СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ И МОДУЛЬ ПОГРУЖНОЙ
TELEMETRIC INFORMATION TRANSMISSION SYSTEM AND SUBMERGED MODULE

Предлагаемые технические решения относятся к нефтедобывающей промышленности, а именно к системам и устройствам приема/передачи информации и электрической энергии к исполнительным приборам и механизмам при эксплуатации скважин для добычи флюида (многофазной среды - смеси нефти, попутной воды и попутного газа), обслуживания и исследования скважин.
Известно Устройство погружной телеметрии (патент №2272996, ЗАО "ЭЛЕКТОН", опубл. 27.03.2006), содержащее LC-фильтр, полупроводниковый диод, токовый делитель, источник питания, коммутатор, различного рода датчики. Устройство позволяет исключить температурную зависимость параметров элементов устройства, например, при перенапряжениях, возникающих при однофазных коротких замыканиях (КЗ), а также при испытаниях погружного электродвигателя и погружного кабеля мегомметром. Защита обеспечивается двухзвенным LC-фильтром и варистором, последовательно подключенными к входу устройства. Недостатком устройства является недостаточная скорость передачи измеряемых параметров, обусловленная большой постоянной времени нарастания LC-фильтра.
Известно также Устройство погружной телеметрии (патент №2624624, ООО «Эталон-Центр», опубл. 04.07.2017), содержащее коммутирующий элемент, присоединенный своим первым входом к выходу микропроцессорного устройства, а выходом к последовательной цепи из нагрузочного резистора и полупроводникового диода для передачи кодовой информации за счет модуляции во времени среднего тока потребления блока наземного телеметрической системы. Использование гальванического элемента, подключенного к первым входам питания микропроцессорного устройства, цифровых датчиков вибрации и блока источников тока, обеспечивает защиту устройства от повышенного постоянного напряжения и в нештатных режимах с однофазным КЗ на землю. Недостатком устройства является
Ближайшим аналогом предлагаемой системы передачи телеметрических данных является система передачи телеметрической информации (патент РФ на изобретение №2230187, опубл. 10.06.2004 г.), содержащая модуль наземный (МН), многофункциональный вход/выход которого подключен между нулем "звезды" вторичных обмоток трехфазного трансформатора и его заземленным корпусом, и модуль погружной (МП), многофункциональный вход/выход которого подключен между нулем "звезды" обмоток электродвигателя и его заземленным корпусом, а обмотки электродвигателя подключены к обмоткам трехфазного трансформатора через кабель для подачи питания на МП. МН и МП выполнены с возможностью подачи необходимого напряжения питания на все элементы, требующие питания.
МН содержит управляющее устройство модуля наземного (УМН), выполненное с возможностью распознавания поступающей кодированной телеметрической информации, для приема, обработки информации от МП и передачи команд на МП. Подземное передающее устройство является ближайшим аналогом заявляемого МП и содержит подключенное к его многофункциональному входу/выходу устройство питания и передачи кодированной телеметрической информации, а также устройство сбора и передачи информации (устройство управления), к входам которого подключено хотя бы одно измерительное устройство. Питание на МП, а так же прием/передачу информации между МП и МН осуществляют по описанной выше линии связи (цепи питания электродвигателя). Устройство питания и передачи информации по данному патенту состоит из резисторов, стабилизатора напряжения, электронный ключа, но может быть реализовано любым другим известным способом (патенты РФ на изобретение №2538013 опубл. 10.01.2015, на полезную модель №67636 опубл. 27.10.2007 и др.).
Система обеспечивает работу устройства приема и обработки данных и измерительных устройств для мониторинга внутрискважинных параметров, как входящих в состав самого МП, так и подключенных к нему, а также передачу телеметрической информации на МН при штатном состоянии устройств и линии связи. Однако, при возникновении короткого замыкания кабеля питания ПЭД на корпус обсадной трубы скважины (броню), питание МП по линии связи прекращается, что не позволяет обеспечить передачу телеметрической информации от МП.
Задачей технического решения является создание системы передачи телеметрической информации и модуля погружного, позволяющих обеспечить надежную передачу информации от модуля погружного при однофазном коротком замыкании линии связи на корпус обсадной трубы скважины.
Для решения задачи служит модуль погружной (МП), содержащий устройство питания и передачи кодированной телеметрической информации (ППерИ), выполненное с возможностью защиты от перенапряжений, устройство управления модулем погружным (УМП) для сбора и передачи информации, обрабатывающее данные, поступающие с хотя бы одного измерительного устройства (УИзм) на соответствующий вход УМП. МП дополнительно содержит устройство питания высокого напряжения (ПВН), устройство выбора питания (ВП) и альтернативное устройство передачи кодированной телеметрической информации (АПерИ), обеспечивающие функционирование МП и передачу телеметрической информации при КЗ на линии связи. К многофункциональному входу/выходу МП подключены вход/выход ППерИ, вход ПВН и выход АПерИ. Выходы ППерИ и ПВН подключены соответственно к первому и второму входам ВП. Первый вход УМП подключен к выходу упомянутого УИзм, первый и второй выходы УМП подключены соответственно к первым входам ППерИ и АПерИ. Для подачи необходимого напряжения питания при функционировании МП первый, второй, третий выходы ВП подключены соответственно к вторым входам УМП, ППерИ, АПерИ, четвертый выход ВП - к входу упомянутого УИзм.
Предпочтительно, чтобы УМП и ВП содержали дополнительные входы и/или выходы. При этом чтобы вход/выход УМП был подключен к входу/выходу ВП для контроля его работы, либо чтобы МП содержал автономный источник питания (ПАвт), вход которого был подключен к третьему выходу УМП, а выход к третьему входу ВП, а вход/выход УМП был подключен к входу/выходу ВП для контроля наличия питания на первом и втором входах ВП и управления работой ПАвт через его вход. ПАвт обеспечивает работу МП при остановленном двигателе.
Предпочтительно также, чтобы МП содержал автономный источник питания (ПАвт), двусторонне подключенный к ВП для автоматического включения ПАвт при отсутствии напряжения на на первом и втором входах ВП.
Предпочтительно, чтобы ППерИ содержал устройство защиты от перенапряжений (ЗП), вход/выход которого был соединен с входом/выходом ППерИ, а выход - с выходом ППерИ через устройство основного питания (ОП), при этом к входу ЗП подключен выход основного устройства передачи кодированной телеметрической информации (ОПерИ), первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым входами ППерИ.
Для решения задачи служит Система передачи телеметрической информации (далее - Система), выполненная с возможностью подачи необходимого напряжения питания на все элементы, требующие питания, содержит модуль наземный (МН), многофункциональный вход/выход которого подключен между нулем "звезды" вторичных обмоток трехфазного трансформатора и его заземленным корпусом, и модуль погружной (МП), многофункциональный вход/выход которого подключен между нулем "звезды" обмоток электродвигателя и его заземленным корпусом, а обмотки электродвигателя подключены к обмоткам трехфазного трансформатора через кабель для подачи питания. Описанная линия связи между МП и МН (многофункциональный вход/выход МН - трехфазный трансформатор - электрический кабель - электродвигатель (ЭД) - вход/выход МП) является цепью питания трехфазного электродвигателя и МП, а так же служит для двунаправленной передачи данных между МП и МН. МН содержит управляющее устройство модуля наземного (УМН), выполненное с возможностью распознавания поступающей кодированной телеметрической информации, для обработки поступающей информации, и обмена между МП и МН.
При этом МП выполнен, как описано выше, а МН дополнительно содержит основной приемник кодированной телеметрической информации (ОПрИ), блок измерения изоляции (ИЗ), блок подачи питания на модуль погружной (ПМП) и альтернативный приемник кодированной телеметрической информации (АПрИ), выполненный с возможностью распознавания поступающей кодированной телеметрической информации. При этом вход/выход УМН подключен к информационному входу/выходу МН (для передачи распознанной телеметрической информации потребителю), выход УМН подключен к многофункциональному входу/выходу МН через ПМП. Вход ОПрИ подключен к многофункциональному входу/выходу МН, первый выход - к первому входу УМН, а второй выход - к второму входу УМН через ИЗ. Кроме того, к входу МН, соединенному с обмотками трехфазного трансформатора (электродвигателя), подключен вход АПрИ, выход которого подключен к третьему входу УМН либо к информационному выходу МН для передачи распознанной телеметрической информации от МП потребителю. Таким образом, АПрИ обеспечивает прием телеметрической информации от АПерИ (в функционирующем МП), когда прием через многофункциональный вход/выход МН невозможен либо является недостоверным.
Предпочтительно, чтобы вход АПрИ был соединен с его выходом через последовательно соединенные альтернативный блок снятия первичной информации и альтернативный блок распознавания кодированной телеметрической информации.
Конструктивно АПрИ может быть выполнен в виде отдельного блока.
В предлагаемых технических решениях УМП, УМН, могут быть реализованы программно на различных программируемых устройствах, удовлетворяющих габаритам МН и МП.
АПерИ, ППерИ, ОПрИ, АПрИ, ОПИ, ИЗ могут быть реализованы аппаратно (электромеханическими устройствами) либо программно-аппаратно для снижения аппаратных требований и алгоритмического упрощения программного обеспечения УМП, УМН.
УИзм могут быть как встроены в МП, так и быть самостоятельными устройствами, подключенными через входы МП к УМП (встроенные или внешние).
В качестве ОП, ПАвт, ЗП используются широко известные устройства, которые могут быть встроены в УИсп.
В качестве ПВН могут использоваться такие устройства, как, например, импульсный источник питания, линейный стабилизатор напряжения или трансформатор. ВП может быть выполнен по типу коммутатора напряжений или диодной схемы.
Далее работа модуля погружного в одном из предпочтительных вариантов исполнения будет описана в составе соответствующей системы передачи телеметрической информации в одном из предпочтительных вариантов исполнения.
Фиг. - структурная схема системы передачи телеметрической информации с модулем погружным в предпочтительных вариантах исполнения.
Представленная на Фиг. 1 Система передачи телеметрической информации (далее -Система) содержит модуль наземный 1 (МН) и модуль погружной 2 (МП). Многофункциональный вход/выход МН 1 подключен между нулем "звезды" вторичных обмоток трехфазного трансформатора 3 (ТТ) и его заземленным корпусом, многофункциональный вход/выход МП 2 подключен между нулем "звезды" обмоток электродвигателя 4 (ЭД) и его заземленным корпусом, а обмотки ЭД 4 подключены к обмоткам ТТ 3 через электрический кабель.
МН 1 содержит управляющее устройство модуля наземного 5 (УМН), вход/выход которого подключен к информационному входу/выходу МН для передачи распознанной (декодированной) телеметрической информации потребителю, выход УМН подключен к входу блока подачи питания на модуль погружной 6 (ПМП), выход которого подключен к многофункциональному входу/выходу МН 1. МН 1 содержит также основной приемник кодированной телеметрической информации 7 (ОПрИ), вход которого подключен к многофункциональному входу/выходу МН 1, первый выход ОПрИ 7 подключен к первому входу УМН 5, второй - к входу блока измерения изоляции 8 (ИЗ), выход которого подключен к второму входу УМН 5. Кроме того, МН 1 содержит альтернативный приемник кодированной телеметрической информации 9 (АПрИ), вход которого является входом МН 1 и подключен к обмоткам ТТ 3 (либо непосредственно к электрическому кабелю между МП и МН, либо к ЭД 4). В данной реализации выход АПрИ 9 подключен к третьему входу УМН 5 для передачи распознанной телеметрической информации потребителю от МП 2 при КЗ через информационный вход/выход МН. Вход АПрИ 9 соединен с его выходом через последовательно соединенные альтернативный блок снятия первичной информации и альтернативный блок распознавания кодированной телеметрической информации (на фиг. не показаны).
К многофункциональному входу/выходу МП 2 подключены вход/выход устройства питания и передачи кодированной телеметрической информации 10 (ППерИ), вход устройства питания высокого напряжения 11 (ПВН) и выход альтернативного устройства передачи кодированной телеметрической информации 12 (АПерИ). Выходы ППерИ 10 и ПВН 11 подключены соответственно к первому и второму входам устройства выбора питания 13 (ВП), выполненное с возможностью стабилизации питания. К первому входу устройства управления модуля погружного 14 (УМП) подключено упомянутое хотя бы одно измерительное устройство 15 (УИзм). Первый и второй выходы УМП 14 подключены соответственно к первым входам ППерИ 10 и АПерИ 12. Кроме того, МП 2 содержит автономный источник питания 16 (ПАвт), двусторонне подключенный к ВП 13 (выход ПАвт 16 подключен к третьему входу ВП 13, а вход - к пятому выходу ВП 13). Питание от первого, второго, третьего и четвертого выходов ВП 13 поступает соответственно на вторые входы УМП 14, ППерИ 10, АПерИ 12 и вход упомянутого УИзм 15.
Кроме того, вход/выход ППерИ 10 является входом/выходом устройства защиты от перенапряжений 17 (ЗП), выход которого соединен с выходом ППерИ 10 через устройство основного питания 18 (ОП), а к входу ЗП 17 подключен выход основного устройства передачи кодированной телеметрической информации 19 (ОПерИ), первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым входами ППерИ 10.
В других вариантах исполнениях предлагаемых изобретений включением ПАвт 16 через его вход управляет УМП, которое через вход/выход ВП 13 контролирует наличие питания на линии связи (на первом и втором входах ВП 13) и при его отсутствии подает команду на включение ПАвт 16.
Логику работы системы осуществляют управляющие устройства, расположенные в МН и МП. Они же ведут мониторинг системы, включая согласование устройств управления, и параметров скважины через УИзм. Данные могут передаваться в обоих направлениях. Это могут быть, в том числе, уставки работы МП, команды, запросы, данные для перепрограммирования УМП, информация о состоянии МП, функционировании его устройств и блоков, состоянии линии связи и т.д..
Прямая и обратная передача данных (от МН к МП, и от МП к ОПрИ и/или к АПрИ в МН) возможна, например, с частотным и/или с временным разделением сигнала по постоянному и/или переменному напряжению. Такие способы передачи информации широко известны. В том числе, как описано в приведенных выше аналогах предлагаемых изобретений, либо в патентах на изобретения РФ №2272996 («Устройство погружной телеметрии», ЗАО "ЭЛЕКТОН", опубл. 27.03.2006), №2624624 («Устройство погружной телеметрии», ООО "Эталон-Центр", опубл. 04.07.2017), №2286084 («Способ формирования и обработки сигнала для приема и передачи информации по силовым проводам и устройство», АО «ИРЗ», приор. 16.11.04), либо в различных модемах связи по силовым проводам.
При передаче питания и/или данных с временным разделением осуществляют синхронизацию УМН, УМП, ОПрИ, АПрИ.
Система начинает работу при подаче необходимого напряжения питания на все устройства МН, требующие питания. Питание на МП подают по линии связи МН и МП.
С первого выхода УМН 5 передают команду на подачу питающего напряжения от ПМП 6 для ЭД 4 и МП 2 через многофункциональный вход/выход МН 1 на клемму «0» ТТ 3, подключенную к центру звезды вторичной обмотки повышающего ТТ 3. При схеме трансформатора, где вторичные обмотки соединены в «треугольник», напряжение на линию подается посредством создания искусственной звезды, полученной посредством подключения трехфазного индуктора или трех однофазных индукторов непосредственно к фазам высокой стороны трансформатора. Ввиду того, что данная точка гальванически изолирована от брони кабеля, на общей точке звезды обмоток ЭД 4 возникает такое же напряжение. Данное напряжение подают на многофункциональный вход/выход МП 2 через герметичный разъем.
Через вход/выход ППерИ 10 (ЗП 17 и ОП 18) питание поступает на ВП 13, с выходов которого стабилизированное напряжение питания необходимой мощности поступает на все части МП 2 для питания электрических схем всех устройств МП 2, включая УИзм 15. В УМП 14 обрабатывают данные, поступающие от УИзм 15: производит измерение электрических величин УИзм 15 (например, датчиков давления, температуры, вибрации и.т.д.) и согласно полиномам преобразует их в соответствующие величины (кг/см2, МПа, градусы и т.д.). Далее в УМП 14 формируют (кодированием) сигнал, содержащий собранную информацию, для передачи через первый и второй выходы УМП 14 на поверхность. Сформированный сигнал поступает на первый вход ППерИ 10 (ОПерИ 12), где производят соответствующую манипуляцию (или модуляцию) напряжения, и через ЗП 17 передают на вход/выход ППерИ в линию связи. Сформированный сигнал поступает также на первый вход АПерИ 12, в котором также производят манипуляцию (или модуляцию) напряжения, и с выхода АПерИ 12 передают на многофункциональный вход/выход МП 2. Способы преобразования сигнала в ППерИ 10 и АПерИ 12 различны, что позволяет различать и разделять результирующие сигналы соответственно в ОПрИ 7 и АПрИ 9. Способы выделения входящего кодированного сигнала телеметрической информации являются стандартными, широко известными преобразованиями как для постоянного, так и для переменного напряжения (например, различными комбинации фильтрации, понижения амплитуды, усиления, оцифровывания сигнала и т.п.), не являются предметом настоящей заявки, поэтому подробно не описываются. Сигнал с входа/выхода линии связи (клеммы «0» ТТ 3) через многофункциональный вход/выход МН 1 поступает в ОПрИ 7, где выделяют переданную от ППерИ 10 информацию. Далее выделенный сигнал в виде цифровой последовательности передают на первый вход УМН 5, где с помощью алгоритмов декодирования информации, соответствующих работе алгоритмов кодирования УМП 14, распознают переданную от МП 2 информацию. Кроме того, переданный от АПерИ 12 сигнал поступает в АПрИ 9, где альтернативным блоком снятия первичной информации его выделяют и оцифровывают, а альтернативным блоком распознавания кодированной телеметрической информации распознают, декодируя соответственно кодированию в УМП 14, и передают на третий вход УМН 5.
После проверки верности принятых данных и прохождения алгоритмов статистической обработки, предусмотренных программным обеспечением УМН 5, выбирают верный результат декодирования (от ОПрИ 7 или АПрИ 9) и передают его через вход/выход УМН 5 на информационный вход/выход МН 1 для передачи к внешнему устройству (потребителю). Передачу производят, например, модификацией значений доступных для чтения регистров ModBus RTU.
измерительный
измерительный
изоляции
С определенной в УМН 5 периодичностью переводят МН 1 в режим проверки изоляции кабеля. При этом с первого выхода УМН 5 передают команду на подачу от ПМП 6 через многофункциональный вход/выход МН 1 на линию связи заданного для проверки номинала напряжения через известное сопротивление. После прохождения команды на вход ИЗ 8 через ОПрИ 7 поступает значение испытательного напряжения с линии связи. В ИЗ 8 получают результирующее сопротивление по установленному в нем эталонному (известному) сопротивлению линии связи - R и измеренному напряжению с линии связи (резистивным делителем R/R). В УМН 5 результат работы ИЗ 8 оцифровывают, вычисляют по нему эквивалентное значение сопротивления изоляции и передают через информационный вход/выход МН 1 к потребителю. Кроме того, это значение используют для дальнейшей работы УМН для проверки верности принятых данных и работы алгоритмов статистической обработки, а в других вариантах исполнения Системы - для выбора предпочтительного входа УМН 1 (первого или третьего) для приема сигнала от МП 2.
При возникновении однофазного КЗ линии связи на броню режим работы МН 1 в данной реализации Системы не изменяется. При этом на многофункциональном входе/выходе МП 2 при включенном двигателе возникает высоковольтная помеха. ЗП 17 в ППерИ 10 переходит в режим защиты, в результате чего основной блок передачи информации и блок питания перестают функционировать, а ПВН 11 активируется, преобразуя высокое напряжение помехи двигателя в постоянное пониженной мощности. Напряжение с выхода ПВН 11 поступает на второй вход ВП 13 и далее - на подключенные к его выходам устройства, как описано выше.
Далее в УМП 14 формируют сигнал телеметрической информации для передачи на поверхность через первый и второй выходы УМП 14. Передача от ППерИ 10 заблокирована, поэтому через многофункциональный вход/выход МП 2 на МН 1 поступает лишь сигнал от АПерИ 12, как описано выше.
В УМН 5 принимают, как описано выше, информацию о работе МП 2. При этом от ОПрИ 7 информации не поступает, а от АПрИ 9 в УМН 5 получают декодированную телеметрическую информацию. После прохождения алгоритмов статистической обработки и проверки на верность принятых данных достоверную информацию с учетом данных от ИЗ 8, принятую от МП 2 телеметрическую информацию передают потребителю.
При выключенном двигателе, на вход ПАвт 16 поступает сигнал об отсутствии напряжения на первом и втором входах ВП 13. В результате ПАвт 16 включается, на третий вход ВП 13 поступает напряжение для обеспечения необходимым питанием УМП 14, УИзм 15, АПерИ 12, ППерИ 10 (ОПерИ 19) для функционирования МП 2 даже при остановленном двигателе. При отсутствии напряжения на линии связи передача от ППерИ 10 заблокирована. От УМП 14 сигнал о работе МП 2, включая данные от УИзм 15, передают на ОПерИ 19 и АПерИ 12, с которого она поступает на многофункциональный вход/выход МП 2 и далее - на АПрИ 9, где декодируют достоверную информацию и передают, как описано выше, потребителю.
Таким образом, наличие ПВН 11, ВП 13, АПерИ 12 и АПрИ 10 обеспечивают функционирование МП 2 и передачу телеметрической информации потребителю при однофазном КЗ на линии связи, а так же при выключенном двигателе. Передачу осуществляют с частотным и/или с временным разделением сигнала по постоянному и/или переменному напряжению.
Несмотря на то, что технические решения показаны и описаны со ссылкой на их конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.
Передачу телеметрической информации от АПрИ 9 могут осуществлять непосредственно потребителю - через информационный выход МН (на фиг. не показан). При этом оценку верности принятой информации от УМН (ОПрИ) и АПрИ может проводить сам потребитель.
Кроме того, при коротком замыкании может быть осуществлена передача данных от МН на МП - при наличии двусторонних связей между УМН 5 и АПрИ 9, а также между УМП 14 и АПерИ 12.
Когда УМП 14 через вход/выход контролирует работу БВ 13 (с какого входа поступает туда питающее напряжение), из УМП 14 возможна передача данных только через один его выход. Если функционирует первый вход ВП 13, информацию о работе МП 2 передают в штатном режиме через ОПерИ 19 (ППерИ 10), принимаемый на АПрИ 9 сигнал будет «нулевым». При активизации второго либо третьего входа ВП 13 (при КЗ либо остановленном двигателе) в УМП 14 формируют сигнал для передачи на поверхность только через АПерИ 12. При этом данные могут содержать дополнительную информацию о состоянии линии связи, работе/остановке двигателя.
Функционирование УМН 5 может изменяться. Например, могут выбирать, какой вход для приема телеметрической информации является приоритетным в зависимости от состояния линии связи: прием сигнала с первого входа при штатном режиме, прием сигнала с второго входа - при обнаружении КЗ линии связи (по значению сопротивления изоляции от ИЗ 8) и т.п..
Исходя из данных исследований, замыкание одной фазы кабеля питания на броню никаким образом не сказывается на работе ЭД, управляющих устройств и ТТ. Единственным негативным эффектом является отказ телеметрии, ограничивающий возможности по автоматическому управлению процессом нефтедобычи. При этом отказ кабеля - одна из самых частых причин ремонта скважин. Таким образом, решение задачи обмена данными между МН и МП при замыкании кабеля питания позволяет продолжать процесс нефтедобычи без необходимости осуществления спускоподъемных операций.