Первые отечественные бескабельные забойные телесистемы ЗИС-4 были разработаны в 80-е годы во ВНИИГИС г. Телесистема позволяла контролировать зенитный угол, азимут и угол установки отклонителя, что обеспечивало оперативное управление направлением движения забоя скважины. Она состояла из скважинного прибора и наземного блока. Корпус скважинного прибора представлял собой немагнитную трубу с электрическим разделителем в виде изолятора. Будучи включен в компоновку нижней части бурового инструмента, корпус скважинного прибора электрически разделял буровой инструмент на две части, образуя диполь. В корпус скважинного прибора монтировался измерительный блок, включающий датчик положения, измеряющий зенитный угол, азимут и угол установки отклонителя, и блок преобразования сигнала, в котором сигнал датчика преобразовывался и кодировался. Закодированный низкочастотный электрический сигнал подавался на диполь. Питание измерительного блока осуществлялось генератором приводимым во вращение потоком бурового раствора. На поверхности сигнал скважинного прибора, принимался антенной, отфильтровывался от помех и дешифрировался наземным блоком. Полученные значения инклинометрических параметров отображались на цифровых индикаторах и выводились на печать. Для кодирования передаваемых данных использовались псевдошумовые последовательности. Разработка в конце 80-х годов прошлого столетия этого электромагнитного канала связи "забой-поверхность" с использованием интегральных микросхемах средней степени интеграции заслуживает самой высокой оценки.
Конструктивные, схемотехнические и математические решения, положенные разработчиками в основу телесистемы ЗИС-4, обеспечивали в большинстве случаев нормальное функционирование электромагнитного канала передачи данных при глубинах бурения до 3000 м.
Во второй половине 90-х годов этот же канал передачи данных был реализован с использованием однокристальных ЭМВ, а для обработки, хранения и отображения информации телесистем стали использовать ПЭВМ. В это же время копированием и совершенствованием телесистем ЗИС-4 занялись многие фирмы.
Ряд фирм пошел на коренную модернизацию конструкции скважинного прибора и принципиальное изменение схемотехнических и математических основ системы передачи данных. Но в результате этих переделок характеристики полученного канала передачи данных только ухудшились (глубина передачи не превышает 1500-2000 м), что говорит о некорректности реализованных решений.
Большинство фирм пошло по пути незначительно усовершенствования конструкции скважинного прибора, сосредоточив усилия на использовании современной элементной базы в скважинной электронике и наземном блоке, применении различных аппаратных и цифровых фильтров, разработке своих протоколов передачи данных, не изменяя систему кодирования. В результате увеличился ресурс и повысилась надежность работы скважинных приборов, расширился объем передаваемых на поверхность данных за счет технологической информации (напряжение, частота и сила токов питания и сигнала) и результатов измерения естественного гамма-излучения в скважине. Но надежность приема сигнала на поверхности и помехозащищенность канала передачи данных остались практически на прежнем уровне. Поэтому глубинность работы канала увеличилась незначительно (до 3500 м).
В бескабельном электромагнитном канале передачи данных с забоя скважины на поверхность надежность приема сигнала и помехозащищенность, определяются мощностью излучателя скважинного прибора, параметрами приемника и совершенством способа кодирования-дешифрации сигнала.
Мощность излучателя скважинного прибора определяется эквивалентным сопротивлением диполя и напряжением подаваемого на него сигнала. В свою очередь, эквивалентное сопротивление диполя зависит от его геометрии и электрического сопротивления окружающей среды (горных пород в прискважинной зоне и бурового раствора в скважине), а напряжение питания определяется параметрами генератора и скоростью вращения его привода. Таким образом, мощность излучателя скважинного прибора в конкретных скважинных условиях определяется конструкцией скважинного прибора.
Уровень сигнала телесистемы на поверхности при прочих равных условиях определяется мощностью излучателя и электрическими свойствами отложений, слагающих вскрываемый бурением разрез горнах пород.
В телесистемах ЗИС-4, и системах, являющихся их прямым развитием, конструкция скважинных приборов и параметры применяемых в них генераторов, обеспечивают эквивалентную мощность излучателя в среднем 400 Вт при бурении в терригенных отложениях Западной Сибири и в среднем 150 Вт в терригенно - карбонатных отложениях европейской части России. При этом уровень сигнала на поверхности в большинстве случаев более 200 мкВ. В каналах передачи современных отечественных телеситем параметры приемника и система кодирования-дешифрации (псевдошумовые последовательности) обеспечивают уверенный прием и дешифрацию сигнала этого уровня. Но в случаях, когда по каким-либо причинам (техническим, технологическим, геологическим) уровень сигнала на поверхности снижается, возникают сложности с его приемом и дешифрацией.
В ООО НПП "ГЕОТЕК-ПРИБОР" было принято решение о разработке для информационной системы ГЕОТЕК электромагнитного канала передачи данных с забоя скважины на поверхность (ЭМК ИС ГЕОТЕК), обладающего повышенной надежностью приема сигнала и помехозащищенностью.
При разработке нового канала передачи данных были оценены возможности различных путей решения задачи повышения надежности передачи сигнала и помехозащищенности. Мощность излучателя современных отечественных телеситем была признана достаточной. Более того, повысить мощность излучателя можно лишь незначительно. Это ограничение вызвано соотношением геометрии скважины и бурового инструмента, электрических свойствами бурового раствора и горных пород в прискважинной зоне. Поэтому было принято решение использовать в канале передачи данных имеющиеся в продаже модели скважинных приборов и генераторов, сосредоточив основные усилия на применении более совершенного способа кодирования-дешифрации сигнала и повышении чувствительности приемника путем улучшения параметров системы фильтрации.
Система кодирования сигнала телесистемы ЗИС-4 была достаточно совершенной для уровня развития схемотехники 80-х годов прошлого века. Но вычислительные возможности современной схемотехники значительно возросли и позволяют применить при передаче данных более сложную и совершенную систему кодирования. Одна из таких систем кодирования использована в новом канале передачи данных.
В приемниках большинства современных отечественных электромагнитных каналов передачи данных в системах фильтрации полезного сигнала на поверхности используется сочетание аппаратных и цифровых фильтров. Ввиду того, что создание высококачественных низкочастотных аппаратных фильтров высокого порядка затруднительно, было принято решение отказаться от аппаратных фильтров и преобразовывать весь сигнал антенны после усиления в цифровой сигнал, осуществляя выделение полезного сигнала его математической обработкой.
Разработка нового канала передачи данных длилась более трех лет. Были разработаны блок скважинной электроники (блок измерительный ICS THM 006) для скважинных приборов забойных телесистем, являющихся прямым развитием ЗИС-4 (ЗИС - 4М, СИБ - 1, ЗТС - 175, БТС - 172 и т. п.), наземный пульт ICS TSR 005 и программное обеспечение приема, сбора, обработки и анализа данных забойной инклинометрической телесистемы "ZisCTL" (свидетельство N2006612011).
При разработке блока скважинной электроники была поставлена задача обеспечения его высокой надежности. Анализ причина отказов блоков скважинной электроники показал, что основными являются превышение допустимого напряжения питания, механическое повреждение в результате вибраций монтажа печатных плат и жгутов межмодульных электрических соединений, а так же разрушение разъемного соединения для подключения скважинной электроники к наземному пульту на поверхности. Для исключения влияния этих причин на надежность работы блока были предприняты следующие меры. Введено программируемое ограничение тока питания. С целью предотвращения механических повреждений, вызванных вибрациями, снижена масса элементов аппаратуры. Для этого блок скважинной электроники выполнен в виде микропроцессорных модулей. Обмен информацией между модулями производится с использованием промышленного стандарта EIA RS-485. Большую часть функций модулей выполняет встроенное ПО, что позволило применить минимум электрических компонентов, минимального размера и массы, и выполнить сборку печатных плат поверхностным монтажом. Вместо многожильных жгутов модули в соответствии со стандартом EIA RS-485 соединяются последовательно четырьмя электрическими проводниками. Низкое энергопотребление модулей позволило использовать в соединениях тонкие проводники, имеющие незначительную массу. Прямое подключение блока к наземному пульту производится по беспроводному каналу связи.
Блок скважинной электроники обеспечивает измерение инклинометрических параметров при остановке генератора (остановке циркуляции бурового раствора) и питании от батареи. Кроме того, в нем предусмотрена установка модуля ГК (блок измерения ГК ICS THG 004).
Блок скважинной электроники выполнен на шасси диаметром 46 мм. Источником инклинометрической информации в нем является датчик положения (блок измерения положения ICS THS 005). Это микропроцессорный датчик, в котором для измерения параметров магнитного и гравитационного полей используются твердотельные магнитометры и акселерометры. Он измеряет азимут и магнитный угол установки отклонителя по параметрам магнитного поля, зенитный угол и угол установки отклонителя (при зенитном угле более 2 градусов) - по параметрам гравитационного поля. В нем имеются два встроенных измерителя температуры. Диапазоны измерения зенитного угла от 0 о до 180 градусов, азимута, угла установки отклонителя и магнитного угла установки отклонителя от 0 о до 360 градусов, температуры от – 55 до +150 градусов цельсия. Абсолютная погрешность измерений зенитного угла +-0.1 градус , азимута +-2 градуса, магнитного угла установки отклонителя +-1 градус, гравитационного угла установки отклонителя +-0.5 градуса, температуры +-0.5 градусов цельсия. Рабочая температура окружающей среды от +5 до +120 градусов цельсия. Длительность одного полного цикла измерений от 0.1 до 7 сек (устанавливается при изготовлении). Напряжение питания от 5 до 12 В постоянного тока. Потребляемый ток не более 40 мА. Габариты датчика 30 х 267 мм. Масса не более 0.4 кг. Математическая обработка сигналов магнитометров и акселерометров обеспечивает учет влияния вибраций на результаты измерений. В настоящее время при вибрациях КНБК для большинства режимов бурения в Западной Сибири на глубинах до 1800 м разница измерений азимута и зенитного угла "в динамике" (непосредственно в процессе бурения) и "в статике" (при остановке циркуляции) не превышает 3 и 0.5 градуса соответственно. Работы по совершенствованию алгоритма обработка сигналов магнитометров и акселерометров продолжаются.
Передача информации на поверхность производится пакетами данных (кадрами). Частота следования кадров от 18 до 64 с.
В энергонезависимую память блока скважинной электроники записываются все измерения инклинометрических параметров, данные ГК, средневкадратичное значение вибраций по трем осям и параметры работы скважинного прибора (напряжение, частота и ток генератора, напряжение батареи, температура). На основании анализа этих данных в блоке скважинной электроники формируются служебные сообщения о состоянии скважинного прибора, которые периодически передаются на поверхность.
Блок скважинной электроники устанавливается в корпуса скважинных приборов диаметром 172 - 178 мм, являющихся прямым развитием телесистем ЗИС-4, производства ООО НПП "ВНИИГИС" г. Октябрьский, ОАО ИПФ "СИБНЕФТЕАВТОМАТИКА" г. Тюмень, НПП "ПРОМГЕОСЕРВИС" г. Самара и в корпус скважинного прибора диаметром 108 мм производства ОАО ИПФ "СИБНЕФТЕАВТОМАТИКА". В феврале 2007 года совместно с геофизическими и буровыми организациями группы предприятий "ИНТЕГРА" были проведены успешные испытания при турбинно-роторном бурении допускающего вращение скважинного прибора производства ОАО ИПФ "СИБНЕФТЕАВТОМАТИКА" диаметром 178 мм с установленным в нем блоком скважинной электроники ICS THM 006.
Наземный пульт ICS TSR 005 так же выполнен в виде микропроцессорных модулей.
Он обеспечивает прием, усиление, преобразование сигнала антенны в цифровой сигнал, выделение полезного сигнала путем цифровой фильтрации, дешифрирование информации, и ее передачу в ПЭВМ, где с помощью ПО "ZisCTL" производится обработка полученных данных, их хранение и анализ. Кроме того, ПО "ZisCTL" обеспечивает на поверхности настройку блока скважинной электроники, извлеченного из скважинного прибора, считывание информации из его энергонезависимой памяти через наземный пульт по беспроводному каналу связи. Объем ПО "ZisCTL" не превышает 1 Мб, оно работает на ПЭВМ средней мощности как в составе ПО ИС ГЕОТЕК, так и отдельно.
Благодаря применению цифровой фильтрации полного сигнала антенны и использованию для передачи данных более совершенного кода разработанный канал передачи данных обеспечивает уверенное получение и дешифрацию сигнала на поверхности при помехах в несколько раз превышающих уровень сигнала в полосе его частот. Минимальный уровень принимаемого сигнала 2 мкВ. Таким образом, чувствительность ЭМК ИС ГЕОТЕК на два порядка выше относительно аналогичных каналов передачи информации. Наибольшая глубина его работы составила 4200 м по вертикали. При этом уровень сигнала на поверхности был в пределах 50-80 мкВ. Прием и дешифрация такого сигнала с использованием других бескабельных электромагнитных каналов связи были бы проблематичны, а для ЭМК ИС ГЕОТЕК данный уровень сигнала не является предельным, и, следовательно, имеется значительный запас его глубинности.
Более двух лет ЭМК ИС ГЕОТЕК позволяет надежно получать данные забойной инклинометрии, обеспечивая успешное управление направлением движением забоя при бурении скважин на площадях Пальяновская, Восточно-Пальяновская, Ем-Ёганская, Каменная, Талинская, Средне-Угутская Западно-Сибирского региона, Бобровская, Вахитовская, Гаршинская, Горная, Родниковская Волго-Уральского региона, Сергиевская и Елшанская Средне-Волжского региона.
В настоящее время ЭМК ИС ГЕОТЕК используется для передачи инклинометрической информации, данных ГК и служебной информации. С целью расширения объема передаваемых с забоя данных рассматривалась возможность подключения к скважинному прибору телесистемы диаметром 178 автономного скважинного прибора ЗАО НПП ГА "Луч" г. Новосибирск, измеряющего кажущееся удельное электрическое сопротивление индукционными зондами разной глубинности. Специалистами ООО НПП "ГЕОТЕК-ПРИБОР" и ЗАО НПП ГА "Луч" была проведена предварительная проработка этого вопроса. Она показала отсутствие технических препятствий решения данной проблемы. Геофизический блок группы предприятий "ИНТЕГРА" проявил заинтересованность в этих работах и выразил готовность финансировать их. Были проработаны на уровне эскизов основные узлы сочленения и решены принципиальные вопросы обмена данными. Но, к сожалению, неожиданно на этапе формирования технического задания по инициативе ЗАО НПП ГА "Луч" эти, несомненно, перспективные работы были прекращены.
В настоящее время ведется поиск скважинной аппаратуры, которую можно было бы подключить к скважинным приборам диаметром 172-178 или 108 мм, увеличив объем информации, передаваемой на поверхность ЭМК ИС ГЕОТЕК.
В феврале - мае 2008 года в тресте "Сургутнефтегеофизика" были проведены испытания ЭМК ИС ГЕОТЕК с целью проверки достоверности данных инклинометрических измерений в "в динамике" (непосредственно в процессе бурения). Результаты испытаний подтвердили заявляемые отклонения от измерений азимута и зенитного угла "в статике" (при остановке циркуляции) не превышают 3 о и 0.5 о соответственно.
Кроме того, модульная конструкция блока скважинной электроники позволяет без затруднений выполнить его в любом конструктиве и применить в любом скважинном приборе телесистемы с излучателем сигнала, по своим электрическим параметрам близким к излучателю ЗИС-4.
