«З. Х. Ягубов Оптимизационные методы контроля и управления объектами с рассредоточенными элементами Монография Ухта, УГТУ, 2014 Научное издание Ягубов Зафар Хангусейн оглы Оптимизационные методы контроля и управления ...»

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ухтинский государственный технический университет»

(УГТУ)

З. Х. Ягубов

Оптимизационные методы контроля и управления

объектами с рассредоточенными элементами

Монография

Ухта, УГТУ, 2014 Научное издание Ягубов Зафар Хангусейн оглы Оптимизационные методы контроля и управления объектами с рассредоточенными элементами Монография УДК 621.317: 622.32 ББК 31.2 Я 31 Ягубов, З. Х.

Я 31 Оптимизационные методы контроля и управления объектами с рассредоточенными элементами [Текст] : монография / З. Х. Ягубов. – Ухта : УГТУ, 2014. – 132 с.

ISBN 978-5-88179-800- В монографии обобщаются результаты многолетнего исследования в области системной оптимизации параметров технических средств объектов с рассредоточенными элементами.

Книга предназначена для студентов и магистрантов по направлению 140400 – Электроэнергетика и электротехника и 13.05.00 – Нефтегазовое дело, аспирантов по специальности 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации», 05.11. «Информационно-измерительные системы в нефтяной и газовой промышленности» и 25.00.15 «Технология бурения и освоения скважин».

Книга полезна также для инженерно-технических и научных работников нефтяной и газовой промышленности.

УДК 621.317: 622. ББК 31. Рецензент: В. Ф. Дмитриков, заведующий кафедрой «Теория линейных электрических цепей» Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф.

М. А. Бонч-Бруевича, профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии ОАО «Газпром».

Редактор К. В. Коптяева Технический редактор Л. П. Коровкина © Ухтинский государственный технический университет, © Ягубов З. Х., ISBN 978-5-88179-800- План 2013 г., позиция 11(н). Подписано в печать 31.03.2014. Компьютерный набор.

Гарнитура Times New Roman. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Усл. печ. л. 7,7. Уч.-изд. л. 6,9. Тираж 100 экз. Заказ №283.

Ухтинский государственный технический университет.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.

Типография УГТУ.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.

Оглавление Введение

Глава 1. Новый подход к оптимизации контрольно-управляющей системы объектов с рассредоточенными элементами

1.1. Критерий оптимизации средств контроля и управления

1.2. Методика определения вероятности аварийной сигнализации

1.3. Метод прогнозирования времени ликвидации аварии в шахте

1.4. Метод прогнозирования уровня сигнала по априорно-заданной вероятности аварийной сигнализации при влиянии помех в канале связи............... 1.5. Метод минимизации вероятности ложной аварийной сигнализации......... 1.6. Оптимизация информационных средств контроля

Глава 2. Совершенствование энергетического потенциала забойных телесистем с учётом влияния и характеристик на технологию бурения скважин... 2.1. Сравнительный анализ современных технических решений, применяемых в телеметрических системах с электромагнитным каналом связи

2.2. Анализ частотных характеристик электромагнитного канала передачи информации при использовании стандартных бурильных труб с нанесённым защитным покрытием

2.3. Оптимизация частотного диапазона канала передачи информации при работе со стандартными буровыми растворами

2.4. Определение диапазона допустимых значений удельного сопротивления бурового раствора

2.5. Алгоритм и структурная схема устройства регулирования мощности излучателя по каналу двусторонней передачи информации

2.6. Оценка энергической эффективности изменения мощности забойного излучателя в функции глубины разбуриваемой скважины

Глава 3. Оптимизация решения задач теории расписаний.

3.1. Эквивалентно-селективный метод повышения эффективности работы распределительных алгоритмов

3.2. Перестановочный алгоритм биэкстремального решения однородной распределительной задачи

Глава 4. Технические решения оптимизации контроля и управления.

4.1. Диагностика насосных агрегатов магистральных нефтепроводов............ 4.2. Устройство для диагностики скважинной системы контроля «СКАД-2002-СКС»

4.3. Устройство для измерения вязкости жидкости в трубопроводе................ 4.4. Устройство для разделения контуров анодных заземлений катодной защиты и контуров защитного заземления и молниезащиты.................. 4.5. Перспективы использования телеметрической системы для нормализации микроклимата в нефтяной шахте

Для удовлетворения возрастающих потребностей народного хозяйства страны в нефти необходимо постоянное увеличение её добычи и уменьшение себестоимости затрат при добыче нефти.

На фоне истощения интенсивно и подчас бесхозяйственно эксплуатируемых месторождений скважинной нефтедобычи одним из перспективных и актуальных путей ускоренного утилитарного развития добычи нефти является разработка старых месторождений шахтным способом.

Российская Федерация имеет весьма благоприятные перспективы прироста нефти и газа за счёт освоения новых площадей: Урало-Поволжья, ТиманоПечорской, Сибири, на Северном Кавказе и во многих других районах. Существующие методы разработки месторождений при помощи буровых скважин, проведённых с земной поверхности, даже при наличии таких современных способов разработки, как поддержание пластового давления с помощью закачки воды, термического воздействия на пласт, увеличение дренирующей поверхности скважин с помощью гидравлического разрыва пласта, и другие методы не позволяют полностью извлечь нефть из коллекторов.

Известно, что подземный (шахтный) способ разработки нефтяных залежей является одним из эффективных методов, обеспечивающих максимальное использование запасов пластов, содержащих в огромном количестве остаточную лёгкую и малоподвижную тяжёлую нефть.

Несомненно, шахтная разработка нефтяных месторождений получит признание как один из перспективных путей интенсификации добычи нефти на старых истощённых площадях. Опыт эксплуатации нефтяных шахт (Ярегское месторождение, Республика Коми) показывает, что при этом методе добычу можно увеличить в несколько раз, по сравнению с традиционной скважинной добычей.

Однако специфические условия работы нефтяных шахт (опасность обвалов, затемнённость, наличие в атмосфере рудничного газа и т. д.) создают значительные трудности для обслуживающего персонала в контроле и управлении за технологическим процессом. Особенно эти трудности возрастают при тепловом воздействии на пласт, которое благодаря положительным результатам находит широкое применение на подземных промыслах. Основными достоинствами шахтного метода добычи нефти являются простота эксплуатации нагнетательных и добывающих скважин и максимальное приближение горизонта горных выработок к нефтяному пласту, что позволяет наиболее полно использовать энергию пласта. Недостатками шахтной разработки являются:

большие первичные капитальные затраты, жёсткие требования к соблюдению правил техники безопасности, использованию устройств и механизмов в искрозащищённом исполнении, жёсткие требования к состоянию рудничной атмосферы и применению химических реагентов для извлечения нефти.

Результаты промышленного внедрения показывают, что применение паротеплового воздействия на залежь приводит к интенсивному выделению лёгких компонентов нефтяных газов и увеличивает температуры воздуха в шахтах.

В таких условиях вопросы минимизации времени пребывания людей под землёй и их количества приобретают важное значение. В связи с этим непременное соблюдение техники безопасности требует установления строгого контроля температуры и загазованности шахтной атмосферы. Обеспечение безопасной и безаварийной работы шахт с использованием средств контроля и управления вырастает в серьёзную проблему.

Таким образом, актуальная задача реализации необходимых и достаточных показателей подземной нефтедобычи должна основываться на комплексном системном подходе с использованием современных оптимизационных методов.

Вопрос совершенствования энергетического потенциала забойных телесистем приобретает возрастающую актуальность в связи с появлением в последние десятилетия скважин со сложной траекторией, горизонтальных, многозабойных и необходимостью восстановления бездействующих скважин путём бурения дополнительных стволов. Практика показывает, что успешное бурение подобных скважин без телеметрических систем невозможно. Поэтому проблема совершенствования забойных телесистем с учётом влияния их технических характеристик на технологию бурения является актуальной, успешное решение которой является одним из существенных факторов в повышении экономических показателей процесса бурения направленных скважин по проектному профилю.

Двадцать первый век требует от наук о планировании значительно более серьёзных, сложных и эффективных решений. Это вполне объяснимо. Планетарный размах совместных действий социумов и коллективов требует жёсткого планирования их согласованных параллельно-последовательных действий во всех сферах жизни человека: производственной, экономической и т. д. Это обстоятельство делает актуальным объектом исследований фундамент теории планирования классическую теорию расписаний, которая решается в 3-ей главе.

В 4-ой главе приводятся разработанные способы и устройства, используемые для оптимизации работы и внедрения в промышленные предприятия.

Глава 1. Новый подход к оптимизации контрольно-управляющей системы объектов с рассредоточенными элементами 1.1 Критерий оптимизации средств контроля и управления Оптимизация параметров средств контроля и управления нефтяных шахт должно базироваться на объективном критерии оценки эффективности. В большинстве исследований, посвящённых оптимизации параметров технических средств и систем контроля и управления, вопросы оптимизации отдельных параметров рассматриваются в отрыве от экономических факторов. В современных условиях, при переходе на рыночные отношения, экономические факторы имеют определяющие значения.

В литературе, посвящённой оптимальному управлению вентиляционной системой шахт и концентрацией метана в шахтных условиях, вопросы оптимизации рассматриваются без учёта экономических факторов.

В наиболее общем случае задача оптимального управления проветриванием участка с ограничением концентрации метана на безопасном уровне сформулирована и решена. В целом, оптимальная по быстродействию система управления рудничной атмосферой участка позволяет уменьшить время отработки заданного режима проветривания, по сравнению с лучшим линейным регулятором (ПИ-регулятором) в эквивалентных условиях, по крайней мере, в 1,5 раза. Достоинством предлагаемой системы является также обеспечение ограничения концентрации метана на допустимом уровне в основной части рабочей области изменения аэрогазодинамических фазовых координат участка [1].

Цель управления процессом вентиляции формулируется в виде следующих критериев:

а) обеспечение в нормальных условиях состояния процесса вентиляции, отвечающего нормам, независимо от внешних факторов;

б) минимизация последствий развития естественных опасных состояний (обычно по газопожароопасности);

в) обеспечение минимального в конкретных условиях потребления энергии на проветривание.

С точки зрения проветривания, подземная часть шахты представляет совокупность районов, в которые надо доставить свежий воздух в таком количестве, чтобы условия проветривания отвечали нормативным. Учитывая наличие опасности повышенной концентрации метана и пожароопасности, нужно обеспечить такое распределение свежего воздуха по горным выработкам, чтобы количество опасных состояний стало возможно меньшим. Минимизация опасностей посредством проветривания может привести к увеличению расхода воздуха вплоть до значений, ограничиваемых пропускной способностью ствола и штреков. Поэтому формируется третье условие работы вентиляционной системы – минимальное потребление энергии, а значит, и затрат на проветривание.

В вентиляции ясно просматриваются два состояния: нормальное и экстренное. В случае, когда количество или концентрация вредных газов изменяются в худшую сторону, наступает экстренное состояние. Причиной могут быть взрыв метана и угольной пыли, выброс газа, пожар или же несколько причин одновременно. В таких случаях оценка создавшегося положения, быстрый анализ и эффективное вмешательство могут спасти многие человеческие жизни. В связи с этим осуществление управления вентиляцией шахты с применением ЭВМ является важным элементом технической подсистемы шахтной информационной системы.

Очень большое значение имеет наличие такой системы ЭВМ, которая учитывает расположение рабочих и загрязнение воздуха в выработках, регулирует работу вентиляционной сети и предлагает возможные варианты выхода людей на поверхность таким образом, чтобы безопасность аварийного выхода была максимальной.

Но создание такой системы связано с тем, что надо точно знать конфигурацию шахтных выработок, надо иметь такую информационно-управляющую систему, чтобы в любой момент времени можно было получить достоверную информацию о местонахождении рабочих в шахте, т. е. нужно оптимизировать и информационно-управляющую систему, чтобы иметь возможность вовремя определять или же предупреждать шахтные аварии, а в случае аварии автоматическим вмешательством максимально сокращать ущерб. Критерий оценки эффективности технических средств систем контроля и управления не может определяться в отрыве от конечного назначения добываемой, передаваемой и перерабатываемой информации.

На наш взгляд, если рассмотренная система контроля и управления предназначена для построения модели какого-либо объекта и процесса управления, объективным критерием оценки эффективности, Э, любой контрольноуправляющей системы может служить разность:

где СЭ и СЗ – экономия затрат на достижение цели при использовании систем контроля и управления и затрат на их создание и функционирование.

Задача оптимизации данной системы заключается в максимизации этой разности:

Следовательно, оптимизация технических средств систем контроля и управления в широком смысле (включающая средства измерения, преобразования, передачи и переработки информации и выдачи управляющих воздействий) сводится к определению значений параметров всех компонентов системы, при которых достигается максимальная эффективность Э. Для решения задачи оптимизации, таким образом, необходимо знать зависимости где К1, …, Кn – параметры компонентов системы.

Приведённый критерий оптимизации можно использовать на всех этапах шахтной добычи нефти, начиная с выбора конфигурации подземных горных выработок, добычи и транспорта нефти на дневную поверхность, а также для управления технологическими процессами на шахте.

Поскольку основными задачами функционирования комплекса технических средств являются сбор, передача, обработка, отображение и выдача информации, т. е. различные фазы её преобразования, то для каждой подсистемы этого комплекса желательно сформулировать общий критерий оценки качества функционирования всей системы.

Главным при построении АСУ является некоторая цель, реализация которой в процессе создания и эксплуатации системы позволяет получить определённый экономический эффект. Считаю, что критерий оценки эффективности информационно-управляющих систем не может определяться в отрыве от конечного назначения добываемой, передаваемой и перерабатываемой информации. Подразумевается, что информация, как и непрерывный атрибут построения модели какого-либо объекта и процесса для управления, имеет определённую стоимость и ценность.

Стоимость информации определяется затратами энергии, материалов, труда и других атрибутов, связанных с добыванием информации. Все эти затраты, в конечном счете, можно свести к затратам человеческого труда и к стоимостным оценкам.

Ценность определяется экономией материальных, энергетических и трудовых затрат при использовании информации для достижения определённой цели.

Обобщённым критерием выбора оптимального варианта построения информационно-управляющей системы является минимизация суммы затрат на добывание информации и потерь от несовершенства этой системы. Этот критерий является обобщённым и может определяться для всего периода существования системы (её жизни) или приводиться к определённому достаточно продолжительному периоду (например к 1 году).

Разработана методология системной оптимизации информационновычислительной системы по критерию, учитывающему технические, алгоритмические и экономические характеристики её компонентов.

Информационная система, используемая в нефтяных шахтах, предназначена для получения, передачи и переработки (включая анализ) информации о состоянии шахтной атмосферы с целью дальнейшего использования полученных результатов для выработки воздействия на управляемый объект (вентиляторные установки) в соответствии с некоторым алгоритмом.

Каждый элемент в функциональной схеме информационно-управляющей системы подземного промысла характеризуется своими параметрами, качественными показателями. Если качественные параметры (надёжность, точность, быстродействие) контролирующих средств (средств получения информации), а также параметры средств передачи и анализа информации известны, то проблема оптимизации контрольно-управляющей информационной системы в шахте может быть сформулирована следующим образом: требуется определить наилучшие значения качественных параметров (скорости передачи, помехоустойчивости, надёжности) с учётом стоимости обеспечения их значений и влияния на экономическую эффективность функционирования управляемого объекта – потребителя информации. Задача оптимизации сводится к минимуму структуры и параметров информационной системы, при которых свойства этой системы оптимальны. При этом обеспечивается лучший вариант решения дислокации и получения технических показателей средств контроля и управления с учётом стоимостных показателей.

Известно, что вентиляционная система при шахтной добыче нефти является основным потребителем энергии. В настоящее время имеющиеся главные вентиляционные средства, как правило, работают на полную мощность независимо от концентрации метана. При опасном повышении концентрации метана на тех или иных участках включаются в работу вентиляторы местного проветривания. Однако их включение и выключение, производимые персоналом по телефонным и устным сигналам, не в достаточной степени коррелируются с фактической концентрацией метана на участках. Запаздывание с включениями местной вентиляции приводит к повышению риска возникновения взрыва со средними потерями, Cab, и к излишнему перерасходу энергии со средней стоимостью, Cпер. Очевидно, что минимизация потерь и перерасхода энергии может служить критерием оценки эффективности управления вентиляционной системой. Эти потери могут уменьшаться посредством совершенствования информационно-управляющей системы. Совершенствование ИУС требует определённых затрат.

В конечном виде формулу оптимизации можно сформулировать следующим образом:

Данная формула определяет критерий оптимизации для ИУС при уже существующей вентиляционной системе.

Эту формулу можно расширить и на выбор самой вентиляционной системы, учитывая её стоимость, Свс (с учётом расхода энергии), и зависимость от неё потерь от аварии и стоимость перерасхода энергии. В этом случае формула оптимизации будет иметь вид:

Минимизацией данного критерия можно выбрать такие режимы, которые обеспечивают эффективное использование вентиляционной системы.

Рассмотрим применение данного критерия для выбора системы разработки.

Условие оптимизации можно выразить следующим образом:

где j (1 m ) – количество штреков на i-м уровне;

k (1 l ) – количество буровых галерей при j-м количестве штреков на i-м уровне;

Vijk – общий объём добычи нефти за время существования шахты при количестве уровней i, количестве штреков на i-м уровне, равном j, и количестве буровых галерей k;

С – стоимость единицы объёма нефти;

Cijk – стоимость реализации системы нефтедобычи при ijk варианте с учётом капитальных и эксплуатационных расходов за всё время существования шахты.

Максимизация выражения (1.5) позволяет оптимально выбрать конфигурацию горных выработок и системы разработки нефтяных шахт.

1.2 Оценка и прогнозирование взрывоопасных ситуаций Проветривание подземных выработок должно производиться при помощи непрерывно действующих главных и вспомогательных вентиляторов. Главные вентиляторы установки должны состоять из двух самостоятельных агрегатов, причём один из них является резервным. Максимальная скорость движения воздуха ограничивается на основании ПБ (табл. 1.1).

Стволы, не оборудованные постоянно действующими подъёмами Стволы для спуска и подъёма людей, грузов, квершлаги, главные откаточные и вентиляционные штреки, капитальные и панельные бремсберги и уклоны Все прочие горные выработки, проведённые по углю и породе Призабойные пространства очистных и подготовительных выработок Вместе с тем необходимо отметить, что отсутствует статистический анализ газовой среды в шахте, основываясь на результатах которого, можно было бы дать единую, научно обоснованную рекомендацию по выбору параметров вентиляционных устройств и обеспечению тем самым надёжной работы системы сигнализации. Наряду с исследованием вероятностных закономерностей изменения концентрации метана в отдельных пунктах шахты, требует изучения возможность объединения всех выборок по рассматриваемому параметру (в частном случае – по концентрации метана) в единую генеральную совокупность по всей шахте. При этом возможно ограничение несколькими характерными пунктами, в которых числовые характеристики имеют наиболее близки к опасным значениям величины [2].

В данном случае были подвергнуты статистической обработке результаты наблюдений в четырёх характерных участках шахты, в которых, по данным эксплуатации, превышение концентрации метана выше предусмотренных правилами ТБ величин наблюдалось наиболее часто.

По критерию согласия, n2, была осуществлена проверка согласованности законов распределения концентрации метана в указанных пунктах шахты с различными законами распределения. При этом были рассмотрены следующие законы распределения: нормальный, усеченный нормальный, равномерный, логарифмический нормальный и экспоненциальный.

Результаты расчётов на ЭВМ вероятностных характеристик содержания метана по многочисленным данным приведены в таблице 1.2. Как следует из этой таблицы, закон распределения концентрации метана во всех рассмотренных пунктах хорошо согласуется с усеченным нормальным законом распределения.

Пункты В связи с ограниченным количеством выборок были определены допустимые (толерантные) пределы, в которых заключается с принятой вероятностью заранее известное количество выборок генеральной совокупности:

где Условия расчёта дают возможность предположить с вероятностью, что в этих пределах находятся 100 р = 90% всех концентраций = 0,99 метана генеральной совокупности. Из этой таблицы следует, что пределы изменения концентрации метана в различных участках имеют близкие значения. В связи с этим проверялась объединяемость по критерию Вилькоксона в единую генеральную совокупность выборок, образованных регистрацией концентрации метана в различных участках. Анализ полученных результатов (табл. 1.3) показывает, что с достаточно высоким уровнем значимости можно допустить объединяемость выборок по различным пунктам.

В таблице 1.3 приняты следующие обозначения:

m, n – число выборок;

W – число инверсий;

Wmin – минимальное число инверсий;

Wmax – максимальное число инверсий;

mW – математическое ожидание числа инверсий;

W – среднеквадратическое отклонение числа инверсий;

q – уровень значимости.

В нефтяных шахтах концентрация метана непрерывно изменяется во времени. Эти изменения обусловлены колебаниями метановыделения и количества воздуха, исходящего от вентиляционных установок на шахте. Внедрённая в настоящее время на шахтах подземной добычи нефти и угля система аварийной сигнализации обеспечивает безопасность условия работы в горных выработках путём непрерывного автоматического контроля и своевременной сигнализации при появлении критических концентраций метана.

Каждая шахта имеет свои характерные участки, отличающиеся повышенными среднестатистическими параметрами газообильности благодаря газовыделениям и местному скоплению метана, максимально допустимый предел концентрации которого ограничивается данными ПБ. В связи с этим рассматривались наиболее характерные участки с частыми превышениями концентрации метана допустимого уровня: уклон Т-2, вентиляционный штрек южного уклона, уклон №371 и северный параллельный штрек. Длительные наблюдения на этих участках за газовым режимом работы и обработка полученных при этом материалов дали возможность определить по имеющимся выборкам числовые характеристики относительной концентрации метана.

Эти характеристики приведены в таблице 1.4.

Примечание:

1. При определении числовых характеристик значения случайных величин приняты как отношение выборочных данных к установленной норме содержания газа – 1%.

2. Толерантные пределы определены из условия, что 90% рассматриваемых случайных величин с вероятностью 99% попадут в указанный интервал ( x1, x2 ).

Как известно, концентрация метана распределяется по усечённому нормальному закону. Числовые характеристики случайных величин, распределённых по этому закону, не могут быть определены из непосредственной статистической обработки результатов опыта. Вследствие этого возникает необходимость в разработке метода определения числовых характеристик таких случайных величин, закон распределения которых можно записать в следующем виде:

m, – числовые характеристики случайной величины;

где µ – нормирующий множитель.

получим для µ Ф0 ( ) – интеграл вероятности. Числовые характеристики m, можно определить, воспользовавшись соотношением:

где mx; x – числовые характеристики случайной величины, полученные в результате статистической обработки результатов наблюдений. Производя замену переменно получим для математического ожидания или Производя замену переменного (1.11) для дисперсии имеем:

Раскрывая интеграл будем иметь:

Непосредственное определение m и из выражений (1.12) и (1.13) связано с непреодолимыми трудностями. Вследствие этого для определения m, можно построить следующий итерационный процесс:

нулевое приближение:

первое приближение:

второе приближение:

N-приближение:

где Итерационный процесс заканчивается при выполнении условий:

где 1,2 – заранее заданные величины.

Скорость сходимости итерационного процесса, как показали расчёты, в основном зависит от предполагаемых или допустимых (толерантных) пределов изменения случайной величины. Для сравнения на рисунке 1.1 приведена кривая сходимости итерационного процесса по среднеквадратичному отклонению для одного предела изменения относительно концентрации метана. Следует отметить, что шаговое отклонение математического ожидания в процессе поиска невелико, по отношению к подобному отклонению по параметру и в связи с этим при определении m возможности ограничения первыми несколькими этапами расчёта (табл. 1.5).

U1 U 2 I II III IV V VI VII

U1 U 2 VIII IX X XI XII XIII XIV XV

Рис. 1.1 – Кривая сходимости итерационного процесса по среднеквадратическому отклонению для предела изменения относительной концентрации метана U1 = 0,806, U 2 = 1, В связи с тем, что в течение эксперимента при превышении концентрации метана более 2% срабатывала аварийная сигнализация, полученные выборочные значения по газообильности ограничивались указанной величиной. Вместе с тем для оценки вероятности аварийной сигнализации необходимо знать вероятность превышения концентрации метана взрывоопасного уровня. С этой целью по числовым характеристикам выборочных значений, согласно разработанной методике, были определены математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение концентрации метана при условии «изменения»

её величины в пределах от 0 до. Результаты расчета приведены в таблице 1.5.

По этим результатам вычислены вероятности превышения концентрации метана выше взрывоопасного уровня для рассматриваемых пунктов (табл. 1.6).

Воспользовавшись результатами, полученными по разработанной методике и приведёнными в таблице 2.5, рассчитаны вероятности нахождения концентрации метана в пределах 1,9 < K CH 4 < 2.

Таким образом, разработанная методика даёт возможность, наряду с определением достоверных числовых характеристик концентрации метана, оценить количественно вероятность превышения указанной концентрации взрывоопасного уровня, что практически невозможно сделать по экспериментальным данным.

1.3 Метод прогнозирования времени ликвидации аварии в шахте по априорной вероятности Радиосвязь в нефтяных шахтах, обладая несомненными преимуществами, вместе с тем включает в себя звено канала связи с малоустойчивыми параметрами.

Параметры этого канала могут резко изменяться при обвалах и других видах повреждений, влияющих на энергетические характеристики передаваемого полезного сигнала. Степень ухудшения энергетических характеристик, вызванного случайным изменением параметров канала связи, может быть оценена применением модели мультипликативной помехи. Влияя на амплитуду сигнала, мультипликативная помеха способна нарушить процесс приёма полезной информации, а в ряде случаев способствовать полной потере данных о технологических параметрах. Положение при этом может оказаться угрожающим, если передаваемая полезная информация отражает сведения о газообильности (концентрации метана) в различных участках шахты, превышение нормы которой, наряду с нарушением технологического процесса, может вызвать взрывоопасную ситуацию.

В связи с этим возникает задача прогнозирования времени до возможного увеличения концентрации метана выше нормы в условиях потери информации.

Знание вероятностных характеристик времени до этого увеличения (предпорогового времени) позволило бы диспетчеру, например, оценить скорость проводимых работ по ликвидации обвалов.

Здесь приводятся результаты исследований по согласованию закона распределения этих времён с различными законами по критерию 2, полученные на основе обработки большого количества выборок по предпороговому времени, и излагается методика определения числовых характеристик для обобщённого усечённого нормального закона.

При образовании выборок кривая, описывающая полезную информацию, представилась как реализация эргодического стационарного марковского процесса. При этом каждая выборка определялась в промежутке между максимумами реализаций исходя из конкретного, но случайного в каждом отдельном случае уровня ограничения, распределённого по равномерному закону. При исследовании вероятностных характеристик предпороговых времён использовались экспериментальные материалы, полученные на Ярегской нефтешахте.

С целью изучения закона распределения предпороговых времён, а также влияния на них числовых характеристик уровней ограничения была осуществлена проверка соответствия законов распределения предпороговых времён различным законам по критерию согласия. Проверка соответствия закона распределения предпороговых времён обобщённому усечённому нормальному закону проводилась на основе разработанной методики. Результаты расчётов приведены в таблице 1.7.

Как следует из таблицы 1.7, при относительно малых значениях закон распределения предпороговых времён лучше согласуется с нормальным или с усечённым нормальным законом. При повышении предпороговые времена mU n (с относительно большим уровнем значимости) распределяются по обобщённому усечённому нормальному закону. Числовые характеристики случайных величин (смешанные случайные величины), распределённому по этому закону, не могут быть найдены из непосредственной статистической обработки результатов.

Среднее значение поЭкспоненциальный mu1 = 0, Вследствие этого возникает необходимость в разработке методики определения числовых характеристик таких случайных величин, закон распределения которых можно записать в следующем виде:

где a0 – конечная вероятность непересечения реализации с пороговым уровнем;

µ – нормирующий множитель;

х2 – предельно возможное значение случайной величины.

Искомое значение математического ожидания можно определить из выражения Раскрывая интеграл (1.17), получим Непосредственное определение значений m и из выражений (1.16) и (1.17) связано с непреодолимыми трудностями. Вследствие этого для определения m и предлагается следующий итерационный процесс:

нулевое приближение (n = 0):

первое приближение:

N-ое приближение:

где Процесс итерации заканчивается, если где 1, 2 – заранее заданные величины.

Для определения условия осуществимости итерационного процесса необходимо решить следующее неравенство:

откуда Известно, что нормированной величиной для концентрации метана в шахтных условиях является 1%-ое содержание метана в шахтной атмосфере. В качестве нормированной величины для предпорогового времени предлагается принимать среднее значение этого времени при где mU CH 4 – математическое ожидание концентрации метана, соответствует 1%;

mUn – математическое ожидание порогового уровня.

В таблице 1.8 приведены результаты расчётов числовых характеристик предпороговых времён по предложенной методике для различных условий сходимости итерационного процесса. Учитывая, что приведённые в таблицах 1.8 и 1.9 данные относятся к наиболее длительному процессу по сходимости, можно заметить практическое совпадение числовых характеристик для условий = 0,01 и = 0,001.

На рисунках 1.2-1.4 приведены зависимости mx = f1 ( Dx ) и Dx = f 2 ( D ) для различных a0, mx и пределов изменений случайной величины. Как следует из рисунков, отношение математического ожидания по выборкам к искомому математическому ожиданию слабо зависит от дисперсии. Отношение значения статистической дисперсии, Dx, к искомому значению дисперсии, D, более резко изменяется при относительно больших значениях a0 при малых mx, и с увеличением mx поведение отношения Dx / D повторяется уже при малых a0.

Рис. 1.2 – Числовые характеристики предпороговых времён:

Рис. 1.3 – Числовые характеристики предпороговых времён:

Рис. 1.4 – Числовые характеристики предпороговых времён:

Определение числовых характеристик и позволяет прогнозировать время аварийной сигнализации при потоке информации о газообильности в отдельных пунктах нефтяной шахты:

Таким образам, выражение (1.18) позволяет оценить время, в течение которого необходимо ликвидировать создавшееся аварийное положение, вызванное обвалами или другими видами повреждений канала связи (рис. 1.5).

1.4 Метод прогнозирования уровня сигнала по априорно заданной вероятности аварийной сигнализации при влиянии помех в канале связи Источниками сообщений на нефтяных шахтах являются различные физические устройства – датчики, установленные на технологических объектах. В современных нефтяных шахтах такими устройствами являются: аппаратура контроля и распределения потока воздуха в сети горных выработок; автоматическая система регулирования температуры шахтного воздуха, которая предотвращает повышение температуры более 26°С согласно правилам ТБ;

автоматический анализатор контроля за содержанием газового режима в шахтном воздухе; система автоматизации нефтяных и водяных насосных агрегатов.

Рассмотрим вид информации (выходного сигнала датчика) на примере одного из указанных устройств – устройства автоматического контроля за содержанием газового режима в шахтном воздухе. В настоящее время в угольных и нефтяных шахтах для непрерывного и централизованного телеавтоматического контроля содержания метана применяется аппаратура системы автоматической газовой защиты и централизованного телеавтоматического контроля метана АМТ-3, а также стационарная аппаратура контроля «Метан».

Аппаратура АМТ-3 обеспечивает:

- контроль содержания метана на исходящих вентиляционных струях лавы, участках, в подготовительных выработках, в камерах, в откаточных выработках и во всех других местах, где требуется непрерывный автоматический контроль содержания метана;

- автоматическое отключение электрического питания контролируемого объекта при предельно допустимой концентрации метана;

- передачу непрерывной информации о содержании метана и регистрацию ее на поверхности шахты;

- местную и централизованную звуковую и световую сигнализацию.

При 0,7% метана система даёт предупредительный сигнал, а при 1% метана – аварийный сигнал. Информация о содержании метана в месте установки датчика ДМТ-3 содержится в значении электрического тока, изменяющегося от 0 до 5 мА в зависимости от концентрации метана.

Действие аппаратуры основано на обработке поступающих от чувствительных элементов датчиков ДМТ-3 электрических сигналов, выдачи их на аппараты сигнализации АС-ЗТ и АС-ЗУ с одновременной передачей при необходимости телеметрической информации и сигнализации на стойку примников телеизмерения выделившегося СПТ-ЗИ диспетчеру. Количественное содержание метана в воздухе определяется путём беспламенного сжигания его и измерения выделившегося при этом тепла. Сгорание метана происходит на поверхности платино-палладиевого катализатора при температуре 380-400°С.

Начальный разогрев катализатора до этой температуры производится платиновой спиралью, по которой протекает электрический ток.

Анализируемый воздух поступает в камеру сгорания за счёт диффузии и конвекции через жалюзи и фильтрующую перегородку из капроновой ткани.

Внутри камеры сгорания накаливается рабочий преобразовательный элемент. Рабочий и сравнительный элементы представляют собой цилиндры из активной окиси алюминия с намотанными на них спиралями из платиновой проволоки.

Рабочий элемент отличается от сравнительного тем, что его поверхность пропитана платино-палладиевым катализатором. Измерительный мост датчика состоит из четырёх сопротивлений:

- рабочего преобразовательного элемента;

- сравнительного преобразовательного элемента и плечевых сопротивлений.

Сравнительный преобразовательный элемент включён в схему измерительного моста для компенсации влияния окружающей среды (температуры, влажности и т. д.). Горение метана на нём не происходит.

В измерительную диагональ мостовой схемы включён указатель метана УМ-1 (милливольтметр типа М261-1/1М). Первоначальное уравновешивание моста (при отсутствии метана) производится с помощью переменного сопротивления, Rg. Тепло, выделившееся при сгорании метана, приводит к нарушению равновесия мостовой схемы (рис. 1.6).

Рис. 1.6 – Структурная электрическая схема датчика метана АМТ- Унифицированный выходной сигнал датчика равен 5-0,5 мА постоянного тока при показаниях прибора датчика 2,5% на нагрузке от 1000 до 2000 CH 4 Ом (напряжение 5-10 В). Пределы измерения – от 0 до 2,5%. Пределы срабатывания исполнительного устройства и аварийной сигнализации – 0,5; 0,7; 1,0; 1,5; 2%.

Погрешность – 0,2%. Порог чувствительности не хуже 0,1%.

Превышение концентрации метана некоторого критического значения приводит к превышению значения электрического тока некоторого фиксированного уровня.

Воздействие Н внутренних шумов устройства и случайные измерения объёма газа и концентрации метана в этом объёме представим в виде случайной гауссовской функции 1 (t).

При этом, несколько идеализируя задачу, представим, что на вход колебательной системы подаётся стационарный нормальный белый шум в виде 1 (t). Как показано в этом случае, случайные колебания на выходе этой системы хорошо согласуются с видом нормального квазигармонического стационарного шума.

Исследования показали, что одномерная функция распределения концентрации метана хорошо согласуется с нормальным законом, что подтверждает правомерность вышеуказанных соображений. Известно, что при принятых допущениях сигнал на выходе колебательного контура можно представить в виде нормального процесса со статическими независимыми и медленно изменяющимися амплитудой и фазой:

Предполагая, что случайный сигнал, распространяющийся по каналу связи, S(t), и нормальный стационарный шум (собственные шумы приборов, помехи), 1 (t), статистически независимы, запишем результирующий процесс (t ) в следующем виде:

где 0 t T – нормальный квазигармонический узкополосный случайный процесс (рис. 1.7). Так как функции A(t) и (t) – медленно изменяющиеся, по сравнению с колебанием несущей частоты, и независимые случайные функции с S одномерными плотностями вероятностей:

где А – нормальный квазигармонический стационарный шум с дважды дифференцируемым коэффициентом корреляции.

Рис. 1.7 – Структурная схема модели радиотелеметрической системы Так как функции A ( t ) и ( t ) – медленно изменяющиеся по сравнению с колебанием несущей частоты cos 0t, то независимые случайные функции с одномерными плотностями вероятностей:

описывают нормальный квазимармонический стационарный шум с дважды дифференцируемым коэффициентом корреляции.

Реализация S1 ( t ) = ( t ) + 1 ( t ) в зависимости от изменения концентрации метана в шахтной атмосфере пересекает заранее фиксированный уровень H снизу вверх. Этот уровень выбирается по правилам техники безопасности, которыми определена недопустимая концентрация метана на различных участках шахты. Это событие называется положительным выбросом. При пересечении положительным выбросом уровня H срабатывает реле и включает сирену аварийной сигнализации. Одновременно информация о концентрации метана передаётся по каналу связи в общий диспетчерский пункт. Без обоснования принимаем простейшую модель данного порогового устройства (реле): оно срабатывает каждый раз, когда воздействующее «напряжение» превышает порог H. При достижении уровня помех сравнительно со значением напряжения на пороговом устройстве происходит аварийная сигнализация. В результате этого в диспетчерский пункт поступает ложная информация о состоянии объекта. Отключается электродвигатель, прекращается работа на отдельных участках согласно правилам ТВ. Это каждая ложная информация приводит к потере рабочего времени, и уменьшается экономическая эффективность применения аппаратуры телеизмерения и N1+ ( h ) телесигнализации.

Среднее число положительных выбросов в единицу времени процесса (t) на относительном уровне h = можно вычислить по формуле:

0// – вторая производная корреляционной функции. Учитывая узкопогде лосность сигнала S (t ) 2 0 и принимая для шума коэффициент корреляS ции вида где fэ – энергетическая ширина спектра шума, имеем:

где F1 – энергетический спектр результирующего сигнала;

– среднеквадратическое отклонение шума;

S – cреднеквадратическое отклонение сигнала;

0 – центральная частота спектра.

Пересечение процесса с относительным уровнем h оставит след на этом уровне в виде точки. В общем случае получается случайная последовательность точек. Примем, что временные интервалы между соседними точками есть независимые и одинаково распределённые случайные величины с экспоненциальной плотностью вероятности При этом число точек на уровне H и на интервале длиной t будет целочисленным (пуассоновским точечным процессом), и закон распределения можно представить в виде закона Пуассона:

где v – интенсивность процесса появления точек на оси времени.

Очевидно, что интенсивность, v, связана со средним числом пересечения процесса, (t), с уровнем H за единицу времени.

Действительно, = можно трактовать как среднее число точек, приt ходящихся на единичный интервал времени, где М1 – математическое ожидание выбросов. Учитывая это соответствие, можно написать:

Определим плотность вероятности времени появления N + -точки, воспользовавшись законом Эрланга:

C учётом (1.22) имеем рисунок 1.8.

Построенные на рисунке 1.9 зависимости позволяют определить вероятность пересечения рассматриваемого процесса (t) с уровнем Н в течение заданных дискретных интервалов времени.

Определение корреляционной связи между выборками концентрации метана Постоянство числовых характеристик для ансамбля реализаций случайного процесса, а также совпадение вероятностных характеристик, определённых усреднением по времени и реализациям, позволяет рассматривать исследуемую случайную функцию как эргодический стационарный нормальный случайный процесс. Исследование корреляционной функции случайного процесса проводилось на основании методики. При этом определялись коэффициенты корреляции между выборками, образованными по ансамблю реализаций в различных сечениях времени.

Для выявления степени линейности кривых регрессий определялись корреляционные отношения для различных выборок.

Рис. 1.8 – Плотность вероятности положительных выбросов Рис. 1.9 – Интегральная вероятность количества выбросов в дискретных интервалах времени Результаты вычислений для четырех участков нефтяной шахты приведены в табл. 1.10. Как следует из этой таблицы, коэффициенты корреляции в различных сечениях времени мало отличаются от соответствующих этим отрезкам времени минимальных значений корреляционных отношений, что указывает на линейность регрессии. Анализ закономерности уменьшения коэффициента корреляции (табл. 1.10) показал, что корреляционная функция рассматриваемого случайного процесса подчинена экспоненциальному закону со следующими коэффициентами для различных участков: = 0,9; = 0,78; = 0,67; = 0, 48.

Как известно, стационарный нормальный случайный процесс с экспоненциальной корреляционной функцией является непрерывным марковским случайным процессом. Это обстоятельство позволяет использовать условия оптимального приёма радиосигнала при воздействии шумов с применением теории оптимальной нелинейной фильтрации.

Интервал Коэффициенты корреляции времени для различных пунктов 1.5 Метод минимизации вероятности ложной аварийной сигнализации Известно, что при частотной модуляции для повышения качества передачи не обязательно увеличивать мощность сигнала, и, возможно, эффективная борьба с основными видами помех делает его более предпочтительным для использования в шахтных условиях.

В статической теории обнаружения сигналов на фоне помех критерий обнаружения сводится к критерию отношения правдоподобия, имеющему в каждом конкретном случае определённое значение, часто выражающееся через неопределённые величины, благодаря чему практическая ценность этих критериев зачастую незначительна. В связи с этим приобретает особую актуальность проблема разработки методики безошибочного (или с минимальной ошибкой) обнаружения сигнала на фоне помех, когда вероятностные характеристики, являющиеся определяющими в оценке устойчивости радиоприёма, зависят от заранее заданных величин, основной из которых, очевидно, является отношение сигнала к шуму.

В связи с этим поставлена задача исследования устойчивости радиоприёма и повышения достоверности отклика приёмного конца канала связи в условиях одностороннего ограничения. Предполагается, что приём частотномодулированного сообщения осуществляется при наличии оптимального нелинейного фильтра. Будем считать, что на приёмном конце канала радиосвязи сигнал имеет «блуждающую» фазу и воспринимается на фоне белого шума, а информационное сообщение представляет собой марковский случайный процесс.

Допустим, что частотно-модулированный сигнал имеет вид:

где Предполагаем, что информационное сообщение (t ) описывается стохастическим дифференциальным уравнением:

Белые шумы, n ( t ) и n ( t ), входящие в уравнения 1.25 и 1.26, имеют нулевые средние значения и односторонние спектральные плотности, N и N, соответственно. Случайное колебание фазы, (t ), представляется как процесс с независимыми приращениями:

Для рассматриваемого радиосигнала существует уровень, ограничивающий его по амплитуде, при пересечении сигналом которого прекращается процесс передачи информации. Событие, связанное с прекращением передачи информации, будем называть аварийной сигнализацией, а уровень обозначим через Н. Различные помехи, накладываемые аддитивно на полезный сигнал в процессе его прохождения по каналу связи, а также шумы от приёмника и передатчика приведут к искажению передаваемой информации, что, очевидно, может вызвать ложную аварийную сигнализацию. Требуется определить такой уровень ограничения Н, при котором вероятность ложной сигнализации была бы минимальна. Время достижения процессом уровня H np несравненно велико по отношению к периоду модулирующего колебания 1, что позволит рассматривать процесс (t ) на уровне предельного перехода, т. е. при t. Допустим, что приём радиосигналов S (t, ) осуществляется оптимальным приёмником частотно-модулированных радиосигналов. Процесс на выходе такого приёмника при условии, что на его вход воздействует колебание, представляющее собой сумму сигнала S [t, (t )] и белого шума n(t ), т. е.

описывается следующими уравнениями оптимальной фильтрации, в соответствии с которыми должна быть построена схема приёмника (рис. 1.10):

D – дисперсия случайного набега фазы;

Определим F, представляющий собой произведение принятого колебания и сигнала подстраиваемого генератора:

Рис. 1.10 – Структурная схема оптимального приёмника При выводе (1.31), как обычно, отброшено слагаемое с двойной частотой.

Выясним для нашей задачи смысл входящего в (1.31) параметра sin ( * ) с учётом того, что при предельных переходах (т. е. при t ) дисперсия разности углов * является дельта-функцией.

В связи с тем, что при предельном переходе представляет интерес случай * > либо * <, когда происходит переход случайных функций * или через границу H np, то условие sin ( * ) 0 совпадает в вероятностном смысле с условием * 0 или 0. Учитывая, что пределы изменения составляют отрезок от - Н до + Н, можно записать:

где H – определённый уровень, вытекающий из условий задачи. Можно поставить более жесткие условия и потребовать, чтобы когда процесс * (t ) первым пересечёт уровень H и произойдёт ложная аварийная сигнализация, либо когда процесс (t ) первым пересечёт уровень H np и произойдёт достоверная аварийная сигнализация. Однако для расчётов, как будет видно далее, достаточно условия (1.32) или (1.33). Вместе с тем принимаем, что предельная вероP ( t N, ( t N ), * (t N ) ) процессами (t ) и * (t ) уровня H равна нулю, т. е.

С учётом (1.31) для F получаем или Рассмотрим теперь марковский процесс, подставляющий собой разность двух случайных функций, описываемых уравнениями (1.26) и или, подставляя в это уравнение значения соответствующих величин, получаем:

Известно, что предельная функция распределения для марковских процессов при условии, что случайный процесс на выходе системы удовлетворяет уравнение первого порядка имеет вид:

где и константы С1 и С2 определяются из условия нормировки и из каких-либо граничных условий относительно ( y ). Обозначим A1 ( y ) = a и A2 ( y ) = b определим эти коэффициенты для процесса (1.38):

где Учитывая, что при принятых условиях (для ложной аварийной сигнализации) всегда 0, получим для предельной функции распределения Примем некоторую величину, квадрат которой 2 0, и вместо граничного условия ( c ) = ( 0 ) потребуем, чтобы ( c ) = ( ).

Очевидно, что чем ближе величина к нулю, тем достовернее равенство:

Для определения нормирующего множителя C1 потребуем, чтобы где в данном случае отражает вероятность ложкой аварийной сигнализации.

Интеграл от выражения (1.46) с учётом (1.49) можно представить в виде суммы двух интегралов:

Раскрывая первый интеграл, получим:

Ф0 ( z ) – интеграл вероятности. Для второго интеграла имеем:

где Учитывая малость величины, принимаем с незначительной погрешностью H 0 – точка на кривой e, выбранная с таким условием, что площадь, где охватываемая параллельной оси абсцисс линией, проходящей через эту точку, равна площади, охватываемой кривой в пределах 0 < < h. Раскрытие интеграла в правой части (1.51) с учётом (1.52) дает:

Как видно из (1.50) и (1.53), при определении по условию (1.49) необходимо решать сложное трансцендентное уравнение. Однако этого можно избежать, если учесть, что h < 1, *h < 1. Эти условия не внесут погрешности в расчёт, так как искомый уровень Ну очевидно будет находиться (при определённых ограничениях, налагаемых на информационного сигнала, вытекающего из характера рассматриваемого процесса) вблизи от уровня Н. Условно можно принять H = 1, так что и принятые условия достаточно хорошо отражают условие (1.31). Сделаем некоторые замечания относительно нормирующего множителя C1.

После подстановки (1.50) и (1.53) в (1.46) с учётом (1.48) и условия *h < получим:

Очевидно, если требовать, чтобы функция f имела наименьшее из возможных Таким образом, в правой части (1.54) появится величина 2, которую по принятым условиям считаем равной нулю. С учётом этого для величины ложной аварийной сигнализации получаем:

Как следует из (1.55), при ( h ) = 1 величина = 0. Решив уравнение (1.56) относительно h (при условии h = H 0 ), получим:

С учётом (1.58) для * имеем:

Подставляя (1.41) в (1.390), получим для или Помня условие (1.52), определим действительный уровень h, решая итеративным способом следующее уравнение:

Приведём выражение (1.61) в более удобный для расчёта вид:

где где q – отношение сигнал/помеха;

– ошибка оптимальной нелинейной фильтрации;

– «индекс» частотной модуляции.

На рисунке 1.12 приведены зависимости H * = f ( q, чM, D ) для различных значений q, чM, D. Основными факторами, предопределяющими уровень H *, являются q и чM. Необходимый уровень порогосрабатывания, обеспечивающий минимальную вероятность ложной аварийной сигнализации, определяется следующим выражением:

где H пр – производственный уровень ограничения.

Из (1.62) следует, что чем меньше среднеквадратичное отклонение информации (концентрации метана), тем ближе может быть принят порог срабатывания относительно к производственному уровню. Аналогичный результат получается, когда отношение сигнал/помеха имеет высокое значение (рис. 1.12).

Наоборот, при большой флуктуации информации или при низком значении отношения сигнал/помеха порог срабатывания опускается и немного отличается от производственного уровня.

Рис. 1.12 – Зависимость уровня ограничения от отношения сигнал/помеха (q), индекса частотной модуляции () и дисперсии случайного набега фаз (Д) Кривая вероятности ложной аварийной сигнализации при минимизации ошибки по предложенной методике приведена на рис. 1.13.

Таким образом, невозможность улучшения условий распространения электромагнитной волны в шахте и увеличения мощности передающих средств вызывает необходимость разработки оптимального приёмника. В связи с этим затраты на достижение качественных показателей информационной системы СP увеличиваются. Это объясняется тем, что вместо обычного приёмника используется оптимальный приёмник, где улучшены основные качественные показатели за счёт усложнения схемы. Вероятность ложной аварийной сигнализации уменьшается, что позволяет минимизировать сумму расходов и потерь [4].

Рис. 1.13 – Минимизация вероятности ложной аварийной сигнализации 1.6 Оптимизация информационных средств контроля Несвоевременная подача аварийных сигналов приводит к возникновению аварийного состояния или к несвоевременному принятию мер по устранению аварийной ситуации. При этом нарушается режим эксплуатации, что может привести к аварии оборудования и нарушению технологического процесса и, как следствие, к определённым материальным потерям.

Возникновение аварийной ситуации, нарушение газового режима шахты вызывает не только материальные потери, выраженные в стоимости, связанные с остановкой или снижением производства и порчей оборудования. Такого рода нарушения влияют и на здоровье людей, формально измеряемые в человекоднях нетрудоспособности. Предприятие, выплачивая пособие работникам за неотработанные дни, несёт дополнительный ущерб.

При неудачном выборе мест дислокации и количества измерителей, дефицит информации на диспетчерском пункте и возможная от этого погрешность в оценке ситуации (ошибки) на любом участке приводят к определённым производственным потерям.

При неудачном выборе мест расположения измерителей и их числа может появиться опасность того, что контрольные измерения не будут обеспечивать своевременного поступления надёжной и объективной информации, т. е. увеличится вероятность появления опасных концентраций метана, которые фиксируются измерителями вследствие их удалённости. Степень насыщенности производственных участков измерителями и правильность их дислокации может характеризоваться вероятностью появления опасных для эксплуатации ситуаций и влиянии последних на материальные, трудовые и энергетические потери производства. Эти потери могут оцениваться стоимостными показателями. Таким образом может увеличиваться и влияние ошибок и погрешностей, возникающих в процессе измерений и передачи информации от датчиков к управляющим системам [4].

Из-за несовершенства измерителей и информационного канала в диспетчерский пункт может поступать ложная информация о наличии опасности увеличения концентрации метана, что влечёт за собой прекращение производственного процесса на отдельных участках (отключение двигателей различного производственного назначения, вывода рабочего персонала и т. п.).

Каждая ложная информация приводит к потере рабочего времени и снижению экономической эффективности системы контрольной информации и информационного канала.

Обозначим стоимость контрольной системы тогда Cu ( n,{S } ) – стоимость датчиков;

где Cu ({Poш }, B ) – стоимость системы передачи информации;

{S} – множество качественных показателей;

{Poш } – характеристика достоверности;

В – скорость передачи информации.

Стоимость датчиков контрольно-измерительной системы зависит как от качества самих датчиков, так и от их числа. Стоимость системы передачи информации зависит от стоимости приёмно-передающей аппаратуры, стоимости каналов, их помехоустойчивости и т. д.

С другой стороны, расходы на реализацию и функционирование измерительной системы определяют и статистическую оценку возможных потерь производства от некачественности каналов и аппаратуры и недостаточного количества последней. Обозначим эти потери через Формулу оптимизации можно представить в виде Таким образом, в качестве критерия оптимизации выбора информационной системы используется сумма расходов на реализацию системы и потерь от её несовершенства и недостаточного количества аппаратурных средств.

Существуют различные способы решения задачи определения числа и дислокации измерителей в условиях нефтяной шахты. Рассмотрим несколько гипотетических вариантов в теоретическом плане.

I вариант. Пусть на всех участках шахты установлены измерительные приборы, обеспечивающие идеальный контроль за состоянием концентрации метана. Диспетчер при этом имеет достоверную информацию обо всех участках шахты. В этом случае надёжность системы контроля максимальна, если не учитывать погрешность самих измерителей.

Погрешность результатов измерения можно уменьшить при использовании на каждом участке вместо одного нескольких измерителей. Усредняя их показания, можно получить более точное значение концентрации метана. При этом также повышается надёжность всей системы.

Так, в случае выхода из строя одного из датчиков процесс измерения прекращается. Однако общая сумма стоимостных расходов получается неоправданно высокой.

Более точную и надёжную информацию о состоянии шахтной атмосферы можно получить не увеличивая количества измерителей, а подавая по шланговым каналам воздух из различных участков шахты по определённому, заранее организованному расписанию. Это потребует установки и эксплуатации более сложной системы воздухопроводов, стоимость которых будет довольно высокой.

При упрощённом анализе можно считать, что все измерители работают достоверно. Тогда общая сумма стоимостных расходов состоит только из стоимости измерительных приборов, а возможный ущерб минимален, то есть будем считать, что из-за своевременного вмешательства диспетчера, который регулирует мощности вентиляционных устройств (главного или местных), устраняется аварийная ситуация. Общая сумма расходов и потерь при этом составит:

Следовательно, хотя потери производства при совершенстве и достаточном количестве информационно-управляющих средств минимальны (близки к нулю), стоимостные расходы на эти средства получаются чрезмерно высокими, превышающими статистически усреднённую оценку стоимости потерь в нефтешахтном производстве даже при отсутствии информационной системы контроля и управления концентрацией метана.

II вариант. Исходя из опыта многолетней эксплуатации нефтяных шахт, полагаем, что в большинстве участков горных выработок вероятность высокой концентрации мала. Исходя из этого предположения можно уменьшить количество измерителей до очень незначительного числа, устанавливая их только в местах, где вероятность появления высокой концентрации метана довольно высока и надеясь контроль удалённых участков вести исходя из корреляционной связи между концентрацией метана на контролируемом участке. В этом случае уменьшается до минимума количество измерителей и их стоимость. Однако вероятность потерь от их появления может стать очень высокой.

Усреднённая статистическая оценка материального ущерба от аварий в этом случае может быть довольно высокой и значительно превышать затраты на систему контроля и управления концентрацией метана.

В обоих рассмотренных случаях сумма Cu + C ш, характеризующая эффективность системы, остаётся значительной. Задача состоит в том, чтобы найти оптимальный вариант качества, числа и дислокации аппаратуры и каналов информационной системы, при котором сумма расходов и потерь будет минимальной.

В связи с этим проведён анализ газового режима шахты для разработки научно обоснованных рекомендаций по выбору опорного варианта числа измерителей и информационных каналов. Наряду с исследованием вероятностных закономерностей изменения концентрации метана в отдельных пунктах, необходимо изучить возможность объединения всех выработок по концентрации метана в единую генеральную совокупность по шахте. При этом допустимо ограничиться только несколькими характерными пунктами, в которых числовые характеристики концентрации по метану имеют максимальные значения.

Анализ, проведённый с использованием критерия Вилькоксона показал, что размещение одного эквивалентного измерителя (вместо нескольких) на одном участке шахты обеспечивает информацию о состоянии атмосферы данного участка и позволяет сократить число измерителей. При этом уменьшается количество информационных каналов, что, в свою очередь, приводит к упрощению общей сети связи. На основании изложенного принимаем опорный вариант размещения источников контрольной информации, в котором вместо 250-300 измерителей достаточно использовать 150-160 (рис. 1.14).

Рис. 1.14 – Определение оптимального числа датчиков при заданном качестве Полученная ориентировочная опорная оценка позволяет облегчить поиск оптимального варианта по минимуму суммы расходов и потерь.

Отметим, что использован метод направленного поиска в некоторой области. Дополнительным условием (или ограничением) поиска является суждение о том, чтобы себестоимость нефти не была выше, чем сейчас существует.

Выше этого уровня не стоит рассматривать подобную зависимость. Они диктовались конкретными производственными условиями, т. е. Cu + C ш Cuш.

Вероятностные характеристики потерь от количества и качества измерителей.

Трудность задачи обеспечения высокой надёжности ИУС связаны с непрерывным возрастанием требований к надёжности из-за увеличивающейся сложности и важности объектов и «цены» надёжности АСУ. Для шахтных условий основными качественными показателями можно считать точность и надёжность ИУС. Общая задача обеспечения высоких качественных показателей ИУС для любого типа производства основывается, как правило, на следующих соображениях.

Первая постановка заключается в достижении максимальной надёжности системы при заданном значении расходов на систему.

При второй постановке решаются задачи минимизации расходов на систему с заданной точностью.

Самой объективной следует, по-видимому, считать третью постановку, суть которой сводится к определению оптимальной надёжности системы, определяемой путём минимизации суммы расходов на достижение надёжности и потерь ненадёжного функционирования системы.

На наш взгляд, самой объективной следует считать постановку задачи, суть которой сводится к определению оптимальной точности и надёжности системы. Следовательно, задача оптимизации параметров ИУС сводится к поиску экстремума в пространстве «l» взаимосвязанных параметров качества. Так как ИУС подземного нефтепромысла обслуживает множество объектов (принимаем количество объектов N) с различными зависимостями C j ({Si } ), ( j = 1 N, i = 1 l ), то для решения задачи оптимизации параметров ИУС необходимо использовать зависимость приведённых суммарных стоимостных потерь от несовершенства системы.

На рис. 1.15 показана зависимость возможного ущерба производству от некачественных каналов и аппаратуры и от недостаточного их количества, который обозначен через C ш. Здесь же приведена зависимость суммарных расходов на приобретение и эксплуатацию измерителей, Cu, от их количества, n.

Очевидно, что чем больше измерителей используется в шахте, тем больше будет их суммарная стоимость.

Рис. 1.15 – Зависимость Cш и Cu от числа измерителей Кривые C ш ( n,{ Poш } ) показывают зависимости C ш от количества измерителей, n, для различных значений качества измерителей (информационный канал считается идеальным). При высоком качестве измерителей и информационного канала можно добиться уменьшения возможного ущерба производству при одном и том же количестве измерителей. Кривая соответствует высокому качеству контролирующих средств (т. е. для значения погрешностей выполняются следующие условия: Poш1 Poш2 Poш3. При низком качестве того же количества измерителей ущерб производству увеличивается (сравнение точки M и N). По заранее заданному количеству измерителей можно уменьшить возможный ущерб производству, если соответствующим образом выбрать качества измерителей. Сохранение постоянства возможного ущерба при различных качествах измерителей означает, что при использовании измерителей низкого качества надо увеличить их количество (точки М и K).

Приведённые графики позволяют найти оптимальное решение при выборе качества и количества измерителей и информационных каналов с целью минимизации суммы:

На рис. 1.16 показана зависимость суммы потерь, C ш, и расходы, Cu, от точности и надёжности информационно-управляющей системы при заданном числе измерителей. Кривая 1 выражает стоимостные расходы при обеспечении необходимой точности измерителей и информационного канала, C( ). Наличие погрешности в показании измерителей и появление ошибок в информационных каналах приводит к выработке неправильных воздействий, которые сопровождаются материальными потерями. Из кривой 1 видно, что для уменьшения погрешности системы надо увеличить стоимостные расходы. Т. е. рост точности связан со значительными стоимостными расходами. При этом потери ошибок, С ( ), уменьшаются (кривая 2).

Когда сумма расходов и потерь минимальна, получается оптимальное значение точности. При этом считаем, что система работает абсолютно надёжно, т. е. ненадёжность системы равна нулю (0' = 0).

Кривая 3 характеризует стоимостные расколы для обеспечения необходимой надёжности системы. Уменьшение надёжности системы связано с повышенными расходами для обеспечения надёжности. Чем больше ненадёжности 0' системы, тем больше потери производства (кривая 4).

При оптимальном значении надёжности минимизируется сумма расколов и потерь, учитывая идеальную точность системы, т. е. погрешность равна нулю ( = 0).

Точки рисунка 1.16 оптимальной точности (при абсолютной надёжности) и оптимальной надёжности (при идеальной точности) позволяют определить минимальную сумму расходов и потерь в зависимости от качественных показателей информационно-управляющей системы при заданном числе измерителей.

Рис. 1.16 – Зависимость суммарных стоимостных потерь от качественных показателей информационно-управляющей системы шахты Приведённые графики дают возможность подобрать количества измерителей и информационных каналов, их точность (или допустимую погрешность) для данного производства и надёжность с таким условием, чтобы минимизировать сумму:

Из-за несовершенства приборов в уклонах может происходить авария, и потери от аварии можно вычислить по следующей формуле:

Pi ( K S ) – вероятность аварии в i-ом уклоне при К приборах S-го качества где за 1 год;

Сi – потери от аварии в i-ом уклоне;

Математическая модель для решения оптимизационной задачи и алгоритм описания динамики изменения параметров оптимизации по методу наименьших квадратов даны в приложении 3. Поиск минимума суммы расходов и потерь осуществлён с помощью численных методов. Результаты вычислений по разработанному алгоритму на примере шахтной добычи нефти приведены на рисунке 1.17. Полученное семейство кривых и динамика их изменения позволяют выбрать оптимальное количество измерителей, оптимальное значение точности и надёжности измерителей и информационного канала по минимуму суммы расходов и потерь.

Рис. 1.17, а – Зависимость расходов и потерь от числа измерений Рис. 1.17, б – Зависимость расходов и потерь от числа измерений Рис. 1.17, в – Зависимость расходов и потерь от числа измерений Рис. 1.17, г – Зависимость расходов и потерь от числа измерений Рис. 1.18, а – Зависимость сумм расходов и потерь от числа измерителей Рис. 1.18, б – Зависимость сумм расходов и потерь от числа измерителей Рис. 1.18, в – Зависимость сумм расходов и потерь от числа измерителей Список литературы:

1. Термошахтная разработка нефтяных месторождений : монография / Ю. П. Коноплёв, В. Ф. Буслаев, З. Х. Ягубов, Н. Д. Цхадая ; под ред. доктора технических наук Н. Д. Цхадая. – М. : Недра, 2006. – 288 с.

2. Валиев, Т. А. Опыт использования системного подхода при оптимизации СПД / Т. А. Валиев // Вопросы кибернетики. Надёжность информационного обмена в вычислительных сетях / под ред. С. И. Самойленко. – М., 1980.

3. Валиев, Т. А. К вопросу оптимизационных средств контроля при шахтной добыче нефти / Т. А. Валиев, З. Х. Ягубов // Изв. вузов. Нефть и газ. – 1990. – №6.

4. Валиев, Т. А. Выбор критерия оценки эффективности вентиляционной системы нефтяных шахт / Т. А. Валиев, З. Х. Ягубов // Изв. вузов. Нефть и газ. – 1990. – №10.

ГЛАВА 2. Совершенствование энергетического потенциала забойных телесистем с учётом влияния и характеристик 2.1 Сравнительный анализ современных технических решений, применяемых в телеметрических системах с электромагнитным каналом связи Электрический беспроводный канал связи может быть использован при турбинном и роторном бурении. В этом случае источник энергии, расположенный в глубинном измерительном устройстве, создаёт электрическое поле между двумя специальными электродами. В качестве одного используют бурильную трубу, а другого – нижнюю часть колонны (турбобур с долотом), изолированную от труб.

Между электродами включают передатчик, а на поверхности между колонной и заземлителем, удалённым на 50-100 м от устья скважины, – приёмник. Измеряемый параметр воздействует на длительность или частоту электрического сигнала. При этом на поверхности земли между некоторой точкой и трубами возникает определённая разность потенциалов, которая снимается с помощью двух электродов. Усиленный сигнал подводится к указывающему прибору, отклонение стрелки которого пропорционально частоте или длительности электрических сигналов, переданных с глубинного измерительного устройства. Однако при этом необходимо учитывать, что на соотношение между величинами переданного и принятого сигналов влияют многие факторы: расстояние между электродами, удельное электрическое сопротивление горных пород, частота сигнала, уровень электрических шумов в районе скважин и др.

Информация передаётся в диапазоне частот 5-25 Гц, так как более высокие частоты подтонального диапазона сильно затухают в канале и загрязнены помехами промышленной частоты 50 Гц и её гармониками. Использование частот менее 5 Гц также связано с рядом трудностей, вызванных тем, что в этом диапазоне имеет место высокий уровень помех, связанных с вибрацией бурового инструмента и пульсациями, обусловленными работой буровых насосов.

Сигнал, получаемый приёмником, включённым между колонной бурильных труб и заземлителем, вычисляют по формуле [1] где U 0 – эквивалентное напряжение, приложенное внизу к колонне бурильных труб, мВ;

– коэффициент затухания сигнала в колонне бурильных труб, неп/км;

L – длина колонны бурильных труб, км.

Значения коэффициента затухания и эквивалентного напряжения находят по приближённым формулам [1] при f 1 Гц и где S – коэффициент, равный 2,6 для стальных и 0,14 – для алюминиевых труб и зависящий от удельной электропроводности материала бурильных труб;

f – частота сигнала, Гц;

r – наружный радиус бурильной трубы, м;

– усреднённое эффективное значение электрического удельного сопротивления горных пород, окружающих трубы, Ом м ;

PH – мощность, отдаваемая передатчиком на согласованную нагрузку, Вт;

l – длина нижней части колонны, м.

Очевидно, что затухание уменьшается при уменьшении частоты сигнала и увеличении удельного сопротивления пород. Значение сигнала U 0 пропорционально увеличению мощности передатчика и длины нижней части колонны.

Дальность передачи сигналов при данном способе может составить несколько километров [2, 3, 4, 5], а при усовершенствовании глубинного устройства и приёмной аппаратуры может быть значительно увеличена [6, 7].

Совершенствование электромагнитного канала требует решения комплекса технологических задач [8, 9, 10, 11], одна из которых заключается в совершенствовании конструкции электрического разделителя колонны [12], направлена на повышение надёжности и упрощение конструкции разделителя, уменьшение создаваемого им гидравлического сопротивления, однако принципиально не способна устранить присущие данному способу передачи информации недостатки. Другим направлением совершенствования является оптимизация расположения забойного блока и использование комбинированных способов передачи забойной информации [13, 14, 15], что повышает технологичность системы, но не позволяет решить главные проблемы канала – узость его частотного диапазона, следовательно, низкую информативность и ограниченность ресурса забойного источника энергии.

Совершенствование энергетического модуля забойной телесистемы может также проходить по пути регулирования режима работы генератора питания забойного модуля, что приводит к увеличению ресурса его автономной работы [16, 17]. Предложенный способ предполагает знание априорной зависимости расхода бурового раствора в зависимости от глубины и положения направляющего аппарата. Однако эта зависимость, являющаяся функцией большого числа случайных факторов, может быть определена предварительно с очень невысокой степенью достоверности.

Одним из решений, позволяющих улучшить энергетические характеристики телесистемы, является совершенствование устройств приёма и передачи электромагнитного сигнала [18, 19], что, однако, не позволяет повысить информативность канала, работающего в диапазоне до 10 Гц. Кроме того, на величину принимаемого сигнала значительное влияние оказывают значения магнитной и диэлектрической проницаемости разбуриваемой породы.

Существует техническое решение, позволяющее осуществлять прим/передачу геофизической информации во время бурения по беспроводному электромагнитному каналу связи с забоя на дневную поверхность, сводящееся к переносу источника энергии с забоя на поверхность [20].

На рисунке 2.1 изображен ствол скважины, пересекающий пласты 9-12. В стволе скважины находится колонна бурильных труб 3, с изолированным от колонны труб отрезком 4. Алгоритм работы следующий.

На поверхности с помощью генератора 1, подключённого одним полюсом к устью скважины, обсаженной кондуктором 2, а другим полюсом – к заземлению 8, расположенному на некотором удалении от устья, генерируется электромагнитное поле.

Электромагнитное поле распространяется по окружающей скважину породе, достигает призабойной зоны и создаёт разность потенциалов между колонной бурильных труб 3 и изолированной её частью 4.

Приёмопередатчик 5 подключён к нижнему концу бурильных труб 3 и к изолированной её части 4. Для передачи сообщения с забоя синхронно с частотой наземного генератора замыкаются или размыкаются части 3 и 4 колонны бурильных труб.

Для передачи сообщения с наземной поверхности в призабойную зону сигнал генератора 1 кодируется.

Использование наземного генератора повышает надёжность и долговечность способа с упрощением и удешевлением процесса бурения.

ЗАО НПП «Самарские Горизонты» разработало конструкцию приёмного и передающего устройства, реализующего передачу информации по электромагнитному каналу связи через экранирующие пласты, в котором сигнал передаётся в виде магнитного потока по колонне бурильных труб [21, 22, 23]. Это делает канал более широкополосным (до 100 Гц), однако требует использования в бурильной колонне труб, изготовленных исключительно из высоколегированной магнитной стали, что удорожает конструкцию.

Использование электромагнитного канала связи ограничивается необходимостью использования автономного источника энергии, расположенного вблизи забоя скважины. Энергия источника расходуется на питание датчиков телеметрии, а также для передачи информации с забоя на поверхность. В качестве автономных источников в современных телеметрических системах используют, в основном, турбинные синхронные генераторы и гальванические элементы, которые имеют ограниченный срок работы. Поэтому для их замены необходимо производить спуско-подъёмные операции, что уменьшает скорость проходки скважины и увеличивает её стоимость.

Очевидно, что уменьшая энергопотребление передатчика, т. е. повышая его КПД, можно в значительной мере увеличить срок службы автономных генераторов, так как основной причиной их отказа является нарушение герметичности генератора, вызванного вращением вала в абразивной среде, которой является буровой раствор. Уменьшение выходной мощности генератора путём уменьшения частоты вращения ротора приведёт к пропорциональному увеличению срока его службы.

КПД передатчика определяется в основном эффективностью работы его выходного каскада. Повышение КПД выходного каскада возможно несколькими путями: переводом его из аналогового в аналого-дискретный или в ключевой режим применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

При аналого-дискретном режиме работы выходного каскада совместно используются ключевой и аналоговый режим усиления. Совместное использование аналогового и ключевого режимов усиления позволяет более полно использовать потенциальные возможности активных элементов, осуществляющих процесс регулирования энергии.

Одним из возможных решений является введение квантования напряжения питания. Ряд используемых в настоящее время методов повышения КПД основан на формировании в нагрузке колебаний ступенчатой аппроксимации сигнала и последующей их фильтрации. Здесь отдельные составляющие сигнала формируются дискретно-ключевыми методами при питании от общего источника. В этом случае в нагрузке каскада формируется ступенчатое колебание.

В случае дискретного преобразования напряжения питания максимально возможный КПД при оптимальных уровнях квантования может теоретически достигать 93-94% [24]. Однако при изменении амплитуды выходного колебания эффективность работы каскада значительно снижается [25, 26, 27]. Для увеличения КПД подобных аналого-дискретных выходных каскадов наиболее эффективным является применение в цепях питания каскада источников с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), создающих необходимые дискретизированные уровни напряжения питания.

Однако более перспективным, с позиций энергетической эффективности, является непосредственное применение в выходном каскаде ключевого режима с использованием ШИМ, что повышает максимально возможный КПД каскада и позволяет изменять по амплитуде величину выходного напряжения при незначительном снижении КПД [28].

Минимальное значение тактовой частоты ШИМ формирователя может быть определено исходя из допустимых массо-габаритных требований к фильтру низких частот, на котором выделяется аналоговая составляющая передаваемого сигнала. При этом минимум тактовой частоты соответствует минимуму динамических потерь в ключевом каскаде, которые и определяют эффективность работы ключевых элементов.

При этом выходной каскад и фильтр низких частот, на который он нагружен, должны быть спроектированы таким образом, чтобы сохранялись основные параметры работы каскада во всём допустимом диапазоне изменения входного сопротивления излучающего элемента, которое может значительно изменяться в зависимости от проводимости разбуриваемого пласта.

Однако даже наиболее перспективные с этих позиций телеметрические системы с электромагнитным каналом связи часто оказываются малоэффективны из-за недостаточно высокой технологичности и эксплуатационной надёжности, которые проявляются в частых сбоях и отказах, сложности ремонта и обслуживания, больших эксплуатационных расходах.

Слабым местом бескабельных телесистем является необходимость использования забойного электрического генератора. Этот элемент из-за наличия в нём вращающихся частей (статора и ротора) в условиях высоких давлений, вибраций и температур, в агрессивной и абразивной среде бурового раствора наиболее ненадёжен и недостаточно технологичен. Одним из наиболее перспективных решений на сегодняшний день является замена генератора на аккумуляторное электропитание, которая должна привести к качественному росту эффективности телесистемы за счёт повышения надёжности, снижения эксплуатационных расходов и трудозатрат. Успешный переход на аккумуляторные батареи подразумевает кардинальные изменения в конструкции телесистемы и должен базироваться на новых принципах, технологиях и материалах.

Передача информации с забоя скважины на поверхность посредством электромагнитных волн в любой физической среде сопровождается затуханием сигнала из-за его отражения и рассеивания. Кроме того, такой канал связи сильно подвержен влиянию помех. Поэтому соотношение сигнал/шум является одной из основных характеристик любой телесистемы, а для бескабельной увеличение этого отношения является главным в процессе её разработки, а зачастую и при эксплуатации.

Основным условием безискажённой передачи информации является адекватность модели канала передачи информации.

По определению, увеличение отношения сигнал/шум может производиться по крайней мере двумя путями: первый – увеличить амплитуду сигнала на забое и второй – снизить шум в канале связи и на входе приёмника. Очевидный и эффективный путь увеличения амплитуды электромагнитного сигнала связан с энергозатратами, т. е. чем большая мощность может быть направлена на излучение, тем большее значение сигнал/шум может быть достигнуто. С этой точки зрения забойный генератор является основным элементом, обеспечивающим эффективность телесистемы, а увеличение отношения сигнал/шум традиционно было связано, в первую очередь, с увеличением мощности забойного генератора.

Поскольку аккумуляторные батареи могут развивать требуемую мощность только на ограниченном временном интервале, то одна из основных задач проектирования телесистем состоит в достижении оптимального компромисса между габаритами (аккумуляторов), мощностью излучения и длительностью непрерывной работы на забое (без подзарядки).

Анализ показывает, что современные аккумуляторы в достаточно небольшом объёме могут обеспечить длительность работы телесистемы между подзарядками в районе 150-250 часов при скорости передачи информации 5-6 бит/с, и частоте обновления забойной информации 2-3 раза в минуту, электрической мощности излучения 1,5-2 Вт. В сравнении с современными генераторными электромагнитными телесистемами, аккумуляторная телесистема должна быть более высокочастотной – частота излучения должна быть порядка сотни Герц, а излучающая антенна должна быть более эффективна. Чтобы обеспечить эти условия в ЗАО «НТ-КУРС», была разработана тороидальная излучающая антенна, являющаяся на сегодняшний день одной из самых перспективных с точки зрения практического внедрения [29], схема и принцип действия которой показаны на рисунке 2.2.

Рис. 2.2 – Способ реализации электромагнитного канала связи по колонне бурильных труб и буровому раствору в затрубном пространстве Сердечник в виде тора «насажен» на бурильную трубу, которая совместно с корпусом телесистемы образует незамкнутый виток вторичной обмотки тороидального трансформатора. Зазор между корпусом и бурильной трубой заполнен диэлектриком. Переменный ток в первичной обмотке трансформатора наводит в торе переменное магнитное поле и вследствие этого во вторичной обмотке – в незамкнутом витке – возникает электрическое напряжение. Когда телесистема располагается в скважине, заполненной буровым раствором, вторичный виток становится замкнутым, и в зазоре течёт ток по буровому раствору. Как показали результаты исследования и испытаний, проведённых в ЗАО «НТ-КУРС» за последние годы, этот ток, текущий по буровому раствору, может быть измерен на устье скважины при помощи приёмной антенны, которая схематично представлена на этом же рисунке. Чтобы увеличить эффективность излучения, тороидальный трансформатор сделан из материала с очень высокой магнитной проницаемостью – порядка нескольких сотен тысяч. Эксперименты показали, что такая тороидальная антенна полностью обеспечивает требуемые условия по частоте и эффективности излучения, в частности при затратах мощности на излучение около 2-х Ватт сигнал принимался на поверхности с глубины около 3 км [30, 31].

Результаты проведённого анализа позволяют сделать следующие выводы:

- телеметрические забойные системы, использующие гидравлический, акустический и геоакустический каналы связи, имеют в настоящее время значительные ограничения по скорости и дальности передачи информации, что в условиях тенденции повышения информатизации процесса бурения ограничивает перспективы развития области их применения;

- проводные забойные телесистемы, не являясь энергетически автономными, обладают значительной информативностью, однако их слабым местом является сложность создания надёжной и помехозащищённой гальванической связи забойного модуля телесистемы с поверхностью, поскольку эта связь обеспечивается в условиях, когда изолированный проводник подвергается комплексу механических, термических и химических воздействий;

- среди существующих беспроводных забойных телесистем с электромагнитным каналом связи, общим свойством которых является зависимость скорости и дальности передачи информации от экранирующих свойств разбуриваемых пород, выделяются телесистемы, использующие электромагнитный канал связи по колонне бурильных труб и буровому раствору в затрубном пространстве (рис. 2.3), свободные от недостатков, присущих большинству электромагнитных систем, и позволяющие осуществлять двустороннюю передачу информации;

- для определения границ области применения забойных телесистем с каналом связи по колонне бурильных труб и буровому раствору в затрубном пространстве необходимо исследовать частотные характеристики канала связи на основе адекватной математической модели процессов, обеспечивающих передачу данных на поверхность;

- ввиду автономности подобных телесистем и их инвариантности в зависимости от конструкции скважины, горных факторов и электропроводности контактных сред (буровой раствор – металл бурильной колонны), проблема разработки способов совершенствования энергетического потенциала забойных телесистем является актуальной и требует дальнейших исследований.

2.2 Анализ частотных характеристик электромагнитного канала передачи информации при использовании стандартных бурильных труб с нанесённым защитным покрытием В настоящее время одним из наиболее эффективных методов снижения энергозатрат в процессе бурения является нанесение на бурильные и обсадные трубы покрытий, уменьшающих гидравлические сопротивления труб, а также увеличивающих срок их службы. По данным [32], энергозатраты при использовании подобных труб за счёт снижения потерь на трение снижаются на 10-15%. Наиболее применимый, на сегодняшний день, материал подобных покрытий – это различные эпоксидные композиции, что делает их наиболее пригодными при организации электромагнитного канала связи по бурильной колонне [33].

Очевидно, параметры бурильной колонны как канала связи зависят от многих параметров (диаметра бурильной трубы, толщины поверхностного слоя трубы, электрической проводимости бурового раствора), поэтому для анализа частотных характеристик исследуемого объекта применялась следующая методика:

а) производилось т. н. «центрирование» эксплуатационных и конструктивных параметров канала связи, т. е. определялись центральные значения варьируемых параметров;

б) анализировались частотные характеристики при изменении одного из параметров, сохраняя остальные параметры постоянными и равными их центральным значениям.

Рис. 2.3 – Поперечный разрез Анализировались следующие частотные характеристики канала передачи информации.

• Модуль комплекса волнового сопротивления канала:

• Аргумент комплекса волнового сопротивления канала:

• Коэффициент затухания в канале на 1 км длины:

• Коэффициент фазы постоянной распространения канала ( ).

Продольная индуктивность одного километра канала передачи информации, представленного в виде длинной линии на низких частотах, определяется по формуле [34]:

где DБУР.ТР – наружный диаметр бурильной трубы;

h – толщина поверхностного слоя бурильной трубы;

µ1 – относительная магнитная проницаемость материала бурильной трубы;

µ 2 – относительная магнитная проницаемость бурового раствора;

1 – удельное сопротивление материала бурильной трубы;

2 – удельное сопротивление бурового раствора.

Погонная ёмкость одного километра канала передачи информации, представленного в виде длинной линии [34]:

DБУР.ТР – наружный диаметр бурильной трубы (м) ;

где h – толщина поверхностного слоя бурильной трубы (м) ;

– диэлектрическая проницаемость материала защитного покрытия бурильной трубы;

0 = 8,854187817620 1012 (Ф м 1 ) – электрическая постоянная.

Активное сопротивление одного километра бурильной трубы в схеме замещения канала передачи информации, представленного в виде длинной линии [35]:

DБУР.ТР – наружный диаметр бурильной трубы (м) ;

где Н – толщина стенки бурильной трубы (м) ;

БУР.ТР – удельное сопротивление материала бурильной трубы (Ом м).

Активное сопротивление одного километра бурового раствора в затрубном пространстве в схеме замещения канала передачи информации, представленного в виде длинной линии [35]:

DБУР.ТР – наружный диаметр бурильной трубы (м) ;

где DСКВ – диаметр скважины (м) ;

h – толщина поверхностного слоя бурильной трубы (м) ;

БУР. РАСТ. – удельное сопротивление бурового раствора (Ом м).

Проводимость утечки через поверхностный слой бурильной трубы на одном километре бурильной колоны [35]:

DБУР.ТР – наружный диаметр бурильной трубы (м) ;

где h – толщина поверхностного слоя бурильной трубы (м) ;

П – удельное сопротивление поверхностного слоя бурильной трубы (Ом м).

Предварительный анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

а) На частотах выше 100 Гц затухание, вносимое каналом передачи информации, становится значительным, что делает невозможным передачу информации со значительных глубин.

б) В диапазоне частот от 30 до 120 Гц волновое сопротивление канала падает, изменяясь на порядок, и становится приемлемым с точки зрения согласования всех устройств, работающих на приём информации на частоте порядка 100 Гц.

в) Характер волнового сопротивления канала в широком диапазоне частот от 10 до 1 МГц остаётся неизменным, являясь активно-ёмкостным с аргументом, равным в минус 45°.

г) Коэффициент затухания сигнала в диапазоне частот от 10 до 1000 Гц определяется только двумя погонными параметрами канала передачи информации, а именно: активным сопротивлением единицы длины бурового раствора в затрубном пространстве, R02, и проводимостью утечки через поверхностный слой бурильной трубы на единицу длины, G0 [36].

Исходя из вышесказанного предложено нанесение защитного покрытия на поверхность бурильных труб с целью уменьшения токов утечки через поверхностный слой, а следовательно, минимизации затухания сигнала [37].

Следовательно, задача совершенствования энергетического потенциала забойных телесистем может быть уточнена и сформулирована следующим образом [38]: