Электрический разделитель-излучатель для забойных телесистем

Предложенное изобретение относится к геофизическим устройствам для передачи сигналов по беспроводному каналу связи, в частности к электрическим разделителям буровой колонны. Техническим результатом является повышение потребительских свойств, таких как долговечность, надежность, ремонтопригодность, без усложнения технологии и увеличения затрат на изготовление. Электрический разделитель-излучатель для забойных телесистем выполнен из двух цилиндрических трубных электродов, разделенных между собой диэлектрической вставкой. При этом одним электродом является бурильная труба, на которую коаксиально надета и жестко зафиксирована через электроизоляционную втулку вторая труба, которая является вторым электродом. Причем электроды выполнены из немагнитного материала, а длина электроизоляционной втулки меньше длины первого электрода, но больше длины второго электрода. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к бурению и может быть использовано в качестве составной части (излучателя) бескабельных телеметрических систем, использующихся в процессе бурения, и, в частности, для контроля навигационных параметров траектории ствола скважин с использованием беспроводного электромагнитного канала связи через разбуриваемые породы.

Для передачи информации о параметрах бурения (в том числе инклинометрических) используются различные каналы связи, в том числе: кабельный, гидравлический, электромагнитный, акустический. Каждый из этих каналов имеет свои преимущества (недостатки) и все они в той или иной степени освоены практикой бурения. Причем если зарубежные пользователи применяют главным образом забойные телесистемы с гидравлическим каналом связи, то в отечественной теории и практике проведения сложноориентированных скважин, в том числе и горизонтальных, широко используются телесистемы с электромагнитным (беспроводным) каналом связи [1].

Электромагнитный канал связи организуется при передаче электрических колебаний с забоя скважины, источником которых является забойный генератор, нагруженный на два изолированных друг от друга электрода. Между электродами создается электрическое поле, которое, распространяясь по колонне бурильных труб и по окружающей скважину породе, достигает поверхности земли. На поверхности, между колонной бурильных труб и электродом, заглубленным в землю, возникает разность потенциалов, которая в общем случае зависит от тока и частоты электрического сигнала, генерируемого между электродами на забое, геометрических размеров электродов и изолированного участка, диэлектрических свойств изолятора и сопротивления горных пород.

Надежный прием сигналов с забоя возможен при соответствующей мощности генератора. Увеличение дальности приема можно добиться повышением чувствительности приемной аппаратуры с соответствующими фильтрами и снижением уровня помех. Дальность надежной передачи информации с забоя по каналу связи может быть увеличена также снижением частоты сигналов до частот менее одного герца.

Теоретически и практически вопросы надежной передачи информации с забоя и ее приема на поверхности с использованием электромагнитного канала связи (ЭКС), можно сказать, достаточно полно решены отечественными разработчиками и практиками, о чем свидетельствует обширная техническая литература [1…5]. Тем не менее, есть и нерешенные проблемы, которые ограничивают широкое внедрение скважинных телесистем, использующих ЭКС. Одной из таких проблем является ограниченный срок службы (эксплуатации) корпусов с электроизоляционной вставкой (изолятором). Проблема эта особенно актуальна при роторном способе бурения скважин, когда к элементам забойных телесистем, и в частности к несущим корпусам, предъявляются повышенные требования к их механической прочности на растяжение и крутящий момент.

Из наиболее известных отечественных разработок [1, стр.291-304], широко применяемых в массовом бурении сложноориентированных, в том числе и горизонтальных, скважин, являются забойные телесистемы типа ЗИС-4 (ВНИИГИС, Башкортостан, г.Октябрьский) или ее модификация ЗИС-4М, выпускаемая ОАО ИПФ «Сибнефтеавтоматика» (г.Тюмень). Электрический разделитель бурильной колонны этих телесистем состоит из двух трубных элементов, жестко соединенных между собой конической резьбой, в зазоре которой между резьбовыми поверхностями обоих элементов размещен электроизоляционный материал. На наружной поверхности соединенных между собой элементов размещено электроизоляционное покрытие. Естественно, что при бурении основным ограничением по нагрузке (на растяжение и на крутящий момент) является резьбовое (через электроизоляционный материал) соединение двух трубных элементов, которое, как показывает практика, критично при турбинном бурении в режиме проворачивания бурильной колонны и особенно при роторном бурении в режиме непрерывного вращения бурильной колонны.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому электрическому разделителю (излучателю) для забойных телесистем является электрический разделитель колонны бурильных труб по патенту на полезную модель [6], включающий верхнюю и нижнюю части корпуса, соединенные между собой коническим резьбовым участком с диэлектрическим покрытием, и цилиндрические слои электроизоляционного материала на наружной и внутренней поверхностях.

Длительная практика геофизических служб по эксплуатации известного объекта показала, что попытка использования этой конструкции при роторном бурении скважины или частые проворачивания бурильной колонны в стволе скважины при турбинном бурении резко сокращают срок службы электрического разделителя как излучающей антенны-диполя из-за повреждения или полного разрушения диэлектрического материала по резьбовому, со вставкой-изолятором, сочленению его частей вследствие несовершенства фиксации частей корпуса от взаимного углового смещения и (или) развинчивания.

Требуемый технический результат (иначе - цель создания заявляемой конструкции электрического разделителя (излучателя) для забойных телесистем как излучающей антенны) - это обеспечение механической прочности изделия при его использовании в турбинном (с проворотом бурильной колонны) и роторном способах бурения, иначе - обеспечение повышенных потребительских свойств, таких как долговечность, надежность, ремонтопригодность, причем без усложнения технологии и увеличения затрат на изготовление.

Поставленная цель (иначе - требуемый технический результат) достигается тем, что в известном электрическом разделителе для забойных телесистем, содержащем два цилиндрических трубных электрода, разделенных между собой диэлектрической вставкой, одним электродом является бурильная труба, на которую коаксиально надета и жестко зафиксирована через электроизоляционную с высокими диэлектрическими свойствами втулку вторая труба, являющаяся вторым электродом.

Дополнительным отличием заявляемого электрического разделителя (излучателя) для забойных телесистем является то, что электроды (первый и второй) выполнены из немагнитного материала.

Вторым дополнительным отличием электрического разделителя (излучателя) для забойных телесистем является то, что электроды (первый и второй) и электроизоляционная втулка расположены относительно друг друга соосно и таким образом, что их центры масс совпадают, причем всегда длина электроизоляционной втулки меньше длины первого электрода, но больше длины второго электрода.

Требуемый технический результат в совокупности существенных признаков объекта обеспечен наличием в нем вышеуказанных отличительных признаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами предполагает соответствие заявляемого объекта критериям "новизна" и "изобретательский уровень" при очевидной возможности промышленного применения.

На чертеже изображена конструкция заявляемого электрического разделителя (излучателя) для забойных телесистем (с разрезом по оси О-О).

Электрический разделитель (излучатель) для забойных телесистем (см. чертеж) состоит из цельной бурильной трубы 1 из немагнитного материала с присоединительными резьбами на ее концах (не показаны), на которую коаксиально надета и жестко зафиксирована через электроизоляционную с высокими диэлектрическими свойствами втулку 2 вторая труба 3 из немагнитного материала, являющаяся вторым электродом.

Изделие работает следующим образом.

Электрический разделитель (излучатель) для забойных телесистем устанавливают с помощью резьбовых соединений в колонну бурильных труб. В процессе бурения информация с электронного блока (не показан), размещенного внутри бурильной трубы 1 (первого электрода), передается на поверхность. Трубные электроды 1 и 3 (первый и второй), разделенные между собой электроизоляционной втулкой, выполняют функцию излучателя передающего устройства, входящего в состав электронного блока.

Такая конструкция электрического разделителя (излучателя) при несомненной технологичности его изготовления полностью сохраняет целостность и прочностные характеристики несущей конструкции колонны бурильных труб в процессе бурения.

Изготовленные таким образом электрические разделители (излучатели) для забойных телесистем, прошедшие предварительные испытания, показали, что требуемый технический результат обеспечивается в полной мере, заявляемый объект соответствует критериям изобретения и в связи с этим подлежит защите соответствующим охранным документом РФ на промышленную собственность.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ОПИСАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Молчанов А.А., Абрамов Г.С. Бескабельные измерительные системы для исследований нефтегазовых скважин (теория и практика) / Под общ. ред. А.А. Молчанова. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2004. - 516 с.

2. Молчанов А.А., Лукьянов Э.Е., Рапин В.А. Геофизические исследования горизонтальных скважин: учебное пособие. - СПб.: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ), 2001, 298 с.

3. РФ патент на ИЗ №2232829 С1, МПК⁷ Е21В 47/12, приоритет 15.12.2002.

4. РФ патент на ИЗ №2232890 С1, Кл⁷. Е21B 47/12, приоритет 04.01.2003.

5. РФ патент на ИЗ №2307931 С1, МПК Е21B 47/12, приоритет 27.01.2006.

6. РФ свидетельство на ПМ №17196, М. Кл⁷. Е21В 47/00, приоритет 23.10.2000, прототип.

1. Электрический разделитель-излучатель для забойных телесистем, содержащий два цилиндрических трубных электрода, разделенных между собой диэлектрической вставкой, отличающийся тем, что одним электродом является бурильная труба, на которую коаксиально надета и жестко зафиксирована через электроизоляционную с высокими диэлектрическими свойствами втулку вторая труба, являющаяся вторым электродом.

2. Электрический разделитель-излучатель для забойных телесистем по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены из немагнитного материала.

3. Электрический разделитель-излучатель для забойных телесистем по п.1 или 2, отличающийся тем, что электроды и электроизоляционная втулка расположены относительно друг друга таким образом, что их центры масс совпадают, причем всегда длина электроизоляционной втулки меньше длины первого электрода, но больше длины второго электрода.