Быстрые алгоритмы декодирования данных забойной телесистемы, использующей гидравлический канал связи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 550.8.054

БЫСТРЫЕ АЛГОРИТМЫ ДЕКОДИРОВАНИЯ ДАННЫХ ЗАБОЙНОЙ ТЕЛЕСИСТЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КАНАЛ СВЯЗИ

Дмитрий Владимирович Тейтельбаум

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Коптюга, 3, инженер лаб. 564 электромагнитных полей, тел. (923)145-31-90, e-mail: teytelbaum@gmail.com

Александр Александрович Власов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Коптюга, 3, младший научный сотрудник лаб. 564 электромагнитных полей, тел. (923)221-31-13, e-mail: VlasovAA@ipgg.sbras.ru

Основная сложность геонавигации заключается в передаче данных от забойной аппаратуры на поверхность. Широко используемый гидравлический канал связи обладает низкой скоростью передачи данных и слабой помехоустойчивостью. Разработанные алгоритмы позволяют автоматически декодировать сигнал, передаваемый по этому каналу, и снизить количество ошибок, что ускоряет процесс бурения и уменьшает влияние человеческого фактора при декодировании сигнала. Предлагаемые алгоритмы были применены в реальных условиях каротажа в процессе бурения и показали себя не хуже существующих аналогов.

Ключевые слова: каротаж в процессе бурения, алгоритмы, обработка данных в режиме реального времени.

FAST DATA DECODING ALGORITHMS FOR DOWNHOLE TELEMETRY SYSTEM, WHICH USES HYDRAULIC COMMUNICATION CHANNEL

Dmitry V. Teytelbaum

A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3, Akademika Koptyuga Prosp. engineer, Laboratory of electromagnetic fields, tel. (923)145-31-90, e-mail: teytelbaum@gmail.com

Alexander A. Vlasov

A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3, Akademika Koptyuga Prosp., Junior Research Fellow, Laboratory of electromagnetic fields, tel. (923)221-31-13, e-mail: VlasovAA@ipgg.sbras.ru

Main complexity is the geonavigation data transmission from downhole equipment to the surface. Widely used hydraulic communication channel has a low data rate and low noise immunity.Developed algorithms enable automatic decoding for signal transmitted through this channel, and reduce a number of errors, that accelerates the process of drilling and reduces the influence of the human factor in signal decoding.The algorithms were applied in the real conditions ofMWDand showed themselves no worse than existing analogs.

Key words: measurement while drilling, algorithms, real time data analysis.

Введение

Во время бурения скважин применяют технологию измерений в процессе бурения (MWD) для определения траекторий скважин и их положения в трехмерном пространстве [4]. Технология MWD позволяет производить измерения параметров инклинометрии (угол поворота отклонителя, зенита, азимута) и дополнительных параметров контроля в процессе бурения, что дает возможность качественно и в короткие сроки осуществлять строительство и окончание наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Существует три основных способа передачи данных в реальном времени: электропроводный, гидравлический и электромагнитный каналы связи.

Современные телесистемы для каротажа в процессе бурения в основном используют гидравлический и электромагнитный каналы связи. При этом при бурении скважин глубинной более 1 километра в основном используют гидравлический канал связи.

Сравнение каналов связи скважинного прибора с наземной станцией

Электропроводной канал связи (ЭКС) [3] обладает преимуществом перед всеми известными каналами связи, так как является наиболее информативным, быстрым и помехоустойчивым. Однако его применение при бурении затруднено необходимостью прокладки кабеля в бурильной колонне.

Телесистемы с гидравлическим каналом связи (ГКС) [4] отличаются от других наличием в них устройства, создающего в потоке бурового раствора импульсы давления. Для генерирования импульсов давления в буровом растворе используются несколько различных по типу устройств. Сигнал, создаваемый ими, подразделяется на три вида: положительный импульс, отрицательный импульс или непрерывная волна (рис. 1) [3].

ПОЛОЖИТ ЕЛШЫГ. ЦМЛУЛЬСЫ.

С. (МЛи)

Е. Г . ЧпНп □ Г.:. , I

пЛк

ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ИМПУЛЬСЫ

Я (МПи>

—

НЕгПРЕРЫВНДЯЯОЛНЛС 1ЛЛЫИГ1УЛЯцИ £ И

Р гЫП»

I (WO

Рис. 1. Диаграммы гидравлических импульсов при различных способах

их формирования

К недостаткам данного канала связи можно отнести низкую информативность из-за относительно низкой скорости передачи, низкая помехоустойчивость, последовательность в передаче информации.

Системы с электромагнитным каналом связи (ЭМКС) [3] используют электромагнитные волны (токи растекания) между изолированным участком колонны бурильных труб и породой. На поверхности земли сигнал принимается как разность потенциалов от растекания тока по горной породе между бурильной колонной и приемной антенной, устанавливаемой в грунт на определенном расстоянии от буровой установки. К преимуществам ЭМКС относится несколько более высокая информативность по сравнению с гидравлическим каналом связи. К недостаткам — дальность связи, зависящая от проводимости и перемежаемости горных пород, слабая помехоустойчивость, сложность установки антенны в труднодоступных местах.

Телесистемы с гидравлическим каналом связи

Как было сказано выше, гидравлический канал связи широко применяется в настоящее время. Хотелось бы выделить основные компоненты, которые используются и связаны с телесистемами с гидравлическим каналом связи:

• насос буровой станции нагнетает буровую жидкость в буровые трубы для обеспечения вращения ротора и промывки шлама;

• пульсатор- передаёт сигнал по стволу скважины, перекрывая поток буровой жидкости и тем самым создаёт перепады давления буровой жидкости на устье скважины;

• датчик давления, измеряет давление буровой жидкости на трубопроводе бурового раствора между насосом и стволом скважины;

• аппаратура обеспечивающая связь персонального компьютера телеметриста и датчика давления бурового раствора.

При декодировании данных пульсатора используется датчик давления, при этом частота опроса аппаратурой составляет 40 и более Гц. Сильное влияние на показания датчика оказывает насос и его характеристики, что видно из рис. 2. Хотелось бы отметить что с ростом глубины скважины показания давления падают.

Рис. 2. Шум насосов буровой, зафиксированный датчиком давления Работа пульсатора забойной аппаратуры заключается в частичном перекрытии потока буровой жидкости, тем самым давление на датчике возрастает (рис. 3). При этом временные интервалы перекрытия потока соответствуют заданным числам, однако ошибка в определении длины интервала влечёт возникновение ошибки в 2-х соседних числах.

Рис. 3. Показания датчика давления при работе забойной телесистемы

Алгоритмы и схема их применения

Алгоритм усреднения сигнала по заданному интервалу времени. Целью применения данного алгоритма является фильтрация артефактов и сглаживание исходной кривой. Результатом алгоритма всегда будет кривая повторяющая общий тренд исходной кривой. Если подать на вход алгоритма исходную кривую, а окном выбрать полупериод шума насоса, то результатом будет достаточно гладкая кривая, на которой не будут усреднены пики возросшего давления из-за работы телесистемы.

Алгоритм дифференцирования заданного сигнала производит численное дифференцирование с заданной дискретизацией. Уменьшение заданного параметра увеличивает нагрузку на центральный процессор, но при этом качество результата изменяется незначительно. Применение данного алгоритма позволяет выделить скачки функции, а в нашем случае это давление (рис. 4).

Рис. 4. Результат работы алгоритма усреднения и дифференцирования

данных датчика давления Из приведённых графиков видно возможное наличие сдвоенных пиков, поэтому выделение максимумов может дать неоднозначный результат, поэтому существует необходимость применения алгоритма выделения пиков с учётом минимального интервала между пиками.

Рис. 5. Результат работы алгоритма усреднения и дифференцирования

данных датчика давления

Заключение

В рамках работы были реализованы алгоритмы быстрой обработки данных датчика давления, с целью декодирования сигнала забойной телесистемы. Предложенная схема алгоритмов была применена в рамках работы над проектом «ЯеаШерШ 5» [1] и успешно себя показала

Однако для правильной работы алгоритмов необходимо произвести их настройку. Были выделены следующие настроечные параметры: интервал осреднения, шаг дискретизации при дифференцировании и минимальный интервал между импульсами. Хотелось бы отметить, что настраивать данные коэффициенты необходимо для каждой конкретной скважины.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Разработка программного обеспечения для работы с автономными каротажными комплексами и препроцессинга данных / П. С. Расковалов, А. Н. Фаге, А. А. Власов, И. Н. Ельцов // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 2, ч. 2. - С. 33-36.

2. Тейтельбаум Д. В., Власов А. А. Программная система для каротажа в процессе бурения // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Новые направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. -С. 64-70.

3. Рогачев О. К. По-русски — телеметрия, по-английски — MWD / О. К. Рогачев, А. А. Лышенко // [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.sovmash.com/node/62, свободный (дата обращения: 5.04.2013)

4. Schlumberger. Drilling Services // [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.slb.com/services/drilling.aspx, свободный (дата обращения: 5.11.2013).

© Д. В. Тейтельбаум, А. А. Власов, 2014