Введение к работе
Актуальность работы.
В процессе бурения скважин необходимо осуществлять измерение, контроль и управление забойными параметрами бурения, которые характеризуют физические процессы, протекающие в скважине. Отклонение текущих значений технологических параметров бурения от проектных приводит к ухудшению технико-экономических показателей и потерям времени, приносящим значительные убытки.
Созданию надежной и точной информационно-измерительной системы забойных параметров препятствуют физические условия в скважинах (температура в диапазоне 100 - 300 С, давление до 100 - 150 МПа, вибрации до 100 g). Это препятствует применению стандартных средств автоматики и каналов связи. В последнее время все чаще бурятся скважины глубиной 7000 м и более (сверхглубокие скважины). С увеличением глубины скважины условия эксплуатации ухудшаются, а необходимость контроля забойных параметров возрастает. В связи с этим, проблема разработки информационно-измерительных систем и средств контроля забойных параметров является актуальной.
Важнейшим элементом любой информационно-измерительной системы является канал связи. На данный момент не существует канала связи забойной аппаратуры с устьем скважины, способного надежно передавать информацию с глубины 7000 м и более. Решение этой проблемы позволило бы эффективно управлять процессом бурения сверхглубоких скважин и поспособствовало улучшению технико-экономических показателей и снижению количества аварий.
Таким образом, разработка канала связи забоя с устьем скважины для телеметрии забойных параметров в процессе бурения сверхглубоких скважин является актуальной проблемой.
Степень разработанности проблемы.
Решения вопросов измерения и передачи информации о забойных параметрах, контроля и управления процессом бурения в разное время (с 50-х годов XX века) рассмотрены в работах следующих авторов: Аветисова А.Г., Александрова М.М., Ангелопуло O.K., Балицкого П.В., Бальзаминова М.М., Башкатова Д.Н., Булатова А.И., Варламова В.П., Грачева Ю.В, Григулецкого В.Г., Гулизаде М.П., Демихова В.И., Есауленко В.Н., Ионесяна Р.А., Калинина А.Г., Колесникова Н.А., Комарова М.А., Кривошеева В.Б., Кудряшова Б.Б., Кузнецова Г.М., Куликовского М.А., Кульчицкого В.В., Левицкого А.З., Левицкого П.И., Леонова А.И., Литвинова Л.С., Мавлютова М.Р., Молчанова А.А., Морозова Ю.Т., Пилюцкого О.В., Питерского В.М., Саркисова Г.М., Сарояна А.Е., Сулакшина С.С., Султанова Б.Х., Федорова B.C., Ширин-Заде А.С, Шишкина О.П., Юнина Е.К, Яремейчука Р.С, за рубежом Дж.Х. Аллана, Х.Б. Вудса, Э.М. Галля, А. Лубинского, Х.Б. Фуллертона и других исследователей.
Цели и задачи диссертации.
Целью работы является синтез беспроводного комбинированного канала связи забоя с устьем скважины для сверхглубокого бурения, а также элементов канала и телеметрической системы.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:
-
Обзор и анализ существующих каналов связи забоя с устьем скважины и забойных телеметрических систем, выявление их недостатков и преимуществ.
-
Синтез беспроводного комбинированного канала связи, разработка каналообразующих элементов, построение математической модели канала связи.
-
Моделирование беспроводного комбинированного канала связи.
-
Синтез телеметрической системы с беспроводным комбинированным каналом связи.
5. Разработка забойного датчика для телеметрической системы.
Научная новизна работы:
1. Синтезирована схема беспроводного комбинированного канала связи
для телеметрии забойных параметров.
-
Построена математическая модель и проведено моделирование беспроводного комбинированного канала связи, позволившее дать рекомендации по выбору частотного диапазона, амплитуды и формы сигнала для передачи по каналу связи.
-
Разработано устройство струйного забойного коммутатора для телеметрической системы с беспроводным комбинированным каналом связи, позволяющего коммутировать до четырех забойных датчиков.
-
Разработано устройство и построена математическая модель забойного аэродинамического датчика азимутального угла искривления скважины, составлен алгоритм методики расчета датчика для его согласования с каналом связи.
Научной и практической ценностью обладают:
1. Математическая модель беспроводного комбинированного канала
связи.
-
Результаты моделирования беспроводного комбинированного канала связи.
-
Устройство забойного коммутатора.
4. Устройство забойного аэродинамического датчика азимутального
угла искривления скважины, его математическая модель и методика расчета.
Методы исследования.
Научные положения, представленные в диссертационной работе, обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением методов аппарата математического анализа, теории автоматического управления, физики, электротехники, гидравлики, моделирования систем, компьютерного моделирования в среде Simulink
программы MATLAB 6.5. Проведено экспериментальное исследование с использованием сконструированного макета датчика азимутального угла искривления скважины.
Все исследования проводились на кафедре «Автоматика и управление» Астраханского государственного технического университета.
На защиту выносятся:
-
Структурная схема беспроводного комбинированного канала связи забоя с устьем скважины.
-
Математическая модель беспроводного комбинированного канала связи.
-
Рекомендации по выбору частотного диапазона, амплитуды и формы сигнала для передачи по беспроводному комбинированному каналу связи.
-
Устройство забойного коммутатора телеметрической системы.
-
Устройство и математическая модель забойного аэродинамического датчика азимутального угла искривления скважины.
Достоверность результатов обеспечивается применением широко известных методов аппарата математического анализа и теории автоматического управления, а также корреляцией полученных результатов с экспериментальными данными и с выводами других исследователей.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на 8 конференциях: Межрегиональная научно-практическая конференция «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий», г. Волжский (2011), Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы современной науки: свежий взгляд и новые подходы», г. Йошкар-Ола (2012), Всероссийская научная конференция профессорско-преподавательского состава АГТУ, г. Астрахань (2012, 2013), Международная научно-практическая конференция «Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа», г. Астрахань (2012), Всероссийская научно-практическая конференция «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов», г. Волжский (2012), Всероссийская научно-практическая конференция «Исследования молодых ученых - вклад в инновационное развитие России», г. Астрахань (2013), смотр-конкурс «Ярмарка инновационных идей молодых работников и специалистов нефтегазовой отрасли», г. Астрахань (2013).
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 2 патентах на изобретение, 4 статьях в научных журналах, рекомендованных ВАК.
Соответствие паспорту специальности.
Область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы», а именно: пункту 1 - «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и
управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем» и пункту 6 -«Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений». Личный вклад автора:
1. Построена математическая модель беспроводного комбинированного
канала связи и аэродинамического датчика азимутального угла искривления
скважины [2, 7, 8, 9].
2. Проведено компьютерное моделирование беспроводного
комбинированного канала связи и системы автоматического управления
давлением на забое скважины, рассчитаны настройки регулятора [8, 9].
3. Разработано устройство забойного коммутатора для телеметрической
системы с беспроводным комбинированным каналом связи [1, 10].
4. Участие в разработке конструкции макета датчика азимутального
угла искривления скважины [3,4].
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка источников литературы из 108 наименований и 3 приложений. Общий объем работы- 153 с.
