Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,252

RETRANSMISSION MODULE FOR TELEMETRIC SYSTEM WITH ELECTROMAGNETIC COMMUNICATION CHANNEL

Golodnykh E.V. 1 Borikov V.N. 1
1 Federal Autonomous Educational Institution of Higher Education National Research Tomsk Polytechnic University
В статье описаны применяемые в настоящее время каналы связи телеметрических систем с приемными станциями, обеспечивающих мониторинг и управление процессом бурения скважин. Подробно рассмотрены основные используемые каналы связи, приведены их преимущества и недостатки. Поставлена актуальная проблема обеспечения качественной проводки наклонно-направленных и горизонтальных скважин с большими проектными смещениями от устья и конечной глубиной забоя при использовании телеметрических систем с электромагнитным каналом связи и предложен способ ее решения. Представлен конструктив устройства, позволяющий увеличить достоверность и скорость передачи данных, повысить объем передаваемых данных, обеспечить повышенную помехоустойчивость передаваемого сигнала. Сформулированы основные требования к техническим и метрологическим характеристикам разрабатываемого ретрансляционного модуля для телеметрической системы с электромагнитным каналом связи.
At the article there are described currently applied the communication channels of telemetry systems to receiving device, which provide monitoring while drilling. There are shown mainly use communication channels, given their advantages and disadvantages. Raised the actual quality problem of directional and horizontal wells drilling with large displacements from the wellhead and great borehole bottom. There are shown design of the device, which allows to increase the reliability, speed of data transmission and enhanced noise immunity of the transmitted signal. The basic requirements of technical and metrological characteristics of developed retransmission module for telemetric system with electromagnetic communication channel are given.
communication channel
well-boring
well logging
oil and gas
electromagnetic communication channel
repeater
1. Beljakov N.V. NTV AIS «Karotazhnik», 1997, no. 30, pp. 60–67.
2. Golodnyh E.V., Borikov V.N. Kontrol. Diagnostika, 2014, no.7, pp. 37–42.
3. Golodnyh E.V., Borikov V.N. Kontrol. Diagnostika, 2012, no.13, pp. 16–18.
4. Gormakov A.N., Golodnyh E.V., et al. Mezhdunarodnyj zhurnal jeksperimental’nogo obrazovanija, 2014, no. 1, pp. 107–108.
5. Molchanov A.A., Laptev V.V., Moiseev V.N., Chelok’jan R.S. Apparatura i oborudovanie dlja geofizicheskih issledovanij neftjanyh i gazovyh skvazhin: Spravochnik. Moscow: Nedra, 1987.
6. Patent RU 2305183, priority from 14.09.2005

В настоящее время в России бурение скважин на нефть и газ широко распространено не только как отрасль экономики, но и как один из наиболее эффективных способов вложения инвестиций. Эффективность определяется, прежде всего, соотношением затрат на разработку месторождения и бурение скважин к извлекаемой прибыли от реализации нефти потребителям. Несмотря на удорожание метра бурения, связанное с увеличением глубины скважин, а также с постоянно растущими ценами на высокотехнологичное оборудование в бурении, имеет место минимизация затрат благодаря оптимизации технологий бурения.

Основным средством изучения горных пород, вскрытых скважинами, стали в настоящее время геофизические методы исследований – измерения различных физических параметров, позволяющие определять геологические характеристики пород и контролировать режим работы пластов в процессе бурения скважин. Накопленный фактический материал по естественному искривлению скважин позволил установить ряд общих закономерностей, учитывая которые, инженеры научились проходить скважины в строго заданном направлении. Такие скважины получили название наклонно-направленных и горизонтальных. Бурение этих скважин ускоряет освоение новых нефтяных и газовых месторождений, разведку полезных ископаемых, снижает капиталовложения и уменьшает затраты дефицитных материалов.

Рост объемов наклонно-направленного бурения скважин с углами отклонения ствола скважин от вертикали более 60° обусловили ограничения по применению традиционных методов исследований с помощью аппаратуры, спускаемой в скважину на кабеле, и вызвали необходимость разработки специальных технологий доставки скважинных приборов в интервал исследований. Решение этой проблемы возможно с помощью измерительных телеметрических систем, устанавливаемых в компоновку низа буровой колонны (КНБК). Телеметрические системы регистрируют информацию о параметрах бурения на основе датчиков, установленных в ней, с последующей передачей (по каналу связи) измерительной информации в реальном масштабе времени на наземную станцию [1].

Каналы связи

В течение долгого времени основным препятствием для использования измерений в процессе бурения был канал связи. Канал связи является основным фактором, так как от него зависит конструкция телесистемы, вид компоновки буровой колонны, информативность и достоверность измеряемых параметров, а также условия прохождения сигнала. В результате исследований и практического применения в реальных условиях бурения выделяются три канала связи: электропроводной, гидравлический и электромагнитный. Каждый канал связи имеет свои преимущества и недостатки. Условия бурения и экономическая целесообразность определяют каждому каналу связи свою область применения [1].

Электропроводной канал связи обладает рядом существенных преимуществ перед другими каналами связи – это максимальная информативность, быстродействие, помехоустойчивость, достоверность связи; отсутствие забойного источника электрической энергии и мощного передатчика; возможность двусторонней связи; не требует затрат гидравлической энергии [5]. Самым существенным недостатком электропроводного канала связи является наличие кабеля в бурильной колонне, что создает трудности при бурении: необходимы затраты времени на прокладку и защиту кабеля от механических повреждений, невозможность вращения колонны, необходимость доставки забойного модуля до места посадки при зенитных углах более 60°.

Телесистемы с гидравлическим каналом связи используют устройство (пульсатор), создающее в потоке промывочной жидкости импульсы давления. Существует три типа сигнала, создаваемых пульсатором: положительный импульс, отрицательный импульс или непрерывная волна. Положительные импульсы генерируются путем создания кратковременного частичного перекрытия потока промывочной жидкости. Отрицательный образуется благодаря кратковременному перепуску части жидкости в затрубное пространство посредством бокового клапана. Гидравлические сигналы, близкие к гармоническим (непрерывная волна), создаются с помощью электродвигателя, который вращает клапан пульсатора. Гидравлические импульсы передаются по потоку промывочной жидкости на поверхность, где регистрируются датчиком давления [5]. Преимуществом данного вида связи является простота использования и неограниченная глубина передачи сигнала. Недостатки данного канала связи – низкая информативность из-за относительно низкой скорости передачи, низкая помехоустойчивость, необходимость в забойном источнике электрической энергии, затраты гидравлической энергии для работы передатчика, невозможность работы в условиях, неблагоприятных для прохождения гидроимпульса: при бурении пневматическим способом, использовании пенообразных материалов или газированных растворов.

Электромагнитный канал связи использует электромагнитные волны, образующиеся между изолированным участком колонны бурильных труб и протекающие по горной породе. На поверхности земли сигнал регистрируется приемными антеннами (установленными в грунт на расстоянии друг от друга) как разность потенциалов от растекания тока по горной породе [5]. К преимуществам электромагнитного канала связи относятся более высокая информативность и скорость передачи данных по сравнению с гидравлическим каналом связи. К недостаткам – дальность связи, зависящая от проводимости горных пород, уменьшение помехоустойчивости сигнала с увеличением глубины скважины, сложность установки антенны в труднодоступных местах.

Для обеспечения качественной проводки наклонно-направленных и горизонтальных скважин с использованием телеметрических систем, определяющих пространственную ориентацию ствола скважины, необходимо получение геофизической информации (естественное гамма-излучение и сопротивление горных пород) с забоя в процессе бурения [4]. В такой ситуации возникает проблема со скоростью и возросшим объемом передаваемой информации. Кабельный канал связи полностью подходит под данные условия, но его экономически нецелесообразно использовать ввиду перечисленных недостатков, а также увеличения срока строительства скважины. За счет малой информативности (минимальный объем передаваемых данных) и низкой скорости передачи данных гидравлический канал связи не годится. Под вышеперечисленные критерии подходит электромагнитный канал связи, если устранить его недостатки.

Задачей разрабатываемого устройства является увеличение достоверности и скорости передачи данных, улучшение помехоустойчивости передаваемого сигнала при использовании электромагнитного канала связи в процессе бурения скважин.

Концепция проектируемого устройства

Задача решается тем, что при снижении регистрационных характеристик электромагнитного сигнала, принимаемого от телеметрической системы, в состав компоновки бурильной колонны включают ретрансляционный модуль для телеметрической системы с электромагнитным каналом связи (рис. 1) [6].

pic_56.tif

Рис. 1. Ретрансляционный модуль для телеметрической системы с электромагнитным каналом связи: 1 – корпус генератора; 2 – корпус изолятора; 3 – турбогенератор; 4 – верхняя крестовина; 5 – Т-образный паз; 6 – удлинитель блока электроники; 7 – нижняя крестовина; 8 – поджимная пружина; 9 – дистанционные кольца; 10 – блок электроники; 11 – резиновые центраторы; 12 – ракета генератора; 13 – вал генератора; 14 – шнек; 15 – диэлектрическая вставка

Ретрансляционный модуль для телеметрической системы с электромагнитным каналом связи состоит из корпуса генератора соединённого с корпусом изолятора, которые включаются в состав компоновки бурильной колонны. Внутрь корпуса генератора и изолятора устанавливается турбогенератор, обеспечивающий ретрансляционный модуль электрической энергией, он расположен на верхней крестовине с Т-образным пазом, предотвращающим радиальное перемещение. Осевое перемещение снизу блокирует удлинитель блока электроники, который устанавливается в нижнюю крестовину, а сверху ретрансляционный модуль фиксирует ниппель бурильной трубы через поджимную пружину с набором дистанционных колец. Для поглощения вибрационных воздействий и ударов на турбогенераторе и блоке электроники установлены амортизирующие резиновые центраторы. При прохождении тока верхняя крестовина и корпус генератора образуют верхнюю дипольную антенну, а нижняя крестовина и нижняя часть корпуса изолятора образуют нижнюю дипольную антенну. Турбогенератор содержит ракету генератора, для разделения потока промывочной жидкости, внутри которой на валу установлен шнек, приводимый в движение гидравлической силой потока. Диэлектрическая вставка соединяет турбогенератор с блоком электроники. Блок электроники обеспечивает прием, усиление и дальнейшую передачу полученного электромагнитного сигнала (рис. 2).

В процессе монтажа и демонтажа ретрансляционного модуля для телеметрической системы с электромагнитным каналом связи, подъем корпуса генератора и корпуса изолятора осуществляется при помощи хомута, который фиксируют в проточке на корпусе генератора. Установку и фиксацию внутренней части модуля осуществляют за счет монтажного отверстия ракеты генератора.

Принцип работы

В процессе бурения скважины при уменьшении соотношения сигнал/шум ниже порогового в компоновку бурильной колонны включают ретрансляционный модуль для телеметрической системы с электромагнитным каналом связи. Принцип действия данного устройства основан на измерении тока, протекающего по компоновке бурильной колонны, наведенного диполем телеметрической системы с электромагнитным каналом связи. Поток промывочной жидкости приводит в действие шнек, который раскручивает вал турбогенератора, обеспечивающий электрической энергией блок электроники. Электромагнитный сигнал от телеметрической системы через верхнюю крестовину, нижнюю крестовину и удлинитель блока электроники создают импульс тока на входе в дифференциальный усилитель блока электроники в виде разности потенциалов. Полученный сигнал через фильтр низких частот, блок автоматической регулировки усиления и компаратор подается на вход контроллера, который запитан от источника постоянного тока. Не изменяя модуляцию и кодировку сигнала, полученного от телеметрической системы, контроллер ретранслирует сигнал посредством верхней и нижней дипольных антенн, разделенных диэлектрическим слоем корпуса изолятора.

Основные требования к техническим и метрологическим характеристикам ретрансляционного модуля

В процессе эксплуатации устройство должно обеспечить долговременную стабильность своих ретрансляционных параметров.

Диапазон частот ретрансляции электромагнитного сигнала 0,625–10 Гц; минимальный коэффициент усиления сигнала – 1,3; рекомендуемая сила тока растекания для образования электромагнитного поля – не менее 25 А.

В связи с эксплуатацией в условиях агрессивной среды устройство должно выдерживать вибрации: 5–30 Гц, 25 мм – размах 30–500 Гц, 20 G, по всем осям. Предельное значение («Шок»): 1000 G за 0,5 мс, синус 0,5 по всем осям [6].

Рабочий диапазон температур: от –30 °C до +150 °C, максимальное допустимое рабочее давление: 60 МПа.

Минимальный расход промывочной жидкости, необходимый для выработки электрической энергии турбогенератором – 25 л/с.

С целью предотвращения недопустимых деформаций конструкции в процессе эксплуатации защитный кожух должен быть изготовлен из высокопрочных сплавов металла [3].

pic_57.tif

Рис. 2. Схема блока электроники: 1 – дифференциальный усилитель; 2 – фильтр низких частот; 3 – блок АРУ; 4 – компаратор; 5 – контроллер; 6 – источник постоянного тока; 7 – усилитель мощности сигнала

Выводы

Предложенное решение позволяет повысить достоверность и скорость передачи данных от телеметрической системы за счет использования ретрансляционного модуля на основе электромагнитного канала связи. Также при использовании ретрансляционного модуля телеметрическая система на основе электромагнитного канала связи может работать на более высокой частоте, обеспечивая большую скорость и информативность передачи данных. Кроме того, электромагнитный канал связи особенно эффективен в условиях, неблагоприятных для прохождения гидроимпульса: при бурении пневматическим способом, использовании пенообразных материалов или газированных растворов.

Рецензенты:

Дмитриев В.С., д.т.н., профессор кафедры точного приборостроения, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск;

Исаев В.И., д.г.-м.н., профессор кафедры геофизики, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.