Использование оптоволоконных технологий для повышения качества термометрии на примере ООО "Газпром добыча Кузнецк"

- оценки расхода жидкости в скважине, оценки Рпл и Рнас ;

- определение Тпл и Тзаб;

- контроля за перфорацией колонны;

- контроля за гидроразрывом пласта.

Моделирование температуры в стволе скважины:

* прогноз образования гидратов в газовых скважинах;

* распределение температуры в нагнетательных скважинах;

* количественное определение дебита флюида; * и другие.

Одним из важных моментом позволяющим достичь стабильных и высоких показателей дебита является процесс освоения скважины. Обеспечение наиболее полным набором информации о состоянии скважины позволяет составить максимально эффективную программу освоения. Существующие средства геофизического контроля не позволяет получать сведения о интенсивности притока в процессе освоения.[10]

Результатом решения проблемы является использование оптоволоконной технологии для контроля процесса освоения скважин.

1.5 Выводы, цели и задачи исследования

ОАО «Газпром» -- одна и крупнейших энергетических компаний в мире. Основными направлениями ее деятельности являются геологоразведка, добыча, транспортировка, хранение, переработка и реализация углеводородов, а также производство и сбыт электрической и тепловой энергии.

Метан, как самостоятельное полезное ископаемое, залегающее совместно с углем, открывает новые возможности комплексного освоения газоносных угольных месторождений с широкомасштабной промысловой добычей метана.

Температура - важный фактор многих скважинных процессов, и температурные измерения давно проводятся для мониторинга эксплуатационных характеристик добывающих скважин. С развитием волоконно - оптических технологий интерес к температурным измерениям получил новый импульс.

На основе оптоволоконных технологий разработаны различные измерительные системы, которые, обладая высокой точностью, превосходят электронные устройства того же назначения в части стабильности и термостойкости.

Цель исследовательской части дипломной работы - геофизический контроль за процессом освоения скважин и разработки месторождений метано угольного пласта.

Задачи исследований:

1) Произвести анализ существующих методов измерений температуры в скважине.

2) Изучить основы теории и практики применения эффекта Рамана в оптоволоконных сетях.

2.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПТОВОЛОКОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ТЕРМОМЕТРИИ НА ПРИМЕРЕ ООО «ГАЗПРОМ ДОБЫЧА КУЗНЕЦК»

2.1 Основные термины, физические величины и их размерности, характеризующие исследуемые физические процессы

Скважина - горная выработка круглого сечения, пробуренная с поверхности земли или с подземной выработки без доступа человека к забою под любым углом к горизонту, диаметр которой намного меньше её глубины. Бурение скважин проводят с помощью специального бурового оборудования.

Температура-физическая величина, характеризующаятермодинамическую систему и количественно выражающая интуитивное понятие о различной степени нагретости тел.

Датчик - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Давление - физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности.

Термометрия - измерение температуры по стволу скважины производят в целях изучения: естественного теплового поля Земли; местных тепловых полей; искусственных тепловых полей.

Пласт - это геологический слой, являющийся основной формой залегания осадочных горных пород и отражающий их последовательность отложения.

Оптическое волокно -- нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Световод - закрытое устройство для направленной передачи света.

Дисперсия света - это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны)света или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты).

Волновод -- искусственный или естественный направляющий канал, в котором может распространяться волна.

Мода - вид траектории, вдоль которой может распространяться свет.

Оптическое излучение - электромагнитные волны ,длины которых заключены в диапазоне с условными границами от единиц нм до десятых долей мм.

Дебит - количество газа, а также воды, нефти или другой жидкости, даваемое источником в определённый промежуток времени.

Нефть- природная маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом, состоящая в основном из сложной смеси углеводородов различной молекулярной массы и некоторых других химических соединений.

Газ - одно из трёх агрегатных состояний вещества, характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами (молекулами, атомами или ионами), а также их большой подвижностью.

Фотон -- элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле -- света). Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света.

Десорбция - процесс, обратный адсорбции и абсорбции, при к-ром поглощённое вещество покидает поверхность или объём адсорбента.

Мандрель - скважинная камера.

Перфорация скважины - пробивание отверстий в стенках буровой скважины против заданного участка продуктивного пласта с целью получения или усиления притока воды, нефти, газа в добычную скважину или пласт.

Аномалия-изменение кривой термограммы, вызванная отклонением температурных характеристик.

Депрессия на пласт -- это разность между пластовым давлением в районе скважины и её забойным давлением, вызывающая движение газа из пласта к забою скважины.

2.2 Обзор научных исследований в области теории принципов работы оптоволокна.

Оптоволоконные технологии (ОВТ) уже давно используются в различных областях техники, составляя основу не только средств передачи информации, но и разнообразных устройств измерения и контроля. В последнее десятилетие ОВТ все интенсивнее проникают в нефтяную и газовую промышленность, особенно в такие взаимосвязанные разделы этой отрасли, как сейсморазведка, бурение, геофизические исследования в скважинах и добыча нефти и газа.На основе ОВТ разработаны различные измерительные системы, которые, обладая высокой точностью, превосходят электронные устройства того же назначения в части стабильности и термостойкости. Измерительные элементы (сенсоры) таких систем не подвержены влиянию магнитных и электрических полей и стойки по отношению к вибрации и ударам. Кроме того, при измерениях, производимых на оптоволоконном каротажном кабеле, скважинная часть систем не требует электропитания и работает только с источниками света. [10]

Свет распространяется в сердцевине волокна, испытывая полное внутреннее отражение на границе с оболочкой. Он проникает в оболочку на глубину порядка длины волны, т.е. на глубину много меньше её толщины и, следовательно, не взаимодействует с покрытием из акрилатного лака. Это покрытие необходимо для защиты кварцевой оболочки от механических повреждений и воздействия воды. Волокна делятся на два основных типа: многомодовые и одномодовые. Для всех типов волокон, применяемых в линиях связи, диаметр кварцевой оболочки имеет стандартный размер 125+1 мкм. Номинальный диаметр сердцевины у многомодовых волокон 50 или 62.5 мкм. Диаметр сердцевины у одномодовых волокон может меняться в зависимости от типа волокна в пределах 7..9 мкм. Нормируемым параметром у одномодовых волокон является диаметр модового пятна, величина которого зависит от типа волокна и рабочей длины волны и лежит в пределах 8..10 мкм. Мода - это вид траектории, вдоль которой может распространяться свет.[5]

Рис. 2.1. Типы оптических волокон

Рассмотрим распространение света в волокне. Для того чтобы луч распространялся вдоль световода, он должен входить в него под углом не более некоторого критического относительно оси волокна, то есть попадать в воображаемый входной: конус.[5] Синус этого критического угла называется числовой апертурой световода NA и определяется через абсолютные показатели преломления слоев по формуле:

В многомодовом волокне показатели преломления сердцевины nc и оболочки n_об - различаются всего на 1-1,5 % (например, n_c: n_об = 1,515 : 1,50). При этом апертура NA=0,2-0,3, и угол, под которым луч может войти в световод, не превышает 12-18° от оси. В одномодовом волокне показатели преломления различаются еще меньше (n_c :n_об = 1,505 : 1,50), апертура NA=0,122 и угол не превышает 7° от оси. Чем больше апертура, тем легче ввести луч в волокно, по при этом увеличивается модовая дисперсия и сужается полоса пропускания (см. ниже). Числовая апертура характеризует все компоненты оптического канала -- световоды, источники и приемники излучения. Для минимизации потерь энергии апертуры соединяемых элементов должны быть согласованными друг с другом.[6]

Рис. 2.2 Ввод света в оптоволокно: 1- входной конус; 2- осевая мода; 3- мода низкого порядка; 4- мода высокого порядка

Строго говоря, распространение сигнала в оптоволокне описывается уравнениями Максвелла. Возможные решения уравнении Максвелла соответствуют различным световым модам. В большинстве случаев можно пользоваться приближением геометрической оптики. Если рассматривать распространение сигнала с позиций геометрической оптики, то световые лучи, входящие под различными углами, будут распространяться по разным траекториям. Более высоким модам соответствуют лучи, входящие под большим углом, -- они будут иметь большее число внутренних отражений по пути в световоде и будут проходить более длинный путь. Число мод для конкретного световода зависит от его конструкции -- показателей преломления и диаметров сердцевины и оболочки -- и длины волны.

Рис. 2.3 Распространение волн в световодах: а-в одномодовом; б- в многоводовом ступенчатым профилем; в- в многомодовом с градиентным профилем. 1-профиль показателся преломления, 2-вхдной импульс, 3- выходной импульс

Режим передачи -- одномодовый или многомодовый -- определяется способом ввода света в волокно (инжекции), конструкцией волокна и длиной волны источника. Ввод света для одномодового режима должен осуществляться узким лучом точно вдоль оси волокна, здесь в качестве источника можно использовать только лазер. [4] Для многомодовой передачи может использоваться и более дешевый светодиодный излучатель, имеющий более широкую диаграмму направленности. Передача в одномодовом режиме возможна лишь при длине волны, превышающей некоторое пороговое значение (cut-offwavelength). Эта пороговая длина волны определяется конструкцией волокна (диаметром сердцевины). Волокно для одномодовой передачи на длине волны 1300 нм имеет пороговую длину волны около 1200 мкм. Следовательно, в таком волокне на длине волны 850 нмодномодовая передача невозможна.

При одномодовой передаче луч передается и по внутренней части оболочки, поэтому ее прозрачность, как и прозрачность сердцевины, влияет на затухание сигнала. Здесь световой луч характеризуется диаметром модового пятна -- области сечения волокна, через которую он распространяется (больше, чем сердцевина). В многомодовом волокне через оболочку свет не идет, так что ее прозрачность несущественна.[1]

В самом простом виде система волоконно-оптического распределенного измерения температуры состоит из оптического волокна в защитной трубке, источника лазерного излучения, оптического разветвителя, блока обработки оптоэлектронного сигнала и дисплея (рис.2.4).

Оптическое волокно -- тонкое, как человеческий волос-- всего лишь около 100 микрон в диаметре. Оно состоит из сердцевины диаметром от 5 до 50 микрон и оболочки, изготовленных из кварцевого стекла. Стекло сердцевины и оболочки имеет разный состав (например, из-за добавок других компонентов, таких как германий или фтор, в составе оболочки), чтобы различались показатели преломления и другие светодисперсионные характеристики.[10]



Рис. 2.4Процесс волоконно-оптического распределенного измерения температуры.

Источник лазерного излучения посылает в сердцевину оптического волокна световые импульсы длительностью 10 нс (за это время каждый из них успевает пройти расстояние около 1 м). У сердцевины показатель преломления выше, чем у оболочки, и свет, отклонившийся от оси сердцевины, в конце концов попадает на ее границу с оболочкой под углом, величина которого обеспечивает его отражение обратно к оси сердцевины. Происходит так называемое полное внутреннее отражение. Однако в реальных оптических волокнах при прохождении импульса света часть его все же рассеивается. Свет может рассеиваться на флуктуациях плотности или состава стекла -- по механизму, известному, как рэлеевское рассеяние, -- или из-за акустических колебаний, изменяющих показатель преломления оптоволокна, -- по механизму рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Самое сильное влияние на процесс волоконно-оптического распределенного измерения температуры оказывает третий из механизмов рассеяния света -- комбинационное (рамановское) рассеяние, вызываемое неупругими (связанными с перераспределением энергии) столкновениями фотонов с молекулами в среде оптоволокна. Эти столкновения изменяют колебательную энергиюмолекул. Рассеянный фотон может либо отдать свою энергию молекуле, в результате чего она перейдет на более высокий колебательный уровень (стоксово рассеяние), либо принять энергию молекулы, и молекула перейдет на колебательный уровень ниже (антистоксово рассеяние).

Рис 2.5 Спектр обратного рассеяния.

Часть этого рассеянного света отражается обратно и возвращается по оптоволокну к источнику лазерного излучения. На этом пути сигнал обратного рассеяния отделяется от входящего импульса света направленным оптическим ответвителем. После этого отраженный сигнал посылается в высокочувствительное приемное устройство, где сигнал комбинационного рассеяния света отфильтровывается от доминирующего излучения обратного рэлеевского и бриллюэновского рассеяния.[12] Энергетический обмен между рассеивающейся молекулой и фотоном при комбинационном рассеянии зависит от температуры. Сигнал комбинационного рассеяния имеет две компоненты: стоксову и антистоксову. Стоксова компонента, длина волны которой больше, имеет очень слабую температурную зависимость, в отличие от антистоксовой компоненты обратного рассеяния с меньшей длиной волны, которая сильно зависит от температуры. Отношение этих двух компонент прямо пропорционально температуре рассеивающей среды. Кроме того, путем анализа излучения обратного рассеяния можноопределить расстояние до места его возникновения в оптоволокне. Так как продолжительность каждого входящего импульса равна 10 нс, интервал, на котором произошло обратное рассеяние, точно соответствует одному из метровых отрезков оптоволокна. Следовательно, расчет профиля температуры по всей длине оптоволокна не требует ничего иного, кроме источника лазерного излучения, анализатора и знания исходной температуры в наземной части системы. В частности, нет необходимости в калибровке как отдельных точек по длине оптоволокна, так и всего оптоволокна перед его спуском.[10]

Оптическое волокно является частным случаем более общего понятия волновода. Рассмотрим суть круглого и двумерного вида волновода.

Двумерные волноводы с проходящими границами.

Далее рассмотрим волновод, заполненный однородной изотропной средой с действительной диэлектрической проницаемостью е и магнитной проницаемостью µ₀ (т. е. с магнитной проницаемостью свободного пространства). Сначала покажем,что обычная поперечная электромагнитная волна с плоской поляризацией (ТЕМ-волна) является решением задачи о двумерном волноводе с проводящими границами и поэтому задает моду волновода. Мода распространяется с хорошо определенными фазовой и групповой скоростями, поляризацией и распределением интенсивности по поперечному сечению. [7]

На языке микроволновой теории двумерный волновод с идеально проводящими границами следовало бы называть параллельной полосковой линией передач, пренебрегая при этом краевыми эффектами и эффектами, связанными с конечной величиной проводимости (с наличием скин-слоя). Наиболее подходящим в этом случае является подход, в основу которого положено описание с помощью уравнений Максвелла. Как будет показано, результаты, полученные при таком геометрическом подходе, совпадают с результатами, к которым приводит строгая электромагнитная теория.

Поперечные электромагнитные волны

ПлоскополяризованнаяТЕМ-волна в бесконечной диэлектрической среде.

Рассмотрим векторы электрического и магнитного полей в плоскополяризованной электромагнитной волне, распространяющейся в бесконечной изотропной среде. Для поперечной электромагнитной (ТЕМ) волны электрическое поле Е и магнитное поле Н образуют с направлением распространения, выбранным вдоль оси z, правую тройку векторов. Это изображено на рис. 2.6, где декартова система координат выбрана таким образом, чтобы

Е = (E_x,0,0 ), (2.2)Н = (0, Н_y, 0). (2.3)

При таком выборе системы координат систему уравнений Максвелла:

, (2.4) , (2.5)

можно записать так:

0, = (2.6)

= (2.7)



Рис. 2.6 Взаимное расположение электрического и магнитного полей плоскополяризационной ТЕМ волны в неограниченной диэлектрической среде.

Рис. 2.7 Параллельные идеально проводящие плоскости, направляющие ТЕМ-моду.

Предположим, что компоненты поля Ех и Ну периодически зависят от времени t и координаты z, причем эта зависимость дается множителем ехр(івz -- iюt). Тогда уравнения (2.2.) и (2.3) принимают вид

и ,

Т.е и следовательно, Е_x/Н_y=(/?) (2.9)

Фазовая скорость:

(2.10)

Вектор Пойнтинга: (2.11)

Усредненный по временипоток энергии: (2.12)

Параллельная полосковая линия передач

Рассмотрим распространение электромагнитной волны в среде, ограниченной двумя параллельными пластинами, которые предполагаются идеально проводящими. Предположим, что пластины, как показано на рис. 1.2, параллельны плоскости yz, расположены на расстоянии 2а друг от друга, имеют ширину d и бесконечную длину. (За расстояние между пластинами принята величина 2а для удобства при сравнении в дальнейшем с результатами, полученными для цилиндрических волноводов с радиусом а.) Электрическое и магнитное поля на поверхности каждой пластины должны удовлетворять следующим граничным условиям.[6]

(поверхностная плотность зарядов).

,

(например) = К (ток/единица ширины).

Из этих уравнений видно, что ТЕМ-поля (Е_x, 0, 0), 0, Н_y, 0) удовлетворяют указанным граничным условиям. Полученные результаты можно суммировать следующим образом:

Ток в полоске=I=dK=dH_y, (2.13)

Напряжение между полосками =V=2aE_x, (2.14)

Характеристически

й импеданс

Мощность (2.15)

Действительно, нетрудно показать, что поля основных волн в линиях передач с произвольным поперечным сечением также описываются с помощью ТЕМ-мод. ТЕМ-волна не является единственной волной, которая может распространяться вдоль параллельной полосковой линии передач.

Уравнение Максвелла в круговых цилиндрических координатах.

Из уравнений Максвелла в цилиндрических полярных координатах (r, и, z) можно записать для однородной и изотропной среды, пренебрегая зависимостью от времени и координаты z, в виде

(2.32), (2.33)

(2.34)

(2.35)

, (2.36)(2.37)

Где n₁ -показатель преломления, E=(E_r, E_и, E_z), H=(H_r, H_и, H_z).

Найдем решения волнового уравнения, котоvрое можно записать в цилиндрических координатах в виде

(2.38)

где (г, и) --либо E_z, либо Н_z. Так как рассматривается структура с круговой симметрией, будем искать решения, периодические по координате и, т. е. решения вида

 (=0,1,2,…..). (2.39)

Подставляя выражение (2.39) в уравнение (2.40), получаем скалярное волновое уравнение для волноводов круглого сечения

(2.41)

Предполагая для каждой компоненты поля азимутальную периодичность вида (2.39), с помощью уравнений (2.32) -- (2.37) поля можно записать через Е_z и Н_z:

(2.42)

(2.43)

(2.44)

(2.45)

где использованы обычные определения .

В общем случае продольные компоненты Е_z и Н_z можно найти, решив волновое уравнение (2.41). Это уравнение редставляет собой хорошо известное дифференциальное уравнение для функций Бесселя; известно также, что существуют два независимых решения, которые следует выбирать в соответствии с граничными условиями. Чтобы получить осциллирующее решение в области г ? б, не имеющее особенности при г = 0, следует выбрать функцию Бесселя J_v(ur/a). При определении постоянных распространения в, н

следует учитывать поляризацию волны.[8]

Теперь установим связь между постоянными распространения моды (в, н) и направлением траектории луча (г,б). Так как зависимость поля моды от координаты z имеет вид ехр(iвz) и в лучевой модели направление луча образует угол г с осью z (рис. 2.8), имеем

(2.46)

Аналогично, поскольку направление луча образует угол б с тангенциальным направлением (рис. 2.9), азимутальную зависимость можно представить в виде exp[. Сравнивая это выражение с азимутальной периодичностью в волновой модели, записанной в виде (2.39), находим

. (2.47)

Используя соотношение, связывающее и₁, б, и г (рис. 2.8) получаем

(2.48)

Физический смысл соотношений (2.46) -- (2.47) можно понять на основе модели локальных плоских волн; на рис. 2.8показано разложение волнового вектора на декартовы компоненты в точке r = б. Отметим, что такую интерпретацию можно получить из решения волнового уравнения методом ВКБ, применив его в точке r = б.



Рис. 2.8. Разложение волнового вектора в приближении локальных плоских волн на радиальную, тангенциальную и продольную компоненты при r = б.

2.3 Анализ методов решения проблем измерений температуры в скважине

Для анализа научных методов и устройств измерения температуры (термометрии) в скважине был произведён патентный поиск на интернет портале www1.fips.ru. Поиск по ключевым словам «измерение температуры в скважине» выявил наличие десяти патентов на различные способы и устройства по измерению температуры в скважине общим охватом по времени от 1991 до 2015 год. Поиск по ключевым словам «термометрия в скважине» выявил наличие двух патентов от 2002 и 2016 годов. Поиск по ключевым словам «оптоволокно, температура, волновод, скважина» как в отдельности, так и в комбинациях слов, не выявил каких-либо зарегистрированных разработок.

Приведём краткое описание каждого из указанных 12 патентов.

1. Патент под номером 2087703 от 20.08.1997 года. Автор: Кузнецов А.И. Патентообладатель: научно-техническое общество с ограниченной ответственностью «Волго-уральский геоэлектрический центр». [4]Сущность изобретения: способ измерения температуры в скважине содержит создание теплового потока и определение температуры по меньшей мере в одном пункте, расположенном по вертикали на расстоянии выше и/или ниже от пункта создания теплового потока по расплавлению плавких материалов с различной температурой плавления, размещенных с возможностью самопроизвольного удаления при расплавлении. Часть плавкого материала размещают в контакте со средой, температуру которой измеряют, а часть - вне контакта. Часть плавкого материала, размещенного вне контакта со средой механически закрепляют. Температуру в пункте создания теплового потока принимают соответствующей техническим условиям на сжигаемый материал. В изобретении решается задача повышения точности и надежности измерения высоких температур в скважине. Задача решается тем, что в способе измерения температуры в скважине, включающем создание в скважине теплового потока и определение температуры по меньшей мере в одном пункте, расположенном на расстоянии по вертикали выше и/или ниже от пункта создания теплового потока, по расплавлению плавких материалов с различной температурой плавления размещенных с возможностью самопроизвольного удаления при расплавлении, согласно изобретению часть плавкого материала размещают в контакте со средой, температуру которой измеряют, а часть вне контакта с последней, при этом часть плавкого материала, размещенного вне контакта со средой, температуру которой измеряют, механически закрепляют, а температуру в пункте создания еплового потока принимают соответствующей техническим условиям на сжигаемый материал.

2. Патент под номером 1663452 от 15.07.1991 года. Авторы: Беляков О.С., Сальман А.Г. Реферат. Изобретение относится к устройствам для измерения неэлектрических величин, в частности температуры в скважине, путём преобразования измеряемой величины в длительность импульса и позволяет производить непрерывное эталонирование в процессе измерения. Это повышает точность и достоверность измерения температуры в скважине. Формула изобретения.Устройство для измерения температуры в скважине, содержащее RC- генератор с включённым в частотно-задающую цепь и последовательно соединёнными терморезистором и эталонным резистором, подключённый к регистратору, отличающееся тем, что с целью повышения точности измерения в него введён диод, подключённый параллельно термомрезистору, а регистратор выполнен в виде селектора импульсов, двух измерителей длительности импульсов и последовательно соединённых сумматора, перемножителя и индикатора, при этом выходы селектора импульсов через соответствующие измерители длительности импульсов подключены к соответствующим входам сумматора.3. Патент под номером 2096609 от 20.11.1997 года. Авторы: Коловертнов Г.Ю., Краснов А.Н., Коловертнов Ю.Д., Дамрин Е.С., Фёдоров В.Н. Патентообладатель: Уфимский государственный нефтяной технический университет. Реферат: Использование: для измерения геофизических параметров в скважине в нефтяной и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: способ дистанционного измерения давления и температуры в скважине и устройство для его осуществления содержат подачу тока от двухполярного источника на двуплечий - тензомостовой датчик и измерение напряжений, по которым определяют температуру и давление с помощью математических выражений с учетом коэффициентов пропорциональности этих параметров. Выводы источника тока соединены трехпроводной линией связи с тремя входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к микропроцессорному блоку. При подаче положительного импульса тока измеряется напряжение между первым (верхним) проводом линии связи, питающим плечо тензомостового датчика, и средним потенциальным и между третьим (нижним) проводом линии связи и потенциальным средним, а при подаче отрицательного импульса на плечо тензомоста измеряется напряжение между потенциальным третьим или нижним проводом и питающим средним. Формула изобретения. 1. Способ измерения давления и температуры в скважине одним датчиком, включающий подачу тока на датчик и измерение напряжений, по которым определяют значения измеряемых параметров, отличающийся тем, что при подаче положительного импульса тока измеряют напряжение между одним, питающим двуплечий тензомостовой датчик, проводом (верхним) и потенциальным (средним) U₁ и между другим, питающим двуплечий тензомостовой датчик, проводом (нижним) и потенциальным (средним) U₂, а при подаче отрицательного импульса тока на плечо тензомоста измеряют напряжение между потенциальным (нижним) и питающим проводом (средним). 2. Устройство для измерения давления и температуры в скважине одним датчиком, содержащее тензопреобразователь давления, линию связи, источник тока, отличающееся тем, что выводы источника тока соединены с тремя входами многоканального аналого-цифрового преобразователя, причем первый вывод источника тока соединен непосредственно с первым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя, а через первый провод линии связи с первым плечом двуплечего тензомоста, а второй вывод источника тока одним концом соединен через "плюс" первого диода с вторым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя и через третий провод линии связи с другим плечом двуплечего тензомоста, а другим концом через "минус" второго диода с третьим входом многоканального аналого-цифрового преобразователя и через второй провод линии связи с общей точкой плеч двуплечего тензомоста, выход многоканального аналого-цифрового преобразователя подключен к микропроцессорному блоку.4. Патент под номером 2538014 от 10.01.2015 года. Авторы: Есауленко В.Н., Обухов А.С., Шевченко М.А., Шкодин В.С.. Патентообладатель: ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет». Реферат: Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к устройствам для измерения температуры бурового раствора в процессе бурения. Техническим результатом является повышение надежности устройства и усовершенствование его конструкции. Устройство содержит 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, а 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.Формула изобретения. Устройство для измерения температуры в скважине, содержащее механическую колебательную систему с укрепленными на ней постоянными магнитами и преобразователь механических колебаний в электрические, отличающееся тем, что механическая колебательная система выполнена в виде цилиндрической биметаллической спирали, один конец которой жестко закреплен, а второй - свободен, а 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 поперечне колебания цилиндрической биметаллической спирали.

5. Патент под номером 2381361 от 10.02.2010 года. Авторы: Есауленко В.Н., Есауленко Н.В., Некульшин И.В. Патентообладатель: ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет». Реферат. Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а именно к бурению скважин, и в частности к геофизическим исследованиям, и предназначено для измерения температуры в скважинах в процессе бурения. Устройство для измерения температуры в скважине содержит корпус, струйный генератор с системой сопел, поверхность, панель, коммутационные каналы, приемную емкость, источник энергии, управляемый дроссель, сильфон и управляющий шток гидроусилителя, связанного с каналом связи. Источник энергии выполнен в виде баллона со сжатым газом. Приемное сопло струйного генератора установлено в панели с зазором, выполнено гибким и снабжено жестко закрепленной на нем биметаллической пластиной. Один конец биметаллической пластины жестко закреплен в панели, а другой свободен и способен перемещаться. Техническим результатом решения задачи является повышение точности и надежности измерения температуры в скважине в процессе бурения. Формула изобретения. Устройство для измерения температуры в скважине, содержащее корпус, струйный генератор с системой сопел, поверхность, панель, коммутационные каналы, приемную емкость, источник энергии в виде баллона со сжатым газом, управляемый дроссель, сильфон и управляющий шток гидроусилителя, связанного с каналом связи, отличающееся тем, что приемное сопло струйного генератора установлено в панели с зазором, выполнено гибким и снабжено жестко закрепленной на нем биметаллической пластиной, один конец которой жестко закреплен в панели, а другой свободен и способен перемещаться.

6. Патент под номером 2151285 от 20.06.2000 года. Авторы: Будников В.Ф., Агеев Ю.М. Патентообладатель: предприятие «Кубаньгазпром». Реферат: Изобретение относится к измерительной технике и может быть спользовано в телеметрии при изменяющемся сопротивлении электросвязи. Задачей изобретения является упрощение измерительной схемы и повышение точности измерения температуры. Для этого устройство содержит источник импульсов тока, одножильный кабель, стабилитрон, термостабильный резистор и датчик температуры. Причем в качестве датчика температуры используется микросхемный датчик температуры, а источник импульсов тока выполнен в виде формирователя чередующихся однополярных двух импульсов тока с фиксированными амплитудами. Амплитуда первого импульса тока равна или близка по величине минимальному рабочему току стабилитрона, амплитудa второго - минимальному рабочему току микросхемного датчика температуры. Микросхемный датчик температуры соединен первым выводом с одноименным первым выводом стабилитрона, а вторым выводом - с первым выводом термостабильного резистора. Другой вывод резистора соединен со вторым одноименным выводом стабилитрона. Формула изобретения. 1. Устройство для измерения температуры в скважине, содержащее источник импульсов тока, к которому посредством линии связи подключены выводы стабилитрона, датчика температуры и термостабильного резистора, отличающееся тем, что оно снабжено вольтметром с высокоомным входом, линия связи выполнена двухпроводной, в качестве датчика температуры используется микросхемный датчик, а источник импульсов тока выполнен в виде формирователя чередующихся однополярных импульсов тока с фиксированными амплитудами, причем микросхемный датчик температуры соединен первым выводом с одноименным первым выводом стабилитрона, а вторым выводом - с первым выводом термостабильного резистора, другой вывод которого соединен с вторым одноименным выводом стабилитрона.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник импульсов тока формирует два однополярных импульса тока, амплитуда первого из которых равна или близка по величине минимальному рабочему току стабилитрона, а амплитуда второго - минимальному рабочему току микросхемного датчика температуры.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник импульсов тока формирует три однополярных импульса тока, амплитуда первого из которых равна или близка по величине минимальному рабочему тока стабилитрона, второго - максимальному рабочему тока стабилитрона, третьего - минимальному рабочему току микросхемного датчика температуры.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник импульсов тока формирует три однополярных импульса тока, амплитуда первого из которых равна или близка по величине минимальному рабочему току стабилитрона, второго - минимальному рабочему току микросхемного датчика температуры, третьего - максимальному рабочему току микросхемного датчика температуры.

7. Патент под номером 2149993 от 27.05.2000 года. Авторы:Коловертнов Ю.Д., Ишинбаев Н.А., Загитов М.Ф. и др. Патентообладатель: Уфимский государственный технический университет, производственное объединение «Уренгойгазпром». Реферат: Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения геофизических параметров в скважине. Изобретение решает задачу расширения функциональных возможностей устройства. Для этого устройство содержит двуплечий преобразователь давления с тензорезисторами, линию связи, источник тока, многокаальный аналого-цифровой преобразователь, подключенный к микропроцессорному блоку. Причем первый вывод источника тока соединен непосредственно с первым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя, а через первый провод линии связи - с первым плечом двуплечего тензомоста, а второй вывод источника тока одним концом соединен через токоограничивающий резистор и "плюс" первого диода со вторым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя и через второй провод линии связи - с общей точкой плеч двуплечего тензомоста, а другим концом через "минус" второго диода - с третьим входом многоканального аналого-цифрового преобразователя и через третий провод линии связи - со вторым плечом двуплечего тензомоста. Дополнительно устройство снабжено малоинерционным терморезистором, включенным параллельно с дросселем и подключенным одним выводом к четвертому проводу линии связи (броне геофизического кабеля), а другим выводом к общей точке плеч двуплечего тензомоста. К первому выводу источника тока подключен двухпозиционный ключ, соединяющий в положении 1 источник тока через первый провод линии связи с первым плечом двуплечего тензомоста, а в положении 2 - источник тока через четвертый провод линии связи (броню геофизического кабеля) с выводом малоинерционнного терморезистора. Формула изобретения. Устройство для измерения давления и температуры в скважине, содержащее преобразователь давления, четырехпроводную линию связи, источник тока, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, подключенный к микропроцессорному блоку, причем первый вывод источника тока соединен непосредственно с первым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя, а через первый провод линии связи - с первым плечом двуплечего тензомоста, а второй вывод источника тока одним концом соединен через "плюс" первого диода совторым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя и через второй провод линии связи - с общей точкой плеч двуплечего тензомоста, а другим концом через "минус" второго диода - с третьим входом многоканального аналого-цифрового преобразователя и через третий провод инии связи - со вторым плечом двуплечего тензомоста, отличающееся тем, что оно снабжено малоинерционным терморезистором, включенным параллельно с дросселем и подключенным одним выводом к четвертому проводу линиисвязи, а другим выводом к общей точке плеч двуплечего тензомоста, а к первому выводу источника тока подключен двухпозиционный ключ, соединяющий в положении 1 источник тока через первый провод линии связи с первым плечом двуплечего тензомоста, а в положении 2 - источник тока через четвертый провод линии связи с выводом малоинерционного терморезистора, для компенсации сопротивления плеча тензомостового датчика при смене направления тока в цепь первого диода последовательно включен токоограничающий резистор.

8. Патент под номером 2118802 от 10.09.1998 года. Авторы: Коловертнов Ю.Д., Дамрин Е.С., Коловертнов Г.Ю. и др. Патентнообладатель: Уфимский государственный нефтяной технический университет. Реферат: Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения геофизических параметров в скважине, преобразуемых в изменение активного сопротивления резистивного датчика с использованием четырехпроводной линии связи. Способ дистанционного измерения давления и температуры в скважине одним датчиком включает подачу тока на диагональ питания тензомоста и измерение напряжения на измерительной диагонали. При смене направления тока питания тензомоста совмещают питающую и измерительную диагонали. Измеряют второе напряжение. Значение давления и температуры определяют расчетным путем. Устройство для дистанционного измерения давления и температуры в скважине одним датчиком содержит тензомост, четырехпроводную линию связи, источник тока, измерительно-вычислительное устройство. Источник тока выполнен двухполярным. Введены две развязывающие диодные цепочки. Диодные цепочки подключены одними выводами к источнику тока, а другими выводами - параллельно тензорезисторам. Тензористоры включены в противоположные плечи тензомоста. Измерительно-вычислительное устройство подключено к измерительной диагонали тензомоста. Достигается повышение точности измерения и упрощение устройства благодаря исключению нелинейных ключевых элементов из измерительной цепи и устранению внесения сопротивления проводов линий связи. Формула изобретения. 1. Способ дистанционного измерения давления и температуры в скважине одним датчиком, включающий подачу тока на диагональ питания тензомоста и измерение напряжения на измерительной диагонали тензомоста U₁, отличающийся тем, что при смене направления тока питания тензомоста совмещают питающую и измерительную диагонали и измеряют напряжение U₂, а значение давления и температуры определяют из соотношений. 2.Устройство для дистанционного измерения давления и температуры в скважине одним датчиком, содержащее тензопреобразователь давления (тензомост), четырехпроводную линию связи, источник тока, измерительно-вычислительное устройство, отличающееся тем, что источник тока выолнен двухполярным, введены две развязывающие диодные цепочки, каждая из которых подключена одними выводами к упомянутому источнику тока, а другими двумя выводами - параллельно тензорезисторам, включенным в противоположные плечи тензомоста, измерительно-вычислительное устройство подключено к измерительной диагонали тензомоста.

9. Патент под номером 2326239 от 10.06.2008 года. Авторы: Фёдоров Л. Н., Ермаков С.А., Ващенко Д.С. и др. Патентообладатель: Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН. Реферат: Изобретение относится к горному делу, а именно к буровой технике, и предназначено для исследования оптимальных параметров режима бурения по критерию нагрева зоны контакта инструмента с породой. Техническим результатом изобретения является установление оптимальных параметров режима бурения по температуре зоны контакта инструмента с породой на стенде. Для этого образец породы вращают при неподвижном инструменте. ИК-излучение направляют к приемнику с помощью световода, который размещают в продольном пазу инструмента и соединяют с приемником ИК-излучений. Затем его преобразуют в аналоговый сигнал, усиливают и подают на регистрирующее устройство. Кроме того, из внутренней полости инструмента подают холодную воду в продольный канал, для уменьшения помех от дополнительного ИК-излучения нагретых стенок световода путем его охлаждения. При этом рабочий торец световода изолируют от полости канала с водой герметизатором. Формула изобретения. Бесконтактный способ измерения температуры контакта породоразрушающего инструмента с забоем скважины при экспериментальном бурении, включающий прием, преобразование ИК-излучения зоны контакта инструмента с породой в аналоговый электрический сигнал, его усиление и регистрацию устройством, состоящим из приемника ИК-излучений, аналого-цифрового преобразователя и прибора регистрации, отличающийся тем, что ИК-излучение от зоны контакта инструмента с породой передают приемнику с помощью световода, который монтируют в продольном цилиндрическомканале инструмента, а образец породы вращают при неподвижном инструменте, при этом в продольный канал инструмента из его внутренней полости для охлаждения световода подают холодную воду, а призабойную зону распространения ИК-излучения изолируют от полости канала с водой.10. Патент под номером 2326240 от 10.06.2008 года. Авторы: Фёдоров Л.Н., Ермаков С.А. Ващенко Д.С. и др. Патентообладатель: Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН. Реферат:Изобретение относится к горному делу, а именно к буровой технике, и предназначено для исследования оптимальных параметров режима бурения по критерию нагрева зоны контакта инструмента с породой. Техническим результатом изобретения является установление оптимальных параметров режима бурения по температуре зоны контакта инструмента с породой на стенде. Для этого устройство включает установленный на валу бурового станка кернодержатель с образцом породы в виде керна, термофрикционный инструмент, световод, размещенный в продольном канале корпуса инструмента с выходом на торец фрикционного элемента инструмента и последовательно соединенный с приемником-усилителем и прибором регистрации, колонковую трубу с патрубком для подвода воды, защитный кожух от брызг и водосборник со сливом воды. В корпусе термофрикционного инструмента выполнен продольный канал, сообщающийся с внутренней и наружной полостями инструмента. Это позволяет охлаждать световод поступающей в колонковую трубу холодной водой, что уменьшает дополнительное ПК-излучение, служащее помехой основному сигналу. Формула изобретения. 1. Устройство для бесконтактного измерения температуры контакта породоразрушающего инструмента с забоем скважины, включающее приемник-усилитель инфракрасных излучений и прибор регистрации, отличающееся тем, что оно снабжено оптоволоконным световодом, последовательно соединенным с приемником-усилителем и прибором регистрации и размещенным в продольном канале инструмента с выходом на зону контакта фрикционного элемента коронки с породой, при этом инструмент установлен неподвижно, а образец породы с возможностью вращения.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в корпусе инструмента цилиндрический канал выполнен сообщающимся с внутренней и наружной полостями инструмента, при этом зона распространения ИК-излучения загерметизирована от полости канала с водой.11. Патент под номером 2585301 от 27.05.2016 года. Авторы: Шарафутдинов Р. Ф., Валиуллин Р. А., Рамазанов А. Ш. и др. Патентообладатель: ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет». Реферат: Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для определения интервалов заколонногоперетока жидкости из пластов, перекрытых насосно-компрессорными трубами. Техническим результатом является повышение достоверности определения интервалов заколонногоперетока жидкости в скважинах перекрытых НКТ. Способ включает регистрацию термограмм до и после кратковременного локального нагрева обсадной колонны в предполагаемом интервале движения флюида путем регистрации температуры по стволу скважины с последующим их анализом. При этом опускают насосно-копрессорную трубу из стеклопластика с размещенными снаружи датчиками температуры в выбранный интервал исследования, далее осуществляют индукционный нагрев обсадной колонны через стеклопластиковую насосно-компрессорную трубу в течение времени, определяемого по математическому выражению, и проводят регистрацию температуры во времени в процессе локального кратковременного нагрева колонны и по стволу скважины в исследуемом интервале при работе скважины, а об интервале заколонногоперетока судят по повышенному темпу изменения температуры. Формула изобретения. Способ определения интервалов заколонногоперетока жидкости в скважинах, перекрытых насосно-компрессорными трубами, включающий регистрацию термограмм до и после кратковременного локального нагрева обсадной колонны в предполагаемом интервале движения флюида путем регистрации температуры по стволу скважины с последующим их анализом, отличающийся тем, что опускают насосно-копрессорную трубу из стеклопластика с размещенными снаружи датчиками температуры в выбранный интервал исследования, далее осуществляют индукционный нагрев обсадной колонны через стеклопластиковую насосно-компрессорную трубу в течение времени не менеи не более

,где - доля мощности индуктора, превращаемая в тепло в обсадной колонне; Q- мощность индуктора, Вт; ДT- приращение температуры в колонне, К;б- коэффициент теплопередачи от колонны к жидкости, 1/сек; С- теплоемкость жидкости, дж/кг*К; - плотность жидкости, кг/м³; q- дебит скважины, м³/сек; l- расстояние от индуктора до кровли пласта, м; R- радиус колонны, м,и проводят регистрацию температуры во времени в процессе локального кратковременного нагрева колонны и по стволу скважины в исследуемом интервале при работе скважины, а об интервале заколонногоперетока судят по повышенному темпу изменения температуры

12. Патент под номером 2194160 от 10.12.2002 года. Авторы: Валиуллин Р. А., Шарафутдинов Р. Ф., Рамазанов А. Ш. и др. Патентообладатель: «Башкирский государственный университет», ООО Научно-производственная фирма «ГеоТЭК». Реферат: Изобретение относится к геофизическим исследованиям действующих скважин и может быть использовано при определении интервалов заколонного движения жидкости. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности и однозначности определения движения флюида в скважине и заколонном пространстве. Для этого проводят серии временных замеров температуры с последующим сопоставлением полученных термограмм в процессе работы скважины. Регистрируют термограммы до и после кратковременного локального нагрева обсадной колонны в предполагаемом интервале движения флюида. О характере движения флюида судят по темпу возрастания температуры. По второму варианту изобретения регистрацию изменения температуры проводят в течение времени на определенной лубине исследуемого интервала после кратковременного локального нагрева обсадной колонны на некотором удалении по глубине от датчика температуры. О характере движения флюида судят по темпу возрастания температуры.

Формула изобретения. 1. Способ активной термометрии действующих скважин, включающий проведение серии временных замеров температуры с последующим сопоставлением полученных термограмм в процессе работы скважины и определение характера движения флюида по темпу изменения температуры, отличающийся тем, что регистрацию термограмм проводят до и после кратковременного локального нагрева обсадной колонны в предполагаемом интервале движения флюида и о характере движения флюида судят по темпу возрастания температуры. 2.Способ активной термометрии действующих скважин, включающий проведение серии временных замеров температуры с последующим сопоставлением полученных термограмм в процессе работы скважины и определение характера движения флюида по темпу изменения температуры, отличающийся тем, что регистрацию изменения температуры проводят в течение времени после кратковременного локального нагрева обсадной колонны на некотором удалении по глубине от датчика температуры и о характере движения флюида судят по темпу возрастания температуры.[4]

2.4 Методика решения задач измерения температуры в скважине

Первоначально оптическое волокно в нефтяной отрасли использовалось для передачи данных и команд, но впоследствии стало применяться и как скважинный датчик. В 1980-е гг. был разработан способ замера температуры по всей длине оптического волокна, и к началу 1990-х гг. эту технологию включили в некоторые типы систем закачивания нефтяных и газовых скважин. Оборудование, используемое для волоконно-оптического распределенного измерения температуры, не содержит движущихся частей и скважинной электроники -- для сбора данных в разных точках пространства применяют лазерный луч и непрерывное оптическое волокно.[9] Вместо точечных замеров температуры, редко и нерегулярно выполнявшихся каротажными приборами на кабеле, высокочувствительная волоконно-оптическая система распределенного измерения температуры регистрирует данные на каждом метре (3,3 фута) скважины через регулярные промежутки времени. Такая равномерная выборка позволяет системе распределенного измерения температуры определять время и положение точек температурных изменений по мере возникновенияэтих изменений, что способствует лучшему пониманию процессов в данной скважине.[8]