CC BY
84
УДК 681.5.08
А. С. Обухов, В. С. Шкодин, В. Н. Есауленко
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В СКВАЖИНЕ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ
Представлено устройство для контроля температуры бурового раствора в скважине в процессе бурения, выполненное на основе механических резонаторов, которые обладают высокой добротностью, точностью и надежностью. Создана модель устройства, которая состоит из механической колебательной системы с укрепленными на ней постоянными магнитами и преобразователя механических колебаний в электрические. Механическая колебательная система выполнена в виде цилиндрической биметаллической спирали, один конец которой жестко закреплен, а второй свободен. 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. Проведен эксперимент, в ходе которого была исследована зависимость частоты колебаний от температуры. Сделан теоретический расчет резонансной частоты устройства при различных значениях температуры. Проведен сравнительный анализ экспериментальной и теоретической зависимости частоты поперечных колебаний цилиндрической биметаллической спирали от температуры и получена средняя относительная погрешность измерений.
Ключевые слова: забой, бурение, температура, устройство, телеметрические системы, механический резонатор, автоматизация, скважина.
Введение
В настоящее время многие нефтяные и газовые компании пытаются автоматизировать процесс бурения с целью повышения его качества, снижения затрат и получения финансовой выгоды. Для решения этой задачи используются телеметрические системы. Основным препятствием для широкого применения телесистем являются тяжелые условия и агрессивная среда на забое скважин, что обусловливает необходимость создания надежных и точных устройств для контроля технологических параметров процесса бурения.
В процессе бурения скважин необходимо проводить исследования для измерения и контроля технологических параметров. С середины 1950-х гг. в России, с 1970-х гг. за рубежом разрабатывается новая аппаратура для измерения и регистрации забойных технологических и геофизических параметров с помощью телеметрических систем. Известно около 50 контрольноизмерительных комплексов для контроля технологических параметров бурения наземного и скважинного типа [1]. В связи с тем, что применение телесистем в бурении является актуальным в настоящее время, необходим анализ существующих методов и технических средств для регистрации отдельных технологических параметров. Именно поэтому возникает проблема разработки надежных и точных забойных измерительных устройств, т. к. телеметрическая система не может работать эффективно, если информация с забоя недостаточно точная, верная и полная.
В устройствах, которые применяются в существующих телеметрических системах, используются электронные компоненты, такие как транзисторы, интегральные схемы. Как известно, температурный диапазон работы таких компонентов находится в пределах от -50 до +130 °С [2]. Это обстоятельство ограничивает возможность применения подобных устройств на глубине свыше 5000 м, где температура составляет более 200 °С, а давление - более 100 МПа. Разработчики вынуждены вести поиск других надежных и точных элементов для создания забойной аппаратуры. Такими элементами, характеризующимися высокой добротностью и стабильностью, являются механические и электромеханические резонаторы, которые могут стать альтернативой электронным компонентам для создания забойной аппаратуры.
Цель наших исследований заключается в создании надежного и точного устройства для контроля температуры в скважине непосредственно в процессе бурения. Решением данной задачи является создание нового устройства, предназначенного для геофизического исследования
скважин, а именно для измерения температуры бурового раствора в процессе бурения. В основе устройства лежит частотный метод. Системы, базирующиеся на данном методе, позволяют осуществлять передачу по занятым линиям связи без применения дополнительной аппаратуры частотного уплотнения, при этом несущая частота устройства размещается в свободной части частотного диапазона линии.
Известно, что преобразователи с частотным выходом являются весьма перспективными в измерительной технике. Их достоинства - повышенная точность, быстродействие, относительная простота и надёжность. Это объясняется тем, что частота может быть измерена с высокой точностью простыми методами счета импульсов или периодов. Достоинства этого метода позволяют применять его в устройствах для контроля параметров на забое скважины в процессе бурения.
Описание и принцип действия устройства
Устройство для измерения температуры в скважине включает механическую колебательную систему с укрепленными на ней постоянными магнитами и преобразователь механических колебаний в электрические. Механическая колебательная система выполнена в виде цилиндрической биметаллической спирали, один конец которой жестко закреплен, а второй свободен. 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. Все составляющие компоненты устройства для измерения температуры в скважине изображены на рис. 1.
Устройство, расположенное в бурильной трубе 9, в корпусе 4, жестко закреплено на забое скважины при помощи ребер 2 и 6. Внутри корпуса находятся катушка привода 3 и катушка съема колебаний 8, связанные с каналом связи, два постоянных магнита 7 и механическая колебательная система 1, выполненная в виде цилиндрической биметаллической спирали, один конец которой жестко закреплен на основании 5.
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 частоты колебаний производится катушкой съема.
С целью определения погрешности устройства был проведен эксперимент, в ходе которого была установлена 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.
Рис. 1. Устройство для измерения температуры в скважине
Для теоретического расчета резонансной частоты устройства можно воспользоваться формулой для нагруженного камертона [3]:
/ =
L
1 + 4т |1 +1,5 а т I L
(1)
гдеУ0 - частота колебаний, Гц; тг - масса груза, кг; тк - масса камертона, м; Е - модуль упругости материала биметаллической цилиндрической спирали; у - плотность материала биметаллической цилиндрической спирали; а - расстояние до центра тяжести груза; е - 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
I = I+ А/,
где I - длина биметаллической пружины при комнатной температуре; А/ = Ау • cos ф - удлинение биметаллической спирали при ее нагреве.
360 1 .
Ау = а--------Аt,
п S
где Дt - изменение температуры; а - коэффициент термического расширения материала; S -толщина биметаллической спирали.
Примем комнатную температуру равной 27 °С. Рассчитаем частоту колебаний биметаллической спирали по формуле (1) при соответствующих значениях температуры. Результаты расчета представлены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры теоретической зависимости частоты поперечных колебаний от температуры
2
Т емпература, °С Частота, Гц
27 24,178
90 18,115
115 16,439
150 14,633
Сравним параметры экспериментальной зависимости, полученные ходе опыта, с параметрами теоретической зависимости частоты поперечных колебаний от температуры для биметаллической спирали.
Параметры экспериментальной зависимости частоты поперечных колебаний от температуры представлены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры экспериментальной зависимости частоты поперечных колебаний от температуры
Т емпература, °С Частота, Гц
27 25,1
90 20,8
115 20,2
150 18,2
Данные сравнительного анализа параметров экспериментальной и теоретической зависимости частоты поперечных колебаний приведены на рис. 2.
Рис. 2. Сравнительный анализ параметров экспериментальной и теоретической зависимости частоты поперечных колебаний от температуры
Рассчитаем значения относительной погрешности для соответствующих частот поперечных колебаний по формуле
АЕ =
/ -/
Л теор •/ э
/ э
100 %,
где /геор - теоретические значения частоты поперечных колебаний; Уэксп - экспериментальные значения частоты поперечных колебаний.
Значения относительной погрешности устройства приведены в табл. 3.
Таблица 3
Значения относительной погрешности устройства
./геор, Г ц ./эксп, Г ц АЕ, %
24,178 25,1 3,67
18,115 20,8 12,9
16,439 20,2 18,6
14,633 18,2 19,6
Рассчитаем среднюю относительную погрешность по формуле
1АЕ
АЕ = -2--------100% = 13,7%.
ср п
Средняя относительная погрешность равная 13,7 % является хорошим показателем для условий забоя, что позволяет использовать устройство для контроля температуры бурового раствора в скважине.
Заключение
В ходе исследования были получены основные характеристики устройства для измерения температуры бурового раствора. Описан принцип действия устройства и его основные компоненты. Реализована конструкторская модель устройства, характеризующаяся высокой добротностью и стабильностью благодаря механической колебательной системе, выполненной в виде биметаллической цилиндрической спирали. Рассчитаны параметры теоретической зависимости частоты поперечных колебаний от температуры. В ходе эксперимента получены параметры экспериментальной зависимости поперечных колебаний от температуры. Сравнительный анализ параметров теоретической и экспериментальной зависимости позволил установить среднюю относительную погрешность измерений, которая составила 13,7 %, что значительно меньше погрешности измерений при использовании наземной аппаратуры, составляющей в среднем 50-70 %. Устройство может быть использовано в телеметрических системах, работающих на проводном или комбинированном канале связи. Внедрение такого рода устройств позволит оперативно
получать информацию с забоя на устье скважины и тем самым выбирать оптимальный режим бурения, снижая затраты компаний на разработку нефтяных и газовых месторождений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грачев Ю. В. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации / Ю. В. Грачев,
В. П. Варламов. М.: Гостоптехиздат, 1963. 234 с.
2. Есауленко В. Н. Контроль и автоматическое регулирование забойных параметров в процессе бурения глубоких скважин на нефть и газ / В. Н. Есауленко. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2003. 188 с.
3. Есауленко В. Н. Частотные датчики в бурении / В. Н. Есауленко, Н. В. Есауленко. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. 155 с.
Статья поступила в редакцию 15.09.2014, в окончательном варианте - 14.10.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Обухов Андрей Сергеевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Прикладная информатика»; [email protected].
Шкодин Владимир Сергеевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Теплотехника и теплоэнергетика»; [email protected].
Есауленко Владимир Николаевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Автоматизация и управление»; [email protected].
A. S. Obukhov, V. S. Shkodin, V. N. Esaulenko
DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE IN DOWNHOLE DURING DRILLING
Abstract. The paper presents a device for controlling the temperature of the drilling fluid in the borehole during drilling, made on the basis of the mechanical resonators, which have a high Q factor, accuracy and reliability. A model of the device consisting of a mechanical oscillatory system with the fixed permanent magnets and a transducer of mechanical vibrations into electrical ones is designed. The mechanical oscillatory system is formed as a cylindrical bimetal spiral, one end of which is rigidly fixed and the other is free. A transducer of mechanical vibrations into electrical ones is designed as a system of interacting magnetic fields of permanent magnets, fixed to the cylindrical bimetallic spiral, and the coils of driving and detaching of the vibrations that provide transverse vibrations of cylindrical bimetallic spiral. The experiment, in which a dependence of the oscillation frequency on the temperature was studied, is made. A theoretical calculation of the resonant frequency of the device at various temperatures is carried out. A comparative analysis of the experimental and theoretical dependencies of the frequency of the transverse vibrations of a cylindrical bimetallic spiral on temperature is made and the mean relative error of measurement is obtained.
Key words: bottom hole, drilling, temperature, device, telemetric systems, mechanical resonator, automation, downhole.
REFERENCES
1. Grachev Iu. V., Varlamov V. P. Avtomaticheskii kontrol’ v skvazhinakh pri burenii i ekspluatatsii [Automated control in downhole while drilling and exploitation]. Moscow, Gostoptekhizdat, 1963. 234 p.
2. Esaulenko V. N. Kontrol’ i avtomaticheskoe regulirovanie zaboinykh parametrov v protsesse bureniia glubokikh skvazhin na neft’ i gaz [Control and automated regulation of bottom parameters during the process of drilling deep wells for oil and gas]. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2003. 188 p.
3. Esaulenko V. N. Chastotnye datchiki v burenii [Frequency indicators while drilling]. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2012. 155 p.
The article submitted to the editors 15.09.2014, in the final version - 14.10.2014
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Obukhov Andrey Sergeevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Applied Information Science"; [email protected].
Shkodin Vladimir Sergeevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Thermal and Heat-Power Engineering"; [email protected].
Esaulenko Vladimir Nikolaevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Automation and Management"; [email protected].
