CC BY
12
Денисова О. А. Denisova О. А.
доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры «Физика», ФГБОУВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
О
.А,.
в!
Абрамишвили Р. Л. AbmmishvШ К. L.
аспирант кафедры «Управление и сервис
в технических системах», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 621.38:669
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ДЛЯ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ
В статье мы предлагаем новую систему контроля сейсмической активности. Новизна системы состоит в применении акустооптического эффекта в жидких кристаллах (ЖК). ЖК-ячейка выступает индикатором, чье светопропускание зависит от амплитуды механических колебаний. Принцип работы системы состоит в том, что монохроматический пучок света, проходя через поляризатор, падает на ячейку с жидким кристаллом, сконструированную так, что жидкий кристалл находится между двумя прозрачными массивными пластинами, которые разделены прокладками. Используется жидкий кристалл нематического типа n-метоксибензилиден-n-бутиланилин (МББА). Между пластинами помещена еще одна тонкая пластина, способная совершать сдвиговые колебания в плоскости ячейки. Она соединена волноводом с пьезоэлементом, воспринимающим колебания почвы, которые, в свою очередь, передаются по волноводу на подвижную пластину. Далее сдвиговые возмущения распространяются в жидком кристалле. Молекулы жидкого кристалла, изначально ориентированные гомеотропно, по достижении порогового значения амплитуды колебания отклоняются от нормали к ячейке. Свет, попадающий на ячейку, проходит через нее и фиксируется фотоприемником. Светопропускание ячейки зависит от величины амплитуды колебаний. Сигнал, обработанный контроллером, выводится на монитор в любом удобном виде.
Возникновение акустооптического эффекта является пороговым. Пороговое значение амплитуды воздействия не зависит от температуры, частоты и толщины ЖК-слоя. Зависимость угла отклонения директора жидкого кристалла от амплитуды вибрации носит линейный характер, это упрощает калибровку датчика. Так как время релаксации ориента-ционных эффектов в жидких кристаллах порядка 10-6 с, то системы на жидких кристаллах более чувствительные по сравнению с твердыми кристаллами. Использование ячейки на жидких кристаллах повысит точность и чувствительность системы контроля сейсмической активности.
Данная система может применяться для мониторинга землетрясений при добыче углеводородов в зонах повышенной сейсмической активности.
Ключевые слова: ЖК-ячейка, акустооптический эффект, ЖК-датчик, сейсмодатчик, система контроля сейсмической активности, индикация колебаний почвы.
SEISMIC ACTIVITY CONTROL SYSTEM FOR PETROLEUM AND GAS INDUSTRY
In the article we propose a new system for monitoring seismic activity. The novelty of the system is the use of the acousto-optic effect in liquid crystals (LC). The LC cell acts as an indicator, whose light transmission depends on the amplitude of the mechanical oscillations. The principle of the system is that a monochromatic light beam, passing through a polarizer, falls on a cell, with a liquid crystal, designed so that the liquid crystal is between two transparent massive plates that are separated by spacers. A liquid crystal of nematic type n-methoxybenzylidene-n-butylani-line (MBBA) is used. Between the plates one more thin plate is placed, capable of performing shear oscillations in the plane of the cell. It is connected by a waveguide with a piezoelectric element that perceives the oscillations of the soil, which, in turn, are transmitted along the waveguide to the movable plate. Further, the perturbations propagate in a liquid crystal. The molecules of the liquid crystal initially oriented homeotropically, after reaching the threshold value, the oscillation amplitude deviates from the normal to the cell. Light entering a cell passes through it and is fixed by a photodetector. The light transmission of the cell depends on the amplitude of the oscillations. The signal processed by the controller is displayed on the monitor in any convenient form.
The appearance of the acousto-optic effect is threshold. The threshold value of the amplitude of the action does not depend on the temperature, frequency and thickness of the LC layer. Dependence of the angle of deviation of the director of the liquid crystal from the amplitude of vibration is linear, this simplifies the calibration of the sensor. Since the relaxation time of the orientational effects in liquid crystals is 10-6 s, the systems on liquid crystals are more sensitive compared to solid crystals. Using a cell on liquid crystals will increase the accuracy and sensitivity of the seismic activity monitoring system.
This system can be used to monitor earthquakes in the production of hydrocarbons in areas of increased seismic activity.
Key words: LC cell, acousto-optic effect, LC sensor, seismic sensor, seismic activity monitoring system, indication of soil oscillations.
Введение
В настоящее время возникновение землетрясений происходит даже в регионах, которые традиционно не являются сейсмически активными, в том числе и в регионах, где ведется добыча углеводородов. В случае землетрясений появляется опасность разрушения нефтегазодобывающего оборудования, что может привести к утечке углеводородов и, соответственно, к авариям и жертвам. Для контроля сейсмической активности районов добычи, а также для своевременного предупреждения землетрясений, необходимо вести регулярный мониторинг.
Для решения подобных задач требуются приборы с высокой чувствительностью и быстродействием, а это требует новых научно-технических решений [1-5].
В настоящее время имеется большое количество систем, методов и приборов, основанных на различных физических явлениях и эффектах. Сейчас существует большое количество приборов и систем определения параметров вибрации, которые основаны на раз-
личных физических эффектах и явлениях [6-11].
Авторами разработана высокоэффективная система контроля и мониторинга сейсмической активности.
Разработка данной системы дала повышение чувствительности и быстродействия благодаря выраженному ориентационному эффекту в жидких кристаллах (ЖК) (время релаксации 10-6 с).
Описание метода контроля вибраций
В статье предлагается высокочувствительная система контроля сейсмической активности, основанная на акустооптическом эффекте в нематических жидких кристаллах. Акустооптический эффект наблюдается при воздействии звуковых волн на кристалл, в результате чего изменяется (появляется) оптический сигнал, прошедший через жидкий кристалл. Смысл системы заключается в том, что используется ячейка, которая содержит жидкий кристалл и является индикатором возникновения сдвиговых колебаний. Она выполнена в виде многослойной
конструкции (рисунок 1) и состоит из прозрачных массивных пластин, разделенных прокладками, находящихся по краям этой
конструкции. Между пластинами располагается тонкая пластина, совершающая колебания в плоскости ячейки [6-15].
1 — массивные подложки; 2 — проводящее покрытие из металлического хрома; 3 — подвижная тонкая пластина; 4 — жидкий кристалл; 5 — волновод Рисунок 1. Акустооптическая ячейка (вид сбоку)
В качестве мезофазы может использоваться любой нематический жидкий кристалл, например, п-метоксибензилиден-п-бутиланилин (МББА). На подложки напылен хром для создания ориентации молекул ЖК перпендикулярно пластинам.
В предлагаемой структурной схеме (рисунок 2) подвижная пластина ЖК-ячейки 1, находящаяся посередине, соединяется с пье-зоэлементом 2, воспринимающим шумы от сейсмической активности, с помощью волно-
вода 3. Через ячейку направлен пучок монохроматического поляризованного света (лазера) 4, луч которого, проходя через поляризатор 5 и ячейку 1, попадает в фотоприемник с анализатором 6, где преобразуется в аналоговый сигнал и обрабатывается микроконтроллером 7. Данные с него выводятся на автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора 8 в любом удобном виде (график, гистограмма, таблица).
1 — ячейка с ЖК; 2 — пьезоэлемент; 3 — волновод; 4 — источник света (лазер); 5 — поляризатор; 6 — анализатор с фотоприемником; 7 — микроконтроллер, в составе которого имеется усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор; 8 — монитор Рисунок 2. Структурная схема системы регистрации механических колебаний, регистрирующим элементом которой является акустооптическая ячейка
Принцип работы акустооптической системы состоит в следующем. Директор жидкого кристалла ориентирован перпендикулярно пластинам ячейки. В таком случае при скрещенных поляризаторе и анализаторе световой пучок через ячейку не проходит. Когда возникает шум от сейсмической активности, он воспринимается пьезоэлементом и преобразуется в вибрации, которые через волновод передаются на среднюю пластину ЖК-ячейки. Когда амплитуда вибрации достигнет порогового значения в 0,8 мкм, директор начнет отклоняться от нормали на угол вс, и ориентация директора жидкого кристалла начинает резко изменяться (данный акустооптический эффект имеет пороговый характер возникновения) [12], в связи с чем светопропускание ЖК-ячейки будет изменяться. Фотоприемник зафиксирует поступивший сигнал, а контроллер, обработав его, выведет на АРМ оператора. Необходимо отметить, что данная система способна воспринимать даже минимальные изменения вибраций [13-15].
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Воздействие звуковой волны на ячейку, состоящую из двух слоев жидкого кристалла, из-за возникновения акустооптического эффекта приводит к появлению двойного лучепреломления.
Согласно Фурье-анализу и закону Малюса для анизотропных сред, в оптическом сигнале должны регистрироваться постоянная компонента и спектр гармоник интенсивности оптического сигнала, прошедшего через нематический жидкий кристалл:
S = S0{[sin2 — <sin20c > +
7dib
Tihb
+-[2<sin0c0, > + <0, >]sin2-x
Я
x< sin20„> +
M)
[2<&твсв, > + <02 >]2x
2 7lhb . 2 XCOS -<sin в c>),
(1)
где X — длина падающей световой волны; постоянная Ь — константа (0,23); вс — постоянный угол наклона директора ЖК; вt —
осцилляционная компонента угла наклона молекул ЖК; И — толщина ЖК-слоя.
После проведения Фурье-анализа компоненты оптического сигнала ^ и переменные компоненты оптического сигнала 3<т:
+ -
nhb в20 Л 2
f . 2 nhb . 2 S, {Sln -
< sin 0„ > +
. _ fzhb . 2 „ _ sin 2--< sin в > +2
Tthb
■ л л 2 2 Trhb
x< sin 0 0 > COS
3
+ —
8
jihb s
et cos*
л
Tthb
• < sin 0 > +
< sin2 вс >},
(2)
1W-S0{2^<sin0„0„ >x
. . Tihb ■ г л i
x sin 2-< sin 0> +3
/I
X e/cos
nhb
C O 1
<sin0 0 >x
2___2nhb . 2
<sin 0c>}sincot,
(3)
s2a=soi-
nhb в,
Л 2
— sin 2
nhb
< sin 2 (9 >-2
7ihb
x<sin 6 в >2cos
Tihb
< sm2в>
Л
Tihb в2
Л 2
X cos
7zhb
< sin2 0C>} cos 2at.
(4)
Согласно оптике анизотропных сред и полученному выражению (3) сигнал, который регистрируется на частоте возбуждения ю, будет наблюдаться в том случае, когда директор отклонится на угол вс относительно нормали к ячейке. Возникновение акустооп-тического эффекта можно определить по появлению переменного сигнала на частоте воздействия (рисунок 3). Это также позволяет измерить величину пороговой амплитуды ап звуковой волны в НЖК [16].
Нами были экспериментально получены зависимости постоянной компоненты оптического сигнала (рисунок 3). По экспериментальным данным постоянной составляющей оптического сигнала 8а(а) и второй гармоники $2ю(а) рассчитывался угла наклона директора вс от амплитуды (рисунок 4). Из нее следует, что при значении амплитуды механического сдвига 0,8 мкм функция вс(а) имеет порог, далее она монотонно возрастает.
О 1 а, мкм
Рисунок 3. Амплитудная зависимость первой гармоники оптического сигнала
Ре, град. 60-, ,
30-
Н
1.3
ал
и
з,о
а, мкм
Рисунок 4. Зависимость угла наклона директора вс от амплитуды вибрации
Кроме того, экспериментально обнаружено, что акустооптический эффект, предлагаемый для рассматриваемого метода определения вибраций, не зависит от частоты в диапазоне 20 Гц-20 кГц, от температуры в диапазоне 18-45 °С, а также от толщины ЖК-слоя в диапазоне 20-125 мкм [11, 12, 14, 16]. Представленные результаты дают довольно широкие возможности использования нашего метода.
Вывод
В заключение необходимо отметить, что в статье описывается система контроля сейсмической активности, основанная на
Список литературы
1. Вибрации в технике: справочник: в 6 т. / Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.). М.: Машиностроение, 1981. Т. 5. Измерения и испытания / Под ред. М.Д. Генкина. 1981. 496 с.
акустооптическом эффекте в нематических жидких кристаллах. В этой системе использовалась жидкокристаллическая ячейка. Так как жидкие кристаллы очень чувствительны к внешним полям (термическим, магнитным, электрическим), то это предложение позволяет повысить чувствительность метода, эффективность измерений, а также его быстродействие. Полученные результаты можно использовать при разработке акустооптических датчиков для мониторинга сейсмической активности в районах нефтегазадобычи.
2. Макаров А.Б. Практическая геомеханика. М.: Изд-во «Горная книга», 2006. 391 с.
3. Труды Международного научного симпозиума «Неделя горняка-2015»: Сб. ст. Отдельный выпуск научно-технического журнала «Горный информационно-аналити-
ческий бюллетень. М.: Изд-во «Горная книга», 2015. № ОВ1. 664 с.
4. Асланов Т.Г., Тагиров Х.Ю., Магомедов Х.Д. Влияние пространственного расположения сейсмодатчиков на точность определения гипоцентра землетрясения // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2016. № 4 (43). С. 73-84.
5. Shearer P.M. Introduction to Seismology. Cambridge University Press, 2009. 412 p.
6. Денисова О.А. Распространение ультразвуковых волн в твист — структурах жидких кристаллов // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2011. № 2. С. 62-65.
7. Денисова О.А., Чувыров А.Н. Резонансное изменение скорости поперечных акустических волн в твист-структурах жидких кристаллов // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2011. № 3. С. 25-29.
8. Денисова О.А., Чувыров А.Н. Оптические датчики вибрации на основе жидких кристаллов с гомеотропной ориентацией молекул // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2011. № 5. С. 367-375.
9. Денисова О.А., Чувыров А.Н. Релаксация директора при азимутальной нестабильности жидких кристаллов // Жидкие кристаллы и их практическое использование.
2012. № 1. С. 52-58.
10. Денисова О.А., Чувыров А.Н. Структурные переходы в жидких кристаллах, влияние осциллирующих потоков и электрических полей. Германия, 2012.
11. Денисова О.А. Турбулентный режим течения жидких кристаллов при действии гармонического сдвига // Научное обозрение.
2013. № 1. С. 34-36.
12. Денисова О.А. Один из методов экспериментальных исследований жидких кристаллов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. Т. 9. № 2. С. 107-113.
13. Денисова О.А., Чувыров А.Н. Акустический аналог перехода Фредерикса в быстро осциллирующих потоках жидких кристаллов // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2013. № 2 (44). С. 37-41.
14. Леонов В.В., Денисова О.А. Электродинамика сдвигового действия и реализация
режима турбулентности в конденсированных средах // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2015. № 2. С. 90-97.
15. Denisova O., Abramishvili R. Nonlinear orientation effect in liquid crystals to create a linear displacement sensor // MATEC Web of Conferences 13. Сер. «13th International Scientific-Technical Conference «Dynamic of Technical Systems». 2017. С. 02008.
16. Денисова О.А., Абрамишвили Р.Л. Жидкокристаллическая ячейка для индикации контроля и измерения уровня жидких сред // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2017. Т. 13. № 1. С. 98-111.
References
1. Vibratsii v tehnike: spravochnik: v 6 Vol. / Red. sovet: V.N. Chelomej (pred.). M.: Mashinostroenie, 1981. T. 5. Izmerenija i ispy-tanija / Pod red. M.D. Genkina. 1981. 496 s.
2. Makarov A.B. Prakticheskaya geo-mexanika. posobie dlya gornyx inzhenerov. M.: Izd-vo «Gornaya kniga», 2006. 391 s.
3. Trudy mezhdunarodnogo nauchnogo simpoziuma «Nedelya gornyaka-2015»: sb. st. Otdelnyj vypusk nauchno-tehnicheskogo zhurnala «Gornogyi informacionno-anali-ticheskiy byulleten» [Scientific and Technical Journal «Mining Informational and Analytical Bulletin»]. M.: Izd-vo «Gornaya kniga». 2015. № 1. 664 s.
4. Aslanov T.G., Tagirov Kh.Yu., Mago-medov Kh.D. Vliyanie prostranstvennogo raspolozheniya seysmodatchikov na tochnost' opredeleniya gipotsentra zemletryaseniya // Vestnik Dagestanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. 2016. № 4 (43). S. 73-84.
5. Shearer P.M. Introduction to Seismology. Cambridge University Press, 2009. 412 p.
6. Denisova O.A., Chuvyrov A.N. Rezonansnoe izmenenie skorosti poperechnyh akusticheskih voln v tvist-strukturah zhidkih kristallov // Zhidkie kristally i ih prakticheskoe ispol'zovanie. 2011. № 3. S. 25-29.
7. Denisova O.A. Rasprostranenie ul'tra-zvukovyh voln v tvist — strukturah zhidkih kristallov // Zhidkie kristally i ih prakticheskoe ispol'zovanie. 2011. V. 2. S. 62-65.
8. Denisova O.A., Chuvyrov A.N. Opti-cheskie datchiki vibratsii na osnove zhidkih kristallov s gomeotropnoj orientatsiej molekul // Elektronnyj nauchnyj zhurnal «Neftegazovoe delo». 2011. № 5. S. 367-375.
9. Denisova O.A., Chuvyrov A.N. Relak-satsija direktora pri azimutal'noj nestabil'nosti zhidkih kristallov // Zhidkie kristally i ih prakticheskoe ispol'zovanie. 2012. № 1. S. 52-58.
10. Denisova O.A., Chuvyrov A.N. Struk-turnye perehody v zhidkih kristallah, vlijanie ostsillirujuschih potokov i elektricheskih polej. Germanija, 2012.
11. Denisova O.A. Turbulentnyj rezhim techenija zhidkih kristallov pri dejstvii garmonicheskogo sdviga // Nauchnoe obozrenie. 2013. № 1. S. 34-36.
12. Denisova O.A. Odin iz metodov eksperimental'nyh issledovanij zhidkih kristallov // Elektrotehnicheskie i informa-tsionnye kompleksy i sistemy. 2013. T. 9. № 2. S. 107-113.
13. Denisova O.A., Chuvyrov A.N. Akus-ticheskij analog perehoda Frederiksa v bystro ostsillirujuschih potokah zhidkih kristallov // Zhidkie kristally i ih prakticheskoe ispol'zovanie. 2013. № 2 (44). S. 37-41.
14. Leonov V.V., Denisova O.A. Elektrodinamika sdvigovogo dejstvija i realizatsija rezhima turbulentnosti v kondensirovannyh sredah // Elektrotehnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy. 2015. № 2. S. 90-97.
15. Denisova O., Abramishvili R. Nonlinear orientation effect in liquid crystals to create a linear displacement sensor // MATEC Web of Conferences 13. Ser. «13th International Scientific-Technical Conference «Dynamic of Technical Systems». 2017. S. 02008.
16. Denisova O.A., Abramishvili R.L. Zhid-kokristallicheskaja jachejka dlja indikatsii kontrolja i izmerenija urovnja zhidkih sred // Elektrotehnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy. 2017. T. 13. № 1. S. 98-111.
