ЭЛЕКТРОННЫЙ ЗОНД С УПРАВЛЯЕМЫМ ПО ЧАСТОТЕ РЕЖИМОМ РАБОТЫ, РАЗМЕЩАЕМЫЙ В ГОЛОВКЕ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Полезная модель относится к средствам управления режимом работы электронного зонда, размещаемого в головке бурового инструмента, при горизонтально направленном бурении и может быть использована в бурильной промышленности.
Электронный зонд в головке бурового инструмента при горизонтально направленном бурении используется для контроля положения буровой головки в процессе бурения под землей. Сигнал электронного зонда в виде переменного магнитного поля определенной частоты, несущий информацию о положении и глубине залегания буровой головки, принимается и обрабатывается приемным устройством на поверхности земли.
Известно, что возможности электронного зонда, размещаемого в головке бурового инструмента, по дистанции (глубине) устойчивой передачи сигнала на приемное устройство ограничены уровнем промышленных электромагнитных помех в точке приема и что уровень спектральных составляющих помех может сильно отличаться друг от друга в разных участках местности. Для увеличения соотношения уровня сигнала принимаемых данных к уровню помех для конкретных условий бурения используются электронные зонды, наиболее подходящие по рабочей частоте, на которой уровень промышленных помех в точке бурения минимален.
Как правило, перед выполнением горизонтально направленного бурения просматривают и примерно определяют трассу прокладки коммуникаций и, следовательно, трассу прохождения буровой головки с электронным зондом.. При этом учитывают возможное влияние помех на работу электронного зонда, которое можно уменьшить, изменив рабочую частоту ферритовой антенны зонда.
С целью повышения универсальности применения компании-производители выпускают зонды, которые имеют функцию установки одной из двух или одной из нескольких рабочих частот, которая находится наиболее близко к минимуму спектра промышленных электромагнитных помех в зоне бурения, тем самым позволяя повысить достоверность принимаемых данных в точке приема сигнала от зонда.
В качестве прототипа выбран зонд разработки американской компании Digital Control Inc. (DCI) и описанный в статье Наговицына А.Л. «Отказы электронных зондов для установок горизонтально направленного бурения: причины и следствия» в журнале "Вода Magazine" №9(49), сентябрь 2011 г. (см. Приложение 1).
В частности, это электронный зонд типа FX/FXL для системы локации F2 производства компании DCI, США. Существуют только одночастотные модификации зонда FX/FXL, работающие или на частоте 12 кГц, или на частоте 19 кГц (см. сайт компании DCI, США или Приложение 2).
Известный зонд монтируется в головке бура и состоит из блока питания в металлическом корпусе и соединенного с последним пластмассового корпуса, в котором размещены измерительный блок, включающий в себя датчик наклона продольной оси по отношению к горизонту, датчик вращения или крена ("часов"), импульсный стабилизатор, а также блок обработки сигналов на основе микроконтроллера и антенное устройство в виде усилителя мощности (антенного драйвера) с ферритовой антенной. При этом блок обработки сигналов служит и для формирования сигнала возбуждения антенны, передающей сигналы датчиков на поверхность. Все перечисленные элементы, помещенные в пластиковый корпус, залиты влагостойким компаундом. Пластиковый корпус обеспечивает свободное распространение силовых линий переменного магнитного поля. Буровая головка имеет участок с продольными сквозными щелями для беспрепятственного выхода магнитных силовых линий.
Недостатком такого зонда, который имеет только одну рабочую частоту, является недоступность выбора оптимальной частоты, что сужает его эксплуатационные возможности и снижает эффективность работы зонда из-за влияния промышленных электромагнитных помех.
В частности, как было указано выше, для локационной системы F2 компании DCI, США производятся отдельно зонды, работающие на частоте 12 килогерц или 19 килогерц. Универсального зонда для системы локации F2, позволяющего переключать в зависимости от условий рабочую частоту, не существует (см. сайт компании DCI, США).
В условиях необходимости импортозамещения часто приходится производить ремонт зондов, получивших повреждения в процессе горизонтально направленного бурения. Модернизация одночастотных зондов при их ремонте до уровня многочастотных путем изменения программного обеспечения микроконтроллеров невозможна вследствие защиты программ от считывания и шифрования алгоритма передачи сигнала от зонда к локатору-приемнику (на практике, кроме того, блок обработки сигнала и формирования сигнала для возбуждения магнитной антенны физически просто залит компаундом). Вместе с тем, рабочие частоты зондов, вырабатываемые в блоке формирования сигнала для возбуждения магнитной антенны, можно реализовать на вспомогательном микроконтроллере, но в одночастотных зондах отсутствует сигнал переключения частот, вырабатываемый блоком обработки сигналов датчиков и который обычно формируется при включении зонда в нерабочем пространственном положении последнего, например, угол продольного наклона зонда при его включении больше плюс 45° или меньше минус 45° относительно горизонта.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей одночастотного электронного зонда, достигаемых в процессе ремонта
Поставленная задача решается тем, что в электронном зонде с управляемым по частоте режимом работы, размещаемым в головке бурового инструмента и содержащем датчик угла наклона и датчик вращения бурового инструмента, связанные выходами с выполненным на основе микроконтроллера блоком обработки сигналов датчиков, выход которого подключен к блоку формирования сигнала для возбуждения магнитной антенны, выход которого через антенный усилитель мощности связан с передающей магнитной антенной, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, блок формирования сигнала возбуждения магнитной антенны выполнен на отдельном микроконтроллере, дополнительно введенном в зонд, при этом выход датчика наклона и выход датчика вращения подключены также непосредственно к входам блока формирования сигнала.
Введение в процессе ремонта в зонд дополнительного микроконтроллера и выполнение на его основе блока формирования сигнала для возбуждения магнитной антенны с функцией переключения частот в совокупности с соединением выходов датчика угла наклона и датчика вращения бурового инструмента, помимо блока обработки, непосредственно с блоком формирования, дает возможность устанавливать рабочую частоту магнитной антенны с учетом уровня промышленных помех, таким образом выбирая в зависимости от этого оптимальную с точки зрения помехозащищенности рабочую частоту, расширяя его эксплуатационные возможности и повышая эффективность его работы.
Технический результат - обеспечение возможности выбора одной из двух или более частот режима работы изначально одночастотного зонда, что расширяет его эксплуатационные характеристики и повышает эффективность работы в условиях присутствия промышленных электромагнитных помех.
Заявляемый зонд обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение блока формирования сигнала возбуждения антенны на отдельном микроконтроллере, дополнительно введенном в зонд, и подключение выходов датчика наклона и датчика вращения непосредственно ко входам блока формирования сигнала, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемое техническое решение может найти широкое применение в горнопроходческих работах, производстве инженерных скважин, в системе ЖКХ и т.п., а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежом, где представлена функциональная схема заявляемого зонда.
Заявляемый электронный зонд (см. чертеж) содержит датчик 1 угла наклона и датчик 2 вращения бурового инструмента, связанные выходами с блоком 3 обработки сигналов датчиков, выполненном на основе первого микроконтроллера. Выход блока 3 подключен к входу блока 4 формирования сигнала определенной частоты для возбуждения магнитной антенны, выполненном на основе второго микроконтроллера. При этом выходы датчиков 1 и 2 соединены одновременно со вторым и третьим входами блока 4, выход которого через антенный усилитель 5 мощности подключен к передающей антенне 6. Зонд снабжен также блоком 7 формирования напряжений питания от встроенного или внешнего источника 8. Напряжение питания с выхода блока 7 подводится ко всем вышеперечисленным элементам схемы.
Блок 3 обработки сигналов служит для преобразования сигналов с датчиков 1 и 2 в сигналы модуляции для блока 4 формирования. Блок 4 формирования служит для создания сигнала возбуждения магнитной антенны 6.
Выбор рабочей частоты антенны 6 осуществляется проведением процедур, не встречающихся в рабочих режимах функционирования зонда.
Электронный зонд работает следующим образом. Перед включением зонд устанавливается в пространстве в положение, которое соответствует включению выбираемой частоты (задается в программе микроконтроллера блока 4 формирования сигнала возбуждения магнитной антенны 6). После включения в процессе инициализации микроконтроллера блока 4 проверяются условия формирования выбранной частоты, определяемые значениями выходных сигналов датчиков 1 и 2 наклона и вращения зонда. После завершения процедуры включения зонд перемещается в рабочее пространственное положение, после чего его блоки функционируют аналогично функционированию блоков одночастотного зонда. Сигналы датчиков 1 и 2 наклона и вращения, величины которых характеризуют пространственное положение зонда, поступают на входы блока 3 обработки сигналов датчиков, в котором происходит формирование сигналов модуляции MOD, поступающих на блок 4 формирования сигнала возбуждения магнитной антенны 6, с выхода которого сигнал рабочей частоты F(x) через усилитель 5 мощности поступает на магнитную антенну 6. Напряжение от источника питания 8 через блок 7 формирования напряжений питания поступает на все электронные узлы и обеспечивает функционирование зонда.
При включении зонда, находящегося в рабочем положении, инициализация микроконтроллера блока 4 завершается без изменения рабочей частоты.
При необходимости переключения рабочих частот под землей во время бурения используются процедуры, не применяемые в процессе рабочего бурения. Например, три оборота бурового инструмента, остановка на несколько секунд. Цикл повторяется несколько раз ("рваный режим"), после чего микроконтроллер блока 4 "понимает", что следует переключиться на другую рабочую частоту, формируемую с его помощью. Последующие необходимые переключения рабочих частот происходят по подобному алгоритму.
В сравнении с прототипом заявляемый электронный зонд имеет более широкие эксплуатационные возможности и является более эффективным в работе.