Процессоры и микроконтроллеры 17
5 Перечень предполагаемых расчетов 18
6 Функциональная схема устройства 19
Заключение 19
1 Техническое задание
Контроллер погружной телеметрии.
1. Число комплексов – 4.
2. Информация от комплексов поступает по мультиплексному каналу в коде Манчестер-II.
3. Напряжение питания 7..12В.
4. Ток потребления <500мА.
5. Преобразовать полученную информацию в заданный формат
6. Разработать ПО.
Требования к ПО:
1. Опрашивать датчики через заданный интервал времени.
2. Преобразовать полученную информацию в заданный формат.
3. Автоматическое включение с заданной частотой.
2 Назначение устройства
В настоящее время темпы повышения объёмов добычи нефти, а также понятное желание нефтяных компаний снижать себестоимость добычи приводят к необходимости создания так называемых "интеллектуальных" скважин. "Интеллектуальной" скважиной обычно называют комплекс наземного и подземного оборудования, включающий в себя, как правило, станцию управления с преобразователем частоты и систему погружной телеметрии, встроенную в погружной электродвигатель (ПЭД) и позволяющую получать информацию о параметрах работы насосной установки. Контроллер станции управления при этом должен на основе получаемой информации по специальному алгоритму управлять работой насосной установки с целью обеспечения заданного режима работы, например, поддержания забойного давления.
Разработка собственной системы погружной телеметрии была вызвана тем, что предлагаемые отечественными производителями системы не обеспечивали требуемой надежности и достоверности выдаваемой информации. К тому же погружные части данных систем имели рабочий температурный диапазон, ограниченный верхним значением температуры устойчивой работы используемых микросхем, то есть реально составлял не выше 90оС. В то же время процесс интенсификации добычи нефти, сопровождающийся увеличением глубин спуска насосных установок и, соответственно, ростом температуры пластовой жидкости, выдвигает более жесткие требования к погружным частям систем телеметрии.
Система погружной телеметрии выдает в контроллер станции информацию о давлении на приеме насоса (до 320 атмосфер) и температуре масла, заполняющего ПЭД . В программе контроллера предусмотрен режим поддержания заданного значения давления, для чего разработан и реализован специальный алгоритм пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора. В случае отклонения измеренного значения давления от заданного контроллер корректирует значение выходной частоты таким образом, чтобы отклонение стало минимально возможным с точностью до погрешности обработки измеренного давления. Дискретность регулирования задается уставкой контроллера. На работу ПИ-регулятора влияют два параметра - пропорциональный коэффициент и интегральный коэффициент. Чем больше значение пропорционального коэффициента, тем больше изменение частоты. Интегральный коэффициент имеет смысл времени, за которое усредняются отклонения текущего значения давления от заданного. Этот коэффициент определяет скорость (время) реакции системы на изменение давления.
На основе заданных значений пропорционального и интегрального коэффициентов ПИ-регулятор определяет темп изменения выходной частоты станции управления. Соответственно выходной частоте изменяется производительность насосной установки. Таким образом, осуществляется непрерывное согласование объема откачиваемой из скважины жидкости с притоком ее из пласта. Это позволяет поддерживать заданное значение забойного давления и эксплуатировать насосную установку в режиме оптимального отбора жидкости, а также гарантированно не допускать процесса дегазации на приеме насосной установки.
3 Теоритическое обоснование проекта
1.История развития бескабельных систем для исследований скважин.
В настоящее время бескабельные телесистемы и автономные приборы широко применяются для решения различных геологических, технологических и технических задач в процессе бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин, изучения параметров геологического разреза, их освоения в сложных геолого-технических условиях и эксплуатации нефтегазовых, угольных, рудных и специальных скважин месторождений различных полезных ископаемых.
Для геофизических исследований скважин применяют около двадцати различных методов каротажа. Как правило, измерения свойств горных пород, проходимых скважиной, производят часто много времени спустя после их вскрытия. За это время проникновение фильтрата бурового раствора оказывается настолько значительным, что порой полностью маскирует истинный характер пласта. Ухудшается и отбивка границ пластов. Желательно проводить каротаж в момент вскрытия пласта или вскоре после окончания бурения, когда бурильные трубы еще не извлечены из скважины.
Измерения в процессе бурения были впервые осуществлены введением в практику работ метода газового каротажа. Однако недостатком этого метода было то, что выбуренные породы разбуриваемого пласта с потоком промывочной жидкости достигают поверхности через 30 и более минут после вскрытия пласта, и в районах с высокой скоростью бурения приходилось иногда останавливать процесс бурения для оценки характера вскрытых скважиной пластов. Кроме того, применение этого метода не исключало необходимости проведения электрического каротажа после бурения аппаратурой на кабеле.
Были проведены значительные поисковые работы по разработке метода и аппаратуры для непрерывного в реальном масштабе времени получения оператором информации о различных свойствах проходимых скважиной пород в процессе ее бурения. При этом основной упор был сделан на разработку метода электрического каротажа и канала связи забоя скважины с поверхностью.
50-е гг. характеризуются появлением нового направления — разработкой автономно действующих скважинных приборов со встроенным в них регистратором для записи измеряемых величин. Предложения, связанные с устройствами, использующими канал связи, сводятся к выбору типа канала, соответствующих источников питания, передающей и приемной аппаратуры, зондовых устройств и др. При этом предусматривается проведение электрического, радиоактивного и иногда других методов каротажа. В качестве источников питания предполагается использование химических источников тока или турбогенераторов.
Сложность изготовления специальных бурильных труб со встроенными в них отрезками кабеля, сложность их стыковки на буровой, высокая стоимость эксплуатации такого канала связи, потребность в специальном оборудовании и низкая надежность его работы привели к необходимости поиска других каналов связи. Одним из этих поисков является использование колонны бурильных труб в качестве электрического канала связи. Передача электрических сигналов — электромагнитных колебаний по трубам в принципе обладает рядом существенных преимуществ перед другими способами передачи информации. В первую очередь, это простое преобразование измеряемой величины в электрический сигнал.
В одном из первых предложений по проведению каротажа в процессе бурения с применением беспроводного электрического канала связи предполагалось проводить одновременное измерение и передачу нескольких величин путем изменения длительности передаваемого импульса, паузы и частоты следования импульсов.
Устройство для каротажа в процессе бурения состояло из скважинной аппаратуры и наземного приемного и регистрирующего блока. Скважинный прибор находился в специальном буровом переводнике, а долото и колонна труб использованы как измерительные электроды, измерялась разность потенциалов (КС и ПС) между долотом и колонной труб. Электрическое соединение измерительной и передающей аппаратуры, находящейся в скважинном приборе, осуществлялось с помощью щеточных контактов, изолированных от окружающих проводящих материалов. В измерительной аппаратуре разность потенциалов преобразовывалась в пропорциональные длительности электрических импульсов и пауз между ними. В наземном приемном блоке производилось декодирование измеряемых величин и их запись. Недостатком предложенного беспроводного канала связи было сильное затухание сигнала с ростом глубины скважины, особенно в низкоомных разрезах.
Проблемой создания телеметрических систем для контроля забойных параметров начали заниматься в мире в середине 1940-х гг. В основном эти работы проводились в США на уровне выполнения поисковых работ. Уже в начале 1950-х гг. были созданы опытные образцы телесистем с гидравлическим каналом связи забой - устье для измерения кажущегося удельного сопротивления проходимых горных пород. В дальнейшем проводились поисковые работы по разработке телесистем с проводным и электромагнитным (беспроводным) каналами связи, однако наибольшее распространение за рубежом в практике бурения получили телесистемы с гидравлическим каналом связи, хотя они имеют существенные недостатки по отношению к качеству бурового раствора, а так же к работе бурового насоса и бурового оборудования. В отечественной практике бурения получили телесистемы с электромагнитным каналом связи, хотя и телесистемы с электромагнитным каналом имеют свои недостатки, на передачу сигнала сильно влияют и высокоомные, и низкоомные пласты.
3.2 Акустический канал связи.
Системы с акустическим каналом связи используют звуковые колебания, распространяющиеся в скважине по промывочной жидкости, колонне бурильных труб или окружающей породе. Соответственно этому они подразделяются на три вида: гидроакустические, акустомеханические и сейсмические.
Из трех видов ЗТС с акустическим каналом связи сейсмические системы применяются пока только для пассивного контроля координат забоя. Из-за недостаточной точности определения положения забоя (десятки метров) они еще находятся на стадии научных и экспериментальных исследований. Сложность и многообразие свойств гидроакустического канала в скважине обусловили его слабую изученность. До настоящего времени ЗТС с гидроакустическим каналом связи на практике не использовались. Одной из центральных проблем в создании гидроакустического канала является разработка низкочастотного (до 100…200 Гц) излучателя, способного эффективно возбуждать колебания внутри колонны бурильных труб в скважине.
В 1993 гг. в Акустическом институте им. акад. Н. Н. Андреева по заданию ЗАО НПК "Геоэлектроника сервис" в рамках НИР "Скважина-ЗТС" и НИР "Горизонталь" была разработана экспериментальная аппаратура передачи информации (АПИ) по гидроакустическому каналу в скважине для забойной телеметрической системы ЗТС - ГАК (Научный руководитель - Д. П. Фролов). Система ЗТС - ГАК предназначалась для нахождения параметров ориентации ствола наклонно направленной или горизонтальной скважины, а также сервисных параметров, отражающих условия ее работы непосредственно в процессе бурения.
В 1998 г. по предложению НПК «Геоэлектроника сервис» экспериментальный образец аппаратуры для передачи информации по гидроакустическому каналу связи АПИ был модернизирован. Проведены скважинные испытания АПИ совместно с филиалом «Оренбурггаз» на одной из бурящихся скважин Оренбургского месторождения. Акустические сигналы принимались без прокачки раствора с глубины 1000 м, с прокачкой – с глубины 200 м. Предварительно установлено, что каналом передачи информации, помимо промывочной жидкости, могла быть и сама бурильная колонна. В целом результаты разработки и испытаний экспериментального образца аппаратуры АПИ показали, что гидроакустический канал может быть использован как высоконадежное и недорогое средство связи, в частности, в ЗТС с комбинированным каналом.
Среди зарубежных телесистем практически не встречаются телесистемы с акустическим каналом связи, однако в настоящее время фирма Schlumberger предложила передачу акустических сигналов в процессе бурения скважин (заявка Великобритании № 2357527). Характерной особенностью предлагаемой телесистемы является ее независимость от параметров бурового раствора, так как акустический сигнал распространяется по трубам и только на дневной поверхности он трансформируется в электромагнитные колебания. Устройство включает в себя полую штангу, на которой располагаются датчики, помещенную в буровую трубу и связанную с ней с помощью механических и электрических контактов.
При разработке колонны бурильных труб, как акустического канала необходимо наличие спец датчиков и выполнение определенных условий.
Возможность приема информации на устье забоя скважины в виде упругих колебаний (сигналов) определяется начальной величиной сигналов на забое, затуханием их в бурильных трубах и уровнем помех в точке приема. Для исследования прохождения колебаний долота по бурильной колонне как по линии связи необходимо знать передаточные функции колонны, определяемые отношением выходных и входных величин, т.е. сигналов долота на забое и устье скважины. Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, убедительно доказывают, что колонну бурильных труб в скважине можно использовать в качестве акустического канала связи. По акустическому каналу связи можно передавать информацию о забойных параметрах (частота вращения долота при турбинном бурении, физико-механические свойства разбуриваемых пород, степень износа долота по вооружению и опоре). Разработаны структурные схемы устройств для контроля некоторых из этих параметров, однако вопросы точности работы этих устройств и дальность действия акустического канала связи еще не решены. Анализ имеющихся материалов по исследованию акустического канала связи дает основание для следующих выводов:
1. Передаточная функция бурильной колонны определяется конструктивными параметрами труб, видом и величиной сил внешнего трения и внутреннего поглощения энергии колебаний в металле труб.
2. Нестабильность трения бурильной колонны в скважине делает ее передаточную функцию непостоянной.
3. Спектральный состав сигналов долота определяется совокупностью спектра забойного сигнала и характера сил трения бурильной колонны в скважине. Это осложняет контроль работы долота по спектру сигнала, принимаемого на поверхности, но не исключает способа контроля по средней частоте первой гармоники сигнала.
4. При приеме сигналов через колонну легкосплавных бурильных труб в глубоких скважинах должна учитываться повышенная демпфирующая способность материала ЛБТ.
Как показали экспериментальные работы, проведенные фирмой Эко Ресэч (Ессо Research) во Франции, при внедрении аппаратурно-обрабатывающего комплекса надежные результаты измерений режима работы долота получены с глубины 3300 м. В зарубежной литературе имеются публикации, описывающие метод, при котором акустический сигнал образуется бурильной колонной с источником акустических сигналов на забое в виде механического ударника и приемника на поверхности вблизи вертлюга. Сигналы от забойных датчиков передаются при остановках бурения из запоминающих устройств глубинных блоков (например, данные о полной волновой картине при акустическом каротаже в процессе бурения), когда уровень акустических помех значительно меньше, чем при бурении скважины. В Советском Союзе акустический канал предполагалось использовать с целью определения положения долота (Б.П. Ивакин, Е.В. Карус, О.Л. Кузнецов, В.Н. Рукавицин, СЛ. Певзнер). Действительно, осуществляя наземные сейсмические наблюдения рассредоточенными приемниками, можно, применив соответствующую математическую обработку, определить по времени прихода полезных сигналов от долота его положение. Однако точность таких измерений позволяет определить положение забоя с точностью до 5 - 10 м, что недостаточно для высокоточной проводки ствола на участках набора кривизны и особенно ее горизонтального участка. Изучением затухания акустических волн в стенках колонны бурильных труб занимался Акустический институт РАН в рамках договора между ВНИГИК и АО «Наука» в 1990 - 93 гг. При рассмотрении бурильной колонны, как акустического волновода с периодическими неоднородностями в виде замков, расположенных в местах сочленения бурильных труб, и возбуждении в колонне продольных и крутильных колебаний в диапазоне частот 0 -6000 Гц были рассчитаны зоны пропускания и «запирания» для идеализированной колонны с наружным и внутренним диаметрами 130 мм и 207 мм соответственно, с цилиндрическим замком длиной 500 мм, наружным и внутренним диаметрами 150 и 95 мм. Очень интересны как с теоретической, так и с практической точек зрения результаты, полученные в Тюменском индустриальном институте, которые свидетельствуют, что из всех типов волн (продольная, поперечная, изгибная, растяжная) менее всего подвержена затуханию поперечная волна, распространяющаяся по телу трубы по винтообразной линии. Проведенные эксперименты показывают, что поперечно-винтообразные колебания звукового диапазона частот могут быть широко использованы для передачи различной забойной информации по колонне бурильных труб в процессе бурения скважины. Все вышеизложенное позволяет утверждать, что диапазон частот 0 — 250 Гц может с успехом использоваться для организации активного акустического канала связи с передачей забойной информации как продольными и крутильными колебаниями, так и поперечными колебаниями, распространяющимися по винтовой линии.
Канал связи
Совокупность технических средств, служащих для передачи сообщений от источника к получателю, образует канал связи. Этими средствами являются передатчик, линия связи и приемник (рис. 2.1). Канал связи вместе с источником и получателем сообщения образует систему связи. Назначение передающего устройства - отобразить сообщение в сигнале, наиболее удобном для передачи по линии связи. Для телеизмерительных систем - это преобразование неэлектрических величин от измерительных датчиков в электрические сигналы, в вид, удобный для передачи в канал связи.
В общем случае процесс отображения сообщения в сигнале состоит из трех операций: преобразования, кодирования и модуляции. В многоканальных системах связи, обеспечивающих взаимно-независимую передачу нескольких сообщений по одной общей линии, к этим трем операциям необходимо добавить операцию формирования «многоканального» сигнала. Линия связи - это среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. Информация от забоя скважины к поверхности может передаваться с помощью:
· проводных линий связи, встроенных в бурильный инструмент, в том числе токоподводов электробура;
· гидравлических импульсов по промывочной жидкости;
· акустических импульсов по металлу трубы или по промывочной жидкости;
· электромагнитных колебаний.
Независимо от того, что используется в канале в качестве агента связи (электромагнитное поле, колонна бурильных труб как упругая линия или столб промывочной жидкости), любой канал связи характеризуется затуханием сигнала вдоль линии связи. В простейшем случае (в однородной среде) уровень сигнала в точке приема меньше уровня сигнала передачи U.