ТРУБА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
SIGNAL TRANSMISSION PIPE AND ITS MANUFACTURING METHOD (VERSIONS)

Предпосылки создания изобретения
1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к скважинным телеметрическим системам, а более конкретно, к трубе с проводной линией, такой как бурильная труба, которая приспособлена для передачи данных и/или энергии между одним или несколькими участками внутри ствола скважины и поверхностью.
2. Предшествующий уровень техники
Значительная часть достоинств систем измерений в процессе бурения (ИПБ) и каротажа в процессе бурения (КПБ) вытекает из способности обеспечивать в реальном времени информацию о скважинных условиях возле бурового долота. Нефтяные компании используют результаты этих скважинных измерений для принятия решений во время процесса бурения, например, для получения входной информации или информации, поступающей в порядке обратной связи, для сложной буровой техники, такой как забойная система контроля и управления параметрами бурения, разработанная фирмой Schlumberger. Такие технологии в значительной степени основаны на текущих сведениях о пласте, который пробуривают. Поэтому в промышленности продолжается разработка новых способов измерений в реальном времени (или почти в реальном времени), предназначенных для исследований в процессе бурения и каротажа в процессе бурения, включающих в себя измерения с построением изображения и с высоким содержанием данных.
Для таких новых способов измерений и относящихся к ним систем управления требуются телеметрические системы, имеющие более высокие скорости передачи данных, чем имеющиеся в настоящее время телеметрические системы. В результате, для использования совместно с системами измерений в процессе бурения и каротажа в процессе бурения были предложены или испытаны с различной степенью успеха несколько новых и/или модифицированных телеметрических систем.
Известный отраслевой стандарт на передачу данных между стволом скважины и местами на поверхности относится к телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, при которой бурильную колонну используют для передачи модулированных акустических волн в промывочной жидкости. Скорость передачи данных при использовании телеметрии по гидроимпульсному каналу связи находится в пределах 1-6 битов/с. Такие небольшие скорости непригодны для передачи большого количества данных, которые обычно собираются каротажной цепочкой в процессе бурения. Кроме того, в некоторых случаях (например, при использовании вспененного бурового раствора) телеметрия по гидроимпульсному каналу связи вообще не работает. В результате нередко случается, что некоторые или все данные, собранные посредством систем измерений в процессе бурения или каротажа в процессе бурения, сохраняются в скважинном запоминающем устройстве и пересылаются по окончании работы долота. Эта задержка существенно снижает ценность данных для практического применения в реальном или в почти реальном времени. Кроме того, существует значительная опасность потери данных, например, в случае утраты в стволе скважины приборов измерений в процессе бурения или каротажа в процессе бурения.
Испытания электромагнитной (ЭМ) телеметрии по подземным каналам через грунт проводились с ограниченным успехом. Кроме того, полезность электромагнитной телеметрии даже при низких скоростях передачи данных ограничена глубиной, зависящей от удельного сопротивления грунта.
Акустическая телеметрия через посредство самой бурильной трубы исследовалась широко, но до настоящего времени в промышленном масштабе не используется. Теоретически при использовании акустических волн, проходящих по стальной бурильной колонне, должны быть возможными скорости передачи данных порядка десятков битов в секунду, но это достоверно не подтверждено.
Концепция прокладки провода в соединенных отрезках бурильных труб предлагалась много раз в течение последних 25 лет. Некоторые из предшествующих предложений раскрыты: в патенте США № 4126848 (Denison); патенте США № 3957118 (Barry et al.) и патенте США № 3807502 (Heilhecker et al.); и в таких публикациях, как “Four different systems used for MWD”, McDonald W.J., The Oil and Gas Journal, pp. 115-124, Apr. 3, 1978.
В нескольких из более поздних патентов и публикаций внимание сосредоточено на использовании связанных по току индуктивных элементов связи в бурильной трубе с проводной линией (БТПЛ). В патенте США № 4605268 (Meador) описаны использование и основной режим работы связанных по току индуктивных элементов связи, установленных на герметизированных поверхностях бурильных труб. В опубликованном патенте РФ № 2140537 (Басарыгин и др.) и в более раннем опубликованном патенте РФ № 2040691 (Коновалов и др.) описаны телеметрические системы на основе бурильной трубы, в которых использованы связанные по току индуктивные элементы связи, установленные вблизи герметизированных поверхностей бурильных труб. В публикации Международной заявки WO 90/14497 A2 (J rgens et al.) описан индуктивный элемент связи, установленный для передачи данных на внутренней окружной периферии отрезка бурильной трубы. Другие, относящиеся к данному вопросу патенты включают в себя следующие номера патентов США: 5052941 (Hernandez-Marti et el.); 4806928 (Veneruso); 4901069 (Veneruso); 5531592 (Veneruso); 5278550 (Rhein-Knudsen et al.); 5971072 (Huber et al.) и 6641434 (Boyle et al.).
В упомянутых выше источниках внимание в основном сосредоточено на передаче данных через связанные концы соединенных отрезков бурильных труб, а не вдоль осевых длин отрезков труб. В ряде других патентных источников раскрыты или предложены конкретные решения для передачи данных вдоль осевых длин скважинных труб или отрезков труб, в том числе в патентах США №№ 2000716 (Polk); 2096359 (Hawthorn); 4095865 (Denison et al.); 472402 (Weldon); 4953636 (Mohn); 6392317 (Hall et al.) и 6799632 (Hall et al.). Другие, относящиеся к данному вопросу источники включают в себя публикацию Международной заявки № WO 2004/033847 A1 (Williams et al.), публикацию Международной заявки № WO 0206716 A1 (Hall et al.) и публикацию заявки на патент США № 2004/0119607 А1 (Davies et al.).
Определения
В этом описании некоторые термины определяются при первом использовании, тогда как некоторые другие термины в этом описании определены ниже.
«Коммуникационный» означает обладающий способностью пропускать или переносить сигнал.
«Коммуникационный элемент связи» означает устройство или структуру, которая используется для соединения соответствующих концов двух соседних трубчатых элементов, таких как резьбовые муфтовые и ниппельные концы соседних отрезков труб, через которую может быть пропущен сигнал.
«Линия связи» означает множество коммуникативно-соединенных трубчатых элементов, таких как соединенные отрезки бурильных труб с проводной линией, предназначенных для пропускания сигналов на расстояние.
«Телеметрическая система» означает по меньшей мере одну линию связи плюс другие компоненты, такие как наземный компьютер, приборы измерений в процессе бурения и каротажа в процессе бурения, подсистемы связи и/или маршрутизаторы, необходимые для измерения, передачи и индикации/регистрации данных, собираемых из ствола скважины или передаваемых через него.
«Проводная линия связи» означает магистраль, которая частично является проводной, вдоль отрезка бурильной трубы с проводной линией через него, предназначенную для пропускания сигналов.
«Бурильная труба с проводной линией» или «БТПЛ» означает один или несколько трубчатых элементов, в том числе бурильную трубу, утяжеленные бурильные трубы, обсадную трубу, насосно-компрессорную трубу или другую трубу, которые приспособлены для использования в бурильной колонне, при этом каждый трубчатый элемент содержит проводную линию связи. Бурильная труба с проводной линией может содержать вкладыш или внутреннее покрытие, которое наряду с другими вариантами может быть расширяемым.
Сущность изобретения
Согласно изобретению создан способ изготовления трубы для передачи сигналов вдоль ее длины, при котором обеспечивают трубчатое тело коммуникационным элементом связи на конце трубчатого тела или вблизи него, располагают удлиненную подкладку на внутренней стенке трубчатого тела или вблизи нее, один или несколько соединительных проводов протягивают вдоль подкладки, располагают между внутренней стенкой трубчатого тела и по меньшей мере участком подкладки и присоединяют к коммуникационному элементу связи для образования проводной линии связи, прикрепляют удлиненную прокладку к трубчатому телу посредством расположения расширяемой трубчатой втулки внутри трубчатого тела так, что подкладка располагается между трубчатым телом и расширяемой втулкой, и расширяют расширяемую втулку до соприкосновения с трубчатым телом, в результате чего подкладка прикрепляется между расширяемой втулкой и трубчатым телом.
Трубчатое тело может представлять собой отрезок бурильной трубы, имеющий муфтовый конец и ниппельный конец, один из которых оснащен коммуникационным элементом связи, и при присоединении соединительных проводов к коммуникационному элементу связи образуют отверстие в ниппельном или муфтовом конце отрезка бурильной трубы, которое проходит от коммуникационного элемента связи до внутренней стенки бурильной трубы, и протягивают один или несколько соединительных проводов через отверстие.
При расширении трубчатой втулки можно прикладывать давление текучей среды к ее внутренней стенке, можно прикладывать силу к ее внутренней стенке или можно подрывать взрывчатое вещество внутри нее для приложения силы взрыва к внутренней стенке трубчатой втулки.
Согласно изобретению создан способ изготовления трубы для передачи сигналов вдоль ее длины, при котором обеспечивают трубчатое тело коммуникационным элементом связи на конце трубчатого тела или вблизи него, образуют одну или несколько выемок на по меньшей мере одной из внутренней и наружной стенок трубчатого тела, которые проходят, по существу, к коммуникационному элементу связи, один или несколько соединительных проводов протягивают по одной или нескольким выемках, присоединяют к коммуникационному элементу связи для образования одной или нескольких проводных линий связи и прикрепляют в одной или нескольких внутренних выемках посредством их протягивания через одну или несколько дополнительных труб, каждая из которых прикреплена в одной из выемок и имеет форму и ориентацию, обеспечивающих ее прохождение к существу коммуникационному элементу связи.
Одну или несколько выемок можно образовать во внутренней стенке трубчатого тела или в наружной стенке трубчатого тела.
Согласно изобретению создана труба для передачи сигналов вдоль ее в скважинных условиях, содержащая трубчатое тело, снабженное коммуникационным элементом связи, расположенным на каждом каждого его конце или вблизи него и содержащим катушку, имеющую две или более независимых катушечных обмоток и два или более проводников, содержащих, каждый, один или несколько соединительных проводов, независимо проходящих вдоль или по стенке трубчатого тела и присоединенных между соответствующими катушечными обмотками для образования двух или более независимых проводных линий связи.
Катушка каждого коммуникационного элемента связи может иметь две независимые катушечные обмотки, каждая из которых находится, по существу, в пределах отдельной дуги катушки длиной 180° или три независимые катушечные обмотки, каждая из которых находится, по существу, в пределах отдельной дуги катушки длиной 120°.
Согласно изобретению создан способ передачи сигналов вдоль длины трубчатого тела, при котором оснащают трубчатое тело коммуникационным элементом связи, расположенным на его конце или вблизи него и содержащим катушку, имеющую две или более независимых катушечных обмоток и два или более проводников, содержащих, каждый, один или несколько соединительных проводов, независимо протягивают вдоль или по стенке трубчатого тела и присоединяют между соответствующими независимыми катушечными обмотками для образования двух или более независимых проводных линий связи.
Согласно изобретению создана труба для передачи сигналов вдоль ее длины в скважинных условиях, содержащая трубчатое тело, оснащенное коммуникационным элементом связи из его концов или вблизи него, удлиненную подкладку, закрепленную вдоль внутренней стенки трубчатого тела трубчатой втулкой, расширенной внутри трубчатого тела, и один или несколько соединительных проводов, проходящих вдоль подкладки, расположенных между внутренней стенкой трубчатого тела и по меньшей мере участком подкладки и присоединенных к коммуникационному элементу связи для образования проводной линии связи.
Трубчатое тело может представлять собой отрезок бурильной трубы, имеющий муфтовый конец и ниппельный конец, один из которых оснащен коммуникационным элементом связи, и отрезок бурильной трубы содержит отверстие на ниппельном или муфтовом конце, которое проходит от коммуникационного элемента связи до внутренней стенки бурильной трубы, при этом соединительные провода проходят через отверстие для присоединения к коммуникационному элементу связи.
Удлиненная подкладка может представлять собой одну из металлической, полимерной, композитной, стеклопластиковой, керамической или комбинированной подкладки.
Согласно изобретению создана труба для передачи сигналов вдоль ее длины в скважинных условиях, содержащая трубчатое тело, оснащенное коммуникационным элементом связи на одном из его концов или вблизи него и имеющее одну или несколько выемок в по меньшей мере одной из внутренней и наружной стенок его, которые проходят, по существу, к коммуникационному элементу связи, один или несколько соединительных проводов, проходящих по одной или нескольким выемкам, закрепленных в них путем протягивания через одну или несколько дополнительных труб, прикрепленных, каждая, в одной из выемок и имеющая форму и ориентацию, обеспечивающие ее прохождение, по существу, между коммуникационными элементами связи, при этом один или несколько соединительных проводов присоединены к коммуникационному элементу связи для образования одной или нескольких проводных линий связи.
Трубчатое тело может иметь одну или несколько выемок в его внутренней стенке или в его наружной стенке.
Согласно изобретению создана система соединенных труб для передачи сигналов в скважинных условиях, каждая из которых содержит трубчатое тело, оснащенное коммуникационным элементом связи на каждом концу трубчатого тела или вблизи него, предназначенным для передачи сигналов между соседними соединенными трубами, удлиненную подкладку, расположенную вдоль внутренней стенки трубчатого тела, и один или несколько соединительных проводов, проходящих вдоль подкладки, расположенных между внутренней стенкой трубчатого тела и по меньшей мере участком подкладки и присоединенных к коммуникационному элементу связи для образования проводной линии связи, и трубчатую втулку, расширенную внутри трубчатого тела так, что подкладка закреплена между трубчатым телом и расширяемой втулкой.
Краткое описание чертежей
Чтобы изложенные выше признаки и преимущества настоящего изобретения можно было понять в деталях, можно воспользоваться более подробным описанием изобретения, кратко резюмированного выше, путем обращения к вариантам осуществления его, которые иллюстрируются приложенными чертежами. Однако должно быть понятно, что приложенные чертежи иллюстрируют только типичные варианты осуществления этого изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие его объем, при этом для изобретения могут допускаться другие, равным образом эффективные варианты осуществления. На чертежах показано следующее:
фиг.1 - вертикальная проекция компоновки бурильной колонны, вместе с которой может быть использовано настоящее изобретение;
фиг.2 - сечение трубы с проводной линией согласно одному варианту осуществления, вместе с которой может быть использовано настоящее изобретение;
фиг.3 - перспективный вид с местным сечением пары обращенных друг к другу коммуникационных элементов связи согласно трубе с проводной линией из фиг.2;
фиг.4 - детализированное сечение пары обращенных друг к другу коммуникационных элементов связи из фиг.3, сомкнутых вплотную, в качестве детали рабочей колонны труб;
фиг.5 - вид трубы, подобной трубе, показанной на фиг.2, но с использованием расширяемой трубчатой втулки для закрепления и защиты одного или нескольких соединительных проводов между парой коммуникационных элементов связи согласно настоящему изобретению;
фигуры 6A-6D - виды различных средств предварительного формования расширяемой втулки из фиг.5, предназначенных для предрасположения участка втулки к началу расширения ее при приложении давления внутренней текучей среды, например, путем гидроформовки;
Фиг.7 - вид, иллюстрирующий заряд взрывчатого вещества внутри расширяемой трубчатой втулки, подобной расширяемой втулке из фиг.5, предназначенный для расширения втулки при подрыве;
фиг.8А - сечение трубы, подобной трубе, показанной на фиг.5, но с использованием удлиненной подкладки в сочетании с расширяемой трубчатой втулкой, предназначенных для закрепления и защиты одного или нескольких соединительных проводов согласно настоящему изобретению;
фиг.8В - перспективный вид трубы из фиг.8А после расширения расширяемой трубчатой втулки до соприкосновения с удлиненной подкладкой и внутренней стенкой трубы;
фиг.9А - сечение трубы из фиг.8А с альтернативной расширяемой трубчатой втулкой U-образной формы, показанной пунктирными линиями;
фиг.9В - детализированное сечение трубы из фиг.8В, в которой втулка расширена до соприкосновения с удлиненной подкладкой и внутренней стенкой трубы;
фиг.10А - вид трубы, подобной трубе, показанной на фиг.5, но с использованием приваренной удлиненной, снабженной выемкой подкладки, предназначенной для закрепления одного или нескольких соединительных проводов согласно настоящему изобретению;
фиг.10 В - сечение трубы по линии 10В-10В сечения на фиг.10А;
фиг.11А - вид расширяемой трубчатой втулки согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, которая снабжена ориентированными вдоль оси щелями для содействия расширению ее;
фиг.11В - вид втулки из фиг.11А после ее расширения;
фиг.11С - вид оправки, используемой для механического расширения втулки из фиг.11А;
фиг.12 - детализированное сечение, подобное сечению на фиг.9В, но где удлиненная подкладка использована независимо от расширяемой трубчатой втулки и приклеена ко внутренней стенке трубы;
фигуры 13А, 13В - сечения альтернативной расширяемой трубчатой втулки в сжатом и расширенном состояниях, соответственно, используемой для закрепления удлиненной подкладки согласно настоящему изобретению;
фиг.14А - сечение трубы с использованием выемки в ее внутренней стенке для закрепления одного или нескольких соединительных проводов согласно настоящему изобретению;
фиг.14В - вид трубы с выемкой из фиг.14А, снабженной покровной пластиной;
фиг.15 - сечение трубы с использованием выемки в ее наружной стенке и наружного покрытия для закрепления одного или нескольких соединительных проводов согласно настоящему изобретению;
фиг.16А - схематический вид проводной линии связи, соответствующей трубе из фигур 2-4;
фиг.16В - схематический вид пары независимых проводных линий связи, используемых в трубе согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показаны обычная буровая установка и бурильная колонна, в которой настоящее изобретение может быть использовано с достижением преимущества. Как показано на фиг.1, узел 10 платформы и буровой вышки расположен выше ствола 11 скважины, проходящего через подземный пласт F. Бурильная колонна 12 подвешена в стволе 11 скважины и на нижнем конце и включает буровое долото 15. Бурильная колонна 12 вращается посредством стола 16 бурового ротора, приводимого в движение непоказанным средством, которое находится в зацеплении с ведущей бурильной трубой 17 на верхнем конце бурильной колонны. Бурильная колонна 12 подвешена на крюке 18, прикрепленном к талевому блоку (непоказанному), через ведущую бурильную трубу 17 и вертлюг 19, который обеспечивает возможность вращения бурильной колонны относительно крюка.
Промывочная жидкость или буровой раствор 26 хранится в колодце 27, образованном на буровой площадке. Буровой насос 29 подает буровой раствор 26 во внутреннюю часть бурильной колонны 12 через отверстие (не обозначенное позицией) в вертлюге 19, побуждая его протекать, как показано стрелкой 9 направления, вниз по бурильной колонне 12. В дальнейшем буровой раствор выходит из бурильной колонны 12 через отверстия в буровом долоте 15 и затем проходит, как показано стрелкой 32 направления, кверху через область между наружной стороной бурильной колонны и стенкой ствола скважины, называемую межтрубным пространством. Таким образом буровой раствор смазывает буровое долото 15 и переносит обломки выбуренной породы на поверхность, когда он возвращается в колодец 27 для процеживания и возвращения в оборот.
Бурильная колонна 12 также включает компоновку низа бурильной колонны (КНБК) 20, расположенную вблизи бурового долота 15. Компоновка 20 низа бурильной колонны может обладать потенциальными возможностями измерения, обработки и сохранения информации, а также связи с поверхностью (например, при наличии приборов измерения в процессе бурения и каротажа в процессе бурения). Пример связной аппаратуры, которая может быть использована в компоновке низа бурильной колонны, подробно описан в патенте США №5339037.
Сигнал связи из компоновки низа бурильной колонны может быть принят на поверхности преобразователем 31, который соединен с приемной подсистемой 90, расположенной возле устья скважины. Кроме того, выход приемной подсистемы 90 соединен с процессором 85 и регистратором 45. Наземная система может также включать в себя передающую систему 95 для связи со скважинными приборами. Линия связи между скважинными приборами и наземной системой может содержать среди прочего телеметрическую систему бурильной колонны, которая содержит множество отрезков бурильных труб с проводной линией (БТПЛ).
В других случаях для бурильной колонны 12 может использоваться конфигурация «с верхним приводом» (также хорошо известная), в которой приводной вертлюг вращает бурильную колонну, а не ведущая бурильная труба и стол бурового ротора. Специалисты в данной области техники также должны понимать, что в других случаях могут проводиться бурильные работы без вращения бурильной колонны с поверхности путем использования хорошо известного гидравлического забойного двигателя типа Муано, который преобразует гидравлическую энергию бурового раствора 26, закачиваемого из колодца 27 бурового раствора вниз через бурильную колонну 12, в крутящий момент для вращения бурового долота. Кроме того, бурение может проводиться так называемыми «ориентируемыми системами вращательного бурения», которые известны в данной области техники. Различные объекты настоящего изобретения выполнены с возможностью использования в каждой из этих схем бурения и не ограничены обычными операциями роторного бурения.
В бурильной колонне 12 используется проводная телеметрическая система, в которой множество отрезков 210 бурильных труб с проводной линией соединены в бурильной колонне с образованием линии связи (не обозначенной позицией). В отрезке бурильной трубы с проводной линией одного типа, раскрытом в патенте США №6641434 (Boyle et al.) и переуступленном правопреемнику настоящего изобретения, используются коммуникационные элементы связи, в частности индуктивные элементы связи, для передачи сигналов через отрезки бурильных труб с проводной линией. Индуктивный соединительный элемент в отрезках бурильных труб с проводной линией согласно Boyle et al. содержит трансформатор, который имеет тороидальный сердечник, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью, низкими потерями материала, из такого как супермаллой (который представляет собой железоникелевый сплав, обработанный для получения очень высокой начальной магнитной проницаемости и пригодный для использования в трансформаторах сигналов низкого уровня). Чтобы образовать тороидальный трансформатор, обмотка, состоящая из большого числа витков изолированного провода, намотана вокруг тороидального сердечника. В одной конфигурации тороидальный трансформатор заключен в резину или в другой изоляционный материал, а собранный трансформатор утоплен в выемку, находящуюся в соединении бурильных труб.
На фигурах 2-4 показан отрезок 210 бурильной трубы с проводной линией, имеющей коммуникационные элементы 221, 231 связи, в частности индуктивные элементы связи, на соответствующем конце 241 муфтового конца 222 или возле него и на конце 234 ниппельного конца 232 или возле него. Первый кабель 214 протянут через трубу 213 с подключением к коммуникационным элементам 221, 231 связи способом, который описывается дополнительно ниже.
Отрезок 210 бурильной трубы с проводной линией наделен удлиненным трубчатым телом 211, имеющим осевое отверстие 212, муфтовый конец 222, ниппельный конец 232 и первый кабель 214, протянутый от муфтового конца 222 до ниппельного конца 232. Первый индуктивный элемент 221 связи с токовым контуром (например, тороидальный трансформатор) и аналогичный второй индуктивный элемент 231 связи с токовым контуром расположены на муфтовом конце 222 и ниппельном конце 232, соответственно. Первый индуктивный элемент 221 связи с токовым контуром, второй индуктивный элемент 231 связи с токовым контуром и первый кабель 214 совместно образуют коммуникационный канал на длине каждого отрезка бурильной трубы с проводной линией. Индуктивный элемент связи (или коммуникационное соединение) 220 на связанной границе раздела между двумя отрезками бурильных труб с проводной линией показан как образованный первым индуктивным элементом 221 связи из отрезка 210 бурильной трубы с проводной линией и вторым индуктивным элементом 231' связи с токовым контуром из следующего трубчатого элемента, которым может быть еще один отрезок бурильной трубы с проводной линией. Специалисты в данной области техники должны осознавать, что в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения индуктивные элементы связи могут быть заменены другими коммуникационными элементами связи, выполняющими аналогичную коммуникационную функцию, такими как, например, соединения с непосредственным электрическим контактом, типа раскрытых в патенте США №4126848 (Denison).
На фиг.4 более детально изображен индуктивный элемент связи или коммуникационное соединение 220 из фиг.3. Муфтовый конец 222 включает витки 223 внутренней резьбы и кольцевой внутренний контактирующий заплечик 224, имеющий первый паз 225, в котором расположен первый тороидальный трансформатор 226. Тороидальный трансформатор 226 подключен к кабелю 214. Точно так же ниппельный конец 232' соседнего трубчатого элемента с проводной линией (например, еще одного отрезка бурильной трубы с проводной линией) включает витки 233' наружной резьбы и кольцевой конец 234' внутренней контактирующей трубы, имеющий второй паз 235', в которой расположен второй тороидальный трансформатор 236'. Второй тороидальный трансформатор 236' подключен ко второму кабелю 214' соседнего трубчатого элемента 9а. Для повышения эффективности индуктивной связи пазы 225 и 235' могут быть плакированы материалом с высокой удельной электропроводностью и низкой магнитной проницаемостью (например, медью). После того, как муфтовый конец 222 одного отрезка бурильной трубы с проводной линией объединяют с ниппельным концом 232' соседнего трубчатого элемента (например, с еще одним отрезком бурильной трубы с проводной линией), образуется коммуникационное соединение. Поэтому на фиг.4 показано сечение участка результирующей границы раздела, где пара обращенных друг к другу индуктивных элементов связи (например, тороидальные трансформаторы 226, 236') смыкается вплотную друг с другом с образованием коммуникационного соединения в действующей линии связи. На этом сечении также показано, что замкнутые тороидальные траектории 240 и 240' окружают тороидальные трансформаторы 226 и 236', соответственно, и что трубы 213 и 213' образуют каналы для внутренних электрических кабелей 214 и 214', которые соединяют два индуктивных элемента связи, расположенных на двух концах каждого отрезка бурильной трубы с проводной линией.
Описанные выше индуктивные элементы связи охватывают электрический элемент связи, выполненный со сдвоенным тороидом. В соединительном элементе со сдвоенным тороидом внутренние заплечики ниппельного и муфтового концов используются в качестве электрических контактов. Внутренние заплечики приходят в соприкосновение при экстремальном давлении, когда свинчивают ниппельный и муфтовый концы, при этом обеспечивается электрическая непрерывность между ниппельным и муфтовым концами. Токи индуцируются в металле соединения посредством тороидальных трансформаторов, помещенных в пазы. На заданной частоте (например 100 кГц) эти токи удерживаются на поверхности пазов благодаря эффектам глубины скин-слоя. Ниппельный и муфтовый концы образуют вторичные цепи соответствующих трансформаторов, а две вторичные цепи соединены встречно через посредство сопряженных поверхностей внутренних заплечиков.
Хотя на фигурах 3-5 изображен коммуникационный элемент связи определенного типа, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что для передачи сигналов через соединенные трубчатые элементы могут быть использованы различные элементы связи. Например, такие системы могут включать в себя магнитные элементы связи, такие как описанные в Международной заявке на патент №WO 02/06716 (Hall et al.). Кроме того, можно представить другие системы и/или элементы связи.
1
2
Настоящее изобретение относится к передаче данных вдоль осевой длины трубы или отрезков труб, таких как отрезки бурильных труб с проводной линией, с помощью одного или нескольких соединительных проводов. На фиг.5 показана труба 510, подобная отрезку бурильной трубы с проводной линией, показанному на фиг.2. В соответствии с этим труба 510 образована трубчатым телом 502, оснащенным парой коммуникационных элементов 521, 531 связи на соответствующих муфтовом и ниппельном концах 522, 532 трубчатого тела или возле них. Труба, предназначенная для использования в стволе скважины, например бурильная труба из легированной стали, обычно представляет собой прямолинейную секцию трубы (см. трубчатое тело 502) с нижним соединением с наружной резьбой (см. ниппельный конец 532) и верхним соединением с внутренней резьбой (см. муфтовый конец 522). В случае стандартной бурильной трубы внутренний диаметр (ВД) изменяется так, что наименьший внутренний диаметр находится на концевом соединении (см. ID), а наибольший диаметр находится в средней осевой части тела трубы (см. ID). Типичные различия между внутренними диаметрами концевого соединения и внутренними диаметрами тела трубы составляют от 0,5 до 0,75 дюймов, но в некоторых случаях могут быть больше (например, 1,25 дюйма или больше). Однако должно быть понятно, что другие скважинные трубы (даже некоторые бурильные трубы) не имеют такого сужающегося внутреннего диаметра, а вместо этого используется постоянный внутренний диаметр на всем протяжении концевых соединений и тела. Одним примером бурильной трубы постоянного внутреннего диаметра является бурильная труба HiTorque™ от Grant Prideco. Настоящее изобретение является приспособленным к скважинным трубам, имеющим различные (изменяющиеся или постоянные) конфигурации внутреннего диаметра.
Коммуникационные элементы 521, 531 связи могут быть индуктивными элементами связи, каждый из которых включает в себя тороидальный трансформатор (непоказанный), и они соединены одним или несколькими соединительными проводами 514 (в настоящей заявке также называемыми просто «кабелем») для передачи сигналов между ними. Концы кабеля обычно пропускают через «высаженный» конец трубы, через «глубоко высверленное» отверстие или по обработанной выемке в каждом из высаженных концов с тем, чтобы достигнуть соответствующих тороидальных трансформаторов. Поэтому коммуникационные элементы 521, 531 связи и кабель 514 совместно образуют линию связи вдоль каждой трубы 510 (например, вдоль каждого отрезка бурильной трубы с проводной линией).
Особые полезные свойства настоящего изобретения заключаются в закреплении и защите электрических соединительных проводов или пар соединительных проводов (также известных в качестве проводников), например кабеля 514, который проходит от одного конца отрезка трубы до другого. Если используют только один соединительный провод, то для завершения цепи сама труба может служить вторым проводником. Обычно необходимо использовать по меньшей мере два соединительных провода, таких как скрученная пара проводов или конфигурация в виде коаксиального кабеля. По меньшей мере один из проводников должен быть электрически изолирован от другого проводника (проводников). В некоторых случаях для избыточности или других целей может быть желательным использование более чем двух проводников. Примеры прокладки избыточных проводов описаны ниже со ссылками на фигуры 16А, 16В.
1
1
В одном варианте осуществления проводник (проводники) закреплен и защищен расширяемой трубчатой втулкой 550, показанной на фиг.5, расположенной (и расширенной) внутри трубчатого тела 502. Втулка 550 сконструирована так, чтобы она в нерасширенном состоянии устанавливалась в самой узкой внутренней окружной периферии ID трубы 510. Поэтому, например, расширяемая трубчатая втулка 550 первоначально может быть цилиндрической по форме и может иметь наружный диаметр (НД), который несколько меньше, чем внутренний диаметр ID трубы. Должно быть понятно, что нет необходимости в том, чтобы расширяемая трубчатая втулка была первоначально цилиндрической, и с успехом могут быть использованы различные конфигурации (например, U-образная, описанная ниже).
В конкретных вариантах осуществления расширяемая трубчатая втулка имеет участок, который предрасположен к началу расширения при приложении давления внутренней текучей среды, например давления газа или жидкости, и особенно с помощью гидроформовки, (описанной дополнительно ниже). Когда втулку, такую как втулка 550, располагают в трубе 510, кабель 514, подключаемый между коммуникационными элементами 521, 531 связи для установки проводной связи, протягивают вдоль трубчатого тела 502 трубы между внутренней стенкой трубчатого тела и (нерасширенной) трубчатой втулкой 550. Затем трубчатую втулку 550 расширяют внутри трубчатого тела 502 путем приложения давления текучей среды ко внутренней стенке трубчатой втулки, и расширение начинается в заранее определенном месте (например в или почти в центре тела 502). От такого расширения получается эффект надежного закрепления кабеля 514 между трубчатым телом 502 и трубчатой втулкой 550.
На фигурах 6A-6D показаны различные способы предварительного формования (то есть формования до размещения трубчатой втулки внутри трубчатого тела трубы) расширяемой втулки, аналогичной втулке 550 из фиг.5, с тем, чтобы предрасположить участок втулки к началу расширения его при приложении давления внутренней текучей среды. В конкретных вариантах осуществления способа предрасположенный участок трубчатой втулки образуют путем:
локализованного приложения механической силы ко внутренней стенке трубчатой втулки (см. расширенный кольцевой участок 652 втулки 650 на фиг.6А); локализованного приложения механической силы к наружной стенке трубчатой втулки (см. суженный кольцевой участок 652' втулки 650' на фиг.6В); уменьшения толщины стенки участка трубчатой втулки (см. утонченный кольцевой участок 652" втулки 650" на фиг.6С); избирательного усиления трубчатой втулки (см. неусиленный кольцевой участок 652'" втулки 650'" на фиг.6D); модификации свойств материала участка трубчатой втулки (например, путем локализованной термической обработки, непоказанной) или путем сочетания этих процессов.
2
2
В конкретном способе расширения расширяемой трубчатой втулки внутри трубы, такой как бурильная труба, воду под высоким давлением используют в известном процессе, называемом гидроформовкой, гидравлическом трехмерном процессе расширения, который для закрепления втулки внутри трубы может быть проведен при температуре окружающей среды. Трубчатое тело трубы может удерживаться в закрытой матричной сборке, в то время как втулку, расположенную внутри трубы, заполняют гидравлической жидкостью под высоким (например, 5000-10000 фунтов/дюйм) давлением, такой как вода. Как в общем известно в данной области техники, установка для гидроформинга может состоять, например, из множества уплотняющих поршней и гидравлических насосов. Может быть желательной осевая подача втулки путем приложения к концам сжимающей толкающей силы (пропорциональной гидравлическому давлению, например в несколько тысяч фунтов/дюйм) во время приложения гидравлического давления ко внутренней окружной периферии втулки.
Гидроформинг-процесс вызывает пластическое расширение втулки до тех пор, пока втулка не касается и не принимает форму внутреннего профиля трубы (см., например, втулку 550 внутри внутренней окружной периферии тела 502 трубы на фиг.5). Специальные, применяемые при обработке металлов смазочные вещества используют для минимизации трения между наружной окружной периферией втулки и внутренней окружной периферией трубы. После завершения гидравлического расширения излишний материал втулки будет выходить в осевом направлении за пределы двух концов трубы и должен быть подрезан до нужной длины.
После снятия внутреннего гидравлического давления втулка внутри трубы слегка эластично сужается, при этом остается небольшой кольцевой зазор между втулкой и внутренней окружной периферией трубы. Используя известный процесс вакуумного наполнения, этот зазор можно заполнить полимером, например эпоксидным компаундом. Он также может быть заполнен ингибитором коррозии, таким как резина, и/или смазочным веществом (например, маслом или мазью). Наполнительный материал минимизирует проникновение в кольцевой зазор жидкости, вызывающей коррозию. Он также минимизирует всякое относительное перемещение втулки внутри трубы.
Расширяемая трубчатая втулка может иметь тонкостенное трубчатое тело, выполненное из металла или полимера, и чтобы облегчить введение втулки в трубу, имеет диаметр, несколько меньший, чем наименьший внутренний диаметр бурильной трубы. Кабель протянут между втулкой и внутренней стенкой трубы. В случае полимерной втулки кабель может быть встроен в стенку втулки. В случае металлической втулки защитные прокладки (например, металлические стержни или удлиненные подкладки, описываемые дополнительно ниже) располагают возле или вокруг кабеля для предохранения его от раздавливания во время расширения втулки. В дополнение к защите кабеля расширенная трубчатая втулка может также защищать трубу (в частности, бурильную трубу) от коррозии, эрозии и другого повреждения. В некоторых случаях благодаря втулке может исключаться необходимость в каком-либо покрытии внутренней окружной периферии бурильной трубы и поэтому может снижаться общая стоимость.
В качестве одного примера отрезок бурильной трубы имеет внутренний диаметр 3,00 дюйма на концевых соединениях и внутренний диаметр 4,276 дюйма в средней части тела трубчатой втулки. При такой геометрии металлическую трубчатую втулку необходимо расширять от начального наружного диаметра чуть меньше 3,00 дюймов до наружного диаметра 4,276 дюймов, чтобы подогнать до профиля внутреннего диаметра бурильной трубы. В результате это дает расширение около 43% и наводит на мысль об использовании для гидроформовки тягучего трубного материала, такого как труба из полностью отожженной нержавеющей стали 304 (наружный диаметр 3,00 дюйма, толщина стенки 0,065 дюйма). Можно ожидать, что такая втулка также будет претерпевать значительное удлинение (например 55-60%) во время гидроформовки.
Задача гидроформинг-процесса заключается в достижении конечного состояния деформации (во всех точках трубы) во всех поддающихся определению безопасных зонах с достаточным коэффициентом запаса. Проведение соответствующих экспериментов укажет степень утончения стенки втулки и результирующий коэффициент запаса, который может быть достигнут при гидроформинг-процессе.
Теперь обратимся к фиг.7, где в другом способе расширения трубчатой втулки, обозначенной позицией 750, для закрепления и защиты кабеля 714 внутри трубы 710 используют заряд 754 взрывчатого вещества. В способе, аналогичном гидроформовке, относительно тонкостенную втулку 750 помещают внутрь трубы, такой, как бурильная труба 710. Заряд (заряды) 754 взрывчатого вещества подрывают внутри втулки 750, вызывая быстрое расширение ее и соответствие форме внутренней окружной периферии бурильной трубы. Металлические прокладки (непоказанные) могут быть использованы для защиты кабеля 714 от повреждения во время взрыва. В идеальном случае втулка будет металлургическим способом присоединена к внутренней окружной периферии бурильной трубы силой взрыва. Однако для исключения повреждения кабеля 714 достаточно расширить втулку, используя относительно небольшое количество взрывчатого вещества с тем, чтобы вкладыш не соединился с внутренней окружной периферией бурильной трубы, но почти соответствовал внутреннему диаметру по размеру и форме (например, чтобы оставался узкий кольцевой зазор). В случае втулки, образованной гидроформовкой, резина или другой защитный материал может быть помещен между втулкой 750 и бурильной трубой 712 для заполнения всяких пустот и обеспечения защиты от коррозии.
На фиг.8А показано сечение трубы 810, подобной трубе 510, показанной на фиг.5, но с использованием удлиненной подкладки 856 в сочетании с расширяемой трубчатой втулкой 850 для закрепления одного или нескольких соединительных проводов (также показанных в виде кабеля) 814 согласно настоящему изобретению. На фиг.8В представлен перспективный вид трубы 810 из фиг.8A после расширения трубчатой втулки 850 до соприкосновения с удлиненной подкладкой 856 и внутренней стенкой трубы 810. Трубчатое тело 802 трубы 810 оснащено парой коммуникационных элементов 821, 831 связи на соответствующих муфтовом и ниппельном концах 822, 832 трубчатого тела 802 или возле них. Удлиненная подкладка 856 расположена на внутренней стенке трубчатого тела 802 или возле нее для защиты и закрепления кабеля 814, протянутого между коммуникационными элементами 821, 831 связи напротив внутренней стенки трубчатого тела 802, в результате чего создается закрепленная проводная линия связи. Удлиненная подкладка может быть металлической по структуре с возможностью изгиба до совпадения с профилем внутреннего диаметра трубы 810. Проточенные канавки (непоказанные) во внутренней окружной периферии соединительных концов трубы могут быть использованы для закрепления в них подкладки. Должно быть понятно, что подкладка может быть иным образом прикреплена ко внутренней стенке трубы, например, путем применения соответствующего клея. При закреплении таким образом предотвращается перемещение подкладки во время расширения трубчатой втулки 850.
3
На фиг.9А представлено сечение трубы 810 с цилиндрической расширяемой трубчатой втулкой 850, показанной в нерасширенном состоянии, и с альтернативной U-образной расширяемой трубчатой втулкой 850', также показанной, но пунктирными линиями. Первоначально альтернативная втулка 850' имеет круговое сечение, а ее диаметр в то время, когда втулку вводят в трубу 810, близок к конечному расширенному диаметру внутри трубы 810. Втулке 850' придают U-образную форму путем частичного смятия втулки. В любом случае втулка (например, 850 или 850') будет иметь наружный диаметр, который несколько меньше, чем минимальный внутренний диаметр (обозначенный как ID) возле концевых соединений трубы 810. На фиг.9В представлено детализированное сечение части трубы 810, при этом втулка 850 расширена до соприкосновения с удлиненной подкладкой 856 и внутренней стенкой тела 802 трубы. Расширенная втулка вместе с металлической подкладкой 856, снабженной выемкой, закрепляет кабель 814, который проходит между концами трубы (например, бурильной трубы) 810 вдоль ее наружной окружной периферии. Выемка 858 металлической подкладки 856 образует гладкий кабельный канал и защищает кабель 814 от сил расширения, прикладываемых к втулке 850, а также от скважинной среды.
Трубчатая втулка 850 может быть расширена до соприкосновения с подкладкой 856 и внутренней стенкой трубы путем приложения давления текучей среды к внутренней стенке втулки (как описано выше со ссылкой на гидроформовку из фигур 5-6), путем механического приложения силы к внутренней стенке трубчатой втулки (см. фиг.11С) или путем сочетания этих этапов. Кроме того, этап расширения втулки может включать подрыв взрывчатого вещества внутри трубчатой втулки для приложения силы взрыва к внутренней стенке трубчатой втулки, как описано выше со ссылкой на фиг.7.
На фигурах 11А, 11В показана расширяемая трубчатая втулка 1150, снабженная множеством ориентированных вдоль оси щелей 1162 в ней для облегчения расширения втулки. Поэтому трубчатую втулку 1150 вводят в бурильную трубу или в другую трубу с закрытыми щелями 1162, показанными на фиг.11А. Механическую или гидравлическую оправку М (см. фиг.11С) используют для расширения втулки 1150, в которой при этом, как показано на фиг.11В, щели 1162 раскрываются.
Снова обратимся к фигурам 8-9, где показано, что форма удлиненной подкладки 856, по существу, определяется цилиндрическим сегментом, имеющим наружную дуговую поверхность, которая дополняет внутреннюю стенку тела 802 трубы (то есть, удлиненная подкладка 856 имеет серповидную форму) для уменьшения максимальной деформации, испытываемой втулкой 850. Удлиненная выемка 858 образована в наружной дуговой поверхности подкладки 856 для размещения одного или нескольких соединительных проводов (то есть кабеля) 814. Как упоминалось выше, подкладку 856 прикрепляют к внутренней окружной периферии трубы 810 до расширения втулки 850, например, приклеивая подкладку 856 ко внутренней стенке трубы, чтобы гарантировать, что она не будет перемещаться во время расширения втулки. Однако в случае металлической подкладки можно предварительно образовать подкладку, соответствующую профилю внутреннего диаметра трубы (например, бурильной трубы), что также способствует удержанию подкладки на месте во время процесса расширения втулки. В трубе 810 можно использовать паз/канавку (непоказанную) в ее внутренней окружной периферии на концевых соединениях или возле них для прокладки кабеля 814 из проводного канала 858 подкладки 856 в высверленные отверстия или выемки (непоказанные) на концах 822, 832 трубы.
На фигурах 10А, 10В показана удлиненная подкладка 1056, которая может быть, по существу, металлической, полимерной, композитной, стеклопластиковой, керамической или комбинированной. В конкретных вариантах осуществления, в которых подкладка является металлической, подкладка 1056 может быть прикреплена к внутренней стенке трубы 1010 путем приваривания подкладки к ней в одном или нескольких местах 1055 (фиг.10В) вдоль подкладки 1056. В такой сварной конфигурации нет необходимости в расширяемой втулке для закрепления и защиты прокладки 1056 внутри трубы 1010. Подкладка 1056 может быть прикреплена к внутренней стенке трубы с помощью прерывистых (например прихваточных швов) или непрерывных сварных швов. Подкладке могут быть приданы различные формы, такие как винтовая, прямолинейная или синусоидальная волнообразная. Для доступа, например, к середине тридцатифутового отрезка бурильной трубы может быть использована роботизированная сварочная установка. Внутреннюю стенку бурильной трубы (или другой трубы) используют как часть проводного канала, эффективно повышая диаметральный просвет бурильной трубы и, возможно, ослабляя проблемы, связанные с эрозией, падением давления потока бурового раствора и затруднением продвижения каротажных приборов и т.д. Поэтому в этой конструкции используют металлическую подкладку или полосу с выемкой, которая повторяет профиль внутреннего диаметра бурильной трубы. Провода, помещенные в эту металлическую полосу с выемкой, направляют в выемки на соответствующих концах трубы через отверстия, высверленные в концевых соединениях.
В дальнейших вариантах осуществления, в которых подкладка является стеклопластиковой, показанной как подкладка 1256 на фиг.12, подкладку прикрепляют к трубе 1210 путем приклеивания подкладки 1256 ко внутренней стенке трубчатого тела трубы эпоксидным клеем 1266, таким, который обычно применяют для защиты от коррозии. Кроме того, один или несколько соединительных проводов, из которых образован кабель 1214, могут быть приклеены ко внутренней стенке трубчатого тела, например, путем использования того же самого эпоксидного клея 1266. Стеклопластиковая подкладка 1256 способствует приклеиванию кабеля 1214, обеспечивая пористую структуру для максимизации поверхности соприкосновения с эпоксидным клеем, и гарантирует надежное приклеивание. Кроме того, стеклопластиковая подкладка защищает кабель от эрозии, истирания и иного механического повреждения даже в случае, если покрытие из эпоксидного клея откололось.
4
4
5
На фигурах 13А, 13В показаны сечения альтернативной расширяемой трубчатой втулки 1350 в суженном и расширенном состояниях, соответственно. Втулка 1350 используется для закрепления удлиненной подкладки 1356 внутри трубы 1310 согласно настоящему изобретению. Трубчатая втулка 1350 разрезана вдоль длины (например, в осевом направлении или по спирали), при этом до такого разрезания трубчатая втулка имеет диаметр, который препятствует установке ее в меньшую внутреннюю окружную периферию, обозначенную как ID, трубы 1310. К разрезанной трубчатой втулке 1350 прикладывают сжимающую силу для радиального сплющивания трубчатой втулки до получения спиральной формы, чтобы она устанавливалась внутри минимального просвета IDна концевых соединениях трубчатого тела трубы 1310. Удерживая трубчатую втулку 1350 в сплющенном состоянии, ее помещают, как показано на фиг.13А, внутрь трубы 1310. Соответственно удлиненную подкладку 1356 располагают между трубой 1310 и трубчатой втулкой 1350. Затем трубчатую втулку 1350 освобождают (и, возможно, принудительно раскрывают) из ее сплющенного состояния, так что трубчатая втулка радиально расширяется до соприкосновения, как показано на фиг.13В, с удлиненной подкладкой 1356 и трубчатым телом трубы 1310. В этом положении по меньшей мере участок втулки 1350 будет расширяться до большего внутреннего диаметра, обозначенного ID, промежуточного участка тела трубы 1310. Для обеспечения дополнительной прочности во внутреннюю часть раскрытой трубчатой втулки могут быть добавлены опорные кольца, и они могут быть прихвачены сваркой на месте.
На фиг.14А представлено сечение трубы 1410, в которой одна или несколько внутренних выемок 1458 во внутренней стенке использованы для защиты и закрепления кабеля 1414 согласно настоящему изобретению. Труба 1410 оснащена коммуникационным элементом связи (непоказанным) на каждом или возле каждого из двух концов трубчатого тела трубы. Внутреннюю выемку 1458 образуют во внутренней стенке трубчатого тела трубы путем механической обработки или, предпочтительно, во время процесса экструзии трубы. Выемка 1458 простирается, по существу, между коммуникационными элементами связи трубы. Кабель 1414, имеющий один или несколько соединительных проводов, протягивают по выемке 1458. Кабель 1414 присоединяют между коммуникационными элементами связи способом, подобным способу, описанному выше для других вариантов осуществления, с тем, чтобы образовать одну или несколько проводных линий связи. Кабель 1414 закрепляют во внутренней выемке 1458 заливкой компаунда 1466.
В других случаях выемка 1458 включает одну или несколько пластин 1448, присоединенных, как показано на фиг.14В, к внутренней стенке трубчатого тела трубы для независимого покрытия каждой из одной или нескольких выемок. Защитная планка 1448 может быть присоединена к бурильной трубе или к другой трубе 1410 путем использования известных способов сварки или с помощью технологий формовки взрывом. Для защиты от коррозии на внутреннюю окружную периферию трубы часто наносят эпоксидное покрытие, и оно также может использоваться для защиты проводов в выемке. В другом случае кабель 1414 может быть закреплен путем пропускания кабеля через одну или несколько небольших дополнительных труб, каждая из которых приклеена к или внутри одной из выемок, при этом каждой дополнительной трубе приданы такие форма и ориентация, что она простирается, по существу, между коммуникационными элементами связи (не показанными на фигурах 14А, 14В).
На фиг.15 представлено сечение трубы 1510, в которой одна или несколько выемок 1558 в ее наружной стенке и наружный вкладыш/втулка 1550 использованы для защиты и закрепления кабеля 1514, имеющего один или несколько соединительных проводов в выемке (выемках) 1558, согласно настоящему изобретению. Кабель 1514 может быть залит компаундом внутри выемки (выемок), а в других случаях может быть закрыт в выемке (выемках), например, путем закрепления втулки 1550 вокруг наружной стенки трубы 1510. Такая втулка 1550 может быть металлической, полимерной, композитной, стеклопластиковой, керамической или комбинированной.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что трубы с проводной линией, описываемые в настоящей заявке, хорошо приспособлены для встраивания в бурильную колонну в качестве соединенных отрезков бурильных труб с проводной линией для телеметрической системы, предназначенной для передачи сигналов в скважинных условиях. Каждая из труб включает в себя трубчатое тело, оснащенное коммуникационным элементом связи на каждом или возле каждого из двух концов трубчатого тела, при этом коммуникационные элементы связи обеспечивают возможность передачи сигналов между прилегающими соединенными трубами. Например, в конкретных версиях такой системы удлиненную подкладку и/или расширяемую трубчатую втулку располагают вдоль внутренней стенки трубчатого тела трубы, а один или несколько соединительных проводов протягивают вдоль подкладки/втулки, так что один или несколько проводов оказываются расположенными между внутренней стенкой трубчатого тела и по меньшей мере участком подкладки/втулки. Один или несколько проводов, также называемых в настоящей заявке кабелем, присоединяют между коммуникационными элементами связи для образования проводной линии связи.
Несомненно, также должно быть понятно, что настоящее изобретение в определенной степени способствует повышению эффективности производства. Например, бурильную трубу обычно изготавливают из трех отдельных частей, которые сваривают друг с другом. Центральная часть (трубчатое тело) представляет собой простую стальную трубу, которую высаживают на каждом конце путем кузнечнопрессовой обработки. Концевые части (замки бурильной трубы или концевые соединения) исходно представляют собой кованые стальные конфигурации, на которых нарезают резьбу и протачивают другие элементы до того, как их приваривают трением к трубчатому телу.
Модификации относительно обычной трубы, описываемые в настоящей заявке, в частности относительно бурильной трубы, в основном могут быть осуществлены после того, как бурильная труба полностью изготовлена. Однако некоторые операции будут намного более легкими, если их выполнять во время изготовления. Например, отверстия для проводов (например, глубоко высверленные отверстия) от катушек трансформаторов до трубчатого тела трубы могут быть выполнены фрезерованием в то же самое время, что и нитки резьбы и заплечики отрезков труб. Точно так же выемки и другие элементы могут быть добавлены к телу до операции сварки трением, посредством которой замки бурильной трубы присоединяют к трубчатому телу, когда внутренняя окружная периферия трубчатого тела является более доступной.
В других случаях многие из способов, описанных в предшествующих разделах, могут быть с достижением преимущества включены в процесс изготовления, а в отдельных случаях в соответствии с иным временным порядком выполнения этапов способа. Например, элементы для прокладки проводов могут быть встроены в длинную среднюю секцию бурильной трубы до любых этапов расплющивания и/или сварки. Встраивание элементов для прокладки проводов в бурильную трубу, имеющую равномерный внутренний диаметр, намного проще, чем выполнение того же самого в законченной бурильной трубе, которая обычно имеет меньший внутренний диаметр на концах. После оборудования средней секции элементами для прокладки проводов трубу можно подвергнуть воздействию известных операций расплющивания и сварки. Нижеследующая конструктивная схема обеспечивает встраивание элемента для прокладки проводов, который охватывает почти 80% длины законченной бурильной трубы (например, 25 футов из 30).
Сначала до операции расплющивания внутри трубы может быть выполнена гидроформовка металлической или полимерной трубчатой втулки. Поскольку внутренний диаметр должен быть более равномерным, степень расширения должна быть существенно уменьшена, что упростит операцию и повысит соответствие техническим требованиям. Отдельный способ прокладки должен быть использован для протягивания проводки от замка бурильной трубы и после сварки трением.
Точно так же до сварки трением металлической втулке внутри трубчатого тела трубы взрывом может быть придана заданная форма. В дополнение к этому втулку можно присоединить к трубе металлургическим способом, облегчив процесс расплющивания. Подобным образом металлическая подкладка может быть более легко приварена на месте до сварки трением.
Кроме того, внутренние/наружные выемки для размещения кабеля могут быть получены выдавливанием, формоизменением или проточены в трубчатом теле трубы до расплющивания и сваривания трубы. В частности, выдавленная или полученная формоизменением выемка будет намного менее дорогостоящей, чем проточенная, и она будет прочнее и устойчивей к усталостным нагрузкам.
Другие технологические модификации относятся к способности изобретательских труб с проводной линией противостоять отказам проводки или другим неполадкам. На фиг.16А схематически показана проводная линия связи, соотнесенная с трубами (например, с отрезками бурильных труб с проводной линией) из фигур 2-4. Так, например, пара расположенных на разных концах тороидальных трансформаторов 226, 236 (компонентов соответствующих коммуникационных элементов связи) соединена кабелем 214, имеющим пару изолированных соединительных проводов, которые проложены внутри трубчатого тела трубы. В каждом тороидальном трансформаторе использован материал сердечника, имеющий высокую магнитную проницаемость (например, супермаллой), и на сердечник намотаны N витков изолированного провода (N приблизительно составляет от 100 до 200 витков). Изолированный провод равномерно намотан по окружности тороидального сердечника для образования катушек трансформатора (не показанных отдельной позицией). Четыре изолированных паяных, приваренных или обжатых соединения или соединительных звена 215 использованы для соединения проводов кабеля 214 с соответствующими катушками трансформаторов 226, 236.
Для таких отрезков бурильных труб с проводной линией надежность является критическим параметром. Если любой провод в таком отрезке обрывается, вся система бурильных труб с проводной линией, в которой используется отказавший отрезок бурильной трубы с проводной линией, также отказывает. Имеются несколько типов отказов, которые могут произойти. Например, нередко встречаются «холодные паяные соединения», в которых припой не пристал хорошо к обеим проводам. Они могут периодически открываться и затем повреждаться в открытом состоянии. Продолжительная вибрация может вызывать усталость и разрыв проводов, если они не закреплены жестко. Тепловое расширение, удар или обломок породы может повредить или обрезать провод, использованный для намотки тороидального сердечника.
На фиг.16В схематически показана пара независимых проводных линий связи, предназначенных для использования в трубе, такой как отрезок бурильной трубы с проводной линией согласно настоящему изобретению. Так, например, каждая пара расположенных на разных концах тороидальных трансформаторов 1626, 1636 включает в себя катушечную систему, имеющую две независимые катушечные обмотки, при этом каждая катушечная обмотка находится, по существу, в пределах дуги длиной 180° катушечной системы. Более конкретно, тороидальный трансформатор 1626 имеет первую катушечную обмотку 1626а и вторую катушечную обмотку 1626b, каждая из которых независимо и равномерно намотана на половине окружности тороидального сердечника трансформатора 1626. Точно так же тороидальный трансформатор 1636 имеет первую катушечную обмотку 1636а и вторую катушечную обмотку 1636b, каждая из которых независимо и равномерно намотана на половине окружности тороидального сердечника трансформатора 1636. Пара изолированных соединительных проводов, обозначенных как кабель 1614а, протянута между соответствующими концами катушечных обмоток 1626а, 1636а и присоединена к ним посредством четырех изолированных паяных соединений 1615а. Точно так же пара изолированных соединительных проводов, обозначенных как кабель 1614b, протянута между соответствующими концами катушечных обмоток 1626b, 1636b и присоединена к ним посредством четырех паяных соединений 1616b. Кабель 1614а проложен независимо от кабеля 1614b (что означает отдельные электрические межсоединения, но необязательно удаленные друг от друга места прокладки внутри бурильной трубы с проводной линией), так что кабели и их соответствующие соединенные катушечные обмотки образуют две независимые проводные линии связи.
Должно быть понятно, что надежность бурильной трубы с проводной линией может быть повышена путем использования конфигурации с двумя обмотками (или иначе, с несколькими обмотками), показанной на фиг.16В. В этой конструкции имеется вторая, избыточная цепь. На каждый тороидальный сердечник намотаны две отдельные катушечные обмотки (показанные пунктирными и штрихпунктирными линиями). В конкретном варианте осуществления все обмотки имеют одинаковое число (М) витков. Однако две обмотки могут иметь различное число витков и все же обеспечивать большую часть выгод от избыточности. Если M=N, то электромагнитные свойства новой конструкции являются, по существу, теми же самыми, как предшествующей конструкции.
Поскольку две цепи являются параллельными, то, если одна цепь отказывает, телеметрический сигнал все же может передаваться по другой цепи. Кроме того, характеристический импеданс линии передачи существенно не изменится, так что при таком отказе затухание возрастать не будет. При отказе одной цепи последовательное сопротивление соединительных проводов в этой секции бурильной трубы возрастет, но последовательное сопротивление соединительных проводов вовсе не играет главную роль в потерях при передаче. При отказе одной цепи также несколько возрастет магнитный поток рассеяния тороидального сердечника, но это также будет иметь небольшое значение. Поскольку магнитная проницаемость сердечников очень большая, большая часть потока от одной обмотки все еще будет оставаться в сердечнике.
-3
-3
-3
-3
Некоррелированные отказы должны значительно снизиться. Например, предположим, что при частоте появления события 10 на каждую операцию пайки корреляция холодных паяных соединений отсутствует. Пусть имеются 660 бурильных труб (20000 футов) с одной цепью и четырьмя паяными соединениями на одну бурильную трубу. В таком случае число холодных паяных соединений для такой системы составляет 10×660×4≈3. Если во время работы долота только одно из этих холодных паяных соединений откажет, то система бурильных труб с проводной линией выйдет из строя. Теперь рассмотрим бурильную трубу с проводной линией, имеющую избыточную вторую цепь. Теперь для каждой бурильной трубы имеется 8 паяных соединений, так что бурильная колонна длиной 20000 футов будет иметь 11×660×8≈6 холодных паяных соединений. Однако, если одно из этих холодных паяных соединений откажет, то передача сигнала продолжится по второй цепи. Вероятность отказа второй цепи из-за холодного паяного соединения теперь составляет ≈10.
Отказ другого типа может происходить, если камень или другой небольшой предмет приходит в контакт с катушечной обмоткой и сминает или разрывает провод. Если две обмотки находятся, по существу, в пределах дуги длиной 180° на противоположных половинах тороидального трансформатора, то вероятность того, что обе обмотки будут повреждены, сильно снижается. Поэтому физическое разделение обмоток является предпочтительным, но также возможно попеременное расположение витков двух обмоток, чтобы каждая занимала 360° на тороидальном сердечнике.
В случае, если между двумя тороидальными трансформаторами две цепи прокладывают по двум различным путям вдоль бурильной трубы, вероятность одновременного повреждения обеих цепей также снижается. Например, если имеются какие-нибудь острые кромки в каналах, по которым протянуты провода вдоль бурильной трубы, то удар или вибрация может привести к трению о такие острые кромки и к обрыву. Такие острые кромки могут быть результатом недостаточной зачистки механических деталей во время изготовления.
Из предшествующего описания должно быть понятно, что в предпочтительном и альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть сделаны различные модификации и изменения без отступления от его истинной сущности. Например, для большей степени избыточности в независимом объекте настоящего изобретения, связанном с проводной линией связи, три или более цепей могут быть использованы в бурильных трубах с проводной линией. В этом случае каждая обмотка будет находиться, по существу, в пределах дуги тороидального трансформатора, равной 120°. Поэтому даже в случае, если две цепи повредятся в одной бурильной трубе, по третьей цепи сигнал все же будет передаваться.
Из избыточности цепей также вытекает преимущество индуктивных элементов связи других видов. Например, в известных системах бурильных труб с проводной линией используют индуктивные элементы связи на каждом конце бурильной трубы, при этом каждый элемент связи содержит один или несколько проволочных контуров на магнитных сердечниках. Однако такие системы содержат только одну цепь на каждую бурильную трубу. Согласно независимому объекту настоящего изобретения, связанному с проводной линией связи, могут быть использованы две или более независимых цепей, при этом каждая цепь состоит из одного контура провода на каждый элемент связи и соединительных проводов между двумя элементами связи.
Специалистам в данной области техники также должно быть понятно, что настоящее изобретение в соответствии с его различными объектами и вариантами осуществления не должно быть ограничено применением к бурильной трубе с проводной линией. Поэтому, например, проводные линии связи и связанные с ними объекты настоящего изобретения с достижением преимущества могут быть применены в скважинных трубах, обсадной колонне и т.д., которые не используются для бурения. Одно такое применение относится к стационарным подземным установкам, в которых используются датчики для контроля различных параметров пласта с течением времени. Поэтому настоящее изобретение может быть использовано в таких стационарных устройствах контроля для обеспечения связи между поверхностью и стационарными подземными датчиками.
Это описание предназначено только для иллюстрации и не должно толковаться в ограничительном смысле. Объем этого изобретения должен определяться только буквой формулы изобретения, которая следует ниже. Термин «содержащий» в формуле изобретения предполагается означающим «включающий в себя по меньшей мере», так что изложенный перечень элементов в формуле изобретения является открытым множеством или открытой группой. Точно так же все термины «содержащий в себе», «имеющий» и «включающий в себя» предполагаются означающими открытое множество или открытую группу элементов. Неопределенные артикли и другие формы единственного числа предполагаются включающими в себя формы множественного числа, если только специально не делается исключение. Кроме того, формула изобретения на способ не ограничена порядком или последовательностью, в которой представлены этапы такой формулы изобретения. Поэтому, например, нет необходимости в том, чтобы первый описанный этап формулы изобретения на способ выполнялся ранее второго описанного этапа этой формулы изобретения.