Обеспечение точной проводки горизонтальных скважин по плановой траектории является одной из приоритетных задач. При этом возникает необходимость в высокоскоростном обмене данными забойной системы с оборудованием, расположенным на устье скважин, в режиме реального времени, поскольку существует огромный разрыв между объемом данных, фиксируемых внутрискважинными датчиками и скоростью, с которой эти данные могут передаваться [6]. Для мониторинга пространственного положения ствола скважины применяются телеметрические системы с различными каналами передачи данных:
– Гидравлический (гидроимпульсный) канал, при котором передача информации осуществляется посредством импульсов давлений, распространяющихся по циркулирующему буровому раствору в скважине. Скорость передачи данных составляет порядка 0,1–10 бит/с [1, 3].
– Акустический канал передачи данных генерирует звуковые волны, способные передавать информацию в режиме реального времени на поверхность. Скорость передачи при этом может достигать до 20 бит/с [2]. Но из-за затухания акустических колебаний на стыках бурильных труб имеет ограничения [4].
– Электромагнитный канал связи осуществляет взаимосвязь системы забой-устье по колонне бурильных труб, однако использование данной технологии ограничено ввиду затухания электромагнитных сигналов, вызванных геологическими и технологическими особенностями, возникающими при строительстве скважин на суше [5] и не подходит для ведения буровых работ на море [7]. Скорость передачи данных на уровне гидравлического канала связи.
– Кабельный канал может обеспечить двустороннюю и самую высокую скорость обмена данными (до 1 Мбит/с), однако его использование осложнено размещением кабеля и множеством разъемных соединений в теле труб.
Другим, наиболее простым вариантом передачи данных является запись информации забойной системы на цифровой носитель с последующей ее расшифровкой на поверхности после поднятия компоновки из скважины.
Таким образом, можно сформулировать следующие требования, предъявляемые к телеметрическим системам:
1) измерение большого числа параметров в единицу времени;
2) высокая скорость передачи информации;
3) двухсторонняя связь;
4) точность измерений;
5) надежность и простота системы.
Для создания высокоскоростного, двухстороннего канала связи при мониторинге траектории ствола скважины специалистами ПНИПУ, ЗАО «СКБ» и ПАО «Мотовилихинские заводы» начата разработка системы передачи данных с кабельным каналом, проложенным в стенках бурильных труб. Однако основные проблемы реализации данного метода заключаются в размещении кабеля в теле трубы без нарушения ее прочностных характеристик и передаче сигнала через стыки между трубами.
Для создания высокоскоростного, двухстороннего канала связи при мониторинге траектории ствола скважины специалистами ПНИПУ, ЗАО «СКБ» и ПАО «Мотовилихинские заводы» начата разработка системы передачи данных с кабельным каналом, проложенным в стенках бурильных труб. Однако основные проблемы реализации данного метода, как отмечалось выше, заключаются в размещении кабеля в теле трубы без нарушения ее прочностных характеристик и передаче сигнала через стыки между трубами.
Система передачи информации о пространственном расположении ствола скважины на расстояние представляет собой колонну стыкующихся бурильных труб, с проложенным в ее стенке медным кабелем. На рис. 1 приведено изображение нижней (муфтовой) части трубы.
В качестве базового элемента системы передачи данных выступает бурильная труба диаметром 165 мм и длиной 9,5 м. Вдоль наружной стенки трубы методом фрезерования выполняется паз вида «ласточкин хвост». Размеры паза: глубина – 5,5 мм, ширина в наружной части– 5 мм, угол расхождения – 20 град. В паз укладывается изолированный двухпроводный медный кабель «витая пара». Диаметр кабеля – 1,7 мм. Кабель закрепляется клеем. Оставшееся пространство паза заполняется защитным полиуретановым составом – компаундом ЭП-СКУ-ПТ-74.
На концах трубы в муфтовой и ниппельной частях располагаются индуктивные катушки (рис. 2). Катушки предназначены для передачи данных от одной трубы к другой посредством возбуждения электромагнитной индукции. При свинчивании труб в колонну катушки соседних труб соотносятся друг напротив друга (рис. 3). При возбуждении индукции на одной катушке, она передается на другую и регистрируется модулем передачи данных.
От модуля передачи данных к индукционным кольцам в стенке трубы просверливаются отверстия диаметром 5 мм, которые после прокладки в них проводов заполняются под давлением специальным компаундом. Модуль передачи данных защищается герметично закрывающейся крышкой на винтовых соединениях (рис. 1). Для фиксации крышки предусмотрено 18 винтов М6. Длина крышки – 200 мм, ширина – 65 мм, высота – 9 мм.
Модуль передачи данных располагается в площадке (выемке) в муфтовой части трубы. Размеры площадки для размещения модуля: длина – 150 мм, ширина – 65 мм, глубина – 23 мм. В этой же площадке размещаются две питающие батареи 3,7 В емкостью 1500 мА•ч. Ориентировочный ресурс работы модуля на данных батареях – 3 месяца. Замена батарей возможна в условиях завода или трубной базы.
Передача данных осуществляется следующим образом.
Отправляемые данные с платы управления кодируются пакетами цифровых сообщений. Эти цифровые сообщения последовательно передаются к модулю передачи данных, который осуществляет преобразование информационного пакета в токовый сигнал с заданными характеристиками. Токовый сигнал передается в индукционную катушку, при прохождении через нее возникает электромагнитное индукционное поле, которое передается на соседнюю катушку, включенную в сеть со следующим модулем. Передача данных между двумя катушками осуществляется без электрического контакта по индукционному полю. Ключевым элементом разработанного модуля передачи данных является микросхема LT6820 (рис. 4), которая обеспечивает двунаправленную связь по протоколу SPI между двумя изолированными устройствами через витую пару.
Цифровые сообщения последовательно передаются к модулю передачи данных, который осуществляет преобразование информационного пакета в токовый сигнал с заданными характеристиками. Токовый сигнал передается в индукционную катушку, при прохождении через нее возникает электромагнитное индукционное поле, которое передается на соседнюю катушку, включенную в сеть со следующим модулем. Передача данных между двумя катушками осуществляется без электрического контакта по индукционному полю.
Микросхема осуществляет кодировку и декодировку логических данных в последовательность импульсов длительностью 120 нс. Скорость передачи данных составляет 1 Мбит/с при длине кабеля до 10 м. При увеличении длины кабеля до 50 м, скорость снижается до 0,5 Мбит/с. При связке в сети каждая плата определяет свой порядковый номер и при обрыве сигнала можно определить, какой модуль вышел из строя. Габаритные размеры модуля передачи данных составляют: длина – 45,6 мм, ширина – 7,8 мм, высота – 1,5 мм.
Представленный кабельный способ передачи данных позволяет создать высокоскоростной, двусторонний канал связи в системе забой-устье при строительстве скважин сложного профиля со значительным смещением, а также передавать большой объем информации в режиме реального времени.
В настоящее время разработана конструкторская документация на модуль передачи данных и трубы бурильные стальные со встроенным каналом передачи данных. В 2023 году планируется изготовить опытные образцы бурильных труб, выполнить физико-механические испытания образцов, оценить работоспособность и параметры разработанного канала передачи данных.
