Experimental choice of signal-code sequence for measure while drilling under real noise conditions

Full Text

Введение Наклонно-направленное и горизонтальное бурение невозможно без применения забойных телеметрических систем (ЗТС, по зарубежной терминологии MWD и LWD), которые обеспечивают оперативное управление траекторией ствола скважин. По различным средам передачи телеметрических данных телесистемы делятся на следующие типы: с кабельным каналом связи, гидравлическим, акустическим, электромагнитным, комбинированным. При использовании электромагнитных (ЭМ) систем используется канал связи сверхдлинноволнового диапазона [1-10]. Средняя (несущая) частота передаваемого сигнала в таких системах составляет обычно 1-10 Гц (окно прозрачности 0,5-20 Гц). Более высокочастотные сигналы практически полностью поглощаются породой в процессе распространения на практически значимых расстояниях (1-4 км). При подаче электрического напряжения между верхней и нижней частями бурильной колонны (выполняющую роль антенны), разделенных диэлектрической вставкой, возникают токи, текущие в толще земли. Часть этих токов течет по поверхности и образует падение напряжения между устьем скважины и дополнительным электродом, установленным на расстоянии обычно 50-100 м от нее (см. рис. 1). Основным недостатком ЭМ канала связи следует отнести его относительно низкую помехозащищенность и связанную с этим проблему повышения скорости передачи данных, большое разнообразие как источников помех, так и их характеристик, что ограничивает такие важные показатели, как глубина бурения, точность и скорость проводки скважины. Рис. 1. Иллюстрация принципа действия ЗТС В этой связи поиск путей повышения помехоустойчивости системы связи является актуальной задачей, которую можно сформулировать как «повышение достоверности передачи данных в забойных телеметрических системах с ЭМ каналом связи». Для определения оптимальных схем кодирования и декодирования, модуляции и демодуляции экспериментально были определены вид и параметры импульсной характеристики канала связи, структуру и характеристики аддитивных помех. При этом использовались оцифрованные записи реальных сигналов с буровой [11]. Экспериментальные исследования влияния сигнально-кодовых конструкций на прием сигнала ЗТС При апробации результатов исследования были приняты следующие ограничения на реализацию приемной части: - задержка между моментом поступления сигнала на вход приемника и выдачей решения о первом символе на выходе приемника не более 16 информационных символов; - приемник должен обеспечить вероятность ошибки символа (полубайта) меньшую, чем приемник ЗТС, в области отношений «сигнал-шум» - у которого вероятность ошибки символа на выходе P16 0,1. Рис. 2. Структурная схема передатчика Рис. 3. Структурная схема приемника на основе мягкого декодирования В ходе эксперимента подверглись модернизации в передатчике блок «Кодер помехозащищенного кода» (см. рис. 2) и в приемнике блок «Демодулятор-Декодер» (см. рис. 3). Для этого было выбрано несколько подходящих помехоустойчивых кодов: сверточный код (4,1,16) со скоростью Rc = 1/4 и кодовым ограничением ν = 4, сверточный код (4,1,24) со скоростью Rc = 1/4 и кодовым ограничением ν = 8, блочный биортогональный код (24,4,12). При замене кода (16,4,8) на код (24,4,12) скорость кода падает с 1/4 до 1/6. Поэтому, если требуется сохранить скорость передачи информации, можно вместо двух (16,4,8) кодов использовать два кода (24,4,12) и (8,3,4). Помехозащищенность второго кода меньше, чем кода (16,4,8), но его можно использовать для передачи информации, имеющую меньшую значимость - например, младшие биты измеряемых параметров. На первом этапе экспериментального исследования передача сигнала проходила в условиях городской застройки, что гораздо дешевле и быстрее, чем испытания на скважине. Передающая часть располагалась во дворе ООО «ТехГеоБур» (поз. 3) порядка 550 м по поверхности от приемника, который находился в здании ПГУТИ (поз. 2). Схема расположения металлических штырей, играющих роль передающих и приемных антенн, указана на рис. 4: поз.1 - Московское шоссе, поз. 4 - ул. Санфировой. Места установки штырей обозначены черными точками, диаметр штырей 10 мм, глубина 0,5м. На поз. 5 условно показаны линии тока. Приемник использовался из штатного комплекта аппаратуры ЗТС (УСО и скважинный прибор производства ООО «ТехГеоБур»), также применялся экспериментальный образец приемной аппаратуры на базе доработанной звуковой карты модели «PCI E CREATIVE Sound Blaster» (доработка заключалась в добавлении разделительного конденсатора на входе), подключенной к ЭВМ. Рис. 4. Расположение приемной и передающей аппаратуры во время эксперимента в г. Самара Промежуточные данные эксперимента показали невозможность приема сигнала, что объясняется недостаточными размерами излучающей системы и наличием в земле металлических коммуникаций, шунтирующих сигнал. При этом наблюдалось отсутствие синхронизации, что говорит об актуальности ее улучшения - хотя для исследования индустриальных шумов данная экспериментальная установка предоставляет широкие возможности. Поскольку проверка на поверхности Земли оказалась невозможной, возникла необходимость проверки аппаратуры на буровой при проводке скважины. Была модернизирована прошивка микроконтроллера передатчика ЗТС и, соответствующим образом, видоизменена программа цифрового приемника - также см. рис. 2-3. Чтобы сравнить между собой различные варианты телесистемы, желательно сопоставить показания, закодированные разными кодами при одном уровне одинаковых по своим вероятностным характеристикам шумов и при одинаковых искажениях канала. С этой целью был разработан формат кадра передаваемых данных, в котором из четырех показаний канала «Отклонитель» первое и третье показания закодированы «традиционным» кодом (16, 4, 8), а второе и четвертое - одним из предложенных в [11], то есть (24, 4, 12). При этом соседние по времени СКК проходят один и тот же канал связи, т.к. глубина скважины за длительность выхода кадра данных меняется пренебрежимо мало. Для нестационарного шума, действующего в канале, с большой вероятностью в течение кадра оказывается интервал стационарности. При этом для практики интересен случай, когда передатчик расположен на такой глубине, когда и синхронизация, и декодирование находятся уже на пределе, и отношение «сигнал-помеха» при заданной частоте достигло такого значения, что приходится переключаться на следующую частоту. На рис. 5 в нижнем окне слева можно увидеть ослабленный почти до такого уровня сигнал, хотя уровень шума в данный момент времени незначителен. В нижнем окне справа находится график нормированной функции коррелятора синхронизации, а в верхнем окне содержатся принятые данные со своей достоверностью. В угловом квадратном окне находится графическое отображение телеметрического параметра «Отклонитель». Рис. 5. Внешний вид интерфейса программы приемника при слабом сигнале В таблице 1 можно увидеть результаты сравнения из фрагмента журнала рейса телесистемы. В выделенной строке по достоверности (одноразрядное целое число справа от значения) можно наблюдать тот самый случай, когда с помехой новый вариант системы (телеметрические параметры «Откл. 2» и «Откл. 4», достоверность «6» и «7» соответственно) справился, в отличие от старого (телеметрические параметры «Откл. 1» и «Откл. 3», достоверность «1» и «0» соответственно). Таблица 1. Сравнение двух систем помехоустойчивого кодирования Время Зенит Азимут Откл.1 Откл.2 Откл.3 Откл.4 Обороты Глубина 6:19:04 28,8 0 219 5 127 0 314 5 188 2 279 6 5000 1 1384,1 6:19:36 38,8 3 218 3 264 4 176 6 358 5 190 6 1520 4 1384,2 6:20:08 26,6 0 222 5 309 1 325 6 178 0 268 7 1440 2 1384,3 6:20:40 38,9 6 219 6 269 7 130 5 358 4 147 4 1500 2 1384,4 6:21:12 37,1 1 251 5 347 1 257 6 192 2 302 7 1420 2 1384,5 6:21:48 67,6 0 179 3 33 2 48 4 203 0 145 4 2920 1 1384,8 Выводы Представлены результаты испытаний модернизированного варианта ЗТС как в условиях городской застройки, так и в условиях проводки наклонно направленной скважины на буровой. При этом ПЗК (24, 4, 12) показал достоверность приема 67%, 78%, в то время как традиционный код (16, 4, 8) в тех же условиях приёма показал достоверность 0%, 11%, что находится в согласии с теоретическими выводами в [11]. Предложенная методика выбора СКК может быть использована для проведения дальнейшей модификации забойных телеметрических систем с целью увеличения помехоустойчивости, а, следовательно, и глубины бурения систем с ЭМ каналом связи. Благодарности Автор выражает признательность сотрудникам ООО «ТехГеоБур» Давыдову Е.Л., Дьяковичу В.Б., Иванову А.В., а также Григорову И.В. (ПГУТИ) за участие в модернизации аппаратуры и внедрение результатов выполненного исследования.

About the authors

Dmitriy Vladimirovich Sukhanov

Povolzhskiy State University of Telecommunication and Informatics

Email: dms_cyx@mail.ru

References

Supplementary files