АВТОНОМНАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ТОЧКА КОНТРОЛЯ СКВАЖИННОГО ТИПА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Полезная модель относится к области промысловой геофизики преимущественно для контроля сложных геологических процессов в зоне прохождения газо- и нефтепроводов.
Известна «Забойная телеметрическая система» предназначенная для измерения забойных параметров в процессе бурения скважин и передачи их на поверхность по электромагнитному каналу связи, включающее корпус, блок питания, измерительные и передающие модули (патент RU 2105880, МКИ Е21В 47/12). Каналом связи для передачи измеренных параметров на поверхность служат электромагнитные волны, излучаемые.телеметрической системой по горной породе.
Обеспечение получения информации с забоя скважины осуществляется по одному из известных принципов передачи сигнала по электромагнитному каналу связи, например, подобной телеметрической системе "Забой"
Однако при помещении этой телеметрической системы в обсадную трубу происходит экранирование излучения, что не позволяет передать измеренные данные на поверхность информацию по электромагнитному каналу связи.
Известна «Телеметрическая система для контроля глубинных параметров при эксплуатации скважин», предназначенная для контроля глубинных параметров в процессе эксплуатации скважин и передачи регистрируемых параметров на поверхность. Телеметрическая система включает корпус, блок питания, измерительные и передающие модули и электрический разделитель в виде отдельного переводника, устанавливаемого со стопорным кольцом в нижней части в месте планируемых исследований глубинных параметров скважины между обсадными трубами эксплуатационной колонны. Блок питания, измерительные и передающие модули помещены в корпусе телеметрической системы диаметром меньше внутреннего диаметра эксплуатационной колонны, определяемым заданным соотношением. В верхней части корпуса установлен овершот для доставки или извлечения корпуса телеметрической системы, вверху и внизу - по упругому центратору для центрирования скважинного прибора и обеспечения контакта для электрической связи скважинного диполя телеметрической системы со стенками эксплуатационной колонны. В эксплуатационной колонне устанавливают не менее двух электрических разделителей, причем процесс исследований начинают с верхнего разделителя, где после перемещения корпуса телеметрической системы на нижний разделитель остается подвижная втулка, обеспечивающая электрическую связь с верхней частью эксплуатационной колонны (патент RU 2174694, МКИ G01V 3/18, Е21В 47/12).
Недостатком данного устройства является низкая автономность работы.
Известно устройство (так называемые периферийные посты или точки контроля, являющиеся «нижним» уровнем системы мониторинга опасных геологических процессов (АСК-ГП)), разработанной ИГЭ РАН (см. http://eitec-eco.ru/ask/). Это устройство, принятое за прототип, включают блоки датчиков, модуль сбора данных, модем. Периферийные посты располагаются в помещениях, расположенных в зоне опасных экзогенно-геологических процессов, например, оползневых.
Недостатком данного устройства является сильная зависимость их работы от человеческого фактора (низкая автономность).
Техническая задача, на решение которой направлена данная полезная модель, заключается в обеспечении высокой автономности и продолжительности работы устройства при отсутствии проводных линий связи и постоянного энергообеспечения, в жестких климатических условиях размещения оборудования, при отсутствии постоянной охраны точек контроля и наблюдения за оборудованием.
Данная техническая задача решается тем, что автономная автоматизированная точка контроля скважинного типа системы мониторинга сложных геологических процессов, содержащая обсадную трубу с защитной крышкой и изоляционной прокладкой, имеющая в защитной крышке отверстие для герметизированного ввода антенного кабеля, запорное устройство в виде болта с нестандартной формой головки, размещенного в металлической трубке с резьбой, приваренной к защитной крышке, при этом к оголовку обсадной трубы присоединена мачта антенны, на которой закреплена вандалоустойчивая штыревая антенна, подключенная антенным кабелем к радиомодему, пластиковую трубу, помещенную в обсадную трубу, при этом в пластиковой трубе размещаются блок сбора и передачи данных, содержащий соединенные между собой радиомодем, контроллер и источник питания, а пластиковая труба прикреплена в обсадной трубе таким образом, что блок сбора и передачи данных находится ниже уровня грунта, при этом пластиковая труба закрыта герметизированными вводами, а через верхний герметизированный ввод проходит антенный кабель и трос.
Блок сбора и передачи данных выполнен с возможностью оптимизации по режиму энергопотребления, а измерения производят в дискретные моменты времени, которые определяются предварительной настройкой таймера блока сбора и передачи данных.
Пластиковая труба выполнена с направляющими канавками для датчиков, а в качестве материала используют высококачественный АВС-пластик.
Количество датчиков и их номенклатура зависит от процессов, подлежащих контролю. Датчики размещаются на тросе по всей длине подвеске равномерно с шагом 1 м. Каждый датчик имеет свой индивидуальный уникальный адрес, а каждому контроллеру присваивается идентификационный сетевой номер - адрес.
На фиг.1 показана в разрезе точка контроля, установленная в месте мониторинга опасных геологических процессов газо- или нефтепровода.
На фиг.2 показан оголовок обсадной трубы с размещенной на нем антенной.
На фиг.3 показана блок схема блока сбора данных.
На фигурах приведены следующее обозначения:
1 - обсадная труба;
2 - защитная крышка;
3 - изоляционная прокладка;
4 - запорное устройство;
5 - пластиковая труба;
6 - блок сбора и передачи данных;
7 - трос;
8 - датчики;
9 - антенный кабель;
10 - герметизированный ввод;
11 - антенна;
12 - мачта антенны;
13 - радиомодем;
14 - источник питания;
15 - контроллер.
При разработке системы мониторинга выделены следующие типы сложных геологических процессов, которые система мониторинга должна контролировать:
распространение просадочных грунтов;
распространение многолетнемерзлых грунтов;
развитие морозного пучения;
развитие наледей;
развитие термокарста;
развитие солифлюкции;
развитие курумов;
оползнеопасные участки;
развитие осыпей и обвалов;
развитие карста;
зоны (участки) высокой сейсмичности.
Каждый участок контролируется одноименным пунктом наблюдения
Автоматизированному контролю с помощью датчиков подлежат процессы, приведенные в таблице 1. Другие параметры и типы сложных геологических процессов контролируются в неавтоматизированном режиме, периодически, при посещении объекта наблюдения.
Таблица 1
Перечень процессов, подлежащих автоматизированному контролю
Опасный процесс
Контролируемые параметры
Периодичность
Распространение просадочных грунтов
Наклон трубопровода
от 1 раза в час до 1 раза в сутки
Распространение многолетнемерзлых грунтов
Наклон трубопровода
от 1 раза в час до 1 раза в сутки
Развитие термокарстов
Температура грунта
от 1 раза в час до 1 раза в сутки
Оползнеопасные участки
Величина смещения и уровень подземных вод
от 1 раза в час до 1 раза в сутки
Развитие осыпей и обвалов
Величина смещения и уровень подземных вод
от 1 раза в час до 1 раза в сутки
Зоны (участки) высокой сейсмичности.
Ускорение движения грунтовых масс
от 1 раза в час до 1 раза в сутки
Разработанная полезная модель может быть установлена для контроля любого из процесса, представленного в таблице 1.
Устройства мониторинга каждого из типов геологических процессов на участках определены в зависимости от параметров развития процессов, которые необходимо контролировать.
Обсадная труба 1 предназначена для монтажа всех элементов автономной автоматизированной точки контроля скважинного типа системы мониторинга сложных геологических процессов и устанавливается в скважинах. Обсадная труба 1 имеет защитную крышку и изоляционную прокладку. В защитной крышке имеется отверстие для герметизированного ввода кабеля 9 антенны и троса 7. К оголовку обсадной трубы присоединена мачта антенны 12.
Оголовок обсадной трубы 1 закрывается защитной крышкой 2. Между защитной крышкой и оголовком обсадной трубы устанавливается изоляционная прокладка 3. В защитной крышке имеется запорное устройство 4 в виде болта с нестандартной формой головки, размещенного в металлической трубке с резьбой.
Пластиковая (или металлическая) трубу 5 помещена в обсадную трубу 1. Пластиковая труба 5 закрыта герметизированными вводами 10, а внутри пластиковой трубы 5 на тросе 7, размещены блок сбора и передачи данных 6 и датчики 8. Через верхний герметизированный ввод 10 проходит трос 7 и антенный кабель 9, соединяющий антенну 11 с блоком сбора и передачи данных. Пластиковая труба 5 выполнена с направляющими канавками для датчиков, а в качестве материала используют высококачественный АВС-пластик.
Пластиковая труба закрыта герметизированными вводами 10. Через верхний герметизированный ввод 10 проходит антенный кабель 9, соединяющий антенну 11 с блоком сбора и передачи данных.
Блок сбора и передачи данных 6 выполняет следующие функции:
сбор данных мониторинга с точек контроля;
привязку полученных данных к системному времени;
сохранение полученных данных в собственной энергозависимой памяти;
передачу собранной информации на сервер (в режиме автоматизированного наблюдения или на терминал (в режиме посещения);
диагностика средств мониторинга точек контроля и линий связи.
Блок сбора и передачи данных 6 оптимизирован по режиму энергопотребления. Измерения происходят в дискретные моменты времени, которые определяются предварительной настройкой таймера блока сбора и передачи данных 6. Энергопотребление блока сбора и передачи данных 6 в период между сеансами измерений минимизировано до нескольких микроватт. Процесс опроса датчиков 8 учитывает время их отклика до выдачи достоверных параметров после подачи питания.
Блок сбора и передачи данных 6 состоит из радиомодема 13, контроллера 15 и источника питания 14.
В качестве радиомодема 13 могут быть использованы радиомодемы модели LPD класса для локального сбора данных.
В качестве источника питания 14 могут быть применены литиевые батареи необходимой емкости.
Контроллер 15 осуществляет сбор данных с подключенных датчиков 8 и накопление их в энергонезависимой памяти.
Количество датчиков 8 и их номенклатура зависит от процессов, подлежащих контролю и могут включать датчики температуры, смещения определения уровня грунтовых вод и т.д.
Причем в качестве датчиков используют цифровые термометрические датчики, на печатных платах, помещенные во влагонепроницаемый корпус.
В качестве универсальных датчиков смещения используют инклинометрические одно- или двухосные датчики в качестве датчиков уровня грунтовых вод используют дифференциальные датчики уровня погружного типа.
Антенна 11 выполненная в антивандальном варианте и закреплена на мачте антенны 12, которая прикреплена к обсадной трубе 1. Антенна 11, подключенная антенным кабелем 9 к радиомодему.
Устройство работает следующим образом.
В точках прохождения трасы газо- или нефтепроводов, в которых по данным геологических и геофизических исследований наиболее вероятны проявления опасных геологических процессов в пробуренных скважинах устанавливают обсадные трубы 1. В трубу 1 помещают пластиковую (или металлическую) трубу 5, внутри которой на тросе 7, размещены датчики 8 и блок сбора и передачи данных 6 в составе радиомодема 13, контроллера 15 и источника питания 14. Пластиковая труба закрыта герметизированными вводами 10. Через верхний герметизированный ввод 10 проходит антенный кабель 9, соединяющий антенну 11 с блоком сбора и передачи данных.
В свою очередь антенна 11 выполненная в антивандальном варианте и закреплена на мачте антенны 12, которая прикреплена к обсадной трубе 1. Оголовок обсадной трубы 1 закрывается защитной крышкой 2. Между защитной крышкой и оголовком обсадной трубы устанавливается изоляционная прокладка 3. В защитной крышке имеется запорное устройство 4 в виде болта с нестандартной формой головки, размещенного в металлической трубке с резьбой. Пластиковая 5 труба прикреплена к обсадной трубе 1 таким образом, что блок сбора и передачи данных 6 находится ниже уровня грунта. Контроллеру 15 присваивается идентификационный сетевой номер - адрес, каждому датчику 8 присваивается индивидуальный уникальный адрес.
Датчики 8, контроллер 15 и радиомодем 13 запитывают от источника питания 14. Все средства мониторинга оптимизированы для размещения в скважинах малого диаметра (50-70 мм).
Датчики 8 под управлением контроллера 15 фиксируют измеряемые параметры. Опрос датчиков 8 осуществляется контроллером по заданному расписанию и/или запросам. Передача данных осуществляется радиомодемом 13 по запросу или по ранее установленному расписанию. Блок сбора и передачи данных 6 функционирует в энергосберегающем режиме, обеспечивающем минимальное потребление энергии. Точки контроля настраиваются на режим периодического измерения с регулируемым периодом срабатывания.
Блок сбора и передачи данных 6 накапливает собранные данные в микросхемах оперативной энергонезависимой памяти) с последовательным интерфейсом DataFlash серии АТ45 емкостью 8-16 Мбайт (8-выводный SOIC). Глубина хранения данных определяется очередным сеансом связи с сервером сбора данных. После подтверждения успешного приема информационного пакета память блока сбора и передачи данных 6 очищается.
В случае нарушения канала связи блок сбора и передачи данных 6 накапливает данные до восстановления канала связи. Объем суточной накапливаемой информации для наиболее емких измерений составляет чуть более 1 Кбайта, что позволяет накапливать данные за 7000 суток.
Блок сбора и передачи данных 6 обеспечивает преобразование сигналов аналоговых датчиков в цифровой вид и формирование информационных пакетов определенной структуры.
В качестве источника питания 14 могут быть применены литиевые батареи необходимой емкости.
В качестве радиомодема 13 могут быть использованы радиомодемы модели LPD класса для локального сбора данных.
Блок сбора и передачи данных 6 оптимизирован по режиму энергопотребления. Измерения происходят в дискретные моменты времени, которые определяются предварительной настройкой таймера блока сбора и передачи данных 6. Энергопотребление блока сбора и передачи данных 6 в период между сеансами измерений минимизировано до нескольких микроватт. Процесс опроса датчиков 8 учитывает время их отклика до выдачи достоверных параметров после подачи питания.
В качестве универсальных датчиков смещения предлагаются соединенные в гирлянду инклинометрические одно- или двухосные датчики, разработанные для автоматического мониторинга критических зон. Этопозволяет контролировать профиль обсадной трубы 1 и отслеживать послойные смещения грунтов.
В качестве датчиков температуры могут быть использованы цифровые термометрические датчики, размещенные на печатных платах, помещенных во влагонепроницаемый корпус. Посредством датчиков температуры осуществляется температурный контроль объектов, расположенных в зоне вечномерзлых грунтов. Датчики размещаются по всей длине термогирлянды равномерно с шагом 1 м.
В качестве датчиков уровня грунтовых вод могут быть использованы гидростатические датчики погружного типа. Данный тип датчиков предназначен для непрерывного измерения уровня подземных вод и обладает высокой точностью измерений. За счет использования 16 битного аналого-цифрового усилителя-преобразователя на основе интегрированной микропроцессорной сборки, достигается активная компенсация отклонений характеристик чувствительного элемента (компенсация нелинейностей, компенсация влияния температуры).
В данном конструктивном исполнении типовое потребление средств мониторинга точки контроля составит:
Время измерения и передачи данных с синхронизацией времени не превысит 15…20 сек.
Расчетный суточный разряд автономных батарей питания - 0,015 А/ч.
Расчетное время работы батарей до уровня заряда 15% - 800 суток.
Максимальная дальность связи через радиомодемы - до 3-х км.
Периодичность передачи информации с точки контроля оперативно настраивается и может составлять от одного измерения в час, до одного раза в сутки и реже.
Предлагаемая полезная модель полностью решает поставленную техническую задачу. Ее реализация особенно эффективна при прохождении трассы газо- нефтепроводов в условиях многолетних мерзлых грунтов и позволит обеспечить автономный автоматический сбор по трассе и передачуданных о состоянии геологической среды в местах наличия морозного пучения, наледей, термокарстов, солифлюкции, курумов.