CC BY
3
Metrology and information-measuring devices
Мухамадиев А.А. Mukhamadiev A.A.
кандидат технических наук, доцент кафедры информационно-измерительной
техники, ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет », г. Уфа, Российская Федерация
Шайхутдинов И.И. Shaikhutdinov I.I.
генеральный директор АО «СибКом» г. Уфа Российская Федерация
Ясовеев В.Х. Yasoveev У.КН.
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационно-измерительной техники, ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 550.83 DOI: 10.17122/1999-5458-2019-15-1-122-127
АНАЛИЗ ПРИБОРНОЙ БАЗЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ФЛЮИДОВ
В работе рассматривается проблема разработки и совершенствования приборной базы для проведения геофизических исследований с целью повышения качества получаемой информации. Показано, что одним из важнейших геофизических исследований является изучение пластовых флюидов. Приведен анализ современного состояния разработок в области спектральных приборов для определения коллекторских свойств пластов. Показаны достоинства спектральных методов анализа сред различной природы. Выявлены и описаны основные достоинства инфракрасной (ИК) спектроскопии. Разработана структурная схема ИК спектрометра, описаны основные элементы и принцип действия. Предложено и научно обосновано применение акустооптического монохроматора. Описан разработанный монохроматор с электронным управлением, состоящий из акустооптического перестраиваемого фильтра, драйвера, соединительных кабелей и программного обеспечения. Представлена структурная схема и фотографии основных узлов монохроматора. Описан принцип действия акустооп-тического монохроматора. Результатом предложенных технических решений является создание портативных устройств с широким спектральным диапазоном, спектральным разрешением, значительным быстродействием, повышенной точности, чувствительности и пригодных для полевых условий.
Ключевые слова: флюиды, спектральный анализ, инфракрасная спектроскопия, акусто-оптический монохроматор, акустооптический перестраиваемый фильтр, оптический блок.
ANALYSIS OF THE INSTRUMENTATION BASE FOR THE STUDY OF FLUIDS
The paper deals with the problem of developing and improving the instrumentation base for conducting geophysical surveys in order to improve the quality of the information received. It is shown that one of the most important geophysical studies is the study of reservoir fluids. The analysis of the current state of development in the field of spectral instruments for determining reservoir properties of the layers. The advantages of spectral methods for analyzing media of various nature are shown. The main advantages of infrared spectroscopy are identified and described. The structural scheme of the IR spectrometer has been developed, the main elements and the principle of operation have been described. The use of an acousto-optic monochromator is proposed and scientifically substantiated. An electronically controlled monochromator, consisting of a tunable acousto-optic filter, driver, connecting cables and software, is described. A block diagram and photographs of the main monochromator nodes are presented. The principle of action of an acousto-optic monochromator is described. The result of the proposed technical solutions is the creation of portable devices with a wide spectral range, spectral resolution, significant speed, increased accuracy, sensitivity and suitable for field conditions.
Key words: fluids, spectral analysis, infrared spectroscopy, acousto-optic monochromator, acousto-optic tunable filter, optical unit.
Ежегодно глубина бурения скважин наращивает метры проходки, что приводит не только к увеличению и повышение информативности промыслово-геофизических исследований, но и к усложнению реализации геофизических методов исследования скважин расширенного комплекса. Проблема разработки и совершенствования приборной базы для проведения геофизических исследований является весьма актуальной, так как приводит к повышению качества получаемой информации, а следовательно, имеет большой экономический эффект.
Одним из важнейших геофизических исследований является изучение пластовых флюидов. Для исследования их характеристик применяются различные методы и приборы. В основном все они требуют извлечение проб из скважины для последующего их исследования на поверхности. В условиях, когда происходит значительное повышение глубины и сложности профиля скважин, отбор проб и их доставка являются весьма затратными. В связи с этим задача разработки и совершенствования приборов для проведения геофизических исследований непосредственно в скважине является весьма актуальной. В данной работе проводится анализ современного состояния разработок в области спектральных приборов для определения коллекторских свойств пластов.
Приборы разрабатываются для получения высококачественных представительных проб пластовых флюидов. Метод опробования пластов позволяет получать ключевую петро-физическую информацию для определения объема залежи, продуктивности пласта, типа и состава подвижных флюидов и предсказания поведения залежи при ее разработке.
В последнее время широкое распространение получили спектральные методы анализа сред различной природы. Спектральный анализ - это физический метод определения состава вещества, основанный на изучении спектров испускания, поглощения, отражения и люминесценции. Атомы каждого элемента испускают излучение с определенной длиной волны, что, в свою очередь, позволяет определить, какие элементы входят в состав данного вещества. Спектры определяются свойствами электронных оболочек атомов и молекул и воздействием структуры и массы атомных ядер на положение энергетических уровней. В результате приборы спектрального типа исследуют излучение от объекта исследования как сигнал, обладающий определенной информацией, описывающей его свойства и характеристики.
Различают атомный и молекулярный спектральный анализ, задачи которых состоят в определении состава вещества. Учитывая, что такие химические соединения, как Н20,
СН4, сырая нефть имеют легко узнаваемый отклик при инфракрасном воздействии, то наиболее подходящим является применение инфракрасной спектроскопии, входящей в молекулярный спектральный анализ.
Инфракрасный молекулярный спектральный анализ позволяет исследовать молекулярные спектры, потому что в инфракрасной области располагаются основные колебательные и вращательные спектры молекул. В результате анализа исследуются инфракрасные спектры поглощения и излучения. При воздействии инфракрасного излучения на вещество происходит его поглощение на определенных частотах, которые совпадают с рядом собственных колебательных и вращательных частот микрочастиц или с колеба-
тельными частотами самой кристаллической решётки, что приводит к падению интенсивности инфракрасного излучения и образованию полос поглощения.
Взаимосвязь между интенсивностью излучения, проходящего через исследуемое вещество, и длиной волны и другими величинами, которые характеризуют вещество его поглощающее, описывается обобщённым законом Бугера - Ламберта - Бера [1, 2].
В общем случае, структурная схема ИК спектрометра представляет собой следующий вид (см. рис. 1).
источник h моно- h объект I приемник l система обработки и
излучения хроматор изучения излучения индикации
Рисунок 1. Структурная схема ИК спектрометра
Ключевым элементом, обеспечивающим характеристики спектрометра, является монохроматор. Монохроматор представляет собой прибор, предназначенный для выделения монохроматического излучения с очень маленьким разбросом частот, а в идеале - с одной частотой (длиной волны). Монохроматор выделяет узкие интервалы длин волн из спектра оптического излучения. Конструктивно монохроматор состоит из набора оптических и механических элементов, а возможность сканирования спектра обеспечивается путём поворота диспергирующего элемента с помощью специального передаточного механизма. Однако большое количество оптико-механических элементов значительно усложняет конструкцию, снижает качество управления и ухудшает технические характеристики устройства. Дальнейшее совершенствование монохрома-тора не позволяет на известных принципах построения значительно улучшить его характеристики, поэтому для выполнения предназначенных функций предлагается использовать акустооптический эффект, а именно, заменить традиционные оптико-механические на акустооптические элементы. Преимуществом акустооптических элемен-
тов является отсутствие механически движущихся элементов, высокое быстродействие, высокая надежность, хорошая чувствительность, высокая точность, универсальность, селективность, малые габаритные размеры
[3].
Использование акустооптического моно-хроматора (АОМХ) позволит выделять из широкого спектрального диапазона электромагнитного излучения узкую линию, длина волны и интенсивность которой изменяются в соответствии с электронным управляющим сигналом (рис. 2-4). Одним из важнейших составляющих АОМХ является драйвер, обеспечивающий электронное управление.
Рисунок 2. Акустооптический монохроматор: 1 - входной оптический разъем монохроматора; 2 - акустооптический перестраиваемый фильтр с входным и выходным поляризатором; 3 - выходной оптический разъем монохроматора; 4 - драйвер акустического сигнала; 5 - блок питания; 6 - соединительные кабели
Рисунок 3. Акустооптический перестраиваемый фильтр с входным и выходным поляризатором: 1 - входной поляризатор; 2 - акустооптический перестраиваемый фильтр (АОПФ); 3 - выходной поляризаторы
Рисунок 4. Драйвер акустического сигнала
Принцип действия монохроматора следующий. Переменное электрическое поле (управляющий сигнал), приложенное к пье-зопреобразователю, возбуждает акустическую волну, которая распространяется в призме из Те02, вызывая периодические возмущения показателя преломления, т.е. создавая в среде фазовую дифракционную решетку. На этой решетке происходит дифракция света, распространяющегося в кристалле под определенным углом и имеющего определенное состояние поляризации, формируемое входным поляризатором. В результате дифракции поляризация световой волны меняется на ортогональную, так что на выходе кристалла продифрагировавший и непродифрагировавший пучки расходятся на угол не менее 6,4° (величина угла зависит от длины волны фильтруемого излучения), при этом продифрагировавший пучок распространяется по траектории падающего, а непродифрагтровавший отклоняется в сторону. Конструкция такова, что падающий плоскополяризованный световой пучок ортогонален входной грани кристалла Те02, а плоскость его поляризации ортогональна основанию корпуса оптического блока АОМХ, именно для такой геометрии обеспечивается режим большой угловой апертуры. Плоскости поляризации входного и выходного поляризаторов установлены ортогонально. Следовательно, выходной поляризатор пропускает продифрагировавший пучок и блокирует непродифрагировавший. Драйвер имеет возможность перестройки на произвольный шаг в рабочем частотном диапазоне. Перестройка длины волны пропускания АОПФ осуществляется изменением частоты управляющего электрического сигнала. Связь длины волны и частоты определяется выражением
f = К1 х ДлЛ, (1)
где К1 = 6,17286 х105 МГцхнм;
Список литературы
1. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия: основы, техника, аналитическое применение. - М.: Мир, 1982. - 328 с.
2. Отто М. Современные методы аналитической химии / пер. с нем. под ред. А.В. Гармаша. - М.:Техносфера, 2006. - 416 с.
Дп = (пе - п0 ), пе, п0 - показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, соответственно, для кристаллического ТеО2
[4].
Проведя анализ различных методов спектрометрии и устройств на их основе, можно отметить те или иные достоинства и недостатки. В таблице 1 проведены сравнительные характеристики спектрометров, основанных на различных принципах действия.
Применение акустооптической спектрометрии для решения задач оперативного анализа среды является относительно молодым и очень перспективным направлением. Информация о существующих акустооптиче-ских устройствах, опубликованная в научно-технической литературе и периодических изданиях, носит образно-абстрактный характер, сами же они направлены на решение общих задач. Нет четкой функциональной направленности для решения конкретных проблем, не обобщены технические решения построения, принципы проектирования, не описаны конструктивные и функциональные возможности. Отсутствие экспериментальных и теоретических исследований не позволяет проектировать с заданными характеристиками и интегрировать их в уже существующие.
Таким образом, основные пути улучшения характеристик - создание портативных устройств с широким спектральным диапазоном, спектральным разрешением, значительным быстродействием, повышенной точности, чувствительности и пригодности для полевых условий. Все эти обстоятельства делают актуальными необходимость решения данных вопросов и создания приборов, обладающих улучшенными характеристиками, на что и направлена данная работа.
3. Мухамадиев А.А., Солодовников А.В. Спектральный акустооптический метод анализа и его аппаратная реализация. // Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. науч. ст. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2006. - № 19112. http://ntcup.ru. - 272.
4. Мухамадиев А.А., Фаррахов Р.Г. Калибровка акустооптического монохрома-
тора с электронным управлением // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2016. - Т. 12. - № 2. - С. 75-79.
References
1. Smit A. Prikladnaja IK-spektroskopija: osnovy, tehnika, analiticheskoje primenenije. -M.: Mir, 1982. - 328 p.
2. Otto M. Sovremennyje metody analiticheskoj himii / per. s nem. pod red. A.V. Garmasha. - M.: Tehnosfera, 2006. - 416 p.
3. Muhamadiev A.A., Solodovnikov A.V. Spektral'nyj akustoopticheskij metod analiza i jego apparatnaja realizacija. // Mirovoje soobshhestvo: problemy i puti reshenija: Sb. nauch. st. - Ufa: Izd-vo UGNTU, 2006. - № 19112. http://ntcup.ru. - 272.
4. Muhamadiev A.A., Farrahov R.G. Kalibrovka akustoopticheskogo monohromatora s elektronnym upravlenijem // Elektrotehnicheskije i informacionnyje kompleksy i sistemy. - 2016. - T. 12. - № 2. - P. 75-79.
