Скважинное телеметрическое устройство
DOWNHOLE TELEMETRY DEVICE

Предлагаемое устройство относится к области разведочной и промысловой геофизики и предназначено для измерения геофизических и технологических параметров в процессе бурения и исследования скважин.
Известны скважинные телеметрические устройства, содержащие корпус с электрическим разделителем колонны для передачи информации на поверхность земли. (Пат. РФ №2509209, Ε21В 47/12; пат. РФ №2305182, Е21В 47/12). В указанных устройствах имеется разделитель буровой колонны, имеющий две проводящие части, соединенные между собой через слой электроизоляционного материала, и устройство передачи, соединённое с обеими проводящими частями разделителя. Устройство передачи формирует сигнал в виде изменяющейся во времени разности потенциалов между частями разделителя, что приводит к возбуждению электрического тока, текущего по буровой колонне и окружающей ее горной породе. Сигнал принимается на поверхности с помощью набора электродов и чувствительного приемника.
Известен наддолотный модуль, содержащий корпус с центральным промывочным отверстием, выполненный из двух соединенных между собой частей с размещенным между ними слоем электроизоляционного материала. В герметично закрытых выемках корпуса размещены электронный блок и источник питания. (Пат. РФ №2633884, Е21В 47/00 - прототип). Корпус этого устройства состоит из двух частей, соединенных между собой через слой электроизоляционного материала. Электронный блок соединен с этими двумя проводящими частями и формирует на них изменяющуюся во времени разность потенциалов. Изолированные одна от другой части создают электрический диполь, и в буровой колонне, которая электрически соединена с устройством, возбуждается продольный электрический ток. Сигнал устройства принимается телеметрической системой. Недостатком этого устройства является необходимость изготовления изоляционного слоя, который должен обладать значительной прочностью, поскольку на него приходится вся рабочая нагрузка. Это усложняет изготовление устройства и уменьшает механическую прочность.
Предлагаемое устройство имеет повышенную надежность за счет использования цельного металлического корпуса и обеспечивает двусторонний обмен телеметрической информацией в процессе бурения с другим аналогичным устройством или телеметрической системой.
Скважинное телеметрическое устройство содержит корпус из электропроводящего материала с центральным отверстием для прохода промывочной жидкости, с соединительными резьбами для установки в буровую колонну. В герметичных отсеках корпуса размещены электронный блок и источник питания. В выемке корпуса снаружи и соосно с ним установлен тороидальный сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью с обмоткой, концы которой подсоединены к электронному блоку, остающееся пространство выемки заполнено электроизоляционным материалом.
На соединительную резьбу со стороны выемки с сердечником может быть установлен переводник.
Герметичная крышка отсеков с электронным блоком и источником питания может быть выполнена в виде цилиндрической гильзы с уплотнительными элементами, а вокруг выемки с сердечником размещено кольцо, выполненное из электроизоляционного материала.
Гильза может закрывать выемку с сердечником, при этом выше гильзы и выемки и соосно с ней размещена изолирующая прокладка.
На сердечнике могут быть размещены дополнительные обмотки, а между обмоткой или обмотками и электронным блоком может быть введено коммутационное устройство.
В корпусе может быть выполнено герметично закрывающееся отверстие с разъемом для соединения электронного блока с наземным оборудованием (на рисунке не показано).
Скважинное телеметрическое устройство может быть выполнено как часть вала забойного двигателя.
На рис. 1, 2 приведено практическое исполнение скважинного телеметрического устройства в виде наддолотного модуля. Корпус 1 содержит конические резьбы 2. Снаружи корпуса 1 сделаны отсеки 3, в которых размещены электронный блок и источник питания (на рисунке не изображены). По краям отсеков 3 установлены уплотнительные элементы 4 так, чтобы при установке на корпус 1 гильзы 5 образовывалось бы герметичное пространство отсеков 3. На одном из концов корпуса 1 выполнена выемка, снаружи и соосно с корпусом 1 установлен тороидальный сердечник 6 с обмотками, которые через гермоввод 7 подсоединены к электронному блоку и блоку питания. Выемка с тороидальным сердечником 6 заполнена электроизоляционным материалом 8. Заполнение выполнено так, чтобы оно не препятствовало снятию и установке на корпус 1 гильзы 5. Выемка закрыта кольцом 9 из электроизоляционного материала. Сверху выемки установлен переводник 1.
Для герметизации отсеков 3, расположенных по периметру корпуса 1, на внешнюю поверхность корпуса 1 надевают металлическую гильзу 5. Продолжением гильзы 5 служит кольцо 9 из электроизоляционного материала, предназначенное для защиты материала 8, заполняющего выемку, от воздействия внешней среды. Для этой же цели введен переводник 10. Кроме того, кольцо 9 исключает протекание тока вне тороидального сердечника 6.
На рис. 2 приведено исполнение устройства по п. 4 формулы, по которому для повышения надежности защиты от воздействия внешней среды гильза 5 продлена до торца корпуса 1, перекрывая тем самым выемку с сердечником 6 и электроизоляционным материалом 8. Для исключения протекания части тока передачи вне сердечника 6 введена прокладка 11, выполненная из электроизоляционного материала.
Устройство устанавливают в буровую колонну с помощью резьб 2 таким образом, чтобы корпус 1 имел электрический контакт с буровой колонной. Передача информации осуществляется следующим образом. Электронный блок формирует сигнал для передачи, усиливает его и передает в обмотку тороидального сердечника 6. Это приводит к возбуждению в нем переменного магнитного поля, что, в свою очередь, возбуждает в корпусе 1 устройства переменный ток, текущий в продольном направлении. Этот ток течет по колонне и принимается другим устройством, аналогичным описываемому, или скважинной телеметрической системой, имеющей электрический разделитель буровой колонны.
Прием информации осуществляется следующим образом. Ток, текущий по буровой колонне и корпусу 1 в продольном направлении, протекает сквозь сердечник 6 и возбуждает в нем переменное магнитное поле. Это поле возбуждает ток в обмотке сердечника, который усиливается и детектируется электронным блоком, преобразующим его в полезную информацию.
Для улучшения коэффициента связи со средой распространения сигнала и для повышения адаптации к изменению внешних условий передачи сигнала введены дополнительные обмотки, размещенные на сердечнике 6, требуемое количество которых и количество витков в них устанавливают опытным путем в процессе эксплуатации устройства.
Для избирательного подключения электронного блока к обмоткам сердечника 6 в состав электронного блока можно ввести коммутационное устройство, подключающее необходимые концы обмоток к узлам электронного блока.
При включении устройства нужно снять гильзу 5, осуществить необходимые подключения и снова надеть гильзу. Выполнение этих операций занимает определенное время и требует соответствующей подготовки обслуживающего персонала. Для повышения оперативности при использовании устройства в состав устройства введено дополнительное герметично закрытое отверстие, соединяющее отсек с электронным блоком с внешней поверхностью устройства.
Для снижения нагрузки на вал забойного двигателя устройство может быть выполнено как неотъемлемая часть его шпинделя. При этом исключается одна резьба 2, а прочие узлы выполняются аналогично основному варианту устройства.
Использование предложенного устройства позволяет значительно повысить надежность работы системы в жестких условиях процесса бурения за счет изменения принципа передачи информации.