СКВАЖИННЫЙ ТЕРМОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК E21B47/06 

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры в буровых скважинах.

Основное назначение устройства высокоточное измерение температуры в скважинах с целью решения следующих геофизических задач: определение величины теплового потока, построение температурного разреза верхней части земной коры, обнаружение аномальных изменений температуры в скважинах, вызванных притоками и перетоками флюидов внутри скважины.

Область применения устройства геофизические исследования скважин.

Известны скважинные термометры, содержащие чувствительный элемент в виде термистора или термосопротивления, который включен в мостовую или другую измерительную схему [1] Указанные термометры имеют, как правило, достаточно высокую чувствительность, что предопределило их широкое применение.

Основным недостатком скважинных термометров, использующих указанные температурные датчики, является то, что градуировочная характеристика их, как правило, нелинейна и может изменяться во времени. Поэтому, несмотря на высокую чувствительность, например, термисторов, практически невозможно повысить точность измерений температуры в скважинах. Вместе с тем известно, что снижение погрешности измерений температуры до 0,01-0,005^oC позволяет решить ряд важных геолого-геофизических задач. Не меньшее значение имеет и стабильность резистивно-температурной характеристики термометра, особенно при сопоставлении данных измерений по разным регионам, произведенным в разное время.

Все эти обстоятельства привели к разработке специальных устройств для градуировки термометров [2,3,4,5] В основном, используются два принципа построения этих устройств. Во-первых, использование контролируемых генераторов стабильной температуры [2] которые, как правило, весьма сложны в плане метрологического обеспечения, и поэтому не могут рассматриваться как основа для широкого применения. Во-вторых, использование температуры фазовых переходов, как реперных точек для градуировки термометров. При этом используется, например, принцип расплавления перемычки из определенного типа металла [3] использование специальных сосудов, заполненных расплавленным веществом с определенной температурой плавления, в которых последовательно во времени размещается градуируемый термометр [4] использование одновременно двух чувствительных элементов, один из которых располагается последовательно в одном из двух реперных материалов [5]
Наиболее близким по получаемому эффекту является устройство для измерения температуры [5] содержащее два идентичных термоэлектрических преобразователя (ТЭП). Первый ТЭП снабжен калибратором, содержащим первый и второй реперные материалы с различными, но известными температурами фазовых переходов. В устройстве получают две оценки погрешности второго измерительного канала, вычисляют коэффициент поправочной функции, в режиме измерения вычисляют скорректированное значение измерительного сигнала и осуществляют его индикацию.

К существенным недостаткам прототипа следует отнести наличие двух чувствительных элементов. Хотя в описании [5] указано, что эти элементы идентичны, известно, что временное старение термочувствительных элементов всегда индивидуально и со временем расхождение показаний этих, первоначально идентичных элементов, может существенно превышать требуемую погрешность измерений. Кроме того, сопоставление показаний термочувствительных элементов в двух точках не корректно ввиду присущей этим элементам нелинейности. Затруднена также реализация данного устройства, при всей его перспективности, для целей оперативной калибровки скважинных термометров.

Целью предлагаемого изобретения скважинного термометра является обеспечение его калибровки непосредственно в процессе измерений. Это достигается тем, что термометр содержит не менее трех капсул, расположенных одна в другой и заполненных легкоплавкими материалами, имеющими различную температуру плавления, а чувствительный элемент термометра расположен в пределах внутренней капсулы.

Общий вид скважинного термометра представлен на фиг.1. Три капсулы 1, 2, 3, имеющие различный диаметр, расположены одна в другой. Внутреннее пространство капсул 1, а также внутренний объем между стенками капсул 1 и 2, 2 и 3 заполнены различными легкоплавкими веществами с добавками активаторов, имеющими различную температуру плавления. Все три капсулы жестко удерживаются на термоустойчивом каркасе 7. В объеме внутренней капсулы 1 распложен термочувствительный элемент 8.

Принцип работы скважинного термометра с автоматической калибровкой состоит в следующем. При проведении температурных исследований в скважинах измерения температуры производят последовательно при спуске термометра. Температура флюида в скважине с глубиной увеличивается и, наконец, достигает величины, равной температуре фазового перехода вещества, расположенного, например, в первой (внутренней) капсуле. Вещество начинает плавиться, и термометр фиксирует первую реперную точку. При дальнейшем повышении температуры (увеличении глубины исследования) расплавившееся вещество продолжает нагреваться, и следующая реперная точка будет только тогда, когда температура достигнет точки плавления второго вещества, расположенного, например, в пространстве между первой и второй капсулами. При дальнейшем увеличении температуры аналогично будет зафиксирована и третья реперная точка. Таким образом, непосредственно в процессе измерений получены три реперных точки, стабильность температуры в которых фиксируется с высокой точностью, поскольку эти точки отражают температуру фазовых переходов различных веществ. Кроме того, в процессе калибровки задействована вся система измерений, включающая в себя соединительный кабель, измерительные мосты, АЦП, устройства обработки и отображения информации, то есть производится сквозная калибровка всей измерительной системы. Поэтому данная калибровка успешно работает при любых изменениях отдельных элементов системы, например, при изменении длины кабеля или его типа, при замене типа регистрирующего устройства и т.п.

Увеличение тепловой инерции термометра за счет увеличения массы несущественно, так как возможно использование достаточно малых количеств реперных веществ.

Испытания предлагаемого устройства проводились на рабочей модели термометра, в которой в качестве реперных веществ использовалась три металла: 1. Сплав калия и натрия, T 7,8^oC. 2. Галлий, T 29,78^oC. 2. Калий, T 63,55^oC.

Результаты градуировки термометра на калориметре представлены на фиг.2. Испытания проводились как при постоянном повышении температуры, так и при остывании калориметра. Как видно из графика фиг.2, все три реперные точки отчетливо фиксируются термометром.

На графиках фиг. 3. представлены результаты градуировки термистора на калориметре. Температурные градуировочные характеристики термистора, построенные по двум реперным температурным точкам (график 1) и по трем реперным точкам (график 2), показывают, что нелинейность температурной характеристики термистора достигает 26% Невозможность учета этого эффекта по градуировке в двух точках, как это предлагается в [5] очевидно должно приводить к большим погрешностям измерения температуры.

Результаты испытания термометра в условиях скважины представлены на фиг. 4. Так же, как и при лабораторных испытаниях, на кривой фиг.4 отчетливо наблюдаются реперные точки. При этом для любых отклонений параметров измерительной системы возможно построение независимой градуировочной кривой.

Таким образом, применение данного устройства позволяет существенно снизить погрешность температурных измерений в скважинах, а также проводить сопоставительный анализ данных, полученных при разновременных измерениях, и исследований, проведенных, например, с другим типом регистрирующей аппаратуры.

Литература
1. Казанцев С.А. Дучков А.Д. Чазов С.И. Устройство для измерений температуры в скважинах. /А.С. 1148992, СССР, кл. E 21 B 47/06, Б.И. 1985, N 13.

2. Котельников Л.И. Устройство для градуировки скважинных преобразователей. /А.С. 1061118, СССР, кл. G 05 D 23/30, 1984.

3. Bongiovanni G. Perissi R. Thermocouple calibration by the wire brige technique./ 2 Symp. Temp. Meas. Ind. Sci. Suhl. Ilmenau, 1984, s. 245-255.

4. Moser A. Bonner G.-Etalonnage des capteurs de temperature par la methode des micro-cellules: Application aux thermocoples gaines. /Bull. Nat. Metrol./ 1988, V. 19, N 74, s. 7-10.

5. Поздняков Ю. В. Рак И.С. и др. Устройство для измерения температуры /А.С. 1434279, СССР, кл. G 01 K 7/02, Бюлл. N 40, 1988.

Применение: для высокоточного контроля температуры в скважинах при геофизических исследованиях. Сущность изобретения: скважинный термометр содержит термочувствительный элемент, расположенный во внутренней из трех, вложенных одна в другую капсул, заполненных легкоплавкими материалами, имеющими различную температуру плавления. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Скважинный термометр, содержащий термочувствительный элемент и регистрирующую схему, отличающийся тем, что чувствительный элемент расположен в объеме внутренней из трех вложенных одна в другую капсул, которые заполнены легкоплавкими материалами, имеющими различную температуру плавления. 2. Термометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве материалов для заполнения капсул используются сплав калия и натрия, галлий и калий.