Телеметрическая система для каротажа в процессе бурения

 

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано при контроле забойных и геофизических параметров в процессе бурения. Задачей изобретения является создание простой надежной малогабаритной забойной телесистемы с электромагнитным каналом связи. Забойная телесистема, смонтированная на бурильных трубах, 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. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к системам каротажа в процессе бурения. Предпочтительная область применения: бурение горизонтальных скважин.

В основе всех известных комплексных систем каротажа в процессе бурения (систем MWD) лежит магистрально-модульный принцип построения: блок питания, передающий блок, измерительные блоки и т.п. Поэтому в полном комплексе подобные системы имеют большую длину. Места соединений блоков - слабые места в конструкции, где часты отказы. Из-за растянутости конструкции приходится тянуть жгуты электросвязи по всей длине, что опять же снижает надежность работы. Кроме того, большая длина систем не позволяет использовать их в разбуриваемых скважинах с малым радиусом искривления (1. Аппаратура телеметрическая "ЭХО" АТ-3" // Нефтяное хозяйство. - М., 1994, 2, с.84. 2. Электромагнитный MWD - каталог фирмы Geoservices (Франция), 1997).

Те же недостатки присущи и применяемым за рубежом системам MWD аналогичного назначения с гидравлическим каналом связи (см., например: Модульная система MWD фирмы Sperry Sun Drilling Serv. // Нефтегазовые технологии (нефть, газ и нефтехимия за рубежом), 1995, 2, с. 16).

Известна забойная телеметрическая система, включающая бурильную колонну, корпус, блок питания, турбогенератор, измерительные модули, модуль передающего устройства, электрический разделитель и забойный двигатель. В качестве связей между модулями использованы гибкие в радиальном направлении и жесткие в продольном направлении металлические трубы, внутри которых размещены электрические провода, осуществляющие электрическую связь между модулями. Электрический разделитель выполнен в виде отдельного переводника, установленного непосредственно над забойным двигателем и отделенного от бурильной трубы слоем изолятора, а контакт электрической связи с низом бурильной колонны выполнен скользящим. При этом диаметры корпусов измерительных модулей и блока питания выполнены меньше внутреннего диаметра бурильной колонны, а длина модулей выбирается в зависимости от минимального радиуса траектории скважины (пат. 2105880 РФ, МКИ Е 21 В 47/12, заявл. 29.11.94 г., опубл. 27.02.98 г.).

Конструкция выполнена гибкой в радиальном направлении, что позволяет с ее помощью бурить скважины независимо от радиуса искривления, но сохранившаяся модульность исполнения не позволяет значительно уменьшить длину прибора и повысить надежность работы системы из-за обилия мест соединений.

В качестве прототипа выбрана система каротажа в процессе бурения "Забой" (Молчанов А.А. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин, М., Недра, 1983, с.172-173 - прототип). Забойное устройство системы содержит турбогенератор, разделитель (передающее устройство), технологический, инклинометрический и геофизический блоки датчиков. Все блоки (кроме турбогенератора) выполнены по единой конструктивной схеме. Основу каждого блока составляет корпус, являющийся элементом колонны бурильных труб и рассчитанный на те же нагрузки, что и бурильные трубы. Внутри корпуса закреплен герметичный контейнер, в котором подвешено шасси с электрическими блоками. Корпус разделителя выполняет две функции - воспринимает нагрузки как составная часть колонны и служит электрическим разделителем колонны. Корпус выполнен в виде двух переводников, между которыми расположен слой изолятора. Внутри корпуса размещен контейнер с электронной схемой передающего устройства. Блоки соединяются между собой межблочными разъемами.

Из-за последовательного размещения блоков общая длина прибора достигает 11 м, а общая масса 1,5 т, что значительно затрудняет процесс эксплуатации прибора. Растянутые коммуникации системы и обилие мест соединений в виде разъемов - самые слабые места системы, значительно понижающие ее надежность. Конструкция металло- и трудоемка, дорога и ненадежна.

Цель изобретения - создание простой надежной малогабаритной телеметрической системы для каротажа в процессе бурения с электромагнитным каналом связи. Забойная телесистема содержит бурильную колонну, турбогенератор, электрический разделитель колонны (ЭРК), электронный модуль и измерительные датчики. Измерительные датчики предлагается располагать на верхнем переводнике и изоляторе ЭРК и внутри него, при этом магниточувствительные датчики расположены 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 измерительными 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.

Дополнительно предложены варианты размещения отдельных видов измерительных датчиков, обычно применяемых для измерений при бурении скважин.Тензометрические датчики (вращающего момента турбобура, нагрузки на долото и т. д.) забойной телеметрической системы предложено размещать на верхнем переводнике ЭРК, а датчики электрического каротажа расположены на изоляторе ЭРК.

На фиг. 1, 2 изображен общий вид телеметрической системы для каротажа в процессе бурения, при этом на фиг. 2 представлено продолжение системы по фиг.1 (нижняя часть).

Телеметрическая система для каротажа в процессе бурения содержит турбогенератор 1, разъемы 2, 3, гермовводы 4, измерительные датчики 5, верхний переводник 6 ЭРК, провод (немагнитная сетка) 7, электронный модуль 8, изолятор 9 ЭРК, нижний переводник 10 ЭРК, колонну бурильных труб 11.

В колонну бурильных труб 11 встроены корпус турбогенератора 1 и ЭРК, выполненный из верхнего 6 и нижнего 10 переводников, между которыми зажат слой изолятора 9. Для прохода электрических проводов внутрь полости турбогенератора 1 предусмотрены гермовводы 4, обращенные к электронному модулю 8, и электрические разъемы 2, ответные части которых размещены на торцевой части верхнего переводника 6 ЭРК. Во внутренней полости ЭРК закреплен электронный модуль 8 таким образом, что основание турбогенератора 1 с гермовводами 4 герметизирует одновременно электронный модуль 8. Электрические провода, связывающие электронный модуль 8 с остальными блоками системы, через разъем 3 электронного модуля 8 и гермовводы 4 турбогенератора 1 попадают в полость турбогенератора 1 и его выходным контактам. Затем провода подсоединяются к разъему 2 на корпусе турбогенератора 1, ответные части которых расположены на торцевой части верхнего переводника 6 ЭРК, и далее по специальным проточкам в теле верхнего переводника 6 к измерительным датчикам 5 и переводникам 6 и 10 ЭРК. Электрическое соединение с нижним переводником 10 ЭРК выполнено в виде проводящей немагнитной сетки 7, охватывающей изолятор 9 ЭРК и изолированной от верхнего переводника 6. Немагнитная сетка 7 может быть заменена системой проводов в защитной оболочке, равномерно расположенных по образующей изолятора 9 ЭРК. На наружной поверхности верхнего переводника 6 ЭРК могут быть установлены датчики вращающего момента турбобура, нагрузки на долото и т.п. Инклинометрические и виброметрические датчики располагаются в полости ЭРК. При этом магниточувствительные датчики, такие как датчик магнитного азимута, должны быть расположены в полости ЭРК в районе его изолятора 9.

Разъемы 2, 3 предназначены для обеспечения соединения электрических проводов при сборке аппаратуры. Гермоввод 4 выполняет ту же функцию, обеспечивая дополнительно герметизацию мест соединений. Турбогенератор 1 выполняет функцию источника питания. Электронный модуль 8 управляет работой измерительных датчиков и аппаратуры в целом, давая команды на включение аппаратуры, на порядок и периодичность включения датчиков и определяя порядок передачи данных от измерительных датчиков на поверхность, и т.д.

Телеметрическую систему для каротажа в процессе бурения, смонтированную на бурильных трубах 11, опускают в скважину. После начала прокачки бурового раствора с поверхности земли турбогенератор 1 начинает выработку напряжения питания, которое по электрическим проводам через гермовводы 4 и разъем 3 поступает на электронный модуль 8 и датчики, расположенные в полости ЭРК, а через разъем 2 - на переводник 6 и через сетку 7 - на переводник 10 ЭРК и на датчики, расположенные на внешней поверхности ЭРК. При достижении заданного интервала исследования и наличии соответствующей команды сверху происходит включение системы. По заданной программе электронный модуль 8 начинает процесс опроса датчиков и формирование сигналов передачи.

Поскольку переводник 6 является составной частью бурильной колонны 11, он воспринимает все механические нагрузки, в частности вращающий момент турбобура, нагрузку на долото и т.п. Напряжения сдвига, возникающие в металле переводника 6, измеряются тензодатчиками, размещенными на поверхности переводника 6, и после преобразования в электронном модуле 8 информация о величине механических нагрузок поступает на переводники 6 и 10 ЭРК для передачи на поверхность земли. Аналогично происходит работа и других датчиков. Так, электроды датчиков электрического каротажа могут быть расположены на изоляторе 9 разделителя, который одновременно будет выполнять роль изолирующей прокладки для электродов.

При расположении датчика магнитного азимута или других магниточувствительных датчиков вблизи электрических проводов внутри разделителя электрическая связь турбогенератора 1 с нижним переводником 10 обычным путем с помощью проводника с током вызовет нарушение его работы, поскольку вокруг проводника с током образуется магнитное поле, нарушающее работу магнитных датчиков. Такое магнитное поле будет отсутствовать внутри проводника лишь при равномерном распределении тока по поверхности, в идеале - сплошном проводнике. Приближается к идеалу немагнитная проводящая сетка, но это нетехнологично и не очень удобно. При использовании равномерно расположенных по образующей изолятора ЭРК проводов расстояние между ними выбирают из условия, чтобы погрешность датчика на максимальном токе передачи не превышала заданной погрешности, и проверяют опытным путем.

Предложенное решение позволило создать надежную малогабаритную забойную телеметрическую систему для каротажа в процессе бурения с электромагнитным каналом связи.

Формула изобретения

1. Телеметрическая система для каротажа в процессе бурения, включающая разделитель колонны (ЭРК), электронный модуль и измерительные датчики, отличающаяся тем, что измерительные датчики расположены на верхнем переводнике и изоляторе ЭРК и внутри него, при этом магниточувствительные датчики расположены 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 подключены к выходам последнего, а через разъемы на корпусе турбогенератора, ответные части которых расположены на верхнем переводнике ЭРК, электронный модуль и турбогенератор соединены с измерительными датчиками, расположенными на корпусе ЭРК, и нижним переводником ЭРК, причем соединение с нижним переводником выполнено в виде проводящей немагнитной сетки, охватывающей изолятор ЭРК и изолированной от верхнего переводника, или равномерно расположенных по образующей изолятора ЭРК проводов.

2. Забойная телеметрическая система по п. 1, отличающаяся тем, что тензометрические датчики расположены на верхнем переводнике ЭРК.

3. Забойная телеметрическая система по п. 1, отличающаяся тем, что датчики электромагнитного каротажа расположены на изоляторе ЭРК.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2