КАБЕЛЬНАЯ ВРАЩАЮЩАЯСЯ ГОЛОВКА
CABLE ROTATING HEAD

Настоящее изобретение относится к области геофизических измерений в стволе скважины, а именно к телеметрическим системам передачи сигналов между наземным блоком управления и скважинным инструментом (устройством), размещенным в стволе скважины, проходящей через геологический пласт.
Из истории вопроса.
В практике геофизических исследований скважин применяются устройства, способные либо обеспечить раскручивание кабеля при плохом прохождении прибора, либо обеспечить свободное вращение прибора, исключая закручивание кабеля.
К устройствам такого типа можно отнести вращающийся наконечник ВКС 60-3 (Устройство вращения и контроля за спуском геофизических приборов в скважине, Каталог ВДНХ, 1980 г.). Конструкция известного наконечника способна обеспечить свободное неуправляемое вращение глубинного прибора в плоскости, но при этом отсутствие систем фиксирования и управления не позволяет разворачивать глубинный прибор в плоскости.
Известно устройство для поворота скважинных приборов (патент РФ №2090751, Е21В 47/01, 1998 г.), содержащее корпус, оснащенный опорными элементами, внутри корпуса - поворотный полый вал с соединительной приборной головкой для соединения со скважинным прибором и кабельная головка для соединения с каротажным кабелем. Известная конструкция снабжена электродвигателем, который легко управляется с поверхности по каротажному кабелю, при этом редуктор осуществляет механическую связь поворотного вала с валом электродвигателя, а вращающийся коллектор - электрическую связь между поворачивающимися относительно друг друга частями кабельной головки относительно корпуса. Такое выполнение позволяет дистанционно управлять поворотом скважинных приборов в нужный момент времени. Помещение полого вала в стакане с пружиной обеспечивает выход опорных якорей из пазов и установление устройства в колонне скважины. Конструктивные элементы в виде кулачкового выступа и опорного ролика обеспечивают фиксацию поворотного вала до его приведения в действие. Наличие редуктора и вращающегося коллектора исключает перекручивание каротажного кабеля и обеспечивает свободное вращение прибора, что значительно повышает надежность по сравнению с известными конструкциями.
Известна кабельная головка (А.с. СССР №987083, Е21В 47/00, 1983 г.), выполненная в виде коллектора, помещенного в маслонаполненную камеру с компенсатором давления, и содержащая вращающиеся относительно друг друга и вокруг продольной оси прибора первый корпус с токосъемной частью, электрически связанной с кабелем, и второй корпус с контактной частью, соединенной со скважинным прибором. При этом коллектор оснащен точечным контактом с ответным токосъемником. Такая конструкция кабельной головки позволяет устранить передачу закручивающего напряжения кабеля на скважинные приборы и обеспечивает сохранность электрических контактов между скважинным прибором и кабелем в условиях высокого давления окружающей среды.
К недостаткам известных устройств следует отнести сложность конструкции, состоящей из большого числа взаимодействующих элементов, а также низкую надежность передачи информации, обусловленную точечными и/или скользящими электрическими контактами между приемной и передающей частями конструкции. Низкая точность обусловлена постепенным износом контактов, а также влиянием на передаваемые сигналы внешних факторов - изменением давления, температуры скважинной среды, динамических воздействий в процессе измерений.
Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции кабельной вращающейся головки, устранение влияния закручивания кабеля в процессе исследований на измерение параметров, повышение быстродействия передачи параметров от телеизмерительной системы скважинного прибора к наземным устройствам.
Поставленная задача решается следующим способом.
Кабельная вращающаяся головка, содержащая вращающиеся относительно друг друга вокруг продольной оси прибора первый корпус с токосъемной частью, электрически связанной с кабелем, и второй корпус с контактной частью, электрически связанной со скважинным прибором, согласно изобретению дополнительно оснащена электромагнитным приемо-передающим устройством в виде первого приемопередатчика с передающей антенной, расположенными в первом корпусе, и второго приемопередатчика с приемной антенной, расположенными во втором корпусе. При этом узел вращения первого и второго корпусов относительно друг друга и вокруг продольной оси прибора выполнен в виде шарикового подшипника, установленного по продольной оси первого корпуса, и как минимум двух роликовых подшипников, установленных по продольной оси второго корпуса и разнесенных по оси относительно друг друга.
Предложенное техническое решение имеет следующие преимущества по сравнению с известными устройствами:
- оснащение кабельной вращающейся головки электромагнитным приемо-передающим устройством существенно упрощает конструкцию устройства за счет снижения количества механически взаимодействующих между собой элементов и, соответственно, повышает надежность предложенной конструкции;
- конструкция узла вращения в виде системы шарикового и роликовых подшипников обеспечивает свободное вращение первого корпуса и второго корпуса относительно друг друга, исключая передачу закручивающего напряжения кабеля на скважинные приборы в процессе исследований в скважине. При этом шариковый подшипник выдерживает высокое воздействие на ось вращения устройства, а роликовые подшипники, разнесенные относительно друг друга по продольной оси второго корпуса, снижают радиальное динамическое воздействие на узел вращения, повышая тем самым надежность конструкции последнего;
- предложенная конструкция кабельной вращающейся головки обеспечивает возможность обходиться без маслозаполненного корпуса и компенсатора давления, как у известных устройств, и повышает тем самым технологичность ее изготовления;
- оснащение кабельной вращающейся головки электромагнитным приемо-передающим устройством в виде первого приемопередатчика с передающей антенной, расположенными в первом корпусе, и второго приемопередатчика с приемной антенной, расположенными во втором корпусе, обеспечивает возможность бесконтактной связи наземного блока управления со скважинным прибором, что позволяет повысить точность передаваемой информации, поскольку исключает влияние на передаваемые параметры сопутствующих факторов (шумы, влияние состояния скважинной среды, внешнее динамическое воздействие и т.п.).
Предложенная конструкция кабельной вращающейся головки проста в реализации. Для ее изготовления не требуется специальных материалов и оборудования, что соответствует критерию изобретения «промышленная применимость».
На чертеже представлен вариант конструкции кабельной вращающейся головки.
Кабельная вращающаяся головка (далее - устройство) включает в себя первый корпус 2 и второй корпус 9, связанные между собой системой вращения в виде шарикового подшипника 5 и роликовых подшипников 6. Первый корпус 2 оснащен электронным блоком 3 с приемо-передающей антенной 11. Второй корпус 9 оснащен электронным блоком 15 с приемо-передающей антенной 12. Первый корпус 2 и второй корпус 9 соединены между собой упорным кольцом 13, исключающим разъединение последних в процессе работы устройства. Упорное кольцо 13 находится под накидной гайкой 7, которая накручивается на корпус 2. По продольной оси устройства выполнен сквозной канал 8 для электрических проводников. Герметичность внутренней полости первого корпуса 2 и второго корпуса 9 обеспечивается уплотнительными кольцами 4 и 14 соответственно. На верхнем торце первого корпуса 2 и нижнем торце второго корпуса 9 установлены соответственно наконечник 1 для соединения с каротажным кабелем и наконечник 10 для соединения с геофизическим прибором (на фиг. не показано).
На практике соединительные электрические проводники пропущены по сквозному каналу 8 к электромагнитным катушкам электронных блоков 3 и 15, связанных в процессе работы устройства магнитным полем с приемо-передающими антеннами 11 и 12 соответственно. Кабельную вращающуюся головку подсоединяют наконечником 1 к каротажному кабелю, а наконечником 10 - к скважинному прибору. В процессе спуска скважинного прибора происходит свободное вращение корпусов 2 и 9 относительно друг друга вокруг продольной оси устройства посредством шарикового подшипника 5 и роликовых подшипников 6 и 7, обеспечивающих возможность свободного вращения антенн 11 и 12 приемо-передающих устройств относительно друг друга вокруг продольной оси устройства.
Посредством вращающихся относительно друг друга антенн 11 и 12 приемо-передающих устройств в процессе работы скважинного прибора осуществляется электромагнитная связь между скважинным прибором и наземной системой, то есть обеспечивается комбинированный канал двухсторонней связи между скважинным прибором и наземным оборудованием, а именно приемо-передающими электронными блоками 3 и 15 осуществляется частотная модуляция электрических сигналов, их усиление и дуплексная передача электрических сигналов к наземному оборудованию и обратно. Для реализации полной дуплексной передачи электрических сигналов электромагнитные катушки электронных блоков 3 и 15 намотаны двойным проводом.
В процессе работы на скважине конструкция предложенной кабельной вращающейся головки устраняет передачу закручивающегося напряжения кабеля на скважинный прибор и при этом обеспечивает возможность переноса спектра информации, передаваемого в коде Манчестер-2, в высокочастотную область и обратно, что позволяет повысить надежность связи между скважинным прибором и наземным оборудованием.
Таким образом, предложенное техническое решение отличается простотой и высокой надежностью конструкции, обеспечивает высокую точность измерений и надежность связи между наземным оборудованием и скважинным прибором.