3.2 Акустический канал связи.

Системы с акустическим каналом связи используют звуковые колебания, распространяющиеся в скважине по промывочной жидкости, колонне бурильных труб или окружающей породе. Соответственно этому они подразделяются на три вида: гидроакустические, акустомеханические и сейсмические.

Из трех видов ЗТС с акустическим каналом связи 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. До настоящего времени ЗТС с гидроакустическим каналом связи на практике не использовались. 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.

В 1993 гг. в Акустическом институте им. акад. Н. Н. Андреева по заданию ЗАО НПК "Геоэлектроника сервис" в рамках НИР "Скважина-ЗТС" и НИР "Горизонталь" была разработана экспериментальная аппаратура передачи информации (АПИ) по гидроакустическому каналу в скважине для забойной телеметрической системы ЗТС - ГАК (Научный руководитель - Д. П. Фролов). Система ЗТС - ГАК предназначалась для нахождения параметров ориентации ствола наклонно направленной или горизонтальной скважины, а также сервисных параметров, отражающих условия ее работы непосредственно в процессе бурения.

В 1998 г. по предложению НПК «Геоэлектроника сервис» экспериментальный образец аппаратуры для передачи информации по гидроакустическому каналу связи АПИ был модернизирован. Проведены скважинные испытания АПИ совместно с филиалом «Оренбурггаз» на одной из бурящихся скважин Оренбургского месторождения. Акустические сигналы принимались без прокачки раствора с глубины 1000 м, с прокачкой – с глубины 200 м. Предварительно установлено, что каналом передачи информации, помимо промывочной жидкости, могла быть и сама бурильная колонна. В целом результаты разработки и испытаний экспериментального образца аппаратуры АПИ показали, что гидроакустический канал может быть использован как высоконадежное и недорогое средство связи, в частности, в ЗТС с комбинированным каналом.

Среди зарубежных телесистем практически не встречаются телесистемы с акустическим каналом связи, однако в настоящее время фирма Schlumberger предложила передачу акустических сигналов в процессе бурения скважин (заявка Великобритании № 2357527). Характерной особенностью предлагаемой телесистемы является ее независимость от параметров бурового раствора, так как акустический сигнал распространяется по трубам и только на дневной поверхности он трансформируется в электромагнитные колебания. Устройство включает в себя полую штангу, на которой располагаются датчики, помещенную в буровую трубу и связанную с ней с помощью механических и электрических контактов.

При разработке колонны бурильных труб, как акустического канала необходимо наличие спец датчиков и выполнение определенных условий.

Возможность приема информации на устье забоя скважины в виде упругих колебаний (сигналов) определяется начальной величиной сигналов на забое, затуханием их в бурильных трубах и уровнем помех в точке приема. Для исследования прохождения колебаний долота по бурильной колонне как по линии связи необходимо знать передаточные функции колонны, определяемые отношением выходных и входных величин, т.е. сигналов долота на забое и устье скважины. Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, убедительно доказывают, что колонну бурильных труб в скважине можно использовать в качестве акустического канала связи. По акустическому каналу связи можно передавать информацию о забойных параметрах (частота вращения долота при турбинном бурении, физико-механические свойства разбуриваемых пород, степень износа долота по вооружению и опоре). Разработаны структурные схемы устройств для контроля некоторых из этих параметров, однако вопросы точности работы этих устройств и дальность действия акустического канала связи еще не решены. Анализ имеющихся материалов по исследованию акустического канала связи дает основание для следующих выводов:

1. Передаточная функция бурильной колонны определяется конструктивными параметрами труб, видом и величиной сил внешнего трения и внутреннего поглощения энергии колебаний в металле труб.

2. Нестабильность трения бурильной колонны в скважине делает ее передаточную функцию непостоянной.

3. Спектральный состав сигналов долота определяется совокупностью спектра забойного сигнала и характера сил трения бурильной колонны в скважине. Это осложняет контроль работы долота по спектру сигнала, принимаемого на поверхности, но не исключает способа контроля по средней частоте первой гармоники сигнала.

4. При приеме сигналов через колонну легкосплавных бурильных труб в глубоких скважинах должна учитываться повышенная демпфирующая способность материала ЛБТ.

Как показали экспериментальные работы, проведенные фирмой Эко Ресэч (Ессо Research) во Франции, при внедрении аппаратурно-обрабатывающего комплекса надежные результаты измерений режима работы долота получены с глубины 3300 м. В зарубежной литературе имеются публикации, описывающие метод, при котором акустический сигнал образуется бурильной колонной с источником акустических сигналов на забое в виде механического ударника и приемника на поверхности вблизи вертлюга. Сигналы от забойных датчиков передаются при остановках бурения из запоминающих устройств глубинных блоков (например, данные о полной волновой картине при акустическом каротаже в процессе бурения), когда уровень акустических помех значительно меньше, чем при бурении скважины. В Советском Союзе акустический канал предполагалось использовать с целью определения положения долота (Б.П. Ивакин, Е.В. Карус, О.Л. Кузнецов, В.Н. Рукавицин, СЛ. Певзнер). Действительно, осуществляя наземные сейсмические наблюдения рассредоточенными приемниками, можно, применив соответствующую математическую обработку, определить по времени прихода полезных сигналов от долота его положение. Однако точность таких измерений позволяет определить положение забоя с точностью до 5 - 10 м, что недостаточно для высокоточной проводки ствола на участках набора кривизны и особенно ее горизонтального участка. Изучением затухания акустических волн в стенках колонны бурильных труб занимался Акустический институт РАН в рамках договора между ВНИГИК и АО «Наука» в 1990 - 93 гг. При рассмотрении бурильной колонны, как акустического волновода с периодическими неоднородностями в виде замков, расположенных в местах сочленения бурильных труб, и возбуждении в колонне продольных и крутильных колебаний в диапазоне частот 0 -6000 Гц были рассчитаны зоны пропускания и «запирания» для идеализированной колонны с наружным и внутренним диаметрами 130 мм и 207 мм соответственно, с цилиндрическим замком длиной 500 мм, наружным и внутренним диаметрами 150 и 95 мм. Очень интересны как с теоретической, так и с практической точек зрения результаты, полученные в Тюменском индустриальном институте, которые свидетельствуют, что из всех типов волн (продольная, поперечная, изгибная, растяжная) менее всего подвержена затуханию поперечная волна, распространяющаяся по телу трубы по винтообразной линии. Проведенные эксперименты показывают, что поперечно-винтообразные колебания звукового диапазона частот могут быть широко использованы для передачи различной забойной информации по колонне бурильных труб в процессе бурения скважины. Все вышеизложенное позволяет утверждать, что диапазон частот 0 — 250 Гц может с успехом использоваться для организации активного акустического канала связи с передачей забойной информации как продольными и крутильными колебаниями, так и поперечными колебаниями, распространяющимися по винтовой линии.