Секция снабженной проводами колонны труб (варианты) и индуктивное устройство связи для нее - RU2304718C2

Чертежи

Показать все 17 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к устройству и способам, применяемым при бурении нефтяных скважин и при эксплуатации нефтяных скважин для передачи данных измерений к наземной станции из мест в стволе скважины.

Большая часть преимуществ систем для измерения забойных параметров в процессе бурения и геофизических исследований в скважинах (каротажа) в процессе бурения обусловлена их способностью поставлять информацию в реальном времени об условиях вблизи бурового долота. Нефтяные компании используют эти измерения в нисходящих стволах скважин для принятия решений во время процесса бурения и используют сложное бурильное оборудование, такое как система GeoSteering, разработанная компанией Schlumberger, Ltd. Работа таких технических систем в значительной степени базируется на мгновенно получаемых знаниях о пласте, который подвергается бурению. В данной отрасли промышленности продолжаются разработки новых способов измерений для скважинных исследований в процессе бурения/каротажа в процессе бурения, включая измерения с воспроизведением изображений с большим объемом данных.

Эти новые системы измерения и управления требуют использования телеметрических систем, имеющих более высокие скорости передачи и обработки данных, чем имеющиеся в настоящее время. В результате был подвергнут испытаниям или предложен ряд телеметрических способов и средств, предназначенных для использования при проведении скважинных исследований в процессе бурения.

Стандартной технологией в данной отрасли является телеметрия по гидроимпульсному каналу связи в скважине, при которой бурильная труба используется для направления акустических волн в буровом растворе. В настоящее время при использовании телеметрии по гидроимпульсному каналу связи в скважине данные направляются к поверхности при скоростях передачи информации в диапазоне от 1 до 6 бит в секунду. При такой низкой скорости невозможно передать большие объемы данных, которые, как правило, собираются с помощью колонны для проведения геофизических исследований в скважине в процессе бурения. В некоторых случаях (например, при пенящемся буровом растворе) телеметрия по гидроимпульсному каналу связи в скважине вообще не работает. Обычно некоторые или все данные запоминаются в скважинном запоминающем устройстве и пересылаются в конце прогона битов. Эта задержка существенно снижает ценность данных для прикладных систем реального времени. Кроме того, существует большой риск потери данных, например, если прибор будет потерян в стволе скважины.

Попытки выполнить электромагнитные телеизмерения посредством канала в грунте имели ограниченный успех. Даже при очень низких скоростях передачи данных электромагнитная телеметрия работает только до ограниченной глубины в зависимости от электрического удельного сопротивления земли.

До настоящего времени акустическую телеметрию посредством самой бурильной трубы широко исследовали, но не использовали в промышленных масштабах. Теоретически при использовании акустических волн в стали возможны скорости передачи данных порядка десятков битов в секунду.

Идея размещения провода в бурильной трубе предлагалась множество раз за последние 25 лет. Компании Shell и Exxon сообщали о создании экспериментальной снабженной проводом бурильной колонны в конце 70-х годов. Известный уровень техники, относящийся к данным попыткам, раскрыт в патенте США №4126848, выданном на имя Dennison и озаглавленном "Drill String Telemeter System", в патенте США №3957118, выданном на имя Barry и др. и озаглавленном "Cable System for use in a Pipe String and Method for Installing and Using the same", и в патенте США №3807502, выданном на имя Heilhecker и др. и озаглавленном "Method for Installing an Electric Conductor in a Drill String", и в публикации W.J.McDonald "Four Different Systems Used for MWD", The Oil and Gas Journal, страницы 115-124, 3 апреля 1978. Полагают, что недостатками таких систем были низкая надежность и высокая стоимость вследствие большого количества электрических соединителей.

Компания IFP разработала систему, известную как "Simphor", в которой используются кабельные линии и большие высоконадежные в эксплуатации соединители для работы во влажной среде. Она никогда не применялась в промышленности для измерений в процессе бурения. Полагают, что недостатком данной системы было то, что она отрицательно воздействовала на процесс бурения.

Использование связанных по току индуктивных устройств связи в бурильной колонне известно. В патенте США №4605268, выданном на имя Meador и озаглавленном "Transformer Cable Connector", описано использование и основные принципы работы связанных по току индуктивных устройств связи, установленных на уплотняемых поверхностях бурильных труб. В опубликованной заявке №2140527 на патент Российской Федерации, озаглавленной "Способ бурения наклонных и горизонтальных стволов скважин", поданной 18 декабря 1997, и в более ранней опубликованной заявке №2040691 на патент Российской Федерации, озаглавленной "Система передачи электроэнергии и данных в пределах колонны из примыкающих труб", поданной 14 февраля 1992, описана телеметрическая система для бурильной колонны, в которой используются связанные по току индуктивные устройства связи, смонтированные вблизи уплотняемых поверхностей бурильных труб. В публикации WO 90/14497 А2 на имя Eastman Christensen GMBH, озаглавленной "Process and device for transmitting data signals and/or control signals in a pipe train", описано индуктивное устройство связи, установленное на внутренней поверхности секции колонны бурильных труб для передачи данных.

Другие патенты США перечислены ниже: патент США №5052941, выданный на имя Hernandez-Marti и др. и озаглавленный "Inductive coupling connector for a well head equipment"; патент США №4806928, выданный на имя Veneruso и озаглавленный "Apparatus for electro-magnetically coupling power and data signals between well bore apparatus and the surface"; патент США №4901069, выданный на имя Veneruso и озаглавленный "Apparatus for electro-magnetically coupling power and data signals between a first unit and a second unit and in particular between well bore apparatus and the surface"; патент США №5531592, выданный на имя Veneruso и озаглавленный "Method and apparatus for transmitting information relating to the operation of a downhole electrical device"; патент США №5278550, выданный на имя Rhein-Knudsen и др. и озаглавленный "Apparatus and method for retrieving and/or communicating with downhole equipment", и патент США №5971072, выданный на имя Huber и др. и озаглавленный "Inductive coupler activated completion system".

Ни в одном из этих ссылочных материалов не предложена телеметрическая система для надежной передачи данных измерений с высокими скоростями передачи данных из мест, расположенных рядом с бурильным долотом, к наземной станции.

Техническим результатом настоящего изобретения является телеметрическая система для надежной передачи данных измерений с высокими скоростями передачи данных к наземной станции из мест в стволе скважины.

В соответствии с настоящим изобретением разработана надежная в эксплуатации, обеспечивающая малые потери секция снабженной проводами скважинной колонны труб, предназначенная для эксплуатации ее в качестве элемента колонны снабженных проводами труб для передачи данных измерений к наземной станции из мест в стволе скважины при бурении нефтяных скважин и при эксплуатации нефтяных скважин. Проводящие слои уменьшают потери энергии сигнала на участке бурильной колонны за счет снижения омических потерь и потерь магнитного потока в каждом индуктивном устройстве связи. Секция снабженной проводами колонны труб является надежной в эксплуатации за счет того, что она остается в рабочем состоянии при наличии зазоров в проводящем слое.

Указанный технический результат достигается тем, что секция снабженной проводами колонны труб, имеющая аксиальное отверстие, содержит удлиненное трубчатое тело, муфтовый конец, образованный на первом конце трубчатого тела, при этом на муфтовом конце образован контактирующий кольцевой наружный конец трубы, контактирующий кольцевой внутренний уступ и внутренняя резьба между наружным концом трубы и внутренним уступом, имеющим выполненный в нем первый кольцевой паз, содержащий первый кольцевой вогнутый слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, ограничивающий первую кольцевую полость, и первую катушку, неподвижно установленную внутри первой кольцевой полости, ниппельный конец, образованный на втором конце трубчатого тела, при этом на ниппельном конце образован контактирующий кольцевой наружный уступ, контактирующий кольцевой внутренний конец трубы и наружная резьба между наружным уступом и внутренним концом трубы, имеющим выполненный в нем второй кольцевой паз, содержащий второй кольцевой вогнутый слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, ограничивающий вторую кольцевую полость, и вторую катушку, неподвижно установленную внутри второй кольцевой полости, и средство для электрического соединения катушечных обмоток первой и второй катушек.

Вогнутые слои могут иметь концентрические обращенные друг к другу участки.

Расстояние в аксиальном направлении между наружным концом трубы и внутренним уступом может быть приблизительно равно расстоянию в аксиальном направлении между наружным уступом и внутренним концом трубы.

Расстояние в аксиальном направлении между наружным концом трубы и внутренним уступом может быть больше расстояния в аксиальном направлении между наружным уступом и внутренним концом трубы на величину, достаточную, чтобы гарантировать, что крутящий момент, необходимый для поджима внутреннего уступа к внутреннему концу трубы при затягивании для образования замкнутого тороидального контура с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, будет равен крутящему моменту, необходимому для поджима наружного конца трубы к наружному уступу при затягивании для достижения надлежащего уплотнения соединения труб.

Муфтовый конец может иметь канал для прохода электрического кабеля через часть указанного муфтового конца.

Каждая катушка может иметь удлиненное в аксиальном направлении поперечное сечение.

Каждый слой может включать материал, выбранный из группы материалов, состоящей из меди, латуни, бронзы, бериллиевой бронзы, серебра, алюминия, золота, вольфрама и цинка.

Каждый слой может представлять собой покрытие из материала, включающего материал, выбранный из группы материалов, состоящей из меди, латуни, бронзы, бериллиевой бронзы, серебра, алюминия, золота, вольфрама и цинка.

Первый слой может представлять собой вставку из материала, включающего в себя материал, выбранный из группы материалов, состоящей из меди, латуни, бронзы, бериллиевой бронзы, серебра, алюминия, золота, вольфрама и цинка.

Каждая катушка может быть загерметизирована заливочным компаундом.

По меньшей мере, один из слоев с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью может содержать, по меньшей мере, один слой, состоящий из участков.

Внутренний уступ может иметь выемку для прохода электрического кабеля в аксиальное отверстие.

Внутренний конец трубы может иметь выемку для прохода электрического кабеля в аксиальное отверстие.

Первая катушка и вторая катушка могут быть смещены в радиальном направлении друг от друга.

Зазор в слое с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, образующем тороидальный контур, может перекрываться участком конца трубы.

Указанный технический результат достигается также и тем, что индуктивное устройство связи для секции снабженной проводами колонны труб, имеющей аксиальное отверстие, содержит муфтовый конец первой секции снабженной проводами колонны труб, при этом на муфтовом конце образован контактирующий кольцевой наружный конец трубы, контактирующий кольцевой внутренний уступ и внутренняя резьба между наружным концом трубы и внутренним уступом, имеющем выполненный в нем первый кольцевой паз, содержащий первый кольцевой вогнутый слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, ограничивающий первую кольцевую полость, и первую катушку, неподвижно установленную внутри первой кольцевой полости, ниппельный конец второй секции снабженной проводами колонны труб, при этом на ниппельном конце образован контактирующий кольцевой наружный уступ, контактирующий кольцевой внутренний конец трубы и наружная резьба между наружным уступом и внутренним концом трубы, имеющем выполненный в нем второй кольцевой паз, содержащий второй кольцевой вогнутый слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, ограничивающий вторую кольцевую полость, и вторую катушку, неподвижно установленную внутри второй кольцевой полости, и резьбовое средство для завинчивания, предназначенное для поджима внутреннего уступа к внутреннему концу трубы таким образом, чтобы первый слой и второй слой принудительно поджимались друг к другу для образования замкнутого тороидального контура с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, окружающего обе катушки.

Первый и второй слои могут образовывать тороидальный контур, включающий по меньшей мере, один участок конца трубы.

Указанный технический результат достигается тем, что секция снабженной проводами колонны труб, имеющая аксиальное отверстие, содержит удлиненное трубчатое тело, муфтовый конец, образованный на первом конце трубчатого тела, при этом на муфтовом конце образован кольцевой наружный конец трубы, первый кольцевой самый внутренний уступ, первый кольцевой средний внутренний уступ, первый кольцевой самый наружный внутренний уступ и первая внутренняя резьба между наружным концом трубы и самым наружным кольцевым внутренним уступом, первую катушку, расположенную у среднего уступа, первую кольцевую изоляционную прокладку, обеспечивающую электрическую изоляцию, первый кольцевойкожух с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, имеющий первую кольцевую корпусную часть и первую кольцевую краевую часть, имеющую больший диаметр, чем первая корпусная часть, присоединенная к муфтовому концу у первого самого внутреннего уступа, при этом первая краевая часть приспособлена фиксировать первую катушку и первую прокладку относительно муфтового конца, ниппельный конец, образованный на втором конце трубчатого тела, при этом на ниппельном конце образован кольцевой наружный уступ, второй кольцевой самый внутренний уступ, второй кольцевой средний внутренний уступ, второй внутренний конец трубы и вторая внутренняя резьба между наружным концом трубы и вторым внутренним концом трубы, вторую катушку, расположенную у второго среднего уступа, вторую кольцевую изоляционную прокладку, обеспечивающую электрическую изоляцию, второй кольцевойкожух с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, имеющий вторую кольцевую корпусную часть и вторую цилиндрическую краевую часть, имеющую больший диаметр, чем вторая корпусная часть, присоединенная к муфтовому концу у второго самого внутреннего уступа, при этом вторая краевая часть приспособлена фиксировать вторую катушку и вторую прокладку относительно ниппельного конца, и средство для электрического соединения катушечных обмоток указанных первой и второй катушек.

На первом самом внутреннем кольцевом внутреннем уступе может быть образована третья внутренняя резьба, и первая корпусная часть выполнена с резьбой и присоединена к муфтовому концу с помощью третьей внутренней резьбы.

На муфтовом конце может быть образована первая кольцевая внутренняя стенка между первой внутренней резьбой и самым наружным внутренним уступом, и муфтовый конец дополнительно содержит первый кольцевой слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью на первой кольцевой внутренней стенке.

Муфтовый конец может содержать кольцевой слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью у первого среднего уступа.

Ниппельный конец может содержать кольцевой слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью у второго среднего уступа.

На втором самом внутреннем кольцевом внутреннем уступе может быть образована четвертая внутренняя резьба, и вторая резьбовая корпусная часть присоединена к ниппельному концу с помощью четвертой внутренней резьбы.

Указанный технический результат достигается и тем, что секция снабженной проводами колонны труб, имеющая аксиальное отверстие, содержит удлиненное трубчатое тело, муфтовый конец, на котором образована первая поверхность определенной формы, окружающая аксиальное отверстие, при этом муфтовый конец имеет первый слой из материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью на первой поверхности определенной формы, образующий первую ленту определенной формы, первый трубчатый опорный элемент, прикрепленный к муфтовому концу внутри аксиального отверстия, первую катушку, расположенную соосно с первым трубчатым опорным элементом, окруженную им, опирающуюся на него и окружающую первую ленту определенной формы, но отделенную от нее, ниппельный конец, на котором образована вторая поверхность определенной формы, окружающая аксиальное отверстие, при этом ниппельный конец имеет второй слой из материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью на второй поверхности определенной формы, образующий вторую ленту определенной формы, второй трубчатый опорный элемент, прикрепленный к ниппельному концу внутри аксиального отверстия, вторую катушку, расположенную соосно со вторым трубчатым опорным элементом, окруженную им, опирающуюся на него и окружающую вторую ленту определенной формы, но отделенную от нее, и средство для электрического соединения катушечных обмоток первой и второй катушек.

Далее приводится подробное описание изобретения со ссылками на чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 представляет поперечное сечение первого предпочтительного варианта осуществления секции снабженной проводами колонны труб согласно настоящему изобретению, имеющей два элемента индуктивных устройств связи с токовым контуром;

фиг.2 представляет выполненный с частичным вырывом перспективный вид пары обращенных друг к другу элементов индуктивного устройства связи с токовым контуром по фиг.1;

фиг.3 представляет сечение пары обращенных друг к другу элементов индуктивного устройства связи с токовым контуром по фиг.2, соединенных вместе как часть эксплуатационной колонны труб, включая поперечное сечение замкнутого тороидального контура с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, окружающего оба сердечника;

фиг.4 представляет увеличенное сечение, показывающее более подробно установку электромагнитных компонентов элементов индуктивного устройства связи с токовым контуром по фиг.3;

фиг.5 представляет увеличенный выполненный с частичным вырывом перспективный вид элемента индуктивного устройства связи с токовым контуром, расположенный на муфтовом конце по фиг.4, который показывает деталь катушки и внутреннего электрического кабеля;

фиг.6А представляет электромагнитную модель секций снабженной проводами колонны труб, которые показаны на фиг.1;

фиг.6В представляет сечение тороидального контура первого предпочтительного варианта осуществления;

фиг.6С представляет перспективный вид тороидального контура первого предпочтительного варианта осуществления;

фиг.6D показывает участок замкнутого контура с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью;

фиг.7 представляет увеличенное сечение, показывающее первый вид первого варианта осуществления с альтернативным местоположением кабельного соединения;

фиг.8 представляет увеличенное сечение, показывающее второй вид первого варианта осуществления с первым альтернативным расположением электромагнитных компонентов;

фиг.9 представляет сечение индуктивного устройства связи по второму варианту осуществления секции снабженной проводами колонны труб в соответствии с настоящим изобретением, при этом каждый элемент индуктивного устройства связи имеет резьбовой кольцевой проводящий кожух и кольцевую высокопрочную изоляционную прокладку;

фиг.10 представляет сечение индуктивного устройства связи по третьему варианту осуществления секции снабженной проводами колонны труб согласно настоящему изобретению, при этом один элемент индуктивного устройства связи имеет резьбовой кольцевой проводящий кожух, а другой элемент индуктивного устройства связи имеет слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью;

фиг.11 представляет сечение индуктивного устройства связи по четвертому варианту осуществления секции снабженной проводами колонны труб согласно настоящему изобретению, при этом каждый элемент индуктивного устройства связи установлен внутри трубчатого опорного элемента, прикрепленного к внутренней цилиндрической поверхности отверстия бурильной трубы;

фиг.12 представляет перспективный вид ниппельного конца секции снабженной проводами колонны труб, содержащего первый элемент устройства связи с токовым контуром по четвертому варианту осуществления, показанному на фиг.11;

фиг.13 представляет перспективный вид муфтового конца секции снабженной проводами колонны труб, содержащего второй элемент устройства связи с токовым контуром по четвертому варианту осуществления, показанному на фиг.11;

фиг.14 представляет сечение пятого варианта осуществления секции снабженной проводами колонны труб согласно настоящему изобретению, которая имеет два элемента индуктивных устройств связи с токовым контуром;

фиг.15 представляет выполненный с частичным вырывом перспективный вид пары обращенных друг к другу элементов индуктивного устройства связи с токовым контуром, показанного на фиг.14;

фиг.16 представляет сечение элементов индуктивного устройства связи с токовым контуром, показанного на фиг.14, которые соединены вместе как часть эксплуатационной колонны труб, включая поперечное сечение контура с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, окружающего оба сердечника;

фиг.17 представляет собой увеличенное сечение, показывающее первый вид пятого варианта осуществления с первым альтернативным расположением электромагнитных компонентов;

фиг.18 представляет увеличенное сечение, показывающее второй вид пятого варианта осуществления со вторым альтернативным расположением электромагнитных компонентов.

В соответствии с изобретением разработана надежная в эксплуатации, обеспечивающая малые потери секция снабженной проводами колонны труб, предназначенная для эксплуатации ее в качестве элемента снабженной проводами колонны труб такого типа, которая используется при бурении нефтяных скважин и при эксплуатации нефтяных скважин. Такие снабженные проводами колонны труб используются для передачи данных измерений к наземной станции из мест в стволе скважины. Секция снабженной проводами колонны труб по предпочтительному варианту осуществления содержит два элемента индуктивных устройств связи с токовым контуром, по одному на каждом конце секции снабженной проводами колонны труб, при этом каждый элемент содержит электромагнитную катушку, частично окруженную кольцевым вогнутым проводящим слоем с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. Когда две секции снабженной проводами колонны труб соединены вместе как часть индуктивного устройства связи эксплуатационной колонны труб, два обращенных друг к другу проводящих слоя взаимодействуют для образования имеющего высокую проводимость и низкую магнитную проницаемость участка замкнутого тороидального контура, окружающего две катушки обращенных друг к другу концов двух секций снабженной проводами колонны труб. Проводящие слои уменьшают потери энергии сигнала на участке бурильной колонны за счет снижения омических потерь и потерь магнитного потока в каждом индуктивном устройстве связи. Секция снабженной проводами колонны труб является надежной в эксплуатации за счет того, что она остается в рабочем состоянии при наличии зазоров в проводящем слое.

В первом предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг.1, два элемента индуктивных устройств связи с токовым контуром смонтированы по одному на каждом конце трубы у внутреннего уступа. Во втором варианте осуществления, показанном на фиг.9, каждый элемент индуктивного устройства связи включает в себя контакт из бериллиевой бронзы и изоляционную прокладку, обеспечивающую электрическую изоляцию. В третьем варианте осуществления, показанном на фиг.10, один элемент индуктивного устройства связи имеет резьбовой кольцевой проводящий кожух. В четвертом варианте осуществления, показанном на фиг.11, часть каждого элемента индуктивного устройства связи расположена внутри аксиального отверстия. В пятом варианте осуществления, показанном на фиг.14, первый элемент индуктивного устройства связи с токовым контуром смонтирован на муфтовом конце бурильной трубы в конусообразной части рядом с наружным уплотняемым концом трубы, и второй элемент индуктивного устройства связи с токовым контуром смонтирован на ниппельном конце бурильной трубы в конусообразной части рядом с наружным уплотнительным уступом.

Первый предпочтительный вариант осуществления показан на фиг.1-5 и схематично показан на фиг.6А.

На фиг.1 показана секция 10 снабженной проводами колонны труб, имеющая первый элемент 21 индуктивного устройства связи с токовым контуром и второй элемент 31 индуктивного устройства связи с токовым контуром, по одному на каждом конце трубы. На фиг.1 также показана секция 10 снабженной проводами колонны труб, имеющая удлиненное трубчатое тело 11 с аксиальным отверстием 12, первый элемент 21 индуктивного устройства связи на муфтовом конце 22 и второй элемент 31 индуктивного устройства связи на ниппельном конце 32. Индуктивное устройство 20 связи показано как образованное первым элементом 21 индуктивного устройства связи и вторым элементом 31^/ индуктивного устройства связи, предусмотренным на ниппельном конце 32^/ соседней снабженной проводом бурильной трубы.

На фиг.1 и 2 показан муфтовый конец 22, на котором образована внутренняя резьба 23 и кольцевой внутренний контактирующий уступ 24 с первым пазом 25. На фиг.1 и 2 также показан ниппельный конец 32^/ соседней секции снабженной проводами колонны труб, на котором образована наружная резьба 33^/ и кольцевой внутренний контактирующий конец 34^/ трубы со вторым пазом 35^/. (В данном описании ниже и на чертежах номер элемента, за которым следует надстрочная косая черта "^/", указывает на элемент, принадлежащий соседней секции снабженной проводами колонны труб).

Фиг.3 представляет собой сечение пары обращенных друг к другу элементов индуктивного устройства связи с токовым контуром по фиг.2, соединенных вместе как часть эксплуатационной колонны труб. Фиг.3 показывает поперечное сечение замкнутого тороидального контура 40 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, окружающего оба сердечника, и сечение канала 13. Канал 13 образует проходное отверстие для внутреннего электрического кабеля 14, который электрически соединяет два элемента индуктивных устройств связи секции 10 снабженной проводами колонны труб.

Фиг.4 представляет собой увеличенное сечение, показывающее установку (монтаж) первой катушки 28, первого сердечника 47 с высокой магнитной проницаемостью и первой катушечной обмотки 48. Фиг.4 также показывает канал 13, ограждающий внутренний электрический кабель 14. (Для обеспечения ясности иллюстрации на фиг.4 и 5 первая катушка 28 показана большей относительно размеров ниппельного конца, чем она была бы в предпочтительном варианте осуществления, при этом размеры катушки должны быть такими, чтобы исключить отрицательное влияние на прочность бурильной трубы).

На фиг.4 дополнительно показан первый паз 25, образующий первую кольцевую вогнутую поверхность 26 с концентрическими обращенными друг к другу участками 26а и 26b. На первой кольцевой вогнутой поверхности 26 имеется первый кольцевой вогнутый слой 27 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. Слой 27 ограничивает первую кольцевую полость. Муфтовый конец 22 содержит первую катушку 28, неподвижно установленную в первой кольцевой полости между концентрическими, обращенными друг к другу участками 27а и 27b первого слоя 27.

На фиг.4 также показан второй паз 35^/, образующий вторую кольцевую вогнутую поверхность 36^/ с концентрическими, обращенными друг к другу участками 36а^/ и 36b^/. На второй кольцевой вогнутой поверхности 36^/ имеется второй кольцевой вогнутый слой 37^/ с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. Слой 37^/ ограничивает вторую кольцевую полость. Ниппельный конец 32^/ содержит вторую катушку 38^/, неподвижно установленную во второй кольцевой полости между концентрическими, обращенными друг к другу участками 37а^/ и 37b^/ второго слоя 37^/.

На фиг.4 также показан первый элемент 21 индуктивного устройства связи с токовым контуром, имеющий первый слой 27 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, и второй элемент 31^/ индуктивного устройства связи с токовым контуром, имеющий второй слой 37^/ с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. Каждый слой нанесен в виде покрытия на внутреннюю поверхность соответствующего ему паза или прикреплен к данной внутренней поверхности. Первая катушка 28 расположена между концентрическими, обращенными друг к другу участками 27а и 27b первого слоя 27. Таким образом, первый слой (или лента) 27 определенной формы с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью частично окружает первую катушку 28. Аналогичным образом второй слой (или лента) 37^/ с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью частично окружает вторую катушку 38^/.

Первая катушка 28 зафиксирована на месте внутри соответствующего ей паза с помощью заливочной массы (компаунда) 42. Первая катушка 28 дополнительно защищена с помощью защитного наполнителя 43, предпочтительно клея-герметика, вулканизирующегося при комнатной температуре. Аналогичным образом вторая катушка 38^/ зафиксирована на месте внутри соответствующего ей паза с помощью заливочной массы (компаунда) 52^/ и дополнительно защищена с помощью защитного наполнителя 53^/.

Фиг.5 представляет собой увеличенное сечение предусмотренного на муфтовом конце элемента индуктивного устройства связи с токовым контуром по фиг.4, показывающее деталь первой катушки 28, включая первый сердечник 47 с высокой магнитной проницаемостью и первую катушечную обмотку 48. Сердечник 47 имеет удлиненное в аксиальном направлении поперечное сечение. Вторая катушка 38^/, второй сердечник 57^/ и вторая катушечная обмотка 58^/ по фиг.4 имеют аналогичную конструкцию.

Катушечная обмотка 48 предпочтительно имеет большое число витков. В первом предпочтительном варианте осуществления данное число приблизительно составляет 200. Предусмотренная на муфтовом конце лента по фиг.5 расположена с возможностью взаимодействия со второй предусмотренной на ниппельном конце, имеющей высокую проводимость и низкую магнитную проницаемость лентой соседней секции колонны труб для создания замкнутого тороидального контура 40 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, как показано на фиг.3. Когда первая и вторая секции колонны труб скреплены вместе как часть эксплуатационной колонны труб, слои 27 и 37^/ образуют контур 40. Этот замкнутый контур окружает первую катушку и вторую катушку, как проиллюстрировано на схеме по фиг.6А. Из фиг.6А можно видеть, что обеспечивающее малые потери индуктивное устройство связи с токовым контуром согласно настоящему изобретению можно рассматривать как пару трансформаторов, соединенных встречно-параллельно посредством контура 40.

Каждая катушка индуцирует электрический ток в секции колонны труб, главным образом вдоль имеющего высокую проводимость и низкую магнитную проницаемость слоя секции колонны труб, который покрывает внутреннюю поверхность паза. Каждый слой проводящего материала прикреплен к внутренней поверхности паза, окружающего сердечник, или нанесен в виде покрытия на эту внутреннюю поверхность.

Слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью может быть образован из любого материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, который имеет проводимость, которая существенно выше проводимости стали. К пригодным материалам с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью относятся медь, медные сплавы (такие как латунь, бронза или бериллиевая бронза), серебро, алюминий, золото, вольфрам и цинк (и сплавы этих материалов).

Слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью позволяет уменьшить омические потери на участке колонны труб за счет уменьшения сопротивления тороидального контура 40 по сравнению с тем сопротивлением, которое имел бы данный контур 40, если бы он проходил только через сталь секции колонны труб. Слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью также позволяет снизить потери магнитного потока на участке колонны труб за счет уменьшения проникновения магнитного потока в сталь каждой секции снабженной проводами колонны труб. Несмотря на то, что тороидальный контур 40 в идеальном случае представляет собой замкнутый контур, необязательно, чтобы контур 40 состоял полностью из проводящего слоя, поскольку любой зазор в проводящем слое контура 40 будет перекрыт посредством стали локального ниппельного конца. Зазор в проводящем слое тороидального контура может быть образован вследствие износа сравнительного мягкого проводящего слоя рядом с местом контакта твердой стали контактирующих концов труб. Небольшое количество таких зазоров в проводящем слое тороидального контура на участке колонны труб не вызовет таких потерь энергии, которые достаточны для того, чтобы оказать существенное влияние.

Тороидальный контур 40 показан в поперечном сечении на фиг.6В. Ток течет вокруг контура 40 в плоскости поперечного сечения, то есть в плоскости, совмещенной с осью отверстия трубы. Протекание тока показано стрелками на фиг.6В и 6С. В идеальном случае отсутствует зазор между проводящими слоями 27 и 37^/ в том месте, где кольцевой внутренний контактирующий уступ 24 упирается в кольцевой внутренний контактирующий конец 34^/ трубы. Поскольку ток течет в замкнутом контуре, ориентированном в плоскости, выровненной относительно аксиального отверстия, слой материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, который образует контур 40, может быть образован из одного или более участков слоя в виде "кусков пирога" так, как показано на фиг.6D. На фиг.6D показан замкнутый, образованный из участков контур 70 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, содержащий первый и второй участки слоя, обозначенные соответственно 77 и 87^/. В то время как в своем простейшем виде "тороидальный контур" предполагает наличие непрерванной непрерывной поверхности, слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью может быть образован из одного или более участков определенной формы, поскольку ток необязательно должен течь вокруг основной периферии тороидального контура.

Каждое индуктивное устройство связи с токовым контуром содержит катушечную обмотку, предпочтительно имеющую двести витков провода. В предпочтительном варианте осуществления обмотки залиты защитным материалом для того, чтобы способствовать их защите от окружающей среды.

Каждая катушка работает в предпочтительном диапазоне частот от 10 кГц до 2 МГц и предпочтительно при частоте 300 кГц. Могут быть использованы частоты за пределами данного диапазона, не превышающие предельных значений, которые определяются конкретной системой для полосы пропускания.

Слой материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью прикреплен или нанесен в виде покрытия электролитическим способом на поверхности канавок, окружающих две катушки. Это позволяет снизить сопротивление электрическому току, который связывает два сердечника. Это также позволяет предотвратить проникновение магнитного поля в материал трубы, тем самым повышается кпд устройства связи. В некоторых вариантах осуществления, которые были подвергнуты испытаниям авторами изобретения, ослабление было уменьшено до менее чем 0,2 дБ на устройство связи. Слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью должен иметь толщину, равную сумме только нескольких значений толщины скин-слоя, при самой малой рабочей частоте (примерно 1 мм для одного варианта осуществления). Слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью предпочтительно образован посредством нанесения электролитического покрытия. В альтернативных вариантах он может быть образован посредством электромагнитной формовки, штамповки взрывом или другим способом, известным в данной области техники. Предпочтительно полость, в которой размещена катушка, выполнена такой, чтобы минимизировать длину контура вдоль поверхностей в плоскости, проходящей через ось отверстия.

Материал магнитного сердечника выбирают таким, чтобы минимизировать потери на гистерезис и потери на вихревые токи и чтобы он был стойким к воздействию окружающей среды в нисходящей скважине. Было установлено, что материалы для магнитных лент, имеющиеся на рынке под названиями Supermalloy и Metglass®, являются пригодными, хотя можно использовать и другие материалы. Supermalloy поставляет фирма Magnetics®, подразделение фирмы Spang and Company, East Butler, Пенсильвания, США. Metglass® поставляет фирма Honeywell Amorphous Metals, Morristown, Нью-Джерси, США.

Сердечники предпочтительно образованы путем наматывания материала магнитной ленты на оправку, отжига и пропитывания эпоксидной смолой. После этого оправку удаляют для получения максимального поперечного сечения сердечника. С целью минимизации рассеяния магнитного потока катушечные обмотки предпочтительно плотно наматывают вокруг сердечника при минимальном расстоянии между витками. Это достигается за счет использования плотно намотанного провода круглого сечения или плоской проволоки. Тем не менее можно использовать другие способы, включая нанесение обмотки в виде гальванического покрытия путем электроосаждения или распыления (при этом изоляционную спираль получают путем маскирования или травления) или с помощью создания гибкой печатной платы. Дополнительные конденсаторы могут быть установлены и включены параллельно первичным обмоткам для снижения резонансной частоты.

Внутренний электрический кабель 14 на фиг.1-4 проходит в осевом направлении в пределах, по меньшей мере, части отверстия. На фиг.1 показан кабель 14, который размещен внутри канала 13 в зоне первого элемента 21 индуктивного устройства связи, но затем проходит через отверстие трубы вдоль него, будучи прикрепленным к внутренней стенке трубы, до второго элемента 31 индуктивного устройства связи. В альтернативном варианте кабель 14 может быть размещен в канавке, вырезанной в наружной поверхности секции колонны труб, или кабель 14 может находиться в отверстии, образованном в буровой скважине в пределах участка стенки секции колонны труб. Или он может находиться внутри отверстия секции колонны труб в виде закрепленного кабеля, бронированного кабеля или (что менее желательно) в виде незакрепленных проводов.

Надежность системы индуктивных устройств связи с токовым контуром может быть повышена путем использования резервных кабелей. Две пары (или более) проводов могут проходить от конца до конца каждой секции, и две независимые катушечные обмотки могут быть намотаны в каждом устройстве связи, так что один оборванный провод не вызовет отказа системы. Если провода заизолированы независимо друг от друга, закорачивание одного из них не вызовет выхода системы из строя.

Первый предпочтительный вариант осуществления включает в себя секцию колонны труб с двумя зонами контакта, с первым и вторым элементами индуктивных устройств связи, расположенными соответственно у внутреннего уступа и у внутреннего конца трубы. Размеры секции колонны труб таковы, что расстояние между наружным концом трубы и внутренним уступом больше расстояния между наружным уступом и внутренним концом трубы на небольшую величину. На фиг.3 показано расстояние D₁ между наружным концом 41 трубы и кольцевым внутренним контактирующим уступом 24 и расстояние D₂ между наружным уступом 51^/ и кольцевым внутренним контактирующим концом 34^/ трубы. Расстояние D₁ больше расстояния D₂ на небольшую величину. Когда две секции колонны труб надлежащим образом затянуты (то есть зажаты вместе с приложением крутящего момента, необходимого для достижения надлежащего уплотнения конца 41 трубы относительно уступа 51^/ соседней снабженной проводом трубы), эта небольшая величина обеспечивает возможность посредством приложения того же крутящего момента автоматически прижать внутренний уступ 24 к внутреннему концу 34^/ трубы соседней секции снабженной проводами колонны труб так, чтобы надежно образовать замкнутый тороидальный контур 40 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью.

На фиг.7 показан первый вид первого варианта осуществления, в котором внутренние кабели 44 и 54^/ выходят из зоны катушек 28 и 38^/ соответственно через кольцевые V-образные канавки 46 и 56^/. Следует обратить внимание на то, что местоположение и структура компаунда 42 и защитного наполнителя 43 и 45 на муфтовом конце и компаунда 52^/ и защитного наполнителя 53^/ и 55^/ на ниппельном конце отличаются от местоположения и структуры эквивалентных элементов в первом варианте осуществления, показанном на фиг.4.

На фиг.8 показан второй вид первого варианта осуществления, в котором имеются радиально смещенные катушки 28 и 38^/. Слои 65, 27 и 66-67 на муфтовом конце и кольцевые слои 63^/ и 68^/ на ниппельном конце образуют материал с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью для обеспечения лучшего замыкания тороидального контура 40.

В третьем виде первого варианта осуществления, аналогичном варианту осуществления по фиг.8, участки кольцевых слоев с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, например слоев 67 и 68^/ на фиг.8, исключены. Соответственно, проводящие слои, которые образуют замкнутый тороидальный контур 40 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, имеют зазор. Таким образом, тороидальный контур 40 включает, по меньшей мере, один участок конца стальной трубы, перекрывающий зазор.

Фиг.9 представляет собой сечение индуктивного устройства 210 связи по второму варианту осуществления снабженной проводами бурильной трубы согласно настоящему изобретению. В данном варианте и элемент 221 индуктивного устройства связи, и элемент 231^/ индуктивного устройства связи имеет кольцевой резьбовой проводящий кожух с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, кольцевую изоляционную прокладку, обеспечивающую электрическую изоляцию, и возможно, но необязательно, по меньшей мере, один кольцевой слой с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. Каждый проводящий кожух предпочтительно изготовлен из бериллиевой бронзы. Каждая прокладка предпочтительно изготовлена из керамики.

На муфтовом конце 222 образован кольцевой уплотняемый наружный конец трубы (непоказанный), первый кольцевой, самый внутренний уступ 241, первый кольцевой средний внутренний уступ 242, первый кольцевой, самый наружный внутренний уступ 243 и первая внутренняя резьба 223 между наружным концом трубы и первым кольцевым, самым наружным внутренним уступом 243. Первая катушка 228 установлена у первого среднего уступа 242.

На муфтовом конце 222 имеется первый кольцевой резьбовой проводящий кожух 224, первая кольцевая высокопрочная изоляционная прокладка 226, обеспечивающая электрическую изоляцию, и первый кольцевой слой 227 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. На муфтовом конце 222 образована первая внутренняя резьба 223 между наружным концом трубы и первым средним уступом 242 и третья внутренняя резьба 229. Первый кольцевой резьбовой проводящий кожух 224 присоединен к муфтовому концу 222 посредством третьей внутренней резьбы 229.

Первый проводящий кожух 224 имеет первую кольцевую корпусную часть 245 и первую кольцевую краевую часть 246, при этом первая краевая часть имеет больший диаметр, чем первая корпусная часть, первая корпусная часть присоединена к муфтовому концу у первого самого внутреннего уступа 241. Первый проводящий кожух 224 частично окружает первую катушку 228, обеспечивает фиксацию катушки 228 относительно первого кольцевого среднего внутреннего уступа 242 и фиксацию первой кольцевой высокопрочной изоляционной прокладки 226, обеспечивающей электрическую изоляцию, относительно первого кольцевого самого наружного внутреннего уступа 243.

Первый кольцевой слой 227 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью предпочтительно покрывает кольцевую часть внутренней стенки муфтового конца между первой внутренней резьбой 223 и третьей внутренней резьбой 229.

На ниппельном конце 232^/ образован кольцевой уплотняемый наружный уступ (непоказанный), второй кольцевой, самый внутренний внутренний уступ 251^/, второй кольцевой средний внутренний уступ 252^/, второй конец 253^/ трубы и вторая наружная резьба 233^/ между наружным уступом и вторым концом 253^/ трубы. Вторая катушка 238^/ установлена у второго кольцевого среднего внутреннего уступа 252^/.

На ниппельном конце 232^/ имеется второй кольцевой резьбовой проводящий кожух 234^/, вторая высокопрочная изоляционная прокладка 236^/, обеспечивающая электрическую изоляцию, и второй кольцевой слой 237^/ с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. На ниппельном конце 232^/ образована вторая внутренняя резьба 233^/ между наружным концом трубы и внутренним уступом и четвертая внутренняя резьба 239^/. Второй кольцевой резьбовой проводящий кожух 234^/ присоединен к ниппельному концу 232^/ посредством четвертой внутренней резьбы 239^/.

Второй кольцевой резьбовой проводящий кожух 234^/ имеет вторую кольцевую корпусную часть 255^/ и вторую кольцевую краевую часть 256^/, при этом вторая краевая часть имеет больший диаметр, чем вторая корпусная часть, вторая корпусная часть присоединена к ниппельному концу у второго самого внутреннего уступа 251^/. Второй проводящий кожух 234^/ частично окружает вторую катушку 238^/, обеспечивает фиксацию катушки 238^/ относительно кольцевого среднего уступа 253^/ и фиксацию второй кольцевой высокопрочной изоляционной прокладки 236^/, обеспечивающей электрическую изоляцию, относительно второго конца 253^/ трубы.

Второй кольцевой слой 237^/ с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью предпочтительно покрывает кольцевую часть внутренней стенки ниппельного конца между второй внутренней резьбой 233^/ и четвертой внутренней резьбой 239^/.

Электрический кабель 214 электрически соединяет катушечные обмотки на первой и второй катушках одной снабженной проводами бурильной трубы. Кабель 214 выходит из муфтового конца 222 через канал 213. Кабель 214 выходит из ниппельного конца 232^/ через второй канал аналогичным образом.

Фиг.10 представляет собой сечение индуктивного устройства 310 связи по третьему варианту осуществления снабженной проводами бурильной трубы согласно настоящему изобретению. В данном варианте осуществления первый элемент 321 индуктивного устройства связи на муфтовом конце 322 имеет слой 327 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью.

На муфтовом конце 322 образована первая внутренняя резьба 323 между наружным концом трубы (непоказанным) и кольцевым внутренним контактирующим буртиком 325. Первая катушка 328 неподвижно установлена внутри первого кольцевого паза 326. Первый элемент 321 индуктивного устройства связи на муфтовом конце 322 имеет первый кольцевой слой 327 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. Первый слой 327 покрывает кольцевую часть внутренней стенки муфтового конца между первой внутренней резьбой 323 и кольцевым внутренним контактирующим буртиком 325, частично окружая первую катушку 328. На ниппельном конце 332^/ образована первая наружная резьба 333^/ между наружным уступом (непоказанным) и кольцевым внутренним контактирующим уступом 335^/. Вторая катушка 338^/ неподвижно установлена внутри второго кольцевого паза 336^/. Резьбовой кольцевой проводящий кожух 334^/, привинченный к кольцевому внутреннему контактирующему уступу 335^/ посредством четвертой внутренней резьбы 339^/, обеспечивает установку второй катушки 338^/ в заданном положении во втором кольцевом пазе 336^/.

Электрический кабель 314 электрически соединяет катушечные обмотки на первой и второй катушках одной снабженной проводами бурильной трубы. Кабель 314 выходит из муфтового конца 322 через первый канал 313. Кабель 314 выходит из ниппельного конца 332' через второй канал аналогичным образом.

Фиг.11 представляет собой сечение обеспечивающего малые потери индуктивного устройства 410 связи по четвертому варианту осуществления снабженной проводами бурильной трубы согласно настоящему изобретению, при этом снабженная проводами бурильная труба имеет первый и второй элементы индуктивных устройств связи с токовым контуром, расположенные внутри отверстия секции колонны труб.

В первом виде индуктивного устройства 410 связи первая катушка прикреплена к первому трубчатому опорному элементу 415 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. Опорный элемент 415 локально присоединен к первой секции колонны труб внутри отверстия первой секции колонны труб. Аналогичным образом вторая катушка 412 прикреплена ко второму трубчатому опорному элементу 416 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. Опорный элемент 416 локально присоединен ко второй секции колонны труб внутри отверстия второй секции колонны труб. При сопряжении элементов устройства связи первая лента 413 определенной формы с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью вторая лента 414 определенной формы с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью и два трубчатых опорных элемента 415 и 416 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью образуют замкнутый тороидальный контур с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. Этот контур окружает обе катушки и функционально соответствует контуру 40 на фиг.6А. Опорные элементы 415 и 416 могут быть выполнены из любого соответствующего материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, такого как бериллиевая бронза, или из магнитного материала, такого как сталь с покрытием из материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью.

Фиг.12 представляет собой перспективный вид ниппельного конца секции снабженной проводами колонны труб, которая содержит первый элемент по варианту осуществления, показанному на фиг.11. Фиг.13 представляет собой перспективный вид муфтового конца той секции снабженной проводами колонны труб, которая содержит второй элемент по варианту осуществления, показанному на фиг.11.

Пятый вариант показан на фиг.14-16 и схематично показан на фиг.6А. (Схематично он очень похож на первый предпочтительный вариант осуществления).

На фиг.14 показана секция 510 снабженной проводами колонны труб, имеющая удлиненное трубчатое тело 511. Тело 511 имеет муфтовый конец 522 и ниппельный конец 532. Муфтовый конец 522 содержит первый элемент 521 индуктивного устройства связи с токовым контуром и имеет внутреннюю коническую трубную резьбу 523. На муфтовом конце 522 образована кольцевая, обращенная внутрь зона 524 с конусообразным сечением, имеющая первый неглубокий паз 525. Ниппельный конец 532 содержит второй элемент 531 индуктивного устройства связи с токовым контуром и имеет наружную коническую трубную резьбу 533. На ниппельном конце 532 образована кольцевая, обращенная наружу зона 534 с конусообразным сечением, имеющая второй неглубокий паз 535. Как показано в верхней части фиг.14, муфтовый конец 522 соединен с ниппельным концом соседней секции снабженной проводами колонны труб для образования индуктивного устройства 520 связи. Первый элемент 521 индуктивного устройства связи с токовым контуром и второй элемент 531 индуктивного устройства связи с токовым контуром электрически соединены посредством внутреннего электрического кабеля 514. На фиг.14 также показаны наружный конец 541 трубы и наружный уступ 551, которые образуют уплотняемые поверхности.

На фиг.15 и 16 индуктивное устройство 520 связи секции снабженной проводами колонны труб по фиг.14 показано более подробно. На фиг.15 показан муфтовый конец 522, содержащий первый элемент 521 индуктивного устройства связи с токовым контуром и имеющий внутреннюю коническую трубную резьбу 523. Первый неглубокий паз 525 образует первую кольцевую вогнутую поверхность 526. Аналогичным образом показан ниппельный конец 532^/, содержащий второй элемент 531^/ индуктивного устройства связи с токовым контуром и имеющий наружную коническую трубную резьбу 533^/. Второй неглубокий паз 535^/ образует вторую кольцевую вогнутую поверхность 536.

Фиг.16 представляет собой увеличенное сечение электромагнитных компонентов соединенных элементов 521 и 531^/ индуктивного устройства связи с токовым контуром по фиг.14 и 15.

На фиг.16 показана первая кольцевая вогнутая поверхность 526, на которой имеется первый слой 527 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. Муфтовый конец 522 содержит первую катушку 528, имеющую первый сердечник 547 с высокой магнитной проницаемостью, на который намотана первая катушечная обмотка 548. Первая катушка 528 расположена в первом неглубоком пазе 525, частично покрытом слоем 527. На второй кольцевой вогнутой поверхности 536^/ имеется второй слой 537^/ с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. Ниппельный конец 532^/ содержит вторую катушку 538^/, имеющую первый сердечник 557^/ с высокой магнитной проницаемостью, на который намотана вторая катушечная обмотка 558^/. Вторая катушка 538^/ расположена внутри второго неглубокого паза 535^/, частично покрытого слоем 537^/.

Слой 527 образует первую ленту определенной формы с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, частично окружающую первую катушку 528. Этой ленте придана такая форма, которая позволяет ей взаимодействовать со второй лентой определенной формы с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, частично окружающей вторую катушку 538^/ соседней второй секции колонны труб, для создания замкнутого тороидального контура 540 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. Замкнутый контур 540 окружает первую катушку и вторую катушку, когда первая и вторая секции колонны трубы соединены вместе как часть эксплуатационной колонны труб.

Внутренний электрический кабель 514 проходит в осевом направлении, по меньшей мере, внутри части отверстия секции колонны труб. На фиг.14 и 16 показан кабель 514, проходящий через муфтовый конец 522 по первому каналу 544, при этом кабель проходит через центральный участок отверстия, не опираясь на стенки отверстия. В альтернативном варианте кабель 514 может быть размещен в канавке, вырезанной в наружной поверхности секции колонны труб. В другом варианте кабель 514 может находиться в отверстии, образованном с помощью ружейного сверла в пределах участка стенки секции колонны труб. В еще одном варианте кабель 514 может проходить внутри отверстия секции колонны труб в виде защищенного или бронированного кабеля.

Обеспечивающее малые потери индуктивное устройство связи с токовым контуром согласно данному пятому варианту осуществления можно рассматривать как пару трансформаторов, соединенных встречно-параллельно посредством тороидального контура с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, аналогичного контуру 40, показанному на фиг.6А.

Как показано на фиг.15, первый элемент 521 индуктивного устройства связи с токовым контуром включает в себя первую катушку 528, окружающую аксиальное отверстие 512. Второй элемент 531^/ индуктивного устройства связи с токовым контуром включает в себя вторую катушку 538^/, также расположенную концентрично относительно отверстия 512. Первый элемент 521 включает часть соединительного участка первой секции колонны труб, расположенную вблизи резьбы первого соединительного участка, которая имеет первый слой 527 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, частично окружающий первую катушку. Второй элемент 531^/ включает в себя ту часть соединительного участка второй секции колонны труб, расположенную вблизи витков резьбы второго соединительного участка, которая имеет второй слой 537^/ с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, частично окружающий вторую катушку. Первой ленте определенной формы с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью придана такая форма, которая позволяет ей взаимодействовать со второй лентой определенной формы с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, которая предусмотрена на соседней секции колонны труб. Когда первая секция снабженной проводами колонны труб и соседняя вторая секция снабженной проводами колонны труб привинчены друг к другу для использования в колонне труб, первая и вторая ленты определенной формы с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью образуют замкнутый тороидальный контур с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, окружающий как первую катушку секции снабженной проводами колонны труб, так и вторую катушку соседней секции снабженной проводами колонны труб.

Как показано на фиг.16, первая катушка 528 расположена в тороидальной полости 560. Тороидальная полость 560 ограничена вогнутой поверхностью первого слоя 527 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, который покрывает первую кольцевую вогнутую поверхность 526, и вогнутой поверхностью второго слоя 537^/ с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, который покрывает вторую кольцевую вогнутую поверхность 536^/. Первый неглубокий паз 525 (показанный на фиг.15) образован рядом с резьбой и уплотняемыми поверхностями и окружает отверстие. Внутри первого неглубокого паза 525 катушки хорошо защищены от окружающей среды в процессе бурения. Каждая катушка предпочтительно путем формования герметично покрыта защитным покрытием из резины, но может быть использован другой тип полимерного покрытия, образованного путем формования.

Как показано на фиг.15, индуктивное устройство 520 связи включает первый элемент 521 индуктивного устройства связи с токовым контуром, имеющий первую ось Y-Y, аксиальное отверстие 512 и первый наружный конец 541 трубы. Оно дополнительно включает в себя первую катушку 528. Первая катушка 528 ориентирована в плоскости, проходящей поперек к оси Y-Y, окружает отверстие 512 и расположена в пределах первого элемента 521. Первый элемент 521 имеет наружную коническую трубную резьбу 533^/ и первый слой 527 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, частично окружающий первую катушку 528. Первому слою 527 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью придана такая форма, которая обеспечивает его сопряжение с дополняющим его вторым слоем 537^/ с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, предусмотренным на втором концевом элементе соседней секции колонны труб, имеющем соответствующую вторую проводящую катушку, намотанную вокруг второго сердечника. Два слоя взаимодействуют друг с другом для создания замкнутого тороидального контура 540 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, аналогичного контуру 40 по фиг.6А. Контур 540 окружает обе катушки, когда элементы 521 и 531^/ индуктивного устройства связи с токовым контуром соединены. Защитные наполнители 553, 543^/ окружают соответственно первую и вторую катушки. Контур 540, тороидальная полость 560, уплотняемая зона 561^/ контактирующих краев и резьбовая зона 562 контактирующих краев показаны на фиг.16.

На фиг.16 показан первый элемент 521 индуктивного устройства связи с токовым контуром, в котором образован первый канал 544, окружающий внутренний электрический кабель 514. Аналогичным образом во втором элементе 531^/ индуктивного устройства связи с токовым контуром образован второй канал 554^/, окружающий внутренний электрический кабель 514^/.

Фиг.17 представляет собой сечение первого вида пятого варианта осуществления. В этом варианте первый и второй сердечники и первый и второй слои с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью расположены вблизи уплотняемых поверхностей секции снабженной проводами колонны труб.

Фиг.18 представляет собой сечение второго вида пятого варианта осуществления, который аналогичен первому виду.

В третьем виде (непоказанном) пятого варианта осуществления секция снабженной проводами колонны труб содержит удлиненное трубчатое тело, изготовленное из материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. На первом конце тела образована первая лента определенной формы с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, а на втором конце тела образована вторая лента определенной формы с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью.

В четвертом виде пятого варианта осуществления предусмотрена секция снабженной проводами колонны труб, имеющая тело, изготовленное из бериллиевой бронзы.

В пятом виде пятого варианта осуществления предусмотрена пара коротких переходников индуктивного устройства связи. Каждый переходник имеет короткий корпус, изготовленный из металла, и один элемент индуктивного устройства связи, частично окруженный кольцевым вогнутым проводящим слоем с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. Если корпус изготовлен из материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, такого как бериллиевая бронза, подобный слой не нужен. Пятый вид не показан, но в нем используются компоненты, раскрытые здесь ранее как элементы пятого варианта осуществления. Индуктивные устройства связи аналогичны тем, которые предусмотрены на двух концах пятого варианта осуществления. Первый переходник навинчен на первый конец секции обычной (не снабженной проводами) колонны труб, и второй переходник навинчен на второй конец секции колонны труб для образования снабженной проводами сборной секции колонны труб (непоказанной). Два элемента индуктивных устройств связи этой снабженной проводами сборной секции колонны труб могут быть электрически соединены друг с другом на месте с помощью кабеля, пропущенного через отверстие секции колонны труб. Использование переходников для образования индуктивных устройств связи приводит к увеличению в три раза числа резьбовых соединений, но не приводит к увеличению количества элементов индуктивных устройств связи, необходимых для данной бурильной колонны. Данный способ использования требует образования, по меньшей мере, одного соединения кабелей после установки переходников индуктивных устройств связи.

Шестой вариант осуществления секции снабженной проводами колонны труб показан в сечении на фиг.17 и схематично на фиг.6А. (Схематично шестой вариант осуществления очень похож на первый предпочтительный вариант осуществления).

На фиг.17 показано индуктивное устройство 620 связи, содержащее первый элемент 621 индуктивного устройства связи с токовым контуром и второй элемент 631^/ индуктивного устройства связи с токовым контуром, предусмотренный на соседней секции снабженной проводами колонны труб. На муфтовом конце 622 образована внутренняя коническая трубная резьба 623, уплотняемый конец 624 трубы и первый кольцевой паз 625 на уплотняемом конце 624 трубы. На ниппельном конце 632^/ образована наружная коническая трубная резьба 633^/, уплотняемый уступ 634^/ и второй кольцевой паз 635^/ в уплотняемом уступе 634^/. Муфтовый конец 622 соединен с ниппельным концом 632^/ соседней секции снабженной проводами колонны труб для образования индуктивного устройства 620 связи.

Первый кольцевой паз 625 содержит первый кольцевой вогнутый слой 627 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, ограничивающий первую кольцевую полость. Первая катушка 628 установлена в заливочном компаунде внутри первой кольцевой полости. Второй кольцевой паз 635^/ содержит второй кольцевой вогнутый слой 637^/ с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, ограничивающий вторую кольцевую полость. Вторая катушка 638^/ установлена в заливочном компаунде внутри второй кольцевой полости.

Катушечные обмотки первой катушки 628 элемента 621 индуктивного устройства связи с токовым контуром и катушечные обмотки того второго элемента (непоказанного) индуктивного устройства связи с токовым контуром, который предусмотрен на той же [секции] снабженной проводами бурильной трубы, электрически соединены внутренним электрическим кабелем 614. Как показано на фиг.17, в шестом варианте осуществления уплотняемый конец 624 трубы имеет внутренний и наружный кольцевые участки, разделенные первым пазом 625, и уступ 634^/ имеет внутренний и наружный кольцевые участки, разделенные вторым пазом 635^/.

В виде шестого варианта осуществления, показанном на фиг.18, проиллюстрирована секция снабженной проводами колонны труб, имеющая более прочный (нерасщепленный) уплотняемый конец 644 трубы и более прочный уступ 654^/. В этой разновидности также имеется третий слой 647 с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью над внутренней кольцевой поверхностью, расположенной вблизи внутренней резьбы 643, и четвертый слой 657^/ с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью над наружной кольцевой поверхностью, расположенной вблизи наружной резьбы 653^/.

Реферат

Группа изобретений относится к области бурения и эксплуатации скважин и может быть использована для передачи данных измерений из мест в стволе скважины на поверхность. Секция колонны труб содержит удлиненное трубчатое тело, имеющее аксиальное отверстие, резьбовой муфтовый конец и резьбовой ниппельный конец. Первая кольцевая катушка неподвижно установлена на муфтовом конце и частично окружена первым слоем с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью, и вторая кольцевая катушка, неподвижно установленная на ниппельном конце, частично окружена вторым слоем с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью. При соединении муфтового конца первой секции колонны труб с ниппельным концом второй секции колонны труб первый и второй слои с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью образуют, по меньшей мере, часть тороидального контура, окружающего первую кольцевую катушку первой секции колонны труб и вторую кольцевую катушку второй секции колонны труб. Катушечные обмотки первой и второй катушек секции снабженной проводами колонны труб электрически соединены. Изобретения направлены на повышение надежности передачи информации. 4 н. и 25 з.п. ф-лы, 18 ил.

Формула