RU181692U1 - Устройство для передачи сигналов в скважинной среде - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области скважинной телеметрии, а именно к устройству для передачи сигналов от передающей секции к приемной секции в скважинной среде.Технический результат, достигаемый предложенным решением, заключается в увеличении ресурса устройства для передачи сигналов в скважинной среде в широком диапазоне условий эксплуатации при сохранении приемлемого качества сигнала.Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработано устройство для передачи сигналов в скважинной среде, содержащее:- бурильную колонну, содержащую бурильные трубы, забойный двигатель и долото;- передающую секцию, расположенную на бурильной колонне над долотом;- приемную секцию, расположенную на бурильной колонне над забойным двигателем;причем передающая секция разделена на две электрически изолированные, но конструктивно единые части, так что нижняя часть передающей секции электрически и конструктивно связана с долотом, а верхняя часть электрически и конструктивно связана с остальной частью бурильной колонны;причем передающая секция содержит передатчик, выполненный с возможностью передачи сигналов к приемной секции посредством создания разности потенциалов между верхней и нижней частями передающей секции, причем передающая секция разделена на две электрически изолированные части диэлектрической вставкой, при этом длина диэлектрической вставки составляет невключительно от 0,25 до 5 процентов длины передающей секции. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к области передачи сигналов в скважине и может быть использована в системах измерения в процессе бурения (MWD), каротажа в процессе бурения (LWD) и т.п., в том числе в составе роторных управляемых систем (РУС) и другого оборудования компоновки низа бурильной колонны (КНБК).

Уровень техники

Во многих регионах России и мира в последнее время наблюдается тенденция истощения разрабатываемых крупных месторождений и вовлечения в разработку новых месторождений, зачастую менее мощных и менее доступных. По мере того, как объектами бурения становятся пласты все меньшей мощности, возникает необходимость более точного расположения ствола для обеспечения максимальной продуктивности скважин. Для этих целей применимы и полезны системы наклонного и горизонтального бурения.

При бурении наклонных и горизонтальных скважин получили бурное развитие и стали порой неотъемлемой частью технологии измерения в процессе бурения (MWD), каротажа в процессе бурения (LWD) и другие подобные технологии, в которых используется передача в реальном времени во время бурения сигналов, содержащих некоторые измеряемые параметры, из передающей секции, находящейся в области, в которой расположено долото, на поверхность (например, оператору) напрямую или через промежуточную приемно-обрабатывающую секцию, находящуюся в скважине на меньшей глубине, чем передающая секция. Так, системы MWD могут передавать данные по инклинометрии (траектории ствола скважины), забойной температуре, давлению, динамическим параметрам бурения и гамма-каротажу; системы LWD могут передавать данные по свойствам горных пород и пластовых флюидов, таких как вода, нефть, газ, технически позволяя отказаться от традиционного комплекса ГИС в открытом стволе. Существуют системы, которые совмещают в себе MWD и LWD – иногда их называют M/LWD.

Есть несколько основных направлений, по которым развиваются такие системы:

- совершенствование навигационных датчиков и обрабатывающего программного обеспечения для повышения точности проводки ствола скважины;

- увеличение скорости передачи данных для сокращения времени на измерения при бурении;

- расширение комплекса регистрируемых и передаваемых данных измерениями динамических параметров бурения и давления внутри- и затрубного пространства для выбора оптимальных режимов бурения, промывки скважин и плотности бурового раствора, сокращая время строительства скважины и снижая риски, связанные с дифференциальными прихватами и гидроразрывами;

- повышение надежности скважинного оборудования и сокращение непроизводительного времени, связанного с отказами оборудования.

Последнее направление является чрезвычайно важным, поскольку от непроизводительных трат снижается рентабельность как самого бурения, так и последующей разработки месторождений, вплоть до того, что вовлечение в разработку нового малопродуктивного пласта или пласта, содержащего трудноизвлекаемые запасы, может оказаться нецелесообразным из-за ресурсозатратных буровых работ. Даже само применение систем MWD/LWD без проведения традиционного каротажа на кабеле часто бывает обусловлено стремлением или необходимостью получения приемлемых результатов в максимально короткие сроки, поэтому простои оборудования в связи с его отказами крайне нежелательны.

Между тем, условия эксплуатации передающей секции являются весьма агрессивными, и в процессе бурения происходит постоянное трение и соударение твердых частиц из бурового шлама о передающую секцию. Вибрация, которую испытывает бурильная колонна, а вместе с ней и передающая секция, может достигать 90g в пиковые моменты и в среднем до 5-6g в течение нескольких минут, что влияет на скорость износа оборудования. Кроме того, по некоторым данным, в России, возможно, находится наибольшее количество самых сложных нефтяных месторождений в мире. Существуют, например, месторождения, отличающиеся высокими или низкими забойными температурами (от околонулевых до 175-200 °С), повышенными давлениями (более 200 МПа), агрессивной коррозионной средой, высоким содержанием H2S, высоким содержанием песка (более 2%), из-за чего оборудование требует частой замены запчастей для поддержания высокого значения средней наработки на отказ.

Среди систем, обеспечивающих передачу измеряемых данных в скважине, например, известно устройство, описанное в RU 2278236 C1, которое включает долото, забойный двигатель с отклонителем, модуль измерения положения отклонителя (МИПО), гидравлический ориентатор и расположенный в немагнитном переводнике модуль измерения и телеметрии, связанный посредством кабеля с наземным приемно-обрабатывающим комплексом. В состав МИПО входят корпус с центральным промывочным отверстием, на котором размещен электрод, расположенный между изоляторами и электрически изолированный от корпуса, в корпусе расположены электрические схемы, измерительные датчики, источник питания и передающее устройство. В модуль измерения и телеметрии введено приемно-обрабатывающее устройство, отделенное от МИПО электрическим разделителем и осуществляющее прием электромагнитных сигналов от передающего устройства МИПО. В состав измерительных датчиков МИПО могут входить акселерометры. Отклонитель, МИПО и гидравлический ориентатор могут быть связаны между собой быстроразъемным соединением, например, при помощи резьбы. Изобретение направлено на повышение качества проводки скважин с возможностью применения колтюбинга - гибких непрерывных бурильных труб.

Но в этом устройстве долото электрически связано с бурильной колонной, что вызывает растекание тока, несущего полезный сигнал, в направлении долота, и тем самым, уменьшение тока, текущего к приемно-обрабатывающему блоку сигналов, из-за чего на приемной стороне получается низкое отношение сигнал/шум и в подавляющем большинстве случаев требуется дополнительное усиление принятого сигнала. Кроме того, при практическом использовании такая компоновка демонстрирует очень большой разброс значений принимаемого сигнала, что приводит к необходимости использования усилителя с большим динамическим диапазоном. Более того, при такой компоновке на некоторых глубинах наблюдается абсолютное отсутствие полезного сигнала на входе приемника на фоне помех. Соответственно, данное устройство не может быть пригодно для широкого диапазона условий эксплуатации даже безотносительно его ресурса.

Известна система (WO 2014/176703 A1) для передачи кадра данных телеметрического электромагнитного (ЭМ) сигнала в или из скважины с использованием многоканальных передач. Система содержит гнездовой и штыревой элементы сопряжения, диэлектрический разделитель между ними, а также блок электроники с датчиками для скважинных измерений и кодирования и объединения сигналов с датчиков в единый телеметрический ЭМ-сигнал и передатчик телеметрического ЭМ-сигнала.

Однако в данном решении, несмотря на его внешнее конструктивное сходство с предложенной полезной моделью, предусмотрена не гальваническая передача полезных измеряемых сигналов с инструмента на удаленное приемное устройство по буровому раствору и окружающей породе, а электромагнитная передача, которая во время бурения может быть сопряжена с определенными сложностями и может не обеспечивать должную стабильность передачи сигналов на разных глубинах и при разных свойствах проходимых пород. Соответственно, в этом документе вообще не упоминается размер диэлектрического разделителя, так как он не имеет существенного значения ввиду рассматриваемых задач. Между тем, при гальванической передаче сигналов размер диэлектрического разделителя может иметь значение. Соответственно, данная система не может быть пригодна для широкого диапазона условий эксплуатации даже безотносительно ее ресурса.

Из уровня техники известно также устройство, раскрытое в RU 169710 U1, выбранное в качестве прототипа, в котором передающая секция разделена на две электрически изолированные, но конструктивно единые части, так что нижняя часть передающей секции электрически и конструктивно соединена с долотом, а верхняя часть электрически и конструктивно соединена с остальной частью бурильной колонны; причем передающая секция содержит передатчик, выполненный с возможностью передачи сигналов к приемной секции посредством создания разности потенциалов между верхней и нижней частями передающей секции, причем передающая секция разделена на две электрически изолированные части диэлектрической вставкой.

Как раскрывается в описании RU 169710 U1, длина диэлектрической вставки, с одной стороны, влияет на качество передаваемого сигнала, а с другой стороны, на механическую прочность передающей секции. Из-за этого возможного влияния длина диэлектрической вставки в данном решении составляет 5-30% длины передающей секции.

Однако, при практическом применении такие ограничения оказались не всегда целесообразными, поскольку они не всегда могут обеспечить должный ресурс устройства.

Таким образом, в уровне техники существует потребность в разработке устройства для передачи сигналов в скважине в процессе бурения, имеющего как можно больший ресурс (время наработки на отказ) в широком диапазоне условий эксплуатации при сохранении приемлемого качества сигнала в приемной секции, находящейся на требуемой дальности от передающей секции.

Раскрытие сущности полезной модели

Настоящая полезная модель направлена на устранение или по меньшей мере смягчение вышеуказанных проблем предшествующего уровня техники путем предоставления устройства для передачи сигналов в скважинной среде, содержащего:

- бурильную колонну, содержащую бурильные трубы, забойный двигатель и долото, соединенные известным из уровня техники способом;

- передающую секцию, расположенную на бурильной колонне над долотом;

- приемную секцию, расположенную на бурильной колонне над забойным двигателем;

причем передающая секция разделена на две электрически изолированные, но конструктивно единые части, так что нижняя часть передающей секции электрически и конструктивно связана с долотом, а верхняя часть электрически и конструктивно связана с остальной частью бурильной колонны;

причем передающая секция содержит передатчик, выполненный с возможностью передачи сигналов к приемной секции посредством создания разности потенциалов между верхней и нижней частями передающей секции,

причем передающая секция разделена на две электрически изолированные части диэлектрической вставкой, при этом длина диэлектрической вставки составляет невключительно от 0,25 до 5 процентов длины передающей секции.

В дополнительных вариантах осуществления разность потенциалов характеризует по меньшей мере одно из зенитного угла, скорости вращения долота, гидростатического давления бурового раствора, нагрузки на долото, уровня внешнего естественного гамма-излучения породы с одной или двух сторон передающей секции, удельного электрического сопротивления породы в ближней зоне; бурильная колонна дополнительно содержит забойный отклонитель над забойным двигателем; электрический сигнал, вызванный разностью потенциалов, идет через скважинную жидкость и/или породу; передающая секция содержит по меньшей мере один блок электроники для измерения и контроля физических параметров; упомянутый по меньшей мере один блок электроники расположен по меньшей мере в одной нише, герметично закрытой крышкой; передатчик расположен в нише, герметично закрытой крышкой; передатчик расположен в нижней части передающей секции; длина диэлектрической вставки составляет от 2,5 до 45 мм; расстояние от передающей секции до приемной секции составляет от 10 до 30 м; длина передающей секции составляет от 300 до 1000 мм; передающая секция интегрирована в забойный двигатель.

Основной задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является увеличение ресурса устройства для передачи сигналов в скважинной среде, в частности, передающей секции, при сохранении эффективной передачи сигналов телеметрии от передающей секции к приемной секции, что обеспечивается конструкцией передающей секции, представляющей собой дипольный излучающий элемент, с уменьшенной диэлектрической вставкой.

Сущность полезной модели заключается в том, что передающая секция устройства для передачи сигналов в скважинной среде разделена на две электрически изолированные части, благодаря этому долото электрически изолируется от остальной части бурильной колонны и таким образом становится частью передающего электрода передающей секции, при этом размеры диэлектрической вставки таковы, что ее разрушение в агрессивных условиях эксплуатации происходит медленнее.

Технический результат, достигаемый предложенным решением, заключается в увеличении механической прочности и долговечности устройства для передачи сигналов в скважинной среде при сохранении приемлемой интенсивности и качества сигнала, передаваемого от передающей секции к приемной секции.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 показывает схематично заявленное устройство для передачи сигналов в скважинной среде.

Фиг.2 показывает растекание тока при приложении разности потенциалов к двум частям передающей секции.

Фиг.3 показывает схематично вариант осуществления приемной секции устройства для передачи сигналов в скважинной среде.

Фиг.4 показывает графики зависимости амплитуды напряжения от глубины погружения заявленного устройства для различных длин диэлектрической вставки.

Осуществление полезной модели

Далее настоящая полезная модель раскрывается более подробно со ссылкой на вышеуказанные чертежи.

Бурильная колонна представляет собой спущенную в скважину сборку из бурильных труб, скреплённых между собой бурильными замками, предназначенную для подачи гидравлической и механической энергии к долоту посредством забойного двигателя, для создания осевой нагрузки на долото, а также, как вариант, для управления траекторией бурящейся скважины посредством отклонителя.

Общая схема устройства для передачи сигналов в скважинной среде приведена на Фиг.1. Согласно настоящей полезной модели, устройство для передачи сигналов в скважинной среде содержит бурильную колонну, приемную секцию 9, расположенную на бурильной колонне над забойным двигателем 8 бурового комплекса, передающую секцию (элементы 2-7), расположенную на бурильной колонне между забойным двигателем 8 и долотом 1, а также долото 1, конструктивно соединенное с передающей секцией. Между забойным двигателем и передающей секцией в одном из вариантов может располагаться забойный отклонитель. Передающая секция и приемная секция 9 вдоль всей свой оси содержат отверстие, предназначенное для прохождения сквозь них бурового раствора. Передающая секция содержит диэлектрическую вставку 5, электрически разделяющую корпус передающей секции на две электрически изолированные друг от друга части, причем верхняя часть 7 передающей секции электрически изолирована от долота 1 и электрически соединена с приемной секцией 9, а нижняя часть 4 передающей секции конструктивно и электрически соединена с долотом 1. Передающая секция содержит передатчик 3, выполненный с возможностью передачи сигналов к приемной секции 9 посредством создания разности потенциалов между двумя (верхней 7 и нижней 4) частями передающей секции. Для этого передатчик 3 передающей секции соединен с проводящими элементами нижней части 4 (передающим электродом) через первый электрический контакт 2 и с проводящими элементами верхней части 7 (общим электродом) через второй электрический контакт 6. Первый электрический контакт 2 является сигнальным, тогда как второй электрический контакт 6 является общим. Проводящими элементами верхней и нижней частей может быть, например, их металлический корпус или по меньшей мере часть их поверхности – например, электропроводящее покрытие, нанесенное на непроводящие корпусные элементы. Передающий электрод передающей секции может быть электрически изолирован от корпуса передающей секции. Передающий электрод передающей секции должен иметь непосредственный электрический контакт с буровым электропроводящим раствором, окружающим передающую секцию, или иной скважинной электропроводящей жидкостью, или проходимой породой. Для устойчивой передачи данных буровой раствор должен быть электропроводящим, оптимальное удельное электрическое сопротивление от 0,3 до 10 Ом*м.

Передача сигнала производится следующим образом: передатчик 3 передающей секции через два электрических контакта 2 и 6 создает разность потенциалов U1 между проводящими элементами частей 4 и 7, разделенными изолирующей диэлектрической вставкой 5. Между частями 4 и 7 начинает протекать электрический ток, этот ток растекается через буровой раствор и породу 10, окружающие устройство для передачи сигналов в скважинной среде. Растекающийся ток создает разность потенциалов U2 между приемным и общим электродами приемной секции 9, и таким образом приемник в приемной секции 9 принимает сигнал от передающей секции.

Распространяющийся от передающей секции сигнал несет информацию о параметрах проходимой породы и о параметрах самой передающей секции. Информация передается посредством модуляции, в передатчике 3 передающей секции, напряжения U1, подаваемого на передающий электрод передающей секции относительно общего электрода передающей секции, за счет чего создаются токи J, пропорциональные напряжению U1, которые, растекаясь выше в направлении приемной секции 9, создают напряжение U2. В результате напряжение U2, принимаемое приемником приемной секции 9, будет пропорционально напряжению U1, формируемому передатчиком 3 передающей секции, и будет иметь те же параметры модуляции. Это обеспечивает передачу данных от передатчика 3 передающей секции к приемнику приемной секции 9.

Передающая секция используется для измерения параметров проходимой породы в непосредственной близости от долота и для контроля бурения. Параметры бурения и параметры проходимой породы отправляются на приемную секцию по беспроводному каналу, дальше приемная секция отправляет их или способствует их отправке на поверхность, эта информация отображается на табло бурильщика и сохраняется для использования в дальнейшем. Информация с табло бурильщика используется оператором бурения для того, чтобы контролировать параметры бурения, наблюдать параметры проходимой породы и при необходимости корректировать процесс бурения с поверхности.

Приемная секция может выполнять не только функцию приема, но в рамках данной полезной модели она названа приемной, чтобы способствовать наилучшему пониманию принципов работы предлагаемого устройства для передачи сигналов в скважинной среде. Приемная секция на своем выходе может быть соединена с бурильной колонной или с материнской телесистемой. Соответственно, другими функциями приемной секции могут быть надлежащая обработка сигнала, поступающего с передающей секции, и переносимой в нем информации (например, усиление, преобразование, кодирование, декодирование, перекодирование, анализ), и дальнейшая передача по требуемому каналу/интерфейсу/протоколу передачи на материнскую телесистему (например, блок M/LWD), на поверхность или непосредственно на табло бурильщика. Таким образом, в целом приемная секция может называться, например, приемно-декодирующей, приемно-обрабатывающей, приемопередающей секцией и т.д.

К параметрам бурения, измеряемым передающей секцией, могут относиться: зенитный угол (угол отклонения от вертикали), скорость вращения долота, гидростатическое давление бурового раствора, нагрузка на долото (давление сверху на долото, в ньютонах). К параметрам проходимой породы могут относиться уровень внешнего естественного гамма-излучения породы (один параметр), уровни гамма-излучения с двух сторон модуля (два параметра, сверху и снизу, для определения границ пласта по разнице естественного гамма-фона), удельное электрическое сопротивление породы в ближней зоне (резистивиметрия).

Целью наклонно-направленного бурения является, в частности, вскрытие продуктивных пластов, и очень важно получать информацию как можно ближе к буровому долоту. Поэтому передающая секция, находящаяся в непосредственной близости от долота, измеряет и передает через приемную секцию наиболее актуальную для оператора бурения информацию о проходимой породе. При бурении используется предварительная информация о пластах, полученная методами разведочной геофизики (сейсморазведка, электроразведка и т.д.). После достижения расчетной глубины, оператор бурения может определять пересечение границы пласта, например, по изменению уровней гамма-излучения с двух сторон передающей секции: если с двух сторон модуля уровень гамма-фона одинаков, то порода с двух сторон одинакова, и границы пласта нет, если же уровень естественного гамма-фона с двух сторон модуля различается больше чем на определенную величину, то в данный момент передающая секция находится на границе пласта. Это позволяет принять решение о продолжении бурения или корректировке направления бурения, для того чтобы следовать за границей пласта и при бурении не выходить из требуемого пласта.

Таким образом, благодаря расположению передающей секции непосредственно над долотом точность измерения параметров среды вблизи долота повышается.

Как верхняя, так и нижняя часть передающей секции могут иметь в целом трубчатую форму. Толщина стенки должна быть такой, чтобы в стенку мог быть встроен по меньшей мере один блок электроники.

Блоки электроники (указанные выше средства измерения и контроля) и питания могут располагаться только в одной из частей передающей секции (верхней или нижней) или как в верхней, так и в нижней частях. Предусматривается расположение блоков электроники в выполненных посредством фрезерования нишах, герметично закрытых крышками (в корпусе передающей секции выточены ниши - места под платы и элементы питания; ниши могут герметично закрываться крышками с использованием крепежных средств, таких как винты, клепки и т.д., и при необходимости с использованием уплотнителей, таких как прокладки, клей и т.д.), что повышает удобство монтажа и обслуживания устройства (например, упрощается замена автономного блока батарейного питания) и надежность конструкции. Крышки могут быть электропроводящими или имеющими электропроводящее покрытие и могут быть электрически соединены с соответствующим электродом передающей секции (с передающим электродом, если ниша расположена в нижней части, или с общим электродом, если ниша расположена в верхней части передающей секции), что позволяет не уменьшать площадь электрода. Передатчик в предпочтительном варианте расположен в нижней части передающей секции.

В одном из вариантов осуществления полезной модели приемная секция может быть расположена не на бурильной колонне, а на поверхности земли, будучи конструктивно соединенной с бурильной колонной и электрически соединенной с передающей секцией посредством бурильной колонны и электрической связи через породу и буровой раствор.

В одном из вариантов осуществления полезной модели передающая секция может быть расположена не между забойным двигателем и долотом, а в составе самого забойного двигателя. Интеграция передающей секции в забойный двигатель позволяет дополнительно повысить надежность конструкции устройства для передачи сигналов в силу того, что уменьшается число компонентов и соединений устройства для передачи сигналов, что позволяет дополнительно увеличить ресурс устройства.

В одном варианте осуществления в предложенном решении используется изолирующая муфта, расположенная на бурильной колонне над базовой телесистемой, конструктивно связывающая базовую телесистему с частью бурильной колонны, уходящей к поверхности земли, и электрически разделяющая приемную секцию от упомянутой части бурильной колонны. За счет изоляции приемной секции от вышерасположенной бурильной колонны предотвращаются помехи, которые могут наводиться в бурильных трубах из окружающей среды, например, помехи с поверхности земли, помехи с расположенных в земле объектов катодной защиты. Тем самым, увеличивается соотношение сигнал/шум, то есть увеличивается качество приема сигнала, передаваемого от передающей секции, в приемной секции.

В одном из вариантов осуществления полезной модели, с целью увеличения ресурса и уменьшения скорости истирания корпуса передающей секции, на или в корпусе могут использоваться усиливающие вставки из материала повышенной прочности и износостойкости – например, из материала, содержащего вольфрам. Конфигурация и расположение усиливающих вставок зависит от конструкции передающей секции и от требований конкретного применения. Например, усиливающие вставки могут иметь форму полосок и устанавливаться вдоль корпуса.

На Фиг.2 показаны токи растекания, возникающие при работе устройства для передачи сигналов в скважинной среде согласно настоящей полезной модели.

Токи, распространяющиеся в сторону долота, приводят к ухудшению передачи сигнала, уменьшению отношения сигнал/шум. В настоящей полезной модели такие токи исключены. Токи, распространяющиеся в сторону приемной секции – полезные, так как только они создают в приемной секции напряжение, несущее информацию. За счет того, что передающий электрод передающей секции электрически соединен с долотом, увеличивается площадь поверхности передающего электрода, исключается растекание информационного тока от передатчика передающей секции к долоту.

На Фиг.3 показана часть приемной секции. Прием сигнала производится при помощи измерения напряжения между двумя частями приемной секции: между общим электродом 11, который электрически соединен с верхней частью передающей секции, и приемным электродом 14, разделенными диэлектрической вставкой 12. Разность потенциалов между общим электродом 11 и приемным электродом 14 через провода регистрируется в приемнике 13 для последующей обработки. Общим электродом 11 может быть часть металлической бурильной трубы.

В настоящей полезной модели все создаваемые передатчиком при помощи передающего электрода токи распространяются только в сторону приемной секции, что является преимуществом, так как обеспечивается высокое качество передачи информации.

На приемном электроде приемной секции при прочих равных условиях по сравнению, например, с решениями, в которых используются фактически три электрода (учитывая долото), из которых один (центральный) является передающим, создается большее напряжение за счет отсутствия бесполезных токов, замыкающихся на долото, что позволяет сохранить должное качество приема сигнала (соотношение сигнал/шум на входе приемника) или в некоторых случаях улучшить его, то есть в целом обеспечивается поддержка необходимого качества передачи сигнала от передающей секции к приемной секции.

С другой стороны, такое решение позволяет сберегать мощность передаваемых сигналов при сохранении дальности связи по сравнению с некоторыми решениями, известными из уровня техники, что позволяет увеличить время работы от элементов питания, и, следовательно, продлить время непрерывной работы передающей секции.

Условия эксплуатации передающей секции являются весьма агрессивными, и в процессе бурения происходит постоянное трение и соударение твердых частиц из бурового шлама о передающую секцию. В таких условиях материал, из которого выполнена диэлектрическая вставка, разрушается быстрее материала, из которого выполнены электроды верхней и нижней частей передающей секции. При этом, чем меньше диэлектрическая вставка, тем меньше вероятность ее повреждения от крупных частиц бурового шлама, и тем дольше может прослужить сама вставка, а значит и в целом вся передающая секция. Соответственно, большой размер диэлектрической вставки приводит к ухудшению механической прочности передающей секции, и было бы целесообразно сделать размер вставки минимально возможным.

Более того, уменьшение длины диэлектрической вставки при сохранении общих размеров передающей секции может позволить увеличить площадь поверхности передающего электрода, что в некоторых случаях может привести к увеличению мощности передачи, и тем самым, к возможности добиться большего уровня полезного информационного напряжения на входе приемника, увеличив соотношение сигнал/шум, то есть увеличить качество передачи сигнала от передающей секции к приемной секции. Также при увеличении площади передающего электрода в некоторых случаях может уменьшиться зависимость качества сигнала, принятого приемной секцией, от неоднородности проходимой породы.

С другой стороны, из теоретических изысканий в прототипе следовало, что длина диэлектрической вставки должна быть достаточной для того, чтобы характеристики бурового раствора и окружающих пород не спровоцировали по существу короткое замыкание передающего электрода передающей секции на общий электрод, чтобы предотвратить вызванное коротким замыканием резкое снижение токов растекания, и соответственно, ухудшение качества передаваемого сигнала.

Следует отметить, что в рамках данного документа длиной диэлектрической вставки считается продольный размер (вдоль оси передающей секции) у той части диэлектрической вставки, которая выведена наружу, на поверхность передающей секции.

Для исследования того, насколько сильно размер диэлектрической вставки может влиять на характеристики передаваемого сигнала, была сформирована математическая модель, прогнозирующая растекание токов для сигнала, несущего полезную информацию. В результате были получены и в дальнейшем подтверждены экспериментально аппаратными испытаниями зависимости принимаемого в приемной секции устройства для передачи сигналов в скважинной среде сигнала напряжения от глубины спуска передающей секции в скважину. Полученные значения для разных соотношений длины диэлектрической вставки к общей длине передающей секции показаны на фиг.4. Графики изображены схематично и не в масштабе для лучшего понимания принципов настоящей полезной модели.

Глубина спуска передающей секции в скважину при измерениях варьировалась в пределах 0-368 м.

Общая длина передающей секции может варьироваться в зависимости от применения, требуемых задач и характеристик – например, в диапазоне от 300 мм до 1000 мм. Наиболее предпочтительной длиной для целей достижения оптимального сочетания ресурса, дальности передачи, набора датчиков и возможности изменения угла наклона может являться длина 500-700 мм.

Длина диэлектрической вставки, позволяющая повысить ресурс передающей секции при сохранении качества передаваемого сигнала может составлять, например, 45 мм, 15 мм, 5 мм. Устойчивый полезный сигнал с приемлемой частотой ошибок, который еще можно выделить на входе приемника приемной секции, можно получить при длине диэлектрической вставки 2,5 мм при условии расположения приемной секции на требуемом расстоянии не более 30 м. Оптимальное требуемое расстояние от передающей секции до приемной секции может составлять 10-30 м. При дальнейшем уменьшении длины диэлектрической вставки необходимо уменьшать расстояние от передающей секции до приемной секции в целях получения приемлемого уровня и качества сигнала.

Как следует из фиг.4, уменьшение длины диэлектрической вставки по сравнению с прототипом в целом не приводит к ухудшению качества сигнала ниже приемлемого уровня. В определенный момент по мере уменьшения длины диэлектрической вставки амплитуда передаваемого сигнала может снижаться, что говорит о том, что значимое влияние начинают оказывать иные факторы, от которых зависит передача сигнала – например, частичное закорачивание (шунтирование) сигнала между электродами через буровой раствор.

Таким образом, наиболее эффективная длина диэлектрической вставки предпочтительно составляет невключительно от 0,25 до 5 процентов длины передающей секции. Учитывая указанные выше конкретные размеры, можно заметить, что как при значениях, примерно равных крайним, так и при других значениях в пределах данного диапазона обеспечивается технический результат данной полезной модели.

А именно, такая конструкция передающей секции с уменьшенными по сравнению с прототипом размерами диэлектрической вставки позволяет повысить механическую прочность и долговечность устройства в широком диапазоне условий эксплуатации при сохранении приемлемого качества сигнала в приемной секции, находящейся на требуемой дальности от передающей секции.

Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления полезной модели, не выходящие за пределы сущности и объема данной полезной модели.

Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.

Упомянутые линии связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, беспроводная линия связи (радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не упоминаются отдельно.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

В одном варианте осуществления блоки предложенного устройства находятся в общем корпусе, связаны друг с другом конструктивно и функционально посредством монтажных (сборочных) операций.

В заявке не указано конкретное программное и аппаратное обеспечение для реализации блоков на чертежах, но специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность полезной модели не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления полезной модели могут быть использованы любые программные и аппаратные средства, известные в уровне техники. Так, аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.

Хотя отдельно не упомянуто, но очевидно, что, когда речь идет о хранении данных, программ и т.п., подразумевается наличие машиночитаемого носителя данных, примеры машиночитаемых носителей данных включают в себя постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, регистр, кэш-память, полупроводниковые запоминающие устройства, магнитные носители, такие как внутренние жесткие диски и съемные диски, магнитооптические носители и оптические носители, такие как диски CD-ROM и цифровые универсальные диски (DVD), а также любые другие известные в уровне техники носители данных.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкую полезную модель, и что данная полезная модель не должна ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.

В приведенном выше описании примеров, термины направления (такие как "над", "верх", "ниже", "низ", "верхний", "нижний" и т.д.) используются для удобства ссылки на прилагаемые чертежи. В общем, "над", "верхний" "вверх" и аналогичные термины связаны с направлением к земной поверхности вдоль ствола скважины, и "ниже", "нижний", "вниз" и аналогичные термины связаны с направлением от земной поверхности вдоль ствола скважины, причем, ствол скважин может быть горизонтальным, вертикальным, наклонным, наклонно-направленным и т.д.

Любые числовые значения, изложенные в материалах настоящего описания или на фигурах, предназначены для включения всех значений от нижнего значения до верхнего значения приращениями в один единичный элемент, при условии что есть интервал по меньшей мере в два единичных элемента между любым нижним значением и любым верхним значением. В качестве примера, если изложено, что величина составляющей или значения технологического параметра, например, такого как температура, давление, время, и тому подобное, например, имеет значение от 1 до 90, предпочтительно от 20 до 80, более предпочтительно от 30 до 70, подразумевается, что значения, такие как от 15 до 85, от 22 до 68, от 43 до 51, от 30 до 32, и т.д., в прямой форме перечислены в этом описании полезной модели. Что касается значений, которые являются меньшими, чем единица, при необходимости, один единичный элемент считается имеющим значение 0,0001, 0,001, 0,01 или 0,1. Таковые являются всего лишь примерами того, что определенно подразумевается, и все возможные комбинации многочисленных значений между перечисленными самым низким значением и самым высоким значением должны считаться изложенными в прямой форме в этой заявке подобным образом.

Варианты осуществления устройства/элемента могут быть выполнены из любого подходящего материала, например, - не с целью ограничения, - из алюминия, меди, нержавеющей стали, титана, углеродных волоконных композитных материалов и т.п. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием способов, известных обычным специалистам в данной области, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках и литьё по выплавляемой модели. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям обычного специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.

Claims (18)

1. Устройство для передачи сигналов в скважинной среде, содержащее:

- бурильную колонну, содержащую бурильные трубы, забойный двигатель и долото;

- передающую секцию, расположенную на бурильной колонне над долотом;

- приемную секцию, расположенную на бурильной колонне над забойным двигателем;

причем передающая секция разделена на две электрически изолированные, но конструктивно единые части, так что нижняя часть передающей секции электрически и конструктивно соединена с долотом, а верхняя часть электрически и конструктивно соединена с остальной частью бурильной колонны;

причем передающая секция содержит передатчик, выполненный с возможностью передачи сигналов к приемной секции посредством создания разности потенциалов между верхней и нижней частями передающей секции,

причем передающая секция разделена на две электрически изолированные части диэлектрической вставкой, при этом длина диэлектрической вставки составляет невключительно от 0,25 до 5 процентов длины передающей секции.

2. Устройство по п.1, в котором разность потенциалов характеризует по меньшей мере одно из зенитного угла, скорости вращения долота, гидростатического давления бурового раствора, нагрузки на долото, уровня внешнего естественного гамма-излучения породы с одной или двух сторон передающей секции, удельного электрического сопротивления породы в ближней зоне.

3. Устройство по п.1, в котором бурильная колонна дополнительно содержит забойный отклонитель над забойным двигателем.

4. Устройство по п.1, в котором электрический сигнал, вызванный разностью потенциалов, идет через скважинную жидкость и/или породу.

5. Устройство по п.1, в котором передающая секция содержит по меньшей мере один блок электроники для измерения и контроля физических параметров.

6. Устройство по п.5, в котором упомянутый по меньшей мере один блок электроники расположен по меньшей мере в одной нише, герметично закрытой крышкой.

7. Устройство по п.1, в котором передатчик расположен в нише, герметично закрытой крышкой.

8. Устройство по п.1, в котором передатчик расположен в нижней части передающей секции.

9. Устройство по п.1, в котором длина диэлектрической вставки составляет от 2,5 до 45 мм.

10. Устройство по п.1, в котором расстояние от передающей секции до приемной секции составляет от 10 до 30 м.

11. Устройство по п.1, в котором длина передающей секции составляет от 300 до 1000 мм.

12. Устройство по п.1, в котором передающая секция интегрирована в забойный двигатель.

Images