DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE IN DOWNHOLE DURING DRILLING
Journal: VESTNIK OF ASTRAKHAN STATE TECHNICAL UNIVERSITY. SERIES: MANAGEMENT, COMPUTER SCIENCE AND INFORMATICS
Volume 2014 № 4
, 2014
Rubrics: MANAGEMENT, MODELING, AUTOMATION
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan State Technical University
3.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Automation and Control)
Type:
Article
Pages:
from 17
to 22
Status:
Published
Received:
05.10.2014
Accepted:
25.10.2014
Published:
25.10.2014
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 681.5.08
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 681.5.08
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
Language:
Russian
Keywords:
bottom hole, drilling, temperature, device, telemetric systems, mechanical resonator, automation, downhole
Abstract (English):
The paper presents a device for controlling the temperature of the drilling fluid in the borehole during drilling, made on the basis of the mechanical resonators, which have a high Q factor, accuracy and reliability. A model of the device consisting of a mechanical oscillatory system with the fixed permanent magnets and a transducer of mechanical vibrations into electrical ones is designed. The mechanical oscillatory system is formed as a cylindrical bimetal spiral, one end of which is rigidly fixed and the other is free. A transducer of mechanical vibrations into electrical ones is designed as a system of interacting magnetic fields of permanent magnets, fixed to the cylindrical bimetallic spiral, and the coils of driving and detaching of the vibrations that provide transverse vibrations of cylindrical bimetallic spiral. The experiment, in which a dependence of the oscillation frequency on the temperature was studied, is made. A theoretical calculation of the resonant frequency of the device at various temperatures is carried out. A comparative analysis of the experimental and theoretical dependencies of the frequency of the transverse vibrations of a cylindrical bimetallic spiral on temperature is made and the mean relative error of measurement is obtained.
The paper presents a device for controlling the temperature of the drilling fluid in the borehole during drilling, made on the basis of the mechanical resonators, which have a high Q factor, accuracy and reliability. A model of the device consisting of a mechanical oscillatory system with the fixed permanent magnets and a transducer of mechanical vibrations into electrical ones is designed. The mechanical oscillatory system is formed as a cylindrical bimetal spiral, one end of which is rigidly fixed and the other is free. A transducer of mechanical vibrations into electrical ones is designed as a system of interacting magnetic fields of permanent magnets, fixed to the cylindrical bimetallic spiral, and the coils of driving and detaching of the vibrations that provide transverse vibrations of cylindrical bimetallic spiral. The experiment, in which a dependence of the oscillation frequency on the temperature was studied, is made. A theoretical calculation of the resonant frequency of the device at various temperatures is carried out. A comparative analysis of the experimental and theoretical dependencies of the frequency of the transverse vibrations of a cylindrical bimetallic spiral on temperature is made and the mean relative error of measurement is obtained.
Keywords:
bottom hole, drilling, temperature, device, telemetric systems, mechanical resonator, automation, downhole
bottom hole, drilling, temperature, device, telemetric systems, mechanical resonator, automation, downhole
Введение В настоящее время многие нефтяные и газовые компании пытаются автоматизировать процесс бурения с целью повышения его качества, снижения затрат и получения финансовой выгоды. Для решения этой задачи используются телеметрические системы. Основным препятствием для широкого применения телесистем являются тяжелые условия и агрессивная среда на забое скважин, что обусловливает необходимость создания надежных и точных устройств для контроля технологических параметров процесса бурения. В процессе бурения скважин необходимо проводить исследования для измерения и контроля технологических параметров. С середины 1950-х гг. в России, с 1970-х гг. за рубежом разрабатывается новая аппаратура для измерения и регистрации забойных технологических и геофизических параметров с помощью телеметрических систем. Известно около 50 контрольно-измерительных комплексов для контроля технологических параметров бурения наземного и скважинного типа [1]. В связи с тем, что применение телесистем в бурении является актуальным в настоящее время, необходим анализ существующих методов и технических средств для регистрации отдельных технологических параметров. Именно поэтому возникает проблема разработки надежных и точных забойных измерительных устройств, т. к. телеметрическая система не может работать эффективно, если информация с забоя недостаточно точная, верная и полная. В устройствах, которые применяются в существующих телеметрических системах, используются электронные компоненты, такие как транзисторы, интегральные схемы. Как известно, температурный диапазон работы таких компонентов находится в пределах от -50 до +130 °С [2]. Это обстоятельство ограничивает возможность применения подобных устройств на глубине свыше 5000 м, где температура составляет более 200 °С, а давление - более 100 МПа. Разработчики вынуждены вести поиск других надежных и точных элементов для создания забойной аппаратуры. Такими элементами, характеризующимися высокой добротностью и стабильностью, являются механические и электромеханические резонаторы, которые могут стать альтернативой электронным компонентам для создания забойной аппаратуры. Цель наших исследований заключается в создании надежного и точного устройства для контроля температуры в скважине непосредственно в процессе бурения. Решением данной задачи является создание нового устройства, предназначенного для геофизического исследования скважин, а именно для измерения температуры бурового раствора в процессе бурения. В основе устройства лежит частотный метод. Системы, базирующиеся на данном методе, позволяют осуществлять передачу по занятым линиям связи без применения дополнительной аппаратуры частотного уплотнения, при этом несущая частота устройства размещается в свободной части частотного диапазона линии. Известно, что преобразователи с частотным выходом являются весьма перспективными в измерительной технике. Их достоинства - повышенная точность, быстродействие, относительная простота и надёжность. Это объясняется тем, что частота может быть измерена с высокой точностью простыми методами счета импульсов или периодов. Достоинства этого метода позволяют применять его в устройствах для контроля параметров на забое скважины в процессе бурения. Описание и принцип действия устройства Устройство для измерения температуры в скважине включает механическую колебательную систему с укрепленными на ней постоянными магнитами и преобразователь механических колебаний в электрические. Механическая колебательная система выполнена в виде цилиндрической биметаллической спирали, один конец которой жестко закреплен, а второй свободен. Преобразователь механических колебаний в электрические выполнен в виде системы взаимодействующих электромагнитных полей постоянных магнитов, жестко закрепленных на цилиндрической биметаллической спирали, и катушек привода и съема колебаний, обеспечивающих поперечные колебания цилиндрической биметаллической спирали. Все составляющие компоненты устройства для измерения температуры в скважине изображены на рис. 1. Рис. 1. Устройство для измерения температуры в скважине Устройство, расположенное в бурильной трубе 9, в корпусе 4, жестко закреплено на забое скважины при помощи ребер 2 и 6. Внутри корпуса находятся катушка привода 3 и катушка съема колебаний 8, связанные с каналом связи, два постоянных магнита 7 и механическая колебательная система 1, выполненная в виде цилиндрической биметаллической спирали, один конец которой жестко закреплен на основании 5. Устройство работает следующим образом. В систему привода подается короткий импульс тока. Магнитное поле, созданное в катушке привода этим импульсом, взаимодействует с полем постоянного магнита, и биметаллическая цилиндрическая спираль начинает колебаться. Изменение температуры промывочной жидкости вызывает изменение частоты колебаний цилиндрической биметаллической спирали. Съем частоты колебаний производится катушкой съема. С целью определения погрешности устройства был проведен эксперимент, в ходе которого была установлена зависимость между частотой вынужденных колебаний цилиндрической биметаллической спирали и температурой в скважине. Изменение частоты тока передается по линии связи на устье скважины и регистрируется приборами. Данная информация служит для осуществления управления процессом проводки скважины. Для теоретического расчета резонансной частоты устройства можно воспользоваться формулой для нагруженного камертона [3]: , (1) где f0 - частота колебаний, Гц; mг - масса груза, кг; mк - масса камертона, м; E - модуль упругости материала биметаллической цилиндрической спирали; γ - плотность материала биметаллической цилиндрической спирали; a - расстояние до центра тяжести груза; e - толщина биметаллической цилиндрической спирали; L - длина биметаллической цилиндрической спирали вместе с удлинением при изменении температуры. Длину биметаллической цилиндрической спирали вместе с удлинением, учитывая изменение температуры, можно найти по формуле где l - длина биметаллической пружины при комнатной температуре; - удлинение биметаллической спирали при ее нагреве. где Δt - изменение температуры; a - коэффициент термического расширения материала; S - толщина биметаллической спирали. Примем комнатную температуру равной 27 °С. Рассчитаем частоту колебаний биметаллической спирали по формуле (1) при соответствующих значениях температуры. Результаты расчета представлены в табл. 1. Таблица 1 Параметры теоретической зависимости частоты поперечных колебаний от температуры Температура, °С Частота, Гц 27 24,178 90 18,115 115 16,439 150 14,633 Сравним параметры экспериментальной зависимости, полученные ходе опыта, с параметрами теоретической зависимости частоты поперечных колебаний от температуры для биметаллической спирали. Параметры экспериментальной зависимости частоты поперечных колебаний от температуры представлены в табл. 2. Таблица 2 Параметры экспериментальной зависимости частоты поперечных колебаний от температуры Температура, °С Частота, Гц 27 25,1 90 20,8 115 20,2 150 18,2 Данные сравнительного анализа параметров экспериментальной и теоретической зависимости частоты поперечных колебаний приведены на рис. 2. Рис. 2. Сравнительный анализ параметров экспериментальной и теоретической зависимости частоты поперечных колебаний от температуры Рассчитаем значения относительной погрешности для соответствующих частот поперечных колебаний по формуле , где fтеор - теоретические значения частоты поперечных колебаний; fэксп - экспериментальные значения частоты поперечных колебаний. Значения относительной погрешности устройства приведены в табл. 3. Таблица 3 Значения относительной погрешности устройства fтеор, Гц fэксп, Гц ΔE, % 24,178 25,1 3,67 18,115 20,8 12,9 16,439 20,2 18,6 14,633 18,2 19,6 Рассчитаем среднюю относительную погрешность по формуле . Средняя относительная погрешность равная 13,7 % является хорошим показателем для условий забоя, что позволяет использовать устройство для контроля температуры бурового раствора в скважине. Заключение В ходе исследования были получены основные характеристики устройства для измерения температуры бурового раствора. Описан принцип действия устройства и его основные компоненты. Реализована конструкторская модель устройства, характеризующаяся высокой добротностью и стабильностью благодаря механической колебательной системе, выполненной в виде биметаллической цилиндрической спирали. Рассчитаны параметры теоретической зависимости частоты поперечных колебаний от температуры. В ходе эксперимента получены параметры экспериментальной зависимости поперечных колебаний от температуры. Сравнительный анализ параметров теоретической и экспериментальной зависимости позволил установить среднюю относительную погрешность измерений, которая составила 13,7 %, что значительно меньше погрешности измерений при использовании наземной аппаратуры, составляющей в среднем 50-70 %. Устройство может быть использовано в телеметрических системах, работающих на проводном или комбинированном канале связи. Внедрение такого рода устройств позволит оперативно получать информацию с забоя на устье скважины и тем самым выбирать оптимальный режим бурения, снижая затраты компаний на разработку нефтяных и газовых месторождений.
1. Grachev Yu. V. Avtomaticheskiy kontrol' v skvazhinah pri burenii i ekspluatacii / Yu. V. Grachev, V. P. Varlamov. M.: Gostoptehizdat, 1963. 234 s.
2. Esaulenko V. N. Kontrol' i avtomaticheskoe regulirovanie zaboynyh parametrov v processe bureniya glubokih skvazhin na neft' i gaz / V. N. Esaulenko. Astrahan': Izd-vo AGTU, 2003. 188 s.
3. Esaulenko V. N. Chastotnye datchiki v burenii / V. N. Esaulenko, N. V. Esaulenko. Astrahan': Izd-vo AGTU, 2012. 155 s.
