Телеметрическая система с комбинированным бескабельным каналом связи для передачи данных в процессе бурения скважин
TELEMETRICAL SYSTEM WITH COMBINED CABLE-FREE CONNECTION CHANNEL FOR DATA TRANSMISSION IN PROCESS OF DRILLING WELLS

Предлагаемое изобретение относится к области бурения скважин, а именно к технике для контроля и оперативного управления траекторией ствола наклонно направленных и горизонтальных скважин и передачи данных на поверхность по гидравлическому и электромагнитному каналам связи.
Известна система передачи данных при бурении на поверхность с помощью электромагнитного сигнала от передающего переводника, расположенного около бурового долота, при этом система предусматривает использование генератора импульсов в буровом растворе для преобразования электромагнитных сигналов в гидравлические (пат. Канады №02920089 от 05.02.2016 г.). Таким образом, система обеспечивает передачу забойных параметров сначала по электромагнитному каналу связи, а затем по гидравлическому каналу. Такая комбинированная передача позволяет обеспечивать связь при различных геологических особенностях и технологических факторах.
Недостаток известной системы заключается в том, что она не обеспечивает одновременную передачу забойных параметров сразу по двум указанным каналам связи, что сокращает объем передаваемых данных и снижает надежность передачи.
Известна забойная телеметрическая система, содержащая измерительный модуль, модуль электропитания и передающий модуль, использующий для передачи информации электромагнитный канал связи и дополнительный передающий модуль, формирующий импульсы давления промывочной жидкости для передачи информации по гидравлическому каналу связи. Все модули сцентрированы в корпусе телеметрической системы и закреплены. Передающий модуль, использующий для передачи информации электромагнитный канал связи, установлен на контактных центраторах таким образом, чтобы электрический разделитель находился между ними. Наземное оборудование содержит приемное устройство, соединенное с антенной и с датчиком давления промывочной жидкости, установленным в нагнетательной линии бурового раствора. Электрические разъемы модулей могут иметь с обеих сторон одинаковую конструкцию, обеспечивающую их сборку в различной последовательности. Кроме того, они могут быть закрыты герметичными заглушками, выполняющими функции обтекателей (пат. РФ №2194161, Е21В 47/12, приор. 01.12.2000 г., опубл. 10.12.2002 г., Телеметрическая система контроля забойных параметров).
Известная система обеспечивает параллельную передачу данных о разных забойных параметрах по двум каналам: электромагнитному и гидравлическому.
Недостаток известной телесистемы заключается в следующем.
В известном устройстве дополнительный передающий модуль, формирующий импульсы давления промывочной жидкости для передачи информации по гидравлическому каналу связи, выполнен в виде клапанного механизма, который при прохождении бурового раствора засоряется кальматирующими частицами и препятствует прохождению жидкости, что влияет на качество и надежность информации по гидравлическому каналу связи. В связи с этим предъявляются повышенные требования к качеству буровых растворов, его составу и однородности, возникает необходимость применения более совершенных способов очистки, что увеличивает трудозатраты буровых работ и ограничивает область применения телеметрической системы.
Кроме того, при передаче по электромагнитному каналу мощность сигнала, излучаемого передатчиком, «растекается» по внутритрубному пространству, так как электрический разделитель не изолирован от него, в результате чего мощность сигнала и его дальность уменьшаются, снижается надежность связи.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и точности передачи забойных данных, увеличение мощности и дальности связи.
Указанная задача решается тем, что телеметрическая система с комбинированным бескабельным каналом связи для передачи данных в процессе бурения скважин, содержащая установленный в верхней части колонны бурильных труб передающий модуль, формирующий импульсы давления промывочной жидкости для передачи информации по гидравлическому каналу связи, электрический разделитель, блок электропитания, измерительный блок и передающий блок, использующиеся для передачи информации по электромагнитному каналу связи, а также наземное оборудование с приемным устройством, соединенным с антенной и с датчиком давления промывочной жидкости, установленным в нагнетательной линии промывочной жидкости, в отличие от известного, блок электропитания, измерительный блок и передающий блок, использующиеся для передачи информации по электромагнитному каналу связи, установлены в корпусе отдельного забойного телеметрического модуля - ЗТМ в нижней части бурильной колонны, электрический разделитель также выполнен в виде отдельного модуля в составе бурильной колонны и установлен между корпусом отдельного ЗТМ и передающим модулем, формирующим импульсы давления промывочной жидкости для передачи информации по гидравлическому каналу связи, при этом блок электропитания соединен с передающим модулем, формирующим импульсы давления промывочной жидкости для передачи информации по гидравлическому каналу, кабельной секцией, одна жила которой соединена с электроконтактом в верхней части бурильной колонны, кроме того, указанная кабельная секция пропущена внутри центрального канала электрического разделителя, внутренняя стенка которого покрыта изолирующим слоем.
В качестве передающего модуля, формирующего импульсы давления промывочной жидкости для передачи информации по гидравлическому каналу связи, использован роторный пульсатор с блоком управления.
Роторный пульсатор и его блок управления с батарейным блоком питания установлены в корпусе отдельного модуля.
Впускная плита и ротор роторного пульсатора установлены между собой с регулируемым зазором.
В качестве блока электропитания ЗТМ использован турбогенератор.
Между корпусом ЗТМ и забойным двигателем установлен удлинитель из немагнитного металла.
Кабельная секция проложена внутри пустотелой штанги и снабжена электровводами на концах.
На фиг. 1 представлена общая схема телеметрической системы.
На фиг. 2 изображена компоновка скважинного прибора.
Скважинный прибор (фиг. 2) выполнен в виде модульной конструкции, содержащей передающий модуль в виде роторного пульсатора 1, формирующего импульсы давления промывочной жидкости для передачи информации по гидравлическому каналу связи, модуль электрического разделителя 2, установленный в верхней части бурильной колонны 3 (Фиг. 1), и забойный телеметрический модуль (ЗТМ) в отдельном корпусе 4.
В корпусе 4 ЗТМ размещены блок электропитания - турбогенератор 5, а также электронный блок 6 в составе: измерительный блок 7 и передающий блок 8, использующие для передачи информации электромагнитный канал связи с поверхностью, где установлена наземная приемная антенна 9 и приемное устройство 10, соединенное с компьютером 11 (фиг. 1).
Гидравлический канал связи включает в себя роторный пульсатор 1, в состав которого входят впускная плита 12 и ротор 13, установленные между с собой с регулируемым зазором 14, блок управления 15 с батарейным питанием 16, установленные в отдельном корпусе 17 в верхней части бурильной колонны 3 (фиг. 1), а также наземное оборудование, включающее датчик давления 18 промывочной жидкости, установленный в нагнетательной линии 19 насоса 20, и приемное устройство 10, соединенное с компьютером 11 (фиг. 1).
Турбогенератор 5 блока электропитания соединен с блоком управления 15 роторного пульсатора 1 кабельной секцией 21, размещенной в пустотелой штанге, пропущенной через электрический разделитель 2 в его центральном канале 22 для прохождения промывочной жидкости. При этом внутренняя поверхность электрического разделителя 2 в центральном канале 22 покрыта изолирующим слоем 23 (фиг. 2). Это позволяет электрически изолировать внутритрубную область электрического разделителя 2 и модулей системы по всей длине, что приведет к увеличению излучаемой передающим блоком 8 мощности сигнала в затрубное пространоство (породу), для передачи информации через электромагнитный канал связи с поверхностью, что обеспечивает увеличение полезного сигнала на поверхности и дальности электромагнитного канала связи и, как следствие, повышение точности и надежности связи.
Модули роторного пульсатора 1, электрического разделителя 2 и ЗТС (поз. 4) в составе бурильной колонны 3, содержащей забойный двигатель 24 с долотом 25, спущены в скважину 26, при этом между корпусом ЗТМ (поз. 4) и забойным двигателем 24 установлен удлинитель бурильной колонны 27 из немагнитного металла, например титана.
Блок управления 15 роторного пульсатора 1, блок электропитания - турбогенератор 5 установлены в корпусах модулей на крестовинах 28 и 29 с электроконтактами 30 и 31 соответственно, с верхней частью 17 и с нижней 32 частью бурильной колонны 3, разделенной электрическим разделителем 2. Крестовины 28 и 29 выполнены с возможностью прохождения промывочной жидкости 33. При этом одна жила кабельной секцией 21 выведена к электроконтакту 30 в верхней части 17 бурильной колонны 3.
Кабельная секция снабжена электровводами 34 и 35 на концах для соединения с турбогенератором 5 и блоком управления 15.
Телеметрическая система с комбинированным бескабельным каналом связи функционирует следующим образом.
Параметры бурения измеряются датчиками измерительного блока 7 в цифровой форме, затем цифровые сигналы кодируются в передающем блоке 8 и передаются на разобщенные электрическим разделителем 2 части бурильной колонны: нижнюю часть 32 - через электроконтакт 31 и верхнюю часть 17 - через электроконтакт 30, использующиеся для передачи информации через электромагнитный канал связи с поверхностью, где установлена наземная приемная антенна 9 и приемное устройство 10, соединенное с компьютером 11.
Независимо от электромагнитного канала задействован гидравлический канал связи передачи информации через промывочную жидкость 33, которая проходит через впускную плиту 12 и ротор 13, который перекрывает проходное сечение корпуса 17 роторного пульсатора 1 и предназначен для формирования гидравлического сигнала. Так как ротор 13 совершает вращательное движение, в результате чего уменьшается проходное сечение роторного пульсатора для прохождения промывочной жидкости, то создается волна давления, несущая забойную информацию на поверхность, где давление измеряется датчиком давления 18 промывочной жидкости, установленным в нагнетательной линии 19, и передается в приемное устройство 10, соединенное с компьютером 11.
Приемное устройство 10 выполнено с возможностью приема сигналов, передаваемых по гидравлическому и электромагнитному каналам связи одновременно.
Регулируемый зазор 14 между впускной плитой 12 и ротором 13 позволяет роторному пульсатору работать в широком диапазоне свойств промывочной жидкости и параметров бурения, так как изменение величины указанного зазора обеспечивает широкий диапазон расхода, что повышает надежность канала связи.
Роторный пульсатор снабжен батарейным модулем питания 16, установленным в его блоке управления 15, что позволяет устройству обеспечивать обособленное функционирование гидравлического канала связи при отсутствии ЗТМ (поз. 4) с электромагнитным каналом связи, в которой присутствует турбогенератор.
Известно, что роторный пульсатор выдерживает высокие концентрации кальматирующих добавок, так как низкая скорость вращательного движения ротора способствует самоочистке проходного сечения, что увеличивает срок работы устройства (www.aps-tech.com/ru Роторный пульсатор).
Между ЗТМ (поз. 4) и забойным двигателем 24 установлен удлинитель бурильной колонны 27 из немагнитного металла, что позволяет уменьшить влияние магнитных масс забойного двигателя на показания азимута-датчика, установленного в измерительном блоке 7, в результате чего повышается точность определения параметра.
Одновременное использование двух каналов связи: «медленного» - гидравлического и «быстрого» - электромагнитного позволяет разделять потоки информации на оперативные и контрольные, при этом оперативные («быстрые») данные используются для оперативного управления бурением скважины, а контрольные («медленные») - для контроля траектории и сбора геофизической информации, что увеличивает объем передаваемых данных, в результате чего расширяется функциональная возможность устройства.