Универсальная телеметрическая система для управления бурением скважин

 

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано при управлении процессом направленного бурения нефтяных и газовых скважин. Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей системы за счет возможности использования автономного модуля при отсутствии канала связи. Для этого система содержит скважинное измерительное устройство с блоком измерительных преобразователей, мультиплексором, АЦП, передатчиком, контроллером, скважинным источником питания, а также наземное устройство, включающее источник дистанционного питания, мультиметр, приемник сигналов, интерфейсный блок, ЭВМ, токовый компаратор и первую часть бесконтактного стыковочного узла с первичной обмоткой трансформатора и половиной сердечника. Система также содержит автономный модуль, включающий в себя блок вторичного электропитания, приемник цифровых данных, запоминающее устройство, модулятор зарядного тока, дешифратор команд, программируемый таймер, устройство управления, выпрямитель и вторую часть бесконтактного трансформаторного стыковочного узла со вторичной обмоткой трансформатора и другой половиной сердечника. Наземное устройство соединяется со скважинным измерительным устройством либо посредством кабельной линии связи, либо через бесконтактный стыковочный узел с автономным модулем. 1 ил.

Изобретение относится к исследованию наклона буровых скважин, в частности к средствам передачи сигналов измерений из скважины на поверхность, и может быть использовано для управления бурением нефтяных и газовых скважин.

Известны различные кабельные телеметрические системы, в частности - телеметрическая система для контроля забойных параметров с передачей сигналов по кабельной линии связи типа СТТЗП-108 (ТУ УЗ. 10-00216852-014-97, 1997 г.).

В качестве прототипа принята кабельная телеметрическая система для управления бурением скважин по заданной траектории [Свидетельство на полезную модель 21618, МПК Е 21 В 47/02, 47/12, 27.01.2002 г.].

Недостаток прототипа заключается в ограничениях применения, связанных с необходимостью наличия геофизического кабеля и специализированной лебедки для его спуска/подъема и укладки, а также относительно сложного оборудования для ввода кабеля в ствол скважины. Наряду с этим часто нет необходимости в высокой оперативности получения данных измерений (например, если скорость проходки невелика), т.е. присутствует фактор временной избыточности.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей системы за счет проведения измерений в условиях реального технологического процесса бурения как в режиме кабельной телеметрической системы, так и в отсутствие канала связи с использованием автономного модуля.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в том, что универсальная телеметрическая система для управления бурением скважин (в дальнейшем - система), содержащая скважинное измерительное устройство, включающее в себя блок измерительных преобразователей, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), передатчик, контроллер, скважинный источник питания, причем выходы блока измерительных преобразователей соединены с входами мультиплексора, который через АЦП связан с передатчиком, управляющий вход которого соединен с первым выходом контроллера, второй выход которого подключен ко входу АЦП, а третий - ко входу мультиплексора, причем контроллер, АЦП и передатчик имеют вход питания, подключенный к выходу скважинного источника питания, вход которого соединен с выходом передатчика, а также (посредством кабельной линии связи) с первым выходом источника дистанционного питания и входами мультиметра и приемника сигналов, входящими в состав наземного устройства, включающего также интерфейсный блок и ЭВМ, причем выход приемника сигналов через первый вход интерфейсного блока соединен с ЭВМ, которая также через второй вход интерфейсного блока соединена со вторым выходом источника дистанционного питания. В отличие от прототипа заявляемая система дополнительно содержит автономный модуль, включающий в себя блок вторичного электропитания, приемник цифровых данных, запоминающее устройство, аккумуляторную батарею, модулятор зарядного тока, дешифратор команд, программируемый таймер, устройство управления, выпрямитель и вторую часть бесконтактного трансформаторного стыковочного узла. Наземное устройство содержит дополнительно токовый компаратор и первую часть бесконтактного стыковочного узла, конструктивно содержащего первичную обмотку трансформатора и половину сердечника, а другая половина сердечника со вторичной обмоткой конструктивно относятся ко второй части бесконтактного трансформаторного стыковочного узла автономного модуля, причем наземное устройство соединено либо посредством кабельной линии связи со скважинным измерительным устройством, либо через бесконтактный стыковочный узел с автономным модулем через первый выход токового компаратора, вход которого подключен к третьему выходу источника дистанционного питания, а второй выход которого через третий вход интерфейсного блока подключается к ЭВМ, которая блокирует по входу источника дистанционного питания первый и второй выходы источника дистанционного питания в режиме работы с автономным модулем.

Структурная схема универсальной телеметрической системы для управления бурением скважин показана на чертеже и состоит из скважинного измерительного устройства - 1, автономного модуля - 2 и наземного устройства - 3.

В свою очередь скважинное измерительное устройство 1 содержит: 4 - блок измерительных преобразователей, 5 - мультиплексор, 6 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 7 - передатчик, 8 - контроллер, 9 - скважинный источник питания.

Автономный модуль 2 включает в себя: 10 - блок вторичного электропитания, 11 - приемник цифровых данных, 12 - запоминающее устройство, 13 -аккумуляторную батарею, 14 - модулятор зарядного тока, 15 - дешифратор команд, 16 - программируемый таймер, 17 - устройство управления, 18 - выпрямитель, 19 - бесконтактный трансформаторный стыковочный узел.

Наземное устройство 3 состоит из приемника сигналов - 20, источника дистанционного питания - 21, токового компаратора - 22, интерфейсного блока - 23, мультиметра (специализированного) - 24, ЭВМ - 25 и бесконтактного трансформаторного стыковочного узла (1-я часть).

В случае работы устройства в режиме кабельной телеметрической системы (при отсоединенном автономном модуле) измерения происходят аналогично прототипу, т.е. измерения обеспечиваются при последовательном подключении, посредством мультиплексора 5, нормированных выходных сигналов блока 4 (в соответствии с программой контроллера 8) ко входу АЦП 6. Затем осуществляется кодирование и передача сигналов последовательным кодом посредством передатчика 7 по проводному каналу связи. Наземное устройство принимает, посредством блока 20, цифровой код, формирует кодовые посылки в интерфейсном блоке 23 и передает принятую информацию в ЭВМ 25. Электропитание скважинной части осуществляется по одной (общей с информационной) жиле кабеля в режиме источника тока.

Следует отметить, что узел 19 конструктивно выполнен разъемным и состоит из 2-х частей: одна часть содержит первичную обмотку трансформатора и половину сердечника и относится к наземному устройству; другая - вторичную обмотку трансформатора и другую половину сердечника и принадлежит к автономному модулю.

При работе в автономном режиме автономный модуль жестко пристыковывается к устройству 1. Части узла 19 соединяются, устройства 1 и 2 оказываются подключенными к наземному устройству 3. Блок 21 обеспечивает ток заряда через токовый компаратор 22, трансформатор устройства 19 и выпрямитель 18 аккумуляторной батареи 13 автономного модуля. Процедура измерений начинается с программирования работы автономного модуля. Программирование осуществляется посредством ЭВМ 25, которая блокирует через интерфейсный блок 23 дистанционное питание из блока 21 (выход 1) и сигнал аварии (выход 2), а через блок 23, управляя (включая - выключая) работой блока 21, формирует кодовые посылки в автономный модуль (частота выходного тока питания блока 21 существенно выше частоты коммутации). В блоке 15 происходит прием и дешифрация информационных посылок и формируются команды для таймера 16. В таймере 16 записывается время до начала измерений и временные интервалы между измерениями. По завершению программирования таймера 16 узел 19 разъединяется, устройства 1 и 2 работают автономно от наземного, при этом в ЭВМ 25 синхронно со скважинным запускается свой таймер. Устройства 1 и 2 далее транспортируют на забой скважины тем или иным способом (перемещение под своим весом, посредством прокачки бурового раствора или др.), причем время доставки априорно не должно превышать заданного. По достижению запрограммированного времени начала измерений начинаются запланированные работы - промер ствола скважины в процессе подъема бурового инструмента или бурение. Все проводимые операции на поверхности синхронизируются или регистрируются в функции времени (высота подъема буровой колонны или проходка) - таким образом осуществляя привязку замеров, проводимых на забое, к тем или иным действиям на поверхности.

Процесс измерений организуется следующим образом. По достижению заданного времени измерений, программируемый таймер, во-первых, включает блок 10, который обеспечивает электропитание устройства, во-вторых, по завершению переходных процессов подается команда в блок 17, который разрешает прием измерительной информации из устройства 1 через блок 11 в запоминающее устройство 12. После записи определенного массива данных блок 17 запрещает запись в блок 12 до следующей команды таймера 16, при этом таймер 16 отключает блок 10, и устройство 1 обесточивается до следующего измерения. Последующие измерения происходят аналогично. После заполнения всего запоминающего устройства 12 устройство управления 17 переводит его в режим хранения, таймер при этом останавливает счет и переходит в режим ожидания.

После извлечения устройств 1 и 2 из ствола скважины посредством узла 19 вновь подключают их к наземному устройству. ЭВМ 25 через блоки 22 и 23, узел 19, блоки 18 и 15, через таймер 16 и блок 17 инициирует процесс последовательной выборки данных из блока 12.

Процесс чтения данных из запоминающего устройства 12 происходит следующим образом. Блок 17 разрешает блоку 12 выдачу логических сигналов в блок 14. Блок 14 модулирует зарядный ток аккумулятора 13 в функции сигнала ("0" или "1"), получаемого из блока 12, в свою очередь модуляцию тока нагрузки регистрирует токовый компаратор 22 и передает дешифрованные сигналы через блок 23 в ЭВМ 25. Так происходит до тех пор, пока вся информация из блока 12 не будет считана в ЭВМ.

Поскольку все наземные технологические операции синхронизированы или регистрированы в функции времени, несложно привязать данные измерений к длине скважины, а значит, и построить, например, ее траекторию и принять адекватные решения.

Преимущество заявляемого изобретения по сравнению с прототипом заключается в следующем.

1. Заявляемое устройство позволяет организовать контроль и управление как на основе телеметрической системы (оперативный контроль и управление), так и с использованием автономного устройства (использование временной избыточности), подстраиваясь под реальный технологический процесс бурения, а не изменяя его под имеющееся устройства измерения. Таким образом, устраняется препятствие с этой стороны к оптимизации техпроцесса бурения.

2. Повышается надежность, сокращаются материальные затраты на производство и эксплуатацию устройства за счет: - сокращения аппаратных и эксплуатационных затрат (вместо 2-х систем - одна), следует отметить, что аппаратные средства дополнительного устройства - автономного модуля могут быть, например, реализованы на базе программируемой логики (одного микропроцессора); - сокращения затрат на разработку математического обеспечения (вариантность в зависимости от условий применения); - упрощения условий подготовки и работы обслуживающего персонала.

3. Повышается экономическая эффективность как за счет снижения затрат на строительство скважины (увеличения скорости проходки), так и сокращения затрат на использование кабельных лебедок, другого специфического оборудования.

Формула изобретения

Универсальная телеметрическая система для управления бурением скважин, содержащая скважинное измерительное устройство, включающее в себя блок измерительных преобразователей, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), передатчик, контроллер, скважинный источник питания, причем выходы блока измерительных преобразователей соединены с входами мультиплексора, который через АЦП связан с передатчиком, управляющий вход которого соединен с первым выходом контроллера, второй выход которого подключен ко входу АЦП, а третий - ко входу мультиплексора, причем контроллер, АЦП и передатчик имеют вход питания, подключенный к выходу скважинного источника питания, вход которого соединен с выходом передатчика, а также (посредством кабельной линии связи) с первым выходом источника дистанционного питания и входами мультиметра и приемника сигналов, входящими в состав наземного устройства, включающего также интерфейсный блок и ЭВМ, причем выход приемника сигналов через первый вход интерфейсного блока соединен с ЭВМ, которая также через второй вход интерфейсного блока соединена со вторым выходом источника дистанционного питания, отличающаяся тем, что дополнительно содержит автономный модуль, включающий в себя блок вторичного электропитания, приемник цифровых данных, запоминающее устройство, аккумуляторную батарею, модулятор зарядного тока, дешифратор команд, программируемый таймер, устройство управления, выпрямитель и вторую часть бесконтактного трансформаторного стыковочного узла, а наземное устройство содержит дополнительно токовый компаратор и первую часть бесконтактного стыковочного узла, конструктивно содержащего первичную обмотку трансформатора и половину сердечника, а другая половина сердечника со вторичной обмоткой конструктивно относится ко второй части бесконтактного трансформаторного стыковочного узла автономного модуля, причем наземное устройство соединено либо посредством кабельной линии связи со скважинным измерительным устройством, либо через бесконтактный стыковочный узел с автономным модулем через первый выход токового компаратора, вход которого подключен к третьему выходу источника дистанционного питания, а второй выход которого через третий вход интерфейсного блока подключается к ЭВМ, которая блокирует по входу источника дистанционного питания первый и второй выходы источника дистанционного питания в режиме работы с автономным модулем.

РИСУНКИ

Рисунок 1