Телеметрическое сопровождение бурения наклонно-направленных скважин

Статическая характеристика преобразователя представлялась линейной.

4. При расчете коэффициента затухания β беспроводной электромагнитной линии передачи окружающая среда принималась однородной с удельным электрическим сопротивлением ρ. Значение коэффициента затухания β определялось по формуле:

где R — внешний радиус бурильных труб, м, ρ - удельное сопротивление окружающей (однородной) среды, Ом/м.

На рис. 2.3 приведена АЧХ беспроводного комбинированного канала связи.

Рисунок 2.3 — Амплитудная частотная характеристика беспроводного комбинированного канала связи длиной 7000 м.

Вид имитационной модели беспроводного комбинированного канала связи представлен на рис. 2.

4. Проведено моделирование беспроводного комбинированного канала связи длиной 7000 м Результаты показали, что передача сигнала по такому каналу связи осуществима. При моделировании на вход канала связи подавался синусоидальный сигнал различной частоты и определялось отношение Pc/Pп, где Pc — средняя мощность полезного сигнала, Pп — средняя мощность помехи в передаваемом диапазоне частот. Исследовался диапазон 0 — 0,6 Гц, так как на более высоких частотах имеет место высокий уровень помех. Графики зависимости отношения Pc/Pп от частоты для гидравлической и беспроводной электромагнитной линии приведены на рис. 2.

5.

Рисунок 2.4 — Имитационная модель беспроводного комбинированного канала связи в среде Simulink.

Рисунок 2.5 — Зависимость отношения Pc/Pп от частоты для а) гидравлической линии передачи (l = 4000 м), б) беспроводной электромагнитной линии передачи (L = 3000 м, ρ = 5 Ом· м).

Для оценки точности передачи по беспроводному комбинированному каналу связи рассчитывались значения относительной и приведенной погрешности на различных частотах при различной форме входного сигнала. Графики зависимости значений погрешностей от частоты при подаче различных сигналов показаны на рис. 2.

6.

Рисунок 2.6 — Зависимости относительной и приведенной погрешности от частоты при различных типах входных сигналов: а — прямоугольные импульсы, б — синусоидальный сигнал, в — треугольные импульсы, г — косинусоидальные импульсы.

Анализ результатов моделирования показал, что для успешной передачи информации по беспроводному комбинированному каналу связи длиной 7000 м необходимо передавать сигнал синусоидальной формы или в виде косинусоидальных импульсов в диапазоне 0,1 — 0,45 Гц, с амплитудой 2 МПа.

Для сравнения характеристик беспроводного комбинированного и гидравлического канала связи длиной 7000 м проведено моделирование гидравлического канала, передаточная функция которого:

Моделирование показало, что передача сигнала на частотах выше 0,15 Гц невозможна ввиду сильного искажения сигнала помехами. Среднее значение относительной и приведенной погрешности в диапазоне 0,05 — 0,15 Гц: δ = 4,734%, δп = 2,5%. В сравнении, беспроводной комбинированный канал такой же длины обеспечил точность δ = 1,52%, δп = 1,02% в диапазоне 0,1 — 0,45 Гц при равных условиях. Сводные графики зависимости Pc/Pп от частоты для гидравлического и беспроводного комбинированного каналов связи приведены на рис. 2.

7.

Рисунок 2.7 — Сводные графики зависимости Pc/Pп от частоты для гидравлического и беспроводного комбинированного каналов связи.

Таким образом, передача информации по беспроводному комбинированному каналу связи дает следующие преимущества по сравнению с гидравлическим каналом связи. Во-первых, повышается точность передачи сигнала с забоя на устье скважины. Во-вторых, повышается помехоустойчивость передачи. В-третьих, частотный диапазон передачи сигнала шире, и его верхняя граница выше, что позволяет передавать данные с большей скоростью, и более оперативно управлять процессом бурения. Вчетвертых, облегчаются условия приема сигнала на устье.

Проведено исследование беспроводного комбинированного канала различной длины. На основании результатов моделирования найдены следующие значения оптимальных частотных диапазонов для различной длины комбинированного канала связи: 0−5000 м — 0,1−0,6 Гц; 5000−7000 м — 0,1−0,45 Гц; 7000−8000 м — 0,1−0,4 Гц; 8000−9000 м — 0,05- 0,35 Гц.

Проведено исследование и моделирование системы автоматического управления давлением бурового раствора на забое скважины с учетом прохождения сигналов по беспроводному комбинированному каналу связи. Схема указанной САУ в программе Simulinkпоказана на рис. 2.

8.

Рисунок 2.8 — САУ давлением бурового раствора на забое в Simulink.

Передаточные функции гидравлического канала связи, объекта управления (ОУ) и беспроводного комбинированного канала связи в исследуемой САУ:

Расчет оптимальных настроек ПИ-регулятора был проведен методом незатухающих колебаний (Циглера-Никольса). Найдена передаточная функция регулятора:

Переходной процесс в системе по возмущающему воздействию показан на рис. 2.

9.

Рисунок 2.9 — График переходной характеристики по возмущающему воздействию в САУ забойным давлением.

Логическим продолжением исследований каналов связи является использование радиолинка. Однако в настоящее время он используется только на наземной части телесистемы. Перспективным является изучение распространения радиоволн по бурильной трубе как новому каналу связи. Проблема передачи информации через такой канал связи ранее не изучалась. Для рассмотренного канала связи наилучшее решение — работа в УВЧи СВЧдиапазонах, поскольку затухание низкочастотных сигналов в тракте будет очень высоким, а размеры антенн не позволят разместить приемник и передатчик в бурильной трубе. Учитывая, что канал связи неоднородно заполнен средами с разной диэлектрической проницаемостью, приемопередатчики должны работать в достаточно широкой полосе рабочих частот. Кроме того, размеры антенны передатчика должны быть раза в полтора меньше диаметра бурильной трубы, чтобы передатчик свободно размещался внутри трубы и оставалось место для протока промывочной жидкости.

Данное исследование проводится в Национальном исследовательском Томском политехническом университете. Проект «Borehole Microwave» связан с решением следующих задач:

1. Исследование нового канала связи и способов передачи сигнала по нему.

2. Создание приемо-передающей системы с целью выявления наиболее перспективных вариантов по передаче и обработке сигнала.

3. Развитие методов модуляции сигнала и разработка устройств для их осуществления.

Способ передачи данных по буровой трубе принципиально отличается от передачи сигнала по кабелю и через горные породы. Это связано, главным образом, с большим затуханием сигнала и изменчивостью свойств пород и напряженности электромагнитного поля в канале. Учитывая высокую вероятность неоднородностей в канале связи, влияющих на форму и амплитуду сигнала, необходимо проведение исследований по формированию и кодированию сигнала. В заполняющей среде напрямую невозможно использование обычных систем передачи, так как целостность сигнала нарушается при прохождении видеоимпульсов по каналу. Отношение сигнал-шум для сигналов разной формы в заполняющей среде существенно изменяется.

Несмотря на большое количество разработок в данной области, дальность действия систем, использующих беспроводной канал связи забой-устье, в значительной мере определяется свойствами геологического разреза скважины. Исследования канала такого типа показали, что расчет канала в первом приближении можно свести к расчету неоднородной длинной линии с распределенными параметрами. Расчет практически заключается в определении уровня полезного сигнала, который может быть зафиксирован на поверхности при соответствующих условиях его передачи с забоя и выделении его на фоне помех. Остальные параметры канала в нашем случае не играют особой роли. Величина сигнала U определяется зависимостью:

где Uv — напряжение на входе линии передачи;

β - коэффициент затухания сигнала в канале связи забой-устье;

l — глубина скважины.

Коэффициент затухания β для стальных труб с достаточной точностью определяется зависимостью:

где f — частота передаваемого сигнала;

— средневзвешенное электрическое сопротивление среды; D — диаметр труб. Эта зависимость соблюдается в УВЧи СВЧ-диапазонах.

Наиболее эффективными средствами повышения дальности действия беспроводного канала являются применение бурильных труб с улучшенными электрическими характеристиками и согласование забойного передатчика с нагрузкой, а также снижение частоты сигнала передачи. Техническое противоречие между рабочей полосой частот и затуханием разрешимо выбором несущей частоты исходя из требования обеспечения необходимых размеров антенны, а не минимальности затухания тракта. Значительный резерв увеличения дальности действия телесистем — снижение уровня помех, что достигается применением узкополосных систем передачи, компенсацией помех и снижением скорости передачи данных измерений.

Для исследования характеристик приемно-передающих устройств в неоднородных длинных линиях с распределенными параметрами была собрана экспериментальная установка (рис. 2.1). Она позволяет проводить измерения мощности, резонансной частоты, получить осциллограммы модулированного и выходного СВЧ-сигналов, исследовать параметры спектра.

В состав экспериментальной установки входят:

— генераторный модуль на диоде Ганна;

— осциллограф Agilent DSO 1022A;

— источник питания постоянного напряжения АИП Б5.120/0.75;

— генератор импульсов Agilent 33 250А;

— ответвитесь направленный;

— частотомер СNT-90XL Pendulum;

— преобразователь измерительный первичный (термисторная головка М5−42);

— измеритель мощности термисторный М3−22А;

— вольтамперметры М2018;

— волноводно-коаксиальный переход;

— анализатор спектра Agilent E4408B.

Рисунок 2.1 — Экспериментальная установка.

В проекте создается принципиально новое приемно-передающее устройство. Исследованы принципы построения антенн, генераторов видеоимпульсов, апробированы схемы приема и обработки сигналов. Разработаны и реализованы варианты логарифмических усилителей, устройств цифровой обработки. Имеется большой теоретический и практический научный задел по сверхширокополосным системам исследования электродинамических характеристик природных и техногенных сред в широком частотном диапазоне электромагнитных излучений. Проведены предварительные исследования СВЧ-передатчика большой мощности на диоде Ганна. Достигнуты следующие технические характеристики передатчика: рабочая частота — 9,3…9,5 ГГц; выходная импульсная мощность — не менее 15 Вт; длительность импульсов запуска — 1000 нс; ток диода Ганна — 0,9…1,2 А; время установления и спада СВЧ-импульса — 6 нс; амплитуда импульса запуска — 5 В; напряжение источника питания — 60 В; потребляемый ток — 30 мА. Передатчик был разработан и используется в системах ближней радиолокации, но его технические характеристики позволяют использовать передатчик в системах MWD.

Заключение

.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

Таким образом, исследование дает обзор существующих каналов связи для систем MWD и показывает необходимость разработки нового канала, основанного на использовании СВЧ диапазона волн. Рассмотрены проблемы проектирования систем MWD на СВЧ. Обоснованы основные характеристики новой телекоммуникационной системы для геофизических исследований. Разработан мощный приемо-передающий модуль на диоде Ганна. Данный модуль позволяет проводить исследования по передаче информации через различные среды (вода, буровой раствор) и проектировать систему передачи данных на новой элементной и технологической базе.

Поскольку работа выполняется на стыке многих специальных дисциплин — радиоэлектроника, СВЧ-техника, геофизика, теория и техника электросвязи, обработка сигналов и т. д., — требуется вовлечение в проект широкого круга специалистов в этих областях. Авторы надеются, что статья вызвала интерес к рассматриваемым в ней вопросам. Они сочтут себя вполне удовлетворенными, если хотя бы некоторые читатели, получившие представление о проблеме проектирования систем MWD, захотят ознакомиться с работами, указанными в списке литературы, и также приложить свои знания, опыт и техническое образование к рассматриваемым проблемам.

Список использованных источников

.

Аронстам Питер С., Финчер Роджер У., Уоткинс Ларри А. Система и способ связи по за-шумленным каналам связи // Патент РФ № 2 419 996. — Опубл. 20.

05.2009.

Бюл. № 14.

Горячкин О.В., Суханов Д. В. Совместная оптимизация сочетания помехоустойчивого кода и синхропоследовательности в забойных телеметрических системах. Успехи современной радиотехники и электроники. — 2015. — № 11. — с.73−77.

Kochumeev V.A., Mirmanov A.B., Pushkarev V.P., Stukach O.V. Problems in design of the new microwave geophysical measuring system // 19-th International Conference on Microwave Radar and Wireless Communications (MIKON), 21−23 May 2012. — V. 2. — P. 516−518.

Суханов Д. В. Экспериментальный выбор сигнально-кодовой конструкции для забойной телеметрической системы в условиях реальных помех. Инфокоммуникационные технологии. — 2016. — Т.

9. — № 1.

Stephen Prensky. Recent advances in LWD/MWD and formation evaluation // World Oil. — March 2006. — P. 69−75.

Горячкин О.В., Суханов Д. В. Совместная оптимизация сочетания помехоустойчивого кода и синхропоследовательности в забойных телеметрических системах. Успехи современной радиотехники и электроники. — 2015. — № 11. — с.73−77.

Stephen Prensky. Recent advances in LWD/MWD and formation evaluation // World Oil. — March 2006. — P. 69−75.

Аронстам Питер С., Финчер Роджер У., Уоткинс Ларри А. Система и способ связи по за-шумленным каналам связи // Патент РФ № 2 419 996. — Опубл. 20.

05.2009.

Бюл. № 14.

Kochumeev V.A., Mirmanov A.B., Pushkarev V.P., Stukach O.V. Problems in design of the new microwave geophysical measuring system // 19-th International Conference on Microwave Radar and Wireless Communications (MIKON), 21−23 May 2012. — V. 2. — P. 516−518.

Суханов Д. В. Экспериментальный выбор сигнально-кодовой конструкции для забойной телеметрической системы в условиях реальных помех. Инфокоммуникационные технологии. — 2016. — Т.

9. — № 1.