Система передачи забойной информации в процессе бурения (варианты)
Владельцы патента RU 2298095:
Закрытое Акционерное общество Научно-производственная фирма по геофизическим и геоэкологическим работам "Каротаж" (RU)
Группа изобретений относится к бурению скважин и может быть использована в информационно-измерительных системах буровых установок для передачи информации о забойных параметрах. Система передачи забойной информации в процессе бурения, содержащая измерительно-преобразовательную аппаратуру, размещенную в нижней части бурового инструмента, и приемную регистрирующую аппаратуру, размещенную на поверхности. Система содержит тороидальную обмотку с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала, размещенную коаксиально поверх нижнего конца технической колонны, и кабель, соединяющий обмотку с приемной регистрирующей аппаратурой. По одному из вариантов система содержит еще одну тороидальную обмотку с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала, размещенную коаксиально поверх буровой трубы, при этом к обмотке подключен усилитель мощности скважинной измерительно-преобразовательной аппаратуры. По другому варианту выход усилителя мощности скважинной измерительно-преобразовательной аппаратуры включен между бурильной колонной и ее нижней частью, электрически изолированной от нее изоляционной вставкой. Техническим результатом является повышение надежности системы и повышение скорости передачи информации. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к информационно-измерительным системам буровых установок и может быть использовано для передачи информации о технологических параметрах бурения или параметрах пробуренных пород.
Известна система передачи информации от забойных измерительных устройств к наземной аппаратуре в процессе бурения, описанная в авторском свидетельстве СССР №150952, МПК Е21В 47/12. Эта система содержит приемное устройство, заземленное на удаленный электрод, и передающие и электроды, смонтированные на переводнике с изоляционным покрытием. Недостатком таких систем является очень слабый сигнал и высокий уровень шумов в приповерхностной части земли от различных силовых электрических установок.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является система передачи информации от забойных измерительных устройств к наземной аппаратуре в процессе бурения содержащая электрический разделитель, электрически изолирующий нижнюю часть бурильных труб вместе с долотом или турбобуром от основной колонны бурильных труб. Выходной усилитель мощности измерительного устройства подключен в разрыв между верхней и нижней частью колонны. (Последние достижения в области измерений в процессе бурения (ИПБ), IMS International MWD Society, 1996, IMS 2).
Недостатком этих систем является невысокая надежность используемого скважинного устройства.
Решаемой задачей изобретения является повышение уровня сигнала.
Техническим результатом изобретения является повышение скорости передачи информации.
Этот результат достигается за счет того, что в систему передачи забойной информации в процессе бурения, содержащую измерительно-преобразовательную аппаратуру, размещенную в нижней части бурового инструмента, и приемную регистрирующую аппаратуру, размещенную на поверхности, добавлены тороидальная обмотка с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала, размещенная коаксиально поверх буровой трубы, а к обмотке подключен усилитель мощности скважинной измерительно-преобразовательной аппаратуры, и вторая тороидальная обмотка с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала, размещенная коаксиально поверх нижнего конца технической колонны, и кабель, соединяющий вторую тороидальную обмотку с приемной регистрирующей аппаратурой.
В другом варианте исполнения в систему передачи забойной информации в процессе бурения, содержащую измерительно-преобразовательную аппаратуру, размещенную в нижней части бурового инструмента, выход усилителя мощности которой включен между бурильной колонной и ее нижней частью, электрически изолированной от нее изоляционной вставкой, и приемную регистрирующую аппаратуру, размещенную на поверхности, в нее добавлена тороидальная обмотка с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала, размещенная коаксиально поверх нижнего конца технической колонны, и кабель соединяющий обмотку с приемной регистрирующей аппаратурой.
Новым по отношению к прототипу является то, что в систему передачи забойной информации в процессе бурения, содержащую измерительно-преобразовательную аппаратуру, размещенную в нижней части бурового инструмента, и приемную регистрирующую аппаратуру, размещенную на поверхности, добавлены тороидальная обмотка с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала, размещенная коаксиально поверх буровой трубы, а к обмотке подключен усилитель мощности скважинной измерительно-преобразовательной аппаратуры, и вторая тороидальная обмотка с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала, размещенная коаксиально поверх нижнего конца технической колонны, и кабель, соединяющий вторую тороидальную обмотку с приемной регистрирующей аппаратурой.
В другом варианте исполнения системы новизна достигается за счет того, что в систему передачи забойной информации в процессе бурения, содержащую измерительно-преобразовательную аппаратуру, размещенную в нижней части бурового инструмента, выход усилителя мощности которой включен между бурильной колонной и ее нижней частью, электрически изолированной от нее изоляционной вставкой, и приемную регистрирующую аппаратуру, размещенную на поверхности, добавлена тороидальная обмотка с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала, размещенная коаксиально поверх нижнего конца технической колонны, и кабель, соединяющий обмотку с приемной регистрирующей аппаратурой.
Проведенные исследования известных в науке и технике решений показали, что идентичного решения нет.
На фиг.1 показана система, имеющая тороидальную передающую катушку и тороидальную приемную катушку;
на фиг.2 - конструкция тороидальной катушки;
на фиг.3 - вариант системы с тороидальной приемной катушкой и выходным каскадом измерительно-преобразовательной аппаратуры, подключенным между верхним и нижним участками буровой колонны, разделенными изоляционной вставкой (Вариант).
В нижней бурильной трубе 1 над долотом или турбобуром 2 размещается измерительно-преобразовательная аппаратура 3. На внешней поверхности этой трубы коаксиально размещается тороидальная катушка 4, к которой подключается усилитель мощности измерительно-преобразовательной аппаратуры 3. На нижнем конце обсадной (технической) колонны 5 устанавливается тороидальная катушка 6, соединенная с наземной аппаратурой 7 кабелем 8. И катушка 6, и кабель 8 заливаются цементом 9.
В варианте системы, в котором на нижнем конце обсадной (технической) колонны 5 устанавливается тороидальная катушка 6, соединенная с наземной аппаратурой 7 кабелем 8, а измерительно-преобразовательная аппаратура 3 подключается между верхним и нижним участками буровой колонны, разделенными изоляционной вставкой 16.
Тороидальная катушка представляет собой сердечник 10 из листовой трансформаторной стали или пермаллоя, на котором намотан провод 11. Катушка покрывается изоляционным материалом 12, защищающим обмотку от цементного раствора. На конце трубы 5 устанавливается наконечник 13, предотвращающий от повреждения катушки при спуске обсадной колонны в скважину.
Система работает следующим образом. В катушку 4 подается ток, промодулированный в соответствии с передаваемым сигналом, и на участке колонны, проходящем внутри тороидальной катушки, индуцируется ток. Так как сопротивление заземления колонны и сопротивление самой колонны достаточно низкие (сотые доли ома), возможно получить ток значительной величины при относительно небольшой мощности передающего устройства. Внешняя часть тока замыкается через породу, причем часть силовых линий тока 14 замыкается на участке ниже приемной катушки 6, а часть силовых линий тока 15 замыкается на техническую колонну 5, и эта часть тока проходит по технической колонне, внутри тороидальной обмотки 6, в которой индуцируется ЭДС, пропорциональная этой части тока. Очевидно, что чем большая часть тока, вытекающего из колонны, находящейся ниже передающей обмотки, проходит по технической колонне, тем больше ЭДС, наводящаяся в приемной катушке. Величина этого тока зависит от отношения длины технической колонны L к глубине скважины h, от материала, из которого изготовлены трубы бурового инструмента, и как следствие от частоты генерируемого тока, от удельного электрического сопротивления вмещающих пород и их интегральной анизотропии, от удельного электрического сопротивления бурового раствора. Но во всех случаях эта ЭДС будет существенно выше разности потенциалов между колонной и удаленным заземленным электродом при традиционном способе приема сигналов. Так, расчеты показывают, что при длине обсадной колонны L=500 м и глубине h=3000 м, для стальных труб (ρ=10-7 Ом, μ≈1000 μ0), при удельном электрическом сопротивлении горных пород ρ=100 Ом, доля тока, протекающего через приемную катушку на частоте 1000 Гц, примерно равна 2.5%. Однако несмотря на то, что доля тока, протекающая внутри приемной обмотки невелика, простой расчет показывает, что ЭДС, индуцируемая этой долей тока, может оказаться значительной.
При сопротивлении внешней цепи передающей катушки 0,25 Ом в колонне можно индуцировать ток 10 А (при количестве витков обмотки передающей катушки 40, ток в ней будет 0,25 А при напряжении 100 В и мощность сигнала 25 ВА, что при достаточно большой скважности сигнала величина небольшая). Ток внутри приемной катушки при этом составит 0,25 А, и при сорока витках приемной катушки и сопротивлении нагрузки 1 кОм на ее выходе получим напряжение порядка 6 В - величина, намного большая, чем мы имеем при традиционном способе приема сигналов (между колонной и удаленным заземленным электродом). В то же время вертикальная составляющая помех от наземных электрических устройств существенно меньше горизонтальной составляющей в приповерхностном слое земли.
Таким образом, при предлагаемой системе передачи забойной информации повышается надежность используемого при этом скважинного устройства, так как не нарушается целостность бурового инструмента, а в приемной части существенно повышается уровень сигнала, что позволяет повысить предельно передаваемую частоту, а следовательно, и скорость передачи информации.
Следующий вариант системы может быть использован с уже находящимся в эксплуатации парком забойных телеизмерительных систем.
При этом на нижнем конце обсадной (технической) колонны 5 устанавливается тороидальная катушка 6, соединенная с наземной аппаратурой 7 кабелем 8, а измерительно-преобразовательная аппаратура 3 подключается между верхним и нижним участками буровой колонны, разделенными изоляционной вставкой 16.
Промодулированный в соответствии с передаваемым сигналом ток подается между нижним 2 и верхним 1 участками бурового инструмента, электрически разделенными изоляционной вставкой 16. Электрический ток между этими двумя участками колонны замыкается через породу, причем часть силовых линий тока, как и в первом варианте, замыкается на участке ниже приемной катушки 6, а часть силовых линий тока замыкается на техническую колонну 5, и эта часть тока проходит по технической колонне, внутри тороидальной обмотки 6, в которой индуцируется ЭДС, пропорциональная этой части тока. Полученный в приемной катушке 6 сигнал передается по кабелю 8 к приемной измерительно-преобразовательной аппаратуре 7.
1. Система передачи забойной информации в процессе бурения, содержащая измерительно-преобразовательную аппаратуру, размещенную в нижней части бурового инструмента, и приемную регистрирующую аппаратуру, размещенную на поверхности, отличающаяся тем, что в нее добавлены тороидальная обмотка с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала, размещенная коаксиально поверх буровой трубы, а к обмотке подключен усилитель мощности скважинной измерительно-преобразовательной аппаратуры, и вторая тороидальная обмотка с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала, размещенная коаксиально поверх нижнего конца технической колонны, и кабель, соединяющий вторую тороидальную обмотку с приемной регистрирующей аппаратурой.
2. Система передачи забойной информации в процессе бурения, содержащая измерительно-преобразовательную аппаратуру, размещенную в нижней части бурового инструмента, выход усилителя мощности которой включен между бурильной колонной и ее нижней частью, электрически изолированной от нее изоляционной вставкой, и приемную регистрирующую аппаратуру, размещенную на поверхности, отличающаяся тем, что в нее добавлены тороидальная обмотка с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала, размещенная коаксиально поверх нижнего конца технической колонны, и кабель, соединяющий обмотку с приемной регистрирующей аппаратурой.
