СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ ЗАБОЙНОЙ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С БЕСПРОВОДНЫМ КАНАЛОМ СВЯЗИ И ТУРБОГЕНЕРАТОРОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR OVERVOLTAGE PROTECTION OF ELECTRONIC CIRCUITS OF BOTTOMHOLE TELEMETRIC SYSTEM WITH WIRELESS COMMUNICATION CHANNEL AND TURBOGENERATOR AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области промысловой геофизики, а именно к средствам передачи информации из скважины на дневную поверхность в процессе бурения.
Известна забойная телеметрическая система (телесистема) ЗТС-54 ЭМ, выполненная на модульной основе и содержащая турбогенератор, модуль управления и связи (передатчик), инклинометрический и геофизический модули и электрический разделитель. Генератор имеет две обмотки: трехфазная служит для питания электронных схем, однофазная подключена к передатчику (инвертор на транзисторах), который управляется кодированными сигналами с помощью микроЭВМ. Передатчик подключен к электрическому диполю (Чупров В.П., Бикинеев А.А. // Система MWD с электромагнитным каналом связи для бурения скважин малого диаметра. - Геофизические исследования в нефтегазовых скважинах: Сб. статей / ред. колл. Кнеллер Л.Е. и др. - ОАО НПП «Науч. - исслед. и проект.-констр. ин-т геофиз. исслед. геологоразв. скв-н» (ОАО НПП «ВНИИГИС»). - Уфа: Изд-во Баш. Ун-та, 1998. - с.8-12 [1].
В телесистемах с беспроводным электромагнитным каналом связи для передачи информации с забоя на земную поверхность требуются значительные энергозатраты, что предусматривает наличие в телесистеме передатчика мощностью в сотни ватт. Такую мощность обеспечивают турбогенераторы - электрические машины, вращаемые потоком промывочной жидкости (Чупров В.П., Бикинеев А.А., Хренов А.И. // Энергетическое оснащение забойных телеметрических систем малого диаметра с беспроводным электромагнитным каналом связи. - НТВ «Каротажник», №73, Тверь, 2000, с.99).
Турбогенератор содержит фильтр промывочной жидкости, узел регулирования давления, гидравлический привод, узел передачи вращения и электрический генератор. Узел регулирования давления позволяет стабилизировать поток промывочной жидкости через турбинный узел турбогенератора при изменении ее расхода в пределах от 5 до 60 л/с, в результате чего при использовании различных буровых насосов удается стабилизировать в некоторых пределах обороты генератора и, соответственно, вырабатываемое напряжение, что обеспечивает устойчивый режим работы блока питания телесистемы и повышает ресурс работы турбогенератора.
Электрический генератор полностью изолирован и находится в воздушной среде. Связь гидравлической части с генераторной осуществляется через узел передачи вращения, представляющий собой магнитную муфту.
Представленная в статье конструкция защищена патентом №2109940. Известный турбогенератор телеметрической аппаратуры для исследования скважин в процессе бурения содержит гидротурбину, узел опоры вала гидротурбины с компенсатором давления и электромашинный генератор, а также регулятор расхода бурового раствора, проходящего через гидротурбину, установленный на корпусе турбогенератора, узел бесконтактной передачи вращения от вала гидротурбины к валу электромашинного генератора, выполненный в виде магнитной муфты, при этом узел опоры вала гидротурбины расположен в маслонаполненном защитном корпусе, а электромашинный генератор - в воздушной среде, отделенной от маслонаполненной части разделителем сред, установленным между ведущей и ведомой частями магнитной муфты и выполненным из материала с диамагнитными свойствами. Регулятор расхода бурового раствора выполнен в виде седла с отверстиями для прохода жидкости вне турбогенератора, перекрытыми подпружиненным клапаном (Пат. №2109940, опубл. 27.04.98, бюл. №12).
Такое выполнение регулятора расхода промывочной жидкости позволяет при возникновении избыточного перепада давления в гидротурбине разделять поток жидкости путем перемещения подпружиненного клапана, и таким образом, на гидротурбине в определенных пределах устанавливается постоянный перепад давления.
Недостаток метода регулирования расхода потока жидкости, проходящего через турбину в известной конструкции, заключается в следующем.
В процессе работы находящийся в промывочной жидкости мусор - посторонние частицы (кусочки резины, волокнистые структуры и т.д.), попадая в зазор между седлом и клапаном, засоряют подпружиненный клапан, который не выполняет функцию регулирования потока. Практически это приводит к тому, что весь поток жидкости проходит через турбинный узел, вследствие чего электрический генератор вырабатывает избыток электрической энергии, что приводит к выходу из строя электронных схем.
Известен турбогенератор для скважинной аппаратуры, снабженный фильтром для промывочной жидкости и содержащий корпус с отверстиями для прохода жидкости через гидротурбину, узел опоры вала гидротурбины и электромашинный (электрический) генератор, а также установленный в переводнике над турбогенератором регулятор расхода промывочной жидкости, проходящей через гидротурбину, включающий седло с отверстиями вне турбогенератора, отверстия седла регулятора расхода снабжены дросселирующими вставками и обеспечены герметизирующими пробками в количестве, необходимом для перекрытия всех отверстий (Пат. РФ №2232887, опубл. 20.07.2004, бюл. №20).
Перед спуском турбогенератора в скважину на устье определяется необходимый для работы турбогенератора расход промывочной жидкости в зависимости от ее реологических параметров. Регулирование необходимого расхода жидкости, проходящей через гидротурбину, осуществляют перекрытием герметизирующими пробками отверстий седла клапана, оставляя их открытыми от нуля до нескольких штук.
Недостаток устройства заключается в следующем: расход промывочной жидкости, необходимый для работы гидротурбины, определяется перед спуском турбогенератора в скважину и предполагается, что производительность бурового насоса, реологические параметры промывочной жидкости останутся постоянными во время работы. Но на практике эти параметры могут изменяться и возникает ситуация, когда предварительный подбор не обеспечивает оптимальный расход жидкости и работа гидротурбины нарушается.
Наиболее близким аналогом к патентуемой группе изобретений является описание конструкции и работы телесистемы с турбогенератором, представленное в статье [1].
Известный принцип работы забойной телеметрической системы с беспроводным каналом связи включает подачу питания от трехфазной обмотки турбогенератора (генератора) электронным схемам и подачу напряжения от однофазной (сигнальной) обмотки передатчику, подключенному к электрическому диполю и включающему инвертор на транзисторах, управляемый с помощью микроЭВМ.
Недостаток известной телесистемы заключается в том, что в процессе работы генератора могут возникать режимы, когда механизм регулирования потока жидкости, проходящего через гидротурбину, не срабатывает. Частота вращения вала турбины увеличивается, что приводит к возникновению повышенного напряжения на выходе генератора и резкому сокращению ресурса работы электронных схем. Экспериментально установлено, что безопасным режимом работы генератора данной конкретной конструкции является вращение вала генератора со скоростью до 6500 оборотов в минуту.
Задачей патентуемой группы изобретений является повышение надежности работы и увеличение ресурса работы электронных схем и турбогенератора.
Указанная задача решается тем, что в способе защиты от перенапряжения электронных схем забойной телеметрической системы с беспроводным каналом связи и турбогенератором, состоящим из гидротурбины, электрического генератора и магнитной муфты между ними, включающем подачу питания от трехфазной обмотки электрического генератора электронным схемам и подачу напряжения от однофазной (сигнальной) обмотки модулю управления и связи (передатчику), содержащему инвертор в виде мостовой схемы с ключами, управляемый с помощью микроЭВМ и подключенный к электрическому разделителю (диполю), вычисляют обороты ротора электрического генератора по временным интервалам между двумя переходами синусоидального напряжения на сигнальной обмотке через «нуль», при этом при превышении количества оборотов ротора электрического генератора выше допустимой величины замыкают сигнальную обмотку и все ключи в короткозамкнутую электрическую цепь, при этом создается тормозной момент, по величине превышающий момент магнитного сцепления между ведущей и ведомой частями магнитной муфты, вследствие чего они выводятся из магнитного зацепления и прерывается передача вращения от гидротурбины к электрическому генератору, тем самым останавливается его вращение.
Другими словами, при превышении количества оборотов турбогенератора выше установленной критической величины осуществляют прерывание подачи питания на электронные схемы.
Заявляется устройство для реализации способа, представляющее собой забойную телеметрическую систему с турбогенератором и беспроводным каналом связи, например электромагнитным, и содержащее электрический разделитель, модуль управления и связи, включающий микроЭВМ, измерительные модули и турбогенератор, состоящий из гидротурбины и электрического генератора, а также узел бесконтактной передачи вращения от вала гидротурбины к валу электрического генератора, выполненный в виде магнитной муфты. Модуль управления и связи включает инвертор в виде мостовой схемы с ключами. Плечи мостовой схемы инвертора соединены с сигнальной обмоткой электрического генератора через выпрямитель тока, а диагональ моста - с электродами электрического разделителя, выход микроЭВМ подключен к ключам, а вход - к сигнальной обмотке электрического генератора через схему определения переходов синусоидального напряжения на сигнальной обмотке через «нуль». При этом ключи инвертора включены в мостовую схему с возможностью образования с сигнальной обмоткой электрического генератора короткозамкнутой электрической цепи по команде микроЭВМ.
Существо патентуемой группы изобретений поясняется на чертежах (фиг.1-4), где:
на фиг.1 представлена модульная схема заявляемой забойной телесистемы;
на фиг.2 дана конструкция турбогенератора с узлом бесконтактной передачи вращения от вала гидротурбины к валу электрического генератора (генератора), выполненным в виде магнитной муфты;
на фиг.3 представлена блок-схема устройства для реализации способа защиты от перенапряжения электронных схем;
∩
∪
на фиг.4 изображены синусоидальный сигнал напряжения на сигнальной обмотке генератора (кривая  ) и импульсы на выходе схемы определения перехода сигнального напряжения через «нуль» (кривая ).
в
н
Телесистема устанавливается между забойным двигателем 1 и бурильной колонной 2 и содержит модуль управления и связи (передатчик) 3, измерительные модули 4, электрический разделитель 5 с электродами 5 (верх колонны) и 5 (низ колонны) и турбогенератор 6. Поз.7 - приемная антенна (фиг.1). Турбогенератор 6 состоит из гидротурбины 8, которая вращает с помощью магнитной муфты 9 при прокачке бурового раствора вал электрического генератора 10 (фиг.2). Генератор 10 имеет две обмотки: трехфазная II - служит для питания электронных схем 11, однофазная (сигнальная) I - подключена к передатчику 3 (инвертор на транзисторах), который управляется кодированными сигналами с помощью микроЭВМ 12 (фиг.3). Модуль управления и связи (передатчик) 3 подключен к электрическому диполю, образованному электрическим разделителем 5 и компоновкой бурильной колонны выше и ниже электрического разделителя (фиг.1).
Диполь излучает электромагнитные волны в окружающую породу. На поверхности земли сигнал от передатчика принимается как разность потенциалов между бурильной колонной 2 и приемной антенной 7, возникающая вследствие растекания тока по горной породе вокруг разделителя 5.
в
н
п
Как показано на фиг.3, инвертор 3 содержит четыре ключа 13, 14, 15, 16, соединенных мостовой схемой в электрическую цепь попарно и/или диагонально-противоположно, которые управляются микроЭВМ 12 через драйверы 17, 18, 19, 20, при этом плечи моста 21, 22, 23, 24 соединены через выпрямитель тока 25 с сигнальной обмоткой I генератора 10, а диагональ - с электродами (5 и 5) электрического разделителя 5 через сопротивление породы 26 (R). Электрический генератор 10 трехфазной (питающей) обмоткой II подключен к блоку питания электронных и измерительных схем 11, а сигнальной обмоткой I - к инвертору 3 через выпрямитель тока 25 и к схеме определения перехода синусоидального напряжения через «нуль» 27 (фиг.3).
Способ защиты от перенапряжения электронных схем забойной телеметрической системы с беспроводным каналом связи удобно пояснить на работе заявляемого устройства.
в
н
п
В штатном режиме, когда обороты турбогенератора меньше критических, например, установленных 6500 оборотов в минуту, с блока микроЭВМ 12 на инвертор 3 (фиг.3) поступает кодированный сигнал (например, последовательный код «Манчестер-II»). В соответствии с этим кодированным сигналом при помощи драйверов 17, 18, 19, 20 происходит переключение ключей 13, 14, 15 и 16 инвертора и через электроды диполя 5 и 5 в породу R направляется соответственно кодированный ток от сигнальной обмотки I генератора через выпрямитель тока 25 и инвертор 3.
п
п
Для предотвращения выхода из строя коммутаторов инвертора от перенапряжений, возникающих вследствие индукционных выбросов, моменты переключения плеч жестко связаны с моментом перехода через «нуль» синусоидальных сигналов напряжения турбогенератора (фиг.4). Эту задачу решает микроЭВМ, на вход которой поступают импульсы с выхода схемы определения перехода сигнального напряжения турбогенератора через «нуль» 27. При этом ключи замыкаются попарно и диагонально противоположно таким образом, чтобы электрическая цепь замыкалась через сопротивление породы R между двумя электродами 5н и 5в электрического разделителя 5, например, ключ 13 и ключ 15 замыкают цепь через сопротивление R в направлении тока А, а ключи 14 и 16 - в направлении тока Б.
п
По временным интервалам Т/2 между двумя импульсами «нуля», вырабатываемым в момент прохождения синусоиды напряжения на сигнальной обмотке I генератора через «нуль», микроЭВМ 12 вычисляет обороты турбогенератора (фиг.4). Как только обороты станут выше критических (например, выше 6500 об/мин), микроЭВМ подает команду на инвертор 3, замыкающую все ключи, исключая R и создавая цепь для сквозного максимального тока короткого замыкания, тем самым, устраивая короткое замыкание в сигнальной обмотке генератора, который приводит к возникновению максимального тормозного момента на генераторе. Тормозной момент, по величине значительно превосходящий магнитный момент сцепления ведущей и ведомой частей магнитной муфты, передается на магнитную муфту 9, срывает ее (выводит из магнитного зацепления указанные части магнитной муфты), устанавливая режим холостого хода. Передача вращения от турбины к ротору генератора прекращается. Тем самым устраняется превышение допустимого входного напряжения питания и вывода из строя электронных схем. Новое магнитное зацепление ведущей и ведомой частями магнитной муфты возможно только после полного останова гидротурбины, то есть прекращения прокачки.
После корректировки расхода бурового раствора через турбогенератор он снова запускается в работу.
Тем самым снижается аварийность проведения работ, повышается надежность и длительность работы турбогенератора, увеличивается срок службы электронных схем в электронном блоке.
Способ и устройство могут быть реализованы на основе использования известных технических средств, например телесистем ЗТС-42 ЭМ, широко применяемых при бурении горизонтальных скважин.