Устройство для передачи информации по гидравлическому каналу связи

° °       МПК5 G01V 1/40
Устройство для передачи информации по гидравлическому каналу связи
Полезная модель относится к области геофизических исследований и может быть использована в скважинных измерительных системах с гидравлическим каналом связи.
Известно устройство для регистрации в процессе бурения, содержащее источник питания, блок датчиков, блок преобразователей сигналов датчиков, модулятор, привод модулятора и связанную с блоком преобразователей аналоговую схему управления приводом модулятора (пат. США .№ 3789355, G01V 1/40, НКИ 340/18 ЬД, 01. 1974 г.). Так как схема управления работает при относительно низкой частоте, заложенной в ней аналоговый принцип не может обеспечить оптимальную скорость кодирования-декодирования. Кроме того, каждая аналоговая система зависит от температуры и нестабильна в широком диапазоне температур.
В качестве прототипа принято устройство для передачи информации по гидравлическому каналу связи, включающее 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, фазовый детектор, ключ замыкания петли обратной связи, ускоряющий и замедляющий ключи, управляющий генератор, генератор фазовых сигналов, схему переключения привода, тахометр, преобразователь сигналов тахометра и генератор опорных частот (пат. США № 4100528, G01V 1/40, НКИ 340/18ЬД, 6. 1978 г.).
Недостатками прототипа являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные невозможностью изменения основной несущей частоты непосредственно в процессе работы при измеряющихся условиях в забое (отсутствие режима адаптации), невозможность измерения параметров и хранения информации при отсутствии циркуляции бурового раствора, т.к. источник питания системы работает только при прокачке бурового раствора. Кроме того, прототип имеет недостаточную надежность из-за возможности полного перекрытия ствола скважины решетками модулятора при останове привода.
Задачами, на решение которых направлено заявляемая полезная модель являются повышение надежности и расширение эксплуатационных возможностей устройства.
Технический эффект, который может быть получен от использования полезной модели заключается в возможности адаптации устройства к изменяюш;имся условиям в забое в процессе бурения, повышение энерго- и помехозаш;ищенности устройства и исключение возможности перекрытия потока раствора решетками модулятора при остановке привода.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в устройстве для передачи информации по гидравлическому каналу связи, включающем источник питания, блок датчиков, блок преобразователей сигналов датчиков, модулятор, привод модулятора и связанную с блоком преобразователей цифровую схему управления приводом модулятора, содержаш; тю схему запуска переходов, фазовый накапливаюш;ий сумматор, управляющую логическую схему, детектор частоты вращения привода модулятора, фазовый детектор, ключ замыкания петли обратной связи, времязадающие цепи с ключами, управляющий генератор, схему переключения привода, тахометр, преобразователь сигналов тахометра и генератор опорных частот, в отличие от прототипа в схему управления приводом модулятора введены дополнительный источник питания, преобразователь напряжения, блок управления, запоминающее устройство, арретир и датчик взаимного положения рещеток модулятора, причем блок управления через преобразователь напряжения подключен к источникам питания, входы его соединены с соответствующими выходами блока преобразователей сигналов датчиков, генератора опорных частот и запоминающего устройства, а выходы соединены с соответствующими управляющими входами времязадающих цепей с ключами, генератора опорных частот и запоминающего устройства, информационный вход которого соединен с выходом блока преобразователей, а выход соединен с первым входом схемы запуска переходов, арретир установлен между модулятором и его приводом и соединен с входом датчика взаимного положения решеток модулятора, выход датчика соединен с вторым входом схемы запуска переходов, а выход управляющего генератора соединен с входом схемы переключения привода.
На фиг. 1 показана схема бурения скважины с использованием гидравлического канала связи; на фиг. 2 - блок-схема управления приводом модулятора.
Устройство для бурения содержит буровой инструмент 1, источник питания 2, выполненный, например, в виде турбины, расположенной в потоке бурового раствора, и генератора, скважинный электронный блок 3, содержащий блоки датчиков 4 и блок преобразователей сигналов датчиков 5; модулятор 6, содержащий статор и ротор с решетками для перекрытия потока бурового раствора, привод модулятора 7 с редуктором и схему управления приводом 8. Все элементы системы собраны в контейнере 9 и размещены в компоновке низа бурильной колонны. Колонна буровых труб подвешена шарнирно на крюке 10 буровой вышки (не показана). На наземной части колонны буровых труб устанавливается приемник канала связи 11, подключенный к устройствам обработки и хранения 12 информации и вывода информации на дисплей и печать 13. Буровой раствор подается в скважину насосом 14 по подводящей линии 15.
Общая схема бурения с гидравлическим каналом связи широко известна и заключается в следующем. В процессе бурения забой промывается потоком бурового раствора. За счет вращения турбины электромагнитного генератора в потоке раствора источник питания 2 вырабатывает электроэнергию для питания всех устройств электронного блока 3, в котором происходит измерение забойных параметров, преобразование, кодирование информации, управление и передача информации на поверхность по столбу бурового раствора с помощью решеток модулятора 6, которые приводятся во вращение приводом 7, возможно, через редуктор. На поверхности сигналы принимаются приемником канала связи 11, предварительно обрабатываются в устройствах 12 и выводятся на устройства вывода информации 13.
Заявляемое изобретение существенно отличаются от известных схемой управления приводом 7 модулятора, представленной на фиг. 2. Она включает дополнительный источник питания 16, преобразователь напряжения 17, блок управления 18, запоминающее устройство 19, схему запуска переходов 20, фазовый накапливающий сумматор 21, управляющий логическую схему 22, детектор частоты вращения привода 23, ключ замыкания петли обратной связи 24, времязадающие цепи 25 и 26 с ключами 27 и 28, управляющий генератор 29, фазовый детектор 30, схему переключения привода модулятора 31, тахометр 32, формирователь сигналов тахометра 33, арретир 34, датчик взаимного положения решеток модулятора 35 и генератор опорных частот 36. Блок управления 18 через преобразователь напряжения 17 подключен к основному 2 и дополнительному 16 источникам питания, вход блока управления соединен с выходом блока преобразователей 5, а выходы - с соответствующими управляющими входами времязадающих цепей 25 и 26 с ключами 27 и 28, генератора опорных частот 36 и запоминающего устройства 19, информационный вход которого соединен с выходом блока преобразователей 5, а выход - с первым входом схемы запуска переходов 20, выход которого соединен с одним из входов управляющей логической схемы 22 и с первым входом фазового накапливающего сумматора 21, выход которого соединен со вторым входом управляющей логической схемы 22, выходы которой соединены с ключом замыкания петли обратной связи 24, ключами 27 и 28 времязадающих цепей 25 и 26 и с первым входом детектора частоты вращения привода модулятора 23, выход которого соединен с третьим входом управляющей логической схемы 22; в цепь привода последовательно включены тахометр 32 и формирователь сигналов тахометра 33, первый выход которого соединен с входами фазового накапливающего сумматора 21 и детектора частоты вращения привода 23, а второй - с вторым входом фазового детектора 30, первый вход которого соединен с генератором опорной частоты 36, а выход через ключ 24 объединен с выходом ключа 28 и соединен с управляющим генератором 29, выход которого соединен с входом схемы переключения привода 7; между приводом 7 и модулятором 6 установлен арретир 34, связанный с датчиком взаимного положения решеток модулятора 6, выход которого соединен с вторым входом схемы запуска переходов, а сигналы с генератора опорных частот 3 подаются также на входы фазового накапливающего сумматора 21 и детектора частоты вращения привода 23.
Блок датчиков 4 может иметь в своем составе датчики, измеряющие угловые параметры траектории скважины, гидроакустические шумы в призабойной зоне, технологические параметры (угол установки отклонителя, расход жидкости и др.), геофизические параметры (гамма каротаж и др.). В блоке преобразователей 5 осуществляется преобразование информации из аналоговой формы в цифровой код. Преобразователь напряжения 17 может быть выполнен на компараторах с времязадающей цепью, по известной схеме (А.Г. Алексенко и др. Применение интегральных аналоговых микросхем. М. Радио и связь, 1985 г. - 304с). Он содержит выпрямитель, на вход которого подается напряжение с генератора 2, и вторичный источник питания, вход которого посредством одного из компараторов с более низким порогом может переключаться на дополнительный источник питания 16 при отключении генератора. Другой компаратор с более высоким порогом регистрирует снижение циркуляции бурового раствора ниже рабочего диапазона, его выходной сигнал поступает в блок управления 18.
Блок управления 18 представляет собой электронный блок, реализованный на базе программируемой логики (микроконтроллера), например на базе микропроцессоров.
В запоминающем устройстве 19 осуществляется накопление, хранение и выдача в последовательном коде информации об измеренных параметрах. Арретир 34 обеспечивает фиксацию подвижной решетки модулятора 6 в положении минимального сопротивления потоку бурового раствора (при останове) и может
быть выполнен по контактной, механической или по бесконтактной, магнитоэлектрической схемам.
Генератор опорных частот 36 формирует на выходах электрические сигналы стабильной частоты, задаваемые по команде блока 18. Питание электрических и электромеханических цепей забойной части осуществляется от электромашинного генератора 2, вторичное преобразование электроэнергии осуществляет преобразователь 17. Обеспечение независимости работы цепей управления от электромашинного генератора обеспечивается источником питания 16, в качестве которого может быть использован, например, электрохимический источник тока.
Работа забойной части системы инициируется циркуляцией бурового раствора по достижении расхода жидкости выше определенного порога (аналогично прототипу). В первоначальный момент система управления включает тестовый режим, который отрабатывается следующим образом:
-блок 18 анализирует информацию, формируемую измерительными преобразователями, определяющими уровень шумов в столбе бурового раствора в призабойной зоне;
-исходя из критерия минимальности шумов, выбирается несущая частота ( в заданных диапазоне и дискретности ) и соответственно настраиваются генератор опорных частот 36 и времязадающие цепи 25 и 26;
-выбранная несущая частота фиксируется в блоке 18, в соответствии с ней определенное время передается тестовая информация из блока 19 и номинал несущей частоты, при этом наземная часть системы, используя алгоритмы настройки, определяет несущую частоту и настраивается для перехода в рабочий режим, информация о номинале несущей частоты является контрольной, она включается в состав тестовой информации и используется наземной частью для точной настройки алгоритма приема.
По заверщению тестового режима система переходит в рабочий режим и передает измерительную информацию на поверхность. Тестовый режим может включаться периодически, после длительных отключений циркуляции бурового
раствора или по какому-либо сигналу с поверхности. Относительно кратковременные отключения (или при отсутствие сигнала с поверхности ), длительность которых определяется устройством управления, не инициируют тестовый режим.
В целях обеспечения точных измерений, особенно угловых параметров траектории скважины, предусмотрен специальный режим измерения, включаемый после каждого останова работы забойного оборудования. Момент останова может быть, например, определен по выходному напряжению электромашинного генератора. При этом результат измерений заносится в блок 19 и передается неоднократно в начале рабочего режима. Инициирование и управление измерениями осуществляет блок управления забойной части системы 18.
Рассмотрим работу отдельных элементов забойной части в установившемся режиме при передаче бита информации. Схема запуска переходов 20 устроена таким образом, что в случае появления на входе логического нуля направляющий сигнал не вырабатывается, ключ 28 разомкнут, 27 - замкнут. Привод 7 вращает вал модулятора 6 через редуктор с постоянной скоростью, жестко связанной с выбранной несущей . Постоянство скорости обеспечивается, аналогично прототипу, посредством формирования сигнала обратной связи (частоты вращения двигателя) тахометром 32 и формирователем 33, с выхода которого цифровая последовательность поступает на один из входов фазового детектора 30, на другой вход которого подан опорный сигнал соответствующей частоты. Выходной сигнал с детектора 30 через замкнутый ключ 24 поступает на вход генератора 31, где входной логический сигнал интегрируется и поступает на вход схемы переключения привода 31, преобразуется в необходимую форму и усиливается в зависимости от типа используемого двигателя (в прототипе использован 2-х фазный асинхронный двигатель, однако возможно применение другого электродвигателя).
Выходное напряжение схемы переключения подается непосредственно на привод модулятора 7, частота вращения которого поддерживается с высокой постоянной точностью благодаря рассмотренной замкнутой схеме с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) и, соответственно, формируется в канале несущая с неизменной частотой и фазой.
При появлении на входе схемы 20 логической единицы система передачи, с максимальным быстродействием, трансформирует фазу несущей частоты (сдвигает фазу на угол 180°). Это выполняется следующим образом. Схема 20 синхронно положению арретира 34 по сигналу датчика 35 вырабатывает управляющий сигнал в схему 21, выходной сигнал с которой воздействует на один из входов схемы 22, где формируются управляющие сигналы х, х иг. Первоначально
сигналом X размыкается ключ 28, сигналом z замыкается ключ 27. Сигналом х замыкается ключ 28. Цепь обратной связи ФАПЧ разрывается, на вход генератора 29 подается экспоненциально снижающееся напряжение ( и ), соответственно, пропорционально снижается частота выходного сигнала генератора 29 и электродвигатель 7 замедляется, частота несущей в канале падает (например, 9 Гц), схема 21 начинает отсчитывать фазовый сдвиг, при достижении заданной величины (порядка 115°) вырабатывается выходной управляющий сигнал в схему 22, которая при этом формирует сигнал z, размыкающий ключ 27, и соответственно (т.к. ) входное управляющее напряжение генератора 29 начинает нарастать по экспоненциальному закону () и, как следствие, двигатель начинает разгоняться. В силу того, что необходимо конечное время для разгона двигателя до номинальной частоты, продолжается накопление фазового сдвига (порядка 65° ). Момент достижения номинальной скорости вращения двигателя определяется детектором частоты 23, имеющим входы для опорной частоты и выходного сигнала формирователя 33, путем сравнения двух этих частот. При достижении номинальной скорости детектор 23 вырабатывает сигнал, поступающий на второй вход логической схемы 22, при этом отключается ключ 28 и замыкается ключ 24, схема ФАПЧ восстанавливается. Так же, как в прототипе, управление передачей реализовано, как видно из ранее изложенного, с использованием цифровых схем (преимущество такого подхода подробно изложено в описании прототипа и сомнений не вызывает). Отличие заключается в синхронизации процесса торможения двигателя с появлением тормозящего момента арретира, и разгона двигателя - с ускоряющим моментом арретира. Этим достигается повышение скорости и точности трансформации фазы при повышении КПД передачи в целом. При этом достигается максимальная скорость изменения фазы при малом отклонении средней величины несущей частоты от номинала.
Таким образом, предложенное решение позволяет повысить надежность и расширить эксплуатационные возможности устройства для передачи информации за счет повышения точности измерения, повышения помехозащищенности, увеличения быстродействия цифровой системы управления.
,