CC BY
17
Ранее нами была приведена зависимость текущей величины напряжения пробоя изоляции от наработки ПЛЭН [1]
U = U0 - к • ta, (1)
где U - пробивное напряжение изоляции, В; U0 - пробивное напряжение изоляции после периода приработки, В; V -величина, характеризующая скоростной режим изнашивания, В/ча; t - наработка, ч; а - безразмерный показатель процесса изнашивания при строго постоянных условиях испытаний, определяющий характер изменения пробивного напряжения.
Ресурс плёночных электронагревателей из выражения (1) можно определить следующим образом:
T =
U о - ипР
(2)
где T - ресурс, ч; Up - предельно-допустимое значение пробивного напряжения изоляции, В.
Параметры U0, Unp и а являются постоянными для каждого типоразмера плёночных электронагревателей. Конструктивные особенности и технология изготовления ПЛЭН отображаются показателем а. Значение предельно-допустимого пробивного напряжения изоляции Unp определяется опасностью ее дальнейшей эксплуатации и нормируется документами.
Значит, ресурс изоляции ПЛЭН является функцией одной величины V. Непосредственно в ходе эксперимента возможно определение величины пробивного напряжения U. Поэтому, введём в рассмотрение скорость изменения пробивного напряжения U со временем: y = dU/dt. Взяв производную по пробивному напряжению из равенства (1), получаем
y(t =1)
V = -
т
а
(3)
где y(t=1) - скорость изменения у пробивного напряжения при единичной наработке, В/ч; т - коэффициент, введенный для согласования размерности, ч1-а.
За единичную наработку t = 1 при вычислении ресурса принимается удобный при проведении эксперимента и последующей обработке временной интервал от начала стендовых испытаний после периода приработки.
При подстановке выражения (3) в (2) получаем ресурс ПЛЭН
T =
ак - uо)
у(< =1)1
т
(4)
На испытательном стенде проводится серия опытов, по результатам которых рассчитывается показатель а по методу наименьших квадратов [2]
С n ( n V ^
n•Ух)2 - Ух
i=1 V i=1
f
а =
n •у хг • yt -у х
V
i
i=1
i
i=1
У у-
\
i=1
У
V
У
(5)
где n - число наблюдений; xt = lg(t) - логарифм значения наработки tt от начала наблюдения до замера величины изменения U; у- = lg(U0 - U) - логарифм значения изменения пробивного напряжения изоляции за наработку t.
Плотность распределения ресурса изоляции находится по равенству [3]
g(т)= f [v(t)]• V'(t), (6)
где f[V] - плотность распределения величины V; V(T) - функция обратная (2); |V(T)| - абсолютное значение первой производной функции V(T).
Итоговое выражение плотности распределения ресурса изоляции ПЛЭН через параметры скорости изменения пробивного напряжения при единичной наработке получается таким:
g (т )=
а
'■(Uо - ипр )
Vy(,^-тЛл •т а+1
• exp
1
2
г
а
(uо - и„р )
m
Tа • V
+ ■
у (t=1)
Л
у (t=1)
Т V
у (t=1) У
(7)
2
где my(t=1), ay(t=1) - соответственно математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение величины у при единичной наработке.
Получение значений параметров скорости изменения пробивного напряжения my(t=1) и ay(t=1), необходимых для вычисления плотности распределения ресурса изоляции ПЛЭН (7), проводится с помощью теории активного планирования эксперимента для ускоренных стендовых испытаний. Это позволит значительно сократить время проведения испытаний для определения ресурса рассматриваемых устройств.
Литература
1. Буторин В.А. Теоретическая оценка плотности распределения ресурса плёночных электронагревателей / В. А. Буторин, И.Б. Царев, А.Н. Ткачев // Достижения науки и техники АПК. - 2011. - № 01. - С. 79-80.
2. Адлер, Ю.П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. - М.: Наука, 1976. - 280 с.
3. Вентцель Е.С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения / Е.С. Вентцель, Л.А. Овчаров. - М.: ACADEMIA, 2003. - 458 с.
Шмыгалев А.С.1, Сутчук А.Л.2, Гулько Д.Я.3, Корсаков А.С.4, Жукова Л.В.5
'Аспирант; 2магистрант; 3магистрант; 4кандидат химических наук, старший научный сотрудник, Уральский Федеральный Университет; 5профессор, доктор технических наук, старший научный сотрудник, Уральский Федеральный Университет. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОД, ВЫТЕКАЮЩИХ ИЗ ИК-СВЕТОВОДОВ
Аннотация
Данная работа посвящена исследованию оптических волокон различного состава, простой и сложной структуры с целью визуализации картины поля моды. Материал статьи может быть использован в качестве методического указания для исследования других типов ИК-световодов.
136
Ключевые слова: пространственное распределение мод; оптические волокна сложной структуры; фотонно-
кристаллические световоды; методика сканирования излучения ИК-световода в дальнем поле; ИК-диапазон 0,2-40,0 мкм.
Shmygalev A.S.1, SutchukA.L.2, GulkoD.Y.3, KorsakovA.S.4, ZhukovaL.V.5 'Postgraduate student; 2master student; 3master student; 4PhD in Chemistry, Senior Researcher, Ural Federal University; 5professor, Doctor of Technical Sciences, Senior Researcher, Ural Federal University.
SPATIAL DISTRIBUTION INVESTIGATION OF THE MODES FLOWING OUT FROM THE IR FIBER
Abstract
Current paper aims to investigate the optical fibers of various compositions and of simple and complex structure, in order to visualize the mode field patterns. This paper’s materials can be implemented as practical guidance to the research of other IR fiber types.
Keywords: spatial distribution of modes , optical fiber of complex structure, photonic crystal fibers ; scanning technique of infrared fiber in the far field , IR range from 0,2 up to 40,0pm.
В настоящее время для обозначения нового класса нетрадиционных оптических волокон, отличающихся от стандартных волокон структурой оболочки, стал термин Photonic Crystal Fibers (PCF) или эквивалентный термин на русском языке - фотоннокристаллические световоды. Строго говоря, этот термин следовало бы использовать для обозначения световодов, оболочка которых содержит периодические одномерные или двумерные структуры, оказывающие существенное влияние на их оптические свойства.
Для подтверждения вышеописанного влияния, нами была поставлена задача по исследованию пространственного распределения мод, вытекающих из ИК-световода. Для этого были отобраны три разных типа оптических волокон: одномодовый ИК-световод, изготовленный из твердых растворов AgClxBr1-x; одномодовый ИК - световод, изготовленный из кристаллов состава Ag0 98Tl0,02Cl0,2oBr0 77Io,03 (сердцевина) и AgCl0,25Br075 (оболочка); и световод сложной структуры, в котором в гексагональном порядке расположены шесть вставок.
Одним из механизмов удержания света в оптическом волокне сложной структуры является его зеркальное отражение от оболочки с периодически изменяющимся показателем преломления. Такие волокна способны переносить с малым затуханием оптическое излучение только с длинами волн, лежащими в некоторой области, называемой фотонной запрещенной зоной (Band Gap, BG). Фотонные запрещенные зоны существуют в оптических волокнах с двумя типами периодических структур: одномерных (1D) в виде соосных цилиндрических слоев и двумерных (2D) в виде полых трубок. Последние являются фотоннокристаллическими волокнами с запрещенными зонами (PCF BG) [1,2].
Ранее подобные структуры за исключением брэгговской применялись только к кварцевым волокнам, однако в работах [3,4] описаны структуры, новые для ИК-световодов из галогенидов серебра [5]. В первой из них предлагается изготавливать PCF световоды, имитирующие световоды со ступенчатым показателем преломления за счет изменения геометрии. Такие световоды могут быть описаны как периодический массив с определённой геометрией: треугольной, квадратной, кольцевой и т.д. (рис. 1.). Массив состоит из материала с высоким показателем преломления и «отверстий», замещенных стержнями, т.е. световодами из материалов с более низким показателем преломления. Обычно один такой стержень - центральный - отсутствует, и получившаяся «пустота», т.е. материал массива выполняет роль сердцевины с высоким показателем преломления. Периодически расположенные световоды вокруг сердцевины выполняют роль оболочки, эффективный показатель преломления которой ниже, чем в сердцевине. 137
Рис. 1. Структура PCF - волокна [1].
Исследование дальнего поля излучения для отобранных световодов проводили на оптическом стенде с использованием СО2-лазера (34 Вт) и КРТ - детектора. Фокусировку осуществляли линзой ZnSe c фокусным расстоянием 63,5 мм (рис. 2). Данный стенд позволяет определить профиль вытекающего из световода излучения, распределение интенсивности в дальнем поле, а также оптические потери на длине волны 10,6 мкм.
Преформа для такого световода представляет собой сборку из концентрически расположенных в нужном порядке световодов с разным показателем преломления и рассчитанным диаметром. Перетяжкой из такой сборки получают световоды различной структуры.
137
Рис. 2. Схема сканирования излучения ИК - световода в дальнем поле Результаты сканирования в дальнем поле и соответствующих измерений представлены на рис. 3, из которого видно, что все три исследованных образца характеризуются одномодовым режимом работы.
(U
ЬЧ
К
1-ч
Он
(U
К
Г)
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
-30 -20 -10 0 10 20 30
Угол Ф, град.
Рис. 3. Нормальное распределение энергии в дальнем поле моды для трех образцов ИК-световодов Первый тип одномодового ИК-световода для работы на длине волны 10,6 мкм был изготовлен на основе твердых растворов AgClxBr1-x. Сердцевина световода имеет состав точки минимума на диаграмме плавкости системы AgCl-AgBr, т.е. AgCl=20 мас. %, AgBr=80 мас. %. Оболочка выполнена из кристаллов состава AgCl=26 мас. %, AgBr=74 мас. % (рис. 3 - 1). Диаметр сердцевины составляет 27,4 мкм. Второй тип одномодового ИК - световода был изготовлен из кристаллов состава Ag0,98Tl0,02Cl0,20Br0,77l0,03 (сердцевина) и AgCl0,25Br0,75 (оболочка) (рис. 3 - 2).
В третий образце расстояние между осью световода и осью вставки составляет 75 мкм, диаметр вставки 50 мкм. Состав оболочки - Ag0 95Tl0,05Cl0,22Br0,73I0,05, состав вставок - Ag0,99Tl0,01Cl0,25Br0,74I001 (рис. 3 - 3). Рабочая длина волны 10,6 мкм. Образец №3 работает в одномодовом режиме. Диаметр поля моды составляет 100 мкм, что более чем в 3 раза превышает диаметры первого и второго образцов. Таким образом, по волокну с увеличенным полем моды можно передавать в четыре раза больше мощности излучения, чем по одномодовому двухслойному волокну с диаметром сердцевины 27 мкм. На рис. 4 приведены изображения распределение энергии излучения на выходе из многомодового и одномодового ИК-световодов, полученные с помощью CCD-камеры SPIRICON. 138
138
а б
Рис. 4. Распределение энергии излучения на расстоянии 15 мм от выходного торца многомодового (а) и 38 мм от выходного
торца одномодового (б) ИК-световодов Литература
1. О. Е. Наний, Е Г. Павлова, Фотонно - кристаллические волокна, LIGHTWAVE russian edition №3 2004.
2. Granzow N., Uebel P., Schmidt M., Tverjanovich A., Wondraczek L., Russell P. Bandgap guidance in hybrid chalcogenide-silica photonic crystal fibers. // Opt. Lett. 2011. V. 36. № 13. P. 2432-2434.
3. Rastogi V., Chiang K.S. Propagation characteristics of a segmented cladding fiber // Opt. Lett. 2001. V. 26, No. 8, P. 491-493.
4. A. Yeung, K. S. Chiang, V. Rastogi, P. L. Chu and G. D. Peng, Tech. Digest of Opt. Fiber Comm. Conf., THI 4 (OFC 2004).
5. Millo A., Lobachinsky L., Katzir A. Single-mode octagonal photonic crystal fibers for the middle infrared. // Applied physics letters. 2008. V. 92. P. 021112-1 - 021112-3.
Шорохов А.Н.
Заместитель начальника отдела интенсификации пласта , ООО «НОВАТЭК Научно-Технический Центр» РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ОБВОДНЕНИЯ НА НЕФТЯНЫХ ДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИНАХ
Аннотация
Авторами статьи разработан алгоритм взаимодействия аналитических методов для определения источника обводнения на нефтяных добывающих скважинах, который обеспечивает максимально эффективное использование всей системно накопленной информации. Данное решение частично реализовано в программном продукте с целью полной автоматизации процесса диагностики источника обводнения и успешно применяется геологическими службами нефтегазодобывающих предприятий Западной Сибири.
Ключевые слова: обводненность, источник обводнения, экспресс-метод, аналитический метод.
Shorokhov A.N.
Deputy head of reservoir stimulation section LLC «NOVATEK Scientific Technical Center»
THE ALGORYTHM FOR APPLICATION OF ANALITICAL METHODS TO DETERMINE WATER SOURCE FOR OIL
WELLS
Abstract
The article is about the algorithm for application of analytical methods to determine water source for oil wells. Authors suggest an approach to unite existing analytical methods and new analytical methods. It increases an application efficiency of historical data. Furthermore, it will be very useful for the development of special software for diagnostic of water source.
Key words: water cut, water source, express-method, analytical method.
Текст статьи
На данный момент многие месторождения Западной Сибири находятся на поздних стадиях разработки, что сопровождается постоянным снижением темпов добычи нефти и сокращением количества фонда скважин в силу нерентабельности за счет роста обводненности добываемой продукции. Поскольку данные месторождения разрабатываются большим количеством скважин, выполнение анализа на определение источника обводнения по существующим методикам занимает значительное количество времени, из-за чего может пострадать оперативность принятия решений. Как правило, инженеры-нефтяники, работающие непосредственно на производстве не имеют возможности оперативно выполнять подобные задачи, поэтому разработка экспрессалгоритма для определения источника обводнения на основе быстродоступных исходных данных является актуальной задачей [1].
На текущий момент на предприятиях не разработан единый комплексный подход по оценке источника обводнения. Предлагаемое в данной статье решение основано на консолидации и организации работы в единой системе уже применяемых методов диагностики источников обводнения, в совокупности с новыми и неопробованными на месторождениях Западной-Сибири. В данном случае, обеспечивается максимально эффективное использование всей системно накопленной информации по скважинам, путем реализации единого комплекса методов.
Литературные источники выделяют следующие существующие способы по определению источника обводнения на добывающих скважинах [2, 3]:
• методы, основанные на анализе данных добычи;
• промыслово-геофизические исследования;
• химический анализ попутно добываемой воды;
• подземная видеосъемка.
На основе литературного обзора наиболее известные и зарекомендовавшие себя на многих месторождениях методы анализа данных добычи были выбраны для работы с имеющимися исходными данными:
• Метод Меркуловой-Гинзбурга основан на построении специального графика в декартовых координатах, отображающего изменение накопленных объемов воды и нефти относительно времени и направлен на определение наличия заколонного перетока. Данный метод не является эталонным инструментом по диагностике наличия заколонного перетока, т.к. работает только в случае появления источника обводнения в процессе эксплуатации скважины [4];
139
