УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В СКВАЖИНЕ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
2.
Астраханский государственный технический университет
3.
Астраханский государственный технический университет
(доктор технических наук, профессор; профессор кафедры автоматики и управления)
Тип:
Статья
Страницы:
с 17
по 22
Статус:
Опубликован
Получено:
05.10.2014
Одобрено:
25.10.2014
Опубликовано:
25.10.2014
Классификаторы:
ВАК 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
ВАК 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
ВАК 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
ВАК 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
ВАК 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
ВАК 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
УДК 681.5.08
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 28.01 Общие вопросы кибернетики
ГРНТИ 49.01 Общие вопросы связи
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
ВАК 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
ВАК 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
ВАК 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
ВАК 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
ВАК 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
УДК 681.5.08
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 28.01 Общие вопросы кибернетики
ГРНТИ 49.01 Общие вопросы связи
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
забой, бурение, температура, устройство, телеметрические системы, механический резонатор, автоматизация, скважина
Аннотация (русский):
Представлено устройство для контроля температуры бурового раствора в скважине в процессе бурения, выполненное на основе механических резонаторов, которые обладают высокой добротностью, точностью и надежностью. Создана модель устройства, которая состоит из механической колебательной системы с укрепленными на ней постоянными магнитами и преобразователя 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. Проведен эксперимент, в ходе которого была исследована зависимость частоты колебаний от температуры. Сделан теоретический расчет резонансной частоты устройства при различных значениях температуры. Проведен сравнительный анализ экспериментальной и теоретической зависимости частоты поперечных колебаний цилиндрической биметаллической спирали от температуры и получена средняя относительная погрешность измерений.
Представлено устройство для контроля температуры бурового раствора в скважине в процессе бурения, выполненное на основе механических резонаторов, которые обладают высокой добротностью, точностью и надежностью. Создана модель устройства, которая состоит из механической колебательной системы с укрепленными на ней постоянными магнитами и преобразователя 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. Проведен эксперимент, в ходе которого была исследована зависимость частоты колебаний от температуры. Сделан теоретический расчет резонансной частоты устройства при различных значениях температуры. Проведен сравнительный анализ экспериментальной и теоретической зависимости частоты поперечных колебаний цилиндрической биметаллической спирали от температуры и получена средняя относительная погрешность измерений.
Ключевые слова:
забой, бурение, температура, устройство, телеметрические системы, механический резонатор, автоматизация, скважина
забой, бурение, температура, устройство, телеметрические системы, механический резонатор, автоматизация, скважина
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. Грачев Ю. В. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации / Ю. В. Грачев, В. П. Варламов. М.: Гостоптехиздат, 1963. 234 с.
2. Есауленко В. Н. Контроль и автоматическое регулирование забойных параметров в процессе бурения глубоких скважин на нефть и газ / В. Н. Есауленко. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2003. 188 с.
3. Есауленко В. Н. Частотные датчики в бурении / В. Н. Есауленко, Н. В. Есауленко. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. 155 с.
