Надежная система передачи данных по проводному трубопроводу

Надежная система передачи данных по проводному трубопроводу

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка утверждает в соответствии с 35 U.S.C.§ 119 (e) приоритет перед предварительными заявками на патент № 61/204100 от 2 января 2009 и 61/206550 от 2 февраля 2009. Содержание этих заявок включено в настоящий документ посредством ссылок во всей их полноте.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области систем передачи данных, в частности, систем передачи данных, пригодных для использования в скважинах, как, например, на бурильной колонне, используемой в нефте- и газоразведочных работах, на эксплуатационной колонне или на обсадной колонне. Настоящее изобретение особенно полезно для получения данных или скважинных измерений в процессе бурения, а также для передачи команд с поверхности на скважинное буровое оборудование, скважинные приводы или другие скважинные контрольно-измерительные приборы. Кроме того, настоящее изобретение также полезно для проведения измерений и сбора данных по всей скважине в процессе ее бурения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Существует ряд учебников, которые описывают процессы, связанные с бурением на нефть и газ. Примеры таких учебников являются "Petroleum Well Construction" (Строительство нефтегазовых скважин), Economidies, Wattersand Dunn-Norman, John Wiley& Sons, West Sussex, UK, 1998; “Applied Drilling Engineering” (Прикладная технология бурения), Bourgoyne, Jr. Chenevert, Millhelm and Young, Jr., SPE Textbook Series, Vol. 2, Society of Petroleum Engineers, Richardson, TX, 1991; или “Drilling Technology - In Nontechnical Language” (Технология бурения нетехническим языком), S. Devereux, Penn Well Corp., Tulsa, OK, 1999. Для общего понимания процессов бурения на эти учебники могут быть сделаны ссылки.

Буровые работы, подходящие для реализации настоящего изобретения, представлены на фиг.1. Буровая установка 10 приводит в действие бурильную колонну 11, которая состоит из большого числа взаимосвязанных секций 30, называемых стыками трубопровода. Нижняя часть бурильной колонны состоит из тяжеловесных секций трубопровода 13, называемых муфтами утяжеленной бурильной трубы. При типичных буровых работах установка вращает бурильную колонну и, таким образом, забойное оборудование (BHA - bottom hole assembly) 14. BHA 14 может содержать различные комплекты контрольно-измерительных приборов, возможно, забойный двигатель или роторно-управляемую систему, стабилизаторы, центраторы утяжеленной бурильной трубы и бурильную головку 15. Бурильные колонны и все скважинные растворы с поверхности до головки, с буровым раствором, возвращающимся на поверхность во внешнее межтрубное пространство между бурильной колонной и пластом месторождения для очистки и рециркуляции. Бурильная колонна 11 может содержать дополнительные секции тяжеловесных бурильного трубопровода и/или специализированное оборудование, такое как бурильные яссы.

Двумя наиболее распространенными системами привода являются система роторного стола и система верхнего привода. Система роторного стола, представленная на фиг.1, блокирует бурильную колонну через втулку квадратной буровой штанги 16 и квадратную буровую штангу 17, в результате чего бурильная колонна 11вращается, в то время как квадратная буровая штанга 17 может свободно перемещаться вверх и вниз, по мере того как трубопровод опускается в землю или поднимается из скважины. По мере того как скважина углубляется, стыки трубопровода 30 периодически добавляются к верхней части бурильной колонны 11 с помощью резьбовых упорных соединений, которые обеспечивают механическую прочность и гидравлическую изоляцию. Система верхнего привода не требует квадратной буровой штанги 17, а вместо этого весь механизм привода движется вверх и вниз с верхним концом бурильной колонны 11. Система верхнего привода способствует и ускоряет процесс бурения, однако он также является более дорогим, чем система роторного стола.

На фиг.2 представлен широко используемый стык трубопровода 30, включающий замковое соединение «муфта» 31 в верхней части, длинную секцию в форме трубы 32 и замковое соединение “ниппельной части” 33 в нижней части. Типичная длина стыка трубопровода составляет 31 фут (около 9,5 м), но отклонение около +/-1 фут является обычным. Оба, ниппельная часть 33 и замковая муфта 31, оснащены конической резьбой 34, которая при соединении формирует резьбовое соединение. Двумя основными целями соединения являются передача механических сил, таких как крутящий момент, растяжение и сжатие между стыками трубопровода 30 и обеспечение непроницаемой для жидкости изоляции “металл-к-металлу” на наружных выступах 35. Соединение обычно монтируется с использованием приводных ключей трубопровода или моторизованных вращающих устройств, процесс, который приводит ниппельную часть33 в состояние растяжения, замковую муфту 31 - в состояние сжатия, а поверхностные выступы 35 металлической изоляции - также в состояние сжатия. Эта нагрузка на сжатие для изоляции должна превышать нагрузку на растяжение, которую изоляция 35 испытывает во время сгибания и изгибания в отверстии для того, чтобы сохранить изоляцию металл-к-металлу без повреждений. Внутренние стенки стыка трубопровода 30 могут быть покрыты высокоэффективным эпоксидным компаундом. Этот компаунд является высококачественным диэлектрическим изолятором, который препятствует коррозии металлического трубопровода и уменьшает потери на трение в жидкости. Серийно выпускаемыми примерами таких соединений являются покрытия трубопроводов "ТК-236" или "ТК-34", оба из которых доступны в Tuboscope, TX, Houston, USA.

Наборы скважинной контрольно-измерительной аппаратуры, включенные в BHA 14, собирают информацию о процессе бурения, о просверливаемых пластах месторождения, а также о жидкостях, содержащихся в этих пластах месторождений. В существующей практике, большая часть этих данных хранится в системе скважинной памяти, а затем извлекается, после того, как контрольно-измерительное оборудование возвращается на поверхность. Очень маленький и сжатый объем информации, однако, обычно отправляется на поверхность в режиме реального времени с помощью одной из доступных в настоящее время телеметрических систем с гидроимпульсным каналом связи. Такие системы вызывают пульсовые колебания давления внутри столба бурового раствора, содержащегося вблизи бурильной колонны для передачи цифрового сигнала на поверхность с пропорциональной скоростью около 0,1-15 бит/с. Однако объем информации, доступной в реальном времени через систему с гидроимпульсным каналом связи, является, вне сомнений, недостаточным для нынешних сложных бурильных работ, требующих точных, получаемых в режиме реального времени, скважины данных.

Коммерчески жизнеспособные залежи являются гораздо более сложными, чем эксплуатируемые в прошлом, а темпы восстановления нефти или газа в месторождении необходимо постоянно увеличивать, для того чтобы оставшиеся залежи углеводородов служили дольше. Это также означает, что траектории скважин уже не могут быть полностью предварительно запланированы на основе сейсмических данных и данных из периферийных скважин. Вместо этого траектории скважин все более и более определяются и точно подстраиваются во время бурения. Для выполнения этой задачи данные оценки пласта месторождения должны быть переданы на поверхность и должны быть изучены и интерпретированы в процессе бурения. Результаты интерпретации могут требовать или не требовать корректировки траектории скважины, которая передается обратно на площадку буровой вышки. Оборудование буровой вышки, в свою очередь, передает эти корректировки скважинному оборудованию. Пример скважинного устройства формирования изображений, генерирующего большое количество данных оценки пласта месторождения во время бурения отверстия, описано в "Field Testing of an Advanced LWD Imaging Resistivity Tool" (Полевое тестирование современного LWD инструмента построения изображений по методу сопротивления), by Prammer et. al., SPWLA 48^th Annual Logging Symposium, Austin, TX, 2007. Так как процесс бурения происходит относительно медленно и данные о пласте месторождения могут сжиматься скважинной электроникой, требуется скорость передачи данных по бурильной колонне около 100-10,000 бит/секунду (bps). Кроме того, для канала для передачи команд с поверхности на скважинное контрольно-измерительное оборудование и для системы бурения требуется, время от времени, скорость передачи примерно 10-1,000 bps.

Необходимость надежно передавать данные от скважинных местоположений была давно признана. Для обсуждения предыдущих попыток решить эту трудную задачу делается ссылка на PCT/US 2009/00449949, поданную 22 мая 2009 года. Содержание этой заявки приведено здесь посредством ссылки во всей ее полноте.

Заявка PCT/US 2009/00449949, поданная 22 мая 2009, описывает телеметрическую систему, основанную на соединительных элементах и передаточных элементах, зарытых внутри наплавляемого эпоксидного покрытия (fusion-bonded epoxy - FBE),часто применяемого к внутренней области высокопроизводительного бурового трубопровода для защиты от коррозии. Эти элементы передают радиочастотные сигналы, которые устанавливают перемычку в разрыве между стыками трубопроводов на основе емкостной/диэлектрической соединительных муфт. Механизм связывания является диссипативным, требующим, чтобы каждый стык трубопровода включал в себя активный элемент, повторяющий сигнал.

Коммерческие системы, известные как "Intelli Pipe" или "Intelli Serv", описанные, например, в заявке на патент, поданной в США U.S. Pat. 6670880 to Hall et al., называются системами "проводных трубопроводов" (WPS - "wired pipe" systems), потому что сигналы передаются по армированному коаксиальному кабелю, развернутому во внутренней области бурильной колонны. Подробную информацию о системе Hall можно найти в источнике "Very High-Speed Drill String Communications Network, Report#41229R14" (Очень высокоскоростная сеть связи бурильной колонны, отчет #41229R14), June2005, D. S. Pixton, DOE Award Number DE-FC26-01NT41229, которую можно получить на сайте Министерства энергетики США на www.doe.gov.

Как отмечалось выше, бурильная колонна состоит из множества участков стыков трубопровода, каждый из которых длиной обычно около 30-32 футов и которые стыкуются между собой посредством резьбовых соединений. Система WPS известная из Hall использует преимущество специальных, высокопроизводительных соединений, известных как резьбовые бурильные замки с двойным выступом. Бурильные замки с двойным выступом изготовлены в соответствии со строгими спецификациями, таким образом, чтобы сопрягаемые бурильные замки не только затрагивают внешний, герметичный выступ, но также и за внутренний выступ, сформированный плоским торцом ниппельной части 33 и плоской задней стенкой замковой муфты 31. Система WPS, известная из Hall, использует эти вторичные контактные поверхности для размещения электромагнитных кольцевых соединительных муфт на основе ферритов, которые передают электромагнитные сигналы от одного участка армированного коаксиального кабеля, включенного в первом стыке трубопровода на участок кабеля, включенный в соседний стык трубопровода. Когда WPS резьбовые соединения смонтированы, пары встроенных элементов соединительных муфт формируют закрытый контур с высокой магнитной проницаемостью, т.е. трансформаторы с ферритовыми сердечниками. Передаваемый сигнал заглушается по мере его прохождения вдоль бурильной колонны через множество участков кабеля и трансформаторов, и его необходимо периодически восстанавливать и возвращать обратно к полной мощности сигнала. Эти задачи выполняются элементами повторителя, вставленными в бурильную колонну через равные интервалы в диапазоне приблизительно между 1,000 и 2,000 футами.

Трансформаторы в системе WPS, известной из Hall, основаны на ломком материале ферритового сердечника. Ферритовые половины сердечника выступают с поверхности стыковой ниппельной части и с задней стенки стыковой замковой муфты. В процессе свинчивания ожидается, что наплавляемые ферритовые половины сердечника вращаются друг относительно друга и подталкивают друг друга к поверхности ниппельной части и задней стенки соединительной замковой муфты соответственно. Т.к. ферритовым половинам сердечника необходимо входить и выходить с поверхности ниппельной части и задней стенки соединительной замковой муфты соответственно, невозможно герметично изолировать соединительные муфты от окружающей среды. Значительное скважинное давление до 30,000 фунт/кв.дюйм (приблизительно 200 МПа) подталкивают буровой раствор в и за соединительные муфты. Бурильный раствор переносит и собирает твердые частицы, такие как песок, барит, металлические опилки и/или выбуренную породу любого размера за ферритовыми сердечниками, тем самым забивая их и препятствуя их отведению. Как только ферритовый сердечник застрянет в выступающем положении, он будет разрушен полной силой сжатия, приложенной при свинчивании. Однако предполагается, что коммерческий бурильный трубопровод выдерживает от сотен до тысяч циклов свинчивания/развинчивания в агрессивных и грязных условиях, число, которое недостижимо, если трубопровод включает в себя хрупкие, незащищенные компоненты, при условии повторяющихся, абразивных действий, таких как в ферритовых WPS, известных из Hall, трансформаторах.

Кроме того, бурильный трубопровод регулярно подвергается механическим толчкам во время нормальной работы буровой установки. Например, во время бурения вглубь отдельные стыки трубопровода скользят вниз по наклонной рампе от пола буровой установки в землю, где в конце рампы участок трубопровода врезается в остановочную доску. Когда трубопровод вертикально поднимается в установке, он часто и очень сильно врезается в металлический пол буровой установки и/или в другие поворотные соединения. Предполагается, что обычные бурильные трубопроводы выдержат любой из этих обычных ударов, которые может вызвать открытое или скрытое повреждение соединительных муфт, известных из Hall, которые оставлены на поверхности ниппельной части. Несмотря на то, что поврежденная соединительная муфта, известная из Hall, при проверке на поверхности в атмосферных условиях, очевидно, по-прежнему будет функционировать, скорее всего, сломается при совместном воздействии высокой температуры, очень высоких давлений и агрессивных жидкостей в скважинных условиях. Кроме того, поскольку трансформаторы, известные из Hall, являются движущимися частями и, следовательно, не являются герметически изолированными, их электрические соединения и внутренние изолирующие кольцевые прокладки подвергаются коррозионному воздействию буровых растворов, что приводит к электрической и механической деградации и отказам в работе, просто посредством накопления скважинных часов.

Целью настоящего изобретения является система передачи данных, которая использует неподвижные, герметически изолированными сигнальными соединительными муфтами, совместимыми с суровыми условиями буровых работ на поверхности и под землей.

Фундаментальная проблема надежности WPS проблема широко признана, см., например, заявку на патент, поданную в США U.S. Pat. Appl. 2004/0217880 Al by Clark et al. Clark, и соавторы подсчитывают, что на WPS 15000 футов длиной демонстрирует желаемое среднее время наработки на отказ (MTBF - meantime between failure) около 500 часов, каждый из компонентов проводных трубопроводов должен достигать значения MTBF, по меньшей мере, около 250 000 часов (28,5 лет). Такие значения MTBF нереальны для большинства электромеханических систем, не говоря уже о скважинных системах, содержащих движущиеся части, такие как соединительные муфты, известные из Hall. Clark и соавторы раскрывают систему для поиска и устранения неполадок в неисправной WPS. Однако сам факт того, что такие системы часто ломаются и требуют трудоемкого вмешательства по поиску и устранению неисправностей, делает их непригодными для использования в суровых условиях и в условиях перегрузки при бурении нефти и газа.

Целью настоящего изобретения является система передачи данных по проводному трубопроводу, позволяющая достичь хорошей надежности на протяжении всего проектируемого срока службы и которая может быть построена из отдельных компонентов со значениями надежности, характерными для электрических компонентов, работающих в суровых скважинных условиях.

Еще одной целью настоящего изобретения является система передачи данных, неисправность в которой проявляется постепенно, позволяя продолжать буровые работы и в то же время одновременно обнаруживать, диагностировать и сообщать о неисправности оператору, который может выбрать замену участка трубопровода, содержащего неисправный элемент, при следующей возможности. Такие возможности существуют, когда бурильная колонна должна быть вынута из отверстия из-за, например, изнашивания бурильной головки или изменения диаметра скважины.

Существующие системы опираются на элементы ретрансляторов, которые периодически обновляют передаваемый сигнал. Эти очень сложные элементы, из которых 10-20 необходимы для одной бурильной колонны, представляют значительную нагрузку на капитальные расходы и потребляют большое количество первичных литиевых батарей, обычно размера D, в качестве источников питания. Эти крупногабаритные литиевые батареи дороги в производстве и являются источником пожарной опасности при транспортировке, эксплуатации и утилизации. Другой целью настоящего изобретения является замена этих дорогостоящих и опасных ретрансляторов небольшими и недорогими элементами, которые являются безопасными в управлении, хранении и транспортировке.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Упомянутые выше цели и преимущества достигаются посредством обеспечения системы передачи данных и/или мощности, подходящей для скважинного использования, включающих в себя сигнальные и/или энергетические соединительные муфты, участки линии передачи и сигнальные повторители. Посредством электромагнитного резонанса (electromagnetic resonance - “EMR”) происходит обмен сигналами и/или мощностью между соединительными муфтами и повторителями. По меньшей мере, часть системы, участки линии передачи формируют параллельные каналы данных, а повторители обеспечивают возможность переключений между этими каналами данных. Благодаря EMR и обеспечению резервирующих элементов передачи поврежденные элементы передачи автоматически изолируются от функционирующей части системы передачи, которая продолжает работать при наличии одного или нескольких повреждений. Изобретение также включает в себя способы передачи данных и/или энергии по скважинной системе передачи, содержащей несколько каналов данных и несколько пересечений посредством EMR. Поврежденные места каналов данных/мощности проходятся по параллельным каналам через уравнительные контуры. Подробные характеристики таких систем будут понятны из последующего подробного описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 схематически представлено традиционное бурильное окружение, показывающее различные скважинные компоненты.

На фиг.2 представлен вид в перспективе традиционного стыка трубопровода с роторными соединениями.

На фиг.3 представлено концептуальное изображение стыка бурильного трубопровода в соответствии с настоящим изобретением в сечении, параллельном главной оси и с установленными элементами системы передачи данных.

На фиг.4 представлено концептуальное изображение короткого стыка в соответствии с настоящим изобретением в сечении, параллельном главной оси и с установленными элементами системы передачи данных.

На фиг.5 представлен разрез стыка трубопровода, показанного на фиг.3 плоскостью А-А'.

На фиг.6 представлен вид, отмеченный “B” на фигурах 3 и 4, показывающий конец ниппельной части.

На фиг.7 представлен вид, отмеченный “С” на фигурах 3 и 4, показывающий конец муфты повторителя.

На фиг.8 представлен вид, отмеченный “С” на фигурах 3 и 4, со снятой муфтой повторителя и показывающий черную стену муфты.

На фиг.9 представлен концептуальный плоский вид в разрезе, показывающий конструкцию EMR соединительной муфты.

На фиг.10 представлен концептуальный вид в разрезе цепочки EMR соединительных муфт, встроенных в ниппельную часть, корпуса повторителя и в заднюю стенку замковой муфты.

На фиг.11 представлены результаты численного моделирования двух сопряженных EMR соединительных муфт.

На фиг.12 представлена иллюстрация различных сигнальных каналов, сформированных двумя соединенными стыками трубопровода, содержащими активный и пассивный корпусы повторителя.

На фиг.13 представлена концептуальная блок-схема цепей различных функциональных блоков в активном корпусе повторителя.

На фиг.14 представлен вид в перспективе корпуса повторителя.

На фиг.15 представлена концептуальная блок-схема одной части активного корпуса повторителя, включающей в себя сенсоры и контуры для обработки сигналов от сенсоров.

На фиг.16 представлена концептуальная блок-схема цепи одной части активного корпуса повторителя, включающей в себя устройство для накопления энергии и контур для обработки мощности.

На фиг.17 представлена концептуальная блок-схема цепи одной части активного корпуса повторителя, включающей в себя перезаряжаемое устройство электроснабжения и радиочастотный контур для накопления энергии.

На фиг.18 представлен концептуальный вид бурильной колонны, включающей различные элементы системы передачи данных.

На фиг.19 представлена концептуальная блок-схема электрической схемы поверхностного коммуникационного элемента.

На фиг.20 представлена концептуальная блок-диаграмма схемы элемента скважинного интерфейса.

На фиг.21 представлен снимок с экрана спектрального анализатора, показывающего измеренный спектр передачи по цепочке из шести EMR соединительных муфт.

На фиг.22 представлен концептуальный вид в разрезе роторного соединительного элемента.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ РЕАЛИЗАЦИЙ

В иллюстративной реализации настоящего изобретения сигналы, данные и/или мощность передаются с резервированием по двум параллельным линиям передачи, смонтированным внутри каждого стыка трубопровода. Предпочтительно линии передачи располагаются насколько это возможно далеко друг от друга, таким образом, чтобы нанесение ущерба, разрушающее одну линию передачи, маловероятно также бы нанесло ущерб другой линии передачи. На фиг.3 представлено концептуальное изображение отдельного стыка 30 трубопровода, в разрезе, параллельном его оси, с двумя линиями 40 передачи, муфтой повторителя 50 и соединительными муфтами 61 и 62 на основе электромагнитного резонанса (“EMR”). Замковая муфта 31 стыка 30 трубопровода обратно пробурена приблизительно на 2 дюйма (51 мм) для того, чтобы приспособиться под муфту повторителя 50. Муфта повторителя 50 вмещает EMR соединительные муфты 63 и 64. Внутри муфты повторителя 50 изолированные от внешней среды расположены многочисленные, в основном цилиндрической формы полости 52, которые могут вмещать в себя электрические схемы и батареи. Смежные полости 52 могут стыковаться вместе для упрощения электрических соединений или для размещения электрических компонентов нестандартной формы. Обращенная внутрь EMR соединительная муфта 63 граничит с поверхностью EMR соединительной муфты 61, смонтированной на замковую муфту. EMR соединительная муфта 61, смонтированная на замковую муфту, электрически связана посредством линий передачи 40 с EMR соединительной муфтой 62, смонтированной на ниппельной части. Когда соединение установлено, ниппельная часть смежного стыка трубопровода затрагивает обращенную наружу сторону муфты повторителя 50 на выступах 35, таких чтобы EMR соединительная муфта смежного стыка трубопровода граничила с поверхностью EMR соединительной муфты 63. Таким образом, собранный бурильный трубопровод содержит непрерывную цепочку линий передачи 40, которая простирается на длину трубчатого участка 32, EMR соединительных муфт 61 и 63 и муфты 50 повторителей с EMR соединительными муфтами 62 и 64. Такая цепочка способна передавать высокоскоростные телеметрические данные в обоих направлениях по радиочастотному несущему сигналу, который модулируется высокоскоростными данными. Такая цепочка также способна передавать высокочастотную мощность, полезную для питания повторителей, сенсорной электроники и для заряда перезаряжаемых батарей, содержащихся в повторителях и/или сенсорной электронике.

Процесс обратного бурения замкового стыка «муфта» определен в следующем документе «Specification for Rotary Drill Stream Elements - API Specification 7» (Спецификация для роторных элементов бурильного потока - API Спецификация 7), 40^th Edition, Nov.2001, Fig. 16 and Table 16, pp. 24-25, American Petroleum Institute, API Publishing Services, Washington DC.

Процессы бурения замковых стыков и маршрутизации коаксиальных кабелей через замковый стык, а также процесс маршрутизации коаксиального кабеля через трубчатую часть подробно описываются, например, в отчете «Very High-Speed Drill String Communication Network, Report #41229R14,» (Очень высокоскоростная сеть связи бурильной колонны, отчет #41229R14) June 2005, by D.S. Pixton. Содержание этих документов встроено в настоящий документ посредством ссылки во всей их полноте.

Большинство муфт повторителей 50 являются пассивными устройствами без источников питания. Эти пассивные повторители мгновенно и в обоих направлениях передают сигнал и/или мощность посредством EMR соединительных муфт на радиочастотах и по коротким внутренним линиям передачи.

Обычно одна из трех муфт повторителя 50 включает в себя активный контур, который принимает телеметрические сигналы, помещает в буфер и проверяет информацию, содержащуюся в них, а затем передает модулированный на радиочастотной несущей частоте сигнал. Эти активные повторители также настраиваются на рабочую частоту и также функционируют по принципу EMR. Каждый активный повторитель включает в себя свой собственный источник питания, который может быть первичным элементом или батареей, перезаряжаемой батареей, аккумулирующим энергию контуром или их комбинацией. Предпочтительно активные повторители более или менее равномерно расположены по бурильной колонне с характерным разделением между активными повторителями около 93 футов (около 28 м), что равно трем стыкам трубопровода или одному «бурильная свеча». При нормальной работе активные повторители связываются со своими следующими соседними повторителями на расстоянии 28 метров через промежуточную цепочку линий передачи и пассивных повторителей. Однако активные повторители могут также принимать сигналы от более удаленных передатчиков, например, на расстоянии 56 и/или 85 м, признак, который дает возможность автоматического мостового соединения через нефункционирующие активные повторители.

На фиг.4 показан короткий или «укороченный» стык 39, состоящий из муфтового замкового соединения 31 и ниппельного замкового соединение 32, сваренных вместе без промежуточного трубчатого соединения. Замковая муфта обратно раскручивается и вмещает муфту 50 повторителя. Линии передачи 40, соединяющие EMR соединительные муфты 61 и 62, располагаются в маршрутных каналах 41. Задачей укороченного стыка является подводка повторителя к нужному положению в цепочке передачи данных без расходования полной длины стыка трубопровода. Как обсуждается ниже, муфты активного повторителя 50 могут осуществлять считывающие функции в дополнение к своим телеметрическим функциям данных.

Потребность подвода таких локальных активных повторителей может также возникнуть, когда элементы бурильного трубопровода, согласующиеся с системой WPS, известной из Hall, вносятся в настоящую систему. Такие элементы стиля, известные из Hall, при использовании в качестве части настоящей системы передачи данных разрушают эффект EMR и вносят значительное затухание сигнала. Это затухание компенсируется посредством помещения активных повторителей над и/или под элементом, известным из Hall, или элементами.

На фиг.5 показан разрез, выполненный по трубчатой 32 линии и линиям 40 передачи вдоль плоскости А-А'. Линии передачи осуществляются в виде гибких, коаксиальных кабелей 42 из армированной стали. Предпочтительно, кабели 42 являются разнообразными кабелями с низким уровнем потерь, подходящим для работы на частотах до 3 ГГц. Подходящими являются кабели с диаметрами около 0,250'' (6,4 мм), с твердым или многожильным внутренним проводником с диаметром около 1 мм и с твердым политетрафторэтиленом (PTFE) в качестве диэлектрика. Кабели 42 на каждом конце оканчиваются миниатюрными высокотемпературными радиочастотными разъемами, такими как модифицированные SMB и MCX разъемы (не показаны). Эти разъемы модифицированы с добавлением армированных конических выступов, приваренных к внешней армированной оболочке кабеля. Разъемы вставляются в соответствующие монтажные отверстия в замковых соединениях, в которых конические внутренние выступы сочленяются с коническими выступами разъемов и тем самым прикладывают растягивающую предварительную нагрузку к армированию коаксиального кабеля. Предпочтительный характерный диапазон волновых сопротивлений коаксиального кабеля 42 составляет 25-100 Ом. Предпочтительное характерное значение волнового сопротивления коаксиального кабеля 42 составляет 50 Ом.

Как показано на фиг.6, на котором представлен вид «В» с фиг.3 и 4, лицевая поверхность ниппельной 33 части вмещает EMR соединительную муфту 62, включающую в себя кольцевой паз 70 глубиной приблизительно 4-5 мм. Стенки паза 70 покрыты электрически высоко проводящими слоями 73, такими как медная пленка, нанесенная плазменной струей. Толщина слоя должна быть, по меньшей мере, в три раза больше глубины электрической обшивки на резонансной частоте. В интересующем частотном диапазоне (VHF) обычно достаточным является проводящий слой толщиной около 0,001” (24,5 мкм). Кольцевая антенна 71 погружена внутрь паза 70 на глубину приблизительно 2 мм от поверхности. Антенна 71 осуществлена с использованием высокочастотной технологии микрополосковой линии передачи и состоит из нескольких участков проводов 173 приблизительно равной длины и блоков конденсаторов 74 и 78. Участки проводов 173 являются электрически высокопроводящими следами серебра на меди около 1-2 мм шириной и около 0,001” (24,5 мкм) толщиной, напечатанные на диэлектрическом многослойном листе 170 общей толщиной около 2-3 мм. Блоки конденсаторов 74 и 78 состоят из поверхностно монтируемых устройств (SMD - surface-mount device), встраиваемых в многослойный лист. Антенна 71 подключена к двум радиочастотным, высокотемпературным разъемам 174 (не показаны на фиг.6), расположенным ниже паза 70 близко к блокам конденсаторов 74. Разъемы 174 сочленяются с другим набором разъемов, которые прикрепляются к коаксиальным кабелям 40 (также не видны на фиг.6). Весь узел заключается в корпус из высокотемпературного компаунда посредством полного наполнения паза 70 таким непроводящим, диэлектрическим компаундом, предпочтительно наносимым в вакууме или в условиях очень низкого давления.

Антенна 71 разделена на участки с одним кабелем, прикрепляемым к каждому участку. В такой конфигурации участки могут как (а) совместно резонировать в тесной связи, т.к. они в сильной степени связаны с другими участками в соседних соединительных муфтах и, таким образом, являются в сильной степени связанными друг с другом, или (b) испытывать частичную остановку, при которой один участок выходит из резонанса и поэтому выходит в состояние off-line, а оставшийся участок (участки) резонируют так, как будто он (они) все еще связаны с несколькими участками в соседних соединительных муфтах.

На фиг.7 представлен вид спереди муфты повторителя 50, т.е. вид, отмеченный как «С» на фиг. 3 и 4. Муфта повторителя 50 содержит на внешней лицевой поверхности EMR соединительную муфту 64. Конструкция EMR соединительной муфты 64 аналогична EMR соединительной муфте 62, состоящей из паза 70 с антенной 71. Электрически антенна 71 соединена с внутренним пространством муфты повторителя 50 посредством проходных разъемов 172 (не показаны на фиг.7), расположенных ниже паза 70 близко к блокам конденсаторов 74.

Как сказано выше, внутри муфты повторителя 50 и изолированно от внешней среды расположены многочисленные цилиндрические полости 52, которые могут вмещать электронные схемы и батареи. Однако большинство корпусов повторителей являются пассивными устройствами с простым, проходным соединением проводами между EMR соединительными муфтами 64 (смонтированными на внешней поверхности корпуса повторителя) и 63 (смонтированными на внутренней поверхности корпуса повторителя; не показаны на фиг.7). Также на фиг.7 не представлен канал для проводов, который расположен под EMR соединительной муфтой и который соединяет полости 52 с целью маршрутизации сигналов и мощности по проводам. EMR соединительные муфты 63, которые расположены на противоположной поверхности муфты повторителя 50 и которые не представлены на фиг.7, сконструированы таким же образом, что и EMR соединительная муфта 64.

На фиг.8 представлена EMR соединительная муфта 61, которая размещается в задней стенке замковой муфты 31. Эта EMR соединительная муфта сконструирована таким же образом, что и ниппельная EMR соединительная муфта 62.

Также возможно установить настоящую систему передачи данных в стыки трубопровода без использования корпусов пассивных повторителей, т.к. все EMR соединительные муфты 61, 62, 63, 64 совместимы друг с другом. Например, возможно напрямую состыковать ниппельную EMR соединительную муфту 62 с замковой EMR соединительной муфтой 61. В этих стыках трубопровода замковая муфта 31 не является развинченной и поддерживает свои начальные размеры с двойными выступами. Преимуществом такой опции “без повторителя” является увеличение мощности сигнала, проходящего через набор стыков трубопровода, что, в свою очередь, дает возможность увеличения расстояния между активными повторителями. Основным недостатком использования меньшего числа пассивных повторителей или вообще неиспользования их является дополнительная потребность в материально-техническом обеспечении для отдельного обслуживания и отслеживания развинченных и неразвинченных стыков трубопровода.

На фиг.9 представлена конструкция EMR соединительных муфт 61, 62, 63 и 64. На фиг.9 представлен концептуальный, плоский вид в разрезе EMR соединительной муфты, охватывающий угол обзора 360°. Паз 70 глубиной 4-5 мм вмещает диэлектрический комплект многослойных листов 170, высотой 2-3 мм. Диэлектрик 170 предпочтительно изготавливается из многослойного материала из армированного стекловолокном PTFE или из диэлектрической керамики. Подходящая продукция из многослойных материалов доступна в Arlon, Microwave Material Division, Rancho Cucamonga, CA 91730. Все дорожки электрических схем предпочтительно реализуются в виде медных дорожек минимальной толщины, по меньшей мере, 0,001” (25,4 мкм) и с обработкой поверхности погружением в серебро. Антенна 71 представляет собой микрополосковые дорожки толщиной 1-2 мм, расположенные на внешней поверхности, в то время как плоскость основания 172 расположена на обращенной вовнутрь стороне диэлектрика 170. Диэлектрик 170 также вмещает миниатюрные радиочастотные разъемы 174 и различные поверхностно монтируемые конденсаторы 78 и 79. Подходящие высокостабильные, высокотемпературные поверхностно-монтируемые керамические конденсаторы на основе диэлектрического материала C0G-типа доступны в NOVACAP, Valencia, CA 91355. Радиочастотные (RF - radiofrequency) разъемы 174 соединены с другими RF разъемами 176 противоположного типа, которыми заканчиваются коаксиальные кабели 40. Конические RF разъемы 176 зафиксированы в конических выемках 175. Это упорядочивание накладывает предварительную растягивающую нагрузку на коаксиальные кабели 40, которая сохраняет кабели сильно натянутыми в условиях эксплуатации. Подходящие высокотемпературные сверхминиатюрные радиочастотные разъемы, такие как SMB или MCX разъемы, доступны в Amphenol RF, Danbury, CT 06810. Все электрические разъемы должны быть либо сварены, либо спаяны с использованием бессвинцового высокотемпературного припоя с высокой проводимостью.

Задачей конденсаторов 78 является привести в соответствие электрическую длину антенны 71 с длиной паза 70. Длина паза 70 определяется длиной окружности соединительного выступа, в который встроена EMR соединительная муфта. Если физическая длина паза 70 равна или равна нескольким электрическим длинам антенны 71, на определенных частотах структура стоячей волны появляется на антенне 71, которая может хранить сравнительно большие объемы электромагнитной энергии. Это хранилище электромагнитной энергии, содержащейся в немагнитной диэлектрической