В данной статье рассмотрены основные преимущества и недостатки каналов связи при передаче данных от устья скважины на забой и приведен сравнительный анализ.
Ключевые слова: канал связи, бурение, гидравлический канал связи.
Для передачи забойных параметров используется комплекс технических средств, который включает в себя источник и приемник информации и линию связи. Данные комплекс образует канал связи. От выбора канала связи зависят свойства забойной телеметрической системы.
В настоящее время используются следующие каналы связи [1]:
— электрический (проводной);
— акустический;
— электромагнитный;
— гидравлический.
Для передачи данных используется силовой кабель питания электробура или геофизический кабель. Данный канал связи обладает такими преимуществами как двухсторонняя передача данных в процессе бурения, высокая скорость передачи данных, отсутствие забойного источника энергии, помехозащищённость, нечувствительность к свойствам породы и бурового раствора. В первых горизонтальных скважинах с проводным каналом связи ввод геофизического кабеля осуществлялся с помощью кабельного переходника. Перечислим недостатки данного способа:
— невозможность вращения бурильной колонны;
— вероятность механического повреждения кабеля;
— сложность наращивания кабеля.
В дальнейшем применялись бурильные колонны с кабельной секцией. При соединении труб отрезки кабеля соединялись с помощью специальных муфт, укрепленными в бурильных замках. Недостатком таким систем является сложность межсекционных соединений и их дороговизна, герметичность соединений.
Данный канал используется для скважин глубиной до 6000м в связи с уменьшением надежности системы при увеличении количества бурильных труб.
Исследования в России и за рубежом доказали, что с помощью буровой колоны можно передавать акустические волны [2]. По данному каналу связи можно передавать данные о частоте вращения и степени износа долота, физико-механические свойства разбуриваемых пород.
Для передачи сигнала с помощью акустического канала связи используются звуковые колебания, которые распространяются по бурильным трубам, буровому раствору и окружающей среде. В зависимости от среды распространения забойные телеметрические системы подразделяются на виды: акустомеханические, гидроакустические и сейсмические.
Преимуществом данного канала в том, что работа телесистемы с акустическим каналом не зависит от свойств бурового раствора.
Применение данного канала связи ограничено большим количеством недостатков. Принимаемый сигнал обладает малой информативностью, поскольку его сложно выделить из помех из-за низкой интенсивности сигнала. Сигнал затухает с увеличением глубины, что требует использования ретрансляторов. Каждый ретранслятор включает в себя передатчик, преобразователь и приемник сигнала, а также источник питания. Что делает невозможным применение данного сигнала в глубоких скважинах.
Возможность передачи данных с помощью бурильных труб в качестве электрического канала была исследована в работах С. Я. Литвинова, И. К. Саркисова (1959 г.), Е. А. Полякова (1962 г.), О. П. Шишкина (1962 г.) [2].
В данном канале связи электромагнитные колебания (токи растекания) передаются на поверхность, где принимаются антеннами. В качестве среды передачи служат горные породы. Отсюда и главный недостаток данного способа — зависимость от электрофизических свойств пород.
Также к недостаткам данного канала связи можно отнести, что на величину сигнала влияет промысловое оборудование.
Исследования данного канала связи показывают, что расчёт канала сводится к расчету неоднородной длинной линии с распределенными параметрами, т. е. необходимо определить уровень полезного сигнала, который можно зафиксировать на поверхности.
Для улучшения дальности действия данного канала связи необходимо уменьшать частоту сигнала, а также применять бурильные колонны с улучшенными электрическими характеристиками.
По сравнению с гидравлическим каналом связи он имеет более высокую скорость передачи данных и менее жесткие требования к промывочной жидкости.
Использование данного канала связи возможно в скважинах глубиной до 3500м.
В настоящее время гидравлический канал связи является наиболее популярным, поскольку считается самым надежным и дальнодействующим, а также не зависит от электрофизических свойств среды.
Данный метод передачи данных заключается в передаче импульсов давления по буровому раствору, циркулирующему в скважине. Частота импульсов давления пропорциональна измеряемому параметру.
В нижней части колонны монтируют излучатель, который и создает импульсы давления. Таким образом, в канале связи образуется акустическая волна с чередованием участков повышенного и пониженного давления.
Принципы передачи информации делятся на три типа [3]:
— с положительными импульсами раствора;
— с отрицательными импульсами раствора;
— с непрерывными волнами давления.
Рассмотрим основные недостатки гидравлического канала связи.
Для стабильной работы данного канала связи необходимо создавать определённое давление на устье скважины. Данное давление зависит от равномерной работы насосов, поскольку используются поршневые насосы, то данное условие невыполнимо. Отсюда возникает главный источник помех в данном канале. При использовании двух и более насосов помехи усугубляются.
Наличие автономного источника питания для пульсатора, что приводит к остановкам оборудования для замены аккумулятора.
Затухание импульсов при прохождении через столб бурового раствора. Из литературы известно, что при применении растворов на водной основе импульсы затухают ориентировочно на 50 % на каждые 1000м. Затухание импульсов происходит интенсивнее при использовании аэрированных растворов и растворов на углеводородной основе.
Данный канал обладает низкой скоростью передачи данных вследствие медленного распространения импульсов.
Использование данного канала связи возможно в скважинах глубиной до 5000м.
Отличительные характеристики каналов связи приведены в таблице 1.
Для улучшения передачи данных возможно использование комбинированных каналов связи.
В зависимости от цели комбинации каналов можно увеличить дальность действия канала, пропускную способность. В основном применяют проводной канал связи в сочетании с электромагнитным, акустическим или гидроакустическим каналом связи. Однако при этом усложняется система, что снижает надежность системы в целом.
Таблица 1
Отличительные характеристики каналов связи
|
Канал связи |
Дальность, м |
Требования к буровому раствору (отсутствию газа и абразивных частиц) |
Скорость передачи |
Помехозащищённость |
Зависимость от электрофизических свойств среды |
Другое |
|
Электрический |
6000 |
– |
Высокая |
Высокая |
– |
Дорогостоющая конструкция, наличие специальных труб, двухсторонняя связь |
|
Электромагнитный |
3000 |
– |
Более высокая, чем в ГКС |
Низкая |
+ |
Дешивизна, в труднодоступных местах сложно установить антенну |
|
Акустический |
4000 |
– |
Низкая |
Низкая |
– |
Необходимость установки ретрянсляторов, применяется только в комбинации с другими каналами связи |
|
Гидравлический |
5000 |
+ |
Низкая |
Низкая |
– |
Использует буровой раствор (естественный канал) |
При выборе канала передачи данных необходимо исходить от геологических и технических условий проводки скважины.
Дальнейшие исследования будут направлены на исследование гидравлического канала связи, поскольку в нашей стране постепенно увеличивается добыча нефти из труднодоступных месторождений, то постепенно увеличивается спрос на системы с гидравлическим каналом связи, которые широко применяются для бурения скважин с горизонтальным и многозабойным окончанием
Литература:
- Бурение наклонно направленных и горизонтальных скважин на суше и на море: учеб. пособие для студентов специальностей 130504, 130503, 130202, 190900, 220200 / А. Ж. Архипов, С. В. Воробьев, И. В. Доровских, В. В. Живаева, В. В. Кулъчицкий, О.А Нечаева. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. — 120 c.
- Бескабельные измерительные системы для исследований нефтегазовых скважин (теория и практика) / А. А. Молчанов, Г. С. Абрамов. — М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2004. — 516 с.
- Инклинометрия скважин/ В. Х. Нечаев. — Москва: Недра, 1987. — 216 с.
