Центры обработки данных (ЦОД)
Центр обработки данных представляют собой специализированное здание для размещения серверного и коммуникационного оборудования и подключения к каналам сети Интернет, исполняет функции обработки, хранения и распространения информации.
ЦОД обычно состоит из информационной инфраструктуры, включающей в себя серверное оборудование и обеспечивающей обработку и хранение информации, телекоммуникационной инфраструктуры, обеспечивающей взаимосвязь элементов ЦОД и передачу данных между ЦОД и пользователями, инженерной инфраструктуры, обеспечивающей нормальное функционирование основных систем центра обработки данных.
Инженерная инфраструктура включает в себя: кондиционирование для поддержания температуры и уровня влажности в заданных параметрах, охранно-пожарную сигнализацию и система газового пожаротушения, системы удаленного контроля.
Автомобили.
Телеметрические системы позволяют определять состав топливной смеси для повышения кпд двигателя и экологичности выхлопа, состав выхлопных газов, температуру контрольных точек двигателя (масла, охлаждающей жидкости), давление масла в двигателе, обороты двигателя, давление в гидроканалах тормозной системы и сцепления, давление в шинах большегрузных машин, осуществлять вибродиагностику, контроль состава масла на наличие металлической стружки, контроль климата.
Рисунок 21 – Обобщенная схема управления системы динамической стабилизации автомобиля
Также телеметрические системы используются при бурении наклонных и горизонтальных скважин, в системах глобального позиционирования, в системах безопасности (сигнализация, видеонаблюдение).
7 Забойные телеметрические системы
В бурении телеметрическими системами принято называть группу инклинометрических приборов и систем, не требующих для получения информации остановки бурения.
В наклонно-направленном и горизонтальном бурении возникает необходимость обеспечения эффективного контроля пространственного положения ствола скважины с целью точного попадания забоя скважин в заданную точку и соблюдению проектного профиля скважины.
В общем случае телеметрические системы осуществляют измерение первичной скважинной информации, ее передачу по каналу связи забой — устье, прием наземным устройством, обработку и представление оператору результатов обработки.
Существующие телесистемы включают следующие основные части:
- забойную аппаратуру;
- наземную аппаратуру;
- канал связи;
- дополнительные блоки (забойный источник электрической энергии для телесистем с беспроводной линией связи, антенну и принадлежности к ней для электромагнитной линии связи и прочее).
Забойная часть телесистемы включает первичные преобразователи измеряемых параметров, таких как:
- первичные преобразователи (ПП) направления бурения (зенитного угла в точке измерения, азимута скважины, направления отклонителя);
- ПП геофизических параметров (данных каротажа) (геофизические зонды, измеряющие кажущееся сопротивление горных пород, самопроизвольную поляризацию, гамма-каротаж, электромагнитный каротаж);
- ПП технологических параметров бурения (датчики, измеряющие параметры процесса бурения, такие как осевая нагрузка на долото, момент реактивный или активный, частота вращения долота, давление внутри и снаружи бурильной колонны).
Рисунок 22 – Структурная схема забойной телеметрической системы:
ПП - первичные преобразователи, СУ – система управления, СШ – системная шина
Данные от первичных преобразователей через коммутатор поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), затем через кодирующее устройство (КУ), усилитель-передатчик поступают в канал связи. На поверхности закодированная различными способами информация расшифровывается в обратном порядке и поступает на системы отображения и обработки для принятия решений по технологическому режиму.
На протяжении многих лет основным препятствием для практического использования измерений в процессе бурения был канал связи. Он является основным и решающим фактором, так как именно от него зависит конструкция телесистем, компоновка, информативность, надежность, удобство работы, а также условия прохождения сигналов.
Диапазон существующих в настоящее время каналов весьма широк, и представлен гидравлическим, электромагнитным, акустическим, электропроводным и многими другими типами каналов связи (рисунок 23).
Рисунок 23 – Типы каналов связи
7.1 Системы с акустическим каналом связи
Системы с акустическим каналом связи используют звуковые колебания, распространяющиеся в скважине по промывочной жидкости, колонне бурильных труб или окружающей породе. И соответственно они подразделяются на три вида: гидроакустические, акустомеханические и сейсмические.
Сейсмические системы применяются пока только для пассивного контроля координат забоя. Из-за недостаточной точности определения положения забоя (десятки метров) они еще находятся на стадии научных и экспериментальных исследований.
Сложность и многообразие свойств гидроакустического канала в скважине обусловили его слабую изученность. Одной из центральных проблем в создании гидроакустического канала является разработка низкочастотного (до 100…200 Гц) излучателя, способного эффективно возбуждать колебания внутри колонны бурильных труб в скважине.
7.2 Электропроводной канал связи (ЭКС)
Работы по созданию забойных телеметрических систем с проводным каналом связи были обусловлены применением с начала 60-х годов в СССР электробурения. Наиболее широкое распространение получила телеметрическая система типа СТЭ, разработанная Харьковским СКТБ «Потенциал» и институтом электромеханики при участии ВНИИБТ, использовавшая в качестве линии связи силовой кабель электробура.
Начиная с 80-90 годов в методах и технологиях геофизических исследований скважин (ГИС) наблюдаются существенные качественные изменения, а именно: переход на комплексные и многопараметровые измерения с применением комбинированных и многофункциональных скважинных приборов с достаточно глубокой обработкой первичных данных в реальном масштабе времени непосредственно в каротажных лабораториях (станциях). Такой переход требует как повышения качества первичных данных, так и передачи этих данных, как правило, в цифровой (кодовой) форме, с достаточно высокой скоростью в наземные обрабатывающие (измерительно-вычислительные) и регистрирующие устройства. И если выполнение первого требования достаточно успешно базируется на высоком уровне развития современной электронной техники, то практически единственной телеметрической линией передачи данных ГИС остается традиционный каротажный кабель.[8]
ЭКС обладает преимуществом перед всеми известными каналами связи:
- максимально возможная информативность, быстродействие, многоканальность, помехоустойчивость, надежность связи;
- отсутствие забойного источника электрической энергии и мощного передатчика;
- возможность двусторонней связи;
- не требует затрат гидравлической энергии;
- может быть использован при работе с продувкой воздухом и с использованием аэрированной промывочной жидкости;
- отсутствие зависимости от удельного сопротивления горных пород.
К недостаткам электропроводного канала связи относятся:
- наличие кабеля в бурильной колонне и за ней, что создает трудности при бурении;
- затраты времени на его прокладку;
- необходимость защиты кабеля от механических повреждений;
- невозможность закрытия превентора при нахождении кабеля за колонной бурильных труб.
Каротажный кабель является не только электрической линией передачи информации, но и тросом с достаточно большим (до нескольких тонн) разрывным усилием, несущим скважинные приборы в химически- и механически агрессивной среде скважин, что накладывает определенные ограничения на его характеристики, как линии связи. Реальная скорость передачи информации (бит/с) современных кабелей в зависимости от их длины ограничиваются диапазоном до 10-100 кГц, что начинает существенно сдерживать развитие и совершенствование технологий ГИС.
По числу токопроводящих жил (ТПЖ) каротажные кабели разделяются на три основных вида: одно-, трех- и семижильные. В качестве оплетки каротажные кабели имеют стальную броню без поверхностной изоляции (для кабеля на барабане лебедки броня представляет в какой-то мере сплошной металлический монолит, для кабеля в скважине – линейный заземленный электрод). Следовательно, в каротажных кабелях появляется весьма существенный источник потерь электромагнитной энергии сигналов – на перемагничивание стальной брони электромагнитными полями токопроводящих жил и межпроводниковыми электромагнитными полями (при двухпроводной передаче сигналов), а также на потери электромагнитной энергии обратного тока в окружающей среде. Эти потери нарастают с увеличением частоты тока и приводят к существенному частотному ограничению импульсной пропускной способности кабеля.
7.3 Электромагнитный канал связи (ЭМКС)
Работами С. Я. Литвинова, И. К. Саркисова (1959 г.), Е. А. Полякова (1962 г.), О. П. Шишкина (1962 г.) была установлена возможность использования колонны бурильных труб в качестве электрического канала для передачи информации с забоя на земную поверхность.
Системы с ЭМКС используют электромагнитные волны (токи растекания) между изолированным участком колонны бурильных труб и породой. На поверхности земли сигнал принимается как разность потенциалов от растекания тока по горной породе между бурильной колонной и приемной антенной, устанавливаемой в грунт на определенном расстоянии от буровой установки.
Рисунок 24 – Схема электромагнитного канала связи
К недостаткам ЭМКС относятся:
- дальность связи, зависящая от проводимости и перемежаемости горных пород (в низкоомных разрезах - Западная Сибирь - сигнал сильно шунтируется и затухает, в высокоомных - мощные пласты соли в Оренбурге и Перми - передающий диполь телесистемы электрически изолирован пластами и сигнал проходит плохо);
- слабая помехоустойчивость;
- сложность установки антенны в труднодоступных местах;
- отсутствие возможностей исследования в море и в соленосных отложениях;
- достаточно высокая сложность электронного управляющего блока.
К достоинствам ЭМКС следует отнести:
- более высокая информативность по сравнению с гидравлическим каналом связи;
- меньшая требовательность к качеству бурового раствора;
- возможность использования в условиях, где гидроканал не работает;
- дешевизна.
В традиционной компоновке низа бурильной колонны телесистема устанавливается над забойным двигателем с помощью диамагнитного переводника. При этом инклинометрические датчики находятся на удалении от забоя на расстоянии 7-30 м. Поздняя информация о разбуриваемой породе часто приводит к выходу за границы продуктивного пласта. Эффективное решение – расположение геофизических зондов непосредственно над долотом в наддолотном модуле. Таким образом, основное число измеряемых параметров обеспечивает основная телесистема, а наддолоный модуль только дополняет и уточняет эти данные. Так как датчики параметров в наддолотном модуле устанавливаются во вращающемся валу забойного двигателя, информация от них может быть передана на основную систему только по беспроводному каналу связи.
Рисунок 25 – Компоновка наддолотного модуля в составе бурильной колонны:
1 - бурильная колонна, 2 - переводник для установки телесистемы, 3 - диамагнитная труба с телесистемой, 4 - разделитель электрический корпусной, 5 - забойный отклонитель, 6 - вал отклонителя, 7 - изолятор, 8 - электрод, 9 - долото
7.4 Гидравлический канал связи (ГКС)
Телесистемы с ГКС отличаются от других наличием в них устройства, создающего в потоке бурового раствора импульсы давления. Для генерирования импульсов давления в буровом растворе используются несколько различных по типу устройств. Сигнал, создаваемый ими, подразделяется на три вида: положительный импульс, отрицательный импульс или непрерывная волна (рисунок 26).
Рисунок 26 – Диаграммы гидравлических импульсов при различных способах их формирования
Положительные импульсы генерируются путем создания кратковременного частичного перекрытия нисходящего потока бурового раствора, что приводит к повышению внутритрубного давления, этот всплеск (на 0,7 сек) давления и является импульсом основного сигнала (рисунок 27).
Рисунок 27 – Устройство передачи сигнала (с положительным импульсом) в системе с ГКС
В случае с отрицательными импульсами, клапан открывается и выпускает буровой раствор в затрубное пространство, и при этом происходит падение (на 0,7 сек) давления (рисунок 28).
Гидравлические сигналы, близкие к гармоническим, создаются с помощью электродвигателя, который вращает клапан пульсатора. Гидравлические импульсы со скоростью около 1250 м/с поступают по столбу бурового раствора на поверхность, где закодированная различными способами информация декодируется и отображается в виде, приемлемом для восприятия оператором.
Рисунок 28 – Устройство передачи сигнала (с отрицательным импульсом) в системе с ГКС
Широкое распространение гидравлического канала связи для передачи информации вызвано следующими его преимуществами:
- гидравлический канал связи является естественным каналом связи, так как в нем в качестве канала связи используется столб бурового раствора в бурильной колонне, а следовательно, не требуется дополнительных затрат на организацию канала связи;
- гидравлический канал связи обладает большой дальностью действия;
- относительная простота осуществления связи по сравнению с другими каналами связи;
- канал не нарушает (по сравнению с ЭКС) технологические операции при бурении и не зависит от геологического разреза (по сравнению с ЭМКС).
Недостатки данного канала связи:
- низкая информативность из-за относительно низкой скорости передачи;
- низкая помехоустойчивость;
- последовательность в передаче информации;
- необходимость в источнике электрической энергии (батарея, турбогенератор);
- отбор гидравлической энергии для работы передатчика и турбогенератор;
- невозможность работы с продувкой воздухом и аэрированными жидкостями.
7.5 Комбинированный канал связи
Учитывая недостатки применяемых каналов связи, необходимо их совершенствовать, а также разрабатывать новые каналы, так как разнообразные горно-геологические условия, различные технико-технологические аспекты проводки скважин и экономические факторы предъявляют более высокие требования к информативности процесса бурения.
Представляет интерес возможность использования комбинированного канала связи. Комбинированный канал связи это сочетание различных по своей физической сущности каналов связи скважинного прибора с наземной регистрирующей и обрабатывающей аппаратурой. Структурная схема комбинированного канала связи показана на рисунке 29.
Рисунок 29 – Способ организации комбинированного канала передачи данных
Следует заметить, что использование того или другого вида канала связи определяется геолого-техническими условиями проводки скважин.
Так, например, требование к надежности работы гидравлического канала диктует необходимость тщательной очистки бурового раствора от абразивного материала (не более 1-2 % песка), что вызывает определенные трудности в очистке промывочной жидкости при проводке скважины в суровых климатических условиях. В то же время ограничено применение гидравлического канала при наличии в буровом растворе газа (воздуха и др.), что исключает его использование при бурении скважин на аэрированных растворах.
Сочетание гидравлического и электромагнитного канала, гидроакустического и электропроводного, электромагнитного и электропроводного могут быть реализованы в различных телеметрических системах и расширяют область решаемых геологических и технических задач телеизмерительными системами при проводке и эксплуатации горизонтальных скважин. В каждом конкретном случае, можно выбрать оптимальный вариант системы (таблица 1).
Таблица 3 - Варианты комбинирования каналов связи с забоем
| Цель комбинации | Комбинация каналов | Результат комбинации |
| Увеличение дальности канала и пропускная способность канала | кабель + электромагнитный канал | увеличивается дальность и пропускная способность, усложняется система |
| Увеличение пропускной способности канала | кабель + акустический канал | усложняется система, работает при остановке бурения |
| Увеличение пропускной способности канала | кабель + гидроакустический канал | увеличивается дальность и пропускная способность |
| Увеличение дальности действия электромагнитного канала | применение ретрансляторов | увеличивается дальность и пропускная способность электромагнитного канала, усложняется система |
Заключение
В современном мире сложно представить область деятельности, где не использовались бы телеметрические системы. Телеметрия стала своего рода нервной системой промышленных и научно-исследовательских комплексов, помогает решать вопросы экологии, правоохранения, экономики, жилищного обустройства и многие другие.
В связи со сложностью поставленных задач, предъявляются жесткие требования как к техническим, так и к математическим средствам телесистем. Ужесточение предъявляемых требований объясняется не только стремлением добиться лучших показателей точности и оперативности работы, для получения качественной и своевременной информации, позволяющей принимать решения, но и желанием перейти от автоматизированных процессов производства к автоматическим.
Особый интерес представляет область нефтедобычи, где телесисемы работают в особо сложных условиях. На сегодняшний день поставлена, но до конца не решена задача геонавигации. Таким образом, возникла необходимость создания телеметрических систем нового поколения. Работы в этой области ведутся в течение последних десятилетий.
Список использованной литературы
1 http://www.radioman-portal.ru/history/1/ - Летопись радиотехники
2 О.Е. Старовой. Инструментальные сейсмические наблюдения в России// Вестник Владикавказского научного центра. 2004. Том 4 № 4
3 http://kik-sssr.narod.ru/Poroshkov.htm - Порошков В.В. Полигонный измерительный комплекс - глаза и уши полигона
4 ГОСТ 19619-74 Оборудование радиотелеметрическое. Термины и определения.
5 Назаров А.В., Козырев Г.И., Шитов И.В. и др. Современная телеметрия в теории и на практике. Учебный курс. – СПб.: Наука и техника, 2007. – 672с.
6 Белицкий В.И., Зверев Р.И., Морозов В.М. и др. Телеметрия. – Л.: МО СССР, 1984. – 465 с.
7 http://ru.wikipedia.org/wiki/Телеметрия - Телеметрия
8 http://prodav.exponenta.ru/signals/index.html - Давыдов А.В. Сигналы и системы. Лекции и практикум на ПК.
9 http://www.sovmash.com/node/62 - О.К. Рогачов, А.А. Лышенко. По-русски — телеметрия, по-английски — MWD
10 http://student.km.ru/ref_show_frame.asp?id=4ED4758691B940B79D6779E33EDFDA75 - Решетников П.М. Применение модулей геофизических исследований скважин и методика обработки данных в процессе бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин с использованием забойных телеметрических систем
11 Телемеханика: Учебное пособие для вузов/ Под ред. к.т.н., доц. В.М.Новицкого.- М.: Высшая школа, 1967
12 Ильин В. А. Телеуправление и телеизмерение: Учеб. пособие для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энер-гоиздат, 1982. — 560 с., ил.
13 В.П. Чупров, А.Р. Бельков, А.А. Бикинеева. Развитие забойных телесистем с электромагнитным каналом связи// Каротажник. 2003. №113