Труба для передачи сигналов и способ ее изготовления (варианты)

Труба для передачи сигналов и способ ее изготовления (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предпосылки создания изобретения

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к скважинным телеметрическим системам, а более конкретно, к трубе с проводной линией, такой как бурильная труба, которая приспособлена для передачи данных и/или энергии между одним или несколькими участками внутри ствола скважины и поверхностью.

2. Предшествующий уровень техники

Значительная часть достоинств систем измерений в процессе бурения (ИПБ) и каротажа в процессе бурения (КПБ) вытекает из способности обеспечивать в реальном времени информацию о скважинных условиях возле бурового долота. Нефтяные компании используют результаты этих скважинных измерений для принятия решений во время процесса бурения, например, для получения входной информации или информации, поступающей в порядке обратной связи, для сложной буровой техники, такой как забойная система контроля и управления параметрами бурения, разработанная фирмой Schlumberger. Такие технологии в значительной степени основаны на текущих сведениях о пласте, который пробуривают. Поэтому в промышленности продолжается разработка новых способов измерений в реальном времени (или почти в реальном времени), предназначенных для исследований в процессе бурения и каротажа в процессе бурения, включающих в себя измерения с построением изображения и с высоким содержанием данных.

Для таких новых способов измерений и относящихся к ним систем управления требуются телеметрические системы, имеющие более высокие скорости передачи данных, чем имеющиеся в настоящее время телеметрические системы. В результате, для использования совместно с системами измерений в процессе бурения и каротажа в процессе бурения были предложены или испытаны с различной степенью успеха несколько новых и/или модифицированных телеметрических систем.

Известный отраслевой стандарт на передачу данных между стволом скважины и местами на поверхности относится к телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, при которой бурильную колонну используют для передачи модулированных акустических волн в промывочной жидкости. Скорость передачи данных при использовании телеметрии по гидроимпульсному каналу связи находится в пределах 1-6 битов/с. Такие небольшие скорости непригодны для передачи большого количества данных, которые обычно собираются каротажной цепочкой в процессе бурения. Кроме того, в некоторых случаях (например, при использовании вспененного бурового раствора) телеметрия по гидроимпульсному каналу связи вообще не работает. В результате нередко случается, что некоторые или все данные, собранные посредством систем измерений в процессе бурения или каротажа в процессе бурения, сохраняются в скважинном запоминающем устройстве и пересылаются по окончании работы долота. Эта задержка существенно снижает ценность данных для практического применения в реальном или в почти реальном времени. Кроме того, существует значительная опасность потери данных, например, в случае утраты в стволе скважины приборов измерений в процессе бурения или каротажа в процессе бурения.

Испытания электромагнитной (ЭМ) телеметрии по подземным каналам через грунт проводились с ограниченным успехом. Кроме того, полезность электромагнитной телеметрии даже при низких скоростях передачи данных ограничена глубиной, зависящей от удельного сопротивления грунта.

Акустическая телеметрия через посредство самой бурильной трубы исследовалась широко, но до настоящего времени в промышленном масштабе не используется. Теоретически при использовании акустических волн, проходящих по стальной бурильной колонне, должны быть возможными скорости передачи данных порядка десятков битов в секунду, но это достоверно не подтверждено.

Концепция прокладки провода в соединенных отрезках бурильных труб предлагалась много раз в течение последних 25 лет. Некоторые из предшествующих предложений раскрыты: в патенте США № 4126848 (Denison); патенте США № 3957118 (Barry et al.) и патенте США № 3807502 (Heilhecker et al.); и в таких публикациях, как “Four different systems used for MWD”, McDonald W.J., The Oil and Gas Journal, pp. 115-124, Apr. 3, 1978.

В нескольких из более поздних патентов и публикаций внимание сосредоточено на использовании связанных по току индуктивных элементов связи в бурильной трубе с проводной линией (БТПЛ). В патенте США № 4605268 (Meador) описаны использование и основной режим работы связанных по току индуктивных элементов связи, установленных на герметизированных поверхностях бурильных труб. В опубликованном патенте РФ № 2140537 (Басарыгин и др.) и в более раннем опубликованном патенте РФ № 2040691 (Коновалов и др.) описаны телеметрические системы на основе бурильной трубы, в которых использованы связанные по току индуктивные элементы связи, установленные вблизи герметизированных поверхностей бурильных труб. В публикации Международной заявки WO 90/14497 A2 (J rgens et al.) описан индуктивный элемент связи, установленный для передачи данных на внутренней окружной периферии отрезка бурильной трубы. Другие, относящиеся к данному вопросу патенты включают в себя следующие номера патентов США: 5052941 (Hernandez-Marti et el.); 4806928 (Veneruso); 4901069 (Veneruso); 5531592 (Veneruso); 5278550 (Rhein-Knudsen et al.); 5971072 (Huber et al.) и 6641434 (Boyle et al.).

В упомянутых выше источниках внимание в основном сосредоточено на передаче данных через связанные концы соединенных отрезков бурильных труб, а не вдоль осевых длин отрезков труб. В ряде других патентных источников раскрыты или предложены конкретные решения для передачи данных вдоль осевых длин скважинных труб или отрезков труб, в том числе в патентах США №№ 2000716 (Polk); 2096359 (Hawthorn); 4095865 (Denison et al.); 472402 (Weldon); 4953636 (Mohn); 6392317 (Hall et al.) и 6799632 (Hall et al.). Другие, относящиеся к данному вопросу источники включают в себя публикацию Международной заявки № WO 2004/033847 A1 (Williams et al.), публикацию Международной заявки № WO 0206716 A1 (Hall et al.) и публикацию заявки на патент США № 2004/0119607 А1 (Davies et al.).

Определения

В этом описании некоторые термины определяются при первом использовании, тогда как некоторые другие термины в этом описании определены ниже.

«Коммуникационный» означает обладающий способностью пропускать или переносить сигнал.

«Коммуникационный элемент связи» означает устройство или структуру, которая используется для соединения соответствующих концов двух соседних трубчатых элементов, таких как резьбовые муфтовые и ниппельные концы соседних отрезков труб, через которую может быть пропущен сигнал.

«Линия связи» означает множество коммуникативно-соединенных трубчатых элементов, таких как соединенные отрезки бурильных труб с проводной линией, предназначенных для пропускания сигналов на расстояние.

«Телеметрическая система» означает по меньшей мере одну линию связи плюс другие компоненты, такие как наземный компьютер, приборы измерений в процессе бурения и каротажа в процессе бурения, подсистемы связи и/или маршрутизаторы, необходимые для измерения, передачи и индикации/регистрации данных, собираемых из ствола скважины или передаваемых через него.

«Проводная линия связи» означает магистраль, которая частично является проводной, вдоль отрезка бурильной трубы с проводной линией через него, предназначенную для пропускания сигналов.

«Бурильная труба с проводной линией» или «БТПЛ» означает один или несколько трубчатых элементов, в том числе бурильную трубу, утяжеленные бурильные трубы, обсадную трубу, насосно-компрессорную трубу или другую трубу, которые приспособлены для использования в бурильной колонне, при этом каждый трубчатый элемент содержит проводную линию связи. Бурильная труба с проводной линией может содержать вкладыш или внутреннее покрытие, которое наряду с другими вариантами может быть расширяемым.

Сущность изобретения

Согласно изобретению создан способ изготовления трубы для передачи сигналов вдоль ее длины, при котором обеспечивают трубчатое тело коммуникационным элементом связи на конце трубчатого тела или вблизи него, располагают удлиненную подкладку на внутренней стенке трубчатого тела или вблизи нее, один или несколько соединительных проводов протягивают вдоль подкладки, располагают между внутренней стенкой трубчатого тела и по меньшей мере участком подкладки и присоединяют к коммуникационному элементу связи для образования проводной линии связи, прикрепляют удлиненную прокладку к трубчатому телу посредством расположения расширяемой трубчатой втулки внутри трубчатого тела так, что подкладка располагается между трубчатым телом и расширяемой втулкой, и расширяют расширяемую втулку до соприкосновения с трубчатым телом, в результате чего подкладка прикрепляется между расширяемой втулкой и трубчатым телом.

Трубчатое тело может представлять собой отрезок бурильной трубы, имеющий муфтовый конец и ниппельный конец, один из которых оснащен коммуникационным элементом связи, и при присоединении соединительных проводов к коммуникационному элементу связи образуют отверстие в ниппельном или муфтовом конце отрезка бурильной трубы, которое проходит от коммуникационного элемента связи до внутренней стенки бурильной трубы, и протягивают один или несколько соединительных проводов через отверстие.

При расширении трубчатой втулки можно прикладывать давление текучей среды к ее внутренней стенке, можно прикладывать силу к ее внутренней стенке или можно подрывать взрывчатое вещество внутри нее для приложения силы взрыва к внутренней стенке трубчатой втулки.

Согласно изобретению создан способ изготовления трубы для передачи сигналов вдоль ее длины, при котором обеспечивают трубчатое тело коммуникационным элементом связи на конце трубчатого тела или вблизи него, образуют одну или несколько выемок на по меньшей мере одной из внутренней и наружной стенок трубчатого тела, которые проходят, по существу, к коммуникационному элементу связи, один или несколько соединительных проводов протягивают по одной или нескольким выемках, присоединяют к коммуникационному элементу связи для образования одной или нескольких проводных линий связи и прикрепляют в одной или нескольких внутренних выемках посредством их протягивания через одну или несколько дополнительных труб, каждая из которых прикреплена в одной из выемок и имеет форму и ориентацию, обеспечивающих ее прохождение к существу коммуникационному элементу связи.

Одну или несколько выемок можно образовать во внутренней стенке трубчатого тела или в наружной стенке трубчатого тела.

Согласно изобретению создана труба для передачи сигналов вдоль ее в скважинных условиях, содержащая трубчатое тело, снабженное коммуникационным элементом связи, расположенным на каждом каждого его конце или вблизи него и содержащим катушку, имеющую две или более независимых катушечных обмоток и два или более проводников, содержащих, каждый, один или несколько соединительных проводов, независимо проходящих вдоль или по стенке трубчатого тела и присоединенных между соответствующими катушечными обмотками для образования двух или более независимых проводных линий связи.

Катушка каждого коммуникационного элемента связи может иметь две независимые катушечные обмотки, каждая из которых находится, по существу, в пределах отдельной дуги катушки длиной 180° или три независимые катушечные обмотки, каждая из которых находится, по существу, в пределах отдельной дуги катушки длиной 120°.

Согласно изобретению создан способ передачи сигналов вдоль длины трубчатого тела, при котором оснащают трубчатое тело коммуникационным элементом связи, расположенным на его конце или вблизи него и содержащим катушку, имеющую две или более независимых катушечных обмоток и два или более проводников, содержащих, каждый, один или несколько соединительных проводов, независимо протягивают вдоль или по стенке трубчатого тела и присоединяют между соответствующими независимыми катушечными обмотками для образования двух или более независимых проводных линий связи.

Согласно изобретению создана труба для передачи сигналов вдоль ее длины в скважинных условиях, содержащая трубчатое тело, оснащенное коммуникационным элементом связи из его концов или вблизи него, удлиненную подкладку, закрепленную вдоль внутренней стенки трубчатого тела трубчатой втулкой, расширенной внутри трубчатого тела, и один или несколько соединительных проводов, проходящих вдоль подкладки, расположенных между внутренней стенкой трубчатого тела и по меньшей мере участком подкладки и присоединенных к коммуникационному элементу связи для образования проводной линии связи.

Трубчатое тело может представлять собой отрезок бурильной трубы, имеющий муфтовый конец и ниппельный конец, один из которых оснащен коммуникационным элементом связи, и отрезок бурильной трубы содержит отверстие на ниппельном или муфтовом конце, которое проходит от коммуникационного элемента связи до внутренней стенки бурильной трубы, при этом соединительные провода проходят через отверстие для присоединения к коммуникационному элементу связи.

Удлиненная подкладка может представлять собой одну из металлической, полимерной, композитной, стеклопластиковой, керамической или комбинированной подкладки.

Согласно изобретению создана труба для передачи сигналов вдоль ее длины в скважинных условиях, содержащая трубчатое тело, оснащенное коммуникационным элементом связи на одном из его концов или вблизи него и имеющее одну или несколько выемок в по меньшей мере одной из внутренней и наружной стенок его, которые проходят, по существу, к коммуникационному элементу связи, один или несколько соединительных проводов, проходящих по одной или нескольким выемкам, закрепленных в них путем протягивания через одну или несколько дополнительных труб, прикрепленных, каждая, в одной из выемок и имеющая форму и ориентацию, обеспечивающие ее прохождение, по существу, между коммуникационными элементами связи, при этом один или несколько соединительных проводов присоединены к коммуникационному элементу связи для образования одной или нескольких проводных линий связи.

Трубчатое тело может иметь одну или несколько выемок в его внутренней стенке или в его наружной стенке.

Согласно изобретению создана система соединенных труб для передачи сигналов в скважинных условиях, каждая из которых содержит трубчатое тело, оснащенное коммуникационным элементом связи на каждом концу трубчатого тела или вблизи него, предназначенным для передачи сигналов между соседними соединенными трубами, удлиненную подкладку, расположенную вдоль внутренней стенки трубчатого тела, и один или несколько соединительных проводов, проходящих вдоль подкладки, расположенных между внутренней стенкой трубчатого тела и по меньшей мере участком подкладки и присоединенных к коммуникационному элементу связи для образования проводной линии связи, и трубчатую втулку, расширенную внутри трубчатого тела так, что подкладка закреплена между трубчатым телом и расширяемой втулкой.

Краткое описание чертежей

Чтобы изложенные выше признаки и преимущества настоящего изобретения можно было понять в деталях, можно воспользоваться более подробным описанием изобретения, кратко резюмированного выше, путем обращения к вариантам осуществления его, которые иллюстрируются приложенными чертежами. Однако должно быть понятно, что приложенные чертежи иллюстрируют только типичные варианты осуществления этого изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие его объем, при этом для изобретения могут допускаться другие, равным образом эффективные варианты осуществления. На чертежах показано следующее:

фиг.1 - вертикальная проекция компоновки бурильной колонны, вместе с которой может быть использовано настоящее изобретение;

фиг.2 - сечение трубы с проводной линией согласно одному варианту осуществления, вместе с которой может быть использовано настоящее изобретение;

фиг.3 - перспективный вид с местным сечением пары обращенных друг к другу коммуникационных элементов связи согласно трубе с проводной линией из фиг.2;

фиг.4 - детализированное сечение пары обращенных друг к другу коммуникационных элементов связи из фиг.3, сомкнутых вплотную, в качестве детали рабочей колонны труб;

фиг.5 - вид трубы, подобной трубе, показанной на фиг.2, но с использованием расширяемой трубчатой втулки для закрепления и защиты одного или нескольких соединительных проводов между парой коммуникационных элементов связи согласно настоящему изобретению;

фигуры 6A-6D - виды различных средств предварительного формования расширяемой втулки из фиг.5, предназначенных для предрасположения участка втулки к началу расширения ее при приложении давления внутренней текучей среды, например, путем гидроформовки;

Фиг.7 - вид, иллюстрирующий заряд взрывчатого вещества внутри расширяемой трубчатой втулки, подобной расширяемой втулке из фиг.5, предназначенный для расширения втулки при подрыве;

фиг.8А - сечение трубы, подобной трубе, показанной на фиг.5, но с использованием удлиненной подкладки в сочетании с расширяемой трубчатой втулкой, предназначенных для закрепления и защиты одного или нескольких соединительных проводов согласно настоящему изобретению;

фиг.8В - перспективный вид трубы из фиг.8А после расширения расширяемой трубчатой втулки до соприкосновения с удлиненной подкладкой и внутренней стенкой трубы;

фиг.9А - сечение трубы из фиг.8А с альтернативной расширяемой трубчатой втулкой U-образной формы, показанной пунктирными линиями;

фиг.9В - детализированное сечение трубы из фиг.8В, в которой втулка расширена до соприкосновения с удлиненной подкладкой и внутренней стенкой трубы;

фиг.10А - вид трубы, подобной трубе, показанной на фиг.5, но с использованием приваренной удлиненной, снабженной выемкой подкладки, предназначенной для закрепления одного или нескольких соединительных проводов согласно настоящему изобретению;

фиг.10 В - сечение трубы по линии 10В-10В сечения на фиг.10А;

фиг.11А - вид расширяемой трубчатой втулки согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, которая снабжена ориентированными вдоль оси щелями для содействия расширению ее;

фиг.11В - вид втулки из фиг.11А после ее расширения;

фиг.11С - вид оправки, используемой для механического расширения втулки из фиг.11А;

фиг.12 - детализированное сечение, подобное сечению на фиг.9В, но где удлиненная подкладка использована независимо от расширяемой трубчатой втулки и приклеена ко внутренней стенке трубы;

фигуры 13А, 13В - сечения альтернативной расширяемой трубчатой втулки в сжатом и расширенном состояниях, соответственно, используемой для закрепления удлиненной подкладки согласно настоящему изобретению;

фиг.14А - сечение трубы с использованием выемки в ее внутренней стенке для закрепления одного или нескольких соединительных проводов согласно настоящему изобретению;

фиг.14В - вид трубы с выемкой из фиг.14А, снабженной покровной пластиной;

фиг.15 - сечение трубы с использованием выемки в ее наружной стенке и наружного покрытия для закрепления одного или нескольких соединительных проводов согласно настоящему изобретению;

фиг.16А - схематический вид проводной линии связи, соответствующей трубе из фигур 2-4;

фиг.16В - схематический вид пары независимых проводных линий связи, используемых в трубе согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показаны обычная буровая установка и бурильная колонна, в которой настоящее изобретение может быть использовано с достижением преимущества. Как показано на фиг.1, узел 10 платформы и буровой вышки расположен выше ствола 11 скважины, проходящего через подземный пласт F. Бурильная колонна 12 подвешена в стволе 11 скважины и на нижнем конце и включает буровое долото 15. Бурильная колонна 12 вращается посредством стола 16 бурового ротора, приводимого в движение непоказанным средством, которое находится в зацеплении с ведущей бурильной трубой 17 на верхнем конце бурильной колонны. Бурильная колонна 12 подвешена на крюке 18, прикрепленном к талевому блоку (непоказанному), через ведущую бурильную трубу 17 и вертлюг 19, который обеспечивает возможность вращения бурильной колонны относительно крюка.

Промывочная жидкость или буровой раствор 26 хранится в колодце 27, образованном на буровой площадке. Буровой насос 29 подает буровой раствор 26 во внутреннюю часть бурильной колонны 12 через отверстие (не обозначенное позицией) в вертлюге 19, побуждая его протекать, как показано стрелкой 9 направления, вниз по бурильной колонне 12. В дальнейшем буровой раствор выходит из бурильной колонны 12 через отверстия в буровом долоте 15 и затем проходит, как показано стрелкой 32 направления, кверху через область между наружной стороной бурильной колонны и стенкой ствола скважины, называемую межтрубным пространством. Таким образом буровой раствор смазывает буровое долото 15 и переносит обломки выбуренной породы на поверхность, когда он возвращается в колодец 27 для процеживания и возвращения в оборот.

Бурильная колонна 12 также включает компоновку низа бурильной колонны (КНБК) 20, расположенную вблизи бурового долота 15. Компоновка 20 низа бурильной колонны может обладать потенциальными возможностями измерения, обработки и сохранения информации, а также связи с поверхностью (например, при наличии приборов измерения в процессе бурения и каротажа в процессе бурения). Пример связной аппаратуры, которая может быть использована в компоновке низа бурильной колонны, подробно описан в патенте США №5339037.

Сигнал связи из компоновки низа бурильной колонны может быть принят на поверхности преобразователем 31, который соединен с приемной подсистемой 90, расположенной возле устья скважины. Кроме того, выход приемной подсистемы 90 соединен с процессором 85 и регистратором 45. Наземная система может также включать в себя передающую систему 95 для связи со скважинными приборами. Линия связи между скважинными приборами и наземной системой может содержать среди прочего телеметрическую систему бурильной колонны, которая содержит множество отрезков бурильных труб с проводной линией (БТПЛ).

В других случаях для бурильной колонны 12 может использоваться конфигурация «с верхним приводом» (также хорошо известная), в которой приводной вертлюг вращает бурильную колонну, а не ведущая бурильная труба и стол бурового ротора. Специалисты в данной области техники также должны понимать, что в других случаях могут проводиться бурильные работы без вращения бурильной колонны с поверхности путем использования хорошо известного гидравлического забойного двигателя типа Муано, который преобразует гидравлическую энергию бурового раствора 26, закачиваемого из колодца 27 бурового раствора вниз через бурильную колонну 12, в крутящий момент для вращения бурового долота. Кроме того, бурение может проводиться так называемыми «ориентируемыми системами вращательного бурения», которые известны в данной области техники. Различные объекты настоящего изобретения выполнены с возможностью использования в каждой из этих схем бурения и не ограничены обычными операциями роторного бурения.

В бурильной колонне 12 используется проводная телеметрическая система, в которой множество отрезков 210 бурильных труб с проводной линией соединены в бурильной колонне с образованием линии связи (не обозначенной позицией). В отрезке бурильной трубы с проводной линией одного типа, раскрытом в патенте США №6641434 (Boyle et al.) и переуступленном правопреемнику настоящего изобретения, используются коммуникационные элементы связи, в частности индуктивные элементы связи, для передачи сигналов через отрезки бурильных труб с проводной линией. Индуктивный соединительный элемент в отрезках бурильных труб с проводной линией согласно Boyle et al. содержит трансформатор, который имеет тороидальный сердечник, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью, низкими потерями материала, из такого как супермаллой (который представляет собой железоникелевый сплав, обработанный для получения очень высокой начальной магнитной проницаемости и пригодный для использования в трансформаторах сигналов низкого уровня). Чтобы образовать тороидальный трансформатор, обмотка, состоящая из большого числа витков изолированного провода, намотана вокруг тороидального сердечника. В одной конфигурации тороидальный трансформатор заключен в резину или в другой изоляционный материал, а собранный трансформатор утоплен в выемку, находящуюся в соединении бурильных труб.

На фигурах 2-4 показан отрезок 210 бурильной трубы с проводной линией, имеющей коммуникационные элементы 221, 231 связи, в частности индуктивные элементы связи, на соответствующем конце 241 муфтового конца 222 или возле него и на конце 234 ниппельного конца 232 или возле него. Первый кабель 214 протянут через трубу 213 с подключением к коммуникационным элементам 221, 231 связи способом, который описывается дополнительно ниже.

Отрезок 210 бурильной трубы с проводной линией наделен удлиненным трубчатым телом 211, имеющим осевое отверстие 212, муфтовый конец 222, ниппельный конец 232 и первый кабель 214, протянутый от муфтового конца 222 до ниппельного конца 232. Первый индуктивный элемент 221 связи с токовым контуром (например, тороидальный трансформатор) и аналогичный второй индуктивный элемент 231 связи с токовым контуром расположены на муфтовом конце 222 и ниппельном конце 232, соответственно. Первый индуктивный элемент 221 связи с токовым контуром, второй индуктивный элемент 231 связи с токовым контуром и первый кабель 214 совместно образуют коммуникационный канал на длине каждого отрезка бурильной трубы с проводной линией. Индуктивный элемент связи (или коммуникационное соединение) 220 на связанной границе раздела между двумя отрезками бурильных труб с проводной линией показан как образованный первым индуктивным элементом 221 связи из отрезка 210 бурильной трубы с проводной линией и вторым индуктивным элементом 231' связи с токовым контуром из следующего трубчатого элемента, которым может быть еще один отрезок бурильной трубы с проводной линией. Специалисты в данной области техники должны осознавать, что в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения индуктивные элементы связи могут быть заменены другими коммуникационными элементами связи, выполняющими аналогичную коммуникационную функцию, такими как, например, соединения с непосредственным электрическим контактом, типа раскрытых в патенте США №4126848 (Denison).

На фиг.4 более детально изображен индуктивный элемент связи или коммуникационное соединение 220 из фиг.3. Муфтовый конец 222 включает витки 223 внутренней резьбы и кольцевой внутренний контактирующий заплечик 224, имеющий первый паз 225, в котором расположен первый тороидальный трансформатор 226. Тороидальный трансформатор 226 подключен к кабелю 214. Точно так же ниппельный конец 232' соседнего трубчатого элемента с проводной линией (например, еще одного отрезка бурильной трубы с проводной линией) включает витки 233' наружной резьбы и кольцевой конец 234' внутренней контактирующей трубы, имеющий второй паз 235', в которой расположен второй тороидальный трансформатор 236'. Второй тороидальный трансформатор 236' подключен ко второму кабелю 214' соседнего трубчатого элемента 9а. Для повышения эффективности индуктивной связи пазы 225 и 235' могут быть плакированы материалом с высокой удельной электропроводностью и низкой магнитной проницаемостью (например, медью). После того, как муфтовый конец 222 одного отрезка бурильной трубы с проводной линией объединяют с ниппельным концом 232' соседнего трубчатого элемента (например, с еще одним отрезком бурильной трубы с проводной линией), образуется коммуникационное соединение. Поэтому на фиг.4 показано сечение участка результирующей границы раздела, где пара обращенных друг к другу индуктивных элементов связи (например, тороидальные трансформаторы 226, 236') смыкается вплотную друг с другом с образованием коммуникационного соединения в действующей линии связи. На этом сечении также показано, что замкнутые тороидальные траектории 240 и 240' окружают тороидальные трансформаторы 226 и 236', соответственно, и что трубы 213 и 213' образуют каналы для внутренних электрических кабелей 214 и 214', которые соединяют два индуктивных элемента связи, расположенных на двух концах каждого отрезка бурильной трубы с проводной линией.

Описанные выше индуктивные элементы связи охватывают электрический элемент связи, выполненный со сдвоенным тороидом. В соединительном элементе со сдвоенным тороидом внутренние заплечики ниппельного и муфтового концов используются в качестве электрических контактов. Внутренние заплечики приходят в соприкосновение при экстремальном давлении, когда свинчивают ниппельный и муфтовый концы, при этом обеспечивается электрическая непрерывность между ниппельным и муфтовым концами. Токи индуцируются в металле соединения посредством тороидальных трансформаторов, помещенных в пазы. На заданной частоте (например 100 кГц) эти токи удерживаются на поверхности пазов благодаря эффектам глубины скин-слоя. Ниппельный и муфтовый концы образуют вторичные цепи соответствующих трансформаторов, а две вторичные цепи соединены встречно через посредство сопряженных поверхностей внутренних заплечиков.

Хотя на фигурах 3-5 изображен коммуникационный элемент связи определенного типа, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что для передачи сигналов через соединенные трубчатые элементы могут быть использованы различные элементы связи. Например, такие системы могут включать в себя магнитные элементы связи, такие как описанные в Международной заявке на патент №WO 02/06716 (Hall et al.). Кроме того, можно представить другие системы и/или элементы связи.

Настоящее изобретение относится к передаче данных вдоль осевой длины трубы или отрезков труб, таких как отрезки бурильных труб с проводной линией, с помощью одного или нескольких соединительных проводов. На фиг.5 показана труба 510, подобная отрезку бурильной трубы с проводной линией, показанному на фиг.2. В соответствии с этим труба 510 образована трубчатым телом 502, оснащенным парой коммуникационных элементов 521, 531 связи на соответствующих муфтовом и ниппельном концах 522, 532 трубчатого тела или возле них. Труба, предназначенная для использования в стволе скважины, например бурильная труба из легированной стали, обычно представляет собой прямолинейную секцию трубы (см. трубчатое тело 502) с нижним соединением с наружной резьбой (см. ниппельный конец 532) и верхним соединением с внутренней резьбой (см. муфтовый конец 522). В случае стандартной бурильной трубы внутренний диаметр (ВД) изменяется так, что наименьший внутренний диаметр находится на концевом соединении (см. ID₁), а наибольший диаметр находится в средней осевой части тела трубы (см. ID₂). Типичные различия между внутренними диаметрами концевого соединения и внутренними диаметрами тела трубы составляют от 0,5 до 0,75 дюймов, но в некоторых случаях могут быть больше (например, 1,25 дюйма или больше). Однако должно быть понятно, что другие скважинные трубы (даже некоторые бурильные трубы) не имеют такого сужающегося внутреннего диаметра, а вместо этого используется постоянный внутренний диаметр на всем протяжении концевых соединений и тела. Одним примером бурильной трубы постоянного внутреннего диаметра является бурильная труба HiTorque™ от Grant Prideco. Настоящее изобретение является приспособленным к скважинным трубам, имеющим различные (изменяющиеся или постоянные) конфигурации внутреннего диаметра.

Коммуникационные элементы 521, 531 связи могут быть индуктивными элементами связи, каждый из которых включает в себя тороидальный трансформатор (непоказанный), и они соединены одним или несколькими соединительными проводами 514 (в настоящей заявке также называемыми просто «кабелем») для передачи сигналов между ними. Концы кабеля обычно пропускают через «высаженный» конец трубы, через «глубоко высверленное» отверстие или по обработанной выемке в каждом из высаженных концов с тем, чтобы достигнуть соответствующих тороидальных трансформаторов. Поэтому коммуникационные элементы 521, 531 связи и кабель 514 совместно образуют линию связи вдоль каждой трубы 510 (например, вдоль каждого отрезка бурильной трубы с проводной линией).

Особые полезные свойства настоящего изобретения заключаются в закреплении и защите электрических соединительных проводов или пар соединительных проводов (также известных в качестве проводников), например кабеля 514, который проходит от одного конца отрезка трубы до другого. Если используют только один соединительный провод, то для завершения цепи сама труба может служить вторым проводником. Обычно необходимо использовать по меньшей мере два соединительных провода, таких как скрученная пара проводов или конфигурация в виде коаксиального кабеля. По меньшей мере один из проводников должен быть электрически изолирован от другого проводника (проводников). В некоторых случаях для избыточности или других целей может быть желательным использование более чем двух проводников. Примеры прокладки избыточных проводов описаны ниже со ссылками на фигуры 16А, 16В.

В одном варианте осуществления проводник (проводники) закреплен и защищен расширяемой трубчатой втулкой 550, показанной на фиг.5, расположенной (и расширенной) внутри трубчатого тела 502. Втулка 550 сконструирована так, чтобы она в нерасширенном состоянии устанавливалась в самой узкой внутренней окружной периферии ID₁ трубы 510. Поэтому, например, расширяемая трубчатая втулка 550 первоначально может быть цилиндрической по форме и может иметь наружный диаметр (НД), который несколько меньше, чем внутренний диаметр ID₁ трубы. Должно быть понятно, что нет необходимости в том, чтобы расширяемая трубчатая втулка была первоначально цилиндрической, и с успехом могут быть использованы различные конфигурации (например, U-образная, описанная ниже).

В конкретных вариантах осуществления расширяемая трубчатая втулка имеет участок, который предрасположен к началу расширения при приложении давления внутренней текучей среды, например давления газа или жидкости, и особенно с помощью гидроформовки, (описанной дополнительно ниже). Когда втулку, такую как втулка 550, располагают в трубе 510, кабель 514, подключаемый между коммуникационными элементами 521, 531 связи для установки проводной связи, протягивают вдоль трубчатого тела 502 трубы между внутренней стенкой трубчатого тела и (нерасширенной) трубчатой втулкой 550. Затем трубчатую втулку 550 расширяют внутри трубчатого тела 502 путем приложения давления текучей среды ко внутренней стенке трубчатой втулки, и расширение начинается в заранее определенном месте (например в или почти в центре тела 502). От такого расширения получается эффект надежного закрепления кабеля 514 между трубчатым телом 502 и трубчатой втулкой 550.

На фигурах 6A-6D показаны различные способы предварительного формования (то есть формования до размещения трубчатой втулки внутри трубчатого тела трубы) расширяемой втулки, аналогичной втулке 550 из фиг.5, с тем, чтобы предрасположить участок втулки к началу расширения его при приложении давления внутренней текучей среды. В конкретных вариантах осуществления способа предрасположенный участок трубчатой втулки образуют путем:

локализованного приложения механической силы ко внутренней стенке трубчатой втулки (см. расширенный кольцевой участок 652 втулки 650 на фиг.6А); локализованного приложения механической силы к наружной стенке трубчатой втулки (см. суженный кольцевой участок 652' втулки 650' на фиг.6В); уменьшения толщины стенки участка трубчатой втулки (см. утонченный кольцевой участок 652" втулки 650" на фиг.6С); избирательного усиления трубчатой втулки (см. неусиленный кольцевой участок 652'" втулки 650'" на фиг.6D); модификации свойств материала участка трубчатой втулки (например, путем локализованной термической обработки, непоказанной) или путем сочетания этих процессов.

В конкретном способе расширения расширяемой трубчатой втулки внутри трубы, такой как бурильная труба, воду под высоким давлением используют в известном процессе, называемом гидроформовкой, гидравлическом трехм