Обоснование необходимости и перспективы использования частотного метода телеметрии забойных параметров

В электромеханических элементах стабильность частоты колебаний определяется значениями температурных коэффициентов линейного расширения и температурных коэффициентов модуля упругости материалов, применяемых для изготовления этих систем. Значения этих коэффициентов для ряда материалов сведены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения температурного коэффициента линейного расширения и температурных коэффициентов модуля упругости

Наименование материалов		С в с\1?С	Наименование материалов		С в с\1?С
Медь	16,5	0,71	Нейзильбер	15,8	0,68
Цинк	29	1,25	Латунь	18,5	0,8
Ртуть	154,5	6,67	Свинец	29,8	1,29
Инвар высокого качества	0,8	0,04	Сухая ель	3,5	0,15
Инвар обычный	1,6	0,07	Углеродистая сталь	11,5	0,50
Сталь с 50% никеля	5,8	0,25	Беррилиевая бронза	12,8	0,52



Из данных видно (таблице 1), что даже без применения методов температурной компенсации возможно построение электромеханических колебательных систем, температурная стабильность частоты которых на порядок превышает температурную стабильность частоты электрических систем. Необходимо отметить, что в механических колебательных системах широко применяются методы температурной компенсации в связи со значительными постоянством температурных коэффициентов линейного расширения и упругости материалов для широкого диапазона температур.

Необходимо учесть, что массовость производства и совершенство технологии позволили резко снизить стоимость механических и электромеханических колебательных систем по сравнению с электрическими.

Наконец, в ряде случаев преимуществом механической колебательной системы по сравнению с электрической является, как отмечалось выше, высокая добротность. Так, добротность балансовых колебательных систем достигает 5·10²; камертонных 1,5·10⁵; маятниковых 2·10⁴; кварцевых резонаторов 2·10⁶. Для сравнения укажем, что добротность электрических колебательных контуров для тонального диапазона частот достигает 1·10².

К недостаткам электромеханических колебательных систем следует отнести наличие ряда источников нестабильности частоты, связанных с режимами колебаний системы от амплитуды колебаний; позиционной ошибки - зависимости частоты колебаний системы от её положения в пространстве; воздействия внешних магнитных полей и изменения давления окружающей среды. Однако принятие специальных конструктивных мер позволяет снизить влияние этих источников погрешностей до приемлемых значений. Кроме того, использование этих «отрицательных» качеств механических колебательных систем позволяет построить датчики высокой точности для контроля различных параметров.

Достоинство вышеупомянутых преобразователей состоит в их повышенной точности, быстродействии, относительной простоте и надёжности. Кроме того, интерес к ним объясняется тем, что частота может быть измерена с высокой точностью сравнительно простыми методами счёта импульсов или периодов на точно установленное время и легко кодируется. Как указывалось выше, на основе точных измерительных преобразователей напряжения постоянного тока в частоту могут быть созданы точные цифровые приборы и значительно повышена точность информационно-измерительных систем. Достигнутая точность преобразователей при линейности характеристики преобразования 0,002% составляет 0,03%; температурная погрешность 0,01 на 1°С в диапазоне температур 10?50°С.

3.3 Механические колебательные системы с распределенными параметрами

Традиционный камертон представляет собой металлический стержень прямоугольного сечения, согнутый в виде буквы U; размеры сечения ветвей камертона обычно малы по сравнению с их длиной[2]. Ветви камертона (рисунок 21) совершают противофазные колебания. На концах ветвей камертона в точках возникают пучности, а в точках - узлы колебаний; в точке , находящейся на месте изгиба между двумя узлами, возникает пучность.

Камертон - это колебательная система с распределенными параметрами. В частном случае его можно рассматривать как консольно-закрепленный стержень (язычок) (рисунок 21а).



Рисунок 21. Камертонный осциллятор: а - внешний вид простейшего камертона; б, в, схемы к расчету собственной частоты.

В этом случае колебания стержня описываются (пренебрегая инерцией вращения стержня при изгибе) волновым уравнением:

где и - соответственно модуль упругости и плотность материала камертона; и - площадь поперечного сечения камертона и момент инерции сечения относительно оси AA (рисунок 21 б); и - постоянные, характеризующие внутреннее и внешнее трение; - соответственно смещение некоторой точки, ее абсцисса и время.

Решение этого уравнение дает формулу для определения основной частоты камертона

Поскольку анализ колебательной системы с распределенными параметрами связан со значительными вычислительными трудностями, особенно если учитывать нелинейное трение, различные внешние воздействия и рассматривать камертоны сложной формы, то целесообразно заменить такую систему некоторой эквивалентной колебательной системой с сосредоточенными параметрами. Однако нужно отметить, что такая замена допустима лишь при анализе определенных параметров в ограниченной области частот.

Дифференциальное уравнение эквивалентной системы имеет следующий вид:

где где - масса ветви камертона; - эквивалентная упругость; где - эквивалентный коэффициент затухания.

Консольно-закрепленный невесомый упругий стержень, колеблющийся в вязкой среде, с массой на свободном конце, является упрощенной физической моделью ветви рассматриваемого камертона.

Собственная частота колебаний такой системы определяется формулой (2).

Учитывая закругления камертона с радиусом R (рисунок 21 б) и длиной прямого участка , получим более точную формулу для определения собственной частоты камертона

В таблице 2 приведены значения корректирующего фактора для целого ряда значений



Таблица 2 - Значения корректирующего фактора

л	е	л	Е	л	е	л	е
2	0,1457	8	0,0482	18	0,0210	30	0,0100
3	0,1099	9	0,0435	20	0,0183	32	0,0092
4	0,0888	10	0,0896	22	0,0163	34	0,0082
5	0,0747	12	0,0330	24	0,0144	36	0,0077
6	0,0637	14	0,0280	26	0,0130	38	0,0068
7	0,0541	16	0,0242	28	0,0115	38	0,0060

Часто используются не свободные, а нагруженные камертоны, на концах ветвей которых расположены какие-либо грузы (постоянные магниты, детали магнитопровода и т.п.).

Резонансная частота такого камертона без учета изгиба ветвей определяется по формуле

где и - соответственно модуль упругости и плотность материала камертона, и - масса камертона и масса дополнительного груза, - расстояние от конца ветвей камертона до центра тяжести груза, - момент инерции массы груза относительно оси, проходящей через центр его тяжести в перпендикулярной плоскости деформации ветвей камертона.

На практике можно считать J_r = 0, тогда



В нагруженных камертонах позиционная ошибка, вызванная действием возмущающей силы, приложенной к центру тяжести груза, может иметь большую величину. Она подобна возвращающей силе маятника:

где т = 1 / 4т_к + т_г- приведённая масса камертона; g - ускорение силы тяжести; - угол отклонения ветви камертона; -- угол поворота камертона.

Так как имеет малые отклонения, можно считать, что возмущающая сила будет равна

Тогда собственную частоту колебаний можно записать в виде

где определяется по формуле (1).

Воздействие температуры на частоту колебаний камертона можно оценить по формуле

где - коэффициент термического расширения материала камертона; - термоэластичный коэффициент материала; t - температура окружающей среды.

Одним из наиболее распространённых осцилляторов является струна. Собственная частота колебаний её определяется формулой

(3)

где - длина струны; G - напряжение в струне, G = F / S; п- номер гармоники (обычно равный 1); S - сечение струны; г - плотность материала струны; Е - модуль упругости материала струны; F-- сила.

Удлинение струны при растяжении равно

где E - модуль упругости струны.

При постоянных и г частота колебаний в струне в соответствии с формулой (3) зависит только от напряжения в струне.

Основным фактором, вызывающим изменение частоты колебаний струны, является изменение её рабочей длины. Это изменение может произойти в результате нагрева струны или основания, вытягивания струны измеряемым усилием. Температурная погрешность струны по частоте может быть определена зависимостью вида

где , - температурные коэффициенты удлинения основания струны; - максимальное рабочее удлинение струны, вызванное измеряемым усилием; - приращение температуры.

Величина погрешности для вольфрамовых струн составляетна 10°, для остальных - [4] Применяется несколько способов снижения влияния температуры на частоту колебаний струны. Один из них заключается в том, что струнный осциллятор термостатируется. Второй - в том, что основание датчика собирается из двух деталей, выполненных из разных материалов. При этом длины деталей и и материалы подбираются таким образом, чтобы линейное расширение основания было равно линейному расширению струны:

По заданным коэффициентам линейного расширения и можно определить необходимые длины деталей, составляющих основание.

Применяется также способ термокомпенсации путём крепления струны к стойке из биметалла.

На точность работы преобразователей, основанных на струнных осцилляторах, большое влияние оказывает вид закрепления концов струны. Существует множество способов заделки концов струн.

Обзор устройств контроля забойных параметров и рассмотрение вопроса развития электромеханических колебательных систем позволяют сделать следующие выводы: во-первых, существующие устройства контроля технологических и геометрических забойных параметров работают ненадёжно и при этом имеют большую погрешность, во-вторых, в существующей литературе отсутствуют данные об использовании инфранизкочастотных механических преобразователей для контроля забойных параметров в процессе бурения скважин. В связи с этим авторы считают необходимым на основе проведённых исследований показать возможности инфранизкочастотных механических преобразователей и подчеркнуть актуальность работ по созданию на их основе устройств для измерения параметров бурения непосредственно на забое скважины.

3.4 Камертонные преобразователи

Вибратор преобразователя представляет собой камертон, нагруженный подвижным грузом. Проанализировав работу преобразователя рисунок 23 получим значения «l» и «» в функции угла поворота и[3]:

(для ) (для )

В результате имеем аналитическую зависимость частоты камертонного преобразователя от угла поворота и при воздействии температуры и с учётом позиционной ошибки:

В выражении (4) угол отклонения ветви нагруженного камертона от вертикали под действием груза представлен в виде

где и - измеряемый угол поворота, рад; т_г - масса груза, кг; т_к - масса камертона, м; l - длина отвеса, м; g - ускорение свободного падения, м/, Е, г - модуль упругости и плотность материала камертона.

Формулы выведены при условии, что элементы преобразователя выполнены из одного материала и имеют одинаковый коэффициент линейного расширения б.

Были построены и всесторонне исследованы макеты описанных преобразователей. Описанные преобразователи имеют основную погрешность не более 0.5%, а виброустойчивость соответствует виброустойчивости механический конструкции. методами демпфирования можно снизить вибрацию до минимума.

3.5 Устройство для измерения температуры в скважине

На основе вышеисследованных механических колебательных систем типа "баланс-спираль", камертон и др. предложено новое устройство для измерения температуры в скважине.

Изобретение относится к бурению скважин и предназначено для их геофизического исследования, а именно для измерения температуры бурового раствора в процессе бурения. Цель изобретения - повышение надежности работы.

Известно устройство для измерения температуры в скважинах (а.с. СССР №1298365, 2010), содержащее источник энергии, преобразователь температуры, выполненный в виде расположенного в корпусе струйного генератора, состоящего из струйного элемента, включающего сопло питания, приемное и выходное сопла, размещенные в углублении панели и связанные между собой коммутационными каналами. Недостатком этого устройства является трудность реализации источника питания, и увеличенное время съема информации в связи с использованием инфранизкого диапазона частот.

Также известно устройство (а.с. СССР №2381361, 1987), которое 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. Недостатком этого устройства является трудность реализации источника питания, и увеличенное время съема информации в связи с использованием инфранизкого диапазона частот.

Прототипом является устройство (а.с. СССР №279520, 1971), которое содержит механическую колебательную систему с укрепленным на ней постоянным магнитом, преобразователь механических колебаний в электрические и заполненный ртутью термобаллон. Механическая колебательная система выполнена в виде полого баланса, закрепленного на трубке, связанной с термобаллоном, причем полости баланса, трубки и термобаллона сообщаются между собой. Измерение колебаний производится следующим образом. В систему привода и объема подается короткий импульс тока. Магнитное поле, созданное в катушке этим импульсом, взаимодействует с полем постоянного магнита, и баланс начинает колебаться. Съем колебаний производится той же катушкой. Недостатком этого устройства является низкая частота механической колебательной системы, которая снижает объем информации получаемой с устройства измерения температуры, то есть не в полной мере используется пропускная способность проводного канала связи.

Техническая задача заключается в создании надежного устройства и точного устройства для контроля температуры в скважине непосредственно в процессе бурения.

Техническим результатом является повышение надежности и упрощение конструкции. Надежность достигается тем, что механическая колебательная система выполнена в виде биметаллической цилиндрической спирали, которая обеспечивает поперечные колебания. Упрощение устройства достигается тем, что сокращается число элементов конструкции датчика.

Устройство для измерения температуры в скважине, включающее механическую колебательную систему с укрепленными на ней постоянными магнитами и преобразователь механических колебаний в электрические, при том, что механическая колебательная система выполнена в виде цилиндрической биметаллической спирали, один конец которой жестко закреплен, а второй свободен, и 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.

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 колебания производится катушкой съема.

Установлено, что существует 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 расчета резонансной частоты устройства мы можем использовать формулу для нагруженного камертона

где f₀ - частота колебаний, Гц;

т_г - масса груза, кг; т_к - масса камертона, м;

E - модуль упругости материала биметаллической цилиндрической спирали;

г - плотность материала биметаллической цилиндрической спирали;

- 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 - длина биметаллической пружины при комнатной температуре;

.

где - изменение температуры;

- коэффициент термического расширения материала;

- толщина биметаллической спирали.

Сравним экспериментальную зависимость, полученную в ходе опыта, с теоретической зависимостью частоты от температуры для биметаллической спирали.

Примем комнатную температуру 27°С. Рассчитаем частоту колебаний биметаллической спирали при соответственных температурах:

1) t = 27°С.



2) t = 90°С

.

3) t = 115°С

.

4) t = 150°С

.



Рассчитаем относительную погрешность:

Средняя относительная погрешность измерений составила 13.7%, что является допустимым при измерении температуры в скважине.



Заключение

Автоматический контроль глубинных параметров в скважинах является основным звеном в комплексной автоматизации процессов бурения и добычи нефти или газа.

В результате выполненных работ по созданию устройств автоматического контроля в скважинах получены лишь первые успехи и созданы отдельные приборы, которые далеко еще не могут удовлетворить Потребности промышленности в таких средствах автоматики. В настоящее время применяются различные способы бурения скважин и их эксплуатации, что обусловливает большое разнообразие задач автоматического контроля за глубинными процессами. Для их решения необходимо продолжать широкие исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Необходимо создание и дальнейшее совершенствование устройств автоконтроля для скважин глубиной до 6--7 тыс. м. При бурении таких скважин электробурами или с применением шланго-кабеля, в котором помимо силовых жил закладывается несколько контрольных проводов, представляется возможность иметь необходимый комплекс автоконтроля как за режимом бурения и за направлением скважин в пространстве, так и за свойствами проходимых пород.

Наряду с совершенствованием описанных в книге устройств, главным образом по пути повышения их надежности и точности измерения, предстоит разработать устройства для автоматического каротажа скважин в процессе бурения. При роторном и турбинном бурении, используя гидравлическую линию связи или передачу электрических сигналов по колонне труб и окружающей толще породы, можно контролировать лишь отдельные технологические параметры бурения. При этом необходимы дальнейшие работы по совершенствованию и повышению эксплуатационной надежности созданных приборов.

Для контроля этих видов бурения основным направлением работ все же остаются поиски и разработка надежного в работе канала связи, допускающего передачу необходимого объема информации о комплексах глубинных параметров бурения.



Список использованных источников

1. Ошкордин О.П. Методы системного анализа в технологии разведочного бурения [Текст]/ О.П. Ошкордин, С.Г. Фролов, 1995.

2. Есауленко В.Н. Аэродинамические измерительные преобразователи для телеметрии забойных параметров при бурении скважин [Текст]/ В.Н. Есауленко, 2010.

3. Есауленко В.Н. Контроль и автоматическое регулирование забойных параметров в процессе бурения глубоких скважин на нефть и газ [Текст]/ В.Н. Есауленко, 2011.

4. Есауленко В.Н. Частотные датчики в бурении [Текст]/ В.Н. Есауленко, 2012

5. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического регулирования [Текст]/ В.А. Бесекерский, Е.П. Попов, 1966.

6. Конторович М.И. Операционное исчисление и процессы в электрических цепях [Текст]/ М.И. Конторович, 1964.

7. Калинин А.Г. Справочник инженера-технолога по бурению глубоких скважин [Текст]/ А.Г. Калинин, А.Г. Мессер, 2005.

8. Розенберг Г.Д., О гидравлическом канале связи в бурении [Текст]/ Д.Г. Розенберг, И.Н. Буяновский, 1992.

9. Грачев Ю.В. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации [Текст]/ Ю.В. Грачев, В.П. Варламов; Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1963.

10. Молчанов А.А.. Геофизические исследования горизонтальных скважин [Текст]/ А.А. Молчанов, Е.Е. Лукьянов, В.А. Рапин, 2001.

11. Воздвиженский Б.Н., Разведочное бурение [Текст]/ Б.Н. Воздвиженский, О.Н. Голубенцев, А.А. Новожилов, 1979.

12. Вадецкий О.Ю. Бурение нефтяных и газовых скважин. Учебник для начального профессионального образования [Текст]/ О.Ю. Вадецкий, 2008.

13. Басарыгин Ю.М. Технологические основы освоения и глушения нефтяных и газовых скважин [Текст]/ Ю.М. Басарыгин, Ю.М. Проселков, 2001.

14. Абубакиров В.Ф. Буровое оборудование ч. 1 [Текст]/ В.Ф. Абубакиров, В.А. Архангельский, Ю.Г. Буримов, 2000.

15. Абубакиров В.Ф. Буровое оборудование ч. 2 [Текст]/ В.Ф. Абубакиров, В.А. Архангельский, Ю.Г. Буримов, 2003.

16. Калинин А.Г. Технология бурения разведочных скважин на нефть и газ [Текст]/ А.Г. Калинин, А.З. Левицкий, 1998.

17. Булатов А.И. Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин [Текст]/ А.И. Булатов, С.А. Шаманов, 2003.

18. Басарыгин Ю.М Технология бурения нефтяных и газовых скважин [Текст]/ Ю.М. Басарыгин, А.И. Булатов, 2001.

19. Башкатов А.Д. Прогрессивные технологии сооружения скважин [Текст]/ А.Д. Башкатов, 2003.

20. Гилязов Р.М. Бурение нефтяных скважин с боковыми стволами [Текст]/ Р.М. Гилязов, 2002.

21. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах [Текст]/ И.А. Чарный, 1975.

Размещено на Allbest.ru