ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ КАНАЛОМ СВЯЗИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к геофизическому оборудованию для сопровождения наклонно-направленного бурения скважин с целью определения параметров траектории скважины методом магнитометрической инклинометрии, состава горных пород методом гамма каротажа, пористости горных пород методом нейтрон-нейтронного каротажа с радионуклидным источником излучения нейтронов и насыщения горных пород методом высокочастотного индукционного каротажа, а также передачи результатов измерений на земную поверхность методом гидроимпульсной телеметрии по столбу промывочной жидкости в реальном времени.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известна забойная телеметрическая система, раскрытая в RU 152446 U1, опубл. 27.05.2015. Недостатком устройства является следующее:
1. Неизвлекаемая конструкция, в случае возникновения аварийной ситуации при бурении скважины, скважинные модули невозможно извлечь на поверхность, и они могут быть утеряны при ликвидации аварии.
2. Измерительные модули не позволяют определять насыщение и пористость горных пород, только направление скважины, зенитный угол и состав окружающих горных пород.
3. Межмодульное соединение осуществляется с помощью гибкого кабеля, изоляция которого может нарушиться во время эксплуатации из-за вибрации при бурении скважины и трения о внутреннюю стенку герметичного корпуса, где размещен указанный кабель.
4. Передача управляющих команд с земной поверхности на забойную телеметрическую систему осуществляется путем включения/выключения циркуляции по определенному алгоритму, при этом из-за высокого уровня помех от насосов буровой установки на сигнале давления в линии подачи промывочной жидкости могут возникать ситуации, когда встроенный датчик срабатывает на помехи, происходит ложное распознавания управляющих команд и несанкционированное переключение режимов работы забойной телеметрической системы.
Наиболее близким решением является частично извлекаемая забойная телеметрическая система модульной конструкции с маслонаполненным пульсатором роторного типа (www.aps-tech.com и http://www.qeotrend.ru/destinations/telemetry_system/geotrend_pulse/), основными недостатками данной системы являются:
1. Скважинные модули телеметрической системы извлекается только частично, модуль резистивиметра изготовлен в виде силовой трубы буровой компоновки и не может быть извлечен.
2. Роторный пульсатор маслонаполненный для компенсации внешнего давления, что снижает его надежность, сокращает время межоперационного обслуживания и требует дорогого оборудования для обслуживания пульсатора и прокачки масла.
3. В составе измерительных модулей отсутствует модуль нейтронного каротажа для измерения пористости горных пород.
4. Передача управляющих команд с поверхности осуществляется путем последовательного включения/выключения циркуляции промывочной жидкости и вращения бурового инструмента ротором буровой установки, при этом есть только два варианта одновременного изменения режима работы телеметрической системы - изменения ширины импульса давления от роторного пульсатора и изменение протокола передачи данных на поверхность и нет возможности изменять состав пакета данных для передачи на земную поверхность по гидроимпульсной телеметрии.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей заявленной полезной модели является разработка телеметрического устройства с гидравлическим каналом связи, позволяющей ее полностью извлекать в случае аварийной ситуации и прихвата бурового инструмента.
Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение искажений при определении параметров траектории скважин и свойств горных пород, повышающее надежность и точность определения и передачи параметров траектории скважин и свойств горных пород.
Указанный технический результат достигается за счет того, что телеметрическое устройство с гидравлическим каналом связи содержит цилиндрический корпус, выполненный из немагнитного материала, внутри которого по высоте последовательно между собой жестко закреплены модуль пульсатора роторного типа, модуль автономного электрического питания, модуль инклинометрии и гамма каротажа, модуль резистивиметра и модуль нейтронного каротажа. При этом в верхней части корпуса расположен циркуляционный переводник, содержащий седло с каналом подачи буровой жидкости, жестко закрепленное на внутренней поверхности циркуляционного переводника. При этом в седле жестко закреплен модуль пульсатора роторного типа, содержащий вал, выполненный с возможностью открытия/закрытия клапана в канале подачи буровой жидкости при вращении вала, при этом в области модуля резистивиметра в корпусе выполнены продольные щели, заполненные герметичными вставками из радиопрозрачного материала, при этом модуль нейтронного каротажа содержит капсулу, выполненную с возможностью боковой загрузки радионуклидного источника излучения.
Вал в модуле пульсатора жестко закреплен при помощи упорного подшипника и сальникового уплотнения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
Фиг. 1 - Разрез телеметрического устройства.
Фиг. 2 - Увеличенный разрез циркуляционного переводника
Фиг. 3а - Увеличенный продольный разрез телеметрического устройства в области модуля резистивиметра.
Фиг. 3b - поперечный разрез телеметрического устройства в области модуля резистивиметра.
Фиг. 4 - Увеличенный разрез модуля нейтронного каротажа.
Фиг. 5 - межмодульное соединение модулей телеметрического устройства
1 - корпус; 2 - модуль пульсатора роторного типа; 3 - модуль автономного электрического питания; 4 - модуль инклинометрии и гамма каротажа; 5 - модуль резистивиметра; 6 - модуль нейтронного каротажа; 7 - циркуляционный переводник; 8 - седло; 9 - ловушка; 10 - клапан; 11 - резиновые центраторы; 12 - вал; 13 - винт; 14 - сальниковое уплотнение; 15 - упорный подшипник; 16 - шина проводов питания и линии связи; 17 - капсула; 18 - многоконтактный разъем; 19 - резиновое кольцо; 20 - приемная катушка; 21 - передающая катушка; 22 - канал подачи буровой жидкости; 23 - продольные щели 24 - вставка из радиопрозрачного материала.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Телеметрическое устройство с гидравлическим каналом связи содержит цилиндрический корпус (1), выполненный из немагнитного материала, внутри которого по высоте последовательно между собой жестко закреплены модуль (2) пульсатора роторного типа, модуль (3) автономного электрического питания, модуль (4) инклинометрии и гамма каротажа, модуль (5) резистивиметра и модуль (6) нейтронного каротажа. При этом в верхней части корпуса расположен циркуляционный переводник (7), содержащий седло (8) с каналом (22) подачи буровой жидкости, жестко закрепленное на внутренней поверхности циркуляционного переводника (7). При этом в седле (8) жестко закреплен модуль (2) пульсатора роторного типа, содержащий вал (12), выполненный с возможностью открытия/закрытия клапана (10) в канале (22) подачи буровой жидкости при вращении вала (12), на верхнем конце которого жестко закреплена ловушка (9), обеспечивающая полное извлечение модулей (2-6) из скважины.
Цилиндрический корпус (1) выполнен составным в виде труб из немагнитного материала. Длина труб корпуса (1) соответствует длине модулей (2-6). Трубы жестко соединены между собой при помощи резьбового соединения.
Вал (12) в модуле (2) пульсатора жестко закреплен при помощи упорного подшипника (15) и сальникового уплотнения (14). Выполнение вала, жестко закрепленного в модуле пульсатора при помощи упорного подшипника и сальникового уплотнения, обеспечивает отсутствие гидрокомпенсации внешнего давления в модуле пульсатора, что обеспечивает надежность работы устройства и передачи информации без искажений с высокой точностью измеренных параметров модулями.
В корпусе (1) в области модуля (5) резистивиметра напротив каждой из двух пар приемных (20) и одной пары передающих (21) катушек выполнено по три продольные щели с длиной, соответствующей длине катушек (20, 21), и равномерно расположенные по периметру окружности корпуса (1), при этом продольные щели (23) заполнены герметичными вставками (24) из радиопрозрачного материала. Такое выполнение позволяет снизить искажения электромагнитного сигнала, что обеспечивает повышение точности измерения.
Модуль (6) нейтронного каротажа содержит капсулу (17), выполненную с возможностью боковой загрузки радионуклидного источника излучения. Боковая загрузка радионуклидного источника в модуль нейтронного каротажа позволяет реализовать транзит шины питания и цифровых данных через модуль, что обеспечивает возможность установки модуля нейтронного каротажа в компоновке телеметрического устройства выше модуля инклинометрии и гамма каротажа, тем самым при проведении измерений исключаются искажения от наведенной радионуклидным источником гамма активности на измерения естественной радиоактивности горных пород гамма методом.
Модуль (2) пульсатора роторного типа выполнен с возможностью изменения параметров работы забойного телеметрического устройства при выполнении алгоритма включения/выключения вращения бурового инструмента ротором буровой установки.
Жесткое крепление модуля пульсатора роторного типа в седле циркуляционного переводника, которое в свою очередь жестко закреплено на внутренней поверхности циркуляционного переводника буровой компоновки, позволяет обеспечить надежный электрический контакт трубы модуля резистивиметра с измерительным «нулем» потенциала модуля резистивиметра, что подавляет емкостную наводку на антенны модуля резистивиметра, расположенного внутри трубы бурового инструмента, и тем самым значительно повышает точность измерений удельного электрического сопротивления горных пород. При этом выполнение пульсатора именно роторного типа позволяет с помощью его клапана перекрывать канал подачи буровой жидкости на управляемую величину вплоть до полного перекрытия канала, что позволяет обеспечить оптимальный уровень полезного сигнала по отношению к помехам от буровых насосов и долота и повысить надежность передачи информации от измерительных модулей телеметрического устройства на земную поверхность.
В соответствии с фиг. 1-5 забойное телеметрическое устройство с гидравлическим каналом связи работает следующим образом.
Скважинные модули телеметрического устройство - модуль (2) пульсатора роторного типа, модуль (3) автономного электрического питания, модуль (4) инклинометрии и гамма каротажа, модуль (5) резистивиметра и модуль (6) нейтронного каротажа собираются на приемных мостках буровой установки путем вставки модулей (2-6) друг в друга с жестким креплением при помощи крепежных элементов (винтов). Межмодульное соединение дополнительно герметизируется при помощи резиновых колец (19). Модули электрически соединены между собой при помощи верхнего и нижнего многоконтактных разъемов (18) модулей (2-6), а многоконтактные разъемы (18) соединены между собой при помощи шины (16) проводов питания и линии связи. После соединения модулей (2-6) проверяется работоспособность сборки модулей путем подключения наземной станции к нижнему многоконтактному разъему (18) модуле (6) нейтронного каротажа. После проверки работоспособности и программирования режимов работы телеметрического устройства производится подъем соединенных между собой модулей (2-6), при этом установка радионуклидного источника в модуль (6) нейтронного каротажа осуществляется при боковой загрузке радионуклидного источника в капсулу (17). Затем осуществляется установка соединенных между собой модулей (2-6) в корпус (1) телеметрического устройства, выполненного из выполненный из немагнитного материала (немагнитные Mn-Cr стали марки Р550, Р580, magnadur 501 и 601) и монтаж модуля (2) пульсатора роторного типа в седле (8) внутри канала (22) подачи буровой жидкости, расположенном в циркуляционном переводнике (7). При этом модули (2-6) внутри корпуса (1) по его высоте центрируются при помощи резиновых центраторов (11), установленных в каждом модуле (2-6). Седло (8) и модуль (2) пульсатора роторного типа, вставленный в седло фиксируются при помощи винтов (13), обеспечивающих жесткую фиксацию седла (8) на внутренней поверхности циркуляционного переводника (7) и модуля (2) пульсатора роторного типа в седле (8). На верхнем конце корпуса (1) - циркуляционном переводнике (7) закрепляется (при помощи винтов или привинчивания) первая бурильная труба, а к нижнему концу корпуса (1) - к буровому инструменту, после чего осуществляют спуск бурового оборудования (телеметрическое устройство с буровыми трубами и буровым инструментом) путем наращивания бурильных труб. После спуска буровой установки в область бурения включаются насосы буровой установки, циркуляционная буровая жидкость подается через буровые трубы, канал (22) подачи буровой жидкости и пространство между внутренней поверхностью корпуса (1) и модулями (2-6) в буровой инструмент и затем буровая жидкость через пространство между корпусом (1) и стенкой скважины при помощи насоса поступает обратно на поверхность. Подача буровой жидкости обеспечивает запуск бурового двигателя и вращение долота, что обеспечивает бурение скважины. При этом забойное телеметрическое устройство по датчику давления модуля (2) пульсатора роторного типа самостоятельно определяет наличие циркуляции буровой жидкости, при этом активируются измерительные модули (4-6), которые определяют характеристики скважины: модуль (4) инклинометрии и гамма каротажа определяет данные о траектории скважины и составе горных пород; модуль (5) резистивиметра - удельное электрическое сопротивление горных пород; модуль (6) нейтронного каротажа - пористость горных пород. В забойном телеметрическом устройстве питание модулей (2, 4-6) осуществляется при помощи модуля (3) автономного электрического питания через шину (16) проводов питания и линии связи. Полученные данные с измерительных модулей (4-6) поступают в блок сбора данных в модуль (2) пульсатора роторного типа, который путем перекрытия канала подачи буровой жидкости при помощи клапана (10) открытия/закрытия подачи бурового раствора создает последовательности импульсов давления в соответствии с полученными данными от измерительных модулей (4-6). Благодаря неразрывности потока бурового раствора над клапаном (10) импульсы давления распространяются до устья скважины. Перекрытие канала подачи буровой жидкости осуществляется при помощи вращения вала (12) связанного с клапаном (10), жестко закрепленного при помощи упорного подшипника (15) и сальникового уплотнения (14) в модуле (2) пульсатора роторного типа, который при вращении осуществляет перекрытие канала подачи буровой жидкости за счет открытия или закрытия клапана (10) при вращении вала (12). На земной поверхности в линию подачи буровой жидкости монтируется датчик давления, который принимает импульсы давления от модуля (2) пульсатора роторного типа и передает на декодирующее устройство наземной станции, в котором происходит декодирование, обработка и визуализация информации от модулей (2, 4-6) забойного телеметрического устройства, что позволяет принимать оперативные решения по выбору направления бурения скважины.
Также в процессе бурения скважины возникает необходимость для изменения отдельных параметров работы забойного телеметрического устройства (ширина импульса давления, данные от измерительных модулей (4-6)). Для этого осуществляется передача команд с земной поверхности на скважинные модули (2, 4-6) забойного телеметрического устройства для изменения режимов работы путем последовательного включения/выключения вращения бурового инструмента ротором буровой установки, при этом забойное телеметрическое устройство самостоятельно распознает наличие вращения бурового инструмента и алгоритм включения/выключения вращения для переключения режима работы забойного телеметрического устройства.
При возникновении аварийной ситуации или прихвата бурового инструмента, во внутрь буровой установки производится спуск ловильного инструмента с овершотом на тросу или на бронированном грузонесущем кабеле, позволяющего обеспечить захват ловушки, после чего создается усилие, обеспечивающее разрушение винтов (13) и производится извлечение всех модулей (2-6) забойного телеметрического устройства на поверхность, включая модуль (6) нейтронного каротажа с радионуклидным источником. Это крайне важно, поскольку оставление радионуклидного источника излучения в скважине влечет за собой дорогостоящие ловильные работы, вплоть до ликвидации уже пробуренного ствола скважины.
Важной особенностью заявленной полезной модели является отсутствие гидрокомпенсации внешнего давления в модуле (2) пульсатора роторного типа, что позволяет существенно повысить надежность модуля и упростить конструкцию, и снизить затраты на обслуживание модуля, т.к. исключается дорогостоящее оборудование для прокачки масла в гидросистеме. В модуле (2) пульсатора реализована защита вала (12) привода клапана (10) и внутренней полости пульсатора от воздействия внешнего гидростатического давления до 80 МПа за счет применения сальникового уплотнения (14) без гидрокомпенсации внешнего давления, при этом для компенсации осевого усилия на вал (12), вызванного внешним давлением, он опирается на упорный подшипник (15).
Применение модуля (6) нейтронного каротажа позволяет получать дополнительную информацию по составу и пористости горных пород в процессе бурения скважины и более точно определить в совокупности с модулями (4-5) характеристики горных пород в околоскважинном пространстве с целью определения оптимального положения ствола скважины в продуктивном пласте.
Расположение модуля (4) инклинометрии и гамма каротажа в забойном телеметрическом устройстве позволяет расположить его на удаленном расстоянии от магнитных элементов бурового инструмента, которые искажают измерения параметров магнитометрической инклинометрии.
Применение в корпусе (1), в области модуля (5) резистивиметра, продольных щелей (23), заполненные герметичными вставками (24) из радиопрозрачного материала (полиэфирэфиркетон) позволяет снизить искажения электромагнитного сигнала, что обеспечивает точность измерения модулем (5) резистивиметра.
Полезная модель была раскрыта выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления полезной модели, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, полезную модель следует считать ограниченным по объему только ниже следующей формулой изобретения.