Устройство для оперативного температурного мониторинга Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО МОНИТОРИНГА

Сергей Алексеевич Казанцев

ФГБУН Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, старший научный сотрудник, к.т.н., тел. (383)-330-25-91, e-mail: KazantsevSA@,ipgg.sbras.ru

Михаил Евгеньевич Пермяков

ФГБУН Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, научный сотрудник, к.т.н., тел. (383)-330-25-91, e-mail: PermyakovME @,ipgg.sbras.ru

Альберт Дмитриевич Дучков

ФГБУН Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, главный научный сотрудник, д.г.-м.н., тел. (383)-330-25-91, e-mail: DuchkovAD@ipgg.sbras.ru

В докладе обсуждается новое устройство для длительного мониторинга температуры геологических и технических объектов. Устройство выполняет измерения, хранение и передачу данных по каналу сотовой связи. Приведены первые результаты мониторинга температуры в одной из скважин обсерватории «Ключи».

Ключевые слова: мониторинг температуры, датчики температуры, автономные измерители температуры, природа вариаций температуры

A DEVICE FOR REAL-TIME TEMPERATURE MONITORING

Sergey A. Kazantsev

Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect akad. Koptug, 3, Senior research scientist, Candidate of science, tel. (383)330-25-91, e-mail: KazantsevSA@ipgg.sbras.ru

Mikhail E. Permyakov

Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect akad. Koptug, 3, Research officer, Candidate of science, tel. (383)330-25-91, e-mail: PermyakovME@ipgg.sbras.ru

Albert D. Duchkov

Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect akad. Koptug, 3, Principal research scientist, Doctor of sci. (geophysics), tel. (383)330-25-91, e-mail: DuchkovAD@ipgg.sbras.ru

A new device for long-term temperature monitoring of geological and technical objects is discussed. The device allows to perform the measurement, storage and data transfer over the cellular network. The first results of the temperature monitoring in the observatory “Klyuchi” borehole are presented.

Key words: temperature monitoring in boreholes, temperature sensors, autonomous temperature gauges, temperature variations and their causes.

Современный уровень проведения мониторинга геофизических полей, выполняемого с различными целями, в том числе для изучения и контроля развития геодинамических процессов, требует обеспечения надежной регистрации, хранения и оперативной передачи данных наблюдений по каналам GPRS (General Packet Radio Service- пакетная радиосвязь общего пользования)

Актуальность разработки и изготовления автоматизированного устройства сбора и передачи геофизической информации обусловлена наличием у ИНГГ СО РАН на территории Сибири ряда геодинамических полигонов, стационаров и обсерваторий, непрерывно регистрируемая информация с которых, должна оперативно поступать в институт для ее обработки и анализа .

Автоматизированная «Станция оперативного температурного мониторинга» (далее СТАНЦИЯ) является логическим продолжением устройства АИТ (Автономный Измеритель Температуры) ранее разработанного в Институте [1] и обеспечивает работу как в полностью автономном режиме с накоплением данных, так и в полуавтономном режиме, предоставляющем пользователю возможность получения данных в реальном масштабе времени и полного контроля удаленной станции по каналу GPRS в зоне покрытия сотовой связи на институтский интернет-сервер, WEB-страницу, откуда имеется возможность, как оперативно визуализировать полученные данные, так и выгружать их для последующей обработки и анализа в табличном формате.

Конструктивно СТАНЦИЯ реализована в виде нескольких функциональных блоков. Основой разработки является Универсальная Цифровая Платформа (УЦП). Уже на этапе разработки УЦП в неё закладывалась возможность расширения для работы в комплексе со всевозможными надстраиваемыми устройствами и большинством цифровых датчиков, в том числе и температурных. Для этой цели в УЦП предусмотрены следующие возможности подключения:

- разъем для подключения платы АЦП;

- разъем подключения цифровых датчиков температуры с интерфейсом 1 -Ware;

- разъем подключения цифровых датчиков с интерфейсом I2C;

- разъем подключения дополнительного оборудования с интерфейсами RS232, RS485, RS422, SPI (например: клавиатуры и ЖК-индикатора);

- разъем подключения GSM модема;

- USB разъем для связи с компьютером.

Логику работы Платформы реализует микропроцессор STM32L151R, который управляет режимами работы СТАНЦИИ, первичной обработкой данных, записи их в память, передачей по каналам связи USB или GPRS. Микропроцессор имеет встроенные часы реального времени для временной привязки измерений и задания интервалов работы СТАНЦИИ. Таким образом, СТАНЦИЯ способна осуществлять сбор, хранение и передачу температурной информации.

На рис. 1 представлена функциональная схема СТАНЦИИ с возможными подключениями различных типов датчиков.

Рис. 1. Блок-схема Станции оперативного температурного мониторинга

Описываемый здесь вариант СТАНЦИИ предназначен для мониторинга прецизионных измерений температуры датчиками, расположенными на разной глубине в скважине или размещенными в пределах иного пространственного объекта. При работе с резистивными датчиками температуры (металлическими или полупроводниковыми терморезисторами) к УЦП подключается плата, преобразующая аналоговую информацию с датчиков температуры в цифровую. Микропроцессор цифровой платформы управляет её работой: установкой параметров АЦП, очередностью подключения аналоговых датчиков.

Аналоговая плата содержит 24-х разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) ADS1243, обеспечивающий выходной цифровой код в зависимости от установки режима в 16 или 24 разряда. АЦП со встроенными регулируемым усилителем, цифровым фильтром, устройством автокалибровки, работает по принципу дельта-сигма модуляции и обеспечивает оцифровку и хранение входной информации для дальнейшей первичной обработки.

Полупроводниковые температурные датчики подключаются к АЦП через спаренный 8-ми канальный коммутатор. Для контроля температуры самой аналоговой платы на неё установлен цифровой температурный датчик ADT75.

Для передачи данных на удаленный сервер к Платформе присоединяется GPRS-модем типа SIM900. Для резервного хранения всех полученных данных в устройство УЦП заложена микросхема энергонезависимой флэш-памяти или карта памяти микро-SD объемом до 16 Гбайт.

C февраля 2013 г. СТАНЦИЯ используется для мониторинга температуры (Т) в скв. №3 обсерватории «Ключи». Эта скважина глубиной около 100 м пробурена в нескольких метрах от торца капитального обогреваемого здания. Для характеристики теплового режима пород в скв. № 3 был дважды (в апреле и июле 2012 г.) проведен температурный каротаж. Полученные практически одинаковые термограммы приведены на рис. 2. Они имеют необычный вид: в верхней части разреза (до 60-70 м) выявлено уменьшение температуры пород от 10 до 60-70 м. Аномальный характер этого распределения Т еще более под-

черкивается при сравнении с термограммой по скв. 1 (рис. 2). Скв. №1 расположена также на территории обсерватории, но удалена от капитальных строений. Рост температуры по этой скважине начинается примерно с 15 м, что характерно для данных геологических и климатических условий. Сопоставление термограмм свидетельствует о том, что верхний слой пород в месте бурения скв. №3 аномально прогрет. Причиной этого, несомненно, является отепляющее влияние здания, построенного в 1970-1980 гг., и скапливающегося зимой вблизи здания снежного покрова.

5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5

О

20

40

60

80

100

120

140

Рис. 3. Результаты температурных наблюдений в скважинах обсерватории «Ключи"

Организованный в скв. №3 мониторинг температуры преследует несколько целей: 1) выявление возможных вариаций температурного поля в стабильном регионе, 2) изучение параметров (амплитуды, длительности) свободной температурной конвекции в стволе скважины и 3) обеспечение необходимой контрольной информации для оценки возможностей волоконно-оптической системы мониторинга Т, которая также размещена в скв. №3.

Регулярные измерения температуры в скв. №3 начались 05.02.2013 г. Датчики, термисторы типа ММТ-4 с номинальным сопротивлением 10 кОм, смонтированы в косу и помещены в скважину на глубинах 7, 17, 27, 36, 46, 56, 66 и 95 м. Интервал измерений - 1 час. За время мониторинга отмечены заметные изменения Т (уменьшение на 0,2 0С) только на глубине 7 м. Температура нижних датчиков остается постоянной. Для характеристики степени достоверности

мониторинга на рис. 2 представлена термограмма, построенная по показания датчиков термокосы 13.02.2013. Сравнение с каротажными измерениями показывает, что «мониторинговая» термограмма хорошо соответствует данным каротажа. Различие порядка 0,07-0,08 оС связано, скорее всего, с инструментальными погрешностями (например, ошибками градуирования термодатчиков) и не имеет принципиального значения для осуществления мониторинга.

Исследования проводились при поддержке Программы фундаментальных исследований, выполняемых совместно организациями УрО и СО РАН: проект «Теоретические и экспериментальные исследования температурных вариаций в геологической среде, связанных с геодинамическим режимом земной коры, климатическими изменениями и техногенными воздействиями» (СО РАН -№45, УрО РАН - №12-С-5-1023).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Казанцев С.А., Дучков А.Д. Аппаратура для мониторинга температуры и измерения теплофизических свойств мерзлых и талых пород // Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения». - Тюмень: ИКЗ СО РАН.- 2008.- С. 236-239.

© С.А. Казанцев, М.Е. Пермяков, А.Д. Дучков, 2013