Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния средств и методов организации канала передачи информации с забоя скважины на поверхность 10
1.1 Анализ современных методов организации канала передачи информации с забоя скважины на поверхность 11
1.2 Сравнительный анализ современных технических решений, применяемых в ТС с электромагнитным каналом связи 21
Глава 2 Методики исследования и измерения параметров забойной информационной телесистемы с электромагнитным каналом связи по колонне бурильных труб и буровому раствору в затрубном пространстве ... 33
2.1 Представление бурильной колонны, как линии с распределенными параметрами 33
2.2 Анализ забойного двухтактного ШИМ формирователя на основе метода пространства состояний 36
2.3 Методика измерения удельного электрического сопротивления бурового раствора 39
2.4 Методика измерения погонной электрической проводимости наружного защитного слоя бурильных труб 41
Глава 3 Математическая модель электромагнитного канала связи по бурильной колонне 45
3.1 Анализ частотных характеристик электромагнитного канала передачи информации при использовании стандартных бурильных труб с нанесенным защитным покрытием 45
3.2 Экспериментальное исследование удельной электропроводности бурового раствора 51
3.3 Оптимизация частотного диапазона канала передачи информации при работе со стандартными буровыми растворами
3.4 Определение диапазона допустимых значений удельного сопротивления бурового раствора
3.5 Исследование выходного каскада забойного ШИМ формирователя синусоидальных колебаний методом переменных состояния 63
3.6 Построение непрерывной линеаризованной модели ШИМ преобразователей 65
Глава 4 Анализ качественных показателей забойного ШИМ генератора с учетом регулирования амплитуды выходного сигнала 71
4.1 Режим работы выходного каскада забойного генератора синусоидальных колебаний с наибольшим КПД 71
4.2 Исследование влияния регулирования мощности забойного излучателя на статические модуляционные характеристики в режимах AD и J3D "
4.3 Определение амплитуды высших гармонических составляющих выходного напряжения ШИМ формирователя в режиме BD 89
Глава 5 Анализ энергетической эффективности забойного ШИМ генератора, реализующего способ регулирования мощности излучателя, по каналу двусторонней передачи информации 95
5.1 Алгоритм и структурная схема устройства регулирования мощности излучателя, по каналу двусторонней передачи информации 95
5.2 Оценка энергетической эффективности выходного каскада забойного излучателя для режима работы с переменной амплитудой выходного сигнала 101
5.3 Оценка энергетической эффективности изменения мощности забойного излучателя в функции глубины разбуриваемой скважины 109
Заключение П6
Список использованной литературы 118
- Сравнительный анализ современных технических решений, применяемых в ТС с электромагнитным каналом связи
- Анализ забойного двухтактного ШИМ формирователя на основе метода пространства состояний
- Определение диапазона допустимых значений удельного сопротивления бурового раствора
- Определение амплитуды высших гармонических составляющих выходного напряжения ШИМ формирователя в режиме BD
Сравнительный анализ современных технических решений, применяемых в ТС с электромагнитным каналом связи
Это существенный недостаток подобной линии связи, т.к. необходим повышенный контроль за сохранностью кабеля. Практически на каждой горизонтальной скважине происходит, как минимум, один обрыв кабеля по различным причинам, из которых наиболее распространены -удар по кабелю замками бурильной колонны при спускоподъемных операциях (СПО); -повреждение кабеля вкладышами ротора при подъеме квадрата; -повреждение кабеля челюстями автоматического бурового ключа (АКБ) при свинчивании или развинчивании бурильных труб; -обрыв или повреждение кабеля при несанкционированном вращении ротора; -многократное повреждение кабеля при расхаживании бурильного инструмента; -обрыв кабеля при несогласованной работе бурильщика и машиниста подъемника.
Кроме того, необходимо дополнительное время на проведение спуска и подъема кабеля из бурильного инструмента, монтаж и демонтаж переводника кабеля (значительное при больших глубинах скважины). В регионах, где недопустима остановка бурильного инструмента в скважине более чем на 15-10 мин, ТС с подобным каналом связи практически не применяются.
Пропуск кабеля через сальниковое устройство вертлюга позволяет убрать кабель из затрубья и с ротора, но возникают значительные потери времени на извлечение и спуск кабеля в бурильные трубы при каждом наращивании. ТС с вводом кабеля через вертлюг в России не при меняются.
В ТС фирмы «Exxon production» применяется непрерывный кабель длиной, больше длины колонны труб. Необходимый избыток кабеля хранится в колонне бурильных труб и выбирается по мере ее наращивания. Системой хранения кабеля предусматривается его спуск в колонну труб до механического и электрического соединения с блоком датчиков. Кабель загибается с образованием петли, к нижней части которой подвешивается груз с небольшим шкивом. Кабель заканчивается у устья колонны труб головкой с быстроразъемным соединением, контактирующим с отрезком кабеля, вмонтированным в ведущую трубу. Телеметрический сигнал на наружный блок аппаратуры передают через контактные кольца над ведущей трубой.
Присущие системам с непрерывным кабелем недостатки привели к необходимости разработки линий связи со смешанным соединением. Значительно уменьшить затраты времени на спускоподъемные операции в бурильном инструменте удалось разработчикам ТС «Radius». Во время первого спуска в бурильный инструмент для работы с телесистемой кабель обрезается на устье и монтируется в переводнике мокрого соединения, образуя так называемую кабельную вставку определенной длины. Второй отрезок кабеля вводится через вертлюг и стыкуется в переводнике при помощи овершота (стыковочной муфты) с внутренним зондом в мокром переводнике. При каждом наращивании инструмента из бурильной колонны извлекается лишь верхняя часть кабеля. Остальной кабель (кабельная вставка) извлекается перед полным подъемом инструмента после окончания долбления.
Во всех ТС с кабелъным каналом связи во внутрь бурильного инструмента спускается забойный контейнер с аппаратурой или стыковочная контактная муфта. В первом случае забойный контейнер садится в установочном переводнике на специальный палец, сориентированный относительно плоскости искривления двигателя-отклонителя.
Во втором случае на забой спускается стыковочная муфта для соединения с контактным штырем телесистемы, входящей в компоновку бурильного инструмента. При этом ТС перед спуском в скважину ориентируется относительно плоскости искривления двигателя-отклонителя на поверхности. Оба способа имеет свои достоинства и недостатки.
В первом случае допускается замена вышедшей из строя аппаратуры без проведения СПО бурильного инструмента. Однако, при не плотной посадке забойного контейнера на палец, показания угла установки отклонителя не соответствуют действительности, что обнаруживается только при проходке определенного количества метров и входе датчиков азимута и зенитного угла в пробуренный данной компоновкой участок ствола скважины, когда ожидаемые параметры ствола скважины не совпадают с фактическими. Во втором случае размещение забойной аппаратуры в корпусе большого диаметра позволяет значительно повысить ее виброзащищенность и, тем самым, надежность ТС, но при стыковке муфты с контактным штырем практически каждый четвертый спуск оканчивается неудачей, особенно на больших глубинах.
Несмотря на все недостатки проводного канала связи он остается весьма привлекательным и постоянно совершенствуется разработчиками. Наиболее совершенным проводным каналом связи на сегодняшний день является оснащение непрерывных труб семижильным кабелем, встроенным в бурильную колонну. Непрерывные трубы наматываются на барабан и используются, в основном, во время бурения при отрицательном перепаде давления при вскрытии продуктивных пластов со специальной буровой установки фирмы «Fracmaster». Система позволяет производить инклинометрические измерения, геофизические исследования, гамма-каротаж, измерять давления на забое и управлять отклонителем в процессе бурения.
Анализ забойного двухтактного ШИМ формирователя на основе метода пространства состояний
В случае протекания в линии передачи информации отраженных волн, возникает наложение их на падающие волны с образованием смешанной волны, в этом случае вдоль всей длинны линии возникают пучности и минимумы напряжения.
Поскольку процесс бурения характеризуется непрерывным увеличением длинны канала передачи информации, то наиболее оптимальным является режим работы канала, при котором действующее значение напряжения сигнала вдоль длинны канала будет монотонно затухать, что возможно только при ZH-ZB. Таким образом, при использовании электромагнитного канала передачи информации по бурильной колонне, является желательным обеспечение согласованного режима работы канала, т.е. Z =Z (2.4)
Реализация забойного устройства передачи информации на основе ШИМ формирователя синусоидальных колебаний позволяет значительно повысить КПД канала передачи информации с забоя скважины на поверхность в широком диапазоне изменения мощности выходного сигнала. Что позволяет осуществлять регулирование мощности забойного передатчика в функции глубины скважины с целью увеличения срока его автономной работы. Однако анализ работы любого ШИМ формирователя осложняется тем, что структурно он включает в себя дискретную нелинейную часть (ключевой каскад) и непрерывную линейную часть (фильтр низких частот). Это значительно осложняет процесс получения качественных характеристик ШИМ формирователя, выбора и расчета корректирующих обратных связей, учета влияния на его работу различных возмущающих воздействий.
Все вышесказанное делает особенно актуальной задачу построения непрерывной линеаризованной модели ШИМ формирователя синусоидальных колебаний при точном определении границ ее применения.
Метод переменных состояния (пространства состояний) применительно к ШИМ формирователю синусоидальных колебаний позволяет получить его линейную модель для различных интервалов времени, характеризующихся определенным состоянием ключевых элементов.
ШИМ формирователь описывается как минимум двумя системами дифференциальных уравнений. Каждой из систем сопоставлены в матричной форме свои матрицы коэффициентов переменных состояния и матрицы коэффициентов внешнего воздействия. Состояние системы описывается следующими уравнениями в матричной форме [52]: х = \\А \\ И +15 \\Е\\ на интервале О / тиї, (2.5) Ы = \\А"\\ х + \\В"\\\\Е\\ на интервале гв1 f 1, (2.6) где і = г J Т - нормированная длительность открытого состояния ключа или коэффициент заполнения импульса; Т - период тактовой частоты ШИМ; IU1I - матрица коэффициентов переменных состояния на интервале времени 0 і ful; U" - матрица коэффициентов переменных состояния на интервале времени ти1 \В \ - матрица коэффициентов внешнего воздействия на интервале времени 0 і тиХ; \В"\ - коэффициентов внешнего воздействия на интервале времени rul t \. При расчете как установившихся, так и переходных процессов в дискретных формирователях эффективное применение находит метод усреднения с последующей линеаризацией усредненных параметров [53,54,55].
Каждая система уравнений (2.5), (2.6) справедлива только на своем временном интервале и является математической моделью дискретной системы, что позволяет произвести усреднение обоих систем и сведение их в одну представленную в виде суммы уравнений (2.5) и (2.6) умноженных на нормированную длительность действия каждого из уравнений, где нормированная длительность закрытого состояния ключа определяется выражением (1 - ти1) и значит:
Определение диапазона допустимых значений удельного сопротивления бурового раствора
Задача оптимального выбора частотного диапазона канала передачи информации основана на решении двух взаимосвязанных задач, обеспечивающих оптимальное соотношение сигнал/шум в приемной антенне телесистемы: выбор частотного диапазона, обеспечивающий минимум сигнала помех в приемном устройстве; определение частоты основной гармоники передаваемого сигнала, обеспечивающей требуемый уровень затухания в канале, а значит требуемое значение на входе приемной антенны при заданном уровне помех.
В общем случае сигнал на выходе канала передачи информации х(/), с учетом воздействующих на канал помех, может быть представлен в следующем виде х(?)=/ (t)-A(t) + N(t) где ju(t) случайная функция мультипликативной помехи, модулирующей по модулю амплитуду полезного сигнала A(t)\ N(t) - случайная функция аддитивной помехи, накладывающейся на полезный сигнал A(t). Спектральный состав сигнала аддитивной помехи N(t) обусловлен преимущественно частотой напряжения, питающего силовые цепи буровой установки, как правило это 50 Гц. Кроме того, в результате модуляции напряжения и тока в силовых цепях изменяющейся циклически механической нагрузкой силового электропривода, в спектральном составе сигнала помехи появляются боковые частоты, связанные с основной гармоникой помехи следующим соотношением N(t) = N-(l + m-cosQt)-cos(a 0t + p0) = N-cos( D0t + (p0) + +-N-cOs[(a 0 + Q)t + p0] + -N.cos[(a 0-n)t + p0] 2 1У ; J где co0 - угловая частота модулируемой гармоники (несущая); Q - угловая частота модулирующей гармоники; N - амплитуда несущей частоты; _кшх-кшм _ глубина модуляции; NMAX + NMIN N MAX " максимальная амплитуда модулированного сигнала на несущей частоте; NMIN - минимальная амплитуда модулированного сигнала на несущей частоте; со0 + Q. - верхняя боковая частота; со0 - Q - нижняя боковая частота. В виду значительной инерционности силового электропривода буровой установки частота модулирующего колебания и глубина модуляции обычно незначительны, а следовательно боковые частоты очень мало отличаются от несущей частоты, кроме того имеют амплитуду равную произведению глубины модуляции и половины амплитуды несущей, и в больщинстве случаев могут не учитываться. Следовательно, частота основной гармоники сигнала не должна находиться в диапазоне
Ввиду существенной нелинейности магнитных систем всего электрооборудования буровой установки временные кривые напряжения и тока будут отличаться от синусоидальных и, следовательно, могут быть разложены в ряд Фурье с гармоническими составляющими, частоты которых кратны частоте питающей сети. Это частоты 50 Гц, 100 Гц, 150 Гц .. .и т.д. Мультипликативная составляющая помех ju(t), носящая случайный характер определяется преимущественно случайными колебаниями плотности, электропроводности, скорости бурового раствора и вибрациями бурильной колонны, может быть компенсирована за счет совершенствования алгоритмов и методов декодирования аналогового сигнала в дискретный [49,50].
Резюмируя вышеизложенное, учитывая предполагаемый для данного способа передачи сигнала частотный диапазон от 10 Гц до 100 Гц, можно сделать вывод о том внутри этого диапазона максимум помех будет приходиться на частоты близкие к 50 Гц и 100 Гц. Соотношение между амплитудой напряжения в начале длинной линии (забой скважины) и в конце (на поверхности) определяется выражением U2=Ure~al (3.10) где Ux - амплитуда напряжения сигнала, излучаемого забойной антенной; U2 - амплитуда напряжения сигнала, принимаемого поверхностной антенной; / - расстояние от забоя до поверхности. Конструктивно забойная и поверхностная антенны представляют собой тороидальный трансформатор, одна из обмоток которого состоит витка, замыкающегося через колонну бурильных труб и буровой раствор в затрубном пространстве. Каждая из антенн телесистемы характеризуется коэффициентом трансформации по напряжению ктри . В режиме передачи сигнала на поверхность для забойной антенны можно записать: Кр.и.ЗАБ. = ШБ' = W\3AB. »(3 .1 1) Ж23AE. где м;ШБ - число витков первичной обмотки забойной антенны; YV23AE. 1 - число витков вторичной обмотки забойной антенны. Для поверхностной антенны W2nOB. ктрипов =^шШ- = —L_?(3.12) где wim=1 число витков первичной обмотки поверхностной антенны; w2fJ0B - число витков вторичной обмотки забойной антенны.
Учитывая, что первичная обмотка забойной антенны подключается к выходному каскаду забойного генератора, максимум амплитуды напряжения сигнала которого должен соответствовать режиму передачи сигнала на поверхность с максимальной глубины, обеспечивающему на поверхности требуемое соотношение сигнал/шум
Определение амплитуды высших гармонических составляющих выходного напряжения ШИМ формирователя в режиме BD
Для определения наиболее экономичного режима работы ШИМ формирователя с выходным каскадом класса О при заданном уровне искажений, согласно (4.5), (4.6), необходимо располагать семейством зависимостей коэффициента нелинейных искажений от начальной длительности импульсов управления и величины сопротивления нагрузки. Поскольку уровень искажений рассматриваемого вида определяется степенью нелинейности статических модуляционных характеристик, целесообразно проанализировать влияние нагрузки на модуляционные характеристики ключевого формирователя в различных режимах, т.е. при различных значениях начальной длительности. На основе полученных в результате этого анализа данных можно определить искомое семейство зависимостей для коэффициента нелинейных искажений и далее найти наименьшее значение начальной длительности, определяющее наиболее экономичный режим при заданном уровне высших гармонических составляющих в спектре передаваемого сигнала.
Проанализируем модуляционные характеристики в предельных ( т\ режимах AD ги0=— И BD (ти0 = 0) в соответствии с методикой [75]. В уи 2) связи с тем, что рассматриваемые специфические нелинейные искажения не зависят от ключевых свойств активных приборов, последние при анализе считаются идеальными. Входное напряжение U0 фильтра в схеме на рис.4.3, реализующей режим AD, формируется, как уже отмечалось, управляемыми ключами VT1, VT2, VT3, VT4, коммутация которых осуществляется поочередно (неуправляемые ключи VD1, VD2, VD3, VD4 замыкают токи разряда дросселя Ь, являющиеся инверсными для транзисторов), поэтому форма напряжения иф (рис.4.4) не может зависеть от каких-либо параметров схемы (при условии, что ключи идеальные), в том числе от величины сопротивления нагрузки. Среднее значение и напряжения 1/ф за период импульсного сигнала Т определяется разностью вольт-секундных площадей положительных и отрицательных импульсов (рис.4.4)
Модуляционная характеристика ШИМ формирователя в режиме AD описывается линейной функцией (4.7) при любом значении сопротивления нагрузки.
В оконечном каскаде, реализующем режим BD (рис.4.3), разряд фильтрующего дросселя L осуществляется через управляемый ключ VI1 (VT2) и неуправляемый ключ VD2 (VD1), причем время разряда зависит от соотношения индуктивности дросселя и сопротивления нагрузки RH. Если индуктивность дросселя достаточно велика, то в течение всего интервала времени запертого состояния транзистора VT4(VT3) открыт транзистор VT1(VT2), что обеспечивает равенство напряжения на стоках закрытых транзисторов VT3 и VT4 напряжению гальванического источника питания погружного забойного модуля.
Импульсное напряжение иф на входе ФНЧ в этом случае точно соответствует рис.4.3, мгновенное значение низкочастотной составляющей этого напряжения (штриховая линия на рис.4.3), выделяющейся на нагрузке, линейно связано с длительностью импульсов, т.е. модуляционная характеристика линейна.
При малой индуктивности дросселя, либо при достаточно большой величине RH время разряда дросселя может оказаться меньшим паузы между импульсами. На рис.4.5 показана форма тока / дросселя Ь при указанном условии. В интервале времени О / гц1, соответствующем открытому состоянию транзистора VT4, ток дросселя / = ix(t) возрастает, достигая максимального значения в точке / = tul; далее происходит разряд дросселя Ь, причем ток / = /2(t) спадает до нулевого уровня (за время STU) раньше, чем формируется следующий импульс, т.е. дти Т - ти] (рис.4.5).
Напряжение на входе ФНЧ в интервале времени ти1 + дги t T, соответствующем нулевому току дросселя и, следовательно, запертому состоянию диода VD2, определяется внутренними процессами устройства (т.е. не зависит от входного сигнала), что приводит к нелинейности модуляционной характеристики.
С целью получить количественную оценку искажений выходного сигнала в режиме BD, связанных с описанным эффектом, проанализируем работу одного плеча схемы на рис.4.2, согласно методике, изложенной в [76].
Пусть при положительной полуволне модулирующего напряжения транзисторы VT2, VT3 выключены, транзистор VT1 включен, VT4 -коммутируется с тактовой частотой. Получим сначала уравнение модуляционной характеристики в случае прерывистого тока г (рис.4.5) дросселя Ь и определим условие его существования.
В интервале времени О / тиХ, соответствующем открытому состоянию ключа VT4, напряжение на дросселе Ь равно разности напряжения источника питания Е и напряжения на нагрузке и, а ток возрастает от нулевого значения /(О) = О при t = 0 до величины до величины і (А-1 і_5 где Е - индуктивность дросселя. При запирании ключа VT4 открывается рекуперирующий диод VD2, напряжение на дросселе становится равным и, а ток Ut) убывает по линейному закону (рис.4.5)
