Диссертация Г. С. Абрамова. Г. С. Абрамов телеизмерительные системы с электромагнитным каналом связи для точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин западной сибири
 Скачать 0.67 Mb.
|
3. Исследование электромагнитного канала связи и разработка основных узлов телеметрических систем повышенной точности.3.1. Исследование дальности действия электромагнитного канала связи для условий Западной Сибири.Для обеспечения надежной связи "забой–устье" телесистем с электромагнитным каналом связи в любых геоэлектрических разрезах нефтяных и газовых скважин были составлены таблицы кажущихся удельных электрических сопротивлений по данным измерений стандартным для месторождений Западной Сибири зондом электрического каротажа аппаратурой, спускаемой в скважину на каротажном кабеле. В таблице представлены данные о геоэлектрических разрезах скважин большинства нефтяных и газовых районов и месторождений Западной Сибири, характеризующихся различными геологическими и техническими условиями. Нами рассматриваются месторождения нефти и газа Западной Сибири. Несмотря на различие электрических свойств горных пород геологических разрезов, их можно разделить на три группы: низкоомные (до 2-3 Омм), среднеомные (до 5-10 Омм) и высокоомные (10-15 Омм и более). Как правило, верхние четвертичные отложения обладают высокими удельными электрическими сопротивлениями, так же как и продуктивные горизонты, другие вмещающие горные породы образуют ансамбль переслаивающихся слоев различной (низкой, средней и высокой) проводимости. Таким образом, имея информацию о типовом геоэлектрическом разрезе, зная технические характеристики телеизмерительной системы (мощность забойного передатчика, сопротивление заземления нижнего и верхнего электрода, частоты передаваемых сигналов и др.) можно рассчитать параметры линии связи, обеспечить оптимальный режим работы системы по всему стволу бурящейся скважины. Расчет электромагнитного канала связи "забой – устье", выполненный по теории длинных линий связи для однородной среды [21, 61, 88, 89] показал, что затухание сигнала в канале сильно зависит от материала бурильной колонны, проводимости разреза и частоты передаваемого сигнала (рис. 6). Оно невелико для стальной и легкосплавной бурильной колонны в высокоомном разрезе (ср20 Омм), для низкоомных разрезов (ср3 Омм) величина затухания (для стальных труб) составляет на частоте 10 Гц – 6нп/км, на частоте 40 Гц – превышает 10 нп/км, для легкосплавных труб – в 1,5-2 раза меньше. Для уверенного выделения полезного сигнала на фоне помех необходимо, чтобы уровень полезного сигнала превышал уровень помех в 5-10 раз. Помеховая обстановка на буровой для турбинного и роторного бурения показана на рис. 7а, а на рис. 7б приведен уровень помех, обусловленных атмосферными разрядами. Исходя из уровня помех необходимо, чтобы полезный сигнал частот на рабочей частоте или в диапазоне рабочих частот превышал уровень 1-2 мкв.  , где  — волновое сопротивление, — затухание для стальных бурильных труб, — затухание для легкосплавных бурильных труб, — постоянная распространения в среде, — комплексная диэлектрическая проницаемость среды.Схема организации электромагнитного канала связи "забой–устье" и его эквивалентная электрическая схема приведены на рис. 8. Напряжение на входе четырехполюсника (длинной линии) определяется как  ,где ZвхRвх=Rп+RА- входное сопротивление длинной линии, Ом;  — сопротивление заземления нижней части бурильной колонны (здесь L0 — длина нижней части бурильной колонны, м);d — диаметр бурильной трубы; — кажущееся удельное электрическое сопротивление окружающих скважину горных пород, Ом*м; Rr- выходное сопротивление передатчика, Ом; Ur- напряжение на выходе передатчика, В;  — сопротивление потерь в стальной трубе; — глубина проникновения электромагнитного поля в стали (здесь 0=4 10-7 Гн/м, ст=7.25 102 /Ом*м).Таблица 4 Глубина проникновения э/м поля в стальную колонну
Таблица 5 Сопротивление потерь
Зависимость сопротивления заземления бурильной колонны  ,где Lв -длина верхней части бурильной колонны, рассчитанная для различной длины колонны бурильных труб (1-3000 м) в среде с =1,0-4,0 Ом*м, показана на рис. 9. Сопротивление заземления бурильной колонны RА при увеличении ее длины уменьшается с 1.5 до 0.05 Ом, а сопротивление потерь – увеличивается с увеличением длины бурильной трубы с 0.05 до 1.2 Ом Таблица 6 Входное сопротивление линии Rвх =RА+ Rп сохраняется неизменным
Таким образом, напряжение на входе длинной линии определяется напряжением источника (генератора), его внутренним сопротивлением и сопротивлением заземления нижнего электрода. Учитывая, что максимальные потери напряжения возникают  в высокоомном разрезе при =40 Омм и длине вибратора 20 м, то учитывая дополнительную проводимость бурового раствора ( =0.120 им м), потери на сопротивлении заземления будут ниже.Практически при напряжении генератора 20-30 В напряжение на входе длинной линии для наихудших условий разреза составит 10-15 В. В низкоомных разрезах затухание электромагнитного поля велико из-за значительного шунтирования проводящими горными породами бурильной колонны, как проводника электрических сигналов. В этих случаях для обеспечения надежной работы канала необходимо увеличивать мощность забойного передатчика или снижать скорость передачи сообщений с забоя, использовать избыточность передачи информации, и за счет накопления слабого сигнала и компенсации помех в точке приема на дневной поверхности получать выигрыш в энергии сигнала, те самым улучшать соотношение сигнал/помеха. Ситуация порой усугубляется, когда в низкоомном разрезе затухание сигнала — значительно, а передатчик находится в высокоомном разрезе, когда отдача энергии сигнала в канал ограничена из-за рассогласования выходного сопротивления передатчика с входным сопротивлением нагрузки (антенны). В этом случае в системе должно быть предусмотрено несколько фиксированных режимов работы передатчика (на низкоомную или высокоомную нагрузку) или введена обратная связь, обеспечивающая оптимизацию режима работы забойного передатчика. 3.1.1 Результаты расчетов затухания сигналов для конкретных геоэлектрических разрезовДля перечисленных в табл. 7 геоэлектрических разрезов скважин нефтегазовых районов месторождений Западной Сибири были выполнены расчеты затухания сигнала в канале связи «забой-устье» на частоте 12,0, 6,0 и 2 Гц. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что затухание сигнала на частоте 12,5 Гц для большинства разрезов не превышает 80 дб, что при сигнале на входе линии передачи 10-15 В величина сигнала на входе приемника составит 10-1510 мВ. Этот уровень сигнала значительно превосходит уровень помех в этом диапазоне частот и при использовании помехоустойчивых кодов позволяет обеспечить высокую надежность и достоверность передаваемой информации. Затухание сигналов частоты 6 Гц не превышает 60 дб (таблица 8). В низкоомном разрезе лучшие условия по выделению сигнала могут обеспечить системы приема и выделения магнитной составляющей электромагнитного поля, т.к. уровень магнитных помех на этих частотах ниже на порядок и более. Таблица 7 Геоэлектрические характеристики некоторых месторождений нефти и газа Западной Сибири
Таблица 8 Зависимость затухания сигнала разных частот в электромагнитном канале связи "забой - устье" для скважин Западной Сибири
Резервом повышения дальности канала является лучшее согласование выходного сопротивления забойного передатчика с нагрузкой за счет удлинения нижнего заземляющего электрода до 30-50 м. При применении легкосплавных бурильных труб затухание в канале связи на 20 дб меньше, что позволяет увеличить дальность действия систем с беспроводным (электромагнитным) каналом связи при мощности передатчика 600 Вт до 7-8 км. Рекомендации по повышению дальности действия телесистем и надежности электромагнитного канала связи «забой-устье». 1. Снизить несущую частоту передаваемых сигналов (6,0 Гц, 2,0 Гц), перейдя на узкополосную передачу двухполярными фазоманипулированными сигналами. Это позволит уменьшить затухание сигнала вдоль бурильной колонны, особенно в условиях низкоомного разреза большой протяженности, повысить энергетический потенциал систем (см. рис. 10). 2. Учитывая значительный запас по пропускной способности электромагнитного канала с целью повышения эффективности систем применить помехоустойчивое кодирование передаваемых сигналов (например, код Миллера или сверточные коды). 3. Для обеспечения условий согласования выходного сопротивления передатчика с нагрузкой необходимо увеличить длину нижнего электрода до 30-50 м, удалив от забоя диэлектрическую вставку, что особенно важно при использовании коротких винтовых забойных двигателей. 4. Предусмотреть автоматическое переключение режима работы передатчика на низкоомную или высоомную нагрузку. Предложен способ оперативного компьютерного расчета для прогнозирования уровня принимаемого на поверхности сигнала с разных глубин для любого геоэлектрического разреза. Зная параметры системы и среды распространения электромагнитных колебаний в геоэлектрическом разрезе можно определить затухание сигнала в канале и спрогнозировать уровень принимаемого полезного сигнала с разных глубин. Практическая постановка задачи по расчету электромагнитного канала связи «забой-устье» состояла в оценке величины электрического сигнала, измеряемого на поверхности горизонтально-слоистого полупространства (с различающимися по удельному сопротивлению слоями) измерительной линией, не связанной с буровой колонной, как зависимости от глубины забоя скважины. Модель геолого-геофизической среды представлялась горизонтально-слоистыми полупространствами с параметрами i (удельные сопротивления слоев) и zi (глубина нижней кромки i-го слоя). Буровая колонна, ввиду малого диаметра (по сравнению с расстоянием до точки измерения) представлена токовой нитью с неравномерным распределением стекающего тока в зависимости от глубины точки забоя. Общее уравнение, описывающее поле в произвольной точке буровой колонны (в предположении прямолинейной конфигурации скважины), выглядит так:  ,где dU - падение напряжения, dI - ток в элементарном объеме, R - сопротивление элемента трубы, что следует из закона Ома. Предполагая известным погонное сопротивление бурильной колонны R и определяя из уравнений постоянного тока величину  , где dl - элемент длины, l - плотность тока потерь, а также вычисляя функцию Грина в горизонтально-слоистой среде для точечного источника тока получим: или, в интегральной форме  , (1)где интегрирование по L означает интеграл по длине бурильной колонны,  - функция Грина горизонтально-слоистого полупространства с параметрами  (i - кажущееся удельным электрическое сопротивление пластов, zi - глубины подошв) соответствующих пластов.Решая это уравнение относительно неизвестной функции распределения токов утечки i(z) и определяя затем поле на поверхности полупространства по формуле  ,где I1(z) - функция Бесселя первого рода первого порядка, получаем искомую величину сигнала в измерительной линии величиной в 1 м мВ/м в предположении, что полный ток, излучаемый в бурильную колонну, равен 1 А. Для определения функции используем аппарат решения уравнения Лапласа в цилиндрических координатах, т.е. пересчета импеданса горизонтально-слоистой среды со слоя на слой в предположении выполнения граничных условий:  ,где Si - граница i и i+1 слоев. Не приводя здесь элементарных, но весьма объемных выкладок, можно заключить, что решение уравнения (1) состоит в определении неизвестной функции в уравнении Фредгольма II рода, что представляет собой корректную задачу в случае R(z) 0, т.е. если бурильная колонна не является идеальным проводником. Блок-схема алгоритма расчета, приведенная на рис. 11 и реализованная в программе на языке С для IBM PC позволяет рассчитать уровень принимаемого на поверхности сигнала с забоя, находящегося на глубине до 5,0 км, практически для любого геоэлектрического разреза и параметров бурильной колонны (в программе задается ток в излучаемом точечном диполе - 1 А). Разработанный нами метод и программа компьютерного расчета уровня принимаемого сигнала для любых геоэлектрических разрезов опробована на всех типовых разрезах России и СНГ и позволяет надежно прогнозировать уровень принимаемого с забоя полезного сигнала для конкретных конструкций бурильной колонны, мощности забойного передатчика, устройства ввода сигнала в канал связи, наземного приемника. Пример расчета приведен на рис. 12. Практические измерения на буровых показали, что для организации надежного приема сигнала с забоя необходимо знать помеховую обстановку на буровой. В большинстве случаев проблем с выделением сигнала не возникает, но нередки ситуации, когда уровень помех так значителен, что традиционные приемы выделения сигнала не помогают. Утечки тока и переходные процессы в переключении энергетического оборудования, вблизи расположенные линии электропередачи обуславливают значительный уровень помех. Увеличение мощности забойного передатчика со 150 до 600 Вт и уменьшение передаваемых передатчиком частот, увеличение чувствительности приемника, применение помехоустойчивого кодирования сигнала позволили увеличить дальность действия канала связи до 5 км в условиях любого геоэлектрического разреза. Это также важно для бурения скважин на шельфе северных морей и с морских оснований. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
