СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ В СКВАЖИНЕ ОДНИМ ДАТЧИКОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E21B47/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения геофизических параметров в скважине, преобразуемых в изменение активного сопротивления резистивного датчика с использованием трехпроводной лини связи.

Известны способы и устройства для дистанционного измерения давления [1] и температуры [2] использующие четырехпроводную линию связи. Однако использование четырех проводов линии связи для измерения одного параметра, невозможность внесения поправки на изменение температуры при изменении давления [1] снижает точность измерения давления, т.к. не известны температура самого тензопреобразователя, а при измерении температуры скважины дистанционным термометром [2] необходимы два датчика температуры, что усложняет устройство.

Известен способ измерения давления и температуры в скважине одним датчиком (тензомостом) [3] включающий подачу тока на датчик, измерение напряжений, по которым определяют значения измеряемых параметров.

Известное устройство для измерения давления и температуры, выбранное в качестве прототипа [3] содержит мостовой тензопреобразователь давления (тензомост) четырехпроводную линию связи (трехжильный бронированный геофизический кабель), три источника тока.

Недостатком известного способа и устройства являются наличие трех источников тока, что усложняет устройство и, кроме того, создает трудности получения одинаковых токов, наличие шести нелинейных ключевых элементов (диодов) и подбор их попарно с одинаковыми вольт-амперными характеристиками также представляют значительную сложность и увеличивают дополнительную погрешность при изменении их температуры, что снижает точность измерения напряжения на выводах источника тока. Кроме того, в производственных условиях невозможно включить диоды в разрыв плеч тензомоста. Это может сделать только завод-изготовитель датчиков.

Цель изобретения повышение точности способа и упрощение устройства измерения за счет использования двуплечего резистивного датчика давления типа "КНС" (полумостовой датчик вместо мостового), повышения чувствительности по напряжению в два раза по сравнению со стандартным мостовым датчиком, устранения влияния сопротивления линии связи и отключение от брони кабеля, на которой наводится быстроменяющаяся ЭДС поляризации горных пород, а также ЭДС, вызванная электрохимическим потенциалом между жидкостью и броней кабеля.

Сущность изобретения заключается в том что, в способе измерения давления и температуры одним датчиком, включающим подачу тока на двуплечий тензомостовой датчик и измерение напряжений, по которым определяют значения измеряемых параметров, согласно изобретению при подаче положительного импульса тока измеряется напряжение между одним питающим двуплечий тензомостовой датчик, проводом (верхним) и потенциальным (средним) U₁ и между другим, питающим двуплечий тензомостовой датчик, проводом (нижним) и потенциальным (средним) U₂, а при подаче отрицательного импульса тока на плечо тензомоста 1 измеряется напряжение между потенциальным (нижним) и питающим проводом (средним) , а значения давления и температуры определяют из соотношений:

где P, T соответственно давление кгс/см² и температура ['C] в месте нахождения скважинной части прибора;
I значение питающего тока, [мА]
ΔR_p, ΔR_t приращение активных сопротивлений тензодатчика от изменения измеряемых параметров давления и температуры, [Ом]
K_p коэффициент пропорциональности давления, кгс/см²•Ом;
K_t коэффициент пропорциональности температуры, град./Ом
U₁, U₂, измеряемые напряжения, [мВ]
2•U₀= 2•I•R_ph падение напряжения на двуплечем тензомостовом датчике (при отсутствии давления и заданной начальной температуре), [мВ]
R_ph номинальное сопротивление тензодатчика, [Ом]
Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для измерения давления и температуры одним датчиком содержащим, полумостовой резистивный преобразователь давления, линию связи, двух полярный источник тока, согласно изобретению выводы источника тока соединены с тремя входами многоканального аналого-цифрового преобразователя (МАЦП) и через провода линии связи 3 с двуплечим тензомостовым датчиком.

На рис. 1 представлена схема, поясняющая способ; на рис. 2 устройство для осуществления способа.

Способ осуществляется следующим образом. Измерительная цепь содержит полумост с тензорезисторами 1 и 2, где тензорезистор 1 получает положительное приращение сопротивления ΔR_р, а тензорезистор 2 отрицательное приращение сопротивления ΔR_р при увеличении измеряемого давления, а при изменении температуры плечи тензомоста получают одинаковое приращение ΔR_t, трехпроводную линию связи с активным сопротивлением каждого провода 3.

Способ измерения давления и температуры одним датчиком осуществляется в следующей последовательности.

К верхнему и нижнему питающим двуплечий тензомостовой датчик проводам 3 подают ток одной полярности и измеряют напряжения между верхним питающим проводом и потенциальным (средним) U₁, между нижним питающим проводом и потенциальным (средним) U₂, а при подаче тока другой полярности на плечо 1 двуплечего тензомостового датчика, измеряют напряжение между нижним (потенциальным) и средним (питающим) проводами . Значения давления и температуры определяют из соотношений:

где R_л сопротивление одного провода линии связи, [Ом]
Вычитая из уравнения (1) уравнение (2) и разрешая относительно ΔR_р получим

а давление определяют, заранее определив коэффициент пропорциональности K_p градуировкой тензодатчика в функции давления
P = K_p•ΔR_p. (5)
Подставив в уравнение (1) значения из уравнений (3) и (4) и разрешая его относительно ΔR_t получим:
,
где 2•U_o=2•1•R_ph падение напряжения на двуплечем тензомостовом датчике.

Тогда значение температуры определяется из соотношения
T = K_t•ΔR_t, (7)
определив заранее коэффициент Kt градуировкой тензодатчика в функции температуры.

Устройство для одновременного измерения давления и температуры одним датчиком содержит двуплечий датчик давления типа "КНС" с тензорезисторами 1 и 2, трехпроводную линию связи, которая представляет собой трехжильный кабель с сопротивлением каждой жилы 3, два нелинейных ключевых элемента (диода) 4, 5.

Устройство имеет двухполярный источник тока 6, быстродействующий многоканальный АЦП (МАЦП)7 и микропроцессорный блок 8 (МПБ).

Двуплечий датчик давления имеет равные номинальные значения сопротивлений тензорезисторов R_ph, которые получают равные и противоположные по знаку приращения сопротивлений от изменения давления и равные приращения сопротивлений тензорезисторов от изменения температуры, т.е. текущее значение сопротивления тензорезистора 1 определяется выражением
R_рн+ ΔR_p+ ΔR_t,
а тензорезистора 2 в этом случае выражением
R_рн- ΔR_p+ ΔR_t
при увеличении давления и температуры.

Выводы источника тока соединены с тремя входами МАЦП и тремя проводами линии связи с двуплечим тензомостовым датчиком. Причем первый вывод источника тока соединен непосредственно с первым входом МАЦП и через первый провод линии связи с первым плечом двуплечего тензомоста, а второй вывод источника тока одним концом соединен через плюс первого диода со вторым входом МАЦП и через третий провод линии связи с другим плечом двуплечего тензомоста, а другим концом через минус второго диода с третьим входом МАЦП и через второй провод линии связи с общей точкой плеч двуплечего тензомоста, выход МАЦП подключен к микропроцессорному блоку.

Устройство для реализации способа измерения давления и температуры одним датчиком работает следующим образом.

В момент подачи положительного импульса тока от источника тока 6 к двуплечему тензомостовому датчику напряжение U₁ на входе МАЦП равно
U₁= I•(R_рн+ΔR_р+ΔR_t+R_л), (8)
где R_л активное сопротивление одного провода линии связи, [Ом]
R_pn номинальное сопротивление тензодатчика (при отсутствии избыточного давления и заданной начальной температуре);
ΔR_p, ΔR_t приращение активного сопротивления тензорезистора соответственно от изменения измеряемых давления и температуры,
которое по команде, поданной на управляющий вход МАЦП 7 от МПБ 8 преобразуется в цифровой код N1, [Ом]
N1 = a•U₁= a•I•(R_рн+ ΔR_p+ ΔR_t+ R_л), (9)
где а коэффициент преобразования; 1/мА.

Затем на вход МАЦП 7 по команде от МПБ 8 подается напряжение U₂, которое определяют из соотношения
U₂= I•(R_рн-ΔR_р+ΔR_t+R_л). (10)
По команде, поданной на управляющий вход МАЦП 7, оно преобразуется в цифровой код N2, [Ом]
N2 = a•U₂= a•I•(R_рн- ΔR_p+ ΔR_t+ R_л). (11)
Далее, в момент подачи источником тока 6 отрицательного импульса тока к тензодатчику напряжение на входе МАЦП 7 равно

Оно преобразуется по команде, поданной на МАЦП 7 в цифровой код N3, [Ом]

Информация о напряжениях U₁, U₂, в виде кодов N1, N2, N3 последовательно поступает в микропроцессорный блок МПБ 8. В МПБ осуществляется определение приращений сопротивлений, вызванных изменением давления и температуры, по следующим алгоритмам

где 2•NO=2•a•U_o=2•a•I•Rt_ph - цифровой код, равный падению напряжения на двуплечем тензомостовом датчике (при отсутствии давления и заданной начальной температуре), [Ом]
Обеспечивая равенство а=1/I, получим алгоритмы приращений сопротивлений

Измеряемые одним датчиком параметры давление и температура - вычисляются умножением результатов на коэффициенты пропорциональности соответственно K_p и K_t, определяемые при снятии градуировочных характеристик датчика раздельно при действии давления и температуры

Измеряемая информация может быть выведена на отдельные блоки индикации давления и температуры, на печать или поступать на ЭВМ для дальнейшего хранения, обработки и использования.

Таким образом, способ и устройство измерения давления и температуры, например в скважинах, позволяет при измерении давления и температуры одним датчиком по трехпроводной линии связи (по трехжильному геофизическому кабелю), расширить область использования указанных датчиков, их функциональные возможности, повысить чувствительность точности измерения и упростить устройство за счет устранения влияния на точность измерений канала связи (активного сопротивления линии связи), отсоединения измерительной цепи от брони кабеля, на которой всегда присутствует ЭДС поляризации и электрохимический потенциал, меняющийся случайным образом, устранения ключевых элементов, подбор которых трудно обеспечить.

Использование одного двухполярного источника тока вместо трех, у которых трудно обеспечить равенство токов, упрощает функции микропроцессорного блока.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в нефтегазовой промышленности для исследования нефтяных и газовых скважин, а также для исследования высокотемпературных парогидротермальных скважин, предназначенных для получения пара из недр земли для геотермальных станций.

Источники информации
1. В. И.Ваганов. Интегральные тензопреобразователи. М. Энергоатомиздат, 1983, с. 133-135.

2. Л. И. Померанц, Д.В.Белоконь, В.Ф.Козляр. Аппаратура и оборудование геофизических методов исследования скважин. М. Недра, с. 197.

3. Г.Ю.Коловертнов, Н.А.Ишинбаев, Ю.Д.Коловертнов. Измерение давления и температуры в скважине одним датчиком. В сб. "Проблемы эффективности производства на северных нефтегазодобывающих предприятиях". Доклады и сообщения. М. 1995, (11 н.-т. конференция. Том 2, с. 6-8).

Использование: для измерения геофизических параметров в скважине в нефтяной и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: способ дистанционного измерения давления и температуры в скважине и устройство для его осуществления содержат подачу тока от двухполярного источника на двуплечий - тензомостовой датчик и измерение напряжений, по которым определяют температуру и давление с помощью математических выражений с учетом коэффициентов пропорциональности этих параметров. Выводы источника тока соединены трехпроводной линией связи с тремя входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к микропроцессорному блоку. При подаче положительного импульса тока измеряется напряжение между первым (верхним) проводом линии связи, питающим плечо тензомостового датчика, и средним потенциальным и между третьим (нижним) проводом линии связи и потенциальным средним, а при подаче отрицательного импульса на плечо тензомоста измеряется напряжение между потенциальным третьим или нижним проводом и питающим средним. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения давления и температуры в скважине одним датчиком, включающий подачу тока на датчик и измерение напряжений, по которым определяют значения измеряемых параметров, отличающийся тем, что при подаче положительного импульса тока измеряют напряжение между одним, питающим двуплечий тензомостовой датчик, проводом (верхним) и потенциальным (средним) U₁ и между другим, питающим двуплечий тензомостовой датчик, проводом (нижним) и потенциальным (средним) U₂, а при подаче отрицательного импульса тока на плечо тензомоста измеряют напряжение между потенциальным (нижним) и питающим проводом (средним) а значения давления и температуры определяют из соотношений


где Р, Т соответственно давление, кгс/см², и температура, ^oС, в месте нахождения скважинной части прибора;
I значение питающего тока, мА;
ΔR_p, ΔR_t - приращение активных сопротивлений тензодатчика от изменения измеряемых параметров давления и температуры, Ом;
K_P коэффициент пропорциональности давления, кгс/см² • Ом;
K_t коэффициент пропорциональности температуры, ^oC/Ом;
U₁, U₂, измеряемые напряжения, мВ;
U_o I • R_P н падение напряжения на двуплечем тензомостовом датчике при отсутствии давления и заданной начальной температуре, мВ;
R_P н номинальное сопротивление тензодатчика, Ом. 2. Устройство для измерения давления и температуры в скважине одним датчиком, содержащее тензопреобразователь давления, линию связи, источник тока, отличающееся тем, что выводы источника тока соединены с тремя входами многоканального аналого-цифрового преобразователя, причем первый вывод источника тока соединен непосредственно с первым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя, а через первый провод линии связи с первым плечом двуплечего тензомоста, а второй вывод источника тока одним концом соединен через "плюс" первого диода с вторым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя и через третий провод линии связи с другим плечом двуплечего тензомоста, а другим концом через "минус" второго диода с третьим входом многоканального аналого-цифрового преобразователя и через второй провод линии связи с общей точкой плеч двуплечего тензомоста, выход многоканального аналого-цифрового преобразователя подключен к микропроцессорному блоку.