Забойная телеметрическая система

Полезная модель относится к навигационной аппаратуре, предназначенной для контроля пространственного положения ствола скважины в процессе направленного бурения. Задачей полезной модели является повышение надежности работы забойной телеметрической системы, расширение функциональных возможностей, а также обеспечение высокой точности измерения инклинометрических параметров скважины. В алгоритм работы инклинометричского зонда дополнительно введен сигнал разрешения включения батареи в режиме включения насосов и выключения насосов при провалах напряжения генератора ниже порогового уровня на неопределенное время, а также при полном пропадании напряжения питания на время не более 5 с. Для обеспечения измерения и запоминания инклинометрических параметров после выключения насосов при совместной работе с зондом гамма-каротажа введен новый режим работы.

Полезная модель относится к навигационной аппаратуре, предназначенной для контроля пространственного положения ствола скважины в процессе направленного бурения.

Процесс бурения скважин относится к числу сложных и зависит от режима углубления (нагрузки на долото, частоты вращения), режима промывки (давления, расхода), параметров бурового раствора (плотности, вязкости, статического напряжения сдвига, водоотдачи, газосодержания, содержания песка); взаимодействия бурового инструмента и оборудования с циркулирующими средами, горными породами, взаимодействия бурового раствора с горными породами у стенок скважины и др. В процессе бурения скважин требуется проведение измерения как наземных, так и глубинных параметров. Существующие в настоящее время системы телеметрии, обеспечивающие передачу таких параметров, как правило, состоят из: преобразователя, передающего устройства, канала связи, приемного устройства и электроизмерительного прибора [1, 2].

Получение текущей информации, обеспечивающей непосредственный контроль пространственного положения скважины, определения угла и азимута ее искривления зависит от точной и бесперебойной работы инклинометра, являющегося частью телеметрической системы.

Практически для каждого вида инклинометра разрабатывается свой алгоритм работы, в котором предусматривается проведение замеров в различных режимах работы скважинного прибора. Разнообразие алгоритмов работы обуславливает конструктивное разнообразие инклинометров.

Известен инклинометр магнитометрический многоточечный [3], предназначенный для исследования траектории необсаженных нефтяных и газовых скважин, глубиной до 5000 м, для измерения азимута и зенитного угла, а также определение зенитного угла, а также обсаженных скважин с диаметром

обсадных колонн 125 мм и более. Алгоритм работы инклинометра разработан так, что для измерения азимута и зенитного угла скважины используется магнитное и гравитационное поле земли. В качестве чувствительных элементов преобразователя азимута применяются феррозонды, а для измерения зенитного угла скважины - маятник, закрепленный на валу ротора индукционного преобразователя.

Измерения инклинометрических параметров производится во время остановок скважинного прибора. Достоинством такого алгоритма работы инклинометра является точность измеряемых параметров, недостатком -ограничение на минимальный диаметр скважины и невозможность измерений непосредственно во время бурения.

Существуют алгоритмы работы, которые обеспечивают возможность проведения в одном комплексе измерений как инклинометрических так и сейсмологических параметров [4]. Несомненным достоинством данного геофизического комплекса является его универсальность. Однако необходимость введения в конструкцию дополнительных элементов (блок изменения режимов работы, переключатель акселерометра, прижимное устройство), обеспечивающих такую универсальность снижают его надежность и повышают его стоимость, что является недостатком данного геофизического комплекса.

Измерение параметров состояния околоскважинного пространства является актуальной для достаточно-ограниченной территории, имеющей определенную сейсмологическую активность. Как правило, наиболее важной является информация, необходимая для контроля пространственного положения скважины в процессе ее бурения или эксплуатации. В этом случае первостепенной задачей становится разработка алгоритма работы скважинного прибора, обеспечивающего наиболее точное и бесперебойное измерение инклинометрических параметров.

Известен инклинометр [5], имеющий три режима работы: «Статика», «Динамика», «Калибровка». Алгоритм работы данного инклинометра предусматривает возможность проведения замеров инклинометрических

параметров (зенитный и визирный углы, азимут) во всех режимах работы инклинометра (в процессе бурения и в статическом положении). Такой алгоритм работы инклинометра обеспечивается наличием трехкомпонентного акселерометра, трехкомпонентного магнитометра, цифрового процессорного устройства, датчика температуры, при этом в качестве акселерометра использованы два трехкомпонентных акселерометра: первый - высокостабильный с диапазоном, достаточным для измерения ускорения в 1 g, и второй - с большим диапазоном, перекрывающим действующие на прибор виброускорения. Такой алгоритм проведения замеров обеспечивает их достаточно высокую точность. Однако недостатком такого инклинометра является сложность конструкции, проблема согласования шкал высокостабильного и широкодиапазонного акселерометров.

Известен инклинометр гироскопический [6], который благодаря особенностям алгоритма обработки измерительной информации и наличию дополнительного режима «Продолжение замера» позволяет обеспечить непрерывность замеров инклинометрических параметров.

В режиме измерений инклинометр непрерывно может двигаться в скважине со скоростью до 5000 м/ч. Первичная измерительная информация формируется в блоке датчиков, расположенном в скважинном приборе, при этом по показаниям измерителя угловой скорости и акселерометров определяется начальная ориентация прибора в горизонте и азимуте. Достоинством известного гироинклинометра является возможность проведения непрерывных измерений параметров скважины.

Специфика физического принципа действия инклинометра состоит в том, что нескомпенсированное изменение дрейфа гироскопического датчика может вызывать накопление ошибки от времени в азимутальном направлении. Поэтому, чем выше скорость движения по стволу скважины и, соответственно, меньше время измерения, тем меньшая ошибка будет накоплена и тем точнее определяется траектория скважины. Однако при этом высокая скорость движения по стволу ограничивается требованиями техники безопасности при

проведении инклинометрических работ, а также вероятностью возникновения перекоса прибора относительно центральной оси ствола.

Данный прибор является самонаводящейся на географический меридиан системой, предназначен для определения в непрерывном режиме пространственных координат (траектории) обсаженных и необсаженных скважин, бурящихся на нефть и газ, глубиной до 6000 м и внутренним диаметром не менее 85 мм. Его недостатками являются необходимость поддержания высокой скорости движения для получения малой погрешности измерений, а также невозможность использования в режиме бурения.

Наиболее близким к заявляемой модели является алгоритм работы инклинометрического зонда [7, прототип].

В устройстве прототипа имеются три режима работы:

1 - при включении насосов (PUMPS UP, положение переключателя S=1...4);

2 - при выключении насосов (PUMPS DOWN, положение переключателя S=5...8);

3 - в паузе цикла включения/выключения насосов (PUMPS OFF, положение переключателя S=9...12).

Каждый режим работы имеет четыре варианта, в зависимости от положения переключателя S. Каждый вариант содержит различную комбинацию из набора блоков данных:

-SFS (SSS) - полный (короткий) замер при направленном бурении;

-ATF (GTF) - автоматический (гравитационный) блок угла установки отклонителя;

-TFDB - блок данных скважинного прибора;

-FS - полный замер при роторном бурении;

-SS - короткий замер при роторном бурении.

В режимах работы зонда-прототипа в паузе цикла включения/выключения насосов (PUMPS OFF, положение переключателя S=9...12) замер первичных параметров инклинометрических датчиков производится в паузе между выключением и включением насосов, что

позволяет получить высокую точность измерения, благодаря тому, что колонна буровых труб и буровой двигатель при этом неподвижны. Возможность получения такого замера достигается применением дополнительного источника питания - батареи из электрических элементов, которая с помощью схемы управления питанием подключается к датчикам и электронному блоку инклинометра на необходимое для выполнения замера время при выключении генератора (что имеет место при выключении бурового насоса). Кроме того, в режимах S=9...12, при работающих насосах возможно подключение батареи при кратковременных пропаданиях напряжения генератора, что позволяет на этих режимах парировать пропадания напряжения питания, что повышает надежность работы зонда.

В устройстве прототипа имеется возможность работы как индивидуально, так и совместно с зондом гамма-каротажа. В последнем случае зонд гамма-каротажа выступает в качестве ведущего устройства, а зонд-инклинометр - в качестве ведомого. Работа в совместном режиме происходит следующим образом. Приборы для работы собираются в следующей последовательности: генератор напряжения питания соединяется спиральным кабелем (coil-cord) с входным разъемом зонда гамма-каротажа, к выходному разъему которого с противоположного конца подключется через второй спиральный кабель зонд-инклинометр. При включении насосов генератор напряжения питания начинает вырабатывать напряжение, которое подается в зонд гамма-каротажа и транзитом через него - в зонд-инклинометр. Сигнал частоты вращения ротора генератора (в зонде DEP этот параметр называется RPM) транзитом через зонд гамма-каротажа в зонд-инклинометр не передается, т.к. гамма-зонд самостоятельно вычисляет этот параметр и передает в общем пакете данных наземному оборудованию. Поэтому зонд-инклинометр, не получив сигнал частоты вращения генератора, переключается в терминальный режим, т.е. в режим непосредственной связи с компьютером через последовательный интерфейс R232. Однако в данном случае роль компьютера выполняет гамма-зонд, который формирует терминальные команды опроса зонда-инклинометра и получает от последнего инклинометрические данные в

заданном формате. Зонд-инклинометр при этом прекращает формировать импульсы управления выходным устройством (пульсатором), и всю передачу данных наземному оборудованию принимает на себя гамма-зонд. Гамма-зонд не имеет дополнительного источника питания в виде батареи. Недостатками устройства-прототипа являются:

1. Невозможность бесперебойной работы при провалах напряжения генератора ниже порового уровня и кратковременных пропаданиях напряжения генератора в режимах включения насосов (PUMPS UP, положение переключателя S=1...4) и выключения насосов (PUMPS DOWN, S=5...8), когда подключение батареи запрещено. Провалы напряжения и кратковременные полные пропадания напряжения питания приводят к выключению зонда и потере данных, а также к большим задержкам в работе при восстановлении питания, т.е. снижают надежность его функционирования в целом.

2. При работе с гамма-зондом, который воспринимается зондом-инклинометром как терминал, зонд не может переключаться на питание от батареи как при кратковременных пропаданиях питания, что снижает надежность его работы, так и при выключении генератора, что делает невозможным батарейный замер, сужая, таким образом, его функциональные возможности.

Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение надежности работы забойной телеметрической системы, за счет повышения надежности работы зонда-инклинометра, расширение функциональных возможностей, а также обеспечение высокой точности измерения инклинометрических параметров скважины.

Поставленная задача решается за счет того, что в алгоритм работы инклинометричского зонда введен сигнал разрешения включения батареи в режиме включения насосов (PUMPS UP, положение переключателя S=1...4) и выключения насосов (PUMPS DOWN, S=5...8) при провалах напряжения генератора ниже порогового уровня на неопределенное время, а также при полном пропадании напряжения питания на время не более 5 с. Это обеспечивается работой взаимозаменяемых модулей блока питания

инклинометричееского зонда, состоящих из батареи электрических элементов, Схема управления блока питания подключается к датчикам и электронному блоку инклинометра на необходимое для выполнения замера время при выключении генератора.

Наряду с этим, в предлагаемой полезной модели для обеспечения измерения и запоминания инклинометрических параметров после выключения насосов ("батарейный" замер) при совместной работе с зондом гамма-каротажа введен новый режим работы, включающий четыре варианта в соответствии с положением переключателя S=13...16.

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что дополнительный сигнал разрешения включения батареи с выхода микропроцессорного (МП) блока подается на вход схемы управления питанием и разрешает подключение батареи на режимах S=1...4, S=5...8, таким образом обеспечивая бесперебойность проведения замеров. Для проведения «батарейного» замера при совместной работе с зондом гамма-каротажа сигнал частоты вращения ротора генератора RPM транзитом, в отличие от прототипа, передается через гамма-зонд по второму спиральному кабелю в зонд-инклинометр и подается на вход формирователя, с выхода которого сигнал в виде прямоугольных импульсов подается на вход микропроцессорного блока. МП блок, анализируя включение режима батарейного замера при работе с гамма-зондом, присутствие импульсов RPM и наличие напряжения генератора, вырабатывает сигнал разрешения включения батареи, который подается на вход блока управления питанием. Таким образом, при совместной работе зонда-инклинометра с гамма-зондом реализуется подключение батареи при провалах и кратковременных пропаданиях напряжения генератора и переход в режим батарейного замера при полном выключении генератора.

Алгоритм работы забойной телеметрической системы представлен на рис.1.

После запуска буровых насосов происходит включение электрогенератора, напряжение с которого поступает в преобразователь питания инклинометра, вырабатывающий напряжения необходимой

полярности и величины для питания всех модулей инклинометра. После появления питания происходит запуск микропроцессорного модуля прибора, который производит опрос сигнала наличия питания генератора. Если генератор включен, то происходит выключение батареи. В зависимости от того, имеется или нет непереданный наверх предыдущий батарейный замер, микропроцессорный модуль отправляет батарейный замер на передачу его наземному блоку (имеется непереданный батарейный замер) или дает команду на опрос инклинометрических датчиков, вычисление инклинометрических параметров (зенитный угол, азимут, угол установки отклонителя) и передачу текущих данных наземному блоку. При выключении электрогенератора происходит автоматическое включение батареи и запуск таймера кратковременного отказа генератора на интервал времени 5 с.При этом продолжается опрос датчиков, вычисление инклинометрических параметров и передача данных наверх от батарейного питания. При этом микропроцессорный модуль вырабатывает штатный сигнал включения батареи на режимах, обеспечивающих батарейный замер (S=9...12, 13...16), или вновь введенный в схему инклинометра сигнал включения батареи для «небатарейных» режимов (S=1...4, 5...8). Если в течение работы таймера кратковременного отказа генератора на интервале времени 5 с произойдет восстановление напряжения электрогенератора, то микропроцессорный модуль снова перейдет на управление по рабочему циклу. В случае невосстановления напряжения генератора за время 5 с микропроцессорный модуль производит анализ номера режима работы инклинометра, установленного до начала работы (бурения). Если номер режима работы соответствует режимам PUMPS UP (положение переключателя S=1...4) или PUMPS DOWN (положение переключателя S=5...8), то микропроцессорный модуль выдаст команду на выключение батареи, тем самым прекращая работу инклинометра в текущем цикле включения/выключения насосов. В том случае, когда номер режима работы соответствует режимам PUMPS OFF (положение переключателя S=9...12) или режимам совместной работы с зондом гамма-каротажа (положение переключателя S=13...16), микропроцессорный модуль выдаст команду на

переключение инклинометра в режим батарейного замера, длительность которого выбирается с учетом полной остановки насосов и успокоения колонны бурильных труб, что составляет от 30 с до 60 с.

В конце интервала времени батарейного замера происходит запоминание инклинометрических данных в энергонезависимой памяти микропроцессорного модуля, выключение батареи и окончание работы инклинометра в текущем цикле включения/выключения насосов.

Применение разработанной полезной модели в забойной телеметрической системе позволило:

1. Увеличить надежность работы забойной телеметрической системы, за счет обеспечения бесперебойной работы предлагаемого зонда-инклинометра при кратковременных частичных и полных пропаданиях напряжения питания зонда в режимах включения насосов (PUMPS UP, положение переключателя S=1...4), выключения насосов (PUMPS DOWN, S=5...8), а также в режиме совместной работы с зондом гамма-каротажа.

2. Расширить функциональные возможности зонда при совместной работе с зондом гамма-каротажа за счет введения в алгоритм работы нового режима работы с запоминанием батарейного замера.

Источники информации:

1. Овчаренко В.М., Брацлавский И.А. Основы автоматизации и контрольно-измерительные приборы на буровых и горно-разведочных работах. - М.: «Недра», 1982. - 230 с.

2. Демихов В.И., Леонов А.И. Контрольно-измерительные приборы при бурении скважин. - М.: «Недра», 1980. - 304 с.

3. ТУ 39-1536-90. «Инклинометр магнитометрический точечный».

4. Патент РФ 2209448 с приоритетом от 24.04.02, кл. 7 G01V 1/40 «Геофизический комплекс»/Белянин Л.Н., Голиков А.Н., Мартемьянов В.М., Плотников И.А., Лебедев К.А., Лаврухов В.Т.

5. Патент РФ 61789 с приоритетом от 09.11.06, кл. Е21В 47/02, «Инклинометр»/Конаныхин И.В., Сокирский Г.С., Ширманов М.И., Удовиченко А.И.

6. Инклинометр гироскопический ИГН 73-100/80. Руководство по эксплуатации.

7. Зонд DEP. Руководство по работе с системой PCDWD. (ПРОТОТИП)

1. Забойная телеметрическая система, включающая инклинометрический зонд, имеющий три режима работы и производящий замер первичных параметров инклинометрических датчиков в паузе между выключением и включением насосов, отличающаяся тем, что блок питания инклинометрического зонда выполнен в виде взаимозаменяемого модуля с гальваническими элементами с возможностью введения в режим работы инклинометрического зонда сигнала разрешения включения батареи в режиме включения и выключения насосов.

2. Забойная телеметрическая система по п.1, отличающаяся тем, что для совместной работы с зондом гамма-каротажа в устройство забойной телеметрической системы дополнительно введена цепь сигнала частоты вращения ротора генератора, который транзитом передается через гамма-зонд по второму спиральному кабелю в инклинометрический зонд, с возможностью обеспечения «батарейного» замера.