СТЕНД ГИДРАВЛИЧЕСКОГО КАНАЛА СВЯЗИ
HYDRAULIC COMMUNICATION CHANNEL STAND

Изобретение относится к устройствам для имитации гидравлического канала передачи данных при строительстве скважин, считывания показаний с измерительных приборов (например, датчиков давления или температуры) и передачи по запросу показаний в сеть сбора данных и может быть применено для настройки, проведения исследований на этапе проектирования, отладки до спуска в скважину и отработки полученных результатов.
Из уровня техники известна телеметрическая система гидроимпульсов для использования в качестве части системы измерения во время бурения (Европейский патент Е21В 47/12), содержащая передатчик восходящей линии связи, включающий в себя многоуровневый кодер и передатчик гидроимпульсов непрерывного действия, и приемник включающий в себя многоуровневый декодер. Также может быть предоставлена система нисходящей линии связи, содержащая передатчик. Сигналы восходящей и нисходящей линии связи могут мультиплексироваться по частоте для одновременной передачи.
Недостатком известной системы является то, что ее использование ограниченно скважиной, т.е. только в процессе непосредственного бурения. Это приводит к тому, что невозможно исследовать работу системы до начала ее работы. Система может использоваться для передачи сигналов по каналу бурового раствора в скважине, в частности, в системе измерения во время бурения, но не может моделировать его для получения данных в процессе проектирования.
Из уровня техники известно устройство сбора данных на базе интерфейса "токовая петля" (патент РФ №99876). Устройство предназначено для считывания показаний с измерительных приборов и передачи по запросу показаний в сеть сбора данных с возможностью применения радиоканала. Устройство сбора данных на базе интерфейса «токовая петля» содержит кросс-плату, контроллер, включающий радиоконтроллер, блок энергонезависимой памяти, исполнительный блок, часы реального времени, согласующее устройство с двумя аналоговыми входами, выход управления внешним устройством, источник питания, присоединенный к контроллеру, согласующему устройству и выходу управления внешним устройством.
Недостатком устройства является отсутствие возможности моделирования внешних помех при сборе данных, что в свою очередь исключает возможность моделирования канала передачи данных в процессе бурения скважин.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для передачи информации по гидравлическому каналу связи (патент РФ №29383). Устройство включает источник питания, блок датчиков, блок преобразователей сигналов датчиков, модулятор, привод модулятора и связанную с блоком преобразователей цифровую схему управления приводом модулятора, содержащую схему запуска переходов, фазовый накапливающий сумматор, управляющую логическую схему, детектор частоты вращения привода модулятора, тахометр, формирователь сигналов тахометра, фазовый детектор, ключ замыкания петли обратной связи, времязадающие цепи с ключами, управляющий генератор, схему переключения привода и генератор опорных частот, причем выход схемы запуска переходов соединен с входами фазового накапливающего сумматора и управляющей логической схемы, выходы которой соединены с входами ключа замыкания петли обратной связи, ключами времязадающих цепей и детектора частоты вращения привода модулятора, выход тахометра через формирователь сигналов соединен с входами фазового накапливающего сумматора, детектора частоты вращения и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом генератора опорных частот, а выход через ключ замыкания петли обратной связи объединен с выходом одного из ключей времязадающих цепей и соединен с входом управляющего генератора, схема переключения привода соединена с приводом модулятора, кроме того, выходы генератора опорных частот подключены к входам фазового накапливающего сумматора и детектора частоты вращения привода модулятора, в схему управления приводом модулятора дополнительно введены блок управления, запоминающее устройство, арретир, датчик взаимного положения решеток модулятора, дополнительный источник питания и преобразователь напряжения, причем блок управления через преобразователь напряжения соединен с источниками питания, другой его вход соединен с выходом блока преобразователей сигналов датчиков, который также соединен с информационным входом запоминающего устройства, выход которого - с первым входом схемы запуска переходов, второй вход которого соединен с выходом связанного с арретиром датчика взаимного положения решеток модулятора, выходы блока управления соединены с управляющими входами запоминающего устройства, генератора опорных частот и времязадающих цепей с ключами, а выход управляющего генератора соединен с входом схемы переключения привода модулятора. Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, источник питания, подключенный к блоку датчиков, которые через блок преобразователей сигналов подключены к модулятору.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является сложность конструкции, состоящей из большого количества элементов для создания гидравлического сигнала. Так же к недостаткам относятся подвижные элементы, создающие гидравлический сигнал, ввиду ограниченного срока службы подвижных элементов. Известное устройство не позволяет обеспечить имитацию гидравлического канала передачи данных при строительстве скважин на этапе разработки и настройки телеметрического оборудования.
Из анализа уровня техники выявлено, что на сегодняшний день не существует стенда для имитации гидравлического канала связи в скважине, который бы обеспечил имитацию гидравлического канала передачи данных при строительстве скважин на этапе разработки и настройки телеметрического оборудования, позволил разработать сложный алгоритм распознавания и декодирования сигнала для более точной передачи информации от забойной телеметрической системы на устье скважины, что в свою очередь увеличило качество поступающей информации и, как следствие, точность проводки по сложному профилю.
Задачей заявляемого изобретения является создание стенда гидравлического канала связи, позволяющего обеспечить имитацию гидравлического канала передачи данных при строительстве скважин на этапе разработки и настройки телеметрического оборудования, разработать сложные алгоритмы распознавания и декодирования сигнала для более точной передачи информации от забойной телеметрической системы на устье скважины для построения телеметрической системы для строительства скважин при упрощении конструкции.
Поставленная задача была решена за счет того, что известный стенд гидравлического канала связи, содержащий источник питания, подключенный к блоку датчиков, которые через блок преобразователей сигналов подключены к модулятору, согласно изобретению содержит блок формирователя/обработчика сигналов управления и интерфейса, соединенный с блоком преобразователей сигналов, выполненного с возможностью синтезирования информационного пакета, эмулирования командного сигнала от устья скважины и синтезирования шумового сигнала, накладываемого на полезный сигнал, связанный через драйвер «токовой петли» с формирователем сигналов давления в монифольде и формирователем канала связи, блок датчиков наземного оборудования, связанный шлейфом с блоком формирователя/обработчика сигналов управления с возможностью эмулирования входящего канала связи от забоя к устью скважины, драйвер обмена данными с блоком инклинометрии, выполненный с возможностью отладки системы управления буровым инструментом, при этом для имитации гидравлического канала связи в исходный сигнал, поступающий на вход буферного усилителя, после его прохождения через аттенюатор, подмешивается шумовой программируемый сигнал с генератора шума, проходящий через преобразователь «напряжение-ток» на выход и по интерфейсу «токовая петля 4-20 мА» подается на центральное процессорное устройство физического уровня, выполненное с возможностью восстановления до исходного состояния с помощью алгоритмов помехоустойчивого кодирования.
Кроме того, стенд может содержать визуализатор-обработчик верхнего уровня.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - блок формирователя/обработчика сигналов управления и интерфейса, соединенный с блоком преобразователей сигналов, выполненного с возможностью синтезирования информационного пакета, эмулирования командного сигнала от устья скважины и синтезирования шумового сигнала, накладываемого на полезный сигнал, связанный через драйвер «токовой петли» с формирователем сигналов давления в монифольде и формирователем канала связи; блок датчиков наземного оборудования, связанный шлейфом с блоком формирователя/обработчика сигналов управления с возможностью эмулирования входящего канала связи от забоя к устью скважины; драйвер обмена данными с блоком инклинометрии, выполненный с возможностью отладки системы управления буровым инструментом; при этом для имитации гидравлического канала связи в исходный сигнал, поступающий на вход буферного усилителя, после его прохождения через аттенюатор, подмешивается шумовой программируемый сигнал с генератора шума, проходящий через преобразователь «напряжение-ток» на выход и по интерфейсу «токовая петля 4-20 мА» подается на центральное процессорное устройство физического уровня, выполненное с возможностью восстановления до исходного состояния с помощью алгоритмов помехоустойчивого кодирования; визуализатор-обработчик верхнего уровня.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволят разрабатывать и настраивать телеметрическое оборудование, разрабатывать сложный алгоритм распознавания и декодирования сигнала для более точной передачи информации от забойной телеметрической системы на устье скважины, что в свою очередь увеличит качество поступающей информации и, как следствие, точность проводки по сложному профилю.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для имитации гидравлического канала передачи данных при строительстве скважин.
На фиг.2 показана функциональная схема.
На схеме показаны:
А1 - буферный усилитель;
А2 - генератор шума;
A3 -аттенюатор;
А4 - преобразователь «напряжение-ток».
На фиг.3 показана принципиальная схема.
Стенд гидравлического канала связи (фиг.3) содержит источник питания 1, подключенный к блоку датчиков 2, которые через блок преобразователей сигналов 3 подключены к модулятору 4. В качестве модулятора 4 использован драйвер «токовая петля» 4. К драйверу "токовая петля" 4 подключен формирователь канала связи 5. К блоку преобразователей сигналов 3 подключены блок формирователя/обработчика сигналов управления и интерфейса 6, блок датчиков наземного оборудования 7, формирователь сигналов давления в манифольде 8 и драйвер обмена данными 9 с блоком инклинометрии.
Блок преобразователей сигналов 3 выполнен с возможностью синтезирования информационного пакета, эмулирования командного сигнала от устья скважины и синтезирования шумового сигнала, накладываемого на полезный сигнал.
Блок датчиков наземного оборудования 7 связан шлейфом с блоком формирователя/обработчика сигналов управления 6 с возможностью эмулирования входящего канала связи от забоя к устью скважины.
Драйвер обмена данными 9 с блоком инклинометрии выполнен с возможностью отладки системы управления буровым инструментом.
Стенд может содержать визуализатор-обработчик верхнего уровня (на чертеже не показан).
Аппаратная часть системы имитации имеет двухуровневую структуру (фиг.1): нижний уровень выполнен на основе мощного микроконтроллера STM32F407, обеспечивающего взаимодействие системы на физическом уровне сигналов, и верхний уровень - основой которого является одноплатный мини-компьютер Raspbery Pi, выполняющий функции управления системой и реализации человеко-машинного интерфейса. Связь между уровнями осуществляется по UART - протоколу.
Программное обеспечение нижнего уровня реализовано на языке Си в среде Keil u-Vision, а верхнего - на языке Python в среде Raspbian с использованием визуальных библиотек Qt.
Стенд работает следующим образом.
Имитация гидравлического канала связи заключается в следующем: эмулируется среда передачи данных по гидроканалу с помощью генерации импульсов прямоугольной формы стандартной амплитуды и определенной частоты (фиг.2), параметры которых затем изменяются таким образом, как могла бы их исказить реальная среда передачи -скважина с буровым раствором (работа долота, насосов, вращение колонны и др.) - до того, как они будут зафиксированы датчиком давления приемного устройства. Для этого в исходный сигнал, поступающий на вход буферного усилителя А1 (фиг.2), после его прохождения через аттенюатор A3, подмешивается шумовой программируемый сигнал с генератора шума А2. Полученный сигнал через преобразователь «напряжение-ток» А4 проходит на выход и по интерфейсу «токовая петля 4-20 мА» подается на центральное процессорное устройство физического уровня, где с помощью алгоритмов помехоустойчивого кодирования восстанавливается до исходного состояния.
Посредством блока преобразователей сигналов 3 (фиг.3) синтезируется исходящий информационный пакет, эмулируя командный сигнал от устья скважины, который через драйвер «токовой петли» 4 поступает на формирователь сигналов давления в манифольде 8. Вместе с тем он же 3 синтезирует шумовой сигнал с заданными параметрами, который накладывается на полезный сигнал. Параметры шумового сигнала задаются визуализатором - обработчиком на основе предварительных выборок реального шумового сигнала. Через шлейф, образованный между боками 5 и 7 результирующий сигнал поступает снова на блок преобразователей сигналов 3. Таким образом, имитируется реальный гидравлический канал связи, позволяя исследовать эффективность применения различных алгоритмов цифровой фильтрации для восстановления исходного сигнала.
Шлейф между блоками 6 и 7 позволяет аналогично эмулировать входящий канал связи от забоя к устью скважины. Драйвер обмена данными 9 предназначен для отладки системы управления буровым инструментом.
Предлагаемый стенд, эмулируя с достаточной полнотой систему управляемого бурения, позволяет значительно сократить расходы, возникающие при выездах на натурные испытания при ее доработках. Кроме того, обеспечивается упрощение конструкции стенда.