Способ передачи информации от скважинной к наземной части геофизической аппаратуры Советский патент 1985 года по МПК E21B47/12 E21B47/14 

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин и может быть использовано при проведении многойараметровых измерений комплексом методов за одну спускоподъемную операцию с передачей результатов в цифровой форме по геофизическому кабелю на поверхность для последующей обработки и регистрации. Известен способ передачи информации от скважинного прибора к наземной аппаратуре, при котором информацию передают с помощью времяимпульсной модуляции (ВИМ), а информационный параметр опре деляют временным сдвигом информационного импульса относительно фазы питающего скважинный прибор переменного синусоидального напряжения 1. Недостатком такого способа является нестабильность работы аппаратуры, связанная с тем, что к информационному сдвигу добавляется дополнительный сдвиг, обусловленный конечной скоростью распространения сигнала по каротажному кабелю. При изменении параметров кабеля в процессе работы, что особенно проявляется Б глубоких скважинах с высокой забойной температурой, изменяется и этот дополнительный сдвиг информационного импульса. Известен также способ, реализованный в телеизмерительной системе передачи геофизических данных, позволяющий произво дить обмен данными между наземным пультом и целым рядом приемно-передающих скважинных модулей посредством каротажного кабеля. Скважинное оборудование содержит, в частности, магистраль, к которой параллельно подсоединяется один или несколько скважинных модулей посредством одинакового интерфейса, оснащенных датчиками для измерения определенных физических характеристик пластов, пересеченных скважиной. Скважинное оборудование содержит также средства синхронной/асинхронной передачи информации в цифров ой форме в режиме запрос-ответ (диалоговый режим) при этом формирование адреса (номера) канала и управление .приемом-передачей данных осуществляют от микропроцессоров, устанавливаемых в скважинном и наземном модемах (модулятор-демодулятор), работу которых синхронизируют с помощью специального слова синхронизации. Описанный способ позволяет передавать по кабелю информацию с большой надежностью, при этом передача информации осуществляется на основе КИМ 2, Однако такой способ обмена информацией оправдан лишь в системах, содержащих источники информации с различным быстродействием и уровнем приоритета и требую щих общего высокого быстродействия всей системы в целом, например в автоматиэированных системах управления технологичесними процессами (АСУ-ТП) или в ЭВМ, где источники информации располагаются на поверхности и расстояние между ними, как правило, не превышает нескольких десятк метров. Применение же такого способа в геофизических приборах, источниками информации в которых являются датчики физических полей, обладающие равным уровнем приоритета и по принципу своей работы всегда готовые к выдаче ипфор.мации, является неоправданным и избыточным. При этом следует учитывать, что скважинная и наземная части геофизической аппарату ы удалены друг от друга на расстояние до 10 км, в связи с тем синхронизация работы обеих частей аппаратуры с помощью специального слова, передаваемого по кабелю, снижает пропускную способность линии связи (кабель) из-за передачи большого объема с/ ужебной информации. Кроме того, для реализации указанного способа требуется разработка комплекса программ, качественный высокочастотный каротажный кабель, а необходимость установки в скважинных приборах микропроцессора и, следовательно, соответствующих электронных схем, обеспечивающих его функционирование, чрезмерно усложняет аппаратуру,снижает ее надежность и эксплуатационные характеристики. Цель изобретения - повышение точности и помехозащищенности передачи информации. Указанная цель достигается тем, что согласно способу передачи информации от скважинной к наземной части геофизической аппаратуры, включающему подачу напряжения питания от наземной части аппаратуры к скважинной, формирование сиг„алов управления режимами работы, временное разделение каналов, преобразование информации в цифровую форму и передачу ее в последовательном коде по геофизическому кабелю, синхронизацию по каналам „ „о циклам, преобразование в наземной параллельный код, обработку и регистрацию, напряжение питания формируют в виде следующих через равные промежутки времени положительных и отрицательных импульсов, в которых циклически повторяют паузу длительностью, кратной длительности положительного и отрицательного импульсов причем измерение, передачу и прием информации осуществляют во время сле : ования плоской вершины импульсов питающего напряжения, при этом измерение, передачу и прием информации по каналам синхронизируют по фронтам импульсов напряжения питания, аПО циклам - по паузе в питающем напряжении. Кроме того, с целью обеспечения передачи информации в виде аналогового сигнала длительность паузы в питающем напряжекии устанавливают не менее длительности измеряемого аналогового сигнала, передачу которого осуществляют во время следования указанной паузы. С целью установления диалогового режима работы аппаратуры формируют сигнал блокировки одного или нескольких каналов, выделяя этот интервал для передачи или приема кода управления. Питание скважинных приборов напряжением в виде положительных и отрииат&аьных импульсов (меандр) требует для передачи одинаковой мощности в 1,41 раза меньще амплитуды, чем при питании синусоидальным напряжением. В результате, при питании напряжением в виде меандра обеспечивается возможность передачи по кабелю необходимой мощности, не превышаюплей допустимого значения амплитуды напряжения на входе каротажного кабеля, что важно при выполнении скважинных приборов .в виде агрегатированных блоков, ка основе которых собирают агрегатированные комплексы. Кроме того, питание скважинных приборов .меандром позволяет производить измерение, прием и передачу информации во время прохождения плоской вершины .меандра, т. е. практически при постоянном токе, при этом отпадает необходимость в использовании таких узлов-, как фазочувствительный детектор, схемы выборки-хранения и, следовательно, упрощается электронная схема и конструкция скважинных приборов. С целью повь.шения помехозащищенности и точности аппаратуры измерение, прием и передачу цифровой информации осуществляют в окне меандра, отступив от его фронтов на время, обуслоЕ5ленное их завалом при прохождении через каротажный . Согласно полученным экспериментальным данным завал фронтов меандра частотой 300 Гц на уровне 0,5 и длине кабеля 5000 м не превышает 50/S. Передачу по каротажному кабелю как результатов измерений от скважинных приборов, так и кода управления от назе.мной части осуществляют в последовательном двоичном коде на основе КИМ. Для предотвращения заряда кабеля используется сигнал с фазовым кодированием (биполярный сигнал). В каждом цикле питающего напряжения предусмотрена пауза, необходимая для синхронизации аппаратуры по циклу, при этом с целью передачи в каждом цикле информации в виде быстропере.менного аналогово го сигнала, например акустического, формируют длительность указанной паузы не менее длительности измеряемого сигнала, из.мерение и передачу которого осуществляют во время следования указанной паузы. С целью обеспечения диалогового режяма работы аппаратуры в наземной и скважинной частях формируют сигналы блокировки, которыми входные устройства наземной и скважинной частей аппаратуры переводят из режима прием-передача в режим передача-прием. Для увеличения количества каналов передачи без из.менения параметров электронной схемы аппаратуры, например увеличения частоты питающего напряжения, в специально выделе1 ном канале каждого цикла фор.мируют сигнал номера цикла, в соответствии с которым информацию передают в нечетных циклах от первого до п источника, а по четным циклам - от (п+1) до 2п источника. На фиг. 1 изображена блок-схема наземной части геофизической аппаратуры; на фиг. 2 - блок-схе.мьг скважи шых приборов (модулей), реализующих метод плотностного гамма-гамма каротажа плюс каверномер (ГГК-П -г каверномер) и акустический метод; на фиг. 3 - эпюры напряжения питания и передаваемых сигналов. Наземная часть аппаратуры содержит устройство 1 формирования питающего напряжения скважинных приборов (модулей), устройство 2 выделения инфор.мационного сигнала, устройство 3 передачи кода управления и устройство 4 выделения аналогового сигнала, соединенные через трансформаторы Т1 и Т2 с трехжильным каротажны.м кабелем к входу которого подключены агрегатированные скважинные модули и устройство 5 синхронизации и формирования адреса. К адресной щине 6 и щине 7 данных подключены устройство 8 вывода и регистрации информации, поступающей от скважинных модулей и устройство 9 ввода команд, обеспечивающее управление режимами работы аппаратуры. Наземная часть аппаратуры содержит также устройство 10 сопряжения со стандартной магистралью МЭК iro ГОСТ 26.00380, к которой может быть подключена бортовая ЭВМ II, а также источник 12 питания, обеспечивающий питание исполнительных устройств скважинных модулей. Скважинная часть аппаратуры состоит .из ряда агрегатированных модулей, конструктивно ii информационно совместимых двух с друго.м, каждый из которых реализует один или несколько методов ГИС и на базе которых собирают агрегатированные комплексы для проведения одновременных многопараметровых измерений за одну спусконодъе.мную операцию. Измерительные датчики скважинных модулей являются источника.ми трех видов сигналов, обеспечивающих проведение всех известных видов ГИС: дискретного (от датчиков перемещения рычагов каверно.мера) и быстропеременного аналогового (акустического сигнала). Скважинный модуль ГГК-П -+- каверномер (фиг. 2) содержит детектор 13 ионизирующих излучений, преобразователь 14 неэлектрических величин в электрические сигналы, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 15, устройство 16 синхронизации и формиро вания адреса, устройство 17 передачи информации и согласования с кабелем и устройство 18 вьСаеления кода управления, причем устройства 6, 17 и 18 через трансформаторы ТЗ и Т4 соединены с входом каротажного кабеля, соединяющим скважинные модули между собой и с наземной частью аппаратуры; дешифратор 19 адреса и кода управления, исполнительное устройство 20, управляющее раскрытием/закрытием рычагов, реле 21, подключающее исполнительное устройство 20 к третьей жиле кабеля. Выходы устройств 16 синхронизации и 18 выделения кода управления соединены с адресной шиной 22, а вход устройства 17 соединен посредством шины 23 данных с выходами АЦП 15 и преобразователя 14. Адресная щина 22 дополнена управляющей линией 24. Кроме того, скважинный модуль ГГК-П + каверномер включает измерительный датчик 25 аналогового сигнала (каверномера), аналоговый ключ 26 и устройство 27 питания, соединенное через трансформатор ТЗ с каротажным кабелем. Скважинный модуль акустического каротажа содержит акустический излучатель 28, приемник 29 акустического сигнала, усилитель 30 с регулируемым коэффициентом усиления, устройство 31 синхронизации и формирования адреса, устройство 32 выделения кода управления, устройство 33 передачи информации и согласования с кабелем, дешифратор 34 адреса и кода управления, адресную щину 35 с управляющей линией 36 и устройство 37 питания. При этом устройства 31, 32, 33 и блок 37 питания через трансформаторы Т5, Т6 и Т7 соединены с кабелем. Адресная шина 35 соединена с выходами устройств 31 синхронизации и формирования адреса и 32 выделения кода управления. Устройства 3 и 17 передачи, устройства 16 и 31 синхронизации, устройство 2 выделения сигнала и устройства 18 и 32 выделения кода управления, дешифраторы 19 и 34, устройства 27 и 37 питания .и согласующие трансформаторы Т2-Т6 идентичны и являются унифицированными для всей аппаратуры. Аппаратура работает следующим обУстройство 1 формирует импульсы питающего напряжения прямоугольной формы со следующими через равные промежутки 50 времени положительными и отрицательными перепадами (меандр), в которых циклически повторяется пауза длительностью, кратной длительности меандра (фиг. За). Эти импульсы по кабелю поступают на устройства 16 и 31 ск ажинных модулей и устройство 5 55 наземной части, в которых осуществляется, по фронтам импульсов питающего напряжения, синхронизация работы аппаратуры по такту (каналам) и циклу (совокупности каналов) путем последовательного выставления на адресных щинах 6, 22 и 35 номеров (адресов) каналов. При этом в устройствах 27 и 37 передаваемое по кабелю питающее напряжение преобразуется в выпрямленное стабилизированное напряжение постоянного тока, необходимое для работы электронной схемы соответствующего скваживного модуля. Сигналы от дете стора 13 ионизирующих излучений поступают на преобразователь 14, где преобразуются в параллельный двоичный код, и по приходе на шину 22 адреса номера канала, выбранного для передачи информации от детектора 13, дешифратор 19 выделяет сигнал разрешения, по которому информация поступает в параллельном коде на шину 23 данных, а затем в устройство 17 передачи и согласования с кабелем, где преобразуется в последовательный двоичный код и передается в кабель в виде, представленном на фиг. 36. Устройство 2 выделения информационных сигналов принимает эту информацию, преобразует в параллельный двоичный код и по приходе на шину 6 номера выбранного канала выделяет ее на щину 7 данных. При этом устройство 8 вывода и регистрации информации осуществляет, в соответствии с номером выбранного канала (адресом), регистрацию инфор.мации с шины 7 данных. Аналоговый сигнал от измерительного датчика 25 поступает на вход АЦП 15 через ключ 26, который открывается сигналом, формируемым дешифратором 19 по приходе на шину 22 адреса Номера канала, выбраннего для передачи информации от датчика 25. С выхода АЦП 15 информация в параллельном коде -поступает на шину 23 данных,, а затем в устройство 17, где преобразуется в последовательный двоичный код и передается в кабель в виде, представленном на фиг. 35. Прием, вывод и регистрация в наземной части аппаратуры информации от датчика 25 производится аналогично схеме прохожден„я дискретных сигналов от детектора 13. С целью повышения точности и помехозащищенности измерение, преобразование, прием и передачу информации осуществляют во время следования плоской вершины импульсов питающего напряжения с отступлением от фронтов не менее чем на (фиг. Зв). Акустические сигналы от приемника 29, которые не преобразуются в цифровую форму, передаются . в кабель во время следования паузы в питающем напряжении, длительность которой устанавливается не менее длительности передаваемого аналогового сигнала.

Для запуска излучателя 28 и срабатывания устройства 33 передачи и согласования с кабелем, которое в остальное время цикла находится в высокоимпедансном (отключенном) состоянии, дешифратор 34 выдает сигнал разрешения по приходе на шину 35 адреса номера канала, соответствующего паузе. Акустический сигнал принимается приемником 29, усиливается устройством 30 и через устройство 33 поступает на время паузы на вход кабеля (фиг. Зг). В наземной части аппаратуры указанный акустический сигнал регистрируется устройством 4 во время паузы в питающем напряжении, при этом в остальное время цикла устройство 4 находится в высокоимпедансном (отключенном) состоянии.

С целью повыщения точности и помехозащищенности измерений запуск излучателя 28 и устройства 33 производится с отступлением от фронтов паузы не менее чем на (фиг; Зг).

Передача кода управления от наземной к скважинной части аппаратуры (диалоговый режим) обеспечивается следующим образом.

Устройство 5 формирует в выбранном для передачи кода управления канале сигнал разрешения передачи, поступающий на устройство 3, и одновременно сигнал блокировки, который поступает в устройство 2 и запрещает прием и передачу информации на шину 7 данных от скважинных модулей. При этом указанный сигнал блокировки подключает к шине 7 данных устройство 9, которое передает на нее заданный оператором код управления. С щины 7 данных код управления поступает в устройство 3, которое преобразует его в последовательный код и в таком виде передает в кабель (фиг. 36).

Устройства 16 и 31 синхронно с устройством 5 фор.мируют аналогичные сигналы блокировки, которые поступают в устройства 17 и 33 и запрещают передачу информации от скважинных модулей в кабель. Одновременно эти же сигналы дают разрещение на прием кода управления устройствами 18 и 32 и его выдачу в парал.тельном коде на шины 22 и 35 адреса, при этом устройства 16 и 31 выставляют на управляющих линиях 24 и 36 сигналы, идентифицирующие наличие кода управления на адресных щинак 22 и 35.

С дешифратора 19 сигнал разрешения (управления) подается на реле 21, с помощью которого осуществляется подключение третьей жилы кабеля к исполнительному устройству 20 (например к двигателю устройства раскрытия/закрытия рычагов). По указанной жиле от наземного источника 12 питания исполнительных устройств подается соответствующее напряжения питания (подключается соответствующий выход источника питания).

Аналогично происходит изменение коэффициента усиления усилителя 30 в модуле акустического каротажа при подаче соответствующего кода управления, только в этом случае по сигналу от дешифратора 34 происходит не коммутация третьей жилы кабеля, а переключение реле, которое изменяет коэффициент усиления усилителя 30. 0 Устройство 10 сопряжения обеспечивает обмен информацией, в том числе передачу кода управления по стандартной магистрали МЭК от бортовой ЭВМ каротажной лаборатсзрии, благодаря чему может быть обеспечена работа аппаратуры, реализующей предлагаемь Й способ, в программно-управляемом режиме.

Если количества каналов одного цикла недостаточно для передачи информации от скважинного модуля, то .в данном модулу

0 по команде управления подключают источники информации под номерами от 1 до п к каналам передачи в первом цикле, а источники под номерами от (п + 1) до 2п подключают к каналам передачи во втором цикле (фиг. За). В этом случае скважинный модуль, в котором передача информации осуществляется за два цикла, формирует номер цикла и передает его по специально выделяемому каналу.

Таким образом, без изменения аппаратуры может быть увеличено количество опрашиваемых источников информации (скважинных модулей) и, соответственно, каналов передачи на величину, кратную количеству каналов в цикле. При этом снижается только частота их опроса.

При сравнительно несложной аппаратурной реализации и простом межмодульном интерфейсе предлагаемый способ обеспечивает достаточно высокую точность измерения высокую помехозащищенность, диалоговый

режим и автоматизацию процесса подготовки и проведения ГИС. Таким образом, способ позволяет реализовать с простым межмодульным интерфейсом (три жилы кабеля) скважинную аппаратуру по агрегатно-блочному принципу, а питание напряжением в виде меандра и возможность увеличения числа каналов без изменения аппаратуры позволяет собирать агрегатированные комплекты, состоящие из достаточно больщого количества скважинных модулей.

Q Система скважинных приборов, реализующая предлагаемый способ, является открытой и допускает наращивание за счет включения вновь разрабатываемых агрегатированных приборов без изменения разработанной ранее аппаратуры.

5 Экономический эффект от внедрения изобретения достигается путем обеспечения одновременных многопара.метровых измерений за одну спускоподъемную операцию

комплексными и комбинированными приборами, собранными на базе агрегатированных модулей, а также благодаря повыилению производительности труда за счет возможности автоматизации процесса подготовки

и прозедения ГИС с использованием бортовой ЭВМ. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения одного агрегатированного комплекса, реализующего предлагаемый способ, составляет 59,8 тыс. руб.

1. СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ОТ СКВАЖИННОЙ К НАЗЕМНОЙ ЧАСТИ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ, включающий подачу напряжения питания от наземной части аппаратуры к скважинной, формирование сигналов управления режимами работы, временное разделение каналов, преобразование информации в ц ифровую форму и передачу ее в последовательном коде по геофизическому кабелю синхронизацию по каналам и циклам, преобразование в наземной части в параллельный код, обработку и регистрацию, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и помехозащищенности передачи информации, напряжение питания формируют в виде следующих через равные промежутки времени положительных и отрицательных импульсов, в которых циклически повторяют паузу длительностью, кратной длительности положительного и отрицательного импульсов, причем измерение, передачу и прием информации осуществляют во время следования плоской вершины импульсов питающего напряжения, при этом измерение, передачу и прием информации по каналам синхронизируют по фронтам импульсов напряжения питания, а по циклам - по паузе в питаюш,ем напряжении. 2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения передачи информации в виде аналогового сигнала, длительность паузы в питающем напряжении уста(Л навливают не менее длительности измеряемого аналогового сигнала, передачу которого осуществляют во время следования указанной паузы. 3.Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью установления диалогового режима работы . аппаратуры, формируют сигнал для блокировки одного или нескольсо 4 ких каналов, выделяя этот интервал для передачи или приема кода управления.

Фие.2

Tsfxm

ffaysa

..J

П

J

oum

VlnT-JHRrrt/foffopi aifuof/i/cre

OMOffd oe) cjToSa

сррон/пы меандра.

Анустическии

сигнал

чм

Vlnf-iIMM r-VbTVl/ln

а

l

500Ji,,

LVLСинуросиена

ЦпР/ ауза