УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЗАБОЙНОЙ ИНФОРМАЦИИ
POWER SUPPLY AND BOTTOMHOLE INFORMATION TRANSMISSION UNIT

Изобретение относится к геофизическим исследованиям в процессе бурения газонефтяных скважин с использованием телеметрических систем с беспроводным электромагнитным каналом связи.
Известно изобретение, относящееся к области бурения скважин, которое может быть использовано для измерения забойных параметров скважины в процессе бурения (RU 2278256, опубл. 20.06.2006). Забойная телеметрическая система с электромагнитным каналом связи, содержащая наземную приемно-обрабатывающую аппаратуру, электрический разделитель колонны и установленные ниже его генератор переменного тока и скважинную аппаратуру с измерительными датчиками и электронным передающим блоком. Электронный передающий блок скважинной аппаратуры присоединен к генератору сверху через электрический разъем под силовой кабель. Модуль автономного питания и измерительные модули скважинной аппаратуры соединены с генератором посредством слаботочных проводов через нижний электрический разъем.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является забойная телеметрическая система (RU 2190097, опубл. 27.09.2002), смонтированная на бурильных трубах, которая содержит турбогенератор, электрический разделитель колонны (ЭРК), электронный модуль и измерительные датчики. Датчики расположены на верхнем переводнике и изоляторе ЭРК внутри него, при этом магниточувствительные датчики помещены внутри ЭРК в районе его изолятора. Электронный модуль соединен непосредственно с турбогенератором, основание корпуса которого герметизирует электронный модуль. Электрические провода, связывающие электронный модуль с остальными блоками системы, через разъем электронного модуля и далее гермовводы турбогенератора связаны с выходом последнего, а через разъемы на корпусе турбогенератора, ответные части которых расположены на верхнем переводнике ЭРК, электронный модуль и турбогенератор соединены с датчиками, расположенными на корпусе ЭРК, и нижним переводником ЭРК. Соединение с нижним переводником ЭРК выполнено в виде проводящей немагнитной сетки, охватывающей изолятор ЭРК и изолированной от верхнего переводника, или равномерно расположенных по образующей изолятора ЭРК проводов.
Однако известные забойные телеметрические системы характеризуются ограниченной дальностью передачи данных и невозможностью работы на большой глубине, а также в режимах зарезки боковых стволов и при бурении в обсадной колонне, когда имеют место режимы, близкие к короткому замыканию.
Задачей настоящего изобретения является увеличение дальности достоверной передачи импульсных сигналов по электромагнитному каналу связи и максимально возможной глубины бурения, повышение надежности устройства электропитания и передачи забойной информации и расширение функциональных возможностей, в том числе работы в режимах зарезки боковых стволов и в обсадной колонне, т.е. в условиях, близких к короткому замыканию.
Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство электропитания и передачи забойной информации, включающее турбину, электрический генератор, электрический разделитель в конструкции с колонной бурильных труб, в которой монтируется оборудование, модуль датчиков измерения забойной информации, в частности, модуль инклинометра и/или модуль гамма-каротажа, электронный блок, при этом электронный блок содержит блок симисторов, блок управления симисторами, датчик тока импульсного сигнала, датчик напряжения силовой обмотки электрического генератора, датчик температуры, причем электронный блок установлен в герметичном отсеке корпуса электрического генератора, а симисторы установлены непосредственно на корпусе генератора. Модуль датчиков измерения забойной информации содержит блок измерительных датчиков, блок вычислений и блок питания. Электрический генератор имеет две изолированные обмотки: первая (приборная) обмотка служит для питания электронных блоков заявляемого устройства, вторая (силовая) обмотка - для формирования передаваемого на поверхность импульсного сигнала. Модуль датчиков измерения забойной информации (например, модуль инклинометра) передает в электронный блок информацию в виде пакетов данных с заданным интервалом повторения по согласованному интерфейсу. Электронный блок принимает данные, производит их кодирование и передачу на поверхность посредством коммутации напряжения силовой обмотки электрического генератора блоком симисторов. При этом блок симисторов реализован по мостовой схеме так, что входы симисторного моста соединены с выходами силовой обмотки электрического генератора и датчиком напряжения, первый выход моста соединен через датчик тока импульсного сигнала с корпусом электрического генератора и, соответственно, с верхней частью колонны бурильных труб, а второй выход через изолированный провод кабельной группы, размещенной в соединительной штанге, проходящей через электрический разделитель, соединен с нижней частью колонны бурильных труб. Расположение блока симисторов и блока управления симисторами в герметичном отсеке корпуса электрического генератора позволяет использовать корпус электрического генератора в качестве радиатора для рассеивания (теплоотвода) выделяемого во время работы симисторов тепла, что дает возможность увеличить максимальную мощность импульсного сигнала, генерируемого блоком симисторов. При этом электронный блок выполнен с возможностью автоматической стабилизации тока импульсного сигнала, исходя из задаваемой при настройке электронного блока уставки максимально допустимого значения тока, а также электронный блок выполнен с возможностью его ограничения при превышении заданной температуры блока симисторов путем автоматической коррекции уставки максимально допустимого значения тока импульсного сигнала в сторону уменьшения при превышении заданного порога температуры блока симисторов вплоть до блокировки работы блока симисторов при достижении его максимально допустимой температуры. Стабилизация тока импульсного сигнала позволит максимизировать мощность передачи сигнала для текущей степени нагрева блока симисторов без опасности выхода из строя симисторов из-за перегрева p-n-переходов их кристаллов, что особенно важно при большой глубине бурения. Во-вторых, это позволит применять устройство в режимах практически короткого замыкания, что имеет место при зарезке боковых стволов и при бурении в обсадной колонне.
На фиг.1 изображено устройство электропитания и передачи забойной информации, общий вид.
Предлагаемое устройство содержит верхнюю часть колонны бурильных труб 1, турбину 2, электрический генератор 3, электронный модуль 8, включающий в себя датчик тока 4 импульсного сигнала, датчик напряжения 5 силовой обмотки электрического генератора 3, датчик температуры 6, блок симисторов 7, блок управления симисторами 9, корпус электрического генератора/радиатор 10, кабельную группу 11, соединительную штангу 12, электрический разделитель 13, защитный кожух 14, модуль датчиков измерения забойной информации 15, нижнюю часть колонны бурильных труб 16.
Устройство работает следующим образом.
Буровой раствор приводит в действие турбину 2 электрического генератора 3, обеспечивающего электропитание электронных блоков устройства и импульсный сигнальный ток передачи. Модуль датчиков измерения забойной информации 15 (например, модуль инклинометра) производит измерения и вычисления, а полученные результаты в виде пакета данных передает по согласованному интерфейсу в электронный блок 8, а именно в блок управления симисторами 9, расположенный в герметичном отсеке корпуса 10 электрического генератора 3. Блок управления симисторами 9 кодирует полученные данные и управляет коммутацией блока симисторов 7, который генерирует сигналы передачи в виде импульсов электрического тока, излучаемых диполем, составленным изолированными электрическим разделителем 13, нижней 16 и верхней 1 частями буровой колонны, в толщу пласта для приема сигналов наземным приемным устройством.
При этом блок симисторов 7 реализован по мостовой схеме, причем входы симисторного моста соединены с выходами силовой обмотки электрического генератора 3 и с датчиком напряжения 5 силовой обмотки электрического генератора 3, первый выход моста соединен через датчик тока 4 с корпусом электрического генератора 3 и, соответственно, с верхней частью колонны бурильных труб 1, а второй выход моста через изолированный провод кабельной группы 11, размещенной в соединительной штанге 12, установленной в электрическом разделителе 13, соединен с нижней частью колонны бурильных труб 16.
Ток импульсного сигнала передачи генерируется в околотрубном пространстве диполем, образованным между верхней 1 и нижней 16 частями колонны бурильных труб, изолированных электрическим разделителем 13, и достигает поверхности Земли, где улавливается и дешифрируется наземной приемной аппаратурой (на чертеже не показана). Для увеличения глубины бурения необходимо обеспечить максимально возможную дальность передачи импульсов тока диполя, что определяется мощностью передаваемого сигнала, вычисляемой как произведение действующих значений тока передачи и напряжения силовой обмотки электрического генератора.
Максимальная мощность передачи ограничивается максимально допустимой рассеиваемой мощностью на симисторах при температуре p-n-перехода кристалла в текущий момент времени.
По результатам измерения температуры симисторов с помощью датчика температуры 6, значений тока импульсного сигнала и напряжения силовой обмотки генератора, измеренных датчиком тока 4 импульсного сигнала и датчиком напряжения 5, вычисляется фактическая и допустимая мощность импульсного сигнала передачи. Приведение фактической мощности излучения к допустимой при данной температуре разогрева корпусов симисторов производится регулированием тока передачи с помощью блока управления симисторами 9.
Установка симисторов непосредственно на корпусе 10 электрического генератора 3, обладающего значительной площадью контакта с омывающим снаружи корпус генератора буровым раствором, и, вследствие этого - низким тепловым сопротивлением «корпус-среда», позволяет существенно повысить отвод тепла от симисторов, а значит увеличить допустимую мощность генерируемого импульсного сигнала передачи.
В известных устройствах симисторы расположены на радиаторах малой площади, между радиаторами симисторного блока и защитным кожухом имеется конструктивно неустранимый воздушный зазор, создающий дополнительное тепловое сопротивление. Зазор образуется за счет того, что модуль инклинометра устанавливается со скользящей посадкой в защитный кожух, и радиатор симисторного блока должен иметь принципиально меньший диаметр, чем внутренний диаметр защитного кожуха, и длину, ограниченную общей длиной модуля. Таким образом, за счет увеличения теплоотдачи симисторов в заявленном устройстве возможно увеличить максимальную мощность импульсного сигнала передачи по сравнению с известными устройствами. Кроме того, в заявляемом устройстве по сравнению с известными устройствами повышается надежность, что обеспечивается регулированием мощности генерируемого импульсного сигнала передачи в зависимости от температуры симисторов. Для этого в устройство введены датчик тока 4 импульсного сигнала, датчик напряжения 5 силовой обмотки электрического генератора 3 и датчик температуры 6 блока симисторов 7. Это позволяет регулировать мощность передачи до уровня допустимой при данной температуре симисторов путем регулирования тока передачи, что предотвращает перегрев симисторов и выход их из строя.
Предлагаемое устройство обеспечивает:
- увеличение мощности импульсного сигнала передачи за счет увеличения теплоотдачи симисторов, установленных непосредственно на корпусе электрического генератора, что увеличивает дальность достоверной передачи данных и, соответственно, максимально возможную глубину бурения;
- ток импульсного сигнала, передаваемого на поверхность, при работе устройства, когда температура симисторов не превышает заданной пороговой величины, не просто ограничивается, как это реализовано в известных устройствах, а стабилизируется на уровне заданной уставки, что в нормальных условиях позволяет извлечь максимальную мощность передачи, а в экстремальных режимах, например, в случае возникновения короткого замыкания, обеспечивает защиту симисторов от пробоя;
- в заявляемом устройстве есть возможность использования модулей инклинометров различных производителей, отвечающих только требованиям согласованности по интерфейсу и питанию, поскольку все функции кодирования и передачи данных реализованы в электронном модуле, конструктивно размещенном в электрическом генераторе;
- нагрев блока симисторов в заявляемом устройстве не приводит к нагреву измерительных датчиков модуля датчиков измерения забойной информации и, следовательно, не влечет ухудшение эксплуатационных характеристик последнего;
- заявляемое устройство позволяет применять его в режиме зарезки боковых стволов, при бурении в обсадной колонне в условиях практически короткого замыкания, благодаря тому, что максимальный ток импульсного сигнала передачи автоматически стабилизируется на уровне заданной уставки, а при превышении заданного порогового значения температуры симисторов, ограничивается в соответствии с температурной коррекцией уставки тока передачи в сторону уменьшения последней.