CC BY
18
УДК 550.834.08
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛАБОРАТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА НА ПРИМЕРЕ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГИДРАТОСОДЕРЖАЩИХ ОБРАЗЦОВ
Аркадий Николаевич Дробчик
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, младший научный сотрудник, тел. (383)333-14-18, e-mail: [email protected]
Антон Альбертович Дучков
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, зав. лабораторией, тел. (383)333-34-18, e-mail: [email protected]
Никита Александрович Голиков
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)333-31-38, e-mail: [email protected]
Представлена автоматизированная система сбора данных о состоянии образца в процессе наработки газогидрата. Описана аппаратная и программная реализация проекта, перечислены используемые алгоритмы управления и контроля.
Ключевые слова: автоматизация измерений, лабораторный эксперимент, газогидраты, акустические свойства.
AUTOMATIZATION OF LABORATORY EXPERIMENTS ON THE EXAMPLE OF MEASUREMENT OF ACOUSTIC PROPERTIES OF HYDRATE SAMPLES
Arkadii N. Drobchik
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Ph. D., Junior Researcher, tel. (383)333-14-18, e-mail: [email protected]
Anton A. Duchkov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Ph. D., Head of the Laboratory, tel. (383)333-34-18, e-mail: [email protected]
Nikita A. Golikov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Ph. D., Scientist, tel. (383)333-31-38, e-mail: [email protected]
The automated system of the state of the sample data collection during the operating time of gas hydrate is presented. This article reviews the hardware and software implementation of the project. The used control and monitoring algorithms are presented in the article.
Key words: automation of measurements, laboratory experiments, gas hydrates, acoustic properties.
Результаты исследований 1980-х годов, связанные с обнаружением газогидратов в природных условиях, и последующая оценка запасов метана в газогидратах привели к тому, что газовые гидраты стали рассматриваться как относительно новый и обширный источник метана. Несмотря на сложность по добыче самих газогидратов вследствие их твердой формы, уже сейчас существуют методы по добыче газа из газогидрата путем создания зоны разложения газогидрата вследствие нарушения условий его стабильности. А в 2013 г. Япония впервые в мире провела успешную экспериментальную добычу метана из газогидратов на море. Наиболее распространенным методом обнаружения гидрат-ных месторождений является стандартная и высокочастотная сейсмическая разведка. Именно поэтому так важно изучение акустических свойств неконсолидированных образцов, содержащих гидраты. Газогидраты обладают стабильным состоянием при низкой температуре и высоком давлении, при нормальных условиях газогидрат разлагается. Изучение газогидратов производится в лабораторных условиях в зоне стабильности гидратов, что требует создания установок для формирования гидрата в пористых образцах и измерения акустических свойств. Процесс образования газогидратов достаточно длительный и даже при использовании методик, призванных ускорить процесс синтеза газогидрата (циклическая заморозка с последующей разморозкой, интенсивное перемешивание при поддержании постоянного давления газа-гидратообразователя, бар-ботирование и пр.), процесс может занимать от 1 до 4 суток.
Функциональная схема лабораторной установки показана на рис. 1. Ее основным блоком является цилиндрическая стальная камера высокого давления (рабочий диапазон 1-40 МПа), вмещающая образцы (4) диаметром 30 мм и высотой 10-70 мм. Насосная станция позволяет независимо создавать осевое давление через верхний (1) и нижний (5) пуансоны и боковое давление через резиновую манжету (2). При формировании газовых гидратов жидкость и газ подаются в образец через специальные каналы в пуансонах, создавая необходимое поровое давление. Температура задается системой термостатирования (термостат и рубашка охлаждения (3)). Более подробно установка описана в [1].
Каждый пуансон (верхний и нижний) снабжен двумя пьезокерамическими шайбами разной поляризации, которые могут быть использованы для генерации или приема продольных (Р) и поперечных (5) волн соответственно. Для генерации волн они должны быть подключены к генератору высоковольтных импульсов, для регистрации волн - к осциллографу. Поочередное подключение генератора и осциллографа для работы на Р- или 5-волнах осуществляется с помощью коммутатора, собранного на основе 2-х двухпозиционных реле, блока питания и платы Seeeduino 3.0.
Длительный эксперимент с постоянным мониторингом за состоянием образца требует автоматизации системы сбора данных о состоянии системы и контроля за состоянием образца. Автоматизация насосной установки не требуется, так как после создания осевого и бокового давления оно поддерживается пневмоаккумуляторами (компенсация температурного расширения масла).
Рис. 1. Функциональная схема установки: 1 - верхний пуансон; 2 - камера для создания бокового давления; 3 - рубашка охлаждения; 4 - образец; 5 - нижний пуансон; 6 - камера для создания осевого давления; Ур1, Уз1 - коаксиальные соединения для регистрирующего пуансона (верхнего); Ур2, Уз2 - коаксиальные соединения для генерирующего пуансона (нижнего); Т1, Т2 - хромель-
алюмелевые термопары; Р1, Р2, Р3, Р4 - преобразователи давления
Основные задачи системы автоматизации:
• управление пуском установки на основе заданных параметров эксперимента (продолжительность, программа термостата, периодичность измерения акустических параметров);
• управление и регулирование параметров в ходе эксперимента;
• циклические измерения и запись данных:
- двух каналов температуры (рис.1, Т1, Т2);
- четырех каналов давления (поровое давление на двух пуансонах (рис. 1, Р1, Р2), боковое и осевое давление (рис.1, РЗ, Р4);
- линейного размера образца;
- акустических данных Р- и £-волн;
• обработка и визуализация данных в реальном времени для оперативного контроля;
обеспечение высокой повторяемости эксперимента.
В качестве среды разработки был выбран пакет LabVIEW от National Instruments. Данная среда разработки была выбрана в связи с наличием большого количества библиотек для различных приборов, а также высокой эффективностью и скоростью разработки программного обеспечения.
Используемое оборудование с используемыми интерфейсами описано в таблице. Работа с RS-232 организована при помощи библиотеки от National Instruments - VISA. Осциллограф управляется с помощью библиотеки PicoSDK 10.6.10 для LabVIEW от производителя Pico Technology.
Таблица
Оборудование, используемое в эксперименте
Прибор Интерфейс
Термостат НиЬег СС-415 с RS-232
Многоканальный измеритель температуры МИТ-8.03 RS-232
Генератор высоковольтных импульсов АКИП 3305 USB
Осциллограф АКИП 72208А RS-232
Коммутатор (самодельный) RS-232
Программа поделена на логические части: контроль температуры на основе показаний термопар ^ и T2; коммутация и измерение Р- и 5- волн; обработка данных, визуализация и сохранение. Кроме того, разные приборы имеют различную частоту опроса. Так, особенностью многоканального измерителя температуры МИТ-8 является то, что прибор не может выдать информацию о том или ином канале по запросу с ПК. Поэтому приходится опрашивать буфер данных прибора с максимальной скоростью, отличной от частоты измерения Р- и 5- волн. Это, в свою очередь, накладывает требования к программной реализации, в данном случае использование распараллеливания циклов обращения к приборам.
Обработка в реальном времени сводится к расчету скоростей Р- и 5-волн, модуля Юнга и коэффициента Пуассона. Скорости Р- и 5-волн рассчитываются по ГОСТу 21153.7-75, см. [2]. В рамках автоматизированной обработки времена прихода волн, используемые для расчета скоростей, определяются как время первого экстремума сигнала в данных. Данные по линейному размеру образца используются для расчета плотности и модуля Юнга (плотность может меняться в зависимости от осевого и бокового давлений).
В качестве испытания системы на стабильность работы был произведен эксперимент длительностью в 21 час на образце из оргстекла длиной 40 мм. В результате эксперимента было произведено 1260 измерений скоростей и 12600 полных циклов опроса МИТ-8 (один цикл - Т1, Т2, Р1, Р2, Р3, Р4). Испытания подтвердили работоспособность системы мониторинга в течение длительного времени.
На рис. 2 представлены графики изменения скоростей продольных и поперечных волн в ходе 40-часового эксперимента по наработке газогидрата метана в кварцевом песке.
-20.00
-15.00
-5.00 с 2 си
-10.00 I-
0.00
5.00 S
25.00
20.00
15.00
10.00 и
о
П5
а.
>
(И
а.
си
500
-25.00
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00
Время, ч
Рис. 2. Результаты измерений скоростей Р-волн (квадратный маркер), S-волн (круглый маркер) и температуры (без маркера) в процессе длительного эксперимента по формированию гидрата метана в песчаном образце
Установка активно используется для получения данных в экспериментах по изучению газогидратов, а также свойств криогелей. В дальнейшем планируется добавить управление термостатом и отправку промежуточных отчетов по e-mail.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-17-00511) в ИНГГ СО РАН и ИНХ СО РАН.
1. Дучков А.Д., Голиков Н.А., Дучков А.А. и др. Аппаратура для изучения акустических свойств гидратосодержащих пород в лабораторных условиях // Сейсмические приборы. - 2015. - Т. 51. - № 2. - С. 44-55
2. ГОСТ 21153.7-75. Породы горные. Метод определения скоростей упругих продольных и поперечных волн. - М.: Изд-во стандартов, 1975.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
© А. Н. Дробчик, А. А. Дучков, Н. А. Голиков 2016
