Системы погружной телеметрии являются одними из главных элементов современной автоматизированной и интеллектуальной скважины [1]. Использование данных систем позволяет, в комплексе с частотными регуляторами и системами дозирования защитного реагента, сильно увеличить срок службы насосного оборудования. К тому же, будучи оснащенной дополнительными датчиками, такая система сможет определять и другие параметры, как скважины, так и добываемого продукта [2].
В работе [3] приведен ряд проблем, возникающих при разработке систем погружной телеметрии, а также возможные способы их решения. В качестве методики передачи данных посредством силового кабеля насоса была выбрана фазовая модуляция 13-элементной последовательности Баркера. По результатам исследования [4] 13-элементная последовательность Баркера может быть распознана при соотношении сигнал/шум менее 1/14. Однако, необходимо проверить, насколько будет работоспособен этот метод при передачи данных по силовому кабелю.
Проведение эксперимента потребовало бы сооружения достаточно громоздкой установки, которая предполагает использование каротажного кабеля длиной 2–5 км, высоковольтного насоса и источника питания для него. При этом кабель невозможно использовать в виде бухты, так как он не будет отражать поведения кабеля в реальной буровой или насосной установке. Для эксперимента понадобилось бы уложить кабель в виде большой петли, что потребовало бы значительных площадей.
Поэтому, на начальном этапе исследований решено было прибегнуть к математическому моделированию системы с использованием комплекса MATLAB/Simulink, чему и посвящено настоящее исследование.
За 20 лет развития пакет Simulink превратился из графического редактора-надстройки над MATLAB в мощный и удобный комплекс, имеющий возможности не только моделирования абстрактных математических функций, но и достаточно сложных реальных систем. На сегодняшний день в составе Simulink находятся комплекты моделирования механических систем, электронных схем, силовых систем, а также средства генерации кода на языках высокого уровня, таких, как C или VHDL, а также генерации проектов для различных сред программирования.
Для моделирования силовых систем Simulink включает пакет SimPowerSystems [5]. Он содержит модели трехфазных генераторов, двигателей, кабелей, цепочек RLC с возможностью настройки, а также средства сопряжения со стандартными элементами модели Simulink — управляемые силовые ключи, измерители напряжения и тока.
В первую очередь было принято решение создать модель среды передачи данных. В данном случае среда будет состоять из следующих элементов:
1) источника трехфазного напряжения с выходом нулевой точки;
2) каротажного кабеля;
3) эквивалента трехфазного электродвигателя.
Формировать сигналы передаваемых данных решено подачей напряжения в нулевую точку источника трехфазного напряжения (предполагается возможность передачи данных в обе стороны — для начала будет отработана передача данных от наземного блока в блок погружной телеметрии), что будет осуществляться с помощью компонента управляемого источника питания. Прием информации будет осуществляться путем измерения напряжения и тока в нулевой точке эквивалента двигателя. Внешний вид модели показан на рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид модели среды передачи данных
Как видно из приведенного рисунка, модель можно разделить на три секции:
1) Модель источника трехфазного напряжения (секция I), состоящая из компонента Controlled Voltage Source, согласующего сигналы компонентов Simulink с сигналами компонентов SimPower и компонента Three-Phase Source — генератора трехфазного сигнала. На вход 1 может быть подан любой сигнал с выхода компонента Simulink, который после преобразования будет подан в нулевую точку источника трехфазного сигнала, имитирующего вторичную обмотку трансформатора питания погружного насоса.
2) Модель каротажного кабеля (секция II). Данный вид кабеля используется для питания погружных насосов. Так как в составе компонентов SimPower присутствовала только модель обычного трехфазного кабеля, отличающегося по свойствам от каротажного, была разработана собственная модель.
3) Модель трехфазного асинхронного электродвигателя (секция III), к нулевой точке обмоток которого подключен либо измеритель напряжения, либо измеритель тока.
Модель среды передачи данных (рис. 1) состоит из двух практически одинаковых частей. Такое усложнение вызвано невозможностью одновременного подключения измерителя тока и напряжения, что является ограничением самой системы SimPower.
Для начала необходимо оценить реакцию системы на единичный импульс. Для этого была собрана модель, показанная на рис. 2. На вход подключен источник единичного импульса амплитудой 300В и длительностью 0,01с, на выходе подключен трехканальный виртуальный осциллограф — первый канал подключен на вход модели, второй канал — к измерителю тока, третий канал — к измерителю напряжения.
Рис. 2. Модель, иллюстрирующая реакцию системы на единичный импульс
Результат работы модели показан на рис. 3. Как видно, подача единичного импульса вызывает плавное нарастание тока в нулевой точке и с нуля до 7А и затухающие колебания напряжения с начальной амплитудой 600В, постепенно снижающиеся до 300В.
Рис. 3. Реакция модели на одиночный импульс
Теперь, для оценки искажений, нужно подать на вход системы прямоугольные импульсы (рис. 4).
Рис. 4. Модель для проверки искажения прямоугольных импульсов
Результат работы такой модели показан на рис. 5.
Рис. 5. Результат работы модели
Как видно, переходные процессы по переднему фронту импульсов не взносят серьезных искажений в сигнал, и он может быть распознан.
Вторая часть данного исследования будет приведена в следующей статье.
Литература:
1. Файзрахманов Р. А., Долгова Е. В., Рахманов А. А. Задача адаптивного управления насосным оборудованием на основе интеллектуальных технологий // Электротехника. 2013. № 11. С. 17–19.
2. Адиев А. Р. «Интеллектуальные» скважины. Мониторинг разработки многопластовых объектов в скважинах с УЭЦН // Инженерная практика. 2010. № 1. С. 66–71.
3. Файзрахманов Р. А., Володин В. Д., Бикметов Р. Р., Шаронов А. А. Использование PLC-технологий в системах погружной телеметрии для нужд нефтедобывающей отрасли // Сборник докладов международной конференции «Наука и общество», февраль 2014, часть 1. Донецк, 2014. С. 56–60.
4. Волынская А. В., Калинин П. М. Новые помехоустойчивые сигналы для интеллектуального канала телемеханики // Фундаментальные исследования. 2012. № 11–4. URL: rae.ru/fs/pdf/2012/11–4/30684.pdf.
5. SimPowerSystems. Model and simulate electrical power systems. URL: mathworks.com/products/simpower/.
