Значительный потенциал энергетических ресурсов России сосредоточен на шельфовых (морских) месторождениях. При добыче полезных ископаемых на морских месторождениях пользуются разными способами и оборудованием. Например, подводные трубопроводы, добычные комплексы и морские платформы. Контролировать состояние такого оборудования удаленно и под водой достаточно сложная, а также дорогостоящая задача. Использование беспроводной передачи данных под водой позволит решить её, предупредить аварийные ситуации и снизить затраты на контроль за состоянием подводных месторождений.
В данной работе рассматривается возможность реализации беспроводного контроля оборудования на морских месторождениях с учетом влияния изменения плотности среды.
Крупные нефтяные Компании начали сосредотачивать свои силы на разработку мероприятий, обеспечивающих устойчивую и бесперебойную работу морских производственных объектов. Разработка таких мероприятий влияет на выполнение требований охраны окружающей среды, землепользования, промышленной и пожарной безопасности. Основной целью таких мероприятий является обеспечение надежной эксплуатации морских производственных объектов.
В настоящее время оценка состояния подводного оборудования является дорогостоящей и требует большое количество ресурсов. Помимо тех сложностей, что связанны с высокими температурами, кустовые площадки, таких месторождений, находятся на платформах или на морском дне. На этапе разработки подобных месторождений продумывают каждый шаг эксплуатации и тщательно выбирают подходящие для использования материалы и оборудование.
Подводные месторождения сложны в эксплуатации и могут нанести огромный вред окружающей среде, в связи с чем компании, эксплуатирующие их, выстраивают множество барьеров безопасности. Одним из барьеров является оперативное реагирование при происшествии экстренных ситуаций. Наиболее распространенным вариантом комплекса для мониторинга подводного оборудования являются датчики контроля параметров, связанные с сушей проводными системами передачи данных.
Сегодня прокладка кабельных путей для связи с датчиками контроля технологических параметров подводных элементов месторождения требует огромного количества ресурсов (время, деньги и т.д.).
Проекты альтернативные проводным системам передачи данных позволят внедрить на производство более экологичные автоматизированные системы эксплуатации, которые будут обладать высокими показателями надежности. С использованием технологий беспроводной передачи данных открываются возможности контроля и оценки технического состояния подводного оборудования такими методами, как визуальный осмотр, магнитная и ультразвуковая томография. Удаленный мониторинг уже нашел свое использование на суше. Благодаря использованию таких решений, компании не только обеспечили контроль параметров на удаленных добывающих объектах, но и реализовали такие технологии в резервуарах хранения сырья, и в устье газовой скважины, в дополнении отладили мониторинг трубопровода и скважин нагнетательного характера. Также на месторождении Узень в Казахстане для постоянного удаленного контроля и оперативного реагирования в случае неполадок компания Emerson смогла апробировать технологию беспроводных коммуникаций (Smart Wireless). Результатом такого внедрения было повышение уровня безопасности и дебита скважин, с одновременным снижением расходов на эксплуатацию (сокращение составило 65% от первоначальных затрат).
На скважинах были установлены датчики давления и расходомеры, которые с высокой скоростью передавали данные по беспроводным каналам связи в диспетчерский пункт. Что привело к возможности определения недозакачки воды в скважинах поддержания пластового давления (ППД) и избежать потери дебита добытой нефти.
Модель контроля подводного оборудования
Использование технологии многоканальной ультразвуковой беспроводной передачи позволяет реализовать подводные коммуникации с минимальным количеством потерянных данных и соизмеримой со скоростью придачи данных, используемой на суше. Можно внедрить такие направления как, видеоконтроль состояния подводных добычных комплексов в режиме онлайн, программный суточный мониторинг параметров эксплуатации и добычи морских месторождений.
Также с помощью использования беспроводной передачи данных на основе ультразвуковых сигналов представляется возможность организации аналогичной технологии (с сушей) контроля параметров эксплуатации месторождения и износ оборудования в болотистых местностях, шельфовых месторождениях.
Суть реализации такой технологии состоит в креплении датчиков контроля параметров и приемо-передающих модулей на оборудование (дополнительный приемо-передающий модуль закрепляется на энергомодуль, для обеспечения коммуникаций с диспетчерским пунктам по беспроводным путям на суше).
Такая технология не несет никакого вреда для обитателей подводного мира и защищена от случайных повреждений. Приемо-передающие модули герметичны, имеют компактные размеры и, как правило, ошибки в данных носят минимальный характер (так как система заранее имеет собственные калибровочные сигналы). Затраты на реализацию такой системы коммуникаций в разы ниже, чем прокладка кабельных путей. Так как все необходимые материалы можно закрепить на оборудование перед спуском под воду, снижается время на калибровку и установку системы.
Модель передачи данных
Однако, технологии ультразвуковой передачи данных под водой имеют ряд своих особенностей и проблем. По причине резкого изменения свойств (плотность и т.д.) среды появляется процесс рассеяние ультразвука. Рассеяние происходит на границе неоднородностей, которая имеет размеры соизмеримые с длиной волны. В водной среде это могут быть, например, пузырьки воздуха, а в газах — капли воды.
Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др. Суть процесса заключается в передачи с приёмной матрицы в приёмный контроллер восьми различных сигналов, которые имеют в качестве комплексной амплитуды линейную комбинацию комплексных амплитуд с различными весовыми коэффициентами.
В разработанной технологии передачи данных при помощи ультразвука учитываются такие изменения среды (плотность, неоднородность среды, потоки, турбулентности и т.д.) калибровкой системы ЛЧМ (сигналы с линейно-частотной модуляцией) сигналами. Для калибровки посылается сигнал с каждого излучателя по очереди с некоторой задержкой. Рисунок 1 демонстрирует три сигнала, генерируемых излучателем. Без использования калибровки системы восстановить переданные данные было невозможно (результат моделирования приведен на рисунке 3). На рисунке 4 представлены результаты моделирования с учетом калибровки системы, по которым можно утверждать, что связь под водой при учете неоднородности возможна и будет более стабильна.
Заключение
Дальнейшее развитие и усовершенствование технологии открывает безграничные возможности в сфере автоматизации систем добычи полезных ископаемых. Такой подход позволит значительно повысить производительность оборудования, увеличить дебит скважин, а также сократить затраты на эксплуатацию, улучшить показатели безопасности, надежности и экологичности компании.
В работе рассмотрено влияние неоднородности среды распространения сигнала при реализации подводной передачи данных на стабильность и точность полученной информации. Получена численная модель позволяющая учесть неоднородности среды распространения для сохранения стабильной системы коммуникации под водой, с последующим использованием её для контроля оборудования применяемого на морских месторождения.
Часть работы была выполнена при поддержке Фонда содействия инноваций в рамках программы поддержки талантливой молодёжи – УМНИК. Выражаю благодарность своему научному руководителю Буркову Петру Владимировичу за ценные советы при планировании исследования и рекомендации по оформлению.
