УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ БУРЕНИИ
DEVICE FOR DATA TRANSMISSION DURING DRILLING

Изобретение относится к промысловой геофизике и может быть использовано для передачи забойной информации при бурении скважин.
Известен беспроводной канал связи, содержащий расположенные на забое скважины долото, турбобур, электрический разделитель, электромашинный генератор, выход которого соединен с бурильными трубами, расположенные на устье скважины приемное устройство, один выход которого соединен с заземлителем, а второй с регистрирующей аппаратурой (см. кн. Молчанов А.А. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин. - М.: Недра, 1982. 31 с.)
Недостатком этого устройства является невысокая дальность передачи информации.
Самым близким по технической сути является устройство для передачи забойной информации при бурении, содержащее блок питания, соединенный с источником высоковольтных импульсов, диэлектрическую вставку, управляемый коммутатор, выход которого соединен с колонной бурильных труб (см. патент RU №2132947, 1999 г.).
Недостаток устройства - использование в забойной части электронных компонентов, температурный диапазон работы которых ограничивается 135°C (кремниевые полупроводниковые структуры), и как следствие невысокая дальность передачи информации. Температура на забое скважины 5000 м составляет 200°C.
Техническая задача - создание простого и надежного устройства для передачи информации при бурении.
Технический результат - увеличение дальности и надежности передачи информации при бурении за счет усовершенствования его конструкции.
Это достигается тем, что в известное устройство, содержащее блок питания, соединенный с источником высоковольтных импульсов, диэлектрическую вставку, управляемый коммутатор, выход которого соединен с колонной бурильных труб, дополнительно введен модулятор колебаний, установленный на забое скважины, выполненный в виде струйного генератора, выходное сопло которого соединено с сильфоном, который связан с управляемым коммутатором, один выход которого соединен с турбобуром на забое скважины, а второй - с колонной бурильных труб, резистор, заградительный фильтр, приемное устройство, установленные на устье скважины, причем резистор соединен с выходом блока питания, второй выход которого соединен с заземлителем, заградительный фильтр соединен параллельно с резистором, а вход приемного устройства соединен с выходом заградительного фильтра.
Дальность действия L устройства для передачи информации при бурении с достаточной для практики точностью определяется по формуле
здесь  - средневзвешенное удельное электрическое сопротивление разреза, Ом·м; f - частота сигнала передачи, Гц; r - радиус колонны бурильных труб, м; l - длина разделителя части колонны, м; P - мощность забойного передатчика, Вт; А - коэффициент, учитывающий материал колонны (для стальных труб - 2,6; для сплавных - 0,13); m - уровень помех в полосе 1 Гц, мкВ/Гц; С - пропускная способность канала связи забоя, бит/с; η - коэффициент согласования забойного передатчика с нагрузкой.
Размещение блока питания, соединенного с источником высоковольтных импульсов, на устье скважины позволяет увеличить дальность передачи информации. Причем мощность блока питания на устье скважины может быть достаточно высокой.
На чертеже изображено предлагаемое устройство, содержащее на устье скважины блок питания 1, соединенный с источником высоковольтных импульсов 2, на забое скважины диэлектрическую вставку 3, управляемый коммутатор 4, выход которого соединен с колонной бурильных труб 5, модулятор колебаний 6, установленный на забое скважины, содержащий струйный генератор 7, приемную емкость 8, струйный генератор 7 находится постоянно в рабочем состоянии и питается энергией сжатого воздуха от баллона 9, выходное сопло 10 струйного генератора 7 соединено с сильфоном 11, который связан с управляемым коммутатором 4, один выход которого соединен с турбобуром 12 на забое скважины, а второй - с колонной бурильных труб 5, резистор 13, установленный на устье скважины, соединен с выходом блока питания 1, второй выход которого соединен с заземлителем 14, заградительный фильтр 15, установленный на устье скважины, соединенный параллельно с резистором 13, приемное устройство 16, установленное на устье скважины, вход которого соединен с выходом заградительного фильтра 15, долото 17, связанное с турбобуром 12.
Устройство работает следующим образом.
В момент передачи информации об измеряемом забойном параметре на устье скважины включается в работу источник высоковольтных импульсов 2, посредством блока питания 1 электрические колебания усиливаются и поступают через заземлитель 14 и резистор 13, подключенный к колонне бурильных труб 5, в горную породу, в результате в ней возникает электрическое поле высокой напряженности. Модулятор колебаний 6, установленный на забое скважины, выполненный в виде струйного генератора 7, содержащий приемную емкость 8, находящийся постоянно в рабочем состоянии и питающийся энергией сжатого воздуха от баллона 9, в зависимости от изменения значения измеряемого забойного параметра изменяет частоту выходных импульсов, которые поступают в сильфон 11, при этом сильфон перемещается и механически воздействует на управляемый коммутатор 4, один выход которого через диэлектрическую вставку 3 соединен с колонной бурильных труб 5, а другой с турбобуром 12.
Изменение измеряемого параметра в колонне бурильных труб приводит к изменению частоты струйного генератора 7, который посредством сильфона 11 воздействует на управляемый коммутатор 4, который, замыкаясь, дополнительно подключает часть бурильных труб (турбобур 12, долото 17 и труба ниже диэлектрической вставки 3), что приводит к изменению электрического поля в горной породе, то есть изменяется сила тока. Это изменение выделяется на резисторе 13 и поступает на вход заградительного фильтра 15, где выделяется полезный сигнал от помех, который усиливается и подается на вход приемного устройства 16.
За счет установки блока питания большой мощности на устье скважины обеспечивается организация электрического поля высокой энергии, которое распространяется в горной породе на большую глубину. Если же блок питания находится на забое, то организовать электрическое поле высокой энергии невозможно за счет стесненных размеров скважины, высоких температур (200÷300°C), высоких давлений (1500÷2000 атм), высоких вибраций и т.п. Установлено, что увеличение дальности действия устройства для передачи информации при бурении возможно за счет увеличения мощности источника (см. Шишкин О.П. Электромагнитное поле колонны труб в электрическом канале связи с забоем // «Изв. ВУЗов. Сер. Нефть и газ», №7, 1966, Молчанов А.А. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин. - М.: Недра, 1983. - 189 с).
Применение в качестве модулятора колебаний управляемого коммутатора, управляемого струйным генератором, позволяет обеспечить надежную работу забойной части канала связи в чрезвычайно тяжелых условиях забоя (см. Залманзон Л.А. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров автоматических систем. - М.: Наука, 1973. - 464 с.
Было проведено физическое моделирование предлагаемого устройства. Макет устройства показал работоспособность и эффективность.
Предлагаемое устройство позволяет эффективно использовать его для передачи забойной информации при бурении скважин.
Источники информации
1. Молчанов А.А. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин. - М.: Недра, 1983. 189 с.
2. Шишкин О.П. Электромагнитное поле колонны труб в электрическом канале связи с забоем // «Изв. ВУЗов. Сер. Нефть и газ», №7, 1966.
3. Залманзон Л.А. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров автоматических систем. - М.: Наука, 1973. - 464 с.
4. Патент RU №2132947, 1999 г. (прототип).