прибор электромагнитного каротажа в процессе бурения

Формула изобретения

Прибор электромагнитного каротажа в процессе бурения, встраиваемый в колонну бурильных труб и содержащий генераторные и приемные катушки и электронные узлы, отличающийся тем, что выполнен в виде конструкции, состоящей из двух коаксиально расположенных композитных радиопрозрачных труб, наружная силовая труба выполнена съемной и соединена с внутренней трубой двумя герметизирующими соединительными элементами, один из которых выполнен подвижным, генераторные и приемные катушки и электронные узлы размещены в образующейся герметичной кольцевой полости между трубами и закреплены на внутренней трубе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геофизических исследований в скважинах, а именно к приборам электромагнитного каротажа в процессе бурения, и может быть использовано для измерения электрических характеристик горных пород, находящихся вокруг скважин, бурящихся на нефть и газ.

В процессе строительства скважин в настоящее время существует практика получения информации, касающейся пород, через которые бурится скважина, путем использования приборов каротажа в процессе бурения, известных за рубежом как LWD системы.

Обычно приборы электромагнитного каротажа во время бурения включают корпус, который является частью буровой колонны, передающие (генераторные) и приемные катушки, закрепленные на корпусе. Электромагнитные волны распространяются от передающей катушки в горные породы, окружающие скважину, и принимаются после прохождения приемными катушками. Принятые сигналы используются для расчетов электрического сопротивления окружающих скважину пород.

Применение приборов электромагнитного каротажа в процессе бурения осложнено жесткими условиями эксплуатации связанными с процессом бурения скважины (высокая температура, давление, абразивное воздействие стенок скважины, механические нагрузки).

Для обеспечения механической прочности требуется, чтобы каротажный прибор был интегрирован в бурильную трубу из стали или иного прочного материала. Электронная часть прибора должна быть стабильна при воздействии ударов, вибрации, высоких температур и быть надежно защищена от воздействия высокого давления в среде бурового раствора. Как правило, электронные узлы размещены в герметичном, цилиндрическом, стальном корпусе, расположенном по оси бурильной трубы, а генераторные и приемные катушки закреплены на поверхности бурильной трубы и защищены специальными накладками из пластика (см. например патент US 5402068, G 01 V 3/30, опубл. 1995 г.).

Подобные конструкции обладают высокой механической прочностью, но имеют и существенный недостаток - внутри генераторной и приемных катушек размещена металлическая труба. Несущая металлическая труба представляет собой короткозамкнутый виток, расположенный в непосредственной близости от генераторной и приемной катушек, что существенно уменьшает амплитуду принятого электромагнитного сигнала, используемого при измерениях и, как следствие, снижает чувствительность и точность измерений.

Известен прибор электромагнитного каротажа в процессе бурения по патенту US 6084052, Е 21 В 47/01, опубл. 1999 г, в котором передающие (генераторные) и приемные катушки размещены в нижней части буровой колонны на внешней стороне металлической бурильной трубы в специальных камерах и полностью закрыты монолитным наружным кожухом, изготовленным из высокопрочного композита на основе полиарилэфиркетона. Кожух является радиопрозрачным, окружает трубу и защищает катушки от буровой жидкости, катушки могут быть запрессованы в стенку композитного кожуха. При этом достигается высокая степень защиты катушек, но сохраняется недостаток, вызванный наличием стальной трубы (уменьшение амплитуды принятого электромагнитного сигнала, используемого при измерениях, и уменьшение чувствительности и точности измерений). Кроме того, данная конструкция имеет низкую ремонтопригодность, так как катушки запрессованы в кожух из термопластика.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является техническое решение по патенту US 5944124, G 01 V 3/18, опубл. 1999 и патенту US 5988300, G 01 V 3/18, опубл. 1999, где часть стальной бурильной колонны, предназначенная для размещения каротажных приборов, в процессе бурения замещается участком трубы, выполненным из высокопрочного композиционного материала. Композитный материал представляет собой стеклопластик на основе эпоксидной смолы и стекловолокна, является прозрачным для прохождения электромагнитных волн и достаточно прочным. Соединительные элементы, изготовленные из стали или немагнитных материалов, дают возможность встроить композитную трубу в бурильную колонну. Внутри трубы размещается прибор электромагнитного каротажа.

Недостатком данной конструкции является то, что установленный внутри трубы каротажный прибор препятствует потоку буровой жидкости и создает значительное гидравлическое сопротивление. Поэтому внутри силовой композитной трубы может быть установлен прибор электромагнитного каротажа относительно малого диаметра с генераторными и приемными катушками в несколько раз меньшего размера, чем в приборах, у которых катушки размещены на поверхности металлической трубы как в рассмотренных выше патентах-аналогах. Малые размеры катушек значительно снижают чувствительность прибора, так как магнитное поле, излучаемое генераторной катушкой, и амплитуда сигнала в приемных катушках при прочих равных условиях пропорциональны их площадям.

Целью данного изобретения является повышение чувствительности прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения, а также увеличение ресурса и ремонтопригодности.

Поставленная цель является актуальной, так как повышение чувствительности прибора приводит к более точному измерению параметров горных пород, окружающих скважину. Повышение ремонтопригодности имеет значение, поскольку существующие жесткие условия бурения часто приводят к разрушению элементов дорогостоящего прибора, замена которых позволяет увеличить ресурс работы прибора в целом и сэкономить значительные средства.

Поставленная цель достигается тем, что прибор электромагнитного каротажа в процессе бурения, встраиваемый в колонну бурильных труб и содержащий генераторные и приемные катушки и электронные узлы, закрепленные на корпусе, выполнен в виде конструкции, состоящей из двух коаксиально расположенных композитных труб, наружная силовая труба выполнена съемной и соединена с внутренней трубой двумя герметизирующими соединительными элементами, один из которых выполнен подвижным, генераторные и приемные катушки и электронные узлы размещены в образующейся герметичной кольцевой полости между трубами и закреплены на внутренней трубе.

В предлагаемом приборе электромагнитного каротажа чувствительность повышается за счет изготовления элементов конструкции из радиопрозрачного композитного материала и возможности размещения в герметичной кольцевой полости на внутренней композитной трубе катушек увеличенного диаметра. Выполнение наружной силовой трубы съемной позволяет осуществлять замену наружной трубы по мере ее износа, что продлевает ресурс прибора в целом. Кроме того, разъемная конструкция корпуса прибора обеспечивает ремонтопригодность в отношении электронных узлов, катушек и линий связи.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена конструкция прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения.

Конструкция прибора включает внутреннюю композитную трубу 1, на которой закреплены генераторные катушки 2, приемные катушки 3 и электронные узлы 4, наружную композитную трубу 7, металлические концевые элементы 6 и 9, герметизирующие соединительные элементы 5 и 8.

В качестве материала для изготовления труб может быть использован композитный материал из термостойкой эпоксидной смолы, армированной высокопрочным стекловолокном.

Прибор электромагнитного каротажа в процессе бурения работает следующим образом.

При помощи металлических концевых элементов 6 и 9 прибор присоединяется к колонне бурильных труб. Поскольку прибор является составной частью бурильной колонны, он воспринимает все механические нагрузки, в частности вращающий момент гидравлического забойного двигателя, нагрузку на долото и т.п. Основным силовым элементом корпуса, соединяющим концевые элементы 6 и 9, является наружная композитная труба 7, через которую передаются все усилия, связанные с процессом бурения. При этом внутренняя композитная труба 1 служит каналом для пропуска бурового раствора к забойному двигателю или долоту, не создавая при этом гидравлического сопротивления. За счет подвижного соединения 5 внутренняя труба 1 испытывает лишь нагрузки, вызванные давлением жидкости в трубе, и не воспринимает механические нагрузки, сопровождающие процесс бурения. Герметизирующие соединения 5, 8 обеспечивают герметичность внутреннего кольцевого пространства между трубами. Размещенные в герметичном кольцевом пространстве между трубами 1 и 7 генераторные катушки 2, приемные катушки 3 и электронные узлы 4 закреплены на внутренней трубе 1, защищены от абразивного воздействия стенок скважины и не подвергаются агрессивному воздействию бурового раствора. Электромагнитные волны распространяются от генераторных катушек в горные породы, окружающие скважину, и принимаются после прохождения приемными катушками. Известно, что электромагнитное поле, излучаемое генераторной катушкой, пропорционально площади витка катушки и при увеличении диаметра витка ее момент возрастает пропорционально квадрату диаметра витка. Амплитуда сигнала в приемных катушках также возрастает пропорционально квадрату диаметра их витка. Поскольку предлагаемая конструкция прибора позволяет разместить в кольцевом зазоре катушки большого диаметра, это дает возможность увеличить величину электромагнитного сигнала как в генераторных, так и приемных катушках, что приводит к увеличению чувствительности прибора по сравнению с прототипом. При этом композитные радиопрозрачные трубы 1 и 7 не препятствуют прохождению электромагнитных волн и в отличие от металлического корпуса не ослабляют генерируемые и принимаемые сигналы. Принятые приемными катушками 3 сигналы обрабатываются электронными узлами 4 и используются для расчетов электрического сопротивления окружающих скважину пород.

Работа прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения в составе буровой колонны осложнена жесткими условиями эксплуатации, связанными с процессом бурения скважины (высокая температура, давление, абразивное воздействие стенок скважины, механические нагрузки). Это приводит к ускоренному износу наружного слоя композитного корпуса. За счет использования разъемной конструкции возможна быстрая замена изношенной наружной трубы 7 непосредственно на месте бурения.

В предлагаемом приборе электромагнитного каротажа чувствительность повышается за счет изготовления элементов конструкции из радиопрозрачного композитного материала и возможности размещения в герметичной кольцевой полости на внутренней композитной трубе катушек увеличенного диаметра. Выполнение наружной силовой трубы съемной позволяет осуществлять замену наружной трубы по мере ее износа, что продлевает ресурс прибора в целом. Кроме того, разъемная конструкция корпуса прибора обеспечивает ремонтопригодность в отношении электронных узлов, катушек и линий связи.