автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Беспроводной комбинированный канал связи для телеметрии забойных параметров

На правах рукописи

ШЕВЧЕНКО МАКСИМ АЛЕКСЕЕВИЧ

БЕСПРОВОДНОЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ КАНАЛ СВЯЗИ ДЛЯ ТЕЛЕМЕТРИИ ЗАБОЙНЫХ ПАРАМЕТРОВ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

IЯ НОЯ 2013

Волгоград - 2013

005540631

005540631

Работа выполнена на кафедре «Автоматика и управление» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Есауленко Владимир Николаевич.

Официальные оппоненты:

Шевчук Валерий Петрович,

доктор технических наук, профессор, филиал Национального исследовательского

университета «МЭИ» в г. Волжском, главный научный сотрудник;

Бельчанская Елена Николаевна,

кандидат технических наук, ОАО «Волжский завод асбестовых технических изделий», главный метролог.

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина», г. Москва.

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.05, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета, по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан « ^ 3 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В процессе бурения скважин необходимо осуществлять измерение, контроль и управление забойными параметрами ' бурения, которые характеризуют физические процессы, протекающие в скважине. Отклонение текущих значений технологических параметров бурения от проектных приводит к ухудшению технико-экономических показателей и потерям времени, приносящим значительные убытки.

Созданию надежной и точной информационно-измерительной системы забойных параметров препятствуют физические условия в скважинах (температура в диапазоне 100 - 300 °С, давление до 100 - 150 МПа, вибрации до 100 g). Это препятствует применению стандартных средств автоматики и каналов связи. В последнее время все чаще бурятся скважины глубиной 7000 м и более (сверхглубокие скважины). С увеличением глубины скважины условия эксплуатации ухудшаются, а необходимость контроля забойных параметров возрастает. В связи с этим, проблема разработки информационно-измерительных систем и средств контроля забойных параметров является актуальной.

Важнейшим элементом любой информационно-измерительной системы является канал связи. На данный момент не существует канала связи забойной аппаратуры с устьем скважины, способного надежно передавать информацию с глубины 7000 м и более. Решение этой проблемы позволило бы эффективно управлять процессом бурения сверхглубоких скважин и поспособствовало улучшению технико-экономических показателей и снижению количества аварий.

Таким образом, разработка канала связи забоя с устьем скважины для телеметрии забойных параметров в процессе бурения сверхглубоких скважин является актуальной проблемой.

Степень разработанности проблемы.

Решения вопросов измерения и передачи информации о забойных параметрах, контроля и управления процессом бурения в разное время (с 50-х годов XX века) рассмотрены в работах следующих авторов: Аветисова А.Г., Александрова М.М., Ангелопуло O.K., Балицкого П.В., Бальзаминова М.М., Башкатова Д.Н., Булатова А.И., Варламова В.П., Грачева Ю.В, Григулецкого В.Г., Гулизаде М.П., Демихова В.И., Есауленко В.Н., Ионесяна P.A., Калинина А.Г., Колесникова H.A., Комарова М.А., Кривошеева В.Б., Кудряшова Б.Б., Кузнецова Г.М., Куликовского М.А., Кульчицкого В.В., Левицкого А.З., Левицкого П.И., Леонова А.И., Литвинова Л.С., Мавлютова М.Р., Молчанова A.A., Морозова Ю.Т., Пилюцкого О.В., Питерского В.М., Саркисова Г.М., Сарояна А.Е., Сулакшина С.С., Султанова Б.Х., Федорова B.C., Ширин-Заде A.C., Шишкина О.П., Юнина Е.К., Яремейчука P.C., за рубежом Дж.Х. Аллана, Х.Б. Вудса, Э.М. Галля, А. Лубинского, Х.Б. Фуллертона и других исследователей.

Цели и задачи диссертации.

Целью работы является синтез беспроводного комбинированного канала связи забоя с устьем скважины для сверхглубокого бурения, а также элементов канала и телеметрической системы.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Обзор и анализ существующих каналов связи забоя с устьем скважины и забойных телеметрических систем, выявление их недостатков и преимуществ.

2. Синтез беспроводного комбинированного канала связи, разработка каналообразующих элементов, построение математической модели канала связи.

3. Моделирование беспроводного комбинированного канала связи.

4. Синтез телеметрической системы с беспроводным комбинированным каналом связи.

5. Разработка забойного датчика для телеметрической системы.

Научная новнзпа работы:

1. Синтезирована схема беспроводного комбинированного канала связи для телеметрии забойных параметров.

2. Построена математическая модель и проведено моделирование беспроводного комбинированного канала связи, позволившее дать рекомендации по выбору частотного диапазона, амплитуды и формы сигнала для передачи по каналу связи.

3. Разработано устройство струйного забойного коммутатора для телеметрической системы с беспроводным комбинированным каналом связи, позволяющего коммутировать до четырех забойных датчиков.

4. Разработано устройство и построена математическая модель забойного аэродинамического датчика азимутального угла искривления скважины, составлен алгоритм методики расчета датчика для его согласования с каналом связи.

Научной и практической ценностью обладают:

1. Математическая модель беспроводного комбинированного канала

связи.

2. Результаты моделирования беспроводного комбинированного канала

связи.

3. Устройство забойного коммутатора.

4. Устройство забойного аэродинамического датчика азимутального угла искривления скважины, его математическая модель и методика расчета.

Методы исследования.

Научные положения, представленные в диссертационной работе, обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением методов аппарата математического анализа, теории автоматического управления, физики, электротехники, гидравлики, моделирования систем, компьютерного моделирования в среде БтиНпк

программы МАТЬАВ 6.5. Проведено экспериментальное исследование с использованием сконструированного макета датчика азимутального угла искривления скважины.

Все исследования проводились на кафедре «Автоматика и управление» Астраханского государственного технического университета.

На защиту выносятся:

1. Структурная схема беспроводного комбинированного канала связи забоя с устьем скважины.

2. Математическая модель беспроводного комбинированного канала

связи.

3. Рекомендации по выбору частотного диапазона, амплитуды и формы сигнала для передачи по беспроводному комбинированному каналу связи.

4. Устройство забойного коммутатора телеметрической системы.

5. Устройство и математическая модель забойного аэродинамического датчика азимутального угла искривления скважины.

Достоверность результатов обеспечивается применением широко известных методов аппарата математического анализа и теории автоматического управления, а также корреляцией полученных результатов с экспериментальными данными и с выводами других исследователей.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на 8 конференциях: Межрегиональная научно-практическая конференция «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий», г. Волжский

(2011), Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы современной науки: свежий взгляд и новые подходы», г. Йошкар-Ола

(2012), Всероссийская научная конференция профессорско-преподавательского состава АГТУ, г. Астрахань (2012, 2013), Международная научно-практическая конференция «Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа», г. Астрахань (2012), Всероссийская научно-практическая конференция «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов», г. Волжский (2012), Всероссийская научно-практическая конференция «Исследования молодых ученых - вклад в инновационное развитие России», г. Астрахань (2013), смотр-конкурс «Ярмарка инновационных идей молодых работников и специалистов нефтегазовой отрасли», г. Астрахань (2013).

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 2 патентах на изобретение, 4 статьях в научных журналах, рекомендованных ВАК.

Соответствие паспорту специальности.

Область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы», а именно: пункту 1 - «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и

управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем» и пункту 6 -«Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Личный вклад автора:

1. Построена математическая модель беспроводного комбинированного канала связи и аэродинамического датчика азимутального угла искривления скважины [2, 7, 8, 9].

2. Проведено компьютерное моделирование беспроводного комбинированного канала связи и системы автоматического управления давлением на забое скважины, рассчитаны настройки регулятора [8, 9].

3. Разработано устройство забойного коммутатора для телеметрической системы с беспроводным комбинированным каналом связи [1, 10].

4. Участие в разработке конструкции макета датчика азимутального угла искривления скважины [3,4].

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка источников литературы из 108 наименований и 3 приложений. Общий объем работы-153 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследования, объект и предмет исследования, научная новизна и практическая ценность работы, методы исследования и структура работы.

Глава 1 «Каналы связи забойной аппаратуры с устьем скважины» посвящена анализу существующих каналов связи забоя с устьем скважины, применяющихся в практике бурения скважин, анализу современных забойных телеметрических систем (ЗТС) с различными каналами связи.

Условия и возможности осуществления канала связи между забоем скважины и устьем существенно отличаются от таковых для наземных каналов связи телеметрических систем. Для передачи информации с забоя скважины на дневную поверхность используются следующие типы каналов связи:

1. Гидравлический канал связи. Передача информации осуществляется импульсами давления, передаваемыми по столбу бурового раствора в скважине. Преимущества: естественный канал связи, не требует нарушений технологических операций буровой бригады, наибольшая дальность передачи сигнала. Недостатки: низкая скорость передачи данных (единицы бит/с), невозможность работы при продувке воздухом и аэрированными растворами, слабая помехоустойчивость.

2. Беспроводной электромагнитный канал связи. Использует электромагнитные волны (токи растекания) между изолированным участком колонны бурильных труб и породой. Напряжение на забое создается электрическими батареями или турбогенератором. Преимущества: несколько большая скорость передачи по сравнению с гидравлическим каналом (десятки бит/с), дешевизна и простота, не требуется дополнительных затрат на организацию линии связи. Недостатки: дальность передачи сигнала зависит от удельного электрического сопротивления окружающих пород, и, как правило, редко превышает 3000 м, слабая помехоустойчивость.

3. Электрический проводной канал связи. Информация с забоя передается по проводам, проходящим во внутритрубном пространстве скважины, либо встроенным в бурильную трубу. Преимущества: наибольшая скорость передачи (десятки и сотни кбит/с), возможность осуществления двухсторонней связи, передачи энергии с поверхности для питания скважинной аппаратуры. Недостатки: высокая стоимость, проблема надежности соединений и контактных устройств внутри скважины, износ и повреждения кабеля, опасность обрыва, увеличение времени спускоподъемных операций.

Забойные телеметрические системы (ЗТС или MWD - measurement while drilling) - это комплекс измерительной, передающей и приемной аппаратуры, предназначенный для измерения забойных параметров в процессе бурения скважин. Автором проведен обзор более 40 существующих ЗТС отечественного и зарубежного производства, использующих различные каналы связи. Целью обзора было определение принципов построения современных ЗТС и их возможностей: предельная глубина эксплуатации, максимальные температура и давление окружающей среды, количество измеряемых параметров, скорость передачи информации.

Анализ современных забойных телеметрических систем показал, что максимальная дальность их передачи составляет 7000 метров (телесистемы с гидравлическим каналом связи). Измерительная и передающая аппаратура, применяющаяся в ЗТС, построена исключительно с использованием электронных компонентов и микропроцессорной техники. Электронные элементы, как известно, не могут функционировать при температурах свыше 135 °С, в то время как на глубине 7000 м температура в скважине может достигать значения 200 - 300 °С. Поэтому применение таких ЗТС затруднительно для телеметрии в процессе бурения сверхглубоких скважин.

Таким образом, на данный момент Fie существует надежных способов передачи информации о забойных параметрах в процессе бурения сверхглубоких скважин. Существующие каналы обладают ограниченной дальностью, а забойная измерительная аппаратура построена исключительно с использованием электронных компонентов, не способных функционировать на глубинах 7000 м и более.

В главе 2 «Сннтез беспроводного комбинированного канала связи для телеметрии забойных параметров в процессе бурепия скважин»

предложен беспроводной комбинированный канал связи для телеметрии забойных параметров в процессе бурения сверхглубоких скважин. Устройство беспроводного комбинированного канала связи показано на рис. 1.

Структурная схема беспроводного комбинированного канала связи показана на рис. 2. Поскольку интерес представляет применение канала связи при бурении сверхглубоких скважин, исследование проводилось для длины канала связи 7000 м. При этом длина гидравлической линии передачи составляла 4000 м, беспроводной электромагнитной - 3000 м. Найдены передаточные функции элементов канала и построена передаточная функция, являющаяся математической моделью беспроводного комбинированного канала связи:

W(s) =_5_1,911-105_

(5s + 1)(0Л 6s + l)(.s'2 + 0,295л1 + 9,524)2(.?2 + 0,807j + 5,255)' (s2 + l,1025j + 0,985)2

Анализ помех в линиях передачи показал, что передачу сигнала по беспроводному комбинированному каналу связи длиной 7000 м необходимо вести в диапазоне до

0.75.Гц. Это вызвано тем, что наибольший уровень помех в гидравлической линии передачи лежит в диапазоне от 0.75 до 30 Гц, а на частотах выше 30 Гц сигнал значительно затухает. При нахождении передаточной функции канала связи были приняты следующие допущения:

1. Не принимались в расчет динамические характеристики гидравлического усилителя ввиду использования для передачи сигнала инфранизкочастотного диапазона.

2. Гидравлическая линия передачи представлялась в виде полубесконечной линии, имеющей коэффициент затухания а. При перемещении сигнала по линии, амплитуда убывает по

экспоненциальному закону в зависимости от расстояния: А, = Ахё~ы где Л2 -амплитуда импульса в конце гидравлической линии передачи, МПа; At -амплитуда импульса в начале гидравлической линии передачи, МПа; а -

Рисунок 1 - Устройство беспроводного комбинированного канала связи

коэффициент затухания, Нп/км; / - длина линии связи, км. Коэффициент затухания а зависит от частоты ^сигнала и определялся по формуле:

а -

л/2гс

где V - коэффициент кинематической вязкости бурового раствора, мм2/с; г - внутренний радиус труб, м; с - скорость звука в буровом растворе, м/с. Найдены переходные характеристики гидравлической линии различной дл ины, пр и веде иные на рис. 3.

Выходной сигнал -непрерыбнся функция УШ

(четы* ¡тдт-аб

исходная непрерывная функция ХШ

фи/т,у тусгте

3.т<щ2г«гшъ<Ы1г

Зяещютгттв» /шш яер$д&*1

Зжщютгнитше туша

Фортрадвпвяь штдшоб

Эштпесш! оаяаа

Сглахемш

(Ье&тткк^

агщшх* Гадр&азчееюй

! уситт/ь

Гафвйяякхар ипе&аых

Гифв&яишш

<%№Я

!Ыё\и

6зшврвпа&а/яш/ щтт?'!ь и

т#ш передачи честит

6 гифя&г&ческоО передачи

Канал сдязи ■

Рисунок 2 - Структурная схема беспроводного комбинированного канала связи

3. Пренебрегли динамическими характеристиками преобразователя давления, так как значение длительности его переходного процесса несущественно при передаче в инфранизкочастотном диапазоне. Статическая характеристика преобразователя представлялась линейной.

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

И \ Яр р

ме.

! / / / .. / / / У / —

1 ••• / ! •' / ' • ^ / У / /

щ/

С

4000 и 5000 к

Дзяналинии 3000 ы

Рисунок 3 - Переходные характеристики гидравлической линии передачи различной длины

1x10*

40

МО*

\ \

V

\

\ — -_—

/.Гч

где Л - внешний радиус бурильных труб, м, р -удельное сопротивление окружающей (однородной) среды, Ом/м.

На рис. 4 приведена АЧХ беспроводного

комбинированного канала связи.

Глава 3 «Моделирование комбинированного канала связи для телеметрии

забойных

параметров»

посвящена моделированию беспроводного комбинированного канала связи. Моделирование было проведено в среде ЗтшИпк программного пакета

МАТЬАВ 6.5. Вид имитационной модели

беспроводного комбинированного канала связи представлен на рис. 5. Проведено моделирование беспроводного комбинированного канала связи длиной 7000 м Результаты показали, что передача сигнала по такому

Рисунок 4 - Амплитудная частотная характеристика беспроводного комбинированного канала связи длиной 7000 м каналу связи осуществима. При моделировании на вход канала связи подавался синусоидальный сигнал различной частоты и определялось отношение Рс/Рп, где Рс - средняя мощность полезного сигнала, РП - 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 Рс/Р„ от частоты для гидравлической и беспроводной электромагнитной линии приведены на рис. 6.

Рисунок 5 - Имитационная модель беспроводного комбинированного канала

связи в среде БтгиНпк

Частота, Гц б

Рисунок 6 - Зависимость отношения Р,/Р„ от частоты для а) гидравлической линии передачи (I — 4000 м), б) беспроводной электромагнитной линии передачи (L = 3000 м, р = 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. 7.

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:

W(?) =__:_76935_

(10.9 + 1)(0,16í + l)(s2 + 0,295.? + 9,524)(s2 + 0,807.5 + 5,255)(s2 +1,1025.? + 0,985)

О ОД 0,2 3,3 0,4 0,5 О ОД 0.2 ОД 0.4 0,5

частота, Гц частота, Гц

Рисунок 7 - Зависимости относительной и приведенной погрешности от частоты при различных типах входных сигналов: а — прямоугольные импульсы, б — синусоидальный сигнал, в - треугольные импульсы, г — косинусоидальные импульсы 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: д = 4,734 %, (5„ = 2,5 %. В сравнении, беспроводной комбинированный канал такой же длины обеспечил точность <5 = 1,52 %, <5П = 1,02 % в диапазоне 0,1 - 0,45 Гц при равных условиях. Сводные графики зависимости Р^Р,, от частоты для гидравлического и беспроводного комбинированного каналов связи приведены на рис. 8.

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. В-четвертых, 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 - 0,050,35 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 ЗтиНпкпоказана на рис. 9.

Рисунок 8 - Сводные графики зависимости РУР„ от частоты для гидравлического и беспроводного комбинированного каналов связи

0.004l3s2*a.03s*0.9 О ООЧб^+О 42s*l

ш

mi

Jul Outl 0.37

0.0CM6s?+0.42s+1

Hydraulic data line 7 km

Combined channel

Рисунок 9 - САУ давлением бурового раствора на забое в БтиИпк

Передаточные управления (ОУ) и исследуемой САУ:

функции гидравлического канала связи, объекта беспроводного комбинированного канала связи в

WrK{s) =

Woy(s) =

0,61 _f

-е

10s + 1

0,37

0.0046л- + 0.42s +1

2,389-Ю3

(5s + lX0,16.s + l)(s2 + 0,295s+ 9,524)2 (52 +0,8075 + 5,255)2(s2 +1,1025s+ 0,985)2

Рисунок 10 - График переходной характеристики по возмущающему воздействию в С А У забойным давлением

Расчет оптимальных

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

Л'

Переходной процесс в системе по возмущающему воздействию показан на рис. 10.

Глава

«Забойная

телеметрическая

система

беспроводным комбинированным каналом связи» посвящена синтезу телеметрической системы с беспроводным комбинированным каналом связи. Для построения элементов телеметрической системы целесообразно применять струйные

элементы пневмоники. устройства обладают надежностью в тяжелых эксплуатации. На основе элементов пневмоники построение устройств, логические функции

Такие высокой условиях струйных возможно реализующих

«и», «или»,

«НЕ», триггеров, сумматоров, счетчиков, ячеек памяти и т.д. Используя различные

аэродинамические эффекты возможно построение измерительных

преобразователей забойных

параметров.

В состав предложенной

телеметрической системы входят 4 струйных забойных датчика (датчики зенитного угла, азимутального угла, давления и температуры), струйный коммутатор и гидравлический усилитель. Автором предложено устройство забойного коммутатора для коммутации забойных датчиков телеметрической системы, показанное на

I щ

Рисунок 11- Устройство забойного

коммутатора

рис. 11. Коммутация датчиков осуществляется командами оператора с поверхности, который изменяет давление в линии подачи бурового раствора.

Забойный коммутатор расположен в корпусе I, который находится внутри бурильной трубы 4 на забое скважины и жестко закреплен в ней при помощи ребер 5 и 6. Внутри корпуса содержится баллон питания 2 со сжатым газом, сообщающийся с соплами питания струйных элементов, расположенных внутри корпуса устройства. Блок формирования командного сигнала включает в себя баллон питания командного сигнала 3, сообщающийся с входом турбулентного усилителя 7, мембранную коробку 8 с мембраной 9, фильтр 10, канал 11, соединяющий внутритрубное пространство скважины и мембранную коробку 8, дефлектор 12, закрепленный на мембране 9. Выход турбулентного усилителя 7 соединен с входом первого триггера со счетным входом 18, который включает в себя следующие струйные элементы: 3 активных элемента, выполняющих функцию повторения и отрицания и 2 активных элемента памяти. Выход триггера 18 сообщается с входом второго струйного триггера со счетным входом 19, который включает такие же струйные элементы, что и первый триггер со счетным входом. Выходы струйных триггеров 18 и 19 соединены с двумя соответствующими входами струйного блока инверторов 20, два элемента которого выполняют функцию повторения и отрицания, а также усиления. Выходы струйного блока инверторов 20 соединены с восемью входами логических элементов «И» 21. Входы элементов «И» также соединены при помощи каналов с выходами забойных датчиков (на схеме не показаны). Выходы элементов «И» сообщаются с входами логического элемента «ИЛИ» 22. Выход струйного блока элементов «ИЛИ» соединен с входом усилителя 13, который вместе с мембранной коробкой 16 составляют блок формирования выходного сигнала 23. Выход усилителя 13 сообщается с подмембранным пространством мембранной коробки 16, внутри которой закреплена мембрана 14 и связанный с ней Щток гидравлического усилителя 15.

Для разрабатываемой телеметрической системы предложен датчик расхода бурового раствора на забое скважины (пат. № 24853091 РФ). Также автором предложен аэродинамический датчик для измерения азимутального угла искривления скважины (пат. № 2468201 РФ), устройство которого приведено на рис. 12.

. Рисунок 12 - Устройство датчика азимутального угла искривления скважины

Устройство содержит панель с преобразователем угла наклона в виде струйного генератора, заключенную внутри рамки 1 с эксцентричным грузом, установленной на основаниях 2 при помощи опор 3. Преобразователь состоит из сопла питания 4, приемного сопла 5 и выходного сопла 6, при этом приемное сопло связано коммутационным каналом с приемной емкостью 7. Механический резонатор 13, выполненный в виде язычка с одним закрепленным концом, размещен в зоне прилипания струи у поверхности криволинейного профиля струйного генератора. В рамке 1 эксцентрично

закреплен баллон со сжатым газом 11, который является источником питания преобразователя и эксцентричным грузом

одновременно. Баллон соединен с соплом питания 4 при помощи управляемого редуктора 12. Сильфон 17, установленный на панели, сопряжен со штоком 18 гидроусилителя. В устройстве находится котелок 10 с установленной магнитной стрелкой 9, с возможностью арретирования на витки реохорда 16. Система привода 14 для резонатора 13 включена в цепь, состоящую из реохорда 16, резистора 15 и

/ /

_____

Азимутальный угол, град

Анагитическая зависимость

-^кспертшентаяьаая

Рисунок 13 - Статическая характеристика датчика азимутального угла искривления скважины источника электропитания 8.

Найдена математическая

модель датчика азимутального угла

искривления скважины, имеющая вид:

/ = "

/Аф7 -

О >=0

где

т=

V

)2ии

1-соз(4^;/)

19,7136- (4^)2)

График статической характеристики датчика азимутального угла показан на рис. 13. Экспериментальная характеристика была определена при помощи сконструированного макета датчика. Для оценки адекватности математической модели проведенному эксперименту путем сравнения аналитической и экспериментальной характеристики определены значения погрешностей, приведенные в табл. 1.

Таблица 1.

<5, Относительная погрешность по выходу 3,2 %

Уг Приведенная погрешность по выходу 3,6 %

За Относительная погрешность по входу 11,3 %

Уа Приведенная погрешность по входу 4,4 %

азимутального угла

Проведено согласование датчика азимутального угла искривления скважины с беспроводным комбинированным каналом связи. Для этого были рассчитаны значения параметров датчика, при которых диапазон выходного сигнала соответствовал диапазону передачи сигнала по каналу связи (0,1 - 0,45 Гц). Предложен алгоритм методики расчета датчика азимутального угла (рис. 14) для определения геометрических размеров измерительного контейнера, первичного измерительного преобразователя, баллона питания и приемной емкости с учетом согласования выходного сигнала датчика с беспроводным комбинированным каналом связи.

В заключении отражены основные выводы и результаты работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ существующих каналов связи забоя с устьем скважины. Установлено, что единственным пригодным для телеметрии забойных параметров в процессе бурения сверхглубоких скважин является гидравлический канал связи. Однако при его использовании приходится существенно понижать частоту сигнала, а, следовательно, и скорость передачи.

2. Обзор современных забойных телеметрических систем показал, что разработчики ЗТС при создании своих систем идут по пути применения электроники и микропроцессорной техники. Глубина использования лучших иностранных телесистем ограничивается 7000 м.

3. Синтезирована схема беспроводного комбинированного канала связи Нижняя часть канала связи от забоя до глубины 3000 м составлена из элементов гидравлического канала связи, а верхняя часть от 3000 м до устья — беспроводного электромагнитного.

4. Построена математическая модель беспроводного комбинированного канала связи. Проведено моделирование в среде БтиНпк программного пакета МАТЬАВ 6.5. Сделан вывод, что успешная передача сигнала с забоя на устье скважины при длине канала 7000 м осуществима. Рекомендуется передавать сигнал синусоидальной формы или в виде косинусоидальных импульсов в диапазоне 0,1 — 0,45 Гц, с амплитудой 2 МПа.

5. Проведено исследование при различной длине беспроводного комбинированного канала связи. На основании результатов моделирования даны 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.

6. Проведено сравнение характеристик беспроводного комбинированного и гидравлического каналов связи. Установлено, что беспроводной комбинированный канал связи обладает следующими преимуществами перед гидравлическим: точность и помехоустойчивость передачи сигнала выше; частотный диапазон передачи сигнала шире, и его верхняя граница выше, облегчаются условия приема сигнала на устье.

7. Проведено исследование и моделирование САУ давлением бурового раствора на забое с учетом прохождения сигналов по беспроводному комбинированному каналу связи. Найдены оптимальные настройки ПИ-регулятора: С\ = 3,6; С0 = 0,083. Представлены переходные характеристики системы при подаче регулирующего и возмущающего воздействий.

8. Предложена телеметрическая система, построенная на струйных элементах пневмоники. Струйные элементы могут работать там, где устройства других типов выходят из строя, они не содержат подвижных, изнашивающихся частей, обладают высоким быстродействием и малыми габаритами, поэтому пригодны для эксплуатации на глубинах 7000 м и более. В состав телеметрической системы входят 4 струйных забойных датчика (датчики зенитного угла, азимутального угла, давления и температуры), струйный коммутатор и гидравлический усилитель.

9. Предложено устройство забойного коммутатора для телеметрической системы, построенного на струйных логических элементах «И», «ИЛИ», «НЕ». Коммутация датчиков осуществляется последовательно при помощи команд оператора с поверхности.

10. Для указанной телеметрической системы предложено устройство датчика азимутального угла искривления скважины. Работа устройства основана на эффекте Коанда. Найдена математическая модель датчика, приведен график его статической характеристики. Проведено экспериментальное исследование датчика азимутального угла на созданном макете. Для оценки адекватности математической модели датчика эксперименту определены погрешности датчика. Полученные значения подтверждают адекватность математической модели.

11. Проведено согласование датчика азимутального угла искривления скважины с беспроводным комбинированным каналом связи. Предложен алгоритм методики расчета датчика азимутального угла для определения геометрических размеров измерительного контейнера, первичного измерительного преобразователя, баллона питания и приемной емкости с учетом согласования выходного сигнала датчика с беспроводным комбинированным каналом связи.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шевченко М.А. Применение струйных элементов для коммутации датчиков скважинной телеметрической системы// НТЖ «Нефтяное хозяйство». - М.: «Нефтяное хозяйство», №11, 2013. - С. 124-126.

2. Есауленко В.Н., Шевченко М.А. Математическая модель датчика азимутального угла искривления скважины для сверхглубокого бурения// НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности». - М.: ВНИИОЭНГ, №4,2013. - С.28-31.

гЛ

(

3. Есауленко В.Н., Шевченко М.А. Исследование струйного датчика азимутального угла искривления скважины// НТЖ «Приборы». - М. №7, 2012, -

4. Шевченко М.А., Есауленко В.Н. Датчик азимута искривления скважины// НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности». - М.: ВНИИОЭНГ, №7,2011. - С.2-3.

Патенты:

5. Пат. № 2468201 Российская Федерация, МПК Е21В 47/0228 ООЮ 9/00. Устройство для определения параметров искривления скважин / Есауленко В.Н., Шевченко М.А. - № 2011107887/03; заявл. 24.02.2011; опубл. 27.11.2012, Бюл.№ 33.

6. Пат. № 2485309 Российская Федерация МПК Е21В 47/022. Глубинный датчик расхода бурового раствора / Есауленко В.Н., Шевченко М.А.

- №2011152406/28. заявл. 21.12.2011; опубл. 20.06.2013, Бюл. № 17.

Остальные публикации:

7. Шевченко М.А. Анализ комбинированного канала связи для телеметрии забойных параметров в процессе бурения скважин// Сборник материалов международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки» г. Йошкар-Ола: Приволжский научно-исследовательский центр, 2012. - С.67-70.

8. Шевченко М.А. Моделирование комбинированного канала связи для телеметрии в процессе бурения скважин// Материалы III научно-практической конференции «Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа». - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. - С.102-105.

9. Шевченко М.А. Имитационная модель комбинированного канала связи для телеметрии забойных параметров в процессе бурения скважин// Сборник материалов 4-й Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов», г. Волжский. - Филиал МЭИ в Волжском, 2013. -С.136-138.

10. Шевченко М.А. Забойная телеметрическая система// Всероссийская научно-практическая конференция «Исследования молодых ученых - вклад в инновационное развитие России»: доклады в рамках программы «У.М.Н.И.К.».

- Астрахань, Астраханский государственный университет, 2013. - С.138-140.

Заказ № 0168/13 Подписано в печать 18.11.2013 г. Тир. 100 экз. Гарнитура Times New Roman. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,2 Типография ООО « Альфа Принт » Ю.а.: 414004, г. Астрахань, ул. Б. Алексеева 30/14 e-mail: Alfager@rambler.ru тел:89033485666

С.44-49.

Федеральное агентство по рыболовству Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет»

На правах рукописи

ЦМг

Шевченко Максим Алексеевич

БЕСПРОВОДНОЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ КАНАЛ СВЯЗИ ДЛЯ ТЕЛЕМЕТРИИ ЗАБОЙНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Специальность:

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы

(в машиностроении)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н., проф. Есауленко В.Н.

Астрахань - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. Каналы связи забойной аппаратуры с устьем скважины

1.1. Общие сведения из теории информации о каналах связи 9

1.2. Способы передачи сигнала с забоя на поверхность в 11 процессе бурения скважин

1.3. Забойные телеметрические системы 22

1.4. Обзор современных забойных телеметрических систем 24

1.5. Анализ современных забойных телеметрических систем 40 Выводы 43

ГЛАВА 2. Синтез беспроводного комбинированного канала связи для телеметрии забойных параметров в процессе бурения скважин

2.1. Устройство беспроводного комбинированного канала связи 45

2.2. Структурная схема беспроводного комбинированного 48 канала связи

2.3. Забойные датчики для сверхглубокого бурения 50

2.4. Построение передаточных функций элементов канала связи 54

2.5. Математическая модель беспроводного комбинированного 71 канала связи.

Выводы 74

ГЛАВА 3. Моделирование комбинированного канала связи для телеметрии забойных параметров

3.1. Исходные данные и допущения при моделировании 76

беспроводного комбинированного канала связи

3.2. Анализ результатов моделирования беспроводного 78 комбинированного канала связи длиной 7000 м

3.3. Сравнение гидравлического и беспроводного 83 комбинированного канала связи

3.4. Моделирование беспроводного комбинированного канала 86 связи различной длины

3.5. Беспроводной комбинированный канал связи в системе 88 автоматического управления давлением бурового раствора на забое скважины

Выводы 95

ГЛАВА 4. Забойная телеметрическая система с беспроводным комбинированным каналом связи

4.1. Принципы построения забойной телеметрической системы 97

4.2. Забойный коммутатор телеметрической системы 101

4.3. Забойный аэродинамический датчик азимутального угла 106 искривления скважины

Выводы 133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

135

Список источников литературы

138

ПРИЛОЖЕНИЯ

149

ВВЕДЕНИЕ

В процессе бурения скважин необходимо осуществлять измерение, контроль и управление забойными параметрами бурения, которые характеризуют физические процессы, протекающие в скважине. Отклонение текущих значений технологических параметров бурения от проектных приводит к ухудшению технико-экономических показателей и потерям времени, приносящим значительные убытки.

Созданию надежной и точной информационно-измерительной системы забойных параметров препятствуют физические условия в скважинах (температура в диапазоне 100 - 300 °С, давление до 100 - 150 МПа, вибрации до 100 g). Это препятствует применению стандартных средств автоматики и каналов связи. В последнее время все чаще бурятся скважины глубиной 7000 м и более (сверхглубокие скважины). С увеличением глубины скважины условия эксплуатации ухудшаются, а необходимость контроля забойных параметров возрастает. В связи с этим, проблема разработки информационно-измерительных систем и средств контроля забойных параметров является актуальной.

Важнейшим элементом любой информационно-измерительной системы является канал связи. На данный момент не существует канала связи забойной аппаратуры с устьем скважины, способного надежно передавать информацию с глубины 7000 м и более. Решение этой проблемы позволило бы эффективно управлять процессом бурения сверхглубоких скважин и поспособствовало улучшению технико-экономических показателей и снижению количества аварий.

Таким образом, разработка канала связи забоя с устьем скважины для телеметрии забойных параметров в процессе бурения сверхглубоких скважин является актуальной проблемой.

Решения вопросов измерения и передачи информации о забойных параметрах, контроля и управления процессом бурения в разное время (с 50-х

годов XX века) рассмотрены в работах следующих авторов: Аветисова А.Г., Александрова М.М., Ангелопуло O.K., Балицкого П.В., Бальзаминова М.М., Башкатова Д.Н., Булатова А.И., Варламова В.П., Грачева Ю.В, Григулецкого В.Г., Гулизаде М.П., Демихова В.И., Есауленко В.Н., Ионесяна P.A., Калинина А.Г., Колесникова H.A., Комарова М.А., Кривошеева В.Б., Кудряшова Б.Б., Кузнецова Г.М., Куликовского М.А., Кульчицкого В.В., Левицкого А.З., Левицкого П.И., Леонова А.И., Литвинова Л.С., Мавлютова М.Р., Молчанова A.A., Морозова Ю.Т., Пилюцкого О.В., Питерского В.М., Саркисова Г.М., Сарояна А.Е., Сулакшина С.С., Султанова Б.Х., Федорова B.C., Ширин-Заде A.C., Шишкина О.П., Юнина Е.К., Яремейчука P.C., за рубежом Дж.Х. Аллана, Х.Б. Вудса, Э.М. Галля, А. Лубинского, Х.Б. Фуллертона и других исследователей.

Целью работы является синтез беспроводного комбинированного канала связи забоя с устьем скважины для сверхглубокого бурения, а также элементов канала и телеметрической системы.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Обзор и анализ существующих каналов связи забоя с устьем скважины и забойных телеметрических систем, выявление их недостатков и преимуществ.

2. Синтез беспроводного комбинированного канала связи, разработка каналообразующих элементов, построение математической модели канала связи.

3. Моделирование беспроводного комбинированного канала связи.

4. Синтез телеметрической системы с беспроводным комбинированным каналом связи.

5. Разработка забойного датчика для телеметрической системы.

Научная новизна работы:

1. Синтезирована схема беспроводного комбинированного канала связи для телеметрии забойных параметров.

2. Построена математическая модель и проведено моделирование беспроводного комбинированного канала связи, позволившее дать рекомендации по выбору частотного диапазона, амплитуды и формы сигнала для передачи по каналу связи.

3. Разработано устройство струйного забойного коммутатора для телеметрической системы с беспроводным комбинированным каналом связи, позволяющего коммутировать до четырех забойных датчиков.

4. Разработано устройство и построена математическая модель забойного аэродинамического датчика азимутального угла искривления скважины, составлен алгоритм методики расчета датчика для его согласования с каналом связи.

Научной и практической ценностью обладают:

1. Математическая модель беспроводного комбинированного канала

связи.

2. Результаты моделирования беспроводного комбинированного канала

связи.

3. Устройство забойного коммутатора.

4. Устройство забойного аэродинамического датчика азимутального угла искривления скважины, его математическая модель и методика расчета.

Научные положения, представленные в диссертационной работе, обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением методов аппарата математического анализа, теории автоматического управления, физики, электротехники, гидравлики, моделирования систем, компьютерного моделирования в среде БипиНпк программы МАТЬАВ 6.5. Проведено экспериментальное исследование с использованием сконструированного макета датчика азимутального угла искривления скважины.

Все исследования проводились на кафедре «Автоматика и управление» Астраханского государственного технического университета.

На защиту выносятся:

1. Структурная схема беспроводного комбинированного канала связи забоя с устьем скважины.

2. Математическая модель беспроводного комбинированного канала

связи.

3. Рекомендации по выбору частотного диапазона, амплитуды и формы сигнала для передачи по беспроводному комбинированному каналу связи.

4. Устройство забойного коммутатора телеметрической системы.

5. Устройство и математическая модель забойного аэродинамического датчика азимутального угла искривления скважины.

Достоверность результатов обеспечивается применением широко известных методов аппарата математического анализа и теории автоматического управления, а также корреляцией полученных результатов с экспериментальными данными и с выводами других исследователей.

Основные положения диссертации докладывались на 8 конференциях: Межрегиональная научно-практическая конференция «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий», г. Волжский (2011), Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы современной науки: свежий взгляд и новые подходы», г. Йошкар-Ола (2012), Всероссийская научная конференция профессорско-преподавательского состава АГТУ, г. Астрахань (2012, 2013), Международная научно-практическая конференция «Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа», г. Астрахань (2012), Всероссийская научно-практическая конференция «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов», г. Волжский (2012), Всероссийская научно-практическая конференция «Исследования молодых ученых - вклад в инновационное развитие России», г. Астрахань (2013), смотр-конкурс «Ярмарка инновационных идей молодых работников и специалистов нефтегазовой отрасли», г. Астрахань (2013).

Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 2 патентах на изобретение, 4 статьях в научных журналах, рекомендованных ВАК.

Область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы», а именно: пункту 1 - «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем» и пункту 6 -«Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Личный вклад автора:

1. Построена математическая модель беспроводного комбинированного канала связи и аэродинамического датчика азимутального угла искривления скважины.

2. Проведено компьютерное моделирование беспроводного комбинированного канала связи и системы автоматического управления давлением на забое скважины, рассчитаны настройки регулятора.

3. Разработано устройство забойного коммутатора для телеметрической системы с беспроводным комбинированным каналом связи.

4. Участие в разработке конструкции макета датчика азимутального угла искривления скважины.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка источников литературы из 108 наименований и 3 приложений. Общий объем работы - 153 с.

ГЛАВА 1. КАНАЛЫ СВЯЗИ ЗАБОЙНОЙ АППАРАТУРЫ С УСТЬЕМ

СКВАЖИНЫ

1.1. Общие сведения из теории информации о каналах связи

Разработка каналов связи и телеметрических систем должна основываться на сведениях из теории информации. Теория информации дает возможность определить эффективность передачи информации по данной линии связи, т.е. выбрать параметры сигналов, наиболее полно использующие пропускные свойства линии связи и обеспечивающие достаточную помехоустойчивость системы передачи информации [23].

Канал связи - это совокупность технических средств, служащих для передачи информации от источника к приемнику. Канал связи состоит из передающего устройства, линии связи и приемного устройства и может быть представлен схемой на рис. 1.1. Передающее устройство преобразует сообщение от источника в сигнал, наиболее удобный для передачи по данной линии связи. В телеизмерительных системах сообщением является величина параметра, которую измеряет датчик [67].

Рисунок 1.1- Схема канала связи Линией связи является физическая среда, используемая для передачи сигналов от источника к приемнику. Обычно в линии связи имеются помехи, физические свойства которых однородны со свойствами сигналов. Сигнал в конце линии связи всегда в той или иной степени становится искаженным. В приемном устройстве сигнал вновь преобразуется и в виде информации о сообщении подается получателю.

Сообщение может передаваться непрерывно или дискретно. Объем информации, передаваемой по каналу связи, зависит от ряда условий. Чем выше частота сигналов, чем больше время, отводимое на передачу сигнала, и чем выше отношение мощности сигнала к мощности помех, тем больше информации может быть передано в единицу времени.

Обычно затухание сигналов в канале связи имеет линейный характер:

А2 =А[е~р\

где А2 - амплитуда сигнала в конце канала связи, А\ - амплитуда сигнала в начале канала связи, (3 - коэффициент затухания, / - длина линии связи.

Для того чтобы достоверно передать информацию, ошибка не должна превышать заранее допускаемую величину 8. Для передачи непрерывного сообщения в виде функции _/(?) согласно теореме Котельникова В.А. [54] нет необходимости передавать все множество последовательных ее значений, а достаточно передать значения, отсчитываемые через промежутки времени

где Fm - высшая частота спектра функции /(У).

Информация имеет количественную оценку, позволяющую сравнивать различные виды сообщений. Каждая непрерывная функция (измеряемый параметр) может принимать п значений. Если принимать вероятности этих значений одинаковыми, т.е. равными 1 In, то тем больше будет информации, чем больше число п. Следовательно, количество информации о первичном сообщении, создаваемом контролируемым объектом, логично принять пропорциональным величине п. В теории информации количество информации I принимается пропорциональным log п для лучшего сопоставления возможностей аппаратуры, обрабатывающей информацию.

Количество информации, содержащееся в непрерывном сигнале в интервале времени Г, определяемое в двоичных единицах:

l = 2FmT\og2~,

а средняя скорость передачи сообщения равна

Каждый канал связи характеризуется определенной шириной полосы пропускания частот Гк, при которой может быть получено необходимое отношение мощности сигнала к мощности помехи рс/рп. Для канала пропускная способность равна

Рп

На практике должны соблюдаться необходимые условия СК>С и Рк>Гт, при которых ошибка в передаче информации не будет превышать допустимую.

Из приведенных формул видно, что при снижении частотного диапазона канала связи для сохранения количества информации должно быть увеличено время передачи при той же ошибке 5. В случае небольшой величины Рк<Гт будет падать пропускная способность канала связи Ск, что приведет к увеличению ошибки в передаче информации. Обычно, коэффициент затухания в линии связи (3 увеличивается по мере роста частоты сигналов. В связи с этим уменьшение полосы пропускания канала можно скомпенсировать ростом рс1рп. Для увеличения дальности связи нужно снижать Гт, теряя при этом или во времени передачи информации, или в ее количестве [23].

1.2. Способы передачи сигнала с забоя на поверхность в процессе бурения скважин

1.2.1. Гидравлический канал связи

Условия и возможности осуществления канала связи между забоем скважины и поверхностью существенно отличаются от таковых для наземных каналов телеметрических систем. Использование проводных линий связи внутри скважины усложняется из-за стесненных размеров, особенностей

монтажа, высоких температур, гидростатических давлений и агрессивности окружающей среды. Распространение электромагнитного поля обычного диапазона радиочастот в породах земли, окружающих скважину, ограничено малыми расстояниями вследствие большого затухания. Поэтому возникает необходимость рассмотрения возможности использования в условиях скважины других физических методов передачи сигналов на расстояние.

Для передачи информации с забоя скважины на поверхность используются следующие типы каналов связи:

1. Гидравлический канал. Передающей средой является буровой раствор, циркулирующий в скважине, переносчиком информации - колебания давления в нем.

2. Беспроводной электромагнитный канал. Передающей средой является окружающая скважину горная порода и бурильная колонна, переносчиком информации - колебания электромагнитного поля.

3. Электрический проводной канал. Передающей средой является электрический или оптоволоконный кабель, спущенный в скважину, переносчиком информации - электрическое поле или оптические сигналы.

4. Акустический канал. Передающей средой является бурильная колонна, переносчиком информации - колебания (шум), генерируемые в бурильной колонне долотом или специальным у