровое долото 15 скреплены друг с другом и вращаются ротором 16 (средство привода не показано), соединяющимся с ведущей бурильной трубой 17 на верхнем конце бурильной колонны. Бурильная колонна 12 подвешивается на крюке 18, прикрепленном к талевому блоку (не показано). Ведущая бурильная труба 17 соединена с крюком через вертлюг 19, обеспечивающий вращение бурильной колонны 12 относительно крюка. Альтернативно, бурильную колонну 12 и буровое долото 15 может вращать находящийся на поверхности верхний привод (не показано) буровой установки. Буровой раствор или промывочный раствор 26 содержится в емкости или мернике 27. Насос 29 перекачивает буровой раствор в бурильную колонну 12 через окно в вертлюге 19 для подачи вниз (стрелка 9) через центральный канал бурильной колонны 12. Буровой раствор выходит из бурильной колонны 12 через наконечники или насадки (не показано) в буровом долоте 15 и затем циркулирует вверх в кольцевом пространстве между наружной поверхностью бурильной колонны 12 и стенкой ствола скважины, также называемым затрубьем, как показано стрелками 32. Буровой раствор смазывает и охлаждает долото 15 и уносит выбуренную породу на поверхность. Буровой раствор возвращается в емкость 27 для повторной циркуляции. Если необходимо, можно также использовать компоновку наклонно направленного бурения (не показано) с забойным гидравлическим двигателем с изогнутым кожухом или отклоняющим переводником. Также в технике известно использование гидравлического забойного двигателя с прямым кожухом для поворота долота либо автономно или в соединении с передачей вращения с поверхности (ведущей бурильной трубой 17 или верхним приводом (не показано).
[18] В бурильной колонне 12, предпочтительно вблизи бурового долота 15, установлена компоновка низа бурильной колонны, в общем, обозначенная позицией 100, выполненная с возможностью измерения, обработки и хранения информации и осуществления связи с записывающим блоком 45 на земной поверхности. При использовании в данном документе, термин «вблизи» бурового долота 15, в общем, означает установку на расстоянии в несколько отрезков длины утяжеленных бурильных труб от бурового долота. Компоновка 100 низа бурильной колонны включает в себя устройство 200 измерений и локальной связи, описанное дополнительно ниже. Устройство локальной связи может принимать в качестве ввода сигналы с одного или нескольких датчиков 205, 207, которые могут измерять любой «скважинный параметр», описанный выше.
[19] В примере показанной компоновки 100 низа бурильной колонны утяжеленная бурильная труба 130 и утяжеленная бурильная труба 140 с центратором показаны находящимися последовательно над устройством 200 локальной связи. Утяжеленная бурильная труба 130 может быть, например, укороченной утяжеленной бурильной трубой (короче стандартной длины 30 футов (9 м) или кожухом в виде утяжеленной бурильной трубы для измерительного устройства, выполняющего функции измерения. Необходимость или потребность такой утяжеленной бурильной трубы 140 с центратором должна зависеть от параметров бурения. Над утяжеленной бурильной трубой 140 с центратором находится блок 150 связи с поверхностью локальной связи. Блок 150 связи в настоящем примере может включать в себя тороидальную антенну 1250, используемую для локальной связи с устройством 200 локальной связи, и известного типа систему акустической связи, осуществляющую связь с аналогичной системой на земной поверхности с помощью сигналов, передаваемых в буровом или промывочном растворе. Система связи с поверхностью в блоке 150 включает в себя акустический передатчик, который генерирует акустический сигнал в буровом растворе, в общем, представляющий один или несколько измеренных скважинных параметров. В одном подходящем акустическом передатчике используется устройство, известное под названием «ревун для бурового раствора», включающее в себя шлицованный статор и шлицованный ротор, который вращается и периодически прерывает поток бурового раствора для создания необходимого сигнала в виде акустической волны в буровом растворе. Электронная схема (не показано отдельно) в блоке 150 связи может включать в себя подходящий модулятор, такой как модулятор с фазовой манипуляцией, который обычно вырабатывает управляющие сигналы для применения в передатчике сигналов в буровом растворе. Данные управляющие сигналы можно использовать для осуществления надлежащей модуляции ревуна для бурового раствора. Созданная в буровом растворе акустическая волна проходит вверх в текучей среде через центральный канал бурильной колонны со скоростью звука в текучей среде. Акустическая волна принимается на поверхности земли измерительными преобразователями, указанными позицией 31. Измерительные преобразователи, являющиеся, например, пьзоэлектрическими измерительными преобразователями, преобразуют принятые акустические сигналы в электрические сигналы. Выход измерительных преобразователей 31 соединяется с наземной принимающей подсистемой 90, выполненной с возможностью демодулирования передаваемых сигналов, соединяющейся с процессором 85 и записывающим блоком 45. Наземная передающая подсистема 95 может также быть создана и может управлять прерыванием работы насоса 29 способом, обеспечивающим возможность обнаружения измерительными преобразователями (указаны позицией 99) в блоке 150 связи, так что может осуществляться двусторонняя связь между блоком 150 и наземным оборудованием, когда скважинный измерительный прибор установлен в стволе скважины. В таких системах может осуществляться связь оборудования в стволе скважины с поверхностью, например, с помощью циклической работы насоса (насосов) 29 с включением и выключением по заданной программе, и регистрацией данного условия в скважине на измерительных преобразователях 99. Указанные выше или другие методики осуществления связи между оборудованием на поверхности и в скважине можно использовать в соединении с признаками, раскрытыми в данном документе. Подсистема 150 связи может также, обычно, включать в себя (не показано отдельно для ясности иллюстрации) электронный блок сбора и обработки данных и управления, содержащий микропроцессорную систему (соответствующее запоминающее устройство, электронную схему хронометрирования и синхронизации и электронную схему интерфейса), выполненную с возможностью сохранения данных от одного или нескольких датчиков, обработки данных и хранения обработанных данных (и/или необработанных данных с датчика) и соединения любой выбранной части содержащейся в ней информации с электронным блоком управления и привода передатчика для передачи на поверхность. Батарея (не показано) может обеспечивать электропитание для блока 150 связи. Известный скважинный генератор (не показано), такой как оснащенный турбодвигателем, приводимым в действие буровым раствором, можно также использовать для электроснабжения, непосредственно для работы или для подзарядки батарей во время перемещения бурового раствора в бурильной колонне 12. Следует понимать, что можно использовать альтернативные акустические или другие методики для осуществления связи с поверхностью земли. Как описано более подробно ниже, связь с микропроцессорной системой в блоке 150 связи, когда прибор находится на поверхности, является элементом одного варианта осуществления.
[20] Блок 150 связи может иметь первый порт 151 связи в стенке части бурильной колонны 12, включающей в себя блок 150 связи для такой цели, описанный более подробно ниже. Блок связи может также включать в себя в некоторых примерах второй порт 152 связи 152 для использования с целью, описанной более подробно ниже.
[21] В других примерах скважинных измерительных приборов, спускаемых иначе, чем в составе бурильной колонны (см. примеры, описанные выше), кожух прибора может включать в себя аналогичный порт связи, проходящий через его стенку.
[22] На Фиг.2A и 2B показан один пример устройства 300 оптической связи. Устройство может включать в себя электрический источник 302 света. Электрический источник света может являться, например, светоизлучающим диодом (СИД) или другим типом электрического источника света. Источник 302 света может в некоторых примерах излучать видимый свет, так что оператор прибора может наблюдать работу источника 302 света. Визуальное наблюдение источника 302 света может обеспечивать оператору определение, например, рабочего состояния прибора, или наблюдение любых сигналов передачи данных или управления, запомненных в приборе, для наблюдения и интерпретации оператором. Источник 302 света может включать в себя несколько цветов, например красный, голубой и зеленый, для увеличения объема информации, подлежащей интерпретации оператором прибора. Источник 302 света в других примерах может излучать инфракрасный или другой невидимый свет для передачи информации с прибора на наземное устройство, такое как записывающий блок 45 или компьютер, что дополнительно описано ниже и показано на Фиг.5.
[23] Источник 302 света может быть отлит или иначе выполнен заключенным в корпус 307. Корпус 307 должен быть выполнен из не электропроводящего материала и, по меньшей мере, влагонепроницаемого и может в некоторых вариантах быть устойчивым к давлению для исключения входа текучей среды в стволе скважины внутрь прибора в случае выхода из строя уплотнения заглушки (Фиг.3). Корпус 307 может включать в себя посадочное место для кольцевой прокладки круглого сечения 304 или аналогичного уплотнения, создающего герметичное соединение со стенкой порта (позиция 151 на Фиг.1). Источник 302 света должен, в общем, включать в себя два или больше электрических контактов 306, которые могут соединяться с подходящими электрическими цепями в измерительном приборе (например, в блоке 150 связи Фиг.1). Электрические контакты 306 показаны более ясно на Фиг.2B.
[24] На Фиг.3 показано устройство 300 оптической связи Фиг.2, установленное на порту 151 в стенке прибора. Устройство 300 оптической связи может проходить через порт 151 в шасси 310 электрической цепи прибора. Порт 151 может герметично закрываться заглушкой 12А порта. Заглушка 12А порта имеет оптически прозрачное окно 12D, выполненное из такого материала, как боросиликатное стекло или некоторые типы пластика, исключающее вход текучей среды в стволе скважины в порт 151. Виды в различных ракурсах заглушки 12А порта и оптически прозрачного окна 12D показаны на Фиг.4A - 4D. На Фиг.4C, в частности, показано окно 12D, установленное в отверстии 12C соответствующего исполнения в заглушке 12А. Часть отверстия 12C заглушки снаружи окна 12D может иметь шестигранную или аналогичную конфигурацию (например, конфигурация 12B на Фиг.4A может обеспечивать соединение инструмента (не показано) с заглушкой 12А для завинчивания в порт (позиция 151 на Фиг.3).
[25] В другом примере, где второй порт (152 на Фиг.1) оптической связи включен в состав скважинного измерительного прибора (например, позиция 150 на Фиг.1), второе устройство оптической связи может быть включено в состав такого порта. Второе устройство оптической связи может иметь, по существу, структуру, аналогичную показанной на Фиг.2A, 2B, 3 и 4A-4D, с отличием в том, что источник (позиция 302 на Фиг.2A) света заменен фотодетектором (позиция 302A на Фиг.5). Имея как источник света, так и фотодетектор можно обеспечивать двустороннюю оптическую связь с измерительным прибором.
[26] Пример измерительного прибора, выполненного с возможностью двусторонней связи, показан на Фиг.5. Прибор, например, в подсистеме 150 связи может включать в себя первый порт 151 и второй порт 152 связи, описанные выше. Первый порт 151 может включать в себя источник света 300, описанный выше. Второй порт 152 может включать в себя фотодетектор 300A, состоящий из фотоэлемента 302A, установленного в конструкции (корпус, кольцевая прокладка круглого сечения, и т.д.) по существу, как описано для источника света и показано на Фиг.2A, 2B, 3 и 4A-4D. Поскольку заглушки 12А порта каждая включает в себя оптически прозрачное окно (позиция 12C на Фиг.4C), возможно осуществление связи с прибором без удаления заглушек 12A. Такая возможность может уменьшать объем требуемого техобслуживания или может снижать вероятность выхода из строя уплотнения при уменьшении числа операций установки и удаления заглушек 12A порта. Пример соединения связи также показан на Фиг.5. Соединение 320 связи может включать в себя, например, оптически непрозрачную ткань или пластик, которыми может быть обернут кожух прибора (например, секция 12 утяжеленной бурильной трубы, Фиг.1). Фиксирующие устройства 320A, 320B могут быть установлены на концах ткани или пластика, например тканевый крепеж в виде липучек из материала с торговой маркой VELCRO (велкро), являющейся зарегистрированной торговой маркой Velcro Industries, B.V., Netherlands corporation. Любое другое устройство, которое может скреплять соединение связи с кожухом прибора, можно также использовать. Соединение связи включает в себя фотодетектор 322 и электрический источник света 324 (например, СИД), установленные вблизи соответственно первого оптического порта 151 и второго оптического порта 152 связи при креплении соединения связи к кожуху прибора. Электрические соединения с соответствующим фотодетектором 322 и источником света 324 могут быть выполнены с помощью подходящего кабеля 326. Кабель 326 может быть снабжен концевым устройством с соответствующим промышленным стандартам соединителем 328 для соединения с наземным устройством, таким как компьютер, или может быть снабжен специализированным концевым устройством или другим соединением для электрического соединения с записывающим блоком (позиция 45 на Фиг.1), когда прибор находится на земной поверхности.
[27] Использование соединения 320 связи, показанного на Фиг.5, может обеспечивать передачу прибором с помощью внутреннего приемопередатчика 300C (который может являться отдельным устройством или может являться частью контроллера прибора, описанного выше) данных, сохраненных в запоминающем устройстве в приборе, и прием инструкций перепрограммирования или других данных с наземного устройства (например, компьютера или записывающей системы 45 Фиг.1). Типом сигналов, оптически передаваемых между наземным устройством и прибором, объем настоящего изобретения не ограничен.
[28] Хотя изобретение описано для ограниченного числа вариантов осуществления, специалисту в данной области техники, получающему пользу от данного изобретения, должно быть ясно, что другие варианты осуществления могут быть разработаны, не отходя от объема изобретения, раскрытого в данном документе. Соответственно, объем изобретения должен быть ограничен только прилагаемой формулой изобретения.