25 лет на рынке информационных технологий
новости о компании клиенты поддержка партнеры
«GIRAФ»
гидроакустический канал связи
   

«GIRAФ»
гидроакустический канал связи (ГАКС) забойной телеметрической системы (ЗТС)

Геофизическое исследование скважин (ГИС) является одной из ключевых задач, связанных с увеличением эффективности разработки и эксплуатации месторождений природного газа и нефти. Такие исследования включают различные методы каротажа и скважинной геофизики.

Существует большое количество геофизического оборудования (ГО) забойных телеметрических систем (ЗТС) различных производителей (Sperry Sun, Hulliburton, Shlumberger и др.), успешно решающих задачи ГИС. Геофизическое оборудование ГИС использует в совокупности более пятидесяти различных методов, включающих измерение электрических, ядерных, термических, сейсмоакустических, магнитных и других величин. В англоязычной литературе эти исследования обозначаются терминами Measure While Drilling (MWD) и Logging While Drilling (LWD).

Узким местом ГИС/MWD/LWD является процесс доставки полученных с помощью ЗТС данных на дневную поверхность. Для этого применяются способы и методы, использующие различные каналы связи. Самым простым способом является накопление данных в ГО, которые считываются периодически, с каждым подъемом забойного инструмента на дневную поверхность. Такой способ получения данных, несмотря на их большой объем, характеризуется низкой оперативностью и высокой стоимостью, так как процесс получения очередных результатов измерений связан с полной разборкой и последующей сборкой всей бурильной колонны, состоящей из отдельных буровых труб.

Существуют системы оперативного получения ГИС/MWD/LWD, которые в англоязычной литературе обозначаются термином Real-Time LWD. Такие системы используют различные каналы связи, основанные на различных физических принципах, и делятся на проводные и беспроводные.

Проводная система обеспечивает самую большую скорость передачи данных и может обеспечить двунаправленную связь. Ее основной недостаток связан с тем, что буровая колонна состоит из отдельных труб-секций, собираемых в процессе бурения. Из-за этого невозможно обеспечить достаточно удобный и, главное, надежный способ разместить кабель внутри буровой колонны. Необходимо или составлять кабель из отдельных секций с разъемами, равными по длине одной секции трубы, или протягивать достаточно длинные сегменты кабеля через несколько секций труб, ожидающих своей очереди на установку. Кабель внутри буровой трубы испытывает большие нагрузки, и от своего веса, и от бурового раствора, и от движения самой трубы. Надежность такой системы весьма невысока и кабель может быть легко поврежден случайным стечением обстоятельств в любой момент на любом участке. Разновидность проводной системы предусматривает использование специальных буровых труб, в стенки которых заранее заложен кабель. На концах труб предусматриваются разъемы (механические или индуктивные). Такая система более надежна, чем чисто проводная, но подготовка и ее эксплуатация гораздо затратнее. Большое количество разъемных соединений в ее канале связи предъявляет высокие требования к качеству кабеля и разъемов, что еще больше повышает затраты и снижает общую надежность. Выход из строя даже одного элемента канала приводит к его неработоспособности и требует дорогостоящих методов для поиска и устранения неисправности.

Беспроводные решения в основном представлены двумя группами каналов: акустические каналы и электромагнитные.
Электромагнитный канал использует в качестве среды передачи электрических импульсов саму буровую трубу. В качестве возвратного провода используется окружающая буровую трубу порода. Потери в такой системе весьма высоки, сигнал подвержен искажению и сильному затуханию. В случае сильной засоленности почвы, происходит электрическое замыкание среды передачи и канал перестает быть работоспособным.
Акустические каналы используют в качестве среды передачи буровую колонну и/или буровой раствор, находящийся в колонне. Самый распространенный акустический канал связи использует движение прокачиваемого через буровую колонну бурового раствора, модулируя его давление. Вблизи передатчика информации, около бура, устанавливается модулятор, который изменяет проходное сечение клапана, а на дневной поверхности регистрируется связанное с этим процессом изменение давление бурового раствора. Получающиеся импульсы изменения давления декодируются в двоичный код. Основной недостаток этой широко используемой системы – весьма низкая скорость передачи данных, не превышающая одного бита за несколько секунд. Низкая скорость передачи в акустическом канале связи обусловлена высокими акустическими потерями, высоким уровнем акустических помех, искажениями сигнала вследствие интерференции акустических волн различного рода, имеющих разную скорость. Дополнительную помеху создают эхо-сигналы [1,2].

Увеличить изображение

Разработанный нашей компанией гидроакустический канал связи (ГАКС) обеспечивает двустороннюю передачу данных от ЗТС на дневную поверхность и образован совокупностью ретрансляторов, расположенных внутри буровой трубы и использующих в качестве среды передачи деаэрированный буровой раствор, находящийся внутри трубы[3,4]. Ретрансляторы устанавливаются с интервалом до 1000 метров и фиксируются в буровой колонне на центраторах или переводниках.

Опытный образец ГАКС подготовлен к проведению натурных буровых испытаний с любым типом ЗТС.

Основные параметры устройства:  

  • Диаметр модуля – 45 мм
  • Длина – до 500 мм
  • Максимальное рабочее давление – 50Мпа
  • Максимальная рабочая температура – 120 °С
  • Время работы до смены батарей не менее - 150 часов
  • Скорость передачи не менее 100 - бит/с

Увеличить изображение

Верхний ретранслятор, установленный под вертлюгом, использует беспроводную связь для передачи данных на терминал, установленный на дневной поверхности на расстоянии до 150 метров от бурового стола.

Увеличить изображение

По мере продолжения процесса бурения и удлинения буровой колонны, акустический сигнал ослабевает. Когда затухание становится критическим, в буровую колонну устанавливается следующий ретранслятор и релейная линия увеличивается на еще один интервал.

Увеличить изображение

Для передачи данных разработано специализированное программное обеспечение (ПО) передачи данных, базирующееся на семиуровневой модели системы передачи данных.
Физический уровень включает в себя физические приемопередатчики и процессор сигналов, который обеспечивает кодирование и декодирование акустических импульсов.

Применение принципа радиорелейной линии позволяет расширить спектр используемых сигналов и значительно повысить битовую скорость.

Акустические приемопередающие антенны были разработаны на основе физических моделей, полученных в результате комплекса работ, включающих компьютерное моделирование, проверку на стендах и дальнейшую доводку по результатам физических испытаний.

Для изготовления элементов конструкции использовались возможности санкт-петербургских и московских предприятий и заводов. Все элементы проходили испытания на стендах, включающие в себя ударные, вибро, гидравлические, акустические, термо- баро и др. воздействия в различных российских НИИ.  

Для проведения испытаний  разработана и построена серия специальных гидроакустических  полевых и лабораторных стендов:

  • два стенда горизонтальных      L= 100м, диаметр-100мм,- сталь,
  • вертикальный      L=4 м, диаметр 70 мм, сталь,
  • горизонтальный      L= 100м, диаметр 50мм, пластик,
  • наклонно-изогнутый     L= 50м, диаметр 50 мм, пластик,
  • горизонтальный      длина 40 м, диаметр 120 мм с расходом  100 л/с, сталь и др., 

на  которых отрабатывались и оптимизировались параметры приемоизлучателей, амплитудно-частотные характеристики канала, проверялось распространение, затухание, искажения сигнала, вызванные эффектами эха и интерференции.  Также проверялись зависимости условий прохождения сигнала от параметров трубы (материала, диаметра, формы), свойств жидкости, шума потока бурового раствора, помех, наличия включений, степени аэрации, акустических свойств материалов центраторов, сопряжений и пр.

Увеличить изображение

Теоретические аспекты прохождения гидроакустического сигнала в трубе разрабатывались параллельно с экспериментом.

Увеличить изображение
Увеличить изображение

Прикладной уровень обеспечивает прием, сжатие, передачу и декодирование информации, передаваемую от забойного оборудования к дневной поверхности, а так же в обратном направлении.

Увеличить изображение

Остальные уровни обеспечивают целостную передачу информации внутри канала от источников к приемникам, поддержание целостности и актуальности передаваемой информации, а также управление работой оборудования канала.

Такая архитектура системы позволяет использовать ее для решения широкого круга задач путем адаптации к конкретной задаче прикладного уровня. Все остальные уровни при этом не требуют внесения никаких дополнительных изменений.

Увеличить изображение

Обслуживание системы заключается в периодическом демонтаже ретрансляторов и замене элементов питания. Необходимость этой операции оборудование ретранслятора диагностирует заранее и выдает соответствующее сообщение. В случае использования турбогенераторов, частота  обслуживания значительно уменьшается.
В каждом ретрансляторе предусмотрено логирование  передаваемой информации, и, в случае аварийного выхода канала из строя, эта информация может быть получена от любого ретранслятора, расположенного ниже аварийного участка.

Рис. 1
Блок-схема ретранслятора

Рис. 2
Блок-схема верхнего модуля

 Рис 3

Блок-схема нижнего модуля

Особенности и преимущества

  • Конструкция позволяет работать во всех диаметрах буровых труб от 90 до 240 мм.
  • Измерение навигационных и геофизических параметров возможно как в процессе бурения, так и без циркуляции бурового раствора.
  • Возможно управление процессами измерения и передачи информации с поверхности, без подъема телесистемы из скважины.
  • Измерение и локальное резервирование информации, доступной при подъеме инструмента.
  • Канал может работать при гидростатическом давлении до 50 МПа, температуре окружающей среды до 120 °С, в широком диапазоне расходов бурового раствора.
  • Важное преимущество ГАКС перед гидроимпульсным, акустическим и электромагнитным каналами - возможность двусторонней связи с ЗТС.
  • Скорость передачи данных - не менее 100 бит/с ( на два порядка выше скорости гидроимпульсного канала).
  • Комплект канала умещается в одном ударопрочном кейсе и может перевозиться любым видом транспорта. 

При разработке теоретических аспектов и стендовых испытаниях ГАКС получен, на первый взгляд, «антинаучный» результат. Например, считалось (труды АКИН), что гидроакустический сигнал в трубе с жидкостью частотой выше 1 кГц затухает через несколько метров, что и подтверждается экспериментом с синусоидальной формой сигнала.
Команде разработчиков удалось передавать сигнал 20 кГц…150кГц в трубе с водой на расстояния в несколько сотен метров.

Диапазон применения решения

  • для связи на плавучих буровых, например, передача забойной информации с дна на буровую платформу (известно, что дальность прохождения гидроакустического сигнала в открытой воде намного превышает дальность в трубе, испытания в реке Неве показали уверенную дальность двусторонней связи более 1 км)
  • в нефтепроводах (ТРУБОПРОВОДАХ), для связи и определения мест несанкционированных врезок
  • для подводной связи (водолазов, ПЛ и т.д.)
  • специальное использование (связь через коммуникации - водопроводные и пр. сети) 

Имеется возможность существенного увеличения скорости, помехозащищенности и длины интервала канала за счет совершенствования протоколов обработки сигнала.  
Это является предметом доработки по результатам дальнейших натурных испытаний.
 Следует отметить, что эффективность акустичекого преобразования увеличивается в геометрической прогрессии с увеличением глубины (давления), что приводит к увеличению дальности связи при прочих равных параметрах.

Фирма приносит благодарность коллегам из оренбургского Центра горизонтального бурения за практическую помощь в разработке технологии монтажа и эксплуатации ГАКС, за предоставленную возможность исследования параметров шума бурового раствора на реальной буровой.

Литература:

  1. Douglas S. Drumheller, «Acoustical properties of drill strings» J. Acoust. Soc. Am. Volume 85, Issue 3, pp. 1048-1064 (1989)
  2. Douglas S. Drumheller, «Attenuation of sound waves in drill strings» J. Acoust. Soc. Am. Volume 94, Issue 4, pp. 2387-2396 (1993)
  3. Голованов Владимир Иванович, Майзель Александр Борисович, Малых Игорь Минович, Федьков Евгений Александрович, «О возможности создания гидроакустического канала связи с забойной телеметрической системой»
    Журнал «Каротажник», номер 11, стр. 107-113 (2008)
  4. Патент РФ №71168 
    «Система передачи информации вырабатываемой измерительными приборами, расположенными в забое скважины»
    Патентообладатель: ЗАО «Комита»
    Авторы: Голованов В.И., Майзель А.Б., Малых И.М., Федьков Е.А.
    Заявка 2007139828
    Приоритет 26 октября 2007 г.
    Зарегистрирована в госреестре полезных моделей РФ 27 февраля 2008г.


 

ЗАО "Комита"  
Прокопьев Юлий Вадимович
e-mail: giraff@comita.ru 
Малых  Игорь Минович
e-mail: malykhim@comita.ru 
   

Телефон для связи:  8 921 943-06-15


© 1991-2017 ЗАО "Комита"