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

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

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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, ослаблен